JP2019218584A - ボルト - Google Patents
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Abstract
Description
ボルトの引張強度を1000〜1300MPaの高強度にするためには、十分な焼入れ性が必要である。しかしながら、焼入れ性を高めるために合金元素を多量に添加すれば、ボルトの素材である線材等の冷間加工性が低下する。この場合、低下した冷間加工性を改善するため、線材等の鋼材に対して伸線及び冷間鍛造等の冷間加工を実施する前に、鋼材の軟化を目的とした長時間の軟化熱処理を複数回実施しなければならない。そのため、Mo、V等の合金元素を多量に含有することに加え、加工コストが高くなる。
fn1の各元素記号の係数は、鋼の焼入れ硬化に与える影響の程度を示す数値であり、係数が大きい程、鋼の焼入れ硬化が生じ易いことを示す。尚、fn1の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
式(1)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
アンチモン(Sb)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)は、微量添加することにより水素侵入を抑制する効果を発揮する。そこで、これらの元素を添加することにより、ボルトの製造用の鋼材の焼入れ性及び冷間加工性を損なうことなく耐水素脆化特性を向上させることを検討した。すなわち、Sb、Sn及びBiをパラメータとする下記の関数fn2を用いて、ボルトの耐水素脆化特性を判定することを検討した。
fn2の各元素記号の係数は、遅れ破壊特性に対する各元素の影響の程度を示す数値である。Sb、Sn及びBiは、水素侵入を抑制する効果を同程度有するので、fn2の各元素記号の係数を1とした。
fn2の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
0.003≦Sb+Sn+Bi≦0.100・・・(2)
ここで、式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
(1)質量%で、C:0.22〜0.40%、Si:0.10〜1.50%、Mn:0.20〜0.40%未満、Cr:0.70〜1.60%未満、Al:0.005〜0.060%、Ti:0.010〜0.050%、B:0.0003〜0.0040%、N:0.0015〜0.0080%、Cu:0.50%以下、Ni:0.30%以下、Mo:0.05%以下、V:0.050%以下、Nb:0.050%以下を含有するとともに、
Sb:0.001〜0.100%、Sn:0.001〜0.100%、Bi:0.001〜0.100%の1種または2種以上を含有し、
O:0.0020%以下、P:0.020%以下、S:0.020%以下に制限され、
残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有し、
軸部の引張強度が1000〜1300MPaであることを特徴とするボルト。
0.50≦C+(1/10)×Si+(1/5)×Mn+(5/22)×Cr≦0.85・・・(1)
0.003≦Sb+Sn+Bi≦0.100・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
(2)Cu:0.02〜0.50%、Ni:0.01〜0.30%、Mo:0.01〜0.05%、V:0.005〜0.050%からなる群から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)記載のボルト。
(3)Nb:0.005〜0.050%を含有することを特徴とする(1)または(2)記載のボルト。
(4)軸部のねじ底の表面から50μm深さまでの範囲が、前記軸部の引張強度の10〜90%の圧縮残留応力を有することを特徴とする(1)〜(3)のボルト。
炭素(C)は、ボルトの焼入れ性を高め、焼入れ及び焼戻し後のボルトの引張強度を1000MPa以上に高める。C含有量が0.22%未満であれば、上記効果が得られない。一方、C含有量が0.40%を超えれば、焼入れ性が高くなりすぎる。この場合、熱間加工後のボルト用鋼材の強度が高くなりすぎ、冷間加工性が低下する。そのため、伸線、及び、冷間鍛造等の冷間加工を実施する前の鋼材に対して、軟化を目的とした長時間の熱処理を複数回実施しなければならず、製造コストが高くなる。熱処理を実施した場合さらに、耐水素脆化特性が低下する。したがって、C含有量は0.22〜0.40%である。C含有量の好ましい下限は0.24%であり、さらに好ましくは0.26%である。C含有量の好ましい上限は0.38%であり、さらに好ましくは0.35%である。
シリコン(Si)は、セメンタイトの析出を抑制して、焼戻し軟化抵抗を高める。Siはさらに、鋼を脱酸する。脱酸生成物のMnO−SiO2はガラス化した軟質の介在物であり、熱間圧延中に延伸及び分断されて微細化される。そのため、耐水素脆化特性が高まる。Si含有量が0.10%未満であれば、上述の効果が得られない。一方、S含有量が1.50%を超えれば、強度が高くなり過ぎる。この場合、鋼の延性及び冷間鍛造性が低下する。したがって、Si含有量は、0.10〜1.50%である。Si含有量の好ましい下限は0.35%超であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.50%超である。Si含有量の好ましい上限は1.20%であり、さらに好ましくは1.00%である。
マンガン(Mn)は、焼入れ性を高めてボルトの引張強度を1000MPa以上とする。Mnはさらに、Siと結合して介在物(MnO−SiO2)を形成する。この介在物は軟質であり、熱間圧延中に延伸及び分断されて微細化されるため、MnO−SiO2の密度が低減し、耐水素脆化性が高まる。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、粒界に偏析して粒界破壊を助長して、耐水素脆化性がかえって低くなる。したがって、Mn含有量は、0.20〜0.40%である。Mn含有量の好ましい下限は0.22%であり、さらに好ましくは0.25%である。Mn含有量の好ましい上限は0.38%であり、さらに好ましくは0.35%である。
クロム(Cr)は、焼入れ性を高めてボルトの引張強度を1000MPa以上とする。Crはさらに、ボルトの耐水素脆化特性を高める。Cr含有量が0.70%未満であれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が1.60%以上では、焼入れ性が高くなりすぎ、ボルト用鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、Cr含有量は0.40〜1.60%未満である。Cr含有量の好ましい下限は0.90%である。Cr含有量の好ましい上限は1.45%である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Al含有量が0.005%未満であれば、この効果が得られない。一方、Al含有量が0.060%を超えれば、粗大な酸化物系介在物が生成して冷間加工性が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.060%である。Al含有量の好ましい下限は0.010%である。Al含有量の好ましい上限は0.055%である。本発明による高強度ボルトの化学組成において、Al含有量は、鋼材中に含有する全Al量を意味する。
チタン(Ti)は鋼中のNと結合して窒化物(TiN)を形成する。TiNの生成により、BNの生成が抑制され、固溶B量が増える。その結果、鋼材の焼入れ性が高まる。Tiはさらに、Cと結合して炭化物(TiC)を形成して結晶粒を微細化する。これにより、ボルトの耐水素脆化特性が高まる。Ti含有量が0.010%未満であれば、これらの効果が得られない。一方、Ti含有量が0.050%を超えれば、粗大なTiNが多量に生成する。この場合、冷間加工性及び耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ti含有量は0.010〜0.050%である。Ti含有量の好ましい下限は0.015%である。Ti含有量の好ましい上限は0.045%である。
ボロン(B)は鋼の焼入れ性を高める。Bはさらに、Pの粒界偏析を抑制して、ボルトの耐水素脆化特性を高める。B含有量が0.0003%未満であれば、これらの効果が得られない。一方、B含有量が0.0040%を超えれば、焼入れ性向上の効果が飽和する。さらに、粗大なBNが生成して冷間加工性が低下する。したがって、B含有量は0.0003〜0.0040%である。B含有量の好ましい下限は0.0005%である。B含有量の好ましい上限は0.0025%である。
窒素(N)は、鋼中のTiと結合して窒化物を生成し、結晶粒を微細化する。N含有量が0.0015%未満であれば、この効果が得られない。一方、N含有量が0.0080%を超えれば、その効果が飽和する。さらに、NがBと結合して窒化物を生成し、固溶B量を低下する。この場合、鋼の焼入れ性が低下する。したがって、N含有量は0.0015〜0.0080%である。N含有量の好ましい下限は0.0020%である。N含有量の好ましい上限は0.0070%である。
本発明は上記の成分に加えて、アンチモン(Sb)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)のうちの1種または2種以上をそれぞれ0.001%〜0.10%の範囲内で添加することが特徴である。これらの元素は、微量添加することにより水素侵入を抑制する効果を発揮する。下限をそれぞれ0.001%以上としたが、効果を十分に発揮させるための好ましい下限としてはそれぞれ0.005%以上とする。さらに、好ましくはそれぞれ0.010%以上である。また、上限についてはそれぞれ0.100%を超えると、鋼の熱間加工性が劣化し、連続鋳造が困難となる。また、好ましくは、Sb、Sn、Biの濃度の合計が0.030〜0.100%であればよい。
上述の高強度ボルトはさらに、Feの一部に代えて、Cu、Ni、Mo、及びVからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼の焼入れ性を高める。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Cuは鋼の焼入れ性を高める。しかしながらCu含有量が0.50%を超えれば、焼入れ性が高くなりすぎて冷間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0.50%である。上記効果をより有効に得るためのCu含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。Cu含有量の好ましい上限は0.30%であり、さらに好ましくは0.20%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Niは鋼の焼入れ性を高め、さらに、焼入れ後の鋼材の靭性を高める。しかしながら、Ni含有量が0.30%を超えれば、焼入れ性が高くなりすぎて冷間加工性が低下する。したがって、Ni含有量は0〜0.30%である。上記効果をより有効に得るためのNi含有量の好ましい下限は0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。Mo含有量の好ましい上限は0.20%であり、さらに好ましくは0.10%である。
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moは鋼の焼入れ性を高める。しかしながら、Mo含有量が0.05%を超えれば、焼入れ性が高くなりすぎて、高強度ボルト用鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、Mo含有量は0〜0.05%である。上記効果をより有効に得るためのMo含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.015%である。Mo含有量の好ましい上限は0.03%であり、さらに好ましくは0.025%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Vは鋼の焼入れ性を高める。Vはさらに、炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成して結晶粒を微細化する。しかしながら、V含有量が0.050%を超えれば、炭化物等が粗大化して冷間加工性を低下する。したがって、V含有量は0〜0.050%である。上記効果をより有効に得るためのV含有量の好ましい下限は0.005%である。V含有量の好ましい上限は0.030%であり、さらに好ましくは0.020%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、NbはC及びNと結合して、炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。Nbはさらに、ボルトの耐水素脆化特性を高める。しかしながら、Nb含有量が0.050%を超えれば、粗大な炭化物等が生成して鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.050%である。上記効果をより有効に得るためのNb含有量の好ましい下限は0.005%である。Nb含有量の好ましい上限は0.040%であり、さらに好ましくは0.030%である。
酸素(O)は不純物である。Oは酸化物を形成して冷間加工性を低下する。O含有量が0.0020%を超えれば、酸化物が多量に生成するとともに、MnSが粗大化して、冷間加工性が顕著に低下する。したがって、O含有量は0.0020%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0018%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。
燐(P)は不純物である。Pは、結晶粒界に偏析して冷間加工性を低下し、ボルトの耐水素脆化特性を低下する。したがって、P含有量は0.020%以下である。P含有量の好ましい上限は0.015%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。
硫黄(S)は不純物である。Sは硫化物を形成して冷間加工性を低下し、ボルトの耐水素脆化特性を低下する。したがって、S含有量は0.020%以下である。S含有量の好ましい上限は0.010%であり、さらに好ましくは0.008%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。
前述したように、C、Si、Mn、及びCrをパラメータとする関数fn1を用いて、ボルトの製造用の鋼材の焼入れ性及び冷間加工性を判定することができる。また、ボルトの化学組成が、下記の式(1)を満たす場合、優れた冷間加工性及び焼入れ性が得られる。
0.50≦fn1=C+(1/10)×Si+(1/5)×Mn+(5/22)×Cr≦0.85・・・(1)
式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が不純物レベルの場合、式(1)の対応する元素記号には「0」が代入される。
前述したように、下記の式(2)を満たせば、耐腐食特性に優れることから水素侵入抑制効果が良好であり、優れた耐水素脆化特性が得られる。
0.003≦fn2=Sb+Sn+Bi≦0.100・・・(2)
ここで、式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が不純物レベルの場合、式(2)の対応する元素記号には「0」が代入される。
HR=Hc/Href・・・(A)
本発明のボルトの金属組織は95%以上が焼戻しマルテンサイトであり、残り5%以下の金属組織がベイナイト及びフェライトのうち少なくともいずれかであることが好ましい。金属組織が全てベイナイト及びフェライトの少なくとも1種とすると、引張強度が1000〜1300MPaの高強度を達成することができない。また、本発明のボルトの金属組織は、焼戻しマルテンサイト100%とすることが強度の観点から好ましいが、金属組織を焼き戻しマルテンサイト単相とすることは、対費用効果の観点では有利ではない。そこで、引張強度が1000〜1300MPaの高強度を達成できる限りにおいて、前記引張強度を達成できる範囲で、焼戻しマルテンサイト以外の相が含まれても良い。本発明において、焼戻しマルテンサイト以外に、ベイナイト及びフェライトのうち少なくともいずれかを含む場合、これらの相を合計で面積率にて5%以下含まれていても良い。但し、焼戻しマルテンサイト以外に、ベイナイト相及びフェライト相の面積率の合計が5%超であるボルトは、引張強度が1000〜1300MPaの高強度を達成できないおそれがある。
好ましくは、本発明による高強度ボルトのねじ底部において、ねじ底部の表層の圧縮残留応力はボルトの引張強度の10〜90%である。
本発明によるボルトの製造方法の一例について説明する。初めに、周知の製造方法によりボルト用鋼材を製造する(素材製造工程)。その後、ボルト用鋼材を用いて、ボルトを製造する(ボルト製造工程)。以下、各工程について説明する。
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。製造された鋳片又はインゴットを分塊圧延して鋼片にする。鋼片を熱間加工して、高強度ボルト用鋼材(線材)とする。熱間加工はたとえば、熱間圧延である。
ボルト製造工程では、ボルト用鋼材を用いてボルトを製造する。ボルト製造工程は、伸線工程、冷間鍛造工程、及び、焼入れ及び焼戻し工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。
初めに、線材に対して伸線加工を実施して鋼線を製造する。伸線加工は、一次伸線のみであってもよいし、二次伸線等、複数回の伸線加工を実施してもよい。伸線時において、線材の表面に潤滑被膜を形成する。潤滑被膜はたとえば、リン酸塩被膜や非リン系の潤滑被膜である。
伸線後の鋼材を所定の長さに切断して、切断された鋼材に対して冷間鍛造を実施してボルトを製造する。
従前のボルトの製造方法では、強度が高すぎるボルト用鋼材(線材)の軟化を目的として、伸線加工前及び冷間鍛造前に、軟化熱処理を複数回実施している。しかしながら、本発明によるボルトでは、式(1)を満たすことにより、このような軟化熱処理を簡素化する。これにより、軟化熱処理の実施による製造コストの上昇を抑えることができ、さらに、ボルトの耐水素脆化特性を高めることができる。
冷間鍛造により製造された高強度ボルトに対して、周知の条件で転造加工を実施して、ねじ山を形成する。
ねじ加工後の高強度ボルトに対して、周知の条件で焼入れ及び焼戻しを実施して、ボルトの引張強度を1000〜1300MPaに調整する。引張強度が1000MPa以下では、ボルトの強度が不足する。一方、引張強度が1300MPaを超える場合、水素感受性が高まり、耐水素脆化特性が低下する。したがって、ボルトの引張強度は1000〜1300MPaである。伸線工程時にリン酸塩被膜に代表されるPを含有する潤滑被膜を利用する場合、上述のとおり、好ましくは、焼入れを実施する前に、鋼材(鋼線)の表面をアルカリ洗浄する。
好ましくは、焼入れ及び焼戻し後のボルトに対して周知の圧縮残留応力付与工程を実施して、ねじ底部の表層の圧縮残留応力をボルトの引張強度の10〜90%にする。周知の圧縮残留応力付与工程はたとえば、ショットピーニング加工である。ショットピーニング加工の条件を適宜調整することにより、ねじ底部の表層の圧縮残留応力をボルトの引張強度の10〜90%にすることができる。
試験番号1〜20の鋼線から成形された前記ボルトのそれぞれについて、焼戻しマルテンサイト、ベイナイト及びフェライトの面積率を測定した。各組織の面積率は、ボルトの中心軸を通るように前記中心軸に平行な断面を切り出し、前記断面を研磨後、3%硝酸アルコール(ナイタル腐食液)で5〜15秒腐食し、光学顕微鏡を用いて400倍の倍率で、ねじ底部から前記中心軸方向に、ねじ底部と前記中心軸までの距離の1/2の位置を観察し、組織を撮影した。観察倍率400倍で撮影した画像の合計0.5mm2に対し、画像処理ソフトウェアWinroof2015を用い、焼戻しマルテンサイトを明領域として二値化した際の明領域の面積率を導出し、マルテンサイト面積率とした。試験番号1〜20の鋼線から成形された前記ボルトはいずれも、ベイナイト相及びフェライト相の面積率が合計で5%以下であり、残部は焼戻しマルテンサイトであった。
JIS B1051(2000)に準拠して、室温(25℃)、大気中にて各試験番号の焼入れ及び焼戻し処理、又は転造加工後の高強度ボルトの引張強度(MPa)を測定した。測定結果を表3に示す。
各試験番号の焼入れ及び焼戻し処理、又は転造加工後のボルトに対して、図2に示す環状Vノッチ試験片を作製し、電解チャージ法を用いて、種々の濃度の水素を導入した。電解チャージ法は次のとおり実施した。チオシアン酸アンモニウム水溶液中にボルトを浸漬した。ボルトを浸漬した状態で、ボルトの表面にアノード電位を発生させて水素をボルト内に取り込んだ。
表3に試験結果を示す。尚、前転造工程が行われた鋼線には表3の「前転造」の欄に「○」を示し、前転造工程が行われなかった鋼線には「前転造」の欄に「−」を示す。また、後転造工程が行われた鋼線には表3の「後転造」の欄に「○」を示し、後転造工程が行われなかった鋼線には「後転造」の欄に「−」を示す。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.22〜0.40%、Si:0.10〜1.50%、Mn:0.20〜0.40%未満、Cr:0.70〜1.60%未満、Al:0.005〜0.060%、Ti:0.010〜0.050%、B:0.0003〜0.0040%、N:0.0015〜0.0080%、Cu:0.50%以下、Ni:0.30%以下、Mo:0.05%以下、V:0.050%以下、Nb:0.050%以下を含有するとともに、
Sb:0.001〜0.100%、Sn:0.001〜0.100%、Bi:0.001〜0.100%の1種または2種以上を含有し、
O:0.0020%以下、P:0.020%以下、S:0.020%以下に制限され、
残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有し、
軸部の引張強度が1000〜1300MPaであることを特徴とするボルト。
0.50≦C+(1/10)×Si+(1/5)×Mn+(5/22)×Cr≦0.85・・・(1)
0.003≦Sb+Sn+Bi≦0.100・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - Cu:0.02〜0.50%、Ni:0.01〜0.30%、Mo:0.01〜0.05%、V:0.005〜0.050%からなる群から選択される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に記載のボルト。
- Nb:0.005〜0.050%を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のボルト。
- 軸部のねじ底の表面から50μm深さまでの範囲が、前記軸部の引張強度の10〜90%の圧縮残留応力を有することを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のボルト。
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