JP4265380B2

JP4265380B2 - 引抜鋼管の製造方法、およびこの方法により製造された引抜鋼管

Info

Publication number: JP4265380B2
Application number: JP2003383520A
Authority: JP
Inventors: 憲明廣畑; 圭司松本; 雄造安藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: JP2005144479A

Description

本発明は、抽伸加工に用いられる冷間引抜用プラグを用いた引抜鋼管の製造方法、およびこの方法により抽伸加工された引抜鋼管に関し、より詳しくは、抽伸加工に際し、被加工材に発生するびびり振動を有効に防止することができる冷間引抜用プラグを用いた引抜鋼管の製造方法、およびこの方法によりびびり振動の発生なく抽伸加工された引抜鋼管に関するものである。

通常、管の冷間引抜において、素管の熱処理後、デスケール処理等を行って内外面を清浄化したのち、潤滑処理が施されていたが、その清浄化処理に多大の工数を要するとともに、使用する薬品が高価であり、その後の廃液処理も煩雑になる。特に、被加工材として小径長尺管が対象になると、その傾向が顕著なものとなる。

このため、素管の熱処理後にデスケール処理が不要になるように、還元雰囲気中で光輝熱処理を施した素管を被加工材として、管の冷間引抜が行われるようになる。以下の説明では、光輝熱処理は被加熱材を保護雰囲気中で熱処理することによって、被加工材表面の高温酸化および脱炭を防止し、その表面を光輝状態に保持する熱処理の意で用いる。

また、管の冷間引抜では、一般的に被加工材の内外表面に化成処理潤滑皮膜を形成する方法が用いられている。しかし、化成処理潤滑皮膜を形成する場合には、小径長尺管が対象になると、化成処理時に管内面まで充分に処理することに留意しなければならない。このため、その処理に多大の工数を要するとともに、使用する薬品が比較的高価であることから、作業コストが高くなる。

これに対し、被加工材の表面に油潤滑皮膜を形成する引抜加工が行われている。この油潤滑皮膜を形成する場合は、化成処理潤滑皮膜を形成するのに比べ、薬品は安価であり、その後の処理も比較的容易であることから、油潤滑皮膜を形成する引抜加工が行われている。

ところで、光輝熱処理された被加工材を潤滑処理し冷間抽伸する場合には、加工中に発生するびびり振動を防止することが、操業能率や製造コストの面で重要な管理項目となる。びびり振動は、被加工材と工具（ダイスおよびプラグ）との間に生じる摩擦係数の変動に起因した自励振動であり、スティック状態とスリップ状態を繰り返すスティックスリップ現象の一種とされている。

抽伸加工によって得られた管製品（以下、「引抜鋼管」という）にびびり振動が発生すると、その内径が極めて微少であるが軸長方向に変動する。このため、この引抜鋼管に厳しい品質管理が要求される場合には、この軸長方向の内径変動が内面渦流探傷検査でノイズの発生原因になって、探傷のＳ／Ｎ比を著しく低下させ、不合格判定の要因となる。

さらに、びびり振動の発生にともなって、上述の品質上の問題に加え、引抜鋼管の加工中に抽伸速度を低下させる、または抽伸加工を中断させることが必要になる。このため、抽伸加工の操業能率を著しく低下させることになる。

上述の通り、びびり振動の発生にともなって品質上および操業上の問題が発生するので、従来から、抽伸加工の際にびびり振動を発生させないために、種々の提案が行われている。例えば、特許文献１ではダイスの表面性状に関し、ダイスの少なくともアプローチ部の表面粗さを、Ｒmax０．３μｍ以上の粗さとした冷間抽伸ダイスが提案されている。

すなわち、特許文献１の冷間抽伸ダイスでは、アプローチ部の表面粗さをＲmax０．３μｍ以上の粗さにすることによって、該当部位に大きな多数の凹部を形成し、この凹部に多くの潤滑剤を溜めることができるとしている。

また、特許文献２では、光輝熱処理を施した素管を被加工材として、管の冷間引抜を行う加工用プラグの提案をしている。具体的な構成は、超硬合金製からなるプラグの被加工材と接する表面に、チタンの炭化物、窒化物もしくは炭窒化物の単層皮膜またはこれらの混合層皮膜を介して酸化アルミニウム皮膜を形成するものである。

特許文献２の加工用プラグは、酸化アルミニウム皮膜を形成させることによって、高圧の潤滑油を用いた潤滑法で抽伸加工を行うと、びびり振動が長期にわたって発生せず、軸長方向に径変動のない引抜鋼管が得られることに基づいている。そして、酸化アルミニウムに比べて超硬合金との親和性がよいＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの単層皮膜または混合層皮膜を介在させると、酸化アルミニウム皮膜の密着力が格段に向上し、剥離脱落がほとんど生じなくなるとしている。

しかしながら、特許文献１、２で提案された冷間抽伸ダイスおよび加工用プラグでは、光輝熱処理された被加工材を潤滑処理し冷間抽伸する場合や、被加工材が小径長尺管になる場合には、びびり振動の発生防止に十分でなく、新たな改善が必要になる。

特開平２−２５５２１３号公報

特開平１０−３２３７１１号公報

前述の通り、抽伸加工におけるびびり振動の発生を防止するため、特許文献１ではアプローチ部の表面粗さを規定した冷間抽伸ダイスが提案されている。しかし、抽伸ダイスのアプローチ部は、抽伸加工時には被加工材によるしごき加工を最も受ける箇所であり、プラグ表面などに比べて、被加工材が及ぼす挙動は全く異なるものである。このため、後述するように、冷間引抜用プラグの改善を検討する場合には、異なった知見に基づかなければならない。

また、特許文献１の冷間抽伸ダイスは、素管の熱処理後、デスケール処理等の清浄化を行ったのち潤滑処理した被加工材を対象とするものであり、積極的に、光輝熱処理された被加工材を対象に抽伸加工を行うものではない。したがって、光輝熱処理を施した被加工材に発生するびびり振動に対応することができない。

一方、特許文献２の加工用プラグは、超硬合金製プラグ表面に膜厚１〜５μｍ程度のＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの膜を介して、膜厚２〜４μｍのＡ１₂Ｏ₃のコーティング層を形成することによって、所定のびびり振動を防止する効果を発揮する。しかし、引抜鋼管を原子力発電設備の蒸気発生器や各種給水ヒータなどの熱交換器に組み込んで使用するため、その被加工材を小径長尺管にすると、加工中にびびり振動が発生し、安定した抽伸加工が行えなくなる。

本発明は、上記の実情に鑑みなされたものであり、光輝熱処理を施した素管を被加工材として抽伸加工を行う場合に、加工中に発生するびびり振動を有効に防止することができる冷間引抜用プラグを用いた引抜鋼管の製造方法、およびこの方法により抽伸加工された引抜鋼管を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、光輝熱処理を施した素管を用いて抽伸加工を行う場合に、光輝熱処理の雰囲気を調整するとともに、加工材、潤滑、工具等の加工条件を種々に変動させて、びびり振動が発生する要因調査を行った。

例えば、水素雰囲気で光輝熱処理を行うと、水素露点条件によって熱処理された被加工材の表面に、チタン酸化物（ＴｉＯ₂）、アルミナ酸化物（Ａ１₂Ｏ₃）、クロム酸化物（Ｃｒ₂Ｏ₃）等の微小な金属酸化物が生成される。

通常、プラグ表面には潤滑切れを防止するために数μｍ程度の微小な凹凸部位が設けられ、その凹部に潤滑油が溜められる。しかし、被加工材の表面に生成された微小な金属酸化物が、抽伸加工の進展にともなって、プラグ表面に存在する微小な凹部に蓄積されることによって、最終的に潤滑油膜が切れ、びびり振動が発生する。

さらに詳細なびびり振動の発生メカニズムは、次のようになる。まず、発生初期の段階では、プラグ表面に存在する微小な凹凸部位に金属酸化物がトラップされ、金属酸化物の微粉が凹部に留まる。発生中期の段階になると、トラップされた金属酸化物の微粉はプラグ表面の微小な凹部から溢れ、被加工材の表面にめり込むように付着する。

そして、発生終期では、溢れた金属酸化物の微粉が潤滑油膜を切るようになり、摩擦抵抗が増加しびびり振動を発生する。さらに、溢れた金属酸化物の微粉は硬いため、プラグ表面を傷付けることもある。

したがって、抽伸加工時にびびり振動を防止するには、潤滑油が溜まるのに十分な容量の凹部、すなわち、オイルピットを確保することが必要である。前記特許文献１で示すダイスでは、被加工材によるしごき作用によって、ダイス表面に設けられるオイルピットに金属酸化物の徴粉がトラップされることがないが、プラグ表面では被加工材の圧下にともなって、金属酸化物の微粉がオイルピットにトラップされ、徐々に蓄積されることになる。このように、抽伸加工に用いられるダイスおよびプラグにおける工具表面での現象は、相反するものとなる。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）の引抜鋼管の製造方法、および（２）の引抜鋼管を要旨としている。

（１）光輝熱処理された素管を被加工材とし、潤滑処理が施された前記被加工材の抽伸加工に用いられる冷間引抜用プラグの少なくとも前記被加工材と接触する部位の表面粗さを、定期的に、抽伸加工前にＲmaxで０．４〜２．０μｍに調整すると同時に、前記冷間引抜用プラグの表面のオイルピットに蓄積された金属酸化物の微粉を除去する研磨処理を施した後に、被加工材を抽伸加工することを特徴とする引抜鋼管の製造方法である。
この引抜鋼管の製造方法では、焼付防止のため、前記冷間引抜用プラグとして、前記被加工材と接触する部位にコーティング層が形成されたプラグを用いることができる。
（２）上記（１）に記載の引抜鋼管の製造方法により抽伸加工が施されたことを特徴とする引抜鋼管である。

本発明の冷間引抜用プラグによれば、小径長尺管であり、光輝熱処理された素管を被加工材とする場合であっても、びびり振動の発生を有効に防止し、安定した抽伸加工を行うことができる。したがって、これを用いて得られた引抜鋼管は、びびり振動の発生がなく、効率的に抽伸加工できるので、表面性状が優れる。さらに、引抜鋼管の製造方法では、操業能率の向上、製造コストの低減を図ることができる。

本発明の冷間引抜用プラグは、光輝熱処理を施した素管を被加工材として用いる。光輝熱処理の保護雰囲気としては、還元性である水素雰囲気を適用することができる。これは、大気雰囲気または酸化性雰囲気中で熱処理を行うと、素管の熱処理後、デスケール処理が必要になるからである。

すなわち、被加工材の主体が小径長尺管になると、その処理に多大の工数を要するとともに、使用する薬品が高価になる。このようなデスケール処理を回避するため、被加工材を熱処理する際に、殆ど表面にスケールの発生がない、水素還元雰囲気による光輝熱処理を施すこととした。その表面を光輝状態に保持するには、表面の高温酸化と同時に、表面脱炭も防止する必要があるため、弱還元性雰囲気にするのが望ましい。

前述の通り、びびり振動の発生要因は、抽伸加工前の被加工材表面に生成される金属酸化物の微粉である。この金属酸化物の微粉は、抽伸加工前に施される光輝熱処理において生成されるものであり、その還元雰囲気として用いられる水素の露点を変化させて、素管の表面に生成される酸化物の種類や生成量を調整することができる。

本発明の冷間引抜用プラグは、被加工材と接触する部位の表面粗さがＲmaxで０．４〜２．０μｍであることを特徴としている。ただし、ここで表面粗さを示すＲmaxは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に規定する測定法に基づくものである。

抽伸加工に際し、プラグ表面では金属酸化物の微粉がオイルピットにトラップされ、徐々に蓄積されることから、表面粗さがＲmaxで０．４μｍ未満であると、びびり振動を発生するまで安定して加工できる抽伸長さが著しく短くなる。一方、表面粗さがＲmaxで２．０μｍを超えるようになると、引抜鋼管の管内面性状が悪化し、内面筋模様等が発生し内面品質の低下を来すことになる。

図１は冷間引抜用プラグの部分断面の形状を示す図であり、同（ａ）はシリンダー（円筒）プラグの形状、（ｂ）はテーパープラグの形状を示している。抽伸加工の際には、プラグ１は被加工材の内面側の固定位置に保持され、図中の矢印（白抜き）方向に沿って、被加工材が引き抜かれる。

本発明の冷間引抜用プラグは、特定のプラグ形状に限定されるものではなく、シリンダープラグおよびテーパープラグのいずれであってもよい。表面粗さを規定する部位は、被加工材と接触するプラグ１表面であるから、シリンダープラグではストレート部１ａ、テーパープラグではテーパー部１ｂおよびストレート部１ａが対象となる。

通常、冷間引抜用プラグの耐焼付性を確保するため、プラグ表面にはコーティング層が形成される。プラグ表面に形成されるコーティング層の表面粗さはプラグ自体の表面粗さに依存するため、プラグ自体の表面粗さを調整し、コーティング層を形成すればよい。

本発明の冷間引抜用プラグでコーティング層を形成する場合には、プラグ表面にチタンの炭化物（ＴｉＣ）、窒化物（ＴｉＮ）もしくは炭窒化物（ＴｉＣＮ）の単層皮膜またはこれらの混合層皮膜を介して、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）皮膜をコーティングするのが望ましい。プラグ表面に超硬合金との親和性がよいＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの単層皮膜または混合層皮膜を介在させることにより、Ａｌ₂Ｏ₃皮膜の密着力が格段に向上するためである。

この場合に、びびり振動を抑制する観点から、ＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの単層皮膜または混合層皮膜の厚さは１〜５μｍ程度とし、Ａｌ₂Ｏ₃皮膜の厚さは２〜４μｍ程度にするのが望ましい。

前述の通り、冷間引抜用プラグは抽伸加工の進展にともなって、金属酸化物の微粉がオイルピット（凹部）に徐々に蓄積されることから、そのまま使用を続けると硬い金属酸化物の微粉が溢れ、コーティング層を損傷したり、びびり振動を発生することになる。
したがって、ある長さの抽伸加工を行った後、びびり振動が発生するに先立ち、続く抽伸加工前に、適宜冷間引抜用プラグの表面粗さを、規定範囲に調整すると同時に、オイルピットに蓄積された金属酸化物の微粉を除去する研磨処理を施せば、常時、びびり振動を防止することができるため、工具寿命を大幅に改善することができる。

上記の研磨処理は粗研磨と仕上研磨に区分し、その後超音波洗浄を行うのが望ましい。まず、粗研磨では回転するプラグにダイヤモンドやすり（＃１０００程度）を用いてプラグ面を研磨したのち、仕上バフ布にダイヤモンドペースト（ダイヤ研磨粉）を塗布しプラグ面（ストレート部およびテーパー部）を研磨する。

次に、仕上研磨では、同様に、仕上バフ布にダイヤモンドペースト（ダイヤ研磨粉）を塗布してプラグ面を十分に研磨した後、軽くラッピングする。ラッピング後は研磨粉が乾燥する前にアセトンに浸し超音波洗浄を行う。

このような粗研磨および仕上研磨を経て超音波アセトン洗浄を施すことによって、所定の表面粗さを回復させることができると同時に、プラグ面のオイルピットに蓄積した金属酸化物の微粉を効果的に除去することができる。このような研磨処理は定期的に実施すれば、適切にびびり振動を防止し、工具寿命を延長させることができる。

ところで、油潤滑皮膜を形成する方法は、化成処理潤滑皮膜を形成する方法に比べ、潤滑皮膜の厚さが薄く、かつ強度が低いので油切れを生じ易い。このため、油潤滑皮膜を用いた冷間引抜加工の安定化を図るとともに、引抜鋼管の品質向上に大きな効果を発揮する高圧潤滑引抜法（高圧抽伸法）が開発されている。この方法は、内部に被加工材を装入した高圧容器内に潤滑油を充満させ、高圧潤滑油を供給しつつ抽伸加工を行いながら、被加工材を高圧容器外へ引き抜く、管の加工方法である。

図２は、高圧潤滑油を供給しつつ抽伸加工を行う高圧潤滑引抜法を説明する模式図である。図２において、プラグ１およびダイス２を用いて被加工材３を抽伸加工する際に、一方端が閉鎖され、開放端がテレスコピック構造４ａとされた筒状の容器４は、閉鎖端側を支点に開放端側を引き抜きパスラインと被加工材挿入ラインとの間に位置可変なように揺動自在に設けられている。

容器４内には、引き抜きパスラインに固定配置されたダイス２内にプラグ１を位置させて、プラグ１を保持するプラグ支持桿５が貫通配置されている。

上記の容器４内には、光輝熱処理された素管に、例えば、処理が容易な外面のみに乾燥樹脂皮膜を形成させた被加工材３が装入され、図２に示すように、ダイス２とプラグ１とで画成される環状空間に被加工材３の口絞り部を通した状態にセットされる。

そして、この状態でポンプＰにより容器４内に高圧潤滑油を供給充填し、被加工材３を上記環状空間より容器４外へ引抜いて所定の寸法の引抜鋼管に仕上げる。この抽伸加工の全工程において、被加工材３の内外面には容器４内に供給充填した高圧潤滑油が連続的に供給される。

このとき、容器４の開放端とダイス２との間の気密保持は、容器４の開放端側に設けられたテレスコピック構造部４ａが高圧の潤滑油によって図中の左方に押されてその先端がダイス２の入側面に圧接することで自動的に行われる。また、プラグ１とダイス２との環状空間の気密は、引抜加工中の被加工材３によって維持される。

以下では、本発明の冷間引抜用プラグを用いて抽伸加工を行った場合に、びびり振動の発生防止に及ぼす効果を実施例に基づいて説明する。

外径２５ｍｍ、肉厚１．６５ｍｍ、長さ１１３００ｍｍのアロイ６９０（商品名：Ｎｉ基合金）製の素管を対象とし、前記図２に示す高圧潤滑引抜法によって、外径１９．０８ｍｍ、肉厚１．１２ｍｍ、長さ２１６００ｍｍの引抜鋼管に抽伸加工した。使用した冷間引抜用プラグは超硬合金製で、前記図１（ｂ）に示すテーパープラグとし、プラグ表面に膜厚が５〜１０μｍとなるＴｉＣおよびＡｌ₂Ｏ₃からなるコーティング層を形成した。

冷間引抜用プラグの表面粗さは、Ｒmax０．２１〜２．２１μｍの範囲で変動させて、抽伸加工を行い、「びびり振動」が発生するまでの安定した抽伸長さを測定した。「びびり振動」が発生するまでの抽伸長さは、「びびり振動」の発生が見られた引抜鋼管の内面渦流探傷を行い、探傷時のＳ／Ｎ比の判定から振動発生位置を特定して測定した。測定結果を表１に示す。

表１に示す結果から明らかなように、本発明例のプラグを用いた場合には、「びびり振動」が発生するまでの安定抽伸長さが長く、引抜鋼管の内面性状もよく、総合評価は良好な結果であった。

プラグの表面粗さがＲmax０．２１μｍと過小になる場合（Ｎｏ．１）には、「びびり振動」が発生するまでの安定抽伸長さが短く、総合評価は不良であった。また、プラグの表面粗さがＲmax２．２１μｍと過大になる場合（Ｎｏ．７）には、安定抽伸長さが比較的長くなるが、引抜鋼管の内面に筋模様が発生し内面性状が不良（×）であり、総合評価は不良な結果であった。

さらに、Ｎｏ．６と同じ表面粗さの冷間引抜用プラグに関して、約２７５０ｍの抽伸を行った後、さらに抽伸加工を行う前に、さらにプラグの表面粗さＲmaxを１．９５μｍに調整し、再度、「びびり振動」が発生するまでの安定した抽伸長さを測定した。このとき、内面性状は良好（○）であり、「びびり振動」が発生するまでの安定抽伸長さは２８５０ｍとなった。したがって、びびり振動が発生するに先立って、抽伸加工前に、冷間引抜用プラグの表面粗さを調整し、回復させれば、びびり振動を防止できるだけでなく、表面粗さ調整前の冷間引抜用プラグと同様に、抽伸を行うことができ、これを繰り返し行えば、工具寿命をより長くすることができる。

本発明の冷間引抜用プラグは、小径長尺管であり、光輝熱処理された素管を被加工材とする場合であっても、びびり振動の発生を有効に防止し、安定して抽伸加工を行うことができる。したがって、これを用いて得られた引抜鋼管は、びびりの発生がなく、製品品質を確保でき、引抜鋼管の製造方法では、効率的に抽伸加工できるので、操業能率を向上させることができ、製造コストの低減が図れる。これにより、鋼管の冷間抽伸加工の分野で、広く適用することができる。

冷間引抜用プラグの部分断面の形状を示し、同（ａ）はシリンダー（円筒）プラグの形状、同（ｂ）はテーパープラグの形状を示す図である。高圧潤滑油を供給しつつ抽伸加工を行う高圧潤滑引抜法を説明する模式図である。

符号の説明

１：プラグ、１ａ：ストレート部
１ｂ：テーパー部
２：ダイス、３：被加工材（素管）
４：容器、４ａ：テレスコピック構造
５：プラグ支持桿

Claims

光輝熱処理された素管を被加工材とし、潤滑処理が施された前記被加工材の抽伸加工に用いられる冷間引抜用プラグの少なくとも前記被加工材と接触する部位の表面粗さを、定期的に、抽伸加工前にＲmaxで０．４〜２．０μｍに調整すると同時に、前記冷間引抜用プラグの表面のオイルピットに蓄積された金属酸化物の微粉を除去する研磨処理を施した後に、被加工材を抽伸加工することを特徴とする引抜鋼管の製造方法。
前記冷間引抜用プラグとして、前記被加工材と接触する部位にコーティング層が形成されたプラグを用いることを特徴とする請求項１に記載の引抜鋼管の製造方法。
請求項１または２に記載の引抜鋼管の製造方法により抽伸加工が施されたことを特徴とする引抜鋼管。