JPH03193823A - 構造用ステンレス鋼高力ボルトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明（よ建築用等の構造用ステンレス鋼高力ボルトに
関するもので、詳しくは、構造建築または機械構造用、
あるいは野外など腐食環境下に適するボルトに関するも
のである。

［従来の技術］ 従来、炭素に小量のＣｒ、Ｍｏ、Ｎ１を添加した低合金
鋼では、耐食性に劣るため、野外等の厳しい環境に使用
する建築用ボルトに用いるためには、メツキ等の表面被
覆などが必要となり、長期間使用時の信頼性が欠ける等
の問題があつＬこれを解決するために、オーステナイト
系ステンレス鋼を素材とするボルトが提案されている。

ところが、オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工
を施すと強度は上昇するものの、加工誘起マルテンサイ
ト等の生成により加工硬化が著しく、通常のボルト成形
法である据え込み成形によるボルト成形が困難となると
いう問題もあった。

こうした問題に対処するために、本願発明者は、先の出
願（特開平１−９９７４０号公報）にて、Ｃ：　０．０
１〜０．０５、Ｓｉ：Ｏ０１〜］、。

％等を含有したステンレス鋼に、いわゆる２０％程度の
減面率の密閉鍛造によるインデント加工方式を採用した
ボルトの製造方法を提案している。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来のボルトは、削畠し引張試験片による評価
で０．　２％耐力が８０Ｋｇｆ／ｍｍ２、引張強さが９
０　Ｋｇｆ／ｍｍ２の強度を確保することができたが、
建築用等の構造用ボルトとして１．さらに強度の高いも
のが望まれていた。

本発明は、上記従来の技術の問題点を解決することを課
題とし、オーステナイト系ステンレス鋼の成分量及び加
工方法を改良することにより、より一層、耐力及び引張
り強さの大きい構造用ボルトを提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段及び作用］前記課題を解決
するためになされた本発明による構造用ステンレス鋼高
力ボルトの製造方法は、重量％で、Ｃ：０，０５〜０．
１０％、Ｓｉ二０．１〜１．０％、Ｍｎ：　１．　０〜
３．　０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下
、Ｃｕ：　　１゜０〜４．　０％、　　Ｎｉ　　二　８
〜１６　％、　　Ｃｒ　：　］　６６〜２２％Ｎ：０．
０５〜０．３５％、Ａｌ：０゜０５％以下、Ｍｇ：　　
０．００１〜０．　０５０％、Ｃａ：　０．００１〜０
．０５０％を含有すると共に、　Ｖ：０．０３〜０．３
０％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％及びＮｂ＋Ｔａ：　
０．０３〜０．０３％のうちの少なくとも１種を含有し
、残部実質的にＦｅ及び不可避不純物からなり、 素材製造とボルト成形時の冷間加工量との関係が次式の
不等式 Ｐ（２≦２４６ｅｘｐ（−０，６９ｅ　）−２０−・■
ただし、Ｐ　ａ　＝　８２４−４６２　（Ｃ＋Ｎ）−９
，２Ｓ　ｉ−８．１Ｍｎ−１３，７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋
Ｃｕ）−６８（Ｎｂ＋Ｔａ）　　・・・■（なお、■式
中のＣ，Ｎ、　　…Ｎｂ、は各元素の重量％を示す。ま
た、εは冷間加工歪（真歪で正の値をとる）を示す。） を満足するように成分調製されたステンレス鋼よりなる
線材または棒材に固溶化処理を施した後、１５〜２０％
の減面率による冷間加工を施し、ついで該棒材を一定寸
法に切断し、該切断された材料を圧造部へ移送してパン
チとダイスとで鍛造する紋り工程及び軸部の一端に所定
の頭部形状を形成する頭部形成工程を経て、さらに熱処
理を加えることによりボルトを製造する方法であって、
上記紋り工程は、頭部となる部分を残して軸部に紋り加
工を施す第１の絞り工程と、この第１の絞り工程で得ら
れたボルト材の頭部を突呂させてダイス型孔に没入した
状態で据え込んで、軸部を胴部とネジ紋り部とで段状と
なるように絞る第２の紋り工程とからなり、この第１及
び第２の紋り工程による絞り合計量を、胴部の減面率で
２５〜３５％に設定し、 さらに、ネジ成形を行った後に、４００〜６００℃にて
時効処理を施し、耐力及び引張強さを向上させたことを
特徴とする特 以下、本発明の製造方法に使用されるステンレス鋼の成
分元素の組成範囲及びその限定理由について説明する。

Ｃ：０．００５〜０．１０％ Ｃは、母相に固溶して基地を強化すると共に、炭窒化物
の形成元素としても強力に作用する。しかも、オーステ
ナイトを安定化し、加工誘起マルテンサイトを抑制する
作用が大きい。そこで、このような作用を得るために、
０．００５％以上とした　しかし、０．１０％を超える
と、耐食性が著しく劣化するのでその上限を０．１０％
とした。

Ｎ：０．０５〜０．３５％ Ｎは、Ｃと同様に基地の強化と加工誘起マルテンサイト
の抑制、並びに耐食性及び耐孔食性の向上に寄与する元
素である。このような効果を得るためには、０．０５％
以上添加することが必要である。しかし、多すぎると鋼
塊溶製時の気泡生成が多くなると共に、分塊時の加工性
が低下するため、その上限を０．３５％とした。

Ｓｉ：０．１〜１．０％ Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として添加される元素であり、
このような作用を得るためには０．　１％以上必要であ
る。しかし、１．０％を超えて添加すると、フェライト
が生成し易くなるのみならず、冷間加工性が低下するの
で、その上限を１．　０％とした。

Ｍｎ：　１．０〜３．０％ Ｍｎは、製鋼時の脱酸及び脱硫剤として添加さ札　かつ
Ｎの溶解度を増加すると共に、加工誘起マルテンサイト
を抑制する効果がある。この効果を得るためには、１．
０％以上添加する必要がある。しかし、３．０％を超え
ると加工硬化が増大し、冷間加工性を低下させ、しかも
、耐食性を劣化させるためその上限を３．　０％とじん
１！：０．０５％以下 Ａｌは、通常脱酸剤として使用されるが、多量に含有す
るとＡｌＮを形成し、有効なＮ量を減少させると共に、
酸化物系介在物として残留して熱間及び冷間加工性を阻
害するので、その上限を０゜０５％とした。

Ｍｇ：　　０．００１〜０．　０５０％Ｍｇは、Ａｌと
共に脱酸剤として作用すると共に、有害なＳを固定して
熱間加工性を向上させ、Ｎ添加による加工性の劣化を補
うのに資する元素である。しかし、０．００１％未満で
は充分な効果が得られず、一方、０．０５０％を超えて
添加してもその効果は飽和してしまうので、０．００］
〜０．０５０％の範囲とした。

Ｎｉ　　二　８〜１６％ Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、ステンレス
鋼をオーステナイト相とするための主要な元素であると
同時に、加工誘起マルテンサイトの抑制にも必要な元素
である。そして、これを８％以上含有させればオーステ
ナイト単相の組織が得ら礼金有量が多いほどオーステナ
イト相は安定となり、冷間加工性も向上するが、Ｎｉは
高価であるため経済性を勘案して８〜１６％の範囲とし
た。

Ｃａ：　　０．　００１〜０．　０５０％Ｃａは、被削
性及び熱間加工性の向上のために０．００１％以上添加
する必要があるが、０．００５％を超えると効果が飽和
するので、その上限を０．０５０％とした。

Ｐ：０．０３％以下 Ｐは、耐食性を劣化させる元素であるため、極力小量に
抑えることが好ましく、その上限を０゜０３％とした。

Ｃｕ：　　１．　　０〜４．０％ Ｃｕは、耐食性を向上させ、しかも、加工硬化率を低下
させて冷間加工性を向上させるのに有効な元素である。

このような効果を充分に発揮させるためには、１．　０
％以上添加する必要があるが、多すぎると熱間加工性を
阻害するので、その上限を４．０％とした。

Ｃｒ：　　１６〜２２％ Ｃｒは、耐食性を向上させるのに寄与する元素であり、
このような効果を得るために１６％以上含有させる必要
があるが、多量に添加するとフェライトを生成するので
１６〜２２％の範囲とした。

Ｖ：０．０３〜０．３０％ ■は、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化して基地の強
化に寄与する元素である。しかし、０゜０３％末滴では
このような効果が得られず、０゜３０％を超えるとその
効果が飽和すると共に、冷間加工性が低下するので、添
加量を０．０３〜０゜３０％の範囲とした Ｔｉ：０．０３〜０．３０％ Ｔｉは、Ｖと同様に炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化
して基地の強化に寄与する元素である。

しかし、０．０３％未満ではこのような効果を充分に発
揮させることができず、一方、０．３０％を超えるとそ
の効果が飽和すると共に、冷間加工性が低下するので、
添加量を０．０３〜０．３０％の範囲とした。

Ｎｂ＋Ｔａ：　０．０３〜０．３０％ Ｎｂ、Ｔａｌ；＆　　Ｖと同様に炭窒化物を形成し、結
晶粒の微細化により基地の強化に寄与する。しかし、０
．０３％未満ではこの効果を充分に発揮させることがで
きず、一方、多量に添加すると窒化物が介在物として残
留し、冷間加工性を阻害する。したがって、特に強度が
必要な場合にＮｂ及びＴａの１種もしくは２種を添加し
、その上限は冷間加工性を害さないように０．３０％と
する必要がある。

本発明においては、上記のＶ、Ｔｉ及びＮｂ十Ｔａのう
ち、少なくとも１種を含有する必要かある。

さらに、上述した組成のステンレス鋼は、前述の式■及
び■を満足するように成分調製される。

これは、冷間加工性及び加工誘起マルテンサイトの生成
を抑制するために必要である。

次に、本発明の製造工程を説明する。

まず、上記した成分組成のステンレス鋼よりなる線材及
び棒材に固溶化処理を施した後、脱スケールを行ない、
ついで、潤滑皮膜処理を施し、さらに軽い冷間加工を施
す。このときの冷間加工量は、減面率で１５〜２０％に
設定する。これは、減面率が１５％未満であると、充分
な強度が得られず、また、２０％を超えると、後の工程
における加工が困難になるからである。

次に、この線材または棒材を送り装置によりコイルの先
端口へ間欠的に移送する。そして、線材または棒材を、
当該先端口を横切るように移動する可動ナイフで切断し
て一定の長さのボルト材１Ａを得る（第１図（ａ）、第
２図（ａ））。

このボルト材１Ａは切断と同時に圧造部に送り込まわ、
第１の工程（第１の絞り工程）の圧造が行われる。この
工程で（よ　ダイス２１の直前に運ばれたボルト材１Ａ
をパンチ］］によりダイス型孔２１ａに押し込んで叩打
し、これによって軸部］ａの前半が絞られ残りの部分が
頭部１ｂとなったボルト材１Ｂが得られる（第１図（ｂ
）、第２図（ｂ））。続いてパンチ１１が後退し、ダイ
ス型孔２１ａ内よりノックアウトビン３１が突出して第
１の工程のボルト材１Ｂを押し出すと、それをトランス
ファチャックで掴んで第２の工程へ移送する。

第２の工程では、第１の工程で得られたボルト材１Ｂを
、頭部］ｂが第２ダイス２２の型孔２２ａから突出した
状態で軸部］ａが据え込まれるように圧入し、頭部］ｂ
を第２のパンチ］２で叩打すると、軸部１ａはそのまま
で、頭部］ｂが抑圧変形して先端が偏平な円錐頭部１Ｃ
となったボルト材１Ｃが得られる（第１図（Ｃ）、第２
図（Ｃ））。続いて偏平な円錐頭部１Ｃをもつボルト材
１Ｃをノックアウトピン３２により押し出して、それを
トランスファチャックで掴んで第３の工程（第２の紋り
工程）へ移行する。

第３の工程では、第３ダイス２３の型孔２３ａに頭部１
Ｃが突出した状態でボルト材１Ｃを挿入し、これを第３
のパンチ１３により第３のダイス２３に据え込み圧入叩
打すると、軸部］ａが胴部ｌａ、及びネジ部１ａ２に紋
られると同時に、頭部１Ｃが平坦な円板状の頭部形状１
ｄとなる（第１図（ｄ）、第２図（ｄ））。

このボルト材１Ｄに対する冷間加工量は、上述の第１の
工程の紋り量と合わせて、胴部の減面率で２５〜３５％
に設定する。これ（瓜　２５％未満であると、後述する
熱処理を加えてもボルトの強度が充分に高くならないか
らであり、一方、３５％を超えると、後の成形が困難と
なると共に、延性が劣化するからである。

次に、種々の頭部形状（六角、四角及びその他）にする
ため、第３の工程で得られた円板状頭部１ｄのボルト材
１Ｄをノックアウトピン３３により押し出して、それを
トランスファチャックで挟み第４の工程へ移行する。

第４の工程では、頭部］ｄの首下をダイス２４の型孔３
０ａに押し込んで頭部］ｄを支持した状態にてトリマバ
ンチ１４を押し込んで外周を所定の形状に打ち抜くよう
にトリミングする（第１図（ｅ））。その後、これをノ
ックアウトピン３４にて押し出した後、そのボルト材］
Ｅのネジ部１ａ２に転造ローラにてネジ切りを行えばネ
ジ１ｇが転造されたボルト製品３０が得られる（第２図
（ｅ））。

さらに、これを４００〜６００℃の低温熱処理（時効処
理）を施す。この処理により、ボルトの試験片による引
張強さが１００〜１１５Ｋｇｆ／ｍｍ２で、耐力（０，
２％永久のび）が９０〜１００Ｋｇｆ／ｍｍ２のボルト
強度を確保することができ、さらに、大きな冷間加工を
加えたボルト頭部の残留応力を緩和することができる。

なお、処理温度は、４００〜６００℃に設定したのは、
４００℃未満であると、所望の効果を得るのに長時間を
要して生産性を低下させるからであり、また、６００°
Ｃを超えると、炭化物が粒界へ析出し、耐食性が劣化す
るからである。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例について説明する。

第１表に示した各成分組成を有するステンレス鋼を大気
溶解、炉外精錬により溶製した　その後、熱間鍛造、圧
延により直径１７．７ｍｍから１９゜３ｍｍの丸棒を製
造し九　これに固溶化処理を施し、酸洗、蓚酸皮膜処理
後、線引きを行ない、ボルト製造用の素線を得翫　この
素線を用いてＭ１６×６５のボルトを前記工程により成
形し、表中の時効硬化処理を行ない、１３種類のボルト
を得た。

これらより、建築用ボルトの規格であるＪＩＳ８１１８
６に準じて平行部径１０ｍｍのＪ’１３４号引張り試験
片を削出した　この試験片による引張り試験で得られた
０、　　２％耐力と引張り強さを表中に示す。

この結果から分かるように、本実施例のボルト（Ｎｏ、
１〜９）は、削出し試験片による評価で０．２％耐力が
９０Ｋｇｆ／ｍｍ２以上で、引張強さが１００　Ｋｇｆ
／ｍｍ２以上のものが得られた。これに対して、比較例
のボルト（Ｎｏ、１０〜］３）では、０．２％耐力が９
０　Ｋｇｆ／ｍｍ２以下で、引張強さが１０５　Ｋｇｆ
／ｍｍ２以下と低い。また、オーステナイト系ステンレ
ス鋼の５ＵＳ３０４と比較しても本願は耐力及び強度が
高い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、オーステナイト
系ステンレス鋼を用いた構造用のボルトにおいて、Ｃ含
有量、２段階による紋り加工及び、その減面率、時効硬
化の条件を改良することにより、削出し試験片による評
価で０．　２％耐力が９０Ｋｇｆ／ｍｍ”以上で、引張
強さが１００　Ｋｇｆ／１ｒｒｎ”以上である耐力及び
引張強さの大きい構造用ボルトが得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる各製造工程における圧造部の断
面図、第２図は本発明によるボルトを製造工程順に示す
一部破断した断面図である。 １Ａ〜１Ｄ・・・ボルト材　　１ａ・・・軸部　　１　
ｂ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１〜
   １．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０３％以
   下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：１．０〜４．０％、Ｎ
   ｉ：８〜１６％、Ｃｒ：１６〜２２％、Ｎ：０．０５〜
   ０．３５％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．００１
   〜０．０５０％、Ｃａ：０．００１〜０．０５０％を含
   有すると共に、Ｖ：０．０３〜０．３０％、Ｔｉ：０．
   ０３〜０．３０％及びＮｂ＋Ｔａ：０．０３〜０．０３
   ％のうちの少なくとも１種を含有し、残部実質的にＦｅ
   及び不可避不純物からなり、 素材製造とボルト成形時の冷間加工量との関係が次式の
   不等式 Ｐα≦２４６ｅｘｐ（−０．６９ε）−２０…（１）た
   だし、Ｐα＝８２４−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−
   ８．１Ｍｎ−１３．７Ｃｒ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−６８
   （Ｎｂ＋Ｔａ）…（２）（なお、（２）式中のＣ、Ｎ、
   …Ｎｂ、は各元素の重量％を示す。また、εは冷間加工
   歪（真歪で正の値をとる）を示す。） を満足するように成分調製されたステンレス鋼よりなる
   線材または棒材に固溶化処理を施した後、１５〜２０％
   の減面率による冷間加工を施し、ついで該棒材を一定寸
   法に切断し、該切断された材料を圧造部へ移送してパン
   チとダイスとで鍛造する紋り工程及び軸部の一端に所定
   の頭部形状を形成する頭部形成工程を経て、さらに熱処
   理を加えることによりボルトを製造する方法であつて、
   上記絞り工程は、頭部となる部分を残して軸部に絞り加
   工を施す第１の絞り工程と、この第１の絞り工程で得ら
   れたボルト材の頭部を突出させてダイス型孔に没入した
   状態で据え込んで、軸部を胴部とネジ絞り部とで段状と
   なるように絞る第２の絞り工程とからなり、この第１及
   び第２の絞り工程による絞り合計量を、胴部の減面率で
   ２５〜３５％に設定し、 さらに、ネジ成形を行つた後に、４００〜６００℃にて
   時効処理を施し、耐力及び引張強さを向上させたことを
   特徴とする構造用ステンレス鋼高力ボルトの製造方法。