高強度螺紋用鋼及高強度螺釘的製作方法
2023-12-03 21:19:11
專利名稱：高強度螺紋用鋼及高強度螺釘的製作方法
技術領域：
本發明涉及高強度螺紋用鋼和高強度螺釘，特別是涉及在開有底孔的部件上成形內螺紋併兼具締結攻絲性的粗直徑(M8以上)，強度800N/mm2以上的高強度螺紋用鋼以及用該種鋼製得的高強度螺釘。
以前在這方面，例如，帶有JISB1122的十字孔的自攻螺釘是通過採用JISG3559的冷間壓造用碳鋼線的SWRCH12A～22A(鋁鎮靜鋼)或者SWRCH12K～22K(鎮靜鋼)、經過滾軋加工等，螺釘成形，滲碳(滲碳硬化)淬火、回火的調質處理而製得。
自攻螺釘用鋼的要素之一是確保淬火後的韌性，因此從該觀點出髮結晶粒細的鋁鎮靜類型得以利用。但是，另一方面必須同時滿足與處於韌性相反傾向的硬度和強度等的特性。因此，特開平9-67625號公報公開了，通過Mn提高、碳含量降低的坯材作為坯材進行滲碳淬火、回火，表面硬度Hv達到560～600、內部硬度Hv達到320～360的自攻螺釘。以下，稱這個自攻螺釘為現有技術1。
另外，特開平10-196627號公報公開了，採用低碳高Mn鋼，表面硬度Hv達到550以上、內部硬度Hv達到320～400的螺釘。以下，稱這個自攻螺釘為現有技術2。
但是，現有的情況是，對於締結更高強度的部件，為了使其具有作為螺栓所需的強度並且作為自攻螺釘在嚙合部件上成形內螺紋，則進一步要求其具有更高的表面硬度和內部的韌性，對於這種螺釘的坯材成分和製造方法尚未十分明確。
因此，本發明的目的在於，提供對於大直徑尺寸(M8以上)的螺釘和螺栓也具有所需強度(800N/mm2以上)且兼具攻絲性的高強度螺紋用鋼以及用該種鋼製成的高強度螺釘。
本發明者為了解決上述課題，進行了深入研究，得到了以下發現。通過①大量添加Cr。
②調整成分的含有比率在適當的DI值範圍內。
③適當地控制表面硬度、內部硬度、有效硬化層深度。
④適當地控制滲碳淬火後的回火溫度。即使對於粗直徑的螺釘和螺栓，通過滲碳也能控制硬度的平衡，得到所需的強度。
本發明正是基於這種發現，具有下述特徵。
根據權利要求1記載的發明，其特徵在於，由如下組分組成C0.05～0.20，Si0.20以下(不含有0)，Mn0.5～0.20，P0.015以下，S0.015以下，Al0.020～0.080，N0.0060以下，Cr0.80以上～2.0(以上均為質量％)，其餘部分鐵及不可避免的雜質。
根據權利要求2記載的發明，其特徵在於，其鋼成分進一步含有從由Ni3.5以下，Cu1.0以下，Mo0.30以下，B0.0005～0.0050組成的一組物質中選取的至少一種，以及從由Ti0.005～0.050，Nb0.005～0.050(以上均為質量％)組成的一組物質中選取的至少一種之中的至少一類。
根據權利要求3記載的發明，其特徵在於權利要求1所述的下述(1)式表示的DI值在17～43mm範圍內。
DI＝25.4×DIC(※1)×FSi(※2)×FMn(※3)×FCr(※4)×(FMo(※5)、FCu(※6)、FNi(※7)、FB(※8)) (1)但在上述(1)式中※1DIC＝0.54×(C)、※2FSi＝1.00+0.7×(Si)、※3FMn＝3.3333×(Mn)+1.00(Mn≤1.20)、FMn＝5.10×(Mn)-1.12(Mn＞1.20)、※4FCr＝1.00+2.16×(Cr)、※5FMo＝1.00+3.00×(Mo)、※6FCu＝1.00+0.365×(Cu)、※7FNi＝1.00+0.363×(Ni)、※8FB＝2(但只在添加B的情況下)。
根據權利要求4記載的發明，其特徵在於，對於權利要求2所述的鋼，由上述(1)式表示的DI值在17～43mm的範圍內。
根據權利要求5記載的發明，其特徵在於，由權利要求1所述的鋼組成，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
根據權利要求6記載的發明，其特徵在於，由權利要求2所述的鋼組成，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
根據權利要求7記載的發明，其特徵在於，由權利要求3所述的鋼組成，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
根據權利要求8記載的發明，其特徵在於，由權利要求4所述的鋼組成，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
根據權利要求9記載的發明，其特徵在於，對於權利要求7所述的螺釘，在滲碳處理之後，在200～400℃的溫度範圍內進行回火。
根據權利要求10記載的發明，其特徵在於，對於權利要求8所述的螺釘，在滲碳處理之後，在200～400℃的溫度範圍內進行回火。
本發明的實施形態下面介紹本發明中數值的限定理由。
(1)C0.05～0.20質量％C是確保鋼強度的重要元素，如果不足0.05質量％，無法得到所需的強度，而且滲碳硬化性降低。另一方面，如果超過0.20質量％，螺釘的內部硬度過度提高，鋼的韌性降低。因此，C含量限定在0.05～0.20質量％的範圍內。
(2)Si0.20質量％以下(不含有0)Si作為脫氧材料，起著重要的作用，在制鋼階段是必須添加的。而且，是提高回火軟化抵抗性和淬火性，使其強度提高的元素。但是，當含量增大時，在變形抵抗性增大的同時，冷鍛性降低。因此，Si含有量的上限是0.20質量％。
(3)Mn0.5～2.0質量％Mn和Si同樣，也是對鋼的脫氧處理必要的元素，也是提高淬火性的元素。因此，為了確保所需的強度，添加0.5質量％以上是必要的，與P、S相同，由於在Mn和鋼的結晶粒界處的偏析助長了粒界脆化，所以以2.0質量％為上限。
(4)P＝0.015質量％以下P由於在奧氏體粒界處偏析，所以減弱了粒界強度。而且，由於在鐵素體內固溶，使鋼的變形能降低。這樣，P在本發明中是雜質元素，所以限定其含量為0.015質量％以下。
(5)S0.015質量％以下S由於形成MnS使得鋼的變形能降低，MnS成為龜裂發生的起點。這樣，S在本發明中是雜質元素，所以限定其含量為0.015質量％以下。
(6)可溶Al0.020～0.080質量％Al不僅是作為脫氧材料必要的元素，而且具有將粒界處偏析N的固定為AlN以提高粒界強度的作用，為了通過Al將這種效果發揮出來，對可溶Al(酸可溶Al)而言0.020質量％以上的量是必要的。但是，如果可溶Al超過0.080質量％，連續鑄造鑄片時，形成Al2O3的凝聚體成為噴嘴填塞的原因，鑄造作業變得困難。因此，可溶Al含有量是限定在0.020～0.080質量％的範圍內。
(7)N0.0060質量％以下N在螺釘加工時引起錯誤的老化硬化，使鋼的冷鍛性降低，也使得工具的壽命降低。這樣，N在本發明中是雜質元素，所以限定其含量為0.0060質量％以下。
(8)Ti0.005～0.050質量％Ti具有微細化結晶粒的效果。但是，如果不滿0.005質量％，這種效果不明顯，而且，以TiN形式固定N的效果也不明顯。但當添加超過0.050質量％時，不僅這種效果飽和了，而且TiN過度高，形成硬質的TiN、TiC，鍛造性降低，此外花費了合金成本。因此，Ti含量是限定在0.005～0.050質量％的範圍內。
(9)Cr0.80以上～2.0質量％，Cr對於提高淬火性、確保強度是有用的元素，為了確保M8以上的大尺寸的螺釘強度，添加超過0.80質量％是必要的，這通過本發明等的研究已變得明顯。但是，作為提高回火軟化抵抗性的元素，過量添加時，容易使其變得過硬而對韌性產生不利影響。因此，其上限為2.0質量％。
(10)Mo0.30質量％以下Mo是用於防止P在粒界處偏析、提高粒界強度、提高淬火性的有用元素。但是，過量添加時，Cr同樣會損害冷鍛性，而且因為Mo是高價元素，所以設定上限為0.30質量％。
(11)B0.0005～0.0050質量％B在微量添加時具有提高淬火性的作用。而且通過形成BN，防止N的粒界偏析。通過添加B，可降低Mn和Cr、Mo含量，可進一步提高鋼的冷鍛性。為了通過B發揮這種效果，所以添加0.0005質量％以上是必要的。但是，如果添加量超過0.0050質量％，析出硼滲碳體，使粒界強度減弱。因此，B含有量是限定在0.0005～0.0050質量％的範圍內。
(12)Nb0.005～0.050質量％Nb與Ti相同，具有使結晶粒微細化的效果，但如果不足0.005質量％，效果不明顯，所以以0.005質量％作為下限。但是，與Ti相同，由於Nb與C、N的親和力強，所以容易形成碳化物和氮化物，大量添加不但促進了粒界析出而脆化，而且增加了合金成本。因此，上限設定為0.050質量％。
(13)Ni3.5質量％以下Ni是對於賦予鋼淬火性和提高靜的強度有效的元素。而且，因為具有提高韌性的效果，所以對於確保淬火性和韌性是有效的元素。但是，過量添加時這種效果就飽和了，並且，因為是非常高價的元素，所以將上限設定為3.5質量％。
(14)Cu1.0質量％以下Cu也是對於賦予鋼淬火性和提高靜的強度有效的元素。適量添加可有效地提高機械性能，如果過量添加，在熱壓延時就容易產生表面瑕疵，且引起冷鍛不良，所以設定上限為1.0質量％。
(15)表面的威克斯硬度Hv550～700在所需的螺釘強度以及在嚙合部件上形成內螺紋的方面，當威克斯硬度Hv不滿550時，因為頂端或磨缺，或彎曲，所以成形變得不可能。另一方面，當Hv超過700時，磨損效果提高，促進了龜裂的發生。因此，螺釘表面的硬度Hv限定在550～700的範圍內。
(16)內部的威克斯硬度Hv200～320與表面硬度同樣，必需得到所需的螺釘強度。如果Hv不滿200，就得不到所需的螺釘強度。另一方面，當Hv超過320時，韌性降低並容易產生龜裂。因此，螺釘的內部硬度限定為Hv200～320。
(17)回火溫度200～400℃回火溫度是與螺釘的最終性能(表面、內部硬度)緊密相關的，如果不滿200℃則變得過硬，另一方面，如果超過400℃則得不到所需的強度，因此選擇200-400℃的溫度範圍。
(18)有效硬化層深度0.05～1.00mm在嚙合部件上成形內螺紋的情況下，在表面上必須達到所需的硬度，該有效硬化層深度不足0.05mm時，內螺紋成形性變差，另一方面，當超過1.00mm時，因為內部韌性降低促進了龜裂的發展，有效硬化層深度是在0.05～1.00mm的範圍內。
(19)DI值(mm)17～43DI值(mm)是評價鋼的淬火性的指標，是根據下述(1)計算得到的。為確保所需的強度，需在一定值以上。但是，如果不足17mm，得不到所需的強度，另一方面，如果超過43mm時，存在損害韌性的危險，所以DI值設定在17～43的範圍內。
DI＝25.4×DIC(※1)×FSi(※2)×FMn(※3)×FCr(※4)×(FMo(※5)、FCu(※6)、FNi(※7)、FB(※8)) (1)但在上述(1)式中※1DIC＝0.54×(C)、※2Fsi＝1.00+0.7×(Si)，※3FMn＝3.3333×(Mn)+1.00(Mn≤1.20)、FMn＝5.10×(Mn)-1.12(Mn＞1.20)、※4FCr＝1.00+2.16×(Cr)，※5FMo＝1.00+3.00×(Mo)，※6FCu＝1.00+0.365×(Cu)，※7FNi＝1.00+0.363×(Ni)，※8FB＝2(但只在添加B的情況下)
在真空溶解爐中以150kg/ch溶制含有表1所示的化學成分的鋼材，用116角的鋼坯鍛伸後、通過熱間壓延調製得到φ8mm的線材，冷間鍛造、螺釘滾軋後，進行滲碳淬火、回火，製得M8的自攻螺釘No.1～30。螺釘的形狀是，帶螺釘的公稱直徑為8毫米，公稱長度30毫米的十字孔且帶六角凸緣的螺釘。
表1
對如此製得的自攻螺釘進行拉伸試驗、頭部韌性試驗，並對硬度、有效硬化層深度以及攻絲性進行研究。
按照JISB1051的傾斜拉伸試驗方法進行螺釘的拉伸試驗，實施的傾斜角度是10°，頭部韌性試驗根據JISB1055進行。
測定硬度，其中表面硬度是測定表層下0.02毫米的位置，內部硬度是測定D/4的位置。有效硬化層深度是以從表層到硬度為Hv550的位置進行評價的。再者，硬度全部是通過維克斯氏微硬度計進行的。
攻絲性的評價是進行用一定轉矩將螺釘連接至開有底孔的部件上的試驗，通過破斷的有無、螺紋牙頂的破損狀況、螺紋牙底的龜裂有無的狀況進行評價(n＝10)。
上述試樣結果示於表1中。還有，在表2中，攻絲性的O是未發生破斷、破損、龜裂的螺釘數是8個以上的場合，×是表示未發生破斷、破損、龜裂的螺釘數是7個以下的場合。
表2
從表2中可以明顯看出，No.1～13是用滿足本發明的條件的鋼製造的本發明的螺釘，全都是冷鍛性優良，並且能夠確保所需強度、韌性的攻絲性優良的螺釘。
No.14是用C量和DI值比本發明鋼高的鋼製成的比較用螺釘，表面硬度和內部硬度高，由於韌性不足在頭部韌性試驗時發生頭部飛濺。
No.15是用C量和DI值低於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，頭部韌性試驗是良好的，因為得不到所需強度和表面硬度、內部硬度，所以不能成形內螺紋，攻絲性能不良。
No.16是用Si量和DI值高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，強度是高的，由於鐵素體點硬度升高，變形抵抗變高，內部硬度上升，韌性缺乏，在頭部韌性試驗時發生龜裂。
No.17是用Mn量和DI值高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，淬火性過高，所以硬化層深度增加，因此，表面、內部硬度上升，韌性不足，在頭部韌性試驗時發生飛濺。
No.18是用Mn量和DI值低於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，頭部韌性試驗是良好的，但不能得到所需強度，與No.15的比較用螺釘相同，攻絲性能也是不良。
No.19是用P量高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，因為粒界強度下降，在頭部韌性試驗時發生龜裂。
No.20是用S量高於本發明範圍、DI值低於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，因為MnS的生成造成不良影響，在頭部韌性試驗時，發生龜裂。
No.21是用Al量低於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，由於結晶粒粗大化，過度淬火，內部韌性不足，因此，在頭部韌性試驗時，發生龜裂。
No.22是用N量高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，由於內部韌性不足，因此，在頭部韌性試驗時，發生龜裂。
No.23是用B量高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，因為含有硼的滲碳體在粒界處析出降低了粒界強度，在頭部韌性試驗時，發生龜裂。而且，Ti量也是高於本發明範圍，因為多半存在TiC、TiN，冷鍛性差，韌性也不足。
No.24是用Nb量和DI值高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，因為多半存在NbC，Nb(CN)等的金屬間化合物，所以粒界變弱，在頭部韌性試驗時發生龜裂。
No.25是用Cr量和DI值高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，No.27是用Mo量高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，兩者均是由於韌性不足在頭部韌性試驗時發生龜裂，發生頭部飛濺。
No.26是用Cr量和DI值低於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，因此淬火性降低，得不到所需強度，頭部韌性試驗時發生龜裂。
No.28是用回火溫度低於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，由於韌性不足，在頭部韌性試驗時發生頭部飛濺。
No.29是用回火溫度高於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，由於強度不足，攻絲性不良。
No.30是用有效硬化層淺於本發明範圍的鋼製成的比較用螺釘，由於強度不足，攻絲性不良。
如上所述，如果按照本發明，是可能提供具有攻絲性、也就是內螺紋成形性和內部韌性優異，和具有所定螺釘強度的高強度螺紋用鋼以及高強度螺釘的。
權利要求
1.一種高強度螺紋用鋼，其特徵在於，由下述組分組成C0.05～0.20，Si0.20以下(不包含0)，Mn0.5～2.0，P0.015以下，S0.015以下，可溶Al0.020～0.080，N0.0060以下，Cr0.80以上～2.0(以上均為質量％)，剩餘部分鐵及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的高強度螺紋用鋼，其特徵在於，其鋼成分進一步含有從由Ni3.5以下，Cu1.0以下，Mo0.30以下，B0.0005～0.0050組成的一組物質中選取的至少一種，以及從由Ti0.005～0.050，Nb0.005～0.050(以上均為質量％)組成的一組物質中選取的至少一種之中的至少一類。
3.根據權利要求1所述的高強度螺紋用鋼，其特徵在於，由下述(1)式表示的DI值是在17～43mm範圍內。DI＝25.4×DIC(※1)×FSi(※2)×FMn(※3)×FCr(※4)×(FMo(※5)、FCu(※6)、FNi(※7)、FB(※8))(1)但在上述(1)式中※1DIC＝0.54×(C)、※2FSi＝1.00+0.7×(Si)、※3FMn＝3.3333×(Mn)+1.00(Mn≤1.20)、FMn＝5.10×(Mn)-1.12(Mn＞1.20)、※4FCr＝1.00+2.16×(Cr)、※5FMo＝1.00+3.00×(Mo)、※6FCu＝1.00+0.365×(Cu)、※7FNi＝1.00+0.363×(Ni)、※8FB＝2(但只在添加B的情況下)。
4.根據權利要求2所述的高強度螺紋用鋼，其特徵在於，由上述(1)式表示的DI值是在17～43mm範圍內。
5.根據權利要求1所述的鋼製得的高強度螺釘，其特徵在於，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
6.根據權利要求2所述的鋼製得的高強度螺釘，其特徵在於，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
7.根據權利要求3所述的鋼製得的高強度螺釘，其特徵在於，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
8.根據權利要求4所述的鋼製得的高強度螺釘，其特徵在於，滲碳處理後的表面硬度Hv550～700，滲碳處理後的內部硬度Hv200～320，有效硬化層深度0.05～1.00mm，強度800N/mm2以上。
9.根據權利要求7所述的高強度螺釘，其特徵在於，在滲碳處理之後，在200～400℃的溫度範圍內進行回火。
10.根據權利要求8所述的高強度螺釘，其特徵在於，在滲碳處理之後，在200～400℃的溫度範圍內進行回火。
全文摘要
本發明提供一種對於大直徑尺寸(M8以上)的螺釘和螺栓具有所需強度(800N/mm
文檔編號F16B25/00GK1441077SQ0210660
公開日2003年9月10日 申請日期2002年2月28日 優先權日2002年2月28日
發明者尾上廣司, 白神哲夫, 菊地克彥 申請人:尾上廣司