JP6652193B2 - ピアサープラグの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、ピアサープラグ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、高温の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、ピアサープラグとを備える。ピアサープラグは、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ピアサープラグに押し込み、ビレットを穿孔圧延して中空素管にする。

穿孔圧延時において、ピアサープラグは、非常に過酷な環境にさらされる。ピアサープラグは、穿孔圧延対象であるビレットから高熱及び高面圧を受ける。通常、ピアサープラグの母材の表面には、酸化スケール皮膜又は溶射皮膜が形成される。当該皮膜は、過酷な穿孔により、母材の表面から摩耗又は剥離して消耗する。皮膜が消耗した時点でピアサープラグの使用を中断して皮膜を再生すれば、ピアサープラグを再使用することができる。しかしながら、母材の変形量及び／又は損耗量が許容値を超えた場合、ピアサープラグを再使用することはできない。母材の変形及び／又は損耗（以下、合わせて変形という）は、ピアサープラグの先端部において特に生じやすい。

国際公開第２０１３／１５３８７８号及び国際公開第２０１３／１６１４８９号には、肉盛層が先端部に形成されたピアサープラグが開示されている。これらのピアサープラグでは、熱間強度が高い肉盛層によって先端部の溶損が抑制される。

国際公開第２０１３／１５３８７８号及び国際公開第２０１３／１６１４８９のピアサープラグでは、肉盛層を設けたことにより、ピアサープラグの最表層を硬くすることができる。しかしながら、肉盛層を形成する際の入熱により、ピアサープラグの母材の内部において、硬度のばらつきが生じるおそれがある。このようなピアサープラグを使用し、例えばビレットがＮｉ基高合金のような極めて厳しい条件で穿孔圧延を実施した場合、ピアサープラグの母材が変形してしまう可能性がある。

本開示は、優れた耐母材変形性を有するピアサープラグを提供することを目的とする。

本開示に係るピアサープラグの製造方法は、先端部と、バーを取り付けるための穴を含み、先端部の後方に配置される筒部とを備えるプラグ本体を準備する工程と、先端部の表面上に肉盛層を形成する工程と、肉盛層が形成された先端部の温度がオーステナイト変態温度以上になり、かつ筒部の温度がオーステナイト変態温度未満になるように、プラグ本体を加熱する工程とを備える。

本開示によれば、優れた耐母材変形性を有するピアサープラグを得ることができる。

図１は、実施形態に係る製造方法によって製造されるピアサープラグの縦断面図である。 図２は、図１に示すピアサープラグと異なる構成を有するピアサープラグの縦断面図である。 図３は、１２５０℃におけるＮｉ−Ｗ合金の０．２％耐力とＷの含有量との関係を示すグラフである。 図４は、図１又は図２に示すピアサープラグが組み込まれた穿孔機の概略構成を示す図である。 図５は、加熱装置の模式図である。 図６は、図５に示す加熱装置とは別の加熱装置の模式図である。 図７は、実施例及び比較例に係るピアサープラグの各々について、プラグ変形量とパス数との関係を示すグラフである。 図８は、実施例及び比較例に係るピアサープラグの各々について、各パスの穿孔効率を示すグラフである。 図９は、実施例及び比較例に係るピアサープラグの各々について、１パス当たりの母材変形量を示すグラフである。

実施形態に係るピアサープラグの製造方法は、先端部と、バーを取り付けるための穴を含み、先端部の後方に配置される筒部とを備えるプラグ本体を準備する工程と、先端部の表面上に肉盛層を形成する工程と、肉盛層が形成された先端部の温度がオーステナイト変態温度以上になり、かつ筒部の温度がオーステナイト変態温度未満になるように、プラグ本体を加熱する工程とを備える（第１の構成）。

第１の構成では、プラグ本体の先端部に肉盛層を形成した後、当該先端部をオーステナイト変態温度以上に加熱して焼き入れすることで硬化させる。すなわち、肉盛層を形成する際の入熱のばらつきによってプラグ本体の硬度にばらつきが生じたとしても、その後の焼き入れ処理により、特に変形が生じやすいプラグ本体の先端部の硬度を増加させる。よって、穿孔圧延時の高面圧により肉盛層の内側にあるプラグ本体が変形するのを抑制することができ、優れた耐母材変形性を確保することができる。

上記製造方法は、さらに、加熱する工程に先だって、肉盛層が形成されたプラグ本体の表面上に溶射皮膜を形成する工程を備えていてもよい（第２の構成）。

一般に、ピアサープラグの皮膜は、その厚みが大きくなるほど母材から剥離しやすくなる。第２の構成では、肉盛層及び溶射皮膜が形成された状態でプラグ本体を加熱する。これにより、溶射皮膜とプラグ本体及び肉盛層との間で拡散が生じるため、溶射皮膜の密着性を向上させることができる。よって、溶射皮膜を厚膜化することができ、母材の変形をより確実に抑制することができる。

肉盛層は、Ｎｉ−Ｗ合金で構成されていてもよい（第３の構成）。

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。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。

［ピアサープラグの構成］
図１は、本実施形態に係る製造方法によって製造されるピアサープラグ１０の縦断面図である。縦断面とは、ピアサープラグ１０の中心軸Ｘを含む断面であり、横断面とは、中心軸Ｘに垂直な断面である。ピアサープラグ１０の中心軸Ｘが延びる方向を長手方向又は軸方向という。

ピアサープラグ１０は、砲弾形状をなす。ピアサープラグ１０の横断面の形状は、実質的に円形状である。ピアサープラグ１０の外径は、軸方向の一方から他方に向かって徐々に大きくなる。以下、ピアサープラグ１０において、小径側を先又は前、大径側を後と称する。

ピアサープラグ１０は、先端部１０１と、胴部１０２と、逃げ部１０３とで構成されている。先端部１０１、胴部１０２、及び逃げ部１０３は、ピアサープラグ１０の前方から後方に向かってこの順で配置されている。ただし、ピアサープラグ１０は、逃げ部１０３を備えていなくてもよい。

ピアサープラグ１０のうち逃げ部１０３を除く部分は、圧延部１０４と、リーリング部１０５とに区分される。圧延部１０４は、穿孔圧延の際、肉厚圧下の大部分を受け持つ部位である。リーリング部１０５は、圧延部１０４の後方に位置する。リーリング部１０５は、穿孔圧延の際、中空素管（シェルともいう）の肉厚を仕上げる部位である。

ピアサープラグ１０は、プラグ本体１と、肉盛層２と、溶射皮膜３とを備える。

（プラグ本体）
プラグ本体１は、先端部１１と、筒部１２とを備える。筒部１２は、先端部の後方に配置されている。筒部１２は、穴１２１を有する。

穴１２１は、後述するバーをピアサープラグ１０に取り付けるために使用される。穴１２１は、プラグ本体１の後端面に開口している。すなわち、プラグ本体１の後部は、穴１２１によって筒状となっている。

筒部１２の前端は、穴１２１の深さをＤ［ｍｍ］として、穴１２１の前端から前方に０．１×Ｄ［ｍｍ］の位置である。穴１２１の深さＤとは、ピアサープラグ１０の軸方向において、穴１２１の前端（底）から後端（開口端）までの長さである。筒部１２とは、プラグ本体１のうち、穴１２１の底から０．１×Ｄ［ｍｍ］前方の位置からプラグ本体１の後端までの部分を指す。

プラグ本体１において、先端部１１は筒部１２よりも硬い。先端部１１のビッカース硬さは、例えば、３００Ｈｖ以上である。筒部１２のビッカース硬さは、好ましくは２２０〜２６０Ｈｖであるが、２２０Ｈｖ以下であってもよい。ビッカース硬さは、プラグ本体１を軸方向に切断した断面から、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に基づき、１ｋｇｆの試験力で測定した値である。筒部１２は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００５）に基づくフルサイズ試験片を用いたシャルピー衝撃試験において、２０℃における衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ^２以上である。

プラグ本体１の表面は、領域１３と領域１４とに区分される。領域１３は、プラグ本体１の表面のうち、後述する肉盛層２が設けられる領域である。領域１４は、プラグ本体１の表面のうち、肉盛層２が設けられない領域である。領域１４の前端の直径は、領域１３の後端の直径よりも大きい。すなわち、プラグ本体１の表面において、前方の領域１３と後方の領域１４との間には段差が存在する。

プラグ本体１の素材は、加熱処理によって硬度が向上する鋼、すなわち、焼きが入る鋼である。プラグ本体１の素材は、鉄（Ｆｅ）及び不純物に加えて、特徴的な元素を以下に述べる範囲で含むことが好ましい。プラグ本体１の素材は、以下に挙げる元素以外の元素を含むこともできる。以下の説明において、元素の含有量の％は、質量％を意味する。

Ｃ：０．０８〜０．５％
炭素（Ｃ）は高温強度向上に対する有効成分である。Ｃ含有量が０．０８％以下では効果がない。Ｃ含有量が０．５％を超えると、硬度が高くなりすぎる。また、炭化物の析出状態の制御がしにくくなる。したがって、Ｃ含有量は０．０８〜０．５％とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．３％以下であり、さらに好ましくは０．２％以下である。Ｃ含有量は、好ましくは０．０９％以上であり、さらに好ましくは０．１％以上である。

Ｓｉ：０．１〜１．０％
シリコン（Ｓｉ）は脱酸素に有効な成分である。Ｓｉ含有量が０．１％以下では効果が小さい。Ｓｉ含有量が１．０％を超えると素材の靭性が劣化し始める。したがって、Ｓｉ含有量は０．１〜１．０％とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．９％以下であり、さらに好ましくは０．８％以下である。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．２％以上であり、さらに好ましくは０．３％以上である。

Ｍｎ：０．２〜１．５％
マンガン（Ｍｎ）は高温におけるオーステナイトを安定化する。すなわち、δフェライトの生成を抑制して靭性低下を抑制する。その効果はＭｎ含有量が０．２％以上で得られる。しかし、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると硬度が高くなりすぎ、穿孔後に焼き割れが生じやすくなる。したがって、Ｍｎ含有量は０．２〜１．５％とする。Ｍｎ含有量は、好ましくは１．４％以下であり、さらに好ましくは１．３％以下である。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．３％以上であり、さらに好ましくは０．４％以上である。

プラグ本体１の素材は、以下に述べる選択元素を含有してもよい。プラグ本体１の素材は、これらの選択元素のうち一部又は全部を含有することができる。ただし、プラグ本体１の素材がこれらの選択元素のいずれも含有しないこともある。

Ｎｉ：０〜２．０％
ニッケル（Ｎｉ）はプラグ表層部に形成される焼き入れ相の靭性を改善する効果がある。その効果はＮｉ含有量が２．０％でほぼ飽和する。それ以上の添加はコスト増加要因となる。したがって、Ｎｉ含有量は０〜２．０％とする。Ｎｉ含有量は、好ましくは１．９％以下であり、さらに好ましくは１．８％以下である。Ｎｉ含有量は、好ましくは０．２％以上であり、さらに好ましくは０．３％以上である。

Ｍｏ：０〜４．０％、Ｗ：０〜４．０％
モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）は置換可能な元素である。これらの元素は高温強度の改善に有効であり、かつＡ_ｃ１点を上昇させて穿孔後に表面に焼きが入る部分を低減する効果がある。しかし、総和が８．０％を超えると、高温でもフェライトが残留し、強度及び靭性が低下する。したがって、総和は８．０％以下とする。Ｍｏ含有量は、好ましくは３．９％以下であり、さらに好ましくは３．８％以下である。Ｍｏ含有量は、好ましくは０．７５％以上であり、さらに好ましくは０．８％以上である。Ｗ含有量は、好ましくは３．９％以下であり、さらに好ましくは３．８％以下である。Ｗ含有量は、好ましくは０．７５％以上であり、さらに好ましくは０．８％以上である。

Ｃｕ：０〜０．５％
銅（Ｃｕ）はオーステナイト安定化元素であり、穿孔時に高温に保持されてオーステナイトとなったプラグ表層部の靱性を改善する効果がある。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．５％とする。

Ｂ：０〜０．２％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｃｒ：０〜１０．０％、Ｔｉ：０〜１．０％
ボロン（Ｂ）が少しでも含有されれば、粒界の強度を増加させる効果がある。しかし、Ｂ含有量が０．２％を超えると、逆に脆化相が析出し靭性が劣化する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．２％とする。ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）及びチタン（Ｔｉ）は少しでも含有すれば、結晶粒を微細化する効果がある。したがって、Ｎｂ、Ｖ及びＴｉの元素の含有量の各々は０〜１．０％とし、Ｃｒ含有量は０〜１０．０％とする。

その他、脱硫などの目的で、カルシウム（Ｃａ）、希土類元素（ＲＥＭ）を必要に応じてプラグ本体１の素材に微量添加することができる。

（肉盛層）
肉盛層２は、プラグ本体１の先端部１１の表面上に形成される。肉盛層２は、少なくとも先端部１１の表面全体を覆う。肉盛層２は、図２に示すように、先端部１１の後方まで延びていてもよい。肉盛層２は、プラグ本体１の軸方向中央部付近まで設けられていてもよい。肉盛層２の後端は、筒部１２の前端よりも前方に位置する。

図１に戻って、軸方向において、ピアサープラグ１０の長さをＬ［ｍｍ］とすると、肉盛層２の長さＬ２は、０．１５×Ｌ［ｍｍ］以上である。肉盛層２の長さＬ２は、０．５０×Ｌ［ｍｍ］以下である。本実施形態において、ピアサープラグ１０の長さＬは、溶射皮膜３の厚みを考慮しない長さとする。すなわち、ピアサープラグ１０の長さＬは、肉盛層２の前端からプラグ本体１の後端までの軸方向の長さである。

肉盛層２は、プラグ本体１の表面のうち、直径が小さい領域１３に形成される。肉盛層２の表面は、プラグ本体１の表面の領域１４と滑らかに連続する。すなわち、肉盛層２の表面とプラグ本体１の表面の領域１４とは、段差を介さずにつながっている。

肉盛層２の厚みは、好ましくは１．０ｍｍ以上であり、より好ましくは３．０ｍｍ以上である。肉盛層２の厚みは、好ましくは８．０ｍｍ以下であり、より好ましくは６．０ｍｍ以下である。

肉盛層２は、Ｎｉ−Ｗ合金で構成されていることが好ましい。この場合、Ｗ含有量は、２５〜５０質量％であることが好ましく、２５〜４５質量％であることがより好ましい。その理由について図３を参照しつつ説明する。図３は、１２５０℃におけるＮｉ−Ｗ合金の０．２％耐力とＷの含有量との関係を示すグラフである。以下の説明において、元素の含有量の％は、質量％を意味する。

肉盛層２は、１２５０℃において、少なくとも２００ＭＰａの０．２％耐力を必要とする。Ｗの濃度（含有量）が大きくなるほど、０．２％耐力が大きくなる。図３より、１２５０℃において０．２％耐力が２００ＭＰａを超えるのは、Ｗ含有量が２５％以上となったときである。よって、肉盛層２の素材がＮｉ−Ｗ合金である場合、Ｗ含有量は、２５％以上であることが好ましい。

Ｎｉ−Ｗ合金において、Ｗ含有量が５０％を超えると、Ｗの溶解が困難になる。このため、肉盛層２の素材がＮｉ−Ｗ合金である場合、Ｗ含有量は、好ましくは５０％以下、より好ましくは４５％以下である。

Ｎｉ−Ｗ合金には、Ｃｒが添加されていてもよい。１〜５％のＣｒをＮｉ−Ｗ合金に添加することにより、靱性を向上させることができる。

以上より、肉盛層２の好ましい化学組成は、Ｗ：２５〜５０％、好ましくは２５〜４５％、Ｃｒ：１〜５％、残部：Ｎｉ及び不純物である。

（溶射皮膜）
図１を再度参照して、溶射皮膜３は、肉盛層２が形成されたプラグ本体１の表面上に形成されている。図１の例では、溶射皮膜３は、肉盛層２の表面全体、及びプラグ本体１の側面のうち肉盛層２から露出する部分の全体を覆う。すなわち、溶射皮膜３は、プラグ本体１の後端面のみを露出させるように、肉盛層２及びプラグ本体１の表面上に形成されている。

ただし、逃げ部１０３には、溶射皮膜３が形成されていなくてもよい。すなわち、溶射皮膜３は、少なくとも、ピアサープラグ１０の先端から胴部１０２の後端までの範囲に設けられればよい。

肉盛層２の表面上に位置する部分の溶接皮膜３の厚みは、プラグ本体１の領域１４上に位置する部分の溶接皮膜３の厚みよりも大きいことが好ましい。溶射皮膜３の厚みは、例えば、ピアサープラグ１０の先端で最も大きくなる。ピアサープラグ１０の先端における溶射皮膜３の厚みＴ３１は、例えば、０．６〜３．０ｍｍである。

プラグ本体１の領域１４上に位置する部分の溶接皮膜３の厚みＴ３２は、例えば、０．１〜０．８ｍｍである。厚みＴ３２は、肉盛層２の後方の任意の位置における溶射皮膜３の厚みである。

溶射皮膜３は、主として鉄及び鉄酸化物で構成されることが好ましい。ただし、溶射皮膜３は、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んでいてもよい。

［ピアサープラグの使用方法］
上記のように構成されたピアサープラグ１０は、穿孔圧延に利用される。図４は、ピアサープラグ１０が組み込まれた穿孔機１００の概略構成を示す図である。図４に示すように、穿孔圧延に際し、ピアサープラグ１０の穴１２１（図１及び図２）にバー（芯金）２０の先端部が挿入されることにより、ピアサープラグ１０にバー２０が取り付けられる。ピアサープラグ１０は、一対の傾斜ロール３０，３０の間において、パスラインＰＬ上に配置される。ピアサープラグ１０は、ビレットＢの中央部に押し込まれる。これにより、ビレットＢが穿孔圧延されて中空素管が形成される。

［ピアサープラグの製造方法］
以下、ピアサープラグ１０の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は、プラグ本体１を準備する工程と、肉盛層２を形成する工程と、溶射皮膜３を形成する工程と、肉盛層２及び溶射皮膜３が形成されたプラグ本体１を加熱する工程と、加熱されたプラグ本体１を冷却する工程とを備える。

（プラグ本体の準備工程）
ピアサープラグ１０の製造に際し、まず、プラグ本体１を準備する。プラグ本体１は、例えば鍛造などによって作製することができる。

（肉盛層の形成工程）
次に、プラグ本体１の先端部１１の表面上に肉盛層２を形成する。これにより、プラグ本体１のうち、少なくとも先端部１１が肉盛層２によって覆われる。肉盛層２は、軸方向の長さＬ２が肉盛層２の形成後のプラグ本体１の長さＬの１５〜５０％（０．１５×Ｌ≦Ｌ２≦０．５０×Ｌ）となるように形成される。

肉盛層２は、例えば、プラズマ紛体肉盛溶接（ＰＴＡ：Ｐｌａｓｍａ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ Ａｒｃ）法、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接法、又はＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｓｅｒｔ Ｇａｓ）溶接法などの公知の肉盛溶接法によって形成することができる。

（溶射皮膜の形成工程）
次に、肉盛層２が形成されたプラグ本体１の表面上に、溶射皮膜３を形成する。本実施形態では、溶射皮膜３は、肉盛層２が形成されたプラグ本体１の表面のうち、後端面を除く部分全体に形成される。ただし、逃げ部１０３には溶射皮膜３を形成しなくてもよい。溶射皮膜３は、少なくとも圧延部１０４及びリーリング部１０５の全体に形成されればよい。

溶射皮膜３は、例えば、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射、又は高速フレーム溶射などの公知の溶射法によって形成することができる。

溶射皮膜３をアーク溶射によって形成する場合、溶射用の線材として鉄線材を使用することができる。鉄線材は、Ｆｅを主成分とする炭素鋼の線材である。鉄線材は、典型的には、Ｆｅを主成分とし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ及び不純物からなる、いわゆる普通鋼の線材であるが、Ｗ等の元素を含有していてもよい。鉄線材をアーク溶射することにより、鉄及び鉄酸化物を含有する溶射皮膜３が形成される。

（加熱工程）
次に、肉盛層２及び溶射皮膜３が形成されたプラグ本体１を加熱する。具体的には、先端部１１の温度がオーステナイト変態温度（Ａ_ｃ３点）以上になるようにプラグ本体１を加熱する。プラグ本体１の加熱工程において、筒部１２の温度はＡ_ｃ３点未満に維持される。

プラグ本体１の加熱工程では、肉盛層２及び溶射皮膜３が形成されたプラグ本体１のうち、先端部１１を含み、筒部１２を含まない部分のみを加熱してもよい。あるいは、先端部１１と筒部１２との間で温度差が生じるように、肉盛層２及び溶射皮膜３が形成されたプラグ本体１の全体を加熱することもできる。

肉盛層２及び溶射皮膜３が形成されたプラグ本体１の加熱方法の例について、図５及び図６を参照しつつ説明する。以下、説明の便宜上、肉盛層２及び溶射皮膜３が形成されたプラグ本体１、つまり加熱工程及び後述する冷却工程が完了する前の未完成のピアサープラグをプラグ１０ａという。

図５の例では、プラグ１０ａの先端部の外周に高周波コイル４１を取り付け、Ａｒ雰囲気の加熱装置４内にプラグ本体１を配置する。そして、コイル４１により、プラグ１０ａの先端部を１０００〜１２００℃で高周波加熱する。加熱時間は、焼きが入る時間であればよい。高周波加熱の場合、Ａ_ｃ３点以上の温度に数秒以上加熱すれば十分であるが、工業的な安定性を考慮すると２０秒以上が好ましく、１分以上がより好ましい。

加熱時間は、２０分以内が好ましく、１０分以内がより好ましい。特に、加熱処理を不活性ガス雰囲気以外（例えば大気中）で実施する場合、加熱時間は、１０分以内が好ましく、５分以内がより好ましい。長時間加熱すると、溶射皮膜３（図１及び図２）の性状が変化するおそれがあるからである。例えば、大気中であれば、溶射皮膜３の酸化が進むおそれがある。

このようにすることで、筒部１２（図１及び図２）の温度をＡ_ｃ３点未満に維持する一方で、肉盛層２が形成された先端部１１（図１及び図２）の温度をＡ_ｃ３点以上まで上げることができる。

図６の例では、加熱装置５を用いてプラグ１０ａを加熱する。加熱装置５は、ヒータ５１，５２を備える。ヒータ５１は、加熱装置５の上部に配置されている。ヒータ５２は、加熱装置５の下部に配置されている。

加熱装置５内には、プラグ１０ａが装入される。加熱装置５内には、複数のプラグ１０ａが装入されることが好ましい。このとき、プラグ１０ａとヒータ５２との間には遮蔽物６が設置される。すなわち、ヒータ５２の上方に遮蔽物６が配置され、遮蔽物６上にプラグが載置される。遮蔽物６は、ヒータ５２からプラグ１０ａへの伝熱を抑制する部材である。遮蔽物６の形状は、例えば、格子状や板状である。遮蔽物６は、酸化物で被覆されていてもよい。

加熱装置５内のプラグ１０ａは、ヒータ５１，５２によって加熱される。ヒータ５１，５２の加熱温度（設定温度）は、同一とすることができる。加熱装置５内は、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。肉盛層２が形成された先端部１１（図１及び図２）の温度がＡ_ｃ３点以上の所定温度に達した時点で、加熱装置５からプラグ１０ａが取り出される。遮蔽物６によってプラグ１０ａの下部への伝熱はプラグ１０ａの上部への伝熱よりも小さくなっているため、筒部１２（図１及び図２）の温度は先端部１１の温度よりも低い。このため、加熱装置５からプラグ１０ａを取り出す時点で、筒部１２の温度はＡ_ｃ３点まで達しておらず、Ａ_ｃ３点未満となっている。

遮蔽物６を用いずに加熱装置５による加熱を行うこともできる。この場合は、プラグ１０ａの上方に位置するヒータ５１の加熱温度よりも、プラグ１０ａの下方に位置するヒータ５２の加熱温度を小さくする。これにより、プラグ１０ａの上部への伝熱を大きく、プラグ１０ａの下部への伝熱を小さくすることができる。よって、遮蔽物６を用いた場合と同様に、先端部１１（図１及び図２）の温度がＡ_ｃ３点以上になる一方で筒部１２（図１及び図２）の温度がＡ_ｃ３点未満となるように、プラグ１０ａを加熱することができる。

加熱装置５内のプラグ１０ａについて、例えば、肉盛層２が形成された先端部１１及び筒部１２の各々に熱電対を取り付けて各部の温度を測定することができる。これにより、筒部１２の温度がＡ_ｃ３点未満である一方、先端部１１の温度がＡ_ｃ３点以上の所定温度に達したことを検知し、好ましいタイミングでプラグ１０ａを加熱装置５から取り出すことができる。なお、加熱処理の都度、先端部１１及び筒部１２の温度を測定する必要はない。温度の測定を一度行えば適切な加熱時間を得ることができるため、同種のプラグ１０ａに関しては、当該加熱時間を適用することができる。

（冷却工程）
次に、加熱されたプラグ１０ａを冷却する。例えば、加熱装置４又は加熱装置５による加熱を停止してその扉を開放し、プラグ１０ａを４００℃以下に冷却する。プラグ１０ａは、通常、室温まで冷却される。冷却速度は、焼きが入る速度であればよく、放冷程度かそれ以上であればよい。

以上の工程により、ピアサープラグ１０が完成する。

［実施形態の効果］
本実施形態に係る製造方法では、プラグ本体１の先端部１１に肉盛層２が形成される。肉盛層２は、優れた高温強度を有する。このため、ピアサープラグ１０によって穿孔圧延を行う際、先端部１１の変形を抑制することができる。

本実施形態に係る製造方法では、プラグ本体１の先端部１１に肉盛層２を形成した後、先端部１１をＡ_ｃ３点以上に加熱する。このため、肉盛層２を形成する際の入熱によってプラグ本体１の硬度にばらつきが生じたとしても、その後の加熱により、先端部１１の硬度を均一にし、向上させることができる。これにより、穿孔圧延時において先端部１１が変形するのをさらに確実に抑制することができ、優れた耐母材変形性を確保することができる。

本実施形態に係る製造方法では、肉盛層２が形成されたプラグ本体１の表面上に溶射皮膜３が形成される。溶射皮膜３は、肉盛層２よりも高い遮熱性を有する。溶射皮膜３により、穿孔圧延時におけるプラグ本体１への入熱を抑制することができる。その結果、ピアサープラグ１０における焼付きの発生が抑制される。

本実施形態に係る製造方法では、肉盛層２及び溶射皮膜３が形成された状態でプラグ本体１の先端部１１をＡ_ｃ３点以上に加熱する。これにより、溶射皮膜３とプラグ本体１及び肉盛層２との間で拡散が生じ、溶射皮膜３の密着性を向上させることができる。よって、溶射皮膜３を厚膜化することができる。特に、変形が生じやすいピアサープラグ１０の先端部において溶射皮膜３の厚みＴ３１を大きくすれば、耐母材変形性を効率的に向上させることができる。

本実施形態に係る製造方法では、先端部１１がＡ_ｃ３点以上に加熱される一方で、筒部１２はＡ_ｃ３点未満に維持される。このため、プラグ本体１において、先端部１１の硬度を向上させるとともに、筒部１２の靱性の低下を抑制することができる。よって、穿孔圧延の際、先端部１１の変形及び筒部１２の割れが発生するのを防止することができる。その結果、ピアサープラグ１０の寿命を向上させることができる。

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。

本開示による効果を検証するため、複数のピアサープラグを用いて穿孔圧延試験を実施した。

プラグ本体（１）の形状及び素材は、全てのピアサープラグで共通である。プラグ本体（１）に用いた鋼の化学組成を表１に示す。表１に示す化学組成において、残部はＦｅ及び不純物である。表１において、各元素の含有量の単位は、質量％である。表２には、ピアサープラグごとの条件を示している。

表２において、番号６〜９のピアサープラグは、実施例に係るピアサープラグであり、番号１〜５のピアサープラグは、比較例に係るピアサープラグである。

実施例である番号６〜９のピアサープラグにおいて、厚さ３ｍｍ程度のＮｉ−Ｗ合金（Ｗ：４５％、Ｃｒ：３％、残部：Ｎｉ）の肉盛層（２）をプラグ本体（１）の先端部（１１）に形成した。肉盛層（２）の軸方向の長さ（Ｌ２）は、ピアサープラグの軸方向の長さ（Ｌ）の約１８％である。

また、番号６〜９のピアサープラグにおいて、逃げ部（１３）を除く表面全体に、鉄線材のアーク溶射によって溶射皮膜（３）を形成した。番号６〜９において、リーリング部の溶射皮膜（３）の厚みは３００μｍで共通である。圧延部の溶射皮膜（３）の厚み及び先端部の溶射皮膜（３）の厚み（Ｔ３１）は、番号６＜番号７＜番号８＜番号９となっている。

番号６〜９のピアサープラグについては、肉盛層（２）及び溶射皮膜（３）を形成した後、Ａｒ１００％雰囲気で、先端部から圧延部にかけて高周波誘導加熱（ＩＨ）処理を施した。加熱温度は７００〜１１００℃、加熱時間は３〜６０分である。筒部（１２）にはＩＨ処理を施していない。

比較例である番号１〜５のうち、番号４，５のピアサープラグには、番号６〜９と同様の肉盛層（２）を形成した。番号１〜３のピアサープラグには、肉盛層（２）を形成しなかった。

番号２〜４のピアサープラグには、番号６と同様の溶射皮膜（３）を形成した。番号１のピアサープラグには、酸化熱処理によって酸化スケール皮膜を形成した。番号５のピアサープラグには、皮膜を形成しなかった。

番号１〜５のうち、番号３のピアサープラグには番号６〜９と同様のＩＨ処理を実施したが、その他のピアサープラグにはＩＨ処理を実施しなかった。

番号１〜９のピアサープラグの各々を用いて、ＳＵＳ３０４からなるビレットの穿孔圧延を繰り返し行った。

番号１〜３及び番号６〜９のピアサープラグの各々について、プラグ変形量とパス数との関係を図７に示す。プラグ変形量とは、ピアサープラグ（１０）の長さ（Ｌ）に、先端における溶射皮膜（３）の厚み（Ｔ３１）を加えた長さ、つまり（Ｌ＋Ｔ３１）の長さの、穿孔圧延前後の変化量のことである。

図７に示すように、酸化スケール皮膜が形成された番号１のピアサープラグについては、１パス目のプラグ変形量は１ｍｍ未満であったが、２パス目にはプラグ変形量が３ｍｍを超え、完全に溶損した。これは、１パス目でピアサープラグ表面の酸化スケール皮膜がほぼ消失したためと考えられる。

肉盛層（２）を有さず、ＩＨ処理が施されていない番号２のピアサープラグについては、１パス目で３ｍｍ摩耗した。これは、溶射皮膜が１パスで剥離したためと推定される。肉盛層（２）を有さないが溶射皮膜（３）を有し、且つＩＨ処理を施した番号３のピアサープラグについては、２パス目で２ｍｍ程度摩耗した。このプラグ変形量は、やや大きいものの健全と判断される。

肉盛層（２）及び溶射皮膜（３）を有し、ＩＨ処理を施した番号６〜９のピアサープラグについては、２パス後の摩耗が１ｍｍ程度と小さく、穿孔の継続が十分可能と判断される。番号６〜９のうち、先端部の皮膜を２０００μｍまで厚膜化した番号９のピアサープラグは、４パス目のプラグ変形量が２ｍｍ程度であり、４パス後も健全であることが確認された。

番号１〜３及び番号６〜９のピアサープラグの各々について、各パスの穿孔効率を図８に示す。穿孔効率とは、（材料の実際の搬送速度）／（材料の理論上の搬送速度）×１００［％］で定義される。材料の理論上の搬送速度は、ピアサーロールの回転数から計算できる。材料の実際の搬送速度は、プラグと材料との摩擦抵抗などが影響し、ピアサーロールの設定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。穿孔効率が高いことは、穿孔に要する時間が短いということであり、生産能率の向上を意味する。図８に示すように、穿孔効率は、溶損が発生した番号１のピアサープラグの２パス目を除き、いずれも９５％以上で高位かつ安定であった。

番号２〜３及び番号６〜９のピアサープラグの各々について、１パス当たりの母材変形量を図９に示す。母材変形量とは、ピアサープラグ（１０）の長さ（Ｌ）の、穿孔圧延前後の変化量のことである。番号２のピアサープラグでは、母材が約１．９ｍｍ／ｐａｓｓも変形していることが判明した。番号３のピアサープラグでは、母材変形量は１パス当たり約０．７ｍｍ／ｐａｓｓであった。肉盛層（２）を設けてＩＨ処理を施した番号６〜９のピアサープラグでは、母材変形量が０．０８〜０．１６ｍｍ／ｐａｓｓと極めて小さい。

皮膜条件が同一で肉盛層（２）の有無の条件が異なる番号３，６を比較すると、肉盛層（２）を有する番号６のピアサープラグの母材変形量の方が、肉盛層（２）を有しない番号３のピアサープラグの母材変形量よりも小さいことがわかる。

皮膜条件のみが異なる番号６〜９を比較すると、溶射皮膜（３）の厚みが大きくなるほど母材変形量は小さくなっていることがわかる。これは、溶射皮膜（３）を厚くすることで優れた断熱効果が得られたためと考えられる。

肉盛層（２）及び溶射皮膜（３）を有するがＩＨ処理を施さなかった番号４のピアサープラグについては、１パスで溶射皮膜（３）の剥離が生じ、相手材である管に内面疵が発生した。これは、ＩＨ処理を施さないことにより、肉盛層（２）と溶射皮膜（３）との十分な密着性が得られなかったためと考えられる。

肉盛層（２）を有するが溶射皮膜（３）を有さず、ＩＨ処理を施さなかった番号５のピアサープラグについては、穿孔効率が低下し、プラグ詰まりが発生して穿孔不能となった。これは、溶射皮膜（３）がなく、耐焼付き性が低かったためと考えられる。

番号４，５のピアサープラグについては、母材の変形に至る前に他の問題が発生し、母材変形量を確認することはできなかった。しかしながら、ＩＨ処理を施した番号６〜９のピアサープラグと比較して、ＩＨ処理を施さなかった番号４，５のピアサープラグの母材の硬度が低いことは容易に推測できる。

以上より、ピアサープラグの先端部から圧延部にかけて肉盛層（２）を形成し、当該部分を加熱することにより、耐母材変形性及び耐焼付き性に極めて優れたピアサープラグが得られることがわかった。

Claims (3)

1. ピアサープラグの製造方法であって、
   先端部と、バーを取り付けるための穴を含み、前記先端部の後方に配置される筒部と、を備えるプラグ本体を準備する工程と、
   前記先端部の表面上に肉盛層を形成する工程と、
   前記肉盛層が形成された前記先端部の温度がオーステナイト変態温度以上になり、かつ前記筒部の温度が前記オーステナイト変態温度未満になるように、前記プラグ本体を加熱する工程と、
   を備える、製造方法。
2. 請求項１に記載のピアサープラグの製造方法であって、さらに、
   前記加熱する工程に先だって、前記肉盛層が形成された前記プラグ本体の表面上に溶射皮膜を形成する工程、
   を備える、製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のピアサープラグの製造方法であって、
   前記肉盛層は、Ｎｉ−Ｗ合金で構成される、製造方法。

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