JPH0263604A - 継目無し鋼管製造用プラグとその製造方法 - 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〕 この発明は継目無し鋼管の製造に使用されるプラグに関
するものである。

〔従来の技術〕

継目無し鋼管の製造工程において、鋼片に対する穿孔は
、マンネスマン穿孔法、プレス穿孔法等によって行なわ
れている。これらの穿孔法は、加熱炉で加熱された丸ま
たは角鋼片を、２または３個の圧延ロールによって圧延
しながら、同時にマンドレルバ−の先端に装着された弾
頭形状のプラグによって、前記鋼片の中心部に穴あけ加
工を行なうことからなっている。上述の穴あけ加工に使
用されるプラグの表面は高温状態で高圧力を受けるため
、しばしば、摩耗、溶損または焼付は等を起こす。この
結果プラグの寿命（耐用度）を縮めるだけでなく、得ら
れるホローピースの内面品質に悪影響を及ぼす。

低合金鋼の鋼片の穿孔には、従来から、０．３％Ｃ−３
％Ｃｒ−１％Ｎｉ系低合金鋼からなるプラグ本体の表面
に、酸化層を生成させたプラグが使用されている。

例えば、特公昭５８−１９３６３号公報においては熱処
理を施すことにより、そして、特公昭５９−１３９２４
号公報においては鉄酸化物を主体とした粉末を溶射する
ことによりプラグ本体の表面に、酸化層を生成させてい
る。前記プラグを利用すれば、クロム含有量が２．２５
ｗｔ％までの低合金鋼からなる鋼片から４〜８ｍのホロ
ーピースを調製する場合、５００〜１５００回の穿孔に
耐えられ、プラグ寿命を延長することができる。

しかしながら、クロム含有量が１３ｗｔ％以上のクロム
鋼、オーステナイト系ステンレス鋼のような高合金鋼の
鋼片を穿孔する場合、これらの鋼片の高温強度が高いこ
とや、鋼片表面にクロム酸化物が生成し鋼片からプラグ
表面への鉄酸化物の供給が断たれることから、プラグの
焼付きが著しくなり、第３図に示すようにプラグ１の溶
損、焼付きが激しい。従って、プラグの寿命は長いもの
でも５回程度であり、場合によっては１回の穿孔で使用
を中止しなければならないことも少なくなかった。

さらに、プラグは穿孔における材料のメタルフローに対
し理想的な形に設計されているにもかかわらず、穿孔中
にプラグ先端部が損耗してプラグの先端の後退を生じて
いた。その結果、プラグ先端に材料が当接するまでの時
間が延び、これによってプラグ先端圧下率が増大し、材
料が回転鍛造割れを起こす可能性が増して、ホローピー
スの内面品質低下を招来していた。

最近、これらの高合金鋼の鋼片を穿孔するために、各種
の耐熱合金製のプラグを使用する動きがある。このプラ
グの材料には高温強度で耐焼付き性の高い材料である、
モリブデンを適用することが多い しかしながら、モリブデン製のプラグの場合には、その
材料費が高価であるばかりでなく、難削材料であること
、プラグ形状が複雑であることなどにより機械加工費が
高くなり、プラグ製作費が非常に高くつくという問題が
あった。さらに、モリブデンは、鋼の１．３倍の比重を
有するために、モリブデンからなるプラグは重くなり、
作業性の低下を招く。その上、モリブデンは鋼の３倍以
上の熱伝導率を有するために、プラグ後部でプラグにか
かる力を支持するためのマンドレルバ−またはその装着
部において多大な温度上昇を招き、マンドレルバ−の変
形やプラグとの焼付きなどの弊害を生じた。

この問題点を解決する方法の一つにプラグ表面にモリブ
デン層を被覆する手法がある。例えば、特開昭６１−２
８６０７７号公報においては溶射と熱間等方圧加圧処理
により、特開昭６２−５０００９号公報、特開昭６２−
２３８０１１号公報においてはカプセルに封入後熱間等
方圧加圧処理により、モリブデン溶浸層をプラグ表面に
被覆させることを提案している。

〔発明が解決しようとする課題〕

これら提案は、先に示したモリブデンプラグの問題点を
解決している。しかし、モリブデン単味を被覆するので
は、芯材に使用する材料との線膨張計数の差により生じ
る接合面の割れやモリブデン層の割れがプラグ内に発生
する等の問題点があった。

本発明は、低合金鋼や耐熱鋼製のプラグにみられる溶損
や焼付き、モリブデン製のプラグにみられるマンドレル
バ−への熱影響や高比重による作業性の低下、モリブデ
ン層を有するプラグにみられる線膨張係数の差により生
ずる割れ、プラグの製造コスト上の問題点を解決し、高
寿命で、しかも、内面品質が良好なホローピースを安定
して製造することができる継目無し交換製造用プラグを
提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はかかる目的を達成するべくなされたものであり
、本発明者らは少なくとも被穿孔物との接触部分を含む
領域の形状にモリブデン又はモリブデン基合金の粉末を
成形して多孔質の分散層プリフォームを得、このプリフ
ォームに該モリブデン又はモリブデン基合金よりも低融
点の金属又は合金を溶浸して連続相を形成せしめること
によってこの目的を達成することに成功したものである
。

プラグの形状は通常は略弾頭形であり、底面にはマンド
レルへの取付ける嵌合穴、嵌合突起等が設けられる。頭
部は半球形のほか傘形等のものも知られている。本発明
のプラグの形状はこれらに限定されるものではなく公知
の如何なる形状であってもよい。

本発明のプラグを製造するに当っては、まず、モリブデ
ン又はモリブデン基合金の粉末を少なくとも被穿孔物と
の接触部分を含む領域の形状に成形する。モリブデン基
合金は高温における潤滑性及び強度特性に優れたもので
あればよく、例えば、ＴＺＭ（０，５ｗｔ％Ｔｉ−０，
０７ｗｔ％Ｚｒ　　Ｏ，０５ｗｔ％Ｃ−Ｂａ１．Ｍｏ）
。

ＴＺＣ（１，０ｗｔ％Ｔｉ−０，１４ｗｔ％Ｚｒ−０，
１ｗｔ％ＣＢａ１．Ｍｏ）＋ＺＨＭ　（０，７２ｗ　ｔ
％Ｚｒ−０，１４ｗｔ％Ｈｆ−０，０５ｗｔ％Ｃ−Ｂａ
１゜Ｍｏ）、　ＭＨＣ（１，０ｗｔ％Ｈｆ−０，０５ｗ
ｔ％Ｃ−Ｂａ１．Ｍｏ）などを利用できる。モリブデン
又はモリブデン基合金の粉末は球体に換算して平均粒径
１〜２００μｍ、好ましくは５〜１００ＩＩＴＢの異形
粉末がよいが、粉末粒子形状には特にこだわる必要はな
い。ただ、球状・角状・フレーク状の粉末を用いる場合
、成形時に成形バインダーを添加する工程やそれを除去
するための脱脂工程があらたに加わってしまうので、製
造工程の複雑化を招いてしまう。成形体の形状は少なく
とも被穿孔物との接触部分を含む領域の形状であればよ
く、換言すればマンドレルに取付けた状態で外に露出す
る表面のすべてを含む形状であればよい。成形加工は圧
縮成形により行なわれ、例えば冷間等方圧加圧（ＣＩＰ
）成形とグリーンボディ加工により所定形状に加工でき
る。その際、成形体の密度が相対密度で４０体積％〜８
５体積％になるようにＣＩＰ条件を調製する。

こうして得られた多孔質の分散相プリフォームに該モリ
ブデン又はモリブデン基合金よりも低融点の金属又は合
金をその融点以上の温度で溶浸して連続相を形成せしめ
る。この金属または合金９は融点が穿孔される鋼片の温
度以上（通常１２５０°Ｃ以上）のもの、または容易に
モリブデンと反応し融点が穿孔される鋼片の温度以上と
なるもの、なおかつモリブデンと濡れ性が良いものでな
ければならない。この点から鉄基合金やチタン基合金や
ニッケル基合金を用いるのは好ましい。

溶浸方法は問うところではなく、例えば、接触法、浸漬
法などが利用できる。

溶浸後外表面を仕上げ加工し、使用に供してもよいが、
溶浸の完全化と高度強化を図る目的で熱間静水圧圧縮（
ＨＩＰ）処理を施してもよい。

操作の簡便のために溶浸をＨＩＰ装置内で行い、溶浸と
ＨＩＰ処理を連続的に行なわせてもよい。

ＨＩＰ処理後は必要により外表面を仕上加工して使用に
供する。

本発明のプラグは必ずしも全体が分散相と連続相の複合
した溶浸体である必要はない。例えば、被穿孔物との接
触部分を含む領域のみが分散相と連続相の複合組織で残
りの芯材は他の材料でもよい。芯材には、モリブデンよ
りも熱伝導率や比重が低い材料を用いるのがよい。例え
ば、従来プラグに使用されている０、３％Ｃ−３％Ｃｒ
−１％Ｎｉ系低合金鋼、５ＫＤ６１のような熱間工具鋼
や高温強度の高い超合金を用いるのが好ましい。また、
さらに低比重な材料としセラミックス系材料を用いるの
は、高温強度が優れている点からもプラグ用芯材として
、最も好ましいと言える。ところが、どのセラミックス
も適用できるわけではなく、熱物性の点からの選択が必
要となる。例えば、室温から１３００°Ｃにおける弾性
係数３０．０００Ｋｇ／ｍｍ２以上、線膨張係数３．５
　ｘ　１０−６〜１２．Ｏｘ　１Ｏ−６ＰＣ１好ましく
は４．５ｘ１０−６〜Ｂ　、Ｏｘ　１０−６だＣのもの
がよい。比重は８以下のものが好ましい。具体的には、
ＴｉＢｚ系、ＳｉＣ系セラミックスが好ましい。プラグ
の製一 遣方法としては、まず、芯材を適切な形状に機械加工し
た後ＣＩＰ型に挿入し、分散相に使用する粉末と共にＣ
ＩＰ成形、グリーンボディー加工を施した後に挿入する
。この状態で真空加熱炉に挿入し、連続相に用いる金属
または合金９の融点以上芯材の融点以下で温度で溶浸を
行なう。溶浸する金属又は合金は前記の条件に加えて芯
材との接合性が良好であることも要求される。良好なも
のはやはり鉄合金、チタン合金、ニッケル合金等である
。溶浸後外表面を仕上げ加工し、使用に供してもよいが
、溶浸の完全化と高度強化を図る目的で熱間静水圧圧縮
（ＨＩＰ）処理を施してもよい。

このようにして得られたプラグは少なくとも被穿孔物と
の接触部分が溶浸層よりなり、その溶浸層がモリブデン
又はモリブデン基合金の分散相と該分散相よりも低融点
の金属又は合金の連続相がら構成されている。該分散相
の体積率は好ましくは４０〜８５体積％であり、一方連
続相は鉄基合金、チタン基合金又はニッケル基合金のい
ずれがであることが好ましい。また、プラグは被穿孔物
と接触しない芯の部分を室温から１３００°Ｃの弾性係
数３０、０００Ｋｇ／ｍｍ２以上、線膨張係数３．５　
ｘ　１０−’　〜８　ｘｌｏ−６／℃、熱伝導率０．３
ｃａｌ／ｃｍ−ｓｅｃ　・”Ｃ以下、比重５以下のセラ
ミックスとした複合体であることが最も好ましい。

なお、本発明のプラグは、前述した鋼片に対するのみな
らず、エロンゲータ、プラグミル、リーラ等に用いられ
るプラグに対しても適用することができる。

〔作用〕

このような構造をとることにより、先に示した問題点の
うち、低合金鋼や耐熱鋼製のプラグにみられる溶損や焼
付きは、プラグ表面に常にモリブデンが供給されること
により解決している。さらに、モリブデン類のプラグに
みられるマンドレルバ−への熱影響や高比重による作業
性の低下の問題点は、プラグを複合体とすることや芯材
にモリブデンよりも低比重・低熱伝導率の材料を使用す
ることにより解決している。また、モリブデン層を有す
るプラグにみられる線膨張係数の差により生ずる問題点
は、溶浸体内にモリブデンまたはモリブデン基合金を分
散させたり、連続相に芯材と接合性のよい金属または合
金を選択することにより解決している。その上、カプセ
ル封入等の高価なプロセスが省略できるので、製造コス
ト上の問題点も同時に解決される。

〔実施例〕

実施例１ 本発明の一実施例であるプラグ１をマンドレルバ−２に
装着した状態を第１図（ａ）に示す。このプラグ１は全
体が分散相と連続相の複合した溶浸層よりなっており、
形状は円錐体の先端部が略半球状に丸められた弾頭形を
している。

プラグ１は円柱形状のマンドレルバ−２の先端に装着さ
れている。プラグ１の底面には、マンドレルバ−２へ取
付ける所定深さの嵌合穴３が穿設されている。一方、マ
ンドレルバ−２の先端には凸部４が設けられ、プラグ１
とマンドレルバ−２とは、嵌合穴３と凸部４とにより嵌
着されている。

プラグ１の製造方法は次の通りである。まず分散相に使
用する金属の粉末をあらかじめ準備し、この粉末を（、
ＩＰ底成形グリーンボディ加工によりプラグ形状のＣＩ
Ｐ成形体とする。このプラグ形状のＣＩＰ成形体を第２
図（ａ）に示す様に型７に挿入し、上部の樋８の部分に
連続相に用いる金属または合金９を置く。この状態で真
空加熱炉に挿入して溶浸を行なう。その後直ちに型７か
ら取外し、外表面を仕上加工し穿孔用プラグ１とする。

第１表　プラグ製造条件 Ｍｏ、ＴＺＭ粉末；平均粒径５　ｐｒｎＣＩＰ条件；　
１００〜３．ＯＯＯＫｇｆ／ｃｍ２溶浸条件　；　１４
００℃・３０ｍ１ｎ、　・１０−’ｔｏｒｒ。

ＨＩＰ条件；　１３００°Ｃ・１５００ａｔｍ、　・１
２０ｍ１ｎ。

上記の製造条件に基き、最大径φ３２ｍｍ、長さ７６ｍ
ｍのプラグを合計６個製造し、小型穿孔機でモデル穿孔
試験を行なった。被穿孔材は１３％Ｃｒ鋼からなる直径
φ４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、温度１２００°Ｃの丸鋼
片で、直径φ４２ｍｍ、厚さ６胴、長さ４００胴のホロ
ーピースに加工した。モデル穿孔試験の結果とし、プラ
グの耐用回数および損傷状態を第２表に示す。

第２表　モデル穿孔の結果 ＊（）内はＨＩＰ処理を施さない溶浸ままのプラグの穿
孔回数 第２表に示すように、本発明の供試体は溶浸ままでも、
従来のプラグに対し数十倍の耐用度を示した。

本発明の供試体Ｎｏ、　１は２０回の耐用度を示したが
先端部の変形や軸方向の割れが発生した。一方、モリブ
デンの含有率を８５体積％にしたＮｏ、４はプラグは１
００回の穿孔後においても損傷は全く観察されなかった
。また、分散相にモリブデン合金（ＴＺＭ）を使用した
プラグは分散相体積率％５５％であっても７５回の穿孔
に成功しており、更に高寿命化が期待できる。

これらの傾向はプラグ内のモリブデン質の増加と高強度
なＴＺＮを用いたことによる潤滑性の増加とプラグ自身
の高温高強度化が図れたため生じたものと判断される。

溶浸ままのプラグ内部に未溶浸な相（ボア）を１〜３体
積％含むため、寿命が幾分落ちるが、ＨＩＰ処理を施す
と、約１．５倍の寿命延長が図れた。

これはプラグ内のボアが完全に消失し、強度が飛躍的に
増加したためである。

実施例２ 次に、第２図（ｂ）の被穿孔物との接触部分を含む領域
の形状のみが溶浸層のプラグにおいて、芯の部分（芯材
）が低合金鋼、熱間工具鋼、超合金もしくはセラミック
スより構成された例を示す。

これら芯材５は適切な形状に機械加工した後ＣＩＰ型に
挿入され、分散相に使用する粉末と共にＣＩＰ成形、グ
リーンボディー加工を施した後、第２図（ｂ）に示すよ
うに型７に挿入し、上部の樋８の部分に連続相に用いる
金属または合金９を置く。

この状態で、真空加熱炉に挿入して溶浸とＨＩＰを行な
う。溶浸後直ちに型７から取外し、外表面を加工し穿孔
用プラグ１とする。

第３表　プラグ製造条件 鵬、溶浸層の厚み３〜１５ｍｍ、分散相の体積率８５％
のプラグを合計５個製造し、小型の穿孔機でモデル穿孔
試験を行なった。被穿孔材は１３％Ｃｒ鋼からなる直径
φ４０肛、長さ２００圓、温度１２００°Ｃの丸鋼片で
、直径４２ｍｍ、厚さ６肛、長さ４００ｍｍ、のホロー
ピースに加工した。モデル穿孔試験の結果として、プラ
グの耐用回数および損傷状態を第４表に示す。

第４表　モデル穿孔の結果 Ｍｏ、７２Ｍ粉末；平均粒径５ｐ ＣＩＰ条件；　１００〜３，０００ｋｇｆ／ｃｍ２溶浸
条件；　（１２５０〜１８００°Ｃ）　・３０ｍ１ｎ　
・１Ｏ−３ｔｏｒｒ。

ＨＩＰ条件；　１３００°Ｃ・１５００ａｔｍ、　・１
２０ｍ１ｎ。

上記の製造条件に基き、最大径φ３２ｍｍ、長さ７６＊
（）内のＨＩＰ処理を施さない溶浸ままのプラグの穿孔
回数 第４表に示すように、本発明の供試体は溶浸ままでも抜
群の成績をおさめ、ＨＩＰ処理を施すと寿命が飛躍的に
向上した。どのプラグも、高比重なモリブデンを主体と
する溶浸層が、プラグの外周部のみに存在する構造をと
るため、比較的軽量であった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明のプラグによれば、次の
効果がもたらされる。

（１）高合金材料の穿孔に対し、極めて優れた耐摩耗性
、耐溶損性、耐焼付き性等を具備し、しかも破壊するこ
となく、その寿命は大幅に向上した。

さらに、被穿孔材料の理想的なメタルフローを維持でき
、焼付き疵等が生じないため、内面品質が良好なホロー
ピースを安定して製造することができる。

（２）モリブデンを主体とするプラグであるため、全体
がモリブデンから成るものに比べ、軽量化が図れる。特
に、被穿孔物と接触する部分のみが溶浸層で中心部が低
比重、低熱伝導の芯材を有するプラグにおいてはこの効
果は大きく、マンドレルバ−への熱影響も回避できる。

（３）溶浸体内にモリブデンまたはモリブデン基合金を
分散させたり、連続相に芯材と接合性の良い金属または
合金を用いることにより、モリブデンと他種材との熱膨
張係数の差により生じる割れを無くすことができる。

（４）本発明の製造方法によれば、高密度化とＮｅａｒ
−Ｎｅｔ−３ｈａｐｅ化が容易に達成できるので、加工
費を大幅に低減することができる。またカプセルなしで
ＨＩＰ処理を施すことができるのでコスト的に有利であ
る。

したがって、継目無し鋼管製造の作業能率向上および大
幅な経費節減が達成され、産業上有用な効果が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例であるプラグをマンドレルバ−
に装着した状態を示す正面図であり、第２図は溶浸装置
に挿入される前の状態を示す断面図である。第３図は従
来のプラグの使用による損傷状態を示す正面図である。 第１図と第２図において（ａ）はプラグ全体が溶浸層と
なっている例を示し、［有］）は被穿孔物と接触する部
分のみが溶浸層で中心部に芯材を有する例である。 １・・・プラグ、　　２・・・マンドレルバ−３・・・
穴　　　　　４・・・凸部 ５・・・芯材　　　　６・・・ＣＩＰ成形体７・・・型
　　　　　８・・・樋 ９・・・連続相に用いる金属または合金特許出願人　　
日本鋼管株式会社 代　理　人　　弁理士　日中　政浩 第１図 （ｂ） 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも被穿孔物との接触部位が溶浸層よりな
   り、その溶浸層が４０体積％以上８５体積％以下のモリ
   ブデン又はモリブデン基合金の分散層と該モリブデン又
   はモリブデン基合金よりも低融点の鉄基合金、チタン基
   合金又はニッケル基合金の連続相から構成されているこ
   とを特徴とする継目無し鋼管製造用プラグ
2. （２）少なくとも被穿孔物との接触部分が溶浸相よりな
   り、その溶浸相がモリブデン又はモリブデン基合金の分
   散相と該モリブデン又はモリブデン基合金よりも低融点
   の金属又は合金の連続相から構成され、芯の部分が低合
   金鋼、熱間工具鋼、超合金もしくは室温から１３００℃
   の弾性計数３０，０００Ｋｇ／ｍｍ＾２以上、線膨張計
   数３．５ｘ１０＾−＾６〜８ｘ１０＾−＾６／℃、熱伝
   導率０．３ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以下、比重５以下
   のセラミックスよりなっていることを特徴とする継目無
   し鋼管製造用プラグ
3. （３）少なくとも被穿孔物との接触部分を含む領域の形
   状にモリブデン又はモリブデン基合金の粉末を成形して
   多孔質の分散相プリフォームを得、このプリフォームに
   該モリブデン又はモリブデン基合金よりも低融点の金属
   又は合金を溶浸して連続相を形成せしめ、その溶浸層が
   ４０体積％以上８５体積％以下のモリブデン又はモリブ
   デン基合金の分散相と前記金属又は合金の連続相から構
   成されていることを特徴とする継目無し鋼管製造用プラ
   グの製造方法