JP5408388B1 - 継目無管の冷間圧延方法 - Google Patents

Abstract

継目無管を素管として冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側および終了側となる端部の外面側および内面側に、（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒ≦Ｔ０／２を満たすようにＲ面取り加工が施された素管（１）を用いることにより、素管端部からの加工片の発生を抑制でき、加工片に起因する押込み疵の形成を防止して表面を美麗にできる。ここで、Ｒは端部の外面側および内面側に施すＲ面取りの半径（ｍｍ）、Ｔ０は素管肉厚、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。

Description

本発明は、継目無管を素管として冷間圧延を行う方法に関する。さらに詳しくは、冷間圧延する際に素管端部からの加工片の発生を抑制することにより、加工片に起因する押込み疵の形成を防止して表面を美麗にできる継目無管の冷間圧延方法に関する。

なお、別に記載がない限り、本明細書における用語の定義は次の通りである。
「断面減少率」：冷間圧延における加工度を評価する際の指標として用いられる。その断面減少率Ｒｄ（％）は素管の断面積Ｓ１（ｍｍ^２）および冷間圧延後の管の断面積Ｓ２（ｍｍ^２）から下記（２）式により算出することができる。
Ｒｄ＝（１−Ｓ２／Ｓ１）×１００ ・・・（２）
「面取り」：面取り面が曲面をなす丸み面取りを「Ｒ面取り」という。また、面取り面が平面をなす面取りを単に「面取り」という。「面取り」のうちで面取り面と素管の端面とがなす角度が４５°である面取りを特に「Ｃ面取り」という。

金属管の冷間加工法として、ドローベンチによる冷間引抜法とピルガーミルによる冷間圧延法とが慣用されている。ドローベンチによる冷間引抜法では、素管内に、プラグ、フローティングプラグまたは芯金を挿入し、ダイスを通して素管を引き抜くことにより目標の成品寸法に仕上げる。

このような冷間引抜法は、断面減少率を大きくして高加工度で冷間引抜きを行うのが難いことから、小径材の冷間加工に適用することは困難である。

一方、ピルガーミルによる冷間圧延法は、冷間引抜法と比べて断面減少率を大きくして高加工度で素管を冷間加工できる。このため、高加工度を必要とする継目無管の製造では、一般的にピルガーミル（ピルガー圧延）による冷間圧延法が用いられる。

ピルガー圧延による冷間圧延では、周面に孔型を形成された上下一対の孔型ロールを用い、孔型ロールの間には先端に向かって径が小さくなるテーパを有するマンドレルが設けられる。この孔型ロールは、その軸心に設けられた回転軸でロールスタンドに支持されている。

ピルガー圧延により素管に冷間圧延を行う際、ロールスタンドに支持された孔型ロールがマンドレルに沿って往復移動することによって、往復回転しながら被加工材である素管を圧延する。素管は、孔型ロールが往復回転する工程の間に所定の加工長さだけ送られるとともに、所定角度だけ回転されながら、順次、縮径および減肉しつつ加工される。このとき、冷間圧延される素管は、圧延伸びと圧延送り量に応じて伸管され、目標の成品寸法に圧延される。

このピルガー圧延により複数の素管に連続して冷間圧延を行う場合は、冷間圧延される素管の圧延終了側となる端面に後続する素管の圧延開始側となる端面を合わせてピルガーミルに素管を供給する。これにより、後続する素管を送り出すのに伴い、後続する素管の圧延開始側となる端面が冷間圧延される素管の終了側となる端面を押出すことから、冷間圧延される素管が送られる。

このようなピルガー圧延による冷間圧延を行う際、冷間圧延される素管の圧延終了側の端面と後続する素管の圧延開始側の端面とが擦れ、その一部が削られることによって薄肉の加工片が発生する。加工片は、概ね長さ３ｍｍ、幅１ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの三日月状である。このような加工片がその後の加工で砕け、素管の外面または内面に付着してプラグおよび孔型ロールによる加工位置に到達すると、加工片が管の外面または内面に押し込まれる。その結果、冷間圧延された管の外面または内面に押込み疵が形成される。その押込み疵は、概ね直径１ｍｍの円形状で、その深さは最深部で０．３ｍｍである。以下では、「管の外面」および「管の内面」を総称して単に「管の表面」とも記す。

冷間圧延された管は、例えば、半導体製造装置用のクリーンパイプや原子力プラント用伝熱管として用いられる。クリーンパイプおよび原子力プラント用伝熱管では、表面性状の厳格な管理が要求される。このため、管の表面に押込み疵が形成されると、押込み疵の形状、深さおよび大きさによって、手入れして押込み疵を除去する場合や、後工程で押込み疵の発生部位を切り下げる場合、製品不良となる場合がある。その結果、管の生産効率および製品歩留りが低下する。

このような加工片の発生を抑制するため、１回の冷間圧延あたりの加工度を低下させて冷間圧延を行う回数を増加させることにより所定の加工度を確保する方法を採用することが考えられる。しかし、この方法では、冷間圧延を行う回数が増加するとともに、素管に軟化熱処理を施す回数も増加することから、生産効率が著しく悪化する。このため、１回の冷間圧延あたりの加工度を低下させて冷間圧延を行う回数を増加させることにより所定の加工度を確保する方法は、実用的ではない。

管の冷間圧延方法に関し、従来から種々の提案がなされており、例えば特許文献１および２がある。特許文献１に記載の冷間圧延方法では、継目無管を素管として冷間圧延を行う際に、圧延開始側となる端部の内面における肉厚変動を展開角度ｂ（ｒａｄ）および肉厚差ｄ（ｍｍ）で表し、その比であるｄ／ｂの最大値を管理した素管を用いる。また、ｄ／ｂの最大値が管理範囲を超える場合、圧延開始側となる端部の内面側に面取り加工を施すことによりｄ／ｂの最大値を管理するとしている。これにより、冷間圧延を行う際に内面角張りに起因する管端割れが素管に発生するのを抑制できるとしている。

しかし、継目無管を素管として冷間圧延を行う際には、素管に内面角張りが認められない場合でも管端から加工片が発生する。このため、特許文献１に記載の方法では、冷間圧延を行う際の加工片の発生を抑制することは困難である。

また、特許文献２には、母材とクラッド材とからなるクラッド鋼素管に冷間圧延を行う方法が記載されている。特許文献２に記載の冷間圧延方法は、端部の母材側に所定の条件式を満たすように面取り加工を施したクラッド鋼素管を用いる。これにより、母材とクラッド材の変形抵抗差に起因して端部で母材が飛び出し、母材とクラッド材が端部で剥離するのを防止できるとしている。このように特許文献２に記載の冷間圧延方法は、クラッド鋼素管を対象としていることから、継目無管を素管として冷間圧延を行う際の加工片の発生については検討されていない。

特開２００９−６３８４号公報 特開２００６−３４６７２６号公報

前述の通り、冷間引抜による冷間加工を素管に施すと、加工度が低下することから小径材への適用が困難である。そこで、冷間圧延による冷間加工を素管に施すと、素管の端部から発生した加工片によって管の外面および内面に押込み疵が形成されて問題となる。従来の管の冷間圧延方法は、管端割れや母材とクラッド材の剥離を課題としており、加工片の発生については検討されていない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、冷間圧延する際に素管端部からの加工片の発生を抑制することにより、加工片に起因する押込み疵の形成を防止して表面を美麗にできる継目無管の冷間圧延方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記問題を解決するため、種々の試験を実施し、鋭意検討を重ねた結果、端部にＲ面取り加工が施された素管を用いて冷間圧延を行うことにより、端部からの加工片の発生を抑制できることを見出した。

図１は、端部にＲ面取り加工が施された素管の端部を示す図である。同図に示す素管１は、その端部の外面側および内面側にそれぞれＲ面取り加工が施されており、外面側および内面側に施されたＲ面取りの半径Ｒは同じ値である。外面側および内面側に施されたＲ面取りの半径Ｒは、同じ値であっても異なる値であってもよい。このようなＲ面取り加工を素管の冷間圧延開始側となる端部および終了側となる端部のいずれにも施すことにより、端部からの加工片の発生を抑制できることを見出した。そこで、加工片の発生を抑制できる端部形状を求めるため、後述する実施例に示すように、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）を変化させて素管に冷間圧延を行う試験を実施した。

後述する実施例で示す図２は、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）と（Ｔ０−Ｔ１）／２（ｍｍ）との関係を示す図であり、Ｔ０は素管肉厚（ｍｍ）、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。同図では、冷間圧延を行う際に加工片が発生した場合を白抜きの丸印または四角印で示し、加工片が発生しなかった場合を黒塗りの丸印または四角印で示す。同図より、加工片の発生を抑制するためには、Ｒ面取りの半径Ｒが（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒを満足する必要があることを明らかにした。

また、後述する実施例で示す図３は、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）とＴ０／２（ｍｍ）との関係を示す図であり、Ｔ０は素管肉厚（ｍｍ）である。同図では、冷間圧延を行う際に加工片が発生した場合を黒塗りの丸印または四角印で示し、加工片が発生しなかった場合を白抜きの丸印または四角印で示す。同図より、加工片の発生を抑制するためには、Ｒ面取りの半径ＲがＲ≦Ｔ０／２を満足する必要があることを明らかにした。

これらから、素管の端部に施すＲ面取りの半径Ｒが（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒ≦Ｔ０／２を満足することにより、加工片の発生を抑制できることが明らかになった。

本発明は、これらの知見に基づいて完成したものであり、下記の継目無管の冷間圧延方法を要旨としている。

継目無管を素管としてピルガーミルによる冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側および終了側となる端部の外面側および内面側に、下記（１）式を満たすようにＲ面取り加工が施された素管を用いることを特徴とする継目無管の冷間圧延方法。
（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒ≦Ｔ０／２ ・・・（１）
ここで、Ｒは端部の外面側および内面側に施すＲ面取りの半径（ｍｍ）、Ｔ０は素管肉厚、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。

本発明の継目無管の冷間圧延方法は、下記の顕著な効果を有する。
（１）本発明の継目無管の冷間圧延方法は、ピルガーミルによる冷間圧延を行う際、前記（１）式を満たすように端部にＲ面取り加工が施された素管を用いる。
（２）上記（１）により、素管端部から加工片が発生するのを抑制できる。
（３）上記（２）により、加工片に起因する押込み疵の形成を防止し、得られる管の表面を美麗にできる。

図１は、端部にＲ面取り加工が施された素管の端部を示す図である。 図２は、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）と（Ｔ０−Ｔ１）／２（ｍｍ）との関係を示す図であり、Ｔ０は素管肉厚（ｍｍ）、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。 図３は、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）とＴ０／２（ｍｍ）との関係を示す図であり、Ｔ０は素管肉厚（ｍｍ）である。

本発明の継目無管の冷間圧延方法は、前述の通り、継目無管を素管としてピルガーミルによる冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側および終了側となる端部の外面側および内面側に、下記（１）式を満たすようにＲ面取り加工が施された素管を用いることを特徴とする。
（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒ≦Ｔ０／２ ・・・（１）
ここで、Ｒは端部の外面側および内面側に施すＲ面取りの半径（ｍｍ）、Ｔ０は素管肉厚、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。

以下に、本発明の継目無管の冷間圧延方法を、上記のように規定した理由について説明する。

本発明は、継目無管を対象とする。その理由は、半導体製造装置用のクリーンパイプや、原子力プラント用伝熱管のように、加工片に起因する押込み疵の形成がなく、美麗な表面性状が求められる特殊用途の金属管で、素管として継目無管が用いられるからである。

本発明の継目無管の冷間圧延方法は、前記図１示すように、端部の外面側および内面側にＲ面取り加工を施す。外面側および内面側に施すＲ面取り加工を、冷間圧延開始側および終了側となるいずれの端部にも施す。このようにＲ面取り加工を施すのは、外面と端面との交線または内面と端面との交線の周辺が尖った形状となるとその部分が削られて加工片が発生することから、交線周辺を鈍った形状とするためである。

ここで、端部の外面側および内面側に、Ｒ面取り加工に代えてＣ面取り等の面取り加工を施すことも考えられる。しかしながら、面取り加工では、外面と面取り面の交線、内面と面取り面の交線および端面と面取り面の交線が存在する。その交線の周辺は尖った形状となるので、その部分が削られて加工片が発生する。このため、面取り加工は不適であり、本発明の継目無管の冷間圧延方法では、Ｒ面取り加工を採用した。

本発明の継目無管の冷間圧延方法は、半径Ｒが前記（１）式を満たすようにＲ面取り加工が施された素管を用いる。これにより、後述する図２および図３に示すように、冷間圧延加工の際に素管端部からの加工片の発生を抑制できる。このため、加工片に起因する押込み疵が管の表面に形成されるのを防止でき、得られる管の表面を美麗にできる。したがって、押込み疵に起因する手入れして押込み疵を除去する作業が不要となり、生産効率が向上する。また、押込み疵に起因する切り下げが不要となるとともに、製品不良を削減でき、製造歩留りを向上できる。

Ｒ面取り加工の半径Ｒが前記（１）式で規定する範囲を超えてＴ０／２より大きくなると、前記図１に示す素管の端面の長さＴｒが０となって外面側のＲ面と内面側のＲ面とが接続する。この場合、外面側のＲ面と内面側のＲ面との交線近傍が尖った形状となる。このような端部形状である素管に冷間圧延加工を施すと、Ｒ面とＲ面との交線近傍の尖った部分が削られて加工片が発生する。

一方、半径Ｒの下限は（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒで規定する。ここで、Ｔ０は素管の端面の長さＴｒを用いて表すと、Ｔ０＝Ｔｒ＋２Ｒとなるので、この式を（Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒに代入して変形すると、Ｔｒ≦Ｔ１が得られる。したがって、半径Ｒが（Ｔ０−Ｔ１）／２より小さいことは、素管の端面の長さＴｒが冷間圧延後の肉厚Ｔ１より大きいことを意味する。素管の端面の長さＴｒが冷間圧延後の肉厚Ｔ１より大きい場合、冷間圧延の際に加工片が発生する。この場合に加工片が発生する理由は明確でないが、冷間圧延の際に素管の端部が孔型ロールとマンドレルとによって強く押圧され、素管の端面の一部が剥離することにより発生すると推測される。

本発明の継目無管の冷間圧延方法は、素管の外面側に施されたＲ面取り加工の半径Ｒと、内面側に施されたＲ面取り加工の半径Ｒとが、前記図１に示すような同じ値である場合に限定されない。すなわち、素管の外面側に施されたＲ面取り加工の半径Ｒと、内面側に施されたＲ面取り加工の半径Ｒとが、いずれも前記（１）式を満たせば、異なる値であってもよい。

本発明の継目無管の冷間圧延方法による効果を検証するため、端部にＲ面取り加工を施した素管に冷間圧延を行う試験を実施した。

［試験方法］
本試験では、以下の手順により得られた継目無管を素管としてピルガー圧延による冷間圧延を行った。
（１）中空ビレットをユジーン・セジュルネ法により熱間製管して継目無管とした。
（２）熱間製管により得られた継目無管の両端部の外面側および内面側にＲ面取り加工を施した。

上記（２）のＲ面取り加工では、外面側のＲ面取りの半径Ｒと内面側のＲ面取りの半径Ｒとが、同じ値である素管と、異なる値である素管とを作製した。

本試験に用いた素管の材質は、ＡＳＭＥ ＳＢ−１６３ ＵＮＳ Ｎ０６６９０のＮｉ基合金とし、その代表組成は３０質量％Ｃｒ−６０質量％Ｎｉ−１０質量％Ｆｅであった。表１に、本試験における加工スケジュールおよび前記（２）式により算出した断面減少率を示す。

本試験では、冷間圧延により得られた管の両端部を拡大鏡により２０倍の倍率で観察し、加工片の発生による欠けの有無を調査した。その調査で、欠けが確認された場合に加工片の発生有りとし、欠けが確認されなかった場合に加工片の発生無しとした。

［試験結果］
図２は、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）と（Ｔ０−Ｔ１）／２（ｍｍ）との関係を示す図であり、Ｔ０は素管肉厚（ｍｍ）、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。
図３は、Ｒ面取りの半径Ｒ（ｍｍ）とＴ０／２（ｍｍ）との関係を示す図であり、Ｔ０は素管肉厚（ｍｍ）である。

図２および図３に示す試験結果は、外面側のＲ面取りの半径Ｒと内面側のＲ面取りの半径Ｒとが、同じ値である素管を用いた試験の結果である。

図２および図３には、加工スケジュール１による試験結果を丸印で示し、そのうちの加工片の発生無しの場合を白抜きの丸印（○）で、加工片の発生有りの場合を黒塗りの丸印（●）で示す。また、加工スケジュール２による試験結果を四角印で示し、そのうちの加工片の発生無しの場合を白抜きの四角印（◇）で、加工片の発生有りの場合を黒塗りの四角印（◆）で示す。

図２から、Ｒ面取りの半径ＲをＲ≧（Ｔ０−Ｔ１）／２とすることにより、加工片の発生を抑制できることが明らかになった。また、図３から、Ｒ面取りの半径ＲをＲ≦Ｔ０／２とすることにより、加工片の発生を抑制できることが明らかになった。これらから、本発明の継目無管の冷間圧延方法により、加工片の発生を抑制できることが明らかになった。

続いて、外面側のＲ面取りの半径Ｒと内面側のＲ面取りの半径Ｒとが、異なる値である素管を用いた試験について説明する。その試験について、表２に、区分、加工スケジュール、外面側および内面側のＲ面取りの半径Ｒ、並びに、加工片の発生状況を示す。ここで、外面側および内面側のＲ面取りの半径Ｒの欄における「＊」は、その半径Ｒが前記（１）式を満たさないことを示す。

表２より、外面側のＲ面取りの半径Ｒと内面側のＲ面取りの半径Ｒとが異なる値であっても、いずれの半径Ｒも前記（１）式を満たすことにより、加工片の発生を抑制できた。これらから、素管の外面側に施されたＲ面取り加工の半径Ｒと、内面側に施されたＲ面取り加工の半径Ｒとが、いずれも前記（１）式を満たせば、異なる値であってもよいことが確認できた。

本発明の継目無管の冷間圧延方法は、ピルガーミルによって冷間圧延する際に素管端部からの加工片の発生を抑制することにより、加工片に起因する押込み疵の形成を防止し、美麗な表面を有する管を得ることができる。このような本発明の継目無管の冷間圧延方法を、クリーンパイプまたは原子力プラント用伝熱管として使用される継目無管の製造に適用すれば、継目無管の生産効率および製造歩留りの向上に大きく寄与することができる。

１：素管、 Ｒ：Ｒ面取りの半径、 Ｔ０：素管肉厚、
Ｔｒ：素管の端面の長さ

Claims (1)

1. 継目無管を素管としてピルガーミルによる冷間圧延を行うに際し、冷間圧延開始側および終了側となる端部の外面側および内面側に、下記（１）式を満たすようにＲ面取り加工が施された素管を用いることを特徴とする継目無管の冷間圧延方法。
   （Ｔ０−Ｔ１）／２≦Ｒ≦Ｔ０／２ ・・・（１）
   ここで、Ｒは端部の外面側および内面側に施すＲ面取りの半径（ｍｍ）、Ｔ０は素管肉厚、Ｔ１は冷間圧延後の管の肉厚である。

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