JP3003303B2 - 耐火性に優れたボルトおよびナット用鋼 - Google Patents

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た。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、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およびＶとともに複
合添加することにより、鋼の細粒化が極めて促進され、
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、Ｚｒの１種以
上および／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）〜
（IV）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％、Ｓ
ｉ： 1.2％以下、Ｍｎ：0.40〜1.50％、Ｃｒ：0.45〜1.
50％、Ｍｏ：0.40〜1.00％、Ｖ：0.01〜0.25％、Ｎｂ：
0.005〜0.15％、Ｔｉ： 0.005〜0.10％、Ａｌ： 0.005
〜0.10％を含有し、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】（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および0.15％以下
のＺｒ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。

【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および0.15％以下
のＺｒのうちの１種以上と、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。

【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
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、ＮｂおよびＶ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、ＮｂおよびＶ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】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およびＮｂ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。

【００２４】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が向上する。

【００２５】特に、Ｃｒ、ＭｏおよびＶとの複合添加で
高温強度が著しく向上する。その効果を確保するために
は、 0.005％以上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。

【００２６】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。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。

【００２７】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
％を超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。

【００２８】本発明のボルトおよびナット用鋼には、上
記の成分に加えて更にＢ、Ｚｒの１種以上および／また
はＮｉ、Ｃｕの１種以上を含んでいてもよい。これらの
合金元素の作用効果と望ましい含有量は下記の通りであ
る。

【００２９】ＢおよびＺｒ：ＢおよびＺｒには鋼の焼入
れ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１種以上を添加
してもよい。しかし、Ｂの場合には0.0003％未満の含有
量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。一
方、Ｚｒの場合には0.15％を超えて含有すると前記の作
用が飽和するばかりか、鋼の靱性および被削性が劣化す
るようになる。従って、これらの合金元素を１種以上添
加する場合は、Ｂ：0.0003〜0.0050％、Ｚｒ：0.15％以
下の含有量とするのがよい。

【００３０】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。従っ
て、これらの合金元素を１種以上添加する場合は、Ｎ
ｉ：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は必要に応じて１種以
上添加することができるが、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も同時に添加するほうが望ましい。

【００３１】Ｂ）鋼の組織 上記の化学組成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。鋼の組織を焼入れ焼戻し組織とする際
の焼入れ処理は、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。

【００３２】

【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。

【００３３】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、 920〜1020℃
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 420〜
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。

【００３４】こうして得られた焼入れ焼戻し後の丸棒か
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。

【００３５】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。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明鋼は高温特
性が著しく改善されている上に、常温強度も高いから、
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利用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−51698（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−170943（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−163341（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−217437（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【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％、Ｍ
   ｏ：0.40〜1.00％、Ｖ：0.01〜0.25％、Ｎｂ： 0.005〜
   0.15％、Ｔｉ： 0.005〜0.10％、Ａｌ： 0.005〜0.10％
   を含有し、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。
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および0.15％以下のＺｒ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。
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および0.15％以下のＺｒの
   うちの１種以上と、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。