JP5717479B2 - 耐応力腐食割れに優れる高強度高耐食性ステンレス鋼ボルトおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、これら高強度ボルトは、塩素イオンが多く海浜環境等、腐食環境が厳しい環境では応力腐食割れ、遅れ破壊等によりボルト破断が問題となる。
一般に、これまで耐応力腐食割れ性を改善するには、素材の耐食性を向上させることにあり、合金元素を添加して耐食性指数(=Cr+3Mo+16N)を高めることが考えられてきた。しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼では強度と耐応力腐食性を満足できず、マルテンサイト系では耐食性、耐応力腐食割れを確保することができなかった。
しかしながら、高力ボルトとして必須である700MPa以上の引張耐力を達成できておらず、また、応力腐食割れ性も不十分であった。
F=5.6Cr−7.1Ni+2.4Mo+15Si−3.1Mn−300C
−134N−27 ・・・(a)
MN=Mo+5N ・・・(b)
(2) 質量%で、Cu:0.05〜3.0%、Al:0.002〜0.1%、Mg:0.0003〜0.01%、Ca:0.0003〜0.01%、B:0.0005〜0.01%、Nb:1.0%以下、Ti:0.5%以下、V:1.0%以下、Zr:1.0%以下のうち、1種以上を含有することを特徴とする前記(1)記載の耐応力腐食割れに優れる高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルト。
(3) 前記(1)または(2)に記載の化学組成を有するステンレス鋼をボルトのねじ軸部の総加工率が6〜40%でボルトを冷間成形後、200〜600℃で10〜300分の時効熱処理を施すことを特徴とする耐応力腐食割れに優れる高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルトの製造方法である。
(4) 前記(3)記載のステンレス鋼ボルトの製造方法において、ボルトのねじ軸部の総加工率が10〜20%でボルトを冷間成形後、400〜500℃で20〜100分の時効熱処理を施すことを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルトの製造方法である。
先ず、本発明に係るステンレス鋼ボルトに関し、請求項1記載の限定理由について説明する。
なお、本発明において特に言及しない場合は、%は質量%のことを意味する。
そのため、上限を0.05%以下にする。好ましい範囲は、0.01〜0.03%である。
そのため、上限を0.30%にする。好ましい範囲は、0.08〜0.25%である。
そのため、上限を2.0%にする。好ましい範囲は、0.2〜1.0%である。
そのため、上限を5.0%に限定する。好ましい範囲は、0.5〜3.0%である。
Sは、原料等から不可避に混入する元素であるが、ボルト製品の耐食性を確保して耐応力腐食割れ性を向上させるために、0.01%以下に限定する。
そのため、上限を9.0%に限定する。好ましい範囲は、3.0〜8.0%である。
そのため、上限を30.0%にする。好ましい範囲は、20.0〜26.0%である。
そのため、F値については35〜80に限定する。好ましくは、45〜70である。
F=5.6Cr−7.1Ni+2.4Mo+15Si−3.1Mn−300C
−134N−27 ・・・(a)
従来、応力腐食割れ性を改善するには、耐食性を向上させるため、その代表的指標であるCr+3Mo+16Nが用いられていた。しかし、本発明者らがこの従来指標を用いて検討したところ、Cr+3Mo+16Nでは、特に強度を維持するという面において、指標となり得ないことが判明した。
この結果から種々検討を重ねた結果、(b)式を指標として制御することが良いことを見出した。何故(b)式の制御で上記効果が得られるかについて、詳細な理由は不明であるが、ボルトのねじ軸部のオーステナイト相とフェライト相からなる二相組織を適度に加工し、時効熱処理することで、加工組織中のMo,Nの相互作用で原子レベルでクラスター対を形成して、強度を維持しつつ耐応力腐食割れ性を飛躍的に向上させることが推測される。
そのため、MN値については、2.0〜5.0とする。2.0未満であるとMo,Nの相互作用が弱く耐応力腐食割れ性に劣る。一方、MN値が5.0を超えると、ボルトのMo,Nの相互作用が強すぎて硬質化するため加工性が劣化する。好ましくは、2.5〜4.0である。
MN=Mo+5N ・・・(b)
一方、ボルト製品の引張強さが1300MPa超、引張耐力が1200MPa超であるとボルト加工性が著しく劣化するばかりか、応力腐食割れ性も劣化する。
そのため、ボルト製品の引張強さの上限を1300MPa、引張耐力の上限を1200MPaにする。経済的効果を発揮する好ましい範囲は、引張強さが1050〜1200MPa、引張耐力が900〜1100MPaである。
そのため、それぞれ、上限をAl:0.1%、Mg:0.01%、Ca:0.01%にする。好ましい範囲は、Al:0.005〜0.06%、Mg:0.001〜0.005%、Ca:0.001〜0.005%の1種類以上を含有させることである。
そのため、上限を0.01%に限定する。好ましい範囲は、0.002〜0.006%である。
そのため、各元素の上限を規定する。好ましい範囲は、Nb:0.05〜0.6%、Ti:0.05〜0.3%、V:0.1〜0.6%、Zr:0.05〜0.6%の内、1種以上を含有させる。
ねじ軸部の総加工率が6%未満であると、加工率が低すぎるため加工硬化や時効硬化が進まず、ボルト製品の引張強さが1000MPa未満、引張耐力が800MPa未満となるため、高力ボルトとしての強度が不足し、本発明の優位性がなくなる。一方、総加工率が40%を超えると強度が過剰に高くなり、ボルト成型性および耐応力腐食割れ性が劣化する。
そのため、6〜40%に限定する。好ましくは、10〜20%である。
ここで、総加工率とは、ボルト成型前の伸線加工率とボルト加工時のねじ軸部の軸絞り加工率とを合わせた加工率のことであり、該ボルト成型とは加工歪みが回復しない500℃以下でのボルト加工を言う。
また、時効熱処理時間は10分未満では効果が小さく、300分を超えると過時効となり引張強さおよび引張耐力が低下する。そのため、10〜300分の時効処理時間が適当である。
ねじ軸部の総加工率を10〜20%、時効温度を400〜500℃、時効時間を20〜100分に限定することで応力腐食割れ性について上記顕著な効果を得ることができる。
表1に実施例の鋼の化学組成を示す。
その後、通常の冷間鍛造および転造加工により六角ボルトに加工を施した。
なお、冷間鍛造ではねじ軸部に軸絞り加工を施し、軸部の径をφ10.7mmとした(この場合のねじ軸部の総加工率は13%。φ10.7mmとφ11.5mmの断面積比から算出。)。そして、450℃、30分保定の時効処理を施した。その後、全てのボルトで、バレル研磨・洗浄により六角ボルト製品に仕上げた。
本発明例のボルト製品では、全て引張強さは1000〜1300MPaの範囲、引張耐力は800〜1200MPaの範囲であり、強度に優れていた。
本発明例のボルト製品のフェライト分率は、35〜80vol.%の範囲にあった。
本発明例のボルト加工性は全て○であり、優れていた。
本発明例のボルト製品の耐食性は全て○であった。
)の引張試験片を実施し、破断時間で評価した。破断時間が10h以上であれば○、30h以上であれば◎、10h未満であれば×として評価した。
本発明例No.1〜25のボルト製品の耐応力腐食割れ性は全て◎であった。
比較例No.53は、オーステナイト系ステンレス鋼でMo+Nを高めてボルト評価したものであるが、強度に劣っていた。一方、比較例No.54はマルテンサイト系ステンレス鋼でMo+Nを高めてボルト評価したものであるが、耐食性および耐応力腐食割れを確保できなかった。
その評価結果を表3に示す。
一方、ねじ軸部の総加工率、時効処理条件が本発明例から外れている比較例No.63〜66は、ボルト加工性、引張強さ、引張耐力、耐応力腐食性に劣っていた。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.003〜0.05%、
Si:0.1〜2.0%、
Mn:0.1〜5.0%、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Ni:3.0〜9.0%、
Cr:19.0〜30.0%、
Mo:1.0%超、4.0%以下、
N:0.05〜0.30%、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物で構成され、(a)式のF値が35〜80、(b)式のMN値が2.0〜5.0であり、引張強さが1000〜1300MPa、引張耐力が800〜1200MPaであることを特徴とする耐応力腐食割れに優れる高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルト。
F=5.6Cr−7.1Ni+2.4Mo+15Si−3.1Mn−300C
−134N−27 ・・・(a)
MN=Mo+5N ・・・(b) - 質量%で、Cu:0.05〜3.0%、Al:0.002〜0.1%、Mg:0.0003〜0.01%、Ca:0.0003〜0.01%、B:0.0005〜0.01%、Nb:1.0%以下、Ti:0.5%以下、V:1.0%以下、Zr:1.0%以下のうち、1種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の耐応力腐食割れに優れる高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルト。
- 請求項1または2に記載の化学組成を有するステンレス鋼をボルトのねじ軸部の総加工率が6〜40%でボルトを冷間成形後、200〜600℃で10〜300分の時効熱処理を施すことを特徴とする耐応力腐食割れに優れる高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルトの製造方法。
- 請求項3に記載のステンレス鋼ボルトの製造方法において、ボルトのねじ軸部の総加工率が10〜20%でボルトを冷間成形後、400〜500℃で20〜100分の時効熱処理を施すことを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた高強度・高耐食性のステンレス鋼ボルトの製造方法。
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