JPH06315704A

JPH06315704A - 熱間加工用二層被膜形成工具

Info

Publication number: JPH06315704A
Application number: JP5341922A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tsubouchi; 憲治坪内; Makoto Tsumura; 津村　　誠
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1994-11-15

Abstract

(57)【要約】【目的】被加工材が純ＴｉやＴｉ合金、マルテンサイト
系、オーステナイト系、二相系等のステンレス鋼等の難
加工性材料の熱間加工における焼付き防止と工具寿命の
延長。【構成】工具母材表面に、体積比で２０〜７０％のニオ
ブ炭化物粒子を含む金属ー炭化物複合被膜と、該被膜の
最表面に形成させた酸化物被膜とからなる二層被膜を形
成する。【効果】炭素鋼や低合金鋼は勿論、純ＴｉやＴｉ合金、
ステンレス鋼のような難加工性材料のプラグミル圧延に
おいても、プラグと素管内面の焼付きを防止できるの
で、内面疵のない素管を製造できるとともに、プラグ寿
命が大幅に延びる。また、管端アプセット加工用ダイや
マンドレルの寿命が大幅に延びる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、純ＴｉおよびＴｉ合
金や、マルテンサイト系、オーステナイト系、二相系等
のステンレス鋼等の難加工性材料の熱間加工用工具、特
にプラグミル圧延に使用されるプラグ等の製管用工具
や、管端部のアプセット加工用工具等に好適な熱間加工
用二層被膜形成工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、熱間で継目無管を製造する工程
の一つであるプラグミル圧延においては、素管外面を拘
束しながら軸方向に与える一対の孔型ロールと、素管内
面を拘束するプラグとによって圧延が行われるが、その
際プラグは１０００〜１２００℃の高温の素管内面と接
触しながら高面圧のもとで完全なすべり摩擦を受けるこ
とから、摩耗、焼付き、亀裂等の工具損傷を発生し易
い。

【０００３】このような状況下で使用されるプラグとし
ては、従来から１．０〜１．５％Ｃー２５％Ｃｒー３％
Ｎｉ鋼や１．０〜１．５％Ｃー１７％Ｃｒー２％Ｗ鋼等
の高Ｃー高Ｃｒ鋼が使用されている。

【０００４】一方、管端部のアプセット加工に用いられ
るダイ、グリッピングジョー、マンドレル等のアプセッ
ト加工用工具としては、ＪＩＳ規格のＳＫＤ６１相当鋼
等を熱処理してＨＲＣ４５程度の硬さとしたもの、ある
いはこれに窒化処理したものが使用されている。

【０００５】また、母材の管に接する面に粉体肉盛溶接
により、Ｃｏ基合金またはＣｏ基合金に硬質粒子を分散
保持させた層を肉盛溶接したダイやマンドレルが提案さ
れている（特開昭６２−５００３８号公報、特開昭６２
−５００３８号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、被加工材が
純ＴｉやＴｉ合金や、マルテンサイト系、オーステナイ
ト系、二相系等のステンレス鋼等の難加工性材料になる
と、従来のような鋳鋼製のプラグを用いてプラグミル圧
延を行う際、素管内面とプラグ表面との間で激しい焼付
きが発生し、プラグ表面に被加工材が不均一に多く付着
するためにプラグが使用不能となったり、この付着物が
素管内面を擦って筋状疵を発生させ内面手入れ工数およ
び費用の増大を招くという問題があった。

【０００７】また、ＪＩＳ規格のＳＫＤ６１相当鋼等を
熱処理してＨＲＣ４５程度の硬さとしたもの、あるいは
これに窒化処理したものでつくられたアプセット加工用
工具は、１２００〜１３００℃の高温に加熱された被加
工管と高面圧で接触して急加熱される上に、厳しい摩擦
を受けること、また加工後は水スプレー等で急冷却され
るため急熱、急冷が繰返されることにより摩耗、焼付
き、熱亀裂等が生じ易く、早期に使用不能になるといっ
た問題があった。

【０００８】さらに、母材の管に接する面に粉体肉盛溶
接により、Ｃｏ基合金またはＣｏ基合金に硬質粒子を分
散保持させた層を肉盛溶接したダイやマンドレルの場
合、従来のものに比べて多少の寿命の延長は期待できる
も、十分な効果が得られていないのが実状である。

【０００９】この発明は、このような従来の実状よりみ
て、純ＴｉやＴｉ合金、マルテンサイト系、オーステナ
イト系、二相系等のステンレス鋼等の難加工性材料をプ
ラグミル圧延する場合においても、プラグと素管内面の
焼付きを防止し、内面疵のない素管の製造を可能とする
とともに、プラグ寿命を大幅に向上でき、さらに管端の
アプセット加工においても前記の問題を解消し、高寿命
を期待できる熱間加工用二層被膜形成工具を提案しよう
とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決する手段として、母材表面に、体積比で２０〜７０
％のニオブ炭化物粒子を含む金属ー炭化物複合被膜と、
該被膜の最表面に形成させた酸化物被膜とからなる二層
被膜を形成することを要旨とするものである。

【００１１】

【作用】この発明において、金属ー炭化物複合被膜中の
ニオブ炭化物粒子の含有量を体積比で２０〜７０％に限
定したのは、以下に示す理由による。すなわち、金属中
に分散されたニオブ炭化物粒子は、被膜の常温から高温
におよぶ強度を高め摩耗を抑制する効果と、酸化被膜処
理を行った際に表面に露出したニオブ炭化物が優先的に
酸化されてニオブ主体の酸化物を形成して焼付きを防止
する効果、および酸化被膜が存在しなくなった場合にも
金属どうしの接触を妨げ焼付きを防止する効果がある。
これらの効果を有効に作用させるためには、少なくとも
体積比で２０％は必要であり、他方７０％を超えて含有
させても効果の増大を期待できないのみならず、炭化物
を保持する金属量が低下して被膜の形成が困難となるた
め、ニオブ炭化物粒子の含有量を体積比で２０〜７０％
に限定したのである。

【００１２】また、ニオブ炭化物粒子を保持する金属ー
炭化物複合被膜中のマトリックスの組成は、特に限定す
るものではないが、コストを考慮すると一般的に用いら
れるＦｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等が望まし
い。

【００１３】ニオブ炭化物粒子を含む金属ー炭化物複合
被膜の形成方法としては、母材とカプセルの間に金属お
よびニオブ炭化物の混合粉末を封入して熱間静水圧プレ
スする方法（ＨＩＰ法）、母材表面に上記粉末を塗布し
た後にレーザを照射して部分的に溶融、固化する方法
（レーザクラッディング）等も可能であるが、より簡便
に被膜を形成させる方法としては、電極と母材との間に
発生させたブラズマ中に上記粉末を送給して母材表面に
肉盛する方法（プラズマ粉体肉盛法）があり、製作コス
トの面でも有利である。このニオブ炭化物粒子を含む金
属ー炭化物複合被膜の厚さとしては、特に限定するもの
ではないが、常温から高温におよぶ範囲で十分な表面強
度を確保するためには少なくとも１ｍｍ以上の厚みを有
することが好ましい。

【００１４】また、このニオブ炭化物粒子を含む金属ー
炭化物複合被膜の最表面に酸化物被膜を形成する理由
は、被加工材と金属ー炭化物複合被膜との直接接触を防
止して焼付きを防ぐためである。本発明者らの研究によ
れば、酸化物がニオブを主成分とする酸化物である場合
に、その効果が最も大きい。この酸化物被膜を形成する
方法としては、酸化性雰囲気中で７５０〜１２００℃に
加熱しつつ適正時間保持すればよい。

【００１５】二層被膜が形成される母材は圧延途中で変
形したり、クラックが内部まで進展して割損が生じない
ことが必要であり、被加工材の温度や変形抵抗、あるい
は圧延条件等を考慮して適宜選択すればよい。一般的に
は、ステンレス鋼、炭素鋼、またはＳＫＤ等の合金鋼等
を使用する。母材に加わる負荷条件が特段に厳しくなら
ない限りは炭素鋼、低合金鋼等を使用できる。

【００１６】この発明の二層被膜形成工具は、被膜の常
温から高温におよぶ範囲で十分な表面強度が得られ、か
つ最表面の酸化被膜との複合効果により焼付き防止効果
が大きい。したがって、被加工材が炭素鋼や低合金鋼等
である場合は勿論、純ＴｉやＴｉ合金、マルテンサイト
系、オーステナイト系、二相系等のステンレス鋼のよう
な難加工性材料であっても、優れた耐焼付性を有し、プ
ラグミル用プラグ、管端アプセット加工用マンドレルや
ダイに限らず、ピアサー用プラグ、リーラ用プラグ、マ
ンドレルミル用マンドレルバー、ガイドシュー等にも十
分適用可能である。

【００１７】

【実施例１】Ｓ４５Ｃ鋼を母材とし、その表面にニオブ
炭化物の含有量を種々に変化させた金属ーニオブ炭化物
混合粉末をプラズマ粉体肉盛法によって肉盛した。その
際使用した金属粉末はＳＵＳ３１６ステンレス鋼粉であ
り、肉盛厚さは約２ｍｍであった。このプラグ表面を切
削により仕上げ加工した後、大気中で９００℃に１時間
保持して酸化被膜を形成させた。これらのプラグミルを
用いて純ＴｉおよびＴｉ合金（Ｔｉー６Ａｌー４Ｖ）素
管のプラグミル圧延を行った。本実施例におけるプラグ
表面被膜中のニオブ炭化物の含有量と素管内面の深さ
０．１ｍｍ以上の筋状疵の全長との関係を、従来プラグ
と比較して図１に示す。素管の寸法、温度は表１に示す
通りである。

【００１８】この圧延テストの結果、被膜中のニオブ炭
化物量を本発明の範囲（体積比で２０〜７０％）とした
プラグでは、プラグ表面に対する被圧延材の焼付きもほ
とんどなく、圧延後の素管内面も図１から明らかなごと
く筋状疵も目視では確認できない程度の極微少で極めて
平滑な内面が得られたのに対し、ニオブ炭化物の量が本
発明範囲に満たないプラグおよび従来のプラグでは、プ
ラグ表面に被加工材が不均一に付着し、素管内面に多数
の筋状疵が発生した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【実施例２】ＳＫＤ６鋼を母材としたプラグの表面にニ
オブ炭化物粉末と種々の金属粉末とを体積比で５０％ず
つ混合した粉末をプラズマ粉体肉盛法によって肉盛し
た。その際使用した金属粉末は、Ｎｉー１５％Ｃｒー１
６％Ｍｏー４％Ｗ合金（％は重量比、以下同様）、Ｎｉ
ー５０Ｃｒ合金、Ｃｏー２７％Ｃｒー５％Ｍｏ合金の三
種類であり、肉盛厚さは約２ｍｍであった。このプラグ
表面を切削により仕上げ加工した後、大気中で１０００
℃に３０分間保持して酸化被膜を形成させた。これらの
プラグミルを用いて実施例１と同様の圧延段取でＴｉ合
金（Ｔｉー６Ａｌー４Ｖ）素管のプラグミル圧延を行っ
た結果、いずれのプラグも被加工材の付着はほとんどな
く、素管内面の深さ０．１ｍｍ以上の筋状疵も確認され
なかった。

【００２１】

【実施例３】ＳＫＤ６１鋼を母材としたプラグの表面に
ニオブ炭化物の含有量を種々に変化させた金属ーニオブ
炭化物混合粉末をプラズマ粉体肉盛法によって肉盛し
た。その際使用した金属粉末は、５０％Ｎｉー５０％Ｃ
ｒ合金粉であり、肉盛厚さは約３ｍｍであった。このプ
ラグ表面を切削により仕上げ加工した後、大気中で１０
００℃に３０分間保持して酸化被膜を形成させた。ま
た、比較のために、本実施例と同じＳＫＤ６１鋼を母材
としたプラグの表面に、上記と同じ合金粉末と、ニオブ
を５％含有するニオブ炭化物との混合粉末をプラズマ粉
体肉盛法によって約３ｍｍ肉盛し、このプラグ表面を切
削により仕上げ加工して非酸化被膜を形成させた。これ
らのプラグおよび従来プラグを用いてＳＵＳ３０４ステ
ンレス鋼を各５本、プラグミル圧延を実施し、各素管内
面に生じた深さ０．１ｍｍ以上の筋状疵の長さを測定
し、各プラグを用いた場合の素管１本当りの筋状疵の長
さを比較して図２に示す。素管の寸法、温度は表１に示
す通りである。

【００２２】図２の結果より、本発明のプラグを用いた
場合、素管内面の筋状疵を極端に低減できることがわか
る。一方、同じニオブ炭化物混合粉末を用いた比較例の
場合は、ニオブ炭化物の含有量が５％と少ないことと、
被膜が酸化処理されていないことにより、素管内面の筋
状疵を十分に低減できないことがわかる。

【００２３】

【実施例４】Ｓ２０Ｃ鋼を母材としたプラグの表面に体
積比でニオブ炭化物粉末５０％、ＳＵＳ３１６ステンレ
ス鋼粉末５０％の混合粉末をプラズマ粉体肉盛法によっ
て約３ｍｍの厚さに肉盛し、その表面を切削により仕上
げ加工した後、大気中で９００℃に１時間保持して酸化
被膜を形成させた。この酸化被膜形成プラグを用いて各
種ステンレス鋼素管のプラグミル圧延を実施した。素管
の寸法、温度は表１に示す通りである。本実施例では、
摩耗や焼付きによってプラグが再使用不能になるまで圧
延テストを繰返し、パイプ内面に０．１ｍｍ以上の深さ
の筋状疵が発生する比率（内面発生率）、およびプラグ
寿命を評価した。その結果を表２に示す。なお、表２に
は比較のため、同一プラグの表面に体積比でニオブ炭化
物粉末１０％含有の混合粉末をプラズマ粉体肉盛法によ
って約３ｍｍ肉盛した非酸化被膜を形成したプラグと、
従来プラグを用いた場合を併せて示した。

【００２４】表２に示す結果より、本発明プラグは比較
例および従来のプラグに比べ焼付きによる内面筋状疵を
大幅に軽減できるとともに、プラグ寿命も著しく向上す
ることがわかる。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【実施例５】Ｓ４５Ｃ鋼を母材とした管端アプセット加
工用ダイの表面にニオブ炭化物の含有量を種々に変化さ
せた金属ーニオブ炭化物混合粉末をプラズマ粉体肉盛法
によって肉盛した。その際使用した金属粉末は、ＳＵＳ
３１６ステンレス鋼粉であり、肉盛厚さは約２ｍｍであ
った。このダイ表面を切削により仕上げ加工した後、大
気中で９００℃に１時間保持して酸化被膜を形成させ
た。これらのダイを実機の１３Ｃｒ鋼からなる鋼管の管
端アプセット加工に使用した結果を、比較例および従来
例と併せて表３に示す。

【００２７】表３の結果は、従来使用されているＳＫＤ
６１鋼に窒化処理を施したダイの寿命を基準とした時の
寿命比で示したが、本発明によるダイは、従来ダイの
２．５〜３．６倍の長寿命を有していることがわかる。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【実施例６】ＳＫＴ４鋼を母材とした管端アプセット加
工用マンドレルの表面にニオブ炭化物粉末と種々の金属
粉末とを体積比で５０％ずつ混合した粉末をプラズマ粉
体肉盛法によって約２ｍｍの厚さに肉盛し、その表面を
切削により仕上げ加工した後、大気中で１０００℃に３
０分間保持して酸化被膜を形成させた。これらのマンド
レルを実施例５と同様に実機の１３Ｃｒ鋼からなる鋼管
の管端アプセット加工に使用した結果を、比較例および
従来例と併せて表４に示す。

【００３０】表４の結果は、従来使用されているＳＫＤ
６１鋼に窒化処理を施したマンドレルの寿命を基準とし
た時の寿命比で示したが、本発明によるマンドレルは、
従来マンドレルの２．８〜３．５倍の長寿命を有してい
ることがわかる。

【００３１】

【表４】

【００３２】

【発明の効果】以上説明したごとく、この発明の二層被
膜形成工具は、被膜の常温から高温におよぶ範囲で十分
な表面強度が得られ、かつ最表面の酸化被膜との複合効
果により焼付き防止効果が大きいため、被加工材が純Ｔ
ｉやＴｉ合金、マルテンサイト系、オーステナイト系、
二相系等のステンレス鋼のような難加工性材料を例えば
プラグミル圧延する際、この発明の二層被膜形成プラグ
を使用することによってプラグと素管内面の焼付きが防
止され、内面疵の極めて少ない素管の製造が可能とな
り、内面手入れ費用の削減とプラグ寿命の向上によるプ
ラグコストの低減がはかられるという多大な効果を奏す
る。また、前記難加工性材料等の管端アプセット加工に
この発明の二層被膜形成ダイあるいはマンドレルを使用
することにより、ダイやマンドレルの大幅な寿命延長が
はかられ、工具費用を大幅に低減できるという大なる経
済的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１におけるプラグ表面被膜中
のニオブ炭化物の含有量と圧延後の素管に発生する筋状
疵の全長との関係を示す図である。

【図２】この発明の実施例３におけるプラグ表面被膜中
のニオブ炭化物の含有量と素管１本当りの筋状疵の長さ
との関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材表面に、体積比で２０〜７０％のニ
オブ炭化物粒子を含む金属ー炭化物複合被膜と、該被膜
の最表面に形成させた酸化物被膜とからなる二層被膜を
有することを特徴とする熱間加工用二層被膜形成工具。