JP6860083B2

JP6860083B2 - ピアサープラグ及びその製造方法

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Publication number: JP6860083B2
Application number: JP2019549868A
Authority: JP
Inventors: 日高　康善; 康善日高; 尚也白沢; 達哉宮井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2038-08-09
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Description

本発明は、ピアサープラグ及びその製造方法に関し、特に継目無鋼管を製造するための穿孔圧延に用いるピアサープラグ及びその製造方法に関する。

穿孔圧延に用いられるピアサープラグは、高温（例えば１２００℃）のビレットを穿孔する非常に過酷な環境に曝される。ピアサープラグは、表面に酸化膜や溶射皮膜を形成して用いられる。特許第２６８３８６１号公報には、表面に酸化型スケールを有する熱間製管用工具が開示されている。特許第５４６４３００号公報及び特許第５４４０７４１号公報には、肉盛層及び溶射皮膜を備えたピアサープラグが開示されている。特許第２７７６２５６号公報には、Ｗ：３０〜５５％を含むＮｉ基合金の表面処理被膜が形成された工具が開示されている。

これらの皮膜はいずれも、穿孔に用いることで磨耗や剥離により消耗する。皮膜が消耗したピアサープラグは、使用を中断して、皮膜を再び形成することでリサイクルできる。この際、ピアサープラグの母材（ピアサープラグの皮膜以外の部分。以下、単に「母材」という場合ある。）が高面圧を受けて変形していることがある。母材の変形量が小さい場合にはリサイクルできるが、変形量が大きい場合にはリサイクルできない。一方、変形量を低減させるために母材を硬くすると、胴部で割れが発生する場合がある。

特許第２７７８１４０号公報及び特許第２８１９９０６号公報には、Ｎｉ基合金製熱間工具が開示されている。これらの熱間工具は、母材がＮｉ基合金製であるため高温強度に優れるが、高コストである。

国際公開第２０１４／０５０９７５号には、熱処理によって硬度がＨＲＣ６以上４０以下に調整された継目無鋼管製造用ピアサープラグ用素材が開示されている。

国際公開第２０１７／０５１６３２号には、先端部に高周波加熱等を施し、先端部を筒部よりも硬くしたピアサープラグが開示されている。

近年、石油掘削環境が厳しくなるのに伴い、ステンレス鋼や高合金鋼等の難加工材からなる継目無鋼管の需要が高まっている。このような継目無鋼管の製造に用いるピアサープラグのリサイクル性を高めるには、変形抵抗をより高める必要がある。

また、ピアサープラグをリサイクルするに当たっては、古い皮膜をブラスト等で除去する必要がある。この際、ピアサープラグの先端部に欠損が生じて、リサイクルができなくなることがある。

本発明の目的は、リサイクル性の高いピアサープラグ及びその製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態によるピアサープラグは、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０〜４．０％、Ｗ：０〜４．０％、ただし、Ｍｏ及びＷのうち１種又は２種を合計で１．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０％よりも高く４．０％以下、Ｂ：０〜０．２％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、先端部と、前記先端部と同じ素材で形成され、前記先端部と連続する胴部とを備え、前記胴部は、バーを取り付けるための穴が形成された筒部を含み、前記先端部は前記筒部よりも硬い。

本発明の一実施形態によるピアサープラグの製造方法は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０〜４．０％、Ｗ：０〜４．０％、ただし、Ｍｏ及びＷのうち１種又は２種を合計で１．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０％よりも高く４．０％以下、Ｂ：０〜０．２％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、先端部と、前記先端部と同じ素材で形成され、前記先端部と連続する胴部とを備えるピアサープラグを準備する工程と、前記先端部の温度がＡｃ_３点以上になりかつ前記胴部においてバーを取り付けるための穴が形成された筒部の温度が前記Ａｃ_３点未満になるように前記ピアサープラグを加熱する工程とを備える。

本発明によれば、リサイクル性の高いピアサープラグが得られる。

図１は、本発明の一実施形態によるピアサープラグの縦断面図である。図２は、図１と異なる形状の他のピアサープラグの縦断面図である。図３は、ピアサープラグを備えた穿孔圧延機の模式図である。図４は、本発明の一実施形態による製造方法を示すフロー図である。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。

ピアサープラグのリサイクル性を高めるには、母材の硬度を高くして、母材の変形量を低減する必要がある。一方、母材の硬度を高くしすぎると、穿孔時に胴部で割れが発生する場合がある。割れを抑制するには、ピアサープラグの靱性を高くすることが好ましい。しかし、高硬度と高靱性とを両立することは困難である。

母材の変形挙動と割損挙動とを調査した結果、次の（１）（２）が分かった。
（１）母材の変形は、穿孔中の温度が高くなり面圧が最も高い先端部で顕著である。
（２）割損は、胴部のうち、芯金（バー）を挿入するための穴加工が施されている部分（以下「筒部」という。）が起点となっている。

そこで本発明者らは、ピアサープラグの先端部を筒部よりも硬くすることで、変形量の低減と割損の抑制とを両立できることを見出した。本発明者らはまた、先端部がＡｃ_３点以上の温度になり、かつ筒部の温度がＡｃ_３点未満となるようにピアサープラグを加熱することによって、先端部を筒部よりも硬くできることを見出した。

先端部の硬度をさらに高めるには、焼入れ性を向上させる元素を多く含有させればよい。焼入れ性を向上させる元素を多く含有させても、筒部の温度はＡｃ_３点以上になることはないため、筒部の靱性を維持することができる。

一方、古い皮膜を除去する際にピアサープラグの先端部に欠損が生じ、リサイクルができなくなるという問題がある。調査の結果、この欠損は、穿孔時の温度履歴によってピアサープラグの先端部が硬化することが原因と判明した。すなわち、ピアサープラグの先端は、穿孔時にＡｃ_３点以上に加熱され、穿孔後、プラグ冷却水によって急冷される。このとき、ピアサープラグの先端部が過度に硬化して脆化する。

穿孔時の温度履歴による硬化を抑制するための手段としては、穿孔後の冷却速度を遅くする（例えば水冷をしないようにする）ことも考えられる。しかし、冷却速度を遅くすると、冷却不足によってピアサープラグの寿命が短くなる。そのため、ピアサープラグの化学組成を調整して、焼入れ性を適切に制御する必要がある。

上述のとおり、ピアサープラグは表面に酸化スケールを形成して使用されることが多く、熱処理は主に酸化スケールの形成を目的として行われる。そのため、従来は焼入れ性に着目した化学組成の調整は行われていなかった。また、Ｃｒは耐酸化成分でもあり、酸化スケールの形成を妨げることや、Ｃｒを含有するビレットと焼付きを起こしやすいこと等から、特にステンレス鋼を穿孔対象とするピアサープラグでは、Ｃｒ含有量の高い鋼が用いられることは少なかった。本発明者らは、ピアサープラグの化学組成を調整し、焼入れ性を適切に制御することで、変形量の低減及び割損の抑制、さらには皮膜除去の際の欠損の抑制を同時に達成することに成功した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成された。以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。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。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［ピアサープラグ］
本実施形態によるピアサープラグ（以下、単に「プラグ」という。）は、以下に説明する化学組成を有する。以下、元素に関する％は、質量％を意味する。

Ｃ：０．１５〜０．３０％
炭素（Ｃ）は、高温強度の向上に有効な成分である。Ｃ含有量が０．１５％未満では、その効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．３０％を超えると、硬度が高くなりすぎてプラグの割損や欠損が生じやすくなる。したがって、Ｃ含有量は０．１５〜０．３０％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．２５％である。

Ｓｉ：０．４〜１．２％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸及び高強度化に有効な成分である。Ｓｉ含有量が０．４％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．２％を超えると、靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．４〜１．２％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．５％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１．１％である。

Ｍｎ：０．２〜１．５％
マンガン（Ｍｎ）は、オーステナイトを安定化させる成分であり、δフェライトの生成を抑制して靱性の低下を抑制する。Ｍｎ含有量が０．２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると、硬度が高くなりすぎ、穿孔時に割れが生じやすくなる。したがって、Ｍｎ含有量は０．２〜１．５％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．３％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．２％であり、さらに好ましくは１．０％である。

Ｎｉ：０．１〜２．０％
ニッケル（Ｎｉ）は、プラグ表層部に形成される焼入れ組織の靱性を改善する作用がある。Ｎｉ含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量を２．０％よりも高くしても効果が飽和し、コストの増加要因となる。したがって、Ｎｉ含有量は０．１〜２．０％である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは０．２％である。Ｎｉ含有量の上限は、好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．０％である。

Ｍｏ：０〜４．０％、Ｗ：０〜４．０％、ただし、Ｍｏ及びＷのうち１種又は２種を合計で１．０〜６．０％
モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）は、高温強度の改善に有効な成分である。Ｍｏ含有量とＷ含有量との合計が１．０％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量とＷ含有量との合計が６．０％を超えると、高温でもフェライトが残留し、強度及び靱性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量とＷ含有量との合計は１．０〜６．０％である。Ｍｏ含有量とＷ含有量との合計の下限は、好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは２．０％である。Ｍｏ含有量とＷ含有量との合計の上限は、好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは３．０％である。

Ｃｒ：１．０％よりも高く４．０％以下
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を向上させる。Ｃｒ含有量が１．０％以下では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が４．０％を超えると、焼入れ性が高くなりすぎ、穿孔時の温度履歴によってプラグ先端部が過度に硬化する原因となる。したがって、Ｃｒ含有量は１．０％よりも高く４．０％以下である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは１．２％であり、さらに好ましくは２．０％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは３．５％であり、さらに好ましくは３．０％である。

本実施形態によるプラグの化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入される元素、あるいは製造過程の環境等から混入される元素をいう。

本実施形態によるプラグの化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、以下に説明する元素を含有してもよい。以下に説明する元素は、すべて選択元素である。すなわち、本実施形態によるプラグの化学組成は、以下の元素の一部又は全部を含有していなくてもよい。

Ｂ：０〜０．２％
ボロン（Ｂ）は、粒界の強度を向上させる効果がある。Ｂが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｂ含有量が０．２％を超えると、脆化相が析出して靱性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．２％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．００２％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．０５％である。

Ｎｂ：０〜１．０％
Ｖ：０〜１．０％
Ｔｉ：０〜１．０％
ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）は、結晶粒を微細化する効果がある。これらの元素が少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、これらの元素の含有量がそれぞれ１．０％を超えると、靱性が低下する。したがって、Ｎｂ、Ｖ、及びＴｉの含有量はそれぞれ、０〜１．０％である。Ｎｂ、Ｖ、及びＴｉのそれぞれの含有量の下限は、好ましくは０．２％である。

図１は、本発明の一実施形態によるプラグ１の縦断面図である。プラグ１は、砲弾形状を有する。プラグ１は、先端部２と、胴部３とを備えている。プラグ１の横断面は、先端部２及び胴部３ともに円形状である。先端部２及び胴部３は表面が連続している。先端部２及び胴部３は同じ素材で形成されており、１つのパーツである。以下、プラグ１において、先端部２側を前方とし、胴部３側を後方とする。

胴部３は、バーと接続するために設けられた、後端面（裏面）に開口した結合用穴４を有する。結合用穴４の前端（穴の底）は、例えば、プラグ１の全長（先端部２の前端から胴部３の後端までの寸法）のうち、中央又はそれよりも後方の部位に位置する。プラグ１の後方部分（胴部３の後方部分）は、結合用穴４によって筒状になっている。プラグ１の長手方向（軸方向）において、内部に結合用穴４が形成されている部分を筒部５と呼ぶ。プラグ１の長手方向における結合用穴４の前端から後端（開口端）までの長さ、つまり結合用穴４の深さをＤ［ｍｍ］として、筒部５の前端は、結合用穴４の前端から前方に０．１×Ｄ［ｍｍ］の位置とする。すなわち、筒部５は、プラグ１の長手方向において、結合用穴４の前端から０．１×Ｄ［ｍｍ］前方の位置とプラグ１の後端との間の部分を指す。なお、プラグ１は、胴部３よりも後方に位置する逃げ部をさらに備えてもよい。

プラグ１は、図２に示すように、先端部２が凸型に突出して形成されている形状であってもよい。図２に示すプラグ１は、胴部３よりも後方に位置する逃げ部１０をさらに備える。

プラグ１は、図３に示すように、穿孔圧延機１３において、結合用穴４にバー（芯金）１５の先端を取り付け、穿孔圧延に用いられる。プラグ１は一対の傾斜ロール１４、１４の間であってかつパスラインＰＬ上に配置される。穿孔圧延時、プラグ１には、先端部２から中実のビレット１６に接触する。プラグ１は、高温に晒されるとともに、高い圧力を受ける。

別の観点から、プラグ１は、図１又は図２に示すように、圧延部１１とリーリング部１２とに区分される。圧延部１１は先端部２の全体及び胴部３のうち先端部２に連続する前方の部位であり、リーリング部１２は胴部３の圧延部１１よりも後方の部位である。圧延部１１は穿孔圧延において、肉厚圧下の大部分を受け持つ部位である。リーリング部１２は、穿孔圧延において、中空素管（シェルともいう）の肉厚を仕上げる部位である。

先端部２は、筒部５よりも硬い。先端部２のビッカース硬さは、好ましくは３００Ｈｖ以上であり、さらに好ましくは３５０Ｈｖ以上である。筒部５のビッカース硬さは、好ましくは２２０〜２６０Ｈｖである。ビッカース硬さは、プラグ１を長手方向に切断した断面から、ＪＩＳＺ２２４４（２００９）に基づき、１ｋｇｆの試験力で測定した値とする。

筒部５は、好ましくは、ＪＩＳＺ２２４２（２００５）に基づくフルサイズ試験片を用いた４０℃におけるシャルピー衝撃試験において、吸収エネルギーが２５Ｊ／ｃｍ^２以上である。筒部５の吸収エネルギーは、好ましくは３０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、さらに好ましくは５０Ｊ／ｃｍ^２以上である。

先端部２を筒部５よりも硬くすることで、穿孔圧延による先端部２の変形を抑制することができる。筒部５を先端部２と同様に硬くすると、筒部５の靭性が低下して穿孔圧延により筒部５に割れが生じる。本実施形態のプラグ１は、先端部２及び胴部３を同じ素材で形成したプラグにおいて、先端部２のみを硬くすることで、硬さを向上させた先端部２と所望の靱性を有する筒部５とを備えることができる。その結果、プラグ１は、筒部５の割れの発生を抑制しながら、先端部２の変形を抑制することができ、リサイクル性を高めることができる。

プラグ１は、保護膜８をさらに備える。保護膜８は、溶射皮膜及び肉盛層の少なくとも一方を含む。プラグ１は、保護膜８として、溶射皮膜及び肉盛層の両方を備えていてもよい。この場合において、プラグ１の表面の一部に溶射皮膜が形成され、他の一部に肉盛層が形成されていてもよい。あるいは、プラグ１の表面に、肉盛層と溶射皮膜とが重ねて形成されていてもよい。

溶射皮膜は、特に限定されないが、例えば鉄及び鉄酸化物を主成分とする溶射皮膜とすることができる。肉盛層は、特に限定されないが、例えば遷移金属を主成分とする合金とすることができる。この合金は、例えば、コバルトを主成分とし、クロム及びタングステンを含む合金（ステライト合金）である。

保護膜８は、好ましくは、プラグ表面の圧延部１１を覆って形成される。保護膜８は、より好ましくは、プラグの後端面を除く全表面に形成される。保護膜８は、その厚さを部位毎に異ならせることが好ましく、胴部３の表面に形成される保護膜８よりも先端部２の表面に形成される保護膜８を厚くすることが好ましい。

図１及び図２では、プラグ１が保護膜８を備えている場合を説明した。しかし、保護膜８は、必要に応じて形成される。本実施形態によるプラグは、保護膜８を備えていなくてもよい。

［製造方法］
図４は、本発明の一実施形態によるプラグの製造方法のフロー図である。この製造方法は、プラグを準備する工程Ｓ１と、プラグ上に保護膜を形成する工程Ｓ２と、プラグを加熱する工程Ｓ３と、プラグを冷却する工程Ｓ４とを備えている。

［工程Ｓ１］
プラグを準備する。プラグは例えば、次のようにして製造することができる。上述した化学組成を有する鋼を溶解し、プラグに近い形状に鋳造して粗形品とする。焼鈍し処理として、粗形品を６５０〜８５０℃に２〜６時間保持した後炉冷却する。その後、粗形品を切削加工してプラグの最終形状にする。

［工程Ｓ２］
必要に応じて、プラグ上に保護膜８を形成する。保護膜８が溶射皮膜の場合、例えば、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射、高速フレーム溶射等によって形成することができる。保護膜８が肉盛層の場合、例えば、プラズマ粉体肉盛溶接法、ＭＩＧ溶接法、ＴＩＧ溶接法等によって形成することができる。

工程Ｓ２は、任意の工程である。すなわち、工程Ｓ２は実施されなくてもよい。また、図３では工程Ｓ２を工程Ｓ３の前に実施する場合を説明しているが、工程Ｓ２を実施するタイミングはこれに限定されない。工程Ｓ２は、工程Ｓ３の前に実施することが好ましいが、工程Ｓ３又は工程Ｓ４の後に実施してもよい。

［工程Ｓ３］
プラグの先端部２を加熱する。このとき、先端部２の温度がオーステナイト変態温度（Ａｃ_３点）以上になり、筒部５の温度がＡｃ_３点未満になるように加熱する。ここで、温度をＡｃ_３点未満とすべき筒部５は、前述のとおり、結合用穴４の前端から０．１×Ｄ［ｍｍ］前方の位置とプラグの後端との間の部分である。換言すると、プラグの後端と結合用穴４の前端から０．１×Ｄ［ｍｍ］前方の位置との間の領域は、Ａｃ_３点未満になるように加熱される。

この加熱処理は例えば、図５に示すように、先端部２の外周に高周波コイル６を取り付け、加熱装置内にプラグを配置し、コイル６を用いて先端部２を９５０〜１２００℃で高周波加熱することで実現できる。加熱温度は、より好ましくは９５０〜１１００℃である。加熱時間は焼きが入る時間であればよく、高周波加熱の場合、Ａｃ_３点以上の温度に数秒以上加熱すれば十分である。ただし、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、保護膜８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、保護膜８の酸化が進むおそれがある。上記した加熱処理により、先端部２の温度をＡｃ_３点以上にし、筒部５の温度をＡｃ_３点未満にすることができる。なお、プラグを加熱する装置は、高周波コイル６に限定されない。

図６に、高周波コイル６を使用せずにプラグを加熱する装置の例を示す。図６に示す加熱装置７は、ヒータ７１、７２を備える。ヒータ７１は、加熱装置７の上部に配置されている。ヒータ７２は、加熱装置７の下部に配置されている。

工程Ｓ３の実施に際し、加熱装置７内にプラグが装入される。加熱装置７内には、複数のプラグが装入されることが好ましい。このとき、プラグとヒータ７２との間には遮蔽物８が設置される。すなわち、ヒータ７２の上方に遮蔽物８が配置され、遮蔽物８上にプラグが載置される。遮蔽物８は、ヒータ７２からプラグへの伝熱を抑制する部材である。遮蔽物８の形状は、例えば、格子状や板状である。遮蔽物８は、酸化物で被覆されていてもよい。

加熱装置７内のプラグは、ヒータ７１、７２によって加熱される。ヒータ７１、７２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７内は、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。プラグの先端部２の温度がＡｃ_３点以上の所定温度に達した時点で、加熱装置７からプラグが取り出される。遮蔽物８によってプラグの下部への伝熱はプラグの上部への伝熱よりも小さくなっているため、筒部５の温度は先端部２の温度よりも低い。加熱装置７からプラグを取り出す時点で、筒部５の温度はＡｃ_３点まで達しておらず、Ａｃ_３点未満となっている。

加熱装置７によるプラグの加熱は、遮蔽物８を用いずに行うこともできる。この場合は、プラグの上方に位置するヒータ７１の加熱温度よりも、プラグの下方に位置するヒータ７２の加熱温度を小さくする。これによって、プラグの上部への伝熱を大きく、プラグの下部への伝熱を小さくすることができる。これによって、遮蔽物８を用いた場合と同様に、先端部２の温度がＡｃ_３点以上になる一方で筒部５の温度がＡｃ_３点未満となるように、プラグを加熱することができる。

加熱装置７内のプラグについて、例えば、先端部２及び筒部５の各々に熱電対を取り付けて先端部２及び筒部５の温度を測定することができる。これによって、筒部５の温度がＡｃ_３点未満である一方、先端部２の温度がＡｃ_３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を加熱装置７から取り出すことができる。なお、工程Ｓ３の実施の都度、先端部２及び筒部５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、同種のプラグに関しては、当該加熱時間で工程Ｓ３を実施すればよい。

［工程Ｓ４］
工程Ｓ３で加熱されたプラグを冷却する。例えば、コイル６の通電を止め、加熱装置の扉を開放して、プラグを４００℃以下、通常は室温まで冷却する。これによって、プラグ１が製造される。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。

以上のように、この製造方法で製造されたプラグ１は、先端部２をＡｃ_３点以上に加熱することで、先端部２の硬さを向上させることができる。さらに、プラグ１は、筒部５の温度をＡｃ_３点未満に抑えることで、加熱による筒部５の靱性の低下を抑制することができる。その結果、プラグ１は、硬さを向上させた先端部２と所望の靱性を有する筒部５とを備えることができる。

プラグ１の製造方法は、上述のものに限られない。例えば、筒部５のみに焼戻しを行うことにより、先端部２が筒部５よりも硬いプラグ１を製造してもよい。例えば、全体（先端部２及び胴部３）が３００Ｈｖ以上のビッカース硬さを有するプラグを準備して筒部５のみを焼戻すことにより、先端部２のビッカース硬さが３００Ｈｖ以上であって、筒部５のビッカース硬さが２２０〜２６０Ｈｖのプラグ１を製造することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。この実施例は本発明を限定するものではない。

表１に示す化学組成Ａ〜Ｎを有する鋼を溶解し、プラグに近い形状に鋳造した。表１の「−」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであったことを示す。これらの鋼のＡｃ_３点は、概略９２０℃である。

鋳造したプラグの粗形品に対し、８００℃で４時間、大気中にて保持した後炉冷する焼鈍し処理を実施した。その後、外表面を切削加工して、所定の実験用プラグの形状とした。各プラグはそれぞれ、Ｆｅ溶射皮膜を付与したものと付与しないものとを作製した。

溶射皮膜を付与したものと付与しないものとのそれぞれに対し、Ａｒ雰囲気中で、先端部が９００〜１１００℃になり、かつ筒部の温度が８００℃未満となるように加熱した。加熱は、図４で説明した高周波コイルを備える加熱装置によって実施し、加熱時間は１０分とした。加熱後は、加熱装置の扉を解放して室温付近まで放冷した。

溶射皮膜を付与しなかったプラグの筒部からシャルピー試験片を機械加工によって作製し、シャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを測定した。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳＺ２２４２（２００５）に基づくフルサイズ試験片を用いて４０℃で測定した。

同じく溶射皮膜を付与しなかったプラグの先端部から硬度測定用の試験片を機械加工によって作製し、常温でビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さの測定は、ＪＩＳＺ２２４４（２００９）に基づいて実施した。試験力は１ｋｇｆとした。

溶射皮膜を付与したプラグを用いて、ＳＵＳ３０４を相手材として３パスの穿孔圧延試験を実施し、穿孔圧延後のプラグの割れの有無を観察するとともに、母材の変形量（Ｌ方向の収縮長さ）を測定した。また、穿孔圧延後に溶射皮膜の除去をショットブラストで行い、溶射皮膜除去後のプラグの欠損の有無を観察した。

試験結果を表２に示す。

試験Ｎｏ．１のプラグは、国際公開第２０１７／０５１６３２号に記載されているプラグである。母材変形量の評価は、試験Ｎｏ．１の母材変形量を基準とした。

試験Ｎｏ．２のプラグは、Ｃｒ含有量を１．０％にしたものである（成分Ｂ）。このプラグは、試験Ｎｏ．１のプラグと比べると母材変形量が低減しているものの、その効果は小さかった。

試験Ｎｏ．３のプラグは、Ｃｒ含有量を２．０％にしたものである（成分Ｃ）。試験Ｎｏ．１のプラグと同等の靱性（シャルピー吸収エネルギー）を確保しつつ、常温硬度は２０％以上向上し、それに伴って母材変形量も２０％程度低減していた。また、割損や欠損も生じなかった。

試験Ｎｏ．４のプラグは、先端部の常温硬度が低かった。これは、熱処理時の先端部の温度が低かったためと考えられる。

試験Ｎｏ．５−８のプラグは、Ｃｒ含有量を３．０％にしたものである（成分Ｄ）。これらのプラグは、試験Ｎｏ．１のプラグと同等の靱性を確保しつつ、常温硬度は３０％程度向上し、それに伴って母材変形量も大幅に低減していた。また、割損や欠損も生じなかった。これらのプラグはさらに、試験Ｎｏ．１のプラグと比べてＭｏ及びＷの含有量が半分であり、コストの削減も見込むことができる。

試験Ｎｏ．９−１２のプラグは、成分Ｄを基準にＣ含有量を増やしていったものである（成分Ｅ−Ｈ）。常温硬度は、Ｃ含有量の増加とともに高くなる傾向が見られ、それに伴って母材変形量も低下していた。一方、靱性はＣ含有量の増加とともに低下する傾向があり、試験Ｎｏ．１２のプラグでは割損が発生した。

試験Ｎｏ．１３のプラグは、Ｃ含有量を０．３０％、Ｃｒ含有量を４．０％にしたものである（成分Ｉ）試験Ｎｏ．１３のプラグは、試験Ｎｏ．１１のプラグ（成分Ｇ）と同程度の常温硬度を有していた。試験Ｎｏ．１１のプラグと比較して靱性は低下していたが、割損は発生しなかった。

試験Ｎｏ．１４のプラグは、Ｃ含有量を０．３０％、Ｃｒ含有量を５．０％にしたものである（成分Ｊ）。試験Ｎｏ．１４のプラグでは、割損及び欠損が発生した。

試験Ｎｏ．１５のプラグは、試験Ｎｏ．１４のプラグの熱処理温度を９５０℃にしたものである。試験Ｎｏ．１５のプラグでは、割損は発生しなかったものの、欠損が発生した。

試験Ｎｏ．１６−１８のプラグは、試験Ｎｏ．３のプラグ（成分Ｃ）にそれぞれ、Ｖ、Ｎｂ、及びＴｉを含有させたものである（成分Ｋ、Ｌ、Ｍ）。これらのプラグは、Ｖ、Ｎｂ、及びＴｉによる細粒化効果により、試験Ｎｏ．３のプラグと比較して、常温硬度及び靱性が向上していた。

試験Ｎｏ．１９のプラグは、試験Ｎｏ．６のプラグ（成分Ｄ）にＢを含有させたものである（成分Ｎ）。このプラグは、Ｂによる粒界強度の向上の効果により、試験Ｎｏ．６のプラグと比較して、常温硬度及び靱性が向上していた。

以上、本発明の一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。

Claims

化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．４〜１．２％、
Ｍｎ：０．２〜１．５％、
Ｎｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０〜４．０％、Ｗ：０〜４．０％、ただし、Ｍｏ及びＷのうち１種又は２種を合計で１．０〜６．０％、
Ｃｒ：１．０％よりも高く４．０％以下、
Ｂ：０〜０．２％、
Ｎｂ：０〜１．０％、
Ｖ：０〜１．０％、
Ｔｉ：０〜１．０％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
先端部と、
前記先端部と同じ素材で形成され、前記先端部と連続する胴部とを備え、
前記胴部は、バーを取り付けるための穴が形成された筒部を含み、
前記先端部は前記筒部よりも硬く、
前記先端部のビッカース硬度が、３７０Ｈｖ〜４２０Ｈｖであり、
前記筒部のビッカース硬度が、２２０Ｈｖ〜２６０Ｈｖであり、
前記筒部の、ＪＩＳＺ２２４２（２００５）に基づくフルサイズ試験片を用いて４０℃で測定したシャルピー衝撃試験による吸収エネルギーが、３０〜１１５Ｊ／ｃｍ ^２である、ピアサープラグ。
請求項１に記載のピアサープラグであって、
前記ピアサープラグの表面に形成された保護膜をさらに備え、
前記保護膜は、溶射皮膜及び肉盛層の少なくとも一方を含む、ピアサープラグ。
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０〜４．０％、Ｗ：０〜４．０％、ただし、Ｍｏ及びＷのうち１種又は２種を合計で１．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０％よりも高く４．０％以下、Ｂ：０〜０．２％、Ｎｂ：０〜１．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、先端部と、前記先端部と同じ素材で形成され、前記先端部と連続する胴部とを備えるピアサープラグを準備する工程と、
前記先端部の温度がＡｃ_３点以上になりかつ前記胴部においてバーを取り付けるための穴が形成された筒部の温度が前記Ａｃ_３点未満になるように前記ピアサープラグを加熱する工程とを備え、
前記先端部のビッカース硬度が、３５０Ｈｖ〜４２０Ｈｖであり、
前記筒部のビッカース硬度が、２２０Ｈｖ〜２６０Ｈｖであり、
前記筒部の、ＪＩＳＺ２２４２（２００５）に基づくフルサイズ試験片を用いて４０℃で測定したシャルピー衝撃試験による吸収エネルギーが、３０〜１１５Ｊ／ｃｍ ^２である、ピアサープラグの製造方法。
請求項３に記載のピアサープラグの製造方法であって、
前記加熱する工程に先だって、前記ピアサープラグの表面に保護膜を形成する工程をさらに備え、
前記保護膜は、溶射皮膜及び肉盛層の少なくとも一方を含む、ピアサープラグの製造方法。