JP6458981B2 - 高強度ボルト - Google Patents

Description

本発明は、高強度ボルトに関する。更に詳細には、本発明は、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトに関する。

一般のボルト用鋼としては、合金鋼（例えば、ＳＣＭ４３５やＳＣＭ４４０などがある。）が使用されているが、高強度を要する用途で使用する場合には、焼入れや焼戻しなどの熱処理が必要である。
ところが、熱処理により得られた高強度ボルトは、遅れ破壊が生じやすくなるという問題が生じる。そして、高強度になればなるほど、遅れ破壊の感受性は高くなる。
そのため、自動車などの部材に使うボルトについては、引張強度１２００ＭＰａ以下とすることが一般的である。

一方、最近の自動車用レシプロエンジンでは、高性能化のために燃焼圧が高くなっているため、コンロッド機構や複リンク機構などの部品を締結するボルトに高い軸力が求められており、更にはエンジンの軽量化やコンパクト化のためにボルトの細径化が求められている。

これに対して、鋼成分を特定して、耐遅れ破壊性に優れ、引張強度が１２００ＭＰａ以上である高強度ボルトが提案されている（特許文献１参照。）。

この耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトは、引張強度が１２００ＭＰａ以上の高強度鋼から得られるものであって、Ｃ：０．３〜０．５％（質量％：元素量に関する限り、以下同じ）、Ｃｒ：０．５〜５．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％を含むと共に、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌｉ、ＮａおよびＫよりなる群から選択される１種以上を、所定の要件を満足するように含むものである。

特開２００６−２１９７０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された高強度ボルトにあっては、更なる高出力化が求められる高出力エンジンに適用する際の要求性能の１つである引張強度が十分でないという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、必要な強度を有し、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトを提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、高強度ボルトの首下丸み部及びねじ谷底丸み部の少なくとも一方に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられた構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の高強度ボルトは、引張強度が１５００ＭＰａ以上であり、かつ、首下丸み部及びねじ谷底丸み部の少なくとも一方に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられており、炭素を０．５０質量％以上０．６５質量％以下、ケイ素を１．５質量％以上２．５質量％以下、クロムを１．０質量％以上１．４質量％以下、モリブデンを１．６質量％以上１．８質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼により構成されているものである。

本発明によれば、引張強度が１５００ＭＰａ以上であり、かつ、首下丸み部及びねじ谷底丸み部の少なくとも一方に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられており、炭素を０．５０質量％以上０．６５質量％以下、ケイ素を１．５質量％以上２．５質量％以下、クロムを１．０質量％以上１．４質量％以下、モリブデンを１．６質量％以上１．８質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼により構成されている構成とした。
そのため、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトを提供することができる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る高強度ボルトを模式的に示す正面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した高強度ボルトの包囲線Ｂで囲んだ部分の拡大図、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示した高強度ボルトの包囲線Ｃで囲んだ部分の拡大図である。 図２は、複リンク機構を有するレシプロエンジンの一例を示す部分断面図である。 図３は、図２に示すロアリンクの一例の概略を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る高強度ボルトについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る高強度ボルトを模式的に示す正面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した高強度ボルトの包囲線Ｂで囲んだ部分の拡大図、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示した高強度ボルトの包囲線Ｃで囲んだ部分の拡大図である。
図１に示すように、本実施形態の高強度ボルト１は、引張強度が１５００ＭＰａ以上であるものであって、頭部１Ａと円筒部１Ｂとねじ部１Ｃとを有する。そして、頭部１Ａと円筒部１Ｂとの境界近傍には丸み部（首下丸み部）１ａが形成されており、ねじ部１Ｃの谷底には丸み部（ねじ谷底丸み部）１ｂが形成されており、首下丸み部１ａ及びねじ谷底丸み部１ｂのいずれか一方又は双方には１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられている。
このような構成とすることにより、耐遅れ破壊性に優れ、高強度を有するボルトを実現し得るものとなる。また、首下丸み部及びねじ谷底丸み部の双方に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられていることが好適である。
なお、図示しないが、円筒部を有さず、軸部全体がねじ部で構成されていてもよい。そして、このような場合も本発明の範囲に属することは言うまでもない。

また、本実施形態の高強度ボルトにおいては、炭素を０．５０質量％以上、ケイ素を１．５質量％以上、クロムを１．０質量％以上、モリブデンを１．６質量％以上含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼により構成されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、耐遅れ破壊性に優れ、高強度を有するボルトをより確実に実現し得るものとなる。

（炭素（Ｃ）：０．５０質量％以上）
炭素の含有量が、０．５０質量％未満である場合には、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、後述する高温焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
なお、炭素の含有量は、０．６５質量％以下であることが好ましい。水素を集積するセメンタイトの量が増加を抑制することができるため、耐遅れ破壊性が優れたものとなる。

（ケイ素（Ｓｉ）：１．５質量％以上）
ケイ素の含有量が、１．５質量％未満である場合には、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、後述する高温焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
また、ケイ素の含有量を高くすることにより、鋼中の水素の拡散係数が小さくなり、遅れ破壊を引き起こす水素の集中を抑制することができる。
なお、ケイ素の含有量は、２．５質量％以下であることが好ましい。鍛造性に優れ、所定のボルトを成形しやすい。

（クロム（Ｃｒ）：１．０質量％以上）
クロムの含有量が、１．０質量％未満である場合には、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、後述する高温焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
なお、特に限定されるものではないが、クロムの含有量は、１．４質量％以下であることが好ましい。

（モリブデン（Ｍｏ）：１．６質量％以上）
モリブデンの含有量が、１．６質量％未満である場合には、水素を無害化するモリブデン系炭化物の生成量が十分なものとならないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
なお、特に限定されるものではないが、モリブデンの含有量は、１．６５質量％以下であることが好ましい。

更に、本実施形態の高強度ボルトにおいては、表面にリン酸鉄皮膜及びクロムめっき皮膜のいずれか一方又は双方を有することが好ましい。
このような皮膜を表面に形成することにより、耐遅れ破壊性を更に向上させることができる。

ここで、上述した高強度ボルトの製造方法の一形態について説明する。
特に限定されるものではないが、例えば、上述した組成の鋼に対して、まず、冷間鍛造を行い、次いで、９００℃以上で焼入れをし、５７０℃以上で焼き戻しをする熱処理を行い、更に、ねじ転造を行うことなどにより、上述の高強度ボルトを得ることができる。
なお、上記熱処理（焼入れ及び焼き戻し）と上記ねじ転造の順序を入れ替えて行っても良いが、その場合には、熱処理後に、例えば、ショットピーニングなど圧縮残留応力を付加する工程が必要になる。
上述のように、例えば、５７０℃以上のような高温焼き戻しをすると、脆化の要因となる粒界上の片状セメンタイトが球状化し、粒界強度を向上させることができる。

ここで、本実施形態の高強度ボルトの一例について図面を参照しながら更に詳細に説明する。図２は、複リンク機構を有するレシプロエンジンの一例を示す部分断面図である。また、図３は、図２に示すロアリンクの一例の概略を示す断面図である。

図２に示すように、このレシプロエンジン１００は、ピストン１０１のピストンピン１０２に連結されるアッパリンク１０３と、アッパリンク１０３とクランクシャフト１０４のクランクピン１０５とを連結するロアリンク１０６と、一端がエンジン１００側に揺動可能に支持されると共に他端がロアリンク１０６に連結されるコントロールリンク１０７とを備えている。なお、アッパリンク１０３とロアリンク１０６とは、アッパピン１０８を介して互いに回転可能に連結され、コントロールリンク１０７とロアリンク１０６とは、コントロールピン１０９を介して互いに回転可能に連結されている。

そして、ロアリンク１０６は、ピストン１０１が受けた燃焼圧力をアッパリンク１０３を介してアッパピン１０８より受け取り、コントロールピン１０９を支点とする動作でクランクピン１０５に力を伝達する。従って、ロアリンク１０６には、ピストン１０１が受けた大きな燃焼圧力や慣性荷重が、ピストンピン１０２、アッパリンク１０３、アッパピン１０８を介して、アッパピン軸受部１０８ａから入力される。それと同時に、この荷重とつりあうように、クランクピン軸受部１０５ａやコントロールピン軸受部１０９ａにも荷重が発生する。従って、各々の軸受部（１０８ａ，１０５ａ，１０９ａ）の面圧は、一般的な単リンク機構を有するレシプロエンジンに比べて高いものとなる。

従って、ロアリンクに対する要求強度は高くなる。また、燃費性能向上の観点から、ロアリンクのコンパクト化や軽量化も望まれている。

図３に示すように、ロアリンク１０６は、通常、分割されたロアリンク部品１０６Ａ，１０６Ｂを高強度ボルト１で締結する構造を有する。そして、上述のような要求性能を満たすロアリンクとするためには、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトが必要になる。本実施形態の高強度ボルト１は、特に限定されるものではないが、このようなロアリンク部品の締結に特に好適なものである。なお、１０８ａ，１０５ａ，１０９ａは各軸受部である。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

（実施例１〜実施例４、比較例１〜比較例４）
表１に示す組成の高強度ボルト用鋼に対して、冷間鍛造を行い、次いで、９００℃以上で焼入れ、５７０℃以上の焼き戻し温度で焼き戻しする熱処理を行い、しかる後、ねじ転造を行って、実施例１〜実施例４の高強度ボルトを得た。
表１に示す組成の高強度ボルト用鋼に対して、冷間鍛造を行い、次いで、ねじ転造を行い、しかる後、９００℃以上で焼入れ、５７０℃以上の焼き戻し温度で焼き戻しする熱処理を行って、比較例１〜比較例４の高強度ボルトを得た。
ここで、表１中の残留応力の項目において、マイナス（−）の場合は圧縮残留応力、プラス（＋）の場合は引張残留応力であることを示す。
なお、残留応力は、首下丸み部及びねじ谷底丸み部において、マイクロＸ線回折装置によって測定した。測定条件は、電圧：３８ｋＶ、電流９０ｍＡ、Ｘ線波長：ＣｒＫα線、Ｘ線照射径：Φ１００μｍ、測定方向：ボルト周方向、である。

［性能評価］
（引張強度評価）
各例のボルトの引張強度を引張試験によって評価した。得られた結果を表１に試験１の結果として示す。なお、試験１の項目において「ＯＫ」とは、ボルトの引張強度が１５００ＭＰａ以上であることを示す。

（耐遅れ破壊性評価）
各例のボルトを規定濃度の塩酸に規定時間浸漬し、ボルトが破損するか否かを観察した。得られた結果を表１に試験２の結果として示す。なお、試験２の項目において「ＯＫ」とはボルトが破損しなかったことを示し、「ＮＧ」とはボルトが破損したことを示す。

表１より、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例４は、１５００ＭＰａ以上の引張強度を有し、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトであることが分かる。一方、本発明外の比較例１〜４は、耐遅れ破壊性が優れないものであることが分かる。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した各実施形態や各実施例に記載した構成は、実施形態毎や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、各実施形態の組成、製造する際の詳細な条件、皮膜の有無を変更したり、各実施形態や各実施例の構成を上述した各実施形態や各実施例以外の組み合わせにしたりすることができる。

また、例えば、上述した実施形態においては、高強度ボルトの適用部位として複リンク機構を有するエンジンにおけるロアリンクを例示したが、これに限定されるものではなく、他の用途に用いることもできることは言うまでもない。

１ 高強度ボルト
１Ａ 頭部
１Ｂ 円筒部
１Ｃ ねじ部
１ａ 首下丸み部
１ｂ ねじ谷底丸み部
１００ レシプロエンジン
１０１ ピストン
１０２ ピストンピン
１０３ アッパリンク
１０４ クランクシャフト
１０５ クランクピン
１０５ａ クランクピン軸受部
１０６ ロアリンク
１０６Ａ，１０６Ｂ ロアリンク部品
１０７ コントロールリンク
１０８ アッパピン
１０８ａ アッパピン軸受部
１０９ コントロールピン
１０９ａ コントロールピン軸受部

Claims (3)

1. 引張強度が１５００ＭＰａ以上であり、かつ、首下丸み部及びねじ谷底丸み部の少なくとも一方に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられており、
   炭素を０．５０質量％以上０．６５質量％以下、ケイ素を１．５質量％以上２．５質量％以下、クロムを１．０質量％以上１．４質量％以下、モリブデンを１．６質量％以上１．８質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼により構成されている
   ことを特徴とする高強度ボルト。
2. 首下丸み部及びねじ谷底丸み部の双方に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が加えられていることを特徴とする請求項１に記載の高強度ボルト。
3. 表面にリン酸鉄皮膜及び／又はクロムめっき皮膜を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度ボルト。

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