(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５０質量％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、
１．５質量％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
１．０質量％以上２．０質量％以下クロム（Ｃｒ）と、
０．２質量％以上１．０質量％以下マンガン（Ｍｎ）と、
１．５質量％以上５．０質量％以下モリブデン（Ｍｏ）を含有し、
不純物であるリン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）との合計含有量が０．０３質量％以下であり、
残部が、鉄（Ｆｅ）である組成を有する炭素鋼ボルトの表面に膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下の、Ｆｅ３Ｏ４とＦｅ２ＳｉＯ４のみから成る鉄系酸化膜を備えることを特徴とする炭素鋼ボルト。
【請求項２】
上記鉄系酸化膜が、Ｆｅ３Ｏ４をボルト基材側よりも表面側に多く含み、Ｆｅ２ＳｉＯ４を表面側よりもボルト基材側に多く含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素鋼ボルト。
【請求項３】
引張強度が１５００ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素鋼ボルト。
【請求項４】
被締結部材をボルトで締結した締結構造であって、
上記ボルトが上記請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の炭素鋼ボルトであることを特徴とする締結構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトに係り、更に詳細には、締結軸力の管理が容易な高強度ボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の軽量化、コンパクト化、高性能化への要求から、ボルトの高強度化が要求されており、引張強さが１２００ＭＰａを超える高炭素鋼のボルトが知られている。【０００３】
しかし、高炭素鋼の高強度ボルトは、静的応力下において、ある時間経過後、突然脆性的に破壊する、所謂「遅れ破壊」の発生が顕著であり、ボルト強度が高いほどその発生の危険性が高い。【０００４】
上記遅れ破壊は、材料−環境−応力の相互作用によって生じる一種の環境脆化であり、水素による材料の脆化が原因であると考えられており、一般に、耐遅れ破壊性を向上させるために、クロムめっきなどの表面処理がなされる。【０００５】
特許文献１には、ケイ素を含む所定の組成の高炭素鋼を用いることで、遅れ破壊を抑制した高強度ボルトが開示され、クロムめっき皮膜やリン酸鉄皮膜で被覆することが好ましい旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０３１５２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高強度ボルトは、締結軸力が大きいことから、ボルトの折れや座面の陥没がないように締結軸力を管理することが重要であり、一般的にトルクレンチにより締めつけトルクを管理することで締結軸力を担保している。【０００８】
しかしながら、締めつけトルクは、その全てが締結軸力として作用するのではなく、ねじ面や座面の摩擦によっても消費されるため、同じトルクで締めつけてもボルトの表面粗さや潤滑状態などによって締結軸力がばらついてしまう。
つまり、締めつけトルクが同じであっても、ボルトと被締結物との摩擦が大きいと摩擦損失が多く発生して締結軸力が小さくなり、逆に摩擦が小さいと締結軸力が大きくなる。
【０００９】
特に、ケイ素を含む高炭素鋼を用いたボルトは、引張強度や耐遅れ破壊性が優れる一方で、締めつけトルクに対する締結軸力のばらつきが大きく、締結軸力の管理が困難である。【００１０】
また、高炭素鋼を用いたボルトに対し、相手材とのかじり防止や締結性の安定させるためにリン酸被膜などの表面処理を行うと、水素侵入による遅れ破壊が生じ易くなり、加えて表面荒れによる疲労強度低下が発生する。【００１１】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、耐遅れ破壊性に優れ、安定した締結軸力が得られる高強度ボルトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ケイ素を含む高炭素鋼を用いたボルトは、表面処理材との親和性が低く、高い締めつけトルクにより表面被膜に欠陥が生じ、ボルトの摩擦係数が変化しての締結軸力のばらつきが生じていることを突き止めた。【００１３】
そして、めっきやリン酸系被膜処理などの表面処理に替えて、表面に膜厚が３μｍ以上２０μｍ以下の鉄系酸化膜を形成することにより、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。【００１４】
即ち、本発明の炭素鋼ボルトは、
０．５０質量％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、
１．５質量％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
１．０質量％以上２．０質量％以下クロム（Ｃｒ）と、
０．２質量％以上１．０質量％以下マンガン（Ｍｎ）と、
１．５質量％以上５．０質量％以下モリブデン（Ｍｏ）を含有し、
不純物であるリン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）との合計含有量が０．０３質量％以下であり、
残部が、鉄（Ｆｅ）である組成を有する炭素鋼ボルトの表面に膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下の、Ｆｅ３Ｏ４とＦｅ２ＳｉＯ４のみから成る鉄系酸化膜を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の締結構造は、被締結部材を上記ボルトで締結したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、表面に膜厚が３μｍ以上２０μｍ以下の鉄系酸化膜を備えることとしたため、耐遅れ破壊性に優れ、安定した締結軸力が得られる高強度ボルトを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例のボルトの断面画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のボルトについて詳細に説明する。
上記ボルトは、０．５０質量％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、１．５質量％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、１．０質量％以上２．０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、１．５質量％以上５．０質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含有し、不純物であるリン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）との合計含有量が０．０３質量％以下であり、残部が、鉄（Ｆｅ）である組成を有し、表面に膜厚が３μｍ以上２０μｍ以下の鉄系酸化膜を備える。
【００１９】
上記鉄系酸化膜は、転造したボルトに対して所定の熱処理を行うことで、ボルト自体の反応によって形成される酸化膜であって、例えば、めっきのように、表面処理材など他の材料でボルトの表面を被覆する膜ではないため、剥離などの被膜欠陥が生じ難い。
したがって、ボルトの摩擦係数が変化しないため、締め付けトルクに対する締結軸力のばらつきを抑制できる。
【００２０】
上記鉄系酸化膜の膜厚は、３μｍ以上２０μｍ以下である。鉄系酸化膜の膜厚が、３μｍ未満では、鉄系酸化膜が薄く締め付けトルクによって被膜欠陥が生じ易い。
また、２０μｍを超える鉄系酸化膜を形成するには、高温での焼き戻しが必要であり、ボルトの引張強度が低下する。また、酸化膜の膜厚が厚くなると、酸化膜自体の強度が弱くなり、締結時の酸化膜の剥離を生じやすい。
【００２１】
上記鉄系酸化膜は、Ｓｉ系酸化物を含むことが好ましい。
上記Ｓｉ系酸化物は、拡散によって鉄系酸化膜に入り込んだボルト中のケイ素に由来し、鉄系酸化膜がＳｉ系酸化物を含むことで、締め付け時における鉄系酸化膜の剥がれが抑制される。
【００２２】
上記鉄系酸化膜は、少なくともＦｅ３Ｏ４及びＦｅ２ＳｉＯ４を含むことが好ましい。
鉄系酸化膜がＦｅ３Ｏ４を含むことで、相手材との摩擦が低減して締め付けトルクに対する締結軸力が大きくなる。また、鉄系酸酸化膜がＦｅ２ＳｉＯ４を含むことで、鉄系酸化膜とボルト基材との親和性が向上し、鉄系酸化膜の剥がれが防止されて締め付けトルクに対する締結軸力のばらつきを抑制できる。
【００２３】
上記鉄系酸化膜が、Ｆｅ３Ｏ４をボルト基材側よりも表面側に多く含み、Ｆｅ２ＳｉＯ４を表面側よりもボルト基材側に多く含むことが好ましい。
鉄系酸化膜が、ボルト基材側にＦｅ２ＳｉＯ４を主成分とする層と、表面側にＦｅ３Ｏ４を主成分とする層を有することで、ボルト基材との親和性が向上すると共に、相手材との潤滑性がさらに向上する。
なお、本発明において主成分とは、５０質量％以上含むことをいう。
【００２４】
上記Ｆｅ２ＳｉＯ４を主成分とする層と、Ｆｅ３Ｏ４を主成分とする層とは、所定の熱処理による鉄、酸素およびケイ素の拡散速度差によって層が形成される。
【００２５】
上記ボルトは、引張強度が１５００ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であることが好ましい。
引張強度が上記範囲であれば、大きな締結軸力での締結が可能であり、例えば、複リンク機構を有するレシプロエンジンのロアリンクに好適に使用できる。
【００２６】
そして、上記ボルトは、その表面に鉄系酸化膜を有するため、被締結部材を上記ボルトで締結した締結構造は、上記鉄系酸化膜と上記被締結部材とが直接接する。
したがって、上記ボルトと相手材との摩擦が低減されてかじりが防止されると共に、締結による鉄系酸化膜の欠陥が防止されて締結軸力のばらつきを抑制できる。
【００２７】
炭素（Ｃ）の含有量は、０．５０質量％以上０．６５質量％以下である。
炭素の含有量が０．５０質量％未満であると、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、焼き戻しによって軟化するため、高温での焼き戻しができず、耐遅れ破壊性が低下する。
また、炭素の含有量が０．６５質量％を超えると、水素を集積するセメンタイトの量が著しく増加するため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
【００２８】
ケイ素（Ｓｉ）の含有量は、１．５質量％以上２．５質量％以下である。
ケイ素の含有量が１．５質量％未満であると引張強度が低下し、また、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、高温での焼き戻しを実施できないため、耐遅れ破壊性が低下する。  ケイ素の含有量が２．５質量％を超えると、鍛造性が著しく悪化するため、ボルトを所定の形状に成形することが困難になる。
【００２９】
クロム（Ｃｒ）の含有量は、１．０質量％以上２．０質量％以下である。
クロムの含有量が１．０質量％未満であると、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、高温での焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が低下する。
また、クロムの含有量が２．０質量％を超えると鋼材の冷間鍛造性が低下する。
【００３０】
マンガン（Ｍｎ）の含有量は、０．２質量％以上１．０質量％以下である。
マンガンは焼入れ性向上元素であり、０．２質量％以上含むことで引張強度が向上する。
また、マンガンの含有量が１．０質量％を超えると、結晶粒界への偏析が促進されることによって、粒界強度が低下し耐遅れ破壊性が低下する。
【００３１】
モリブデン（Ｍｏ）の含有量は、１．５質量％以上５．０質量％以下である。
モリブデンの含有量が１．５質量％未満であると、水素のトラップサイトとなるモリブデン系炭化物の生成量が十分なものとならないため、水素脆化を抑制できず耐遅れ破壊性が低下する。
また、モリブデンは、マルテンサイト組織を得る焼入れ性を高め、焼戻し処理の際に軟化抵抗増加させ、高強度を得るために有効な元素であるが、５．０質量％超えて含有しても増加による効果が得られない。
【００３２】
リンと硫黄との合計含有量は、０．０３質量％以下であり、０．０２質量％以下であることがより好ましい。
リンと硫黄との合計含有量が、０．０３質量％を超えると、粒界偏析が促進され、粒界結合力が小さくなって粒界強度が低下するため、耐遅れ破壊性が低下する。
【００３３】
次にボルトの製造方法について説明する。
本発明のボルトは、９００℃〜９５０℃に加熱したのち急冷して焼入れした後、ボルトのネジ径などに応じて酸素濃度が大気（２０．９５％）よりも低く酸素を含有する雰囲気に調節された雰囲気中で、５８０℃〜６２０の温度範囲で９０〜１２０分間加熱し焼き戻すことで作製できる。酸素濃度については、より好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下の酸素を含有する雰囲気で焼き戻しをすることが好ましい。
【００３４】
大気中での焼き戻しでは、上記温度範囲内で充分な焼き戻しを行うと鉄系酸化膜の膜厚が厚くなりすぎて均質な鉄系酸化膜を形成できない。そして、高温で焼き戻しを行うと引張強度が低下し、低温で焼き戻しを行うと靱性が低下し疲労強度が低下する。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。【００３６】
下記表１に示す組成の高強度ボルト用炭素鋼に対して、冷間鍛造、ねじ転造を行った後、９００℃以上で焼入れし、酸素濃度が３％となるようにＮ２を導入した雰囲気中で下記表２に示す条件で焼き戻しを行い、高強度ボルトを得た。
なお、比較例２、３、比較例６及び８は、Ｎ２を導入せず、大気中で焼き戻しを行った。【００３７】
【表１】
0006988922.tif 000002
【００３８】
【表２】
0006988922.tif 000003
【００３９】
上記表２中、比較例２は、熱処理によって生じた酸化スケールを剥離した。
比較例４、５は、鉄系酸化膜上にそれぞれ、リン酸マンガン被膜、リン酸亜鉛被膜を形成した。
比較例６は、クロムメッキを形成した後に、表２に示す熱処理を行った。【００４０】
実施例１〜３及び比較例１〜８の高強度ボルトの断面を撮影して鉄系酸化膜の膜厚を測定した。比較例４，５は鉄系酸化膜とリン酸系被膜との合計膜厚、比較例６はクロムメッキの膜厚を測定した。実施例２のボルトの断面を図１に示す。
また、電子プローブマイクロアナライザー  （Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ； ＥＰＭＡ）で鉄系酸化膜の構成元素を分析した。
さらに、実施例１〜３及び比較例１〜８の高強度ボルトを以下の条件で評価した。評価結果を表３に示す。
【００４１】
＜疲労試験＞
実施例１〜３及び比較例１〜８のボルトの疲労強度を、ボルト実体品を用いて、室温（２５℃）、大気雰囲気にて、軸方向疲労試験機に取り付け、繰返し引張荷重を作用させ疲労試験を行い、ステアケース法にて引張疲労強度（ＭＰａ）を求め、必要疲労強度に対する安全率を算出した。（ＪＩＳＢ１０８１に基づいて実施）
○：安全率１．１以上
×：安全率１．１未満【００４２】
＜締結性試験＞
実施例１〜３及び比較例１〜８のボルトを規定の締結トルクで被締結物を締結した際のかじり異音の発生の有無により締結の安定性を評価した。
○：かじり異音なし
×：かじり異音発生【００４３】
【表３】
0006988922.tif 000004
【００４４】
上記結果より、鉄系酸化膜の膜厚が３μｍ以上２０μｍ以下を満たす実施例１〜３は、締結による鉄系酸化膜の欠陥が防止されて締結安定性が優れ、かつ十分な焼き戻しが行われて疲労強度が優れることがわかる。
また、鉄系酸化膜上にリン酸系被膜を形成した比較例４，５は、被膜が剥がれやすく被膜欠陥が生じ、比較例７，８は鉄系酸化膜が不均一で締結安定性が低下した。
【図１】
0006988922.tif 000005