KR102062733B1 - 볼트 - Google Patents
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Abstract
고강도를 가지며, 또한, 뛰어난 내수소 취화 특성을 갖는 볼트를 제공한다. 본 발명의 실시 형태에 따른 볼트는, 질량%로, C:0.32~0.39%, Si:0.15% 이하, Mn:0.40~0.65%, P:0.020% 이하, S:0.020% 이하, Cr:0.85~1.25%, Al:0.005~0.060%, Ti:0.010~0.050%, B:0.0010~0.0030%, N:0.0015~0.0080%, O:0.0015% 이하, Mo:0~0.05%, V:0~0.05%, 및, Cu:0~0.50%, Ni:0~0.30%, 및, Nb:0~0.05%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족하고, 1000~1300㎫의 인장 강도를 가지며, 식 (3)을 만족한다. 4.9≤10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V≤6.1 (1) Mn/Cr≤0.55 (2) ［고용 Cr］/Cr≥0.70 (3)
Description
본 발명은 볼트에 관한 것이며, 더 자세히는, 고강도의 볼트에 관한 것이다.
근래, 환경 문제 등에 대응하기 위해, 자동차, 산업 기계, 건축 등에 이용되는 부재에 대해서, 경량화 및 고강도화가 요구되고 있다. 특히, 엔진 실린더 헤드 볼트, 커넥팅 로드 볼트로 대표되는 자동차용 볼트에서는, 1000㎫ 이상의 인장강도가 요구되고 있다.
그러나, 볼트의 인장강도가 1000㎫ 이상의 고강도가 되면, 수소취화 감수성이 높아지고, 내수소취화(지연 파괴) 특성이 저하한다. 이러한 고강도의 볼트의 소재로서, Mo 등의 합금 원소를 다량으로 함유하는 SCM강(JIS 규격), 및, V 등의 고가의 합금 원소를 함유하는 합금강 등이 이용되고 있다. 이들 합금강은, 선재로 제조되고, 또한 신선(伸線) 및 냉간 단조되어 볼트로 제조된다.
상술의 합금강을 볼트로서 사용한 경우, 내수소취화 특성이 높아진다. 그러나, 이들 합금강은 합금 원소를 다량으로 함유하기 때문에 담금질성이 높다. 그 때문에, 이들 합금강을 열간 압연하여 선재를 제조한 경우, 베이나이트 등의 경질 조직이 형성된다. 경질 조직을 포함하는 선재는 딱딱하기 때문에 신선 및 냉간 단조하기 어렵다. 그 때문에, 이들 합금강의 선재를 이용하여 볼트를 형성하는 경우, 통상, 신선 및 냉간 단조를 실시하기 전에, 복수회의 연화 열처리를 실시한다. 복수의 연화 열처리는, 볼트의 제조 비용을 인상한다. 따라서, 제조 비용을 억제하면서, 고강도화 및 뛰어난 내수소취화 특성을 실현할 수 있는 볼트가 요구되고 있다.
선재 제조시에 있어서의 베이나이트의 생성을 억제하기 위해서는, 강 중의 Mo 및 V 등의 합금 원소를 저감하면 된다. 이 경우, 베이나이트의 생성이 억제되기 때문에, 연화 열처리를 생략 또는 간략화할 수 있다. 그러나, 볼트를 고강도로 하는 것이 곤란해지고, 또한, 내수소취화 특성도 저하한다.
고강도를 갖는 볼트는 예를 들면, 하기의 복수의 특허문헌에 제안되어 있다. 이들 특허문헌에 제안된 볼트는, 붕소를 함유함으로써 담금질성을 높이거나, 입계를 강화하여, 강도를 높이고 있다.
구체적으로는, 일본국 특허공개 평10-53834호 공보(특허문헌 1)에 개시된 볼트는, 질량%로 B:0.0008~0.004%, C:0.4% 이하, Ti:0.025~0.06%, N:0.006% 이하를 함유한다. 이 볼트에서는, 열간 압연시의 페라이트 결정립도 FGc와 TiN을 제외한 Ti 화합물의 관계가,［TiN을 제외한 Ti 화합물량/FGc1 /2］×1000≥3을 만족한다. 또한, 오스테나이트 결정립도 번호가 5 이상이다. 이로 인해, 인장 강도가 785N/㎟를 초과한다고 특허문헌 1에는 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 볼트에서는, Mn 함유량이 높고, Cr 함유량이 낮은 경우, 내수소취화 특성이 낮은 경우가 있다.
일본국 특허공표 2009-521600호 공보(특허문헌 2)에 개시된 볼트는, 중량%로, 탄소가 0.35~0.55%, 실리콘이 0.05~2.0%, 망간이 0.1~0.8%, 붕소가 0.001~0.004%, 크롬이 0.3~1.5%, 전체 산소(T.O)가 0.005% 이하, 인이 0.015% 이하, 유황이 0.010% 이하를 함유하고, 또한 바나듐이 0.05~0.5%, 니오브가 0.05~0.5%, 니켈이 0.1~0.5%, 몰리브덴이 0.1~1.5% 및 티탄이 0.01~0.1%로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다. 이 볼트는, 페라이트와 뜨임 마텐자이트로 이루어지는 내부 조직을 가지며, 내부 조직 중, 페라이트의 함유량이 면적률로 3~10%이다. 이 볼트는, 뛰어난 내지연 파괴 특성과 고강도화를 실현한다고 특허문헌 2에는 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 2에서 제안된 볼트는, 볼트의 내부 조직으로서 면적률로 3~10%의 연질인 페라이트와 뜨임 마텐자이트의 복합 조직강이다. 그 때문에, 뜨임 마텐자이트 단상의 조직을 갖는 강의 경우와 비교하여, 볼트 강도가 저하하기 쉽다. 그 때문에, 원하는 강도 레벨로 조정하기 위해서는 뜨임 마텐자이트 단상의 강에 비해, 보다 저온에서의 뜨임 처리가 필요하게 된다. 그 결과, 소망 강도에 있어서의 내수소취화 특성이 저하하는 경우가 있다. 또한, 제조 공정에 있어서, 재담금질 및 뜨임 등, 페라이트 조직의 조정 처리가 필요하게 된다. 그 때문에, 제조 비용이 높아진다.
일본국 특허공개 2008-156678호 공보(특허문헌 3)에 개시된 고강도 볼트는 질량%로, C:0.15% 초과 0.30% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:1.5% 이하, Ti:0.1% 이하, Mo:0.3% 이상 0.5% 이하, B:0.0005% 이상 0.01% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강을 담금질한 후, 100~400℃에서 뜨임 처리를 실시하여, 담금질 후의 평균 구(舊)오스테나이트 입경이 10㎛ 이하인 강 조직으로 한다. 이로 인해, 볼트 강도 범위가 약 1200~1800㎫인 내지연 파괴 특성 및 내부식성이 뛰어난 고강도 볼트가 얻어진다고 특허문헌 3에는 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 3의 볼트에서는, Mo가 0.3~0.5% 함유되기 때문에, 담금질성이 너무 높아진다. 그 때문에, 신선 및 냉간 단조 전에 장시간의 연화 열처리를 실시할 필요가 있다. 이 경우, 내수소취화 특성이 낮아지는 경우가 있다.
일본국 특허공개 2012-162798호 공보(특허문헌 4)에 개시된 고강도 볼트용 강은 질량%로, C:0.20~0.40% 미만, Si:0.20~1.50%, Mn:0.30~2.0%, P:0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다), S:0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다), Ni:0.05~1.0%, Cr:0.01~1.50%, Cu:1.0% 이하(0%를 포함한다), Al:0.01~0.10%, Ti:0.01~0.1%, B:0.0003~0.0050% 및 N:0.002~0.010%를 각각 함유하고, Cu, Ni 및 Cr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 합계 0.10~3.0% 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 이 강에서는 또한, Si 함유량 ［Si］와 C 함유량 ［C］의 비(［Si］/［C］)가 1.0 이상이다. 이로 인해, Cr이나 Mo 등의 고가의 합금 원소를 다량으로 첨가하지 않고, 1100㎫ 이상의 고강도여도 내지연 파괴성이 뛰어난 붕소 첨가 고강도 볼트가 얻어진다고 특허문헌 4에는 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 4에서는, Ni 함유량이 높다. 그 때문에, 담금질성이 너무 높아지는 경우가 있다. 그 때문에, 신선 및 냉간 단조 전에 장시간의 연화 열처리를 실시할 필요가 있다. 이 경우, 내수소취화 특성이 낮아지는 경우가 있다.
일본국 특허공개 평11-92868호 공보(특허문헌 5)에 개시된 냉간 단조용 강은 질량%로, C:0.10~0.40%, Si:0.15% 이하, Mn:0.30~1.00%, Cr:0.50~1.20%, B:0.0003~0.0050%, Ti:0.020~0.100%를 함유하고, P:0.015% 이하(0%를 포함한다), S:0.015% 이하(0%를 포함한다), N:0.0100% 이하(0%를 포함한다)로 각각 제한하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또한, 강의 매트릭스 중에 직경 0.2㎛ 이하의 TiC, Ti(CN) 중 1종 또는 2종의 입자의 총 개수가 20개/100㎛2 이상이다. 이로 인해, 결정립의 조대화를 방지하여 내지연 파괴 특성을 개선할 수 있다고 특허문헌 5에는 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 5는 볼트에 특화된 기술이 아니라, 볼트를 제조한 경우, 내수소취화 특성이 낮은 경우가 있다.
본 발명의 목적은, 고강도를 가지며, 또한, 뛰어난 내수소취화 특성을 갖는 볼트를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 볼트는, 질량%로, C:0.32~0.39%, Si:0.15% 이하, Mn:0.40~0.65%, P:0.020% 이하, S:0.020% 이하, Cr:0.85~1.25%, Al:0.005~0.060%, Ti:0.010~0.050%, B:0.0010~0.0030%, N:0.0015~0.0080%, O:0.0015% 이하, Mo:0~0.05%, V:0~0.05%, 및, Cu:0~0.50%, Ni:0~0.30%, 및, Nb:0~0.05%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족하는 화학 조성을 가지며, 1000~1300㎫의 인장 강도를 가지며, 식 (3)을 만족한다.
4.9≤10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V≤6.1 (1)
Mn/Cr≤0.55 (2)
［고용 Cr］/Cr≥0.70 (3)
여기서, 식 (1)~(3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 불순물 레벨인 경우, 식 (1) 및 식 (2)의 대응하는 원소 기호에는 「0」이 대입된다. 식 (3)의［고용 Cr］에는, 볼트 중의 고용 Cr량(질량%)이 대입된다.
본 발명의 실시 형태에 따른 볼트는, 고강도를 가지며, 또한, 뛰어난 내수소취화 특성을 갖는다.
도 1은, 한계 확산 수소량과, 볼트 중의 Mn/Cr의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는, 환상 V 노치가 달린 시험편의 측면도이다.
도 3은, 실시예에서 제조한 나사의 측면도 및 정면도이다.
도 2는, 환상 V 노치가 달린 시험편의 측면도이다.
도 3은, 실시예에서 제조한 나사의 측면도 및 정면도이다.
본 발명자들은, Mo, V 등의 고가의 합금 원소를 다량으로 함유하지 않고, C, Mn, Cr 및 B 등을 함유하는 붕소 함유강을 이용하여, 볼트의 인장 강도, 내수소취화 특성에 미치는 성분 및 조직에 대해 조사 검토를 행했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
［볼트의 인장 강도에 대해］
볼트의 인장 강도를 1000~1300㎫의 고강도로 하기 위해서는, 충분한 담금질성이 필요하다. 그러나, 담금질성이 너무 높으면, 선재 등의 강재에 대해서 신선 및 냉간 단조 등의 냉간 가공을 실시하기 전에, 강재의 연화를 목적으로 한 장시간의 연화 열처리를 복수회 실시해야 한다. 이 경우, Mo, V 등의 합금 원소를 다량으로 함유하지 않아도, 제조 비용이 높아진다. 따라서, 장시간의 연화 열처리를 실시하지 않아도 냉간 가공이 가능하고, 또한, 상기 인장 강도를 얻을 수 있는 담금질성을 갖는 강재가 바람직하다.
볼트의 화학 조성이 식 (1)을 만족하는 경우, 뛰어난 냉간 가공성 및 담금질성을 얻을 수 있다.
4.9≤10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V≤6.1 (1)
여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. Mo 및 V에 관해서는, 이들 원소가 불순물 레벨인 경우, 식 (1) 중의 대응하는 원소 기호에는 「0」이 대입된다.
fn1=10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V라고 정의한다. C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V는 모두, 담금질성을 높이는 원소이다. 따라서, fn1은, 담금질성 및 냉간 가공성의 지표가 된다.
fn1이 너무 낮으면, 충분한 담금질성을 얻을 수 없다. 한편, fn1이 너무 높으면, 담금질성이 너무 높아진다. 이 경우, 볼트용 강이 선재로 압연되었을 때, 베이나이트가 생성되고, 강도 및 경도가 높아진다. 그 때문에, 다음 공정의 신선 공정, 및, 냉간 단조 공정 전에, 장시간의 연화 열처리를 복수회 실시하지 않으면, 냉간 가공성을 얻을 수 없다. fn1이 식 (1)을 만족하면, 뛰어난 담금질성을 얻으면서, 연화 열처리를 생략해도, 또는, 장시간의 연화 열처리를 실시하지 않아도, 충분한 냉간 가공성을 얻을 수 있다.
［내수소취화 특성에 대해］
［Mn/Cr과 내수소취화 특성의 관계에 대해］
볼트의 인장 강도가 1000~1300㎫의 고강도여도, 식 (2)를 만족하면, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다.
Mn/Cr≤0.55 (2)
여기서, 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 이후의 설명에 있어서, fn2=Mn/Cr이라고 정의한다. fn2는 식 (2)의 좌변에 상당한다. 이하, 식 (2)에 대해 설명한다.
도 1은, 한계 확산 수소량과 fn2의 관계를 나타내는 도면이다. 도 1은 다음의 방법에 의해 얻어졌다.
표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 A~M을 진공 용제(溶製)하여 50kg의 잉곳을 제조했다.
제조된 잉곳을 1200~1300℃로 가열한 후, 열간 압연을 상정한 열간 단신을 실시하여, 직경 15㎜의 환봉을 제조했다. 열간 단조 후의 환봉을 대기 중에서 방랭했다. 계속해서, 환봉에 대해서, 볼트 성형 후의 열처리를 상정한 담금질 및 뜨임을 실시하여, 환봉의 인장 강도를 약 1200㎫로 조정했다. 인장 강도가 조정된 환봉에 대해서 기계 가공을 실시하고, 도 2에 나타내는 환상 V 노치가 달린 시험편을 제작했다. 도 2 중의 단위가 표시되어 있지 않은 수치는, 시험편의 대응하는 부위의 치수(단위는 ㎜)를 나타낸다. 도면 중의 「φ 수치」는 지정되어 있는 부위의 직경(mm)을 나타낸다. 「60°」는, V 노치 각도가 60°인 것을 나타낸다. 「0.175R」은, V 노치 바닥 반경이 0.175㎜인 것을 나타낸다.
전해 차지법을 이용하여, 각 강 A~M의 시험편 중에 여러 가지 농도의 수소를 도입했다. 전해 차지법은 다음과 같이 실시했다. 티오시안산 암모늄 수용액 중에 시험편을 침지했다. 시험편을 침지한 상태로, 시험편의 표면에 애노드 전위를 발생시켜 수소를 시험편 내에 들여왔다. 그 후, 각 시험편의 표면에 아연 도금 피막을 형성하고, 시험편 중의 수소가 외부로 새는 것을 방지했다. 계속해서, 시험편의 V 노치 단면에 대해서 공칭 응력 1080㎫의 인장 응력이 부하되도록 일정 하중을 부하하는 일정 하중 시험을 실시했다. 시험 중에 파단된 시험편, 및 파단되지 않은 시험편에 대해서, 가스 크로마토그래프 장치를 이용한 승온 분석법을 실시하여, 시험편 중의 수소량을 측정했다. 측정 후, 각 강에 있어서, 파단되지 않은 시험편의 최대 수소량을 한계 확산성 수소량 Hc(ppm)라고 정의했다.
또한, JIS G4053(2008)의 SCM435에 상당하는 화학 조성을 갖는 강 M의 한계 확산성 수소량 Href(ppm)를 기준으로 하여, 한계 확산성 수소량비 HR(이하, 간단히 비 HR이라고 한다)을 다음의 식 (A)로 정의했다.
HR=Hc/Href (A)
비 HR은 내수소취화 특성의 지표이다. 얻어진 비 HR과 각 강의 fn2에 기초하여 도 1을 작성했다.
도 1을 참조하여, fn2가 저하할수록, 즉, Cr 함유량에 대한 Mn 함유량의 비가 작아질수록, 비 HR은 현저하게 높아진다. 그리고, fn2가 0.55 이하가 되면, 비 HR이 1.00보다 높아지고, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다.
［고용 Cr과 내수소취화 특성의 관계에 대해］
내수소취화 특성에는 또한, 볼트 중의 고용 Cr량이 영향을 준다. 볼트가 식 (3)을 만족하면, 내수소취화 특성이 높아진다.
［고용 Cr］/Cr≥0.70 (3)
여기서, 식 (3) 중의 ［고용 Cr］에는, 볼트 중의 고용 Cr량(질량%)이 대입되고, Cr에는, 볼트의 화학 조성에 있어서의 Cr 함유량(즉, 전체 Cr 함유량, 단위는 질량%)이 대입된다.
본 발명자들은, 고용 Cr은 뜨임 마텐자이트의 수소취화에 대한 강도를 높이는 것을 처음으로 알아냈다. 본 실시 형태의 볼트의 매트릭스 조직은 뜨임 마텐자이트 단상이다. 그 때문에, 볼트 중의 고용 Cr량이 많아지면, 뜨임 마텐자이트 단상에 대한 Cr 고용량이 많아지기 때문에, 볼트의 내수소취화 특성이 높아진다. fn3=［고용 Cr］/Cr이라고 정의한다. fn3이 0.70 이상이면, 뜨임 마텐자이트의 강도를 높이기 위한 고용 Cr량이 충분하기 때문에, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다.
종래와 같이, 열간 가공에 의해 강재(예를 들면 선재)로 한 후, 장시간의 연화 열처리를 복수회 실시하면, 제조 후의 볼트에는, 다수의 Cr 탄질화물이 형성된다. 이 경우, 볼트 중의 고용 Cr량이 저하한다. 그 때문에, fn3이 식 (3)을 만족하지 않게 된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 열간 가공 후의 강재에 대해서, 신선 전 및 냉간 단조 전에 연화를 목적으로 한 열처리를 실시하지 않거나, 또는, 열처리를 실시하는 경우라도, 강재에 대해서 700℃ 이상의 유지 시간을 40분 미만으로 한다. 이 경우, 만일, 열처리를 실시한 경우라도, Cr을 함유한 탄화물의 생성이 억제된다. 그 결과, fn3이 식 (3)을 만족하는 정도의 충분한 고용 Cr량을 유지할 수 있다.
이상의 지견에 기초하여 완성한 본 실시 형태에 따른 볼트는, 질량%로, C:0.32~0.39%, Si:0.15% 이하, Mn:0.40~0.65%, P:0.020% 이하, S:0.020% 이하, Cr:0.85~1.25%, Al:0.005~0.060%, Ti:0.010~0.050%, B:0.0010~0.0030%, N:0.0015~0.0080%, O:0.0015% 이하, Mo:0~0.05%, V:0~0.05%, 및, Cu:0~0.50%, Ni:0~0.30%, 및, Nb:0~0.05%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족하는 화학 조성을 가지며, 1000~1300㎫의 인장 강도를 가지며, 식 (3)을 만족한다.
4.9≤10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V≤6.1 (1)
Mn/Cr≤0.55 (2)
［고용 Cr］/Cr≥0.70 (3)
여기서, 식 (1)~(3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 불순물 레벨인 경우, 식 (1) 및 식 (2)의 대응하는 원소 기호에는 「0」이 대입된다. 식 (3)의 ［고용 Cr］에는, 볼트 중의 고용 Cr량(질량%)이 대입된다.
상기 화학 조성은, Mo:0.01~0.05%, V:0.005~0.05%, Cu:0.03~0.50%, 및, Ni:0.03~0.30%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
상기 화학 조성은, Nb:0.0015~0.05%를 함유해도 된다.
바람직하게는, 볼트의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지의 표층에 있어서의 P 함유량을 Ps(질량%)로 하고, 볼트의 중심축에서의 P 함유량을 Pc(질량%)로 했을 때, 식 (4)를 만족한다.
Ps/Pc≤1.2 (4)
이 경우, 내수소취화 특성이 더 높아진다.
이하, 본 실시 형태에 따른 볼트에 대해 상세히 서술한다. 원소에 관한 「%」는, 특별히 언급이 없는 한, 질량%를 의미한다.
［화학 조성］
본 실시 형태의 볼트의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C:0.32~0.39%
탄소(C)는, 볼트의 담금질성을 높이고, 담금질 및 뜨임 후의 볼트의 인장 강도를 1000㎫ 이상으로 높인다. C 함유량이 0.32% 미만이면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, C 함유량이 너무 높으면, 담금질성이 너무 높아진다. 이 경우, 열간 가공 후의 볼트용 강재의 강도가 너무 높아지고, 냉간 가공성이 저하한다. 그 때문에, 신선, 및, 냉간 단조 등의 냉간 가공을 실시하기 전의 강재에 대해서, 연화를 목적으로 한 장시간의 연화 열처리를 복수회 실시하지 않으면 안되며, 제조 비용이 높아진다. 연화 열처리를 실시한 경우, 내수소취화 특성이 더 저하한다. 따라서, C 함유량은 0.32~0.39%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.33%이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.38%이다.
Si:0.15% 이하
실리콘(Si)은, 강을 탈산한다. Si는 또한, 담금질성을 높여 볼트의 강도를 높인다. 그러나, Si 함유량이 0.15%를 초과하면, 담금질성이 너무 높아지고, 강재의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Si 함유량은 0.15% 이하이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 보다 바람직하게는 0.02%이며, 더 바람직하게는 0.05%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 0.12%이며, 더 바람직하게는 0.10% 이다.
Mn:0.40~0.65%
망간(Mn)은, 담금질성을 높여 볼트의 인장 강도를 1000㎫ 이상으로 한다. Mn 함유량이 0.40% 미만이면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn 함유량이 0.65%를 초과하면, 담금질성이 너무 높아지고, 볼트용 강재의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Mn 함유량은 0.40~0.65%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.45%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 0.60%이며, 더 바람직하게는 0.55%이다.
P:0.020% 이하
인(P)은 불순물이다. P는, 결정립계에 편석하여 냉간 가공성을 저하하고, 볼트의 내수소취화 특성을 저하한다. 따라서, P 함유량은 0.020% 이하이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.015%이다. P 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
S:0.020% 이하
유황(S)은 불순물이다. S는 황화물을 형성하여 냉간 가공성을 저하하고, 볼트의 내수소취화 특성을 저하한다. 따라서, S 함유량은 0.020% 이하이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.008%이다. S 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
Cr:0.85~1.25%
크롬(Cr)은, 담금질성을 높여 볼트의 인장 강도를 1000㎫ 이상으로 한다. Cr은 또한, 볼트 중의 뜨임 마텐자이트에 고용되어, 볼트의 내수소취화 특성을 높인다. Cr 함유량이 0.85% 미만이면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr 함유량이 1.25%를 초과하면, 담금질성이 너무 높아져서 볼트용 강재의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Cr 함유량은 0.85~1.25%이다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.90%이다. Cr 함유량의 상한은 1.20%이다.
Al:0.005~0.060%
알루미늄(Al)은 강을 탈산한다. Al 함유량이 0.005% 미만이면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Al 함유량이 0.060%를 초과하면, 조대한 산화물계 개재물이 생성되어 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Al 함유량은 0.005~0.060%이다. Al 함유량의 바람직한 하한은 0.010%이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.055%이다. 본 발명에 따른 볼트의 화학 조성에 있어서, Al 함유량은, 강재 중에 함유하는 전체 Al량을 의미한다.
Ti:0.010~0.050%
티탄(Ti)은 강 중의 N과 결합하여 질화물(TiN)을 형성한다. TiN의 생성에 의해, BN의 생성이 억제되고, 고용 B량이 증가한다. 그 결과, 강재의 담금질성이 높아진다. Ti는 또한, C와 결합하여 탄화물(TiC)을 형성하여 결정립을 미세화한다. 이로 인해, 볼트의 내수소취화 특성이 높아진다. Ti 함유량이 0.010% 미만이면, 이러한 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ti 함유량이 0.050%를 초과하면, 조대한 TiN이 다량으로 생성된다. 이 경우, 냉간 가공성 및 내수소취화 특성이 저하한다. 따라서, Ti 함유량은 0.010~0.050%이다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.015%이다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.045%이다.
B:0.0010~0.0030%
붕소(B)는 강의 담금질성을 높인다. B는 또한, P의 입계 편석을 억제하여, 볼트의 내수소취화 특성을 높인다. B 함유량이 0.0010% 미만이면, 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, B 함유량이 0.0030%를 초과하면, 담금질성 향상의 효과가 포화된다. 또한, 조대한 BN이 생성되어 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, B 함유량은 0.0010~0.0030%이다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.0015%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0025%이다.
N:0.0015~0.0080%
질소(N)는, 강 중의 Ti와 결합하여 질화물을 생성하고, 결정립을 미세화한다. N 함유량이 0.0015% 미만이면 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, N 함유량이 0.0080%를 초과하면, 그 효과가 포화된다. 또한, N이 B와 결합하여 질화물을 생성하고, 고용 B량을 저하시킨다. 이 경우, 강의 담금질성이 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.0015~0.0080%이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.0020%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.0070%이다.
O:0.0015% 이하
산소(O)는 불순물이다. O는 산화물을 형성하여 냉간 가공성을 저하한다. O 함유량이 0.0015%를 초과하면, 산화물이 다량으로 생성됨과 더불어, MnS가 조대화하여, 냉간 가공성이 현저하게 저하한다. 따라서, O 함유량은 0.0015% 이하이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.0013%이다. O 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 의한 볼트의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 볼트를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것이며, 본 발명에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
［임의 원소에 대해］
상술의 볼트는 또한, Fe의 일부를 대신하여, Mo, V, Cu 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이러한 원소는 모두 임의 원소이며, 강의 담금질성을 높인다.
Mo:0~0.05%
몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Mo는 담금질성을 높인다. 그러나, Mo 함유량이 0.05%를 초과하면, 담금질성이 너무 높아져서, 볼트용 강재의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Mo 함유량은 0~0.05%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.015%이다. Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.025%이다.
V:0~0.05%
바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, V는 강의 담금질성을 높인다. V는 또한, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하여 결정립을 미세화한다. 그러나, V 함유량이 0.05%를 초과하면, 탄화물 등이 조대화하여 냉간 가공성을 저하시킨다. 따라서, V 함유량은 0~0.05%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 V 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다.
Cu:0~0.50%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cu는 강의 담금질성을 높인다. 그러나 Cu 함유량이 0.50%를 초과하면, 담금질성이 너무 높아져서 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Cu 함유량은 0~0.50%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.05%이다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다.
Ni:0~0.30%
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ni는 강의 담금질성을 높인다. Ni는 또한, 담금질 후의 강재의 인성을 높인다. 그러나, Ni 함유량이 0.30%를 초과하면, 담금질성이 너무 높아져서 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Ni 함유량은 0~0.30%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.05%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.20%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다.
본 실시 형태에 따른 볼트의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, Nb를 함유해도 된다.
Nb:0~0.05%
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Nb는 C 및 N과 결합하여, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화한다. Nb는 또한, 볼트의 내수소취화 특성을 높인다. 그러나, Nb 함유량이 0.05%를 초과하면, 조대한 탄화물 등이 생성되어 강재의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Nb 함유량은 0~0.05%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.0015%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.04%이며, 더 바람직하게는 0.03%이다.
［식 (1)에 대해］
본 발명에 따른 볼트의 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
4.9≤10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V≤6.1 (1)
식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 불순물 레벨인 경우, 식 (1)의 대응하는 원소 기호에는 「0」이 대입된다.
fn1=10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V는, 담금질성의 지표이다. fn1이 너무 낮으면, 충분한 담금질성을 얻을 수 없다. 한편, fn1이 너무 높으면, 담금질성이 너무 높다. 이 경우, 볼트용 강이 선재로 압연되었을 때, 베이나이트가 생성되고, 강재의 강도 및 경도가 높아진다. 그 때문에, 다음 공정인 신선 공정, 및, 냉간 단조 공정 전에, 장시간의 연화 열처리를 복수회 실시하지 않으면, 냉간 가공성을 얻을 수 없다. fn1이 4.9~6.1이면, 뛰어난 담금질성을 얻을 수 있다. 또한, 연화 열처리를 생략, 또는, 장시간의 연화 열처리를 실시하지 않아도, 충분한 냉간 가공성을 얻을 수 있다. fn1의 바람직한 하한은 4.95이다. fn1의 바람직한 상한은 6.0이다.
［식 (2)에 대해］
본 발명에 따른 볼트의 화학 조성은 또한, 식 (2)를 만족한다.
Mn/Cr≤0.55 (2)
여기서, 식 (2)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
fn2=Mn/Cr이라고 정의한다. 도 1을 참조하여, fn2가 저하할수록, 비 HR은 현저하게 높아진다. 그리고, fn2가 0.55 이하가 되면, 비 HR이 1.00보다 높아지고, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다. fn2의 바람직한 상한은 0.50이다.
［식 (3)에 대해］
본 실시 형태에 따른 볼트는 또한, 식 (3)을 만족한다.
［고용 Cr］/Cr≥0.70 (3)
식 (3)의 ［고용 Cr］에는, 볼트 중의 고용 Cr량(질량%)이 대입되고, Cr에는 볼트의 화학 조성에 있어서의 Cr 함유량(질량%)이 대입된다.
fn3=［고용 Cr］/Cr은, 화학 조성에 있어서의 Cr 함유량에 대한, 볼트 중의 고용 Cr량의 비를 나타낸다. fn3이 높은 경우, 보다 많은 Cr이 고용되어 있다. 그 때문에, 뜨임 마텐자이트의 수소취화에 대한 강도가 높아지고, 내수소취화 특성이 높아진다. 식 (2)를 만족하고, 또한, 식 (3)을 만족한 경우, 볼트의 비 HR이 1.00보다 높아지고, 뛰어난 내수소취화 특성을 얻을 수 있다. fn3의 바람직한 하한은 0.75이다.
고용 Cr량은 다음의 방법으로 측정된다. 볼트의 중심축을 포함하는 시험편을 채취한다. 시험편을 10% AA계 전해액 중에서 전해한다. 10% AA계 전해액이란, 10% 아세틸아세톤-1% 염화 테트라메틸암모늄-메탄올 용액이다. 전해 후, 0.1㎛의 구멍 직경의 필터를 이용하여 전해액을 여과하여 잔사를 회수한다. 회수된 잔사 내의 Cr량(질량%)을, 유도 결합 플라즈마(ICP) 질량 분석 장치를 이용하여 분석한다. 잔사 중의 Cr량은, 고용 Cr량 이외의 Cr량(즉, Cr 탄질화물 등의 Cr 석출물 중의 Cr량)을 의미한다. 따라서, 잔사 중의 Cr량을 이용하여, 다음의 식 (B)에 의해 고용 Cr량(질량%)을 구한다.
고용 Cr량=볼트 전체의 Cr 함유량-잔사 중의 Cr량 (B)
얻어진 고용 Cr량을 이용하여, fn3을 구한다.
［식 (4)에 대해］
바람직하게는, 볼트의 표면으로부터 50㎛ 깊이(볼트의 표면에 도금층 등의 피막이 형성되어 있는 경우는, 피막을 제거한 볼트 자체의 소재(지금(地金))의 표면으로부터 50㎛ 깊이)까지의 표층에 있어서의 P 함유량을 Ps(질량%)로 하고, 볼트의 중심축에서의 P 함유량을 Pc(질량%)로 했을 때, 식 (4)를 만족한다.
Ps/Pc≤1.2 (4)
이 경우, 볼트 표층의 P 함유량이, 볼트 내부의 P 함유량보다 과잉으로 높아지지 않는다. 그 때문에, 표층에 있어서 과잉인 P가 입계에 편석하는 것을 억제할 수 있고, 내수소취화 특성이 더 높아진다.
표층의 P 함유량 Ps는 다음의 방법으로 구한다. 볼트의 임의의 1개소에 있어서, 표면으로부터 50㎛ 깊이까지의 범위(표층)의 P 함유량(질량%)을 구한다. 구체적으로는, 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA) 장치를 이용하여, 볼트의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지, 1㎛ 피치로 P 함유량을 측정한다. 측정된 P 농도의 평균을, 표층의 P 농도 Ps라고 정의한다. 얻어진 P 함유량 Ps를 이용하여, fn4=Ps/Pc를 구한다. 여기서, Pc는 볼트의 화학 조성에 있어서의 P 함유량(질량%)으로 한다.
식 (4)를 만족하는 볼트를 제조하기 위해서는, 신선 시에 P를 함유하지 않는 윤활 피막(윤활제)을 적용하면 된다. 또는, P를 함유하는 윤활 피막을 사용하여, 냉간 가공을 실시한 후, 후술의 담금질 처리 전에 그 윤활 피막을 볼트 표면으로부터 제거하면 된다.
［볼트의 조직］
본 실시 형태의 볼트의 매트릭스 조직은, 뜨임 마텐자이트 단상이다. 즉, 매트릭스 조직에 있어서, 뜨임 마텐자이트의 면적률은 100%이다.
［제조 방법］
본 발명에 따른 볼트의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다. 처음에, 주지의 제조 방법에 의해 볼트용 강재를 제조한다(소재 제조 공정). 그 후, 볼트용 강재를 이용하여, 볼트를 제조한다(볼트 제조 공정). 이하, 각 공정에 대해 설명한다.
［소재 제조 공정］
상술의 화학 조성을 갖는 용강을 제조한다. 용강을 이용하여 연속 주조법에 의해 주편을 제조한다. 또는, 용강을 이용하여 조괴법에 의해 잉곳을 제조한다. 제조된 주편 또는 잉곳을 분괴 압연하여 강편으로 한다. 강편을 열간 가공하여, 볼트용 강재(선재)로 한다. 열간 가공은 예를 들면, 열간 압연이다.
［볼트 제조 공정］
볼트 제조 공정에서는, 볼트용 강재를 이용하여 볼트를 제조한다. 볼트 제조 공정은, 신선 공정, 냉간 단조 공정, 및, 담금질 및 뜨임 공정을 포함한다. 이하, 각각의 공정에 대해 설명한다.
［신선 공정］
처음에, 선재에 대해서 신선 가공을 실시하여 강선(鋼線)을 제조한다. 신선 가공은, 일차 신선뿐이어도 되고, 2차 신선 등, 복수회의 신선 가공을 실시해도 된다. 신선 시에 있어서, 선재의 표면에 윤활 피막을 형성한다. 윤활 피막은 예를 들면, 인산염 피막이나 비인계 윤활 피막이다.
바람직하게는, P를 함유하지 않는 윤활 피막을 이용한다. 또는, 인산염 피막을 이용한 경우, 후술의 담금질 공정 전에 있어서, 강재(강선) 표면을 세정 또는 산세하여, 인산염 피막을 표면으로부터 제거한다. 세정은 예를 들면 주지의 알칼리 세정이다. 이 경우, 제조된 볼트가 식 (4)를 만족한다.
［냉간 단조 공정］
신선 후의 강재를 소정의 길이로 절단하고, 절단된 강재에 대해서 냉간 단조를 실시하여 볼트를 제조한다.
［연화 열처리에 대해］
종전의 고강도의 볼트의 제조 방법에서는, 강도가 너무 높은 볼트용 강재(선재)의 연화를 목적으로 하여, 신선 가공 전 및 냉간 단조 전에, 연화 열처리를 복수회 실시하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 볼트에서는, 식 (1)을 만족함으로써, 이러한 연화 열처리를 생략 또는 간소화한다. 이로 인해, 연화 열처리의 실시에 따른 제조 비용의 상승을 억제할 수 있고, 또한, 볼트의 내수소취화 특성을 높일 수 있다.
간소화된 연화 열처리를 실시하는 경우, 강재에 대해서 700℃ 이상의 유지 시간을 40분 미만으로 한다. 이 경우, Cr을 함유하는 탄화물이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있고, 볼트 중의 고용 Cr량을 충분히 확보할 수 있고, 식 (3)을 만족한다. 그 때문에, 제조된 볼트가 뛰어난 내수소취화 특성을 갖는다.
［담금질 및 뜨임 공정］
냉간 단조에 의해 제조된 볼트에 대해서, 주지의 조건으로 담금질 및 뜨임을 실시하여, 볼트의 인장 강도를 1000~1300㎫로 조정한다. 신선 공정 시에 인산염 피막으로 대표되는 P를 함유하는 윤활 피막을 이용하는 경우, 상술한 바와 같이, 바람직하게는, 담금질을 실시하기 전에, 강재(강선)의 표면을 알칼리 세정한다. 이로 인해, 표면의 P가 제거되고, 뜨임 후의 볼트가 식 (4)를 만족한다.
이상의 제조 공정에 의해, 본 발명의 볼트가 제조된다.
실시예
표 2의 화학 조성을 갖는 용강을 제조했다.
표 2를 참조하여, 상술한 바와 같이, 강 M은 JIS G4053(2008)의 SCM435에 상당하는 화학 조성을 가졌다.
용강을 이용하여 연속 주조법에 의해 횡단면이 162㎜×162㎜인 빌릿을 제조했다. 빌릿을 열간 가공(열간 압연)하여, 직경 11.5㎜의 선재를 제조했다.
표 3에 나타내는 각 시험 번호의 선재에 대해서, 신선 가공을 실시하여 강선을 제조했다. 이 때, 시험 번호 2, 5, 14 및 15에 대해서, 연화를 목적으로 한 열처리를 실시했다. 열처리 조건(열처리 온도, 열처리 시간, 열처리 후의 냉각 방법)은, 표 3과 같았다. 또, 열처리에 있어서 700℃ 이상으로 선재가 유지된 시간(분)은, 표 3과 같았다. 또한, 신선 가공 전에 있어서, 각 시험 번호의 선재에 대해서 인산염 처리를 실시하여, 선재 표면에 인산염 피막을 형성했다.
각 시험 번호의 강선에 대해서 냉간 단조를 실시하여 도 3에 나타내는 볼트를 제조했다. 도 3을 참조하여, 볼트의 형상은, JIS B0205에 준거한 미터 나사이며, 보다 구체적으로는, 호칭 지름(M)이 12㎜인 가는 나사(피치 1.25㎜)였다. 도면 중의 각 수치는, 대응하는 부위의 치수(mm)를 나타낸다.
볼트를 성형한 후, 볼트를 육안으로 관찰하여 균열의 발생의 유무를 조사했다.
균열이 관찰되지 않은 시험 번호의 볼트에 대해서, 담금질 및 뜨임 처리를 실시하여, 인장 강도가 1000~1300㎫이 되도록 조정했다. 담금질 처리를 실시하기 전에, 시험 번호 1~6, 8~15의 볼트 표면을 알칼리 세정하여 인산염 피막을 제거했다. 한편, 시험 번호 7의 볼트에 대해서는 알칼리 세정을 실시하지 않았다. 그 때문에, 시험 번호 7의 볼트에 대해서는, 인산염 피막이 부착된 상태로 담금질 처리를 실시했다.
담금질 처리에서는, 표 3에 나타내는 담금질 온도(℃)로 40분 유지한 후, 유랭했다. 뜨임 처리에서는, 표 3에 나타내는 뜨임 온도로 70분 유지했다. 이상의 공정에 의해, 볼트를 제조했다.
또한, 원하는 볼트 인장 강도(1000㎫~1300㎫)를 얻기 위한 뜨임 처리 온도가 435℃ 미만이 되는 경우에 대해서는, 볼트의 강도 부족이라고 판단하고, 본 발명의 대상 외로 했다.
［인장 시험］
JIS B1051(2000)에 준거하여, 실온(25℃), 대기 중에서 각 시험 번호의 볼트의 인장 강도(㎫)를 측정했다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
［내수소취화 특성 평가 시험］
각 시험 번호의 볼트에 대해서, 전해 차지법을 이용하여, 여러 가지의 농도의 수소를 도입했다. 전해 차지법은 다음과 같이 실시했다. 티오시안산 암모늄 수용액 중에 볼트를 침지했다. 볼트를 침지한 상태로, 볼트의 표면에 애노드 전위를 발생시켜 수소를 볼트 내에 들여왔다.
볼트 내에 수소를 도입한 후, 볼트 표면에 아연 도금 피막을 형성하고, 볼트 중의 수소가 볼트 외부로 새는 것을 방지했다. 계속해서, 볼트의 인장 강도의 95%의 인장 강도를 부하한 일정 하중 시험을 실시했다. 시험 중에 파단된 볼트, 및 파단되지 않은 볼트에 대해서, 가스 크로마토그래프 장치를 이용한 승온 분석법을 실시하여, 볼트 중의 수소량을 측정했다. 측정 후, 각 시험 번호에 있어서, 파단되지 않은 시험편의 최대 수소량을 한계 확산성 수소량 Hc라고 정의했다.
또한, SCM435에 상당하는 화학 조성을 갖는 강 M의 한계 확산성 수소량 Href를 기준으로 하여, 식 (A)를 이용하여 한계 확산성 수소량비 HR을 구했다.
［고용 Cr량 측정 시험］
각 시험 번호의 볼트의 중심축을 포함하는 시험편을 채취하고, 상술의 방법에 의해 고용 Cr량(질량%)을 구했다. 구한 고용 Cr량을 이용하여, fn3을 구했다.
［표층의 P 농도 측정 시험］
각 시험 번호의 볼트의 나사부에 있어서, 임의의 나사 저부를 1개소 선정하고, 상술의 방법에 의해, 표층의 P 함유량 Ps(질량%)를 구했다. 구한 P 함유량 Ps를 이용하여, fn4=Ps/Pc를 구했다. 여기서, Pc는 볼트의 화학 조성에 있어서의 P 함유량(표 2 중의 P 함유량)으로 했다.
［시험 결과］
표 3에 시험 결과를 나타낸다.
시험 번호 1~7의 볼트의 화학 조성은 적절했다. 또한, fn1은 식 (1)을 만족하고, fn2는 식 (2)를 만족하고, fn3은 식 (3)을 만족했다. 그 결과, 이들 시험 번호의 볼트는, 인장 강도가 1000~1300㎫로 고강도임에도 불구하고, 한계 확산성 수소량비 HR이 1.00보다 높고, 내수소취화 특성이 뛰어났다.
또한, 시험 번호 1~6의 볼트에서는, 알칼리 세정에 의해 인산염 피막을 제거했기 때문에, fn4(=Ps/Pc)가 식 (4)를 만족했다. 그 때문에, fn4가 식 (4)를 만족하지 않은 시험 번호 7과 비교하여, 비 HR이 높았다.
한편, 시험 번호 8의 Cr 함유량은 너무 낮았다. 그 때문에, 비 HR이 1.00 이하로 낮고, 내수소취화 특성이 낮았다.
시험 번호 9의 Mn 함유량은 너무 높았다. 그 때문에, 볼트용 강재(선재)의 냉간 가공성이 낮고, 냉간 단조 후의 볼트에 균열이 관찰되었다.
시험 번호 10의 볼트에서는, fn1이 식 (1)의 하한 미만이었다. 그 때문에, 뜨임 온도를 435℃까지 내려도, 인장 강도가 1000㎫ 미만이었다.
시험 번호 11의 볼트에서는, fn1이 식 (1)의 상한을 초과했다. 그 때문에, 볼트용 강재(선재)의 냉간 가공성이 낮고, 냉간 단조 후의 볼트에 균열이 관찰되었다.
시험 번호 12 및 13에서는, fn2(=Mn/Cr)가 식 (2)를 만족하지 않았다. 그 때문에, 비 HR이 1.00 미만이 되고, 내수소취화 특성이 낮았다.
시험 번호 14의 볼트는, 종래의 볼트에 사용되고 있는 JIS 규격에 있어서의 SCM435에 상당하는 화학 조성을 갖고 있고, 그 한계 확산 수소량을, 한계 확산성 수소량비 HR의 기준(Href)으로 했다.
시험 번호 15에서는, 연화 열처리 시에 있어서, 700℃ 이상에서의 유지 시간이 40분 이상이었다. 그 때문에, fn3(=［고용 Cr］/Cr)이 식 (3)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 비 HR이 1.00 미만이 되고, 내수소취화 특성이 낮았다. 연화 열처리에 의해 Cr 탄질화물이 생성되어 고용 Cr이 저하하고, 그 결과, 내수소취화 특성이 낮았다고 생각된다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
Claims (5)
- 질량%로,
C:0.32~0.39%,
Si:0.01~0.15%,
Mn:0.40~0.65%,
P:0.020% 이하,
S:0.020% 이하,
Cr:0.85~1.25%,
Al:0.005~0.060%,
Ti:0.010~0.050%,
B:0.0010~0.0030%,
N:0.0015~0.0080%,
O:0.0015% 이하,
Mo:0~0.05%,
V:0~0.05%,
Cu:0~0.50%,
Ni:0~0.30%, 및,
Nb:0~0.05%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족하는 화학 조성을 가지며,
1000~1300㎫의 인장 강도를 가지며,
식 (3)을 만족하는, 볼트.
4.9≤10C＋Si＋2Mn＋Cr＋4Mo＋5V≤6.1 (1)
Mn/Cr≤0.55 (2)
［고용 Cr］/Cr≥0.70 (3)
여기서, 식 (1)~(3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 불순물 레벨인 경우, 식 (1)의 대응하는 원소 기호에는 「0」이 대입된다. 식 (3)의 ［고용 Cr］에는, 상기 볼트 중의 고용 Cr량(질량%)이 대입된다. - 청구항 1에 있어서,
Mo:0.01~0.05%,
V:0.005~0.05%,
Cu:0.03~0.50%, 및,
Ni:0.03~0.30%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 볼트. - 청구항 1에 있어서,
Nb:0.0015~0.05%를 함유하는, 볼트. - 청구항 2에 있어서,
Nb:0.0015~0.05%를 함유하는, 볼트. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼트의 표면으로부터 50㎛ 깊이까지의 표층에 있어서의 P 함유량을 Ps(질량%)로 하고, 상기 볼트의 중심축에서의 P 함유량을 Pc(질량%)로 했을 때, 식 (4)를 만족하는, 볼트.
Ps/Pc≤1.2 (4)
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