(57)【要約】【課題】  耐遅れ破壊特性に優れた引張強さ1400MPa以上の高強度ボルトおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明ボルトは、質量％で、Ｃ：0.15〜0.6％、Si：0.05〜２％、Mn：0.1〜２％、Al：0.002〜0.1％を含有し、更にCr：0.05〜２％、Mo：0.05〜３％、Ｖ：0.05〜１％、Ti：0.01〜0.1％、Nb：0.01〜0.1％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、引張強さが1400MPa以上で、圧縮残留応力が引張強さの20〜95％であり、表面の十点平均粗さが10μｍ以下であることを特徴とする。また、その製造方法は、所定強度に調整されたボルトを液体中に浸漬し、または該ボルト表面に液体の膜を形成し、該ボルト表面にパルスレーザービームを集光、照射して、該ボルト表面に引張強さの20〜95％の圧縮残留応力を発生させることを特徴とする。【選択図】      図１
2006291295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜２％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％
を含有し、さらに、
Ｃｒ：０．０５〜２％、
Ｍｏ：０．０５〜３％、
Ｖ  ：０．０５〜１％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、引張強さが１４００ＭＰａ以上で、圧縮残留応力が引張強さの２０〜９５％であり、表面の十点平均粗さが１０μｍ以下であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト。
【請求項２】
さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５〜１％、
Ｃｕ：０．０５〜１％、
Ｂ  ：０．０００３〜０．０１％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト。
【請求項３】
請求項１または２記載の鋼成分を有し、所定の成形加工が施され、所定の熱処理により引張強さを１４００ＭＰａ以上に調整されたボルトを液体中に浸漬し、または該ボルト表面に液体の膜を形成し、該ボルト表面にパルスレーザービームを集光、照射して、該ボルト表面に引張強さの２０〜９５％の圧縮残留応力を発生させることを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法。
【請求項４】
前記パルスレーザービームのボルト表面におけるピークパワー密度が１〜１００ＴＷ／ｍ2であることを特徴とする、請求項３に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法。
【請求項５】
前記パルスレーザービームがボルト軸に対して螺旋状に重畳照射され、かつ、該ボルト表面の同一点におけるパルスレーザービームの照射回数の平均値が２回〜１００回であることを特徴とする、請求項３または４に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木・建築、自動車や各種産業機械等に広く使用されている、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその製造方法に関し、特に、強度が１４００ＭＰａ以上である耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や各種産業機械の軽量化、高性能化あるいは土木・建築構造物の建設費削減のために、高強度ボルトのニーズが高まっている。高強度ボルトは、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０５で規定されているＳＣＭ４３５やＳＣＭ４４０などの低合金鋼を使い、所定の形状に冷間成形後、焼入れ・焼戻し処理によって製造されている。しかし、引張強さが１２００ＭＰａを超えると遅れ破壊が発生しやすくなるという問題があった。
高強度鋼の耐遅れ破壊特性を向上させる技術として、例えば、特許文献１〜４には、合金元素や熱処理時に析出する炭化物に着目した耐遅れ破壊特性向上技術に関する発明が開示されている。また、特許文献５、６には、パーライト鋼を伸線加工により強化したボルトに関する発明が開示されている。耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法として、特許文献７には、ショットピーニングを用いた発明が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−０７０６９５号公報
【特許文献２】特開平０８−０６０２９１号公報
【特許文献３】特開平１１−２３６６１７号公報
【特許文献４】特開２００１−３２０４４号公報
【特許文献５】特開昭５４−１０１７４３号公報
【特許文献６】特開平１１−３１５３４８号公報
【特許文献７】特開平０７−２９２４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１〜６に記載された各発明によって、高強度ボルトの耐遅れ破壊特性は、ある程度向上するものの、抜本的な解決には至っていないという問題があった。  また、特許文献７に記載の発明による耐遅れ破壊特性の向上には限界があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術の問題点を有利に解決することのできる、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記の課題に関し鋭意検討した結果、表面の粗さを抑えて表面近傍に圧縮残留応力付与することが極めて有効であることを見出した。この理由は、表層凹部の応力集中とそれに伴う該部の水素集積によるき裂発生を抑制することができるためである。
また、最適な鋼材成分を組み合わせることにより、耐遅れ破壊特性に優れ、かつ引張強さが１４００ＭＰａ以上であるボルトを実現できることを見出した。さらに、表面の粗さを抑えて圧縮残留応力を付与する方法としてレーザー照射処理に着目し、レーザー照射により表面近傍に圧縮残留応力を付加する方法が極めて有効であることを見出した。さらに、圧縮残留応力、表面粗度と鋼材組成を最適に選択すれば、耐遅れ破壊特性の優れた高強度ボルトを実現できるという結論に達した。
【０００６】
本発明は、以上の知見に基づいて初めてなされたものであって、その要旨とするところは、次の通りである。
（１）  質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ａｌ：０．００２〜０．１％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜３％、Ｖ：０．０５〜１％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、引張強さが１４００ＭＰａ以上で、圧縮残留応力が引張強さの２０〜９５％であり、表面の十点平均粗さが１０μｍ以下であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト。
（２）  さらに、質量％で、Ｎｉ：０．０５〜１％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト。
【０００７】
（３）  上記（１）または（２）に記載の鋼成分を有し、所定の成形加工が施され、所定の熱処理により引張強さを１４００ＭＰａ以上に調整されたボルトを液体中に浸漬し、または該ボルト表面に液体の膜を形成し、該ボルト表面にパルスレーザービームを集光、照射して、該ボルト表面に引張強さの２０〜９５％の圧縮残留応力を発生させることを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法。
（４）  前記パルスレーザービームのボルト表面におけるピークパワー密度が１〜１００ＴＷ／ｍ2であることを特徴とする、上記（３）に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法。
（５）  前記パルスレーザービームがボルト軸に対して螺旋状に重畳照射され、かつ、該ボルト表面の同一点におけるパルスレーザービームの照射回数の平均値が２回〜１００回であることを特徴とする、上記（３）または（４）に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトの製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高強度ボルトに表面を荒らすことなく圧縮残留応力を付与することにより、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその方法を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、本発明の対象とする鋼の成分の限定理由について述べる。
【００１０】
Ｃは、ボルトの強度を確保する上で必須の元素であるが、０．１５％未満では所要の強度が得られず、一方、０．６％を越えると延性が低下するため、０．１５〜０．６％の範囲に制限した。
【００１１】
Ｓｉは、リラクゼーション特性を向上させるとともに固溶体硬化作用によって強度を高める作用がある。０．０５％未満では前記作用が発揮できず、一方、２％を超えても添加量に見合う効果が期待できないため、０．０５〜２％の範囲に制限した。
【００１２】
Ｍｎは、焼入れ処理時にマルテンサイト組織を得るための焼入性を高めるために有効な元素であるが、０．１％未満では上記の効果が得られず、一方、２％を越えて添加しても添加量に見合う効果が得られないため、０．１〜２％の範囲に制限した。
【００１３】
Ａｌは、製鋼時の脱酸および熱処理時においてＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果がある。また、Ｂを添加する場合、Ｎを固定し焼入性および耐水素脆化特性の向上に有効な固溶Ｂを確保する効果も有している。０．００２％未満では上記の効果が発揮されず、０．１％を越えても効果が飽和するため０．００２〜０．１％の範囲に限定した。
【００１４】
Ｃｒは、焼入れ性を向上させる効果がある。さらに、焼戻し軟化抵抗により高温焼戻しを実現し、耐食性もあることから耐遅れ破壊特性に対して有効な元素である。０．０５％未満では上記の効果が発揮されず、２％を超えても効果が飽和するため０．０５〜２％の範囲に限定した。
【００１５】
Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂは、いずれも焼戻し処理時に微細な合金炭化物として析出し、ボルトの高強度化に対して極めて有効な元素である。また、合金炭化物は水素をトラップさせる効果もあるため、耐遅れ破壊特性を向上させる作用も有している。さらに、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂは、結晶粒細粒化の効果があり、この点からも耐遅れ破壊特性に有効と言える。
Ｍｏが０．０５％未満、Ｖが０．０５％未満、Ｔｉが０．０１％未満、Ｎｂが０．０１％未満では上記の効果が十分に発揮できず、一方、それぞれＭｏが３％、Ｖが１％、Ｔｉが０．１％、Ｎｂが０．１％を超えて添加しても上記効果が飽和するため、Ｍｏは０．０５〜３％、Ｖは０．０５〜１％、Ｔｉは０．０１〜０．１％、Ｎｂは０．０１〜０．１％の範囲に限定した。また、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂの１種または２種以上を含有させることが必要である。この理由は、１４００ＭＰａを超える高強度ボルトにおいては、圧縮残留応力のみならず耐遅れ破壊特性に優れた鋼材成分も必要となるからである。
【００１６】
以上が本発明の対象とする鋼の基本成分であるが、本発明においては、更にこの鋼材に、Ｎｉ：０．０５〜１％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％、の１種または２種以上を含有させることができる。
【００１７】
Ｎｉは、高強度化に伴って劣化する靭性を向上させるとともに熱処理時の焼入性を向上させて引張強さを増加させるために添加されるが、０．０５％未満ではその効果が少なく、一方１％を越えても添加量にみあう効果が発揮できないため、０．０５〜１％の範囲に制限した。
【００１８】
Ｃｕは、焼入れ処理時の焼入性を向上させる効果を有しているが、０．０５％未満ではその効果が不十分であり、１％を超えて添加しても効果が飽和するために、０．０５〜１％の範囲に限定した。
【００１９】
Ｂは、耐遅れ破壊特性を向上させる効果があり、更にオーステナイト粒界に偏析することにより焼入性を著しく高める効果も有しているが、Ｂが０．０００３％未満では前記の効果が発揮されず、０．０１％を超えても効果が飽和するため０．０００３〜０．０１％に制限した。
【００２０】
Ｐ、Ｓについては特に制限しないものの、高強度ボルトの耐遅れ破壊特性を向上させる観点から、それぞれ０．０１５％以下が好ましい範囲である。また、Ｎは、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒の細粒化効果があるが、０．０１５％を越えると延性が低下するため、０．００２〜０．０１５％が好ましい範囲である。
【００２１】
次に、ボルトの圧縮残留応力の限定理由について説明する。下記に説明するレーザー照射による圧縮残留応力がボルト強度の２０％未満では、耐遅れ破壊特性の向上効果が少ないために、圧縮残留応力の下限をボルト強度の２０％に制限した。一方、ボルト強度の９５％を超えるような圧縮残留応力を付与しても上記の効果が飽和するため、上限をボルト強度の９５％に限定した。耐遅れ破壊特性の向上とレーザー照射のコストの観点で、好ましいボルトの圧縮残留応力の範囲は、ボルト引張強さの３０〜９０％である。
【００２２】
次に、表面粗さの限定理由について説明する。十点平均粗さが１０μｍ以下であると表層凹部が起点となるような遅れ破壊を生じないことから、十点平均粗さの上限を１０μｍに限定した。
【００２３】
本発明の高強度ボルトは、焼入れ・焼戻し処理によって所定の強度を得るものであり、焼戻しマルテンサイトが主体の組織である。その他の組織として、フェライト、ベイナイト、パーライトの１種または２種以上を面積率で１０％以下を含有しても良い。フェライト、ベイナイト、パーライトの面積率は、ボルト中心部において２ｍｍ2以上の視野を光学顕微鏡（５００倍）で観察することによって、測定できる。
【００２４】
次に、本発明の高強度ボルトの耐遅れ破壊特性向上方法について述べる。
図１は、本発明で用いたレーザー処理装置の概要構成である。ボルト１を液体２に浸漬し、レーザービーム発振装置３から発せられるレーザービーム６をレンズ４を用いて集光し、ボルト表面に照射する。レーザーは高いピークパワー密度を得るためにパルスレーザーを用いる。液体２に浸漬するのは、レーザービーム照射部から発生するプラズマの膨張を抑え、プラズマの圧力を高めるためである。この高圧プラズマの反力によりボルト表面に塑性変形を与え、圧縮残留応力を付与することができる。
【００２５】
液体２は、水、食塩水などの水溶液、アルコールなどの有機溶剤、あるいはこれらの混合物であり、レーザーの波長に対し透明な液体が好ましい条件である。ここで、必ずしもボルトを液体中に浸漬させる必要はなく、ボルト表面に液体の膜を形成し、その上からレーザー照射を行ってもよい。例えば、液体をレーザー照射部に噴きかければ、上記の状態を実現できる。
【００２６】
レーザービームのボルト表面におけるピークパワー密度が１ＴＷ／ｍ2未満では、高い圧縮残留応力をボルトに付与することができず、一方、１００ＴＷ／ｍ2を超えるピークパワー密度でレーザー処理を行っても圧縮残留応力の付与効果が飽和するため、１〜１００ＴＷ／ｍ2の範囲で行うことが望ましい。
【００２７】
また、遅れ破壊に対しては、ボルトの軸方向の圧縮応力を選択的に高めることが効果的である。このためには、パルスレーザーの照射スポットをボルトに対して螺旋状に重畳照射させることが望ましい。ここで螺旋状の重畳照射とは、図２に示すように、パルスレーザーの照射スポットをボルト表面の周方向に走査し、そのようにして得られる走査領域を軸方向にずらしながら連続的に形成する方法で、かつ、隣り合うビームスポットはお互いに重なり合うように照射する方法である。ボルトの軸方向の圧縮応力を高めるためには、ボルト表面の同一点におけるパルスレーザービームの照射回数の平均値を２回〜１００回とすることが望ましい。
さらに、レーザー処理は必ずしもボルトの表面全体に対して施す必要はなく、応力集中が生じるため遅れ破壊で特に問題となる、ボルトの首の付け根や、ネジ部の谷間付近のみに施してもよい。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
表１に示す化学成分の鋼材を用いて、Ｍ１０の六角ボルトを成形した。その後、焼入れ温度を９５０℃、焼戻し温度を４００℃〜６５０℃にて熱処理を行った。ミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイトが面積率で９５〜１００％であり、残部はフェライト、ベイナイト、パーライトの１種または２種以上であった。
【００２９】
焼入れ・焼戻し処理後に、図１に示す装置を用いてレーザー照射を行った。液体としては水を用い、レーザービームは水中透過性の良いＮｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いた。パルスレーザービームの時間幅は１０ｎｓであった。レーザービームは焦点距離１００ｍｍの凸レンズで集光した。試験片上でのスポットの形は円形であり、その照射痕のスポット直径は０．３ｍｍであった。処理においては、ボルト１を連続的に回転させながら移動させることで、レーザービームの照射スポットを螺旋状に重畳させた。レーザー処理はボルトの全面に対して行ない、ボルト表面の同一点におけるパルスレーザービームの照射回数の平均値は３．５回とした。
ボルトのレーザー照射条件および十点平均粗さを表２に示す。
【００３０】
また、ボルトの引張強さ、残留応力を表２に併せて示す。なお、残留応力はＸ線法で測定したものである。遅れ破壊試験は、同一の条件で製造したボルトをそれぞれ３０本の大気暴露試験を行い、遅れ破壊の破断比率（％）で評価した。なお、大気暴露試験におけるボルトの締め付け荷重はボルト破断荷重の９０％であり、大気暴露期間は２年間で評価した。大気暴露試験の破断比率（％）も表２に示した。
【００３１】
表２の試験Ｎｏ．１〜１６が本発明例で、試験Ｎｏ．１７〜２３が比較例である。同表に見られるように本発明例は、いずれもボルトの引張強さが１４００ＭＰａ以上であるとともにボルトに高い圧縮残留応力が導入されており、十点平均粗さも１０μｍ以下となっている。この結果、遅れ破壊の破断比率が全て０％であり、耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトが実現されている。
【００３２】
これに対して、比較例であるＮｏ．１７と１８は、鋼の化学成分が不適切な例である。即ち、Ｎｏ．１７はＣが低すぎるために熱処理後の強度が低く、目標とする強度が得られなかった例である。また、比較例であるＮｏ．１８は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂの１種または２種以上を含有していないため、大気暴露試験で遅れ破壊が発生した例である。
比較例であるＮｏ．１９、２１はいずれも従来の焼入れ、焼戻し処理だけでボルトを製造した例である。ボルトの表層に圧縮残留応力が付与されていないため、大気暴露試験で遅れ破壊が発生したものである。
比較例であるＮｏ．２０は、レーザー照射の条件が不適切な例である。即ち、Ｎｏ．２０はレーザー照射のピークパワー密度が低いために、ボルトの表層に十分な圧縮残留応力が得られなかった例である。この結果、暴露試験で遅れ破壊の破断比率が高く、遅れ破壊を防止できなかった例である。
比較例であるＮｏ．２２，２３は、いずれも従来のショットピーニング処理でボルトの残留応力を圧縮残留応力に変化させた例である。ショットピーニング処理では表面が粗いため、大気暴露試験では遅れ破壊が発生した例である。
【表１】
2006291295.tif 000003
【表２】
2006291295.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の高強度ボルトの耐遅れ破壊特性向上方法の実施形態を例示する図である。
【図２】レーザービームの照射方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    ボルト
２    液体
３    レーザービーム発振装置
４    集光レンズ
５    ミラー
６    レーザービーム
７    レーザービーム照射スポット
【図１】
2006291295.tif 000005
【図２】
2006291295.tif 000006