JP7457234B2 - Bolts and bolt manufacturing methods - Google Patents

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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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to bolts, steel for bolts, and methods of manufacturing bolts.

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。
BACKGROUND OF THE INVENTION As automobiles and industrial machinery become more efficient and lighter, and civil engineering and architectural structures become larger, there is a need for bolts with higher strength.
The bolts are made of mechanical structural alloy steel such as SCM435 and SCM440 specified in JIS G 4053:2016. Bolts are made of mechanical structural alloy steel that is formed into a predetermined shape and then hardened and tempered to adjust its strength.
In order to increase the strength of a bolt, it is sufficient to increase the carbon content of the steel material or to lower the tempering temperature.

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, bolts with a tensile strength exceeding 1200 MPa are susceptible to delayed fracture, a type of hydrogen embrittlement, in which a component placed under static stress suddenly breaks in a brittle manner 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 bolts are used outdoors, particularly in environments where seawater or snow-melting salt is present, the amount of hydrogen that penetrates increases due to salt adhesion, increasing the possibility of delayed fracture.

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 with excellent delayed fracture resistance have been studied.
For example, Patent Document 1 discloses bolts and steel materials that utilize V carbonitride, which acts as a hydrogen trap site, and have a tensile strength of 1200 to 1600 MPa and excellent delayed fracture resistance.

特開2002-276637号公報Japanese Patent Application Publication No. 2002-276637

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 that has even higher strength and superior delayed fracture resistance than the bolt of Patent Document 1.
The object of the present invention is to provide a bolt that exhibits excellent delayed fracture resistance at a high strength level of 1,600 MPa or higher, where delayed fracture is generally likely to occur, a method for manufacturing the bolt, and a bolt that is the material for the bolt. Our goal is 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、MC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 determined that by using a steel material that has a predetermined chemical composition and a content of Mo and V that satisfies the following formula (1) as a bolt material, MC and M, which serve as hydrogen trap sites, can be reduced. It has been found that 2C carbide is dispersed in the bolt.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70...(1)
As a result, the inventors discovered that a bolt with high strength and excellent delayed fracture resistance could be obtained.
The above problem is 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/cm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/cm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> Chemical composition, in mass%,
C: 0.36 to 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 satisfy the following formula (1):
A bolt having a tensile strength of 1600 MPa or more.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70 (1)
In formula (1), Mo and V are substituted with the mass percentages of Mo and V contained in the bolt, respectively.
<2> The chemical composition contains, in mass%, Ti: 0.100% or less in place of a portion of the Fe,
Nb: 0.100% or less,
B: 0.0050% or less,
The bolt according to <1>, further comprising one or more selected from the group consisting of W: 2.50% or less and REM: 0.020% or less.
<3> The bolt according to <1> or <2>, wherein the chemical composition further includes, in place of a portion of the Fe, one or more selected from the group consisting of, by mass%, 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, 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/ cm2 in a room temperature solution containing 3 mass% sodium chloride and 3 g of ammonium thiocyanate per liter is 7.0 ppm or more;
The bolt according to <1> or <2>, which is subjected to cathodic hydrogen charging at a current density of 0.03 mA/ cm2 for 24 hours in a room temperature solution containing 3 mass % sodium chloride to which 0.3 g of ammonium thiocyanate has been added per 1 L, is then plated with a hydrogen permeation prevention coating, and is left for 96 hours. After that, when a constant load of 0.9 times the tensile strength is applied, the time until the bolt breaks is 100 hours or more.

<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、
c3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、
c3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> Molding steel for bolts having the chemical composition according to any one of <1> to <3> into a bolt shape,
After heating to a temperature of A c3 point or higher, quenching is performed,
A bolt manufacturing method that involves tempering in a temperature range of 530 to 690°C.
<6> A bolt steel that is a material for the bolt according to any one of <1> to <4>,
Having the chemical composition and tensile strength according to any one of <1> to <3>,
After heating to a temperature of A c3 point or higher, quenching is performed from the heating temperature to 200°C at a cooling rate of 5°C/second or more, and the temperature range is 530 to 690°C and the holding time is 30 minutes to 4 hours. Steel for bolts that has a tensile strength of 1,600 MPa or more when tempered.

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 that has a high strength of 1600 MPa or more and exhibits excellent delayed fracture resistance, a manufacturing method thereof, and a steel for bolts that is a material thereof.

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。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment which is an example of this invention is described in detail.
In this specification, the content of each element in the chemical composition expressed as "%" means "mass %."
The content of each element in a chemical composition is sometimes referred to as "element content." For example, the content of C may be expressed as C amount.
A numerical range expressed using "~" means a range that includes the numerical values written before and after "~" as lower and upper limits.
A numerical range in which "more than" or "less than" is added to the numerical value written before and after "~" means a range that does not include these numerical values as the lower limit or upper limit.
The term "process" is included not only in an independent process but also in the case where the intended purpose of the process is achieved even if the process cannot be clearly distinguished from other processes.

<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 this embodiment has a chemical composition in mass%,
C: 0.36-0.50%,
Si: 0.02 to 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% or less,
S: 0.015% or less,
O: 0.0030% or less, and the balance: consisting of Fe and impurities,
and satisfies the following formula (1),
The tensile strength is 1600 MPa or more.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70...(1)
However, in formula (1), the mass percentages of Mo and V contained in the bolt are 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 bolt]
The chemical composition of the bolt according to this 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 the bolt cannot be obtained. On the other hand, when the amount of C is more than 0.50%, cold workability decreases.
Therefore, the amount of C is set to 0.36 to 0.50%. Note that 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%
By reducing the content of Si, delayed fracture strength can be improved. In order to increase delayed fracture resistance, the amount of Si is set to 0.10% or less. On the other hand, if it is less than 0.02%, the improvement in delayed fracture strength will be saturated and the cost in the steel manufacturing process will increase.
Therefore, the amount of Si is set to 0.02 to 0.10%. Note that 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: 0.20-0.84%
Mn combines with S to form MnS and prevents grain boundary segregation of S. It also has the effect of improving hardenability. When the amount of Mn is less than 0.20%, grain boundary segregation of S increases and delayed fracture resistance decreases. On the other hand, when the Mn content exceeds 0.84%, cold workability during processing into a part shape decreases.
Therefore, the Mn content is set to 0.20 to 0.84%. Note that 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、MC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: 0.62-1.98%
Cr is an effective element for ensuring the hardenability of steel. If the Cr content is less than 0.62%, the effect of improving hardenability will be insufficient. On the other hand, when the Cr content exceeds 1.98%, the cold workability of the steel decreases. Furthermore, if the Cr content exceeds 1.98%, the desired hydrogen trapping effect cannot be obtained because the precipitation of MC and M 2 C carbides is inhibited.
Therefore, the Cr content is set to 0.62 to 1.98%. Note that 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MC型炭化物である(Mo、V)Cが析出する。微細なMC型炭化物および微細なMC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MC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MC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: 0.50~1.20%
Mo: 0.99-3.50%
V and Mo are important elements in this embodiment. V and Mo are elements that form carbides. By containing an appropriate amount of V in combination with Mo in steel, MC type carbide (Mo, V) C, which is composed of V and Mo, and M 2 C type carbide (Mo, V) are produced. 2C precipitates. A large amount of fine MC type carbides and fine M 2 C type carbides can be precipitated by quenching the steel from the austenite region and then tempering it at a high temperature of 550 to 650°C. By precipitation of these fine carbides, the strength of steel can be increased 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. Trapped hydrogen is hydrogen that is fixed by the MC type carbide and M 2 C type carbide and 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 0.50% or more of V and 0.99% or more of Mo. On the other hand, if the V content exceeds 1.20% or the Mo content exceeds 3.50%, a large amount of undissolved coarse carbonitrides will remain during quenching heating. In order to dissolve these coarse carbonitrides into austenite, it is necessary to increase the quenching heating temperature, which causes problems such as distortion during quenching and an increase in oxides on the surface. Therefore, the V content is set to 0.50 to 1.20%, and the Mo content is set to 0.99 to 3.50%. Note that the preferable amount of V is 0.55 to 1.05%, and the preferable amount of Mo 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 formula (1).
1.26<Mo/1.4+V≦3.70...(1)
In formula (1), the mass percentages of Mo and V contained in the bolt are substituted for 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MC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 bolts with high tensile strength of 1600 MPa or more, fine MC type carbides and fine M 2 C type carbides, which are hydrogen trap sites, are dispersed in large quantities in the steel in order to improve delayed fracture resistance. It is necessary. When the value of formula (1) is 1.26 or less, there are insufficient hydrogen trap sites and the delayed fracture strength decreases. When the value of formula (1) is larger than 3.70, solid solution of Mo and V carbonitrides into the matrix becomes insufficient during heating during quenching, and coarse carbonitrides remain. As a result, the amount of fine Mo and V carbonitrides precipitated during tempering decreases, making it impossible to obtain the desired strength and hydrogen trapping effect.

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 deoxidizer and also forms nitrides to suppress the coarsening of austenite grains during quenching heating. To obtain these effects, it is necessary to contain 0.010% or more of Al. On the other hand, if the Al content exceeds 0.100%, coarse oxide-based inclusions remain in the steel and become the starting point of bolt fracture.
Therefore, the Al content is set to 0.010 to 0.100%, and preferably to 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:0.0010~0.0300%
N is an element that forms nitrides and carbonitrides and suppresses coarsening of austenite crystal grains during quenching and heating. In order to suppress coarsening of crystal grains, the amount of N 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 become fracture starting points.
Therefore, the amount of N is set to 0.0010 to 0.0300%. Note that 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 austenite grain boundaries. When the amount of P exceeds 0.015%, the prior austenite grain boundaries after quenching and tempering become brittle, causing intergranular cracking. Therefore, it is necessary to limit the amount of P to a range of 0.015% or less. The preferable upper limit of the P content is 0.012%. P is an impurity element that is inevitably contained in the bolt, but as long as it is within the above range, P may be contained in the bolt in an amount exceeding 0%.

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 through a chemical reaction when the steel surface corrodes. This hydrogen sulfide decomposes to generate hydrogen, which penetrates into the steel and reduces the delayed fracture resistance strength. In addition, Mn sulfide becomes the starting point of fracture. For this reason, it is necessary to limit the S content to a range of 0.015% or less. The preferred upper limit of the S content is 0.012%. S is an impurity element that is inevitably contained, but within the above range, S may be contained in the bolt at more than 0%.

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 impurity that is inevitably contained. O forms oxides and becomes the starting point of delayed fracture. Therefore, the O content is 0.0030% or less. A preferred 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 manufacturing costs. Therefore, in consideration of normal industrial production, a preferred lower limit of the O content is 0.0001%, and more preferably 0.0005%, and even more preferably 0.0007%. Within the above range, O may be contained in the bolt at 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。
(Optional element)
The bolt according to the present embodiment may contain one or more of Ti, Nb, B, W, and REM as optional elements in place of a portion of Fe. Since these elements are optional elements, the content may be 0% or may exceed 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 to form carbonitrides in steel materials. This carbonitride pins austenite grain boundaries and prevents coarsening of the structure. In order to obtain this effect of preventing coarsening of the structure, Ti may be contained in an amount of 0.100% or less. On the other hand, if Ti is contained in an amount exceeding 0.100%, the cold workability during processing into a part shape will decrease due to an 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 even more 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 to form carbonitrides in steel materials. This carbonitride pins austenite grain boundaries and prevents coarsening of the structure. In order to obtain this effect of preventing 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 exceeding 0.100%, cold workability during processing into a part shape decreases due to an 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 even more 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 steel even if it is dissolved slightly in austenite. B may be included in the steel material in order to efficiently obtain martensite during carburizing and quenching. On the other hand, when B is added in an amount exceeding 0.0050%, a large amount of BN is formed and N is consumed, resulting in coarsening of austenite grains. Therefore, the B content is preferably 0 to 0.0050%, more preferably more than 0 to 0.0050%, and 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、MC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、MC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 significant secondary hardening when tempered at high temperatures. By precipitating as M 2 C type carbide, W can increase the strength of steel through precipitation strengthening. Furthermore, the M 2 C type carbide functions as a hydrogen trap site and can improve delayed fracture resistance. Therefore, W may be contained in an amount of 2.50% or less. The W content is preferably from 0 to 2.50%, more preferably from more than 0 to 2.50%, even more preferably from 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 elements) is a general term for a total of 17 elements, including 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. It is. When REM is contained in the steel material, the extension 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, which deteriorates the machinability of the steel. Therefore, REM may be contained in an amount of 0.020% or less. The REM content is preferably 0 to 0.020% in total of the 17 elements, more preferably more than 0% to 2.00%, and even more 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 arbitrary elements)
The bolt according to the present embodiment may contain at least one element selected from the group consisting of the following elements as an optional element. Specifically, these optional elements may be contained in an amount of 0%, or may be contained within the upper limit range described below. Even if these arbitrary elements are included in the bolt within the range described below, the properties of the bolt will not be 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 remainder of the chemical composition of the bolt in this embodiment consists of Fe and impurities. Here, impurities refer to elements mixed in from ores used as raw materials for steel, scrap, or the environment during 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 anticorrosive effect, and Bi, which are expected to have an effect of improving machinability, can be contained in an amount of 0.20% or less. Cu, Sn, and Bi impair castability when added in large amounts, so the upper limit of each is set to 0.20%. If Ni is added in a large amount, an effect commensurate with cost cannot be obtained, so the upper limit is set at 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/cm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/cm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 bolt]
The bolt according to this 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 has excellent delayed fracture resistance, and specifically, the bolt according to the present embodiment has a current density of The amount of trapped hydrogen after cathodic hydrogen charging at 0.2 mA/ cm2 for 72 hours is 7.0 ppm or more, in a solution at room temperature in which 0.3 g of ammonium thiocyanate per 1 L is added to 3 mass% sodium chloride. After cathodic hydrogen charging at a current density of 0.03 mA/ cm2 for 24 hours, plating was applied, and after being left for 96 hours, a constant load of 0.9 times the tensile strength was applied, and the time until breakage was It is preferable that the material has the property 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。 The tensile strength, amount of trapped hydrogen, and delayed fracture resistance of the bolt according to this embodiment will be described in detail below.

(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 this embodiment, the tensile strength measured by taking 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, if the tensile strength exceeds 2200 MPa, there is a high possibility that delayed fracture will occur even if the amount of hydrogen that enters 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/cm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。
(Trap hydrogen amount)
In the bolt according to this embodiment, the trap after cathodic hydrogen charging for 72 hours at a current density of 0.2 mA/cm 2 in a room temperature solution of 3 mass % sodium chloride added with 3 g of ammonium thiocyanate per liter. It is preferable that the amount of hydrogen is 7.0 ppm or more. When the amount of trapped hydrogen is 7.0 ppm or more, hydrogen that has entered the bolt will diffuse and accumulate at prior austenite grain boundaries, reducing the possibility that delayed fracture will occur. Therefore, it is preferable that the amount of trapped hydrogen is 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 temperature-programmed hydrogen analysis using gas chromatography. 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 the amount of hydrogen trapped. Note that the room temperature in this embodiment is 25°C.
The amount of trapped hydrogen is measured on a round bar test piece (round bar test piece for investigating the amount of trapped hydrogen) with a diameter of 7 mm and a length of 30 mm taken from a bolt.
However, if it is not possible to collect a round bar of the above size, collect a round bar test piece of the size that can be collected from the target bolt and analyze multiple pieces together. 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/cm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 a real environment, it needs to have sufficient delayed fracture strength. The bolt according to this embodiment was subjected to cathodic hydrogen charging for 24 hours at a current density of 0.03 mA/cm 2 in a room temperature solution containing 3 mass% sodium chloride and 0.3 g of ammonium thiocyanate per liter. After applying hydrogen permeation prevention plating and leaving it for 96 hours, it is preferable that when a constant load of 0.9 times the tensile strength is applied, the time to breakage must be 100 hours or more. If it did not break in 100 hours, it was judged that it had particularly excellent delayed fracture strength. Here, the plating is performed to confine hydrogen in the steel material, and Zn plating or the like can be used.
Measurement of delayed fracture strength is carried out on bolts with the bolt in its original shape.

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 shown above, the bolt according to the present embodiment has optimized tensile strength, trapped hydrogen amount, and delayed fracture limit hydrogen amount by applying optimal quenching and tempering, which will be described later, to a steel material with an optimal chemical composition. It was planned.

<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>
Although the method for manufacturing the bolt according to the present embodiment is not particularly limited, 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 bolt shape)
First, as a bolt material, a bolt steel having the same chemical composition as the above-mentioned bolt is prepared.
The casting is carried out to produce an ingot or slab having the aforementioned chemical composition. The cast ingot or slab is then processed by hot working, such as hot rolling, hot extrusion, or hot forging, to produce steel for bolts having the required rough shape, such as a round bar.
The bolt steel is then subjected to wire drawing, annealing, cold working, thread rolling, etc., to form it into a desired bolt shape. Annealing or spheroidizing annealing treatment may be performed multiple times between multiple cold working processes. Hot working may also be included in the forming 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。
(Quenching and tempering process)
After forming into a desired bolt shape, in order to impart strength, the steel is heated to a temperature equal to or higher than the A c3 point of the steel, and then quenched by water or oil cooling. If the heating temperature for quenching (hereinafter referred to as the "quenching heating temperature") is too low, the solid solution of Mo and V carbonitrides in the matrix becomes insufficient, and coarse carbonitrides remain. As a result, the amount of fine Mo and V carbonitrides precipitated during tempering is reduced, making it impossible to obtain the desired strength and hydrogen trapping effect.

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 damage to the furnace body and the auxiliary parts of the heat treatment furnace becomes significant, and the manufacturing cost increases, so it is not preferable. Although it depends on the chemical composition of the steel (A c3 point), the quenching heating temperature is preferably 870 to 1150°C.

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, tempering must be performed after the above quenching treatment. In this embodiment, the tempering temperature must be limited to 530 to 690°C. If the tempering temperature is less than 530°C, precipitation strengthening by Mo carbide and V carbide that precipitate during tempering will be insufficient, and the desired strength cannot be obtained. In addition, the desired hydrogen trapping ability and 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, if the tempering temperature exceeds 690°C, MC type carbides undergo Ostwald growth and do not contribute to precipitation strengthening, making it difficult to obtain a tensile strength of 1600 MPa or higher. Therefore, the tempering temperature is limited to 530 to 690°C.
Note that the preferred range of tempering temperature is 550 to 650°C.

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, the precipitation strengthening by Mo carbide and V carbide precipitated during tempering becomes insufficient, and the desired strength cannot be obtained, and the desired hydrogen trapping ability and delayed fracture limit hydrogen amount cannot be achieved.
On the other hand, when the tempering time exceeds 4 hours, the precipitated Mo carbides and V carbides become coarse, so that the precipitation strengthening by the Mo carbides and V carbides becomes insufficient, and the desired strength cannot be obtained, and the desired hydrogen trapping ability and delayed fracture limit hydrogen amount cannot be achieved.
Through the above steps, the bolt according to this 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. However, the conditions shown below are only examples adopted to confirm the feasibility and effects of the present invention, and the conditions of the present invention are limited to these examples. It's not something you can do. In implementing the present invention, various conditions may be adopted as long as they do not depart from the gist and achieve the purpose.

<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。
c3(℃)=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 Tables 1-1 and 1-2 were melted and hot forged to prepare steel bars having a diameter of 20 mm and a length of 1000 mm. In Tables 1-1 and 1-2, underlined values indicate that the values are outside the range of the present invention. Also, blank spaces in Tables 1-1 and 1-2 indicate that the respective elements were not added.
The balance is Fe and impurities, including P, S, and O.
Incidentally, A c3 (° C.) in Table 1-2 is a temperature calculated by the following formula.
A c3 (°C) = 910 - 203 x √C + 44.7 x Si + 104 x V + 31.5 x Mo
In the above formula for A c3 (° C.), the mass % contents of Mo and V contained in the steel for bolts (product equivalent to a bolt) are 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 bolt manufacturing, quenching and tempering was performed under the following conditions, and then the tensile strength and trapped hydrogen amount of the quenched and tempered bolt equivalent were measured, and the delayed fracture resistance was evaluated using the following method. 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, and 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. Thereafter, quenching was performed in an oil bath 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 oil quenching, tempering was performed at the temperatures listed in Table 2. The holding time at the tempering temperature was 60 minutes, and the cooling after 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 collection method described in JIS G 0416:2019, a smooth tensile test was performed on a round bar with a diameter of 20 mm and a length of 300 mm after the above quenching and tempering treatment, total length: 70 mm, parallel part: diameter 6 mm x length 32 mm. A piece (No. A2 tensile test piece) was taken.

(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 piece for investigating amount of trapped hydrogen)
A round bar with a diameter of 7 mm and a length of 70 mm was taken from the center of the round bar with a diameter of 20 mm and a length of 300 mm after the above-mentioned quenching and tempering treatment, and was 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 specimens)
From the center of the round bar having a diameter of 20 mm and a length of 300 mm after the above quenching and tempering treatment, a round bar test piece with a notch having a diameter of 7 mm and a length of 70 mm (notch diameter 4.2 mm, angle 60°) was taken as a delayed fracture test piece.
The same results are obtained whether the bolt is evaluated or the test piece is evaluated.

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 was obtained. Tensile test pieces from 1 to 46, production no. 1 to 46 for investigating the amount of trapped hydrogen, and production No. 1 to 46 delayed fracture specimens 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 in the above procedure, a tensile test was conducted in the atmosphere at room temperature in accordance with 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/cm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。
(Trapped hydrogen amount)
The round bar with a diameter of 7 mm and a length of 70 mm prepared by the above procedure was subjected to cathodic hydrogen charging for 72 hours at a current density of 0.2 mA/ cm2 in a room temperature solution of 3 mass% sodium chloride to which 3 g of ammonium thiocyanate was added per liter. After that, the sample was heated from room temperature to 400°C at a heating rate of 100°C/hour using a gas chromatograph, 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/cm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)
The delayed fracture test pieces with a notch of φ7 mm × 70 mm (notch part φ4.2 mm, angle 60°) prepared by the above procedure were cathodically charged with hydrogen at a current density of 0.03 mA/ cm2 for 24 hours in a room temperature solution of 3 mass% sodium chloride to which 0.3 g of ammonium thiocyanate was added per liter, then plated with Zn to prevent hydrogen permeation, and left for 96 hours. A constant load of 0.9 times the tensile strength was applied, and the time until fracture was measured. If fracture did not occur after 100 hours, the test was discontinued.

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。 The results for tensile strength, amount of trapped hydrogen, and the presence or absence of delayed fracture are shown in Table 2. Note that underlined values in Table 2 indicate that the values are outside the range 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 Tables 1-1 and 2, the production No. 1 with optimized chemical composition and quenching and tempering conditions. As for Nos. 1 to 16 and 33 to 46, both had high tensile strength and a high amount of trapped hydrogen, and no delayed fracture occurred, so they had excellent strength and delayed fracture resistance. 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, production No. 1, in which at least one of the chemical composition and quenching and tempering conditions was not optimized. It can be seen that none of Nos. 17 to 32 had excellent strength or delayed fracture resistance.

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 that is high in strength and exhibits excellent delayed fracture strength, a method for manufacturing the bolt, and a steel for the bolt that is a material for the bolt.

Claims (6)

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、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 in mass%,
C: 0.36-0.50%,
Si: 0.02 to 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% or less,
S: 0.015% or less,
O: 0.0030% or less, and the balance: consisting of Fe and impurities,
and satisfies the following formula (1),
A bolt having a tensile strength of 1600 MPa or more.
1.26<Mo/1.4+V≦3.70...(1)
However, in formula (1), the mass percentages of Mo and V contained in the bolt are substituted for Mo and V, respectively.
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請求項1に記載のボルト。
The chemical composition, in place of a part of the Fe, Ti: 0.100% or less in mass %,
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.
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請求項1又は請求項2に記載のボルト。
The chemical composition, in place of a part of the Fe, Pb: 0.05% or less in mass %,
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/cm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/cm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。
When the amount of trapped hydrogen after cathodic hydrogen charging for 72 hours at a current density of 0.2 mA/cm 2 is 7.0 ppm or more in a solution at room temperature in which 3 g of ammonium thiocyanate per 1 L is added to 3 mass % sodium chloride. can be,
After cathodic hydrogen charging for 24 hours at a current density of 0.03 mA/cm 2 in a room temperature solution of 3% by mass of sodium chloride and 0.3 g of ammonium thiocyanate per 1 L, zinc plating was performed for 96 hours. The bolt according to any one of claims 1 to 3, wherein the bolt takes 100 hours or more to break when a constant load of 0.9 times the tensile strength is applied after the bolt is left standing.
請求項1~請求項3のいずれか1項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、
c3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い、引張強さが1600MPa以上であるボルトを製造する、ボルトの製造方法。
A bolt steel having the chemical composition according to any one of claims 1 to 3 is formed into a bolt shape,
After heating to a temperature of A c3 or higher, quenching is performed,
A method for manufacturing a bolt , comprising the steps of: performing a tempering treatment in a temperature range of 530 to 690°C to manufacture a bolt having a tensile strength of 1600 MPa or more .
前記焼戻し処理の焼戻し時間を30分~4時間とする、請求項5に記載のボルトの製造方法 The bolt manufacturing method according to claim 5, wherein the tempering time of the tempering treatment is 30 minutes to 4 hours.
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