JPS59143077A - 造管用工具材料の製造方法 - 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】 この発明は、造管用工具材料の製造方法に関し、とくに
継目無鋼管の製造の際に使用する工具材料中でもプラグ
ばル圧延用のプラグの製造にとりわけ有利に適合し、該
工具材料の高温における耐摩耗性の有利な改善を図ろう
とするものである。

継目無鋼管の製造法としては、丸鋼片または角鋼片をマ
ンネスマン方式あるいはプレス方式にょシ穿孔して中空
素材としたのち、この中空素材をエロンゲータやプラグ
ミルまたはマンドレルミルなどの圧延機によって伸延加
工する方法が一般的である。

かような継目無鋼管製造の各工程において、とぐに成形
用プラグおよびガイドシュニなどの工具材料は、高温下
のか酷な摩耗環境にさらされる０中でもプラグミル圧延
工程においては、素管の温度が通常９５０〜１１５０°
０と高く、しかもかような高温雰囲気中で圧延荷重：１
００〜２５０トン程度、圧延速度：３ｍ／Ｓ程度の条件
で圧延を行うことが必要とされるため、グラグεル圧延
用のプラグは素管内面と高温高圧下で接触することを余
儀なくされるほか、プラグ自体は回転しないのでプラグ
に完全なすぺ）摩耗を受けるという、とシわけ厳しい条
件下にある。

従ってかような工具材料の高温における耐摩耗性を向上
させてその寿命延長を図ることは、上記の如き工程によ
る継目無鋼管の製造において、ことに重要な課題の一つ
であシ、とくに油井用継目無鋼管の生産性の増大や高台
金化が望まれている昨今、その重要性はますます大きな
ものになってきている。

この発明は、上記の要請に有オリに応えるもので、高温
下においてもすぐれた耐摩耗性をそなえる造管用工具材
料の有利な製造方法を提案することを目的とする。

ところで、高温における材料の耐摩耗性を向上させる手
段としてもつとも一般的なことは、材料の高温強度を高
めることであシ、そのためにはＣ１Ｃ１０ｒ１．　Ｗ、
　Ｎｉ、　Ｃｏ、ＮｂおよびＶなどの合金元素の添加が
有効であることが知られていて、プラグミル圧延用プラ
グ材においてもかような合金元素を添加した（　１．３
〜１．５　＞％Ｃ−１７％Ｃｒ−２％ｗｑや（１，３〜
１．８　）％０−２４％Ｏｒ　−３％Ｎｉ鋼などの高炭
素、高Ｏｒ鋳鋼が主に使用されている。

しかしながらかような材質のプラグではもはや、最近の
油井用継目無鋼管の生産量増大に伴う圧延間隔の短縮な
らびに該鋼管の高台金化に伴う圧延負荷の増大などには
対処することができず、プラグの損耗が製造上の大きな
問題になっている。

この点、プラグの室温強度を上げる手段として、Ｎｉ、
Ｗ、ＯｏおよびＭｏなどの添加量の増大や、Ａｔ、Ｔｉ
を加えてＮｉ、　−Ａｔ１Ｎｉ　−Ｔｉの金属間化合物
による析出硬化の利用、さらにはＮｉ基合金の採用など
が考えられる。しかしかような元素の大量添加は、熱伝
導性の著しい低下をもたらし、従ってこの種プラグによ
シブラグミル圧延を行った場合には、素管自体の持つ熱
さらには圧延によって生じた熱がプラグに流入しようと
しても、この熱はプラグ内部には伝達し難いので、表層
部のみの温度上昇をもたらし、結局は強度の低下を招く
。また高台金化鉄基合金やＮ１基合金においては、素管
からの熱の流入のしゃ断に有効に寄与するプラグ表層の
酸化スケールが、酸化雰囲気中での高温加熱によっても
満足いく程度には生成しないという不利も加わる。この
ため、たとえ上記したような各手段を講じたとしても、
プラグの損耗度は従来よりむしろ大きくなっていたので
ある。

そこで発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を
重ねた結果、Ｏ、Ｓｉ　、　Ｍｎ　、　Ｏｒ　、　Ｎｉ
およびＭＯを所定量添加した上で、さらに２τならびに
Ｏａ、ｌ＋Ｕ’およびＹのうちから選んだ少くとも一種
を適当量添加した鋳鋼を、所定の形状江仕上げたのち、
酸化処理または窒化処理に引続く酸化処理を施すことに
よシ、高温強度が高く、また熱伝導性がよく、しかも地
鉄との密着性および断熱性てすぐねる酸化スケールをそ
ガえた工具材料が得られることを新たに究明し、かくし
てこの発明を完成させるに至ったのである。

すなわちこの発明の第１は、 Ｃ：、１．０〜２．０重量％、 Ｓｉ　：　０．１’０〜２．０重量％、Ｍｎ　：　０．
８０〜２．０重ｉ％、 Ｏｒ　：　１１．０〜２２．０重量係、ｙｌ：　ｏ、ｅ
ｏ　〜ｓ、ｏｖ＊％オヨヒＭ○：　０．５０〜５．０重
量条 を含みかつ、 Ｚｒ　：　０．０５０〜５．０重量％ を下記式に従いＯａ、ＭｙおよびＹのうちから選んだ少
くとも一種とともに含有させた溶鋼を鋳造し、ついで所
定の形状に仕上げたのち、９００〜１２５０゛０の温度
範囲で酸化処理して仕上げ表面上に安定化ジルコニアを
含む酸化スケールを形成させることを特徴とする造管用
工具材料の製造方法である記 ｏ、ｏｏａ　≦Ｑａ／Ｚｒ≦　０．０６．０．００２≦
ＭＦ／Ｚｒ≦０．０４． ０．０．０５≦Ｙ／Ｚｒ≦０゜１０゜ またこの発明の第２は、上記した第１発明において酸化
処理を施すに先立って、５００〜１１００℃の温度範囲
で窒化深度が５０μｍ以上となる表面窒化処理を施す工
程を含むものである。

ここに安定化ジルコニアとは、純粋なジルコニアでは常
温から融点に至るまでの間に８種の相が存在し、相変態
の際に著しい体積変化を生じていたのに対し、ＯａＯ、
ＭｆＯ、Ｙ２Ｏ３などの異種酸化物の固溶によって相変
態が阻止されたもので、従って断熱性にすぐれたジルコ
ニアの特性を密着性を損うことなしに十分に活用できる
わけである。

以下この発明を具体的に説明する。

まずこの発明において基本成分を上記の範囲に限定した
理由について説明する。

０　：　１．０〜２．０重量％（以下単にチで示す）Ｃ
は、Ｏｒ、Ｍｏなどと炭化物を形成して高温耐摩耗性を
向上させる元素として有用であるが、１．０％未満では
その効果が小さく、一方２．０％を゛超えると熱衝撃に
よる割れが生じ易くなるので、１．０〜２．０％の範囲
に限定した。

Ｓｉ　：　００１０〜２．０％ Ｓｉは、基地合金との密着伯がよいスケールを形成させ
るのに有用な元素であるが、０．１０チ未満ではその効
果が小さく、一方２．０％を超えると高温強度を低下さ
せるので、０．１０〜２．０％の範囲に限定した。

Ｍｎ　：　０．３０〜２．０％ Ｍｎは、高温強度を高めるのに有効に寄与するが、０．
８０％未満ではその効果が小さく、一方２．０係を超え
ると熱伝導性が悪化して高温耐摩耗性を劣化させるので
、下限を０．３％、上限を２．０％に限定した。

Ｏｒ　：　１１．０〜２２．０％ Ｏｒは、表面例基地合金との密着性がよくかつ断熱性の
よいスケールを生成させると共に（Ｅｒの炭化物を形成
することにより高温強度を高めるのに寄与するが、１１
．０４未満ではその効果が小さく１一方１２２・０％を
超えるとスケール生ｙ、貴の減少および高温強度の低下
を生じ高温耐摩耗性が劣化するので、１１．０〜２２．
０％の範囲に限定した。

Ｎｉ　：　０．６０〜８．０％ Ｎｉば、高温強度および靭性を改善するために添加する
が、０．６０％未満ではその効果が小さく、一方８．０
％を超えると熱伝導性が悪化して高温耐摩耗性が劣化す
るので、０．６０〜８．０％の範囲ニ限定した。

Ｍｏ　：　０．５０〜５．０％ Ｍｏは、固溶硬化および炭化物形成によシ高温強度を高
めるのに有効であるが、０．５０％未満ではその効果に
乏しいので下限を０．５０％とし、一方５．０％を超え
るとスケール生成量が著しく減少して高温耐摩耗性を劣
化させるので上限を５．０％に限定した。

Ｚｒ　：　０．０５０〜５．０チ Ｚｒは、次に示すＯａ、Ｍｊ’およびＹのうちから選ば
れる一種または二種以上との複合添加によって地鉄との
密着性がよくかつ断熱性にすぐれた安定化ジルコニアを
含む酸化スケールを生成させる元素としてこの発明では
とくに重要であるが、０゜０５０％未満ではその効果に
乏しく、一方５．０チを超えるとスケール生成量が著し
く減少して高温耐摩耗性を劣化させるので、０．０５０
〜！５．０　％の範囲に限定し７た。

Ｏａ、Ｍｇ、Ｙ Ｃａ、ＭｆおよびＹは、上述したようにＺｒとの複合添
加によシ、地鉄との密着性がよく、しかも断熱性、耐摩
耗性にすぐれた酸化スケールを生成させる元素としてと
りわけ有用である。

表Ｉ　ＫＮｔｌ　１として示したｍ成になる供試材に、
Ｇａ　、　ＭｆおよびＹをそれぞれ単独で、Ｚｒ含有量
に対しＣａ／Ｚｒ　：＝　ｏ、ｏｓ、Ｍ９／Ｚｒ≦０．
０６およびＹ／Ｚｒ≦０．１５の範囲にわたって添加し
た鋳鋼を、所定のピアサ−プラグに仕上げたのち、同じ
く表１に示した酸化処理ならびに窒化処理＋酸化処理を
施したものについて、それぞれ穿孔寿命の調査を行った
０なお穿孔寿命は、表１１：ｉｌＮα２として示した成
分組成、加工熱処理による従来材の寿命を１として、こ
の従来材に対する寿命比で評価した。

得られた結果を、第１図、第２図および第３図に、プラ
グ寿命比とＣａ／Ｚｒ、　ＭＰ／Ｚｒおよびｙ、”ｚ　
ｒとの関係でそれぞれ示す。

第１〜３図に示した結果力Δら明らかなように、鋼中Ｚ
ｒに対するＯａ、ＭｆおよびＹの添加割合が、それぞれ
Ｃａ／Ｚｒ　＜　０．００３、Ｍｙ／ｚｒ　＜　０．０
０２およびＹ／Ｚｒ　＜　０．００５の場合は、従来材
に比べてさほど寿命比の改善効果は認められず、−万〇
ａ／Ｚｒ＞　０．０６、Ｍｆ／Ｚｒ　＞　０．０４およ
びＹ／Ｚｒ　＞　０．１０になると寿命比は次第に低下
する傾向を示し、しかもこれらの元素は高価でもあるの
で、それぞれ０．００８　：Ｓ　Ｃａ／Ｚｒ　≦０．０
６．０．００２≦Ｍｙ／Ｚｒ≦０゜０４．０．００５≦
Ｙ／Ｚｒ≦０゜１０の範囲に限定した。

なお上述した実験では、Ｚｒ含有量が０．４５％のｌ場
合についてのみ示したが、Ｚｒ含有量がこの発明で適正
範囲とする０、０５０〜５．０％の範囲であれば、上述
した結果と同様の結果が得られること、およびＣａ、Ｍ
ｌｌ　Ｙの添加量がそれぞれ適正範囲内であれば、複合
添加した場合も同様の結果が得られることが確められて
いるＱ ところでこの発明では、上記したＯ、Ｓｊ〜、Ｍｎ。

０ｒ１Ｎｉ　、　Ｍｏ　、　Ｚｒならびに０８％Ｍ９お
よびＹのうちから選ばれる一種または二種以上の各基本
成分の他、必要に応じてさらに、Ｎｂ　、　　Ａｌ　、
　Ｖ　、　Ｃｏ、Ｗ、Ｂ、ＳおよびＯｕなどを下記範囲
内において、単独でもまた複合でも含有させることがで
きる。

Ｎｂ　：　０．２０〜２．０％ Ｎｂは、炭化物形成により高温強度を著しく高める有用
な元素であるが、０゜２０％未満ではその効果が小さい
ので下限を０．２０％とし、一方２．。

％を超えるとその効果は飽和に達しまた高価でもあるの
で上限を２．０％とした。

Ａ７　：　０．０２０〜２．０％ Ａｔは、地鉄との密着性がよくかつ断熱性にすぐれたス
ケールを生成させるのに有効に寄与するが、０．０２０
％未満ではその効果が小さく、−万、２．０％を超える
とスケール生成量が著しく減少して高温耐摩耗性を劣化
させるので、０．０２０〜２．０襲の範囲に限定した。

Ｖ　　：　　０．１０　〜２．０　　％■は、炭化物形
成〈よシ高温強度を高めるのに有効に寄与するが、０．
１０％未満ではその効果に乏しく、一方２．４１％を超
えるとその効果は飽和に達し、また高価でもあるので、
０．１０〜２．０％の範囲に限定した。

Ｃｏ　：　０．５０〜５．０′係 Ｇｏは、固溶硬化によす高温強度を高める元素として有
用であるが、０．５０４未満ではその効果が小さく、一
方、５．０％を超えるとスケール生成量が減少してむし
ろ高温耐摩耗性を劣化させる傾向にあシ、また高価でも
あるので、０．５０〜５゜０チの範囲に限定した。

ｗｈｏ。５０〜５．０条 Ｗは、固溶硬化および炭化物形成によシ高温強度を窩め
る有用な元素であるが、０．５０％未満ではその効果が
小さく、−万５．０チを超えると粗大な炭化物を形成し
て靭性を劣化させるので、０．５０〜５．０％の範囲に
限定した０ Ｂ　　：　　０．０１０〜１．０　　％Ｂは、高温強度
を高める元素として有用であるが、０゜０１０％未満で
はその効果が小さく、−万、１．０を超え不と熱衝撃割
れが生じ易くなるので０．０１０−１．０％の範囲に限
定した。

ｓ　：　ｏ、ｏ２ｏ〜０゜３０％ Ｓは、硫化物形成によシ、表面潤滑性を高めるのに有効
に寄与するが、０．０２０％未満ではその効果が小さく
、一方０．８０％を超えると熱衝撃割れが生じ易くなる
ので０．０２０〜０．８０％の範囲に限定した。

Ｏｕ　：　０．２５〜２．５％ Ｏｕは、固溶硬化と析出硬化作用によシ高温強度を高め
るのに有効に寄与するが、０．２５％未満ではその効果
が小さく、−万２．５％を超えると表面に低融点合金層
が生じて高温耐摩耗性が劣化するので、０．２５〜２．
１５　％の範囲に限定した。

次に、適正な成分組成に調整した鋳鋼を所定の形状に仕
上げたのち施す熱処理について説明する０まず酸化処理
については、加熱温度が９００℃未満では、被処理材か
ら造管用工具への入熱量を低減するのに十分な断熱性を
呈する厚み（２０屡以上）のＯｒを含有し地鉄との密着
性が良好々酸化スケールが得難いので高温耐摩耗性の改
善効果に乏しく、一方１２５０　’Ｏを超えると、生成
する酸化スケール゛の厚みは大きくなるものの、スケー
ル内の空隙が増加しで地鉄台金との密着性が低下し、か
えって高温耐摩耗性を劣化させるので、処理温度は９０
０〜１２５０℃の範囲に限定した。なお十分満足のいく
断熱性を維持するのに必要な厚みの酸化スケールを安定
して生成させるためには、加熱時間は３０分以上とする
ことが望ましい。

かような酸化スケール被成処理によって、高温における
耐摩耗性は著しく改善されるが、Ｒゑ被成処理に先立っ
てさらに表面窒化処理を加えると、Ｎの固溶硬化ならび
に生成窒化物の析出硬化作用によって、前掲第１〜８図
にも示したように工具寿命はさら、に延・長する。

しかしながら窒化処理によって得られる窒化層の厚みす
なわち窒化深度が５０μｍに満たないと、その効果に乏
しｂので、窒化深度は５０μｍ以上とする必要がある。

かような窒化法としては、ガス窒化法、ガス軟窒化法、
液体窒化法およびイオン窒化法など・いずれもが使用で
きるが、上記した所定の窒化深度を得るために処理温度
ｌ′ｉ、５００〜１１００°０の範囲に限定した。

以下この発明の宙施例について説明する。

表２に符号Ａ〜Ｒで示した成分組成になる各鋳鋼を、グ
ラブミル用プラグに成形したのち、表８に示した熱処理
条件下に、 と）Ｃｏ：８条、ＣＯ２：　１０％、０２　：４％、残
りＮ２の雰囲気中において、表面酸化スケール形成のた
めの酸化処理、または、 （ロ）ＮＨ８中での窒化処理、引続いて上記の酸化処理
、 を施した。このときの窒化深度は１００〜１５０μｍ１
また酸化スケール厚みは１８０〜２５６μｍであった。

ついで得られた各プラグを用いて、（ｊ　：　０．２５
優、Ｓｉ　：　０，２４　％ＮＩｎ　：　１゜２９％、
Ｔｉ　：　０．０２２％、、Ｂ　：　０，００２１％、
残部Ｂ’ｅの組成になる、外径２４９關、肉厚１２．９
１ｍの炭素鋼索管を、プラグミルにおいて直径２４１１
１？’１％肉厚９．９簡に連続して圧延したときの、各
グラフの穿孔寿命について調査した。

結果を、比較例（符号Ｒ）の寿命を１とした場合の寿命
比で表３に併せて示す。

表８に示した結果から明らかなように、この発明に従い
得られたプラグミル用プラグ（符号Ａ〜Ｑ）はいずれも
、比較例（符号Ｒ）として示した従来プラグに比べて、
２〜４倍ものすぐれた穿孔寿命を有していた。

以上実施例では、この発明をプラグミル用プラグの製造
に適用した場合につき主に説明したが、その他ピアサー
ガイドシューまたはエロンゲータガイドシューあるいは
エロンゲータ用プラグなどの製造にも広く適用できるの
はいうまでもない。

かくしてこの発明によれば、造管用工具材料の高温耐摩
耗性さらには高温強度を、熱伝導性を劣化させることな
しに著しく向上させることができ、従って工具材料の耐
用寿命を大幅に延長することができ有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図はそれぞれ、プラグ寿命比とＯａ／　Ｚ
ｒ　１Ｍ９　／　ＺｒおよびＹ／Ｚｒとの関係について
示したグラフである０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　　　Ｏ：１．０〜２．０重量％、 Ｓｉ　：　０．１０〜２．０重量％、 Ｍｎ　：　０．８０〜２．０重量％、 Ｃｒ：　］１．．０〜２２．０　ｉ　量％、Ｎｉ　：　
   ０．６０〜８．０重量％および、ＭＯ二〇。５０〜５．
   ０重量％ を含みかつ、 Ｚｒ　：　０．０５０〜５．０重量矛 を、下記式に従いＯａ、ＭＰおよびＹのうちから選んだ
   少くとも一種とともに含有させた溶鋼を鋳造し、ついで
   所゛足の形状に仕上げたのち、９００〜１２５０゛Ｏの
   温度範囲で酸化処理して仕上げ表面上に安定化ジルコニ
   アを含む酸化スケールを形成させることを特徴とする造
   管用工具材料の製造方法０ 記 ０．００３　≦（３ａ／Ｚｒ≦　０．０６．０．００２
   　≦Ｍｙ／Ｚｒ≦　０．０４．０．００５　≦Ｙ／Ｚｒ
   ≦　０．１０゜Ｃ：　１．０〜２．０重量％、 Ｓ工：　０．１０〜２．０重量％、 Ｍｎ　：　０．３０〜２．０重ｉ％、 Ｃｉｒ　：　ｉ：ｔ、０〜２２．ｏ重量％、Ｎｉ　：　
   ０．６０〜８．０重量％およびＭｏ　：　０．５０〜５
   ．０重ｉ％ を含みかつ Ｚｒ　：　０．０５０〜５．０重量％ を、下記式に従いＣａ、Ｍ）およびＹのうちから選んだ
   少くとも一種とともに含有させた溶鋼を鋳造し、ついで
   所定の形状に仕上げたのち、５００〜１１００　’Ｏの
   温度範囲で窒化深度が５０μｍ以上となる表面窒化処理
   を施し、引続き９００〜１２５０’Ｏの温度範囲で酸化
   処理して仕上げ表面上に安定化ジルコニアを含む酸化ス
   ケールを形成させることを特徴とする造管用工具材料の
   製造方法０ ０．００３≦Ｃａ／Ｚｒ≦０．０６． ０．００２５Ｍ９／Ｚｒ　≦０．０４．０．００５　≦
   ｙ／　Ｚｒ　≦０．１０　。