JPH051321A

JPH051321A - 耐遅れ破壊性と疲労特性のすぐれた高強度ボルトの製造方法

Info

Publication number: JPH051321A
Application number: JP15174191A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kimura; 利光木村; Kazuo Yanagihara; 和夫柳原; Kunio Namiki; 邦夫並木
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【構成】ＳＣＭ鋼またはＳＣＲ鋼から高強度ボルトを
製造するときに、伸線加工の潤滑剤としてホウ素化合物
を使用し、ボルトの成形加工後の焼入れ・焼戻し処理
を、熱処理後にボルト表層の炭素濃度が鋼中の炭素濃度
に対して−０．１５〜＋０．０２％の範囲に止まるよう
雰囲気を制御する。【効果】潤滑剤に起因する侵リンの危険をなくし、ホ
ウ素の粒界結合力向上と焼入性補完の効果を利用するこ
とにより、耐遅れ破壊性と疲労強度の改善されたボルト
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐遅れ破壊性と疲労特
性のすぐれたボルトの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や各種産業機械の小型化、軽量
化、さらには高出力化の傾向により、部品を締結するボ
ルトに対しても負荷が大きくなって、強度を高める必要
が生じている。そこで、ボルトの材料としては一般
に、ＪＩＳの強靱鋼のカテゴリーに属するＳＣＭ４３
５，ＳＣＭ４４０，ＳＣＲ４４０などが使用されてい
る。

【０００３】ところが、これらの鋼のボルトにおいて、
引張強さを１２００Ｎ／ｍｍ²以上に高めると、遅れ破
壊を生じる危険が出てくるため、保安上重要な部分に高
強度ボルトを使用できない。

【０００４】ボルトの材料とする線材の製造に当って
は、多くの場合、リン酸塩被膜を潤滑剤として利用した
伸線加工を行なう。リン酸塩が付着したままの鋼を焼
入れ温度に保持すると、鋼の表面からＰが侵入する侵リ
ン現象が起り、侵入したＰはボルトの表面近くの粒界の
結合力を弱めるため、使用中に遅れ破壊が生じる可能性
が高い。従って、焼入れ前にリン酸塩の被膜を除去し
なければならない。

【０００５】一方、ボルトの表面を脱炭させることによ
り軟化させ、遅れ破壊に対する感受性を低下させること
が試みられている。しかし、脱炭がごく軽微である
と、上記の侵リンによる遅れ破壊は防げないし、過度に
なれば、表面の軟化域で容易に疲労亀裂が発生してそれ
が伝播する結果、疲労強度が低下するという別の問題が
出てくる。

【０００６】高強度ボルトにおいて、浸炭は避けるべき
ものとされている。侵リンを受けなかったボルトで
も、比較的軽い浸炭で耐遅れ破壊性は劣るというのが常
識である。

【０００７】出願人は、ボルトの耐遅れ破壊性を改善す
るためのひとつの方策として、特定の合金成分を選択
し、これに５００℃以上の高温焼もどしを組み合わせる
ことを提案した（特開昭６１−１３０４５６）。

【０００８】その後の研究の結果、耐遅れ破壊性の向上
にとって、伸線加工時の潤滑被膜の選択と焼入時の雰囲
気が重要であることを見出した。また、多くの場合に
転造技術によって行なっているねじ部の成形を、熱処理
前の粗加工と、熱処理後の仕上げ加工とに分けて行なう
のが有利であることを知った。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した知見を生かし、侵リンがひきおこす危険を原理的に
なくし、耐遅れ破壊性と疲労強度を向上させた高強度ボ
ルトの製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の耐遅れ破壊性と
疲労強度のすぐれた高強度ボルトの製造方法は、０．２
０〜０．４５％の炭素を含有するボルト用鋼の線材の表
面にホウ素化合物を主成分とする潤滑被膜を形成し、伸
線加工した後、そのままボルトに成形加工して焼入れ・
焼戻し処理を施し、その際、熱処理後のボルト表面近傍
における炭素濃度の鋼中の炭素含有量に対する変動が−
０．１５〜＋０．０２％の範囲に止まるように雰囲気を
制御して熱処理を行ない、それによって引張強さを１２
００〜１６００Ｎ／ｍｍ²に調節することからなる。

【００１１】この種のボルトのねじ部の成形は、通常は
転造技術によって行なわれており、本発明においても転
造は有利に実施できる。焼入れ前の転造だけで所望の
ねじ部を得るのに不足な場合、または特別に精密なねじ
部を形成したい場合には、焼入れ・焼戻し後に仕上げの
ための転造を行なうとよい。

【００１２】潤滑被膜として利用するホウ素化合物は、
ホウ酸、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウムなどを使用
すればよい。ホウ砂すなわちホウ酸ナトリウム１０水
塩が、安価に入手でき、加工温度でガラス化して良好な
潤滑性能を示す点で、好適である。

【００１３】熱処理後のボルトの表面近傍の炭素濃度を
鋼中の炭素含有量に対して−０．１５〜＋０．０２％の
変動に抑えるには、焼入れの雰囲気のカーボンポテンシ
ャルを制御すればよい。

【００１４】ボルト用鋼は、Ｃ：０．２０〜０．４５％
を含有するものであれば種々の鋼種が使用可能である
が、代表的なものは、ＳＣＭおよびＳＣＲのうちＣ含有
量が上記の範囲の鋼である。

【００１５】

【作用】前述のように、伸線加工時の潤滑剤としてリン
酸塩を使用することは、侵リンの危険があり原理的に好
ましくないから、本発明ではこれに代えてホウ素化合物
を採用した。ホウ素化合物による潤滑は、リンを排除
するだけでなく、伸線後の成形加工や熱処理時にも潤滑
被膜を残存させておくことによって、ボルト表層に微量
のＢが侵入して粒界の結合力を高めるとともに、表層部
の焼入性を増強するはたらきがある。侵入したＢが粒
界の結合力を高める機構は、鋼中に残存する不純物たと
えばＰの析出を抑えることにあると考えられる。

【００１６】ボルトの熱処理に当って酸化性の雰囲気に
さらされると、脱炭の進行とともにＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，
Ａｌなどの合金元素が酸化される。それらの酸化物は
主に粒界に生成するため、疲労による亀裂の発生点を提
供し、亀裂の初期伝播を助長する危険がある。Ｂは粒
界に偏析することによって、これら酸化物の粒界におけ
る析出を抑制するものと思われる。合金元素の酸化は
マトリクス中の合金成分量を減少させ、その結果、焼入
性が低下して不完全焼入組織ができることによりボルト
表層部は軟いものになる。Ｂの侵入は、この焼入性低
下を補完する。

【００１７】焼入後のボルト表層部の炭素濃度を、前述
のように、鋼の炭素含有量に対する変動が−０．１５％
〜＋０．０２％の範囲に止まるようにする意味は、軽度
の脱炭から極軽度の浸炭にわたる領域から逸脱しないと
いうことを意味する。この限界より強い脱炭が行なわ
れると焼入性の低下が著しくなり、前記したＢの侵入に
よる焼入性の補完で対処しきれなくなる。一方、上記
の限界を超えた浸炭は、侵入したＢによる粒界結合力の
向上を効果のないものとする。こうした脱炭〜浸炭の
制御は、材料とするボルト用鋼の炭素含有量に応じて雰
囲気のカーボンポテンシャルをえらぶことにより可能で
あり、ガス浸炭の技術において知られているところに従
って実施すればよい。

【００１８】熱処理後の強度を１２００Ｎ／ｍｍ²以上
に調節するのは、これが高強度ボルトとして必要とされ
る水準だからであり、１６００Ｎ／ｍｍ²を上限とした
のは、これより高い強度にすると、ボルトの表面性状の
管理だけでは耐遅れ破壊性の改善が困難となるからであ
る。

【００１９】

【実施例】表１の合金組成（重量％、残部不純物および
Ｆｅ）を有する鋼の線材を用意した。その一部は、潤
滑被膜を形成してから冷間鍛造および転造によりボルト
に成形し、別の一部は、引張試験片および遅れ破壊試験
片に機械加工してから潤滑被膜を形成し、いずれも熱処
理した。

【００２０】表１鋼ＣＳｉＭｎＣｒその他Ａ０．２６００．３１０．８１１．１２Ｍｏ０．１７Ｂ０．４２１０．３００．７７１．１６ − Ｃ０．３３２０．０５０．３４１．０２Ｍｏ０．６１，Ｖ０．１４Ｄ０．３７９０．１１０．２９１．２５Ｍｏ０．３１，Ｖ０．３１Ｎｂ０．０６潤滑被膜は、ホウ酸ナトリウムＮａ₂Ｂ₄Ｏ₇・５Ｈ₂Ｏの
濃度２００ｇ／ｌの水溶液に、温度９０℃で１０分間浸
漬してひき上げ、風乾することによって形成した（これ
を「Ｂ系」であらわす）。比較のため、リン酸塩系の
潤滑被膜を形成したものも用意した（これを「Ｐ系」で
あらわす）。

【００２１】種々の焼入れ・焼戻し温度において、かつ
脱炭〜浸炭にわたる雰囲気の下に、上記の試験片および
ボルトを熱処理した。熱処理の条件、熱処理後の試験
片（遅れ破壊試験片）の表層部の炭素濃度と、それが鋼
中の炭素濃度に対してどのくらい変動したかを、表２に
示す。

【００２２】表２Ｎｏ．鋼被膜焼入温度焼戻温度表層部Ｃ％の差（℃）（℃）Ｃ（％）実施例１ＡＢ系８７０４５００．２１０ −０．０５０〃２Ｂ〃８５０４９００．２７３ −０．１４８〃３Ｃ〃８７５６０００．２９４ −０．０３８〃４Ｄ〃９３０５８００．２５５ −０．０７７〃５Ｃ〃８９０５７００．３９１＋０．０１２〃６Ｄ〃９２０６２００．３６４ −０．０１５比較例１ＡＰ系８６５４３００．２５０ −０．０１０〃２Ｂ〃８５５４７００．２５０ −０．１７１〃３Ｃ〃９２５６１００．３３９＋０．００７〃４ＤＢ系９５０５６００．４１２＋０．０３３〃５Ｂ〃８７０４８００．２００ −０．２２１〃６ＣＰ系８８０５２００．２９９ −０．０３３上記それぞれの試験片またはボルト製品について、下記
の試験を行なった。

【００２３】（遅れ破壊試験）径６ｍｍ×長さ４０ｍｍ
の丸棒の中央に６０°の角度のＶ字ノッチを深さ１ｍ
ｍ、底部のアール０．１ｍｍで設けたものを試験片とし
た。このノッチ部に腐食液（０．１Ｎ−ＨＣｌ）を滴
下しながら曲げ応力を負荷した。一部の試験片に対し
ては、ノッチの底に０．１ｍｍＲの工具鋼（ＨＲＣ６
０）を２００ｋｇｆ／ｍｍ²の圧力で押しつけ、転造加
工条件のシミュレーションとした。

【００２４】耐遅れ破壊性は、上記の条件で曲げ応力を
加えたときに３０時間経過後に破断する応力（「３０時
間強度」という）に対する、腐食液を滴下せずに曲げ応
力を加えて破断したときの応力（「靜曲げ応力」とい
う）の比をとり、遅れ破壊強度比として評価した。（値
が１に近いほど好成績といえる。）遅れ破壊強度比＝３０時間強度／靜曲げ応力（疲労試験）前記のボルトに対し、実体疲労試験機で平
均応力７９０Ｎ／ｍｍ²を負荷して、３×１０⁶回後に破
断しない応力振幅をもって、疲労強度の尺度とした。

【００２５】上記２種の試験の結果を、表３に示す。

【００２６】表３Ｎｏ．転造シミュ引張強さ遅破壊疲労強度レーション（Ｎ／ｍｍ²）強度比（Ｎ／ｍｍ²）実施例１なし１２０００．８０９６〃２〃１２８００．８１８８〃３〃１２５００．８８１０３〃４あり１５４００．７８１２５〃５〃１３７００．７５１１６〃６なし１４１００．８４１２４比較例１〃１２４００．５９５０〃２〃１３１００．８６３４〃３〃１２３００．３８５７〃４〃１５８００．３１１２０〃５あり１３０００．８９４１〃６〃１３２００．６２６４

【００２７】

【発明の効果】本発明の高強度ボルトの製造方法は、伸
線加工時の潤滑剤として在来技術のリン酸塩に代えてホ
ウ素化合物を使用したから、侵リンの危険を原理的にな
くし、Ｂの侵入による粒界結合力の向上と焼入性の補完
を行ない、かつ熱処理時に軽脱炭〜極軽浸炭の雰囲気条
件を採用することによって、耐遅れ破壊性を向上し、疲
労特性を改善することに成功した。

【００２８】従ってこの製造方法は、各種強靱鋼でボル
トを製造する場合に採用して効果がある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】０．２０〜０．４５％の炭素を含有する
ボルト用鋼の線材の表面にホウ素化合物を主成分とする
潤滑被膜を形成し、伸線加工した後そのままボルトに成
形加工して焼入れ・焼戻し処理を施し、その際、熱処理
後のボルト表面近傍における炭素濃度の鋼中の炭素含有
量に対する変動が−０．１５〜＋０．０２％の範囲に止
まるように雰囲気を制御して熱処理を行ない、それによ
って引張強さを１２００〜１６００Ｎ／ｍｍ²に調節す
ることからなる耐遅れ破壊性と疲労特性のすぐれた高強
度ボルトの製造方法。
【請求項２】請求項１の製造方法において、焼入れ・
焼戻し処理を行なったのち、ねじ部の仕上げ加工を行な
う工程を付加した高強度ボルト用鋼の製造方法。
【請求項３】ボルトのねじ部の成形加工および（また
は）仕上げ加工を転造により実施する請求項１または２
の高強度ボルトの製造方法。
【請求項４】ホウ素化合物として、ホウ酸、ホウ酸ナ
トリウムおよびホウ酸カリウムからえらんだものを使用
する請求項１または２の高強度ボルトの製造方法。
【請求項５】ボルト用鋼がＳＣＭまたはＳＣＲである
請求項１または２の高強度ボルトの製造方法。