JP5131702B2 - 金属素材の穿孔圧延に用いられるプラグの製造方法、金属管の製造方法及び金属素材の穿孔圧延に用いられるプラグ - Google Patents

Description

本発明は、プラグの製造方法、金属管の製造方法及びプラグに関し、さらに詳しくは、金属素材の穿孔圧延に用いられるプラグの製造方法、そのプラグを用いた金属管の製造方法及びそのプラグに関する。

穿孔圧延用プラグは、加熱された金属素材の丸ビレットを穿孔圧延して金属管（継目無管）を製造するために用いられる。プラグは穿孔圧延機のパスライン上に配設され、パスラインを挟んで対向する２つの傾斜ロールにより周方向に回転させられたビレットをその中心軸に沿って貫通する。このとき、プラグは、ビレットと接触し、ビレットから熱及び応力を受けるため、その表面が摩耗及び溶損しやすい。

プラグ表面の摩耗や溶損を防止するための方法の１つは、プラグ表面に数１００μｍ程度の厚さを有する酸化スケール層を形成させることである。酸化スケール層は、優れた潤滑性と断熱性とを有するため、プラグ表面が摩耗及び溶損するのを抑制できる。

しかし、プラグ表面に形成された酸化スケール層は、穿孔圧延中に、部分的に剥離する場合がある。酸化スケール層が剥離すれば、プラグ表面に凹凸が生じる。この凹凸は、穿孔圧延中のビレットの内面に転写される。その結果、穿孔圧延後の金属管の内面に、内面疵が発生する。

本出願人は、この問題を解決するプラグを特許第３７７７９９７号で開示した。プラグの熱処理によりプラグ表面に形成される酸化スケール層は、プラグ素材の表面上に形成される内層スケールと、内層スケール上に形成される外層スケールとを含む。内層スケールは、緻密な構造を有し剥離しにくい。一方、外層スケールは、多孔性の構造を有するため、内層スケールよりも剥離しやすい。そこで、特許文献１では、外層スケールを予め除去し、内層スケールを残したプラグを穿孔圧延に用いる。内層スケールは、緻密な構造を有して外層スケールよりも剥離しにくいため、穿孔圧延中の内面疵の発生が抑制され、かつ、プラグの磨耗及び溶損が抑制される。

ところで、外層スケールは内層スケールよりも剥離しやすいが、外層スケールを予め除去するためには、外層スケールに高負荷を与えることが必要である。たとえば、特許文献１に示すように、ハンマー等により外層スケールに高衝撃力を与える、又は、外層スケール表面をバーナで急速加熱して急激な熱応力を加えることが必要である。これらの外層スケール除去作業は作業負荷が大きい。特許文献１に開示されているプラグを金属管の製造に使用するためには、外層スケールを容易に除去できる必要がある。

なお、本出願に関連する他の先行技術文献として、特開平８−２０６７０９号公報が挙げられる。

本発明の目的は、外層スケールを低負荷で容易に除去できる穿孔圧延用プラグの製造方法及び穿孔圧延用プラグを提供することである。

本発明者らは、プラグ表面に酸化スケール層を形成するための熱処理（以下、この熱処理をスケール処理ともいう）の条件を検討した。その結果、熱処理雰囲気中の酸素濃度を１．０ｖｏｌ％以上とし、かつ、熱処理温度（保持温度）を９５０℃以上１０５０℃未満とすれば、外層スケールが低負荷で容易に剥離し、かつ、内層スケールは従来と同等以上に緻密な構造を維持することを見出した。以下、この知見について詳述する。

本発明者らは、表１に示す化学組成を有する長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ５０ｍｍのプラグ素材試験片を２つ作製した。作製された試験片の一方に対して表２に示す条件１で、他方に対して条件２でそれぞれスケール処理を実施した。

表２を参照して、条件１では、熱処理雰囲気中の酸素濃度は、従来と同じく０ｖｏｌ％に設定された。また、熱処理温度は１０５０℃に設定された。一方、条件２では、酸素濃度は、従来よりも高い２．０％に設定され、熱処理温度は条件１よりも低温の１０００℃に設定された。熱処理後、試験片に形成された酸化スケール層の断面は、光学顕微鏡で観察された。

図１は条件１で熱処理されたプラグ素材試験片（以下、従来プラグと称する）の断面写真を示し、図２は条件２で熱処理されたプラグ素材試験片（以下、本発明プラグと称する）の断面写真を示す。断面写真における内層スケール１０、１１、及び外層スケール２０、２１は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザ）により同定された。具体的には、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、不純物とからなる層が外層スケール２０、２１と同定された。また、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、母材（プラグ素材試験片）１００に含有されるＦｅ以外の合金元素のうち少なくとも１種以上の合金元素と、不純物とからなる層が内層スケール１０、１１と同定された。

図１及び図２を参照して、外層スケール及び内層スケールは、従来プラグ及び本発明プラグのいずれの母材１００の表面上にも形成された。しかし、本発明プラグの外層スケール２０は、その下部に、母材表面ＳＦに沿って広がる気孔ＰＯを含有していた。その結果、本発明プラグの外層スケール２０は低負荷で容易に剥離した。一方、従来プラグの外層スケール２１は、本発明プラグの外層スケール２０よりも緻密な構造を有し、本発明プラグの外層スケール２０内に見られるような、母材表面ＳＦに沿って広がる気孔ＰＯは見られなかった。その結果、従来プラグの外層スケール２１は本発明プラグと比較して剥離しにくかった。

また、内層スケール１０、１１は、従来プラグ及び本発明プラグともに緻密な構造を有し、いずれも容易に剥離しなかった。

以上より、本発明者らは、熱処理雰囲気の酸素濃度と熱処理温度が、外層スケールの剥離性に関係すると考え、種々の酸素濃度及び熱処理温度の条件でスケール処理を実施し、外層スケールの剥離性を評価した。その結果、熱処理雰囲気中の酸素濃度が１．０ｖｏｌ％以上に設定され、熱処理温度を９５０℃以上１０５０℃未満に設定されれば、内層スケールは従来と同等以上に緻密な構造を有し剥離しにくいにもかかわらず、外層スケールは従来よりも低負荷で容易に剥離しやすくなることを見出した。

以上の知見に基づいて、本発明者らは以下の発明を完成した。

本発明による金属素材の穿孔圧延に用いられるプラグの製造方法は、プラグ素材を準備する工程と、準備されたプラグ素材を１．０ｖｏｌ％以上の酸素を含む熱処理雰囲気内で９５０℃以上１０５０℃未満の熱処理温度で熱処理し、プラグ素材の表面に、内層スケールと、内層スケール上に形成される外層スケールとを有する酸化スケール層を含むプラグを製造する工程とを備える。ここで、外層スケールは、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、不純物とからなる層である。また、内層スケールは、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、プラグ素材に含有されるＦｅ以外の合金元素のうち少なくとも１種以上の合金元素と、不純物とからなる。

本発明の熱処理条件でプラグ素材を熱処理すれば、その表面に形成される酸化スケール層のうち、外層スケールが従来よりも容易に剥離しやすくなる。一方、内層スケールは、従来と同等以上に緻密な構造を有し、剥離しにくい。その結果、外層スケールのみを容易に剥離することができる。

好ましくは、酸化スケール層を含むプラグを製造する工程では、２．０ｖｏｌ％以上の酸素を含む熱処理雰囲気内でプラグを熱処理する。

この場合、外層スケールがより容易に剥離する。

好ましくは、酸化スケール層を含むプラグを製造する工程では、９５０〜１０００℃の熱処理温度でプラグを熱処理する。

この場合、内層スケールの粒径が顕著に小さくなり、内層スケールのプラグ表面への密着性が向上する。

好ましくは、プラグの製造方法はさらに、酸化スケール層のうち、外層スケールを除去する工程を含む。

本発明による金属管の製造方法は、プラグ素材表面上に形成される内層スケールと内層スケール上に形成される外層スケールとを有する酸化スケール層を含むプラグを上述の製造方法で製造する工程と、プラグの酸化スケール層のうち、外層スケールを除去する工程と、外層スケールを除去されたプラグを用いて金属素材を穿孔圧延して金属管を製造する工程とを備える。

この場合、穿孔圧延中に剥離しやすい外層スケールは、穿孔圧延前に予め除去されるため、外層スケールの剥離に起因した金属管内面疵の発生は抑制される。なお、本発明におけるプラグの外層スケールは、従来よりも低負荷で容易に剥離できる。

本発明による金属の穿孔圧延用のプラグは、上述の製造方法により製造されたプラグであり、母材と、酸化スケール層とを備える。酸化スケール層は少なくとも内層スケールを含む。

また、本発明によるプラグは、母材と、内層スケールと、外層スケールとを備える。内層スケールは、母材表面上に形成される。外層スケールは、内層スケール上に形成され、その下部に、母材表面に沿って広がる１又は複数の気孔を含む。本発明のプラグはさらに、１０００μｍ幅の任意の領域における外層スケール及び母材表面の断面において、母材表面と平行な長さ１０００μｍの仮想線を外層スケール内の任意の位置に配置して、配置された仮想線のうち外層スケール内の気孔と重複する部分の長さを求めたとき、求めた長さが５００μｍ以上となる、仮想線の配置位置を有する。

この場合、上述で定義された外層スケール内をクラックが容易に伝播する。その結果、外層スケールは従来よりも低負荷で容易に剥離する。

本発明と異なる熱処理条件によりプラグ母材表面上に形成された酸化スケール層の断面写真である。 本発明の熱処理条件によりプラグ母材表面上に形成された酸化スケール層の断面写真である。 落球試験を説明するための模式図である。 熱処理雰囲気中の酸素濃度と、熱処理によりプラグ表面に生成される外層スケールを剥離するのに必要なエネルギとの関係を示す図である。 熱処理温度と、熱処理によりプラグ表面に形成される内層スケールのスケール粒径との関係を示す図である。 外層スケールに内在する気孔の好ましい条件を説明するための模式図である。 図６と異なる、外層スケールに内在する気孔の好ましい条件を説明するための他の模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

１．プラグの製造方法

本実施の形態による穿孔圧延用プラグの製造方法について説明する。初めに、周知の形状及び材質であって、スケール処理を実施していないプラグ素材を準備する。プラグ素材の材質は、周知であり、Ｆｅ及び他の合金元素を含む。プラグ素材の材質は、たとえば、工具鋼である。また、Ｆｅ−Ｃｒ合金鋼や、Ｆｅ−Ｃ合金鋼等であってもよい。

続いて、準備されたプラグ素材は、熱処理炉に装入され、酸化スケール層を形成するためのスケール処理が実施される。スケール処理は、以下の熱処理条件に従う。

（１）熱処理雰囲気

熱処理雰囲気中の酸素濃度は、１．０ｖｏｌ％以上に設定される。１．０ｖｏｌ％以上とすれば、形成される外層スケールが、母材（プラグ素材）表面に沿って広がる１又は複数の気孔を含有するため、低負荷で容易に剥離しやすくなる。酸素濃度が１．０ｖｏｌ％未満に設定される場合、外層スケール内において、母材表面に沿って広がる気孔の含有率が減少するため、外層スケールが剥離しにくくなる。

好ましくは、熱処理雰囲気中の酸素濃度は、２．０ｖｏｌ％以上である。図３は、熱処理雰囲気中の酸素濃度と外層スケールの剥離性との関係を示す。図３は以下の方法により測定された。表１に示す化学組成を有する複数のプラグ素材試験片（長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ５０ｍｍ）を準備し、各試験片を、酸素濃度の異なる熱処理雰囲気内でスケール処理した。このとき、熱処理雰囲気は、酸素の他に、１０ｖｏｌ％のＣＯ_２と、１０ｖｏｌ％のＨ_２Ｏとを含み、残部は、Ｎ_２及び不純物であった。また、熱処理温度は１０００℃であり、均熱時間は２５時間であった。スケール処理後、各試験片の表面に形成された外層スケールの剥離性を、落球試験により評価した。

落球試験は、以下の方法で実施した。図４に示すように、各試験片４０の外層スケール上方に内径３０ｍｍ長さ１ｍの金属管５０を配置した。このとき、金属管５０の下端と試験片４０の上面（つまり、外層スケール表面）との間の距離は３ｃｍとした。金属管５０の上端から直径９．４ｍｍ、質量３．４ｇのステンレス鋼球６０を金属管５０を通して試験片４０の上面に１球ずつ落下し、１球落下するごとに、外層スケールが剥離したか否かを観察した。目視にて外層スケールの剥離が確認されるまで、ステンレス鋼球６０を順次落下した。剥離を確認したときまでの落球個数をカウントし、外層スケールを剥離するのに必要なエネルギ（単位はＪ、以下、外層剥離エネルギという）を以下の式（１）で求めた。

外層剥離エネルギ（Ｊ）＝ｍ×ｇ×ｈ×ｎ （１）

ここで、式（１）中のｍは、ステンレス鋼球の質量（ｋｇ）である。ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）である。ｈは、落下前のステンレス鋼球の外層スケール表面からの高さ（ｍ）である。ｎは、外層スケールの剥離を確認したときまでの落球個数である。

図３を参照して、外層剥離エネルギは、熱処理雰囲気中の酸素濃度が０ｖｏｌ％から上昇するに伴い、急速に低下した。そして、酸素濃度が２．０ｖｏｌ％以上となったとき、酸素濃度が上昇しても、外層剥離エネルギは低下しなかった。したがって、より好ましい酸素濃度は２．０％以上である。

一方、酸素濃度の好ましい上限は２０ｖｏｌ％である。さらに好ましい酸素濃度の上限は１０ｖｏｌ％である。

なお、酸素濃度が１．０ｖｏｌ％以上に設定された場合、熱処理温度が下記の範囲内に設定されれば、内層スケールが緻密な構造を維持する。そのため、酸素濃度を１．０ｖｏｌ％以上に設定されても、内層スケールは剥離しにくい。

熱処理雰囲気の酸素以外の他の化学成分は、従来のスケール処理時の周知の熱処理雰囲気の成分と同じである。たとえば、熱処理雰囲気は酸素の他に、５〜１５ｖｏｌ％のＣＯ_２と、５〜２５ｖｏｌ％のＨ_２Ｏとを含み、残部はＮ_２及び不純物である。なお、Ｎ_２の一部に換えて、ＣＯを約３ｖｏｌ％まで含有してもよい。

（２）熱処理温度

熱処理温度は９５０℃以上１０５０℃未満とする。１０５０℃以上とすれば、外層スケールが剥離しにくくなる。一方、９５０℃未満であれば、酸化スケール層が十分に生成されず、酸化スケール層を厚くするために、熱処理時間を過剰に長くしなければならない。したがって、熱処理温度は９５０℃以上１０５０℃未満とする。なお、熱処理温度が上述の範囲内に設定されれば、内層スケールは従来と同様に緻密な構造を維持する。

好ましくは、熱処理温度は９５０〜１０００℃である。熱処理温度を９５０〜１０００℃とすれば、内層スケールがより緻密な構造となり、プラグ素材表面との密着性が向上する。以下、この点を詳述する。

熱処理温度を９５０〜１０００℃とすれば、内層スケールの粒径を小さくすることができる。スケール粒径が小さくなれば、内層スケールは緻密な構造となるとともに、プラグ表面との密着性も向上する。以下、熱処理温度を９５０〜１０００℃とすることにより、内層スケールの粒径が小さくなる点について詳述する。

図５は、熱処理温度と内層スケールの粒径との関係を示す図である。図５は、以下の方法により求めた。表１に示した化学組成を有するプラグ素材試験片（長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ５０ｍｍ）を準備し、各試験片を、異なる熱処理温度でスケール処理した。このとき、熱処理雰囲気は表２中の条件２（酸素濃度２．０ｖｏｌ％）と同じとした。なお、均熱時間は、いずれも２５時間とした。

熱処理後の試験片の内層スケールの粒径を求めた。具体的には、内層スケールの断面組織をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察し、観察された断面組織内から任意のスケール粒を無作為に選択した。そして、各スケール粒の粒径を測定した。粒径は、各スケール粒における最大径を、そのスケール粒の粒径とした。測定された各スケール粒の粒径の平均値を求め、求められた平均値を、その試験片の内層スケールの粒径（μｍ）に決定した。

図５を参照して、内層スケール粒径は、熱処理温度が低下するに従い、急速に小さくなり、熱処理温度が１０００℃のときには、内層スケール粒径が１μｍ以下となった。一方、熱処理温度が１０００℃以下になったとき、内層スケール粒径は熱処理温度が低下しても、それほど小さくならなかった。したがって、より好ましい熱処理温度は９５０〜１０００℃である。

（３）その他の条件

熱処理時間は、酸化スケール層を形成するための周知のスケール処理と同様である。たとえば、上述の熱処理温度で熱処理時間を６時間〜２５時間とすれば、酸化スケール層の厚さは、好ましい厚さ２００μｍ〜１０００μｍとなる。なお、熱処理時間は２５時間より長くてもよいし、６時間未満であってもよい。

また、熱処理後のプラグの冷却速度は、２５℃／時間〜１５０℃／時間とするのが好ましい。なお、冷却速度は速い方がより好ましい。冷却速度が速くなると、外層スケール中にクラックが形成され、剥離しやすくなるからである。なお、冷却終了時間（炉出し温度）は常温〜６００℃とするのが好ましい。その他の条件は、酸化スケール層を形成するための周知のスケール処理と同様である。

２．酸化スケール層の構成

上述の製造方法により製造されたプラグは、表面に酸化スケール層を有する。上述のとおり、酸化スケール層の厚さは、２００μｍ〜１０００μｍの範囲が好ましい。

図２を参照して、酸化スケール層３０は、母材（プラグ素材）１００の表面ＳＦ上に形成される内層スケール１０と、内層スケール１０上に形成される外層スケール２０とで構成される。内層スケール１０は、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、母材１００に含有されるＦｅ以外の合金元素のうち少なくとも１種以上の合金元素と、不純物とからなる。内層スケール１０は緻密な構造を有する。

一方、外層スケール２０は、Ｆｅ及びＯ（酸素）と、不純物とからなる。外層スケール２０はさらに、その下部に、母材表面ＳＦに沿って延びた複数の気孔ＰＯを含む。気孔ＰＯにより、母材表面ＳＦに沿ってクラックが伝播しやすいため、外層スケールが低負荷で容易に剥離される。

好ましくは、１又は複数の気孔ＰＯは以下の条件を満たす。すなわち、図６に示すように、プラグの表面近傍であって、幅ＬＯが１０００μｍの任意の領域Ａ１の断面に注目する。領域Ａ１の断面において、母材表面ＳＦと平行であり、長さが１０００μｍの仮想線ＶＬを外層スケールの厚み方向（図中上下方向）に移動させる。このとき、仮想線ＶＬと気孔ＰＯとが重なる部分ＬＰｏが存在する。このように、仮想線ＶＬを上下に移動したとき、気孔ＰＯと仮想線ＶＬとが重なる部分ＬＰｏのうち、最大値ＬＰｍａｘが５００μｍ以上となるのが好ましい。図６では、仮想線ＶＬ２ではなく、仮想線ＶＬ１の部分Ｌｐｏが最大長さとなる。換言すれば、本発明のプラグは、領域Ａ１の断面において、最大値ＬＰｍａｘが５００μｍ以上となる仮想線ＶＬの配置位置を有する。

図７に示すように、幅ＬＯが１０００μｍの任意の領域Ａ２の外層スケール２０の断面において、複数の気孔ＰＯ１〜ＰＯ３が母材表面ＳＦに沿って広がっている場合、ＬＰｏは、気孔ＰＯ１〜ＰＯ３のうち仮想線ＶＬと重なる部分ＬＰ１〜ＬＰ３の合計長さ（ＬＰ１＋ＬＰ２＋ＬＰ３）とする。

ここで、母材表面ＳＦ及び仮想線ＶＬは以下のとおり決定する。上述のとおりに選択された幅１０００μｍの領域断面における母材表面を所定間隔（たとえば１０μｍ単位）ごとにプロットする。そして、プロットされた点に基づいて最小自乗法により一次関数化して得られた直線を母材表面ＳＦとする。また、得られた母材表面ＳＦと平行な直線を仮想線ＶＬとする。

母材表面ＳＦ、仮想線ＶＬ及び最大値ＬＰｍａｘは、たとえば上記領域を画像処理することにより求めることができる。

このように、上述の製造方法により製造されたプラグは、母材表面に沿って広がる気孔を含む外層スケールを有する。この気孔の存在により、外層スケールは機械的に高い負荷を与えることなく、又は、熱応力を与えることなく、従来よりも低い負荷で容易に剥離される。

一方、上述の製造方法で製造されたプラグの内層スケールは、熱処理雰囲気中の酸素濃度が従来よりも高いにもかかわらず、従来の内層スケールと同等か、それ以上の緻密な構造を有する。そのため、穿孔圧延中であっても従来と同等以上に剥離しにくい。

３．穿孔圧延

本実施の形態によるプラグは、外層スケールを剥離された後、穿孔圧延に用いられる。つまり、外層スケールが剥離され、内層スケールが表面に残存したプラグを用いて金属素材（たとえば丸ビレット）を穿孔圧延して金属管を製造する。上述のとおり、外層スケールは、ハンマー等を用いて機械的に高い負荷を付与したり、急激な熱応力を与えることなく、従来よりも低い負荷で容易に剥離する。そのため、プラグ表面に外層スケールが残存しにくく、プラグ表面に凹凸が発生しにくい。その結果、プラグ表面の凹凸に起因する継目無管内面の疵の発生が抑制される。

複数のプラグ素材試験片（以下、単に試験片という）マーク１〜マーク６を準備した。各プラグ素材の化学成分は、いずれも表１に示すとおりとした。また、各試験片のサイズは、長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ５０ｍｍとした。

各試験片に対して、表３に示す熱処理条件でスケール処理を実施し、試験片表面に酸化スケール層を形成した。

熱処理時、常温から表３中の熱処理温度までの昇温時間は４時間とし、各試験片に形成される酸化スケール層の厚さが５００μｍ〜７５０μｍとなるように、保持時間が調整された。熱処理中、酸素濃度は酸素濃度計で測定され、熱処理中の酸素濃度の平均値が表３中の値になるように熱処理炉の空燃比が調整された。熱処理雰囲気のうち酸素以外の他の成分は以下のとおりとした。ＣＯ_２濃度は１０ｖｏｌ％に設定され、Ｈ_２Ｏ濃度は１０ｖｏｌ％に設定された。残部はＮ_２及び不純物であった。

［組織観察］

熱処理後、各試験片の任意の箇所（１箇所）からプラグ表面の断面サンプルを採取した。採取された各断面サンプルにおいて、１０００μｍ幅の任意の領域の断面（酸化スケール層及びプラグ表面の断面）を光学顕微鏡にて観察し、以下の方法によりＬＰｍａｘを調査した。各断面サンプルを画像処理して、断面領域内の母材（プラグ素材）表面の１０μｍおきの点を抽出した。そして、それらの点から最小自乗法により、一次関数の直線（母材表面）ＳＦを算出した。算出された直線ＳＦに平行な１０００μｍの長さを有する仮想線ＶＬを外層スケールの厚さ方向にずらしながら順次配置した。各配置位置で、仮想線ＶＬ中で気孔と重複する部分の長さを求めた。仮想線ＶＬが複数の気孔と重複する場合は、重複部分の合計長さを求めた。各仮想線ＶＬで求められた長さのうち、最大値ＬＰｍａｘを決定した。各試験片のＬＰｍａｘを表３に示す。

［剥離性調査］

熱処理後の各プラグ試験片の表面に形成された外層スケールの剥離性は落球試験により評価された。

落球試験は上述の方法で実施した（図４参照）。そして、剥離を確認したときまでの落球個数がカウントされた。落球個数が１０個以下の場合、良好な剥離性を有すると判断した。

［試験結果］

剥離試験の試験結果を表３に示す。表３中の「落球個数」の欄は、剥離を確認したときまでの落球個数を示す。表３を参照して、本発明の熱処理温度及び酸素濃度を満たすマーク２、４及び５では、落球個数が１０個以下であり、外層スケールは良好な剥離性を有した。また、これらのプラグ試験片では、落球試験により内層スケールは剥離しなかった。

一方、マーク１の試験片では、酸素濃度は本発明の範囲内であったものの、熱処理温度が本発明の上限値を超えたため、外層スケールが剥離しにくく、落球個数が１０個を大きく超えた。マーク３及びマーク６の試験片では、熱処理温度が本発明の範囲内であったものの、酸素濃度が本発明の下限値未満であったため、外層スケールが剥離しにくく、落球個数が１０個を超えた。

１０２５℃の熱処理温度でスケール処理したプラグと、１０００℃の熱処理温度でスケール処理したプラグとを製造し、穿孔圧延後のそれぞれのプラグの内層スケールの耐摩耗性及び耐剥離性を調査した。

具体的には、表１に示す材質の複数のプラグを準備した。準備された複数のプラグのうち、いくつかのプラグを１０２５℃の熱処理温度でスケール処理した。以下、これらのプラグを１０２５℃プラグという。また、残りのプラグを１０００℃の熱処理温度でスケール処理した。以下、これらのプラグを１０００℃プラグという。熱処理温度の保持時間（均熱時間）は、形成される内層スケールが約６００μｍとなるように調整された。熱処理雰囲気は、表２中の条件２とした。

スケール処理後の１０２５℃プラグ及び１０００℃プラグの表面には、共に６００μｍ
の内層スケールが形成された。また、外層スケールは容易に剥離した。なお、内層スケールの厚さは、以下の方法で測定した。光学顕微鏡又はレーザ顕微鏡を用いて、製造された各１０２５℃プラグ及び１０００℃プラグの酸化スケール層の断面のミクロ写真（１００〜２００倍）を撮影した。そして、撮影されたミクロ写真の任意の数カ所の内層スケールの厚さを画像処理により測定した。測定された厚さの平均値を内層スケールの厚さと定義した。

外層スケールを剥離した後、内層スケールを表面に有する各プラグ（１０２５℃プラグ及び１０００℃プラグ）でビレットを２本ずつ穿孔圧延した。そして、穿孔圧延後のプラグの内層スケールの厚さを測定した。穿孔圧延後の１０２５℃プラグの内層スケール厚さは２００μｍであった。つまり、穿孔圧延前の内層スケール厚さ（６００μｍ）から４００μｍ磨耗した。一方、穿孔圧延後の１０００℃プラグの内層スケール厚さは４００μｍであり、１０００℃プラグの方がより高い耐摩耗性を有した。図５に示すとおり、１０００℃プラグの内層スケールの粒径は約１μｍであり、１０２５℃プラグの内層スケールの粒径（約４μｍ）よりも小さい。そのため、１０００℃プラグの内層スケールの方がより緻密な構造になっており、優れた耐磨耗性を有すると推定される。

さらに、各プラグを用いて、３本目のビレットを穿孔圧延し、圧延後のプラグ表面を目視で観察した。その結果、１０２５℃プラグでは、内層スケールの一部が剥離して、剥離した部分で溶損が発生した。一方、１０００℃プラグでは、内層スケールは剥離しておらず、溶損も発生しなかった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

Claims (4)

1. 金属素材の穿孔圧延に用いられるプラグの製造方法であって、
   プラグ素材を準備する工程と、
   準備された前記プラグ素材を２．０ｖｏｌ％以上の酸素を含む熱処理雰囲気中で９５０℃以上１０００℃以下の熱処理温度、及び、６〜２５時間の熱処理時間で熱処理し、熱処理後、２５〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却することにより、前記プラグ素材表面に形成され、ＦｅとＯ（酸素）と前記プラグ素材に含有されるＦｅ以外の合金元素のうち少なくとも１種以上の合金元素と不純物とからなる内層スケールと、前記内層スケール上に形成され、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、不純物とからなる外層スケールとを有し、６５０〜１０００μｍの厚さの酸化スケール層を含むプラグを製造する工程とを備えることを特徴とするプラグの製造方法。
2. 請求項１に記載のプラグの製造方法であってさらに、
   前記酸化スケール層のうち、外層スケールを除去する工程を含むことを特徴とするプラグの製造方法。
3. プラグ素材を準備する工程と、
   準備された前記プラグ素材を２．０ｖｏｌ％以上の酸素を含む熱処理雰囲気中で９５０℃以上１０００℃以下の熱処理温度、及び、６〜２５時間の熱処理時間で熱処理し、熱処理後、２５〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却することにより、前記プラグ素材表面に形成され、ＦｅとＯ（酸素）と前記プラグ素材に含有されるＦｅ以外の合金元素のうち少なくとも１種以上の合金元素と不純物とからなる内層スケールと、前記内層スケール上に形成され、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、不純物とからなる外層スケールとを有し、６５０〜１０００μｍの厚さの酸化スケール層を含むプラグを製造する工程と、
   前記酸化スケール層のうち、前記外層スケールを除去する工程と、
   前記外層スケールを除去されたプラグを用いて金属素材を穿孔圧延して金属管を製造する工程とを備えることを特徴とする金属管の製造方法。
4. 金属素材の穿孔圧延に用いられるプラグであって、
   母材と、
   ２．０ｖｏｌ％以上の酸素を含む熱処理雰囲気中で９５０℃以上１０００℃以下の熱処理温度、及び、６〜２５時間の熱処理時間で熱処理され、熱処理後、２５〜１５０℃／時間の冷却速度で冷却されることにより形成され、前記母材表面に形成されＦｅとＯ（酸素）と前記プラグ素材に含有されるＦｅ以外の合金元素のうち少なくとも１種以上の合金元素と不純物とからなる内層スケールと、前記内層スケール上に形成され、Ｆｅと、Ｏ（酸素）と、不純物とからなる外層スケールとを有し、６５０〜１０００μｍの厚さの酸化スケール層とを備えることを特徴とするプラグ。