JP2020128592A - Bolt, steel for bolt, and manufacturing method of bolt - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は，ボルト、ボルト用鋼、及びボルトの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a bolt, a steel for bolts, and a method for manufacturing a bolt.
自動車や産業機械の高性能化、軽量化、あるいは土木・建築構造物の大型化に伴い、ボルトの高強度化が要求されている。
ボルトには、ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６で規定されたＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０などの機械構造用合金鋼が用いられる。ボルトは、機械構造用合金鋼を所定の形状に成形後、焼入れ−焼戻し処理で強度を調整する。
ボルトを高強度化するためには、鋼材の炭素量を高める、あるいは焼戻し温度を低くすればよい。
As automobiles and industrial machines have higher performance and lighter weight, and as civil engineering and building structures have become larger, higher strength bolts have been required.
For the bolt, alloy steel for machine structure such as SCM435 and SCM440 defined by JIS G 4053:2016 is used. The bolt has its strength adjusted by quenching and tempering after forming the alloy steel for machine structure into a predetermined shape.
In order to increase the strength of the bolt, the carbon content of the steel material may be increased or the tempering temperature may be lowered.
しかしながら、引張強さが１２００ＭＰａを超えるようなボルトでは、水素脆化の一種である遅れ破壊が問題となる。遅れ破壊は、静的応力下に置かれた部品が、ある時間経過後に突然、脆性的に破壊する現象である。
遅れ破壊は、水素の侵入に起因する現象であり、鋼材の強度が高くなるほど、遅れ破壊に至る水素侵入量の臨界値が低下する。
ボルトが屋外、特に、海水、融雪塩などが飛来する環境で使用される場合には、塩分付着によって水素侵入量が多くなり、遅れ破壊の可能性が高まる。
However, with bolts having a tensile strength of more than 1200 MPa, delayed fracture, which is a type of hydrogen embrittlement, poses a problem. Delayed fracture is a phenomenon in which a component placed under static stress suddenly becomes brittle after a certain period of time.
Delayed fracture is a phenomenon caused by the penetration of hydrogen, and the higher the strength of the steel material, the lower the critical value of the amount of hydrogen penetration that leads to delayed fracture.
When the bolt is used outdoors, particularly when it is used in an environment where seawater, snow-melting salt, etc. come in, the amount of hydrogen invading increases due to salt deposition and the possibility of delayed fracture increases.
そこで、従来から、耐遅れ破壊性に優れたボルトが検討されている。
例えば、特許文献１には、水素のトラップサイトとなるＶ炭窒化物を活用した、引張強さが１２００〜１６００ＭＰａの、耐遅れ破壊特性に優れたボルトおよび鋼材が開示されている。
Therefore, bolts having excellent delayed fracture resistance have been studied.
For example, Patent Document 1 discloses a bolt and a steel material that utilize V carbonitride that serves as a hydrogen trap site, have a tensile strength of 1200 to 1600 MPa, and are excellent in delayed fracture resistance.
最近は、特許文献１のボルトよりも、さらに高強度で、かつ、耐遅れ破壊特性に優れたボルトが求められている。
本発明の課題は、一般的に遅れ破壊が生じる可能性が高い、引張強さが１６００ＭＰａ以上の高い強度レベルにおいて、優れた耐遅れ破壊特性を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供することにある。
Recently, there has been a demand for a bolt having higher strength and excellent delayed fracture resistance than the bolt of Patent Document 1.
An object of the present invention is to provide a bolt having excellent delayed fracture resistance at a high strength level of a tensile strength of 1600 MPa or more, which is generally likely to cause delayed fracture, a manufacturing method thereof, and a bolt which is a material thereof. To provide steel.
発明者らは、ボルトの素材として所定の化学組成を有し、かつ、ＭｏおよびＶの含有量が以下の式（１）を満たす鋼材を採用することで、水素のトラップサイトとなるＭＣ、Ｍ２Ｃ炭化物がボルト中に分散することを見出した。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
その結果、発明者らは、高強度で、かつ優れた耐遅れ破壊特性を有するボルトが得られることを見出した。
上記課題は、以下の手段により解決される。
The inventors have adopted a steel material having a predetermined chemical composition as the material of the bolt and having Mo and V contents satisfying the following formula (1), thereby forming MC and M that become hydrogen trap sites. It has been found that 2 C carbides are dispersed in the bolt.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70 (1)
As a result, the inventors have found that a bolt having high strength and excellent delayed fracture resistance can be obtained.
The above problem can be solved by the following means.
＜１＞ 化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．３６〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％、
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％、
Ｖ ：０．５０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｐ：０．０１５％、
Ｓ：０．０１５％、
Ｏ：０．００３０％、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
かつ、下記式（１）を満たし、
引張強さが、１６００ＭＰａ以上である、ボルト。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
＜２＞ 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で
Ｔｉ：０．１００％以下、
Ｎｂ：０．１００％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、
Ｗ：２．５０％以下、及び
ＲＥＭ：０．０２０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む＜１＞に記載のボルト。
＜３＞ 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で
Ｐｂ：０．０５％以下
Ｃｄ：０．０５％以下
Ｃｏ：０．０５％以下
Ｚｎ：０．０５％以下
Ｃａ：０．０２％以下、及び
Ｚｒ：０．０２％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む＜１＞又は＜２＞に記載のボルト。
＜４＞ ３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であり、
３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、水素透過防止めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷した時の、破断に至るまでの時間が１００時間以上である＜１＞又は＜２＞に記載のボルト。
<1> The chemical composition is% by mass,
C: 0.36-0.50%,
Si: 0.02 to 0.10%,
Mn: 0.20 to 0.84%,
Cr: 0.62 to 1.98%,
V: 0.50 to 1.20%,
Mo: 0.99 to 3.50%,
Al: 0.010 to 0.100%,
N: 0.0010 to 0.0300%,
P: 0.015%,
S: 0.015%,
O: 0.0030% and the balance: Fe and impurities,
And, the following formula (1) is satisfied,
A bolt having a tensile strength of 1600 MPa or more.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70 (1)
However, in the formula (1), the mass% of Mo and V contained in the bolt is substituted for Mo and V, respectively.
<2> The chemical composition is, in place of a part of the Fe, mass% Ti: 0.100% or less,
Nb: 0.100% or less,
B: 0.0050% or less,
The bolt according to <1>, further including one or more selected from the group consisting of W: 2.50% or less and REM: 0.020% or less.
<3> In the chemical composition, Pb: 0.05% or less, Cd: 0.05% or less, Co: 0.05% or less, Zn: 0.05% or less, Ca: The bolt according to <1> or <2>, further including one or more selected from the group consisting of 0.02% or less and Zr: 0.02% or less.
<4> The amount of trapped hydrogen after cathodic hydrogen charging for 72 hours at a current density of 0.2 mA/cm 2 in a room temperature solution in which 3 g of ammonium thiocyanate was added per 1 L to 3% by mass of sodium chloride was 7. 0 ppm or more,
In a room temperature solution prepared by adding 0.3 g of ammonium thiocyanate per liter to 3% by mass of sodium chloride, a cathode was charged with hydrogen at a current density of 0.03 mA/cm 2 for 24 hours, and then hydrogen permeation preventive plating was performed. The bolt according to <1> or <2>, which has a time of 100 hours or more before breaking when a constant load of 0.9 times the tensile strength is applied after being left for 96 hours.
＜５＞ ＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の化学組成を有するボルト用鋼をボルト形状に成形し、
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、焼入れ処理を行い、
５３０〜６９０℃の温度範囲で焼戻し処理を行う、ボルトの製造方法。
＜６＞ ＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のボルトの素材であるボルト用鋼であって、
＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の化学組成および引張強さを有し、
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、加熱温度から２００℃に至るまで、５℃／秒以上の冷却速度で焼入れ処理を行い、５３０〜６９０℃の温度範囲及び３０分〜４時間の保持時間で焼戻した場合の引張強さが１６００ＭＰａ以上になる得るボルト用鋼。
<5> A bolt steel having the chemical composition according to any one of <1> to <3> is formed into a bolt shape,
After heating to a temperature of Ac 3 points or higher, quenching treatment is performed,
A method for manufacturing a bolt, which comprises performing a tempering treatment in a temperature range of 530 to 690°C.
<6> A bolt steel, which is a material of the bolt according to any one of <1> to <4>,
<1> to <3> has a chemical composition and tensile strength according to any one of
After heating to a temperature of Ac 3 points or more, quenching treatment is performed at a cooling rate of 5°C/sec or more from the heating temperature to 200°C, a temperature range of 530 to 690°C and a holding time of 30 minutes to 4 hours. Steel for bolts that can have a tensile strength of 1600 MPa or more when tempered in.
本発明によれば、１６００ＭＰａ以上の高強度で、かつ、優れた耐遅れ破壊強度を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a bolt having a high strength of 1600 MPa or more and an excellent delayed fracture resistance, a method for manufacturing the bolt, and a bolt steel that is a material for the bolt.
以下、本発明の一例である実施形態について詳細に説明する。
なお、本明細書中において、化学組成の各元素の含有量の「％」表示は、「質量％」を意味する。
化学組成の各元素の含有量を「元素量」と表記することがある。例えば、Ｃの含有量は、Ｃ量と表記することがある。
「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
「〜」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
Hereinafter, an embodiment which is an example of the present invention will be described in detail.
In the present specification, the "%" display of the content of each element of the chemical composition means "mass %".
The content of each element in the chemical composition may be referred to as "elemental content". For example, the content of C may be expressed as the amount of C.
The numerical range represented by "-" means a range including the numerical values described before and after "-" as the lower limit value and the upper limit value.
When the numerical values described before and after "to" are marked with "extra" or "less than", the numerical range means a range that does not include these numerical values as the lower limit value or the upper limit value.
The term "step" is included in the term not only as an independent step, but also when the intended purpose of the step is achieved even when it cannot be clearly distinguished from other steps.
＜ボルト＞
本実施形態に係るボルトは 化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．３６〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％、
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％、
Ｖ ：０．５０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
かつ、下記式（１）を満たし、
引張強さが、１６００ＭＰａ以上である。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
<Bolt>
The bolt according to the present embodiment has a chemical composition of mass%,
C: 0.36-0.50%,
Si: 0.02 to 0.10%,
Mn: 0.20 to 0.84%,
Cr: 0.62 to 1.98%,
V: 0.50 to 1.20%,
Mo: 0.99 to 3.50%,
Al: 0.010 to 0.100%,
N: 0.0010 to 0.0300%,
P: 0.015% or less,
S: 0.015% or less,
O: 0.0030% or less, and the balance: Fe and impurities,
And, the following formula (1) is satisfied,
The tensile strength is 1600 MPa or more.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70 (1)
However, in the formula (1), the mass% of Mo and V contained in the bolt is substituted for Mo and V, respectively.
[ボルトの化学組成]
本実施形態に係るボルトの化学組成は、以下のとおりである。
[Chemical composition of bolts]
The chemical composition of the bolt according to the present embodiment is as follows.
（必須元素）
Ｃ ：０．３６〜０．５０％
Ｃは、鋼の強度を向上させる元素であり、ボルトの強度を高める。Ｃ量が０．３６％未満であると、ボルトとして必要な強度が得られない。一方、Ｃ量が０．５０％よりも多いと、冷間加工性が低下する。
従って、Ｃ量は０．３６〜０．５０％とする。なお、好ましいＣ量は０．４０〜０．４６％である。
(Essential element)
C: 0.36-0.50%
C is an element that improves the strength of steel and increases the strength of bolts. If the C content is less than 0.36%, the strength required for a bolt cannot be obtained. On the other hand, if the amount of C is more than 0.50%, the cold workability deteriorates.
Therefore, the amount of C is set to 0.36 to 0.50%. The preferable amount of C is 0.40 to 0.46%.
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％
Ｓｉは、含有量を低減することで耐遅れ破壊強度を向上させることができる。耐遅れ破壊強度を高めるため、Ｓｉ量を０．１０％以下とする。一方、０．０２％未満としても耐遅れ破壊強度の向上は飽和し、また製鋼工程におけるコストが増大する。
従って、Ｓｉ量は０．０２〜０．１０％とする。なお、好ましいＳｉ量は０．０２〜０．０８％である。
Si: 0.02-0.10%
Si can improve the delayed fracture resistance by reducing the content. In order to increase the delayed fracture resistance, the Si content is set to 0.10% or less. On the other hand, even if it is less than 0.02%, the improvement in delayed fracture strength is saturated, and the cost in the steelmaking process increases.
Therefore, the Si amount is 0.02 to 0.10%. The preferable amount of Si is 0.02 to 0.08%.
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％
Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを形成し、Ｓの粒界偏析を防止する。また、焼入れ性向上の作用を有する。Ｍｎ量が０．２０％未満であると、Ｓの粒界偏析が大きくなり耐遅れ破壊強度が低下する。一方、Ｍｎ量が０．８４％を超えると、部品形状に加工する際の冷間加工性が低下する。
従って、Ｍｎ量は０．２０〜０．８４％とする。なお、好ましいＭｎ量は０．３０〜０．７５％である。
Mn: 0.20 to 0.84%
Mn combines with S to form MnS and prevents the grain boundary segregation of S. It also has the effect of improving hardenability. If the amount of Mn is less than 0.20%, the segregation of S in the grain boundaries becomes large, and the delayed fracture resistance decreases. On the other hand, if the amount of Mn exceeds 0.84%, the cold workability at the time of processing into the shape of the component is deteriorated.
Therefore, the Mn content is set to 0.20 to 0.84%. The preferable amount of Mn is 0.30 to 0.75%.
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を確保するために有効な元素である。Ｃｒ量が０．６２％未満であると、焼入れ性向上の効果が不十分となる。一方、Ｃｒ量が１．９８％を超えると、鋼の冷間加工性が低下する。また、Ｃｒ量が１．９８％を超えると、ＭＣ、Ｍ２Ｃ炭化物の析出を阻害するため、目的の水素トラップ効果を得ることができない。
従って、Ｃｒ量は０．６２〜１．９８％とする。なお、好ましいＣｒ量は０．７０〜１．６０％である。
Cr: 0.62 to 1.98%
Cr is an element effective for ensuring the hardenability of steel. If the amount of Cr is less than 0.62%, the effect of improving hardenability becomes insufficient. On the other hand, if the Cr content exceeds 1.98%, the cold workability of steel deteriorates. Further, when the Cr amount exceeds 1.98%, the precipitation of MC and M 2 C carbides is hindered, and the desired hydrogen trap effect cannot be obtained.
Therefore, the Cr content is 0.62 to 1.98%. The preferable amount of Cr is 0.70 to 1.60%.
Ｖ ：０．５０〜１．２０％
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％
ＶおよびＭｏは、本実施形態において重要な元素である。ＶおよびＭｏは、炭化物を形成する元素である。鋼中に、適正量のＶをＭｏと複合して含有させることで、ＶとＭｏから成る、ＭＣ型炭化物である（Ｍｏ、Ｖ）Ｃ、およびＭ２Ｃ型炭化物である（Ｍｏ、Ｖ）２Ｃが析出する。微細なＭＣ型炭化物および微細なＭ２Ｃ型炭化物は、鋼をオーステナイト域から焼入れした後、５５０〜６５０℃の高温で焼戻しをすることで、多く析出させることができる。この微細な炭化物が析出することで、析出強化により鋼の強度を上昇させることができる。また、微細なＭＣ型炭化物および微細なＭ２Ｃ型炭化物は、水素のトラップサイトとして機能し、耐遅れ破壊特性を向上させることができる。トラップ水素とは、前記ＭＣ型炭化物およびＭ２Ｃ型炭化物によって固定された、鋼中を自由に移動できない水素である。
V: 0.50 to 1.20%
Mo: 0.99 to 3.50%
V and Mo are important elements in this embodiment. V and Mo are elements that form carbides. By including an appropriate amount of V in steel in combination with Mo, it is an MC type carbide (Mo, V)C and an M 2 C type carbide (Mo, V) composed of V and Mo. 2 C precipitates. Fine MC type carbides and fine M 2 C type carbides can be precipitated in large amounts by quenching the steel from the austenite region and then tempering it at a high temperature of 550 to 650°C. The precipitation of these fine carbides can increase the strength of the steel by precipitation strengthening. Further, the fine MC-type carbide and the fine M 2 C-type carbide function as hydrogen trap sites, and can improve delayed fracture resistance. The trapped hydrogen is hydrogen fixed by the MC type carbide and the M 2 C type carbide that cannot move freely in the steel.
トラップサイトとしての効果を得るためには、Ｖを０．５０％以上、かつＭｏを０．９９％以上含有させる必要がある。一方、Ｖの含有量が１．２０％を超えた場合、またはＭｏの含有量が３．５０％を超えた場合は、焼入れ加熱時に未固溶の粗大な炭窒化物が多く残存するため、この粗大な炭窒化物をオーステナイト中に固溶させるために焼入れ加熱温度を高くする必要が生じ、焼入れ時の歪み発生、表面の酸化物増加の問題が発生する。従って、Ｖの含有量は０．５０〜１．２０％、Ｍｏの含有量は０．９９〜３．５０％とする。なお、好ましいＶ量は、０．５５〜１．０５％、好ましいＭｏ量は、１．２０〜３．１０％である。 In order to obtain the effect as a trap site, it is necessary to contain V by 0.50% or more and Mo by 0.99% or more. On the other hand, when the V content exceeds 1.20%, or when the Mo content exceeds 3.50%, a large amount of undissolved coarse carbonitride remains during quenching and heating. In order to form a solid solution of this coarse carbonitride in austenite, it is necessary to raise the quenching heating temperature, which causes the problems of strain during quenching and increase of surface oxides. Therefore, the V content is 0.50 to 1.20%, and the Mo content is 0.99 to 3.50%. In addition, the preferable V amount is 0.55 to 1.05%, and the preferable Mo amount is 1.20 to 3.10%.
Ｍｏ／１．４＋Ｖ
ＶおよびＭｏ含有量は、式（１）を満たす必要がある。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
Mo/1.4+V
The V and Mo contents need to satisfy the formula (1).
1.26<Mo/1.4+V≦3.70 (1)
In the formula (1), the content mass% of Mo and V contained in the bolt is substituted into Mo and V, respectively.
引張り強さ１６００ＭＰａ以上の高強度を有するボルトにおいては、耐遅れ破壊強度を向上させるために、水素トラップサイトである微細なＭＣ型炭化物および微細なＭ２Ｃ型炭化物を大量に鋼中に分散させることが必要である。式（１）の値が１．２６以下では、水素トラップサイトが不足して耐遅れ破壊強度が低下する。式（１）の値が３．７０より大きい値では、焼入れの加熱時にＭｏ、Ｖの炭窒化物のマトリックス中への固溶が不十分となり、粗大な炭窒化物が残存する。その結果、焼戻し時に析出する微細なＭｏ、Ｖの炭窒化物の量が少なくなるため、目的の強度や水素トラップ効果を得ることができない。 In a bolt having a high tensile strength of 1600 MPa or more, a large amount of fine MC-type carbides and fine M 2 C-type carbides which are hydrogen trap sites are dispersed in steel in order to improve delayed fracture strength. It is necessary. When the value of the formula (1) is 1.26 or less, the hydrogen trap site is insufficient and the delayed fracture strength is lowered. If the value of the formula (1) is larger than 3.70, the solid solution of Mo and V carbonitrides in the matrix becomes insufficient during heating for quenching, and coarse carbonitrides remain. As a result, the amount of fine carbonitrides of Mo and V that precipitate during tempering decreases, so that the desired strength and hydrogen trapping effect cannot be obtained.
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％
Ａｌは、脱酸剤として機能する元素であるとともに、窒化物を形成して焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する元素である。これらの効果を得るためには、Ａｌを０．０１０％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌの含有量が０．1００％を超えると、粗大な酸化物系介在物が鋼中に残存して、ボルトの破壊起点となる。
従って、Ａｌ量は０．０１０〜０．１００％とする。なお、好ましいＡｌ量は０．０１２〜０．０５０％である。
Al: 0.010 to 0.100%
Al is an element that functions as a deoxidizing agent and also an element that forms a nitride and suppresses coarsening of austenite crystal grains during quenching and heating. In order to obtain these effects, it is necessary to contain Al by 0.010% or more. On the other hand, when the Al content exceeds 0.10%, coarse oxide inclusions remain in the steel and serve as the fracture starting point of the bolt.
Therefore, the Al amount is set to 0.010 to 0.100%. The preferable amount of Al is 0.012 to 0.050%.
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％
Ｎは、窒化物や炭窒化物を形成し、焼入れ加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する元素である。結晶粒の粗大化を抑制するには、Ｎ量を０．００１０％以上とする必要がある。一方、Ｎ量が０．０３００％を超えた場合、粗大な窒化物や炭窒化物が生成して、破壊起点となる。
従って、Ｎ量は０．００１０〜０．０３００％とする。なお、好ましいＮ量は０．００２０〜０．０２００％である。
N: 0.0010 to 0.0300%
N is an element that forms nitrides and carbonitrides and suppresses coarsening of austenite crystal grains during quenching and heating. In order to suppress the coarsening of the crystal grains, the N content needs to be 0.0010% or more. On the other hand, when the amount of N exceeds 0.0300%, coarse nitrides and carbonitrides are generated and serve as fracture starting points.
Therefore, the N content is 0.0010 to 0.0300%. The preferable amount of N is 0.0020 to 0.0200%.
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは、不純物である。Ｐ含有量は極力低いことが好ましい。Ｐは、オーステナイト粒界に偏析する。Ｐ量が０．０１５％を超えると、焼入れ、焼戻し後の旧オーステナイト粒界が脆化して粒界割れの原因となる。このため、Ｐ量を０．０１５％以下の範囲に制限する必要がある。好ましいＰ含有量の上限は０．０１２％である。Ｐは不可避的にボルトに含有される不純物元素であるが、上記範囲内であれば、Ｐは、ボルトに０％超含有されていても良い。
P: 0.015% or less P is an impurity. It is preferable that the P content is as low as possible. P segregates at the austenite grain boundaries. If the P content exceeds 0.015%, the austenite grain boundaries after quenching and tempering become brittle and cause grain boundary cracking. Therefore, it is necessary to limit the P amount to a range of 0.015% or less. The preferable upper limit of the P content is 0.012%. Although P is an impurity element that is unavoidably contained in the bolt, P may be contained in the bolt in an amount of more than 0% within the above range.
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは、不純物である。Ｓ含有量は極力低いことが好ましい。Ｓは、鋼材中でＭｎ硫化物として存在する。Ｍｎ硫化物は、鋼表面が腐食する際の化学反応で硫化水素を発生する。この硫化水素が分解して水素を発生することで鋼中へ水素が侵入し、耐遅れ破壊強度を低下させる。また、Ｍｎ硫化物が破壊起点となる。このため、Ｓ量を０．０１５％以下の範囲に制限する必要がある。好ましいＳ含有量の上限は０．０１２％である。Ｓは、不可避的に含有される不純物元素であるが、上記範囲内であれば、Ｓは、ボルトに０％超含有されていても良い。
S: 0.015% or less S is an impurity. It is preferable that the S content is as low as possible. S exists as Mn sulfide in the steel material. Mn sulfide generates hydrogen sulfide by a chemical reaction when the steel surface corrodes. When this hydrogen sulfide decomposes to generate hydrogen, hydrogen penetrates into the steel and reduces the delayed fracture strength. Further, Mn sulfide serves as a fracture starting point. Therefore, it is necessary to limit the S amount to a range of 0.015% or less. The preferable upper limit of the S content is 0.012%. S is an unavoidable impurity element, but S may be contained in the bolt in an amount of more than 0% within the above range.
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、不可避に含有される不純物である。Ｏは、酸化物を形成し、遅れ破壊の起点となる。したがって、Ｏ含有量は０．００３０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００７％である。上記範囲内であれば、Ｏは、ボルトに０％超含有されていても良い。
O: 0.0030% or less O is an unavoidably contained impurity. O forms an oxide and becomes the starting point of delayed fracture. Therefore, the O content is 0.0030% or less. The preferable upper limit of the O content is 0.0020%, and more preferably 0.0015%. The O content is preferably as low as possible. However, excessive reduction of the O content increases the manufacturing cost. Therefore, in consideration of normal industrial production, the lower limit of the O content is preferably 0.0001%, more preferably 0.0005%, and further preferably 0.0007%. Within the above range, O may be contained in the bolt in an amount of more than 0%.
（任意元素）
本実施形態に係るボルトは、Ｆｅの一部に代えて、任意元素として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、Ｗ、及びＲＥＭの１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であるため、含有量は０％でもよく、０％超であってもよい。
(Arbitrary element)
The bolt according to the present embodiment may contain one or more of Ti, Nb, B, W, and REM as an optional element instead of part of Fe. Since these elements are arbitrary elements, the content may be 0% or more than 0%.
Ｔｉ：０．１００％以下
Ｔｉは、鋼材中でＮ、Ｃと結合して炭窒化物を形成する元素である。この炭窒化物はオーステナイト結晶粒界をピンニングして組織の粗大化を防止する。この組織の粗大化の防止効果を得るためには、Ｔｉを０．１００％以下含有させてもよい。一方、Ｔｉを、０．１００％を超えて含有させると、素材硬さの上昇に起因して部品形状に加工する際の冷間加工性が低下する。
Ti: 0.100% or less Ti is an element that combines with N and C in a steel material to form a carbonitride. The carbonitrides pin the austenite grain boundaries to prevent coarsening of the structure. In order to obtain the effect of preventing the coarsening of this structure, 0.100% or less of Ti may be contained. On the other hand, if Ti is contained in an amount of more than 0.100%, the cold workability at the time of processing into the shape of the component is deteriorated due to the increase in material hardness.
従って、Ｔｉ含有量は０〜０．１００％とすることが好ましく、０％超〜０．１００％がより好ましく、０．００５〜０．０５％がさらに好ましい。 Therefore, the Ti content is preferably 0 to 0.100%, more preferably more than 0% to 0.100%, and further preferably 0.005 to 0.05%.
Ｎｂ：０．１００％以下
Ｎｂは、鋼材中でＮ、Ｃと結合して炭窒化物を形成する元素である。この炭窒化物はオーステナイト結晶粒界をピンニングし、組織の粗大化を防止する。この組織の粗大化の防止効果を得るためには、Ｎｂを０．１００％以下含有させてもよい。一方、Ｎｂを、０．１００％を超えて含有させると、素材硬さの上昇に起因して部品形状に加工する際の冷間加工性が低下する。
Nb: 0.100% or less Nb is an element that combines with N and C in a steel material to form a carbonitride. The carbonitrides pin the austenite grain boundaries and prevent the coarsening of the structure. In order to obtain the effect of preventing the coarsening of the structure, Nb may be contained in an amount of 0.100% or less. On the other hand, when Nb is contained in an amount of more than 0.100%, the cold workability at the time of processing into the shape of the component is deteriorated due to the increase in material hardness.
従って、Ｎｂ含有量は０〜０．１００％とすることが好ましく、０％超〜０．１００％がより好ましく、０．００５〜０．０５％がさらに好ましい。 Therefore, the Nb content is preferably 0 to 0.100%, more preferably more than 0% to 0.100%, and further preferably 0.005 to 0.05%.
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは、オーステナイト中に僅かに固溶させただけで鋼の焼入れ性を高める。Ｂは、浸炭焼入れ時にマルテンサイトを効率的に得るために鋼材に含有させてもよい。一方、Ｂを０．００５０％を超えて添加すると、多量のＢＮを形成してＮを消費するため、オーステナイト粒の粗大化を招来する。従って、Ｂ含有量は０〜０．００５０％とすることが好ましく、０超え〜０．００５０％がより好ましく、０．０００７〜０．００３０％がさらに好ましい。
B: 0.0050% or less B improves the hardenability of the steel by only making it form a solid solution in austenite. B may be contained in the steel material in order to efficiently obtain martensite during carburizing and quenching. On the other hand, if B is added in an amount of more than 0.0050%, a large amount of BN is formed and N is consumed, so that the austenite grains are coarsened. Therefore, the B content is preferably 0 to 0.0050%, more preferably 0 to 0.0050%, even more preferably 0.0007 to 0.0030%.
Ｗ：２．５０％以下
Ｗは、Ｍｏと同様、高温で焼戻した際に顕著な二次硬化を起こす元素である。Ｗは、Ｍ２Ｃ型炭化物として析出することで、析出強化により鋼の強度を上昇させることができる。さらに、Ｍ２Ｃ型炭化物は、水素のトラップサイトとして機能し、耐遅れ破壊特性を向上させることができる。従って、Ｗを２．５０％以下含有させてもよい。Ｗ含有量は０〜２．５０％とすることが好ましく、０超え〜２．５０％がより好ましく、０．２０〜１．８０％がさらに好ましい。
W: 2.50% or less W, like Mo, is an element that causes remarkable secondary hardening when tempered at a high temperature. By precipitating W as M 2 C type carbide, it is possible to increase the strength of steel by precipitation strengthening. Further, the M 2 C type carbide functions as a hydrogen trap site and can improve delayed fracture resistance. Therefore, W may be contained at 2.50% or less. The W content is preferably 0 to 2.50%, more preferably 0 to 2.50%, even more preferably 0.20 to 1.80%.
ＲＥＭ：０．０２０％以下
ＲＥＭ（希土類元素）とは、原子番号５７のランタンから原子番号７１ルテシウムまでの１５元素と、原子番号２１のスカンジウム及び原子番号３９のイットリウムと、の合計１７元素の総称である。鋼材にＲＥＭが含有されると、圧延時及び熱間鍛造時にＭｎＳ粒子の伸延が抑制され、冷間鍛造時の割れを抑制する効果が得られる。但し、ＲＥＭ含有量が０．０２０％を超えると、ＲＥＭを含む硫化物が大量に生成され、鋼の被削性が劣化する。従って、ＲＥＭを０．０２０％以下含有させてもよい。ＲＥＭ含有量は、前記１７元素の合計量で０〜０．０２０％とすることが好ましく、０％超〜２．００％がより好ましく、０．００５％〜０．０１５％がさらに好ましい。
REM: 0.020% or less REM (rare earth element) is a generic term for a total of 17 elements of 15 elements from lanthanum with atomic number 57 to lutetium with atomic number 71, scandium with atomic number 21 and yttrium with atomic number 39. Is. When REM is contained in the steel material, the elongation of MnS particles is suppressed during rolling and hot forging, and the effect of suppressing cracking during cold forging is obtained. However, if the REM content exceeds 0.020%, a large amount of sulfide containing REM is generated, and the machinability of steel deteriorates. Therefore, 0.020% or less of REM may be contained. The REM content is preferably 0 to 0.020% in the total amount of the 17 elements, more preferably more than 0% to 2.00%, further preferably 0.005% to 0.015%.
（その他の任意元素）
本実施形態に係るボルトは、任意元素として、次の元素よりなる群から選択される少なくとも１種を含有してもよい。具体的には、これらの任意元素は０％でもよいし、後述する上限の範囲で含有してもよい。これらの任意元素を後述する範囲でボルトに含んでもボルトの特性に影響はない。
Ｐｂ：０．０５％以下
Ｃｄ：０．０５％以下
Ｃｏ：０．０５％以下
Ｚｎ：０．０５％以下
Ｃａ：０．０２％以下
Ｚｒ：０．０２％以下
(Other optional elements)
The bolt according to the present embodiment may contain at least one selected from the group consisting of the following elements as an arbitrary element. Specifically, these optional elements may be 0% or may be contained in the upper limit range described later. If these optional elements are included in the bolt within the range described below, the characteristics of the bolt are not affected.
Pb: 0.05% or less Cd: 0.05% or less Co: 0.05% or less Zn: 0.05% or less Ca: 0.02% or less Zr: 0.02% or less
本実施形態における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、鋼の原料として利用される鉱石、スクラップ、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。Ｐ、Ｓ、Ｏ以外の不純物として、たとえば、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃａ等が存在し得る。これらの不純物元素はボルトの耐遅れ破壊強度を低下させない範囲での含有が許容される。また、防食効果が期待されるＮｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、被削性向上効果が期待されるＢｉは、０．２０％以下含有させることができる。Ｃｕ、Ｓｎ、Ｂｉは、多量に添加すると鋳造性を損なうため、それぞれの上限を０．２０％とする。Ｎｉは、添加量が多量になるとコストに見合った効果が得られないため、その上限を０．２０％とする。 The balance of the chemical composition of the bolt in this embodiment is Fe and impurities. Here, the impurities mean elements that are mixed in from the ore used as a raw material of steel, scrap, or the environment in the manufacturing process. As impurities other than P, S, and O, for example, Pb, Cd, Co, Zn, Ca, etc. may be present. These impurity elements are allowed to be contained within a range that does not reduce the delayed fracture strength of the bolt. Further, Ni, Cu, and Sn, which are expected to have an anticorrosion effect, and Bi, which is expected to have an effect of improving machinability, can be contained in an amount of 0.20% or less. Cu, Sn, and Bi impair the castability when added in a large amount, so the respective upper limits are made 0.20%. When Ni is added in a large amount, the effect commensurate with the cost cannot be obtained, so the upper limit is made 0.20%.
[ボルトの特性]
本実施形態に係るボルトは、上記化学組成を有し、引張強さが１６００ＭＰａ以上である。
また、本実施形態に係るボルトは、耐遅れ破壊特性に優れており、具体的には、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であり、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷し、破断に至るまでの時間を測定し、１００時間破断しない特性を有することが好ましい。
[Characteristics of bolts]
The bolt according to the present embodiment has the above chemical composition and has a tensile strength of 1600 MPa or more.
In addition, the bolt according to the present embodiment is excellent in delayed fracture resistance, and specifically, in a solution at room temperature in which 3 g of ammonium thiocyanate is added per 1 L to 3% by mass of sodium chloride, the current density is increased. The amount of trapped hydrogen after cathodic hydrogen charging at 0.2 mA/cm 2 for 72 hours is 7.0 ppm or more, and 0.3 g of ammonium thiocyanate per liter is added to 3 mass% sodium chloride in a room temperature solution. Then, after performing cathodic hydrogen charging at a current density of 0.03 mA/cm 2 for 24 hours, plating was performed, and after leaving for 96 hours, a constant load of 0.9 times the tensile strength was applied, and the time until rupture occurred. It is preferable to have a characteristic of not breaking for 100 hours.
以下、本実施形態に係るボルトの引張強さ、トラップ水素量、及び耐遅れ破壊特性について詳述する。 Hereinafter, the tensile strength, trapped hydrogen amount, and delayed fracture resistance of the bolt according to the present embodiment will be described in detail.
（引張強さ）
本実施形態に係るボルトにおいて、ボルトから引張り試験片を採取して測定した引張強さは１６００ＭＰａ以上である。引張強さが１６００ＭＰａ以上において、ボルトを顕著に小型軽量化することができる。一方、引張強さが２２００ＭＰａを超えると、侵入水素量が少ない場合でも遅れ破壊が生じる可能性が高まる。そのため、引張強さは２２００ＭＰａ以下が好ましい。
(Tensile strength)
In the bolt according to the present embodiment, the tensile strength measured by collecting a tensile test piece from the bolt is 1600 MPa or more. When the tensile strength is 1600 MPa or more, the bolt can be significantly reduced in size and weight. On the other hand, when the tensile strength exceeds 2200 MPa, the possibility of delayed fracture increases even when the amount of invading hydrogen is small. Therefore, the tensile strength is preferably 2200 MPa or less.
（トラップ水素量）
本実施形態に係るボルトにおいて、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージした後のトラップ水素量は７．０ｐｐｍ以上であることが好ましい。トラップ水素量が７．０ｐｐｍ以上であると、ボルトに侵入した水素が拡散し、旧オーステナイト結晶粒界に集積して、遅れ破壊が生じる可能性が低下する。そのため、トラップ水素量は７．０ｐｐｍ以上であることが好ましい。
(Amount of trapped hydrogen)
In the bolt according to the present embodiment, a trap after cathode hydrogen charging at a current density of 0.2 mA/cm 2 for 72 hours in a room temperature solution prepared by adding 3 g of ammonium thiocyanate per 1 L to 3% by mass of sodium chloride The amount of hydrogen is preferably 7.0 ppm or more. If the amount of trapped hydrogen is 7.0 ppm or more, hydrogen that has penetrated into the bolts diffuses and accumulates at the former austenite crystal grain boundaries, which reduces the possibility of delayed fracture. Therefore, the trap hydrogen amount is preferably 7.0 ppm or more.
トラップ水素量は、ガスクロマトグラフによる昇温水素分析法で測定した。昇温速度１００℃／時間で、室温から４００℃までに試料から放出される水素量を水素トラップ量と定義した。なお、本実施形態における室温は２５℃とする。
トラップ水素量の測定は、ボルトから採取した直径７ｍｍ、長さ３０ｍｍの丸棒試験片（トラップ水素量調査用の丸棒試験片）に対して実施する。
ただし、上記大きさの丸棒を採取できない場合は、対象のボルトから採取可能なサイズの丸棒試験片を採取し、それらを複数本まとめて分析する。水素分析に必要な試料重量は、２ｇ以上であることが好ましい。
The amount of trapped hydrogen was measured by a temperature-programmed hydrogen analysis method using a gas chromatograph. The amount of hydrogen released from the sample from room temperature to 400° C. at a heating rate of 100° C./hour was defined as a hydrogen trap amount. The room temperature in this embodiment is 25°C.
The amount of trapped hydrogen is measured on a round bar test piece (a round bar test piece for investigating the amount of trapped hydrogen) having a diameter of 7 mm and a length of 30 mm, which is sampled from a bolt.
However, if a round bar of the above size cannot be sampled, collect a round bar test piece of a size that can be sampled from the target bolt, and analyze them collectively. The sample weight required for hydrogen analysis is preferably 2 g or more.
（耐遅れ破壊強度）
本実施形態に係るボルトは、実環境で使用するため、十分な耐遅れ破壊強度を備える必要がある。本実施形態に係わるボルトは、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、水素透過防止めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷した時の、破断に至るまでの時間が１００時間以上である必要があることが好ましい。１００時間で破断しなかった場合、耐遅れ破壊強度に特に優れると判断した。ここで、めっきは、鋼材中に水素を閉じ込めるために行うものであり、Ｚｎめっき等を用いることができる。
耐遅れ破壊強度の測定は、ボルトに対してボルトの形状まま、実施する。
(Delayed fracture strength)
Since the bolt according to this embodiment is used in an actual environment, it needs to have sufficient delayed fracture resistance. The bolt according to the present embodiment was prepared by adding 3 g of sodium chloride to 0.3 g of ammonium thiocyanate per liter in a room temperature solution, and performing cathode hydrogen charging at a current density of 0.03 mA/cm 2 for 24 hours. After the hydrogen permeation preventive plating is applied and left for 96 hours, it is preferable that the time until breakage is 100 hours or more when a constant load 0.9 times the tensile strength is applied. When it did not fracture in 100 hours, it was judged to be particularly excellent in delayed fracture resistance. Here, the plating is performed to trap hydrogen in the steel material, and Zn plating or the like can be used.
The delayed fracture strength is measured with respect to the bolt in the shape of the bolt.
以上に示すとおり、本実施形態に係るボルトは、最適な化学組成を備える鋼材に、後述する最適な焼入れ焼戻しを施すことで、引張強さ、トラップ水素量及び遅れ破壊限界水素量の好適化を図ったものである。 As described above, the bolt according to the present embodiment, the steel material having the optimum chemical composition, by subjecting to the optimum quenching and tempering described later, the tensile strength, trap hydrogen amount and delayed fracture limit hydrogen amount optimization It is intended.
＜ボルトの製造方法＞
本実施形態に係るボルトの製造方法は特に限定されないが、以下、本実施形態に係るボルト用鋼を用いて、本実施形態に係るボルトの製造方法の一例について詳述する。
<Method of manufacturing bolts>
The method for manufacturing the bolt according to the present embodiment is not particularly limited, but an example of the method for manufacturing the bolt according to the present embodiment will be described in detail below using the steel for bolts according to the present embodiment.
（ボルト形状に成形する工程）
まず、ボルトの素材として、前述したボルトと同じ化学組成を有するボルト用鋼を用意する。
鋳造により前述した化学組成を有するインゴットまたは鋳片とする。鋳造されたインゴットまたは鋳片は、熱間圧延、熱間押出、熱間鍛造などの熱間加工によって、丸棒など所要の粗形状を有するボルト用鋼に仕上げる。
その後、該ボルト用鋼に伸線、焼鈍、冷間加工、ねじ転造などを施して、所定のボルト形状に成形する。複数回の冷間加工の中間に、焼鈍または球状化焼鈍処理を複数回施してもよい。また、成形の工程に熱間加工を含めることもできる。
(Process of forming into a bolt shape)
First, as a bolt material, bolt steel having the same chemical composition as the above-described bolt is prepared.
An ingot or a slab having the above-described chemical composition is formed by casting. The cast ingot or slab is hot-rolled, hot-extruded, hot-forged or the like into a steel for bolts having a required rough shape such as a round bar.
Then, the steel for bolts is subjected to wire drawing, annealing, cold working, thread rolling, etc., to be formed into a predetermined bolt shape. Annealing or spheroidizing annealing may be performed multiple times in the middle of multiple cold workings. Further, hot working can be included in the molding process.
（焼入れ・焼戻しを行う工程）
所定のボルト形状に成形した後、強度を付与するため、鋼のＡｃ３点以上の温度に加熱した後、水冷または油冷によって焼入れ処理を行う。なお、焼入れのための加熱温度（以下、「焼入れ加熱温度」という。）が低すぎると、Ｍｏ、Ｖの炭窒化物のマトリックス中への固溶が不十分となり、粗大な炭窒化物が残存する。その結果、焼戻し時に析出する微細なＭｏ、Ｖの炭窒化物の量が少なくなるため、目的の強度や水素トラップ効果を得ることができない。
(Process of quenching and tempering)
After being formed into a predetermined bolt shape, in order to impart strength, the steel is heated to a temperature of Ac 3 point or higher and then quenched by water cooling or oil cooling. If the heating temperature for quenching (hereinafter referred to as "quenching heating temperature") is too low, solid solution of carbonitrides of Mo and V into the matrix becomes insufficient, and coarse carbonitride remains. To do. As a result, the amount of fine carbonitrides of Mo and V that precipitate during tempering decreases, so that the desired strength and hydrogen trapping effect cannot be obtained.
一方、操業面からは、焼入れ加熱温度を過度に高くすると、熱処理炉の炉体および付属部品の損傷が顕著になり、製造コストが上昇するため、好ましくない。鋼の化学組成（Ａｃ３点）にもよるが、焼入れ加熱温度は８７０〜１１５０℃とするのが好ましい。 On the other hand, from the viewpoint of operation, if the quenching heating temperature is excessively high, the furnace body and accessory parts of the heat treatment furnace will be significantly damaged and the manufacturing cost will increase, which is not preferable. The quenching heating temperature is preferably 870 to 1150° C., though it depends on the chemical composition of the steel (A c3 point).
耐遅れ破壊強度を向上させるためには、上記の焼入れ処理を行った後に焼戻しを行う必要がある。本実施形態では、焼戻しの温度を、５３０〜６９０℃に限定する必要がある。焼戻し温度が５３０℃未満では、焼戻し時に析出するＭｏ炭化物、Ｖ炭化物による析出強化が不十分となり、目的の強度を得ることができない。また、目的の水素トラップ能、および遅れ破壊限界水素量を達成することができない。 In order to improve the delayed fracture resistance, it is necessary to perform tempering after performing the above quenching treatment. In the present embodiment, the tempering temperature needs to be limited to 530 to 690°C. If the tempering temperature is lower than 530° C., the precipitation strengthening by Mo carbide and V carbide precipitated during tempering becomes insufficient, and the desired strength cannot be obtained. Moreover, the target hydrogen trapping ability and the delayed fracture limit hydrogen amount cannot be achieved.
一方、焼戻し温度が６９０℃を超える場合は、ＭＣ型炭化物がオストワルド成長し、析出強化に寄与しなくなるため、１６００ＭＰａ級以上の引張強さを得ることが困難となる。そのため、焼戻し温度は５３０〜６９０℃に限定する。
なお、焼戻し温度の好ましい範囲は、５５０〜６５０℃である。
On the other hand, when the tempering temperature is higher than 690° C., MC type carbide grows Ostwald and does not contribute to precipitation strengthening, so that it becomes difficult to obtain tensile strength of 1600 MPa class or higher. Therefore, the tempering temperature is limited to 530 to 690°C.
In addition, the preferable range of tempering temperature is 550-650 degreeC.
焼戻し時間は３０分〜４時間とすることが好ましい。
焼戻し時間が３０分未満の場合、焼戻し時に析出するＭｏ炭化物、Ｖ炭化物による析出強化が不十分となり、目的の強度を得ることができない。また、目的の水素トラップ能、および遅れ破壊限界水素量を達成することができない。
一方、焼戻し時間が４時間を超える場合には、析出したＭｏ炭化物、Ｖ炭化物が粗大化することにより、Ｍｏ炭化物、Ｖ炭化物による析出強化が不十分となり、目的の強度を得ることができない。また、目的の水素トラップ能、および遅れ破壊限界水素量を達成することができない。
以上の工程により、本実施形態に係るボルトが製造される。
The tempering time is preferably 30 minutes to 4 hours.
If the tempering time is less than 30 minutes, precipitation strengthening by Mo carbide and V carbide precipitated during tempering becomes insufficient, and the desired strength cannot be obtained. Moreover, the target hydrogen trapping ability and the delayed fracture limit hydrogen amount cannot be achieved.
On the other hand, when the tempering time exceeds 4 hours, the precipitated Mo carbide and V carbide are coarsened, and the precipitation strengthening by Mo carbide and V carbide becomes insufficient, so that the desired strength cannot be obtained. Moreover, the target hydrogen trapping ability and the delayed fracture limit hydrogen amount cannot be achieved.
Through the above steps, the bolt according to the present embodiment is manufactured.
次に、本発明の実施例について説明するが、以下に示す各条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一例にすぎず、本発明の条件はこの一例に限定されるものではない。本発明の実施においては、その要旨を逸脱せず、その目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用することができる。 Next, examples of the present invention will be described, but each condition shown below is only an example adopted for confirming the feasibility and effects of the present invention, and the conditions of the present invention are limited to this example. Not something. In the practice of the present invention, various conditions can be adopted without departing from the spirit of the invention and as long as the object is achieved.
＜各種試験片の成形＞
（棒鋼の準備）
表１−１及び表１−２に示す化学組成を有する鋼（鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｖ）をそれぞれ溶製し、熱間鍛造により、直径２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの棒鋼を準備した。なお、表１−１及び表１−２において下線を付した数値は当該数値が本発明の範囲外であることを示す。また、表１−１及び表１−２における空欄部は各元素が無添加であることを示す。
また、残部はＦｅ及び不純物である。なお、Ｐ、Ｓ、Ｏは不純物として含まれている。
尚、表１−２のＡｃ３（℃）は、下記の式により算出した温度である。
Ａｃ３（℃）＝９１０−２０３×√Ｃ＋４４．７×Ｓｉ＋１０４×Ｖ＋３１．５×Ｍｏ
但し、上記Ａｃ３（℃）の式において、Ｃ、Ｓｉ、Ｖ及びＭｏには、それぞれボルト用鋼（ボルト相当品）が含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。
<Molding of various test pieces>
(Preparation of steel bars)
Steels (steel Nos. A to V) having the chemical compositions shown in Table 1-1 and Table 1-2 were melted and hot-forged to prepare steel bars having a diameter of 20 mm and a length of 1000 mm. The underlined numerical values in Tables 1-1 and 1-2 indicate that the numerical values are outside the scope of the present invention. Further, the blank portions in Table 1-1 and Table 1-2 indicate that each element is not added.
The balance is Fe and impurities. Note that P, S, and O are included as impurities.
In addition, A c3 (° C.) in Table 1-2 is a temperature calculated by the following formula.
A c3 (° C.)=910−203×√C+44.7×Si+104×V+31.5×Mo
However, in the above formula of A c3 (° C.), the content% by mass of Mo and V contained in the steel for bolts (bolt equivalent) is substituted for C, Si, V and Mo, respectively.
次にボルト製造を再現するため、以下の条件で焼入れ、焼戻しを施し、続いて、焼入れ、焼戻ししたボルト相当品の引張り強度、トラップ水素量の測定、および耐遅れ破壊強度を以下の方法で評価した。 Next, in order to reproduce the production of bolts, quenching and tempering were performed under the following conditions, and subsequently, the tensile strength of quenched and tempered bolt equivalents, measurement of trapped hydrogen content, and delayed fracture resistance were evaluated by the following methods. did.
（焼入れの実施）
上記のようにして得た直径２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの丸棒を切断し、直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒を切り出し、表２に記載の温度で焼入れを行った。焼入れ加熱温度での保持時間は６０分とした。その後、６０℃に保持した油槽へ焼入れを行った。
(Implementation of hardening)
The round bar with a diameter of 20 mm and a length of 1000 mm obtained as described above was cut, a round bar with a diameter of 20 mm and a length of 300 mm was cut out, and quenched at the temperature shown in Table 2. The holding time at the quenching heating temperature was 60 minutes. After that, quenching was performed in an oil tank maintained at 60°C.
（焼戻しの実施）
油焼入れ後、表２に記載の温度で焼戻しを行った。焼戻し温度での保持時間は６０分とし、焼戻し後の冷却は空冷とした。
(Implementation of tempering)
After the oil quenching, tempering was performed at the temperature shown in Table 2. The holding time at the tempering temperature was 60 minutes, and the cooling after the tempering was air cooling.
（引張試験片）
ＪＩＳ Ｇ ０４１６：２０１９に記載の試験片採取方法に準じ、上記の焼入れ焼戻し処理後の直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒から、全長：７０ｍｍ、平行部：直径６ｍｍ×長さ３２ｍｍの平滑引張試験片（Ａ２号引張試験片）を採取した。
(Tensile test piece)
According to the test piece sampling method described in JIS G 0416:2019, a smooth tensile test of a round bar having a diameter of 20 mm and a length of 300 mm after the quenching and tempering treatment described above, a total length: 70 mm, a parallel part: a diameter 6 mm×length 32 mm A piece (No. A2 tensile test piece) was collected.
（トラップ水素量調査用の試験片作製）
上記の焼入れ焼戻し処理後の直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒の中心部から、直径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの丸棒を採取し、トラップ水素量調査用の試験片とした。
(Preparation of test pieces for investigation of trapped hydrogen amount)
A round bar having a diameter of 7 mm and a length of 70 mm was taken from the center of the round bar having a diameter of 20 mm and a length of 300 mm after the quenching and tempering treatment, and used as a test piece for investigating the amount of trapped hydrogen.
（遅れ破壊試験片の作製）
上記の焼入れ焼戻し処理後の直径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの丸棒の中心部から、直径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの切欠き（切欠き部直径４．２ｍｍ、角度６０°）付き丸棒試験片を採取し、遅れ破壊試験片とした。
なお、ボルトでの評価の場合も、試験片での評価の場合でも同じ結果が得られる。
(Preparation of delayed fracture test piece)
After the quenching and tempering treatment, a round bar test piece with a diameter of 7 mm and a length of 70 mm (notch diameter 4.2 mm, angle 60°) was taken from the center of a round bar with a diameter of 20 mm and a length of 300 mm. However, it was a delayed fracture test piece.
The same result can be obtained in the case of evaluation with bolts and the case of evaluation with test pieces.
以上のようにして、下記表２に示す製造Ｎｏ．１〜４６の引張試験片、製造Ｎｏ．１〜４６のトラップ水素量調査用の試験片、及び製造Ｎｏ．１〜４６の遅れ破壊試験片を、それぞれ得た。 As described above, the production No. shown in Table 2 below. 1 to 46 tensile test pieces, manufacturing No. 1 to 46 test pieces for investigating trapped hydrogen amount, and manufacturing No. Delayed fracture test pieces 1 to 46 were obtained, respectively.
＜各試験片を用いた性能評価＞
（引張強さ）
上記の手順で作製した引張試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して、室温の大気中で引張試験を行い、引張強さを求めた。
<Performance evaluation using each test piece>
(Tensile strength)
Using the tensile test piece produced by the above procedure, a tensile test was performed in the air at room temperature according to JIS Z 2241:2011 to determine the tensile strength.
（トラップ水素量）
上記の手順で作製した直径７ｍｍ、長さ７０ｍｍの丸棒に、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で７２時間陰極水素チャージを行った。その後、ガスクロマトグラフを用い、昇温速度１００℃／時間で、室温から４００℃まで昇温し、試料から放出される水素量を測定した。
(Amount of trapped hydrogen)
In a room temperature solution in which 3 g of ammonium chloride was added to 3% by mass of sodium chloride in a round bar having a diameter of 7 mm and a length of 70 mm produced by the above procedure, at a current density of 0.2 mA/cm 2 . Cathode hydrogen charging was performed for 72 hours. Then, using a gas chromatograph, the temperature was raised from room temperature to 400° C. at a heating rate of 100° C./hour, and the amount of hydrogen released from the sample was measured.
（遅れ破壊強度）
上記の手順で作製したφ７ｍｍ×７０ｍｍの切欠き（切欠き部φ４．２ｍｍ、角度６０°）付き遅れ破壊試験片に、３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、Ｚｎで水素透過防止めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷し、破断に至るまでの時間を測定した。１００時間破断しなかった場合は試験を打ち切りとした。
(Delayed fracture strength)
To a delayed fracture test piece with a notch (notch portion φ4.2 mm, angle 60°) of φ7 mm×70 mm produced by the above procedure, 0.3 g of ammonium thiocyanate per liter was added to 3% by mass of sodium chloride. In a room temperature solution, the cathode was charged with hydrogen at a current density of 0.03 mA/cm 2 for 24 hours, and then hydrogen permeation-preventing plating was applied using Zn, and after leaving it for 96 hours, a constant load of 0.9 times the tensile strength Was applied, and the time until breakage was measured. The test was aborted if it did not break for 100 hours.
引張強さ、トラップ水素量、及び遅れ破壊有無の結果を表２に記載する。なお、表２中の下線を付した数値は当該数値が本発明の範囲外であることを示す。 Table 2 shows the results of the tensile strength, the amount of trapped hydrogen, and the presence or absence of delayed fracture. The underlined numerical values in Table 2 indicate that the numerical values are outside the scope of the present invention.
表１−１〜表２から明らかなように、化学組成、並びに、焼入れ焼戻しの条件について好適化を図った製造Ｎｏ．１〜１６、３３〜４６については、いずれも、引張強さが高く、また、トラップ水素量が高く、遅れ破壊が生じなかったことから、優れた強度と耐遅れ破壊特性が得られていることが判る。 As is clear from Table 1-1 and Table 2, manufacturing No. which is optimized for the chemical composition and the conditions of quenching and tempering. Regarding Nos. 1 to 16 and 33 to 46, the tensile strength was high, the amount of trapped hydrogen was high, and delayed fracture did not occur. Therefore, excellent strength and delayed fracture resistance were obtained. I understand.
これに対し、化学組成、並びに、焼入れ焼戻しの条件について、少なくともいずれかについて好適化を図っていない製造Ｎｏ．１７〜３２については、いずれも、優れた強度や耐遅れ破壊特性が得られていないことが判る。 On the other hand, regarding the chemical composition and the conditions of quenching and tempering, at least one of the production No. It can be seen that in Nos. 17 to 32, neither excellent strength nor delayed fracture resistance was obtained.
本発明によれば、高強度で、かつ、優れた耐遅れ破壊強度を示すボルト、その製造方法およびその素材となるボルト用鋼を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a bolt having high strength and excellent delayed fracture resistance, a method for manufacturing the bolt, and a bolt steel that is a material for the bolt.
Claims (6)
Ｃ ：０．３６〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．８４％、
Ｃｒ：０．６２〜１．９８％、
Ｖ ：０．５０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．９９〜３．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０３００％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
かつ、下記式（１）を満たし、
引張強さが、１６００ＭＰａ以上である、ボルト。
１．２６＜Ｍｏ／１．４＋Ｖ≦３．７０・・・（１）
但し、式（１）において、ＭｏとＶには、それぞれボルトが含有するＭｏとＶの含有質量％が代入される。 The chemical composition is% by mass,
C: 0.36-0.50%,
Si: 0.02 to 0.10%,
Mn: 0.20 to 0.84%,
Cr: 0.62 to 1.98%,
V: 0.50 to 1.20%,
Mo: 0.99 to 3.50%,
Al: 0.010 to 0.100%,
N: 0.0010 to 0.0300%,
P: 0.015% or less,
S: 0.015% or less,
O: 0.0030% or less, and the balance: Fe and impurities,
And, the following formula (1) is satisfied,
A bolt having a tensile strength of 1600 MPa or more.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70 (1)
However, in the formula (1), the mass% of Mo and V contained in the bolt is substituted for Mo and V, respectively.
Ｔｉ：０．１００％以下、
Ｎｂ：０．１００％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、
Ｗ：２．５０％以下、及び
ＲＥＭ：０．０２０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む請求項１に記載のボルト。 The chemical composition is, in place of a part of the Fe, in mass% Ti: 0.100% or less,
Nb: 0.100% or less,
B: 0.0050% or less,
The bolt according to claim 1, further comprising one or more selected from the group consisting of W: 2.50% or less and REM: 0.020% or less.
Ｐｂ：０．０５％以下、
Ｃｄ：０．０５％以下、
Ｃｏ：０．０５％以下、
Ｚｎ：０．０５％以下、
Ｃａ：０．０２％以下、及び
Ｚｒ：０．０２％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含む請求項１又は請求項２に記載のボルト。 The chemical composition is, in place of a part of the Fe, in mass% Pb: 0.05% or less,
Cd: 0.05% or less,
Co: 0.05% or less,
Zn: 0.05% or less,
The bolt according to claim 1 or 2, further comprising one or more selected from the group consisting of Ca: 0.02% or less and Zr: 0.02% or less.
３質量％の塩化ナトリウムに、１Ｌあたり０．３ｇのチオシアン酸アンモニウムを添加した室温の溶液中で、電流密度０．０３ｍＡ／ｃｍ２で２４時間陰極水素チャージした後、亜鉛めっきを施し、９６時間放置した後、引張強さの０．９倍の一定荷重を負荷した時の、破断に至るまでの時間が１００時間以上である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のボルト。 In a room temperature solution prepared by adding 3 g of ammonium thiocyanate per liter to 3% by mass of sodium chloride, the trap hydrogen amount after the cathode hydrogen charging was carried out at a current density of 0.2 mA/cm 2 for 72 hours was 7.0 ppm or more Yes,
3 g of sodium chloride was added to 0.3 g per 1 L of ammonium thiocyanate in a room temperature solution at a current density of 0.03 mA/cm 2 for 24 hours, followed by cathodic hydrogen charging and then zinc plating for 96 hours. The bolt according to any one of claims 1 to 3, wherein the time until breakage is 100 hours or more when a constant load of 0.9 times the tensile strength is applied after being left standing.
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、焼入れ処理を行い、
５３０〜６９０℃の温度範囲で焼戻し処理を行う、ボルトの製造方法。 Forming bolt steel having the chemical composition according to any one of claims 1 to 3 into a bolt shape,
After heating to a temperature of Ac 3 points or higher, quenching treatment is performed,
A method for manufacturing a bolt, which comprises performing a tempering treatment in a temperature range of 530 to 690°C.
Ａｃ３点以上の温度に加熱した後、加熱温度から２００℃に至るまで、５℃／秒以上の冷却速度で焼入れ処理を行い、５３０〜６９０℃の温度範囲及び３０分〜４時間の保持時間で焼戻した場合の引張強さが１６００ＭＰａ以上になり得るボルト用鋼。 A steel for bolts, which is a raw material of the bolt according to any one of claims 1 to 4, having the chemical composition according to any one of claims 1 to 3,
After heating to a temperature of Ac 3 points or more, quenching treatment is performed at a cooling rate of 5°C/sec or more from the heating temperature to 200°C, a temperature range of 530 to 690°C and a holding time of 30 minutes to 4 hours. Steel for bolts that can have a tensile strength of 1600 MPa or more when tempered in.
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