(57)【要約】【課題】耐遅れ破壊性を確保しつつ疲労強度を向上させた高炭素鋼の高強度ボルトを提供すること。【解決手段】本発明のボルトは、  ０．５０％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、  １．５％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、  １．０％以上２．０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、  ０．２％以上１．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、  １．５％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）である組成を有するボルトである。  そして、断面における炭化物の面積率が１％以上１０％以下であり、  上記炭化物がモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）及び鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）を含んでおり、耐遅れ破壊性が優れると共に疲労強度が向上する。【選択図】  なし【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、
断面における炭化物の面積率が１％以上１０％以下であり、
上記炭化物がモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）及び鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）を含むことを特徴とするボルト。
【請求項２】
上記炭化物の面積率の比（Ｆｅ３Ｃ／Ｍｏ２Ｃ）が、９以上１２未満であることを特徴とする請求項１に記載のボルト。
【請求項３】
上記炭化物が、上記モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）を面積率で７．８％以上９％以下含むことを特徴とする請求項１または２に記載のボルト。
【請求項４】
金属組織が、マルテンサイト組織を含み、
断面における全金属組織に対するフェライトの面積率が１％以下であり、かつ残留オーステナイトの面積率が５％以上１２％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のボルト。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１つの項に記載のボルト。
【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、疲労強度が高い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遅れ破壊が発生し易い。
【０００４】
上記遅れ破壊は、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現象であり、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、水素による材質劣化と考えられている。
【０００５】
特許文献１には、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】
しかし、高強度ボルトをエンジンなどの周期的に変化する荷重、すなわち繰り返し荷重、あるいは変動荷重がかかるに部材に用いる場合には、引張強さ以下の荷重であっても繰り返して負荷がかかることで破断することがある。
【０００８】
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、耐遅れ破壊性を確保しつつ疲労強度を向上させた高炭素鋼の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】
【０００９】
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、遅れ破壊を抑制した所定の組成の高強度ボルトにおいては、モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）及び鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）を含む炭化物の面積率を所定の範囲にすることで、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。
【００１０】
即ち、本発明のボルトは、
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）である組成を有するボルトである。
そして、断面における炭化物の面積率が１％以上１０％以下であり、
上記炭化物がモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）及び鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所定の組成の炭化物の面積率を１％以上１０％以下にしたため、耐遅れ破壊性を確保しつつ疲労強度を向上させた高炭素鋼の高強度ボルトを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、断面における炭化物の面積率が１％以上１０％以下であり、上記炭化物がモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）及び鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）を含む。
【００１３】
上記組成の高強度ボルトにおいては、焼入れなどの熱処理を行っていないか又は熱処理が不十分であると、金属組織中にクロムやマンガンを含む粗大化した炭化物が多くなり疲労強度が低下する。
【００１４】
つまり、上記粗大化した炭化物は、母相よりも硬く、かつ粒界に片状に存在することから、粗大化した炭化物が応力集中部となり、炭化物の近傍の母相内や、炭化物と母相との境界で微細な剥離が生じ易い。
【００１５】
そして、微細な剥離が生じると引張強さ以下の荷重であっても繰り返して負荷されることで、上記微細な剥離を起点として次第に亀裂が広がって破断に至る。
【００１６】
本発明のボルトは、所望の熱処理を行って、クロムやマンガンを含む粗大化した炭化物を固溶させた後、再度炭化物を析出させる。そして、上記析出した炭化物が、モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）及び鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）を含み、金属組織中の上記炭化物の面積率が１％以上１０％以下であるため、耐遅れ破壊性を確保しつつ疲労強度を向上させることができる。
【００１７】
上記炭化物の面積率が１％未満では靱性が低く脆いため疲労強度が低下する。
また、上記炭化物の面積率が１０％を超えると炭化物の析出量が多く、母相に固溶する炭素量が少なく、焼入れ焼き戻しの熱処理を行っても所望の強度が得られない。また、炭化物の面積率が１０％を超えると切欠き効果が増大して疲労強度が低下する。
【００１８】
上記モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）の平均直径は１μｍ以下であることが好ましい。炭化物が充分小さいことで亀裂の発生を防止できる。
【００１９】
上記ボルトは、炭化物の鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）とモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）との組成比（Ｆｅ３Ｃ／Ｍｏ２Ｃ）が９以上１２未満であることが好ましい。
上記炭化物は、焼き入れによって形成されたマルテンサイト組織に焼き戻し処理を施した際に析出する鉄炭化物(Ｆｅ３Ｃ) またはモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）である。炭化物の鉄炭化物（Ｆｅ３Ｃ）とモリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）との組成比（Ｆｅ３Ｃ／Ｍｏ２Ｃ）が９以上１２未満であることで、靱性を有し衝撃に強いボルトとなる。
【００２０】
また、上記炭化物が、モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）を面積率で７．８％以上９％以下含むことが好ましい。
モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）の析出量が面積率で７．８％以上９％以下であるボルトは、焼き入れ処理前に存在するクロムやマンガンを含む粗大炭化物を焼き入れ加熱時に充分に固溶する。その結果、適正に焼き入れ処理が行われマルテンサイト組織を有するため引張強度および疲労強度が向上する。
【００２１】
上記ボルトは、軸部断面の全金属組織に対するフェライトの面積率が１％以下であり、かつ残留オーステナイトの面積率が５％以上１２％以下であることが好ましい。残留オーステナイトの面積率が上記範囲であることで疲労強度と引張強度とが向上する。
【００２２】
上記残留オーステナイトは、焼入れした鋼、すなわち、炭化物が固溶したマルテンサイト組織の中に残っているオーステナイト組織である。
そして、上記マルテンサイト組織は、同じ化学組成の組織の中で最も高い硬度を示す組織であるが脆く割れが生じ易い組織である。
【００２３】
上記残留オーステナイトの面積率が１２％以下であることで、引張強度が向上する。
また、残留オーステナイトの面積率が５％以上であることで、高い硬度を示す組織であるマルテンサイト面積率が減少し、亀裂先端への応力集中を緩和し進展が抑制されて疲労強度が向上すると共に、熱処理時の割れや使用中の割れが抑制される。
【００２４】
また、フェライト組織はマルテンサイト組織に対して硬度が低く、面積率が１％を超えると、引張強度および疲労強度が低下する。また、オーステナイト組織と比べて固溶できる炭素量が少ないため、フェライト組織の面積率が１％を超えると、炭化物が粗大化して疲労強度が低下する。
【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、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】
次に、ボルトの組成について説明する。
【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。
従来の焼入れ焼き戻し処理を行う高強度ボルトは、その細長い形状から軸の中心まで熱が伝わり易いため、従来は焼入れ時間を短くしていた。しかし、粗大な炭化物を形成する可能性のある組成の場合は、所望の温度での加熱時間を充分長くした焼入れを行うことで、優れた疲労特性を有する本発明のボルトを作製できる。
【００３４】
具体的には、ボルトの太さなどにもよるが、例えば、ねじ呼び径が１４ｍｍ以下のボルトでは、９２０℃〜９４０℃の温度範囲で３０〜５０分間加熱した後、１２０℃以下まで冷却して焼入れし、５８０℃〜６３０℃の温度範囲焼き戻すことで作製できる。
【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、下記表２に示す条件で熱処理を行い、ねじ呼び径が１１ｍｍの高強度ボルトを得た。
【００３７】
【表１】
2019131855.tif 000002
【００３８】
【表２】
2019131855.tif 000003
【００３９】
実施例１〜１１及び比較例１〜５のボルトを以下の方法で評価した。
評価結果を表３に示す。
【００４０】
＜金属組織の観察＞
ボルトの軸を軸の中心線に直交する面で切断して、その断面の金属組織を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）で観察し、炭化物の組成を電子プローブマイクロアナライザー  （Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ； ＥＰＭＡ）で測定した。ＳＥＭおよびＥＰＭＡの測定結果から画像解析を行い、炭化物の面積率、残留オーステナイト及びフェライトの面積率を算出した。また、モリブデン炭化物（Ｍｏ２Ｃ）の平均直径についても画像解析を行うことで算出した。
【００４１】
＜疲労強度試験＞
実施例１〜１１及び比較例１〜５のボルトの疲労強度を、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に基づく試験）
○：安全率１．３以上
▲：安全率１．１以上
×：安全率１．１未満
【００４２】
＜引張強度の測定＞
ボルトの引張強度（ＭＰａ）を、ＪＩＳ  Ｂ１０５１（２００９）にしたがって測定した。
【００４３】
【表３】
2019131855.tif 000004
【００４４】
上記結果より、炭化物の面積率が１％以上１０％を満たす実施例１〜１１は、疲労強度が優れることがわかる。
また、炭化物の面積率の比（Ｆｅ３Ｃ／Ｍｏ２Ｃ）が、９以上１２未満を満たす実施例１〜３、実施例５，６は、さらに疲労強度が向上することがわかる。