(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間仕上された鋼管の肉厚／外径（Ｔ／Ｄ）の比が20％以上である継目無鋼管の製造方法であって、オイル（油脂）潤滑が施された素管を下記（ａ）式を満足する条件で、ダイスおよびプラグを用いて冷間引抜加工することを特徴とする内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造方法。
Ｙ≧5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ） … （ａ）
但し、Ｙは肉厚加工度（％）、Ｘはダイス角度（°）を示す。
【請求項２】
冷間仕上された鋼管の肉厚／外径（Ｔ／Ｄ）の比が20％以上である継目無鋼管の製造方法であって、化成皮膜潤滑が施された素管を下記（ｂ）式を満足する条件で、ダイスおよびプラグを用いて冷間引抜加工することを特徴とする内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造方法。
Ｙ≧1.5＋5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ） … （ｂ）
但し、Ｙは肉厚加工度（％）、Ｘはダイス角度（°）を示す。
【請求項３】
請求項１または２に記載された継目無鋼管の製造方法で製造され、管内面のシワ疵の深さが0.05mm以下であることを特徴とする継目無鋼管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間製管された素管に引抜加工を施して冷間仕上する継目無鋼管の製造方法に係り、より詳しくは、化学プラント、発電プラント配管用、または機械構造用、自動車用部品などの多種多様の用途に好適な内面平滑性に優れた冷間仕上継目無鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷間仕上される継目無鋼管は、主に特殊用途のために用いられ、例えば、化学・発電プラント配管用鋼管、機械構造用鋼管などとして使用される。これらの用途に用いられる継目無鋼管の素管は、マンネスマン製管法やユジーン製管法による熱間製管によって得られるが、一般的には、マンネスマン製管法によって鋼片をマンネスマン穿孔し、サイザーまたはレヂューサーで定径または縮径圧延されて製造される。次いで、製造された素管は、外径・内径・肉厚の寸法精度の向上、表面の平滑性の向上、機械的強度の確保などを目的として、冷間で引抜加工を施して仕上られる。
【０００３】
近年では、環境保護の意識の高まりから、自動車用の部品として継目無鋼管の採用が注目されている。すなわち、現在、自動車業界では、車体重量を軽量化により燃費を向上させる技術の開発が進められており、従来、棒鋼により製造されていた自動車のパワーステアリング用部品、ドライブシャフト等の駆動部品に継目無鋼管を用い、部品の中空化によって軽量化を図る試みがなされている。
【０００４】
しかし、棒鋼に代わる継目無鋼管の採用には、技術的な問題がある。これらの部品は厳しい環境下で使用されるため、管内面の表面性状が問題となる。管内面にシワ疵などの表面疵があると、そこを起点とし、成形加工中または車体に実装した後の使用環境下で応力集中による亀裂が発生するおそれがある。
【０００５】
上述の自動車のパワーステアリング用部品、ドライブシャフト等の駆動部品に継目無鋼管を使用する場合には、鋼管寸法はＴ／Ｄ（肉厚／外径の比）が20％以上の厚肉管が多用されている。さらに、鋼管から部品にするための加工上の制約またはは使用上の制約から、許容される鋼管内面のシワ疵は浅いほど好ましく、上述の自動車用駆動部品では、管内面に発生するシワ疵の深さを0.05mm以下にする必要がある。
【０００６】
管内面の発生するシワ疵を小さくするには、熱間製管時に素管に発生する角張を矯正し、シワ疵として残留するのを防止すればよい。ここで、角張とは、マンネスマン製管法のようなロール圧延により製造される継目無鋼管において、レデューサまたはサイザーのような縮径・定径過程で生成される管内外面の凹凸状の不揃いに起因する管内面の非真円性のことをいう。また、シワ疵とは、継目無鋼管の内外表面に存在する深さ0.005〜0.5mmの筋状欠陥をいい、角張が残ってシワ疵が発生する場合には、冷間加工後であっても角張頂点部分の薄肉部位に残存することがある。
【０００７】
従来から、管内面のシワ疵等の表面疵を削減するため、冷間加工において多数回の引抜加工を行い、さらに研削等の機械加工によって改善する方法が採用されている。また、特許第３０８５９８０号公報には、管内面の表面性状を向上させるため、管内面の粗さがＲｍａｘで1.0μｍ以下とするステンレス鋼管の製造方法が記載されている。この製造方法によれば、引抜加工に用いるプラグにリング状の突起部あるいは凹部を有するプラグを用い、管内面にしごき加工を与え、剪断塑性変形を集中させることにより、管内面の粗さを小さくすることができるとしている。しかし、これらの方法では、冷間仕上鋼管の製造工数を増加させ、製造コストが大幅に上昇するという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、冷間加工用の素管の多くは、熱間押出であるユジーン製管法に比べ、生産効率の良いマンネスマン製管法で穿孔、圧延される。しかし、マンネスマン製管法におけるサイザーやレデューサでは、素管の内側を拘束せずに外径の定径や縮径を行うため、外径に比べて内径の真円性が良くないので、素管肉厚が不揃いになりなり易く、内面六角張のような偏肉も大きくなる傾向を示す。
【０００９】
そこで、素管の管内面の表面性状を改善するため、引抜加工が行われるが、素管内面の角張等が大きく、１回の引抜加工では、良好な真円性の確保およびシワの低減を図ることが困難になる。そのため、通常、２回以上の引抜加工を行い、さらに切削あるいは電気化学研磨等が施されて、管内面の性状改善が行われる。特に、Ｔ／Ｄが20％以上の厚肉の鋼管を加工する場合には、管内面の表面性状はよくなく、角張が発生し易いことから、多数回にわたる引抜加工を施さざるを得ない。このため、Ｔ／Ｄが20％以上の厚肉鋼管の内面性状の改善には、製造工数の増加がともない、製造コストの上昇を招くことになる。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ストレート型ダイスまたは円筒プラグを用いて引抜加工を施して冷間仕上を行うに際し、前記ダイスのダイス角度（°）と素管の肉厚加工度（％）によって規定される加工条件を適切に選択することによって、１回の引抜加工で内面疵の削減、特に管内面のシワ疵の深さが0.05mm以下であることを保証できる、内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造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、冷間引抜加工された鋼管を自動車のパワーステアリング用部品やドライブシャフト等の駆動部品に適用するための加工条件を見出すため、具体的には、冷間引抜加工によって管内面のシワ疵の深さが0.05mm以下となる加工条件を検討するため、下記の（試験１）〜（試験３）の試行錯誤を重ねた。
【００１２】
（試験１）
試験１では、素管内面に発生した角張の矯正と肉厚加工度およびダイス角度との関係を定性的に確認することとした。使用したダイスは全てストレート型ダイスであり、図１にその断面形状を示すが、ストレート型ダイスのダイス角度は、同図に示すように、ダイスの入側円錐部の側面がなす角度Ｘをいう。また、肉厚加工度（Ｙ）は、引抜加工前の肉厚をＴ、引抜加工後の肉厚をＴ’としたとき、（Ｔ−Ｔ’）／Ｔ×100（％）で表される。
【００１３】
図２は、試験１で用いた試験用鋼管の引抜加工の前後の形状を模式的に示した図である。引抜加工による角張の矯正を確認するため、まず、内面に大きな角張を有するテスト用鋼管を作製した。テスト用鋼管は、外径30.5〜33.1mmの棒鋼（Ｓ４５Ｃ）に対角長さが17.5mmの六角形の穴を開けて作製し、このテスト用鋼管にダイスおよびプラグを用いて引抜加工を施した。引抜加工に際しては、ストレート型ダイスのダイス角度Ｘを１５°、２０°および２５°とし、角張が残り易い六角形穴の頂角の位置での肉厚加工度が5〜20％となるように引抜加工を行い、外径22.49mm、肉厚6.22mmの冷間加工の鋼管を得た。
【００１４】
冷間加工された鋼管には、六角形穴の頂角に当たる部分に角張が残留したため、角張り底深さを、引抜加工後に接触型の真円度測定器で内面円周度曲線を描くことによって測定した。角張り底深さとは、本来、内径からの角張の深さをいい、ここでは、複数角張が残留した場合、最も深い角張の角張り底深さを角張り底深さとして整理した。
【００１５】
図３は、ダイス角度が１５°〜２５°で引抜加工した場合の六角形穴の頂角位置における肉厚加工度と角張り底深さとの関係を示す図である。角張り底深さは、肉厚加工度が大きくなるほど浅く、また、ダイス角度が小さいほど浅くなる。このことから、引抜加工した際の管内面に発生する角張り底深さは、肉厚加工度とダイス角度に関係することが分かる。
【００１６】
さらに、ストレート型ダイスのダイス角度が実際の肉厚加工に及ぼす影響を確認するため、プラグ無しの空引き加工で引抜加工された鋼管の肉厚挙動を調査した。
【００１７】
図４は、空引き加工したときの、外径加工度と増肉率の関係を示した図であり、図４(a)は、ダイス角度２５°のときの外径加工度と増肉率の関係を、図４(b)は、肉厚／外径の比（Ｔ／Ｄ）が30％のときの外径加工度と増肉率の関係を示したものである。ここで、外径加工度（％）とは、引抜加工前の外径をｄ、引抜加工後の外径をｄ’としたとき、（ｄ−ｄ’）／ｄ×100（％）で表される値のことをいう。また、増肉率（％）とは、空引き加工前の肉厚をｔ、空引き加工後の肉厚をｔ’としたとき、（ｔ’−ｔ）／ｔ×100（％）で表される値のことをいう。
【００１８】
図４(a)より、空引き加工においてＴ／Ｄが20％以上の厚肉鋼管を加工する場合には、一般的に、鋼管の肉厚は加工後は減肉する傾向を示すことがわかる。これは、プラグ引きにおいては、実質的な肉厚加工度が減少することを意味する。また、図４(b)からは、ダイス角度を小さくすることによって、この減肉傾向を減少させることができることがわかる。これは、ダイス角度を小さくすることにより、肉厚加工度の減少を最小限に抑えることができることを意味する。
【００１９】
以上をまとめると、ストレート型ダイスによりＴ／Ｄが20％以上の厚肉鋼管を引抜加工する場合、ダイス角度を小さくすることによって、加工過程での減肉傾向を抑制でき、実際の肉厚加工を確保できるので、ダイス角度を小さくすることは、管内面の角張矯正、シワ疵の改善に有効である。このことは以下のように説明できる。
【００２０】
図５は、ストレート型ダイスおよび円筒プラグを用いた引抜加工の状況を模式的に示した図であり、(a)はダイス角度が大きい場合を、(b)はダイス角度が小さい場合を示している。引抜加工の際に、ダイス角度が小さくなるほど、ダイス１とプラグ２に挟まれた素管３の加工面積、すなわち、工具との接触面積が増加し、いわゆる「しごき効果」が増大して、角張矯正およびシワ疵改善の効果が増大することになる。
【００２１】
以上（試験１）より、ダイス角度は角張矯正およびシワ疵改善に大きく寄与することから、（試験２）以降ではダイス角度に注目し、加工条件の検討を行った。
【００２２】
（試験２）
実機による肉厚加工度、ダイス角度およびシワ疵の深さの関係を明らかにするために、実際の鋼管製造と同じ条件で製管し、一連のテストを行った。素管は、材質がＳ４５Ｃの素材をマンネスマン製管のマンドレルミルによって熱間製管し、未焼鈍のまま硫酸にてデスケーリングし、防錆処理を施したものを用意した。このとき、素管は外径が31.8mm、平均肉厚が6.7〜7.5mmであり、角張による偏肉量は約0.5mmであった。
【００２３】
引抜加工はダイス角度が１０°、１５°、２０°、２５°および３０°の５種のストレート型ダイスと１種の円筒プラグを用い、潤滑はオイル（油脂）潤滑とし、20℃での粘度が590CSTの硫化油脂に油性向上剤および増粘剤を添加したものを使用した。１回の引抜加工で、外径22.49mm、肉厚6.22mmの鋼管に加工した。このとき、肉厚加工度は平均肉厚で計算して7〜17％となる。引抜加工後の内面シワ疵の深さは、断面ミクロ写真撮影による内面観察により計測した。
【００２４】
図６は、ダイス角度が１０°〜３０°で引抜加工した場合の肉厚加工度とシワ疵の深さとの関係を示す図である。同図中の横線は、本発明で内面平滑性の優劣の基準としたシワ疵の深さ（0.05mm）を、同図中の縦線は、シワ疵の深さが0.05mm以下となる肉厚加工度を示す。同図中の縦線は、ダイス角度が大きくなるほど右に寄っていくことから、ダイス角度が大きいほど、肉厚加工度を大きくしなければ、シワの深さを浅くすることができないことが分かった。
【００２５】
図７は、上記図６の結果から、ダイス角度（°）と引抜加工後の管内面のシワ疵の深さが0.05mm以下となる肉厚加工度（％）との関係を示した図である。図７より、ダイス角度Ｘ（°）と肉厚加工度Ｙ（％）の関係は指数関数で表せ、近似的に下記(a)式で表すことができる。
【００２６】
Ｙ≧5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ）  …  （ａ）
（試験３）
鋼管の冷間引抜加工で用いられる潤滑処理では、上記試験２で使用されたオイル潤滑の他に、下地処理として燐酸亜鉛皮膜を施した後、石鹸処理としてステアリン酸ソーダ等を反応させ、下地との境界面に金属石鹸潤滑層を形成させる、いわゆる、化成皮膜潤滑が多用されている。したがって、試験３では、化成皮膜潤滑による場合について、同様にダイス角度と肉厚加工度の関係について調べた。
【００２７】
上記試験２の場合と同様に、素管は、材質がＳ４５Ｃの素材をマンネスマン製管のマンドレルミルによって熱間製管し、未焼鈍のまま硫酸にてデスケーリングし、防錆処理を施したものを用意した。このとき、素管は外径が31.8mm、平均肉厚が6.8〜7.2mmであった。
【００２８】
引抜加工はダイス角度が２０°のストレート型ダイスと円筒プラグを用い、潤滑は化成皮膜処理とし、下地処理に燐酸亜鉛、燐酸および亜硝酸ソーダで鋼管表面に燐酸亜鉛被膜を形成した後、ステアリン酸ソーダにより石鹸処理を行い、金属石鹸潤滑層を形成して、１回の引抜加工で、外径22.49mm、肉厚6.22mmの鋼管に加工した。比較のため、同じダイスとプラグを用いて、20℃での粘度が590CSTの硫化油脂によるオイル潤滑による引抜加工を行った。
【００２９】
図８は、引抜加工を化成皮膜潤滑（ａ）またはオイル潤滑油（ｂ）で行った場合の肉厚加工度とシワ疵の深さとの関係を示したものである。いずれも同一素管を同じ加工条件で引抜加工したものであるが、化成皮膜で潤滑した場合に比べ、オイル潤滑した場合は、シワ疵の深さが全体的に0.02mmほど浅く、平滑性の高い管内面となる。すなわち、化成皮膜で潤滑した場合は、オイル（油脂）潤滑した場合に比べシワ疵の深さを0.05mm以下にすることは難しく、化成皮膜潤滑、オイル潤滑油の場合、シワ疵の深さが0.05mm以下となるのは、それぞれ11.5％、13％であることから、化成皮膜で潤滑した場合には、オイル（油脂）潤滑した場合に比べて1.5％以上の肉厚加工度が必要となる。なお、ともにシワ疵の深さが0.05mm以下となるのは、肉厚加工度が10％以上のときであるが、確実にシワ疵を0.05mm以下とするために、シワ疵の深さが0.05mmとなる最大の肉厚加工度を基準として、シワ疵の深さが0.05mm以下となる肉厚加工度を判断した。
【００３０】
したがって、図８の結果および上記(a)式の関係から、化成皮膜で潤滑した場合、ダイス角度Ｘ（°）と肉厚加工度Ｙ（％）との関係は、近似的に下記(b)式で表される。
【００３１】
Ｙ≧1.5＋5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ）  …  （ｂ）
本発明は、上述した試験１〜試験３の検討結果に基づいて完成されたものであり、下記（１）、（２）の内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造方法および（３）の継目無鋼管を要旨としている。
【００３２】
（１）冷間仕上された鋼管の肉厚／外径（Ｔ／Ｄ）の比が20％以上である継目無鋼管の製造方法であって、オイル（油脂）潤滑が施された素管を下記（ａ）式を満足する条件で、ダイスおよびプラグを用いて冷間引抜加工することを特徴とする内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造方法。
【００３３】
Ｙ≧5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ） … （ａ）
但し、Ｙは肉厚加工度（％）、Ｘはダイス角度（°）を示す。
（２）冷間仕上された鋼管の肉厚／外径（Ｔ／Ｄ）の比が20％以上である継目無鋼管の製造方法であって、化成皮膜潤滑が施された素管を下記（ｂ）式を満足する条件で、ダイスおよびプラグを用いて冷間引抜加工することを特徴とする内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造方法。
【００３４】
Ｙ≧1.5＋5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ）  …  （ｂ）
但し、Ｙは肉厚加工度（％）、Ｘはダイス角度（°）を示す
（３）上記（１）１または（２）の継目無鋼管の製造方法で製造され、管内面のシワ疵の深さが0.05mm以下である継目無鋼管。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明は、内面平滑性に優れた継目無鋼管の製造方法に関する発明である。本発明方法が対象とする素管は、マンネスマン製管法で熱間ロール圧延によって製管されても、また、ユージン製管法で熱間押出によって製管されてもよく、いずれの製管方法であってもよい。通常、マンネスマン製管法により製管した素管は、ユージン製管法に比べて、内径の真円度が悪く、肉厚に偏肉が発生し易くなるが、本発明方法を用いれば、１回の冷間引抜加工であっても内面平滑性に優れた継目無鋼管を製造することができる。
【００３６】
ここで、内面平滑性に優れたとは、前述したように、パワーステアリング用部品やドライブシャフト等の駆動部品に適用することを考慮に入れ、管内面に発生する表面疵が少なく、シワ疵の深さが0.05mm以下であることをいう。そして、本発明の方法ではＴ／Ｄが20％以上の継目無鋼管の冷間引抜を前提としているが、自動車の駆動部品に継目無鋼管を使用する場合には、同じＴ／Ｄ寸法の厚肉鋼管が多用されているからである。
【００３７】
本発明の製造方法では、使用するダイスはストレート型が好ましい。ストレート型ダイスは、他のダイス、例えばＲ型ダイスに比べ、オイル潤滑油が加工界面へ安定して供給されるためである。
【００３８】
一方、引抜加工に使用するプラグは限定されず、円筒プラグ、フロートプラグ、またはセミフロートプラグのいずれを使用してもよい。
【００３９】
本発明の方法では、冷間引抜加工の際に素管の内外表面に施される潤滑処理によって、その加工条件が異なる。すなわち、オイル（油脂）潤滑を施す場合には、Ｙを肉厚加工度（％）、Ｘをダイス角度（°）として、下記（ａ）式を満たすことが必要である。
【００４０】
Ｙ≧5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ）  …  （ａ）
ここで、オイル潤滑は、通常用いられるものでよく、例えば、天然油脂、合成油または鉱油などをベースに調合され、20℃における粘度が20〜3000CSTのオイル（油脂）潤滑油を用いればよい。このとき、Ｓ、Ｐ、Cl等の極圧添加剤を含有してもよい。
【００４１】
一方、化成皮膜潤滑を施す場合には、Ｙを肉厚加工度（％）、Ｘをダイス角度（°）として、下記（ｂ）式を満たすことが必要である。
【００４２】
Ｙ≧1.5＋5.5・ｅｘｐ（0.036・Ｘ）  …  （ｂ）
化成皮膜潤滑では、例示した燐酸亜鉛皮膜による下地処理の他に、シュウ酸塩の結晶皮膜を素管表面に生成させる下地処理でもよい。下地処理後は、石鹸処理としてステアリン酸ソーダなどを反応させて、下地との境界面に金属石鹸潤滑層を形成させる。
【００４３】
以上の加工条件にしたがって冷間引抜加工を行えば、素管の製管種別にかかわらず、１回の引抜加工によっても、内面平滑性に優れた冷間仕上の継目無鋼管を製造できる。
【００４４】
【実施例】
本発明の効果を確かめるために、マンネスマン・マンドレルミルによって製管した各種の素管（材質および寸法）を用いて、それぞれ、１回の冷間引抜加工を施した。引抜加工を行う際には、ストレート型ダイスと円筒プラグを使用し、潤滑はオイル潤滑と化成皮膜潤滑に区分した。オイル潤滑は、20℃での粘度が590CSTの硫化油脂に油性向上剤および増粘剤を添加したものを使用した。また、化成皮膜潤滑は、下地処理に燐酸亜鉛、燐酸および亜硝酸ソーダで鋼管表面に燐酸亜鉛被膜を形成した後、ステアリン酸ソーダにより石鹸処理を行い、金属石鹸潤滑層を形成した。
【００４５】
これらの加工条件によって、同条件で50〜80回の引抜加工した後、管内面のシワ疵の深さを測定した。表１に素管の材質および寸法、加工鋼管の仕上寸法、加工条件ならびにシワ疵深さの測定結果を示した。
【００４６】
【表１】
0004682450.tif 000002
表１の結果から明らかなように、本発明に規定した条件に適合する場合（No.1〜9）には、全て引抜加工した後のシワ疵の深さが0.05mm以下となり、優れた内面平滑性を有する継目無鋼管が得られた。これに対し、本発明の規定を満たさない条件の場合（No.10）には、シワ疵の深さが0.06mmを超え、自動車の駆動部品に適用することができない継目無鋼管もあった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、素管の製管種別にかかわらず、１回の引抜加工によっても、内面平滑性に優れた冷間仕上の継目無鋼管を製造できるので、製造上、必要な工程数を増やすことがなく、製造コストが上昇することもない。これにより、自動車用のパワーステアリングやドライブシャフト等の駆動部品に最適な継目無鋼管を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストレート型ダイスの断面形状を示す図である。
【図２】試験１で用いた試験用鋼管の引抜加工の前後の形状を模式的に示した図である。
【図３】ダイス角度が１５°〜２５°で引抜加工した場合の六角形穴の頂角位置における肉厚加工度と角張り底深さとの関係を示す図である。
【図４】空引き加工したときの、外径加工度と増肉率の関係を示した図であり、(a)は、ダイス角度２５°のときの外径加工度と増肉率の関係を、(b)は、肉厚／外径の比（Ｔ／Ｄ）が30％のときの外径加工度と増肉率の関係を示している。
【図５】ストレート型ダイスおよび円筒プラグを用いた引抜加工の状況を模式的に示した図であり、(a)はダイス角度が大きい場合を、(b)はダイス角度が小さい場合を示している。
【図６】ダイス角度が１０°〜３０°で引抜加工した場合の肉厚加工度とシワ疵の深さとの関係を示す図である。
【図７】上記図５の結果から、ダイス角度（°）と引抜加工後の管内面のシワ疵の深さが0.05mm以下となる肉厚加工度（％）との関係を示した図である。
【図８】引抜加工を化成皮膜潤滑またはオイル潤滑油で行った場合の肉厚加工度とシワ疵の深さとの関係を示したものである。
【符号の説明】
１  ダイス
２  プラグ
３  素管
【図１】
0004682450.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004682450.tif 000009
【図８】
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