JP4458167B2

JP4458167B2 - 熱間塑性加工用潤滑剤を用いる継目無管製造における外面潤滑方法

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Publication number: JP4458167B2
Application number: JP2008004102A
Authority: JP
Inventors: 建一斎藤; 純生飯田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: BRPI0907375B1; JP2009167242A; US8024953B2; CN101910388A; EP2243820B1; EP2243820A1; EP2243820A4; BRPI0907375B8; BRPI0907375A2; WO2009088036A1; CN101910388B; US20100263422A1; MX2010007575A

Description

本発明は、熱間加工装置における被加工材と、これとの接触部材の間の摩擦を軽減し、焼付きを防止する潤滑剤、より具体的には、継目無管製造装置の穿孔機のガイドシュー等と被加工材間の摩擦を軽減し、焼付きを防止する熱間塑性加工用潤滑剤を用いる継目無管製造における外面潤滑方法に関する。

継目無鋼管は、例えば、マンネスマン方式により製造する場合、ビレットを穿孔機（ピアサー）により穿孔し、マンドレルミル圧延等の延伸圧延およびストレッチレデューサー圧延等の定径圧延を行うことにより製造される。

ビレットを穿孔機（ピアサー）で穿孔する際には、ビレットの外径が必要以上に増大するのを防ぐためにガイドシューが使用され、ビレットの外面がガイドシューと接触した状態で加工される。したがって、ビレット外面とガイドシューとの間の潤滑が不良であれば、ガイドシュー自体に焼付き疵が発生するだけでなく、穿孔された素管（以下、ホローシェルという）の外面にシューマークと呼ばれる焼付き疵が生じる。

ガイドシューには、固定式のプレート型のものと回転式のディスク型のものとがあるが、いずれの形式のガイドシューを用いる場合にも、上記の焼付きを防止するために、ビレット外面とガイドシューとの間の潤滑を良好に保つことがきわめて重要である。この潤滑方法について、下記のようにいくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、金属酸化物粉体からなる焼付防止剤とバインダーとの混合塗料を塗布する穿孔圧延方法が開示されている。

また、特許文献２には、酸化鉄の粉末、アクリル酸系水溶性高分子および界面活性剤を含むステンレス鋼の熱間圧延用潤滑剤が開示されている。

特許文献３には、酸化鉄、珪酸ナトリウム、澱粉類、キサンタンガムを含む熱間加工用潤滑剤が開示されている。

さらに、特許文献４には、金属酸化物粉末およびケイ酸ナトリウムを含有する水溶液からなり、粘度が２００ｃｐ以上４０００ｃｐ未満で、加熱された熱間状態の被圧延材の表面にスプレ塗布される熱間管圧延用潤滑剤が記載されている。

しかしながら、これらの文献に開示される潤滑剤は、特に１３％Ｃｒ鋼のような難加工材を穿孔するときに用いる場合には、ガイドシューとホローシェルとの摩擦を十分には軽減できず、焼付き疵の発生防止効果は必ずしも十分ではない。

さらに、特許文献５には、被圧延材とガイドシューとの間に、膨潤雲母水溶液に固体潤滑剤を混合して供給しつつ圧延する方法が記載されている。しかしながら、この文献に開示されている潤滑剤は、塗布時に突沸し剥がれてしまうという課題があり、焼付き防止効果は十分でない。

特開昭６０−２１１１１号公報特開平７−１２６６８４号公報特開平１１−３５９６７号公報特許第２６３８３１７号特開平７−２８４８１７号公報

熱間塑性加工用の潤滑剤には、焼付きを防止するのに十分な潤滑性が必要とされる。それに加え、潤滑剤は、使用する際に円滑に必要箇所に供給できるものでなければならない。即ち、供給性が良好であることも求められる。さらに、潤滑剤が加工後の製品表面に残留した場合でも、その耐食性等を損なうことがあってはならない。

本発明の目的は、特に供給性および潤滑性に優れ、被加工材表面にスケールが存在していても十分に付着させることができ、穿孔機に効率良く供給され十分な潤滑性を発揮する熱間塑性加工用潤滑剤を用い、その潤滑剤の優れた特性を十分に発揮させることができる継目無管製造における外面潤滑方法を提供することにある。

本発明の要旨は、下記（Ｉ）の熱間塑性加工用潤滑剤を用いる下記（II）の継目無管製造における外面潤滑方法にある。

（Ｉ）熱間塑性加工用潤滑剤であって、酸化鉄２５〜３５質量％および珪酸ナトリウム１５〜２５質量％を含有し、不純物が３質量％以下であり、かつ、水分が４２〜５７質量％（但し、潤滑剤全体の質量を１００％とする）であることを特徴とする熱間塑性加工用潤滑剤である。

前記の「不純物」とは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉛（ＰｂＯ）および酸化銅（ＣｕＯ）をいう。本発明の潤滑剤を調製する過程で、特にこれらの酸化物が混入し易く、潤滑剤の性能に及ぼす影響が大きいので、酸化亜鉛、酸化鉛および酸化銅のそれぞれの含有量、またはこれら酸化物の二以上の合計含有量の上限を規定した。

上記のように、この潤滑剤は、酸化鉄粉末を珪酸ナトリウム（水ガラス）中に分散させたものであり、水分を必須の構成成分として含む熱間塑性加工用潤滑剤である。

上記の成分のほかに、酸化鉄粉末の分散度安定性を向上させるために、ナフタリンスルフォン酸ソーダフォルマリン縮合物、スチレン・無水マレイン酸共重合樹脂のソーダ塩、ポリアクリル酸ソーダ塩等、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテル等のような物質を安定化剤として添加してもよい。添加量は、潤滑剤１リットル当たり２０〜１００グラム程度がよい。

本発明の潤滑剤は、特に８〜２５質量％のＣｒを含有する鋼、例えば、ＳＵＳ４２０Ｈ相当鋼、ＳＵＳ３０４相当鋼、２５Ｃｒ系二相ステンレス鋼を素材とする継目無管の製造時に使用するのに好適である。

（II）前記（Ｉ）に記載の熱間塑性加工用潤滑剤を、穿孔圧延開始前１秒以内に被加工材外表面に直接塗布することを特徴とする継目無管製造における外面潤滑方法。

本発明の熱間塑性加工用潤滑剤は、潤滑性に優れ、焼付き防止に顕著な効果を発揮する。また、潤滑剤の供給性が良好であり、製品の耐食性に悪影響を及ぼすこともない。本発明の潤滑剤は、加熱された高温の被加工材表面への付着性に優れているので、高温の被加工材表面、その他供給が困難な部分へ潤滑剤を供給（塗布）することができ、さらに、穿孔圧延直前に、被加工材表面上のスケールの有無に関わらず、潤滑剤を十分に付着させることができ、被加工材とガイドシューの界面に潤滑剤を効率よく供給することが可能である。したがって、本発明の潤滑剤は各種の熱間塑性加工用の潤滑剤として有効であり、特に、８〜２５質量％のＣｒを含む鋼のような難加工材の熱間穿孔において、ガイドシュー、さらには製品外面における焼付き疵の発生防止に多大な効果を発揮する。

上記本発明の潤滑剤の優れた特性は、本発明の潤滑方法を適用することによって十分に発揮させることができる。

本発明の熱間塑性加工用潤滑剤は、上記のように、酸化鉄２５〜３５質量％、珪酸ナトリウム１５〜２５質量％を含有し、不純物が３質量％以下であり、かつ、水分を４２〜５７質量％含有する潤滑剤である。これらの成分の総合的な作用によって、優れた潤滑性を発揮する。以下、各成分について説明する。

（１）酸化鉄：
酸化鉄は、焼付き防止効果を得るための主成分である。酸化鉄は、酸化第一鉄（ＦｅＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、四三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）のいずれでもよく、これら二種以上の混合物でもよい。潤滑剤中の酸化鉄の量は２５〜３５質量％とする必要がある。酸化鉄量が２５質量％未満では、被加工材とこれに接触する部材間に焼付きが生じる。一方、酸化鉄量が３５質量％を超えると、潤滑剤中の珪酸ナトリウム（次に述べるように、バインダーとして添加される）含有量と対比して酸化鉄が過多となり、潤滑剤が被加工材とこれとの接触部材の界面（加工摺動界面）や工具表面などへ引き込まれ難くなって、潤滑剤に必要な性能の一つである供給性が悪化する。

（２）珪酸ナトリウム：
珪酸ナトリウムは、本発明の潤滑剤の主成分である酸化鉄の粒子を結合して、酸化鉄粒子を加工摺動界面に引き込まれやすくするバインダーである。その量は、無水物換算で１５〜２５質量％とする。潤滑剤中の珪酸ナトリウム量が１５質量％未満の場合、潤滑剤が加工摺動界面や工具表面に引き込まれ難く、潤滑剤に必要な供給性が低下する。一方、２５質量％を超えると主成分の酸化鉄に対してバインダーの含有量が相対的に過多となり、酸化鉄の焼付き防止効果が薄れる。

なお、珪酸ナトリウムは水ガラスとして添加してもよい。水ガラスは、水ガラス１号（Ｎａ₂Ｏ：Ｓｉ０₂＝１：２）、水ガラス３号（Ｎａ₂Ｏ：Ｓｉ０₂＝１：３）、水ガラス４号（Ｎａ₂Ｏ：Ｓｉ０₂＝１：４）のいずれでもよい。

（３）不純物（酸化亜鉛、酸化鉛および酸化銅）
不純物は含まれていないことが望ましいが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉛（ＰｂＯ）および酸化銅（ＣｕＯ）は、本発明の潤滑剤を調製する過程で、前記の酸化鉄等に付随して混入する。例えば、酸化鉄原料として亜鉛メッキラインの酸洗スライムや製鋼スラグを使用すれば、酸化亜鉛等が不純物として混入する。

これら不純物として混入する酸化物は、潤滑剤に多量に含まれていると、潤滑剤が製品表面に残留した場合に、その製品の耐食性を劣化させる。これらの酸化物は高温で酸化鉄より還元されやすいため、製品表面に残存した場合、製品の鋼自体と反応して、その耐食性を劣化させるのである。

上記のような現象を詳しく解明した結果、酸化亜鉛、酸化鉛および酸化銅のそれぞれの含有量、またはこれら酸化物の二以上の合計含有量が３質量％以下であれば、耐食性を劣化させる作用は小さいことが判明した。なお、これらの酸化物の含有量が３質量％を超えると潤滑剤の焼付き防止性能も低下する。

（４）水分
本発明の潤滑剤は、水分を必須の構成成分として含んでいる。潤滑剤中の水分が４２質量％未満では、潤滑剤の粘度が高く、被加工材表面への潤滑剤の塗布作業が困難となり、潤滑性（耐焼付き性）を確保することができなくなる。また、水分が５７質量％を超えると、加熱された高温の被加工材表面へ潤滑剤を供給（塗布）したときに、潤滑剤中の水が激しく水蒸気化する突沸現象が生じ、潤滑剤が飛散して被加工材表面に付着しない（特に被加工材の温度の高いファーストピアサーでは顕著）。潤滑剤中の水分含有量を４２〜５７質量％とすることにより、前記各成分の作用と相俟って、潤滑剤の付着性と潤滑性（耐焼付き性）とを両立させることができる。

（５）その他の成分
前記のように、本発明の潤滑剤には、ナフタリンスルフォン酸ソーダフォルマリン縮合物、スチレン・無水マレイン酸共重合樹脂のソーダ塩、ポリアクリル酸ソーダ塩等、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテル等のような、酸化鉄粉末の分散度安定性を向上させる物質を安定化剤として添加してもよい。

本発明の潤滑剤を被加工材表面に供給する（通常は、直接塗布する）方法は何ら限定されないが、作業能率がよく、均一な塗布が可能なスプレー法を適用するのが望ましい。本発明の潤滑剤は水分を含み、液状を呈しているので、スプレー塗布が十分可能である。

以上述べたように、本発明の熱間塑性加工用潤滑剤は、潤滑性（耐焼付き性）に優れ、特に８〜２５質量％のＣｒを含有する鋼のような、難加工材の熱間穿孔において、ガイドシューにおける焼付き疵の発生、さらには製品の外面疵の発生を防止することができる。また、必要箇所に円滑に供給できる供給性が良好であり、残留した潤滑剤に起因して製品の耐食性等が損なわれることもない。

本発明の継目無管製造における外面潤滑方法は、上述の本発明の熱間塑性加工用潤滑剤を、穿孔圧延直前に被加工材外表面に直接塗布する潤滑方法である。

本発明の潤滑剤は、前述のように、適度の水分を含み、付着性に優れているので、加熱された高温の被加工材表面、その他潤滑剤の供給が困難な部分への供給が可能である。穿孔圧延直前に、スケールの有無にかかわらずビレット（被加工材）表面に直接塗布することにより、潤滑剤をビレット表面に付着させることができる。即ち、潤滑剤を被加工材とガイドシューの間に効率的に供給することができる。ここで、「穿孔圧延直前」とは、穿孔圧延開始前１秒以内をいう。潤滑剤を塗布した後、穿孔圧延開始までの時間が１秒を超えると、搬送中に潤滑剤が剥離してしまうため十分な潤滑性が発揮されず、さらに、ビレット表面にスケールが存在する場合は、潤滑剤がスケールに強固に固着するため、穿孔時に外面疵を発生させる要因となりうる。

本発明の潤滑方法によれば、継目無管の製造において、本発明の潤滑剤の優れた特性を十分に発揮させることができる。

（実施例１）
表１に示す成分構成の潤滑剤を用いて、マンネスマン−ピアサーによる穿孔圧延を行った。その条件は下記のとおりである。

被加工材：材質が１３％Ｃｒで、直径が２２５ｍｍ、長さが３０００
ｍｍの油井管製造用ビレット
穿孔機：傾斜ロール方式のピアサー
ガイドシュー：直径が２８００ｍｍ、幅が１５０ｍｍのディスクロール
穿孔後のホローシェル：外径２３０ｍｍ、肉厚２１．０ｍｍ、長さ９０００ｍｍ
潤滑剤の供給：吐出圧力０．５ＭＰａで被加工材表面にスプレー
なお、穿孔圧延は、潤滑剤を被加工材表面にスプレー塗布した後、１秒以内に行った。また、表１において、「珪酸ナトリウム」は、水ガラス３号を用いて添加した。含有量は、無水物に換算して表記している。「安定剤、その他」としては、酸化鉄の分散度安定性を向上させる物質として、ナフタリンスルフォン酸ソーダフォルマリン縮合物、スチレン・無水マレイン酸共重合樹脂のソーダ塩、ポリアクリル酸ソーダ塩等、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキル、フェニルエーテル等を適宜添加した。

前記の穿孔作業において、穿孔後にガイドシューの表面を検査して、焼付き状況を調査するとともに、潤滑剤の供給性、穿孔後のホローシェルの耐食性等を調査した。その結果を表１に併せて示す。

表１において、「試験結果」の欄の「耐焼付き性」は、１３Ｃｒ鋼５０本を穿孔した後の表面焼付き状況で評価した。○印は焼付きが発生していないことを、△印は焼付きが発生したが軽微であったことを、×印は広範囲にわたり著しい焼付きが発生したことを示す。

「耐食性」は、穿孔圧延後のホローシェルから試験片を採取し、沸騰６５％硝酸液に７２０時間浸漬した後の腐食面積で評価した。○印は腐食が認められなかったことを、×印は腐食されたことを示す。

「付着性」は、高温の被加工材表面への潤滑剤の付着性で、熱間での塑性加工で使用される潤滑剤の潤滑性（耐焼付き性）に直接関係する調査項目である。○印は付着性が良好であることを、△印は付着性の不良部位が若干認められたことを、×印は付着しなかったことを示す。

「突沸性」は、表面に潤滑剤をスプレー塗布したディスクロールを被加工材と接触させた際における、潤滑剤中の水の激しい水蒸気化（突沸現象）の有無により評価した。○印は突沸がなかったことを、△印は突沸が若干認められたことを、×印は顕著な突沸があったことを示す。突沸が生じると潤滑剤が飛散して被加工材表面に付着しないので、前記の「付着性」の評価と対応している。

「流動性」は、潤滑剤の供給性の良否に直接関係する調査項目であり、潤滑剤を被加工材表面にスプレーで供給する際における吐出状態により評価した。○印は潤滑剤の吐出状態が良好であったことを、△印はそれより若干悪かったことを、×印は吐出できなかったことを示す。

また、「総合評価」は、前記「耐焼付き性」から「流動性」までの全項目についてのそれぞれの評価を考慮した評価結果で、○印は良好、△印は概ね良好、×印は不良であることを表している。なお、評価においては、全調査項目についての個々の評価のうちの最も悪かった評価結果をもって「総合評価」とした。例えば、全調査項目のうち一項目が×印であれば、その他の項目が全て○印であっても、「総合評価」は×印となる。熱間塑性加工で使用する潤滑剤に必要な、前記の各項目の調査で評価される性能（即ち、潤滑性、供給性、耐食性など）のうちの一つが欠けても、その潤滑剤は熱間での使用に供し得ないからである。

表１に示すとおり、本発明で定める条件を満たす潤滑剤（本発明例１〜４）は、いずれも優れた性能を有し、総合評価で良好（○印）であった。

これに対して、酸化鉄の含有量が規定量より少なく、且つ水分含有量が規定範囲を超える比較例１の潤滑剤では、突沸が生じて潤滑剤が被加工材表面に付着せず、焼付き防止効果が認められなかった。

比較例２の潤滑剤は、酸化鉄が規定量より多いため、流動性が若干悪く(△印)、被加工材とガイドシューの界面への円滑な供給が妨げられ、軽微ではあったが焼付きが発生した。

比較例３の潤滑剤は、珪酸ナトリウムが規定量より少なく、水分含有量が規定範囲を超えており、若干の突沸が生じて付着性が低下した。そのため、広範囲で耐焼付きが発生した。

比較例４の潤滑剤は、珪酸ナトリウムが規定量を超えており、バインダーの含有量が酸化鉄量に対して相対的に過多となって、酸化鉄の焼付き防止効果が低下した。

比較例５の潤滑剤は、不純物の合計含有量が規定範囲を超えているため、穿孔圧延した後のホローシェルの沸騰６５％硝酸液浸漬試験で腐食が生じた。

比較例６の潤滑剤は、水分含有量が規定範囲より若干少なく、流動性が低下したため、焼付きが発生した。また、水分含有量が規定範囲を超える比較例７の潤滑剤では、突沸が生じて潤滑剤が付着せず、広範囲にわたり焼付きが発生した。

（実施例２）
潤滑剤を被加工材外表面に塗布した後、穿孔圧延を開始するまでの時間が、潤滑剤の効果に及ぼす影響を確認するため、前記表１に示した本発明例１に記載の潤滑剤を用い、塗布後、穿孔圧延開始までの時間を変更して、それ以外は実施例１の場合と同様にマンネスマン−ピアサーによる穿孔圧延を行い、潤滑性および被加工材（ホローシェル）の外面疵の発生状況を調査した。

表２に調査結果を示す。表２において、「潤滑性」の欄の○印は良好、△印は若干低下、×印は不良であることを、また、「外面疵」の欄の○印は疵なし、△印は若干の疵発生あり、×印は多数の疵発生あり、を表している。

表２に示すとおり、潤滑剤を被加工材表面にスプレー塗布した後、穿孔圧延開始までの時間が０〜１秒の場合は、潤滑性および外面疵のいずれについても良好であることが確認できた。しかし、穿孔圧延開始までの時間が１秒を超えると、潤滑性および外面疵のいずれも低下する傾向を示し、６０秒を超えると潤滑性が悪く、ホローシェル外面に多数の疵が発生した。

本発明の熱間塑性加工用潤滑剤は、潤滑性に優れ、焼付き防止に顕著な効果を発揮する。また、潤滑剤の必要箇所への供給性に優れ、製品の耐食性に悪影響を及ぼすこともない。したがって、各種の熱間塑性加工用の潤滑剤として有効であり、特に、８〜２５質量％のＣｒを含む鋼のような、難加工材の熱間穿孔において、ガイドシュー、さらには製品外面における焼付き疵の発生を防止するのに極めて好適である。本発明の潤滑剤の優れた特性は、本発明の継目無管製造における外面潤滑方法を適用することにより十分に発揮させることができる。

したがって、本発明の潤滑剤および潤滑方法は、鉄鋼業、特に継目無管の製造分野において有効に利用することができる。

Claims

酸化鉄２５〜３５質量％および珪酸ナトリウム１５〜２５質量％を含有し、酸化亜鉛、酸化鉛および酸化銅のそれぞれの含有量、またはこれら酸化物の二以上の合計含有量が３質量％以下であり、かつ、水分が４２〜５７質量％である熱間塑性加工用潤滑剤を、穿孔圧延開始前１秒以内に被加工材外表面に直接塗布することを特徴とする継目無管製造における外面潤滑方法。