JP2001062639A - 耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトおよびその製造方法 - Google Patents
耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトおよびその製造方法Info
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Abstract
トとしては高レベルの引張強さを有し、しかも耐遅れ破
壊性の高められたボルトおよびその製法を提供するこ
と。 【解決手段】 C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、
Al、Nの含有率が特定されると共に、Ti、Nb、V
の1種以上を特定量含有し、且つ炭素当量(Ceq)が
75以下である鋼材の熱間圧延もしくは熱間鍛造を行っ
た後、ボルト状に成形し、更にその後調質の焼入れに際
して、水または水溶性焼入れ媒体を用いて焼入れを行
い、その後焼戻しを行うことを特徴とするボルトの製造
方法。
Description
ボルトとその製造方法に関し、特に、熱間加工後の状態
で優れた冷間加工性を有し、更に1000〜1500N
/mm2レベルの引張強度と2000N/mm2レベル以
上の耐遅れ破壊性を示す高強度ボルトとその製造方法に
関するものである。
000N/mm2レベルを超えると遅れ破壊を起こし易
くなる。そこでこうした強度レベルを超える高強度ボル
ト用鋼としては優れた耐食性を有し、比較的高温で焼戻
しを行なうことのできる中炭素鋼(たとえばSCM43
5、SCM440、SCr440など)が用いられてき
た。
を多量に含んでいるため焼入れ性が高く、圧延後の引張
強度が高くなり過ぎるため、そのままではボルトに加工
することが難しかった。
その後中間伸線、球状化焼なまし処理および仕上げ伸線
工程を経た後、冷間鍛造でボルト形状に加工し、最終的
に所定の強度になるように、焼入れ・焼戻しされるとい
う極めて煩雑な工程を必要としていた。従って上記の様
な中炭素低合金鋼で製造されるボルトは、材料費に加え
て線材加工に要する費用が加算され、トータル的にみる
と通常の炭素鋼を用いたボルトに比べてかなり高価格に
なるという問題があった。
に、Cおよび合金成分の含有量を減らし、その代わりに
ボロン添加を行なった鋼材が種々開発されているが、こ
れらの鋼材から製造されるボルトは、焼戻し温度の低下
により遅れ破壊性や靭性が低くなるという問題があっ
た。しかもこれらの鋼材は、焼入れ時の焼割れを防ぐた
めに、焼入媒体として油を用いているので、焼戻し温度
を十分高く設定することができず、遅れ破壊性の改善が
依然問題となっていた。
種々のボルト用鋼が提案されている。たとえば特開平4
−263047には、鋼材の組成成分範囲を特定するこ
とによって、耐遅れ破壊性、引張強度を改善したボルト
用鋼が開示されている。また特開平5−255738に
は、特定の成分範囲を満たす鋼材の仕上げ温度、冷却速
度を調節して熱処理を行うことによって、耐遅れ破壊性
を改善した機械構造用鋼が開示されている。しかしなが
らこれらのボルト用鋼は1100N/mm2レベル以上
の引張強度を有するものの、十分な耐遅れ破壊特性を有
していない。
の成分範囲を満たす鋼材を、仕上げ圧延温度が900℃
以上になる様に圧延した後、500℃までを2℃/se
c以下の冷却速度で冷却することによって冷間加工性と
耐遅れ破壊特性を改善した高強度ボルト用鋼が開示され
ている。しかしながらこのボルト用鋼は1100N/m
m2レベルの引張強さを有し、冷間加工性はある程度改
善しているものの、十分な耐遅れ破壊特性を有していな
い。
るボルトは、引張強度はある程度改善されてはいるもの
の、遅れ破壊が発生する危険性がなくなったとはいえ
ず、またこれらの鋼材は冷間加工性が不十分であり、ボ
ルトとしての適用範囲は限られていた。
情に着目してなされたものであって、その目的は、圧延
線材としての引張強さを抑えつつボルトとしては高レベ
ルの引張強度を有し、しかも耐遅れ破壊性の高められた
ボルトとその製法を提供するものである。
のできた本発明に係る高強度ボルトは、ボルトの製造に
際し、 C:0.15〜0.30%、 Si:0.2%以下(0%を含む)、 Mn:0.30〜1.5%、 P:0.020%以下(0%を含む)、 S:0.020%以下(0%を含む)、 Cr:0.30〜1.50%、 Al:0.07%以下(0%を含まない)、 N:0.020%以下(0%を含む)、 の要件を満たし、あるいは更に他の成分としてMo:
1.00%以下(0%を含まない)、B:0.003%
以下(0%を含まない)、また更にTi、Nb、Vの1
種以上:総量で0.50%以下(0%を含まない)を含
有すると共に、下記式[1]で示される炭素当量(Ce
q)が75以下である鋼材を、熱間圧延もしくは熱間鍛
造を行なった後、必要に応じワイヤー加工した後、ボル
ト状に成形し、更にその後の調質焼入れに際して水また
は水溶性焼入れ媒体を用いて焼入れを行い、その後焼戻
しを行うことに要旨を有している。 Ceq={C+(1/7)・Si+(1/5)・Mn+(1/9)・Cr+(1/2 )・Mo}×100…[1] 更に本発明の製法は、上記化学成分を満たす鋼材の熱間
圧延もしくは熱間鍛造を行う際に、該鋼材を仕上げ圧延
温度が750℃以上となる様に熱間圧延または熱間鍛造
した後、600℃までを1.0℃/sec以下の速度で
冷却してから室温まで放冷し、あるいはその後更に68
0〜740℃に再加熱してから簡易焼なましした後、ボ
ルト条に成形し、更にその後調質焼入れすることが好ま
しい。本発明の製法によって製造されたボルトは200
0N/mm2レベル以上の優れた耐遅れ破壊特性を有し
ている。
の下で、圧延線材としての引張強さを抑えつつボルトと
しては高レベルの引張強さを有し、しかも耐遅れ破壊性
を改善することの出来る化学成分および製造条件につい
て種々の検討した結果、ボルト用鋼として、熱間鍛造後
の状態で優れた加工性を有し、且つボルト状に加工する
と1200N/mm2レベルの引張強度と2000N/
mm2レベル以上の耐遅れ破壊強度を達成できる高強度
ボルト用鋼をすでに提案している(特願平10−042
457)。
/mm2レベル以上の耐遅れ破壊性を有するボルトの製
造条件について種々の検討を行った結果、上記の様に化
学成分を適正に調整した鋼材を用いて製造したボルト
は、調質の焼入れに際して、水または水溶性焼入れ媒体
を用いても焼割れが発生することなく、耐遅れ破壊性が
改善できることを突き止め本発明に至った。
由を明確にする。
に必須の元素であり、これらの効果を有効に発揮させる
には少なくとも0.15%以上、好ましくは0.20%
以上、より好ましくは0.23%以上含有させるのが良
い。しかしながら添加量が多すぎると鋼材の靭性が劣化
し、遅れ破壊性を低下させるだけでなく、冷間加工性を
悪化させ、軟化焼鈍工程の簡略化または省略化が達成で
きなくなるばかりかでなく水または水溶性焼入れ媒体使
用時の焼き割れの原因となるので、0.30%以下に抑
えなければならず、好ましくは0.28%以下、より好
ましくは0.26%以下に抑えるのがよい。
が高くなるにつれて冷間加工性が低下すると共に、焼入
れ等の熱処理時における粒界酸化を助長して耐遅れ破壊
性を劣化させるので、Si含有量は0.2%以下、好ま
しくは0.1%以下、より好ましくは0.05%以下に
抑えるのがよい。
ると高強度の確保が容易になる。こうした効果を有効に
発揮させるには少なくとも0.30%以上、好ましくは
0.40%以上、より好ましくは0.50%以上含有さ
せるのがよい。しかし多過ぎると、圧延後の冷却時の組
織変態が促進されて冷間加工性が悪化し、軟化焼鈍工程
の簡略化もしくは省略化が達成できなくなる。更に粒界
強度を低下させ、遅れ破壊性の低下をもたらすため、M
n含有量は1.5%以下、好ましくは1.0%以下、よ
り好ましくは0.85%以下、より更に好ましくは0.
75%以下に抑えるのがよい。
で、0.020%以下に抑えなければならず、好ましく
は0.015%以下、より好ましくは0.005%以下
に抑えるのがよい。
中個所となって遅れ破壊を増進する原因になるので、
0.020%以下、好ましくは0.010%以下、より
好ましくは0.005%以下に抑えるのがよい。
なく、焼入れ性を高めて強度向上に寄与し、更には耐食
性の向上により耐遅れ破壊性を高める作用も有してお
り、これらの作用を有効に発揮させるには、少なくとも
0.30%以上、好ましくは0.70%以上、より好ま
しくは0.85%以上含有させるのがよい。しかし多過
ぎると、炭化物を安定化させて冷間加工性に悪影響を及
ぼす様になるので、1.50%以下、好ましくは1.1
0%以下、より好ましくは1.00%以下に抑えるのが
よい。
細化することにより耐遅れ破壊性の向上に寄与する。こ
うした効果を得るには好ましくは0.02%以上、より
好ましくは0.025%以上含有させるのがよい。しか
し多過ぎると、酸化物系介在物の生成によって耐遅れ破
壊性を劣化させるので、0.07%以下、好ましくは
0.05%以下、より好ましくは0.035%以下に抑
えるのがよい。
結晶粒を微細化して耐遅れ破壊性の向上に寄与するが、
多過ぎるとAlやTiで捕捉しきれなくなり、固溶N量
の増大によって耐遅れ破壊性を劣化させる。従って、固
溶Nによる障害を生じることなくAlNやTiNの生成
による上記効果を有効に発揮させるには、Nを、0.0
20%以下、好ましくは0.010%以下、より好まし
くは0.007%以下に抑えるのがよい。
上記の通りであり、残部は実質的にFeであるが、必要
によっては、以下に示す如くMo、B、Ti、Nb、V
を適量含有させて性能向上を図ることも有効である。
向上させる有用な元素であり、その効果は好ましくは
0.05%以上、より好ましくは0.10%以上含有さ
せることによって有効に発揮される。しかし含有量が多
過ぎると微細な炭化物が析出して冷間加工性を阻害する
と共に、水または水溶性焼入れ媒体使用時の焼き割れの
原因になるので含有量は、1.00%以下、好ましくは
0.80%以下、より好ましくは0.60%以下に抑え
るのがよい。
効な元素であり、こうした効果は極く微量の添加で発揮
されるが、該添加効果を実用規模で有為に発揮させるに
は好ましくは0.0005%以上、より好ましくは0.
0010%以上含有させることが望ましい。しかしB含
有量が多過ぎると靱性に顕著な悪影響が現れてくるの
で、0.003%以下、より好ましくは0.0020%
以下に抑えるのがよい。
(0%を含まない) これらの元素は、鋼中のNやCと結合して炭・窒化物を
形成し、耐遅れ破壊性の向上に寄与する。また、生成す
る窒化物や炭化物は結晶粒の微細化効果も有しており、
これも耐遅れ破壊性の向上に寄与する。こうした効果を
有効に発揮させるには好ましくは0.03%以上、より
好ましくは0.05%以上含有させるのが望ましいが、
これら元素の含有量が多くなりすぎると、炭・窒化物量
が多くなり過ぎて遅れ破壊性を却って阻害するばかりで
なく、靱性にも悪影響が表われてくるので、それら元素
の総和で0.50%以下、好ましくは0.3%以下、よ
り好ましくは0.1%以下に抑えるのがよい。
の範囲を満足する成分組成を主成分とし、残部が実質的
に鉄であるが、「実質的に」とは、本発明の作用効果を
阻害しない範囲で他の成分があっても許容されるという
意味である。
および簡易焼なまし材として優れた冷間加工性を確保す
るには、前記式[1]で示されるC当量(Ceq)を7
5以下に抑えることが重要となる。
の強度は高くなり、冷間加工性が悪くなるが、この値が
75を超えると、圧延後の冷却速度を遅くして簡易焼な
まし処理を行なったとしても圧延後の強度が十分に下が
らなくなる。従って、圧延材としての強度を低めに抑え
て優れた冷間加工性を確保するには、Ceq値が75以
下、好ましくは70以下、より好ましくは65以下とな
る様に上記各元素の含有量を調整することが必要とな
る。なおCeq値が60以下に調整した鋼材は、圧延ま
まの状態でも特に優れた加工性を示す。
鋼材から製造されるが、この鋼材を用いて更に優れた冷
間加工性を備えた高強度ボルトを得るには、上記鋼材を
用いて熱間圧延もしくは熱間鍛造を行なう際に、仕上げ
圧延温度が750℃以上となる様に制御し、該仕上げ圧
延温度から600℃までを1.0℃/sec以下の速度
で冷却を行なうことが推奨される。
のは、これ未満の温度になると、加工抵抗が高くなり、
適切な形状に圧延または鍛造することが困難になるから
である。圧延もしくは鍛造をより円滑に遂行するうえで
より好ましい仕上げ圧延温度は800℃以上である。
1.0℃/sec以下の冷却速度と定めたのは、仕上げ
圧延鋼材の金属組織をフェライト・パーライト混合組織
として冷間加工性を高めるためであり、該冷却速度が
1.0℃/secを超えると部分的にベイナイトやマル
テンサイト組織が出現し、冷間加工性が悪くなるからで
ある。優れた冷間加工性を得るための好ましい冷却速度
は0.5℃/sec以下、より好ましくは0.4℃/s
ec以下、最も好ましくは0.2℃/sec以下であ
る。
は炉冷により徐冷を行なえばよいが、冷却時間の延長に
より生産性が大幅に低下してくるので、熱間圧延または
熱間圧造から仕上げ圧延を連続化し、仕上げ圧延後の冷
却ゾーンを長くして徐冷する方法を採用することが推奨
される。
限されないので、通常の放冷を行なえばよい。
ある場合は、該放冷ままの状態で優れた冷間圧造性を示
すが、Ceq値が60超75以下の範囲の鋼材を使用し
た場合は、放冷ままではやや冷間加工性が悪くなる傾向
があるので、この場合は放冷の後680〜740℃まで
再加熱して簡易焼なまし処理を行なうのがよく、それに
より冷間圧造性の優れたボルト用鋼を得ることができ
る。なお通常の軟化処理では、740℃以上の温度で長
時間保持した後、徐冷にも長時間を必要とするが、本発
明で採用される簡易焼なましは上記の様に比較的低い温
度に短時間加熱するだけであるので、熱処理としては極
めて簡単に行なうことができる。
圧延もしくは熱間鍛造を行った後、ボルト状に成形し、
その後の調質に際して、水または水溶性焼入れ媒体を使
用しても焼割れが発生することなく、焼入れ時の硬さが
高くなり、焼戻し温度を高く設定できるので、遅れ破壊
性を2000N/mm2レベル以上に向上させることが
できる。従って該調質焼入れを行なう際に、水または水
溶性焼入れ媒体を用いて焼入れを行なうことが必要であ
る。
後、ボルト状に成形する前に軟化処理や伸線加工を施し
て強度、線径を調整する工程を必要に応じ行ってもよ
く、また転造、切削などのねじ加工は、調質前あるは調
質後のボルトに施してもよい。
攪拌水焼入れ等公知の水焼入れ方法を用いることができ
る。また水溶性焼入れ媒体として例えば、5〜10%の
ポリマー水溶液(PAG,PEG,PVP、PAR等)、
10%以下の食塩水等の公知の水溶性焼入れ媒体を用い
ることができる。
冷間加工時の変形抵抗が低く、優れた加工性を有し、ボ
ルト状に加工した後は、例えば840〜950℃の温度
に加熱した後、水または水溶性焼入れ媒体を用いて焼入
れし、その後好ましくは350℃以上、より好ましくは
400℃以上、550℃以下の温度で焼もどし処理を施
すことによって、1200N/mm2 レベル以上の高い
引張強度を有し、且つ2000N/mm2レベル以上の
耐遅れ破壊特性を有する高強度ボルトの製造が可能とな
る。
説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限
を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範
囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であ
り、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含され
る。
鋼を使用し、表2に示す条件で直径11mmまで熱間圧
延した後、一部の供試材については簡易焼なましを行な
い(表2加工工程欄で「2」と記す)、更に直径10.
4mm(伸線率:約10.6%)まで伸線を行ない、得
られた各伸線材について冷間加工性(変形抵抗)を調べ
た。このとき冷間加工性は、端面拘束圧縮試験法を採用
し、圧下率70%のときの変形抵抗によって評価した。
結果を表2に示す。
形状のフランジボルトに加工し、引張強度が1200〜
1500N/mm2になる様に焼入れ・焼戻し処理をし
た。この際、ボルトを860℃×30分間加熱後、水焼
入れを行い、ボルト頭部の割れ発生の有無を判断した。
結果を表3に示す。
の遅れ破壊性試験片に加工し、引張強度が1200〜1
500N/mm2 になる様に焼入れ・焼もどし処理して
遅れ破壊特性を調べた。焼入れの際、水焼入れで割れが
発生したボルトには油を用いた。遅れ破壊特性は、各試
験片を30分間、酸水溶液(15%HCl)に浸漬後、
水洗・乾燥して大気中で荷重を負荷する方法を採用し、
100時間後の遅れ破壊強度によって評価した。結果を
表3に示す。
No.1〜18を用いた供試材No.A〜Tは、供試鋼
材組織と仕上げ温度、冷却速度などの条件が全て本発明
の規定要件を満たす実施例であり、鋼材の化学成分が炭
素当量を含めて全て規定要件を満たし、且つ仕上げ圧延
温度、およびその後600℃までの冷却速度も好適要件
を満たしているため、変形抵抗が低くて優れた加工性を
有している。またこれらの供試材を用いた試験材No.
a〜tのボルトは水焼入れ・焼もどし後の引張強度や耐
遅れ破壊特性も優れており、しかも焼入れ媒体に水を用
いても全く焼割れが発生しなかった。
験材No.u〜aiは、鋼材の化学成分あるいは焼入れ
媒体、またあるいは熱間圧延後の冷却条件が規定要件を
外れているため、冷間加工性、焼入れ・焼もどし後の機
械的特性等が不十分であった。また供試鋼No.9を用
いた供試材U、Vは鋼材の成分は適切であるが、熱間圧
延後の冷却速度が本発明の範囲外であるため、冷間加工
時の変形抵抗が大きく、冷間加工性に欠ける。
あるが、油を焼入れ媒体として使用しているため、十分
な焼戻し温度が得られず、耐遅れ破壊性が劣る。
水焼入れを行っても十分な焼戻し温度が得られず、焼も
どし後の耐遅れ破壊性が劣る。
め、冷間加工時の変形抵抗が大きく、加工性に欠ける。
また焼入れ媒体に水を用いると焼割れが発生した。油を
焼入れ媒体としても十分な耐遅れ破壊性が得られなかっ
た。
割れは発生しなかったが、鋼材のMn含有率が本発明の
範囲外であるこの供試材では、水焼入れを行っても十分
な耐遅れ破壊性が得られなかった。
ため、冷間加工時の変形抵抗が高い。また焼入れ媒体に
水を用いると焼割れが発生した。油を焼入れ媒体とした
場合、十分な耐遅れ破壊性が得られなかった。
水を用いても焼割れは発生しないが、P、CrまたはS
の含有率が本発明の範囲外であるこれらの鋼材から製造
したボルトでは、十分な耐遅れ破壊性が得られなかっ
た。
いても焼割れは発生しなかったが、これらの鋼材のAl
またはNの含有率が本発明の範囲外であり、耐遅れ破壊
性に劣る。
割れは発生していないが、鋼材のTi、Nb、Vの含有
率の総量が本発明の範囲外であり、変形抵抗が大きく、
加工性に欠ける。また十分な耐遅れ破壊性がえられなか
った。
鋼材はC含有量が本発明の範囲を上回り、またC当量も
本発明範囲を逸脱しており、変形抵抗が大きく、加工性
にかける。また焼入れ媒体に水を用いると焼き割れが発
生した。油焼入れでは十分な耐遅れ破壊性が得られなか
った。
述した鋼材をボルト状に成形した後の焼入れ・焼戻しに
際して水または水溶性焼入れ媒体を用いることによって
1200N/mm2レベル以上の引張強度を有し、しか
も2000N/mm2レベル以上の耐遅れ破壊性を有す
る高強度ボルトを確実に提供することが可能となった。
を示す説明図である。
を示す説明図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 ボルトの製造に際し、 C:0.15〜0.30%(質量%を意味する、以下同
じ)、 Si:0.2%以下(0%を含む)、 Mn:0.30〜1.5%、 P:0.020%以下(0%を含む)、 S:0.020%以下(0%を含む)、 Cr:0.30〜1.50%、 Al:0.07%以下(0%を含まない)、 N:0.020%以下(0%を含む) の要件を満たすと共に、下記式で示される炭素当量(C
eq)が75以下である鋼材を、熱間圧延もしくは熱間
鍛造を行なった後、ボルト状に成形し、更にその後の調
質の焼入れに際して、水または水溶性焼入媒体を用いて
焼入れを行ない、その後焼戻しを行なうことを特徴とす
る耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトの製造方法。 Ceq={C+(1/7)・Si+(1/5)・Mn+
(1/9)・Cr+(1/2)・Mo}×100 - 【請求項2】上記鋼材が、更に他の成分として、Mo:
1.00%以下(0%を含まない)を含有するものであ
る請求項1に記載の高強度ボルトの製造方法。 - 【請求項3】 上記鋼材が、更に他の成分としてB:
0.003%以下(0%を含まない)を含有するもので
ある請求項1または2に記載の高強度ボルトの製造方
法。 - 【請求項4】 上記鋼材が、更に他の成分として、T
i、Nb、Vの1種以上:総量で0.50%以下(0%
を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいず
れかに記載の高強度ボルトの製造方法。 - 【請求項5】 上記熱間圧延もしくは熱間鍛造を行なう
際に、該鋼材を仕上げ温度が750℃以上となる様に熱
間圧延または熱間鍛造した後、600℃までを1.0℃
/sec以下の速度で冷却し、引き続いて室温まで放冷
した後、ボルト状に成形し、更にその後調質焼入れする
請求項1〜4のいずれかに記載の高強度ボルトの製造方
法。 - 【請求項6】 上記熱間圧延もしくは熱間鍛造を行なう
際に、該鋼材を仕上げ温度が750℃以上となる様に熱
間圧延または熱間鍛造した後、600℃までを1.0℃
/sec以下の速度で冷却し、引き続いて室温まで放冷
し、その後680〜740℃に再加熱してから簡易焼な
ましした後、ボルト状に成形し、更にその後調質焼入れ
する請求項1〜4のいずれかに記載の高強度ボルトの製
造方法。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方
法によって製造された耐遅れ破壊性に優れた高強度ボル
ト。
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