JP2946274B2 - オーステナイト系ステンレス鋼製のｔ頭ボルトおよびその製造方法 - 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（オーステナイト系）、またはＳＵＳ４０３（マルテ
ンサイト系）を選び、この棒材を1000℃以上に加熱炉で
昇温して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
テンレス鋼性のＴ頭ボルト、たとえばＳＵＳ３０４など
は冷間における変形抵抗が大きいから、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1000℃
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頭ボルトの成形を冷間または、少なくと
も温間で行なえば多くの利点があるにも拘らず、なおそ
の実施を阻んでいる主要な要素の一つに前記の冷間成形
による内部応力が残存するために、加工誘起変態を発生
して耐食性を極端に低下させたり、長期に製品を使用し
ている間にオーステナイト系ステンレス鋼独特の腐食現
象である応力腐食割れや孔食が進行して、遂に製品の寿
命を断つに至ることが挙げられる。応力腐食割れは内部
応力の残存する状態で特にハロゲンを含む熱水に遭遇し
た場合に起こりやすく、僅かの残留応力と僅かの塩素イ
オンの存在でも発生することがある。また、孔食は特定
の小範囲の不動態が破壊されて腐食が進行する現象であ
り、やはり塩素などハロゲンイオンの存在が原因となる
ことが多い。孔食には液の停滞、腐食生成物、異物の堆
積、など多くの因子が働くので予想を超える大きな被害
を生むことがあると言われている。

【０００９】内部応力を除去するためにはステンレス鋼
の多くに実施している1000℃付近からの溶体化処理が最
も慣用化された手段である。この熱処理によって内部に
温存された加工変形時の応力は消滅し、成形時に流れた
結晶の方向性も再結晶によってオーステナイト系では加
工履歴により粒度が変わるので是正された結晶構造とな
るから、耐食性が格段に向上し耐用期間を延長する効果
の得られることはいうまでもない。

【００１０】しかし、この溶体化処理が冷間加工によっ
て得られた材料強度をかなり低下させる要因であること
も否定できない。溶体化処理したオーステナイト系ステ
ンレス鋼の耐力はマルテンサイト系ステンレス鋼や一般
のフェライト鋼に比べて著しく低いのが特徴であり、特
に引張り強さに比べて耐力が際立って低いという特性が
目立つ。冷間または少なくとも温間で成形して強度が構
造材として適正なレベルに達しても、そのままでは前記
の内部応力に起因するステンレス鋼独特の腐食の可能性
が懸念されるし、この懸念を取り除くために応力除去の
熱処理を加えると構造上不安要因となる強度の低下、特
に降伏点の著しい低下を誘発する結果となる。降伏点の
低下は成形時には有利に作用するが、最終製品としては
使用中には気掛りな弱点を内蔵することは疑問の余地が
ないところである。

【００１１】さらにオーステナイト系ステンレス鋼の特
定の用途に一層合致できるように、広義における強度を
高めたり、耐食性を向上したり、成形性を上げるために
ＣｕやＮを添加する技術自体も多く試みられ、その一部
はＡＩＳＩ，ＪＩＳなどに規格化されている通り公知で
あることも事実である。たとえば 特開昭５２−００７３１７号公報 特開昭５８−１１７８６０号公報 特開昭５６−１６９７５６号公報 特公昭５１−０２０２８８号公報 などがそれに該当するが、何れも特定の用途に対応した
特定の性質に焦点を合せた技術であり、結果的には相互
に重なり合った成分範囲があるとしても、独立して評価
されるところに金属材料の特徴がある。たとえば、従来
技術は圧造の向上を求めてＣｕ：０．３〜３．５、
Ｎ：０．１２〜０．２５を添加し、従来技術はＣｕ：
０．３〜３．５、Ｎ：０．０５〜０．４０を添加して耐
塩化物応力腐食割れの向上を図り、従来技術ではＣ
ｕ：０．５〜２．０、Ｎ：０．０３〜０．０８を添加し
て冷鍛用非磁性の向上を図り、従来技術ではＣｕ：
１．０〜３．５、Ｎ：０．１２〜０．２５を添加してボ
ルト・ナットを冷間成形可能としたと謳っている。しか
し、これら従来技術の成分範囲、とくにＮに関する請求
範囲は極めて広く、かつ、相互に重複しているけれど、
実質的には実施例でサポートされる範囲は極めて限ら
れ、本発明が主目的とするＴ頭ボルトのように成形圧縮
率が通常の六角ボルト・ナットに比べて遙かに大きい
（約１．７倍）特定製品を冷間または温間鍛造した上、
さらに強度と耐食性を具えるための最適の成分範囲が欠
落していると言わざるを得ない。 本発明は以上に述べた
課題を解決するために、冷間成形が可能なオーステナイ
ト系ステンレス鋼を材質とし、かつ当該材質特有の腐食
に対する抵抗性が高く、しかも構造材の一部を担って強
度的にも信頼できる水準に達したＴ頭ボルトとその製造
方法の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るオーステナ
イト系ステンレス鋼製のＴ頭ボルトは、Ｃ：0.06％以
下、Ｓｉ：0.60％以下、Ｍｎ：2.00％以下、Ｐ：0.045
％以下、Ｓ：0.03％以下、Ｎｉ：8.00〜12.00％、Ｃ
ｒ：17.00〜20.00％、Ｃｕ：1.20〜1.50％、Ｎ：0.07〜
0.12％、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℃以下の温熱域で鍛
造し、成形後に溶体化処理を行なって、高い耐食性と向
上した耐力を両立して具えることによって前記の課題を
解決した。

【００１３】

【００１４】

【作用】図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/mm²）、横軸は
圧縮率（％）を表わし、実線が比較例であるＳＵＳ３０
４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
と比べて遥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。冷間における成形性の向上は、主としてＣｕの作用
に負うところが大きいが、Ｎは強度と硬度を増進する作
用があるから、両成分のバランスのとれた共存が本発明
の重要な要件となる。本発明の成分限定内に含まれる限
り、図で認識できるように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Ｃｕ％とＮ％の成
分バランスにある。Ｃｕ％はその添加が材料の成形性を
向上する上できわめて有効であるが、1.00％を超えなけ
ればその効果が目的どおりには発揮できない。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
が困難となるから4.00％を上限と定める。

【００１６】これに対してＮ％をある比率で配合するこ
とは、Ｃｕと同様にオーステナイト相の安定に有効であ
るだけでなく、よく知られているように結晶粒の微細化
の他、オーステナイト系ステンレス鋼の課題である低降
伏点の向上に大きな貢献を果す作用が認められている。
Ｎは侵入型に母相に固溶し強力にオーステナイト相を生
成する。通常ステンレス鋼の溶解用材料（スクラップ、
合金鉄）や溶解炉の耐火物などからも自然的に０．０１
〜０．０２％が入り込み、前記の諸作用を行なって材質
の改善に有効であるが、本発明では意図的に０．０７〜
０．１２％配合して母相の基本的強度を向上し、内部応
力除去の熱処理に伴う耐力の低下を補完したものであ
る。配合されたＮはＣ、Ｃｒなどの成分と窒化物や炭窒
化物を形成して基地中でクラスタ状となり転位を固定
し、またＣの拡散速度を遅らせて腐食の一因である析出
炭化物の凝集を抑制する。すなわちＮはＣとは違って降
伏点を向上するにも拘らず耐食性を維持するから、本発
明の目的に叶う作用を発揮できるのである。Ｎの添加は
オーステナイト系ステンレス鋼においてＮｉの代替成分
として相当量添加する従来技術が報告されてはいるもの
の、本発明の対象はＴ頭ボルトであり、この目的に絞っ
て実験した結果では、Ｎ添加の効果が顕著に現われるに
は０．０７％が必要であるが、０．１２％を越えると、
冷間時の成形性が低下し冷間または低い温間におけるＴ
頭ボルト成形の鍛造がＣｕの適正な配合が伴ったときで
も、欠陥のない信頼性の高い作業は最早困難であること
が確かめられたので上限とした。

【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90
mm、軸外周面上の雄ねじ13の範囲は60mmである。このＴ
頭ボルトを成形するのに本発明の実施例１として、化学
成分がＣ：0.05％、Ｓｉ：0.56％、Ｍｎ：1.59％、Ｐ：
0.030％、Ｓ：0.002％、Ｎｉ：8.70％、Ｃｒ：18.50
％、Ｃｕ：1.40％、Ｎ：0.078％、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、さらに1000℃にて溶体化処理を施した。ま
た、実施例２として、化学成分がＣ：0.06％、Ｓｉ：0.
44％、Ｍｎ：1.67％、Ｐ：0.007％、Ｓ：0.004％、Ｎ
ｉ：8.80％、Ｃｒ：18.70％、Ｃｕ：1.32％、Ｎ：0.115
％、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 200℃での温間にて実施例１と同様の形状の
Ｔ頭ボルトを形成し、さらに1000℃にて溶体化処理を施
した。また、全く同一の寸法、形状で、化学成分がＣ：
0.06％、Ｓｉ0.50％、Ｍｎ：1.01％、Ｐ：0.032％、
Ｓ：0.005％、Ｎｉ：8.19％、Ｃｒ：18.38％、Ｃｕ：1.
50％、Ｎ：0.03％、残りＦｅよりなるオーステナイト系
ステンレス鋼で本発明の限定範囲外のＣｕ：Ｎのバラン
スからなる比較材を冷間鍛造し、溶体化処理を施した試
験材を作成した。

【００１８】この両者から試験片を切り出し、機械的性
質について試験を実施した。その結果を表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１で例示されているように実施例と比較
例との材力の差は著しいことが確認できる。特にオース
テナイト系ステンレス鋼の構造材としての弱点である耐
力の向上は顕著な改善が実証されている。両材料の主た
る成分上の相違点はＮの含有量であるから、Ｔ頭ボルト
として当該材質を適用する場合のきわめて明確な優位性
の根拠となる。

【００２１】本発明のＴ頭ボルトを適用すれば、耐力の
大きな向上を見込めるため従来技術のオーステナイト系
ステンレス鋼製のＴ頭ボルトに比べて実施例２の場合、
１サイズ小さい規格品に代替することも可能となる。す
なわち、ボルトの保証荷重は、ねじ部の谷径における断
面積と耐力の積で表わすことに決められているが、規格
品のＭ２０（谷径１７．２９４ｍｍ）を例にとれば、比
較例の耐性から計算して約４８ＫＮとなるのに対し、実
施例を１ランク下のＭ１６（谷径１３．８３５ｍｍ）に
適用してその耐性から保証荷重を算出すると同じく約４
８ＫＮとなる。すなわち従来技術に比べると１ランク下
のＴ頭ボルトにサイズダウンしても十分に代替できるこ
とを表わしている。

【００２２】構造材の一部に使用する場合の利点に対
し、耐食性が両立することもステンレス鋼を使用する目
的から言えば極めて重要な要素である。その確認のため
に、前記の本発明実施例と比較例に対し同一条件（試験
日数１５０日）で腐食試験を実施し、その結果を纏めた
ものが表２である。

【００２３】

【表２】

【００２４】この表で例示されるように各種の腐食性環
境において、本発明実施例は比較例に対して耐食性は遜
色なく、むしろ若干の好成績を示している。すなわち、
耐性の向上を主体とする材力の大幅な向上が溶体化処理
を施したにも拘らずに温存されるとともに、溶体化処理
による内部応力の発散が高い耐食性を誘導し、耐性と耐
食性とが両立して共存することを実証している。

【００２５】

【発明の効果】本発明は以上に述べたように、オーステ
ナイト系ステンレス鋼個有の腐食現象を誘発し難い安定
した基地を具え、強度、特に構造材の一部に組み込んだ
場合の懸念とされる耐性の低さも大幅に改善した。しか
も、本発明の対象であるＴ頭ボルトは冷間または少なく
とも温間で鍛造成形ができるという優れた成形性を具え
ているから、熱間鍛造を強いられる場合の数々の工程や
設備が省略され、品質のみならず経済的な競争力も不動
の高さに位置付ける効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】変形応力と圧縮率の図表によって本発明の実施
例の成績を示す。

【図２】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）によって本発明の対象であ
るＴ頭ボルト規格品の三面図を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深川 悟 大阪府大阪市西成区花園南２丁目６番12 号 日新ステンレス株式会社内 (72)発明者 黒田 四男 大阪府大阪市西成区花園南２丁目６番12 号 日新ステンレス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭52−7317（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−117860（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−169756（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−20288（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 F16B 35/00 C21D 8/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：0.06％以下、Ｓｉ：0.60％以下、Ｍ
   ｎ：2.00％以下、Ｐ：0.045％以下、Ｓ：0.03％以下、
   Ｎｉ：8.00〜12.00％、Ｃｒ：17.00〜20.00％、Ｃｕ：
   1.20〜1.50％、Ｎ：0.07〜0.12％、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℃以下の温熱域で鍛造し、成形後に溶体化処理を
   行なって、高い耐食性と向上した耐力を両立して具える
   ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼製のＴ
   頭ボルト。