JP3871898B2

JP3871898B2 - 熱間粉体潤滑剤組成物およびそれを用いた熱間加工方法

Info

Publication number: JP3871898B2
Application number: JP2001144359A
Authority: JP
Inventors: 健一篠木; 純生飯田; 和雄田中; 静男森
Original assignee: Palace Chemical Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Palace Chemical Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: JP2002338985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば継目無管の製造過程におけるマンドレルミル圧延において、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いた圧延時に有効な熱間粉体潤滑剤組成物およびそれを用いた熱間加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばマンドレルミル圧延は、継目無管の製造過程において、前工程で穿孔された１０００〜１３００℃の中空素管にマンドレルバーを挿入し、数段の孔型ロール（通常５〜８段）により所定の肉厚に圧延し、引き伸ばす工程である。
【０００３】
このマンドレルバーは、通常、熱間工具鋼（ＳＫＤ６又は同等の鋼種）が使用され、その表面には工具の寿命や焼付きを考慮して、熱処理によりいわゆるスケール付けを施したスケール肌となされたり、Ｃｒめっきが施されている。
【０００４】
そして、前記したようなマンドレルバーを用いて中空素管が引き伸ばされる時、中空素管の内面とマンドレルバー表面の間に相対滑りが生じるので、圧延時、中空素管の内面やマンドレルバーの表面に潤滑剤が塗布されるが、この潤滑剤のうち、マンドレルバーの表面に塗布して使用される潤滑剤として、特開昭５０−１４４８６８号のような黒鉛を主体としたいわゆる黒鉛系潤滑剤や、特開昭６４−１６８９４号のような酸化物系層状物質を主体とした非黒鉛系組成物が知られている。
【０００５】
一方、中空素管の内面に付着させて使用する潤滑剤としては、特公平７−８４６６７号のような潤滑性を備えた酸洗い剤、特開平６−１８４５７３号のような黒鉛と炭酸ナトリウムの２成分系潤滑剤が知られているが、これらは何れも表層部にＣｒめっき等のＣｒ層を有するマンドレルバーを想定したものではないので、Ｃｒ層の摩耗抑制に対して劣り、工具すなわちマンドレルバーの寿命が短くなる。
【０００６】
一方、Ｃｒめっきを施したマンドレルバーを想定した潤滑剤としては、特開平８−４１４７４号のような金属炭酸塩、アルカリ金属カルボン酸塩を主体とした潤滑剤、特開２０００−２２６５９１号のようなアルカリ金属硼酸塩、鉄の酸化物を主体とした潤滑剤が知られている。
【０００７】
このうち、特開平８−４１４７４号で提案されたものは、摩擦係数の低減と焼付き防止によって工具寿命の延長を図るものであり、Ｃｒめっきの腐食摩耗については全く考慮されていない。
【０００８】
また、特開２０００−２２６５９１号で提案されたものは、腐食摩耗については考慮されているものの、積極的に腐食を抑制するものではない。特に硫酸ナトリウムのように腐食を促進するような物質の配合はＣｒめっきの腐食摩耗の要因となり、結果的に工具寿命が短くなる。
【０００９】
前記したようなマンドレルバーのうち、表面にＣｒめっきを施したマンドレルバー（以下、「Ｃｒめっきバー」という。）を使用したマンドレルミル圧延では、マンドレルバーの寿命が非常に重要な要因となる。
【００１０】
マンドレルバーの寿命が短いと、製管中にめっきの剥離が生じ、製品内面に焼付き疵が発生して製品不良をきたすからである。特に１３％Ｃｒ鋼のような高合金鋼のように圧延荷重の高い条件においては、前記したような従来の潤滑剤ではＣｒめっきバーの寿命は十分ではなく、安定した品質が得られない。
【００１１】
ところで、マンドレルミル圧延のような高温条件下でのＣｒめっきの摩耗は、凝着摩耗（焼付きによる摩耗）、疲労摩耗（繰返し接触による材料内部の疲労）、アブレシブ摩耗（凹凸部の噛み合いや引っかき、或いは、研磨作用による摩耗）、及び、腐食摩耗の全ての形態が考えられる。
【００１２】
このうち、凝着摩耗に対しては、黒鉛などの固体潤滑剤を摩擦面に介在させ、金属−金属接触を防止することによって軽減することが可能である。
また、疲労摩耗に対しては、黒鉛等の固体潤滑剤や高温で流体となる珪酸ナトリウム、粉末ガラス、硼酸ナトリウム等を使用し、摩擦係数を小さくすることによって軽減することが可能である。
【００１３】
また、アブレシブ摩耗に対しては、中空素管の内面に発生したスケールのような硬い物質が悪影響を及ぼすことから、前記したような硬い物質を溶融する物質を使用することが好ましい。また、スケールや砂のような硬い物質を配合しないことも重要である。しかしながら、スケールを素早く溶融するような物質は、反応性が良いことから、Ｃｒめっきとも反応（腐食）することが考えられる。
【００１４】
Ｃｒめっきの表層は、通常は酸化クロムで覆われ、不働態化していて腐食し難い状態になっているが、高温において硼酸ナトリウム等のように酸化金属を溶融する物質と接触すると、Ｃｒめっき表面の酸化クロムが溶融し、一種の腐食摩耗を引き起こす。このような状況が圧延の都度繰返し発生するために、Ｃｒめっきが摩耗することになる。しかしながら、従来は、このような高温、高圧において、腐食摩耗が発生していることすら明らかにされていなかったので、当然にＣｒ層の腐食を防止することはできなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具の寿命を延長し、良質の安定した製品内面品質を得ることができる熱間粉体潤滑剤組成物およびそれを用いた熱間加工方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物は、硼酸ナトリウムの無水塩が３０〜８０質量％、或いは、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方が４０〜８９質量％、或いは、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩、１０水塩を２種以上混合した割合に応じて前記配合比から求めた下限値および上限値からなる範囲と、炭酸ナトリウムが５〜３０質量％と、炭酸カルシウム又は蛍石の１種以上が１〜２０質量％と、脂肪酸のＮａ塩又は脂肪酸のＣａ塩の１種以上が５〜２５質量％とからなることとし、望ましくは、硼酸ナトリウムを除いたＣａとＮａの質量百分率の比が１：０．５〜１：５の範囲であることとしている。そして、このようにすることで、潤滑性を損なうことなく良質の安定した製品内面品質を得ることができ、しかも、表層のＣｒ層の腐食損耗を抑制できて熱間工具の寿命を延長することができるようになる。
また、本発明に係る熱間加工方法は、穿孔圧延されて１０００〜１３００℃となった中空素管を、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いて熱間加工する方法であって、この中空素管の内面に、少なくとも片端から素管内面に上記の熱間粉体潤滑剤組成物を吹き込んだのち、熱間工具を用いて加工することとしている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記したような従来の熱間粉体潤滑剤組成物にあった問題点に対し鋭意検討の結果、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いた熱間加工において、潤滑性を損なうことなく良質の安定した製品内面品質を得ることができ、しかも、表層部のＣｒ層の腐食損耗を抑制できて熱間工具の寿命を延長することができる熱間粉体潤滑剤組成物を発明した。
【００１８】
すなわち、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物は、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いた熱間加工において使用する潤滑剤組成物であって、硼酸ナトリウムの無水塩が３０〜８０質量％、或いは、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方が４０〜８９質量％、或いは、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩、１０水塩を２種以上混合した割合に応じて前記配合比から求めた下限値および上限値からなる範囲と、炭酸ナトリウムが５〜３０質量％と、炭酸カルシウム又は蛍石の１種以上が１〜２０質量％と、脂肪酸のＮａ塩又は脂肪酸のＣａ塩の１種以上が５〜２５質量％とからなるものであり、必要に応じて、硼酸ナトリウムを除いたＣａとＮａの質量百分率の比を１：０．５〜１：５の範囲とする。
【００１９】
本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物を採用すれば、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いた熱間加工において、１０００〜１３００℃といった高温の熱間加工面に付着した場合には、瞬時に溶融して加工面に発生したスケールをも融解しながら液体状になって加工面に広がる。この際、継目無管の製造においては、中空素管の回転によってより一層均一に広がることになり、潤滑性を損なうことなく良質の安定した製品内面品質を得ることができる。しかも、表層のＣｒ層の腐食損耗を抑制できて熱間工具の寿命を延長することができるようになる。
【００２０】
本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物において、硼酸ナトリウムは流体潤滑性とスケール溶解性のために配合するものである。しかしながら、硼酸ナトリウムの無水塩を１種使用する場合に３０質量％未満の場合や、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方を１種使用する場合は４０質量％未満の場合には、他成分が多くなり、流体潤滑性、スケール溶解性が損なわれる。また、硼酸ナトリウムの無水塩を１種使用する場合に８０質量％を超えた場合や、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方を１種使用する場合に８９質量％を超えた場合には、他成分が少なくなり、粉体時の固化性または流動性が損なわれたり、高温流動性が悪化するばかりか、Ｃｒめっきの腐食摩耗が抑制できなくなる。
【００２１】
従って、本発明では、硼酸ナトリウムの無水塩を１種使用する場合には３０〜８０質量％と、また、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方を１種使用する場合には４０〜８９質量％とした。本発明者らの実験・研究によれば、硼酸ナトリウムの無水塩を１種使用する場合は４０〜７０質量％配合した場合に、また、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方を１種使用する場合は５０〜８０質量％配合した場合により好ましい結果が得られた。
【００２２】
本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物においては、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩、１０水塩を２種以上混合したものを使用しても良いが、その場合はその混合割合に応じて前記した配合比から求めた範囲とする。
【００２３】
また、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物において、炭酸ナトリウムは高温流動性を良くするために配合される。しかしながら、炭酸ナトリウム配合比が５質量％未満では粘性を充分に低くすることができず、流動性が悪化する。また、３０質量％を超えた場合には、粘性が低くなりすぎて潤滑性が悪化するばかりか、Ｃｒめっきの腐食摩耗を抑制できなくなる。従って、本発明では炭酸ナトリウムを５〜３０質量％配合することにした。本発明者らの実験・研究によれば、１０〜２０質量％の場合により好ましい結果が得られた。
【００２４】
また、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物において、炭酸カルシウムや蛍石はＣｒ層の腐食摩耗を防止するために配合するものである。炭酸カルシウムや蛍石は、潤滑性を損なうことなくスケール（酸化鉄）と同様の作用を示すからである。しかしながら、配合量が１質量％未満では、Ｃｒ層の腐食摩耗を抑制できなくなる。また、２０質量％を超えると粘性が大きくなり、広がり性が悪化して加工面に均一に付着させることができなくなる。そこで、本発明では、炭酸カルシウム又は蛍石の１種以上を１〜２０質量％とした。本発明者らの実験・研究によれば、３〜１５質量％配合した場合に、より好ましい結果が得られた。
【００２５】
蛍石を採用する場合、当該蛍石はＣａＦ₂ の含有量が７０質量％以上であれば使用可能で、８０質量％以上含有されていることが好ましい。ＣａＦ₂ がこの含有量より少ないと上記した作用を得られなくなるからである。
【００２６】
例えばＣｒめっきバーを使用した継目無管の圧延においては、被圧延材が普通鋼の場合はＣｒめっきバーは比較的摩耗し難いが、被圧延材がステンレス鋼のようなスケールを発生し難い材料の場合にはＣｒめっきバーの摩耗は激しくなる。
【００２７】
被圧延材が普通鋼の場合にＣｒめっきバーが摩耗し難いのは、ステンレス鋼（含む１３Ｃｒ鋼）等を圧延する場合と比較して圧延時の負荷が軽いこともあるが、被圧延材が普通鋼の場合にはＣｒめっき表層の酸化クロムを腐食し難くなるためと考えられる。
【００２８】
継目無管の圧延を例にとると、酸化クロムを溶融する硼酸ナトリウムは、マンドレルバーに接触する前に素管内に投入され、スケールすなわち酸化鉄を溶融する。この現象によって硼酸ナトリウムは酸化クロムを溶融する性質が劣化するものと考えられる。
【００２９】
しかしながら、被圧延材がステンレス鋼のようにスケールを発生しない材料では、硼酸ナトリウムは中空素管内に投入されたほぼそのままの状態であるから、酸化クロムを溶融する性質は劣化していない。このことから、被圧延材が普通鋼の場合でも硼酸ナトリウムが過剰な場合は当然に酸化クロムを溶融する性質を備えていることになる。
【００３０】
また、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物において、脂肪酸のＮａ塩や脂肪酸のＣａ塩は、粉体時の潤滑剤の良好な性質を保持するために必須である。しかしながら、その配合量が５質量％未満では搬送時の流動性が悪化するばかりか、固化してしまう。また、２５質量％を超えた場合には、他の有効成分が少なくなって本発明の目的を達成できなくなる。そこで、本発明では５〜２５質量％とした。本発明者らの実験・研究によれば、８〜２０質量％配合した場合に、より好ましい結果が得られた。
【００３１】
本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物において、使用可能な脂肪酸のＮａ塩またはＣａ塩としてはステアリン酸、パルミチン酸等の飽和脂肪酸の塩、或いは、天然の植物油脂から得られる脂肪酸、例えばパーム油脂肪酸、パーム核油の脂肪酸及び動物油脂から得られる脂肪酸、例えば牛脂脂肪酸等の塩が挙げられる。
【００３２】
ところで、前記した脂肪酸のＮａ塩や脂肪酸のＣａ塩は、高温の加工面に付着した時に、燃焼又は分解ガスにより潤滑剤の分散性をより良好ならしめ、最終的にはＮａ₂ Ｏ及びＣａＯになり、Ｎａ₂ Ｏは炭酸ナトリウムと同様の作用、ＣａＯは炭酸カルシウムと同様の作用を示す。
【００３３】
従って、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物においては、各素材の配合量は上記した範囲内において潤滑剤の粉体時の性質と高温時の性質を考慮し、適宜決定することになる。このことは、脂肪酸のＮａ塩と脂肪酸のＣａ塩の配合比も同様である。
【００３４】
また、硼酸ナトリウムの１０水塩は保管中に粉体温度が５０℃以上に上昇すると、結晶水を放出するため、脂肪酸のＮａ塩が多量に配合されていると、固化する傾向がある。また、脂肪酸のＣａ塩を多量に使用した場合は、炭酸カルシウムの配合量を調整し、硼酸ナトリウムを除いたＣａとＮａの質量比を１：０．５〜１：５の範囲にすることが望ましい。Ｃａが１に対してＮａが０．５より少なすぎると、広がり性が悪化するからである。また、Ｃａが１に対してＮａが５より多すぎるとＣｒ層の腐食を防止できないからである。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果を説明する。
（実施例１）
下記の表１に本発明品の組成を、表２に本発明品の比較品の組成を、表３に従来例（従来例１〜３は特開２０００−２２６５９１の組成物、従来例４〜６は特開平６−１８４５７３号の組成物）の組成を示す。
【００３６】
なお、本実施例で使用した成分の内容は下記の通りである。
硼酸ナトリウム無水塩：平均粒径約０．６ｍｍ、純度９８％以上
硼酸ナトリウム５水塩：平均粒径約０．４ｍｍ、純度９８％以上
硼酸ナトリウム１０水塩：平均粒径約０．３ｍｍ、純度９８％以上
炭酸ナトリウム：平均粒径約０．３ｍｍ、純度約９９％
炭酸カルシウム：平均粒径約０．１ｍｍ、純度約９８％
蛍石：平均粒径約０．２ｍｍ、純度約９２％（ＣａＦ₂ として）
脂肪酸のＮａ塩（牛脂脂肪酸のＮａ塩）
：平均粒径約０．３ｍｍ、純度約９５％
脂肪酸のＣａ塩（ステアリン酸のＣａ塩）
：平均粒径約０．４ｍｍ、純度約９７％
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
【表３】

【００４０】
上記した表１〜表３に示した熱間粉体潤滑剤組成物の評価結果を下記の表４に示したが、表１に示した本発明の実施例は、何れのものも表２に示した比較例や表３に示した従来例と比べて粉体時の性質（粉体固化性、粉体流動性）、摩擦係数、Ｃｒめっき腐食摩耗が共に優れていることが判る。
【００４１】
なお、下記の表４に示した潤滑剤性能やＣｒめっき腐食摩耗は下記の方法により調査した結果である。
１）粉体の貯蔵時における固化性
ペトリ皿に試料を５０ｇ量り、６０℃の恒温槽で２４時間静置した後に固化の状態を観察した。評価は、全く固化していなかったものを◎、少し固化していたものを○、固化していたものを×とした。
【００４２】
２）粉体の流動性
安息角の測定により評価した（細川式）。評価は、安息角が３８度未満であったものを◎、安息角が３８〜４２度未満であったものを○、安息角が４２〜４６度未満であったものを△、安息角が４６度以上であったものを×とした。
【００４３】
３）高温時の流動性
１１００℃に設定した電気炉に、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×５ｍｍの試片（ＳＳ４００とＳＵＳ３０４）を入れて１５分間加熱した後、この試片上に０．２ｇの試料を載せて３０°傾け、３０秒間保持した後電気炉より取り出し、流動性を観察した。評価は、非常に良く広がったものを◎、広がったものを○、やや流れたものを△、広がらなかったもの、又は、流れすぎたものを×とした。
【００４４】
４）摩擦係数
下記の条件によるリング圧縮試験方法により評価した。
リング試片材質：ＳＳ４００
リング形状：内径１５ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍ
リング加熱温度：１１００℃
ダイス材質：ＳＫＤ−６１
目標圧縮率：５５％
【００４５】

評価は、μが０．０６未満のものを◎、μが０．０６〜０．０８未満のものを○、μが０．０８〜０．１０未満のものを△、μが０．１０以上のものを×とした。
【００４６】
５）Ｃｒめっき腐食摩耗
外径が６０ｍｍ、内径が２０ｍｍ、長さが３０ｍｍのＳＳ４００製及びＳＵＳ３０４製の試料を１０５０℃に加熱し、この試料の表面に潤滑剤を塗布した後に０〜２００ｒｐｍの回転数で回転させ、これに５０μｍの厚さにＣｒめっきした外径が５０ｍｍ、長さが６０ｍｍの工具を、９８０Ｎの荷重で１０分間ずつ１０回押し付けることで摩擦を与えて評価した。評価は、残存めっき厚さが５０〜３６μｍのものを◎、３５〜２１μｍのものを○、２０〜１０μｍのものを△、１０μｍ未満のものを×とした。
【００４７】
【表４】

【００４８】
（実施例２）
上記した実施例１で潤滑性能とＣｒめっき腐食摩耗状況を評価した潤滑剤のうち、本発明の実施例を３種類と、比較例を２種類と、従来例を３種類を実際のマンドレルミル圧延ラインで使用し、潤滑性能とＣｒめっき腐食摩耗状況を調査した。その結果を下記表５に示すが、表５より明らかなように、実機に適用した場合にも、本発明の実施例は比較例や従来例と比べて、摩擦係数、内面品質、Ｃｒめっき腐食摩耗状況共に優れていることが判る。
【００４９】
なお、下記表５を得た圧延条件は以下の通りである。
圧延装置：５スタンドフルリトラクトマンドレルミル
被圧延材：１３％Ｃｒ鋼
被圧延材の圧延前温度：１１５０℃
【００５０】

バーの表面には黒鉛系潤滑剤を塗布、乾燥させている。
【００５１】

【００５２】
なお、下記の表５に示した摩擦係数、内面品質、Ｃｒめっき腐食摩耗状況は下記により評価した結果である。
１）摩擦係数
摩擦係数はマンドレルバーのリテインド力を各スタンド荷重の和で除した値で評価した。評価は、上記値が０．０３以下のものを◎、０．０３１〜０．０４のものを○、０．０４１〜０．０５のものを△、０．０５１以上のものを×とした。
【００５３】
２）内面品質
内面品質はパイプ内面に軸方向直線状に発生する疵の発生率で評価した。評価は、上記発生率が０．５％以下のものを◎、０．５〜１．０％のものを○、１．０〜２．０％のものを△、２．０％以上のものを×とした。
【００５４】
３）Ｃｒめっき腐食摩耗
Ｃｒめっき腐食摩耗は３０パス圧延後のマンドレルバーの残存めっき厚さで評価した。評価は、上記残存めっき厚さが４１μｍ以上のものを◎、３０〜４０μｍのものを○、２０〜３０μｍのものを△、２０μｍ以下のものを×とした。
【００５５】
【表５】

【００５６】
上記した実施例では、本発明にかかる熱間粉体潤滑剤組成物をマンドレルミル圧延に適用したものについて説明したが、本発明にかかる熱間粉体潤滑剤組成物はマンドレルミル圧延に限らず、他の継目無管製造時のプラグ等に塗布して使用することは勿論のこと、棒鋼、条鋼、線材の熱間圧延時や他の熱間加工時にも適用可能であることは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱間粉体潤滑剤組成物および熱間加工方法は、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いた熱間加工において、高温の熱間加工面に付着した場合には、瞬時に溶融して加工面に発生したスケールをも融解しながら液体状になって加工面に広がるので、潤滑性を損なうことなく良質の安定した製品内面品質を得ることができる。しかも、表層のＣｒ層の腐食損耗を抑制できて熱間工具の寿命を延長することができるようになる。

Claims

少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いた熱間加工において使用する潤滑剤組成物であって、
硼酸ナトリウムの無水塩が３０〜８０質量％、或いは、硼酸ナトリウムの５水塩又は１０水塩の何れか一方が４０〜８９質量％、或いは、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩、１０水塩を２種以上混合した割合に応じて前記配合比から求めた下限値および上限値からなる範囲と、
炭酸ナトリウムが５〜３０質量％と、炭酸カルシウム又は蛍石の１種以上が１〜２０質量％と、脂肪酸のＮａ塩又は脂肪酸のＣａ塩の１種以上が５〜２５質量％とからなることを特徴とする熱間粉体潤滑剤組成物。
硼酸ナトリウムを除いたＣａとＮａの質量百分率の比が１：０．５〜１：５の範囲であることを特徴とする請求項１記載の熱間粉体潤滑剤組成物。
穿孔圧延されて１０００〜１３００℃となった中空素管を、少なくとも表層部にＣｒ層を有する熱間工具を用いて熱間加工する方法であって、
前記中空素管の内面に、少なくとも片端から素管内面に請求項１または２に記載の熱間粉体潤滑剤組成物を吹き込んだのち、前記熱間工具を用いて加工することを特徴とする熱間加工方法。