JP2019163538A - 機械式ねじおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
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巨大地震などの際にねじ底からの脆性破壊を抑制させた、靭性に優れるねじ式機械継手およびその製造方法に関するものである。
さて、巨大地震などにより機械式ねじは主としてねじ底にねじりや引張応力などの応力集中を生じる。一方、ねじ加工後のねじ底は、図3の素材の周壁部分の拡大図を図4に示すように、機械式ねじ用素材の径方向厚みの中心となることが一般的である。これは、雄側筒体の場合も同様である。そのため、巨大地震によるねじ底からの破壊を抑制するためには、素材の肉厚中心部において高強度で且つ靭性に優れる機械式ねじを提供する必要がある。
質量%で、
C:0.05〜0.18%、
Si:0.01〜1.00%、
Mn:0.6〜2.0%、
P:0.025%以下、
S:0.015%以下、
Al:0.001〜0.050%、
Ti:0.005〜0.025%、
B:0.0005〜0.0030%および
N:0.0020〜0.0060%
を含み、さらに、
Cu:0.8%以下、
Ni:3.0%以下、
Cr:1.5%以下、
Mo:1.5%以下、
V:0.3%以下および
Nb:0.1%以下
のいずれか2種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、次式(1)に示すDi値が140〜280、次式(2)式に示すCeq値が0.60〜0.70%である、機械式ねじ。
Di=25.4×DI0C×f・Si×f・Mn×f・Cu×f・Ni×f・Cr×f・Mo×f・V×1.3 …(1)
ここで、DI0C=0.3241×√C(%)
f・Si=0.75Si(%)+1
f・Mn=3.33Mn(%)+1
f・Cu=0.35Cu(%)+1
f・Ni=0.36Ni(%)+1
f・Cr=2.16Cr(%)+1
f・Mo=3.00Mo(%)+1
f・V=1.75V(%)+1
Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
但し、上式(1)におけるM(%)および上式(2) におけるM(Mは元素記号)は、当該元素の質量%を意味する。
Ca:0.010%以下、
REM:0.010%以下、
Mg:0.010%以下および
Zr:0.010%以下
のいずれか1種または2種以上を含む前記1に記載の機械式ねじ。
なお、Ac3(℃)は次式の通りとする。
Ac3=937.2−436.5C+56Si−19.7Mn−16.3Cu−26.6Ni−4.9Cr+38.1Mo+124.8V+136.3Ti−19.1Nb+198.4Al+3315B+42
ここで、元素記号は当該元素の含有量(質量%)を示し、含まれていない元素はゼロとする。
C:0.05〜0.18%
Cは、機械式ねじに求められる強度をより低コストに得るために有用な元素であって、その効果を得るには、少なくとも0.05%の含有が必要である。一方、0.18%を超えての含有は、母材や溶接部の靭性を低下させるとともに、溶接性も悪化させる。そのため、上限は0.18%とした。好ましくは、0.08〜0.18%の範囲である。
Siは、固溶強化元素として特に厚肉材の高強度化に有用である。また、一部は脱酸材としても作用する。このような効果を得るには、0.01%以上の含有が必要である。一方、1.00%を超えての含有は、溶接熱影響部の靭性を低下させることから、0.01〜1.00%の範囲とする。好ましくは、0.05〜0.60%である。
Mnは、焼入れ性を向上させ、母材の高強度化のために含有させるが、0.6%未満ではその効果が小さい。一方、2.0%を超えての含有は素材のマクロ偏析を助長し、母材靭性を低下させることから、0.6〜2.0%の範囲とした。好ましくは、0.8〜1.8%である。
Pは、不可避的不純物として鋼中に存在するが、0.025%を超えて存在すると、特に、偏析部において粒界割れを促進するため、0.025%以下とする。一方、量産化プロセスにおいてPを0.001%未満とするには、生産性の低下を招き非常に高価となることから下限は、0.001%であることが好ましい。好適範囲は、0.003〜0.020%である。
Sは、Pと同様に鋼中に不可避的不純物として混入するが、0.015%を超えると母材や溶接熱影響部の靭性を低下させるため、上限を0.015%とした。一方、量産化プロセスにおいてSを0.001%未満とするには、生産性の低下を招いて製品が非常に高価となることから、下限は0.001%であることが好ましい。好適には、0.001〜0.010%の範囲である。
Alは、脱酸材として添加するが、0.001%未満ではその効果が小さいため、0.001%以上の含有とする。一方、0.050%を超えて含有させてもその効果は飽和するため、0.001〜0.050%の範囲とした。好ましくは、0.005〜0.040%である。
Tiは、NをTiNとして固定し、B添加による焼入れ性の向上を有効に機能させるために含有させる。そのためには、0.005%以上の含有が必要である。一方、0.025%を超えての含有は母材や溶接部の靭性を低下させることから、0.005〜0.025%の範囲とした。好ましくは、0.007〜0.020%である。
Bは、焼入れ性を向上させるのに有効な元素であり、特に厚肉材の中心部の高強度化に対して有効である。そのためには、0.0005%以上で含有させる必要がある。一方、Bの含有量が0.0030%を超えると、ボライドを形成して靭性を低下させるため、0.0005〜0.0030%の範囲とした。好ましくは、0.0007〜0.0025%である。
Nは、TiやAlと結合して窒化物を形成し、組織の細粒化に寄与する。これらの効果を得るためには、0.0020%以上が必要である。一方、N量が多くなると、NはBと結合してBNが形成されて焼入れ性を阻害することになるから、N量の上限は0.0060%とする。好適範囲は、0.0020〜0.0055%である。
Cu:0.8%以下
Cuは、主に鋼中に固溶し、靭性を損なうことなく高強度化するのに有効であるが、0.8%を超えて添加する場合には、熱間での圧延、据込み鍛造、穿孔、リング鍛造時に割れが生じることから、上限を0.8%とした。好ましくは、0.05〜0.6%である。
Niは、鋼の強度と靭性を向上させる有効な元素である。しかしながら、非常に高価な元素でもあり、経済性を大きく低下させるため、その上限を3.0%とした。好ましくは、0.05〜2.0%である。
Crは、焼入れ性を向上させることで高強度化に有効な元素である。しかしながら、1.5%を超えての添加は溶接性を低下させるため、上限を1.5%とした。好ましくは、0.05〜1.3%である。
Moは、Crと同様に焼入れ性を向上させることで高強度化に有効な元素である。しかしながら、1.5%を超えての添加は溶接性を低下させるため、上限を1.5%とした。好ましくは、0.03〜1.2%である。
Vは、VNを形成して焼戻し軟化抵抗を向上させ、強度と靭性の向上に有効な元素である。しかしながら、0.3%を超えての添加は、非常に高価な元素であり、経済性の低下を招くため、上限を0.3%とした。好ましくは、0.005〜0.2%である。
Nbは、Vと同様にNb(C,N) を形成して焼戻し軟化抵抗を向上させ、強度と靭性の向上に有効な元素である。しかしながら、0.1%を超えての添加は、非常に高価な元素であり、経済性の低下を招くため、上限を0.1%とした。好ましくは、0.003〜0.02%である。
Di=25.4×DI0C×f・Si×f・Mn×f・Cu×f・Ni×f・Cr×f・Mo×f・V×1.3 …(1)
ここで、DI0C=0.3241×√C(%)
f・Si=0.75Si(%)+1
f・Mn=3.33Mn(%)+1
f・Cu=0.35Cu(%)+1
f・Ni=0.36Ni(%)+1
f・Cr=2.16Cr(%)+1
f・Mo=3.00Mo(%)+1
f・V=1.75V(%)+1
Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
以上の基本成分を含み、残部は不可避的不純物およびFeである。
すなわち、図2に示したように、前述した化学組成を有するブルームやインゴットを熱間圧延により大棒とし、その後、据込み鍛造、穿孔、穴広げ、リング鍛造を行い円筒形の機械式ねじ用素材(円筒体)としたのち、焼入れおよび焼戻し処理を行い、最後に機械加工により製造することを基本形とする。機械式ねじの径や厚みに応じて、熱間加工プロセスの一部は省略することができる。
[焼入れ処理:Ac3+30℃〜Ac3+70℃の温度域に加熱後、少なくとも800〜400℃の温度域を2〜20℃/sの平均冷却速度で冷却]
上記の機械式ねじ用素材の焼入れ性および靭性の向上を両立するために、熱間加工後の再加熱温度はAc3+30℃〜Ac3+70℃の範囲とする必要がある。すなわち、Ac3+30℃未満では、十分な焼入れ組織(ベイナイトやマルテンサイト)が得られず一部にフェライトが生成するために、強度が低下する。一方、Ac3+70℃を超えると、機械式ねじ用素材の厚み中心部において急激に靭性が低下する。これは、旧γ粒の粗大化による焼戻し後の脆化によるものである。そのため、高強度と高靭性の両立を図るためには、Ac3+30℃〜Ac3+70℃の温度域に加熱する必要がある。
/sとする。
上記した焼入れ時の規定は、靭性を確保するために重要である。すなわち、平均冷却速度が20℃/sよりも速くなると、過度に硬くなるために靭性が低下する。一方、平均冷却速度が2℃/s未満では、フェライトが析出することによる組織の粗大化と焼戻し温度が低くなることによる粒界脆化を伴うことから、やはり靭性が低下する。そのため、少なくとも800〜400℃の平均冷却速度は2℃〜20℃/sとする。
[焼戻し処理:580〜650℃の温度域に加熱後550〜400℃の温度域の平均冷却速度を1℃/s以上]
まず、焼戻し温度は580〜650℃とする。すなわち、580℃よりも低温で焼戻しを行うと、旧γ粒界にPが偏析して焼戻し脆性(粒界脆化)を生じるため、上記の機械式ねじ用素材の厚み中心部の靭性が低下する。一方、650℃を超えて焼戻し処理を行うと、目標の強度を十分に満足できなくなる。そのため、焼戻し温度は580〜650℃とすることが好ましい。より好ましくは、580〜630℃である。
580〜650℃の温度域に加熱後550〜400℃の温度域の平均冷却速度を1℃/s以上とする
本発明鋼の化学成分範囲で、焼入れと焼戻し条件が適合した機械式ねじ素材では、表面10mmおよび1/2t部は共に、高強度で靭性も十分に高かった。一方、成分組成の範囲が本発明の規定から逸脱した場合、強度や靭性が目標を満足できなかった。また、化学成分が発明範囲であっても、焼入れ条件が逸脱した場合には、強度や靭性が低かった。
2、3 鋼管杭
10 雄側筒体
11 内周座
12 先端傾斜部
20 雌側筒体
21 先端部
22 基端傾斜部
Claims (4)
- 円筒体の内周面または外周面に多条ねじを有する機械式ねじであって、前記円筒体は、
質量%で、
C:0.05〜0.18%、
Si:0.01〜1.00%、
Mn:0.6〜2.0%、
P:0.025%以下、
S:0.015%以下、
Al:0.001〜0.050%、
Ti:0.005〜0.025%、
B:0.0005〜0.0030%および
N:0.0020〜0.0060%
を含み、さらに、
Cu:0.8%以下、
Ni:3.0%以下、
Cr:1.5%以下、
Mo:1.5%以下、
V:0.3%以下および
Nb:0.1%以下
のいずれか2種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、次式(1)に示すDi値が140〜280、次式(2)式に示すCeq値が0.60〜0.70%である、機械式ねじ。
Di=25.4×DI0C×f・Si×f・Mn×f・Cu×f・Ni×f・Cr×f・Mo×f・V×1.3 …(1)
ここで、DI0C=0.3241×√C(%)
f・Si=0.75Si(%)+1
f・Mn=3.33Mn(%)+1
f・Cu=0.35Cu(%)+1
f・Ni=0.36Ni(%)+1
f・Cr=2.16Cr(%)+1
f・Mo=3.00Mo(%)+1
f・V=1.75V(%)+1
Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
但し、上式(1)におけるM(%)および上式(2) におけるM(Mは元素記号)は、当該元素の質量%を意味する。 - 前記成分組成は、さらに質量%で、
Ca:0.010%以下、
REM:0.010%以下、
Mg:0.010%以下および
Zr:0.010%以下
のいずれか1種または2種以上を含む請求項1に記載の機械式ねじ。 - 請求項1または2の成分組成を有する円筒体に、Ac3+30℃〜Ac3+70℃の温度域に加熱後、少なくとも800〜400℃の温度域を2〜20℃/sの平均冷却速度で冷却する、焼入れ処理を施し、次いで焼戻し処理を行った後、該円筒体の内周面または外周面に多条ねじを形成する機械式ねじの製造方法。
- 前記焼戻し処理は、580℃〜650℃の温度域に加熱後550〜400℃の温度域の平均冷却速度を1℃/s以上とする請求項3に記載の機械式ねじの製造方法。
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