JPH03243722A - 高張力ボルトの熱処理方法 - 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］ 本発明は自動車用ボルトや長大橋梁用高強度ボルト等の
高強度部材を製造する方法に関し、詳細には該高強度部
材の表面に形成された燐酸塩皮膜に基づく焼入れ処理中
の浸燐を防止して、高強力ボルトの耐遅れ破壊性を向上
させる熱処理方法に関するものである。

［従来の技術］ 自動車用ボルトとしては、各種の締付ボルト、シリンダ
ーヘッドボルト、コンロッドボルト等、高強度を必要と
するボルトが数多く存在する。これらのボルトを製造す
るにあたっては圧延材を球状化焼鈍した後、潤滑処理を
施し、次いで伸線加工並びに冷・温間鍛造の各工程に付
してボルト形状に成形し、最後に焼入れ・焼戻しを行な
うのが一般的である。

ところで上記ボルトに代表される高強度部品においては
、引張強さが１２０にｇｆ／ｍ−以上になると急激に耐
遅れ破壊性が劣化することが知られており、重要な解決
課題としてこれまでにも種々の研究がなされている０例
えば特公昭５１−２１３７４、特開昭５１−１０８６２
１、特開昭６０−９６７１４等においては、遅れ破壊の
起点がボルト表面あるいは表面近くであることに着目し
、ボルト表面での遅れ破壊感受性を小さくすることを目
的として、焼入れ処理後に高周波加熱を施すなどの手段
により表面軟化を行なう方法を開示している。しかしな
がら本発明者らの研究によれば該方法Ｃ従ったときは表
面硬度が低下することが分かっており、疲労特性の劣化
を招く恐れがある。

また上記遅れ破壊の主原因は水素の作用にょる脆化であ
ると考えられており、これまでは水素脆化誘起型破壊に
関する対応策が検討されてきた。

しかしながら本発明者らが遅れ破壊に対する成分元素の
影響について再検討を行なった結果、燐が重要な役割を
果たしているとの知見を得て、冷間鍛造時の潤滑剤に燐
を含有しない潤滑剤を使用することで耐遅れ破壊性を向
上させる製造方法を完成させ、先に出願を済ませた（特
願平１−６９０３１）。即ち燐の含有量は精錬技術の向
上した現状レベルでは十分に低く抑えられており、遅れ
破壊に対する影響は小さいと考えられていた。しかしな
がら高強度部材の製造に際しては、冷間鍛造時の潤滑処
理を目的として燐酸塩皮膜形成剤が用いられており、こ
の潤滑剤に含まれている燐が素材に付着したまま焼入れ
・焼戻し工程に持ち込まれ、素材表面層の主に粒界部分
に浸入して（以下これを浸燐という）遅れ破壊を促進す
ることが、本発明者らによって確認されたのである。

また上記以外の浸燐防止手段としては日本材料学会発表
論文（第３７期学術講演会概要集、Ｎｏ。

２１７．１０４頁）に述べられている方法があり、これ
は焼入れ処理前に燐酸塩皮膜を酸によって除去すること
で、浸燐を防止し、耐遅れ破壊性を向上させるものであ
る。しかしこの方法によれば、酸と鋼材との反応によっ
て発生する水素が鋼中に吸収され、前述した水素脆化誘
起型破壊の感受性を増大させることとなるので好ましく
ない。

さらに燐を含有しない潤滑剤を使用する前記の方法にお
いても、燐酸塩皮膜を形成した場合に比べると、潤滑能
が低いために、冷間鍛造工具の寿命が短くなり、工具交
換の頻度が上昇するというコスト上の問題を抱えている
。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって
、熱処理条件の適正化を図ることによって、燐酸塩皮膜
を形成しても浸燐を防止することができる高張力ボルト
の製造方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成した本発明とは、燐酸塩皮膜処理鋼材を
用いて冷間成形したボルトの焼入れに際して、Ａ　Ｃｓ
〜ＡＣ３＋５０℃の温度域まで急速加熱し、昇温時間及
び加熱保持時間を含めて３５０秒未満の間に焼入れ処理
を終了することを要旨とするものである。

［作用］ 本発明者らは鋭意研究の結果燐酸塩皮膜処理した鋼材を
用いても熱処理条件を適正化すれば、浸燐防止が可能で
あるとの知見を得て本発明を完成させた。

本発明におけるもっとも重要条件は、焼入温度を特定し
たこと、並びに焼入れの為の昇温時間及び所定温度に到
達後の加熱保持時間の合計を可及的に短くすること、具
体的には３５０秒以下とすることであるが、以下焼入れ
の手順に沿って、推奨条件を含めて広範に説明すること
とする。

まず本発明方法の熱処理においては焼入温度範囲をＡＣ
３〜ＡＣ，＋５０℃に設定する必要がある。これは鋼材
をＡＣ３以上のオーステナイト域へ加熱する為であり、
ＡＣ，未満の温度で加熱焼入れをしたとしても焼入れ後
の組織がマルテンサイト−層とならず、不完全焼入れと
なるので好ましくない。

一方上限はＡＣ３＋５０℃とするが、これはこの温度を
超える温度域ではオーステナイト結晶粒の粗大化が急速
に進行して焼入れ後のマルテンサイト組織が粗くなり、
耐遅れ破壊性を劣化させるからである。ざらに浸燐現象
を律速しているのは燐の拡散反応であって、拡散係数は
加熱温度が高いほど大きくなり浸燐が促進されることと
なる。従って浸燐を可及的に防止するという意味からも
、ＡＣ，＋５０℃以下とすることが望ましい。

また焼入れ温度までの加熱に際して急速加熱が必須であ
るのは、昇温途中に起こる浸燐反応を可能な限り防止す
るという理由からである。具体的手段としては高周波誘
導加熱による方法が好ましく、ボルトの芯部まで均一に
加熱するには１０Ｋ）ＩＺ以下の周波数が特に好ましい
。

昇温時間と加熱保持時間の合計（以下単に高温保持時間
という）を３５０秒未満に限定したのは、高温保持時間
と浸燐発生の有無に関する下記の実験結果からである。

第１図はＳＣＭ４３５のボルトを１０ＫＨｚの高周波焼
入れによって８３０℃に加熱した場合の、高温保持時間
とボルト最表面部での浸燐濃度の関係を示したグラフで
ある。

高温保持時間が３５０秒未満であれば、浸燐の発生はほ
とんど認められないが、より好ましくは３００秒以内で
あることがわかる。尚上記高温保持時間のうち、昇温時
間は加熱開始からの秒数であり、この実験における昇温
時間は２８秒であった。

高温保持時間の下限値について設定していないのは、急
速加熱方法の違いによって左右されるからであり、通常
の高周波誘導加熱では数秒から数十秒程度の昇温時間を
必要とするが、組織的にオーステナイト変態が達成され
ていれば、焼入れの目的は達成されるので、あえて下限
値については規定していない。

上記条件に従って焼入れ処理し、引続き焼戻しすること
によって高張力ボルトの耐遅れ破壊性を大幅に改善する
ことが可能である。

［実施例］ 第１表に示す成分組成の鋼材を１０．３ｍｍφの線材に
熱間圧延し、球状化焼鈍を施した後、酸洗いした。次に
燐酸亜鉛皮膜処理後、石けん潤滑処理を行ないスキンバ
スならびに冷間鍛造によってＭ１０ボルトに成形加工し
て試験片を得た。該試験片のＡＣ，点を測定したところ
７８８℃であった。上記試験片をｌ０ＫＨｚの高周波誘
導加熱焼入装置にて、第２表に示す種々の条件で加熱保
持後、油焼入れした。引続き加熱温度４４０℃で９０分
間保持した後水冷を行ない焼戻し引張強さ１３０　Ｋｇ
ｆ／ｍｍ’の強度に調質した。得られた高強度ボルトに
ついて夫々後述する遅れ破壊試験を実施したところ、第
２表に示す結果が得られた。

遅れ破壊試験は１５％ＨＣＩ水溶液へ３０分間浸漬した
後、水洗、乾燥したボルトに種々の引張応力を加えて１
００時間経過後でも破断しない応力値を測定することに
より行ない、この応力値を１００時間遅れ破壊強さとし
た。またボルト表面部をＥＰＭＡで分析し燐含有量を定
量した。

尚第２表中のボルト軸部最表面部浸燐濃度とは、上記Ｅ
ＰＭＡ分析によって定量したボルト軸部最表面燐濃度か
ら、ボルト軸中心部燐濃度を弓いた値である。

本発明の焼入条件に従った実施例１．２は共に１００時
間遅れ破壊強さが１６０　Ｋｇｆ／■１以上であり、優
れた耐遅れ破壊性を示している。

これに対して比較例１〜６は本発明のいずれかの条件を
欠くものであり、１００時間遅れ破壊強さが、１４５　
ｋｇｆ／ａ−以下と低い。

比較例１．２は加熱温度がＡＣ，＋５０℃を超えるもの
であり、結晶粒が粗大化している為に耐遅れ破壊性が低
い、比較例３．４はＡＣ３点未満の加熱温度で焼入れを
行なったものである。焼入れ後の組織を見るとマルテン
サイトにフェライトが混在した不完全焼入れとなってお
り、耐破壊性が低くなっている。比較例５．６は高温保
持時間が３５０秒以上のものであり、ボルト最表面部に
浸燐が認められ、耐遅れ破壊性が著しく低い。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されているので、高強度でしか
も耐遅れ破壊性に優れた各種鋼部材を提供できることが
可能となり、自動車用ボルトや長大橋梁用ボルトの一層
の安全性向上が図れることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明温度域に加熱した場合の高温保持時間と
、ボルト最表面での浸燐量との関係を示すグラフである
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　燐酸塩皮膜処理鋼材を用いて冷間成形したボルトの焼
   入れに際して、ＡＣ＿３〜ＡＣ＿３＋５０℃の温度域ま
   で急速加熱し、昇温時間及び加熱保持時間を含めて３５
   ０秒未満の間に焼入れ処理を終了することによって、鋼
   中への浸燐を防止することを特徴とする高張力ボルトの
   熱処理方法。