JPS5930770B2 - 耐熱耐摩耗性工具材料の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は継目無鋼管の穿孔圧延用プラグやダイス、ガ
イドシューあるいは鋼材圧延用ミルガイドなどの耐熱耐
摩耗性が要求される工具材料の製造方法に関するもので
ある。

周知のように継目無鋼管の製造方法としては、丸鋼片も
しくは角鋼片をマンネスマン方式あるいはプレス方式に
より穿孔して中空素管とし、この中空素管をエロンゲー
タ、プラグミルあるいはマンドレル等の圧延機により伸
延加工する方法が一般的である。

上述の伸延加工に用いられる各種圧延法のうち、プラグ
ミル圧延法においては、第１図および第２図に示すよう
にプラグバー１の先端で支持されたプラグシャフト２に
取付けられたプラグ３と一対の穴型ロール４、４’との
組合せによつて中空素管５を図の矢印Ａ方向へ圧延する
。なお第１図の符号６は素管圧延開始時の案内用のガイ
ドプラグである。上述のような継目無鋼管の製造におけ
るプラグミル圧延の条件の一例を挙げれば、素管温度は
通常９５０〜１１５０℃程度、圧延荷重は１００〜２５
０トン程度、圧延速度は３ｍ／ｓｅｃ程度となる。

このときプラグ表面は素管内面と高温高圧下で接触し、
しかもプラグ自体は回転しないからプラグは完全なすベ
リ摩擦を受ける。したがつてプラグとしては高温高圧下
での苛酷な減摩作用に耐え得る材質のものであることが
要求される。またプラグは複数個のものを１セットとし
て循環再使用されるのが通常であり、圧延を終了したプ
ラグは一旦水冷されてから次の高温下での圧延に供され
る。したがつてプラグには水冷による急冷と圧延時の急
熱との繰返しに対して熱亀裂の発生と進展が少ないこと
も望まれる。そしてまたプラグがロール間に噛込まれて
圧延が開始される時には、前述の圧延荷重を越える大き
な衝撃荷重を受けるから、プラグ材質としては室温や低
温においても耐摩耗性、高強度、高靭性を有するもので
あることが必要とされる。従来、上述のようなプラグミ
ル圧延用のプラグとしては、１．３〜１．５％Ｃ−１７
％Ｃｒ−２％ｗや１．３〜１．８％Ｃ−２４％Ｃｒ−３
％Ｎｉなどの高炭素高クロム鋳鋼を用いるのが通常であ
つたが、このような材質のプラグでは、前述の如き苛酷
な圧延状況下においてはブラグの摩耗量が相当に大きく
なることを避けられず、またプラグ表面が局所的に削ら
れてしまつたりあるいは被圧延材と焼付きを生じたりし
、その結果被圧延材の寸法精度が損なわれたり、あるい
は被圧延材の内面に擦り疵を発生したりして、健全な被
圧延材が得られなかつたりする問題があつた。

特にステンレス鋼やその他の高合金鋼を製造する場合に
はこれらの問題が顕著に現われていた。このように従来
のプラグミル圧延用のブラグとしては未だ満足すべき材
質のものが得られていないのが実情である。この発明は
以上の事情に鑑みてなされたもので、前述のような苛酷
な条件下で使用しても充分にその使用に耐えることがで
きるプラグ等の工具材料の製造方法を提供することを目
的とするものである。上述のような目的を達成するため
、本発明者等が鋭意実験・研究を重ねたところ、前述の
ような苛酷な条件下で使用される工具類の耐摩耗性を高
めてその寿命を延長するためには、室温での硬度も高く
、しかも高温になるにつれて生ずる硬度低下を極力抑制
することが必要であり、また被圧延材との焼付きを防止
するためには工具自体の表面に緊密なスケール層を形成
することが有利であるとの認識を得、さらに実験・研究
を進めたところ、特定の成分と特定の熱処理とを組合せ
ることによつて上述の目的を達成し得ることを見出し、
この発明をなすに至つたのである。

すなわちこの発明の工具材料の製造方法は、材質的には
Ｃｌ．２〜１．９％、 Ｃｒｌ５〜２２％、 ＮｉＯ．６〜 ３％、 ＭＯＯ．５〜５％およびＷＯ．７〜４（Ｆ６の１種また
は２種を総量で０．７〜５％、ＳｉおよびＡｌを総量で
０．５〜３（ｆｌ）、残部実質的にＦｅおよび不可避的
不純物、よりなる成分組成を有する鋼種とし、さらに熱
処理として、１１００℃以上の高温加熱を施して表面に
３０μｍ以上の厚みのスケール層を形成し、引続き８０
０〜１０００℃に１時間以上加熱保持して微細な炭化物
を析出させ、その後の冷却過程によりマルテンサイト変
態を生ぜしめたものである。

以下にこの発明の工具材料の製造方法をより具体的に説
明する。

先ずこの発明の製造方法における鋼素材の成分元素の作
用および組成範囲の限定理由について説明する。

Ｃは炭化物形成元素であるＣｒ，ＭＯ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉな
どと結合して硬い炭化物を形成し、また基地オーステナ
イト中にも一部固溶して焼入れ操作により形成されるマ
ルテンサイトの硬化にも寄与し、これらにより耐摩耗性
ならびに室温から高温までの硬度および強度を向上させ
る作用を有する。

Ｃの添加量が１．２％未満では炭化物の晶出量が少なく
、そのため高い耐摩耗性が得られず、逆に１．９（Ｆ６
を越えれば炭化物の晶出量が過剰となつて熱衝撃に著し
く敏感となり、早期に割れを生じるようになる。したが
つてＣの添加量は１．２〜１．９％とする。Ｃｒはステ
ンレス鋼の基本成分であつて、この発明で対象とするプ
ラグ等の工具においては高温高圧下の条件に加えて、食
塩を含む潤滑剤など腐食環境の下で使用されることも多
いから、耐熱性および耐食性を得るために少くとも１５
％は必要である。

このＣｒ添加の効果はＣｒ量が多い程著しいが、プラグ
表面に密着性の良好なスケール層を生成させるためには
２２％以下に抑制する必要がある。またＣｒが過剰に添
加されればフエライト相を生成して熱処理性を害する。
これらの理由からＣｒ量は１５〜２２（ｆ）に限定され
る。Ｎｉはスケール層の密着性の向上、高温軟化抵抗や
高温硬さの向上に寄与するが、これらの効果を発揮する
ためには０．６０１）以上の添加が必要である。その反
面、過剰にＮｉが添加されれば耐酸化性の低下、軟化不
足による切削性の低下、残留オーステナイトの生成によ
る熱処理性の劣化等を引起すため、３％以下にとどめる
必要がある。ＭＯ，Ｗはともに強力な炭化物形成元素で
あり、その炭化物の析出硬化による基地組織の強化、高
温強度と硬度の向上、耐摩耗性の向上などに効果的であ
る。これらの効果はＭＯ，Ｗの一方のみを添加した場合
および双方を同時に添加した場合のいずれもほぼ同様に
得られるが、ＭＯＯ．５（ｆｌ）以下、ＷＯ．７％以下
、ＭＯ＋Ｗが０．７％以下では効果が少ない。一方Ｗ，
ＭＯはフエライト形成元素であるから、その添加量を増
加すればオーステナイトを生成する組成範囲を狭くし、
またこれを補うためにＣやＮｉを増量するには前述のよ
うな制限があり、このような点および添加量増加による
効果と経済性との兼ね合いから添加量の上限が定まり、
ＭＯ５％以下、Ｗ４％以下、ＭＯ＋Ｗ５％以下とする。
Ｓｉ，Ａｌはともに有効な脱酸剤であり、この発明の場
合には密着性が良好な緊密なスケール層を形成し易くす
る作用を有し、また耐食性を向上させる作用を有する。

通常の鋼においては脱酸剤として添加されるＡｌｌ，Ｓ
ｉは合計で０．２〜０．３％程度であるが、上述のよう
にスケール層の密着性を良好にする効果を持たせるため
には合計量で０．５ｑ１）以上添加する必要があること
が判明した。一方Ａｌ，Ｓｉはともに強力なフエライト
形成元素であつて、両者の合計が３％を越えればフエラ
イト領域の拡大による硬度および強度の低下を招く。し
たがつてこの発明ではＡ２，Ｓｉの合計量を０．５〜３
．００１）とした。この発明の製造方法による工具材料
は上述のようにＣ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＭＯ，Ｗ，Ｓｉ，Ａｌ
の各成分を選定することにより耐熱耐摩耗性に優れたも
のとすることができたのであるが、このほか必要に応じ
て４（Ｆ６以下、ＴｉＯ．５％以下、ＺｒＯ．５％以下
、ＢＯ．２％以下の１種または２種以上を添加すること
により一層良好な特性を得ることができる。

上述の如く必要に応じて添加される合金元素の内、Ｖ，
Ｔｉ，Ｚｒはともに強力な炭化物形成元素であるが、フ
エライト形成元素としても作用するものである。

これらの元素の添加は前述のＭＯ，ｗの添加とほぼ同様
な効果をもたらし、耐摩耗性、高温強度を向上させると
ともに組織の微細化に役立つ。これらの元素の内、ｖの
添加は、上記の効果とは別に、ｖ酸化物の生成により密
着性、緊密性の良好なスケール層を形成する効果をもた
らすが、その反面工具材料の耐酸化性を劣化させること
にもなり、これらの兼ね合いおよび増量によるフエライ
ト領域拡大の抑制の観点から４（！，以下にとどめるこ
とが望ましい。またＴｉ，Ｚｒは、ほとんどが炭化物つ
窒化物として存在して耐摩耗雰囲気等はスケール層の厚
みが３０μｍ以上となるように選択すれば良いのである
が、Ｃｒを１５％以上含有するこの発明の鋼の場合には
耐酸化性に優れているから、均一な厚みで３０μｍ以上
のスケール層を形成するためには１１００℃以上の加熱
温度が必要であり、また加熱時間は３０分以上とするこ
とが望ましい。スケール層形成のための１１００℃以上
の加熱処理の後には、８００〜１０００℃に一旦保持し
て微細炭化物を析出させ、その後の空冷によつて基地オ
ーステナイト相のマルテンサイト変態を図る。

ここでこの発明の組成範囲の工具材料Ａおよび従来のプ
ラグミル圧延用プラグ材料Ｘ，Ｙ（各材料Ａ，Ｘ，Ｙの
具体的組成は後記実施例の第１表参照）について焼入れ
温度と室温硬さとの関係を第４図に示す。

但し第４図中、鋳放し以外は各温度で４時間加熱後空冷
した状態での室温硬度を示す。第４図から、室温硬度は
焼入れ加熱温度が９００℃附近で極大値を示し、８００
℃未満および１０００℃以上では極端に室温硬度が低下
することが明らかである。これは、焼入れ（空冷）のた
めの加熱温度が上昇すれば、オーステナイト相に対する
Ｃ固溶量が増大して焼入れ硬度が上昇する傾向と、逆に
Ｃ固溶量の増大により残留オーステナイト量が増加する
傾向とが重なり合つているためである。したがつてスケ
ール層生成のための１１００℃以上の加熱温度から直ち
に冷却操作に入つた場合にはＣ固溶量の過大による残留
オーステナイト量が大きくなつて室温硬度があまり増加
しないのであるが、この発明の場合には１１００℃以上
のスケール生成加熱処理後、前述のように一旦８００〜
１０００℃に保持することによつて、過飽和に固溶され
ているＣを基地オーステナイト粒内に微細な炭化物とし
て析出させて耐摩耗性を向上させると同時に、その後の
空冷（焼入れ）における残留オーステナイト量を少なく
してマルテンサイト変態を充分に生起させ、基地の硬度
増加を図つているのである。なお、８００〜１０００℃
における上述の加熱保持時間は少くとも１時間以上が必
要であるが、長過ぎれば経済性を損うから、１〜５時間
程度で充分である。

第５図は、第１表に示される本発明組成範囲の工具材料
Ａ，Ｂおよび従来材Ｘ，Ｙにつき、９００℃にＯ〜５０
時間保持して空冷した場合の保持時間と室温硬さとの相
関関係を示すものであり、この図からも保持時間が１〜
５時間程度で充分なことが明らかである。以下にこの発
明の実施例を記す。

実施例 第１表に示す本発明組成範囲の材料Ａ，Ｃおよび従来組
成の材料Ｘ，Ｙについて大気中にて１２００℃×２時間
加熱した後、９００℃に４時間保持して空冷した。

各材料から３０７ｎ／！ＩＬ角の試験片を切出し、室温
から８００℃までの熱間硬度を測定したところ、第６図
に示す結果が得られた。この結果から、本発明材は特に
６００℃以上の高温における硬さが従来材よりも高いこ
とが明らかである。また第１表の本発明材Ａ，Ｂ，Ｃお
よび従来材Ｘ，Ｙをプラグミル圧延用のプラグ形状に機
械加工し、前記同様の熱処理を施して得られたプラグを
用いて中空素管の伸延加工の実機テストを行い、各材料
のプラグの耐用寿命を調べたところ、第７図に示す結果
が得られた。

第７図に示す結果から本発明材のプラグは従来材のプラ
グと比較して２倍以上の耐用寿命となることが明らかで
ある。前述の説明で明らかなようにこの発明の工具材料
の製造方法によれば、−その素材成分を適正に選択する
とともに最適な熱処理を施すことによつて、室温におけ
る高硬度を得ると同時に高温での硬度低下を抑制し、こ
れによつてプラグミル圧延用のプラグなどの工具として
高い耐熱耐摩耗性を示し、しかも緊密なスケール層が形
成されることによつて被加工材との間の焼付きも防止さ
れ、したがつて従来の工具材料と比較して耐用寿命が格
段に延長されるとともに、被加工材に擦り疵を発生させ
たり寸法精度を低下させたりすることなく被加工材を常
に健全な製品に仕上げることができる等の優れた特性を
有する工具材料を製造できる顕著な効果が得られるもの
である。したがつてこの発明の製造方法による工具材料
は、継目無鋼管製造用のプラグミル圧延機用プラグの他
、ピアサ一あるいはエロンゲータ用のガイドシユ一、さ
らには鋼材圧延用ミルガイドなど、高温高圧下の条件で
被加工材に接触して激しい減摩作用を受ける部材に使用
して優れた効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラグミル圧延機におけるプラグの使用状況の
一例を示す略解的な断面図、第２図は第１図の−線にお
ける断面図、第３図はこの発明をプラグに適用した場合
のスケール層の厚さとプラグ寿命との相関関係を示す図
、第４図は本発明材および従来材における焼入れ加熱温
度と冷却後の室温硬度との関係を示す図、第５図はスケ
ール層形成のための加熱後の９００℃における保持時間
と冷却後の室温硬度との関係を示す図、第６図は本発明
材および従来材の室温〜高温における硬さと温度との関
係を示す図、第７図は本発明材と従来材を用いたプラグ
の寿命を比較して示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｃ１．２〜１．９％（重量％、以下同じ）、Ｃｒ１
   ５〜２２％、Ｎｉ０．６〜３％を含有するとともに、Ｍ
   ｏ０．５〜５％およびＷ０．７〜４％の１種または２種
   を総量で０．７〜５％、ＳｉおよびＡｌを総量で０．５
   〜３％含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からな
   る組成の鋼の表面に、１１００℃以上の高温加熱により
   ３０μｍ以上の厚みのスケール層を形成し、さらに８０
   ０〜１０００℃において１時間以上保持して微細炭化物
   を析出させ、その温度からの冷却過程により基地オース
   テナイト相をマルテンサイト変態させることを特徴とす
   る耐熱耐摩耗性工具材料の製造方法。