JP2012173119A - 摩擦試験方法および摩擦試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】継目無鋼管の製造で用いる工具に生じる損傷を模擬することができ、実際に使用する工具や潤滑剤の性能を評価できる摩擦試験方法を提供する。
【解決手段】継目無鋼管の製造における工具と被圧延材との摩擦を模擬する摩擦試験方法であって、
当該摩擦試験方法は、
円柱状の第１試験体１の端面に、円柱状の第２試験体２の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体１と第２試験体２を各々の軸心１Ｘ、２Ｘが互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体１と第２試験体２を各々の軸心１Ｘ、２Ｘを中心に回転させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄鋼や非鉄金属などの圧延時に工具と被圧延材との間に生じる摩耗、焼付き、肌荒れなどの損傷を実際の圧延条件に近い状態で模擬する摩擦試験方法および摩擦試験装置に関し、特に、継目無鋼管の製造における工具と被圧延材との摩擦を模擬する摩擦試験方法および摩擦試験装置に関する。

継目無鋼管、鋼板、形鋼、条鋼、線材などの圧延に使用される工具は、圧延時に被圧延材と接触しながら激しく擦れ合うので、耐摩耗性や耐焼付き性や耐肌荒れ性を有することが要求される。そのため、圧延時の工具と被圧延材との摩擦を実際の圧延条件に近い状態で模擬する摩擦試験を行い、実際に使用する工具や潤滑剤の性能を評価することが必要である。

このような摩擦試験に関する従来の技術は、下記のものがある。

従来の代表的な摩擦試験としては、例えば、特許文献１に開示されるように、いわゆる転動式摩擦試験がある。

図１は、転動式摩擦試験で用いる試験装置の概要を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、転動式摩擦試験では、被圧延材に相当する円板状の加熱片１０１と、圧延ロール材（工具）に相当する円板状の試験片１０２を準備し、各々の軸心１０１Ｘ、１０２Ｘが互いに平行となるように保持しつつ、各々の外周面を互いに接触させ押し付けた状態で、加熱片１０１と試験片１０２を各々の軸心１０１Ｘ、１０２Ｘを中心に回転させる。試験の際、加熱片１０１と試験片１０２の回転速度を個別に調整して、加熱片１０１と試験片１０２の間の接触部に適度なスリップを付与し、これにより、摩擦を発生させる。

さらに、上記の特許文献１には、被圧延材に相当するリングと、圧延ロール材に相当するリング状試験材を準備し、高温に加熱したリングの内面とリング状試験材の外面を接触させ、その接触部に摩擦その他の摩耗する条件を与える摩擦試験方法も開示されている。

しかし、上記特許文献１に開示されるいずれの摩擦試験方法も、摩耗に対する性能を評価することは可能であるが、例えば、継目無鋼管の穿孔圧延で使用されるロールに生じる損傷や、鋼板の圧延で使用されるロールのエッジ部に生じる損傷、特に肌荒れについて、的確に模擬することは不可能である。

また、特許文献２には、一対のロールを用いて被圧延材を圧延することによりロール材の摩擦試験を行うに際し、被圧延材に圧延方向となる前方に向けて張力を負荷しながら、一方のロールのみを駆動して他方のロールを従動させることにより、非対称圧延を行う摩擦試験方法が開示されている。この試験方法を用いた場合、実際の鋼板の圧延に近い圧延条件で試験を行えるため、鋼板の圧延で使用するロールに生じる損傷を模擬することは可能である。

しかし、上記特許文献２に開示される摩擦試験方法でも、継目無鋼管の製造で用いる工具、例えば、穿孔圧延で使用するロールに生じる肌荒れなどの損傷を的確に模擬することは不可能である。

特開昭５６−１５０３２６号公報 特開平１−２１０８４８号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、次の特性を有する摩擦試験方法および摩擦試験装置を提供することである：
継目無鋼管の製造で用いる工具に生じる損傷を模擬することができ、実際に使用する工具や潤滑剤の性能を評価できること。

本発明の要旨は、次の通りである。

（Ｉ）継目無鋼管の製造における工具と被圧延材との摩擦を模擬する摩擦試験方法であって、
当該摩擦試験方法は、
円柱状の第１試験体の端面に、円柱状の第２試験体の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体と第２試験体を各々の軸心が互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体と第２試験体を各々の軸心を中心に回転させること、
を特徴とする摩擦試験方法。

この試験方法においては、第１試験体と第２試験体を回転させる前に、第１試験体および第２試験体のうちの少なくとも第１試験体を加熱する構成とすることが好ましい。

また、上記の試験方法では、第１試験体および第２試験体のうちの少なくとも一方に回転の駆動力を与えることにより、第１試験体と第２試験体を回転させる構成とすることができる。

（II）継目無鋼管の製造における工具と被圧延材との摩擦を模擬する摩擦試験装置であって、
当該摩擦試験装置は、
円柱状の第１試験体と、
円柱状の第２試験体と、を備え、
第１試験体の端面に第２試験体の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体と第２試験体を各々の軸心が互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体と第２試験体を各々の軸心を中心に回転させる駆動機構を備えること、
を特徴とする摩擦試験装置。

本発明の摩擦試験方法および摩擦試験装置は、下記の顕著な効果を有する：
継目無鋼管の製造で用いる工具に生じる損傷を模擬することができ、実際に使用する工具や潤滑剤の性能を評価できること。

転動式摩擦試験で用いる試験装置の概要を模式的に示す斜視図である。 実際の穿孔圧延で使用したロールの外周面を拡大して示す外観図である。 本発明の摩擦試験方法を適用できる摩擦試験装置の概要を模式的に示す図であり、同図（ａ）は斜視図を、同図（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。 実施例で比較のために用いた摩擦試験装置の概要を模式的に示す図であり、同図（ａ）は斜視図を、同図（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。 実施例での摩擦試験結果をまとめた図である。

本発明者らは、上記目的を達成するため、継目無鋼管の製造工程のうちの穿孔圧延で使用したロール、および熱間で転動式摩擦試験を行った試験片を詳細に観察したところ、それぞれの損傷形態が相違することから、その原因について鋭意検討を重ねた。その結果、下記の知見を得た。

（Ａ）転動式摩擦試験の場合、工具としてのロール材に相当する試験片の回転方向と、被圧延材に相当する加熱片の回転方向が一致する。そのため、例えば、試験片（ロール）上に生成した焼付き物によって加熱片（被圧延材）上に生じる疵は、同一円周上に繰り返し生じることになる。これにより、加熱片上および試験片上の疵は、線状に繋がったような形態になるか、または先の周回で生じた疵が次の周回で生じる疵により掻き消される形態となる。

これに対し、穿孔圧延の場合は、ロールの回転方向と被圧延材の延伸方向が異なる。そのため、例えば、ロール上に生成した焼付き物によって被圧延材上に疵が生じ、この疵の箇所が次の周回で擦れ合う確率は極めて低くなり、被圧延材上およびロール上に生じる疵の方向は、ロールの回転方向と大きくずれる。これにより、実際のロールでは、疵は一つ一つ独立した形態で生じる。

図２は、実際の穿孔圧延で使用したロールの外周面を拡大して示す外観図である。同図に示すように、穿孔圧延で使用したロールの外周面には、被圧延材との著しい接触によって肌荒れの損傷が生じている。この損傷（肌荒れ）は、ロールの回転方向（図２では上下方向）より傾斜して一つ一つが独立したすじ状の疵の集合である。

これらのことから、穿孔圧延で使用するロールのように、工具の回転方向が被圧延材の延伸方向と異なる場合に生じる損傷は、転動式摩擦試験のように、各試験片の回転方向が一致する場合に生じる損傷とは異なった形態となる。

（Ｂ）実際の穿孔圧延では、被圧延材とロールの接触時間が長いため、ロールの表面温度が高温になる。そのため、ロール表層の強度および硬度が低下し、損傷を受けやすい状態になる。これに対し、摩擦試験の場合、評価対象の試験片の寸法が小さく接触時間が短いため、ロールに相当する試験片の温度は実際のロールほど上昇しない。このことから、摩擦試験でロールに相当する試験片の表面に生成する損傷は、実際の場合と比較して軽微になりやすく、実際のロールの損傷を模擬しているとは言い難い。

本発明は、上記の（Ａ）および（Ｂ）の知見に基づき完成させたものである。すなわち、本発明の摩擦試験方法は、継目無鋼管の製造を前提とし、穿孔圧延、延伸圧延、定径圧延などで用いるロールのような工具の損傷を模擬するため、上記の通り、被圧延材を想定した円柱状の第１試験体の端面に、工具を想定した円柱状の第２試験体の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体と第２試験体を各々の軸心が互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体と第２試験体を各々の軸心を中心に回転させることを特徴とする。

また、本発明の摩擦試験装置は、同じく継目無鋼管の製造を前提とし、その製造工程で用いる工具の損傷を模擬するため、被圧延材を想定した円柱状の第１試験体と、工具を想定した円柱状の第２試験体と、を備え、第１試験体の端面に第２試験体の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体と第２試験体を各々の軸心が互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体と第２試験体を各々の軸心を中心に回転させる駆動機構を備えることを特徴とする。

以下に、本発明の摩擦試験方法および摩擦試験装置の好ましい態様について説明する。

図３は、本発明の摩擦試験方法を適用できる摩擦試験装置の概要を模式的に示す図であり、同図（ａ）は斜視図を、同図（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。同図に示すように、摩擦試験装置は、いずれも円柱状に形成された第１試験体１と第２試験体２を評価対象とする。第１試験体１は、継目無鋼管の製造で圧延される被圧延材、例えば穿孔圧延で圧延されるビレットを想定したものである。第２試験体２は、継目無鋼管の製造で用いる工具、例えば、穿孔圧延でビレットの外周面を拘束するロールを想定したものである。

摩擦試験装置は、第１試験体１の端面に第２試験体２の外周面を接触させた状態に保持し、さらに、第１試験体１の軸心１Ｘと第２試験体２の軸心２Ｘが互いに交差しないように、第１試験体１の径方向に対し、第２試験体２の軸心２Ｘを所定の角度θで傾けた状態に保持する。なお、ここでいう軸心１Ｘ、２Ｘとは、それぞれの試験体１、２の存在領域のみならず、試験体１、２からの延長線上も含む概念である。そして、摩擦試験装置は、第１試験体１と第２試験体２を互いに接触する方向に押し付け、この状態で、第１試験体１を自身の軸心１Ｘを中心に回転させ、第２試験体２を自身の軸心２Ｘを中心に回転させる。これにより、第１試験体１と第２試験体２は互いの接触部で摺動し、摩擦が発生する。このとき、第１試験体１と第２試験体２との接触部においては、第２試験体２の軸心２Ｘが第１試験体１の径方向に対し傾斜して配置されていることに伴って、第１試験体１と第２試験体２は、各々の回転方向がずれた状態で摺動するようになる。

このような摩擦試験装置を用いた摩擦試験方法によれば、第１試験体１（被圧延材）と第２試験体２（工具）との接触部で各々の回転方向がずれていることから、工具としてのロールの回転方向と被圧延材の延伸方向が異なる穿孔圧延の場合と同様に、接触部に生じる疵は、一つ一つ独立した形態で生じるようになる。このため、継目無鋼管の製造で用いる工具に生じる損傷を模擬することができ、その結果として、実際の圧延条件に近い状態で、実際に使用する工具や潤滑剤の性能を評価することが可能になる。

本発明では、第１試験体１の径方向に対する第２試験体２の軸心２Ｘの傾斜角度θは、実際の圧延条件を考慮して、自由に設定することができる。ただし、傾斜角度θが０°の場合は、第１試験体１の軸心１Ｘと第２試験体２の軸心２Ｘが互いに交差し、第１試験体１と第２試験体２との接触部で各々の回転方向が一致することから、接触部に生じる疵は、従来の転動式摩擦試験の場合と同様の形態で生じる。このため、傾斜角度θは、０°に設定するのは適当でなく、好ましくは、５〜９０°の範囲内に設定する。傾斜角度を５°未満に設定すると、０°に設定した場合と同様、疵の形態が独立したものとならない場合があるためである。一方、上限は規定する理由はないが、９０°を超える傾斜角度に設定しても摺動方向が変わるだけなのでロールの回転方向を変更すれば同じ結果となることから、装置が大きくなるだけで無意味である。

また、摩擦試験に際し、第１試験体１と第２試験体２を互いに押し付けるためには、いずれか一方に外力を加えてもよいし、両方に外力を加えてもよい。この押し付け荷重も、実際の圧延条件を考慮して、自由に設定することができ、試験中に増減させることもできる。さらに、摩擦試験に際し、第１試験体１と第２試験体２を回転させるためには、いずれか一方に回転の駆動力を与えて他方を従動させてもよいし、両方に回転の駆動力を与えてもよい。

また、本発明では、実際の圧延条件を考慮し、第１試験体１と第２試験体２を回転させる試験を実施する前に、第１試験体１（被圧延材）を所定の温度に加熱しておくことが好ましい。実際の圧延条件に近づくからである。これに加え、第２試験体２（工具）も加熱しておくことが好ましい。より一層、実際の圧延条件に近づくからである。

その他に、上記の実施形態では、第１試験体は被圧延材を想定し、第２試験体は工具を想定したものとして説明したが、逆に第１試験体が工具を想定し、第２試験体が被圧延材を想定したものであっても構わない。

本発明による効果を確認するため、前記図３に示す摩擦試験装置を用いて摩擦試験を行った。また、比較のために、下記の図４に示す摩擦試験装置を用いて摩擦試験を行った。

図４は、実施例で比較のために用いた摩擦試験装置の概要を模式的に示す図であり、同図（ａ）は斜視図を、同図（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。同図に示す比較例で用いた摩擦試験装置は、前記図３に示す本発明例で用いた摩擦試験装置と比較し、第１試験体１の端面に第２試験体２の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体１と第２試験体２を各々の軸心１Ｘ、２Ｘを中心に回転させる点で共通するが、第１試験体１の軸心１Ｘと第２試験体２の軸心２Ｘが互いに交差する点、すなわち第１試験体１の径方向に対する第２試験体２の軸心２Ｘの傾斜角度が０°である点で相違する。

［試験体］
第１試験体の材質および寸法形状は、下記の通りである。
・材質：ＳＵＳ３０４
・寸法：直径１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍ
第２試験体の材質および寸法形状は、下記の通りである。
・材質：特開平１０−８１９３７号公報に記載された鍛造ロール用高炭素合金
・寸法：直径７０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ

［試験条件］
下記の表１に試験条件を示す。

同表に示すように、第１試験体は、予め高周波加熱により１０００℃に加熱して試験に供した。第２試験体は、予め高周波加熱により８００℃に加熱して試験に供するか、または加熱することなく室温状態のままで試験に供した。また、第１試験体と第２試験体との押し付け荷重は、２００Ｎから始めて３０秒毎に２００Ｎずつ増加させ、最終的に最大で３０００Ｎまで増加させた場合と、初期から３０００Ｎを一定に負荷する場合の２条件とした。第１試験体の径方向に対する第２試験体の軸心の傾斜角度は、本発明例１〜４では３０°とし、比較例１、２では上記の通りに０°とした。

そして、本発明例１〜４および比較例１、２の各条件での摩擦試験後に、それぞれの第１試験体と第２試験体の接触部を観察し、その外観から損傷の状況を調査した。

［試験結果］
図５は、実施例での摩擦試験結果をまとめた図である。同図では、本発明例１〜４および比較例１、２の各試験条件に区分し、それぞれ試験後における第１試験体と第２試験体の接触部の外観を拡大して示している。同図中で、「評価」の欄の記号の意味は次の通りである。
◎：優。継目無鋼管の圧延で実際に生じる損傷と似た大きな損傷が認められたことを示す。
○：良。継目無鋼管の圧延で実際に生じる損傷と似た軽微な損傷が認められたことを示す。
×：不可。継目無鋼管の圧延で実際に生じる損傷と似た損傷が認められなかったことを示す。

図５に示す結果から次のことが示される。比較例１の場合は、試験中に、第１試験体と第２試験体との接触部で各々の回転方向が一致し、さらに、第１試験体と第２試験体の相対速度差が小さいこともあいまって、焼付きが発生することなく、損傷が生じなかった。

比較例２の場合は、比較例１の場合よりも第１試験体と第２試験体の相対速度差が大いため、焼付きが発生し、第１試験体の接触部が摩耗したものの、第２試験体は接触部に材料が凝着しただけであり、損傷が生じなかった。

これに対し、本発明例１〜４の場合は、いずれも第２試験体の接触部に、実際のロールに生じる肌荒れと似た損傷が生じた。特に、本発明例１〜４のうちで、第２試験体を加熱した実施例２、４の場合は、それを加熱しなかった本発明例１、３の場合よりも、第２試験体の接触部に生じた損傷が大きく、より実際の圧延に近い損傷状態であった。

本発明は、継目無鋼管の製造で実際に使用する工具や潤滑剤の性能を評価することに有効に利用できる。

１：第１試験体、 １Ｘ：第１試験体の軸心、
２：第２試験体、 ２Ｘ：第２試験体の軸心

Claims (4)

1. 継目無鋼管の製造における工具と被圧延材との摩擦を模擬する摩擦試験方法であって、
   当該摩擦試験方法は、
   円柱状の第１試験体の端面に、円柱状の第２試験体の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体と第２試験体を各々の軸心が互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体と第２試験体を各々の軸心を中心に回転させること、
   を特徴とする摩擦試験方法。
2. 第１試験体と第２試験体を回転させる前に、第１試験体および第２試験体のうちの少なくとも第１試験体を加熱すること、
   を特徴とする請求項１に記載の摩擦試験方法。
3. 第１試験体および第２試験体のうちの少なくとも一方に回転の駆動力を与えることにより、第１試験体と第２試験体を回転させること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の摩擦試験方法。
4. 継目無鋼管の製造における工具と被圧延材との摩擦を模擬する摩擦試験装置であって、
   当該摩擦試験装置は、
   円柱状の第１試験体と、
   円柱状の第２試験体と、を備え、
   第１試験体の端面に第２試験体の外周面を接触させて両者を互いに押し付けつつ、第１試験体と第２試験体を各々の軸心が互いに交差しないように保持した状態で、第１試験体と第２試験体を各々の軸心を中心に回転させる駆動機構を備えること、
   を特徴とする摩擦試験装置。

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