(57)【要約】【課題】水素脆化に対し高い耐性を備え、同時に安価に製造可能な固定素子を実現する。【解決手段】比較的硬い、炭素鋼からなるコアゾーン１４と、このコアゾーン１４より外側にある、第１合金金属との合金である、第１低炭素オーステナイト鋼からなる外周ゾーン１７とを有する固定素子において、コアゾーン（１４）と外周ゾーン１７との間に、コアゾーン１４の鋼よりも硬度が低い第２低炭素鋼からなる第１中間ゾーン（１５ａ，１５ｂ）を少なくとも１つ配設し、第１中間ゾーン（１５ａ）の第２低炭素鋼を、第２合金金属との合金であるオーステナイト鋼またはフェライト鋼とし、フェライト鋼からなる第１中間ゾーン（１５ｂ）と外周ゾーン（１７）との間に、比較的硬い、炭素鋼からなる第２中間ゾーン（１６）を配設する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
比較的硬い、炭素鋼からなるコアゾーン（１４）と、このコアゾーン（１４）より外側にある、第１合金金属との合金である、第１低炭素オーステナイト鋼からなる外周ゾーン（１７）とを有する固定素子であって、
前記コアゾーン（１４）と前記外周ゾーン（１７）との間に、前記コアゾーン（１４）の鋼よりも硬度が低い第２低炭素鋼からなる第１中間ゾーン（１５ａ，１５ｂ）を少なくとも１つ配設したことを特徴とする固定素子。
【請求項２】
請求項１に記載する固定素子において、前記第１中間ゾーン（１５ａ）の前記第２低炭素鋼を、第２合金金属との合金であるオーステナイト鋼とした固定素子。
【請求項３】
請求項１に記載する固定素子において、前記第１中間ゾーン（１５ａ）の前記第２低炭素鋼をフェライト鋼とした固定素子。
【請求項４】
請求項１または３に記載する固定素子において、フェライト鋼からなる前記第１中間ゾーン（１５ｂ）と前記外周ゾーン（１７）との間に、比較的硬い、炭素鋼からなる第２中間ゾーン（１６）を配設した固定素子。
【請求項５】
請求項１または２に記載する固定素子において、前記第１中間ゾーン（１５ａ）の、前記コアゾーン（１４）の表面に直交する方向の厚さ（Ｄ１ａ）を、０．００１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内とした固定素子。
【請求項６】
請求項１または請求項３〜４のいずれか１項に記載する固定素子において、前記第１中間ゾーン（１５ｂ）の、前記コアゾーン（１４）の表面に直交する方向の厚さ（Ｄ１ｂ）を、０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内とした固定素子。
【請求項７】
請求項４に記載する固定素子において、前記第２中間ゾーン（１６）の、前記第１中間ゾーン（１５ｂ）の表面に直交する方向の厚さ（Ｄ２）を、０．００２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内とした固定素子。
【請求項８】
請求項１に記載する固定素子において、前記外周ゾーン（１７）の鋼における前記第１合金金属を、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｒ，ＶおよびＭｏの群からなる金属とした固定素子。
【請求項９】
請求項２または請求項５〜８のいずれか１項に記載する固定素子において、前記第１中間ゾーン（１５ａ）の鋼における前記第２合金金属を、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｒ，ＶおよびＭｏの群からなる金属とした固定素子。
【請求項１０】
請求項２または請求項５〜９のいずれか１項に記載する固定素子において、前記第１中間ゾーン（１５ａ）の鋼に含まれる前記第２合金金属の比率を、外側から内側に向って徐々に変化させた固定素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載する固定素子において、前記外周ゾーン（１７）の鋼に含まれる前記第１合金金属の比率を、外側から内側に向かって徐々に変化させた固定素子。
【請求項１２】
請求項１に記載する固定素子において、防食被膜（１８）で被覆した固定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に記載したタイプの固定素子に関する。
【０００２】
鋼、とくに高強度鋼からなる、例えば釘、ボルト、ねじ、アンカまたはこれらに類似する種類の固定素子は、対象物を金属または石材などの硬い受け側材料に固定する固定技術、または対象物を互いにつなぎ止める際に使用される。これらの固定素子は、さらに、必要に応じて第１端部に尖端部、および他方の端部にシャフトの直径よりも大きい径を有するヘッドを備えるシャフトを備える。打ち込み作業や固定作業は、例えば燃焼力駆動の打ち込み装置による打撃や、電動ドライバによる回転、または他の適切な方法で達成される。
【０００３】
通常使用される高強度の鋼は、高い引張り強度と高い降伏点（約８００Ｍｐａ以上）とを同時に呈する。そのため、横断面の小さい固定素子は、同時に、より高強度に作られることができる。しかし、腐食の影響により、この高強度の鋼が有する許容公差は小さい。なぜならば、表面に近い領域で、化学的および/または電気化学的なプロセスまたはサブプロセスの経過において生じる応力腐食割れ（ＳｐＲＫ）によって、脆性破壊傾向が高くなるからである。ここでの主成分は水素原子である。水素脆化（水素誘因性の亀裂）は、とくに、約８００Ｍｐａ以上の引張り強度という高強度の鋼において発生する。概して、電気メッキ法による亜鉛メッキプロセスにおいて生じ得る一次水素脆化と、いわゆる二次脆化（腐食誘引性の水素脆化とも呼ばれる）とに大別される。このとき重要となるパラメータは、強度が高いことや、局部的に組織が不均質であることで生じる内部応力（引張り応力）、組織に特徴のある製品（マルテンサイト，ベイナイトなど）、また、外から加わる引張り応力や時間の要因などの環境条件などである。
【０００４】
一次水素脆化は、いわゆる耐久性を向上させるための通常適切な熱処理によって生じる。電気メッキ法による精製プロセスに続き、この部分は、焼き戻しによって約２００°Ｃに数時間保たれる。このとき、製品に溶け込んだ水素の一部は、再び追い出され、そのため溶け込んだ水素濃度は、固定素子の臨界閾値以下に下がるか、または細かく分散する。
【０００５】
二次的な（腐蝕誘引性の）水素脆化は、通常高強度の固定素子において、固定素子が既に腐食被害を被っていた場合に生じる。この典型例として挙げられるのが、電気メッキ法により亜鉛メッキされた高強度のねじおよび釘などであって、直接天候に影響される屋外において使用されるものに生じる応力腐食割れである。この種の応力腐食割れは、ある一定の「潜伏期」を経過して始めて生じるものであるので、例えばねじや釘において見られるこの現象は、破損が遅くなるということでも知られるようになった。このため、このような固定素子は、乾燥した屋内空間にのみ使用でき、屋外での使用には適さない。
【背景技術】
【０００６】
特許文献１（独国特許公開第３８０４８２４号）には、例えば高硬度の穿孔ねじとして構成された加工材が記載されており、この加工材は、マルテンサイト系クロム鋼からなる硬いコアゾーンと、クロム，ニッケル，および鉄からなる、組織が均質でない、硬度の低いオーステナイト外周ゾーンとを有する。この外周ゾーンを得るために、クロム鋼からなる加工材に、ニッケルおよびコバルトを主に含む合金金属から成る被膜を設ける。続いて最低８５０°Ｃの無酸素状態での熱処理をすることで、均質化によって、オーステナイト外周ゾーンが得られ、含有されている水素が追い出される。こうして得られた加工材は、水素脆化に強く、高い耐食性が得られるとされる。さらに、オーステナイト外周ゾーンの外側に、金属被膜を設けることもできる。
【０００７】
この既知の加工材の欠点は、錆びないクロム鋼は比較的高価である点である。
【特許文献１】独国特許公開第３８０４８２４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、上述の欠点を避け、水素脆化に対し高い耐性を備え、同時に安価に製造できる固定素子を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、独立項に記載する本発明の特徴により達成され、従属項に記載する特徴はこれを補完する。
【００１０】
本発明によれば、コアゾーンと外周ゾーンとの間に、第２低炭素鋼からなる第１中間ゾーンを少なくとも１つ配設し、この第２低炭素鋼は、コアゾーンの鋼よりも硬度が低いものとする。このコアゾーンの鋼は、好適には、マルテンサイトまたはベイナイトの組織を有する鋼とする。外周ゾーンの低炭素鋼とは異なる金属組織を有する第２低炭素鋼からなる中間ゾーンを設けることで、二次的な水素脆化に対する高い耐性を有し、安価に製造可能である固定素子が生まれる。このため、クロム鋼を使用しないで済む。
【００１１】
好適には、第１中間ゾーンの第２低炭素鋼を、第２合金金属との合金であるオーステナイト鋼とする。このオーステナイト鋼は、第１合金金属を一部に含有しても良い。ただし、この場合、中間ゾーンであるオーステナイト鋼の第２合金金属の密度は、第１合金金属の密度よりも有意に高いものとする。水素浸入に対する２重のフィルタ作用によって二次的な水素脆化に対する高い耐性を有するという利点に加え、異なる態様に合金化した外周ゾーンおよび中間ゾーンによって、例えば残留応力分布に関する硬度固定素子などの固定素子の特性を最適化することができる。
【００１２】
さらに、第１中間ゾーンの第２低炭素鋼をフェライト鋼としてもまた好適である。こうすることで、固定素子の靭性も飛躍的に高まり、同時に、外周ゾーン領域（中間ゾーンおよび外周ゾーン）の残留応力分布にも良い影響を及ぼす。
【００１３】
さらに好適には、フェライト鋼から成る第１中間ゾーンと外周ゾーンとの間に、比較的硬い、炭素鋼からなる第２中間ゾーンを配設する。この構成により、よりコストをかけずに生産可能となる。この第２中間ゾーンは、例えばマルテンサイト系とする。
【００１４】
好適には、第２合金金属との合金であるオーステナイト鋼からなる第１中間ゾーンの、コアゾーン表面に直交する方向の厚さを、０．００１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内とする。この構成により、一方では、水素脆化に対する充分なバリアが構成され、他方では、オーステナイト化プロセスが比較的短いため、このゾーンの製造コストが低く抑えられる。
【００１５】
好適には、フェライト鋼からなる第１中間ゾーンの、コアゾーン表面に直交する方向の厚さを、０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内とする。この構成により、一方では、水素脆化に対する充分なバリアを生じ、他方では、脱炭プロセスが比較的短いため、このゾーンの製造コストが低く抑えられる。
【００１６】
さらに好適には、比較的硬い炭素鋼からなる第２中間ゾーンの、第１中間ゾーン表面に直交する方向の厚さを、０．００２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内とする。この構成により、ゾーンの境界が明瞭になる。
【００１７】
好適には、外周ゾーンの鋼の第１合金金属を、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｒ，ＶおよびＭｏの群からなる金属とする。この構成により、外周ゾーンのオーステナイト鋼において最適な治金学的特性が実現できる。このとき、第１合金金属も、上記の金属のうち少なくとも１種との合金又は混合とすることができる。
【００１８】
また、第１中間ゾーンの鋼の第２合金金属を、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｒ，ＶおよびＭｏの群からなる金属としても好適である。第１中間ゾーンのオーステナイト鋼において、最適な治金学的特性を実現できる。このとき、第２合金金属は、第１合金金属とは異なるものとする。第２合金金属は、上記の金属のうち少なくとも１種との合金または混合としてよい。
【００１９】
好適には、第１中間ゾーンの鋼に含まれる第２合金金属の比率を、外側から内側に向かって徐々に変化させ、とくに、第２合金金属の比率を外側から内側に向かって徐々に減少させる。また、さらに好適には、外周ゾーンの鋼に含まれる第１合金金属の比率を、外側から内側に向かって徐々に変化させ、とくには、第１合金金属の比率を、外側から内側に向かって徐々に減少させる。この構成により、連続的な変遷が外周ゾーンおよび中間ゾーンの特性を保証することができる、
【００２０】
さらに好適には、外周ゾーンの外側に、防食被膜による被膜加工を施す。このとき被膜は、例えばＺｎ，Ｓｎ，Ｃｏ又はＡｌのいずれか１つの金属からなる金属メッキとしても良く、このメッキは、例えば電気メッキ法により外周ゾーンの表面に施す。防食被膜（好適には固定素子を完全に覆うもの）を設けることで、本発明固定素子に高い腐食抵抗を備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１および図２は、釘として構成した固定素子１０を示す。この固定素子１０はシャフト１１を有し、このシャフト１１の一方の端部にはヘッド１２を、他方の端部には尖端部１３を設ける。図２に示すように、固定素子１０は、マルテンサイト組織またはベイナイト組織を有する炭素鋼からなるコアゾーン１４を備え、この炭素鋼の硬さは約３０〜６２ＨＲＣとする。少なくともシャフト１１の一部領域は、このシャフトの半径方向外方に、硬度の低い、合金金属との合金である第１低炭素鋼から成る外周ゾーン１７を有する。この外周ゾーン１７は、コアゾーン１４の表面に直交する方向の厚さＤＲが０．００１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲とし、また、オーステナイト組織を有する。このとき、この合金金属は、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｒ，ＶまたはＭｏのグループからなる金属とする。外周ゾーン１７に含まれる合金金属の密度は、内側から外側にむかって増大させる。このオーステナイト系の外周ゾーンは、例えば合金-被膜加工（例えば、被膜厚さを０．００１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲とする）をシャフト１１に施し、続いて熱処理をする。このとき、外周ゾーン１７は、８０〜４００ＨＶの硬度を有する。
【００２２】
コアゾーン１４と外周ゾーン１７との間に、硬度の低い第２低炭素鋼からなる第１中間ゾーン１５ａを設ける。この第１中間ゾーン１５ａは、８０〜４００ＨＶの硬度とする。
【００２３】
上述の実施例では、この低炭素鋼を、第２合金金属との合金であるオーステナイト鋼とし、外周ゾーン１７の鋼における第１合金金属とは異なるものとする。この第２合金金属は、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｃｒ，ＶまたはＭｏの群からなる金属とする。また、第１中間ゾーン１５ａに含まれる第２合金金属の密度を、内側から外側にむかって増大させる。この第１中間ゾーン１５ａは、コアゾーン１４の表面に直交する方向の厚さＤ１ａを０．００１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲とし、また、コアゾーンを第２合金金属で被膜加工し、続いて均質化焼きなましをすることで得られる。外周ゾーン１７は、第１中間ゾーン１５ａを第１合金金属で被覆し、続いて新たに均質化焼きなましをすることで得られ、この外周ゾーン１７は、第１中間ゾーン１５ａの外側に連続する。固定素子１０は、最終的に、好適には全体を防食被膜１８で被膜加工する。この防食被膜１８は、例えば、Ｚｎ，Ｓｎ，ＣｏまたはＡｌのうち少なくとも１つの金属からなる金属メッキとし、例えば電気メッキにより外周ゾーン１７の表面に施す。
【００２４】
図３には、本発明固定素子の他の実施例における断面を示すものである。この実施例における固定素子は、マルテンサイトまたはベイナイトの組織を有する炭素鋼（硬度３０〜６２ＨＲＣ）からなるコアゾーン１４と、硬度の低い、第１合金金属の合金である第２低炭素鋼（硬度８０〜４００ＨＶ）からなる外周ゾーン１７との間に、フェライト鋼（硬度５０〜２５０ＨＶ）からなる第１中間ゾーン１５ｂ、および、この第１中間ゾーン１５ｂの外側に連続するマルテンサイトまたはベイナイト組織を有する炭素鋼（硬度３０〜６２ＨＲＣ）からなる第２中間ゾーン１６を設けるという点において、上述の固定素子とは異なる。このフェライト鋼からなる第１中間ゾーン１５ｂは、０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲の厚さＤ１ｂとし、マルテンサイト系またはベイナイト系の炭素鋼からなる第２中間ゾーン１６は、０．００２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲の厚さＤ２とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明固定素子の第１実施例である。
【図２】図１に示す固定素子の点線IIで囲った部分の拡大断面図である。
【図３】本発明固定素子の第２実施例における、図２に対応する拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  固定素子
１１  シャフト
１２  ヘッド
１４  コアゾーン
１５ａ  第１中間ゾーン
１５ｂ  第１中間ゾーン
１６  第２中間ゾーン
１７  外周ゾーン
１８  防食被膜
Ｄ１ａ  厚さ
Ｄ１ｂ  厚さ
Ｄ２  厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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