A bolt is a representative fastener widely used in assembling parts and structures in various industries. Because of the recent market-driven need to save energy and the environment, development of a high-strength and eco-friendly bolt has become necessary. In order to achieve this goal, a new process design is developed in the present study; this design is aimed at improving the mechanical strength during the forming process by minimizing the addition of new alloying elements to the conventional material.
In this study, fully pearlitic high-carbon steel, known as a higher delayed fracture strength material, with an ultimate tensile strength of 1410 MPa was used for manufacturing a high-strength M8 bolt of 1600 MPa. Softening behavior was observed by the compression test of the material. The tensile strength of the material was measured after the application of several drawings. On the basis of these test results, two multi-stage manufacturing processes were designed by a knowledge-based expert system in order to develop a high-strength bolt using either the upsetting mode or the extrusion mode for the second preform. The load requirement and possible defect formation during the process were predicted by employing rigid-viscoplastic finite element analysis.
When the second preform was made in a laboratory experiment according to the process design on the basis of the upsetting mode, the specimens cracked at the flange in the final stage of forming. However, the bolt was successfully manufactured using the second preform obtained using the extrusion mode with an extended tool life in the laboratory test.
Hardening behavior of fully pearlitic steel was confirmed by investigation of the micro??structure of bolt body and head through scanning electron microscope. The tensile strength of 1650 and 1800 MPa was confirmed and the delayed fracture strength was validated with the manufactured bolt by experiments. Finally, torque test for suggesting fastening angle and torque for proper fastening force and fatigue test for validating the fatigue strength were carried out.
볼트는 대표적인 체결요소 이다. 최근 에너지 저감과 환경 친화성이 중요하게 대두되어, 고강도 볼트의 경제적인 생산 기술은 중요하다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 열처리나 고가의 합금원소의 추가 없이 고강도 볼트를 제작하는 새로운 공정을 제안하고자 한다.
본 연구에서는, 인장강도 1600 MPa급의 고강도 볼트 제작을 위하여, 우수한 지연파괴강도를 지니며 1410 MPa의 인장 강도를 보이는 펄라이트 조직의 고탄소강을 이용하였다. 본 소재는 압축 시험에서 변형 연화가 관찰 되었으며, 인발 공정에서는 단면감소에 따라 인장강도의 증가가 관찰 되었다. 이러한 시험 결과에 따라, 고강도 볼트 생산을 위한 압조 기반 공정과 압출 기반 공정의 두 가지 공정이 제안되었다. 강점소성 유한요소 해석 프로그램을 이용하여, 하중과 공정 중 발생 가능한 결함을 예측하여 공정을 수정 하였다.
압조 기반 공정 볼트의 경우, 생산 시험중, 볼트 플랜지 부분에서 전단 파괴가 관찰 되었다. 압출기반 공정 볼트의 경우, 성공적인 볼트 생산이 이루어졌으며, 금형수명 역시 우수한 결과를 보였다.
SEM을 통한 미세조직 관찰로, 대상 소재의 강화기구를 확인 하였으며, 인장 실험을 통하여 개발된 볼트의 강도가 각각 1650 MPa과 1800 MPa임을 확인 하였다. 또한 개발된 볼트의 우수한 지연 파괴 강도 역시 확인하였다. 마지막으로 축력 시험을 통하여 적절한 체결력 확보를 위한 조임각과 조임토크를 제안하였다.
