JP5093170B2

JP5093170B2 - エルハルト穿孔法、およびエルハルト穿孔用芯金

Info

Publication number: JP5093170B2
Application number: JP2009073448A
Authority: JP
Inventors: 貴行木原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010221285A

Description

本発明は、コンテナ内に収容された鋼塊に芯金を圧入して底付き管を製造するエルハルト穿孔法に関する。具体的には、高Ｃｒ、高窒素鋼の鋼塊を素材として用いるエルハルト穿孔法に関する。また、本発明は、このエルハルト穿孔法に用いるエルハルト穿孔用芯金に関する。

別に記載がない限り、本明細書における用語の定義は次の通りである。
「穿孔比」：芯金の外径ｄとコンテナの内径Ｄとの比ｄ／Ｄをいう。

大径厚肉のシームレスパイプは、エルハルト穿孔法により製造できる。エルハルト穿孔法では、コンテナ（壺）に加熱した鋼塊を挿入し、当該鋼塊を、芯金（マンドレル）を用いてプレスして、コップ状すなわち底付き管に塑性加工する。

エルハルト穿孔法には、鋼塊内部に存在する引け巣およびキャビティを圧着する効果が認められている。しかし、引け巣およびキャビティが大きい高Ｃｒ鋼、特に高窒素鋼の鋼塊を用いて厚肉管を製造する場合には、穿孔比が大きい穿孔を行うことができず、穿孔後も引け巣およびキャビティが完全には圧着されない状態で残存することがある。この残存した引け巣およびキャビティは、製品検査である超音波探傷試験によって、穿孔により得られた底付き管の肉中部において空隙性の内部欠陥、いわゆるザク欠陥として検出される。

高Ｃｒ鋼、高窒素鋼の鋼塊の内部欠陥の抑制についての従来技術は、下記のものがある。

特許文献１には、鋼Ｃｒ−Ｍｏ鋼において、鋳込み直後に押湯部溶鋼上面に導電性フラックスを添加し、通電加熱することによって鋼塊頭部の保温を促進し、ザク欠陥を軽減させる方法が開示されている。

特許文献２には、鍛造用鋼塊を鋳込み後の熱間状態において、その鋼塊頭部の中央にポンチを圧入してザク欠陥を圧着してから加熱炉に装入し、その後、鍛造する方法が開示されている。

特許文献３には、窒素含有合金鋼を加圧雰囲気下で製造するにあたり、所定の窒素含有量を達成する窒素分圧を有する混合ガス雰囲気中で合金鋼を溶解し、平衡状態になった溶鋼から鋼塊を造塊する際に、凝固時の固相率および窒素分圧に基づく液相中の窒素濃度が、凝固時の固相率および全圧に基づく液相中の許容窒素溶解度よりも小さくなるように、窒素分圧と全圧を調節して溶鋼を凝固させる方法が開示されている。

特許文献４には、鋳型内の、鋼塊にザク欠陥が発生しやすい部位に芯金を配置する方法が開示されている。この方法によると、鋳型内に溶鋼が注入充満されると当該芯金が溶鋼の熱によって溶融し、溶鋼の凝固時に生じる収縮孔部分を補いながら溶鋼とともに凝固するため、ザク欠陥の少ない鋼塊を製造できるとされている。

特許文献５には、鋳型頭部に鋼塊押湯枠を設置し鋼塊頭部の凝固を遅らせ、鋼塊が凝固した直後に鋼塊頭部から加圧ラムで加圧することによって、鋼塊内部のザク欠陥を低減する方法が開示されている。

特許文献６には、鋳型内に上り湯道を通じて溶鋼を注入する下注ぎ造塊による鋼塊の製造方法において、鋳型をジャッキで持ち上げて鋳型内の凝固未完了鋼塊底部に冷却水を噴射して、鋼塊底部を急速冷却し、ザク欠陥を低減する方法が開示されている。

しかし、これらの文献には、エルハルト穿孔法において鋼塊内部の欠陥を抑制する技術は開示されていない。

エルハルト穿孔法では、内部欠陥の他に、得られた底付き管に偏肉が生じやすいという問題がある。この偏肉を抑制する方法として、特許文献７では、円筒状の本体部と、当該本体部と一体に接続し、先端に近づくにしたがって漸次外径が小さくなりかつ先端がフラットな円形をなす頭部とからなり、当該頭部のフラットな先端の外径が当該本体部の外径の０．７〜０．９倍に等しい芯金を使用して穿孔を行うことを特徴とするエルハルト穿孔方法が開示されている。

しかし、特許文献７は高穿孔比の穿孔での偏肉防止しか検討しておらず、本発明で問題とする低穿孔比の穿孔で発生する引け巣およびキャビティに起因する内部欠陥の残存については検討されていない。

特開平１−１８０７４９号公報特開昭５８−１０３９３０号公報特開２００７−３２６１５０号公報特開昭６３−９７３３４号公報特開平１−１８０７５０号公報特開昭５９−２０６１４２号公報特開昭６０−１８７４２３号公報

本発明の目的は、高Ｃｒ鋼、高窒素鋼に対して低穿孔比の条件で、引け巣およびキャビティに起因する内部欠陥の残存を抑制した底付き管を製造できるエルハルト穿孔法を提供することである。本発明の他の目的は、本発明のエルハルト穿孔法に用いる芯金を提供することである。

本発明の要旨は、次の通りである：

（Ｉ）エルハルト穿孔法であって、
当該エルハルト穿孔法は、頭部を切断処理した鋼塊を準備し、コンテナ内に収容された当該鋼塊の上面から芯金を圧入して穿孔を行い、底付き管を製造する方法であり、
当該芯金が、円筒状の本体部と、当該本体部の端部に接続された縮径部とからなり、
当該芯金の本体部の外径ｄと当該コンテナの内径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．３５〜０．４５であり、
当該芯金の縮径部が、先端方向に移行するにしたがって外径が漸次小さくなり、且つ先端に直径がｄ１であるフラット部を有し、
当該フラット部の外径ｄ１と当該芯金の外径ｄとの比ｄ１／ｄが０．７０〜０．８２であり、
当該芯金の縮径部の長さＬと当該芯金の本体部の外径ｄとの比Ｌ／ｄが０．０９以上であることを特徴とするエルハルト穿孔法。

前記（Ｉ）記載のエルハルト穿孔法において、
当該鋼塊がＣｒ：５〜１８質量％、Ｎ：０．０１〜０．１５質量％を含有するフェライト鋼であること、
としてもよい。

（ＩＩ）エルハルト穿孔用芯金であって、
当該エルハルト穿孔用芯金は、頭部が切断処理された状態でコンテナ内に収容された鋼塊の上面から圧入して底付き管を製造するエルハルト穿孔に用いられるものであり、
円筒状の本体部と、当該本体部の端部に接続された縮径部とからなり、
当該芯金の本体部の外径ｄと当該コンテナの内径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．３５〜０．４５であり、
当該芯金の縮径部が、先端方向に移行するにしたがって外径が漸次小さくなり、且つ先端に直径がｄ１であるフラット部を有し、
当該フラット部の外径ｄ１と当該芯金の外径ｄとの比ｄ１／ｄが０．７０〜０．８２であり、
当該芯金の縮径部の長さＬと当該芯金の本体部の外径ｄとの比Ｌ／ｄが０．０９以上であることを特徴とするエルハルト穿孔用芯金。

前記（ＩＩ）記載のエルハルト穿孔用芯金において、
当該鋼塊がＣｒ：５〜１８質量％、Ｎ：０．０１〜０．１５質量％を含有するフェライト鋼であること、
としてもよい。

本発明のエルハルト穿孔法によると、高Ｃｒ鋼、特に高窒素鋼に対して低穿孔比の条件で作製された底付き管における、引け巣およびキャビティに起因する内部欠陥の残存を抑制することが可能である。

本発明のエルハルト穿孔法の優れた特性は、本発明のエルハルト穿孔用芯金を適用することによって十分に発揮することができる。

本発明のエルハルト穿孔用芯金およびコンテナの断面図である。本発明のエルハルト穿孔用芯金の側面図である。本発明のエルハルト穿孔用芯金の縮径部の他の形状を示す側面図であり、（ａ）はテーパ状、（ｂ）は円弧とテーパの組み合わせ、（ｃ）は２段のテーパの組み合わせである。

本発明者は、芯金の先端形状の変化により、鋼塊内部に加わる相当歪み分布が変化することを見出した。そして、引け巣およびキャビティ圧着効果を最大限に発揮できるよう、有限要素法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ、ＦＥＭ）解析を用いて、鋼塊内部の引け巣およびキャビティ発生部に加わる相当歪みが最大となるように芯金の先端形状を最適化した。

本発明のエルハルト穿孔法およびエルハルト穿孔用芯金について説明する。

図１は、本発明のエルハルト穿孔用芯金およびコンテナの断面図である。図１に示すように、コンテナ１の内部に収容された鋼塊２の上面から芯金１０を圧入し、穿孔を行う。これにより底付き管が製造される。コンテナ１の内部は円筒形であっても、底面の直径よりも開口部の直径が大きい円錐台（テーパ状）であってもよい。コンテナ１の内部がテーパ状である場合には、底面の法線と母線とのなす角度（テーパ角）は３°以下が好ましい。本明細書において、コンテナ１内部がテーパ状の場合には、コンテナ１の内径とは、底面の内径を意味する。

図２は、本発明のエルハルト穿孔用芯金の側面図である。本発明のエルハルト穿孔用芯金である芯金１０は、本体部１１と縮径部１２とからなる。本体部１１は、外径がｄで一定の円筒形である。縮径部１２は、本体部１１の一端に本体部１１と一体に接続されている。縮径部１２の外径は、本体部１１側の端部では本体部１１と同じであり、先端側に移行するにしたがって小さくなる。縮径部１２の先端は、外径がｄ１の円形のフラット部１３を構成する。

図３は、本発明のエルハルト穿孔用芯金の縮径部の他の形状の側面図である。芯金１０の縮径部１２は、図２に示すように縁の断面が円弧または楕円弧をなす形状に限られず、図３に示す形状であってもよい。図３（ａ）は、円錐台（テーパ状）の縮径部１２の側面図である。図３（ｂ）は、本体部１１側がテーパ状、先端側の縁の断面が円弧をなす形状の縮径部１２の側面図である。（ｃ）はテーパを２段に組み合わせた形状の縮径部１２の側面図である。

芯金１０の本体部１１の外径ｄとコンテナ１の内径Ｄとの比ｄ／Ｄ（穿孔比）は、０．３５〜０．４５である。芯金１０のフラット部１３の外径ｄ１と本体部１１の外径ｄとの比は、０．７０〜０．８２である。縮径部１２の長さＬと芯金１０の本体部１１の外径ｄとの比Ｌ／ｄは、０．０９以上である。

本発明のエルハルト穿孔法は、上記構成を有するため、高Ｃｒ鋼、特に高窒素鋼に対して低穿孔比の条件において製造された底付き管における、引け巣およびキャビティに起因する内部欠陥の残存を抑制できる。本発明の芯金は上記形状を有するため、本発明のエルハルト穿孔法に適用することが可能である。

主として耐熱材料として用いられるＣｒ含有量が５〜１５質量％のフェライト鋼では、Ｎの溶解度が低く、鋼塊内部に発生する引け巣が大きい。Ｃｒ含有量が多いほど引け巣が発生しやすいため、本発明のエルハルト穿孔法は、Ｃｒ含有量が８質量％以上のＣｒ含有量の多いフェライト鋼により好適に適用できる。また、鋼塊のＮ含有量が多いほど、引け巣が発生しやすいため、本発明のエルハルト穿孔法は、Ｎ含有量が０．０１〜０．１５質量％のフェライト鋼に好適に適用することができ、０．０３質量％以上のフェライト鋼により好適に適用できる。

Ｃｒ含有量が５質量％未満の鋼材では、Ｎの溶解度が高く、鋼塊内部に発生する引け巣が小さい。そのため、本発明のエルハルト穿孔法を適用しなくても、底付き管の内部欠陥の残存を抑制できる。

以下、上記の効果を得るため、上記数値範囲を規定する理由について説明する。

（１）ｄ／Ｄを０．３５〜０．４５に規定する理由
ｄ／Ｄが０．３５未満では、底付き管の内部欠陥の残存を抑制できない。なぜなら、芯金１０の縮径部１２の形状によらず、引け巣およびキャビティ圧着に必要な歪みを鋼塊に与えることができないからである。

ｄ／Ｄが０．４５を超えて大きいと、芯金１０の縮径部１２を本発明で規定する形状にしなくても、底付き管の内部欠陥の残存を抑制できる。なぜなら、芯金１０の縮径部１２の形状によらず、引け巣およびキャビティ圧着に必要な歪みを鋼塊に与えることができるからである。

（２）ｄ１／ｄを０．７０〜０．８２に規定する理由
ｄ１／ｄが０．７０未満では、底付き管の内部欠陥の残存を抑制できない。なぜなら、引け巣およびキャビティ圧着に必要な内部歪みを鋼塊に与えることができないからである。

ｄ１／ｄが０．８２を超えて大きいと、底付き管の内面にせん断割れが発生し、実生産上、適用できない。この場合、引け巣およびキャビティ圧着は十分になされるため、底付き管の内部欠陥は抑制できる。

（３）Ｌ／ｄを０．０９以上に規定する理由
Ｌ／ｄが０．０９未満では、底付き管の内面にせん断割れが発生し、実生産上、適用できない。この場合、引け巣およびキャビティ圧着は十分になされるため、底付き管の内部欠陥を抑制することはできる。

Ｌ／ｄの上限は特に設けないが、０．５０以下が好ましく、０．３０以下がより好ましく、０．１５以下がさらに好ましい。なぜなら、Ｌ／ｄが大きいと、引け巣およびキャビティ圧着に必要な歪みを鋼塊に与えることができない恐れがあるからである。

本発明の効果を確認するため、エルハルト穿孔試験を行い、底付き管を作製した。その条件は、下記の通りである。

（１）鋼塊の組成および寸法
試験に用いた鋼塊の代表組成は、０．１２％Ｃ−０．３％Ｓｉ−０．６％Ｍｎ−１０．６％Ｃｒ−０．０６５％Ｎであり、残部はＦｅおよび不純物であった。鋼塊は、対角長が１０９５ｍｍ、高さが１５００ｍｍの八角柱形状であった。

（２）コンテナの寸法
コンテナは、各実施例とも底面の内径Ｄが１０９５ｍｍで、底面の直径よりも開口部の直径が大きい円錐台（テーパ状）であり、テーパ角が１．０°のものを用いた。

（３）芯金の寸法
芯金は、Ｎｏ．１、２、４、５、７〜１３については、前記図２に示す形状のものを用いた。Ｎｏ．３およびＮｏ．６については、前記図３（ｂ）に示す本体部側がテーパ状、先端側の縁の断面が円弧をなす形状の縮径部を有するものを用いた。本体部の外径ｄ、フラット部の外径ｄ１および縮径部の長さＬは、表１に示す値とした。

Ｎｏ．１〜１３の各条件について、複数個の底付き管を作製した。Ｎｏ．４、５、７、８および１０〜１２は本発明例である。Ｎｏ．１、２、３、６、９および１３は比較例である。Ｎｏ．１は、ｄ／Ｄ（穿孔比）が本発明の規定範囲外である。Ｎｏ．２および６は、ｄ１／ｄが本発明の規定範囲外である。Ｎｏ．３は、Ｌ／ｄが本発明の規定範囲外である。Ｎｏ．９は、ｄ１／ｄおよびＬ／ｄが本発明の規定範囲外である。Ｎｏ．１３は、ｄ／Ｄおよびｄ１／ｄが本発明の規定範囲外である。

［試験結果］
作製した底付き管について、肉中欠陥異常発生率および内面の状態について評価した。その結果を表１に併せて示す。

底付き管の肉中における内部欠陥の発生の有無を、超音波探傷により調査した。肉中欠陥異常発生率は、内部欠陥が発生した底付き管の個数を作製した底付き管の個数で除することにより算出した。内面の状態は目視にて観察した。表１の「総合評価」欄の記号の意味は次の通りである：
○：良。肉中欠陥異常が発生せず、内面割れが発生していなかったことを示す。
×：不可。肉中欠陥異常または内面割れが発生していたことを示す。

本発明例ではいずれも肉中欠陥異常発生率が０％であり、且つ内面割れも発生しなかった。

比較例であるＮｏ．１は、肉中欠陥異常発生率が２０％と高かった。これは、穿孔比が本発明の規定範囲よりも小さく、引け巣およびキャビティ圧着に必要な歪みを与えることができなかったからである。

比較例であるＮｏ．２および６は、肉中欠陥異常発生率が８％または６％と高かった。これは、ｄ１／ｄが本発明の規定範囲よりも小さく、引け巣およびキャビティ圧着に必要な内部歪みを鋼塊に与えることができなかったからである。

比較例であるＮｏ．３は、肉中欠陥異常発生率は０％であった。しかし、Ｌ／ｄが本発明の規定範囲よりも小さかったため、内面割れが発生した。

比較例であるＮｏ．９は、肉中欠陥異常発生率は０％であった。しかし、内面割れが発生した。これは、ｄ／ｄ１が本発明の規定範囲よりも大きく且つＬ／ｄが本発明の規定範囲よりも小さかったためである。

比較例であるＮｏ．１３は、ｄ／ｄ１が本発明の規定範囲よりも大きいにも関わらず、肉中欠陥異常発生率が０％であり、且つ内面割れも発生しなかった。これは、穿孔比が本発明の規定範囲よりも大きく、引け巣およびキャビティ圧着に必要な歪みを鋼塊に与えることができたからである。

本発明は、エルハルト穿孔法による底付き管の製造に利用できる。

１：コンテナ、２：鋼塊、１０：芯金、１１：本体部、１２：縮径部、
１３：フラット部

Claims

エルハルト穿孔法であって、
当該エルハルト穿孔法は、頭部を切断処理した鋼塊を準備し、コンテナ内に収容された当該鋼塊の上面から芯金を圧入して穿孔を行い、底付き管を製造する方法であり、
当該芯金が、円筒状の本体部と、当該本体部の端部に接続された縮径部とからなり、
当該芯金の本体部の外径ｄと当該コンテナの内径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．３５〜０．４５であり、
当該芯金の縮径部が、先端方向に移行するにしたがって外径が漸次小さくなり、且つ先端に直径がｄ１であるフラット部を有し、
当該フラット部の外径ｄ１と当該芯金の外径ｄとの比ｄ１／ｄが０．７０〜０．８２であり、
当該芯金の縮径部の長さＬと当該芯金の本体部の外径ｄとの比Ｌ／ｄが０．０９以上であることを特徴とするエルハルト穿孔法。
当該鋼塊がＣｒ：５〜１８質量％、Ｎ：０．０１〜０．１５質量％を含有するフェライト鋼であることを特徴とする請求項１に記載のエルハルト穿孔法。
エルハルト穿孔用芯金であって、
当該エルハルト穿孔用芯金は、頭部が切断処理された状態でコンテナ内に収容された鋼塊の上面から圧入して底付き管を製造するエルハルト穿孔に用いられるものであり、
円筒状の本体部と、当該本体部の端部に接続された縮径部とからなり、
当該芯金の本体部の外径ｄと当該コンテナの内径Ｄとの比ｄ／Ｄが０．３５〜０．４５であり、
当該芯金の縮径部が、先端方向に移行するにしたがって外径が漸次小さくなり、且つ先端に直径がｄ１であるフラット部を有し、
当該フラット部の外径ｄ１と当該芯金の外径ｄとの比ｄ１／ｄが０．７０〜０．８２であり、
当該芯金の縮径部の長さＬと当該芯金の本体部の外径ｄとの比Ｌ／ｄが０．０９以上であることを特徴とするエルハルト穿孔用芯金。
当該鋼塊がＣｒ：５〜１８質量％、Ｎ：０．０１〜０．１５質量％を含有するフェライト鋼であることを特徴とする請求項３に記載のエルハルト穿孔用芯金。