JP4900385B2 - 高合金圧延用マンドレルバー、その表面処理方法および製造方法、ならびに継目無鋼管製造装置の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、マンドレルバー、その表面処理方法および製造方法、ならびに、継目無鋼管製造装置の操業方法に関するものである。

マンドレルミル圧延は、熱間で継目無鋼管を製造する工程の一つである。素管は、マンドレルバーおよび多スタンドの孔型ロールによって拘束しながら軸方向に送りを与えることにより圧延される。通常、マンドレルバーには固体潤滑剤を主成分とする潤滑被膜が形成されている。しかし、マンドレルバーと素管内面は厳しいすべり摩擦状態となるため、完全な潤滑状態を維持するのは容易ではない。このため、マンドレルバーには、繰り返し摩耗、焼付き、肌荒れ、クラック等の表面損傷が生じ、寿命にいたる。

マンドレルバーとしては、一般に、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１等の熱間加工用工具鋼の表面を研磨した後、硬度調整と表面へのスケール付与のため、焼入れ、焼戻しを施したものが使用される。

近年、13％Cr鋼等の高合金鋼管の需要が高まるに従い、種々の問題が生じてきた。そのうちの一つに、マンドレルバーの焼付きがある。これは、高合金鋼の変形抵抗が高いこと、高合金鋼素管の内面に酸化スケールが生成しにくいことなどの理由による。このため、高合金鋼の圧延時には、通常マンドレルバー表面に潤滑剤を供給しているが、焼付きを完全には防止できない。焼付きが生じると、圧延中に振動が生じるなどして製品寸法に悪影響を及ぼし、バーのストリッピング不良を起こす。その結果、素管内面に軸方向の筋状の疵が発生し、製品とする場合に多大の手入れ工数及び費用を要することになる。

これらの問題に関して、特許文献１には「母材表面に軸方向の中心線平均粗さが０．５〜５．０μｍの窒化処理層を有することを特徴とする熱間継目無管製造用マンドレルバー」が提案されている。

特許文献２には「継目無鋼管圧延用穿孔形状に成形されたマンドレルの磨耗表面部に、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ金属あるいはこれらの合金を拡散浸透する処理を施してその表面結晶粒界部を脆化させた後、調質熱処理するか、または製管圧延初期時の高温急速加熱で、該結晶粒界脆化部に微細な亀甲状の表層微小割れを生成させることを特徴とする継目無鋼管圧延用穿孔マンドレルの製造法」が提案されている。

特開平６−２６２２２０号公報 特開平６−３３９７０９号公報

特許文献１で提案されているマンドレルバーの製造には高額の設備投資が必要である。また、表面処理層を厚くするためには長時間の処理が必要である。このため、特許文献１に提案のマンドレルバーの製造は現実的には難しい。

特許文献２の方法は折損が懸念されるため、本格的な実用化には結びついていない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、優れた耐焼付性および耐用寿命を有する高合金圧延用マンドレルバー（マンネスマン−マンドレルミル方式による継目無鋼管の製造に用いるマンドレルバー）の表面処理方法および製造方法を提供することを目的とする。本発明は、さらに、普通鋼の圧延も、高合金鋼の圧延も焼付きが生じない条件で行うことができる継目無鋼管の製造装置の操業方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するため、実操業におけるマンドレルバーを詳細に観察するとともに、マンドレルバーの耐用寿命を向上させるための種々検討を行った。その結果、以下の知見を得た。

(Ａ)高合金鋼を圧延すると焼付きが発生しやすい。特に、新バーを使用すると焼付きが発生する確率が高い。

(Ｂ)焼付きの生じたバーを詳細に観察した結果、焼付き発生箇所にはバーメタル部が露出しており、表面スケールや潤滑層が無かった。つまり、バーメタル部の露出を防止することが、焼付き防止に繋がる。

本発明者らは、このような知見に基づき鋭意研究を行った。その結果、Cr含有量が８％以下の普通鋼を一定回数以上圧延したマンドレルバーは、バーメタル部の露出を防止できるので、その後に高合金鋼の圧延に用いても、焼き付きの発生が生じにくいことを見出した。

本発明は、下記(1)に示す高合金圧延用マンドレルバーの表面処理方法、下記(2)に示す高合金圧延用マンドレルバーの製造方法および下記(3)に示す継目無鋼管製造装置の操業方法を要旨とする。

(1)表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整したマンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延したことを特徴とする高合金圧延用マンドレルバー。

(2)高合金継目無鋼管を熱間圧延するのに用いるマンドレルバーの表面処理方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整したマンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延することを特徴とする高合金圧延用マンドレルバーの表面処理方法。

(3)高合金継目無鋼管を熱間圧延するのに用いるマンドレルバーの製造方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整したマンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延することを特徴とする高合金圧延用マンドレルバーの製造方法。

(4)継目無鋼管の製造装置を操業する方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整し、さらにスケール付け熱処理をしたマンドレルバーを用いてCr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延した後、高合金鋼を圧延することを特徴とする継目無鋼管製造装置の操業方法。
(5)継目無鋼管の製造装置を操業する方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整し、さらにスケール付け熱処理をしたマンドレルバーを用いてCr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上（このうち、Ｃｒ含有量が０．５％以上５．０％未満の普通鋼については４０パス以下、Ｃｒ含有量が５．０％以上８％以下の普通鋼については１５パス以下）圧延した後、高合金鋼を圧延することを特徴とする継目無鋼管製造装置の操業方法。

本発明によれば、優れた耐焼付性および耐用寿命を有する高合金圧延用マンドレルバーを製造することができる。この高合金圧延用マンドレルバーは、特に、13％Cr鋼等の圧延条件の厳しいステンレス鋼をマンドレルミル圧延して継目無鋼管を製造するのに有用である。また、本発明の継目無鋼管の製造装置の操業方法によれば、普通鋼の圧延も、高合金鋼の圧延も焼付きが生じない条件で行うことができる。また、マンドレルバーの寿命が長くなるので、段取り替えの手間を減らし、製造コストの低減に寄与する。

本発明の高合金圧延用マンドレルバーは、例えば、ＳＫＤ６、ＳＫＤ６１等の合金工具鋼鋼材からなる母材を外削加工した後、研磨またはショット加工をし、さらに表面処理を実施して製造される。外削加工前には９５０〜１０５０℃の焼入れ処理および６００〜７５０℃の焼戻し処理を実施するのが一般的である。

表面処理は、マンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を５０パス以上圧延することによりおこなう。

ここで、表面処理前の母材の表面粗さＲａが0.2未満の場合、スケールの付着力が弱く、表面処理時にスケールが剥離するおそれがある。一方、Ｒａが４．０を超えると、バー凸部が圧延材に食い込み摩擦係数が増加するおそれがある。従って、表面処理前の母材の表面粗さは、０．２〜４．０の範囲であることが望ましい。

マンドレルバーにスケール付け熱処理を施すのは、バー表面にスケールを付着させて、主としてCr含有量が８％以下である普通鋼の圧延時に、バーメタル部の露出を防止するためである。

マンドレルバーに施すスケール付け熱処理の条件には制限はない。ただし、５５０℃未満では上記の効果が不十分であり、７５０℃を超えるとバーが軟化するおそれがある。従って、熱処理温度は、５５０〜７５０℃の範囲で行うのがよい。また、熱処理時間は、１時間未満では、スケールの密着性が不十分となるおそれがある。１５時間を超えると、バーが軟化する場合がある。このため、熱処理時間は１〜１５時間の範囲で行うのが望ましい。

Cr含有量が８％以下の普通鋼を５０パス以上圧延することにより、バーメタルの露出を防止する。この理由は、必ずしも明確ではないが、この圧延により普通鋼由来のスケール（被膜）がマンドレルバー表面に付着し、圧延によりスケールの密着力が向上するためであると考えられる。

上記の圧延時には、延伸比を１．５以上に調整するのが望ましい。これは、延伸比が１．５未満では、圧下力が小さく、スケールの転着量が少ないからである。また、このような低延伸比では密着力が不十分となると考えられる。これとは別に、延伸比が１．５未満では、表面処理のために特別な段取りを用意しなければならず、生産性が阻害される。

Cr含有量が８％を超える鋼を圧延すると、前述のスケール付け熱処理により形成させたスケールが剥離し、バーメタルを露出させる。従って、Cr含有量が８％以下の普通鋼を圧延することとした。Ｃｒ含有量は５％以下とするのが望ましい。

普通鋼の圧延回数が少ない場合には被膜が全面に生成されず、高合金鋼の圧延時の焼付きを完全に防止できない。従って、５０パス以上圧延することとした。普通鋼のパス数は、多い方が望ましく、特に１００パス以上が望ましい。

普通鋼のＣｒ含有量が８％以下の範囲内であっても、Ｃｒ量が多い普通鋼のパス数が多いと、圧延材表面に生成するスケール量が減少する場合がある。従って、普通鋼を下記のように分類するとき、鋼群Ａのパス数には制限はないが、鋼群Ｂは４０パス以下、鋼群Ｃは１５パス以下とするのが望ましい。
鋼群Ａ：Ｃｒ含有量が０．５％未満の普通鋼
鋼群Ｂ：Ｃｒ含有量が０．５％以上５．０％未満の普通鋼
鋼群Ｃ：Ｃｒ含有量が５．０％以上８％以下の普通鋼

継目無鋼管の製造装置においては、まず、スケール付け熱処理をしたマンドレルバーを用いてCr含有量が８％以下の普通鋼を５０パス以上圧延した後、引き続いて高合金鋼を圧延するのがよい。このような操業方法を採用することで、普通鋼の圧延も、高合金鋼の圧延も焼付きが生じない条件で行うことができる。また、マンドレルバーの寿命が長くなるので、段取り替えの手間を減らし、製造コストの低減に寄与する。

この操業方法においては、Cr含有量が８％以下の普通鋼の圧延と高合金鋼の圧延とを連続して実施してもよいし、普通鋼を５０パス以上圧延したマンドレルバーをストックしておき、その後に高合金鋼の圧延に用いてもよい。

なお、本発明の表面処理を施しても、高合金鋼の圧延を相当程度行うと、マンドレルバーの表面性状が劣化する。このような場合には、マンドレルバーの表面を外削・研磨し、必要であれば、熱処理を実施し、スケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を５０パス以上圧延する本発明の表面処理を施せばよい。

ＳＫＤ６１の素材を研磨により表面粗さＲａを０．４に調整した後、熱処理によりショア硬度Ｈsで５０〜５５に硬度調整した。これを外径１３４ｍｍに切削してマンドレルバーを得た。このマンドレルバーを用いて、外径１８１ｍｍΦ、肉厚１７．５ｍｍｔ、長さ７０００ｍｍＬの素管を、外径１４７Φ、肉厚６．５ｍｍｔ、長さ２１０００ｍｍＬの継目無鋼管に成形するマンドレルミル圧延をした。被圧延材には、表１に示す普通鋼、合金鋼および高合金鋼を用いた。

表１中の「圧延可能パス数」は、高合金鋼の圧延を開始してから、圧延中の振動、ストリッピング不良等の不具合が生ずるまでのパス数を意味する。

表１に示すように、本発明例１〜１２では、いずれも２１パス以上の圧延が可能であった。特に、ならし圧延のパス数が１００パス以上であった本発明例３、４、６および１２では、３０パスを超える圧延が可能であった。これに対し、比較例ではいずれも１１パス以下で不具合が生じた。

本発明によれば、優れた耐焼付性および耐用寿命を有する高合金圧延用マンドレルバーを製造することができる。この高合金圧延用マンドレルバーは、特に、13％Cr鋼等の圧延条件の厳しいステンレス鋼をマンドレルミル圧延して継目無鋼管を製造するのに有用である。また、本発明の継目無鋼管の製造装置の操業方法によれば、普通鋼の圧延も、高合金鋼の圧延も焼付きが生じない条件で行うことができる。また、マンドレルバーの寿命が長くなるので、段取り替えの手間を減らし、製造コストの低減に寄与する。

Claims (5)

1. 表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整したマンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延したことを特徴とする高合金圧延用マンドレルバー。
2. 高合金継目無鋼管を熱間圧延するのに用いるマンドレルバーの表面処理方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整したマンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延することを特徴とする高合金圧延用マンドレルバーの表面処理方法。
3. 高合金継目無鋼管を熱間圧延するのに用いるマンドレルバーの製造方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整したマンドレルバーにスケール付け熱処理をした後、Cr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延することを特徴とする高合金圧延用マンドレルバーの製造方法。
4. 継目無鋼管の製造装置を操業する方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整し、さらにスケール付け熱処理をしたマンドレルバーを用いてCr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上圧延した後、高合金鋼を圧延することを特徴とする継目無鋼管製造装置の操業方法。
5. 継目無鋼管の製造装置を操業する方法であって、表面粗さＲａを０．２〜４．０に調整し、さらにスケール付け熱処理をしたマンドレルバーを用いてCr含有量が８％以下の普通鋼を延伸比１．５以上で５０パス以上（このうち、Ｃｒ含有量が０．５％以上５．０％未満の普通鋼については４０パス以下、Ｃｒ含有量が５．０％以上８％以下の普通鋼については１５パス以下）圧延した後、高合金鋼を圧延することを特徴とする継目無鋼管製造装置の操業方法。