高応力環境向け高張力ボルトの選び方

ボルトが『高張力』と呼ばれる理由：グレード・規格および800 MPaの引張強度閾値

高張力ボルトのグレード（8.8、10.9、12.9）とその最小引張強度の解読

ボルトは、最小引張強さが800 MPaに達すると「高張力」として分類されます。これは世界中の多くのエンジニアが、本格的な構造用用途に十分信頼できると考える基準値です。ISO 898-1規格によれば、こうしたメートリックボルトには特別な2桁のコードが付けられています。最初の数字を100倍すると、MPa単位での引張強さがわかります。次に2番目の数字を10倍すると、全引張強さに対する降伏強さの割合（パーセンテージ）がわかります。実際にハードウェアの仕様書を見てみるまで、この規則はあまり直感的ではないかもしれません。

• グレード 8.8 ：引張強さ800 MPa、降伏強さ640 MPa（80％の比率）。建築フレームや機器台座など、一般的な構造用途に適しています。
• グレード 10.9 ：引張強さ1040 MPa、降伏強さ940 MPa（90％の比率）。クロムモリブデン鋼などの合金鋼によって実現され、クレーンのブームやローターアセンブリなど、高応力がかかる継手に使用されます。
• グレード 12.9 引張強さ1200 MPa、降伏強さ1100 MPa（90％の比）；高炭素合金鋼を精密な焼入れ・焼戻し処理により製造され、鉱山用コンベアや航空宇宙分野のサブアセンブリなど、極限負荷がかかる用途に限定して使用される。

選定は、荷重の種類、安全率、および使用環境に基づいて行われる——単に強度だけを基準にするものではない。設計上の根拠を伴わない高強度等級の過剰仕様化は、脆性の増加および水素脆化リスクの上昇を招く可能性がある。

高張力ボルトの主要な国際規格：ISO 898-1、ASTM A325／A490、およびASTM A354

グローバルな相互運用性および安全性は、材質組成、機械的性能、トレーサビリティを規定する調和された規格に依存している。ISO 898-1はメートル系高張力ボルトの基準規格であり、化学成分限界、熱処理条件、および引張試験、硬度試験、耐力試験を含む必須試験項目を明記している。

北米では、ASTM規格はISO等級と密接に一致していますが、従来の命名法および用途別基準を反映しています。

• Astm a325 ：ISO 8.8（引張強さ最低827 MPa）相当の構造用ボルトで、鋼構造建築物および橋梁で広く使用されています。
• ASTM A490 ：ISO 10.9（引張強さ最低1035 MPa）相当の高強度構造用ボルトで、耐震地域や重工業用構造物における重要接合部への使用が義務付けられています。
• ASTM A354 ：BCグレード（10.9相当）およびBDグレード（12.9相当）の焼入れ・焼戻し合金鋼製ボルトで、優れた疲労抵抗性および高温安定性を必要とする用途向けに設計されています。

これら3つのASTM規格では、材料の完全なトレーサビリティを確保するため、ボルト頭部への刻印が必須とされており、工学的承認なしでの代替使用は禁止されています。

極限的な機械的・環境条件下における高張力ボルトの材質選定

合金鋼（42CrMo、B7、40CrNiMo）：降伏強さ、靭性および疲労抵抗性の最適化

強度が求められるボルトに関しては、コストが最優先でない場合、実用上は合金鋼がその性能を大きく左右します。たとえばクロムモリブデン合金、特にISO規格で10.9級および12.9級として規定されている42CrMo型があります。これらの材料は、慎重な焼入れ後に焼き戻しを行う適切な熱処理を施すことで、引張強さ1,040MPa以上に耐えることができます。実際にこれが意味するのは、十分な強度を持ちながらも脆くなりすぎず、繰り返しの応力サイクルによる破壊にも抵抗できるボルトが得られることです。この組み合わせは、重機のアーム部分や現代の風力タービンに搭載される複雑なギアシステムなど、部品同士が継続的に動き合うような使用環境において非常に効果的に機能します。

ASTM A193 B7（クロムモリブデン鋼）は、温度が約450℃に達しても優れた強度を維持します。そのため、石炭火力発電所におけるボイラー・フランジや蒸気配管などに広く使用されています。一方、極低温（マイナス50℃以下）の環境では、エンジニアは代わりに40CrNiMo合金を採用します。ニッケル含有量が結晶粒構造の微細化を促進し、衝撃に対する靭性を高め、急激な破断を防ぎます。これは、液化天然ガス（LNG）タンクおよびその輸送システムにおいて極めて重要です。また、加工工程中に少量のバナジウムを添加すると、加熱処理時のオーステナイト結晶粒が微細化されます。この単純な添加により、亀裂の発生が抑制され、反復応力下での部品寿命が延長されます。これは、洋上風力タービンを海底で支える構造物にとって特に重要な特性です。

腐食性または極低温環境下における高応力用途向けステンレス鋼および特殊合金

腐食問題や極端な温度環境に直面した場合、炭素鋼や低合金鋼ではもはや十分ではありません。このような状況では、強度要件と過酷な環境への耐性の両方を満たす特殊材料が求められます。例えばISO 3506規格に基づくオーステナイト系ステンレス鋼（A2-304やA4-316など）は、通常、腐食に対して比較的高い耐性を示します。しかし、ここに落とし穴があります。これらの鋼は、常温時と比べて約400℃になると、強度が半分以上低下し始めます。つまり実用上は、高温用途よりも、通常の条件またはわずかに高温の環境下での使用に適しているということです。

より過酷な使用条件向けには：

• 二相ステンレス鋼 (例：UNS S32205／S32304) は、22～25％のクロムと4～6％のニッケルおよび窒素を組み合わせることで、約550 MPaの降伏強度と優れた塩化物応力腐食割れ耐性を実現し、海洋油田・ガスプラットフォームおよび淡水化プラントに最適です。
• チタン合金 Grade 5 (Ti-6Al-4V) 鋼の約半分の密度でありながら895 MPaの引張強度を発揮するため、海水に曝される航空宇宙および海洋推進システムにおいて、高強度かつ軽量な締結が可能です。
• ニッケルベースのスーパーアロイ ほら インコネル 718 aSTM B637規格に適合認証済みであり、室温強度の90％以上を700°Cで維持するとともに、酸化およびクリープに耐えます。原子炉運転条件下での長期クリープ破断試験において、炭素鋼を300％上回る性能を示します。

重要インフラの要求に応える高張力ボルトの選定

風力タービンおよび橋梁：動的荷重下における初期締付け力の保持と疲労寿命の確保

風力タービンや大規模な長距離橋に使用されるボルトは、数十年にわたる運用期間中に何百万回もの荷重サイクルにさらされます。このような部品には単なる耐力以上のものが求められ、初期の締付張力の維持、破断に対する抵抗性、そして繰り返しの応力に耐えて劣化しない能力が特に重要です。例えばタービン塔の場合、これらのボルトは、絶え間ないねじれ振動、強風による曲げ荷重、材料を歪ませる可能性のある温度変化といった厳しい条件下でも、構造物全体を確実に保持し続ける必要があります。この締付力が低下し始めると、部品同士の相対的な滑り、表面の微細摩耗（フレッティング摩耗）が発生し、最終的には構造的な完全な破壊に至る恐れがあります。吊橋の場合も同様です。これらの橋ではアンカー部分が日々交通によるさまざまな応力変動にさらされます。こうした重要なボルトに十分な材質の靭性がなければ、通常の条件下よりもはるかに速い速度で微小亀裂が発生・成長するリスクがあります。

ほとんどの場合、等級10.9およびASTM A490が業界標準となっており、これは優れた降伏強度を提供し、応力比約0.1で1,000万回を超える疲労試験においても非常に優れた性能を発揮するためです。しかし、海洋環境（オフショア環境）では状況が急速に複雑化します。塩分を含む空気への継続的な暴露や海水の飛沫による影響により、通常のボルトではもはや十分な性能を発揮できなくなります。そのため、エンジニアは通常、デュプレックスステンレス鋼製ボルトまたは特殊なGeomet®コーティング済みA490ボルトを指定します。これらの材料は、構造強度を維持するとともに錆や劣化を防ぎ、過酷な海洋条件下でも重要なクリンプ力を確実に保持します。

発電所および重機械：熱サイクル、クリープ、および接合部の健全性の管理

部品が繰り返し加熱・冷却される際、異なる材料はそれぞれ異なる速度で膨張・収縮します。このようなボルトとフランジの熱膨張率の不一致は、緩み（リラクセーション）問題や加圧機器における漏れの発生を招く可能性があります。この問題は、温度が長時間にわたり540℃を超える状態が続くとさらに悪化します。このような高温条件下では、クリープ変形が支配的になります。応力が降伏限界以下であっても、ボルトは時間とともに徐々に伸びていきます。その伸長に伴い、締結力（クランプ力）が低下し、接合部全体が危険にさらされます。これは、蒸気タービンのアセンブリ、ボイラー・ヘッダーの接続部、および石油化学プラントに設置される大型反応槽など、故障が単なるコスト増加にとどまらず、重大な危険を伴うような重要用途において特に懸念されます。

ASTM A354 Grade BDボルトは、通常42CrMoまたは同等のクロム-モリブデン-バナジウム合金から製造されており、クリープ変形に耐え、温度変動が発生してもその強度を維持するように設計されています。これらのボルトを取り付ける際には、適切なトルク調整が不可欠です。多くの設置では、加熱時に異なる材料がそれぞれ異なる率で膨張するため、ホット締め付け手順が必要とされます。この問題は、石炭クラッシャーや油圧プレスなどの装置において特に顕著になります。このような装置では、繰り返しの衝撃荷重によりねじ山の間に微小な滑りが生じます。このわずかな動きは、時間の経過とともにエンジニアが「摩耗腐食（フレッティング摩耗）」と呼ぶ現象を引き起こします。この問題に対処するために、メンテナンスチームはしばしば高硬度ベレヴィルワッシャーを設置し、ねじ部に二硫化モリブデン潤滑剤を塗布します。これらの対策により、運転時の応力条件下でも摩擦を低減しつつ、ボルトの張力の安定を保つことができます。

高張力ボルトの長期信頼性を確保するための腐食防止戦略

亜鉛めっき、電解亜鉛めっき、およびGeomet®コーティング：性能上のトレードオフと水素脆化リスク

腐食防止措置は、高張力ボルトの機械的健全性を決して損なってはならない——特に等級10.9以上に分類されるボルトは、水素脆化に対して極めて感受性が高いため。

• ホットディップ亜鉛メッキ 厚く耐久性に優れた亜鉛・鉄合金層を提供し、海洋環境や農村環境において優れたバリア保護を実現するが、寸法変動を伴うため、公差の厳しい組立部品との干渉を引き起こす可能性があり、精度の高い嵌合を実現するには、コーティング後のタップ加工が必要となる。
• 電解亜鉛めっき コスト効率が良く均一性に優れるが、被膜が薄いため、酸性または塩分を含む環境下では劣化が速く進行する；屋内または遮蔽された構造物用途では依然として広く用いられている。
• Geomet®タイプのコーティング (ISO 10683またはASTM F1941に準拠した亜鉛／アルミニウムフレーク系処理)は、最小限の厚さ変化で優れた塩水噴霧耐性（ASTM B117による白色腐食発生まで1,000時間以上）を実現し、適合性と機能性を保持します。海洋構造物や輸送インフラに最適です。

すべての電気めっきプロセスでは、原子状水素が鋼材内部に侵入します。遅延脆性破壊を防ぐためには、等級10.9以上のボルトに対して特別な要求があります。これらのボルトはめっき後に焼成処理（ベーキング）を必ず行う必要があります。温度範囲は190〜230℃の間で、処理時間は少なくとも8時間以上である必要があります。特に重要なのは、この焼成処理をめっき完了後4時間以内に開始しなければならないということです。極めて重要な用途に使用される部品においては、この拡散処理工程を省略することは絶対にできません。製造業者は、サプライヤーがISO 10683附属書Cの規格、またはASTM F1941（第7項）の該当する規定に準拠していることを示す適切な文書を持っているか確認すべきです。このような対策を正しく実施することで、部品の信頼性に実際に大きな差が生じます。