JP2002102921A - 中空鋼又は中空丸鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 孔型圧延において潤滑剤使用による不便を解
消し、長さ２０００ｍｍ以上穴径５ｍｍ以下も可能な扁
平の小さな中空鋼を製造可能とする。 【解決手段】 あらかじめ穿孔された鋼材を加熱し、穿
孔内面にスケール層を形成し、スケール層を残留させた
まま穿孔に鋼材よりも熱膨張係数の大きな芯材を充填
し、鋼材及び芯材を加熱炉にて加熱し、圧延機によって
菱形形状から断面を縮小しながら所定の角形状へ順次圧
延し、冷却後、芯材を鋼材から除去した後、さらに鋼材
を焼鈍し、ダイス引き抜きにより外形を所定形状寸法に
成形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、棒状又は線状の
鋼材の中心に中空穴を有する中空鋼又は中空丸鋼及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】厚肉で長尺の中空丸鋼（例えば外径約６
ｍｍ〜５０ｍｍ程度、内径が外径の５〜３０％程度）
は、各種機械部品のシャフト類、油圧装置部品、金型部
品のエジェクタスリーブ やパンチ、切削工具等に利用
される。これらの用途に供される中空丸鋼の製造方法
は、短尺品では、ドリル等の機械加工によって穿孔する
か小径の材料では放電加工によって穿孔される場合が多
い。また、長さ２０００ｍｍ以上の長尺品では、特殊鋼
ガイド第１編、第１１５頁乃至第１２６頁に（特殊鋼倶
楽部発行昭和５０年９月）に詳しく、また、特開平９−
３１４２０６号の図３に記載されているように孔型圧延
（孔型ロール列）により製造する方法が開示されてい
る。

【０００３】図２に示すように従来の孔型圧延による中
空丸鋼は、ドリルなどによって断面角又は円形状の鋼片
を穿孔する工程（ａ）、穿孔に芯材を充填する工程
（ｂ）、圧延し易いように芯材が充填された鋼片である
被加工素材を加熱する工程（ｃ）、角断面形状をもつロ
ール間に順次被加工素材を通過させる孔型圧延により所
定形状に圧延する圧延工程（ｄ）、圧延後被加工素材の
穿孔に充填された芯材を引き抜き中空棒鋼とする芯抜き
工程（ｅ）からなる。また、芯抜き工程で芯材を引き抜
きし易いよう、穿孔に芯材を充填する時に穿孔内面と芯
材との間に粉状の滑石をバインダ等で溶かした潤滑剤を
介在させている。芯抜き工程後は、焼鈍、矯正、外形研
削、切断、表面処理等が要求仕様によって適宜行われ
る。

【０００４】圧延工程においては、中空素材を上下に対
向するロール間（孔型）を通過させることにより徐々に
所定形状にする。例えば中空素材の断面は図２に示すよ
うに、丸からダイヤ形状、徐々に断面積の小さいダイヤ
形状、四角形状、楕円、円形状に圧延する場合が多い。
断面が四角形以上の五、六角形とする場合はダイヤ形状
又は四角形状の後に形状を整える。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、潤滑剤
を使用すると潤滑剤の製造、塗布等の前処理、潤滑剤の
回収、掃除等の後処理、これに伴う管理が必要であると
いう問題があった。また、前述した従来の方法では長さ
２０００ｍｍ以上では穴径５ｍｍ未満の中空鋼の製造は
困難であった。さらに、四角〜八角形状等のものに較べ
丸形状のものは中空穴が扁平し易いという問題があっ
た。本発明の課題は係る問題点に鑑みて、孔型圧延にお
いて潤滑剤使用による不便を解消することである。ま
た、孔型圧延を用いて長さ２０００ｍｍ以上穴径５ｍｍ
以下あるいは厚肉も加工可能な中空鋼を製造する方法を
提供することである。さらには、丸形状の中空穴の扁平
度を小さくすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ために、請求項１の記載の発明においては、あらかじめ
穿孔された鋼材を加熱し、前記穿孔内面にスケール層を
形成し、前記スケール層を残留させたまま前記穿孔に前
記鋼材よりも熱膨張係数の大きな芯材を充填し、前記鋼
材及び芯材を加熱炉にて加熱し、圧延機によって菱形形
状から断面を縮小しながら所定の形状へ順次圧延し、冷
却後、前記芯材を前記鋼材から除去することにより中空
の線又は棒材とすることを特徴とする中空鋼の製造方法
を提供することによって上記課題を解決した。

【０００７】即ち、従来は芯材を充填してから加熱した
のに対して、穿孔された鋼材を芯材を充填する前に加熱
して穿孔内面にスケール層を形成させ、このスケール層
を残したまま芯材を充填するようにし、スケール層を従
来の潤滑剤に代えて穿孔と芯材との間に介在させたもの
である。潤滑剤がないと、ドリルなどによる機械加工の
穴表面は平滑でしかも芯材側の表面も平滑なため以後の
加熱工程、穴型圧延工程の段階で鋼材と芯材が密着状態
となり相互の合金元素の拡散現象が進行する結果、芯材
に成分変化を生じ伸びが低下し芯抜き工程で芯抜き性を
低下させると推測される。これに対して、穿孔内面のス
ケール層は、鋼材と芯材間の成分の拡散移動を妨げて芯
材の劣化を防止し芯抜き性を向上させる。スケール層を
形成させるには、鋼材の材質により適当な酸化雰囲気で
加熱温度と加熱時間を選ぶ必要がある。言い換えれば、
鉄鋼の酸化物が安定に存在するような雰囲気で熱し、鉄
鋼の表面に酸化された酸化物被覆層（スケール層）をあ
えて形成させ潤滑剤の代替とするのである。また、スケ
ール層の厚さは、鋼材内面に有害な脱炭などの表面欠陥
を残さない範囲に厚くするが経験上０．０５ｍｍ〜０．
０１ｍｍとするのが好ましい。

【０００８】なお、鋼材よりも熱膨張係数の大きな芯材
を用いるのは、孔型圧延後冷却された被加工素材の鋼材
と芯材との断面収縮量の差を利用して間隙をつくりやす
くし芯抜き性を高めるために有効である。芯材材質は同
時に塑性加工ができるもので芯抜き時に鋼材以上の伸び
を有する性質のものを使用する。また、被加工素材の芯
材充填後の加熱は、鋼材の材質によって圧延時変形能が
高く、表面欠陥のでない所要の加熱条件を選定する。ま
た、加熱炉は通常の圧延設備に付随するものでよい。ま
た、潤滑剤塗布工程が加熱工程に変わるのみであり、加
熱炉は従来のものを条件を変えて使用すればよく設備等
を増やす必要はない。被加工素材の圧延は孔型ロール列
を有する圧延機を用いるのが簡単であるが、複数圧延機
等を用いてもよい。圧延冷却後の芯抜きは、鋼材と芯材
の芯抜き性を良くするため焼鈍前に行う。芯抜き工程を
焼鈍後に行うと焼鈍時鋼材がオーステナイトからフェラ
イトに変態する過程で収縮現象がおこり芯抜き抵抗を増
大したり、芯材にオーステナイト系ステンレス鋼のよう
な材質が使用されている場合、焼鈍の際σ相の析出によ
って脆化し芯材の伸びを悪化させる等の理由による。な
お、従来の潤滑剤に代えてスケール層を穿孔内面に残し
たが、スケール層に加え、さらに、潤滑剤を併用しても
よいことはいうまでもない。

【０００９】潤滑剤をスケール層に代えても扁平度は従
来とほぼ同様であり、丸形状についてはさらに、改良す
るのが好ましい。そこで、請求項２にかかる本発明にお
いては、あらかじめ穿孔された鋼材の穿孔に潤滑剤を介
して前記鋼材よりも熱膨張係数の大きな芯材を充填し、
前記鋼材及び芯材を加熱炉にて加熱し、圧延機によって
菱形形状から断面を縮小しながら所定の角形状へ順次圧
延し、冷却後、前記芯材を前記鋼材から芯材を前記鋼材
から除去した後、さらに前記鋼材を焼鈍し、ダイス引き
抜きにより外形を所定形状寸法に成形することにより扁
平度を小さくした。

【００１０】即ち、孔型列等の圧延機による圧延を四角
〜八角形程度までの角形状までで止め、芯材を鋼材から
除去した後さらにダイス引き抜きにより六角形超の多角
形形状〜丸形状の所定形状に成形する。例えばダイヤ形
状・・・ダイヤ形状−角形状（四角〜六角）への圧延過
程では比較的断面形状が類似しその変形量も一定であ
り、中空穴の扁平は小さい。また、芯材の引き抜きも容
易である。しかし、角形状−オーバル（楕円）形状−丸
形状への圧延過程では断面形状の変化が大きく変形量も
大きいので、芯穴の扁平度合いが大きくなる。これに対
して、オーバル孔型前の角形状孔型にとどめ、ダイス引
抜きをおこなうことよって外形からの均一塑性変形が得
られ、目的の穴精度の中空丸鋼を製造できる。

【００１１】さらに、潤滑剤に代え請求項１に記載のス
ケール層を設けるとよい。そこで、請求項２にかかる本
発明においては、あらかじめ穿孔された鋼材を加熱し、
前記穿孔内面にスケール層を形成し、前記スケール層を
残留させたまま前記穿孔に前記鋼材よりも熱膨張係数の
大きな芯材を充填し、前記鋼材及び芯材を加熱炉にて加
熱し、圧延機によって菱形形状から断面を縮小しながら
所定の角形状へ順次圧延し、冷却後、前記芯材を前記鋼
材から除去した後、さらに前記鋼材を焼鈍し、ダイス引
き抜きにより外形を所定形状寸法に成形することとし
た。作用等については前述したと同様であるので説明を
省略する。なお、製品外径が四角〜八角形状の場合は引
き抜き工程を設けなくてもよい（請求項１）。ダイス引
きは外径が丸、円形状のものに適する（請求項４）。ま
た、係る製造方法で中空鋼（請求項５）、中空丸鋼（請
求項６）を提供する。中空穴のスケール層は加熱炉で成
形時は０．０５ｍｍのものは加工後は０．０１ｍｍ程度
であり実用に差し支えない程度である。なお、後加工に
おいて、中空穴のスケール層を削除してもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の一例を、図
を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例
である孔型圧延による中空丸鋼の製造方法の工程図であ
る。図１において、ドリルなどによって断面角又は円形
状の鋼片を穿孔する工程（ａ）、穿孔した鋼片を加熱炉
で表面酸化させスケール層を形成する工程（ｂ）、穿孔
に芯材を充填する工程（ｃ）、圧延し易いように芯材が
充填された鋼片である被加工素材を加熱する工程
（ｄ）、角断面形状をもつロール間に順次被加工素材を
通過させる孔型圧延により丸又は四角の鋼片をダイヤ形
状・・・ダイヤ形状、四角形状に圧延する圧延工程
（ｅ）、圧延後被加工素材の穿孔に充填された芯材を引
き抜き中空棒鋼とする芯抜き工程（ｆ）、加熱炉に再び
入れ圧延による加工硬化歪み等を除去する焼鈍工程
（ｇ）、ダイスにより丸状の最終形状にダイス引き成形
するダイス引き工程からなる。なお、ダイス引抜きは１
〜２回でよい。また、ダイス引き後は、再び焼鈍、矯
正、外形研削、切断、表面処理等を要求仕様によって適
宜行う。

【００１３】

【実施例】係る工程により本発明の製造方法による実施
例について述べる。あらかじめ穿孔された鋼材として材
質ＪＩＳ ＳＫＨ５１、直径９０ｍｍ、長さ１５００ｍ
ｍの丸鋼で穿孔が９ｍｍおよび１８ｍｍの２種類の鋼材
を準備した。なお、穿孔はガンドリルを用い鋼材の両側
から行った。この鋼材の穿孔内面にスケール層をつける
ため大気雰囲気の単独炉に装入し８６０℃に均一加熱し
徐冷を行った。その後、この鋼材に芯材となるＪＩＳ
ＳＵＳ３０４線材を挿入し圧延前の被加工素材とした。
被加工素材を加熱炉へ挿入し１１１０℃で均一加熱後、
粗列、中間列を有する三重式圧延機に通過（ダイヤ形状
で徐々に圧延し最終通過（パス）で四角形状）させ１７
×１７ｍｍ、長さ３２ｍの矩形断面および２５×２５ｍ
ｍ、長さ１５ｍの矩形断面の中間素材とし、さらに、長
さ２０００ｍｍに切断し空冷した。この中間素材の一端
の外周に切り溝をつけドローベンチを使用し芯材の引抜
きを実施した。得られた矩形形状の中空素材を雰囲気焼
鈍炉を用い完全焼鈍の処理を行った後丸形ダイスを有す
るドローベンチを用い２回引抜きで外径×内径×長さが
１６×１．６×２０００ｍｍおよび２４×４．８×２０
００ｍｍの２種類の５ｍｍ以下で扁平の少ない中空穴を
有する中空丸鋼を製作した。

【００１４】本発明で得た２種類の製品おのおのについ
て穴形状（扁平度）と芯抜き性を評価した。評価方法と
して穴形状は、中空穴断面の長径長さと短径長さを測定
しその長径／短径比で求めた。また、芯抜き性は、芯抜
き工程での定尺長さ２０００ｍｍ１０本について芯抜き
した時の得られた製品本数、すなわち芯抜き時の歩留り
率で評価した。ここで比較材として表１に示す工程の異
なる製造方法で得た本発明と同様寸法の中空丸鋼を示し
た。表２にその結果を示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】表２より明らかなように本発明で得た２種
類の製品の孔形状は、長径／短径比がいずれも１．５以
下であって孔型圧延で丸鋼まで圧延した比較法Ｂの１．
７〜２．１よりも大幅な改善が認められる。また、芯抜
き性においても比較法Ａではスケール層がないので芯抜
きができず、スケール層を形成した比較法Ｂのものは芯
抜き時の歩留まり率が半分以下と悪い。これに対して、
従来の製造方法では得られない小さい中空穴径の製品に
もかかわらず本発明の製造方法を用いると２０００ｍｍ
の長尺材で１００％の歩留りで得られた。なお、本発明
において、スケール層を残し角状のまま圧延工程を終え
四角状の製品とした場合も、芯抜きの歩留まり率は１０
０％と良好であった。

【００１８】本発明の製造方法によれば次のような中空
丸鋼を得ることができる。外径については圧延後の多角
形素材寸法できまる。多角形素材寸法は圧延機の設備能
力、温度低下による表面痕や寸法不良を発生しないパス
スケジュールなどの条件により最小多角形寸法から決定
される。本発明者での実験では外径１３ｍｍまでの加工
が可能であった。中空穴内径は芯抜きができる範囲まで
小さくできる。芯抜き工程において芯材の引抜き速度を
遅くしないと引抜き力が増大し芯材の断線が生し、芯抜
き速度を低くした場合は加工時間が増し生産性を阻害す
るが、本発明者等の実験では中空穴内径は外径の５〜１
０％程度まで小さくすることができた。また、中空穴径
は大きくすることは可能であるが、穴形状精度、ドリル
等の機械加工による方法に較べ経済的なメリットからみ
て外径の３０％程度までの加工に適すると思われる。な
お、中空穴の偏心は従来及び本発明とも同等であった。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
スケール層を従来の潤滑剤に代えて穿孔と芯材との間に
介在させ潤滑剤を不要とできるので、潤滑剤使用にかか
る不便を生ぜず、品質の安定した中空鋼を提供するもの
となった。

【００２０】また、孔型列等の圧延機による圧延を角形
状までで止め、芯材を鋼材から除去した後さらにダイス
引き抜きにより所定形状に成形したので、中空穴の扁平
は小さく、芯材の引き抜きも容易であるので、小径で扁
平の小さい中空鋼、中空丸鋼を提供するものとなった。
特に長さ２０００ｍｍ以上で穴径５ｍｍ以下あるいは厚
肉の加工可能な中空鋼、中空丸鋼を提供するものとなっ
た。

【００２１】従って、厚肉で長尺かつ穴径精度のよい中
空丸鋼が安価に量産することができる。鋼材の種類に限
定されるものではないので機械部品や金型、工具への広
い分野へ適用できる。また、長尺材なので比較的短い加
工品であれば小切りしてそのまま利用するか下穴用とし
て利用でき段取り時間の短縮やドリル加工時間の短縮に
もつなげることができる。さらにいままで加工不可とさ
れてきた長尺部品への展開が可能となる等の効果が得ら
れるものとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例である孔型圧延によ
る中空丸鋼の製造方法の工程図である。

【図２】従来の孔型圧延による中空丸鋼の製造方法の工
程図である。

【図３】孔型圧延の孔型ロール列の断面形状を模した図
である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 あらかじめ穿孔された鋼材を加熱し、前
   記穿孔内面にスケール層を形成し、前記スケール層を残
   留させたまま前記穿孔に前記鋼材よりも熱膨張係数の大
   きな芯材を充填し、前記鋼材及び芯材を加熱炉にて加熱
   し、圧延機によって菱形形状から断面を縮小しながら所
   定の形状へ順次圧延し、冷却後、前記芯材を前記鋼材か
   ら除去することにより中空の線又は棒材とすることを特
   徴とする中空鋼の製造方法。
2. 【請求項２】 あらかじめ穿孔された鋼材の穿孔内面に
   潤滑剤を介して前記鋼材よりも熱膨張係数の大きな芯材
   を充填し、前記鋼材及び芯材を加熱炉にて加熱し、圧延
   機によって菱形形状から断面を縮小しながら所定の角形
   状へ順次圧延し、冷却後、前記芯材を前記鋼材から芯材
   を前記鋼材から除去した後、さらに前記鋼材を焼鈍し、
   ダイス引き抜きにより外形を所定形状寸法に成形するこ
   とを特徴とする中空鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 あらかじめ穿孔された鋼材を加熱し、前
   記穿孔内面にスケール層を形成し、前記スケール層を残
   留させたまま前記穿孔に前記鋼材よりも熱膨張係数の大
   きな芯材を充填し、前記鋼材及び芯材を加熱炉にて加熱
   し、圧延機によって菱形形状から断面を縮小しながら所
   定の角形状へ順次圧延し、冷却後、前記芯材を前記鋼材
   から除去した後、さらに前記鋼材を焼鈍し、ダイス引き
   抜きにより外形を所定形状寸法に成形することを特徴と
   する中空鋼の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項２又は３記載の外形の所定形状は
   円形であることを特徴とする請求項２又は３記載の中空
   丸鋼の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれか一に記載の製
   造方法で製造されたことを特徴とする中空鋼。
6. 【請求項６】 請求項４に記載の製造方法で製造された
   ことを特徴とする中空丸鋼。