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JP7522348B2 - High Strength Bolts - Google Patents
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Description

本発明は、高強度ボルトに関する。 The present invention relates to high-strength bolts.

各産業分野において利用される鋼材の接合に際しては、周知のとおり、各種の溶接による接合手段の他に、ボルトによる接合手段が一般的に採用されている。このようなボルト接合手段にあっては、経済性の追及と技術の進歩から鋼材の高張力化が促進され、特に、土木、建築分野では、接合の信頼性が高く、作業性にも優れた高力ボルトを用いた摩擦接合手段が多用されている。 As is well known, in addition to various welding methods, bolted joints are commonly used to join steel materials used in various industrial fields. In such bolted joints, the pursuit of economy and technological advances have promoted the use of high tensile steel materials, and in the civil engineering and construction fields in particular, friction joints using high-strength bolts, which are highly reliable and easy to work with, are widely used.

摩擦接合に用いられる高力ボルトとしては、例えば、日本工業規格のJIS B1186に規定される摩擦接合用高力六角ボルト、六角ナットおよび平座金のセットや、日本鋼構造協会規格JSSII-09構造用トルシア形高力ボルト、六角ナットおよび平座金のセットが広く採用されている。このような状況の中で、特に、最近では、土木、建築構造物の大型化に伴い、ボルトの引張強さが1200N/mm以上の高力ボルトが強く望まれている。 As high-strength bolts used for friction joints, for example, a set of high-strength hexagonal bolts for friction joints, hexagonal nuts, and flat washers specified in the Japanese Industrial Standards JIS B1186, and a set of structural torsion-type high-strength bolts, hexagonal nuts, and flat washers specified in the Japanese Steel Construction Association Standard JSSII-09 are widely used. Under these circumstances, and particularly in recent years, with the increase in size of civil engineering and architectural structures, there is a strong demand for high-strength bolts with a tensile strength of 1200 N/ mm2 or more.

上記のような事情に鑑み、特許文献1では、ボルト引張強さと焼戻温度の関係式、およびボルト引張強さと鋼材の化学成分から計算される炭素当量の関係式を満足するように鋼材の化学成分を設定して、焼入れ及び焼戻し処理することにより、所望のボルト引張強さを発揮する、耐遅れ破壊特性に優れた高力ボルトが提案されている。 In light of the above circumstances, Patent Document 1 proposes a high-strength bolt with excellent delayed fracture resistance that exhibits the desired bolt tensile strength by setting the chemical composition of the steel so as to satisfy the relationship between the bolt tensile strength and tempering temperature, and the relationship between the bolt tensile strength and the carbon equivalent calculated from the chemical composition of the steel, and then performing quenching and tempering processes.

特許第4142853号公報Patent No. 4142853

しかしながら、上記のような開発の結果、高力ボルトがより厳しい環境下で使用されることも多くなっている。この場合、特許文献1に記載されたようなボルトの特性の中でも、水素脆化特性を向上させることが求められる。 However, as a result of the above developments, high-strength bolts are increasingly being used in harsher environments. In these cases, there is a demand for improved hydrogen embrittlement resistance, among other bolt properties as described in Patent Document 1.

そこで、本発明は、水素脆化特性を向上させた高強度ボルトを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a high-strength bolt with improved hydrogen embrittlement properties.

[1]軸線を含む断面形において、圧力側フランクに連続する谷底の第1部分と、遊び側フランクに連続し、かつ断面形において谷底の法線が軸線の垂線に一致する基準点で第1部分と境界づけられる谷底の第2部分とを定義したときに、第1部分で法線が軸線の垂線に対してなす第1の角度が32°以下の範囲、および第2部分で法線が軸線の垂線に対してなす第2の角度が8°以下の範囲における断面形の平均曲率κaveが、ねじのとがり山の高さHに対してκaveH<5の関係を満たす、高強度ボルト。
[2]圧力側フランクおよび遊び側フランクにそれぞれ連続する半径rの第1および第2の円弧と、第1および第2の円弧に連続する半径rの第3の円弧とで断面形が構成され、r<rである、[1]に記載の高強度ボルト。
[3]遊び側フランクに連続する円弧と、圧力側フランクおよび円弧に連続し曲率半径が円弧の半径以上になる部分を含む高次曲線とで断面形が構成される、[1]に記載の高強度ボルト。
[4]谷底の第1部分および第2部分において、軸線を含む中心部の平均硬さをHVa、表面からの深さ0.2mmの最表層部における平均硬さHVs、平均硬さが中心部の平均硬さHVaに達する位置の深さd(mm)、表面の深さ0.5mmの位置における軸線方向の残留応力の標準偏差をσΔR(MPa)としたときに、0.2≦d≦1.5であり、以下の式(i)および(ii)の関係が満たされる、[1]から[3]のいずれか1項に記載の高強度ボルト。

Figure 0007522348000001
[5]質量%で、C:0.35~0.45%、Si:0.50%未満、Mn:0.40%超1.00%未満、P:0.030%未満、S:0.030%未満、Cr:0.05~1.50%未満、Mo:0.30%超2.50%未満、V:0.05%超0.50%未満、Al:0.005%超0.080%未満、N:0.0150%未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材で形成され、引張強度が1300MPa以上1800MPa以下である、[1]から[4]のいずれか1項に記載の高強度ボルト。 [1] A high-strength bolt, in which, when a first portion of the valley bottom continuing with the pressure side flank and a second portion of the valley bottom continuing with the play side flank and being bordered from the first portion by a reference point where a normal to the valley bottom coincides with a line perpendicular to the axis in the cross-sectional shape including the axis are defined, the mean curvature κ ave of the cross-sectional shape in the range where a first angle that the normal makes with a line perpendicular to the axis in the first portion is 32° or less and in the range where a second angle that the normal makes with a line perpendicular to the axis in the second portion is 8° or less satisfies the relationship κ ave H < 5 with respect to the height H of the pointed crest of the thread.
[2] A high-strength bolt as described in [1], wherein the cross-sectional shape is formed by a first and a second circular arc of radius r1 that are continuous with the pressure side flank and the play side flank, respectively, and a third circular arc of radius r2 that is continuous with the first and second circular arcs, wherein r1 < r2 .
[3] A high-strength bolt as described in [1], whose cross-sectional shape is composed of a circular arc continuing from the play side flank and a higher-order curve that is continuing from the pressure side flank and the circular arc and includes a portion whose radius of curvature is greater than or equal to the radius of the circular arc.
[4] A high-strength bolt according to any one of [1] to [3], wherein in the first and second portions of the valley bottom, when the average hardness of the center including the axis is HVa, the average hardness of the outermost layer at a depth of 0.2 mm from the surface is HVs, the depth d (mm) at the position where the average hardness reaches the average hardness HVa at the center, and σ ΔR (MPa) is the standard deviation of the axial residual stress at a position 0.5 mm deep from the surface, is 0.2≦d≦1.5 and the relationship of the following formulas (i) and (ii) is satisfied.
Figure 0007522348000001
[5] The high-strength bolt according to any one of [1] to [4], which is formed of a steel material containing, by mass%, C: 0.35 to 0.45%, Si: less than 0.50%, Mn: more than 0.40% and less than 1.00%, P: less than 0.030%, S: less than 0.030%, Cr: 0.05 to less than 1.50%, Mo: more than 0.30% and less than 2.50%, V: more than 0.05% and less than 0.50%, Al: more than 0.005% and less than 0.080%, N: less than 0.0150%, with the balance being Fe and unavoidable impurities, and has a tensile strength of 1300 MPa or more and 1800 MPa or less.

上記の構成によれば、ねじ谷底部の残留応力およびボルト締付による作用応力や塑性ひずみがより小さくなるような形状にすることができるため、ボルト締付後も水素が入り込み難くなり、ボルトの水素脆化特性を向上させることができる。 The above configuration allows the bolt to be shaped so that the residual stress at the root of the thread and the acting stress and plastic strain due to bolt tightening are smaller, making it difficult for hydrogen to enter even after the bolt is tightened, improving the hydrogen embrittlement resistance of the bolt.

本発明の実施形態に係る高強度ボルトの全体を示す図である。1 is a diagram showing an entire high-strength bolt according to an embodiment of the present invention. FIG. 図1のねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 2 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion of FIG. 1 . 図1のねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 2 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion of FIG. 1 . 図1のねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 2 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion of FIG. 1 . 図1のねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 2 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion of FIG. 1 . 図1のねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 2 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion of FIG. 1 . 参考例に係るねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 13 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion according to a reference example. 参考例に係るねじ部の拡大断面図の例である。FIG. 13 is an example of an enlarged cross-sectional view of a threaded portion according to a reference example. 高強度ボルトの形状に関する条件を規定するために行ったFEM解析のモデルを概略的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic model of an FEM analysis performed to define conditions related to the shape of a high-strength bolt. 解析で算出されたねじ谷底表層部の最大主応力を示すグラフである。1 is a graph showing the maximum principal stress at the thread root surface layer portion calculated by analysis. 解析におけるねじ谷底の各部位における相当塑性ひずみ(PEEQ)を示すグラフである。1 is a graph showing equivalent plastic strain (PEEQ) at each location of the thread root in the analysis. 解析におけるねじ谷底での相当塑性ひずみ(PEEQ)のピーク値と、ピークが観測される区間における平均曲率との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the peak value of equivalent plastic strain (PEEQ) at the thread root in the analysis and the average curvature in the section where the peak is observed. ねじ谷底の表層硬さについて説明するためのグラフである。1 is a graph for explaining the surface hardness of a thread root. 残留応力パラメータについて説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining residual stress parameters. 残留応力パラメータについて説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining residual stress parameters. ねじ谷底部における深さ方向の硬さ分布の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of hardness distribution in the depth direction at the bottom of a thread valley. ねじ谷底部における深さ方向の硬さ分布の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of hardness distribution in the depth direction at the bottom of a thread valley. ねじ谷底部における深さ方向の硬さ分布の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of hardness distribution in the depth direction at the bottom of a thread valley. ねじ谷底部における深さ方向の硬さ分布の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of hardness distribution in the depth direction at the bottom of a thread valley. ねじ谷底部における周方向での残留応力のばらつきの例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of variation in residual stress in the circumferential direction at the thread root. ねじ谷底部における周方向での残留応力のばらつきの例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of variation in residual stress in the circumferential direction at the thread root.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。また、ねじに関する用語は別途記載がない限り、JIS B0101「ねじ用語」の定義による。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. In this specification and drawings, components having substantially the same functional configuration will be assigned the same reference numerals to avoid duplicated explanations. Furthermore, unless otherwise specified, screw-related terms are defined in JIS B0101 "Screw Terminology."

(高強度ボルトの形状)
ボルトの水素脆化は、ボルトを締めたときにねじ谷底において大きな引張応力が発生し、局所的には塑性変形することが一因である。従って、ねじ谷底を残留応力および締付による作用応力や塑性ひずみがより小さくなるような形状にすることによって、締付後も水素が入り込み難くなり、ボルトの水素脆化特性を向上させることができる。
(High strength bolt shape)
One of the causes of hydrogen embrittlement of bolts is that large tensile stress occurs at the thread root when the bolt is tightened, causing localized plastic deformation. Therefore, by shaping the thread root so that the residual stress and the acting stress and plastic strain due to tightening are reduced, it becomes more difficult for hydrogen to enter even after tightening, and the hydrogen embrittlement properties of the bolt can be improved.

図1は本発明の実施形態に係る高強度ボルトの全体を示す図であり、図2A~図2Eは図1のねじ部の拡大断面図の例であり、図3Aおよび図3Bは参考例に係るねじ部の拡大断面図の例である。高強度ボルト1は、鋼材で一体的に形成された頭部2および軸部3を含み、軸部3にはねじ部4が形成される。図1には高強度ボルト1の軸線Xが示されており、図2A~図2E、図3Aおよび図3Bには高強度ボルト1の軸線Xを含む断面形が示されている。それぞれの例に共通して、ねじ部4ではねじ山5およびねじ溝6が形成され、ねじ溝6の両側にはフランク7A,7Bが形成される。各図に示された例において、フランク7Aは圧力側フランクであり、フランク7Bは遊び側フランクである。ねじ溝6の両側のフランク7A,7Bを連絡する谷底8について、フランク7A(圧力側フランク)に連続する第1部分8Aと、フランク7B(遊び側フランク)に連続する第2部分8Bとを定義する。第1部分8Aと第2部分8Bとは、軸線Xを含む断面形における谷底8の法線が軸線Xの垂線Xnに一致する基準点8Pで互いに境界づけられる。 1 is a diagram showing the entirety of a high-strength bolt according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2E are examples of enlarged cross-sectional views of the threaded portion of FIG. 1, and FIGS. 3A and 3B are examples of enlarged cross-sectional views of the threaded portion according to a reference example. The high-strength bolt 1 includes a head 2 and a shaft 3 integrally formed of steel, and a threaded portion 4 is formed on the shaft 3. FIG. 1 shows the axis X of the high-strength bolt 1, and FIGS. 2A to 2E, 3A, and 3B show cross-sectional shapes including the axis X of the high-strength bolt 1. In common with each example, a thread 5 and a thread groove 6 are formed on the threaded portion 4, and flanks 7A and 7B are formed on both sides of the thread groove 6. In the examples shown in each figure, the flank 7A is a pressure side flank, and the flank 7B is a play side flank. The valley bottom 8 connecting the flanks 7A and 7B on both sides of the thread groove 6 is defined as a first portion 8A continuing to the flank 7A (pressure side flank) and a second portion 8B continuing to the flank 7B (play side flank). The first portion 8A and the second portion 8B are bounded by a reference point 8P where the normal to the valley bottom 8 in the cross-sectional shape including the axis X coincides with the perpendicular line Xn to the axis X.

図2A~図2Eに示された本実施形態の例では、上記のように谷底8に第1部分8Aと第2部分8Bとを定義したときに、第1部分8Aで法線が軸線Xの垂線Xnに対してなす角度θが32°以下の範囲、および第2部分8Bで法線が軸線Xの垂線Xnに対してなす角度θが8°以下の範囲において、高強度ボルト1の軸線Xを含む断面形における平均曲率κaveが、とがり山の高さHに対してκaveH<5の関係を満たす。ここで、平均曲率κaveは、高強度ボルト1の軸線Xを含む断面形における曲率を断面形に沿った長さで平均化することによって算出される。 2A to 2E, when the first portion 8A and the second portion 8B are defined at the valley bottom 8 as described above, the average curvature κ ave in the cross-sectional shape including the axis X of the high-strength bolt 1 satisfies the relationship κ ave H < 5 with respect to the height H of the peak when the angle θ 1 that the normal line makes with respect to the perpendicular line Xn to the axis X in the first portion 8A is in the range of 32° or less, and the angle θ 2 that the normal line makes with respect to the perpendicular line Xn to the axis X in the second portion 8B is in the range of 8° or less. Here, the average curvature κ ave is calculated by averaging the curvature in the cross-sectional shape including the axis X of the high-strength bolt 1 over the length along the cross-sectional shape .

なお、図2A~図2E、図3Aおよび図3Bのそれぞれに示された例では、ねじ山の角度αが60°であり、断面形において第1部分8Aおよび第2部分8Bはそれぞれフランク7A,7Bに連続するため、第1部分8Aおよび第2部分8Bのそれぞれで角度θ,θは0°から60°までの範囲になる。模式的に、図2A~図2Eではθ=32°、θ=8°が図示され、図2Bではθ=θ=13°が図示されている(模式的な図示のため、角度は必ずしも厳密ではない)。 In the examples shown in Figures 2A to 2E, 3A and 3B, the thread angle α is 60°, and in the cross-sectional shape, the first portion 8A and the second portion 8B are continuous with the flanks 7A and 7B, respectively, so that the angles θ 1 and θ 2 in the first portion 8A and the second portion 8B are in the range of 0° to 60°. Schematically, θ 1 = 32° and θ 2 = 8° are shown in Figures 2A to 2E, and θ 1 = θ 2 = 13° are shown in Figure 2B (the angles are not necessarily exact because they are shown diagrammatically).

図2Aに示された例では、第1部分8Aおよび第2部分8Bを含む谷底8の全体で、断面形が単一の曲率半径の円弧で構成される。この場合、円弧の半径rをr>H/5になるように決定することによって、第1部分8Aおよび第2部分8Bの全体で曲率κ=1/rについてκH<5になり、θ≦32°の範囲およびθ≦8°の範囲でもκaveH<5の条件が満たされる。一方、図3Aに示された参考例では円弧の半径rがH/6に等しく、図3Bに示された参考例では円弧の半径rがさらに小さい。これらの場合には、上記の条件は満たされない。 In the example shown in Fig. 2A, the cross-sectional shape of the entire valley bottom 8 including the first portion 8A and the second portion 8B is formed of a circular arc with a single radius of curvature. In this case, by determining the radius r of the circular arc to be r>H/5, κH<5 is satisfied for the curvature κ=1/r throughout the entire first portion 8A and the second portion 8B, and the condition κ ave H<5 is also satisfied in the ranges of θ 1 ≦32° and θ 2 ≦8°. On the other hand, in the reference example shown in Fig. 3A, the radius r of the circular arc is equal to H/6, and in the reference example shown in Fig. 3B, the radius r of the circular arc is even smaller. In these cases, the above condition is not satisfied.

図2Bに示された例では、谷底8の断面形が曲率半径の異なる2つの円弧を組み合わせて構成される。具体的には、谷底8の第1部分8Aで角度θが13°超の範囲、および第2部分8Bで角度θが13°超の範囲では、半径r=H/6の円弧で断面形が構成される。一方、第1部分8Aで角度θが13°以下の範囲、および第2部分8Bで角度θが13°以下の範囲では、半径r=2H/3の円弧で断面形が構成される。このような谷底8の断面形によって、ねじ山5の高さを確保しつつ、上記の条件、すなわち第1部分8Aのθ≦32°の範囲および第2部分8Bのθ≦8°の範囲においてκaveH<5となる条件を満たすことができる。なお、条件が満たされる限りにおいて半径r,rはr≧H/6、r≧2H/3かつr<rとなる範囲内で変更可能であり、2つの円弧の接続点もθ,θ=13°になる点には限られない。 In the example shown in Fig. 2B, the cross-sectional shape of the valley bottom 8 is formed by combining two circular arcs with different radii of curvature. Specifically, in the range where the angle θ1 exceeds 13° in the first portion 8A of the valley bottom 8 and the range where the angle θ2 exceeds 13° in the second portion 8B, the cross-sectional shape is formed by an arc with a radius r1 = H/6. On the other hand, in the range where the angle θ1 is 13° or less in the first portion 8A and the range where the angle θ2 is 13° or less in the second portion 8B, the cross-sectional shape is formed by an arc with a radius r2 = 2H/3. With such a cross-sectional shape of the valley bottom 8, the height of the thread 5 is ensured while the above condition, i.e., the condition that κ ave H < 5 in the range of θ1 ≦ 32° in the first portion 8A and the range of θ2 ≦ 8° in the second portion 8B, can be satisfied. As long as the conditions are satisfied, the radii r1 and r2 can be changed within the ranges of r1 ≧ H/6, r2 ≧ 2H/3 and r1 < r2 , and the connection point of the two arcs is not limited to a point where θ1 , θ2 = 13°.

図2Cに示された例では、谷底8の断面形が、第1部分8Aでは高次曲線で構成され、第2部分8Bでは円弧で構成される。ここで、第1部分8Aの断面形を構成する高次曲線は、曲率半径が第2部分8Bの円弧の半径r以上になる部分を含む。具体的には、第1部分8Aでは短径b=H/6、長径a=1.8bの楕円曲線で断面形が構成され、第2部分8Bでは半径r=H/6の円弧で断面形が構成される。このような谷底8の断面形によって、ねじ山5の高さを確保しつつ、上記の条件、すなわち第1部分8Aのθ≦32°の範囲および第2部分8Bのθ≦8°の範囲においてκaveH<5となる条件を満たすことができる。上記の条件においてκaveH<5の関係が満たされる範囲は第1部分8A側と第2部分8B側とで非対称であり、第1部分8A側でより広い。従って、第1部分8Aにおいて第2部分8Bよりも断面形の曲率を小さくすることができる図2Cの構成は有利でありうる。なお、条件が満たされる限りにおいて楕円曲線の長径a、短径bおよび円弧の半径rは調節可能であり、また高次曲線は楕円曲線には限られない。また、高次曲線と円弧とを基準点8P以外の点で接続してもよい。 In the example shown in Fig. 2C, the cross-sectional shape of the valley bottom 8 is constituted by a high-order curve in the first portion 8A, and is constituted by a circular arc in the second portion 8B. Here, the high-order curve constituting the cross-sectional shape of the first portion 8A includes a portion whose radius of curvature is equal to or greater than the radius r of the circular arc of the second portion 8B. Specifically, the cross-sectional shape of the first portion 8A is constituted by an elliptical curve with a minor axis b = H/6 and a major axis a = 1.8b, and the cross-sectional shape of the second portion 8B is constituted by a circular arc with a radius r = H/6. With such a cross-sectional shape of the valley bottom 8, the height of the thread 5 is ensured while the above condition, that is, the condition that κ ave H < 5 is satisfied in the range of θ 1 ≦ 32° in the first portion 8A and the range of θ 2 ≦ 8° in the second portion 8B, can be satisfied. In the above condition, the range in which the relationship κ ave H < 5 is satisfied is asymmetric between the first portion 8A side and the second portion 8B side, and is wider on the first portion 8A side. 2C, which allows the curvature of the cross-sectional shape to be smaller in the first portion 8A than in the second portion 8B, may be advantageous. As long as the conditions are satisfied, the major axis a, the minor axis b, and the radius r of the arc of the elliptical curve can be adjusted, and the high-order curve is not limited to an elliptical curve. The high-order curve and the arc may be connected at a point other than the reference point 8P.

図2Dに示された例では、谷底8の断面形が、半径rの円弧で構成される部分81,82と、部分81,82の間に位置し直線で構成される部分83とを含む。図示されているように、部分81を構成する円弧の中心角βよりも部分83を構成する円弧の中心角βを大きくすることによって、基準点8Pを基準にしてフランク7A(圧力側フランク)側のθ≦32°の範囲、およびフランク7B(遊び側フランク)側のθ≦8°の範囲における断面形の平均曲率κaveを小さくすることができる。具体的には、直線で構成される部分82では曲率が0になるため、この部分82を上記の範囲に含めることによって、曲率を断面形に沿った長さで平均化することによって算出される平均曲率κaveを小さくすることができる。 In the example shown in Fig. 2D, the cross-sectional shape of the valley bottom 8 includes portions 81 and 82 formed of arcs of radius r, and a portion 83 located between the portions 81 and 82 and formed of a straight line. As shown in the figure, by making the central angle β2 of the arc forming the portion 83 larger than the central angle β1 of the arc forming the portion 81, it is possible to reduce the average curvature κ ave of the cross-sectional shape in the range of θ 1 ≦32° on the flank 7A (pressure side flank) side and the range of θ 2 ≦8° on the flank 7B (play side flank) side with respect to the reference point 8P. Specifically, since the curvature is 0 in the portion 82 formed of a straight line, it is possible to reduce the average curvature κ ave calculated by averaging the curvature over the length along the cross-sectional shape by including the portion 82 in the above range.

図2Eに示された例では、谷底8の断面形が、フランク7A,7Bにそれぞれ連続する半径rの円弧で構成される部分84,85と、部分84,85の間に位置し半径rの円弧で構成される部分86とを含む。ここで、r<rである。既に述べた例との相違として、図2Bの例では相対的に大きい半径rの円弧で構成される部分86の中間点が基準点8Pに一致していたが、図2Eの例では部分86の中間点8Qが基準点8Pとは一致せず、基準点8Pよりもフランク7A(圧力側フランク)側にある。これによって、基準点8Pを基準にしてフランク7A(圧力側フランク)側のθ≦32°の範囲、およびフランク7B(遊び側フランク)側のθ≦8°の範囲における断面形の平均曲率κaveを小さくすることができる。具体的には、相対的に大きい半径rの円弧で構成される部分86では曲率が小さくなるため、上記の範囲において部分86が占める割合を大きくすることによって平均曲率κaveを小さくすることができる。 In the example shown in Fig. 2E, the cross-sectional shape of the root 8 includes portions 84, 85 formed by arcs of radius r1 that are continuous with the flanks 7A, 7B, respectively, and a portion 86 formed by an arc of radius r2 located between the portions 84, 85. Here, r1 < r2 . As a difference from the already-mentioned examples, in the example of Fig. 2B, the midpoint of the portion 86 formed by an arc of a relatively large radius r2 coincides with the reference point 8P, but in the example of Fig. 2E, the midpoint 8Q of the portion 86 does not coincide with the reference point 8P and is located on the flank 7A (pressure side flank) side of the reference point 8P. This makes it possible to reduce the average curvature κ ave of the cross-sectional shape in the range of θ 1 ≦ 32° on the flank 7A (pressure side flank) side and the range of θ 2 ≦ 8° on the flank 7B (play side flank) side, based on the reference point 8P . Specifically, since the curvature is small in the portion 86 formed by an arc of a relatively large radius r2 , the average curvature κ ave can be reduced by increasing the proportion of the portion 86 in the above range.

図4は、高強度ボルトの形状に関する条件を規定するために行ったFEM解析のモデルを概略的に示す図である。モデルは、図示されるようなボルトおよびナットを模した回転体平面ソリッド要素モデルであり、1400N/mm級の高強度ボルト相当の強度および荷重を想定してFEM(有限要素法)による解析を実施した。 4 is a schematic diagram of a model of an FEM analysis performed to define conditions related to the shape of a high-strength bolt. The model is a solid element model of a solid body of revolution simulating a bolt and a nut as shown in the figure, and an analysis was performed using the FEM (finite element method) assuming a strength and load equivalent to a 1400 N/mm 2 -class high-strength bolt.

なお、以下で図5から図7を参照して説明する解析結果において、例Aは図2Aの例に対応し、例B-1および例B-2は図2Bに示された例に対応し、例B-1と例B-2との間では材質が異なる。また、例Cは図2Cの例に対応する。例X-1および例X-2は図3Aに示された例に対応し、例X-1および例X-2の間では材質が異なる。例Yは、図3Bに示された例に対応する。 In the analysis results described below with reference to Figures 5 to 7, Example A corresponds to the example in Figure 2A, Examples B-1 and B-2 correspond to the examples shown in Figure 2B, and the materials used in Examples B-1 and B-2 are different. Example C corresponds to the example in Figure 2C. Examples X-1 and X-2 correspond to the examples shown in Figure 3A, and the materials used in Examples X-1 and X-2 are different. Example Y corresponds to the example shown in Figure 3B.

図5は、解析で算出されたねじ谷底表層部の最大主応力を示すグラフである。グラフには、ナットのねじ山とかみ合うボルトの最初のねじ溝(図4で番号7で示される)の谷底(上記で図示された基準点8Pにあたる位置)における表面からの深さ0~0.6mmの範囲で算出された最大主応力(MPa)が示されている。最大主応力のピークの値は、ねじ谷底の断面形の曲率半径が小さい例X-1および例X-2で最も大きく、それよりも曲率半径が大きい例A、例B-1、例B-2および例Cでは小さくなる。従って、ねじ谷底の断面形の曲率半径を大きくすることは、応力状態の改善に効果的であると考えられる。また、各例に共通して、最大主応力はねじ谷底の表面からの深さ0.1mm~0.5mmの間にピークを有する。従って、この深さ領域における残留応力状態を改善することが、水素脆化特性の向上には有効と考えられる。なお、この点については、後述する材質に関する検討に関連する。 Figure 5 is a graph showing the maximum principal stress at the surface layer of the thread root calculated by analysis. The graph shows the maximum principal stress (MPa) calculated in the range of 0 to 0.6 mm deep from the surface at the root (the position corresponding to the reference point 8P shown above) of the first thread groove (indicated by number 7 in Figure 4) of the bolt that engages with the thread of the nut. The peak value of the maximum principal stress is largest in Examples X-1 and X-2, which have a small radius of curvature of the cross-sectional shape of the thread root, and is smaller in Examples A, B-1, B-2, and C, which have a larger radius of curvature. Therefore, it is considered that increasing the radius of curvature of the cross-sectional shape of the thread root is effective in improving the stress state. In addition, in common to each example, the maximum principal stress has a peak between 0.1 mm and 0.5 mm deep from the surface of the thread root. Therefore, it is considered that improving the residual stress state in this depth region is effective in improving hydrogen embrittlement properties. This point is related to the consideration of materials described later.

図6は、解析におけるねじ谷底の各部位における相当塑性ひずみ(PEEQ)を示すグラフである。グラフには、解析においてナットのねじ山とかみ合う最初のねじ溝(図4で番号7で示される)の谷底の各部位について算出された相当塑性ひずみ(%)が示されている。なお、谷底の部位は、上記で説明した断面形の法線が軸線の垂線に対してなす角度θ,θを用いて表されている。角度θは圧力側フランクに連続する谷底の部分について、角度θは遊び側フランクに連続する谷底の部分についてそれぞれ定義され、断面形の法線が軸線に対して垂直になる点においてθ=θ=0になる。各例に共通して、相当塑性ひずみは圧力側フランク側の角度θが10°~30°の範囲にピークを有する。つまり、相当塑性ひずみのピークは谷底の最底部(θ=θ=0の位置)でなはく圧力側フランク側に偏って現れる。 FIG. 6 is a graph showing the equivalent plastic strain (PEEQ) at each portion of the thread root in the analysis. The graph shows the equivalent plastic strain (%) calculated for each portion of the root of the first thread groove (indicated by number 7 in FIG. 4) that engages with the thread of the nut in the analysis. The portion of the root is represented by the angles θ 1 and θ 2 that the normal to the cross-sectional shape described above makes with respect to the perpendicular to the axis. The angle θ 1 is defined for the portion of the root that continues to the pressure side flank, and the angle θ 2 is defined for the portion of the root that continues to the play side flank, and θ 1 = θ 2 = 0 is achieved at the point where the normal to the cross-sectional shape is perpendicular to the axis. In common with each example, the equivalent plastic strain has a peak in the range of 10° to 30° of the angle θ 1 on the pressure side flank. In other words, the peak of the equivalent plastic strain appears biased toward the pressure side flank, not at the bottom of the root (position where θ 1 = θ 2 = 0).

一方、谷底の断面形が単一の曲率半径の円弧で構成される例の中では、ピークにおける相当塑性ひずみが例Y(図3B)で最も大きく、例X-1(図3A)でより小さく、例A(図2A)でさらに小さくなっていることから、断面形の曲率半径が大きいほど相当塑性ひずみが低減されることがわかる。加えて、谷底の断面形が曲率半径の異なる2つの円弧を組み合わせて構成される例B-1(図2B)では、それぞれの曲率半径の部分について同程度の曲率半径である例X-1や例Aの相当塑性ひずみとは異なる値が算出されている。このことから、ある位置の相当塑性ひずみの値は、単純に当該位置における断面形の曲率半径で決まるのではなく、近傍の区間における曲率半径の分布に影響を受けることがわかる。 On the other hand, among the examples in which the cross-sectional shape of the valley bottom is composed of an arc with a single radius of curvature, the equivalent plastic strain at the peak is largest in Example Y (Figure 3B), smaller in Example X-1 (Figure 3A), and even smaller in Example A (Figure 2A), which shows that the larger the radius of curvature of the cross-sectional shape, the smaller the equivalent plastic strain. In addition, in Example B-1 (Figure 2B), in which the cross-sectional shape of the valley bottom is composed of a combination of two arcs with different radii of curvature, a different value of equivalent plastic strain is calculated for each part with a similar radius of curvature than that of Examples X-1 and A, which have similar radii of curvature. This shows that the value of equivalent plastic strain at a certain position is not simply determined by the radius of curvature of the cross-sectional shape at that position, but is affected by the distribution of radii of curvature in nearby sections.

結果として、図6に示されたグラフで最も相当塑性ひずみが小さいのは、谷底の断面形が圧力側フランク側では高次曲線で構成され、遊び側フランク側では円弧で構成される例C(図2C)である。上記のような他の例の結果と合わせると、例Cでは相当塑性ひずみのピークが現れる圧力側フランク側で谷底の断面形の曲率半径をより大きくすることができるため、効果的に相当塑性ひずみを低減できていると考えられる。 As a result, the graph shown in Figure 6 shows that the equivalent plastic strain is smallest in Example C (Figure 2C), where the cross-sectional shape of the valley bottom is composed of a high-order curve on the pressure flank and a circular arc on the play flank. When combined with the results of the other examples mentioned above, it is believed that in Example C, the radius of curvature of the cross-sectional shape of the valley bottom can be made larger on the pressure flank, where the peak of equivalent plastic strain appears, and therefore the equivalent plastic strain can be effectively reduced.

図7は、解析におけるねじ谷底での相当塑性ひずみ(PEEQ)のピーク値と、ピークが観測される区間における平均曲率との関係を示すグラフである。上記で図6を参照して説明した通り、相当塑性ひずみはねじ谷底の圧力側フランク側に偏った位置、具体的には圧力側フランク側の角度θが10°~30°の範囲にピークを有する。本検討では、ピークが現れる位置の前後、±20°の角度範囲における平均曲率κaveを算出し、平均曲率κaveをとがり山の高さHにかけ合わせたκaveHと基準化相当塑性ひずみとの関係をグラフにした。なお、基準化相当塑性ひずみとは相当塑性ひずみのピーク値PEEQmaxを、例X-1(図3A)における同位置の相当塑性ひずみPEEQで基準化した値である。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the peak value of the equivalent plastic strain (PEEQ) at the thread root in the analysis and the average curvature in the section where the peak is observed. As described above with reference to FIG. 6, the equivalent plastic strain has a peak at a position biased toward the pressure side flank of the thread root, specifically, at an angle θ 1 on the pressure side flank side in the range of 10° to 30°. In this study, the average curvature κ ave was calculated in an angle range of ±20° before and after the position where the peak appears, and the relationship between κ ave H, which is obtained by multiplying the average curvature κ ave by the height H of the peak, and the normalized equivalent plastic strain was graphed. The normalized equivalent plastic strain is the value obtained by normalizing the peak value PEEQ max of the equivalent plastic strain by the equivalent plastic strain PEEQ X at the same position in Example X-1 (FIG. 3A).

グラフに示されるように、相当塑性ひずみのピーク値PEEQmaxが例X-1(図3A)よりも低い3つの例(例A、例B-1および例C)では、κaveHの値が5未満になる。この結果から、κaveH<5とすることによって、効果的にねじ谷底での相当塑性ひずみを低減できるといえる。また、図5を参照して説明したように、ねじ谷底表層部の最大主応力状態と断面形の曲率半径との間にも相当塑性ひずみと同様の関係が見られるため、κaveH<5とすることによって最大主応力状態も効果的に改善できると考えられる。さらに、相当塑性ひずみのピーク値PEEQmaxがより低い例C(図2C)ではκaveH=2.60である。従って、より好ましくはκaveH<3となるようにねじ谷底の形状を決定してもよい。 As shown in the graph, in three examples (Example A, Example B-1, and Example C) in which the peak value of the equivalent plastic strain PEQ max is lower than that of Example X-1 (FIG. 3A), the value of κ ave H is less than 5. From this result, it can be said that by making κ ave H<5, the equivalent plastic strain at the thread root can be effectively reduced. Furthermore, as explained with reference to FIG. 5, a similar relationship to that of the equivalent plastic strain is observed between the maximum principal stress state of the thread root surface layer and the curvature radius of the cross-sectional shape, so it is considered that by making κ ave H<5, the maximum principal stress state can also be effectively improved. Furthermore, in Example C (FIG. 2C) in which the peak value of the equivalent plastic strain PEQ max is lower, κ ave H=2.60. Therefore, the shape of the thread root may be determined so that κ ave H<3 is more preferably satisfied.

(高強度ボルトの材質)
次に、高強度ボルトの材質について説明する。ボルトを締め付けたときにねじ谷底での脆性破壊を抑制するためには、ねじ谷底の表層硬さが低減されることが望ましい。しかし、ねじ谷底での表層硬さが低い領域が広い場合、ねじを締めた際にねじ谷底での塑性歪みが大きくなりすぎ、水素侵入による脆性破壊を起こしやすくなってしまう。そのため、ねじ谷底での表層硬さが低い領域は限定されなければならない。逆に、中心部硬さに対し、表層硬さが高すぎると水素侵入による脆性破壊を起こしやすくなってしまう。さらに、ねじ谷底での脆性破壊を抑制するためには、締付前からボルトのねじ谷底部における引張残留応力が低減されることも望ましい。ボルトのねじ谷底部における軸方向の残留応力は、ボルトのねじ部を転造によって成形する段階で生じる。ボルトのねじ谷底部における軸方向の残留応力は、ねじ部周方向でばらつきが生じるため、そのばらつきは小さくしなければならない。ボルト締付後にボルトに作用する応力は、ボルトのねじ谷底部における軸方向の残留応力と締付によって生じる軸方向の応力との和であり、これが大きな引張となるほど、水素侵入による脆性破壊を起こしやすくなるためである。
(High strength bolt material)
Next, the material of the high-strength bolt will be described. In order to suppress brittle fracture at the root of the thread when the bolt is tightened, it is desirable to reduce the surface hardness of the root of the thread. However, if the area where the surface hardness is low at the root of the thread is wide, the plastic strain at the root of the thread becomes too large when the screw is tightened, and brittle fracture due to hydrogen penetration is likely to occur. Therefore, the area where the surface hardness is low at the root of the thread must be limited. Conversely, if the surface hardness is too high compared to the hardness of the central portion, brittle fracture due to hydrogen penetration is likely to occur. Furthermore, in order to suppress brittle fracture at the root of the thread, it is also desirable to reduce the tensile residual stress at the root of the thread of the bolt before tightening. The axial residual stress at the root of the thread of the bolt occurs at the stage of forming the thread of the bolt by rolling. The axial residual stress at the root of the thread of the bolt varies in the circumferential direction of the thread, so the variation must be reduced. The stress acting on a bolt after it is tightened is the sum of the axial residual stress at the root of the bolt's thread and the axial stress generated by tightening. The greater this tensile stress, the more likely it is that brittle fracture due to hydrogen penetration will occur.

図8は、ねじ谷底の表層硬さについて説明するためのグラフである。図8のグラフでは、ねじ谷底(上記で図示された基準点8Pにあたる位置)の表面から軸方向に測定されたHV硬さの例を模式的に示している。HV硬さは荷重100gfとし、ねじ谷底断面において表面からの深さ0.2mm位置を測定開始点として深さ1.5mmまでは0.1mmピッチで測定し、深さ1.5mmからボルト軸線を含む中心部深さまでを1mmピッチで測定する。同様の方法で同じねじ谷底に対して、2箇所以上の硬さ分布を測定し、各測定点での平均値を求める。上述した表層硬さが低減する領域、具体的にはねじ谷底の表層では、硬さが深さ1mmあたり10HV以上低下することが好ましい。ただし、硬さが深さ1mmあたり100HV以上低下すると、逆にボルトを締めつけたときの塑性歪みが大きくなり、水素侵入による脆性破壊が起こりやすくなるため、深さ1mmあたりの軟化は10HV以上、100HV未満であることが好ましい。この条件は、ボルトの軸線を含む中心部の平均硬さをHV、表面からの深さ0.2mm位置の最表層部における平均硬さをHV、平均硬さが中心部の平均硬さHVに達する深さをd(mm)とした場合、以下の式(1)で表される。なお、0.2≦d≦1.5であり、ねじ谷底の表層硬さHVは極端に低くなりすぎると水素侵入による脆性破壊が起こりやすくなるため、0<HV-HV≦100を満足することが望ましい。また、中心部の平均硬さHVはボルトの軸線を含む中心部からボルト直径の1/4位置までのHV硬さを荷重100gfで10点以上測定し、算出すればよい。 FIG. 8 is a graph for explaining the surface hardness of the thread valley root. The graph in FIG. 8 shows an example of HV hardness measured in the axial direction from the surface of the thread valley root (the position corresponding to the reference point 8P shown above). The HV hardness is measured at a load of 100 gf, starting from a depth of 0.2 mm from the surface in the thread valley root cross section, with a pitch of 0.1 mm up to a depth of 1.5 mm, and then at a pitch of 1 mm from a depth of 1.5 mm to the central depth including the bolt axis. In the same manner, the hardness distribution is measured at two or more points on the same thread valley root, and the average value at each measurement point is obtained. In the region where the surface hardness is reduced as described above, specifically the surface layer of the thread valley root, it is preferable that the hardness is reduced by 10 HV or more per mm of depth. However, if the hardness is reduced by 100 HV or more per mm of depth, the plastic strain when the bolt is tightened becomes large, making it easier for brittle fracture due to hydrogen penetration to occur, so it is preferable that the softening per mm of depth is 10 HV or more and less than 100 HV. This condition is expressed by the following formula (1), where HV a is the average hardness of the center including the bolt axis, HV S is the average hardness of the outermost layer located 0.2 mm deep from the surface, and d (mm) is the depth at which the average hardness reaches the average hardness HV a at the center. Note that 0.2≦d≦1.5, and since brittle fracture due to hydrogen penetration is likely to occur if the surface hardness HV S at the thread root becomes too low, it is desirable to satisfy 0<HV a -HV s ≦100. Furthermore, the average hardness HV a at the center may be calculated by measuring the HV hardness from the center including the bolt axis to a position 1/4 of the bolt diameter at 10 or more points under a load of 100 gf.

Figure 0007522348000002
Figure 0007522348000002

図9Aおよび図9Bは、残留応力パラメータについて説明するための図である。図9Aはボルトのねじ谷底を拡大した模式図であり、ねじ谷底の残留応力の測定方向が示されている。本検討では、ねじ谷底の表面から深さ0.5mmにおけるボルト軸方向の残留応力について、以下のパラメータを規定した。各パラメータは、X線回折法によって、ねじ谷底1箇所につき、周方向に0°、90°、180°、270°回転させたそれぞれの点で残留応力を測定し、同じボルトでねじ谷底の測定箇所を3箇所以上変えて測定すればよい。図9Bのグラフには、1つのボルトでのねじ谷底部の残留応力の測定例を模式的に示しており、σRmax、σRminおよびσΔRの求め方を例示している。各パラメータは引張側を正、圧縮側を負として表される。
最大残留応力:σRmax(MPa)
最小残留応力:σRmin(MPa)
残留応力のボルト周方向における標準偏差:σΔR(MPa)
9A and 9B are diagrams for explaining residual stress parameters. FIG. 9A is a schematic diagram of an enlarged thread root of a bolt, showing the measurement direction of the residual stress at the thread root. In this study, the following parameters were specified for the residual stress in the bolt axial direction at a depth of 0.5 mm from the surface of the thread root. Each parameter can be measured by X-ray diffraction at each point of one thread root rotated 0°, 90°, 180°, and 270° in the circumferential direction, and the measurement points of the thread root can be changed at three or more points on the same bolt. The graph in FIG. 9B shows a schematic example of a measurement of the residual stress at the thread root of one bolt, and illustrates how to obtain σ Rmax, σ Rmin , and σ ΔR . Each parameter is expressed as positive on the tension side and negative on the compression side.
Maximum residual stress: σ Rmax (MPa)
Minimum residual stress: σ Rmin (MPa)
Standard deviation of residual stress in the bolt circumferential direction: σ ΔR (MPa)

このうち、残留応力のボルト周方向におけるばらつきを示す標準偏差σΔRについては、以下の式(2)が成り立つことが好ましい。式(2)は、ねじ谷底部の表層における軟化量、すなわちボルト中心部の平均硬さHVとねじ谷底部の最表層部の平均硬さHVとの差分と標準偏差σΔRとが相加的に所定値以内であることを規定する。表層における軟化量が大きい場合には、ボルト締結時の不均一変形による耐水素脆化特性の低下を防止するために、残留応力のばらつきをより小さくする必要がある。 Of these, with regard to the standard deviation σ ΔR , which indicates the variation in residual stress in the circumferential direction of the bolt, it is preferable that the following formula (2) be satisfied. Formula (2) specifies that the amount of softening in the surface layer of the thread root, i.e., the difference between the average hardness HV a in the center of the bolt and the average hardness HV S of the outermost surface layer at the thread root, and the standard deviation σ ΔR are additively within a predetermined value. When the amount of softening in the surface layer is large, it is necessary to make the variation in residual stress smaller in order to prevent a decrease in hydrogen embrittlement resistance due to non-uniform deformation during bolt tightening.

Figure 0007522348000003
Figure 0007522348000003

また、より好ましくは、最大引張残留応力σRmaxと最小引張残留応力σRminとは、以下の式(3)の条件を満たす。 More preferably, the maximum tensile residual stress σ Rmax and the minimum tensile residual stress σ Rmin satisfy the condition of the following formula (3).

Figure 0007522348000004
Figure 0007522348000004

上記のような本発明の実施形態に係る高強度ボルトは、例えば、質量%で、C:0.35~0.45%、Si:0.50%未満、Mn:0.40%超1.00%未満、P:0.030%未満、S:0.030%未満、Cr:0.05~1.50%未満、Mo:0.30%超2.50%未満、V:0.05%超0.50%未満、Al:0.005%超0.080%未満、N:0.0150%未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材で形成することができる。また、ボルトの引張強度は1300MPa以上1800MPa以下であることが望ましい。 The high-strength bolt according to the embodiment of the present invention as described above can be formed from a steel material containing, for example, by mass%, C: 0.35 to 0.45%, Si: less than 0.50%, Mn: more than 0.40% and less than 1.00%, P: less than 0.030%, S: less than 0.030%, Cr: 0.05 to less than 1.50%, Mo: more than 0.30% and less than 2.50%, V: more than 0.05% and less than 0.50%, Al: more than 0.005% and less than 0.080%, N: less than 0.0150%, with the balance being Fe and unavoidable impurities. In addition, it is desirable for the tensile strength of the bolt to be 1300 MPa or more and 1800 MPa or less.

上記成分が望ましい理由を以下に述べる。
Cは、鋼の強度を向上させる元素である。ボルトに所定の強度を付与するために、C量は0.35%以上であり、好ましくはC量を0.38%以上とする。一方、C量が0.45%を超えるとボルト製造時の冷間圧造性が低下する。好ましくはC量を0.43%以下とする。
Siは、鋼の強度、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させるが、0.50%以上含有するとボルト製造時の冷間圧造性が低下する。そのため、Si量は0.50%未満であり、好ましくは0.10%未満とする。
Mnは鋼の強度及び焼入れ性を向上させる有用な元素である。本例では、効果を得るためにMn量を0.40%を超えて含有させ、好ましくは、0.45%以上とする。一方、Mn量が1.00%以上になると脆性破壊が起こりやすくなるため、上限を1.00%未満とする。好ましくはMn量の上限は0.80%以下とする。
Pは、含有量が0.030%以上になると靱性および耐遅れ破壊特性を劣化させるため、上限を0.030%未満に制限する。好ましくは、P量の上限を0.010%以下に制限する。P量の下限は、製造コストの観点から、0.001%以上とする。
Sは、MnSを形成する元素であり、0.030%以上を含有すると冷間圧造時に割れを生じ、冷間圧造性が劣化するため、0.030%未満に制限する。好ましくは、S量の上限を0.010%以下に制限する。S量の下限は、製造コストの観点から、0.003%以上とする。
Crは、鋼の強度、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる有用な元素である。本例では、効果を得るためにCr量を0.05%以上とする。好ましくはCr量を0.10%以上とし、より好ましくは1.00%以上とする。一方、1.50%以上のCrを含有すると、硬さの上昇によってボルト成形時の冷間鍛造性が劣化するため、Cr量の上限を1.50%未満とする。好ましくはCr量の上限を1.40%以下とし、より好ましくは1.30%以下とする。
Moは、鋼の強度、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる有用な元素である。本例では、効果を得るためにMo量を0.30%を超えて含有しなければならない。好ましくはMo量を0.50%以上とし、より好ましくは0.90%以上とする。一方、2.50%以上のMoを含有すると、硬さの上昇によって冷間鍛造性が劣化するため、Mo量の上限を2.50%未満とする。好ましくはMo量の上限を2.00%以下とし、より好ましくは1.20%以下とする。
Vは、焼戻し軟化抵抗を向上させる有用な元素である。本例では、効果を得るためにV量を0.05%を超えて含有しなければならない。好ましくはV量を0.10%以上とし、より好ましくは0.30%以上とする。一方、0.50%以上のVを含有すると、硬さの上昇によって冷間圧造性が劣化するため、V量の上限を0.50%未満とする。好ましくはV量の上限を0.40%以下とし、より好ましくは0.35%以下とする。
Alは、鋼の脱酸に有効であり、微細なAlやAlNを形成する元素であり、結晶粒の粗大化の抑制にも有効である。本例では、効果を得るために、0.005%以上のAlを添加する。一方、0.080%を超えるAlを添加しても効果が飽和するので、Al量の上限を0.080%以下とする。
Nは、VNを生成してV添加による軟化抵抗の向上の効果を損なうため、上限を0.0150%以下とする。好ましくは0.0080%以下とする。N量の下限は、製造コストの観点から、0.0020%以上とする。
上記の成分を有する鋼を用いて、冷間圧造により頭部を成形し、転造にてねじ部を成形し、焼入れ、焼戻し処理にてボルトを製造する。
The reasons why the above ingredients are desirable are as follows.
C is an element that improves the strength of steel. In order to impart a predetermined strength to the bolt, the C content is 0.35% or more, and preferably 0.38% or more. On the other hand, if the C content exceeds 0.45%, the cold heading property during bolt manufacturing decreases. Preferably, the C content is 0.43% or less.
Silicon improves the strength, hardenability, and temper softening resistance of steel, but if it is contained in an amount of 0.50% or more, the cold heading property during bolt manufacturing decreases. Therefore, the amount of silicon is less than 0.50%, and preferably less than 0.10%.
Mn is a useful element for improving the strength and hardenability of steel. In this embodiment, in order to obtain this effect, the Mn content is set to more than 0.40%, and preferably to 0.45% or more. On the other hand, if the Mn content is 1.00% or more, brittle fracture is likely to occur, so the upper limit is set to less than 1.00%. Preferably, the upper limit of the Mn content is set to 0.80% or less.
Since P deteriorates toughness and delayed fracture resistance when its content is 0.030% or more, the upper limit is limited to less than 0.030%. Preferably, the upper limit of the P content is limited to 0.010% or less. From the viewpoint of production costs, the lower limit of the P content is set to 0.001% or more.
S is an element that forms MnS, and since cracks occur during cold heading and cold heading property deteriorates when the content is 0.030% or more, the S content is limited to less than 0.030%. Preferably, the upper limit of the S content is limited to 0.010% or less. The lower limit of the S content is set to 0.003% or more from the viewpoint of manufacturing costs.
Cr is a useful element for improving the strength, hardenability, and temper softening resistance of steel. In this embodiment, the Cr content is set to 0.05% or more in order to obtain the effect. Preferably, the Cr content is set to 0.10% or more, more preferably, 1.00% or more. On the other hand, if Cr is contained at 1.50% or more, the cold forgeability during bolt forming deteriorates due to an increase in hardness, so the upper limit of the Cr content is set to less than 1.50%. Preferably, the upper limit of the Cr content is set to 1.40% or less, more preferably, 1.30% or less.
Mo is a useful element for improving the strength, hardenability, and temper softening resistance of steel. In this embodiment, the Mo content must exceed 0.30% in order to obtain the effect. The Mo content is preferably 0.50% or more, more preferably 0.90% or more. On the other hand, if Mo is contained in an amount of 2.50% or more, the cold forgeability deteriorates due to an increase in hardness, so the upper limit of the Mo content is set to less than 2.50%. The upper limit of the Mo content is preferably 2.00% or less, more preferably 1.20% or less.
V is a useful element for improving temper softening resistance. In this embodiment, the V content must exceed 0.05% in order to obtain the effect. The V content is preferably 0.10% or more, and more preferably 0.30% or more. On the other hand, if 0.50% or more of V is contained, the cold heading property deteriorates due to an increase in hardness, so the upper limit of the V content is set to less than 0.50%. The upper limit of the V content is preferably 0.40% or less, and more preferably 0.35% or less.
Al is effective for deoxidizing steel, and is an element that forms fine Al2O3 and AlN, and is also effective for suppressing the coarsening of crystal grains. In this example, 0.005% or more of Al is added to obtain the effect. On the other hand, even if more than 0.080% of Al is added, the effect is saturated, so the upper limit of the Al content is set to 0.080% or less.
Since N generates VN and impairs the effect of improving softening resistance by adding V, the upper limit is set to 0.0150% or less, and preferably to 0.0080% or less. From the viewpoint of production costs, the lower limit of the N content is set to 0.0020% or more.
Using steel having the above composition, the head is formed by cold heading, the threads are formed by rolling, and the bolt is manufactured by hardening and tempering.

ここで表1に示す化学成分の鋼材を溶製後、圧延し、軟質化熱処理を行った後、冷間鍛造を行い、直径22mmのボルトを試作した。試作したボルトは、実施例1から実施例6の6水準である。それぞれの例において、ねじ部は上記の条件、すなわち第1部分のθ≦32°の範囲および第2部分のθ≦8°の範囲においてκaveH<5となる条件を満たす形状、具体的には上記で図2Bを参照して説明された形状に成形された。実施例1および実施例2については、冷間鍛造によって、ボルト形状に成形した後、転造加工によってねじ部を成形した。ねじ部を成形後、カーボンポテンシャル(CP)が制御可能な雰囲気炉を用い、920℃で2時間加熱し、焼き入れを行った。焼き入れ加熱時に、ねじ谷底表層部のHv硬度を制御するため、最初の1時間はCPを0.45%の炭素量に相当する値に設定して加熱し、残りの1時間はCPを0.25%の炭素量に相当する値に設定して加熱した。焼き入れ後、1300MPa以上の引張強度になるよう、600℃で焼き戻し処理を行った。また、実施例3については、ボルトのねじ谷底の表層硬度を制御するため、CPを0.45%の炭素量に相当する値に設定し、920℃で1時間の加熱し、焼き入れを行った後、600℃で焼き戻し処理を行った。また実施例4については、CPを0.25%の炭素量に相当する値に設定し、920℃で1時間の加熱焼き入れを行った後、600℃で焼き戻し処理を行った。一方、実施例5および実施例6については、ボルトのねじ谷底部の残留応力を変化させるため、実施例1および実施例2と同じ焼き入れ・焼き戻し条件で熱処理を行った後、異なる加工速度でねじ転造を行い、ボルトを試作した。 Here, steel material having the chemical composition shown in Table 1 was melted, rolled, subjected to softening heat treatment, and then cold forged to produce a bolt having a diameter of 22 mm. The bolts produced were six levels, from Example 1 to Example 6. In each example, the threaded portion was formed into a shape that satisfies the above condition, that is, the condition that κ ave H < 5 in the range of θ 1 ≦ 32° of the first portion and the range of θ 2 ≦ 8° of the second portion, specifically, the shape described above with reference to FIG. 2B. For Example 1 and Example 2, the bolt shape was formed by cold forging, and then the threaded portion was formed by rolling. After forming the threaded portion, it was heated at 920°C for 2 hours using an atmosphere furnace in which the carbon potential (CP) can be controlled, and quenched. In order to control the Hv hardness of the surface layer of the thread valley root during quenching and heating, the CP was set to a value equivalent to 0.45% carbon content for the first hour and heated to a value equivalent to 0.25% carbon content for the remaining hour. After quenching, tempering was performed at 600 ° C. to obtain a tensile strength of 1300 MPa or more. In addition, for Example 3, in order to control the surface hardness of the thread valley root of the bolt, the CP was set to a value equivalent to 0.45% carbon content, heated at 920 ° C. for 1 hour, quenched, and then tempered at 600 ° C. In addition, for Example 4, the CP was set to a value equivalent to 0.25% carbon content, heated and quenched at 920 ° C. for 1 hour, and then tempered at 600 ° C. On the other hand, for Examples 5 and 6, in order to change the residual stress at the thread valley root of the bolt, heat treatment was performed under the same quenching and tempering conditions as Examples 1 and 2, and then thread rolling was performed at different processing speeds to prototype the bolt.

Figure 0007522348000005
Figure 0007522348000005

図10A~図10D、図11Aおよび図11Bは、ねじ谷底部における深さ方向の硬さ分布とボルト周方向での残留応力のばらつきとの関係を示す図である。図10A、図10B、図10C、図10Dはそれぞれ実施例1~実施例4で測定したそれぞれのねじ谷底部における深さ方向の硬さ分布であり、図11A、図11Bはそれぞれ実施例1、実施例5のねじ谷底部で測定した軸方向の残留応力のばらつきを示している。図10A~図10Dにはボルトのねじ谷底部の断面2箇所で測定された平均硬さ(HV)がねじ谷底部の表面からの深さ0~11mmの範囲について示されている。また、図11Aおよび図11Bには、ボルトのねじ谷底部から0.5mm深さの位置における軸方向の残留応力(MPa)が、ねじ谷底部周方向の0°位置、90°位置、180°位置、および270°位置についてそれぞれ示されている。 Figures 10A to 10D, 11A and 11B are diagrams showing the relationship between the hardness distribution in the depth direction at the thread root and the variation in residual stress in the bolt circumferential direction. Figures 10A, 10B, 10C and 10D show the hardness distribution in the depth direction at the thread root measured in Examples 1 to 4, respectively, and Figures 11A and 11B show the variation in axial residual stress measured at the thread root in Examples 1 and 5, respectively. Figures 10A to 10D show the average hardness (HV) measured at two locations on the cross section of the thread root of the bolt for a depth range of 0 to 11 mm from the surface of the thread root. Also, Figures 11A and 11B show the axial residual stress (MPa) at a position 0.5 mm deep from the thread root of the bolt for the 0°, 90°, 180° and 270° positions in the circumferential direction of the thread root.

表2には、試作したそれぞれのボルトで測定されたねじ谷底のHV硬さおよび残留応力のデータを記載した。表2および図10A、図10Bのグラフに示されるように、実施例1および実施例2では表面から深さが1.5mm以下の領域で式(1)を満足する範囲で硬さが低下しており、表層硬さが低減している。一方、表2および図10Cに示されるように、実施例3では表面からの深さが1.5mm以下の領域で硬さの低下が小さく、式(1)の値が10未満となっている。また表2および図10Dに示されるように、実施例4では表層硬さの低下が大きく、式(1)の値が100を超えている。 Table 2 lists the HV hardness and residual stress data measured at the root of the thread for each prototype bolt. As shown in Table 2 and the graphs in Figures 10A and 10B, in Examples 1 and 2, the hardness is reduced within a range that satisfies formula (1) in the area 1.5 mm or less deep from the surface, and the surface hardness is reduced. On the other hand, as shown in Table 2 and Figure 10C, in Example 3, the hardness reduction is small in the area 1.5 mm or less deep from the surface, and the value of formula (1) is less than 10. Also, as shown in Table 2 and Figure 10D, in Example 4, the reduction in surface hardness is large, and the value of formula (1) exceeds 100.

Figure 0007522348000006
Figure 0007522348000006

表2および図11Aに示すように、実施例1では式(2)の値が300以下であり、ねじ谷底部の残留応力のばらつきが小さい。一方、表2および図11Bに示すように、実施例5では、ねじ谷底部の残留応力のばらつきが大きく、式(2)の値が300を超えている。表2に示す通り、実施例6についても、式(2)の値が300を超えている。 As shown in Table 2 and Figure 11A, in Example 1, the value of formula (2) is 300 or less, and the variation in residual stress at the root of the thread valley is small. On the other hand, as shown in Table 2 and Figure 11B, in Example 5, the variation in residual stress at the root of the thread valley is large, and the value of formula (2) exceeds 300. As shown in Table 2, in Example 6, the value of formula (2) also exceeds 300.

上記のように試作したボルトについて、それぞれ塑性域締めに相当する応力でボルトを締結治具に締め付け、治具を観覧車式腐食促進試験機に設置し、3.5%NaCl溶液への1時間あたり10分間の浸漬と乾燥を繰り返す腐食促進試験を行い、12か月間での破断有無によって水素脆化評価を行った。実施例1~6のボルトは、いずれも8か月間破断がなく、優れた耐水素脆化特性が得られていることを確認した。さらに腐食促進試験を継続し、12か月間継続して評価した結果を表2に示す。12か月間継続しても破断が無かったボルトをA、12か月間までに破断が発生したボルトをBで示した。実施例1および実施例2では12か月間破断が発生せず、実施例3から実施例6ではいずれも8か月間までの試験では破断が発生しなかったものの、12か月間までに破断が発生していることがわかる。実施例1~実施例6のボルトはいずれも、ねじ部が上記で説明したような形状に成形されることによって水素脆化特性が向上させられているが、より厳しい腐食環境の下では実施例1および実施例2のような条件を満たすボルトの方がより優れた水素脆化特性を示す。 The bolts prototyped as described above were each fastened to a fastening jig with a stress equivalent to plastic region tightening, and the jig was placed in a Ferris wheel-type accelerated corrosion tester. An accelerated corrosion test was performed in which the bolts were repeatedly immersed in a 3.5% NaCl solution for 10 minutes per hour and then dried. Hydrogen embrittlement was evaluated based on the presence or absence of fracture after 12 months. None of the bolts in Examples 1 to 6 fractured for 8 months, confirming that they had excellent hydrogen embrittlement resistance. The accelerated corrosion test was then continued for 12 months, and the results are shown in Table 2. Bolts that did not fracture even after 12 months are indicated by A, and bolts that fractured within 12 months are indicated by B. It can be seen that no fracture occurred for 12 months in Examples 1 and 2, and no fracture occurred for 8 months in Examples 3 to 6, but fracture occurred within 12 months. The bolts in Examples 1 to 6 all have improved hydrogen embrittlement resistance due to the threads being formed into the shapes described above, but in more severe corrosive environments, bolts that satisfy the conditions of Examples 1 and 2 exhibit better hydrogen embrittlement resistance.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。本発明の属する技術の分野の当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The above describes in detail preferred embodiments of the present invention with reference to the attached drawings, but the present invention is not limited to these examples. It is clear that a person skilled in the art of the technical field to which the present invention pertains can come up with various modified or revised examples within the scope of the technical ideas described in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.

1…高強度ボルト、2…頭部、3…軸部、4…ねじ部、5…ねじ山、6…ねじ溝、7A…圧力側フランク、7B…遊び側フランク、8…谷底、8A…第1部分、8B…第2部分、8P…基準点、X…軸線、Xn…軸線の垂線。
1...high strength bolt, 2...head, 3...shank, 4...threaded portion, 5...thread thread, 6...thread groove, 7A...pressure side flank, 7B...play side flank, 8...root, 8A...first portion, 8B...second portion, 8P...reference point, X...axis, Xn...perpendicular to axis.

Claims (6)

軸線を含む断面形において、圧力側フランクに連続する谷底の第1部分と、遊び側フランクに連続し、かつ前記断面形において前記谷底の法線が前記軸線の垂線に一致する基準点で前記第1部分と境界づけられる前記谷底の第2部分とを定義したときに、
前記第1部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第1の角度が32°以下の範囲、および前記第2部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第2の角度が8°以下の範囲における前記断面形の平均曲率κaveが、前記ねじのとがり山の高さHに対してκaveH<5の関係を満たし、
前記圧力側フランクおよび前記遊び側フランクにそれぞれ連続する半径r の第1および第2の円弧と、前記第1および第2の円弧に連続する半径r の第3の円弧とで前記断面形が構成され、
<r である、高強度ボルト。
When a first portion of the root is continuous with the pressure side flank in a cross-sectional shape including the axis, and a second portion of the root is continuous with the play side flank and is bounded by the first portion at a reference point where a normal line of the root coincides with a perpendicular line of the axis in the cross-sectional shape,
an average curvature κ ave of the cross-sectional shape in a range in which a first angle formed by the normal line with a perpendicular line to the axis in the first portion is 32° or less, and in a range in which a second angle formed by the normal line with a perpendicular line to the axis in the second portion is 8° or less, satisfies a relationship of κ ave H < 5 with respect to a height H of the thread crest ;
The cross-sectional shape is constituted by a first and a second circular arc of radius r1 continuing to the pressure side flank and the play side flank, respectively, and a third circular arc of radius r2 continuing to the first and second circular arcs ,
A high strength bolt , where r1 < r2 .
軸線を含む断面形において、圧力側フランクに連続する谷底の第1部分と、遊び側フランクに連続し、かつ前記断面形において前記谷底の法線が前記軸線の垂線に一致する基準点で前記第1部分と境界づけられる前記谷底の第2部分とを定義したときに、
前記第1部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第1の角度が32°以下の範囲、および前記第2部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第2の角度が8°以下の範囲における前記断面形の平均曲率κaveが、前記ねじのとがり山の高さHに対してκaveH<5の関係を満たし、
前記遊び側フランクに連続する円弧と、前記圧力側フランクおよび前記円弧に連続し曲率半径が前記円弧の半径以上になる部分を含む高次曲線とで前記断面形が構成される、高強度ボルト。
When a first portion of the root is continuous with the pressure side flank in a cross-sectional shape including the axis, and a second portion of the root is continuous with the play side flank and is bounded by the first portion at a reference point where a normal line of the root coincides with a perpendicular line of the axis in the cross-sectional shape,
an average curvature κ ave of the cross-sectional shape in a range in which a first angle formed by the normal line with a perpendicular line to the axis in the first portion is 32° or less, and in a range in which a second angle formed by the normal line with a perpendicular line to the axis in the second portion is 8° or less, satisfies a relationship of κ ave H < 5 with respect to a height H of the thread crest ;
A high-strength bolt, the cross-sectional shape of which is composed of a circular arc continuing from the play side flank, and a higher-order curve continuing from the pressure side flank and the circular arc and including a portion whose radius of curvature is equal to or greater than the radius of the circular arc .
前記谷底の第1部分および第2部分において、前記軸線を含む中心部の平均硬さをHVa、表面からの深さ0.2mmの最表層部における平均硬さHVs、平均硬さが前記中心部の平均硬さHVaに達する位置の深さd(mm)、表面の深さ0.5mmの位置における前記軸線方向の残留応力の標準偏差をσΔR(MPa)としたときに、0.2≦d≦1.5であり、以下の式(i)および(ii)の関係が満たされる、請求項1または請求項2に記載の高強度ボルト。
Figure 0007522348000007
3. A high-strength bolt according to claim 1 or 2, wherein, in the first and second portions of the valley bottom, when an average hardness of a center portion including the axis is HVa, an average hardness of a surface layer portion at a depth of 0.2 mm from the surface is HVs, a depth d (mm) at a position where the average hardness reaches the average hardness HVa of the center portion, and a standard deviation of residual stress in the axial direction at a position 0.5 mm deep from the surface is σ ΔR (MPa), 0.2≦d≦1.5 and the relationship of the following formulas (i) and ( ii ) is satisfied.
Figure 0007522348000007
軸線を含む断面形において、圧力側フランクに連続する谷底の第1部分と、遊び側フランクに連続し、かつ前記断面形において前記谷底の法線が前記軸線の垂線に一致する基準点で前記第1部分と境界づけられる前記谷底の第2部分とを定義したときに、
前記第1部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第1の角度が32°以下の範囲、および前記第2部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第2の角度が8°以下の範囲における前記断面形の平均曲率κaveが、前記ねじのとがり山の高さHに対してκaveH<5の関係を満たし、
前記谷底の第1部分および第2部分において、前記軸線を含む中心部の平均硬さをHVa、表面からの深さ0.2mmの最表層部における平均硬さHVs、平均硬さが前記中心部の平均硬さHVaに達する位置の深さd(mm)、表面の深さ0.5mmの位置における前記軸線方向の残留応力の標準偏差をσ ΔR (MPa)としたときに、0.2≦d≦1.5であり、以下の式(i)および(ii)の関係が満たされる、高強度ボルト。
Figure 0007522348000008
When a first portion of the root is continuous with the pressure side flank in a cross-sectional shape including the axis, and a second portion of the root is continuous with the play side flank and is bounded by the first portion at a reference point where a normal line of the root coincides with a perpendicular line of the axis in the cross-sectional shape,
an average curvature κ ave of the cross-sectional shape in a range in which a first angle formed by the normal line with a perpendicular to the axis in the first portion is 32° or less, and in a range in which a second angle formed by the normal line with a perpendicular to the axis in the second portion is 8° or less, satisfies a relationship of κ ave H < 5 with respect to a height H of the thread crest ;
A high-strength bolt in which, in the first and second portions of the valley bottom, an average hardness of a center portion including the axis is HVa, an average hardness of a surface layer portion at a depth of 0.2 mm from the surface is HVs, a depth d (mm) at a position where the average hardness reaches the average hardness HVa of the center portion, and a standard deviation of residual stress in the axial direction at a position 0.5 mm deep from the surface is σ ΔR (MPa), where 0.2≦d≦1.5 is satisfied and the relationship of the following formulas (i) and (ii) is satisfied .
Figure 0007522348000008
質量%で、C:0.35~0.45%、Si:0.50%未満、Mn:0.40%超1.00%未満、P:0.030%未満、S:0.030%未満、Cr:0.05~1.50%未満、Mo:0.30%超2.50%未満、V:0.05%超0.50%未満、Al:0.005%超0.080%未満、N:0.0150%未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材で形成され、引張強度が1300MPa以上1800MPa以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の高強度ボルト。 A high-strength bolt according to any one of claims 1 to 4, which is formed from a steel material containing, by mass%, C: 0.35 to 0.45%, Si: less than 0.50%, Mn: more than 0.40% and less than 1.00%, P: less than 0.030%, S: less than 0.030%, Cr: 0.05 to less than 1.50%, Mo: more than 0.30% and less than 2.50%, V: more than 0.05% and less than 0.50%, Al: more than 0.005% and less than 0.080%, N: less than 0.0150%, with the balance being Fe and unavoidable impurities, and has a tensile strength of 1300 MPa or more and 1800 MPa or less. 軸線を含む断面形において、圧力側フランクに連続する谷底の第1部分と、遊び側フランクに連続し、かつ前記断面形において前記谷底の法線が前記軸線の垂線に一致する基準点で前記第1部分と境界づけられる前記谷底の第2部分とを定義したときに、
前記第1部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第1の角度が32°以下の範囲、および前記第2部分で前記法線が前記軸線の垂線に対してなす第2の角度が8°以下の範囲における前記断面形の平均曲率κaveが、前記ねじのとがり山の高さHに対してκaveH<5の関係を満たし、
質量%で、C:0.35~0.45%、Si:0.50%未満、Mn:0.40%超1.00%未満、P:0.030%未満、S:0.030%未満、Cr:0.05~1.50%未満、Mo:0.30%超2.50%未満、V:0.05%超0.50%未満、Al:0.005%超0.080%未満、N:0.0150%未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材で形成され、引張強度が1300MPa以上1800MPa以下である、高強度ボルト。
When a first portion of the root is continuous with the pressure side flank in a cross-sectional shape including the axis, and a second portion of the root is continuous with the play side flank and is bounded by the first portion at a reference point where a normal line of the root coincides with a perpendicular line of the axis in the cross-sectional shape,
an average curvature κ ave of the cross-sectional shape in a range in which a first angle formed by the normal line with a perpendicular line to the axis in the first portion is 32° or less, and in a range in which a second angle formed by the normal line with a perpendicular line to the axis in the second portion is 8° or less, satisfies a relationship of κ ave H < 5 with respect to a height H of the thread crest ;
A high-strength bolt having a tensile strength of 1,300 MPa or more and 1,800 MPa or less, which is formed from a steel material containing, by mass%, C: 0.35 to 0.45%, Si: less than 0.50%, Mn: more than 0.40% and less than 1.00%, P: less than 0.030%, S: less than 0.030%, Cr: 0.05 to less than 1.50%, Mo: more than 0.30% and less than 2.50%, V: more than 0.05% and less than 0.50%, Al: more than 0.005% and less than 0.080%, N: less than 0.0150%, and the balance being Fe and unavoidable impurities .
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