JPH083640A - 高張力非調質ボルトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 球状化焼鈍および焼入焼戻工程を省略した、
自動車や産業機械用の引張強度９００ＭＰａ以上の高張
力ボルトを提供する。 【構成】 重量％で、Ｃ：０．１５％以上０．３０％以
下、Ｓｉ：０．０３％以上０．５５％以下、Ｍｎ：０．
８０％以上２．０％以下、Ａｌ：０．０１０％以上０．
０６０％以下、を含有し、あるいはさらにＰ：０．０１
０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００６０％
以下に制限し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる
鋼を線材に熱間圧延し、３〜１０秒間放冷した後、熱湯
浴中で冷却した線材に、減面率５５％以上８５％以下の
引抜き加工を施し、その後剪断、頭部成形、ねじ転造を
施し、ブルーイングあるいはベーキングをする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，自動車や産業機械用の
引張強度９００ＭＰａ以上の高張力非調質ボルトに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車のエンジンボルト等に使用される
引張強さ９００ＭＰａ以上の高張力ボルトは、低合金鋼
に球状化焼鈍および伸線を行った後、冷間圧造によりボ
ルト成型加工を行い、その後焼入れ焼戻し処理を行うこ
とによって所定の強度、靱性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、さらに冷間成形後焼入れ・焼戻しを行う場合は、
熱処理により加工工程が長く、また製造コストも高くな
るという欠点がある。

【０００３】しかし、最近になって省エネルギーおよび
製造コストダウンを目的に、これら熱処理のうち球状化
焼鈍を省略する低炭素−ボロン鋼、恒温変態処理により
ボルト成形前後の熱処理を省略する低炭素鋼（特開昭６
０−１５５６２２号公報）や調整冷却と伸線加工により
同様にボルト成形前後の熱処理を省略する低炭素鋼（特
公平５−３０８８４、特開平２−２７４８１０号公報）
が報告されている。しかし、一番目の低炭素−ボロン鋼
では焼入れ焼戻し工程の省略は困難であり、また二番目
の恒温変態処理を行う低炭素鋼においては、素材強度が
高くなるために冷間加工時の工具寿命が著しく低下する
ということ、さらに３００℃から４００℃のブルーイン
グが不可欠であるという問題がある。

【０００４】三番目の調整冷却と伸線加工により強化を
図る低炭素鋼は、球状化焼鈍と焼入れ焼戻しは省略でき
るものの、９００ＭＰａ以上の高強度化が困難であるこ
と、さらに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
であるという問題がある。一般に自動車や産業機械用の
高張力ボルトは殆どがメッキされるため、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。
従って新たにブルーイング処理が必要となった場合は新
たに炉の設備投資が必要となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の球状化
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、ボルト成型前後
の球状化焼鈍および焼入れ焼戻しを省略する引張強度９
００ＭＰａ以上を有する高張力非調質ボルトの製造方法
を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量％で、
Ｃ：０．１５％以上０．３０％以下、Ｓｉ：０．０３％
以上０．５５％以下、Ｍｎ：０．８０％以上２．０％以
下、Ａｌ：０．０１０％以上０．０６０％以下を含有
し、あるいはさらにＰ：０．００１０％以下、Ｓ：０．
０１０％以下、Ｎ：０．００６０％以下に制限し、残部
がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を、線材に熱間
圧延後コイルに捲取り後、３〜１０秒間放冷した後、熱
湯浴中で冷却してフェライト・パーライト組織とした線
材に、減面率５５％以上８５％以下の引抜き加工を施
し、その後剪断、頭部成形、ねじ転造、ブルーイングあ
るいはベーキングすることを特徴とする引張強度９００
ＭＰａ以上を有する高張力非調質ボルトの製造方法にあ
る。

【０００７】

【作用】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
ボルト成形されるため、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治金要因について
実験研究を行った。この結果、バウシンガー効果を最大
限に引出すには、Ｃ量を増し低炭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結果が増大すること
も確認できた。

【０００８】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、たとえ伸線材の引張強度は伸線加工
率の増加とともに引張強度が向上しても、ボルト成形加
工時の変形抵抗は球状化焼鈍材並みに維持できることを
見出し、さらに所定の伸線加工率の付与により十分に９
００ＭＰａ以上の強度を達成できることも見出した。ま
た、これにより製造したボルトは従来の焼入れ焼戻し処
理線ボルトや非調質ボルトと同等かそれ以上の品質を有
することも確認した。また、ブルーイング省略に必要な
高延性と高強度化（永久伸びの改善）を達成するには、
素材を高延性で微細なフェライト・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ることにより、２００℃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。さらに、従来以上の強伸線加
工による延性の低下を防止するには、低炭素鋼でかつ鋼
中のＰを０．０１０％以下、Ｓを０．０１０％以下、Ｎ
を０．００６０％以下に制限することにより、軟質化、
時効硬化の抑制およびＭｎＳ生成の低減が可能となり高
い延性を生じることを見出し、この成分範囲に調整され
た鋼を線材に熱間圧延後、熱湯浴冷却を用いた急速冷却
により微細なフェライト・パーライト組織することによ
り、素材および強伸線加工中の延性低下を抑制できるこ
とも知見し、本発明を完成させるに到った。

【０００９】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はフェライト・パ
ーライト組織鋼におけるバウシンガー効果に大きく影響
する。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、Ｃ０．１５％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
ガー効果は増大するものの、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。

【００１０】Ｓｉ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に比べバウシンガー効果
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。

【００１１】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
０．８０％未満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０．８％以上２．０％以下
と定めた。

【００１２】Ａｌは結晶粒の粗大化を防止し高延性を図
るために添加し、その効果を得るには０．０１０％以上
の添加が必要であり、一方０．０６０％超ではその効果
が飽和する。従って０．０１０％以上０．０６０％以下
と定めた。

【００１３】Ｐ、ＳおよびＮはブルーイング省略に必要
な高延性と高強度化（永久伸びの改善）を達成するに極
めて重要な元素である。すなわち、ブルーイング省略に
は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ることにより、２００℃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
であることから、従来以上の強伸線加工による延性の低
下を防止することが必要である。

【００１４】これに対し、Ｐは強度を高め熱延線材およ
び伸線材の延性を阻害する元素である。このため、素材
および強伸線加工中の延性低下を抑制するには０．０１
０％以下に保つことが必要である。但し、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０．０
１０％以下とするのが好ましい。

【００１５】ＳはＭｎＳを形成し、延性を低下する元素
である。このため、素材および強伸線加工中の延性低下
を抑制するには０．０１０％以下に保つことが必要であ
る。但し、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０．０１０％以下とするのが好まし
い。

【００１６】Ｎは時効硬化を促進し伸線材の延性を阻害
する元素である。このため、延性低下を抑制するには
０．００６０％以下に保つことが必要である。但し、
０．００１０％未満では低減のためのコストが著しく増
加するため、０．００１０％以上０．００６０％以下と
するのが好ましい。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。

【００１７】次に熱間圧延後の冷却について述べる。圧
延後、コイルに捲取り、３〜１０秒間放冷するのは、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、ボルト成形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。第２の目的は熱湯浴中の冷却により冷却速度
の均一性を図り、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９０℃以上の温度が
好ましい。この理由は温水中での沸騰膜の安定化を図
り、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、
３０〜１０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、ラメラー間隔が細かくな
り、強度が上昇するほか、スケールも薄く剥離しやすく
なる。

【００１８】次にボルト成形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、所定の強度に調整するという作用もある。ま
た、バウシンガー効果は引抜き加工率を高めることによ
り増大させる。従って、９００ＭＰａ以上の引張強度お
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５５％未満ではこの目的が達成されず、また８５
％を超えると延性が劣化するため、５５％以上８５％以
下とした。

【００１９】その後、公知の方法により、剪断、ボルト
頭部成形、ねじ転造し、その後、ブルーイング処理によ
り最終強度および伸び、絞りを調整する。この場合のブ
ルーイング温度は２００℃以上４００℃以下が望まし
く、また、ベーキング温度は１５０℃以上２５０℃以下
が望ましく、これにより伸び、絞りの改善や脱水素の効
果が得られる。

【００２０】

【実施例】以下に実施例を挙げてさらに説明する。表１
は供試材の化学成分を示す。表中Ａ１〜Ａ１０は本発明
鋼、またＢ１〜Ｂ９は比較鋼である。このうちＢ１〜Ｂ
６は本発明範囲外の非調質鋼であり、Ｂ７は低炭素−ボ
ロン鋼の焼鈍省略の調質タイプであり、Ｂ８は事前の恒
温変態処理によりボルト成形後の焼入れ焼戻しを省略す
るものである。またＢ９は現行の調質鋼であり、球状化
焼鈍後にボルト成形し、その後焼入れ焼戻しを行うもの
である。これらの鋼は溶解後鍛造または圧延により１６
２ｍｍ角鋼片となし、表２に示す８．５、９、１２、１
５．５および１８ｍｍφ線材に圧延し、９７℃〜９９℃
の熱湯浴中冷却あるいは通常冷却を行った。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】引張試験結果を表３に示す。同表に示すと
おり本発明にかかる材料のＡ１〜Ａ１０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。一方、本発明範囲外の非調
質鋼であるＢ１〜Ｂ６のうち、Ｂ１は引張強度が低く、
Ｂ２〜Ｂ６は破断伸び、絞りが低い。なお、ボル成形後
に焼入れ焼戻しを行うＢ７〜Ｂ９のうち、低炭素−ボロ
ン鋼のＢ７は引張強度が低く冷鍛性は良好と判断され、
またＢ８とＢ９は素材強度のばらつきが大きいものの伸
線前に恒温処理あるいは球状化焼鈍が入るため、素材に
問題があるとはいえない。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】表４はＡ１〜Ａ１０およびＢ１〜Ｂ６では
熱処理なしに減面率６９．１〜８５．０％の引抜きを行
った後の、Ｂ７は熱処理なしに減面率１１．４％の引抜
き、Ｂ８は恒温変態処理後に１１．４％の引抜き、Ｂ９
は球状化焼鈍処理後に減面率１１．４％の引抜きを行っ
た後の引張特性を示す。なお、恒温変態処理は９５０℃
加熱後５４０℃の鉛浴に５分保持し空冷した。ここに示
す変形抵抗は、ボルト成形前の各供試鋼線を用いて測定
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１／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［ｌｎＨ₀ ／Ｈ（但しＨ₀ 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る。

【００２７】これによると、本発明鋼Ａ１〜Ａ１０（Ｎ
ｏ．１からＮｏ．１４）はいずれも球状化焼鈍後に伸線
したＢ９とほぼ同じ変形抵抗となり、実際のヘッデング
加工には、十分耐える値であるといえる。しかし、本発
明範囲外のＢ１〜Ｂ６は変形抵抗が高く、特に恒温処理
を施しボルト成形前に高強度としたＢ８は非常に変形抵
抗が高く、著しく工具寿命が低下し実用には適さないこ
とが分かる。

【００２８】

【表５】

【００２９】表５はこれを六角ボルトに成形後、Ａ１〜
Ａ６、Ｂ１〜Ｂ４およびＢ８は３５０℃のブルーイング
処理を、またＡ７〜Ａ１０およびＢ５とＢ６は２００℃
のベーキング処理をした後の引張強度、破断伸びおよび
永久伸びを示す。但し、Ｂ７とＢ８は前述したように８
８０℃で加熱後、６０℃の油浴中で焼入れし、５００℃
で焼入れを施した。ボルトの引張試験は、角度１０°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９００ＭＰａ以上で
頭飛びもなく、破断伸びも大きく、永久伸びも焼入れ焼
戻しをしたＢ８とほぼ同程度と低く、ＪＩＳＢ１０５１
（１９９１年）の「９．８」および「１０．９」鋼製ボ
ルト・小ねじとして良好な特性を持っていることが分か
る。比較例のＢ１、Ｂ４は引張強度が低く、Ｂ２、Ｂ３
は破断伸びが低く、またＢ５とＢ６は破断伸びが低く永
久伸びが大きいため、ＪＩＳの規格を満足しない。一
方、従来工程並みに焼入れ・焼戻しを行ったＢ７とＢ９
および恒温処理を実施したＢ８は引張強さ９００ＭＰａ
以上となっている。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により製造
される高張力非調質ボルトは、焼鈍および焼戻工程を省
略しつつ、高速度、高靱性かつ工具寿命の延長が実現で
きる９００ＭＰａ以上のボルトであり、大幅な熱処理コ
ストの節減をもたらす。さらに、従来の非調質ボルトは
ボルト成形後にブルーイングを実施していたのに対し、
本発明により製造されるボルトはメッキ後のベーキング
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わ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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．１５％以上０．３０
   ％以下、Ｓｉ：０．０３％以上０．５５％以下、Ｍｎ：
   ０．８０％以上２．０％以下、Ａｌ：０．０１０％以上
   ０．０６０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的
   不純物よりなる鋼を、線材に熱間圧延後コイルに捲取り
   後、３〜１０秒間放冷した後、熱湯浴中で冷却してフェ
   ライト・パーライト組織とした線材に、減面率５５％以
   上８５％以下の引抜き加工を施し、その後剪断、頭部成
   形、ねじ転造、ブルーイングすることを特徴とする引張
   強度９００ＭＰａ以上を有する高張力非調質ボルトの製
   造方法。
2. 【請求項２】 重量％で、Ｃ：０．１５％以上０．３０
   ％以下、Ｓｉ：０．０３％以上０．５５％以下、Ｍｎ：
   ０．８０％以上２．０％以下、Ａｌ：０．０１０％以上
   ０．０６０％以下を含有し、且つＰ：０．００１０％以
   下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００６０％以下に
   制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼
   を、線材に熱間圧延後コイルに捲取り後、３〜１０秒間
   放冷した後、熱湯浴中で冷却してフェライト・パーライ
   ト組織とした線材に、減面率５５％以上８５％以下の引
   抜き加工を施し、その後剪断、頭部成形、ねじ転造、ベ
   ーキングすることを特徴とする引張強度９００ＭＰａ以
   上を有する高張力非調質ボルトの製造方法。