(57)【要約】【課題】耐遅れ破壊特性の良好な強度が1500MPa以上の高強度ボルトおよびその耐遅れ破壊特性向上方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ  ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ａｌ：０．００２〜０．１％、Ｍｏ：１〜３％を含有し、さらに、Ｖ  ：０．０５〜１％、Ｔｉ：０．０１〜１％、  Ｎｂ：０．０１〜１％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、かつ、前記Ｃの質量％比が下記（Ａ）式を満足し、引張強さが１５００ＭＰａ以上の鋼材で構成された高強度ボルトであって、前記ボルトの首下部表層の圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの２０〜９０％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およびその耐遅れ破壊特性向上方法。  ０．２≦（０．０６Ｍｏ＋０．１８Ｖ＋０．２５Ｔｉ＋０．１３Ｎｂ）／Ｃ                                                            ・・・（Ａ）【選択図】図１
2006131990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜２％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｍｏ：１〜３％を含有し、
さらに、
Ｖ  ：０．０５〜１％、
Ｔｉ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．０１〜１％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、
かつ、前記Ｃの質量％比が下記（Ａ）式を満足し、
引張強さが１５００ＭＰａ以上の鋼材で構成された高強度ボルトであって、
前記ボルトの首下部表層の圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの２０〜９０％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。
０．２≦（０．０６Ｍｏ＋０．１８Ｖ＋０．２５Ｔｉ＋０．１３Ｎｂ）／Ｃ
・・・（Ａ）
【請求項２】
さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２％、
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または請求項２に記載の高強度ボルトの耐遅れ破壊特性向上方法であって、前記ボルトを成形加工した後、焼入れ温度：９００℃以上、焼戻し温度：５５０〜７００℃の条件で熱処理を行い、その後、前記ボルトに対する超音波振動子の硬度比：１．２以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のボルト首下部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記ボルトの首下部に超音波振動端子を押付けて打撃処理を施すことを特徴とする高強度ボルトの耐遅れ破壊特性向上方法。
【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ボルトに関するものであり、特に強度が１５００ＭＰａ以上で且つ耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその耐遅れ破壊特性向上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  Ｇ４１０５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にはＰ、Ｓ含有量を低減することが有効であり、また、特許文献２にはＳｉ、Ｍｎ含有量を規制するとともに焼入れ処理後、焼戻し工程中で曲げ加工または引き抜き加工を施す方法が開示されている。更に、特許文献３〜６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が開示されている。更に、特許文献７、８には、パーライト鋼を伸線加工により強化したボルトが開示されている。これらの技術によって、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かった。
【特許文献１】特公平５−５９９６７号公報
【特許文献２】特公平５−４１６８４号公報
【特許文献３】特開平７−７０６９５号公報
【特許文献４】特開平８−６０２９１号公報
【特許文献５】特開平１１−２３６６１７号公報
【特許文献６】特開２００１−３２０４４号公報
【特許文献７】特開昭５４−１０１７４３号公報
【特許文献８】特開平１１−３１５３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、強度が１５００ＭＰａ以上の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその耐遅れ破壊特性向上方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、ボルトの高強度化と耐遅れ破壊特性を両立する鋼材成分や組織について詳細に解析した。この結果、高強度ボルトの耐遅れ破壊特性を向上させるためには、析出強化と水素トラップ効果のある合金炭化物を利用することが極めて有効であることを明らかにした。更に、合金炭化物による析出強化と水素トラップ効果を最大限に発揮するための鋼材成分、熱処理条件を明確にした。また、焼入れ・焼戻し処理によって製造した種々の強度レベルの実ボルトを用いて、遅れ破壊特性を詳細に解析した。この結果、ナットを完全に締め付けた場合、ボルトの強度が１５００ＭＰａを超えると、ねじ部よりもボルト首下部で遅れ破壊しやすいことが明らかになった。そこで、ボルト首下部の耐遅れ破壊特性を向上させる手段について種々検討した結果、圧縮残留応力を付与させることが有効なこと、更に圧縮残留応力の付与方法として従来のショットピーニングよりも超音波打撃処理が遅れ破壊特性の向上に対して極めて有効なことを見い出した。
以上の検討結果に基づき、鋼材組成と圧縮残留応力および超音波打撃処理による圧縮残留応力の付与方法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言う結論に達し、本発明をなしたものである。
【０００５】
本発明は以上の知見に基づい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  ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜２％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｍｏ：１〜３％を含有し、
さらに、
Ｖ  ：０．０５〜１％、
Ｔｉ：０．０１〜１％、
Ｎｂ：０．０１〜１％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、
かつ、前記Ｃの質量％比が下記（Ａ）式を満足し、
引張強さが１５００ＭＰａ以上の鋼材で構成された高強度ボルトであって、
前記ボルトの首下部表層の圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの２０〜９０％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。
０．２≦（０．０６Ｍｏ＋０．１８Ｖ＋０．２５Ｔｉ＋０．１３Ｎｂ）／Ｃ
・・・（Ａ）
（２）さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２％、
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（１）に記載の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト。
（３）（１）または（２）に記載の高強度ボルトの耐遅れ破壊特性向上方法であって、前記ボルトを成形加工した後、焼入れ温度：９００℃以上、焼戻し温度：５５０〜７００℃の条件で熱処理を行い、その後、前記ボルトに対する超音波振動子の硬度比：１．２以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のボルト首下部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記ボルトの首下部に超音波振動端子を押付けて打撃処理を施すことを特徴とする高強度ボルトの耐遅れ破壊特性向上方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高強度ボルトの首下部に超音波打撃処理を施すことにより、強度が１５００ＭＰａ以上の耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトおよびその耐遅れ破壊特性向上方法を大幅に向上させる方法を提供することができるなど、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】
【０００７】
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。
Ｃは、ボルトの強度を確保する上で必須の元素であるが、０．３％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、０．３〜０．６％の範囲に制限した。
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。
Ｍｎは、脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、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。
【０００８】
Ａｌは、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。
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。
Ｍｏが１％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１％、Ｎｂが１％を超えて添加しても上記効果が飽和するため、Ｍｏは１〜３％、Ｖは０．０５〜１％、Ｔｉは０．０１〜１％、Ｎｂは０．０１〜１％の範囲に限定した。また、Ｍｏを含有し、且つ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、Ｍｏの合金炭化物だけでは析出強化能と水素トラップ能が弱いためである。Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂの複合合金炭化物にすることにより、析出強化能と水素トラップ能が向上する。更に、Ｃとの質量％比が下記（Ａ）式を満足するようにＭｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂを添加することが重要である。
０．２≦（０．０６Ｍｏ＋０．１８Ｖ＋０．２５Ｔｉ＋０．１３Ｎｂ）／Ｃ
・・・（Ａ）
Ｃとの質量％比が０．２未満では、析出する合金炭化物の体積分率が低すぎて、析出強化能と水素トラップ能が十分でなく、本発明で目的とする耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトを実現させることが困難なため、下限を０．２に限定した。
【０００９】
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、Ｃｒ：０．１〜２％、Ｎｉ：０．０５〜１％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｂ  ：０．０００３〜０．０１％、の１種または２種以上を含有せしめることができる。
Ｃｒは、焼入性の向上および焼戻し処理時の軟化抵抗を増加させるために有効な元素であるが、０．１％未満ではその効果が十分に発揮できず、一方２％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．１〜２％の範囲に限定した。
Ｎｉは、高強度化に伴って劣化する延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。
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。
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。
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。
【００１０】
次に、ボルト首下部の圧縮残留応力の限定理由について説明する。下記に説明する超音波打撃処理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９０％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９０％に限定した。耐遅れ破壊特性の向上と超音波打撃処理のコストの観点で、好ましいボルト首下部の圧縮残留応力の範囲は、ボルト引張強さの３０〜７０％である。なお、本発明の残留応力はＸ線法で測定したものである。
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。
【００１１】
図１は、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１において、１は首下部、２は超音波振動端子を示す。
図１に示すように、焼入れ・焼戻し処理を行った高強度ボルトの首下部１に超音波振動端子２を押付けて、図１の矢印の方向に超音波打撃処理を施して、高強度ボルトの首下部１の表層に前記ボルトを構成する鋼材の引張強さの２０〜９０％の高圧縮残留応力を付与することによって、高強度ボルトの耐遅れ破壊特性を著しく向上させることができる。
本発明は、前記ボルトを成形加工した後、焼入れ温度：９００℃以上、焼戻し温度：５５０〜７００℃の条件で熱処理を行い、その後、前記ボルトに対する超音波振動子の硬度比：１．２以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子のボルト首下部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記ボルトの首下部に超音波振動端子を押付けて打撃処理を施すことを特徴とする。
【００１２】
以下に、本発明の製造方法の限定理由について説明する。
焼入れ処理の加熱温度が９００℃未満では、未溶解の炭化物や合金炭化物が多すぎて、析出強化能が低下するため、焼入れ温度の下限を９００℃に限定した。上限は特に限定しないものの、１１００℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化して耐遅れ破壊特性が低下するため、好ましい加熱温度の上限は１１００℃である。なお、焼入れは水冷または油冷を行い、マルテンサイト組織にするものである。焼戻し処理は、焼戻し温度が５５０℃未満では合金炭化物の析出が不十分なため、合金炭化物による析出強化と耐遅れ破壊特性の向上が期待できない。一方、焼戻し温度が７００℃を超えると合金炭化物の粗大化が起き、合金炭化物の析出強化能と水素トラップ能が低下する。以上の理由で、焼戻し温度範囲を５５０〜７００℃に制限した。
【００１３】
次に、焼入れ・焼戻し処理後の超音波打撃処理の条件について説明する。
超音波振動子の硬度がボルトの硬度の１．２倍未満では、超音波打撃処理によるボルト首下部への圧縮残留応力を効率的に付与することが困難であるため、ボルトに対する超音波振動子の硬度比を１．２以上に限定した。なお、超音波振動子の先端の曲率半径は特に限定しないものの、ボルト首下部の曲率半径（首下部丸み）よりも大きい場合は効率的に圧縮残留応力を付与することが出来ないため、超音波振動子の先端半径は首下部の曲率半径と同等以下にすることが好ましい条件である。超音波振動子の振動数が１０ｋＨｚ未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができないため、下限を１０ｋＨｚに限定した。一方、６０ｋＨｚを超える振動数で超音波打撃処理を行っても圧縮残留応力の導入効果が飽和するため、振動数の上限を６０ｋＨｚに制限した。振動数の好ましい範囲は、２０〜４０ｋＨｚである。超音波の出力が５００Ｗ未満では、所定の圧縮残留応力を付与させるための超音波打撃処理時間が長くなり経済的でないため、下限を５００Ｗに限定した。超音波出力が５０００Ｗを超えても効果が飽和するため、５０００Ｗを上限にした。超音波振動子のボルト首下部への押し付け力が１０Ｎ未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができず経済的でないため、下限を１０Ｎに制限した。一方、押し付け力が１０００Ｎを超えて超音波打撃処理を行っても効果が飽和するため、上限を１０００Ｎに制限した。
【００１４】
超音波打撃処理による圧縮残留応力付与は、ショットピーニングによる圧縮残留応力付与よりも、耐遅れ破壊特性が優れている。この理由は、
１）超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングよりも高い
２）超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングよりも鋼材内部まで付与されている
３）超音波打撃処理の部位は塑性変形されており、耐遅れ破壊特性が向上する
４）超音波打撃処理による表面粗さがショットピーニングよりも小さい
ことに起因すると推定される。
【実施例】
【００１５】
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、図１に示す形状のＭ１０の六角ボルトを成形した。その後、焼入れ・焼戻し処理を行った。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。焼入れ・焼戻し処理後に、ボルトに超音波打撃処理を施した。ボルトの熱処理条件、超音波打撃処理条件を表２に示す。また、ボルトの引張強さ、首下部の残留応力を表２に併せて示す。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１００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。表２の試験Ｎｏ.１〜２５が本発明例で、試験Ｎｏ.２６〜４７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１５００ＭＰａ以上であるとともにボルト首下部に高い圧縮残留応力が導入されている。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。
【００１６】
これに対して、比較例であるＮｏ.〜２６〜３２は、いずれも鋼の化学成分が不適切な例である。即ち、Ｎｏ.２６はＭｏを含有していないために熱処理後の強度が低い例である。Ｎｏ.２７、２８、３２は、いずれもＭｏを含有しているものの含有量が低いために目的とする１５００ＭＰａ以上の高強度ボルトが実現できなかった例である。また、比較例であるＮｏ.２９、３１は、いずれも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。更に、Ｎｏ.３０はＣ含有量が低すぎるために目的とするボルトの高強度化が実現できなかった例である。
比較例であるＮｏ.３３〜３６は、いずれも焼入れ・焼戻し処理の熱処理条件が不適切な例である。Ｎｏ.３３および３４は、いずれも焼入れ温度が低すぎるために未溶解の炭化物、合金炭化物が多量に存在し、焼戻し後の強度が低かった例である。Ｎｏ.３５、３６はいずれも焼戻し温度が不適切な例であり、Ｎｏ.３５は焼戻し温度が高すぎて強度が低下し、Ｎｏ.３６は焼戻し温度が低すぎるために合金炭化物が析出せず目的とする強度が得られなかった例である。
【００１７】
比較例であるＮｏ.３７、３９、４１は、いずれも焼入れ・焼戻し処理ままのボルトの例である。首下部の残留応力が高い圧縮残留応力になっていないために、遅れ破壊の破断比率が高い例である。
比較例であるＮｏ.３８、４０、４２、４５〜４７は、いずれも超音波打撃処理の条件が不適切な例である。即ち、Ｎｏ.３８はボルトに対する超音波振動子の硬度比が低いために、Ｎｏ.４０および４７はいずれも超音波振動子の振動数が低いために、Ｎｏ.４２および４６はいずれも超音波振動子のボルト首下部への押し付け力が低すぎるために、更にＮｏ.４５は超音波出力が低すぎるために、いずれもボルト首下部の残留応力が高い圧縮残留応力状態になっていない。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.４３、４４は、いずれも従来のショットピーニング処理で首下部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首下部に効率的に高い圧縮残留応力を付与することが困難であるため、大気暴露試験では遅れ破壊が発生した例である。
【表１】
2006131990.tif 000003
【表２】
2006131990.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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。
【符号の説明】
【００１９】
１  首下部
２  超音波振動端子
【図１】
2006131990.tif 000005