JPH02274810A - 高張力非調質ボルトの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車や産業機械用の高張力非調質ボルトの
製造法に関するものである。

（従来の技術） 近年ＩＳおける冷間鍛造をはじめとする冷間加工用機械
の進歩ならびに冷間加工用鉄鋼材料の改良はめざましく
、大型部品や極一部の高張力ボルトを除き、大部分は冷
間でボルト成型がなされている。これらに使用される鉄
鋼材料は冷間変形能を高め、工具寿命を向上させるため
、冷間鍛造前に軟化または球状化焼鈍し、冷間成型後焼
入れ・焼戻しを施して所定の強度を出すのが普通である
。

しかしながら、前記冷間鍛造前に軟化または球状化焼鈍
を行い、冷開成型後焼入れ・焼戻しを行う場合は、二次
加工工程が長く、製造コストも高くなるという欠点があ
る。

そこでこれらの球状化焼鈍や焼入れ一焼戻しを省略する
ために、低炭素鋼にＴＩ　、Ｂ、Ｎｂ、Ｖ等の析出強化
元素を添加するなどして、線材圧延後の強制風冷（ステ
ルモア）によって、強度を高めボルト成型後の焼入れ・
焼戻しを省略するボルト用非調質線材（特開昭５３−５
８１２１号公報、特開昭５９−２１５４２３号公報）の
開発も行われている。

しかし、これらの方法では以下の２つの問題があり、適
用に限界がある。一つは線材強度を増加した分だけ冷間
鍛造時の変形抵抗が高くなることである。これに対して
冷間鍛造前に伸線を行うことによって一種のバウシンガ
ー効果を利用し、変形抵抗の低減を図っているものの、
伸線法の制御のみではその低減効果は希少で、現状の球
状化焼鈍線材なみの変形抵抗は達成できていないのが現
状である。もう一つは、ボルト成型後に破断伸びおよび
永久伸びの改善のため３００℃から４００℃のブルーイ
ングが不可欠なことである。一般に自動車や産業機械用
の高張力ボルトは殆どがメツキされるため、その後さら
に２００℃以下のベーキング（脱水素処理）が施される
。従って焼入れ・焼戻しを省略できるものの新たにブル
ーイング処理が必要となり、十分な熱処理省略には成っ
ておらず、逆にブルーイング炉などの設備投資が必要と
なる問題がある。

本発明は球状化焼鈍後冷間加工し、その後の焼入れ・焼
戻し処理により製造されていた高張力ボルトについて、
球状化焼鈍を省略してもボルトの冷間加工変形抵抗が十
分に低（かつボルト成型後のブルーイングを省略する非
調質ボルトの製造方法に関するものである。

（問題点を解決するための手段） 非調質線材から冷間伸線後ボルトを製造する工程におい
ては、引抜き後逆向きの圧縮方向の変形によりボルト成
型されるため、この間に一種のバウシンガー効果が作用
し、変形抵抗が下がることが知られている。本発明者等
は従来の伸線法の制御のみならず、成分、組織あるいは
熱延後の調整冷却等の種々の冶金要因について実験研究
の結果、このバウシンガー効果を最大限に引出すには、
前述の高価な析出強化元素を使用するよりむしろＣ量を
増し、低次ベーナイト組織よりも熱湯浴冷却のような急
速冷却によりフェライト分率の少ない微細なフェライト
・パーライト組織にすることが最適であり、またこれら
の成分系の線材においても、引抜きの減面率は高いほど
バウシンガー効果が増大することも確認できた。したが
って、これらの因子を効果的に組合せることによって、
ボルト成型加工時の変形抵抗を大幅に低減できることを
見出した。

次に、ブルーイング省略については前記と同様な冶金因
子の他に伸線量あるいはボルト成型後の熱処理等につい
ても実験研究を行ない、素材を高延性な微細なフェライ
ト・パーライト組織とし、従来の、非調質線材の引張強
度以上に伸線強化し引張強度と降伏強度を高め、同時に
強伸線による延性低下を素材の高延性により防止するこ
とで、ブルーイング無しにメツキ後に施される２００”
Ｃ以下のベーキング処理で十分な破断伸びと永久伸びの
抑制が可能であることを見出した。

また、素材の高延性確保には鋼中のＰを０．０１０％以
下に低減し、さらにこれ以上の高延性を要求される場合
はｓ　：０．０１０％以下、または／およびＮ：０．０
０３０％以下とし、かつ低炭素鋼の熱湯浴冷却を用いた
急速冷却により微細なフェライト・パーライト組織にす
ることが最適であることも見出した。

本発明はこれらの知見をもとになされたものであって、
重量％で、Ｃ：　０．１５％以上０．３０％以下、Ｓ　
１：０．０３％以上０．５５％以下、Ｍｎ：１．１％以
上２．０％以下、Ｐ　：０．００３〜０．０１０％を含
有し、ふるいはさらにＳ　：　０．０１０％以下、Ｎ　
：　０．００３０％以下の一方または両方を含有し、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼材を線材に熱間
圧延し、３〜ｌＯ秒間徐冷または放冷した後、熱湯浴中
で冷却した線材に、減面率２０％以上５０％以下の引抜
き加工を施し、その後剪断、頭部成型、ねじ転造、ベー
キングすることを特徴とする引張強さ７０ｋｇｆ／ｍＪ
以上の高張力非調質ボルトの製造法である。

以下に本発明における化学成分および製造条件の限定理
由について説明する。

Ｃは鋼材の強度および延性にきわめて重要な影響を持つ
ことは周知の通りであるが、従来の引抜き率２０％以上
で７０）ｃｇ　ｆ　／−以上の強度を得るには、引張強
度で最低５５ｋｇｆ／ａ＋Ｊを必要である。フェライト
・パーライト組織鋼ではＣ含有量を増加することにより
バウシンガー効果を大きくすることができることを見出
した。この理由はバウシンガー効果はフェライト中の可
動転位密度の影響を受けており、Ｃ含有量を高めること
によりフェライト分率が低減され、導入される転位密度
が増加するためである。従って、バウシンガー効果を高
め変形抵抗を低減するには、ＣＯ，１５％未満ではこの
目的が達成されず、また０、３０％を超えるとバウシン
ガー効果は増加するものの、延性が劣化するほか、変形
抵抗が過大となり、工具寿命が短くなるので、０．１５
％以上０，３０％以下とした。

Ｓｌは脱酸のために使用される以外に鉄に固溶し、降伏
点および引張強さが増すが、０．０３％未満では脱酸効
果が不十分であり、０．５５％を超えると引張強度が増
加するものの、Ｃに比ベバウシンガー効果の増加傾向が
小さく、また延性が劣化する他、冷間鍛造性が悪くなる
ので、０．０３％以上０．５５％以下とした。

冷間加工用鋼としてＳｔ脱酸の他に、Ａｌｌ！。

ＡＩ！−３ｉ脱酸も多用されており、Ａｌは脱酸のため
ならびに熱処理時の結晶粒粗大化防止のために、０．０
１０％〜０．０６０％添加するのが望ましい。

Ｍｎは強度の上昇に著しく寄与し、かつ線材のミクロ組
織を改良し冷間鍛造を容易にする。Ｍｎは１．１％以下
では強度の改善が不十分である。しかしＭｎはバウシン
ガー効果を増加させる元素ではないため、２．０％超の
過剰添加は変形抵抗を著しく増加させるため好ましくな
い。従って１．１％以上２．０％以下と定めた。

Ｐは粒界に偏析しやすく熱延線材の延性を阻害する元素
であるため、　　０．０１０％以下に保つことが好まし
く、また０、００３％未満では延性向上効果はほぼ飽和
し、かつ低減のためのコストが著しく増加するため、０
．００３％以上ｏ、ｏｉｏ％以下と定めた。

Ｓは偏析しやすい元素であり、ＭｎＳ系の非金属介在物
量を低減させ、延性を向上させるためには０．０１０％
以下にすることが必要である。

Ｎは時効硬化により延性を低下させるため、これを抑制
するにはｏ、ｏｏａｏ％以下にすることが必要である。

その他の不純物は、通常この種の鋼に存在する範囲内で
あれば許容し得る。

次に熱間圧延後の冷却について述べる。

本発明において、圧延終了後３〜ｌＯ秒間徐冷または放
冷するのは、この間に線材温度を均一化し、圧延によっ
て不均一になっている結晶粒を揃え、同時に剥離性の良
いスケールの調整を行うものである。この時間が短すぎ
るとその効果は得られず、長すぎると結晶粒が粗大化し
、スケールも厚く強固となって好ましくない。

線材を熱湯浴中で冷却する第１の目的は、ボルト成型時
の変形抵抗を低下させるバウシンガー効果を増大させる
ために、強制風冷に比べ冷却速度が速い熱湯浴冷却によ
り、いっそうフェライト分率の少ないフェライト・パー
ライト組織に調整することにある。フェライト・パーラ
イト組織において、バウシンガー効果は圧延後の冷却速
度に非常に影響を受けており、冷却速度が速いほど増加
するために、従来の強制風冷に比べ冷却速度の速い熱湯
冷却でバウシンガー効果が著しく大きくなることを見出
した。この理由は、前述したようにバウシンガー効果は
フェライト中の可動転位密度の影響を受けており、冷却
速度を速めることによりフェライト分率が低減され、導
入される転位密度も増加するためである。

第２の目的は強制風冷では線材リングの重なり部におい
て、風量の差が生じ、強度ばらつきが調質鋼に比べ著し
く大きくなるのに対し、熱湯冷却では、リング重なり部
も蒸気膜におおわれ、安定的な膜沸騰冷却により冷却速
度をほぼ一定とし、強度ばらつきを非常に小さくするた
めである。なお、本発明による熱湯は、９Ｇ”Ｃ以上の
温度とする。

この理由はオーステナイト粒径を均一化し、その後の均
一な熱湯冷却により、結晶粒径の整ったフェライト・パ
ーライトの変態組織を得ることができることと、線材表
面に適度の厚さのスケールを均一に付着させることによ
って、温水中での沸騰膜が安定し、冷却速度の均一性を
向上するためである。熱湯冷却の開始温度は、フェライ
ト、パーライト変態が開始する温度より高い９００℃か
らでも良いが、パーライト変態開始直上の約７００℃ま
でクーリングトラフで急冷し、３〜１０秒間徐冷または
放冷後、熱湯冷却した場合には、フェライト量が低減し
、ラメラ−間隔が細かくなり、強度が上昇するほか、ス
ケールも薄（剥離しやすくなる。

次にボルト成型前の引抜き加工について述べる。

通常この引抜き加工は寸法精度を高めるために実施され
るもので、調質材においても１０％前後の減面率で行な
う。しかし、非調質線材の場合、制御冷却により付与し
た熱延線材での強度をさらにこの工程で十分に加工硬化
させ、所定の強度および永久伸び改善のためそれ以上に
高強度に調整するという作用もある。また一般に知られ
ているように、バウシンガー効果は引抜き加工率を高め
るにつれて増大する。この傾向は制御冷却したフェライ
ト・パーライト線材でも同様で、この理由はフェライト
中の適応力が増大するためである。

従って、永久伸び改善およびバウシンガー効果を高め変
形抵抗を低減するには、減面率２０％未満ではこの目的
が達成されず、また５０％を超えると延性が劣化すると
ともに引抜き加工コストが増大し経済的でないため、２
０％以上５０％以下とした。

その後剪断ボルト頭部成型、ねじ転造し、必要に応じて
メツキした後、ベーキング処理により最終強度および伸
び、絞りを調整する。この場合のベーキング温度は１５
０℃以上が望ましく、これにより永久伸びの改善や脱水
素の効果が得られる。

以下に実施例を挙げてさらに説明する。

（実　施　例） 第１表は供試材の化学成分を示す。表中８１〜Ｂ４は比
較例で、他は全て本発明による鋼材である。これらの鋼
は溶解後鍛造または圧延により　１Ｂ２關角鋼片となし
、第２表に示す９．１３．１５゜１５．５および１１１
ｍφ線材に圧延し、９７℃〜９９℃の熱湯中冷却あるい
は通常冷却、強制風冷を行った。

引張試験結果を第３表に示す。同表に示すとおり本発明
にかかる材料のＡ１からＡ５は引張強度が高く、破断伸
び、絞りも著しく良好で、またコイル内の強度ばらつき
は非常に小さい。特にＳ低減にＭｎＳを抑制し、かつ低
Ｎにより時効硬化を抑制したＡ３は伸び、絞り等の延性
が極めて高い。

しかし、本発明の範囲外のＢ１からＢ３は破断伸び、絞
りが低く、強度ばらつきも太き（、また強制風冷の８４
においても、強度は高いものの破断伸び、絞りがやや低
く強度ばらつきも大きい。

第４表は３６〜４０％の引抜きを行った後の引張特性を
示す。但し、比較例の８３は、現状の製造工程と同じよ
うに球状化焼鈍を行い、その後１３＋＊■φから１２ｍ
ｍφに伸線した。ここに示す変形抵抗は、ボルト成型前
の各供試鋼線を用いてｆｌｌ定したものであり、この数
値が低いほど冷間鍛造時の工具寿命が向上することが分
かっている。各供試鋼線を、旋盤にて突っ切り加工し、
据え込み加工用円柱試験片〔但し、据え込み比（高さ／
直径）１．５に調整〕を作成して、万能試験の歪速度を
１７秒にて据え込み加工（但し、据え込み圧板は同心円
溝付の拘束型超硬圧板を使用）を行い、該加工時の変形
抵抗を測定した。変形抵抗は、対数歪（ＩｎＨ／Ｈ（但
しＨｏおよびＨはそれぞれ初期試験片長さおよび据え込
み加工後の試験片長さを表す））１．５にて求めたもの
であり、据え込み荷重を変形後の試験片の断面積で除し
たものであ第 表 ＊、８８０℃加熱・焼入れ→５００℃焼戻しこれによる
と、本発明鋼Ａ１〜Ａ５（ｋｌからＮｏ、７）はいずれ
も球状化焼鈍後に伸線したＢ３とほぼ同じ変形抵抗とな
り、実際のへッデング加工には、十分耐える値である。

しかし本発明範囲外のＢｌ、Ｂ２およびＢ４は変形抵抗
が高く、工具寿命が著しく低下するため実用には適さな
い。第５表はこれを六角ボルトに成形後３００℃から４
００℃のブルーイング処理を省略し、代りに２００℃の
ベーキング処理した後の引張強度、破断伸びおよび永久
伸びを示す。但し、Ｂ３のみ８８０℃加熱後焼入れし５
００℃焼戻しを実施した。ボルトの引張試験は、角度１
０＠のくさび引張を用い、強度と頭飛びの有無を調べた
。この結果、本発明のボルトは、引張強さ８０ｋｇ　ｆ
　／−以上で頭飛びもなく、破断伸びも太き（、永久伸
びも焼入れ・焼戻しをしたＢ３とほぼ同じほど低く、Ｊ
ＩＳ　Ｂ　１０５１　（１９８５年）のｒ８．８Ｊ鋼製
ボルト・小ねじとして良好な特性を持っており、ブルー
イング省略が可能であることが分かる。比較例のＢｌ、
Ｂ２は引張強さ、伸びが低く、強制風冷の８４は破断伸
びが低く、また永久伸びも大きい。一方、従来工程並み
に焼入れ・焼戻しを行ったＢ３は引張強さ８０ｋｇ　ｆ
　／　ｎ＋４以上となっている。

（発明の効果） 以上のように、本発明により製造されるボルトは、非調
質線材を用いながら冷間鍛造時の変形抵抗は軟化または
球状化焼鈍材に匹敵する。従って、従来の非調質ボルト
に比べても、工具寿命延長が実現でき、ボルト製造コス
トの極めて大きな部分を占める工具費の大幅節減が可能
となるほか、工具交換の回数が減って生産性の向上が図
られる。

さらに、従来の非調質ボルトはボルト成型後にブルーイ
ングを実証していたのに対し、本発明により製造される
ボルトはメツキ後のベーキングで代替できるため、非調
質化において球状化焼鈍、焼入れ・焼戻し工程の省略の
代りに不可避であったブルーイングも省略でき、大幅な
熱処理コストの節減をもたらし、産業上の効果は極めて
顕著なものである。

復代理人　弁理士　田村弘明

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．１５％以上０．３０％以下、
   Ｓｉ：０．０３％以上０．５５％以下、Ｍｎ：１．１％
   以上２．０％以下、Ｐ：０．００３〜０．０１０％を含
   有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼材を線
   材に熱間圧延し、３〜１０秒間徐冷または放冷した後、
   熱湯浴中で冷却した線材に、減面率２０％以上５０％以
   下の引抜き加工を施し、その後剪断、頭部成型、ねじ転
   造、ベーキングすることを特徴とする高張力非調質ボル
   トの製造法。
2. （２）成分がさらにＳ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０
   ０３０％以下の一方または両方を満足する請求項１記載
   の高張力非調質ボルトの製造法。