JP6696321B2 - 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、特許文献１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。特許文献１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。

溶射皮膜は、プラグの母材との密着性及び耐摩耗性に優れている。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溶射皮膜が剥離することがある。溶射皮膜の剥離によって母材が露出すると、露出部分を起点として、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。

特許文献２には、溶射皮膜を剥離しにくくするために、溶射皮膜が形成されたプラグ本体に熱処理を施すことが開示されている。特許文献２には、熱処理温度を４００〜５５０℃とすることにより、溶射皮膜中の鉄比率及びマグネタイト比率が高くなり、プラグ本体に対する溶射皮膜の密着性が高まると記載されている。

特許文献３には、プラグ本体と溶射皮膜との接着層としてＮｉ−Ｃｒ層を形成し、プラグ本体に対する溶射皮膜の密着性を高めることが開示されている。特許文献３には、Ｎｉ−Ｃｒ層及び溶射皮膜が形成されたプラグ本体に熱処理を施すことも開示されている。これにより、Ｎｉ−Ｃｒ層中のＮｉが溶射皮膜中に拡散して溶射皮膜の密着性がさらに向上し、溶射皮膜がプラグ本体から剥離しにくくなる。

特許文献４には、溶射皮膜の耐剥離性を高めるため、溶射皮膜が形成された鋼管圧延機用芯金に熱間等方圧加圧処理（以下、ＨＩＰ処理ともいう）を施すことが開示されている。熱間等方圧加圧処理を行うに際し、溶射皮膜が形成された芯金は容器に収納され、当該容器は密封処理される。

特許文献５及び６には、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、基材に溶射皮膜を形成した後、ＨＩＰ処理を施すことが開示されている。特許文献５には、基材の表面に超硬合金の溶射皮膜を形成した後、溶射皮膜上にＮｉ−Ｐ合金のメッキ皮膜を形成し、ＨＩＰ処理を施すことが開示されている。特許文献６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、ＨＩＰ処理を施すことが開示されている。

特許第４２７９３５０号公報 特開２０１３−２４８６１９号公報 国際公開第２０１４／０１３９６３号 特開昭６１−２８６０７７号公報 特開平５−３６５０２号公報 特開平３−１２５０７６号公報

ＨＩＰ処理は、基材と溶射皮膜との耐剥離性を向上させるために有効である。しかしながら、従来のＨＩＰ処理は、簡易性が低いという問題がある。

例えば、特許文献４では、ＨＩＰ処理の前に容器に芯金を収納して密封する。ＨＩＰ処理後には、当該容器を除去しなければならない。

特許文献５では、溶射皮膜を形成した後、別工程でＨＩＰ処理用のカプセルとして機能するメッキ皮膜を形成する必要がある。特許文献６でも、ＨＩＰ処理の前に、溶射皮膜の形成と別工程で基材の封孔処理を行わなければならない。特許文献６では、ＨＩＰ処理の後、封孔処理層を除去する必要もある。

本開示は、耐剥離性が高い皮膜を有するプラグを簡易に製造することを目的とする。

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って、本体皮膜上に表層皮膜を形成する工程と、本体皮膜及び表層皮膜が形成されたプラグ本体に熱間等方圧加圧処理を施す工程とを備える。

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。本体皮膜において、プラグ本体に隣接し且つ１００μｍの厚みを有する領域の空隙率は、３％以下である。

本開示によれば、耐剥離性が高い皮膜を有するプラグを簡易に製造することができる。

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のアーク溶射工程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１１は、図１に示すプラグの製造方法の熱間等方加圧処理工程を説明するための図である。 図１２Ａ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１２Ｂ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１３は、実施例１及び比較例１−１〜１−３に係る各試験片の皮膜部分の断面のミクロ観察画像である。 図１４は、実施例１及び比較例１−１〜１−３に係る各試験片について、皮膜の空隙率を示すグラフである。 図１５は、実施例１及び比較例１−１〜１−３に係る各試験片について、皮膜と基材とのせん断密着力を示すグラフである。 図１６は、アーク溶射によって皮膜が形成された基材を示す図である。 図１７は、アーク溶射によって皮膜が形成された後、拡散熱処理が施された基材を示す図である。 図１８は、アーク溶射によって皮膜が形成された後、熱間等方圧加圧処理が施された基材を示す図である。 図１９Ａは、アーク溶射によって皮膜が形成された後、熱間等方圧加圧処理用のカプセルに封入された基材を示す図である。 図１９Ｂは、カプセルに封入された後、熱間等方圧加圧処理が施された基材を示す図である。 図１９Ｃは、熱間等方圧加圧処理の後、カプセルが除去された基材を示す図である。

アーク溶射は、溶融させた材料を基材上に噴霧して堆積させ、基材上に皮膜を形成する方法である。このため、図１６に示すように、アーク溶射によって形成された皮膜１００は、空隙１０１を多く含みやすい傾向にある。空隙１０１の種類としては、内在空隙１０１ａと、開口空隙１０１ｂとがある。内在空隙１０１ａは、皮膜１００内に閉じ込められており、皮膜１００の外部から遮断された空隙である。開口空隙１０１ｂは、皮膜１００の表面に開口しており、皮膜１００の外部と連通する空隙である。

空隙１０１は、皮膜１００の遮熱性を高める効果を有する。しかしながら、空隙１０１は、皮膜１００の強度を低下させ、皮膜１００に発生したクラックの進展経路となって皮膜１００の剥離を誘発する。

皮膜１００の耐剥離性を向上させるため、皮膜１００が形成された基材２００に熱処理を施して、皮膜１００と基材２００との拡散接合を促進する方法がある。しかしながら、図１７に示すように、熱処理によって皮膜１００と基材２００との拡散接合が進行しても、皮膜１００中の空隙１０１はほとんど減少しない。

皮膜１００が形成された基材２００に熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を施す方法もある。ＨＩＰ処理を実施した場合、図１８に示すように、皮膜１００と基材２００との拡散接合が進行するとともに、内在空隙１０１ａが圧力により押しつぶされて消滅する。しかしながら、ＨＩＰ処理を実施した場合であっても、開口空隙１０１ｂは皮膜１００中に残存する。

図１９Ａに示すように、皮膜１００が形成された基材２００をカプセル３００に封入して密閉した後、ＨＩＰ処理を行うという方法もある。この場合、図１９Ｂに示すように、内在空隙１０１ａだけでなく、開口空隙１０１ｂも消滅させることができる。カプセル３００は、図１９Ｃに示すように、ＨＩＰ処理の終了後に切削されて除去される。

カプセル３００を使用するＨＩＰ処理では、圧力を付与しない熱処理や、カプセル３００を使用しないＨＩＰ処理と比べて皮膜１００が緻密になり、基材２００に対する皮膜１００の密着性を高めることができる。しかしながら、カプセル３００への基材２００の封入及びカプセル３００の除去は容易ではなく、コスト面でも不利である。また、カプセル３００を除去する工程において、カプセル３００が皮膜１００又は基材２００と接合し、皮膜１００又は基材２００の表面を変質させる可能性がある。

本発明者等は、以上のような事情を鑑みて検討を重ね、実施形態に係るプラグの製造方法を考案した。

実施形態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って、本体皮膜上に表層皮膜を形成する工程と、本体皮膜及び表層皮膜が形成されたプラグ本体に熱間等方圧加圧処理を施す工程とを備える（第１の構成）。

第１の構成によれば、アーク溶射によって本体皮膜及び表層皮膜が形成されたプラグ本体に、熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）が施される。表層皮膜は、比較的短い溶射距離で形成されるため、空隙率が低く緻密である。このため、ＨＩＰ処理において表層皮膜がカプセルとして機能し、本体皮膜中の内在空隙及び開口空隙を減少させることができる。よって、本体皮膜が緻密になるとともにプラグ本体に対する本体皮膜の密着性が向上し、本体皮膜及び表層皮膜がプラグ本体から剥離しにくくなる。

また、第１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、表層皮膜は、本体皮膜と同一の材料及び同一の手法で形成される。このため、ＨＩＰ処理用のカプセルとして機能する表層皮膜を本体皮膜と同一工程内で連続的に形成することができる。しかも、ＨＩＰ処理の後、表層皮膜を除去する必要がない。よって、耐剥離性が高い本体皮膜及び表層皮膜を有するプラグを簡易に得ることができる。

表層皮膜を形成する工程は、２００ｍｍ以下の溶射距離でアーク溶射を行ってもよい（第２の構成）。

第２に構成によれば、表層皮膜の形成時の溶射距離が十分に短いため、表層皮膜の空隙率を十分に低くし、表層皮膜をより緻密にすることができる。これにより、ＨＩＰ処理用のカプセルとしての表層皮膜の機能が向上し、より確実に本体皮膜中の空隙を減少させることができる。よって、本体皮膜の緻密性及びプラグ本体に対する密着性を高めることができる。

表層皮膜の空隙率は、２％以下であってもよい（第３の構成）。

第３に構成によれば、表層皮膜が十分に緻密であるため、ＨＩＰ処理用のカプセルとしてより確実に機能する。これにより、ＨＩＰ処理における本体皮膜中の空隙の減少効果が向上し、本体皮膜の緻密性及びプラグ本体に対する密着性を高めることができる。

表層皮膜の厚みは、２５０μｍ以下であってもよい（第４の構成）。

第４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。

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。

実施形態に係るプラグ本体と、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。本体皮膜において、プラグ本体に隣接し且つ１００μｍの厚みを有する領域の空隙率は、３％以下である（第６の構成）。

第６の構成によれば、本体皮膜のうち、プラグ本体との界面付近の領域の空隙率が十分に低くなっている。これにより、本体皮膜の緻密性及びプラグ本体との密着性が高くなり、本体皮膜及び表層皮膜がプラグ本体から剥離するの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。

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。本実施形態に係る本体皮膜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。

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、本体皮膜２のうち表層皮膜３に隣接し且つ表層皮膜３と同厚の領域における鉄の含有率よりも高くなっている。

本体皮膜２の領域２１の空隙率は、３％以下である。領域２１は、本体皮膜２のうちプラグ本体１に隣接する領域である。すなわち、領域２１は、本体皮膜２のうちプラグ本体１との界面側に位置する領域である。領域２１の厚みは、１００μｍである。表層皮膜３の空隙率は、２％以下であることが好ましい。

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、プラグ本体１と本体皮膜２との界面から本体皮膜２の内側へ１００μｍ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。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、鉄及び鉄酸化物で構成された本体皮膜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である。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、より好ましくは表層皮膜３の厚みが２００μｍ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の空隙率よりも低くなる。表層皮膜３の空隙率は、特に、本体皮膜２のうち表層皮膜３側の領域の空隙率と比較してかなり低くなる。

図９に示すように、溶射距離が長くなれば皮膜における溶射材料の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のうち表層皮膜３側の領域の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のうち表層皮膜３側の領域の鉄の含有率より高くなる。

本体皮膜２及び表層皮膜３を形成した後、プラグ本体１にＨＩＰ処理を施す。具体的には、図１１に示すように、本体皮膜２及び表層皮膜３が形成されたプラグ本体１を、熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ装置）５の圧力容器５１内に配置する。このとき、従来のＨＩＰ処理のようにプラグ本体１をカプセル等に封入する必要はない。

プラグ本体１は、圧力容器５１内のヒータ５２によって加熱されるとともに、圧力容器５１内に供給される高圧の不活性ガスによって加圧される。不活性ガスは、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスである。

ＨＩＰ処理の温度は、プラグ本体１と本体皮膜２との拡散接合を促進する観点から、７００℃以上であることが好ましい。また、本体皮膜２及び表層皮膜３の融点を考慮すると、ＨＩＰ処理の温度は１３００℃未満であることが好ましい。ＨＩＰ処理の圧力は、本体皮膜２中の空隙を十分に押しつぶすという観点から、２０ＭＰａ以上であることが好ましい。ＨＩＰ処理の時間は、例えば、１０〜６００分である。

ＨＩＰ処理の終了後、プラグ本体１を圧力容器５１から取り出す。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］
本実施形態では、アーク溶射によって本体皮膜２及び表層皮膜３が形成されたプラグ本体１に対し、ＨＩＰ処理が施される。表層皮膜３は、空隙率が低く緻密であるため、ＨＩＰ処理においてカプセルとして機能する。よって、ＨＩＰ処理によって本体皮膜２の空隙率を効果的に低下させ、本体皮膜２の緻密性及びプラグ本体１に対する密着性を高めることができる。この効果について、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照しつつ、より詳細に説明する。

図１２Ａは、本体皮膜２及び表層皮膜３の形成後であってＨＩＰ処理前のプラグ本体１の表面付近の断面を模式的に示す図である。図１２Ａに示すように、この時点では、多くの内在空隙１０１ａ及び開口空隙１０１ｂが本体皮膜２中に存在する。

図１２Ｂは、ＨＩＰ処理後のプラグ本体１の表面付近の断面を模式的に示す図である。ＨＩＰ処理により、プラグ本体１と本体皮膜２との間には拡散接合が生じる。また、ＨＩＰ処理において、低空隙率の表層皮膜３によって本体皮膜２が覆われた状態で圧力が付与されるため、本体皮膜２中の内在空隙１０１ａ及び開口空隙１０１ｂが押しつぶされて減少する。よって、本体皮膜２の緻密性及びプラグ本体１に対する密着性が高くなる。その結果、本体皮膜２及び表層皮膜３がプラグ本体１から剥離しにくくなる。

本体皮膜２及び表層皮膜３は、いずれも鉄線材を用いたアーク溶射によって形成される。よって、ＨＩＰ処理用のカプセルとして機能する表層皮膜３を、本体皮膜２と同一工程内で連続的に形成することができる。また、表層皮膜３は、本体皮膜２と同一の材料で形成されているため、ＨＩＰ処理後に除去する必要がない。表層皮膜３は、ＨＩＰ処理の後、そのままプラグ本体１を保護する皮膜として使用することができる。よって、本実施形態によれば、皮膜の耐剥離性が高いプラグ１０を簡易な方法で得ることができる。

本実施形態において、表層皮膜３を形成する際の溶射距離は、好ましくは２００ｍｍ以下である。これにより、表層皮膜３の空隙率が十分に低くなり、表層皮膜３をより緻密にすることができる。よって、ＨＩＰ処理において、表層皮膜３がカプセルとしてよく機能し、本体皮膜２中の内在空隙１０１ａ及び開口空隙１０１ｂをより減少させることができる。その結果、本体皮膜２の緻密性及びプラグ本体１に対する密着性が向上する。

本実施形態において、表層皮膜３の空隙率は、好ましくは２％以下である。これにより、表層皮膜３が十分に緻密になり、ＨＩＰ処理用のカプセルとしてより確実に機能する。よって、本体皮膜２中の内在空隙１０１ａ及び開口空隙１０１ｂの減少効果を高めることができ、本体皮膜２の緻密性及びプラグ本体１に対する密着性を向上させることができる。

本実施形態において、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。

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３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。

本体皮膜２のうちプラグ本体１側の領域２１の空隙率は、３％以下となっている。このようにすることで、本体皮膜２の緻密性及びプラグ本体１との密着性を高めることができ、本体皮膜２及び表層皮膜３がプラグ本体１から剥離するの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。

＜１．皮膜の空隙率及び基材と皮膜との密着性の評価＞
板状鋼材の試験片（基材）を４つ準備し、それぞれの試験片について、表１に示す条件で鉄線材を用いたアーク溶射及び後処理を行った。

実施例１に係る試験片には、アーク溶射によって本体皮膜（２）及び表層皮膜（３）を形成した。表層皮膜（３）の形成時の溶射距離は、本体皮膜（２）の形成時の溶射距離よりも短くした。このため、表層皮膜（３）は、本体皮膜（２）よりも空隙率が低く緻密である。実施例１では、アーク溶射の後処理として、本体皮膜（２）及び表層皮膜（３）を形成した試験片に対し、アルゴン（Ａｒ）雰囲気下、処理圧力：１２０ＭＰａ、処理温度：１１８０℃、処理時間：３時間のＨＩＰ処理を施した。

比較例１−１に係る試験片には、アーク溶射によって本体皮膜（２）のみを形成し、表層皮膜（３）を形成しなかった。また、比較例１−１では、アーク溶射後の後処理を行っていない。

比較例１−２に係る試験片にも、アーク溶射によって本体皮膜（２）のみを形成した。比較例１−２では、アーク溶射の後処理として、本体皮膜（２）を形成した試験片に対し、アルゴン（Ａｒ）雰囲気及び大気圧下、処理温度：１１８０℃、処理時間：３時間の熱処理を施した。比較例１−２の熱処理は、加圧を行わず、拡散接合を促進するための加熱のみを行う処理（以下、拡散熱処理という）である。

比較例１−３に係る試験片にも、アーク溶射によって本体皮膜（２）のみを形成した。比較例１−３では、アーク溶射の後処理として、本体皮膜（２）を形成した試験片に対し、実施例１と同じ条件でＨＩＰ処理を実施した。

実施例１及び比較例１−１〜１−３に係る各試験片について、皮膜部分の断面のミクロ観察画像を取得し、本体皮膜（２）の空隙率及び本体皮膜（２）と基材とのせん断密着力を評価した。各ミクロ観察画像を図１３に示す。

本体皮膜（２）の空隙率は、ミクロ観察画像において、基材と皮膜との界面から皮膜側に１００μｍの領域で評価した。空隙率の算出方法は、上記実施形態において図３〜図６を用いて説明した通りである。

図１４は、実施例１及び比較例１−１〜１−３について、皮膜の空隙率を示すグラフである。図１４より、本体皮膜（２）上に表層皮膜（３）を形成し、且つＨＩＰ処理を実施した実施例１では、本体皮膜（２）の形成後に何ら処理を行わなかった比較例１−１と比べて、本体皮膜（２）の空隙率が２％まで低下していることがわかる。表層皮膜（３）を形成せずに拡散熱処理を実施した比較例１−２では、本体皮膜（２）の空隙率はほとんど低下しなかった。表層皮膜（３）を形成せずにＨＩＰ処理を実施した比較例１−３では、本体皮膜（２）の空隙率が若干低下したが、実施例１ほどの空隙減少効果は得られなかった。

図１５は、実施例１及び比較例１−１〜１−３について、本体皮膜（２）と基材とのせん断密着力を示すグラフである。せん断密着力は、基材に形成された皮膜に対してせん断方向に負荷をかけ、基材から剥離させたときの応力である。図１５より、本体皮膜（２）の空隙率が最も低かった実施例１では、せん断密着力が最も高いことがわかる。比較例１−２及び１−３では、比較例１−１よりもせん断密着力が大きくなっているが、実施例１ほどのせん断密着力の増幅効果は見られない。

以上より、本体皮膜（２）上に表層皮膜（３）を形成し、ＨＩＰ処理を実施すれば、本体皮膜（２）の空隙率が著しく低減し、本体皮膜（２）と基材とのせん断密着力も向上することが確認できた。

＜２．プラグの性能評価＞
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９つ準備した。各プラグ本体（１）について鉄線材を用いたアーク溶射及び後処理を行い、実施例２−１〜２−５及び比較例２−１〜２−４に係るプラグを作製した。

実施例２−１〜２−５では、それぞれ、アーク溶射によってプラグ本体（１）に本体皮膜（２）及び表層皮膜（３）を形成した後、アルゴン（Ａｒ）雰囲気下、処理圧力：１２０ＭＰａ、処理温度：１１８０℃、処理時間：３時間のＨＩＰ処理を施した。実施例２−１〜２−５において、本体皮膜（２）の厚みは、プラグ本体（１）の先端部（１１）で１５００μｍ、胴部（１２）で５００μｍである。実施例２−１〜２−５の表層皮膜（３）の施工条件は互いに異なる。

比較例２−１〜２−４では、それぞれ、実施例２−１〜２−５と同様の本体皮膜（２）をアーク溶射によってプラグ本体（１）に形成した。比較例２−１では、アーク溶射の後処理を行わなかった。比較例２−２では、アーク溶射の後処理として、アルゴン（Ａｒ）雰囲気及び大気圧下、処理温度：１１８０℃、処理時間：３時間の拡散熱処理を実施した。比較例２−３では、アーク溶射の後処理として、実施例２−１〜２−５と同様のＨＩＰ処理を実施した。比較例２−４では、アーク溶射によって表層皮膜（３）を本体皮膜（２）上に形成した後、比較例２−２と同様の拡散熱処理を実施した。

実施例２−１〜２−５及び比較例２−１〜２−４に係るプラグの各々を用いて、１２００℃に加熱した、直径：６５ｍ、長さ：４００ｍｍであって２５質量％のＣｒおよび３５質量％のＮｉを含有するビレットの穿孔圧延を繰り返し実施した。各実施例について、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（皮膜の剥離状況および焼き付きの有無）とを確認した。その結果を表２に示す。

表層皮膜（３）を形成せず、アーク溶射後の処理も実施しなかった比較例２−１に係るプラグでは、１パス終了後に、大きな先端変形が発生した。また、胴部における皮膜はかなり剥離していた。このため、２パス目の継続穿孔は不可と判断した。

表層皮膜（３）を形成せずに拡散熱処理又はＨＩＰ処理を実施した比較例２−２及び２−３に係るプラグについては、１パス終了後に、先端変形が発生した。このため、２パス目の継続穿孔は不可と判断した。この先端変形は、プラグの先端部の皮膜の剥離により、プラグへの入熱が増大したことに起因すると推定される。また、プラグの胴部においても皮膜の剥離が部分的に発生していた。

表層皮膜（３）を形成し、拡散熱処理を実施した比較例２−４に係るプラグについては、１パス終了後に、比較例２−２及び２−３と同様に、プラグの先端部の皮膜の剥離に起因すると思われる先端変形が発生した。よって、２パス目の継続穿孔は不可と判断した。また、プラグの胴部においても皮膜の剥離が部分的に発生していた。

一方、表層皮膜（３）を形成し、且つＨＩＰ処理を実施した実施例２−１〜２−５では、比較例２−１〜２−４と比べて本体皮膜（２）の空隙率が低く（表２）、本体皮膜（２）が緻密である。本体皮膜（２）の空隙率は、本体皮膜（２）のうちプラグ本体（１）との界面側・１００μｍ厚の領域（２１）の空隙率で評価している。本体皮膜（２）が緻密な実施例２−１〜２−５では、皮膜の剥離が生じにくいことを確認することができた。以下、詳述する。

実施例２−１に係るプラグでは、１パス終了後に焼き付きが発生した。よって、２パス目の継続穿孔は不可と判断した。しかし、先端部および胴部において皮膜の剥離はほとんど見られなかった。実施例２−２に係るプラグでは、１パス終了後に、プラグ先端部が変形した。先端部の変形度合いは、比較例２−２〜２−４に比べると軽度であったが、再度穿孔圧延に使用するのは困難と判断し、２パス目の継続穿孔は行わなかった。また、プラグ胴部における皮膜は多少剥離していた。実施例２−３〜２−５に係るプラグでは、２パス終了後に、プラグ先端部が変形したため、３パス目の継続穿孔は不可と判断した。この先端変形は、プラグ先端部の皮膜が摩耗により薄くなり、プラグへの入熱が増大したことに起因すると推定される。２パス終了後の先端部および胴部における皮膜は、かなり摩耗していたが、本体からの剥離はほとんど見られなかった。よって、本体皮膜（２）上に表層皮膜（３）を形成し、且つＨＩＰ処理を実施すれば、皮膜の剥離を抑制することができるといえる。

実施例２−１及び２−３〜２−５では、本体皮膜（２）の空隙率が３％以下まで低下した。これは、実施例２−１及び２−３〜２−５では表層皮膜（３）の形成時の溶射距離が２００ｍｍ以下であったため、表層皮膜（３）がより緻密になり、ＨＩＰ処理の際にカプセルとしてよく機能したことによると考えられる。

表層皮膜（３）の厚みが２５０μｍ以下である実施例２−２〜２−５では、プラグに対するビレットの焼き付きが生じなかった。一方、表層皮膜（３）の厚みが３００μｍであった実施例２−１では、プラグに対するビレットの焼き付きが生じた。よって、プラグとビレットとの焼き付きを防止する観点から、表層皮膜（３）の厚みは２５０μｍ以下であることが好ましいといえる。

本体皮膜（２）の空隙率が３％以下であり、且つ表層皮膜（３）の厚みが２５０μｍ以下であった実施例２−３〜２−５に係るプラグでは、２パス目まで穿孔することができた。このように本体皮膜（２）の空隙率及び表層皮膜（３）の厚みの双方を適正な範囲にすることで、プラグをより長寿命化することができる。

１０：プラグ
１：プラグ本体
２：本体皮膜
３：表層皮膜

Claims (6)

1. 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って、前記本体皮膜上に表層皮膜を形成する工程と、
   前記本体皮膜及び前記表層皮膜が形成されたプラグ本体に熱間等方圧加圧処理を施す工程と、
   を備える、プラグの製造方法。
2. 請求項１に記載のプラグの製造方法であって、
   前記表層皮膜を形成する工程は、２００ｍｍ以下の溶射距離でアーク溶射を行う、プラグの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のプラグの製造方法であって、
   前記熱間等方圧加圧処理を施した後における前記表層皮膜の空隙率は、２％以下である、プラグの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のプラグの製造方法であって、
   前記熱間等方圧加圧処理を施した後における前記表層皮膜の厚みは、２５０μｍ以下である、プラグの製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項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。
6. 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、
   前記表層皮膜の鉄の含有率は、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と同厚の領域における鉄の含有率よりも高く、
   前記表層皮膜の空隙率は２％以下で、前記表層皮膜の厚みは２５０μｍ以下であり、
   前記本体皮膜において、前記プラグ本体に隣接し且つ１００μｍの厚みを有する領域の空隙率は、３％以下である、プラグ。