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WO2016031528A1 - 高強度ボルト用鋼及び高強度ボルト - Google Patents

高強度ボルト用鋼及び高強度ボルト Download PDF

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WO2016031528A1
WO2016031528A1 PCT/JP2015/072508 JP2015072508W WO2016031528A1 WO 2016031528 A1 WO2016031528 A1 WO 2016031528A1 JP 2015072508 W JP2015072508 W JP 2015072508W WO 2016031528 A1 WO2016031528 A1 WO 2016031528A1
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strength
steel
strength bolt
bolt
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浜田　孝浩
中村　剛
晃輔 木村
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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    • F16B33/00—Features common to bolt and nut
    • F16B33/06—Surface treatment of parts furnished with screw-thread, e.g. for preventing seizure or fretting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B35/00—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws

Definitions

  • the present invention relates to steel for high-strength bolts and high-strength bolts. More specifically, the present invention relates to a steel for high-strength bolts excellent in delayed fracture resistance and a high-strength bolt made using the same.
  • the tensile strength is 1800 MPa or more.
  • the present invention has been made in view of such problems of the conventional technology. And an object of this invention is to provide the steel for high strength bolts excellent in delayed fracture resistance, and the high strength bolt which uses this.
  • the inventors of the present invention made extensive studies to achieve the above object. As a result, the inventors have found that the above object can be achieved by using high strength bolt steel having a predetermined composition, and have completed the present invention.
  • the steel for high-strength bolts of the present invention has a carbon content of 0.50 to 0.65% by mass, silicon of 1.5 to 2.5% by mass, chromium of 1.0% by mass or more, and manganese of 0.4%. It contains less than mass%, molybdenum more than 1.5 mass%, phosphorus and sulfur in total of 0.03 mass% or less, with the balance being iron and inevitable impurities.
  • the high-strength bolt of the present invention is formed using the steel for high-strength bolts of the present invention.
  • the steel for high-strength bolts is made from 0.50 to 0.65% by mass of carbon, 1.5 to 2.5% by mass of silicon, 1.0% by mass or more of chromium, and 0.4% by mass of manganese. 4 mass% or less, molybdenum more than 1.5 mass%, phosphorus and sulfur are combined in a total of 0.03 mass% or less, and the balance is composed of iron and inevitable impurities. Therefore, it is possible to provide a high-strength bolt steel excellent in delayed fracture resistance and a high-strength bolt formed using the same.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of a reciprocating engine having a multi-link mechanism.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of an example of the lower link shown in FIG.
  • the steel for high-strength bolts of this embodiment has a carbon content of 0.50 to 0.65% by mass, silicon of 1.5 to 2.5% by mass, chromium of 1.0% by mass or more, and manganese of 0.4% by mass. % Or less, molybdenum over 1.5% by mass, phosphorus and sulfur in total of 0.03% by mass or less, with the balance being iron and inevitable impurities.
  • a bolt having excellent delayed fracture resistance and high strength can be realized. Further, when this is used to form a bolt, it has excellent delayed fracture resistance and high strength.
  • carbon content is less than 0.50% by mass, sufficient temper softening resistance cannot be obtained, and high-temperature tempering described later cannot be performed, so that delayed fracture resistance is not excellent.
  • carbon content exceeds 0.65% by mass, the amount of cementite that accumulates hydrogen is remarkably increased, so that the delayed fracture resistance is not excellent.
  • content of chromium is 1.4 mass% or less.
  • the manganese content is not particularly limited as long as it exceeds 0% by mass, but it is preferably 0.2% by mass or more.
  • content of molybdenum is 1.5% by mass or less
  • amount of molybdenum-based carbide that renders hydrogen harmless is not sufficient, so that delayed fracture resistance is not excellent.
  • content of molybdenum is 1.65 mass% or less.
  • the total content of phosphorus and sulfur exceeds 0.03% by mass, the grain boundary strength is remarkably reduced due to grain boundary segregation, so that delayed fracture resistance is not excellent.
  • the total content of phosphorus and sulfur is 0.02% or less.
  • the high-strength bolt of this embodiment is formed using the steel for high-strength bolts according to one embodiment of the present invention. By setting it as such a structure, it will be excellent in delayed fracture resistance and will have high intensity
  • the above-described high-strength bolt steel is first cold forged, then rolled, quenched at 920 ° C. or higher, and 570 ° C.
  • the above-mentioned high-strength bolt can be obtained by performing a heat treatment for tempering as described above. Note that the above-described high-strength bolt can be obtained even if the order of the rolling and the heat treatment (quenching and tempering) is changed. For example, when tempering at a high temperature such as 570 ° C. or higher, the grain boundary cementite is spheroidized and finely dispersed, and the grain boundary strength can be improved.
  • the delayed fracture resistance can be further improved.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of a reciprocating engine having a multi-link mechanism.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the lower link shown in FIG.
  • the reciprocating engine 100 includes an upper link 103 connected to the piston pin 102 of the piston 101, a lower link 106 connecting the upper link 103 and the crank pin 105 of the crankshaft 104, and one end thereof.
  • a control link 107 is supported on the engine 100 side so as to be swingable and the other end is connected to the lower link 106.
  • the upper link 103 and the lower link 106 are rotatably connected to each other via an upper pin 108, and the control link 107 and the lower link 106 are rotatably connected to each other via a control pin 109.
  • the lower link 106 receives the combustion pressure received by the piston 101 from the upper pin 108 via the upper link 103, and transmits the force to the crank pin 105 by the operation using the control pin 109 as a fulcrum. Accordingly, a large combustion pressure or inertial load received by the piston 101 is input to the lower link 106 from the upper pin bearing portion 108a via the piston pin 102, the upper link 103, and the upper pin 108. At the same time, loads are also generated in the crank pin bearing portion 105a and the control pin bearing portion 109a so as to balance this load. Therefore, the surface pressure of each bearing portion (108a, 105a, 109a) is higher than that of a reciprocating engine having a general single link mechanism.
  • the required strength for the lower link is increased. Further, from the viewpoint of improving fuel efficiency, it is desired to make the lower link compact and lightweight.
  • the lower link 106 normally has a structure in which the divided lower link parts 106 ⁇ / b> A and 106 ⁇ / b> B are fastened with the high-strength bolts 1.
  • a high-strength bolt excellent in delayed fracture resistance is required.
  • the high-strength bolt of the present embodiment is not particularly limited, but is particularly suitable for fastening such a lower link component.
  • 108a, 105a, 109a is each bearing part.
  • Example 1 The steel for high-strength bolts having the composition shown in Table 1 is subjected to cold forging, then rolled, and then subjected to heat treatment that is quenched at 920 ° C. or higher and tempered at 570 ° C. or higher. An example high strength bolt was obtained.
  • Examples 1 to 8 belonging to the scope of the present invention are high-strength bolts having excellent delayed fracture resistance.
  • Comparative Examples 1 to 3, 5 to 8 outside the present invention are not excellent in delayed fracture resistance.
  • Comparative Example 4 cannot be applied as a steel for high-strength bolts.
  • each of the above-described embodiments and examples is not limited to each embodiment or each example.
  • the composition of each embodiment, detailed conditions for manufacturing, the film The presence / absence can be changed, or the configuration of each embodiment or each example can be changed to a combination other than each embodiment or each example described above.
  • the lower link in the engine having the multi-link mechanism is exemplified as the application site of the high-strength bolt.
  • the present invention is not limited to this, and can be used for other purposes. Needless to say.

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Abstract

　高強度ボルト用鋼は、炭素を０．５０～０．６５質量％、ケイ素を１．５～２．５質量％、クロムを１．０質量％以上、マンガンを０．４質量％以下、モリブデンを１．５質量％超、リンと硫黄とを合計で０．０３質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる。　高強度ボルトは、炭素を０．５０～０．６５質量％、ケイ素を１．５～２．５質量％、クロムを１．０質量％以上、マンガンを０．４質量％以下、モリブデンを１．５質量％超、リンと硫黄とを合計で０．０３質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる高強度ボルト用鋼を用いて成る。

Description

高強度ボルト用鋼及び高強度ボルト
　本発明は、高強度ボルト用鋼及び高強度ボルトに関する。更に詳細には、本発明は、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト用鋼及びこれを用いて成る高強度ボルトに関する。
　従来、単純な組成からなるためにリサイクル性に優れ、なおかつ複雑な加工熱処理を必要としない、高強度を有する耐遅れ破壊特性に優れた機械構造用鋼が提案されている（特許文献１参照。）。
　この機械構造用鋼は、組成が、重量％で、Ｃ：０．２～０．７％、Ｓｉ：０．２～２．５５、Ｍｎ：０．０５～１．０％、Ｃｒ：０．２～１．５％、Ｍｏ０．３～１．５％で、かつ合金元素の総量が、Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦５重量％を満たし、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材であって、５００℃からＡｅ１点以下の温度範囲で、焼きもどしパラメーター：λが、λ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇｔ）≧１５８００（式中、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）を示す）となる条件で焼きもどし処理が施され、引張強さが１８００ＭＰａ以上である。
日本国特開２００３－７３７６９号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された機械構造用鋼を用いて成るボルトでは、更なる耐遅れ破壊性の向上の要求に対して十分なものとなっていないという問題点があった。
　本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト用鋼及びこれを用いて成る高強度ボルトを提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、所定の組成を有する高強度ボルト用鋼を用いることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明の高強度ボルト用鋼は、炭素を０．５０～０．６５質量％、ケイ素を１．５～２．５質量％、クロムを１．０質量％以上、マンガンを０．４質量％以下、モリブデンを１．５質量％超、リンと硫黄とを合計で０．０３質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるものである。
　また、本発明の高強度ボルトは、上記本発明の高強度ボルト用鋼を用いて成るものである。
　本発明によれば、高強度ボルト用鋼を、炭素を０．５０～０．６５質量％、ケイ素を１．５～２．５質量％、クロムを１．０質量％以上、マンガンを０．４質量％以下、モリブデンを１．５質量％超、リンと硫黄とを合計で０．０３質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる構成とした。
　そのため、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト用鋼及びこれを用いて成る高強度ボルトを提供することができる。
図１は、複リンク機構を有するレシプロエンジンの一例を示す部分断面図である。 図２は、図１に示すロアリンクの一例の概略を示す断面図である。
　以下、本発明の高強度ボルト用鋼及びこれを用いて成る高強度ボルトについて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態に係る高強度ボルト用鋼について詳細に説明する。本実施形態の高強度ボルト用鋼は、炭素を０．５０～０．６５質量％、ケイ素を１．５～２．５質量％、クロムを１．０質量％以上、マンガンを０．４質量％以下、モリブデンを１．５質量％超、リンと硫黄とを合計で０．０３質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる。
　このような構成とすることにより、耐遅れ破壊性に優れ、高強度を有するボルトを実現し得るものとなる。また、これを用いてボルトを成形すると、耐遅れ破壊性に優れ、高強度を有するものとなる。
（炭素（Ｃ）：０．５０～０．６５質量％）
　炭素の含有量が、０．５０質量％未満である場合には、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、後述する高温焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
　また、炭素の含有量が、０．６５質量％を超える場合には、水素を集積するセメンタイトの量が著しく増加するため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
（ケイ素（Ｓｉ）：１．５～２．５質量％）
　ケイ素の含有量が、１．５質量％未満である場合には、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、後述する高温焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。
　また、ケイ素の含有量が、２．５質量％を超える場合には、鍛造性が著しく悪化するため、所定のボルトを成形できない。
（クロム（Ｃｒ）：１．０質量％以上）
　クロムの含有量が、１．０質量％未満である場合には、十分な焼き戻し軟化抵抗が得られず、後述する高温焼き戻しが実施できないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。なお、特に限定されるものではないが、クロムの含有量は、１．４質量％以下であることが好ましい。
（マンガン（Ｍｎ）：０．４質量以下）
　マンガンの含有量が、０．４質量％を超える場合には、粒界偏析成分の粒界偏析が促進されることによって、粒界強度が著しく低下するため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。なお、マンガンの含有量は、０質量％超であれば、特に限定されるものではないが、０．２質量％以上であることが好ましい。
（モリブデン（Ｍｏ）：１．５質量％超）
　モリブデンの含有量が、１．５質量％以下である場合には、水素を無害化するモリブデン系炭化物の生成量が十分なものとならないため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。なお、特に限定されるものではないが、モリブデンの含有量は、１．６５質量％以下であることが好ましい。
（リンと硫黄との合計（Ｐ＋Ｓ）：０．０３質量％以下）
　リンと硫黄との合計含有量が、０．０３質量％を超える場合には、粒界偏析によって、粒界強度が著しく低下するため、耐遅れ破壊性が優れたものとならない。なお、特に限定されるものではないが、リンと硫黄との合計含有量が、０．０２％以下であることが好ましい。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態に係る高強度ボルトについて詳細に説明する。本実施形態の高強度ボルトは、上記本発明の一実施形態に係る高強度ボルト用鋼を用いて成るものである。
　このような構成とすることにより、耐遅れ破壊性に優れ、高強度を有するものとなる。
　ここで、特に限定されるものではないが、例えば、上述の高強度ボルト用鋼に対して、まず、冷間鍛造を行い、次いで、転造を行い、９２０℃以上で焼入れをし、５７０℃以上で焼き戻しをする熱処理を行うことなどにより、上述の高強度ボルトを得ることができる。なお、上記転造と上記熱処理（焼入れ及び焼き戻し）の順序を入れ替えて行っても、上述の高強度ボルトを得ることができる。
　例えば、５７０℃以上のような高温焼き戻しをすると、粒界セメンタイトが球状化して微細分散し、粒界強度を向上させることができる。
　また、本実施形態においては、表面にリン酸鉄皮膜及びクロムめっき皮膜のいずれか一方又は双方を有することが好ましい。
　このような皮膜を表面に形成することにより、耐遅れ破壊性を更に向上させることができる。
　ここで、本実施形態の高強度ボルトの一例について図面を参照しながら更に詳細に説明する。図１は、複リンク機構を有するレシプロエンジンの一例を示す部分断面図である。また、図２は、図１に示すロアリンクの一例の概略を示す断面図である。
　図１に示すように、このレシプロエンジン１００は、ピストン１０１のピストンピン１０２に連結されるアッパリンク１０３と、アッパリンク１０３とクランクシャフト１０４のクランクピン１０５とを連結するロアリンク１０６と、一端がエンジン１００側に揺動可能に支持されると共に他端がロアリンク１０６に連結されるコントロールリンク１０７とを備えている。なお、アッパリンク１０３とロアリンク１０６とは、アッパピン１０８を介して互いに回転可能に連結され、コントロールリンク１０７とロアリンク１０６とは、コントロールピン１０９を介して互いに回転可能に連結されている。
　そして、ロアリンク１０６は、ピストン１０１が受けた燃焼圧力をアッパリンク１０３を介してアッパピン１０８より受け取り、コントロールピン１０９を支点とする動作でクランクピン１０５に力を伝達する。従って、ロアリンク１０６には、ピストン１０１が受けた大きな燃焼圧力や慣性荷重が、ピストンピン１０２、アッパリンク１０３、アッパピン１０８を介して、アッパピン軸受部１０８ａから入力される。それと同時に、この荷重とつりあうように、クランクピン軸受部１０５ａやコントロールピン軸受部１０９ａにも荷重が発生する。従って、各々の軸受部（１０８ａ，１０５ａ，１０９ａ）の面圧は、一般的な単リンク機構を有するレシプロエンジンに比べて高いものとなる。
　従って、ロアリンクに対する要求強度は高くなる。また、燃費性能向上の観点から、ロアリンクのコンパクト化や軽量化も望まれている。
　図２に示すように、ロアリンク１０６は、通常、分割されたロアリンク部品１０６Ａ，１０６Ｂを高強度ボルト１で締結する構造を有する。そして、上述のような要求性能を満たすロアリンクとするためには、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトが必要になる。本実施形態の高強度ボルトは、特に限定されるものではないが、このようなロアリンク部品の締結に特に好適なものである。なお、１０８ａ，１０５ａ，１０９ａは各軸受部である。
　以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
（実施例１～実施例８、比較例１～比較例８）
　表１に示す組成の高強度ボルト用鋼に対して、冷間鍛造を行い、次いで、転造を行い、しかる後、９２０℃以上で焼入れ、５７０℃以上で焼き戻しする熱処理を行って、各例の高強度ボルトを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
［性能評価］
（耐遅れ破壊性評価）
　各例のボルトを塩酸に規定時間浸漬し、ボルトが破損するか否かを観察した。得られた結果を表１に試験１の結果として示す。なお、試験１の項目において「ＯＫ」とはボルトが破損しなかったことを示し、「ＮＧ」とはボルトが破損したことを示す。
（引張強度評価）
　各例のボルトの引張強度を引張試験によって評価した。各例のボルトの引張強度が１５００ＭＰａ以上であることが確認された。
（成形性評価）
　実際にボルトを規定本数試作し、金型が破損・摩耗するか否かを観察した。得られた結果を表１に試験２の結果として示す。なお、試験２の項目において「ＯＫ」とは金型が破損・摩耗しなかったことを示し、「ＮＧ」とは金型が破損・摩耗したことを示す。また、試験２は試験１において結果が「ＯＫ」であったもののみ行った。
　表１より、本発明の範囲に属する実施例１～実施例８は、耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルトであることが分かる。一方、本発明外の比較例１～３、５～８は、耐遅れ破壊性が優れないものであることが分かる。また、比較例４は、鍛造性が著しく劣るため、高強度ボルト用鋼として適用することができない。
　以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
　例えば、上述した各実施形態や各実施例に記載した構成は、実施形態毎や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、各実施形態の組成、製造する際の詳細な条件、皮膜の有無を変更したり、各実施形態や各実施例の構成を上述した各実施形態や各実施例以外の組み合わせにしたりすることができる。
　また、例えば、上述した実施形態においては、高強度ボルトの適用部位として複リンク機構を有するエンジンにおけるロアリンクを例示したが、これに限定されるものではなく、他の用途に用いることもできることは言うまでもない。
　　１　高強度ボルト
１００　レシプロエンジン
１０１　ピストン
１０２　ピストンピン
１０３　アッパリンク
１０４　クランクシャフト
１０５　クランクピン
１０５ａ　クランクピン軸受部
１０６　ロアリンク
１０６Ａ，１０６Ｂ　ロアリンク部品
１０７　コントロールリンク
１０８　アッパピン
１０８ａ　アッパピン軸受部
１０９　コントロールピン
１０９ａ　コントロールピン軸受部

Claims (3)

  1. 　炭素を０．５０～０．６５質量％、ケイ素を１．５～２．５質量％、クロムを１．０質量％以上、マンガンを０．４質量％以下、モリブデンを１．５質量％超、リンと硫黄とを合計で０．０３質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする高強度ボルト用鋼。
  2. 　請求項１に記載の高強度ボルト用鋼を用いて成る高強度ボルトであって、
    　引張強度が１５００ＭＰａ以上である
    ことを特徴とする高強度ボルト。
  3. 　表面にリン酸鉄皮膜及び／又はクロムめっき皮膜を有することを特徴とする請求項２に記載の高強度ボルト。
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