JPH0517849A - 継目無管穿孔圧延用ガイドシユ−とその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた耐摩耗性及び耐割損性を備えていて長
い使用寿命を示す安価な継目無管穿孔・圧延用のガイド
シュ−を安定提供する。 【構成】 熱間継目無管穿孔・圧延用ガイドシュ−を、
Ｃ： 0.5〜 2.0％，Si：0.1〜 3.0％，Mn：５〜20％，C
r：20〜40％及びNi：10〜20％を含有するか、或いは更
にMo：0.10〜 6.0％，Ｗ：0.10〜 6.0％, Nb：0.01〜
3.0％，Ｖ：0.02〜3.0％，Ｂ： 0.001〜 0.2％，Ｎ：
0.005〜 0.2％のうちの１種以上をも含み、残部が実質
的にFeから成る化学成分組成に構成するか、更にはこの
鋳造品を〔固相線温度−２０℃〕〜〔固相線温度＋６０
℃〕の温度域に１時間以上加熱・保持して共晶炭化物を
凝集・粒状化させる熱処理に付し、オ−ステナイト基地
中に面積率で８〜３５％の粒状炭化物が分散した材料組
織とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱間継目無管の穿孔
・圧延に用いる耐摩耗性，耐割損性に優れたガイドシュ
−、並びにその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】一般に、熱間継目無管穿孔・圧
延機は、“一組の傾斜ロ−ル", "これらと直角位置に配
した一組のガイドシュ−”並びに“前面中心位置に配し
たプラグ" を備え、この間に適正温度に加熱した丸ビレ
ット又は穿孔後の素管を供給し、前記傾斜ロ−ルとプラ
グにより穿孔又は圧延して継目無管を製造する如く構成
されている。

【０００３】ここで、前記ガイドシュ−は、楕円形を呈
しながら成形されつつある素管の外径及び肉厚を規制し
て調整するために設けられたものであることは言うまで
もない。そのため、ガイドシュ−の表面は、穿孔又は圧
延作業の間中、螺旋状に回転前進する高温に加熱された
素管と接触することとなる。従って、このガイドシュ−
は、 "熱伝導による急速加熱", "冷却水による急冷の繰
り返し", "大きな機械的負荷の繰り返し" 等を受け、結
局は、これらによる割損や高温・高負荷状態で繰り返さ
れる摺動摩擦による摩耗によって使用不能となり廃却に
至る。

【０００４】ところで、従来、このような苛酷な条件下
で使用されるガイドシュ−の材質には、Fe−1.3%Ｃ− 2
3%Cr−３%Ni やFe−1.3%Ｃ− 26%Cr−２%Ni 等 (以降、
成分割合を表わす％は重量％とする) の高Ｃ−高Cr−低
Ni系鋳鋼、或いはFe−1.3%Ｃ−35%Cr −35%Ni −5%Cu−
3%Moのような高Ｃ−高Cr−高Ni系鋳造合金 (例えば特公
昭57-22982号公報所載の合金等) が使用されていた。

【０００５】また、その後も、Fe−高Ｃ−高Mn−高Cr系
であってTiとＮを必須成分として添加した合金（特開昭
61-60853号）やFe−高Ｃ−高Cr−高Ni系鋳造合金に更に
Ti,Al, Ｗ, Mo等を添加した合金（特公昭62−6630号公
報）も提案されている。

【０００６】しかしながら、従来知られていたこれら合
金は、高温での耐摩耗性不足が原因で短い使用寿命しか
示さなかったり、或いは "局部的な高温加熱と水冷の繰
り返し" や "高い機械的負荷の繰り返し" によりクラッ
クが進展し割れが生じたりして早期に使用不能となる
等、ガイドシュ−に要求される耐摩耗性と耐割損性を兼
ね備えたものとは言えなかった。例えば、上記特開昭６
１−６０８５３号として提案された合金に対する本発明
者の検討結果では、多量にMnを含有するため鋳造性の劣
化を招くばかりか、鋳造後の冷却過程で熱応力による割
損を生じやすく、工具自体の安定的製造が困難であると
結論されている。

【０００７】このような状況下にあって、本発明者等も
先に「Ｃ： 0.8〜 2.5％，Si：３％以下，Mn：３％以
下，Cr：20〜40％及びNi：20〜50％を含むか、 或いはこ
れに加え更にMo，Ｗ，Co，Ti，Ｖ，Zrのうちの１種以上
をも含有すると共に残部が実質的にFeから成る合金を固
相線付近の温度で熱処理して共晶炭化物を凝集・粒状化
することから成る、 耐摩耗性や耐焼付性に優れた工具用
鋳造合金材の製造方法」を開発し（特開昭61−113713号
公報参照）ガイドシュ−寿命の大幅向上に成功したが、
製管素材の高級化等により操業条件が益々過酷化しつつ
ある現今、更に優れた耐摩耗性，耐割損性を有していて
製造コストも安い高寿命ガイドシュ−の出現が望まれて
いた。

【０００８】そこで、本発明が目的としたのは、従来の
熱間継目無管穿孔・圧延用ガイドシュ−に指摘された前
述の如き問題点を解消し、一段と優れた耐摩耗性及び耐
割損性を備えていて長い使用寿命を示す上、製造コスト
も低減できて工具費用を大幅に削減することが可能なガ
イドシュ−を提供することであった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく数多くの実験を繰り返しながら研究を重ねた
結果、以下に示すような知見を得たのである。即ち、 (a) 耐摩耗性, 耐割損性の観点から従来のガイドシュ−
用材料を比較した場合には、やはり高Ｃ−高Cr−低Ni系
鋳鋼よりも高Ｃ−高Cr−高Ni系オ−ステナイト鋳造合金
の方がより優っていると言える，

【００１０】(b) しかも、高Ｃ−高Cr−高Ni系合金に適
量のMnを添加すると基地オ−ステナイトを安定化して高
温強度を高める上、通常は網目状に晶出しやすいＭ₂₃Ｃ
₆ 型やＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物が比較的粒状に分断されて晶出
するようになり、その結果耐摩耗性や耐割損性がより向
上する，

【００１１】(c) また、この鋳造合金を〔固相線温度−
２０℃〕以上の温度域で熱処理すると共晶炭化物の凝集
・粒状化が進み、耐摩耗性，耐割損性が一段と改善され
る，

【００１２】(d) 更に、上記Mn添加合金にMoやＷ等の固
溶強化及び炭化物形成元素或いはNbやＶのような炭窒化
物形成元素を単独又は複合で添加すると、耐摩耗性がよ
り一層向上する, (e) その上、上記合金にＢやＮ等の炭化物微細化元素を
単独又は複合で添加した場合には、靭性が改善されて耐
割損性の向上がもたらされる，

【００１３】(f) なお、高Ｃ−高Cr−高Ni系鋳造合金に
多量のMnを添加した鋳造工具材として、Ｃ： 0.5〜 2.0
％，Mn：40％以下，Cr：20〜40％を主成分として含有し
たものが提案されているが（前記特開昭61-60853号に係
るもの）、本発明者の研究によれば、前述したように過
多のMnを含有すると鋳造性が劣化するばかりか、鋳造後
の冷却過程で熱応力による割損が生じやすくなって工具
の製造自体が困難となる。しかるに、Tiのような鋳造性
悪化元素の添加を規制すると共にNi量とのバランスを考
慮してMn含有量を特に20％までに制限した場合には、Mn
多量添加の場合に指摘される上記問題の恐れなく耐摩耗
性，耐割損性の向上効果を享受できるようになる。な
お、比較的多い量のMnと共にNiを含有させる場合には、
基地のオ−ステナイト化と靭性の確保に必要な量を超え
てNiを含有させても工具コストの上昇を招くばかりか、
かえって耐摩耗性を低下させるため、Ni含有量の上限を
20％に、好ましくは20％を下回る値に設定することが重
要である。

【００１４】本発明は、上記知見事項等を基にして完成
されたものであり、「熱間継目無管穿孔・圧延用ガイド
シュ−を、 Ｃ： 0.5〜 2.0％， Si： 0.1〜 3.0％， Mn：５
〜20％，Cr：20〜40％， Ni：10〜20％ を含有するか、 或いは更に Mo：0.10〜 6.0％， Ｗ：0.10〜 6.0％, Nb：0.
01〜 3.0％，Ｖ：0.02〜 3.0％ Ｂ： 0.001〜 0.2
％， Ｎ： 0.005〜 0.2％ のうちの１種以上をも含み、 残部がFe及び不可避的不純
物から成る化学成分組成に構成することにより、 耐摩耗
性，耐割損性を改善した点」に大きな特徴を有してお
り、更には「上記ガイドシュ−の組織を、 オ−ステナイ
ト基地中に面積率で８〜３５％の粒状炭化物が分散した
材料組織としたことにより、 耐摩耗性，耐割損性をより
一層改善した点」にも、また 「Ｃ： 0.5〜 2.0％， Si： 0.1〜 3.0％， Mn：
５〜20％，Cr：20〜40％， Ni：10〜20％ を含有するか、 或いは更に Mo：0.10〜 6.0％， Ｗ：0.10〜 6.0％, Nb：0.
01〜 3.0％，Ｖ：0.02〜 3.0％ Ｂ： 0.001〜 0.2
％， Ｎ： 0.005〜 0.2％ のうちの１種以上をも含み、 残部がFe及び不可避的不純
物から成る化学成分組成の鋳造品を〔固相線温度−２０
℃〕〜〔固相線温度＋６０℃〕の温度域に１時間以上加
熱・保持して共晶炭化物を凝集・粒状化させることによ
り、 耐摩耗性，耐割損性がより一層改善された熱間継目
無管穿孔・圧延用ガイドシュ−をコスト安く安定して製
造し得るようにした点」をも特徴とするものである。

【００１５】次に、本発明において、ガイドシュ−を構
成する各成分の含有量，ガイドシュ−材料の組織並びに
熱処理条件を前記の如くに限定した理由を説明する。 A) 成分組成Ｃ Ｃは、一部基地に固溶してオ−ステナイト化を促進する
と共に、Cr等の炭化物生成元素と結合してＭ₂₃Ｃ₆ 或い
はＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物を形成し、高温強度及び耐摩耗性を
向上させる作用を有しているが、その含有量が 0.5％未
満であると前記作用による所望の効果が得られず、一
方、多すぎると炭化物量が過度となり、また粗大炭化物
を形成しやすくなって靭性を低下させることから、Ｃ含
有量は 0.5〜 2.0％と定めた。

【００１６】Si Siは脱酸元素としての作用のほか、溶湯の流動性を向上
させる作用があるが、その含有量が 0.1％未満では前記
作用による所望の効果が得られず、一方、 3.0％を超え
て含有させると靭性の劣化を招くことから、Si含有量は
0.1〜 3.0％と定めた。

【００１７】Mn Mnは基地に固溶してオ−ステナイトを安定化させ耐熱衝
撃性を向上させる作用に加えて、次の作用をも有してい
る。即ち、Mnの一部は炭化物を形成するが、その際に炭
化物を粒状化して耐摩耗性及び靭性を向上させる。しか
し、その含有量が５％未満では上記作用による所望の効
果が得られず、一方、20％を超えて含有させると鋳造性
が劣化すると共に、鋳造後の冷却過程で割れを生じやす
くなる。従って、Mn含有量は５〜20％と定めた。

【００１８】Cr Crは、Ｍ₂₃Ｃ₆ 型及びＭ₇ Ｃ₃ 型炭化物を形成して高温
強度を高める上、一部は基地を固溶強化して耐摩耗性を
大きく向上させる作用を有しているため重要な成分の１
つであるが、その含有量が20％未満では前記作用による
所望の効果が得られず、一方、40％を超えて含有させる
と靭性の劣化を招くことから、Cr含有量は20〜40％と定
めた。

【００１９】Ni Niは殆んどが基地に固溶してしまうが、それによって耐
熱衝撃性及び靭性を高める作用を発揮する。しかし、そ
の含有量が10％未満では前記作用による効果が十分でな
く、一方、20％を超えて含有させてもより一層の改善効
果は見られないばかりか、かえって耐摩耗性が低下する
傾向を示すようになることから、Ni含有量は10〜20％と
定めた。

【００２０】Mo, Ｗ, Nb及びＶ これらは何れも高温強度を高めるのに有効な元素である
ので、必要に応じて１種以上添加されるが、以下、個々
の成分について添加量の限定理由を説明する。 a) Mo Moは固溶強化及び炭化物析出強化の両面で高温強度を高
めるのに有効な元素であるが、その含有量が0.10％未満
では前記効果が小さく、一方、6.0％を超えて含有させ
ると靭性及び耐熱衝撃性が劣化するようになることか
ら、Mo含有量は0.10〜6.0％と定めた。 b) Ｗ Ｗは、Moと同様の作用を発揮して高温強度を高めるのに
有効な元素であるが、その含有量が0.10％未満であると
前記効果が小さく、一方、 6.0％を超えて含有させると
Moの場合と同様に靭性と耐熱衝撃性の劣化を招くように
なることから、Ｗ含有量は0.10〜6.0％と定めた。 c) Nb Nbは炭窒化物形成により高温強度を高める効果を有して
おり、0.01％以上の含有量でその効果が現われるが、
3.0％を超えて含有させても更なる改善効果が得られな
いことから、経済性をも考慮して上限を3.0％と定め
た。 d) Ｖ ＶもNbと同様の作用によって高温強度を高めるのに有効
であり、0.02％以上の含有量でその効果が現われるが、
3.0％を超えて含有させてもより一層の改善効果が見ら
れないため、経済性をも考慮して上限を 3.0％に定め
た。

【００２１】Ｂ及びＮ これらは何れも靭性及び耐熱衝撃性を高めるのに有効な
元素であるので、必要に応じて１種以上添加されるが、
以下、個々の成分について添加量の限定理由を説明す
る。 a) Ｂ Ｂは炭化物を微細化する作用により靭性及び耐熱衝撃性
を向上させる効果を有しており、 0.001％以上含有させ
ることでその効果が現われるが、 0.2％を超えて含有さ
せると鋳造性の劣化を招くことから、Ｂ含有量は 0.001
〜0.2 ％と定めた。 b) Ｎ Ｎにも炭化物を微細化して靭性及び耐熱衝撃性を向上さ
せる効果があり、0.005 ％以上を含有させることでその
効果が現われるが、 0.2％を超えて含有させると鋳造性
に支障を来たすようになる。従って、Ｎ含有量は 0.005
〜0.2 ％と定めた。

【００２２】B) ガイドシュ−の材料組織 本発明に係わるガイドシュ−は、鋳造組織（オ−ステナ
イト基地中に面積割合で８〜３５％の細長い粗大な共晶
炭化物が分散した組織）のままであっても優れた耐摩耗
性及び耐割損性を示すが、特定温度での熱処理により共
晶炭化物を凝集・粒状化させて“オ−ステナイト基地中
に面積率で８〜３５％の粒状炭化物が分散した組織”と
した場合には、その耐摩耗性，耐割損性は一段と向上す
るのでガイドシュ−の寿命延長にとって極めて好ましい
ことである。

【００２３】つまり、本発明に係わるガイドシュ−は、
高温強度が高く耐摩耗性に優れると共に高温になっても
変態を起こすことがなくて割れにくいオ−ステナイトを
基地とし、これに耐摩耗性を更に向上させる共晶炭化物
が分散した組織を有しているので非常に優れた耐摩耗
性，耐割損性を示すが、熱処理によって前記共晶炭化物
が粒状化せしめられると割れや微小剥離の起点が激減し
て靱性が改善され、耐割損性や耐摩耗性が著しく改善さ
れる訳である。ここで、基地中における粒状炭化物の割
合が面積率で８％未満だと耐摩耗性が劣化する傾向が見
られ、一方、３５％を超える面積率で炭化物が存在して
いると耐割損性が低下傾向を見せるようになる。

【００２４】C) 熱処理条件 耐摩耗性，耐割損性のより優れた“オ−ステナイト基地
中に粒状炭化物が分散した組織”を有する本発明ガイド
シュ−を製造するには、所定成分組成（目的成品と同じ
成分組成）のガイドシュ−鋳造品に“〔固相線温度−２
０℃〕〜〔固相線温度＋６０℃〕の温度域へ１時間以上
加熱・保持する熱処理”を施せば良い。この場合、熱処
理温度が〔固相線温度−２０℃〕の値よりも低かったり
熱処理時間が１時間未満であったりすると、鋳造組織に
存在する多量の細長い共晶炭化物が残留するので一段と
改善された耐割損性，耐摩耗性を確保できない恐れがあ
り、一方、熱処理温度が〔固相線温度＋６０℃〕の値よ
りも高いと液相の存在が過度となって被熱処理材の変形
や溶融が懸念されるようになる。

【００２５】なお、ここで言う「固相線温度」とは示差
熱等の熱分析装置を用いて測定した溶融開始温度を意味
するもので、本発明に係わる成分組成の合金では１２２
０〜１２７０℃程度である。また、熱処理の保持時間
は、前記範囲において共晶炭化物の粒状化状態を考慮し
加熱温度との兼ね合いで調整すれば良い。即ち、熱処理
温度が比較的低い場合には保持時間を長くし、熱処理温
度が高い場合には比較的短時間で良いが、熱処理温度が
高くなるほど上述の熱処理不良が生じやすい点と経済性
とを考慮して、保持時間が１〜２０時間程度となるよう
に熱処理温度との関係を調整するのが好ましい。ところ
で、熱処理時の冷却速度は共晶炭化物の凝集・粒状化状
態に直接影響するものではないが、該熱処理時に“基地
に固溶していた炭化物”を十分に析出させるべく徐冷し
た方が耐摩耗性にとって望ましい。

【００２６】続いて、本発明の効果を実施例により更に
具体的に説明する。

【実施例】実施例 １ 表１に示す成分組成の合金を５０kg高周波溶解炉で大気
中溶製し鋳造した後、それぞれの材料について「耐割損
性」及び「高温での耐摩耗性」の評価試験を行った。

【００２７】

【表１】

【００２８】ここで、「耐割損性」は、幅１０mm，厚さ
５mm，長さ５５mmの試験片を用いて支点間距離４０mmで
三点曲げ試験を行い、破断時のたわみ量（大きいほど耐
割損性が良好）で評価した。また、「高温での耐摩耗
性」は、外径１００mm，厚さ３０mmの2.25％Cr−１％Mo
鋼を高周波誘導加熱で９００℃に加熱しながら２００rp
mの回転数で回転させておき、その外周面に幅２０mm，
厚さ１０mm，長さ２０mmの試験片を２００kgfの荷重で
５分間押し付ける摩耗試験によって調査した。そして、
耐摩耗性の評価には、上記摩耗試験の際に生じた摩耗痕
の幅を測定して摩耗体積に換算すると共に表１に示す
"従来鋳造材料１" のそれと比較し、該 "従来鋳造材料
１" の耐摩耗性を基準(1.00)とした比率（耐摩耗性が良
好なほど高い値となる）を算出して比較する手法を採用
した。これらの試験結果を表２にまとめて示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２に示される結果からも明らかなよう
に、本発明鋳造材料３〜17は従来鋳造材料１，２に比し
て優れた耐割損性及び耐摩耗性を有していることが分か
る。これに対し、化学成分組成が本発明で規定する範囲
から外れた比較鋳造材料18〜27では、上記特性のうち少
なくとも何れかの特性が劣ったものになっている。従っ
て、特に優れた耐摩耗性，耐割損性を有している本発明
鋳造材料は、熱間継目無管穿孔・圧延用ガイドシュ−と
して使用した場合、その工具寿命を大幅に延長できるも
のであることが分かる。

【００３１】実施例 ２ 表３に示す成分組成の合金を５０kg高周波溶解炉で大気
中溶製し鋳造した後、表中に示した条件の熱処理を施
し、これらの材料について「耐割損性」及び「高温での
耐摩耗性」の評価試験を行った。

【００３２】

【表３】

【００３３】なお、「耐割損性」及び「高温での耐摩耗
性」の評価試験は実施例１の場合と同様条件で実施した
が、「高温での耐摩耗性」の評価には、“従来材28”の
耐摩耗性を基準(1.00)としこれと比較する手法を採用し
た。これらの結果を表４にまとめて示す。

【００３４】

【表４】

【００３５】表４に示される結果からは、本発明材は何
れも優れた耐割損性と耐摩耗性とを有しているいるのに
対して、化学成分組成或いは熱処理条件が本発明で規定
する範囲から外れた従来材及び比較材では上記特性が劣
ったものとなっていることが確認できる。

【００３６】また、上記結果は、本発明に従うと高価な
Ni含有量少なく優れた性能のガイドシュ−を実現するこ
とができ、この点からも製管コスト（工具コスト）の大
幅な低減が可能であることをも明示している。

【００３７】

【効果の総括】以上に説明した如く、本発明によれば、
耐摩耗性，耐割損性に優れ、使用寿命の長い熱間継目無
管穿孔・圧延用ガイドシュ−をコスト安く提供すること
が可能となるなど、産業上有用な効果がもたらされる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量割合にて Ｃ： 0.5〜 2.0％， Si： 0.1〜 3.0％， Mn：５
   〜20％，Cr：20〜40％， Ni：10〜20％ を含有し、残部がFe及び不可避的不純物から成ることを
   特徴とする、熱間継目無管穿孔・圧延用ガイドシュ−。
2. 【請求項２】 重量割合にて Ｃ： 0.5〜 2.0％， Si： 0.1〜 3.0％， Mn：５
   〜20％，Cr：20〜40％， Ni：10〜20％ を含有すると共に、更に Mo：0.10〜 6.0％， Ｗ：0.10〜 6.0％, Nb：0.
   01〜 3.0％，Ｖ：0.02〜 3.0％ のうちの１種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
   物から成ることを特徴とする、熱間継目無管穿孔・圧延
   用ガイドシュ−。
3. 【請求項３】 重量割合にて Ｃ： 0.5〜 2.0％， Si： 0.1〜 3.0％， Mn：５
   〜20％，Cr：20〜40％， Ni：10〜20％ を含有すると共に、更に Ｂ： 0.001〜 0.2％， Ｎ： 0.005〜 0.2％ のうちの１種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
   物から成ることを特徴とする、熱間継目無管穿孔・圧延
   用ガイドシュ−。
4. 【請求項４】 重量割合にて Ｃ： 0.5〜 2.0％， Si： 0.1〜 3.0％， Mn：５
   〜20％，Cr：20〜40％， Ni：10〜20％ を含有すると共に、更に Mo：0.10〜 6.0％， Ｗ：0.10〜 6.0％, Nb：0.
   01〜 3.0％，Ｖ：0.02〜 3.0％ のうちの１種以上、及び Ｂ： 0.001〜 0.2％， Ｎ： 0.005〜 0.2％ のうちの１種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
   物から成ることを特徴とする、熱間継目無管穿孔・圧延
   用ガイドシュ−。
5. 【請求項５】 オ−ステナイト基地中に面積率で８〜３
   ５％の粒状炭化物が分散した材料組織を有していること
   を特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載された熱
   間継目無管穿孔・圧延用ガイドシュ−。
6. 【請求項６】 所定成分組成の鋳造品を〔固相線温度−
   ２０℃〕〜〔固相線温度＋６０℃〕の温度域に１時間以
   上加熱・保持することにより共晶炭化物を凝集・粒状化
   させることを特徴とする、請求項５に記載された熱間継
   目無管穿孔・圧延用ガイドシュ−の製造方法。