(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
難加工性の材料から熱間製管法により継目無管の素管を製造し、その素管を断面減少率が１５％以上で冷間引抜加工した後、熱処理を施し、その後冷間圧延することを特徴とする継目無管の製造方法。
【請求項２】
上記熱間製管法として熱間押出を用いて継目無管の素管を製造することを特徴とする請求項１に記載の継目無管の製造方法。
【請求項３】
上記難加工性の材料が、重量％で、Cr：１５％以上及びNi：２０％以上を含有する合金鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の継目無管の製造方法。
【請求項４】
上記難加工性の材料が、重量％で、Cr：１６％以上を含有するフェライト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の継目無管の製造方法。
【請求項５】
上記冷間圧延で内面溝付管を製造することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の継目無管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、難加工性の材料を用いた継目無管の製造方法に関し、さらに詳しくは、高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼またはフェライト系ステンレス鋼を熱間製管した素管を用いて、冷間圧延で丸管若しくは内面溝付管を製造するのに適する、継目無管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
通常、難加工性の材料からなる継目無管の製造において、熱間製管されたままの状態では、素材が高い変形抵抗を有することから製管条件が制限され、要求される寸法精度が確保できなかったり、素材の特性に起因する加工疵の発生により、所定の品質特性が得られないことがある。このため、特に難加工性の材料を素材とする継目無管の製造では、熱間製管法により製造された素管に冷間加工が施される。
【０００３】
継目無管用の素管の製造に用いられる熱間製管法には、マンネスマン製管による熱間穿孔法とユージン・セジュルネ製管による熱間押出法に大別される。いずれの製管法であっても、高温に加熱された中実または孔明きの丸ビレットを被加工材とし、この丸ビレットを圧延機または押出機に供給して中空の素管を得る。
【０００４】
得られた素管の冷間加工法としては、ドローベンチによる冷間引抜法とコールドピルガーミルによる冷間圧延法とが慣用されている。いずれの冷間加工法であっても、熱間製管時に形成されたスケールを除去し、潤滑処理された素管の外面をダイス並びに内面をプラグ及びマンドレルにより加工し、目標寸法に仕上げられた鋼管を製造する。得られた鋼管は、熱間製管されたままの鋼管に比べ、優れた品質特性及び寸法特性を備えている。
【０００５】
特に、コールドピルガーミルによる冷間圧延法は、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、難加工性の素管を用いた継目無管の製造では、一般的に冷間圧延が用いられる。しかし、難加工性の素管を熱間製管ままの状態で、表面処理及び潤滑処理して冷間圧延した場合には材料割れや工具の折損を発生することがある。
【０００６】
これは、難加工性の材料の成分組成にもよるが、ビレットの温度バラツキや、熱間製管後の冷却開始温度または冷却速度の変動により、炭化物の固溶が十分でなかったり、金属間化合物の析出により、熱間製管後に著しく靭性が低下することに起因している。
【０００７】
さらに、熱間製管された素管には、管１本毎に寸法変動が発生している。熱間押出法は、ビレットに比較的高加工度を加えることができ、製管性に優れることから、難加工性の素管の製造に多用されている。このことから、ここでは熱間押出で製造された素管に発生する寸法変動について例示する。すなわち、熱間押出による素管の場合には、ビレットの加熱温度バラツキまたは押出工具のダイス若しくはマンドレルの寸法変動により、同一の製造ロット内の管であっても、管毎にその長手方向で寸法が変動している。
【０００８】
管毎に寸法変動がある素管を、同一寸法のマンドレル及びロールを用いて冷間圧延すると、素管寸法の変動により付加される加工度が変動してくる。そのため、同一の素管であっても、マンドレルに加わる負荷が大きく変動し、過大な負荷が加わると、マンドレルの折損を発生する。マンドレルの折損を防止しようとすれば、素管寸法の変動を予測し、冷間圧延における加工度を低めに設定する必要がある。
【０００９】
さらに、異形形状の継目無管鋼管を製造する場合も、熱間製管法により製造された素管に冷間加工が施される。例えば、エチレンプラントの熱分解管に用いられる熱交換管には、熱交換効率をあげるために、管軸方向にストレートの溝または傾斜した溝を内面周方向に複数形成して管内周長を長くした内面溝付管が用いられている。この内面溝付管は、長尺のものが要求され、切削加工等の機械加工では加工長さが制限されるため、遠心鋳造法や熱間押出法により製造していた。
【００１０】
しかしながら、遠心鋳造法では、小径の内面溝付管は製造できない。また、熱間押出法ではストレートの溝を有する内面溝付管を製造したり、ストレートの溝を有する内面溝付管を捩り加工して傾斜した溝を有する内面溝付管を製造することができるが、寸法精度が悪く、さらに高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼のように変形抵抗が高い材料を用いる場合には、押出プレスの能力制限から、小径で薄肉寸法の内面溝付管は製造できなかった。
【００１１】
このため、高い変形抵抗を有する難加工性の材料からなり、寸法精度に優れた内面溝付管、特に小径で薄肉寸法の内面溝付管は、熱間押出等で熱間製造された素管を冷間圧延法により製造する必要があった。しかし、小径で薄肉寸法の内面溝付管であって、対象材が難加工性の材料であり加工度が高くなると、マンドレルに過大な負荷が加わるため、マンドレルが折損することがある。
【００１２】
冷間圧延におけるマンドレル折損を防止するため、米国特許5,016,460号公報には、マンドレルに加わる負荷を減少させ、マンドレルの寿命を延長することのできる内面溝付管の製造方法が開示されている。開示された製造方法では、冷間圧延後に空引き加工を施すこととして、冷間圧延では目標寸法より大きめの外径で内面溝付管を製造し、その後の空引き加工で減径して、要求寸法に合致した内面溝付管を製造できるとしている。
【００１３】
上記の米国特許公報で開示された製造方法では、冷間圧延における加工度を小さくすることができ、マンドレルに加わる負荷を少なくすることができる。しかし、低靱性の熱間加工ままの材料割れには加工度を小さくするだけでは不充分であり、また加工度を小さくしすぎると、冷間圧延後の空引き工程が複数回必要になる。さらに、内面溝付管の最終仕上げを寸法精度の悪い空引き加工で行うため、この方法では内面の寸法精度が低下するという問題がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の通り、冷間圧延によって、難加工性の素管を用いて継目無管を製造する場合に、熱間製管ままの素管に表面処理及び潤滑処理を施しただけで加工を施すと、材料割れが多発することがある。さらに、熱間製管された素管には、管１本毎に寸法変動が生じているため、マンドレルの折損を防止するため、冷間圧延での加工度を低めなければならないという問題もある。
【００１５】
一方、小径で薄肉寸法の内面溝付管は、熱間押出等で熱間製造された素管を最終的に冷間圧延する必要があるが、対象材が難加工性の材料で加工度が高いときには、マンドレルが折損する恐れがある。この対策として、米国特許公報では、マンドレルに加わる負荷を少なくするため、冷間圧延後に空引き加工を施す方法が開示されているが、これとても種々の問題を内包している。
【００１６】
本発明は、上述した丸管または異形形状の継目無管の製造における問題に鑑みてなされたものであり、熱間製管法で製造された難加工性の素管を用いて冷間圧延する際に、素管の低靭性及び高変形抵抗に起因する材料の割れ、または素管の寸法変動に基づくマンドレルの折損、若しくは内面溝付管を加工に伴うマンドレルの折損を防止することのできる、継目無管の製管方法を提供することを目的としている。
【００１７】
【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、種々の難加工性の材料を用い、熱間製管法及び冷間製管法を組み合わせて継目無管の製造方法を検討した結果、下記のＡ〜Ｃの知見を得ることができた。
【００１８】
Ａ．難加工性の材料のうち、高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼を熱間製管する場合、熱間加工前のビレット加熱が不均一なため、比較的低温の部位が存在したり、熱間加工時の加工熱によって粒界溶融が発生するのを抑制するため、比較的低温で製管することがあり、これに起因して、粒界に炭化物が析出し、靭性が低下する場合がある。特に、その合金鋼にTi、Nb等の安定化元素が含有される場合に、これらの炭化物の析出が顕著になる。
【００１９】
炭化物が析出した合金鋼の靭性を回復させるには、冷間引抜後に固溶化熱処理を施すのが有効である。慣用化されている固溶化熱処理を実施すれば、鋼の靭性を回復させることができるが、さらに固溶化熱処理の前に冷間加工を実施すると、熱処理時の再結晶及び炭化物の固溶化が促進されるため、単に熱処理のみを実施する場合に比べて靭性がより回復する。
【００２０】
Ｂ．難加工性の材料のうち、高純度フェライト系ステンレス鋼を熱間製管する場合、熱間加工の温度が高くて結晶粒が粗大化することがある。また、熱間製管後の冷却速度の変動により、例えば、ASTM A268 TP446 ではクロム窒化物が形成され、JIS SUS444 ではラーベス相という金属間化合物が析出し、著しく靭性が低下することがある。
【００２１】
クロム窒化物の形成や金属間化合物の析出があったフェライト系ステンレス鋼の靭性を回復させるには、冷間加工を施す前に熱処理を実施する方法がある。この熱処理のとき、熱間加工による歪の残留程度によって再結晶挙動が異なるため、熱処理することで結晶粒が過大に成長し、靭性が回復しない場合もある。適度な加工度で冷間引抜を行った後に熱処理すれば、付加される歪が平均化され、均一に細粒化が促され確実に靭性が回復する。
【００２２】
Ｃ．冷間圧延で仕上加工する前に、冷間引抜加工によって素管寸法を整えることによって、マンドレルの折損を生じることなく、冷間圧延での加工度を高めることができる。冷間引抜では、熱間加工のような工具の摩耗は殆ど発生せず、同一の工具で連続加工ができるため、管毎の寸法変動が少なく、工具摩耗も殆ど無視できるので、長手方向の寸法バラツキもない。
【００２３】
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）、（２）及び（３）の継目無管の製造方法を要旨としている。
（１）難加工性の材料から熱間製管法により継目無管の素管を製造し、その素管を断面減少率が１５％以上で冷間引抜加工した後、熱処理を施し、その後冷間圧延することを特徴とする継目無管の製造方法である。さらに、熱間製管法として熱間押出を用いて継目無管の素管を製造するのが望ましい。
（２）上記（１）の継目無管の製造方法では、上記難加工性の材料として、重量％で、Ｃｒ：１５％以上及びＮｉ：２０％以上を含有する合金鋼、またはＣｒ：１６％以上を含有するフェライト系ステンレス鋼が対象材として例示される。
（３）上記（１）、（２）の継目無管の製造方法は、内面溝付管の製造方法として採用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とする難加工性の材料は、変形抵抗が高く、熱間製管ままの状態では、靭性が低く冷間圧延で材料に割れが発生するおそれがある、高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼と、高純度フェライト系ステンレス鋼とが該当する。
【００２５】
高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼としてJIS NCF 800H鋼があり、この鋼に類似する組成として、下記表１に示されるものが例示される。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
本発明では、表１の組成例を考慮し、難加工性の材料の態様として、Cr：１５％以上及びNi：２０％以上を含有する合金鋼と規定している。しかし、高Ｃの範囲については広範囲な認識があることから、本発明では敢えて規定していない。発明者らの検討によると、高Ｃの範囲はＣ含有量が０．０４％以上の場合が対象となることを確認している。
【００２８】
高純度フェライト系ステンレス鋼の鋼種としては、ASTM A268−TP446、TPXM−８及び JIS SUS444 鋼等が該当し、それらの鋼種の組成例を表２に示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
本発明では、上記の組成例を考慮して、難加工性の材料の態様をCr：１６％以上を含有するフェライト系ステンレス鋼と規定しており、特にＣ：０．０１％以下でCr：１６％以上を含有するフェライト系ステンレス鋼か、あるいはCr：２０％以上を含有するフェライト系ステンレス鋼を対象としている。
【００３１】
本発明の製造方法では、素管を製造する熱間製管法を限定するものではない。熱間製管法として熱間穿孔法は高能率である。しかし、高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼を穿孔する場合は、前述の通り、この合金鋼は変形抵抗が高いため、プラグの焼き付きや素管内面のカブレ疵の発生状況を確認して、また、フェライト系ステンレス鋼を穿孔する場合は、レデューサー工程でのしわ疵の発生状況を判断して、製管条件に一定の制限を設けるのが望ましい。熱管押出法は、熱間穿孔法と比較してこのような疵発生が少ないことから、難加工性の材料に対する製管性に優れる。
【００３２】
本発明の製造方法では、冷間圧延で仕上加工する前に、素管寸法を整えるとともに、素管の靱性を回復するために、冷間引抜後に熱処理を施す必要がある。引抜加工において、単に素管寸法を整える目的であれば、断面減少率は８％程度確保できれば、その目的を充分に達成できる。しかし、引抜加工での断面減少率が１５％未満では、素管の全肉厚にわたって均一な加工を付加することができず、その後の熱処理における再結晶時に不均一な粒成長となり、靭性が十分に回復しない。
【００３３】
したがって、冷間引抜における断面減少率は１５％以上とする必要がある。断面減少率の上限は特に規定する必要がないが、通常の丸管の冷間引抜において、断面減少率が４０％を超えると、引抜加工時に管の破断が発生することがある。このため、断面減少率の上限は、素管の加工限界によって制限されることになる。
【００３４】
冷間引抜後の熱処理は、引抜加工によって生じた歪を除去して軟化するとともに、再結晶により細粒化を促し、また析出物を固溶化することによって素管のの靭性を効果的に回復する。具体的な熱処理条件は、高Cr−高Ni−高Ｃ合金鋼では、１１００〜１２５０℃で１〜１０分の加熱後、急速冷却し、また、フェライト系ステンレス鋼では、７００〜９５０℃で１〜１０分の加熱後、急速冷却する。
【００３５】
さらには、熱間押出した素管を冷間引抜加工した場合、冷間加工においては熱間加工のような工具の磨耗は殆ど発生せず、同一の工具で連続製管できるため、管毎の寸法変動が少ない。また、工具の磨耗が殆どないため、熱間押出のような長手方向の寸法バラツキがない。
【００３６】
本発明の製造方法では、丸管であっても、内面溝付管であっても、最終の冷間仕上げは冷間圧延で行う。冷間圧延に用いられるコールドピルガーミルでは、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。
【００３７】
冷間圧延に際し、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、ロールスタンドが往復回転する工程の間に所定長さ送られるとともに、所定角度だけ回転されながら、順次、縮径及び減肉しつつ加工される。このような構成であるため、コールドピルガーミルによる冷間圧延は、冷間引抜に比べ、素管に高加工度を加えることができる。
【００３８】
【実施例】
本発明の継目無管の製造方法による効果を、内面溝付管及び丸管を製造する場合について説明する。
【００３９】
（実施例１）実施例１では、熱間押出によって丸管形状の素管を製管して、その素管を用いて冷間圧延で内面溝付管を製造した。使用した素材は表３に示す鋼種Ａ及びＢの化学組成を有しており、この素材を用いて熱間押出で各寸法の素管を製管した。得られた素管を熱間押出まま、または断面減少率１２％〜１８％で冷間引抜した後１２２０℃×３分で加熱、水冷して冷間圧延に供した。冷間圧延では慣用される製造条件で、外径５０．８mm、山部肉厚１１．９mm、谷部肉厚６．９mm、及びひれ数８の内面溝付管を製造した。
【００４０】
【表３】
0004019772.tif 000004
【００４１】
実施例１における素管の加工条件、冷間圧延での加工条件、割れ発生率及びマンドレル寿命を表４に示す。割れ発生率は、内面溝付管の目視検査結果によるものであり、○は割れ発生率が５％未満の場合、△は５〜１０％の場合、×は１０％以上の場合をそれぞれ示している。マンドレル寿命は、マンドレルが折損するまでの冷間圧延長さで示している。また、加工度は断面減少率を示している。
【００４２】
【表４】
0004019772.tif 000005
【００４３】
表４の結果から、熱間押出ままで冷間圧延した管Ｎｏ．１、２、３、４及び熱間押出後に冷間引抜で１２％と低い断面減少率で引抜加工した後に固溶化熱処理して冷間圧延した管Ｎｏ．５、６では、割れ発生率が高くなっている。
【００４４】
これに対し、本発明例である管No．７〜11では、割れの発生率が小さくなっている。
【００４５】
マンドレル寿命は、熱間押出ままの状態で冷間圧延した管Ｎｏ．１〜４は、いずれもマンドレル寿命が８５０ｍ以下と悪い結果となっている。これに対し、断面減少率が１８％で冷間引抜後１２２０℃で３分水冷の熱処理を施した素管を冷間圧延した管Ｎｏ．７〜１１では、マンドレル寿命が１５００ｍ以上であり良好な結果であった。
【００４６】
（実施例２）
実施例２では、表５に示す鋼種Ｃ〜Ｅの素材を用いて、熱間押出で素管を製管した。得られた素管を熱間押出ままの状態、または冷間引抜の有無、さらに熱処理の有無で区分して処理条件を変更させた後、冷間圧延に供し外径５０．８mm、肉厚３mmの鋼管を製造した。熱処理条件は、鋼種Ｃでは１２２０℃×３分で加熱後水冷、鋼種Ｄでは９００℃×１０分で加熱後水冷、及び鋼種Ｅでは８５０℃×１０分で加熱後水冷とした。
【００４７】
【表５】
0004019772.tif 000006
【００４８】
実施例２における加工条件、冷間圧延前の素管の靱性特性及び冷間圧延における割れ発生率の関係を表６に示す。素管の靱性特性はシヤルピー値で確認し、シャルピー試験温度は、それぞれ鋼種Ｃでは２０℃、鋼種Ｄでは６０℃及び鋼種Ｅでは８０℃とした。割れ発生率は製品の超音波検査結果によるものであり、表中の○は割れ発生が５％未満の場合、△は５〜１０％の場合、×は１０％以上の場合をそれぞれ示している。また、表中の加工度は断面減少率を示している。
【００４９】
【表６】
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【００５０】
表６の結果から、熱間押出ままで冷間圧延した管Ｎｏ．１、４、７、及び熱間押出後に熱処理して冷間圧延した管Ｎｏ．２、５、８、さらに冷間引抜で１２％と低い断面減少率で引抜加工した後に熱処理して冷間圧延した管Ｎｏ．６、９では、シャルピー吸収エネルギー７０Ｊ以下であり、靭性不足に起因する割れの発生率が高くなっている。
【００５１】
これに対し、本発明例である管No.１０〜１５は、シャルピー吸収エネルギー７０Ｊ以上であり、充分に靱性が回復しており、冷間圧延後において割れの発生が抑制されている。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の継目無管の製造方法によれば、熱間製管法で製造された難加工性の素管を用いて冷間圧延する際に、素管処理として冷間引抜後に熱処理を施して、効果的に素管の靱性を回復することができるので、素管の低靭性及び高変形抵抗に起因する材料の割れ、または素管の寸法変動に基づくマンドレルの折損、若しくは内面溝付管を加工に伴うマンドレルの折損を防止することのできる。