JPH10291008A

JPH10291008A - 熱間製管用工具及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10291008A
Application number: JP10146197A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Okada; 康孝岡田; Tetsuya Nakanishi; 哲也中西
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】炭素鋼や低合金鋼の薄肉・長尺継目無管を製造
する際の内面圧延工具として使用される廉価な熱間製管
用工具とその製造方法の提供。【解決手段】C：0.10〜0.20％未満、Si：0.01〜1.0％、
Mn：0.3〜1.0％、Ni：0.5〜4.0％、Cr：1.0〜4.0％、M
o：0.05〜1.0％、Al：0〜0.040％、W：0〜1.0％、Ti：0
〜1.0％、B：0〜0.01％、P≦0.035％、S≦0.035％、残
部はFeと不純物の組成の鋼製基体の表面にスケール層を
有し、そのスケール層の内層が厚さ50〜300 μｍのスピ
ネル型の複合酸化物である熱間製管用工具。その製造方
法は、上記組成の鋼を、鋳造、鋳造後の機械加工、
熱間加工後の機械加工で工具形状とし、その後スケー
ル付けのための熱処理を行う。スケール付けのための熱
処理の前にショットピーニングを行っても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マンネスマン製管
方式により継目無管を製造する際の穿孔圧延や延伸圧延
で内面圧延工具として使用される熱間製管用工具及びそ
の製造方法に関し、より詳しくは、マンネスマン製管方
式により炭素鋼や低合金鋼の継目無管、なかでも薄肉・
長尺継目無管を製造する際の内面圧延工具として使用さ
れる耐シワ・肌荒れ発生特性、耐熱亀裂発生特性及び耐
亀裂進展性に優れた熱間製管用工具及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】マンネスマン製管方式による継目無管の
製造工程は、大別して傾斜ロール式の２ロール式ピアサ
ーや３ロール式ピアサーあるいは孔型ロール式のプレス
ロールピアシングミルなどの圧延機を使用する穿孔圧延
工程と、これに続く傾斜ロール式の２ロールエロンゲー
ター（延伸機）などを使用する延伸圧延工程とからなっ
ている。そして、これらの圧延工程には内面圧延用工具
（ピアサープラグやマンドレルなど、以下、「内面圧延
用工具」を単に「工具」ともいう）を欠くことができな
い。

【０００３】炭素鋼や低合金鋼の継目無管を製造する際
の内面圧延用工具、例えば穿孔圧延用工具であるピアサ
ープラグなどとしては、従来、重量％で０．３％Ｃ−３
％Ｃｒ−１％Ｎｉを主成分とする鋼（以下、３Ｃｒ−１
Ｎｉ鋼という）の鋳造材を切削加工した鋼製基体の表面
に酸化スケ−ルを形成させたものが使用されてきた。こ
れは、酸化スケ−ルが工具表面の断熱性を高めて工具表
面が高温にさらされるのを防止し、しかも高温での潤滑
性を高める機能を有しているためである。なお、本明細
書における以下の記載においては「外表面」のことを単
に「表面」といい、「内表面」を指す場合には特に「内
表面」という。

【０００４】しかし、ステンレス鋼や高Ｃｒ鋼の継目無
管を製造する場合には、製管温度での変形抵抗が高い。
したがって、上記の３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼製基体の表面に酸
化スケ−ルを形成させた工具をステンレス鋼や高Ｃｒ鋼
の継目無管の製造に用いると、工具寿命が極めて短いも
のとなってしまいコストが嵩んでしまう。このため、本
発明者らは、先に特開平７−６０３１４号公報において
ステンレス鋼や高Ｃｒ鋼の継目無管を製造する際に使用
する「熱間製管用工具及びその製造方法」を提案した。

【０００５】なお、化学成分として重量％で、Ｃ：０．
２０〜０．４０％、Ｓｉ：０．３０〜１．００％、Ｍ
ｎ：０．３０〜１．００％、Ｃｒ：１．００〜４．００
％、Ｎｉ：０．５０〜４．００％を含有する鋼が一般的
な３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼として知られている。

【０００６】一方、最近マンネスマン製管方式により炭
素鋼や低合金鋼の薄肉・長尺継目無管を製造することが
増えてきた。薄肉・長尺の継目無管を製造する場合に
は、穿孔長さが増加することにより工具に負荷される面
圧が高くなり、表面温度も上昇するので工具寿命は著し
く低下してしまう。このため、炭素鋼や低合金鋼の薄肉
・長尺継目無管を製造する場合に、前記の特開平７−６
０３１４号公報で提案した工具を使用して工具寿命を改
善することが考えられる。

【０００７】しかし、本発明者らが前記の公報で提案し
た工具は、重量％でＭｏ及びＷの１種以上を合計で１．
５〜８．０％も含むため素材コストが高く、しかもスケ
ール付けの熱処理条件が複雑なためコストが嵩んでしま
う。したがって、従来タイプの３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼を基本
とした安価な組成の鋼製基体からなる工具の寿命を向上
させ、これを使用してマンネスマン製管方式により炭素
鋼や低合金鋼の薄肉・長尺継目無管を製造することが望
まれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、マンネスマン製管方式により炭素
鋼や低合金鋼の継目無管、なかでも薄肉・長尺の継目無
管を製造する際の内面圧延工具として使用される耐シワ
・肌荒れ発生特性、耐熱亀裂発生特性及び耐亀裂進展性
に優れた廉価な熱間製管用工具及びその製造方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）に示す熱間製管用工具及び（２）〜（４）に示す
熱間製管用工具の製造方法にある。

【００１０】（１）重量％で、Ｃ：０．１０％以上０．
２０％未満、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３
〜１．０％、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜
４．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０〜０．
０４０％、Ｗ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．０１％、不純物としてのＰ：０．０３５％
以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部はＦｅ及び不可避不
純物の組成の鋼製基体の表面にスケール層を有し、その
スケール層の内層が厚さ５０〜３００μｍのスピネル型
の複合酸化物であることを特徴とする熱間製管用工具。

【００１１】（２）重量％で、Ｃ：０．１０％以上０．
２０％未満、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３
〜１．０％、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜
４．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０〜０．
０４０％、Ｗ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．０１％、不純物としてのＰ：０．０３５％
以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部はＦｅ及び不可避不
純物の組成からなる鋼を、鋳造により又は鋳造後に機械
加工して工具形状とし、その後スケール付けのための熱
処理を行うことを特徴とする熱間製管用工具の製造方
法。

【００１２】（３）重量％で、Ｃ：０．１０％以上０．
２０％未満、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３
〜１．０％、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜
４．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０〜０．
０４０％、Ｗ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、
Ｂ：０〜０．０１％、不純物としてのＰ：０．０３５％
以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部はＦｅ及び不可避不
純物の組成からなる鋼を、熱間加工後に機械加工して工
具形状とし、その後スケール付けのための熱処理を行う
ことを特徴とする熱間製管用工具の製造方法。

【００１３】（４）工具形状とした後スケール付けのた
めの熱処理の前にショットピーニングを行うことを特徴
とする上記（２）又は（３）に記載の熱間製管用工具の
製造方法。

【００１４】以下、上記の（１）〜（４）をそれぞれ
（１）〜（４）の発明ということがある。

【００１５】なお、既に述べたように上記の「表面」と
は「外表面」のことを指す。

【００１６】スピネル型の複合酸化物とは、スピネル型
の結晶構造を有する酸化物であって、その組成としてＦ
ｅ以外に、例えば、Ｃｒなど他の合金元素を含むものを
いう。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者らは前記した課題を解決
するため、先ず、３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼製基体の表面に酸化
スケ−ルを形成させた工具（以下、単に３Ｃｒ−１Ｎｉ
鋼製工具という）としてプラグを用いてマンネスマン製
管方式により種々の炭素鋼や低合金鋼の薄肉・長尺継目
無管を製造し、上記プラグが寿命に達するまでの過程を
調査した。

【００１８】その結果、従来の継目無管を製造する場合
の３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼製工具としてのプラグの寿命がシワ
疵や肌荒れ（以下、単にシワと総称する）を起点とした
割れ部の開口や破壊に基づくものが主であったのに対し
て、薄肉・長尺継目無管を製造する場合の上記プラグの
寿命は、シワに基づく表面焼付きによるものの他に、プ
ラグの表面に発生した微細な熱亀裂を起点とし、更にこ
れが疲労亀裂となって進展して割れ部が開口するかプラ
グ本体が破壊することに基づいて寿命に到る場合が多く
なることが判明した。

【００１９】つまり、薄肉・長尺の継目無管を製造する
際の３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼製工具の寿命を向上させるために
は、シワの生成を抑制することに加えて耐熱亀裂発生特
性及び耐亀裂進展性を高める必要があることがわかっ
た。

【００２０】そこで次に、３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼を基本組成
として化学組成を種々変えた鋼製基体の表面に酸化スケ
−ルを形成させたプラグを用いてマンネスマン製管方式
により種々の炭素鋼や低合金鋼の薄肉・長尺継目無管を
製造し、前記プラグの表面部及び内部（以下、母材部と
いう）を詳細に調査した。その結果、下記（ａ）〜
（ｉ）の事項が明らかになった。

【００２１】（ａ）プラグの素材となる鋼の靭性及び延
性を高めると熱亀裂に起因した割れの進展を抑制するこ
とができるためプラグ寿命が向上する。

【００２２】（ｂ）プラグの素材となる鋼の高温変形抵
抗を高めるとシワの生成を抑制することができるのでプ
ラグ寿命を延長することができる。

【００２３】（ｃ）プラグ表面部は製管中の温度上昇に
よって局所的に、特にプラグ先端の表面部がオ−ステナ
イト化し、その後の冷却課程で焼きが入って著しく硬化
する。この硬化によって熱間における強度が高くなるた
めシワの発生は回避できる。しかし一方では、硬化部の
室温引張強度が１６００ＭＰａを超えて高くなると、延
性や靭性が低下するため却って熱亀裂が生じ易くなり、
一旦熱亀裂が発生するとその亀裂は急激に進展してしま
う。

【００２４】（ｄ）一方、プラグの表面部硬化層以外で
は、プラグ内表面側の製管中に温度上昇を受けた母材部
が焼戻し脆性を生じ、その部分の靭性が著しく低下して
しまう。なお、前記の焼戻し脆性を生じた母材部の靭性
はプラグ表面の硬化層における靭性より更に低いもので
ある。

【００２５】（ｅ）プラグにおける割れは表面部の硬化
層を貫通し、母材部の前記脆化層に達するもので、極端
な場合には割れは内表面にまで達していた。

【００２６】（ｆ）表面部硬化層の靭性を高めるには、
Ｃの含有量を低めて焼入れままでの硬度を低下させるこ
とが最も効果的である。

【００２７】（ｇ）上記（ｄ）で述べた母材部脆化層の
靭性を改善するには鋼に適正量のＭｏを添加したり、不
純物元素としてのＰ及びＳの含有量を低減したりするこ
とが有効である。

【００２８】（ｈ）工具（鋼材）のリサイクル性という
点からは、Ｐ及びＳを低減することなく靭性を高めるこ
とができるＭｏの添加が望ましい。なお、Ｍｏの添加は
靭性を改善するだけではなく高温強度も上昇させるの
で、プラグ表面部の塑性流動に起因して生ずるシワの低
減にも有効である。

【００２９】（ｉ）適正な条件で熱間加工を受けて工具
形状に加工された工具（つまり（３）の発明によって製
造された工具）は、偏析の軽減や結晶粒の微細化がなさ
れているので、鋳造によって工具形状にされた工具又は
鋳造と機械加工で工具形状にされた工具（つまり（２）
の発明によって製造された工具）に比べて靭性及び延性
が優れる。なお、工具形状に加工するに際して熱間加工
を施す（３）の発明の場合には、鋼の組成としてのＳｉ
を低減すれば一層良好な靭性が確保できる。

【００３０】本発明は上記の知見に基づいて完成された
ものである。

【００３１】以下、本発明の各要件について詳しく説明
する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味す
る。

【００３２】（Ａ）鋼の化学組成Ｃ：０．１０％以上０．２０％未満Ｃは、鋼の高温強度及び焼入れ性を高める作用を有す
る。更に、工具の表面に硬化部を形成させて耐摩耗性を
高める作用を有する。しかし、その含有量が０．１０％
未満では表面部硬化層の室温での引張強さが１０００Ｍ
Ｐａを下回るため製管時に工具表面の変形が大きくな
り、所望の製管作業が行えない場合がある。一方、Ｃ含
有量が０．２０％以上では、表面部硬化層の室温での引
張強さが１６００ＭＰａを超えてしまうため、延性・靭
性がともに劣化する。したがって、Ｃの含有量を０．１
０％以上０．２０％未満とした。

【００３３】Ｓｉ：０．０１〜１．０％Ｓｉは、鋼の脱酸作用及びＡｃ₁ 点を上昇させて製管時
の昇温による工具表面のオーステナイト領域の広さや深
さを小さくしてその後の冷却過程での硬化による靭性と
延性の劣化を防止する作用を有する。更に、工具表面の
酸化スケ−ル層を緻密化する作用もある。しかし、その
含有量が０．０１％未満では添加効果に乏しい。一方、
１．０％を超えると靭性の劣化を招くとともに工具表面
のスケ−ル層の厚みが小さくなるので潤滑性が低下す
る。したがって、Ｓｉ含有量を０．０１〜１．０％とし
た。

【００３４】なお、鋼の脱酸作用、Ａｃ₁ 点上昇作用、
工具表面の酸化スケ−ル層を緻密化する作用を充分に確
保するためにはＳｉの含有量は０．３％以上とすること
が好ましい。

【００３５】３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼を基本組成とする鋼にお
いて、Ｓｉの含有量が０．１５％未満の場合には靭性改
善効果が特に大きくなる。このため、工具に対して優れ
た靭性が特に要求される場合には、Ｓｉ含有量を０．１
５％未満としても良い。なお、Ｓｉ含有量を０．１５％
未満に抑える場合には、工具形状とするに際して熱間加
工を行う（３）の発明による方法を採ることが好まし
い。

【００３６】Ｍｎ：０．３〜１．０％Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めて表面硬化層を厚くするの
に有効な元素である。その効果を確保するためには０．
３％以上の含有量を必要とする。しかし、１．０％を超
えて含有すると靭性の著しい劣化を招く。したがって、
Ｍｎ含有量を０．３〜１．０％とした。

【００３７】Ｎｉ：０．５〜４．０％Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高めて表面硬化層を厚くするが
他の元素とは異なって表面硬化層及び母材部の靭性を高
める作用を有する。更に、工具表面のスケ−ル層に金属
粒子として残り、スケ−ルの耐剥離性を高める作用もあ
る。しかし、その含有量が０．５％未満では前記効果が
得難い。一方、４．０％を超えて含有させると、変態点
（Ａｃ₁ 点）が大きく低下して７００℃以下の温度にな
るので、高温強度が低下してしまう。したがって、Ｎｉ
の含有量を０．５〜４．０％とした。

【００３８】Ｃｒ：１．０〜４．０％Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めて表面硬化層を厚くすると
ともに、工具表面の酸化スケール層を緻密化して母材と
の密着性を高めるのに有効な元素である。しかし、その
含有量が１．０％未満では表面硬化層の形成が困難であ
る。加えてスケ−ルがポ−ラス化して剥離してしまうの
で、工具寿命の低下を招く。一方、Ｃｒを４．０％を超
えて含有させると靭性の劣化を招く。更に、耐酸化性が
向上し過ぎるため酸化スケール層の厚さが十分大きくな
らず、酸化スケール層による工具の保護作用が確保でき
なくなる。したがって、Ｃｒの含有量を１．０〜４．０
％とした。

【００３９】Ｍｏ：０．０５〜１．０％Ｍｏは、鋼の焼入れ性と高温強度を高めるとともに靭性
を改善する作用を有する。更に、Ｍｏには工具表面の酸
化スケール層の母材との密着性を高める作用もある。と
りわけ、３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼を基本組成とする鋼において
は、焼戻し又は製管時の温度上昇を受けた部分の脆化を
防止するのに有効である。しかし、その含有量が０．０
５％未満では添加効果に乏しい。一方、１．０％を超え
ると未固溶の炭化物として残留するため高温強度及び靭
性を改善する効果が飽和するばかりか、粗大な炭化物が
却って靭性を劣化させてしまう。したがって、Ｍｏの含
有量を０．０５〜１．０％とした。なお、前記効果を確
実に得るためには、Ｍｏの含有量は０．１０％以上とす
ることが好ましい。

【００４０】Ａｌ：０〜０．０４０％Ａｌは添加しなくても良い。添加すれば、鋼を脱酸して
靭性、特に表面硬化層の靭性を高める作用を有する。こ
の効果を確実に得るには、Ａｌは０．００５％以上の含
有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．
０４０％を超えると高温強度の低下を招く。したがっ
て、Ａｌの含有量を０〜０．０４０％とした。なお、こ
こでいうＡｌの含有量とは所謂「ｓｏｌ．Ａｌ」として
の含有量を指す。

【００４１】Ｗ：０〜１．０％Ｗは添加しなくても良い。添加すれば、高温強度を高め
る効果を有する。この効果を確実に得るには、Ｗは０．
１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その
含有量が１．０％を超えると未固溶の炭化物として残留
するため高温強度及び靭性を改善する効果が飽和するば
かりか、粗大な炭化物が却って靭性を劣化させてしま
う。したがって、Ｗの含有量を０〜１．０％とした。

【００４２】Ｔｉ：０〜１．０％Ｔｉは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の組織を微
細化して室温強度及び高温強度を高める効果を有する。
この効果を確実に得るには、Ｔｉは０．０５％以上の含
有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が１．
０％を超えると靭性が著しくて以下する。したがって、
Ｔｉの含有量を０〜１．０％とした。

【００４３】Ｂ：０〜０．０１％Ｂは添加しなくても良い。添加すれば、鋼の組織を微細
化して室温強度及び高温強度を高める効果を有する。こ
の効果を確実に得るには、Ｂは０．００２０％以上の含
有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．
０１％を超えると靭性の低下をきたす。したがって、Ｂ
の含有量を０〜０．０１％とした。

【００４４】本発明においては不純物元素としてのＰ及
びＳの含有量を下記のように制限する。

【００４５】Ｐ：０．０３５％以下Ｐは表面硬化層及び母材部の靭性を劣化させ、特にその
含有量が０．０３５％を超えると靭性の劣化が著しい。
したがって、不純物元素としてのＰの含有量を０．０３
５％以下とした。なお、Ｐの含有量を０．０１％以下に
すれば極めて良好な靭性が得られる。したがって、工具
に対して極めて良好な靭性が要求される場合には、Ｐの
含有量を０．０１％以下に規制しても良い。

【００４６】Ｓ：０．０３５％以下Ｓも表面硬化層及び母材部の靭性を劣化させ、特にその
含有量が０．０３５％を超えると靭性の劣化が著しい。
したがって、不純物元素としてのＳの含有量を０．０３
５％以下とした。なお、Ｓの含有量を０．０１％以下に
すれば極めて良好な靭性が得られる。したがって、工具
に対して極めて良好な靭性が要求される場合には、Ｓの
含有量を０．０１％以下に規制しても良い。

【００４７】なお、不純物元素としてのＮは、溶製時の
凝固欠陥の原因となるので、その含有量は０．０２％以
下に規制することが好ましい。

【００４８】（Ｂ）工具表面のスケール工具表面（熱間製管用工具の鋼製基体表面）を酸化させ
てスケール付けを行うが、この場合のスケール層は一般
に２層に分かれる。すなわち、外層側はＦｅＯ主体の比
較的ポーラスなスケールである。一方、内層はスピネル
型の結晶構造を有する複合酸化物からなる、緻密な耐剥
離性に優れたスケール層である。なお、前記内層スケー
ルと母材との界面は粒界酸化型を呈する。

【００４９】上記のスケール層のうち、外層スケ−ルは
容易に剥離して工具寿命には関与せず、工具寿命に影響
を及ぼすのは前記した内層スケ−ルである。そして、こ
のスピネル型の複合酸化物からなる緻密な内層スケール
の厚さが５０〜３００μｍの場合に工具寿命が向上す
る。

【００５０】内層スケールの厚さが５０μｍ未満の場合
には、既に述べたスケールの高温での潤滑性を高める効
果及び工具表面の断熱性を高めて工具表面が高温にさら
されるのを防止する効果が得られないので、工具寿命の
向上が達成できない。一方、内層スケールはその厚さが
３００μｍを超えて厚くなりすぎるとポーラスで剥離し
やすくなるのでやはり工具寿命の向上が達成できない。
したがって本発明においてはスケール層の内層を厚さ５
０〜３００μｍのスピネル・複合酸化物型のスケールと
規定した。

【００５１】なお、工具表面に上記のスケール付けを行
うための熱処理としては、例えば、体積％で水蒸気：１
５〜２５％、ＣＯ₂ ：１０〜１５％、Ｏ₂ ：５％以下の
雰囲気中において、９００〜１２００℃の温度で１〜１
０時間保持し、スケールに割れが入ったりスケールが剥
離したりすることがないように、１００℃／ｈ以下の冷
却速度で徐冷する処理を行えば良い。

【００５２】（Ｃ）工具形状への成形熱間製管用工具（ピアサー用穿孔プラグ、エロンゲータ
ー圧延用プラグ、プラグミル圧延用など）の製造に際し
て工具形状への成形は、下記又はの方法で行う。

【００５３】前記（Ａ）の化学組成を有する鋼を溶製
してから鋳造して鋳造のままで、又は鋳造後に機械加工
して所要の形状に仕上げる（（２）の発明の方法）。

【００５４】前記（Ａ）の化学組成を有する鋼の鋼塊
又は鋼片を熱間鍛造や熱間圧延により熱間加工して粗成
形し、その後機械加工を施して所要の形状に仕上げる
（（３）の発明の方法）。

【００５５】（２）の発明に係る上記の成形方法にお
いて、鋳造及び機械加工の方法は特に規定されるもので
はなく通常の方法で行えば良い。更に、（３）の発明に
係る上記の成形方法において、鋼塊又は鋼片の製造方
法及び機械加工の方法は特に規定されるものではなく通
常の方法で行えば良い。

【００５６】なお、上記の成形方法において下記の条
件で熱間加工すれば、上記の方法で成形した場合に比
べて靭性及び／又は耐亀裂進展性が改善されるので工具
寿命が向上する。

【００５７】すなわち、上記における熱間加工におい
て加工時の成形比が大きいと結晶粒を微細化でき、特に
成形比が１．２以上の場合に結晶粒微細化効果が大きく
靭性及び／又は耐亀裂進展性が改善される。このため、
上記における熱間加工においては、鋼塊又は鋼片を１
０００〜１２５０℃の温度に加熱した後、成形比で１．
２以上となるように熱間加工することが好ましい。

【００５８】加熱温度が１０００℃未満では鋼の変形抵
抗が大きいので割れ感受性が高くなり、このため特に成
形比が１．２以上の加工を行う粗成形材に割れが生じて
所望の工具が得られない場合もあるからである。一方、
加熱温度が１２５０℃を超えると高温延性が劣化して、
特に成形比が１．２以上の加工を行うと、加熱温度が１
０００℃未満の場合におけると同様に粗成形材への熱間
加工ができなくなる場合も生ずるためである。

【００５９】なお、「成形比」とはＡ0 を加工前の断面
積、Ａを加工後の断面積とした場合の（Ａ0／Ａ）のこ
とを指す。

【００６０】（Ｄ）ショットブラスト上記（Ｃ）に述べた方法で所定の工具形状に成形した
後、ショットブラスト処理を施してからスケール付けの
ための熱処理を行えば、酸化スケール層の母材との密着
性を大きく高めることができるため、酸化スケール層
（スケール内層）による大きな工具の保護作用が確保で
きる。したがって、工具寿命を一層高めたい場合には、
スケール付けのための熱処理の前にショットブラスト処
理を行っても良い（（４）の発明）。

【００６１】なお、（４）の発明に係る上記ショットブ
ラストの方法は特に規定されるものではなく通常の方法
で行えば良い。

【００６２】（１）の発明に係る熱間製管用工具は、上
記（Ｃ）の方法で成形され、必要に応じて（Ｄ）のショ
ットブラストを施された後、（Ｂ）のスケール付けをさ
れて製造される。

【００６３】以下、熱間製管用工具としてピアサー用穿
孔プラグを取り上げて、本発明の効果を実施例によって
更に具体的に説明する。

【００６４】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を通常の方法で５０
０ｋｇ大気炉溶製（鋼Ａ、鋼Ｃ、鋼Ｄ、鋼Ｆ、鋼Ｇ、鋼
Ｉ及び鋼Ｋ〜Ｌ）又は３トン電気炉溶製（鋼Ｂ、鋼Ｅ、
鋼Ｈ、鋼Ｊ及び鋼Ｐ）した。

【００６５】表１における鋼Ｃ〜Ｉは本発明例の鋼で、
鋼Ａ、鋼Ｂ、鋼Ｊ〜Ｎ及び鋼Ｐは成分のいずれかが本発
明で規定する含有量から外れた比較例の鋼である。な
お、比較例の鋼のうち鋼Ａ及び鋼Ｂは従来の３Ｃｒ−１
Ｎｉ鋼である。

【００６６】

【表１】

【００６７】５００ｋｇ大気炉溶製した鋼のうち鋼Ａ、
鋼Ｄ、鋼Ｆ、鋼Ｇ及び鋼Ｋ〜Ｎは通常の方法で金型に鋳
造することによって、又、鋼Ｃ及び鋼Ｉは通常の方法で
金型に鋳造後に機械加工して、いずれも最大外径１８７
ｍｍのピアサープラグ形状とした。

【００６８】この後、鋼Ｆ、鋼Ｇ、鋼Ｋ及び鋼Ｌについ
てはショットブラストを行うことなく、又鋼Ａ、鋼Ｃ、
鋼Ｄ、鋼Ｉ、鋼Ｍ及び鋼Ｎには通常の方法でショットブ
ラストを行った後、いずれも体積％で、水蒸気：２０
％、ＣＯ₂ ：１２．５％、Ｏ₂：１％の雰囲気中におい
て、９５０℃で５時間保持し、５０℃／ｈの冷却速度で
徐冷するスケール付けの熱処理を行った。

【００６９】一方、電気炉溶製した鋼Ｂ、鋼Ｅ、鋼Ｈ、
鋼Ｊ及び鋼Ｐについては、通常の方法で熱間鍛造して得
た直径２２０ｍｍのビレットを１２００℃に加熱した
後、成形比１．２の熱間鍛造を行い、更に機械加工して
いずれも最大外径１８７ｍｍのピアサープラグ形状とし
た。この後、鋼Ｂ及び鋼Ｈについてはショットブラスト
を行うことなく、又鋼Ｅ、鋼Ｊ及び鋼Ｐには通常の方法
でショットブラストを行った後、いずれも体積％で、水
蒸気：２５％、ＣＯ₂ ：１２％、Ｏ₂ ：１％の雰囲気中
において、９５０℃で５時間保持し、５０℃／ｈの冷却
速度で徐冷するスケール付けの熱処理を行った。

【００７０】各鋼に関して、前記のようにして得たピア
サープラグの一部を用いて、表面スケール層と機械的性
質の調査を行った。

【００７１】表面スケール層はピアサープラグ先端部の
断面を顕微鏡観察することにより内層の厚さを測定する
とともにスケール構造を特定した。機械的性質は、ピア
サープラグから平行部の直径が６ｍｍの引張試験片、Ｊ
ＩＳ４号の２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片及び直
径８ｍｍで長さ１０ｍｍの高温変形抵抗測定用試験片を
採取し、室温（２０℃）における引張強度（ＴＳ）、絞
り（ＲＡ）及びシャルピー吸収エネルギー（_VＥ₂₀ ）、
並びに９００℃における圧縮時の変形抵抗を測定した。

【００７２】更に、前記のようにして得たピアサープラ
グを実機での穿孔試験に供してその寿命を評価した。す
なわち、１２５０℃に加熱された外径２２５ｍｍで長さ
が２８００ｍｍのＪＩＳＳ４５Ｃの丸ビレットを通常の
方法で厚さ（肉厚）１６ｍｍ、シェル長さ１０ｍに穿孔
圧延した。ピアサープラグの寿命は、１本のプラグの穿
孔可能なビレットの本数、つまり穿孔回数で評価し、プ
ラグ表面における割れやシワによる凹凸が大きくなり、
次回穿孔すると穿孔中にプラグが破損するか、途中で穿
孔が進まず製管できなくなると判断した場合にプラグ寿
命に達したとした。なお、寿命に達したと評価したピア
サープラグは目視によってそれが寿命に達した原因（寿
命原因）を調査した。

【００７３】表２に、前記した表面スケール層と機械的
性質の調査結果を示す。なお、スケール層の内層はいず
れもスピネル型の複合酸化物であった。ピアサープラグ
の寿命に関する調査結果を表３に示す。寿命原因は、熱
亀裂に起因した割れが発生して寿命に到った場合に「熱
亀裂」、先端部のシワによる凹凸が大きくなって寿命に
到った場合に「シワ」、熱亀裂が進展して貫通割れを生
じて寿命に到った場合に「貫通割れ」と表記した。

【００７４】

【表２】

【００７５】

【表３】

【００７６】表２及び表３から下記の事項が明らかであ
る。

【００７７】従来の３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼（鋼Ａ及び鋼Ｂ）
は、長年に亘って炭素鋼や低合金鋼の継目無管用の工具
材質として使用されてきたものである。しかし、従来の
３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼を用いたピアサープラグで厚さ（肉
厚）１６ｍｍで長さ１０ｍの薄肉・長尺に穿孔した場合
には、工具（ピアサープラグ）に負荷される面圧が高く
なり、表面温度も上昇するので寿命は低下し、５００回
程度の使用で熱亀裂に起因した割れが発生するか（鋼
Ａ）、先端部のシワによる凹凸が大きくなって（鋼
Ｂ）、寿命に到った。

【００７８】これに対して、本発明例の鋼を用いたピア
サープラグの場合には、室温でのＲＡ（延性）と _VＥ₂₀
（靭性）が高く、更に９００℃における高温変形抵抗も
大きい。したがって、熱亀裂による割れの進展が抑制さ
れ、更にシワの生成が抑制されるので上記本発明例の鋼
を用いたプラグの寿命は従来の３Ｃｒ−１Ｎｉ鋼を用い
たプラグの寿命に比べて３割以上向上し、６８９回以上
の穿孔回数（プラグ寿命）が得られた。

【００７９】なお、熱間加工後に機械加工してプラグ形
状とした場合には、鋳造のまま又は鋳造後更に機械加工
してプラグ形状とした場合に比べて長いプラグ寿命が得
られている。

【００８０】一方、比較例の鋼のうち鋼Ｋ〜Ｎ及び鋼Ｐ
を用いたピアサープラグの場合には、室温でのＲＡ（延
性）と _VＥ₂₀（靭性）が低く熱亀裂に起因した割れが発
生したり（鋼Ｋ、鋼Ｌ及び鋼Ｎ）、熱亀裂が進展して貫
通割れに到って（鋼Ｍ及び鋼Ｐ）寿命に達していた。更
に、比較例の鋼のうち鋼Ｊを用いたピアサープラグの場
合には、９００℃における高温変形抵抗が小さいために
プラグ表面に塑性流動が生じ、これに起因したシワの凹
凸が大きくなって寿命に達していた。

【００８１】次に、寿命に達したピアサープラグの先端
部から平行部の直径が６ｍｍの引張試験片及びＪＩＳ４
号の２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、室
温（２０℃）におけるＴＳ、ＲＡ及び _VＥ₂₀を測定し
た。

【００８２】上記のプラグ先端部は穿孔中に温度上昇に
よってオ−ステナイト化し、その後の冷却課程で焼きが
入って著しく硬化した領域である。

【００８３】表４に上記の試験結果を示す。なお、表４
における目標性能とは、鋼の化学組成の規定におけるＣ
含有量のところで述べたように、ＴＳが１０００〜１６
００ＭＰａであることをいう。

【００８４】

【表４】

【００８５】表４と表２を比較すると、硬化領域のＲＡ
（延性）は強度が著しく高くなるにも拘わらず概して良
好なことがわかる。すなわち、表４の硬化領域の室温で
の強度−延性バランスは、表２に示した実機での穿孔試
験に供する前のプラグ、つまりスケール付けしたままの
プラグの室温での強度−延性バランスと比較すると良好
である。

【００８６】一方、硬化領域の _VＥ₂₀（靭性）は、強度
と合金元素に依存して大きく変化することがわかる。す
なわち、Ｃ、Ｐ及びＳの含有量を低く抑えるとともにＭ
ｏを含有させた本発明例の鋼Ｃ〜Ｉの場合、硬化領域に
おいてはＴＳが高いため靭性（_VＥ₂₀ ）は表２の実機で
の穿孔試験に供する前のプラグの靭性に比べて低い。し
かし、その値は３２Ｊを超える大きなものである。

【００８７】ところが、成分のいずれかが本発明で規定
する含有量から外れた比較例の鋼の場合には、硬化領域
ではＴＳが高いにも拘らず、その _VＥ₂₀は表２の実機で
の穿孔試験に供する前のプラグの靭性と同等か、却って
高いものさえある。それでも硬化領域の靭性は高々２０
Ｊで、上記の本発明例の鋼に比較して小さい。比較例の
鋼においては、この靭性の劣化が先端部の熱亀裂進展を
促進しプラグ寿命低下の原因となるのである。

【００８８】

【発明の効果】本発明の熱間製管用工具は耐シワ発生特
性、耐熱亀裂発生特性及び耐亀裂進展性に優れており、
工具寿命が長いので、マンネスマン製管方式により炭素
鋼や低合金鋼の継目無管、なかでも薄肉・長尺の継目無
管を製造する際の廉価な内面圧延工具として利用するこ
とができる。この熱間製管用工具は本発明の製造方法に
よって比較的容易に製造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１０％以上０．２０％
未満、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．
０％、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０
％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０〜０．０４０
％、Ｗ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｂ：０〜
０．０１％、不純物としてのＰ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０３５％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物の
組成の鋼製基体の表面にスケール層を有し、そのスケー
ル層の内層が厚さ５０〜３００μｍのスピネル型の複合
酸化物であることを特徴とする熱間製管用工具。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．１０％以上０．２０％
未満、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．
０％、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０
％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０〜０．０４０
％、Ｗ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｂ：０〜
０．０１％、不純物としてのＰ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０３５％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物の
組成からなる鋼を、鋳造により又は鋳造後に機械加工し
て工具形状とし、その後スケール付けのための熱処理を
行うことを特徴とする熱間製管用工具の製造方法。
【請求項３】重量％で、Ｃ：０．１０％以上０．２０％
未満、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．
０％、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０
％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０〜０．０４０
％、Ｗ：０〜１．０％、Ｔｉ：０〜１．０％、Ｂ：０〜
０．０１％、不純物としてのＰ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０３５％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物の
組成からなる鋼を、熱間加工後に機械加工して工具形状
とし、その後スケール付けのための熱処理を行うことを
特徴とする熱間製管用工具の製造方法。
【請求項４】工具形状とした後スケール付けのための熱
処理の前にショットピーニングを行うことを特徴とする
請求項２又は３に記載の熱間製管用工具の製造方法。