(57)【要約】【課題】非調質高強度ボルトにおいてリラクセーション特性を改善し、適当な低温靭性を有することを可能とすることである。【解決手段】非調質高強度ボルトの製造のために、最初に所定成分の鋼を溶製する（Ｓ１０）。次にこの鋼材を圧延して線材とし、パテンティング処理を行い、さらに断面積を絞って所定の鋼線とする（Ｓ１２）。その後、鋼線の直径からボルトの有効径の断面積までの減面率を定めてボルトの形状に圧造成形する（Ｓ１４）。そして成形されたボルトを軸方向に引張応力を負荷する。この荷重負荷は、ボルト材料の弾性限界以下の引張応力で行う（Ｓ１６）。そしてこの荷重負荷の下であるいは除荷後に所定の熱処理を行う（Ｓ１８−Ｓ２４）。【選択図】図１
2006328473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％での成分比において、０．７％以上１．０％以下のＣと、０．１％以上１．０％以下のＳｉと、０．１５％以上１．２％以下のＭｎとを含有し、Ｐを０．０３％以下に、及びＳを０．０３％以下に制限した鋼材を圧延しパテンティング処理し伸線処理して鋼線とする工程と、
鋼線を所定の減面率でボルトの形状に成形する成形工程と、
成形されたボルトに軸線方向の引張応力を負荷する工程であって、引張応力の弾性限界応力に対する負荷荷重比と、減面率との関係において、負荷荷重比が０で減面率が５％、及び負荷荷重比が０で減面率が６０％、及び負荷荷重比が１で減面率が６０％、及び負荷荷重比が１で減面率が３％、及び負荷荷重比が０．５で減面率が３％の負荷条件で囲まれる負荷条件範囲で引張応力を負荷する荷重負荷工程と、
荷重負荷後のボルトを５０℃以上４５０℃以下で熱処理する熱処理工程と、
を含むことを特徴とする非調質高強度ボルトの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の非調質高強度ボルトの製造方法において、
成形工程は、１３００Ｍｐａ以上の引張強度を有するように減面率と熱処理とを設定することを特徴とする非調質高強度ボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非調質高強度ボルトの製造方法に係り、特にリラクセーション特性に優れる非調質の高強度ボルトの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、建築物の大規模化や構造物の耐震性向上、あるいは自動車等の車両の燃費性能向上を意図した部品の軽量化の要望に伴い、例えば１３００ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度ボルトの需要が高まってきている。一般的な高強度ボルト用鋼には、中炭素合金鋼、例えばＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣｒ４４０等が使用され、焼き入れ焼戻しの調質によって必要な強度を確保しており、これらから製造されたボルトは調質ボルトと呼ばれる。しかしながら、一般的高強度ボルトでは、引張強度が約１２００ＭＰａを越えるといわゆる遅れ破壊が発生する危険が知られている。
【０００３】
遅れ破壊は、その発生要因が複雑に絡み合っており、一概にその原因を特定するのは困難である。遅れ破壊を左右する要因としては、水素が関係するといわれる他、焼戻し温度、組織、材料硬さ、結晶粒度、各種合金元素等の関与が一応認められているが、遅れ破壊を防止するための有効な手段が確立されている訳でなく、試行錯誤的に種々の方法が提案されているのが現状である。
【０００４】
例えば、特許文献１では、調質ボルト鋼において、遅れ破壊現象を改善するために合金組成を緻密に定めている。そこでは、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎの単独組成比率のほか、複数の元素の間における制限条件が示され、また、これらの元素以外に、Ｎｉ，Ｖ等の元素の添加も有効であることが述べられている。特許文献２及び特許文献３には、パーライト主体の組織を有する鋼線を強伸線加工することで高強度を得ることが開示されている。
【０００５】
また、上記のように遅れ破壊現象の抑制に配慮する他に、使用中に締付力の低下、すなわちボルトの緩みを招くいわゆるリラクセーション現象（応力緩和）が生じることがある。例えば、１５０℃で引張のままで放置すると、３０％もの荷重低下が生じることがある。
【０００６】
特許文献４には、パテンティング処理（微細パーライト化処理）により、パーライト組織を８０％以上有する鋼材を強伸線加工し、冷間圧造によりボルト形状に成形したものについて、ブルーイング処理（歪み時効処理）を施すことで、遅れ破壊特性とリラクセーション特性が改善されることが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、リラクセーション現象の原因として、鋼製ボルトにはその製造プロセスにおいて引き抜き等の塑性加工を経ているため、その結晶格子内に多数の可動転位が導入されることを指摘する。すなわち、ボルトの締め付け等の引張応力下では、ねじ込み部にこれらの転位の移動が起って伸びが生じ、その伸びに起因して応力緩和が生じると述べている。そして、特許文献４の鋼製ボルトのブルーイング処理に触れ、この処理方法では、いまだリラクセーション特性の改善が十分でないとしている。そして、ボルト保持具にボルトをネジこみ、弾性限界を越える軸線方向の引っ張り応力を負荷し、その被負荷領域を２００℃から３００℃の間の熱処理を行うことでリラクセーション特性が改善されることが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特許第２６１４６５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３１５３４９号公報
【特許文献３】特開２００１−２９４９８１号公報
【特許文献４】特開２００１−３４８６１８号公報
【特許文献５】特開２００４−１１６６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、高強度ボルトの使用環境においては、遅れ破壊現象とリラクセーション現象に対する課題が知られているが、特許文献１から３の内容ではリラクセーション特性が改善されない。また、特許文献４に開示される単なるブルーイング熱処理のみではいまだリラクセーション特性の改善が十分でないことが特許文献５に述べられている。特許文献５の方法は有望であるが、本願発明者等が実験を行ったところ、この方法では低温下において靭性が低下することが判明した。例えばシャルピー衝撃試験を行うと、低温下の実験結果がよくない。したがって特許文献５の方法による高強度ボルトは、常温下では所定の性能を有していても、寒冷地等の低温下における衝撃特性の低下が懸念される。
【００１０】
本発明の目的は、非調質高強度ボルトにおいてリラクセーション特性を改善し、適当な低温靭性を有することを可能とする高強度ボルトの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る非調質高強度ボルトの製造方法は、非調質高強度ボルトにおけるリラクセーション特性と低温靭性の改善を行う実験の中で見出した事実に基づいて、それを製造方法としたものである。その実験は、ボルト成形後に弾性限界以下の引張応力をボルトに与え、そのもとで熱処理を行うものであるが、ボルト成形における線材断面積の減少率である減面率に対応して、適切な引張応力を与えて熱処理すると、リラクセーション特性を改善し、適当な低温靭性を有することを見出した。以下は、これらの実験結果を非調質高強度ボルトの製造方法としたものである。
【００１２】
本発明に係る非調質高強度ボルトの製造方法は、質量％での成分比において、０．７％以上１．０％以下のＣと、０．１％以上１．０％以下のＳｉと、０．１５％以上１．２％以下のＭｎとを含有し、Ｐを０．０３％以下に、及びＳを０．０３％以下に制限した鋼材を圧延しパテンティング処理し伸線処理して鋼線とする工程と、鋼線を所定の減面率でボルトの形状に成形する成形工程と、成形されたボルトに軸線方向の引張応力を負荷する工程であって、引張応力の弾性限界応力に対する負荷荷重比と、減面率との関係において、負荷荷重比が０で減面率が５％、及び負荷荷重比が０で減面率が６０％、及び負荷荷重比が１で減面率が６０％、及び負荷荷重比が１で減面率が３％、及び負荷荷重比が０．５で減面率が３％の負荷条件で囲まれる負荷条件範囲で引張応力を負荷する荷重負荷工程と、荷重負荷後のボルトを５０℃以上４５０℃以下で熱処理する熱処理工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、成形工程は、熱処理工程後のボルトが１３００Ｍｐａ以上の引張強度を有するように減面率と熱処理とを設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る非調質高強度ボルトの製造方法によれば、リラクセーション特性を改善し、適当な低温靭性を有することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態に付き詳細に説明する。図１は、非調質高強度ボルトの製造方法の手順を示すフローチャートである。非調質高強度ボルトの製造のために、最初に所定成分の鋼を溶製する（Ｓ１０）。次にこの鋼材を圧延して線材とし、パテンティング処理（微細パーライト化処理）を行い、次いでさらに断面積を絞って所定の鋼線とする（Ｓ１２）。その後、鋼線の直径の断面積からボルトの有効径の断面積までの面積の減少率である減面率を定めてボルトの形状に圧造して成形する（Ｓ１４）。そして成形されたボルトを、軸方向に引張応力を負荷する。この荷重負荷は、ボルト材料の弾性限界以下の引張応力で行う。すなわち（負荷荷重／弾性限界荷重）＝負荷荷重比として、負荷荷重比を１以下として行う（Ｓ１６）。そして荷重負荷後のボルトに所定の熱処理を行う。すなわち、この荷重負荷の下で所定の熱処理を行い（Ｓ１８）、これらの工程が終われば適当に冷却し除荷（Ｓ２０）する。あるいは、荷重負荷の後除荷し（Ｓ２２）、その後熱処理を行う（Ｓ２４）。これにより、非調質高強度ボルトが得られる。
【００１６】
以下にこれらの各工程における処理条件について順次説明し、次にそのように定めた処理条件の範囲における各種実施例と、その周辺条件の比較例について、リラクセーション特性、低温靭性等の試験結果を述べる。
【００１７】
Ｓ１０における鋼の各構成元素の所定成分は、鋼材に要求される各特性のバランス等の観点から以下のように定める。この鋼材において、成分比の範囲を定める元素は、ＣとＳｉとＭｎで、成分比を一定以下に抑制する元素はＰ及びＳである。これら以外に、鋼材に含まれるものとして、脱酸元素であるＡｌ、Ｎ、あるいはＯ、Ｃｕ、Ｃｒ等の不純物があるが、それらの成分は、例えば、鋼材製造の一般的基準を用いて定めることができる。なお、成分比は質量％で示す。
【００１８】
Ｃ：０．７％以上１．０％以下    耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトを得るためには、パーライトの伸線組織を作る必要がある。Ｃが０．７％未満ではパーライトの分率が少なく、１．０％を超えると初析セメンタイトの分率が大きくなり、脆性が増す。したがってＣの成分は０．７％以上１．０％以下とする。
【００１９】
Ｓｉ：０．１％以上１％以下    Ｓｉは固溶強化能のきわめて優れた元素であり、高強度ボルトを得るためには０．１％以上は必要である。一方Ｓｉはセメンタイトの活量を上げるので、セメンタイトの析出を抑制する作用がある。すなわち、Ｓｉ量が多すぎると、後述するＳ１８の熱処理において固溶Ｃの析出を抑制するため、短時間で強度を上げることが困難となる。特に、Ｓｉを１％を超えて添加すると、著しくＣの析出が遅延するので、Ｓｉの成分は０．１％以上１％以下とする。
【００２０】
Ｍｎ：０．１５％以上１．２％以下    Ｍｎはまず、不純物として含有するＳによる熱間脆性を抑制する作用があり、圧延によって大量生産する鋼材にとって不可欠な元素である。その効果を発揮するには０．１５％以上が必要である。一方、１．２％を超える添加は鋼材の焼入性を上げ過ぎ、安定的にパーライト主体の組織を生成するためには好ましくない。したがってＭｎの成分は０．１５％以上１．２％以下とする。
【００２１】
Ｐ：０．０３％以下    Ｐは結晶粒界に偏析し、粒界の結合強度を低下させ、遅れ破壊特性を誘引する好ましくない元素である。Ｐが０．０３％を超えると、耐遅れ破壊特性の劣化が著しいので、Ｐの成分は０．０３％以下とする。
【００２２】
Ｓ：０．０３％以下    ＳもＰと同様に粒界に偏析し、粒界の結合強度を低下させる元素であり、かつ圧延中に熱間脆性を起こす有害元素である。Ｓが０．０３％を超えると、耐遅れ破壊特性の劣化が著しいので、Ｓの成分は０．０３％以下とする。
【００２３】
次にＳ１８の熱処理の温度範囲について説明する。この熱処理は、Ｓ１６における引張応力負荷によって導入された転位が、ボルトの実使用の締め付け後に移動しないように、つまり耐リラクセーション特性を向上させるために行うものであって、冶金的にはＣの析出によって転位をピン止めするためのものである。したがって、転位密度とＣの拡散速度が関係してくる。この処理温度が４５０℃を超すとＣの拡散が速過ぎて、ピン止め力のあるＣ析出形態を安定的に形成することが困難となる。またこの処理温度が５０℃未満ではＣの拡散が遅すぎるため、工業的に使うには不都合である。以上の見地から、Ｓ１８の熱処理の温度範囲は、５０℃以上４５０℃以下とする。
【００２４】
次に、Ｓ１４のボルト成形における減面率と、Ｓ１６におけるこれに応じた負荷荷重比の荷重負荷の条件との関係について説明する。この相互に関係する処理条件は、Ｓ１０の鋼材からＳ１２を経て得られる鋼線を元に、リラクセーション特性と遅れ破壊特性の改善を行うための処理条件であるので、実験によって定めた。実験は、Ｓ１０に関連して説明した鋼材の成分比を代表するものとして図２に示す成分比の鋼材、すなわち質量％で、０．８３％のＣ、０．２３％のＳｉ、０．７６％のＭｎ、０．００８％のＰ、０．００３％のＳを成分比で含む鋼材を用いた。そして、これをＳ１２の工程に対応して、任意の線径の線材に圧延し、パテンティング処理を行い、適当な減面率で所定の線径の鋼線とした。
【００２５】
この鋼線を圧造によりボルトの形状に成形するが、その際、種々の減面率の下でそれぞれ複数のボルトを作成した。ここはＳ１４の工程に対応する。各減面率の複数のボルトは、そのまま引張試験を行うものと、Ｓ１６の工程に対応し、種々の負荷荷重比で軸線方向の荷重を負荷し、その後Ｓ１８の代表条件としての２００℃３０分の熱処理を行うもの、さらにそれらの処理後に引張試験、リラクセーション試験を行うもの、さらにボルトの形状を切り出して低温シャルピー衝撃を行うもの、等に振り分けられる。
【００２６】
Ｓ１６の工程に対応して軸線方向の荷重を負荷する方法は、適当なジグを用いてボルトを引張試験機等の引張装置にかける引張法を用いてもよく、あるいは適当なねじ込みジグを用いてボルトを回転締付によってねじ込む回転締付法を用いてもよい。負荷荷重比は、予め同じ特性のボルトを用いて弾性限界を求めて、それに対応する荷重に基づいて計算する。
【００２７】
図３は、弾性限界を説明する図である。引張法で荷重を負荷する場合は、試験ボルトを引張試験機にかけ、図３（ａ）に示すような応力−歪線図、あるいは荷重−伸び線図を求め、直線領域から外れる点Ａを弾性限度とし、それに対応する荷重を基準に負荷荷重比＝（負荷荷重／弾性限界に対応する荷重）を計算する。回転締付法で荷重を負荷する場合は、例えばナットランナーを用いて、ボルトの回転角と、回転に要するトルクを求めて、図３（ｂ）に示すトルク−回転角度線図を求め、直線領域から外れる点Ｂを弾性限度とし、それに対応するトルクを基準に負荷荷重比＝（負荷トルク／弾性限界に対応するトルク）を計算する。
【００２８】
評価方法のうち、引張試験は引張強度を求めた。また、リラクセーション試験は、常温下でボルトの弾性限度に相当する荷重を負荷として与え、ボルトの両端のつかみ間隔長さを一定としてそのまま２４時間保持し、その前後の荷重の減少率を測定することで行った。また、低温シャルピー試験は、寒冷地を想定し、−３０℃で行った。これらの試験結果における判定基準のために、市販されている高強度ボルトで引張強度が１１００ＭＰａのものを準備し、それについて同様の条件で引張試験、常温リラクセーション試験、低温シャルピー試験を行った。
【００２９】
種々の減面率でボルトを成形し、それらに種々の負荷荷重比で荷重を負荷し、除荷後、２００℃３０分の熱処理を行ったものについての常温リラクセーション試験を行った結果を図４に示す。図４は、横軸にボルト圧造時の減面率を横軸にとり、軸線方向の弾性限に対する引張応力、すなわち負荷荷重比を縦軸に取り、各ボルトの対応する条件の位置において、その試験結果の評価を○又は×で示したものである。試験結果の評価は、常温リラクセーション試験の上記の条件における荷重減少率を、判定基準である市販１１００ＭＰａボルトの荷重減少率と比較し、判定基準より優れる荷重減少率のものに○を、劣る荷重減少率のものに×を付して行った。
【００３０】
同様に、低温シャルピー試験を行った結果を図５に示す。横軸、縦軸の意味は図４と同じである。試験結果の評価は、判定基準である市販１１００ＭＰａボルトの吸収エネルギの４０％を判定レベルとし、それより高い吸収エネルギの結果のものに○を、それより低い吸収エネルギの結果のものに×を付して行った。
【００３１】
なお、図４、図５で示す各種条件のボルトについての引張試験の結果は、いずれのボルトも１７００ＭＰａ以上の引張強度を有していた。また、ボルト圧造時の減面率を６０％を超えて設定することは可能ではあるが、加工時の変形抵抗が増し、金型への負担が大きくなり、量産には不向きであった。
【００３２】
図４、図５の結果から、常温リラクセーション特性もよく、低温靭性を表す低温シャルピー特性も適当である範囲は、図６で「本発明範囲」１０として示される処理条件範囲であることがわかる。すなわち、負荷荷重比と、減面率との関係において、負荷荷重比が０で減面率が５％、及び負荷荷重比が０で減面率が６０％、及び負荷荷重比が１で減面率が６０％、及び負荷荷重比が１で減面率が３％、及び負荷荷重比が０．５で減面率が３％の負荷条件で囲まれる処理条件範囲であれば、高強度ボルトにおいてリラクセーション特性が改善し、適当な低温靭性を有することが可能となる。
【００３３】
以上のように、軸線方向に負荷する引張荷重が弾性限度以下であっても、１１００ＭＰａ級の市販ボルトと同等以上の耐リラクセーション特性が得られることについての理由は今のところ確実にはつかめていない。しかしながら、図４から図６に示されるように、ボルト成形時の減面率と関係することから、ボルト成形時に増殖される転位群と、弾性限度以下の負荷応力によって生成・移動する転位、かつその転位をピン止めする鉄炭化物との間に起こる物理冶金現象が、耐リラクセーション特性の向上に寄与しているものと推定することができる。
【実施例１】
【００３４】
以下に、８つの実施例と、５つの比較例について、主にＳ１０における鋼材の成分比を変更し、加えてＳ１４のボルト成形時の減面率、Ｓ１６の負荷荷重比、Ｓ１８の熱処理条件を組み合わせて変更して得られた各ボルトについての試験評価結果について述べる。
【００３５】
図７は、実施例と比較例との実験に用いた５種類の鋼材の成分比を示す図である。これら鋼番ＡからＥは、いずれもＳ１０で説明した各構成元素の成分比の範囲に入っている。これらの種々の化学組成の鋼を溶製し（Ｓ１０）、種々の線材に圧延し、パテンティング処理し、種々の減面率で伸線し、鋼線を作成した（Ｓ１２）。この鋼線からボルトを成形する際、鋼線直径とボルトの有効径までの面積の減少率である減面率を種々の大きさの水準に作り分けられたボルトを作成した（Ｓ１４に相当）。これらのボルトに対し引張試験を行い、弾性限度を求めた。またこれらのボルトに対して、軸線方向に種々の大きさの引張応力を施し（Ｓ１６に相当）、種々の温度にて熱処理を行った（Ｓ１８）。引張応力の負荷の方法は、上記の引張法又は回転締付法で行った。
【００３６】
このようにして作製したボルトに対し、引張試験とリラクセーション試験及びシャルピー試験を行った。これらの試験の内容は、図４、図５に関連して説明したものと同じである。これらの処理条件、試験結果をまとめたのが図８である。リラクセーション試験及びシャルピー試験の評価の方法は、図４、図５に関連して説明したものと同じである。
【００３７】
図８において、試番１〜８は本実施例で、いずれも優れた耐リラクセーション特性と、低温靭性を兼ね備える非調質高強度ボルトが得られた。試番９〜１３は比較例である。試番９は、軸線方向の引張応力について弾性限度を超える応力としたため、低温靭性が劣化した例である。試番１０は、ボルト圧造時の減面率がゼロで、かつ軸線方向の引張応力を負荷しなかったため、耐リラクセーション特性が劣化した例である。試番１１は、ボルト圧造時の減面率と軸線方向の負荷応力比が図６で示す「本発明範囲」１０として示される処理条件範囲の外の条件であるため、耐リラクセーション特性が劣化した例である。試番１２は、鋼材の組成がＳ１０に関連して説明した各構成元素の成分比の範囲外であるＣ量を含む鋼番Ｅを用いたため、初析セメンタイト量が多くなり、脆化したため低温靭性が劣化した例である。試番１３は、Ｓ１８に関連して説明した熱処理温度範囲の外の熱処理条件を用いたため、耐リラクセーション特性が劣化した例である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る実施の形態における非調質高強度ボルトの製造方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る実施の形態において、鋼材の代表的成分比を示す図である。
【図３】弾性限界を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、種々の処理条件の下での常温リラクセーション試験を行った結果を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、種々の処理条件の下での低温シャルピー試験を行った結果を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、減面率と負荷荷重比との関係で適切な処理条件範囲を示す図である。
【図７】実施例と比較例に用いた種々の鋼材の成分比を示す図である。
【図８】実施例と比較例の内容をまとめた図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  処理条件範囲。
【図１】
2006328473.tif 000003
【図２】
2006328473.tif 000004
【図３】
2006328473.tif 000005
【図４】
2006328473.tif 000006
【図５】
2006328473.tif 000007
【図６】
2006328473.tif 000008
【図７】
2006328473.tif 000009
【図８】
2006328473.tif 000010