無縫鋼管的軋制用頂頭、該頂頭的制造方法以及使用該頂頭的無縫鋼管的制造方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明涉及作為熱加工用工具(hot rolling tool)的無縫鋼管的乳制用頂頭(plug for rolling of seamless steel pipe)、該頂頭的制造方法以及使用該頂頭的無縫鋼管的制造方法。

　　【背景技術】

　　[0002]作為高溫制造無縫鋼管的方法，一直以來廣泛實施滿乃斯曼制管法(Mannesmannmill process)。該方法是首先利用穿乳機(piercing mill)對加熱至規定溫度的圓形鋼片(round shape steel)(以下稱為鋼還(billet))進行穿孔乳制(piercing)而制造中空管還(hollow pieces or hollow steel tubes)(以下稱為空心管(hollow))，利用延伸乳機(elongator)、心棒乳管機(plug mill)或心軸乳管機(mandrel mill)等延伸乳機(main rolling mill)減小該空心管的壁厚，進一步根據需要進行再加熱后，利用減徑機(reducing mill)或定徑機(sizing mill)主要減小外徑(outer diameter)而得到規定尺寸的無縫鋼管的方法。

　　[0003]上述穿乳機有各種各樣的，一般有組合2根斜棍(barrel type roll)和頂頭以及2個導靴(guide shoe)的所謂的滿乃斯曼穿乳機(Mannesmann piercer)、組合3根斜棍和頂頭的所謂的三輥穿軋機、或者組合2根孔型輥(grooved roll)和頂頭的所謂的壓軋穿孔機(press rolling piercer)。

　　[0004]在上述穿孔軋制過程中，頂頭因與被加熱的鋼坯和空心管無間隙地接觸而經常處于高溫、高載荷(high load)，容易磨損(wear)、恪損(deformat1n due to elevatedtemperature)。因此，通常在900?1000 °C的高溫下對頂頭實施氧化皮處理(scalehandling)，在頂頭表面形成厚度數十μπι?數百μ m的氧化皮被膜(scale film)，實現損耗(wear damage)的防止。例如專利文獻I中公開了對以鐵基合金(iron-base alloy)為基體的頂頭實施熱處理，在表面形成以磁鐵礦(magnetite)為主的氧化鐵系氧化皮(iron oxide scale)的技術。這樣的氧化皮(oxidized scale)在熱乳中作為非金屬膜(nonmetallie coating)夾在作為被乳制材的金屬與構成頂頭的金屬之間以防止金屬接觸(metallic contact)，防止燒傷(seizure or sticking)、恪合(deposit1n)，并且減少摩擦，因此具有保護頂頭，提高壽命的效果。軋制材為大量含有Cr的高合金(high alloy)時，軋制材被加熱而生成的表面氧化皮(surface scale)本來就非常少，經常發生與頂頭等工具的金屬接觸，使工具壽命(tool life)變差，因此在這樣的工具表面人工生成氧化皮的技術具有特別重大的效果。

　　[0005]然而如果對乳制材含有12質量％以上的Cr的高合金鋼(high-alloy steel)進行軋制，則即便使用如上所述的技術，用I個頂頭能夠軋制的軋制材根數最多也就10根左右，需要進一步提高工具壽命。

　　[0006]進行軋制材含有12質量％以上的Cr的高合金鋼的軋制時頂頭壽命不充分的理由如下:乳制中的材料在高溫下強度高，而鐵基合金(iron-base alloy)制的頂頭的高溫強度(high-temperature strength)相對不足，即便利用氧化皮保護表面，也會因接觸載荷(contact load)導致頂頭的前端破損(crush)和表面凹陷(gouge)等變形(deformat1n)，由此表面氧化皮層被破壞，隨著產生燒傷等。

　　[0007]因此，作為在對如上所述的高合金鋼進行軋制時延長無縫鋼管的穿孔軋制用頂頭的壽命的方法，提出了如下方法:用陶瓷制作整個頂頭或前端部(ceramics)的方法(專利文獻2)，或者利用高溫強度優異的鉬合金(molybdenum alloy)制作的方法(專利文獻

　　3)，或者在頂頭前端部粉末堆焊(powder overlaying welding)高溫強度高的Co基合金(cobalt base alloy)的方法(專利文獻4)，用Nb合金制作或被覆的方法(專利文獻5)等。此外，在專利文獻6中提出了一種形成有金屬一碳化物復合被膜并在最外表面形成了鐵系氧化物被膜的工具，該金屬一碳化物復合被膜是使碳化鈮粒子分散于由Co基合金或Ni基合金(nickel base alloy)構成的基體金屬(matrix metal)而成的。

　　[0008]現有技術文獻

　　[0009]專利文獻

　　[0010]專利文獻1:日本特開平08 - 193241號公報

　　[0011]專利文獻2:日本特開昭60 - 137511號公報

　　[0012]專利文獻3:日本特開昭63 - 203205號公報

　　[0013]專利文獻4:日本特開昭62 - 050038號公報

　　[0014]專利文獻5:日本特開2001 - 038408號公報

　　[0015]專利文獻6:日本特開2007 - 160338號公報

　　【發明內容】

　　[0016]但是，在上述的現有技術中，存在如下的課題。

　　[0017]專利文獻2中所示的僅將頂頭前端部用陶瓷構成并強化的方法雖然具有防止前端部燒傷的效果，但難以確保陶瓷部與金屬部的接合強度(joint strength)，另外陶瓷部對耐沖擊弱，在軋制中頂頭被破壞的危險高，不實用。另外，專利文獻3中所示的使前端為Mo合金的方法具有價格非常高、并且鉬合金部的耐沖擊載荷(impact load)和熱疲勞(thermal fatigue)弱等缺點。

　　[0018]此外，上述專利文獻4?6中所示的通過噴鍍等在頂頭表面被覆Co基耐熱合金、Nb合金的方法存在如下問題:雖然合金部的高溫強度高，但由于合金部與軋制材直接進行金屬接觸，所以摩擦熱(frict1n heat)非常高，頂頭進一步升溫，雖然是耐熱合金(heat-resistant alloy)但強度不足，產生恪損。

　　[0019]本發明鑒于以上的問題點，對于在高合金鋼的無縫鋼管的軋制這樣的嚴苛條件下使用的頂頭提供大幅延長其壽命的技術。

　　[0020]本發明人等為了解決上述課題進行了深入研宄，完成了以下主要構成的本發明。

　　[0021](I) 一種無縫鋼管軋制用頂頭，其特征在于，在金屬母材的表面被覆Co或Co基合金而成的被覆層的表面具有由Co系氧化物構成的氧化層。

　　[0022](2)根據(I)所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其特征在于，上述Co基合金含有30質量％以下的Ni。

　　[0023](3)根據(I)或(2)所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其特征在于，上述氧化層是利用高溫保持熱處理來生成的。

　　[0024](4)根據(I)或(2)所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其特征在于，上述氧化層是利用無縫鋼管軋制操作時的熱來生成的。

　　[0025](5)根據(I)或(2)所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其特征在于，上述氧化層是利用高溫保持熱處理和無縫鋼管軋制操作時的熱來生成的。

　　[0026](6)根據上述(I)?(5)所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，上述氧化層的平均厚度為10 μ m ?40 μ m。

　　[0027](7)根據上述(I)?(6)所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，上述金屬母材為鐵系材料。

　　[0028](8) 一種無縫鋼管的制造方法，使用上述⑴?(7)所述的無縫鋼管軋制用頂頭。

　　[0029](9) 一種無縫鋼管軋制用頂頭的制造方法，在金屬頂頭的表面以0.1?2_的厚度被覆Co或Co基合金后，在大氣中進行300°C?1000°C的熱處理，使由Co系氧化物構成的氧化層的平均厚度成為10 μπι?40 μπι。

　　[0030](10)根據(9)所述的無縫鋼管軋制用頂頭的制造方法，利用高溫保持熱處理進行上述熱處理。

　　[0031](11)根據(9)或(10)所述的無縫鋼管軋制用頂頭的制造方法，利用無縫鋼管軋制操作時的熱進行上述熱處理。

　　[0032]根據本發明，得到減少無縫鋼管的乳制中使用的頂頭的損耗(wear damage)的效果，對生產的效率化(productivity efficient)和低成本化發揮效果。

　　【附圖說明】

　　[0033]圖1是本發明的無縫鋼管用的穿孔頂頭(piercing plug)的截面示意圖(cross-sect1n pattern diagram)。

　　[0034]圖2是實施例中的頂頭的尺寸圖(dimens1nal drawing)。

　　[0035]圖3是現有技術的頂頭的外觀照片(appearance photograph)。

　　[0036]圖4是本發明的頂頭的外觀照片。

　　[0037]圖5是現有技術的氧化膜層(oxide layer)的微觀結構(microstructure)的示意圖(pattern diagram)。

　　[0038]圖6是本發明的氧化膜層的微觀結構的示意圖。

　　[0039]圖7是示出表示本發明效果的實驗結果的圖。

　　[0040]圖8是表示在軋制中途采集的頂頭前端的氧化膜的損壞狀態(damagedcondit1n)的示意圖。

　　[0041]圖9是表示在軋制中途采集的從頂頭前端向后30_的位置的氧化膜的損壞狀態的示意圖。

　　【具體實施方式】

　　[0042]本發明中，Co基合金是指合金組成的最大含量〔質量％〕的成分元素為Co的合金。

　　[0043]本發明人發現Co在高溫下較容易氧化而在表面形成薄且穩固的氧化層。Co與鐵系材料(ferrous materials)相比較氧化速度(oxidat1n rate)慢很多，但與Ni系超合金(nickel-base super alloys)或Co系超合金(cobalt-base super alloys)這種含有N1、W和Cr等的合金相比，氧化速度快，在大氣中實施高溫處理(high-temperature treatment)就能夠在表面容易地形成由Co系氧化物(cobalt-base oxide)構成的氧化層(以下稱為Co系氧化層)。這樣的由Co系氧化物構成的氧化層(Co系氧化層)與由鐵系頂頭的鐵系氧化物(feirous oxide)構成的氧化層(以下稱為鐵系氧化層)同樣地防止軋制材的燒傷，提尚潤滑性。

　　[0044]此外，上述Co系氧化層還作為隔熱層(heat-1nsulating layer)發揮作用，因此能夠防止頂頭表層部的過度溫度上升(increased temperature)，還防止變形、磨損。并且，Co系氧化層與由鐵系的氧化物構成的氧化層(鐵系氧化層)相比較，非常牢固(tight)，表面也平滑，強度和壽命優異。

　　[0045]然而，作為Co和Co基合金中的任一種的Co系材料(cobalt-base materials)，與鐵系材料相比價格高，例如將圖2所示的穿孔頂頭全部用Co系材料制作則在經濟上是不

　　現實的。而且Co系材料的加工性差，難以成型為頂頭形狀。

　　[0046]本發明是通過在現有的鐵系材料的頂頭表面以0.1?2mm的厚度被覆Co系材料來解決上述問題的。該被覆采用電鍍(electrodeposit1n)則能夠簡便且均勾、高密合性地進行被覆。被覆層的厚度若考慮假定反復使用50次左右的消耗則需為0.1mm以上，如果超過2_，則其效果也達到飽和，因此從經濟角度考慮優選為2_以下。

　　[0047]另外，構成本發明的頂頭的材料是像日本專利公開公報特開2003 - 129184號的權利要求1中公開的那種基材具有如下組成的材料:以質量％計含有C:0.05?0.5%、Si:0.1 ?1.5%、Mn:0.1 ?1.5%、Cr:0.1 ?1.0%、Mo:0.5 ?3.0 %、W:0.5 ?3.0 %、Nb:0.1 ?1.5%，進一步以滿足 I < (Ni+Co) < 4 的條件含有 Co:0.1 ?3.0%、N1:0.5 ?2.5%，還含有Al:0.05%以下或者選自V:1.5%以下、T1:0.3%以下中的I種或2種，剩余部分由Fe和不可避免的雜質構成。這意味著可使用現有技術所示的普通的材料，并非本發明中限定。作為金屬母材，還優選使用其它的鐵系材料，例如，JIS的SKD6、SKD61之類的高溫工具鋼等。

　　[0048]或者還可以使用非鐵金屬材料(nonferrous metal material)，例如，S卩便被膜發生部分剝離也可期待保持母材側的潤滑功能的Mo合金等。

　　[0049]在此，被覆的Co系材料含有99質量％以上的Co，剩余部分可以是作為不可避免的雜質的純Co金屬(pure cobalt metal)，更優選含有質量比為0.3 %?30 %的Ni。通過成為Co - Ni合金，鍍覆被膜(platingfilm)的強度增大，尤其是有提高熱強度(high-temperature strength)的效果，獲得被膜的高壽命化。尤其是300°C以上的溫度的熱強度，即便與鐵系的材料相比也大幅提高，因此如果使鍍層(plated layer)成為Imm以上的厚度，還能夠有效防止頂頭的變形等。但是，如上所述Ni是顯現耐氧化性(oxidat1nresistance)的元素，超過30%的過量添加會阻礙Co系氧化層的生成，因此使用Co — Ni合金時以質量比計優選Ni的質量比為0.3%?30%。進一步優選質量比為0.5%?15%。

　　[0050]此外，由于Co系材料在大氣中常溫下氧化速度(oxidat1n rate)非常慢，所以有效的是將經過鍍覆的頂頭保持在加熱爐(heating furnace)中促進表面的Co系氧化物的形成。由Co系氧化物構成的氧化層的生成速度(generat1n speed)在大氣中、400°C下加熱時大致為0.2 μπι厚/小時，在大氣中、700°C下加熱時大致為8 μπι厚/小時。為含有Ni的Co - Ni合金時，若要生成與不含Ni的Co系材料相同的氧化層厚度，需要將加熱時間(heating time)設定的更長。因此，加熱時間需要根據被覆的材料改變各自的設定，而從生產的效率性考慮，保持溫度(holding temperature)優選設為300°C以上，如果超過1000°C則由Co系氧化物構成的氧化層變得粗大，因此優選設為1000°C以下。應予說明，更優選設為 500。。?700。。。

　　[0051]以下，基于實施例，對本發明進行具體說明。

　　[0052]實施例

　　[0053]本發明的技術中采用無縫鋼管工廠中使用的圖2所示的尺寸形狀的頂頭。

　　[0054]實施例中，作為構成本發明的頂頭的材料，使用以質量％計含有C:0.2 %、Si:0.5%, Mn:1.0%,Cr:0.8%, Mo:2.0%、Nb:0.1 % 的低合金鋼。

　　[0055]現有技術中對頂頭進行熱處理，在表面形成由鐵系的氧化物構成的氧化層。

　　[0056]將通過適合頂頭材的熱處理(在大氣中、1050°C下加熱，保持6小時)而在表面生成鐵系氧化層的頂頭的表面照片(surface photograph)示于圖3。另外將該鐵系氧化層的截面的微觀組織示意性地示于圖5。

　　[0057]在本發明例A中在鐵系頂頭的表面實施Co — 0.1質量％ Ni (稱為純Co)的鍍覆，在本發明例B中實施Co - 10質量％ Ni的鍍覆，在本發明例C中實施Co - 30質量％ Ni的鍍覆。還制作了 Co - 40質量％ Ni的鍍覆的例子作為本發明例D。在此，本實施例中將這些鍍覆的平均厚度設為約2_。接下來，在大氣中、700°C的溫度下對這些頂頭進行保持20小時的熱處理，其后，自然冷卻(natural cooling)在表面形成由Co系氧化物構成的氧化層。圖1中示意性地示出制作的頂頭的截面構成。另外，將本發明例B情況下的外觀照片作為I個例子示于圖4。另外，將Co系氧化層的截面微觀組織示意性地示于圖6。

　　[0058]比較圖3和圖4，作為現有例的鐵系氧化層的表面粗糙(asperity like)，與此相對，本發明例的Co系氧化層顯示非常平滑的表面(flat and smooth surface) o這表示Co系氧化物具有非常致密的結構(dense structure)，穩固地固定。

　　[0059]另外，如圖5和圖6所示，鐵系氧化層的厚度非常厚，接近1000 μ m，與此相對，Co系氧化層的厚度被調整至30μπι左右。并且，鐵系氧化層中氧化層分成鐵酸鹽(wustite)(FeO)、磁鐵礦(magnetite) (Fe3O4)、赤鐵礦(hematite) (Fe2O3)，且內部產生大量空孔(void)，與此相對，Co系氧化層為單一相，空孔少，被穩固地構成。

　　[0060]此外，上述Co系氧化層的厚度在本發明例A中平均為38 μ m，在本發明例B中平均為28 μm，在本發明例C中平均為12 μm，而在本發明例D中僅為2 μπι。其中，Co系氧化層的結構相同。

　　[0061]其中，氧化層的厚度的測定是通過對上述頂頭的任意5個位置的截面照片進行攝像，利用圖像處理求出平均厚度的。

　　[0062]接下來，將上述本發明例Α、Β和C的頂頭與現有例、本發明例D的頂頭一起供于實際的軋制生產線中的軋制操作，評價壽命(life)。頂頭在每次用穿軋機對I個鋼坯進行穿孔軋制后被水冷，用于下一個鋼坯的穿孔軋制。水冷后每次檢查頂頭表面的損耗狀況，根據熔損、磨損、缺損等，由此判定為已到壽命時，以其它的頂頭進行交換。

　　[0063]對1000個含有13質量％以上的Cr的高合金鋼鋼坯的軋制中使用的各頂頭的平均壽命(I個頂頭的軋制鋼坯個數)進行比較并示于圖7。現有頂頭的不交換就能夠軋制的鋼坯個數約為14個左右，而本發明例A、B、C均能夠軋制30個以上的鋼坯。特別是本發明例B最優異，能夠軋制平均45個鋼坯，顯示了高壽命。另一方面含有大量Ni的本發明例D中壽命為18個左右，與現有例相比良好。

　　[0064]在上述的軋制實驗的過程中，將本發明例A中的I個軋制頂頭不是一直用到損壞而是在3次乳制后取出，確認最容易損壞的頂頭前端部和從前端向后30mm位置的Co系氧化層的狀態。如圖8所示，頂頭前端部的Co系氧化層厚度薄至約ΙΟμπι，且發現了有一部分疑似Co系氧化層脫落的部分。但是，在疑似有脫落的部分的表層也殘留有2?3 μπι的Co系氧化層。另外，如圖9所示，在距前端約30mm位置的部分的Co系氧化層的層厚薄至約15 μ m，但沒有發現Co系氧化層有大的損壞。

　　[0065]上述的觀察結果表示了如下的現象。S卩，由Co系氧化物構成的氧化層顯示耐受無縫鋼管的軋制的穩固的特性。但是，頂頭最前端這樣的在最高壓下受高溫的嚴苛的部分最多經過3次的軋制有時就產生損壞。但是，由于軋制中的頂頭為高溫，因Co的氧化特性(oxidat1n characteristic)，在損壞的位置再次生成Co系氧化物，持續發揮頂頭保護的作用。這樣的作用反復產生，能夠在30次以上的軋制中持續使用。

　　[0066]另一方面，本發明例D中由于鍍覆層含有過多的Ni，所以如上所述氧化物生成速度(oxide generat1n speed)慢，推斷乳制中損壞的氧化層無法充分再生而到壽命。因此，被覆層所含的Ni量優選至少為30質量％以下。

　　[0067]如上所述，本發明例A、B、C、D與現有例相比壽命均有所提高，特別是本發明例A、B、C與現有例相比壽命明顯提高，能夠顯著提高高合金鋼無縫鋼管(high-alloy seamlesssteel tube)的生產率。

　　[0068]應予說明，本發明中，雖記為Co鍍覆或者Co基合金鍍覆，但并不是表示鍍層排除其它的元素。

　　[0069]另外，雖然記為由Co系氧化物構成的氧化層，但在鍍層含有Ni時，氧化層也含有Ni，即使含有其它元素的情況也在本發明的范圍。在此，作為其它的元素，可舉出Fe、C等。

　　【主權項】

　　1.一種無縫鋼管的軋制用頂頭，在金屬母材的表面被覆Co或Co基合金而成的被覆層的表面具有由Co系氧化物構成的氧化層。

　　2.根據權利要求1所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其中，所述Co基合金含有30質量％以下的Ni。

　　3.根據權利要求1或2所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其中，所述氧化層是利用高溫保持熱處理來生成的。

　　4.根據權利要求1或2所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其中，所述氧化層是利用無縫鋼管軋制操作時的熱來生成的。

　　5.根據權利要求1或2所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其中，所述氧化層是利用高溫保持熱處理和無縫鋼管軋制操作時的熱來生成的。

　　6.根據權利要求1?5所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其中，所述氧化層的平均厚度為10 μ m ?40 μ m。

　　7.根據權利要求1?6所述的無縫鋼管的軋制用頂頭，其中，所述金屬母材為鐵系材料。

　　8.一種無縫鋼管的制造方法，其中，使用權利要求1?7所述的無縫鋼管的軋制用頂頭O

　　9.一種無縫鋼管乳制用頂頭的制造方法，在金屬頂頭的表面以0.1?2_的厚度被覆Co或Co基合金后，在大氣中進行300°C?1000°C的熱處理，使由Co系氧化物構成的氧化層的平均厚度成為10 μ m?40 μ m。

　　10.根據權利要求9所述的無縫鋼管軋制用頂頭的制造方法，其中，利用高溫保持熱處理進行所述熱處理。

　　11.根據權利要求9或10所述的無縫鋼管軋制用頂頭的制造方法，其中，利用無縫鋼管軋制操作時的熱進行所述熱處理。

　　【專利摘要】本發明提供一種大幅延長在高合金鋼的無縫鋼管軋制這樣的嚴苛條件下使用的頂頭的壽命的技術。具體而言，提供在金屬母材的表面被覆Co或Co基合金，進而在該被覆層的表面生成有由Co系氧化物構成的氧化層的無縫鋼管的軋制用頂頭，該頂頭的制造方法以及使用該頂頭的無縫鋼管的制造方法。

　　【IPC分類】C23C8-12, C23C28-00, B21B25-00

　　【公開號】CN104619434

　　【申請號】CN201380046791

　　【發明人】井口貴朗, 勝村龍郎, 木村秀途

　　【申請人】杰富意鋼鐵株式會社

　　【公開日】2015年5月13日

　　【申請日】2013年9月9日

　　【公告號】EP2873468A1, EP2873468A4, US20150217349, WO2014041787A1