JP2017078209A - High strength bolt and steel for high strength bolt - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high strength bolt having high strength and excellent hydrogen embrittlement resistance.SOLUTION: The high strength bolt has a chemical composition containing, by mass%, C:0.24 to 0.40%, Si:0.01 to 0.50%, Mn:0.5 to 2.0%, P:0.020% or less, S:0.020% or less, Cr:0.2 to 0.7%, Al:0.005 to 0.050%, B:0.001 to 0.005%, Ti:0.007 to 0.100%, N:0.002 to 0.008%, Nd:0.001 to 0.100%, Nb:0 to 0.050%, Mo:0 to 0.30% and V:0 to 0.30% and the balance Fe with impurities and satisfies formula (1). [Psurf]-0.215 Nd≤0.015 (1), where [Psurf] is substituted with average P concentration (mass%) in a range from a surface to 10 μm depth and Nd is substituted with content (mass%) of Nd.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ボルト、及びボルト用鋼に関し、さらに詳しくは、耐水素脆化特性に優れた高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼に関する。   The present invention relates to a bolt and a steel for a bolt, and more particularly to a high-strength bolt and a steel for a high-strength bolt excellent in hydrogen embrittlement resistance.

工業、農業、及び土木建設業等で使用される産業機械、ならびに自動車、橋梁、及び各種建築物において、ボルトが使用されている。ボルトは次のとおり製造される。例えばJIS G4053に規格されているSCM435やSCr440等の中炭素低合金鋼を、冷間鍛造によりボルト形状の中間品に成形する。その後、中間品に対して焼入れ焼戻しを実施して、ボルトにする。自動車の軽量化や、建築物ボルト継手のコンパクト化のために、ボルトには、より高い強度が求められる。しかしながら、前述の中炭素低合金鋼からなるボルトでは、引張強さが高くなるほど耐水素脆化特性が低下する。   Bolts are used in industrial machinery used in industry, agriculture, civil engineering, and the like, as well as automobiles, bridges, and various buildings. Bolts are manufactured as follows. For example, medium carbon low alloy steel such as SCM435 and SCr440 standardized in JIS G4053 is formed into a bolt-shaped intermediate product by cold forging. Thereafter, the intermediate product is quenched and tempered to form a bolt. In order to reduce the weight of automobiles and the size of building bolt joints, bolts are required to have higher strength. However, in the bolt made of the medium carbon low alloy steel described above, the hydrogen embrittlement resistance decreases as the tensile strength increases.

水素脆化は、使用環境から鋼中に浸入した水素が引き起こす、旧オーステナイト粒界の脆化現象であると考えられている。耐水素脆化特性を向上させるために、焼戻し温度等の各種因子の影響が研究されている。   Hydrogen embrittlement is considered to be an embrittlement phenomenon of prior austenite grain boundaries caused by hydrogen that has entered the steel from the environment of use. In order to improve the hydrogen embrittlement resistance, the influence of various factors such as the tempering temperature has been studied.

例えば、特開2007−146284号公報(特許文献1)及び特開2008−156678号公報(特許文献2)には、耐水素脆化特性に優れたボルトが提案されている。これらの文献では、鋼材成分の調整と、鋼組織の微細化との組み合わせにより、耐水素脆化特性を高めている。具体的には、これらの文献に開示されたボルトは、Mo及びBを含有する。Moは微細炭化物を形成して水素をトラップし、無害化する。Bは粒界に濃化して粒界強度を高める。これらの文献ではさらに、ボルトの旧オーステナイト粒径を10μm以下にする。これにより、膜状炭化物の析出を抑制して耐水素脆化特性を高める。   For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-146284 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-156678 (Patent Document 2) propose bolts excellent in hydrogen embrittlement resistance. In these documents, the resistance to hydrogen embrittlement is enhanced by a combination of adjustment of steel material components and refinement of the steel structure. Specifically, the bolts disclosed in these documents contain Mo and B. Mo forms fine carbides to trap hydrogen and render it harmless. B is concentrated at the grain boundary to increase the grain boundary strength. Further, in these documents, the prior austenite grain size of the bolt is set to 10 μm or less. Thereby, precipitation of film-like carbide is suppressed and hydrogen embrittlement resistance is improved.

しかしながら、特許文献1及び2では、鋼中のPについて十分な検討がされていない。Pは、粒界に偏析して粒界を脆化させ、耐水素脆化特性を低下させる。さらに、特許文献1及び2では、高価な合金元素であるMoが必須元素として0.3%以上含有されるため、製造コストが高くなる。   However, Patent Documents 1 and 2 do not sufficiently study P in steel. P segregates at the grain boundaries, embrittles the grain boundaries, and decreases the resistance to hydrogen embrittlement. Furthermore, in patent documents 1 and 2, since Mo which is an expensive alloy element contains 0.3% or more as an essential element, a manufacturing cost becomes high.

特開2007−146284号公報JP 2007-146284 A 特開2008−156678号公報JP 2008-156678 A

本発明の目的は、高い強度を有し、かつ、耐水素脆化特性に優れた高強度ボルト、及び高強度ボルト用鋼を提供することである。   An object of the present invention is to provide a high strength bolt having high strength and excellent hydrogen embrittlement resistance, and a steel for high strength bolts.

本発明による高強度ボルトは、質量%で、C:0.24〜0.40%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.020%以下、Cr:0.2〜0.7%、Al:0.005〜0.050%、B:0.001〜0.005%、Ti:0.007〜0.100%、N:0.002〜0.008%、Nd:0.001〜0.100%、Nb:0〜0.050%、Mo:0〜0.30%、及び、V:0〜0.30%を含有し、式(1)を満たす。
[Psurf]−0.215Nd≦0.015 (1)
ここで、[Psurf]には、表面から10μm深さまでの範囲における平均P濃度(質量%)が代入される。Ndには、Ndの含有量(質量%)が代入される。
The high-strength bolt according to the present invention is, in mass%, C: 0.24 to 0.40%, Si: 0.01 to 0.50%, Mn: 0.5 to 2.0%, P: 0.020. %: S: 0.020% or less, Cr: 0.2-0.7%, Al: 0.005-0.050%, B: 0.001-0.005%, Ti: 0.007- 0.100%, N: 0.002 to 0.008%, Nd: 0.001 to 0.100%, Nb: 0 to 0.050%, Mo: 0 to 0.30%, and V: 0 It contains ˜0.30% and satisfies the formula (1).
[Psurf] −0.215Nd ≦ 0.015 (1)
Here, an average P concentration (mass%) in a range from the surface to a depth of 10 μm is substituted into [Psurf]. Nd content (mass%) is substituted for Nd.

本発明による高強度ボルト用鋼は、上述の化学組成を有する。   The steel for high-strength bolts according to the present invention has the chemical composition described above.

本発明による高強度ボルトは、高い強度を有し、かつ、耐水素脆化特性に優れる。この高強度ボルトは、上述の高強度ボルト用鋼を用いて製造される。   The high strength bolt according to the present invention has high strength and excellent hydrogen embrittlement resistance. This high-strength bolt is manufactured using the steel for high-strength bolts described above.

図1は、鋼の表層においてNdと結合していないPの濃度と、耐水素脆化特性の指標である水素脆化強度比との関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the concentration of P not bonded to Nd in the surface layer of steel and the hydrogen embrittlement strength ratio, which is an index of hydrogen embrittlement resistance. 図2は、耐水素脆化特性試験の試験片の側面図である。FIG. 2 is a side view of a test piece for a hydrogen embrittlement resistance test.

本発明者らは、ボルトの強度を高めつつ、耐水素脆化特性を高める方法について調査及び検討を行い、次の知見を得た。   The present inventors investigated and examined a method for improving the hydrogen embrittlement resistance while increasing the strength of the bolt, and obtained the following knowledge.

(A)鋼中のPが粒界に偏析すれば、鋼の耐水素脆化特性が低下する。そこで、ボルトの化学組成にネオジム(Nd)を含有させる。この場合、NdはPと結合してNdPを形成する。これにより、Moを必須元素として含有しなくても、Pの粒界偏析が抑制され、鋼の耐水素脆化特性が高まる。NdPは拡散性水素のトラップサイトとなるため、鋼の耐水素脆化特性がさらに高まる。   (A) If P in the steel segregates at the grain boundaries, the hydrogen embrittlement resistance of the steel decreases. Therefore, neodymium (Nd) is included in the chemical composition of the bolt. In this case, Nd combines with P to form NdP. Thereby, even if it does not contain Mo as an essential element, the grain boundary segregation of P is suppressed and the hydrogen embrittlement resistance of steel increases. Since NdP serves as a diffusible hydrogen trap site, the hydrogen embrittlement resistance of the steel is further enhanced.

(B)ここで、Ndと結合していないP(以下、Pfreeともいう)が鋼中に存在する。高強度ボルトの表面から10μm深さまでの範囲(以下、表層という)のPfree濃度が低ければ、表層でのPの粒界偏析が抑制され、耐水素脆化特性が向上する。具体的には、1000MPa以上の引張強度を有する高強度ボルトにおいて、鋼の表層のPfree濃度(以下、[Pfree]ともいう)が、式(1)を満たすようにする。
[Psurf]−0.215Nd≦0.015 (1)
ここで、[Psurf]には、表面から10μm深さまでの範囲における平均P濃度(質量%)が代入される。Ndには、Ndの含有量(質量%)が代入される。
(B) Here, P not bonded to Nd (hereinafter also referred to as Pfree) exists in the steel. If the Pfree concentration in the range from the surface of the high-strength bolt to the depth of 10 μm (hereinafter referred to as the surface layer) is low, the grain boundary segregation of P in the surface layer is suppressed and the hydrogen embrittlement resistance is improved. Specifically, in a high-strength bolt having a tensile strength of 1000 MPa or more, the Pfree concentration (hereinafter also referred to as [Pfree]) of the steel surface layer satisfies the formula (1).
[Psurf] −0.215Nd ≦ 0.015 (1)
Here, an average P concentration (mass%) in a range from the surface to a depth of 10 μm is substituted into [Psurf]. Nd content (mass%) is substituted for Nd.

この場合、高強度ボルトは、1000MPa以上の高い引張強度を有しつつ、優れた耐水素脆化特性を有する。以下、この点について詳述する。   In this case, the high-strength bolt has excellent hydrogen embrittlement resistance while having a high tensile strength of 1000 MPa or more. Hereinafter, this point will be described in detail.

図1は、鋼の表層のPfree濃度([Pfree])と、耐水素脆化特性の指標である水素脆化強度比との関係を示す図である。Pの原子量は約31であり、Ndの原子量は約144である。したがって、質量%で、Nd濃度の約0.215倍のPが、NdPとしてNdと結合する。つまり、[Pfree]=[Psurf]−0.215Ndである。図1は次の方法により得られた。   FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the Pfree concentration ([Pfree]) of the steel surface layer and the hydrogen embrittlement strength ratio, which is an index of hydrogen embrittlement resistance. The atomic weight of P is about 31, and the atomic weight of Nd is about 144. Therefore, in mass%, P which is about 0.215 times the Nd concentration binds to Nd as NdP. That is, [Pfree] = [Psurf] −0.215Nd. FIG. 1 was obtained by the following method.

JIS G4053に規格されたSCM435に相当する化学組成を有し、P含有量を0.009〜0.040質量%の範囲で、Nd含有量を0.002〜0.040質量%の範囲で変化させた9種類の供試材を準備した。各供試材の化学成分を表1に示す。   It has a chemical composition corresponding to SCM435 standardized in JIS G4053, and the P content is changed in the range of 0.009 to 0.040 mass% and the Nd content is changed in the range of 0.002 to 0.040 mass%. Nine kinds of test materials were prepared. Table 1 shows the chemical composition of each test material.

Figure 2017078209
Figure 2017078209

直径16mmに熱間鍛伸した各供試材に焼き入れ焼き戻し処理を行い、各供試材から図2に示す環状切欠き付き試験片を採取した。なお、焼き入れ処理は850℃、焼き戻し処理は400℃×1時間で行った。試験片の直径D1は8mmであり、試験片の中央部には断面がV字の切欠きが形成され、切欠きでの試験片の直径D2は6mmであった。切欠き底の曲率半径は0.1mmであり、切欠きの角度αは60°であった。試験片の表面から10μm深さまでの範囲(表層)の平均P濃度は、各供試材のP含有量に相当した。   Each test material hot forged to a diameter of 16 mm was subjected to quenching and tempering treatment, and a test piece with an annular notch shown in FIG. 2 was collected from each test material. The quenching process was performed at 850 ° C., and the tempering process was performed at 400 ° C. × 1 hour. The test piece had a diameter D1 of 8 mm, a V-shaped notch was formed in the center of the test piece, and the test piece diameter D2 at the notch was 6 mm. The radius of curvature of the notch bottom was 0.1 mm, and the notch angle α was 60 °. The average P concentration in the range (surface layer) from the surface of the test piece to the depth of 10 μm corresponds to the P content of each test material.

各試験片に対して、陰極水素チャージ法を用いて、水素を導入した。具体的には、pH3.0の希硫酸中に試験片を浸漬して、電流密度1.0mA/cm2の陰極電解条件で水素を試験片にチャージした。その後、定荷重引張試験を実施して、破断しなかった最大の負荷応力MS(MPa)を求めた。 Hydrogen was introduced into each test piece using a cathodic hydrogen charging method. Specifically, the test piece was immersed in dilute sulfuric acid having a pH of 3.0, and hydrogen was charged to the test piece under cathodic electrolysis conditions with a current density of 1.0 mA / cm 2 . Thereafter, a constant load tensile test was performed to determine the maximum load stress MS (MPa) that did not break.

さらに、焼き入れ焼き戻し処理を行った各供試材から、直径6mmの丸棒引張試験片を採取した。引張試験片を用いて、JIS Z 2241に準拠した引張試験を常温(25℃)、大気中にて実施し、引張強度TS(MPa)を求めた。   Further, a round bar tensile test piece having a diameter of 6 mm was collected from each specimen subjected to quenching and tempering treatment. Using a tensile test piece, a tensile test based on JIS Z 2241 was carried out at room temperature (25 ° C.) and in the atmosphere to obtain a tensile strength TS (MPa).

最大負荷応力MS及び引張強度TSを用いて、次式により水素脆化強度比Wを求めた。
W=MS/TS
Using the maximum load stress MS and the tensile strength TS, the hydrogen embrittlement strength ratio W was determined by the following equation.
W = MS / TS

得られた水素脆化強度比Wに基づいて、図1を作成した。   FIG. 1 was created based on the obtained hydrogen embrittlement strength ratio W.

図1を参照して、表層のPfree濃度[Pfree]が0.002〜0.037質量%の複数の試験片のうち、[Pfree]が0.015質量%以下までは、水素脆化強度比Wが高かった。一方、[Pfree]が0.015質量%を超えると、[Pfree]が0.015質量%以下の場合よりも、耐水素脆化特性が顕著に低下した。つまり、[Pfree]に対する水素脆化強度比Wは、[Pfree]が0.015質量%で変曲点を有した。したがって、[Pfree]が0.015%以下であれば、優れた耐水素脆化特性を示す。   Referring to FIG. 1, among a plurality of test pieces having a Pfree concentration [Pfree] of 0.002 to 0.037% by mass on the surface layer, the hydrogen embrittlement strength ratio is up to 0.015% by mass or less. W was high. On the other hand, when [Pfree] exceeds 0.015% by mass, the hydrogen embrittlement resistance is significantly reduced as compared with the case where [Pfree] is 0.015% by mass or less. That is, the hydrogen embrittlement strength ratio W with respect to [Pfree] had an inflection point when [Pfree] was 0.015 mass%. Therefore, if [Pfree] is 0.015% or less, excellent hydrogen embrittlement resistance is exhibited.

また、図1を参照して、[Pfree]が0.015質量%以下の場合、[Pfree]が低下するほど、より優れた耐水素脆化特性を示した。   Moreover, with reference to FIG. 1, when [Pfree] was 0.015 mass% or less, more excellent hydrogen embrittlement resistance was exhibited as [Pfree] decreased.

高強度ボルトの水素脆化の基点のほとんどは、ボルトの不完全ねじ部の表面、又は、ねじ底部の表面である。高強度ボルトの表面から10μm深さまでの範囲において、Ndと結合していないP(Pfree)の濃度が0.015質量%以下であれば、優れた耐水素脆化特性を示す。   Most of the base points for hydrogen embrittlement of high-strength bolts are the surface of the incomplete threaded part of the bolt or the surface of the threaded bottom part. In the range from the surface of the high-strength bolt to a depth of 10 μm, if the concentration of P (Pfree) not bonded to Nd is 0.015 mass% or less, excellent hydrogen embrittlement resistance is exhibited.

ボルトの製造工程中、冷間鍛造工程では、冷間鍛造前のボルト用鋼材の表面に潤滑皮膜が形成される。潤滑皮膜として通常、リン酸塩皮膜が利用される。冷間鍛造後、リン酸塩皮膜が形成されている鋼材に対して焼入れ及び焼戻しを実施すれば、熱処理中にリン酸塩皮膜中のPが鋼材の表面から内部に浸入する。そのため、高強度ボルトの表層の平均P濃度が高くなる。   During the bolt manufacturing process, in the cold forging process, a lubricating film is formed on the surface of the bolt steel before cold forging. Usually, a phosphate film is used as the lubricating film. If quenching and tempering are performed on the steel material on which the phosphate film is formed after cold forging, P in the phosphate film penetrates from the surface of the steel material to the inside during the heat treatment. Therefore, the average P concentration of the surface layer of the high-strength bolt is increased.

たとえば、Pを含有しない非リン系の潤滑皮膜を用いる、又は、リン酸塩皮膜を用いた後、焼入れ工程前に鋼材の表面を洗浄又は酸洗して、リン酸塩皮膜を表面から除去する。この場合、高強度ボルトの表層の平均P濃度が高くなるのを抑制できる。   For example, a non-phosphorous lubricating film containing no P is used, or after using a phosphate film, the surface of the steel material is washed or pickled before the quenching process to remove the phosphate film from the surface. . In this case, it can suppress that the average P density | concentration of the surface layer of a high intensity | strength bolt becomes high.

以上の知見に基づいて完成した本発明による高強度ボルトは、質量%で、C:0.24〜0.40%、Si:0.01〜0.50%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.020%以下、S:0.020%以下、Cr:0.2〜0.7%、Al:0.005〜0.050%、B:0.001〜0.005%、Ti:0.007〜0.100%、N:0.002〜0.008%、Nd:0.001〜0.100%、Nb:0〜0.050%、Mo:0〜0.30%、及び、V:0〜0.30%を含有し、式(1)を満たす。
[Psurf]−0.215Nd≦0.015 (1)
ここで、[Psurf]には、表面から10μm深さまでの範囲における平均P濃度(質量)が代入される。Ndには、Ndの含有量(質量%)が代入される。
The high-strength bolt according to the present invention completed on the basis of the above findings is mass%, C: 0.24 to 0.40%, Si: 0.01 to 0.50%, Mn: 0.5 to 2. 0%, P: 0.020% or less, S: 0.020% or less, Cr: 0.2 to 0.7%, Al: 0.005 to 0.050%, B: 0.001 to 0.005 %, Ti: 0.007 to 0.100%, N: 0.002 to 0.008%, Nd: 0.001 to 0.100%, Nb: 0 to 0.050%, Mo: 0 to 0.00. It contains 30% and V: 0 to 0.30% and satisfies the formula (1).
[Psurf] −0.215Nd ≦ 0.015 (1)
Here, an average P concentration (mass) in a range from the surface to a depth of 10 μm is substituted for [Psurf]. Nd content (mass%) is substituted for Nd.

上記高強度ボルトの化学組成は、Nb:0.001〜0.050質量%、及び、V:0.01〜0.30質量%からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。さらに、上記高強度ボルトの化学組成は、Mo:0.01〜0.30質量%を含有してもよい。   The chemical composition of the high-strength bolt may include one or more selected from the group consisting of Nb: 0.001 to 0.050 mass% and V: 0.01 to 0.30 mass%. . Furthermore, the chemical composition of the high-strength bolt may include Mo: 0.01 to 0.30 mass%.

本発明による高強度ボルト用鋼は、上述の化学組成を有する。   The steel for high-strength bolts according to the present invention has the chemical composition described above.

以下、本発明による高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼について詳述する。なお、元素に関する「%」は、特に断りがない限り、質量%を意味する。   Hereinafter, the high strength bolt and the steel for high strength bolt according to the present invention will be described in detail. Note that “%” relating to an element means mass% unless otherwise specified.

[化学組成]
本実施形態の高強度ボルトの化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the high-strength bolt of this embodiment contains the following elements.

C:0.24〜0.40%
炭素(C)は、他の合金元素に比べて合金コストが安く、鋼の強度及び焼入れ性を高める。C含有量が0.24%以上であれば、1000MPa以上の降伏強度が得られる。一方、C含有量が高すぎれば、鋼の耐水素脆化特性が低下する。したがって、C含有量は0.24〜0.40%である。高い強度と焼入れ性を得るため、C含有量の好ましい下限は0.27%である。高い耐水素脆化特性を得るため、C含有量の好ましい上限は0.37%である。
C: 0.24-0.40%
Carbon (C) has a lower alloy cost than other alloy elements, and increases the strength and hardenability of the steel. If the C content is 0.24% or more, a yield strength of 1000 MPa or more is obtained. On the other hand, if the C content is too high, the hydrogen embrittlement resistance of the steel decreases. Therefore, the C content is 0.24 to 0.40%. In order to obtain high strength and hardenability, the preferable lower limit of the C content is 0.27%. In order to obtain high hydrogen embrittlement resistance, the preferable upper limit of the C content is 0.37%.

Si:0.01〜0.50%
シリコン(Si)は、鋼の強度及び焼入れ性を高める。Siはさらに、Fe系炭化物εを安定化して焼き戻し軟化抵抗を高める。Siにより焼戻し軟化抵抗を高めることができるため、高温焼戻しを実施して鋼の耐水素脆化特性を高めることができる。Si含有量が低すぎればこの効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、鋼の表面が脱炭する。したがって、Si含有量は0.01〜0.50%である。Si含有量の好ましい上限は0.15%である。
Si: 0.01 to 0.50%
Silicon (Si) increases the strength and hardenability of the steel. Si further stabilizes the Fe-based carbide ε and increases the temper softening resistance. Since temper softening resistance can be increased by Si, high-temperature tempering can be performed to improve the hydrogen embrittlement resistance of the steel. If the Si content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Si content is too high, the steel surface decarburizes. Therefore, the Si content is 0.01 to 0.50%. The upper limit with preferable Si content is 0.15%.

Mn:0.5〜2.0%
マンガン(Mn)は、鋼の強度及び焼入れ性を高める。Mnはさらに、鋼中のSをMnSとして固定する。これにより、FeSが結晶粒界に生成するのを抑制できる。FeSの生成が抑制されれば、赤熱脆性が抑制され、熱間延性が高まる。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、鋼の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Mnの含有量は0.5〜2.0%である。Mn含有量の好ましい上限は1.0%である。
Mn: 0.5 to 2.0%
Manganese (Mn) increases the strength and hardenability of the steel. Mn further fixes S in steel as MnS. Thereby, it can suppress that FeS produces | generates in a crystal grain boundary. If the formation of FeS is suppressed, red hot brittleness is suppressed and hot ductility increases. If the Mn content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Mn content is too high, the hydrogen embrittlement resistance of the steel decreases. Therefore, the Mn content is 0.5 to 2.0%. The upper limit with preferable Mn content is 1.0%.

P:0.020%以下
燐(P)は不純物である。Pは粒界に偏析して鋼の靭性及び耐水素脆化特性を低下する。したがって、P含有量は0.020%以下である。P含有量の好ましい上限は0.015%であり、さらに好ましくは0.010%である。P含有量はなるべく低い方が好ましいが、製造コストを考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0.003%である。
P: 0.020% or less Phosphorus (P) is an impurity. P segregates at the grain boundaries and lowers the toughness and hydrogen embrittlement resistance of the steel. Therefore, the P content is 0.020% or less. The upper limit with preferable P content is 0.015%, More preferably, it is 0.010%. The P content is preferably as low as possible, but considering the production cost, the preferable lower limit of the P content is 0.003%.

S:0.020%以下
硫黄(S)は不純物である。Sは、Feと結合して結晶粒界にFeSを形成し、鋼の熱間延性を低下する。したがって、S含有量は0.020%以下である。S含有量の好ましい上限は0.015%であり、さらに好ましくは0.010%である。S含有量はなるべく低い方が好ましいが、製造コストを考慮すれば、S含有量の好ましい下限は0.003%である。
S: 0.020% or less Sulfur (S) is an impurity. S combines with Fe to form FeS at the grain boundaries, thereby reducing the hot ductility of the steel. Therefore, the S content is 0.020% or less. The upper limit with preferable S content is 0.015%, More preferably, it is 0.010%. The S content is preferably as low as possible, but considering the production cost, the preferable lower limit of the S content is 0.003%.

Cr:0.2〜0.7%
クロム(Cr)は鋼の強度、焼入れ性、及び、焼戻し軟化抵抗を高める。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、Pの粒界偏析が助長される。したがって、Cr含有量は0.2〜0.7%である。
Cr: 0.2-0.7%
Chromium (Cr) increases the strength, hardenability, and temper softening resistance of the steel. If the Cr content is too low, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Cr content is too high, grain boundary segregation of P is promoted. Therefore, the Cr content is 0.2 to 0.7%.

Al:0.005〜0.050%
アルミニウム(Al)は、微細析出物(Al23やAlN)を生成し、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Al含有量は、0.005〜0.050%である。本実施形態において、Al含有量とは、全Alの含有量である。
Al: 0.005 to 0.050%
Aluminum (Al) produces fine precipitates (Al 2 O 3 and AlN) and suppresses coarsening of the prior austenite grain size. If the Al content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Al content is too high, this effect is saturated. Therefore, the Al content is 0.005 to 0.050%. In the present embodiment, the Al content is the total Al content.

B:0.001〜0.005%
ボロン(B)は、鋼の焼入れ性を高める。B含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、B含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、B含有量は、0.001〜0.005%である。B含有量の好ましい上限は0.003%である。
B: 0.001 to 0.005%
Boron (B) increases the hardenability of the steel. If the B content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the B content is too high, this effect is saturated. Therefore, the B content is 0.001 to 0.005%. The upper limit with preferable B content is 0.003%.

Ti:0.007〜0.100%
チタン(Ti)は、鋼中のNをTiNとして固定し、BNの生成を抑制する。したがって、Bを含有する場合、Tiも含有することにより、Bの焼入れ性を高める効果が十分に発揮される。Tiはさらに、微細な析出物(Ti(CN)及びTiC)を生成して、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する。Ti含有量が低すぎれば、これら効果が得られない。一方、Ti含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。したがって、Ti含有量は、0.007〜0.100%である。鋼中のNを固定するためには、質量%で、N量の3.4倍以上のTi量を添加することが好ましい。
Ti: 0.007 to 0.100%
Titanium (Ti) fixes N in steel as TiN and suppresses the generation of BN. Therefore, when B is contained, the effect of improving the hardenability of B is sufficiently exhibited by containing Ti. Ti further generates fine precipitates (Ti (CN) and TiC) to suppress coarsening of the prior austenite grain size. If the Ti content is too low, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Ti content is too high, these effects are saturated. Therefore, the Ti content is 0.007 to 0.100%. In order to fix N in steel, it is preferable to add a Ti amount that is 3.4% or more of the N amount by mass%.

N:0.002〜0.008%
窒素(N)は、Alと反応してAlN、及びTiと反応してTi(CN)などの微細析出物を形成する。微細析出物は、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する。N含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、窒化物及び炭窒化物を形成する金属元素と反応しきれなかったNがBと反応してBNとなり、Bの焼入れ性向上効果が大きく損なわれる。したがって、N含有量は、N:0.002〜0.008%である。N含有量の好ましい上限は0.005%である。
N: 0.002 to 0.008%
Nitrogen (N) reacts with Al to react with AlN and Ti to form fine precipitates such as Ti (CN). Fine precipitates suppress coarsening of the prior austenite grain size. If the N content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the N content is too high, N that could not react with the metal elements forming nitrides and carbonitrides reacts with B to become BN, and the effect of improving the hardenability of B is greatly impaired. Therefore, the N content is N: 0.002 to 0.008%. The upper limit with preferable N content is 0.005%.

Nd:0.001〜0.100%
ネオジム(Nd)は、Pと結合してNdPを形成する。NdPの生成により、Pの粒界偏析が抑制され、鋼の靭性及び耐水素脆化特性の低下が抑制される。NdPは拡散性水素のトラップサイトとなるため、鋼の耐水素脆化特性がさらに高まる。Ndはさらに、MnSを微細化する。微細なMnSは水素のトラップサイトとなるため、鋼中の拡散性水素の濃度が低下し、耐水素脆化特性が高まる。Nd含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Nd含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。したがって、Nd含有量は、0.001〜0.100%である。Nd含有量の好ましい下限は0.005%である。Nd含有量の好ましい上限は0.050%である。
Nd: 0.001 to 0.100%
Neodymium (Nd) combines with P to form NdP. Generation of NdP suppresses the grain boundary segregation of P and suppresses the deterioration of the toughness and hydrogen embrittlement resistance of the steel. Since NdP serves as a diffusible hydrogen trap site, the hydrogen embrittlement resistance of the steel is further enhanced. Nd further refines MnS. Since fine MnS serves as a hydrogen trap site, the concentration of diffusible hydrogen in the steel decreases and the hydrogen embrittlement resistance increases. If the Nd content is too low, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Nd content is too high, these effects are saturated. Therefore, the Nd content is 0.001 to 0.100%. A preferable lower limit of the Nd content is 0.005%. The upper limit with preferable Nd content is 0.050%.

本実施の形態による高強度ボルトの化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、高強度ボルトを工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の高強度ボルトに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。例えば、ミッシュメタルによりNd添加を行った場合、ミッシュメタルに含まれる他の希土類元素(Ce、Laなど)が不純物として鋼中に含まれるが、これらの元素は耐水素脆化特性および引張強さには影響を及ぼさない。   The balance of the chemical composition of the high-strength bolt according to the present embodiment is composed of Fe and impurities. Here, the impurities are mixed from ore as a raw material, scrap, or production environment when industrially manufacturing high-strength bolts, and have an adverse effect on the high-strength bolts of this embodiment. It means what is allowed in the range. For example, when Nd is added with misch metal, other rare earth elements (Ce, La, etc.) contained in the misch metal are contained as impurities in the steel, but these elements are resistant to hydrogen embrittlement and tensile strength. Has no effect.

[任意元素について]
上述の高強度ボルトはさらに、Feの一部に代えて、Nb及びVからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、結晶粒を微細化して鋼の耐水素脆化特性を高める。
[Arbitrary elements]
The high-strength bolt described above may further contain one or more selected from the group consisting of Nb and V in place of part of Fe. All of these elements are optional elements, and refine the crystal grains to improve the hydrogen embrittlement resistance of the steel.

Nb:0〜0.050%
ニオブ(Nb)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Nbは、微細な炭化物、窒化物、及び炭窒化物を生成し、結晶粒(旧オーステナイト粒)を微細化する。結晶粒の微細化により、鋼の耐水素脆化特性が高まる。Nbは特に、Tiと共に安定な(Nb、Ti)(CN)を生成し、鋼を細粒化する。Nbが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Nb含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Nb含有量は、0〜0.050%である。Nb含有量の好ましい下限は0.001%である。Nb含有量の好ましい上限は0.030%である。
Nb: 0 to 0.050%
Niobium (Nb) is an optional element and may not be contained. When contained, Nb produces fine carbides, nitrides, and carbonitrides and refines crystal grains (former austenite grains). The refinement of crystal grains increases the hydrogen embrittlement resistance of steel. Nb particularly produces stable (Nb, Ti) (CN) with Ti and refines the steel. If Nb is contained even a little, this effect can be obtained to some extent. However, if the Nb content is too high, this effect is saturated. Therefore, the Nb content is 0 to 0.050%. The minimum with preferable Nb content is 0.001%. The upper limit with preferable Nb content is 0.030%.

V:0〜0.30%
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Vは、微細な炭化物及び窒化物を形成し、結晶粒(旧オーステナイト粒)を微細化する。これにより、鋼の耐水素脆化特性が高まる。Vが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、V含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、V含有量は、0〜0.30%である。V含有量の好ましい下限は0.01%である。
V: 0 to 0.30%
Vanadium (V) is an optional element and may not be contained. When contained, V forms fine carbides and nitrides and refines crystal grains (former austenite grains). This increases the hydrogen embrittlement resistance of the steel. If V is contained even a little, this effect can be obtained to some extent. However, this effect is saturated if the V content is too high. Therefore, the V content is 0 to 0.30%. A preferable lower limit of the V content is 0.01%.

本発明による高強度ボルトはさらに、Feの一部に代えて、Moを含有してもよい。   The high-strength bolt according to the present invention may further contain Mo instead of a part of Fe.

Mo:0〜0.30%
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moは、鋼の強度、焼入れ性、及び焼戻し軟化抵抗を高める。Moが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、製造コストが高くなる。したがって、Mo含有量は、0〜0.30%である。Mo含有量の好ましい下限は0.01%である。Mo含有量の好ましい上限は0.15%である。
Mo: 0 to 0.30%
Molybdenum (Mo) is an optional element and may not be contained. When contained, Mo increases the strength, hardenability, and temper softening resistance of the steel. If Mo is contained even a little, this effect can be obtained to some extent. However, if the Mo content is too high, the manufacturing cost increases. Therefore, the Mo content is 0 to 0.30%. A preferable lower limit of the Mo content is 0.01%. The upper limit with preferable Mo content is 0.15%.

なお、本発明による高強度ボルト用鋼は、上述の化学組成を有する。   In addition, the steel for high strength bolts by this invention has the above-mentioned chemical composition.

[表層のPfree濃度]
本発明による高強度ボルトでは、表層のPfree濃度([Pfree])が0.015%以下である。前述のとおり、[Pfree]が0.015%以下であれば、水素脆化強度比Wを高く維持することができ、優れた耐水素脆化特性が得られる。
[Pfree concentration of surface layer]
In the high-strength bolt according to the present invention, the Pfree concentration ([Pfree]) of the surface layer is 0.015% or less. As described above, when [Pfree] is 0.015% or less, the hydrogen embrittlement strength ratio W can be kept high, and excellent hydrogen embrittlement resistance can be obtained.

[Pfree]=[Psurf]−0.215Nd
ここで、[Psurf]には、表面から10μm深さまでの範囲における平均P濃度が代入される。Ndには、Ndの含有量(質量%)が代入される。
[Pfree] = [Psurf] −0.215 Nd
Here, an average P concentration in a range from the surface to a depth of 10 μm is substituted for [Psurf]. Nd content (mass%) is substituted for Nd.

平均P濃度は次の方法で求められる。高強度ボルトを表面に対して垂直に切断して、サンプルを採取する。観察表面に対して鏡面研磨加工仕上の処理を行う。測定点において、表面から10μm深さまでの範囲(つまり表層)におけるP濃度を、0.5μmピッチで、電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro Analyser)により求める。求めたP濃度の平均を、平均P濃度(%)と定義する。   The average P concentration is obtained by the following method. A high strength bolt is cut perpendicular to the surface and a sample is taken. The surface to be observed is mirror polished. At the measurement point, the P concentration in the range from the surface to a depth of 10 μm (that is, the surface layer) is obtained with an electron probe microanalyzer (EPMA) at a pitch of 0.5 μm. The average of the obtained P concentrations is defined as the average P concentration (%).

前述のとおり、冷間鍛造時の潤滑剤であるリン酸塩石けん皮膜をボルト表面に付着させたまま焼入れ焼戻し処理を行えば、当該皮膜に含まれるPが鋼中に浸入する。鋼中に浸入したPにより、表層のP濃度が上昇し、通常、0.1%を超える。したがってこの場合、本発明で規定されるNd含有量(0.001〜0.100%)では、全てのPをNdPとしてトラップすることは困難である。   As described above, when the quenching and tempering treatment is performed with the phosphate soap film, which is a lubricant during cold forging, attached to the bolt surface, P contained in the film penetrates into the steel. The P concentration in the surface layer is increased by P that has entered the steel, and usually exceeds 0.1%. Therefore, in this case, it is difficult to trap all P as NdP with the Nd content (0.001 to 0.100%) defined in the present invention.

また、Pの原子量は約31であり、Ndの原子量は約144である。したがって、質量%で、表面P濃度の約4.6倍のNdを含有させれば、NdPによりPをトラップしてPの無害化が図れる。しかしながら、この方法では、製造コストが大幅に増加する。   The atomic weight of P is about 31, and the atomic weight of Nd is about 144. Accordingly, if Nd is contained in an amount of about 4.6 times the surface P concentration by mass%, P can be trapped by NdP and detoxified. However, this method greatly increases the manufacturing cost.

したがって、Ndにより耐水素脆化特性を向上させるためには、焼入れ焼戻し時に、鋼材表面からPが鋼中に浸入することを抑制する必要がある。その抑制方法はたとえば、非リン系の潤滑皮膜を用いる、又は、焼入れ焼戻し前にリン酸塩皮膜をボルト表面から除去する等である。   Therefore, in order to improve the hydrogen embrittlement resistance by Nd, it is necessary to prevent P from entering the steel from the steel surface during quenching and tempering. The suppression method is, for example, using a non-phosphorous lubricant film or removing the phosphate film from the bolt surface before quenching and tempering.

[製造方法]
本発明による高強度ボルトの製造方法の一例について説明する。初めに、周知の製造方法により高強度ボルト用鋼を製造する(素材製造工程)。その後、高強度ボルト用鋼を用いて、高強度ボルトを製造する(ボルト製造工程)。以下、各工程について説明する。
[Production method]
An example of the manufacturing method of the high strength bolt by this invention is demonstrated. First, steel for high-strength bolts is manufactured by a known manufacturing method (raw material manufacturing process). Then, a high strength bolt is manufactured using the steel for high strength bolts (bolt manufacturing process). Hereinafter, each step will be described.

[素材製造工程]
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。製造された鋳片又はインゴットを分塊圧延して鋼片にする。鋼片を熱間加工して、高強度ボルト用鋼材(線材)とする。熱間加工はたとえば、熱間圧延である。
[Material manufacturing process]
A molten steel having the above chemical composition is produced. A slab is manufactured by a continuous casting method using molten steel. Or an ingot is manufactured by an ingot-making method using molten steel. The produced slab or ingot is rolled into a steel slab. The steel piece is hot-worked to obtain a steel material (wire) for high-strength bolts. Hot working is, for example, hot rolling.

[ボルト製造工程]
ボルト製造工程では、ボルト用鋼材を用いて高強度ボルトを製造する。ボルト製造工程は、伸線工程、冷間鍛造工程、及び、焼入れ及び焼戻し工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。
[Bolt manufacturing process]
In the bolt manufacturing process, high-strength bolts are manufactured using steel materials for bolts. The bolt manufacturing process includes a wire drawing process, a cold forging process, and a quenching and tempering process. Hereinafter, each process will be described.

[伸線工程及び冷間鍛造工程]
初めに、線材に対して伸線加工を実施して鋼線を製造する。伸線加工は、一次伸線のみであってもよいし、二次伸線等、複数回の伸線加工を実施してもよい。伸線時において、線材の表面に潤滑皮膜を形成する。潤滑皮膜はたとえば、リン酸塩皮膜や非リン系の潤滑皮膜である。
[Wire drawing process and cold forging process]
First, a steel wire is manufactured by drawing a wire. The wire drawing may be performed only by primary wire drawing, or may be performed a plurality of times such as secondary wire drawing. At the time of wire drawing, a lubricating film is formed on the surface of the wire. The lubricating film is, for example, a phosphate film or a non-phosphorous lubricating film.

好ましくは、Pを含有しない非リン系の潤滑皮膜を用いる。又は、リン酸塩皮膜を用いた場合、後述の焼入れ工程前において、鋼材(鋼線)表面を洗浄又は酸洗して、リン酸塩皮膜を表面から除去する。洗浄はたとえば周知のアルカリ洗浄である。この場合、製造された高強度ボルトの表層のPfree濃度が0.015%以下となる。   Preferably, a non-phosphorous lubricating film containing no P is used. Or when a phosphate membrane | film | coat is used, before the below-mentioned hardening process, the steel material (steel wire) surface is wash | cleaned or pickled, and a phosphate membrane | film | coat is removed from the surface. The cleaning is, for example, a well-known alkali cleaning. In this case, the Pfree concentration of the surface layer of the manufactured high-strength bolt is 0.015% or less.

[冷間鍛造工程]
伸線後の鋼材を所定の長さに切断して、切断された鋼材に対して冷間鍛造を実施してボルトを製造する。冷間鍛造時においても、伸線工程と同様の潤滑皮膜を鋼材表面に再度形成してもよい。また、伸線工程で潤滑皮膜を形成した後、再度潤滑皮膜を形成することなく冷間鍛造を実施してもよい。
[Cold forging process]
The drawn steel material is cut to a predetermined length, and the forged steel material is cold forged to produce a bolt. Even during cold forging, a lubricating film similar to that in the wire drawing step may be formed again on the surface of the steel material. Further, after forming the lubricating film in the wire drawing step, cold forging may be performed without forming the lubricating film again.

なお、強度が高すぎるボルト用鋼材(線材)の軟化を目的として、伸線工程前及び冷間鍛造工程前に、軟化熱処理を複数回実施してもよい。また、上記伸線工程は省略されてもよい。   In addition, you may implement softening heat processing in multiple times before a wire drawing process and a cold forging process for the purpose of softening of the steel material for bolts (wire) which is too strong. Moreover, the said wire drawing process may be abbreviate | omitted.

[焼入れ及び焼戻し工程]
冷間鍛造により製造されたボルトに対して、周知の条件で焼入れ及び焼戻しを実施して、ボルトの引張強度を1000MPa以上に調整する。上述のとおり、焼入れ焼戻し前のボルトの表面にリン酸塩皮膜が形成されている場合、焼入れ焼戻しによりボルト表面からPが浸入してしまう。そこで、本実施形態では、伸線工程及び冷間鍛造工程での潤滑皮膜として、非リン系の潤滑皮膜を用いる、又は、焼入れ焼戻し前にリン酸塩皮膜をボルト表面から除去する。これにより、焼入れ焼戻し中にPが鋼材表面から鋼中に浸入することがなく、焼入れ焼戻し後の高強度ボルトの表層のPfree濃度が0.015%以下になる。
[Quenching and tempering process]
The bolt manufactured by cold forging is quenched and tempered under known conditions to adjust the tensile strength of the bolt to 1000 MPa or more. As described above, when a phosphate film is formed on the surface of the bolt before quenching and tempering, P penetrates from the bolt surface by quenching and tempering. Therefore, in the present embodiment, a non-phosphorous lubricating film is used as the lubricating film in the wire drawing process and the cold forging process, or the phosphate film is removed from the bolt surface before quenching and tempering. Thus, P does not enter the steel from the steel surface during quenching and tempering, and the Pfree concentration of the surface layer of the high-strength bolt after quenching and tempering is 0.015% or less.

以上の製造工程により、本実施形態の高強度ボルトが製造される。   The high-strength bolt of this embodiment is manufactured by the above manufacturing process.

表2の化学組成を有する溶鋼を真空溶解炉で製造した。   Molten steel having the chemical composition shown in Table 2 was produced in a vacuum melting furnace.

Figure 2017078209
Figure 2017078209

上記溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを製造した。インゴットを熱間鍛伸して、直径16mmの丸棒(本発明における高強度ボルト用鋼に相当)を製造した。製造された丸棒から、図2に示す環状切欠き付き耐水素脆化試験片を機械加工にて採取した。採取された耐水素脆化試験片の表面に対して、表2に示す潤滑剤を塗布して潤滑皮膜を形成した。その後、潤滑皮膜を付けたままの耐水素脆化試験片、及び丸棒に対して、焼入れ焼戻しを実施した。焼入れ温度は表2に示すとおりであった。焼戻しは、いずれの試験番号においても400℃で1時間保持した。焼入れ焼き戻しを実施した丸棒から、直径6mmの丸棒引張試験片を機械加工にて採取した。以上の製造工程により、高強度ボルトを模擬した耐水素脆化試験片、及び丸棒引張試験片を製造した。   An ingot was produced by the ingot-making method using the molten steel. The ingot was hot forged to produce a round bar having a diameter of 16 mm (corresponding to the steel for high-strength bolts in the present invention). From the manufactured round bar, a hydrogen embrittlement test piece with an annular notch shown in FIG. 2 was collected by machining. The lubricant shown in Table 2 was applied to the surface of the collected hydrogen embrittlement test piece to form a lubricant film. Thereafter, quenching and tempering were performed on the hydrogen embrittlement test specimens and the round bars with the lubricating film attached. The quenching temperature was as shown in Table 2. Tempering was held at 400 ° C. for 1 hour in all test numbers. A round bar tensile test piece having a diameter of 6 mm was collected by machining from a round bar subjected to quenching and tempering. By the above manufacturing process, a hydrogen embrittlement test piece simulating a high-strength bolt and a round bar tensile test piece were manufactured.

[耐水素脆化特性試験]
各試験番号の耐水素脆化試験片に対して、陰極水素チャージ法を用いて、水素を導入した。具体的には、pH3.0の希硫酸中に試験片を浸漬して、電流密度1.0mA/cm2の陰極電解条件で水素を試験片にチャージした。その後、定荷重引張試験を実施して、破断しなかった最大の負荷応力MS(MPa)を求めた。
[Hydrogen embrittlement resistance test]
Hydrogen was introduced into the hydrogen embrittlement resistant test piece of each test number using the cathode hydrogen charging method. Specifically, the test piece was immersed in dilute sulfuric acid having a pH of 3.0, and hydrogen was charged to the test piece under cathodic electrolysis conditions with a current density of 1.0 mA / cm 2 . Thereafter, a constant load tensile test was performed to determine the maximum load stress MS (MPa) that did not break.

[引張試験]
さらに、同じ試験番号の丸棒引張試験片を用いて、JIS Z 2241に準拠した引張試験を常温(25℃)、大気中にて実施し、引張強度TS(MPa)を求めた。最大負荷応力MS及び引張強度TSを用いて、次式により水素脆化強度比Wを求めた。
W=MS/TS
[Tensile test]
Furthermore, using a round bar tensile test piece having the same test number, a tensile test based on JIS Z 2241 was carried out at room temperature (25 ° C.) and in the atmosphere to obtain a tensile strength TS (MPa). Using the maximum load stress MS and the tensile strength TS, the hydrogen embrittlement strength ratio W was determined by the following equation.
W = MS / TS

[表面P濃度測定試験]
耐水素脆化特性試験後の試験片の切欠き部の断面を研磨した。切欠き底の表面から10μm深さまでの範囲の平均P濃度を電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro Analyser)を用いて測定した。具体的には、0.5μmピッチでP濃度を測定し、その平均値を平均P濃度(質量%)と定義した。
[Surface P concentration measurement test]
The cross section of the notch of the test piece after the hydrogen embrittlement resistance test was polished. The average P concentration in the range from the surface of the notch bottom to a depth of 10 μm was measured using an electron probe microanalyzer (EPMA). Specifically, the P concentration was measured at a pitch of 0.5 μm, and the average value was defined as the average P concentration (mass%).

[試験結果]
表2に、表層平均P濃度、表層のPfree濃度、引張強さ(TS)、及び水素脆化強度比(W)の試験結果を示す。
[Test results]
Table 2 shows the test results of the surface average P concentration, surface Pfree concentration, tensile strength (TS), and hydrogen embrittlement strength ratio (W).

試験番号1〜7の化学組成は適切であり、製造条件も適切であった。そのため、各試験番号の表層のPfree濃度は0.015%以下であった。その結果、引張強さTSが1000MPa以上であり、かつ、水素脆化強度比が0.7以上であり、優れた強度及び耐水素脆化特性を示した。   The chemical compositions of test numbers 1 to 7 were appropriate, and the manufacturing conditions were also appropriate. Therefore, the Pfree concentration in the surface layer of each test number was 0.015% or less. As a result, the tensile strength TS was 1000 MPa or more, the hydrogen embrittlement strength ratio was 0.7 or more, and excellent strength and hydrogen embrittlement resistance were exhibited.

一方、試験番号8のC含有量及びMn含有量は低すぎた。その結果、引張強度が1000MPa未満であり、強度が低かった。   On the other hand, the C content and Mn content of Test No. 8 were too low. As a result, the tensile strength was less than 1000 MPa and the strength was low.

試験番号9のC含有量は高すぎた。その結果、水素脆化強度比Wが低かった。   The C content of test number 9 was too high. As a result, the hydrogen embrittlement strength ratio W was low.

試験番号10のMn含有量は高すぎた。その結果、水素脆化強度比Wが低かった。   The Mn content of test number 10 was too high. As a result, the hydrogen embrittlement strength ratio W was low.

試験番号11のP含有量は高すぎた。その結果、表層のPfree濃度が高すぎ、水素脆化強度比が低かった。   The P content of test number 11 was too high. As a result, the Pfree concentration in the surface layer was too high, and the hydrogen embrittlement strength ratio was low.

試験番号12のN含有量は高すぎた。その結果、引張強度が1000MPa未満であった。BNが形成され、焼入れ性が低かったためと考えられる。   The N content of test number 12 was too high. As a result, the tensile strength was less than 1000 MPa. This is probably because BN was formed and the hardenability was low.

試験番号13ではNdが含有されなかった。そのため、表層のPfree濃度が高すぎ、水素脆化強度比が低かった。   In test number 13, Nd was not contained. Therefore, the Pfree concentration in the surface layer was too high, and the hydrogen embrittlement strength ratio was low.

試験番号14では、化学組成は適切であるものの、冷間鍛造時の潤滑剤として、リン酸塩石けん皮膜を使用し、リン酸塩石けん皮膜を供試材の表面に付着させたまま焼入れ焼戻し処理を実施した。そのため、表層のPfree濃度が高すぎ、水素脆化強度比が低かった。   In Test No. 14, although the chemical composition is appropriate, a phosphate soap film is used as a lubricant during cold forging, and the quenching and tempering treatment is performed with the phosphate soap film adhered to the surface of the test material. Carried out. Therefore, the Pfree concentration in the surface layer was too high, and the hydrogen embrittlement strength ratio was low.

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above-described embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately changing the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

Claims (6)

質量%で、
C:0.24〜0.40%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.5〜2.0%、
P:0.020%以下、
S:0.020%以下、
Cr:0.2〜0.7%、
Al:0.005〜0.050%、
B:0.001〜0.005%、
Ti:0.007〜0.100%、
N:0.002〜0.008%、
Nd:0.001〜0.100%、
Nb:0〜0.050%、
Mo:0〜0.30%、及び、
V:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、式(1)を満たす、高強度ボルト。
[Psurf]−0.215Nd≦0.015 (1)
ここで、[Psurf]には、表面から10μm深さまでの範囲における平均P濃度(質量%)が代入される。Ndには、Ndの含有量(質量%)が代入される。
% By mass
C: 0.24 to 0.40%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.5 to 2.0%
P: 0.020% or less,
S: 0.020% or less,
Cr: 0.2 to 0.7%
Al: 0.005 to 0.050%,
B: 0.001 to 0.005%,
Ti: 0.007 to 0.100%,
N: 0.002 to 0.008%,
Nd: 0.001 to 0.100%,
Nb: 0 to 0.050%,
Mo: 0 to 0.30%, and
V: A high-strength bolt containing 0 to 0.30%, the balance having a chemical composition of Fe and impurities, and satisfying the formula (1).
[Psurf] −0.215Nd ≦ 0.015 (1)
Here, an average P concentration (mass%) in a range from the surface to a depth of 10 μm is substituted into [Psurf]. Nd content (mass%) is substituted for Nd.
請求項1に記載の高強度ボルトであって、質量%で、
Nb:0.001〜0.050%、及び、
V:0.01〜0.30%からなる群から選択される1種以上を含有する、高強度ボルト。
The high-strength bolt according to claim 1, wherein the mass% is
Nb: 0.001 to 0.050% and
V: A high-strength bolt containing one or more selected from the group consisting of 0.01 to 0.30%.
請求項1又は請求項2に記載の高強度ボルトであって、質量%で、
Mo:0.01〜0.30%を含有する、高強度ボルト。
The high-strength bolt according to claim 1 or 2, in mass%,
Mo: A high-strength bolt containing 0.01 to 0.30%.
質量%で、
C:0.24〜0.40%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.5〜2.0%、
P:0.020%以下、
S:0.020%以下、
Cr:0.2〜0.7%、
Al:0.005〜0.050%、
B:0.001〜0.005%、
Ti:0.007〜0.100%、
N:0.002〜0.008%、
Nd:0.001〜0.100%、
Nb:0〜0.050%、
Mo:0〜0.30%、及び、
V:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する、高強度ボルト用鋼。
% By mass
C: 0.24 to 0.40%,
Si: 0.01 to 0.50%,
Mn: 0.5 to 2.0%
P: 0.020% or less,
S: 0.020% or less,
Cr: 0.2 to 0.7%
Al: 0.005 to 0.050%,
B: 0.001 to 0.005%,
Ti: 0.007 to 0.100%,
N: 0.002 to 0.008%,
Nd: 0.001 to 0.100%,
Nb: 0 to 0.050%,
Mo: 0 to 0.30%, and
V: Steel for high-strength bolts having a chemical composition containing 0 to 0.30% and the balance being Fe and impurities.
請求項4に記載の高強度ボルト用鋼であって、質量%で、
Nb:0.001〜0.050%、及び、
V:0.01〜0.30%からなる群から選択される1種以上を含有する、高強度ボルト用鋼。
It is steel for high strength bolts according to claim 4, Comprising:
Nb: 0.001 to 0.050% and
V: Steel for high-strength bolts containing at least one selected from the group consisting of 0.01 to 0.30%.
請求項4又は請求項5に記載の高強度ボルト用鋼であって、質量%で、
Mo:0.01〜0.30%を含有する、高強度ボルト用鋼。
The high-strength bolt steel according to claim 4 or 5, wherein the steel is for mass%.
Mo: Steel for high-strength bolts containing 0.01 to 0.30%.
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