JP6515300B2 - プラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、プラグに関し、より詳細には、ビレットの穿孔に用いられるプラグ及びその製造方法に関する。

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、所定温度に加熱されたビレットを穿孔機で穿孔圧延する。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であって、パスライン上に配置される。穿孔機は、傾斜ロールによって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にする。

従来のプラグは、ビレットの穿孔圧延に際し、予め母材の表面に酸化スケールの皮膜が形成される。酸化スケールの皮膜は、プラグに熱処理を施すことによって形成される。これにより、プラグの表面の遮熱性、潤滑性、及び耐焼き付き性を確保することができる。

酸化スケールの皮膜は、繰り返しの穿孔圧延によって次第に摩耗する。皮膜は、穿孔圧延を行う毎（パス毎）に摩耗する。皮膜が完全に摩耗して失われると、プラグの母材が露出する。この場合、母材の露出部分での溶損や、プラグと相手材であるビレットとの焼き付き等が生じ、プラグが寿命に至る。

特に、ステンレス鋼からなるビレットを穿孔する場合、酸化スケールの皮膜の摩耗が顕著であるため、プラグの寿命は非常に短い。ステンレス鋼からなるビレットを穿孔する場合、通常、数パスで皮膜が摩耗してしまう。皮膜が摩耗するたびに、プラグの母材の表面に酸化スケールを生成するための熱処理が必要となる。熱処理は、一般に、数時間から数１０時間を要する。よって、酸化スケールの皮膜の形成能率は低い。

これに対し、特許第４２７９３５０号公報では、鉄及び酸化物からなる皮膜をアーク溶射によってプラグの母材の表面に形成する技術が提案されている。特許第４２７９３５０号公報では、皮膜の原料は鉄線材のみであり、皮膜の形成に要する時間は数分から数１０分程度と短い。よって、低コスト且つ高能率で、母材の表面に皮膜を形成することができる。溶射皮膜は、酸化スケールの皮膜と比較して、母材との密着性及び耐摩耗性が高い。このため、プラグの寿命を長くすることができる。

特開２０１３−２４８６１９号公報には、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜をプラグの母材の表面に形成し、その後、プラグに熱処理を施すことが開示されている。

国際公開第２０１４／０１３９６３号には、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜の下地層として、プラグの母材の表面にＮｉ−Ｃｒ層を形成することが開示されている。

特開昭６１−２８６０７７号公報には、鋼管圧延機用芯金の表面に金属系粉末を溶射して皮膜を形成した後、芯金に熱間等方圧加圧処理を施すことが開示されている。

特公平５−３６５０２号公報及び特開平３−１２５０７６号公報は、ビレットの穿孔用のプラグに適用されるものではないが、溶射皮膜の形成方法を開示する。特公平５−３６５０２号公報には、基材の表面に超硬合金の溶射皮膜を形成し、溶射皮膜上にＮｉ−Ｐ合金のメッキ皮膜を形成した後、基材に熱間等方圧加圧処理を施すことが開示されている。特開平３−１２５０７６号公報には、基材の表面に耐摩耗材を溶射した後、その上に封孔性のよい粉末材を溶射して封孔処理をし、基材に熱間等方圧加圧処理を施すことが開示されている。

鉄線材（鋼線材）のアーク溶射によって形成された皮膜は、プラグの母材との密着性及び耐摩耗性が高いため、プラグを長寿命化することができる。しかしながら、例えば、高合金からなる高強度のビレットを穿孔する場合や、ビレットの穿孔長が非常に長い場合等には、穿孔中に母材の表面から皮膜が剥離する可能性がある。皮膜の剥離によって母材が露出すると、露出部分を起点とて、プラグの溶損やプラグに対するビレットの焼き付きが生じる。

本開示は、皮膜の剥離を抑制することができるプラグ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係るプラグは、ビレットの穿孔に用いられる。プラグは、プラグ本体と、本体皮膜と、表層皮膜とを備える。本体皮膜は、プラグ本体の表面上に形成される。本体皮膜は、鉄及び鉄酸化物を含有する。表層皮膜は、本体皮膜上に形成される。表層皮膜は、鉄及び鉄酸化物を含有する。表層皮膜は、本体皮膜のうち表層皮膜に隣接し且つ表層皮膜の厚みと等しい厚みを有する領域の空隙率よりも低い空隙率を有する。

本開示は、プラグの製造方法に関する。プラグは、ビレットの穿孔に用いられる。当該製造方法は、プラグ本体を準備する工程と、鉄線材を用いたアーク溶射を行ってプラグ本体の表面上に本体皮膜を形成する工程と、本体皮膜の形成が終了した時点における溶射距離よりも短い溶射距離で鉄線材を用いたアーク溶射を行い、本体皮膜上に表層皮膜を形成する工程とを備える。

本開示に係るプラグ及びその製造方法によれば、皮膜の剥離を抑制することができる。

図１は、実施形態に係るプラグの部分断面図である。 図２は、図１に示すプラグのＩＩ部分の拡大図である。 図３は、皮膜の断面のミクロ観察画像の一例である。 図４は、図３に示すミクロ観察画像の輝度ヒストグラムである。 図５は、図３に示すミクロ観察画像の輝度ヒストグラムであって、ミクロ観察画像の３値化を説明するための図である。 図６は、図３に示すミクロ観察画像から得られた３値画像である。 図７は、図１に示すプラグの製造方法を説明するための図である。 図８は、皮膜形成時の溶射距離と皮膜の空隙率との関係を示すグラフである。 図９は、皮膜形成時の溶射距離と皮膜中の酸化物の含有率との関係を示すグラフである。 図１０は、皮膜形成時の溶射距離と皮膜の引張強度との関係を示すグラフである。 図１１Ａは、実施形態に係るプラグによる効果を説明するための図である。 図１１Ｂは、実施形態に係るプラグによる効果を説明するための図である。 図１２Ａは、従来のプラグにおいて皮膜の剥離が発生するメカニズムを説明するための図である。 図１２Ｂは、従来のプラグにおいて皮膜の剥離が発生するメカニズムを説明するための図である。 図１２Ｃは、従来のプラグにおいて皮膜の剥離が発生するメカニズムを説明するための図である。 図１２Ｄは、従来のプラグにおいて皮膜の剥離が発生するメカニズムを説明するための図である。

本発明者等は、鋭意検討の結果、ビレットの穿孔中のプラグにおいて皮膜の剥離が発生するメカニズムを見出した。図１２Ａ〜図１２Ｄは、従来のプラグにおいて皮膜の剥離が発生するメカニズムを説明するための図である。図１２Ａ〜図１２Ｄでは、プラグの表面近傍の断面を模式的に示している。

図１２Ａに示すように、ビレットの穿孔前において、プラグ本体１０１の表面上には皮膜１０２が形成されている。皮膜１０２は、空隙１０３を含む。

図１２Ｂに示すように、ビレットの穿孔が開始されると、皮膜１０２には、ビレットとの摩擦力によってその表面に沿う方向（せん断方向）の負荷が作用する。これにより、皮膜１０２が変形し、変形部分を起点として皮膜１０２の表面にクラックＣが発生する。

図１２Ｃに示すように、クラックＣは、皮膜１０２に作用するせん断方向の負荷により、プラグ本体１０１と皮膜１０２との界面に沿って進展する。その結果、図１２Ｄに示すように、皮膜１０２の剥離が発生する。

本発明者等は、ビレットの穿孔中における皮膜の変形及びクラックの発生を抑制すれば、皮膜の剥離を抑制することができると考えた。本発明者等は、さらに検討を重ね、実施形態に係るプラグ及びその製造方法を完成させた。

実施形態に係るプラグは、ビレットの穿孔に用いられる。プラグは、プラグ本体と、本体皮膜と、表層皮膜とを備える。本体皮膜は、プラグ本体の表面上に形成される。本体皮膜は、鉄及び鉄酸化物を含有する。表層皮膜は、本体皮膜上に形成される。表層皮膜は、鉄及び鉄酸化物を含有する。表層皮膜は、本体皮膜のうち表層皮膜に隣接し且つ表層皮膜の厚みと等しい厚みを有する領域の空隙率よりも低い空隙率を有する（第１の構成）。

第１の構成によれば、プラグ本体の表面上に形成された本体皮膜の上に、さらに表層皮膜が形成されている。表層皮膜の空隙率は、本体皮膜のうち表層皮膜近傍の領域の空隙率よりも低い。よって、表層皮膜は、本体皮膜よりも緻密であり、高い強度を有する。このため、表層皮膜、及び表層皮膜に覆われた本体皮膜において、せん断方向の負荷による変形が生じにくくなり、変形に起因するクラックの発生が抑制される。結果として、プラグ本体の表面から各皮膜が剥離するのを抑制することができる。

上記表層皮膜の空隙率は、２．５％以下であってもよい（第２の構成）。

第２の構成によれば、表層皮膜の空隙率が十分に低く、表層皮膜をより緻密且つ高強度にすることができる。よって、各皮膜の変形及びクラックの発生の抑制効果をさらに高めることができ、各皮膜の剥離をより確実に抑制することができる。

上記表層皮膜の厚みは、２５０μｍ以下であってもよい（第３の構成）。

第３の構成によれば、表層皮膜の厚みが十分に小さいため、表層皮膜の放熱性を向上させることができる。これにより、穿孔中における表層皮膜の温度上昇を抑制することができ、プラグに対するビレットの焼き付きの発生を抑制することができる。

実施例に係るプラグの製造方法は、プラグ本体を準備する工程と、鉄線材を用いたアーク溶射を行ってプラグ本体の表面上に本体皮膜を形成する工程と、本体皮膜の形成が終了した時点における溶射距離よりも短い溶射距離で鉄線材を用いたアーク溶射を行い、本体皮膜上に表層皮膜を形成する工程とを備える（第４の構成）。

第４の構成によれば、表層皮膜は、本体皮膜の形成後、溶射距離を短くしてアーク溶射を行うことにより形成される。これにより、本体皮膜のうち表層皮膜近傍の領域の空隙率よりも表層皮膜の空隙率が低くなり、緻密且つ高強度の表層皮膜によって本体皮膜が覆われることとなる。よって、穿孔中のせん断方向の負荷による各皮膜の変形が生じにくく、変形に起因するクラックの発生が抑制される。その結果、プラグ本体の表面から各皮膜が剥離するのを抑制することができる。

また、第４の構成によれば、本体皮膜及び表層皮膜の双方を鉄線材のアーク溶射によって形成する。すなわち、本体皮膜及び表層皮膜は、同一の材料及び同一の手法で形成される。このため、本体皮膜及び表層皮膜を同一工程内で連続的に形成することができる。よって、本体皮膜及び表層皮膜を有するプラグを容易に製造することができる。

上記本体皮膜を形成する工程では、溶射距離を徐々に長くしながらアーク溶射を行ってもよい（第５の構成）。

アーク溶射では、溶射距離が長くなるほど皮膜中の酸化物の含有率が高くなる。第５の構成によれば、本体皮膜のうちプラグ本体側の領域を形成する際の溶射距離が比較的短い。このため、プラグ本体側の領域では、鉄の含有率が高く、酸化物の含有率が低くなる。これにより、プラグ本体に対する本体皮膜の密着性を向上させることができる。一方、本体皮膜のうち表層皮膜側の領域を形成する際の溶射距離は比較的長い。よって、表層皮膜側の領域では、酸化物の含有率が高くなり、熱伝導率が低くなる。これにより、本体皮膜の遮熱性が向上し、プラグに対するビレットの焼き付きの発生を抑制することができる。

以下、実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。

［プラグの構造］
まず、プラグの構造について説明する。図１に示すように、実施形態に係るプラグ１０は、プラグ本体１と、本体皮膜２と、表層皮膜３とを備える。図１では、プラグ１０が断面で示されている。

プラグ本体１は、横断形状が円形状であり、その外径は、プラグ本体１の先端から後端に向かって大きくなる。要するに、プラグ本体１の形状は、略砲弾状である。

本体皮膜２は、プラグ本体１の表面上に形成される。本体皮膜２は、プラグ本体１の後端面を除き、プラグ本体１の表面の全体を覆っている。本体皮膜２の厚みは、全体にわたって一定でなくてもよい。例えば、本体皮膜２において、プラグ本体１の先端部１１上に位置する部分の厚みは、プラグ本体１の胴部１２上に位置する部分の厚みよりも大きくなっている。

表層皮膜３は、本体皮膜２上に形成される。表層皮膜３は、本体皮膜２の全体を覆っている。表層皮膜３の厚みは、本体皮膜２の厚みよりも小さい。表層皮膜３の厚みは、全体にわたって実質的に一定である。表層皮膜３の厚みは、好ましくは２５０μｍ以下であり、より好ましくは２００μｍ以下である。表層皮膜３の厚みは、好ましくは５０μｍ以上である。

図２は、図１に示すＩＩ部分の拡大図である。本体皮膜２及び表層皮膜３は、鉄及び鉄酸化物を含有する。本体皮膜２及び表層皮膜３は、主として鉄及び鉄酸化物で構成されているが、鉄及び鉄酸化物以外の元素及び／又は化合物をわずかに含む場合もある。本体皮膜２では、プラグ本体１側から表層皮膜３に向かうにつれて鉄の含有率が低く、鉄酸化物の含有率が高くなっている。表層皮膜３の鉄の含有率は、少なくとも、後述する本体皮膜２の領域２１における鉄の含有率よりも高くなっている。

本体皮膜２には、空隙が含まれる。表層皮膜３にも、わずかに空隙が含まれる。表層皮膜３の空隙率は、本体皮膜２の領域２１の空隙率よりも低い。領域２１は、本体皮膜２のうち表層皮膜３に隣接する領域である。すなわち、領域２１は、本体皮膜２のうち表層皮膜３との界面側に位置する領域である。領域２１の厚みは、表層皮膜３の厚みと実質的に等しい。表層皮膜３の空隙率は、２．５％以下であることが好ましい。表層皮膜３の空隙率の値は低いほどよいが、実質的には０．５％以上である。

ここで、本体皮膜２及び表層皮膜３における鉄の含有率、鉄酸化物の含有率、及び空隙率の算出方法について説明する。

まず、本体皮膜２及び表層皮膜３の断面のミクロ観察画像を取得する。本体皮膜２の領域２１の空隙率は、ミクロ観察画像において、本体皮膜２のうち表層皮膜３との界面側であって表層皮膜３と同じ厚み分の範囲で評価する。表層皮膜３の空隙率は、ミクロ観察画像に写る表層皮膜３全体で評価する。なお、厚さ方向と直交する方向（プラグ表面に並行する方向）の評価範囲は、１０００〜１５００μｍ程度とする。この方向には、基本的には、ほぼ均一に空隙が分布していると考えられるため、１０００〜１５００μｍ程度の幅で評価すると、ほぼ平均的な空隙率を算出できる。

図３は、皮膜の断面のミクロ観察画像（原画像）の一例である。原画像中の鉄、鉄酸化物、及び空隙は、それぞれ異なる色味を有する。具体的には、鉄、鉄酸化物、及び空隙の順で色が濃くなっている。

次に、原画像から図４に示す輝度ヒストグラムを作成する。輝度ヒストグラムは、原画像における画素の輝度分布を示すグラフであり、縦軸に頻度（画素数）、横軸に輝度値をとる。この輝度ヒストグラムにおいてピークの検出を行うと、鉄、鉄酸化物、及び空隙の各々に起因する３つのピークが検出される。

続いて、原画像の３値化を行う。図５に示すように、３値化に用いる閾値は、輝度値Ｂ_１と輝度値Ｂ_２との中間値Ｍ_１、及び輝度値Ｂ_２と輝度値Ｂ_３との中間値Ｍ_２である。Ｂ_１、Ｂ_２、及びＢ_３は、それぞれ、空隙に起因するピークの輝度値、鉄酸化物に起因するピークの輝度値、及び鉄に起因するピークの輝度値である。

図６に、原画像の３値化によって得られた３値画像を示す。３値画像では、原画像においてＭ_１未満の輝度値を有する画素が黒色、Ｍ_１以上Ｍ_２未満の輝度値を有する画素が灰色、Ｍ_２以上の輝度値を有する画素が白色で表示されている。３値画像において、黒色の領域を空隙の領域、灰色の領域を鉄酸化物の領域、白色の領域を鉄の領域とし、各領域の画素数をカウントする。空隙の領域の画素数、鉄酸化物の領域の画素数、及び鉄の領域の画素数の各々を全体の画素数で除することにより、空隙率（％）、鉄酸化物の含有率（％）、及び鉄の含有率（％）が算出される。つまり、空隙率、鉄酸化物の含有率、及び鉄の含有率は、原画像中の画素の比率（面積率）で評価される。

［プラグの製造方法］
次に、プラグ１０の製造方法について説明する。

まず、プラグ本体１を準備する。このプラグ本体１の表面に、アーク溶射によって本体皮膜２及び表層皮膜３を形成する。

アーク溶射は、例えば、図７に示すアーク溶射装置４を用いて行うことができる。アーク溶射装置４は、溶射ガン４１と、回転台４２とを備える。溶射ガン４１は、溶射用の線材をアークによって溶融させ、圧縮空気によってノズルから噴霧する。本実施形態では、溶射用の線材として、鉄線材を使用する。鉄線材は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする炭素鋼（普通鋼）の線材である。鉄線材は、典型的には、Ｆｅを主成分とし、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）及び不純物からなる、いわゆる普通鋼であるが、タングステン（Ｗ）等の元素を含有していてもよい。

本体皮膜２及び表層皮膜３の形成に際し、プラグ本体１をアーク溶射装置４の回転台４２に配置する。そして、回転台４２によってプラグ本体１を軸周りに回転させながら、このプラグ本体１に対して鉄線材のアーク溶射を行う。これにより、まず、鉄及び鉄酸化物を含有する本体皮膜２がプラグ本体１の表面上に形成される。本体皮膜２の形成は、所望の厚みの材料がプラグ本体１の表面上に堆積された時点で終了する。

本体皮膜２は、溶射距離を徐々に長くしながら形成されることが好ましい。溶射距離とは、溶射ガン４１のノズルの先端から溶射対象物の表面までの最短距離を指す。本体皮膜２は、プラグ本体１から所定の距離に溶射ガン４１を配置してアーク溶射を開始し、溶射ガン４１をプラグ本体１から徐々に遠ざけながらアーク溶射を継続することで形成される。しかしながら、本体皮膜２の形成中、溶射距離を一定に保つこともできる。

本体皮膜２の形成後、表層皮膜３を続けて形成する。すなわち、本体皮膜２を形成した後、そのままアーク溶射を継続して、本体皮膜２上に表層皮膜３を形成する。

表層皮膜３を形成する際の溶射距離は、本体皮膜２を形成する際の溶射距離よりも短い。より具体的には、表層皮膜３を形成する際の溶射距離は、少なくとも、本体皮膜２の形成が終了した時点での溶射距離より短い。すなわち、溶射ガン４１をプラグ本体１から徐々に遠ざけながら本体皮膜２を形成した後、溶射ガン４１をプラグ本体１に一気に近づけて表層皮膜３を形成する。

表層皮膜３の形成中、溶射距離は実質的に一定に保たれる。表層皮膜３の形成時の溶射距離は、２００ｍｍ以下であることが好ましい。表層皮膜３の形成は、所望の厚みの材料が本体皮膜２上に堆積された時点で終了する。好ましくは、表層皮膜３の厚みが２５０μｍを超える前に表層皮膜３の形成を終了する。

ここで、溶射距離についてより詳細に説明する。図８は、溶射距離と皮膜の空隙率との関係を示すグラフである。図９は、溶射距離と皮膜中の酸化物の含有率との関係を示すグラフである。図１０は、溶射距離と皮膜の引張強度との関係を示すグラフである。

図８に示すように、溶射距離が長くなれば皮膜の空隙率は高くなる。すなわち、本体皮膜２及び表層皮膜３の空隙率は、溶射距離によって制御することができる。上述したように、表層皮膜３を形成する際の溶射距離は、本体皮膜２の形成が終了した時点での溶射距離よりも短い。このため、表層皮膜３の空隙率は、本体皮膜２の領域２１の空隙率よりも低くなる。

図９に示すように、溶射距離が長くなれば皮膜における酸化物の含有率は高くなる。すなわち、本体皮膜２及び表層皮膜３の鉄及び鉄酸化物の各含有率は、溶射距離によって制御することができる。上述したように、本体皮膜２は、溶射距離を徐々に長くしながら形成される。よって、本体皮膜２では、プラグ本体１側から表層皮膜３側に向かうにつれて、鉄の含有率が低く、鉄酸化物の含有率が高くなる。表層皮膜３は、本体皮膜２の形成後、溶射距離を短くして形成される。このため、表層皮膜３の鉄の含有率は、少なくとも本体皮膜２の領域２１における鉄の含有率より高くなる。

図１０に示すように、溶射距離が長くなれば皮膜の引張強度は低くなる。すなわち、本体皮膜２及び表層皮膜３の引張強度は、溶射距離によって制御することができる。表層皮膜３の形成時の溶射距離は、本体皮膜２の形成の終了時点の溶射距離よりも短い。このため、表層皮膜３の引張強度は、少なくとも本体皮膜２の領域２１における引張強度より高くなる。

以上のようにして本体皮膜２及び表層皮膜３を形成した後、プラグ本体１をアーク溶射装置４の回転台４２から取り外す。これにより、本実施形態に係るプラグ１０（図１）が完成する。

［効果］
本実施形態に係るプラグ１０では、低空隙率の表層皮膜３が本体皮膜２上に形成されている。このため、穿孔中のせん断方向の負荷による本体皮膜２及び表層皮膜３の変形が生じにくく、本体皮膜２及び表層皮膜３におけるクラックの発生を抑制することができる。この効果について、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照しつつ、より詳細に説明する。

図１１Ａは、ビレットの穿孔が開始される前のプラグ１０の表面付近の断面を模式的に示す図である。図１１Ａに示すように、プラグ本体１上の本体皮膜２は、表層皮膜３によって覆われている。表層皮膜３は、本体皮膜２の形成が終了した時点での溶射距離よりも短い溶射距離で鉄線材のアーク溶射を行うことによって形成されている。よって、表層皮膜３は、本体皮膜２のうち表層皮膜３に隣接する領域の空隙率よりも低い空隙率を有し、緻密で引張強度が高い。

図１１Ｂは、ビレットの穿孔中のプラグ１０の表面付近の断面を模式的に示す図である。図１１Ｂに示すように、ビレットの穿孔が開始されると、表層皮膜３の表面にせん断方向の負荷が作用する。しかしながら、表層皮膜３は、緻密であり、高い引張強度を有するため、せん断方向の負荷によって変形しにくい。本体皮膜２も、表層皮膜３によって覆われていることにより変形が生じにくい。このため、本体皮膜２及び表層皮膜３では、剥離に至るほどのクラックは発生しない。よって、本体皮膜２及び表層皮膜３の剥離を抑制することができる。

本体皮膜２及び表層皮膜３は、鉄線材を用いたアーク溶射によって容易に形成することができる。また、本体皮膜２及び表層皮膜３を同一工程内で連続的に形成することができる。よって、本実施形態によれば、耐剥離性が高い皮膜を有するプラグ１０を簡易な方法で製造することができる。

表層皮膜３の空隙率は、好ましくは２．５％以下である。これにより、表層皮膜３がより緻密になり、表層皮膜３の引張強度を十分に確保することができる。その結果、本体皮膜２及び表層皮膜３の変形、並びにクラックの発生が効果的に抑制される。よって、本体皮膜２及び表層皮膜３の剥離をより確実に抑制することができる。上述したように、表層皮膜３の空隙率の値は低いほどよいが、実質的には０．５％以上である。

表層皮膜３の厚みは、好ましくは２５０μｍ以下である。これにより、穿孔圧延中における表層皮膜３の温度上昇を抑制することができる。前述のとおり、表層皮膜３は皮膜中の鉄の含有率が高いため、熱伝導率が高い。従って、穿孔圧延中は高温のビレットと接することで、表層皮膜３は加熱されやすい。表層皮膜３の厚みが厚すぎると、表層皮膜３中に熱が蓄積され、表層皮膜３が高温となる。表層皮膜３が高温になりすぎると、プラグ１０に対するビレットの焼き付きが発生しやすくなる。表層皮膜３の厚みを２５０μｍ以下にすることで焼き付きの発生を抑制することができる。

表層皮膜３の厚みは、好ましくは５０μｍ以上である。これにより、穿孔中のせん断方向の負荷による本体皮膜２及び表層皮膜３の変形を抑制することができ、クラックの発生をより確実に防止することができる。

本体皮膜２は、溶射距離を徐々に長くしながら形成される。これにより、本体皮膜２のうちプラグ本体１側の領域において鉄の含有率が高くなるため、プラグ本体１と本体皮膜２との密着性を向上させることができる。一方、本体皮膜２のうち表層皮膜２側の領域では、鉄酸化物の含有率が高くなるため、熱伝導率が低くなって遮熱性が向上する。よって、プラグ１０に対するビレットの焼き付きの発生を抑制することができる。

以上、実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以下、実施例によって本開示をさらに詳しく説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

最大径：７７．５ｍｍ、全長：２３０ｍｍ、材質：Ｃ−０．１５質量％、Ｗ−３．５質量％を含有する鋼のプラグ本体（１）を６つ準備した。鉄線材を用いたアーク溶射により、各プラグ本体（１）の表面上に本体皮膜（２）を形成した。本体皮膜（２）の形成では、溶射距離を２００ｍｍから１０００ｍｍまで変更しながら溶射を行った。本体皮膜（２）の厚みは、プラグ本体（１）の先端部（１１）で１２００μｍ、胴部（１２）で５００μｍである。

５つのプラグ本体（１）について、鉄線材を用いたアーク溶射によって本体皮膜（２）上に表層皮膜（３）を形成し、これらを実施例１〜５に係るプラグとした。表層皮膜（３）の形成の条件を表１に示す。残りの１つのプラグ本体（１）には表層皮膜（３）を形成せず、これを比較例に係るプラグとした。

実施例１〜５及び比較例に係るプラグの各々を用いて、１２００℃に加熱した直径：６５ｍｍ、長さ：４００ｍｍのＳＵＳ３０４製のビレットの穿孔圧延を繰り返し実施した。実施例１〜５及び比較例の各々について、プラグが損傷するまでの穿孔回数（寿命パス数）と、プラグの損傷状況を確認した。実施例１〜５及び比較例における寿命パス数及び損傷状況を表１に示す。

比較例のプラグでは、３パス後に胴部（１２）において皮膜の剥離が発生した。これに対して、実施例３〜５では、７〜８パス後も皮膜の剥離は生じなかった。実施例１では、１パス後に焼き付きが発生したため、それ以上の穿孔圧延を中止したが、胴部（１２）における皮膜の剥離は生じていなかった。実施例２では、４パス後に胴部（１２）の皮膜に剥離が発生した。よって、本体皮膜（２）上に表層皮膜（３）を形成することにより、皮膜の剥離を抑制できることがわかる。なお、実施例３〜５は、それぞれ表１中の寿命パス数後におけるプラグ先端部（１１）の変形が許容範囲を超えたため、それ以上の穿孔圧延を中止した。

実施例１では、表層皮膜（３）の厚みが３００μｍであり、２５０μｍよりも大きい。実施例１では、１パス後にプラグに対するビレットの焼き付きが発生した。一方、表層皮膜（３）の厚みが２５０μｍ以下である実施例２〜５では、プラグに対するビレットの焼き付きは発生しなかった。よって、表層皮膜（３）の厚みは、焼き付き発生の抑制という観点から、２５０μｍ以下であることが好ましい。

実施例１及び３〜５では、表層皮膜（３）の空隙率が２．５％以下であり、表層皮膜（３）の緻密性及び強度が高い。このため、実施例１及び３〜５では皮膜の剥離が発生しなかった。一方、実施例２では、表層皮膜（３）の形成時の溶射距離が３００ｍｍであり、表層皮膜（３）の空隙率が２．７％となっている。すなわち、実施例２における表層皮膜（３）の緻密性及び強度は、実施例１及び３〜５と比較して低い。このため、実施例２では４パス目で皮膜の剥離が発生した。この結果から、皮膜の剥離をより効果的に抑制するために、表層皮膜（３）の空隙率は２．５％以下であることが好ましいといえる。

Claims (5)

1. ビレットの穿孔に用いられるプラグであって、
   プラグ本体と、
   前記プラグ本体の表面上に形成され、鉄及び鉄酸化物を含有する本体皮膜と、
   前記本体皮膜上に形成され、鉄及び鉄酸化物を含有する表層皮膜と、
   を備え、
   前記表層皮膜は、前記本体皮膜のうち前記表層皮膜に隣接し且つ前記表層皮膜の厚みと等しい厚みを有する領域の空隙率よりも低い空隙率を有する、プラグ。
2. 請求項１に記載のプラグであって、
   前記表層皮膜の空隙率は、２．５％以下である、プラグ。
3. 請求項１又は２に記載のプラグであって、
   前記表層皮膜の厚みは、２５０μｍ以下である、プラグ。
4. ビレットの穿孔に用いられるプラグの製造方法であって、
   プラグ本体を準備する工程と、
   鉄線材を用いたアーク溶射を行って前記プラグ本体の表面上に本体皮膜を形成する工程と、
   前記本体皮膜の形成が終了した時点における溶射距離よりも短い溶射距離で鉄線材を用いたアーク溶射を行い、前記本体皮膜上に表層皮膜を形成する工程と、
   を備える、プラグの製造方法。
5. 請求項４に記載のプラグの製造方法であって、
   前記本体皮膜を形成する工程は、溶射距離を徐々に長くしながらアーク溶射を行う、プラグの製造方法。