JP4909437B2 - ボルトの検査方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ボルトの検査方法に関するものであり、特に寒冷地に設置される風車用として使用の可否を判別することができるボルトの検査方法に関するものである。
風力発電装置用の風車に使用されるボルトは、高強度、高靭性が要求される。そのため、風車に使用されるボルト用の鋼材としては、高強度、高靭性を確保できる合金であるクロムモリブデン鋼が使用されることが多い。クロムモリブデン鋼は、炭素鋼（Ｆｅ＋Ｃ）にクロム（Ｃｒ）を添加し焼き入れ性を向上させた上で、さらにモリブデン（Ｍｏ）を添加することにより一層焼き入れ性を向上させた合金で、焼き戻しによる軟化も起こりにくく、焼き戻し脆さも少ない。
前記風車に使用されるボルトの鋼材としてのクロムモリブデンの一例として、質量％での成分比において、０．３３％以上０．３８％以下のＣ、０．１５％以上０．３５％以下のＳｉ、０．６０％以上０．８５％以下のＭｎ、０．９０％以上１．２０％以下のＣｒ、０．１５〜０．３０％以上のＭｏを含有し、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下に制限した鋼材を挙げることができる。
このようなクロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトは、非寒冷地に設置される風車に使用するには充分な強度、靭性を有しており、特に問題はない。
一方、周囲の温度が−４０℃程度となるような寒冷地に設置される風車では、靱性の指標として−２０℃におけるシャルピー衝撃エネルギーで２７［Ｊ］以上を満たすボルトを使用することが要求される。しかし、クロムモリブデン鋼を使用して複数のボルトを作成すると、一部のボルトは前記−２０℃におけるシャルピー衝撃エネルギー２７［Ｊ］以上を満足するものの、一部のボルトは前記−２０℃におけるシャルピー衝撃値２７［Ｊ］以上を満足しないことが判明しており、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを寒冷地に設置される風車用のボルトとして使用することはできない。
そこで、寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材として、前記クロムモリブデン鋼に代えて、低温靭性の高い鋼材を使用することが考えられる。
前記低温靭性の高い鋼材として、例えば特許文献１（特開平８−６７９５０号公報）に開示された強度及び靭性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼を使用することが考えられる。これは、Ｃ含有量が０．０５〜１．５質量％、Ｓｉ含有量が２質量％以下、Ｍｎ含有量が２質量％以下及びＣｒ含有量が１０〜２０質量％であり、マトリックス中に粒径２μｍ以下の微細炭化物を１〜３０体積％の割合で均一分散させ、旧オーステナイト粒径を３０μｍ以下に微細化することによってマルテンサイト系ステンレス鋼の靭性を改善した鋼材である。
しかし、特許文献１に開示されている鋼材は、多量のＣｒを添加する必要があり、ボルト用鋼材の高強度化に寄与する鉄系の焼き戻し炭化物が析出成長せず、高強度化が困難である。そのため、寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材として使用することは難しい。
また、仮に寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材としての使用に耐えうる材料であっても、該材料を、非寒冷地用のボルトの鋼材として使用するクロムモリブデン鋼と平行して使用することは、寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材と、非寒冷地用に使用するボルトの鋼材とを別個の設備で製造する必要があり、設備のイニシャルコスト及びランニングコストが増大する。
そこで、前述のように、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトは、寒冷地用風車で使用されるボルトに要求される前記−２０℃におけるシャルピー衝撃エネルギー２７［Ｊ］を満足するものと、満足しないものが混在していることを利用し、寒冷地用に使用できるボルトと寒冷地用に使用できないボルトに振り分けることが考えられる。
前記振り分けを行うためには例えば、作成されたボルトのロット毎に１つづつボルトを抜き出して、該抜き出したボルトに対してシャルピー衝撃試験を実施して、前記シャルピー衝撃値を満足すれば該当ロットのボルトは寒冷地用として使用可能、満足しなければ該当ロットのボルトは寒冷地用として使用不可能と振り分けを行う方法が挙げられる。
これにより、寒冷地用と非寒冷地用のボルトの鋼材を別個の設備で製造する必要はなく、設備のイニシャルコスト及びランニングコストが増大することなく、寒冷地用と非寒冷地用のボルト用の鋼材を準備することができる。
しかしながら、シャルピー衝撃試験は、切り欠きの入った角柱状の試験片に対して高速で衝撃を与えることで試験片を破壊し、破壊するために要したエネルギーによって、試験片の靭性を評価するための衝撃試験である。そのため、ボルトに対してシャルピー衝撃試験を行うためには、ボルトを切断して角柱状の試験片に加工する必要があり、煩雑で時間がかかる作業が必要となる。従って、前記クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトに対してシャルピー衝撃試験を実施し、該シャルピー衝撃試験の結果に基づいて、寒冷地用としての使用可であるか否かを分類することは、長時間の作業を伴うため工程の管理が煩雑となる。
さらに、このようにしてシャルピー衝撃試験によって寒冷地用としての使用可否を判別する方法では、製造されたボルトは、シャルピー衝撃試験を実施されるまで寒冷地用として使用可能か否かの判断が不可能であるため、製造されたボルト中の寒冷地用で使用可能なボルトの混在割合によっては寒冷地用として使用するボルトの必要数を確保できない可能性がある。
前記風車に使用されるボルトの鋼材としてのクロムモリブデンの一例として、質量％での成分比において、０．３３％以上０．３８％以下のＣ、０．１５％以上０．３５％以下のＳｉ、０．６０％以上０．８５％以下のＭｎ、０．９０％以上１．２０％以下のＣｒ、０．１５〜０．３０％以上のＭｏを含有し、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下に制限した鋼材を挙げることができる。
このようなクロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトは、非寒冷地に設置される風車に使用するには充分な強度、靭性を有しており、特に問題はない。
一方、周囲の温度が−４０℃程度となるような寒冷地に設置される風車では、靱性の指標として−２０℃におけるシャルピー衝撃エネルギーで２７［Ｊ］以上を満たすボルトを使用することが要求される。しかし、クロムモリブデン鋼を使用して複数のボルトを作成すると、一部のボルトは前記−２０℃におけるシャルピー衝撃エネルギー２７［Ｊ］以上を満足するものの、一部のボルトは前記−２０℃におけるシャルピー衝撃値２７［Ｊ］以上を満足しないことが判明しており、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを寒冷地に設置される風車用のボルトとして使用することはできない。
そこで、寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材として、前記クロムモリブデン鋼に代えて、低温靭性の高い鋼材を使用することが考えられる。
前記低温靭性の高い鋼材として、例えば特許文献１（特開平８−６７９５０号公報）に開示された強度及び靭性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼を使用することが考えられる。これは、Ｃ含有量が０．０５〜１．５質量％、Ｓｉ含有量が２質量％以下、Ｍｎ含有量が２質量％以下及びＣｒ含有量が１０〜２０質量％であり、マトリックス中に粒径２μｍ以下の微細炭化物を１〜３０体積％の割合で均一分散させ、旧オーステナイト粒径を３０μｍ以下に微細化することによってマルテンサイト系ステンレス鋼の靭性を改善した鋼材である。
しかし、特許文献１に開示されている鋼材は、多量のＣｒを添加する必要があり、ボルト用鋼材の高強度化に寄与する鉄系の焼き戻し炭化物が析出成長せず、高強度化が困難である。そのため、寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材として使用することは難しい。
また、仮に寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材としての使用に耐えうる材料であっても、該材料を、非寒冷地用のボルトの鋼材として使用するクロムモリブデン鋼と平行して使用することは、寒冷地用の風車に使用するボルトの鋼材と、非寒冷地用に使用するボルトの鋼材とを別個の設備で製造する必要があり、設備のイニシャルコスト及びランニングコストが増大する。
そこで、前述のように、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトは、寒冷地用風車で使用されるボルトに要求される前記−２０℃におけるシャルピー衝撃エネルギー２７［Ｊ］を満足するものと、満足しないものが混在していることを利用し、寒冷地用に使用できるボルトと寒冷地用に使用できないボルトに振り分けることが考えられる。
前記振り分けを行うためには例えば、作成されたボルトのロット毎に１つづつボルトを抜き出して、該抜き出したボルトに対してシャルピー衝撃試験を実施して、前記シャルピー衝撃値を満足すれば該当ロットのボルトは寒冷地用として使用可能、満足しなければ該当ロットのボルトは寒冷地用として使用不可能と振り分けを行う方法が挙げられる。
これにより、寒冷地用と非寒冷地用のボルトの鋼材を別個の設備で製造する必要はなく、設備のイニシャルコスト及びランニングコストが増大することなく、寒冷地用と非寒冷地用のボルト用の鋼材を準備することができる。
しかしながら、シャルピー衝撃試験は、切り欠きの入った角柱状の試験片に対して高速で衝撃を与えることで試験片を破壊し、破壊するために要したエネルギーによって、試験片の靭性を評価するための衝撃試験である。そのため、ボルトに対してシャルピー衝撃試験を行うためには、ボルトを切断して角柱状の試験片に加工する必要があり、煩雑で時間がかかる作業が必要となる。従って、前記クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトに対してシャルピー衝撃試験を実施し、該シャルピー衝撃試験の結果に基づいて、寒冷地用としての使用可であるか否かを分類することは、長時間の作業を伴うため工程の管理が煩雑となる。
さらに、このようにしてシャルピー衝撃試験によって寒冷地用としての使用可否を判別する方法では、製造されたボルトは、シャルピー衝撃試験を実施されるまで寒冷地用として使用可能か否かの判断が不可能であるため、製造されたボルト中の寒冷地用で使用可能なボルトの混在割合によっては寒冷地用として使用するボルトの必要数を確保できない可能性がある。
本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、煩雑な作業を行うシャルピー衝撃試験を実施することなく、寒冷地用に使用できるボルトと、寒冷地用に使用できないボルトに振り分けることができる風力用ボルトの検査方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明においては、熱処理を施されたクロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、寒冷地での使用の可否を判別するボルトの検査方法において、前記クロムモリブデン鋼の鋼材検査証明書に記載されたリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）であるＰ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％、Ｓｎ％を用いて
Ｊ＝（Ｓｉ％＋Ｍｎ％）×（Ｐ％＋Ｓｎ％）×１０４
で計算されるＪパラメータと、ボルト径を用いて、寒冷地での使用の可否を判別することを特徴とする。
ここで、鋼材検査証明書とは、鋼材を製造したメーカーが該鋼材の検査結果を証明した証明書であり、少なくともリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）が記載されている必要がある。
前記ボルトの寒冷地での使用の可否は、従来より靱性の指標として知られていたシャルピー衝撃値によって判断することができる。
発明者は、クロムモリブデン鋼においては、Ｊパラメータとボルト径とが、前記シャルピー衝撃値の指標となることを見出し、Ｊパラメータとボルト径とを用いてボルトの寒冷地での使用の可否を判断できることを見出した。
Ｊパラメータとボルト径とを用いてボルトの寒冷地での使用の可否を判断することによって、手順が複雑で時間を要するシャルピー衝撃試験を実施する必要がなく、検査時間の短縮化が可能となり、工程を簡素化することができる。
さらに、前記Ｊパラメータを求めるために、鋼材検査証明書に記載されたリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）を用いることで、鋼材の分析等を行うことなくＪパラメータを求めることができるため、より短時間でＪパラメータを求めることができる。
また、寒冷地で使用するボルトの最大ボルト径の、寒冷地での使用可能であると判断されるＪパラメータの最大値を求め、前記Ｊパラメータが前記最大値以下、且つボルト径が前記Ｄ以下であるボルトを寒冷地での使用可能と判断することを特徴とする。
前記最大値を求めておけば、Ｊパラメータのみでボルトの寒冷地での使用の可否を判断することができるため、さらに検査時間の短縮化が可能となる。
また、ボルト径は前記最大値を求める際にのみ使用し、個々のボルトの寒冷地での使用可否の判断に使用することはなく、さらにＪパラメータは、ボルトの製造前に鋼材検査証明書に記載されたＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）を用いて計算することができるので、製造されたボルトの寒冷地用としての使用の可否を靱性の面に関しては鋼材の時点で判断することができる。
また、前記熱処理条件によって、該焼き入れ時における冷却方法が油冷か水冷かによって前記Ｊパラメータの最大値を異ならせたことを特徴とする。
水冷よりも油冷の方が冷却速度が遅いため、水冷で急冷したボルトよりも油冷で急冷したボルトの方が靱性が低下し、シャルピー衝撃値も大きくなる。そのため、前記冷却方法が油冷か水冷かによって前記Ｊパラメータの最大値を異ならせることで、より正確にボルトの寒冷地での使用の可否を判断することができる。
以上記載のごとく本発明によれば、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、煩雑な作業を行うシャルピー衝撃試験を実施することなく、寒冷地用に使用できるボルトと、寒冷地用に使用できないボルトに振り分けることができる風力用ボルトの検査方法を提供することができる。
上記課題を解決するため本発明においては、熱処理を施されたクロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、寒冷地での使用の可否を判別するボルトの検査方法において、前記クロムモリブデン鋼の鋼材検査証明書に記載されたリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）であるＰ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％、Ｓｎ％を用いて
Ｊ＝（Ｓｉ％＋Ｍｎ％）×（Ｐ％＋Ｓｎ％）×１０４
で計算されるＪパラメータと、ボルト径を用いて、寒冷地での使用の可否を判別することを特徴とする。
ここで、鋼材検査証明書とは、鋼材を製造したメーカーが該鋼材の検査結果を証明した証明書であり、少なくともリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）が記載されている必要がある。
前記ボルトの寒冷地での使用の可否は、従来より靱性の指標として知られていたシャルピー衝撃値によって判断することができる。
発明者は、クロムモリブデン鋼においては、Ｊパラメータとボルト径とが、前記シャルピー衝撃値の指標となることを見出し、Ｊパラメータとボルト径とを用いてボルトの寒冷地での使用の可否を判断できることを見出した。
Ｊパラメータとボルト径とを用いてボルトの寒冷地での使用の可否を判断することによって、手順が複雑で時間を要するシャルピー衝撃試験を実施する必要がなく、検査時間の短縮化が可能となり、工程を簡素化することができる。
さらに、前記Ｊパラメータを求めるために、鋼材検査証明書に記載されたリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）を用いることで、鋼材の分析等を行うことなくＪパラメータを求めることができるため、より短時間でＪパラメータを求めることができる。
また、寒冷地で使用するボルトの最大ボルト径の、寒冷地での使用可能であると判断されるＪパラメータの最大値を求め、前記Ｊパラメータが前記最大値以下、且つボルト径が前記Ｄ以下であるボルトを寒冷地での使用可能と判断することを特徴とする。
前記最大値を求めておけば、Ｊパラメータのみでボルトの寒冷地での使用の可否を判断することができるため、さらに検査時間の短縮化が可能となる。
また、ボルト径は前記最大値を求める際にのみ使用し、個々のボルトの寒冷地での使用可否の判断に使用することはなく、さらにＪパラメータは、ボルトの製造前に鋼材検査証明書に記載されたＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）を用いて計算することができるので、製造されたボルトの寒冷地用としての使用の可否を靱性の面に関しては鋼材の時点で判断することができる。
また、前記熱処理条件によって、該焼き入れ時における冷却方法が油冷か水冷かによって前記Ｊパラメータの最大値を異ならせたことを特徴とする。
水冷よりも油冷の方が冷却速度が遅いため、水冷で急冷したボルトよりも油冷で急冷したボルトの方が靱性が低下し、シャルピー衝撃値も大きくなる。そのため、前記冷却方法が油冷か水冷かによって前記Ｊパラメータの最大値を異ならせることで、より正確にボルトの寒冷地での使用の可否を判断することができる。
以上記載のごとく本発明によれば、クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、煩雑な作業を行うシャルピー衝撃試験を実施することなく、寒冷地用に使用できるボルトと、寒冷地用に使用できないボルトに振り分けることができる風力用ボルトの検査方法を提供することができる。
第１図は、焼き入れ時に油冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。
第２図は、焼き入れ時に水冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。
第３図は、焼き入れ時に水冷を使用してクロムモリブデン鋼で作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とＪパラメータとの関係をまとめたグラフである。
第４図は、本実施例におけるボルトの検査方法の手順を示すフローチャートである。
第２図は、焼き入れ時に水冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。
第３図は、焼き入れ時に水冷を使用してクロムモリブデン鋼で作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とＪパラメータとの関係をまとめたグラフである。
第４図は、本実施例におけるボルトの検査方法の手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本発明者は、質量％での成分比において、０．３３％以上０．３８％以下のＣ、０．１５％以上０．３５％以下のＳｉ、０．６０％以上０．８５％以下のＭｎ、０．９０％以上１．２０％以下のＣｒ、０．１５〜０．３０％以上のＭｏを含有し、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下に制限したクロムモリブデン鋼を使用して作成されたボルトのシャルピー衝撃値に大きな影響を与える要素について検討を行った。その結果、クロムモリブデン鋼中のＰの含有量Ｐ％（質量％）、Ｓｉの含有量Ｓｉ％（質量％）、Ｍｎの含有量Ｍｎ％（質量％）、Ｓｎの含有量Ｓｎ％（質量％）を用い、
Ｊ＝（Ｓｉ％＋Ｍｎ％）×（Ｐ％＋Ｓｎ％）×１０４ ・・・（１）
で表されるＪパラメータが、ボルトのシャルピー衝撃値の指標となることを見出した。
なお、前記Ｓｉ％、Ｍｎ％、Ｐ％、Ｓｎ％は鋼材の鋼材検査証明書に記載されている値を使用した。
前記Ｊがボルトのシャルピー衝撃値の指標となることを見出した検討結果について説明する。
溶製した前述の成分比を有するクロムモリブデン鋼を圧延し、軟化焼鈍した後、伸線し、ボルト形状に成形した後、加熱後油中で急冷する焼き入れ処理を行い、再加熱後一定時間保持してから徐冷する焼戻し処理を行った鋼材を使用して、ボルトを作成した。ボルトは以下の２１種類を作成した。
Ｊ＝１００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝２００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝３００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
ここで、ボルトの体格とは、ボルトの軸部の径を意味している。
以上の２１種類のボルトに対し、シャルピー衝撃試験を実施し、環境温度が約−４０℃となる寒冷地用のボルトに要求されるシャルピー衝撃値（ｖＥａｖｅ）＝２７［Ｊ］を満たす温度を調べた。結果を図１に示す。
図１は、焼き入れ時に油冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。図１において、縦軸はｖＥａｖｅ＝２７［Ｊを達成する温度（℃）、横軸はボルトの体格（ｍｍ）である。
図１に示した通り、Ｊパラメータが同じボルトでは、ボルトの体格が大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。
またボルトの体格が同じボルトでは、Ｊパラメータが大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。
図１から、Ｊパラメータ＝１００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜４０ｍｍのすべてのボルトで、ｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−１００℃〜−８０℃の範囲であり、ボルトの体格４０ｍｍ以下のボルトは寒冷地用として使用可能であることが分かる。またＪパラメータ＝２００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜３８ｍｍのボルトはｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃以下であって、ボルトの体格が３８ｍｍ以下であれば寒冷地用として使用可能であることがわかる。Ｊパラメータ＝３００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜４０ｍｍのすべてのボルトで、２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃よりも高く、ボルトの体格２８ｍｍ以上では寒冷地用として使用できないことがわかる。
次に、溶製した前述の成分比を有するクロムモリブデン鋼を圧延し、軟化焼鈍した後、伸線し、ボルト形状に成形した後、加熱後水中で急冷する焼き入れ処理を行い、再加熱後一定時間保持してから徐冷する焼戻し処理を行った鋼材を使用して、ボルトを作成した。ボルトは以下の２１種類を作成した。
Ｊ＝１００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝２００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝３００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
該２１種類のボルトは、前述の図１のグラフを作成する際に使用したボルトとは、焼き入れ処理時の急冷方法が異なる他は同じ方法で製造したものである。
以上の２１種類のボルトに対し、シャルピー衝撃試験を実施し、シャルピー衝撃値（ｖＥａｖｅ）＝２７［Ｊ］を満たす温度を調べた。結果を図２に示す。
図２は、焼き入れ時に水冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。図２において、縦軸はｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度（℃）、横軸はボルトの体格（ｍｍ）である。
図２に示したとおり、Ｊパラメータが同じボルトでは、ボルトの体格が大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。またボルトの体格が同じボルトでは、Ｊパラメータが大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。
Ｊパラメータ＝１００では、ボルトの体格３２ｍｍ以下のボルトで、ｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃以下であって、ボルトの体格が３２ｍｍ以下であれば寒冷地用として使用可能であることが分かる。またＪパラメータ＝２００及びＪ＝３００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜４０ｍｍのすべてのボルトでｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃以下であって、ボルトの体格４０ｍｍ以下のボルトは寒冷地用として使用可能であることがわかる。
また、鋼材の焼き入れ時の急冷方法が油冷か水冷かが異なり、ボルトの体格とＪパラメータが同じボルト同士のｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度を比較すると、焼き入れ時の急冷方法が水冷である方が低温である傾向が見られる。例えば図１と図２を参照し、Ｊパラメータ＝２００、ボルトの体格３６ｍｍにおけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度は、図１に示した油冷で急冷したボルトでは約−３５℃であるのに対し、図２に示した水冷で急冷したボルトでは約−５５℃である。このことから、焼き入れ時の急冷方法が油冷である場合よりも、水冷である場合の方が高靱性を有するボルトを作成することができるといえる。
焼き入れ時の急冷方法が水冷である方が低温である傾向は、Ｊパラメータ、ボルトの体格に関わらず見られる。これは、水冷よりも油冷の方が冷却速度が遅いため、水冷で急冷したボルトよりも油冷で急冷したボルトの方が靱性が低下しているためと考えられる。
次に、寒冷地で使用する風車用のボルトとして、ボルト体格３６ｍｍ以下のボルトを採用する場合において、Ｊパラメータに注目してさらに検討を継続した。
焼き入れ時の急冷方法が水冷である図２に示したデータのうち、ボルトの体格３６ｍｍのデータに注目し、図３にまとめた。
図３は、焼き入れ時に水冷を使用してクロムモリブデン鋼で作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とＪパラメータとの関係をまとめたグラフである。図３において、縦軸はｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度（℃）、横軸はＪパラメータである。
図３から分かるように、ＪパラメータとｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とは比例の関係にあり、Ｊパラメータが大きくなるにつれてｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度も大きくなる。
前述の通り、環境温度が−４０℃程度となるような寒冷地に設置される風車では、−２０℃におけるシャルピー衝撃値ｖＥａｖｅが２７［Ｊ］以上であるボルトが要求される。図３にまとめた焼き入れ時に水冷で急冷したボルトの体格３６ｍｍのボルトにおいては、−２０℃におけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］以上であるためには、Ｊパラメータが２５０以下であればよいことがわかる。
さらに、ボルトの体格３６ｍｍ未満のボルトについて考える。図２から分かるように、ボルトの体格３６ｍｍ未満のボルトはボルトの体格３６ｍｍのボルトよりも高靱性であるから、Ｊパラメータ≦２５０を満たせば、ボルトの体格３６ｍｍ以下のボルト全てで−２０℃におけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］以上を満たすことができるといえる。即ち、寒冷地で使用する風車用のボルトとして採用する最大のボルトの体格３６ｍｍで、−２０℃におけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］以上を満たすＪパラメータ≦２５０を満たせば、ボルトの体格によらず寒冷地で使用する風車用のボルトとして採用することができるといえる。
従って、ボルトの体格を測定する必要がなく、鋼材中のＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）が分かればＪパラメータを計算でき、寒冷地で使用する風車用のボルトとして使用可能か否か判断できる。
特に、前記鋼材中のＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）は、鋼材の鋼材検査証明書に記載されており、前記含有率の測定を行う必要がない。
なお、寒冷地で使用する風車用ボルトの体格の上限を３６ｍｍとすることは一例に過ぎず、寒冷地で使用する風車用のボルトの体格の上限を他の大きさとする場合も、ボルトの体格の上限３６ｍｍの場合に図３を用いてＪパラメータの上限値２５０を求めた方法と同様に、ボルトの体格の上限におけるＪパラメータの上限値を求めておくことで、Ｊパラメータから寒冷地で使用する風車用のボルトとして使用可能か否かが判断できる。
また、焼き入れ時に水冷でなく油冷を実施した鋼材を使用する場合は、水冷を行った場合と別にＪパラメータの上限値を求めておく必要がある。
次に、寒冷地で使用する風車用のボルトとして、焼き入れ時に水冷を使用したクロムモリブデン鋼を鋼材として使用し、ボルトの体格３６ｍｍ以下、且つ−２０℃におけるシャルピー衝撃値が２７［Ｊ］以上であるボルトを採用する場合のボルト検査方法について説明する。
図４は、本実施例におけるボルトの検査方法の手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１でＪパラメータの上限を設定する。ここでは、図３を用いて説明したようにＪ＝２５０が上限である。
次にステップＳ２で鋼材（焼き入れ時に水冷を使用したクロムモリブデン鋼）を入手する。通常、前記鋼材は鋼材メーカーから購入するものであり、鋼材メーカーからは必ず鋼材とともに該鋼材におけるＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）が記載された鋼材検査証明書を入手する。
ステップＳ２で鋼材を入手すると、ステップＳ３で前記鋼材検査証明書に記載されたＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）から当該鋼材におけるＪパラメータを計算し、ステップＳ４でＪ≧２５０か否か判断する。
ステップＳ４でＮｏと判断されると、当該鋼材を用いて製造されたボルトは寒冷地用として使用できないため、ステップＳ５でボルトを製造し、ステップＳ６で製造されたボルトの体格に関わらず非寒冷地用のボルトとして採用する。
ステップＳ４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ７でボルトを製造する。
ステップＳ８では、ステップＳ７で製造されたボルトの体格を測定し、ボルトの体格≦３６ｍｍ以下であるか否か判断する。
ステップＳ８でＮｏと判断されると、ボルトの体格が寒冷地で使用する風車用のボルトとしての規格を満たさないため、ステップＳ９で非寒冷地用のボルトとして採用する。
ステップＳ８でＹｅｓと判断されると、寒冷地用のボルトとして採用する。
以上のようにして、予めＪパラメータの上限値を設定しておき、鋼材検査証明書に記載されたＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）を用いてＪパラメータを計算することで、製造されたボルトの寒冷地用としての使用の可否を簡単に判断することができる。
また、鋼材検査証明書に記載された前記含有率を計算に使用することで、鋼材の分析等を行う必要もない。
さらに、ボルトの製造前、即ち鋼材を導入した時点でＪパラメータの計算ができるので、図４におけるステップ４までで靱性の面においては鋼材を導入した時点で寒冷地用としての使用の可否を判断することができる。従って、鋼材を導入した時点で寒冷地用として使用できるボルトの存在割合を予測することが可能であり、必要に応じて鋼材を追加発注するなどの対応を早めにとることができ、寒冷地用として使用するボルトの必要数を確保できなくなる可能性を低減することができる。
本発明者は、質量％での成分比において、０．３３％以上０．３８％以下のＣ、０．１５％以上０．３５％以下のＳｉ、０．６０％以上０．８５％以下のＭｎ、０．９０％以上１．２０％以下のＣｒ、０．１５〜０．３０％以上のＭｏを含有し、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０３％以下に制限したクロムモリブデン鋼を使用して作成されたボルトのシャルピー衝撃値に大きな影響を与える要素について検討を行った。その結果、クロムモリブデン鋼中のＰの含有量Ｐ％（質量％）、Ｓｉの含有量Ｓｉ％（質量％）、Ｍｎの含有量Ｍｎ％（質量％）、Ｓｎの含有量Ｓｎ％（質量％）を用い、
Ｊ＝（Ｓｉ％＋Ｍｎ％）×（Ｐ％＋Ｓｎ％）×１０４ ・・・（１）
で表されるＪパラメータが、ボルトのシャルピー衝撃値の指標となることを見出した。
なお、前記Ｓｉ％、Ｍｎ％、Ｐ％、Ｓｎ％は鋼材の鋼材検査証明書に記載されている値を使用した。
前記Ｊがボルトのシャルピー衝撃値の指標となることを見出した検討結果について説明する。
溶製した前述の成分比を有するクロムモリブデン鋼を圧延し、軟化焼鈍した後、伸線し、ボルト形状に成形した後、加熱後油中で急冷する焼き入れ処理を行い、再加熱後一定時間保持してから徐冷する焼戻し処理を行った鋼材を使用して、ボルトを作成した。ボルトは以下の２１種類を作成した。
Ｊ＝１００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝２００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝３００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
ここで、ボルトの体格とは、ボルトの軸部の径を意味している。
以上の２１種類のボルトに対し、シャルピー衝撃試験を実施し、環境温度が約−４０℃となる寒冷地用のボルトに要求されるシャルピー衝撃値（ｖＥａｖｅ）＝２７［Ｊ］を満たす温度を調べた。結果を図１に示す。
図１は、焼き入れ時に油冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。図１において、縦軸はｖＥａｖｅ＝２７［Ｊを達成する温度（℃）、横軸はボルトの体格（ｍｍ）である。
図１に示した通り、Ｊパラメータが同じボルトでは、ボルトの体格が大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。
またボルトの体格が同じボルトでは、Ｊパラメータが大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。
図１から、Ｊパラメータ＝１００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜４０ｍｍのすべてのボルトで、ｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−１００℃〜−８０℃の範囲であり、ボルトの体格４０ｍｍ以下のボルトは寒冷地用として使用可能であることが分かる。またＪパラメータ＝２００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜３８ｍｍのボルトはｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃以下であって、ボルトの体格が３８ｍｍ以下であれば寒冷地用として使用可能であることがわかる。Ｊパラメータ＝３００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜４０ｍｍのすべてのボルトで、２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃よりも高く、ボルトの体格２８ｍｍ以上では寒冷地用として使用できないことがわかる。
次に、溶製した前述の成分比を有するクロムモリブデン鋼を圧延し、軟化焼鈍した後、伸線し、ボルト形状に成形した後、加熱後水中で急冷する焼き入れ処理を行い、再加熱後一定時間保持してから徐冷する焼戻し処理を行った鋼材を使用して、ボルトを作成した。ボルトは以下の２１種類を作成した。
Ｊ＝１００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝２００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
Ｊ＝３００であり、ボルトの体格がそれぞれ２８、３０、３２、３５、３６、３８、４０ｍｍの７種類
該２１種類のボルトは、前述の図１のグラフを作成する際に使用したボルトとは、焼き入れ処理時の急冷方法が異なる他は同じ方法で製造したものである。
以上の２１種類のボルトに対し、シャルピー衝撃試験を実施し、シャルピー衝撃値（ｖＥａｖｅ）＝２７［Ｊ］を満たす温度を調べた。結果を図２に示す。
図２は、焼き入れ時に水冷を使用して作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とボルトの体格との関係をＪパラメータごとにまとめたグラフである。図２において、縦軸はｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度（℃）、横軸はボルトの体格（ｍｍ）である。
図２に示したとおり、Ｊパラメータが同じボルトでは、ボルトの体格が大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。またボルトの体格が同じボルトでは、Ｊパラメータが大きくなるほどｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が高くなる傾向が見られた。
Ｊパラメータ＝１００では、ボルトの体格３２ｍｍ以下のボルトで、ｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃以下であって、ボルトの体格が３２ｍｍ以下であれば寒冷地用として使用可能であることが分かる。またＪパラメータ＝２００及びＪ＝３００では、ボルトの体格２８ｍｍ〜４０ｍｍのすべてのボルトでｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度が−２０℃以下であって、ボルトの体格４０ｍｍ以下のボルトは寒冷地用として使用可能であることがわかる。
また、鋼材の焼き入れ時の急冷方法が油冷か水冷かが異なり、ボルトの体格とＪパラメータが同じボルト同士のｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度を比較すると、焼き入れ時の急冷方法が水冷である方が低温である傾向が見られる。例えば図１と図２を参照し、Ｊパラメータ＝２００、ボルトの体格３６ｍｍにおけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度は、図１に示した油冷で急冷したボルトでは約−３５℃であるのに対し、図２に示した水冷で急冷したボルトでは約−５５℃である。このことから、焼き入れ時の急冷方法が油冷である場合よりも、水冷である場合の方が高靱性を有するボルトを作成することができるといえる。
焼き入れ時の急冷方法が水冷である方が低温である傾向は、Ｊパラメータ、ボルトの体格に関わらず見られる。これは、水冷よりも油冷の方が冷却速度が遅いため、水冷で急冷したボルトよりも油冷で急冷したボルトの方が靱性が低下しているためと考えられる。
次に、寒冷地で使用する風車用のボルトとして、ボルト体格３６ｍｍ以下のボルトを採用する場合において、Ｊパラメータに注目してさらに検討を継続した。
焼き入れ時の急冷方法が水冷である図２に示したデータのうち、ボルトの体格３６ｍｍのデータに注目し、図３にまとめた。
図３は、焼き入れ時に水冷を使用してクロムモリブデン鋼で作成したボルトのｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とＪパラメータとの関係をまとめたグラフである。図３において、縦軸はｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度（℃）、横軸はＪパラメータである。
図３から分かるように、ＪパラメータとｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度とは比例の関係にあり、Ｊパラメータが大きくなるにつれてｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］を達成する温度も大きくなる。
前述の通り、環境温度が−４０℃程度となるような寒冷地に設置される風車では、−２０℃におけるシャルピー衝撃値ｖＥａｖｅが２７［Ｊ］以上であるボルトが要求される。図３にまとめた焼き入れ時に水冷で急冷したボルトの体格３６ｍｍのボルトにおいては、−２０℃におけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］以上であるためには、Ｊパラメータが２５０以下であればよいことがわかる。
さらに、ボルトの体格３６ｍｍ未満のボルトについて考える。図２から分かるように、ボルトの体格３６ｍｍ未満のボルトはボルトの体格３６ｍｍのボルトよりも高靱性であるから、Ｊパラメータ≦２５０を満たせば、ボルトの体格３６ｍｍ以下のボルト全てで−２０℃におけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］以上を満たすことができるといえる。即ち、寒冷地で使用する風車用のボルトとして採用する最大のボルトの体格３６ｍｍで、−２０℃におけるｖＥａｖｅ＝２７［Ｊ］以上を満たすＪパラメータ≦２５０を満たせば、ボルトの体格によらず寒冷地で使用する風車用のボルトとして採用することができるといえる。
従って、ボルトの体格を測定する必要がなく、鋼材中のＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）が分かればＪパラメータを計算でき、寒冷地で使用する風車用のボルトとして使用可能か否か判断できる。
特に、前記鋼材中のＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）は、鋼材の鋼材検査証明書に記載されており、前記含有率の測定を行う必要がない。
なお、寒冷地で使用する風車用ボルトの体格の上限を３６ｍｍとすることは一例に過ぎず、寒冷地で使用する風車用のボルトの体格の上限を他の大きさとする場合も、ボルトの体格の上限３６ｍｍの場合に図３を用いてＪパラメータの上限値２５０を求めた方法と同様に、ボルトの体格の上限におけるＪパラメータの上限値を求めておくことで、Ｊパラメータから寒冷地で使用する風車用のボルトとして使用可能か否かが判断できる。
また、焼き入れ時に水冷でなく油冷を実施した鋼材を使用する場合は、水冷を行った場合と別にＪパラメータの上限値を求めておく必要がある。
次に、寒冷地で使用する風車用のボルトとして、焼き入れ時に水冷を使用したクロムモリブデン鋼を鋼材として使用し、ボルトの体格３６ｍｍ以下、且つ−２０℃におけるシャルピー衝撃値が２７［Ｊ］以上であるボルトを採用する場合のボルト検査方法について説明する。
図４は、本実施例におけるボルトの検査方法の手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１でＪパラメータの上限を設定する。ここでは、図３を用いて説明したようにＪ＝２５０が上限である。
次にステップＳ２で鋼材（焼き入れ時に水冷を使用したクロムモリブデン鋼）を入手する。通常、前記鋼材は鋼材メーカーから購入するものであり、鋼材メーカーからは必ず鋼材とともに該鋼材におけるＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）が記載された鋼材検査証明書を入手する。
ステップＳ２で鋼材を入手すると、ステップＳ３で前記鋼材検査証明書に記載されたＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）から当該鋼材におけるＪパラメータを計算し、ステップＳ４でＪ≧２５０か否か判断する。
ステップＳ４でＮｏと判断されると、当該鋼材を用いて製造されたボルトは寒冷地用として使用できないため、ステップＳ５でボルトを製造し、ステップＳ６で製造されたボルトの体格に関わらず非寒冷地用のボルトとして採用する。
ステップＳ４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ７でボルトを製造する。
ステップＳ８では、ステップＳ７で製造されたボルトの体格を測定し、ボルトの体格≦３６ｍｍ以下であるか否か判断する。
ステップＳ８でＮｏと判断されると、ボルトの体格が寒冷地で使用する風車用のボルトとしての規格を満たさないため、ステップＳ９で非寒冷地用のボルトとして採用する。
ステップＳ８でＹｅｓと判断されると、寒冷地用のボルトとして採用する。
以上のようにして、予めＪパラメータの上限値を設定しておき、鋼材検査証明書に記載されたＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｎの４成分の含有率（質量％）を用いてＪパラメータを計算することで、製造されたボルトの寒冷地用としての使用の可否を簡単に判断することができる。
また、鋼材検査証明書に記載された前記含有率を計算に使用することで、鋼材の分析等を行う必要もない。
さらに、ボルトの製造前、即ち鋼材を導入した時点でＪパラメータの計算ができるので、図４におけるステップ４までで靱性の面においては鋼材を導入した時点で寒冷地用としての使用の可否を判断することができる。従って、鋼材を導入した時点で寒冷地用として使用できるボルトの存在割合を予測することが可能であり、必要に応じて鋼材を追加発注するなどの対応を早めにとることができ、寒冷地用として使用するボルトの必要数を確保できなくなる可能性を低減することができる。
クロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、煩雑な作業を行うシャルピー衝撃試験を実施することなく、寒冷地用に使用できるボルトと、寒冷地用に使用できないボルトに振り分けることができる風力用ボルトの検査方法として使用することができる。
Claims (3)
- 熱処理を施されたクロムモリブデン鋼を使用して作成したボルトを、寒冷地での使用の可否を判別するボルトの検査方法において、
前記クロムモリブデン鋼の鋼材検査証明書に記載されたリン（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、スズ（Ｓｎ）それぞれの含有率（質量％）であるＰ％、Ｓｉ％、Ｍｎ％、Ｓｎ％を用いて
Ｊ＝（Ｓｉ％＋Ｍｎ％）×（Ｐ％＋Ｓｎ％）×１０４
で計算されるＪパラメータと、ボルト径を用いて、寒冷地での使用の可否を判別することを特徴とするボルトの検査方法。 - 寒冷地で使用するボルトの最大ボルト径での、寒冷地での使用可能であると判断されるＪパラメータの最大値を求め、
前記Ｊパラメータが前記最大値以下、且つボルト径が前記最大ボルト径以下であるボルトを寒冷地での使用可能と判断することを特徴とする請求項１記載のボルトの検査方法。 - 前記熱処理は焼き入れを含み、該焼き入れ時における冷却方法が油冷か水冷かによって前記Ｊパラメータの最大値を異ならせたことを特徴とする請求項２記載のボルトの検査方法。
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