JP4614459B2 - 熱間粉体潤滑剤組成物および継目無管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、継目無管のマンドレルミル圧延に最適な熱間粉体潤滑剤組成物およびこれを用いた製造方法に関し、さらに詳しくは、マンドレルミル圧延に際し、仕上製品管の内面品質を高めることができる熱間粉体潤滑剤組成物およびこれを用いた継目無管の製造方法に関するものである。

マンドレルミル圧延による継目無管の製造工程では、圧延対象とされる中空素管（ホローシェルともいう）は、原料の丸鋼片を加熱炉で加熱した後、ピアサーによる穿孔圧延で加工される。次いで、マンドレルミル圧延工程では、穿孔圧延された１０００〜１３００℃の高温状態に保持された中空素管の内部にマンドレルバーを挿入し、一対の孔型ロールを位相差９０°でタンデムに７〜８台配置したマンドレルミルで延伸圧延し仕上管を得る。その後、得られた仕上管を必要に応じて再加熱炉で再加熱した後、ストレッチレデューサで仕上圧延を行い、所定寸法の仕上製品管を製造する。

中空素管が延伸圧延されるとき、中空素管の内表面とマンドレルバーの外表面との加工界面に相対すべりが発生する。マンドレルミル圧延では、この相対すべりが円滑に進行するように、加工界面を良好な潤滑状態で維持することが重要な技術事項となる。このため、この加工界面に潤滑剤を塗布し、低く安定した摩擦係数を確保することにより、中空素管とマンドレルバーとの焼付きを防止して、仕上製品管の良好な内面品質および寸法精度を得ることが行われている。

このような潤滑方法として、黒鉛および樹脂系有機バインダーを主成分とする水分散型潤滑剤を、中空素管に挿入する前のマンドレルバーの表面に塗布し、乾燥させた固体潤滑皮膜を形成する方法が行われている。
一方、中空素管の加工表面に付着させて使用する潤滑剤としては、従来から種々の潤滑剤が継続して検討されてきたが、いずれも十分な効果を発揮していない。特に、マンドレルミル圧延技術における改善進歩も顕著なものとなっており、リテインド・マンドレルミル圧延においては、要求される潤滑剤の摩擦係数や仕上製品管の内面品質を十分に満足させるまでに至っていない。

さらに、近年において普及してきたフルリトラクト・マンドレルミルでは、短いマンドレルバーを使用して長尺の仕上管を延伸圧延するため、摩擦係数の低減が必須となり、従来の潤滑剤ではマンドレルバーへの負担が大きくなり、焼付きが発生し易く内面品質の低下を招くことになる。

このため、 特開２００２−３３８９８４号公報では、粉体時の性質を良好にし、中空素管の内面に塗布する際に所定の加工位置に均一に塗布できるようにし、中空素管とマンドレルバーとの摩擦の軽減を図ることができるように、主成分として硼酸ナトリウムの５水塩、および補助潤滑剤として炭酸ナトリウム等を含有した熱間粉体潤滑剤組成物が提案されている。
上記公報で提案の粉体潤滑剤を用いてマンドレルミル圧延を行うと、取り扱い易く作業性に優れるだけでなく、圧延時の中空素管とマンドレルバーとの摩擦を大幅に低減できることから、仕上製品管に発生する内面疵を低減することができる。

一方、Ｃｒめっきを施したマンドレルバーの表層は、通常は酸化クロムで覆われ、不働態化していて腐食し難い状態になっているが、高温において硼酸ナトリウム等のように酸化金属を溶融する物質と接触すると、Ｃｒめっき表面の酸化クロムが溶融し、一種の腐食摩耗を引き起こすことがある。

このため、特開２００２−３３８９８５号公報では、硼酸ナトリウム等を含有する組成であるが、マンドレルバー表層のＣｒ層の腐食損耗を抑制でき、工具寿命を延長することができる熱間粉体潤滑剤組成物を提案している。この粉体潤滑剤を用いてマンドレルミル圧延を行うと、Ｃｒめっき表面の腐食摩耗を抑制し、熱間工具の寿命延長が図れるだけでなく、安定した仕上製品管の内面品質を確保することができる。

前記公報（特開２００２−３３８９８４号および特開２００２−３３８９８５号）で提案された熱間粉体潤滑剤組成物を用いれば、基本構成が主成分として硼酸ナトリウムおよび補助潤滑剤として炭酸ナトリウムの配合からなり、マンドレルミル圧延において、１０００〜１３００℃といった高温の中空素管の加工面に付着した場合に、瞬時に溶融して加工面に発生したスケールを融解しながら液体状になって加工面に広がる。このとき、延伸圧延にともなう中空素管の回転によって、より一層均一に拡散させることになり、潤滑性能を損なうことなく、安定して内面疵の発生がない仕上製品管を得ることができる。

ところが、上記粉体潤滑剤組成物を用いてマンドレルミル圧延を行うと、圧延直後には存在しないが、仕上製品管を保管するのにともなって、管内面に吹き出したような粒状、または浸み出した層状の白い付着物（以下、「白色スケール」という）が発生することがある。
かかる白色スケールは、製品としての性能に影響を与えることがないが、外観の見栄えが低下することになる。そのため、管内面にショットブラストを施して、白色スケールを除去する必要が生じることがあるが、この場合には、煩雑な処理工数と多大な処理費用を要することになる。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、マンドレルミル圧延による継目無管の製造に際し、仕上製品管の内面に発生する白色スケールを抑制し、同時に圧延時の潤滑性能を確保し、マンドレルバーの寿命延長および内面疵の発生を低減できる、熱間粉体潤滑剤組成物およびこれを用いた継目無管の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、マンドレルミル圧延後の仕上製品管の内面に発生する白色スケールの原因を詳細に調査した。前述の通り、白色スケールは、圧延直後には存在しないが、仕上製品管の保管にともなって発生する。また、白色スケールを発生し易い粉体潤滑剤組成物は、主成分として硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）を配合し、および補助潤滑剤の炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）を含有する組成である。

マンドレルミル圧延直後には、高温の中空素管の加工面に付着した粉体潤滑剤組成物はスケールと反応し、溶融した硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）、および過剰に投与された硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）とが混在した状態となり、アモルファスとして固化する。その後、このアモルファスが吸湿および乾燥を繰り返すことにより、Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７・５Ｈ_２Ｏとして結晶化し白色スケールを形成する。

上記の白色スケールの発生メカニズムの裏付けとして、補助潤滑剤の炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）を含有すると白色スケールの発生が顕著になることが確認された。この現象は、下記（１）式に示す反応によって説明することができる。
Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７＋Ｎａ_２ＣＯ_３→４・ＮａＢＯ_２＋ＣＯ_２ ・・・ （１）

図１は、上記（１）式のＧｉｂｂｓ自由エネルギーを計算した結果を示す図であり、硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）の炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）による結晶化の反応温度域を示し、ΔＧ＞０の条件で反応が右に進むことを示している。
図１に示す結果から、約３５０℃以上の温度域、すなわち、マンドレルミル圧延直後には、上記（１）式の反応が右に進むことから、ＮａＢＯ_２が生成する。表１に、硼酸塩の溶解度を示す。

表１に示すように、圧延直後に生成したＮａＢＯ_２は、Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７に比べ、より溶解度が高いため、吸湿し易く乾燥を繰り返すことにより結晶化する。その後、仕上製品管による室温での保管にともない、上記（１）式の反応が左に進むことから、最終的には管内面にはＮａ_２Ｂ_４Ｏ_７・５Ｈ_２Ｏの形態で白色スケールが形成される。

上記の検討結果に基づき、本発明者らは、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）に替わる補助潤滑剤を種々検討した結果、補助潤滑剤として優れた高温流動性を具備し、十分な潤滑性能を発揮することができる炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）および炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）に着目した。

すなわち、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は、補助潤滑剤として炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）と同様に主潤滑剤の粘性を低下させることができ、同等の潤滑性能を発揮することができるが、水１００ｍｌへの溶解度が１．４ｍｇ（２５℃）および１．８ｍｇ（７５℃）と小さい。

また、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）も、補助潤滑剤として炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）と同様に主潤滑剤の粘性を低下させることができ、同等の潤滑性能を発揮することができるが、水１００ｍｌへの溶解度が１．５４ｇ（０℃）および０．７３ｇ（１００℃）と低い値を示している。したがって、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）および／または炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）を補助潤滑剤として用いることによって、マンドレルミル圧延後に吸湿、乾燥、そして結晶化にともなう白色スケールの発生を回避することができる。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）の熱間粉体潤滑剤組成物、および（２）の継目無管の製造方法を要旨としている。
（１）熱間加工に用いる潤滑剤組成物であって、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩または１０水塩のいずれか一種または二種以上を４０〜９０質量％、炭酸カルシウムまたは炭酸リチウムのいずれか一種または二種を５〜３０質量％、および脂肪酸のＮａ塩またはＣａ塩のいずれか一種または二種を５〜３０質量％で混合してなることを特徴とする熱間粉体潤滑剤組成物である。
上記硼酸ナトリウムとして、その５水塩の配合を高め、４０〜９０質量％で混合するのが望ましい。

（２）上記（１）の熱間粉体潤滑剤組成物を、所定の熱間加工温度に加熱された被加工材の加工表面に付着させた後、マンドレルミル圧延を行うことを特徴とする継目無管の製造方法である。所定の熱間加工温度として、中空素管の内面温度で１０００〜１３００℃とすることができる。

本発明の熱間粉体潤滑剤組成物によれば、補助潤滑剤として炭酸カルシウムを混合することで、製管工程後にアモルファスとして固化した硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）の吸湿、乾燥および結晶化を防止し、仕上製品管の内面にＮａ_２Ｂ_４Ｏ_７・５Ｈ_２Ｏの形成で発現するのを抑制し、白色スケールの発生をなくすことができる。
これと同時に、粉体時の固化性および流動性が良好であり、被加工材の加工面への拡散性に優れ、マンドレルミル圧延時の潤滑性能を維持でき、マンドレルバーと管内面での摩擦係数の低減が図れるので、マンドレルバーの寿命を延長でき、また管内面疵の発生も低減できる。

図１は、Ｇｉｂｂｓ自由エネルギーから計算した、硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）の炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）による結晶化の反応温度域を示す図である。

本発明の熱間粉体潤滑剤組成物は、補助潤滑剤として炭酸カルシウムまたは炭酸リチウムを混合することで、マンドレルミル圧延での潤滑性能を確保できるとともに、製管工程後の仕上製品管の内面に発生する白色スケールを防止することができる。

したがって、本発明の熱間粉体潤滑剤組成物では、熱間加工に用いる潤滑剤組成物であって、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩または１０水塩のいずれか一種または二種以上を４０〜９０質量％、炭酸カルシウムまたは炭酸リチウムのいずれか一種または二種の配合量を５〜３０質量％、および脂肪酸のＮａ塩またはＣａ塩のいずれか一種または二種を５〜３０質量％で混合してなることを特徴としている。

本発明において、硼酸ナトリウムは流体潤滑性とスケール溶解性を確保するために配合する潤滑剤の主成分であり、その無水塩、５水塩または１０水塩のいずれか一種または二種以上を４０〜９０質量％で混合させて用いることが必要である。
すなわち、４０質量％未満では、その他の有効成分を多く混合しすぎることから粘性が低くなり、結果的に潤滑性能が劣化する。また、９０質量％を超えると、その他の成分が少なくなり過ぎることになり、摩擦係数を軽減できなくなるばかりか、粉体時の性質が低下することになる。硼酸ナトリウムの混合比は、さらに望ましくは５０〜８０質量％である。

本発明で規定する硼酸ナトリウム塩のうち、無水塩は結晶水を含有していないので、高温の被加工材に付着したときに全く発泡しないことから、塗布の均一性が十分に確保できないおそれがある。また、１０水塩は多く結晶水を含んでいることから、発泡しすぎて投入時の風圧により所定の位置に十分に付着させることが難しくなり、また結晶水の放水により硼酸ナトリウム自身が溶解し凝縮することがある。

これに対し、硼酸ナトリウムの５水塩は、適正な結晶水を含んでいることから、発泡不良や結晶水の放水による凝縮の懸念がなく、粉体時の性質（貯蔵時の固化性、搬送時の流動性等）が良好であるとともに、塗布時における拡散性をも保つ効果が大きいことから、多く混合するか、単独で混合するのが望ましい。

上述した硼酸ナトリウムは、流体潤滑性やスケール溶解性などで被加工材との反応性が良好で潤滑性は得られるが、溶融液の粘性が比較的高くなる。このため、補助潤滑剤として炭酸カルシウムまたは／および炭酸リチウムを配合することにより、潤滑剤の粘性を低くし、加工面に均一に拡散することができ、全面に亘り潤滑性を確保できる。また、加工面に疵の原因となるスケールが発生しているときは、スケールをも素早く溶融する作用を発揮することができる。

さらに、炭酸カルシウムおよび炭酸リチウムは水への溶解度が小さいことから、マンドレルミル圧延後の仕上製品管の内面に残留する潤滑主成分の吸湿を防ぎ、乾燥および結晶化に結ぶつく反応を阻止し、白色スケールの発生を防止することができる。
しかしながら、炭酸カルシウムまたは／および炭酸リチウムの配合が５質量％未満では、粘性を低くすることができず、加工全面に亘る均一な潤滑性を確保することができない。一方、３０質量％を超えた場合には、粘性が低くなりすぎて結果的に潤滑性が悪化する。

そこで、本発明では、補助潤滑剤として炭酸カルシウムまたは炭酸リチウムのいずれか一種または二種の配合量を５〜３０質量％とし、望ましくは１０〜２０質量％とする。炭酸カルシウムは、炭酸リチウムに比べ安価であることから、補助潤滑剤として単独で使用し、または配合比を増加させるのが望ましい。

脂肪酸のＮａおよびＣａ塩は、粉体時の潤滑剤の良好な性質を保持するために必須である。しかし、その配合が５質量％未満では、搬送時に配管中でスムーズに移送されず、搬送機械に負担がかかりトラブルの原因となる。また、３０質量％を超えた場合には、高温の被加工材に投入された時、瞬時に燃焼し、その燃焼ガスにより粉体潤滑剤自身が拡散しすぎて被加工材の外に排出され、結果的に付着量が少なくなり、潤滑性が悪化するばかりでなく、不経済である。そこで、本発明では、脂肪酸のＮａおよびＣａ塩の配合は、５〜３０質量％とし、さらに望ましくは８〜２０質量％とした。

本発明で使用可能な脂肪酸のＮａ塩またはＣａ塩としては、ステアリン酸、パルミチン酸等の飽和脂肪酸の塩、または、天然の植物油脂から得られる脂肪酸、例えばパーム油脂肪酸、パーム核油の脂肪酸及び動物油脂から得られる脂肪酸、例えば、牛脂脂肪酸等の塩がある。

本発明の熱間粉体潤滑剤組成物を、所定の熱間加工温度に加熱された被加工材の加工表面に付着させることによって、マンドレルミル圧延の際に、ステンレス鋼や高合金鋼を圧延する場合であっても、マンドレルバーと管内面での摩擦係数の低減を図ることができ、潤滑性能を維持することができる。さらに、製管工程後に長期保管する場合であっても、仕上製品管の内面に白色スケールが発生することがない。

本発明の熱間粉体潤滑剤組成物が発揮する効果を、電気炉を用いた評価と実機操業による評価に基づいて説明する。
（実施例１）
電気炉を用いて、潤滑性能（高温時の流動性）と白色スケールの発生状況との評価試験を実施した。表２に、試験に供試した潤滑剤の組成を示す。また、供試した潤滑剤の成分条件は次の通りとした。

硼酸ナトリウム無水塩：平均粒径約０．６ｍｍ、純度９８％以上
硼酸ナトリウム５水塩：平均粒径約０．４ｍｍ、純度９８％以上
硼酸ナトリウム１０水塩：平均粒径約０．３ｍｍ、純度９８％以上
炭酸カルシウム：平均粒径約０．１ｍｍ、純度約９８％
炭酸ナトリウム：平均粒径約０．３ｍｍ、純度約９９％
脂肪酸のＮａ塩（牛脂脂肪酸のＮａ塩）：平均粒径約０．３ｍｍ、純度約９５％
脂肪酸のＣａ塩（ステアリン酸のＣａ塩）：平均粒径約０．４ｍｍ、純度約９７％

評価試験は、１０００℃に設定した電気炉（Ｎ_２雰囲気）を用い、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×５ｍｍの試片を７°傾斜させた装入し１０分間加熱した後、各試片上に本発明例１〜８と比較例１〜３の供試潤滑剤を投入し、３分間保持した後電気炉より取り出し、放冷後に潤滑性（流動性）を観察した。

潤滑性の評価は、非常に良く拡散したものを◎、拡散したものを○、拡散が少ないものを△、拡散しなかったもの、又は、非常に小さいものを×とした。
白色スケールの発生状況は、３０日間放置し、白色スケールの発生がないものを○、白色スケールの発生が観察されたものを×とした。

表２に示すように、本発明で規定する配合を満足する本発明例１〜８では、いずれの供試潤滑剤であっても、潤滑性能および白色スケールの発生状況は良好であった。
これに対し、比較例１、２では補助潤滑剤である炭酸カルシウムの配合が少ない、または配合されていないため、潤滑性能は不良であった。さらに、比較例３では、炭酸ナトリウムの配合があったため、放置期間中に吸湿、結晶化が行われ白色スケールの発生が観察された。

（実施例２）
実施例２では、補助潤滑剤として炭酸カルシウムに替えて、炭酸リチウムを用いて、実施例１と同様の潤滑性能（高温時の流動性）と白色スケールの発生状況との評価試験を実施した。このときに供試した潤滑剤の組成を表３に示す。ただし、炭酸カルシウムの平均粒径約０．１ｍｍ、純度約９９％とし、他の供試剤の成分条件は実施例１の場合と同様とし、潤滑性の評価試験および白色スケールの発生状況を観察した。

表３示すように、本発明で規定する配合を満足する本発明例９〜１６では、いずれの供試潤滑剤であっても、潤滑性能および白色スケールの発生状況は良好であった。これに対し、比較例４では補助潤滑剤である炭酸リチウムの配合が少ないため、潤滑性能は不良であった。

（実施例３）
圧延装置として５スタンドフルリトラクトマンドレルミルを用いて、実機操業での摩擦係数および白色スケールの発生状況の評価を行った。供試した潤滑剤の成分条件は、（実施例１、２）の場合と同様とし、供試潤滑剤の組成を表４に示す。

被圧延材は普通鋼とし、５スタンドフルリトラクトマンドレルミル圧延に際し、圧延前のホローシェル寸法は外径３３０ｍｍ、肉厚１８ｍｍおよび長さ７０００ｍｍで、圧延前温度は１１５０℃とした。使用したマンドレルバーは外径２４８ｍｍおよび長さ２４０００ｍｍで、材質ＳＫＤ６、表面Ｃｒめっき（厚さ５０μｍ）処理とし、マンドレルミル圧延後の仕上管寸法が外径２５８ｍｍ、肉厚８ｍｍおよび長さ１８３００ｍｍになるように延伸圧延した。

潤滑剤の噴射方法は、圧延前のホローシェルの片端より１．５ｋｇ／ｃｍ^２Ｎ_２キャリアガスの噴射で、噴射量１１００ｃｃを吹き込んだ。
マンドレルミル圧延時の摩擦係数は、マンドレルバーのリテインド力を各スタンド荷重の和で除した値で評価した。評価は、上記値が０．０３未満のものを○、０．０３以上のものを×とした。
また、白色スケールの発生状況は、製管後３０日間放置し、白色スケールの発生がないものを○、白色スケールの発生が観察されたものを×とした。

表４に示すように、本発明で規定する配合を満足する本発明例１７、１８では、摩擦係数および白色スケールの発生状況は良好であった。これに対し、比較例５では、炭酸ナトリウムの配合があったため、放置期間中に吸湿、乾燥および結晶化の反応が行われ、白色スケールの発生が観察され、比較例６では補助潤滑剤である炭酸カルシウムまたは／および炭酸リチウムの配合がなく、摩擦係数が不良であった。

引き続き、適正な熱間加工温度を確認するため、表４に示す本発明例１７、１８を用い、圧延前温度を変化させてマンドレルミル圧延を実施した。使用した被圧延材、マンドレルバー、および圧延スケジュールは同様とした。その結果、熱間加工温度が１０００〜１３００℃の範囲では、摩擦係数および白色スケールの発生状況は良好であることを確認できた。

産業上の利用の可能性

本発明の熱間粉体潤滑剤組成物によれば、補助潤滑剤として炭酸カルシウムまたは炭酸リチウムを混合することで、製管工程後にアモルファスとして固化した硼酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）の吸湿、乾燥および結晶化の反応を防止し、仕上製品管の内面にＮａ_２Ｂ_４Ｏ_７・５Ｈ_２Ｏの形成で発現するのを抑制し、白色スケールの発生をなくすことができる。
これと同時に、粉体時の固化性および流動性が良好であり、被加工材の加工面への拡散性に優れ、マンドレルミル圧延時の潤滑性能を維持でき、マンドレルバーと管内面での摩擦係数の低減が図れるので、マンドレルバーの寿命を延長でき、また管内面疵の発生も低減できる。これらにより、マンドレルミル圧延による継目無管の製造に最適な粉体潤滑剤として、広く採用される。

Claims (4)

1. 熱間加工に用いる潤滑剤組成物であって、硼酸ナトリウムの無水塩、５水塩または１０水塩のいずれか一種または二種以上を４０〜９０質量％、炭酸カルシウムまたは炭酸リチウムのいずれか一種または二種を５〜３０質量％、および脂肪酸のＮａ塩またはＣａ塩のいずれか一種または二種を５〜３０質量％で混合してなることを特徴とする熱間粉体潤滑剤組成物。
2. 前記硼酸ナトリウムとして、その５水塩を４０〜９０質量％で混合してなることを特徴とする請求項１に記載の熱間粉体潤滑剤組成物。
3. 請求項１または２に記載の熱間粉体潤滑剤組成物を、所定の熱間加工温度に加熱された被加工材の加工表面に付着させた後、マンドレルミル圧延を行うことを特徴とする継目無管の製造方法。
4. 前記熱間加工温度を１０００〜１３００℃とすることを特徴とする請求項３に記載の継目無管の製造方法。

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