JP2609722B2 - 建築用耐熱ボルトおよびナットとそれらの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は建築、土木および海洋構造物等の分野におい
て、各種建造物に用いる建築用耐火鋼材の締結に使用す
る建築用耐熱ボルトおよびナットとそれらの製造方法に
関する。

（従来の技術） 周知の通り建築、土木および海洋構造物などの分野に
おける各種建造物用構築材として、一般構造用圧延鋼材
（JIS G 3101）、溶接構造用圧延鋼材（JIS G 3106）、
溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材（JIS G 3114）、高耐候
性圧延鋼材（JIS G 3125）および一般構造用炭素鋼鋼管
（JIS G 3444）、一般構造用角形鋼管（JIS G 3466）
（以下周知鋼材と云う）などが広く利用され、これら周
知鋼材の締結には、近時高力六角ボルト（F10T）（JIS
B 1186）、高力トルシア形ボルト（F10T）（JSS II 0
9）（以下単に周知ボルトと云う）などが広く用いられ
ている。

前記周知鋼材および周知ボルトは通常高炉によって得
られた溶鉄を、脱Ｓ、脱Ｐしたのち転炉精練を行い、連
続鋳造もしくは分塊工程において鋼片とし、ついで熱間
塑性加工することにより、所望の特性を備えたものとし
て製品化されるが、本発明における鋼片も同様な生産手
段によって製造する。

さて、各種建造物のうち、特に生活に密着したビルや
事務所および住居などの建造物に前記周知鋼材を用いる
場合は、火災における安全性を確保するため、充分な耐
火被覆を施すことが義務づけられており、建築関係諸法
令では、火災時に鋼材温度が350℃以上にならぬよう規
定している。

つまり、前記周知鋼材は、建造物に使用する場合350
℃程度で耐力が常温時の60〜70％になり、建造物の破壊
を引き起こす恐れがあるため、たとえば、一般構造用圧
延鋼材（JIS G 3101）に規定される形鋼を柱材とする建
造物の例では、その表面にスラグウール、ロックウー
ル、ガラスウール、アスベストなどを基材とする吹き付
け材やフエルトを展着するほか、防火モルタルで包被す
る方法および前記断熱材層の上に、さらに金属薄板即ち
アルミニウムやステンレススチール薄板等で保護する方
法など耐火被覆を入念に施し火災時における熱的損傷に
より該鋼材が載荷力を失うことのないようにして利用す
る。

そのため、鋼材費用に比し耐火被覆施工費が高額にな
り、建設コストが大幅に上昇することを避けることがで
きない。

そこで、構築材として丸あるいは角鋼管を用い、冷却
水が循環するように構成し、火災時における温度上昇を
防止し載荷力を低下させない技術が提案され、ビルの建
設コストの引き下げと利用空間の拡大が図られている。
たとえば、実公昭52−16021号公報には、建築物の上部
に水タンクを置き、中空鋼管からなる柱材に冷却水を供
給する耐火構造建造物が開示されている。

前述のように建造物に周知鋼材を利用する場合、価格
は安いが、高温特性が低いため無被覆や軽被覆で利用す
ることができず割高な耐火被覆を施さねばならないため
建設コストを高くすると共に建造物の利用空間を狭く
し、経済効率を低下させると云う課題があり、一方耐火
性能の向上をねらいとして、中空鋼材を用いて強制冷却
する方法は、構造が複雑になるため設計、施工費に加え
て設備費が嵩むことと保守整備費も高額になると云う課
題がある。また、ステンレススチールに代表されるよう
な周知の耐熱鋼材は価格が非常に高いため、高温特性は
良好であるが、生産技術や施工技術面に加えて経済的な
面で構築材としての利用は非常に困難である。

而して、近時建築物の高層化が進展し、設計技術の向
上とその信頼性の高さから、耐火設計について見直しが
行われ、昭和62年建築物の新耐火設計法が発表されるに
至り、前述の350℃の温度制限によることなく、鋼材の
高温強度と建物に実際に加わっている荷重により耐火被
覆の能力を決定できるようになり、場合によっては無被
覆で鋼材を使用することも可能になった。

しかしながら、耐火性の優れた建築用鋼材として経済
的価格で市場に供給できるような鋼材は現在存在しな
い。

そこで、本発明者等は高温特性が優れ、かつ経済的価
格で市場に供給しうる耐火性の優れた鋼とその製造方法
および前記鋼を加工してなる鋼材およびその製造方法な
らびに耐火性能を付与した鋼材（以下耐熱鋼材と云う）
を開発し、先に出願した。

而して、前記耐熱鋼材は、重量比で、Ｃ 0.04〜0.15
％、Si 0.6％以下、Mn 0.5〜1.6％、Nb 0.005〜0.04
％、Mo 0.4〜0.7％、Al 0.1％以下、Ｎ 0.001〜0.00
6％を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる耐
火性の優れた建築用低降伏比鋼、および重量比で、Ｃ
0.04〜0.15％、Si 0.6％以下、Mn 0.5〜1.6％、Nb
0.005〜0.04％、Mo 0.4〜0.7％、Al 0.1％以下、Ｎ
0.001〜0.006％に加えてTi 0.005〜0.10％、Zr 0.005
〜0.03％、Ｖ 0.005〜0.10％、Ni 0.05〜0.5％、Cu
0.05〜1.0％、Cr 0.05〜1.0％、Ｂ 0.0003〜0.002
％、Ca 0.0005〜0.005％、REM 0.001〜0.02％のうち
１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避不
純物からなる耐火性の優れた建築用低降伏比鋼であっ
て、該鋼材は600℃での高温耐力が常温時の70％以上と
なる鋼材であり、高価な添加元素の量が少なく、かつ耐
火被覆を薄くすることが可能で、さらに火災荷重が小さ
い場合は無被覆で使用することができる極めて経済価値
の高い耐熱鋼材である。

しかして、前述の耐熱鋼材を用いて建造物を構築する
にあたり、前記高力六角ボルト（F10T）（JIS B 118
6）、高力トルシア形ボルト（F10T）（JSS II 09）など
周知ボルトが用いられているが、通常それらの締結部は
耐火性を持たせるため、入念な耐火被覆が施されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 本発明者らは、火災時における鋼材強度について研究
の結果、無被覆使用を目標とした場合、火災時の最高到
達温度が1000℃であることから、鋼材が該温度で常温耐
力の70％以上の耐力を備えるためには、やはり高価な金
属元素を多量に添加せねばならず、経済性を失すること
を知った。

つまり、周知の鋼材費とそれに加え耐火被覆を施工す
る費用以上に鋼材単価が高くなり、そのような鋼材は実
際的に利用することができない。

そこで、さらに研究を進めた結果、前述のように600
℃の高温耐力が常温時の2/3以上となる鋼材が最も経済
的であることをつきとめ、高価な添加元素の量を少なく
し、かつ耐火被覆を薄くすることが可能で、火災荷重が
小さい場合は無被覆で使用することができる前記耐火鋼
材を開発した。

ところで、前記耐火鋼材の長所を十分に発揮させるに
は、常温時、高温時ともに、十分な強度を備えた結合用
のボルトおよびナットが必要であり、かつ、それらボル
トおよびナットは、経済的な多量生産が可能であること
が望ましい。ところで、建築に際して前記耐熱鋼材を締
結するボルトやナットに前述の周知ボルトを利用した場
合、火災時における高温特性が低いために、軽耐火被覆
や無被覆では損傷の起点となり、前記耐熱鋼材の利点を
発揮することができないと云う課題がある。

その点につき、図を用いて、さらに詳細に説明する。

第２図は、横軸に温度（℃）、縦軸に耐力（kgf/m
m²）をとり、母材（JIS G 3106に規定されるSM50A）の
耐力（４％歪み時）および（２％歪み時）と高力ボルト
（JIS B 1186に規定される２種F10Tに適合する日鐵ボル
テン株式会社製高力ボルト商品名Bolten110N（規格N
O））の剪断耐力を比較したグラフであって、500℃を超
えるとSM50AとBolten110Nの耐力低下の著しいことが判
る。

さて、そこで前述のような耐熱鋼材のみを開発して
も、前記Bolten110Nを使用する限り、耐熱鋼材の効果は
発揮できない。それを第３図のグラフに従って説明す
る。

第３図は、横軸に温度（℃）、縦軸に耐力（kgf/m
m²）をとり、母材（前述の耐熱鋼材をSM50A−NFRと略称
し、板厚32mm,12mmの２種を選定する）の耐力（４％歪
み時）および（２％歪み時）と高力ボルト（前述のBolt
en110N）の剪断耐力を比較したグラフであって、500℃
を超えるとSM50A−NFRに比しBolten110Nの耐力低下が著
しくSM50A−NFRの効果が全く発揮できないことが判る。

本発明の目的は、該耐熱鋼材の締結にあたり十分な強
度を備え、かつ火災時における高温特性が高く、前記耐
熱鋼材の特性を発揮せしめ経済的な利用を可能とする特
質を備えた建築用耐熱ボルトおよびナットとそれらの製
造方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は前述の課題を克服し、目的を達成するもの
で、その要旨とするところは次のとおりである。

（１） 重量比で、 Ｃ 0.15〜0.30％、 Si 0.5％以下、 Mn 0.6〜1.50％、 Mo 0.25％以上、0.50％未満、 Cr 0.50〜2.00％、 Al 0.10％以下、 Ｐ 0.05％以下、 Ｓ 0.05％以下 残部がFeおよび不可避不純物からなる建築用耐熱ボル
ト。

（２） 重量比で、 Ｃ 0.15〜0.30％、 Si 0.5％以下、 Mn 0.6〜1.50％、 Mo 0.25％以上、0.50％未満、 Cr 0.50〜2.00％、 Al 0.10％以下、 Ｐ 0.05％以下、 Ｓ 0.05％以下 残部がFeおよび不可避不純物からなる建築用耐熱ナッ
ト。

（３） 重量比で、更に、 Cu 0.20〜0.55％、 Ni 0.01〜0.65％、 Ｖ 0.02〜0.15％、 Ｗ 0.10〜0.30％のうちの１種もしくは２種を含み 残部がFeおよび不可避不純物からなる請求項１記載の
建築用耐熱ボルト。

（４） 重量比で、更に、 Cu 0.20〜0.55％、 Ni 0.01〜0.65％、 Ｖ 0.02〜0.15％、 Ｗ 0.10〜0.30％のうちの１種もしくは２種を含み 残部がFeおよび不可避不純物からなる請求項２記載の
建築用耐熱ナット。

（５） 請求項１あるいは３記載の鋼成分からなる鋼片
を冷間成形、ねじ転造工程によりボルト素材としたのち
810〜950℃の温度領域から液冷急速焼入し、ついで650
〜540℃に再加熱して焼戻すことを特徴とする建築用耐
熱ボルトの製造方法。

（６） 請求項２あるいは４記載の鋼成分からなる鋼片
を熱間成形し、ナット素材としたのち810〜950℃の温度
領域から液冷急速焼入し、ついで700〜600℃に再加熱し
て焼戻ししたのち表面研磨を施し、ついで、ねじ切り加
工することを特徴とする建築用耐熱ナットの製造方法。

（作用） 本発明は、高温時の特性のみならず、常温時の特性も
JSS II 09構造用トルシア形高力ボルトル・六角ナット
に定められた特性を満足する建築用耐熱ボルトおよびナ
ットを提供するものであり、そのための必須の成分元素
と添加量について説明する。

Ｃは、強度確保のために必要な元素であるが、0.15％
以下では強度に不安が生じ、0.30％を超えると加工性が
悪くなって品質的に問題がある。従ってＣ量の上下限が
0.15％〜0.30％となる。

つぎに、Siは脱酸に必要な元素であるが、Siが多くな
ると酸化物による品質欠陥の恐れがあるため、その上限
を0.5％とすることが望ましい。

さらに、Mnは強度、靭性を確保する上で不可欠の元素
であり、0.6％未満では、本発明の目的とする強度が得
られない。しかしMn量が多すぎると加工性が著しく悪く
なって、経済性を失うので、Mn量の上下限は0.6％〜1.5
0％に限定される。

また、Moは0.25％未満では本発明の目的とする高温強
度が発現せず、0.50％以上では加工性に問題が生じて良
好な製品が得られないので、Mo量は0.25％以上、0.50％
未満とする。

さらに、Crについては、強度と焼き入れ性を良くする
ために必要な元素であるが、0.50％未満では効果が薄
い、しかし2.0％をこえると、加工に際して、割れが発
生し易いなど難点が出る。

従って、Cr量は0.50％〜2.0％に限定する。

また、Alは一般に脱酸上鋼に含まれる元素であるが、
Siによっても脱酸は行なわれるので、本発明ではAlにつ
いて下限は限定しない。しかしAl量が多くなると鋼の清
浄度が悪くなり、品質が劣化するので上限を0.1％とし
た。

なお、本発明では、不純物として少量のＰおよびＳを
含有することは差し支え無い。

つまり、ＰおよびＳ量をたとえば0.01％〜0.001％程
度に少なくするには、精練費用が著しく高騰し経済的で
ない。即ちP,Sは高温強度に与える影響が小さいので、
その量について0.05％以下であれば本発明の場合問題が
ないので、ＰおよびＳ量については、それぞれ0.05％以
下とする。

また、前述の基本的成分に加えて、選択的に添加する
元素としてCu 0.20〜0.55％、Ni 0.01〜0.65％、Ｖ
0.02〜0.15％、Ｗ 0.10〜0.30％のうちの１種もしくは
２種以上を添加するが、まずCuは耐候性を高め、材料の
寿命を延長する効果があるものの0.20％以下では添加の
効果が薄く、0.55％を超えると塑性加工に際して赤熱脆
性が生じて加工が困難になる。

つぎに、Niは強度と耐候性向上のため添加するが、0.
01％以下では添加効果が低く、0.65％を超えると冷間塑
性加工性が低下して経済的にも、品質的にも望ましく無
い。しかしCuを添加する場合にはCuによる赤熱脆性を防
止する効果があるので、CuとNiは同時添加が望ましい。

さらに、Ｖは結晶粒の粗大化を防止するとともに、耐
候性を高める効果があるが、0.02％以下では効果が薄
く、また、0.15％を超えると目的に対して経済性が無く
なる。

Ｗは高温における耐力の向上に効果的で、また耐候性
を高めるが0.10％以下では効果が無く、0.30％を超える
と冷間加工性が悪くなり経済性を失する。

以上説明したとおり、本発明では選択的に添加する元
素としてCu,Ni,V,Wを用い、経済性を考慮してそれぞれ
の１種もしくは２種以上を適宜に添加するが、いずれも
高値な元素であるため、本発明の目的とする特性を満足
する限度において、少量の添加が望ましい。

さて、本発明鋼（ボルト用）の基本的成分は前述のと
おりで、本発明の目的を達成できることを下記第１表に
示す比較鋼との対比に従って説明する。

第１表に示す比較鋼は、Moを含有していないため、60
0℃における高温度領域において、本発明鋼の耐力（kgf
/mm²）が35.8前後の価を有するのに比して14.8程度と低
く、さらに、同様に600℃における高温度領域におい
て、本発明鋼が引張強さ（kgf/mm²）49.8程度であり、
伸び（％）も27程度の価を有するのに対して、比較鋼の
それは29.3および58前後の価を示し、本発明鋼が高温度
領域で十分な強度を備えているのに対して、周知のボル
トに用いられている比較鋼は高温度での強度が低く、本
発明のような用途には全く利用することができない。

さらに、本発明鋼（ナット用）について、その基本的
成分を下記第２表に示す比較鋼との対比に従って説明す
る。

前記第２表に示す比較鋼の高温度領域おける機械的特
性も、第１表の場合と同様に本発明鋼に比して、著しく
低く本発明のような用途には利用することができないき
ことが判明した。

さて、本発明の建築用耐熱ボルトおよびナットは、前
述の特性を有するので、前記耐熱鋼材SM50A−NFRの利用
と相埃って相乗効果を十分に発揮することが可能であ
る。

それを、以下図面に従って説明する。

第１図は、横軸に温度（℃）、縦軸に耐力（kgf/m
m²）をとり、母材（前述の耐熱鋼材をSM50A−NFRと略称
し、板厚32mm,12mmの２種を選定する）の耐力（４％歪
み時）および（２％歪み時）と本発明にかかる高力ボル
ト（Bolten110N−FRと略称する）の剪断耐力（第１図〜
第３図のグラフでは設計時の母材許容応力度／高力ボル
ト許容剪断応力度［摩擦接合］を考慮した値とし1.46倍
して表示している）を比較したグラフであって、常温時
は勿論のこと500℃を超え700℃までSM50A−NFRとBolten
110N−FRの耐力は著しく高く、SM50A−NFRとBolten110N
−FRの相乗効果により目的の１つとする耐熱鉄骨構造物
が具現化できることは明白である。

第３表に前記高力ボルトBolten110N−FRとBolten110N
につき剪断強度（kgf/mm²）を温度別に表示した。

前記第１図〜第３図および第３表〜第５表からも明ら
かなように、耐熱鋼材SM50A−NFRとBolten110Nとの組み
合わせでは、高温領域においてボルトが切断し、SM50A
とBolten110Nとの組み合わせでは、母材が高温に耐え切
れず、SM50A−NFRとBolten110N−FRの組み合わせのみ
が、建築物の耐火性能を保証する。

つぎに、本発明にかかる建築用耐熱ボルトBolten110N
−FRとナットの製造方法について、説明する。

さて、本発明においても、周知ボルトの製造方法と同
様に、本発明の目的に適合した成分組成を有する耐熱鋼
材を冷間成形したのち、ねじ転造工程によりボルト素材
とし、ついで変態点以上の高温域に加熱し、急速焼入し
たあと、焼き戻す方法を採用するが、本発明では水もし
くは油冷（液冷と略称する）において焼入開始温度を81
0〜950℃に限定するものであり、その理由は目的とする
機械的特性即ち硬さ及び強度を付与するためで、810℃
未満では準安定相が得られず、950℃を超えると靭性及
び粘性において不安が生ずるためである。

また、前記焼入後650〜540℃に再加熱して焼き戻す手
段を採用するのは、焼入によって生じた準安定相を安定
相に変化させ、変形や割れの発生を防ぎ、目的とする強
靭性を付与するためで、650℃を超える温度では割れ発
生の懸念があり、540℃未満では強靭性に欠ける恐れが
多いためである。

つぎに、本発明に関する耐熱ナットの製造方法である
が、本発明においても、周知ナットの製造方法は同様
に、本発明の目的に適合した成分組成を有する耐熱鋼材
を熱間成形したのち、変態点以上の高温域に加熱し、急
速焼入したあと、焼き戻しを行い、さらに表面研磨を施
し、ついで機械的な方法でねじ切りを行う方法を採用す
るが、本発明では液冷において焼入開始温度を810〜950
℃に限定するものであり、その理由は耐熱ボルトと同様
目的とする機械的特性即ち硬さ及び強度を付与するため
で、810℃未満では準安定相が得られず、950℃を超える
と靭性及び粘りにおいて不安が生ずるためである。

また、焼戻温度を700〜600℃に限定する理由は、700
℃を超える温度では硬度が高くなりすぎて、割れ発生の
懸念があり、600℃未満では強靭性と粘りに欠ける製品
となる恐れが多いためである。

（実 施 例） つぎに、本発明にかかる熱処理と機械的特性を、比較
例と対比して下記第６表、第７表（常温特性）に示す。

なお、試験片はJISZ2201に規定する４号試験片を用
い、製品の引張試験における引張強さは、引張荷重をね
じの有効断面積で除した値である。

なお、第６表、第７表における鋼種は第１表に記載し
た鋼と同一のものである。

さらに、第８表においてボルトの高温時（600℃）の
機械的特性比較を示し、 また、第９表に本発明にかかるナットと比較例ナット
の高温時（600℃）における機械的特性比較を示す。

第７表〜第９表から明らかなように、本発明にかかる
耐熱ボルトおよびナットは高温時の特性が良好であるの
みならず、常温時の特性も優れており、建築用として、
優れた特質を備えている。

即ち、周知の高力六角ボルト（F10T）（JIS B 1186）
や高力トルシヤ形ボルト（F10T）（JSS II 09）と同様
に利用できるほか前述のとおり、該周知ボルトに無い高
温時耐力を備えており、しかも製造方法も経済的で周知
ボルトに比しコストは高くならない利点を有する。

さて、つぎに本発明における実施例鋼種を第10表に、
また第11表に各温度域における機械的特性（0.2％歪）
の例を示す。

（発明の効果） 本発明の建築用耐熱ボルトおよびナットは、前述のよ
うに高温特性が非常に優れており、また常温特性も極め
て良好であるため、耐熱鋼材を素材とする各種形鋼およ
び管材や棒鋼などの鋼鉄建築材の耐火性能を補完し、そ
の利点を十分に発揮させることが可能である。

また、製造方法も経済的で、従来法に比して、格別の
コスト高にならないため、実用効果が著しく高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は耐熱鋼材からなる母材の耐力と本発明にかかる
高力ボルトの剪断耐力を比較した、第２図は従来鋼を素
材とする母材の耐力と高力ボルトの剪断耐力を比較した
グラフ、第３図は耐熱鋼材からなる母材の耐力と高力ボ
ルトの剪断耐力を比較したグラフである。

フロントページの続き (72)発明者 長谷川 隆三 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株 式會社君津製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭60−155644（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−34306（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭36−508（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭54−41982（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比で、 Ｃ 0.15〜0.30％、 Si 0.5％以下、 Mn 0.6〜1.50％、 Mo 0.25％以上、0.50％未満、 Cr 0.50〜2.00％、 Al 0.10％以下、 Ｐ 0.05％以下、 Ｓ 0.05％以下 残部がFeおよび不可避不純物からなる建築用耐熱ボル
   ト。
2. 【請求項２】重量比で、 Ｃ 0.15〜0.30％、 Si 0.5％以下、 Mn 0.6〜1.50％、 Mo 0.25％以上、0.50％未満、 Cr 0.50〜2.00％、 Al 0.10％以下、 Ｐ 0.05％以下、 Ｓ 0.05％以下 残部がFeおよび不可避不純物からなる建築用耐熱ナッ
   ト。
3. 【請求項３】重量比で、更に、 Cu 0.20〜0.55％、 Ni 0.01〜0.65％、 Ｖ 0.02〜0.15％、 Ｗ 0.10〜0.30％のうちの１種もしくは２種を含み 残部がFeおよび不可避不純物からなる請求項１記載の建
   築用耐熱ボルト。
4. 【請求項４】重量比で、更に、 Cu 0.20〜0.55％、 Ni 0.01〜0.65％、 Ｖ 0.02〜0.15％、 Ｗ 0.10〜0.30％のうちの１種もしくは２種を含み 残部がFeおよび不可避不純物からなる請求項２記載の建
   築用耐熱ナット。
5. 【請求項５】請求項１あるいは３記載の鋼成分からなる
   鋼片を冷間成形、ねじ転造工程によりボルト素材とした
   のち810〜950℃の温度領域から液冷急速焼入し、ついで
   650〜540℃に再加熱して焼戻すことを特徴とする建築用
   耐熱ボルトの製造方法。
6. 【請求項６】請求項２あるいは４記載の鋼成分からなる
   鋼片を熱間成形し、ナット素材としたのち810〜950℃の
   温度領域から液冷急速焼入し、ついで700〜600℃に再加
   熱して焼戻ししたのち表面研磨を施し、ついで、ねじ切
   り加工することを特徴とする建築用耐熱ナットの製造方
   法。