(57)【要約】【課題】１３％Ｃｒ鋼等のステンレス鋼を圧延する場合でも、優れた耐焼き付き性と耐用寿命を発揮するマンドレルバーを提供する。【解決手段】中心線平均粗さＲａが２０μｍ以下であるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバーである。さらに、Ｒａで２〜１２μｍ、またはＲａで２〜６μｍとするのが望ましい。スケール構造は、前記スケール層がＦｅ酸化物を主体とする外層スケールとＦｅとＣｒのスピネル酸化物を主体とする内層スケールとで構成するのが望ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心線平均粗さＲａが２０μｍ以下であるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバー。
【請求項２】
中心線平均粗さＲａが２〜１２μｍであるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバー。
【請求項３】
中心線平均粗さＲａが２〜６μｍであるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバー。
【請求項４】
前記スケール層がＦｅ酸化物を主体とする外層スケールとＦｅとＣｒのスピネル酸化物を主体とする内層スケールとで構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱間継目無管圧延用マンドレルバー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間継目無管の製造工程におけるマンドレルミル圧延用の優れた耐焼き付き性と耐用寿命を有するマンドレルバーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小径および中径の熱間継目無管の製造方法として、マンドレルミル圧延による製管方法が用いられている。
【０００３】
この製管方法では、加熱した中実ビレットを穿孔圧延機で穿孔して中空素管とし、得られた中空素管の内面に圧延工具であるマンドレルバーを挿入した後、対向孔型ロールで構成されたスタンドを複数連設したマンドレルミルに通し、中空素管の肉厚を減じて所定寸法の継目無管に圧延する。この圧延後、挿入されたマンドレルバーは継目無管から引き抜かれ、再使用される。
【０００４】
上述のマンドレルミル圧延に際して、マンドレルバーの摩耗および肌荒れ等に起因する工具疵が製品に発生するのを防止するため、中空素管に挿入する前のマンドレルバーの表面に固体潤滑剤を主成分とする潤滑被膜を予め形成する。これによって、圧延時およびマンドレルバー引抜き時に発生する管内面とマンドレルバー表面との摩擦力を減じ、工具疵が製品内表面に発生するのを防止する。
【０００５】
通常、継目無管のマンドレルミル圧延において、素管内面と接触するマンドレルバー表面は、極めて厳しいすべり摩擦状態にあるため、摩耗、焼き付き、肌荒れ、ヒートクラック等の欠陥がマンドレルバー表面に発生する。このため、マンドレルバーの表面状態が劣化した場合には、オフラインにて表面の手入れを施さなければならない。特に、ステンレス鋼を圧延する場合には手入れ頻度が高くなるので、生産性向上のために、手入れ頻度を低減させマンドレルバーの耐用寿命を向上させる必要がある。
【０００６】
マンドレルバーの表面状態が劣化するのを防止し、その耐用寿命の延長を図るために、従来から種々のマンドレルバーの材質改善方法やその表面の処理方法が提案されている。
【０００７】
マンドレルバー表面の熱疲労亀裂を低減する方法として、５％Ｃｒ系のマンドレルバーにＮｂを適当量添加し組織制御を行う方法（特許文献１）や、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ金属またそれらの合金の低融点金属をマンドレルバー表層部に溶融拡散させる方法（特許文献２）が開示されている。しかし、これらで開示される方法を適用するには、新規のマンドレルバーを製作する必要があり、現在すでに実操業に使用されているマンドレルバーへの適用はできない。
【０００８】
特許文献３では、マンドレルバー表面を円周方向に研磨した後、軸方向に表面粗さ（Ｒａ）が４．０〜１２．０μｍなるよう仕上げ研磨を施すマンドレルバーの表面処理方法が提案されている。しかし、発明者らの確認によれば、この表面処理方法では表面粗さが大きすぎるため表面凸部の面圧が高くなり、これを起点として焼付きが発生することがある。また、特許文献４では、円周方向の表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で１．０〜４．０μｍである熱間継目無管圧延用マンドレルバーを提案しているが、潤滑剤の保持力が弱いため圧延時の摩擦抵抗が高くなり、圧延条件の厳しいステンレス鋼の製管では、その効果が認められない。
【０００９】
さらに、特許文献５では、熱処理前にショットブラストを実施して焼き入れおよび焼戻しを行うマンドレルバー表面の調整方法が開示されているが、焼き入れ時のスケールが厚いため、スケール剥離が生じ易い。また、特許文献６には、マンドレルバー表面に錆を付与した後、さらに耐焼き付き用のスケールを生成させる方法が開示されているが、錆とスケールの相乗効果により、スケール厚さがときによっては１００μｍ以上と極めて厚くなる。このため、熱延条件の緩い炭素鋼圧延では効果が認められるが、ステンレス鋼に対してはその効果が認められない。
【００１０】
上述した従来技術では、ある程度の耐焼き付き性の効果を認めることができるが、いずれの技術も大幅な耐用寿命の向上を達成するまでに至っておらず、特に圧延条件の厳しいステンレス鋼の製管ではその効果は殆ど認められない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−５７３８０号公報
【特許文献２】
特開平６−３３９７０９号公報
【特許文献３】
特開平４−２８４９０５号公報
【特許文献４】
特開平８−１６４４０４号公報
【特許文献５】
特開昭６３−２０１０５号公報
【特許文献６】
特開平１１−２２６６１４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、油井用や化学工業用として１３％Ｃｒ鋼等からなるのステンレス鋼管の需要が高まり、これらを効率的に製造するため、マンドレルミル圧延での製管が増加している。しかし、１３％Ｃｒ鋼等のステンレス鋼の変形抵抗は、炭素鋼などに比べて高いため、１３％Ｃｒ鋼等の管を圧延する場合に、マンドレルバーの表面温度は炭素鋼管を圧延する場合のそれに比べて極めて高くなり、焼き付きの発生が顕著になる。
【００１３】
前述の通り、マンドレルバーの表面劣化を防止し、その耐用寿命の延長を図るため提案された従来技術では、圧延条件の厳しいステンレス鋼の製管時には効果が殆ど発揮されていない。
【００１４】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであり、１３％Ｃｒ鋼等の圧延条件の厳しいステンレス鋼をマンドレルミル圧延する場合であっても、優れた耐焼き付き性と耐用寿命を発揮することができる熱間継目無管圧延用マンドレルバーを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するため、実操業におけるマンドレルバーを詳細に観察するとともに、マンドレルバーの耐用寿命を向上させるための種々検討を行った結果、以下（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。
（ａ）マンドレルバーの損傷原因の主なものは焼付きであり、焼付きは摩擦抵抗が高い時に生じ易い。
（ｂ）表面に厚さを制御したスケール層を付与することで、マンドレルバーの耐焼き付き性を向上させることができる。
（ｃ）マンドレルバーの表面加工として、研磨後にショットブラスト等によって適度な表面荒れ付与した後、適切なスケールを生成させることにより、マンドレルバーの耐用寿命を延長させることができる。
【００１６】
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）〜（４）の熱間継目無管圧延用マンドレルバーを要旨としている。
（１）中心線平均粗さＲａが２０μｍ以下であるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバーである。
（２）中心線平均粗さＲａが２〜１２μｍであるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバーである。
（３）中心線平均粗さＲａが２〜６μｍであるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴とする熱間継目無管圧延用マンドレルバーである。
（４）上記（１）〜（３）の熱間継目無管圧延用マンドレルバーは、  前記スケール層がＦｅ酸化物を主体とする外層スケールとＦｅとＣｒのスピネル酸化物を主体とする内層スケールとで構成するのが望ましい。
【００１７】
本発明において「外層スケールがＦｅ酸化物を主体とし、内層スケールがＦｅとＣｒのスピネル酸化物を主体とする」とは、Ｘ線回折およびＥＰＭＡで同定した場合に、外層スケールがＦｅ２０３とＦｅ３０４との合計の体積割合が６０％以上であり、内層スケールがＦｅＣｒ２０４とＦｅ３０４との合計の体積割合が６０％以上であることをいう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の熱間継目無管圧延用マンドレルバーは、中心線平均粗さＲａが２０μｍ以下であるマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成したことを特徴としている。以下に、このように限定した理由を説明する。
【００１９】
図１は、１３％Ｃｒ鋼の圧延試験において、耐焼き付き性に及ぼす工具表面のスケール厚さの影響を調査した結果である。工具の材質として、ＪＩＳ−ＳＫＤ６の熱間工具鋼を用い、この工具の表面を研磨（Ｒａは２μｍ未満）した後、種々の厚さでスケールを形成したものを予め準備した。
【００２０】
この圧延試験では、窒素雰囲気中で１２００℃に加熱した２枚の１３％Ｃｒ鋼の板状試験片の間に、常温の前記工具を挟み込み、５０％の圧下率で圧延を実施した。このときの工具に焼き付きが発生した圧延パス数を測定した。
【００２１】
図１に示すように、所定の耐焼き付き性を発揮するには、例えば、焼き付きが発生する圧延パス数を３以上にしようとすれば、マンドレルバー表面に形成するスケール厚さは６〜２０μｍにする必要がある。さらに、焼き付きが発生する圧延パス数を５以上にしようとすれば、形成するスケール厚さは８〜１４μｍにするのが望ましい。
【００２２】
スケール厚さが６μｍ未満であると、摩擦に耐えられず１パス目で焼き付きを発生する。一方、スケール厚さが２０μｍを超えると、スケール層中で割れが発生し、それを起点として２パス目には焼き付きが発生する。
【００２３】
ここで、前記工具表面に形成されたスケール構造を調査した。スケール厚さが６μｍ以上のスケール構造は、Ｆｅの酸化物を主体とする外層スケールと、ＦｅとＣｒのスピネル酸化物を主体とする内層スケールとからなり、これらがほぼ１：１の厚さであった。
【００２４】
一方、スケール厚さが６μｍ未満のスケール構造は、Ｃｒ２０３が主体であり、その他にＦｅＣｒ２０４が微量検出された程度で、外層と内層からなる多層構造は確認できなかった。また、このスケールは、熱間圧延時に部分的に剥離し易く、剥離した部分の工具表面は異常酸化を発生する。
【００２５】
図２は、１３％Ｃｒ鋼の圧延試験において、耐焼き付き性に及ぼす工具表面の粗さの影響を調査した結果である。前記図１に示す圧延試験と同様に、工具の材質としてＪＩＳ−ＳＫＤ６を用い、この工具にスケールを形成する前に、条件を変化させたショットブラストを行うとともにグラインダーを用いて、中心線平均粗さＲａが最大３０μｍの範囲で変動するように表面粗さを調整した。その後、スケール厚さが１〜６μｍ、８〜１２μｍおよび２５μｍ以上の３条件でスケールを形成した。
【００２６】
前記の圧延試験と同様に、窒素雰囲気中で１２００℃に加熱した２枚の１３％Ｃｒ鋼の板状試験片の間に、常温の前記工具を挟み込み、５０％の圧下率で圧延を実施した。このときの工具に焼き付きが発生した圧延パス数を測定した。
【００２７】
図２の結果が示すように、スケール厚さが８〜１２μｍである場合には、前記図１に示すスケール処理前の研磨ままに比べ、スケール処理前のショット処理等によって表面粗さをＲａで２０μｍ以下にすることによって耐焼き付き性が向上している。
【００２８】
さらに耐焼き付き性を向上させるには、スケール処理前の表面粗さをＲａで２〜１２μｍの範囲にするのが望ましく、最も望ましいのはＲａで２〜６μｍの範囲にする場合である。
【００２９】
図２に示すように、耐焼き付き性に及ぼすマンドレルバーの表面粗さＲａには適正範囲がある。表面粗さＲａが適正範囲であると、スケール／母材の界面は両者が入り組んだ構造であるため、スケールの密着性が良くなり、スケール層の最表面でもマンドレルバーの表面粗さに沿って凹凸が形成され、潤滑剤の保持性が良くなり摩擦抵抗を下げることができる。
【００３０】
一方、マンドレルバーの表面粗さが大きくなると、スケール層表面の凸部を起点として焼き付きが生じ、表面粗さが小さすぎると、潤滑剤の保持性が低下し摩擦抵抗が大きくなる。
【００３１】
本発明の熱間継目無管圧延用マンドレルバーでは、その表面粗さを適正範囲にするとともに、その後のスケール処理でマンドレルバー表面に厚さが６〜２０μｍのスケール層を形成する必要がある。スケール厚さが２０μｍを超えると、スケール厚さが厚くなるにしたがってスケール層の最表面が平滑化し、潤滑剤を保持するのに有効な凹部が小さくなり摩擦抵抗が上昇すると同時に、スケール割れや剥離部が起点で焼き付きが発生する。
【００３２】
これに対し、スケール厚さが６μｍ未満になると、前記図１に示すように、摩耗に耐えられず圧延１パスで焼き付きを発生する。
【００３３】
研磨、ショットブラストでマンドレルバーの表面粗さを調整した後、上記のスケールを得るための処理条件は、６００〜６５０℃に２０〜４０分保持するのが有効である。加熱雰囲気は酸化性雰囲気であり、大気雰囲気、調整雰囲気であってもよい。スケール厚さは、加熱温度および保持時間によって調整できる。
【００３４】
【実施例】
本発明の熱間継目無管圧延用マンドレルバーの効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。
【００３５】
材質としてＪＩＳ−ＳＫＤ６を用い、外径が３００ｍｍ、長さが２４ｍのマンドレルバーを準備した。下記の表１に示す条件で表面加工を行いマンドレルバーの表面粗さＲａを変化させた後、種々の条件でスケールを形成した。このように製作したマンドレルバーを用いて、１３％Ｃｒ鋼管をマンドレルミル圧延した。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
各マンドレルバーを用いた圧延において１圧延ごと、すなわち１本の製管ごとにマンドレルバー表面の観察を行ない、焼き付きや表面亀裂などの表面損傷がマンドレルバー表面に発生するまでに圧延できた素管本数を測定した。そして、下記式から従来のマンドレルバーの寿命と対比した寿命評価指数を算出した。従来のマンドレルバーの寿命は、機械研磨後スケールを形成することなく熱処理したマンドレルバーを用いて圧延できた素管本数で示す。
【００３８】
寿命評価指数＝（圧延できた素管本数）／（従来のマンドレルバーで圧延できた素管本数）×１００
スケール形成後にマンドレルバー表面に形成されたスケール構造および組成をＸ線回折およびＥＰＭＡにより観察したが、それらは次のスケール構造Ａ、Ｂに区分された。
【００３９】
スケール構造Ａでは、外層スケールと内層スケールの２層構造であり、外層スケールが主としてＦｅ２０３とＦｅ３０４であり、内層スケールがＦｅＣｒ２０４とＦｅ３０４であった。すなわち、Ｆｅの酸化物を主体とする外層スケールと、ＦｅとＣｒのスピネル酸化物を主体とする内層スケールで構成されていた。
【００４０】
一方、スケール構造Ｂでは、Ｃｒ２０３およびＦｅＣｒ２０４またはＦｅ３０４をＸ線回析により検出できる程度であり、外層スケールと内層スケールを明確に区別できなかった。
【００４１】
表２に、各条件におけるマンドレルバー表面状態（表面粗さ、スケール厚さ）、スケール構造および寿命評価指数を示した。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
表２に示すように、スケール形成処理条件によってマンドレルバー表面に形成されるスケール厚さは変化する。スケール形成処理としては、６００〜６４０℃で２０〜４０分の保持時間を確保するのが有効であることが分かる。
【００４４】
スケール形成処理に用いた加熱炉はＬＮＧ焚きであり、雰囲気は数％のＯ２、１０％程度のＣＯ２および２０％に近いＨ２Ｏを含むものであった。
【００４５】
マンドレルバー表面粗さがＲａ２０μｍ以下でスケール厚さが６〜２０μｍの範囲になる発明例（Ｎｏ．３、４、９〜１２、１４〜２１）は、比較例に比べ耐用寿命が延長している。また、発明例のスケールはいずれも構造Ａであった。
【００４６】
発明例のうちマンドレルバーの表面加工が研磨、ショット▲３▼および▲４▼では、マンドレルバー表面粗さがＲａ２μｍ未満、またはＲａ１２μｍを超えて変動したため、寿命評価指数は１５５〜１６５に留まっている。
【００４７】
マンドレルバーの表面加工としてショット▲１▼を実施したのち６２０℃で酸化時間を変化させたＮｏ．８〜１３において、スケール厚さは保持時間とともに増加し、厚さが６〜２０μｍと適正範囲になると、寿命評価指数は２００を超えるようになり、スケール厚さが８〜１４μｍとなるＮｏ．１０、１１では、いずれも２５０超と耐用寿命の著しい延長が見られる。
【００４８】
一方、マンドレルバーの表面加工としてショット▲２▼を実施したのち、６２０℃×２０〜４０分のスケール形成処理でスケール厚さを８〜１４μｍとしたＮｏ．１６、１７では、寿命評価指数は２００程度となる。
【００４９】
表２に示す結果から、マンドレルバー表面粗さの条件は、Ｒａが２〜６μｍの範囲（Ｎｏ．１０、１１）が最も耐用寿命に優れ、次いでＲａで６〜１２μｍの範囲（Ｎｏ．１６、１７）であることが分かる。Ｒａで２μｍ以下、またはおよび１２μｍ以上（Ｎｏ．１８〜２１）では耐用寿命は劣るが、従来のマンドレルバー（Ｎｏ．７）に比べ寿命が延長されている。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の熱間継目無管圧延用マンドレルバーによれば、１３％Ｃｒ鋼等の圧延条件の厳しいステンレス鋼をマンドレルミル圧延する場合であっても、優れた耐焼き付き性と耐用寿命を発揮することができる。
【００５１】
したがって、このマンドレルバーを採用する熱間継目無管の圧延では、１３％Ｃｒ鋼等の難加工材であっても低廉な製造コストで、かつ効率的に製造でき、工業的に顕著な効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】１３％Ｃｒ鋼の圧延試験において、耐焼き付き性に及ぼす工具表面のスケール厚さの影響を調査した結果である。
【図２】１３％Ｃｒ鋼の圧延試験において、耐焼き付き性に及ぼす工具表面の粗さの影響を調査した結果である。
【図１】
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【図２】
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