JPH03193845A

JPH03193845A - 高強度ボルト用鋼

Info

Publication number: JPH03193845A
Application number: JP33447189A
Authority: JP
Inventors: Kazue Nomura; 一衛野村; Hidehisa Kato; 英久加藤
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-08-23

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】の１本発明は、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト用鋼に関
する。

盗」邦γ改芳− 近年、軽量化のために、高強度ボルトに対する要望が建
築、橋梁、自動車部品等の分野でますます高まっている
。高強度ボルトとして、ＪＩＳ　Ｂ　１１Ｂ６−ｔ９ｗ
ｓではＦ８Ｔ１　ＦＩＯＴ及びＦＬＩＴが規定されてお
り、これらの材料としては従来ＪＩＳ　Ｇ　４１０５−
３ＣＭ４３５あるいはＳＣＭ４４０鋼の焼入れ・焼戻し
を施したものが一般に使用されている。

しかし、上記ボルトに関するＪＩＳ規格では、最も強度
の高いＦＩＩＴボルト（引張強さ１１０〜１３０ｋｇｆ
／ｍｍりの使用は推奨されていない。これは、引張強さ
が１２０ｋｇｆ／ｍｍ２を超えるボルトを、高応力下で
、主として湿潤環境において長時間使用したとき、切欠
等を起点として、はとんど塑性変形を伴わずに破壊する
遅れ破壊という現象が生じるためである。

その原因としては、環境から水素が鋼中に侵入し、粒界
や不純物の周辺等の微視的歪が発生している箇所に凝集
するためであるとされている。

と構造物あるいは機械部品の締結において、溶接が不可能
あるいは不適切な場合には、ボルトによる摩擦接合を用
いざるを得ないが、重量的にはどうしても不利となるた
め、高応力化によるボルト自体の軽量化が依然強く望ま
れている。そこで、本発明では、遅れ破壊の問題を解決
しつつ、１４０ｋｇｆ／ｍｍ２以上の引張強さを有する
高強度ボルト用鋼を提供するものである。

さらに、従来、高強度ボルトに関し、種々の合金設計あ
るいは熱処理法を用いた考案が提案されているが、いず
れも遅れ破壊問題の解決のみを課題とするものであった
。しかし、高強度ボルトでは、遅れ破壊の問題の解決は
もちろん重要であるが、それ以外にも、使用環境によっ
て種々の要求を満たさなければならない。例えば、高温
地帯の、しかも夏期の直射日光に長時間さらされるとい
う使われ方をするボルトの場合には、高温環境下におけ
る長期的特性についても十分に考慮する必要がある。す
なわち、温度による応力緩和（リラクセーション）に対
する考慮が必要となる。

そこで、本発明は、遅れ破壊のみならず、高温（１００
〜２００℃）環境下での使用をも考慮にいれた高強度ボ
ルト用鋼を提供することを目的とする。

る　めの上記目的を達成するため、本発明に係る高強度ボルト用
鋼は、重量比にして、Ｃ０．２５〜０．５０％、８　ｉ
　　０．１８〜１．００％、Ｍ　ｎ　０．１０〜０．７
０％、ｐｏ、。

１５％以下、　Ｓ　　０．００５％以下、　Ｃｒ　　０
．５０−１．３５％、Ｍ　ｏ　０．２０−１．００％、
Ｖ　０．０５〜０．５０％、ＡＩｏ、００５〜０．０５
０％、Ｎ　０．００８〜０．０２０％、Ｏ０．００３％
以下を含有し、残部Ｆｅならびに不純物元素から成り、
かつ、Ｃ，Ｃｒ、Ｍｏ及び■の含有量が＜０．６（１／４）・Ｃｒ　十Ｍ　ｏ　＋２　・Ｖなる関係式を
満足することを特徴とする。

また、上記元素に加え、さらに、Ｎｉ０．５〜２゜５％
を含有してもよい。

本発明による成分限定の理由を次に述べる。

Ｃは鋼の強度を上げるための基本的元素であり、本発明
の強度目標である１４０ｋｇｆ／ｍｍ２を得るために、
その下限を０．２５％とした。しかし、過度の添加は靭
性の低下を招き、また、粒界に析出する炭化物量が増加
することによる遅れ破壊強度の低下という問題も生ずる
。そこで上限を０．５０％と定めた。

なお、前記式を満足する限り、Ｃ量を望ましくは０．３
０〜０．４０％の範囲内とするのがよい。これにより、
上記強度目標を満足するとともに、適度な靭性及び延性
をも得ることができ、両者のバランスのとれた機械的性
質を得ることができる。

Ｓｉは、脱酸剤として、構造用鋼の製造には必須の元素
であるが、オーステナイト化時の高温加熱による粒界酸
化を助長するため、遅れ破壊に対しては好ましくない元
素であると考えられている。

しかし、オーステナイト化時の温度が厳しく管理された
熱処理状況下では、粒界酸化はそう問題とはならない。

むしろ、本発明では、Ｓｉの次のような効果に着目し、
これを積極的に利用することとした。まず、後述するよ
うに、Ｓｉは金属炭化物の組成をＭａＣ型からＭ２３Ｃ
６型に変える働きを有し、これが遅れ破壊抑制に有効に
作用する。また、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗性を有し、同一
の強度に調整する場合に、より高温で焼き戻すことがで
きるようになる。これは、熱処理後の粒界及び炭化物−
マトリックス間の微視的歪を緩和し、水素の凝集を抑制
する。また、ボルトは高応力が負荷された状態で長時間
使用されるものであるが、このような状況下で、ＳＬは
応力緩和（リラクセーション）を阻止し、高応力状態を
長時間に亘って維持する効果も有する。特にボルトの使
用環境が高温となる場合に、この耐リラクセーション特
性は重要なものとなる。このような観点から、本発明鋼
ではＳＬを最低０．１８％添加することとした。望まし
くは０．４０％以上添加する。しかし、過度の添加は上
述の熱処理時の粒界酸化の危険性を増大させ、また、他
の型の炭化物の生成をも抑制して遅れ破壊強度を低下さ
せるようになるため、上限を１．００％とした。

Ｍｎも製鋼時に脱酸剤として用いられるものであるが、
本発明では、焼入れ性向上作用を利用するため、０．１
０％以上添加することとした。しかし、Ｍｎはセメンタ
イト中に固溶し、析出したセメンタイトの成長を促進す
ることから、遅れ破壊に対して悪影響を及ぼす。従って
上限を０．７０％とした。

Ｃｒは焼入れ性を上げるのに有効な元素であり、大径の
ボルトに対して完全な熱処理を保障するために必要な元
素である。また、鋼の焼戻し時の軟化を遅らせ、より高
温での焼戻しを可能にするという効果も有する。従って
、Ｃｒは０．５０％以上添加することとした。しかし、
Ｍｎ１　Ｍｏ等、他の焼入れ性向上元素も同時に添加さ
れており、また、対象が最大でも径３０ｍｍ程度のボル
トである本発明鋼の場合、１．３５％を超えるＣｒの添
加による焼入れ性向上効果は不必要であり、逆に粒界炭
化物の量を増加させ、遅れ破壊強度を低下させるという
悪影響も考えられるため、１．３５％を上限値とした。

ＭＯも焼入れ性向上に顕著な効果を有し、また、鋼に焼
戻し軟化抵抗を付与する元素であるため、０．２０％以
上添加することとした。しかし、１．０θ％を超える量
を添加してもそれらの効果は飽和し、逆に粒界炭化物の
成長を促進するため、上限を１゜００％と定めた。

■は焼戻し時に微細な炭化物を形成することにより、２
次硬化作用を顕す。これにより、同一の強度を得るため
の焼戻し温度を高くすることができるため、０．０５％
以上を添加することにした。しかし、過度の添加は炭化
物の凝集肥大化及び粒界への析出をもたらし、水素の凝
集源となることから、上限を０．５０％とした。

Ａｌは脱酸剤として用いられるとともに、鋼中では窒素
と結合してＡＩＮを形成し、結晶粒の微細化に寄与する
。従って、０．００５％以上添加することとしたが、過
度の添加は鋼中の非金属介在物量を増大させることから
、０．０５０％を上限とした。

Ｎは上述の通り、Ａｌとともに結晶粒微細化に寄与する
ものであるため、０．００８％（８０ｐｐｍ）以上添加
することとした。しかし、過度の添加は製鋼時（凝固時
のブローホール発生）及び圧延時（熱間加工性の低下）
の困難をもたらすため、本発明ではその上限を０．０２
０％（２００ｐｐｍ）とした。

ＳはＭｎＳとして非金属介在物を形成し、Ｐは鋼を著し
く脆化させる元素であるため、現在の一般的製鋼能力を
勘案して、その上限値を各々ｏ、ｏｏｓ％及び０．０１
５％と規制した。また、０（酸素）は鋼中の非金属介在
物形成源となり、遅れ破壊に有害に作用するため、上限
を０．００３％（３０ｐｐｎ＋）とした。

本発明における特徴は、各元素の量を各々上記の通りに
規制するとともに、さらに、Ｃ，Ｃｒ、ＭＯ及び■の含
有量が不等式％式％を満足するように定めたことである。これは、鋼中の金
属炭化物の組成について検討を重ねた結果、以下の知見
を得たためである。

鋼中における鉄炭化物はおもにＦｅａＣ１Ｆｅ２３Ｃｓ
等の形で存在する。Ｃｒ、Ｍｏ等、他の金属が存在する
場合には、それらの炭化物中のＦｅの一部がそれら金属
により置き換えられて一般にＭａＣ，Ｍ２ａＣｅとなる
が、基本的には同様である。ただし、■が存在する場合
には、上述の通り、焼戻し過程で微細なバナジウム炭化
物が析出し、Ｆｅ２５Ｃｅ＋ＶａＣａとなる。

いずれの炭化物も鋼マトリックスとは全く別の結晶構造
を有しているため、炭化物とマトリックスの境界では原
子配列の不整合が生じ、微視的な歪を引き起こすが、そ
の中でもＦｅ５Ｃはマトリックスとの整合性が悪く、特
に粒界に析出した場合には、主要な水素集積箇所となり
、遅れ破壊強度を著しく低下させる。それに対し、Ｆｅ
２３Ｃｅ＋ＶａＣａの方は比較的マトリックスとなじみ
が良く、そのおそれが少ない。

鋼中にＣｒ、Ｍｏ、Ｖを添加した場合、Ｃの量がそれら
炭化物形成金属の量に対して相対的に多いと、ＦｅａＣ
Ｗの炭化物の量が多くなる。そこで、本発明では、この
効果に対する各添加元素の寄与率の違いを勘案して、式％式％の値が０．８を超えないように各元素の相対的な量を規
制し、耐遅れ破壊特性に悪影響を及ぼすＦｅｚＯ型の炭
化物の量を抑制することにした。Ｓｉも、この炭化物の
Ｆｅ５ＧからＦｅ２３Ｃｅ÷Ｖ４ＣＢへの変化を促進す
る効果を有する。

芸」１例− 以下、本発明鋼の具体例の特性を、比較鋼及び従来鋼と
比較して説明する。第１表に、本発明鋼、比較鋼及び従
来鋼の化学成分及び前記式の計算結果を示す。第１表に
おいて、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ及びＥは第１発明鋼であり、Ｆ
はＮｉを含有する第２発明鋼である。Ｇ、Ｈ，Ｉ、Ｊ及
びＫは比較鋼であり、「従来鋼」としたＬはＪＩＳ−８
ＧＭ４４０鋼である。

これらの供試鋼をφ１０ｍｍの線材に圧延した後、あら
かじめ、焼入れ温度及び焼戻し温度と引張強さとの関係
を調査した。焼入れは８５０℃〜９６０℃の各温度で行
い、焼戻しは３５０〜６００℃の各温度Ｘ６０分で行な
った。その結果、引張強さが１４０ｋｇｆ／ｍｍ２以上
となるときの各供試鋼の焼入れ温度及び焼戻し温度は、
第２表に示す通りであった。ここで、焼入れ温度は、加
熱時のオーステナイト結晶粒度がＪＩＳ　Ｇ　０５５１
試験方法による結晶粒度番号７よりも大きく（結晶粒が
細かく）なり、かつ、焼戻し温度が最も高くなるように
設定した。本発明鋼はＣｒ　、　Ｍ　ｏ　、　Ｖを含有
するほかＳｉを０．１８％以上含有するため、焼戻し軟
化抵抗が大きく現れ、引張強さを１４０ｋｇｆ／ｍｍ２
以上とするための焼戻し温度は、従来鋼（ＳＣＭ４４０
）が４５０℃であるのに比べ、本発明鋼では４８０〜６
００℃と高くなっている。

各供試鋼より引張試験片（ＪＩＳ　Ｚ　２２０１１４Ａ
号）を製作し、第２表に示す各温度で焼入れ及び焼戻し
を行なった後、引張試験を行なった。その結果を第２表
に示す。本発明鋼は従来鋼及び比較鋼と比べ、伸び、絞
り値で表わされる延性が高いことがわかる。

次に、各供試鋼よりボルトを製造し、引張試験と同じ条
件で（すなわち、引張強さが１４０ｋｇｆ／ｍｍ２とな
るように）熱処理した後、遅れ破壊試験及びリラクセー
ション試験を行なった。その結果も第２表に示す。遅れ
破壊試験の方法は次の通りである。

熱処理した供試ボルトを５％Ｆ（ＣＩ溶液中に３０分浸
漬し、水素を吸蔵させた後、種々の応力で締め付けて放
置し、２００時間後に破断しない最大の付加応力σ２０
０の引張強さσＢに対する比σ２００／σＢ（遅れ破壊
強度比）により、遅れ破壊に対する強さを評価した。こ
の遅れ破壊強度比では、従来鋼が０．３５、比較鋼が０
．２６〜０．８８と低い値であるのに対し、本発明鋼は
いずれも０．９以上と非常に高い値を示しており、高応
力でも遅れ破壊の心配がなく使用することができること
が判明した。リラクセーションは、供試ボルトを０．８
×σＢの応力まで締め付け、２００℃の温度下で１００
時間放置した後の応力低下量Δσを０．８×σ、で除し
た値［Δσ八へ、８×σｅ）］で評価した。本発明鋼は
、比較鋼及び従来鋼と比較して応力低下量が少なく、比
較的高温環境下でも安定した締め付は力が維持されるこ
とを示している。

丑１０と羞釆− 以上説明した通り、本発明では、中炭素鋼をベースとし
てＳ　ｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａ　Ｉ、Ｎを添加し
、かつ、Ｃ，Ｃｒ、Ｍ□及び■の含有量について所定の
関係式を定めることによシバ　金属炭化物の組成を、遅
れ破壊に有害なＭ３Ｃ型から比較的無害なＭ２３Ｃ６型
に変える。ＳＬの添加も、この炭化物の組成変化に寄与
する。また、Ｓｉを積極的に添加させることにより、比
較的高温（１００〜２００℃）環境下でのりラクセーシ
ョン特性を向上させた。これにより、本発明鋼による高
強度ボルトは遅れ破壊強度が高く、高応力で使用するこ
とができるため、構造物等の軽量化に大きく寄与する。

また、高耐すラクセーション性により、使用環境温度が
高くなった場合でも締め付は力が低下することなく、初
期の接合力を長時間保つことができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比にして、Ｃ０．２５〜０．５０％、Ｓｉ０
．１８〜１．００％、Ｍｎ０．１０〜０．７０％、Ｐ０
．０１５％以下、Ｓ０．００５％以下、Ｃｒ０．５０〜
１．３５％、Ｍｏ０．２０〜１．００％、Ｖ０．０５〜
０．５０％、Ａｌ０．００５〜０．０５０％、Ｎ０．０
０８〜０．０２０％、Ｏ０．００３％以下を含有し、残
部Ｆｅならびに不純物元素から成り、かつ、Ｃ，Ｃｒ，
Ｍｏ及びＶの含有量がＣ／｛（１／４）・Ｃｒ＋Ｍｏ＋２・Ｖ｝＜０．６なる
関係式を満足することを特徴とする高強度ボルト用鋼。
（２）上記元素に加え、さらに、Ｎｉ０．５〜２．５％
を含有することを特徴とする請求項１記載の高強度ボル
ト用鋼。