JPH09263875A - 遅れ破壊特性の優れた高強度機械構造用鋼およびその製造方法 - Google Patents

遅れ破壊特性の優れた高強度機械構造用鋼およびその製造方法

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JPH09263875A
JPH09263875A JP7690296A JP7690296A JPH09263875A JP H09263875 A JPH09263875 A JP H09263875A JP 7690296 A JP7690296 A JP 7690296A JP 7690296 A JP7690296 A JP 7690296A JP H09263875 A JPH09263875 A JP H09263875A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじ転造時の温度と転造後の冷却方法を調節
することにより、引張強度1300MPa 以上を有し耐遅
れ破壊特性に優れた高強度機械構造用鋼の製造方法を提
供する。 【解決手段】 C,Si,Mn,Al,Ti,B,C
r,Mo,Ni,Cu,V,Nb,Ta,Wを特定した
鋼のねじを転造において、転造温度Tfが700℃≦T
f≦900℃を満たす条件で転造したのち、200〜5
00℃の温度に10〜3000秒保持することにより、
ベイナイト組織を有し、且つ少なくともねじ表層から3
00μm以上の領域で旧オーステナイト粒の長さと幅の
比であるアスペクト比が1.2以上、引張強度1300
MPa 以上である耐遅れ破壊特性に優れた機械構造用鋼を
製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、1300MPa 以上
の引張強度を有する耐遅れ破壊特性の優れた高強度機械
構造用鋼およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】機械、自動車、橋、建物に数多く使用さ
れている高強度ボルトは、例えばJIS G4104,
JIS G 4105に規定されているSCr・SCM
等の、C量が0.20〜0.35%の中炭素鋼を用いて
焼入れ・焼戻し処理をすることによって製造されてい
る。しかし、どの品種についても引張強度が1300MP
aを超えると遅れ破壊の危険性が高まることがよく知ら
れており、例えば現在使用されている建築用ボルトの強
度は1150MPa 級が上限となっているのが現状であ
る。
【0003】高強度ボルトの遅れ破壊特性を向上させる
従来の知見として、例えば特公平3−243744号公
報、特公昭64−4566号公報や特公平3−2437
45号公報では、旧オーステナイト粒を微細化させるこ
とが有効であると提案している。また、特公昭61−6
4815号公報はCaを添加することを提案している。
しかしながら本発明者らの試験では、いずれの提案も大
幅な遅れ破壊特性の改善には至っていない。以上のよう
に従来の技術では、遅れ破壊特性を抜本的に向上させた
高強度ボルトを製造することには限界があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の如き
実状に鑑みなされたものであって、遅れ破壊特性の良好
な強度が1300MPa 以上の高強度機械構造用鋼を実現
するとともに、その製造方法を提供することを目的とす
るものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、まず焼入
れ・焼戻し処理によって製造した種々の強度レベルのボ
ルト用鋼を用いて、遅れ破壊挙動を詳細に解析した。遅
れ破壊は鋼材中の水素に起因して発生していることは既
に明らかである。そこで、遅れ破壊特性について、遅れ
破壊が発生しない「限界拡散性水素量」を求めることに
より評価した。
【0006】この方法は、電解水素チャージにより種々
のレベルの拡散性水素量を含有させた後、遅れ破壊試験
中に試料から大気中に水素が抜けることを防止するため
にCdめっきを施し、その後大気中で所定の荷重を負荷
し、遅れ破壊が発生しなくなる拡散性水素量を評価する
ものである。
【0007】図1に、拡散性水素量と遅れ破壊に至るま
での破断時間の関係について解析した一例を示す。試料
中に含まれる拡散性水素量が少なくなるほど遅れ破壊に
至るまでの時間が長くなり、拡散性水素量がある値以下
では遅れ破壊が発生しなくなる。この水素量を「限界拡
散性水素量」と定義する。
【0008】限界拡散性水素量が高いほど鋼材の耐遅れ
破壊特性は良好であり、鋼材の成分、熱処理等の製造条
件によって決まる鋼材固有の値である。なお、試料中の
拡散性水素量はガスクロマトグラフで容易に判定するこ
とができる。
【0009】そこで、高強度ボルトの限界拡散性水素量
を増加させる手段、即ち遅れ破壊特性を上げるべく、オ
ーステナイト結晶粒度、熱処理条件の影響等について検
討を重ねた。この結果、上記の要因のいずれを大きく変
化させても、遅れ破壊特性は大幅に向上できないことが
わかった。遅れ破壊が旧オーステナイト粒界に沿った粒
界割れであることから、遅れ破壊特性の大幅な向上を達
成するためには、粒界割れの発生を防止することが重要
であるとの結論に達した。
【0010】そこでさらに、オーステナイト粒界割れを
防止する手段について種々検討を重ねた結果、ボルトの
表層から軸中心方向に少なくとも300μmにわたる領
域において、未再結晶温度域における加工組織(オース
テナイト粒の長さと幅の比であるアスペクト比(オース
テナイト粒の長径/短径)が1.2以上である組織)を
形成させれば、1300MPa を超えるような高強度域で
もオーステナイト粒界割れを防止できることを発見し
た。
【0011】即ち、オーステナイト粒をボルトの軸方向
に伸長させ、アスペクト比を1.2以上にした鋼は、破
壊形態が粒内割れになるため、限界拡散性水素量が大幅
に増加し、耐遅れ破壊特性が格段に向上するという全く
新たな知見を見出したのである。また、オーステナイト
粒を伸長化させる方法として、熱間転造温度を選択する
ことによって、アスペクト比を1.2以上にさせること
が可能であることを明らかにした。
【0012】さらに、熱間転造後に直ちに200〜50
0℃の温度域で10〜3000秒の時間保持することに
よってベイナイト組織にすると、同じオーステナイト粒
内割れでも限界拡散性水素量が向上し、遅れ破壊特性が
格段に向上することを見出した。
【0013】以上の検討結果に基づき、鋼材組成、組織
形態、熱間転造条件、熱処理条件を最適に選択すれば、
遅れ破壊特性に優れた高強度ボルトを実現できるという
結論に達し、本発明をなしたものである。
【0014】本発明は以上の知見に基づいてなされたも
のであって、その要旨とするところは次の通りである。 (1)重量%で、C:0.15〜0.50%、Si:
0.05〜2.0%、Mn:0.2〜2.0%、Al:
0.005〜0.1%を含有するか、あるいはさらにT
i:0.005〜0.05%、B:0.0003〜0.
0050%、Cr:0.05〜2.0%、Mo:0.0
5〜1.0%、Ni:0.05〜5.0%、Cu:0.
05〜1.0%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.
005〜0.1%、Ta:0.005〜0.5%、W:
0.05〜0.5%の1種または2種以上を含むととも
に、残部はFeおよび不可避的な不純物よりなる鋼にお
いて、ベイナイト組織からなり、且つ少なくとも表層か
ら300μmの領域で旧オーステナイト粒の長さと幅の
比が1.2以上であり、さらに引張強さが1300MPa
以上であることを特徴とする遅れ破壊特性の優れた高強
度機械構造用鋼。
【0015】(2)上記化学成分を有する鋼において、
ベイナイト組織からなり、且つ少なくとも表層から30
0μmの領域で、未再結晶温度域での加工組織(加工量
は軸に垂直な断面で減面率15%以上)を有し、さらに
引張強さが1300MPa 以上であることを特徴とする遅
れ破壊特性の優れた高強度機械構造用鋼。
【0016】(3)上記化学成分を有する鋼をねじ転造
するに際して、少なくとも700〜900℃の温度範囲
で、ねじ転造を行った後、直ちに200〜500℃の温
度域で10〜3000秒の時間保持することによってベ
イナイト組織にすることを特徴とする遅れ破壊特性の優
れた高強度機械構造用鋼の製造方法。
【0017】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。まず、本発明の対象とする鋼の成分の限定
理由について述べる。 C:Cはボルトの強度を確保する上で必須の元素である
が、0.15%未満ではベイナイト組織において所要の
強度が得られず、一方0.50%を超えると靭性を劣化
させるとともに耐遅れ破壊特性も劣化させるため、0.
15〜0.50%の範囲に制限した。
【0018】Si:Siは固溶体硬化作用によって強度
を高める作用がある。0.05%未満では前記作用が発
揮できず、一方、2.0%を超えると添加量に見合う効
果が期待できないため、0.05〜2.0%の範囲に制
限した。
【0019】Mn:Mnは脱酸、脱硫のために必要であ
るばかりでなく、ベイナイト組織を得るための焼入性を
高めるために有効な元素であるが、0.2%未満では上
記の効果が得られず、一方2.0%を超えるとオーステ
ナイト域加熱時に粒界に偏析し粒界を脆化させるととも
に耐遅れ破壊特性を劣化させるため、0.2〜2.0%
の範囲に制限した。
【0020】Al:Alは脱酸および熱処理時において
AlNを形成することにより、オーステナイト粒の粗大
化を防止する効果とともにNを固定する効果も有してい
るが、0.005%未満ではこれらの効果が発揮され
ず、0.1%を超えても効果が飽和するため、0.00
5〜0.1%の範囲に限定した。
【0021】以上が本発明の対象とする鋼の基本成分で
あるが、本発明においては、さらにこの鋼にTi:0.
005〜0.05%、B:0.0003〜0.0050
%、Cr:0.05〜2.0%、Mo:0.05〜1.
0%、Ni:0.05〜5.0%、Cu:0.05〜
1.0%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.005
〜0.1%、Ta:0.005〜0.5%、W:0.0
5〜0.5%の1種または2種以上を含有せしめること
ができる。
【0022】各成分の限定理由は次の通りである。 Ti:TiはAlと同様に脱酸および熱処理においてT
iNを形成することにより、オーステナイト粒の粗大化
を防止する効果とともにNを固定する効果も有している
が、0.005%未満ではこれらの効果が発揮されず、
0.05%を超えても効果が飽和するため、0.005
〜0.05%の範囲に限定した。
【0023】B:Bはオーステナイト粒が伸長化したベ
イナイト組織の鋼において、遅れ破壊特性を向上させる
効果がある。さらに、Bはオーステナイト粒界に偏析す
ることにより焼入性を著しく高めるとともに、未再結晶
温度域を高温側に移行させる効果も有しており、伸長化
したオーステナイト粒が得やすくなる。Bが0.000
3%未満では前記の効果が発揮されず、0.0050%
を超えても効果が飽和するため、0.0003〜0.0
050%に制限した。
【0024】Cr:Crは焼入性の向上およびベイナイ
トの強度を増加させるために有効な元素であるが、0.
05%未満ではその効果が十分に発揮できず、一方2.
0%を超えると靭性の劣化を招くため、0.05〜2.
0%に限定した。
【0025】Mo:MoはCrと同様にベイナイト組織
の引張強さを高めるために有効な元素であり、未再結晶
温度を上昇させる効果も有しているが、0.05%未満
ではその効果が少なく、一方1.0%を超えるとその効
果は飽和しコストの上昇を招くため、0.05〜1.0
%に制限した。
【0026】Ni:Niは高強度化に伴って劣化する延
性を向上させるとともに、熱処理時の焼入性を向上させ
て引張強さを増加させるために添加されるが、0.05
%未満ではその効果が少なく、一方5.0%を超えても
添加量にみあう効果が発揮できないため、0.05〜
5.0%の範囲に制限した。
【0027】Cu:Cuはベイナイト組織の強度を高め
るために有効な元素であるが、0.05%未満では効果
が発揮できず、1.0%を超えると熱間加工性が劣化す
るため、0.05〜1.0%に制限した。
【0028】V:Vは焼入れ処理時において炭窒化物を
生成することにより、オーステナイト粒を微細化させる
効果があるが、0.05%未満では前記作用の効果が得
られず、一方0.5%を超えても効果が飽和するため、
0.05〜0.5%に限定した。
【0029】Nb:NbもVと同様に炭窒化物を生成す
ることにより、オーステナイト粒を微細化させるために
有効な元素である。また、Nbは未再結晶温度を大幅に
高める効果があり、ねじ転造温度が高くてもオーステナ
イト粒が伸長化した鋼を容易に製造できる利点がある。
0.005%未満では上記効果が不十分であり、一方
0.1%を超えるとこの効果が飽和するため、0.00
5〜0.1%に制限した。
【0030】Ta:TaもNbと同様に未再結晶温度を
高める効果を有してるが、0.005%未満では前記の
効果が発揮されず、0.5%を超えて添加しても効果が
飽和するため、0.005〜0.5%に限定した。 W:Wは高強度ボルトの遅れ破壊特性を向上させるため
に有効な元素であるが、0.05%未満では前記の効果
が発揮されず、一方、0.5%を超えて添加しても効果
が飽和するため、0.05〜0.5%の範囲に限定し
た。
【0031】P,Sについては特に制限しないものの、
遅れ破壊特性を向上させる観点から、それぞれ0.01
5%以下が好ましい範囲である。また、NはTi,A
l,V,Nbの窒化物を生成することによりオーステナ
イト粒の細粒化効果があるため、0.003〜0.01
5%が好ましい範囲である。
【0032】次に、本発明で目的とする高強度ボルトの
遅れ破壊特性の向上に対して最も重要な点であるボルト
の組織形態の限定理由について述べる。図2に、ベイナ
イト組織からなるボルトの限界拡散性水素量に及ぼすア
スペクト比の影響について解析した一例を示す。ここ
で、アスペクト比が1.0のボルトは従来の冷間ねじ転
造後で製造したものであり、オーステナイト粒が伸長化
されていない鋼である。
【0033】同図から明らかなように、オーステナイト
粒を伸長化させてアスペクト比が増加するに伴い限界拡
散性水素量が増加し、遅れ破壊特性が格段に向上する。
ここで、アスペクト比が1.2未満では遅れ破壊特性の
向上が顕著でないため、アスペクト比の下限を1.2に
限定した。なお、アスペクト比が1.5以上で遅れ破壊
特性の向上効果が顕著になるため、1.5以上がアスペ
クト比の好ましい範囲である。
【0034】図3は、ベイナイト組織のボルトの限界拡
散性水素量と、アスペクト比が1.2以上になっている
ボルト表層から軸中心方向の深さの関係について解析し
た一例を示す図である。アスペクト比が1.2以上であ
るボルト表層からの領域が300μm未満では、限界拡
散性水素量の向上効果が少なく、遅れ破壊特性に対して
顕著な効果がないことがわかる。
【0035】このため、アスペクト比が1.2以上の領
域を少なくとも300μmにわたる領域に限定した。な
お、図3から明らかなように、500μm以上で遅れ破
壊特性の向上効果が高いことから、好ましい条件は50
0μm以上である。
【0036】本発明の遅れ破壊特性の優れた高強度ボル
トの製造方法では、オーステナイト粒を伸長化させるた
めに低温での熱間転造を行い、転造後、直ちに200〜
500℃の温度域で10〜3000秒の時間保持するこ
とによってベイナイト組織にするものである。以下に製
造条件の限定理由を述べる。
【0037】熱間転造温度:熱間転造仕上げ温度が90
0℃を超えると、未再結晶温度を上げる元素を添加して
も再結晶化しやすく、伸長化したオーステナイト粒を得
ることが困難であるとともに、アスペクト比が1.2以
上の領域を300μm以上にすることが難しくなるた
め、上限温度を900℃に制限した。一方、700℃を
下回ると変形抵抗が大きくなりすぎて熱間転造が困難に
なり、さらにフェライト相が析出しやすくなるため下限
温度を700℃に限定した。
【0038】ベイナイト処理温度:オーステナイト粒が
伸長化したマルテンサイトをベイナイト化する際の温度
が200℃未満では、マルテンサイト変態が生じやす
く、また500℃以上ではフェライト、またはパーライ
ト変態が生じやすくなるため、200〜500℃に制限
した。
【0039】ベイナイト処理時間:処理時間が10秒未
満ではベイナイト変態が終了せず、一方、本発明の成分
系では3000秒以内にベイナイト変態が終了するた
め、ベイナイト化処理時間を10〜3000秒に限定し
た。
【0040】なお、本発明では転造後にベイナイト組織
にするものであるが、この際に体積分率で20%未満の
フェライト、パーライト、マルテンサイト、残留オース
テナイトまたはこれらの混合組織が生成しても遅れ破壊
特性の劣化はなく、なんら制限を受けるものではない。
【0041】また、ベイナイト組織のままでも遅れ破壊
特性、機械的性質は良好であるが、焼戻しマルテンサイ
ト組織に比べて若干耐力が低くなるため、耐力を高めた
い場合は焼戻し処理を行っても差し支えない。焼戻し温
度は250〜550℃が好ましい範囲である。
【0042】
【実施例】以下、実施例により本発明の効果をさらに具
体的に説明する。表1に示す化学組成を有する供試材を
種々の熱間転造条件で転造した後、ベイナイト処理する
ことにより、ベイナイト組織にしてボルト(φ10)を
製造した。上記の試料を用いて、機械的性質、組織形
態、遅れ破壊特性について評価した結果を表2に示す。
遅れ破壊特性は、前に述べた限界拡散性水素量で評価を
行い、負荷応力は引張強さの90%の条件で実施した。
【0043】
【表1】
【0044】
【表2】
【0045】表2の試験No.1〜11が本発明例で、N
o.12〜19は比較例である。同表に見られるよう
に、本発明例はいずれもボルトの引張強さが1300MP
a 以上であるとともに、ベイナイト組織からなり、且つ
アスペクト比が1.2以上であり、さらにアスペクト比
が1.2以上の領域がボルト表層から300μm以上で
あるため破壊形態が粒内割れとなっており、限界拡散性
水素量が従来のボルトに比べ高く、遅れ破壊特性の優れ
たボルトが実現されている。
【0046】これに対して比較例であるNo.12,17
は、いずれも従来の製造方法で製造したものである。即
ち、転造後、焼入れ・焼戻し処理によって製造したもの
であり、オーステナイト粒が伸長化していない例であ
る。このため、遅れ破壊形態が粒界割れであり、限界拡
散性水素量が低く、遅れ破壊特性が悪い例である。
【0047】比較例であるNo.16は、アスペクト比が
小さすぎるために遅れ破壊特性が改善されなかった例で
ある。また、比較例であるNo.13,14は、オーステ
ナイト粒が伸長化され、アスペクト比は満足できるもの
の、ベイナイト組織ではなく、焼戻しマルテンサイト組
織であるため遅れ破壊特性が改善されなかった例であ
る。
【0048】さらに、比較例であるNo.15,18,1
9は、いずれも鋼の化学成分が不適切な例である。即
ち、No.15はC含有量が低すぎるために本発明で目的
とする1300MPa 以上の高強度のボルトが実現できて
いない。また、No.18はC含有量が高すぎるために、
No.19はMn含有量が高すぎるために、いずれも遅れ
破壊特性が悪かった例である。
【0049】
【発明の効果】本発明は、オーステナイト粒を伸長化さ
せ、ベイナイト組織にすることにより、ボルトの遅れ破
壊形態を粒界割れから粒内割れにさせて、引張強さが1
300MPa 以上の高強度ボルトの遅れ破壊特性を大幅に
向上させることを可能にするとともに、鋼の化学成分、
ねじ転造条件、熱処理条件を最適に選択することによっ
てその製造方法を確立したものであり、産業上の効果は
極めて顕著なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】拡散性水素量と遅れ破壊時間の関係を一例を示
す図表である。
【図2】限界拡散性水素量とアスペクト比の関係につい
て解析した一例を示す図表である。
【図3】限界拡散性水素量とアスペクト比が1.2以上
の組織の表層からの深さの関係について解析した一例を
示す図表である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C :0.15〜0.50%、 Si:0.05〜2.0%、 Mn:0.2〜2.0%、 Al:0.005〜0.1%を含有し、残部がFeおよ
    び不可避的不純物よりなる鋼において、ベイナイト組織
    からなり、且つ少なくとも表層から300μmの領域で
    旧オーステナイト粒の長さと幅の比(以下アスペクト比
    とする)が1.2以上であり、さらに引張強さが130
    0MPa 以上であることを特徴とする遅れ破壊特性の優れ
    た高強度機械構造用鋼。
  2. 【請求項2】 重量%で、さらに Ti:0.005〜0.05%、 B :0.0003〜0.0050%、 Cr:0.05〜2.0%、 Mo:0.05〜1.0%、 Ni:0.05〜5.0%、 Cu:0.05〜1.0%、 V :0.05〜0.5%、 Nb:0.005〜0.1%、 Ta:0.005〜0.5%、 W :0.05〜0.5%の1種または2種以上を含有
    することを特徴とする請求項1記載の遅れ破壊特性の優
    れた高強度機械構造用鋼。
  3. 【請求項3】 重量%で、 C :0.15〜0.50%、 Si:0.05〜2.0%、 Mn:0.2〜2.0%、 Al:0.005〜0.1%を含有し、残部がFeおよ
    び不可避的不純物よりなる鋼において、ベイナイト組織
    からなり、且つ少なくとも表層から300μmの領域
    で、未再結晶温度域での加工組織(加工量は軸に垂直な
    断面で減面率15%以上)を有し、さらに引張強さが1
    300MPa 以上であることを特徴とする遅れ破壊特性の
    優れた高強度機械構造用鋼。
  4. 【請求項4】 重量%で、さらに Ti:0.005〜0.05%、 B :0.0003〜0.0050%、 Cr:0.05〜2.0%、 Mo:0.05〜1.0%、 Ni:0.05〜5.0%、 Cu:0.05〜1.0%、 V :0.05〜0.5%、 Nb:0.005〜0.1%、 Ta:0.005〜0.5%、 W :0.05〜0.5%の1種または2種以上を含有
    することを特徴とする請求項3記載の遅れ破壊特性の優
    れた高強度機械構造用鋼。
  5. 【請求項5】 重量%で、 C :0.15〜0.50%、 Si:0.05〜2.0%、 Mn:0.2〜2.0%、 Al:0.005〜0.1%を含有し、残部がFeおよ
    び不可避的不純物よりなる鋼をねじ転造するに際して、
    少なくとも700〜900℃の温度範囲で転造した後、
    直ちに200〜500℃の温度域で10〜3000秒の
    時間保持することによってベイナイト組織にすることを
    特徴とする遅れ破壊特性の優れた高強度機械構造用鋼の
    製造方法。
  6. 【請求項6】 重量%で、さらに Ti:0.005〜0.05%、 B :0.0003〜0.0050%、 Cr:0.05〜2.0%、 Mo:0.05〜1.0%、 Ni:0.05〜5.0%、 Cu:0.05〜1.0%、 V :0.05〜0.5%、 Nb:0.005〜0.1%、 Ta:0.005〜0.5%、 W :0.05〜0.5%の1種または2種以上を含有
    することを特徴とする請求項5記載の遅れ破壊特性の優
    れた高強度機械構造用鋼の製造方法。
JP07690296A 1996-03-29 1996-03-29 遅れ破壊特性の優れた高強度ボルトおよびその製造方法 Expired - Fee Related JP3494798B2 (ja)

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