金属原材的穿孔轧制所使用的顶头的制造方法，金属管的制造方法和金属原材的穿孔轧制所使用的顶头

技术领域

本发明涉及顶头的制造方法、金属管的制造方法和顶头，更详细地说是涉及金属原材的穿孔轧制所使用的顶头的制造方法，使用该顶头的金属管的制造方法和该顶头。

背景技术

穿孔轧制用顶头，用于对经过加热的金属原材的圆坯进行穿孔轧制而制造金属管(无缝管)。顶头配设于穿孔轧机的轧制线上，沿着坯料的中心轴将其贯通，该坯料由夹住轧制线而相对向的2个倾斜辊在周向上被旋转。这时，顶头与坯料接触，受到来自坯料的热和应力，因此其表面容易磨耗和熔损。

用于防止顶头表面的磨耗和熔损的方法之一，是使顶头表面形成具有数100μm左右厚度的氧化皮层。因为氧化皮层具有优异的润滑性和隔热性，所以能够抑制顶头表面发生磨耗和熔损。

但是，在顶头表面所形成的氧化皮层，有在穿孔轧制中发生部分性地剥离的情况。如果氧化皮层剥离，则顶头表面产生凹凸。该凹凸会转印到穿孔轧制中的坯料的内面。其结果是在穿孔轧制后的金属管的内部发生内面瑕疵。

本申请人在专利第3777997号中公开了解决这一问题的顶头。经顶头的热处理而在顶头表面被形成的氧化皮层，包含在基顶头原材的表面上所形成的内层氧化皮和在内层氧化皮上形成的外层氧化皮。内层氧化皮具有致密的结构而难以剥离。另一方面，外层氧化皮具有多孔性的构造，因此比内层氧化皮容易剥离。因此在专利文献1中，将预先除去外层氧化皮，留有内层氧化皮的顶头用于穿孔轧制。内层氧化皮具有致密的结构，比外层氧化皮难剥离，因此穿孔轧制中的内面瑕疵的发生得到抑制，并且顶头的磨耗和熔损得到抑制。

可是，虽然外层氧化皮内层氧化皮容易剥离，但是为了预先除去外层氧化皮，仍需要对外层氧化皮施加高负荷。譬如，如专利文献1所示，需要用锤子等对外层氧化皮施加高冲击力，或者用燃烧器急速加热外层氧化皮表面而施加剧烈的热应力。这上结外层氧化皮除去作业操作负荷大。为了将专利文献1所公开的顶头用于金属管的制造，就必须能够容易地除去外层氧化皮。

还有，作为与本申请有关联的其他先行技术文献，还可列举特开平8-206709号公报。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够以低负荷除去外层氧化皮的穿孔轧制用顶头的制造方法和穿孔轧制用顶头。

本发明者们就用于在顶头表面形成氧化皮层的热处理(以下也称该热处理为氧化皮处理)的条件进行研究。其结果发现，如果使热处理气氛中的氧浓度为1.0vol％以上，并且使热处理温度(保持温度)在950℃以上、低于1050℃，则外层氧化皮以容易以低负荷剥离，并且内层氧化皮可维持与现有同等以上的致密的结构。以下，对于这一发现进行详述。

本发明者们制作了2个具有表1所示的化学组成的长200mm、宽100mm、厚50mm的顶头原材试验片。以表2所示的条件1，对于制作的试验片的一方实施氧化皮处理，对于另一方以条件2实施。

[表1]

[表2]

参照表2，在条件1中，热处理气氛中的氧浓度设定为与现有相同的0vol％。另外，热处理温度设定在1050℃。另一方面，在条件2中，氧浓度设定为比现有高的2.0％，热处理温度设定为比条件1低的1000℃。热处理后，用光学显微镜观察在试验片上所形成的氧化皮层的截面。

图1表示经条件1进行了热处理的顶头原材试验片(以下称为现有顶头)的剖面照片，图2表示经条件2进行了热处理的顶头原材试验片(以下称为本发明顶头)的剖面照片。剖面照片中的内层氧化皮10、11和外层氧化皮20、21由DEX(能量色散型X射线显微分析仪)鉴定。具体来说，由Fe、O(氧)和杂质构成的层鉴定为外层氧化皮20、21。另外，由Fe、O(氧)、母材(顶头原材试验片)100中所含有的Fe以外的合金元素之中至少1种以上的合金元素和杂质构成的层鉴定为内层氧化皮10、11。

参照图1和图2，外层氧化皮和内层氧化皮在现有顶头和本发明顶头的任意一个的母材100的表面上均被形成。但是，本发明顶头的外层氧化皮20，在其下部含有沿着母材表面SF扩展的气孔PO。其结果是，本发明顶头的外层氧化皮20以低负荷就可容易地剥离。另一方面，现有顶头的外层氧化皮21具有比本发明顶头的外层氧化皮20更致密的结构，见不到在本发明顶头的外层氧化皮20内所见的这种沿着母材表面SF扩展的气孔PO。其结果是，现有顶头的外层氧化皮21比本发明难剥离。

另外，内层氧化皮10、11，现有顶头和本发明顶头均具有致密的结构，均容易剥离。

根据以上，本发明者们认为，热处理气氛的氧浓度和热处理温度关系到氧化皮的剥离性，在各种氧浓度和热处理温度的条件下实施氧化皮处理，评价外层氧化皮的剥离性。其结果发现，如果热处理气氛中的氧浓度设定为1.0vol％以上，热处理温度被设定为950℃以上、低于1050℃，则尽管内层氧化皮具有与现有同等以上的致密的结构难以剥离，但外层氧化皮比以往更容易以低负荷剥离。

基于以上的结论，本发明者们完成了以下的发明。

本发明的金属原材的穿孔轧制所使用的顶头的制造方法，具有如下工序：准备顶头原材的工序；制造顶头的工序，其是在含有1.0vol％以上的氧的热处理气氛内，以950℃以上、低于1050℃的热处理温度对准备的顶头原材进行热处理，制造在顶头原材的表面含有氧化皮层的顶头，该氧化皮层具有内层氧化皮和形成于内层氧化皮上的外层氧化皮。在此，外层氧化皮是由Fe、O(氧)和杂质构成的层。另外，内层氧化皮由Fe、O(氧)、顶头原材中所含有的Fe以外的合金元素之中至少1种以上的合金元素和杂质构成。

如果以本发明的热处理条件对顶头原材进行热处理，则在其表面所形成的氧化皮层之中，外层氧化皮比现有的更容易剥离。另一方面，内层氧化皮具有与现有同等以上的致密的结构，难以剥离。其结果是只有外层氧化皮能够容易地剥离。

优选在制造含有氧化皮层的顶头的工序中，在含有2.0vol％以上的氧的热处理气氛中对顶头进行热处理。

这种情况下，外层氧化皮更容易剥离。

优选在制造含有氧化皮层的顶头的工序中，以950～1000℃的热处理温度对顶头进行热处理。

这种情况下，内层氧化皮的粒径显著变小，内层氧化皮对顶头表面的附着性提高。

优选顶头的制造方法还包括除去氧化皮层之中的外层氧化皮的工序。

本发明的金属管的制造方法，具有如下工序：以上述的制造方法制造含有氧化皮层的顶头的工序，该氧化皮层具有在顶头原材表面上所形成的内层氧化皮和形成于内层氧化皮上的外层氧化皮；除去顶头的氧化皮层之中的外层氧化皮的工序；使用除去了外层氧化皮的顶头对金属原材进行穿孔轧制而制造金属管的工序。

这种情况下，因为在穿孔轧制中容易剥离的外层氧化皮在穿孔制前预先被除去，所以由外层氧化皮的剥离引起的金属管内面瑕疵的发生得到抑制。还有，本发明的顶头的外层氧化皮与以往相比，能够更容易地以低负荷剥离。

本发明的金属的穿孔轧制用的顶头，是根据上述的制造方法制造的顶头，具有母材和氧化皮层。氧化皮层至少含有内层氧化皮。

另外，本发明的顶头，具有母材、内层氧化皮和外层氧化皮。内层氧化皮形成于母材表面上。外层氧化皮在内层氧化皮上形成，在其下部，含有沿着母材表面扩展的1个或多个气孔。本发明的顶头还在1000μm宽的任意的区域中的外层氧化皮和母材表面的截面中，具有如下假想线的配置位置：在将与母材表面平行的长1000μm的假想线配置在外层氧化皮内的任意的位置，求得所配置的假想线之中与外层氧化皮内的气孔重复的部分的长度时，求得的长度为500μm以上。

这种情况下，裂纹容易在由上述定义的外层氧化皮内传播。其结果是，外层氧化皮与以往相比更容易以低负荷剥离。

附图说明

图1是利用与本发明不同的热处理条件在顶头母材表面上所形成的氧化皮层的剖面照片。

图2是利用本发明的热处理条件在顶头母材表面上所形成的氧化皮层的剖面照片。

图3是用于说明落球试验的模式图。

图4是表示热处理气氛中的氧浓度和剥离通过热处理而在顶头表面生成的外层氧化皮所需要的能量的关系的图。

图5是表示热处理温度和通过热处理而形成于顶头表面的内层氧化皮的氧化皮粒径的关系的图。

图6是用于说明外层氧化皮内在的气孔的优选的条件的模式图。

图7是用于说明与图6不同的外层氧化皮中内在的气孔的优选条件的另一模式图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施的方式。图中在相同或相当部分附加的同一符号其说明不再重复。

1.顶头的制造方法

对于本实施方式的穿孔轧制用顶头的制造方法进行说明。首先，作为从所周知的形状和材质，准备不实施氧化皮处理的顶头原材。顶头原材的材质从所周知，含有Fe和其他合金元素。顶头原材的材质，譬如为工具钢。另外，也可以是Fe-Cr合金钢和Fe-C合金钢等。

接着，准备的顶头原材被装入热处理炉，实施用于形成氧化皮层的氧化皮处理。氧化皮处理遵循以下的热处理条件。

(1)热处理气氛

热处理气氛中的氧浓度设定为1.0vol％以上。如果为1.0vol％以上，则所形成的外层氧化皮含有沿着母材(顶头原材)表面扩展的1个或多个气孔，因此容易以低负荷剥离。氧浓度设定得低于1.0vol％时，在外层氧化皮内，沿着母材表面扩展的气孔的含有率减少，因此外层氧化皮难以剥离。

优选热处理气氛中的氧浓度为2.0vol％以上。图3表示热处理气氛中氧浓度和外层氧化皮的剥离性的关系。图3根据以下的方法测定。准备具有表1所示的化学组成的多个顶头原材试验片(长200mm、宽100mm、厚50mm)，在氧浓度不同的热处理气氛内对各试验片进行氧化皮处理。这时，热处理气氛除氧以外，还含有10vol％的Co₂、10vol％的H₂O，余量是N₂和杂质。另外，热处理温度为1000℃，均热时间为25小时。氧化皮处理后，通过落球试验评价各试验片的表面所形成的外层氧化皮的剥离性。

落球试验按以下的方法实施。如图4所示，在各试验片40的外层氧化皮上方配置内径30mm、长1mm的金属管50。这时，金属管50的下端和试验片40的上面(即，外层氧化皮表面)之间的距离为3cm。从金属管50的上端使直径9.4mm、质量3.4g的不锈钢钢球60通过金属管50一个个落到试验片40的上面，每落下1个球便观察外层氧化皮是否剥离。依次落下不锈钢钢球60，直到以目测确认到有外层氧化皮的剥离。统计至确实有剥离时的落球个数，以下式(1)求得剥离外层氧化皮所需要的能量(单位为J，以下称外层剥离能量)。

外层剥离能量(J)＝m×g×h×n    …(1)

在此，式(1)中的m是不锈钢钢球的质量(kg)。g是重力加速度(m/s²)。h是落下前的不锈钢钢球距外层氧化皮表面的高度(m)。n是至确实有外层氧化皮的剥离时的落球个数。

参照图3，外层剥离能量随着热处理气氛中的氧浓度从0vol％上升而急速降低。然后，氧浓度达到2.0vol％以上时，即使氧浓度上升，外层剥离能量也不会降低。因此，更优选的氧浓度为2.0％以上。

另一方面，氧浓度的优选上限为20vol％。更优选的氧浓度的上限为10vol％。

还有，氧浓度被设定为1.0vol％以上时，如果热处理温度设定在下述的范围内，则内层氧化皮可维持致密的结构。因此，即使将氧浓度设定在1.0vol％以上，内层氧化皮仍难以剥离。

热处理气氛的氧以外的其他化学成分，与以往的氧化皮处理时周知的热处理气氛的成分相同。譬如，热处理气氛除氧以外，还含有5vol％～15vol％的CO₂和5vol％～25vol％的H₂O，余量是N₂和杂质。还有，也可以含有达到大约3vol％的CO来替换N₂的一部分。

(2)热处理温度

热处理温度为950℃以上、低于1050℃。如果在1050℃以上，则外层氧化皮难以剥离。另一方面，如果低于950℃，则氧化皮层不能充分生成，为了增厚氧化皮层，必须过剩地延长热处理时间。因此热处理温度为950℃以上、低于1050℃。还有，如果热处理温度设定在上述的范围内，则内层氧化皮会维持与现有同样的致密的结构。

优选热处理温度为950℃～1000℃。如果使热处理温度为950℃～1000℃，则内层氧化皮成为更致密的结构，与顶头原材表面的附着性提高。以下详细这一点。

如果使热处理温度为950℃～1000℃，则能够减小内层氧化皮的粒径。如果氧化皮粒径变小，则内层氧化皮成为致密的结构，并且民顶头表面的附着性也提高。以下，就通过使热处理温度为950℃～1000℃，内层氧化皮的粒径变小的点进行详述。

图5是表示热处理温度和内层氧化皮的粒径的关系的图。图5由以下的方法求得。准备具有表1所示的化学组成的顶头原材试验片(长200mm、宽100mm、厚50mm)，以不同的热处理温度对各试验片进行氧化皮处理。这时，热处理气氛与表2的条件2(氧浓度2.0vol％)相同。还有，均热时间均为25小时。

求得热处理后的试验片的内层氧化皮的粒径。具体来说，用SEM(扫描型电子显微镜)观察内层氧化皮的截面组织，从所观察的截面组织内随机选择任意的氧化皮晶粒。然后，测定各氧化皮晶粒的粒径。粒径是将各氧化皮晶粒中最大直径作为该氧化皮晶粒的粒径。求得所测定的各氧化皮晶粒的粒径的平均值，将所求得的平均值确定为该试验片的内层氧化皮的粒径(μm)。

参照图5，内层氧化皮粒径随着热处理温度降低而急速变小，热处理温度达到1000℃时，内层氧化皮粒径为1μm以下。另一方面，热处理温度处于1000℃以下时，即使热处理温度降低，内层氧化皮粒径也不怎么变小。因此，优选热处理温度为950℃～1000℃。

(3)其他条件

热处理时间与用于形成氧化皮层的周知的氧化皮处理相同。譬如，如果在上述热处理温度下使热处理时间为6小时～25小时，则氧化皮层的厚度为优选的200～1000μm厚。还有，热处理时间也可以比25小时长，也可以低于6小时。

另外，热处理后的顶头的冷却速度优选为25℃/小时～150℃/小时。还有，冷却速度更优选快的。这是由于若冷却速度变快，则在外层氧化皮中形成裂纹，容易剥离。还有，冷却结束时间(出炉温度)优选为常温～600℃。其他条件与用于形成氧化皮层的周知的氧化皮处理相同。

2.氧化皮层的构成

由上述的制造方法制造的顶头，在表面具有氧化皮层。如上述，氧化皮层的厚度优选为200～1000μm的范围。

参照图2，氧化皮层30由形成于母材(顶头原材)100的表面SF上的内层氧化皮10、和形成于内层氧化皮10上的外层氧化皮20构成。内层氧化皮10由Fe、O(氧)、母材100中所含有的Fe以外的合金元素之中至少1种以上的合金元素和杂质构成。内层氧化皮100具有致密的结构。

另一方面，外层氧化皮20由Fe、O(氧)和杂质构成。外层氧化皮20在其下部还含有沿母材表面SF延伸的多个气孔PO。在气孔PO的作用下，裂纹容易沿着母材表面SF传播，因此外层氧化皮容易以低负荷剥离。

优选1个或多个氧孔PO满足以下的条件。即，如图6所示，在顶头的表面附近，着眼于宽LO为1000μm的任意的区域A1的截面。在区域A1的截面中，使与母材表面SF平行，长为1000μm的假想线VL在外层氧化皮的厚度方向(图中为上下方向)上移动。这时，假想线VL和气孔PO存在重叠的部分LPo。如此，使假想线VL上下移动时，在气孔PO和假想线VL重叠的部分LPo之中，优选最大值LPmax为500μm以上的。在图6中，不是假相线VL2，而是假想线VL1的部分Lpo成为最大长度。换言之，本发明的顶头，在区域A1的截面中，具有最大值LPmax为500μm以上的假想线VL的配置位置。

如图7所示，在宽LO为1000μm的任意的区域A2的外层氧化皮20的截面中，多个气孔PO1～PO3沿母材表面SF扩展时，LPo在气孔PO1～PO3中与假想线重叠的部分LP1～LP3的合计长度为(LP1+LP2+LP3)。

在此，母材表面SF和假想线VL以如下方式决定。以规定间隔(譬如以10μm为单位)在如上述选择的宽1000μm的区域截面中的母材表面进行标绘。然后，将基于所标绘的点通过最小二乘法进行一次函数化而得到的直线作为母材表面SF。另外，与得到的母材表面SF平行的直线作为假想线VL。

母材表面SF、假想线VL和最大值LPmax譬如能够通过对上述区域进行图像处理而求得。

如此，由上述的制造方法制造的顶头，具有包含着沿母材表面扩展的气孔的外层氧化皮。由于该气孔的存在，外层氧化皮不必机械性地施加高负荷或者热应力，与现有相比更容易以低负荷剥离。

另一方面，由上述的制造方法制造的顶头的内层氧化皮，尽管热处理气氛中的氧浓度比现有高，但却具有与现有的内层氧化皮同等或在其之上的致密结构。因此，即使在穿孔轧制中，也与以往一样难以剥离或更难剥离。

3.穿孔轧制

本实施方式的顶头，在外层氧化皮剥离后用于穿孔轧制。即，使用外层氧化皮被剥离，内层氧化皮残存在表面的顶头，对金属原材(譬如圆坯)进行穿孔轧制来制造金属管。如上述，外层氧化皮不用使用锤子等机械地施加高负荷，不用施加剧烈的热应力，与以住相比更容易以低负荷剥离。因此，在顶头表面难以有外层氧化皮残存，顶头表面很难发生凹凸。其结果是，由顶头表面的凹凸引起的无缝管内面的瑕疵的发生得到抑制。

实施例1

准备多个顶头原材试验片(以下仅称为试验片)标号1～标号6。各顶头原材的化学成分均如表1所示。另外，各试验片的尺寸为200mm、宽100mm、厚50mm。

对于各试验片，以表3所示的热处理条件实施氧化皮处理，在试验片表面形成氧化皮层。

[表3]

热处理时，从常温至表3中的热处理温度的升温时间为4小时，调整保持时间使各试验片所形成的氧化皮层的厚度为500μm～750μm。热处理中，以氧浓度计测定氧浓度，调整热处理炉的空燃比在使热处理中的氧浓度的平均值为表3中的值。热处理气氛之中氧以外的其他成分如下。Co₂浓度设定为10vol％，H₂O浓度设定为10vol％。余量是N₂和杂质。

[组织观察]

热处理后，从各试验片的任意处(1处)提取顶头表面的截面试样。在提取的各截面试样中，以光学显微镜观察1000μm宽的任意的区域的截面(氧化皮层和顶头表面的截面)，根据以下的方法调查LPmax。对各截面试样进行图像处理，抽取截面区域内的母材(顶头原材)表面的10μm的间隔点。然后由这些点通过最小二乘法计算一次函数的直线(母材表面)SF。一边使与所计算的直线SF平行的具有1000μm的长度的假想线VL在外层氧化皮的厚度方向挪动一边依次配置。在各配置位置，求得假想线VL中与气孔重复的部分的长度。假想线VL与多个气孔重复时，求得重复部分的合计长度。由各假想线VL求得的长度中，决定最大值LPmax。各试验片的LPmax显示在表3中。

[剥离性调查]

热处理后的各顶头试验片的表面所表面的外层氧化皮的剥离性通过落球试验加以评价。

落球试验以上述的方法实施(参照图4)。然后，统计直到确认有剥离时的落球个数。落球个数在10个以下时，判断为具有良好的剥离性。

[试验结果]

剥离试验的试验结果显示在表3中。表3中的“落球个数”一栏显示直到确认有剥离时的落球个数。参照表3，满足本发明的热处理温度和氧浓度的标号2、4和5其落球个数在10个以下，外层氧化皮具有良好的剥离性。另外，在这些顶头试验片中，经落球试验内层氧化皮没有剥离。

另一方面，在标号1的试验片中，虽然氧浓度在本发明的范围内，但是热处理温度超过本发明的上限值，因此外层氧化皮难以剥离，落球个数远远超过10个。标号3和标号6的试验片，虽然热处理温度在本发明的范围内，但是氧浓度低于本发明的下限值，因此外层氧化皮难以剥离，落球个数远远超过10个。

实施例2

制造以1025℃的热处理温度进行氧化皮处理的顶头，和以1000℃的热处理温度进行氧化皮处理的顶头，调查穿孔轧制后的各顶头的内层氧化皮的耐磨耗性和耐剥离性。

具体来说，准备表1所示的材质的多个顶头。在准备的多个顶头中，以1025℃的热处理温度对几个顶头进行氧化皮处理。以下的顶头称为1025℃顶头。另外，以1000℃的热处理温度对其余的顶头进行氧化皮处理。以下将这些顶头称为1000℃顶头。热处理温度的保持时间(均热时间)调整为使所形成的内层氧化皮为大约600μm。热处理气氛为表2的条件2。

在氧化皮处理后的1025℃顶头和1000℃顶头的表面，均形成有600μm的内层氧化皮。另外，外层氧化皮容易剥离。还有，内层氧化皮的厚度由以下的方法测定。使用光学显微镜或激光显微镜，拍摄制造的各1025℃顶头和1000℃顶头的氧化皮层的截面的显微照片(100～200倍)。然后，通过图像处理测定所拍摄的显微照片的任意数处的内层氧化皮的厚度。将测定的厚度的平均值定义为内层氧化皮厚度。

剥离外层氧化皮后，用表面具有内层氧化皮的各顶头(1025℃顶头和1000℃顶头)分别对2个坯料进行穿孔轧制。然后，测定穿孔轧制后的顶头的内层氧化皮的厚度。穿孔轧制后的1025℃顶头的内层氧化皮厚度为200μm。即，从穿孔轧制前的内层氧化皮厚度(600μm)磨耗了400μm。另一方面，穿孔轧制后的1000℃顶头的内层氧化皮厚度为400μm，1000℃顶头这方具有更高的耐磨耗性。如图5所示，1000℃顶头的内层氧化皮的粒径约1μm，比1025℃顶头的内层氧化皮的粒径(约4μm)小。因此推定，1000℃顶头的内层氧化皮这方为更加致密的结构，具有优异的耐磨耗性。

此外，使用各顶头对第三个坯料进行穿孔轧制，目视观察轧制后的顶头表面。其结果是，在1025℃顶头中，内层氧化皮的一部分剥离，部分的部分发生熔损。另一方面，在1000℃顶头中，内层氧化皮没有剥离，也未发生熔损。

以上，说明了本发明的实施的方式，但上述的实施方式不过是用于实施本发明的示例。因此，本发明不受上述实施方式限定，在不脱离其宗旨的范围内可以适宜变形实施方式加以实施。