JPH0735545B2

JPH0735545B2 - 高張力非調質ボルトの製造法

Info

Publication number: JPH0735545B2
Application number: JP1097202A
Authority: JP
Inventors: 秀雄蟹沢; 俊道森
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1995-04-19
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPH02274810A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、自動車や産業機械用の高張力非調質ボルトの
製造法に関するものである。

（従来の技術）近年における冷間鍛造をはじめとする冷間加工用機械の
進歩ならびに冷間加工用鉄鋼材料の改良はめざましく、
大型部品や極一部の高張力ボルトを除き、大部分は冷間
でボルト成型がなされている。これらに使用される鉄鋼
材料は冷間変形能を高め、工具寿命を向上させるため、
冷間鍛造前に軟化または球状化焼鈍し、冷間成型後焼入
れ・焼戻しを施して所定の強度を出すのが普通がある。
しかしながら、前記冷間鍛造前に軟化または球状化焼鈍
を行い、冷間成型後焼入れ・焼戻しを行う場合は、二次
加工工程が長く、製造コストも高くなるという欠点があ
る。

そこでこれらの球状化焼鈍や焼入れ・焼戻しを省略する
ために、低炭素鋼にTi,B,Nb,V等の析出強化元素を添加
するなどして、線材圧延後の強制風冷（ステルモア）に
よって、強度を高めボルト成型後の焼入れ・焼戻しを省
略するボルト用非調質線材（特開昭53−56121号公報、
特開昭59−215423号公報）の開発も行われている。

しかし、これらの方法では以下の２つの問題があり、適
用に限界がある。一つは線材強度を増加した分だけ冷間
鍛造時の変形抵抗が高くなることである。これに対して
冷間鍛造前に伸線を行うことによって一種のバウシンガ
ー効果を利用し、変形抵抗の低減を図っているものの、
伸線法の制御のみではその低減効果は希少で、現状の球
状化焼鈍線材なみの変形抵抗は達成できていないのが現
状である。もう一つは、ボルト成型後に破断伸びおよび
永久伸びの改善のため300℃から400℃のブルーイングが
不可欠なことである。一般に自動車や産業機械用の高張
力ボルトは殆どがメッキされるため、その後さらに200
℃以下のベーキング（脱水素処理）が施される。従って
焼入れ・焼戻しを省略できるものの新たにブルーイング
処理が必要となり、十分な熱処理省略には成っておら
ず、逆にブルーイング炉などの設備投資が必要となる問
題がある。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は球状化焼鈍後冷間加工し、その後の焼入れ・焼
戻し処理により製造されていた高張力ボルトについて、
球状化焼鈍を省略してもボルトの冷間加工変形抵抗が十
分に低くかつボルト成型後のブルーイングを省略する非
調質ボルトの製造方法に関するものである。

（問題点を解決するための手段）非調質線材から冷間伸線後ボルトを製造する工程におい
ては、引抜き後逆向きの圧縮方向の変形によりボルト成
型されるため、この間に一種のバウシンガー効果が作用
し、変形抵抗が下がることが知られている。本発明者等
は従来の伸線法の制御のみならず、成分、組織あるいは
熱延後の調整冷却等の種々の治金要因について実験研究
の結果、このバウシンガー効果を最大値に引出すには、
前述の高価な析出強化元素を使用するよりむしろＣ量を
増し、低炭ベーナイト組織よりも熱湯浴冷却のような急
速冷却によりフェライト分率の少ない微細なフェライト
・パーライト組織にすることが最適であり、またこれら
の成分系の線材においても、引抜きの減面率は高いほど
バウシンガー効果が増大することも確認できた。したが
って、これらの因子を効果的に組合せることによって、
ボルト成型加工時の変形抵抗を大幅に低減できることを
見出した。

次に、ブルーイング省略については前記と同様な治金因
子の他に伸線量あるいはボルト成型後の熱処理等につい
ても実験研究を行ない、素材を高延性な微細なフェライ
ト・パーライト組織とし、従来の非調質線材の引張強度
以上に伸線強化し引張強度と降伏強度を高め、同時に強
伸線による延性低下を素材の高延性により防止すること
で、ブルーイング無しにメッキ後に施される200℃以下
のベーキング処理で十分な破断伸びと永久伸びの抑制が
可能であることを見出した。

また、素材の高延性確保には鋼中のＰを0.010％以下に
低減し、さらにこれ以上の高延性を要求される場合はS:
0.010％以下、または／およびN:0.0030％以下とし、か
つ低炭素鋼の熱湯浴冷却を用いた急速冷却により微細な
フェライト・パーライト組織にすることが最適であるこ
とも見出した。

本発明はこれらの知見をもとになされたものであって、
重量％で、C:0.15％以上0.30％以下、Si:0.03％以上0.5
5％以下、Mn:1.1％以上2.0％以下、P:0.003〜0.010％を
含有し、あるいはさらにS:0.010％以下、N:0.0030％以
下の一方または両方を含有し、残部Feおよび不可避的不
純物よりなる鋼材を線材に熱間圧延し、３〜10秒間徐冷
または放冷した後、熱湯浴中で冷却した線材に、減面率
20％以上50％以下の引抜き加工を施し、その後剪断、頭
部成型、ねじ転造、ベーキングを行い、ブルーイングを
行わないことを特徴とする引張強さ70kgf/mm²以上の高
張力非調質ボルトの製造法である。

以下に本発明における化学成分および製造条件の限定理
由について説明する。

Ｃは鋼材の強度および延性にきわめて重要な影響を持つ
ことは周知の通りであるが、従来の引抜き率20％以上で
70kgf/mm²以上の強度を得るには、引張強度で最低55kgf
/mm²を必要である。フェライト・パーライト組織鋼では
Ｃ含有量を増加することによりバウシンガー効果を大き
くすることができることを見出した。この理由はバウシ
ンガー効果はフェライト中の可動転位密度の影響を受け
ており、Ｃ含有量を高めることによりフェライト分率が
低減され、導入される転位密度が増加するためである。
従って、バウシンガー効果を高め変形抵抗を低減するに
は、C0.15％未満ではこの目的が達成されず、また0.30
％を超えるとバウシンガー効果は増加するものの、延性
が劣化するほか、変形抵抗が過大となり、工具寿命が短
くなるので、0.15％以上0.30％以下とした。

Siは脱酸のために使用される以外に鉄に固溶し、降伏点
および引張強さが増すが、0.03％未満では脱酸効果が不
十分であり、0.55％を超えると引張強度が増加するもの
の、Ｃに比べバウシンガー効果の増加傾向が小さく、ま
た延性が劣化する他、冷間鍛造性が悪くなるので、0.03
％以上0.55％以下とした。

冷間加工用鋼としてSi脱酸の他に、Al,Al−Si脱酸も多
用されており、Alは脱酸のためならびに熱処理時の結晶
粒粗大化防止のために、0.010％〜0.060％添加するのが
望ましい。

Mnは強度の上昇に著しく寄与し、かつ線材のミクロ組織
を改良し冷間鍛造を容易にする。Mnは1.1％以下では強
度の改善が不十分である。しかしMnはバウシンガー効果
を増加させる元素ではないため、2.0％超の過剰添加は
変形抵抗を著しく増加させるため好ましくない。従って
1.1％以上2.0％以下と定めた。

Ｐは粒界に偏析しやすく熱延線材の延性を阻害する元素
であるため、0.010％以下に保つことが好ましく、また
0.003％未満では延性向上効果はほぼ飽和し、かつ低減
のためのコストが著しく増加するため、0.003％以上0.0
10％以下と定めた。

Ｓは偏析しやすい元素であり、MnS系の非金属介在物量
を低減させ、延性を向上させるためには0.010％以下に
することが必要である。

Ｎは時効硬化により延性を低下させるため、これを抑制
するには0.0030％以下にすることが必要である。

その他の不純物は、通常この種の鋼に存在する範囲内で
あれば許容し得る。

次に熱間圧延後の冷却について述べる。

本発明において、圧延終了後３〜10秒間徐冷または放冷
するのは、この間に線材温度は均一化し、圧延によって
不均一になっている結晶粒を揃え、同時に剥離性の良い
スケールの調整を行うものである。この時間が短すぎる
とその効果は得られず、長すぎると結晶粒が粗大化し、
スケールも厚く強固となって好ましくない。

線材を熱湯浴中で冷却する第１の目的は、ボルト成型時
の変形抵抗を低下させるバウシンガー効果を増大させる
ために、強制風冷に比べ冷却速度が速い熱湯浴冷却によ
り、いっそうフェライト分率の少ないフェライト・パー
ライト組織に調整することにある。フェライト・パーラ
イト組織において、バウシンガー効果は圧延後の冷却速
度に非常に影響を受けており、冷却速度が速いほど増加
するために、従来の強制風冷に比べ冷却速度の速い熱湯
冷却でバウシンガー効果が著しく大きくなることを見出
した。この理由は、前述したようにバウシンガー効果は
フェライト中の可動転位密度の影響を受けており、冷却
速度を速めることによりフェライト分率が低減され、導
入される転位密度も増加するためである。

第２の目的は強制風冷では線材リングの重なり部におい
て、風量の差が生じ、強度ばらつきが調質鋼に比べ著し
く大きくなるのに対し、熱湯冷却では、リング重なり部
も蒸気膜におおわれ、安定的な膜沸騰冷却により冷却速
度をほぼ一定とし、強度ばらつきを非常に小さくするた
めである。なお、本発明による熱湯は、90℃以上の温度
とする。この理由はオーステナイト粒径を均一化し、そ
の後の均一な熱湯冷却により、結晶粒径の整ったフェラ
イト・パーライトの変態組織を得ることができること
と、線材表面に適度の厚さのスケールを均一に付着させ
ることによって、温水中での沸騰膜が安定し、冷却速度
の均一性を向上するためである。熱湯冷却の開始温度
は、フェライト、パーライト変態が開始する温度より高
い900℃からでも良いが、パーライト変態開始直上の約7
00℃までクーリングトラフで急冷し、３〜10秒間徐冷ま
たは放冷後、熱湯冷却した場合には、フェライト量が低
減し、ラメラー間隔が細かくなり、強度が上昇するほ
か、スケールも薄く剥離しやすくなる。

次にボルト成型前の引抜き加工について述べる。通常こ
の引抜き加工は寸法精度を高めるために実施されるもの
で、調質材においても10％前後の減面率で行なう。しか
し、非調質線材の場合、制御冷却により付与した熱延線
材での強度をさらにこの工程で十分に加工硬化させ、所
定の強度および永久伸び改善のためそれ以上に高強度に
調整するという作用もある。また一般に知られているよ
うに、バウシンガー効果は引抜き加工率を高めるにつれ
て増大する。この傾向は制御冷却したフェライト・パー
ライト線材でも同様で、この理由はフェライト中の逆応
力が増大するためである。従って、永久伸び改善および
バウシンガー効果を高め変形抵抗を低減するには、減面
率20％未満ではこの目的が達成されず、また50％を超え
ると延性が劣化するとともに引抜き加工コストが増大し
経済的でないため、20％以上50％以下とした。

その後剪断ボルト頭部成型、ねじ転造し、必要に応じて
メッキした後、ベーキング処理により最終強度および伸
び、絞りを調整する。この場合のベーキング温度は、15
0℃以上が望ましく、これにより永久伸びの改善や脱水
素の効果が得られる。

以下に実施例を挙げてさらに説明する。

（実施例）第１表は供試材の化学成分を示す。表中B1〜B4は比較例
で、他は全て本発明による鋼材である。これらの鋼の溶
解後鍛造または圧延により162mm角鋼片となし、第２表
に示す9,13,15,15.5および18mmφ線材に圧延し、97℃〜
99℃の熱湯中冷却あるいは通常冷却、強制風冷を行っ
た。

引張試験結果を第３表に示す。同表に示すとおり本発明
にかかる材料のA1からA5は引張強度が高く、破断伸び、
絞りも著しく良好で、またコイル内の強度ばらつきは非
常に小さい。特にＳ低減にMnSを抑制し、かつ低Ｎによ
り時効硬化を抑制したA3は伸び、絞り等の延性が極めて
高い。しかし、本発明の範囲外のB1からB3は破断伸び、
絞りが低く、強度ばらつきも大きく、また強制風冷のB4
においても、強度は高いものの破断伸び、絞りがやや低
く強度ばらつきも大きい。

第４表は36〜40％の引抜きを行った後の引張特性を示
す。但し、比較例のB3は、現状の製造工程と同じように
球状化焼鈍を行い、その後13mmφから12mmφに伸線し
た。ここに示す変形抵抗は、ボルト成型前の各供試鋼線
を用いて測定したものであり、この数値が低いほど冷間
鍛造時の工具寿命が向上することが分かっている。各供
試鋼線を、旋盤にて突っ切り加工し、据え込み加工用円
柱試験片〔但し、据え込み比（高さ／直径）1.5に調
整〕を作成して、万能試験の歪速度を1/秒にて据え込み
加工（但し、据え込み圧板は同心円溝付の拘束型超硬圧
板を使用）を行い、該加工時の変形抵抗を測定した。変
形抵抗は、対数歪〔InH₀/H（但しH₀およびＨはそれぞれ
初期試験片長さおよび据え込み加工後の試験片長さを表
す）〕1.5にて求めたものであり、据え込み荷重を変形
後の試験片の断面積で除したものである。

これによると、本発明鋼A1〜A5（No.1からNo.7）はいず
れも球状化焼鈍後に伸線したB3とほぼ同じ変形抵抗とな
り、実際のヘッデング加工には、十分耐える値である。
しかし本発明範囲外のB1,B2およびB4は変形抵抗が高
く、工具寿命が著しく低下するため実用には適さない。
第５表はこれを六角ボルトに成形後300℃から400℃のブ
ルーイング処理を省略し、代りに200℃のベーキング処
理した後の引張強度、破断伸びおよび永久伸びを示す。
但し、B3のみ880℃加熱後焼入れし500℃焼戻し実施し
た。ボルトの引張試験は、角度10°のくさび引張を用
い、強度と頭飛びの有無を調べた。この結果、本発明の
ボルトは、引張強さ80kgf/mm²以上で頭飛びもなく、破
断伸びも大きく、永久伸びも焼入れ・焼戻しをしたB3と
ほぼ同じほど低く、JIS B 1051（1985年）の「8.8」鋼
製ボルト・小ねじとして良好な特性を持っており、ブル
ーイング省略が可能であることが分かる。比較例のB1,B
2は引張強さ、伸びが低く、強制風冷のB4は破断伸びが
低く、また永久伸びも大きい。一方、従来工程並みに焼
入れ・焼戻しを行ったB3は引張強さ80kgf/mm²以上とな
っている。

（発明の効果）以上のように、本発明により製造されるボルトは、非調
質線材を用いながら冷間鍛造時の変形抵抗は軟化または
球状化焼鈍材に匹敵する。従って、従来の非調質ボルト
に比べても、工具寿命延長が実現でき、ボルト製造コス
トの極めて大きな部分を占める工具費の大幅節減が可能
となるほか、工具交換の回数が減って生産性の向上が図
られる。さらに、従来の非調質ボルトはボルト成型後に
ブルーイングを実証していたのに対し、本発明により製
造されるボルトはメッキ後のベーキングで代替できるた
め、非調質化において球状化焼鈍、焼入れ・焼戻し工程
の省略の代りに不可避であったブルーイングも省略で
き、大幅な熱処理コストの節減をもたらし、産業上の効
果は極めて顕著なものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、C:0.15％以上0.30％以下、Si:
0.03％以上0.55％以下、Mn:1.1％以上2.0％以下、P:0.0
03〜0.010％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よ
りなる鋼材を線材に熱間圧延し、３〜10秒間徐冷または
放冷した後、熱湯浴中で冷却した線材に、減面率20％以
上50％以下の引抜き加工を施し、その後剪断、頭部成
型、ねじ転造、ベーキングを行い、ブルーイングを行わ
ないことを特徴とする高張力非調質ボルトの製造法。
【請求項２】成分がさらにS:0.010％以下、N:0.0030％
以下の一方または両方を満足する請求項１記載の高張力
非調質ボルトの製造法。