JP2007333186A - ねじ式ファスナー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】六価クロムが含まれていない材料を使用しつつ高い耐食性を確保したねじを提供する。
【解決手段】素地１１に表面処理層１２が形成されている。表面処理層１２は、素地１１から順に、鉄−亜鉛合金層１３、金属性のベースコート層１４、珪素系のトップコート層１５との三層になっており、ベースコート層１４は、微小なフレーク状の亜鉛及びアルミ及び珪素系無機バインダーを主成分としており、水又はグリコールの溶液となっている。鉄−亜鉛合金層１３とベースコート層１４とが金属系であることで一体化しており、かつ、トップコート層１５が無機系であることで格段に高い耐食性を確保できる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ねじ式ファスナー及びその製法に関するものである。ここでねじ式ファスナーとは雄ねじ又は雌ねじを有する締結具をいい、例えば、ビス類、ボルト、ナットなどが挙げられる。更に、ビス類には、先端部を尖らせて自己穿孔性を備えたもみ切り式ねじ、先端部を切刃付きドリル部と成したドリルねじ、金属材に対するセルフタッピング機能を有するタッピンねじ、先端をフラットに形成した小ねじなど、各種の形態がある。そして、本願発明は、特に、もみ切り式又はドリル式の自己穿孔ねじ（ビス）を好適な対象としている。なお、敢えて述べるまでもないが、タッピンねじにももみ切りタイプがある（ＪＩＳ Ｂ１１１５参照）。

ねじ類の耐食性（防錆性能）を高める方法として、錆びない素材を使用することと、防錆処理（表面処理）を施すこととに大別され、後者の表面処理としては、メッキ加工が挙げられる。しかし、メッキのみでは十分な耐食性を確保できない場合がある。例えば、建物の外装材を締結する場合のように、外気に晒される場合である。

耐食性を向上する方法として、特許文献１には、鋼製のドリルねじの表面処理方法として、素地（鉄）に亜鉛又は錫若しくは半田をメッキしてから加熱することでそれらメッキ金属と鉄との合金層を形成し、更に、合金層の表面に防錆用の表面皮膜を形成することが記載されている。そして、表面皮膜を形成する処理剤の例として特許文献１には、株式会社ダクロシャムロックから販売されている「ダクロダイズド」が挙げられている。
特許第２７７６４８４号公報

さて、金属による環境汚染は世界的な問題となっており、特に、メッキや表面処理に多用されていたクロム（特に六価クロム）はその害が指摘されており、基本的には全廃する方向に動いていると言える。

他方、「ダクロダイズド」は、アルミ及び亜鉛のフレーク状微粉とクロム酸系バインダーとを主成分としてこれらを溶媒に溶かした一種の塗料であり、これを例えばねじの表面に塗布してから加熱して焼き付けることにより、例えばねじの表面に防錆皮膜が形成される。そして、「ダクロダイズド」は防錆のみから見ると優れた商品であるが、クロムを含んでいるため環境汚染を誘発する虞が指摘されている。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、高い耐食性を確保しながら環境を汚染する虞がない安全なねじ式ファスナーの提供を課題とするものである。

既述のとおり、耐食性に優れたねじ式ファスナーを得る手段として、ステンレス鋼のような錆びない（錆びにくい）材料を使用する方法があるが、これは材料費用が嵩むという問題がある。また、ビス類には高い硬度を要求される場合があり、従って、素材の条件として焼き入れできることを求められることがあるが、ステンレスにおいても、焼き入れ可能なマルテンサイト系ステンレスは耐食性に劣り、耐食性が優れたオーステナイト系ステンレスは焼き入れできないというジレンマもある。

そこで、炭素鋼のように安価で加工性に優れてしかも焼き入れ可能な鋼材を材料として、これに高い耐食性を保持せしめる表面処理技術が要請されている。本願発明はこの要請に応えるものである。

本願発明はねじ式ファスナーとその製法とを含んでおり、ねじ式ファスナーは、請求項１に記載したように、表面の全部又は一部に表面処理層を形成していて、前記表面処理層が、素地から順に、鉄−亜鉛合金層、アルミ又は亜鉛若しくは両方の微粉を主要金属成分としてこれが無機バインダーを介して焼き付けられている非クロム系のベースコート層、珪素系の水溶性塗液を塗布してから乾燥又は焼き付けて形成されたトップコート層とから成っている。金属微粉はフレーク（鱗状）であることが好ましい。

製法の発明は、請求項２に記載したように、鋼製素材に機械加工を加えてファスナーの形状と成した中間品を製造する工程、前記中間品に亜鉛メッキを施してから加熱することで素地に鉄−亜鉛合金層を形成する工程、前記鉄−亜鉛合金層が形成された中間品に金属微粉と無機バインダーとを主成分とした非クロム系のベースコート液を焼き付けることで金属系ベースコート層を形成する工程、前記ベースコート層が形成された中間品に珪素系のトップコート液を塗布してから乾燥又は焼き付けることでトップコート層を形成する工程、の各工程を含んでおり、前記ベースコート液として、亜鉛微粉又はアルミ微粉若しくは両方が主要金属成分として含まれたものを使用している。

本願発明は、請求項３に記載したように、ねじ山が形成された軸とその基端部に設けた頭部とを備えており、軸の先端部を尖らせるか又はドリル部を形成することによって自己穿孔機能が保持せしめられているねじに使用すると好適である。本願発明に使用する素材としては、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、クロム鋼、モリブデン鋼などが挙げられ、必要とする特性に応じて選択したらよい。

本願発明に係るねじ式ファスナーの表面処理層は、合金層とベースコート層とトップコート層との三層とから成っていて高い耐食性を備えており、かつ、ベースコート層及びトップコート層ともクロムを使用していないため環境汚染の問題もない。更に、炭素鋼のような鋼材を材料としているためコスト面で優れていると共に、加工性及び焼き入れ特性に優れている（なお、焼き入れしないファスナーにも適用できる。）。

従って、例えば建物の外装材を締結するビス又はボルト類のように、外気に晒されたり湿気が多い環境下で使用されるファスナー類に特に好適である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１では、本願発明が適用されたねじ（ビス）の形態の例と使用例とを示している。（Ａ）及び（Ｂ）に示すねじはもみ切り式の自己穿孔ねじであり、このねじは、軸１とその基端に設けた頭部２とを備えており、軸１の先端部は先窄まり部１ａになっており、軸１には、先窄まり部１ａから始まる（立ち上がる）１条のねじ山３が形成されている。

頭部２は略台錐状になっており、（Ｄ）に示すように頂面にはドライバビットが嵌まる係合部の一例としての十字穴４が形成されている一方、座面には、一般にフレキと呼ばれている多数の切刃５が放射状に延びるように形成されている。いうまでもないが、ねじ山３の条数やピッチ、山の角度、頭部２の形状などは用途に応じて自由に設定できる。

本実施形態の使用例として、ねじは、窯業系の外壁材（サイディング）６を合板製内壁板７に締結することに使用している。（Ｂ）に示す例では、内壁板７は断面略コ字状の薄鋼板製縦フレーム８に重なっており、ねじは縦フレーム８にもねじ込まれている。外壁材６には座ぐり穴９が空けられている。縦フレーム８が例えば０．８ｍｍ以下のように薄い場合はもみ切り式のねじをそのまま進入させることができるが、それ以上に厚い状態でもみ切り式ねじを使用する場合は、縦フレーム８（及び内壁板７）に予め下穴を空けておいたらよい。

（Ｃ）に示すねじは、軸１にドリル部１０を一体に形成したドリルねじになっている。ドリル部１０は一対の切刃１０ａと縦溝１０ｂとを備えており、ドリル部１０の長さＬは内壁材７と縦フレーム８との厚さの総和Ｔよりも大きい寸法になっている。縦フレーム８が厚くてかつ下穴が空けられていない場合のように、縦フレーム８への穿孔と内壁材７へのねじ込みとが同時に行われると縦フレーム８と内壁材７との間に浮きが生じる場合は、（Ｃ）のように構成したらよい。

（Ｅ）ではねじの断面を模式的に示している。この図に示すように、ねじは素地１１に表面処理層（防錆処理層）１２を設けた断面構造であり、表面処理層１２は、素地１１から順に、鉄−亜鉛合金層１３、ベースコート層１４、トップコート層１５の三層で構成されている。ベースコート層１４は、フレーク状のアルミ及び亜鉛の群が無機バインダーによって焼き付けられた層（皮膜）であり、従って、クロム( 六価クロム）は含んでいない。トップコート層１５は、ケイ素塩系の皮膜（塗料皮膜）からなっている。

各層の厚さに限定はないが、コストと効果との関係から、鉄−亜鉛合金層１３は５μｍ程度、ベースコート層１４は８μｍ程度、トップコート層１５は１〜３μｍ程度が好適であると言える。次に、製法も含め表面処理層１２の詳細を説明する。

(2).ねじの製法
図２ではもみ切り式ねじの製造工程の一例を示している。この製法では、材料となる線材（例えばＳＷＣＨ系の冷間圧造用炭素鋼線）を用意し、これにまずヘッダーで頭部２を形成し、次いで、ダイスを使用した転造によってねじ山３と先窄まり部１ａとを形成し、これにより、ねじとしての形態が完成された中間品を製造する（なお、線材の切断は頭部２の加工と同時に行われる。）。

次いで、中間品を焼き入れしてから亜鉛メッキを施し、次いで、焼き戻すことで硬度を調整すると共に鉄−亜鉛合金層１３を形成し、それから、ベースコート液を塗布してから焼き付けることでベースコート層１４を形成し、それから、トップコート液を塗布してから乾燥又は焼き付けることでトップコート層１５を形成する。これによって高い防錆機能を有する表面処理されたねじが完成する。

ねじがドリルねじである場合は、ねじ山３の加工前に圧造又は切削によってドリル部１０を加工する。焼き入れ・焼き戻しの工程がある場合、焼き戻してから亜鉛メッキを施して更に加熱することで鉄−亜鉛合金層１３を形成することも可能であるが、図２のように焼き戻しによって鉄−亜鉛合金層１３を形成すると工程を簡単化できる利点がある。

焼き入れ方法には、油焼き入れのように芯まで硬化させる方法も採用できるし、浸炭焼き入れのように表面部のみを硬化する方法も採用できる。いずれの方法を採用するかは、硬度や脆性など、ねじに求められる機械的性質を考慮して決定したらよい。焼き戻しは、例えば、３００〜３５０℃で６０分程度加熱してから空冷することで行われる。

亜鉛メッキの方法としては、電気メッキ法と浸漬法とのいずれも使用できる。亜鉛メッキしてから焼き戻す工程で亜鉛酸化物が形成されるが、これはショットブラスト等によって除去したらよい。

ベースコート液としては、例えば、日本ダクロシャムロックから「ジオメット」の商品名で販売されているものを使用できる。これは、アルミ及び亜鉛のフレーク（微粉）と珪素系無機バインダー（例えばシラン）を主成分として水又はアルコールで希釈したもので、例えば、処理液が入った層に中間品を浸漬してから液切りしてのち、炉で加熱して焼き付ける。これにより、アルミ及び亜鉛を主成分とする金属皮膜よりなるベースコート層１４が形成されている。

焼き付けの温度は例えば２００〜２３０℃、時間は１０〜４０分が挙げられるが、これに限定されるものではない。なお、ベースコート液にはアルミ又は亜鉛以外の金属が含まれていてもよい。

トップコート液は、珪素系物質の水溶液が使用される。珪素系物質の例としてはコロイドシリカと珪素塩系物質とが挙げられる。更に、珪素塩系物質は無機系と有機系とのいずれも使用できる。無機系珪素塩物質の例としては、例えば珪酸ナトリウムが挙げられ、有機系珪酸塩物質としては、珪酸エチル等の珪酸アルキルや、珪酸エチレングリコールモノエチルのような珪酸アルコキシルが挙げられる。

トップコート液を塗布してから、例えば６０〜１７０℃で乾燥又は焼き付けることにより、シリカ成分からなる硬質のトップコート層１５が形成される。乾燥方法には、トンネル炉等を使用して温風又は熱風に晒す方法が挙げられる。乾燥又は焼き付けの時間は１０〜２０分程度でよい。

(3).評価
呼び径４ｍｍで長さが４０ｍｍのもみ切り式ねじについて、本願発明の実施品（「ジオメット」を使用してベースコート層を厚さ８μｍとなし、更に珪酸塩系のトップコート層を形成したもの）と、鉄−亜鉛合金層に前記「ダクロダイズド」による表面処理を施した比較品とを製造し、両者をＪＩＳ−Ｚ−２３７１に基づいて塩水噴霧試験を行った。すると、本願発明実施品が比較品と同等かそれ以上の耐食性を有することが確認された。

また、もみ切り式ねじを図１（Ａ）（Ｂ）に示す状態で使用してみたが、ねじ込み抵抗の増大や、ねじ込みに伴う表面処理層の剥離のような現象は見られなかった。

なお、ベースコート層１４に亜鉛が含まれていることにより、ベースコート層１４と鉄−亜鉛合金層１３との一体性が強化されて、耐剥離性と耐食性とに優れていると推測される。

（Ａ）〜（Ｄ）は本願発明を適用したねじの形態の一例及び使用例を示す図であり、（Ｅ）は断面の一部を模式的に示す図である。 製造工程の一例を示す図である。

符号の説明

１ 軸
１ａ 先窄まり部
２ 頭部
３ ねじ山
６ ワークの一例としての外装材
７ 基材の一例としての合板製内壁板
８ 基材の一例としての薄鋼板製縦フレーム
１０ ドリル部
１１ ねじの素地
１２ 表面処理層
１３ 鉄−亜鉛合金層
１４ ベースコート層
１５ トップコート層

Claims (3)

1. 表面の全部又は一部に表面処理層を形成している鋼製のねじ式ファスナーであって、
   前記表面処理層は、素地から順に、鉄−亜鉛合金層、アルミ又は亜鉛若しくは両方の微粉を主要金属成分としてこれが無機バインダーを介して焼き付けられている非クロム系のベースコート層、珪素系の水溶性塗液を塗布してから乾燥又は焼き付けて形成されたトップコート層とから成っている、
   ねじ式ファスナー。
2. 鋼製素材に機械加工を加えてファスナーの形状と成した中間品を製造する工程、
   前記中間品に亜鉛メッキを施してから加熱することで素地に鉄−亜鉛合金層を形成する工程、
   前記鉄−亜鉛合金層が形成された中間品に金属微粉と無機バインダーとを主成分とした非クロム系のベースコート液を焼き付けることで金属系ベースコート層を形成する工程、
   前記ベースコート層が形成された中間品に珪素系のトップコート液を塗布してから乾燥又は焼き付けることでトップコート層を形成する工程、
   の各工程を含んでおり、前記ベースコート液として、亜鉛微粉又はアルミ微粉若しくは両方が主要金属成分として含まれたものを使用している、
   ねじ式ファスナーの製造方法。
3. 前記ねじ式ファスナーは、ねじ山が形成された軸とその基端部に設けた頭部とを備えており、軸の先端部を尖らせるか又はドリル部を形成することによって自己穿孔機能が保持せしめられている、
   請求項１に記載したねじ式ファスナー又は請求項２に記載したねじ式ファスナーの製造方法。

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