JP4594150B2

JP4594150B2 - 靭性および冷間加工性に優れた高強度ねじの製造方法

Info

Publication number: JP4594150B2
Application number: JP2005096713A
Authority: JP
Inventors: 哲夫白神; 克彦菊地
Original assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006274373A

Description

本発明は、高強度ねじ用鋼およびそれを用いた高強度ねじの製造方法に係り、特に冷間鍛造、焼入れ焼戻し処理を施され、強度が８００ＭＰａ以上、且つ靭性および冷間加工性に優れたものに関する。

ＪＩＳ−Ｂ−１０５１に規定されているボルト、小ねじで機械的性質の強度区分で８．８以上の高強度のものは、Ｓ３５Ｃ〜Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼、Ｓ２５Ｃ〜Ｓ３５Ｃにボロンを添加したボロン鋼、ＳＭｎ４４３、ＳＣＭ４３５などの合金鋼を用いて製造される。

例えばＳＣＭ４３５では、熱間圧延線材→酸洗→球状化焼鈍→酸洗・皮膜→仕上げ伸線、あるいは熱間圧延線材→酸洗→球状化焼鈍→酸洗・皮膜→伸線→球状化焼鈍→酸洗・皮膜→仕上げ伸線し、冷間鍛造で頭部を成形、ねじ転造して焼入れ焼戻し処理を行って所定の強度区分に調整される。

その際、焼戻し温度は焼戻し脆性域を避けるために、合金鋼などは４００℃以上で行われるのが一般的で、ＪＩＳ−Ｂ−１０５１でも合金鋼の最低焼戻し温度は４２５℃とされている。

従って、高強度・高じん性を確保するためには、炭素量を増加し、種々の合金元素が添加された素材を使用することになり素材コストが増加するだけでなく、このような素材を焼入れ焼戻し処理を行う場合は靭性を考慮して焼戻し温度が高くなり熱処理コストも増加する。

また、このような素材は伸線時に強度が高くなるので、冷間鍛造時の金型寿命や加工限界割れを考慮して十分に軟化焼鈍を行う必要があり、更なるコスト増加につながっている。

調質処理を前提とした場合、冷間加工性を考慮して低炭素鋼を用い、焼入れ性向上を目的に種々の合金元素を含有した鋼材が例えば特許文献１に提案されている。

本技術は浸炭焼入れ・焼戻し処理を行い表面硬度を極端に高くしタッピング性を確保することを目的としたものであるが、通常の焼入れ・焼戻し処理にくらべて浸炭処理を伴うため製造コストが増加する。

また、熱処理コストを低減する観点から焼入れ焼戻し処理を省略できる非調質ボルト用鋼材が従来から研究され、例えば特許文献２などに提案されている。
特公平５−６３４５２号公報特開昭６１−２８４５５４号公報

しかしながら、特許文献１に提案された技術は浸炭焼入れ・焼戻しを前提としているので製造コストとしては浸炭処理費用が増加し、更に表面硬度が極端に高いために靭性が損なわれる。

特許文献２に提案された技術に関しては、通常、非調質ボルトはその素材を冷間伸線することで強度を確保するため、冷間鍛造時の素材強度は目標強度相当に高いため変形抵抗が大きくなり、その結果、金型寿命が極端に短いという欠点がある。

上述したように、従来のＳ３５Ｃ〜Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼、Ｓ２５Ｃ〜Ｓ３５Ｃにボロンを添加したボロン鋼、ＳＭｎ４４３、ＳＣＭ４３５などの合金鋼は強度が高いので伸線時に軟化焼鈍(球状化焼鈍も含む)が必要で、焼戻し温度も４００℃以上で行われ、熱処理コストの負担が大きい。

また、十分な軟化焼鈍(球状化焼鈍も含む)を行っても、変形抵抗が高いために冷間鍛造時に頭部あるいはフランジ部に割れが発生し、金型の摩耗促進、チッピング（欠け）発生による金型寿命低下、その影響として頭部寸法公差の外れによる歩留まり低下なども加わり、製造コストの増加は不可避となっている。

本発明はこのような状況に着目してなされたもので、冷間鍛造性に優れかつ、熱処理コスト低下を考慮して低温で焼戻し処理が可能な、引張強度が８００MPａ以上で、靭性に優れた高強度ねじ用鋼およびそれを用いた高強度ねじの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の課題に対して鋭意研究を重ね、以下の知見を得た。
（１）焼戻し温度が低い場合における靭性低下は、粒界へのセメンタイトの析出が主因であり、回避するためには析出するセメンタイト量を少なくすることが重要である。
（２）質量％で炭素量を０．１５％以下にすれば析出するセメンタイト量を少なくすることが可能で、脆化も緩和でき、更に、各元素の添加量をＣｅｑで規制することで伸線性、冷間鍛造性が向上できる。尚、本発明で、ねじにはボルト、小ねじ、ナット類も含むものとする。

本発明は上記の知見を基に、更に検討をくわえてなされたものであって、すなわち、本発明は、
１．質量％でＣ：０．０７〜０．１５％，Ｓｉ：０．２％以下、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃr：０.１０〜０.８８％、Ａｌ：０．００５〜０．０８％、Ｎ：０．０１％以下、且つ、炭素当量：ＣｅｑがＣｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／6＋Ｃｒ／９が０．５０％以下、残部鉄及び不可避的不純物からなる成分組成の鋼を、熱間圧延後、燒鈍することなく、仕上げ伸線し、所定径としたねじ素材を冷間鍛造し、その後、ねじ形状に成形し、焼入れ・焼戻し処理を行うことを特徴とする靭性および冷間鍛造性に優れた高強度ねじの製造方法。

２．更に鋼成分として、質量％でＮｉ：３．５％以下、Ｃu：１％以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％の少なくとも1種、及び／またはＴｉ：０．００５〜０．０５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％の少なくとも1種を含有する１記載の靭性および冷間鍛造性に優れた高強度ねじの製造方法。

本発明によれば、靭性および冷間加工性に優れた引張強度が８００ＭＰａ以上の高強度ねじ用鋼および高強度ねじの提供が可能になり、産業上極めて有用である。

本発明の成分の限定理由について説明する。％は質量％とする。
Ｃ：０．０７〜０．１５％
Ｃは鋼の強度を確保するのに重要な元素であり、０．０７％未満では所望の強度を得ることができない。一方、０．１５％を超えると焼戻し時に析出するセメンタイト量が多くなり靭性が低下する。更に伸線性が悪化し、冷間鍛造時の変形抵抗も高くなり冷間鍛造性が低下する。従って、Ｃ含有率を０．０７〜０．１５％の範囲内に限定する。

Ｓｉ：０．２％以下
Ｓｉは鋼の脱酸材として重要な元素であるが多量に添加すると冷間鍛造性を低下させる。
従って、Ｓｉ含有率を０．２％以下にする。

Ｍｎ：０．５〜２％
Ｍｎは鋼の焼入性を高め、焼入れ後の組織を微細にすると共に、組織内のマルテンサイトの割合を高め、靱性を確保するのに重要な元素である。この目的のためにはＭｎは０．５％以上の添加を必要とする。

一方,Ｍｎが多すぎると変形抵抗が高くなり冷間加工性が低下する。従って、Ｍｎ含有率を０．５〜２％の範囲内に限定する。

Ｐ：０．０１５％以下
Ｐはオーステナイト粒界に偏析して、粒界強度を弱め、靭性低下の原因になる。また、フェライト内に固溶して鋼の変形能を低下させる。従って、その含有率を０．０１５％以下とする。

Ｓ：０．０１５％以下
ＳはＰ同様にオーステナイト粒界に偏析して、粒界強度を弱め、靭性低下の原因になる。更にＭｎＳを形成して鋼の変形能を低下させたり、亀裂発生の起点となる。従って、その含有率を０．０１５％以下とする。

Ｃｒ：２％以下
Ｃｒは、焼入性を高めることができるので、本発明において有用な元素として作用する。しかしながら、２％を超えると変形抵抗が増加し伸線性や冷間鍛造性を悪くし、冷間加工性を低下させる。従って、Ｃｒ含有率を２％以下とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０８％
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、靭性低下を緩和する作用を有する。また固溶ＮをＡｌＮとして固定し歪時効硬化を抑制する。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０．００５％以上の量が必要である。

しかしながら、Ａｌが０．０８％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、Ａｌ含有率を０．００５〜０．０８％の範囲内に限定する。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎもオーステナイト粒界に偏析して粒界強度を弱め、靭性低下の原因になる。また、冷間鍛造やねじ転造時に歪み時効硬化を起こして鋼の冷間加工性を低下させる。このように、Ｎは本発明において不純物元素であるので、その含有率を０．０１％以下とする。

Ｃｅｑ：０．５０％以下
鋼の炭素当量（Ｃｅｑ）が０．５０％を超えると、変形抵抗が高くなり、伸線性や冷間鍛造時に割れが生じたりし冷間加工性を阻害し、更に靭性が低下するのでＣｅｑは０．５０％以下とする。更に好ましくは、Ｃｅｑを０．４５％未満にすれば、伸線時の焼鈍を省略しても伸線性、冷間鍛造性は低下しない。ここで、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／９＋Ｍｏ／４+Ｃｕ/7+Ｎｉ/４０とし、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏは各元素の鋼中含有率（％）を表わす。

以上が本発明の基本成分組成であるが、更に、特性を向上させる場合、Ｃｅｑ：０．５０％以下において、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｂ，Ｔｉ，Ｎｂの一種または二種以上を添加することが可能である。

Ｎｉ：３．５％以下
Ｎｉは鋼に焼入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。しかも低温焼戻し時の靭性を向上させる効果も有するので焼入性と靭性を確保するためには有効な元素である。しかし、多量に添加すると変形抵抗を高くし伸線性や冷間鍛造性を悪し、且つ非常に高価な元素なので、添加する場合は、上限を３．５％とする。

Ｃu ：１％以下
Ｃｕも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引張強度の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間鍛造不良が起きるので、添加する場合は、上限を１％とする。

Ｍｏ：０．３％以下
ＭｏはＰの粒界への偏析を防止し、粒界強度を高めるのに有効な元素である。しかし、多量に添加するとＭｏもＣｒと同様、変形抵抗が増加し伸線性や冷間加工性を悪くする。また一方で、Ｍｏは高価な元素であり、多量に添加することは経済性を損ねる。従って、添加する場合は、Ｍｏ含有率を０．３％以下とする。

Ｂ：０．０００５〜０．００５％
Ｂは微量の添加で焼入性を向上させる作用を有する。また、ＢＮを形成してＮの粒界偏析を防止する。Ｂの添加によってＭｎやＣｒ、Ｍｏ含有率を低減することができ、鋼の冷間加工性を阻害しない。Ｂによるこのような効果を発揮させるためには０．０００５％以上添加する必要がある。

しかしながら、０．００５％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、靭性低下を招く。従って、添加する場合は、Ｂ含有率を０．０００５〜０．００５％の範囲内に限定する。

Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは結晶粒の微細化効果を有する。しかしながら、０．００５％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。一方、０．０５％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が高すぎると、硬質のＴｉＮ、ＴｉＣが多数形成し、靭性や冷間鍛造性が低下する他、合金コストもかかる。従って、添加する場合は、Ｔｉ含有率を０．００５〜０．０５％の範囲内に限定する。

Ｎｂ：０．００５〜０．０５％
ＮｂもＴｉと同様、結晶粒の微細化効果を有する。そして、Ｔｉと同様の理由によりＮｂ含有率も、添加する場合は、０．００５〜０．０５％の範囲内に限定する。

本発明に係る高強度ねじは、上述した成分組成の鋼を、熱間圧延し、所定径としたねじ素材を製造し、冷間鍛造後、ねじ形状に成形する。尚、熱間圧延後の球状化燒鈍などの燒鈍は、実施してもしなくても良い。

その後、焼入れ・焼戻し処理を行い、製造する。各工程における条件は所望する寸法、特性に応じて適宜選択することが可能であるが、通常の条件で、引張強度８００ＭＰａ以上のものを得ることが可能である。

以下実施例に基づいて本発明を説明する。
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角のビレットに熱間鍛造後、熱間圧延により７．０ｍｍφ線材にし、下記の工程１あるいは工程２で冷間伸線を実施し、冷間鍛造、ねじ転造後、焼入れ焼戻し処理を行い、Ｍ６の十字穴付き六角ボルトを製造した。図１にボルト寸法を示す。

工程１：熱間圧延線材→酸洗→球状化焼鈍→酸洗・皮膜→仕上げ伸線
工程２：熱間圧延線材→酸洗・皮膜→仕上げ伸線
尚、焼入れ(Ｔ１×６０分→油冷)・焼戻し(Ｔ２×６０分→水冷)処理はボルトの硬さがＨＲｃ：２４〜２６になるように調整した。

表２に冷間鍛造性の評価結果、得られたボルトの特性を示す。

［冷間鍛造性の評価］
冷間鍛造性の評価は、冷間鍛造直後(ねじ転造前)に行った。その評価は頭部の割れ有無を目視観察、および頭部の二面幅寸法の公差がＪＩＳ−Ｂ−１０２１の付表１の第４項に記載の二面幅寸法許容差内に入っているかどうかで判定した。伸線工程は上記の工程１、２でそれぞれ行った。尚、工程２は一部の鋼について実施した。

頭部成形はそれぞれ５０個成形し、割れ発生個数、寸法公差はずれ個数がそれぞれ１〜4個の場合は△、５個以上の場合は×と判定した。
［ボルト靭性の評価］
ボルトの靭性評価は頭部打撃試験(ＪＩＳ−Ｂ−１０５１)で評価した。頭部打撃試験は各１０個行い、1個でも頭飛びあるいは割れが発生したものは不良(×)と評価した頭部打撃試験時の角度は６０°とした。

鋼Ｎｏ．１〜２０は本発明の範囲内であり、靭性が十分確保されており更に冷間鍛造前の延性も十分あるので冷間鍛造時の割れもなく、また頭部の二面幅の寸法も公差内に入っており良好である。更に鋼Ｎｏ．３、６、１３、１８は伸線工程２で行っても伸線工程１時と同様に冷間加工性は良好であった。

鋼Ｎｏ．２1は炭素量が０．３１％と高いために変形抵抗が高く、頭部の割れおよび寸法公差はずれが発生した。更にボルトの頭部打撃試験でも割れが発生している。

鋼Ｎｏ．２２はＳｉが本発明の上限を超えて添加されているために変形抵抗も高いために冷簡鍛造性が低く、伸線工程１、２において頭部フランジ割れ、頭部の寸法公差も外れている。更に靭性が低く頭部打撃試験で割れが発生している。

鋼Ｎｏ．２３はＭｎが低いために靭性が低く、頭部打撃試験で割れが発生した。

鋼Ｎｏ．２４はＭｎが本発明の上限を超えて添加されているために変形抵抗が高く、頭部のフランジ割れが発生、更に頭部の寸法も公差を外れている。

鋼Ｎｏ．２５、２６は不純物であるＰ、Ｓが高いため加工性が低下し頭部成形時、フランジ割れが発生した。また靭性低下によって頭部打撃試験でも割れが発生した。

鋼Ｎｏ．２７はＣｒが本発明の上限を超えて添加されているために変形抵抗が高くなり冷間鍛造性が悪く、頭部のフランジ割れが発生、更に頭部の寸法も公差を外れている。また頭部打撃試験でも割れが発生した。

鋼Ｎｏ．２８はＡｌが低いために脱酸が不十分で更に粒界へのＮ濃化抑制が不十分なので靭性が低下し、頭部打撃試験で割れが発生している。またＡｌによるＮ固定が不十分のため歪時効硬化が大きく変形抵抗が高くなり、冷間鍛造性が悪化し、その結果寸法公差はずれが発生し、頭部に割れが発生した。

鋼Ｎｏ．２９はＮが本発明の上限を超えているため、粒界に偏析し、靭性が低下し頭部打撃試験で割れが発生している。また冷間鍛造性はＮのひずみ時効硬化による変形抵抗増大によって、頭部に割れが発生した。

鋼Ｎｏ．３０はＮｉが本発明の上限を超えて添加されているために、変形抵抗が高くなり冷間鍛造性が悪く、頭部のフランジ割れが発生、更に頭部の寸法も公差を外れている。

鋼Ｎｏ．３１はＴｉが適正を超えて高いためにＴｉＣ、ＴｉＮらの硬質介在物が靭性、冷間鍛造性を阻害し、頭部打撃試験で割れが発生し、頭部成形時に割れが発生した。

鋼Ｎｏ．３２はＢが本発明の上限を超えて添加されているために靭性が低下し頭部打撃試験で割れが発生している。

鋼Ｎｏ．３３は炭素当量が本発明の上限０．５０％を超えて高いために変形抵抗が高くなり頭部成形時に割れが発生、寸法公差も外れていた。更に頭部打撃試験でも割れが発生している。

鋼Ｎｏ．３４はＪＩＳ−ＳＣＭ４３５Ｈで、Ｃ、Ｓｉ、炭素当量が本発明範囲外であり、変形抵抗が高く、冷間加工性が劣っている。

ボルト寸法を示す図（実施例）。

Claims

質量％でＣ：０．０７〜０．１５％，Ｓｉ：０．２％以下、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃr：０.１０〜０.８８％、Ａｌ：０．００５〜０．０８％、Ｎ：０．０１％以下、且つ、炭素当量：ＣｅｑがＣｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／6＋Ｃｒ／９が０．５０％以下、残部鉄及び不可避的不純物からなる成分組成の鋼を、熱間圧延後、燒鈍することなく、仕上げ伸線し、所定径としたねじ素材を冷間鍛造し、その後、ねじ形状に成形し、焼入れ・焼戻し処理を行うことを特徴とする靭性および冷間鍛造性に優れた高強度ねじの製造方法。
更に鋼成分として、質量％でＮｉ：３．５％以下、Ｃu：１％以下、Ｍｏ：０．３％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％の少なくとも1種、及び／またはＴｉ：０．００５〜０．０５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％の少なくとも1種を含有する請求項１記載の靭性および冷間鍛造性に優れた高強度ねじの製造方法。