JP5365723B2 - 穿孔圧延用プラグの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機（以下、単に「穿孔機（ピアサ）」ともいう）で使用される穿孔圧延用プラグ（以下、単に「プラグ」ともいう）の製造方法に関し、特に、プラグの母材表面に鉄線材をアーク溶射することによって皮膜が形成された穿孔圧延用プラグの製造方法に関する。
継目無鋼管は、マンネスマン製管法により製造することができる。この製管法は、次のステップからなる：
（１）穿孔機により、所定温度に加熱された素材（丸ビレット）を穿孔圧延し、中空素管（ホローシェル）に成形する；
（２）延伸圧延機（例：マンドレルミル）により、中空素管を延伸圧延する；
（３）定径圧延機（例：ストレッチレデューサ）により、延伸圧延した中空素管を所定の外径と肉厚に定径圧延する。
（１）穿孔機により、所定温度に加熱された素材（丸ビレット）を穿孔圧延し、中空素管（ホローシェル）に成形する；
（２）延伸圧延機（例：マンドレルミル）により、中空素管を延伸圧延する；
（３）定径圧延機（例：ストレッチレデューサ）により、延伸圧延した中空素管を所定の外径と肉厚に定径圧延する。
穿孔機による穿孔圧延においては、穿孔用工具としてプラグが用いられる。このプラグは、芯金の先端に装着され、１２００℃程度の高温に加熱されたビレットを穿孔するため、高熱で高面圧を負荷される過酷な状況にさらされる。一般に、プラグは、熱間工具鋼を母材とし、この母材を保護するために、予め熱処理によって母材表面に酸化スケールの皮膜が形成され、そのうえで穿孔圧延に使用される。穿孔圧延時、プラグ表面のスケール皮膜は、ビレットからプラグ母材への熱伝達を遮るとともに、ビレットとプラグとの焼き付きを防止する役割を担う。
このようなスケール皮膜付きプラグは、穿孔圧延を繰り返すことに伴って、スケール皮膜が次第に摩耗する。スケール皮膜が摩耗すると、皮膜による遮熱効果が低下するため、穿孔中にプラグの温度が上昇し、プラグ母材の溶損や熱変形が生じやすくなる。また、スケール皮膜が消失しプラグ母材が直接ビレットに接触するようになると、焼き付きが生じ、鋼管の内面に疵が発生する。このため、プラグは、皮膜が失われた時点で使用不能となり、寿命に至る。
特に、Ｃｒを９％以上含有する高Ｃｒ含有鋼やＮｉ基合金やステンレス鋼といった高合金鋼からなる継目無鋼管を製造する場合、穿孔圧延の際にプラグ表面のスケール皮膜の摩耗が顕著に起こり、プラグ寿命の低下が著しくなる。例えば、ステンレス鋼の穿孔では、プラグ表面のスケール皮膜は２、３パス（連続穿孔回数）で摩耗し、そのプラグは寿命に至る。このため、プラグを頻繁に交換する事態が生じ、鋼管の製造効率が低い。したがって、高合金鋼の継目無鋼管を製造する場合は特に、穿孔圧延時にプラグ寿命を向上させ、これにより鋼管の製造効率を高めることが要求される。
このような要求に対し、例えば、特許文献１には、プラグ母材の表面に形成する皮膜として、熱処理によるスケール皮膜に代え、プラグ母材の表面に鉄線材をアーク溶射して酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成したプラグが開示されている。このアーク溶射皮膜付きプラグは、プラグ表面の皮膜が酸化物およびＦｅで構成されるため、遮熱性および焼き付き防止性に優れ、プラグ寿命の向上が期待できる。
また、同文献には、アーク溶射皮膜付きプラグを製造（再生）する際、プラグの表面にショットブラストを施した後、そのプラグを載置した回転台を回転させながら、アーク溶射機からプラグの母材表面に溶融材料を吹き付けることにより、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成する製造設備が開示されている。この製造設備では、プラグ母材表面の先端部、胴部の前半部、および胴部の後半部のそれぞれに向けて溶射機を設置し、全ての溶射機を同時に稼動させてアーク溶射皮膜を形成すれば、１つの溶射機でプラグ母材表面の全域にわたってアーク溶射皮膜を形成するときよりも、皮膜の形成に要する時間を短縮することができ、プラグの製造能率の向上が図れるとしている。
しかし、同文献に開示される従来の製造設備で製造されたアーク溶射皮膜付きプラグであっても、ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合に、皮膜の剥離が発生することがある。これは、皮膜の密着性が不安定であることに起因する。このため、プラグ寿命の向上を安定して得るという点では改善の余地がある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、プラグ母材の表面に鉄線材をアーク溶射して酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成することを前提とし、その目的は、次の特性を有する穿孔圧延用プラグの製造方法を提供することである：
（１）プラグ表面に形成された皮膜の密着性を強固なものにすること；
（２）ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合にも、安定してプラグ寿命を向上できること。
（１）プラグ表面に形成された皮膜の密着性を強固なものにすること；
（２）ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合にも、安定してプラグ寿命を向上できること。
本発明の要旨は、次の通りである。
継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造方法であって、
当該穿孔圧延用プラグの製造方法は、
アーク溶射機により鉄線材を溶融させその溶融材料をプラグの母材表面に向けて吹き出して、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成するアーク溶射工程を含み、
このアーク溶射工程では、プラグの母材表面をプラグの軸方向に複数の領域に区分し、区分した領域ごとに、順次、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を３５°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行い、
前記プラグが砲弾形状で胴部および先端部からなり、前記複数の領域が胴部の領域と先端部の領域であり、
前記胴部に皮膜を形成した後、前記先端部に皮膜を形成すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造方法。
当該穿孔圧延用プラグの製造方法は、
アーク溶射機により鉄線材を溶融させその溶融材料をプラグの母材表面に向けて吹き出して、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成するアーク溶射工程を含み、
このアーク溶射工程では、プラグの母材表面をプラグの軸方向に複数の領域に区分し、区分した領域ごとに、順次、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を３５°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行い、
前記プラグが砲弾形状で胴部および先端部からなり、前記複数の領域が胴部の領域と先端部の領域であり、
前記胴部に皮膜を形成した後、前記先端部に皮膜を形成すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造方法。
前記区分した領域ごとに、順次、アーク溶射を行う際に、前記プラグにおける皮膜形成の対象領域以外の領域を覆うように、遮蔽板を配設することが好ましい。
前記交差角度を、６０°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うことが好ましい。
前記交差角度を、６０°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うことが好ましい。
本発明の穿孔圧延用プラグの製造方法は、下記の顕著な効果を有する：
（１）プラグ表面に形成されたアーク溶射皮膜の密着性を強固なものにできること；
（２）ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合にも、安定してプラグ寿命を向上できること。
（１）プラグ表面に形成されたアーク溶射皮膜の密着性を強固なものにできること；
（２）ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合にも、安定してプラグ寿命を向上できること。
本発明者らは、上記目的を達成するため、プラグ母材の表面に鉄線材をアーク溶射してＦｅ酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成することを前提とし、特にそのアーク溶射皮膜の密着性に着目して種々の試験を実施し、鋭意検討を重ねた。その結果、以下の知見を得た。
アーク溶射は、アーク溶射機を使用し、例えば、電極となる２本の溶射線材の先端間にアークを発生させて溶射線材を溶融させ、同時に溶射線材の先端間に圧縮空気や窒素ガスなどのジェットを供給して溶融材料を吹き出し、これにより、対象物に溶融材料を吹き付けて皮膜を形成する技術である。溶射線材として鉄線材を適用し、対象物をプラグとするアーク溶射では、プラグの母材表面に形成される皮膜は、Ｆｅ酸化物（酸化鉄）およびＦｅで構成される。この皮膜中のＦｅ酸化物は、アーク溶射機から吹き出された溶融材料（溶融鉄）がプラグ母材表面に到達するまでの飛行中に酸化することによって生成したものである。皮膜中のＦｅは、溶融材料が飛行中に酸化しないままでプラグ母材表面に到達したものである。
図１は、アーク溶射皮膜の密着性を調査する基礎試験で実施したアーク溶射の状況を模式的に示す図である。同図に示すように、皮膜の密着性を調査する基礎試験では、プラグ母材２をプラグ１の中心軸ＰC回りに回転させながら、アーク溶射機４から鉄線材を源とする溶融材料を吹き出し、プラグ１の表面に皮膜を形成した。その際、アーク溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ１の母材２の表面との交差角度θを種々変更して皮膜の形成を行った。そして、交差角度θの異なるプラグ１ごとに、皮膜の密着性の評価指標として、皮膜のせん断方向への剥離応力（以下、「密着力」という）を測定した。皮膜の密着性の評価は、交差角度θが９０°の場合の密着力を基準「１」とし、これに対する各交差角度θの場合の密着力の比率（以下、「密着力比」という）で行った。また、皮膜の断面ミクロ観察も実施した。
図２は、アーク溶射皮膜の密着性調査の基礎試験結果として、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度の依存性を示す図である。図３は、その基礎試験結果として、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度に応じた皮膜の断面ミクロ観察写真を示す図である。
図２に示すように、皮膜の密着力比は、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度θに依存することがわかる。具体的には、交差角度θが３５°を下回る低角度になると、密着力比が著しく低下する傾向が認められる。その一方で、交差角度θが６０°以上の高角度であれば、密着力比が低下する傾向は認められない。
交差角度θが低角度の場合に密着力が低下する理由は、図３に示すように、交差角度θが低角度であると、プラグ母材表面への皮膜の付着がまばらになり、皮膜中の気孔率が増加することに起因すると考えられる。
ここで、一般に、アーク溶射は、耐火物で構成される金属精錬容器の出湯孔の補修や、エンジンのシリンダボア内周面のコーティングに利用される。この場合、アーク溶射を施す対象が円筒状部材の内面であり、固定された円筒状部材の内部に溶射機を挿入してアーク溶射を行うため、溶射機から皮膜対象面までの距離、すなわち溶射距離は、５０ｍｍ程度、最大でも１５０ｍｍ程度と小さい。このような一般に施工されるアーク溶射においては、溶射機の吹き出し中心線と皮膜対象面との交差角度を高角度にするのは望ましくない。交差角度が高角度であると、溶射機から吹き出された溶融材料が皮膜対象面で反射して溶射機に戻り、これにより溶射機が損傷したり、皮膜対象面で反射した溶融材料が再度吹き出されて皮膜対象面に不用意に付着し、これにより皮膜の密着性が低下したりすることから、これを防止するためである。
この理論によれば、プラグを対象とするアーク溶射でも、溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を高角度にすると、皮膜の密着性の低下が懸念される。しかし、上記のとおり、プラグを対象とするアーク溶射では、むしろ、交差角度θを高角度にする方が皮膜の密着力が確保される。これは以下の理由による。
鉄線材を用いてアーク溶射を行い、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成する場合、溶射機から吹き出された溶融材料（溶融鉄）が飛行中に酸化する時間を十分に確保する必要があるので、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離は、２００〜１０００ｍｍ程度とかなり大きい。このため、交差角度を高角度にしても、溶融材料がプラグ母材表面で反射することはほとんど無い。
また、プラグの母材表面にアーク溶射皮膜を形成する場合、プラグを回転させながらアーク溶射を行うため、溶融材料がプラグ母材表面で反射しても、プラグの回転により大きく弾かれて飛散し、この溶融材料がプラグ母材表面に不用意に付着することはない。
したがって、上記の基礎試験結果より、プラグ表面に形成された皮膜の密着力を確保し、密着性を強固なものにするには、プラグの母材表面にアーク溶射皮膜を形成する際、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度θを３５°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うのが好適であるといえる。より好ましくは、６０°〜９０°の範囲である。
ところで、交差角度θを上記の適正範囲にしてアーク溶射を行う手法としては、下記の方法がある。
図４は、従来のアーク溶射による皮膜形成方法を説明するための模式図である。同図に示すように、従来の方法では、プラグ１が砲弾形状であって、その母材２の表面にアーク溶射によって皮膜３を形成する際、プラグ母材２をプラグ１の中心軸ＰC回りに回転させながら、プラグ母材２の表面を後端から先端まで沿うように溶射機４を往復移動させる。これにより、プラグ１の表面には、先端部１ａ、胴部１ｂの前半部１ｂａ、および胴部１ｂの後半部（リーリング部）１ｂｂの全域にわたり皮膜３が形成される。その際、溶射機４は、プログラムによって動作する多関節アームに取り付けられており、その移動と姿勢が制御される。
しかし、図４に示す従来の方法で皮膜を形成した場合、後述する実施例で実証するように、プラグ寿命が期待したほど向上しないことが判明した。これは以下の理由による。
図５は、図４に示す従来の方法でアーク溶射皮膜を形成した場合にプラグ寿命の向上が図れない理由を説明するための模式図である。前記図４に示す従来の方法では、溶射機４をプラグ母材２の表面の後端から先端までの広範囲にわたって移動させることから、溶射機４の移動と姿勢の制御は極めて複雑になる。このため、図５に示すように、プラグ母材２に対して溶射機４の位置調整や姿勢調整が少しでもずれると、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが上記の適正範囲から逸脱する場合がある（図５中の円で囲った部分）。これに起因して、皮膜の一部が密着性の低いものとなる。
このような従来の方法に対し、後述する実施例で実証するように、プラグ母材の表面をプラグの軸方向に複数の領域に区分し、区分した領域ごとに順次アーク溶射皮膜を形成する方法を採用することにより、プラグ寿命が著しく向上することが判明した。
なお、前記特許文献１には、アーク溶射による皮膜の形成時間を短縮するために、プラグの先端部、胴部の前半部、および胴部の後半部のそれぞれに向けて溶射機を設置し、全ての溶射機を同時に稼動させてアーク溶射皮膜を形成する技術が記載されている。この技術の場合であっても、理由は定かでないが、上記した図４に示す従来の方法と同様に、プラグ寿命の向上が期待するほど図れない。
本発明は、上記の知見に基づき完成させたものである。以下に、本発明のプラグの製造方法の好ましい態様について説明する。
＜第１実施形態＞
図６は、本発明の第１実施形態のプラグの製造方法において、アーク溶射による皮膜形成の手順を示す模式図であり、同図（ａ）は手順１としてプラグ胴部に、および同図（ｂ）は手順２としてプラグ先端部にそれぞれ皮膜を形成する状態を示す。同図に示す第１実施形態の方法は、前記図４に示す従来の方法を基本とし、重複する説明は適宜省略する。
図６は、本発明の第１実施形態のプラグの製造方法において、アーク溶射による皮膜形成の手順を示す模式図であり、同図（ａ）は手順１としてプラグ胴部に、および同図（ｂ）は手順２としてプラグ先端部にそれぞれ皮膜を形成する状態を示す。同図に示す第１実施形態の方法は、前記図４に示す従来の方法を基本とし、重複する説明は適宜省略する。
図６に示すように、第１実施形態の方法では、プラグ１が砲弾形状であって、図示しない回転台などに載置したプラグ母材２をプラグ１の中心軸ＰC回りに回転させながら、プラグ母材２の表面にアーク溶射によって皮膜３を形成する。具体的には、先ず、プラグ母材２の表面をプラグ１の軸方向に２つの領域に区分する。図６では、プラグ１の先端部１ａと、胴部１ｂとに区分した例を示している。ここでいう胴部１ｂは、プラグ１の後端（図では下端）から軸方向（図では上下方向）に沿った全長の８０〜９８％までの部分である。
その上で、手順１として、図６（ａ）に示すように、プラグ母材２の表面のうち、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域に対向させ、その領域のみを沿うように往復移動させてアーク溶射を施す。これにより、プラグ母材２の表面には、先端部１ａを除く胴部１ｂに皮膜３が形成される。
次いで、手順２に移行し、図６（ｂ）に示すように、プラグ母材２の表面のうち、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域に対向させ、その領域のみを沿うように僅かに往復移動させてアーク溶射を施す。これにより、プラグ母材２の表面における先端部１ａに皮膜３が形成される。こうして、プラグ１の表面の全域にわたり皮膜３が形成される。
その際、図６（ａ）、（ｂ）に示す手順１、２のいずれでも、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが、上記の基礎試験結果から導き出された適正範囲、すなわち３５°〜９０°の範囲、より好適には６０°〜９０°の範囲となるように、各溶射機４の移動と姿勢を制御してアーク溶射を行う。
本実施形態の方法によれば、プラグ母材２の表面をプラグ１の軸方向に２つの領域（先端部１ａと胴部１ｂ）に区分し、区分した２つの領域ごとに、順次、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θを適正範囲に維持してアーク溶射を行い、皮膜３を形成するようにしているので、プラグ母材と皮膜の密着性が強固で、プラグ寿命が著しく向上するアーク溶射皮膜付きプラグを製造することができる。しかも、区分した各領域でアーク溶射を行う際、各溶射機４の稼動範囲が少なくて済むため、各溶射機４の移動と姿勢を複雑に制御しなくても上記の交差角度θを確実に適正範囲に維持することができ、その結果として、皮膜の密着性がプラグ表面の全域にわたって安定し、プラグ寿命も安定する。
＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態のプラグの製造方法において、アーク溶射による皮膜形成の手順を示す模式図であり、同図（ａ）は手順１としてプラグ胴部の後半部に、同図（ｂ）は手順２としてプラグ胴部の前半部に、および同図（ｃ）は手順３としてプラグ先端部にそれぞれ皮膜を形成する状態を示す。第２実施形態の方法は、上記第１実施形態の方法を基本とし、プラグ母材２の表面を区分する領域の数を増加させたものである。第２実施形態では、プラグ母材２の表面を３つの領域に区分する。図７では、プラグ１の先端部１ａと、胴部１ｂの前半部１ｂａと、胴部１ｂの後半部１ｂｂとに区分した例を示している。
図７は、本発明の第２実施形態のプラグの製造方法において、アーク溶射による皮膜形成の手順を示す模式図であり、同図（ａ）は手順１としてプラグ胴部の後半部に、同図（ｂ）は手順２としてプラグ胴部の前半部に、および同図（ｃ）は手順３としてプラグ先端部にそれぞれ皮膜を形成する状態を示す。第２実施形態の方法は、上記第１実施形態の方法を基本とし、プラグ母材２の表面を区分する領域の数を増加させたものである。第２実施形態では、プラグ母材２の表面を３つの領域に区分する。図７では、プラグ１の先端部１ａと、胴部１ｂの前半部１ｂａと、胴部１ｂの後半部１ｂｂとに区分した例を示している。
第２実施形態では、手順１として、図７（ａ）に示すように、プラグ母材２の表面のうち、溶射機４をプラグ胴部１ｂの後半部１ｂｂの領域に対向させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ母材２の表面には、先端部１ａおよび胴部前半部１ｂａを除く胴部後半部１ｂｂに皮膜３が形成される。
続いて、手順２に移行し、図７（ｂ）に示すように、プラグ母材２の表面のうち、溶射機４をプラグ胴部１ｂの前半部１ｂａの領域に対向させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ母材２の表面における胴部前半部１ｂａに皮膜３が形成される。
次いで、手順３に移行し、図７（ｃ）に示すように、プラグ母材２の表面のうち、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域に対向させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ母材２の表面における先端部１ａに皮膜３が形成される。こうして、プラグ１の表面の全域にわたり皮膜３が形成される。
その際、図７（ａ）〜（ｃ）に示す手順１〜３のいずれでも、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが、上記の基礎試験結果から導き出された適正範囲となるように、各溶射機４の移動と姿勢を制御してアーク溶射を行う。
第２実施形態の方法によっても、上記第１実施形態の方法による場合と同様の効果を得ることができる。
なお、プラグ母材の表面を区分する領域の数は、２つ以上であれば幾つであってもよく、区分する領域は、プラグ表面のテーパー角度や曲率などに応じて設定する。
以上の各実施形態の方法により得られたプラグは、穿孔圧延に繰り返し使用され、寿命に到った場合、同様の方法によりプラグ表面にアーク溶射皮膜を再形成し、再生することができる。この場合、皮膜を再形成する処理の直前に、プラグ表面にエアーの吹き付けやショットブラストを施して、プラグ表面に残存する穿孔圧延ままの皮膜を除去することが好ましい。
また、区分した母材表面の各領域にアーク溶射を施す直前に、都度、アーク溶射を施す対象の領域にエアーの吹き付けやショットブラストを施すことが望ましい。アーク溶射を施す対象領域に、その前に別の領域で行ったアーク溶射のときに不用意に（すなわち、不適切な交差角度で）溶融材料が付着した場合、皮膜の密着性が不均一になるおそれがあるからである。
また、区分した母材表面の各領域にアーク溶射を施す際、皮膜形成の対象領域以外の領域を覆うように、遮蔽板を配設することができる。具体的には、前述した第１実施形態においては、胴部にアーク溶射を施す際は、先端部を覆うように遮蔽板を配設し、先端部にアーク溶射を施す際は、胴部を覆うように遮蔽板を配設すればよい。第２実施形態の場合も同様に、胴部後半部にアーク溶射を施す際は、胴部前半部および先端部を覆うように遮蔽板を配設すればよい。そして、胴部前半部に溶射を施す際は、胴部後半部および先端部を覆うように、先端部に溶射を施す際は、胴部前半部および胴部後半部を覆うように遮蔽板を配設すればよい。これは、意図していない領域に溶射機からの溶融材料が不用意に（すなわち、不適切な交差角度で）付着し、プラグ母材と皮膜の密着力が低下することを防止するためである。したがって、遮蔽板は、少なくともまだ溶射皮膜が形成されていない領域を覆うように配設すればよく、既に溶射皮膜が形成されている領域には配設しなくてもよい。
また、各実施形態の方法では、アーク溶射による皮膜の厚みは、全域にわたって均一に形成することもできるし、胴部よりも先端部で厚く形成することも可能である。プラグ先端部で皮膜が厚く形成されている場合、穿孔圧延時に面圧が高く温度が上昇するプラグ先端部で皮膜による遮熱性および耐摩耗性が一層確保され、プラグ寿命の一層の向上が期待できる点で有用である。
本発明の効果を確認するため、穿孔圧延用プラグを製造し、製造したプラグを穿孔機に装着して穿孔圧延する試験を行った。その試験条件は、下記の通りである。
［試験方法］
（１）プラグの製造
ＪＩＳ規定の熱間工具鋼を母材とし、最大直径が５７ｍｍの砲弾形状のプラグを多数準備した。各プラグの母材表面に、鉄線材を用いたアーク溶射の施工条件を種々変更して皮膜を形成し、アーク溶射皮膜付きプラグを製造した。アーク溶射皮膜の形成に際しては、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離を最初は２００ｍｍとしてアーク溶射を行いつつ、逐次溶射機を遠ざけ、最後は溶射距離を１０００ｍｍまで広げてアーク溶射を行った。アーク溶射皮膜の厚みは、プラグ胴部で４００μｍとし、プラグ先端部で１２００μｍとした。
（１）プラグの製造
ＪＩＳ規定の熱間工具鋼を母材とし、最大直径が５７ｍｍの砲弾形状のプラグを多数準備した。各プラグの母材表面に、鉄線材を用いたアーク溶射の施工条件を種々変更して皮膜を形成し、アーク溶射皮膜付きプラグを製造した。アーク溶射皮膜の形成に際しては、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離を最初は２００ｍｍとしてアーク溶射を行いつつ、逐次溶射機を遠ざけ、最後は溶射距離を１０００ｍｍまで広げてアーク溶射を行った。アーク溶射皮膜の厚みは、プラグ胴部で４００μｍとし、プラグ先端部で１２００μｍとした。
また、評価の基準として、熱処理炉を用いて、プラグの母材表面に酸化スケールの皮膜を形成し、スケール皮膜付きプラグを製造した。スケール皮膜の厚みは、６００μｍとした。
アーク溶射の施工条件は、下記の通りである。
比較例１：
図８に示すように、溶射機４の吹き出し中心線ＡCがプラグ母材２の中心軸ＰCと常に直交するように維持しつつ、溶射機４をプラグ母材２の表面の後端から先端までの全域にわたって移動させ、アーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａで適正範囲を逸脱する。
比較例１：
図８に示すように、溶射機４の吹き出し中心線ＡCがプラグ母材２の中心軸ＰCと常に直交するように維持しつつ、溶射機４をプラグ母材２の表面の後端から先端までの全域にわたって移動させ、アーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａで適正範囲を逸脱する。
比較例２：
図９に示すように、溶射機４の吹き出し中心線ＡCがプラグ母材２の中心軸ＰCと常に平行となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域とプラグ先端部１ａの領域の全域にわたって移動させ、アーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ胴部１ｂで適正範囲を逸脱する。
図９に示すように、溶射機４の吹き出し中心線ＡCがプラグ母材２の中心軸ＰCと常に平行となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域とプラグ先端部１ａの領域の全域にわたって移動させ、アーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ胴部１ｂで適正範囲を逸脱する。
比較例３：
図１０（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４の吹き出し中心線ＡCがプラグ母材２の中心軸ＰCと常に平行となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１０（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に２５°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を逸脱する。
図１０（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４の吹き出し中心線ＡCがプラグ母材２の中心軸ＰCと常に平行となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１０（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に２５°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を逸脱する。
比較例４：
前記図４に示すように、溶射機４の吹き出し中心線ＡCが、プラグ母材２の後端ではプラグ母材２の中心軸ＰCと直交し、プラグ母材２の先端ではプラグ母材２の中心軸ＰCと平行になるように溶射機４の姿勢を制御しつつ、溶射機４をプラグ母材２の表面の後端から先端までの全域にわたって移動させ、アーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａと胴部１ｂの境界付近で適正範囲を逸脱する。
前記図４に示すように、溶射機４の吹き出し中心線ＡCが、プラグ母材２の後端ではプラグ母材２の中心軸ＰCと直交し、プラグ母材２の先端ではプラグ母材２の中心軸ＰCと平行になるように溶射機４の姿勢を制御しつつ、溶射機４をプラグ母材２の表面の後端から先端までの全域にわたって移動させ、アーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａと胴部１ｂの境界付近で適正範囲を逸脱する。
本発明例１：
図１１（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、その際に、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが、プラグ胴部１ｂの後端側では９０°であり、プラグ胴部１ｂの先端側では３５°を超えるように溶射機４の姿勢を制御し、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１１（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を満たす。
図１１（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、その際に、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが、プラグ胴部１ｂの後端側では９０°であり、プラグ胴部１ｂの先端側では３５°を超えるように溶射機４の姿勢を制御し、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１１（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を満たす。
本発明例２：
図１２（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、その際に、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように溶射機４の姿勢を制御し、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１２（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に４５°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を満たす。
図１２（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、その際に、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように溶射機４の姿勢を制御し、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１２（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に４５°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を満たす。
本発明例３：
図１３（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、その際に、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように溶射機４の姿勢を制御し、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１３（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を満たす。
図１３（ａ）に示すように、手順１として、溶射機４をプラグ胴部１ｂの領域のみに沿って移動させ、その際に、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように溶射機４の姿勢を制御し、プラグ胴部１ｂにアーク溶射を行う。次いで、図１３（ｂ）に示すように、手順２に移行し、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θが常に９０°となるように維持しつつ、溶射機４をプラグ先端部１ａの領域のみに沿って移動させ、プラグ先端部１ａにアーク溶射を行う。この場合、溶射機４の吹き出し中心線ＡCとプラグ母材２の表面との交差角度θは、プラグ先端部１ａおよび胴部１ｂの全域で適正範囲を満たす。
（２）穿孔圧延
上記の各プラグを使用して、１２００℃に加熱した下記の被加工材（素材）を繰り返し穿孔圧延し、下記のホローシェルを作製した。
・被加工材の寸法 ：直径７０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸ビレット
・被加工材の材質 ：ＳＵＳ３０４
・ホローシェル ：外径７３ｍｍ、肉厚６．０ｍｍ、長さ１８００ｍｍ
上記の各プラグを使用して、１２００℃に加熱した下記の被加工材（素材）を繰り返し穿孔圧延し、下記のホローシェルを作製した。
・被加工材の寸法 ：直径７０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸ビレット
・被加工材の材質 ：ＳＵＳ３０４
・ホローシェル ：外径７３ｍｍ、肉厚６．０ｍｍ、長さ１８００ｍｍ
［評価方法］
穿孔圧延を終えるたびにプラグの外観を検査し、皮膜が剥離してプラグが使用できなくなるか、またはプラグ先端部に溶損、焼き付きもしくは変形が発生したときのパス回数、すなわち連続して穿孔圧延することができたビレットの本数（連続穿孔回数）を調査した。プラグ寿命の評価は、スケール皮膜付きプラグの寿命を基準「１」とし、これに対する各プラグの寿命の比率（以下、「プラグ寿命比」という）で行った。
穿孔圧延を終えるたびにプラグの外観を検査し、皮膜が剥離してプラグが使用できなくなるか、またはプラグ先端部に溶損、焼き付きもしくは変形が発生したときのパス回数、すなわち連続して穿孔圧延することができたビレットの本数（連続穿孔回数）を調査した。プラグ寿命の評価は、スケール皮膜付きプラグの寿命を基準「１」とし、これに対する各プラグの寿命の比率（以下、「プラグ寿命比」という）で行った。
［試験結果］
試験結果を表１に示す。
試験結果を表１に示す。
表１に示す結果から次のことが示される。Ｎｏ．１〜３に示す比較例１〜３では、アーク溶射によって形成される皮膜の大半が、本発明で規定する交差角度θの適正範囲（３５°〜９０°）を逸脱した条件で形成されるため、早期に皮膜の剥離、プラグの溶損、または焼き付きが発生して、プラグ寿命比が１．０以下となり、プラグ寿命の向上が全く認められなかった。Ｎｏ．４に示す比較例４では、プラグ寿命の向上が一応認められるものの、プラグの母材表面を区分することなく、アーク溶射を一度に全域にわたって行ったため、プラグ寿命比は２．５に留まった。
これに対し、Ｎｏ．５〜７に示す本発明例１〜３では、プラグの母材表面を複数の領域に区分し、区分した領域ごとに、順次個別に、本発明で規定する交差角度θの適正範囲（３５°〜９０°）を満足した条件でアーク溶射を行ったため、皮膜の密着性が著しく向上して、プラグ寿命比が５．０以上となり、プラグ寿命の向上が顕著に認められた。
本発明は、高合金鋼の継目無鋼管の製造に有効に利用できる。
１：プラグ、 １ａ：プラグ先端部、 １ｂ：プラグ胴部、
１ｂａ：プラグ胴部の前半部、 １ｂｂ：プラグ胴部の後半部、
２：プラグ母材、 ３：アーク溶射皮膜、 ４：アーク溶射機
ＰC：プラグの中心軸、 ＡC：アーク溶射機の吹き出し中心線、
θ：交差角度
１ｂａ：プラグ胴部の前半部、 １ｂｂ：プラグ胴部の後半部、
２：プラグ母材、 ３：アーク溶射皮膜、 ４：アーク溶射機
ＰC：プラグの中心軸、 ＡC：アーク溶射機の吹き出し中心線、
θ：交差角度
Claims (3)
- 継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造方法であって、
当該穿孔圧延用プラグの製造方法は、
アーク溶射機により鉄線材を溶融させその溶融材料をプラグの母材表面に向けて吹き出して、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成するアーク溶射工程を含み、
このアーク溶射工程では、プラグの母材表面をプラグの軸方向に複数の領域に区分し、区分した領域ごとに、順次、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を３５°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行い、
前記プラグが砲弾形状で胴部および先端部からなり、前記複数の領域が胴部の領域と先端部の領域であり、
前記胴部に皮膜を形成した後、前記先端部に皮膜を形成すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造方法。 - 前記区分した領域ごとに、順次、アーク溶射を行う際に、前記プラグにおける皮膜形成の対象領域以外の領域を覆うように、遮蔽板を配設すること、
を特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延用プラグの製造方法。 - 前記交差角度を、６０°〜９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の穿孔圧延用プラグの製造方法。
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