ОПРАВКА ПРОШИВНОГО СТАНА
DISK MILL MANDREL

[Область техники, к которой относится изобретение]
[0001] Настоящее изобретение относится к оправке и более конкретно к оправке, применяемой в прошивном стане, который прошивает и прокатывает заготовку (далее называемой прошивной оправкой).
Испрашивается приоритет Японской Патентной Заявки № 2012-177946, поданной 10 августа 2012 года, и Японской Патентной Заявки № 2012-161045, поданной 20 июля 2012 года, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
[Уровень техники]
[0002] Прошивной стан применяют для изготовления бесшовной стальной трубы согласно процессу Маннесманна. Прошивной стан включает пару наклонных валков и прошивную оправку. Прошивная оправка размещена в линии прокатки между парой наклонных валков. Прошивной стан прижимает оправку к заготовке, в то же время вращая заготовку в окружном направлении с использованием наклонных валков, для прошивки и прокатки заготовки, тем самым изготавливая пустотелую трубную заготовку.
[0003] Прошивной стан прошивает и прокатывает заготовку, нагретую до высокой температуры. Поэтому прошивная оправка, прижимаемая к заготовке, подвергается воздействию высокой температуры и воспринимает высокое давление. Поэтому прошивная оправка с высокой вероятностью может подвергаться эрозии и заклиниванию.
[0004] Как правило, на поверхности базового материала прошивной оправки образуется оксидная окалина. Оксидная окалина блокирует теплоту из заготовки и подавляет образование эрозии. Кроме того, оксидная окалина препятствует возникновению заедания.
[0005] Однако оксидная окалина истирается, когда заготовку прошивают и прокатывают. Когда оксидная окалина удаляется, температура базового материала прошивной оправки повышается, и вследствие этого происходит эрозия прошивной оправки.
[0006] Для увеличения числа циклов использования оправки прошивного стана предлагается не только формирование оксидной окалины на поверхности базового материала прошивной оправки, но также регулирование компонентного состава базового материала (например, ссылка на указанные ниже Патентные документы 1-3).
[Документы предшествующего уровня техники]
[Патентный Документ]
[0007]
[Патентный Документ 1] Японская Нерассмотренная Патентная Заявка, Первая Публикация № Н4-74848
[Патентный Документ 2] Японская Нерассмотренная Патентная Заявка, Первая Публикация № Н4-270003
[Патентный Документ 3] Японская Рассмотренная Патентная Заявка, Вторая Публикация № S64-7147
[Сущность Изобретения]
[Задача, которая должна быть решена Изобретением]
[0008] Базовый материал прошивной оправки, представленной в любом из Патентных Документов 1-3, представляет собой сплав на основе железа (Fe), и оксидная окалина образуется на поверхности базового материала. Однако когда степень деформации или эрозии базового материала вследствие контакта с заготовкой или тому подобного во время прошивки и прокатки становится высокой, прошивная оправка не может быть повторно использована для изготовления пустотелой трубной заготовки с таким же размером. То есть сокращается число циклов использования прошивной оправки.
[0009] С другой стороны, в последние годы вместо оксидной окалины распространился способ формирования напыленного покрытия на поверхности базового материала прошивной оправки с использованием дугового распыления тонкого стального прутка (например, смотри Международную Публикацию PCT № WO2009/057471). Как было описано выше, в случае формирования оксидной окалины на поверхности базового материала прошивной оправки базовый материал должен быть образован из сплава на Fe-основе, который легко окисляется. Однако вследствие распространения в недавние годы технологии напыления уже нет необходимости в формировании оксидной окалины на поверхности базового материала прошивной оправки, и тем самым значительно возрастает степень свободы в разработке состава базового материала.
[0010] Здесь авторы настоящего изобретения обстоятельно исследовали, может ли сплав на Ni-Cr-основе, имеющий превосходные высокотемпературную прочность, сопротивление деформации и устойчивость к термическим ударам, по сравнению со сплавом на Fe-основе, быть использован в качестве базового материала прошивной оправки. В результате, хотя деформация базового материала вследствие прошивки и прокатки была значительно уменьшена, напыленное покрытие, сформированное на поверхности базового материала, было склонно к отслаиванию, и тем самым было определено, что долговечность прошивной оправки сокращалась вследствие развития эрозии или заклинивания.
[0011] Настоящее изобретение выполнено с учетом вышеуказанных обстоятельств, и его цель состоит в создании прошивной оправки, которая имеет превосходное сопротивление деформации базового материала (корпуса оправки) и превосходную адгезию напыленного покрытия и имеет длительный срок службы.
[Средства Решения Задач]
[0012] Для достижения цели в решении задач в настоящем изобретении использованы следующие средства.
(1) Прошивная оправка согласно одному аспекту настоящего изобретения включает: корпус оправки; Ni-Cr-слой, сформированный на поверхности корпуса оправки, и напыленное покрытие, сформированное на поверхности Ni-Cr-слоя. Корпус оправки содержит, в % по массе, от 20 до 30% Cr, от 30 до 55% Ni, от 0,005 до 0,5% С, от 0,1 до 1,0% Si, от 0,2 до 1,5% Mn и по меньшей мере один из Mo и W, которые удовлетворяют нижеследующему условному выражению (А), и остальное количество, включающее Fe и загрязняющие примеси:
1,5% ≤ Mo + 0,5W ≤ 8,5% … (А)
[0013] (2) В прошивной оправке, описанной в пункте (1), термическая обработка может быть выполнена при температуре от 850 до 1150°С после того, как Ni-Cr-слой и напыленное покрытие сформированы на корпусе оправки.
[0014] (3) В прошивной оправке, описанной в пунктах (1) или (2), напыленное покрытие может содержать железо и оксид железа.
[0015] (4) В прошивной оправке, описанной в любом из пунктов (1)-(3), напыленное покрытие может быть сформировано дуговым распылением тонкого стального прутка.
[0016] (5) В прошивной оправке, описанной в любом из пунктов (1)-(4), толщина Ni-Cr-слоя может составлять от 50 до 100 мкм.
[Преимущество изобретения]
[0017] Согласно этому аспекту, возможно создание прошивной оправки, которая имеет превосходное сопротивление деформации базового материала (корпуса оправки) и превосходную адгезию напыленного покрытия и имеет длительный срок службы.
[Краткое описание чертежей]
[0018]
ФИГ. 1 представляет схематическое изображение, иллюстрирующее принципиальную конфигурацию прошивного стана.
ФИГ. 2 представляет вид прошивной оправки в продольном разрезе согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 3 представляет увеличенный вид вблизи поверхности прошивной оправки, показанной на ФИГ. 2.
ФИГ. 4 представляет вид сверху и вид сбоку образца, использованного в испытании для измерения предела прочности при сдвиге.
[Вариант осуществления изобретения]
[0019] Далее прошивная оправка согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения будет описана со ссылкой на чертежи. Сходные элементы обозначены в чертежах сходными номерами позиций, и их описание не будет повторяться.
[0020] ФИГ. 1 представляет схематическое изображение, иллюстрирующее принципиальную конфигурацию прошивного стана 30. В прошивном стане 30 прошивную оправку PP устанавливают на оконечности металлического стержня 34 и размещают в линии PL прокатки между парой наклонных валков 32 и 32. Во время прошивки и прокатки прошивную оправку PP вдавливают в заготовку 36. Поэтому прошивная оправка PP испытывает воздействие высокой температуры и воспринимает высокое давление. В результате этого в прошивной оправке PP могут возникать ситуации, когда корпус оправки, который представляет собой базовый материал, деформируется или подвергается эрозии вследствие контакта с заготовкой и тому подобного.
[0021] Как было описано выше, корпус оправки прошивной оправки PP согласно прототипу типично изготавливают из сплава на Fe-основе. В этом случае на поверхности корпуса оправки легко образуется оксидная окалина. Оксидная окалина повышает устойчивость к заеданию и блокирует теплоту от заготовки 36, тем самым до некоторой степени подавляя эрозию. Однако в случае, когда корпус оправки изготавливают из сплава на Fe-основе, могут иметь место ситуации, когда корпус оправки значительно деформируется или подвергается эрозии, и тем самым его форма изменяется вследствие контакта с заготовкой 36. В частности, оконечный участок прошивной оправки PP приходит в интенсивный контакт с заготовкой 36, и тем самым весьма вероятно ускоренное изменение формы вследствие эрозии или деформации, обусловленной внешней нагрузкой во время контакта.
[0022] Здесь, прошивная оправка в этом варианте исполнения включает корпус оправки, изготовленный из сплава на Ni-Cr-основе, имеющего описываемый позже химический состав, иной, чем сплав на Fe-основе, чтобы снизить величину деформации корпуса оправки, который представляет собой базовый материал. Сплав на Ni-Cr-основе имеет повышенную высокотемпературную прочность, высокое сопротивление деформации и высокую устойчивость к термическим ударам. Поэтому, даже когда прошивная оправка в этом варианте исполнения приходит в контакт с заготовкой 36, прошивная оправка с меньшей вероятностью деформируется и подвергается эрозии.
[0023] Однако сплав на Ni-Cr-основе имеет высокое содержание Cr, и тем самым затрудняется образование оксидной окалины на поверхности. Если инструмент для горячей обработки, выполненный из сплава на Ni-Cr-основе, используют для иных целей (например, направляющего башмака), чем для прошивной оправки, возникновение заедания может быть подавлено нанесением смазочного материала на поверхность, даже если затруднительно сформировать оксидную окалину.
[0024] Однако прошивную оправку затруднительно снабдить смазкой на поверхности прошивной оправки во время прошивки и прокатки. Это обусловлено тем, что прошивную оправку вдавливают в заготовку, как иллюстрировано на ФИГ. 1. Поэтому, когда корпус оправки, выполненный из сплава на Ni-Cr-основе, используют для прошивной оправки как таковой, существует возможность заедания.
[0025] Здесь, прошивная оправка в этом варианте исполнения включает Ni-Cr-слой, сформированный на поверхности корпуса оправки, и напыленное покрытие, образованное на поверхности Ni-Cr-слоя. Поскольку напыленное покрытие имеет устойчивость к заеданию, то даже прошивная оправка, выполненная из сплава на Ni-Cr-основе, может уменьшать возникновение заедания.
[0026] В этом случае Ni-Cr-слой действует в качестве адгезионного слоя между корпусом оправки и напыленным покрытием и усиливает сцепление напыленного покрытия с корпусом оправки. Поэтому повышается предел прочности при сдвиге напыленного покрытия относительно корпуса оправки, и тем самым подавляется отслаивание напыленного покрытия. В результате этого получается прошивная оправка, которая имеет превосходное сопротивление деформации базового материала (корпуса оправки) и превосходную адгезию напыленного покрытия и имеет длительный срок службы.
[0027] Прошивная оправка в этом варианте исполнения на основе вышеуказанной технической идеи является такой, как описано ниже.
[0028] Прошивная оправка в этом варианте исполнения включает корпус оправки, Ni-Cr-слой и напыленное покрытие. Ni-Cr-Слой формируют на поверхности корпуса оправки. Напыленное покрытие формируют на поверхности Ni-Cr-слоя. Корпус оправки содержит, в % по массе, от 20 до 30% Cr, от 30 до 55% Ni, от 0,005 до 0,5% С, от 0,1 до 1,0% Si, от 0,2 до 1,5% Mn и по меньшей мере один из Mo и W, которые удовлетворяют нижеследующему условному выражению (А), и остальное количество, включающее Fe и загрязняющие примеси:
1,5% ≤ Mo + 0,5W ≤ 8,5% … (А)
[0029] Корпус оправки, имеющий этот химический состав, имеет повышенную высокотемпературную прочность, высокое сопротивление деформации и высокую устойчивость к термическим ударам, и тем самым подавляется эрозия или деформация. Более того, поскольку напыленное покрытие имеет устойчивость к заеданию, с меньшей вероятностью возникает заедание. В дополнение, поскольку напыленное покрытие блокирует теплоту от заготовки, корпус оправки с меньшей вероятностью может деформироваться вследствие тепла от заготовки. Кроме того, напыленное покрытие имеет превосходную износостойкость. Поэтому увеличивается число циклов использования прошивной оправки согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения в качестве прошивной оправки для изготовления пустотелой трубной заготовки того же размера.
[0030] В дополнение, даже когда напыленное покрытие отслаивается от корпуса оправки при прошивке заготовки, то повторным формированием напыленного покрытия может быть получен корпус оправки, пригодный для изготовления пустотелой трубной заготовки того же размера. Это обеспечивается тем, что корпус оправки с меньшей вероятностью может деформироваться и подвергаться эрозии, как было описано выше. Поэтому возрастает число циклов использования корпуса оправки.
[0031] Напыленное покрытие предпочтительно содержит железо и оксид железа. В этом случае повышается износостойкость напыленного покрытия.
[0032] Напыленное покрытие, которое содержит железо и оксид железа, предпочтительно формируют дуговым распылением тонкого стального прутка. В этом случае может быть снижена стоимость изготовления напыленного покрытия.
[0033] В дополнение, Ni-Cr-слой действует как адгезионный слой между корпусом оправки и напыленным покрытием и усиливает сцепление напыленного покрытия с корпусом оправки. Поэтому повышается предел прочности при сдвиге напыленного покрытия относительно корпуса оправки и тем самым подавляется отслаивание напыленного покрытия.
[0034] Прошивную оправку в этом варианте исполнения предпочтительно подвергают термической обработке после того, как Ni-Cr-слой и напыленное покрытие сформированы на корпусе оправки.
[0035] В этом случае Ni в Ni-Cr-слое диффундирует в напыленное покрытие. Соответственно этому дополнительно повышается адгезия напыленного покрытия и оно может отслаиваться с меньшей вероятностью.
[0036] Далее будут описаны подробности относительно прошивной оправки согласно этому варианту исполнения.
[0037]
[Полная конфигурация прошивной оправки]
ФИГ. 2 представляет вид в продольном разрезе прошивной оправки 10 согласно этому варианту исполнения (вид в разрезе от поверхности, который включает центральную ось прошивной оправки 10). Со ссылкой на ФИГ. 2, прошивную оправку 10 применяют в прошивном стане (установке для продавливания канала). Прошивная оправка 10 включает корпус 11 оправки и защитное покрытие 12.
[0038]
[Корпус оправки]
Поперечное сечение корпуса 11 оправки имеет круглую форму, и ее наружный диаметр увеличивается в сторону заднего конца. Как и для прочих общеизвестных прошивных оправок, корпус 11 оправки включает участок прокатки и участок раскатки. Корпус 11 оправки выполнен из сплава на Ni-Cr-основе, как было описано выше. Более конкретно, корпус 11 оправки содержит, в % по массе, от 20 до 30% Cr, от 30 до 55% Ni, от 0,005 до 0,5% С, от 0,1 до 1,0% Si, от 0,2 до 1,5% Mn, и по меньшей мере один из Mo и W, которые удовлетворяют нижеследующему условному выражению (А), и остальное количество его включает Fe и загрязняющие примеси. Любой из элементов Cr, Ni, Mo и W повышает высокотемпературную прочность. Далее будет описан каждый из элементов.
1,5% ≤ Mo + 0,5W ≤ 8,5% … (А)
[0039] Хром (Cr) повышает высокотемпературную прочность сплава. Когда содержание Cr является слишком низким, вышеуказанное действие не получается в достаточной мере. С другой стороны, когда содержание Cr является слишком высоким, могут иметь место ситуации, когда корпус 11 оправки становится хрупким. Поэтому содержание Cr составляет от 20 до 30%. Предпочтительный нижний предел содержания Cr составляет 25%. Предпочтительный верхний предел содержания Cr составляет 30%.
[0040] Никель (Ni) повышает сопротивление деформации сплава и увеличивает прочность сплава. Кроме того, Ni повышает ударную вязкость и устойчивость к термическим ударам сплава. Когда содержание Ni является слишком низким, вышеуказанный эффект не достигается в достаточной степени. С другой стороны, когда содержание Ni является слишком высоким, эффект насыщается, и тем самым возрастает стоимость изготовления. Поэтому содержание Ni составляет от 30 до 55%. Предпочтительный нижний предел содержания Ni составляет 35%. Предпочтительный верхний предел содержания Ni составляет 50%.
[0041] Любой из молибдена (Mo) и вольфрама (W) повышает высокотемпературную прочность сплава. Когда содержание по меньшей мере одного из Mo и W не удовлетворяет условному выражению (А), вышеуказанный эффект не достигается в достаточной мере. Предпочтительный верхний предел содержания Mo составляет 7,0%, и предпочтительный верхний предел содержания W составляет 3,0%.
[0042] Углерод (С) повышает высокотемпературную прочность сплава. Когда содержание С составляет менее 0,005%, достаточная высокотемпературная прочность не достигается. С другой стороны, когда содержание С составляет более 0,5%, легко возникает закалочное растрескивание на поверхности корпуса 11 оправки. Поэтому содержание С составляет от 0,005 до 0,5%. Предпочтительно содержание С варьирует в диапазоне от 0,01 до 0,3%.
2
4
[0043] Кремний (Si) проявляет раскисляющее действие и эффективен для повышения температуры фазового АС1-перехода и увеличения плотности оксидной окалины, образованной на поверхности корпуса 11 оправки. В дополнение, поскольку Si ускоряет образование фаялита (FeSiO), повышается высокотемпературная деформируемость оксидной окалины, и тем самым эффективно усиливается адгезия. Однако, когда содержание Si составляет менее 0,1%, вышеуказанный эффект не получается. С другой стороны, когда содержание Si составляет более 1,0%, образуются большие количества фаялита, и не только падает температура плавления оксидной окалины, но также снижается ударная вязкость базового материала (корпуса 11 оправки). Поэтому содержание Si составляет от 0,1 до 1,0%. Предпочтительный диапазон содержания Si составляет от 0,1 до 0,6%. Более предпочтительным диапазоном содержания Si является интервал от 0,1 до 0,5%.
[0044] Марганец (Mn) стабилизирует аустенит при высокой температуре. То есть Mn уменьшает образование дельта-феррита и подавляет снижение ударной вязкости. Этот эффект достигается, когда содержание Mn является бóльшим или равным 0,2%. С другой стороны, когда содержание Mn превышает 1,5%, становится слишком высокой твердость, и тем самым после прошивки может легко возникать закалочное растрескивание. Поэтому содержание Mn составляет от 0,2 до 1,5%.
[0045] Корпус 11 оправки включает описанные выше элементы и включает Fe и загрязняющие примеси в качестве остального количества. Как загрязняющие примеси перечислены элементы, которые попадают с сырьевыми материалами, такими как руды или скрап, или примешиваются в процессе изготовления. Например, в качестве загрязняющих примесей указаны фосфор (Р) и сера (S). Чем меньшим является содержание Р и содержание S, тем лучше. С другой стороны, когда содержание каждого из Р и S составляет более 0,01%, снижается ударная вязкость корпуса 11 оправки. Поэтому верхние пределы содержания Р и содержания S составляют 0,01%. Химический состав корпуса 11 оправки может дополнительно содержать другие легирующие элементы (например, Al, Ti, В, Са, REM (редкоземельные металлы), Nb, или тому подобные) как необязательный элемент. Таким образом, химический состав корпуса 11 оправки может содержать от 20 до 30% Cr, от 30 до 55% Ni, от 0,005 до 0,5% С, от 0,1 до 1,0% Si, от 0,2 до 1,5% Mn и по меньшей мере один из Mo и W, которые удовлетворяют условному выражению (А).
[0046] Корпус 11 оправки может включать растворимый алюминий (Sol-Al) в качестве необязательного элемента. Растворимый алюминий представляет собой элемент, проявляющий раскисляющее действие. Необходимо, чтобы содержание растворимого алюминия было бóльшим или равным 0,005%. С другой стороны, когда содержание растворимого алюминия превышает 0,05%, снижается ударная вязкость корпуса 11 оправки. Поэтому содержание растворимого алюминия составляет от 0,005 до 0,05%.
[0047] В дополнение, корпус 11 оправки может включать по меньшей мере один из Ti, Nb, V, Zr и В в качестве необязательного элемента. Эти элементы оказывают действие, состоящее в измельчении зерен, и эффективны в повышении ударной вязкости корпуса 11 оправки. Предпочтительно, чтобы совокупное содержание этих элементов было бóльшим или равным 0,05%. С другой стороны, когда общее содержание этих элементов превышает 0,5%, происходит охрупчивание слоя, и снижается прочность корпуса 11 оправки. Поэтому предпочтительно, чтобы совокупное содержание этих элементов составляло от 0,05 до 0,5%.
[0048] ФИГ. 3 представляет увеличенное изображение участка вблизи поверхности прошивной оправки 10 из ФИГ. 2. Со ссылкой на ФИГ.  3, защитное покрытие 12 включает Ni-Cr-слой 121 и напыленное покрытие 122. Защитное покрытие 12 подавляет заклинивание и эрозию прошивной оправки 10.
[0049]
[Ni-Cr-слой 121]
Ni-Cr-Слой 121 формируют на поверхности корпуса 11 оправки. Ni-Cr-слой 121 выполнен из Ni-Cr-сплава. Ni-Cr-сплав предпочтительно содержит, в % по массе, от 20 до 50% Cr и от 50 до 80% Ni и включает загрязняющие примеси в качестве остального количества.
[0050] Ni-Cr-слой 121 повышает адгезию напыленного покрытия 122 к корпусу 11 оправки. Поскольку Ni-Cr-слой 121 формируют между напыленным покрытием 122 и корпусом 11 оправки, напыленное покрытие 122, с меньшей вероятностью, может отслаиваться от корпуса 11 оправки и тем самым повышается предел прочности при сдвиге напыленного покрытия 122.
[0051] Более того, Ni-Cr-слой 121 в меньшей степени окисляется. Поэтому снижается вероятность окисления поверхности раздела между Ni-Cr-слоем 121 и напыленным покрытием 122, и напыленное покрытие 122 может отслаиваться с меньшей вероятностью.
[0052] Предпочтительная толщина Ni-Cr-слоя 121 составляет от 50 до 100 мкм. Ni-Cr-слой 121 формируют, например, напылением. Примеры напыления включают электродуговое напыление, плазменное напыление, пламенное напыление и высокоскоростное пламенное напыление.
[0053] Ni-Cr-слой 121 предпочтительно формируют на поверхности корпуса 11 оправки после выполнения дробеструйной обработки поверхности корпуса 11 оправки. В этом случае дополнительно усиливается адгезия Ni-Cr-слоя 121 к корпусу 11 оправки.
[0054]
[Напыленная пленка 122]
3
4
Напыленное покрытие 122 формируют на поверхности Ni-Cr-слоя 121. Химический состав напыленного покрытия 122 не является конкретно ограниченным. Напыленное покрытие 122 предпочтительно выполняют из железа (Fe) и оксида железа (например, FeО, FeО и тому подобных). В этом случае напыленное покрытие 122 создают, например, дуговым распылением тонкого стального прутка. Напыленное покрытие 122, имеющее вышеуказанный состав, может быть сформировано в течение короткого времени, по сравнению с формированием оксидной окалины термической обработкой, и, кроме того, оно имеет превосходные характеристики теплозащиты и устойчивости к заеданию.
[0055] Напыленное покрытие 122 может дополнительно включать иные оксиды (например, оксид вольфрама и тому подобные), чем оксид железа.
[0056] Объемная доля оксида железа в напыленном покрытии 122, выполненном из железа и оксида железа, составляет от 55 до 80%. Более предпочтительно, объемная доля оксида железа в напыленном покрытии 122 в поверхностном слое является более высокой, чем на стороне корпуса 11 оправки. В этом случае отношение оксида железа к напыленному покрытию 122 составляет 40% или менее на граничном участке между напыленным покрытием 122 и корпусом 11 оправки, и от 55 до 80% на участке поверхностного слоя. Для изменения отношения оксида железа к напыленному покрытию 122, например, может быть изменено расстояние (дистанция напыления) от распылительного сопла устройства для дугового распыления до корпуса 11 оправки.
[0057] В прошивной оправке 10 согласно этому варианту исполнения используют Ni-Cr-слой 121 в качестве нижележащего слоя для напыленного покрытия 122, как описано выше. В этом случае предел прочности при сдвиге напыленного покрытия 122 относительно корпуса 11 оправки является более высоким, чем в случае, когда напыленное покрытие 122 формируют непосредственно на поверхности корпуса 11 оправки. Поэтому во время прошивки и прокатки, даже когда прошивная оправка 10 сталкивается или приходит в контакт с заготовкой, напыленное покрытие 122, с меньшей вероятностью, может отслаиваться от корпуса 11 оправки.
[0058] Прошивную оправку 10 предпочтительно подвергают термической обработке. Термическую обработку выполняют, например, следующим способом. После того, как Ni-Cr-слой 121 и напыленное покрытие 122 сформированы на корпусе 11 оправки, прошивную оправку 10 помещают в печь для термической обработки. Предпочтительная температура термической обработки составляет от 850 до 1150ºС, и предпочтительная продолжительность термической обработки составляет от 30 до 120 минут. Атмосфера в печи для термической обработки предпочтительно представляет собой атмосферу инертного газа. В этом случае Ni в Ni-Cr-слое 121 диффундирует в напыленное покрытие 122. В результате этого дополнительно повышается предел прочности при сдвиге напыленного покрытия 122, и напыленное покрытие 122 с еще меньшей вероятностью может отслаиваться от корпуса 11 оправки.
Как было описано выше, согласно этому варианту исполнения, можно создать прошивную оправку 10, которая имеет превосходное сопротивление деформации базового материала (корпуса 11 оправки) и превосходную адгезию напыленного покрытия 122 и имеет длительный срок службы.
[Примеры]
[0059] Сначала изготовили многочисленные прошивные оправки, в которых корпуса оправок имеют различные химические составы, и исследовали степень деформации каждой прошивной оправки после прошивки и прокатки.
[0060]
[Метод испытания]
Изготовили корпуса оправок, имеющих химические составы, показанные в Таблице 1.
[0061]
[Таблица 1]
[0062] Химические составы корпусов оправок в Примерах 1 и 2 были в диапазоне согласно настоящему изобретению. С другой стороны, корпуса оправок Сравнительных Примеров 1 и 2 были изготовлены из сплава на Fe-основе, и их химические составы имели низкие уровни содержания Ni и низкие уровни содержания Cr, и были вне диапазона согласно настоящему изобретению.
[0063] На поверхности каждого из корпусов оправок сформировали защитное покрытие (Ni-Cr-слой и напыленное покрытие) для изготовления прошивной оправки. Напыленное покрытие выполнили из железа и оксида железа и сформировали дуговым распылением тонкого стального прутка в одинаковых условиях изготовления. Содержание (в объемных процентах) оксида железа в напыленном покрытии в каждой из прошивных оправок составляло 20% на граничном участке между прошивной оправкой и корпусом оправки и составляло 70% в поверхностном слое в любой из прошивных оправок. Толщина напыленного покрытия составляла 1200 мкм на оконечности и 400 мкм на других участках в любой из прошивных оправок.
[0064] С использованием прошивных оправок провели прошивку и прокатку заготовок. Заготовка представляла собой 13Cr-сталь и имела диаметр 191 мм и длину 2200 мм. Температура заготовки после начала прошивки и прокатки составляла около 1200°С. После прошивки и прокатки заготовки измерили осевую длину прошивной оправки. Вычитанием осевой длины прошивной оправки после прошивки и прокатки из осевой длины прошивной оправки до прошивки и прокатки получили величину деформации по осевой длине прошивной оправки. Делением величин деформации других прошивных оправок (прошивных оправок согласно Примерам 1 и 2 и прошивной оправки согласно Сравнительному Примеру 2) на величину деформации прошивной оправки согласно Сравнительному Примеру 1 получили степень деформации по осевой длине прошивной оправки.
[0065]
[Результаты испытаний]
Результаты испытаний показаны совместно в Таблице 1. Значения степени деформации прошивных оправок согласно Примерам 1 и 2 были меньшими, чем для прошивных оправок согласно Сравнительным Примерам 1 и 2. То есть удалось подтвердить, что прошивные оправки согласно Примерам 1 и 2 имели более высокое сопротивление деформации, чем прошивные оправки согласно Сравнительным Примерам 1 и 2, и число циклов их использования в качестве прошивной оправки для изготовления пустотелой трубной заготовки того же размера увеличилось.
[0066]
Затем, как показано в Таблице 2, изготовили многочисленные прошивные оправки, имеющие разнообразные защитные покрытия, и образцы для испытания на предел прочности при сдвиге.
[0067]
[Таблица 2]
Испытание №
Нижележащий слой
Напыленное покрытие
Предел прочности при сдвиге (кгс/мм<sup>2</sup>)
Соотношение числа проходов
Материал
Толщина (мкм)
Термическая обработка
Материал
Толщина (мкм)
1
Нет
0
Нет
Fe и оксид Fe
500
1,00
1,00
2
NiCrAlY
100
Нет
Fe и оксид Fe
400
1,38
1,33
3
50Ni50Cr
50
Нет
Fe и оксид Fe
450
1,15
1,25
4
50Ni50Cr
50
Да
Fe и оксид Fe
450
1,75
1,42
5
A1
50
Нет
Fe и оксид Fe
450
0,72
0,67
6
50Ni50Cr
100
Нет
Fe и оксид Fe
400
1,20
1,25
[0068]
[Прошивная оправка]
Со ссылкой на Таблицу 2, в Испытании № 1 напыленное покрытие, выполненное из железа и оксида железа, нанесли непосредственно на поверхность корпуса оправки. В Испытаниях №№ 2-4 и 6 на поверхности корпуса оправки сформировали Ni-Cr-слой в качестве нижележащего слоя и затем на поверхности Ni-Cr-слоя сформировали напыленное покрытие, имеющее такой же состав, как в Испытании № 1. Ni-Cr-Слой в Испытании № 2 выполнили из NiCrAlY-сплава. Ni-Cr-Слои в Испытаниях №№ 3, 4 и 6 содержали 50% по массе Ni и 50% по массе Cr.
[0069] В прошивной оправке Испытания № 5 на поверхности корпуса оправки сформировали Al-слой в качестве нижележащего слоя, и на поверхность Al-слоя нанесли напыленное покрытие, имеющее такой же состав, как в Испытании № 1.
[0070] Среди прошивных оправок в Испытаниях №№ 1-6 для тех из них, которые имели нижележащие слои, нижележащий слой сформировали дуговым напылением. Толщина нижележащего слоя в испытании каждого номера была такой, как показано в Таблице 2. Напыленное покрытие на каждой прошивной оправке сформировали дуговым распылением тонкого стального прутка. Условия дугового напыления для испытания каждого номера были одинаковыми. Толщина каждого напыленного покрытия была, как показано в Таблице 2, и была достигнута суммарная величина 500 мкм во всех случаях добавлением толщины соответствующего нижележащего слоя.
[0071] В отношении Испытания № 4 после формирования напыленного покрытия выполняли термическую обработку. Более конкретно, прошивную оправку поместили в печь для термической обработки в атмосфере аргона (Ar) и выдерживали при температуре 1000ºС в течение 60 минут с последующим охлаждением печи. Что касается прошивных оправок в испытаниях иных номеров, чем Испытание № 4, то термическую обработку не проводили.
[0072] В дополнение, все материалы корпуса оправки прошивной оправки в испытании каждого номера имели химический состав, соответствующий марке SKD61 согласно Японским промышленным (JIS) стандартам.
[0073]
[Образцы для измерения предела прочности при сдвиге]
Образец для описанного выше испытания каждого номера имел форму с размерами 50 мм × 20 мм × 10 мм. Материал образца был таким же, как корпус оправки. Такое же защитное покрытие, как на прошивной оправке в испытании того же номера, сформировали на поверхности (далее называемой основной поверхностью) с размером 50 мм × 20 мм для каждого образца. Более конкретно, на образце для Испытания № 1 напыленное покрытие, выполненное из Fe и оксида Fe, с толщиной 500 мкм, сформировали непосредственно на основной поверхности, как показано в Таблице 2. На основных поверхностях образцов для Испытаний №№ 2-4 и 6 Ni-Cr-слой, имеющих химический состав и толщину, показанные в Таблице 2, и напыленное покрытие, выполненное из Fe и оксида Fe, сформировали до достижения общей толщины 500 мкм. На основной поверхности образца для Испытания № 5 Al-слой и напыленное покрытие, выполненное из Fe и оксида Fe, сформировали до достижения общей толщины 500 мкм. В отношении образца для Испытания № 4 выполнили термическую обработку в таких же условиях, как для прошивной оправки в Испытании № 4.
[0074]
[Испытание для измерения предела прочности при сдвиге]
С использованием образца для испытания каждого номера предел прочности при сдвиге защитного покрытия (Ni-Cr-слой и напыленное покрытие) измерили следующим методом.
[0075] Защитное покрытие (напыленное покрытие в Испытании № 1 и нижележащий слой и напыленное покрытие в Испытаниях №№ 2-6) на основной поверхности каждого образца разрезали и удалили, и часть защитного покрытия оставили на основной поверхности, как показано на ФИГ. 4. Численные значения на ФИГ. 4 представляют размеры (мм).
2
[0076] С использованием образца, в котором часть защитного покрытия была удалена, выполнили испытание на предел прочности при сдвиге на основе стандарта JIS G0601(2002)5.4 для получения величины предела прочности при сдвиге (кгс/мм).
[0077]
[Испытание прошивки и прокатки]
С использованием прошивной оправки для испытания каждого номера провели прошивку и прокатку многочисленных круглых заготовок для оценки адгезии покрытия. Более конкретно, изготовили многочисленные круглые заготовки (с наружным диаметром 70 мм и длиной 700 мм), имеющие химический состав соответственно марке SUS304, регламентированной в JIS-стандартах.
[0078] Круглую заготовку подвергли прошивке и прокатке с использованием прошивной оправки для испытания каждого номера. Всякий раз при выполнении прошивки и прокатки одиночной круглой заготовки визуально обследовали поверхность прошивной оправки для проверки, происходило ли или нет отслаивание напыленного покрытия. В случае, когда отслаивание напыленного покрытия подтверждалось после n-ного («n» представляет натуральное число) цикла прошивки и прокатки, число проходов, в которых прошивная оправка могла бы быть использована для прошивки и прокатки (далее просто называемое числом проходов), определяли как «n-1».
[0079] Для прошивной оправки в испытании каждого номера получили число проходов. В дополнение, получили соотношение числа проходов R для испытания каждого номера на основе следующего выражения.
R = число проходов соответствующего номера испытания/число проходов для Испытания № 1
[0080]
[Результаты испытаний]
Результаты испытаний показаны в Таблице 2.
[0081] Значения предела прочности при сдвиге в Испытаниях №№ 2-4 и 6 были более высокими, чем для Испытаний №№ 1 и 4. Более того, соотношения числа проходов для них были выше 1. Представляется, что это обусловлено тем, что сформирован Ni-Cr-слой в качестве нижележащего слоя, и тем самым напыленное покрытие может отслаиваться с меньшей вероятностью.
[0082] Хотя материалы нижележащего слоя и напыленного покрытия в Испытаниях №№ 3 и 4 были одинаковыми, материалы в Испытании № 4 были подвергнуты термической обработке. В результате этого предел прочности при сдвиге и соотношение числа проходов в Испытании № 4 были более высокими, чем для Испытания № 3.
[0083] С другой стороны, предел прочности при сдвиге в Испытании № 5 был ниже, чем величины предела прочности при сдвиге в Испытаниях №№ 1-4 и 6, и также низким было соотношение числа проходов. Представляется, что это обусловлено тем, что Al-слой в качестве нижележащего слоя ухудшал адгезию напыленного покрытия.
[0084] В то время как были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, вышеописанные варианты исполнения представляют собой только примеры вариантов осуществления настоящего изобретения. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, и описанные выше варианты исполнения могут быть надлежащим образом модифицированы в диапазоне, который не выходит за пределы его области.
[Описание номеров позиций и условных обозначений]
[0085]
10: прошивная оправка
11: корпус оправки
12: защитное покрытие
121: Ni-Cr-слой
122: напыленное покрытие