JP6954447B2 - ピアサープラグ - Google Patents

Description

本発明は、ピアサープラグに関する。

従来、継目無鋼管の穿孔圧延に用いられるピアサープラグは、表面の遮熱性、潤滑性、及び耐焼付き性を確保するため、表面にスケール皮膜を形成して使用される。

スケール皮膜は、穿孔圧延ごとに次第に摩耗する。スケール皮膜が完全に摩耗して母材（プラグ本体）が露出すると、母材の溶損や相手材との焼付きが生じる。ステンレス等の難加工材の穿孔ではスケール皮膜の摩耗が顕著であり、数パスで摩耗する場合がある。その度にスケール皮膜を再形成するための熱処理が必要になるが、この熱処理には数時間から数十時間を要するため、能率が悪いという問題がある。

国際公開第２００９／０５７４７１号には、鉄及び酸化物からなる溶射皮膜をピアサープラグの母材の表面に形成する技術が提案されている。国際公開第２０１４／０３４３７６号には、鉄及び鉄酸化物の他に、質量％で、Ｃ：０．０１５〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０〜０．３％を含有する溶射皮膜を備えたピアサープラグが開示されている。

溶射皮膜は、スケール皮膜よりも母材との密着性や耐摩耗性に優れ、かつ、数分から数十分で形成することができる。そのため溶射皮膜は、スケール皮膜よりも寿命が長く、かつ、摩耗しても短時間で再生することができる。一方、継目無鋼管の製造能率を高めるためには、ピアサープラグの寿命をさらに長くすることが好ましい。そのためには、皮膜の耐摩耗性をさらに高くすることが好ましい。

本発明の目的は、耐摩耗性をさらに高めたピアサープラグ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、プラグ本体と、前記プラグ本体の表面に形成された溶射皮膜とを備える。前記溶射皮膜は、鉄基合金及び前記鉄基合金の酸化物を含む。前記溶射皮膜を蛍光Ｘ線分析で分析して得られるクロム濃度が、３〜２０質量％である。

本発明によれば、耐摩耗性をさらに高めた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、溶射皮膜の形成に用いる装置の一例を示す図である。 図３は、コアードワイヤの断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態によるピアサープラグの縦断面図である。 図５は、本発明のさらに他の実施形態によるピアサープラグの縦断面図である。 図６は、Ｃｒを含まない溶射皮膜の断面顕微鏡写真である。 図７は、Ｃｒを含む溶射皮膜の断面顕微鏡写真である。

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。

［ピアサープラグの構造］
図１は、本発明の一実施形態によるピアサープラグ１０の縦断面図である。ピアサープラグ１０は、プラグ本体１１と、溶射皮膜１２とを備えている。

プラグ本体１１は、砲弾形状を有する。プラグ本体１１は、具体的には、横断面の形状が円形であり、その外径がプラグ本体１１の先端から後端に向かって大きくなる形状を有している。プラグ本体１１は、例えば、鉄基合金で構成されている。

溶射皮膜１２は、プラグ本体１１の表面に形成されている。溶射皮膜１２は、プラグ本体１１の後端面を除き、プラグ本体１１の表面の全体を覆っている。溶射皮膜１２の厚さは、一定でなくてもよい。溶射皮膜１２は、プラグ本体１１の胴部１１ｂ上よりも先端部１１ａ上に厚く形成されていることが好ましい。

溶射皮膜１２は、少なくとも鉄基合金及びその酸化物を含んでいる。溶射皮膜１２は、これら以外の化合物を含んでいてもよい。

溶射皮膜１２中の鉄基合金は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）等を含んでいる。溶射皮膜１２中の鉄基合金は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＣｒのうちの一部のみを含んでいてもよいし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＣｒ以外の元素を含んでいてもよい。溶射皮膜１２中の鉄基合金の化学組成は微視的には一様でなくてもよい。例えば、微視的にはＣｒを殆ど含まない部分とＣｒ含有量の高い部分とが混在していてもよい。

溶射皮膜１２中の酸化物は、上記の鉄基合金が酸化されて形成される酸化物である。溶射皮膜１２中の酸化物は、具体的には、鉄酸化物、及び鉄とクロムとの複合酸化物等である。鉄酸化物は、例えばＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４等である。鉄とクロムとの複合酸化物は例えば、（Ｆｅ，Ｃｒ）_３Ｏ_４等である。溶射皮膜１２中の酸化物は、上記以外の金属の酸化物を含んでいてもよい。

溶射皮膜１２中、金属成分（鉄基合金）の比率が高いほど、プラグ本体１１との密着性が向上する。一方、酸化物の比率が高いほど、遮熱性が向上する。溶射皮膜１２中の酸化物の比率は、これに限定されないが、好ましくは２５〜８０体積％であり、さらに好ましくは３５〜６５体積％である。また、プラグ本体１１の近傍は金属成分の比率が高く、表面に向かうにつれて酸化物の比率が高くなることが好ましい。この構成によれば、プラグ本体１１との密着性をより高くすることができる。なお、酸化物の体積率は、溶射皮膜１２の断面観察から算出することができる。

本実施形態によるピアサープラグ１０は、溶射皮膜１２を蛍光Ｘ線分析で分析して得られるクロム濃度（以下「ＸＲＦ−Ｃｒ濃度」という。）が、３〜２０質量％である。

ＸＲＦ−Ｃｒ濃度が３質量％以上であれば、３質量％未満の場合と比較して、優れた耐摩耗性が得られる。これは、鉄とクロムとの複合酸化物によって溶射皮膜１２の硬度が高くなるためと考えられる。一方、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度が２０質量％を超えると、溶射皮膜１２の潤滑性が低下し、穿孔効率が低下する。ＸＲＦ−Ｃｒ濃度の下限は、好ましくは５質量％であり、さらに好ましくは８質量％である。ＸＲＦ−Ｃｒ濃度の上限は、好ましくは１８質量％であり、さらに好ましくは１６質量％である。

ＸＲＦ−Ｃｒ濃度は、下記のように測定する。溶射皮膜１２の表面からＸ線を入射し、検出器で蛍光Ｘ線を検出する。入射Ｘ線は、ターゲット：Ｒｈ、出力：４０ｋＶ×１００μＡ、３ｍｍΦスポットコリメーターを適用する。検出器は、Ｓｉ ｄｒｉｆｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒとする。検出されたすべての元素を分母として、Ｃｒの濃度を質量％で求める。ＸＲＦ−Ｃｒ濃度の分子には、鉄基合金中のＣｒと酸化物中のＣｒとの両方が含まれる。

本実施形態によるピアサープラグ１０は、好ましくは、溶射皮膜１２を蛍光Ｘ線分析で分析して得られる鉄濃度が、５０質量％以上である。蛍光Ｘ線分析で分析して得られる鉄濃度は、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度と同様に測定する。

［ピアサープラグの製造方法］
以下、ピアサープラグ１０の製造方法の一例を説明する。以下で説明する方法はあくまで例示であり、ピアサープラグ１０の製造方法はこれに限定されない。

プラグ本体１１を準備する。プラグ本体１１は、公知のものを用いることができる。

プラグ本体１１に、溶射皮膜１２を形成する。溶射皮膜１２は、図２に示すアーク溶射装置２０を用いて形成することができる。

アーク溶射装置２０は、溶射ガン２１と、回転台２４とを備えている。溶射ガン２１は、連続的に供給される陽極線材２２及び陰極線材２３の先端でアークを発生させ、溶融した金属を圧縮空気によって噴射する。

溶射皮膜１２の化学組成及びＸＲＦ−Ｃｒ濃度は、陽極線材２２及び陰極線材２３の化学組成よって調整することができる。陽極線材２２及び陰極線材２３は、同じ化学組成の線材であってもよいし、異なる化学組成の線材であってもよい。異なる化学組成の線材を用いた場合、陽極線材２２の金属と陰極線材２３の金属とが混ざりあって、擬似的な合金が形成される。

陽極線材２２及び陰極線材２３は、これに限定されないが、例えば炭素鋼やステンレス鋼である。また、陽極線材２２及び陰極線材２３として、図３に示すコアードワイヤ３０を用いてもよい。コアードワイヤ３０は、炭素鋼製の外殻３１と、外殻３１に充填された充填材３２とを備えている。充填材３２の種類を変えることで、溶射ガン２１から噴射する金属の化学組成を任意に変えることができる。

溶射ガン２１の先端からプラグ本体１１の表面までの距離（以下「溶射距離」という。）が長いほど、溶射皮膜１２中の酸化物の比率が高くなる。これは、溶射ガン２１の先端から噴射される金属の酸化が溶射距離に応じて進行するためである。溶射距離は、これに限定されないが、例えば１００〜１４００ｍｍである。また、溶射距離を徐々に長くしながら溶射することで、プラグ本体１１の近傍の金属成分の比率を高くし、表面に向かうにしたがって酸化物の比率を高くすることができる。

上述のとおり、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度の分子には、鉄基合金中のＣｒと酸化物中のＣｒとの両方が含まれる。そのため、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度は、溶射皮膜１２中の酸化物の比率が変わっても大きくは変化しない。そのため、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度は、溶射距離を変えても大きくは変化しない。

回転台２４によってプラグ本体１１を軸周りに回転させながら、溶射皮膜１２が所定の厚さになるまで溶射する。溶射皮膜１２の厚さは、これに限定されないが、例えば２００〜３０００μｍである。

溶射皮膜１２を形成後、拡散のための熱処理を実施することが好ましい。これによって、プラグ本体１１と溶射皮膜１２とをより密着させることができる。拡散のための熱処理として例えば、６００〜１２５０℃で１０分以上保持することが好ましい。熱処理温度はより好ましくは６００〜１１００℃である。

以上、本発明の一実施形態によるピアサープラグ１０を説明した。本実施形態では、溶射皮膜１２のＸＲＦ−Ｃｒ濃度を３〜２０質量％にする。これによって、ピアサープラグ１０の耐摩耗性をさらに高めることができる。

上記の実施形態では、プラグ本体１１が砲弾形状である場合を説明した。しかし、プラグ本体１１の形状は任意である。ピアサープラグは例えば、図３に示す先端突出形状のプラグ本体１３に溶射皮膜１２が形成されたものであってもよいし、図４に示す分割形状のプラグ本体１４に溶射皮膜１２が形成されたものであってもよい。

上記の実施形態では、溶射皮膜１２をアーク溶射によって形成する場合を説明した。しかし、溶射皮膜１２を形成する方法はこれに限定されない。溶射皮膜１２は例えば、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もできる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

主要成分が０．１５Ｃ−０．５Ｓｉ−１．０Ｎｉ−０．５Ｍｎ−１．５Ｍｏ−３．０Ｗ−Ｂａｌ．Ｆｅのモデルプラグの上に溶射皮膜を形成した。陽極線材及び陰極線材として、低炭素鋼、ＳＵＳ４１０、及びＳＵＳ４３０の線材、並びにＣｒ濃度を変化させたコアードワイヤを組み合わせて、溶射皮膜の成分を調整した。

実施形態で説明した方法によって、溶射皮膜のＸＲＦ−Ｃｒ濃度を分析した。蛍光Ｘ線分析装置はＪＥＯＬ社製ＤＰ２０００ ＤＥＬＴＡ Ｐｒｅｍｉｕｍを使用し、ＪＥＯＬ社製ＡＬＬＯＹ ＰＬＵＳ 合金分析ソフトウエアを用いて解析した。

各プラグの溶射皮膜のビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度は、各プラグについて３点測定し、その平均を求めた。

表１に、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度と平均硬度との関係を示す。表１において、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度の欄の「−」は、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度が分析下限未満であったことを示す。

表１に示すように、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度が高いほど、平均ビッカース硬度が高くなった。

図６は、表１のマークＡの溶射皮膜の断面顕微鏡写真である。図７は、表１のマークＣの溶射皮膜の断面顕微鏡写真である。図７に示すとおり、Ｃｒを含む溶射皮膜は、Ｃｒを含まない溶射皮膜（図６）と同様、金属成分と酸化物とから構成されていた。図中、比較的明るい部分が金属成分からなる箇所であり、濃いグレーの部分が酸化物からなる箇所である。金属成分と酸化物との比は、今回作成したすべての溶射皮膜で同程度であり、酸化物の比率が約４５〜５５体積％であった。

続いて、これらのプラグを用いて、ＳＵＳ３０４を相手材とした穿孔試験を実施し、皮膜摩耗量を測定した。表２に、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度と摩耗量との関係を示す。表２の「従来比摩耗量」の欄には、マークＡのプラグの溶射皮膜の摩耗量を１として各プラグの溶射皮膜の摩耗量を相対値で記載している。

表２に示すように、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度が高いほど、摩耗量が低減した。特に、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度を３質量％以上にすることで、摩耗量をマークＡの場合の約７０％にまで低減することができた。一方、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度が２０質量％を超えると、穿孔効率が低下し、圧延が困難になった。

これらの結果から、ＸＲＦ−Ｃｒ濃度を３〜２０質量％にすることで、ピアサープラグの耐摩耗性をさらに高められることが裏付けられた。

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すぎない。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 (1)

1. プラグ本体と、
   前記プラグ本体の表面に形成された溶射皮膜とを備え、
   前記溶射皮膜は、鉄基合金及び前記鉄基合金の酸化物を含み、
   前記溶射皮膜を蛍光Ｘ線分析で分析して得られるクロム濃度が、３〜２０質量％であり、
   前記溶射皮膜を蛍光Ｘ線分析で分析して得られる鉄濃度が、５０質量％以上であり、
   前記溶射皮膜中の酸化物の比率が、２５〜８０体積％である、ピアサープラグ。

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