(57)【要約】少なくとも部分的な表面コーティング（４）を備える工具基体（２）を有し、工具基体は部分的又は全体的に酸化し、保護層に変換された凸状金属レリーフが形成された、熱間成形工具（１）を開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも比例する表面コーティングを含む工具基体を有し、基体には凸状金属レリーフが形成されており、全体的または部分的に酸化しており、保護層に変換している、熱間成形工具。
【請求項２】
穿孔プラグ、鍛造マンドレル又は圧延マンドレルのいずれか１つである、請求項１に記載の熱間成形工具。
【請求項３】
基体は金属、好ましくは鋼で形成されている、請求項１又は請求項２に記載の熱間成形工具。
【請求項４】
前記凸状金属レリーフは基体に鋼線を巻き付けることによって形成される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱間成形工具。
【請求項５】
前記凸状金属レリーフは金属織物からなる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱間成形工具。
【請求項６】
少なくとも比例する表面コーティングを有する基体を含み、
（ａ）前記基体には、凸状金属レリーフが形成されており、
（ｂ）前記凸状金属レリーフが全体的または部分的に酸化し、保護層に変換する、熱間成形工具の製造方法。
【請求項７】
前記基体に鋼線を巻き付けることによって、前記凸状金属レリーフを形成する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記基体に形成される前記凸状金属レリーフは、金属織物で覆われている、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記熱間成形工具の形状を変形し、前記基体に巻き付けることにより前記金属織物を形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記鋼線または前記金属織物は前記基体に溶接される、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記基体の前記凸状金属レリーフに化学蒸着又は物理蒸着を行うことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
熱噴射によって前記凸状金属レリーフを塗布する、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記基体は金属、好ましくは鋼であり、前記凸状金属レリーフを形成できる材料は、少なくとも部分的に酸化層を形成することができる、請求項６から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
酸化保護層における前記金属レリーフの全体的又は部分的な変換は、フレーム溶射、プラズマ溶射、熱化学工程等、従来技術の方法によって行われる、請求項６から請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱間成形工具を使用し、継目無管又は熱間鍛造された管状の被加工物を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は管状の金属被加工物の製造の分野に属し、特に安定性が向上した穿孔プラグ、鍛造マンドレル及び圧延マンドレルの成形工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、継目無鋼管はローリングミルを使用して、３成形段階で構成された熱間成形によって製造される。第１成形段階では、いわゆる交叉圧延穿孔ミルにおいて、摂氏約１，２００度に加熱された固形の鋼ブロックが、内部工具である穿孔プラグとして素管に穿孔する。ブロックは穿孔プラグ上で傾斜ロールによって搬送される。第２成形段階では、縦方向圧延工程において、工具内部の空洞が減少し、圧延マンドレルの直径及び厚みが減少し、縦方向に引っ張られる。第３成形段階では、殆どの場合において内部工具を使用することなく、圧延ストックの径及び厚みが所定の寸法に変換される。
【０００３】
第１形成段階及び第２形成段階で使用される内部工具には、高温及び高い機械的圧力が与えられる。殆どのケースにおいて、内部工具は耐熱性である。製造時、特に圧延数が多い場合、内部工具の持続的な加熱は回避できない。熱によって、工具の強度が減少し、工具は機械的ストレスに対応できなくなる。工具は変形及び破損する。
【０００４】
使用可能期間の長期化を達成するために、穿孔プラグにはスケール層が形成される。このスケール層は工具に加工される被加工物からの熱伝導を防止し、急速な加熱及び強度ロスから工具を保護する。高合金素材を成形する際、スケール層が即時に除去され、熱保護が無くなる。
【０００５】
形成工程に応じて、圧延マンドレルでは、スケールを形成する工具又はクロム層が含まれる工具が使用される。相当する穿孔プラグは、独国特許出願第１０  ２００８  ０５６  ９８８  Ａ１に記載されている（ＳＭＳ  ＭＥＥＲ）。しかし、工具に形成される被加工物からの熱流に対する熱絶縁性が低い欠点を持つ。特に、工程の速度及び接触時間が短い状態で使用される内部工具では、内部工具の熱による変形及び破損が発生する。
【０００６】
酸化物層の厚みを増やすことにより、工具の寿命を改善できる。その後、熱絶縁が改善し、摩耗による損傷が生じても保護層を長く維持できる。
【０００７】
保護層は基材を酸化鉄に変換することにより自然に形成されるが、高い安定性を有しない。保護層は砕けやすく、多孔性であるため、機械的及び熱ストレスによって容易に破壊する。従って、この保護層の厚みは限定される。保護層の厚みの上限は、約０．８ｍｍである。従って、このような層の保護効果は制限される。熱が工具の本体に伝導することにより強度が弱くなり、工具の早期損傷に繋がる。高合金の被加工物では、摩耗は比較的に早い状態で、例えば被圧延材に短く生じる状態から保護層の剥離に繋がる。
【０００８】
国際公開第２０１１／１０７２１４（ＳＭＳ  ＭＥＥＲ）（特表２０１３−５２１１２８号公報）によれば、酸化物層が塗布された、表面プロファイルを有する管状金属被加工物の熱間鍛造による継目無管又は鍛造マンドレルの製造では、穿孔プラグ又は圧延マンドレルが知られている旨を開示する。これによって、付着性の改善及び製品寿命の長期化が達成される。
【０００９】
欧州特許公開第０３８６４３９号（ＮＫＫ  Ｃｏｒｐ）では、コーティングにモリブデンが含まれる同様の工具が開示されている。
【００１０】
欧州特許公開第２４０４６８０号（特表２０１０−２２７９９９号公報）（住友住金）の対象は、マンネスマン製管法による鋼管の製造である。この発明の対象は、貫通孔に潤滑剤を供給するためのチャネルが形成された穿孔プラグである。段落００５６の記載によると、穿孔プラグは鉄で被膜されていてもよい。この発明では、鉄線材が溶解された場所へのスプレー装置に誘導する。溶解した鉄は穿孔プラグに対し、例えば連続的な被膜を施すように噴射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許出願第１０  ２００８  ０５６  ９８８号公報
【特許文献２】特表２０１３−５２１１２８号公報
【特許文献３】欧州特許公開第０３８６４３９号
【特許文献４】特表２０１０−２２７９９９号公報
【００１２】
実際には、このようなプロファイル工具は穿孔プラグに合わせて個々にカットする必要があるため、コストが高いことが判明しており、また材料ロスにも繋がっている。孔部のサイズが小さくなるにつれて、プロファイル工具の製造コストが反比例して増加する。経済性及び実現性は、数ミリメータで限界に達する。プロファイルから基体に形成することによる他の課題は、上質な酸化鋼の上に配置できる材料の限界である。これらの酸化鋼は特にクロミウム含有率が低いことから、硬度も低い。
【００１３】
本発明の目的は、安定性が高く、上述の課題が解決された熱間成形工具を提供することである。特にこれらの工具は、先行技術のものと比べて強度が高く、材料損を生じることなく容易に加えられる酸化層を有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の観点は、少なくとも比例する面積の表面コーティングを有する工具基体を有し、基体が全体的または部分的に酸化して且つ保護層に変換している凸状金属レリーフが形成された熱間成形工具に関する。
【００１５】
「凸状」とは、レリーフが工具の表面よりも高く形成され（凸構造）、表面から凹部が形成される（凹構造）プロファイルとは反する構造であると理解される。
【００１６】
本発明の他の観点は、少なくとも比例する面積の表面コーティングを有する熱間成形工具を製造する方法に関し、
（ａ）基体には凸状金属レリーフが形成されており、
（ｂ）その後、凸状金属レリーフは全体的または部分的に酸化し、保護層に変換されている。
【００１７】
凸状金属レリーフの適用は、工具のプロファイルとは反対のケースである。本発明の目的では、材料が追加されるが、除去されることは無い。驚くべきことに、プロファイルに対応するレリーフの形成は、実現が容易なだけではなく、レリーフ材料の全体または部分的な変換が可能であることから、硬度が顕著に高く、更に安定した酸化フィルムを形成でき、且つ工具の寿命の著しい改善に繋がる。本発明は、表面保護の質を変化させるためのレリーフ材料を選択する可能性を与え、加工状態の調節を可能とする。
【００１８】
本発明による経済的な利益は明白であり、特に大半は圧延ストックの長さに関連する圧延時間の延長と鋼製品の製造時の工具費用との減少に繋がり、廃材の減少に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】穿孔プラグ状の熱間成形工具を側面から図示したものである。
【図２Ａ】図１のＺ部分における水平方向断面図である。
【図２Ｂ】図１のＺ部分における水平方向断面図である。
【図３Ａ】図１のＺ部分における水平方向断面図である。
【図３Ｂ】図１のＺ部分における水平方向断面図である。
【００２０】
＜工具＞
本発明の熱間成形工具は、好ましくは、典型的には鋼から製造された、穿孔プラグ又は鍛造マンドレルである。しかし、この序文の下、本発明の原理には、熱流入から保護する他の金属被加工物も含む。
【００２１】
用語「金属」は鉄及び鋼に限定されず、熱間工程で供給されるその他の金属形成材料が含まれる。
【００２２】
穿孔プラグに限定されず、継目無鋼管の製造にあたり他の内部工具と共に使用される、クロス圧延による内部工具の穿孔も、本発明の表面コーティングに有利に使用できる。圧延マンドレルにおいて、第２形成段階で使用される複数の連続して形成される圧延スタンドの圧延ミルの内部工具は、工具と圧延ストックとの摩擦を軽減するために重要である。従って、この適用のために、本発明の表面は研磨されていなければならない。本発明には、保護層にクロム製の追加層を形成してもよい。
【００２３】
基体に形成される凸状金属レリーフは異なっていてもよく、変形例は、原理的には目的を十分に達成するためのものである。
【００２４】
第１実施例は、単に基体に線を巻き付けたもの、好ましくは凸状金属レリーフに鋼線を巻き付けたものであってよい。
【００２５】
第２実施例において、凸状金属レリーフは基体に金属織物または金属メッシュを巻き付けたものであってよい。
【００２６】
工具の表面に塗布される金属体は、好ましくは鋼製のメッシュで製造されたものであり、例えば太さ１〜５ｍｍ、好ましくは約１．５ｍｍの鋼線と、１〜５ｍｍ間隔、好ましくは約２．５ｍｍ間隔で配置されたメッシュとによって形成されている。メッシュ間隔は、隣接する２本の織物エレメントの中心からの距離である。
【００２７】
第３実施例において、凸状金属レリーフは、気相で生じた化学蒸着又は物理蒸着によって形成された、変則的なコーティングである。
【００２８】
＜レリーフの形成＞
レリーフの適用は、本発明の目的を十分に達成するものであれば、簡易なものから複雑なものまで、それぞれ異なっていてもよい。
【００２９】
第１実施例では、基体は単に金属線で巻かれている。
【００３０】
第２変形例では、金属線に代わり、金属織物または金属メッシュが使用される。これは、例えば工具の形状を形成した後、基体に巻き付けることにより達成される。強度を上げるために、基体にコイル線または金属織物を溶接することが好ましい。
【００３１】
第３実施例では、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）によって、基体表面のレリーフを形成することが可能となる。
【００３２】
用語「化学蒸着」とは、特にマイクロエレクトロニクス部品及び光電波路の製造に使用されるコーティング方法である。基板の加熱された表面では、固体は、気相での化学反応によって分離される。事前に必要な条件としては、所定の反応温度を持つ固体層である、揮発性化合物の成分層が存在している必要がある。化学蒸着方法は、コーティングされる被加工物の表面に少なくとも一度の化学反応を行うことが特徴である。この反応は少なくとも１つの気体である出発化合物（出発材料）と、少なくとも２つの反応製品とからなり、そのうち１つは固相である。表面においてこれらの反応を気相反応よりも大きく反応させ、固体粒子の形成を防止するには、この工程を減圧状態で行うことが好ましい。
【００３３】
化学蒸着と異なり、出発材料は好ましい物理蒸着を使用して気相に変換される。気体はコーティングされる基板に蒸着し、凝縮して目的層を形成する。典型例は、加熱蒸着、電子ビーム（電子ビーム蒸着）又はレーザービーム蒸着（レーザーパルス蒸着）による古典的な蒸着工程である。本発明の目的においては、スパッタリング工程が好ましく、出発材料にはイオン衝撃によるスパッタリングを行い、気相に変換し、基体に蒸着する。これらの工程は、蒸着される材料は固相であり、コーティングチャンバに貯蔵される点において共通する。イオン衝撃をレーザービームで加えることによって、磁気的に変形したイオンまたは電子並びにアーク放電により、目的箇所が蒸着する。気相における原子、イオン又は塊の比率は、手順毎に異なる。蒸発した材料は弾道的に移動し、またはチャンバに電界を形成し、コーティングされる部分に付され、層を形成する。
【００３４】
蒸気粒子が気体粒子として分散せず、生成物に到着するためには、この作業を真空状態で行う必要がある。典型的な動作時の圧は、１０-４Ｐａ〜１０Ｐａの間である。蒸気粒子は直線方向に伝播するため、蒸気部分から見えない領域は、低い蒸着率でコーティングされる。レリーフを形成し、均一なコーティングを形成しないためには、通常の手順とは異なり、基板の圧延工程を行わない。
【００３５】
本発明の第４実施例では、レリーフの形成はいわゆる熱噴射によって行われる。噴射される材料、いわゆるスプレー添加物はスプレーバーナーの内部または外部で溶解し、噴射粒子の形態で、ガス流れで加速し、コーティングされる物質の表面に付着する。この場合の構成表面（外装と比較して）は、溶解せず、わずかに熱的負荷が与えられる。構成表面に衝突する際の工程及び材料によって、噴射される粒子が平面化し、層形成が行われ、機械的結合により主に粘着し、噴射層を形成するための層を形成する。噴射コーティングの品質の特徴は、気泡が少なく、部品に容易に結合し、クラック発生を防止し、均一の微細構造を有する点である。形成される層の性質は、コーティングされる表面に付着した、噴射される粒子の温度及び速度に著しく影響される。表面の状態（純度、活性温度）も、このような粘着の品質に顕著な影響を与える。
【００３６】
スプレー添加物の材料の溶解をするためのエネルギー担体は、電子アーク（アーク噴射）、プラズマジェット（プラズマ溶射)、炎としての酸化燃料、または酸化燃料炎または高速の酸化燃料炎（従来及び高速フレーム溶射）、高速のプレ加熱された気体（低温気体の噴射）、レーザービーム（レーザービーム噴射)が掲げられる。標準的な噴射方法は、ＥＮ６５７ＤＩＮ（ドイツ工業規格）で分類化された方法に基づく。
【００３７】
上記の方法を使用することにより、基体は金属以外にも、酸化セラミック材料、炭化材料（または一般的な組成物）でコーティングされる。好ましくは、この実施例では、鋼／セラミック混合物によるコーティングが行われる。
【００３８】
基体は鋼で構成されていることが好ましいが、凸状金属レリーフを形成する材料は、少なくとも酸化物層を形成することができるものであることが要求される。好ましくは、この材料は鉄または鋼であり、酸化鉄の層が、好ましくはスケールが形成される。鉄及び鋼の混合物の割合は、約２０：８０〜８０：２０の間である。
【００３９】
レリーフの形状は、通常の形状（円状、四角状など）であっても、自由な形状であってもよい。レリーフを形成する材料は、例えば鋼の基体に適用される織物状のモリブデンである。織物状材料は、硬いクロム鋼（内部）及び酸化鋼（外部）を含んでもよい。可燃化材料のスペーサを使用してもよい。セラミックを埋め込み、保温を高めてもよい。
【００４０】
＜酸化＞
酸化保護層における金属レリーフの全体的又は部分的な変換は、フレーム溶射、プラズマ溶射、熱化学工程等、従来技術の方法によって行われる。
【００４１】
表面に金属体が適用される工具の酸化において、例えばスチール織物等、工具基体の一部表面及び表面に蒸着したレリーフの一部が酸化物に変換する。同時に、表面全体に３，０００μｍ、特に１，５００〜２，５００μｍの酸化物層が追加形成される。従って、例えば工具基体と塗布されるスチール織物、並びにスチール織物のメッシュの内部など、基体の間に酸化物が形成される。この結果として、内部体によって補強された、非常に厚みがある保護層が形成される。特に、層の厚みは数ミリに限らず、凹凸の形成によって異なってくる。厚み１０ｍｍ以上の層は、容易かつ安価に製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の他の目的は、上述した新規な工具の使用に関し、特に継目無管又は熱間鍛造された管状の被加工物を製造するための穿孔プラグ、鍛造マンドレル又は圧延マンドレルとしての使用に関する。
【００４３】
＜実施例１＞
穿孔プラグの表面に、鋼による基部構造の形態を有するメッシュが、鋼線の太さ１．５ｍｍ、幅２．５ｍｍで事前に形成され、溶接される。その後、構成物は熱化学反応に露出される。厚み２，５００μｍの連続した粘着層が形成される。
【００４４】
図１は、穿孔プラグ状の熱間成形工具を側面から図示したものである。工具１は作業領域３を有し、所定の長さでａ軸方向に伸びる工具基体２を有する。作業領域３には、工具１を熱及び機械的ストレスから保護するコーティング４が塗布される。
【００４５】
図２及び図３は、図１のＺ部分における水平方向断面図であり、基体の凸状金属レリーフに酸化保護層（スケーリング）を形成する前の状態及び形成された後の状態態を表す。
【００４６】
図２Ａでは、実施例１に従って線状メッシュを塗布することにより形成された、のこぎり状のレリーフが認識できる。この図において、基体は数字６、メッシュは数字７で表されている。図２Ｂは、レリーフ表面の一部及びメッシュのループ部分のみではなく、基体の表面も酸化した状態が認識できる（網掛け部分を数字８で表す）。
【００４７】
図３Ａ及び３Ｂは類似物であるが、この場合のレリーフは円状の断面を有する。酸化層（網掛け部分）は基体の表面の上部及び下部に均等に形成される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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