JPH05255811A - 耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】重量％で、Ｃ: 0.30〜0.50％、Si:1.2％以下、
Mn: 0.40〜1.50％、Cr: 0.45〜1.50％、Mo: 0.40〜1.00
％、Ｗ: 0.05〜0.80％、Ｖ: 0.01〜0.25％、Nb:0.005〜
0.15％、Ti:0.005〜0.10％、Zr:0.005〜0.15％、Al:0.0
05〜0.10％を含有し、更にＮを下記の式で表されるＮ^*
として 0.005〜0.030 ％含有し、残部がFeおよび不可避
不純物からなり、焼入れ焼戻し組織を有する耐火性に優
れたボルトおよびナット用鋼。 Ｎ^* ＝Ｎ（％）−｛Zr（％）／6.42｝−｛Ti（％）／3.
43｝−｛Ｂ（％）／0.78｝ 上記鋼は、Ｂ: 0.0003〜0.0050％、Ni: 0.01〜0.60％、
Cu: 0.05〜0.60％の範囲でこの内の一種以上を含有する
ことができる。 【効果】高温特性が著しく改善されている上に、常温強
度も高いので、新耐火設計法に基づく建築用耐火鋼材の
締結のためのボルトおよびナット用鋼として優れてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建築構造物に使用され
るボルトおよびナット用鋼であって、詳しくは、常温で
は高力六角ボルト(F10T)、六角ナット(F10) (JIS B 118
6)鋼や高力トルシア形ボルト(F10T) (JSS II 09)鋼と同
等の特性を示し、高温、特に 600℃で45kgf/mm² 以上の
耐力を有する耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、建築構造用鋼材の締結には、JIS
B 1186に定められる高力六角ボルト(F10T)、六角ナット
(F10) やJSS II 09 に定められるトルシア形ボルト(F10
T)などが使用されているが、この種の鋼材は 350℃以上
の高温にさらされると著しく耐力が低下するため、建築
物に火災が発生した場合でもこれらの鋼材の温度が 350
℃を超えないように耐火被覆を施すことが法令によって
義務付けられている。

【０００３】一方、昭和51年〜昭和61年に建設省で実施
された総合技術開発プロジェクト「建築物の防火設計法
の開発」の結果、「火災時の安定性」が数値シミュレー
ションおよび、実験で確認されれば、耐火物の被覆厚
さを薄くすること、鉄骨を無被覆で使用すること、が
可能となり、従来よりも鉄骨建築における耐火工法の選
択の自由度が大幅に改善されることになる。即ち、この
新耐火設計法によれば、高温強度に優れた鋼材を使用す
ることにより、法令で義務付けられる耐火被覆を削減或
いは省略することが可能となり、鉄骨建築の施工コス
ト、工数の削減が期待される。

【０００４】しかしながら、ステンレス鋼や熱間金型用
の合金工具鋼で代表される周知の耐熱鋼材は、高温強度
に優れるものの常温強度が高すぎて加工性に劣るほか、
価格も非常に高いため経済性の面からも建築構造物の耐
火ボルトおよびナット用鋼としては適用が難しい。ま
た、JIS G 4107に定められている高温用合金鋼ボルト材
は、従来の高力六角ボルト(F10T)、六角ナット(F10) 鋼
や高力トルシア形ボルト(F10T)鋼と同等の常温特性を示
すものの、新耐火設計法を満足できるような高温強度を
有しておらず、同じく建築構造物の耐火ボルトおよびナ
ット用鋼としては適用し難い。

【０００５】このようなことから、特開平2-247355号公
報に、新耐火設計法に基づく締結部材として、高温特性
に優れたボルトおよびナットと、これらの経済的な製造
方法が提案されている。しかし、この発明のボルトおよ
びナットでも 600℃での耐力は高々35.8kgf/mm² 程度し
かなく、建築構造物用耐火ボルトおよびナットとしては
高温耐力が十分にあるとは言い難い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高温
耐力をより高めたボルトおよびナット用鋼、具体的に
は、新耐火設計法に基づく建築用耐火鋼材の締結にあた
り、従来の高力六角ボルト(F10T)、六角ナット(F10) 鋼
や、高力トルシア形ボルト(F10T)鋼と同等の常温特性を
示し、火災時における高温特性がこれらのボルトおよび
ナット鋼よりも遙かに高い、 600℃で45kgf/mm² 以上の
耐力を有する耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を達成するため鋼材の化学組成および組織について研究
を行った結果、下記の知見を得た。

【０００８】(1)Mo 、ＷおよびＶを適正量添加したうえ
でＣの添加量を調整することにより、高温における耐力
の低下が抑制される。

【０００９】(2)Nb を、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、TiおよびZrと
ともに複合添加し、且つ、Ｎ量を適正に調整することに
より、高温における耐力の低下が著しく抑制される。

【００１０】(3) 含有成分を適正に調整したうえで鋼の
組織を焼入れ焼戻し組織にすることにより、常温強度お
よび高温強度が改善される。

【００１１】(4) 上記の成分に加えてＢ、および／また
はNi、Cuの１種以上を適正量添加すると、高温での耐力
の低下が一段と抑制される。

【００１２】上記知見に基づく本発明は、下記(I) 〜(I
V)に示す化学組成および組織を有するボルトおよびナッ
ト用鋼を要旨とする。

【００１３】(I)重量％で、Ｃ: 0.30〜0.50％、Si:1.2
％以下、Mn: 0.40〜1.50％、Cr: 0.45〜1.50％、Mo: 0.
40〜1.00％、Ｗ: 0.05〜0.80％、Ｖ: 0.01〜0.25％、N
b:0.005〜0.15％、Ti:0.005〜0.10％、Zr:0.005〜0.15
％、Al:0.005〜0.10％を含有し、更にＮを下記の式で表
されるＮ^* として 0.005〜0.030 ％含有し、残部がFeお
よび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し組織を有する
耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼。

【００１４】Ｎ^* ＝Ｎ（％）−｛Zr（％）／6.42｝−
｛Ti（％）／3.43｝−｛Ｂ（％）／0.78｝ (II)上記 (I)に記載の成分に加えて更に、重量％で、0.
0003〜0.0050％のＢを含有し、焼入れ焼戻し組織を有す
る耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼。

【００１５】(III)上記 (I)に記載の成分に加えて更
に、重量％で、0.01〜0.60％のNiおよび0.05〜0.60％の
Cuのうちの1 種以上を含有し、焼入れ焼戻し組織を有す
る耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼。

【００１６】(IV)上記 (I)に記載の成分に加えて更に、
重量％で、0.0003〜0.0050％のＢならびに0.01〜0.60％
のNiおよび0.05〜0.60％のCuのうちの1 種以上を含有
し、焼入れ焼戻し組織を有する耐火性に優れたボルトお
よびナット用鋼。

【００１７】

【作用】以下に、本発明における鋼の化学組成および組
織を上記のように限定する理由を説明する（なお、
「％」は「重量％」を意味する）。

【００１８】Ａ）鋼の化学組成 Ｃ：Ｃは所望の強度を確保するために添加するが、その
含有量が0.30％未満では添加効果に乏しく、一方、Mo、
Ｗ、およびＶとの共存下でＣ含有量が0.50％を超えると
かえって高温での耐力が低下することになり、また、焼
入れ時の割れ感受性が増大することになるので、その含
有量を0.30％〜0.50％とした。

【００１９】Si：Siは、鋼の脱酸および強度増加のため
に有効な元素である。しかし、1.2 ％を超えて含有する
と靱性および冷間加工性が劣化するのみならず、脱炭を
生じやすくなるので、その含有量を1.2 ％以下とした。

【００２０】Mn:Mnは、鋼の脱酸のほか強度および靱性
を確保するのに有効な元素である。しかし、その含有量
が0.40％未満では所望の強度が得られず、1.50％を超え
ると強度および靱性の向上効果が飽和し、コストのみが
上昇することになるので、その含有量を0.40〜1.50％と
した。

【００２１】Cr:Crは、常温強度および高温強度を向上
させる作用がある。特に、Mo、Ｗ、Ｖ、Nb、TiおよびZr
との複合添加で著しく高温強度を向上させるが、その含
有量が0.45％未満では所望の効果が得られず、1.50％を
超えると冷間加工性が劣化するようになるので、その含
有量を0.45〜1.50％とした。

【００２２】Mo：Moは高温強度の向上に極めて有効な元
素であり、特に、Cr、Ｗ、Ｖ、Nb、TiおよびZrとの複合
添加でその効果が著しい。しかし、その含有量が0.40％
未満では、所望の高温強度が得られず、1.00％を超える
と前記の効果が飽和し、経済的に不利を招くことになる
ので、その含有量を0.40〜1.00％とした。

【００２３】Ｗ：Ｗは高温強度を向上させるのに有効な
元素であり、特に、Cr、Mo、Ｖ、Nb、TiおよびZrとの複
合添加でその効果が著しい。しかし、その含有量が0.05
％未満では所望の高温強度が得られず、0.80％を超える
と前記の効果が飽和し経済的に不利となる上に冷間加工
性が劣化するので、その含有量を0.05〜0.80％とした。

【００２４】Ｖ：Ｖは、鋼の常温強度および高温強度を
向上させる作用を有している。その作用は特に、Cr、M
o、Ｗ、Nb、TiおよびZrとの複合添加で大きく発揮され
る。しかし、その含有量が0.01％未満では所望の効果が
得られず、0.25％を超えるとその効果が飽和するばかり
かかえって高温強度の低下をきたし、また、靱性の劣化
を招くようになるので、その含有量を0.01〜0.25％とし
た。

【００２５】Nb :Nbは本発明において重要な元素であ
り、微量の添加で高温強度を向上させる。

【００２６】特に、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、TiおよびZrとの複
合添加で高温強度が著しく向上する。

【００２７】その効果を確保するためには、少なくとも
0.005％の含有量を必要とするが、0.15％を超えて含有
してもその効果が飽和するのみならず、熱間加工性およ
び冷間加工性が劣化するようになるので、その含有量を
0.005〜0.15％とした。

【００２８】Ti：Tiは、常温強度および高温強度を向上
させる作用がある。その作用は特に、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、
NbおよびZrとの複合添加で大きく発揮される。しかし、
その含有量が 0.005％未満では所望の効果が得られず、
0.10％を超えると鋼の靱性が劣化し、また、被削性の低
下をも招くことになるので、その含有量を 0.005〜0.10
％とした。

【００２９】Zr:Zrは、鋼の常温強度および高温強度を
向上させる作用がある。その作用は特に、Cr、Mo、Ｗ、
Ｖ、NbおよびTiとの複合添加で著しい。しかし、その含
有量が 0.005％未満では所望の効果が得られず、0.15％
を超えるとその効果が飽和するばかりかかえって鋼の靱
性が劣化するようになるのでその含有量を 0.005〜0.15
％とした。

【００３０】Al :Al は、鋼の脱酸の安定化および均質
化を図るのに有効な元素である。しかし、その含有量
が、 0.005％未満では所望の効果を得ることができず、
0.10％を越えるとその効果は飽和してしまい、逆に介在
物の増大により疵が発生し、靱性を劣化させることにな
るので、その含有量を 0.005〜0.10％とした。

【００３１】Ｎ：Ｎは本発明鋼の成分系では高温強度の
向上に寄与する有効な元素であるが、Ti、ZrおよびＢと
の結合力が強い。Ti、ZrおよびＢと化合物を形成した残
りのＮであるＮ^* は下記の式で表されるが、このＮ^* と
しての含有量が 0.005％未満では所望の効果が得られ
ず、一方、低合金鋼において、Ｎ^* として 0.030％を超
えるＮ量を含有させることは難しい。そのため、本発明
では、Ｎの含有量はＮ^* として 0.005〜0.030 ％とし
た。

【００３２】Ｎ^* ＝Ｎ（％）−｛Zr（％）／6.42｝−
｛Ti（％）／3.43｝−｛Ｂ（％）／0.78｝ Ｂ：Ｂは鋼の焼入性を一段と向上させる作用があるの
で、特に製品寸法が大きい場合に高強度を確保する目的
で添加してもよい。しかし、その含有量が0.0003％未満
では所望の効果が得られず、0.0050％を超えて含有する
と鋼の靱性および高温強度が劣化するようになるので、
Ｂの含有量は、0.0003〜0.0050％とするのがよい。

【００３３】NiおよびCu：NiおよびCuには強度と靱性を
向上させる作用があるので、より以上の高強度や靱性を
求められる場合は、必要に応じて１種以上添加してもよ
い。しかし、Niの場合には0.01％未満の含有量では所望
の効果が得られず、0.60％を超えて含有すると冷間加工
性の劣化をきたす。一方、Cuの場合には、0.05％未満の
含有量では所望の効果が得られず、0.60％を超えて含有
すると熱間加工性の劣化をきたす。

【００３４】従って、これらの合金元素を1 種以上添加
する場合は、Ni: 0.01〜0.60％、Cu:0.05〜0.60％の含
有量とするのがよい。なお、NiおよびCuはその一方だけ
を添加することもできるが、NiにはCuによる熱間加工性
の劣化を防止する作用もあるので、Cuを添加する場合に
はNiも同時に添加する方が望ましい。

【００３５】Ｂ）鋼の組織 上記の化学組織を有する鋼であっても、その組織がフェ
ライト、パーライト、高温ベイナイトといったいわゆる
高温変態生成物からなるものでは目的とする常温強度お
よび高温強度が得られない。常温強度が従来のボルトお
よびナット用鋼と同等以上で、高温強度、特に 600℃で
の耐力が45kgf/mm² 以上のものとするためには、焼入れ
および焼戻し処理して、鋼の組織を焼入れ焼戻し組織と
する必要がある。焼入れ処理は、熱間加工後の高温の鋼
を直ちに急冷して焼入れする、いわゆる直接焼入れ法に
よって行ってもよく、熱間加工後の高温の鋼を一旦室温
まで冷却した後、再加熱して焼入れする方法によって行
ってもよい。

【００３６】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼を通常の方法によっ
て溶製した。表１において、鋼Ａ〜Ｋは本発明鋼、鋼Ｌ
〜Ｐは成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲
から外れた比較鋼である。

【００３７】次いで、これらの本発明鋼および比較鋼を
連続鋳造法、或いは造塊−分塊法によって鋼片となした
後、1200〜1250℃の温度に加熱してから、25mm径の丸棒
に熱間圧延し、一部のものは熱間圧延後、 930〜1020℃
の温度から直ちに焼入れを行った。他のものは熱間圧延
後、一旦室温まで冷却し、 880〜950 ℃の温度に再加熱
して焼入れを行った。しかるのち、全ての丸棒に 430〜
680 ℃の温度で焼戻しを施し、その組織が焼入れ焼戻し
組織になるように調整した。

【００３８】こうして得られた焼入れ焼戻しの後の丸棒
から試験片を切り出し、常温および600 ℃における引張
特性を調査した。その結果を焼入れおよび焼戻し温度と
ともに表２に示す。

【００３９】表２から本発明鋼は常温強度および高温強
度ともに良好な特性値を有しており、新耐火設計法に基
づく締結部材( ボルト、ナット) 用鋼として優れた鋼で
あることがわかる。これに対して比較鋼は常温強度は本
発明鋼とほぼ同等であるが、高温強度が著しく低い。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【発明の効果】本発明鋼は高温特性が著しく改善されて
いる上に、常温強度も高いので、新耐火設計法に基づく
建築用耐火鋼材の締結のためのボルトおよびナット用鋼
として優れている。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ: 0.30〜0.50％、Si:1.2％以
   下、Mn: 0.40〜1.50％、Cr: 0.45〜1.50％、Mo: 0.40〜
   1.00％、Ｗ: 0.05〜0.80％、Ｖ: 0.01〜0.25％、Nb: 0.
   005〜0.15％、Ti:0.005〜0.10％、Zr:0.005〜0.15％、A
   l:0.005〜0.10％を含有し、更にＮを下記 (1)式で表さ
   れるＮ^* として、 0.005〜0.030 ％含有し、残部がFeお
   よび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し組織を有する
   耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼。 Ｎ^* ＝Ｎ（％）−｛Zr（％）／6.42｝−｛Ti（％）／3.43｝ −｛Ｂ（％）／0.78｝・・・・・・・・・・・・・・（1)
2. 【請求項２】請求項１に記載の成分に加えて更に、重量
   ％で、0.0003〜0.0050％のＢを含有し、焼入れ焼戻し組
   織を有する耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼。
3. 【請求項３】請求項１に記載の成分に加えて更に、重量
   ％で、0.01〜0.60％のNiおよび0.05〜0.60％のCuのうち
   の１種以上を含有し、焼入れ焼戻し組織を有する耐火性
   に優れたボルトおよびナット用鋼。
4. 【請求項４】請求項１に記載の成分に加えて更に、重量
   ％で、0.0003〜0.0050％のＢならびに0.01〜0.60％のNi
   および0.05〜0.60％のCuのうちの１種以上を含有し、焼
   入れ焼戻し組織を有する耐火性に優れたボルトおよびナ
   ット用鋼。