JP2838134B2 - ステンレス鋼製のｔ頭ボルトの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＴ頭ボルト、特に腐食性
環境で使用されるＴ頭ボルトに係る。

【０００２】

【従来の技術】周知のようにＴ頭ボルトは装置、構築
物、管路などの種々の部材を継合したり組み立てたりす
る場合に広く適用されている。たとえば地中に埋設する
水道用の管路を形成するためにダクタイル鋳鉄管を継合
するときに、鋳鉄管の受口へ差口を嵌入して押輪を外嵌
してＴ頭ボルトで締結する場合などが挙げられる。通
常、このようなときに使用されてきたのはダクタイル鋳
鉄製のＴ頭ボルトであり、たとえばその形状はほぼ完全
なＴ字形よりなり、Ｔ字形の頭部の軸へ雄ねじを螺刻
し、頭部の水平部でフランジ面を押圧して均等に締結し
ている。

【０００３】しかし、Ｔ頭ボルトの使用される箇所が腐
食性環境である場合など、材質的にダクタイル鋳鉄では
長い期間の使用に耐えられないことがよく生じる。たと
えば化学工場内外における配管などがその典型的な例で
あるが、地中に埋設する水道用管路でも従来からダクタ
イル鋳鉄製のＴ頭ボルトを使用するためには、厳重な防
食塗装を施さなければならなかった。このような防食手
段を講じても何かの原因で塗料が剥離すれば材料本来の
耐食性しか期待できないから、地中にあって簡単に取り
替え処理のできない管路の継合部で使用するときには、
事前に厳しいチェックが必要である。この点を配慮して
ステンレス鋼製のＴ頭ボルトを適用することが始めら
れ、耐食性に主眼点をおいて種々の分野で実用化される
ようになっている。

【０００４】ステンレス鋼のＴ頭ボルトはダクタイル鋳
鉄製のＴ頭ボルトとは異なり鍛造成形によって製造され
る。ステンレス鋼でも鋳造法による鋳鋼品はあるが、鍛
造に比べると生産性がかなり低く、また、鋳造性を高め
るために比較的高くＣ％をあげると、耐食性の点で問題
が生じることがある。その点、ステンレス鋼の棒材を金
型内で鍛造すれば能率よく同一形状のＴ頭ボルトを量産
することができるので通常は鍛造プレスによる連続成形
が主体となっている。

【０００５】この場合にステンレス鋼の材質としては、
代表的なステンレス鋼とされるＪＩＳ規格のＳＵＳ３０
４（オーステナイト相）、またはＳＵＳ４０３（マルテ
ンサイト相）を選び、この棒材を１０００℃以上に加熱
炉で昇温して通常はトランスファープレスなどで多工程
の熱間鍛造を行ない所望の形状に仕上げている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】先に述べたように代表
的なステンレス鋼の鍛造成形ではその成形性を極力高め
るために熱間鍛造によることが慣用化されている。仮に
冷間で成形するときには材質的に成形性が不十分である
ために、少しでも許容成形率の限度を超えると材質的に
耐えることができないので、亀裂が生じたり寸法的に必
要な精度が満たされないという課題に直面するのであ
る。この課題をさらに深刻にする要素として、従来のス
テンレス鋼製のＴ頭ボルト、たとえばＳＵＳ３０４など
は成形抵抗が大きいから、冷間で塑性変形するためには
大きな変形応力を必要とするので、この塑性変形に伴っ
ていわゆる加工誘起変態が生じて、オーステナイト相が
マルテンサイト相に変態して、本来保有している耐食性
を大幅に劣化させるというオーステナイト系ステンレス
鋼特有の性質が拍車をかける懸念が高い。

【０００７】このように鍛造プレスによるＴ頭ボルト成
形を熱間で行なうときには、材料は少なくとも約１００
０℃に加熱して鍛造するから、加熱設備が必要であるだ
けでなく、その燃料費、作業費が嵩むのは当然であるう
え、素材の加熱作業も搬送、鍛造作業などすべてが厳し
い高熱作業であり、作業環境や労働安全面で好ましくな
い状態であることはいうまでもない。

【０００８】Ｔ頭ボルトの成形を１０００℃以上の高温
に加熱して行なうと、製品の表面上には必ずスケールが
残り、このままでは製品価値が認められないから、スケ
ール落しのためにサンドブラストやショットブラストを
かけるという煩瑣な後工程が必ず伴う経済的な不利益の
あることも課題の一つである。この技術分野では熱間鍛
造に限られる不利益を改善するために種々の技術開発と
研究とを重ね、１３Ｃｒ型のフェライト系ステンレス鋼
を材料に冷間鍛造によってＴ頭ボルトを成形した特開昭
６３−４５３２０号公報もあるが、フェライト系ステン
レス鋼はＳＵＳ４３０でも代表されるように、冷間塑性
変形能力が大きいからＴ頭ボルトを成形すること自体に
それほどの困難さは考えられないし、オーステナイト系
ステンレス鋼に比べて格段に耐食性が低下するから本発
明が直面する課題の解決には至っていない。

【０００９】さらに鍛造成形の別の課題として、従来の
代表的なステンレス鋼の材質では成形性が不十分である
から、製品の寸法精度を確保するために金型間に遊びを
もたせて成形時に余肉をバリとして張り出させ、後にト
リミングしてバリを取り去るという工程を免れない点も
ある。前記の従来技術で示した製造方法では、図４のよ
うに、スライドに取り付けた上ダイホルダー２ａに嵌め
込んだポンチ２１ａと、ベッドに取り付けた下ダイホル
ダー３ａに嵌め込んだダイ３１ａとの間に図、の段
階では若干の逃げ（隙間）Ｓを設けているので、Ｔ形頭
部が成形された後にはのような薄いバリＴが展出す
る。これもそのままでは製品価値が認められないから
の最終段階でパンチ１０１と受台１０２の間でバリＴを
切除するというトリミング工程が必要となる。このトリ
ミング工程を材料の状態から示すと図５（Ａ）（Ｂ）の
ように生じたバリＴをトリミングして図６（Ａ）（Ｂ）
のように製品であるＴ頭ボルトとバリ取り後の抜き殻の
二つに切り離すのである。

【００１０】一方この点に関して特開平１−９９７４０
号公報で提示された従来技術では、六角ボルトの冷間鍛
造を対象とし、図７に引用したように六角形の頭部寸法
の精度を上げるために第三工程の同図（ｄ）において頭
部頂面を部分的に凹ませて、外形の鋭いコーナに張り出
す手法を採り、当然、この凹みＰを修正して平坦とする
最終工程の同図（ｅ）が必須の要件となる。すなわち引
用例１のバリの張り出しはないものの、凹みＰを作って
精度を上げるという逆転した手順が条件となる。

【００１１】一方では、ステンレス鋼製Ｔ頭ボルトの採
用は耐食性の向上を目的として出発したことは言うまで
もないが、近年装置の合理化やハイテクノロジーの発達
によってその使用条件は益々苛酷さを増し、材料に対す
る要求も通常のステンレス鋼では、なお満足が得られな
いという厳しい内容となりつつある。各種の腐食性環境
における耐用期間の延長はさらに強く求められるように
なり、ダクタイル鋳鉄に比べて優位を誇っていたステン
レス鋼といえども、よりレベルの高い耐食性を要求され
る現在である。これは、従来のステンレス鋼性のＴ頭ボ
ルト、たとえばＳＵＳ３０４などでは尚、不満足であ
り、一層の耐食性向上を求める需要家の声も高まる一方
にあるという場合が頻発している。オーステナイト系ス
テンレス鋼のうち、特に成形性に優れた材質としてＳＵ
ＳＸＭ７が規定され、これをモディファイした幾つかの
従来技術、たとえば特開昭６３−６０２５９号公報や特
開昭５０−１６０１１９号公報もあるが、いずれも六角
ボルトの冷間鍛造が可能であるとしても、ほとんど倍近
い変形量を必要とするＴ頭ボルトの冷間鍛造が可能かき
わめて疑問が残る。

【００１２】本発明は以上に述べた課題を解決するため
に、次に列挙するすべての条件を満足する技術的手段の
提供を目的とする。すなわち、 オーステナイト系ステンレス鋼による高変形率のＴ頭
ボルトであること、 冷間（または少なくとも３００℃以下の温間）鍛造に
よって成形すること、 他のオーステナイト系ステンレス鋼に比べて一段と成
形後の耐食性が高いこと、すなわち加工誘起変態が少な
いこと、 成形後のバリ発生がなくバリ切除の痕跡の残らない平
滑面に全面仕上げること、このように 製品価値の高い外
観を有するＴ頭ボルトを需要者側へ、また、従来に比べ
てはるかに低廉な製造費で成形する手段を製造者側へそ
れぞれ提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るステンレス
鋼製のＴ頭ボルトの製造方法は、Ｃ：０．０６％以下、
Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：
８．００〜１５．００％、Ｃｒ：１７．００〜２０．０
０、Ｃｕ：３．００〜４．００％、残りＦｅよりなるオ
ーステナイト系ステンレス鋼素材を冷間または少なくと
も３００℃以下の温熱域で軸径に対するＴ形頭部の最大
長さが少なくとも２３８％を越える高割合で形成された
特殊形状よりなるＴ頭ボルトの最終形状を転写して凹設
した鍛造プレスのダイ凹部内へ嵌入し、下降する長方形
のポンチ先端がダイ凹部内で素材を押圧成形しつつダイ
上面よりさらに凹部内へ進入して、寸法精度の高いＴ型
頭部を完全成形し、鍛造プレスによる成形時のバリ切除
痕跡の残らない平滑面に全表面を成形することによって
前記の課題を解決した。

【００１４】

【作用】図３は本発明の作用のうち、材料を冷間で加工
したときの加工率と変形応力の関係をプロットした図表
である。図において縦軸は変形応力（Ｋｇｆ／ｍ
ｍ^２）、横軸は圧縮率（％）を表わし、実線が比較例で
あるＳＵＳ３０４の描く曲線であり、斜線で囲んだ範囲
が本発明の実施例を纏めて表示したものである。この図
表からも本発明の材質が、従来、代表的に採択されてき
たステンレス鋼と比べて遙かに変形抵抗が小さく、同じ
応力であればより大きな変形率が得られるという特性を
知ることができる。この結果、本発明に係るステンレス
鋼の材質であれば、従来には困難であったＴ頭ボルトの
冷間鍛造が容易に実施できる根拠となった。

【００１５】本発明の材質的な特徴はＮｉ％とＣｕ％の
成分限定にある。Ｎｉ％の下限はＳＵＳ３０４と同様に
８．００としているが、Ｎｉ％が増加するにつれてオー
ステナイト相の安定化が進み成形性と耐食性の向上も促
進されるものの、１５．００％を超えると強度の低下が
顕著となり、高価なＮｉの添加効果が伴わなくなるの
で、この範囲を超えないことが要件となる。また、Ｃｕ
％についてはＣｕの添加は材料の成形性を向上する上で
きわめて有効であるが、たとえ配合してもＣｕ：３．０
０％以下の場合であってＮｉが８％台の低いレベルに留
まったときには、必ずしもＴ頭ボルトの苛酷な冷間鍛造
に耐え切れるか保証できるとも限らない。しかし、その
効果も４．００％を超えると飽和状態に達し、また、Ｔ
頭ボルト用の素材である棒材を成形する一次の熱間鍛造
する上で逆に困難となる懸念が高いので４．００％を上
限と定める。

【００１６】この材料独自の成形性を活用してステンレ
ス鋼を材料とした独特の鍛造成形の方法を可能とする。
すなわち、既に述べたように従来、最も慣用化されて製
造されてきたＳＵＳ３０４などでは成形性が不十分であ
るため、寸法精度の高い製品を成形するために図４で示
したように金型間に僅かな隙間を設けてバリを意識的に
生じさせ、その後にそのバリを切除するという工程を別
に設けて仕上げざるを得なかった。しかし、本発明の場
合には図３のように一般的にその成形性は従来の１．５
倍程度は見込めるから、バリを設けて寸法精度を維持す
る必要がなくなり、最終段階のバリ切除の工程も不必要
となる。また、製品の外観上ではバリを切除した痕跡が
なく平滑で美麗な表面だけで生成されるから、製品価値
が高く他のＴ頭ボルトと比べると明らかに識別され得る
という作用を発現する。また、図７の従来技術のように
六角形の頭部形状の精度を上げるために、凹みＰを押圧
成形して側面のシャープな稜線まで張り出す必要がな
く、本発明の図１のように直接ダイ内へポンチ頭部を押
し込んで一挙に最終形状に達する簡便さに比べると著し
い差がある。この差は本発明がＴ頭ボルトの頭部形状、
特に各陵線における面取り（アール面）によって鍛造成
形時の組織のフロー（流れ）がスムースで所定の金型形
状に容易にマッチングする利点をフルに活用した成果で
あり、製造上の大きなメリットをもたらす原因となって
いる。

【００１７】

【実施例】図２各図は本発明実施例の三面図である。こ
のＴ頭ボルト１の呼び径は２０ｍｍ（ＪＩＳのＭ２０タ
イプ）であり、その頭部１１の長さは５５ｍｍ、軸１２
の長さは９０ｍｍ、軸外周面上の雄ねじ１３の範囲は６
０ｍｍである。このＴ頭ボルトを成形するのに本発明の
実施例として、化学成分がＣ：０．０３６％、Ｓｉ０．
２５％、Ｍｎ：０．６３％、Ｐ：０．０３９％、Ｓ：
０．００２％、Ｎｉ：９．９９％、Ｃｒ：１７．９９
％、Ｃｕ：３．０１％、残りＦｅよりなるオーステナイ
ト系ステンレス鋼を素材として冷間鍛造によって成形し
た。また、比較のために全く同一の寸法、形状で材質が
従来からのＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４０３を従来どおり熱
間鍛造で成形した比較例とした。

【００１８】成形性の試験として、比較例の化学成分が
Ｃ：０．０５％、Ｓｉ０．３０％、Ｍｎ：１．６０％、
Ｐ：０．０３９％、Ｓ：０．００５％、Ｎｉ：８．３０
％、Ｃｒ：１８．２０％、残りＦｅよりなるオーステナ
イト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を素材として冷間鍛造
したところ、材料の加工硬化が著しく頭部と軸の境界線
付近に亀裂を生じ良品を得ることができなかった。

【００１９】つぎに同一条件（試験日数１５０日）で本
発明実施例と比較例とに腐食試験を実施し、その結果を
纏めたものが表１である。

【００２０】

【表１】

【００２１】この表で例示されるように各種の腐食性環
境において、本発明実施例は他のステンレス鋼製品に比
べて明らかに高い耐食性を実証していて、冷間で成形し
ているにも拘らず、加工誘起変態が発生せず透磁率の低
下が殆ど見られない点と大きな相関があると解釈でき
る。

【００２２】図１は本発明の実施例における鍛造プレス
による成形の状態を例示したものである。図において、
上ダイホルダー２へ嵌合されたポンチ２１は上下のダイ
ホルダーが当接する基準面Ｐよりも突出した先端２２を
有し、両ダイホルダーが合致したときに先端は下ダイホ
ルダー３に嵌合したダイ３１の凹部の内部にまで進入す
る。すなわち、ダイ３１の凹部内へ填め込まれた素材Ｗ
は凹部内でポンチの押圧を受け、その優れた成形性を発
揮して凹部の形状を転写した正確な形状に塑性変形する
ことができ、バリの生じる余地がない。このことが従来
の後工程であるバリ切除を不要とし、材料の歩留り率を
大幅に向上することはいうまでもない。なお、冷間加工
後に結晶組織の調整のために溶体化処理を加える高低を
付加する場合もある。尤もダイ凹部内までポンチ先端を
嵌入して正確な塑性変形を行なうこと自体は公知技術で
あり、たとえば特開昭４９−６３５１号、特開昭５２−
９６１３号など相当数の公開公報も認められるところで
あるが、何れも正方形、六角形などの角頭ボルトやリベ
ットに限られ、材質も特定しないか、またはＴｉ− Ｎｂ
合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金に特定するなど、難成形性のオー
ステナイト系ステンレス鋼とは無縁の存在でしかない。

【００２３】

【発明の効果】本発明は以上に述べたとおり、目立ちや
すいバリ切除の痕跡が残っていないので平滑で美麗な表
面からなり、他の同種製品と見比べると遙かに抜きん出
た商品価値の高い外観を顕示している。製造上は冷間鍛
造によって成形されるから、熱設備の使用による熱源の
費用やその操業費が不要となるうえ、成形時のバリ切除
工程の省略、成形後のスケール落しの省略など、その工
程節減による生産性の向上、原価低減が大幅に実現する
効果が得られる。また、従来の冷間鍛造によるステンレ
ス鋼製のボルト製造方法に比べ、Ｔ頭ボルトという形状
上での特徴を１００％活用し、簡略化した成形手順で最
終の形状を高精度で一挙に成形し、そのためにもたらさ
れる品質上、経済上の効果はまことに顕著な点が特に評
価されて然るベきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す縦断正面図である。

【図２】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）によって本発明のＴ頭ボル
トの三面図を示す。

【図３】本発明と従来技術の成形性を表示した図表であ
る。

【図４】従来技術の成形に使用される鍛造プレスの要部
縦断正面図である。

【図５】（Ａ）（Ｂ）によって従来技術の成形直後の平
面図と正面図を示す。

【図６】（Ａ）（Ｂ）によって従来技術のバリ切除によ
って分離したバリと製品の平面図を示す。

【図７】別の従来技術の成形手順を纏めて示す縦断正面
図（Ａ）と各段階における素材の変形の進行を並べて示
す半断面正面図（Ｂ）である。

【符号の説明】

１ Ｔ頭ボルト ２ 上ダイホルダー ３ 下ダイホルダー １１ 頭部 １２ 軸 １３ 雄ねじ ２１ ポンチ ３１ ダイ Ｐ 基準面 Ｗ 素材 Ｔ バリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深川 悟 大阪府岸和田市臨海町20番地−２ 日新 ステンレス株式会社岸和田工場内 (72)発明者 黒田 四男 大阪府岸和田市臨海町20番地−２ 日新 ステンレス株式会社岸和田工場内 (56)参考文献 特開 昭63−45320（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−99740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−60259（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−160119（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−117815（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−6351（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−9613（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−245937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−128674（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16B 35/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステンレス鋼製のＴ頭ボルトの製造方法
   において、重量％にしてＣ：０．０６％以下、Ｐ：０．
   ０４５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：８．００〜
   １５．００％、Ｃｒ：１７．００〜２０．００、Ｃｕ：
   ３．００〜４．００％、残りＦｅよりなるオーステナイ
   ト系ステンレス鋼素材を冷間または少なくとも３００℃
   以下の温熱域で、軸径に対するＴ形頭部の最大長さが少
   なくとも２３８％を越える高割合で形成された特殊形状
   からなるＴ頭ボルトの最終形状を転写して凹設した鍛造
   プレスのダイ凹部内へ嵌入し、下降する長方形のポンチ
   先端表面がダイ凹部内で素材を押圧成形しつつダイ上面
   よりさらに凹部内へ進入して、寸法精度の高いＴ型頭部
   を完全成形し、鍛造プレスによる成形時のバリ切除痕跡
   の残らない平滑面に全表面を成形することを特徴とする
   ステンレス鋼製のＴ頭ボルトの製造方法。