JPH0426738A - 熱間製管工具用鋼及び熱間製管工具 - 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〉 一 この発明は、継目無管を製造するための熱間製管工具用
として好適な工具鋼、並びに耐久性の優れた熱間製管工
具に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 現在、継目無鋼管の工業的な製造法としてマンネスマン
方式、プラグミル方式或いはユジーン式熱間押出法等の
手段が一般に知られているが、前記マンネスマン方式で
使用される穿孔プラグやガイドシュー、プラグミル方式
で使用されるプラグ。

ユジーン式熱間押出法で使用されるダイス等の熱間製管
工具は表面温度や面圧等の何れをとっても使用条件が極
めて苛酷であり、そのため工具の変形や焼付が生じ易く
、その寿命延長が大きな課題となっていた。特に、近年
ではステンレス鋼製やＮｉ合金製の継目無管に対する需
要も増えつつあることから、上記問題はより切実となっ
てきている。

例えば、上記工具の中で最も使用条件が苛酷とされるマ
ンネスマン穿孔プラグの素材にはＦｅ−０，２χＣ−０
，２χＳｉ　−０，５χＭｎ　−１χＣｒ−２χＮｉ　
−１，５χ（Ｍ。

＋Ｗ）鋼（以降、成分割合を表わす％は重量％とす＝３ る）”が−船釣に使用されてきたが、この材料で作成さ
れた穿孔プラグは穿孔対象材が炭素鋼の場合には２００
パスの穿孔にも耐えるものの、０．２χＣ−１３χＣｒ
鋼（ＳＵＳ４２０）材では晴々３パス程更に５ＵＳ３０
４鋼材になると１バスであっても変形を生じてしまい、
補修なしでは安定な生産ができないと言う問題があった
。

そこで、製管工具の素材として所定量のＣ，　Ｓｔ。

Ｍｎ，　Ｃｒ，　Ｎｉ及びＢを含む鋳鋼を適用し、これ
に窒化処理と酸化スケール形成処理とを施して工具寿命
の延長を図ろうとの提案がなされた（特開昭５９１４３
０７６号）。

しかし、上記手段によって得られる製管工具も高温での
変形抵抗が今一つ満足できるものではないばかりか、９
００〜１２５０℃に加熱して実施される酸化スケール形
成処理の際に脱炭が生じて工具表層部の軟化を招き、熱
間での製管加工時に変形，溶損，焼付が発生するのを如
何ともし難かっため この他にも、製管工具素材鋼の成分組成に工夫を加え、
使用時の強度や靭性を改善すると共に、耐摩耗性や耐焼
付性を確保するための酸化スケールの形成性やその特性
を改善しようとの提案が幾つか見られるが（例えば特開
昭６１−２６４１６３号，特開昭６３−２８２２４１号
等）、何れも高温での変形抵抗が十分ではなく、また強
度，靭性，耐摩耗性改善のためにＣｒ，　Ｍｏ，　Ｗの
添加がなされる上記特開昭６１２６４１６３号に係る鋼
材の場合には、Ｃｒ含有量が高すぎると酸化処理にて十
分な厚さのスケルが形成されない上、このＣｒやＭｏ，
　Ｗの添加量が多くなると焼入れ温度でもフェライトが
残留することとなって室温乃至高温で十分な強度を発揮
しないとの問題も指摘された。

その上、何れの材料も工具の表面潤滑を確保するために
酸化スケール形成処理を施すと、前記特開昭５１−１４
３０７６号に係る材料と同様、表層部に脱炭が生じて表
面近傍（２鶴深さ程度まで）が著しく軟化すると言う問
題を有していた。

そのため、これら従来の製管工具では、特にステンレス
鋼やＮｉ基合金（アロイ８２５等）のような変形抵抗の
高い材料の熱間製管を実施すると、高い面圧を受ける工
具先端部等に溶損が生じがちであったほか、激しい剪断
変形を受ける工具胴部には焼付が生じて（加工素材がス
テンレス鋼である場合での損傷の大半は焼付である）、
僅かな使用で工具を廃却しなければならないと言った不
都合を余儀無くされる場合が多かった。ここで、被加工
材が“炭素鋼”或いは“Ｃｒ含有量１３％未満の低合金
鋼”の場合には、加工前の加熱によりその表面に（穿孔
中には内面にも）潤滑性に富むＦｅ酸化物主体のスケー
ルが生成し、これが潤滑皮膜処理済みの工具表面に移着
して工具を潤滑するが、被加工材が１３％以上のＣｒを
含有する高合金鋼，ステンレス鋼，　Ｎｉ基合金等の場
合には被加工材から工具表面への潤滑性スケールの移着
かないため、どうしても工具の損傷が大きかった。

しかも、穿孔プラグの場合には次のような現象も大きな
問題となっていた。即ち、苛酷な加工である穿孔によっ
てプラグ表面の温度はＡｃ３点以上に昇温されるが、こ
のためその後の冷却（空冷以上：生産性向上を目指して
プラグの使用頻度を高くすべく、水冷する場合が多い）
にて表面に焼きが入ってしまい、これが穿孔毎に繰り返
されるので表面から亀裂（熱亀裂）が入り、プラグの割
損が起きると言う現象である。

このようなことから、本発明が目的としたのは、ステン
レス鋼、　Ｎｉ基合金等のように変形抵抗が高くて焼付
が生じ易い材料を製管する場合でも、十分な強度、靭性
、熱間変形抵抗、耐焼付性を示し、優れた耐久性を発揮
する熱間製管用工具を提供することであった。

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鋭意研究を
行った結果、次のような知見を得ることができた。即ち
、 （ａｌ　　工具鋼の高温変形抵抗を高くするにはＣ１Ｍ
ｏ、　Ｗの添加が効果的であることは既知であるが、こ
れに伴って焼入れ時の靭性が著しく低下し、工具搬送時
や穿孔開始時の衝撃で破壊を生じる恐れが出てくる。こ
の改善策として、工具材料のＡｃ＋＝　７− 点を高くして製管時の温度上昇でＡｃ、点の温度以上と
なって焼きが入る部分を工具の極く表層部に止めようと
の平文てが考えられるが、その狙いを実現し、かつ焼き
が入らない部分の軟化を防止するには、従来の目安を超
えるレベルでＭｏ、　Ｗの多量添加を行うことが必要で
ある。

（ｂ）　　また、焼付防止には低融点のスケール層を形
成することが極めて効果的であり、そのためスケール層
としてはＦｅ酸化物層が好ましいが、それに十分な潤滑
性を確保するためにはスケール層の厚さを５０卿以上と
し、かつ緻密なスケールを形成することが必要である。

そして、このようなスケール層の実現は鋼中へのＮｉの
多量添加によって可能であり、しかも比較的多い所定量
のＮｉを含有した鋼の表面に形成されるスケール層には
“Ｎｆが高度に濃縮した金属片”が分散して存在するこ
ととなって、スケールの耐剥離性、耐摩耗性が大幅に改
善される。

（０）　　ところで、潤滑性付与のためになされる上記
酸化スケール形成処理では必然的に工具表面が脱炭され
て表層部の軟化（脱炭に伴う軟化が変形。

溶損、焼付につながる）が生じるが、この軟化現象はＣ
含有量を特定の低い範囲に低減することで抑えることが
でき、しかもＣ量低減による強度低下はＭｏ、　Ｗの多
量添加で補うことができる上、Ｍｏ＋Ｗを多量に添加し
た場合に起こりがちなδ−フェライト（靭性、高温強度
の低下につながる）の生成は適量のＮｉ＋　Ｍｎ添加に
よって抑制することができる。

（ｄｌ　　更に、前述したように、製管工具では製管加
工後の冷却で焼きが入って表層部が高硬度、低靭性とな
り、割れ、熱亀裂を生じ易くなることが問題であったが
、前記Ｍｏ、　Ｗの多量添加によって生じる“Ａｃ３点
を上昇させ表層部の焼きが入る厚さを極力小さくする作
用”が効果的にこの問題を解決する方向に働く。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたものであ
って、 ｒｃ：０．０８％以下、　　　　Ｓｉ　：　０．１〜２
．０％Ｍｎ　：　０．２〜３．０％、　　　　　Ｎｉ　
：　０．５〜７．０％。

Ｍｏ及びＷの１種以上：合計で１．５〜８．０％。

ｓｏｌ、　Ａｊ！　：　０．００５〜０．２％を含有す
るか、或いは更に Ｃｒ　：　０．２〜５．０％。

Ｖ：０．１〜２．０％。

Ｔｉ　：　０．０５〜２．０％。

Ｂ　：　０．００１〜０．２％。

Ｍｇ＋　Ｃａｔ　Ｌａ、　Ｃｅ及びＹの１種以上：合計
で０．０１〜０．５％ のうちの１種以上をも含むと共に、残部がＦｅ及び不可
避不純物から成り、かつ不純物中のＮ、　Ｏ。

Ｐ及びＳの含有量がそれぞれ０．０２％以下、　０．０
１％以下、　０．０３５％以下、　０．０３０％以下で
ある成分組成に熱間製管工具用鋼を構成したことによっ
て、熱間製管工具として十分満足できる優れた高温変形
抵抗、耐割れ・耐熱亀裂性を有し、かつ焼付防止効果（
潤滑性、耐剥離性、耐摩耗性）の優れたスケールを形成
することが容易な熱間製管工具用鋼を実現した点」 に特徴を有し、更には Ｃｏ　：　０．２〜５．０％。

Ｎｂ：０．１〜２．０％。

Ｚｒ　：　０．０１〜０．５％。

「熱間製管工具を、材質が上記成分組成の網で、その表
面に厚さ５０〜２５０Ｉｔｍの酸化スケール潤滑皮膜を
有した構成とすることにより、耐久性を顕著に向上せし
めた点」 をも特徴とするものである。

続いて、本発明において、鋼の成分組成並びに工具表面
に形成する酸化スケール潤滑皮膜の厚さを前記の如くに
限定した理由を、その作用と共に詳述する。

く作用〉 （Ａ）綱の成分組成 ａ）　Ｃ Ｃは鋼材の高温強度向上に有効な成分であるが、その含
有量が０．０８％を超えると“酸化スケール形成処理に
より潤滑性スケール層を生成させる際の表層金属地の脱
炭”が激しくて表面硬度の低下が著しくなり、製管中に
表面が容易に変形し焼付。

溶損を生じるようになる。その上、製管後の冷却によっ
て焼きが入る表層部分の硬度が高くなりすぎ、焼割れを
生じ易くもなる。従って、Ｃ含有量は０．０８％以下と
定めた。

ｂ）　５ｔ Ｓｉは脱酸、Ａｃ１点の上昇、プラグ表面の酸化スケー
ルの緻密化等に有効な成分であるが、その含有量が０．
１％未満では所望の効果が得られず、方、２．０％を超
えて含有させると靭性の劣化を招くばかりか、十分な厚
みのスケール層が得られなくなって潤滑性能が不足する
。従って、Ｓｉ含有量は０．１〜２．０％と定めた。

ｃ）　Ｍｎ 本発明鋼における如（Ｍｏ、Ｗを多量に添加する場合、
高温でオーステナイト単相を確保するにはＭｎの添加が
有効である。また、Ｍｎには、Ｍｏ、　Ｗを多量に添加
したときのδ−フェライト生成を抑制して靭性及び高温
強度が低下するのを防止する作用もある。ただ、Ｍｎ含
有量が０．２％未満の場合には上記効果が十分でなく、
一方、３％を超えて含有させるとスケール中に入るＭｎ
がスケールの緻密性を劣化させ、かつスケールの融点を
高めて潤滑性を劣化させる。従って、Ｍｎ含有量は０．
２〜３％１、　１　− と定めた。

ｄ）　Ｎｊ Ｎｉには、製管後の冷却によって工具の表層部に形成さ
れる焼入れ相の靭性を改善させる作用があり、またＭｏ
、　Ｗを多量に添加したときのδ−フェライト生成を抑
制して靭性及び高温強度が低下するのを防止する作用も
有している。そして、これら作用による所望の効果を得
るためには０．５％以上のＮｉ含有量を確保する必要が
ある。更に、鋼中に添加されたＮｉは“酸化スケール処
理にて形成されたスケール層”中に酸化されずに残留し
、複合強化作用を示してスケールの耐剥離性を大きく改
善する作用をも有しており、この効果はＮｉ含有量が３
．０％以上になると顕著化し、５．０％を超えると更に
著しい効果を発揮する。しかし、７．０％を超えてＮｉ
を含有させるとスケールの生成が抑制されることとなり
、却って潤滑性を劣化させることに加え、室温で残留す
るオーステナイトの過剰を招くので強度低下も大きくな
る。従って、Ｎ＋含有量は０．５〜７．０％と定めた。

ｅ）　　Ｍｏ、　　Ｗ これら成分の１種又は２種を特定量以上含有させること
は高温強度の改善に極めて有効であり、かつＡｃ＋点を
上昇させて製管加工後の工具表層部の焼きが入る部分を
少なくし、焼き割れを防止する作用をも有している。こ
れらの効果はＭＯとＷとで等価であり、（Ｍｏ＋Ｗ）の
合計量で１．５％未満では上記効果が不十分であって製
管中に容易に変形・溶損を生じてしまう。一方、Ｍｏ、
　Ｗの含有量が合計で８．０％を超えると高温でもフェ
ライトが残留するようになって逆に高温強度が低下する
上、靭性も劣化する。従って、Ｍｏ、　Ｗの含有量は両
者の合計で１．５〜８．０％と定めた。

なお、靭性面からすればＭｏよりもＷを含有させる方が
好ましく、特に靭性が重要な工具ではＭｏ含有量を３．
５％以下に抑制するのが良い。

１）ｓｏｌ、八ｐ ｓｏｆ．Ａｌは脱酸剤として有効な成分である。特に製
管工具材料では高温にて高強度を確保する必要があり、
そのため必然的に室温でも高強度となるが、この場合に
鋼中の酸素量を抑制することは靭性確保上重要で少なく
ともＯ含有量を１１００ｐｐ以下とする必要がある。０
含有量を　３０ｐｐｍ以下とすると靭性は更に大きく改
善される。

しかし、ｓｏｌ、ＰＪｌ含有量が０．００５％未満では
脱酸効果が不十分であり、一方、０．２％を超えて含有
させても脱酸効果が飽和するばかりか、却って製管工具
鋳造時の溶鋼の粘性を増加させ鋳造欠陥を生じる恐れが
出てくる。従って、ｓｏＺ、Ａｌ含有量は０．００５〜
０．２％と定めた。

ｇ＞　Ｃｒ、　Ｇｏ＋　ｖ、　Ｎｂｌ　Ｔｉ、　Ｚｒ、
　Ｂ、　Ｍｇ、　Ｃａ＋Ｌａ　　Ｃｅ、　Ｙ これらの成分は、鋼材の靭性、高温での変形抵抗を向上
する作用やスケールの潤滑特性を改善する作用を有して
いるので、必要により１種又は２種以上の添加がなされ
るが、各成分についての含有量を個別に数値限定したの
は次の理由による。

Ｃｒ Ｃｒは、特に酸化スケール層を緻密化して潤滑皮膜（酸
化スケール層）の密着性を改善するのに有効な成分であ
るが、その含有量が０．２％未満では所望の上記効果が
得られず、一方、５．０％を超えて含有量させると耐酸
化性が向上しすぎて所望厚さの潤滑酸化スケール層を生
成することができなくなる。

Ｃ。

Ｇｏは、特にＡｃ＋点、　Ａｃ、点を大きくは低下させ
ることなくＮｉと同様。の靭性改善作用、スケールの耐
剥離性改善作用を発揮する成分であるが、その含有量が
０，２％未満では上記作用による所望の効果が得られず
、一方、５．０％を超えて含有させてもコスト上昇に見
合うだけの向上効果を確保することができない。

Ｖ　　Ｎｂ　　Ｔｉ　　Ｚｒ　　Ｍ、　Ｃａ　　Ｌａ、
　Ｃｅ、　Ｙこれらの成分は何れも特に材料の細粒化に
有効であり、鋼材の靭性改善だけでなく、スケール層を
緻密化する作用をも有しているが、その含有量が各々の
下限値を下回った場合には上記作用による所望の効果が
得られず、一方、各々の上限値を超えて含有させると脆
化相が析出したりして靭性の劣化を招く。

Ｂには、特に製管加工により高温に保持されてオーステ
ナイトとなった工具表面層の粒界を強化し、高温での変
形抵抗・変形能を改善する作用があるが、その含有量が
０．００１％未満では上記作用による所望の効果が得ら
れず、一方、０．２％を超えて含有させると靭性の劣化
を招く。

ｈ）不純物 Ｎは溶製（凝固）時の欠陥防止のためにその含有量を０
．０２％以下に、そしてＯ，Ｐ及びＳは所望の靭性を確
保するためにそれぞれ含有量を０．０１％以下、　０．
０３５％以下及びｏ、ｏａｏ％以下に制限する必要があ
る。

（Ｂ）工具表面の酸化スケールの厚さ 製管工具表面に形成された酸化スケールの厚さが５０μ
ｍ未満であると潤滑性が不十分となって所望の工具寿命
が得られず、一方、酸化スケール厚さが２５０顯を超え
るとスケール層がポーラスとなって容易に剥離を生じ、
やはり十分な工具寿命を確保することができなくなる。

従って、製管工具表面に形成させる酸化スケールの厚さ
は５０〜２５０Ｉｒｍと限定した。

なお、上記所定厚の酸化スケールを形成させるには、前
記成分組成の鋼を素材とし イ）鋳造。

ＩＩ＋）鋳造後に外削。

ハ）鍛造後に外削 等の手段によって作成した工具を大気中又は水蒸気添加
雰囲気中にて９００〜１２００℃に１〜５時間加熱・保
持し、その後空冷又は炉冷すれば良い。

次に、本発明の効果を実施例によって更に具体的に説明
する。

〈実施例〉 まず、大気溶解、真空溶解、ＡＯＤ又はＶＯＤプロセス
にて第１表に示した各化学成分組成の綱を溶製し、これ
を鋳造後、外削して工具の中で最も苛酷な条件下で使用
される“マンネスマン製管の穿孔用プラグの形状に仕上
げた。

そして、製管に当って上記各プラグを水蒸気添加大気中
で９００〜１２００℃に加熱し、その表面に酸化スケー
ルを生成させた。なお、加熱温度と時間については、鋼
の成分に応じた可能な限り良好な酸化スケール厚さと密
着性が得られるように考慮して調整した。

このようにして得られた各穿孔用プラグのシャルピー衝
撃値（割れ性評価指標値：２ｎ＋Ｕノツチでの室温試験
）と　１０００°Ｃにおける圧縮変形抵抗値の調査結果
を、酸化スケール厚さと共に第２表に示す。

次いで、上記酸化スケール形成処理を施した各プラグを
用いて５ＵＳ４２０及びＳＵＳ　３０４の各ステンレス
鋼についての穿孔試験を実施し、その際の穿孔可能回数
（補修使用は除く）を調べたが、その結果をプラグ廃却
の原因となった因子と共に第２表に併記した。

第２表に示される結果からも明らかな如く、本発明に係
る鋼で構成された穿孔プラグでは９４〜１６５Ｊ！Ｉｎ
と言う潤滑面で非常に好ましい厚さの酸化スケールを形
成することができ、穿孔時において十分な潤滑性、スケ
ールの耐剥離性を示す上、１０００℃での圧縮変形抵抗
：　２６．５ｋｇｆ／−以上の優れた高温強度と室温で
の衝撃値：　１　ｋｇ−ｍ／ｃｄ以上の優れた靭性とを
有していて十分な工具寿命を示すのに対して、本発明で
規定する条件を満たしていない比較例では、何れも“高
温強度が低いための先端溶損”、“靭性不足のための割
れ”或いは“スケール層が薄いか耐剥離性が十分でない
ための焼付”が生じ、穿孔回数が極めて低いことが分か
る。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、高合金鋼、ス
テンレス鋼、Ｎｉ基合金等の変形抵抗が高くて焼付の生
じ易い材料の熱間製管においても優れた耐久性を発揮す
る熱間製管用工具を提供することができ、品質の高い継
目無管を工業的に安定して供給することが可能になるな
ど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量割合にて Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：
   ０．２〜３．０％、Ｎｉ：０．５〜７．０％、Ｍｏ及び
   Ｗの１種以上：合計で１．５〜８．０％、ｓｏｌ．Ａｌ
   ：０．００５〜０．２％ を含有すると共に、残部がＦｅ及び不可避不純物から成
   り、かつ不純物中のＮ、Ｏ、Ｐ及びＳの含有量がそれぞ
   れ０．０２％以下、０．０１％以下、０．０３５％以下
   、０．０３０％以下であることを特徴とする、熱間製管
   工具用鋼。
2. （２）重量割合にて Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：
   ０．２〜３．０％、Ｎｉ：０．５〜７．０％、Ｍｏ及び
   Ｗの１種以上：合計で１．５〜８．０％、ｓｏｌ．Ａｌ
   ：０．００５〜０．２％ を含有し、更に Ｃｒ：０．２〜５．０％、Ｃｏ：０．２〜５．０％、Ｖ
   ：０．１〜２．０％、Ｎｂ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：
   ０．０５〜２．０％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％、Ｂ：
   ０．００１〜０．２％、 Ｍｇ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ及びＹの１種以上 ：合計で０．０１〜０．５％ のうちの１種以上をも含むと共に、残部がＦｅ及び不可
   避不純物から成り、かつ不純物中のＮ、Ｏ、Ｐ及びＳの
   含有量がそれぞれ０．０２％以下、０．０１％以下、０
   ．０３５％以下、０．０３０％以下であることを特徴と
   する、熱間製管工具用鋼。
3. （３）請求項１又は２に記載の鋼にて構成され、かつそ
   の表面に厚さ５０〜２５０μｍの酸化スケール潤滑皮膜
   を有して成ることを特徴とする、熱間製管工具。