穿轧用芯棒的制造方法
【专利摘要】用于制造无缝钢管的穿轧机中所使用的芯棒的制造方法，包括：对芯棒的表面实施喷丸的喷丸工序；和将喷镀线材电弧喷镀到实施了喷丸的芯棒的母材表面而形成覆膜的电弧喷镀工序，电弧喷镀工序中，作为喷镀线材，使用在铁颗粒(4)和具有比氧化铁的导热率低的特性的低导热材料颗粒(例如，ZrO2颗粒)(3)之中、至少低导热材料颗粒(3)被填充到铁制管(2)的内部而成的药芯焊丝来进行电弧喷镀，形成由氧化铁、Fe以及低导热材料构成的覆膜。由此，可以制造能够形成隔热性高的覆膜且穿轧时能够稳定地提高芯棒寿命的芯棒。
【专利说明】穿轧用芯棒的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于制造无缝钢管的穿轧机（以下，也简称为"穿孔机（Piercer)"中 所使用的穿轧用芯棒（以下，也简称为"芯棒"）的制造方法，尤其涉及将以铁为主要成分的 喷镀线材电弧喷镀到芯棒的母材表面从而形成覆膜的穿轧用芯棒的制造方法。
【背景技术】
[0002] 无缝钢管可以通过曼内斯曼制管法来制造。该制管法包括如下的步骤：
[0003] (1)利用穿孔机对加热至规定温度的原材料（圆钢坯）进行穿轧而成形为空心管 :? (hollow shell)；
[0004] (2)利用拉伸轧机（例：芯棒式无缝管轧机）拉伸轧制空心管坯；
[0005] (3)利用定径轧机（例：张力减径机）将拉伸轧制了的空心管坯定径轧制为规定 的外径和壁厚。
[0006] 利用穿孔机的穿轧中，作为穿孔用工具使用芯棒。该芯棒为了对被安装在芯铁前 端且被加热至1200°c左右的高温的钢坯进行穿孔，暴露于高热且负载高表面压力的严苛的 状况下。芯棒通常以热加工工具钢作为母材，为了保护该母材，通过预先热处理而在母材表 面形成氧化皮的覆膜，在此基础上用于穿轧。穿轧时，芯棒表面的氧化皮覆膜承担阻断自钢 坯向芯棒母材的热传导并且防止钢坯与芯棒的烧接的作用。
[0007] 这种带氧化皮覆膜的芯棒的氧化皮覆膜随着反复穿轧而逐渐磨耗。氧化皮覆膜磨 耗时，基于覆膜的隔热效果降低，因此穿孔中芯棒的温度上升，变得容易产生芯棒母材的熔 损、热变形。此外，氧化皮覆膜消失、芯棒母材直接接触钢坯时，发生烧接、在钢管的内面产 生缺陷。因此，芯棒在失去覆膜时变得不能使用、达到寿命。
[0008] 尤其是制造由含有9%以上的Cr的高含Cr钢、Ni基合金、不锈钢等高合金钢形成 的无缝钢管时，穿轧的过程中芯棒表面的氧化皮覆膜的磨耗显著发生，芯棒寿命显著降低。 例如，不锈钢的穿孔中，芯棒表面的氧化皮覆膜经2、3道次（连续穿孔次数）磨耗，该芯棒 达到寿命。因此，产生频繁地更换芯棒的情形，钢管的制造效率低。所以，制造高合金钢的 无缝钢管时、尤其是穿轧时要求提高芯棒寿命，由此提高钢管的制造效率。
[0009] 对于这样的要求，例如，专利文献1中公开了如下的芯棒：作为形成于芯棒母材的 表面的覆膜，对于芯棒母材的表面电弧喷镀铁线材而形成由Fe氧化物以及Fe构成的覆膜 来代替热处理得到的氧化皮覆膜。关于该带电弧喷镀覆膜的芯棒，芯棒表面的覆膜由Fe氧 化物以及Fe构成，因此隔热性以及防烧接性优异、可以期待芯棒寿命的提高。
[0010] 然而，即便为专利文献1中所公开的带电弧喷镀覆膜的芯棒，反复穿轧时，不能否 认覆膜随着反复的热量输入而发生褶皱、达到寿命。此外，穿轧的时间变长时，不能否认对 芯棒的负载变大，产生覆膜的剥离、覆膜的褶皱，达到寿命。这些状况在钢坯的穿孔长度长 的情况下、钢坯的高温强度高的情况下显著发生。在此，为了抑制电弧喷镀覆膜中褶皱的产 生，有效的是将覆膜厚膜化、提高覆膜的隔热性，但将覆膜厚膜化时，芯棒母材与覆膜的密 合性降低，覆膜会提早剥离。因此，在稳定地得到芯棒寿命的提高方面存在改善的余地，强 烈需要制造能够改善这方面的穿轧用芯棒。
[0011] 现有专利文献
[0012] 专利文献
[0013] 专利文献1 :日本特许第4279350号公报
【发明内容】
[0014] 发明要解决的问是页
[0015] 本发明是鉴于上述的问题而作出的，以将以铁为主要成分的喷镀线材电弧喷镀到 芯棒的母材表面而形成覆膜为前提，其目的在于提供具有如下特性的穿轧用芯棒的制造方 法：
[0016] 可以稳定地提高芯棒寿命。
[0017] 用于解决问题的方案
[0018] 本发明的主旨如以下所述。
[0019] 一种穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，其为用于制造无缝钢管的穿轧机中所 使用的芯棒的制造方法，
[0020] 该穿轧用芯棒的制造方法包括：
[0021] 对芯棒的表面实施喷丸的喷丸工序；和
[0022] 将喷镀线材电弧喷镀到实施了喷丸的芯棒的母材表面而形成覆膜的电弧喷镀工 序，
[0023] 电弧喷锻工序中，作为喷锻线材，使用在铁颗粒和有助于提1?芯棒寿命的特定颗 粒之中、至少特定颗粒被填充到铁制管的内部而成的药芯焊丝进行电弧喷镀，形成由氧化 铁、Fe以及特定颗粒构成的覆膜。
[0024] 该制造方法中，前述特定颗粒优选为具有比氧化铁的导热率低的特性的低导热材 料颗粒。此时，前述低导热材料颗粒优选为ZrO 2颗粒，在前述药芯焊丝中前述ZrO2颗粒占 据的比例优选为2. 5?30. 0体积％。
[0025] 此外，该制造方法中，前述特定颗粒优选为固体润滑剂颗粒。此时，前述固体润滑 剂颗粒优选为BN颗粒，在前述药芯焊丝中前述BN颗粒占据的比例优选为5. 0?20. 0体 积％。
[0026] 发明的效果
[0027] 本发明的穿轧用芯棒的制造方法具有下述的显著效果：
[0028] 可以稳定地提高芯棒寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的第1实施方式的穿轧用芯棒的制造方法中的电弧喷镀中使用的喷 镀线材的横截面图。
[0030] 图2为本发明的第2实施方式的穿轧用芯棒的制造方法中的电弧喷镀中使用的喷 镀线材的横截面图。
[0031] 图3为作为实施例1的试验结果将药芯焊丝中的ZrO2颗粒占据的比例与芯棒母 材的变形量的关系整理得到的图。
[0032] 图4为作为实施例2的试验结果将药芯焊丝中的BN颗粒占据的比例与芯棒寿命 比的关系整理得到的图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明人为了达成上述目的，以将以铁为主要成分的喷镀线材电弧喷镀到芯棒母 材的表面而形成覆膜为前提，对于形成该覆膜的手法实施各种试验，反复深入研究。其结果 得到以下的见解。
[0034] 电弧喷镀是如下的技术，例如在作为电极的2根喷镀线材的前端间产生电弧、使 喷镀线材熔融，同时在喷镀线材的前端间喷射供给压缩空气、氮气等将熔融材料吹走，从而 将熔融材料吹送到对象物而形成覆膜。前述专利文献1中所公开的电弧喷镀中，作为喷镀 线材使用铁线材，因而形成于芯棒的母材表面的覆膜由Fe氧化物（氧化铁）以及Fe构成。 该覆膜中的Fe氧化物为在电弧喷镀时铁线材熔融、该熔融铁在到达芯棒母材表面为止的 飞行中发生氧化而生成的物质。覆膜中的Fe为熔融铁在飞行中保持不氧化地到达芯棒母 材表面的物质。
[0035] (1)与之相对，作为喷镀线材，采用以与铁线材材质相同的铁制管作为外壳、在该 铁制管内填充具有比氧化铁的导热率低的特性的低导热材料颗粒、根据情况进一步填充铁 颗粒而成的药芯焊丝，若使用该药芯焊丝进行电弧喷镀，则可以在芯棒的母材表面形成由 Fe氧化物（氧化铁）、Fe以及低导热材料构成的覆膜。该覆膜中的Fe氧化物为在电弧喷 镀时构成药芯焊丝的铁制管以及铁颗粒熔融、该熔融铁在到达芯棒母材表面为止的飞行中 发生氧化从而生成的物质。覆膜中的Fe为熔融铁在飞行中保持不氧化地到达芯棒母材表 面的物质。此外，覆膜中的低导热材料为构成药芯焊丝的低导热材料颗粒达到芯棒母材表 面的物质。
[0036] 如此通过使用药芯焊丝的电弧喷镀而形成的覆膜含有将构成药芯焊丝的低导热 材料颗粒作为根源的、比Fe氧化物的导热率低的低导热材料，因此即便不进行厚膜化，隔 热性也变高。所以，这样的带电弧喷镀覆膜的芯棒在反复的穿轧时覆膜的隔热性高，因此稳 定地提1?芯棒寿命。即，低导热材料颗粒为有助于提1?芯棒寿命的特定颗粒。
[0037] (2)作为喷镀线材，采用以与铁线材材质相同的铁制管为外壳、在该铁制管内填充 固体润滑剂颗粒、根据情况进一步填充铁颗粒而成的药芯焊丝，若使用该药芯焊丝进行电 弧喷镀，则可以在芯棒的母材表面形成由Fe氧化物（氧化铁）、Fe以及固体润滑剂构成的 覆膜。该覆膜中的Fe氧化物为在电弧喷镀时构成药芯焊丝的铁制管以及铁颗粒熔融、该熔 融铁在到达芯棒母材表面为止的飞行中发生氧化从而生成的物质。覆膜中的Fe为熔融铁 在飞行中保持不氧化地到达芯棒母材表面的物质。此外，覆膜中的固体润滑剂为构成药芯 焊丝的固体润滑剂颗粒到达芯棒母材表面的物质。
[0038] 如此通过使用药芯焊丝的电弧喷镀而形成的覆膜含有以构成药芯焊丝的固体润 滑剂颗粒为根源的固体润滑剂，因此穿轧时润滑性变高。所以，这样的带电弧喷镀覆膜的芯 棒在反复的穿轧时覆膜的润滑性高，因此稳定地提高芯棒寿命。即，固体润滑剂颗粒为有助 于提1?芯棒寿命的特定颗粒。
[0039] 本发明为基于上述（1)、（2)中示出的见解而完成的。以下对于本发明的芯棒的制 造方法的优选方式进行说明。
[0040] 〈第1实施方式〉
[0041] 本发明的第1实施方式的芯棒的制造方法中，在电弧喷镀的施工之前，对芯棒的 表面实施喷丸。由此，以被反复用于穿轧、在达到寿命之后再生的芯棒为对象的情况下，残 存在芯棒表面的穿轧状态的覆膜被去除而使芯棒的母材表面露出并且芯棒母材表面被糙 化成适度的凹凸。此外，以新制作的芯棒为对象的情况下，芯棒母材表面被糙化成适度的凹 凸。如此实施喷丸的理由是由于，若对无残存覆膜、适度的凹凸的芯棒母材表面实施电弧喷 镀，芯棒母材与覆膜的密合性提高。
[0042] 接着，第1实施方式的芯棒的制造方法中，将以铁为主要成分的药芯焊丝作为喷 镀线材对实施了喷丸的芯棒的母材表面进行电弧喷镀，形成覆膜。
[0043] 图1为本发明的第1实施方式的穿轧用芯棒的制造方法中的电弧喷镀中使用的喷 镀线材的横截面图。如图1所示，第1实施方式中，作为喷镀线材使用药芯焊丝1。该药芯 焊丝1的外壳由铁制管2构成。
[0044] 在铁制管2的内部填充有低导热材料颗粒3。低导热材料颗粒3是具有比氧化铁 的导热率低的特性，且在电弧喷镀时不会燃烧而消失的物质，例如，金属颗粒、陶瓷颗粒是 符合的。其中，导热率极低的氧化锆（ZrO 2)颗粒是优选的。此外，低导热材料颗粒3并不 仅限于粒状的物质，也包含粉状、短纤维状的物质。需要说明的是，在此所谓的氧化铁为氧 化铁（II) (FeO)、氧化铁（III) (Fe2O3)、氧化铁（II、III) (Fe3O4)等。
[0045] 在铁制管2的内部除了低导热材料颗粒3之外填充铁颗粒4也无妨。铁颗粒4也 不仅限于粒状的物质，也包含粉状、短纤维状的物质。
[0046] 通过使用这种结构的药芯焊丝（喷镀线材）1的电弧喷镀，从而可以在芯棒的母材 表面形成由Fe氧化物（氧化铁）、Fe以及低导热材料构成的覆膜。如此制造的带电弧喷镀 覆膜的芯棒由于覆膜中含有比Fe氧化物的导热率低的低导热材料，因此即便不进行厚膜 化，在反复的穿乳时隔热性也变1?，芯棒寿命的稳定提1?成为可能。
[0047] 在此，作为低导热材料颗粒3应用ZrO2颗粒时，优选的是，在包含铁制管2以及 低导热材料颗粒3还有铁颗粒4的药芯焊丝1的整体之中，ZrO 2颗粒占据的比例为2. 5? 30. 0体积％。如在后述的实施例1中证实的那样，是缘由ZrO2颗粒占据的比例不足2. 5 体积％时，由于芯棒的覆膜中所含的ZrO2的量不足，穿轧时不能充分地提高隔热性，芯棒母 材的变形变得显著，因此变得不适于再利用，芯棒寿命不能稳定地提高。另一方面，是缘由 ZrO2颗粒占据的比例超过30. 0体积％时，由于芯棒的覆膜中所含的ZrO2的量过量，芯棒母 材与覆膜的密合性降低而使覆膜提早剥离，芯棒母材熔损，因此同样不适于再利用。更优选 为5. 0?30. 0体积％。
[0048] <第2实施方式>
[0049] 本发明的第2实施方式的芯棒的制造方法中，与上述第1实施方式同样地在电弧 喷镀的施工之前，对芯棒的表面实施喷丸。接着，将以铁为主要成分的药芯焊丝作为喷镀线 材对实施了喷丸的芯棒的母材表面进行电弧喷镀，形成覆膜。但是，第2实施方式中使用的 药芯焊丝与上述第1实施方式的药芯焊丝在以下方面不同。
[0050] 图2为本发明的第2实施方式的穿轧用芯棒的制造方法中的电弧喷镀中使用的喷 镀线材的横截面图。如图2所示，第2实施方式中，作为喷镀线材使用药芯焊丝1。该药芯 焊丝1的外壳由铁制管2构成。
[0051] 铁制管2的内部填充有固体润滑剂颗粒5。固体润滑剂颗粒5是具有在穿轧时作 为固体润滑剂发挥机能的特性，且在电弧喷镀时不会燃烧而消失的物质，例如，金属颗粒、 陶瓷颗粒是符合的。其中，优选固体润滑性极优异的氮化硼（BN)颗粒。此外，固体润滑剂 颗粒5并不仅限于粒状的物质，也包含粉状、短纤维状的物质。
[0052] 在铁制管2的内部除了固体润滑剂颗粒5之外填充铁颗粒4也无妨。铁颗粒4也 不仅限于粒状的物质，也包含粉状、短纤维状的物质。
[0053] 通过使用这种结构的药芯焊丝（喷镀线材）1的电弧喷镀，从而可以在芯棒的母材 表面形成由Fe氧化物（氧化铁）、Fe以及固体润滑剂构成的覆膜。如此制造的带电弧喷镀 覆膜的芯棒由于在覆膜中包含固体润滑剂，因此在反复的穿轧时润滑性变高、芯棒寿命的 稳定提1?成为可能。
[0054] 在此，作为固体润滑剂颗粒5应用BN颗粒时，优选的是，在包含铁制管2以及固体 润滑剂颗粒5还有铁颗粒4的药芯焊丝1的整体之中，BN颗粒占据的比例为5. 0?20. 0体 积％。如后述的实施例2中证实的那样，是缘由BN颗粒占据的比例不足5.0体积％时，由于 芯棒的覆膜中所含的BN的量不足，穿轧时不能充分地提高润滑性，也不能实现充分地提高 穿孔效率，因此芯棒寿命不能稳定地提高。另一方面，是缘由BN颗粒占据的比例超过20. 0 体积％时，由于芯棒的覆膜中所含的BN的量过量，因此芯棒母材与覆膜的密合性降低而使 覆膜提早剥离，芯棒母材熔损，因此变得不适于再利用，芯棒寿命同样不能稳定地提高。更 优选为7. 5?20.0体积％。
[0055] 需要说明的是，在此所谓的穿孔效率的含义如下。穿轧时，沿轴向搬送钢坯的速度 (以下称为"搬送速度"）由穿孔机轧辊的转速决定，但实际的搬送速度由于相互接触的芯 棒与钢坯的摩擦阻力等的影响而慢于由所设定的穿孔机轧辊的转速算出的理论上的搬送 速度。通常，将它们的速度比（=(实际的搬送速度V(理论上的搬送速度）X 1〇〇[%]) 称为"穿孔效率"。穿孔效率为润滑性的指标，其高时，不仅穿轧机的制造效率上升，而且芯 棒与钢坯接触的时间被缩短，因此实现芯棒寿命延长。
[0056] 此外，本发明的芯棒的制造方法中，利用电弧喷镀形成覆膜时，可以在使喷镀机以 自芯棒的母材表面缓慢远离使得喷镀距离逐渐扩大的方式移动的同时进行电弧喷镀。由 此，芯棒母材上形成Fe氧化物占据的区域的比率（以下，称为"氧化物比率"）距表层侧越 近越逐渐增加的覆膜。如此形成在与芯棒母材的邻接部氧化物比率低、在表层部氧化物比 率高的覆膜的情况下，在可以在覆膜的表层部确保隔热性以及防烧接性、并且可以在与芯 棒母材的邻接部确保密合性的方面是有用的。
[0057] 实施例
[0058] 为了确认本发明的效果，制造穿轧用芯棒，将制造的芯棒安装到穿孔机上，进行穿 轧的试验。该试验条件如下所述。
[0059] 〈实施例1 >
[0060][试验方法]
[0061] (1)芯棒的制造
[0062] 将JIS规定的热加工工具钢作为母材，准备多个最大直径为147mm的炮弹形状的 芯棒。对各芯棒的表面实施喷丸之后，对各芯棒的母材表面进行使用前述图1中示出的药 芯焊丝的电弧喷镀而形成覆膜，制造带电弧喷镀覆膜的芯棒。在形成电弧喷镀覆膜的过程 中，将从喷镀机至芯棒母材表面的喷镀距离最初设为200mm进行电弧喷镀，并且令喷镀机 逐渐远离，最后将喷镀距离扩大至IOOOmm进行电弧喷镀。
[0063] 此时，作为药芯焊丝中的低导热材料颗粒采用ZrO2颗粒，使用将该ZrO2颗粒占据 的比例如下述表1中所示地进行了变更的药芯焊丝。需要说明的是，在药芯焊丝的铁制管 内根据ZrO2颗粒占据的比例而与ZrO 2颗粒一同填充了铁颗粒。
[0064] 表 1
[0065]
【权利要求】
1. 一种穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，其为用于制造无缝钢管的穿轧机中所使 用的芯棒的制造方法，该穿轧用芯棒的制造方法包括： 对芯棒的表面实施喷丸的喷丸工序；和 将喷镀线材电弧喷镀到实施了喷丸的芯棒的母材表面而形成覆膜的电弧喷镀工序， 电弧喷镀工序中，作为喷镀线材，使用在铁颗粒和有助于提高芯棒寿命的特定颗粒之 中、至少特定颗粒被填充到铁制管的内部而成的药芯焊丝进行电弧喷镀，形成由氧化铁、Fe 以及特定颗粒构成的覆膜。
2. 根据权利要求1所述的穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，所述特定颗粒为具有 比氧化铁的导热率低的特性的低导热材料颗粒。
3. 根据权利要求2所述的穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，所述低导热材料颗粒 为Zr02颗粒。
4. 根据权利要求3所述的穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，所述药芯焊丝中所述 Zr02颗粒占据的比例为2. 5?30. 0体积％。
5. 根据权利要求1所述的穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，所述特定颗粒为固体 润滑剂颗粒。
6. 根据权利要求5所述的穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，所述固体润滑剂颗粒 为BN颗粒。
7. 根据权利要求6所述的穿轧用芯棒的制造方法，其特征在于，所述药芯焊丝中所述 BN颗粒占据的比例为5. 0?20. 0体积％。
【文档编号】B21B19/04GK104364413SQ201380029651
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年4月19日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】斋藤建一, 日高康善, 东田泰斗 申请人:新日铁住金株式会社