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【発明の名称】 ボルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法
【発明者】 【氏名】木村 利光

【氏名】田中 茂文

【氏名】倉冨 英明
【要約】 【課題】従来使用されているボルトに比べて、素材及び調質処理コストが低減し、且つ遅れ破壊感受性が小さいボルトが得られるボルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法を提供すること。

【解決手段】ボルト用鋼材は、Ｃを０．１５〜０．４２質量％、Ｎを０．００４〜０．０３５質量％、Ｍｏ及び／又はＶを０．１５〜０．８０質量％の割合で含有し、フェライト面積率が５〜８０％で、伸線加工後のフェライト粒の平均アスペクト比が５以下である鋼材に、８５０〜９５０℃の加熱、４５０〜６００℃の恒温保持及び減面率２５〜５０％の伸線加工を施して成る。上述のボルト用鋼材を用いて成るボルトである。引張強さが１０００〜１５００ＭＰａである。ボルト頭部に相当する部位に、冷間で予備成形を施すボルトの製造方法である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 Ｃを０．１５〜０．４２質量％、Ｎを０．００４〜０．０３５質量％、Ｍｏ及び／又はＶを０．１５〜０．８０質量％の割合で含有し、フェライト面積率が５〜８０％で、伸線加工後のフェライト粒の平均アスペクト比が５以下である鋼材に、８５０〜９５０℃の加熱、４５０〜６００℃の恒温保持及び減面率２５〜５０％の伸線加工を施して成ることを特徴とするボルト用鋼材。
【請求項２】 Ｍｏを０．１０〜０．８０質量％、Ｖを０．０５〜０．３０質量％の割合で含有することを特徴とする請求項１記載のボルト用鋼材。
【請求項３】 請求項１又は２記載のボルト用鋼材を用いて成るボルトであって、引張強さが１０００〜１５００ＭＰａであることを特徴とするボルト。
【請求項４】 請求項３記載のボルトを製造するに当たり、ボルト頭部に相当する部位に、冷間で予備成形を施すことを特徴とするボルトの製造方法。
【請求項５】 上記冷間予備成形を施した予備成形品を、ヘッダー加工直前に４００〜６５０℃に加熱し、次いで、ヘッダー加工することを特徴とする請求項３記載のボルトの製造方法。
【請求項６】 上記加熱温度まで２０〜２０００℃／秒で誘導加熱することを特徴とする請求項５記載のボルトの製造方法。
【請求項７】 ヘッダー加工後に５５０〜６５０℃の時効処理を行うことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つの項に記載のボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ボルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法に係り、更に詳細には、引張強さが高く、遅れ破壊感受性が小さく、しかも焼入れ処理を必要とせず、耐力比の高いボルト及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の引張強さが高いボルト、具体的には引張強さが１０００ＭＰａ以上のボルトの製造方法としては、機械構造用鋼（ＳＣＭ４４０等）から成る線材をボルトに成形後、焼入れ・焼戻しを施して所定の強度に調質する方法が知られている。例えば、図１に示すように伸線されたコイルを切断後、ヘッダー加工してボルト頭部を成形し、ねじ部を転造した後、８５０℃まで加熱し、油中に焼入れ、約６００℃で焼戻す方法がある。
【０００３】また、他の方法としては、鋼材メーカーがボルト用素材を製造する際に、制御圧延・冷却により線材に適当な強度を付与しておき、焼入れ・焼戻しを省略してボルトを製造する方法が知られている。この方法では、図２に示すように、伸線されたコイルを切断後、ヘッダー加工してボルト頭部を成形し、ねじ部を転造してボルトを製造する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来のボルト製造方法にあっては、以下の課題がある。即ち、調質ボルト用にＳＣＭ４４０等の機械構造用鋼を使用する方法では、素材自体のコストが高く、また、調質処理のコストを要するためボルトの単価が高くなるという課題がある。また、調質処理コストを削減可能な、制御圧延・冷却を施した線材を使用する方法では、線材の引張強さが１０００ＭＰａ以上と高いため、ヘッダー金型の寿命が大幅に短くなり、生産性の低下や金型コストの増加を招き、結局ボルトのコストが高くなるという課題がある。更に、かかる制御圧延・冷却を施した線材の使用による製造方法で得られたボルトは、成形部、例えばボルト頭部の硬さが加工硬化により著しく上昇するため、この硬化部から遅れ破壊してしまうという特性上の課題もある。
【０００５】このような従来の課題を解決し得る技術として、本発明者らは、本出願時に未公知の特願平１０−２８７４７６号において、特定の組成や性状を有するボルト用鋼材などを既に提案し、かかる特定鋼材から成る線材を直接ヘッダー加工すれば良好な特性を有するボルトが得られることを開示している。しかしながら、本発明者らが更なる検討を加えた結果、製造すべきボルトの頭部形状によっては、予備成形後にヘッダー加工を行った方が良好な結果が得られることを知見した。また、かかる予備成形は最終ボルト製品の形状精度に影響を与えるので、冷間加工により実施することが好ましいが、特願平１０−２８７４７６号に開示したボルト用鋼材をそのまま冷間加工すると、線材の硬さが高いため変形抵抗が大きくなり、使用する冷間加工金型が短命化することが判明した。
【０００６】本発明は、このような知見に鑑みてなされたものであり、従来使用されているボルトに比べて、素材及び調質処理コストが低減し、且つ遅れ破壊感受性が小さいボルトが得られるボルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定組成や性状を有する鋼材を、更に所定の加熱、恒温保持及び伸線加工に供することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】即ち、本発明のボルト用鋼材は、Ｃを０．１５〜０．４２質量％、Ｎを０．００４〜０．０３５質量％、Ｍｏ及び／又はＶを０．１５〜０．８０質量％の割合で含有し、フェライト面積率が５〜８０％で、伸線加工後のフェライト粒の平均アスペクト比が５以下である鋼材に、８５０〜９５０℃の加熱、４５０〜６００℃の恒温保持及び減面率２５〜５０％の伸線加工を施して成ることを特徴とする。また、この場合、Ｍｏを０．１０〜０．８０質量％、Ｖを０．０５〜０．３０質量％の割合で含有することが好ましい。
【０００９】また、本発明のボルトは、上述の如きボルト用鋼材を用いて成るボルトであって、引張強さが１０００〜１５００ＭＰａであることを特徴とする。
【００１０】更に、本発明のボルトの製造方法は、上述のボルトを製造するに当たり、ボルト頭部に相当する部位に、冷間で予備成形を施すことを特徴とする。
【００１１】また、本発明のボルトの製造方法の好適形態は、上記冷間予備成形を施した予備成形品を、ヘッダー加工直前に４００〜６５０℃に加熱し、次いで、ヘッダー加工することを特徴とする。
【００１２】更に、本発明のボルトの製造方法の他の好適形態では、上記加熱温度まで２０〜２０００℃／秒で誘導加熱することが好ましく、更には、ヘッダー加工後に５５０〜６５０℃の時効処理を行うことが望ましい。
【００１３】
【作用】本発明のボルト用鋼材では、Ｃ、Ｎ、Ｍｏ、Ｖを特定組成に調整し、且つフェライト相を適切に制御したため、線材の引張強さを１０００ＭＰａ以上とし、伸線加工を容易化することができる。また、フェライト相の制御のうち、フェライト面積率の限定は、線材の破断又は早期遅れ破壊の防止に有効に作用する。一方、フェライト粒の平均アスペクト比の限定は、伸線加工による強度付与に有効に作用する。更に、フェライト以外の組織をベイナイトとすると、靱延性が増加し、遅れ破壊が防止され、所望の強度を確保することが容易になる。
【００１４】更に、本発明では、上記ボルト用鋼材に特定の加熱、恒温保持及び減面率を制御した伸線加工を施した。この一連の処理により、ボルト製造の際の予備成形を容易に行うことができるようになる。上記加熱処理により、均一なオーステナイト相を生成することができ、上記恒温処理により、所望硬度と後工程の伸線処理を容易化することができる。
【００１５】また、本発明のボルトの製造方法では、冷間での予備成形を行うこととしたため、最終ボルト製品において十分な形状精度を確保することができ、ボルト製造上の形状自由度を改善することができる。更に、ヘッダー加工後に所定の時効処理を行えば、上述の減面伸線加工により生ずる可能性のある靱性劣化を回復することができ、耐力も向上させることができる。なお、本発明のボルト用鋼材を用いたボルトは、上記処理により、靱延性が向上し、優れた引張強度を有するとともに、遅れ破壊感受性が好適に抑制されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明のボルト用鋼材について詳細に説明する。本発明のボルト用鋼材は、上述の如く、炭素（Ｃ）と、窒素（Ｎ）と、モリブデン（Ｍｏ）及び／又はバナジウム（Ｖ）を含有し、フェライト面積率が５〜８０％であり、伸線加工後のフェライト粒の平均アスペクト比が５以下である。
【００１７】ここで、Ｃ量は、０．１５〜０．４２質量％である。鋼材中のＣ量が０．１５質量％未満の場合には、一般的な伸線加工では圧延線材の引張強さを１０００ＭＰａ以上にすることができない。また、伸線加工率を高めて強度を確保しようとすると、太径の線材の伸線加工が著しく困難になり、適用ボルトの径を太くすることができない。一方、０．４２質量％を超えてＣを含有させると、遅れ破壊を生じやすくなる。
【００１８】Ｎ量は、０．００４〜０．０３５質量％である。Ｎは、伸線で導入された転位をＮ単独で固着したり、ボルト成形前の加熱で窒化物を析出させて固着することにより、高い耐力を確保するのに必要な元素である。しかし、０．０３５質量％を超えて含有させると、粗大な介在物の生成を招き、これがボルトの靱延性の低下と、遅れ破壊を助長するために過度に添加することはできない。
【００１９】Ｍｏ量は、０．１〜０．８質量％とすることが好ましい。後述するように、本発明では、鋼製線材を伸線加工、代表的には冷間で伸線することにより引張強さを１０００ＭＰａ以上とし、ヘッダー加工部を４００〜６５０℃まで加熱する。この加熱の際、Ｍｏ量が０．１質量％未満の場合には引張強さが低下し、加熱部のほとんどの部位で１０００ＭＰａ未満の強度になってしまう。また、０．８質量％よりも高い含有量では、Ｍｏ自体が高価な元素であるため、素材コストの上昇を招いてしまう。
【００２０】また、Ｖ量は、０．０５〜０．３質量％とすることが好ましい。ヘッダー加工部を４００〜６５０℃まで加熱する際、Ｖ量が０．０５質量％未満の場合には引張強さが低下し、加熱部のほとんどの部位で１０００ＭＰａよりも低い強度になってしまう。また、０．３質量％よりも高い含有量では、Ｖ自体が高価な原料であるため、素材コストの上昇を招いてしまう。
【００２１】Ｍｏ及び／又はＶ量は、０．１５〜０．８質量％である。ヘッダー加工部を４００〜６５０℃まで加熱した際に、引張強さが１０００ＭＰａ以上になる合金の配合を調べた結果、Ｍｏ＋Ｖ量が０．１５質量％以上必要であることがわかった。しかし、両元素とも高価なために、０．８質量％よりも高い含有量では、素材コストの上昇を招く。また、この場合、Ｍｏを０．１〜０．８０質量％、Ｖを０．０５〜０．８０質量％とすることが好ましい。
【００２２】次に、フェライト面積率とフェライト粒の平均アスペクト比の限定理由について述べる。本発明の鋼材におけるフェライト面積率は、５〜８０％である。面積率が５％未満の場合には、線材を冷間で伸線して強度を得る際に、加工のひずみがフェライト部に集中して、引張強さが１０００ＭＰａよりも小さい応力で破断したり、破断に至らなくてもフェライト部の靱延性が著しく劣化して、早期に遅れ破壊してしまう。一方、８０％を超える面積率では、冷間伸線時のひずみによる加工硬化だけでは、引張強さを１０００ＭＰａ以上に確保することが困難になる。なお、この伸線加工は、代表的には１０〜４０℃で行われる。
【００２３】伸線後のフェライト粒の平均アスペクト比は、５以下である。本発明のボルトの軸部は、冷間伸線加工で強度を付与される。このため、平均アスペクト比が５を超えるような加工を施すには、太径の線材を細径にするための大型の伸線加工機が必要になり、製造コストの増加を招く。
【００２４】フェライト以外の組織は、ベイナイトにすることが望ましい。フェライト以外の組織がマルテンサイトの場合、伸線加工時のひずみがマルテンサイトとフェライトとの界面に集中して、この部分の靱延性が著しく低下し、遅れ破壊を助長してしまうことがある。一方、パーライトの場合、伸線前の強度が低すぎて、伸線後に所望の強度を確保できないことがあり好ましくない。
【００２５】また、本発明のボルト用鋼材は、上述したような特定の組成及び性状を有する鋼材に、所定の加熱、恒温保持及び減面率を制御した伸線加工を施して得られる。 この一連の処理により、ボルト製造の際の予備成形を容易に行うことができるようになる。ここで、上記加熱は８５０〜９５０℃の温度範囲で行われ、これにより、均一なオーステナイト相を得ることができる。加熱温度が９５０℃を超えると、結晶粒が粗大化し、後述する冷間予備成形に悪影響を及ぼす。
【００２６】また、恒温保持は４５０〜６００℃の温度範囲で行われる。４５０℃未満では、得られる鋼材の硬度が高くなり過ぎて次工程の伸線加工をを実施できない。一方、６００℃を超えると、上記伸線加工を実施しても所望の硬度が得られなくなる。
【００２７】なお、かかる伸線加工は、冷間、代表的には１０〜４０℃で行われるが、減面率を２５〜５０％に調整して行うことを要する。ここで、減面率とは、伸線前から伸線後の線材の断面積減少率をいう。減面率が２５％未満では、次工程の冷間予備成形が難しく、５０％を超えると、伸線中に断線するおそれがある。
【００２８】次に、本発明のボルトの製造方法について説明する。本発明のボルトは、上述した本発明の鋼材から成る線材を冷間で予備成形し、更にヘッダー加工直前に４００〜６５０℃に加熱した後、ヘッダー加工して製造される。具体的には、特願平１０−２８７４７６号にも開示した特定組成を有する鋼材を冷間伸線した後に所望長さに切断し、次いで、得られた伸線材につき、上述の加熱、恒温保持及び減面伸線加工を施し、ボルト頭部に相当する部位に冷間予備成形を行い、更に誘導加熱して４００〜６５０℃に温度制御し、この直後にヘッダー加工を行い、しかる後にねじ転造することにより、本発明のボルトを得る。なお、必要に応じて、時効処理を行ってもよい。かかる製造工程の一例を図３に示す。なお、上記ねじ転造はヘッダー加工前に行ってもよい。
【００２９】ここで、上述の冷間予備成形は、１０〜４０℃で行うことが好ましく、この予備成形を実施することにより、得られるボルト製品の形状精度を著しく向上できる。
【００３０】また、冷間予備成形品に施すヘッダー加工前の加熱温度は、４００〜６５０℃に制御する。加熱温度が４００℃未満の場合には、ヘッダー加工中の予備成形品の変形抵抗が十分低下せず、成形金型の寿命の延命を図れない。更に、ヘッダー加工時に加工硬化する部位を適度に軟化させることができずに、遅れ破壊を防止できない。これに対し、６５０℃よりも高温では、成形部の軟化量が増大し、加熱した部分の一部が１０００ＭＰａよりも低い強度になってしまう。
【００３１】また、加熱速度は、２０〜２０００℃／秒に制御することが好ましい。加熱速度が２０℃／秒未満の場合には、ボルト１本当たりに要する加熱時間が長くなり、生産性の低下を招くことがある。また、２０００℃／秒を超えると、加熱装置自体のコストが著しく増大してしまうことがあるため好ましくない。
【００３２】更に、上述の加熱による加熱領域は、予備成形品のボルト頭部高さとなる長さから、その２倍の長さまでとすることが好ましい。即ち、予備成形品のボルト頭部高さとなる長さからその２倍までの長さを局所的に加熱することが望ましい。これは、軸部の座屈防止、加熱エネルギーコストの低減、ねじ転造を加熱前に行う場合の、ねじ部の圧縮残留応力の解放防止を図るためである。
【００３３】なお、上述した時効処理は、ヘッダー加工後に５５０〜６５０℃で行うが、これにより、上述した減面伸線加工を行った際に発生する靱性劣化を回復させるたり、耐力を向上することができる。時効処理温度が５５０℃未満では靱性の回復が不十分となり、６５０℃を超えると耐力が低下することがある。なお、時効処理に要する時間は、代表的に０．３〜３ｈｒである。
【００３４】次に、本発明のボルトについて説明する。本発明のボルトは、上述した本発明のボルト製造方法によって得られるものであり、その引張強さは１０００〜１５００ＭＰａである。本発明のボルトは、上述の予備成形を経て得られるため形状精度に優れるとともに、遅れ破壊感受性が小さく、しかも焼入れ処理を必要とせず、耐力比が高く、優れた特性を有する。
【００３５】
【実施例】以下、本発明を、図面を参照して実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３６】以下の実施例と比較例に用いた供試材の化学組成（開発材■及び■）を表１に示す。表１に示す各組成の鋼を２ｔｏｎアーク炉で溶解し、１ｔｏｎのインゴットを鋳造して、これを１５３ｍｍ角の鋼片に圧延し、更にこの鋼片を加熱し、線材コイルに圧延した。また、圧延後の冷却速度を変えて、フェライト面積率を５〜８０％に、伸線率を変えてフェライト粒の平均アスペクト比を５以下に調整した。
【００３７】
【表１】

【００３８】次に、得られた線材コイルを表２に示す加熱１の温度で加熱し、加熱２の温度で０．１ｈｒ恒温保持した後、表２に示した減面率で引き抜きを実施し、各例の線材を得た。得られた線材につき、変形抵抗値を測定するとともに、ボルト予備成形の実現性を調査し、表２に併記した。なお、変形抵抗値は、各例の線材から切り出した試験片を冷間で圧下２５％プレスした時の値とした。また、ボルト予備成形は、図４に示す線材径に対する頭部の張り出し径が得られるかどうかで判断した。
【００３９】
【表２】

【００４０】また、各例の線材を、誘導加熱装置を用いて加熱速度４００℃／秒で表３に示した温度まで加熱し、ただちにヘッダー加工し、必要に応じて時効処理を行って、図４に示すようなボルトを製造した。得られたボルトの特性は、引張強さ、０．２％耐力及び耐遅れ破壊性を調べて評価した。遅れ破壊試験は、ボルトを治具に取付け、ナット回転角法にてボルトの降伏点まで応力を付与した後、１５％ＨＣｌ水溶液に２分間浸積し、水洗、乾燥したものを常温で放置し、４８時間後の破損本数で評価する方法を用いた。それぞれ１０本のボルトを用いて評価した。得られた結果を表３に示す。
【００４１】
【表３】

【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、特定組成や性状を有する鋼材を、更に所定の加熱、恒温保持及び伸線加工に供することとしたため、従来使用されているボルトに比べて、素材及び調質処理コストが低減し、且つ遅れ破壊感受性が小さいボルトが得られるボルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、高強度ボルトを良好な製造効率で廉価に製造できる。
【出願人】 【識別番号】０００００３７１３
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
【識別番号】０００１４４４８５
【氏名又は名称】株式会社サンノハシ
【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
【出願日】 平成１２年４月４日（２０００．４．４）
【代理人】 【識別番号】１００１０２１４１
【弁理士】
【氏名又は名称】的場 基憲
【公開番号】 特開２００１−２８８５１３（Ｐ２００１−２８８５１３Ａ）
【公開日】 平成１３年１０月１９日（２００１．１０．１９）
【出願番号】 特願２０００−１０１８８１（Ｐ２０００−１０１８８１）