JPH02268909A - 継目無し鋼管製造用プラグ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は継目無し鋼管の製造に使用されるプラグに関
するものである。

〔従来の技術〕

継目無し鋼管の製造工程においては、穿孔工程、圧延工
程（エロンゲータ、プラグミル）、磨管工程（リーラ）
で、各種の形状のプラグが用いられている。これらのプ
ラグの表面は穿孔あるいは圧延の際、高温下で高圧力や
高剪断力を受けるため、しばしば摩耗、溶損、焼付き等
を起こしていた。

この結果、プラグの寿命（耐用度）を縮めて耐用度に問
題があるばかりでなく、得られた鋼管の内面品質に悪影
響を及ぼしていた。そこで、プラグの耐用度向上のため
に、いくつかの発明がなされている。

一般に、継目無し鋼管の材料としての綱片には低合金鋼
と高合金鋼がある。低合金鋼の穿孔には、従来から０．
３％Ｃ−３％Ｃｒ−１％Ｎｉ系低合金鋼からなるプラグ
本体の表面に、酸化物層を生成させたプラグが使用され
ている。

例えば、特公昭５Ｂ−１９３６３号公報においては熱処
理を施すことにより、そして、特公昭５９−１３９２４
号公報においては鉄酸化物を主体とした粉末を溶射する
ことによりプラグ本体の表面に、酸化物層を生成させて
いる。前記プラグによれば、クロム含有量が２．２５ｗ
ｔ％までの低合金鋼からなる鋼片から４〜８ｍのホロー
ピースを調製する場合、５００〜１５００回の穿孔に耐
えられ、プラグ寿命を延長することができる。

しかしながら、クロム含有１１１３ｗｔ％以上のＣｒ鋼
、オーステナイト系ステンレス鋼のような高合金鋼の綱
片を穿孔する場合には、これらの鋼片の高温強度が高い
ことや、鋼片表面にクロム酸化物が生成し綱片からプラ
グ表面への鉄酸化物の供給が断たれることから、プラグ
の焼付きが著しくなり、第４図に示すようにプラグ１の
溶損、焼付きが激しい。従って、プラグの寿命は長いも
のでも５回程度であり、場合によっては１回の穿孔で使
用を中止しなければならないことも少なくなかった。

さらに、プラグは穿孔における材料のメタルフローに対
し理想的な形に設計されているにもかかわらず、穿孔中
にプラグ先端部が消耗してプラグの先端の後退を生じて
いた。その結果、プラグ先端に材料が当接するまでの時
間が延び、これによってプラグ先端圧下率が増大し、材
料が回転鍛造割れを起こす可能性が増して、ホローピー
スの内面品質低下を招来していた。

最近、これらの高合金鋼の鋼片を穿孔するために、各種
の耐熱合金製のプラグを使用する動きがある。このプラ
グの材料には高温強度で耐焼付き性の高い材料である、
モリブデンを適用することが多い。

しかしながら、モリブデン類のプラグの場合には、その
材料費が高価であるばかりでな（、難削材料であること
、プラグ形状が複雑であることなどにより機械加工費が
高くなり、プラグ製作費が非常に高くつくという問題が
あった。さらに、モリブデンは、鋼の１．３倍の比重を
有するために、モリブデンからなるプラグは重くなり、
作業性の低下を招く。その上、モリブデンは鋼の３倍以
上の熱伝導率を有するために、プラグ後部でプラグにか
かる力を支持するためのマンドレルバ−またはその装着
部において多大な温度上昇を招き、マンドレルバ−の変
形やプラグとの焼付きなどの弊害を生じた。

この問題点を解決する方法の一つにプラグ表面にモリブ
デン層を被覆する手法がある。例えば、特開昭６１−２
８６０７７号公報においては溶射と熱間等方圧加圧処理
により、特開昭６２−５０００９号公報、特開昭６２−
２３８０１１号公報においてはカプセルに封入後熱間等
方圧加圧処理により、モリブデン溶射層や粉末層をプラ
グ表面に被覆させることを提案している。

［発明が解決しようとする課題］ これらの提案は、先に示したモリブデンプラグの問題点
を解決をしている。しかし、モリブデン及びモリブデン
合金は室温で非常に脆弱なため、穿孔初期にかかる衝撃
力により簡単に破壊したり、穿孔作業を進めているうち
に被穿孔材から伝わる熱による組織の粗大化が強度低下
につながり、遂には破壊してしまうという問題点があっ
た。

発明者らもモリブデンプラグの研究の中でこの室温で脆
性な点を問題視しており、いくつかの改善策をとったが
、デイメリットも多かった。

本発明は、低合金鋼や耐熱鋼製のプラグにみられる溶損
や焼付き、モリブデン類のプラグにみられるマンドレル
バ−への熱影響や高比重による作業性の低下、モリブデ
ン層を有するプラグにみられる室温における脆性や組織
の粗大化により生ずる割れといった問題点を解決し、高
寿命で、しかも、内面品質が良好なホローピースを安定
して製造することができる継目無し鋼管製造用プラグを
提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段〕 本発明はかかる目的を達成するべくなされたものであり
、本発明者らはプラグをモリブデンまたはモリブデン基
合金にセラミック粒子を分散させた複合材よりなる被穿
孔物と接触する表面層と、他の材料よりなる芯材より構
成することによりこの目的を達成することに成功したも
のである。

プラグの形状は通常は略弾頭形状であり、底面にはマン
ドレルを取り付ける嵌合穴、嵌合突起等が設けられる。

頭部は半球形のばか傘形等のものも知られている。本発
明のプラグの形状はこれらに限定されるものではなく公
知の如何なる形状であってもよい。

このプラグは少なくとも、被穿孔物と接触する表面層と
該表面層の内面側において接触している芯材よりなって
いる。表面層はプラグの外表面全体に設けられていても
よく、穿孔によって損傷を生じやすい部分のみに設けら
れていてもよい。

芯材の表面層と接する面に凹凸を設けることによって穿
孔中に被穿孔物の回転力から受ける反力による剪断を凹
凸部分に持たせてプラグの先端変形、割れ等を防止する
ことができる。この凹凸形状はショツトブラスト面のよ
うな浅い凹凸では不十分で、ある程度の深さを持った丸
や三角や四角のクレータ−状や円形や三角や四角の溝形
状が好ましい。上記の凹みや溝でなく突起や突条であっ
てもよいがその場合表面層の厚みを増加させるデメリッ
トがある。凹凸の大きさすなわち径や巾や深さはプラグ
の大きさにも依存するが、プラグ径に対する相対値は０
．００５〜０，５程度で十分効果が見出せるが実用上は
０．０５〜０．２程度が好ましい。

凹凸の分布は不規則であってもよいが、等間隔に並んで
いる状態が好ましい。また、溝のコーナー部は応力集中
を避けるためにアールを設けるのが好ましい。

芯材は室温から１３００°Ｃの線膨張係数が３．５Ｘ１
０−’〜１３Ｘ１０−６／’Ｃであれば金属、合金、セ
ラミックスの別を問わないが、芯材に凹凸形状を施す場
合はモリブデンまたはモリブデン基合金よりも熱膨張係
数の高い、つまり２０°Ｃで４．８ｘｌＯ−６／’Ｃ以
上、１３００°Ｃで７．４ｘｌＯ−”／”Ｃ以上の熱膨
張係数を有した材料を用いるのが好ましい。例えば５Ｋ
０６１等に代表される熱間工具鋼やＮｉｍｏｎｉｃやＮ
ｉｍｏｉｙａｌ等の超合金や更に高温強度の高いＴｉＢ
ｔ、　Ｚｒ０ｔ等のセラミックスがある。モリブデンよ
りも熱膨張係数の大きな材質を芯材に適用し、かつ凹凸
形状を四角い溝状とした場合には、溝に径方向の切込が
あるため製作時の）ＴＩＰ後の冷却の際にモリブデンと
芯材の熱膨張係数の差により溝側面の両者界面に圧縮応
力が働き、両者が強固に焼嵌め接合される利点がある。

これらを凹凸形状の芯材に仕上げる方法には、単にビレ
ットから切り出す機械加工法のほかに、鋳造法や、これ
らの材質の粉末を成形後焼結する粉末冶金法がある。

次に、このようにして製作した芯材の表面にモリブデン
またはモリブデン基合金にセラミ・ンク粒子を分散した
複合材を被覆する。母材のモリブデンまたはモリブデン
基合金は高温における潤滑性及び強度特性に優れたもの
であればよく、純モリブデンのほか例えば、ＴＺＭ（０
，５朽ｔχＴｉ−０，０７れχＺｒ−０．０５ｗｔＸＣ
−Ｂａ１．Ｍｏ）、　　ＴＺＣ（１，０朽ｔχＴｉ−０
，１４ｉｖｔχＺｒ−０，１ｗｔχＣ−Ｂａ１．Ｍｏ）
、　　ＺｔｌＭ（０，７２ｗｔＸＺｒ−０，１４ｗｔＸ
ｔｌｆ−０，０５ｗｔχＣ−Ｂａ１．Ｍｏ）、　　Ｍｌ
（Ｃ（１，ＯｗｔχＨｆ−０，０５ＷｔχＣ−Ｂａ１．
Ｍｏ）等も利用できる。

セラミック粒子は各種酸化物、炭化物、窒化物、硼化物
のうちの一種もしくは二種以上の組み合せが可能である
が、周期律表のｍａ族またはＩＶａ族の元素の酸化物の
中から選出するのが好ましい。

好ましいセラミック粒子の例として、ＺｒＯ□、Ｃｅ、
Ｏｌｙ、ｏ、、Ａｈ（ｈ、ＴｉＯ２，Ｌａｇ’ｓ、Ｓｍ
１０３などを挙げることができる。粒形は一般の粒状の
ばか繊維状等であってもよい。セラミック粒子の粒径は
粒状の場合には０．０１〜５ｎ程度、好ましくは０．０
２〜１ｎ程度が適当である。また、分散量は体積％で１
〜２０％程度がよく、好ましくは５〜１０％程度である
。

セラミックのモリブデンまたはモリブデン基台金へのセ
ラミック粒子の分散はモリブデンまたはモリブデン基合
金の粒子と均一混合することによって行なう。モリブデ
ンまたはモリブデン基合金の粒径は０．５〜１０−程度
が適当であり、１〜５μｍ程度が好ましい。

被覆方法には、ビレットから機械加工により切り出した
のち、芯材にＨＩＰＩＰ処理嵌め等により接合させたり
する方法のほかに、セラミック粒子を分散させたモリブ
デンまたはモリブデン基合金の粉末を固化接合する焼結
ＨＩＰ法、キャニングＨＩＰ法、爆発成形法（衝撃成形
法）等があるが、他のいかなる固化技術を応用してもよ
い。このうちキャニングＨＩＰ法を簡単に説明すると次
のようになる。まず、粉末を冷間静水圧加圧（ＣＩＰ）
等の成形方法で成形する。次にこれをメタルカプセルに
挿入し、真空加熱脱気により十分乾燥した後、カプセル
内に真空封入し、）（ＩＰ処理を施す方法である。

接合後は必要により外表面を仕上げ加工して使用に供す
る。

なお、本発明のプラグは、前述した鋼片の穿孔に対する
プラグのみならず、エロンゲータ、プラグミル、リーラ
等に用いられるプラグに対しても適用することができる
。

〔作用］ モリブデンは一般に室温で脆性なため穿孔初期に破壊し
たり、穿孔中に粒成長し強度が低下し遂には破壊してし
まうのに対し、本発明のプラグにおいてはセラミックス
との複合化により室温での脆性を回避したり、粒成長を
抑え脆弱化を防止している。

〔実施例〕

実施例１ 本発明の一実施例であるプラグ１をマンドレルバ−２に
装着した状態を第２図（ａ）（ｂ）に示す。これは、ピ
アサ−プラグの場合を例に示したものであり、（ａ）は
その側面図、（ｂ）は第１図（ａ）における八−Ａ部所
面図である。

このプラグ１は被穿孔物と接触する表面層３がＺｒＯ□
粒子やＹ２Ｏ３粒子やＡｈ０３粒子を分散したモリブデ
ンの複合組織となっており、内部の芯材は熱間工具鋼（
ＳＫＤ６１）で構成されている。プラグ形状は円錐体の
先端部が略半球状に丸められた弾頭形状をしている。

プラグ１は円柱形状のマンドレルバ−２の先端に装着さ
れている。プラグＩの底面には、マンドレルバ−２へ取
り付ける所定深さの嵌合穴５が穿設されている。一方、
マンドレルバ−２の先端には凸部６が設けられ、プラグ
１とマンドレルバ−２とは嵌合穴５と凸部６とにより嵌
着されている。

本実施例では、被覆層をＺｒｏｔ粒子やＹ２Ｏ３粒子や
Ａ１ｚ０３粒子を分散したモリブデンの複合材とした場
合と比べどの程度改善されるかを試験した。

外径φ３２価、長さ７６ａ＋ｍのモデル試験用プラグに
対し、外径φ２６ｍｍ、長さ６０ｎ＋ｍの芯材を準備し
た。

被覆層は平均粒径０．０２μｍの各種セラミック粒子を
平均粒径１ｎのモリブデン粉末に体積％でｌＯ％湿式混
合した後乾燥した粉末をキャニングＨＩＰ法により固化
接合することにより芯材の表面に張り付けた。

プラグの製作条件の詳細を第１表に示す。

第１表 プラグ製作条件 これら４つのプラグにつき小型穿孔機でモデル穿孔試験
を行った。被穿孔材は１３％ＣｒｔＦｆｌからなる直径
φ４０ｒｔｍ、長さ２００−１温度１２５０℃の丸鋼片
で、直径φ４２＋ｍａ、厚さ６ａｎ、長さ４００鴫のホ
ローピースに加工した。なお、プラグの予熱は行われず
に試験を行った。モデル穿孔試験の結果として、プラグ
の耐用回数および損傷状態を第２表に示す。

第２表 モデル穿孔試験結果 第２表に示すように、本発明の供試体は予熱を行わなく
ても十数口の穿孔に成功した。

このようにセラミック粒子でモリブデンを複合化する効
果が十分証明された。

実施例２ 本発明の他の実施例であるプラグＩをマンドレルバ−２
に装着した状態を第２図に（ａ）（ｂ）に示す。

これは、プアサープラグの場合を例にしたのであり、（
ａ）はその側面図、（ｂ）は第２図（ａ）におけるＡＡ
部断面図である。

このプラグ１は被穿孔物と接触する表面層３がＺｒｏｔ
粒子やＹ２Ｏ１粒子やＡｈＯｓ粒子を分散したモリブデ
ンの複合組織となっており、内部の芯材４がモリブデン
よりも熱膨張係数の高い材料より構成されている。また
、穿孔時の被穿孔物の回転力から受ける反力による剪断
に対し接合界面が十分な接合強度を持つように、芯材４
の表面には第２図（ｂ）に示す凹凸状の溝７が形成され
ている。プラグ形状は円錐体の先端部が略半球状に丸め
られた弾頭形状をしている。プラグｌは円柱形状のマン
ドレルバ−２の先端に装着されている。プラグ１の底面
には、マンドレルバ−２へ取付ける所定深さの嵌合穴５
が穿設されている。一方、マンドレルバ−２の先端には
凸部６が設けられ、プラグ１とマンドレルバ−２とは嵌
合穴５と凸部６とにより嵌着されている。

プラグの製造方法は次の通りである。この例においては
、芯材４の形状もプラグと同様に弾頭形状をしているが
、軸方向に数本の溝７が施されている。

本実施例では、被覆層をＺｒＯ１粒子やＹｚＯｓ粒子や
ＡｈＯ：＋粒子を分散したモリブデンの複合材とじた場
合、純モリブデンを被覆した場合と比べどの程度改善さ
れるのか、芯材に溝を施した場合どの程度改善されるの
かを試験した。

外径φ３２ｍｍ、長さ７６ｆｆｌｆｆｉのモデル試験用
プラグに対し、外径φ２６ｍｍ、長さ６０ｍｍの芯材を
準備した。

芯材には、その外周に幅２．５ｍｍ、長さ６０ＩＩＩ［
Ｉｌの溝６本等間隔に溝彫加工し、コーナーにはアール
を設けた。

被覆層は平均粒径０．０２Ｑの各種セラミック粒子を平
均粒径１μｍのモリブデン粉末に体積％で１０Ｑ湿式混
合した後乾燥した粉末をキャニングＨＩＰ法により固化
接合することにより芯材の表面に被覆した後、仕上げ加
工によりプラグ１を製作した。

なお、比較のように芯材に溝加工を施さない代わりに、
被覆層と芯材の間にニッケルの中間層を設けたものや、
芯材表面にショツトブラスト処理を施しモリブデン被覆
層と芯材の界面を不規則にしたものを作製し、本発明プ
ラグと比較した。

第３表 プラグ製作条件 これら７つのプラグにつき小型穿孔機でモデル穿孔試験
を行った。被穿孔材は１３％Ｃｒｊｉｌからなる直径φ
４０Ｍ、長さ２００ｍｍ、温度１２５０°Ｃの丸鋼片で
、直径φ４２胴、厚さ６飾、長さ４００鵬のホローピー
スに加工した。なお、プラグの予熱は行われずに試験を
行った。モデル穿孔試験の結果として、プラグの耐用回
数および損傷状態を第４表に示す。

第４表 モデル穿孔試験結果 第４表に示すように、本発明の供試体は使用前に予熱し
なくても非常に長寿命でＮα１０やＮα１１の数十倍の
穿孔に成功した。

このようにセラミック粒子でモリブデンを複合化し、か
つ、芯材に溝加工を施す効果が十分証明された。

実施例３ 次に、本発明をプラグミルプラグに適用した例を第３図
（ａ）　（ｂ）に示す、（ａ）はプラグの側面図、（ｂ
）はその芯材４の側断面図である。

このプラグ１もピアサ−プラグと同様に被圧延物と接触
する表面層３がモリブデン、そして内部の芯材４がモリ
ブデンよりも熱膨張係数の高い材料より構成されている
。また、圧延時の被圧延物から受ける軸力による剪断に
対し接合界面が十分な接合強度を持つように芯材４の表
面には第３図（ｂ）に示す凹凸状の溝７が形成されてい
る。プラグ１は略円錐台形状をしている。

プラグ１は円柱形状のマンドレルバ−２の先端に装着さ
れている。プラグ１の中心には、マンドレルバ−２へ取
り付ける所定径が貫通穴８が穿設されている。一方、マ
ンドレルバ−２の先端にはネジが切ってありプラグ１と
マンドレルバ−２をボルト９により固定することができ
ようになっている。

プラグの製造方法は次の通りである。この例においても
、芯材４は熱間工具鋼（ＳＫＤ６１）又はＴｉＢｚ系セ
ラミックスで構成されている。

芯材４には、径方向に数本の溝７が設けられている。

本実施例では、被覆層をＺｒＯ，粒子やｙ、ｏ：１粒子
やＡｌｔ０３粒子を分散したモリブデンの複合材とした
場合、純モリブデンを被覆した場合と比べどの程度改善
されるのかを試験した。

外径φ１６４Ｍ、長さ１２０ｏ＋＋ｎの実機用プラグに
対し、外周にモリブデンを２０ｎｏ＋＋の厚みで盛れる
ように外周加工を施した芯材を準備した。特にこの部分
には、周方向に幅１０印、深さ５印の四角い溝を２本等
間隔に溝彫加工し、コーナーにはアールを設けた。

被覆層は平均粒径０．０２μｍの各種セラミック粒子を
平均粒径１μｍのモリブデン粉末に体積％で１０％湿式
混合した後乾燥した粉末をキャニングＨＩＰ法により固
化接合することにより芯材の表面に被覆した後、仕上げ
加工によりプラグ１を製作した。

なお、比較のように芯材に溝加工を施さない代わりに、
被覆層と芯材の間に二・νケルの中間層を設けたものや
、芯材表面にショツトブラスト処理を施しモリブデン被
覆層と芯材の界面を不規則にしたものを作製し、本発明
プラグと比較した。

プラグの製作条件を第５表に示す。

第５表　プラグ製作条件 これら６つのプラグにつき実穿孔機で圧延試験を行った
。被圧延材は１３％Ｃｒ１ｉｌからなる円筒鋼片でホロ
ーピースに加工したもので、温度はあらかじめ１１００
°Ｃに加熱し使用した。実機試験の結果とし、阻１７プ
ラグの耐用限界での圧延回数費および損傷状態を第６表
に示す。

第６表 実機試験結果 第６表に示すように、本発明の供試体は使用前に予熱し
なくとも非常に長寿命でＮｏ、　１７の数十倍の圧延に
成功した。

このようにセラミック粒子でモリブデンを複合化し、か
つ、芯材に溝加工を施す効果が十分ありプラグミルプラ
グにも適用可能であることが証明された。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明のプラグによれば、次の
効果がもたらされる。

（１）モリブデンを主とした被覆層の室温における脆性
が回避されたため、本発明のプラグでは予熱が不要とな
り作業性が良くなった。

また、被覆層の結晶粒成長も抑制されるためプラグの寿
命が大幅に向上した。

（２）高合金材料の穿孔や圧延に対し、極めて優れた耐
摩耗性、耐溶損性、耐焼付き性等を具備し、しかも破壊
することなく、その寿命は大幅に向上した。

更に、被穿孔材料や被圧延材料の理想的なメタルフロー
を維持でき、焼付き疵等が生じないため、内面品質が良
好なホローピースを安定して製造することができる。

（３）全体がモリブデンから成るものに比べ、軽量化が
図れ、かつ、マンドレルバ−への熱影舌も回避できる。

（４）芯材に凹凸形状を施すことにより、被覆層と芯材
の接合性が良くなり、寿命の大幅な向上につながった。

したがって、継目無し鋼管製造の作業能率向上および大
幅な経費節減が達成され、産業上有用な効果が得られた
。

【図面の簡単な説明】

第１図は及び第２図はそれぞれ本発明をピアサ−プラグ
に適用した実施例を示す図であり、図（ａ）はいずれも
その側面図そして（ｂ）は（２１図におけるＡ−Ａ部所
面図を示している。第３図は本発明をプラグミルプラグ
に適用した実施例を示す図であり、同図（ａ）はその側
面図そして（ｂ）はその芯材の側断面図である。第４図
は従来のプラグの使用による損傷状態の例を示す側面図
である。 １・・・プラグ、２・・・マンドレルバ−３・・・表面
層、４・・・芯材、５・・・嵌合穴、６・・・凸部、７
・・・溝、８・・・貫通穴、９・・・ボルト 特許出願人　　日本鋼管株式会社 代　理　人　　弁理士　国中　政情 （ａ） （ｂ） 第 夏 図 （ａ） （ｂ） 第２ 図 （ａ） 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）モリブデンまたはモリブデン基合金にセラミック
   粒子を分散させた複合材よりなる被穿孔物と接触する表
   面層と、他の材料よりなる芯材からなっている継目無し
   鋼管製造用プラグ
2. （２）芯材の表面層の接触する表面に凹凸形状が設けら
   れていることを特徴とする請求項（１）に記載の継目無
   し鋼管製造用プラグ