JP3635531B2 - 継目無管製造用工具及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は継目無管製造工程で使用される穿孔、延伸用工具とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
継目無鋼管の製造方法の一つとしてマンネスマン・プラグミル方式がある。本方式は所定温度に加熱された丸鋼片（ビレット）を高温度下で穿孔圧延機（ピアサー）によって穿孔圧延して中空素管とする穿孔工程と、該中空素管をエロンゲータとプラグミルを使用して管軸方向に延伸、拡管させる延伸拡管工程とからなっている。従って、これらの圧延工程では、管内面側を圧延するために耐熱性、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れた内面圧延用工具（プラグ、マンドレル等）が必要となる。
【０００３】
従来、内面圧延用工具、特に穿孔圧延用工具（ピアサープラグ）としては１Ｎｉ３Ｃｒ鋼，熱間工具鋼ＳＫＤ６２等を素材としてプラグ表面に熱処理によってスケール層を生成させて圧延材との焼き付き防止を図った工具が使用されていた。しかし、穿孔圧延ではビレットをロールで回転させながらビレット端部にピアサープラグを押し当てて穿孔圧延を行うことで中空素管を製造するため、プラグ先端は１１００℃以上の高温に晒されるため上記した材料ではプラグの高温強度が十分でない。また、高Ｃｒ鋼等の熱間変形抵抗の高い鋼を穿孔圧延する場合はプラグ先端部に炭素鋼に比較して高い面圧がかかるためプラグ表面に生成させたスケール層が容易に摩耗、損傷し、焼き付きが発生してプラグ先端部が溶損変形する等の問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決することを目的とした技術が特公昭６３−５８９０５号公報、特開平７−６０３１４号公報に開示されている。
【０００５】
これらのうち、特公昭６３−５８９０５号公報に記載の技術はＮｉ，ＣｒをベースにＷ，Ｃｏ，Ｍｏ等を添加し、更にプラグ表面に酸化皮膜を生成させて高温強度を向上させたものであるが、１３Ｃｒ鋼やステンレス鋼等の圧延では顕著な工具寿命の延長効果は得られていない。特開平７−６０３１４号公報に記載の技術は０．２５％Ｃ，３％Ｃｒ，１％Ｎｉ鋼をベースとしてプラグ表面スケールの緻密化、プラグ表面層の軟化抑制、圧延後のプラグ急冷時の割れ防止を目的としてＮｉ、Ｍｎ添加量の増大、Ｍｏ、Ｗ量の抑制を図るとともに、１０００ミクロンまでの酸化スケール層を生成させたものであるが、厚いスケール層の形成はスケール層内に空孔や偏析部を生じて母材とスケール層界面の密着性が低下し、かえってスケール層が剥離しやすくなるため工具寿命の延長効果は得られていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来技術の問題に鑑みなされたもので、１３Ｃｒ鋼やステンレス鋼等の高合金鋼を穿孔圧延する際に優れた耐熱性、耐摩耗性、耐スケール剥離性を示す継目無管製造用工具及びその製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下に示す第一、第二、第三、第四の発明によって解決される。
【０００８】
第一の発明は、mass％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｃｒ：０．３〜１％、Ｍｏ：１〜３％、Ｗ：２〜４％、Ｎｂ：０．２〜０．７％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２〜０．２％を含有しＣｕ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．００１〜０．０５％、Ｓｂ：０．００１〜０．０５％の１種または２種以上を含み、残部実質的にＦｅからなり、表層に酸化スケール層を有することを特徴とする継目無管製造用工具である。
【０００９】
第二の発明は、mass％で、Ｃｏ：５％以下を更に含有する第一の発明に記載の継目無管製造用工具である。
【００１０】
第三の発明は、mass％で、Ｖ：０．５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｌａ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．０５％以下、Ｙ：０．０５％以下の１種または２種以上を更に含有する第一の発明または第二の発明に記載の継目無管製造用工具である。
【００１１】
第四の発明は、第一、二または三の発明に記載の成分組成を有する工具成形体を酸化雰囲気中で、９５０〜１１５０℃の加熱温度で４時間以上加熱保持後、６００℃以下の温度まで徐冷し、その後放冷することを特徴とする継目無管製造用工具の製造方法である。
【００１２】
尚、これらの手段において、「残部が実質的にＦｅである」とは、本発明の作用効果を無くさない限り、不可避不純物をはじめ、他の微量元素を含有するものが本発明の範囲に含まれ得ることを意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明者らは継目無管製造用工具、主にプラグ表面に生成される酸化スケール層が工具と圧延材との間に潤滑効果をもたらし、工具の焼付きを防止する効果があることに着目し、本発明をなしたものである。
【００１５】
上記した潤滑効果は、プラグ表面への酸化スケール付け熱処理時に生成するＳｉを主体とする低融点化合物が工具温度の上昇によって溶融することによってもたらされる。Ｓｉは母材の酸化抵抗を増大させて酸化スケールの成長を抑制する元素であるが、０．３mass％を超えて添加すると偏析してファイヤライトのような低融点化合物を多数生成し上記の潤滑効果を発揮するが、酸化スケール層中で低融点化合物が選択的に溶融するために酸化スケール層と母材との密着性を低下させる。従って、低Ｓｉ化は酸化スケール層の密着性を向上させる効果があるが、酸化スケール層の潤滑効果を阻害し工具の焼付きを発生させることを知見した。そこで、本発明者らは、Ｓｉに代わって酸化スケール層の潤滑効果を発揮する元素として低融点金属であるＣｕ，Ｂｉ，Ｓｂに着目しその添加効果について検討を行った結果、これら元素を少量添加するだけで酸化スケール層に微細分散して潤滑性能を向上させ、一方において酸化スケール層の厚さを増加させても母材との密着性は低下しないことを見出し本発明をなしたものである。即ち、Ｓｉ、Ｃｕ，Ｂｉ，Ｓｂ添加量を制御することにより、酸化スケール層と母材との密着性が高く、均一で高い潤滑性能を具備した酸化スケール層を工具表面に生成させることができ、これにより工具寿命の大幅な延長が可能となる。従って、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｓｂの添加量は以下とする。尚、以下の記載において成分％はmass％を意味する。
【００１６】
Ｓｉは脱酸材としての効果があるが０．１％未満では脱酸効果が得られないこと、０．３％超えでは低融点化合物が偏析しスケールの耐剥離性を劣化させるのでＳｉ添加量は０．１％以上０．３％以下とする。
【００１７】
Ｓｉ添加量を上記の範囲として更に、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｃｕの１種または２種以上を以下の条件で添加する必要がある。
【００１８】
Ｂｉはスケール中で低融点化合物として存在し、微細分散して潤滑性能を高める。０．００１％未満ではその効果が小さく、０．０５％を超えると脆化層が析出し工具寿命低下の原因となる。従って、Ｂｉ添加量は０．００１％以上０．０５％以下とする。なお、潤滑効果をより発揮するには０．００５％以上０．０２％以下とするのが好ましい。
【００１９】
Ｓｂもスケール中で低融点化合物として存在し微細分散して潤滑性能を高める。０．００１％未満ではその効果が小さく、０．０５％を超えると脆化層が析出し工具寿命低下の原因となる。従って、Ｓｂ添加量は０．００１％以上０．０５％以下とする。なお、潤滑効果をより発揮するには０．００５％以上０．０２％以下とするのが好ましい。
【００２０】
Ｃｕは工具の強度を高めるとともに、スケール中で低融点化合物として存在し、微細分散して潤滑性能を向上させる。しかし、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．３％を超えると使用中に割れが発生し易くなる。従って、Ｃｕ添加量は０．０１％以上、０．３％以下とする。
【００２１】
次に、その他の成分の限定理由について述べる。
【００２２】
Ｃは高温強度を高めるために添加されるが０．１ｗｔ．％未満ではその効果が小さく、０．４ｗｔ．％を超えると使用中に割れが発生し易くなり工具寿命を低下させる原因となる。従って、Ｃ添加量は０．１％以上、０．４％以下とする。
【００２３】
Ｍｎは高温強度を高めるとともに、靭性の低下を抑制する効果がある。しかし、０．３％未満ではその効果が小さく、１％を超えるとその効果が減少する。従って、Ｍｎ添加量は０．３％以上１％以下とする。また、上記観点からして、より好ましくは０．４％以上、０．６％以下である。
【００２４】
Ｎｉは酸化スケール中に未酸化状態で残留し、スケールと母材の密着性を向上させるとともに、高温域での靭性劣化を抑制して高温強度を向上させる。しかし、０．５％未満ではその効果が低く、３％を超えるとコスト高となる。従って、Ｎｉ添加量は０．５％以上、３％以下とする。
【００２５】
Ｃｒは密着性、断熱性に優れた酸化スケールを生成し、かつ高温強度を向上させる効果がある。しかし、０．３％未満ではその効果が小さく、１％を超えると酸化スケールが成長しにくくなる。従って、Ｃｒ添加量は０．３％以上、１％以下とする。
【００２６】
Ｍｏは鋼の高温強度の向上に有効な元素であり、またスケール中に残存することで、スケールの強度を上昇させるとともに、母材とのスケールの密着性を上昇させる効果をもつ元素である。添加量が１％未満ではその効果が小さく、３％を超えると工具の使用中に割れが発生し易くなり、またスケールの生成も抑制されるために工具寿命の低下の原因となる。従って、Ｍｏ添加量は１％以上、３％以下とする。
【００２７】
Ｗも鋼の高温強度の向上に有効な元素であり、またスケール中に残存することでスケールの強度を上昇させるとともに母材とのスケールの密着性を上昇させる効果をもつ。添加量が２％未満ではその効果が小さく、４％を超えると工具の使用中に割れが発生し易くなり、またスケールの生成も抑制されるために工具寿命の低下の原因となる。従って、Ｗ添加量は２％以上、４％以下とする。
【００２８】
Ｎｂは鋼の高温強度の向上に有効な元素であるが、０．２％未満ではその効果が小さく、０．７％を超えるとその効果が低減する。従って、Ｎｂ添加量は０．２％以上、０．７％以下とする。
【００２９】
Ｔｉも鋼の高温強度の向上に有効な元素であるが、０．０５％未満ではその効果が小さく、０．２％を超えるとその効果が低減する。従って、Ｔｉ添加量は０．０５％以上、０．２％以下とする。
【００３０】
ｓｏｌ．Ａｌは脱酸元素であり鋼の延性、靭性を確保するうえで必要な元素である。本発明はＳｉ添加量が少ないのでＳｉによる脱酸効果が低く、ｓｏｌ．Ａｌが０．０２％未満では脱酸不良を発生しガス欠陥の発生原因となる。一方、０．２％を超えて添加してもその効果が飽和し、逆に、延性、靭性の低下を生じる。従って、ｓｏｌ．Ａｌ添加量は０．０２％以上、０．２％以下とする。
【００３１】
上記成分に更に、Ｃｏを添加することも有効である。Ｃｏは母材の高温強度を向上させると共に、スケール付け熱処理後も内層スケール中に残留し、母材とスケールの耐剥離性を向上させる効果があるからである。その場合、Ｃｏ添加量は５％を超えるとコスト上昇に見合う高温強度、耐剥離性の向上が期待できないので添加量は５％以下とするのがよい。
【００３２】
更には、Ｖ：０．５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｌａ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．０５％以下、Ｙ：０．０５％以下の１種または２種以上を添加することも有効である。これら元素は化合物として母材中に微細分散し母材強度を向上させるからである。しかし上記した上限値を超えて添加すると脆化相の析出を生じて靭性の劣化を招くので、Ｖは０．５％以下、Ｂは０．０５％以下、Ｌａは０．０５％以下、Ｃｅは０．０５％以下、Ｙは０．０５％以下とする必要がある。
【００３３】
次に、工具表面への酸化スケール生成のための好ましい熱処理条件について述べる。
【００３４】
酸化スケールによる十分な潤滑、断熱性能を発揮させるためには、上記した母材成分組成とともにスケール層は厚さ３００ミクロン以上とするのが望ましい。このような工具表面への酸化スケール生成のための熱処理条件としては、９５０℃以上１１５０℃以下の加熱温度範囲で４時間以上加熱保持することが好ましい。
【００３５】
加熱保持温度が１１５０℃を超えるとポーラスな酸化スケール層となりやすいので加熱温度は１１５０℃以下とするのがよい。一方、加熱温度が９５０℃未満では酸化スケール層の生成に長時間を要するので加熱温度は９５０℃以上とするのがよい。なお、特に緻密な酸化スケール層を生成するには加熱温度は９８０℃以上１１００℃以下とするのがより好ましい。
【００３６】
加熱保持時間については、３００ミクロン以上の厚い酸化スケール層を生成するには上記した温度で４時間以上加熱することが望ましい。
【００３７】
更には、緻密で３００ミクロン以上の厚い酸化スケール層を生成するには加熱炉内の酸素濃度も制御することが好ましい。基本的に酸化スケール層の生成を目的とするので加熱炉内の雰囲気は酸化雰囲気であればよいが、加熱炉内の酸素濃度が高過ぎるとポーラスな酸化スケール層を生成し易いので、加熱炉内の酸素濃度は１０％以下とするのが望ましい。
【００３８】
【実施例】
以下に本発明の具体的実施例について説明する。
（実施例１）
表１に示す成分組成の鋼を５００ｋｇ高周波誘導加熱炉により大気溶解し、最大直径１０５ｍｍのピアサープラグを鋳造した。該鋳造ピアサープラグは被圧延材と接触する部分を機械切削により仕上げ加工した後、酸化雰囲気中でスケール付け熱処理を行い１３Ｃｒ継目無鋼管の熱間圧延に供した。
【００３９】
ピアサープラグ表面のスケール層厚みの測定は、供試ピアサープラグと同一成分の試験材を供試ピアサープラグと同時に熱処理をし、この試験材のスケール層厚みの測定を行うことにより行った。
【００４０】
ピアサープラグ表面への酸化スケール付け熱処理では、炉内を水蒸気雰囲気として、加熱温度９８０℃で６時間保持後６００℃まで徐冷しその後大気放冷した。
【００４１】
１３Ｃｒ継目無鋼管の熱間圧延は直径１７０ｍｍ、長さ３２８０ｍｍの丸鋼片を穿孔圧延機（ピアサー）にて穿孔し、直径１７４ｍｍ、肉厚３０ｍｍ、長さ５７００ｍｍの中空素管を製造した。
【００４２】
ピアサープラグの寿命は１パス毎のピアサープラグ頭部または、胴部の変形の有無、焼き付きによるピアサープラグ表層部の損傷の有無、ピアサープラグ割損の有無によりピアサープラグを使用出来なくなった時の圧延パス回数で評価した。
【００４３】
表２に、熱処理条件、スケール厚み、使用可能パス回数、耐用度を示す。Ｎｏ．１〜１５が本発明であり、Ｎｏ．１６〜２０が比較例である。
【００４４】
【表１】

【００４５】
【表２】

【００４６】
比較例であるＮｏ．１６はＣ及びＭｏ添加量が高過ぎて穿孔圧延中にピアサープラグが割損し使用不能となった。Ｎｏ．１７はＳｉ添加量が高過ぎてスケール層の密着性が劣化し１パス当たりのスケール層の消耗が激しくピアサープラグに焼付が発生して耐用度が低下した。Ｎｏ．１８はＳｉ及びｓｏｌ．Ａｌ添加量が低く溶鋼の脱酸不足により鋳造品にガス欠陥が発生し製品を採取できなかった。Ｎｏ．１９はＣｕ，Ｂｉ，Ｓｂの何れも添加されていないためにスケール層の潤滑性が低下し穿孔圧延中のスケール層の消耗が激しくピアサープラグに焼付が発生して耐用度が低下した。Ｎｏ．２０はＴｉ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｓｂの何れも添加されていないためにピアサープラグの高温強度が低下するとともにスケール層の潤滑性も低下したために耐用度が激減した。
【００４７】
一方、本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．１５は成分組成が本発明の範囲を全て満足するのでスケール層の厚さも３００ミクロン以上が得られ使用可能パス回数が飛躍的に向上している。
（実施例２）
次に、ピアサープラグの表面にスケール付け熱処理を行う場合の熱処理条件のピアサープラグの耐用度への影響を調査した。
【００４８】
表３に示す成分組成の鋼を５００ｋｇ高周波誘導加熱炉により大気溶解し、実施例１と同様に最大直径１０５ｍｍのピアサープラグを鋳造した。該鋳造ピアサープラグは被圧延材と接触する部分を機械切削により仕上げ加工した後、酸化雰囲気中でスケール付け熱処理を行い１３Ｃｒ継目無鋼管の熱間圧延に供した。
【００４９】
ピアサープラグ表面への酸化スケール付け熱処理は、炉内を水蒸気雰囲気として、加熱温度を８００〜１２００℃まで変化させるとともに加熱保持時間も２〜８時間に変化させて加熱処理を行つた後６００℃まで徐冷しその後大気放冷した。
【００５０】
上記工程により制作したピアサープラグを１３Ｃｒ継目無鋼管の熱間圧延に供した結果を表４に示す。
【００５１】
【表３】

【００５２】
【表４】

【００５３】
供試鋼Ａ，Ｂは何れも本発明の成分組成を満足する鋼種である。比較例Ｎｏ．１は加熱保持時間が短くスケール層の厚さが薄く穿孔圧延中に焼付を発生し耐用度が低下した。比較例Ｎｏ．２、Ｎｏ．４は加熱温度が低くスケール層の生成が十分でなく目的とした効果が得られなかった。比較例Ｎｏ．５は加熱温度が高過ぎて、Ｎｏ．６は加熱温度が高過ぎるとともに加熱保持時間も短いために、何れもスケール層の緻密性が低下し使用可能パス回数は低い値となった。一方、本発明であるＮｏ．３、Ｎｏ．７は加熱温度、加熱保持時間ともに本発明の範囲にあるので緻密なスケール層が得られ使用可能パス回数が飛躍的に向上した。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、耐熱性、耐摩耗性、耐スケール剥離性に優れているので緻密且つ潤滑性能に優れた３００ミクロン以上のスケール層厚さを保持した工具が得られるので、１３Ｃｒ鋼やステンレス鋼等の高合金継目無鋼管を穿孔圧延する継目無鋼管製造用工具に使用可能である。

Claims (4)

1. mass％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｎｉ：０．５〜３％、Ｃｒ：０．３〜１％、Ｍｏ：１〜３％、Ｗ：２〜４％、Ｎｂ：０．２〜０．７％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２〜０．２％を含有しＣｕ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．００１〜０．０５％、Ｓｂ：０．００１〜０．０５％の１種または２種以上を含み、残部実質的にＦｅからなり、表層に酸化スケール層を有することを特徴とする継目無管製造用工具。
2. mass％で、Ｃｏ：５％以下を更に含有する請求項１記載の継目無管製造用工具。
3. mass％で、Ｖ：０．５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｌａ：０．０５％以下、Ｃｅ：０．０５％以下、Ｙ：０．０５％以下の１種または２種以上を更に含有する請求項１または請求項２記載の継目無管製造用工具。
4. 請求項１，２または３に記載の成分組成を有する工具成形体を、酸化雰囲気中で、９５０〜１１５０℃の加熱温度で４時間以上加熱保持後、６００℃以下の温度まで徐冷し、その後放冷することを特徴とする継目無管製造用工具の製造方法。