(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、Ｍｎ：０．０５〜３．２重量％、Ｓｉ：０．００１〜０．１５重量％、Ａｌ：０．０１０〜０．２０重量％及びＮ：０．００８０重量％未満を夫々含有し、残部：Ｆｅ及び不可避不純物からなり、不可避不純物中のＰ：０．１重量％未満およびＳ：０．０１重量％未満であり、
フェライト分率が下式を満足することを特徴とする非調質ボルト用鋼。
フェライト分率≦（１−［Ｃ％］／０．４）×１００
（式中、［Ｃ％］は鋼中の炭素含有率（重量％）を表す）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼き入れ、焼きもどしを行なわない非調質鋼に関し、特に機械構造部品用ボルトに用いられる非調質ボルト用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、機械構造用に使用されている様な強度クラス７０〜９０ｋｇｆ／ｍｍ2 のボルトは、通常、冷間でボルトに成形した後に焼入れ・焼き戻しを施すことにより、所定の強度を確保していた。
【０００３】
しかしながら、近年、コストダウンを図るべく、熱処理を省略した非調質ボルトが注目されている。ここで、非調質とは、焼入れ、焼戻し等の熱処理を省略することで、非調質ボルトは、所定のボルト強度に見合う強度を有しているワイヤを用いて冷間成形することにより製造され、成形後の熱処理を行なわないで製造されるボルトである。尚、ワイヤからボルトの製造は、一般に軸方向に圧縮力を加えて、頭部を形成する圧造による。
【０００４】
しかし、素材ワイヤについて、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ等の特殊成分の添加により強度を高めた場合、頭部形成に要する圧縮力、すなわち圧造荷重が増加し、ボルト圧造に使用する工具の寿命（以下、単に「工具寿命」という）が著しく低下する。このため、例えば、特公昭６２−２０９号公報に記載されているように、伸線率を高めることで素材ワイヤの強度を確保している。伸線によって高強度化したワイヤは、バウジンガー効果のため、ボルト成形時の圧造荷重が低下し、工具寿命に優れている。一方、伸線により高強度化したワイヤはバウジンガー効果のために降伏点が低下しているので、製造されたボルトは、保証荷重試験時の永久伸びが大きくなってしまい、結局ＪＩＳ−Ｂ１０５１に規定する保証荷重を満足できない。
【０００５】
特開平８−００３６４０号公報には、ボルト圧造後、２５０〜４５０℃に加熱するブルーイング処理をして応力除去するとともに降伏強さを高めて、転移を固定することにより、永久伸びを改善することが開示されている。しかし、この方法では、ブルーイング処理にコストがかかり、非調質ボルトであるにも拘らず、通常の熱処理を行なったボルトと比べてコストメリットが得られない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、素材となるワイヤ強度をそれ程上げることなく、圧造ままで、ボルトの保証荷重を満足する非調質ボルト用鋼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、各種非調質ワイヤの鋼成分及びその組織について検討を重ねた結果、圧延後の冷却速度を速めて初析フェライト量を少なくすることにより、素材たるワイヤの強度をそれ程上げることなく、ボルト圧造ままで、保証荷重試験を満足できることを見い出した。また、鋼中の初析フェライト量を少なくすることによりボルトの靭性が低下するが、Ｓｉ含有率を０．１％以下とすることにより、靭性が改善されてボルトの保証荷重試験を満足できることを見い出して、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明の非調質ボルト用鋼は、Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、Ｍｎ：０．０５〜３．２重量％、Ｓｉ：０．００１〜０．１５重量％、Ａｌ：０．０１０〜０．２０重量％及びＮ：０．００８０重量％未満を夫々含有し、残部：Ｆｅ及び不可避不純物からなり、不可避不純物中のＰ：０．１重量％未満およびＳ：０．０１重量％未満であり、
フェライト分率が下式を満足する点に要旨を有するものである。
フェライト分率≦（１−［Ｃ％］／０．４）×１００
（式中、［Ｃ％］は鋼中の炭素含有率（重量％）を表す）
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明について、本発明の完成の経過とともに説明する。
まず、炭素量０．３重量％の鋼について、フェライト分率と永久伸び及び靭性との関係を、表１に基づいて説明する。
【００１０】
ここで、フェライト分率とは、鋼全体における初析のフェライト量〈面積比率〉をいう。フェライト分率は、炭素量が同じであっても、線材に圧延した後の冷却速度に応じて異なる。すなわち、高温で安定なオーステナイトは、圧延後の冷却によりフェライト部分とセメンタイトを有するパーライト部又はベイナイト部分に分相するが、この際、冷却速度が速い程フェライト分率が低くなる。
【００１１】
表１において、永久伸びの値が１２．５μｍを超えると、ＪＩＳ  Ｂ１０５１に規定する保証荷重を満足できない。また、くさび引張強さは、ＪＩＳ  Ｂ１０５１に規定する引張強さの最小値に等しい荷重に耐えることが必要で、引張速度が８００Ｎ／ｍｍ2 以上で引張試験を行なった場合に、ボルトが頭部とネジ部との間に存する円筒部で破断する場合を「×」、破断しない場合を「○」とした。
【００１２】
【表１】
0003887461.tif 000002
【００１３】
表１より、同一成分鋼において、フェライト分率を小さくする程、永久伸びが低下することがわかる。フェライト分率が少なくなると、パーライト部がベイナイト化して降伏点が向上するため、あるいはバウジンガー効果による降伏点の低下が少なくて済むためと考えられる。一方、フェライト分率が少なくなると、くさび引張試験には不合格となった。これはパーライト部が、粗い上部ベイナイトとなり、靭性が低下するためと推定される。
【００１４】
フェライト分率や第２相の組織（パーライト又はベイナイト）は、冷却速度だけでなく、鋼に含まれる炭素量によっても変化する。図１に、鋼中の炭素含有とフェライト分率との関係における保証荷重実験の結果を示す。
【００１５】
図１は、横軸に、パーライトやベイナイトなどの第２相中の平均Ｃ濃度が０．４重量％となる際のフェライト分率の概略値［Ｆ］となる１００−［Ｃ％］／０．００４を取っている。ここで、［Ｃ％］は鋼中に含まれる炭素の重量含有率を示す。鋼中に含まれる炭素量［Ｃ％］が０．４重量％のとき［Ｆ］の値は０となり、［Ｃ％］が０．２重量％のとき［Ｆ］の値は５０となる。縦軸には顕微鏡観察から導き出される実際のフェライト分率を示す。保証荷重実験結果では、永久伸びが合格した場合のワイヤを「○」、不合格の場合のワイヤを「△」でプロットした。
【００１６】
図１のグラフにおいて、フェライト値が［Ｆ］と等しいときを実線で示す。実線より下方部分、すなわちフェライト分率が［Ｆ］の値より小さくなる場合（第２相中の平均Ｃ濃度が０．４重量％未満となる場合）に、永久伸びを満足できることがわかる。このことは、鋼中に含まれる炭素量が多い程（［Ｃ％］が高い程）、永久伸びを満足するために必要なフェライト分率も小さくて済むことになる。すなわち、炭素量が多い程、セメンタイトの絶対量が増えるので、第２相の分率が大きくなっても所定の強度を確保できるからである。尚、フェライト分率を［Ｆ］の値より小さくするためには、一般に冷却速度を１℃／ｓｅｃ、特に３℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。
【００１７】
次に、炭素量、フェライト分率が一定であっても、Ｓｉ量によって、靭性が変化することを説明する。表２は、炭素量が０．３重量％でフェライト分率が１０％（但し、Ｓｉ：０．３重量％の場合のみフェライト分率は１５％）の鋼において、Ｓｉ量を０．０５〜０．３重量％とした場合の鋼について、くさび引張試験を行なった結果を示す。
【００１８】
【表２】
0003887461.tif 000003
【００１９】
表２から、Ｓｉ量を０．１重量％以下にすることで、くさび引張試験を合格することがわかる。
【００２０】
以上の知見に基づき、本発明の非調質ボルト用鋼の化学成分組成について説明する。
【００２１】
Ｃ：０．２〜０．４重量％
０．２重量％未満となると、フェライト分率が大きくなり、永久伸びが増加して保証荷重試験を合格できなくなるからである。０．４重量％超では、圧造荷重が高すぎて、工具寿命が低下するからである。
【００２２】
Ｍｎ：０．０５〜３．２重量％
０．０５重量％未満では、ＳをＭｎＳとできず、加工性が劣化するからである。３．２重量％を超えると、圧造荷重が高すぎて、工具寿命が低下するからである。
【００２３】
Ｓｉ：０．００１〜０．１５重量％
０．００１重量％未満では、Ｓｉ量を減らしてもくさび引張試験時のネジ部と頭部との付け根の割れ感受性に対する効果が飽和する一方、高価となるのでコスト的に不利だからである。０．１５重量％超では、永久伸びの低減のためにフェライト分率を下げた際に靭性が低下するので、くさび引張試験を合格できなくなるからである。
【００２４】
さらに、本発明の非調質ボルト用鋼は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｂ、及びＡｌよりなる群から選択される元素の１種又は２種以上を、以下に示す量だけ含有することが好ましい。
【００２５】
Ｃｕ：０．１重量％以上１．０重量％未満
０．１重量％以上含有すると、時効効果や耐食性が改善されるからである。但し、１．０重量％以上添加してもその効果が飽和し、コスト的に不利になるからである。
【００２６】
Ｎｉ：０．１重量％以上１．０重量％未満
Ｃｕ割れを緩和するために、Ｃｕと同量から７割程度添加することが好ましい。但し、１．０重量％以上添加してもＣｕ割れ抑制効果の向上は認められず、コスト的に不利になるからである。
【００２７】
Ｃｒ：０．１重量％以上１．０重量％未満
０．１重量％以上添加すると強度向上に寄与するからである。但し、多量に添加しても圧造荷重が高くなるだけなので、１．０重量％未満とすることが好ましい。
【００２８】
Ｎｂ：０．１重量％以上０．０５重量％未満
０．１重量％以上添加すると強度向上に寄与するからである。但し、多量に添加すると圧造荷重が高くなり、工具寿命が低下するため、０．０５重量％未満とすることが好ましい。
【００２９】
Ｖ：０．１重量％以上１．０重量％未満
０．１重量％以上添加すると強度向上に寄与するからである。但し、多量に添加すると圧造荷重が高くなり、工具寿命が低下するため、１．０重量％未満とすることが好ましい。
【００３０】
Ｔｉ：０．１重量％以上０．２重量％未満
０．１重量％以上添加すると強度向上に寄与するからである。但し、多量に添加すると圧造荷重が高くなり、工具寿命が低下するため、０．２重量％未満とすることが好ましい。
【００３１】
Ｚｒ：０．１重量％以上０．２％重量％未満
０．１重量％以上添加すると強度向上に寄与するからである。但し、多量に添加すると圧造荷重が高くなり、工具寿命が低下するため、０．２重量％未満とすることが好ましい。
【００３２】
Ｃａ：５ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ未満
５ｐｐｍ以上含有すると、加工中の歪み時効による変形抵抗の増加を抑制できるからである。但し、多量に添加しても効果が飽和する上に、コスト的に不利となるので、５０ｐｐｍ未満とすることが好ましい。
【００３３】
Ｂ：５ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ未満
５ｐｐｍ以上含有すると、靭性が向上するからである。但し、多量に添加しても添加しても効果が飽和する上にコスト的に不利となるので、５０ｐｐｍ未満とすることが好ましい。
【００３４】
Ａｌ：０．０１重量％以上０．２重量％未満
０．０１重量％以上含有すると、脱酸効果が期待できるからである。但し、多量に添加しても効果が飽和する上にコスト的に不利となるので、０．２重量％未満とすることが好ましい。
【００３５】
Ｎ：８０ｐｐｍ未満（０を含まない）
歪み時効による強度上昇が期待できることから添加することが好ましい。但し、多量に添加すると変形抵抗が高くなり冷間鍛造に適さないので、８０ｐｐｍ未満とすることが好ましい。
【００３６】
さらに、本発明の非調質ボルト用鋼は、不可避不純物として、以下の元素を下記範囲内で含有され得る。
【００３７】
Ｐ：０．１重量％未満
０．１重量％以上含有すると圧造荷重が高くなり、冷間鍛造に適さないからである。
【００３８】
Ｓ：０．０１重量％未満
０．０１重量％以上含有すると割れ易くなり、冷間鍛造に適さないからである。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
Ｆｅ以外に、表３に示す元素を表３に示す量だけ含有し、フェライト分率、［Ｆ］値が表３に示すようにな非調質ボルト用鋼を用いて、Ｍ１２のフランジボルト（Ｎｏ．１〜３２）を製造した。圧延後の冷却速度は、フェライト分率又は成分により異なるが、８００〜６００℃の間で１〜１０℃／ｓである。
表３において、Ｎｏ．１０〜１３、１６、１７、１９〜３２が本発明の実施例に該当する鋼であり、その他は比較例に該当する鋼である。
【００４０】
Ｎｏ．１〜３２の非調質ボルト用鋼について、保証荷重、くさび引張強さ、工具寿命について、下記方法で評価した。その結果を表３に示す。
▲１▼保証荷重
永久伸び（単位：μｍ／ｋｇ）を測定した。ＪＩＳ  Ｂ１０５１によれば、永久伸びの値が１２．５μｍ以下であれば、保証荷重が合格となる。
▲２▼くさび引張強さ
引張速度が８００Ｎ／ｍｍ2 以上で引張試験を行なった場合に、ボルトが頭部とネジ部との間に存する円筒部で破断する場合を「×」、破断しない場合を「○」とした。
▲３▼工具寿命
Ｎｏ．１〜３２の各非調質ボルト用鋼を用いて、Ｍ１２のフランジボルトを製造した場合に、１００００本以上製造できる場合の工具寿命を「○」、できない場合の工具寿命を「×」とした。
【００４１】
【表３】
0003887461.tif 000004
【００４２】
表３中、各元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、その他）の含有率は重量％を示し、フェライト分率は顕微鏡観察より導き出される面積％を示す。
表３からわかるように、フェライト分率が［Ｆ］の値を超えると、永久伸びが大きくなって保証荷重を満足できなかった（Ｎｏ．１、２）。Ｓｉ含有率が０．１５重量％を超えると、くさび引張試験を合格できなかった（Ｎｏ．３〜９）。また、Ｃ含有率が０．４重量％を超えると工具寿命が不合格となり（Ｎｏ．１５）、０．２重量％未満ではフェライト分率が大きくなりすぎて保証荷重を満足できなかった（Ｎｏ．１４）。また、Ｍｎ含有率が３．２重量％を超えると、工具寿命を満足できなかった（Ｎｏ．１８）。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の非調質ボルト用鋼は、熱処理を施さなくても、ボルトとして要求される強度を確保できる。従って、本発明の非調質ボルト用鋼を用いれば、熱処理することなく、安価で容易に所定の強度を有するボルトを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】保証荷重試験結果に及ぼすフェライト分率及び鋼中の炭素含有率の影響を調べるためのグラフである。
【図１】
0003887461.tif 000005