(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：３．０％を超え７．５％以下、Ｎｉ：０．５〜５．０％、Ｍｏ：５．０％以下、Ｗ：１．５〜５．０％、残部Ｆｅおよび不純物の合金鋼からなり、表面に厚さ５０〜５００μｍの酸化スケール層を有する継目無鋼管製造用プラグ。
【請求項２】
合金鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．０％を含有する請求項１に記載の継目無鋼管製造用プラグ。
【請求項３】
合金鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｏ：０．０５〜５．０％を含有する請求項１または２に記載の継目無鋼管製造用プラグ。
【請求項４】
合金鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＺｒおよびＢの１種以上を合計で０．０５〜０．５％含有する請求項１〜３のいずれかに記載の継目無鋼管製造用プラグ。
【請求項５】
合金鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｌａ、ＣｅおよびＹの１種以上を合計で０．００１〜０．２％含有する請求項１〜４のいずれかに記載の継目無鋼管製造用プラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、継目無鋼管製造用プラグに関し、より詳しくは１３％以上のＣｒを含有する高Ｃｒ含有鋼を穿孔圧延するのに用いて好適な継目無鋼管製造用プラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の穿孔圧延用工具であるピアサープラグ（以下、単にプラグと称する場合もある）としては、３％Ｃｒ−１％Ｎｉ−残Ｆｅベース鋼の表面に酸化スケール付け熱処理を施した普通鋼用のものが広く使用されている。
【０００３】
しかし、１３％以上のＣｒを含有する高Ｃｒ含有鋼やＮｉ基合金からなる継目無鋼管を製管（穿孔圧延）する場合には、プラグ表面の温度上昇や面圧上昇が起こるため、プラグの寿命が著しく短くなる。たとえば、ＳＵＳ３０４材の製管では１パスでプラグの変形が生じる。
【０００４】
そこで、ステンレス鋼の製管時におけるプラグ寿命を向上させるために、プラグの形状を変更したり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等を添加してプラグ素材の高温強度を高めるとともに、プラグ表面に密着性に優れた酸化スケールを生成付着させる方法が提案されている（特公平４−８４９８号公報）。また、製管時の高温変形抵抗と焼割れ性を向上させた成分系素材のプラグも提案されている（特開平４−７４８４８号公報、同４−２７０００３号公報）。
【０００５】
しかし、上記の各公報に示される手段によって得られるプラグは、最も面圧が高く、温度が上昇するプラグ先端部の酸化スケールが製管中に溶融して断熱効果および耐摩耗性が消失し、先端溶損や先端変形が発生しやすいという欠点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１３％以上のＣｒを含有するステンレス鋼やＮｉ基合金のように変形抵抗が高く、プラグとの焼付きが発生しやすい材料を製管する場合でも、長寿命でかつ内面性状に優れた継目無鋼管が得られるピアサープラグ、すなわち継目無鋼管製造用プラグを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の継目無鋼管製造用プラグにある。
【０００８】
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：３．０％を超え７．５％以下、Ｎｉ：０．５〜５．０％、Ｍｏ：５．０％以下、Ｗ：１．５〜５．０％、残部Ｆｅおよび不純物の合金鋼からなり、表面に厚さ５０〜５００μｍの酸化スケール層を有する継目無鋼管製造用プラグ。
【０００９】
上記の本発明になる継目無鋼管製造用プラグを構成する合金鋼は、Ｆｅの一部に代えて、下記のA)〜D)群の１群以上の元素を含むものであってもよい。
【００１０】
A)Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
B)Ｃｏ：０．０５〜５．０％、
C)Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＺｒおよびＢの１種以上：合計で０．０５〜０．５％、
D)Ｌａ、ＣｅおよびＹの１種以上：合計で０．００１〜０．２％。
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を達成するために種々検討をおこない、以下の知見を得て上記の本発明を完成させた。
【００１２】
(a) Ｃｒ含有量が１３％以上の高Ｃｒ含有鋼を製管する場合、プラグ表面に形成させた酸化スケールの物性とプラグ素材の強度がプラグ寿命に多大な影響を与える。
【００１３】
(b) 現在使用されているステンレス鋼用のプラグ素材は、高温強度を向上させる目的で添加されたＣｒ、Ｗ、Ｍｏを含有している。しかし、Ｃｒを含有するプラグ素材では、焼付き防止の酸化スケール付け熱処理をおこなうと、Ｃｒは酸素との親和力が高いため、形成される酸化スケールの地金側にＣｒ酸化物が濃縮したスピネル型スケール（Ｆｅ２ＣｒＯ４）を質量％で２０〜９０％程度と多く含む内層スケール層が形成される。この内層スケール層中のＣｒの濃縮割合は、地金のＣｒ濃度が高いほど高くなる傾向を示すが、たとえば地金に０．５％のＣｒが含有されている場合、内層スケール層中のＣｒ濃度は１〜５％程度となる。
【００１４】
(c) 一般に焼付きが発生しやすい材料とは、共金（同種の成分を含んだ材質）と考えられているが、ステンレス鋼の製管（穿孔圧延）時のプラグの焼付きやすさは、内層スケール層中のＣｒ濃縮度合が高いほど焼付きやすくなる。したがって、内層スケール層中のＣｒ濃度上昇を抑制する必要がある。
【００１５】
(d) しかし、プラグ素材中のＣｒは、地金の組織安定性、高温強度の向上、形成された酸化スケールの密着性向上、耐摩耗性の向上に有用な成分であり、Ｃｒの無添加はきわめて困難であった。
【００１６】
そこで、本発明者らは、Ｃｒをプラグ素材の強化元素としないステンレス鋼製管用プラグについて鋭意研究した結果、以下のことが判明した。
【００１７】
(e) Ｍｎは、従来、組織安定性に用いられていた元素であるが、他の成分元素と組み合わせることにより、ステンレス鋼製管用プラグ素材の構成成分としてきわめて有効な働きをする。すなわち、Ｍｎは、Ｃｒと同様に、オーステナイト安定元素であり、高温の組織を安定させるとともに、高温の強度を向上させる。
【００１８】
(f) また、プラグ素材に多量のＭｎを含有させると、酸化スケール付け熱処理した際、形成される酸化スケールの地金側にＭｎ酸化物を含有するスピネル型スケール（Ｆｅ２ＭｎＯ４）を質量％で２０〜９０％程度と多く含む内層スケール層が形成される。このＭｎ酸化物を含有するスピネル型スケール（Ｆｅ２ＭｎＯ４）を多く含む内層スケール層は、Ｃｒを含有しておらず、またＣｒを含有した場合でもＭｎにより希釈されるため、ステンレス鋼製管時の耐焼付き性が大幅に向上する。一方、Ｍｎの濃縮とともに、内層スケール層の耐摩耗性が向上し、製管中の酸化スケール層摩滅が減少し、プラグ寿命が向上する。
【００１９】
(g) さらに、Ｍｎは、Ｃｒと異なり、酸化を抑制する元素ではないため、プラグの酸化スケール付け熱処理時に低温、短時間処理でも十分な厚さの酸化スケール層を形成させることができる。また、製管直後から、冷却時に、Ｃｒを含有する従来のプラグ素材に比較して、酸化しやすいため、プラグ表面に酸化スケールが形成され、この酸化スケールの存在によりプラグ寿命が向上する。
【００２０】
(h) Ｍｎ酸化物を含んだ内層スケールの融点は１２００℃以上であり、穿孔中に溶融しないために潤滑効果が現れず、その結果、穿孔時間が長くなってプラグの表面温度が上昇し、溶損する。したがって、酸化スケールに潤滑性を付与するためには、酸化スケールの融点の適正化が必要となる。これには、Ｗ酸化物とＦｅ酸化物とが１１００℃付近で共晶反応を起こすこと、さらに融点が１１７０℃付近のＦｅとＳｉとの複合酸化物が利用できる。すなわち、ＷとＳｉの含有量を適正に調整すれば、酸化スケール中のＷ酸化物およびＦｅとＳｉとの複合酸化物の形成を制御することが可能となり、酸化スケールの融点の適正化が可能である。
【００２１】
(i) また、Ｍｎ酸化物を含有するスピネル型スケール（Ｆｅ２ＭｎＯ４）を多く含む内層スケール層は、Ｃｒ酸化物が濃縮したスピネル型スケール（Ｆｅ２ＣｒＯ４）を多く含む内層スケール層に比較して密着力が低く、製管中に酸化スケール層が剥離して焼付きや溶損が発生しやすい。しかし、内層スケールをその層中に金属粒子が分散する内層スケール層にすると、スケールの変形能が増大して密着力が向上し、製管中にスケール剥離が生じず、しかも加熱冷却の繰り返し環境下でのスケール剥離も大幅に抑制される。
【００２２】
(k) 前記の金属粒子としては、ＮｉやＣｏを挙げることができ、これらの金属粒子はこれを含有する素材のプラグに酸化スケール付け熱処理を施す際にも酸化されないので、金属粒子となって酸化スケール層中に分散析出する。したがって、プラグ素材としては、少なくともＮｉ含有合金鋼とする必要があり、より好ましくはＮｉ、Ｃｏの複合含有合金鋼とするのが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の継目無鋼管製造用プラグを上記のように定めた理由について詳細に説明する。なお、以下において、「％」は特に断らない限り「質量％」を意味する。
【００２４】
《素材の化学組成》
Ｃ：０．０５〜０．５％
Ｃは、高温強度の向上に有効であるが、その含有量が０．０５％未満では十分な高温強度が得られない。一方、０．５％を超えて含有させると製管に使用後の表面に焼きが入る部分の硬度が高くなりすぎ、焼き割れが生じやすくなる。このため、Ｃ含有量は０．０５〜０．５％とした。好ましい範囲は０．０５〜０．３％、より好ましい範囲は０．１〜０．２％である。
【００２５】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤、ＡＣ１変態点の上昇およびプラグ表面の酸化スケールの緻密化に有効であるとともに、フェアライト（Ｆｅ２ＳｉＯ４）を生成して酸化スケールの高温変形能を増大させ密着性を向上させるのに有効である。しかし、Ｓｉ含有量が０．１％未満では前記の効果が得られず、逆に１．０％を超えてＳｉを含有させるとフェアライトが多量に生成し、酸化スケールの融点を低下させるだけでなく、高温硬度も低下させる。このため、Ｓｉ含有量は０．１〜１．０％とした。好ましい範囲は０．１〜０．６％、より好ましい範囲は０．１〜０．５％である。
【００２６】
Ｍｎ：３．０％を超え７．５％以下
Ｍｎは、酸化スケールの形態制御および高温強度を向上させる観点から本発明において最も重要な元素であり、その含有量が３．０％以下では酸化スケールの耐摩耗性の改善効果が認められないだけでなく、高温強度の向上効果も小さく、プラグ寿命の向上が認められない。一方、その含有量が７．５％を超えると、酸化スケールの潤滑性が大幅に低下する。このため、Ｍｎ含有量は３．０％を超え７．５％以下とした。好ましい範囲は３．０％を超え７．０％以下、より好ましい範囲は３．０％を超え５．０％以下である。
【００２７】
Ｎｉ：０．５〜５．０％
Ｎｉは、酸化スケール層中、なかでも内層スケール層中に金属粒子として分散析出し、酸化スケールの耐剥離性を向上させるのに有効であるが、その含有量が０．５％未満では十分な効果が得られない。一方、５．０％を超えて含有させると、金属粒子が多くなりすぎて焼付きが発生しやすくなるとともに、酸化スケールの高温硬度を低下させるだけでなく、酸化スケール形成を抑制する。このため、Ｎｉ含有量は０．５〜５．０％とした。好ましい範囲は０．８〜４．０％、より好ましい範囲は１．０〜３．５％である。
【００２８】
Ｍｏ：５．０％以下
Ｍｏは、高温強度を向上させるのに有効なだけでなく、Ｎｉとの複合添加により酸化スケールの密着性を向上させるのに有効な成分であり、これらの効果は不純物量レベルでも得られるが、その効果は５．０％で飽和する。このため、Ｍｏ含有量は５．０％以下とした。なお、このＭｏの効果は、前記したように、その含有量が不純物量レベルでも得られるので、下限は特に規定しないが、顕著な効果を得るためには０．０５％以上含有させるのがよく、好ましい範囲は０．０５〜４．０％、より好ましい範囲は０．０５〜３．０％である。
【００２９】
Ｗ：１．５〜５．０％
Ｗは、高温強度を上昇させる他、酸化スケールの潤滑性を制御するのに極めて重要な元素であり、最低でも１．５％含有させる必要がある。しかし、５％を超えて含有させると、酸化スケールの融点が低下しすぎて製管使用中に酸化スケール層が剥離しやすくなって焼付きが発生するようになる。このため、Ｗ含有量は１．５〜５．０％とした。好ましい範囲は２．０〜４．０％、より好ましい範囲は２．５〜３．５％である。
【００３０】
Ｃｒ：０．０５〜１．０％
Ｃｒは、酸化スケールの密着性を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて添加含有させる。しかし、その含有量が０．０５％未満では前記の効果は得られない。一方、１．０を超えて含有させると焼付きやすくなる。このため、添加含有させる場合のＣｒ含有量は０．０５〜１．０％とするのがよい。好ましくは０．０５〜０．８％、より好ましくは０．０５〜０．１％である。
【００３１】
Ｃｏ：０．０５〜５．０％
Ｃｏは、靭性を向上させるのに有効な元素であるとともに、上記のＮｉと同様に、酸化スケール層中に金属粒子として分散析出し、酸化スケールの耐剥離性を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて添加含有させる。しかし、その含有量が０．０５％未満では前記の効果は得られない。一方、５．０を超えて含有させると、金属粒子が多くなりすぎて焼付きが発生しやすくなるとともに、かえって疲労特性を低下させるだけでなく、酸化スケール形成を抑制する。このため、添加含有させる場合のＣｏ含有量は０．０５〜５．０％とするのがよい。好ましくは０．０５〜４．０％、より好ましくは０．０５〜３．０％である。
【００３２】
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｂ：１種以上を合計で０．０５〜０．５％
これらの元素は、いずれも細粒化作用を有し、靭性を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて１種または２種以上を添加含有させる。しかし、その合計含有量が０．０５％未満では上記の効果は得られず、０．５％を超えて含有させると脆化層が現れ、地金の強度が低下する。このため、添加含有させる場合のこれら元素の含有量は、合計で０．０５〜０．５％とするのがよい。好ましくは０．０５〜０．３％、より好ましくは０．０５〜０．１％である。
【００３３】
Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ：１種以上を合計で０．００１〜０．２％
これらの元素は、いずれも酸化スケール層の密着性を改善するのに有効な元素であるので、必要に応じて１種または２種以上を添加含有させる。しかし、その合計含有量が０．００１％未満では上記の効果は得られず、０．２％を超えて含有させると脆化層が現れ、強度が低下する。このため、添加含有させる場合のこれら元素の含有量は、合計で０．００１〜０．２％とするのがよい。好ましくは０．００１〜０．１％、より好ましくは０．００１〜０．０５％である。
【００３４】
《プラグの製造方法》
プラグの製造方法としては、鍛造または鋳造のいずれでもよく、その溶解方法は大気溶解、ＡＯＤ、ＶＯＤのいずれのプロセスでもよい。その際、特別な制約は一切なく、常法にしたがって製造すればよい。
【００３５】
《酸化スケール層の厚さ》
酸化スケール層は、素材の温度上昇を抑制し、プラグに潤滑性能を付与するのに有効であるが、その厚さが５０μｍ未満では断熱効果が不十分であり、一方、５００μｍを超えると、酸化スケール層内に空隙が多数発生し、密着力が低下する。このため、酸化スケール層の厚さは５０〜５００μｍとした。好ましい厚さは７０〜５００μｍ、より好ましい厚さは１００〜５００μｍである。なお、本発明にいう酸化スケール層の厚さとは、内層スケール層とその上に形成された外層スケール層（Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４が主体で最外層はＦｅ２Ｏ３である）の両方を合わせた厚さのことである。
【００３６】
表１に示す化学組成を有する２２種類の合金鋼を、大気溶解により溶製し、鍛造後、外削して所定形状のピアサープラグに仕上げた。
【００３７】
その後、所定の形状に仕上げたプラグは、ＬＮＧ燃焼雰囲気（体積％で、１０％ＣＯ２  、２％Ｏ２  、２０％Ｈ２Ｏ 、１％ＣＯ、残Ｎ２  ）中で所定の温度、時間で加熱し、種々異なる厚さの酸化スケール層を形成させた。
【００３８】
そして、このようにして得られた各プラグを、外径７０ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＳＵＳ３０４製の丸ビレットを、外径７３．３ｍｍ、肉厚８．６ｍｍ、長さ２２００ｍｍのホローシェルに成形する穿孔圧延に連続して供し、酸化スケール層が摩滅して使用できなくなるか、もしくは割れや焼付きが発生したりプラグ先端が溶損または変形するまでのプラグ寿命、すなわち穿孔圧延に供し得た使用回数（穿孔圧延本数）と、使用後のプラグ損傷状況を調べた。
【００３９】
調べた結果は、酸化スケール付け熱処理条件のうちの加熱温度、加熱時間、酸化スケール層の厚さ、および酸化スケール付け熱処理後に調べた素材の１０００℃における引張強さ（ＴＳ：Ｎ／ｍｍ２  ）と併せて、表２に示した。
【００４０】
表２に示す結果からわかるように、本発明になるプラグ（試番１、３および５〜２６）は、８回以上の使用（穿孔圧延）が可能であり、優れた性能を示した。
【００４１】
これに対し、試番２のプラグは、地金鋼Ａの化学組成は本発明で規定する範囲内であるが、酸化スケール層の厚さが４５μｍと薄すぎるために断熱効果がほとんどなく、１回の使用で先端が変形した。
【００４２】
試番４のプラグは、地金鋼Ｂの化学組成は本発明で規定する範囲内であるが、酸化スケール層の厚さが８００μｍと厚すぎてポーラスなために密着力が低く、先端部の酸化スケール層が早期に剥離脱落した結果、５回の使用で先端が溶損した。
【００４３】
試番２７のプラグは、酸化スケール層の厚さは本発明の範囲内であるが、地金鋼ＹのＣ含有量が０．０４％と低すぎるとともに、Ｔｉ含有量が０．６％と高すぎるために高温強度が不十分で、３回の使用で先端が変形した。これとは逆に、地金鋼ＺのＣ含有量が０．６１％と高い試番２８のプラグは、使用後の冷却過程で焼きが入り、２回の使用で割れが生じた。
【００４４】
試番２９のプラグは、酸化スケール層の厚さは本発明の範囲内であるが、地金鋼AAのＳｉ含有量が０．０７％と低すぎるために酸化スケールの潤滑性が不十分で、穿孔効率が低下した結果、５回の使用で先端が溶損した。これとは逆に、地金鋼ABのＳｉ含有量が１．２５％と高い試番３０のプラグは、Ｓｉ含有量が高すぎるために酸化スケールの融点が低く、製管中に酸化スケールが多量に溶融した他、密着性が不十分で先端部の酸化スケール層が早期に剥離脱落した結果、３回の使用で先端が溶損した。
【００４５】
試番３１のプラグは、酸化スケール層の厚さは本発明の範囲内であるが、地金鋼ACのＭｎ含有量が２．８２％と低すぎるために酸化スケールの耐摩耗性が不十分で、先端部の酸化スケール層が早期に摩滅した結果、２回の使用で先端が変形した。これとは逆に、地金鋼ADのＭｎ含有量が８．０３％と高い試番３２のプラグは、Ｍｎ含有量が高すぎるために酸化スケールの潤滑性が不十分で、穿孔効率が低下した結果、４回の使用で先端が溶損した。
【００４６】
試番３３のプラグは、酸化スケール層の厚さは本発明の範囲内であるが、地金鋼AEのＮｉ含有量が０．４１％と低く、酸化スケール層の密着性が悪いために先端部の酸化スケール層が早期に隔離脱落した結果、３回の使用で先端が溶損した。これとは逆に、地金鋼AFのＮｉ含有量が５．５０％と高い試番３４のプラグは、酸化スケールの高温硬度が低く、耐摩耗性が不十分なために先端部の酸化スケール層が早期に磨滅し、２回の使用で先端が変形した。また、試番３３のプラグは地金鋼AEのＣｏ含有量、試番３４のプラグは地金鋼AFのＮｉ含有量が高すぎるために酸化スケール層中の金属粒子が多すぎ、焼付きが発生した結果、得られたホローシェルの内面性状が不芳であった。
【００４７】
試番３５のプラグは、酸化スケール層の厚さは本発明の範囲内であるが、地金鋼AGのＷ含有量が１．４８％と低すぎるとともに、Ｙ含有量が０．２２％と高すぎるために高温強度が不十分であり、かつ酸化スケールの潤滑性も十分でないために４回の使用で、先端が変形および溶損した。これとは逆に、地金鋼AHのＷ含有量が５．５３％と高い試番３６のプラグは、Ｗ含有量が高すぎるため酸化スケールの融点が低く、製管中に酸化スケールが多量に溶融した結果、４回の使用で先端が変形した。
【００４８】
試番３７のプラグは、酸化スケール層の厚さは本発明の範囲内であるが、地金鋼AIのＭｏ含有量が５．３１％、Ｃｒ含有量が１．５０％と高すぎるために酸化スケール層の内層スケールがＣｒ酸化物の濃縮したスピネル型スケール（Ｆｅ２ＣｒＯ４）を多く含むスケール層となり、３回の使用で焼付きが発生した。
【００４９】
以上の結果からも明らかなように、本発明のプラグは優れた機械的特性と高温での酸化スケールの安定性を有しており、比較材のプラグに比べて著しい寿命の向上が認められる。
【００５０】
【表１】
0003760850.tif 000002
【００５１】
【表２】
0003760850.tif 000003
【００５２】
【発明の効果】
本発明のプラグは、高温強度、耐摩耗性および酸化スケール層の密着性ともに優れるので、ステンレス鋼やＮｉ基合金からなる中実ビレットをホローシェルに成形する穿孔圧延に供して長寿命であり、焼付きも発生しにくいので、内面性状の良好な継目無鋼管を低い工具原単位で製造することが可能である。