专利名称：无缝管的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种可以彻底地使无缝管的制造工序合理化、并防止在无缝钢管的制造工序中产生渗碳的无缝管的制造方法。
背景技术：
作为无缝钢管的制造方法，有曼内斯曼-芯棒轧管机法、曼内斯曼-芯棒式无缝管轧机法、曼内斯曼-阿塞尔轧管机法或曼内斯曼-顶管机法等。这些方法是这样的方法，把用加热炉加热到规定温度的实心钢坯由穿轧机进行穿孔，成为中空棒状的空心坯件，由芯棒轧管机、芯棒式无缝管轧机、阿塞尔轧管机或顶管机等拉伸轧钢机主要使该空心坯件减少壁厚来做成空心毛坯管，接着由定径机或者拉伸缩径机等钢管减径轧机主要减少外径来形成规定尺寸的无缝钢管。
在这种无缝管制造工艺中，本发明与第2工序的拉伸轧制工序相关，下面，根据曼内斯曼—芯棒式无缝管轧机法说明本发明，在其他制管法的拉伸轧制工序中，其作用效果也是相同的。
图1是表示曼内斯曼芯棒式无缝管轧机的工序的图，图1(a)表示旋转炉底式加热炉，图1(b)表示穿孔机(穿轧机)，图1(c)表示芯棒式无缝管轧机(拉伸轧管机)，图1(d)表示再加热炉，图1(e)表示拉伸缩径机(钢管减径轧机)。
图1(c)所示的芯棒式无缝管轧机，最初，通常是把芯棒1插入管坯2的内表面侧，保持该状态用芯棒1和孔型轧辊3进行连续轧制的全浮动(full-retract)芯棒式无缝管轧机。但是，最近，普及限动芯棒式无缝管轧机(retained mandrel mill)作为更高效率、高品质的芯棒式无缝管轧机。
图2是全浮动芯棒式无缝管轧机和限动芯棒式无缝管轧机的比较图，图2(a)表示全浮动芯棒式无缝管轧机，图2(b)表示限动芯棒式无缝管轧机。
在图2(b)所示的限动芯棒式轧管机中，用芯棒定位器4从芯棒1背后(轧管机的入侧)保持并约束芯棒1，直到轧制结束，存在与轧制结束同时拉回芯棒1的全退回方式和与轧制结束同时放开芯棒1的半浮动方式。一般在中直径无缝钢管的制造方法中采用全退回方式，在小直径无缝钢管的制造方法中采用半浮动(semi-float)方式。
在全退回方式中，在芯棒式无缝管轧机的出侧连接有拔出机，在用芯棒式无缝管轧机进行轧制中拉空心毛坯管。如果芯棒式无缝管轧机出侧的管材料温度十分高，可以用定径机或者拉伸缩径机代替拔出机，在拔出空心毛坯管的同时进行减径轧制到最终目标尺寸，不需要再加热炉。
涂敷在芯棒表面上的润滑剂的目的在于，减少管内表面和芯棒表面之间的摩擦，防止产生管材料内表面的划伤和芯棒表面的烧伤，同时使拉伸轧制后的芯棒的脱出变得容易。
作为上述的润滑剂，最初，使用以添加了微粉石墨的重油为基础的水溶性的油，或者在涂了油的芯棒的表面上喷射微粉石墨，作为润滑剂使用。
最近，作为无烟润滑剂，开始使用称为硼砂的非石墨类润滑剂，正确地讲，使用氧化皮溶融剂。特别在拉伸轧制不锈钢管和高合金钢管时，有时使用云母类的非石墨类润滑剂。
在日本特开平10-58013号公报中，公开了小直径无缝钢管的制造方法，其特征在于，对用穿孔轧制制造出的中空管坯(空心毛坯管)进行冷缩径拉伸加工。在该方法中，省略了由芯棒式无缝管轧机进行的热拉伸轧制工序。但，该省略不过是为了简化制管工序，不是为了防止在由芯棒式无缝管轧机进行的热拉伸轧制工序中的钢管的渗碳。在日本特开平10-58013号公报中，确实未看到关于防止渗碳的记载。
另外，当由芯棒式无缝管轧机拉伸轧制不锈钢管或高合金钢管时，在作为产品的钢管的内外表面上，特别在内表面上产生渗碳现象。渗碳对钢管带来耐腐蚀性变差等不好影响。该渗碳现象，无论在使用石墨类润滑剂时，还是使用非石墨类润滑剂时都会发生，是非常麻烦的问题。这是由于在制管车间的空气中，存在以前使用石墨类润滑剂等产生的石墨微粉，它们附着在管坯的内外表面和芯棒的表面上。
发明内容
本发明的目的在于，提供用于防止在无缝管特别是在低碳的不锈钢管和高合金钢管等的制造过程中产生的渗碳现象，使拉伸轧制工序合理化的无缝管的制造方法。
本发明人为解决上述课题而反复进行研究的结果，取得了下述的无缝管的制造方法的发明。
(1)一种在内外表层部上没有渗碳层的无缝管的制造方法，其特征在于，在由加热坯料、穿孔轧制、拉伸轧制、再加热和减径轧制构成的无缝管的制造工序中，在穿孔轧制工序中进行了穿孔之后，在拉伸轧制工序中不使用内表面限制工具地进行轧制，在减径轧制工序中进行了减径轧制之后，在冷轧工序中由冷轧机或冷拔机进行壁厚加工。
(2)一种在内外表层部上没有渗碳层的无缝管的制造方法，其特征在于，对加热了的坯料进行穿孔轧制，不实施拉伸轧制而直接进行减径轧制，然后在冷轧工序中由冷轧机或冷拔机进行壁厚加工。
上述(1)和(2)的制造方法中的穿孔轧制，优选用交叉穿孔法进行。所谓交叉穿孔法，是指把后述的轧辊交叉角(γ)做成5度以上进行的穿孔法，特别优选的是把交叉角设为20度到30度的范围所进行的穿孔法。
另外，所谓“内外表层部没有渗碳层”，是指管的内表面和外表面各自的从0.1mm到0.2mm的厚度0.1mm的层的平均碳含量(质量％)，不大于在母材的碳含量(质量％)上加上了0.01质量％后的值。
(3)上述(1)或者(2)所述的无缝管的制造方法，作为坯料使用不锈钢或者高合金钢，特别是极低碳的不锈钢或者高合金钢的钢坯或者铸坯。
从用于解决上述课题的各种试验中得到如下的认识。
(a)在无缝管的制造工序中产生的钢管的内外表面上的渗碳现象，是下面那样引起的。即，如上所述，在制造管的车间空气中，存在石墨等碳类物质的微粒(下面称“石墨微粒”)，它们在轧辊孔型槽底侧被捕集。另外，由于钢管的内表面没有被冷却水清洗，所以与钢管的外表面相比，石墨微粒容易被捕集。这些石墨微粒在下道工序的再加热工序中扩散并渗入管壁内，再进行气体化而引起气体渗碳。
再有，在轧辊孔型的凸缘侧上，被捕集的石墨微粒少，但由于与轧辊孔型的凸缘侧接触的钢管的外表面部分，在下一个轧制机上，来到槽底侧，因此，在通过全部轧制机之后，在钢管的整个内外表面上都附着石墨微粉。
(b)为了抑制渗碳现象，只要在拉伸轧制时，扩大轧辊的凸缘侧的减径轧制区域、减小槽底侧的拉伸轧制区域即可。但是，即使这样也不能完全防止渗碳。作为完全防止渗碳的对策，可以不把作为内表面限制工具的芯棒插入管内表面来进行轧制，将芯棒式无缝管轧机用作如定径机和缩径机那样的减径轧管机，或者省略拉伸轧制工序。
(c)为了实现在拉伸轧制工序中不使用芯棒、或者省略拉伸轧制工序的无缝管的制造方法，也可由前道工序的穿孔轧制工序或者后道工序的冷轧工序分担用芯棒式轧管机加工的壁厚加工量。
下面对上述(a)进行更详细的说明。
在用热加工进行制管的车间的厂房内空气中，浮游着无数的石墨微粒。即使现在使用非石墨类润滑剂，在过去使用过石墨类润滑剂的车间内，必然浮游着石墨微粒。当然若使用石墨类润滑剂，涂敷在芯棒上的润滑剂就会成为渗碳的直接原因。
图3是表示芯棒式无缝管轧机中变形中的应力状态的轧制中的被轧制材料的横向截面图。图3和后述的图4中的记号的意思如下。
σl轴向应力σθ圆周方向应力σra管内表面的半径方向应力σrb管外表面的半径方向应力σr半径方向应力的平均值，即σr＝(σra+σrb)/2kf变形阻力再有，主要记号(阴影线记号)表示凸缘侧，没有加上阴影线的记号表示槽底侧。
如果根据管内表面5是否与芯棒1接触来把孔型划分成槽底侧和凸缘侧，则槽底侧的材料在承受来自轧管的外压且承受来自芯棒1的内压的同时被轧制。因此，槽底侧的材料在轴向被拉伸的同时在圆周方向上被扩宽。另一方面，凸缘侧的材料在因槽底侧的材料的伸长而被牵引、被拉伸的同时在圆周方向上宽度变窄。即，在芯棒式无缝管轧机中的管的塑性变形中，槽底侧在外压、内压和轴向压缩下变形，凸缘侧内压是零，在外压和轴向牵引下变形。从而，槽底侧的应力成为3轴压缩状态，内外表面的面压与凸缘侧相比非常高。
图4是表示各轧制机中应力分布的图。如图所示，在槽底侧，“σr/kf”是从-1.6到-1.5。与此相对，在凸缘侧，“σr/kf”是从-0.06到-0.04左右。即，凸缘侧的面压不过是槽底侧的面压的大约1/20至1/40，小到几乎可以忽略不计的程度。为此，在轧辊槽底侧，石墨微粒容易被钢管的内外表面捕集，另一方面，在凸缘侧石墨微粒则难以被捕集。另外，对于图4的应力分布的详细情况，记述在林千博“钢管的制造方法”2000年10月10日，日本钢铁协会发行，123～129页中。
由于管与芯棒式轧管机的轧辊孔型的槽底接触，被管的内外表面捕集的石墨微粒，在下道工序的再加热工序中向管的壁厚内部扩散，产生渗碳现象。因而，用凸缘侧区域比槽底侧区域宽的轧辊孔型，能显著地减少渗碳现象。换句话说，在芯棒式轧管机中，壁厚压下量越小，渗碳现象越减轻。在此，以2辊式的拉伸轧制为例进行说明，但即使3辊式的拉伸轧制，情况也一样。
在最终的减径轧制工序中，管在外压和轴向牵引下进行变形。该变形与芯棒式轧管机中的凸缘侧的变形相同，由于面压非常小，难以引起石墨微粒的捕集。
图1(a)～(e)是说明曼内斯曼芯棒式无缝管轧机工序的图。
图2(a)、(b)是全浮动芯棒式无缝管轧机和限动芯棒式无缝管轧机的说明图。
图3是表示芯棒式无缝管轧机的变形中应力状态的被轧制材料的横向截面图。
图4表示芯棒式无缝管轧机的各轧制机上的应力变化的图。
图5是表示穿孔轧制的形态的图。
具体实施例方式
下面，对本发明的实施方式进行详细的说明。
1.坯料下面，对铁及其合金进行叙述，但坯料也可以是非铁及非铁合金。坯料是由分块轧制制造的圆钢坯或由连续铸造制造的圆铸坯等。另外，作为坯料的化学组成，在油井用、结构用和配管用等管的制造上使用碳素钢、低合金钢，在锅炉用和配管用等管的制造上使用不锈钢，在化学工业用管等的制造上使用高合金钢，但最近，在油井管上也使用高合金钢。本发明对极低碳的不锈钢或合金钢那样的难加工且易渗碳的钢，取得了明显的效果。
2.穿孔轧制工序在本发明的制造方法中，由于在拉伸轧制工序上，不使用内表面限制工具(芯棒)或省略拉伸工序，因此本来由芯棒式无缝管轧机进行的壁厚加工必须由前道工序的穿孔轧制工序或者后道工序的冷轧工序分担，或者由他们双方分担。
作为在穿孔轧制工序中进行大壁厚加工，形成薄壁的空心坯件的方法，可以采用例如日本特公平5-23842号公报和日本特公平8-4811号公报介绍的方法，以及本申请人作为PCT/JP2004/7698号专利申请的方法。在这些方法中，穿孔过程中的旋转锻造效果被显著地抑制，可以更可靠地抑制在不锈钢、高合金钢等难加工材料的高加工度薄壁穿孔中容易产生的内表面损伤和夹层。
图5是表示穿孔轧制的形态的图。如图所示，锥形轧辊8被夹着钢坯6和空心毛坯管(管坯)7配置在左右或上下的轧道。这些轧辊的轴心线与轧道的水平面或垂直面的夹角是倾斜角β(未图示)。并且，轧辊的轴心线与轧制线的垂直面或水平面的夹角是交叉角γ。
在本发明中，将上述的交叉角γ做成5度以上来进行穿孔叫做交叉穿孔法。当实施本发明的方法时，优选采用该交叉穿孔法。这是因为在穿孔工序中可以进行较大壁厚加工。另外，进一步优选是将交叉角设为20～30度的穿孔轧制。
3.拉伸轧制工序如上所述，用芯棒式轧管机在轧辊的槽底侧进行拉伸轧制，在凸缘侧进行减径轧制。为了抑制渗碳现象，扩大凸缘侧的减径轧制区域，减小槽底侧的拉伸轧制区域即可。但是，只是减少槽底侧的拉伸轧制区域是不完全的，不把作为内表面限制工具的芯棒插入管内地进行轧制。即，将芯棒式轧管机用作如定径机、缩径机那样的减径轧管机。另外，也可以省略由芯棒式无缝管轧机进行的拉伸轧制工序本身，由此可以显著地降低制造成本。
4.冷轧、冷拔工序幸运的是，不锈钢管和高合金钢大部分被送往冷轧车间，经冷轧工序或者冷拔工序制成产品。因此，在穿孔轧制工序中不可避免地产生的螺旋斑痕，即使在拉伸轧制工序中不进行壁厚加工，在最后的冷轧工序中也可以使该螺旋斑痕消失，可以使管的内外表面平滑。
冷轧、冷拔是为了在提高产品的机械性质的同时精加工成目标尺寸而进行的工序。冷轧只要由将芯棒插入内表面侧、一对孔型轧辊进行往复运动的皮尔格式冷轧机进行即可，而冷拔只要用拉拔机进行即可。
下面叙述本发明的实施例，实施例1是高加工度薄壁穿孔法的应用例，实施例2是高加工度薄壁冷轧法的应用例。
把18％Cr-8％Ni奥氏体类不锈钢的直径60mm的钢坯作为实验材料，在1250℃的温度进行扩管比1.5的高加工度薄壁穿孔，做成外径90mm、壁厚2.7mm的空心毛坯管。接着，用同样的温度把外径减径成45mm(壁厚3.5mm)，冷却后，由皮尔格冷轧机冷轧成外径25mm、壁厚1.65mm。在热轧工序中使用辅助轧管机，而在冷轧工序中使用实际生产用轧管机。
由于在热轧工序中省略了拉伸轧制工序，因此在成品管的内外表面上，没有看到渗碳现象。具体地讲，与母材的碳含量相比，轧管的内外表层部分各自的从0.1mm至0.2mm深度的层中的碳的平均含量的增加部分为0.01％以下。在穿孔轧制中残存的螺旋斑痕，也由于皮尔格冷轧机的拉伸冷轧而完全消失，内外表面是很漂亮的。
下面表示试验条件。
1.穿孔轧制条件(参照图5)交叉角...γ＝25°倾斜角...β＝12°芯棒直径...dp＝80mm钢坯直径...do＝60mm空心毛坯管直径...d＝90mm空心毛坯管壁厚...t＝2.7mm扩管比...d/do＝1.50穿孔比...do2/4t(d-t)＝3.82“壁厚/外径”比...(t/d)×100＝3.0％2.径缩轧制条件(减径拔管机的轧制条件)管坯尺寸外径90mm、壁厚2.7mm
轧制尺寸外径45mm、壁厚3.5mm轧制比1.623.冷轧条件管坯尺寸外径45mm、壁厚3.5mm轧制尺寸外径25mm、壁厚1.65mm轧制比3.77[实施例2]高合金钢的热加工性比不锈钢的还差，当穿孔温度超过1275℃时，往往产生夹层。因此，在本实施例中，把25％Cr-35％Ni-3％Mo的高合金钢(C含量0.01％)的外径85mm的钢坯作为试验材料，在1200℃的温度进行扩管比1.06的穿孔，成为外径90mm、壁厚5.4mm的空心毛坯管。接着，用同样的温度把外径减径成50mm(壁厚6.2mm)，冷却后由皮尔格冷轧机实施高加工度薄壁轧制，使之成为外径25mm、壁厚1.65mm。内外表面是漂亮的，看不到渗碳现象。具体地讲，与母材的含碳量(0.01％)相比，轧管的内外表层部各自的从0.1mm至0.2mm深度的层中的碳的平均含量的增加量为0.01％以下，即，上述层的平均碳含量是0.02％以下。
下面表示试验条件1.穿孔条件交叉角...γ＝30°倾斜角...β＝12°芯棒直径...dp＝75mm钢坯直径...do＝85mm空心毛坯管直径...d＝90mm空心毛坯管壁厚...t＝5.4mm扩管比...d/do＝1.06
穿孔比...do2/4t(d-t)＝3.95“壁厚/外径”比...(t/d)×100＝6.0％2.减径轧制条件(减径拔管机的轧制条件)管坯尺寸外径90mm、壁厚5.4mm轧制尺寸外径50mm、壁厚6.2mm轧制比1.683.冷轧条件管坯尺寸外径50mm、壁厚6.2mm轧制尺寸外径25mm、壁厚1.65mm轧制比7.05产业上的可利用性在以芯棒式无缝管轧机工序为代表的所谓曼内斯曼工序中，在对不锈钢管和高合金钢管进行穿孔时产生的内表面划伤或夹层(壁厚中央部被分割成二部分)的问题，已被本发明者的在先发明(PCT/JP2004/7698申请)解决了。剩下的最后的问题，即芯棒式轧管机中的渗碳问题也被本发明解决了。到目前为止，不锈钢管、高合金钢管等，是由玻璃润滑剂高速挤压工艺方法制造出，但挤压出的产品的偏厚特性与用曼内斯曼工艺方法制造的产品的偏厚特性相比很差。
另外，众所周知，玻璃润滑剂高速挤压制管法的最大缺点是成本高，钢坯的切削加工、工具的损耗、清除用作润滑剂的玻璃的作业都提高了成本，不可能制造较长尺寸的钢管，因此与曼内斯曼工艺方法相比，生产效率也很差。本发明的制造方法在经济上的效益很大。
权利要求
1.一种在内外表层部上没有渗碳层的无缝管的制造方法，其特征在于，在由加热坯料、穿孔轧制、拉伸轧制、再加热和减径轧制构成的无缝管的制造工序中，在穿孔轧制工序中进行了穿孔后，在拉伸轧制工序中不使用内表面限制工具地进行轧制，在减径轧制工序中进行了减径轧制后，在冷轧工序中由冷轧机或冷拔机进行壁厚加工。
2.根据权利要求1所述的无缝管的制造方法，其特征在于，用交叉穿孔法进行穿孔轧制。
3.根据权利要求1或2所述的无缝管的制造方法，其特征在于，作为坯料，使用不锈钢或高合金钢的、特别是极低碳的不锈钢或高合金钢的钢坯或铸坯。
4.一种在内外表层部上没有渗碳层的无缝管的制造方法，其特征在于，对加热后的坯料进行穿孔轧制，不实施拉伸轧制而直接进行减径轧制，然后在冷轧工序中由冷轧机或冷拔机进行壁厚加工。
5.根据权利要求4所述的无缝管的制造方法，其特征在于，用交叉穿孔法进行穿孔轧制。
6.根据权利要求4或5所述的无缝管的制造方法，其特征在于，作为坯料，使用不锈钢或高合金钢的、特别是极低碳的不锈钢或高合金钢的钢坯或铸坯。
全文摘要
一种防止在管的制造工序中产生渗碳现象、同时使拉伸轧制工序合理化的无缝管的制造方法，在该方法中，在无缝管的制造工序中，在穿孔轧制工序中进行了穿孔之后，在拉伸轧制工序中不使用内表面限制工具、或不实施拉伸轧制地进行轧制，在减径轧制工序中进行了减径轧制之后，在冷轧工序中由冷轧机或冷拔机进行壁厚加工。根据该方法，以往的拉伸轧制工序中的管内外表面捕集的石墨微粒变少，可以防止管的渗碳。本发明的方法作为防止极低碳的不锈钢或高合金钢的渗碳的对策是有效的。
文档编号B21B19/04GK1909984SQ20058000246
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月14日 优先权日2004年1月16日
发明者林千博 申请人:住友金属工业株式会社