热加工用工具钢、热加工用工具以及无缝管制造用顶头制造技术

本发明专利技术为一种热加工用工具钢，在其表面生成的氧化皮的粘附性与润滑性良好，强度高。该工具钢含有Ｃ：０．０５～０．５％，Ｓｉ：０．１～１％，Ｍｎ：１．６～３．５％，Ｎｉ：０．０５～０．５％，Ｍｏ：２～５％，Ｗ：２～５％，Ｃｕ：０．０５～０．５％，剩余部分实质上由Ｆｅ所构成。还可以含Ｃｒ、Ｃｏ、ＲＥＭ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ及Ｂ中的１种以上。由该钢制作的工具，其表面由厚度为５０～１５００μｍ的氧化皮覆盖。工具的代表例为无缝管制造用的穿孔顶头。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种热加工用工具钢和热加工用工具。本专利技术的工具钢适合用作包含高Cr合金钢及Ni基合金的无缝管的制造中使用的穿孔压延机(例如，曼内斯曼式穿孔机)的顶头的原材料。所谓的高Cr合金钢是以含13％以上的Cr的不锈钢为代表的钢。
技术介绍
目前，用于制造无缝钢管的压延机，其中以曼内斯曼式穿孔机为代表的穿孔压延机用的顶头，由基本组成为3％Cr-1％Ni-余部Fe的钢制作，其顶头在表面施行形成氧化皮的热处理后使用。该顶头是在用普通钢制造无缝钢管时穿孔用的。但是，在对由含13％以上的Cr的不锈钢为代表的高Cr合金钢及Ni基合金制成的无缝管进行穿孔压延时，由于顶头表面的温度和表面压力上升，所以顶头的寿命明显变短。例如，在JIS的SUS304材料的穿孔中，1个孔型顶头就发生变形。在穿孔压延中，对穿孔压延机的主轧辊进行喷水冷却。该冷却水散射到刚穿孔后高温的顶头。因此，顶头的表面突然被冷却，表面的氧化皮发生部分剥离，该剥离部分成为下次穿孔压延时发生烧接的原因。还有，为了预备下次使用，通常将使用后的顶头浸渍在冷却水中进行冷却，但此时的冷却有时会使顶头的原料金属产生相变裂纹。作为以含13％以上的Cr的不锈钢为代表的高Cr合金钢及Ni基合金制成的无缝管等的制造时使用的穿孔压延机用的顶头，有如下的提案。(a)由减少Cr含量提高了耐烧接性，添加Mo和W等提高了高温强度和氧化皮的粘附性的钢制成的顶头(日本专利文献1)。(b)由通过大量添加Ni提高了氧化皮的润滑性、耐剥离性以及耐磨耗性，并且，通过添加过量的Mo或/和W提高了高温强度的钢制成的顶头(日本专利文献2)。(c)通过由与上述(b)的顶头同样的钢制成，并限定基体金属与氧化皮界面的粗糙度，提高了耐烧接性和润滑性的顶头(日本专利文献3)。(d)除了Ni、Cr、Co、W或/和Mo以外，还含有Cu作为必须成分的钢制成的具有优异耐磨耗性的顶头(日本专利文献4)。(e)除了Cr、Ni、Co、Cu、W或/和Mo，还含有Ti或Zr作为必须成分的钢制成的提高了相对于循环使用时急冷急热的耐裂性的顶头(日本专利文献5)。专利文献1日本专利特开昭63-282241号公报专利文献2日本专利特开平4-74848号公报专利文献3日本专利特开平4-270003号公报专利文献4日本专利特开昭57-152446号公报专利文献5日本专利特开昭60-208458号公报但是，(a)的顶头，基体金属的高温强度及氧化皮的粘附性不够，在对长尺寸的钢坯穿孔时，即在进行穿孔长度较长的穿孔压延时不能确保足够的寿命。(a)至(c)的顶头，表面压力最大、温度升高的顶头的前端部的氧化皮在穿孔过程中熔融、失去了绝热效果及耐磨耗性，顶头的前端容易发生熔损和变形。(d)至(e)的顶头，由于Cr的含量过高不仅耐烧接性变差，而且由于高温强度也不够，存在顶头的前端容易发生熔损和变形的缺点。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种即使是在热加工变形阻力大的材料时使用，也具有较长寿命的工具钢及用该种钢所制造的工具。本专利技术的第二个目的是提供一种在由以含13％以上Cr的不锈钢为代表的高Cr合金钢和Ni基合金一类的材料制造无缝管时的穿孔压延机用顶头，该顶头寿命长且不容易发生烧接。本专利技术者们为了完成上述课题，进行了种种研究，得到以下的见解。(a)在用Cr含量为13％以上的高Cr合金钢制管时，顶头表面形成的氧化皮的物理性质及其材料即热加工用工具钢(以下，称为“顶头材料”)的强度对顶头的寿命有很大影响。(b)现在所使用的不锈钢制管用的顶头的材料，含有为提高高温强度而添加的Cr。但是，由于Cr与氧的亲合力高，用含Cr的材料制作的顶头，如果进行防止烧接的形成氧化皮的热处理，氧化皮的基体金属侧形成Cr氧化物浓缩的尖晶石型鳞，即，含大量Fe2CrO4的内层鳞层。该尖晶石型鳞为达到内层鳞的约20～90质量％。基体金属的Cr浓度越高，内层鳞中的Cr的浓缩比例也变高。例如当基体金属中含0.5％的Cr时，内层鳞中的Cr浓度为1～5％左右。(c)一般当被加工材料与工具含同种成分时，容易发生烧接。因为不锈钢含Cr，所以在对其穿孔压延时，顶头的内层鳞层中的Cr的浓缩程度越高越容易发生烧接。所以，为了防止烧接，需要抑制内层鳞中的Cr浓度的上升。基于上述的见解，可以认为用不含Cr的钢作为顶头材料是防止烧接的一个方法。但是，在顶头材料中的Cr，是提高顶头的基体金属的组织稳定性、高温强度，提高形成的氧化皮的粘附性以及提高耐磨耗性的有用成分。所以，在现有技术中，顶头材料使用不添加Cr的钢是比较困难的。这里，本专利技术者们对于不用Cr作为顶头材料的强化元素的不锈钢制管用的顶头进行了深入研究，结果，判明了以下情况。(d)目前，Mn是用来改善组织稳定性的元素。但是，通过与其他合金成分组合，如下所述，作为进行不锈钢穿孔的顶头的原材料的构成成分具有极其有效的作用。Mn与Cr同样，是奥氏体稳定化元素，使组织在高温下稳定，同时提高高温强度。另外，如果在顶头的原材料中添加大量的Mn，在通过形成氧化皮的热处理形成的氧化皮的基体金属侧形成含Mn氧化物的尖晶石型鳞，即，形成含大量Fe2MnO4的内层鳞。该Fe2MnO4为内层鳞的20～90质量％左右。含有大量含上述Mn氧化物的尖晶石型鳞(Fe2MnO4)的内层鳞，由于实质上或是不含Cr，或是在含有Cr的情况下被Mn稀释，而大幅度地提高在进行不锈钢穿孔时的耐烧接性。另一方面，随着Mn的浓缩，内层鳞的耐磨耗性提高，穿孔中的氧化皮层的磨损减少，顶头的寿命提高。(e)Mn与Cr不同，不是抑制钢氧化的元素。所以，在将不含Cr而含Mn的钢作为材料的顶头中，可以通过低温下短时间的形成氧化皮的热处理而形成足够厚度的氧化皮层。另外，与现有技术的含Cr的顶头材料相比较由于易于氧化，所以即使在穿孔操作结束后的冷却时，也容易在顶头的表面形成氧化皮，并由于该氧化皮的存在而提高顶头的寿命。(f)但是，如果过多地添加Mn，钢的裂缝敏感性明显增高，冷却水等散射到刚在穿孔压延中使用的顶头表面时，有时顶头表面会产生裂缝。所以，其添加量是有限度的。另外，需要复合添加作为提高高温强度的元素的W和Mo。(g)含Mn氧化物的内层鳞的熔点为1200℃以上，穿孔过程中不熔融。因此，不表现出润滑效果，穿孔需要的时间长，顶头的表面温度上升，而熔损。所以，为了使氧化皮具有润滑性，需要优化氧化皮的熔点。为了优化该熔点，可以利用W氧化物与Fe氧化物在1100℃附近发生共晶反应，以及Fe与Si的复合氧化物的熔点在1170℃附近的事实。即，若适当地调整W与Si的含量，能够促进氧化皮中的W氧化物及Fe与Si的复合氧化物的形成，能够优化氧化皮的熔点。(h)含有大量含上述Mn氧化物的尖晶石型鳞(Fe2MnO4)的内层鳞，与Cr氧化物浓缩的尖晶石型鳞即含大量Fe2CrO4的内层鳞相比较附着力低，在制管过程中氧化皮层容易由于剥离而发生烧接和熔损。(i)然而，如果以内层鳞为分散于其层中的金属粒子，则氧化皮的变形能增大，粘附力提高，在穿孔中不发生氧化皮剥离，而且在反复加热冷却的环境下也能大幅度地抑制氧化皮的剥离，提高润滑性和耐磨性。(j)作为上述金属粒子，可以举出Ni、Cu及Co粒子。由于这些金属粒子，即使对以含有它们的钢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热加工用工具钢，其特征在于，按质量％，含有Ｃ：０．０５～０．５％，Ｓｉ：０．１～１％，Ｍｎ：１．６～３．５％，Ｎｉ：０．０５～０．５％，Ｍｏ：２～５％，Ｗ：２～５％及Ｃｕ：０．０５～０．５％，剩余部分由Ｆｅ及杂质构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安乐敏朗，五十岚正晃，山川富夫，下田一宗，日高康善，
申请(专利权)人：住友金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]