JP5610101B1

JP5610101B1 - 熱間製管用プラグ

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Publication number: JP5610101B1
Application number: JP2014509557A
Authority: JP
Inventors: 東田　泰斗; 泰斗東田; 日高　康善; 康善日高
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: CN104736262A; EP2944387B1; BR112015008558A2; MX2015005227A; AR094371A1; JPWO2014109180A1; WO2014109180A1; EP2944387A1; US9352370B2; BR112015008558B1; EP2944387A4; MX354718B; US20150258591A1

Abstract

熱間製管用プラグは、プラグ本体と；前記プラグ本体の表面上に、前記プラグ本体の軸周りに形成される肉盛層と；前記肉盛層の表面上に形成される溶射皮膜と；を備える。

Description

本発明は、プラグに関し、さらに詳しくは、穿孔機（ピアサ）及びエロンゲータなどに利用される熱間製管用プラグに関する。以下、熱間製管用プラグを単に「プラグ」と称する。
本願は、２０１３年０１月１１日に、日本に出願された特願２０１３−００３６６５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

マンネスマン製管法は、継目無管の製造方法として広く採用されている。マンネスマン製管法では、１２００℃前後に加熱された丸ビレットを穿孔機（ピアサ）で穿孔圧延する。穿孔機は、一対の傾斜ロールとプラグとを備える。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。穿孔機において、傾斜ロールにより丸ビレットが周方向に回転しながらプラグに押し込まれる。その結果、丸ビレットが穿孔圧延されて、中空素管（ホローシェル）が形成される。さらに、必要に応じて、エロンゲータにおいて、中空素管が延伸圧延され、中空素管の拡径及び薄肉化が行われる。エロンゲータは穿孔機と同様の構成を備え、一対の傾斜ロールとプラグとを備える。

上記のように、プラグは、高温の丸ビレットの穿孔圧延や、中空素管の延伸圧延などに使用される。そのため、プラグは、高熱及び高面圧を丸ビレット又は中空素管から受ける。その結果、プラグ表面に摩耗や焼き付きが発生したり、或いはプラグに溶損が発生する。プラグ表面の摩耗及び焼付きと、プラグの溶損により、プラグの寿命が短くなる。

一般的に、プラグ本体（プラグの母材）の表面には、酸化スケール皮膜が形成される。酸化スケール皮膜は、丸ビレットからの熱を遮断して焼付きや溶損の発生を抑制する。例えば、下記特許文献１〜５には、酸化スケール皮膜を備えるプラグが開示されている。

しかしながら、酸化スケール皮膜の耐摩耗性は高くない。そのため、酸化スケール皮膜は、丸ビレットが穿孔圧延される度に摩耗する。酸化スケール皮膜の膜厚が摩耗により減少すると、プラグ本体の温度が上昇する。その結果、プラグに焼き付きや、溶損が発生する。特に、クロム及びニッケルを多量に含有する高合金の丸ビレットの穿孔圧延にプラグが使用される場合、酸化スケール皮膜は顕著に摩耗する。

酸化スケール皮膜が摩耗した場合、熱処理によりプラグ本体に酸化スケール皮膜を再び形成すればよい。しかしながら、この熱処理の処理時間は数時間から数十時間と長いため、生産効率が低下する。

下記特許文献６〜９には、酸化スケール皮膜に替わる他の皮膜を備えるプラグが開示されている。

特許文献６に開示されたプラグは、鉄酸化物からなるアーク溶射皮膜を備える。アーク溶射皮膜は、酸化スケール皮膜よりも耐摩耗性に優れる。

特許文献７〜９に開示されたプラグは、表面に肉盛層を備える。肉盛層は高温強度及び耐摩耗性に優れる。

日本国特公平４−８４９８号公報日本国特開平４−７４８４８号公報日本国特開平４−２７０００３号公報日本国特公平１−７１４７号公報日本国特開昭６３−２０３２０５号公報日本国特許第４２７９３５０号日本国特許第５０７５５７５号日本国特許第３８９１６７９号日本国特許第２７７６２６６号

アーク溶射皮膜の高温強度は、肉盛層よりも低い。そのため、特許文献６のプラグを高合金ビレットの穿孔圧延に利用する場合、プラグに焼付きや溶損が発生しやすく、プラグの寿命が短くなる場合がある。

特許文献７〜９のプラグは肉盛層を備えるため、高温強度に優れる。しかしながら、これらの文献のプラグを高合金ビレットの穿孔又は圧延に利用する場合であっても、プラグに焼付きや溶損が発生し、プラグの寿命が短くなる場合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、プラグ寿命を向上できる熱間製管用プラグ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、以下のような手段を採用する。すなわち、
（１）本発明の一態様に係る熱間製管用プラグは、プラグ本体と；前記プラグ本体の表面上に、前記プラグ本体の軸周りに肉盛溶接によって形成され、遷移金属を主成分とする合金を含有する肉盛層と；前記肉盛層の表面上に形成される鉄酸化物を含有する溶射皮膜と；を備え、前記プラグ本体の表面は、前記肉盛層が形成される第１表面領域と；前記第１表面領域よりも前記プラグ本体の後方の第２表面領域と；を含み、前記溶射皮膜は、前記肉盛層の表面上に形成される第１溶射領域と；前記第２表面領域上に形成される第２溶射領域と；を含む。
（２）上記（１）に記載の熱間製管用プラグにおいて、前記第２溶射領域が前記第１溶射領域と隣接していてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の熱間製管用プラグにおいて、前記肉盛層が、前記プラグ本体の先端を覆っていてもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の熱間製管用プラグにおいて、前記溶射皮膜は、鋼線材をアーク溶射することによって形成されていてもよい。

上記態様によれば、プラグ寿命を向上できる熱間製管用プラグを提供することができる。

シミュレートにより求めた、穿孔圧延時のプラグ本体の表面温度の分布を示す図である。図１のシミュレートに用いた、プラグの縦断面図である。図１のシミュレートに用いた、他のプラグの縦断面図である。先端に肉盛層を備えるプラグを用いて高合金ビレットを穿孔圧延した後の、プラグ先端部分の模式図である。本発明の一実施形態に係るプラグを備えた穿孔機の模式図である。図５中のプラグの縦断面図である。図６と異なる構成の本実施形態の他のプラグの縦断面図である。図６及び図７と異なる構成の本実施形態の他のプラグの縦断面図である。図６、図７及び図８と異なる構成の本実施形態の他のプラグの縦断面図である。実施例で用いたプラグの縦断面図である。図１０と異なる、実施例で用いた他のプラグの縦断面図である。

本発明者は、プラグの寿命を向上するために、調査、検討を行い、以下の知見を得た。

肉盛層の高温強度は、溶射皮膜及び酸化スケール皮膜よりも高い。しかしながら、肉盛層の遮熱性は、溶射皮膜や酸化スケール皮膜よりも低い。

図１は、エロンゲータによる素材（Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）の延伸圧延中における、プラグ温度のシミュレート結果を示す図である。図１は、次の方法により得られた。

図２及び図３に示すプラグ２００及び３００を想定した。図２のプラグ２００は、プラグ本体２０１と、肉盛層２０２と、溶射皮膜２０３とを備えた。肉盛層２０２は、プラグ本体２０１の先端部分の表面上に形成され、プラグ本体２０１の先端を覆った。プラグ２００の先端から肉盛層２０２の後端までの長さはＬ２であった。溶射皮膜２０３は、プラグ本体２０１の表面のうち、肉盛層２０２の後端とプラグ本体２０１の後端との間の領域（ただし、プラグ本体２０１の後端面を除く領域）に形成された。

図３のプラグ３００は、プラグ本体３０１と、酸化スケール皮膜３０２とを備えた。酸化スケール皮膜３０２は、プラグ本体３０１の表面のうち、後端面を除く領域全体に形成された。プラグ２００とプラグ３００とはいずれもほぼ同じ形状であった。

本シミュレーションにおいて、素材として、中空素管が想定された。中空素管の材質はＳＵＳ３０４に設定され、温度条件は１２００℃に設定された。穿孔圧延による圧下率が２５％、延伸圧延時間が１５秒に設定された。これらの条件の下でＦＥＭ解析が実施された結果、図１に示すシミュレート結果が得られた。

図１中の横軸はプラグ２００又は３００の先端からの距離を示す。図１下方の一点鎖線は、プラグ２００及び３００のプラグ形状を模式的に示す。図１中の縦軸は、プラグ本体２０１又は３０１の表面温度を示す。本シミュレートでは、距離Ｌ１（図１参照）において、素材（中空素管）の内面がプラグ２００及び３００に接触した。したがって、圧延中、プラグ２００及び３００の表面のうち距離Ｌ１よりも後ろの領域は、素材と接触していた。

図１中の実線Ｃ２００は、プラグ本体２０１の表面温度を示す。図１中の破線Ｃ３００は、プラグ本体３０１の表面温度を示す。

図１に示すように、プラグ本体２０１及び３０１の表面のうち、素材と接触している領域（距離Ｌ１以降の領域）において、肉盛層２０２が形成されたプラグ本体２０１の表面（距離Ｌ１〜Ｌ２の領域）の温度（Ｃ２００）は、対応するプラグ本体３０１の表面温度（Ｃ３００）よりも１００℃程度高かった。さらに、プラグ本体２０１の表面のうち、肉盛層２０２の後方の溶射皮膜２０３が形成された領域の温度は、肉盛層２０２が形成された領域の温度よりも１００℃程度低かった。

以上のとおり、肉盛層２０２の遮熱性は溶射皮膜２０３及び酸化スケール皮膜３０２よりも低い。したがって、プラグ２００のうち肉盛層２０２が形成された領域では、穿孔圧延中の素材（丸ビレット又は中空素管）からの入熱量が大きくなる。

Ｃｒ及びＮｉを多量に含有する高合金の素材の圧延にプラグ２００が使用される場合、肉盛層２０２は優れた高温強度を有するので、プラグ２００のうち肉盛層２０２が形成された部分では、摩耗及び変形の発生が抑制される。

しかしながら、肉盛層２０２の遮熱性は酸化スケール皮膜３０２及び溶射皮膜２０３よりも低い。そのため、図１に示すとおり、穿孔圧延時に素材から肉盛層２０２を介してプラグ本体２０１に入る熱量は、素材から酸化スケール皮膜３０２を介してプラグ本体３０１に入る熱量及び溶射皮膜２０３を介してプラグ本体２０１に入る熱量よりも大きい。その結果、特に、Ｎｉ及びＣｒを多量に含有する高合金素材の穿孔圧延にプラグ２００が使用される場合、プラグ本体２０１の温度が過剰に上昇して、図４に示すようにプラグ２００が変形する場合がある。

図４に示すように、肉盛層２０２からプラグ本体２０１に熱が伝わり、その結果、プラグ本体２０１の温度が過剰に上昇した場合であっても、肉盛層２０２は優れた高温強度を有するので、肉盛層２０２が形成された部分は変形しにくい。しかしながら、プラグ本体２０１のうち、肉盛層２０２が形成されていない部分（換言すれば、溶射皮膜２０３が形成されている部分）は変形しやすくなり、表面が波状になる。この原因として、プラグ本体２０１の温度が上昇して強度が低下したことが挙げられる。

このようなプラグ本体２０１の変形は、中空素管内面の疵の原因となるだけでなく、プラグ本体２０１にも焼付きや溶損が発生しやすくなる。そのため、プラグ２００の継続使用が困難になる。その結果、肉盛層２０２を有するプラグ２００であっても、プラグ寿命が短くなる場合がある。

本発明者は、上記のシミュレーション結果に基づき、肉盛層の表面上に溶射皮膜を形成すれば、素材からの熱が肉盛層を介してプラグ本体に入るのを抑制できると考えた。図１にも示すとおり、溶射皮膜の遮熱性は、肉盛層よりも高い。肉盛層上に溶射皮膜を形成すれば、肉盛層により高い高温強度が得られ、さらに、溶射皮膜により高い遮熱性が得られる。そのため、高合金素材の穿孔及び圧延にプラグが使用される場合であっても、肉盛層を有するプラグ本体に入る熱量を抑えることができ、プラグ寿命が向上する。

以上の知見に基づいて次に示す本実施形態のプラグが完成された。

本実施形態のプラグは、熱間製管用のプラグである。プラグは、プラグ本体と、肉盛層と、溶射皮膜とを備える。肉盛層は、プラグ本体の表面上に、プラグ本体の軸周りに形成される。溶射皮膜は、肉盛層の表面上に形成される。

上述のとおり、肉盛層は高い高温強度を有するため、プラグの変形を抑制する。さらに、溶射皮膜が肉盛層上に形成されるため、肉盛層への入熱が抑制され、穿孔圧延中におけるプラグ本体の温度上昇を抑制できる。そのため、プラグの変形が抑制され、溶損及び焼付きが発生しにくい。したがって、高合金素材を圧延する場合であってもプラグ寿命を高めることができる。

肉盛層は、プラグ本体の前部の表面上に形成されることが好ましい。また、肉盛層は、プラグ本体の中心軸に対して傾斜するテーパ形状の表面を含む。溶射皮膜は、その肉盛層のテーパ形状の表面上に形成される。

この場合、プラグの圧延部はテーパ形状を有するため、穿孔圧延中において、肉盛層上の溶射皮膜は、肉盛層方向への外力（溶射皮膜を肉盛層に押し付ける力）を受ける。そのため、溶射皮膜は、肉盛層から剥離しにくい。

溶射皮膜は、肉盛層の表面全体を覆うことがより好ましい。

この場合、穿孔圧延中の素材から肉盛層への入熱がさらに抑制される。

プラグ本体の表面は、第１表面領域と、第２表面領域とを含むことが好ましい。第１表面領域には肉盛層が形成される。第２表面領域は、第１表面領域の後端に隣接し、第１表面領域よりもプラグ本体の後方に配置される。溶射皮膜は、第１及び第２溶射領域を含む。第１溶射領域は、肉盛層の表面上に形成される。第２溶射領域は、第２表面領域上に形成される。

この場合、プラグ本体のうち、肉盛層の後方部分にも、溶射皮膜が形成される。そのため、プラグの遮熱性が高まり、プラグ寿命が高まる。

第２溶射領域は第１溶射領域と隣接することがより好ましい。

この場合、プラグの遮熱性及び耐摩耗性がさらに高まり、プラグ寿命が高まる。

以下、本発明の一実施形態に係るプラグについて、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。

［穿孔機の構成］
本実施形態に係るプラグは、穿孔機、又は、エロンゲータに利用される。以降の説明では、穿孔機を例にプラグの説明を行う。しかしながら、エロンゲータに利用されるプラグも同様である。

図５は、穿孔機１の全体構成図である。図５示すように、穿孔機１は、一対の傾斜ロール２と、プラグ１００と、芯金３とを備える。

一対の傾斜ロール２は、パスラインＰＬの周りに配置される。傾斜ロール２は、素材である丸ビレットＢＬを周方向に回転させながら圧延する。傾斜ロール２は、コーン型であってもよいし、バレル型であってもよい。

プラグ１００は、一対の傾斜ロール２の間のパスラインＰＬ上に配置される。芯金３は棒状であり、パスラインＰＬ上に配置される。芯金３の先端には、プラグ１００が取り付けられる。芯金３は、プラグ１００をパスラインＰＬ上で固定する。

上記のように構成された穿孔機１において、プラグ１００は、丸ビレットＢＬの前端面（つまり、プラグ１００と対向する端面）の中央に押し込まれる。その結果、丸ビレットＢＬが穿孔圧延されて、中空素管が形成される。

［プラグ１００の構成］
図６は、プラグ１００の縦断面図である。ここでいう縦断面図とは、プラグ１００の中心軸ＣＬを含む断面を意味する。

プラグ１００の外周面の横断形状は円である。プラグ１００の外径は、プラグ１００の後端部の方が、プラグ１００の先端部よりも大きい。例えば、図６に示すように、プラグ１００は、砲弾形状である。図６に示すように、プラグ１００の外径は、先端から後端に向かうにしたがって徐々に大きくなる。

プラグ１００は、プラグ本体１０１と、肉盛層１０２と、溶射皮膜１０３とを備える。

［プラグ本体１０１］
プラグ本体１０１の前部には、肉盛層１０２が形成される。本明細書において、プラグ本体１０１の「前部」とは、プラグ１００の全長の中央とプラグ１００の先端との間の部分を意味する。プラグ１００の前部はテーパ形状を有する。

プラグ本体１０１の材質は特に限定されない。プラグ本体１０１の材質は、公知のプラグの材質と同じでよい。

［肉盛層１０２］
肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の表面上に、プラグ本体１０１の軸周り（中心軸ＣＬの周り）に形成される。肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の前部に形成され、中心軸ＣＬに対して傾斜するテーパ形状の表面を有する。以下、肉盛層１０２のテーパ形状の表面をテーパ表面という。肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の前部の全体に形成されてもよいし、前部のうちの一部に形成されてもよい。

肉盛層１０２は、例えば、プラズマ紛体肉盛溶接（ＰＴＡ：ＰｌａｓｍａＴｒａｎｓｆｅｒｒｅｄＡｒｃ）法、ＭＩＧ（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接法、ＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｓｅｒｔＧａｓ）溶接法といった公知の肉盛溶接法により形成される。

肉盛層１０２は、遷移金属を主成分（例えば５０％以上）とする合金を含有する。具体的には、本実施形態における肉盛層１０２は、遷移金属を主成分とする合金であるマトリクス金属に加えて、硬質粒子を含有する。マトリクス金属は、たとえばＣｏ基合金、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金等である。Ｃｏ基合金は、たとえばステライト（登録商標）である。ステライトは耐熱性及び延性に優れる。Ｎｉ基合金は、たとえばＩＮ６２５、Ｃ２７６、５０Ｃｒ−５０Ｎｉ、コルモノイ（登録商標）等である。Ｆｅ基合金は、たとえばステンレス鋼、工具鋼、炭素鋼、Ｃｒ鋼である。

硬質粒子は、たとえば炭化物、酸化物、窒化物、硼化物、又はこれらの混合物、若しくはこれらの複合化合物である。硬質粒子が炭化物である場合、硬質粒子は例えば、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）等である。硬質粒子が酸化物である場合、硬質粒子は例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等である。硬質粒子が窒化物である場合、硬質粒子はたとえば窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である。なお、硬質粒子は必ずしも必要ではなく、硬質粒子を含有しない肉盛層がプラグ本体１０１に形成されていても良い。

肉盛層１０２の厚さは特に限定されない。好ましい肉盛層１０２の厚さは１〜２０ｍｍであり、さらに好ましくは２〜１０ｍｍである。

［溶射皮膜１０３］
溶射皮膜１０３は、肉盛層１０２の表面上に形成される。図６に示すように、溶射皮膜１０３は、プラグ本体１０１の表面うち、肉盛層１０２が形成された第１表面領域１０１１よりも後方の第２表面領域１０１２上にも形成されている。以降の説明では、必要に応じて、肉盛層１０２上に形成された溶射皮膜１０３を第１溶射領域１０３１と称し、第２表面領域１０１２上に形成された溶射皮膜１０３を第２溶射領域１０３２と称する。

図６に示すように、肉盛層１０２の表面と、第２表面領域１０１２とが段差なく滑らかにつながっている。そのため、第１溶射領域１０３１は、第２溶射領域１０３２と段差なく滑らかにつながる。

溶射皮膜１０３は、例えば、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射、高速フレーム溶射などの公知の溶射法によって形成される。

溶射皮膜１０３の材質は、特に限定されない。溶射皮膜１０３の材質は、たとえば、金属、セラミック、サーメット等である。

溶射皮膜１０３は、金属からなる金属マトリクスと、金属酸化物とを含有することが好ましい。金属酸化物は、たとえば、Ｗ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｆｅ酸化物等である。溶射皮膜１０３は、鉄（Ｆｅ）からなる金属マトリクスと、鉄酸化物とを含有することがより好ましい。鉄酸化物は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４やＦｅＯ等である。この場合、溶射皮膜１０３は、例えば、鋼線材をアーク溶射することで形成される。

溶射皮膜１０３は高い遮熱性を有し、さらに、潤滑性を有する。プラグ１００では、肉盛層１０２上に溶射皮膜１０３が形成されるため、穿孔圧延中の丸ビレットＢＬから肉盛層１０２を介してプラグ本体１０１に入る熱量が抑制される。そのため、穿孔圧延中のプラグ本体１０１の温度上昇が抑制され、プラグ本体１０１が変形しにくい。その結果、プラグ１００では、図４に示すような変形が生じにくく、溶損及び焼付きの発生が抑制される。

図６において、プラグ先端に形成された溶射皮膜１０３の厚さＴ１は３００〜２０００μｍであることが好ましい。また、図６において、肉盛層１０２のテーパ表面に形成された溶射皮膜１０３の厚さＴ２は３００〜６００μｍであることが好ましい。厚さＴ１及びＴ２が上限以内である場合、溶射皮膜１０３は剥離しにくくなる。

以上のとおり、本実施形態に係るプラグ１００では、肉盛層１０２のテーパ表面上に形成される溶射皮膜１０３が剥離しにくい。そのため、肉盛層１０２からプラグ本体１０１への入熱を抑制できる。

肉盛層１０２のテーパ表面の縦断面形状は図６に示すような直線状であってもよいし、他の形状であってもよい。たとえば、肉盛層１０２のテーパ表面の縦断面形状は、１又は複数の曲率を有する弓状であってもよいし、他の形状であってもよい。

図６に示すように、プラグ１００において、溶射皮膜１０３は、第１溶射領域１０３１だけでなく、第１溶射領域１０３１の後方に配置された第２溶射領域１０３２を含む。そのため、溶射皮膜１０３はプラグ１００を有効に遮熱する。第２溶射領域１０３２の前端は、第１溶射領域１０３１の後端と隣接することが好ましい。換言すれば、第２溶射領域１０３２は、第１溶射領域１０３１の後端からプラグ１００の後方に延びる。この場合、溶射皮膜１０３によるプラグ１００の遮熱性がより高まる。

図６では、肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の前部のうち、先端部分のみに形成されている。しかしながら、図７に示すように、肉盛層１０２は、図６の場合よりもさらにプラグ１００の後方に延びてもよい。さらに、図８に示すように、肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の後端面を除く表面全てに形成されてもよい。

上述の実施形態では、肉盛層１０２は、プラグ１００の先端を覆っている。しかしながら、プラグ１００をエロンゲータに用いる場合、肉盛層１０２がプラグ１００の先端を覆わなくてもよい。なぜなら、エロンゲータでは素材として中空素管を圧延するため、プラグ１００の先端に素材が接触しないからである。したがって、たとえば図９に示すように、肉盛層１０２がプラグ１００の先端を覆わずに、プラグ１００の前部において、中心軸ＣＬ周りに円環状に形成されてもよい。

上述の実施形態では、溶射皮膜１０３は、プラグ１００の後端面を除く表面全体を覆う。しかしながら、溶射皮膜１０３が肉盛層１０２の少なくとも一部に形成されれば、上述の効果はある程度得られる。ただし、溶射皮膜１０３は肉盛層１０２全体を覆うことがより好ましい。この場合、肉盛層１０２への入熱を有効に抑制できる。また、溶射皮膜１０３は、第２溶射領域１０３２を含まなくてもよい。この場合であっても、肉盛層１０２への入熱を抑制でき、プラグ本体１０１の温度上昇を抑制できる。

上述の実施形態では、肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の前部に形成される。肉盛層１０２は、プラグ本体１０１の前部の全体に形成されなくてもよく、前部の一部に形成されてもよい。

［製造方法］
プラグ１００の製造方法の一例は次の通りである。

プラグ本体１０１を準備する。続いて、上述の肉盛法により、肉盛層１０２をプラグ本体１０１に形成する。好ましくは、形成された肉盛層１０２の表面を粗くする。たとえば、肉盛層１０２の表面を粗くして、溶射皮膜１０３の密着性を高めるために、肉盛層１０２の表面に対して、ショットブラストを実施する。

次に、肉盛層１０２の表面と、必要に応じて第２表面領域１０１２とに、溶射皮膜１０３（１０３１、１０３２）を形成する。たとえば、鋼線材をアーク溶射して、溶射皮膜１０３を形成する。以上の工程により、プラグ１００が製造される。

表１に示す試験番号１〜１１のプラグを準備した。

［プラグ］
表１において、試験番号１〜１１のプラグのプラグ本体はいずれも、最大外径が７７ｍｍ、全長が２３０ｍｍの砲弾形状であった。プラグ本体は、ＪＩＳＧ４４０４（２００６）に規定の合金工具鋼鋼材に相当する化学組成を有した。

試験番号１のプラグは、図３に示すように、プラグ本体３０１の表面に酸化スケール皮膜３０２を有した。酸化スケール皮膜３０２の厚さＴ１（プラグ先端位置での厚さ、図６参照）及び厚さＴ２（テーパ表面位置での厚さ、図６参照）のいずれにおいても、５００μｍであった。本実施例において、テーパ表面位置での厚さＴ２は、プラグ先端から８０ｍｍの位置での厚さと定義した。

試験番号２のプラグは、図１０に示すように、プラグ本体４０１の後端面以外の表面全体に、鉄及び鉄酸化物の溶射皮膜４０２を備えた。溶射皮膜４０２の厚さＴ１は１５００μｍであり、厚さＴ２は５００μｍであった。

試験番号３及び４のプラグは、図１１に示すように、プラグ本体５０１の後端面以外の表面全体に、肉盛層５０２を備えた。肉盛層の厚さは２ｍｍであった。肉盛層の表面には、他の皮膜を形成しなかった。

試験番号３の肉盛層は、ステライトＮｏ．６に相当する化学組成を有した。試験番号４の肉盛層は、ステライトＮｏ．６に相当する化学組成の金属マトリクスと、質量％で５０％のＮｂＣとを含有した。

試験番号５のプラグは、図２に示すように、プラグ本体２０１の表面のうち、先端から後端に向かって５０ｍｍの範囲に形成され、厚さ５ｍｍの肉盛層２０２と、肉盛層２０２の後端からプラグ後端までのプラグ本体２０１の表面に形成され、厚さＴ２が５００μｍの溶射皮膜２０３とを備えた。肉盛層２０２の材質は、試験番号４と同じであった。

試験番号６及び７は、図８に示すように、プラグ本体１０１の後端面を除く表面に形成された肉盛層１０２と、肉盛層１０２の表面全体に形成された溶射皮膜１０３とを備えた。試験番号６及び７の肉盛層１０２の材質、溶射皮膜１０３の材質は表１に示すとおりであった。試験番号６及び７の肉盛層１０２の厚さは２ｍｍであり、溶射皮膜の厚さＴ１及びＴ２は表１に示すとおりであった。

試験番号８〜１０のプラグは、図６に示すように、プラグ本体１０１の表面のうち、プラグ先端から後端に向かって５０ｍｍの範囲に形成され、厚さ５ｍｍを有し、表１に示す材質の肉盛層１０２と、肉盛層１０２及び肉盛層１０２の後端からプラグ後端までのプラグ本体に形成され、表１に示す材質の溶射皮膜１０３とを備えた。溶射皮膜１０３の厚さＴ１及びＴ２は表１に示すとおりであった。

試験番号１１のプラグは、図７に示すように、試験番号８〜１０と比較して、肉盛層１０２が長く、プラグ本体の表面のうち、プラグ先端から後端に向かって１００ｍｍの範囲に形成された。表１に示すとおり、その他の構成は試験番号８〜１０と同じであった。

上記試験番号の肉盛層はいずれも、ＰＴＡ肉盛法により形成された。上記試験番号の溶射皮膜はいずれも、アーク溶射法により形成された。

各試験番号のプラグを用いて、中実の丸ビレットを穿孔圧延した。丸ビレットの直径は６５ｍｍであり、長さは５００ｍｍであった。丸ビレットの化学組成は、２５％のＣｒと、５０％のＮｉとを含有し、いわゆる高合金の化学組成であった。

丸ビレットを１本穿孔圧延するごとに、プラグ表面を観察し、溶損及び焼付きの有無を目視で観察した。溶損及び焼付きが確認されるまで、丸ビレットを１又は複数本圧延した。溶損及び焼付きのいずれかが生じた場合、溶損又は焼付きが発生したときの圧延本数Ｎから１引いた本数（Ｎ−１本）を、圧延可能な本数（以下、パス数という）と定義した。

［試験結果］
試験結果を表１に示す。表１中の「状態」欄には、試験終了時のプラグの表面状態が記載されている。

表１において、試験番号６〜１１は、本実施形態のプラグに相当した。試験番号６〜１１のプラグでは、パス数は３以上と高く、優れたプラグ寿命を示した。特に、肉盛層がステライトとＮｂＣとを含有する場合、パス数が４となってもプラグに損傷が観察されず、優れたプラグ寿命が得られた。

一方、試験番号１では、プラグ表面に酸化スケールのみが形成されたため、パス数は１と少なかった。穿孔圧延後のプラグでは、プラグが変形し、先端が溶損していた。

試験番号２でもパス数が２と低く、穿孔圧延後のプラグは変形し、先端が溶損した。

試験番号３及び４は、プラグ表面全体に肉盛層が形成されたものの、パス数は１以下であった。試験番号３ではプラグ表面の後部に焼付きが発生し、素材後端がプラグを通過せず、止まってしまった。また、試験番号４では、先端部が溶損し、先端部以外のプラグ表面に焼付きも発生した。素材から肉盛層に熱が伝わり、プラグ先端部の温度が過度に上昇した結果、溶損が発生したと考えられる。試験番号５では、パス数が１と低く、プラグが変形して先端が溶損した。素材から肉盛層に熱が伝わり、プラグ先端部の温度が過度に上昇したためと考えられる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施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形態を適宜変形して実施することが可能である。

１穿孔機
１００、２００、３００プラグ
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１プラグ本体
１０２、２０２、５０２肉盛層
１０３、２０３、４０２溶射皮膜
３０２酸化スケール皮膜

Claims

プラグ本体と；
前記プラグ本体の表面上に、前記プラグ本体の軸周りに肉盛溶接によって形成され、遷移金属を主成分とする合金を含有する肉盛層と；
前記肉盛層の表面上に形成される鉄酸化物を含有する溶射皮膜と；
を備え、
前記プラグ本体の表面は、
前記肉盛層が形成される第１表面領域と；
前記第１表面領域よりも前記プラグ本体の後方の第２表面領域と；
を含み、
前記溶射皮膜は、
前記肉盛層の表面上に形成される第１溶射領域と；
前記第２表面領域上に形成される第２溶射領域と；
を含むことを特徴とする熱間製管用プラグ。
前記第２溶射領域は前記第１溶射領域と隣接することを特徴とする請求項１に記載の熱間製管用プラグ。
前記肉盛層は、前記プラグ本体の先端を覆うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱間製管用プラグ。
前記溶射皮膜は、鋼線材をアーク溶射することによって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱間製管用プラグ。