(57)【要約】【課題】冷間ピルガー圧延に際し、高強度材を高加工度で冷間圧延する場合に、圧延能率の向上と同時に工具寿命を著しく延長させることができる。【解決手段】超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延する冷間ピルガー圧延方法であって、下記（１）式で規定される加工発熱指数Ｊを用いて素管の加工条件を管理することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法である。但し、Ｔ：素管肉厚（ｍｍ）、Ｄ：素管外径（ｍｍ）、ｆ：圧延送り量（ｍｍ）およびＥｌ：圧延伸びとする。Ｊ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）×ｆ×Ｅｌ        ・・・        （１）上記（１）式で規定される加工発熱指数Ｊを３００００（ｍｍ３）以下にすることができる。さらに、２００００（ｍｍ３）以下にするのが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延する冷間ピルガー圧延方法であって、下記（１）式乃至（３）式で規定される加工発熱指数Ｊを用いて素管の加工条件を管理することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法。
Ｊ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）×ｆ×Ｅｌ        ・・・        （１）
Ｓ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）                  ・・・        （２）
Ｆｄ＝ｆ×Ｅｌ                          ・・・        （３）
但し、Ｔ：素管肉厚（ｍｍ）、Ｄ：素管外径（ｍｍ）、ｆ：圧延送り量（ｍｍ）
およびＥｌ：圧延伸びとする
【請求項２】
上記請求項１に記載される冷間ピルガー圧延方法であって、使用される素管寸法から上記（２）式に示されるＳ値を算出してのち、上記（１）式との関係から上記（３）式に示されるＦｄ値を求め、このＦｄ値に基づいて採用しうる最大の圧延送り量ｆを決定することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法。
【請求項３】
上記請求項１に記載される冷間ピルガー圧延方法であって、採用できる圧延能率に基づいて上記（３）式に示されるＦｄ値を算出してのち、上記（１）式との関係から上記（２）式に示されるＳ値を求め、このＳ値を超えることがない素管寸法を使用することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法。
【請求項４】
超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延する冷間ピルガー圧延方法であって、下記（１）式で規定される加工発熱指数Ｊが３００００（ｍｍ３）以下を満足する加工条件で素管を圧延することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法。
Ｊ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）×ｆ×Ｅｌ        ・・・        （１）
但し、Ｔ：素管肉厚（ｍｍ）、Ｄ：素管外径（ｍｍ）、ｆ：圧延送り量（ｍｍ）
およびＥｌ：圧延伸びとする
【請求項５】
上記加工発熱指数Ｊが２００００（ｍｍ３）以下を満足する加工条件で素管を圧延することを特徴とする請求項４に記載の冷間ピルガー圧延方法。
【請求項６】
素管の材質が２相ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷間ピルガー圧延方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延する冷間ピルガー圧延方法に関し、さらに詳しくは、高強度材を高加工度で冷間圧延する場合に、圧延能率の向上および圧延工具の長寿命化を達成することができる冷間ピルガー圧延方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
通常、素管の冷間加工法として、ドローベンチによる冷間引抜法とピルガーミルによる冷間圧延法とが慣用されている。特に、ピルガーミルによる冷間圧延（以下、単に「冷間ピルガー圧延」という）法は、冷間引抜法に比べ、高加工度で素管を冷間加工できるという特徴を有している。このため、高強度材で難加工性の素管を用いた継目無管の製造では、一般的に冷間ピルガー圧延が用いられる。
【０００３】
冷間ピルガー圧延では、周面に孔型を形成された上下一対のロールダイスを備え、ロールダイスの間には先端に向かって径が小さくなるテーパを有するマンドレルが設けられる。このロールダイスは、その軸心に設けられた回転軸でロールスタンドに支持されている。
【０００４】
冷間ピルガー圧延に際し、ロールスタンドに支持されたロールダイスが前記マンドレルに沿って往復移動することによって、往復回転しながら被加工材である素管を圧延する。素管は、ロールダイスが往復回転する工程の間に所定の加工長さだけ送られるとともに、所定角度だけ回転されながら、順次、縮径および減肉しつつ加工される。このとき、冷間ピルガー圧延された素管は、圧延伸びと圧延送り量に応じて伸管され、目標の成品寸法に圧延される。
【０００５】
上記のように圧延機構が構成されているため、冷間ピルガー圧延では冷間引抜に比べ素管に高加工度を加えることができるが、その反面、マンドレル等の工具折損が発生し易く、圧延マンドレル等の工具寿命が生産コストや生産性に大きく影響を及ぼすことになる。このため、冷間ピルガー圧延において、工具寿命の延長が重要な課題となっている。
【０００６】
従来から冷間ピルガー圧延に用いられるマンドレル材質として、冷間工具鋼やハイス工具鋼（高速度工具鋼）が用いられているが、それらを採用したマンドレルの工具寿命は必ずしも充分なものではなかった。そのため、冷間工具鋼やハイス工具鋼に比べ、耐折損性に優れる超硬合金が、冷間ピルガー圧延のマンドレルとして使用されるようになっている。
【０００７】
ところが、マンドレル材質として超硬合金を使用することにより、一定の工具寿命の改善が図れるものの、超硬工具は冷間工具鋼やハイス工具鋼に比べ高価であり、これらの価格差をカバーするまで工具寿命の延長が達成されていない。しかも、高強度の素管を高加工度で冷間ピルガー圧延する際に、マンドレルの折損が発生し易く、工具寿命を低下させるだけでなく、冷間圧延時の成品歩留まりを低下させる要因となっている。このため、冷間ピルガー圧延に用いられるマンドレルを超硬合金製に切り替えても、工具費の削減や生産コストの低減に結びつかないという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、マンドレル等の圧延工具の寿命は、生産コストや生産性に大きく影響することから、従来から使用していた冷間工具鋼およびハイス工具鋼に替えて、超硬工具を用いて寿命延長の改善を図っている。
【０００９】
これは、工具設計に際し、マンドレルに負荷される応力を計算して、この負荷応力が一定値以下となるように材料設計を行っていた。超硬工具は冷間工具鋼やハイス工具鋼に比べ材料特性が優れることから、マンドレルに負荷される応力を減少させることができる。このため、超硬工具を用いることによって、マンドレルの工具寿命が大幅に改善できることが予測された。しかし、マンドレルに超硬工具を使用した場合に、工具寿命が予測されるほど延長されず、圧延加工条件によってはマンドレルの折損を生じる事態が発生した。
【００１０】
本発明は、上述した冷間ピルガー圧延における問題に鑑みてなされたものであり、高強度材を高加工度で冷間圧延する場合であっても、圧延能率の向上および圧延工具の長寿命化を達成することができる冷間ピルガー圧延方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するため、種々の加工材を用いて冷間ピルガー圧延を行い、工具寿命の延長に制限を加えている原因調査を行った。その結果、工具寿命を制限する主要因はマンドレルの折損であり、その折損部の近傍には焼付が生じていることに着目した。
【００１２】
すなわち、冷間ピルガー圧延で使用される潤滑剤には、極圧添加剤としてＣｌが用いられている。また、超硬合金には、結合剤として多量のＣｏが含有されている。したがって、冷間圧延の発熱にともなう高温（２５０℃以上）環境と、Ｃｌを含む雰囲気環境とが相まって、超硬合金中のＣｏが腐食されて、表面ピッティングを発生し焼付に至ることを知見した。特に、高強度材を高加工度で冷間圧延する場合には、発熱が大きいために結合剤のＣｏは腐食され易く、工具寿命が低下することも明らかになる。
【００１３】
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）および（２）の冷間ピルガー圧延方法を要旨としている。
（１）  超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延する冷間ピルガー圧延方法であって、下記（１）式乃至（３）式で規定される加工発熱指数Ｊを用いて素管の加工条件を管理することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法である。
【００１４】
Ｊ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）×ｆ×Ｅｌ        ・・・        （１）
Ｓ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）                  ・・・        （２）
Ｆｄ＝ｆ×Ｅｌ                          ・・・        （３）
但し、Ｔ：素管肉厚（ｍｍ）、Ｄ：素管外径（ｍｍ）、ｆ：圧延送り量（ｍｍ）
およびＥｌ：圧延伸びとする
上記の冷間ピルガー圧延方法においては、圧延能率を向上させる場合に、使用される素管寸法から上記（２）式に示されるＳ値を算出してのち、上記（１）式との関係から上記（３）式に示されるＦｄ値を求め、このＦｄ値に基づいて採用しうる最大の圧延送り量ｆを決定するようにするのが望ましい。
【００１５】
また、同様に、工具寿命を延長させる場合に、採用できる圧延能率に基づいて上記（３）式に示されるＦｄ値を算出してのち、上記（１）式との関係から上記（２）式に示されるＳ値を求め、このＳ値を超えることがない素管寸法を使用するようにするのが望ましい。
（２）  超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延する冷間ピルガー圧延方法であって、下記（１）式で規定される加工発熱指数Ｊが３００００（ｍｍ３）以下を満足する加工条件で素管を圧延することを特徴とする冷間ピルガー圧延方法である。
【００１６】
Ｊ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）×ｆ×Ｅｌ        ・・・        （１）
但し、Ｔ：素管肉厚（ｍｍ）、Ｄ：素管外径（ｍｍ）、ｆ：圧延送り量（ｍｍ）
およびＥｌ：圧延伸びとする
上記（２）の冷間ピルガー圧延方法では、さらに加工発熱指数Ｊが２００００（ｍｍ３）以下を満足する加工条件で素管を圧延するのが望ましい。
【００１７】
上記（１）および（２）の冷間ピルガー圧延方法では、高強度材の素管として２相ステンレス鋼（例えば、２５Ｃｒ−７Ｎｉ−３Ｍｏ−２Ｗ−Ｎ系）を対象とするのが望ましい。なお、本発明において、高強度材とはＹＳ≧７００ＭＰａを想定しており、高加工度とは断面減少率Ｒｄ≧７０％の冷間ピルガー圧延が相当する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の冷間ピルガー圧延方法では、超硬合金で作製されたマンドレルを用いて素管を圧延することを前提としている。対象としている超硬合金は、Ｃｏを結合剤としてＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ等の高融点金属の炭化物粉末を焼結した合金であり、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ−Ｃｏ系がある。したがって、この超硬合金でマンドレルを作製すると、高温に至るまで硬さ、強さが高く、優れた耐折損性を発揮することができる。
【００１９】
前述の通り、冷間ピルガー圧延における、超硬合金で作製されたマンドレルの折損原因を調査した結果、その折損部の近傍には焼付が生じており、表面にはピッティングが発生して、合金材が腐食した形跡が見られた。
【００２０】
腐食原因を特定するため、まず、潤滑油に極圧添加剤として含まれるＣｌの影響を調査した。そのため、超硬合金の試片を潤滑油に浸漬して腐食発生の有無を調べたが、それだけではほとんど超硬合金には腐食は発生しなかった。
【００２１】
次に、冷間圧延の発熱にともなう高温環境を想定して、２５０〜３５０℃に加熱した潤滑油に超硬合金の試片を浸漬すると、その表面に腐食が発生した。この調査結果から、超硬合金は、高温（２５０℃以上）環境とＣｌを含む雰囲気環境との相乗作用によって腐食され、耐折損性が劣化することが確認された。
【００２２】
言い換えると、超硬合金で作製されたマンドレルの折損メカニズムは次のようになる。潤滑油に含まれるＣｌと冷間ピルガー圧延時の発熱による高温環境下で、超硬合金の結合剤であるＣｏが腐食されて、ＷＣ等の炭化物粒子が脱落し、表面ピッティングの発生にともない表面粗さが劣化し、摩擦発熱が増大して焼付が発生する。その後、マンドレル表面に微小亀裂が生成され、最終的には超硬合金の疲労強度の低下によってマンドレルの折損にいたる。
【００２３】
上述した超硬合金製マンドレルの折損原因を解消するには、極圧添加剤としてＣｌを含まない潤滑油を使用すること、または、冷間圧延の際に発生する加工発熱を抑制することのいずれかを選択することができる。ところで、前者の対策として、Ｓ系極圧添加剤の潤滑油の使用が検討できるが、潤滑性能（耐焼付性）がＣｌ系極圧添加剤の圧延油に比べ極端に劣化することから、実際の冷間ピルガー圧延では採用することが困難である。
【００２４】
そこで、超硬合金製マンドレルの折損を防止するため、冷間圧延にともなう発熱量を低減し、マンドレルの焼付を抑制することを検討した。種々の検討結果から、加工発熱量は圧延される素管断面積Ｓと、ロールダイスが１回往復するときの加工長さＦｄに比例することに着目し、下記の（１）式〜（３）式で規定される加工発熱指数Ｊを用いて素管の加工条件を管理することにした。
【００２５】
但し、（１）式〜（３）式中のＴは素管肉厚（ｍｍ）、Ｄは素管外径（ｍｍ）であり、さらにｆはロールダイスが１回往復するときの圧延送り量（ｍｍ）、Ｅｌは圧延伸び（無次元数）である。
【００２６】
Ｊ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）×ｆ×Ｅｌ        ・・・        （１）
Ｓ  ＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ）                  ・・・        （２）
Ｆｄ＝ｆ×Ｅｌ                          ・・・        （３）
上記（１）式で示される加工発熱指数Ｊは、冷間ピルガー圧延にともなう加工発熱量に比例するものであるから、このＪ値を制御することができれば、加工発熱量を抑制、制御することが可能になる。加工発熱量が制御できれば、高温（２５０℃以上）環境を解消でき、これにともなって超硬合金製マンドレルの折損発生を抑制することができる。
【００２７】
図１は、加工発熱指数Ｊと超硬合金製マンドレルの工具寿命との関係を示す図である。図１の縦軸にはロールダイスが１回往復するときの加工長さＦｄ（＝ｆ×Ｅｌ）を示し、横軸には圧延される素管断面積Ｓ（＝π×Ｔ（Ｄ−Ｔ））を示しており、パラメータとして加工発熱指数Ｊを２００００、３００００および４００００（ｍｍ３）と変化させている。
【００２８】
マンドレルの工具コストに関し、従来から使用していた冷間工具鋼やハイス工具綱に比べ、超硬工具はそのコストが１０倍ほど高くなっている。このため、マンドレルの工具寿命が冷間工具鋼やハイス工具綱のそれより１０倍以上向上しなければ、マンドレル工具費の削減が図れない。
【００２９】
したがって、上記図１では、超硬合金製マンドレルの工具寿命が従来の工具寿命に比べ、１０倍以上延長したか否かが評価の目安になっている。このため、同図中では、マンドレルの工具寿命比率（超硬合金製マンドレル寿命／ハイス工具鋼製マンドレル寿命）が１０倍以上の場合と、１０倍未満の場合とを区分して示している。
【００３０】
図１に示す加工発熱指数Ｊと超硬合金製マンドレルの工具寿命との関係から、加工発熱指数Ｊが３００００（ｍｍ３）を境界として工具寿命の好転が見られ、加工発熱指数Ｊが３００００（ｍｍ３）以下を満足する加工条件で素管を圧延することにより、マンドレルの工具寿命の延長とマンドレル不良（折損発生）による圧延不良の低減が図れることが分かる。
【００３１】
一方、圧延能率は加工長さＦｄ（＝ｆ×Ｅｌ）に比例するので、できるだけ加工長さＦｄを大きくすることによって、冷間ピルガー圧延での生産性向上に結びつくことになる。そこで、使用される素管断面積Ｓを小さくして加工発熱量を抑制し、加工長さＦｄをできるだけ大きくするようにすれば、圧延能率の向上が図れる。また、加工発熱量を極力抑制する条件の下で素管を圧延するようにすれば、圧延能率の向上および圧延工具の長寿命化を両立させることができる。
【００３２】
図２は、加工発熱指数Ｊを用いて素管の加工条件を管理する事例を説明する図である。図２中で示す事例１では、圧延能率を向上させる場合の管理手順を示している。すなわち、本発明の冷間ピルガー圧延方法では、使用される素管寸法から素管断面積Ｓを算出して、前記（１）式との関係から、ロールダイスが１回往復するときの加工長さＦｄ（＝ｆ×Ｅｌ）値を求める。このＦｄ値は、所定の工具寿命を前提とした場合に、採用しうる最大の加工長さとなる。
【００３３】
一方、圧延伸びＥｌは、素管寸法から成品寸法に圧延するまでの断面減少率をＲｄ（％）とすると、下記（４）式から一義的に算出することができる。
【００３４】
Ｅｌ＝１００／（１００−Ｒｄ）                  ・・・        （４）
上記（４）式から算出されたＥｌを用いれば、上記Ｆｄ値に基づいて採用しうる最大の圧延送り量ｆを決定することができる。本発明の冷間ピルガー圧延において、この圧延送り量ｆを採用すれば、マンドレルの工具寿命を確保しつつ、圧延能率を向上させることができる。
【００３５】
次に、図２中で示す事例２では、本発明の冷間ピルガー圧延方法で工具寿命を、優先して延長させる場合の管理手順を示している。冷間ピルガー圧延の操業上、支障を生ずることなく採用できる圧延能率に基づいて、加工長さＦｄ（＝ｆ×Ｅｌ）値を仮に決定する。そのＦｄ値を用いて前記（１）式との関係から、使用しうる素管断面積Ｓ値を求める。
【００３６】
熱間押出工程では各種の素管製管段取りが組まれているので、適切な素管製管段取りを定めて、上記で求められたＳ値を超えることがない素管寸法を使用すればよい。そののち、決定された素管寸法に基づいて、圧延伸びＥｌを修正し、加工長さＦｄ（＝ｆ×Ｅｌ）値を決定する。これにより、本発明の冷間ピルガー圧延において、所定の圧延能率を確保しつつ、優先的に工具寿命を延長させることができる。
【００３７】
図３は、加工発熱指数Ｊとマンドレルの工具寿命比率（超硬合金製マンドレル寿命／ハイス工具鋼製マンドレル寿命）との関係を示す図である。冷間圧延に供した素管は、高強度材としての２相ステンレス鋼（２５Ｃｒ−７Ｎｉ−３Ｍｏ−２Ｗ−Ｎ系）および一般のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした。
【００３８】
図３に示すように、加工発熱指数Ｊが３００００（ｍｍ３）以下を満足する加工条件で素管を圧延することにより、マンドレルの工具寿命比率が１０を超えており、工具費用の削減が可能になる。さらに、加工発熱指数Ｊを２００００（ｍｍ３）以下で管理することによって、特に、高強度材である２相ステンレス鋼を圧延する場合に工具寿命比率が向上するので望ましい。
【００３９】
加工発熱指数Ｊの下限は、操業上採用しうる加工条件、例えば、最小の断面減少率Ｒｄ、加工長さＦｄ等によって定められるが、本発明の冷間ピルガー圧延方法では、２８００（ｍｍ３）程度となる。
【００４０】
冷間ピルガー圧延に用いられる超硬合金製マンドレルの表面に微小きずや焼付等が発生した場合には、マンドレルを旋盤等で回転させて全長をダイヤモンドペーストで均等にラッピング加工すると、正常な表面性状に復元することができる。定期的にこのような手入れ作業を実施すれば、マンドレル寿命の向上に有効である。
【００４１】
【実施例】
本発明の冷間ピルガー圧延方法による素管の加工条件の管理例とその効果を、実施例に基づいて説明する。本実施例では、熱間押出で製管された高強度材（ＹＳ≧７００ＭＰａ）の二相ステンレス鋼（２５Ｃｒ−７Ｎｉ−３Ｍｏ−２Ｗ−Ｎ系）を素管として、超硬合金製マンドレルを用いて高加工度（Ｒｄ：６８．４〜７８．８％）で冷間ピルガー圧延を実施した。マンドレルを作製した超硬合金は、質量％でＷＣ：Ｃｏが８５：１５となるＷＣ−Ｃｏ系とした。
【００４２】
本実施例では、同じ成品寸法に圧延する場合に、使用する素管寸法を変更することによる加工条件の相違を比較し、その結果を表１に示している。
【００４３】
【表１】
2004167585.tif 000003
【００４４】
本発明例では、使用する素管寸法を小さくすることによって、素管断面積Ｓを下げ、加工発熱指標Ｊを小さくしている。その結果、マンドレルの工具寿命を著しく延ばすことができ、同時に加工長さＦｄを大きくすることが可能となり圧延能率も向上できることを示している。
【００４５】
工具費の削減に関して、前述の通り、冷間工具鋼やハイス工具鋼に比べて超硬合金は工具費が１０倍ほど高く、寿命は１０倍以上に向上しないと削減効果が表れない。通常、ハイス工具鋼で作製されたマンドレルを適用した場合、従来例の加工条件では、工具寿命は３ｋｍ程度であった。
【００４６】
したがって、従来例の工具寿命では１０倍程度に留まっており、工具不良による生産性の低下や成品不良率の悪化を改善することができるが、工具費の削減効果は発揮されていない。これに対し、本発明例では、工具寿命が約２７倍と著しく向上しており、さらに工具費の削減効果も達成できたことが分かる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の冷間ピルガー圧延方法によれば、超硬合金で作製されたマンドレルを用いて高強度材を高加工度で冷間圧延する場合に、圧延能率の向上を確保しつつ、マンドレルの工具寿命を著しく延長させることができる。これにより、冷間ピルガー圧延での生産性の向上、圧延不良率の低減、および工具費の大幅削減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加工発熱指数Ｊと超硬合金製マンドレルの工具寿命との関係を示す図である。
【図２】加工発熱指数Ｊを用いて素管の加工条件を管理する事例を説明する図である。
【図３】加工発熱指数Ｊとマンドレルの工具寿命比率（超硬合金製マンドレル寿命／ハイス工具鋼製マンドレル寿命）との関係を示す図である。
【図１】
2004167585.tif 000004
【図２】
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【図３】
2004167585.tif 000006