(57)【要約】【課題】遅れ破壊が生じる可能性が高い、引張強さが１６００ＭＰａ以上の高い強度レベルにおいて、優れた耐遅れ破壊特性を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供する。【解決手段】所定の化学組成及び式（１）を満たす化学組成を有し、引張強さが、１６００ＭＰａ以上である、ボルト。１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）  但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。前記化学組成を有するボルト用鋼をボルト形状に成形し、Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、焼入れ処理を行い、５３０〜６９０℃の温度範囲で焼戻し処理を行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．３６〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％、
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％、
Ｖ  ：０．５０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
かつ、下記式（１）を満たし、
引張強さが、１６００ＭＰａ以上である、ボルト。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
【請求項２】
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で
Ｔｉ：０．１００％以下、
Ｎｂ：０．１００％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、
Ｗ：２．５０％以下、及び
ＲＥＭ：０．０２０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む請求項１に記載のボルト。
【請求項３】
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で
Ｐｂ：０．０５％以下、
Ｃｄ：０．０５％以下、
Ｃｏ：０．０５％以下、
Ｚｎ：０．０５％以下、
Ｃａ：０．０２％以下、及び
Ｚｒ：０．０２％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む請求項１又は請求項２に記載のボルト。
【請求項４】
３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であり、
３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、亜鉛めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷した時の、破断に至るまでの時間が１００時間以上である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のボルト。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の化学組成を有するボルト用鋼をボルト形状に成形し、
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、焼入れ処理を行い、
５３０〜６９０℃の温度範囲で焼戻し処理を行う、ボルトの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のボルトの素材であるボルト用鋼であって、  請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の化学組成を有し、
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、加熱温度から２００℃に至るまで、５℃／秒以上の冷却速度で焼入れ処理を行い、５３０〜６９０℃の温度範囲及び３０分〜４時間の保持時間で焼戻した場合の引張強さが１６００ＭＰａ以上になり得るボルト用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ボルト、ボルト用鋼、及びボルトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や産業機械の高性能化、軽量化、あるいは土木・建築構造物の大型化に伴い、ボルトの高強度化が要求されている。
ボルトには、ＪＩＳ Ｇ  ４０５３：２０１６で規定されたＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０などの機械構造用合金鋼が用いられる。ボルトは、機械構造用合金鋼を所定の形状に成形後、焼入れ−焼戻し処理で強度を調整する。
ボルトを高強度化するためには、鋼材の炭素量を高める、あるいは焼戻し温度を低くすればよい。
【０００３】
しかしながら、引張強さが１２００ＭＰａを超えるようなボルトでは、水素脆化の一種である遅れ破壊が問題となる。遅れ破壊は、静的応力下に置かれた部品が、ある時間経過後に突然、脆性的に破壊する現象である。
遅れ破壊は、水素の侵入に起因する現象であり、鋼材の強度が高くなるほど、遅れ破壊に至る水素侵入量の臨界値が低下する。
ボルトが屋外、特に、海水、融雪塩などが飛来する環境で使用される場合には、塩分付着によって水素侵入量が多くなり、遅れ破壊の可能性が高まる。
【０００４】
そこで、従来から、耐遅れ破壊性に優れたボルトが検討されている。
例えば、特許文献１には、水素のトラップサイトとなるＶ炭窒化物を活用した、引張強さが１２００〜１６００ＭＰａの、耐遅れ破壊特性に優れたボルトおよび鋼材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７６６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近は、特許文献１のボルトよりも、さらに高強度で、かつ、耐遅れ破壊特性に優れたボルトが求められている。
本発明の課題は、一般的に遅れ破壊が生じる可能性が高い、引張強さが１６００ＭＰａ以上の高い強度レベルにおいて、優れた耐遅れ破壊特性を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、ボルトの素材として所定の化学組成を有し、かつ、ＭｏおよびＶの含有量が以下の式（１）を満たす鋼材を採用することで、水素のトラップサイトとなるＭＣ、Ｍ２Ｃ炭化物がボルト中に分散することを見出した。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
その結果、発明者らは、高強度で、かつ優れた耐遅れ破壊特性を有するボルトが得られることを見出した。
上記課題は、以下の手段により解決される。
【０００８】
＜１＞  化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．３６〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％、
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％、
Ｖ  ：０．５０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｐ：０．０１５％、
Ｓ：０．０１５％、
Ｏ：０．００３０％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
かつ、下記式（１）を満たし、
引張強さが、１６００ＭＰａ以上である、ボルト。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
＜２＞  前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で
Ｔｉ：０．１００％以下、
Ｎｂ：０．１００％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、
Ｗ：２．５０％以下、及び
ＲＥＭ：０．０２０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む＜１＞に記載のボルト。
＜３＞  前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で
Ｐｂ：０．０５％以下
Ｃｄ：０．０５％以下
Ｃｏ：０．０５％以下
Ｚｎ：０．０５％以下
Ｃａ：０．０２％以下、及び
Ｚｒ：０．０２％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む＜１＞又は＜２＞に記載のボルト。
＜４＞  ３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であり、
３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、水素透過防止めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷した時の、破断に至るまでの時間が１００時間以上である＜１＞又は＜２＞に記載のボルト。
【０００９】
＜５＞  ＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の化学組成を有するボルト用鋼をボルト形状に成形し、
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、焼入れ処理を行い、
５３０〜６９０℃の温度範囲で焼戻し処理を行う、ボルトの製造方法。
＜６＞  ＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のボルトの素材であるボルト用鋼であって、
＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の化学組成および引張強さを有し、
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、加熱温度から２００℃に至るまで、５℃／秒以上の冷却速度で焼入れ処理を行い、５３０〜６９０℃の温度範囲及び３０分〜４時間の保持時間で焼戻した場合の引張強さが１６００ＭＰａ以上になる得るボルト用鋼。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、１６００ＭＰａ以上の高強度で、かつ、優れた耐遅れ破壊強度を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一例である実施形態について詳細に説明する。
なお、本明細書中において、化学組成の各元素の含有量の「％」表示は、「質量％」を意味する。
化学組成の各元素の含有量を「元素量」と表記することがある。例えば、Ｃの含有量は、Ｃ量と表記することがある。
「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
「〜」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
【００１２】
＜ボルト＞
本実施形態に係るボルトは  化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．３６〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％、
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％、
Ｖ  ：０．５０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
かつ、下記式（１）を満たし、
引張強さが、１６００ＭＰａ以上である。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
【００１３】
[ボルトの化学組成]
本実施形態に係るボルトの化学組成は、以下のとおりである。
【００１４】
（必須元素）
Ｃ ：０．３６〜０．５０％
Ｃは、鋼の強度を向上させる元素であり、ボルトの強度を高める。Ｃ量が０．３６％未満であると、ボルトとして必要な強度が得られない。一方、Ｃ量が０．５０％よりも多いと、冷間加工性が低下する。
従って、Ｃ量は０．３６〜０．５０％とする。なお、好ましいＣ量は０．４０〜０．４６％である。
【００１５】
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％
Ｓｉは、含有量を低減することで耐遅れ破壊強度を向上させることができる。耐遅れ破壊強度を高めるため、Ｓｉ量を０．１０％以下とする。一方、０．０２％未満としても耐遅れ破壊強度の向上は飽和し、また製鋼工程におけるコストが増大する。
従って、Ｓｉ量は０．０２〜０．１０％とする。なお、好ましいＳｉ量は０．０２〜０．０８％である。
【００１６】
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％
Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを形成し、Ｓの粒界偏析を防止する。また、焼入れ性向上の作用を有する。Ｍｎ量が０．２０％未満であると、Ｓの粒界偏析が大きくなり耐遅れ破壊強度が低下する。一方、Ｍｎ量が０．８４％を超えると、部品形状に加工する際の冷間加工性が低下する。
従って、Ｍｎ量は０．２０〜０．８４％とする。なお、好ましいＭｎ量は０．３０〜０．７５％である。
【００１７】
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を確保するために有効な元素である。Ｃｒ量が０．６２％未満であると、焼入れ性向上の効果が不十分となる。一方、Ｃｒ量が１．９８％を超えると、鋼の冷間加工性が低下する。また、Ｃｒ量が１．９８％を超えると、ＭＣ、Ｍ２Ｃ炭化物の析出を阻害するため、目的の水素トラップ効果を得ることができない。
従って、Ｃｒ量は０．６２〜１．９８％とする。なお、好ましいＣｒ量は０．７０〜１．６０％である。
【００１８】
Ｖ  ：０．５０〜１．２０％
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％
ＶおよびＭｏは、本実施形態において重要な元素である。ＶおよびＭｏは、炭化物を形成する元素である。鋼中に、適正量のＶをＭｏと複合して含有させることで、ＶとＭｏから成る、ＭＣ型炭化物である（Ｍｏ、Ｖ）Ｃ、およびＭ２Ｃ型炭化物である（Ｍｏ、Ｖ）２Ｃが析出する。微細なＭＣ型炭化物および微細なＭ２Ｃ型炭化物は、鋼をオーステナイト域から焼入れした後、５５０〜６５０℃の高温で焼戻しをすることで、多く析出させることができる。この微細な炭化物が析出することで、析出強化により鋼の強度を上昇させることができる。また、微細なＭＣ型炭化物および微細なＭ２Ｃ型炭化物は、水素のトラップサイトとして機能し、耐遅れ破壊特性を向上させることができる。トラップ水素とは、前記ＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物によって固定された、鋼中を自由に移動できない水素である。
【００１９】
トラップサイトとしての効果を得るためには、Ｖを０．５０％以上、かつＭｏを０．９９％以上含有させる必要がある。一方、Ｖの含有量が１．２０％を超えた場合、またはＭｏの含有量が３．５０％を超えた場合は、焼入れ加熱時に未固溶の粗大な炭窒化物が多く残存するため、この粗大な炭窒化物をオーステナイト中に固溶させるために焼入れ加熱温度を高くする必要が生じ、焼入れ時の歪み発生、表面の酸化物増加の問題が発生する。従って、Ｖの含有量は０．５０〜１．２０％、Ｍｏの含有量は０．９９〜３．５０％とする。なお、好ましいＶ量は、０．５５〜１．０５％、好ましいＭｏ量は、１．２０〜３．１０％である。
【００２０】
Ｍｏ／１．４＋Ｖ
ＶおよびＭｏ含有量は、式（１）を満たす必要がある。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
【００２１】
引張り強さ１６００ＭＰａ以上の高強度を有するボルトにおいては、耐遅れ破壊強度を向上させるために、水素トラップサイトである微細なＭＣ型炭化物および微細なＭ２Ｃ型炭化物を大量に鋼中に分散させることが必要である。式（１）の値が１．２６以下では、水素トラップサイトが不足して耐遅れ破壊強度が低下する。式（１）の値が３．７０より大きい値では、焼入れの加熱時にＭｏ、Ｖの炭窒化物のマトリックス中への固溶が不十分となり、粗大な炭窒化物が残存する。その結果、焼戻し時に析出する微細なＭｏ、Ｖの炭窒化物の量が少なくなるため、目的の強度や水素トラップ効果を得ることができない。
【００２２】
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％
Ａｌは、脱酸剤として機能する元素であるとともに、窒化物を形成して焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する元素である。これらの効果を得るためには、Ａｌを０．０１０％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌの含有量が０．1００％を超えると、粗大な酸化物系介在物が鋼中に残存して、ボルトの破壊起点となる。
従って、Ａｌ量は０．０１０〜０．１００％とする。なお、好ましいＡｌ量は０．０１２〜０．０５０％である。
【００２３】
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％
Ｎは、窒化物や炭窒化物を形成し、焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する元素である。結晶粒の粗大化を抑制するには、Ｎ量を０．００１０％以上とする必要がある。一方、Ｎ量が０．０３００％を超えた場合、粗大な窒化物や炭窒化物が生成して、破壊起点となる。
従って、Ｎ量は０．００１０〜０．０３００％とする。なお、好ましいＮ量は０．００２０〜０．０２００％である。
【００２４】
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは、不純物である。Ｐ含有量は極力低いことが好ましい。Ｐは、オーステナイト粒界に偏析する。Ｐ量が０．０１５％を超えると、焼入れ、焼戻し後の旧オーステナイト粒界が脆化して粒界割れの原因となる。このため、Ｐ量を０．０１５％以下の範囲に制限する必要がある。好ましいＰ含有量の上限は０．０１２％である。Ｐは不可避的にボルトに含有される不純物元素であるが、上記範囲内であれば、Ｐは、ボルトに０％超含有されていても良い。
【００２５】
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは、不純物である。Ｓ含有量は極力低いことが好ましい。Ｓは、鋼材中でＭｎ硫化物として存在する。Ｍｎ硫化物は、鋼表面が腐食する際の化学反応で硫化水素を発生する。この硫化水素が分解して水素を発生することで鋼中へ水素が侵入し、耐遅れ破壊強度を低下させる。また、Ｍｎ硫化物が破壊起点となる。このため、Ｓ量を０．０１５％以下の範囲に制限する必要がある。好ましいＳ含有量の上限は０．０１２％である。Ｓは、不可避的に含有される不純物元素であるが、上記範囲内であれば、Ｓは、ボルトに０％超含有されていても良い。
【００２６】
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、不可避に含有される不純物である。Ｏは、酸化物を形成し、遅れ破壊の起点となる。したがって、Ｏ含有量は０．００３０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００７％である。上記範囲内であれば、Ｏは、ボルトに０％超含有されていても良い。
【００２７】
（任意元素）
本実施形態に係るボルトは、Ｆｅの一部に代えて、任意元素として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、Ｗ、及びＲＥＭの１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であるため、含有量は０％でもよく、０％超であってもよい。
【００２８】
Ｔｉ：０．１００％以下
Ｔｉは、鋼材中でＮ、Ｃと結合して炭窒化物を形成する元素である。この炭窒化物はオーステナイト結晶粒界をピンニングして組織の粗大化を防止する。この組織の粗大化の防止効果を得るためには、Ｔｉを０．１００％以下含有させてもよい。一方、Ｔｉを、０．１００％を超えて含有させると、素材硬さの上昇に起因して部品形状に加工する際の冷間加工性が低下する。
【００２９】
従って、Ｔｉ含有量は０〜０．１００％とすることが好ましく、０％超〜０．１００％がより好ましく、０．００５〜０．０５％がさらに好ましい。
【００３０】
Ｎｂ：０．１００％以下
Ｎｂは、鋼材中でＮ、Ｃと結合して炭窒化物を形成する元素である。この炭窒化物はオーステナイト結晶粒界をピンニングし、組織の粗大化を防止する。この組織の粗大化の防止効果を得るためには、Ｎｂを０．１００％以下含有させてもよい。一方、Ｎｂを、０．１００％を超えて含有させると、素材硬さの上昇に起因して部品形状に加工する際の冷間加工性が低下する。
【００３１】
従って、Ｎｂ含有量は０〜０．１００％とすることが好ましく、０％超〜０．１００％がより好ましく、０．００５〜０．０５％がさらに好ましい。
【００３２】
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは、オーステナイト中に僅かに固溶させただけで鋼の焼入れ性を高める。Ｂは、浸炭焼入れ時にマルテンサイトを効率的に得るために鋼材に含有させてもよい。一方、Ｂを０．００５０％を超えて添加すると、多量のＢＮを形成してＮを消費するため、オーステナイト粒の粗大化を招来する。従って、Ｂ含有量は０〜０．００５０％とすることが好ましく、０超え〜０．００５０％がより好ましく、０．０００７〜０．００３０％がさらに好ましい。
【００３３】
Ｗ：２．５０％以下
Ｗは、Ｍｏと同様、高温で焼戻した際に顕著な二次硬化を起こす元素である。Ｗは、Ｍ２Ｃ型炭化物として析出することで、析出強化により鋼の強度を上昇させることができる。さらに、Ｍ２Ｃ型炭化物は、水素のトラップサイトとして機能し、耐遅れ破壊特性を向上させることができる。従って、Ｗを２．５０％以下含有させてもよい。Ｗ含有量は０〜２．５０％とすることが好ましく、０超え〜２．５０％がより好ましく、０．２０〜１．８０％がさらに好ましい。
【００３４】
ＲＥＭ：０．０２０％以下
ＲＥＭ（希土類元素）とは、原子番号５７のランタンから原子番号７１ルテシウムまでの１５元素と、原子番号２１のスカンジウム及び原子番号３９のイットリウムと、の合計１７元素の総称である。鋼材にＲＥＭが含有されると、圧延時及び熱間鍛造時にＭｎＳ粒子の伸延が抑制され、冷間鍛造時の割れを抑制する効果が得られる。但し、ＲＥＭ含有量が０．０２０％を超えると、ＲＥＭを含む硫化物が大量に生成され、鋼の被削性が劣化する。従って、ＲＥＭを０．０２０％以下含有させてもよい。ＲＥＭ含有量は、前記１７元素の合計量で０〜０．０２０％とすることが好ましく、０％超〜２．００％がより好ましく、０．００５％〜０．０１５％がさらに好ましい。
【００３５】
（その他の任意元素）
本実施形態に係るボルトは、任意元素として、次の元素よりなる群から選択される少なくとも１種を含有してもよい。具体的には、これらの任意元素は０％でもよいし、後述する上限の範囲で含有してもよい。これらの任意元素を後述する範囲でボルトに含んでもボルトの特性に影響はない。
Ｐｂ：０．０５％以下
Ｃｄ：０．０５％以下
Ｃｏ：０．０５％以下
Ｚｎ：０．０５％以下
Ｃａ：０．０２％以下
Ｚｒ：０．０２％以下
【００３６】
本実施形態におけるボルトの化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石、スクラップ、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。Ｐ、Ｓ、Ｏ以外の不純物として、たとえば、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃａ等が存在し得る。これらの不純物元素はボルトの耐遅れ破壊強度を低下させない範囲での含有が許容される。また、防食効果が期待されるＮｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、被削性向上効果が期待されるＢｉは、０．２０％以下含有させることができる。Ｃｕ、Ｓｎ、Ｂｉは、多量に添加すると鋳造性を損なうため、それぞれの上限を０．２０％とする。Ｎｉは、添加量が多量になるとコストに見合った効果が得られないため、その上限を０．２０％とする。
【００３７】
[ボルトの特性]
本実施形態に係るボルトは、上記化学組成を有し、引張強さが１６００ＭＰａ以上である。
また、本実施形態に係るボルトは、耐遅れ破壊特性に優れており、具体的には、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であり、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷し、破断に至るまでの時間を測定し、１００時間破断しない特性を有することが好ましい。
【００３８】
以下、本実施形態に係るボルトの引張強さ、トラップ水素量、及び耐遅れ破壊特性について詳述する。
【００３９】
（引張強さ）
本実施形態に係るボルトにおいて、ボルトから引張り試験片を採取して測定した引張強さは１６００ＭＰａ以上である。引張強さが１６００ＭＰａ以上において、ボルトを顕著に小型軽量化することができる。一方、引張強さが２２００ＭＰａを超えると、侵入水素量が少ない場合でも遅れ破壊が生じる可能性が高まる。そのため、引張強さは２２００ＭＰａ以下が好ましい。
【００４０】
（トラップ水素量）
本実施形態に係るボルトにおいて、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量は７．０ｐｐｍ以上であることが好ましい。トラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であると、ボルトに侵入した水素が拡散し、旧オーステナイト結晶粒界に集積して、遅れ破壊が生じる可能性が低下する。そのため、トラップ水素量は７．０ｐｐｍ以上であることが好ましい。
【００４１】
トラップ水素量は、ガスクロマトグラフによる昇温水素分析法で測定した。昇温速度１００℃／時間で、室温から４００℃までに試料から放出される水素量を水素トラップ量と定義した。なお、本実施形態における室温は２５℃とする。
トラップ水素量の測定は、ボルトから採取した直径７ｍｍ、長さ３０ｍｍの丸棒試験片（トラップ水素量調査用の丸棒試験片）に対して実施する。
ただし、上記大きさの丸棒を採取できない場合は、対象のボルトから採取可能なサイズの丸棒試験片を採取し、それらを複数本まとめて分析する。水素分析に必要な試料重量は、２ｇ以上であることが好ましい。
【００４２】
（耐遅れ破壊強度）
本実施形態に係るボルトは、実環境で使用するため、十分な耐遅れ破壊強度を備える必要がある。本実施形態に係わるボルトは、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、水素透過防止めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷した時の、破断に至るまでの時間が１００時間以上である必要があることが好ましい。１００時間で破断しなかった場合、耐遅れ破壊強度に特に優れると判断した。ここで、めっきは、鋼材中に水素を閉じ込めるために行うものであり、Ｚｎめっき等を用いることができる。
耐遅れ破壊強度の測定は、ボルトに対してボルトの形状まま、実施する。
【００４３】
以上に示すとおり、本実施形態に係るボルトは、最適な化学組成を備える鋼材に、後述する最適な焼入れ焼戻しを施すことで、引張強さ、トラップ水素量及び遅れ破壊限界水素量の好適化を図ったものである。
【００４４】
＜ボルトの製造方法＞
本実施形態に係るボルトの製造方法は特に限定されないが、以下、本実施形態に係るボルト用鋼を用いて、本実施形態に係るボルトの製造方法の一例について詳述する。
【００４５】
（ボルト形状に成形する工程）
まず、ボルトの素材として、前述したボルトと同じ化学組成を有するボルト用鋼を用意する。
鋳造により前述した化学組成を有するインゴットまたは鋳片とする。鋳造されたインゴットまたは鋳片は、熱間圧延、熱間押出、熱間鍛造などの熱間加工によって、丸棒など所要の粗形状を有するボルト用鋼に仕上げる。
その後、該ボルト用鋼に伸線、焼鈍、冷間加工、ねじ転造などを施して、所定のボルト形状に成形する。複数回の冷間加工の中間に、焼鈍または球状化焼鈍処理を複数回施してもよい。また、成形の工程に熱間加工を含めることもできる。
【００４６】
（焼入れ・焼戻しを行う工程）
所定のボルト形状に成形した後、強度を付与するため、鋼のＡｃ３点以上の温度に加熱した後、水冷または油冷によって焼入れ処理を行う。なお、焼入れのための加熱温度（以下、「焼入れ加熱温度」という。）が低すぎると、Ｍｏ、Ｖの炭窒化物のマトリックス中への固溶が不十分となり、粗大な炭窒化物が残存する。その結果、焼戻し時に析出する微細なＭｏ、Ｖの炭窒化物の量が少なくなるため、目的の強度や水素トラップ効果を得ることができない。
【００４７】
一方、操業面からは、焼入れ加熱温度を過度に高くすると、熱処理炉の炉体および付属部品の損傷が顕著になり、製造コストが上昇するため、好ましくない。鋼の化学組成（Ａｃ３点）にもよるが、焼入れ加熱温度は８７０〜１１５０℃とするのが好ましい。
【００４８】
耐遅れ破壊強度を向上させるためには、上記の焼入れ処理を行った後に焼戻しを行う必要がある。本実施形態では、焼戻しの温度を、５３０〜６９０℃に限定する必要がある。焼戻し温度が５３０℃未満では、焼戻し時に析出するＭｏ炭化物、Ｖ炭化物による析出強化が不十分となり、目的の強度を得ることができない。また、目的の水素トラップ能、および遅れ破壊限界水素量を達成することができない。
【００４９】
一方、焼戻し温度が６９０℃を超える場合は、ＭＣ型炭化物がオストワルド成長し、析出強化に寄与しなくなるため、１６００ＭＰａ級以上の引張強さを得ることが困難となる。そのため、焼戻し温度は５３０〜６９０℃に限定する。
なお、焼戻し温度の好ましい範囲は、５５０〜６５０℃である。
【００５０】
焼戻し時間は３０分〜４時間とすることが好ましい。
焼戻し時間が３０分未満の場合、焼戻し時に析出するＭｏ炭化物、Ｖ炭化物による析出強化が不十分となり、目的の強度を得ることができない。また、目的の水素トラップ能、および遅れ破壊限界水素量を達成することができない。
一方、焼戻し時間が４時間を超える場合には、析出したＭｏ炭化物、Ｖ炭化物が粗大化することにより、Ｍｏ炭化物、Ｖ炭化物による析出強化が不十分となり、目的の強度を得ることができない。また、目的の水素トラップ能、および遅れ破壊限界水素量を達成することができない。
以上の工程により、本実施形態に係るボルトが製造される。
【実施例】
【００５１】
次に、本発明の実施例について説明するが、以下に示す各条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一例にすぎず、本発明の条件はこの一例に限定されるものではない。本発明の実施においては、その要旨を逸脱せず、その目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用することができる。
【００５２】
＜各種試験片の成形＞
（棒鋼の準備）
表１−１及び表１−２に示す化学組成を有する鋼（鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｖ）をそれぞれ溶製し、熱間鍛造により、直径２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの棒鋼を準備した。なお、表１−１及び表１−２において下線を付した数値は当該数値が本発明の範囲外であることを示す。また、表１−１及び表１−２における空欄部は各元素が無添加であることを示す。
また、残部はＦｅ及び不純物である。なお、Ｐ、Ｓ、Ｏは不純物として含まれている。
尚、表１−２のＡｃ３（℃）は、下記の式により算出した温度である。
Ａｃ３（℃）＝９１０−２０３×√Ｃ＋４４．７×Ｓｉ＋１０４×Ｖ＋３１．５×Ｍｏ
但し、上記Ａｃ３（℃）の式において、Ｃ、Ｓｉ、Ｖ及びＭｏには、それぞれボルト用鋼（ボルト相当品）が含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
【００５３】
【表１−１】
2020128592.tif 000002
【００５４】
【表１−２】
2020128592.tif 000003
【００５５】
次にボルト製造を再現するため、以下の条件で焼入れ、焼戻しを施し、続いて、焼入れ、焼戻ししたボルト相当品の引張り強度、トラップ水素量の測定、および耐遅れ破壊強度を以下の方法で評価した。
【００５６】
（焼入れの実施）
上記のようにして得た直径２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの丸棒を切断し、直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒を切り出し、表２に記載の温度で焼入れを行った。焼入れ加熱温度での保持時間は６０分とした。その後、６０℃に保持した油槽へ焼入れを行った。
【００５７】
（焼戻しの実施）
油焼入れ後、表２に記載の温度で焼戻しを行った。焼戻し温度での保持時間は６０分とし、焼戻し後の冷却は空冷とした。
【００５８】
（引張試験片）
ＪＩＳ  Ｇ  ０４１６：２０１９に記載の試験片採取方法に準じ、上記の焼入れ焼戻し処理後の直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒から、全長：７０ｍｍ、平行部：直径６ｍｍ×長さ３２ｍｍの平滑引張試験片（Ａ２号引張試験片）を採取した。
【００５９】
（トラップ水素量調査用の試験片作製）
上記の焼入れ焼戻し処理後の直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒の中心部から、直径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの丸棒を採取し、トラップ水素量調査用の試験片とした。
【００６０】
（遅れ破壊試験片の作製）
上記の焼入れ焼戻し処理後の直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒の中心部から、直径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの切欠き（切欠き部直径４．２ｍｍ、角度６０°）付き丸棒試験片を採取し、遅れ破壊試験片とした。
なお、ボルトでの評価の場合も、試験片での評価の場合でも同じ結果が得られる。
【００６１】
以上のようにして、下記表２に示す製造Ｎｏ．１〜４６の引張試験片、製造Ｎｏ．１〜４６のトラップ水素量調査用の試験片、及び製造Ｎｏ．１〜４６の遅れ破壊試験片を、それぞれ得た。
【００６２】
＜各試験片を用いた性能評価＞
（引張強さ）
上記の手順で作製した引張試験片を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１：２０１１に準拠して、室温の大気中で引張試験を行い、引張強さを求めた。
【００６３】
（トラップ水素量）
上記の手順で作製した直径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの丸棒に、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージを行った。その後、ガスクロマトグラフを用い、昇温速度１００℃／時間で、室温から４００℃まで昇温し、試料から放出される水素量を測定した。
【００６４】
（遅れ破壊強度）
上記の手順で作製したφ７ｍｍ×７０ｍｍの切欠き（切欠き部φ４．２ｍｍ、角度６０°）付き遅れ破壊試験片に、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、Ｚｎで水素透過防止めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷し、破断に至るまでの時間を測定した。１００時間破断しなかった場合は試験を打ち切りとした。
【００６５】
引張強さ、トラップ水素量、及び遅れ破壊有無の結果を表２に記載する。なお、表２中の下線を付した数値は当該数値が本発明の範囲外であることを示す。
【００６６】
【表２】
2020128592.tif 000004
【００６７】
表１−１〜表２から明らかなように、化学組成、並びに、焼入れ焼戻しの条件について好適化を図った製造Ｎｏ．１〜１６、３３〜４６については、いずれも、引張強さが高く、また、トラップ水素量が高く、遅れ破壊が生じなかったことから、優れた強度と耐遅れ破壊特性が得られていることが判る。
【００６８】
これに対し、化学組成、並びに、焼入れ焼戻しの条件について、少なくともいずれかについて好適化を図っていない製造Ｎｏ．１７〜３２については、いずれも、優れた強度や耐遅れ破壊特性が得られていないことが判る。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、高強度で、かつ、優れた耐遅れ破壊強度を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供できる。