JP2019178381A - ボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材およびそれを用いたボルト - Google Patents
ボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材およびそれを用いたボルト Download PDFInfo
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Abstract
Description
C:0.06%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:0.01〜5.5%、
P:0.04%以下、
S:0.03%以下、
N:0.06〜0.35%、
Ni:1.5〜8.0%、
Cr:17.5〜28.0%、
Mo:0.05〜5.5%、
Cu:0.05〜3.0%、
Al:0〜0.1%、
Ti:0〜0.25%、
Nb:0〜0.50%、
Co:0〜1.0%、
Ca:0〜0.0050%、
Mg:0〜0.0050%、
B:0〜0.0030%、
V:0〜1.0%、
Zr:0〜0.02%、
Ta:0〜0.07%、
W:0〜1.0%、
Sn:0〜1.0%、
REM:0〜0.050%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
下記(i)式で示されるMd30が−200℃以上130℃以下であり、
金属組織中のフェライト相が、体積%で、35.0〜65.0%である、ボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材。
Md30(℃)=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−13.7Cr−29(Ni+Cu)−18.5Mo−68Nb ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Al:0.01〜0.1%、
Ti:0.05〜0.25%、
Nb:0.10〜0.50%、
Co:0.02〜1.0%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Mg:0.0005〜0.0050%、
B:0.0001〜0.0030%、
V:0.03〜1.0%、
Zr:0.003〜0.02%、
Ta:0.01〜0.07%、
W:0.05〜1.0%、
Sn:0.005〜1.0%、および
REM:0.005〜0.050%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載のボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材。
上記(1)または(2)に記載のボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、強度を高めるために必要な元素である。しかしながら、Cを0.06%を超えて含有させるとCr炭化物が生成して、耐食性が劣化する。このため、C含有量は0.06%以下とし、0.04%以下であるのが好ましい。一方、C含有量を極端に低減することは大幅なコストアップになるため、C含有量は0.001%以上であるのが好ましく、0.008%以上であるのがより好ましい。
Siは、脱酸のために必要な元素である。しかしながら、2.0%を超えて含有させると靱性が劣化する。このため、Si含有量は2.0%以下とし、1.0%以下であるのが好ましく、0.8%以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Si含有量は、0.01%以上であるのが好ましく、0.05%以上であるのがより好ましく、0.1%以上であるのがさらに好ましく、0.2%以上であるのが一層好ましい。
Mnは、二相ステンレス鋼中のオーステナイト相を増加させ、かつ加工誘起マルテンサイトの生成を抑制し、靱性を向上させる。また、窒素の固溶度を上げる作用も有する。このため、Mn含有量は0.01%以上とする。一方、5.5%を超えて含有させると耐食性が低下し、金属組織中に所定割合のフェライト相を確保し難いこともある。このため、Mn含有量は5.5%以下とする。Mn含有量は2.0%を超えて3.0%未満であるのが好ましい。
Pは、鋼中に含有される不純物元素であって、熱間加工性を劣化させる。このため、P含有量は0.04%以下とし、0.03%以下であるのが好ましい。一方、P含有量を極端に低減することは製造コストを大幅に増加させるため、P含有量は0.001%以上であるのが好ましい。
Sは、Pと同様に鋼中に含有される不純物であり、熱間加工性、靱性および耐食性を低下させる。このため、S含有量は0.03%以下とし、0.005%以下であるのがより好ましく、0.002%以下であるのがさらに好ましい。一方、S含有量を極端に減ずるには大幅なコストアップになるため、S含有量は0.0001%以上であるのが好ましい。
Nは、オーステナイト相に固溶して強度、耐食性を高めると共に二相ステンレス鋼中のオーステナイト相を増加させる。このため、N含有量は0.06%以上とし、0.1%以上であるのが好ましい。一方、Nを、0.35%を超えて含有させると、冷間鍛造性が低下し、また、金属組織中でのフェライト相の割合が少なくなることもある。このため、N含有量は0.35%以下とし、0.20%以下であるのが好ましい。
Niは、二相ステンレス鋼中のオーステナイト相を増加させる元素であり、本発明の成分系においてオーステナイト相を確保するために必要である。また、加工誘起マルテンサイトの生成を抑制し靱性を向上させる。加えて、Niは各種酸に対する耐食性を確保するためにも有効である。このため、Ni含有量は1.5%以上とし、3.0%超であるのが好ましい。一方、Niは高価な金属であり、また、過度に含有させると、金属組織中でのフェライト相の割合が少なくなる。このため、Ni含有量は8.0%以下とし、5.5%未満であるのが好ましい。
Crは、耐食性を確保するために必要である。また、Crは加工誘起マルテンサイトの生成を抑制することにも効果がある。このため、Cr含有量は17.5%以上とし、19.0%以上であるのが好ましい。一方、Crはフェライト相を増加させる元素であり、28.0%を超えて含有させると、フェライト相が過多となり耐食性と靱性を低下させる。このため、Cr含有量は28.0%以下とし、23.0%以下であるのが好ましい。
Moは、ステンレス鋼の耐食性を高めるのに有効である。このため、Mo含有量は0.05%以上とし、0.1%以上であるのが好ましい。一方、Moの過度な含有は製造コストを増加させるため、5.5%以下とし、2.0%未満であるのが好ましい。
Cuは、Niと同様二相ステンレス鋼中のオーステナイト相を増加させ、加工誘起マルテンサイトの生成を抑制する。また、Cuは靱性を向上させ、さらに各種酸に対する耐食性を改善するのに有効な元素である。このため、Cu含有量は0.05%以上とし、0.2%以上であるのが好ましい。一方、Cuを、3.0%を超えて含有させると、熱間加工性を阻害する。このため、Cu含有量は3.0%以下とし、好ましくは1.5%以下とし、さらに好ましくは1.0%未満である。
Alは、鋼の脱酸のために用いられる元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Alを、0.1%を超えて含有させると、母材の靭性を阻害する。このため、Al含有量は0.1%以下とし、0.05%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Al含有量は0.01%以上であるのが好ましい。
Tiを含有させることで、Cおよび/またはSの耐食性への悪影響を抑制することができる。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Tiを過剰に含有させると、靱性低下を生じるため、Ti含有量は0.25%以下とし、0.20%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ti含有量は0.05%以上であるのが好ましく、0.07%以上であるのがより好ましい。
NbはTiと同様に含有させることで、Cおよび/またはSの耐食性への悪影響を抑制することができる。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Nbを過剰に含有させると、靱性低下を生じるため、Nb含有量は0.50%以下とし、0.40%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Nb含有量は0.10%以上であるのが好ましく、0.20%以上であるのがより好ましい。
Coは、鋼の靭性と耐食性とを高めるために有効な元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Coを、1.0%を超えて含有させても効果が飽和し、製造コストが増加する。このため、Co含有量は1.0%以下とし、0.5%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Co含有量は0.02%以上であるのが好ましく、0.1%以上であるのがより好ましい。
Caは、鋼の熱間加工性を改善する元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Caを過度に含有させると、却って熱間加工性を低下させる。このため、Ca含有量は0.0050%以下とし、0.0040%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ca含有量は、0.0005%以上であるのが好ましく、0.001%以上であるのがより好ましい。
Mgは、Ca同様、鋼の熱間加工性を改善する元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Mgを過度に含有させると、却って熱間加工性を低下させる。このため、Mg含有量は0.0050%以下とし、0.0040%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Mg含有量は、0.0005%以上であるのが好ましく、0.001%以上であるのがより好ましい。
Bは、鋼の熱間加工性を改善する元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Bを過度に含有させると、却って熱間加工性を低下させる。このため、Ca含有量は0.0030%以下とし、0.0025%以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、B含有量は、0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
Vは、Cr炭窒化物の生成を抑制して耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Vを過度に含有させても、その効果は飽和し冷間鍛造割れが発生する場合がある。このため、V含有量は1.0%以下とし、0.8%以下であるのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、V含有量は0.03%以上であるのが好ましく、0.10%以上であるのがより好ましい。
ZrはCまたはSによる耐食性低下を抑制する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Zrを過度に含有させても、靭性が低下する。このため、Zr含有量は0.02%以下とし、0.015%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Zr含有量は0.003%以上であるのが好ましく、0.005%以上であるのがより好ましい。
Taは、Zrと同様、Cおよび/またはSによる耐食性低下を抑制する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Taを過度に含有させても、靭性が低下する。このため、Ta含有量は0.07%以下とし、0.05%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ta含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.02%以上であるのがより好ましい。
Wは耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Wを過度に含有させると、製造コストを増加させるため、W含有量は1.0%以下とし、0.8%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、W含有量は0.05%以上であるのが好ましく、0.1%以上であるのがより好ましい。
Snは耐酸性を向上させるのに有効である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Snを過度に含有させると、熱間加工性を低下させる。このため、Sn含有量は1.0%以下とし、0.8%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Sn含有量は0.005%以上であるのが好ましく、0.01%以上であるのがより好ましい。
REMは、Ca同様、鋼の熱間加工性を改善する元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、REMを過度に含有させると、却って熱間加工性を低下させる。このため、REM含有量は0.050%以下とし、0.040%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、REM含有量は、0.005%以上であるのが好ましく、0.01%以上であるのがより好ましい。
2−1.二相ステンレス鋼線材の金属組織におけるフェライト相の体積率
本発明では、二相ステンレス鋼線材の金属組織を規定する。金属組織中のオーステナイト相は、その後の伸線加工およびボルト加工において、一部が加工誘起マルテンサイト相に変態する。加工誘起マルテンサイトは高い強度を有するが、その割合が過剰であると、ボルト首部での破断を生じる。このため、本発明では、加工時に変態を生じないフェライト相の体積率を規定する。具体的には、本発明に係る鋼線材ではオーステナイト−フェライト二相組織において、組織の全体積に対するフェライト相の体積率を35.0%以上とする。全体積に対するフェライト相の体積率は37.0%以上であるのが好ましく、40.0%以上であるのがより好ましい。
上述のように、オーステナイト相の一部が加工誘起マルテンサイト相に変態する。オーステナイトから加工誘起マルテンサイトへの変態は含有する元素により変化し、下記(i)式の左辺値をその指標とする。
但し、上記(i)式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
本願においては、伸線加工を行なう前の鋼線材の直径は6.6mm以上とする。鋼線材の直径は7.0mm以上であるのが好ましく、12.0mm以上であるのがより好ましく、14.0mm以上であるのがさらに好ましい。また、鋼線材の直径は20.0mm以下であるのが好ましく、16.0mm以下であるのがより好ましい。なお、本発明においては、鋼線材とは、棒状に熱間圧延された鋼で、コイル状に巻かれた鋼材を指し、所謂「バーインコイル」を含むものとする。また、鋼線とは、上記鋼線材に対して、主として、伸線などの冷間加工を施してコイル状に巻いたものを指す。
図1は、ボルトの形状を模式的に示した図である。鋼線をボルト加工する際には、加工硬化により図1の符号1に示すボルトの頭部の強度が高くなり、硬度が上昇する。また、図1の符号4はボルトのねじ部を示している。ねじ部においても転造加工がなされるため、加工硬化が生じ、硬度が上昇する。一方、図1の符号3で示されるボルトの円筒部は、加工の前後で硬度が大きく上昇しない。
5−1.鋼線材の製造方法
上記の化学組成を有する鋼塊を連続鋳造法により鋳造する。鋼塊は、造塊法によりビレットにしてもよい(JIS G 0203(2009)参照。)。続いて、均熱、熱間圧延(熱間線材圧延)を施し、上記直径とする。その後、得られた鋼線材を900〜1100℃の範囲で、3〜20分間保持する溶体化熱処理を施し、水冷を施す。続いて、酸洗処理を行なう。
上記、酸洗処理後の鋼線材に蓚酸等により皮膜処理を施した後、加工率(断面減少率)が5〜25%の範囲で伸線加工を行ない、ボルト用鋼線とする。得られたボルト用鋼線に鍛造加工を施し、ボルトの形状に成形する。さらに、強度の調整等のために熱処理を施す場合は、150〜700℃、5〜120分の範囲で、無酸素雰囲気で熱処理を施すことが好ましい。必要に応じて、表面研磨等を行ない、本発明におけるボルトとする。なお、表面研磨を行なわない場合は、ショットブラストによる表面処理の後、塗装の焼付けを行なってもよい。
2:首部
3:円筒部
4:ねじ部
Claims (5)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.06%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:0.01〜5.5%、
P:0.04%以下、
S:0.03%以下、
N:0.06〜0.35%、
Ni:1.5〜8.0%、
Cr:17.5〜28.0%、
Mo:0.05〜5.5%、
Cu:0.05〜3.0%、
Al:0〜0.1%、
Ti:0〜0.25%、
Nb:0〜0.50%、
Co:0〜1.0%、
Ca:0〜0.0050%、
Mg:0〜0.0050%、
B:0〜0.0030%、
V:0〜1.0%、
Zr:0〜0.02%、
Ta:0〜0.07%、
W:0〜1.0%、
Sn:0〜1.0%、
REM:0〜0.050%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
下記(i)式で示されるMd30が−200℃以上130℃以下であり、
金属組織中のフェライト相が、体積%で、35.0〜65.0%である、ボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材。
Md30(℃)=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−13.7Cr−29(Ni+Cu)−18.5Mo−68Nb ・・・(i)
但し、上記(i)式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 前記化学組成が、質量%で、
Al:0.01〜0.1%、
Ti:0.05〜0.25%、
Nb:0.10〜0.50%、
Co:0.02〜1.0%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Mg:0.0005〜0.0050%、
B:0.0001〜0.0030%、
V:0.03〜1.0%、
Zr:0.003〜0.02%、
Ta:0.01〜0.07%、
W:0.05〜1.0%、
Sn:0.005〜1.0%、および
REM:0.005〜0.050%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載のボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材。 - 直径が6.6mm以上である、
請求項1または2に記載のボルト用オーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材。 - 請求項1〜3のいずれかに記載のオーステナイト−フェライト二相ステンレス鋼線材を用いたボルト。
- 前記ボルト断面の中心軸における前記ボルト頭部の先端より1.0mmの位置から末端までの最大硬度と最小硬度との差が、ビッカース硬度で、150以上である、請求項4に記載のボルト。
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