JP2002155344A - 高強度ねじ用鋼および高強度ねじ - Google Patents
高強度ねじ用鋼および高強度ねじInfo
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Abstract
しても所望の強度(800N/mm2以上)を有し且つ
タッピング性を兼備する高強度ねじ用鋼およびこの鋼に
よって造られた高強度ねじを提供する。 【解決手段】 C:0.05〜0.20、Si:0.2
0以下(0は含まない)、Mn:0.5〜2.0、P:
0.015以下、S:0.015以下、Al:0.02
〜0.08、N:0.0060以下、Cr:0.80超
〜2.0(以上、mass%)、残部鉄および不可避的
不純物からなる鋼を用い、浸炭焼入れ後の焼戻し温度を
制御して、適正な表面硬さ、内部硬さ、有効硬化層深さ
とする。
Description
および高強度ねじ、特に、下穴を開けた部材に雌ねじを
成形しながら締結するタッピング性を兼備した太径(M
8以上)で、強度800N/mm2以上の高強度ねじ用
鋼およびこの鋼によって造られた高強度ねじに関するも
のである。
るだけで、雌ねじを成形しながら締結できるので、普通
のボルト・ナットによる締結よりも、雌ねじの成形の点
で大幅に作業を軽減できる利点がある。この性能からタ
ッピンねじは、相手部材に雌ねじを成形する必要が有る
ため相手部材よりも十分に硬くなければならず、また、
締結手段としての機械的性質も満足することが重要であ
る。
22の十字穴付きタッピンねじは、JISG3539の
冷間圧造用炭素鋼線のSWRCH12A〜22A(アル
ミキルド鋼)またはSWRCH12K〜22K(キルド
鋼)が用いられ、転造加工等によって、ねじ成形し、浸
炭(浸炭窒化)焼入れ、焼戻しの調質処理によって製造
されてきた。
焼入れ後の靭性の確保で、この点から結晶粒の細かいア
ルミキルドタイプが利用されている。しかし、一方で靭
性とは相反する傾向にある硬さや強さ等の特性も同時に
満足しなければならない。そのため特開平9−6762
5号公報には、素材としてMnを高め、炭素含有量を低
めた素材で浸炭焼入れ、焼戻しを行い、表面硬さHvで
560〜600、内部硬さHvで320〜360のタッ
ピンねじが開示されている。以下、このタッピンねじを
従来技術1という。
炭素高Mn鋼を用い、表面硬さHvで550以上、内部
硬さHvで320〜400のねじが開示されている。以
下、このタッピンねじを従来技術2という。
は、ボルトとしての所望の強度を有し且つタッピンねじ
として相手部材に雌ねじを成形するために、更に高い表
面硬さと内部の靭性とが要求されるが、このようなねじ
に関しては素材成分や製造方法が十分に確立されていな
いのが現状である。
2共に比較的細いサイズのねじ、例えば、M6未満を対
象としており、これらの素材では、M8以上の太径のね
じやボルトを製造しても浸炭後の表面硬さと内部硬さと
のバランスや必要な強度を得るのは難しい。
(M8以上)のねじやボルトに対しても所望の強度(8
00N/mm2以上)を有し、且つ、タッピング性を兼
備する高強度ねじ用鋼およびこの鋼によって造られた高
強度ねじを提供するものである。
を解決すべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得
た。 Crを多量に添加すること。 成分の含有割合を適正なDI値範囲に調整すること。 表面硬さ、内部硬さ、有効硬化層深さを適正に制御す
ること。 浸炭焼き入れ後の焼戻し温度を適正に制御すること。 によって太径のねじやボルトに対しても浸炭による硬さ
のバランスを制御でき、所望の強度が得られる。
されたもので、下記を特徴とするものである。
0.20、Si:0.20以下(0は含まない)、M
n:0.5〜2.0、P:0.015以下、S:0.0
15以下、Al:0.02〜0.08、N:0.006
0以下、Cr:0.80超〜2.0(以上、mass
%)、残部:鉄および不可避的不純物からなることに特
徴を有するものである。
て、Ni:3.5以下、Cu:1.0以下、Mo:0.
30以下、B:0.0005〜0.0050からなる群
から選択される少なくとも1種、および、Ti:0.0
05〜0.050、Nb:0.005〜0.050(以
上、mass%)からなる群から選択される少なくとも
1種の内の少なくとも一方を含有することに特徴を有す
るものである。
の、下記(1)式で表わされるDI値が17〜43mm
の範囲であることに特徴を有するものである。
n≦1.20)、 FMn=5.10×(Mn)−1.12(Mn>1.2
0)、 ※4:FCr=1.00+2.16×(Cr)、 ※5:FMo=1.00+3.00×(Mo)、 ※6:FCu=1.00+0.365×(Cu)、 ※7:FNi=1.00+0.363×(Ni)、 ※8:FB=2(但し、Bを添加した場合のみ) 請求項4記載の発明は、請求項2記載の鋼において、上
記(1)式で表わされるDI値が17〜43mmの範囲
であることに特徴を有するものである。
からなり、浸炭処理後の表面硬さHv:550〜70
0、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有効
硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800N
/mm2以上であることに特徴を有するものである。
からなり、浸炭処理後の表面硬さHv:550〜70
0、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有効
硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800N
/mm2以上であることに特徴を有するものである。
からなり、浸炭処理後の表面硬さHv:550〜70
0、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有効
硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800N
/mm2以上であることに特徴を有するものである。
からなり、浸炭処理後の表面硬さHv:550〜70
0、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有効
硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800N
/mm2以上であることに特徴を有するものである。
じにおいて、浸炭処理後、200〜400℃の温度範囲
内で焼戻しを行うことに特徴を有するものである。
ねじにおいて、浸炭処理後、200〜400℃の温度範
囲内で焼戻しを行うことに特徴を有するものである。
定理由について述べる。
0.05mass%未満では所望の強度を得ることがで
きず、浸炭硬化性も低下する。一方、0.20mass
%を超えると、ねじ内部の硬度が高くなりすぎて、鋼の
靭性が低下する。従って、C含有量は、0.05〜0.
20mass%の範囲内に限定した。
は含まない) Siは、脱酸材として重要な作用をするので、製鋼段階
においては必ず添加する。また、焼戻し軟化抵抗性およ
び焼入性を向上させて強度を高くする元素である。しか
し、含有量が増大すると、変形抵抗が増大すると共に、
冷間鍛造性が低下する。従って、Si含有量の上限を
0.20mass%とした。
焼入れ性を高める元素でもある。従って、所望の強度を
確保するために0.5mass%以上の添加を必要とす
るが、P、Sと同様に、Mnも鋼の結晶粒界に偏析して
粒界脆化を助長するので、上限を2.0mass%とし
た。
る。また、フェライト内に固溶して鋼の変形能を低下さ
せる。このようにPは、この発明において不純物元素で
あるので、その含有量を0.015mass%以下とし
た。
は、亀裂発生の起点となる。このようにSは、この発明
において不純物元素であるので、その含有量を0.01
5mass%以下とした。
80mass% Alは、脱酸材として必要な元素であるばかりでなく、
粒界に偏析するNをAlNとして固定して粒界強度を高
める作用を有する。Alによるこのような効果を発揮さ
せるためには、sol.Al(酸可溶Al)として0.
020mass%以上の量が必要である。しかしなが
ら、sol.Alが0.080mass%を超えると、
鋳片の連続鋳造時にAl2O3の凝集体を形成してノズル
詰まりの原因となり、鋳造作業を困難にする。従って、
sol.Al含有量は、0.020〜0.080mas
s%の範囲内に限定した。
造性を低下させ、工具の寿命も低下させる。このよう
に、Nは、この発明において不純物元素であるので、そ
の含有量を0.0060mass%以下とした。
ss% Tiは、結晶粒の微紬化効果を有する。しかしながら、
0.005mass%未満ではその効果が小さく、ま
た、NをTiNとして固定する効果も小さい。ところ
が、0.050mass%を超えで添加しても、これら
の効果は飽和するのみならず、TiNが高すぎると、硬
質のTiN、TiCが多数形成し、鍛造性が低下する
他、合金コストもかかる。従って、Ti含有量は、0.
005:〜0.050mass%の範囲内に限定した。
% Crは、焼入性を高め、強度を確保するのに有用な元素
であり、M8以上の太いサイズのボルトの強度を確保す
るためには、0.80mass%を超えて添加する必要
があることが、本発明等の研究により明らかとなった。
しかし、焼戻し軟化抵抗性を高める元素でもあり、多量
に添加し過ぎると硬くなりすぎて靭性に悪影響を与え
る。従って、上限を2.0mass%とした。
焼入性を向上させる有用な元素である。しかし、多量に
添加するとCr同様に冷間鍛造性を阻害し、また、Mo
は高価な元素なので上限を0.30mass%とした。
mass% Bは、微量の添加で焼入れ性を向上させる作用を有す
る。また、BNを形成してNの粒界偏析を防止する。B
の添加によってMnやCr、Mo含有量を低減すること
ができ、鋼の冷間鍛造性を更に向上させることができ
る。Bによるこのような効果を発揮させるためには、
0.0005mass%以上添加する必要がある。しか
しながら、0.0050mass%を超えて添加する
と、ボロンセメンタイトを析出して粒界強度を弱める。
従って、B含有量は、0.0005〜0.0050ma
ss%の範囲内に限定した。
ass% NbもTiと同様、結晶粒の微細化効果を有するが、
0.005mass%未満ではその効果が小さいので下
限を0.005mass%とした。しかし、Ti同様に
Nbは、C、Nとの親和力が強いので炭化物や窒化物を
形成しやすく、多量に添加されると粒界析出し脆化を促
進する他、合金コストもかかる。従って、上限を0.0
50mass%とした。
のに有効な元素である。しかも、靭性を向上させる効果
も有するので、焼入れ性と靭性を確保するためには有効
な元素である。しかし、多量に添加してもその効果は飽
和し、且つ、非常に高価な元素なので上限を3.5ma
ss%とした。
に有効な元素である。適正量添加することは機械的性質
向上には有効であるが、添加しすぎると熱間圧延時に表
面疵が発生しやすくなり冷間鍛造不良が起きるので、上
限を1.0mass%とした。
0〜700 所望のボルト強度および相手部材に雌ネジを成形する上
で、ビッカース硬さHvで550未満では、先端が欠け
たり、析れたりして雌ネジ成形が不可能になる。一方、
Hvで700を超えると、切欠き効果が高まり亀裂発生
を促進させる。従って、ねじ表面の硬さHVは、550
〜700の範囲内とした。
0〜320 表面硬さ同様、所望のボルト強度を得るため必要とす
る。Hv200未満では、所望のボルト強度が得られな
い。一方、Hvで320を超えると、靭性が低下し亀裂
が進展しやすくなる。従って、ねじ内部の硬さHVは、
Hv200〜320とした。
部硬さ)と密接に関係しており、200℃未満では硬く
なり過ぎ、一方、400℃を超えると所望の強度が得ら
れないので、200〜400℃の範囲内とした。
00mm 相手部材に雌ネジを成形する上で、表面に所望の硬さを
必要するが、その有効硬化層深さが0.05mm未満で
は、雌ネジ成形性に劣り、一方、1.00mmを超える
と、内部の靭性が低下して亀裂の進展が捉進されるため
に、有効硬化層深さは、0.05〜1.00mmの範囲
内とした。
記(1)式に従って計算されるが、所望の強度を確保す
るためにある値以上必要である。しかし、17mm未満
では、所望の強度が得られず、一方、43mmを超える
と、靭性を損ねる危険があるので、DI値は、17〜4
3の範囲内とした。
n≦1.20)、 FMn=5.10×(Mn)−1.12(Mn>1.2
0)、 ※4:FCr=1.00+2.16×(Cr)、 ※5:FMo=1.00+3.00×(Mo)、 ※6:FCu=1.00+0.365×(Cu)、 ※7:FNi=1.00+0.363×(Ni)、 ※8:FB=2(但し、Bを添加した場合のみ)
る。
50kg/ch、真空溶解炉にて溶製し、116角のビ
レットに鍛伸後、熱間圧延によりφ8mmの線材を調製
し、冷間鍛造・ねじ転造後、浸炭焼入れ焼戻して、M8
のタッピンボルトNo.1〜30を製造した。ボルトの
形状は、ねじの呼び径:8mm、呼び長さ:30mmの
十字穴付六角ツバ付きボルトである。
を、引張試験、頭部靭性試験に供すると共に、硬さ、有
効硬化層深さおよびタッピング性について調べた。
くさび引張試験で行い、くさびの角度は10°で実施
し、頭部靭性試験は、JISB1055に準じた。
置、内部硬さはD/4位置を測定した。有効硬化層深さ
は、表層からHv550までの硬さの位置として評価し
た。なお、硬さは全てマイクロビッカース硬度計で行っ
た。
に一定トルクでボルトを締める試験を行い、破断の有
無、ねじ山の破損状況、ねじ谷部の亀裂有無の状況で評
価した(n=10)。
中、タッピング性の○は、破断や破損、亀裂が発生しな
かったボルトの数が8個以上の場合、×は、これが7個
以下の場合を示す。
は、この発明の条件を満足する鋼を用いて製造された本
発明ボルトであり、何れも、冷間鍛造性に優れると共に
所望の強度、靭性を確保できているタッピング性に優れ
たボルトであった。
鋼に比べて高い鋼からなる比較用ボルトであり、表面硬
さおよび内部硬さが高く、靭性不足により頭部靭性試験
時に頭飛びが生じた。
範囲を外れて低い鋼からなる比較用ボルトであり、頭部
靭性試験は良好であったが、所望の強度および表面硬
さ、内部硬さが得られていないので、雌ねじ成形ができ
ず、タッピング性能不良であった。
範囲を外れて高い鋼からなる比較用ボルトであり、強度
は高いが、フェライト地の硬さ上昇により変形抵抗が高
くなり内部硬さが上昇して、靭性に乏しく、頭部靭性試
験時に亀裂が生じた。
明範囲を外れて高い鋼からなる比較用ボルトであり、焼
入れ性が高すぎて硬化層深さが増加し、この結果、表面
・内部硬度が上昇して、靭性が不足し、頭部靭性試験時
に頭飛びが生じた。
明範囲を外れて低い鋼からなる比較用ボルトであり、頭
部靭性試験は良好であったが、所望の強度が得られず、
No.15の比較用ボルトと同様にタッピング性能が不
良であった。
高い鋼からなる比較用ボルトであり、粒界強度の低下に
よって、頭部靭性試験時に亀裂が生じた。
高く、DI値が本発明範囲を外れて低い鋼からなる比較
用ボルトであり、MnSの生成による悪影響で頭部靭性
試験時に亀裂が生じた。
て低い鋼からなる比較用ボルトであり、結晶粒の粗大化
により焼きが入りすぎて内部靭性が不足し、この結果、
頭部靭性試験時に頭飛びが生じた。
高い鋼からなる比較用ボルトであり、内部の靭性が不足
して、頭部靭性試験時に亀裂が生じた。
高い鋼からなる比較用ボルトであり、ボロンを含むセメ
ンタイトが粒界に析出して粒界強度を弱めたために、頭
部靭性試験時に亀裂が生じた。また、Ti量も本発明範
囲を外れて高く、硬質なTiC、TiNが多数存在し
て、冷間鍛造性が悪く靭性も乏しかった。
明範囲を外れて高い鋼からなる比較用ボルトであり、N
bC、Nb(CN)等の金属間化合物が多数存在するた
めに粒界が弱くなって、頭部靭性試験時に亀裂の発生が
生じた。
明範囲を外れて高い鋼からなる比較用ボルトであり、N
o.27は、Mo量が本発明範囲を外れて高い鋼からな
る比較用ボルトであり、何れも、靭性不足により頭部靭
性試験時に亀裂が生じて、頭飛びが発生した。
明範囲を外れて低い鋼からなる比較用ボルトであり、焼
入れ性が低下して、所望の強度が得られず、頭部靭性試
験時に亀裂が生じた。
外れて低い比較用ボルトであり、靭性不足によって、頭
部靭性試験時に頭飛びが生じた。
外れて高い比較用ボルトであり、強度不足によりタッピ
ング性が不良であった。
囲を外れて浅い比較用ボルトであり、強度不足によりタ
ッピング性が不良であった。
ば、タッピング性、即ち、雌ねじ成形性と内部靭性に優
れ、且つ、所定のボルト強度を有する高強度ねじ用鋼お
よび高強度ねじの提供が可能になった。
Claims (10)
- 【請求項1】C:0.05〜0.20、 Si:0.20以下(0は含まない)、 Mn:0.5〜2.0、 P:0.015以下、 S:0.015以下、 Sol.Al:0.020〜0.080、 N:0.0060以下、 Cr:0.80超〜2.0(以上、mass%)、 残部:鉄および不可避的不純物 からなることを特徴とする高強度ねじ用鋼。
- 【請求項2】更に、鋼成分として、 Ni:3.5以下、 Cu:1.0以下、 Mo:0.30以下、 B:0.0005〜0.0050 からなる群から選択される少なくとも1種、および、 Ti:0.005〜0.050、 Nb:0.005〜0.050(以上、mass%) からなる群から選択される少なくとも1種の内の少なく
とも一方を含有することを特徴とする、請求項1記載の
高強度ねじ用鋼。 - 【請求項3】 下記(1)式で表わされるDI値が17
〜43mmの範囲であることを特徴とする、請求項1記
載の高強度ねじ用鋼。 DI=25.4×DIC(※1)×FSi(※2)×FMn(※3)×FCr (※4)×(FMo(※5)、FCu(※6)、FNi(※7)、FB (※8)) ---(1) 但し、上記(1)式において、 ※1:DlC=0.54×(C)、 ※2:FSi=1.00+0.7×(Si)、 ※3:FMn=3.3333×(Mn)+1.00(M
n≦1.20)、 FMn=5.10×(Mn)−1.12(Mn>1.2
0)、 ※4:FCr=1.00+2.16×(Cr)、 ※5:FMo=1.00+3.00×(Mo)、 ※6:FCu=1.00+0.365×(Cu)、 ※7:FNi=1.00+0.363×(Ni)、 ※8:FB=2(但し、Bを添加した場合のみ) - 【請求項4】 上記(1)式で表わされるDI値が17
〜43mmの範囲であることを特徴とする、請求項2記
載の高強度ねじ用鋼。 - 【請求項5】 浸炭処理後の表面硬さHv:550〜7
00、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有
効硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800
N/mm2以上であることを特徴とする、請求項1記載
の鋼からなる高強度ねじ。 - 【請求項6】 浸炭処理後の表面硬さHv:550〜7
00、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有
効硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800
N/mm2以上であることを特徴とする、請求項2記載
の鋼からなる高強度ねじ。 - 【請求項7】 浸炭処理後の表面硬さHv:550〜7
00、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有
効硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800
N/mm2以上であることを特徴とする、請求項3記載
の鋼からなる高強度ねじ。 - 【請求項8】 浸炭処理後の表面硬さHv:550〜7
00、浸炭処理後の内部硬さHv:200〜320、有
効硬化層深さ:0.05〜1.00mm、強度:800
N/mm2以上であることを特徴とする、請求項4記載
の鋼からなる高強度ねじ。 - 【請求項9】 浸炭処理後、200〜400℃の温度範
囲内で焼戻しを行うことを特徴とする、請求項7記載の
高強度ねじ。 - 【請求項10】 浸炭処理後、200〜400℃の温度
範囲内で焼戻しを行うことを特徴とする、請求項8記載
の高強度ねじ。
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