JPS5913924B2 - 穿孔圧延機用芯金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は穿孔圧延機用芯金の創案に係り、耐用性の適切
に向上された新規な穿孔圧延機用芯金を提供しようとす
るものである。

継目無し鋼管などの製造に用いられる穿孔機又は圧延機
においては芯金が用いられているが、斯かる芯金として
は従来０．３％Ｃ−３％Ｃｒ−１％Ｎｉ鋼を鋳造してか
ら９００〜９５００Ｃで加熱し次いで炉冷した状態のも
のとして使用されている。

５ 然して上記したようなマンネスマン穿孔圧延は加熱
された鋼片を軸方向が互いに傾斜した対向ロール間にお
いて圧延し、同時に芯金を鋼片中心部に押し込んで鋼片
軸心部に発生するもみ割れ現象を助け、所要の内径寸法
に仕上げるものであつて、１０上記芯金は１２００℃に
加熱された鋼片に直接摺動接触するものであるから摩耗
、副れ、変形などによる損傷が著しく、その耐用度（使
用回数）を充分に得ることができない。

即ち斯かる芯金における損傷は製品内面に疵を大きくつ
けることとな１５るので早期に交換することが必要であ
り、従つてその点検、管理に相当の留意を必要とし、工
具費の増大も不可避である。又この芯金をマンドレルな
どに固定して連続使用する場合にはその芯金交換のため
のタイムロスを生じ、生産性を低減する。フ０ 従つて
このような芯金の耐用性を高めるために従来から種々研
究がなされ、例えば０．２％Ｃ−１．６％Ｃｒ−Ｏ、５
％Ｎｉ−１．２５％Ｃｏ、１％Ｃｕ鋼の使用されること
もあるが、このものはＣｕ、Ｃｏなどの高価な元素を含
有させたものであるから経ク５ 済的でなく、特にＣｏ
は資源的に乏しく安定供給が困難である。又上記した何
れのものにおいても熱処理して表面に酸化スケールを生
成させることを前提としているもので、この酸化スケー
ルは加熱された鋼片と芯金との間の断熱及び潤滑作用を
３０なすが、米国特許第３９６２８９７号などによると
斯かるスケールはスラグ巻き込みの多い鋼片の場合には
充分な断熱と潤滑作用を示さないことが明かにされ、こ
の対策としてスケールづけしないＣｏ基耐熱合金の芯金
を提案し従来芯金の約３倍３５の耐用度をもつとしてい
る。然しこのようなＣｏ基耐熱鋼の芯金は上述のように
高価であり、しかも本発明者等の実地的検討結果では必
ずしも好ましい耐用度が得られず、又成程スケールづけ
しないとしても固溶化熱処理一時効熱処理を施すことを
前提としているので実用的には上記した従前のものと同
然であつて、製造コストが割高で生産性が低い不利があ
る。ところで上述したような従来のプラグについての損
傷状態を示すならば第１図に示す通りであり、この第１
図のものはマンネスマン穿孔の芯金についての例を示す
ものであるが芯金１の先端部には摩耗１１又は剛れ１２
を生じ、又その胴部には皺１３又は割れ１４が発生する
ものである。

然して上記したような皺１３は高温強度が不足している
ことに原因し、又割れ１４は熱応力と靭性不足により生
ずるものであり、更に摩耗１１や別れ１２はプラグ表面
のスケールが消耗して焼き付き現象を起していることに
因るものであつて、これらの原因を異にした損傷が混在
している芯金の耐用度を向上させることの技術的困難さ
は明かであり、結局実地的には前記した０．３％Ｃ−３
％Ｃｒ−１％Ｎｉ鋼に代表される低合金鋼が好ましいと
されて来たものと言える。然し上記した第１図の皺１３
又は割れ１４は表面温度が上昇することに原因があり、
この観点からして充分に断熱性を有するスケールを形成
し得るならばそれらを解消し得るものとすべく斯様な構
想において特開昭５４−１７３６３号公報の如きがある
。即ちこの方法は芯金のスケーリングに際して加熱雰囲
気をＨ２Ｏ投入などでコントロールし安定した酸化スケ
ールを生成させることをポイントとしているが、このも
のは酸化スケールの形状、断熱特性、潤滑特性および地
金の機械的性質をバランスさせたものとなし得ず、益々
厳しくなる圧延条件に対応するには不充分である。本発
明は上記したような実情に鑑み検討を重ねて創案された
ものであつて、土述のような穿孔ないし圧延用芯金の表
面にＦｅ酸化物を主体とした粉末を溶射することを特徴
とするものである。

即ちこの溶射法自体は従来から知られたものであるが、
この溶射技術を上記したような芯金に適用することは従
来皆無であり、特に上記のようなＦｅ酸化物の溶射に関
しては未知のものであつて、このような本発明によれば
接着剤や焼結などをも含む圧着技術などよりも充分に卓
越した付着性を期待し得る。上記したような本発明につ
いて更に説明すると、先ず芯金素材における合金組成に
関しては特に規定しない。

鋼片をマンネスマン穿孔するという前提のものであるか
ら穿孔、圧延される鋼片よりも強いものであることは当
然で、又穿孔作業に必要な最小限度の靭性（シヤルピ一
衝撃値≧０．１１＜ｇ−JモV！／ｄ）を必要とする。又
この芯金は鋳造ままでもよいし、機械的性質を調整する
ために適当な熱処理を施してよく、勿論鍛造材でもよい
。その表面荒さについても一般的なものでよく、鋳造品
であれば鋳造時の表面欠陥が除かれて滑かにされた地肌
のものでよい。芯金として前記したような０．３％Ｃ−
３％Ｃｒ−１％Ｎｉ鋼を用い、この芯金にスケールをつ
け熱処理したものとこの芯金の使用途中における表面部
組識を倍率１００倍の顕微鏡写真を以て示すと第６図と
第７図に示す通りであり、即ち第６図のものが第７図に
示すようにミクロ的変化を呈する。

第６図における使用前のスケールは２層となつており、
その外表面は剥離し易いＦｅ２Ｏ３からなつているのに
対し内層はＦｅ３Ｏ４からなる緻密な酸化物であり、こ
の酸化物スケールをＸＭＡ分析した結果は第２図の通り
であつて内層スケールにおいてはＦｅの外にＣｒ，Ｓｉ
，Ｍｎが検出される。これに対し第７図に示した使用途
中のものにおいて同様なＸ線回析とＸＭＡ分析した結果
は第３図に示す通りであつて、表層はＦｅが富んでいて
主としてＦｅＯ構造の酸化物となつているが内層はＦｅ
の他にＣｒ，ｓｌなどが検出され且つＦｅ３Ｏ４構造の
酸化物が主体となつている。即ちこのように外側にＦｅ
Ｏ内側にＦｅ３Ｏ４が存在することは酸化現象の熱平衡
では説明し得ないところであり、この使用途中の芯金表
面に生成されるＦｅＯは使用開始後の数パスで観察され
始めるため穿孔圧延中にＦｅＯが生成され、それが芯金
表面に圧着されて形成されたものと推定される。蓋し穿
孔圧延時に断熱、潤滑作用をなすものは主としてこのＦ
ｅＯであり、使用前に形成されていたＦｅ３Ｏ４構造の
酸化層は圧延初期の鋼片と芯金間の焼付きを防止する役
割をしていることが理解され、従つて予めＦｅＯが芯金
表面に形成されていてもよいことになる。又溶鋼を鋳型
に注ぎ鋼塊とする際に使用される湯上り調整剤又は連続
鋳造の焼付防止に用いられるモールドパウダーが混入し
た鋼片を穿孔圧延するとプラグ表面がガラス状となり、
その耐用度が低下するが、これらのものの主成分はＳｌ
Ｏ２＋ＣａＯであり、それが芯金表面の酸化物と反応し
て該酸化物の熱間での粘度を低下するからこのような成
分は芯金表面に対する溶射粉末構成物として好ましくな
い。更にこのようなガラス質の物質が芯金表面に存在す
ると製品にも該物質が附着し製品疵の原因となる。即ち
上記したような事情からして本発明において芯金表面に
溶射する粉末の構成要因は以下の如くになる。

１鋼片の加熱温度は１２００℃付近であり、実質的には
加工発熱、摩擦発熱を加味した１２５０℃付近において
適当な粘度と断熱性を有するものを採用するが、ガラス
質でないもの、又ガラス質にならないものであつて、こ
のガラス質にならないためには大量のＳｉＯ２，Ａｌ２
Ｏ３，Ｂ２Ｏ３，Ｐ２Ｏ５を含まないことが必要である
。

２断熱性をもたせるには金属結合、イオン結合でなく、
実質的に酸化物を主体として構成されているものでなけ
ればならない。

３適当な粘度をもたせることが必要で、このためには上
記温度条件下で溶融しないことが必要である。

溶射粉末の基本はＦｅ酸化物であるが、芯金の基本組成
がＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉであり溶射材とのなじみ性からＣｒ
，Ｎｌの酸化物を主構成成分とする。又これらの酸化物
混合体に対し、ＣａＯ，ｓｌＯ２，Ｖ２Ｏ５，Ｐ２Ｏ５
が若干入つてもよいが、これらのものが大量に入ると低
融点の化合物が生成するのでこれらの総計を１０％以下
とする。

更に、Ａｌ２Ｏ３，ＴｌＯ２，ＺｒＯ２はＦｅＯと混合
するとわずかに融点が低下し、１３００〜１３５００Ｃ
の化合物が生成するのでこの総計を２０％以下とする。
Ｆｅの酸化物、ＦｅＯ，Ｆｅ３Ｏ４，Ｆｅ２Ｏ３に対し
Ｃｒ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｙの酸化物は融点をあげる傾向にあ
るのでこれらの酸化物は、溶射粉末として好ましい元素
である。又Ｎｉ，ＣＯ，Ｃｕ，ＭＯ，Ｗの酸化物もＦｅ
の酸化物に対し、特に融点を下げることはない。また、
Ｆｅ粉末とＦｅ３Ｏ４を化学量論比で混合し、マンネス
マン穿孔時のような還元性雰囲気で加熱するとＦｅＯに
なるので、溶射用粉末としては、若干の金属粉体が含ま
れても良い。

さらに、芯金素地とのなじみを良くするために芯金と同
じ元素Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＣＯ，Ｃｕなどの金属粉が含
まれても良い。以上のようなことから溶射粉末の構成要
件をまとめると次のようになる。

Ｆｅの酸化物を主成分とし、残りはＣｕ，Ｍｇ，Ｂ，Ｙ
，Ｌａ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，ＭＯ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃ
Ｏ，Ｎｉの酸化物からなり、不純物としてＣａ，Ｓｉ，
Ｐ，Ｖの酸化物を含み、圧延最高温度（約１２５０℃以
上：圧延方式によつて異る）以上に融点をもつガラス質
でない酸化物または酸化物同志の化合物、固溶体の混合
粉である。

ただし、上記の他に、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＣＯ，Ｃｕ・
・・・・・など芯金に含まれる金属または合金粉を５０
％まで含んでも良い。

例えばＦｅであれば次の如くである。Ｆｅ＋Ｆｅ２Ｏ３
→ＦｅＯ Ｆｅとヘマタイトを混合してウスタイトを形成させる場
合Ｆｅは全体の約２２％混合させれば良い。

次に溶射条件については、芯金の表面をシヨツトブラス
トで表面を荒したあと、前述の粉体を溶射するもので、
地金との付着性が問題になるときには、ニツケルアルミ
ナイズド合金などの溶射により下地処理を施したあと前
述の粉体を溶射する。

溶射法は、粉末式セラミツク溶射、フレーム溶射、プラ
ズマ溶射、爆発式溶射のいずれでも良い。混合粉の粒度
としては、溶射粉末の粒径が１μ以下では湿分を吸い、
流動性が悪くなつて作業性が悪い。また、１ｍｍ以上で
は溶射後の肌が粗く芯金の肌としては不適当である。溶
射厚さは０．０５ｍ７！Ｌ以下では断熱性が十分でなく
、２ｍｍ以上では剥離し易くなる。

本発明によるものの具体的な実施態様について説明する
と、次の第１表に従来から用いられているピアサ用芯金
（０．３％Ｃ−３％Ｃｒ−１％Ｎｉ一Ｆｅの鋳造芯金を
熱処理したもの）の表面に鉄の酸化物、或いは鉄と鉄の
酸化物の混合粉末を溶射した各種の芯金について穿孔試
験した結果を示す。

即ち溶射被膜の耐剥離性は予備処理（下地処理）の影響
を受けると考えられるので、芯金の表面を ３グライン
ダ研摩後シヨツト加工した肌、その上にＮｉ−Ａｌ混合
粉末を溶射した肌、さらにその上にＡｌ２Ｏ３粉末を溶
射した肌の３種類の予備処理をなした地肌の上に、最終
被膜材としてＦｅ３Ｏ４あるいはＦｅ＋Ｆｅ３Ｏ４の混
合粉末を溶射した芯３金について穿孔試験した結果が．
４６．１〜６である。

これらの結果と／Ｆ６ｌｌの現状プラグ（熱処理によつ
てスケール付けした芯金）の結果（２回）を比較すると
、Ｎ１−Ａｌ混合粉末の予備処理をした芯金（滝２，５
）は２４〜５４回と著しく耐用度（穿孔回数）が向上す
ることが明かである。一方、グラインダ研摩後シヨツト
加工の予備処理をした芯金（滝１，４）は３〜１６回で
あり、また、Ａｌ２Ｏ３の予備処理をした芯金（Ａ６．
３，６）は４〜８回であつて、これらの場合は現状プラ
グよりも若干良好であるが、必ずしも十分ではない。烹
７，８はＮｌ−Ａ２混合粉末の予備処理をし、その上に
ＦｅＯ，Ｆｅ３Ｏ４，Ｆｅ２Ｏ３の混合粉末を溶射した
芯金の結果であるが、２０〜３５回と現状プラグの耐用
度に比べて著しく耐用度が高められている。また、，４
６９，１０は熱処理によりスケール付けした酸化スケー
ルの上に、さらにＦｅ３Ｏ４あるいはＦｅ＋Ｆｅ３Ｏ４
混合粉末を溶射した芯金の結果であるが、この場合には
現状プラグよりも全く耐用度は向上しなかつた。

この理由は、熱処理によつて生成させた酸化スケールは
前記のように２層になつており、下層はＦｅ３Ｏ４主体
の耐剥離性の良い酸化スケールであるが、上層はＦｅ２
Ｏ３主体の剥離性の酸化スケールであるために、その上
に溶射して酸化スケールを厚くしても剥離し易いために
、全く効果がなかつたと考えられる。次に第２表にエロ
ンゲータ用芯金に上記した第１表で耐用度の良かつたＮ
ｉ−Ａｌ混合粉末の予備処理をし、その上にＦｅ３Ｏ４
或いはＦｅ＋Ｆｅ３Ｏ４の混合粉末を溶射した芯金の圧
延試験結果を示す。

即ちこの場合においても従来の熱処理によりスケールづ
けしたエロンゲータプラグより相当に優れた耐用性を示
している。

更に次の第３表には溶射粉末組成の影響について検討し
た結果及び熱処理では良好な酸化スケールが生成しない
ので焼付損傷を起し、従来は芯金素材として不適当と考
えられているステンレス鋼の芯金にＦｅ＋Ｆｅ３Ｏ４の
粉末を溶射したものについての穿孔試験結果である。

蓋し滝１〜５はＦｅ３Ｏ４にそれぞれＣｒ，Ｎｉ，ＣＯ
，Ｃｕ，Ｍｎの酸化物を混合させた粉末を溶射した芯金
の結果であるが、２１〜４１回といづれの場合も従来プ
ラグよりも良い耐用度を示した。

しかし、滉６のＦｅ３Ｏ４にＳｉＯ２を混合させた粉末
を溶射した場合は３回しかもたず耐用度は改善されてい
ない。この理由はＦｅ３Ｏ４にＳｉＯ２を混合させると
融点が低下し穿孔時の高温（約１２００〜１２５０融Ｃ
）ではガラス質になるためである。Ｆｅ３Ｏ４とＣｒ２
Ｏ３を種々の割合で混合させた粉末を溶射した芯金の穿
孔試験結果を第４図に示す。即ちＣｒ２Ｏ３の割合が重
量比で５０％まではＦｅ３Ｏ４のみの場合よりも若干良
い耐用度を示すが、７５％になるとＦｅ３Ｏ４のみの場
合よりも耐用度は低下する。前記した第３表の應７〜１
１はＦｅ３Ｏ４にそれぞれＣｒ，Ｎｌ，ＣＯ，Ｃｕ，Ｍ
ｎの金属粉末を混合させた粉末を溶射した芯金であるが
、２９〜４８回と従来のプラグよりも著しく耐用度が向
上している。

この結果および第１表の滝２（Ｆｅ＋Ｆｅ３Ｏ４混合粉
末）と滉５（Ｆｅ３Ｏ４）の結果を比べると、Ｆｅ３Ｏ
４ｌＯＯ％の粉末よりもＦｅ３Ｏ４に金属粉末を混合さ
せた粉末の方がより耐用度が向上する傾向がある。

この理由は金属粉末をある程度混合させると第９図の顕
微鏡写真のように延性のある金属粉末が１種のつなぎの
役目を果し、溶射被膜の耐剥離性を向上させるからであ
る。しかし、芯金表面に溶射する酸化スケールの役割は
断熱性および潤滑性を期待するものであるから、溶射粉
末中に多量の金属粉末を混合させることは不適当である
。

即ちＦｅ（５Ｆｅ３０４の混合粉末の場合について、金
属粉末の割合を変化させた実験を行つた結果は第５図に
示す通りであつて、これよりわかるように混合粉末中の
金属の割合が重量比でＯ〜５０％までは従来の熱処理プ
ラグよりも良い耐用度を示すが、金属分が６０％に達す
ると急激に耐用後は減少し、わずか２回の穿孔で焼付損
傷を生ずる。第３表の應１２はＦｅ３Ｏ４，ｃｒ２Ｏ３
，Ｆｅの混合粉末の場合であるが、良好な耐用度を示し
た。

又その．４６１３は熱処理では良好な酸化スケールを生
成させることができず、従来では芯金素材としては不適
当と考えられているオーステナイトステンレス鋼にＦｅ
＋Ｆｅ３Ｏ４の混合粉末を溶射した芯金の穿孔試験結果
（８３回）であるが、従来の芯金組成である低合金鋼（
０．３％Ｃ−３％Ｃｒ一１％Ｎｉ−Ｆｅ）に同じ溶射を
した芯金の結果（５４回）よりもさらに耐用度が優れて
いた。以上説明したような本発明によるときは穿孔ない
し圧延機に用いられる芯金の耐用性を充分に向上し得る
ものであつて、従つて又斯かる穿孔王延の作業性を高め
、比較的低コストに目的の製品を得しめるなどの作用効
果を有しており、工業的にその効果の大きい発明である
。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであつて、第１図
は従来のプラグ（芯金）における損傷状態の説明図、第
２図は従来プラグにおける使用前スケールのＸＭＡ分析
結果を示す図表、第３図はその使用途中におけるスケー
ルのＸＭＡ分析結果を示した図表、第４図はＣｒ２Ｏ３
とＦｅ３Ｏ４混合粉末中におけるＣｒ２Ｏ３量の影響を
０．３％Ｃ−３％Ｃｒ−１％Ｎｉ−Ｆｅのピアサ用芯金
に溶射した場合について示した図表、第５図は第４図と
同じ成分組成の芯金に関して溶射した場合のＦｅ＋Ｆｅ
３Ｏ４混合粉末中Ｆｅ量の影響を示した図表、第６図は
従来芯金の使用前ミクロ組織を示す顕微鏡写真、第７図
はその使用後の組織を示した顕微鏡写真、第８図は従来
芯金表面に形成されたスケールの状態を示す顕微鏡写真
、第９図はＮｌ−Ａｌ下地処理およびＦｅ＋Ｆｅ３Ｏ４
混合物を溶射した場合のミクロ組織を示す顕微鏡写真、
第１０図は鋳肌にＦｅ３Ｏ４を溶射したもののミクロ組
織を示した顕微鏡写真であつて、第６〜第１０図におけ
る各倍率は何れも１００倍である。 なお上記した各図面において、１は芯金、１１は摩耗、
１２は剛れ、１３は皺、１４は割れを夫夫示すものであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 芯金表面にＦｅＯ、Ｆｅ＿３Ｏ＿４、Ｆｅ＿２Ｏ＿
   ３などのＦｅ酸化物の粉末を溶射したことを特徴とする
   穿孔圧延機用芯金。 ２ Ｆｅ酸化物粉末が５０％未満のＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、
   Ｃｕ、Ｍｎの１種又は２種以上の酸化物と不可避不純物
   を含有する特許請求の範囲第１項に記載の穿孔圧延機用
   芯金。 ３ Ｆｅ酸化物粉末が５０％未満のＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、
   Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎの１種又は２種以上の金属又は合金粉
   末と不可避不純物を含有する特許請求の範囲第１項又は
   第２項の何れかに記載の穿孔圧延機用芯金。