JP4303695B2

JP4303695B2 - オーステナイト系ステンレス鋼製ｔ頭ボルトの製造方法

Info

Publication number: JP4303695B2
Application number: JP2005091165A
Authority: JP
Inventors: 吉貞道浦; 渡家鋪
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006274295A

Description

本発明は、野外等の腐食環境で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼製Ｔ頭ボルトで、特に高強度化と軽量化を可能にしたオーステナイト系ステンレス鋼製Ｔ頭ボルトの製造方法に関するものである。

Ｔ頭ボルトは、例えば地中に埋設する水道用の管路を形成するダグタイル鋳鉄管を接合するのに使用されている。このような接合部品であるＴ頭ボルトは、材質別にダグタイル鋳鉄（ＤＣＩ）製、鋼（ＳＳ）製、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系、ＳＵＳ４０３のマルテナイト系）製に分けられる。このうち管と同材質であるＤＣＩ製品が最も多いのが現状で、耐食性を考慮する場合などにはステンレス鋼（ＳＵＳ）製品が使用されている。なお、ＤＣＩ製のＴ頭ボルトでは表面に塗装を行ない、耐食性を向上させているが、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製品に比較すると耐食性が劣る。

ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のＴ頭ボルトについては、耐食性のすぐれたオーステナイト系ステンレス鋼製のＴ頭ボルトが、例えば特許文献１及び特許文献２等により知られている。ただ、ダクタイル鋳鉄管の接合部品として用いる上記従来のオーステナイト系ステンレス鋼製のＴ頭ボルトは、鍛造成形後に、溶体化処理を施すこととされていた。

しかし、日本水道協会規格ＪＷＷＡＧ１１３，１１４−２００４「水道用ダクタイル鋳鉄管・水道用ダクタイル鋳鉄異形管」及び日本ダクタイル鉄管協会規格ＪＤＰＡＧ１０４２−２００４「ＮＳ形ダクタイル鋳鉄管」の規格が２００４年に改正され、熱処理が不要となり、冷間鍛造品のままでの使用が可能となった。あわせて、Ｔ頭ボルトのステンレス鋼として、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０４Ｊ３及びＳＵＳＸＭ７のオーステナイト系ステンレス鋼の３種のみが規定された。

したがって、オーステナイト系ステンレス鋼製のＴ頭ボルトについても冷間鍛造による高強度化が可能となり、形状面ではコンパクト化・軽量化が可能になった。
特許第２８３８１３４号公報特許第２９４６２７４号公報

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の材質改良によりさらなる高強度化、軽量化（サイズダウン）が可能であるとの知見に基づいて本発明をするに到ったものであり、目標強度をダクタイル鋳鉄（ＤＣＩ）と同等とし、耐食性は従来のオーステナイト系ステンレス鋼と同等としながら、ボルトサイズは２サイズ以上ダウンさせることを可能とするオーステナイト系ステンレス鋼製Ｔ頭ボルトの製造方法を提供することを目的としている。

なお、本願明細書におけるサイズダウンは、次のように定義する。ボルトのサイズは通常、ねじの呼び径によってＭ８、Ｍ１０、Ｍ１２、・・・Ｍ２０、Ｍ２２、Ｍ２４などのように一定寸法の割合で段階的に異なっているので、例えば２サイズダウンとは、呼び径Ｍ２０を呼び径Ｍ１６に小さくできることを意味する。

上記目的を達成するために、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼製Ｔ頭ボルトの製造方法は、重量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：３．００〜３．５０％、Ｎｉ：８．００〜１２．００％、Ｃｒ：１７．００〜１９．００％、Ｎ：０．１０〜０．２０％を含有し、残部がＦｅからなり、かつ０．１５≦Ｃ＋Ｎ≦０．２５％であるオーステナイト系ステンレス鋼素材にあらかじめ減面率で１５％以下の伸線を行ない、その後に、冷間鍛造として多段圧造成形を行ない、最終的に、Ｔ頭ボルトの軸径Ｄに対してＴ頭部の長さＡを２２０％以上になるように成形することを特徴とする。

以下、本発明に使用される上記したオーステナイト系ステンレス鋼素材の組成範囲及びその限定理由について説明する。
Ｃ：０．０４％以下
侵入型元素であって、強度の向上に寄与する。但し、多量に添加するとＮの固溶量を低下させ、またＣｒと炭化物を形成し母相のＣｒ濃度を低下させ耐食性を劣化させるので、その上限を０．０４％とした。
Ｓｉ：０．６０％以下
製鋼時の脱酸剤として添加される元素である。但し、多量に添加するとフェライトが生成しやすくなり、また冷間加工性を低下させるので、その上限を０．６０％とした。
Ｍｎ：２．００％以下
製鋼時の脱酸剤、脱硫材として添加される元素である。また、オーステナイト安定化元素であり、加工誘起マルテンサイトを抑制する効果があり、かつＮの固溶量を増加させる元素である。但し、多量に添加すると加工硬化が増大し、冷間加工性を低下させ、また耐食性も劣化するので、その上限を２．００％とした。
Ｐ：０．０４５％以下
耐食性を劣化させる元素である。したがって極力少量に抑えることが好ましく、その上限を０．０４５％とした。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｍｎと結合して非金属介在物ＭｎＳを形成し、冷間加工性を阻害するので、その上限を０．０３０％とした。
Ｃｕ：３．００〜３．５０％
耐食性を向上させる元素である。また、冷間加工による加工硬化を抑制する元素である。しかし、多量に添加すると熱間加工性を阻害するので、冷間加工性、熱間加工性の両面から考慮し、下限を３．００％、上限を３．５０％とした。
Ｎｉ：８．００〜１２．００％
オーステナイト安定化元素であり、耐食性を向上させる元素である。また、変形抵抗を低下させるため、その下限を８．００％とした。反面、多量に添加すると強度の低下を招き、また、コストアップとなるので、その上限を１２．００％とした。
Ｃｒ：１７．００〜１９．００％
耐食性を向上させる元素であるが、このような効果を得るために下限を１７．００％とした。また、多量に添加するとフェライトを生成するので、その上限を１９．００％とした。
Ｎ：０．１０〜０．２０％
侵入型元素であって、強度の向上に寄与する。また、オーステナイトの安定化、耐食性および耐孔食性の向上にも寄与する。このような効果を得るためその下限を０．１０％とした。反面、多量に添加すると靭性を低下させ、冷間加工性を阻害するので、その上限を０．２０％とした。
０．１５≦Ｃ＋Ｎ≦０．２５％
Ｃ＋Ｎが０．１５％未満であると、冷間加工性は悪くないが、冷間鍛造により得られるボルトの強度が低くなるため、その下限を０．１５％とした。また、０．２５％を越えると冷間加工性が低下し、鍛造時に割れが発生するおそれがあり、その上限を０．２５％とした。

本発明において、素材の伸線工程における減面率を１５％以下としたのは、前記した２サイズ以上のサイズダウンを得るには、上記組成に対して、１５％以下の伸線工程における減面率が必須であり、これ以上となると後の鍛造工程において、素材の割れやダイスへの過負荷となるためである。また、Ｔ頭ボルトの軸径に対するＴ頭部の長さを２２０％以上としたのは最低限のＴ頭部の長さがこの値であり、これ以下だとボルト機能の締結時に好ましくないからである。

本発明方法により製造されたＴ頭ボルトは、従来のダクタイル鋳鉄製Ｔ頭ボルトに比べて、耐荷重はほぼ同等でボルトサイズは２〜３サイズダウンが可能で、軽量化できる。

また、時効処理を行なうことにより強度などの機械的性質のさらなる改善が可能であり、その結果、さらなるサイズダウン、軽量化が可能になる。時効処理は、具体的には伸線工程の後あるいは鋳造後、さらにはねじ転造後に行なう方法などが挙げられる。

一方、耐食性はダクタイル鋳鉄製Ｔ頭ボルトに比べて優れており、ダクタイル鋳鉄製Ｔ頭ボルトと代替することで、耐食性が向上するだけでなく、ボルト自体の大きさ、表面積が小さくなるので、異種金属腐食のおそれが小さくなる。

さらに、サイズダウンによりＴ頭ボルトのコストダウンが図れるだけでなく、ボルト孔を設けるダクタイル鋳鉄管のフランジ部の径を小さくすることができるので、ダクタイル鋳鉄管自体の軽量化にも貢献できるものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明方法により製造されたＴ頭ボルトを示しており、ＤはＴ頭ボルトの軸径、ＡはＴ頭部の長さ、Ｃは軸部の長さを表している。なお、軸径Ｄはボルトの呼び径と同等である。図２は、後述する実施例１のＴ頭ボルトの顕微鏡組織写真である。

（呼び径Ｍ１０の場合）
化学成分が重量％で、Ｃ：０．０３％、Ｓｉ：０．２０％、Ｍｎ：１．７１％、Ｐ：００３５％、Ｓ：０．００３％、Ｃｕ：３．０５％、Ｎｉ：９．４０％、Ｃｒ：１７．３２％、Ｎ：０．１２％を含有し、残部がＦｅからなり、かつＣ＋Ｎ＝０．１５であるオーステナイト系ステンレス鋼の線径１０．５ｍｍの線材を予め伸線工程により減面率で１３％の伸線を行ない、その後に冷間鍛造により、軸径Ｄ＝１０ｍｍに対してＴ頭部の長さＡが２２０％の２２ｍｍ、軸部の長さＣが８５ｍｍであるＭ１０×８５サイズのＴ頭ボルトを成形した。冷間鍛造は、４段圧造成形で、４段目にトリミングを行なう４段目トリムタイプである。

このＴ頭ボルトを用いて引張試験を行なった。引張強さは１０６２Ｎ／ｍｍ２で伸びは５．２ｍｍであった。また、荷重試験を行ない、ダクタイル鋳鉄製ボルトＭ１６サイズの保証荷重値である３８ｋＮを付加したが、永久変形は生じなかった。この荷重試験結果は、ダクタイル鋳鉄製ボルトに比べて、３サイズダウンが可能であることを示している。

（呼び径Ｍ１２の場合）
化学成分が重量％で、Ｃ：０．０４％、Ｓｉ：０．２１％、Ｍｎ：１．８０％、Ｐ：００３０％、Ｓ：０．００２％、Ｃｕ：３．３９％、Ｎｉ：１０．２２％、Ｃｒ：１７．５５％、Ｎ：０．１７％を含有し、残部がＦｅからなり、かつＣ＋Ｎ＝０．２１であるオーステナイト系ステンレス鋼の線径１２．５ｍｍの線材を予め伸線工程により減面率で１１％の伸線を行ない、その後に冷間鍛造により、軸径Ｄ＝１２ｍｍに対してＴ頭部の長さＡが２２５％の２７ｍｍ、軸部の長さＣが１００ｍｍであるＭ１２×１００サイズのＴ頭ボルトを成形した。冷間鍛造は、実施例１と同様の４段トリムタイプである。

このＴ頭ボルトを用いて引張試験を行なった。引張強さは９５０Ｎ／ｍｍ２であった。また、荷重試験を行い、ダクタイル鋳鉄製ボルトＭ１６サイズの保証荷重値である３８ｋＮを付加したが、永久変形は生じなかった。また、オーステナイト系ステンレス鋼製ボルトＭ２０サイズの保証荷重値である４８ｋＮを負荷したが、永久変形は生じなかった。この荷重試験の結果は、ダクタイル鋳鉄製ボルトに比べて、４サイズダウンが可能であることを示している。

（呼び径Ｍ１６の場合）
化学成分が重量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．１８％、Ｍｎ：１．６２％、Ｐ：００３８％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：３．４９％、Ｎｉ：９．６６％、Ｃｒ：１７．８２％、Ｎ：０．１９％を含有し、残部がＦｅからなり、かつＣ＋Ｎ＝０．２１であるオーステナイト系ステンレス鋼の線径１６．５ｍｍの線材を予め伸線工程により減面率で８．３％の伸線を行ない、その後に冷間鍛造により、軸径Ｄ＝１６ｍｍに対してＴ頭部の長さＡが２３５％の３７．６ｍｍ、軸部の長さＣが１００ｍｍであるＭ１６×１００サイズのＴ頭ボルトを成形した。冷間鍛造は、５段アプセット方式でバリ除去工程無しの５段アプセットタイプである。

このＴ頭ボルトを用いて引張試験を行なった。引張強さは９４５Ｎ／ｍｍ２であった。また、荷重試験を行い、ダクタイル鋳鉄製ボルトＭ２０サイズの保証荷重値である６０ｋＮを付加したが、永久変形は生じなかった。この荷重試験の結果は、ダクタイル鋳鉄製ボルト（Ｔ頭部の長さＡ＝３８ｍｍ）に比べて、Ｔ頭部の長さＡが僅かに短いけども、２サイズダウンが可能であることを示している。

（呼び径Ｍ２０の場合）
化学成分が重量％で、Ｃ：０．００２％、Ｓｉ：０．３５％、Ｍｎ：１．５０％、Ｐ：００３３％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：３．４５％、Ｎｉ：１０．０１％、Ｃｒ：１８．２５％、Ｎ：０．２２％を含有し、残部がＦｅからなり、かつＣ＋Ｎ＝０．２４であるオーステナイト系ステンレス鋼の線径２０．５ｍｍの線材を予め伸線工程により減面率で９．５％の伸線を行ない、その後に２５０℃に予熱した冷間鍛造により、軸径Ｄ＝２０ｍｍに対してＴ頭部の長さＡが２５０％の５０ｍｍ、軸部の長さＣが１００ｍｍであるＭ２０×１００サイズのＴ頭ボルトを成形した。冷間鍛造は、実施例３と同様に５段アプセットタイプである。

このＴ頭ボルトを用いて引張試験を行なった。引張強さは９５０Ｎ／ｍｍ２であった。また、荷重試験を行い、ダクタイル鋳鉄製ボルトＭ２４サイズの保証荷重値である８６ｋＮを付加したが、永久変形は生じなかった。この荷重試験の結果は、ダクタイル鋳鉄製ボルト（Ｔ頭部の長さＡ＝３８ｍｍ）に比べて、Ｔ頭部の長さＡが５ｍｍ短いけども、２サイズダウンが可能であることを示している。

本発明に係るＴ頭ボルトの正面図である。同上Ｔ頭ボルトの顕微鏡組織写真である。

符号の説明

ＤＴ頭ボルトの軸径
ＡＴ頭部の長さ
Ｃ軸部の長さ

Claims

重量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：３．００〜３．５０％、Ｎｉ：８．００〜１２．００％、Ｃｒ：１７．００〜１９．００％、Ｎ：０．１０〜０．２０％を含有し、残部がＦｅからなり、かつ０．１５≦Ｃ＋Ｎ≦０．２５％であるオーステナイト系ステンレス鋼素材にあらかじめ減面率で１５％以下の伸線を行ない、その後に、冷間鍛造として多段圧造成形を行ない、最終的に、Ｔ頭ボルトの軸径Ｄに対してＴ頭部の長さＡを２２０％以上になるように成形することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼製Ｔ頭ボルトの製造方法。