(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造方法であって、
当該穿孔圧延用プラグの製造方法は、
プラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト工程と、
ショットブラストを施したプラグの母材表面に溶射線材をアーク溶射して皮膜を形成するアーク溶射工程と、を含み、
アーク溶射工程では、溶射線材として、鉄粒子、および酸化鉄粒子のうちで、少なくとも酸化鉄粒子が鉄製チューブの内部に充填されてなるコアードワイヤを用いてアーク溶射を行い、酸化鉄およびＦｅで構成される皮膜を形成すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造方法。
【請求項２】
前記酸化鉄粒子がＦｅＯ粒子、Ｆｅ3Ｏ4粒子およびＦｅ2Ｏ3粒子のうちの一種または二種以上であること、
を特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延用プラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機（以下、単に「穿孔機（ピアサ）」ともいう）で使用される穿孔圧延用プラグ（以下、単に「プラグ」ともいう）の製造方法に関し、特に、プラグの母材表面に鉄を主成分とする溶射線材をアーク溶射することによって皮膜が形成された穿孔圧延用プラグの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
継目無鋼管は、マンネスマン製管法により製造することができる。この製管法は、次のステップからなる：
（１）穿孔機により、所定温度に加熱された素材（丸ビレット）を穿孔圧延し、中空素管（ホローシェル）に成形する；
（２）延伸圧延機（例：マンドレルミル）により、中空素管を延伸圧延する；
（３）定径圧延機（例：ストレッチレデューサ）により、延伸圧延した中空素管を所定の外径と肉厚に定径圧延する。
【０００３】
穿孔機による穿孔圧延においては、穿孔用工具としてプラグが用いられる。このプラグは、芯金の先端に装着され、１２００℃程度の高温に加熱されたビレットを穿孔するため、高熱で高面圧を負荷される過酷な状況にさらされる。一般に、プラグは、熱間工具鋼を母材とし、この母材を保護するために、予め熱処理によって母材表面に酸化スケールの皮膜が形成され、そのうえで穿孔圧延に使用される。穿孔圧延時、プラグ表面のスケール皮膜は、ビレットからプラグ母材への熱伝達を遮るとともに、ビレットとプラグとの焼き付きを防止する役割を担う。
【０００４】
このようなスケール皮膜付きプラグは、穿孔圧延を繰り返すことに伴って、スケール皮膜が次第に摩耗する。スケール皮膜が摩耗すると、皮膜による遮熱効果が低下するため、穿孔中にプラグの温度が上昇し、プラグ母材の溶損や熱変形が生じやすくなる。また、スケール皮膜が消失しプラグ母材が直接ビレットに接触するようになると、焼き付きが生じ、鋼管の内面に疵が発生する。このため、プラグは、皮膜が失われた時点で使用不能となり、寿命に至る。
【０００５】
特に、Ｃｒを９％以上含有する高Ｃｒ含有鋼やＮｉ基合金やステンレス鋼といった高合金鋼からなる継目無鋼管を製造する場合、穿孔圧延の際にプラグ表面のスケール皮膜の摩耗が顕著に起こり、プラグ寿命の低下が著しくなる。例えば、ステンレス鋼の穿孔では、プラグ表面のスケール皮膜は２、３パス（連続穿孔回数）で摩耗し、そのプラグは寿命に至る。このため、プラグを頻繁に交換する事態が生じ、鋼管の製造効率が低い。したがって、高合金鋼の継目無鋼管を製造する場合は特に、穿孔圧延時にプラグ寿命を向上させ、これにより鋼管の製造効率を高めることが要求される。
【０００６】
このような要求に対し、例えば、特許文献１には、プラグ母材の表面に形成する皮膜として、熱処理によるスケール皮膜に代え、プラグ母材の表面に鉄線材をアーク溶射してＦｅ酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成したプラグが開示されている。このアーク溶射皮膜付きプラグは、プラグ表面の皮膜がＦｅ酸化物およびＦｅで構成されるため、遮熱性および焼き付き防止性に優れ、プラグ寿命の向上が期待できる。
【０００７】
ところで、同文献に開示されるアーク溶射皮膜付きプラグでは、皮膜中のＦｅ酸化物は、アーク溶射で鉄線材を溶融させ、その溶融材料（Ｆｅ）をプラグ母材表面に到達するまでの飛行中に酸化させることにより生成する。このため、アーク溶射時に、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離をある程度大きくして、溶融材料が飛行する時間（酸化する時間）を十分に確保する必要があるが、溶射距離が大きいと、プラグ母材表面に到達しない溶融材料が発生し得る。その結果、皮膜の形成時間が長くなりがちであり、プラグの製造能率の向上を図れない。
【０００８】
また、皮膜中のＦｅ酸化物の量は、溶融材料の酸化の進展度合いに依存するので、所望する量にならないおそれがあり、その結果、プラグ寿命が不安定になるおそれがある。これらのことから、プラグの製造能率を向上させるとともに、プラグ寿命の向上を安定して得るという点では改善の余地があり、この点を改善できる穿孔圧延用プラグを製造することが強く求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４２７９３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、プラグの母材表面に鉄を主成分とする溶射線材をアーク溶射して皮膜を形成することを前提とし、その目的は、次の特性を有する穿孔圧延用プラグの製造方法を提供することである：
（１）プラグの製造能率を向上できること；
（２）安定してプラグ寿命を向上できること。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の要旨は、次の通りである。
【００１２】
継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造方法であって、
当該穿孔圧延用プラグの製造方法は、
プラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト工程と、
ショットブラストを施したプラグの母材表面に溶射線材をアーク溶射して皮膜を形成するアーク溶射工程と、を含み、
アーク溶射工程では、溶射線材として、鉄粒子、および酸化鉄粒子のうちで、少なくとも酸化鉄粒子が鉄製チューブの内部に充填されてなるコアードワイヤを用いてアーク溶射を行い、酸化鉄およびＦｅで構成される皮膜を形成すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造方法。
【００１３】
この製造方法では、前記酸化鉄粒子がＦｅＯ粒子、Ｆｅ3Ｏ4粒子およびＦｅ2Ｏ3粒子のうちの一種または二種以上であること、が好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の穿孔圧延用プラグの製造方法は、下記の顕著な効果を有する：
（１）プラグの製造能率を向上できること；
（２）安定してプラグ寿命を向上できること。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の穿孔圧延用プラグの製造方法におけるアーク溶射で用いる溶射線材の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは、上記目的を達成するため、プラグ母材の表面に鉄を主成分とする溶射線材をアーク溶射して皮膜を形成することを前提とし、その皮膜を形成する手法について種々の試験を実施し、鋭意検討を重ねた。その結果、以下の知見を得た。
【００１７】
アーク溶射は、例えば、電極となる２本の溶射線材の先端間にアークを発生させて溶射線材を溶融させ、同時に溶射線材の先端間に圧縮空気や窒素ガスなどのジェットを供給して溶融材料を吹き飛ばし、これにより、対象物に溶融材料を吹き付けて皮膜を形成する技術である。前記特許文献１に開示されるアーク溶射では、溶射線材として鉄線材を用いることから、プラグの母材表面に形成される皮膜は、Ｆｅ酸化物（酸化鉄）およびＦｅで構成される。この皮膜中のＦｅ酸化物は、アーク溶射の際に、鉄線材が溶融し、その溶融鉄がプラグ母材表面に到達するまでの飛行中に酸化することによって生成したものである。皮膜中のＦｅは、溶融鉄が飛行中に酸化しないままでプラグ母材表面に到達したものである。
【００１８】
これに対し、溶射線材として、鉄線材と同質の鉄製チューブを外殻とし、その鉄製チューブ内に、酸化鉄粒子が充填され、場合によってはさらに鉄粒子が充填されてなるコアードワイヤを採用し、このコアードワイヤを用いてアーク溶射を行えば、プラグの母材表面に、前記特許文献１に開示されるものと同様に、Ｆｅ酸化物（酸化鉄）およびＦｅで構成される皮膜を形成することができる。この皮膜中のＦｅ酸化物は、アーク溶射の際に、コアードワイヤを構成する鉄製チューブ、さらには鉄粒子が溶融し、その溶融鉄がプラグ母材表面に到達するまでの飛行中に酸化することによって生成したものであるとともに、コアードワイヤを構成する酸化鉄粒子がプラグ母材表面に到達したものである。皮膜中のＦｅは、溶融鉄が飛行中に酸化しないままでプラグ母材表面に到達したものである。
【００１９】
このようにコアードワイヤを用いたアーク溶射によって形成された皮膜中のＦｅ酸化物は、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離を予め小さくしてアーク溶射を行うことにより、その大半がコアードワイヤを構成する酸化鉄粒子を根源とするものとなる。そのため、酸化鉄粒子の充填量を適正に管理しておけば、皮膜中のＦｅ酸化物は、所望する量となる。したがって、このようなアーク溶射皮膜付きプラグは、繰り返しの穿孔圧延時に、皮膜中のＦｅ酸化物が所望量であることから、安定してプラグ寿命が向上する。しかも、アーク溶射に際し、コアードワイヤを構成する鉄製チューブおよび鉄粒子を根源として、それらをアーク溶射中に酸化させることでＦｅ酸化物を生成させなくてもよいので、溶射距離を縮小することができる。したがって、皮膜の形成時間を短縮することができ、プラグの製造能率の向上が可能になる。
【００２０】
本発明は、上記の知見に基づき完成させたものである。以下に、本発明のプラグの製造方法の好ましい態様について説明する。
【００２１】
本発明のプラグの製造方法では、アーク溶射の施工に先立ち、プラグの表面にショットブラストを施す。これにより、穿孔圧延に繰り返し使用され、寿命に至った後に再生するプラグを対象とする場合にあっては、プラグ表面に残存する穿孔圧延ままの皮膜が除去されてプラグの母材表面が露出するとともに、プラグ母材表面が適度な凹凸に荒される。また、新たに製作されるプラグを対象とする場合でも、プラグ母材表面が適度な凹凸に荒される。このようにショットブラストを施す理由は、残存皮膜が無く適度な凹凸のプラグ母材表面にアーク溶射を施せば、プラグ母材と皮膜との密着性が高まるからである。
【００２２】
続いて、本発明のプラグの製造方法では、ショットブラストを施したプラグの母材表面に、鉄を主成分とするコアードワイヤを溶射線材としてアーク溶射し、皮膜を形成する。
【００２３】
図１は、本発明の穿孔圧延用プラグの製造方法におけるアーク溶射で用いる溶射線材の横断面図である。同図に示すように、本発明では、溶射線材としてコアードワイヤ１を用いる。このコアードワイヤ１は、その外殻が鉄製チューブ２で構成される。
【００２４】
鉄製チューブ２の内部には、酸化鉄粒子３が充填されている。酸化鉄粒子３は、酸化鉄（II）（ＦｅＯ）の粒子、酸化鉄（III）（Ｆｅ2Ｏ3）の粒子、および酸化鉄（II、III）（Ｆｅ3Ｏ4）の粒子のいずれでもよい。これら酸化鉄の二種以上を混合してもよい。また、酸化鉄粒子３は、単に粒状のものに限らず、粉状や短繊維状のものも含む。
【００２５】
鉄製チューブ２の内部には、酸化鉄粒子３に加えて、鉄粒子４が充填されても構わない。鉄粒子４も、単に粒状のものに限らず、粉状や短繊維状のものも含む。
【００２６】
このような構成のコアードワイヤ（溶射線材）１を用いたアーク溶射により、プラグの母材表面には、Ｆｅ酸化物（酸化鉄）およびＦｅで構成される皮膜を形成することができる。その際、溶射距離を予め小さくしておくことにより、皮膜中のＦｅ酸化物の大半は、コアードワイヤ１を構成する酸化鉄粒子３を根源とするものとなる。そのため、酸化鉄粒子３の充填量を適正に管理しておけば、皮膜中のＦｅ酸化物は、所望する量となる。しかも、コアードワイヤ１を構成する鉄製チューブ２および鉄粒子４を根源として、それらをアーク溶射中に酸化させることでＦｅ酸化物を生成させなくてもよいので、溶射距離を縮小することができる。これにより、皮膜の形成時間を短縮することができ、プラグの製造能率が向上する。こうして製造されたアーク溶射皮膜付きプラグは、皮膜中のＦｅ酸化物の量が所望量となる。したがって、繰り返しの穿孔圧延時に、プラグ寿命が向上する。
【００２７】
ここで、酸化鉄粒子３として、ＦｅＯ粒子、Ｆｅ3Ｏ4粒子およびＦｅ2Ｏ3粒子のうちの一種または二種以上を適用する場合、鉄製チューブ２および酸化鉄粒子３、さらに鉄粒子４を含めたコアードワイヤ１全体の中で、酸化鉄粒子３の占める割合が４５〜７５体積％であることが好ましい。より好ましくは、５０〜７０体積％である。これは以下の理由による。
【００２８】
前記特許文献１に開示されるように、Ｆｅ酸化物およびＦｅで構成される皮膜中でＦｅ酸化物の占める領域の比率（以下、「酸化物比率」という）は、プラグ寿命の向上を図る観点から、５５〜８０％であることが好ましくは、より好ましくは６０〜７５％である。ここで、上記のコアードワイヤ１を用いてアーク溶射を行った場合、鉄製チューブ２、さらには鉄粒子３を根源とするＦｅ酸化物も多少は生成し、皮膜中に含まれる。このように生成するＦｅ酸化物の量を見越し、皮膜中の酸化物比率が上記の好適範囲となるように、コアードワイヤ１中で酸化鉄粒子３の占める割合を上記の好適範囲に管理する。
【００２９】
また、本発明のプラグの製造方法では、アーク溶射による皮膜形成の際、溶射距離が徐々に広がるように、溶射機をプラグの母材表面から徐々に遠ざかるように移動させながらアーク溶射を行うことができる。これにより、プラグ母材には、酸化物比率が表層側ほど次第に増加する皮膜が形成される。このように、プラグ母材との隣接部で酸化物比率が低く、表層部で酸化物比率が高い皮膜を形成した場合、皮膜の表層部で遮熱性および焼き付き防止性を確保しつつ、プラグ母材との隣接部で密着性を確保できる点で有用である。
【実施例】
【００３０】
本発明の効果を確認するため、穿孔圧延用プラグを製造し、製造したプラグを穿孔機に装着して穿孔圧延する試験を行った。その試験条件は、下記の通りである。
【００３１】
［試験方法］
（１）プラグの製造
ＪＩＳ規定の熱間工具鋼を母材とし、最大直径が１４７ｍｍである砲弾形状のプラグを多数準備した。各プラグの表面にショットブラストを施した後、各プラグの母材表面に、前記図１に示すコアードワイヤを用いたアーク溶射を行って皮膜を形成し、アーク溶射皮膜付きプラグを製造した。
【００３２】
その際、コアードワイヤ中の酸化鉄粒子として、下記表１に示す通りに、ＦｅＯ粒子（試験Ｎｏ．１）、Ｆｅ3Ｏ4粒子（試験Ｎｏ．２）、およびＦｅ2Ｏ3粒子（試験Ｎｏ．３）、並びにそれらを混合したもの（試験Ｎｏ．４）を採用したコアードワイヤを用いた。コアードワイヤ中で酸化鉄粒子の占める割合は、いずれも６０体積％とした。なお、コアードワイヤの鉄製チューブ内には、酸化鉄粒子の占める割合に応じ、酸化鉄粒子とともに鉄粒子を充填した。さらに、アーク溶射皮膜の形成に際しては、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離を一定の１００ｍｍにしてアーク溶射を行った。また、比較のために、前記特許文献１に示す鉄線材を用い、溶射距離を、コアードワイヤを用いたときよりも大きい一定の６００ｍｍにしてアーク溶射を行った（試験Ｎｏ．５）。
【００３３】
【表１】
0005273272.tif 000002
【００３４】
（２）穿孔圧延
上記の各プラグを使用して、約１２００℃に加熱した下記の被加工材（素材）を繰り返し穿孔圧延し、下記のホローシェルを作製した。
・被加工材の寸法  ：直径１９１ｍｍ、長さ２２００ｍｍの丸ビレット
・被加工材の材質  ：１３％Ｃｒ鋼
・ホローシェル    ：外径１９６ｍｍ、肉厚１６．８２ｍｍ、長さ６５２０ｍｍ
【００３５】
［評価方法］
アーク溶射による皮膜の形成時間を調査し、プラグの製造能率を評価した。プラグ製造能率の評価は、上記表１中の試験Ｎｏ．５のように鉄線材を用いた場合の皮膜形成時間を基準「１」とし、これに対する試験Ｎｏ．１〜４の各コアードワイヤを用いた場合の皮膜形成時間の比率（以下、「皮膜形成時間比」という）で行った。
【００３６】
さらに、プラグごとに繰り返し穿孔圧延を行い、穿孔圧延を終えるたびにプラグの外観を検査し、皮膜が剥離してプラグが使用できなくなるか、またはプラグ先端部に溶損もしくは変形が発生したときのパス回数、すなわち連続して穿孔圧延することができたビレットの本数（連続穿孔回数）を調査した。この連続穿孔回数をプラグ寿命として評価した。プラグ寿命の評価は、試験Ｎｏ．５のように鉄線材を用いてアーク溶射皮膜が形成されたプラグの寿命を基準「１」とし、これに対する試験Ｎｏ．１〜４の各コアードワイヤを用いてアーク溶射皮膜が形成されたプラグの寿命の比率（以下、「プラグ寿命比」という）で行った。なお、繰り返しの穿孔圧延は各条件とも１４個のプラグで実施し、各条件のプラグ寿命はその平均値とした。
【００３７】
［試験結果］
試験結果を表１に示す。この結果から次のことが示される。
【００３８】
試験Ｎｏ．１〜４のように、酸化鉄粒子を充填したコアードワイヤを用いてアーク溶射皮膜を形成した場合、試験Ｎｏ．５のように鉄線材を用いた場合と比較し、皮膜の形成時間が短くなった。これは、溶射距離を小さくできたことによる。このことから、酸化鉄粒子を充填したコアードワイヤを用いれば、皮膜の形成時間を短縮することができ、プラグの製造能率の向上が可能になることがわかった。しかも、試験Ｎｏ．１〜４のように、酸化鉄粒子を充填したコアードワイヤを用いてアーク溶射皮膜が形成されたプラグは、試験Ｎｏ．５のように鉄線材を用いた場合と比較して、プラグ寿命比の上昇が認められ、安定してプラグ寿命が向上することがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、高合金鋼の継目無鋼管の製造に有効に利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１：コアードワイヤ（溶射線材）、    ２：鉄製チューブ、
３：酸化鉄粒子、    ４：鉄粒子
【要約】
【課題】プラグの製造能率を向上でき、穿孔圧延時に安定してプラグ寿命を向上できる穿孔圧延用プラグの製造方法を提供する。
【解決手段】継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造方法は、プラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト工程と、ショットブラストを施したプラグの母材表面に溶射線材をアーク溶射して皮膜を形成するアーク溶射工程と、を含み、アーク溶射工程では、溶射線材として、鉄粒子４、および酸化鉄粒子（ＦｅＯ粒子、Ｆｅ3Ｏ4粒子およびＦｅ2Ｏ3粒子のうちの一種または二種以上）３のうちで、少なくとも酸化鉄粒子３が鉄製チューブ２の内部に充填されてなるコアードワイヤ１を用いてアーク溶射を行い、酸化鉄およびＦｅで構成される皮膜を形成する。
【選択図】図１【図１】
0005273272.tif 000003