JP5445724B1 - 穿孔プラグ及び穿孔プラグの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明に係る穿孔プラグは、プラグ本体と；前記プラグ本体の表面に形成された、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜と；を備え、前記溶射皮膜の化学組成が、前記鉄及び前記鉄酸化物の他に、質量％で、Ｃ：０．０１５〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０〜０．３％、を含有する。
Description
本発明は、プラグに関し、さらに詳しくは、ビレットを穿孔圧延する穿孔機に用いられるプラグ（以下、穿孔プラグと称する）に関する。
本願は、２０１２年０８月２８日に、日本に出願された特願２０１２−１８７９１３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１２年０８月２８日に、日本に出願された特願２０１２−１８７９１３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
穿孔機は、マンネスマン法による継目無鋼管の製造に利用される。穿孔機は、一対の傾斜ロールと穿孔プラグとを備える。穿孔プラグは、一対の傾斜ロールの間のパスライン上に配置される。穿孔機は、傾斜ロールによりビレットを周方向に回転させながらプラグに押し込み、ビレットを穿孔圧延して中空素管を製造する。
穿孔機は、高温に加熱されたビレットを穿孔圧延する。そのため、ビレットが押し込まれる穿孔プラグは、高温に晒されるとともに、高い圧力を受ける。したがって、穿孔プラグには、溶損や焼付が発生し易い。
一般に、穿孔プラグの母材表面には、酸化スケールが形成される。酸化スケールは、ビレットからの熱を遮断して溶損の発生を抑制する。酸化スケールは、さらに、焼付の発生を抑制する。
しかしながら、酸化スケールは、ビレットを穿孔圧延する度に摩耗する。酸化スケールがなくなると、穿孔プラグの母材温度が上昇し、穿孔プラグが溶損する。
穿孔プラグの使用回数を向上するために、穿孔プラグの母材（プラグ本体）の表面に溶射皮膜を形成することが提案されている（例えば、下記特許文献１及び２参照）。
特許文献１及び２に開示された穿孔プラグでは、ビレットの穿孔圧延が繰り返されることにより、皺やひび割れ等の損傷が溶射皮膜に発生する。しかしながら、特許文献１及び２に開示された穿孔プラグは、プラグ本体の表面に溶射皮膜が再び形成されれば、同一サイズの中空素管を製造するための穿孔プラグとして再利用することができる。つまり、穿孔プラグの使用回数が向上する。
しかしながら、穿孔プラグの溶射皮膜が損傷し易い場合、溶射皮膜を何度も形成し直す必要がある。その結果、頻繁に穿孔プラグを穿孔機から取り外して溶射作業を実施しなければならず、中空素管の製造効率が低下する虞があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、中空素管の製造効率低下を抑制可能な穿孔プラグ及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用する。すなわち、
（１）本発明の一態様に係る穿孔プラグは、プラグ本体と；前記プラグ本体の表面に形成された、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜と；を備え、前記溶射皮膜の化学組成が、前記鉄及び前記鉄酸化物の他に、質量％で、Ｃ：０．０１５〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０〜０．３％、を含有する。
（１）本発明の一態様に係る穿孔プラグは、プラグ本体と；前記プラグ本体の表面に形成された、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜と；を備え、前記溶射皮膜の化学組成が、前記鉄及び前記鉄酸化物の他に、質量％で、Ｃ：０．０１５〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０〜０．３％、を含有する。
（２）上記（１）に記載の穿孔プラグでは、前記溶射皮膜の化学組成において、Ｃの含有量が、０．２〜０．６％であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の穿孔プラグでは、前記溶射皮膜の化学組成において、Ｃｕの含有量が、０．０５〜０．３％であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の穿孔プラグでは、前記溶射皮膜の化学組成において、Ｃｕの含有量が、０．０５〜０．３％であってもよい。
（４）本発明の一態様に係る穿孔プラグの製造方法は、プラグ本体と、前記プラグ本体の表面に形成された溶射皮膜とを備えた穿孔プラグの製造方法であって、前記プラグ本体の表面に対して鋼線材をアーク溶射することにより、前記プラグ本体の表面に前記溶射皮膜を形成する工程を含み、前記鋼線材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５％〜１．１％、Ｓｉ：０．４〜１．３％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｃｕ：０〜０．５％、とＦｅとを含有する。
（５）上記（４）に記載の穿孔プラグの製造方法では、前記鋼線材の化学組成において、Ｃの含有量が、０．６〜１．１％であってもよい。
（６）上記（４）または（５）に記載の穿孔プラグの製造方法では、前記鋼線材の化学組成において、Ｃｕの含有量が、０．０５〜０．５％であってもよい。
（６）上記（４）または（５）に記載の穿孔プラグの製造方法では、前記鋼線材の化学組成において、Ｃｕの含有量が、０．０５〜０．５％であってもよい。
上記の態様によれば、穿孔プラグの溶射皮膜の強度が向上する（つまり、溶射皮膜の寿命が向上する）ので、頻繁に穿孔プラグを穿孔機から取り外す必要がなくなる。その結果、中空素管の製造効率低下を抑制することが可能となる。
以下、本発明の一実施形態に係る穿孔プラグ及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。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。
図１は、一般的な穿孔機３０の構成を示す模式図である。穿孔機３０において、穿孔プラグＰＰは、芯金３４の先端に取り付けられ、一対の傾斜ロール３２、３２の間のパスラインＰＬ上に配置される。穿孔圧延時、ビレット３６は、穿孔プラグＰＰに押し込まれる。そのため、穿孔プラグＰＰは、高温に晒されるとともに、高い圧力を受ける。
上述のように、従来では、穿孔プラグＰＰの母材であるプラグ本体の表面に溶射皮膜を形成することが提案されている。穿孔プラグＰＰの溶射皮膜が損傷し易い場合、溶射皮膜を形成し直すために、頻繁に穿孔プラグＰＰを穿孔機３０から取り外して溶射作業（溶射皮膜の修復作業）を実施しなければならない。このような穿孔プラグＰＰでは、溶射皮膜の強度を大きくする（つまり溶射皮膜の寿命を延ばす）ことにより、新たな溶射皮膜を何度も形成し直す必要がなくなる。
そこで、本実施形態に係る穿孔プラグでは、質量％で、０．０５〜１．１％のＣ（炭素）と、０．４〜１．３％のＳｉ（シリコン）と、０．２〜２．０％のＭｎ（マンガン）とを少なくとも含有し、残部としてＦｅ（鉄）及び不純物を含有する鋼線材をアーク溶射することにより、プラグ本体の表面に鉄酸化物を含有する溶射皮膜を形成する。
溶射皮膜のＣ含有量は、鋼線材のＣ含有量よりも少なくなる。そこで、溶射皮膜の強度を確保するために、鋼線材のＣ含有量は、アーク溶射による減少量を考慮して設定される。この場合、溶射皮膜の強度が確保されるので、溶射皮膜に損傷が発生し難くなる。その結果、溶射皮膜の寿命が延びる。
鋼線材のＳｉ含有量は、溶射皮膜の潤滑性を確保する観点から設定される。この場合、溶射皮膜の潤滑性が確保されるので、穿孔効率が高くなる。つまり、穿孔プラグが穿孔中のビレット内で押し込まれやすくなり、傾斜ロールに対してビレットがスリップしにくい。そのため、穿孔時間が短縮され、穿孔プラグのビレットとの接触時間が短くなる。その結果、溶射皮膜に損傷が発生し難くなり、溶射皮膜の寿命が延びる。
さらに、鋼線材をアーク溶射することにより溶射皮膜が形成されるため、溶射皮膜の製造コストを抑えることができる。以下、本実施形態に係る穿孔プラグについて詳細に説明する。
図２は、本実施形態に係る穿孔プラグ１０の断面図である。この図２に示すように、穿孔プラグ１０は、プラグ本体１２と、溶射皮膜１４とを備える。
プラグ本体１２は、周知の化学組成からなり、周知の形状を有する。
溶射皮膜１４は、プラグ本体１２の表面に形成される。溶射皮膜１４は、鉄及び鉄酸化物（例えば、Ｆｅ３Ｏ４やＦｅＯ等）を含有する。溶射皮膜１４は、鉄及び鉄酸化物の他に、質量％で、Ｃ：０．０１５〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０〜０．３％、を含有する。溶射皮膜１４の残部は不純物である。このような溶射皮膜１４は、プラグ本体１２の表面に対して鋼線材をアーク溶射することで形成される。
鋼線材は、質量％で、０．０５〜１．１％のＣと、０．４〜１．３％のＳｉと、０．２〜２．０％のＭｎと、０〜０．５％のＣｕを含有し、残部としてＦｅ及び不純物を含有する。以下、各元素について説明する。
Ｃは、溶射皮膜１４の強度を高める。Ｃ含有量が少なすぎれば、上記効果が有効に得られない。溶射皮膜１４の強度が低ければ、穿孔圧延中に溶射皮膜１４が変形しやすく、溶射皮膜１４に皺が形成されやすい。一方、Ｃ含有量が多すぎれば、溶射皮膜１４の靱性が低下する。そのため、溶射皮膜１４に割れが発生しやすい。したがって、Ｃ含有量は、０．０５〜１．１％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．２％であり、さらに好ましくは、０．６％である。Ｃ含有量の好ましい上限は１．０％であり、さらに好ましくは、０．９％である。
溶射皮膜１４のＣ含有量は、鋼線材のＣ含有量よりも少なくなる。例えば、鋼線材のＣ含有量が０．０５％の場合、溶射皮膜１４のＣ含有量は０．０２％程度になる。
Ｓｉは、溶射皮膜１４の潤滑性を高める。Ｓｉ含有量が少なすぎれば、上記効果が有効に得られない。そのため、穿孔効率が低くなり、溶射皮膜１４の寿命が低下する。一方、Ｓｉ含有量が多すぎれば、溶射皮膜１４の靱性が低下する。そのため、溶射皮膜１４に割れが発生しやすい。Ｓｉ含有量が多すぎればさらに、穿孔圧延時に溶射皮膜１４が溶け易くなる。そのため、溶射皮膜１４が摩耗し易くなる。したがって、Ｓｉ含有量は、０．４〜１．３％である。
Ｍｎは、溶射皮膜１４の強度を高める。Ｍｎ含有量が少なすぎれば、上記効果が有効に得られない。そのため、溶射皮膜１４が変形しやすく、溶射皮膜１４に皺が形成されやすい。一方、Ｍｎ含有量が多すぎれば、溶射皮膜１４の靱性が低下する。そのため、溶射皮膜１４に割れが発生しやすい。したがって、Ｍｎ含有量は、０．２〜２．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は、１．５％である。
鋼線材の残部はＦｅ及び不純物である。不純物は、鋼線材の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は製造過程の環境等から混入する元素である。不純物はたとえば、Ｐ、Ｓ、酸素（Ｏ）等である。鋼線材中の好ましいＰ含有量は０．０３０％以下であり、さらに好ましくは、０．０１％以下である。好ましいＳ含有量は０．００３０％以下であり、さらに好ましくは０．００１％以下である。
上述の鋼線材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、０．５％以下のＣｕをさらに含有してもよい。つまり、Ｃｕは選択元素である。
Ｃｕは、アーク溶射をする際の鋼線材の導電性を良好に保つ。Ｃｕ含有量が０．５％を超えると、溶射皮膜１４の靱性が損なわれる。したがって、Ｃｕ含有量は、０．５％以下である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は、０．０５％である。Ｃｕ含有量が０．０５％以上である場合、アーク溶射をする際に、鋼線材を安定して供給できる。
鋼線材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、上述のＣｕ以外の他の元素を含有してもよい。他の元素はたとえば、Ａｌ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ等である。ただし、鋼線材は、Ｆｅを主成分とし、少なくとも、上述の含有量のＣと、Ｓｉと、Ｍｎとを含有していればよい。
鋼線材は、中実であってもよいし、図３に示すような鋼線材であってもよい。図３に示す鋼線材２０は、外殻２２と、複数の充填材２４とを備える。
外殻２２は、管形状を有し、Ｆｅを含有する。充填材２４は、外殻２２内に充填される。充填材２４はたとえば、Ｆｅ−Ｍｎ粒子、Ｓｉ粉末及びＦｅ−Ｃ粉末である。充填材２４の充填量は、外殻２２におけるＣ、Ｓｉ及びＭｎの含有量を考慮して設定される。鋼線材２０の化学組成は、鋼線材２０を溶かした状態で分析される。分析した結果、Ｃ、Ｓｉ及びＭｎの含有量が上記の範囲内であれば、本発明の範囲に含まれる。なお、充填材２４は、例えば、粒状であってもよいし、粉状であってもよいし、繊維状であってもよい。
溶射皮膜１４の厚さは、例えば、４００μｍ〜１２００μｍである。溶射皮膜１４の厚さは、一定である必要はない。例えば、溶射皮膜１４の先端部が他の部分より厚くてもよい。
溶射皮膜１４を形成する前に、溶射皮膜１４を形成するプラグ本体１２の表面にショットブラストを施してもよい。これにより、プラグ本体１２の表面が粗くなり、溶射皮膜１４の密着性が向上する。
好ましくは、溶射皮膜１４において鉄酸化物が占める割合は、５５〜８０体積％である。溶射皮膜１４において鉄酸化物が占める割合は、例えば、プラグ本体１２側よりも溶射皮膜１４の表面側のほうが高い。この場合、溶射皮膜１４において鉄酸化物が占める割合は、例えば、プラグ本体１２との境界部で４０体積％以下であり、表層部で５５〜８０体積％である。溶射皮膜１４において鉄酸化物が占める割合を変化させるには、例えば、アーク溶射装置の溶射ノズルからプラグ本体１２までの距離（溶射距離）を変化させればよい。
溶射皮膜を形成するのに用いた鋼線材の化学組成が互いに異なる複数の穿孔プラグを準備し、各穿孔プラグの穿孔回数、溶射皮膜の損傷状況及び穿孔効率を調査した。
［試験方法］
表１に示す化学組成を有する鋼線材を準備した。
表１に示す化学組成を有する鋼線材を準備した。
実施例１〜６の鋼線材の化学組成は、本発明の範囲内であった。比較例１〜７の鋼線材では、化学組成の何れかの元素が本発明の範囲外であった。
各鋼線材を同じ製造条件でアーク溶射して、プラグ本体の表面に溶射皮膜を形成し、穿孔プラグを製造した。各穿孔プラグにおける溶射皮膜中の鉄酸化物の含有率（体積％）は、何れも、プラグ本体との境界部で２０％、表層部で７０％であった。溶射皮膜の厚さは、何れも、先端が１２００μｍであり、それ以外の部分が４００μｍであった。
表２は、実施例１〜６の化学組成を有する鋼線材によってプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜の化学組成と、比較例１〜７の化学組成を有する鋼線材によってプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜の化学組成とを示している。この表２に示すように、実施例１〜６の化学組成を有する鋼線材によってプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜の化学組成は、本発明の範囲内であった。
表２は、実施例１〜６の化学組成を有する鋼線材によってプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜の化学組成と、比較例１〜７の化学組成を有する鋼線材によってプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜の化学組成とを示している。この表２に示すように、実施例１〜６の化学組成を有する鋼線材によってプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜の化学組成は、本発明の範囲内であった。
これらの穿孔プラグを用いて、ビレットを穿孔圧延した。ビレットは、１３Ｃｒ鋼であり、直径は１９１ｍｍ、長さは２２００ｍｍであった。ビレットを穿孔圧延した後、穿孔プラグの溶射皮膜の損傷状況を目視で確認した。また、穿孔圧延後の穿孔プラグの軸方向長さを測定した。穿孔プラグの軸方向長さの変形量が３ｍｍになったとき、溶射皮膜に損傷が発生したとき及び穿孔プラグが溶損したときに、試験を終了した。ただし、溶射皮膜に損傷が発生したとき及び穿孔プラグが溶損したときであっても、穿孔圧延によって得られる中空素管に内面疵が発生しないと考えられる場合には、穿孔プラグの軸方向長さの変形量が３ｍｍになっていなければ、試験を続行した。なお、穿孔プラグの軸方向長さの変形量が３ｍｍになったときに試験を終了したのは、穿孔圧延により溶射皮膜が摩耗して減ってしまい、溶射皮膜の遮熱効果が低下することにより、プラグ本体が変形しているからである。
ｎ回目（ｎは自然数）の圧延後において、穿孔プラグの軸方向長さの変形量が３ｍｍになった場合、溶射皮膜に損傷が発生した場合及び穿孔プラグが溶損した場合、その穿孔プラグの穿孔回数は、ｎ−１回と定義した。穿孔回数に基づいて、溶射皮膜の強度を評価した。
穿孔効率の定義は、以下のとおりである。ビレットが軸方向に搬送される速度（以下、搬送速度という）は、傾斜ロールの回転数により定められる。しかしながら、実際の搬送速度は、穿孔プラグとビレットとの摩擦抵抗等の影響を受ける。そのため、実際の搬送速度は、傾斜ロールの回転数から算出される理論上の搬送速度に比べて遅くなる。この速度比（［（実際の搬送速度）／（理論上の搬送速度）］×１００（％））が、穿孔効率である。穿孔効率は、ビレットを穿孔圧延するごとに求めた。これらの平均値に基づいて、溶射皮膜の潤滑性を評価した。
［試験結果］
試験結果を、表１及び表２に併せて示す。実施例１〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグは、比較例１〜７の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグよりも、穿孔回数が多かった。したがって、実施例１〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜は、比較例１〜７の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜よりも高強度であった。
試験結果を、表１及び表２に併せて示す。実施例１〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグは、比較例１〜７の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグよりも、穿孔回数が多かった。したがって、実施例１〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜は、比較例１〜７の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜よりも高強度であった。
実施例２〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグは、実施例１の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグよりも、穿孔回数が多かった。鋼線材のＣ含有量の好ましい下限が０．６％であることを確認できた。
実施例１〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグは、何れも、穿孔プラグの軸方向長さの変形量が３ｍｍになったので、試験を終了した。試験終了時、各穿孔プラグが備える溶射皮膜には、ひび割れや皺等の損傷はなかった。
さらに、実施例１〜６の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグでは、比較例１〜７の鋼線材をアーク溶射することで形成された溶射皮膜を備える穿孔プラグよりも、穿孔効率がよかった。
比較例１の鋼線材では、Ｃ含有量が本発明の範囲の下限よりも低かった。そのため、溶射皮膜に皺が発生し、穿孔回数が低かった。溶射皮膜の強度が低いため、穿孔圧延時に溶射皮膜に塑性流動が生じ、皺が発生したと考えられる。
比較例２の鋼線材では、Ｃ含有量が本発明の範囲の上限よりも高かった。そのため、溶射皮膜にひび割れが発生し、穿孔回数が低かった。溶射皮膜の靱性が低いため、ひび割れが発生したと考えられる。
比較例３の鋼線材では、Ｓｉ含有量が本発明の範囲の下限よりも低かった。そのため、穿孔効率が低かった。溶射皮膜の潤滑性が低かったためと考えられる。さらに、穿孔効率が低かったため、穿孔プラグに溶損が発生し、その結果、穿孔回数も低かった。
比較例４の鋼線材は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲の下限よりも低かった。そのため、穿孔効率が低かった。溶射皮膜の潤滑性が低かったためと考えられる。さらに、穿孔効率が低かったため、穿孔プラグに溶損が発生し、その結果、穿孔回数も低かった。
比較例５の鋼線材は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲の上限よりも高かった。そのため、溶射皮膜にひび割れが発生し、穿孔回数が低かった。溶射皮膜の靱性が低いため、ひび割れが発生したと考えられる。
比較例６の鋼線材は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲の下限よりも低かった。そのため、溶射皮膜に皺が発生し、穿孔回数が低かった。溶射皮膜の強度が低いため、穿孔圧延時に溶射皮膜に塑性流動が生じ、皺が発生したと考えられる。
比較例７の鋼線材は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲の上限よりも高かった。そのため、溶射皮膜にひび割れが発生し、穿孔回数が低かった。溶射皮膜の靱性が低いため、ひび割れが発生したと考えられる。
以上、本発明の実施形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施形態によって、何等、限定されない。
１０ 穿孔プラグ
１２ プラグ本体
１４ 溶射皮膜
１２ プラグ本体
１４ 溶射皮膜
Claims (6)
- プラグ本体と；
前記プラグ本体の表面に形成された、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜と；
を備え、
前記溶射皮膜の化学組成が、前記鉄及び前記鉄酸化物の他に、質量％で、
Ｃ：０．０１５〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｕ：０〜０．３％、
を含有することを特徴とする穿孔プラグ。 - 前記溶射皮膜の化学組成において、Ｃの含有量が、０．２〜０．６％であることを特徴とする請求項１に記載の穿孔プラグ。
- 前記溶射皮膜の化学組成において、Ｃｕの含有量が、０．０５〜０．３％であることを特徴とする請求項１または２に記載の穿孔プラグ。
- プラグ本体と、前記プラグ本体の表面に形成された溶射皮膜とを備えた穿孔プラグの製造方法であって、
前記プラグ本体の表面に対して鋼線材をアーク溶射することにより、前記プラグ本体の表面に前記溶射皮膜を形成する工程を含み、
前記鋼線材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５％〜１．１％、
Ｓｉ：０．４〜１．３％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｃｕ：０〜０．５％、および鉄、
を含有することを特徴とする穿孔プラグの製造方法。 - 前記鋼線材の化学組成において、Ｃの含有量が、０．６〜１．１％であることを特徴とする請求項４に記載の穿孔プラグの製造方法。
- 前記鋼線材の化学組成において、Ｃｕの含有量が、０．０５〜０．５％であることを特徴とする請求項４または５に記載の穿孔プラグの製造方法。
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