CN108291284A - 高强度螺栓 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有高强度，并且具有优异的耐氢脆化特性的高强度螺栓。本发明的螺栓具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.22～0.40％、Si：0.10～1.50％、Mn：0.20～小于0.40％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Cr：0.70～1.45％、Al：0.005～0.060％、Ti：0.010～0.045％、B：0.0003～0.0040％、N：0.0015～0.0080％、和O：0.0020％以下，余量由Fe和杂质构成，具有满足式(1)和式(2)的化学组成；所述螺栓具有1000～1300MPa的拉伸强度。0.50≤C+Si/10+Mn/5+5Cr/22≤0.85(1)Si/Mn＞1.0(2)。其中，式(1)和式(2)的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。

Description

高强度螺栓
技术领域
本发明涉及一种螺栓，更详细而言，涉及一种高强度螺栓。
背景技术
近年来，为了应对环境问题等，要求用于汽车、工业机械、建筑物等的构件的轻量化和高强度化。尤其是，在以发动机汽缸盖螺栓和连杆螺栓为代表的汽车用螺栓中，要求1000MPa以上的拉伸强度。
然而，如果螺栓的拉伸强度达到1000MPa以上的高强度，则氢脆化敏感性增大，耐氢脆化(延迟断裂)特性降低。作为这种高强度螺栓的原材料，可以使用大量含有Mo等合金元素的SCM钢(JIS标准)、以及含有V等高价合金元素的合金钢等。这些合金钢被制造成线材，进一步通过拉丝和冷锻而制造成螺栓。
当使用上述合金钢作为螺栓时，耐氢脆化特性提高。然而，这些合金钢大量地含有合金元素，因此会导致钢材成本增加。另外，近年来，合金元素的价格增高，供求环境也容易发生变化。因此，要求螺栓在减少或省略这些合金元素从而降低钢材成本的同时，可以实现高强度化以及优异的耐氢脆化特性。
为了降低钢材成本，只要减少钢中的Mo和V等合金元素即可。若减少合金元素，则钢材的淬透性降低，在热轧后制造线材时，可以抑制贝氏体等硬质组织的生成。因此，可省略或简化软化热处理，降低制造成本。然而，难以使螺栓达到高强度，进而，耐氢脆化特性也降低。
因此，研究了含有硼(B)来代替Mo和V等合金元素的高强度螺栓。B与Mo和V等合金元素相同，会提高钢的淬透性。然而，当使用含B钢作为拉伸强度1000MPa以上的高强度螺栓时，有时耐氢脆化特性会降低。
日本特开2012-162798号公报(专利文献1)、日本特开平11-293401号公报(专利文献2)、日本特开平10-53834号公报(专利文献3)和日本特开2008-156678号公报(专利文献4)中提出了用于克服这一问题的螺栓。这些文献的螺栓通过含有B可提高淬透性，强化晶界而提高强度，进而，耐氢脆化特性也得到提高。
具体而言，专利文献1中公开的高强度螺栓用钢以质量％计分别含有C：0.20～小于0.40％、Si：0.20～1.50％、Mn：0.30～2.0％、P：0.03％以下(不包括0％)、S：0.03％以下(不包括0％)、Ni：0.05～1.0％、Cr：0.01～1.50％、Cu：1.0％以下(包括0％)、Al：0.01～0.10％、Ti：0.01～0.1％、B：0.0003～0.0050％以及N：0.002～0.010％，且含有总计0.10～3.0％选自由Cu、Ni和Cr组成的组中的1种以上，余量由铁和不可避免的杂质组成。该钢中，进一步Si含量[Si]与C含量[C]之比([Si]/[C])为1.0以上，同时为铁素体和珠光体组织。专利文献1中记载了：由此，能够得到耐延迟断裂性优异的添加了B的高强度螺栓。
专利文献1的添加了B的高强度螺栓中，Si含量比C含量高，通过Si提高了基体强度，增强了延迟断裂特性。但是，由于含有高价的Ni作为必需元素，因此钢材成本增加。
专利文献2中公开的螺栓用钢以质量％计含有C：0.10～0.45％、B：0.0003～0.0050％、Ti：0.01～0.1％、N：0.0025～0.010％，并且作为其他成分含有Si：0.03～0.5％、Mn：0.3～1.5％以及Al：0.01～0.10％，余量由Fe和不可避免的杂质组成。该钢进一步满足下述条件(1)和(2)中的至少一个。(1)通过提取残渣法提取的粒径超过0.1μm的析出物中所含Ti量为钢材中所含总Ti量的60％以上。(2)通过利用提取复型法的电子显微镜观察所观察到的粒径为0.01～0.2μm的Ti系析出物的平均个数在25μm2的观察视野中为10～500个。专利文献2中记载了：由此，能够获得由冷加工性和耐延迟断裂性优异的含B钢形成的螺栓。
然而，专利文献2的螺栓中，Si含量低，并且Si和Mn的质量比小于1.0。因此，有时难以控制夹杂物，耐氢脆化特性降低。
专利文献3中公开的高强度螺栓用钢以质量％计含有B：0.0008～0.004％、C：0.4％以下(不包括0％)、Ti：0.025～0.06％、N：0.006％以下(不包括0％)，余量由Fe和不可避免的杂质组成。并且，在该钢中，热轧时的铁素体晶粒度FGc与除TiN以外的Ti化合物的关系满足[除TiN以外的Ti化合物的量/FGc1/2]×1000≥3。专利文献3中记载了：由此，能够得到奥氏体晶粒度编号为5以上且拉伸强度超过785N/mm2的高强度螺栓。
然而，在专利文献3的高强度螺栓中，当Mn含量高、Cr含量低的情况下，有时耐氢脆化特性会降低。
专利文献4中公开的高强度螺栓用钢以质量％计含有C：超过0.15％且为0.30％以下、Si：1.0％以下、Mn：1.5％以下、Ti：0.1％以下、Mo：0.3％以上且0.5％以下、B：0.0005％以上且0.01％以下，余量由Fe和杂质组成。该钢在淬火后，在100～400℃下实施回火处理，得到淬火后平均原奥氏体粒径为10μm以下的钢组织。专利文献4中记载了：由此，能够得到螺栓强度范围约为1200～1600MPa左右、耐延迟断裂特性和耐腐蚀性优异的高强度螺栓。
然而，在专利文献4的螺栓中，由于含有0.3～0.5质量％的Mo，因而淬透性变得过高。因此，在拉丝和冷锻之前需要实施长时间的软化热处理。在这种情况下，有时制造成本会大幅增加。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-162798号公报
专利文献2：日本特开平11-293401号公报
专利文献3：日本特开平10-53834号公报
专利文献4：日本特开2008-156678号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供具有高强度并且具有优异的耐氢脆化特性的螺栓。
用于解决问题的方案
本发明的高强度螺栓具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.22～0.40％、Si：0.10～1.50％、Mn：0.20～小于0.40％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Cr：0.70～1.45％、Al：0.005～0.060％、Ti：0.010～0.045％、B：0.0003～0.0040％、N：0.0015～0.0080％、O：0.0020％以下、Cu：0～0.50％、Ni：0～0.30％、Mo：0～0.04％、V：0～0.05％、以及Nb：0～0.050％，余量由Fe和杂质组成，且满足式(1)和式(2)；所述高强度螺栓具有1000～1300MPa的拉伸强度。
0.50≤C+Si/10+Mn/5+5Cr/22≤0.85 (1)
Si/Mn＞1.0 (2)
其中，式(1)和式(2)的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
本发明的高强度螺栓具有高强度，并且具有优异的耐氢脆化特性。
附图说明
图1为示出极限扩散氢量与螺栓中的Si/Mn的关系的图。
图2为带环状V形切口的试验片的侧视图。
图3为实施例制造的螺纹的侧视图。
具体实施方式
本发明人等使用未大量含有Mo、V等高价合金元素，而含有C、Si、Mn、Cr以及B等的含B钢，对影响螺栓的拉伸强度、耐氢脆化特性的组分和组织进行了调查研究。其结果，本发明人等得到如下见解。
[关于螺栓的拉伸强度]
为了使螺栓的拉伸强度达到1000～1300MPa的高强度，需要充分的淬透性。然而，如果淬透性过高，则冷加工性降低。此时，在对线材等钢材实施拉丝和冷锻等冷加工之前，必须多次实施以软化钢材为目的的长时间的软化热处理。因此，即使不大量含有Mo、V等合金元素，制造成本也会增加。因此，理想的钢材是，即使不多次实施长时间的软化热处理也能够进行冷加工，并且具有能够得到上述拉伸强度的淬透性。
当螺栓的化学组成满足式(1)时，能够获得优异的冷加工性和淬透性。
0.50≤C+Si/10+Mn/5+5Cr/22≤0.85 (1)
其中，式(1)中的元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
定义为fn1＝C+Si/10+Mn/5+5Cr/22。C、Si、Mn和Cr都是提高淬透性的元素。因此，fn1是淬透性和冷加工性的指标。
如果fn1过低，则无法得到充分的淬透性。另一方面，如果fn1过高，则淬透性变得过高。在这种情况下，当螺栓用钢被轧制成线材时，生成贝氏体，强度和硬度提高。因此，在下一道工序的拉丝工序、以及冷锻工序之前，若不多次实施长时间的软化热处理，则无法得到充分的冷加工性。如果fn1满足式(1)，则在获得优异的淬透性的同时，即使不多次实施长时间的软化热处理也能够获得充分的冷加工性。
[关于耐氢脆化特性]
[关于Si/Mn与耐氢脆化特性的关系]
即使螺栓的拉伸强度为1000～1300MPa的高强度，若满足式(2)，则也能够获得优异的耐氢脆化特性。
Si/Mn＞1.0 (2)
其中，式(2)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。在之后的说明中，定义为fn2＝Si/Mn。fn2相当于式(2)的左侧。以下，对式(2)进行说明。
图1为示出极限扩散氢量HR与fn2的关系的图。图1通过以下方法得到。
将具有表1所示化学组成的钢a～m真空熔化，制造50kg的铸锭。
[表1]
将制造得到的铸锭加热至1200～1300℃之后，进行设想为热轧的热锻，制作直径为15mm的圆棒。将热锻后的圆棒在大气中放置冷却。随后，对圆棒进行设想为螺栓成形后的热处理的淬火和回火，从而将圆棒的拉伸强度调整为约1200MPa。对调整拉伸强度后的圆棒实施机械加工，制作图2所示的带环状V形切口的试验片。图2中未示出单位的数值表示试验片对应部位的尺寸(单位：mm)。图中的“φ数值”表示指定部位的直径(mm)。“60°”表示V形切口角度为60°。“0.175R”表示V形切口的底部半径为0.175mm。
使用电解充电法，将各种浓度的氢导入各钢a～m的试验片中。电解充电法如下实施。将试验片浸渍于硫氰酸铵水溶液中。在浸渍试验片的状态下，使试验片的表面产生阳极电位将氢吸入试验片中。之后，在各试验片的表面形成锌镀膜，以防止试验片中氢的散逸。随后，对试验片的V形切口截面负载标称应力为1080MPa的拉伸应力，以实施负载一定载荷的恒定载荷试验。对试验中断裂的试验片、以及未断裂的试验片，实施使用气相色谱装置的升温分析法，测定试验片中的氢量。测定后，将各钢中未断裂的试验片的最大氢量定义为极限扩散性氢量Hc。
进一步，以具有相当于JIS G4053(2008)的SCM435的化学组成的钢m的极限扩散性氢量Href为基准，用以下的式(A)定义极限扩散性氢量比HR(以下简称为HR)。
HR＝Hc/Href (A)
HR是耐氢脆化特性的指标。根据获得的HR和各钢的fn2，制作了图1。
参照图1，fn2越大，即Si含量相对于Mn含量之比越大，则HR越显著提高。而且，若fn2为1.0以上，则HR为1.20以上，能够获得优异的耐氢脆化特性。而且，当fn2为1.0以上时，即便fn2增加，HR也不会有大的变化。
基于以上见解所完成的本发明的高强度螺栓具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.22～0.40％、Si：0.10～1.50％、Mn：0.20～小于0.40％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Cr：0.70～1.45％、Al：0.005～0.060％、Ti：0.010～0.045％、B：0.0003～0.0040％、N：0.0015～0.0080％、O：0.0020％以下、Cu：0～0.50％、Ni：0～0.30％、Mo：0～0.04％、V：0～0.05％、以及Nb：0～0.050％，余量由Fe和杂质组成，且满足式(1)和式(2)；所述高强度螺栓具有1000～1300MPa的拉伸强度。
0.50≤C+Si/10+Mn/5+5Cr/22≤0.85 (1)
Si/Mn＞1.0 (2)
其中，式(1)和式(2)的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
本发明的高强度螺栓可以以质量％计进一步含有选自由Cu：0.02～0.50％、Ni：0.03～0.30％、Mo：0.01～0.04％、以及V：0.005～0.05％组成的组中1种或2种以上。
本发明的高强度螺栓可以进一步含有Nb：0.0015～0.050质量％以下。
优选地，在高强度螺栓的螺纹底部，螺纹底部的表层的压缩残留应力的绝对值是高强度螺栓的拉伸强度的10～90％。在这种情况下，耐氢脆化特性进一步提高。
以下，针对本发明的高强度螺栓进行详细说明。如无特别说明，元素中涉及的“％”是指质量％。
[化学组成]
本实施方式的高强度螺栓的化学组成含有如下元素。
C：0.22～0.40％
碳(C)提高螺栓的淬透性，使淬火和回火后螺栓的拉伸强度提高到1000MPa以上。如果C含量不足0.22％，则无法获得上述效果。另一方面，如果C含量超过0.40％，则淬透性变得过高。在这种情况下，热加工后的螺栓用钢材的强度将变得过高，冷加工性降低。因此，对实施拉丝和冷锻等冷加工之前的钢材，必须多次实施以软化为目的的长时间的热处理，制造成本将增加。而当实施热处理时，进一步使得耐氢脆化特性降低。因此，C含量为0.22～0.40％。C含量的优选下限为0.24％、进一步优选为0.26％。C含量的优选上限为0.38％、进一步优选为0.35％。
Si：0.10～1.50％
硅(Si)抑制渗碳体的析出，提高回火软化抗力。Si进一步使钢脱氧。脱氧产物的MnO-SiO2是玻璃化的软质夹杂物，热轧中被延伸后断开从而被微细化。因此，提高了耐氢脆化特性。如果Si含量不足0.10％，则无法获得该效果。另一方面，如果S含量超过1.50％，则强度变得过高。在这种情况下，钢的延展性和冷锻性能会降低。因此，Si含量为0.10～1.50％。Si含量的优选下限为超过0.35％，更优选为0.40％、进一步优选为0.45％、更进一步优选为超过0.50％。Si含量的优选上限为1.20％、进一步优选为1.00％。
Mn：0.20～小于0.40％
锰(Mn)提高淬透性，使螺栓的拉伸强度达到1000MPa以上。Mn进一步与Si结合而形成夹杂物(MnO-SiO2)。该夹杂物质软，热轧中被延伸后断开从而被微细化，因此MnO-SiO2的密度降低，耐氢脆化性提高。如果Mn含量不足0.20％，则无法获得该效果。另一方面，如果Mn含量为0.40％以上，则会在晶界偏析，加速晶界破坏。因此，Mn含量为0.20～小于0.40％。Mn含量的优选下限为0.22％，进一步优选为0.25％。Mn含量的优选上限为0.38％、进一步优选为0.35％。
P：0.020％以下
磷(P)为杂质。P在晶界偏析，使冷加工性降低，使螺栓的耐氢脆化特性降低。因此，P含量为0.020％以下。P含量的优选上限为0.015％。P含量优选尽可能低。
S：0.020％以下
硫(S)为杂质。S形成硫化物，使冷加工性降低，使螺栓的耐氢脆化特性降低。因此，S含量为0.020％以下。S含量的优选上限为0.010％、进一步优选为0.008％。S含量优选尽可能低。
Cr：0.70～1.45％
铬(Cr)提高淬透性，使螺栓的拉伸强度达到1000MPa以上。Cr进一步使螺栓的耐氢脆化特性提高。如果Cr含量不足0.70％，则无法获得这些效果。另一方面，如果Cr含量超过1.45％，则淬透性变得过高，螺栓用钢材的冷加工性降低。因此，Cr含量为0.70～1.45％。Cr含量的优选下限为0.90％。Cr含量的上限为1.20％。
Al：0.005～0.060％
铝(Al)使钢脱氧。如果Al含量不足0.005％，则无法获得该效果。另一方面，如果Al含量超过0.060％，则会生成粗大的氧化物系夹杂物，冷加工性降低。因此，Al含量为0.005～0.060％。Al含量的优选下限为0.010％。Al含量的优选上限为0.055％。本发明的高强度螺栓的化学组成中，Al含量指的是钢材中含有的总Al量。
Ti：0.010～0.045％
钛(Ti)与钢中的N结合而形成氮化物(TiN)。通过生成TiN，从而抑制BN的生成，固溶B量增加。其结果，钢材的淬透性提高。Ti进一步与C结合而形成碳化物(TiC)，从而使晶粒微细化。由此，螺栓的耐氢脆化特性提高。如果Ti含量不足0.010％，则无法获得这些效果。另一方面，如果Ti含量超过0.045％，则生成大量粗大的TiN。此时，冷加工性和耐氢脆化特性降低。因此，Ti含量为0.010～0.045％。Ti含量的优选下限为0.015％。Ti含量的优选上限为0.040％。
B：0.0003～0.0040％
硼(B)使钢的淬透性提高。B进一步抑制P的晶界偏析，使螺栓的耐氢脆化特性提高。如果B含量不足0.0003％，则无法获得这些效果。另一方面，如果B含量超过0.0040％，则提高淬透性的效果饱和。进一步，生成粗大的BN，冷加工性降低。因此，B含量为0.0003～0.0040％。B含量的优选下限为0.0005％。B含量的优选上限为0.0025％。
N：0.0015～0.0080％
氮(N)与钢中的Ti结合而生成氮化物，使晶粒微细化。如果N含量不足0.0015％，则无法获得该效果。另一方面，如果N含量超过0.0080％，则上述效果饱和。进一步，N与B结合而形成氮化物，使固溶B量降低。此时，钢的淬透性降低。因此，N含量为0.0015～0.0080％。N含量的优选下限为0.0020％。N含量的优选上限为0.0070％。
O：0.0020％以下
氧(O)为杂质。O形成氧化物使冷加工性降低。如果O含量超过0.0020％，则大量生成氧化物，同时MnS粗大化，冷加工性显著降低。因此，O含量为0.0020％以下。O含量的优选上限为0.0018％。O含量优选尽可能低。
本实施方式的高强度螺栓的化学组成的余量由Fe和杂质组成。其中，杂质是指工业上制造高强度螺栓时从作为原料的矿石、废料或从制造环境等混入的物质，在不会对本发明造成不良影响的范围内是允许的。
[关于任意元素]
上述高强度螺栓可以进一步含有选自由Cu、Ni、Mo和V组成的组中的1种以上代替Fe的一部分。这些元素均为任意元素，提高钢的淬透性。
Cu：0～0.50％
铜(Cu)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Cu使钢的淬透性提高。但是，若Cu含量超过0.50％，则淬透性变得过高，冷加工性降低。因此，Cu含量为0～0.50％。用于更有效地获得上述效果的Cu含量的优选下限为0.02％、进一步优选为0.05％。Cu含量的优选上限为0.30％、进一步优选为0.20％。
Ni：0～0.30％
镍(Ni)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Ni使钢的淬透性提高，进一步使淬火后的钢材的韧性提高。但是，如果Ni含量超过0.30％，则淬透性变得过高，冷加工性降低。因此，Ni含量为0～0.30％。用于更有效地获得上述效果的Ni含量的优选下限为0.03％、进一步优选为0.05％。Ni含量的优选上限为0.20％、进一步优选为0.10％。
Mo：0～0.04％
钼(Mo)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Mo使钢的淬透性提高。但是，如果Mo含量超过0.04％，则淬透性变得过高，高强度螺栓用钢材的冷加工性降低。因此，Mo含量为0～0.04％。用于更有效地获得上述效果的Mo含量的优选下限为0.01％、进一步优选为0.015％。Mo含量的优选上限为0.03％、进一步优选为0.025％。
V：0～0.05％
钒(V)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，V使钢的淬透性提高。V进一步形成碳化物、氮化物或碳氮化物，使晶粒微细化。但是，如果V含量超过0.05％，则碳化物等粗大化，使冷加工性降低。因此，V含量为0～0.05％。用于更有效地获得上述效果的V含量的优选下限为0.005％。V含量的优选上限为0.03％、进一步优选为0.02％。
本发明的高强度螺栓的化学组成可以进一步含有Nb代替Fe的一部分。
Nb：0～0.050％
铌(Nb)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Nb与C和N结合而形成碳化物、氮化物或碳氮化物，使晶粒微细化。Nb进一步使螺栓的耐氢脆化特性提高。但是，如果Nb含量超过0.050％，则生成粗大的碳化物等，钢材的冷加工性降低。因此，Nb含量为0～0.050％。用于更有效地获得上述效果的Nb含量的优选下限为0.0015％。Nb含量的优选上限为0.040％、进一步优选为0.030％。
[关于式(1)]
本发明的高强度螺栓的化学组成进一步满足式(1)。
0.50≤C+Si/10+Mn/5+5Cr/22≤0.85 (1)
式(1)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。当对应元素为杂质水平时，式(1)的对应元素符号中代入“0”。
fn1＝C+Si/10+Mn/5+5Cr/22是钢材的强度和冷加工性的指标。fn1表示钢材的碳当量。如果fn1过低，则无法得到充分的淬透性，无法获得强度。另一方面，如果fn1过高，则淬透性过高。在这种情况下，当高强度螺栓用钢被轧制成线材时，生成贝氏体，钢材的强度和硬度变得过高。因此，在下一道工序的拉丝工序、以及冷锻工序之前，若不多次实施长时间的软化热处理，则无法得到充分的冷加工性。如果fn1为0.50～0.85，则可以得到优异的淬透性，同时即使不实施长时间的软化热处理，也能够获得充分的冷加工性。fn1的优选下限为0.53。fn1的优选上限为0.83。
[关于式(2)]
本发明的高强度螺栓的化学组成进一步满足式(2)。
Si/Mn＞1.0 (2)
其中，式(2)的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。当对应元素为杂质水平时，式(2)的对应元素符号中代入“0”。
定义为fn2＝Si/Mn。Si和Mn在脱氧过程中生成MnO-SiO2。MnO-SiO2的熔点约为1250℃。因此，MnO-SiO2在凝固前的金属熔液中为液态，但在凝固后的钢坯中则为固态，成为玻璃化的软质夹杂物。该夹杂物在热轧中被延伸后断开从而被微细化。因此，疲劳强度提高，耐氢脆化特性提高。为了获得微细的MnO-SiO2，需要适当控制Si相对于Mn的比例。该指标就是fn2。
参见图1，fn2越大，HR越显著提高。当fn2超过1.0时，则HR为1.2以上，能够得到优异的耐氢脆化特性。并且，当fn2为1.0以上时，即使fn2增加，HR也不会增加太多。也就是说，HR相对于fn2在fn2＝1.0附近有拐点。因此，如式(2)所示，fn2＞1.0。fn2的优选下限为1.1。
[关于螺纹底部的压缩残留应力]
优选地，在本发明的高强度螺栓的螺纹底部，螺纹底部的表层的压缩残留应力的绝对值为高强度螺栓的拉伸强度的10～90％。
在这种情况下，螺栓紧固时施加到螺纹底的拉伸应力与压缩残留应力抵消。因此，起始部的应力状态得到缓和，伴随着氢脆化的断裂难以发生。若压缩残留应力(的绝对值)小于拉伸强度(的绝对值)的10％，则由压缩残留应力引起的拉伸应力抵消效果变得不充分，无法得到优异的耐氢脆化特性。另一方面，如果压缩残留应力(的绝对值)超过拉伸强度(的绝对值)的90％，则上述效果饱和。因此，压缩残留应力为拉伸强度的10～90％。
其中，“表层”指的是从高强度螺栓的表面起向中心轴直至50μm深度的范围。压缩残留应力通过公知的X射线法测定。具体而言，依据JIS B2711(2013)，采用利用了X射线衍射的X射线应力测定法。测定中使用特征X射线的种类：MnKα射线、Cr滤光器；基准衍射角2θ0：152.0°；η角14.0°；X射线应力常数K：-336MPa/°来实施。另外，测定部位以螺纹底部的中央位置为中心。拉伸强度是依据JIS Z2241(2011)求出的。
[制造方法]
对本发明的高强度螺栓的制造方法的一个例子进行说明。首先，通过公知的制造方法制造高强度螺栓用钢材(坯料制造工序)。然后，使用高强度螺栓用钢材制造高强度螺栓(高强度螺栓制造工序)。以下，针对各工序进行说明。
[坯料制造工序]
制造具有上述化学组成的钢水。使用钢水通过连续铸造法制造铸坯。或者，使用钢水通过铸锭法来制造铸锭。将制造得到的铸坯或铸锭进行初轧制成钢坯。对钢坯进行热加工，制成高强度螺栓用钢材(线材)。热加工例如为热轧。
[高强度螺栓制造工序]
高强度螺栓制造工序中，使用高强度螺栓用钢材制造高强度螺栓。高强度螺栓制造工序包括拉丝工序、冷锻工序、螺纹加工工序、以及淬火和回火工序。以下，分别对各工序进行说明。
[拉丝工序]
首先，对线材实施拉丝加工，制造钢丝。拉丝加工可以只是一次拉丝，也可以实施二次拉丝等多次拉丝加工。拉丝时，在线材的表面形成润滑覆膜。润滑覆膜例如为磷酸盐覆膜、非磷系的润滑覆膜。
优选使用不含P的润滑覆膜。或者，使用磷酸盐覆膜的情况下，在后述淬火工序之前，对钢材(钢丝)表面进行清洗或酸洗，从表面去除磷酸盐覆膜。清洗例如为公知的碱清洗。
[冷锻工序]
将拉丝后的钢材切断成规定的长度，对切断的钢材实施冷锻，制造高强度螺栓。
[关于软化热处理]
在制造高强度螺栓的传统方法中，为了软化强度过高的螺栓用钢材(线材)，会在拉丝加工之前和冷锻之前多次实施软化热处理。然而，本发明的高强度螺栓通过满足式(1)，从而简化了这种软化热处理。由此，可以抑制实施软化热处理所导致的制造成本增加，进而可以提高高强度螺栓的耐氢脆化特性。
[螺纹加工工序]
在公知的条件下，对通过冷锻制得的高强度螺栓实施滚轧加工，形成螺纹牙。
[淬火和回火工序]
在公知的条件下，对螺纹加工后的高强度螺栓实施淬火和回火，将高强度螺栓的拉伸强度调整为1000～1300MPa。拉伸强度小于1000MPa时，螺栓的强度不足。另一方面，拉伸强度超过1300MPa时，氢敏感性高，耐氢脆化特性会降低。因此，高强度螺栓的拉伸强度为1000～1300MPa。在拉丝工序中利用以磷酸盐覆膜为代表的含P润滑覆膜的情况下，如上所述，优选在实施淬火前对钢材(钢丝)的表面进行碱清洗。
[压缩残留应力施加工序]
优选地，对淬火和回火后的高强度螺栓实施公知的压缩残留应力施加工序，从而使螺杆底部的表层的压缩残留应力达到高强度螺栓的拉伸强度的10～90％。公知的压缩残留应力施加工序例如为喷丸加工。通过适当调整喷丸加工的条件，可以使螺杆底部的表层的压缩残留应力达到高强度螺栓的拉伸强度的10～90％。
上述制造方法中，在淬火回火前实施了螺纹加工工序(预滚轧工序)，但也可以在淬火回火后实施螺纹加工工序(后滚轧工序)来代替预滚轧工序。此时，可以向螺纹底部的表层施加高强度螺栓的拉伸强度的10～90％的压缩残留应力。在后滚轧工序的情况下，也可以不实施喷丸加工。
通过以上的制造工序，制造本发明的高强度螺栓。
实施例
制造具有表2的化学组成的钢水。
[表2]
参照表2，如上所述，钢L具有相当于JIS G4053(2008)的SCM435的化学组成。
使用钢水通过连续铸造法制造横截面为162mm×162mm的短条钢。对短条钢进行热加工(热轧)，制作直径为11.5mm的线材。
对表3所示的各试验编号的线材实施拉丝加工，以制造钢丝。此时，实施以软化为目的的热处理。热处理温度为750℃、热处理时间为60分钟，热处理后进行缓冷。进一步，在进行脱脂和酸洗后，实施磷酸锌处理(75℃、浸渍时间600秒)和金属皂处理(80℃、浸渍时间180秒)，在表面形成由磷酸锌覆膜和金属皂覆膜构成的润滑处理膜。之后，进行最终拉丝加工，从而制造直径为10.5mm的钢丝。以该钢丝作为用来锻造高强度螺栓的坯料。
[表3]
对各试验编号的钢丝实施冷锻从而制造图3所示的高强度螺栓。具体来说，冷锻以2个工序进行。第1工序中，压入成形高强度螺栓的轴部。第2工序中，设计一个用于进行高强度螺栓的头部和凸缘部的成形加工的模具，将模具安装在液压锻压机上，并进行冷锻。图中的各数值表示对应部件的尺寸(mm)。图中的“Φ值”表示指定部位的直径(mm)。图中的“数值°”表示指定部位的角度(°)。“R值”表示指定部位的曲率半径(mm)。图中的“M7×1.0”表示外径为7mm、螺距为1.0mm。
在高强度螺栓成形后，目视观察高强度螺栓并检查有无裂纹发生。观察到裂纹的则判断为螺栓成形不可。
在表3所示的温度下，对未观察到裂纹的试验编号的高强度螺栓实施淬火和回火处理。在实施淬火处理之前，对高强度螺栓表面进行碱清洗以去除磷酸盐覆膜。
在淬火处理中，在表3所示的淬火温度(℃)下保持40分钟之后，进行油冷。在回火处理中，在表3所示的回火温度下保持70分钟。通过以上工序，制造了高强度螺栓。此外，当用于得到期望的螺栓拉伸强度(1000MPa～1300MPa)的回火处理温度小于435℃时判断为强度不足，没有进行耐氢脆化特性评价，判断其不是本发明的对象。
对试验编号1～6、9、10和12～14的钢丝在淬火和回火处理后实施滚轧加工，在螺纹加工的同时向螺纹底部的表面施加了残留应力。而对于试验编号13和试验编号14的钢丝，在淬火和回火处理前实施了滚轧加工。依据JIS B2711(2013)，采用利用了X射线衍射的X射线应力测定法来测定螺纹底部的表层的压缩残留应力。测定中使用特征X射线的种类：MnKα射线；Cr滤光器；基准衍射角2θ0：152.0°；η角：14.0°；X射线应力常数K：-336MPa/°来实施。另外，测定部位以螺纹底部的中央位置为中心。
[拉伸试验]
依据JIS B1051(2000)，在室温(25℃)、大气中测定各试验编号的淬火和回火处理、或滚轧加工后的高强度螺栓的拉伸强度(MPa)。测定结果如表3所示。
[耐氢脆化特性评价试验]
对各试验编号的淬火和回火处理、或滚轧加工后的高强度螺栓，制作图2所示的环状V形切口试验片，并使用电解充电法导入各种浓度的氢。电解充电法如下实施。将高强度螺栓浸渍于硫氰酸铵水溶液中。在浸渍高强度螺栓的状态下，使高强度螺栓的表面产生阳极电位将氢吸入高强度螺栓中。
将氢导入高强度螺栓中后，在高强度螺栓表面形成锌镀膜，以防止高强度螺栓中氢的散逸。随后实施恒定载荷试验，向高强度螺栓负载拉伸强度的95％作为拉伸强度。对试验中断裂的高强度螺栓、以及未断裂的高强度螺栓，实施使用气相色谱装置的升温分析法，测定高强度螺栓中的氢量。测定后，将各试验编号中未断裂的试验片中的最大氢量定义为极限扩散性氢量Hc。
进一步，将具有相当于以往的螺栓所使用的JIS标准中的SCM435的化学组成的试验编号14的钢线的极限扩散性氢量定义为极限扩散性氢量比HR的基准(Href)。以极限扩散性氢量Href为基准，利用式(A)求出极限扩散性氢量比HR。作为耐氢脆化特性评价，判定HR为1.2以上的为合格(表3中为“○”)，小于1.2的为不合格(表3中为“×”)。
[试验结果]
试验结果如表3所示。
试验编号1～6的高强度螺栓的化学组成是适合的。并且fn1满足式(1)，fn2满足式(2)。且高强度螺栓的螺纹底部表面的压缩残留应力的绝对值满足高强度螺栓的拉伸强度的10～90％的范围。其结果，虽然这些试验编号的高强度螺栓具有拉伸强度为1000～1300MPa的高强度，但极限扩散性氢量比HR为1.20以上，耐氢脆化特性优异。
试验编号7和试验编号8的高强度螺栓的化学组成是适合的。并且fn1满足式(1)，fn2满足式(2)。其结果，虽然这些试验编号的高强度螺栓具有拉伸强度为1200MPa的高强度，但极限扩散性氢量比HR为1.20以上，耐氢脆化特性优异。然而，由于高强度螺栓的螺纹底部表面的压缩残留应力的绝对值小于高强度螺栓的拉伸强度的10％，因此HR比试验编号1～6低。
另一方面，试验编号9的Mn含量过高。因此，HR低至小于1.20，耐氢脆化特性低。
试验编号10的高强度螺栓中，fn1小于式(1)的下限。因此，拉伸强度不足1000MPa。
试验编号11的高强度螺栓中，fn1超过式(1)的上限。因此，高强度螺栓用钢材(线材)的冷加工性低，在冷锻后的高强度螺栓上观察到了裂纹，因而未进行之后的处理和试验。
试验编号12和试验编号13中，fn2不满足式(2)。因此，HR小于1.20，耐氢脆化特性低。
试验编号15的高强度螺栓中，Ti含量过高。因此，高强度螺栓用钢材(线材)的冷加工性低，在冷锻后的高强度螺栓上观察到了裂纹，因而未进行之后的处理和试验。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。然而，上述实施方式只不过是用于实施本发明的示例。因此，本发明并不受上述实施方式的限制，也可以在不脱离其主旨的范围内适宜变更上述实施方式来实施。

Claims (4)

1.一种高强度螺栓，其具有如下的化学组成：
以质量％计含有
C：0.22～0.40％、
Si：0.10～1.50％、
Mn：0.20～小于0.40％、
P：0.020％以下、
S：0.020％以下、
Cr：0.70～1.45％、
Al：0.005～0.060％、
Ti：0.010～0.045％、
B：0.0003～0.0040％、
N：0.0015～0.0080％、
O：0.0020％以下、
Cu：0～0.50％、
Ni：0～0.30％、
Mo：0～0.04％、
V：0～0.05％、和
Nb：0～0.050％，
余量由Fe和杂质组成，
满足式(1)和式(2)；
所述高强度螺栓具有1000～1300MPa的拉伸强度，
0.50≤C+Si/10+Mn/5+5Cr/22≤0.85 (1)
Si/Mn＞1.0 (2)
其中，式(1)和式(2)的各元素符号中代入对应元素的含量、单位为质量％。
2.根据权利要求1所述的高强度螺栓，其以质量％计含有选自由
Cu：0.02～0.50％、
Ni：0.03～0.30％、
Mo：0.01～0.04％、和
V：0.005～0.05％组成的组中的1种或2种以上。
3.根据权利要求1或2所述的高强度螺栓，其以质量％计含有Nb：0.0015～0.050％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的高强度螺栓，其中，
在所述高强度螺栓的螺纹底部，螺纹底部的表层的压缩残留应力的绝对值为高强度螺栓的拉伸强度的10～90％。
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