(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物性として常温で、嵩比重１．６〜１．８、固有抵抗６．５〜１１．０μΩｍ、硬度ショア１８〜５５、曲げ強さ８〜４０、圧縮強さ１５〜８０ＭＰＡ、引っ張り強さ５〜２５ＭＰＡ、熱膨張係数２．５〜５×１０−6Ｋ、熱伝導度１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下の成型黒鉛からなる継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型であって、その肉厚が芯金工具の肉厚の１／２倍以上であることを特徴とする継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型。
【請求項２】
物性として常温で、嵩比重１．６〜１．８、固有抵抗６．５〜１１．０μΩｍ、硬度ショア１８〜５５、曲げ強さ８〜４０、圧縮強さ１５〜８０ＭＰＡ、引っ張り強さ５〜２５ＭＰＡ、熱膨張係数２．５〜５×１０−6Ｋ、熱伝導度１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下の成型黒鉛からなり、肉厚が芯金工具の肉厚の１／２倍以上である継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型内で低合金鋼溶湯を鋳造してなることを特徴とする継目無し鋼管の芯金工具の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型及びこの鋳型を用いた継ぎ目無し鋼管の芯金工具の製造法に係り、その目的は継目無し鋼管を製造する際に使用する芯金工具であって、特にその芯金工具の断熱性や耐磨耗性を確保する要因となるスケール（酸化皮膜）を表層に投錨的に良好に付着させることができ、従来の芯金工具に比して反復穿孔使用回数が飛躍的に増加した耐用度の優れた継目無し鋼管の芯金工具の製造用鋳型及びこの鋳型を使用する製造方法の提供にある。
【０００２】
【発明の背景】
石油掘削等に使用される油井管にはシームレス鋼管（継目無し鋼管）が使用される。シームレス鋼管の製造法は圧延方式と熱押出し方式とに大別され、これまで低合金鋼（普通鋼〜９Ｃｒ鋼）までは圧延法、高合金鋼（１３Ｃｒ鋼以上）では熱押出し法が用いられていた。熱押出し法は潤滑剤としてガラスを使用するため加工時の負荷が低くてすみ、高変形抵抗の合金鋼の加工には有利となるが、熱押出し後にその除去が必要となるほか、設備的に長尺材の製造が困難で歩留りが低くなる問題を有している。一方、圧延法は、穿孔、拡管、延伸等の各工程を連続加工して行われ、穿孔法としてマンネスマン方式とブレスロール方式とがある。しかし、これらいずれの方式においても製造は温度が約１４７３Ｋを超える高温雰囲気下で行われ、加熱された丸形鋼片の軸長方向より芯金を内面圧入して穿孔し、そのまま圧入を継続して鋼片を拡管し、延伸して継目無し鋼管が製造されていた。従って使用する工具の耐久性が重要な問題となり、特に内面に使用される芯金は従来より低合金鋳鋼が使用されているが、熱の逃げ場がなく苛酷な状況下で使用されるためその寿命が短く、近年ではより強度の高い１３Ｃｒ以上の高合金鋼への需要が高くなってきているのでその芯金の高性能化と寿命延長が急務とされている。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、継目無し鋼管製造用の芯金の素材としては、低合金鋳鋼が使用されている。この芯金は、所定寸法に成型した鋳型に、溶融低合金鋼を流し込み、成型、冷却、凝固して製造されている。この鋳型には幾つかのタイプがあり、珪砂を骨材として粘土、ベントナイトを結合材とした生砂型、珪砂を骨材として珪酸ソーダと炭酸ガスを結合材とした無機型、珪砂を骨材としてフラン樹脂と硬化触媒を結合材とした有機型等がある。このような鋳型に流し込まれた素材はそのまま使用されるのではなく、加工等による精度を確認し、水蒸気中で熱処理を行い、表層にスケール（酸化皮膜）付けをした後、使用される。このようにスケールを付すことにより断熱、耐磨耗性、焼付け性を確保している。従って、このスケール付着性の良否で表面の溶損、肌荒れが発生し、芯金の寿命を著しく変化させる要因となっている。
【０００４】
特に高合金鋼を穿孔拡管する場合、芯金強度を上げる必要がある。穿孔、拡管用芯金において、その機械強度を増加させる技術としては、例えば特公昭６４−７１４６号公報に開示されているものが存在している。この技術は、芯金合金組成のうち、ＣおよびＣｒの含有量を一般よりも低くし、Ｎｉの含有量を高くし、さらにＭｏおよびＷの何れか一つ或いは両者を新たに添加することによって固溶体を硬化させ、常温および高温度における機械的強度を増加させることにより、優れた耐用度の芯金を得ようとするものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記開示技術に示されているように芯金強度を上げるためにＭｏやＷといった合金元素を添加すると、逆に芯金表面におけるスケール付着性が悪くなる傾向にあり、結果として芯金寿命が低下してしまうという課題が存在した。このスケール付着効果策として、芯金の化学成分と熱処理条件の関係が検討されているが、効果的な手法は未だ見出せない状況である。他面、鋳型中において芯金凝固時の冷却能を上げることも効果的と考えられ検討されているが、従来より使用されていた生砂型や無機型、有機型といった鋳型では、充分な冷却能が発現されなかった。そのうち、生砂型では比較的無機型、有機型よりも良好な冷却能を得ることが出来るが、成型するため鋳造素材表面を加工すれば表面微細層が取り除かれる事となり、冷却能効果は低下し、芯金表層におけるスケールの投錨化を図ることができないという課題が存在した。また、冷却能を上げる素材として金属材料があり、鋳鋼溶湯鋳型としては鋳鉄材が多く使用されている。ところが、鋳鉄材は安価で冷却能も高いが反面、熱拡散率が小さいため温度変化が遅く、冷却能が不均一になること、又繰り返し使用することにより成長による組織変化が起こり、精度の低下やクレージング割れ等の冷却変化が大きいという課題が存在した。そこで、業界では、冷却能が非常に高く、継目無し鋼管の芯金工具用における断熱性や耐磨耗性を確保するスケールを良好に付着することができ、耐用性に優れた芯金工具を得ることのできる優れた鋳型の創出が望まれていた。
【０００６】
このような実情に照らし、この発明者らはスケールの付着について鋭意検討したところ、鉄鋼のオーステナイトの結晶粒度が硬化能に大きく影響していることに着目した。すなわち、結晶粒が大きくなると変態温度は低下する。逆に加熱温度が上がるとオーステナイトの結晶粒の成長により焼入性が増加するため、表層が不安定となって、スケールの投錨性が悪化される。このような点に着目し、緻密なスケールを効果的に投錨化するには、鋳型の熱拡散率を大きくし均一な冷却能を上げることによりオーステナイトを微細化することが要件であることを見出した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明では物性として常温で、嵩比重１．６〜１．８、固有抵抗６．５〜１１．０μΩｍ、硬度ショア１８〜５５、曲げ強さ８〜４０、圧縮強さ１５〜８０ＭＰＡ、引っ張り強さ５〜２５ＭＰＡ、熱膨張係数２．５〜５×１０-6Ｋ、熱伝導度１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下の成型黒鉛からなる継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型であって、その肉厚が芯金工具の肉厚の１／２倍以上であることを特徴とする継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型を提供することにより、上記従来の課題を悉く解消する。
【０００８】
【作用】
特定物性からなる成型黒鉛からなる鋳型を使用することにより、侵炭現象を起こすことなく、しかも寸法精度が良好で冷却能が非常に高い鋳型を得ることができるとともに、芯金工具表層において、その断熱性や耐磨耗性、焼付性を確保することのできるスケール（酸化皮膜）を効果的に投錨化的に付着させることができる。従って、従来の生砂型や無機、有機型等の鋳型を用いたものよりも飛躍的に継目無し鋼管に対する穿孔使用回数を増加させることができ、耐用度が非常に優れた芯金工具を得ることができる。鋳型内に流し込む合金溶湯としては従来より使用される低合金鋼をそのまま使用することにより、一層耐用度に優れた芯金を得ることができる。
【０００９】
【発明の構成】
以下、この発明に係る継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型並びにこの鋳型を用いた継ぎ目無し鋼管の芯金工具の製造法の構成を詳述する。図１はこの発明に係る継目無し鋼管の芯金工具の製造用鋳型の一実施例を示す平面図である。
【００１０】
この発明においては、前記鋳型（１）の素材として特定成型黒鉛が使用される。この特定成型黒鉛は、常温での物性が嵩比重１．６〜１．８、固有抵抗６．５〜１１．０μΩｍ、硬度ショア１８〜５５、曲げ強さ８〜４０、圧縮強さ１５〜８０ＭＰＡ、引っ張り強さ５〜２５ＭＰＡ、熱膨張係数２．５〜５×１０-6Ｋ、熱伝導度１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下とされる。
【００１１】
嵩比重を１．６〜１．８の範囲としたのは、使用される成型黒鉛の嵩比重が１．６未満であると、鋳型とした場合の強度及び冷却能が充分ではなく、一方、嵩比重が１．８を超えると熱膨張率が上がり、局部膨張が起こり鋳型の破損が発生してしまうためいずれの場合も好ましくないからである。また、固有抵抗を６．５〜１１．０μΩｍとしたのは、固有抵抗が６．５μΩｍ未満であると熱伝導率が上がり、熱による鋳型の損耗が大きく鋳型の精度を著しく悪くする要因となり、、一方、１１．０μΩｍを超えると熱伝導率が低下するため、いずれの場合も好ましくないからである。圧縮強さを１５〜８０ＭＰＡの範囲としたのは、１５ＭＰＡ未満であると鋳型としての強度が充分ではなく、８０ＭＰＡを超えると逆に熱膨張率の増加と熱伝導率の低下で鋳型破損を生じやすいため好ましくないからである。引っ張り強さを５〜２５ＭＰＡの範囲としたのは、５ＭＰＡ未満であると鋳型としての強度が弱く、一方、２５ＭＰＡを超えると溶湯流入時局部加熱による方向性を持った鋳型破損を生じやすいためいずれの場合も好ましくないからである。熱膨張係数を２．５〜５×１０-6Ｋの範囲としたのは、２．５×１０-6Ｋ未満であると、黒鉛含有量が少なくなるため冷却能が低下し、一方、５×１０-6Ｋを超えると高温下で使用した場合の寸法精度が充分ではなく、磨耗が著しいためいずれの場合も好ましくないからである。熱伝導度を１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲としたのは、１１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると、充分な耐熱性が得られないため鋳型破損を生じやすく、一方、１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えると冷却能が低下するためいずれの場合も好ましくないからである。さらに最大粒径３ｍｍ以下としたのは、最大粒径が３ｍｍを超えるものでは、成型加工時寸法公差が得られにくいために望ましくないからである。
【００１２】
この発明では、以上のような物性を備えてなる成型黒鉛を使用して継目無鋼管の芯金工具用鋳型を製造する。
【００１３】
継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型として上記したような特定物性を有する成型黒鉛を使用するのは、成型黒鉛の融点温度は３７００℃と極めて高く、且つ熱膨張係数も小さいため高温雰囲気下での寸法精度が良好で、しかも強度が２５００℃迄上昇する等、鋳型としての優れた特性を示すとともに、熱拡散率が大きいために温度変化が速く行われ、冷却能が極めて良好であるために、芯金表層において緻密なスケールを効果的に投錨させることが可能となったからである。さらに詳述すると、芯金工具を製造する際に、上記特定物性を示す成型黒鉛を使用した鋳型を用いることにより、侵炭現象を起こすことがなく、しかも磨耗が殆ど生じず、寸法精度が良く、さらに冷却能が著しく高いためオーステナイトを微細化させて、表層においてスケールを投錨的に付着することができ、耐用度の高い芯金工具を得ることができる。
【００１４】
この発明では上記したような特定物性の所定成型黒鉛は円柱型のものを使用し、対象とされる芯金寸法にくり抜き加工して鋳型とする。この場合、成型黒鉛鋳型と芯金工具の肉厚の比率は、成型黒鉛鋳型の肉厚を芯金工具の肉厚の１／２倍以上とすることが好ましい。この理由は、成型黒鉛からなる鋳型の肉厚が、芯金工具の肉厚の１／２以下であると成型黒鉛が急激に加温されることにより、溶湯と鋳型の温度差が小さくなり冷却効果を低下させるため好ましくないからである。
【００１５】
次に、上記特定成型黒鉛からなる鋳型を用いた継ぎ目無し鋼管の芯金工具の製造法について詳述する。この発明においては前記特定成型黒鉛鋳型（１）に硅砂又はジルコニア砂で成型された中子及び押え型（２）を組み合わせた（３）の空間を持つ鋳型に低合金鋼溶湯を溶湯口（４）より注入し、凝固冷却した低合金鋳鋼（芯金素材）を鋳型より取り出し、溶湯口（４）を削除し、鋳型歪みの除去と切削加工を容易にするために、１０００〜１０７３Ｋで２時間保持した後、炉冷却の焼きなまし処理を行い、芯金寸法加工を行った後、水蒸気中で熱処理をして芯金の表層にスケール（酸化皮膜）の付着を行う。
【００１６】
【実施例】
以下、この発明に係る継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型及びこの鋳型を用いた継目無し鋼管の芯金工具の製造法の効果を実施例を挙げることにより一層明確なものとする。
【００１７】
（実施例）
物性として常温で、嵩比重１．７、固有抵抗１０．０μΩｍ、硬度（ショア）４５、曲げ強さ３０ＭＰＡ、圧縮強さ６０ＭＰＡ、引っ張り強さ２０ＭＰＡ、熱膨張係数３．８×１０-6Ｋ、熱伝導度１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下の成型黒鉛からなる継目無し鋼管芯金製造用鋳型を実施例の鋳型とした。芯金サイズは＃１５１（６煤j用とし芯金の肉厚（ｔ）に対して成型黒鉛芯金製造用鋳型の肉厚を２倍としたものを実施例１、同じ肉厚としたものを実施例２、１／２としたものを実施例３、１／５としたものをそれぞれ比較例１とし、各々の鋳型とした。
（比較例２）普通鋳鉄（Ｆｅ２００）からなる金型製（芯金肉厚に対して鋳型肉厚１／２）の継目無し鋼管芯金製造用鋳型を比較例２の鋳型とした。
（比較例３）結合材としてベントナイトを用いた生砂型（芯金肉厚に対して鋳型肉厚１／２）で未加工での芯金使用とした継目無し鋼管芯金製造用鋳型を比較例３の鋳型とした。
（比較例４）結合材としてベントナイトを用いた生砂型（芯金肉厚に対して鋳型肉厚１／２）で加工での芯金使用とした継目無し鋼管芯金用鋳型を比較例４の鋳型とした。
（比較例５）結合材として珪酸ソーダと二酸化炭素を用いた無機砂型（芯金肉厚に対して鋳型肉厚１／２）の継目無し鋼管芯金製造用鋳型を比較例５の鋳型とした。
（比較例６）結合材としてフラン樹脂と硬化触媒を用いた有機砂型（芯金肉厚に対して鋳型肉厚１／２）の鋳型を比較例６の鋳型とした。
【００１８】
【試験例】
（試験例１）芯金工具を鋳造する低合金鋼として表１に示す組成の３Ｃｒ−１Ｎｉ系合金鋼を溶製し、この合金溶湯を前記実施例及び比較例の鋳型にそれぞれ流し込み、鋳型にて凝固冷却後、鋳型より取り出し、各々同一条件で溶湯口を削除し、焼きなまし、寸法加工（比較例３を除く）した後、芯金の表層にスケール（酸化皮膜）の付着を行った。
【表１】
0003665093.tif 000002
【００１９】
各鋳型にて得られた芯金工具について、継目無し鋼管（材質、炭素鋼）の穿孔を行い各々の穿孔本数を試験した。また、各鋳型にて得られた芯金工具について、各々を割愛し実体より引張試験用片（５）と硬度試験用片（６）を採取し、４号試験片（ＪＩＳ−Ｚ−２２０１に基づく）により引張試験、ブリネル硬さ（ＪＩＳ−Ｚ−２２４３に基づく）をそれぞれ試験した。この結果を表２に示す。
【表２】
0003665093.tif 000003
【００２０】
（試験例２）
前記実施例３及び比較例５で得られた芯金工具についてそのミクロ及びマクロ組織写真（×１００）を撮影した。実施例３の芯金工具における外面部のミクロ組織を図２に、また中央部のミクロ組織を図３に、内面部のミクロ組織を図４にそれぞれ示す。比較例５の芯金工具における外面部のミクロ組織を図５に、また中央部のミクロ組織を図６に、内面部のミクロ組織を図７にそれぞれ示す。さらに実施例３でのマクロ組織を図８に、比較例５でのマクロ組織を図９に示す。
【００２１】
表２の結果から明らかな如く、実施例１、２、３は引張強さ、耐力、伸び、硬度、穿孔パス本数も差異がなく、耐用度が非常に優れていることがわかる。比較例１は冷却能低下のため、他の比較例と同様、耐力、硬度は上昇するが逆に引張強さ、伸びが減じ穿孔パス本数は低下する。図２〜図７、図８〜図９の結果から明らかな如く、実施例３の芯金工具においては、外面部や中央部、内面部における組織が比較例のものと較べて緻密であることが判る。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１に係る発明は物性として常温で、嵩比重１．６〜１．８、固有抵抗６．５〜１１．０μΩｍ、硬度ショア１８〜５５、曲げ強さ８〜４０、圧縮強さ１５〜８０ＭＰＡ、引っ張り強さ５〜２５ＭＰＡ、熱膨張係数２．５〜５×１０-6Ｋ、熱伝導度１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下の成型黒鉛からなる継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型であって、その肉厚が芯金工具の肉厚の１／２倍以上であることを特徴とする継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型であるから、前記試験例の結果からも明らかな如く、継目無し鋼管において使用される芯金の表層に断熱性や耐磨耗性を確保するスケールを投錨的に良好に付着させることができ、従来のものと較べると飛躍的に穿孔本数を増加させることのできる耐用性に優れた芯金工具を得ることができるという効果を奏する。
請求項２に係る発明は物性として常温で、嵩比重１．６〜１．８、固有抵抗６．５〜１１．０μΩｍ、硬度ショア１８〜５５、曲げ強さ８〜４０、圧縮強さ１５〜８０ＭＰＡ、引っ張り強さ５〜２５ＭＰＡ、熱膨張係数２．５〜５×１０-6Ｋ、熱伝導度１１０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最大粒径３ｍｍ以下の成型黒鉛からなり、肉厚が芯金工具の肉厚の１／２倍以上である継目無し鋼管の芯金工具製造用鋳型内で低合金鋼溶湯を鋳造してなることを特徴とする継目無し鋼管の芯金工具の製造法であるから、表層にスケール（酸化皮膜）が投錨的に良好に付着された断熱性、耐磨耗性の優れた耐用度の高い継目無し鋼管における芯金工具を得ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る継目無し鋼管の芯金工具の製造用鋳型及び引張試験用片及び硬度試験用片採取位置の一実施例を示す平面図である。
【図２】実施例３で得られた芯金工具における外面部のミクロ組織写真（×１００）である。
【図３】実施例３で得られた芯金工具における中央部のミクロ組織写真（×１００）である。
【図４】実施例３で得られた芯金工具における内面部のミクロ組織写真（×１００）である。
【図５】比較例５で得られた芯金工具における外面部のミクロ組織写真（×１００）である。
【図６】比較例５で得られた芯金工具における中央部のミクロ組織写真（×１００）である。
【図７】比較例５で得られた芯金工具における内面部のミクロ組織写真（×１００）である。
【図８】実施例３で得られた芯金工具におけるマクロ組織写真である。
【図９】比較例５で得られた芯金工具におけるマクロ組織写真である。
【符号の説明】
１ 継目無し鋼管の芯金工具の製造用鋳型及び引張試験用片及び硬度試験用片採取位置
【図１】
0003665093.tif 000004
【図２】
0003665093.tif 000005
【図３】
0003665093.tif 000006
【図４】
0003665093.tif 000007
【図５】
0003665093.tif 000008
【図６】
0003665093.tif 000009
【図７】
0003665093.tif 000010
【図８】
0003665093.tif 000011
【図９】
0003665093.tif 000012