JPH02179843A - 熱間製管用工具材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、マンネスマン方式で継目無管を製管する際
、丸鋼の熱間穿孔（ピアシング）のために使用される工
具（ピアサ−プラグ）を構成する材料に関するものであ
る。

〈従来技術とその課題〉 マンネスマン方式で継目無管を製管する際、その中間工
程たる熱間穿孔（ピアシング）工程において、高温（１
１００〜１２５０°Ｃ）に加熱された丸鋼を回転させな
がらこれに“穿孔プラグと称する工具を押込み、この押
込み加工によって鋼管素管を製造することが行われてい
る。しかし、この際、前記穿孔プラグは高温の下で丸鋼
からの苛酷な圧縮応力、剪断応力及び摩擦力を受けるの
で各穿孔パス毎に相当の損耗を生ずる。この傾向は、丸
鋼の材質が炭素鋼からステンレス鋼へと高級化するにつ
れて顕著になり、特にステンレス鋼の場合には一回の穿
孔でプラグが損傷のために使用できなくなる程であり、
ステンレス鋼の製管コスト上大きなネックとなっている
。

ところで、穿孔プラグの材料には主として高炭素含有量
の低合金鋼（０，２〜０．４％Ｃ−１，０〜４．０％Ｃ
ｒ−０，３〜３．０％Ｎ　ｉ　ｊｌｉａｌ　（以降、成
分割合を表わす％は重量％とする））が使用されてきた
が、前述した理由から、 ａ）高温強度を高めるべ（Ｍｏ、　Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ、
　Ｃｏ等の強化元素を添加する（特開昭５９−２０７４
６号）。

ｂ）高温強度を高めるべく共晶クロム炭化物粉末とＣｒ
　−Ｆｅ粉末又はＣｒ−Ｎｉ　−Ｃｏ−Ｆｅ粉末との焼
結プラグにする（特開昭６０−２９４４２号）。

Ｃ）耐摩耗性を強化するために表面窒化処理を施す（特
開昭５９−１４３０７６号、特開昭５９−１４３０７９
号）。

ｄ）耐摩耗性を強化するために表面酸化処理を施す（特
開昭５９−１４３０７５号、特開昭５９−９１５４号。

特開昭６１−２８３４０４号、特開昭５４−１７３６３
号、特開昭６０−８６２６２号）。

ｅ）溶射処理によりＦｅｄ、Ｆｅ５Ｏ４＋　Ｆｅｚｅ３
等の酸化物粉末をコーティングする（特開昭５９−１３
９２４号）。

ｆ）表面に金属系の溶射皮膜処理を施す（特開昭６１−
２８６０７７号）。

ｇ）レーザ溶融により表面合金化処理を施す（特開昭５
９−１６７８号）。

等の手段が提案された。

また、これらとは別に、高温強度の極めて高い高融点金
属であるＭｏ製プラグの検討もなされているじ鉄と鋼”
’８６−５１２６１．“鉄とｍ”’８７−３２９８．特
開昭６２−１３２９４号）。

しかしながら、上記ａ）〜ｇ）項に示した提案になる穿
孔プラグは、何れも炭素鋼の穿孔には相当の効果が認め
られるものの、ステンレス鋼の場合にはプラグ材質その
ものの高温強度が低いことから必ずしも目的とする寿命
が確保できないとの問題が残るものであった。

一方、Ｍｏ製プラグは極めて高価であって経済性に劣り
、現段階では実用化が躊躇された。

このようなことから、本発明の目的は、高温強度や耐摩
耗性が従来材よりも更に優れ、しかもコスト的にも十分
満足できるマンネスマン穿孔プラグ材を見出し、使用寿
命が長くて高性能のマンネスマン穿孔プラグを提供する
ことに置かれた。

く課題を解決するための手段〉 そこで、本発明者等は上記目的を達成すべく数多くの実
験を繰り返しながら研究を重ねた結果、以下に示すよう
な知見を得ることができた。即ち、（ａ）　　マンネス
マン穿孔プラグ材料として従来使用されていた低合金鋼
をベースに、これに微細な酸化物粒子の適量を均一分散
させると、１１００〜１２００℃（穿孔時の加工温度）
の温度域での高温強度（変形抵抗）が著しく向上し、こ
の材料でマンネスマン穿孔プラグ基材を作成すると、ス
テンレス鋼の穿孔時に負荷される圧縮応力や摩擦剪断応
力にも耐え得る高温強度が確保されてプラグ寿命が大幅
に改善される。

（ｂｌ　　更に、上記酸化物粒子分散合金にＭＯやＷの
如き固溶強化及び炭化物形成元素、或いはＮｂや■のよ
うな炭窒化物形成元素を単独又は複合で添加すると、そ
の高温強度は一層高まり、マンネスマン穿孔プラグの性
能を一段と改善することができる。

（Ｃ１その上、これら酸化物粒子分散合金にＴｉやＺｒ
の如き“酸化物粒子との親和力が高くて酸化物の成長粗
大化を防止するのに効果の大きな元素”を単独又は複合
で添加すると、合金の高温強度が更に飛躍的に高まり、
プラグ性能の更なる改善が可能となる。

（ｄ）シかも、上記酸化物粒子分散合金で作製したマン
ネスマン穿孔プラグの表面に既知の表面処理を施すと、
高温強度に加えて優れた耐摩耗性耐焼付性、断熱性を与
えることができ、プラグ性能はより一層改善される。

本発明は、上記知見等に基づいてなされたものであり、 「熱間製管用工具材料を、 Ｃ：　０．０１〜０．５％、　　Ｓｉ：０．１〜１．０
％。

Ｍｎ　：　０．１〜２．０％、　　　Ｃｒ　：　１．０
〜７．０％。

Ｎｉ　：　０．５〜７．０％９ 粒径０．５鴻以下の分散強化酸化物微細粒子：０．１〜
３．０％ を含有すると共に、 Ｎｂ　：　０．０１〜１．０％、　　　Ｖ　：　０．０
２〜１．０％。

ＭＯ：　０．１０〜３．０％、　　　Ｗ　：　０．１０
〜４．０％。

Ｔｉ　：　０．１０〜４．０％、　　Ｚｒ　：　０．１
０〜４．０％の一種以上をも含有し、残部が実質的にＦ
ｅより成る成分組成に構成することによって、優れた高
温強度、耐摩耗性及び断熱性を具備せしめ、これによっ
て製造される工具寿命を大幅に向上させ得るようにした
点」 に特徴を有するものである。

即ち、本発明は低合金鋼に分散強化酸化物微粒子を分散
させると共に、必要により固溶強化元素。

炭化物形成元素或いは炭窒化物形成元素を添加して高温
強度を高め、ステンレス鋼のマンネスマン穿孔等の如き
苛酷な外部応力にも耐え得るプラグ材を実現したことを
骨子とするものであるが、本発明に係る熱間製管用工具
材料において、各成分の含有量を前記のように数値限定
した理由を以下に説明する。

Ａ）　　Ｃ Ｃは工具材料に必要な高温強度及び耐力を確保するのに
有効な元素であるが、その含有量が０．０１％未満では
上記効果を十分に確保できず、一方、０．５％を超えて
含有させると粗大炭化物を生じ、靭性、延性が著しく低
下するようになる。従って、Ｃ含有量は０．０１〜０．
５％と定めた。

Ｂ）　　５ｔ Ｓｔは脱酸元素として有効な元素であり、地鉄合金との
密着性のよいスケールを形成させるのにも有効であるが
、その含有量が０．１％未満では前記効果が不十分であ
り、一方、１．０％を超えて含有させると高温強度や靭
性を損なうようになることから、Ｓｔ含有量は０．１〜
１．０％と定めた。

Ｃ）　　Ｍｎ Ｍｎは高温０強度を高める作用を有しているが、その含
有量が０．１％未満では前記作用による所望の効果が得
られず、一方、２％を超えて含有させると靭性及び熱伝
導性を劣化させることから、Ｍｎ含有量は０．１〜２．
０％と定めた。

Ｄ）　　Ｃｒ Ｃｒには、地鉄表面との密着性が良く、かつ断熱性の高
いスケールを生成させることに加えて、鋼の焼入性を高
め高温強度を向上させる作用がある。

また、Ｃｒは炭化物（Ｃｒ、Ｃ３＋　Ｃｒｚ＋　Ｃｂ等
）を形成して鋼の高温強度を高めるのに非常に有効な元
素でもある。しかし、Ｃｒ含含量量１．０％未満である
と前記作用による所望の効果が得られず、一方、７．０
％を超えて含有させるとスケールの生成量が減少し断熱
性を損なう上、Ｃｒがフェライト形成元素であるが故に
却って強度の低下を招くようになることから、Ｃｒ含有
量は１．０〜７．０％と定めた。

Ｅ）　　Ｎ１ Ｎｊは、地鉄合金との密着性の良いスケールを生成させ
るのに有効な元素であるが、その含有量が０．５％未満
では前記効果が十分ではなく、一方、７．０％を超えて
含有させるとスケールの生成量が減少し、かつ熱伝導率
が低下して高温耐摩耗性を劣化させるようになることか
ら、Ｎｉ含有量は０．５〜７．０％と定めた。

Ｆ）　　Ｖ、　Ｎｂ＋　Ｍｏ＋　及びＷこれらは何れも
高温強度を高めるのに有効な元素であるので、必要に応
じて１種以上添加されるが、以下、個々の成分について
添加量の限定理由を説明する。

■及びＮｂは、何れも炭窒化物形成により高温強度を高
めるのに著しい効果を有している。ただ、■の場合、そ
の効果は０．０２％以上の含有量になると現れるが、１
．０％を超えて含有させると靭性に悪影響を及ぼすので
、■含有量は０．０２〜１．０％に限定した。一方、Ｎ
ｂの場合には０．０１％以上の含有量で前記効果が得ら
れるが、やはり１．０％を超えて含有させると靭性低下
が著しくなることから、Ｎｂ含有量は０．０１〜１．０
％と限定した。

また、Ｍｏ及びＷは、何れも固溶強化及び炭化物析出強
化の両面で高温強度を高めるのに有効な元素である。た
だ、何れの場合でも、含有量が０．１０％未満では前記
効果は小さく、一方、Ｍｏは３．０％を、そしてＷは４
．０％をそれぞれ超えて含有させるとフェライト形成元
素であるために却って高温強度が低下し、更に靭性の劣
化をも招くことから、Ｍｏ含有量は０．１０〜３．０％
と、Ｗ含有量は０．１０〜４．０％とそれぞれ限定した
。

Ｇ）　　Ｔｉ、及びＺｒ Ｔ’ｘ及びＺｒは、何れも炭窒化物形成により高温強度
を高めるのに有効な元素であり、更に酸化物粒子（Ｙｚ
Ｏｓ、ＺｒＯ□、ＴｉＯ□等）の成長を抑えるのに有効
な元素であるので、必要により１種又は２種の添加がな
される。なお、酸化物粒子の成長は高温強度低下の大き
な要因であるため、かかる元素の添加により成長を防止
できることは重要である。

ただ、何れの場合でも、含有量が０．１０％以上で前記
効果が現れるが、４．０％を超えて含有させても該効果
は飽和し、却って脆い金属間化合物が多数形成されて靭
性が大きく劣化するようになることから、Ｔｉ及びＺｒ
の含有量はそれぞれ０．１０〜４．０％と定めた。

Ｈ）酸化物粒子 Ｙ　ｚ　Ｏ３＋　Ｚｒ　Ｏｉ＋　７１０　ｚ等の酸化物
は高温においても極めて安定な物質である。そして、こ
れら酸化物の微細粒子を均一に地鉄中に分散せしめるこ
とで、鋼の高温強度は著しく向上する。その上、高温に
曝されても酸化物が安定であるために粒子は成長し難く
、粒子間隔も太き（なり難いために高温強度も安定であ
り、それ故、穿孔回数が増えても強度低下が殆ど生じな
い。

ただ、酸化物粒子の粒径が大きいと、一定重量の酸化物
を添加した場合に粒子間の間隔が大きくなって強度向上
には効果がなく、従って少なくとも０．５ｎ以下の粒径
とする必要がある。なお、実際的には０．０１〜０．０
５μＩ程度の粒径であることが好ましい。

そして、０．５μｍ以下の粒径の酸化物を添加した場合
、その含有量が０．１％以上で高温強度への効果が現れ
てくるが、３．０％を超えて含有させてもその効果は飽
和してしまうばかりか、却って靭性及び熱伝導率の低下
を招くようになることから、分散強化酸化物粒子の含有
量は０．１〜３．０％と定めた。

上述の如き成分組成に構成された熱間製管用工具材料は
、前述したように優れた高温強度や耐摩耗性を示すが、
この材料にて製作された熱間製管用工具（穿孔プラグ）
に既知の各種表面処理を施し、形成される表面処理皮膜
による断熱性、耐摩耗性又は潤滑性の向上を図ると工具
寿命は更に改善され、例えばステンレス鋼穿孔の際のプ
ラグ寿命を数回ないしは十数回と大幅に向上させること
が可能となる。なお、上記表面処理としては、表面酸化
処理、溶射によるＦｅ酸化物粉末コーティング又は金属
系溶射皮膜処理１表面窒化処理等が挙げられる。

続いて、本発明を実施例によって更に具体的に説明する
。

〈実施例〉 まず、第１表に示す如き成分組成の鋼を準備した。なお
、第１表において鋼Ａ−Ｌは本発明鋼であり、鋼Ｍ−Ｕ
は比較鋼（ＭＭ及びＮはマンネスマン穿孔プラグ材とし
て現在用いられている１、５Ｃｒ　　３Ｎｉ鋳鋼及び３
Ｃｒ−ＩＮｉ鋳鋼）である。

ここで、酸化物粒子を含む鋼は、各構成金属光素粉又は
合金粉と酸化物粒子とを混合攪拌して機械的合金化を行
い、この酸化物粒子を含む合金粉をＨＩＰ処理し、更に
は押出にて一体化成形して製造した。

次いで、前記各鋼の一体化した棒材より第１図に示した
ようなモデルミル用プラグ材を製作し、第 表 これに熱処理（９５０℃ｘａｈｒ後、炉冷）を施した後
、マンネスマン穿孔試験に供した。

該穿孔試験では、５ＵＳ３０４ステンレス鋼ビレツトを
１２００℃に加熱した後、上記プラグ材で穿孔を行い、
溶損、摩耗１割れ等が発生して穿孔が不能となるまでの
回数（耐久性）を求めた。

更に、プラグ材への表面処理効果をみるため、鋼Ａ−Ｎ
については黒皮スケール処理により０．２ｍｍ程度の酸
化スケールをプラグ表面に施して同様の穿孔試験に供し
、その耐久性を調査した。

これらの試験結果を第２表に示す。

第２表に示される結果からも、比較鋼である３Ｃｒ−Ｉ
Ｎｉ鋳鋼（Ｎ綱）及び１．５Ｃｒ　−３、Ｎｉ鋳鋼（Ｍ
Ｅ）では何れも一回の穿孔でプラグ先端に溶損を生じて
使用できなくなるが、本発明鋼（Ａ〜Ｌ鋼）では黒皮ス
ケール処理を行わなかった場合でも２〜４回まで耐久性
の向上することが明らかである。

そして、本発明鋼に黒皮スケール処理を施した場合には
寿命は更に４〜８回と延び、大幅に耐久性が向上するこ
とも確認できる。

一方、比較鋼０〜Ｕでは黒皮スケール処理を施した場合
でも耐久性が１〜２回と比較的小さいがこれは酸化物粒
子径が大きいため十分な強度が得られずに変形を生じた
り、巨大炭化物や金属間化合物の析出のために靭性が低
下して割れを生ずることによるものである。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、オーステナイ
ト系ステンレス鋼のマンネスマン穿孔にも十分適した高
寿命の製管工具を実現できる熱間製管工具材料を提供す
ることができ、ステンレスａｒｍ目無鋼管の経済的な製
管を可能とするなど、産業上の有用な効果がもたらされ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、穿孔試験に供したモデルミル用のプラグ材の
寸法、形状を示した概略図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍ
   ｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０％、Ｎｉ
   ：０．５〜７．０％ を含有すると共に、 粒径０．５μｍ以下の分散強化酸化物微細粒子：０．１
   〜３．０％ をも含有し、残部が実質的にＦｅより成ることを特徴と
   する、熱間製管用工具材料。
2. （２）重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍ
   ｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０％、Ｎｉ
   ：０．５〜７．０％ を含有すると共に、 Ｎｂ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．０２〜１．０％、
   Ｍｏ：０．１０〜３．０％、Ｗ：０．１０〜４．０％の
   一種以上と、 粒径０．５μｍ以下の分散強化酸化物微細粒子：０．１
   〜３．０％ をも含有し、残部が実質的にＦｅより成ることを特徴と
   する、熱間製管用工具材料。
3. （３）重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍ
   ｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０％、Ｎｉ
   ：０．５〜７．０％ を含有すると共に、 Ｔｉ：０．１０〜４．０％、 Ｚｒ：０．１０〜４．０％ の一種以上と、 粒径０．５μｍ以下の分散強化酸化物微細粒子：０．１
   〜３．０％ をも含有し、残部が実質的にＦｅより成ることを特徴と
   する、熱間製管用工具材料。
4. （４）重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍ
   ｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０％、Ｎｉ
   ：０．５〜７．０％、Ｚｒ：０．１０〜４．０％を含有
   すると共に、 Ｎｂ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．０２〜１．０％、
   Ｍｏ：０．１０〜３．０％、Ｗ：０．１０〜４．０％の
   一種以上と、 Ｔｉ：０．１０〜４．０％、 Ｚｒ：０．１０〜４．０％ の一種以上と、 粒径０．５μｍ以下の分散強化酸化物微細粒子：０．１
   〜３．０％ をも含有し、残部が実質的にＦｅより成ることを特徴と
   する、熱間製管用工具材料。