无缝金属管用圆坯和无缝金属管的制造方法

摘要

本发明提供一种在利用满乃斯曼法的无缝金属管的制造工序中能够降低穿孔顶头的损伤的圆坯。圆坯(5)是利用满乃斯曼法加工成无缝金属管的无缝金属管用圆坯，该圆坯具有沿轴向形成有孔(6)的主体。孔(6)具有：开口部(6a)，其在圆坯(5)的至少一侧开口；锥形部(61)，其与开口部(6a)连续地形成且随着朝向开口部(6a)去而口径变大。

说明书

技术领域

本发明涉及利用满乃斯曼法加工成无缝金属管用的圆坯和无缝金属管 的制造方法。

背景技术

作为无缝金属管(シームレス金属管：无缝金属管)的制造方法，公知 有冲压方式的玻璃润滑剂高速挤压法、倾斜轧制方式的满乃斯曼法。

在玻璃润滑剂高速挤压法中，要准备通过机械加工或者穿孔冲压而在轴 心处形成了贯通孔的空心的圆坯。而且，利用挤出装置，对空心的圆坯进行 热挤出加工，从而制造无缝金属管。

在满乃斯曼法中，使用穿孔机将圆坯穿孔轧制，而制造空心管坯。对所 制造的空心管坯进行延伸轧制和定径轧制，从而制造无缝金属管。

与满乃斯曼法相比，玻璃润滑剂高速挤压法能够对圆坯施加较大的变 形。以往，高合金的无缝金属管利用玻璃润滑剂高速挤压法制造。高合金的 变形阻力较高，因此高合金的无缝金属管难以利用满乃斯曼法制造。

另一方面，在玻璃润滑剂高速挤压法中，在制造较长的无缝金属管的情 况下，将受到设备的限制。换言之，在利用玻璃润滑剂高速挤压法制造较长 的无缝金属管的情况下，需要与之相配的大型设备。因此，实施用于利用满 乃斯曼法制造高合金的无缝金属管的解决方案。例如，提出预先将作为原材 料的圆坯加工成空心的方案。通过将圆坯预先加工成空心，能够减少穿孔轧 制时的加工量。

在日本特开2002-239612号公报中记载有一种无缝管的制造方法，其特 征在于，在带有加热炉和倾斜穿孔轧机的无缝管生产线上，通过机械加工将 原材料加工成空心管坯的形状，而后装入到所述加热炉，在利用加热炉将该 空心管坯形状的原材料加热到未超过原材料的零延展性温度之后，使用所述 倾斜穿孔轧机进行延伸轧制。另外，在日本特开2002-239612号公报中，零 延展性温度被定义为高温区域中的延展性急剧降低的温度。

在日本特开平5-277516号公报中记载有一种高Ni合金无缝管的制造方 法，其特征在于，使用在内表面涂敷有水玻璃的空心管坯，且利用曼内斯曼 轧制法进行制管。

发明内容

但是，当穿孔轧制空心的圆坯时，存在穿孔顶头受到严重损伤并且穿孔 顶头的寿命显著变短的问题。在某些情况下，由于穿孔顶头的损伤，有时也 无法完成穿孔轧制。另外，由于在穿孔轧制过程中穿孔顶头受到损伤，有时 在空心管坯的内表面残留有瑕疵。

本发明的目的在于提供一种在利用满乃斯曼法的无缝金属管的制造工 序中能够使穿孔顶头的损伤减少的圆坯和无缝金属管的制造方法。

本发明的圆坯是利用满乃斯曼法加工成无缝金属管的无缝金属管用圆 坯，该圆坯具有沿轴向形成有孔的主体。孔具有：开口部，其在圆坯的至少 一侧的端面开口；以及锥形部，其与开口部连续地形成且随着朝向开口部去 而口径变大。

本发明的无缝金属管的制造方法包含：准备上述的圆坯的工序、以及以 锥形部与穿孔顶头相对的方式配置圆坯来穿孔轧制圆坯的工序。

采用本发明的圆坯和无缝金属管的制造方法，在利用满乃斯曼法的无缝 金属管的制造工序中能够降低穿孔顶头的损伤。

附图说明

图1是表示穿孔顶头的简要结构的俯视图。

图2是表示距穿孔顶头的顶端的距离与穿孔顶头的表面皮膜温度的关系 的图表。

图3是表示距穿孔顶头的顶端的距离与穿孔顶头的表面母材温度的关系 的图表。

图4是表示本发明的第1实施方式的圆坯的简要结构的剖视图。

图5是表示使用空心的圆坯并利用满乃斯曼法制造无缝金属管的制造工 序的一例的流程图。

图6是表示穿孔轧制工序中所使用的穿孔机的简要结构的俯视图。

图7是穿孔机的侧视图。

图8是表示在穿孔轧制本发明的第1实施方式的圆坯的情况下圆坯和穿 孔顶头接触的情况的示意图。

图9是表示在穿孔轧制无锥形部的空心的圆坯的情况下圆坯和穿孔顶头 接触的情况的示意图。

图10是表示本发明的第1实施方式的变形例的圆坯的简要结构的剖视 图。

图11是用于说明实施例的圆坯的尺寸的图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。对于图中相同或者相当的 部分标注同一附图标记，且不重复说明。另外，各图中的零件的尺寸并未真 实地表示实际的结构构件的尺寸和各构件的尺寸比例等。

(穿孔顶头的损伤)

本发明人清楚当穿孔轧制空心的圆坯时将引起以下那样的问题。即，当 穿孔轧制空心的圆坯时，穿孔顶头受到严重损伤并且穿孔顶头的寿命显著变 短。在某些情况下，由于穿孔顶头的损伤，有时也无法完成穿孔轧制。另外， 由于在穿孔轧制过程中穿孔顶头受到损伤，因此有时在所制造的空心管坯的 内表面残留有瑕疵。

图1是表示穿孔顶头3的简要结构的一例的俯视图。穿孔顶头3具有顶端 部31、轧制部32、均整部(日文：リーリング部)33以及退让部34。顶端部 31和轧制部32的表面分别具有不同的曲率。

在穿孔顶头3的表面形成有氧化皮膜、或由铁和铁氧化物构成的电弧喷 镀覆膜等保护覆膜。通过保护覆膜提高穿孔顶头3的表面的绝热性。由此， 能够防止穿孔顶头3的母材的表面达到高温。另外，利用保护覆膜提高高温 下的润滑性。

顶端部31与其他的结构要素相比热容量小而不容易达到高温。而且，顶 端部31与其他结构要素相比容易受到强压下(日文：強圧下)。因此，在使 用了实心的圆坯的穿孔轧制中，顶端部31最容易受到损伤(熔损)。

但是，根据发明人的研究可以知晓，在使用了空心的圆坯的穿孔轧制中， 穿孔顶头3的图1所示的区域R比顶端部31容易发生熔损。

本发明人为了调查穿孔顶头3的熔损的原因，通过模拟来实施穿孔顶头3 的表面皮膜温度和穿孔顶头3的母材表面温度的分析。模拟所使用的主要参 数如下所述。圆坯是含有Cr：25质量％、Ni：50质量％、Mo：6质量％的高 合金。圆坯的外径为200mm、内径为65mm。穿孔时间为20秒。加热温度为 1200℃。

将结果表示图2和图3中。图2是表示距穿孔顶头3的顶端的距离与穿孔顶 头3的表面皮膜温度C1之间的关系的图表。图3是表示距穿孔顶头3的顶端的 距离与穿孔顶头3的母材表面温度C2之间的关系的图表。在图2和图3中，用 单点划线表示穿孔顶头3的外形。

参照图2可知，穿孔顶头3的表面皮膜温度C1即使在最高点也比氧化皮的 熔点1070℃低。由此，推断出穿孔顶头3的熔损是受到机械方面的因素左右。 即、由于圆坯和穿孔顶头3接触时的机械性的冲击，使穿孔顶头3的表面的氧 化皮层脱落。在氧化皮层脱落了的部分，穿孔顶头3的母材表面与圆坯直接 接触。因为绝热性高的氧化皮层脱落，所以穿孔顶头3的母材表面达到高温。 由此，穿孔顶头3发生熔损。

参照图3可知，穿孔顶头3的母材表面温度C2在轧制部32处变得相对较 高。因此，认为：在氧化皮层脱落了的情况下，轧制部32特别容易熔损。

因此，为了防止穿孔顶头3的熔损，缓和圆坯和穿孔顶头3接触时的机械 性的冲击并且防止穿孔顶头3的表面的保护覆膜脱落即可。

本发明人认识到：通过在空心的圆坯的孔的内表面形成锥形，从而能够 缓和圆坯和穿孔顶头3接触时的机械性的冲击。更详细而言，认识到：利用 形成在孔的内表面的锥形，从而能够增加圆坯和穿孔顶头3的接触面积，并 且分散对于穿孔顶头3的应力。

基于以上的认知，本发明人完成了本发明。以下，详细描述本发明的实 施方式。

(第1实施方式)

图4是表示本发明的第1实施方式的圆坯5的简要结构的纵剖视图。圆坯5 具有沿轴向形成有孔6的主体。孔6沿着圆坯5的中心轴在圆坯5的轴向上延 伸。孔6包含在圆坯5两端开口的开口部6a和6b。即、孔6贯穿圆坯5。

孔6包含锥形部61和直径大致恒定的直部62。锥形部61与开口部6a连续， 朝向开口部6a去而直径变大。在本实施方式中，锥形部61是距开口部6a的距 离和孔6的直径的变化量之比为恒定的、所谓的线性锥形。锥形部61具有锥 角φ。锥角φ是在圆坯5的纵截面(图4的截面)中锥形部61的切线与圆坯5 的轴向构成的角。

(圆坯5的制造方法和无缝金属管的制造方法)

参照图5～图7，说明本实施方式的圆坯5和无缝金属管的制造方法。

图5是表示制造本实施方式的无缝金属管时的制造工序的一例的流程 图。首先，准备圆坯5(准备工序、步骤S1)。

圆坯5是通过对空心的圆坯进行机械加工并形成锥形部61而得到的。空 心的圆坯可以是通过对实心的圆坯进行机械加工而形成为空心的圆坯，并且 也可以利用其它的方法制造的圆坯。在通过对实心的圆坯进行机械加工而形 成空心的情况下，打孔和锥形部61的形成可以同时实施。锥形部61例如利用 车床来形成。

圆坯5的原材料并未特别限定。但是，在圆坯5的原材料是高合金的情况 下，本实施方式的无缝金属管的制造方法特别有用。高合金是含有例如Cr： 20质量％～30质量％、Ni：30质量％～60质量％、Mo：2质量％～10质量％ 的高Cr‐高Ni合金。

接着，将圆坯5装入加热炉并进行加热(加热工序、步骤S2)。加热炉例 如是转炉或者步进式加热炉。加热温度例如是1100℃～1300℃。

从加热炉取出加热了的圆坯5，并利用输送辊或者推钢机等输送装置迅 速地向穿孔机输送。接着，利用穿孔机对加热了的圆坯5进行穿孔轧制(穿 孔轧制工序、步骤S3)。穿孔轧制的详细情况在后面描述。

在本说明书中，穿孔轧制过的圆坯被称为空心管坯，与穿孔轧制前的空 心的圆坯5区别地进行参照。

利用输送装置将空心管坯向延伸轧机输送。接着，利用延伸轧机对空心 管坯进行延伸轧制(延伸轧制工序、步骤S4)。延伸轧机例如是芯棒轧管机 或者芯棒式无缝管轧机。

利用输送装置将延伸轧制过的空心管坯向定径轧机输送。接着，利用定 径轧机对延伸轧制过的空心管坯进行定径轧制(定径轧制工序、步骤S5)。 定径轧机例如是定径机或者拉力减径机。通过以上的工序来制造无缝金属 管。

以下，详细描述穿孔轧制工序(步骤S3)。图6是表示在穿孔轧制工序中 所使用的穿孔机P的简要结构的俯视图。图7是穿孔机P的侧视图。穿孔机P 具有一对倾斜辊1A和1B、芯棒2、安装在芯棒2的顶端的穿孔顶头3以及一对 盘式辊4A和4B。另外，在图6和图7中，将圆坯5和空心管坯HS的示意性剖视 图拼合起来表示。另外，在图6中省略盘式辊4A和4B。在图7中，省略倾斜 辊1A，并用单点划线表示倾斜辊1B。

倾斜辊1A和1B以隔着圆坯5通过的轧制线PL彼此面对的方式配置。在图 6和图7中，倾斜辊1A和1B配置在水平面内。但是，倾斜辊1A和1B也可以隔 着轧制线PL上下配置。以下，将与轧制线PL平行的方向定义为x方向、将水 平面内与x方向垂直的方向定义为y方向、将与x方向和y方向这两个方向都垂 直的方向定义为z方向。

倾斜辊1A和1B分别具有形成为同轴的轴部11和辊部12。轴部11的两端 通过未图示的轴承支承。倾斜辊1A和1B利用未图示的马达而以各自的轴部 11为旋转轴彼此向同一方向旋转。

如图6所示，倾斜辊1A和1B以相对于xz平面在彼此相反的方向上仅倾斜 交叉角γ的方式配置。另外，如图7所示，倾斜辊1A和1B以相对于xy平面在 彼此相反方向仅倾斜倾斜角β的方式配置。

倾斜辊1A的辊部12的表面与倾斜辊1B的辊部12的表面之间的间隔(辊 开度)在入侧比圆坯5的外径小。另外，各自的辊部12相对于xz平面形成入 侧面角α1和出侧面角α2。

盘式辊4A和4B在xz平面内以隔着轧制线PL彼此相对的方式配置。盘式 辊4A和4B各自具有圆弧状的引导面，用于引导圆坯5。

圆坯5利用未图示的前面台装置进行位置调整。例如，利用具有电动楔 等的升降机构的槽，将轧制线PL调整为与芯棒2和穿孔顶头3大致同轴。而且， 圆坯5被未图示的推钢机向倾斜辊1A和1B的方向推出。

当圆坯5的顶端被咬入倾斜辊1A和1B之间时，圆坯在借助倾斜辊1A和 1B旋转的同时，利用倾斜角β的作用沿x方向前进。由此，圆坯5被按压于穿 孔顶头3而被穿孔。即、空心的圆坯5的内径被扩大而成为空心管坯HS。

使用穿孔比作为表示穿孔轧制的加工度的指标。穿孔比被定义为空心管 坯HS的轴向的长度除以圆坯5的轴向的长度而得到的值。与使用实心的圆坯 的情况相比，通过使用空心的圆坯5，即使在同一穿孔比下，也能够减少整 个截面的减小率。

(第1实施方式的效果)

使用图8和图9说明本实施方式的效果。图8是表示在穿孔轧制圆坯5的情 况下圆坯5和穿孔顶头3接触的情况的示意图。图9是表示在穿孔轧制没有锥 形部的空心的圆坯BL的情况下圆坯BL和穿孔顶头3接触的情况的示意图。在 图8和图9中，利用剖视图图示圆坯5和圆坯BL。

如图8所示，在本实施方式中，使圆坯5从具有开口部6a的端面的一侧与 穿孔顶头3接触。穿孔顶头3与孔6的内表面的锥形部61发生面接触。与此相 对，如图9所示，在穿孔轧制圆坯BL的情况下，穿孔顶头3与孔的开口的缘L 接触。如果比较图8和图9就可以明确，通过使用本实施方式的圆坯5，使孔6 的内表面和穿孔顶头3的接触面积增加。通过使接触面积增加，能够分散对 于穿孔顶头3的应力。换言之，能够防止应力局部地集中。因此，能够防止 形成于穿孔顶头3的表面的氧化皮膜、电弧喷镀覆膜等保护覆膜脱落。由此， 能够防止穿孔顶头3的熔损。

圆坯5的锥角φ优选是如下定义的穿孔顶头3的轧制部角度θ以上。

参照图1，穿孔顶头3的轧制部32与顶端部31相比，曲率半径大1位数～2 位数左右。因此，轧制部32的纵剖形状能够近似于与穿孔顶头3的中心线形 成角度θ的直线。以下，将角度θ称为穿孔顶头3的轧制部角度θ。在本说明书 中，将轧制部角度θ定义为外切于轧制部32的切线与穿孔顶头3的中心线所形 成的角的最大值。轧制部角度θ一般为5°～20°。

在锥角φ与轧制部角度θ相等的情况下，圆坯5和穿孔顶头3的接触面积 最大。

但是，如已经描述的那样，穿孔机P的辊开度通常在入侧比圆坯5的外径 小。由此，圆坯5的顶端部被压缩，开口部6a的直径变小。因此，在圆坯5与 穿孔顶头3接触时，锥角φ变小。出于该情况的考虑，锥角φ优选为轧制部 角度θ以上。

如上所述，穿孔顶头3的轧制部角度θ一般为5°～20°。因此，锥角φ优 选为5°～45°，更加优选为6°～25°。

锥形部61的长度L优选比穿孔顶头3的轧制部32的长度短。其原因在于， 在锥形部61中，比穿孔顶头3的轧制部32的长度长的部分对于圆坯5和穿孔顶 头3的接触面积的增加没有帮助。通过使锥形部61的长度L比穿孔顶头3的轧 制部32的长度短，能够减少用于形成锥形部61的机械加工的工作量。

锥形部61的长度的上限优选为250mm以下，更加优选为100mm以下。锥 形部61的长度的下限优选为5mm以上，更加优选为10mm以上，进一步优选 比10mm长。

锥形部61中的与开口部6a邻接的区域P1优选进行倒角加工。目的在于防 止圆坯5和穿孔顶头3在区域P1处线接触。更加优选的是，锥形部61中的与直 部62邻接的区域P2也倒角加工。目的在于防止圆坯5和穿孔顶头3在区域P2 处线接触。另外，“倒角加工”也包含所谓的R倒角加工。

另外，在本实施方式中，说明了锥形部61为线性锥形的情况。但是，锥 形部61并未限定于线性锥形。但是，当锥形部61的曲率较大时，与穿孔顶头 3的接触面积将变小。因此，锥形部61优选是线性锥形、或者曲率较小的非 线性锥形。

(第1实施方式的变形例)

图10是表示本发明的第1实施方式的变形例的圆坯7的简要结构的剖视 图。圆坯7具有沿轴向形成有孔8的主体。孔8沿着圆坯7的中心轴在圆坯7的 轴向上延伸。孔8包含在圆坯7的一侧的端面开口的开口部8a。即、孔8未贯 穿圆坯7。

圆坯7的孔8与圆坯5的孔6一样，包含与开口部8a连续且朝向开口部8a直 径变大的锥形部81和直径大致恒定的直部82。锥形部81具有锥角φ。

即使采用本变形例，也能够获得与第1实施方式大致相同的效果。即、 穿孔轧制圆坯7时，例如即使孔8未贯穿，与使用实心的圆坯的情况相比，也 能够减少整个截面减少面积。

而且，利用形成于孔8的内表面的锥形部81，使圆坯7和穿孔顶头3接触 时的接触面积增加。由此，能够防止氧化皮层的脱落造成的绝热性的降低以 及由绝热性的降低造成的穿孔顶头3的熔损。

如本变形例所示，形成于圆坯的孔在该圆坯的至少一侧的端部开口，并 且，该孔具有与该开口连续地形成且朝向该开口直径变大的锥形部即可。

(其他的实施方式)

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并不仅限于上述的实施方式， 能够在发明的范围内进行各种变更。

实施例

以下，基于实施例更具体地说明本发明。另外，该实施例并不限定本发 明。

使用具有各种形状的孔的多个圆坯实施穿孔轧制，并比较穿孔轧制后的 穿孔顶头的损伤度。

供穿孔轧制的圆坯的原材料全部是含有C：0.002质量％～0.02质量％、 Si：0.01质量％～0.5质量％、Mn：0.1质量％～1质量％、Cr：23质量％～26 质量％、Ni：47质量％～54质量％、Mo：6质量％～9质量％的高Cr-高Ni合 金。表1表示各圆坯的尺寸。表1所示的附图标记的含义与图11所示的一样。 即、D表示圆坯的外径(mm)、d表示圆坯的内径(mm)、L表示锥形部的长 度(mm)、φ表示锥角(°)。

[表1]

如表1所示，发明例1～3的各圆坯的外径D和内径d相等。另外，锥形部 均是线性锥形。但是，锥形部的尺寸不同。比较例的圆坯具有同一内径的贯 通孔，但不具有锥形部。其他的穿孔轧制的条件全部相同。另外，穿孔顶头 的轧制部角度θ是12°。用肉眼观察轧制后的顶头表面，确认出穿孔顶头有无 熔损。

在使用了发明例1的圆坯的穿孔轧制中，即使制造两根长度8m的空心管 坯，穿孔顶头也未熔损。另外，在穿孔轧制过的空心管坯上未产生内表面瑕 疵。

在使用了发明例2的圆坯的穿孔轧制中，即使制造两根长度8m的空心管 坯，穿孔顶头也未熔损。另外，在穿孔轧制过的空心管坯上未产生内表面瑕 疵。

在使用了发明例3的圆坯的穿孔轧制中，即使制造两根长度8m的空心管 坯，穿孔顶头也未熔损。但是，在穿孔轧制过的空心管坯上产生了内表面瑕 疵。

(比较例)

在使用了比较例的圆坯的穿孔轧制中，在穿孔过程中，穿孔顶头熔损， 并且无法制造出长度8m的空心管坯。改变圆坯的长度并实施了穿孔轧制，在 制造了长度5m的空心管坯的时刻，穿孔顶头发生了熔损。

产业上的可利用性

本发明能够广泛地应用于被加工成无缝金属管用的圆坯，尤其是，作为 利用满乃斯曼法制造的无缝金属管的制造方法，能够在工业上使用。