技術資料＞ DSA3015 製耐熱ボルトの開発

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技術資料
Technical Data

DSA3015 製耐熱ボルトの開発
大木優太朗＊1，杉山健二＊1，小柳禎彦＊2 ，木村友和＊3 ，秋月孝之＊3 ，飽浦常夫＊3

Development of DSA3015 Heat Resistant Fastener
Yutaro OKI, Kenji SUGIYAMA, Yoshihiko KOYANAGI, Tomokazu KIMURA,
Takayuki AKIZUKI and Tsuneo AKIURA
Synopsis
Improving the efficiency of internal combustion engines remains a priority for decarbonization, and improving the thermal
efficiency of turbochargers is a similar challenge. In this study, the DSA3015 developed for exhaust valves was investigated asa fastener to fasten exhaust manifolds to turbochargers to improve heat resistance and reduce cost. DSA3015 fasteners were
thread-rolled without cracking, and tensile strength and relaxation properties of the DSA3015 fasteners was superior to those of
the SUH660 and comparable to Alloy 80A up to 650 °C. Although the relaxation property of the DSA3015 fasteners was slightly
inferior to Alloy 80A over 700 °C, η phase was not observed up to 750 °C after exposure at 192 hrs. It is expected that DSA3015
fasteners will be sufficient for use in high-temperature fastener applications for microstructural stability.

1．緒

言は避けられない．本研究では，ターボチャージャとエキゾーストマニホールドや触媒コンバータとの接続に使用

これまで自動車の排ガス規制および燃費規制に対応すされる締結ボルトのラインナップ拡充を目的に，まずはるため，熱効率向上を目的に材料の耐熱性を向上させる

耐熱性向上とコストを両立できる材料の検討を行った．

材料開発が行われてきた．しかし，近年急激にカーボ

一般的に耐熱ボルトとして使用される材料は，Fe 基

ンニュートラルに向けた技術開発が進んでおり，電気耐熱材料である SUH660（A286）が主流であり，より低自動車（EV）への完全移行が世界的に叫ばれているが，温用途向けとして原材料コスト低減を狙い，Ni 量を低

わが国は電力供給の課題から，ハイブリット車（HEV）減した材料開発が行われてきた 2），3）．一方で，さらに高や燃料電池車（FCV）は当然のこと，バイオ燃料や水素耐熱用途として Ni 基合金である Alloy80A が一部使用エンジンなどの開発にも力を入れており，脱炭素化を目されることもあるが，SUH660 の Ni 量が 25 mass% であ標に多様なシナリオを描いている．従って，内燃機関るのに対し，Alloy80A は約 75 mass% もの Ni 量を有すの効率向上は依然として注力すべき課題であり，その施るため，原材料コストが大幅に上昇する課題がある．ま策としてのターボチャージャの熱効率向上もまた同様の

た，Alloy80A は冷間加工性も悪く，ボルト成形時のコ課題である．最近では HEV へのターボチャージャの適ストアップの一因となっている．

1）用も増えてきているが ，通常のエンジンと比較して，そこで本研究では，自動車エンジン排気バルブ用省バッテリやモータなどが追加されるため，コストアップ

Ni 合金として開発された DSA3015 4）に着目し，耐熱ボ

2022年 4月 19日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱技術開発研究所，工博（Dr. Eng., Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 3 日本精線㈱研究開発部開発室（Development Section, Research & Development Department, Nippon Seisen Co., Ltd.）

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電気製鋼 第 93 巻第 1 号 2022 年

ルトとしての可能性を検討した．

7.8 mmCompression ratio: 30 %2．実験方法
Table 1 に本研究に供した材料の成分を示す．DSA3015

10 mm

7 mmの特徴は，Al や Ti を積極添加し，γ′相（Ni3(Al, Ti)）により優れた高温強度を担保しつつ，原材料コストと組織安定性のバランスを考慮し，Ni 量を 30 mass% 程度に抑Before test

Fig. 1. Schematics of compression test.

えている．さらに，高温環境で使用されるため，耐酸化性の向上を目的に Cr が 16 mass% 程度含まれる．本研究3．結果および考察

では DSA3015 の比較材として，Alloy80A，SUH660 および低温用途向けに開発されたボルト用鋼である DHN2662（RS307）2）を評価した．

供試材はいずれも細径に圧延した素材を，溶体化熱処理および焼なまし - 伸線した後に，M8 スタットボルト形状に転造してから時効熱処理を行い，各評価に供した．

After test

3.

1

時効硬化挙動Fig. 2 に DSA3015 実体ボルトの 700，750 および 800 ℃

におけるネジ山部およびネジ中心部の時効硬化挙動を示す．ネジ山部において，いずれの温度でも 1 h の時効熱時効硬化挙動および組織安定性の調査については，実体処理で硬さは急激に上昇し，750 および 800 ℃では 1 hボルトを大気炉にて高温長時間保持後に空冷し，光学顕でピーク時効に達しており，800 ℃ではその後緩やかに微鏡での組織観察およびビッカース硬さ試験にて評価し硬さが低下していくのに対し，700 ℃あるいは 750 ℃でた．組織観察にはエメリー紙およびダイヤモンド研磨剤を用いて鏡面仕上げした後，ビレラ液（塩酸：ピクリン酸：メタノール希釈液＝ 40：1：100）にてエッチングし，ボルトのネジ山部と中心部をそれぞれ観察した．引張試験については，実体ボルトが評価可能な冶具を準備し，室温から 800 ℃で引張強度を評価した．リラクセーション試験についても同様に，実体ボルトにて 650 ℃/550 MPa, 700 ℃ /500 MPa および 750 ℃ /450 MPa の条件でリラクセーション特性を評価した．その際，試験前温度保持時間は 24 h とし，試験時間は 50 h までとした．なお，組織安定性の観点から，700 ℃以上では DSA3015 お

よび Alloy80A のみの評価とした．

は 9 h まで硬さは大きく変化しない．一方ネジ中心部において，750 および 800 ℃では 3 h 程度でピーク時効に達し，その後の挙動はネジ山部と同様に 800 ℃では緩やかに硬さが低下していくのに対し，750 ℃では 9 h まで硬さは変化しない．700 ℃においては 9 h まで硬さが上昇する．以上の結果から，ボルト全体の強度バランスを考慮し，750 ℃ /3 h を DSA3015 実体ボルトの時効熱処理条件とした．
Fig. 3 に 750 ℃ /3 h の時効熱処理を施した DSA3015

実体ボルトのネジ山部およびネジ中心部の光学顕微鏡写真を示す．ネジ山部では転造による塑性変形に伴うすべり線が認められ，いずれの部位においても結晶粒径は同

また，冷間加工性の評価は細径に圧延した素材を溶体化熱処理および焼なまし後，φ7.8 mm ワイヤ状態に伸線した後，評価した．室温引張試験は伸線ままおよび時効熱程度であった．

3.

2

組織安定性処理後に実施し，圧縮試験は伸線まま状態にて実施した．

高温で用いられる材料は高温で長時間曝露されたとき

Fig. 1 に圧縮試験の模式図を示す．試験片形状は φ7.8 mmの組織安定性を考慮する必要がある． DSA3015 は Ti を× 10 mm とし，ひずみ速度は 1 %/min，圧縮率は 30 % までとした．

FeAlloy80A<1Bal.

DHN2662 Bal.

20DSA3015 Bal.
SUH660Bal.

NiCrMo19-

3216251511Al

TiNb

V---

1.2

2.7

0.8

1.2

0.22--

1.4

2.2

0.25 2.75-（Ni3Ti）が析出する．この η 相は強化相である γ′相の消失を招き，大幅な高温強度の低下をもたらすため，析出

Table 1. Chemical composition of alloys (mass%).
Material

多量に添加しているため，高温長時間の使用中に η 相-0.3-しない温度・時間での使用が望まれる．Fig. 4 に時効熱処理を施した DSA3015 実体ボルトを，600 ℃～ 850 ℃にて最長 192 h の熱処理を施した際の，硬さおよび η 相の析出の有無を示す． 850 ℃では早期に η 相が析出して硬さが大きく低下する．800 ℃では 10 h まで硬さが緩やかに低下するが，その後は η 相の析出に伴い硬さが技術資料＞ DSA3015 製耐熱ボルトの開発

Screw thread(A)

Screw thread

Low magnification

550

Hardness / HV

500
450
400
350
300

: As rolled: 800 ℃
: 750 ℃
: 700 ℃

250200As 0rolled
12345678910Aging time / h600
550

25 μmFig. 3. Microstructure of aging heat treatment at 750 ℃/3 hof DSA3015 fastener.

(B)

Screw center

600

500

Closed: η phase precipitation

550

450

500

400Hardness / HVHardness / HVScrew center

200 μmHigh magnification

600

17350300: As rolled: 800 ℃
: 750 ℃
: 700 ℃

250
200
As0rolled
123456789450

400
350
300

10Aging time / hFig. 2. Age hardening behavior at (A) screw thread and

250
200

As 0.1aged: As aged: 850 ℃
: 800 ℃
: 750 ℃
: 700 ℃
: 650 ℃
: 600 ℃

110(B) screw center of DSA3015 fastener.
顕著に低下する．750 ℃では 192 h まで η 相の析出は認められず，硬さが緩やかに低下する．700 ℃以下の温度

100

1000

Time / hFig. 4. Effect of heat treatment on the hardness of screw
thread and η phase precipitation.

域では η 相は認められず，硬さは緩やかに増加したのち低下するが，高温曝露による大きな変化は認められない．Fig. 5 に 850 ℃および 700 ℃で 192 h 保持した際の(A) 700 ℃/192 h(B) 850 ℃/192 h

ネジ山部における光学顕微鏡写真を示す．850 ℃ /192 h
保持材では針状の析出物の周りが白く見えるが，これはη 相析出により周囲の γ′相が消失したためである．

3.

3

高温引張特性Fig. 6 に各供試材の実体ボルトでの室温から 800 ℃までの引張強度を示す．DSA3015 は 600 ℃程度までは 1200
MPa 以上の引張強度を有し，それ以上の温度域では強度が低下するが，700 ℃までは Alloy80A や SUH660 よりも引張強度が高く，800 ℃で Alloy80A と同等となる．

η phase25 μmFig. 5. Microstructures of DSA3015 fastener exposed at(A) 700 ℃/192 h, and (B) 850 ℃/192 h.

電気製鋼 第 93 巻第 1 号 2022 年

18/450 MPa のリラクセーション試験後の組織観察において1400も，η 相は認められなかった．

Tensile strength / MPa

1200

3.

査するため，溶体化熱処理および焼なまし - 伸線後の素800材を用いて評価を実施した．Table 2 に伸線ままおよび時効熱処理後の引張特性と硬さを示す．伸線ままにおい600て，DSA3015 の引張強度はいずれの材料よりも低くか: DSA3015: Alloy80A: SUH660: DHN2662

4000つ伸びが高い．また，時効熱処理後においては，γ′相の析出により引張強度が大幅に向上しており，いずれの材料よりも高い引張強度と硬さを有する．

100 200 300 400 500 600 700 800 900

ボルト成型時の冷間圧造性の評価として，圧縮試験

Temperature / ℃を 実 施 し た．Fig. 8 に 圧 縮 応 力 - ひ ず み 曲 線 を 示 す．

Fig. 6 Tensile strength of fastener sample.

3.

4

冷間加工性

まず伸線後のワイヤ状態での機械的特性について調1000

2005DSA3015 は SUH660，Alloy80A よりも圧縮変形抵抗が低いため，冷間圧造性に優れる．以上より，DSA3015

高温リラクセーション特性

は締結ボルトなどへの加工性に優れ，さらに時効熱処理をすることで強度面においても優れた特性が得られるこ

高温では時間経過に伴いボルトの締結力が低下するとがわかった．

リラクセーション（応力緩和）が生じるため，その締結力の低下挙動を把握することは重要である．Fig. 7 に各供試材の実体ボルトでの高温リラクセーション特性を示

Table 2. Tensile property and hardness as wire.

す．650 ℃ /550 MPa において，いずれの材料も 5 h 程度まで急激に応力が低下し，その後は緩やかな低下を示す．

Material

ま た，DSA3015 は SUH660 よ り 優 れ，Alloy80A と ほ ぼ
同等のリラクセーション特性を有する．700 ℃ /500 MPa

DSA3015
Alloy80A

および 750 ℃ /450 MPa においては，いずれも 5 h 程度まAs drawn
TensileElongation
strength/%
/MPa
634
40

SUH660での急激な応力低下とその後の緩やかな低下挙動に変わDHN2662

りはなく，50 h 保持後の DSA3015 の軸力は Alloy80A よ892

37675

32688

As agedTensileHardness
strength/HV/MPa
1200
43011233531110354106022336

り低いものの急激な低下は生じていない．なお，750 ℃
600

650 ℃/550 MPa: DSA3015: Alloy80A: SUH660: DHN2662

Stress / MPa

500600700 ℃/500 MPa: DSA3015: Alloy80A

600

500

500

400

400

400300300

300

200200200

1001001000102030

Time / h4050: DSA3015: Alloy80A000

750 ℃/450 MPa

01020304050

Time / hFig. 7. Relaxation property of fastener sample.

0102030

Time / h4050

技術資料＞ DSA3015 製耐熱ボルトの開発

900800

True stress / MPa

700

600500400300200: DSA3015: Alloy80A: SUH660

100000.1

0.2

0.3

True strain / %Fig. 8. Compressive stress-strain curves.

4.

結言

エンジン排気バルブ用途として開発された DSA3015を，M8 スタットボルト形状に試作し各種高温特性について評価した．その結果，DSA3015 は 650 ℃まではAlloy80A と同等以上の引張特性およびリラクセーション特性を有し，750 ℃まではリラクセーション特性でやや劣るものの，組織安定性の観点からも高温ボルト用途としては使用可能と考えられる．
以上，カーボンニュートラルへの対応策の一つとして，熱効率の向上と省資源化へ貢献できる DSA3015 ボルトを紹介した．今後も世界情勢に伴う原材料リスクの課題は残るものの，素材メーカとして柔軟な対応で貢献していきたいと考える．
（文献）1）尾崎誠，吉田豊隆，藤田豊，二江貴也，新井貴，
山田祐樹：三菱重工技報，58（2021），2，1.

2）岡部道生，磯部晋：電気製鋼，58（1987），122.
3）大野丈博：日本ねじ研究協会誌，33（2002），9.

4）佐藤克明，坂勉，大野丈博，野田俊治：HONDA
R&D Technical Review，9（1997）
，185.

大木優太朗

杉山健二

小柳禎彦

木村友和

秋月孝之

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