特許 6017944 高力ボルト及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6017944

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】高力ボルト及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16B 35/00 20060101AFI20161020BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20161020BHJP

   C22C 38/34 20060101ALI20161020BHJP

   C21D 9/00 20060101ALI20161020BHJP

   F16B 31/06 20060101ALI20161020BHJP

   F16B 33/04 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   F16B35/00 J

   C22C38/00 301Z

   C22C38/34

   C21D9/00 B

   F16B31/06 A

   F16B33/04

【請求項の数】2

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-269065(P2012-269065)

(22)【出願日】2012年12月10日

(65)【公開番号】特開2013-139872(P2013-139872A)

(43)【公開日】2013年7月18日

【審査請求日】2015年12月9日

(31)【優先権主張番号】特願2011-269993(P2011-269993)

(32)【優先日】2011年12月9日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(73)【特許権者】

【識別番号】506122327

【氏名又は名称】公立大学法人大阪市立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】304036743

【氏名又は名称】国立大学法人宇都宮大学

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(72)【発明者】

【氏名】木村 勇次

(72)【発明者】

【氏名】津崎 兼彰

(72)【発明者】

【氏名】山口 隆司

(72)【発明者】

【氏名】増田 浩志

【審査官】 鎌田 哲生

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２７０２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１７７８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２７６６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０３１７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−００４０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４８６１２１０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２２２４７５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｂ ２３／００−４３／０２

Ｃ２１Ｄ ９／００

Ｃ２２Ｃ ３８／００

Ｃ２２Ｃ ３８／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で
Ｃ：０．３５〜０．７０％、
Ｓｉ：０．５０〜２．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｃｒ：０．３０〜３．００％、
Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％
を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物から成る高力ボルトであって、ボルト頭部からねじ部までの部位における内部金属組織の９０体積％以上が焼戻マルテンサイト組織であり、当該部位の引張強さが１７００ＭＰａ以上であって、ボルトのねじ形状がねじ部に等間隔ピッチで設けられるねじ山の相対するフランク面の角度が６０°で、かつねじ部の谷底の形状がとがり山の高さをＨとし、相対するねじ山のフランク面と谷底との移行点を上記とがり山底辺からＨ／２に設定してなると共に、上記移行点においてフランク面に当接する曲率半径ＲがＨ／３．５以上、Ｈ／２．５以下の当接小円を描く弧状曲線を形成することを特徴とする高力ボルト。

【請求項2】

請求項１に記載の高力ボルトの製造方法であって、素材をボルトに成形した後、８５０℃〜１０５０℃の温度範囲内でオーステナイト化処理を施した後に焼入れして内部金属組織の９０体積％以上をマルテンサイト組織とした後、５００℃〜６５０℃の温度範囲で焼戻処理を施すことを特徴とする高力ボルトの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、土木、建築等の接合部に使用される高力ボルト及びその製造法に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、土木建築分野ではＦ１０Ｔ（ＪＩＳ Ｂ １１８６）及びＳ１０Ｔ（ＪＳＳII０９）の高力ボルト（引張強さが１０００〜１１００ＭＰａ）による摩擦接合が主流であるが、超高層建築物をはじめとする部材の厚肉化や高強度化に対して、より一層のボルトの高強度化が求められている。
最近ではＦ１０Ｔの約１．５倍に相当する軸力の導入が可能なＦ１４Ｔ超高力ボルト（引張強さ１４００〜１６００ＭＰａ）が製品化され、建築分野での利用実績が増えている（例えば、非特許文献１）。

【0003】

さらに、１７００ＭＰａ超級の超高力ボルトが実用化されれば、接合部の更なるコンパクト化が可能となり、鋼構造物のデザインも変革できる。すなわち、ボルトの超高強度化によって、省資源化、省力化、省エネルギー化そしてＣＯ_２削減という大きな波及効果が期待できる。

【0004】

ところが引張強さが１２００ＭＰａを超えた低合金鋼（炭素以外の合金元素の添加量が１０％以下）では、遅れ破壊が深刻な問題であり、高力ボルトの高強度化の大きな妨げとなっている。
遅れ破壊とは、大気腐食によって水素が発生し、鋼材中に侵入して鋼材が脆化して起こる破壊で、時間遅れ破壊の略称である。室温において鋼中で応力集中部に拡散集積する水素、いわゆる拡散性水素が遅れ破壊の原因である。この遅れ破壊のため、Ｆ１４Ｔ超高力ボルトが開発されるまでの約３０年間、土木建築用高力ボルトの高強度化はＦ１０Ｔ及びＳ１０Ｔの高力ボルトで頭打ち状態であった。

【0005】

前述のＦ１４Ｔボルトでは、拡散性水素の許容量が大きな鋼材の開発と遅れ破壊の起こりにくいボルト形状の開発により耐遅れ破壊性能の向上が図られている（特許文献１、非特許文献１）。具体的には、Ｍｏ、Ｖの炭窒化物等の鋼中水素をトラップする粒子を基地中に微細に分散させて許容水素量を大きくした鋼材を素材とすると共に、ボルトの（１）新ねじ形状の開発、（２）ボルト軸からねじ部への移行部形状の改良、（３）ボルト頭部首下曲率半径ｒの増大、（４）ナットの形状変更した、従来のＦ１０Ｔ及びＳ１０Ｔの高力ボルトとは異なる独自の形状が開示されている。
なお、許容水素量とは、ある荷重負荷条件下で、その水素量以下では素材が遅れ破壊しない拡散性水素量の許容値を示し、耐遅れ破壊性能を比較するためのひとつの指標である。

【0006】

一方、特許文献２では、Ｃ、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏの添加量の規定と共に、焼戻処理温度を５００℃〜Ａｅ１と規定することで耐遅れ破壊特性に優れた１８００ＭＰａ級機械構造用鋼が製造できることが開示されている。

【0007】

ところが、上記機械構造用鋼材から既存のＦ１０Ｔボルトと同じねじ形状の高力ボルトを製造した場合には、ボルトの大気暴露試験でボルトのねじ部を起点とした遅れ破壊が頻繁に発生するという問題点もあった（非特許文献２）。しかも引張強度が１８００ＭＰａの超高強度鋼材では切欠靭性が低く、ボルトの引張変形能が低いという問題点もあった。

【0008】

図１に示すように、高力ボルトは、頭部１、軸部２、ねじ部３の部位で構成され、ねじ部３で応力の集中がとくに大きく、しかも高軸力のボルト締め付けに際しては塑性ひずみも大きくなるため、ねじ部３を起点として遅れ破壊が起こることは良く知られている。

【0009】

特許文献３では、頭部１をねじ部よりも高い温度で温間成形して軸部２から頭部１にかけてボルトの強度が傾斜的に低くなるように制御することで引張強さが１８００ＭＰａレベルでありながら延性、遅れ破壊特性に優れ、しかも優れた耐衝撃性を有するボルトが開示されている。しかしながら、ボルト成形は温間域で行われるため、この手法による従来の冷間成形プロセスと比べてボルトの量産性に課題がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】高力ボルト接合における高強度化技術の最前線、２００８年度日本建築学会大会（広島）、構造部門（鋼構造）、パネルディスカッション資料、（２００８）、ｐ．１

【非特許文献2】工業材料、第５７巻、（２００９）、ｐ．３４

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２００２−２７６６３７号公報

【特許文献2】特開２００３−０７３７６９号公報

【特許文献3】特開２０１１−０５８５７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、Ｆ１０Ｔボルト及びＳ１０Ｔボルトの１．７倍に相当する軸力の導入が可能で、耐遅れ破壊特性に優れた土木・建築用の高力ボルト製品を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明者らは、上記の事情に鑑みて種々研究した結果、１７００ＭＰａの超高強度鋼材であってもボルトねじ部３での応力集中を小さくすれば、材料の水素許容量を大きくすることが可能であり、耐遅れ破壊特性を向上できること、さらにそのためにはボルトのねじ部３の形状の最適化を図れば良いことを見出した。

【0014】

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。

【0015】

本発明の高力ボルトは、質量％で
Ｃ：０．３５〜０．７０％、
Ｓｉ：０．５０〜２．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｃｒ：０．３０〜３．００％、
Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％
を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、かつボルト頭部１からねじ部３までの部位の９０体積％以上が焼戻マルテンサイト組織から成る内部金属組織を有し、上記部位の引張強さが１７００ＭＰａ以上の高力ボルトであって、当該ボルトのねじ部３において、図２に示すように、等間隔ピッチで設けられるねじ山の相対するフランク面の角度が６０°で、かつねじ部の谷底の形状がとがり山の高さをＨとし、相対するねじ山のフランク面と谷底との移行点を前記とがり山底辺からＨ／２に設定してなると共に、前記移行点においてフランク面に当接する曲率半径ＲがＨ／３．５以上、Ｈ／２．５以下の当接小円を描く弧状曲線を形成することを特徴とする。

【0016】

また、本発明の高力ボルトの製造方法は、上記高力ボルトの製造に際して、素材をボルトに成形した後、８５０℃〜１０５０℃の温度範囲内でオーステナイト化処理を施した後に焼入れして内部金属組織の９０体積％以上をマルテンサイト組織とした後に、５００〜６５０℃の温度範囲で焼戻処理を施すことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば従来Ｆ１０Ｔの１．７倍以上の軸力を導入可能で、素材をボルトへ成形後の焼入れおよび焼戻処理で遅れ破壊特性に優れた高力ボルトを提供することができ、産業上の貢献が期待できる。また、このような単純なねじ形状とすることで、１）金型製作が容易であり金型の製造コストが抑えられる、２）金型の耐久性を向上できる、かつ３）成形負荷の高い高強度のボルト素材であっても高い寸法精度のねじ形状を成形できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】ボルトの概略図である。

【図2】ボルト、ナット、締め付け板の位置関係とＭ２２ボルトのねじ谷底形状及び寸法（ｍｍ）を示す説明図である。

【図3】Ｍ２２ボルトのねじ部３におけるねじ位置と最大主応力の関係（ａ）及びねじ底の曲率半径と応力集中係数の関係（ｂ）を示すグラフである。

【図4】切欠試験片の形状及び寸法（ｍｍ）を示す図である。

【図5】切欠底の応力集中係数と切欠引張強さの関係を示すグラフである。

【図6】切欠引張強さと拡散性水素量との関係を示すグラフである。

【図7】水素割れ感受性試験手順の概略図である。

【図8】腐食促進試験手順の概略図である。

【図9】ＪＩＳねじと発明ねじ形状ボルトにおける破断荷重の最大，最小及び平均値を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明における引張強さが１７００ＭＰａ以上の高力ボルトは、本発明のボルトのねじ形状を採用することで、ねじ部３の応力集中係数をＦ１０Ｔ及びＳ１０Ｔのボルトで規格されたねじ形状の場合よりも低減させることができ、このネジ形状を採用することで更にねじ部３の切欠引張強度を高めることが実現できる。

【0020】

〔ボルトねじ部形状〕
高力ボルトにおいて、ねじ部３に等間隔ピッチで設けられるねじ山の相対するフランク面の角度が６０°で、かつねじ部の谷底の形状がとがり山の高さをＨとし、相対するねじ山のフランク面と谷底との移行点を前記とがり山底辺からＨ／２に設定してなると共に、前記それぞれの移行点においてフランク面に当接する曲率半径ＲがＨ／３．５以上、Ｈ／２．５以下の当接小円を描く弧状曲線を形成することが必要である。なお、ねじの基準山形においての許容差および公差は、ＪＩＳ Ｂ ０２０９−１に従うものとする。

【0021】

ＦＥＭ解析の結果、当接する曲率半径ＲがＨ／３．５よりも小さい場合は、図３に示すようにねじ部位置９の応力係数が急激に大きくなるためこれ以上とすることが望ましい。 その一方で、当接する曲率半径ＲがＨ／２．５よりも大きくなる場合はねじぬけの問題があるためこれ以下とする必要がある。曲率半径Ｒは好ましくはＨ／２．８以下、より好ましくはＨ／３とする。なお、ＦＥＭ解析の手順は次の通りである。

【0022】

本解析では、ボルトとナットのかかりねじ部に着目し、図２に示すようなボルトとナットと締め付け板を含む部分を対象とした軸対象解析を行う。有限要素モデルは、ボルトとナット部で三節点線形三角形要素により、締め付け板部で四節点線形四角形要素により離散化している。雄ねじと雌ねじのねじ山と谷部の要素サイズは０．０５ｍｍ、それ以外の部分では要素サイズを１ｍｍを基本としている。また、ナットとねじ部のかみ合い部については、すべりが発生しないものとして節点を共有している。本解析における境界条件は図２に示す通りであり、締め付け板の下面を完全固定し、軸部下面に等分布面荷重を与える。
これにより、ねじ部３の加工精度をＪＩＳボルトと同様に保ちつつ、ねじ部３の応力集中係数をＪＩＳボルトよりも低減でき耐遅れ破壊性能を改善できる。

【0023】

その理由は、図３にねじ部３における各ねじ位置の最大主応力（ａ）及び最大主応力位置（ねじ位置９）での応力集中係数（ｂ）のＦＥＭ解析結果を示すように、ボルトのねじ部３の形状パラメータの最適化を図ってねじ部の応力集中係数を既存のＦ１０Ｔボルトや市販Ｆ１４Ｔボルト（特許文献１）で規定されるねじ形状の応力集中係数よりも小さくし、とくに遅れ破壊の起点となる確率が最も高いナットかかり部（ねじ位置９）の最大主応力を低くするようなねじ形状を規定することでねじ部の切欠引張強度を高めたことによるものである。

【0024】

〔化学成分〕
本発明の高力ボルトの化学成分は、質量％で
Ｃ：０．３５〜０．７０％、
Ｓｉ：０．５０〜２．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．００％、
Ｃｒ：０．３０〜３．００％、
Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％
を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とするものである。
以下に、本発明ボルトの化学成分の限定理由について述べる。

【0025】

Ｃ：
Ｃは炭化物粒子を形成し、強度増加に最も有効な成分であるが、０．７０質量％を超えると靱性劣化を招くことから、含有量を０．７０質量％とした。強度増加を充分に期待するためには、０．３５質量％以上、好ましくは、０．４０質量％以上、より好ましくは０．５０質量％を含有させる。

【0026】

Ｓｉ：
Ｓｉは脱酸およびフェライト中に固溶して鋼の強度を高めるとともにセメンタイトを微細に分散させるのに有効な元素である。
従って、脱酸材として添加したもので鋼中に残るものも含め、含有量を０．５０質量％以上とする。高強度化を図る上で上限は特に制限しないが、鋼材の冷間鍛造性および加工性を考慮すれば、２．５質量％以下、好ましくは２．０質量％以下、より好ましくは１．０質量％とすることが好ましい。

【0027】

Ｍｎ：
Ｍｎはオーステナイト化温度を低下させオーステナイトの微細化に有効であるとともに、焼入れ性ならびにセメンタイト中に固溶してセメンタイトの粗大化を抑制するのに有効な元素である。
０．１０質量％未満では所望の効果が得られないため、０．１０質量％以上と定めた。より好ましくは０．２０質量％以上を含有させる。高強度化を図る上で上限は特に制限しないが、得られる鋼材の靭性を考慮すれば、１．００質量％以下とすることが好ましい。

【0028】

Ｃｒ：
Ｃｒは焼入れ性向上に有効な元素であるとともにセメンタイト中に固溶してセメンタイトの成長を遅滞させる作用が強い元素である。また、比較的多く添加することでセメンタイトよりも熱的に安定な高Ｃｒ炭化物を形成したり、耐食性を向上させる、本発明では重要な元素のひとつでもある。
従って、少なくとも０．３０質量％以上含有させる必要がある。好ましくは０．８０質量％以上であって、より好ましくは１．００質量％以上を含有させる。ただし、Ｃｒを多く添加しすぎると焼入れ処理の際に多くの粗大な炭化物が未固溶で残存し、機械的性質を劣化させる。よってその上限を３．００質量％以下とした。

【0029】

Ｍｏ：
Ｍｏは本発明において鋼の高強度化に有効な元素であり、鋼の焼入れ性向上を向上させるだけでなく、セメンタイト中にも少量固溶してセメンタイトを熱的に安定にする。とくにセメンタイトとはまったく別個に基地相中に新しく転位上に合金炭化物を核生成することで２次硬化を起こして鋼を強化する。しかも形成された合金炭化物は微細粒化に有効であると共に水素トラップサイトとしても有効である。
したがって、好ましくは０．５０質量％以上、より好ましくは１．００質量％以上を含有させるが、高価な元素であるとともに過剰な添加は粗大な未固溶炭化物または金属間化合物を形成して靱性を劣化させるため、添加量の上限を１．５０質量％に定めた。
なお、Ｗ、ＶについてもＭｏと同様な効果を示すため、Ｍｏの一部をこれらの元素で置き換えることも可能である。

【0030】

Ａｌは脱酸およびＯやＮなどの元素と酸化物や窒化物などを形成して基地組織を微細化するのに有効な元素である。ただし過剰な添加は靱性を低下させるため、０．１質量％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．０４質量％以下とすることが好ましい。

【0031】

ＰやＳは粒界強度を低下させるため極力取り除きたい元素であり、それぞれ０．０１質量％以下とすることが好ましい。

【0032】

なお、上記以外の元素についても、本発明の効果を下げない範囲で各種の元素が含有されることが許容される。

【0033】

〔ボルト製品の調質処理〕
１７００ＭＰａ以上のボルト引張強さを得るためには、素材をボルトへ成形した後、焼入れ及び焼戻処理を施す必要がある。
以下に、本発明におけるボルト製品の調質処理条件の限定理由について述べる。なお、ここでボルト引張強さは、ボルト製品からＪＩＳ Ｚ ２２０１で規定される形状及び寸法に切削加工された引張試験片の常温での引張強さとする。

【0034】

上記化学成分より、ボルト製品のオーステナイト化温度としては８５０℃以上が必要である。ただしオーステナイト化温度が高すぎると基地結晶粒組織が粗大化し、ボルトの靭性が低下してしまう。したがってオーステナイト化温度の上限を１０５０℃以下に定めた。
オーステナイト化温度としては好ましくは１０００℃以下、さらに好ましくは９５０℃以下とする。なお、オーステナイト化時間はボルト製品の形状や大きさによって異なるため条件は特に限定しないが、ボルト製品がオーステナイト化温度に達した後、１０分から９０分の範囲内であることが望ましい。

【0035】

オーステナイト化後の焼入れ条件はボルト製品の形状や大きさによって異なるため条件は特に限定しないが、焼入れによって（１）ボルトねじ底部等に焼割れが生じないこと、（２）焼入れままのボルト製品を構成する基地金属組織の９０体積％以上がマルテンサイト組織からなることが不可欠である。その理由は、基地金属組織の９０％未満の場合は引き続く焼戻処理によって１７００ＭＰａ以上の引張強さが得られないためである。

【0036】

前記の焼入れまま組織において、１７００ＭＰａ以上の引張強さでボルトの靭性や耐遅れ破壊特性を担保するには５００℃以上で焼戻処理を施す必要がある。高温で焼戻処理を施すほど靭性は向上するが、引張強さは低下する。よって、焼戻温度の上限を６５０℃と定めた。とくに上記Ｍｏ添加の効果を有効に利用するには、その焼戻温度としては好ましくは５３０℃以上、より好ましくは５５０℃以上とする。なお、焼戻時間はボルト製品の形状や大きさによって異なるため条件は特に限定しないが、ボルト製品が焼戻温度に達した後、３０分から９０分の範囲内であることが望ましい。

【実施例】

【0037】

以下、本発明の実施例について説明する。
この実施例における供試鋼材の化学成分を表１、熱処理条件及び常温での引張変形特性を表２に示す。
表１において鋼材Ａ，Ｂ，Ｃは本発明範囲内の化学成分の鋼材、Ｄ，Ｅは発明成分範囲外の鋼材である。なお、比較鋼のＤ鋼はＦ１０Ｔ高力ボルト用鋼としても使用されるＪＩＳ−ＳＣＭ４４０鋼に相当する。

【0038】

【表1】

【0039】

【表2】

【0040】

発明鋼Ａ、Ｂは５００℃以上の焼戻温度で１７００ＭＰａ以上の引張強さを得ることができるが、比較鋼Ｄは、Ｓｉ、Ｍｏ量が、比較鋼Ｅは、Ｍｏ量がそれぞれ本発明の下限より少なく焼戻軟化抵抗が小さいため５００℃以上の焼戻処理では１７００ＭＰａ以上の引張強さを得ることができなかった。ただし、発明鋼Ａでも焼戻マルテンサイト体積率が９０％未満になると１７００ＭＰａ以上の引張強さを得ることができなくなった。
なお、用いた引張試験片はＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定のＪＩＳ４号又は１４号Ａ丸棒試験片であり、引張試験片方法はＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じた。

【0041】

図４は、ねじ底部の形状を模擬した切欠を入れた引張試験片の形状および寸法を示す。
表３には、切欠試験片の応力集中係数（ｋｔ）と切欠き底の曲率半径ｒとの関係を示す。

【0042】

【表3】

【0043】

例えば、図５は発明鋼Ａ、Ｂ、並びに比較鋼Ｄの切欠試験片の応力集中係数と切欠引張強さとの関係を示す。なお、ここでは万能型引張試験を用いて、クロスヘッドスピードが０．５ｍｍ／ｍｉｎで試験片を破断するまで引張試験した。比較鋼Ｄと比べて、発明鋼Ａ，Ｂの方で切欠引張強さの応力集中係数依存性が高く、応力集中係数を低くすることによってより高い切欠引張強さを得ることができる。

【0044】

例えば、図６は、前記切欠試験について、発明鋼Ａ、比較鋼Ｄ、Ｅの水素割感受性試験の結果である。なお、本試験の手順を図７に示す。鋼中の水素量は昇温脱離分析法により測定し、１００℃／時間で試験片を加熱し３００℃までに放出される水素量を拡散性水素量として定義した。なお、腐食促進試験の手順を図８に示す。
同じ負荷荷重で拡散性水素の許容量を比べた場合、例えば発明鋼Ａの降伏強度の０．８倍に相当する負荷荷重１４００ＭＰａでは、図中に矢印で示すように比較鋼Ｄ、Ｅよりも発明鋼Ａの方で水素許容量が高い。発明鋼Ａでは切欠底の応力集中係数を小さくすること、すなわちねじ部への応力集中を小さくすることでさらに水素許容量を高くできる。
とくに応力集中係数が２以下では１質量ｐｐｍ以上の拡散性水素量を許容できる。一方、この材料の大気暴露試験で侵入する水素の最大値は、図８に示した腐食促進試験より０．８質量ｐｐｍ程度である。図３（ｂ）のようにＭ２２ボルトではねじ位置９の応力集中係数２以下とする発明ボルトでは、拡散性水素侵入量よりも拡散性水素許容量が上回り、遅れ破壊は起こりにくいことが裏付けられる。

【0045】

表４は、発明鋼Ｂを素材としたＭ２２ボルトのねじ部３で主要なねじ位置における最大主応力をまとめたものである。ＪＩＳねじ、市販Ｆ１４Ｔねじと比べて、最重要なねじ位置９の最大主応力は低くなっている。なお、各ボルトのねじ形状は、図２に示したものである。

【0046】

【表4】

【0047】

発明鋼Ｂの直径２２ｍｍの棒材について、鋼材に球状化焼鈍処理を施した後、種々の軸形状で従来ねじ形状のトルシア型ボルトを作製した。ボルト頭部は既存のボルトフォーマーにより冷間で作製した。ボルト成形体は９４０℃で１時間のオーステナイト化処理後、焼入れし、５４０℃で１時間の焼戻処理を施した。ボルト製品から切り出したＪＩＳ４号試験片の引張強さが１８１５ＭＰａであった。

【0048】

切削したＪＩＳねじ形状と発明ねじ形状を有する高力ボルトに対して引張試験を行った。ＪＩＳねじ形状と発明ねじ形状のボルト破断荷重の最大，最小及び平均値を図９に示す。
発明ねじ形状を有するボルトはＪＩＳねじ形状を有するボルトよりも下限値で１００ＭＰａ以上高い、１９４０ＭＰａの破断荷重を示している。また、ＪＩＳねじ形状と発明ねじ形状でもねじ抜けは生じなかった。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明の高力ボルトを使用すれば、従来の１０００〜１１００ＭＰａ級の高力ボルトに比べて、（１）接合部のコンパクト化かつ軽量化、（２）より高強度かつ薄肉鋼板のボルト接合が可能になり、設計の自由度が増す。その結果、省資源化、省力化、省エネルギー化、そしてＣＯ_２削減を念頭に置いた新しい土木建築構造物が開発できる。

【符号の説明】

【0050】

１ 頭部
２ 軸部
３ ねじ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】