JP2683861B2

JP2683861B2 - 熱間製管用工具及びその製造方法

Info

Publication number: JP2683861B2
Application number: JP23086293A
Authority: JP
Inventors: 哲也中西; 康孝岡田; 秀典衣笠; 潔長谷川; 哲二野口
Original assignee: Shinhokoku Steel Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Shinhokoku Steel Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1997-12-03
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JPH0760314A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マンネスマン方式に
より継目無管を製管する際の穿孔圧延や延伸圧延で使用
される熱間製管用工具（内面圧延用工具等）、並びに該
熱間製管用工具の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】マンネスマン方式による継目無
管の製管工程は、大きく分けると、傾斜ロ−ル式の２ロ
−ル式ピアサ−や３ロ−ル式ピアサ−あるいは孔型ロ−
ル式のプレスロ−ルピアシングミル等の圧延機を使った
穿孔圧延工程と、これに続く傾斜ロ−ル式の２ロ−ルエ
ロンゲ−タ−（延伸機）等を使った延伸圧延工程とから
成っているが、これらの圧延工程では耐熱性，耐摩耗性
に富んだ内面圧延用の工具（ピアサ−プラグ，マンドレ
ル等）を欠くことができない。

【０００３】この内面圧延用工具、例えば穿孔圧延用工
具（ピアサ−プラグ）等の材質としては、従来、普通鋼
を加工対象として開発された3%Cr−1%Niベ−スの鋼（以
降、成分割合を表す％は重量％とする）が一般的に使用
されていた。しかし、上記材質のものでは高温強度が十
分であるとは言えず、変形抵抗の高いステンレス鋼等を
穿孔すると高い面圧がかかる先端部に溶損が生じて短期
間で工具を廃却しなければならなかった。

【０００４】そこで、ステンレス鋼用や高Cr鋼用とし
て、前記3%Cr−1%Niベ−ス鋼のCr量やNi量の比率に工夫
を加えると共に適量のＷ，Moを加えた材料（特開昭56−
130457号，特公昭64−7146号）や、更にTi，Zrを添加し
た材料（特公昭64−7147号）を素材とする穿孔圧延工具
が提案された。また、耐熱合金やセラミック材料を母材
にしたり表面改質材としたものも試験的に提案された。

【０００５】しかし、実用材としての高性能が期待され
た上記特開昭56−130457号，特公昭64−7146号あるいは
特公昭64−7147号に係る工具は、確かに高温強度は上昇
するものの、工具寿命は前述した3%Cr−1%Niベ−スの鋼
のせいぜい 1.5〜 2.0倍程度にしか達しなかった。この
寿命の延び止まりは“焼付き”によるもので、激しい剪
断変形力を受ける工具の胴部に生じた焼付きが工具寿命
の向上を阻害する要因となっていた。

【０００６】そのため、これらの材料で作成された穿孔
圧延用工具等を酸化性雰囲気中で加熱処理し、その表面
に潤滑性に富む酸化スケ−ル層を形成させたものが提案
された（特開昭57−152446号，特開昭61−264163号，特
開昭63-69948号，特開昭63−282241号，特開平3-204106
号，特開平4-147706号，特開平4-270003号等）。しか
し、これらの工具であっても、ステンレス鋼等の変形抵
抗の大きな材質のものが加工対象になるとやはり焼付き
の発生を十分に防止することができなかった。

【０００７】ところで、この場合の穿孔用工具の損傷状
態を調べて見ると、大部分は生成させた酸化スケ−ル層
が摩耗してしまったり剥離したことによる焼付き発生に
よるものであった。そして、特にステンレス鋼等のよう
な変形抵抗の高い材料を加工する場合には、工具表面に
生成させたスケ−ル層が製管中に奪い取られて焼付きを
生じることが確認された。

【０００８】なお、特開昭６３−２８２２４１号公報に
よれば「Cr含有量が0.95％以上だと表面に形成されるス
ケ−ル構造が FeCr₂Ｏ₄主体になり、被圧延材に容易に
こすり取られるため寿命が短く、 Cr含有量を0.95％未満
にすれば熱処理で形成する酸化スケ−ルは工具表面に強
固に付着するFeＯ主体の表面スケ−ルとなるため工具寿
命がより高くなる」としているが、Cr含有量を0.95％未
満に調整した材料に単にスケ−ル形成処理を施したもの
では寿命延長効果が十分に満足できるものではなく、前
述した3%Cr−1%Niベ−スの鋼のせいぜい 2.5〜 3.0倍と
なる程度に止まった。

【０００９】しかも、工具表面に酸化スケ−ルを生成さ
せる熱処理を行うと工具表面に著しい脱炭が生じ、この
結果、工具表面近傍（〜２mm）が著しく軟化して高温使
用時に塑性変形を起こしやすくなり、溶損，焼付き，変
形が生じる原因となることも分かった。

【００１０】このようなことから、本発明が目的とした
のは、変形抵抗の高い材料を製管する場合でも高い使用
寿命が保証された熱間製管用工具を安定して提供できる
手段を確立することであった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく、そのためには熱間製管用工具に十分な高
温変形抵抗性を確保すると共に一層安定した焼付き防止
策を講じる必要があるとの観点から鋭意研究を重ねた結
果、次のような知見を得ることができた。

【００１２】a) 熱間製管用工具の高温変形抵抗を高め
るのに素材鋼中のＣ含有量を増やすと共にMo，Ｗを添加
するのが効果的であることは知られているが、このよう
な手立てを講じると焼入れ時の靱性が著しく低下して、
焼き割れを生じたり、搬送時の衝撃や穿孔開始時の衝撃
で工具が容易に破壊するようになる。もっとも、これを
改善する方法として、焼きが入る部分をなるべく小さく
するために素材鋼のＡc₃点温度を高くし、製管時に表面
温度が上昇してもＡc₃点を超えることがないようにする
ことが考えられるが、その場合にはＡc₁点温度の上昇不
足のために焼きが入るのを防止できなかったり、Ａc₁点
温度が低いために軟化しやすいという問題をも同時に解
決することは困難であった。しかるに、MoとＷの多量添
加を行うことでこれらの問題の効果的な解決が可能にな
る。

【００１３】b) 一方、焼付き防止には工具表面に潤滑
性の優れた難剥離性の低融点酸化スケ−ル層を生成させ
るのが最も効果的である。酸化スケ−ルとしてはFe酸化
物が有効であるが、潤滑性をより向上させて十分な耐焼
付き性を確保するには、緻密で耐剥離性，耐摩耗性に優
れた厚いスケ−ル層を形成する必要がある。そのため、
母材鋼へのCr添加によるスケ−ルのスピネル化は従来か
ら利用されているが、この手立てよりもMo，Ｗの他に多
量のNiを含有させ、かつNiとＷの含有量を所定の範囲に
調節した母材鋼を用いてその表面を酸化処理する方法に
よった場合には、表面に形成される酸化スケ−ル層は
“Niが高度に濃縮した金属片”や“Mo，ＷがFeＯと結合
して生じた低融点化合物”が分散された状態となる上、
厚いスケ−ルの場合でもスケ−ル構造が一般的な粒界酸
化型から内部酸化型に変わって耐剥離性（母材との密着
性），耐摩耗性が大幅に改善され、焼付き防止効果は一
段と向上する。

【００１４】c) ただ、表面に潤滑性を有するスケ−ル
を形成させるための酸化処理を施すと母材表層で必然的
に脱炭が生じ、脱炭に伴う材料の軟化が起きるという問
題がある。しかし、母材鋼に対するMo，Ｗの多量添加を
行うと共に、Ni，Mnを活用することでフェライト生成の
抑制を図ってやれば、上記問題を実用上差支えない程度
にまで軽減することができる。

【００１５】d) なお、耐焼付き性に優れた熱間製管工
具を得るためには母材の成分設計を最適として緻密で耐
剥離性，耐摩耗性に優れた酸化スケ−ル層を形成させる
ことが必要であることは勿論、使用前のスケ−ル厚さを
も十分に厚くしなければならないことは既に述べた通り
であるが、緻密で十分な厚さのスケ−ルを確保するには
酸化スケ−ル層形成のための熱処理条件が重要な役割を
果たすので、この熱処理条件を規制する必要がある。

【００１６】本発明は、上記知見事項等を基にした更な
る検討の末に完成されたものであって、「熱間製管用工
具を、Ｃ：0.08〜0.65％， Si：0.1 〜2.0 ％， Mn：0.2 〜
3.0 ％， Ni：0.2 〜7.0 ％， sol.Al：0.005 〜0.2 ％， Mo及びＷの１種以上：合計 1.5〜 8.0％で、かつ７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ≦ 56 を
満足する量を含有するか、あるいは更に Cr：5.0 ％以下， Co：5.0 ％以下，Ｖ：2.0 以下，
Nb：2.0 以下， Ti：2.0 ％以下， Zr：0.5 ％以下，Ｂ：0.2 ％以
下， Mg，Ca，La，Ce及びＹの１種以上：合計で 0.5以下を含むと共に、残部がFe及び不可避不純物である鋼製基
体、又は更に不可避不純物中のＮ，Ｏ，Ｐ及びＳの含有
量がそれぞれ0.02％以下，0.02％以下，0.035 ％以下，
0.030 ％以下に規制されて成る鋼製基体の表面に、厚さ
２５０〜１０００μｍの内部酸化型スケ−ル層を有した
構成とした点」に特徴を有し、更には、「Ｃ：0.08〜0.65％， Si：0.1 〜2.0 ％， Mn：0.2
〜3.0 ％， Ni：0.2 〜7.0 ％， sol.Al：0.005 〜0.2 ％， Mo及びＷの１種以上：合計 1.5〜 8.0％で、かつ７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ≦ 56 を
満足する量を含有するか、あるいは更に Cr：5.0 ％以下, Co：5.0 ％以下，Ｖ：2.0 ％
以下， Nb：2.0 ％以下， Ti：2.0 ％以下， Zr：0.5 ％
以下，Ｂ：0.2 ％以下， Mg, Ca, La, Ce及びＹの１種以
上：合計で 0.5％以下のうちの１種以上をも含むと共に、残部がFe及び不可避
不純物から成る鋼、又は更に不可避不純物中のＮ，Ｏ，
Ｐ及びＳの含有量がそれぞれ0.02％以下，0.02％以下，
0.035 ％以下，0.030 ％以下に規制されて成る鋼を、所
定の工具形状に成形した後、大気酸素濃度以下の酸化雰
囲気中にて８００〜１１００℃で４〜１０hrの均熱を施
し、引き続いて５０℃/hr 以下の冷却速度で８００〜５
００℃まで徐冷することにより、表面に厚さ２５０〜１
０００μｍの内部酸化型スケ−ル層を形成させることに
よって、使用寿命の長い熱間製管用工具を安定に製造で
きるようにした点」にも大きな特徴を有している。

【００１７】

【作用】続いて、本発明において、鋼の成分組成，工具
基体表面の酸化スケ−ル厚，鋼基体表面の粗さ、並びに
工具の製造条件を前記の如くに限定した理由につき、そ
の作用と共に詳述する。

【００１８】(A) 鋼の成分組成 a) ＣＣは鋼材の高温強度向上に有効な成分であるが、その含
有量が0.08％未満では十分な強度を確保することができ
ない。一方、Ｃ含有量が0.65％を超えると製管後の冷却
によって焼きが入る表層部分の硬度が高くなりすぎ、焼
割れを生じ易くもなる。従って、Ｃ含有量は0.08〜0.65
％の範囲と定めた。

【００１９】b) Si Siは脱酸，Ａc₁点の上昇，工具表面の酸化スケ−ルの緻
密化等に有効な成分であるが、その含有量が 0.1％未満
では所望の効果が得られず、一方、 2.0％を超えて含有
させると靭性の劣化を招くばかりか、十分な厚みのスケ
−ル層が得られなくなって潤滑性能が不足する。従っ
て、Si含有量は 0.1〜 2.0％と定めた。

【００２０】c) Mn 本発明鋼における如くMo，Ｗを多量に添加する場合、高
温でオ−ステナイト単相を確保するにはMnの添加が有効
であり、またδ−フェライトの生成を抑制して靱性低下
を防止したり高温強度の低下を防止するためにもMn添加
は必要である。しかし、その含有量が 0.2％未満の場合
には上記効果が十分でない。一方、 3.0％を超えてMnを
含有させると酸化スケ−ル中に入るMnがスケ−ルの緻密
性を劣化させる上、スケ−ルの融点を高めてその潤滑性
を劣化させる。従って、Mn含有量は 0.2〜 3.0％と定め
た。

【００２１】d) Ni Niには、製管後の冷却によって工具の表層部に形成され
る焼入れ相の靭性を改善させる作用があるが、上記作用
による所望の効果を得るためには 0.2％以上のNi含有量
を確保する必要がある。また、鋼中に添加されたNiは "
酸化スケ−ル処理にて形成されたスケ−ル層" 中に酸化
されずに残留し、複合強化作用を示してスケ−ルの耐剥
離性を大きく改善する作用も有しており、この効果はNi
含有量が0.2 ％以上になると顕著化する。更に、Niに
も、Mo，Ｗを多量に添加した場合のδ−フェライトの生
成を抑制して靱性低下を防止したり高温強度の低下を防
止する作用がある。しかし、 7.0％を超えてNiを含有さ
せるとスケ−ルの生成が抑制されることとなり、かえっ
て潤滑性を劣化させる。また、Ｗ含有量との関係でその
含有量が「７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ＞ 56 」の範囲になる
と、スケ−ルが従来の酸化スケ−ル型プラグと同様の粒
界酸化型となって穿孔中に剥離を生じるようになる。従
って、Ni含有量は 0.2〜 7.0％で、かつ「７Ｗ(%) ＋８
Ni(%) ≦ 56 」を満足することと定めた。

【００２２】e) Mo，Ｗこれら成分の１種又は２種を特定量以上含有させること
は高温強度の改善に極めて有効であり、かつＡc₁点を上
昇させて穿孔後に工具表層部の焼きが入る部分を少なく
し、焼き割れを防止する作用をも有している。これらの
効果はMoとＷとで等価であり、〔Mo＋Ｗ〕の合計量で
1.5％未満では上記効果が不十分であって製管中に容易
に変形・溶損を生じてしまう（なお靱性についてはMoよ
りＷの方が良好であり、特に靱性が重要な穿孔用工具で
はMo≦ 3.5％に抑制すべきである)。一方、Mo，Ｗの含有
量が合計で 8.0％を超えると高温でもフェライトが残留
するようになって逆に高温強度が低下する上、靭性も劣
化する。従って、Mo並びにＷの含有量は両者の合計で
1.5〜 8.0％と定めた。なお、靭性面からすればMoより
もＷを含有させる方が好ましく、特に靭性が重要な工具
ではMo含有量を 3.5％以下に抑制するのが良い。

【００２３】f) sol.Al sol.Alは脱酸剤として有効な成分である。特に製管工具
用材料では高温における強度を確保する必要があり、そ
のため必然的に室温でも高強度となるが、この場合に鋼
中の酸素量を抑制することは靭性確保上重要で、少なく
ともＯ含有量を２００ppm 以下とするのが望ましい。Ｏ
含有量を３０ppm 以下とすると靭性は更に大きく改善さ
れる。しかし、sol.Al含有量が 0.005％未満では脱酸効
果が不十分であり、一方 0.2％を超えて含有させても脱
酸効果が飽和するばかりか、かえって工具鋳造時の溶鋼
の粘性を増加させ鋳造欠陥を生じる恐れが出てくる。従
って、sol.Al含有量は0.005 〜0.2 ％と定めた。

【００２４】g) Cr, Co, Ｖ, Nb, Ti, Zr, Ｂ, Mg, Ca,
La, Ce及びＹこれらの成分は、鋼材の靭性，高温での変形抵抗を向上
する作用やスケ−ルの潤滑特性を改善する作用を有して
いるので、必要により１種又は２種以上の添加がなされ
るが、各成分についての含有量を個別に数値限定したの
は次の理由による。

【００２５】Cr Crは、特に酸化スケ−ル層を緻密化して母材と潤滑皮膜
（酸化スケ−ル層）の密着性を改善するのに有効な成分
であるが、その含有量が 5.0％を超えると耐酸化性が向
上しすぎて所望厚さの潤滑酸化スケ−ル層を生成するこ
とができなくなることから、Cr含有量は 5.0％以下と定
めた。しかし、Cr含有量が0.95％以上になると表面スケ
−ルの構造が FeCr₂Ｏ₄主体のものになって剥離しやす
くなり、またスケ−ルの融点を上昇させて潤滑性を劣化
するようになることから、Cr含有量は0.95％未満に止め
るのが好ましいと言える。

【００２６】Co Coは、特にＡc₁点，Ａc₃点を大きくは低下させることな
くNiと同様の靭性改善作用，スケ−ルの耐剥離性改善作
用を発揮する成分であるが、その含有量が5.0 ％を超え
るとコスト上昇に見合うだけの向上効果を確保すること
ができない。

【００２７】Ｖ, Nb, Ti, Zr, Mg, Ca, La, Ce及びＹこれらの成分は何れも、特に材料の細粒化に有効であ
り、鋼材の靭性改善だけでなく、スケ−ル層を緻密化す
る作用をも有しているが、その含有量が各々の上限値を
超えて含有させると脆化相が析出したりして靭性の劣化
を招く。

【００２８】ＢＢには、穿孔時に高温に保持されてオ−ステナイトとな
った工具表面層の粒界を強化し、高温での変形抵抗・変
形能を改善する作用があるが、 0.2％を超えて含有させ
ると脆化相の析出等で靭性が劣化する。

【００２９】h) 不可避不純物Ｎは溶製（凝固）時の欠陥防止のためにその含有量を0.
02％以下に、そしてＯは前述した如く所望靱性を確保す
るために0.02％以下にそれぞれ抑えるのが望ましい。ま
た、Ｐ及びＳも靭性に悪影響を及ぼすので、所望の靱性
を確保するためにはそれぞれ含有量を 0.035％以下及び
0.03％以下に制限するのが望ましい。

【００３０】(B) 熱間製管用工具表面の酸化スケ−ル
の厚さ及び構造熱間製管用工具の鋼基体表面に形成された酸化スケ−ル
層の厚さが２５０μｍ未満であるとスケ−ルの潤滑性や
母材に対する所望の耐熱性が得られず、所望の工具寿命
が得られないことから、その厚さを２５０μｍ以上と定
めた。また、酸化スケ−ル層が厚くなり過ぎるとスケ−
ル層がポ−ラス化して剥離を生じやすくなることから、
工具基体表面に形成する酸化スケ−ル層の厚さは１００
０μｍ以下に抑えるのが望ましい。

【００３１】なお、工具基体表面に形成する酸化スケ−
ル層は、一般に図１あるいは図２で示すように内層スケ
−ル層（図中の厚さＡの部分）と外層スケ−ル層の２層
に分かれるが、本発明で言う「酸化スケ−ル層の厚さ」
とは全スケ−ル厚さ〔図中のＢ〕のことである。なお、
一般的には外層側はFeＯ主体の比較的ポ−ラスなスケ−
ルであり、内層側はスピネル・複合酸化物型の緻密なス
ケ−ル層である。そして、内層スケ−ル層と母材との界
面は、成分，熱処理条件により粒界酸化型（図１に示す
もので、後述する実施例の試験番号37で得られたもの）
と内部酸化型（図２に示すもので、後述する実施例の試
験番号５で得られたもの）に分かれる。勿論、本発明で
は内部酸化型のスケ−ル層を必須とするもので、これは
既述したように母材の成分設計を適切に規制すること等
により実現され（鋳造凝固後に粒界に酸化されやすい成
分（Ｗ，Ti等）が偏析すると粒界酸化型となる）、これ
らによってスケ−ル層の優れた耐剥離性（スケ−ル層と
母材との界面の密着性）が得られる。

【００３２】(C) 熱間製管用工具の製造条件 a) 工具形状への成形熱間製管用工具（ピアサ−用穿孔プラグ，エロンゲ−タ
−圧延用プラグ，プラグミル圧延用プラグ等）の製造に
当っては、まず所定成分組成の鋼を溶製してから鋳造
し、その後鍛造等の塑性加工を施すか或いは施すことな
く切削加工により工具形状通りに形状を仕上げる。

【００３３】b) スケ−ル層形成熱処理条件〈雰囲気〉熱処理雰囲気は生成するスケ−ルの構造に影
響する。本発明では、雰囲気中の酸素濃度を大気酸素濃
度以下に調整するが、雰囲気中の酸素濃度が大気酸素濃
度よりも高いと熱処理中に酸化鉄が急激に成長するた
め、厚いが緻密性の悪いポ−ラスなスケ−ルとなって容
易に剥離する。なお、一般的には上記酸素濃度は５〜１
０％程度が望ましく、必要に応じてＣＯ，Ｈ₂Ｏガスを
混合する。

【００３４】〈温度〉熱処理温度は生成するスケ−ルの
構造と成長速度に影響する。本発明では熱処理温度を８
００〜１１００℃と定めたが、その理由は、８００℃未
満であると酸化物生成能力が劣るため非常に長時間の熱
処理時間が必要となって実操業に適せず、また１１００
℃を超えるとスケ−ル成長が著しく速くなって不安定で
ポ−ラスなスケ−ルとなり、剥離を生じやすいからであ
る。

【００３５】〈時間〉熱処理時間は生成するスケ−ルの
厚さ，構造に影響する。本発明では熱処理時間を４〜１
０hrと定めたが、その理由は、４hr未満では当該成分系
では十分なスケ−ル厚さにならず、一方、１０hrを超え
た場合にはスケ−ル成長が過度になってスケ−ル厚が厚
くなり過ぎるほか、スケ−ルがポ−ラスになり剥離を生
じやすくなるためである。

【００３６】〈均熱後の冷却速度・温度〉均熱後の冷却
速度はスケ−ルの緻密性に影響する。本発明では、均熱
の後は５０℃/hr 以下の冷却速度で８００〜５００℃ま
で徐冷することと定めたが、冷却速度が５０℃/hr を超
えるとスケ−ルの割れや剥離・脱落が発生する。望まし
くは２０〜３０℃/hr 以下の冷却速度で徐冷するのが良
い。そして、徐冷の終了温度が８００℃よりも高いとそ
の後の急冷でスケ−ルの剥離・脱落が発生し、一方、徐
冷終了温度を６００℃よりも低くすると冷却時間が長く
なり過ぎて操業上問題となる。

【００３７】以上のようにして得られる本発明工具は使
用寿命が従来のものより一段と延命化され、過酷な条件
で使用される穿孔用工具を例にとっても前述した3%Cr−
1%Niベ−ス鋼の工具に比べて 3.0超〜10.0倍もの寿命を
示す。

【００３８】次に、本発明の効果を実施例によって更に
具体的に説明する。

【実施例】まず、小型(500kg) 高周波誘導電気炉にて表
１及び表２に示した各化学成分組成の鋼を溶製し、これ
ら各チャ−ジを砂型に鋳込んでから機械加工で仕上げを
行い、最大外径１４７mmのピアサ−プラグ形状とした。
そして、これらについて機械的性質を調べた。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】次に、上記ピアサ−プラグ材にスケ−ル付
け熱処理を施した。プラグ表面スケ−ル付け熱処理は、
ブタンガス燃焼雰囲気（空燃比31）にて所定の温度，時
間，冷却速度，徐冷終了温度で実施した。そして、これ
らにつき、得られた表面スケ−ル層をプラグ中央部の断
面ミクロ写真より実測すると共に、スケ−ル構造の特定
を行った。

【００４２】次いで、このようにして作成されたピアサ
−プラグを実機での穿孔試験に供してその寿命を評価し
た。穿孔試験では、１２３０℃に加熱均熱されたＳＵＳ
４２０相当鋼（13％Cr鋼),ＳＵＳ３０４相当鋼（18％Cr
−８％Ni鋼）の外径１８７mm，長さ１７７０mmの丸ビレ
ットに対し、穿孔比 3.1，ピアサ−出口シェル外径１９
２mm，長さ５５００mmで穿孔圧延を実施した。穿孔時間
は約 7.5秒であった。ここで、実機ピアサ−条件は次の
通りであった。交叉角：１０°，傾斜角：１４°，プラグ径：１４７φ，先端ドラフト率： 6.0％。

【００４３】表３乃至表５に供試鋼の熱処理条件，酸化
スケ−ル層厚さ実測値，酸化スケ−ル構造，機械的性質
及び実機穿孔試験結果を示す。なお、機械的性質は、靱
性を室温でのシャルピ−衝撃値（10mm×10mm，２mmのＵ
ノッチ）、変形抵抗を８００℃圧縮試験での結果で示し
た（ここで、ピアサ−プラグとして実機の熱的，機械的
応力の影響に耐えるためには靱性値は0.9kg-ｍ/cm²以
上、変形抵抗は２５kgf/mm² 以上が望ましい）。実機試
験でのプラグ寿命評価は、１本のプラグの穿孔可能ビレ
ット本数、即ちパス本数で行った。なお、供したプラグ
が先端溶損，スケ−ル剥離等で廃却された場合は、穿孔
時間は８〜１０秒であった。

【００４４】

【表３】

【００４５】

【表４】

【００４６】

【表５】

【００４７】表３及び表４に示されるように、本発明例
では、各成分材で望ましい靱性，高強度が得られ、また
適正酸化スケ−ル付け熱処理条件により表面スケ−ル厚
さが適正値であるプラグが得られている。そして、穿孔
テスト結果は、穿孔可能回数が穿孔対象ＳＵＳ４２０鋼
で７〜１５パス，ＳＵＳ３０４鋼で４〜１０パスで十分
満足する高寿命が達成されている。

【００４８】これに対して、比較例では、試験番号32以
外は組成が靱性，高温強度が望ましい範囲を外れている
ため穿孔時にプラグの割れ，先端溶損が発生し、穿孔可
能回数がＳＵＳ４２０鋼で３パス以下、ＳＵＳ３０４鋼
で１パスであった。また、試験番号32では、Ni量や熱処
理後のスケ−ル厚さが過大なため、穿孔可能回数がＳＵ
Ｓ４２０鋼，ＳＵＳ３０４鋼でそれぞれ５パス，２パス
となり、寿命改善は得られなかった。

【００４９】試験番号41〜47及び49は酸化スケ−ル付与
処理温度あるいは時間が、また試験番号48はスケ−ル付
与処理時間と徐冷終了温度が、更に試験番号50〜53は冷
却速度が、そして試験番号54〜57は徐冷終了温度がそれ
ぞれ本発明で規定する条件から外れたものであるが、試
験番号46, 49及び50以外は何れも熱処理後のスケ−ル厚
さが本発明で規定する範囲から外れており、穿孔回数が
ＳＵＳ４２０鋼で６パス以下，ＳＵＳ３０４鋼で３パス
以下となって寿命改善は得られなかった。

【００５０】表面スケ−ル厚さが本発明で規定する範囲
内であっても、処理条件が本発明の規定条件を満たして
いない試験番号46, 49及び50では、スケ−ル構造は粒内
酸化型であるがスケ−ルが緻密でなくてポ−ラスである
か、もしくはスケ−ル厚さが不足しているためにスケ−
ルが剥離，摩耗しやすく、結果として穿孔可能回数がＳ
ＵＳ４２０鋼で５〜６パス，ＳＵＳ３０４鋼で２〜３パ
スとなり、寿命改善が得られなかった。

【００５１】試験番号49〜51で使用した“鋼オ”を適用
した場合でも、本発明で規定する熱処理条件となってい
るもの（試験番号５）は緻密な粒内酸化型のスケ−ル構
造が得られ、結果として穿孔可能回数がＳＵＳ４２０鋼
で１２パス，ＳＵＳ３０４鋼で７パスと寿命改善が得ら
れている。

【００５２】試験番号37及び38は、“鋼オ”に準じた組
成の鋼ではあるが「７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ＞56」とした場
合の例であるが、“鋼オ”を使用した試験番号５が内部
酸化型のスケ−ル構造となっているのに対して、前記試
験番号37及び38では粒界酸化型のスケ−ル構造となり、
プラグ寿命が短かくなっている。

【００５３】なお、図１は試験番号37で得られたプラグ
の粒界酸化型スケ−ル断面の顕微鏡写真図（倍率２００
倍）であり、図２は試験番号５で得られたプラグの粒内
酸化型スケ−ル断面の顕微鏡写真図（倍率２００倍）で
ある。また、この実施例における本発明例では、不可避
不純物中のＮ，Ｏ，Ｐ及びＳの含有量が何れも0.02％以
下，0.02％以下， 0.035％以下，0.030 ％以下である鋼
を工具素材としたが、上記本発明例の成分組成でＮ，
Ｏ，Ｐ及びＳの含有量が上記範囲を多少上回るものであ
っても、従来材よりも優れた相応の特性を発揮すること
も確認済である。

【００５４】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、非常に優れた使用寿命を示す熱間製管用工具（ピア
サ−プラグ等）を実現することができ、継目無管の製造
コストを著しく低減することが可能になるなど、産業上
有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】顕微鏡で観察した粒界酸化型スケ−ルの代表例
（試験番号37）を示す金属組織の写真図である。

【図２】顕微鏡で観察した粒内酸化型スケ−ルの代表例
（試験番号５) を示す金属組織の写真図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者衣笠秀典和歌山県和歌山市湊1850番地住友金属工業株式会社和歌山製鉄所内 (72)発明者長谷川潔埼玉県川越市新宿町５丁目13番地１新報國製鉄株式會社内 (72)発明者野口哲二埼玉県川越市新宿町５丁目13番地１新報國製鉄株式會社内 (56)参考文献特開平４−74848（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量割合にてＣ：0.08〜0.65％， Si：
0.1 〜2.0 ％， Mn：0.2 〜3.0 ％，Ni：0.2 〜7.0
％， sol.Al：0.005 〜0.2 ％，Mo及びＷの１種以上：
合計 1.5〜 8.0％で、かつ７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ≦ 56 を
満足する量を含むと共に、残部がFe及び不可避不純物で
ある鋼製基体の表面に、厚さ２５０〜１０００μｍの内
部酸化型スケ−ル層を有することを特徴とする、熱間製
管用工具。
【請求項２】鋼製基体が、残部成分の一部に代えて重
量割合でCr：5.0 ％以下をも含有して成ることを特徴と
する、請求項１に記載の熱間製管用工具。
【請求項３】鋼製基体が、残部成分の一部に代えて重
量割合でCo：5.0 ％以下をも含有して成ることを特徴と
する、請求項１又は２に記載の熱間製管用工具。
【請求項４】鋼製基体が、残部成分の一部に代えて重
量割合でＶ：2.0 ％以下， Nb：2.0 ％以下， Ti：2.0 ％以
下， Zr：0.5 ％以下のうちの１種以上をも含有して成ることを特徴とする、
請求項１ないし３の何れかに記載の熱間製管用工具。
【請求項５】鋼製基体が、残部成分の一部に代えて重
量割合でＢ：0.2 ％以下をも含有して成ることを特徴とする、請求項１ないし４
の何れかに記載の熱間製管用工具。
【請求項６】鋼製基体が、残部成分の一部に代えて重
量割合で Mg，Ca，La，Ce及びＹの１種以上：合計で 0.5％以下をも含有して成ることを特徴とする、請求項１ないし５
の何れかに記載の熱間製管用工具。
【請求項７】鋼製基体における不可避不純物中のＮ，
Ｏ，Ｐ及びＳの含有量が、それぞれ重量割合にて0.02％
以下，0.02％以下，0.035 ％以下，0.030 ％以下に規制
されて成ることを特徴とする、請求項１ないし６の何れ
かに記載の熱間製管用工具。
【請求項８】重量割合にてＣ：0.08〜0.65％， Si：
0.1 〜2.0 ％， Mn：0.2 〜3.0 ％，Ni：0.2 〜7.0
％， sol.Al：0.005 〜0.2 ％，Mo及びＷの１種以上：
合計 1.5〜 8.0％で、かつ７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ≦ 56 を
満足する量を含有するか、あるいは更にCr：5.0 ％以
下, Co：5.0 ％以下，Ｖ：2.0 ％以下，Nb：2.0 ％
以下， Ti：2.0 ％以下， Zr：0.5 ％以下，Ｂ：0.2
％以下， Mg, Ca, La, Ce及びＹの１種以上：合計で
0.5％以下のうちの１種以上をも含むと共に、残部がFe
及び不可避不純物から成る鋼を、所定の工具形状に成形
した後、大気酸素濃度以下の酸化雰囲気中にて８００〜
1100℃で４〜１０hrの均熱を施し、引き続いて５０℃/h
r 以下の冷却速度で８００〜５００℃まで徐冷すること
により、表面に厚さ２５０〜１０００μｍの内部酸化型
スケ−ル層を形成させることを特徴とする、熱間製管用
工具の製造方法。
【請求項９】重量割合にてＣ：0.08〜0.65％， Si：
0.1 〜2.0 ％， Mn：0.2 〜3.0 ％，Ni：0.2 〜7.0
％， sol.Al：0.005 〜0.2 ％，Mo及びＷの１種以上：
合計 1.5〜 8.0％で、かつ７Ｗ(%) ＋８Ni(%) ≦ 56 を
満足する量を含有するか、あるいは更にCr：5.0 ％以
下, Co：5.0 ％以下，Ｖ：2.0 ％以下，Nb：2.0 ％
以下， Ti：2.0 ％以下， Zr：0.5 ％以下，Ｂ：0.2
％以下， Mg, Ca, La, Ce及びＹの１種以上：合計で
0.5％以下のうちの１種以上をも含むと共に、残部がFe
及び不可避不純物であって、かつ不純物中のＮ，Ｏ，Ｐ
及びＳの含有量がそれぞれ0.02％以下，0.02％以下，
0.035％以下，0.030 ％以下である鋼を、所定の工具形
状に成形した後、大気酸素濃度以下の酸化雰囲気中にて
８００〜１１００℃で４〜10hrの均熱を施し、引き続い
て５０℃/hr 以下の冷却速度で８００〜５００℃まで徐
冷することにより、表面に厚さ２５０〜１０００μｍの
内部酸化型スケ−ル層を形成させることを特徴とする、
熱間製管用工具の製造方法。