JPS591787B2 - 冷間成形高力ボルト用ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、食品工業、海水ポンプ、あるいは酢酸プラン
ト等に利用される耐食性が優れた冷開成形高力ボルト用
ステンレス鋼に関する。

オーステナイト系ステンレス鋼として著名なＳＵＳ３０
４、ＳＵＳ３１６は各種化学装置用材として広範囲な用
途を有するが、その０．２％耐力値は約３０に９／一程
度にすぎない。

一方ＳＵＳ６３０（１７−４ＰＨ）、ＳＵＳ６３１（１
７−７ＰＨ）のごとき析出硬化型ステンレス鋼の０５２
％耐力値は約１００ｋｇ／一以上であるが、その耐食性
は上記ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６にくらべてかな
り劣るほか、線材の製造や冷間成形性に問題を有してい
る。

かくしてＳＵＳ３０４、３１６相当の耐食性を有する一
方、０．２％耐力値が約６０ｋｇ／一級の冷間成形高力
ボルト用ステンレス鋼は、未だ開発されていない。

またオーステナイト、フェライト組織からなる二相ステ
ンレス鋼としてＳＵＳ３２９ＪＩ（２５Ｃｒ一５Ｎｉ−
２Ｍｏ）が知られているが、この鋼種は熱間加工性が悪
く且つ耐食性の点で十分ではない。

本発明は上記の問題点を解消することを主目的として開
発したもので、その要点は、化学成分の変動にともなっ
て変化するフェライト相とオーステナイト相とのバラン
スを適正範囲に調整して応力腐食割れ抵抗性を高め、０
９２％耐力値が６０に９／一級の冷開成形高力ボルト用
ステンレス鋼であって、その構成要件はつぎのとおりで
ある。Ｃｏ、０５以下、ＳｉＯ、８％以下、Ｍｎ１．５
％以下、ＣｕＯ、３％以下、Ｎｉ４〜７％、Ｃｒ２１〜
２６％｜Ｍ００．５〜０．３％、Ｎｂまたは（および）
Ｔａ０．２〜０９６％、Ｂ０．００１〜０．０２％と残
余Ｆｅおよび不純物からなり、フェライトおよびオース
テナイトの２相組織を有し、式Ｃｒ当量二％Ｃに＋５．
２Ｘ％Ｓｉ＋４．２ｘ％Ｍｏ＋４．５Ｘ（％Ｎｂ＋％Ｔ
ａノＮｉ当量＝４０×％Ｃ＋３×％Ｎｉ＋２Ｘ％Ｍｎ十
％Ｃｕから算出したＣｒ当量およびＮｉ当量が Ｃｒ当量一Ｎｉ当量−３〜２０ を満足し、６０ｋｇ／一級の０．２％耐力値を有する冷
間成形高力ボルト用ステンレス鋼。

本発明鋼の第一の特徴は、Ｃ，Ｃｕ，Ｎｂ（またはＴａ
）の成分を適正範囲の含有量とすることによって冷開成
形性が達成されたことであり、第二の特徴は機械的強度
、すなわち０．２％耐力及び疲労強度が高く、ＳＵＳ３
Ｏ４およびＳＵＳ３ｌ６の約２倍であり、食品工業、海
水ポンプ、酢酸ポンプ等各種の装置においてボルト用材
料として使用した場合、ボルトの締付け力が高められる
から使用中のボルトのゆるみが少ないこさである。

さらに、本発明鋼の第三の特徴はＣｕの含有量を０．３
０％以下に低減するとともに、Ｃｒ当量とＮ１当量を調
整し、かつ耐孔食性に悪影響の因をなすＴｉの添加を排
除するとともに、Ｎｂおよび（または）Ｔａ，Ｂを添加
し、さらには、Ｃの微量化等により、耐食性を著しく改
善したことに存する。その外に、本発明鋼は、ＳＵＳ３
ｌ．６にくらべて約１０倍の被剛性（工具寿命）を有す
るとともに、強磁性を有するため、欠損ボルトを磁気的
吸引力を利用して除去することができるので例えば食品
汚洗などを未然に防止することが可能である点に利点が
存する。

次に、本発明鋼の合金組成の限定理由を説明する。

Ｃ：０．０５％以下 炭素は、強力なオーステナイト化元素であり、強度およ
び靭延性の点から相当量含有するとさが好ましいが、耐
食性およびボルト製造時の冷開成形性を確保するために
は０．０５％以下の量で存在することが好ましい。

Ｓｉ：０．８０％以下 ケイ素は、フエライト化元素であり、溶解精練時に脱酸
性元素さして作用するが、０．８％を越える多量添加は
ボルトの靭延性を害するから０．８０％以下に限定した
。

Ｍｎ： １．５０％以下 マンガンも、溶解精練時に脱酸性元素としての作用効果
のほか、熱間加工性の点で相当量含有することが好まし
いが、金属組織のバランス上１．５０％以下の範囲がよ
い。

Ｃｕ：０．３０％以下 ０．３０％をこえる多量添加は、熱間加工性を低下させ
る傾向がみられ、さらに、ボルトの冷開成形加工性の点
から許容できる範囲として０．３０％までに限定するこ
とが好ましい。

Ｎ１：４〜７％ ニッケルは、強力なオーステナイト安定化元素で、耐食
性改善に対して有効な元素であるため少くとも４％以上
含有することが好ましい。

しかし、本発明鋼は２相ステンレス鋼を企図するもので
あり、そのためＮｉ：Ｃｒ：ＭＯの３成分がバランスし
た２相ステンレス鋼を得るために４〜７％の範囲に限定
した。Ｃｒ：２１〜２６％ フエライト化元素で耐食性、耐酸化性を著しく改善する
ためには、少なくとも２１％以上含有することか好まし
い。

しかし本発明鋼では、Ｎｉ：Ｃｒ：ＭＯの３成分がバラ
ンスした２相ステンレス鋼を得るために２１〜２６％の
範囲に限定した。

ＭＯ： ０．５〜３．０％ ＭＯは２相ステンレス鋼の耐食性、特に耐孔食性の改善
に有効であり、少くとも０．５％含有させるこさが好ま
しい。

他面３％を超える添加は、脆性を生じ易くかつ価格の面
から好ましくない。Ｂ：０．００１〜０．０２％耐食性
および熱間加工性の改善に有効であり、０．００ｉ％未
満では効果を得難い。

一方、０．０２％を越えると低融点化合物が生じ易く、
脆化の傾向が現われるから好ましくない。

Ｎｂまたは（および） Ｔａ：０．２Ｃ）−０．６０％
Ｎｂ，Ｔａは、いずれもフエライト生成元素であり、鋼
中の遊離炭素および遊離窒素を固定するほか、結晶粒を
微細化し、耐粒界腐食割れ性、耐硫酸性、耐孔食性の改
善に有効であり、熱間圧延およびボルト製造時の冷開成
形性に寄与するため、０．２０〜０．６０％の範囲で含
有させることが好ましい。この効果は、ＮｂまたはＴａ
をそれぞれ単独で添加しても、あるいはＮｂとＴａとを
併用しても得られる。

本発明鋼は、該鋼を構成する各元素の含有量が上記範医
内に存するこきに加えて、式Ｃｒ当量＝％Ｃｒ＋５．２
ｘ％Ｓｉ＋４．２ｘ％ＭＯ＋４．５Ｘ（％Ｎｂ十％Ｔａ
）Ｎｉ当量＝４０ｘ％＋３Ｘ％Ｎｉ＋２ｘ％Ｍｎ＋％Ｃ
ｕから算出されるＣｒａ量及びＮｉ当量がΔ＝Ｃｒ当量
−Ｎｉａ量＝３〜２０ を満足させることに特徴がある。

この限定は、４〜９％Ｎｉ，２ｌ〜２６％Ｃｒ，Ｏ．５
〜３．０％ＭＯの３成分をバランスせしめて、所望のオ
ーステナイト・フエライト２相組織を確保するために必
要であり、また本発明鋼の所望の性質はＮｉ当量および
Ｃ「当量が上記の範囲内にあるときに得られる。

すなわち０．２％耐力値が約６０ｋｇ／一またはそれ以
上となるほか広い適正熱間加工温度領域およびボルトの
良好な冷開成形性が得られるものである。特に、Ｃｒ当
量一Ｎｉ当量が３〜２０の範囲に存すると、インゴット
の圧延分塊が可能となり、鍛造分塊を行うことなく線材
の製造が可能となるという利点がある。

以下、本発明を実施例により説明する。

第１表に示す化学成分を有する直径３０ｍｍの供試材を
１０８０℃で３０分間保持後水冷する。

溶体化処理を施し、機械的性質、耐硫酸性、耐孔食性、
熱間加工性の指標たる熱間破断ねん回値およびすえ込み
時の変形抵抗を求めた。その結果を第２表に示す。つぎ
に本発明の諸特性に関してＣ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｔｉ、およ
びΔ一Ｃｒ当量−Ｎｉ当量を変化させた場合．：！：Ｂ
添加有無の影響等について第３表の供試材を使用しての
試験結果により本発明の特徴を説明する。

本発明鋼の耐硫酸性、耐孔食性に及ぼすＣ（炭素）量の
影響を第１図にしめす。

Ｃ量が０．０６％を越えるにしたがって耐硫酸性及び耐
孔食性いずれの場合も腐食度が著しく増大する。従って
、Ｃ量は０．０５％以下に限定する必要があることがわ
かった。第２図は冷開成形ボルト用ステンレス鋼として
必須のボルト成形性に及ぼすＣ量の影響をしらべるため
、すえ込み試験を行なって圧縮歪ε＝０．５及びε−１
．０のときのすえ込み変形抵抗を求めた結果である。

図は明らかにＣ量の多い程すえ込み変形抵抗が増大し、
且つ歪の大きい程その影響が著しいことを示している。
ボルト用ステンレス鋼としてもつとも一般的につかわれ
ているＳＵＳ３Ｏ４の圧縮歪ε−１．０のときのすえ込
み変形抵抗は約１６０ｋｇ／一であり、本発明鋼の上限
のＣ量０．０５％のときと同じ値は約１３０ｋｇ／一で
ある。この値はＳＵＳ３Ｏ４よりさらにきびしい変形を
行う際に利用されるＳＵＳ３Ｏ５と同等であり、本出願
においてＣ量の上限を０．０５％とする理由の１つもこ
の点にある。第３図及び第４図はそれぞれ熱間ねじり試
験で求めた最大トルク及び破断ねん回値をＣｕ量に対し
て表わしたものである。

最大トルクは、試験温度が低い程、Ｃｕ量が多い程増大
しており、破断ねん回値はＣｕ量１．０％まではＣｕ量
が多い程急激に減少しそれ以上Ｃｕが増えてもほとんど
変化がない。これらの最大トルク及び破断ねん回値は線
材の製造工程において鋼塊の圧延、ボルトの熱開成形な
どの熱間加工に際しての所要エネルギーや熱延割れ性な
どを判断する指標となる値である。図からＣｕ量は少な
い方が望ましいこさは明らかであるが、安定して線材を
製造するために必要な破断ねん回値及び不純物さして不
可避的に混入し得るＣｕ量を考慮する（ｌ！：Ｃｕの上
限を０．３％に規定した。第５図は耐食性に及ぼすＮｂ
，Ｔｉ，Ｃｕの影響をしめしたものであり、５％Ｈ２Ｓ
Ｏ４沸騰液に対してＮｂがもつとも顕著な改善効果があ
り、かつその効果は０．７％以上でほぼ御和の傾向がみ
られる。

ＴｉはＮｂについで耐硫酸性向上に対来がある。しかし
ながらＮｂが孔食に対しても改善効果があるのに対しＴ
ｉは逆は耐孔食性を劣化せしめる。Ｃｕは耐孔食性、耐
硫酸性いずれに対しても全く影響がみられない。したが
って、Ｔｉは本発明鋼の特長である耐孔食性を劣化させ
鋼の清浄度に対する悪影響も考慮すると好ましくなく、
Ｃｕは耐食性に効果がないのみならず、熱間加工性など
の製造性を劣化せしめる点で好ましい元素ではないこと
は以上の説明で明らかである。またＮｂは０．２０％以
下の添加量ではその効果が少なく、０．６０％を越える
添加は経済的でないばかりか過剰の添加は清浄度、製造
性などの点から好ましくない。つきに、第６図は破断ね
ん回値とΔ＝Ｃｒ当量−Ｎｉ当量との関係をしめしたも
のである。

温度が高い程破断ねん回値が大きいこと、しかして、Δ
＝１０において破断ねん回値にピークが認められる。し
かし、Ｂを０．００ｓ％添加することによって破断ねん
回値が大巾に増加するか破断ねん回値が５以上、すなわ
ちΔ一Ｃｒ当量−Ｎｉ当量が３〜２０の範囲にあるもの
はボルトの全製造過程を通じて良好な熱間加工性を示し
た。本発明鋼はまた良好な被削性及び耐疲労性を有して
おり、一例きして第１表のＡ６の供試材についてＳＵＳ
３Ｏ４と比較した結果を第７図及び第８図に示した。

ボルトの主製造工程は、頭部の冷間成形加工→熱処理→
六角頭のトリミング→裏面取り→先付加工（ねじ端面取
り）→ねじ切削または転造→脱脂→検査などの各工程を
へて量産される。

したがって素材自体は熱間加工性、冷間すえ込み加工性
などのほか被削性の高いこさが要求される。この意味か
らも本発明鋼は冷間成形ボルト用鋼として適しているこ
とが明らかである。つぎに実体ボルトについてＪＩＳＺ
２３７ｌ−１９５５の規定に準拠した塩水噴霧試験を行
った。

その結果、第４表に示すさおり、本発明冷間成形ステン
レス鋼ボルトの発銹状況は、比較鋼材ボルトよりも良好
である。以上のとおり、本発明に関する冷間成形ステン
レス鋼ボルトは、ＳＵＳ３ｌ６と同等以上の耐食性、耐
孔食性、被剛性を具備する。

また、本発明ステンレス鋼は、０．２％耐力値が約６０
ｋｇ／一以上であり、更に著しく改善された熱間加工性
および冷間すえ込み加工性を有する。本発明鋼は、ＳＵ
Ｓ３Ｏ４，３ｌ．６鋼に比しＮｉ量が少なく材料価格が
より安価な良質のステンレスボルトを製造可能であると
吉もに、ボルトの締付力が大きくすることができるので
、ボルトの締付ゆるみが少いという利点を有する。

また強磁性を有するので欠損ボルトを磁気的吸引力を利
用して除去し、食品汚洗などを未然に防止することが可
能であり、食品工業・海水ポンプ・醋酸プラント等への
ステンレスボルトとして技術的効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、沸騰５％硫酸における腐食度に対するＣ量の
影響をしめしたものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．８以下、Ｍｎ１．
   ５％以下、Ｃｕ：０．３以下、Ｎｉ：４〜７％、Ｃｒ：
   ２１〜２６％ Ｍｏ：０．５〜３．０％、Ｎｂまたは（
   および）Ｔａ：０．２〜０．６％、Ｂ：０．００１〜０
   ．０２％と残余Ｆｅおよび不純物からなり、フェライト
   およびオーステナイトの２相組織を有し、式Ｃｒ当量＝
   ％Ｃｒ＋５．２×％Ｓｉ＋４．２×％Ｍｏ＋４．５×（
   ％Ｎｂ＋％Ｔａ）Ｎｉ当量＝４０×％Ｃ＋３×％Ｎｉ＋
   ２×％Ｍｎ＋％Ｃｕから算出したＣｒ当量およびＮｉ当
   量が Ｃｒ当量−Ｎｉ当量＝３〜２０ を満足し、６０ｋｇ／ｍｍ＾２級の０．２％耐力値を有
   する冷開成形高力ボルト用ステンレス鋼。