JP6232227B2 - ステンレス鋼を素材とする薄肉部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス鋼を素材とする薄肉部材の製造方法に係り、特に、防錆性を備えた薄肉部材の製造方法に関するものである。

２本のパイプを直角に交差した状態で連結するメタルジョイントがあるが、この現行品は、冷間圧延鋼板（例えば、ＳＰＣＣ）を素材とした、特許文献１に示すソケット部の軸線に沿って分割した２つの半割り状部材からなり、両部材の間に２本のパイプを抱え込ませ、両部材にそれぞれ形成した連結孔にボルトを挿通し、ナットに螺合させて締付けることで該２本のパイプを連結するようになっている。

意匠登録第６４６２２２号公報

最近ではこの種のメタルジョイントについても、材料コストや輸送コストを軽減するために、一層の薄肉軽量化を図ることが要求されており、強度が５９０ＭＰａ程度のハイテン材を素材として用いて肉厚を従来の２．６ｍｍからより薄肉化しようと試みられた。而して、ハイテン材はカチオン電着塗装をすることで防錆性は付与できるが、肉厚の低減は精々２０〜３０％に留まり、しかも生産設備の一つであるプレス金型の消耗も激しく持ちが悪くなるため、却って設備コスト高を招くこともあって、量産化には至らなかった。

また、物流に使用している台車類については、使い勝手の点からも、薄肉軽量化の要求は従来から強くあり、一般台車類は薄肉で安価なものが既に主流となっているが、食糧台車や薬用台車と言った特殊台車用には、防錆性も要求されており、これらの現行品は防錆性を考慮してＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼）が素材として利用されている。而して、ＳＵＳ３０４は軟らかく、強度面を考慮してある程度の肉厚に部材を設計する必要があるので、薄肉軽量化は難しく、元々材料単価も高いこともあって、材料コストは高くついている。
同じステンレス系では、ＳＵＳ４２０（マルテンサイト系ステンレス鋼）もあり、この材料は、熱処理（焼入れ・焼戻し）をすることで強度を上げることができるので薄肉軽量化は図れるが、ニッケル（Ｎｉ）が含まれておらず防錆性に欠けるので、熱処理後にニッケルめっきを施す必要があり、めっき工程が付加されることで結果的にこの材料の利用はコスト減には結びつかない。

本発明は、上記課題を解決するために、肉厚が２．０ｍｍ以下の薄肉でありながら、熱処理前の素材段階では十分な曲げ加工性を有し、熱処理後には強度と防錆性に優れ、コスト的に見合う形でメタルジョイントや特殊用を含む各種台車類の軽量部材として提供できる、新規且つ有効な方法を提供することを、その目的とする。

本発明者は、思考錯誤の結果、特定の材料を選択し、その材料を特定の熱処理に供することで、部材として要求される強度や防錆性を満足しながら、薄肉軽量化を達成でき、しかも、コスト的に見合う形で提供できることを確認し、本発明を完成するに至った。

請求項１の発明は、肉厚が２．０ｍｍ以下のＳＵＳ４２０Ｊ２にニオブを添加した０．３５％ニオブ含有マルテンサイト系ステンレス鋼を鋳造後圧延された状態の素材として使用し、曲げ加工により立体成形された薄肉部材を造り、水素ガスまたは水素系混合ガスを冷却ガスとして焼入れした後に、焼戻しを２００℃まで上げ３０分間保持した後に外部自然冷却することで行うことを特徴とする薄肉部材の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した薄肉部材の製造方法において、一対で使用し、パイプを係合保持する薄肉メタルジョイント部材を製造することを特徴とする薄肉部材の製造方法である。
請求項３の発明は、請求項２に記載した薄肉部材の製造方法において、連通孔を設けた薄肉メタルジョイント部材を製造し、更に、前記連通孔にナットをカシメて取り付けたことを特徴とする薄肉部材の製造方法である。

請求項４の発明は、請求項１に記載した薄肉部材の製造方法において、薄肉部材として物流台車部材を製造することを特徴とする薄肉部材の製造方法である。

本発明の薄肉部材は強度も防錆性も十分にあるので、メタルジョイント部材や食糧台車や薬用台車を含めて広く物流台車の部材として利用でき、これらの軽量化を達成できる。また、上記部材をコスト的に見合う形で提供できる。

本発明の実施の形態に係る薄肉メタルジョイントによる２本のパイプの連結状態の斜視図である。 図１のナット側薄肉半割り状部材の側面図である。 図２とは異なる別例のナット側薄肉半割り状部材の側面図である。 本発明の実施の形態に係る物流台車の斜視図である。

本発明の部材を構成する材料について説明する。
材料の種類は、「ＳＵＳ４１０ １３Ｃｒ系」をベースにＣ（炭素）を増加すると共にＮｂ（ニオブ）を添加したものである。Ｃ（炭素）を増加したものとして、「ＳＵＳ４２０Ｊ２」があり、本発明は、これにＮｂ（ニオブ）を添加した、１３Ｃｒ−Ｎｂ−０．２５Ｃに分類されるものである。これに対応する材料として、日新製鋼株式会社から、「ＮＳＳ ＷＲ−１」（高強度マルテンサイト系ステンレス鋼）として市販されている。
「ＮＳＳ ＷＲ−１」と、「ＳＵＳ４２０Ｊ２」と、ＳＵＳ３０４ １８Ｃｒ−Ｎｉ系の「ＳＵＳ３０１Ｈ」とを化学成分で比較したデータは、以下の通りであり、ニオブの含有量に有意的な差がある。

素材の段階では、鋳造後圧延された状態になっている。
この素材から、各種部材に造形した後に、熱処理を施す。
熱処理は、焼入れ・焼戻しであり、焼入れの際には、焼入れ温度まで昇温させた後に、水素ガスまたは水素系混合ガスを冷却ガスとして使用することが特徴となっている。ここで、水素系混合ガスとは、水素ガスと不活性ガス、例えば、アルゴンガスとの混合ガスであり、水素ガスが８０％以上、例えば８５％を含むものが想定されている。冷却ガスを使用すると、油焼入れより冷却速度が遅くなり、クロム炭化物が析出し易くなるが、ニオブが添加されているので防錆性は十分に確保される。しかも、ガス冷却効果により、表面に処理ムラが出難く、さらに、水素効果により表面の酸化物が還元されるので、ショットブラスト等の最終仕上げ処理を不要とし、薄肉部材用の処理に適している。
上記した焼入れは、作業環境の点からＳＵＳ製ベルト式の無酸素ガス炉を用いて所定のガス雰囲気中に被処理物をもってくるのが好ましい。焼入れ温度は、１０５０℃前後で、加熱保持時間は１５分程度が好ましい。
焼戻しは恒温炉を用いて加熱し、外部自然冷却するのが好ましい。焼戻し温度は、２００℃前後で、加熱保持時間は３０分程度が好ましい。

本発明の製造方法によれば、部材を構成する材料は、素材段階では、十分な曲げ加工性を有し、焼入れ・焼戻し後には、十分な強度を有する。また、防錆性を備える。

各種部材の例としては、先ず、図１で示す薄肉メタルジョイント１が挙げられる。この薄肉メタルジョイント１は、ボルト側薄肉ジョイント部材３と、ナット側薄肉ジョイント部材７とが一組となって構成されており、２本のパイプを直角に交差した状態で連結するタイプのものである。ボルト側薄肉ジョイント部材３と、ナット側薄肉ジョイント部材７とは形状が殆ど同じである。

図２に示すように、ボルトＢをそれぞれの連通孔５、９に通し、ブッシュナット１１で締めるタイプにする場合には、ナット側薄肉ジョイント部材７とボルト側薄肉ジョイント部材３は形状が同じなので、兼用できる利点がある。このタイプを製造するときには、この薄肉ジョイント部材３、７は、一枚の金属板を素材とし、金型を用いたプレス打ち抜きにより外側輪郭線を形成すると共に、連通孔開けにより連通孔５、９を形成した後に、曲げ加工により立体成形することになる。

また、図３に示すように、ナット側薄肉ジョイント部材７に段付きナット１３の段部の先端部側から先細りになったテーパーポンチを入れて、段部を拡げ、カシメることで、段付きナット１３を取り付けてもよい。この場合には、ナット側薄肉ジョイント部材７とボルト側薄肉ジョイント部材３は形状が異なるので、兼用できないが、連結する際に、ナットを誤って落とすなどの作業ミスは出ない利点がある。このタイプを製造するときには、ナット側薄肉ジョイント部材７を立体成形してから、連通孔９に段付きナット１３に取り付けることになる。部材の肉厚が薄くなるほどカシメることが容易になる。従って、この点からも、部材を薄肉化する利点がある。

薄肉ジョイント部材３、７の想定される肉厚は、１．３ｍｍ以下である。現行品の冷間圧延鋼板を素材として用いて製造したジョイント部材の肉厚は２．６ｍｍ程度であるから半減していることになる。

各種部材の例として、図４に示す物流台車１５の構成部材が挙げられる。この物流台車１５は食糧用で防錆性が重要視されているので、現行品は金属部材をＳＵＳ３０４で製造しているが、サイドベース１７や車輪取付けベースやコーナーベースを、本発明の材料で形成し、その他の金属部材はＳＵＳ３０４で製造することが考えられる。特に、サイドベース１７は、衝突時の負担を減少するために、台車の両サイドに補強用に取り付けたものである。

台車部材の想定される肉厚は、１．６ｍｍ以下である。現行品はＳＵＳ３０４系で、肉厚は３．０ｍｍ程度であるから半減していることになる。

〈機械的性質の確認〉
素材として、表１の鋼種の板材（板厚０．４ｍｍ）を選択し、それらの機械的性質を確認した。
「ＮＳＳ ＷＲ−１」と「ＳＵＳ４２０Ｊ２」は、素材の焼鈍材と、熱処理した後の処理材をそれぞれ確認した。なお、焼入れは、ＳＵＳ製ベルト式の無酸素ガス炉を用いて１００％水素ガスを冷却ガスとし、焼入れ温度を１０５０℃、加熱保持時間を１５分とした。また、焼戻しは、恒温炉を用いて、焼戻し温度を２００℃、加熱保持時間を３０分とし、外部自然冷却を利用した。
「ＳＵＳ３０１Ｈ」は、熱処理はせず、素材の圧延材だけ確認した。

引張強さは、圧延に平行な方向とした。
「ＮＳＳ ＷＲ−１」は、素材（焼鈍材）段階では、十分な加工性を備え、ジョイント部材として利用可能なことが確認された。

〈薄肉ジョイント部材の製造〉
次に、板厚を、「ＳＵＳ３０１Ｈ」は２．６ｍｍとし、「ＮＳＳ ＷＲ−１」と「ＳＵＳ４２０Ｊ２」は１．３ｍｍとして、上記の形状に対応したナット側ジョイント部材を製造した。
「ＮＳＳ ＷＲ−１」は、表２の結果で確認されたように、素材のままでは非常に軟らかく、バーリングはできなかったので、図２に示すように連通孔を設けるものと、図３に示すように段付きナットを一体に取り付けるものと、さらに、「ＳＵＳ３０４」製の溶接ナット（図示省略）を一体に取り付けたものをそれぞれ製造した。また、錆試験では、「ＳＵＳ３０１Ｈ」と同様、十分な耐性が確認されたので、ニッケルめっきは不要とした。
「ＳＵＳ４２０Ｊ２」も、表２の結果で確認されたように、素材のままでは軟らかかったが、バーリングはどうにかできたので、約３．５ｍｍ絞って、Ｍ６×３．５山のネジを形成し、ナット付きとした。一方、特に酢酸入りの錆試験で弱いことが確認されたので、ニッケルめっきを施した。

上記で製造したナット側ジョイント部材の相方として、同じ素材から同じようにしてボルト側ジョイント部材も製造した。
そして、一対として２本のパイプを係合保持し、Ｍ６キャップスクリューボルトで締付けたところ、いずれも、１００ｋｇｆ・ｃｍの締付トルクで当たり部が当たってそれ以上の締付けは阻止された。また、ナットも破損しなかった。
また、２本のパイプを連結させた後、パイプを捩るトルク試験にかけたところ、１６ｋｇｆ・ｍまで引き上げることができた。

上記の結果から、「ＮＳＳ ＷＲ−１」を素材として製造したジョイント部材は、いずれのタイプでも、「ＳＵＳ３０１Ｈ」を素材としたものの半分の薄肉にしてもジョイント部材に必要な強度を有し、しかも、同時に、「ＳＵＳ４２０Ｊ２」を素材として製造したものと異なり、ニッケルめっきをせずとも、「ＳＵＳ３０１Ｈ」を素材として製造したものと同様の防錆性も有することが確認された。
また、「ＳＵＳ３０１Ｈ」を素材として製造したものは酸化膜を除去するために、最終仕上げとしてショットブラスト処理が必要とされていたことから、その処理を不要とした点でも、有利である。

「ＮＳＳ ＷＲ−１」を素材として製造したジョイント部材は、プレス加工する際に、スプリングバッグが多い点に若干難があるが、上記した比較結果から、軽量化でき、且つコスト面でも非常に良く、さらに、表面も綺麗で見た目が良いことが確認された。なお、作業性を考慮して、ジョイント部材に段付きナットをカシメて一体化したものを提供するのが推奨される。

〈物流台車部材の製造〉
次に、板厚を、「ＳＵＳ３０４」は３．０ｍｍ、「ＮＳＳ ＷＲ−１」は１．６ｍｍとして、ジョイント部材の製造と同様にして、上記形状のサイドベース本体１７を製造した。このサイドベース１７は、「ＮＳＳ ＷＲ−１」を素材とした方は、熱変形はなく、表面も綺麗であった。
このサイドベース１７の他に、車輪取付ベースも製造し、他の部材は現行のＳＵＳ３０４を素材して、物流台車１５を組み立てたところ、部材全てをＳＵＳ３０４で製造した場合と比べて、全体の重量は半分に減った。

資源高の時代、資源の少ない日本にとっても省資源化は非常に大切であり、特に、部材の軽量化ができれば、完成品が取扱い易くなるだけでなく、部材の製造工程や組立工程、さらには部材の輸送にもその効果が波及し、燃費の向上も図れる。近年、環境問題でＣＯ_２削減が求められているが、燃費の向上により、このＣＯ_２削減要求にも答えられる。
また、ステンレスの特殊鋼でありながら、現在使用しているステンレス鋼よりも材料コストが安く、焼入れ・焼戻しと言った熱処理が加わっても、販売価格は現行品よりも抑えられる。

１‥‥薄肉メタルジョイント
３‥‥ボルト側薄肉ジョイント部材 ５‥‥連通孔
７‥‥ナット側薄肉ジョイント部材 ９‥‥連通孔
１１‥‥ブッシュナット １３‥‥段付きナット
１５‥‥物流台車 １７‥‥サイドベース
Ｂ‥‥ボルト

Claims (4)

1. 肉厚が２．０ｍｍ以下のＳＵＳ４２０Ｊ２にニオブを添加した０．３５％ニオブ含有マルテンサイト系ステンレス鋼を鋳造後圧延された状態の素材として使用し、曲げ加工により立体成形された薄肉部材を造り、水素ガスまたは水素系混合ガスを冷却ガスとして焼入れした後に、焼戻しを２００℃まで上げ３０分間保持した後に外部自然冷却することで行うことを特徴とする薄肉部材の製造方法。
2. 請求項１に記載した薄肉部材の製造方法において、
   一対で使用し、パイプを係合保持する薄肉メタルジョイント部材を製造することを特徴とする薄肉部材の製造方法。
3. 請求項２に記載した薄肉部材の製造方法において、
   連通孔を設けた薄肉メタルジョイント部材を製造し、更に、前記連通孔にナットをカシメて取り付けたことを特徴とする薄肉部材の製造方法。
4. 請求項１に記載した薄肉部材の製造方法において、
   薄肉部材として物流台車部材を製造することを特徴とする薄肉部材の製造方法。

Images