JPS59215465A - 高強度・高膨張ボルト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、Ｆｅ系部品に比べて熱膨張係数の比較的高
い例えばＡ１合金部品の締結に使用するのに適した高強
度・高膨張ボルトに関するものである。

（従来技術） 近年、省エネル、＜の関心が著しく高まってきており、
例えば自動車業界においても軽量化、低燃費化の努力が
夕方面から行われている。その中で、エンジン部分、と
くにシリングヘッドおよびシリンダブロックに鋳鉄より
も軽量であるＡ１合金が使用されるようになってきてお
り、これに伴ってこれら各部品の締結ポル）・（例えば
スタッドボルト）に従来経験されなかった問題が生ずる
ようになった。すなわち、エンジン稼動中にこれら各部
品は１００℃前後まで上昇するが、通常の！膨張係数が
約１３Ｘ１０−６程度であるのに対し、ＡＵ金合金熱膨
張係数は２０〜２５Ｘ１０−６と大きいため、従来の締
結ボルトをそのまま用いた場合には、この締結部分のＡ
４合金部品が変形を生じ、締結部分にすき間を生ずるこ
とがあった。

そのため、こうしたＡ１合金の締結ボルトの素材として
、高膨張材料を使用することが要求されるようになった
。ところで、従来よりオーステナイト系の材料は、熱膨
張係数が大きいことが知られているが、この材料は、降
伏強度が低いためボルトに適用した場合にへたりを生じ
やすいこと、ヘッダー性が悪いためボルトの精度や生産
性に難があること、などの問題点があるため、ボルトへ
の適用が遅れていた。

（発明の目的） この発明は、上記した従来の問題点に着目してなされた
もので、高強度で且つ高膨張を有し、例えばＦｅ系部品
よりも熱膨張係数の高いＡＪＪ系部品の締結に使用した
ときでも高膨張であるためＡＭ系部品の温度」二昇時に
ＡＭ系部品と締結ボルトとの間の熱膨張差によるＡ文系
部品の変形発生を防止することが可能である高強度・高
膨張ボルトを提供することを目的としている。

（発明の構成） この発明による高強度拳高膨張ボルトは、Ｃ９Ｓｉ、Ｍ
ｎ、Ｎｉ、Ｓおよび必要に応じてＮ等の化学成分の適正
化および製造条件の適正化によって、引張強さｌｏＯＫ
ｇｆ／ｍｍ２以上、０．２％耐力９０Ｋｇｆ／＋＋ｏｎ
２以上の高強度で且つ靭性にも優れたものであり、主成
分系は高Ｍｎオーステナイトａ＋である。この発明によ
る高強度・高ＩＩＩ張ボルトの製造にあたっては、代表
的には、線材圧延→伸線加工→（温間）成形→ねじ転造
の工程をとる。このような工程のうちとくに成形工程に
おいて、冷間成形とした場合には、オーステナイト鋼の
場合に冷開成形過程において一般にヘッダー割れを生じ
やすいので、ヘッダー割れを生じない温度での温間また
は熱開成形を行うことが望ましいが、熱開成形を行った
場合には伸線による加工硬化が消滅して降伏点の向上が
図れないので、この発明においては成形温度の上限を６
００℃以下とした。

また、０．５〜０．８重量％Ｃ−１０〜２０重量％Ｍｎ
価では、４００〜８００’Ｃの範囲で炭化物の析出領域
があり、炭化物は粒界に析出して靭性を劣化させる。そ
こで、この点について鋭意研究を進めた結果、伸線加工
における冷間加工率が大きくなると、上記炭化物の析出
領域が低温で且つ短時間側に移行することを見い出した
。そして、０．２％耐力を高めると同時に炭化物の粒界
析出を抑えるための冷間加工率を調べたところ、１５％
以上３０％以下、より望ましくは２５％以上３０％以下
とするのが良いことがわかった。このようにして、伸線
加工における適切な冷間加工率を見い出し、成形温度の
上限を規定し、さらに成分系の適正化を図ることによっ
て、従来の鋼ボルトよりも高膨張で、人文合金の熱膨張
係数に近い熱膨張率を有し、しかも高強度であるボルト
を開発した。加えて、線材圧延後８００〜４００　”Ｑ
の間での平均冷却速度を５°Ｃ／ｓｅｃ以上として急冷
することによって、靭性劣化の原因となる粒界への炭化
物の析出を防ぐことができ、線材圧延後の溶体化処理を
省略できることを見出した。

すなわち、この発明による高強度会商膨張ボルトは、 Ｃ：０．５〜０．８重量％ Ｓｉ：０．１〜１重量％ Ｍｎ：１０〜２０重量％ Ｎｉ：０．５〜２重量％ 必要に応じて、Ｎ：０．０２〜０．２重量％、残部Ｆｅ
および不純物からなる鋼を素材とし、圧延後８００〜４
００°Ｃの間での平均冷却速度を５’０／ｓｅｃ以上と
して冷却し、その後の伸線加工における冷間加工率を１
５％以上３０％以下とし、６００°Ｃ以下の温度で成形
したことを特徴とするものである。

次に、この発明による高強度・高膨張ボルトの化学成分
範囲の限定理由について説明する。

Ｃ：０．５〜０．８重量％ Ｃはオーステナイト中に固溶してボルトとして必要な強
度を確保すると共に、Ｍｎとのバランスにもよるがオー
ステナイｉ・単相として高熱膨張率を確保するのに有効
な元素であり、このような効果を得るためには０．５重
量％以上含有させることが必要である。し゛かし、多過
ぎるとＭ３Ｃｐ化物の析出を短時間側に移行させ、温間
成形時の炭化物の粒界析出を促進して靭性を劣化させる
ので０．８型部％以下とすることが必要であり、より好
ましくは０．６５重量％以下とする。

Ｓｉ：０．１〜１重量％ Ｓｔは溶解・精錬時に脱酸剤として寄与すると共に、０
．２％耐力を高めるのにも寄与する元素であって、この
ような効果を得るためには０．１重量％以上含有させる
ことが必要である。しかし、多過ぎると靭性が劣化する
ので１重量％以下とすることが必要である。

Ｍｎ：１０〜２０重量％ Ｍｎはオーステナイト相を安定化させ、１７〜１８Ｘ１
０−６の高膨張率を確保するのに添加する元素であり、
このためには１０重量％以上含有させることが必要であ
る。しかし、多過ぎると温間加工性が低下してヘッダー
加工に支障をきたすので２０％以下とすることが必要で
ある。

Ｎｉ：０．５〜２重量％ ＮｉはＭ３Ｃ炭化物の析出を長時間側に移行させ、温間
加工時の炭化物の析出を遅らすのに有効な元素であって
、このためには０．５重量％以上含有させることが必要
であり、より望ましくは１．３重量％以上含有させる。

しかし、２重量％を超えても上記効果は飽和するので、
２重量％以下とした。

Ｓ：０．０５重量％以下 Ｓ含有量が多過ぎると介在物の生成量が多くなるほか、
オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化し、このため
靭性を劣化するので、０．０５重量％以下とする必要が
あり、より望ましくは０．０２重量％以下とする。

Ｎ：０．０２〜０．２重量％ Ｎはオーステナイトを安定化し、強度を高めるのに有効
な元素であるので、必要に応じて０．０２重量％以上含
有させる。しかし、多すぎると靭性が劣化し、溶製上も
困難をきたすので、０．２重量％以下とすることが必要
である。

この発明によるボルトの鋼組成は以上のごとくであるが
、線材圧延後８００〜４００°Ｃの間での平均冷却速度
を５℃／ｓｅｃ以上として冷却し、その伸線加工におけ
る冷間加工率を１５％以上３０％以下とし、６００６Ｃ
以下の温度で（温間）成形することとしたのは次の理由
による。

すなわち、線材圧延後の冷却過程においては８００〜４
００℃の間でＭ３　Ｃ炭化物がオーステナイト粒界に析
出して靭性を劣化させるので、この炭化物の析出をおさ
えるために、線材圧延後の８００〜４００℃の間での平
均冷却速度を５℃／ＳｅＣ以上として冷却する。このよ
うにすることによって、線材圧延後の溶体化処理を省略
することが可能であり、生産性を著しく高めることがで
きるようになる。一方、ボルトの強度を１００Ｋｇｆ／
ｍｍ２以上に確保するためには伸線加工における冷間加
工率を１５％以上とすることが必要であり、より望まし
くは２５％以上とする。しかし、加工率が高すぎるとＭ
３Ｃ炭化物の析出領域を短時間および低温側へ移行し、
炭化物がオーステナイト粒界に析出して靭性を劣化する
ので３０％以下とすることが必要である。

また、成形（ヘッダー成形）温度は、成形時の変形抵抗
を下げてヘッダー性を高める意味からできるだけ高温と
することが好ましいが、成形温度が高すぎるとＭ３Ｃ炭
化物が析出しやすくなると共に、伸線時の加工硬化の効
果が減少するので６００°Ｃ以下とすることが必要であ
り、より望ましくは３５０６Ｃ以下とする。一方、成形
温度の下限は、ヘッダー成形の際における成形型の潤滑
性などによっても異なるが、通常の場合には２００’Ｃ
程度以上とすることがより望ましい。

（実施例） 評示す化学成分の鋼を溶製したのち造塊し、比較例のＮ
ｏ、　Ｅ　、　Ｆを除いて、線材圧延→伸線加工（冷間
）→ボルト成形（ヘッダー成形）→ねじ転造→Ｍ１２（
六角）ボルトの工程によりボルトを製造し、ボルトから
切り出した試験片を用いて熱膨張率および引張性質を調
べ、さらにボルト実体でくさび引張試験を行った。また
、比較例のＮｏＥ　、　Ｆに対しては、線材圧延後に１
０５０°Ｃで溶体化処理を行い、その後同じ工程でボル
トを製造した。

上記製造工程において、線材圧延後の平均冷却だ。

そして、熱膨張率は、熱膨張試験機を使用して常温から
１５０°Ｃまでの平均熱膨張率をＸｌ０−８／’にで測
定した。また、引張性質は、Ｍ１２ボルトよりＪＩＳ１
４Ａ号試験片を切り出して引張試験することにより調べ
た。さらに、〈さび引張強さはＪＩＳ　　Ｂ　　１０５
１に準じて添付図に示すくさび引張試験を実施すること
により求めた。

なお、図において、■は六角ボルト、２は台形ナツト、
３はくさび角度θが１０°の環状くさひ、４はくさび係
止部材、５はナツト係止部材であり、矢印Ａ方向に引張
った際の破断強さを調べた。　これらの結果を表２に示
す。

表に示すように、本発明例のＮｏ、Ａ−Ｄのボルトでは
、従来例（７）Ｎｏ、　Ｒ（Ｓ　０Ｍ４４０相当材使用
）のボルトに比べて熱膨張率が大きく、Ａｉ金合金近い
値を示していることが明らかであり、靭性にも富むもの
であることが明らかである。そして、線材圧延後に溶体
化処理を施した比較例のＮｏ、　Ｅ　、　Ｆのボルトと
同程度の特性を有しており、溶体化処理を省略しても何
ら差支えないことがわかった。一方、比較例のＮｏ、　
Ｇのボルトでは、Ｃ含有量が多くかつＮｉ含有量が少な
いため、ヘッダー成形中に炭化物が析出して靭性が劣化
し、伸びおよびくさび引張強さが低い値を示した。また
、比較例のＮｏ、　Ｈのボルトでは、ＣおよびＭｎ含有
量が少ないためオーステナイト組織とはならず、熱膨張
率が小さいという結果になった。さらに、比較例のＮｏ
、　Ｉのボルトでは、冷間加工率が小さいために加工硬
化量が不足して剛力が不十分であり、比較例のＮｏ、　
Ｊのボルトでは、ヘッダ一温度が高いために靭延性が低
く、比較例のＮｏ、にのボルトでは、線材圧延後の平均
冷却速度が遅いために冷却中に炭化物の析出を生じ、靭
延性およびくさび引張強さが低いという結果になった。

さらにまた、Ｓ含有量を少なくした本発明例のＮｏ、Ｌ
、Ｍのボルトでは、伸びが向上しており、高靭性のボル
トであることが確認され、Ｎを添加した本発明例のＮｏ
、Ｎ、Ｏのボルトでは、０．２％耐力が一段と向上して
おり、Ｎを添加し且つＳ含有量を少なくした本発明例の
Ｎｏ、Ｐ、Ｑのボルトでは、伸びが一段と向上している
ことが確認された。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によるボルトでは、
Ｃ，Ｓｔ、Ｍｎ、Ｓおよび必要に応じてＮ等の化学成分
の適正化をはかると共に、圧延後の平均冷却速度、伸線
加工における冷間加工率および成形温度を規制するよう
にしたから、圧延後に溶体化処理を行わなくとも、引張
強さ１００Ｋ　ｇ　ｆ　／ｍｍ２以上、０．２％ｍ力＼
９０Ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高強度で且つ高靭延性を有し
、しかも高膨張率を有するものであり、例えばＦｅ系部
品よりも軽量ではあるが熱膨張係数の高い人文系部品の
締結に使用したときでも高膨張であるためＡｉ系部品の
温度上昇時にＡ４系部品と締結ボルトとの間の熱膨張差
によるＡｎ系部品の変形発生を防止することが可能であ
り、良好な締結状態を長く維持することができるという
著大な効果を有している。

【図面の簡単な説明】

添付図面はくさび引張強さの測定要領を示す説明図であ
る。 特許出願人　　大同特殊鋼株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豊

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （＋）Ｃ：０．５〜０．８重量％、 Ｓｉ：０．１〜１重量％、 Ｍｎ：１０〜２０重量％。 Ｎｉ：０．５〜２重量％、 Ｓ：０．０５重量％以下、 残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼を素材とし、圧延後８
   ００〜４００℃の間での平均冷却速度を５°Ｃｉ／ｓｅ
   ｅ以上として冷却し、その後の伸線加工における冷間加
   工率を１５％以上３０％以下とし、６００°Ｃ以下の温
   度で成形したことを特徴とする高チ般度、高膨張ボルト
   。 （２）Ｃ：０．５〜０．８重量％、 Ｓｉ＋０．１−１重量％、 Ｍｎ：１０〜２０重量％、 Ｎｉ＋０．５〜２重量％、 Ｓ：０．０２重量％以下、 残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼を素材とした特許請求
   の範囲第（１）項記載の高強度−高膨張ボルト。 （３）　Ｃ：　０　、５〜０．８重量％、Ｓｉ：Ｏ，１
   〜１重量％、 Ｍｎ：１０〜２０重量％、 Ｎｉ：０．５〜２重量％、 Ｓ：０．０５重量％以下、 Ｎ：０．０２〜０．２重量％。 残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼を素材とし、圧延後８
   ００〜４００°Ｃの間での平均冷却速度を５”Ｑ／ｓｅ
   ｃ以上として冷却し、その後の伸線加工における冷間加
   工率を１５％以上３０％以下とし、６００°Ｃ以下の温
   度で成形したことを特徴とする高強度、高膨張ボルト。 （４）Ｃ：０．５〜０．８重量％、 Ｓｉ：０．１〜１重量％、 Ｍｎ：１０〜２０重量％、 Ｎｉ：０．５〜２重量％、 Ｓ：０．０２重量％以下、 Ｎ：０．０２〜０．２重量％、 残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼を素材とした特許請求
   の範囲第（３）項記載の高強度争高膨張ボルト。