JP2017226878A - ボルト用鋼材 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐食性に優れるボルト用鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５％以上０．３０％未満、Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、Ｐ：０．００１％以上０．０３０％以下、Ｓ：０．０００１％以上０．０１００％以下、Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下、Ｃｕ：０．０１０％以上１．０００％以下、Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下およびＮ：０．００１０％以上０．０１００％以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするボルト用鋼材を提供する。【選択図】なし
Description
本発明は、建築・土木分野の各種鋼構造物に用いられるボルト用鋼材に関し、特に海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境下で耐食性・耐候性が要求される部材として好適な高力ボルト用鋼材に関する。なお、本発明におけるボルトとは、ボルトの他、ナット、座金を含むものとする。
鋼構造物を屋外の大気腐食環境で供用する場合、なんらかの防食処理が必要である。従来、塗装、亜鉛メッキ、溶射等の防食技術が用いられてきたが、その中でも耐候性鋼材（ＪＩＳ Ｇ ３１１４「溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材」）の無塗装使用に注目が集まっている。耐候性鋼材は、適切な大気腐食環境下において、保護性のさび層に表面が覆われることにより著しく腐食速度が低減する鋼材であり、その優れた耐候性により、例えば、耐候性鋼を使用した橋梁は、無塗装のまま数十年間の供用に耐えることが知られている。耐候性鋼を用いることにより、例えば塗装の塗り替え作業などによるメンテナンス費用を削減することが可能となり、ライフサイクルコストを低く抑えることができる。
建築、橋梁等の鋼構造物には、高力ボルトを用いた継手が用いられる。高力ボルトは、大気腐食環境で供用する場合には、鋼板と同様になんらかの防食処理を必要とする。従来、鋼板と同様に、塗装、亜鉛メッキなどの防食技術が用いられてきたが、近年、耐候性鋼材と同等の耐候性を具備させた高力ボルトが実用化されてきている。
しかしながら、海岸近傍などの飛来塩分量が多い環境では、上記した保護性の高いさび層は生成しにくく、実用的な耐候性が得難いことが知られている。
これまで、高力ボルトの耐候性を向上させる手法としては、例えば、特許文献１では、Ｃｕ、Ｍｏを添加し、さらに０．８０質量％以上のＣｒを添加した耐候性及び耐火性に優れた高力ボルト用鋼が開示されている。
これまで、高力ボルトの耐候性を向上させる手法としては、例えば、特許文献１では、Ｃｕ、Ｍｏを添加し、さらに０．８０質量％以上のＣｒを添加した耐候性及び耐火性に優れた高力ボルト用鋼が開示されている。
特許文献２では、Ｍｏに加え、２質量％以上のＣｒと１質量％以上のＮｉを添加した耐候性、対遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト用鋼が開示されている。
特許文献３では、Ｍｏを添加し、さらに１．０質量％以上のＮｉを添加した海岸耐候性に優れた高強度鋼が開示されている。
特許文献３では、Ｍｏを添加し、さらに１．０質量％以上のＮｉを添加した海岸耐候性に優れた高強度鋼が開示されている。
特許文献４では、Ｃｕに加え、Ｎｉを添加したボルト用鋼が開示されている。
特許文献５では、Ｃｕに加え、さらに２．３質量％以上のＮｉを添加した耐遅れ破壊特性および海浜耐候性に優れるボルト部品の製造方法が開示されている。
特許文献５では、Ｃｕに加え、さらに２．３質量％以上のＮｉを添加した耐遅れ破壊特性および海浜耐候性に優れるボルト部品の製造方法が開示されている。
特許文献６では、Ｃｕに加え、１．２質量％以上のＮｉを添加したボルト用鋼が開示されている。
特許文献７では、１質量％以上のＮｉを添加した海岸耐候性に優れた高力ボルト・ナット用鋼が開示されている。
特許文献７では、１質量％以上のＮｉを添加した海岸耐候性に優れた高力ボルト・ナット用鋼が開示されている。
特許文献８では、０．５質量％以上のＣｒ＋Ｍｎと、Ｓｎを添加したボルト用鋼が開示されている。
特許文献９では、０．１質量％以上のＣｒと、Ｓｎを添加した耐候性ボルト用鋼材が開示されている。
特許文献９では、０．１質量％以上のＣｒと、Ｓｎを添加した耐候性ボルト用鋼材が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されるように、多量のＣｒを含有した場合、飛来塩分の多い環境において耐食性が劣化してしまうという問題点がある。
また、特許文献２に開示されるように、Ｍｏに加え、多量のＣｒ、Ｎｉを含有した場合、高飛来塩分環境において耐食性が劣化してしまうことと合金コストの上昇により鋼材価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献２に開示されるように、Ｍｏに加え、多量のＣｒ、Ｎｉを含有した場合、高飛来塩分環境において耐食性が劣化してしまうことと合金コストの上昇により鋼材価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献３に開示されるように、Ｍｏを添加し、さらに多量のＮｉを含有した場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献４、５、および６に開示されるように、Ｃｕに加え、多量のＮｉを含有した場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献４、５、および６に開示されるように、Ｃｕに加え、多量のＮｉを含有した場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献７に開示されるように多量のＮｉを含有した場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献８、９に開示されるようにＳｎを多量に添加した場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
また、特許文献８、９に開示されるようにＳｎを多量に添加した場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまうという問題点がある。
本発明は、かかる事情に鑑み、低コストで耐食性に優れたボルト用鋼材を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、発明者らは、耐食性の観点から鋼材の成分組成について鋭意検討した。その結果、Ｃｕを含有し、さらに微量のＮｂおよびＳｎを含有することにより、鋼材の耐食性が向上することを見出した。さらに、Ｎｉを含有することで、更なる耐食性の向上効果が得られることを見出した。
上記成分組成を含有する鋼材が優れた耐食性を示す詳細な理由は不明であるが、以下のように推定される。Ｃｕ、Ｎｉはさび粒子を微細化させることでさび層を緻密化させ、腐食促進因子である酸素や塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。Ｎｂは地鉄表面近傍に濃化することで鋼材のアノード反応およびカソード反応を抑制する。Ｓｎは、Ｎｂと同様に、地鉄表面近傍において濃化することで鋼材のアノード反応およびカソード反応を抑制する。ただし、これらの効果は単独含有では不十分でありＣｕ、Ｎｂ、およびＳｎの複合含有により耐食性が著しく向上すると推定される。本発明は、上記の新規な知見に基づき、さらに検討を重ねた末に完成されたもので、その要旨構成は、以下の通りである。
１．質量％で、
Ｃ：０．１５％以上０．３０％未満、
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００１％以上０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下、
Ｃｕ：０．０１０％以上１．０００％以下、
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｎ：０．００１０％以上０．０１００％以下
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするボルト用鋼材。
Ｃ：０．１５％以上０．３０％未満、
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００１％以上０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下、
Ｃｕ：０．０１０％以上１．０００％以下、
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｎ：０．００１０％以上０．０１００％以下
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするボルト用鋼材。
２．前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｎｉ：０．０１％以上１．００％以下
を含有することを特徴とする、上記１に記載のボルト用鋼材。
質量％で、
Ｎｉ：０．０１％以上１．００％以下
を含有することを特徴とする、上記１に記載のボルト用鋼材。
３．前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｃｒ：０．１０％未満を含有することを特徴とする、上記１または２に記載のボルト用鋼材。
質量％で、
Ｃｒ：０．１０％未満を含有することを特徴とする、上記１または２に記載のボルト用鋼材。
４．前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｍｏ：０．００１％以上１．５００％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｗ：０．００１％以上２．０００％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記１から３のいずれかに記載のボルト用鋼材。
質量％で、
Ｍｏ：０．００１％以上１．５００％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｗ：０．００１％以上２．０００％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記１から３のいずれかに記載のボルト用鋼材。
５．前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記１から４のいずれかに記載のボルト用鋼材。
質量％で、
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記１から４のいずれかに記載のボルト用鋼材。
６．前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下および
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記１から５のいずれかに記載のボルト用鋼材。
質量％で、
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下および
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記１から５のいずれかに記載のボルト用鋼材。
本発明によれば、低コストで耐食性に優れたボルト用鋼材を得ることができる。本発明のボルト用鋼材は、特定の耐食性向上に有効な元素を複合含有させることで、従来よりも優れた耐食性を有することができる。
以下、本発明の一実施形態によるボルト用鋼材について説明する。まず、ボルト用鋼材の成分組成の限定理由について述べる。なお、本明細書において、各成分元素の含有量を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
Ｃ：０．１５％以上０．３０％未満
Ｃは鋼の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため０．１５％以上含有する必要がある。一方、０．３０％以上になるとボルト成形加工時の変形抵抗が増大し加工性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１５％以上０．３０％未満とする。好ましくは、０．１８％以上０．２８％以下である。より好ましくは０．２０％以上０．２５％以下である。
Ｃは鋼の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため０．１５％以上含有する必要がある。一方、０．３０％以上になるとボルト成形加工時の変形抵抗が増大し加工性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１５％以上０．３０％未満とする。好ましくは、０．１８％以上０．２８％以下である。より好ましくは０．２０％以上０．２５％以下である。
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下
Ｓｉは脱酸元素として有効な元素であり、また、焼入れ性の向上に対しても有効な元素である。Ｓｉ含有量が０．０５％未満では脱酸効果および焼入れ性の向上効果が十分に得られず、一方、１．００％を超えて添加すると粒界が脆化し、耐遅れ破壊特性が劣化する。このため、Ｓｉ含有量は０．０５％以上１．００％以下とする。好ましくは、０．１０％以上０．８０％以下である。より好ましくは、０．１５％以上０．６０％以下である。
Ｓｉは脱酸元素として有効な元素であり、また、焼入れ性の向上に対しても有効な元素である。Ｓｉ含有量が０．０５％未満では脱酸効果および焼入れ性の向上効果が十分に得られず、一方、１．００％を超えて添加すると粒界が脆化し、耐遅れ破壊特性が劣化する。このため、Ｓｉ含有量は０．０５％以上１．００％以下とする。好ましくは、０．１０％以上０．８０％以下である。より好ましくは、０．１５％以上０．６０％以下である。
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下
Ｍｎは焼入れ性確保の観点から有効な元素であり、０．２０％未満の含有量では焼入れ性の向上効果が十分に得られず、一方、２．００％を超えて過剰に含有すると粒界強度が低下し耐遅れ破壊特性が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量は０．２０％以上２．００％以下とする。好ましくは０．４０％以上１．８０％以下である。より好ましくは０．６０％以上１．６５％以下である。
Ｍｎは焼入れ性確保の観点から有効な元素であり、０．２０％未満の含有量では焼入れ性の向上効果が十分に得られず、一方、２．００％を超えて過剰に含有すると粒界強度が低下し耐遅れ破壊特性が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量は０．２０％以上２．００％以下とする。好ましくは０．４０％以上１．８０％以下である。より好ましくは０．６０％以上１．６５％以下である。
Ｐ：０．００１％以上０．０３０％以下
Ｐは鋼の耐食性を向上させる元素である。このような効果を得るためには０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．０３０％を超えて含有すると結晶粒界に偏析することで結晶粒の接合強度が低下し、耐遅れ破壊特性が劣化する。したがって、Ｐ含有量は０．００１％以上０．０３０％以下とする。好ましくは０．０２０％以下である。より好ましくは、０．０１０％以下である。
Ｐは鋼の耐食性を向上させる元素である。このような効果を得るためには０．００１％以上含有する必要がある。一方、０．０３０％を超えて含有すると結晶粒界に偏析することで結晶粒の接合強度が低下し、耐遅れ破壊特性が劣化する。したがって、Ｐ含有量は０．００１％以上０．０３０％以下とする。好ましくは０．０２０％以下である。より好ましくは、０．０１０％以下である。
Ｓ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｓは０．０１００％を超えて含有すると介在物の量が多くなり、耐遅れ破壊特性が劣化する。一方、含有量を０．０００１％未満まで低下させると、生産コストが増大する。したがって、Ｓ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
Ｓは０．０１００％を超えて含有すると介在物の量が多くなり、耐遅れ破壊特性が劣化する。一方、含有量を０．０００１％未満まで低下させると、生産コストが増大する。したがって、Ｓ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とする。
Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素であるとともに、Ａｌ系窒化物の微細析出物としてピンニング効果によりオーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。このような効果を得るため、Ａｌ含有量として０．０１０％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えると鋼の表面疵が発生しやすくなる。したがって、Ａｌ含有量は０．０１０％以上０．１００％以下とする。好ましくは０．０１５％以上０．０８０％以下である。より好ましくは０．０２０％以上０．５００％未満である。
Ａｌは、製鋼時の脱酸に必要な元素であるとともに、Ａｌ系窒化物の微細析出物としてピンニング効果によりオーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。このような効果を得るため、Ａｌ含有量として０．０１０％以上含有する必要がある。一方、０．１００％を超えると鋼の表面疵が発生しやすくなる。したがって、Ａｌ含有量は０．０１０％以上０．１００％以下とする。好ましくは０．０１５％以上０．０８０％以下である。より好ましくは０．０２０％以上０．５００％未満である。
Ｃｕ：０．０１０％以上１．０００％以下
Ｃｕは、本発明において重要な構成要件であり、Ｎｂ、Ｓｎと共存させることにより、鋼の耐食性を著しく向上させる効果を有する。Ｃｕはさび層のさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。これらの効果は、含有量が０．０１０％以上で得られる。一方、１．０００％を超えると、Ｃｕ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１０％１．０００％以下とする。好ましくは、０．０３０％以上０．４５０％以下である。より好ましくは、０．１００％以上０．３６０％以下である。
Ｃｕは、本発明において重要な構成要件であり、Ｎｂ、Ｓｎと共存させることにより、鋼の耐食性を著しく向上させる効果を有する。Ｃｕはさび層のさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。これらの効果は、含有量が０．０１０％以上で得られる。一方、１．０００％を超えると、Ｃｕ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１０％１．０００％以下とする。好ましくは、０．０３０％以上０．４５０％以下である。より好ましくは、０．１００％以上０．３６０％以下である。
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｎｂは、本発明において重要な構成要件であり、ＣｕおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐食性を著しく向上させる効果がある。Ｎｂは、アノード部においてさび層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応およびカソード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えるとこれらの効果が飽和するとともに合金コスト上昇により鋼材価格の上昇を招く。したがって、Ｎｂ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは、０．００８％以上０．１００％以下である。さらに好ましくは、０．０１０％以上０．０３０％以下である。
Ｎｂは、本発明において重要な構成要件であり、ＣｕおよびＳｎと共存させることにより、鋼材の耐食性を著しく向上させる効果がある。Ｎｂは、アノード部においてさび層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応およびカソード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えるとこれらの効果が飽和するとともに合金コスト上昇により鋼材価格の上昇を招く。したがって、Ｎｂ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは、０．００８％以上０．１００％以下である。さらに好ましくは、０．０１０％以上０．０３０％以下である。
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｓｎは、本発明において重要な構成要件であり、ＣｕおよびＮｂと共存させることにより、鋼の耐食性を著しく向上させる効果がある。Ｓｎは、鋼材表面にＳｎを含む酸化皮膜を形成し、鋼材のアノード反応およびカソード反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えると鋼の延性や靭性の劣化を招く。したがって、Ｓｎ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。より好ましくは、０．０２０％以上０．０５０％未満である。
Ｓｎは、本発明において重要な構成要件であり、ＣｕおよびＮｂと共存させることにより、鋼の耐食性を著しく向上させる効果がある。Ｓｎは、鋼材表面にＳｎを含む酸化皮膜を形成し、鋼材のアノード反応およびカソード反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．２００％を超えると鋼の延性や靭性の劣化を招く。したがって、Ｓｎ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とする。好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。より好ましくは、０．０２０％以上０．０５０％未満である。
Ｎ：０．００１０％以上０．０１００％以下
ＮはＡｌ系窒化物として析出し、オーステナイト粒の粗大化を抑制することで耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。これらの効果は、０．００１０％以上含有させることにより得られる。一方、０．０１００％を超えて含有すると固溶Ｎにより靭性が劣化する。したがって、Ｎ含有量は０．００１０％以上０．０１００％以下とする。好ましくは、０．００２０％以上０．００８０％以下である。より好ましくは、０．００３０％以上０．００６０％以下である。
ＮはＡｌ系窒化物として析出し、オーステナイト粒の粗大化を抑制することで耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。これらの効果は、０．００１０％以上含有させることにより得られる。一方、０．０１００％を超えて含有すると固溶Ｎにより靭性が劣化する。したがって、Ｎ含有量は０．００１０％以上０．０１００％以下とする。好ましくは、０．００２０％以上０．００８０％以下である。より好ましくは、０．００３０％以上０．００６０％以下である。
以上、本発明の基本成分について説明した。上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物であるが、その他にも必要に応じて、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。なお、不可避的不純物として、Ｏ：０．０１００％以下が許容できる。
さらに本発明では、以下の理由で、Ｎｉを含むことができる。
Ｎｉ：０．０１％以上１．００％以下
Ｎｉは、Ｃｕ、ＮｂおよびＳｎと共存させることにより、鋼の耐食性を著しく向上させる効果を有する。Ｎｉはさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、鋼材の耐食性を向上させる効果を有する。この効果を充分に得るためには０．０１％以上含有することが好ましい。一方、１．００％を超えて含有するとＮｉ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｎｉ含有量は０．０１％以上１．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０３％以上０．６５％以下である。さらにより好ましくは０．２０％以上０．５０％以下である。
Ｎｉ：０．０１％以上１．００％以下
Ｎｉは、Ｃｕ、ＮｂおよびＳｎと共存させることにより、鋼の耐食性を著しく向上させる効果を有する。Ｎｉはさび粒を微細化することで緻密なさび層を形成し、鋼材の耐食性を向上させる効果を有する。この効果を充分に得るためには０．０１％以上含有することが好ましい。一方、１．００％を超えて含有するとＮｉ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｎｉ含有量は０．０１％以上１．００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０３％以上０．６５％以下である。さらにより好ましくは０．２０％以上０．５０％以下である。
さらに本発明では、以下の理由で、Ｃｒを含むことができる。
Ｃｒ：０．１０％未満
Ｃｒは、高飛来塩分環境において耐食性を劣化させる。したがって、Ｃｒを添加する場合は０．１０％未満とすることが好ましい。Ｃｒは０％であってもよい。ただし、含有量を０．０１％未満まで低下させると生産コストが著しく増大することから、さらに好ましくは、０．０１％以上０．０８％以下とする。
Ｃｒ：０．１０％未満
Ｃｒは、高飛来塩分環境において耐食性を劣化させる。したがって、Ｃｒを添加する場合は０．１０％未満とすることが好ましい。Ｃｒは０％であってもよい。ただし、含有量を０．０１％未満まで低下させると生産コストが著しく増大することから、さらに好ましくは、０．０１％以上０．０８％以下とする。
さらに本発明では、以下の理由で、Ｍｏ：０．００１％以上１．５００％以下、Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下およびＷ：０．００１％以上２．０００％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含むことができる。
Ｍｏ：０．００１％以上１．５００％以下
Ｍｏは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。また、鋼材のアノード反応に伴ってＭｏＯ４ ２−が溶出し、さび層中にＭｏＯ４ ２−が分布することで、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。また、鋼材表面にＭｏを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。一方、１．５００％を超えるとＭｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、含有する場合、Ｍｏ含有量は０．００１％以上１．５００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０５０％以上０．８００％以下である。さらにより好ましくは、０．１００％以上０．５００％以下である。
Ｍｏは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。また、鋼材のアノード反応に伴ってＭｏＯ４ ２−が溶出し、さび層中にＭｏＯ４ ２−が分布することで、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。また、鋼材表面にＭｏを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。一方、１．５００％を超えるとＭｏ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、含有する場合、Ｍｏ含有量は０．００１％以上１．５００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０５０％以上０．８００％以下である。さらにより好ましくは、０．１００％以上０．５００％以下である。
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｖは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。また、鋼材のアノード反応に伴って溶出し、インヒビター作用によりアノード反応、カソード反応を抑制する効果を有する。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有することが好ましい。一方、０．２００％を超えると効果が飽和するとともにＶ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、含有する場合、Ｖ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１５０％以下である。さらにより好ましくは、０．０２０％以上０．１００％以下である。
Ｖは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。また、鋼材のアノード反応に伴って溶出し、インヒビター作用によりアノード反応、カソード反応を抑制する効果を有する。これらの効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有することが好ましい。一方、０．２００％を超えると効果が飽和するとともにＶ消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、含有する場合、Ｖ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１５０％以下である。さらにより好ましくは、０．０２０％以上０．１００％以下である。
Ｗ：０．００１％以上２．０００％以下
Ｗは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。また、鋼材のアノード反応に伴ってＷＯ４ ２−が溶出し、さび層中にＷＯ４ ２−として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。さらに、鋼材表面にＷを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。一方、２．０００％を超えるとＷの消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｗ含有量は０．００１％以上２．０００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上１．０００％以下である。さらにより好ましくは、０．０５０％以上０．８００％以下である。
Ｗは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。また、鋼材のアノード反応に伴ってＷＯ４ ２−が溶出し、さび層中にＷＯ４ ２−として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンがさび層を透過して地鉄に到達するのを防止する。さらに、鋼材表面にＷを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。一方、２．０００％を超えるとＷの消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Ｗ含有量は０．００１％以上２．０００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上１．０００％以下である。さらにより好ましくは、０．０５０％以上０．８００％以下である。
さらに本発明では、以下の理由で、Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下およびＢ：０．０００１％以上０．００５０％以下のうちから選ばれる１種または２種以上含むことができる。
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｔｉは、Ｔｉ系炭窒化物の微細析出物としてピンニング効果によりオーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。また、フリーＮをＴｉ系窒化物として固定することでＢ系窒化物の生成を抑制し、焼入れ性の向上にフリーＢを有効に活用する効果を有する。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有することが好ましい。一方、０．２００％を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Ｔｉ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。さらにより好ましくは、０．０１５％以上０．０５０％以下である。
Ｔｉは、Ｔｉ系炭窒化物の微細析出物としてピンニング効果によりオーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。また、フリーＮをＴｉ系窒化物として固定することでＢ系窒化物の生成を抑制し、焼入れ性の向上にフリーＢを有効に活用する効果を有する。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有することが好ましい。一方、０．２００％を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Ｔｉ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。さらにより好ましくは、０．０１５％以上０．０５０％以下である。
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｚｒは、Ｚｒ系炭窒化物の微細析出物としてピンニング効果によりオーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。また、フリーＮをＺｒ系窒化物として固定することでＢ系窒化物の生成を抑制し、焼入れ性の向上にフリーＢを有効に活用する効果を有する。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有することが好ましい。一方、０．２００％を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Ｚｒ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。さらにより好ましくは、０．０１５％以上０．０５０％以下である。
Ｚｒは、Ｚｒ系炭窒化物の微細析出物としてピンニング効果によりオーステナイト粒の粗大化を抑制し、耐遅れ破壊特性を向上させる効果を有する。また、フリーＮをＺｒ系窒化物として固定することでＢ系窒化物の生成を抑制し、焼入れ性の向上にフリーＢを有効に活用する効果を有する。この効果を充分に得るためには、０．００５％以上含有することが好ましい。一方、０．２００％を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Ｚｒ含有量は０．００５％以上０．２００％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．０１０％以上０．１００％以下である。さらにより好ましくは、０．０１５％以上０．０５０％以下である。
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
Ｂは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。この効果を充分に得るためには、０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．００５０％を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Ｂ含有量は０．０００１％以上０．００５０％以下とすることが好ましい。
Ｂは、焼入れ性の向上に対して有効な元素である。この効果を充分に得るためには、０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．００５０％を超えると効果が飽和する。したがって、含有する場合、Ｂ含有量は０．０００１％以上０．００５０％以下とすることが好ましい。
さらに本発明では、以下の理由で、Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下、Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下およびＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含むことができる。
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｃａは鋼中のＳを固定し、靭性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｃａ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とすることが好ましい。
Ｃａは鋼中のＳを固定し、靭性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｃａ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とすることが好ましい。
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下
Ｍｇは鋼中のＳを固定し、靭性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とすることが好ましい。
Ｍｇは鋼中のＳを固定し、靭性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とすることが好ましい。
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下
ＲＥＭは鋼中のＳを固定し、靭性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、ＲＥＭ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とすることが好ましい。
ＲＥＭは鋼中のＳを固定し、靭性低下の原因となるＭｎＳの生成を抑制する。この効果を十分に得るためには０．０００１％以上含有することが好ましい。一方、０．０１００％を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の低下を招く。したがって、含有する場合、ＲＥＭ含有量は０．０００１％以上０．０１００％以下とすることが好ましい。
本発明における成分組成のうち、上記以外の成分はFeおよび不可避的不純物である。ただし、本発明の効果を阻害しない範囲内であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではない。
本発明に係るボルト用鋼材の好適な製造方法について述べる。
上記成分組成を有する溶鋼を、通常の転炉、電気炉等の溶製方法で溶製し、通常の連続鋳造や分塊法により鋼素材とする。次いで、鋼素材を必要に応じ加熱し、板圧延、線棒圧延等の熱間圧延によりボルト用鋼材とする。加熱、圧延条件は特に限定されないが、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、例えば、その後のボルト部品成形のための鍛造や機械加工等に有利なように組織制御を行えばよい。
上記成分組成を有する溶鋼を、通常の転炉、電気炉等の溶製方法で溶製し、通常の連続鋳造や分塊法により鋼素材とする。次いで、鋼素材を必要に応じ加熱し、板圧延、線棒圧延等の熱間圧延によりボルト用鋼材とする。加熱、圧延条件は特に限定されないが、要求される材質に応じて適宜決定すればよく、例えば、その後のボルト部品成形のための鍛造や機械加工等に有利なように組織制御を行えばよい。
本発明に係る鋼材からの高力ボルトの製造方法は、一般的な方法でよく、所望の寸法形状に応じ冷間鍛造、熱間鍛造、機械加工などから選択して成形加工を施し、焼入れ焼戻し処理を施して製造される。なお、焼入れ温度は８５０℃〜１０００℃が好ましく、焼戻し温度はＡｃ１変態点以下の温度とすることが好ましい。
また、各元素の含有量は、スパーク放電発光分光分析法、蛍光Ｘ線分析法、ICP発光分光分析法、ICP質量分析法、燃焼法等により求めることができる。
その他の製造条件は、鋼材の一般的な製造方法に従えばよい。
その他の製造条件は、鋼材の一般的な製造方法に従えばよい。
次に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
表１に示した成分組成を含有する鋼を溶製し、熱間圧延により３０ｍｍφの丸棒にした。そして、８５０〜１０００℃の温度に加熱し、焼入れを行い、その後、常温強度が１０００〜１２００ＭＰａとなるよう焼き戻し処理を行った。
表１に示した成分組成を含有する鋼を溶製し、熱間圧延により３０ｍｍφの丸棒にした。そして、８５０〜１０００℃の温度に加熱し、焼入れを行い、その後、常温強度が１０００〜１２００ＭＰａとなるよう焼き戻し処理を行った。
以上のようにして得られた焼入れ焼き戻し後の丸棒の中心から、２５ｍｍ×３５ｍｍ×３ｍｍの矩形試験片を採取して腐食試験に供した。試験片は、表面を表面粗さＲａが１．６μｍ以下となるよう研削加工し、端面および裏面をテープシールし、表面露出部の面積が２０ｍｍ×３０ｍｍとなるよう表面もテープシールした。
以上により得られた試験片について、乾湿繰返し腐食試験を行い、耐食性を評価した。具体的な腐食試験の条件は以下のとおりである。
温度６０℃、相対湿度３５％ＲＨの乾燥工程を３時間、その後、移行時間を１時間とった後、温度を４０℃、相対湿度を９５％ＲＨの湿潤工程を３時間として、その後１時間移行時間をとり、合計８時間で１サイクルとした。また、１９サイクルに１回、乾燥工程中に、試験片表面に付着する塩分量が０．２０ｍｄｄとなるよう調整した人工海水溶液を試験片表面に滴下した。この条件にて２２８サイクルの試験を行った。
温度６０℃、相対湿度３５％ＲＨの乾燥工程を３時間、その後、移行時間を１時間とった後、温度を４０℃、相対湿度を９５％ＲＨの湿潤工程を３時間として、その後１時間移行時間をとり、合計８時間で１サイクルとした。また、１９サイクルに１回、乾燥工程中に、試験片表面に付着する塩分量が０．２０ｍｄｄとなるよう調整した人工海水溶液を試験片表面に滴下した。この条件にて２２８サイクルの試験を行った。
上記の腐食試験終了後、試験片を塩酸にヘキサメチレンテトラミンを加えた水溶液に浸漬して脱錆してから重量を測定し、得られた重量と初期重量との差を求め、テープシール部を除く試験片の表面積と鉄の密度から、片面の平均板厚減少量を求め、腐食量とした。腐食量（平均板厚減少量）が１２μｍ以下であれば、耐食性が優れているといえる。表１に腐食量を示す。
Claims (6)
- 質量％で、
Ｃ：０．１５％以上０．３０％未満、
Ｓｉ：０．０５％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．２０％以上２．００％以下、
Ｐ：０．００１％以上０．０３０％以下、
Ｓ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上０．１００％以下、
Ｃｕ：０．０１０％以上１．０００％以下、
Ｎｂ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｓｎ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｎ：０．００１０％以上０．０１００％以下
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするボルト用鋼材。 - 前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｎｉ：０．０１％以上１．００％以下
を含有することを特徴とする、請求項１に記載のボルト用鋼材。 - 前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｃｒ：０．１０％未満を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載のボルト用鋼材。 - 前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｍｏ：０．００１％以上１．５００％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｗ：０．００１％以上２．０００％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のボルト用鋼材。 - 前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
Ｚｒ：０．００５％以上０．２００％以下および
Ｂ：０．０００１％以上０．００５０％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のボルト用鋼材。 - 前記成分組成は、さらに、
質量％で、
Ｃａ：０．０００１％以上０．０１００％以下、
Ｍｇ：０．０００１％以上０．０１００％以下および
ＲＥＭ：０．０００１％以上０．０１００％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のボルト用鋼材。
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