JPH0952105A - プラグミル圧延用プラグおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】管内面との焼付きが確実に防止でき、内面疵の
ない管の製造が可能であり、その使用寿命を大幅に向上
させたプラグミル圧延用プラグとその製造方法を提供す
る。 【解決手段】（１）プラグ母材全体の硬さがビッカース
硬度（Ｈｖ）で２２０以上であり、この母材表面に体積
比で２０〜７０％のニオブ炭化物粒子を含む金属−炭化
物複合被膜と、この複合被膜表面に酸化物被膜との二層
被膜を形成したプラグミル圧延用プラグ。 （２）プラグ母材表面に、２０〜７０体積％のニオブ炭
化物粒子を含む金属−炭化物複合被膜を形成させた後、
７５０〜１２００℃の酸化性雰囲気中に加熱保持して酸
化物被膜を形成させ、次いでプラグ母材中心部硬さがビ
ッカース硬度（Ｈｖ）で２２０以上となるように冷却す
る方法。 【効果】内面疵の極めて少ない純ＴｉやＴｉ合金、マル
テンサイト系、オーステナイト系、二相系などのステン
レス鋼のような難加工性材料製の継目無管の製造を可能
にする。また、プラグの使用寿命が倍増する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、継目無管のプラグ
ミル圧延に使用されるプラグとその製造方法に関し、特
に純ＴｉやＴｉ合金、マルテンサイト系、オーステナイ
ト系、二相系などのステンレス鋼などの難加工性材料か
らなる継目無管のプラグミル圧延に使用して好適なプラ
グ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方法
の一つであるプラグミル圧延法においては、管外面を拘
束しながら軸方向に送りを与える上下一対の孔型ロール
と、管内面を拘束するプラグとによって圧延が行われ
る。この圧延時、プラグは１０００〜１２００℃の高温
の管内面と接触しながら高面圧の下で完全な滑り摩擦を
受けるので、摩耗、焼付き、亀裂などの工具損傷が発生
し易い。

【０００３】特に、被圧延材が純ＴｉやＴｉ合金、マル
テンサイト系、オーステナイト系、二相系などのステン
レス鋼などの難加工性材料になると、プラグミル圧延を
行う際、管内面とプラグ表面との間で激しい焼付きが発
生し、プラグ表面に被圧延材料が不均一に多く付着す
る。その結果、プラグが使用不能になったり、付着物が
管内面を擦って筋状疵を発生させるため、管内面の手入
れ工数および費用の増大を招くという問題があった。

【０００４】従来、プラグミル圧延用プラグとしては、
１．０〜１．５％Ｃ−２５％Ｃｒ−３％Ｎｉ鋼製や、
１．０〜１．５％Ｃ−１７％Ｃｒ−２％Ｗ鋼などの高Ｃ
−高Ｃｒ鋳鋼製のものが使用されていた。しかし、これ
らの鋼製プラグを上記難加工性材料の圧延に用いた場
合、前述の焼付き発生が著しく、プラグミルによる圧延
を行うこと自体が不可能な状態であった。また、仮に圧
延製管できたとしても、プラグや成品手入れに莫大な費
用をかける必要があった。

【０００５】そこで、本発明者らは、上記難加工性材料
のプラグミル圧延に使用しても焼付きが発生せず、優れ
た性能を有するプラグミル圧延用プラグとして、「体積
比で２０〜７０％のニオブ炭化物粒子を含む金属−炭化
物複合被膜と、該被膜の表面に形成させた酸化物被膜と
からなる二層被膜を母材表面に形成させた熱間加工用工
具」を先に提案した（特開平６−３１５７０４号公
報）。

【０００６】この先に提案した構成からなるプラグを使
用する場合には、上記難加工性材料を何らの問題もなく
プラグミル圧延できるのに加え、プラグコストを大幅に
削減でき、焼付き疵のほとんどない内面品質の良好な管
が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、本発明者
らが先に提案した構成からなるプラグは、上記難加工性
材料のプラグミル圧延を可能とするのみならず、大幅な
プラグコスト低減および焼付き疵のほとんどない内面品
質の良好な管を得ることができる。

【０００８】一般に、プラグミル圧延用プラグは、繰り
返し使用していく過程でその表面に「焼付き」や「えぐ
れ」と言った表面損傷が発生し、これが管内面性状を悪
化させ始める直前で取り替えられ、通常、この時点まで
の使用回数をもってその寿命とされる。

【０００９】ところが、先に提案の二層被膜形成プラグ
は、上述の「焼付き」や「えぐれ」のような表面損傷の
発生は皆無で、繰り返し使用した際に二層被膜、特に金
属−炭化物複合被膜が顕著に摩耗する一方、プラグ母材
が変形してプラグ外径が徐々に減少するのみである。こ
のため、その外径の減少に伴い、やがては管寸法に変化
が生じるようになり、十分な耐焼付き性を有するにもか
かわらず使用できなくなるという問題があった。

【００１０】一方、熱管継目無金属管の製管技術分野に
おいては、製造コスト低減の合理化に対する要望が極め
て強く、先に提案した構成からなるプラグミル圧延用プ
ラグについても、より一層の長寿命化が望まれているの
が実情である。

【００１１】本発明の課題は、このような実情に鑑みな
されたもので、純ＴｉやＴｉ合金、マルテンサイト系、
オーステナイト系、二相系などのステンレス鋼などの難
加工材料をプラグミル圧延する場合においても、プラグ
と管内面とが焼付くのをより確実に防止して内面疵のな
い管の製造を可能にとするとともに、その使用寿命を大
幅に向上させたプラグミル圧延用プラグと、その製造方
法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために鋭意実験研究を行い、次の〜の
ことを知見した。

【００１３】 プラグ母材の変形と二層被膜の摩耗、
特に金属−炭化物複合被膜の顕著な摩耗とによる外径減
少に伴う寿命低減を防止するには、プラグ母材の強度と
二層被膜中の金属−炭化物複合被膜の耐摩耗性を向上さ
せる必要のあること。

【００１４】 プラグ母材の耐変形性とその母材表面
に形成させた二層被膜中の金属−炭化物複合被膜の耐摩
耗性は、プラグ母材の表面から中心部までの硬さ、換言
すればプラグ母材全体の硬さに大きく依存し、その硬さ
をビッカース硬度（Ｈｖ）で２２０以上に調整すると、
プラグ母材の耐変形性と金属−炭化物複合被膜の耐摩耗
性が大幅に向上し、プラグの外径減少に伴う使用寿命低
減を大幅に改善させ得ること。

【００１５】 二層被膜を構成する酸化物被膜は、プ
ラグ母材表面に金属−炭化物複合被膜を形成させた後、
酸化雰囲気中で加熱処理して形成させるが、その加熱温
度を７５０〜１２００℃とすれる場合に上記および
を満たすプラグ母材硬度と二層被膜が得られること。

【００１６】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
もので、次の（１）および（２）のプラグミル圧延用プ
ラグとその製造方法を要旨とする。

【００１７】（１）全体の硬さがビッカース硬度（Ｈ
ｖ）で２２０以上のプラグ母材表面に、体積比で２０〜
７０％のニオブ炭化物粒子を含む金属−炭化物複合被膜
と、この金属−炭化物複合被膜の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したことを特徴とする
プラグミル圧延用プラグ。

【００１８】（２）プラグ母材表面に、体積比で２０〜
７０％のニオブ炭化物粒子を含む金属−炭化物複合被膜
を形成させ、次いで７５０〜１２００℃の酸化性雰囲気
中に加熱保持した後、プラグ母材全体の硬さがビッカー
ス硬度（Ｈｖ）で２２０以上となるように所定の冷却速
度で冷却することを特徴とする請求項１に記載のプラグ
ミル圧延用プラグの製造方法。

【００１９】上記（１）に記載のプラグにおいて、プラ
グ母材の硬さの上限は、ビッカース硬度（Ｈｖ）で３５
０以下とするのが好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラグミル圧延用
プラグとその製造方法において、各条件を上記（１）お
よび（２）に記載の如く定めた理由を詳細に説明する。

【００２１】本発明において、金属−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、次の理由による。

【００２２】ニオブ炭化物粒子は、金属−炭化物複合被
膜を構成するマトリックス金属中に分散して当該被膜の
常温から高温（１２００℃程度）におよぶ強度を高め、
その耐摩耗性を向上させる作用を有している。また、金
属−炭化物複合被膜の形成後に施す酸化物被膜形成熱処
理時に、金属−炭化物複合被膜表面に露出したニオブ炭
化物が酸化されて外層の酸化物被膜であるニオブ酸化物
被膜を形成し、圧延使用時の焼付き防止を図る作用を有
している。さらに、上記酸化物被膜が摩耗消失した場合
にあっても、金属同士（被圧延材とプラグ母材）が直接
接触するのを妨げて焼付きが発生するのを防止する作用
を有している。

【００２３】これらの作用効果は、ニオブ炭化物粒子の
含有量が体積比で２０％未満では得られない。一方、７
０％を超えて含有させてもその効果は飽和するみなら
ず、ニオブ炭化物粒子を保持する金属量が少なくなり、
複合被膜自体を形成することが困難になる。従って、ニ
オブ炭化物粒子の含有量は、体積比で２０〜７０％とし
た。なお、好ましい含有量は、３０〜５０％である。

【００２４】上記ニオブ炭化物粒子の大きさは、特に限
定されない。しかし、粒子の大きさが小さ過ぎると金属
−炭化物複合被膜の耐摩耗性が低下し、逆に大き過ぎる
と熱亀裂が発生、進展し易くなるので、その平均粒径が
６５〜１３５μｍ程度のものを用いるのが好ましい。

【００２５】金属−炭化物複合被膜を構成するマトリッ
クス金属は特に限定されず、どのような金属であっても
よいが、ある程度の高温強度（１０００℃におけるがビ
ッカース硬度がＨｖ１０以上）と靭性（常温シャルピー
試験における吸収エネルギが２０Ｊ以上）を有するもの
が好ましい。また、酸化物被膜形成熱処理時に上記ニオ
ブ酸化物を形成するとともに、潤滑性を有する鉄含有酸
化物が生成し、かつ均一で緻密な酸化物被膜の形成し易
いものが好ましい。これらの特性を満足する金属として
は、マルテンサイト系ステンレス鋼やオーステナイト系
ステンレス鋼、さらには鉄基の耐熱鋼などを挙げること
ができる。これらのうち、本発明のプラグミル圧延用プ
ラグでは、マルテンサイト系やオーステナイト系のステ
ンレス鋼を用いるのが、プラグ製作コストを低く抑える
点で最も好ましい。

【００２６】上記金属−炭化物複合被膜の形成方法とし
ては、次のような方法を挙げることができる。（ａ）所
定の形状に成形したプラグ母材を、金属粉とニオブ炭化
物粉との混合粉末とともにカプセル内に封入して熱間静
水圧プレス加工する方法（ＨＩＰ法）。（ｂ）所定の形
状に成形したプラグ母材表面に上記混合粉末を塗布した
後あるいは混合粉末を送給しながらレーザビームを照射
して溶融、固化する方法（レーザクラッディング）。
（ｃ）所定の形状に成形したプラグ母材表面と電極との
間にプラズマを発生させ、このプラズマ中に上記混合粉
末を送給してプラグ母材表面に肉盛する方法（プラズマ
粉体肉盛法）。これら方法のうち、（ｃ）の方法が最も
簡便かつ低廉であり、プラグ母材に対する密着性および
緻密性に優れた金属−炭化物複合被膜が得られるので、
この方法を用いるのが好ましい。

【００２７】金属−炭化物複合被膜の厚さは、特に限定
されない。しかし、常温から高温（１２００℃程度）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以上の厚さとするのがよく、厚ければ厚いほ
ど好ましい。ただし、あまり厚くしてもその効果のより
一層の向上は認められず、プラグ製作コストが高くなる
だけであるので、１０ｍｍ以下の厚さに留めるのが望ま
しい。

【００２８】また、プラグ母材の表面に金属−炭化物複
合被膜と酸化物被膜との二層被膜を形成させ、かつ金属
−炭化物複合被膜を構成する炭化物としてニオブ炭化物
を用いることとしたのは、次の理由による。すなわち、
二層被膜としたのは、外層被膜である酸化物被膜により
金属−炭化物複合被膜と被圧延材との直接接触を防止
し、焼付きが発生するのを防ぐためである。また、炭化
物にニオブ炭化物を用いたのは、種々実験研究の結果、
酸化物被膜がニオブを主成分とする酸化物被膜である場
合、その効果が最も大きいことを確認したためでる。

【００２９】上記二層被膜を構成する酸化物被膜の厚さ
は、特に限定されない。しかし、焼付き防止作用、特に
使用初期における十分な焼付き防止作用を確保するため
には少なくとも５μｍ以上の厚さとするのがよく、厚け
れば厚いほど好ましい。ただし、あまり厚くするとかえ
って剥離し易くなるので、１００μｍ以下の厚さに留め
るのが望ましい。

【００３０】プラグ母材の硬さは、その表面から中心部
まで、換言すれば全体の硬さをビッカース硬度（Ｈｖ）
で２２０以上にする必要がある。すなわち、プラグ母材
の表面層部分のみの硬さを高くするのみでは、その表面
に形成させた二層被膜を構成する金属−炭化物複合被膜
の耐摩耗性は向上するももの、プラグ母材の耐変形性は
何ら改善されず、繰り返し使用時にプラグの外径が早期
に減少してしまう。このことは、図１に示す結果から明
らかである。

【００３１】図１は、後述する実施例の結果を示す図で
あるが、プラグ母材中心部の硬さをビッカース硬度（Ｈ
ｖ）で２２０以上にした場合、プラグの使用寿命が倍増
している。これに対し、図中に○印で示すように、その
中心部の硬さがビッカース硬度（Ｈｖ）２００で、表面
からプラグ外径の１／４深さまでの表層部のみの硬さを
Ｈｖ２２０以上にしたプラグの使用寿命はほとんど改善
されていないことから明かである。

【００３２】なお、プラグ母材の表面から中心部までの
硬さの上限は特に定める必要はないが、図１の結果から
明らかなように、２７０を超えて高くしてもその効果は
飽和し、あまり高くすると逆に繰り返し使用する際のハ
ンドリング時の機械的衝撃や熱衝撃および熱疲労によっ
てクラックが発生、進展し易くなり、割損する危険性が
高くなるのでＨｖ３５０以下に留めるのが望ましい。

【００３３】プラグ母材の材質は、上記の硬度が得られ
るものであればどのようなものでもよく、通常、熱間加
工用工具として用いられる炭素鋼、合金鋼、ステンレス
鋼あるいはＮｉ基合金などを用いることができる。しか
し、プラグの製作コストなどを考慮すると、炭素鋼（例
えば、ＪＩＳ−Ｓ４５Ｃ）あるいは合金鋼（例えば、Ｊ
ＩＳ−ＳＮＣＭ６３０）を用いるのが好ましい。

【００３４】これらの材質を用いて所定の形状に成形さ
れたプラグ母材の中心部硬さは、その表面に金属−炭化
物複合被膜表面を形成させた後、この複合被膜表面にニ
オブ酸化物を主とする酸化物被膜を形成させるべく施す
熱処理条件によって決まり、特に冷却速度が重要な役割
を果たす。ところが、周知のように、用いる材質やプラ
グ母材の大きさ（質量）さらには加熱温度と保持時間に
よって、適正な冷却速度は変化するので、冷却速度を一
律に定めることは不可能である。従って、冷却速度は、
プラグ母材中心部の硬さがビッカース硬度（Ｈｖ）で２
２０以上となるように、そのプラグ母材の大きさ、用い
る材質および加熱条件に基づいて予め実験などの適宜な
手段によって求めておき、この予め求めた冷却速度で冷
却すればよい。

【００３５】ただし、加熱は酸化性雰囲気中で行い、加
熱保持温度は７５０〜１２００℃とする必要がある。す
なわち、加熱保持温度が７５０゜Ｃ未満では被圧延材料
と金属−炭化物複合被膜とが直接接触して焼付くのを防
止するのに必要な厚さ（例えば、５μｍ以上）の酸化物
被膜を生成させるのに極めて長時間（１０時間以上）を
要し、実用的でない。逆に、加熱保持温度が１２００℃
を超えると酸化物被膜の緻密性が劣化するとともに剥離
し易くなるからである。また、加熱雰囲気が酸化性雰囲
気でないと所望の酸化物被膜が形成されないからであ
る。

【００３６】

【実施例】

《実験例１》ＳＮＣＭ６３０鋼製のプラグ母材表面に、
平均粒径が１００μｍのニオブ炭化物粉末と平均粒径が
１００μｍのＳＵＳ３１６ステンレス鋼粉末とを体積比
で１：１の割合で混合した混合粉末をプラズマ粉体肉盛
法によって肉盛溶接して金属−炭化物複合被膜を形成
し、その表面を切削により仕上げ加工して金属−炭化物
複合被膜の厚さを２ｍｍに調整したプラグを複数個準備
した。

【００３７】次いで、これらのプラグを９００℃の大気
雰囲気加熱炉中に２時間保持し、金属−炭化物複合被膜
の表面に厚さ１０μｍの酸化物被膜を形成させた後、加
熱炉から取り出し冷却した。その際、冷却速度を種々変
えてプラグ母材中心部の硬度を種々変化させた。また、
比較のため、その中心部の硬さがＨｖ２００で、プラグ
母材の表面からプラグ外径の１／４深さまでの表層部分
の硬度をＨｖ２２０以上にしたものも準備した。

【００３８】これら二層被膜を形成させたプラグを用
い、ＳＵＳ４１０ステンレス鋼製の管をプラグミル圧延
してその使用寿命を調べた。なお、管の圧延前寸法と温
度および圧延後の寸法は、表１に示すとおりである。ま
た、プラグの使用寿命は、各プラグで圧延を繰り返し行
い、プラグの外径が同程度に減少して使用不能になるま
での圧延本数を調査し、最小の圧延本数のものに対する
比を求めてプラグ寿命比として表した。その結果を、図
１に示した。

【００３９】図１中、●印で示すように、プラグ母材中
心部のビッカース硬度（Ｈｖ）が２２０未満のプラグに
比べ、本発明のプラグである母材中心部のビッカース硬
度（Ｈｖ）が２２０以上のプラグの寿命は２倍以上であ
る。これに対し、その表層部のみの硬度を２２０以上に
したもプラグ（図中の○印）の寿命比は、母材中心部の
ビッカース硬度（Ｈｖ）が２２０未満のプラグと同じで
あることがわかる。

【００４０】

【表１】

【００４１】《実験例２》ＳＫＤ６１鋼製のプラグ母材
表面に、平均粒径が１２０μｍのニオブ炭化物粉末と平
均粒径が１２０μｍのＳＵＳ４１０ステンレス鋼粉末と
を種々の体積比で混合した混合粉末をプラズマ粉体肉盛
法によって肉盛溶接して金属−炭化物複合被膜を形成
し、その表面を切削により仕上げ加工して金属−炭化物
複合被膜の厚さを３ｍｍに調整したプラグを複数個準備
した。

【００４２】次いで、これらのプラグを１０００℃の水
蒸気を２０体積％含む酸化性雰囲気の加熱炉中に２時間
保持し、金属−炭化物複合被膜の表面に厚さ５０μｍの
酸化物被膜を形成させた後に加熱炉から取り出し、プラ
グ母材中心部のビッカース硬度（Ｈｖ）が３５０になる
ように冷却した。なお、一部のプラグについては、プラ
グ母材中心部のビッカース硬度（Ｈｖ）が２００になる
ように冷却した。

【００４３】これらのプラグを用い、上記表１に示すと
同じ条件でＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の管をプラグミ
ル圧延し、各プラグの使用寿命を調べた。なお、プラグ
の使用寿命は、実験例１と同じ方法によって評価した。
その結果を、表２に示した。

【００４４】

【表２】

【００４５】表２に示す結果から明らかなように、本発
明のプラグ（No. １〜４）は、プラグ母材中心部硬度
（Ｈｖ）が２００の比較例（No. ７）の１．５〜２．６
倍と長い。これに対し、プラグ母材中心部硬度（Ｈｖ）
は３５０で本発明範囲内であるが、ニオブ炭化物粉末の
配合量が１０％と少ない比較例（No. ５）では、１本の
圧延で焼付きが発生した。また、プラグ母材中心部硬度
（Ｈｖ）は３５０で本発明範囲内であるが、ニオブ炭化
物粉末の配合量が１５％と少ない比較例（No. ６）で
は、二層被膜の耐摩耗性が十分でないため、プラグ寿命
比が０．８と短い。

【００４６】

【発明の効果】本発明のプラグミル圧延用プラグは、被
膜の常温から高温におよぶ範囲での十分な表面強度が得
られ、かつ最表面の酸化物被膜との複合効果により焼き
付き防止効果が大きい。このため、被圧延材が純Ｔｉや
Ｔｉ合金、マルテンサイト系、オーステナイト系、二相
系などのステンレス鋼のような難加工性材料をプラグミ
ル圧延しても、管内面疵の極めて少ない管が得られる。
また、繰り返し使用によるプラグの外径減少が抑制され
るため、使用寿命が大幅に向上する。この結果、製品の
内面手入れ費用の低減とプラグ原単位の大幅削減が図れ
るという多大な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラグ母材中心部硬度とプラグ寿命比との関係
を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】全体の硬さがビッカース硬度（Ｈｖ）で２
   ２０以上のプラグ母材表面に、体積比で２０〜７０％の
   ニオブ炭化物粒子を含む金属−炭化物複合被膜と、この
   金属−炭化物複合被膜の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したことを特徴とするプラグミ
   ル圧延用プラグ。
2. 【請求項２】プラグ母材表面に、体積比で２０〜７０％
   のニオブ炭化物粒子を含む金属−炭化物複合被膜を形成
   させ、次いで７５０〜１２００℃の酸化性雰囲気中に加
   熱保持した後、プラグ母材全体の硬さがビッカース硬度
   （Ｈｖ）で２２０以上となるように所定の冷却速度で冷
   却することを特徴とする請求項１に記載のプラグミル圧
   延用プラグの製造方法。