JPH0718380A - 浸炭用高強度ボルト用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 重量比にしてC:0.10〜0.30% 、Si:0.15%以
下、Mn:0.60%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下、Cr:
2.00%以下、Mo:0.5〜2.0%、V:0.15〜0.50% と、必要に
応じてNi:0.1〜1.0%を含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物元素からなる鋼を 850〜 950℃で浸炭焼入れし、
500 〜 650℃で焼もどしを施し、表面硬さをHv400〜 55
0としたことを特徴とする浸炭用高強度ボルト用鋼。 【効果】 浸炭処理を行っても遅れ破壊特性の劣化が小
さいので、従来よりも高応力で使用可能な浸炭用ボルト
用鋼の提供が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、遅れ破壊特性の優れた
浸炭用高強度ボルト用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】建築、橋梁、自動車等では、部品の締結
のために数多くのボルトが使用されている。特に疲労強
度や耐摩耗性を必要とする部位においては、浸炭焼入れ
したボルトが用いられている。最近、前記部品の軽量化
や、自動車等では燃費低減に対する要求が非常に強いた
め、強度の高いボルトが強く要望されてきている。

【０００３】現在、浸炭ボルトは、SCM415、SCM420など
の肌焼鋼を浸炭焼入れし、焼もどしを施して用いられて
おり、その引張強度は800N/mm²程度である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ボルトを高強度化する
ためには引張強さを高めることが必要であるが、引張強
さを高めていくと、長時間使用した後、突然ほとんど塑
性変形を伴わずに破壊するという遅れ破壊現象が生じや
すくなる。特に、浸炭処理を施す場合には、より低い応
力にて遅れ破壊現象が生じるため、かなり低い引張応力
に調整しないと使用できないのが現状であり、高強度化
が困難な状況にある。実際に、SCM420の浸炭処理材の場
合、800N/mm²程度の低い引張強さに調整して使用されて
いるのが通常である。

【０００５】本発明は、浸炭処理を行った場合でも優れ
た遅れ破壊特性が得られ、従来鋼よりも高い応力にて使
用することが可能な浸炭用高強度ボルト用鋼を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、浸炭処理
しても優れた遅れ破壊特性の得られるボルト用鋼の成分
組成及び熱処理条件について研究調査を行い、以下の知
見を得た。 (1)Mo、V の適量を複合添加した鋼を用い、かつ浸炭処
理後 500℃以上の高温焼もどしを施すと、低温焼もどし
の場合に比べ遅れ破壊特性が向上する。 (2)脱酸元素であるSi、Mnと、不純物元素であるP 、S
を極力低減し、さらに (1)の方策を実施すると、両者の
複合効果によって優れた遅れ破壊特性が得られる。 (3) (1)に示した熱処理によって、表面硬さをHv 550以
下とすることが、遅れ破壊特性の向上に大きく寄与す
る。

【０００７】本発明の浸炭用ボルト用鋼は、以上の知見
から完成されたもので、その第１発明は、重量比にして
C:0.10〜0.30% 、Si:0.15%以下、Mn:0.60%以下、P:0.01
5%以下、S:0.015%以下、Cr:2.00%以下、Mo:0.5〜2.0%、
V:0.15〜0.50% を含有し、残部がFeおよび不可避的不純
物元素からなる鋼を 850〜 950℃で浸炭焼入れし、500
〜 650℃で焼もどしを施し、表面硬さをHv 400〜 550と
したことを特徴とし、第２発明は、第１発明鋼にNiを0.
1 〜1.0%添加して、焼入性を向上させたものである。

【０００８】

【作用】本発明の浸炭用ボルト用鋼は、Mo、V を複合添
加し、脱酸元素であるSi、Mnと不純物元素であるP 、S
を極力低減した鋼を 500℃以上の高温で焼もどしを施
し、表面硬さをHv 550以下としているので、浸炭処理後
においても優れた遅れ破壊特性が得られる。

【０００９】以下に本発明のボルト用鋼の成分限定理由
を説明する。 C:0.10〜0.30% C は必要な焼入性と内部硬さを確保するための必須元素
である。本発明の目的を達成するためには、 500℃以上
で焼もどしした後に最低1000N/mm² 以上の引張強さを得
る必要があり、下限を0.10% とした。しかし、多量に含
有させると、靱性が低下するため、上限を0.30% とし
た。

【００１０】Si:0.15%以下 Siは脱酸剤として効果のある元素であるが、浸炭焼入に
おける加熱時に起きる浸炭異常層の生成を助長し、遅れ
破壊強度を低下させる。従って、極力低減する必要があ
るため、上限を0.15% とした。

【００１１】Mn:0.60%以下 Mnは、従来鋼においては、焼入性向上及び脱酸剤として
添加される元素であるが、Siと同様に浸炭焼入における
加熱時に起きる浸炭異常層の生成を助長して遅れ破壊強
度を低下させるため、極力低減する必要があり、上限を
0.60% とした。

【００１２】P:0.015%以下 P は通常不純物として含有しており、結晶粒界に偏析し
て遅れ破壊特性を低下させる。従って、極力低減する必
要があり、上限を0.015%とした。

【００１３】S:0.015%以下 S は通常不純物として含有し、鋼中にMnS 等の非金属介
在物として存在している。この非金属介在物は結晶粒界
に偏析して遅れ破壊特性を低下させるため、Sは極力低
減する必要があり、上限を0.015%とした。

【００１４】Cr:2.00%以下 Crは焼入性の向上に効果のある元素であるが、多量に添
加すると浸炭異常層の生成を助長し、遅れ破壊特性を低
下させる元素でもある。従って、必要以上の添加は好ま
しくないので、上限を2.00% とした。

【００１５】Mo:0.5〜2.0% Mnを低減している本発明にとって、Moは必要な焼入性を
確保するために必要な元素である。また、Moは焼もどし
軟化抵抗を付与し、かつ浸炭処理後の高温焼もどしによ
って遅れ破壊特性を向上させるために不可欠の元素であ
る。前記効果を十分に得るためには、0.5%以上の含有が
必要である。しかし、多量に含有させても効果が飽和す
るとともに、コスト高となるため、上限を2.0%とした。

【００１６】V:0.15〜0.50% Vは結晶粒を微細化するとともに、焼もどし時に炭化物
となって微細析出し、焼もどし軟化抵抗を向上させる効
果のある元素である。また、Moと同様に、浸炭処理後の
高温焼もどしによる遅れ破壊特性向上のために不可欠の
元素である。前記効果を得るためには、0.15% 以上の含
有が必要である。しかし、多量に含有させてもその効果
が飽和するとともに、コスト高となるため、上限を0.50
% とした。

【００１７】Ni:0.1〜1.0%以下 Niは焼入性を向上させる効果のある元素であり、目的と
する焼入性を得るために必要に応じて適量添加すること
ができる。前記効果を得るためには、0.1%以上の含有が
必要である。しかし、多量に含有させてもその効果が飽
和するとともに、コスト高となるため、上限を1.0%とし
た。

【００１８】次に熱処理条件の限定理由について説明す
る。浸炭処理温度の下限値を 850℃としたのは、 850℃
未満ではMoやV の炭窒化物が溶け込まないため、焼もど
し時にこれらの炭窒化物の析出による２次硬化が得られ
なくなるためである。しかし、温度を高くしすぎると結
晶粒が粗大化するため、上限を 950℃とした。

【００１９】遅れ破壊特性を応力を負荷して長時間放置
しても破断しない最大応力値の引張強さに対する比率
（遅れ破壊強度比）で評価すると、焼もどし温度が高い
ほど優れた結果が得られる。焼もどし温度の下限を 500
℃に限定したのは、 500℃未満では表面硬さが高く耐摩
耗性には優れるものの、遅れ破壊特性の向上が不十分な
ためである。しかし、焼もどし温度を高くしすぎると、
1000N/mm² 以上の引張強さ及びHv 400以上の表面硬さを
得ることが困難になり、従来鋼に対し優れた強度が得ら
れなくなるため、上限を 650℃とした。

【００２０】なお、優れた遅れ破壊特性を得るために
は、前記条件で焼もどしを行った結果、表面硬さをHv 5
50以下とする必要がある。従って、焼もどし温度を 500
℃以上としてもHv 550以下の表面硬さが得られない場合
には、前記条件の範囲で温度を調整することが必要とな
る。

【００２１】

【実施例】次に本発明鋼の特徴を、比較鋼、従来鋼と比
較して、実施例でもって明らかにする。表１に実施例で
使用した供試材の化学成分を示す。表１において、１〜
８鋼は本発明鋼で、１〜４鋼は第１発明、５〜８鋼は第
２発明に該当する鋼である。また、９〜14鋼は成分の一
部が本発明の範囲外である比較鋼であり、15鋼は従来鋼
であるJIS-SCM420である。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１に示す成分を有する供試材を電気炉に
より溶解し、分塊圧延により鋼片を製造し、線材への圧
延前に鋼片の一部を採取して、焼入温度及び焼もどし温
度と引張強さとの関係を調査した。そして、調査結果を
もとに引張強さが1100N/mm²程度となる熱処理条件にて
熱処理を行って、後述する方法で評価を行った。また、
従来鋼である15鋼については比較のため、強度が従来の
レベルである800N/mm²になるよう熱処理した場合につい
ても評価した（表２には15' で示す）。調査の結果得ら
れた熱処理条件を表２に示す。従来鋼に比べ、本発明鋼
は焼もどし軟化抵抗が大きく、焼もどし温度を 500℃以
上としても必要な強度が得られることがわかる。なお、
熱処理条件は引張強さに合わせて調整したが、本発明鋼
の表面硬さは、表２に示すように全て本発明の範囲内で
あった。

【００２４】次に、鋼片をφ18mmの線材に圧延し、その
一部を採取して後述の試験片を作製した後、熱処理を行
って評価用T.P.を準備した。熱処理は 900℃で２時間保
持した後、さらに 850℃で１時間保持し、油冷するとい
う条件の浸炭焼入れと、その後表２に示す温度で30分加
熱保持後水冷するという条件で焼もどしを施した。引張
試験は、前記線材より JIS14号A 試験片を作製し、前記
条件で熱処理を施した後、引張速度1mm/min の条件で行
った。なお、引張試験片の熱処理時に、硬さ測定用T.P.
も同時に熱処理を行い、表面硬さ、内部硬さをマイクロ
ビッカース硬度計で測定（荷重100g) した。

【００２５】遅れ破壊試験は、線材よりボルトを製造
し、熱処理した後、5%HCl 溶液中に30分浸漬して水素を
吸蔵させた後、種々の応力を付加した状態にて、 200時
間以内に破断しない最大の応力（遅れ破壊強度）を求
め、ボルトの破断応力に対する比を遅れ破壊強度比とし
て表２に示した。なお、表２に示した○は、0.95以上の
遅れ破壊強度比が得られたことを示している。評価結果
を前述の焼もどし温度と合わせて表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２には引張強さのデータを示していない
が、従来鋼で従来の強度レベル(800N/mm²)に合わせて熱
処理した場合を除き、全て1080〜1120N/mm² の範囲内で
あった。表２から明らかなように、比較鋼である９〜14
鋼を本発明鋼の実施例である１〜８鋼と比較すると、９
鋼はC 含有率が低いため、焼もどし温度を低くしないと
必要な引張強度が得られないものであり、10、11鋼はS
i、Mn含有率が高いため、浸炭異常層（粒界酸化層）が
生成して遅れ破壊特性が劣るものであり、12鋼はP、S
含有率が高いため、遅れ破壊特性が劣るものであり、1
3、14鋼はMo、V 含有率が低いため、焼もどし後の二次
硬化が十分に得られず、焼もどし温度を低くしないと必
要な強度が得られないものである。

【００２８】また、従来鋼であるSCM420はV を含有して
いないため、焼もどし軟化抵抗が小さく、かつMn、Si、
P 、S が低減されていないので、本発明鋼に比べ著しく
遅れ破壊特性が劣るものである。すなわち、表２から明
らかなように、従来鋼である15鋼に対し、従来の強度レ
ベルである800N/mm²になるよう熱処理を施した場合(1
5') には、高い遅れ破壊強度比を示すのに、強度を1100
N/mm² とするために低い温度で焼もどしを施した場合に
は、著しく遅れ破壊強度比が低下している。

【００２９】これらの比較鋼、従来鋼に対し、本発明鋼
である１〜８鋼は、Mo、V を複合添加し、浸炭異常層の
原因となるMn、Siや不純物元素であるP 、S を極力低減
した鋼に対し、 500℃以上の温度で焼もどしを施して、
表面硬さをHv 550以下に抑えているので、浸炭処理を行
い、かつ高い引張強さを狙って熱処理した場合でも、必
要な特性が劣化することがなく、優れた遅れ破壊特性の
得られることが確認できた。

【００３０】次に、焼もどし温度を変化させた場合の遅
れ破壊特性への影響を調べるための別の実施例を示す。
表１に示す供試材のうち、１、５鋼を用い、焼もどし温
度を350 〜700 ℃の間で変化させ、遅れ破壊特性につい
て調査した結果を表３に示す。評価方法は、前記実施例
と同様である。

【００３１】

【表３】

【００３２】表３から明らかなように、焼もどし温度を
高めると遅れ破壊強度比が上昇して遅れ破壊特性が向上
するが、強度は低下していく。そして、焼もどし温度を
高くしすぎると必要な強度が得られなくなる。しかし、
本発明の条件を満足する温度（表３の実施例では、 520
℃、 620℃) で焼もどしを施したものは、従来の浸炭用
ボルト用鋼に比べ高い強度を確保しつつ、優れた遅れ破
壊特性を示すことが確認できた。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の浸炭用ボ
ルト用鋼は従来鋼とは異なり、浸炭処理を施しても遅れ
破壊特性が劣化しないので、従来より高い応力で使用す
ることが可能である。従って、この特性を有効利用する
ことにより、自動車等溶接で固定が不可能な多くの箇所
をより小さなボルトで固定が可能となり、軽量化、省エ
ネルギー化へ大きく寄与することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にしてC:0.10〜0.30% 、Si:0.15%
   以下、Mn:0.60%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下、C
   r:2.00%以下、Mo:0.5〜2.0%、V:0.15〜0.50%を含有し、
   残部がFeおよび不可避的不純物元素からなる鋼を 850〜
   950℃で浸炭焼入れし、500 〜 650℃で焼もどしを施
   し、表面硬さをHv 400〜 550としたことを特徴とする浸
   炭用高強度ボルト用鋼。
2. 【請求項２】 重量比にしてC:0.10〜0.30% 、Si:0.15%
   以下、Mn:0.60%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下、C
   r:2.00%以下、Mo:0.5〜2.0%、V:0.15〜0.50%と、Ni:0.1
   〜1.0%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物元素か
   らなる鋼を 850〜 950℃で浸炭焼入れし、500 〜 650℃
   で焼もどしを施し、表面硬さをHv 400〜 550としたこと
   を特徴とする浸炭用高強度ボルト用鋼。