JPWO2009119401A1 - マンドレルバーのＣｒメッキ処理方法、およびマンドレルバー、並びにこれらを用いる継目無管の製造方法 - Google Patents

Abstract

Ｃｒ酸：１００〜２５０ｇ／Ｌ（リットル）、硫酸根：３．０〜５．５ｇ／Ｌ（リットル）、および触媒：１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）を含有するメッキ浴を用いて電気メッキを行うことにより、皮膜クラック密度を増加させたＣｒメッキ皮膜をマンドレルバー母材の表面に形成させ、これにより、マンドレルミル圧延の際にＣｒメッキ皮膜の剥離を抑制してマンドレルバーの長寿命化を実現できる。

Description

本発明は、マンネスマン製管法におけるマンドレルミル圧延に使用されるマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法、およびマンドレルバー、並びにこれらを用いる継目無管の製造方法に関する。

熱間加工による継目無管の製造方法として、マンネスマン・マンドレルミル製管法が広く採用されている。この製管法では、加熱した丸鋼片（ビレット）を穿孔機で穿孔して厚肉の中空素管（ホローシェル）にした後、その中空素管に内面を拘束する圧延工具であるマンドレルバーを挿入した状態で、その中空素管を対向する孔型ロールで構成された複数のスタンドからなるマンドレルミルに通し、薄肉の素管に圧延する。マンドレルミル圧延で得られた素管は、必要に応じて再加熱された後、ストレッチレデューサまたはサイザーによって定径圧延され、その外径を最終製品径に仕上げられる。

一般に、マンドレルミル圧延に使用されるマンドレルバーは、ＪＩＳ規格で規定するＳＫＤ６やＳＫＤ６１などの熱間工具鋼からなる丸棒鋼を素材とし、これに適宜の機械加工、焼き入れ処理および焼き戻し処理を施して製作している。通常、マンドレルバーの表面には、圧延中に中空素管の内面との接触により発生する摩擦力を低減するため、予め、固体潤滑剤を主成分とする潤滑皮膜を形成している。

しかし、圧延中のマンドレルバーの表面は、多大な面圧と熱負荷に曝されることから、潤滑皮膜が形成されているとはいえ、安定した潤滑状態を確保するのは容易でない。このため、マンドレルバーは、繰り返し使用されるうちに、表面や母材に摩耗、焼き付き、肌荒れおよび亀裂が発生し易く、繰り返し使用に耐えられずに工具寿命が短くなる。

このような状況から、近年のマンドレルミル圧延においては、マンドレルバー母材にＣｒメッキ処理を施して、母材表面に硬質のＣｒメッキ皮膜を形成したマンドレルバー（以下、「Ｃｒメッキマンドレルバー」ともいう）が用いられる。Ｃｒメッキマンドレルバーは、耐摩耗性に優れたＣｒメッキ皮膜によって保護されているため、マンドレルミル圧延における繰り返し使用でも優れた耐久性を発揮し、損傷し難い。

しかし、Ｃｒメッキマンドレルバーは、使用条件によってはＣｒメッキ皮膜が剥離する場合があり、この場合には、剥離部分で母材が露出し損傷するため、繰り返し使用ができなくなる。このようなＣｒメッキ皮膜の剥離に伴うマンドレルバーの損傷を防止するため、マンドレルバー寿命の改善を図る種々の提案がされている。

例えば、特開平８−７１６１８号公報には、母材表面に平均厚みが１〜１００μｍのＣｒメッキ皮膜を有するとともに、このＣｒメッキ皮膜の表面に厚みが０．１〜１０μｍのＣｒを主体とする酸化スケール層を有するマンドレルバーが提案されている。同文献では、Ｃｒメッキ皮膜の厚みを規定することにより、皮膜自身の内部残留応力に伴う皮膜の剥離を抑えつつ、マンドレルバーの焼き付きを防止し、これに加え、Ｃｒメッキ皮膜上に酸化スケールを形成してその厚みを規定することにより、潤滑性を向上させるとともに、スケール形成時の加熱に伴うＣｒの相互拡散の作用でＣｒメッキ皮膜の密着力を向上させ、マンドレルバーの寿命延長が図れるとしている。

特開２００１−１０１６号公報には、母材表面に厚みが６０〜２００μｍのＣｒメッキ皮膜を有するマンドレルバーが提案されている。同文献では、Ｃｒメッキ皮膜の厚みを規定することにより、皮膜内部の残留応力に伴う皮膜の剥離を抑制しつつ、皮膜の摩耗に起因したマンドレルバーの焼き付きを防止し、マンドレルバーの寿命延長が図れるとしている。

再公表ＷＯ２００４／１０８３１１号公報には、母材表面に形成されたＣｒメッキ皮膜について、軸方向および円周方向の中心線平均粗さＲａが１．０〜５．０μｍであり、かつ、軸方向および円周方向の最大深さＲｖが１０μｍ以上であるマンドレルバーが提案されている。同文献では、Ｃｒメッキ皮膜の表面状態を軸方向および円周方向の２方向で規定することにより、圧延中に皮膜表面に潤滑剤を十分に残存させて、マンドレルバーの焼き付き防止し、マンドレルバーの寿命延長が図れるとしている。

しかし、マンネスマン・マンドレルミル製管法における継目無管の製造コストのうちで、マンドレルバーに要する工具費用の占める割合は高く、近年、継目無管の製造コストの低減への要請から、マンドレルバーの工具費用の低減が強く求められる。特に、近年需要がますます高まっているＣｒを９重量％以上含有する高合金鋼（例えば、１３Ｃｒ鋼など）の継目無管の製造では、変形抵抗の高い高合金鋼の中空素管を圧延することからマンドレルバーの寿命が短く、コスト低減の要請が著しい。このため、上記文献のいずれでもＣｒメッキマンドレルバーの寿命延長が図られているが、さらなる改善が要求されている。

本発明は、上述したコスト低減の要請に対応するためになされたものであり、Ｃｒメッキ処理の条件を適正化することにより、マンドレルミル圧延の際にＣｒメッキ皮膜の剥離を抑制して長寿命化を実現できるＣｒメッキマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法、およびマンドレルバー、並びに継目無管の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するため、Ｃｒメッキマンドレルバーの繰り返し使用に伴って母材の損傷を引き起こすＣｒメッキ皮膜の剥離に関し、Ｃｒメッキ皮膜を形成した段階でその皮膜に存在する多数の亀裂（以下、「皮膜クラック」という）に着目した。皮膜クラックは、マンドレルバーの繰り返し使用に伴い、マンドレルバーの母材表面に達する場合がある。この場合、マンドレルミル圧延時に皮膜クラックを通じてマンドレルバー母材に達した潤滑剤や水が母材を腐食させ、この腐食により、Ｃｒメッキ皮膜と母材との界面の密着力が低下し、Ｃｒメッキ皮膜が剥離すると考えた。これを裏付けるため、Ｃｒメッキ皮膜の剥離に及ぼす皮膜クラックの影響を調査する基礎試験を行った。

この基礎試験では、熱間工具鋼からなる板状の素材をマンドレルバー母材と想定し、これに、Ｃｒ酸、硫酸根（Ｈ_２ＳＯ_４）、および触媒の濃度を種々変更したメッキ浴を用いて電気メッキによるＣｒメッキ処理を施し、これによりＣｒメッキ皮膜を形成したものを試験片とした。まず、各試験片について、Ｃｒメッキ皮膜の表面をミクロ観察し、皮膜クラックの密度（本数／ｃｍ）を調査した。

図１は、皮膜クラック密度の算出方法を説明するための模式図である。同図に示すように、Ｃｒメッキ皮膜の表面ミクロ観察組織上で任意に直線を引き、この直線の長さＸの範囲内で直線と皮膜クラックとの交差点の数をカウントする。同図では、長さＸの範囲内で直線と皮膜クラックとがＰ１、Ｐ２、・・・Ｐ７の７点で交差する状況を例示している。そして、カウントした交差点の数を直線１ｃｍあたりの数に換算し、これを皮膜クラック密度とする。すなわち、皮膜クラック密度とは、Ｃｒメッキ皮膜の表面ミクロ観察組織上に任意に直線を引いたとき、その直線１ｃｍあたりに交差する皮膜クラックの本数を表すものである。

図２は、Ｃｒメッキ皮膜の表面ミクロ観察組織の一例を示す図である。同図に示すＣｒメッキ皮膜では、不規則な網目状の皮膜クラックが表われ、その皮膜クラック密度は、７５６（本数／ｃｍ）程度である。

次に、各試験片について、塩水噴霧試験を行い、Ｃｒメッキ皮膜の剥離度合いの指標として赤錆の発生面積率（％）を調査した。赤錆発生面積率とは、Ｃｒメッキ皮膜の全面積に対して赤錆が発生した面積の占める比率を表すものであり、これが大きいほど、母材の腐食範囲が広いことを示す。

図３は、塩水噴霧試験における皮膜クラック密度と赤錆発生面積率との相関を示す図である。同図に示すように、皮膜クラック密度の増加に伴って、赤錆発生面積率が減少すること明らかとなった。すなわち、皮膜クラック密度が増加するほど、皮膜クラックの数は増加するが、その深さは浅く、母材にまで達した皮膜クラックが少なくなると推察できる。また、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度の増加に伴って皮膜クラックの数が増加した場合、マンドレルミル圧延時の繰り返し使用に伴ってＣｒメッキ皮膜が受ける負荷は、多数の皮膜クラックに分散して軽減されることから、皮膜クラックの進展が抑制されると推察できる。

一方、皮膜クラック密度が少ない場合は、マンドレルバー母材にまで達する深い皮膜クラックが増加するとともに、皮膜クラックの数が減少することから、マンドレルミル圧延時に、皮膜クラックに負荷が集中して皮膜クラックが進展すると推察できる。

これらのことから、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度を増加させることにより、浅い皮膜クラックを形成するとともに、マンドレルバーの繰り返し使用に伴う皮膜クラックの進展を抑制することが可能になり、皮膜クラックを通じた潤滑剤や水によるマンドレルバー母材の腐食を抑制できることを見い出した。そして、マンドレルバーの繰り返し使用に伴う母材の腐食が抑制されることから、Ｃｒメッキ皮膜の密着力の低下を防止でき、Ｃｒメッキ皮膜の剥離の抑制が可能になり、マンドレルバーの長寿命化を実現できることを知見した。

次に、Ｃｒメッキ皮膜を十分に形成でき、しかもＣｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度を増加させることができる条件を明らかにするため、各試験片を作製する際に用いたメッキ浴ごとに、皮膜クラック密度およびＣｒメッキ処理時の電流効率を評価した。その結果を下記の表１に示す。

皮膜クラック密度の評価は、３レベルに区分して行い、同表中、従来よりも１．２倍以上高いものを優レベルとして「○」、従来と同程度かそれ以下のものを劣レベルとして「×」、および両者の間のものを良レベルとして「△」で示した。また、電流効率の評価は、同じく３レベルに区分して行い、同表中、通常採用されるものと同程度かそれ以上のものを優レベルとして「○」、Ｃｒメッキ皮膜の形成量（実際の析出量）が不十分となる低いものを劣レベルとして「×」、および両者の間のものを良レベルとして「△」で示した。

表１から、Ｃｒ酸の濃度が１００〜２５０ｇ／Ｌ（リットル）の範囲内であり、且つ硫酸根の濃度が３．０〜５．５ｇ／Ｌ（リットル）の範囲内であり、さらに触媒の濃度が１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）の範囲内であるメッキ浴を用いた場合、皮膜クラック密度および電流効率がともに優れ、その上さらに、触媒濃度が１２０〜１５０％の範囲内であれば、皮膜クラック密度および電流効率が一層優れることが明らかになった。これにより、Ｃｒメッキ皮膜が十分に形成された状態で、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度を増加させるには、Ｃｒメッキ処理時に用いるメッキ浴の組成を適正に調整するのが有効であることを知見した。

本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）のマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法、下記（２）のマンドレルバー、および下記（３）の継目無管の製造方法を要旨としている。

（１）マンネスマン製管法におけるマンドレルミル圧延に使用されるマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法であって、Ｃｒ酸：１００〜２５０ｇ／Ｌ（リットル）、硫酸根：３．０〜５．５ｇ／Ｌ（リットル）、および触媒：１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）を含有するメッキ浴を用いて電気メッキを行い、マンドレルバー母材の表面にＣｒメッキ皮膜を形成させることを特徴とするマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法である。

（２）マンネスマン製管法におけるマンドレルミル圧延に使用されるマンドレルバーであって、Ｃｒ酸：１００〜２５０ｇ／Ｌ（リットル）、硫酸根：３．０〜５．５ｇ／Ｌ（リットル）、および触媒：１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）を含有するメッキ浴を用いて電気メッキを行うことにより、母材の表面にＣｒメッキ皮膜が形成されていることを特徴とするマンドレルバーである。

（３）継目無管を製造する際に、穿孔圧延された中空素管を上記（２）のマンドレルバーを用いてマンドレルミル圧延することを特徴とする継目無管の製造方法である。この製造方法は、Ｃｒを９重量％以上含有する高合金鋼の継目無管の製造に特に有効である。

ここでいうＣｒ酸は無水酸化クロム（ＣｒＯ_３）を意味し、硫酸根は硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を意味する。触媒とは、触媒としての硫酸根とは異なる補助添加剤のことを意味し、この触媒には、従来からＣｒメッキ処理に慣用されるものでよく、例えば、酢酸や蟻酸やスルホン酸などの有機酸を採用することができる。

本発明によれば、Ｃｒ酸、硫酸根、および触媒の濃度を規定したメッキ浴を用いて、マンドレルバー母材にＣｒメッキ処理を施すことにより、皮膜クラック密度を増加させたＣｒメッキ皮膜を形成することができる。このＣｒメッキマンドレルバーは、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度が増加しているため、浅い皮膜クラックを形成できるとともに、マンドレルミル圧延での繰り返し使用に伴う皮膜クラックの進展を抑制でき、皮膜クラックを通じた潤滑剤や水による母材の腐食およびＣｒメッキ皮膜の剥離を抑制することが可能になり、マンドレルバーの長寿命化を実現することができる。

図１は、皮膜クラック密度の算出方法を説明するための模式図である。
図２は、Ｃｒメッキ皮膜の表面ミクロ観察組織の一例を示す図である。
図３は、塩水噴霧試験における皮膜クラック密度と赤錆発生面積率との相関を示す図である。
図４は、実施例１の本発明例と比較例のマンドレルバーにおけるマンドレルミル圧延での寿命、および皮膜クラック密度の関係を示す図である。
図５は、実施例２の本発明例と比較例のマンドレルバーにおけるマンドレルミル圧延での寿命、および皮膜クラック密度の関係を示す図である。

上述の通り、本発明では、マンドレルバーのＣｒメッキ処理の際、Ｃｒ酸：１００〜２５０ｇ／Ｌ、硫酸根：３．０〜５．５ｇ／Ｌ、および触媒：１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）を含有するメッキ浴を用いて電気メッキを行うこととしている。

このように、マンドレルバー母材の表面にＣｒメッキ皮膜を形成させる際に用いるメッキ浴において、Ｃｒ酸、硫酸根、および触媒の濃度を規定する理由を以下に説明する。

前記表１に示すように、Ｃｒ酸濃度が２５０ｇ／Ｌを超える場合、硫酸根濃度が３．０ｇ／Ｌ未満である場合、および触媒濃度が１００％未満である場合は、皮膜クラック密度が従来と同程度かそれ以下に低下する。この場合、皮膜クラック密度の低下に伴って、マンドレルバー母材にまで達する皮膜クラックが増加するとともに、皮膜クラックの数が減少することから、マンドレルミル圧延時には、皮膜クラックに負荷が集中して皮膜クラックが進展する。このため、潤滑剤や水による母材の腐食を抑制することができず、Ｃｒメッキ皮膜の剥離が生じてマンドレルバーの寿命を延長できない。

一方、Ｃｒ酸濃度が１００ｇ／Ｌ未満である場合、硫酸根濃度が５．５ｇ／Ｌを超える場合、および触媒濃度が２００％を超える場合は、Ｃｒメッキ処理時の電流効率が低下し、Ｃｒメッキ皮膜の形成量が不十分となる。

したがって、本発明では、メッキ浴中のＣｒ酸濃度を１００〜２５０ｇ／Ｌの範囲内と規定し、且つ硫酸根濃度を３．０〜５．５ｇ／Ｌの範囲内と規定し、さらに触媒濃度を１００〜２００％の範囲内と規定する。より好ましくは、メッキ浴中の触媒濃度を１２０〜１５０％の範囲内とする。

本発明では、Ｃｒ酸、硫酸根、および触媒の濃度を規定したメッキ浴を用いて、マンドレルバー母材に電気メッキによるＣｒメッキ処理を施すことにより、母材表面にＣｒメッキ皮膜を十分に形成させることができ、皮膜クラック密度を増加させたＣｒメッキ皮膜を有するマンドレルバーとなる。このＣｒメッキマンドレルバーは、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度が増加していることから、浅い皮膜クラックを形成できるとともに、マンドレルミル圧延での繰り返し使用に伴う皮膜クラックの進展を抑制でき、皮膜クラックを通じた潤滑剤や水による母材の腐食を抑制することが可能になる。その結果、Ｃｒメッキ皮膜の剥離を抑制することが可能になり、マンドレルバーの長寿命化を実現することができる。

このとき、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度は、同じ組成のメッキ浴を用いたＣｒメッキ処理であっても、マンドレルバーのサイズ径により変動するが、上述した通り、Ｃｒ酸、硫酸根、および触媒の濃度を規定したメッキ浴を用いることによって増加させることができる。したがって、本発明は、あらゆるサイズ径のマンドレルバーに適用することができる。

また、上記本発明のマンドレルバーは、１３Ｃｒ鋼など、Ｃｒを９重量％以上含有する高合金鋼の継目無管を製造する際のマンドレルミル圧延に使用した場合にも長寿命を達成することができ、製品管の内面性状が向上するほか、製造コストの低減が図れる。このような本発明のマンドレルバーの効果は、普通鋼の継目無管の製造で発揮されることは言うまでもない。

本発明による効果を確認するため、下記の実機試験を行った。

（実施例１）
ＪＩＳに規定されるＳＫＤ６１からなるマンドレルバー母材を準備し、電気メッキ設備を用いて母材にＣｒメッキ処理を施し、母材表面にＣｒメッキ皮膜を形成した。その際、本発明例として、５本のマンドレルバーに本発明で規定する濃度範囲内のメッキ浴を用いてＣｒメッキ処理を行い、比較例として、５本のマンドレルバーに本発明で規定する濃度範囲を外れるメッキ浴を用いてＣｒメッキ処理を行った。その際の電流密度は、４０Ａ／ｄｍ^２とした。

これらの本発明例および比較例のＣｒメッキマンドレルバーを使用し、実施例１の被圧延材として１３Ｃｒ鋼の中空素管をマンドレルミル圧延した。そして、各マンドレルバーについて、寿命に達するまでのパス数（圧延本数）を調査した。その寿命の判断は、Ｃｒメッキ皮膜の剥離に伴って焼き付きが発生したか否かに基づいて行った。また、マンドレルミル圧延に先立って、各マンドレルバーについて、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度を調査した。

図４は、実施例１の本発明例と比較例のマンドレルバーにおけるマンドレルミル圧延での寿命、および皮膜クラック密度の関係を示す図である。同図中、マンドレルバーの寿命（パス数）は、本発明例および比較例ともに、得られた結果の平均値を示している。また、皮膜クラック密度は、本発明例および比較例ともに、得られた結果の平均値を示し、比較例を基準（１．０）とした比率で示している。

同図に示すように、実施例１の試験においては、本発明例のマンドレルバーは、比較例のマンドレルバーと比べて、皮膜クラック密度が１．３倍以上となり、寿命を２倍以上延長することができた。

（実施例２）
上記実施例１と同様の条件で本発明例および比較例のＣｒメッキマンドレルバーを５ずつ作製し、これらのマンドレルバーを使用し、実施例２の被圧延材として炭素鋼（０．１８％Ｃ）の中空素管をマンドレルミル圧延した。そして、実施例１と同様に、各マンドレルバーの寿命および皮膜クラック密度を調査した。

図５は、実施例２の本発明例と比較例のマンドレルバーにおけるマンドレルミル圧延での寿命、および皮膜クラック密度の関係を示す図である。同図に示すように、実施例２の試験においては、本発明例のマンドレルバーは、比較例のマンドレルバーと比べて、皮膜クラック密度が１．３倍以上となり、寿命を２倍以上延長することができた。

本発明によれば、Ｃｒ酸、硫酸根、および触媒の濃度を規定したメッキ浴を用いて、マンドレルバー母材に電気メッキによるＣｒメッキ処理を施すことにより、皮膜クラック密度を増加させたＣｒメッキ皮膜を形成させることができる。このＣｒメッキマンドレルバーは、Ｃｒメッキ皮膜の皮膜クラック密度が増加しているため、マンドレルミル圧延で繰り返し使用されても、潤滑剤や水による母材の腐食を抑制でき、Ｃｒメッキ皮膜の剥離を抑制することが可能になることから、マンドレルバーの長寿命化を実現することができる。

Claims (3)

1. マンネスマン製管法におけるマンドレルミル圧延に使用されるマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法であって、
   Ｃｒ酸：１００〜２５０ｇ／Ｌ（リットル）、硫酸根：３．０〜５．５ｇ／Ｌ（リットル）、および触媒：１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）を含有するメッキ浴を用いて電気メッキを行い、マンドレルバー母材の表面にＣｒメッキ皮膜を形成させることを特徴とするマンドレルバーのＣｒメッキ処理方法。
2. マンネスマン製管法におけるマンドレルミル圧延に使用されるマンドレルバーであって、
   Ｃｒ酸：１００〜２５０ｇ／Ｌ（リットル）、硫酸根：３．０〜５．５ｇ／Ｌ（リットル）、および触媒：１００〜２００％（Ｃｒ酸含有量に対する重量比）を含有するメッキ浴を用いて電気メッキを行うことにより、母材の表面にＣｒメッキ皮膜が形成されていることを特徴とするマンドレルバー。
3. 継目無管を製造する際に、穿孔圧延された中空素管を請求項２に記載のマンドレルバーを用いてマンドレルミル圧延することを特徴とする継目無管の製造方法。

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