JPH105821A - 継目無鋼管製造用プラグの熱処理方法および継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】寿命の長い穿孔用プラグを得ることができる継
目無鋼管製造用プラグの熱処理方法および継目無鋼管の
製造方法を提供する。 【解決手段】（１）低合金鋼でプラグ素材を形成した
後、酸化性雰囲気中で、下記のまたはの条件で熱処
理を施し、プラグ素材の表面に、穿孔時に被穿孔材との
間で潤滑作用を発揮するスケール層を形成させる。 １０５０〜１２５０℃に加熱した後、素材のＡ_C3変
態温度〜Ａ_C1変態温度で保持 素材のＡ_C3変態温度（Ｔ_AC3）以下、Ｔ_AC3−１００
（℃）以上の温度で保持 （２）上記（１）の熱処理方法で得られた穿孔用プラグ
を用いて穿孔圧延を行い、継目無鋼管を製造する。

Description

【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
プラグの熱処理方法および継目無鋼管の製造方法に関
し、より詳しくは、母材が低合金鋼からなるプラグ素材
の表面に、密着性に優れた酸化スケール層を形成させる
熱処理方法およびこの熱処理方法で得られたプラグを用
いる継目無鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管の製造方法は、傾斜穿孔圧延
方式と熱間押し出し方式に大別される。穿孔圧延方式の
中には、プラグミル方式、マンドレルミル方式などがあ
る。プラグミル方式としては、マンネスマンプラグミル
方式が広く採用されている。

【０００３】図１に、傾斜穿孔圧延方式の穿孔工程にお
けるロールと継目無鋼管製造用素材（以下、単に被穿孔
材と記す）と穿孔プラグの関係の模式図を示す。９００
〜１３００℃程度の温度に加熱された被穿孔材１が、ロ
ール２と穿孔プラグ（以下、単にプラグと記す）３の間
で揉まれる作用を受けて、被穿孔材の穿孔が進行する。
このため、プラグは高温下で強圧下を受けるという過酷
な条件に曝される。したがって、図２に１例を示すよう
に、プラグ１には先端部の溶損４、胴部のえぐれ５のほ
か、焼付、変形などの損傷が生じ、プラグの損耗が激し
い。

【０００４】プラグの材質としては、一般に低合金鋼
（例えば、３％Ｃｒ−１％Ｎｉ系、０．５％Ｃｒ−１％
Ｎｉ−３％Ｗ系、５％Ｃｒ−１％Ｎｉ−５％Ｍｏ系）が
用いられている。これらの低合金鋼で製造したプラグを
そのまま穿孔圧延に使用すると、上述のようなプラグの
損耗が起こり、プラグの寿命が著しく短い。さらに、プ
ラグの表面状態が悪くなるため、被穿孔材の内表面にか
ぶれ、疵等が多発し、製品の継目無鋼管の表面品質が悪
くなるという問題がある。特に、被穿孔材が１３重量％
以上のＣｒを含むような高Ｃｒ鋼あるいはＮｉ基合金の
場合には、穿孔温度が高く、かつプラグの受ける面圧が
高いためプラグの寿命が著しく短く、商業的な使用に耐
えない。例えば、被穿孔材がＪＩＳ ＳＵＳ３０４の場
合には、１回の穿孔でプラグに先端部の溶損、変形など
が生じるので、再使用することができないのが実態であ
る。

【０００５】このような過酷な条件で使用されるプラグ
の母材には、高温における強度が高く、靱性に優れ、硬
度が高いことなどの性質が要求される。そこで、高温強
度等の材料特性の向上が図られている。この他、プラグ
母材との密着性に優れた酸化スケールをプラグの表面に
形成させ、プラグ寿命を改善する試みがなされている。

【０００６】表面に酸化スケール層を備えたプラグを用
いて穿孔圧延する場合には、酸化スケール層は、穿孔圧
延時にプラグと被穿孔材との間で潤滑作用を発揮する。
そのために、プラグの損耗を抑制する働きがあるとされ
ている。

【０００７】例えば、特開昭５９−９６２８号公報に
は、成形されたプラグ素材をＣＯガス５％未満を含む酸
化性雰囲気中で熱処理する方法、特開昭５９−９１５４
号公報には、所定の化学組成のプラグ素材を酸化性雰囲
気中で熱処理する方法が開示されている。しかし、これ
らの方法によって得られる酸化スケールの性状（密着
性、寿命）は、プラグの材質によって相違する。特に、
酸化スケールと素材の界面の密着力が十分でない場合に
は、高々数回の穿孔でスケールが剥離するので、プラグ
に焼き付き等の損傷が発生するという問題が起こる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、低合金鋼か
らなるプラグ素材の表面に、プラグの寿命を長くするこ
とができる密着性に優れた酸化スケール層を形成させる
熱処理方法およびその熱処理方法で得られたプラグを用
いる継目無鋼管の製造方法を提供することを目的として
いる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたものであって、下記の（１）〜
（３）を要旨とする。

【００１０】（１）低合金鋼で形成されたプラグ素材を
酸化性雰囲気中で、１０５０〜１２５０℃に加熱した
後、素材のＡ_C3変態温度〜Ａ_C1変態温度で保持する継目
無鋼管製造用プラグの熱処理方法。

【００１１】（２）低合金鋼で形成されたプラグ素材を
酸化性雰囲気中で、素材のＡ_C3変態温度をＴ_AC3（℃）
と表すとき、（Ｔ_AC3−１００）〜Ｔ_AC3の温度で加熱
し、プラグ素材の表面にスケール層を形成させる継目無
鋼管製造用プラグの熱処理方法。

【００１２】（３）上記（１）または（２）の熱処理方
法で得られたプラグを用いて製管する継目無鋼管の製造
方法。

【００１３】本発明者らは、上記の課題を解決するため
に研究開発を行った結果、下記のような新たな知見を得
た。上記の本発明の熱処理方法に規定した条件は、下記
〜の知見を基に選定した。

【００１４】 プラグの寿命に顕著な影響を及ぼす要
因は、酸化スケール（以下、単にスケールと記す）層と
素材との境界部におけるスケール層の密着力である。ス
ケール層の密着力は、スケール層と素材の境界部の状態
に依存する。すなわち、スケール層と素材との境界部が
平滑な場合、スケール層の密着力は極めて弱く、たとえ
スケール層の厚みが厚くても、プラグの寿命は短い。

【００１５】これに対して、スケール層と素材との境界
部に、素材の結晶粒界の選択酸化（以下、内部選択酸化
と記す）により生成したスケール（くさび状のスケー
ル）が存在する場合には、素材とスケールが相互にくさ
び状に噛み合った構造となるために、スケール層の密着
性に優れている。特に、選択酸化の深さが深く、深さの
深いスケールの単位体積当たりの個数が多いほど、その
スケールのくさび効果が大きいため、密着性の向上作用
が大きい。このような場合には、たとえスケール層の厚
みが薄くてもプラグの寿命は長い。

【００１６】したがって、内部選択酸化により、くさび
効果を備えたスケール層を安定して形成させることによ
って、プラグ寿命を大幅に延長させることができる。

【００１７】 スケール層と素材との境界部のスケー
ルの状態は、スケール層を形成させる熱処理温度または
スケール層形成後の保持温度の影響を受ける。すなわ
ち、スケール層形成温度または保持温度がプラグ素材の
αとγの２相領域の場合には、α相とγ相との酸化速度
の違い、およびα相とγ相の粒界に偏析したＳｉ、Ｎｉ
等に起因する粒界部の優先的な酸化により、内部選択酸
化が進行する。したがって、αとγの２相領域でスケー
ル層を形成させるかまたは保持することによって、スケ
ール層の密着性を向上させることができる。

【００１８】 αとγの２相領域で加熱し、内部選択
酸化を起こさせて、プラグ素材の表面に密着性に優れた
酸化スケールを形成させることができる熱処理方法とし
ては、上記（１）および（２）に記した２通りがある。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の製造方法につい
て具体的に説明する。

【００２０】（ａ）プラグ素材 本発明の方法が対象としているプラグ素材の材質は、継
目無鋼管製造用の穿孔用プラグに用いられている通常の
低合金鋼である。具体的には、３％Ｃｒ−１％Ｎｉ系、
０．５％Ｃｒ−１％Ｎｉ−３％Ｗ系、５％Ｃｒ−１％Ｎ
ｉ−５％Ｍｏ系（％表示は重量％）などである。これら
の低合金鋼のプラグ素材を得るためには、所定の化学組
成の低合金鋼を溶製して、プラグの形状に鋳造してもよ
いし、機械加工によってプラグの形状に加工してもよ
い。

【００２１】プラグ素材の表面仕上げは、通常の機械加
工仕上げの状態でもよく、ショットブラスト処理を施し
てもよい。

【００２２】（ｂ）熱処理温度 ［熱処理方法−１］この方法の場合には、プラグ素材の
表面にまずスケール層を形成させ、その後温度を下げ
て、スケール層との境界部のプラグ素材側に内部選択酸
化を起こさせ、くさび状のスケールを生成させて、密着
性の高いスケール層を形成させる２段階の処理を行う。
この方法は、プラグ素材の表面にスケール層が形成され
にくい材質あるいは速やかに熱処理をする必要がある場
合に有効である。

【００２３】スケールの形成温度は、１０５０℃以上と
する。１０５０℃未満の場合には、酸化速度が遅いため
に、プラグに必要な厚さのスケール層を形成するのに長
時間を要し実用的でない。スケール形成温度が高すぎる
と、材質によってはスケール層に気孔が生成し、スケー
ルの密着力が低下することがあるので、スケール形成温
度の上限は１２５０℃とする。

【００２４】内部選択酸化温度は、プラグ素材のＡ_C3変
態温度以下、すなわち、α相とγ相の２相が存在する温
度とする必要がある。Ａ_C3変態温度を超える場合には、
プラグ素材はγ相単相であるため、前述のに述べたメ
カニズムによる内部選択酸化が進行しない。その場合に
は、密着性に優れたスケール層が得られないので、Ａ_C3
変態温度以下とした。内部選択酸化温度の下限は、Ａ_C1
変態温度以上とする必要がある。Ａ_C1変態温度未満の場
合には、α相単相となるためである。

【００２５】なお、本発明が対象としているプラグ素材
（低合金鋼）のＡ_C1変態温度およびＡ_C3変態温度は、材
質によって多少相違するが、それぞれおよそ５８０〜７
８０℃、８７０〜９８０℃程度である。

【００２６】［熱処理方法−２］この熱処理方法は、プ
ラグ表面へのスケール層の形成と内部選択酸化を同時に
進行させる方法である。この方法は、プラグ素材の表面
にスケールが生成しやすい材質あるいはスケール層の厚
さが薄くてもよい場合の熱処理に適している。

【００２７】スケール層の形成と内部選択酸化を同時に
起こさせることができるのは、Ａ_C3変態温度以下であ
る。したがって、本熱処理方法の場合の熱処理温度の上
限はＡ_C3変態温度（Ｔ_AC3） とした。下限は、原理的に
はα相とγ相の２相が存在する限界温度のＡ_C1変態温度
でよいが、スケール層の形成速度の観点からできるだけ
高い方がよく、Ｔ_AC3 −１００（℃）とした。この温度
に満たない場合には、酸化速度が極めて遅く、内部選択
酸化も十分に起こらない。

【００２８】本発明が対象としている低合金鋼の場合に
は、Ｔ_AC3 −１００（℃）の温度は、上述のようにＡ_C1
変態温度より高い。Ｔ_AC3からＴ_AC3−１００（℃）の範
囲で加熱する場合には、α相とγ相が存在するため、前
述のようにスケール層が形成されるとともに、プラグ素
材とスケール層との境界部に、くさび効果のあるスケー
ルが生成する。

【００２９】（ｃ）熱処理雰囲気 雰囲気としては、酸化性雰囲気とする必要があり、
Ｏ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等の酸化性ガス単独またはこれらの
混合ガス雰囲気がよい。いずれの雰囲気の場合も、スケ
ール層を安定に、かつ緻密に生成させるために、Ｈ₂Ｏ
を５容積％以上を含ませるのが望ましい。これらの熱処
理雰囲気は、ブタンガス、プロパンガス、コークス炉ガ
ス等を燃焼させることによって得るのがもっとも容易で
ある。

【００３０】また、熱処理時間は、上記のプラグの材
質、熱処理温度および熱処理雰囲気のガス組成によって
も異なるが、スケールの安定性およびプラグ寿命の点か
ら、スケールの厚みが１００〜５００μｍとなる時間を
選ぶのが望ましい。この程度の厚みのスケール層を得る
のに必要な時間は、熱処理方法−１の場合は１〜７時
間、熱処理方法−２の場合は３〜１０時間程度である。
また、熱処理方法−１における内部選択酸化を起こさせ
るための温度での保持時間は１〜５時間程度が適当であ
る。

【００３１】なお、熱処理雰囲気についても、プラグの
材質、熱処理温度などによって最適な条件が異なるの
で、対象とする材質に応じて条件を選択するのが望まし
い。

【００３２】（ｄ）継目無鋼管の製造方法 本発明の方法で熱処理されたプラグ（以下、本プラグと
記す）を用いて、継目無鋼管を製造する場合には、例え
ば、マンネスマンマンドレルミル方式の穿孔に本プラグ
を適用すればよい。図１に示したように、９００〜１３
００℃程度に加熱した所定の長さの被穿孔剤１の中心部
に対して、プラグ支持竿６を介して本プラグ３を押し当
て、１対のロール２で被穿孔材１を押圧・回転させる。
穿孔が完了した際には、プラグ３および支持竿６を被穿
孔材１から抜き取る。回収したプラグ３については、プ
ラグの表面状態を検査し、使用可能であれば再使用す
る。プラグ表面のスケール層の溶損あるいは胴部のえぐ
れ等により、使用不能と認められた場合には、プラグの
寿命と判断し、使用を中止すればよい。

【００３３】

【実施例】表１に、本実施例に用いたプラグ用低合金鋼
の化学組成を示す。溶解炉によって、表１の化学組成の
プラグ用鋼を溶解し、１５０Ｋｇ鋼塊に鋳造した後、鍛
造および切削加工によって、外径１４０ｍｍ（最大
部）、長さ３３０ｍｍのマンネスマン製管用のプラグ素
材に仕上げた。

【００３４】表１に示したプラグ用低合金鋼のうち、鋼
Ａは３％Ｃｒ−１％Ｎｉ系、鋼Ｂ、ＣおよびＥは０．５
％Ｃｒ−１％Ｎｉ−３％Ｗ系、鋼ＦおよびＧは５％Ｃｒ
−１％Ｎｉ−５％Ｍｏ系である。また、鋼Ｄは０．５％
Ｃｒ−３％Ｍｏ−１％Ｎｉ系、鋼Ｈは５％Ｃｒ−１％Ｎ
ｉ−５％Ｍｎ系、鋼Ｉは９％Ｃｒ−２％Ｎｉ−１．５％
Ｍｏ系である。

【００３５】なお、表１には、各鋼のＡ_C1変態温度（Ｔ
_AC1）およびＡ_C3変態温度（Ｔ_AC3）を併記した。

【００３６】

【表１】

【００３７】（実施例１）上記のプラグ素材をブタンガ
ス燃焼雰囲気中（ＣＯ₂：１１容積％、Ｈ₂Ｏ：１４容積
％、残部：Ｎ₂ ）で、スケール形成温度に３時間加熱
し、引き続き内部選択酸化を起こさせる温度に３時間保
持する条件で、プラグ素材の表面にスケール層を形成さ
せた。表２に、スケール形成温度およびその後の保持温
度を示した。

【００３８】得られた各プラグの表面から顕微鏡観察用
の試験片を採取し、プラグ表面に形成されたスケール層
の厚みおよびスケール層とプラグ素材との境界部の構造
を調査した。さらに、これらのプラグを用いて、ＳＵＳ
４２０Ｊ１（１３％Ｃｒ）およびＳＵＳ３０４（１８％
Ｃｒ−８％Ｎｉ）の各ステンレス鋼を穿孔し、プラグの
寿命がくるまでの繰り返し使用回数を調査した。なお、
被穿孔材の外径は１９２ｍｍ、穿孔後の外径と肉厚は、
それぞれ１９２ｍｍ、６．５ｍｍである。また、被穿孔
材の穿孔温度は、ＳＵＳ４２０ＪＩは１２００〜１２５
０℃、ＳＵＳ３０４は１２００〜１３００℃程度であ
る。

【００３９】表２に、プラグ素材の熱処理条件および上
記の調査結果を示す。

【００４０】

【表２】

【００４１】表２から明らかなように、プラグ素材への
スケール層形成温度が１０５０℃以上で１２５０℃以
下、内部選択酸化を起こさせるための保持温度がＡ_C1変
態温度（Ｔ_AC1）以上でＡ_C3変態温度（Ｔ_AC3）以下の範
囲内にある本発明例については、鋼Ａ〜鋼Ｉのいずれの
鋼についても、スケール層とプラグ素材との境界部に内
部選択酸化が認められた。図３に、内部選択酸化の１例
を示す。プラグ素材（白地）とスケール層（黒地）の境
界部に、内部酸化によって形成される素材側から伸びた
くさび状の部分が存在することが認められる。このくさ
び状の部分によって、スケール層の密着性が向上する。
また、表２に示したように、本発明例のプラグは、スケ
ール層の厚さも２００〜４５０μｍと適度であった。

【００４２】一方、プラグ素材へのスケール層形成温度
が１０００℃以下または１３００℃以上、保持温度が、
Ａ_C1変態温度（Ｔ_AC1）未満またはＡ_C3変態温度
（Ｔ_AC3）超えの比較例については、鋼Ａ〜鋼Ｉのうち
鋼Ｅを除いて、いずれの鋼についても、スケール層とプ
ラグ素材との境界部に内部選択酸化が認められなかっ
た。また、スケール層の厚さも、スケール形層成温度が
１３００℃以上の場合は６００μｍと異常に厚いものが
あり、スケール層形成温度が１０００℃以下と低い場合
には、１００μｍ以下で十分な厚さが得られなかった。
なお、比較例の鋼ＣおよびＤのスケール層形成温度は、
本発明で規定する範囲内に入っているが、保持温度が本
発明で規定する範囲から外れているために、内部選択酸
化が起こらなかった。

【００４３】これらのプラグを用いて穿孔試験を行い、
寿命がくるまでのプラグの繰り返し使用回数を調べた。
その結果を、表２に穿孔回数として示した。

【００４４】本発明例については、ＳＵＳ４２０Ｊ１を
穿孔した場合は６〜８回、ＳＵＳ３０４を穿孔した場合
は４〜５回の繰り返し使用が可能であった。これに対し
て、比較例については、１例を除いてＳＵＳ４２０Ｊ
１、ＳＵＳ４３０ともに、１回の穿孔でプラグは使用不
能となった。なお、上述のように、比較例の鋼Ｅについ
ては、内部選択酸化が認められたが、穿孔試験結果は悪
く、スケール層の性状としては不良であったことが裏付
けられた。

【００４５】本発明例のプラグの寿命が著しく長い理由
は、上記のようにスケール層とプラグ素材との境界部に
内部選択酸化が生じており、プラグ素材に対するスケー
ル層の密着性が優れているためである。

【００４６】（実施例２）実施例１の場合と同じブタン
ガス燃焼雰囲気中で、前述のプラグ素材にスケール層を
形成させた。実施例２については、スケール層の形成と
内部選択酸化を同じ温度で起こさせる熱処理条件とし
た。鋼Ａ〜鋼Ｉそれぞれに対して、表３に示す温度で、
６時間保持する熱処理を施した。

【００４７】得られた各プラグの表面から顕微鏡観察用
の試験片を採取し、プラグ表面に形成されたスケール層
の厚みおよびスケール層とプラグ素材との境界部の構造
を調査した。さらに、これらのプラグを用いて、ＳＵＳ
４２０Ｊ１（１３重量％Ｃｒ）およびＳＵＳ３０４（１
８重量％Ｃｒ）の各ステンレス鋼を穿孔し、プラグの寿
命がくるまでの繰り返し使用回数を調査した。なお、被
穿孔材の外径は１９２ｍｍ、穿孔後の外径と肉厚は、そ
れぞれ１９２ｍｍ、６．５ｍｍである。また、被穿孔材
の穿孔温度は、ＳＵＳ４２０ＪＩは１２００〜１２５０
℃、ＳＵＳ３０４は１２００〜１３００℃程度である。

【００４８】表３に、プラグ素材の熱処理温度とともに
上記の調査結果を示した。

【００４９】

【表３】

【００５０】表３に示されているように、プラグ素材の
熱処理温度が、Ａ_C3変態温度（Ｔ_AC3） に対して、マイ
ナス１００℃の範囲内にある本発明例については、鋼Ａ
〜鋼Ｉのいずれの鋼についても、スケール層とプラグ素
材との境界部に、実施例１の場合と同様な内部選択酸化
が認められた。また、表３に示したように、本発明例の
プラグは、スケール層の厚さも２００〜３００μｍと適
度であった。

【００５１】一方、プラグ素材の熱処理温度が、Ａ_C3変
態温度（Ｔ_AC3） マイナス１００℃（Ｔ_AC3−１００）
に満たない比較例については、鋼Ａ〜鋼Ｉのいずれの鋼
についても、スケール層とプラグ素材との境界部に内部
選択酸化が認められなかった。また、スケール層の厚さ
も１２０μｍ以下であり、スケール層が安定して形成さ
れない傾向があることが分かった。

【００５２】これらのプラグを用いて穿孔試験を行い、
寿命がくるまでのプラグの繰り返し使用回数を調べた結
果については、表３に穿孔回数として示した。本発明例
については、ＳＵＳ４２０Ｊ１を穿孔した場合は７〜８
回、ＳＵＳ３０４を穿孔した場合は４〜５回の繰り返し
使用が可能であった。これに対して、比較例について
は、数例を除いてＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４３０とも
に、１回の穿孔でプラグは使用不能となった。

【００５３】

【発明の効果】本発明の方法で継目無鋼管製造用プラグ
を製造することにより、穿孔時の寿命が著しく長いプラ
グを得ることができる。また、本発明の熱処理方法で得
られるプラグは、ステンレス鋼、高合金鋼、Ｎｉ基合金
鋼等、穿孔時の変形抵抗が高く、穿孔時にプラグに焼き
付き等の損傷が生じやすい鋼の穿孔にも、寿命が長いと
いう優れた特長を持っている。したがって、本発明の熱
処理方法で得られるプラグを用いて継目無鋼管を製造す
る場合には、生産性を高めることができるばかりでな
く、内面品質に優れた継目無鋼管を安定して供給するこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】傾斜穿孔圧延方式の穿孔工程におけるロールと
被穿孔材と穿孔プラグの関係を示す模式図である。

【図２】穿孔によって生じるプラグ表面の損傷を説明す
るための図である。

【図３】プラグ素材とスケール層の境界部における内部
酸化の１例を示す図である。

【符号の説明】

１ 被穿孔材 ２ ロール ３ プラグ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低合金鋼で形成されたプラグ素材を酸化性
   雰囲気中で、１０５０〜１２５０℃に加熱した後、同じ
   く酸化性雰囲気中で素材のＡ_C3変態温度とＡ_C1変態温度
   の間の温度で保持し、プラグ素材の表面にスケール層を
   形成させることを特徴とする継目無鋼管製造用プラグの
   熱処理方法。
2. 【請求項２】低合金鋼で形成されたプラグ素材を酸化性
   雰囲気中で、素材のＡ_C3変態温度をＴ_AC3（℃）と表す
   とき、（Ｔ_AC3−１００）とＴ_AC3の間の温度で加熱し、
   プラグ素材の表面にスケール層を形成させることを特徴
   とする継目無鋼管製造用プラグの熱処理方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の熱処理方
   法で得られたプラグを用いて製管することを特徴とする
   継目無鋼管の製造方法。