JPH0867991A - 熱間加工用二層被膜形成工具およびその製造方法 - Google Patents

熱間加工用二層被膜形成工具およびその製造方法

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JPH0867991A
JPH0867991A JP22579494A JP22579494A JPH0867991A JP H0867991 A JPH0867991 A JP H0867991A JP 22579494 A JP22579494 A JP 22579494A JP 22579494 A JP22579494 A JP 22579494A JP H0867991 A JPH0867991 A JP H0867991A
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Kenji Tsubouchi
憲治 坪内
Makoto Tsumura
津村　　誠
Masaru Izawa
勝 井澤
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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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
最表面に均一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。この酸化物被膜の厚さを２０μｍ以上と
すればより一層好ましい。 【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とその製造方法に関する。
【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鋳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、特開昭６２−５００３８号公報に
は、管に接する母材表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（提案
１）。さらに、特開昭６３−１４８４９号公報には、母
材表面に、粉体肉盛溶接によりＴｉまたはＮｂの炭化物
または窒化物を分散させたり、その表面を酸化処理して
ＴｉＯ２等の酸化物を生成させた継目無鋼管圧延用工具
が提案されている（提案２）。
【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、従来材質の鋳鋼製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
工具用材料を用いた場合、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、前記の提案１のように、管に接す
る母材表面に粉体肉盛溶接により、Ｃｏ基合金またはＣ
ｏ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。また、前記の提案２の材料を用いた場
合でも、難加工材を加工する際には、酸化被膜がなけれ
ば焼付きが生じるし、ＴｉＯ２等の分散粒子の酸化物被
膜を形成させても表面に露出したマトリックス金属の部
分で局部的な焼付きが生じるため、十分な効果が得られ
ていないのが現状である。
【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
解決するために鋭意研究を行った結果、以下のような結
果を見いだした。 熱間加工に使用される際、工具表面は数百℃、場合に
よっては１０００℃以上まで温度上昇する。このような
状況下で使用される工具表層の摩耗や変形を防止するに
は炭化物、特にニオブ炭化物を多量に含む金属ー炭化物
複合被膜を形成させるのが有効である。 ただし、このような被覆層でも表面には一部金属が露
出しており、これだけでは耐焼付性の点で十分な効果が
得られない。 前記の金属ー炭化物複合被膜を、１０％以上の水蒸気
を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、表面に露出
したニオブ炭化物とマトリックス金属との両方を同時に
酸化させ、表面に均一な酸化被膜を形成させることがで
きる。これにより、金属ー炭化物複合被膜の耐焼付性が
大幅に向上する上、工具表層の摩耗や変形を防止する効
果がさらに高まる。
【００１１】この発明は、上記の知見に基づいてなされ
たもので、第１の発明の要旨は、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、該被膜の最表面に均一に形成させた酸化物被
膜とからなる二層被膜を有する熱間加工用二層被膜形成
工具であり、第２の発明の要旨は、最表面の酸化物被膜
の厚さが２０μｍ以上であることを特徴とする熱間加工
用二層被膜形成工具であり、第３の発明の要旨は、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を形成した後、１０％以上の
水蒸気を含む雰囲気中で８００〜１１５０℃に加熱、保
持する酸化被膜形成処理を施すことを特徴とするもので
ある。
【００１２】
【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酸化され
てニオブ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。
【００１３】金属ー炭化物複合被膜中の金属の組成は特
に限定するものではないが、ある程度の高温強度と靭性
を持ち、しかも熱処理で上記のニオブ酸化物の形成と同
時に鉄酸化物を生じ、均一な酸化被膜を形成するものが
望ましい。これらの特性を満足する合金として、マルテ
ンサイト系やオーステナイト系ステンレスがあり、本発
明の金属ー炭化物複合被膜のマトリックス金属として最
も好ましい。
【００１４】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前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、母材との
密着性および緻密性に優れる上、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。
【００１５】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り、表面に露出した炭化物
と金属の両方が均一に酸化される。上記の効果は、酸化
物被膜の膜厚が２０μｍ以上の場合に最も大きい。すな
わち、酸化物被膜の厚さが２０μｍ未満では、耐焼付性
の点で十分な効果が得られないためである。したがっ
て、この酸化物被膜は厚くするほど耐焼付性が向上する
が、製造コストを考慮すると膜厚の上限は２００μｍ程
度が好ましい。
【００１６】このような酸化物被膜を形成させる方法と
して、水蒸気を１０％以上含む雰囲気中で８００〜１１
５０℃に加熱、保持する方法をこうじたのは、以下に示
す理由による。すなわち、雰囲気中の水蒸気を１０％以
上に限定したのは、水蒸気が１０％未満では、表面に露
出したニオブ炭化物が優先的に酸化されるために相対的
には表面のマトリックス金属部分の酸化が遅れ、均一な
酸化被膜が形成されないためである。他方、水蒸気の量
的上限は特に限定するものではないが、水蒸気が多すぎ
ると、酸化被膜がポーラスになりやすくなるため１５〜
２０％程度とすることが望ましい。
【００１７】また、熱処理温度を８００〜１１５０℃に
限定したのは、８００℃未満では２０μｍ以上の厚みの
酸化被膜を得るのに極めて長時間を要し、実用面で問題
となるためであり、他方１１５０℃を超える温度では酸
化被膜の緻密性が劣る上に剥離し易くなるためである。
なお、よりいっそう下地との密着性に優れた酸化被膜を
形成させるには、熱処理した際の冷却速度を５０℃／Ｈ
ｒとすることが好ましい。
【００１８】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。
【００１９】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。
【００２０】
【実施例】
実施例１ プラグミルで使用するプラグを対象として、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Ｓ
ＵＳ３０４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、水蒸気を２０％含む雰囲気中で９５０℃に３時間保
持して厚さ３０μｍの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６Ａ
ｌ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（焼付疵）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。
【００２１】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。
【００２２】
【表１】
【００２３】実施例２ プラグミルで使用するプラグを対象として、ＳＫＤ６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、
ＳＵＳ４１０ステンレス鋼粉であり、肉盛厚さは約３ｍ
ｍ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、水蒸気を１５％含む雰囲気中で１０５０℃に２時
間保持して厚さ１００μｍの酸化被膜を形成させた。こ
れらのプラグと、酸化被膜を形成させていないプラ
グ、、および従来プラグを用いてＳＵＳ３０４ステンレ
ス鋼素管のプラグミル圧延を行った。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（焼付疵）の全長との関係を、従来プラグ
と比較して図２に示す。素管の寸法、温度は前記表１に
示す通りである。
【００２４】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、同じ金属ーニオブ炭化物複合被膜を形成させ
たプラグを用いた比較例の場合、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。
【００２５】実施例３ プラグミルで使用するプラグを対象として、Ｓ２０Ｃ鋼
を母材としたプラグの表面にニオブ炭化物粉末５０％、
ＳＵＳ３１６ステンレス鋼粉５０％の混合粉末をプラズ
マ粉体肉盛法によって約２ｍｍの厚さに肉盛溶接し、そ
の表面を切削により仕上加工した後、水蒸気を２０％含
む雰囲気中で９００℃に４時間保持して厚さ５０μｍの
酸化被膜を形成させた。これらの二層被膜形成プラグを
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、温度は前記表１に示す通りである。
【００２６】本実施例では、摩耗や焼付によってプラグ
が再使用不能になるまで圧延テストを繰返し、パイプ表
面に０．１ｍｍ以上の深さの筋状疵が発生する比率（内
面疵発生率）、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
母材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２ｍｍ肉盛溶接
し、酸化被膜処理していないプラグ（比較例）と、従来
プラグ（従来例）を用いた場合を併せて示した。
【００２７】表２に示す結果より、本発明プラグは比較
例および従来例のプラグに比べ焼付による管内面疵を大
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。
【００２８】
【表２】
【００２９】実施例４ ＳＫＤ６１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、ＳＵＳ３０４ステ
ンレス鋼粉であり、肉盛厚さは約３ｍｍであった。この
ダイ表面を切削により仕上げ加工した後、水蒸気を２０
％含む雰囲気中で１０００℃で酸化被膜を形成させた。
その際、保持時間を変えて酸化被膜の厚みを変化させた
ものを準備した。これらのダイを用い、実機で１３Ｃｒ
鋼からなる鋼管の管端アプセット加工を実施した結果
を、比較例および従来例と併せて表３に示す。
【００３０】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
２．８〜３．７倍の長寿命を有しており、その中でも特
に酸化被膜が２０μｍ以上の場合に寿命延長効果が高い
ことがわかる。
【００３１】
【表３】
【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２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。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 24/10 Ａ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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ニオブ酸化物と鉄酸化物を主成分
    とする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。
  2. 【請求項２】 最表面の酸化物被膜の厚さが２０μｍ以
    上であることを特徴とする請求鋼１記載の熱間加工用二
    層被膜形成工具。
  3. 【請求項３】 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を形成し
    た後、１０％以上の水蒸気を含む雰囲気中で８００〜１
    １５０℃に加熱、保持する酸化被膜形成処理を施すこと
    を特徴とする熱間加工用二層被膜形成工具の製造方法。
JP22579494A 1994-08-26 1994-08-26 熱間加工用二層被膜形成工具およびその製造方法 Pending JPH0867991A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007160338A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Sumitomo Metal Ind Ltd 熱間加工用工具および継目無鋼管の製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007160338A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Sumitomo Metal Ind Ltd 熱間加工用工具および継目無鋼管の製造方法
JP4736773B2 (ja) * 2005-12-13 2011-07-27 住友金属工業株式会社 継目無鋼管の製造方法

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