JP3507626B2

JP3507626B2 - 高強度ボルト用鋼および高強度ボルト

Info

Publication number: JP3507626B2
Application number: JP20741596A
Authority: JP
Inventors: 周悟郎足立; 義則山本; 晃司金子; 裕一並村; 豊文長谷川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: JPH1053834A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車や各種産業
機械等に用いられるボルト用鋼および該ボルト用鋼を用
いて得られるボルトに関する。詳細には、引張強度が７
８５Ｎ／ｍｍ² を超えると共に、オーステナイト結晶粒
度番号が５以上であるボルトを製造するのに有用な高強
度ボルト用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、引張強度が７８５〜１１７５Ｎ／
ｍｍ² の高強度ボルトを製造するには、ＳＣＭ４３５に
代表される低合金鋼が使用されていたが、近年における
コスト低減化の要請に伴い、Ｂ添加による焼入性向上効
果を利用したＢ添加鋼が用いられつつある。しかしなが
らＢ添加鋼は、焼入れ加熱時にオーステナイトの結晶粒
度が粗大化しやすいという問題がある。特に、冷間加工
を施した材料については、焼入れ・焼鈍時にオーステナ
イト結晶粒度が粗大化しやすくなる。そこで、オーステ
ナイト結晶粒の粗大化を抑制することを目的として、特
に焼入れ加熱時、或いは焼入れ加熱前における加熱速度
を制御した種々の方法が提案されている。

【０００３】例えば特開平５７−７９１１６号は焼入れ
時の加熱速度を３〜５０℃／ｓｅｃに制御する方法であ
るが、通常のボルト焼入れ時の加熱速度（０．１〜０．
８℃／ｓｅｃ）とは異なり急速加熱処理を施す必要があ
り、適用範囲が限定されてしまうという問題がある。

【０００４】また特公昭５６−１３７６８号では、焼入
れ時の加熱速度を３℃／ｍｉｎ以下と、通常の焼入加熱
速度に比べて非常に遅くする方法であるが、加熱手段は
誘導加熱法を前提としており、通常のボルト焼入れ・焼
鈍処理で繁用される電気炉加熱は利用しにくいという不
都合がある。更にこの方法によれば、オーステナイトの
結晶粒度を調整するために、鋼の焼入れ処理前に熱間加
工または９５０℃以上１０００℃以下の加熱処理を行う
ことが前提となっており、工程が煩雑となりコストの上
昇を招く等の問題も伴っている。

【０００５】更に、特開平３−４７９１８号には、Ｔｉ
Ｎを微細析出させることによって焼入れ時のオーステナ
イト結晶粒の粗大化を防止する方法が開示されている。
即ち、連続鋳造時にＴｉＮを微細析出させると共に、そ
の後の圧延工程においても、ＴｉＮの凝集を阻止すると
いう観点から従来の加熱温度（１０００〜１２５０℃）
よりも低い加熱温度（８００〜９５０℃）で加熱処理す
る方法である。しかしながら、この方法では鋳造時の凝
固速度を速くする必要があり、従って、ブルーム連続鋳
造や造塊鋳造等の如く凝固速度の遅い鋳造方法を採用し
た場合には、オーステナイト結晶粒度の粗大化を防止す
ることはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
に着目してなされたものであって、その目的は、焼入れ
加熱前における加熱速度や加熱温度等を制御しなくと
も、オーステナイト結晶粒度番号が５以上の微細結晶粒
を含有し且つ引張強度が７８５Ｎ／ｍｍ²を超える高強
度ボルトを製造するのに有用な高強度ボルト用鋼を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の高強度ボルト用鋼とは、鋼の化学成分がＢ：0.00
08〜0.004％（質量％の意味、以下同じ），Ｃ：0.4％以
下（０％を含まない），Ｔｉ：0.025〜0.06％，Ｎ：0.0
06％以下（０％を含まない），Ｓｉ：0.35％以下（０％
を含まない），Ｍｎ：2％以下（０％を含まない），Ａ
ｌ：0.1％以下（０％を含まない），Ｃｒ：2.0％以下
（０％を含まない），残部：Ｆｅおよび不可避不純物で
あると共に、［ＴｉＮを除くＴｉ化合物の合計量／ＦＧ
ｃ^1/2］×1000で規定されるＧ値（ＦＧｃは鋼を熱間圧
延したときのフェライト結晶粒度を意味する。以下、単
にＧ値と呼ぶ場合がある）が下式（１）または（２）を
満足するところに要旨を有するものである。

【０００８】Ｇ値≧（Ｙ−７７５）／７０ … （１）｛式中、Ｙ：焼入温度（℃）を意味し、Ｙは８００〜１
０００℃（好ましくは８５０〜９４０℃）である｝Ｇ値≧３ … （２）

【０００９】また、上記ボルト用鋼を用いて得られる高
強度ボルトも本発明の範囲内に包含される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明者らは、高強度ボルト用鋼
として有用なＢ添加鋼における上述した問題点、即ち焼
入れ時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を防止す
ることを目的として鋭意検討を行った。その結果、オ
ーステナイト結晶粒の粗大化を防止するには、ＴｉＮを
除くＴｉ化合物を微細析出させることが有効であるこ
と、及びオーステナイト結晶粒の粗大化は鋼材のフェ
ライト結晶粒にも依存することが分かった。従って、鋼
材のフェライト結晶粒度および焼入温度に見合った量
の、ＴｉＮを除くＴｉ化合物を微細析出させることがで
きれば上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完
成したのである。

【００１１】以下、本発明を特徴付ける各要件について
説明する。

【００１２】Ｃ：0.4％以下（０％を含まない）Ｃは鋼の焼入性と強度確保のために有用な元素である
が、過剰に添加すると；焼入れ後の靱性が低下すると共
に、割れが発生する等の問題を招くので、その上限を0.
4％とした。好ましい上限値は0.35％である。また、上
記作用を有効に発揮させるには、0.15％以上の添加が好
ましい。

【００１３】Ｔｉ：0.025 〜0.06％Ｔｉは鋼中のＮをＴｉＮの形で固定し、Ｂ添加による焼
入効果を発揮させるのに非常に有用である。特に、Ｔｉ
化合物の形成は焼入れ後のオーステナイト結晶粒の粗大
化防止に非常に有用である。この様な作用を有効に発揮
させるには0.025％以上の添加が必要である。好ましい
下限値は0.030％であり、より好ましいのは0.040％であ
る。しかしながら、0.06％以上添加してもその効果は飽
和するので、その上限を0.06％とした。

【００１４】Ｎ：0.006 ％以下（０％を含まない）Ｎは、ＡｌＮやＴｉＮの形成によって焼入れ後のオース
テナイト結晶粒の粗大か防止に寄与する元素である。し
かしながら、過剰に添加するとＡｌやＴｉの添加によっ
ても全てを捕捉することはできず、余剰のＮがＢＮを形
成するため、Ｂによる焼入性を確保できないと共に、焼
入れ後のオーステナイト結晶粒の粗大化防止に大きく寄
与するＴｉＮを除くＴｉ化合物の析出量が少なくなるた
め、その上限値を0.006％にした。好ましい上限値は0.0
050％であり、より好ましいのは0.0040％である。

【００１５】Ｂ：0.0008〜0.004％Ｂは粒界に偏析することにより鋼の焼入性を向上させる
元素である。その効果を有効に発揮させるためには0.00
08％以上の添加が必要である。好ましい下限値は0.0010
％であり、より好ましいのは0.0015％である。しかしな
がら過剰に添加すると、かえって延性を阻害するので、
その上限を0.004％とした。好ましい上限値は0.0035％
であり、より好ましいのは0.0030％である。

【００１６】Ｓｉ：0.35 ％以下（０％を含まない）Ｓｉは脱酸剤として有用な元素であり、好ましい下限値
は0.035％である。しかしながら、その添加量が増大す
るにつれて冷間鍛造性が低下するので、その上限を0.35
％以下とした。

【００１７】Ｍｎ：2 ％以下（０％を含まない）Ｍｎは焼入性向上元素として使用され、高強度を付与す
るのに有用である。しかしながら、Ｍｎの添加量が多す
ぎると、圧延後に過冷組織が生成し、冷間鍛造性が低下
する他、ボルトの寿命低下をもたらす。好ましい上限値
は1.5％であり、より好ましいのは1.2％である。

【００１８】Ａｌ：0.1 ％以下（０％を含まない）Ａｌは脱酸剤として使用され、鋼中のＮを固定してＡｌ
Ｎを形成して結晶粒を微細化することによって頭飛び特
性の向上に寄与する元素である。この様な作用を有効に
発揮させるには0.005％以上の添加が好ましい。より好
ましい下限値は0.010％であり、更により好ましいのは
0.020％である。しかしながら多過ぎると酸化物系介在
物が生成することによって冷間鍛造性が低下するので、
その上限を0.1％とした。好ましい上限値は0.08％であ
り、より好ましいのは0.06％である。

【００１９】Ｃｒ：2.0％以下（０％を含まない）Ｃｒは、焼入性を改善して強度を高めるという観点から
非常に有用である。

【００２０】本発明の鋼は、上記元素を必須成分とし、
残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるが、その他、必
要に応じてＭｏ：1.0％以下（０％を含まない）を添加
することは、焼入性を改善して強度を高めるという観点
から非常に有用である。

【００２１】更に、本発明の高強度ボルト用鋼は、本発
明で規定する前記Ｇ値について、上記式（１）または
（２）を満足しなければならない。

【００２２】上述した様に、焼入れ後のオーステナイト
結晶粒の粗大化はＴｉＮを除くＴｉ化合物量および鋼材
のフェライト結晶粒度に依存し、焼入れ後のオーステナ
イト結晶粒の粗大化を防止するには、上記Ｇ値が式
（１）または（２）の関係を満足することが必要であ
る。尚、本発明において「ＴｉＮを除くＴｉ化合物」と
は、例えばＴｉＣ、Ｔｉ₄Ｃ₂Ｓ₂、ＴｉＳ等のＴｉ化合
物を意味する。

【００２３】このうち式（１）は、Ｇ値を焼入温度
（Ｙ）との関係で規定したものである。図１に、後記す
る実施例において、Ｇ値や焼入温度（Ｙ）を種々変化さ
せた場合におけるＭ１０ボルトのオーステナイト結晶粒
粗大化の有無をグラフ化したものを示す。図中、ＧＧと
はオーステナイト結晶粒の粗大化を示す。同図から明ら
かな様に、式（１）の関係を満たすものは、焼入温度
（Ｙ）を変化させてもオーステナイト結晶粒の粗大化は
全く生じないことが分かる。焼入温度は８００〜１００
０℃であり、より好ましくは８５０〜９４０℃である。

【００２４】一方、式（２）は、焼入温度（Ｙ）とは関
係なくＧ値のみによって規定されるものである。即ち、
Ｇ値が３以上である鋼を用いれば、その後の製造条件に
拘わらず、焼入れ加熱前における加熱速度や加熱温度等
を制御しなくとも、オーステナイト結晶粒の粗大化は生
じないのである。Ｇ値の好ましい下限値は４である。

【００２５】尚、その上限値は特に規定されないが、Ｔ
ｉ化合物が多量に生成すると鋼の清浄化が低下する等の
点を考慮すれば、６以下が好ましい。

【００２６】本発明のボルト用鋼は、この様に鋼の化学
組成およびＧ値を制御した点に特徴があり、この様な鋼
を用いれば、オーステナイト結晶粒度番号が５以上の高
強度ボルトを効率よく製造することができる。従って、
本発明鋼を用いてボルトを製造するに当たっては、鋼片
の加熱温度や加熱処理後の焼入れ・焼鈍条件、ボルト製
造時における冷間加工条件、溶製条件等については特に
制御されず、本発明の作用を損なわない範囲で、適宜好
ましい条件を選択することができる。

【００２７】以下実施例を挙げて本発明をさらに詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を制限するものではな
く、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施するこ
とは全て本発明の技術的範囲に包含される。

【００２８】

【実施例】実施例１表１に示す化学成分を有する各種鋼を連続鋳造法（３０
０×４３０ｍｍブルーム連鋳機）または造塊法にて溶製
した後、圧延加熱温度および圧延仕上温度を変化させる
ことにより１０．３ｍｍφの線材に熱間圧延した。後記
する表２中、圧延加熱条件における低温加熱とは約８５
０℃の加熱を、高温加熱とは約１０５０℃の加熱を夫々
意味し、一方、圧延仕上温度条件における低温仕上とは
約７５０℃の仕上温度を、高温仕上とは約９００℃の仕
上温度で処理することを夫々意味する。

【００２９】この線材のフェライト結晶粒度およびＴｉ
Ｎを除くＴｉ化合物の合計量を測定した後、９．０ｍｍ
φに冷間伸線し、冷間加工を施すことによりＭ１０ボル
トを作製した。このＭ１０ボルトを更に８５０〜９４０
℃で加熱した後、焼入処理を施し、オーステナイト結晶
粒の粗大化の有無を調べた。

【００３０】尚、１０．３ｍｍφ線材のフェライト結晶
粒度およびＴｉＮを除くＴｉ化合物量、並びにＭ１０ボ
ルトのオーステナイト結晶粒度は、夫々、下記の方法で
測定した。

【００３１】［フェライト結晶粒度］ＪＩＳＧ０５５２に準拠して測定した。

【００３２】［ＴｉＮを除くＴｉ化合物量］ドリル（５．０ｍｍφ）を用い、１０．３ｍｍφの線材
から切粉を採取し、以下の手順によりＴｉ化合物を組成
別に分離して分析した。

【００３３】上記切粉を１０％ＡＡ系電解法および４
％ＭＳ系電解法にて溶解し、０．１μｍのフィルターを
用いて残渣を抽出した（１次分離）。

【００３４】１次分離で得られた残渣をＨＣｌ（ＨＣ
ｌ：Ｈ₂Ｏ＝１：１）で溶解した後、超音波処理を行
い、０．１μｍのフィルターを用いて残渣を抽出した
（２次分離）。

【００３５】２次分離で得られた残渣を、５％Ｂｒ₂
−メタノールと１４％Ｉ₂−メタノールの混液中に加
え、６０℃×５ｍｉｎの条件で溶解した後、超音波処理
を行い、０．１μｍのフィルターを用いて残渣を抽出し
た（３次分離）。

【００３６】３次分離で得られた溶液を蒸発乾固させ
た後、ＨＣｌ（ＨＣｌ：Ｈ₂Ｏ＝１：１）とＨ₂Ｏ₂の混
液で溶解してからＩＣＰ法でＴｉＳを定量した。……
（１）また、溶液については灼熱・灰化した後、Ｎａ₂Ｏ₃及び
Ｎａ₂Ｂ₄Ｏ₇で融解し、更にＨＣｌ，Ｈ₂Ｏ₂及びＨ₂Ｏの
混液で溶解してから、ＩＣＰ分析法で［Ｔｉ＋Ｔｉ₄Ｃ₂
Ｓ₂＋ＴｉＣ］を分析した。……（２）上記（１）＋（２）を、ＴｉＮを除くＴｉ化合物量とし
て算出した。

【００３７】［オーステナイト結晶粒度］ＪＩＳＧ０５５１に準拠して測定し、オーステナイ
ト結晶粒度Ｎo.が５番未満か、或いはオーステナイト結
晶粒度が３番以上離れたものをオーステナイト結晶粒の
粗大化発生有りと判定した。

【００３８】各鋼種の圧延加熱条件・圧延仕上条件、１
０．３ｍｍφ線材のフェライト結晶粒度、ＴｉＮを除く
Ｔｉ化合物量およびＧ値を表２に併記する。更に、図１
には、Ｇ値や焼入温度を種々変化させた場合におけるＭ
１０ボルトのオーステナイト結晶粒の粗大化状況をグラ
フ化して表す。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】表および図の結果より次の様に考察するこ
とができる。

【００４２】Ｎo.１〜８，１１，１２…本発明で規定す
る化学組成およびＧ値を満足する鋼を用いた例であり、
連続鋳造法、造塊法のいずれの溶製法を採用しようと
も、焼入加熱温度（圧延加熱条件、圧延仕上条件）に関
係なく、オーステナイト結晶粒の粗大化は見られなか
った。

【００４３】Ｎo.９，１０，１５，１６…化学組成は本
発明の要件を満足しており、式（１）を満足する範囲内
ではオーステナイト結晶粒の粗大化は認められなかっ
た。

【００４４】Ｎo.１３，１４…Ｔｉ量が少なく且つＧ値
が規定外の鋼を用いた例であり、焼入加熱温度を種々変
えてもオーステナイト結晶粒の粗大化が見られた。

【００４５】Ｎo.１７，１８…Ｔｉ量の多い鋼を用いた
例であり、オーステナイト結晶粒の粗大化効果が飽和し
ている。

【００４６】

【発明の効果】本発明鋼は上記の様に構成されているの
で、焼入れ加熱前における加熱速度や加熱温度等を制御
しなくとも、オーステナイト結晶粒度番号が５以上の微
細結晶粒を含有し、且つ引張強度が７８５Ｎ／ｍｍ²を
超える高強度ボルトを効率よく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｇ値と焼入温度を種々変化させた場合における
ボルトのオーステナイト結晶粒の粗大化状況を示すグラ
フ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者並村裕一神戸市灘区灘浜東町２番地株式会社神戸製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者長谷川豊文神戸市灘区灘浜東町２番地株式会社神戸製鋼所神戸製鉄所内 (56)参考文献特開平９−268320（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C22C 38/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼の化学成分がＢ：0.0008〜0.004％（質量％の意味、以下同じ），Ｃ：0.4％以下（０％を含まない），Ｔｉ：0.025 〜0.06％，Ｎ：0.006 ％以下（０％を含まない），Ｓｉ：0.35 ％以下（０％を含まない），Ｍｎ：2 ％以下（０％を含まない），Ａｌ：0.1 ％以下（０％を含まない），Ｃｒ：2.0％以下（０％を含まない），残部：Ｆｅおよび不可避不純物であると共に、下式（１）を満足することを特徴とする
高強度ボルト用鋼。［ＴｉＮを除くＴｉ化合物の合計量／ＦＧｃ^1/2］×100
0 ≧（Ｙ−７７５）／７０ …… （１）（式中、ＦＧｃ：鋼を熱間圧延したときのフェライト結
晶粒度，Ｙ：焼入温度（℃）を夫々意味し、Ｙは８００〜１０００℃である）
【請求項２】前記焼入温度（Ｙ）は８５０〜９４０℃
である請求項１に記載の高強度ボルト用鋼。
【請求項３】鋼の化学成分がＢ：0.0008〜0.004％（質量％の意味、以下同じ），Ｃ：0.4％以下（０％を含まない），Ｔｉ：0.025 〜0.06％，Ｎ：0.006 ％以下（０％を含まない），Ｓｉ：0.35 ％以下（０％を含まない），Ｍｎ：2 ％以下（０％を含まない），Ａｌ：0.1 ％以下（０％を含まない），Ｃｒ：2.0％以下（０％を含まない），残部：Ｆｅおよび不可避不純物であると共に、下式（２）を満足することを特徴とする
高強度ボルト用鋼。［ＴｉＮを除くＴｉ化合物の合計量／ＦＧｃ^1/2］×100
0 ≧３ …… （２）（式中、ＦＧｃは前と同じ意味）
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のボルト
用鋼を用いて得られる高強度ボルト。