JP7134411B2

JP7134411B2 - ボルト

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Publication number: JP7134411B2
Application number: JP2019568430A
Authority: JP
Inventors: 孝浩浜田; 大介小林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JPWO2019150434A1; WO2019150434A1; EP3748027A1; US20210040978A1; MX2020007795A; EP3748027A4; EP3748027B1; CN111655883A; US11333189B2

Description

本発明は、ボルトに係り、更に詳細には、焼き割れ感受性が低く、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト及び高強度ボルトに関する。

自動車の軽量化、コンパクト化、高性能化への要求から、ボルトの高強度化が要求されている。
一般に高強度ボルトは、焼入れ、焼戻しによって強度が付与されたものであり、焼戻しマルテンサイト組織を有する。

一般に、焼戻しマルテンサイト組織を有し、引張強さが１２００ＭＰａを超える高炭素鋼のボルトは、使用中に破壊に至る、所謂「遅れ破壊」の発生が顕著である。

遅れ破壊は、静的応力下において、ある時間経過後、突然脆性的に破壊する現象であり、材料－環境－応力の相互作用によって生じる一種の環境脆化であり、水素による材質劣化と考えられている。

特許文献１には、所定の組成の高炭素鋼を用いることで、遅れ破壊を抑制した高強度ボルトが開示されている。

国際公開第２０１６／０３１５２８号

しかしながら、高炭素鋼を用いた高強度ボルトは、熱処理による焼き割れが発生し易く、磁粉探傷検査によって欠陥品を排除してはいるが、割れが極微少であると磁粉探傷検査をすり抜ける虞がある。

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り、その目的とするところは、焼き割れ感受性が低く、耐遅れ破壊性に優れる高強度のボルトを提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、高炭素鋼においては、焼入れの際に脱炭が生じ易く、マルテンサイト変態が表面側から生じることに起因することを突き止めた。
そして、表面と内部とのマルテンサイト変態が生じる温度（Ｍｓ点）の差を小さくすることにより、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。

即ち、本発明のボルトは、
ボルト用炭素鋼に焼き戻しマルテンサイト組織を形成して成る炭素鋼ボルトであって、
上記炭素鋼ボルトの軸の軸部中心線の位置が、
０．５０質量％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、
１．５質量％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
１．０質量％以上２．０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、
０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、
１．５質量％以上５．０質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含有し、
不純物であるリン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）との合計含有量が０．０３質量％以下であり、
残部が、鉄（Ｆｅ）から成る組成を有し、表面炭素濃度と内部炭素濃度とが、下記式（１）を満たすことを特徴とする炭素鋼ボルト。
０．７５ ≦ Ｘ＜１・・・式（１）
但し、式（１）中、Ｘは、表面炭素濃度／内部炭素濃度を表わし、
上記表面炭素濃度は、ボルト軸部の最表面から深さ０．０２５ｍｍの位置の炭素濃度（質量％）であり、上記内部炭素濃度は、ボルト軸部の中心線の位置の炭素濃度（質量％）である。

また、本発明の炭素鋼ボルトの製造方法は、上記炭素鋼ボルトを製造する方法である。
そして、冷間鍛造、ねじ転造された上記ボルト用炭素鋼に対し、焼入れする工程、焼き戻しする工程を有し、
上記焼入れする工程が、下記式（３）及び式（４）を満たすことを特徴とするボルトの製造方法。
ＣＰ＞０．４５・・・式（３）
ボルト炭素濃度×０．７５ ≦ ＣＰ＜ボルト炭素濃度×１・・・式（４）
但し、式（３）、式（４）中ＣＰは、焼入れ時の雰囲気のカーボンポテンシャル（質量％）を表わし、上記ボルト炭素濃度は、焼入れ前のボルトの軸部の中心線の位置の炭素濃度（質量％）である。

本発明によれば、表面と内部の炭素濃度の勾配を小さくすることで、表面側のマルテンサイト変態が生じる温度（Ｍｓ点）の上昇を抑制したため、焼き割れ感受性が低く、耐遅れ破壊性に優れる高強度のボルトを提供することができる。

本発明のボルトについて詳細に説明する。
上記ボルトは、焼き戻しマルテンサイト組織を有する高炭素鋼の高強度ボルトであり、
組成が、０．５０質量％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、１．５質量％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、１．０質量％以上２．０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、１．５質量％以上５．０質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含有し、不純物であるリン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）との合計含有量が０．０３質量％以下であり、残部が、鉄（Ｆｅ）である。
そして、炭素濃度が、下記式（１）を満たすことを特徴とする。
０．７５ ≦ Ｘ＜１・・・式（１）
但し、式（１）中、Ｘは、表面炭素濃度／内部炭素濃度を表わし、
上記表面炭素濃度は、ボルト軸部の最表面から深さ０．０２５ｍｍの位置の炭素濃度（質量％）であり、上記内部炭素濃度は、ボルト軸部の中心線の位置の炭素濃度（質量％）である。

一般に炭素鋼は、焼き入れすることでマルテンサイト変態してマルテンサイト組織を形成する。

上記焼入れ後のマルテンサイト組織は、同じ化学組成の組織の中で最も高い硬度を示す組織であり、焼入れたままの炭素鋼は炭素濃度が高くなるほど硬度が高くなるが、炭素濃度が高い炭素鋼ほど靱性が低下して脆くなるため、焼き戻しが必要となる。

本発明において、「焼き戻しマルテンサイト組織」とは、焼入れた後に焼き戻すことで形成される組織であり、焼入れたままのマルテンサイト組織から鉄炭化物（Ｆｅ_３Ｃ）が析出した組織であってトルースタイト組織やソルバイト組織をいう。

上記トルースタイトは、フェライトとセメンタイトの混合組織であり、約４００℃で焼戻しすることで形成され、上記ソルバイト組織は、鉄炭化物（Ｆｅ_３Ｃ）がトルースタイト組織よりも粗大化して凝集した組織であり、５５０～６５０℃で焼戻しをすることで形成できる。なかでも、ソルバイト組織は、靱性を有し衝撃に強いため好適である。

上記炭素濃度を満たす高炭素鋼のボルトは、表面炭素濃度と内部炭素濃度との関係が上記式（１）を満たすことで、焼き割れ感受性が低くなり、焼き割れ欠陥のない、耐遅れ破壊性に優れた高強度のボルトとなる。

焼入れによるマルテンサイト変態は、剪断変形を伴う相変態であり、マクロな形状変化が生じる変態である。

そして、炭素濃度が高い炭素鋼は、焼入れの際に脱炭し易く、表面と内部とで炭素濃度の差が大きくなり易い。また、一般に炭素鋼のマルテンサイト変態が生じる温度（Ｍｓ点）は、炭素濃度の減少ととともに上昇する。

そして、脱炭によって生じた炭素濃度の勾配は、マルテンサイト変態時の発生歪を増大させるため、亀裂が生じてしまう。

本発明においては、上記式（１）を満たし、炭素濃度の勾配が小さいため、表面と内部とで均一にマルテンサイト変態が生じ、引張応力が小さくなって、焼き割れ感受性が低くなり、亀裂の発生を防止できる。

上記式（１）のＸが０．７５未満では焼き割れが発生し易く、上記式（１）のＸが１以上では浸炭により表面の炭素濃度が高くなりすぎるため耐遅れ破壊性が低下する。

次に、ボルトの組成について説明する。

炭素（Ｃ）の含有量は、０．５０質量％以上０．６５質量％以下である。
炭素の含有量が０．５０質量％未満であると、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、焼き戻しによって軟化するため、高温での焼き戻しができず、耐遅れ破壊性が低下する。
また、炭素の含有量が０．６５質量％を超えると、水素を集積するセメンタイトの量が著しく増加するため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。

ケイ素（Ｓｉ）の含有量は、１．５質量％以上２．５質量％以下である。
ケイ素の含有量が１．５質量％未満であると引張強度が低下し、また、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、高温での焼き戻しを実施できないため、耐遅れ破壊性が低下する。
ケイ素の含有量が２．５質量％を超えると、鍛造性が著しく悪化するため、ボルトを所定の形状に成形することが困難になる。

クロム（Ｃｒ）の含有量は、１．０質量％以上２．０質量％以下である。
クロムの含有量が１．０質量％未満であると、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、高温での焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が低下する。
また、クロムの含有量が２．０を超えると鋼材の冷間鍛造性が低下する。

マンガン（Ｍｎ）の含有量は、０．２質量％以上１．０質量％以下である。
マンガンは焼入れ性向上元素であり、０．２質量％以上含むことで引張強度が向上する。
また、マンガンの含有量が１．０質量％を超えると、結晶粒界への偏析が促進されることによって、粒界強度が低下し耐遅れ破壊性が低下する。

モリブデン（Ｍｏ）の含有量は、１．５質量％以上５．０質量％以下である。
モリブデンの含有量が１．５質量％未満であると、水素のトラップサイトとな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、水素脆化を抑制できず耐遅れ破壊性が低下する。
また、モリブデンは、マルテンサイト組織を得る焼入れ性を高め、焼戻し処理の際に軟化抵抗増加させ、高強度を得るために有効な元素であるが、５．０質量％超えて含有しても増加による効果が得られない。

リンと硫黄との合計含有量は、０．０３質量％以下であり、０．０２％質量％以下であることがより好ましい。
リンと硫黄との合計含有量が、０．０３質量％を超えると、粒界偏析が促進され、粒界結合力が小さくなって粒界強度が低下するため、耐遅れ破壊性が低下する。

また、上記組成のボルトは、表面炭素濃度が、０．４５質量％以上０．６質量％以下であることが好ましい。
焼入れの際、熱は表面から内部に伝わるため、表面と内部とで温度差が生じて表面からマルテンサイト変態が起こる。

表面炭素濃度が上記範囲を満たし、表面炭素濃度が内部炭素濃度よりもわずかに低いことで、焼入れ時に炭素濃度差によるマルテンサイト変態のタイミングのズレを小さくすることができ、焼き割れ感受性を低くすることができる。

表面炭素濃度が０．４５質量％未満では焼き割れが発生し易くなり、また、表面炭素濃度が０．６％を超えると、ボルト中に存在する拡散性水素が応力集中部に集まり易くなって遅れ破壊が生じ易くなる。

また、上記ボルトは、下記式（２）を満たすことが好ましい。
－２０（ＨＶ） ≦ Ｈ ≦ ５０（ＨＶ）・・・式（２）
但し、式（２）中、Ｈは、内部硬度－表面硬度を表わし、
上記内部硬度は、ボルト軸部の中心線の位置のビッカース硬度であり、上記表面硬度は、ボルト軸部の最表面から深さ０．０５ｍｍの位置のビッカース硬度である。

上記式（２）を満たすことで、不完全焼入れが防止され、表面と内部の組織のバラツキが小さく、標準的な組織が形成されるため、引張強度や耐遅れ破壊性などの物性のバラツキが小さくなる。

また、上記ボルトは、表面硬度が４２０（ＨＶ）以上６００（ＨＶ）以下であることが好ましい。表面硬度が上記範囲内にある高炭素鋼のボルトは、焼き戻しマルテンサイト組織が形成され、硬さと靱性とのバランスが向上する。

また、上記ボルトは、引張強度が１５００ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強度が上記範囲であれば、例えば、複リンク機構を有するレシプロエンジンのロアリンクに好適に使用できる。

＜ボルトの製造方法＞
上記ボルトは、本発明のボルトの製造方法により製造することができ、上記ボルトの製造方法は、焼入れ工程と焼き戻し工程とを有する。

上記焼入れ工程は、ボルトの硬度を向上させる工程であって、脱炭を抑制しながら、ボルトの金属組織をオーステナイト組織になるまで加熱した後、急冷してマルテンサイト組織を得る熱処理であり、下記式（３）及び式（４）を満たす。
ＣＰ＞０．４５・・・式（３）
ボルト炭素濃度×０．７５ ≦ ＣＰ＜ボルト炭素濃度×１・・・式（４）
但し、式（３）、式（４）中ＣＰは、焼入れ時の雰囲気のカーボンポテンシャル（質量％）を表わし、上記ボルト炭素濃度は、焼入れ前のボルトの軸部の中心線の位置の炭素濃度（質量％）である。

具体的には、カーボンポテンシャルが０．４５を超え０．６０以下であることが好ましく、０．５０以上０．６０以下であるより好ましく、さらに０．５５以上０．６０以下であることが好ましい。

炭素濃度が高いボルトは、加熱により脱炭が生じ易く、焼き割れが発生し易い。

本発明においては、上記焼入れ工程が、上記式（３）及び上記式（４）を満たすため、脱炭が抑制されて表面と内部とで、ほぼ同時にマルテンサイト変態が生じ、焼き割れの発生を防止できると共に、硬度の低下を抑制できる。

焼入れ時の雰囲気のカーボンポテンシャルは、炉内ガスから分解生成された水蒸気の露点を計測して焼入れ時の雰囲気の炭素濃度を管理し、焼入れ時の雰囲気の炭素濃度に応じてＣＯ（一酸化炭素）を含む炭素濃度の高いガスを炉内に入れることで調節できる。
そして、炭素濃度の高いガスをボルトに接触させることでボルト表面の炭素濃度の低下が抑制される。

上記式（３）の焼入れ時の雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ）が０．４５以下では、脱炭が生じ易く、焼入れ温度を高くすることができないため、ボルトの硬度が低下する。

上記式（４）のＣＰが、ボルト炭素濃度×０．７５未満では、脱炭が進んでボルトの強度が低下し、ボルト炭素濃度×１を超えると侵炭が起こり、靱性が低下して脆くなる。

上記焼入れは、９００℃～９８０℃に加熱し、１２０℃以下に冷却することで行う。上記温度範囲で焼入れを行うことで、マルテンサイト組織が形成されて硬度が高くなる。

上記焼入れを行う熱処理炉としては、上記範囲のカーボンポテンシャルに調節できれば特に制限はないが、連続炉式熱処理炉はカーボンポテンシャルを高くすることが困難であるため、バッチ式熱処理炉を用いることが好ましい。

上記焼き戻しは、例えば、５８０℃～６２５℃で行う。この温度範囲で焼き戻しを行うことで、粒界セメンタイト組織が球状化して微細分散して粒界強度を向上させることができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

下記表１に示す組成の高強度ボルト用炭素鋼に対して、冷間鍛造、ねじ転造を行った後、下記表２に示す条件で熱処理を行い、高強度ボルトを得た。

実施例１～６及び比較例１～６の高強度ボルトを以下の条件で評価した。

＜炭素濃度の測定＞
ボルトの軸を軸の中心線に直交する面で切断し、断面を電子プローブマイクロアナライザー（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ；ＥＰＭＡ）で表面から内部方向の炭素濃度を測定し、表面炭素量（質量％）、及び、表面炭素濃度／内部炭素濃度を得た。

＜引張強度の測定＞
ボルトの引張強度を、ＪＩＳＢ１０５１（２００９）にしたがって引張強度（ＭＰａ）を測定した。

＜硬度の測定＞
ボルトの首下近傍の軸部を軸の中心線に直交する面で切断し、試験荷重２．９４Ｎで表面から０．０５ｍｍの位置のビッカース硬度（ＨＶ）と軸部の中心線の位置のビッカース硬度（ＨＶ）を測定した。

＜焼き割れ試験＞
熱処理を行ったボルトを観察し、焼き割れ発生の有無を確認した。
○：焼き割れのあるボルトなし
×：焼き割れが発生したボルトが１％以上

＜遅れ破壊試験＞
常温で塩酸水溶液への所定時間の浸漬を１サイクルとし、ボルトが破損するか否かを観察し評価した。
○：２０サイクル繰り返しても破損なし。
▲：１０サイクル～２０サイクルで破損。
×：１０サイクル未満で破損。

表１～３より、焼入れ時の雰囲気のカーボンポテンシャルが式（３）及び式（４）を満たす条件で熱処理することで、式（１）を満たすボルトを製造することができることがわかる。
また、式（１）を満たす本発明のボルトは、１５００ＭＰａ以上の引張強度を有し、耐遅れ破壊性と耐熱処理割れ性に優れたボルトであることが分かる。

Claims

ボルト用炭素鋼に焼き戻しマルテンサイト組織を形成して成る炭素鋼ボルトであって、
上記炭素鋼ボルトの軸の軸部中心線の位置が、
０．５０質量％以上０．６５質量％以下の炭素（Ｃ）と、
１．５質量％以上２．５質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
１．０質量％以上２．０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、
０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、
１．５質量％以上５．０質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含有し、
不純物であるリン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）との合計含有量が０．０３質量％以下であり、
残部が、鉄（Ｆｅ）から成る組成を有し、表面炭素濃度と内部炭素濃度とが、下記式（１）を満たすことを特徴とする炭素鋼ボルト。
０．７５ ≦ Ｘ＜１・・・式（１）
但し、式（１）中、Ｘは、表面炭素濃度／内部炭素濃度を表わし、
上記表面炭素濃度は、ボルト軸部の最表面から深さ０．０２５ｍｍの位置の炭素濃度（質量％）であり、上記内部炭素濃度は、ボルト軸部の中心線の位置の炭素濃度（質量％）である。
上記表面炭素濃度が、０．４５質量％以上０．６質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭素鋼ボルト。
下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素鋼ボルト。
－２０（ＨＶ） ≦ Ｈ ≦ ５０（ＨＶ）・・・式（２）
但し、式（２）中、Ｈは、内部硬度－表面硬度を表わし、
上記内部硬度は、ボルト軸部の中心線の位置のビッカース硬度であり、上記表面硬度は、ボルト軸部の最表面から深さ０．０５ｍｍの位置のビッカース硬度である。
上記表面硬度が４２０（ＨＶ）以上６００（ＨＶ）以下であることを特徴とする請求項３に記載の炭素鋼ボルト。
引張強度が１５００ＭＰａ以上１８００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つの項に記載の炭素鋼ボルト。
上記請求項１～５のいずれか１つの項に記載の炭素鋼ボルトを製造する方法であって、冷間鍛造、ねじ転造された上記ボルト用炭素鋼に対し、焼入れする工程、焼き戻しする工程を有し、
上記焼入れする工程が、下記式（３）及び式（４）を満たすことを特徴とするボルトの製造方法。
ＣＰ＞０．４５・・・式（３）
ボルト炭素濃度×０．７５ ≦ ＣＰ＜ボルト炭素濃度×１・・・式（４）
但し、式（３）、式（４）中ＣＰは、焼入れ時の雰囲気のカーボンポテンシャル（質量％）を表わし、上記ボルト炭素濃度は、焼入れ前のボルトの軸部の中心線の位置の炭素濃度（質量％）である。