JP2011068950A - ばね座金、ばね座金組み込みボルト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ばね座金付き高張力ボルトを様々の鋼種で製造するにおいて、ボルトの材料として焼き入れしていないナマの材料を使用することを容易ならしめて、座金組み込みボルトの製造コストを低減する。
【手段】ばね座金は、Ｃ：０．３５〜０．５０％、Ｎｉ：０．３０〜０．６０％、Ｃｒ：０．８０〜１．１０％、Ｍｏ：０．８０〜１．１０％、Ｖ：０．０４０〜０．１０％を含有したＳＮＣＭ系鋼材で製造されている。ＭｏやＶの析出硬化により、５００〜６００℃の温度領域で焼き戻ししても硬度が大きく低下しないため、ボルトが様々な鋼種からなっていて焼き戻し温度が大きく相違しても、ボルトと一緒の焼き戻しによって必要な硬度（ばね性）を確保できる。その結果、多種類類のボルトを製造するにおいて、ダイスの寿命向上を図りつつ多種類の材質のばね座金を用意する手間を無くすことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ばね座金及びこれを組み込んだボルト、並びにばね座金組み込みボルトの製造方法に関し、特に、座金との組成に特徴を有する。

ボルトを使用した締結作業において、省力化のためばね座金を組み込んだボルトが多用されている。ばね座金ついては一部がＪＩＳで規定されているが、実際にはＪＩＳに規定されていない多くのばね座金が存在しており、その一例として特許文献１に記載されているものが挙げられる。

他方、ボルトは線材（丸棒）を材料にして製造されており、所定寸法に切断、ヘッダーによる頭部の加工、ダイスによるねじ山の加工、という工程でボルトとしての外観が形成されるが、ある程度以上の強度が必要な場合は焼き入れ・焼き戻しの工程が付加され、更に、必要によってメッキ等の表面処理も施される。また、ボルトの材料になる線材としては、焼き入れ・焼き戻しの工程を予め加えることで機械的性質を揃える調質が施されたものも使用されている。

鋼材の強度区分はＪＩＳで規定されており、強度区分が８．８を超える高張力ボルトの場合は、一般に焼き入れ・焼き戻しが行われている。換言すると、必要な強度を得るために焼き戻し・焼き戻しが行われている。高張力ボルトの材料としては、ＳＣＭ系鋼材（クロム・モリブデン鋼、例えばＪＩＳで規定する４４０や４３５）が使用されることが多い。

座金組み込みボルトの製造工程は、一般に、線材を材料として頭部付きでねじ山未加工のボルト中間品（ボルトブランク）を製造してから、ばね座金をボルトの軸部に組み込み、その状態でボルト中間品にダイスによってねじ山を加工し、これによってばね座金をボルトの首下部分に脱落不能に保持している。従って、ばね座金の内径は、ねじ山の外径（呼び径）よりは小径で素材径よりは大径に設定されている。

そして、特許文献２には、ボルトとばね座金とを特定の組成として、座金の焼き戻し軟化抵抗を大きくすることにより、ボルトにばね座金を組み込んだ状態で熱処理しても必要とするばね特性を確保せしめ、これにより、ボルトのねじ山の加工を熱処理前に行うこと（すなわち調質されていない線材を使用してこれに頭部とねじ山とを加工し、それから焼き入れ・焼き戻しを行うこと）を可能ならしめることが開示されている。この特許文献２では、ボルトのねじ山の加工は熱処理前に行えるため、転造用ダイスの寿命が短くなるのを防止できる。

具体的な組成として特許文献２の請求項１には、ボルト材料は、Ｃ０．３３〜０．４３％、Ｓｉ０．１５〜０．３５％、Ｍｎ０．６０〜０．８５％、Ｐ０．０３０以下、Ｓ０．０３０以下、Ｃｒ０．９０〜１．２０％、Ｍｏ０．１５〜０．３０％のＪＩＳＧ４１０５相当のクロムモリブデン鋼とし、ばね座金の材料は、Ｃ０．５１〜０．５９％、Ｍｎ０．６０〜０．８０％、Ｐ０．０３５％以下、Ｓ０．０４０％以下、Ｓｉ１．２０〜１．６０％、Ｃｒ０．６０〜０．８０％のＳＡＥ規格９２５４相当のシリコンクロム鋼とすることが開示されている。

特公昭４４−１９６５５号公報 特許第３５１０１８４号公報

さて、高張力ボルトは用途や機械的性質に応じて様々の鋼材が使用されており、材料によって焼き戻し温度に相当の違いがある。他方、ばね座金も鋼種によって焼き戻し温度が大きく相違しており、このため、ボルト及びばね座金とも熱処理後に所望の特性を得るためには、熱処理特性が相違する様々な材料（鋼材）からなるばね座金を用意しておき、ボルトと一緒に焼き入れ・焼き戻ししたときに所望の特性が得られるように、ボルトの材質に合わせてばね座金の材質の組み合わせを選択している。

具体的には、ばね座金のばね特性は硬度を指標とすることが多く、おおよそＨＶ３９０〜５００程度の硬さが要求されている。また、ばね座金の材料として従来は、シリコンクロム鋼、クロムモリブデン鋼、機械構造用炭素鋼、弁ばね用オイルテンパー鋼、ばね鋼等が使用されていた。

しかし、これではボルトの鋼種とばね座金の鋼種とに多数の組み合わせが存在するため、ばね座金の保管や在庫管理に多大の手間が掛かるのみならず、現場で組み合わせを誤って不良品が発生することも懸念されていた（不良品は外観で判別できないため、最終製品に使用されると深刻な問題を引き起こす可能性がある。）。

ここで特許文献２について見ると、特許文献２ではボルトとばね座金との組み合わせを選択することでボルトには熱処理前にねじ山を転造加工することが可能になっているが、様々な組み合わせを選択することの必要性は残っており、従って、上記した管理の手間や不良品発生の問題を根本的に解決するには至っていない。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明はばね座金の材質に特徴を有するものであり、本質的な特徴は、請求項１のとおり、ばね座金が、Ｃ：０．３５〜０．５０％、Ｎｉ：０．３０〜０．６０％、Ｃｒ：０．８０〜１．１０％、Ｍｏ：０．８０〜１．１０％、Ｖ：０．０４０〜０．１０％を含有したＳＮＣＭ系鋼材で製造されている点にある（なお、本願発明でいう「％」は重量％である。）。

本願発明は、請求項２のとおり、ＪＩＳ Ｂ１０５１に規定する強度区分８．８〜１２．９の鋼材で製造されたボルトに組み込むことで真価が発揮される（９．８〜１２．９が特に好適である。）。つまり、ＪＩＳに規定する強度区分８．８〜１２．９には多くの種類の鋼材が含まれており、多種類の鋼材の中から用途・機能に応じて適切な材料を選択しているが、本願発明では、多くの種類の鋼材のボルトに１種類の材質のばね座金で対応できるのであり、ここに本願発明の主たる特徴がある。

本願発明のばね座金は、上記以外の成分を添加してグレードアップすることが可能である。そこで、請求項３の発明では、更に、Ｔｉ：０．０２０〜０．０８０％とＮｂ：０．０１０〜０．０５０％とのうちいずれか一方又は両方を含んでおり、請求項４の発明では更に、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、ＰとＳとがそれぞれ０．０１０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下含まれている。

本願発明は、請求項５に記載したように、請求項１〜４のうちのいずれかに記載したばね座金を首下部分に脱落不能に取り付けているばね座金組み込みボルトも含んでいる。また、本願発明は請求項６の発明に係るばね座金組み込みボルトの製法も含んでおり、この製法は、調質していない鋼材を材料として頭部付きでねじ山未加工のボルト中間品とばね座金とを製造し、次いで前記ばね座金をボルト中間品の軸に組み込み、その状態でボルト中間品の軸にねじ山を転造で加工することによってばね座金をボルトの首下部分に保持し、次いで、これらを焼き入れ・焼き戻しするものである。

なお、本願発明では、効果を損なわない範囲で他の成分を添加することは差し支えない。

図１は本願発明及び実施形態品に係るばね座金の成分表であり、上段では請求項に記載した数字を表示し、中段では特に好適な範囲を表示している（下段の数字は実施形態品の成分表である。）。これらの成分のうちＣは焼き入れ・焼き戻し後の強度維持と冷間加工性とに関与しており、添加量が０．３５％より少ないと効果が発揮されず、添加量が０．５０％以上になる脆くなるため好ましくない。好適な量は０．４０〜０．４５％である。

Ｎｉは低温脆性向上と耐食性向上とに貢献している。添加量が０．３０％よりも少ないとこれらの効果が発揮されない。好適な量は０．３５〜０．５５％である。Ｃｒは焼き入れ性の向上、焼き戻し抵抗性向上、耐磨耗性向上、靱性の向上といった役割を果たしている。添加量が０．８０％より少ないと効果が発揮されず、添加量が１．１０％を超えると脆くなる等の問題が生じる。好適な範囲は０．９０〜１．１０％である。

ＭｏはＣｒと協同して副炭化物を作り析出効果を発揮する。Ｍｏは結晶粒を粗大化する性質があり、焼き戻し抵抗を増大させる効果がある。焼き戻し後の脆性抑制や高温硬さ、クリープ抵抗の増大にも貢献している。添加量が０．８０％より少ないと十分な効果が発揮されない。好適な添加量は０．９０〜１．００％である。

ＶはＭｏとは逆に結晶粒を微細化する性質があり、これにより、微量ながら６００℃程度の焼き戻し温度まで硬度を維持することが可能になる。Ｖは炭素の遺脱を防止する機能も備えている。好適な添加量は０．０５０〜０．０８０％である。

Ｔｉは析出硬化の役割を持っており、添加するのが好ましい。また、Ｎｂを添加すると析出硬化が促進されてより好適である。両者は結晶粒を微細化する性質を持っており、冷間加工性を向上させる役割を持っている。Ｔｉの添加量は０．０３０〜０．０６０％、Ｎｂの添加量は０．０２０〜０．０４０％とするのがより好適である。

ＳｉとＭｎは冷間加工性を向上させる役割を持っている。Ｓｉは０．２０％以下に押さえるべきである。より好適には０．１０％以下に押さえるのが好ましい。他方、Ｍｎは０．４０〜０．４５％に設定するとより公的である。ＰとＳとは不可避的に入り込む不純物であり、冷間加工時の割れの原因になるので、０．０１０％以下に押さえるべきである。Ｃｕは耐食性向上の役割を持っており、０．２０〜０．３０％程度添加することは差し支えない。

図２は焼き戻し温度と硬さとの関係を示すグラフであり、本願材料と比較例としてのＳＣＭ４４０とを表示している。図２のグラフにおいて、ＳＣＭ４４０は焼き戻し温度が高くなると硬度は単純に低減しているが、本願発明品は、概ね５００〜６００℃の範囲で硬度が約４５０ＨＶに維持されている特徴を有する。このように概ね５００〜６００℃の範囲で硬度が約４５０ＨＶに維持されているのは、この温度領域でＭｏやＶの析出が持続されて析出硬化が維持されるためである。

さて、高張力ボルトは、請求項６のように、未調質の材料にヘッダ加工及び転造加工を施すことでボルトとしての外観を構成し、それから焼き入れ・焼き戻しの熱処理を施すと、ヘッダや転造ダイスの寿命を格段に向上させることができる。

この場合、焼き入れ温度は材料の種類に関係なくおおよそ８７０℃程度であるが、焼き戻し温度はおおよそ４００〜６５０℃と相当の巾がある。そこで従来は、ボルトと同じ温度で焼き戻したときに４００ＨＶ以上程度の硬度を確保できるように炭素量０．５０〜０．７０％相当のばね座金の材料を選択していたのであり、このために既述のとおりばね座金の管理等に多大の手間が掛かっていた。

これに対して本願発明では、おおよそ６４０℃以下の焼き戻し温度で４００ＨＶ以上程度の硬度を確保できるため、ボルトの材質が様々に相違していてもばね座金の材質は１種類又は僅かの種類で足りるのであり、これにより、ダイスやヘッダーのような加工工具の耐久性を格段に向上させつつ、ばね座金の管理・保管に要する手間を大幅に省くことができると共に、組み合わせの間違いによる不良品発生という事態も防止できる。また、本願発明では座金の材料も統一化できるのであり、従って、ばね座金の製造コストの低減にも貢献できる。

更に、焼き入れ前のナマの状態でねじ山を加工できることにより、首下部分にできる不完全ねじ部を極力短くできるため、自動締結工程でボルトがフィーダに詰まることも防止又は著しく抑制できる。この点は実施形態の図面を参照して後で詳しく説明する。

成分の添加割合を示す成分表である。 本願実施品及び比較例についての硬度と焼き戻し温度との関係を示すグラフである。 ばね座金組み込みボルトの製造工程を示す図である。 （Ａ）はばね座金の組み込み状態を示す正面図、（Ｂ）はばね座金の一例を示す図である。

次に、本願発明の実施品の具体例を図面に基づいて説明する。本実施形態は座金組み込みボルトとその製法を例に挙げている。ボルトは従来と同様で、軸１とその一端に設けた六角形の頭部２とを有しており、軸１には頭部２の近くまでねじ山３が形成されている。ねじ山３うち頭部２に寄った終端部は不完全ねじ部３ａになっており、かつ、軸１のうち頭部２に連なる基端部は外向き凹状に凹んだ首下すみ肉部４になっている。

ばね座金５は特許文献１に記載したものと同じタイプであり、２つの山と２つの谷とが滑らかに連続している。ばね座金５は角材（異形線材）を材料にして、所定寸法に切断してから曲げ加工して形態が整えられる。ばね座金５の成分（組成）を図１の下段に表示している。すなわち、ばね座金５は、Ｃ：０．４０％、Ｓｉ：０．０５％、Ｍｎ：０．５０％、ＰとＳは０．０１％以下、Ｎｉ：０．５５％、Ｃｒ：１．００％、Ｍｏ：１．００％、Ｔｉ：０．０５％、Ｖ：０．０７％のＳＮＣＭ系鋼材を材料にしており、調質していないナマの材料を加工している。

ボルトも調質していないナマの線材を材料にしており、まず、線材を所定寸法に切断して素材軸１′となし、素材軸１′の一端にヘッダーによって頭部２を形成することでねじ山未加工の中間品（ボルトブランク）を製造し、次いで、中間品の軸１にばね座金５を組み込み、次いで、その状態でローリングダイス等のダイスを使用した転造によってねじ山３を加工し、これにより、ばね座金５を首下部分に抜け不能に保持する。従って、ばね座金５の内径Ｄ１は軸１の素材径Ｄ２よりは大径でねじ山３の外径Ｄ３よりは小径になっている。

ねじ山３を加工したばね座金付きボルトは、調質が成され、次いで、加熱してから放置する焼き戻しが行われる。ボルトの焼き入れ温度は材料が相違してもさほどの違いはなくておおよそ８７０℃であり、ばね座金５もこの程度の温度で必要な焼き入れが施される。他方、焼き戻し温度はボルトの材料によって相当に相違しており、おおよそ４００〜６００℃程度の巾がある。そして、図２の表から理解できるように、本願発明品は硬度がＨＶ４５０程度で変化しない焼き戻し温度域が５００℃から６００℃まで続くため、ボルトの材質が相違しても１種類（或いは僅かの種類）の材質のばね座金５で対応できる。

従って、材料が相違する多種類の高張力ボルトを製造するにおいて、素材として調質していないナマの材料を使用することが可能となり、その結果、ダイスやヘッダーの耐久性を格段に向上させてコストダウンや精度保持に貢献できるのである。

さて、ボルトをナットやタップ穴にねじでワークを締結する場合、ねじ山３と雌ねじとの引っ掛かり長さを確保するためには不完全ねじ部３ａはできるだけ少ない（軸方向に短い）のが望ましいのに対して、ボルトの材料が硬くなるほど不完全ねじ部３ａが長くなる傾向があり、従来は、この点でボルトの品質が懸念されていた。これに対して本願発明ではボルトの材料として調質していないナマの材料を使用できるため、ねじ山３の加工が容易で不完全ねじ部３ａをできるだけ少なくできるのであり、従って、本願発明はボルトの品質アップという利点も有している。

また、不完全ねじ部３ａの長さを短かくできることで、自動組み込み工程における傾斜式シュートでの詰まりを防止できる利点もある。つまり、自動締結工程では図４に一点鎖線で模式的に示すように座金５と頭部２とが嵌まるガイド溝を有する傾斜式シュートＳが使用されていて、ボルトはシュートＳに吊り下げられた状態で滑り移動するようなっており、ボルトを正しい姿勢で送るためシュートＳにおけるガイド溝の上下巾寸法がかなりシビアな寸法になっている一方、不完全ねじ部３ａの長さが長いと、ばね座金が傾いたままになったり、ばね座金が不完全ねじ部３ａに引っ掛かって頭部２とばね座金５との間の隙間が広がったままになったりすることがあり、このため、ボルトの頭部２がガイド溝につかえて詰まりが生じることがあったが、本願発明では不完全ねじ部３ａの長さを短くできることによってばね座金５を頭部２の座面に近接又は密接した状態に保持できるため、シュートＳでの詰まりを防止又は著しく低減できるのである。

本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化でき。例えばボルトの形態には特に限定はなく、四角頭のボルト、ソケット穴付きの丸形頭のボルト、頭部にフランジを形成したボルトなど、様々な形態のものに適用できる。また、ばね座金の形態にも限定はないのであり、当然ながらＪＩＳに規定するものにも適用できる。また、本願発明は、ナットに組み込んだばね座金にも適用できる。

本願発明はばね座金に適用してその有用性を発揮できる。従って、産業上利用できる。

１ 軸
２ 頭部
３ ねじ山
３ａ 不完全ねじ部
４ 首下すみ肉部
５ 座金

Claims (6)

1. Ｃ：０．３５〜０．５０％、Ｎｉ：０．３０〜０．６０％、Ｃｒ：０．８０〜１．１０％、Ｍｏ：０．８０〜１．１０％、Ｖ：０．０４０〜０．１０％を含有したＳＮＣＭ系鋼材で製造されている、
   ばね座金。
2. 外周にねじ山が形成された軸の一端に頭部を有すると共にＪＩＳ Ｂ１０５１に規定する強度区分８．８〜１２．９の鋼材で製造されたボルトに組み込まれるばね座金であって、
   Ｃ：０．３５〜０．５０％、Ｎｉ：０．３０〜０．６０％、Ｃｒ：０．８０〜１．１０％、Ｍｏ：０．８０〜１．１０％、Ｖ：０．０４０〜０．１０％を含有したＳＮＣＭ系鋼材で製造されている、
   ボルト組み込み用ばね座金。
3. 更に、Ｔｉ：０．０２０〜０．０８０％とＮｂ：０．０１０〜０．０５０％とのうちいずれか一方又は両方を含んでいる、
   請求項１又は２に記載したばね座金。
4. 更に、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．４０〜０．６０％、ＰとＳとがそれぞれ０．０１０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下含まれている、
   請求項１〜３のうちのいずれかに記載したばね座金。
5. 請求項１〜４のうちのいずれかに記載したばね座金を首下部分に脱落不能に取り付けている、
   ばね座金組み込みボルト。
6. 請求項５に記載した座金組み込みボルトの製造方法であって、
   調質していない鋼材を材料として頭部付きでねじ山未加工のボルト中間品とばね座金とを製造し、次いで前記ばね座金をボルト中間品の軸に組み込み、その状態でボルト中間品の軸にねじ山を転造で加工することによってばね座金をボルトの首下部分に保持し、次いで、これらを焼き入れ・焼き戻しする、
   ばね座金組み込みボルトの製造方法。

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