JP2018043286A - 金属管成形ロール、金属管成形装置、金属管成形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐凝着性、耐摩耗性、耐剥離性、およびロール表面の摩擦係数に優れた成形ロールを提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：１．００〜２．３０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：４．８０〜１３．００％、を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物から成る鋼組成を有する基材と、基材上に形成されたＣｒＮ皮膜と、ＣｒＮ皮膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）とを備え、ＤＬＣ膜において、ラマン分光法におり測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１３８０と、波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１５４０との比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲で０．５〜０．７、ＤＬＣ膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲で０．３〜０．５である。【選択図】図１
Description
本発明は、金属管成形ロール、金属管成形装置、金属管成形方法に関し、特に耐凝着性、耐摩耗性に優れた金属管成形ロール、金属管成形装置、金属管成形方法に関するものである。
通常、鋼管、ステンレス鋼管、チタン管、アルミニウム合金管、銅合金管等の金属管を製造する場合、高精度の外径および真円度の確保、ならびに管の曲がり矯正を目的として、鋼管、ステンレス鋼管、チタン管、銅合金管ではＴＩＧまたはレーザー溶接後に、アルミニウム合金管ではＭＩＧ溶接後に成形ロールによる成形工程を行う。
成形ロールの摩耗が激しいと、精度の良い成形ができなくなり、成形する金属管において高精度な真円度を確保できなくなる。そのため、成形ロールには、ロール表面の状態を長期間にわたって維持できる優れた耐摩耗性が要求される。
さらに近年では、金属管の生産性の向上を図るべく、成形工程における通搬速度を増加させた過酷な条件で成形することが多い。このような条件で操業すると、特に断面視半円状の溝ロールである成形ロールで金属管を成形する際、断面視半円状溝の底側とその溝の端部側では周速（周速度）が異なるため、金属管表面の一部では成形ロール表面との間の周速差によって、その部分において凝着（焼付き）が生じやすくなり、焼付き疵が発生するおそれがある。このように、成形ロールと金属管との間で凝着が発生すると、金属管表面に疵が残り商品価値が下がり、さらに金属管製品の真円度が低下してしまうため、摩耗や凝着が起きる前に成形ロールの交換を行わなければならない。
このように、金属管を成形するロールには、耐摩耗性と、焼き付き疵を低減させうる耐凝着性を両立させ、ロールの交換頻度を低減できる長寿命なロールが要求される。
さらに近年では、金属管の生産性の向上を図るべく、成形工程における通搬速度を増加させた過酷な条件で成形することが多い。このような条件で操業すると、特に断面視半円状の溝ロールである成形ロールで金属管を成形する際、断面視半円状溝の底側とその溝の端部側では周速（周速度）が異なるため、金属管表面の一部では成形ロール表面との間の周速差によって、その部分において凝着（焼付き）が生じやすくなり、焼付き疵が発生するおそれがある。このように、成形ロールと金属管との間で凝着が発生すると、金属管表面に疵が残り商品価値が下がり、さらに金属管製品の真円度が低下してしまうため、摩耗や凝着が起きる前に成形ロールの交換を行わなければならない。
このように、金属管を成形するロールには、耐摩耗性と、焼き付き疵を低減させうる耐凝着性を両立させ、ロールの交換頻度を低減できる長寿命なロールが要求される。
このような成形ロールに対する耐摩耗性及び耐凝着性の要求に対して、従来より様々な技術が検討されてきている。
例えば、鋼管の成形ロールにおいては、ロール表面にセラミックス皮膜を成膜し硬度を確保する方法（特許文献１）、ロール表面に、浸硫窒化層、窒化層及びＴｉＣから選ばれる１種の表面硬化層を形成させ硬度と向上させる方法（特許文献２）、表面に硬質皮膜を備えたロールにおいて、ロール表層に分散する炭化物を微細化してロールと硬質皮膜との密着性を確保し、硬質皮膜の剥離を防止することで耐摩耗性と耐凝着性を確保する方法（特許文献３）、等が検討されている。
また一般に、成形ロールの材質としてダイス鋼などの工具鋼が使用される場合が多いが、耐摩耗性や耐凝着性を向上させるために、工具鋼の代わりに超硬合金を使用する対策も取られている。
例えば、鋼管の成形ロールにおいては、ロール表面にセラミックス皮膜を成膜し硬度を確保する方法（特許文献１）、ロール表面に、浸硫窒化層、窒化層及びＴｉＣから選ばれる１種の表面硬化層を形成させ硬度と向上させる方法（特許文献２）、表面に硬質皮膜を備えたロールにおいて、ロール表層に分散する炭化物を微細化してロールと硬質皮膜との密着性を確保し、硬質皮膜の剥離を防止することで耐摩耗性と耐凝着性を確保する方法（特許文献３）、等が検討されている。
また一般に、成形ロールの材質としてダイス鋼などの工具鋼が使用される場合が多いが、耐摩耗性や耐凝着性を向上させるために、工具鋼の代わりに超硬合金を使用する対策も取られている。
ここで、特にチタンは他の金属材料と比較して、各種環境中における耐食性が著しく優れていることから、各種化学用の反応塔や容器、配管などの構成材料として発展してきた。近年では、火力・原子力発電所等の蒸気タービン復水器や蒸発法海水淡水化装置の伝熱管としてもチタン管が多く使用されている。
しかしこれまで、鋼管を成形する際の成形ロールの耐摩耗性及び耐凝着性については、上記の通り様々な検討がされているが、チタン管を成形する成形ロール特性についてはほとんど言及されてきていない。さらに、チタン管成形時の成形ロールに対し、上記のような従来技術を採用しても、耐摩耗性及び耐凝着性が不十分である場合があった。
また近年では、ロールの表面性状を良好に維持できることから、チタン管成形ロールの材質として銅合金を用いることが多いが、銅合金では硬度が不十分なことから、十分な耐摩耗性を確保できない場合があった。
また近年では、ロールの表面性状を良好に維持できることから、チタン管成形ロールの材質として銅合金を用いることが多いが、銅合金では硬度が不十分なことから、十分な耐摩耗性を確保できない場合があった。
さらに、チタンは、耐力（降伏応力）大きいわりに、弾性係数（ヤング率）が他の金属に比べ、低いことから、いわゆるスプリングバック（弾性回復）による成形不良も起き易かった。(アルミニウム合金も他の金属に比べ、弾性係数が低いが、耐力も低いため、チタンほどスプリングバックが問題とならない。)
なお、チタン管に限らず、鋼管、ステンレス鋼管、アルミニウム合金管、銅合金管においても、前記の通り、成形ロールの耐摩耗性及び耐凝着性について、通り様々な検討がされているが、真円度が高く要求される場合に、さらなる製品歩留まりの向上、成形ロールの長寿命化による生産効率の向上が要求されていた。
なお、チタン管に限らず、鋼管、ステンレス鋼管、アルミニウム合金管、銅合金管においても、前記の通り、成形ロールの耐摩耗性及び耐凝着性について、通り様々な検討がされているが、真円度が高く要求される場合に、さらなる製品歩留まりの向上、成形ロールの長寿命化による生産効率の向上が要求されていた。
また、一般的に、金属管を成形する場合、搬送方向に対して複数配置された多段の成形ロールにて成形することで、真円度や残留応力の制御を行う。
複数の成形ロールはおおまかに、駆動ロールと無駆動ロールに大別される。駆動ロールは上下に対向配置された一対のロールからなり、この上下ロールに駆動回転力を付与して駆動させて金属管を搬送方向へ引っ張るロールであり、一方の無駆動ロールは左右に対向配置された一対のロールからなり、駆動回転力は付与されない。
複数の成形ロールはおおまかに、駆動ロールと無駆動ロールに大別される。駆動ロールは上下に対向配置された一対のロールからなり、この上下ロールに駆動回転力を付与して駆動させて金属管を搬送方向へ引っ張るロールであり、一方の無駆動ロールは左右に対向配置された一対のロールからなり、駆動回転力は付与されない。
ここで、より詳細に調査したところ、駆動ロールは無駆動ロールよりもロールの周速差が大きいことから、特にフランジの部分でロール表面が剥離、成形対象物である金属管にも疵が付きやすいことが分かった。さらに、ロール表面の硬質化を目的として硬質膜を付与した場合でも、駆動ロールは無駆動ロールによりもその硬質膜が剥離しやすく、ロール寿命が短くなることが分かった。
つまり、駆動ロールは、無駆動ロールよりも使用環境が過酷であることから、耐摩耗性や耐凝着性は勿論のこと、耐剥離性、ならびにロール表面の優れたすべり性、つまり低摩擦性が求められることが分かった。
つまり、駆動ロールは、無駆動ロールよりも使用環境が過酷であることから、耐摩耗性や耐凝着性は勿論のこと、耐剥離性、ならびにロール表面の優れたすべり性、つまり低摩擦性が求められることが分かった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金属管を成形、造管する際に用いるロールにおいて、耐摩耗性、耐凝着性、耐剥離性、およびロール表面の摩擦係数に優れ、かつ安価な金属管成形ロール、ならびにロールの長寿命化を図り得る金属管成形装置、金属管成形方法を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、安価でかつ耐摩耗性、耐凝着性、耐剥離性、およびロール表面の摩擦係数に優れ、ロール寿命の長い金属管成形ロールを検討した結果、通常、成形ロールの材質として用いられる合金工具鋼鋼材を基材とし、更に、成形ロールを分割し、分割したロールどうしを隣接させ、かつ、当該基材上にＣｒＮ皮膜を形成し、さらにその上にダイヤモンドライクカーボン膜を形成することで、耐摩耗性、耐凝着性、耐剥離性およびロール表面の低摩擦性を向上させて金属管の成形性を高めることが可能になることがわかった。
さらに、前述の「周速差」を低減するために、断面視半円状の溝ロールである成形ロールにおいて、断面視半円状溝の底側とその両側の溝の端部側とで成形ロールを分割して、隣どうしに配置して互いが他方の回転に拘束されないようにすることで、その底側とその両側の溝の端部側との互いの分割ロール間で回転速度の差が適宜生じ、その結果、互いのロール表面における周速差を小さくする手段を採用することにした。ただし、その互いのロール間で許容できない、いわゆる「遊び（ガタ）」すなわち隙間が操業中に生じれば、金属管製品の真円度を下げてしまうおそれがある。一方で、その「遊び(ガタ)」すなわち隙間を極小とするために分割した互いの成形ロールどうしが互いに接するようにすれば、その接する面で、分割した互いの成形ロールどうしで摺動し合って、磨耗し、ロール寿命が短くなる問題点がある。また、その磨耗を防ぐために、分割した互いの成形ロール間にべアリングを介在させると、こんどは「遊び（ガタ）」すなわち隙間が生じ、さらに振動が生じて真円度が保てない等の不具合が生じる問題点がある。
そこで、分割ロールを構成する基材表面であって、少なくとも分割ロールの摺動面どうしが互いに接する面に前述のＣｒＮ皮膜を形成し、さらにその上に前出のダイヤモンドライクカーボン膜を形成することで、分割ロール間での「遊び(ガタ)」すなわち隙間を極小とした場合でも、摺動による互いの磨耗を防ぐ事ができ、ロールの交換頻度を低減できる長寿命なロールを提供できることが分かった。成形ロールの分割や、Ｃｒ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜による摩耗低減は、駆動ロールのみならず、無駆動ロールにおいても有効である。
なお、本発明では、断面視半円状溝の底側とその両側の溝の端部側とで成形ロールを分割した際、断面視半円状溝の底側を「ロール中央部」、その両側の溝の端部側を「回動フランジ部」と称する。
本発明の要旨は、以下の通りである。
本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］ その全周に渡って断面視半円状のロール凹部が設けられたロール本体を有する金属管成形ロールであって、
前記ロール本体は、ロール中央部と、前記ロール中央部の両側に配置されて前記ロール中央部に対して回動自在とされた一対の回動フランジ部と、が少なくとも備えられ、前記ロール凹部が、前記ロール中央部と前記回動フランジ部とによって分割されており、
前記ロール中央部と前記回動フランジ部が、質量％でＣ：１．００〜２．３０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：４．８０〜１３．００％を含有し、残部が鉄及び不純物からなる組成を有する鋼材からなり、
前記ロール凹部の全面と前記回動フランジ部の表面全面に、ＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが順次積層され、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法により測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１３８０と、波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１５４０との比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲で０．５〜０．７、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲で０．３〜０．５であることを特徴とする金属管成形ロール。
［２］ 前記ロール中央部は、前記ロール本体を駆動する回転軸に固定されており、前記回動フランジ部は前記回転軸及び前記ロール中央部に対して回動自在とされていることを特徴とする［１］に記載の金属管成形ロール。
［３］ 前記ロール本体に更に、一対の前記回動フランジ部のロール幅方向両側に配置されて前記ロール中央部に固定された固定フランジ部が備えられ、
前記固定フランジ部に、前記回動フランジ部を引き寄せて固定する引きねじ部が設けられていることを特徴とする［１］または［２］に記載の金属管成形ロール。
［４］ ワークとなる金属管の外径をＤとしたとき、前記ロール中央部における前記ロール凹部の幅が０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲であることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［５］ 前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲のビッカース硬さが３０００〜３５００、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲のビッカース硬さが２５００〜３０００であることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［６］ 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが０．５μｍ〜２μｍであることを特徴とする［１］乃至［５］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［７］ 前記ＣｒＮ皮膜の厚さが０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする［１］乃至［６］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［８］ 前記ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さが８００〜２０００であることを特徴とする［１］乃至［７］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［９］ 前記ロール中央部と前記回動フランジ部の表面に、プラズマ窒化処理によって窒化された窒化層が形成されていることを特徴とする［１］乃至［８］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１０］ 前記窒化層の厚さが０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする［９］に記載の金属管成形ロール。
［１１］ 前記窒化層の平均窒素濃度が、１０．０〜２５．０質量％であることを特徴とする［９］または［１０］に記載の金属管成形ロール。
［１２］ 前記窒化層における窒素の濃度分布が、前記窒化層表層から深さ方向に向かって減少する濃度勾配を有することを特徴とする［９］乃至［１１］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１３］ 前記ロール中央部または前記回動フランジ部の一方または両方が、さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．７０〜１．２０％、
Ｖ：０．１５〜１．００％、
を含有することを特徴とする［１］乃至［１２］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１４］ 前記ロール中央部または前記回動フランジ部の一方または両方が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．６０〜０．８０％、
を含有することを特徴とする［１］乃至［１３］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１５］ ［１］〜［１４］の何れか一項に記載の金属管成形ロールを備えた金属管成形装置。
［１６］ ［１］〜［１４］の何れか一項に記載の金属管成形ロールを用いて成形することを特徴とする、金属管成形方法。
前記ロール本体は、ロール中央部と、前記ロール中央部の両側に配置されて前記ロール中央部に対して回動自在とされた一対の回動フランジ部と、が少なくとも備えられ、前記ロール凹部が、前記ロール中央部と前記回動フランジ部とによって分割されており、
前記ロール中央部と前記回動フランジ部が、質量％でＣ：１．００〜２．３０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：４．８０〜１３．００％を含有し、残部が鉄及び不純物からなる組成を有する鋼材からなり、
前記ロール凹部の全面と前記回動フランジ部の表面全面に、ＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが順次積層され、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法により測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１３８０と、波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１５４０との比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲で０．５〜０．７、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲で０．３〜０．５であることを特徴とする金属管成形ロール。
［２］ 前記ロール中央部は、前記ロール本体を駆動する回転軸に固定されており、前記回動フランジ部は前記回転軸及び前記ロール中央部に対して回動自在とされていることを特徴とする［１］に記載の金属管成形ロール。
［３］ 前記ロール本体に更に、一対の前記回動フランジ部のロール幅方向両側に配置されて前記ロール中央部に固定された固定フランジ部が備えられ、
前記固定フランジ部に、前記回動フランジ部を引き寄せて固定する引きねじ部が設けられていることを特徴とする［１］または［２］に記載の金属管成形ロール。
［４］ ワークとなる金属管の外径をＤとしたとき、前記ロール中央部における前記ロール凹部の幅が０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲であることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［５］ 前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲のビッカース硬さが３０００〜３５００、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲のビッカース硬さが２５００〜３０００であることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［６］ 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが０．５μｍ〜２μｍであることを特徴とする［１］乃至［５］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［７］ 前記ＣｒＮ皮膜の厚さが０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする［１］乃至［６］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［８］ 前記ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さが８００〜２０００であることを特徴とする［１］乃至［７］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［９］ 前記ロール中央部と前記回動フランジ部の表面に、プラズマ窒化処理によって窒化された窒化層が形成されていることを特徴とする［１］乃至［８］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１０］ 前記窒化層の厚さが０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする［９］に記載の金属管成形ロール。
［１１］ 前記窒化層の平均窒素濃度が、１０．０〜２５．０質量％であることを特徴とする［９］または［１０］に記載の金属管成形ロール。
［１２］ 前記窒化層における窒素の濃度分布が、前記窒化層表層から深さ方向に向かって減少する濃度勾配を有することを特徴とする［９］乃至［１１］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１３］ 前記ロール中央部または前記回動フランジ部の一方または両方が、さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．７０〜１．２０％、
Ｖ：０．１５〜１．００％、
を含有することを特徴とする［１］乃至［１２］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１４］ 前記ロール中央部または前記回動フランジ部の一方または両方が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．６０〜０．８０％、
を含有することを特徴とする［１］乃至［１３］の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
［１５］ ［１］〜［１４］の何れか一項に記載の金属管成形ロールを備えた金属管成形装置。
［１６］ ［１］〜［１４］の何れか一項に記載の金属管成形ロールを用いて成形することを特徴とする、金属管成形方法。
本発明によれば、金属管を成形、造管する際に用いるロールにおいて、耐摩耗性、耐凝着性、耐剥離性、およびロール表面の摩擦係数に優れ、かつ安価な金属管成形ロール、ならびにロールの長寿命化を図り得る金属管成形装置、金属管成形方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態である金属管成形ロール、金属管成形装置及び金属管成形方法について説明する。
なお、本実施形態は、本発明の金属管成形ロールの趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り本発明を限定するものではない。
なお、本実施形態は、本発明の金属管成形ロールの趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り本発明を限定するものではない。
なお、これから説明する各実施形態の金属管成形ロール、金属管成形装置、金属管成形方法において適用可能な金属管は、鋼管、ステンレス鋼管、アルミニウム管、アルミニウム合金管、チタン管、チタン合金管、銅管、銅合金管のいずれでもよく、これ以外の材質の金属管でもよい。
［金属管ロール、金属管成形装置及び金属管成形方法の第１の例］
図１に、本実施形態の第１の例である、金属管成形ロール、金属管成形装置及び金属管成形ロールを用いた金属管成形方法の側面模式図を示す。また、図２には、金属管成形ロールの正面模式図を示す。図１及び図２に示すように、本実施形態の金属管成形ロール１は、所謂カリバーロールであり、鋼材からなるロール本体２と、ロール本体２に挿通された回転軸３とが備えられている。ロール本体２のロール面２ａには、断面視半円状に成形されたロール凹部４がロール本体２の全周に渡って設けられている。また、ロール凹部４の表面には、ＣｒＮ皮膜と、ＣｒＮ皮膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。
図１に、本実施形態の第１の例である、金属管成形ロール、金属管成形装置及び金属管成形ロールを用いた金属管成形方法の側面模式図を示す。また、図２には、金属管成形ロールの正面模式図を示す。図１及び図２に示すように、本実施形態の金属管成形ロール１は、所謂カリバーロールであり、鋼材からなるロール本体２と、ロール本体２に挿通された回転軸３とが備えられている。ロール本体２のロール面２ａには、断面視半円状に成形されたロール凹部４がロール本体２の全周に渡って設けられている。また、ロール凹部４の表面には、ＣｒＮ皮膜と、ＣｒＮ皮膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。
図１に示すように、中空の円筒管である金属管１０を真円に成形する際には、一対の金属管成形ロール１の回転軸３をそれぞれ水平に配置し、かつ、各回転軸３が平行になるように配置する。このようにして各金属管成形ロール１を上下方向に対向して配置させる。そして、上下に配置した一対の金属管成形ロール１の間に成形前の金属管１０を通過させる。一対の金属管成形ロール１の間には、各金属管ロール１のロール凹部４によって、正面側から視た場合に真円形状となる孔部が設けられており、この孔部を金属管１０が通過する際に金属管１０が真円状に成形される。なお、金属管成形ロール１の配置は上下方向に限らず、水平方向でも斜め方向でもよい。また、図１に示すように、一対の金属管成形ロール１の回転軸３をそれぞれ水平に配置し、かつ、各回転軸３が平行になるように配置することで、金蔵管成形装置の主要部が構成される。
金属管成形ロール１の回転軸３は、駆動手段によって駆動される駆動軸でもよく、無駆動軸でもよい。本実施形態の金属管成形ロール１は駆動軸に接続されたとしても、ＣｒＮ皮膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられているために、耐摩耗性、耐凝着性、耐剥離性、およびロール表面の摩擦係数に優れたものとなる。
本実施系形態に係る金属管成形ロール１のロール本体２の基材は、質量％で、Ｃ：１．００〜２．３０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：４．８０〜１３．００％、を含有し、残部が鉄及び不純物から成る鋼組成を有する鋼材からなる。この基材からなる金属管成形ロール１の少なくともロール凹部４の表面にＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられる。ダイヤモンドライクカーボン膜においては、ラマン分光法により測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１３８０と、波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１５４０との比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲で０．５〜０．７となり、ダイヤモンドライクカーボン膜とＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲では比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が０．３〜０．５となっている。
以下に、本実施形態における金属管成形ロールについて詳しく説明する。
以下に、本実施形態における金属管成形ロールについて詳しく説明する。
［基材の組成］
まず、本実施形態の金属管成形ロール１における基材成分組成に関し、各元素の限定理由について詳述する。
なお、以下の説明においては、特に指定の無い限り、「％」は質量％を表すものとする。また、以下に示す基本成分及び選択元素の残部は、鉄及び不可避的不純物からなる。
まず、本実施形態の金属管成形ロール１における基材成分組成に関し、各元素の限定理由について詳述する。
なお、以下の説明においては、特に指定の無い限り、「％」は質量％を表すものとする。また、以下に示す基本成分及び選択元素の残部は、鉄及び不可避的不純物からなる。
（Ｃ：炭素） １．００〜２．３０％
Ｃは、炭化物の形成および硬さの確保に必要な元素である。また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等と結合して硬い炭化物を形成するので、焼入れ焼き戻し硬さを高め、耐摩耗性を構成させる元素として重要である。そのため、本実施形態ではＣを１．００％以上含有させる。硬さの確保の観点から、１．４％以上含有させることが好ましい。
一方、Ｃ含有量が２．３０％を超えると、靱性を著しく劣化させる。そこで、本実施形態では、Ｃ含有量は２．３０％以下と限定する。なお、靭性確保の観点から、Ｃ含有量の上限は、２．２０％であることが好ましく、２．００％以下であることがさらに好ましい。
Ｃは、炭化物の形成および硬さの確保に必要な元素である。また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等と結合して硬い炭化物を形成するので、焼入れ焼き戻し硬さを高め、耐摩耗性を構成させる元素として重要である。そのため、本実施形態ではＣを１．００％以上含有させる。硬さの確保の観点から、１．４％以上含有させることが好ましい。
一方、Ｃ含有量が２．３０％を超えると、靱性を著しく劣化させる。そこで、本実施形態では、Ｃ含有量は２．３０％以下と限定する。なお、靭性確保の観点から、Ｃ含有量の上限は、２．２０％であることが好ましく、２．００％以下であることがさらに好ましい。
（Ｓｉ：ケイ素） ０．１０〜０．６０％
Ｓｉは、脱酸剤として含有される。また、Ｓｉは、高温焼戻し中の軟化抵抗性を高める作用があるため含有される。これらの観点から、Ｓｉは０．１０％以上含有させる。一方、Ｓｉ含有量が０．６０％を超えると、熱間加工性や靱性を低下させるほか、非金属介在物が増加するおそれがある。そのため、Ｓｉ含有量は０．６０％以下とする。なお、靭性確保の観点から、Ｓｉ含有量の上限は０．５０％であることが好ましい。
Ｓｉは、脱酸剤として含有される。また、Ｓｉは、高温焼戻し中の軟化抵抗性を高める作用があるため含有される。これらの観点から、Ｓｉは０．１０％以上含有させる。一方、Ｓｉ含有量が０．６０％を超えると、熱間加工性や靱性を低下させるほか、非金属介在物が増加するおそれがある。そのため、Ｓｉ含有量は０．６０％以下とする。なお、靭性確保の観点から、Ｓｉ含有量の上限は０．５０％であることが好ましい。
（Ｍｎ：マンガン） ０．２０〜０．８０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸効果のある元素であり、焼入れ性を向上させると同時に、残留オーステナイトを増加させる元素である。この観点から、Ｍｎは０．２０％以上含有させる。なお、硬度確保の観点から、０．３０以上含有させることが好ましい。なお、靭性とのバランスを考慮し、本実施形態ではＭｎ量の上限を０．８％とする。好ましくは、０．６％以下である。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸効果のある元素であり、焼入れ性を向上させると同時に、残留オーステナイトを増加させる元素である。この観点から、Ｍｎは０．２０％以上含有させる。なお、硬度確保の観点から、０．３０以上含有させることが好ましい。なお、靭性とのバランスを考慮し、本実施形態ではＭｎ量の上限を０．８％とする。好ましくは、０．６％以下である。
（Ｐ：リン） ０．０３０％以下
（Ｓ：硫黄） ０．０３０％以下
Ｐ，Ｓともに、鋼中に存在しない方が好ましい不純物元素である。このことから、Ｐ，Ｓともに、その含有量を０．０３０％以下に制限する。なお好ましくは、０．０２０％以下に制限する。
（Ｓ：硫黄） ０．０３０％以下
Ｐ，Ｓともに、鋼中に存在しない方が好ましい不純物元素である。このことから、Ｐ，Ｓともに、その含有量を０．０３０％以下に制限する。なお好ましくは、０．０２０％以下に制限する。
（Ｃｒ：クロム） ４．８０〜１３．００％
ＣｒはＣと結合して、結合して炭化物を形成することにより、耐摩耗性を向上させる需要な元素である。また、本実施形態では金属管成形ロール１の基材上にＣｒＮ皮膜（硬質皮膜）を形成することから、当該ＣｒＮ皮膜との密着性を確保する上でも非常に重要である。これらの観点から、Ｃｒ量は４．８０％以上とし、好ましくは８．００％以上、さらに好ましくは１１．００％以上とする。
一方、Ｃｒを過剰に添加すると、粗大な炭化物の生成によって靭性が劣化するおそれがあるので、Ｃｒ量の上限を１３．００％とする。なお、好ましくは１２．５０％以下である。
ＣｒはＣと結合して、結合して炭化物を形成することにより、耐摩耗性を向上させる需要な元素である。また、本実施形態では金属管成形ロール１の基材上にＣｒＮ皮膜（硬質皮膜）を形成することから、当該ＣｒＮ皮膜との密着性を確保する上でも非常に重要である。これらの観点から、Ｃｒ量は４．８０％以上とし、好ましくは８．００％以上、さらに好ましくは１１．００％以上とする。
一方、Ｃｒを過剰に添加すると、粗大な炭化物の生成によって靭性が劣化するおそれがあるので、Ｃｒ量の上限を１３．００％とする。なお、好ましくは１２．５０％以下である。
なお、本実施形態では、上記成分組成にさらに、Ｍｏ：０．７０〜１．２０％及びＶ：０．１５〜１．００％、を含有させてもよい。
（Ｍｏ：モリブデン） ０．７０〜１．２０％
Ｍｏは、焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、炭化物の形成により耐摩耗性を付与する効果も有する。これらの観点から、Ｍｏは０．７０％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．８０％以上である。
一方、Ｍｏを過剰に添加すると靱性を劣化させるおそれがある。このことから、Ｍｏは１．２０％以下含有させることが好ましく、より好ましくは１．１０％以下である。
Ｍｏは、焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、炭化物の形成により耐摩耗性を付与する効果も有する。これらの観点から、Ｍｏは０．７０％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．８０％以上である。
一方、Ｍｏを過剰に添加すると靱性を劣化させるおそれがある。このことから、Ｍｏは１．２０％以下含有させることが好ましく、より好ましくは１．１０％以下である。
（Ｖ：バナジウム） ０．１５〜１．００％
Ｖは、基材の焼入れ性向上、焼戻し軟化抑制さらには炭化物の微細化に有効である。そのため、Ｖは０．１５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．２０％以上である。
一方、Ｖを過剰に添加すると、冷間加工性を阻害するおそれがあるため、Ｖは１．００％以下含有させることが好ましく、より好ましくは０．５０％以下である。
Ｖは、基材の焼入れ性向上、焼戻し軟化抑制さらには炭化物の微細化に有効である。そのため、Ｖは０．１５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．２０％以上である。
一方、Ｖを過剰に添加すると、冷間加工性を阻害するおそれがあるため、Ｖは１．００％以下含有させることが好ましく、より好ましくは０．５０％以下である。
また、本実施形態では、上記成分組成にさらに、Ｗ：０．６０〜０．８０％を含有させてもよい。
（Ｗ：タングステン） ０．６０〜０．８０％
Ｗは、Ｖと同様に、基材の焼入れ性向上、焼戻し軟化抑制さらには炭化物の微細化に有効である。そのため、Ｗは０．６％以上含有させることが好ましい。一方、Ｗを過剰に添加すると、冷間加工性を阻害するおそれがあるため、Ｗは０．８０％以下含有させることが好ましい。
Ｗは、Ｖと同様に、基材の焼入れ性向上、焼戻し軟化抑制さらには炭化物の微細化に有効である。そのため、Ｗは０．６％以上含有させることが好ましい。一方、Ｗを過剰に添加すると、冷間加工性を阻害するおそれがあるため、Ｗは０．８０％以下含有させることが好ましい。
本実施形態においては、上記した元素以外の残部は実質的にＦｅからなり、不純物をはじめ、本発明の作用効果を害さない元素を微量に添加することができる。
なお、本実施形態の金属管成形ロール１においては、基材の材質として上記成分組成を有するものを用いるが、その中でも、より安価でかつ耐摩耗性と耐凝着性をバランスよく確保する観点から、ＪＩＳ Ｇ ４４０４にて規定されている、ＳＫＤ１，ＳＫＤ２，ＳＫＤ１０，ＳＫＤ１１もしくはＳＫＤ１２（いずれも上記成分組成範囲内）を用いることが好ましく、これらの中でも特に、ＳＫＤ１１を用いることがより好ましい。
［ＣｒＮ皮膜（硬質皮膜）］
上記成分組成を有するような基材の硬度は、ビッカース硬さで約５００〜６００程度である。つまり、上記基材上に皮膜等を形成せず、基材ままの状態で金属管１０を成形した場合、基材自体の硬度は確保できていることから耐摩耗性に関しては比較的良好な結果が得られるが、耐凝着性に関しては、金属管の材料が基材に焼付いてしまう場合があり、金属管成形ロール１に多数の疵が生じてしまうおそれがある。
上記成分組成を有するような基材の硬度は、ビッカース硬さで約５００〜６００程度である。つまり、上記基材上に皮膜等を形成せず、基材ままの状態で金属管１０を成形した場合、基材自体の硬度は確保できていることから耐摩耗性に関しては比較的良好な結果が得られるが、耐凝着性に関しては、金属管の材料が基材に焼付いてしまう場合があり、金属管成形ロール１に多数の疵が生じてしまうおそれがある。
そのため、本実施形態では、基材表面にＣｒＮ皮膜を形成することが重要であることを見出した。基材表面上にＣｒＮ皮膜を形成することにより、金属管１０と金属管成形ロール１との密着性を確保でき、耐凝着性を向上させることができる。
ＣｒＮ皮膜の厚さは特に限定しないが、０．５μｍ〜５μｍとすることができる。ＣｒＮ皮膜を薄くしすぎると、皮膜形成時にムラが生じ、耐凝着性が不十分となるおそれがある。また、ＣｒＮ皮膜を過度に厚くすると、硬度は向上する一方で、皮膜にき裂（クラック）が生じやすくなり、脆くなるおそれがあるほか、経済的観点から製造コストが高くなり好ましくない。これらのことから、ＣｒＮ皮膜の厚さは０．５μｍ〜５μｍとすることが好ましい。
ＣｒＮ皮膜の成膜方法に関しては特に限定しないが、基材との密着性を確保でき、更に成膜した皮膜の硬度を向上させうることから、ＰＶＤ法（物理蒸着法）を用いることが好ましい。他の蒸着法（例えばＣＶＤ法）によっても本実施形態に係るＣｒＮ皮膜は形成できるが、硬度が不十分であったり、ＣｒＮ皮膜の膜厚が過度に厚くなったりするおそれがあるため、ＣｒＮ皮膜の成膜法としてはＰＶＤ法を用いることが好ましい。
また、ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さは８００〜２０００の範囲内とすることが好ましい。
ＣｒＮ皮膜の硬度は、金属管成形ロール１の耐摩耗性を向上させる観点から、高硬度とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さを８００以上とすることが好ましく、１５００以上とすることがより好ましい。
一方、ＣｒＮ皮膜の硬度の過度な上昇は、クラックの発生を招くおそれがあることから、ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さは２０００以下とすることが好ましい。
ＣｒＮ皮膜の硬度は、金属管成形ロール１の耐摩耗性を向上させる観点から、高硬度とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さを８００以上とすることが好ましく、１５００以上とすることがより好ましい。
一方、ＣｒＮ皮膜の硬度の過度な上昇は、クラックの発生を招くおそれがあることから、ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さは２０００以下とすることが好ましい。
なお、ＣｒＮ皮膜は単層構造でもよく、２層以上積層する複層構造でもよい。しかし、上述したように、ＣｒＮ皮膜の膜厚が厚くなりすぎるとクラックが生じるおそれがあるほか、複層構造とすることで、生産性の低下、製造コストの上昇を招くことから、ＣｒＮ皮膜は単層構造とすることが好ましい。
［ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）］
金属管成形ロール１のうち、金属管１０を搬送方向へ引張る役割の駆動ロールは、無駆動ロールよりも使用環境・使用条件が過酷であることから、耐摩耗性や耐凝着性は勿論のこと、耐剥離性、ならびにロール凹部４の表面の優れた低摩擦性がより求められる。
金属管成形ロール１のうち、金属管１０を搬送方向へ引張る役割の駆動ロールは、無駆動ロールよりも使用環境・使用条件が過酷であることから、耐摩耗性や耐凝着性は勿論のこと、耐剥離性、ならびにロール凹部４の表面の優れた低摩擦性がより求められる。
本実施形態では、ＣｒＮ皮膜上に、ｓｐ２混成軌道の炭素（ｓｐ２構造）とｓｐ３混成軌道の炭素（ｓｐ３構造）からなる高硬度なダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）を成膜する。
しかし、ＣｒＮ層上に高硬度なＤＬＣ膜を成膜しただけでは、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との間（界面）では硬度格差（強度の不連続性）が生じ、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との界面において応力が集中しやすくなる結果、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との密着性が十分に確保できなくなり、金属管１０の成形中にＤＬＣ膜が剥離するおそれがある。
そのため、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との間における硬度の格差を緩和させるようＤＬＣ膜の膜厚方向の硬度分布（硬度傾斜）を制御することが重要である。
しかし、ＣｒＮ層上に高硬度なＤＬＣ膜を成膜しただけでは、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との間（界面）では硬度格差（強度の不連続性）が生じ、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との界面において応力が集中しやすくなる結果、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との密着性が十分に確保できなくなり、金属管１０の成形中にＤＬＣ膜が剥離するおそれがある。
そのため、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との間における硬度の格差を緩和させるようＤＬＣ膜の膜厚方向の硬度分布（硬度傾斜）を制御することが重要である。
具体的には、ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法におり測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１３８０と、波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１５４０との比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０を、膜表面から膜厚の２０％深さの領域（上層領域）で０．５〜０．７、ＤＬＣ膜とＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの領域（下層領域）で０．３〜０．５となるよう制御し、膜表面からＣｒＮ皮膜側に向かってｓｐ３構造の割合が減少（硬度が減少）するような硬度傾斜を付与する。
なお、前述のとおり、Ｉ１３８０とはラマン分光法におり測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度、いわゆる「Ｄバンド」であり、他方のＩ１５４０とはラマン分光法におり測定された波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度、いわゆる「Ｇバンド」であり、Ｉ１３８０／Ｉ１５４０（Ｄ／Ｇ）を算出することでｓｐ３構造性の目安とすることができる。
ダイヤモンドライクカーボンは、ｓｐ３混成軌道(ダイヤモンド構造)の炭素の割合が比較的多いものと、ｓｐ２混成軌道(グラファイト構造)の炭素の割合が比較的多いものが混在したものである。つまりｓｐ３構造が多くなるとダイヤモンド寄りの性質（高硬度）となり、ｓｐ２構造が多くなるとグラファイト寄りの性質（軟質）となる。
したがって、ＣｒＮ皮膜側の下層領域は軟質、膜表面側である上層領域は硬質なものとなるよう、ＤＬＣ膜におけるｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を制御することで、ＤＬＣ膜の膜厚方向における硬度の傾斜をつけ、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との間における硬度格差を緩和させることができる。
上述したようにＣｒＮ層のビッカース硬度は８００〜２０００程度であるので、ＤＬＣ膜の下層領域はビッカース硬度で２５００〜３０００程度、上層領域は３０００〜３５００程度とすることが望ましい。
上述したようにＣｒＮ層のビッカース硬度は８００〜２０００程度であるので、ＤＬＣ膜の下層領域はビッカース硬度で２５００〜３０００程度、上層領域は３０００〜３５００程度とすることが望ましい。
このように、ＤＬＣ膜の上層領域をｓｐ３構造の割合を高めた硬質なものとすることで、金属管１０に対し優れた耐摩耗性を発揮できる上、この上層領域はｓｐ２混成軌道(グラファイト構造)の炭素も多少含んでいることから低摩擦性をも確保できる。一方で、ＤＬＣ膜の下層領域をｓｐ３構造の割合を抑えた軟質なものとすることで、ＣｒＮ層との硬度格差を緩和でき、耐剥離性を確保できる。
さらに、ＤＬＣ膜はチタンとの親和性が低いことから、耐凝着性も良好なものとできる。
さらに、ＤＬＣ膜はチタンとの親和性が低いことから、耐凝着性も良好なものとできる。
なお、Ｉ１３８０／Ｉ１５４０は、ラマン分光分析法によって測定できる。ラマン分光分析法は、試料表面にレーザー光等を照射し、それによって発せられるラマン散乱光を分光し、入射光とラマン散乱光との波長の差から試料表面の分子の構造および結合状態を明らかにする手法である。
ＤＬＣ膜の膜厚については特に限定せず、０．５μｍ〜２．０μｍの範囲内とすることが望ましいが、製法やその条件、金属管成形ロール１の使用環境等により適宜決定してよい。
本実施形態に係るＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法によって成膜できる。
ＤＬＣ膜におけるｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を上記のように制御するためには、プラズマＣＶＤ法の各条件（成膜条件）を調整すればよい。具体的には、反応ガスの種類や割合、基板温度、陰極電圧、真空度等を適宜調整することで、ＤＬＣ膜におけるｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を調整できる。つまり、ＤＬＣ膜の膜厚方向に上記のような硬度傾斜が付与されるのであれば、成膜条件を適宜調整しながら成膜してもよく、成膜開始から一定の条件の下で成膜してもよい。
ＤＬＣ膜におけるｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を上記のように制御するためには、プラズマＣＶＤ法の各条件（成膜条件）を調整すればよい。具体的には、反応ガスの種類や割合、基板温度、陰極電圧、真空度等を適宜調整することで、ＤＬＣ膜におけるｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を調整できる。つまり、ＤＬＣ膜の膜厚方向に上記のような硬度傾斜が付与されるのであれば、成膜条件を適宜調整しながら成膜してもよく、成膜開始から一定の条件の下で成膜してもよい。
反応ガスはＣＨ４とＨ２の混合ガス、あるいはＣＨ４ガスのみとすることができる。反応ガスとして混合ガスを用いる場合は、各ガスの流量を調整することでｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を調整でき、ＣＨ４ガスのみを用いる場合は他の各条件を調整すればよい。
また、本実施形態におけるＤＬＣ膜は、ｓｐ３構造とｓｐ２構造を所望の割合とすることが重要であるため、膜中にＨ（水素）が多量に混入することは好ましくない。そのため、反応ガスとしてＨ２は適当な量に抑えるほうがよい。
以上述べた成膜条件は、用いるプラズマＣＶＤ装置の種類、スペック等に影響されるため、生成させているＤＬＣ膜のラマンピークを調べながらｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を調整すればよい。
また、本実施形態におけるＤＬＣ膜は、ｓｐ３構造とｓｐ２構造を所望の割合とすることが重要であるため、膜中にＨ（水素）が多量に混入することは好ましくない。そのため、反応ガスとしてＨ２は適当な量に抑えるほうがよい。
以上述べた成膜条件は、用いるプラズマＣＶＤ装置の種類、スペック等に影響されるため、生成させているＤＬＣ膜のラマンピークを調べながらｓｐ３構造とｓｐ２構造の割合を調整すればよい。
また、基材上にＣｒＮ皮膜を成膜し、ＤＬＣ膜を成膜するまでの間、ＣｒＮ皮膜表面は大気に曝され汚れが付着しやすい環境下にある。そのため本実施形態では、ＤＬＣ膜を成膜する前にＣｒＮ皮膜表面に対しプラズマクリーニングを施し、表面の汚れを分解・除去した上でＤＬＣ膜を成膜することが望ましい。これにより、ＣｒＮ皮膜とＤＬＣ膜との密着性をより向上させることができる。
［窒化層］
本実施形態に係る金属管成形ロール１は、基材上にＣｒＮ皮膜を成膜し、さらにその上に高硬度なダイヤモンドカーボン膜を成膜することで、金属管成形ロール１の耐摩耗性、耐凝着性、低摩擦性を確保する。しかしながら、高硬度のＣｒＮ層と比較的軟質な基材との間（界面）では硬度格差（強度の不連続性）が生じ、ＣｒＮ層と基材との界面において応力が集中しやすくなる結果、ＣｒＮ皮膜の厚みによってはＣｒＮ皮膜と基材との密着性が十分に確保できない場合がある。
そこで、本発明者らが検討した結果、高硬度なＣｒＮ皮膜と、比較的軟質な基材との間に、ＣｒＮ皮膜と基材とを連結させうる別の層を設けることで、硬度格差を緩和させることができ、ＣｒＮ皮膜と基材との密着性、及び金属管成形ロール１の強度を両立させうることを知見した。
また、一般的に、最大せん断応力は最表面ではなく表面直下（表層）で最大となる「ヘルツの接触応力」の観点からも、金属管成形ロール１の表面直下、すなわちＣｒＮ層と基材との間にも高硬度の層をさらに設け、金属管成形ロール１の耐摩耗性を確保することが好ましい。
本実施形態に係る金属管成形ロール１は、基材上にＣｒＮ皮膜を成膜し、さらにその上に高硬度なダイヤモンドカーボン膜を成膜することで、金属管成形ロール１の耐摩耗性、耐凝着性、低摩擦性を確保する。しかしながら、高硬度のＣｒＮ層と比較的軟質な基材との間（界面）では硬度格差（強度の不連続性）が生じ、ＣｒＮ層と基材との界面において応力が集中しやすくなる結果、ＣｒＮ皮膜の厚みによってはＣｒＮ皮膜と基材との密着性が十分に確保できない場合がある。
そこで、本発明者らが検討した結果、高硬度なＣｒＮ皮膜と、比較的軟質な基材との間に、ＣｒＮ皮膜と基材とを連結させうる別の層を設けることで、硬度格差を緩和させることができ、ＣｒＮ皮膜と基材との密着性、及び金属管成形ロール１の強度を両立させうることを知見した。
また、一般的に、最大せん断応力は最表面ではなく表面直下（表層）で最大となる「ヘルツの接触応力」の観点からも、金属管成形ロール１の表面直下、すなわちＣｒＮ層と基材との間にも高硬度の層をさらに設け、金属管成形ロール１の耐摩耗性を確保することが好ましい。
以上のことから、基材とＣｒＮ層との間に、基材表層をプラズマ窒化処理することによって得られる窒化層を設けることが好ましい。このように、基材の表層に窒化層を形成することで、ＣｒＮ皮膜と基材との間の硬度差を緩和することができ、応力の集中を抑制することができる。その結果、ＣｒＮ層と基材との密着性、ならびに強度を向上させることができ、ＣｒＮ層の剥離を低減し、耐凝着性を向上させることが可能となる。
窒化層の厚さは特に限定しないが、本実施形態では、０．５μｍ〜５μｍとすることができる。
高硬度のＣｒＮ層と比較的軟質な基材との間における強度の差を低減するためには、窒化層の厚みを０．５μｍ以上確保することが好ましい。より好ましくは１μｍ以上である。一方、窒化層の厚みを過度に厚くしすぎることは、プラズマ窒化処理に要する時間が長くなり生産性を低下させるほか、製造コストも高くなる。また、窒化層の厚みを過度に厚くすると、基材の表面粗度が大きくなってしまい、ＣｒＮ皮膜成膜前に基材表面を研磨する必要がでてくる。これらの観点から、窒化層の厚みは５μｍ以下とすることが好ましい。
高硬度のＣｒＮ層と比較的軟質な基材との間における強度の差を低減するためには、窒化層の厚みを０．５μｍ以上確保することが好ましい。より好ましくは１μｍ以上である。一方、窒化層の厚みを過度に厚くしすぎることは、プラズマ窒化処理に要する時間が長くなり生産性を低下させるほか、製造コストも高くなる。また、窒化層の厚みを過度に厚くすると、基材の表面粗度が大きくなってしまい、ＣｒＮ皮膜成膜前に基材表面を研磨する必要がでてくる。これらの観点から、窒化層の厚みは５μｍ以下とすることが好ましい。
窒化層中の平均窒素濃度は、１０．０〜２５．０質量％とすることが好ましい。
窒化層中の窒素濃度が低すぎると、強度向上の効果が小さく、十分な耐摩耗性が得られないおそれがあるため、窒化層中の平均窒素濃度は１０．０質量％以上とすることが好ましい。より好ましくは、１２．０％以上である。
一方、窒化層中の窒素濃度が高すぎると、窒化層表面が脆化する傾向となりやすく、割れが生じるおそれがある。このことから、窒化層中の平均窒素濃度は２５．０質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、２３．０％以下である。
窒化層中の窒素濃度が低すぎると、強度向上の効果が小さく、十分な耐摩耗性が得られないおそれがあるため、窒化層中の平均窒素濃度は１０．０質量％以上とすることが好ましい。より好ましくは、１２．０％以上である。
一方、窒化層中の窒素濃度が高すぎると、窒化層表面が脆化する傾向となりやすく、割れが生じるおそれがある。このことから、窒化層中の平均窒素濃度は２５．０質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、２３．０％以下である。
また、窒化層における窒素の濃度分布が、窒化層表層から深さ方向に向かって減少するような濃度勾配を有することが好ましい。
上述したように、ロール内部で強度格差が生じることは、ＣｒＮ層と基材との密着性、及び強度の観点から好ましくない。従って、ＣｒＮ層、基材表層、基材内部それぞれの間の強度の格差、すなわちロール内部の深さ方向に沿った強度勾配は緩やかにすることが好ましい。そのためには、ＣｒＮ層と基材との間に形成する窒化層内の窒素の濃度分布を、窒化層表層から基材側に向かって減少するような濃度勾配となるよう制御することが好ましい。
上述したように、ロール内部で強度格差が生じることは、ＣｒＮ層と基材との密着性、及び強度の観点から好ましくない。従って、ＣｒＮ層、基材表層、基材内部それぞれの間の強度の格差、すなわちロール内部の深さ方向に沿った強度勾配は緩やかにすることが好ましい。そのためには、ＣｒＮ層と基材との間に形成する窒化層内の窒素の濃度分布を、窒化層表層から基材側に向かって減少するような濃度勾配となるよう制御することが好ましい。
なお、窒素の濃度分布を、窒化層表層から深さ方向に向かって減少する勾配となるよう制御するためには、窒化層を形成するための基材表層に対するプラズマ窒化処理を複数回に分け、かつ、各回の処理を異なる条件で行うことにより、窒化層内における窒素の濃度分布を調整すればよい。
なお、「窒化層」の判別（基材と「窒化層」との境界の判定）は、グロー放電発光分析装置（ＧＤＳ）によって行うことができる。具体的には、まず、上記プラズマ窒化処理によって窒化させた基材表層において、分析領域を直径１ｍｍとし、通常のグロー放電発光分析を行う。引き続き、深さ方向に分析を進め、分析領域の窒素量が母材（基材）の平均窒素濃度を超えているところまでの領域を「窒化層」とする。つまり、グロー放電発光分析を深さ方向に行い、窒素量が基材の平均窒素濃度まで下がった地点を基材と「窒化層」との境界の判定することとする。
また、窒化層中の平均窒素濃度についても、ＧＤＳを用いて測定することができる。なお、本実施形態では、分析領域を直径１ｍｍとし、ＧＤＳを用いて深さ方向に分析を行い、ＪＩＳ Ｋ ０１５０に規定されているＱＤＰ（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）法を適用し、深さ５０ｎｍごとの窒素濃度を測定する。これにより、窒化層における窒素の濃度分布を得る事ができる。また、窒化層全体の平均窒素濃度は、深さ５０ｎｍごとの各窒素濃度の平均を算出することで求めることができる。
以上、本実施形態に係る金属管成形ロール１について説明したが、上記ＣｒＮ皮膜を成膜する前（プラズマ窒化処理を施す前）、においては、ロール表面性状を良好なものとし、ＣｒＮ皮膜の成膜性を確保するために、ロール（基材）表面を鏡面研磨することが望ましい。これにより、ＣｒＮ皮膜と基材との密着性を向上させることができ、結果、優れた耐凝着性を得ることが可能となる。
なおさらに加えて、水または通常金属管の成形で用いられるエマルジョンまたはソリュブル油系潤滑剤を潤滑剤として用いれば、金属管１０と金属管成形ロール１の間の摩擦が更に低減するので好ましい。潤滑性能及び製品に付着した潤滑剤の除去のし易さの観点から、水溶性切削油剤であるソリュブル油系潤滑剤が最も適している。
なおさらに加えて、水または通常金属管の成形で用いられるエマルジョンまたはソリュブル油系潤滑剤を潤滑剤として用いれば、金属管１０と金属管成形ロール１の間の摩擦が更に低減するので好ましい。潤滑性能及び製品に付着した潤滑剤の除去のし易さの観点から、水溶性切削油剤であるソリュブル油系潤滑剤が最も適している。
［金属管ロール及び金属管成形方法の第２の例］
次に、本発明の実施形態である金属管ロール及び金属管成形方法の第２の例について、図３〜８を参照して説明する。
次に、本発明の実施形態である金属管ロール及び金属管成形方法の第２の例について、図３〜８を参照して説明する。
図３及び図４には、本実施形態の第２の例である金属管成形ロール１１を示す。図３及び図４に示す金属管成形ロール１１は、所謂カリバーロールであり、鋼材からなるロール本体１２と、ロール本体１２に挿通された回転軸３とが備えられている。ロール本体１２のロール面１２ａには、断面視半円状に成形されたロール凹部１４がロール本体１２の全周に渡って設けられている。また、ロール凹部１４の表面には、ＣｒＮ皮膜と、ＣｒＮ皮膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。
ロール本体１２は、ロール中央部２１と、ロール中央部２１の両側に配置されてロール中央部２１に対して回動自在とされた一対の回動フランジ部２２と、一対の固定フランジ部２３とが備えられている。ロール凹部１４は、ロール中央部２１と回動フランジ部２２とによって分割されている。また、ロール中央部２１と固定フランジ部２５とは、固定ボルト２６によって相互に固定されている。
ロール中央部２１は、ロール本体１２を駆動する回転軸３に固定されている。一方、回動フランジ部２２は回転軸３及びロール中央部２１に対して回動自在とされている。固定フランジ部２５は固定ボルト２６によってロール中央部２１に固定されている。すなわち、固定フランジ部２５は、ロール中央部２１と一体になって回転軸３に固定されている。回転軸３が回転することでロール中央部２１と固定フランジ部２３とが回転する。一方、回動フランジ部２２は、ロール中央部２１及び固定フランジ部２３に対して回動自在とされているため、ロール中央部２１及び固定フランジ部２３とは連動しない。以下、各部について詳細に説明する。
ロール中央部２１は、回転軸３が挿通される円筒状の基部２１ａと、基部２１ａのロール幅方向中央から突出する突出部２１ｂとからなる。基部２１ａには、回転軸３を挿通させるための挿通孔２１ｃが設けられている。突出部２１ｂの上面２１ｄは、回転軸３側に向けて凹み、かつロール本体１２の全周に渡って連続する丸溝状に成形されており、この上面２１ｄがロール凹部１４の一部を構成している。ロール中央部２１は、第１の例で説明した鋼成分を有する基材から構成される。また、ロール中央部２１の上面２１ｄには、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。更に、ロール中央部２１の突出部２１ｂの側壁面２１ｂ１にも、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。また、ロール中央部２１の基部２１ａの外周面２１ａ１には、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが積層されていてもよく、積層されていなくてもよい。
次に、回動フランジ部２２は、略リング状の部材であり、ロール中央部２１の基部２１ａの外周側かつ突出部２１ｂのロール幅方向両側に嵌められている。このように、回動フランジ部２２は、基部２１ａの上にあって突出部２１ｂのロール幅方向両側に配置される。また、回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａは、断面視したときに凹んだ円弧面に成形されており、ロール中央部２１の上面２１ｄと連続する円弧面になっている。これにより、回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａとロール中央部２１の上面２１ｄとによってロール凹部１４が構成される。
また、回動フランジ部２２を断面視してわかるように、回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａを含む先端部２２ｄは、突出部２１ｂの先端に覆い被さるように屈曲している。これにより、回動フランジ部２２が金属管１０からの荷重を受けた際に、荷重を十分に受け止めることが可能になっている。
更に、ロール中央部２１の突出部２１ｂの側壁面２１ｂ１と、回動フランジ部２２の内側面２２ｅとは、３０μｍ未満の隙間を介して対向している。この隙間の存在により、回動フランジ部２２はロール中央部２１に対して擦れ合うことなく回動自在になっている。一方、ロール中央部２１の基部２１ａの外周面２１ａ１と、回動フランジ部２２の内周面２２ｂとは、相互に摺動自在に接している。
更に、回動フランジ部２２は、第１の例で説明した鋼成分を有する基材から構成される。また、回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａには、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。更にまた、第１の例のＣｒＮ皮膜及びダイヤモンドライクカーボン膜は、外周傾斜面２２ａのみならず、回動フランジ部２２の表面全面に備えられている。
ここで、ロール中央部２１と回動フランジ部２２とに着目すると、前述したように、ロール中央部２１の突出部２１ｂの側壁面２１ｂ１と回動フランジ部２２の内側面２２ｅとが３０μｍ未満の隙間を介して対向している。また、回動フランジ部２２の全面と、ロール中央部２１の側壁面２１ｂ１にそれぞれ、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが積層されている。このように、ロール中央部２１の側壁面２１ｂ１と回動フランジ部２２の内側面２２ｅとがＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とを介して対向しているため、ロール中央部２１と回動フランジ部２２との間の摩擦が小さくなり、ロール中央部２１と回動フランジ部２２とが相互に円滑に摺動できるようになっている。
また、前出したように、ロール中央部２１の外周面２１ａ１に、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とを積層してもよい。この場合は、ロール中央部２１の基部２１ａの外周面２１ａ１と回動フランジ部２２の内周面２２ｂとがＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜を介して相互に対向するようになる。これにより、両方の面２１ａ１、２２ｂが接しているにも関わらず、ロール中央部２１と回動フランジ部２２との間の摩擦が軽減されて更に円滑に摺動できるようになる。
次に、固定フランジ部２３は、略円板状の部材であって、中央に回転軸３が挿通可能な挿通孔２３ａが設けられている部材である。固定フランジ部２３は、ロール本体１２のロール幅方向両側に配置されている。固定フランジ部２３の回転軸寄りの部分は固定ボルト２６によってロール中央部２１の基部２１ａに固定されている。また、固定フランジ部２３の外周寄りの部分は、回動フランジ部２２のロール幅方向両側に位置しており、回動フランジ部２２と対向している。
固定フランジ部２３は、第１の例で説明した鋼成分を有する基材から構成される。また、固定フランジ部２３のうち、回動フランジ部２２と対向する対向面２３ｂに、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが備えられている。
ここで、回動フランジ部２２と固定フランジ部２３とに着目すると、回動フランジ部２２の外側面２２ｃと固定フランジ部２３の対向面２３ｂとが相互に対向して接している。また、回動フランジ部２２の全面に、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが積層されており、更に、固定フランジ部２３の対向面２３ｂにも第１の例で説明したＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが積層されている。このように、回動フランジ部２２の外側面２２ｃと固定フランジ部２３の対向面２３ｂにそれぞれ、第１の例で説明したＣｒＮ皮膜及びダイヤモンドライクカーボン膜が配置されているので、両方の面２２ｃ、２３ｂが相互に接しているにも関わらず、両者間の摩擦が小さくなり、回動フランジ部２２と固定フランジ部２３とが相互に円滑に摺動する。
なお、図４に示すように、本例の金属管成形ロール１は、固定ボルト２６を取り外すことにより、ロール本体１２を、ロール中央部２１、回動フランジ部２２、固定フランジ部２３に分解可能となっている。
以上の構成により、金属管１０を成形する際には、回転軸３の回転駆動によってロール中央部２１及び固定フランジ部２３を回転させる。この状態で金属管１０を一対の金属管ロール１の間に挿通させると、ロール中央部２１の上面２１ｄが金属管１０に接触して金属管１０に回転軸３の回転トルクを伝達する。一方、回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａにも金属管１０が接触するが、回動フランジ部２２は金属管１０の動きに合わせて金属管１０によって回動させられる。このとき、外周傾斜面２２ａの周速度はロール中央部の上面２１ｄの周速度より小さくなるため、回動フランジ部２２の回転速度はロール中央部２１の回転速度よりも小さくなる。回動フランジ部２２は、ロール中央部２１及び固定フランジ部２３に対して回動自在とされており、また、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間には３０μｍ未満の隙間があるため、回動フランジ部２２は、ロール中央部２１の回転速度よりも小さな回転速度で回動する。これにより、金属管１０に対するロールの滑り率が全体的に小さくなり、金属管１０における疵の発生が抑制される。
また、一対の金属管成形ロール１の間に金属管１０が挿入されて、ロール凹部１４に金属管１０が侵入すると、回動フランジ部２２がロール幅方向外側に僅かに押されて固定フランジ部２３に押しつけられる一方で、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間には３０μｍ未満の隙間が確保される。これにより、回動フランジ部２２と突出部２１ｂとが擦れ合うことなく回動フランジ部２２が円滑に回転する。
更に、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間には隙間が生じるが、隙間の幅は３０μｍを超えることはないので、ロール中央部２１に対する回動フランジ部２２のがたつきが極めて小さくなる。これにより、回動フランジ部２２とロール中央部２１とによって構成される断面視半円状のロール凹部１４は、金属管１０が成形される間、その真円度が高いまま維持される。
更に、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間には隙間が生じるが、隙間の幅は３０μｍを超えることはないので、ロール中央部２１に対する回動フランジ部２２のがたつきが極めて小さくなる。これにより、回動フランジ部２２とロール中央部２１とによって構成される断面視半円状のロール凹部１４は、金属管１０が成形される間、その真円度が高いまま維持される。
また、回動フランジ部２２の内周面２２ｂに、ＣｒＮ皮膜及びダイヤモンドライクカーボン膜が配置されているので、回動フランジ部２２の内周面２２ｂとロール中央部２１の外周面２１ａ１との摩擦が小さくなり、回動フランジ部２２をより円滑に回動させることができる。更に、ロール中央部２１の外周面２１ａ１にＣｒＮ皮膜及びダイヤモンドライクカーボン膜を配置した場合は、摩擦低減効果が更に向上できる。
また、回動フランジ部２２の外側面２２ｃに、ＣｒＮ皮膜及びダイヤモンドライクカーボン膜が配置されているので、回動フランジ部２２の外側面２２ｃと固定フランジ部２３の対向面２３との摩擦が小さくなり、回動フランジ部２２と固定フランジ部２３とが相互に円滑に摺動し、回動フランジ部２２を円滑に回動させることができる。更に、固定フランジ部２３の対向面２３にＣｒＮ皮膜及びダイヤモンドライクカーボン膜を配置した場合は、摩擦低減効果が更に向上できる。
なお、ＣｒＮ膜とＤＬＣ膜の形成箇所は、上述した箇所に限られるものではなく、少なくともＣｒＮ膜とＤＬＣ膜とがロール凹部１４の全面と回動フランジ部２２の表面全面とに形成されていれば、ロール中央部２１及び固定フランジ部２３との摩擦が軽減されて回動フランジ部２２を円滑に回動させることができ、金属管１０の疵発生を抑制できるとともに、回動フランジ部２２の焼き付きが防止される。
次に、ロール中央部２１の突出部２１ｂの幅の好適範囲とロールの滑り率について、図５及び図６により説明する。
図５に示すように、ロール中央部２１の突出部２１ｂの上面２１ｄの幅Ｗは、ワークとなる金属管の外径をＤとしたとき、０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲であることが好ましい。ここで、図５に示すように、ロール中央部２１の上面２１ｄと回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａとの境界位置をＡとし、金属管１０の中心軸Ｏから境界位置Ａに向かう方向と水平方向とのなす角度をθとしたとき、幅Ｗが０．７Ｄの場合の境界位置Ａはθ＝４５°の位置となり、また、幅Ｗが０．８７Ｄの場合の境界位置Ａはθ＝３０°の位置となる。すなわち、本実施形態では、角度θが３０〜４５°の範囲になるように境界位置Ａを設定するとよい。この理由を以下に説明する。
図５に示すように、ロール中央部２１の突出部２１ｂの上面２１ｄの幅Ｗは、ワークとなる金属管の外径をＤとしたとき、０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲であることが好ましい。ここで、図５に示すように、ロール中央部２１の上面２１ｄと回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａとの境界位置をＡとし、金属管１０の中心軸Ｏから境界位置Ａに向かう方向と水平方向とのなす角度をθとしたとき、幅Ｗが０．７Ｄの場合の境界位置Ａはθ＝４５°の位置となり、また、幅Ｗが０．８７Ｄの場合の境界位置Ａはθ＝３０°の位置となる。すなわち、本実施形態では、角度θが３０〜４５°の範囲になるように境界位置Ａを設定するとよい。この理由を以下に説明する。
図６（ａ）は非分割型の駆動ロールにおける滑り率を説明する模式図である。駆動ロールの場合、金属管１０に対して最も効率よく回転トルクを伝達できるピンチ位置は、ロール凹部４の最底部になる。そこで、ロール凹部１４の最底部におけるロール径をＲｄとし、ピンチ位置におけるロール径をＲｐとし、ロールのフランジ部上面におけるロール径をＲｆとすると、フランジ部上面近傍における金属管に対する滑り率は以下の通りとなる。
（フランジ部）滑り率＝（Ｒｆ−Ｒｐ）／Ｒｐ …（１）
例えば金属管の外径Ｄを２５ｍｍとし、Ｒｄ＝５０ｍｍ、Ｒｆ＝６２．２５ｍｍとした場合、ＲｐはＲｄにほぼ一致するから（Ｒｐ＝Ｒｄ＝５０ｍｍ）、駆動ロールにおける滑り率は０．２４５になる。
次に、図６（ｂ）は非分割型の無駆動ロールにおける滑り率を説明する模式図である。無駆動ロールの場合のピンチ位置は、ロール凹部４の最底部と、フランジ部の上面との間の中間になる。この場合のフランジ部の上面近傍における金属管に対する滑り率は、例えば金属管の外径Ｄを２５ｍｍとし、Ｒｄ＝５０ｍｍ、Ｒｆ＝６２．２５ｍｍ、Ｒｐ＝５６．１２５ｍｍとなるから、これらを上記式（１）に導入すると、無駆動ロールにおける滑り率は０．１０９になる。
図６（ａ）と図６（ｂ）との対比から明らかなように、駆動ロールは無駆動ロールに比べて滑り率が大きく、金属管１０に疵が発生しやすく、ロール自体も摩耗しやすい。
次に、図６（ｃ）に示すように、本実施形態の分割型の駆動ロールについて検討する。本実施形態の金属管成形ロール１１においては、ロール中央部２１が駆動ロールとして機能し、回動フランジ部２２が無駆動ロールとして機能する。そうすると、Ｒｆ、Ｒｐ及びＲｄは図６（ｃ）に図示した通りになる。
ここで、図５に示すように境界位置Ａがθ＝３０°の位置にある場合、ロール中央部２１における滑り率は０．１２２５となり、回動フランジ部２２における滑り率は０．０５１７となり、いずれも図６（ｂ）における非分割型の無駆動ロールの滑り率（０．１２５）よりも小さくなる。しかしながら、角度θが３０°未満になると、非分割型の無駆動ロールの滑り率（０．１２５）よりも滑り率が大きくなってしまう。
また、図５に示すように境界位置Ａがθ＝４５°の位置にある場合は、ロール中央部２１における滑り率は０．０７３となり、回動フランジ部２２における滑り率は０．０７６となり、いずれも図６（ｂ）における非分割型の無駆動ロールの滑り率（０．１２５）よりも大幅に小さくなる。しかしながら、角度θが４５°を超えると、回動フランジ部２２の外周傾斜面２２ａの幅が小さくなりすぎ、金属管１０の荷重を十分に受け止めきれなくなり、回動フランジ部２２が破損するおそれがある。
以上のことから、図５に示す角度θは３０〜４５°の範囲が好ましい。これをロール中央部２１の突出部２１ｂの上面２１ｄの幅Ｗで表すと、ワークとなる金属管１０の外径をＤとしたときに、幅Ｗは０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲となる。この範囲であれば、金属管１０に疵を生じさせることなく成形が可能になり、かつ、回動フランジ部２２の破損も防止される。
以上説明したように、本実施形態の第２の例の金属管成形ロール１１によれば、ロール本体１２が、ロール中央部２１と、ロール中央部２１の両側に配置されてロール中央部２１に対して回動自在とされた一対の回動フランジ部２２とからなり、ロール凹部１４が、ロール中央部２１と回動フランジ部２２とによって分割されているので、回動フランジ部２２と金属管１０とが互いに滑りにくくなり、これにより、金属管１０に疵が発生しにくくなり、また、回動フランジ部２２に形成したＣｒＮ膜及びＤＬＣ膜が剥がれにくくなる。このように本例の金属管成形ロール１によれば、耐摩耗性、耐凝着性、耐剥離性が向上し、ロール表面の摩擦係数を小さくできる。
また、ロール中央部２１がロール本体１２を駆動する回転軸３に固定される一方で、回動フランジ部２２が回転軸３及びロール中央部２１に対して回動自在とされているので、回転軸３が駆動軸となる場合にはロール中央部２１が駆動ロールとなり、回動フランジ部２２が無駆動ロールとなり、無駆動ロールとなる回動フランジ部２２における滑り率が小さくなるので、金属管１０における疵発生を防止し、また、回動フランジ部２２に形成したＣｒＮ膜及びＤＬＣ膜の剥がれを抑制できる。これにより、金属管成形ロール１の耐久性を向上でき、メンテナンスの頻度を低減できる。
また、ワークとなる金属管１０の外径をＤとしたとき、ロール中央部２１におけるロール凹部１４の幅を０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲とすることで、金属管１０に対する滑り率を低減し、かつ、回動フランジ部２２の破損を防止できる。
更に、回動フランジ部２２の全面にＣｒＮ膜及びＤＬＣ膜が積層されるとともに、この回動フランジ部２２と対応するロール中央部２１及び固定フランジ部２３の面にもＣｒＮ膜及びＤＬＣ膜が積層されるため、ロール中央部２１及び固定フランジ部２３と回動フランジ部２２との間で焼き付きが発生するおそれがなく、回動フランジ部２２を円滑に回動させることができる。
また、ロール凹部１４に金属管１０が侵入した際に回動フランジ部２２がロール幅方向外側に僅かに押され、回動フランジ部２２と突出部２１ｂとの間に隙間が生じた場合でも、隙間の大きさが３０μｍ未満になるため、金属管が成形される間のロール凹部１４の真円度が高いまま維持され、真円度の高い金属管を成形できる。
また、ロール凹部１４に金属管１０が侵入した際に回動フランジ部２２がロール幅方向外側に僅かに押され、回動フランジ部２２と突出部２１ｂとの間に隙間が生じた場合でも、隙間の大きさが３０μｍ未満になるため、金属管が成形される間のロール凹部１４の真円度が高いまま維持され、真円度の高い金属管を成形できる。
また、回動フランジ部２２を円滑に回動させるための軸受などが不要になるので、ロール本体１２を小さくして設備のコンパクト化が図れる。
更に、ロール本体１２には、固定フランジ部２３が備えられており、固定フランジ部２３によってロール中央部２１からの回動フランジ部２２の脱落を防止しつつ、回動フランジ部２２を円滑に回動させることができる。
更に、図４に示したように、本例の金属管成形ロール１は、固定ボルト２６を取り外すことで、ロール本体１２を、ロール中央部２１、回動フランジ部２２及び固定フランジ部２３に分解可能となっているため、保守作業を容易に行うことができる。例えば、回動フランジ部２２のみが摩耗してＣｒＮ膜及びＤＬＣ膜が剥がれた場合は、予備の回動フランジ部２２に交換することで、直ちに使用可能な状態になり、金属管の成形加工を継続することができる。また、取り外した回動フランジ部２２については、補修が必要な箇所にＣｒＮ膜及びＤＬＣ膜を形成するだけで、再利用可能な状態にすることができる。
なおさらに加えて、水または通常金属管の成形で用いられるエマルジョンまたはソリュブル油系潤滑剤を潤滑剤として用いれば、金属管１０と金属管成形ロール１１の間の摩擦が更に低減するので好ましい。また、エマルジョンまたはソリュブル油系潤滑剤を潤滑剤として用いることで、ロール中央部２１と、ロール中央部２１の両側に配置されてロール中央部２１に対して回動自在とされた一対の回動フランジ部２２との間の摩擦もさらに低減されるので好ましい。なお、潤滑剤を用いる場合は、潤滑性能及び製品に付着した潤滑剤の除去のし易さの観点から、水溶性切削油剤であるソリュブル油系潤滑剤が最も適している。
以上、第２の例の金属管成形ロール１１について説明したが、本例では、図７または図８に示す変形例を採用してもよい。
図７に示す変形例では、ロール本体１２を断面視した際に、回動フランジ部２２と突出部２１ｂとの境界面がロール本体１２の外周方向に向けて真っ直ぐに伸びている。図７の例によれば、回動フランジ部２２及び突出部２１ｂの形状を図３の場合よりも比較的単純な形状にすることができ、がたつきが起きにくくなり、金属管１０の成形精度を高めることができる。この図７の例では、金属管１０から受ける荷重が比較的小さい場合に適用できる。
図７に示す変形例では、ロール本体１２を断面視した際に、回動フランジ部２２と突出部２１ｂとの境界面がロール本体１２の外周方向に向けて真っ直ぐに伸びている。図７の例によれば、回動フランジ部２２及び突出部２１ｂの形状を図３の場合よりも比較的単純な形状にすることができ、がたつきが起きにくくなり、金属管１０の成形精度を高めることができる。この図７の例では、金属管１０から受ける荷重が比較的小さい場合に適用できる。
また、図８に示す変形例では、ロール本体１２を断面視した際に、回動フランジ部２２の先端部２２ｄが、ほぼ真横に屈曲している。図８の例においても、回動フランジ部２２及び突出部２１ｂの形状を図３の場合よりも比較的単純な形状にすることができ、がたつきが起きにくくなり、金属管１０の成形精度を高めることができる。図８の例についても、金属管１０から受ける荷重が比較的小さい場合に適用できる。
［金属管ロール及び金属管成形方法の第３の例］
次に、本発明の実施形態である金属管ロール及び金属管成形方法の第３の例について、図９を参照して説明する。図９に示す金属管成形ロール３１と、図３〜図４に示す第２の例の金属管成形ロール１１との違いは、回動フランジ部２２を固定フランジ部２３に固定するための機構が備えられた点であり、その他の点には違いがない。以下の説明では、回動フランジ部２２を固定フランジ部２３に固定する機構について説明する。
次に、本発明の実施形態である金属管ロール及び金属管成形方法の第３の例について、図９を参照して説明する。図９に示す金属管成形ロール３１と、図３〜図４に示す第２の例の金属管成形ロール１１との違いは、回動フランジ部２２を固定フランジ部２３に固定するための機構が備えられた点であり、その他の点には違いがない。以下の説明では、回動フランジ部２２を固定フランジ部２３に固定する機構について説明する。
図９には、本実施形態の第３の例である金属管成形ロール３１を示す。この金属管成形ロール３１には、固定フランジ部２３に、回動フランジ部２２を引き寄せて固定する引きねじ部３２が設けられている。引きねじ部３２は例えば、固定フランジ部２３の３箇所に備えられている。引きねじ部３２は、着脱ボルト３２ａと、この着脱ボルト３２ａが挿入されるねじ穴３２ｂとから構成されている。ねじ穴３２ｂは、固定フランジ部２３及び回動フランジ部２２にそれぞれ設けられている。
金属管１０を成形する際には、着脱ボルト３２ａを取り外して、回動フランジ部２２を固定フランジ部２３及びロール中央部２１に対して回動自在な状態にする。
一方、金属管成形ロール３１のロール凹部１４を補修する際には、着脱ボルト３２ａをねじ穴３２ｂに挿入してねじ締めする。これにより回動フランジ部２２は、固定フランジ部２３側に引き寄せられて固定フランジ部２３と密着する一方で、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間には３０μｍ未満の隙間が生じる。この状態は、金属管１０を成形加工中に回動フランジ部３２が固定フランジ部２３側に押された状態とほぼ同じになる。そして、回動フランジ部２２と固定フランジ部２３とが密着した状態で、ロール凹部１４の補修を行う。補修内容として具体的には、ロール凹部１４が部分的に摩耗して真円度が低下した場合に、真円度を回復させるようにロール凹部１４の内面を研磨加工する。すなわち、回動フランジ部２２を固定フランジ部２３側に引き寄せて金属管１０を成形加工する場合と同じ状態にして、補修を行う。
以上説明したように、本例の金属管成形ロール３１には、回動フランジ部２２と固定フランジ部２３とを密着した状態で固定する引きねじ部３２が備えられており、ロール凹部１４を補修する際に、回動フランジ部２２を、金属管１０を成形加工する場合と同じ状態することができるので、補修後のロール凹部の真円度を高めることができる。
［金属管成形方法および装置］
本実施形態に係る金属管成形装置は、図１、図３または図９に示す金属管成形ロール１、１１、３１のいずれかを備えるとともに、金属管成形ロール１、１１、３１の一部分に対し、金属管成形中に潤滑剤を供給する潤滑ノズルを備える。なお、潤滑剤の使用及びここで示す潤滑ノズルの使用は望ましいが、必要に応じて、潤滑剤を使用するか否か、及び潤滑ノズルの使用をするか否か、適宜選択して良い。また、潤滑剤を使用する場合、潤滑剤を布に浸して塗布する、潤滑剤をスプレーで吹き付ける等の他の方法でも良い。
本実施形態に係る金属管成形装置は、図１、図３または図９に示す金属管成形ロール１、１１、３１のいずれかを備えるとともに、金属管成形ロール１、１１、３１の一部分に対し、金属管成形中に潤滑剤を供給する潤滑ノズルを備える。なお、潤滑剤の使用及びここで示す潤滑ノズルの使用は望ましいが、必要に応じて、潤滑剤を使用するか否か、及び潤滑ノズルの使用をするか否か、適宜選択して良い。また、潤滑剤を使用する場合、潤滑剤を布に浸して塗布する、潤滑剤をスプレーで吹き付ける等の他の方法でも良い。
一般的に、実際に金属管を造管するに際し、金属管溶接後の定型工程では、パイプ疵の防止および冷却のために水溶性の潤滑剤が用いられることが多い。
そこで、本実施形態に係る金属管成形ロールの更なる寿命の向上およびロール表面のロールマーク・疵を防止するためにも、本実施形態に係る金属管成形装置においては、金属管成形ロールに対して潤滑剤を供給する潤滑ノズルを備えることが好ましい。
以下、潤滑ノズルを備えた金属管成形装置の一例について図面を用いて説明するが、尚、以下に示す図面は、金属管成形装置の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の加熱炉の寸法関係等とは異なる場合がある。
そこで、本実施形態に係る金属管成形ロールの更なる寿命の向上およびロール表面のロールマーク・疵を防止するためにも、本実施形態に係る金属管成形装置においては、金属管成形ロールに対して潤滑剤を供給する潤滑ノズルを備えることが好ましい。
以下、潤滑ノズルを備えた金属管成形装置の一例について図面を用いて説明するが、尚、以下に示す図面は、金属管成形装置の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の加熱炉の寸法関係等とは異なる場合がある。
図１０は、本実施形態に係る金属管成形装置を示す図であって、（ａ）は正面概略図であり、（ｂ）は潤滑ノズル１０１の近傍の構成を示す側面図であり、（ｃ）は潤滑ノズル１０１の近傍の構成を示す断面図である。図１１は、潤滑ノズル１０１の配置例を説明するための図であって、（ａ）は正面模式図であり、（ｂ）は側面模式図である。図１２は、潤滑ノズル１０１の幅方向調整機構、上下方向調整機構を詳細に説明するための図であって、（ａ）は金属管成形装置の上面概略図であり、（ｂ）は側面概略図である。
金属管１０は、上下に対向するように配置された金属管成形ロール１，１１、３１により成形されながら搬送される。
このとき、成形ロール１、１１、３１と金属管１０が接するロールフランジ部（孔型の終端のロール平行部）近傍では、他の部位よりも摩擦による摩耗、疵の発生が起こりやすくなっている。そのため、金属管１０を成形するに際し、潤滑剤は、ロールフランジ部近傍に滴下することが必要である。
このとき、成形ロール１、１１、３１と金属管１０が接するロールフランジ部（孔型の終端のロール平行部）近傍では、他の部位よりも摩擦による摩耗、疵の発生が起こりやすくなっている。そのため、金属管１０を成形するに際し、潤滑剤は、ロールフランジ部近傍に滴下することが必要である。
しかしながら、ロールフランジ部は、金属管成形ロール１，１１、３１の径の変更等によってその都度その位置が変わる。そのため、潤滑剤を滴下するための潤滑ノズル１０１の位置もその都度調整しなければならない。したがって本実施形態においては、潤滑剤を滴下するための潤滑ノズル１０１を配置する際は、潤滑剤の滴下位置を幅方向および上下方向に調整できるような拡縮機構を設けることが好ましい。
本実施形態に係る潤滑ノズル１０１を幅方向に拡縮する機構について説明する。
図１０に示すように、幅移動溝（長溝）１１８が設けられたパイプ状の水平移動ガイド１０３が成形ロール１、１１、３１の前方に配置されており、この水平移動ガイド１０３上には、幅移動溝１１８内に嵌め込まれた幅移動ガイド１１９を介して、潤滑ノズル固定台１０２ならびに潤滑ノズル固定台１０２上に載置された潤滑ノズル１０１が設けられている。スライド可能に設けてある潤滑ノズル角度調整冶具１０９に接続した幅移動用ガイド部品１１５が、幅調整用ねじ（中心から左・右をそれぞれ正・逆ねじとし、調整ねじを回転させるとその左・右のガイド部１１５が対称的に反対方向に移動する）１１４（図１２参照）により幅方向に拡縮する機構を有している。
図１０に示すように、幅移動溝（長溝）１１８が設けられたパイプ状の水平移動ガイド１０３が成形ロール１、１１、３１の前方に配置されており、この水平移動ガイド１０３上には、幅移動溝１１８内に嵌め込まれた幅移動ガイド１１９を介して、潤滑ノズル固定台１０２ならびに潤滑ノズル固定台１０２上に載置された潤滑ノズル１０１が設けられている。スライド可能に設けてある潤滑ノズル角度調整冶具１０９に接続した幅移動用ガイド部品１１５が、幅調整用ねじ（中心から左・右をそれぞれ正・逆ねじとし、調整ねじを回転させるとその左・右のガイド部１１５が対称的に反対方向に移動する）１１４（図１２参照）により幅方向に拡縮する機構を有している。
また、潤滑ノズル１０１を上下方向に拡縮する機構としては、成形スタンド支柱１１７に固定されたあり型台座１０７と、あり型台座１０７に対して上下方向にスライド可能に設けられた中心位置調整冶具１０６と、中心位置調整冶具１０６に差し込まれた上下移動ねじ１１６とにて潤滑ノズル１０１の上下位置を調整する。中心位置調整冶具１０６は水平移動ガイド１０３とも連結しているため、あり型台座１０７上をこの中心位置調整冶具１０６が上下方向に移動すると、水平移動ガイド１０３、すなわち潤滑ノズル１０１も同じように上下方向に移動することとなる。
なお、上下移動ねじ１１６は上下位置調整ハンドル１０４と連結しており、この上下位置調整ハンドル１０４を回すことで、中心位置調整冶具１０６の上下方向の移動を制御でき、ロールフランジ部に合わせた潤滑ノズル１０１の上下方向の調整が可能となっている。
なお、上下移動ねじ１１６は上下位置調整ハンドル１０４と連結しており、この上下位置調整ハンドル１０４を回すことで、中心位置調整冶具１０６の上下方向の移動を制御でき、ロールフランジ部に合わせた潤滑ノズル１０１の上下方向の調整が可能となっている。
また、金属管成形ロール１、２１、３１の径の変動による金属管１０との接触を考慮した潤滑ノズル１０１の位置合わせのための角度調整は、潤滑ノズル挟み込み冶具（潤滑ノズル前後調整冶具）１１３と潤滑ノズル角度調整冶具１０９を潤滑ノズル角度固定ねじ１１２にて回転させることで調整が可能である。
潤滑ノズル１０１が前後する機構は潤滑ノズル挟み込み冶具（潤滑ノズル前後調整冶具）１１３を有する装置にて、潤滑ノズル角度固定ねじ１１２によって調整ができる。
これらの機構により金属管成形ロール１、２１、３１と金属管１０が接するロールフランジ部近傍に潤滑剤が滴下をすることができる。
潤滑ノズル１０１が前後する機構は潤滑ノズル挟み込み冶具（潤滑ノズル前後調整冶具）１１３を有する装置にて、潤滑ノズル角度固定ねじ１１２によって調整ができる。
これらの機構により金属管成形ロール１、２１、３１と金属管１０が接するロールフランジ部近傍に潤滑剤が滴下をすることができる。
ここで、潤滑剤としては、潤滑性能及び製品に付着した潤滑剤の除去のし易さの観点から、水溶性切削油剤であるソリュブル油系潤滑剤が最も適している。
潤滑ノズル１０１は、金属管サイズ（ロールフランジ幅）に応じて適宜、ロールフランジ部に対応するようその配置位置を調節する必要がある。また、ロール潤滑の状況により金属管成形ロール１、２１、３１のうち上部ロールへはロールの上からの滴下も必要となる。
図１１は潤滑ノズル１０１の配置例を説明するための正面模式図であるが、上述にて説明したような、金属管成装置には潤滑ノズル１０１の前後・上下ならびに左右の調整機構が備えられているので、金属管成形ロール１、２１、３１のフランジ幅の大小に合わせて、潤滑ノズル１０１の位置を所望の位置へ適宜変更できる。
図１１は潤滑ノズル１０１の配置例を説明するための正面模式図であるが、上述にて説明したような、金属管成装置には潤滑ノズル１０１の前後・上下ならびに左右の調整機構が備えられているので、金属管成形ロール１、２１、３１のフランジ幅の大小に合わせて、潤滑ノズル１０１の位置を所望の位置へ適宜変更できる。
図１２を用いて、潤滑ノズル１０１の幅方向調整機構、上下方向調整機構を詳細に説明する。
なお、潤滑ノズル１０１の各方向調整機構を説明しやすくするため、図１２中において、一部の部材については記載を省略している。
パイプ状の水平移動ガイド１０３内の略中央部分には、正逆反転する２つの幅調整用ねじ１１４（左、右ねじ）が配置されている。そしてこの幅調整用ねじ１１４は、水平移動ガイド１０３内に敷設された左右位置調整ハンドル１０５と連結しており、左右位置調整ハンドル１０５を回すことで水平移動ガイド１０３を水平方向に移動させることができ、結果、ロールフランジ部に合わせた潤滑ノズル１０１の幅方向拡縮が調整できる。
また、幅調整用ねじ１１４を中心に移動すること、ならびにあり型台座１０７に設けられた中心位置調整冶具１０６を調整することで、金属管成形ロール１、２１、３１の中央位置を合わせることができる。
なお、潤滑ノズル１０１の各方向調整機構を説明しやすくするため、図１２中において、一部の部材については記載を省略している。
パイプ状の水平移動ガイド１０３内の略中央部分には、正逆反転する２つの幅調整用ねじ１１４（左、右ねじ）が配置されている。そしてこの幅調整用ねじ１１４は、水平移動ガイド１０３内に敷設された左右位置調整ハンドル１０５と連結しており、左右位置調整ハンドル１０５を回すことで水平移動ガイド１０３を水平方向に移動させることができ、結果、ロールフランジ部に合わせた潤滑ノズル１０１の幅方向拡縮が調整できる。
また、幅調整用ねじ１１４を中心に移動すること、ならびにあり型台座１０７に設けられた中心位置調整冶具１０６を調整することで、金属管成形ロール１、２１、３１の中央位置を合わせることができる。
また、図１２の側面図に示すように、潤滑ノズル１０１の前後調整、拡縮移動位置調整により、自在に潤滑剤の滴下位置を変えることができ、金属管１０と金属管成形ロール１、２１、３１との接触部への潤滑剤の滴下位置の調整が可能となっている。
なお、あり型台座１０７はスタンド支柱取付冶具１０８を介して成形スタンド支柱１１７に固定されているが、成形スタンド支柱１１７にスタンド支柱取付冶具１０８を固定する際は、スタンド固定ねじ１２０により容易に装着できるような片持ち形式となっている。
図１３に、潤滑ノズル１０１を用いて潤滑剤を微量滴下するためのローラーポンプ（潤滑剤供給装置）の構造を示す図である。
潤滑剤は、原液と同等な濃い潤滑剤をロールに微量添付するため、チューブポンプといわれるチューブ１３２を、中心軸１３１を中心に自公転するローラー１３０で押しつぶしながら搬送する。
潤滑方法としては、内径３ｍｍ以下のチューブ１３２を用いて、滴下速度が２０ｍｌ／ｈｒ以下の汚染のないチューブ（ローラー）ポンプを用いた微量滴下する方法となっている。
潤滑剤は、原液と同等な濃い潤滑剤をロールに微量添付するため、チューブポンプといわれるチューブ１３２を、中心軸１３１を中心に自公転するローラー１３０で押しつぶしながら搬送する。
潤滑方法としては、内径３ｍｍ以下のチューブ１３２を用いて、滴下速度が２０ｍｌ／ｈｒ以下の汚染のないチューブ（ローラー）ポンプを用いた微量滴下する方法となっている。
ここで、潤滑ノズル１０１としては、内径０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下のチューブを用いるのが、潤滑剤を適量供給する上で適切である。
さらに、該潤滑剤を１ｍｌ／ｈｒ以上２０ｍｌ／ｈｒ以下の滴下速度で微量滴下して該潤滑剤を供給することが適している。
該潤滑剤の供給速度が１ｍｌ／ｈｒ未満では、潤滑剤としての機能を十分に発揮できず、一方、その供給速度が２０ｍｌ／ｈｒを超えると潤滑剤としての機能は飽和し、むしろ金属管成形ロール１、２１、３１の空転を招き、金属管成形に支障が出たり、最終製品から除去すべき潤滑剤が多量となり、製造コストが嵩むことになる。
該潤滑剤の供給速度が１ｍｌ／ｈｒ未満では、潤滑剤としての機能を十分に発揮できず、一方、その供給速度が２０ｍｌ／ｈｒを超えると潤滑剤としての機能は飽和し、むしろ金属管成形ロール１、２１、３１の空転を招き、金属管成形に支障が出たり、最終製品から除去すべき潤滑剤が多量となり、製造コストが嵩むことになる。
以上説明したような、本発明に係る金属管成形ロールによれば、基材上に、ＣｒＮ皮膜ならびにダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）を形成するため、耐摩耗性及び耐凝着性を向上させることができる。またＤＬＣ膜において、ＤＬＣ膜の膜厚方向に硬度の傾斜をつけることで、ＣｒＮ層とＤＬＣ膜との間における硬度の格差を緩和させることができる。その結果、ＤＬＣ膜の上層領域は、硬質なものとすることで、金属管に対し優れた耐摩耗性を発揮できる上、ｓｐ２混成軌道(グラファイト構造)の炭素も多少含んでおり低摩擦性を確保できる。一方の下層領域は軟質なものとすることで、ＣｒＮ層との硬度格差を緩和でき、耐剥離性の確保できる。
また、金属管を成形する際、潤滑剤を成形ロールの一部に微量滴下しながら成形することで、成形ロール、特に駆動ロールの摩擦係数を低減することができる。その効果による、周速差の大きい（すべりの大きい）ことによる、ロールフランジ部の凝着を防止することにより、駆動ロールで発生するロールフランジ部の疵や、ロールマークの発生を抑えることができる。
すなわち、本発明に係る金属管成形ロール、金属管成形装置、金属管成形方法によれば、成形ロール寿命を格段に向上でき、成形ロールの交換頻度を低減でき、製造コストを大幅に削減できる。また、成形ロール寿命の向上による成形ロールの交換頻度を低減によって、ロール交換時のロール調整（位置調整等）に伴う歩留まり低下の防止、及び、成形寸法精度向上による歩留まり向上（高精度化）を達成することができる。
なお、図１０〜図１３に示した金属管成形装置及び金属管成形方法は、金属管としてチタン管を成形する際に特に優れた効果を発揮できる。
なお、図１０〜図１３に示した金属管成形装置及び金属管成形方法は、金属管としてチタン管を成形する際に特に優れた効果を発揮できる。
次に、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
＜成形ロール＞
（実施例１）
まず、成形ロールの基材としてＪＩＳ Ｇ ４４０４にて規定されている工具鋼ＳＫＤ１１を採用し、焼入れ及び焼戻し処理を行った。
次に、得られた基材表面に対して、窒化処理を行い、基材表層に、２５μｍ厚、平均窒素濃度が０.２０質量％である窒化層を形成した。
なお、窒化処理は、アンモニアと水素の混合ガス雰囲気中（ＮＨ３、Ｈ２、Ａｒ）で直流グロー放電により生じた反応性の高い活性種を利用し窒化するラジカル窒化処理を用いた。処理温度は５００℃とし３時間の処理を施した。
（実施例１）
まず、成形ロールの基材としてＪＩＳ Ｇ ４４０４にて規定されている工具鋼ＳＫＤ１１を採用し、焼入れ及び焼戻し処理を行った。
次に、得られた基材表面に対して、窒化処理を行い、基材表層に、２５μｍ厚、平均窒素濃度が０.２０質量％である窒化層を形成した。
なお、窒化処理は、アンモニアと水素の混合ガス雰囲気中（ＮＨ３、Ｈ２、Ａｒ）で直流グロー放電により生じた反応性の高い活性種を利用し窒化するラジカル窒化処理を用いた。処理温度は５００℃とし３時間の処理を施した。
次に、窒化処理を施した基材表層（窒化層）上に、ＰＶＤ蒸着法により、１．５μｍμｍのＣｒＮ皮膜（単層）を成膜した。
次に、ＣｒＮ皮膜を形成した基材を、孔型Ｒ：１２．６ｍｍ、ロール底径Ｄｒ：１００ｍｍ、ロール外径Ｄｏ：１２４ｍｍ、ロール幅Ｗ：６０．０ｍｍの寸法でロールに加工し、図２に示す成形ロールを製造した。
次に、ＣｒＮ皮膜を形成した基材を、孔型Ｒ：１２．６ｍｍ、ロール底径Ｄｒ：１００ｍｍ、ロール外径Ｄｏ：１２４ｍｍ、ロール幅Ｗ：６０．０ｍｍの寸法でロールに加工し、図２に示す成形ロールを製造した。
成形ロールについて、ＣｒＮ皮膜表面から深さ方向に、グロー放電発光分析装置（ＧＤＳ）を用いて成分分析を行った。分析結果を図１４〜１６に示す。図１４〜１６における横軸は、ＣｒＮ層表面からの深さ（μｍ）、縦軸は各成分の濃度（質量％）を示す。
図１４及び図１５に示すように、基材表層に、厚さ１．５μｍのＣｒＮ層が形成されていることが分かる。また、図１６は、微量に含有する元素の深さ方向への濃度挙動を確認するために、図１４のグラフの縦軸範囲を変化させ表したグラフである。図１６のグラフより、ＣｒＮ皮膜と基材との間には、窒化層が形成されていることが分かる。また、グラフからも明らかなように、ＣｒＮ皮膜側から基材側に向けて窒素濃度が緩やかに減少する勾配を示しており、窒化層内における深さ方向に対する硬さ変動も緩やかであることが分かる。
図１４及び図１５に示すように、基材表層に、厚さ１．５μｍのＣｒＮ層が形成されていることが分かる。また、図１６は、微量に含有する元素の深さ方向への濃度挙動を確認するために、図１４のグラフの縦軸範囲を変化させ表したグラフである。図１６のグラフより、ＣｒＮ皮膜と基材との間には、窒化層が形成されていることが分かる。また、グラフからも明らかなように、ＣｒＮ皮膜側から基材側に向けて窒素濃度が緩やかに減少する勾配を示しており、窒化層内における深さ方向に対する硬さ変動も緩やかであることが分かる。
次に、予め上記成形ロールの表面（ＣｒＮ皮膜）に対してプラズマクリーニングを施し汚れを除去した上で、ＣｒＮ皮膜上にダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）を成膜した。膜厚は１．０μｍとした。
ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法によって成膜した。装置は容量結合型高周波プラズマＣＶＤ装置を用い、温度は５００℃とした。プラズマ発生用電源には、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いた。反応ガスとしては、ＣＨ４とＨ２の混合ガスを用いた。このとき、ＣＨ４とＨ２の混合ガスの混合比を変えることにより、ＣｒＮ皮膜との界面から表面に向かって膜の硬さが徐々に増加するようにした。
ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法によって成膜した。装置は容量結合型高周波プラズマＣＶＤ装置を用い、温度は５００℃とした。プラズマ発生用電源には、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いた。反応ガスとしては、ＣＨ４とＨ２の混合ガスを用いた。このとき、ＣＨ４とＨ２の混合ガスの混合比を変えることにより、ＣｒＮ皮膜との界面から表面に向かって膜の硬さが徐々に増加するようにした。
（比較例１）
実施例１で採用した工具鋼ＳＫＤ１１を基材とし、実施例１と同様に、窒化層およびＣｒＮ皮膜（単層）ロールに加工し成形ロールを製造した。
次に、ＣｒＮ皮膜上に、イオンプレーティング法によりダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）を１．０μｍの厚さで成膜した。
実施例１で採用した工具鋼ＳＫＤ１１を基材とし、実施例１と同様に、窒化層およびＣｒＮ皮膜（単層）ロールに加工し成形ロールを製造した。
次に、ＣｒＮ皮膜上に、イオンプレーティング法によりダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）を１．０μｍの厚さで成膜した。
＜ラマン分光法＞
実施例１および比較例で得られた成形ロールの表層の、ｓｐ２混成軌道の炭素とｓｐ３混成軌道の炭素の割合（ｓｐ３／ｓｐ２）をラマン分光分析によって測定した。
結果を図１７（ａ）〜（ｃ）及び図１８（ａ）〜（ｃ）、表１、２に示す。
実施例１および比較例で得られた成形ロールの表層の、ｓｐ２混成軌道の炭素とｓｐ３混成軌道の炭素の割合（ｓｐ３／ｓｐ２）をラマン分光分析によって測定した。
結果を図１７（ａ）〜（ｃ）及び図１８（ａ）〜（ｃ）、表１、２に示す。
図１７（ａ）は、実施例１の成形ロールの表層の顕微鏡写真、図１７（ｂ）は実施例１の成形ロールのＤＬＣ膜の表層のラマンスペクトル、図１７（ｃ）は実施例１の成形ロールのＤＬＣ膜内部のラマンスペクトルを示す。図１８（ａ）は比較例１の成形ロールの表層の顕微鏡写真、図１８（ｂ）は比較例１の成形ロールのＤＬＣ膜の表層のラマンスペクトル、図１８（ｃ）は比較例１の成形ロールのＤＬＣ膜内部のラマンスペクトルを示す。なお、図中の「表面付近」とはＤＬＣ膜の表層、「ＤＬＣ膜内部」ＤＬＣ膜の内部、「界面付近」とはＤＬＣ膜とＣｒＮ皮膜との界面付近のラマンスペクトルである。
また表１に、実施例１のラマンバンドパラメータを、表２に比較例１のラマンバンドパラメータを示す。
また表１に、実施例１のラマンバンドパラメータを、表２に比較例１のラマンバンドパラメータを示す。
図１７（ａ）〜（ｃ）、表１から明らかなように、実施例１で得られたＤＬＣ膜は、ＣｒＮ皮膜からＤＬＣ膜に向かうにしたがい、Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が大きくなっている。
つまり、ＣｒＮ皮膜からＤＬＣ膜に向かうにしたがい硬度が大きくなる硬度傾斜となっていることが分かる。
つまり、ＣｒＮ皮膜からＤＬＣ膜に向かうにしたがい硬度が大きくなる硬度傾斜となっていることが分かる。
次に、実施例１で得られた窒化層、ＣｒＮ皮膜、ならびにＤＬＣ膜のビッカース硬さについて測定した。これらの各層・各膜の厚さはいずれも極めて薄いため、ナノインデンテーション（押込み）法によって、極低荷重の押込み試験を行うことでビッカース硬さを測定した。なお、何れの層、膜においても、断面において３点測定しその平均をもって「ビッカース硬さ」とした。なお、窒化層については窒素濃度が一番高い表層近傍（２μｍ深さまでの領域）において測定した。ＤＬＣ膜は、膜表面から膜厚の２０％深さの領域（表面付近）、ＤＬＣ膜とＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの領域（界面付近）、およびＤＬＣ膜の膜厚方向中心部（ＤＬＣ膜内部）の計３か所において測定した。
その結果、各層・各膜の平均ビッカース硬さはそれぞれ、窒化層は１０００、ＣｒＮ皮膜は２０００、ＤＬＣ膜の「界面付近」は２５００、「ＤＬＣ膜内部」は３０００、ＤＬＣ膜の「表面付近」は３５００となり、膜厚方向において硬度傾斜が付与されていた。
その結果、各層・各膜の平均ビッカース硬さはそれぞれ、窒化層は１０００、ＣｒＮ皮膜は２０００、ＤＬＣ膜の「界面付近」は２５００、「ＤＬＣ膜内部」は３０００、ＤＬＣ膜の「表面付近」は３５００となり、膜厚方向において硬度傾斜が付与されていた。
一方、図１８（ａ）〜（ｃ）、表２から明らかなように、比較例１で得られたＤＬＣ膜は、「表面付近」、「ＤＬＣ膜内部」ともにＩ１３８０／Ｉ１５４０が大きく、膜厚方向において硬度傾斜が付与されていないことが分かる。
また、比較例１で得られたＤＬＣ膜の「表面付近」、「ＤＬＣ膜内部」、「界面付近」それぞれおいて実施例１と同様にビッカース硬度を測定したところ、「界面付近」は２０００ｚ、「ＤＬＣ膜内部」は２０００、「界面付近」は２０００となり、膜厚方向において均一な硬度分布であった。
＜機械特性評価＞
実施例１及び比較例の各成形ロールにおいて、機械特性を評価した。評価条件は、径２５．０ｍｍ、０．５ｍｍ厚のＪＩＳ３種チタン金属管を用い、ＴＩＧ溶接による造管速度を６／ｍｉｎ分として、溶接後に図１０に示す成形装置を用いて成形を行った。このとき、潤滑剤としてはソリュブル油系潤滑剤を用い、この潤滑剤を１０ｍｌ／ｈｒで微量に滴下しながら成形を行った。
その結果、実施例１は、成形時間が２４時間経過しても、ロール疵は発生せず、耐凝着性、耐摩耗性は良好であり、ロールフランジ部の疵、ロールマークの発生を抑制できた。
一方、比較例のロールを用いＪＩＳ３種チタン管の成形を行うと、３０分も立たずにロール疵、膜剥離が発生し、ＣｒＮ皮膜が露出した。
実施例１及び比較例の各成形ロールにおいて、機械特性を評価した。評価条件は、径２５．０ｍｍ、０．５ｍｍ厚のＪＩＳ３種チタン金属管を用い、ＴＩＧ溶接による造管速度を６／ｍｉｎ分として、溶接後に図１０に示す成形装置を用いて成形を行った。このとき、潤滑剤としてはソリュブル油系潤滑剤を用い、この潤滑剤を１０ｍｌ／ｈｒで微量に滴下しながら成形を行った。
その結果、実施例１は、成形時間が２４時間経過しても、ロール疵は発生せず、耐凝着性、耐摩耗性は良好であり、ロールフランジ部の疵、ロールマークの発生を抑制できた。
一方、比較例のロールを用いＪＩＳ３種チタン管の成形を行うと、３０分も立たずにロール疵、膜剥離が発生し、ＣｒＮ皮膜が露出した。
（実施例２、参考例１）
図３に示す成形ロールを製造した。その際、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間を５０μｍに調整した。この成形ロールを参考例１の成形ロールとした。
また、図３に示す成形ロールを製造し、その際、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間を１０μｍ以下に調整した。この成形ロールを実施例２の成形ロールとした。各成形ロールにおけるＣｒＮ膜とＤＬＣ膜の品質は、実施例１と同等であった。
図３に示す成形ロールを製造した。その際、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間を５０μｍに調整した。この成形ロールを参考例１の成形ロールとした。
また、図３に示す成形ロールを製造し、その際、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間を１０μｍ以下に調整した。この成形ロールを実施例２の成形ロールとした。各成形ロールにおけるＣｒＮ膜とＤＬＣ膜の品質は、実施例１と同等であった。
これら実施例２及び参考例１の成形ロールを用いて、径２５．０ｍｍ、０．５ｍｍ厚の普通鋼管、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼管、ＪＩＳ３種チタン管の工業用溶接金属管を成形した。成形条件は、普通鋼管、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼管、ＪＩＳ３種チタン管をそれぞれＴＩＧ溶接して、いずれも造管速度を６／ｍｉｎ分とした。溶接後に図１０に示す成形装置に図３のロールを用い、チタン管製造時のみ潤滑剤としてはソリュブル油系潤滑剤を用い、この潤滑剤を１０ｍｌ／ｈｒで微量に滴下しながら成形を行った。普通鋼管、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼管の成形では潤滑剤を用いなかった。成形後のチタン管の真円度の評価結果を図１９に示す。図１９には、３００時間連続製造の成形後のチタン管の真円度の測定結果を実線で示し、製品としての真円度の許容範囲を三重円（点線）で示している。三重円のうちの内側と外側の円が許容範囲を示しており、残りの円は成形目標を示している。
隙間を１０μｍ以下に調整したロールを用い、３００時間連続製造した成形後の普通鋼管、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼管、チタン管においては、真円度の測定の結果、全て製品としての真円度の許容範囲（目標円の半径の±１０μｍ以内）に納まり、真円度の高い製管を安定して行うことができた。
また、図１９に示すように、チタン管については、実施例２、参考例１とも真円度は良好で、チタン管製品としての真円度の許容範囲内であったが、実施例２のほうがより高い真円度を示した。また、参考例１では、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間によって、チタン管の表面に製品として許容できる程度の疵が生じた。
また、実施例２、参考例１においては、チタン管に対するロールとの焼き付きや、ロール中央部または固定フランジ部と回動フランジ部と間の焼き付きは、発生することがなく、更に連続製管の続行が可能な状態であった。
更に、隙間を１０μｍに調整したロールを用い、かつ、潤滑剤を用いずに成形した普通鋼管及びＳＵＳ３０４ステンレス鋼管においても、３００時間連続製管後に、ロール中央部または固定フランジ部と回動フランジ部と間の焼き付きが発生することがなく、更に連続製管の続行が可能な状態であった。
よって、実施例２のように、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間を１０μｍ以下に調整し、それらが製管中に互いに摺動したとしても、ＣｒＮ膜とＤＬＣ膜による摩擦係数の低減により、互いに磨耗することがなく、問題がなく連続製管することができ、金属管製品の真円度を保ち、疵発生を防ぐ点から望ましいことがわかる。
また、図１９に示すように、チタン管については、実施例２、参考例１とも真円度は良好で、チタン管製品としての真円度の許容範囲内であったが、実施例２のほうがより高い真円度を示した。また、参考例１では、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間によって、チタン管の表面に製品として許容できる程度の疵が生じた。
また、実施例２、参考例１においては、チタン管に対するロールとの焼き付きや、ロール中央部または固定フランジ部と回動フランジ部と間の焼き付きは、発生することがなく、更に連続製管の続行が可能な状態であった。
更に、隙間を１０μｍに調整したロールを用い、かつ、潤滑剤を用いずに成形した普通鋼管及びＳＵＳ３０４ステンレス鋼管においても、３００時間連続製管後に、ロール中央部または固定フランジ部と回動フランジ部と間の焼き付きが発生することがなく、更に連続製管の続行が可能な状態であった。
よって、実施例２のように、回動フランジ部２２とロール中央部２１の突出部２１ｂとの間の隙間を１０μｍ以下に調整し、それらが製管中に互いに摺動したとしても、ＣｒＮ膜とＤＬＣ膜による摩擦係数の低減により、互いに磨耗することがなく、問題がなく連続製管することができ、金属管製品の真円度を保ち、疵発生を防ぐ点から望ましいことがわかる。
１、２１、３１…金属管成形ロール、３…回転軸、１０…金属管、１２…ロール本体、４、１４…ロール凹部、２１…ロール中央部、２１ａ１…外周面（対向面）、２１ａ…基部、２１ｂ…突出部、２２…回動フランジ部、２２ｂ…内周面（対向面）、２２ｃ…外側面（対向面）、２３…固定フランジ部、２３ｂ…対向面、３２…引きねじ部、１０１…潤滑ノズル、１０２…潤滑ノズル固定台、１０３…水平移動ガイド、１０４…上下位置調整ハンドル、１０５…左右位置調整ハンドル、１０６…中心位置調整冶具、１０７…あり型台座、１０８…スタンド支柱取り付け冶具、１０９…潤滑ノズル角度調整冶具、１１２…潤滑ノズル角度固定ねじ、１１３…潤滑ノズル前後調整冶具、１１４…幅調整用ねじ（正・ねじ使用）、１１５…幅移動用ガイド部品、１１６…上下移動ねじ、１１７…成形スタンド支柱、１１８…幅移動溝、１１９…幅移動ガイド、１２０…スタンド固定ねじ、１３０…ローラー、１３１…中心軸、１３２…シリコンチューブ。
Claims (16)
- その全周に渡って断面視半円状のロール凹部が設けられたロール本体を有する金属管成形ロールであって、
前記ロール本体は、ロール中央部と、前記ロール中央部の両側に配置されて前記ロール中央部に対して回動自在とされた一対の回動フランジ部と、が少なくとも備えられ、前記ロール凹部が、前記ロール中央部と前記回動フランジ部とによって分割されており、
前記ロール中央部と前記回動フランジ部が、質量％でＣ：１．００〜２．３０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：４．８０〜１３．００％を含有し、残部が鉄及び不純物からなる組成を有する鋼材からなり、
前記ロール凹部の全面と前記回動フランジ部の表面全面に、ＣｒＮ皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜とが順次積層され、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法により測定された波数１３８０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１３８０と、波数１５４０ｃｍ−１における吸収強度Ｉ１５４０との比Ｉ１３８０／Ｉ１５４０が、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲で０．５〜０．７、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲で０．３〜０．５であることを特徴とする金属管成形ロール。 - 前記ロール中央部は、前記ロール本体を駆動する回転軸に固定されており、前記回動フランジ部は前記回転軸及び前記ロール中央部に対して回動自在とされていることを特徴とする請求項１に記載の金属管成形ロール。
- 前記ロール本体に更に、一対の前記回動フランジ部のロール幅方向両側に配置されて前記ロール中央部に固定された固定フランジ部が備えられ、
前記固定フランジ部に、前記回動フランジ部を引き寄せて固定する引きねじ部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属管成形ロール。 - ワークとなる金属管の外径をＤとしたとき、前記ロール中央部における前記ロール凹部の幅が０．７Ｄ〜０．８７Ｄの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、膜表面から膜厚の２０％深さの範囲のビッカース硬さが３０００〜３５００、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記ＣｒＮ皮膜との界面から２０％深さの範囲のビッカース硬さが２５００〜３０００であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが０．５μｍ〜２μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記ＣｒＮ皮膜の厚さが０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記ＣｒＮ皮膜のビッカース硬さが８００〜２０００であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記ロール中央部と前記回動フランジ部の表面に、プラズマ窒化処理によって窒化された窒化層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記窒化層の厚さが０．５μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項９に記載の金属管成形ロール。
- 前記窒化層の平均窒素濃度が、１０．０〜２５．０質量％であることを特徴とする請求項９または１０に記載の金属管成形ロール。
- 前記窒化層における窒素の濃度分布が、前記窒化層表層から深さ方向に向かって減少する濃度勾配を有することを特徴とする請求項９乃至請求項１１の何れか一項に記載の金属管成形ロール。
- 前記ロール中央部または前記回動フランジ部の一方または両方が、さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．７０〜１．２０％、
Ｖ：０．１５〜１．００％、
を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか一項に記載の金属管成形ロール。 - 前記ロール中央部または前記回動フランジ部の一方または両方が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．６０〜０．８０％、
を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の金属管成形ロール。 - 請求項１〜１４の何れか一項に記載の金属管成形ロールを備えた金属管成形装置。
- 請求項１〜１４の何れか一項に記載の金属管成形ロールを用いて成形することを特徴とする、金属管成形方法。
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