JP4422924B2 - 高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法 - Google Patents
高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法、特に、下穴を開けた部材に雌ねじを成形しながら締結するタッピング性を兼備した８００Ｎ／ｍｍ2以上の強度を有する、高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タッピンねじは、相手部材に下穴を開けるだけで雌ねじを成形しながら締結するので、普通のボルト・ナットによる締結よりも雌ねじの成形の点で大幅に作業を軽減できる利点がある。この性能からタッピンねじは、相手部材に雌ねじを成形する必要が有るため相手部材よりも十分硬くなければならず、また、締結手段としての機械的性質も満足することが重要である。
【０００３】
このことから、従来、例えば、ＪＩＳＢ１１２２の十字穴付きタッピンねじの材質には、ＪＩＳＧ３５３９の冷間圧造用炭素鋼線のＳＷＲＣＨ１２Ａ〜２２Ａ（アルミキルド鋼）またはＳＷＲＣＨ１２Ｋ〜２２Ｋ（キルド鋼）が用いられ、転造加工等によってネジ成形し、浸炭（浸炭窒化）焼入れ、焼戻しの調質処理によって製造されてきた。
【０００４】
タッピンねじ用鋼種の重要な要素の１つは、焼入れ後の靭性の確保で、この点から結晶粒の細かいアルミキルドタイプが利用されている。しかし、一方で靭性とは相反する傾向にある硬さや強さなどの特性も同時に満足しなければならない。
【０００５】
そのため特開平９−６７６２５号公報には、Ｍｎを高め、炭素含有量を低め、且つ不純物元素であるＰ、Ｓを低めた素材を用いて浸炭焼入れ焼戻しを行ったタッピンねじが開示されている。以下、従来技術１という。
【０００６】
また、特開平１０−１９６６２７号公報にも、低炭素高Ｍｎ鋼で不純物元素であるＰ、Ｓを低めた素材のねじが開示されている。以下、従来技術２という。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、今後、低級スクラップの増加によって鋼中不純物元素量が高くなることが予想され、その場合、ＰやＳなどが高くなる可能性があり、これら不純物元素を低減するために、製鋼・精練段階で莫大なエネルギーを掛けて処理しなければならず、コスト増加を招くことが考えられる。
【０００８】
このＰ、Ｓは、結晶粒界に偏析し、ねじ、ボルトの靭性を低下させたり、あるいは浸炭処理によって高強度化されたねじは、低い応力によって遅れ破壊が生じ易くなることが知られていることから、一般的にはＰ、Ｓ低減が有効であるとされているが、製鋼段階での処理コストを考慮すると、Ｐ、Ｓの悪影響を緩和する技術が必要になると考える。しかもより高強度な部材を締結し、ボルトとしての所望の強度を有しながらタッピンねじとして相手部材に雌ねじを成形する機能を備えたねじに関しては、その素材成分や製造方法に関して十分確立していないのが現状である。
【０００９】
従って、この発明の目的は、Ｐ、Ｓなどの不純物元素が増加してもその悪影響を改善でき、しかもボルトとしての所望の強度（８００Ｎ／ｍｍ2以上）とタッピング性を兼備した高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、以下の知見を得た。
【００１１】
▲１▼ボロンを適量添加すること、
▲２▼表面硬さ、内部硬さ、有効硬化層深さを適正に制御すること、
▲３▼浸炭焼き入れ後の焼戻し温度を適正に制御すること
によってＰ、Ｓなどの不純物元素が高くなってもそれによる悪影響が改善され、また浸炭による硬さのバランスを制御でき所望の強度と高い靭性が得られることを知見した。
【００１２】
この発明は、上記知見に基づいてなされたもので、下記を特徴とするものである。
【００１３】
請求項１記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０１５超〜０．０４０％、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、残部：鉄および不可避的不純物からなることに特徴を有するものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、Ｎｉ：３．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３０％以下の内の少なくとも１種、および／または、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）の内の少なくとも１種を更に含有することに特徴を有するものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０１５超〜０．０４０％、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、残部：鉄および不可避的不純物からなり、表面硬さＨｖで５５０〜７００、内部硬さＨｖで２００〜４００、引張強度で８００Ｎ／ｍｍ2以上、有効硬化層深さ０．０５〜１．００ｍｍを有することに特徴を有するものである。
【００１６】
請求項４記載の発明は、Ｎｉ：３．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３０％以下の内の少なくとも１種、および／または、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）の内の少なくとも１種を更に含有することに特徴を有するものである。
【００１７】
請求項５記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０１５超〜０．０４０％、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、残部：鉄および不可避的不純物からなる鋼を用いて、熱間圧延、冷間鍛造さらにねじ成形後、浸炭焼入れ焼戻し処理を施し、浸炭処理後の焼戻し温度を２００〜４００℃の温度範囲内で調整することを特徴とする、表面硬さＨｖで５５０〜７００、内部硬さＨｖで２００〜４００、引張強度で８００Ｎ／ｍｍ2以上、有効硬化層深さ０．０５〜１．００ｍｍを有することに特徴を有するものである。
【００１８】
請求項６記載の発明は、前記鋼は、Ｎｉ：３．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３０％以下の内の少なくとも１種、および／または、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）の内の少なくとも１種を更に含有することに特徴を有するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明のおける数値の限定理由について説明する。
【００２０】
（１）Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ．％
Ｃは、鋼の強度を確保するのに重要な元素であるが、０．０５ｗｔ．％未満では所望の強度を得ることができず、浸炭硬化性も低下する。一方、０．２０ｗｔ．％を超えると、ねじ内部の硬度が高くなりすぎて鋼の靱性が低下する。従って、Ｃ含有量を０．０５〜０．２０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００２１】
（２）Ｓｉ：０．２０ｗｔ．％以下（０は含まない）
Ｓｉは、脱酸材として重要な作用をするので、製鋼段階においては必ず添加する。また、焼戻し軟化抵抗性および焼入性を向上させ強度を高くする元素である。しかし、変形抵抗を増大させ、冷間鍛造性を低下させるので上限を０．２０ｗｔ．％とする。
【００２２】
（３）Ｍｎ：０．５〜２．０ｗｔ．％
ＭｎもＳｉと同様、鋼の脱酸処理に必要な元素であるが、焼入れ性を高める元素でもある。従って、所望の強度を確保するために０．５ｗｔ．％以上の添加を必要とするが、Ｐ、Ｓと同様にＭｎも鋼の結晶粒界に偏析して、粒界脆化を助長するので上限を２．０ｗｔ．％とする。
【００２３】
（４）Ｐ：０．０１５超〜０．０４０ｗｔ．％
Ｐは、この発明において不純物元素であるが、安価な原料(低級鉄スクラップ等)で低コストで製造すれば、０．０１５ｗｔ．％超の含有は避けられず、粒界に偏析しボルト靭性を低下させる。この悪影響をＢの添加によって緩和するわけであるが、０．０４０ｗｔ．％を超えると、Ｂ添加の効果が無くなる。従って、上限を０．０４０ｗｔ．％とする。
【００２４】
（５）Ｓ：０．０４０ｗｔ．％以下
Ｓは、この発明において不純物元素であるが、安価な原料(低級鉄スクラップ等)で低コストで製造すれば、含有量が高くなる可能性があり、粒界に偏析した場合ボルト靭性を低下させることが考えられる。この悪影響をＢの添加によって緩和するわけであるが、０．０４０ｗｔ．％を超えると、Ｂ添加の効果が無くなり、また鋼中のＭｎとでＭｎＳを形成して、亀裂の起点となる可能性が高くなるので上限を０．０４０ｗｔ．％とする。
【００２５】
（６）ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１０〜０．０８０ｗｔ．％
Ａｌは、脱酸材として必要な元素であるばかりでなく、粒界に偏析するＮをＡｌＮとして固定して粒界強度を高める作用を有する。Ａｌによるこのような効果を発揮させるためには、ｓｏｌ．Ａｌ(酸可溶Ａｌ)として、０．０１０ｗｔ．％以上の量が必要である。しかしながら、ｓｏｌ．Ａｌが０．０８０ｗｔ．％を超えると、鋳片の連続鋳造時にＡｌ2Ｏ3の凝集体を形成して、ノズル詰まりの原因となり鋳造作業を困難にする。従って、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０．０１０〜０．０８０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００２６】
（７）Ｎ：０．０１０ｗｔ．％以下
Ｎは、ねじ加工時に歪み時効硬化を起こして鋼の冷問鍛造性を低下させ、工具の寿命も低下させる。このように、Ｎは、この発明において不純物元素であるので、その含有量を０．０１０ｗｔ．％以下とする。
【００２７】
（８）Ｃｒ：２．０ｗｔ．％以下
Ｃｒは、焼入性を高め、強度を確保するのに有用な元素である。しかし、焼戻し軟化抵抗性を高める元素でもあり、多量に添加し過ぎると硬くなりすぎて靭性に悪影響を与えるので上限は２．０ｗｔ．％とする。
【００２８】
（９）Ｂ：０．０００５〜０．００５０ｗｔ．％
Ｂは、適量添加すれば、粒界に偏析することでＰ、Ｓなどの不純物元素の粒界への偏析を防止し、これによる遅れ破壊特性の劣化を防止する効果がある。また微量の添加で焼入れ性を向上させる作用を有し、ＭｎやＣｒ、Ｍｏ含有量を低減することができ、鋼の冷間鍛造性を更に向上させることができる。Ｂによるこのような効果を発揮させるためには、０．０００５ｗｔ．％以上添加する必要がある。しかしながら、０．００５０ｗｔ．％を超えて添加するとボロンセメンタイトを析出して粒界強度を弱める。従って、Ｂ含有量を０．０００５〜０．００５０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００２９】
（１０）Ｎｉ：３．５ｗｔ．％以下
Ｎｉは、鋼に焼き入れ性を付与し、静的強度を上昇させるのに有効な元素である。しかも靭性を向上させる効果も有するので、焼き入れ性と靭性を確保するためには有効な元素である。しかし、多量に添加してもその効果が飽和し、且つ非常に高価な元素なので上限を３．５ｗｔ．％とする。
【００３０】
（１１）Ｃｕ：１．０ｗｔ．％以下
Ｃｕは、鋼に焼入れ性を付与し静的強度を上昇させるのに有効な元素である。適正量添加することは機械的性質向上には有効であるが、添加しすぎると熱間圧延時に表面疵は発生しやすくなり、冷問鍛造不良が起きるので上限を１．０ｗｔ．％とする。
【００３１】
（１２）Ｍｏ：０．３０ｗｔ．％以下
Ｍｏは、Ｐなどの不純物元素の粒界への偏析を防止し、粒界強度を高め、焼入性を向上させる有用な元素である。しかし、多量に添加するとＣｒと同様に冷間鍛造性を阻害する。また、Ｍｏは、高価な元素なので上限を０．３０ｗｔ．％とする。
【００３２】
（１３）Ｔｉ：０．００５〜０．０５０ｗｔ．％
Ｔｉは、結晶粒の微細化効果を有する。しかしながら、０．００５ｗｔ．％未満ではその効果が小さく、またＮをＴｉＮとして固定する効果も小さい。ところが、０．０５０ｗｔ．％を超えて添加しても、これらの効果は飽和するのみならず、Ｔｉ含有量が高すぎると、硬質のＴｉＮ、ＴｉＣが多数形成し、鍛造性が低下する他、合金コストもかかる。従って、Ｔｉ含有量を０．００５〜０．０５０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００３３】
（１４）Ｎｂ：０．００５〜０．０５０ｗｔ．％
Ｎｂは、Ｔｉと同様、結晶粒の微細化効果を有し、０．００５ｗｔ．％未満ではその効果が小さいので、下限を０．００５ｗｔ．％とした。しかし、Ｔｉと同様にＮｂは、Ｃ、Ｎとの親和力が強いので炭化物や窒化物を形成しやすく、多量に添加されると粒界析出して脆化を促進する他、合金コストもかかる。従って、上限を０．０５０ｗｔ．％とする。
【００３４】
（１５）表面のビッカース硬さＨｖ：５５０〜７００
所望のボルト強度および相手部材に雌ネジを成形する上で、ビッカース硬さＨｖで５５０未満では先端が欠けたり、折れたりして雌ネジ成形が不可能になる。一方、Ｈｖで７００を超えると切り欠き効果が高まり亀裂発生を促進させる、従って、ねじ表面の硬さＨｖは、５５０〜７００の範囲内とする。
【００３５】
（１６）内部のビッカース硬さＨｖ：２００〜４００
表面硬さ同様、所望のボルト強度を得るため必要とする。Ｈｖ：２００未満では所望のボルト強度が得られない。一方、Ｈｖで４００を超えると靭性が低下し亀裂進展しやすくなる。従って、内部のビッカース硬さＨｖは、２００〜４００の範囲内とする。
【００３６】
（１７）焼戻し温度：２００〜４００℃
焼戻し温度は、ボルトとしての最終的な性能(表面・内部硬さ)と密接に関係していて、２００℃未満では硬くなり過ぎ、一方、４００℃を超えると所望の強度が得られない。従って、焼戻し温度は、２００〜４００℃の範囲内とする。
【００３７】
（１８）有効硬化層深さ：０．０５〜１．００ｍｍ
相手部材に雌ネジを成形する上で表面に所望の硬さを必要するが、その硬化深さが０．０５ｍｍ未満であると浅すぎて雌ネジ成形性に劣り、一方、１．００ｍｍを超えると深すぎて、内部の靭性が低下し亀裂進展が促進される。従って、有効硬化層深さは、０．０５〜１．００ｍｍの範囲とする。
【００３８】
【実施例】
以下、この発明を実施例に基づいて更に説明する。
【００３９】
表１に示す化学成分を含有する鋼材を、１５０ｋｇ／ｃｈ、真空溶解炉にて溶製し、１１６角のビレットに鍛伸後、熱間圧延によりφ８ｍｍの線材にし、冷間鍛造・ねじ転造後、浸炭焼入れ焼き戻しして、Ｍ８のタッピンボルトを製造した。このボルトの形状は、ねじの呼び径：８ｍｍ、呼び長さ：３０ｍｍの十字穴付六角ツバ付きボルトであった。このボルトを各種試験に供した。引張試験は、ＪＩＳＢ１０５１のくさび引張試験で、くさびの角度は１０°で実施し、頭部靭性試験は、ＪＩＳＢ１０５５に準じて実施した。
【００４０】
硬さについては、表面硬さは表層下０．０２ｍｍ位置、内部硬さはＤ／４位置を測定した。有効硬化層深さは表層からＨｖ５５０までの硬さの位置として評価した。なお、硬さはすべてビッカース硬度計で測定した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
これらの結果を表２に示す。
【００４３】
タッピング性の評価は、下穴を開けた部材に一定トルクでボルトを締める試験を行い、破断の有無、ねじ山の破損状況、ねじ谷部の亀裂有無の状況で評価した（ｎ＝１０）。表中、タッピング性の○印は、破断や破損、亀裂が発生しなかったボルトの数が８個以上の場合であり、×印は、７個以下の場合を表している。
【００４４】
【表２】
【００４５】
表２から明らかなように、本発明実施例であるＮｏ．１〜１２は、本発明の条件を満足する鋼を用いて造られているので、何れも、冷間鍛造性に優れ、所望の強度、靭性を有するタッピング性に優れたボルトであった。
【００４６】
これに対して、比較例Ｎｏ．１３は、Ｃ量が本発明より多いので、表面硬さおよび芯部硬さが高くなり過ぎ、引張試験時および頭部靭性試験にて頭抜けが生じ、靭性に乏しかった。
【００４７】
比較例Ｎｏ．１４は、Ｃ量が本発明より少ないので、所望の強度および表面硬さ、内部硬さが得られておらず雌ネジ成形ができずタッピング性能不良であった。
【００４８】
比較例Ｎｏ．１５は、Ｓｉ量が本発明より多いので、フェライト地の硬さ上昇により変形抵抗が高くなり内部硬さも上昇し靭性が乏しかった。
【００４９】
比較例Ｎｏ．１６は、Ｍｎ量が本発明の上限を超えて多いので、焼き入れ性が高すぎて硬化層深さが増加し、表面・内部硬度が上昇し、靭性が不足していた。
【００５０】
比較例Ｎｏ．１７は、Ｍｎ量が本発明の下限を外れて少ないので、所望の強度が得られておらず、比較例Ｎｏ．１５と同様にタッピング性能不良であった。
【００５１】
比較例Ｎｏ．１８は、Ｂが添加されていないので、粒界強度の低下による引張り時および頭部靭性試験時に頭抜けが生じた。
【００５２】
比較例Ｎｏ．１９は、Ａｌ量が本発明より低いので、結晶粒の粗大化によって焼きが入りすぎて内部靭性が不足して頭抜けが生じた。
【００５３】
比較例Ｎｏ．２０は、Ｎが本発明より高いので、内部の靭性が不足し頭抜けが生じた。
【００５４】
比較例Ｎｏ．２１は、Ｂ量が本発明より多いので、ボロンを含むセメンタイトが粒界に析出し粒界強度を弱めているために亀裂が発生した。また、Ｔｉ量も本発明より多いので、硬質なＴｉＣ、ＴｉＮが多数存在して冷間鍛造性が悪く靭性も乏しかった。
【００５５】
比較例Ｎｏ．２２は、Ｎｂ量が本発明より多いので、ＮｂＣ、Ｎｂ（ＣＮ）等の金属間化合物が多数存在し、このために粒界が弱くなり亀裂の発生が起きていた。
【００５６】
比較例Ｎｏ．２３は、Ｃｒ量が本発明より多く、比較例Ｎｏ．２４は、Ｍｏ量が本発明より多いので、頭部靭性試験時に頭飛びが発生し、靭性が不足していた。
【００５７】
比較例Ｎｏ．２５は、Ｐ量が本発明の上限を超えて異常に多いので、Ｂの添加効果が無くなって粒界強度の低下による引張り時および頭部靭性試験時に頭抜けが生じた。
【００５８】
比較例Ｎｏ．２６は、Ｓ量が本発明の上限を超えて多いので、頭部靭性試験時に首下に亀裂が生じた。
【００５９】
比較例Ｎｏ．２７は、焼戻し温度が本発明より低いので、靭性の不足により頭抜けが生じた。
【００６０】
比較例Ｎｏ．２８は、焼戻し温度が本発明より高いので、所望の強度が得られなかった。
【００６１】
比較例Ｎｏ．２９は、所定の有効硬化深さが得られていないので、強度不足およびタッピング性が不良であった。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、安価な原料を使用し低コストで製造することによってＰ、Ｓの不純物元素が高くなっても、Ｂを適量添加することにより優れたタッピング性、即ち、優れた雌ねじ成形性および内部靭性を有し、且つ所定のボルト強度を有する高強度タッピングボルトを製造することができるといった有用な効果がもたらされる。
【発明の属する技術分野】
この発明は、高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法、特に、下穴を開けた部材に雌ねじを成形しながら締結するタッピング性を兼備した８００Ｎ／ｍｍ2以上の強度を有する、高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タッピンねじは、相手部材に下穴を開けるだけで雌ねじを成形しながら締結するので、普通のボルト・ナットによる締結よりも雌ねじの成形の点で大幅に作業を軽減できる利点がある。この性能からタッピンねじは、相手部材に雌ねじを成形する必要が有るため相手部材よりも十分硬くなければならず、また、締結手段としての機械的性質も満足することが重要である。
【０００３】
このことから、従来、例えば、ＪＩＳＢ１１２２の十字穴付きタッピンねじの材質には、ＪＩＳＧ３５３９の冷間圧造用炭素鋼線のＳＷＲＣＨ１２Ａ〜２２Ａ（アルミキルド鋼）またはＳＷＲＣＨ１２Ｋ〜２２Ｋ（キルド鋼）が用いられ、転造加工等によってネジ成形し、浸炭（浸炭窒化）焼入れ、焼戻しの調質処理によって製造されてきた。
【０００４】
タッピンねじ用鋼種の重要な要素の１つは、焼入れ後の靭性の確保で、この点から結晶粒の細かいアルミキルドタイプが利用されている。しかし、一方で靭性とは相反する傾向にある硬さや強さなどの特性も同時に満足しなければならない。
【０００５】
そのため特開平９−６７６２５号公報には、Ｍｎを高め、炭素含有量を低め、且つ不純物元素であるＰ、Ｓを低めた素材を用いて浸炭焼入れ焼戻しを行ったタッピンねじが開示されている。以下、従来技術１という。
【０００６】
また、特開平１０−１９６６２７号公報にも、低炭素高Ｍｎ鋼で不純物元素であるＰ、Ｓを低めた素材のねじが開示されている。以下、従来技術２という。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、今後、低級スクラップの増加によって鋼中不純物元素量が高くなることが予想され、その場合、ＰやＳなどが高くなる可能性があり、これら不純物元素を低減するために、製鋼・精練段階で莫大なエネルギーを掛けて処理しなければならず、コスト増加を招くことが考えられる。
【０００８】
このＰ、Ｓは、結晶粒界に偏析し、ねじ、ボルトの靭性を低下させたり、あるいは浸炭処理によって高強度化されたねじは、低い応力によって遅れ破壊が生じ易くなることが知られていることから、一般的にはＰ、Ｓ低減が有効であるとされているが、製鋼段階での処理コストを考慮すると、Ｐ、Ｓの悪影響を緩和する技術が必要になると考える。しかもより高強度な部材を締結し、ボルトとしての所望の強度を有しながらタッピンねじとして相手部材に雌ねじを成形する機能を備えたねじに関しては、その素材成分や製造方法に関して十分確立していないのが現状である。
【０００９】
従って、この発明の目的は、Ｐ、Ｓなどの不純物元素が増加してもその悪影響を改善でき、しかもボルトとしての所望の強度（８００Ｎ／ｍｍ2以上）とタッピング性を兼備した高強度タッピングボルト用鋼、高強度タッピングボルトおよび高強度タッピングボルトの製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、以下の知見を得た。
【００１１】
▲１▼ボロンを適量添加すること、
▲２▼表面硬さ、内部硬さ、有効硬化層深さを適正に制御すること、
▲３▼浸炭焼き入れ後の焼戻し温度を適正に制御すること
によってＰ、Ｓなどの不純物元素が高くなってもそれによる悪影響が改善され、また浸炭による硬さのバランスを制御でき所望の強度と高い靭性が得られることを知見した。
【００１２】
この発明は、上記知見に基づいてなされたもので、下記を特徴とするものである。
【００１３】
請求項１記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０１５超〜０．０４０％、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、残部：鉄および不可避的不純物からなることに特徴を有するものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、Ｎｉ：３．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３０％以下の内の少なくとも１種、および／または、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）の内の少なくとも１種を更に含有することに特徴を有するものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０１５超〜０．０４０％、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、残部：鉄および不可避的不純物からなり、表面硬さＨｖで５５０〜７００、内部硬さＨｖで２００〜４００、引張強度で８００Ｎ／ｍｍ2以上、有効硬化層深さ０．０５〜１．００ｍｍを有することに特徴を有するものである。
【００１６】
請求項４記載の発明は、Ｎｉ：３．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３０％以下の内の少なくとも１種、および／または、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）の内の少なくとも１種を更に含有することに特徴を有するものである。
【００１７】
請求項５記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０１５超〜０．０４０％、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、残部：鉄および不可避的不純物からなる鋼を用いて、熱間圧延、冷間鍛造さらにねじ成形後、浸炭焼入れ焼戻し処理を施し、浸炭処理後の焼戻し温度を２００〜４００℃の温度範囲内で調整することを特徴とする、表面硬さＨｖで５５０〜７００、内部硬さＨｖで２００〜４００、引張強度で８００Ｎ／ｍｍ2以上、有効硬化層深さ０．０５〜１．００ｍｍを有することに特徴を有するものである。
【００１８】
請求項６記載の発明は、前記鋼は、Ｎｉ：３．５％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３０％以下の内の少なくとも１種、および／または、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）の内の少なくとも１種を更に含有することに特徴を有するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明のおける数値の限定理由について説明する。
【００２０】
（１）Ｃ：０．０５〜０．２０ｗｔ．％
Ｃは、鋼の強度を確保するのに重要な元素であるが、０．０５ｗｔ．％未満では所望の強度を得ることができず、浸炭硬化性も低下する。一方、０．２０ｗｔ．％を超えると、ねじ内部の硬度が高くなりすぎて鋼の靱性が低下する。従って、Ｃ含有量を０．０５〜０．２０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００２１】
（２）Ｓｉ：０．２０ｗｔ．％以下（０は含まない）
Ｓｉは、脱酸材として重要な作用をするので、製鋼段階においては必ず添加する。また、焼戻し軟化抵抗性および焼入性を向上させ強度を高くする元素である。しかし、変形抵抗を増大させ、冷間鍛造性を低下させるので上限を０．２０ｗｔ．％とする。
【００２２】
（３）Ｍｎ：０．５〜２．０ｗｔ．％
ＭｎもＳｉと同様、鋼の脱酸処理に必要な元素であるが、焼入れ性を高める元素でもある。従って、所望の強度を確保するために０．５ｗｔ．％以上の添加を必要とするが、Ｐ、Ｓと同様にＭｎも鋼の結晶粒界に偏析して、粒界脆化を助長するので上限を２．０ｗｔ．％とする。
【００２３】
（４）Ｐ：０．０１５超〜０．０４０ｗｔ．％
Ｐは、この発明において不純物元素であるが、安価な原料(低級鉄スクラップ等)で低コストで製造すれば、０．０１５ｗｔ．％超の含有は避けられず、粒界に偏析しボルト靭性を低下させる。この悪影響をＢの添加によって緩和するわけであるが、０．０４０ｗｔ．％を超えると、Ｂ添加の効果が無くなる。従って、上限を０．０４０ｗｔ．％とする。
【００２４】
（５）Ｓ：０．０４０ｗｔ．％以下
Ｓは、この発明において不純物元素であるが、安価な原料(低級鉄スクラップ等)で低コストで製造すれば、含有量が高くなる可能性があり、粒界に偏析した場合ボルト靭性を低下させることが考えられる。この悪影響をＢの添加によって緩和するわけであるが、０．０４０ｗｔ．％を超えると、Ｂ添加の効果が無くなり、また鋼中のＭｎとでＭｎＳを形成して、亀裂の起点となる可能性が高くなるので上限を０．０４０ｗｔ．％とする。
【００２５】
（６）ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１０〜０．０８０ｗｔ．％
Ａｌは、脱酸材として必要な元素であるばかりでなく、粒界に偏析するＮをＡｌＮとして固定して粒界強度を高める作用を有する。Ａｌによるこのような効果を発揮させるためには、ｓｏｌ．Ａｌ(酸可溶Ａｌ)として、０．０１０ｗｔ．％以上の量が必要である。しかしながら、ｓｏｌ．Ａｌが０．０８０ｗｔ．％を超えると、鋳片の連続鋳造時にＡｌ2Ｏ3の凝集体を形成して、ノズル詰まりの原因となり鋳造作業を困難にする。従って、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０．０１０〜０．０８０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００２６】
（７）Ｎ：０．０１０ｗｔ．％以下
Ｎは、ねじ加工時に歪み時効硬化を起こして鋼の冷問鍛造性を低下させ、工具の寿命も低下させる。このように、Ｎは、この発明において不純物元素であるので、その含有量を０．０１０ｗｔ．％以下とする。
【００２７】
（８）Ｃｒ：２．０ｗｔ．％以下
Ｃｒは、焼入性を高め、強度を確保するのに有用な元素である。しかし、焼戻し軟化抵抗性を高める元素でもあり、多量に添加し過ぎると硬くなりすぎて靭性に悪影響を与えるので上限は２．０ｗｔ．％とする。
【００２８】
（９）Ｂ：０．０００５〜０．００５０ｗｔ．％
Ｂは、適量添加すれば、粒界に偏析することでＰ、Ｓなどの不純物元素の粒界への偏析を防止し、これによる遅れ破壊特性の劣化を防止する効果がある。また微量の添加で焼入れ性を向上させる作用を有し、ＭｎやＣｒ、Ｍｏ含有量を低減することができ、鋼の冷間鍛造性を更に向上させることができる。Ｂによるこのような効果を発揮させるためには、０．０００５ｗｔ．％以上添加する必要がある。しかしながら、０．００５０ｗｔ．％を超えて添加するとボロンセメンタイトを析出して粒界強度を弱める。従って、Ｂ含有量を０．０００５〜０．００５０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００２９】
（１０）Ｎｉ：３．５ｗｔ．％以下
Ｎｉは、鋼に焼き入れ性を付与し、静的強度を上昇させるのに有効な元素である。しかも靭性を向上させる効果も有するので、焼き入れ性と靭性を確保するためには有効な元素である。しかし、多量に添加してもその効果が飽和し、且つ非常に高価な元素なので上限を３．５ｗｔ．％とする。
【００３０】
（１１）Ｃｕ：１．０ｗｔ．％以下
Ｃｕは、鋼に焼入れ性を付与し静的強度を上昇させるのに有効な元素である。適正量添加することは機械的性質向上には有効であるが、添加しすぎると熱間圧延時に表面疵は発生しやすくなり、冷問鍛造不良が起きるので上限を１．０ｗｔ．％とする。
【００３１】
（１２）Ｍｏ：０．３０ｗｔ．％以下
Ｍｏは、Ｐなどの不純物元素の粒界への偏析を防止し、粒界強度を高め、焼入性を向上させる有用な元素である。しかし、多量に添加するとＣｒと同様に冷間鍛造性を阻害する。また、Ｍｏは、高価な元素なので上限を０．３０ｗｔ．％とする。
【００３２】
（１３）Ｔｉ：０．００５〜０．０５０ｗｔ．％
Ｔｉは、結晶粒の微細化効果を有する。しかしながら、０．００５ｗｔ．％未満ではその効果が小さく、またＮをＴｉＮとして固定する効果も小さい。ところが、０．０５０ｗｔ．％を超えて添加しても、これらの効果は飽和するのみならず、Ｔｉ含有量が高すぎると、硬質のＴｉＮ、ＴｉＣが多数形成し、鍛造性が低下する他、合金コストもかかる。従って、Ｔｉ含有量を０．００５〜０．０５０ｗｔ．％の範囲内とする。
【００３３】
（１４）Ｎｂ：０．００５〜０．０５０ｗｔ．％
Ｎｂは、Ｔｉと同様、結晶粒の微細化効果を有し、０．００５ｗｔ．％未満ではその効果が小さいので、下限を０．００５ｗｔ．％とした。しかし、Ｔｉと同様にＮｂは、Ｃ、Ｎとの親和力が強いので炭化物や窒化物を形成しやすく、多量に添加されると粒界析出して脆化を促進する他、合金コストもかかる。従って、上限を０．０５０ｗｔ．％とする。
【００３４】
（１５）表面のビッカース硬さＨｖ：５５０〜７００
所望のボルト強度および相手部材に雌ネジを成形する上で、ビッカース硬さＨｖで５５０未満では先端が欠けたり、折れたりして雌ネジ成形が不可能になる。一方、Ｈｖで７００を超えると切り欠き効果が高まり亀裂発生を促進させる、従って、ねじ表面の硬さＨｖは、５５０〜７００の範囲内とする。
【００３５】
（１６）内部のビッカース硬さＨｖ：２００〜４００
表面硬さ同様、所望のボルト強度を得るため必要とする。Ｈｖ：２００未満では所望のボルト強度が得られない。一方、Ｈｖで４００を超えると靭性が低下し亀裂進展しやすくなる。従って、内部のビッカース硬さＨｖは、２００〜４００の範囲内とする。
【００３６】
（１７）焼戻し温度：２００〜４００℃
焼戻し温度は、ボルトとしての最終的な性能(表面・内部硬さ)と密接に関係していて、２００℃未満では硬くなり過ぎ、一方、４００℃を超えると所望の強度が得られない。従って、焼戻し温度は、２００〜４００℃の範囲内とする。
【００３７】
（１８）有効硬化層深さ：０．０５〜１．００ｍｍ
相手部材に雌ネジを成形する上で表面に所望の硬さを必要するが、その硬化深さが０．０５ｍｍ未満であると浅すぎて雌ネジ成形性に劣り、一方、１．００ｍｍを超えると深すぎて、内部の靭性が低下し亀裂進展が促進される。従って、有効硬化層深さは、０．０５〜１．００ｍｍの範囲とする。
【００３８】
【実施例】
以下、この発明を実施例に基づいて更に説明する。
【００３９】
表１に示す化学成分を含有する鋼材を、１５０ｋｇ／ｃｈ、真空溶解炉にて溶製し、１１６角のビレットに鍛伸後、熱間圧延によりφ８ｍｍの線材にし、冷間鍛造・ねじ転造後、浸炭焼入れ焼き戻しして、Ｍ８のタッピンボルトを製造した。このボルトの形状は、ねじの呼び径：８ｍｍ、呼び長さ：３０ｍｍの十字穴付六角ツバ付きボルトであった。このボルトを各種試験に供した。引張試験は、ＪＩＳＢ１０５１のくさび引張試験で、くさびの角度は１０°で実施し、頭部靭性試験は、ＪＩＳＢ１０５５に準じて実施した。
【００４０】
硬さについては、表面硬さは表層下０．０２ｍｍ位置、内部硬さはＤ／４位置を測定した。有効硬化層深さは表層からＨｖ５５０までの硬さの位置として評価した。なお、硬さはすべてビッカース硬度計で測定した。
【００４１】
【表１】
これらの結果を表２に示す。
【００４３】
タッピング性の評価は、下穴を開けた部材に一定トルクでボルトを締める試験を行い、破断の有無、ねじ山の破損状況、ねじ谷部の亀裂有無の状況で評価した（ｎ＝１０）。表中、タッピング性の○印は、破断や破損、亀裂が発生しなかったボルトの数が８個以上の場合であり、×印は、７個以下の場合を表している。
【００４４】
【表２】
表２から明らかなように、本発明実施例であるＮｏ．１〜１２は、本発明の条件を満足する鋼を用いて造られているので、何れも、冷間鍛造性に優れ、所望の強度、靭性を有するタッピング性に優れたボルトであった。
【００４６】
これに対して、比較例Ｎｏ．１３は、Ｃ量が本発明より多いので、表面硬さおよび芯部硬さが高くなり過ぎ、引張試験時および頭部靭性試験にて頭抜けが生じ、靭性に乏しかった。
【００４７】
比較例Ｎｏ．１４は、Ｃ量が本発明より少ないので、所望の強度および表面硬さ、内部硬さが得られておらず雌ネジ成形ができずタッピング性能不良であった。
【００４８】
比較例Ｎｏ．１５は、Ｓｉ量が本発明より多いので、フェライト地の硬さ上昇により変形抵抗が高くなり内部硬さも上昇し靭性が乏しかった。
【００４９】
比較例Ｎｏ．１６は、Ｍｎ量が本発明の上限を超えて多いので、焼き入れ性が高すぎて硬化層深さが増加し、表面・内部硬度が上昇し、靭性が不足していた。
【００５０】
比較例Ｎｏ．１７は、Ｍｎ量が本発明の下限を外れて少ないので、所望の強度が得られておらず、比較例Ｎｏ．１５と同様にタッピング性能不良であった。
【００５１】
比較例Ｎｏ．１８は、Ｂが添加されていないので、粒界強度の低下による引張り時および頭部靭性試験時に頭抜けが生じた。
【００５２】
比較例Ｎｏ．１９は、Ａｌ量が本発明より低いので、結晶粒の粗大化によって焼きが入りすぎて内部靭性が不足して頭抜けが生じた。
【００５３】
比較例Ｎｏ．２０は、Ｎが本発明より高いので、内部の靭性が不足し頭抜けが生じた。
【００５４】
比較例Ｎｏ．２１は、Ｂ量が本発明より多いので、ボロンを含むセメンタイトが粒界に析出し粒界強度を弱めているために亀裂が発生した。また、Ｔｉ量も本発明より多いので、硬質なＴｉＣ、ＴｉＮが多数存在して冷間鍛造性が悪く靭性も乏しかった。
【００５５】
比較例Ｎｏ．２２は、Ｎｂ量が本発明より多いので、ＮｂＣ、Ｎｂ（ＣＮ）等の金属間化合物が多数存在し、このために粒界が弱くなり亀裂の発生が起きていた。
【００５６】
比較例Ｎｏ．２３は、Ｃｒ量が本発明より多く、比較例Ｎｏ．２４は、Ｍｏ量が本発明より多いので、頭部靭性試験時に頭飛びが発生し、靭性が不足していた。
【００５７】
比較例Ｎｏ．２５は、Ｐ量が本発明の上限を超えて異常に多いので、Ｂの添加効果が無くなって粒界強度の低下による引張り時および頭部靭性試験時に頭抜けが生じた。
【００５８】
比較例Ｎｏ．２６は、Ｓ量が本発明の上限を超えて多いので、頭部靭性試験時に首下に亀裂が生じた。
【００５９】
比較例Ｎｏ．２７は、焼戻し温度が本発明より低いので、靭性の不足により頭抜けが生じた。
【００６０】
比較例Ｎｏ．２８は、焼戻し温度が本発明より高いので、所望の強度が得られなかった。
【００６１】
比較例Ｎｏ．２９は、所定の有効硬化深さが得られていないので、強度不足およびタッピング性が不良であった。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、安価な原料を使用し低コストで製造することによってＰ、Ｓの不純物元素が高くなっても、Ｂを適量添加することにより優れたタッピング性、即ち、優れた雌ねじ成形性および内部靭性を有し、且つ所定のボルト強度を有する高強度タッピングボルトを製造することができるといった有用な効果がもたらされる。
Claims (6)
- Ｃ ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．２０％以下、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｐ ：０．０１５超〜０．０４０％、
Ｓ ：０．０４０％以下、
Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、
Ｎ ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：２．０％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、
残部：鉄および不可避的不純物
からなることを特徴とする、浸炭焼入れ焼戻し処理が施された高強度タッピングボルト用鋼。 - Ｎｉ：３．５％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｍｏ：０．３０％以下
の内の少なくとも１種、および／または、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）
の内の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする、請求項１記載の高強度タッピングボルト用鋼。 - Ｃ ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．２０％以下、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｐ ：０．０１５超〜０．０４０％、
Ｓ ：０．０４０％以下、
Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、
Ｎ ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：２．０％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、
残部：鉄および不可避的不純物
からなり、表面硬さＨｖで５５０〜７００、内部硬さＨｖで２００〜４００、引張強度で８００Ｎ／ｍｍ2以上、有効硬化層深さ０．０５〜１．００ｍｍを有することを特徴とする、浸炭焼入れ焼戻し処理が施された高強度タッピングボルト。 - Ｎｉ：３．５％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｍｏ：０．３０％以下
の内の少なくとも１種、および／または、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）
の内の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする、請求項３記載の高強度タッピングボルト。 - Ｃ ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｉ：０．２０％以下、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｐ ：０．０１５超〜０．０４０％、
Ｓ ：０．０４０％以下、
Ａｌ：０．０１０〜０．０８０％、
Ｎ ：０．０１０％以下、
Ｃｒ：２．０％以下、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％（以上、ｗｔ．％）、
残部：鉄および不可避的不純物
からなる鋼を用いて、熱間圧延、冷間鍛造さらにねじ成形後、浸炭焼入れ焼戻し処理を施し、浸炭処理後の焼戻し温度を２００〜４００℃の温度範囲内で調整することを特徴とする、表面硬さＨｖで５５０〜７００、内部硬さＨｖで２００〜４００、引張強度で８００Ｎ／ｍｍ2以上、有効硬化層深さ０．０５〜１．００ｍｍを有する高強度タッピングボルトの製造方法。 - 前記鋼は、
Ｎｉ：３．５％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｍｏ：０．３０％以下
の内の少なくとも１種、および／または、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％（以上、ｗｔ．％）
の内の少なくとも１種を更に含有することを特徴とする、請求項５記載の高強度タッピングボルトの製造方法。
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