特許 6601140 高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼

(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】6601140

(24)【登録日】2019年10月18日

(45)【発行日】2019年11月6日

(54)【発明の名称】高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20191028BHJP

   C22C 38/38 20060101ALI20191028BHJP

   F16B 35/00 20060101ALI20191028BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 301Z

   C22C38/38

   F16B35/00 J

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-206856(P2015-206856)

(22)【出願日】2015年10月21日

(65)【公開番号】特開2017-78209(P2017-78209A)

(43)【公開日】2017年4月27日

【審査請求日】2018年6月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001553

【氏名又は名称】アセンド特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】成宮 洋輝

(72)【発明者】

【氏名】松井 直樹

(72)【発明者】

【氏名】根石 豊

(72)【発明者】

【氏名】千田 徹志

【審査官】 鈴木 葉子

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１０４９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２１６５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２１２３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０１４０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０８７３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３８／００−３８／６０

Ｆ１６Ｂ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、
Ｃ：０．２４〜０．４０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：０．２〜０．７％、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ：０．００１〜０．００５％、
Ｔｉ：０．００７〜０．１００％、
Ｎ：０．００２〜０．００８％、
Ｎｄ：０．００１〜０．１００％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｍｏ：０〜０．３０％、及び、
Ｖ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、式（１）を満たす、高強度ボルト。
[Ｐｓｕｒｆ]−０．２１５Ｎｄ≦０．０１５ （１）
ここで、[Ｐｓｕｒｆ]には、表面から１０μｍ深さまでの範囲における平均Ｐ濃度（質量％）が代入される。Ｎｄには、Ｎｄの含有量（質量％）が代入される。

【請求項2】

請求項１に記載の高強度ボルトであって、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％、及び、
Ｖ：０．０１〜０．３０％からなる群から選択される１種以上を含有する、高強度ボルト。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の高強度ボルトであって、質量％で、
Ｍｏ：０．０１〜０．３０％を含有する、高強度ボルト。

【請求項4】

質量％で、
Ｃ：０．２４〜０．４０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：０．２〜０．７％、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ：０．００１〜０．００５％、
Ｔｉ：０．００７〜０．１００％、
Ｎ：０．００２〜０．００８％、
Ｎｄ：０．００１〜０．１００％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｍｏ：０〜０．３０％、及び、
Ｖ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する、高強度ボルト用鋼。

【請求項5】

請求項４に記載の高強度ボルト用鋼であって、質量％で、
Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％、及び、
Ｖ：０．０１〜０．３０％からなる群から選択される１種以上を含有する、高強度ボルト用鋼。

【請求項6】

請求項４又は請求項５に記載の高強度ボルト用鋼であって、質量％で、
Ｍｏ：０．０１〜０．３０％を含有する、高強度ボルト用鋼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボルト、及びボルト用鋼に関し、さらに詳しくは、耐水素脆化特性に優れた高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

工業、農業、及び土木建設業等で使用される産業機械、ならびに自動車、橋梁、及び各種建築物において、ボルトが使用されている。ボルトは次のとおり製造される。例えばＪＩＳ Ｇ４０５３に規格されているＳＣＭ４３５やＳＣｒ４４０等の中炭素低合金鋼を、冷間鍛造によりボルト形状の中間品に成形する。その後、中間品に対して焼入れ焼戻しを実施して、ボルトにする。自動車の軽量化や、建築物ボルト継手のコンパクト化のために、ボルトには、より高い強度が求められる。しかしながら、前述の中炭素低合金鋼からなるボルトでは、引張強さが高くなるほど耐水素脆化特性が低下する。

【0003】

水素脆化は、使用環境から鋼中に浸入した水素が引き起こす、旧オーステナイト粒界の脆化現象であると考えられている。耐水素脆化特性を向上させるために、焼戻し温度等の各種因子の影響が研究されている。

【0004】

例えば、特開２００７−１４６２８４号公報（特許文献１）及び特開２００８−１５６６７８号公報（特許文献２）には、耐水素脆化特性に優れたボルトが提案されている。これらの文献では、鋼材成分の調整と、鋼組織の微細化との組み合わせにより、耐水素脆化特性を高めている。具体的には、これらの文献に開示されたボルトは、Ｍｏ及びＢを含有する。Ｍｏは微細炭化物を形成して水素をトラップし、無害化する。Ｂは粒界に濃化して粒界強度を高める。これらの文献ではさらに、ボルトの旧オーステナイト粒径を１０μｍ以下にする。これにより、膜状炭化物の析出を抑制して耐水素脆化特性を高める。

【0005】

しかしながら、特許文献１及び２では、鋼中のＰについて十分な検討がされていない。Ｐは、粒界に偏析して粒界を脆化させ、耐水素脆化特性を低下させる。さらに、特許文献１及び２では、高価な合金元素であるＭｏが必須元素として０．３％以上含有されるため、製造コストが高くなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−１４６２８４号公報

【特許文献2】特開２００８−１５６６７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、高い強度を有し、かつ、耐水素脆化特性に優れた高強度ボルト、及び高強度ボルト用鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による高強度ボルトは、質量％で、Ｃ：０．２４〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．２〜０．７％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、Ｔｉ：０．００７〜０．１００％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、Ｎｄ：０．００１〜０．１００％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｍｏ：０〜０．３０％、及び、Ｖ：０〜０．３０％を含有し、式（１）を満たす。
[Ｐｓｕｒｆ]−０．２１５Ｎｄ≦０．０１５ （１）
ここで、[Ｐｓｕｒｆ]には、表面から１０μｍ深さまでの範囲における平均Ｐ濃度（質量％）が代入される。Ｎｄには、Ｎｄの含有量（質量％）が代入される。

【0009】

本発明による高強度ボルト用鋼は、上述の化学組成を有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明による高強度ボルトは、高い強度を有し、かつ、耐水素脆化特性に優れる。この高強度ボルトは、上述の高強度ボルト用鋼を用いて製造される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、鋼の表層においてＮｄと結合していないＰの濃度と、耐水素脆化特性の指標である水素脆化強度比との関係を示す図である。

【図2】図２は、耐水素脆化特性試験の試験片の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明者らは、ボルトの強度を高めつつ、耐水素脆化特性を高める方法について調査及び検討を行い、次の知見を得た。

【0013】

（Ａ）鋼中のＰが粒界に偏析すれば、鋼の耐水素脆化特性が低下する。そこで、ボルトの化学組成にネオジム（Ｎｄ）を含有させる。この場合、ＮｄはＰと結合してＮｄＰを形成する。これにより、Ｍｏを必須元素として含有しなくても、Ｐの粒界偏析が抑制され、鋼の耐水素脆化特性が高まる。ＮｄＰは拡散性水素のトラップサイトとなるため、鋼の耐水素脆化特性がさらに高まる。

【0014】

（Ｂ）ここで、Ｎｄと結合していないＰ（以下、Ｐｆｒｅｅともいう）が鋼中に存在する。高強度ボルトの表面から１０μｍ深さまでの範囲（以下、表層という）のＰｆｒｅｅ濃度が低ければ、表層でのＰの粒界偏析が抑制され、耐水素脆化特性が向上する。具体的には、１０００ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度ボルトにおいて、鋼の表層のＰｆｒｅｅ濃度（以下、［Ｐｆｒｅｅ］ともいう）が、式（１）を満たすようにする。
[Ｐｓｕｒｆ]−０．２１５Ｎｄ≦０．０１５ （１）
ここで、[Ｐｓｕｒｆ]には、表面から１０μｍ深さまでの範囲における平均Ｐ濃度（質量％）が代入される。Ｎｄには、Ｎｄの含有量（質量％）が代入される。

【0015】

この場合、高強度ボルトは、１０００ＭＰａ以上の高い引張強度を有しつつ、優れた耐水素脆化特性を有する。以下、この点について詳述する。

【0016】

図１は、鋼の表層のＰｆｒｅｅ濃度（[Ｐｆｒｅｅ]）と、耐水素脆化特性の指標である水素脆化強度比との関係を示す図である。Ｐの原子量は約３１であり、Ｎｄの原子量は約１４４である。したがって、質量％で、Ｎｄ濃度の約０．２１５倍のＰが、ＮｄＰとしてＮｄと結合する。つまり、[Ｐｆｒｅｅ]＝[Ｐｓｕｒｆ]−０．２１５Ｎｄである。図１は次の方法により得られた。

【0017】

ＪＩＳ Ｇ４０５３に規格されたＳＣＭ４３５に相当する化学組成を有し、Ｐ含有量を０．００９〜０．０４０質量％の範囲で、Ｎｄ含有量を０．００２〜０．０４０質量％の範囲で変化させた９種類の供試材を準備した。各供試材の化学成分を表１に示す。

【0018】

【表1】

【0019】

直径１６ｍｍに熱間鍛伸した各供試材に焼き入れ焼き戻し処理を行い、各供試材から図２に示す環状切欠き付き試験片を採取した。なお、焼き入れ処理は８５０℃、焼き戻し処理は４００℃×１時間で行った。試験片の直径Ｄ１は８ｍｍであり、試験片の中央部には断面がＶ字の切欠きが形成され、切欠きでの試験片の直径Ｄ２は６ｍｍであった。切欠き底の曲率半径は０．１ｍｍであり、切欠きの角度αは６０°であった。試験片の表面から１０μｍ深さまでの範囲（表層）の平均Ｐ濃度は、各供試材のＰ含有量に相当した。

【0020】

各試験片に対して、陰極水素チャージ法を用いて、水素を導入した。具体的には、ｐＨ３．０の希硫酸中に試験片を浸漬して、電流密度１．０ｍＡ／ｃｍ²の陰極電解条件で水素を試験片にチャージした。その後、定荷重引張試験を実施して、破断しなかった最大の負荷応力ＭＳ（ＭＰａ）を求めた。

【0021】

さらに、焼き入れ焼き戻し処理を行った各供試材から、直径６ｍｍの丸棒引張試験片を採取した。引張試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠した引張試験を常温（２５℃）、大気中にて実施し、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を求めた。

【0022】

最大負荷応力ＭＳ及び引張強度ＴＳを用いて、次式により水素脆化強度比Ｗを求めた。
Ｗ＝ＭＳ／ＴＳ

【0023】

得られた水素脆化強度比Ｗに基づいて、図１を作成した。

【0024】

図１を参照して、表層のＰｆｒｅｅ濃度[Ｐｆｒｅｅ]が０．００２〜０．０３７質量％の複数の試験片のうち、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５質量％以下までは、水素脆化強度比Ｗが高かった。一方、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５質量％を超えると、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５質量％以下の場合よりも、耐水素脆化特性が顕著に低下した。つまり、[Ｐｆｒｅｅ]に対する水素脆化強度比Ｗは、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５質量％で変曲点を有した。したがって、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５％以下であれば、優れた耐水素脆化特性を示す。

【0025】

また、図１を参照して、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５質量％以下の場合、［Ｐｆｒｅｅ］が低下するほど、より優れた耐水素脆化特性を示した。

【0026】

高強度ボルトの水素脆化の基点のほとんどは、ボルトの不完全ねじ部の表面、又は、ねじ底部の表面である。高強度ボルトの表面から１０μｍ深さまでの範囲において、Ｎｄと結合していないＰ（Ｐｆｒｅｅ）の濃度が０．０１５質量％以下であれば、優れた耐水素脆化特性を示す。

【0027】

ボルトの製造工程中、冷間鍛造工程では、冷間鍛造前のボルト用鋼材の表面に潤滑皮膜が形成される。潤滑皮膜として通常、リン酸塩皮膜が利用される。冷間鍛造後、リン酸塩皮膜が形成されている鋼材に対して焼入れ及び焼戻しを実施すれば、熱処理中にリン酸塩皮膜中のＰが鋼材の表面から内部に浸入する。そのため、高強度ボルトの表層の平均Ｐ濃度が高くなる。

【0028】

たとえば、Ｐを含有しない非リン系の潤滑皮膜を用いる、又は、リン酸塩皮膜を用いた後、焼入れ工程前に鋼材の表面を洗浄又は酸洗して、リン酸塩皮膜を表面から除去する。この場合、高強度ボルトの表層の平均Ｐ濃度が高くなるのを抑制できる。

【0029】

以上の知見に基づいて完成した本発明による高強度ボルトは、質量％で、Ｃ：０．２４〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．２〜０．７％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、Ｔｉ：０．００７〜０．１００％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、Ｎｄ：０．００１〜０．１００％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｍｏ：０〜０．３０％、及び、Ｖ：０〜０．３０％を含有し、式（１）を満たす。
[Ｐｓｕｒｆ]−０．２１５Ｎｄ≦０．０１５ （１）
ここで、[Ｐｓｕｒｆ]には、表面から１０μｍ深さまでの範囲における平均Ｐ濃度（質量）が代入される。Ｎｄには、Ｎｄの含有量（質量％）が代入される。

【0030】

上記高強度ボルトの化学組成は、Ｎｂ：０．００１〜０．０５０質量％、及び、Ｖ：０．０１〜０．３０質量％からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。さらに、上記高強度ボルトの化学組成は、Ｍｏ：０．０１〜０．３０質量％を含有してもよい。

【0031】

本発明による高強度ボルト用鋼は、上述の化学組成を有する。

【0032】

以下、本発明による高強度ボルト及び高強度ボルト用鋼について詳述する。なお、元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

【0033】

［化学組成］
本実施形態の高強度ボルトの化学組成は、次の元素を含有する。

【0034】

Ｃ：０．２４〜０．４０％
炭素（Ｃ）は、他の合金元素に比べて合金コストが安く、鋼の強度及び焼入れ性を高める。Ｃ含有量が０．２４％以上であれば、１０００ＭＰａ以上の降伏強度が得られる。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、鋼の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．２４〜０．４０％である。高い強度と焼入れ性を得るため、Ｃ含有量の好ましい下限は０．２７％である。高い耐水素脆化特性を得るため、Ｃ含有量の好ましい上限は０．３７％である。

【0035】

Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼の強度及び焼入れ性を高める。Ｓｉはさらに、Ｆｅ系炭化物εを安定化して焼き戻し軟化抵抗を高める。Ｓｉにより焼戻し軟化抵抗を高めることができるため、高温焼戻しを実施して鋼の耐水素脆化特性を高めることができる。Ｓｉ含有量が低すぎればこの効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、鋼の表面が脱炭する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．５０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．１５％である。

【0036】

Ｍｎ：０．５〜２．０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の強度及び焼入れ性を高める。Ｍｎはさらに、鋼中のＳをＭｎＳとして固定する。これにより、ＦｅＳが結晶粒界に生成するのを抑制できる。ＦｅＳの生成が抑制されれば、赤熱脆性が抑制され、熱間延性が高まる。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量は０．５〜２．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．０％である。

【0037】

Ｐ：０．０２０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界に偏析して鋼の靭性及び耐水素脆化特性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０２０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましいが、製造コストを考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００３％である。

【0038】

Ｓ：０．０２０％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、Ｆｅと結合して結晶粒界にＦｅＳを形成し、鋼の熱間延性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０２０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましいが、製造コストを考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００３％である。

【0039】

Ｃｒ：０．２〜０．７％
クロム（Ｃｒ）は鋼の強度、焼入れ性、及び、焼戻し軟化抵抗を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、Ｐの粒界偏析が助長される。したがって、Ｃｒ含有量は０．２〜０．７％である。

【0040】

Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、微細析出物（Ａｌ₂Ｏ₃やＡｌＮ）を生成し、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する。Ａｌ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Ａｌ含有量は、０．００５〜０．０５０％である。本実施形態において、Ａｌ含有量とは、全Ａｌの含有量である。

【0041】

Ｂ：０．００１〜０．００５％
ボロン（Ｂ）は、鋼の焼入れ性を高める。Ｂ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｂ含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Ｂ含有量は、０．００１〜０．００５％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００３％である。

【0042】

Ｔｉ：０．００７〜０．１００％
チタン（Ｔｉ）は、鋼中のＮをＴｉＮとして固定し、ＢＮの生成を抑制する。したがって、Ｂを含有する場合、Ｔｉも含有することにより、Ｂの焼入れ性を高める効果が十分に発揮される。Ｔｉはさらに、微細な析出物（Ｔｉ（ＣＮ）及びＴｉＣ）を生成して、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する。Ｔｉ含有量が低すぎれば、これら効果が得られない。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。したがって、Ｔｉ含有量は、０．００７〜０．１００％である。鋼中のＮを固定するためには、質量％で、Ｎ量の３．４倍以上のＴｉ量を添加することが好ましい。

【0043】

Ｎ：０．００２〜０．００８％
窒素（Ｎ）は、Ａｌと反応してＡｌＮ、及びＴｉと反応してＴｉ（ＣＮ）などの微細析出物を形成する。微細析出物は、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する。Ｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、窒化物及び炭窒化物を形成する金属元素と反応しきれなかったＮがＢと反応してＢＮとなり、Ｂの焼入れ性向上効果が大きく損なわれる。したがって、Ｎ含有量は、Ｎ：０．００２〜０．００８％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００５％である。

【0044】

Ｎｄ：０．００１〜０．１００％
ネオジム（Ｎｄ）は、Ｐと結合してＮｄＰを形成する。ＮｄＰの生成により、Ｐの粒界偏析が抑制され、鋼の靭性及び耐水素脆化特性の低下が抑制される。ＮｄＰは拡散性水素のトラップサイトとなるため、鋼の耐水素脆化特性がさらに高まる。Ｎｄはさらに、ＭｎＳを微細化する。微細なＭｎＳは水素のトラップサイトとなるため、鋼中の拡散性水素の濃度が低下し、耐水素脆化特性が高まる。Ｎｄ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｎｄ含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。したがって、Ｎｄ含有量は、０．００１〜０．１００％である。Ｎｄ含有量の好ましい下限は０．００５％である。Ｎｄ含有量の好ましい上限は０．０５０％である。

【0045】

本実施の形態による高強度ボルトの化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、高強度ボルトを工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の高強度ボルトに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。例えば、ミッシュメタルによりＮｄ添加を行った場合、ミッシュメタルに含まれる他の希土類元素（Ｃｅ、Ｌａなど）が不純物として鋼中に含まれるが、これらの元素は耐水素脆化特性および引張強さには影響を及ぼさない。

【0046】

［任意元素について］
上述の高強度ボルトはさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、結晶粒を微細化して鋼の耐水素脆化特性を高める。

【0047】

Ｎｂ：０〜０．０５０％
ニオブ（Ｎｂ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｂは、微細な炭化物、窒化物、及び炭窒化物を生成し、結晶粒（旧オーステナイト粒）を微細化する。結晶粒の微細化により、鋼の耐水素脆化特性が高まる。Ｎｂは特に、Ｔｉと共に安定な（Ｎｂ、Ｔｉ）（ＣＮ）を生成し、鋼を細粒化する。Ｎｂが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Ｎｂ含有量は、０〜０．０５０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００１％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０３０％である。

【0048】

Ｖ：０〜０．３０％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｖは、微細な炭化物及び窒化物を形成し、結晶粒（旧オーステナイト粒）を微細化する。これにより、鋼の耐水素脆化特性が高まる。Ｖが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Ｖ含有量は、０〜０．３０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．０１％である。

【0049】

本発明による高強度ボルトはさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏを含有してもよい。

【0050】

Ｍｏ：０〜０．３０％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｍｏは、鋼の強度、焼入れ性、及び焼戻し軟化抵抗を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、製造コストが高くなる。したがって、Ｍｏ含有量は、０〜０．３０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．０１％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．１５％である。

【0051】

なお、本発明による高強度ボルト用鋼は、上述の化学組成を有する。

【0052】

［表層のＰｆｒｅｅ濃度］
本発明による高強度ボルトでは、表層のＰｆｒｅｅ濃度（[Ｐｆｒｅｅ]）が０．０１５％以下である。前述のとおり、[Ｐｆｒｅｅ]が０．０１５％以下であれば、水素脆化強度比Ｗを高く維持することができ、優れた耐水素脆化特性が得られる。

【0053】

[Ｐｆｒｅｅ]＝[Ｐｓｕｒｆ]−０．２１５Ｎｄ
ここで、[Ｐｓｕｒｆ]には、表面から１０μｍ深さまでの範囲における平均Ｐ濃度が代入される。Ｎｄには、Ｎｄの含有量（質量％）が代入される。

【0054】

平均Ｐ濃度は次の方法で求められる。高強度ボルトを表面に対して垂直に切断して、サンプルを採取する。観察表面に対して鏡面研磨加工仕上の処理を行う。測定点において、表面から１０μｍ深さまでの範囲（つまり表層）におけるＰ濃度を、０．５μｍピッチで、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）により求める。求めたＰ濃度の平均を、平均Ｐ濃度（％）と定義する。

【0055】

前述のとおり、冷間鍛造時の潤滑剤であるリン酸塩石けん皮膜をボルト表面に付着させたまま焼入れ焼戻し処理を行えば、当該皮膜に含まれるＰが鋼中に浸入する。鋼中に浸入したＰにより、表層のＰ濃度が上昇し、通常、０．１％を超える。したがってこの場合、本発明で規定されるＮｄ含有量（０．００１〜０．１００％）では、全てのＰをＮｄＰとしてトラップすることは困難である。

【0056】

また、Ｐの原子量は約３１であり、Ｎｄの原子量は約１４４である。したがって、質量％で、表面Ｐ濃度の約４．６倍のＮｄを含有させれば、ＮｄＰによりＰをトラップしてＰの無害化が図れる。しかしながら、この方法では、製造コストが大幅に増加する。

【0057】

したがって、Ｎｄにより耐水素脆化特性を向上させるためには、焼入れ焼戻し時に、鋼材表面からＰが鋼中に浸入することを抑制する必要がある。その抑制方法はたとえば、非リン系の潤滑皮膜を用いる、又は、焼入れ焼戻し前にリン酸塩皮膜をボルト表面から除去する等である。

【0058】

［製造方法］
本発明による高強度ボルトの製造方法の一例について説明する。初めに、周知の製造方法により高強度ボルト用鋼を製造する（素材製造工程）。その後、高強度ボルト用鋼を用いて、高強度ボルトを製造する（ボルト製造工程）。以下、各工程について説明する。

【0059】

［素材製造工程］
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。製造された鋳片又はインゴットを分塊圧延して鋼片にする。鋼片を熱間加工して、高強度ボルト用鋼材（線材）とする。熱間加工はたとえば、熱間圧延である。

【0060】

［ボルト製造工程］
ボルト製造工程では、ボルト用鋼材を用いて高強度ボルトを製造する。ボルト製造工程は、伸線工程、冷間鍛造工程、及び、焼入れ及び焼戻し工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。

【0061】

［伸線工程及び冷間鍛造工程］
初めに、線材に対して伸線加工を実施して鋼線を製造する。伸線加工は、一次伸線のみであってもよいし、二次伸線等、複数回の伸線加工を実施してもよい。伸線時において、線材の表面に潤滑皮膜を形成する。潤滑皮膜はたとえば、リン酸塩皮膜や非リン系の潤滑皮膜である。

【0062】

好ましくは、Ｐを含有しない非リン系の潤滑皮膜を用いる。又は、リン酸塩皮膜を用いた場合、後述の焼入れ工程前において、鋼材（鋼線）表面を洗浄又は酸洗して、リン酸塩皮膜を表面から除去する。洗浄はたとえば周知のアルカリ洗浄である。この場合、製造された高強度ボルトの表層のＰｆｒｅｅ濃度が０．０１５％以下となる。

【0063】

［冷間鍛造工程］
伸線後の鋼材を所定の長さに切断して、切断された鋼材に対して冷間鍛造を実施してボルトを製造する。冷間鍛造時においても、伸線工程と同様の潤滑皮膜を鋼材表面に再度形成してもよい。また、伸線工程で潤滑皮膜を形成した後、再度潤滑皮膜を形成することなく冷間鍛造を実施してもよい。

【0064】

なお、強度が高すぎるボルト用鋼材（線材）の軟化を目的として、伸線工程前及び冷間鍛造工程前に、軟化熱処理を複数回実施してもよい。また、上記伸線工程は省略されてもよい。

【0065】

［焼入れ及び焼戻し工程］
冷間鍛造により製造されたボルトに対して、周知の条件で焼入れ及び焼戻しを実施して、ボルトの引張強度を１０００ＭＰａ以上に調整する。上述のとおり、焼入れ焼戻し前のボルトの表面にリン酸塩皮膜が形成されている場合、焼入れ焼戻しによりボルト表面からＰが浸入してしまう。そこで、本実施形態では、伸線工程及び冷間鍛造工程での潤滑皮膜として、非リン系の潤滑皮膜を用いる、又は、焼入れ焼戻し前にリン酸塩皮膜をボルト表面から除去する。これにより、焼入れ焼戻し中にＰが鋼材表面から鋼中に浸入することがなく、焼入れ焼戻し後の高強度ボルトの表層のＰｆｒｅｅ濃度が０．０１５％以下になる。

【0066】

以上の製造工程により、本実施形態の高強度ボルトが製造される。

【実施例】

【0067】

表２の化学組成を有する溶鋼を真空溶解炉で製造した。

【0068】

【表2】

【0069】

上記溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを製造した。インゴットを熱間鍛伸して、直径１６ｍｍの丸棒（本発明における高強度ボルト用鋼に相当）を製造した。製造された丸棒から、図２に示す環状切欠き付き耐水素脆化試験片を機械加工にて採取した。採取された耐水素脆化試験片の表面に対して、表２に示す潤滑剤を塗布して潤滑皮膜を形成した。その後、潤滑皮膜を付けたままの耐水素脆化試験片、及び丸棒に対して、焼入れ焼戻しを実施した。焼入れ温度は表２に示すとおりであった。焼戻しは、いずれの試験番号においても４００℃で１時間保持した。焼入れ焼き戻しを実施した丸棒から、直径６ｍｍの丸棒引張試験片を機械加工にて採取した。以上の製造工程により、高強度ボルトを模擬した耐水素脆化試験片、及び丸棒引張試験片を製造した。

【0070】

［耐水素脆化特性試験］
各試験番号の耐水素脆化試験片に対して、陰極水素チャージ法を用いて、水素を導入した。具体的には、ｐＨ３．０の希硫酸中に試験片を浸漬して、電流密度１．０ｍＡ／ｃｍ²の陰極電解条件で水素を試験片にチャージした。その後、定荷重引張試験を実施して、破断しなかった最大の負荷応力ＭＳ（ＭＰａ）を求めた。

【0071】

［引張試験］
さらに、同じ試験番号の丸棒引張試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠した引張試験を常温（２５℃）、大気中にて実施し、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を求めた。最大負荷応力ＭＳ及び引張強度ＴＳを用いて、次式により水素脆化強度比Ｗを求めた。
Ｗ＝ＭＳ／ＴＳ

【0072】

［表面Ｐ濃度測定試験］
耐水素脆化特性試験後の試験片の切欠き部の断面を研磨した。切欠き底の表面から１０μｍ深さまでの範囲の平均Ｐ濃度を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用いて測定した。具体的には、０．５μｍピッチでＰ濃度を測定し、その平均値を平均Ｐ濃度（質量％）と定義した。

【0073】

［試験結果］
表２に、表層平均Ｐ濃度、表層のＰｆｒｅｅ濃度、引張強さ（ＴＳ）、及び水素脆化強度比（Ｗ）の試験結果を示す。

【0074】

試験番号１〜７の化学組成は適切であり、製造条件も適切であった。そのため、各試験番号の表層のＰｆｒｅｅ濃度は０．０１５％以下であった。その結果、引張強さＴＳが１０００ＭＰａ以上であり、かつ、水素脆化強度比が０．７以上であり、優れた強度及び耐水素脆化特性を示した。

【0075】

一方、試験番号８のＣ含有量及びＭｎ含有量は低すぎた。その結果、引張強度が１０００ＭＰａ未満であり、強度が低かった。

【0076】

試験番号９のＣ含有量は高すぎた。その結果、水素脆化強度比Ｗが低かった。

【0077】

試験番号１０のＭｎ含有量は高すぎた。その結果、水素脆化強度比Ｗが低かった。

【0078】

試験番号１１のＰ含有量は高すぎた。その結果、表層のＰｆｒｅｅ濃度が高すぎ、水素脆化強度比が低かった。

【0079】

試験番号１２のＮ含有量は高すぎた。その結果、引張強度が１０００ＭＰａ未満であった。ＢＮが形成され、焼入れ性が低かったためと考えられる。

【0080】

試験番号１３ではＮｄが含有されなかった。そのため、表層のＰｆｒｅｅ濃度が高すぎ、水素脆化強度比が低かった。

【0081】

試験番号１４では、化学組成は適切であるものの、冷間鍛造時の潤滑剤として、リン酸塩石けん皮膜を使用し、リン酸塩石けん皮膜を供試材の表面に付着させたまま焼入れ焼戻し処理を実施した。そのため、表層のＰｆｒｅｅ濃度が高すぎ、水素脆化強度比が低かった。

【0082】

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

【図1】

【図2】