JP2001288513A

JP2001288513A - ボルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001288513A
Application number: JP2000101881A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kimura; 利光木村; Shigefumi Tanaka; 茂文田中; Hideaki Kuratomi; 英明倉冨
Original assignee: SANNOHASHI KK; Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: SANNOHASHI KK; Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】従来使用されているボルトに比べて、素材及
び調質処理コストが低減し、且つ遅れ破壊感受性が小さ
いボルトが得られるボルト用鋼材、これを用いたボルト
及びその製造方法を提供すること。【解決手段】ボルト用鋼材は、Ｃを０．１５〜０．４
２質量％、Ｎを０．００４〜０．０３５質量％、Ｍｏ及
び／又はＶを０．１５〜０．８０質量％の割合で含有
し、フェライト面積率が５〜８０％で、伸線加工後のフ
ェライト粒の平均アスペクト比が５以下である鋼材に、
８５０〜９５０℃の加熱、４５０〜６００℃の恒温保持
及び減面率２５〜５０％の伸線加工を施して成る。上述
のボルト用鋼材を用いて成るボルトである。引張強さが
１０００〜１５００ＭＰａである。ボルト頭部に相当す
る部位に、冷間で予備成形を施すボルトの製造方法であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボルト用鋼材、こ
れを用いたボルト及びその製造方法に係り、更に詳細に
は、引張強さが高く、遅れ破壊感受性が小さく、しかも
焼入れ処理を必要とせず、耐力比の高いボルト及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の引張強さが高いボルト、具体的に
は引張強さが１０００ＭＰａ以上のボルトの製造方法と
しては、機械構造用鋼（ＳＣＭ４４０等）から成る線材
をボルトに成形後、焼入れ・焼戻しを施して所定の強度
に調質する方法が知られている。例えば、図１に示すよ
うに伸線されたコイルを切断後、ヘッダー加工してボル
ト頭部を成形し、ねじ部を転造した後、８５０℃まで加
熱し、油中に焼入れ、約６００℃で焼戻す方法がある。

【０００３】また、他の方法としては、鋼材メーカーが
ボルト用素材を製造する際に、制御圧延・冷却により線
材に適当な強度を付与しておき、焼入れ・焼戻しを省略
してボルトを製造する方法が知られている。この方法で
は、図２に示すように、伸線されたコイルを切断後、ヘ
ッダー加工してボルト頭部を成形し、ねじ部を転造して
ボルトを製造する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のボルト製造方法にあっては、以下の課題があ
る。即ち、調質ボルト用にＳＣＭ４４０等の機械構造用
鋼を使用する方法では、素材自体のコストが高く、ま
た、調質処理のコストを要するためボルトの単価が高く
なるという課題がある。また、調質処理コストを削減可
能な、制御圧延・冷却を施した線材を使用する方法で
は、線材の引張強さが１０００ＭＰａ以上と高いため、
ヘッダー金型の寿命が大幅に短くなり、生産性の低下や
金型コストの増加を招き、結局ボルトのコストが高くな
るという課題がある。更に、かかる制御圧延・冷却を施
した線材の使用による製造方法で得られたボルトは、成
形部、例えばボルト頭部の硬さが加工硬化により著しく
上昇するため、この硬化部から遅れ破壊してしまうとい
う特性上の課題もある。

【０００５】このような従来の課題を解決し得る技術と
して、本発明者らは、本出願時に未公知の特願平１０−
２８７４７６号において、特定の組成や性状を有するボ
ルト用鋼材などを既に提案し、かかる特定鋼材から成る
線材を直接ヘッダー加工すれば良好な特性を有するボル
トが得られることを開示している。しかしながら、本発
明者らが更なる検討を加えた結果、製造すべきボルトの
頭部形状によっては、予備成形後にヘッダー加工を行っ
た方が良好な結果が得られることを知見した。また、か
かる予備成形は最終ボルト製品の形状精度に影響を与え
るので、冷間加工により実施することが好ましいが、特
願平１０−２８７４７６号に開示したボルト用鋼材をそ
のまま冷間加工すると、線材の硬さが高いため変形抵抗
が大きくなり、使用する冷間加工金型が短命化すること
が判明した。

【０００６】本発明は、このような知見に鑑みてなされ
たものであり、従来使用されているボルトに比べて、素
材及び調質処理コストが低減し、且つ遅れ破壊感受性が
小さいボルトが得られるボルト用鋼材、これを用いたボ
ルト及びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定組成や性状を
有する鋼材を、更に所定の加熱、恒温保持及び伸線加工
に供することにより、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。

【０００８】即ち、本発明のボルト用鋼材は、Ｃを０．
１５〜０．４２質量％、Ｎを０．００４〜０．０３５質
量％、Ｍｏ及び／又はＶを０．１５〜０．８０質量％の
割合で含有し、フェライト面積率が５〜８０％で、伸線
加工後のフェライト粒の平均アスペクト比が５以下であ
る鋼材に、８５０〜９５０℃の加熱、４５０〜６００℃
の恒温保持及び減面率２５〜５０％の伸線加工を施して
成ることを特徴とする。また、この場合、Ｍｏを０．１
０〜０．８０質量％、Ｖを０．０５〜０．３０質量％の
割合で含有することが好ましい。

【０００９】また、本発明のボルトは、上述の如きボル
ト用鋼材を用いて成るボルトであって、引張強さが１０
００〜１５００ＭＰａであることを特徴とする。

【００１０】更に、本発明のボルトの製造方法は、上述
のボルトを製造するに当たり、ボルト頭部に相当する部
位に、冷間で予備成形を施すことを特徴とする。

【００１１】また、本発明のボルトの製造方法の好適形
態は、上記冷間予備成形を施した予備成形品を、ヘッダ
ー加工直前に４００〜６５０℃に加熱し、次いで、ヘッ
ダー加工することを特徴とする。

【００１２】更に、本発明のボルトの製造方法の他の好
適形態では、上記加熱温度まで２０〜２０００℃／秒で
誘導加熱することが好ましく、更には、ヘッダー加工後
に５５０〜６５０℃の時効処理を行うことが望ましい。

【００１３】

【作用】本発明のボルト用鋼材では、Ｃ、Ｎ、Ｍｏ、Ｖ
を特定組成に調整し、且つフェライト相を適切に制御し
たため、線材の引張強さを１０００ＭＰａ以上とし、伸
線加工を容易化することができる。また、フェライト相
の制御のうち、フェライト面積率の限定は、線材の破断
又は早期遅れ破壊の防止に有効に作用する。一方、フェ
ライト粒の平均アスペクト比の限定は、伸線加工による
強度付与に有効に作用する。更に、フェライト以外の組
織をベイナイトとすると、靱延性が増加し、遅れ破壊が
防止され、所望の強度を確保することが容易になる。

【００１４】更に、本発明では、上記ボルト用鋼材に特
定の加熱、恒温保持及び減面率を制御した伸線加工を施
した。この一連の処理により、ボルト製造の際の予備成
形を容易に行うことができるようになる。上記加熱処理
により、均一なオーステナイト相を生成することがで
き、上記恒温処理により、所望硬度と後工程の伸線処理
を容易化することができる。

【００１５】また、本発明のボルトの製造方法では、冷
間での予備成形を行うこととしたため、最終ボルト製品
において十分な形状精度を確保することができ、ボルト
製造上の形状自由度を改善することができる。更に、ヘ
ッダー加工後に所定の時効処理を行えば、上述の減面伸
線加工により生ずる可能性のある靱性劣化を回復するこ
とができ、耐力も向上させることができる。なお、本発
明のボルト用鋼材を用いたボルトは、上記処理により、
靱延性が向上し、優れた引張強度を有するとともに、遅
れ破壊感受性が好適に抑制されている。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のボルト用鋼材につ
いて詳細に説明する。本発明のボルト用鋼材は、上述の
如く、炭素（Ｃ）と、窒素（Ｎ）と、モリブデン（Ｍ
ｏ）及び／又はバナジウム（Ｖ）を含有し、フェライト
面積率が５〜８０％であり、伸線加工後のフェライト粒
の平均アスペクト比が５以下である。

【００１７】ここで、Ｃ量は、０．１５〜０．４２質量
％である。鋼材中のＣ量が０．１５質量％未満の場合に
は、一般的な伸線加工では圧延線材の引張強さを１００
０ＭＰａ以上にすることができない。また、伸線加工率
を高めて強度を確保しようとすると、太径の線材の伸線
加工が著しく困難になり、適用ボルトの径を太くするこ
とができない。一方、０．４２質量％を超えてＣを含有
させると、遅れ破壊を生じやすくなる。

【００１８】Ｎ量は、０．００４〜０．０３５質量％で
ある。Ｎは、伸線で導入された転位をＮ単独で固着した
り、ボルト成形前の加熱で窒化物を析出させて固着する
ことにより、高い耐力を確保するのに必要な元素であ
る。しかし、０．０３５質量％を超えて含有させると、
粗大な介在物の生成を招き、これがボルトの靱延性の低
下と、遅れ破壊を助長するために過度に添加することは
できない。

【００１９】Ｍｏ量は、０．１〜０．８質量％とするこ
とが好ましい。後述するように、本発明では、鋼製線材
を伸線加工、代表的には冷間で伸線することにより引張
強さを１０００ＭＰａ以上とし、ヘッダー加工部を４０
０〜６５０℃まで加熱する。この加熱の際、Ｍｏ量が
０．１質量％未満の場合には引張強さが低下し、加熱部
のほとんどの部位で１０００ＭＰａ未満の強度になって
しまう。また、０．８質量％よりも高い含有量では、Ｍ
ｏ自体が高価な元素であるため、素材コストの上昇を招
いてしまう。

【００２０】また、Ｖ量は、０．０５〜０．３質量％と
することが好ましい。ヘッダー加工部を４００〜６５０
℃まで加熱する際、Ｖ量が０．０５質量％未満の場合に
は引張強さが低下し、加熱部のほとんどの部位で１００
０ＭＰａよりも低い強度になってしまう。また、０．３
質量％よりも高い含有量では、Ｖ自体が高価な原料であ
るため、素材コストの上昇を招いてしまう。

【００２１】Ｍｏ及び／又はＶ量は、０．１５〜０．８
質量％である。ヘッダー加工部を４００〜６５０℃まで
加熱した際に、引張強さが１０００ＭＰａ以上になる合
金の配合を調べた結果、Ｍｏ＋Ｖ量が０．１５質量％以
上必要であることがわかった。しかし、両元素とも高価
なために、０．８質量％よりも高い含有量では、素材コ
ストの上昇を招く。また、この場合、Ｍｏを０．１〜
０．８０質量％、Ｖを０．０５〜０．８０質量％とする
ことが好ましい。

【００２２】次に、フェライト面積率とフェライト粒の
平均アスペクト比の限定理由について述べる。本発明の
鋼材におけるフェライト面積率は、５〜８０％である。
面積率が５％未満の場合には、線材を冷間で伸線して強
度を得る際に、加工のひずみがフェライト部に集中し
て、引張強さが１０００ＭＰａよりも小さい応力で破断
したり、破断に至らなくてもフェライト部の靱延性が著
しく劣化して、早期に遅れ破壊してしまう。一方、８０
％を超える面積率では、冷間伸線時のひずみによる加工
硬化だけでは、引張強さを１０００ＭＰａ以上に確保す
ることが困難になる。なお、この伸線加工は、代表的に
は１０〜４０℃で行われる。

【００２３】伸線後のフェライト粒の平均アスペクト比
は、５以下である。本発明のボルトの軸部は、冷間伸線
加工で強度を付与される。このため、平均アスペクト比
が５を超えるような加工を施すには、太径の線材を細径
にするための大型の伸線加工機が必要になり、製造コス
トの増加を招く。

【００２４】フェライト以外の組織は、ベイナイトにす
ることが望ましい。フェライト以外の組織がマルテンサ
イトの場合、伸線加工時のひずみがマルテンサイトとフ
ェライトとの界面に集中して、この部分の靱延性が著し
く低下し、遅れ破壊を助長してしまうことがある。一
方、パーライトの場合、伸線前の強度が低すぎて、伸線
後に所望の強度を確保できないことがあり好ましくな
い。

【００２５】また、本発明のボルト用鋼材は、上述した
ような特定の組成及び性状を有する鋼材に、所定の加
熱、恒温保持及び減面率を制御した伸線加工を施して得
られる。この一連の処理により、ボルト製造の際の予
備成形を容易に行うことができるようになる。ここで、
上記加熱は８５０〜９５０℃の温度範囲で行われ、これ
により、均一なオーステナイト相を得ることができる。
加熱温度が９５０℃を超えると、結晶粒が粗大化し、後
述する冷間予備成形に悪影響を及ぼす。

【００２６】また、恒温保持は４５０〜６００℃の温度
範囲で行われる。４５０℃未満では、得られる鋼材の硬
度が高くなり過ぎて次工程の伸線加工をを実施できな
い。一方、６００℃を超えると、上記伸線加工を実施し
ても所望の硬度が得られなくなる。

【００２７】なお、かかる伸線加工は、冷間、代表的に
は１０〜４０℃で行われるが、減面率を２５〜５０％に
調整して行うことを要する。ここで、減面率とは、伸線
前から伸線後の線材の断面積減少率をいう。減面率が２
５％未満では、次工程の冷間予備成形が難しく、５０％
を超えると、伸線中に断線するおそれがある。

【００２８】次に、本発明のボルトの製造方法について
説明する。本発明のボルトは、上述した本発明の鋼材か
ら成る線材を冷間で予備成形し、更にヘッダー加工直前
に４００〜６５０℃に加熱した後、ヘッダー加工して製
造される。具体的には、特願平１０−２８７４７６号に
も開示した特定組成を有する鋼材を冷間伸線した後に所
望長さに切断し、次いで、得られた伸線材につき、上述
の加熱、恒温保持及び減面伸線加工を施し、ボルト頭部
に相当する部位に冷間予備成形を行い、更に誘導加熱し
て４００〜６５０℃に温度制御し、この直後にヘッダー
加工を行い、しかる後にねじ転造することにより、本発
明のボルトを得る。なお、必要に応じて、時効処理を行
ってもよい。かかる製造工程の一例を図３に示す。な
お、上記ねじ転造はヘッダー加工前に行ってもよい。

【００２９】ここで、上述の冷間予備成形は、１０〜４
０℃で行うことが好ましく、この予備成形を実施するこ
とにより、得られるボルト製品の形状精度を著しく向上
できる。

【００３０】また、冷間予備成形品に施すヘッダー加工
前の加熱温度は、４００〜６５０℃に制御する。加熱温
度が４００℃未満の場合には、ヘッダー加工中の予備成
形品の変形抵抗が十分低下せず、成形金型の寿命の延命
を図れない。更に、ヘッダー加工時に加工硬化する部位
を適度に軟化させることができずに、遅れ破壊を防止で
きない。これに対し、６５０℃よりも高温では、成形部
の軟化量が増大し、加熱した部分の一部が１０００ＭＰ
ａよりも低い強度になってしまう。

【００３１】また、加熱速度は、２０〜２０００℃／秒
に制御することが好ましい。加熱速度が２０℃／秒未満
の場合には、ボルト１本当たりに要する加熱時間が長く
なり、生産性の低下を招くことがある。また、２０００
℃／秒を超えると、加熱装置自体のコストが著しく増大
してしまうことがあるため好ましくない。

【００３２】更に、上述の加熱による加熱領域は、予備
成形品のボルト頭部高さとなる長さから、その２倍の長
さまでとすることが好ましい。即ち、予備成形品のボル
ト頭部高さとなる長さからその２倍までの長さを局所的
に加熱することが望ましい。これは、軸部の座屈防止、
加熱エネルギーコストの低減、ねじ転造を加熱前に行う
場合の、ねじ部の圧縮残留応力の解放防止を図るためで
ある。

【００３３】なお、上述した時効処理は、ヘッダー加工
後に５５０〜６５０℃で行うが、これにより、上述した
減面伸線加工を行った際に発生する靱性劣化を回復させ
るたり、耐力を向上することができる。時効処理温度が
５５０℃未満では靱性の回復が不十分となり、６５０℃
を超えると耐力が低下することがある。なお、時効処理
に要する時間は、代表的に０．３〜３ｈｒである。

【００３４】次に、本発明のボルトについて説明する。
本発明のボルトは、上述した本発明のボルト製造方法に
よって得られるものであり、その引張強さは１０００〜
１５００ＭＰａである。本発明のボルトは、上述の予備
成形を経て得られるため形状精度に優れるとともに、遅
れ破壊感受性が小さく、しかも焼入れ処理を必要とせ
ず、耐力比が高く、優れた特性を有する。

【００３５】

【実施例】以下、本発明を、図面を参照して実施例及び
比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実
施例に限定されるものではない。

【００３６】以下の実施例と比較例に用いた供試材の化
学組成（開発材及び）を表１に示す。表１に示す各
組成の鋼を２ｔｏｎアーク炉で溶解し、１ｔｏｎのイン
ゴットを鋳造して、これを１５３ｍｍ角の鋼片に圧延
し、更にこの鋼片を加熱し、線材コイルに圧延した。ま
た、圧延後の冷却速度を変えて、フェライト面積率を５
〜８０％に、伸線率を変えてフェライト粒の平均アスペ
クト比を５以下に調整した。

【００３７】

【表１】

【００３８】次に、得られた線材コイルを表２に示す加
熱１の温度で加熱し、加熱２の温度で０．１ｈｒ恒温保
持した後、表２に示した減面率で引き抜きを実施し、各
例の線材を得た。得られた線材につき、変形抵抗値を測
定するとともに、ボルト予備成形の実現性を調査し、表
２に併記した。なお、変形抵抗値は、各例の線材から切
り出した試験片を冷間で圧下２５％プレスした時の値と
した。また、ボルト予備成形は、図４に示す線材径に対
する頭部の張り出し径が得られるかどうかで判断した。

【００３９】

【表２】

【００４０】また、各例の線材を、誘導加熱装置を用い
て加熱速度４００℃／秒で表３に示した温度まで加熱
し、ただちにヘッダー加工し、必要に応じて時効処理を
行って、図４に示すようなボルトを製造した。得られた
ボルトの特性は、引張強さ、０．２％耐力及び耐遅れ破
壊性を調べて評価した。遅れ破壊試験は、ボルトを治具
に取付け、ナット回転角法にてボルトの降伏点まで応力
を付与した後、１５％ＨＣｌ水溶液に２分間浸積し、水
洗、乾燥したものを常温で放置し、４８時間後の破損本
数で評価する方法を用いた。それぞれ１０本のボルトを
用いて評価した。得られた結果を表３に示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特定組成や性状を有する鋼材を、更に所定の加熱、恒温
保持及び伸線加工に供することとしたため、従来使用さ
れているボルトに比べて、素材及び調質処理コストが低
減し、且つ遅れ破壊感受性が小さいボルトが得られるボ
ルト用鋼材、これを用いたボルト及びその製造方法を提
供することができる。また、本発明によれば、高強度ボ
ルトを良好な製造効率で廉価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のボルト製造方法の一例を示す製造工程図
である。

【図２】従来のボルト製造方法の他の例を示す製造工程
図である。

【図３】本発明のボルト製造方法の一例を示す製造工程
図である。

【図４】ボルトの特性試験に用いたボルトの側面図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村利光愛知県名古屋市南区大同町２丁目30番地大同特殊鋼株式会社内 (72)発明者田中茂文埼玉県八潮市大曽根1218 株式会社サンノハシ内 (72)発明者倉冨英明神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4K032 AA05 AA11 AA16 AA19 AA21 AA31 AA36 BA02 CF01 CF02 CF03 CG01 CH01 CH04 CK02 CK03 4K042 AA25 BA01 BA02 BA05 BA13 CA06 CA08 CA13 DA03 DA04 DA05 DB01 DC01 DC02 DC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃを０．１５〜０．４２質量％、Ｎを
０．００４〜０．０３５質量％、Ｍｏ及び／又はＶを
０．１５〜０．８０質量％の割合で含有し、フェライト
面積率が５〜８０％で、伸線加工後のフェライト粒の平
均アスペクト比が５以下である鋼材に、８５０〜９５０℃の加熱、４５０〜６００℃の恒温保持
及び減面率２５〜５０％の伸線加工を施して成ることを
特徴とするボルト用鋼材。
【請求項２】Ｍｏを０．１０〜０．８０質量％、Ｖを
０．０５〜０．３０質量％の割合で含有することを特徴
とする請求項１記載のボルト用鋼材。
【請求項３】請求項１又は２記載のボルト用鋼材を用
いて成るボルトであって、引張強さが１０００〜１５０
０ＭＰａであることを特徴とするボルト。
【請求項４】請求項３記載のボルトを製造するに当た
り、ボルト頭部に相当する部位に、冷間で予備成形を施
すことを特徴とするボルトの製造方法。
【請求項５】上記冷間予備成形を施した予備成形品
を、ヘッダー加工直前に４００〜６５０℃に加熱し、次
いで、ヘッダー加工することを特徴とする請求項３記載
のボルトの製造方法。
【請求項６】上記加熱温度まで２０〜２０００℃／秒
で誘導加熱することを特徴とする請求項５記載のボルト
の製造方法。
【請求項７】ヘッダー加工後に５５０〜６５０℃の時
効処理を行うことを特徴とする請求項４〜６のいずれか
１つの項に記載のボルトの製造方法。