JP2020020402A - 締結部材 - Google Patents

Abstract

【課題】遅れ破壊および疲労破壊に対し高い強度を有する締結部材を提供すること。【解決手段】軸部１０に形成された螺旋状の凸条１４によって他の部材と螺合する締結部材１であって、軸部１０の一部の外周部に設けられた高周波焼入れ層１２４と、高周波焼入れ層上に設けられたメッキ層１２６とを有する。【選択図】図３

Description

本開示は、主に自動車、産業機械用部品用のボルト等に適用して、部材同士の締結に用いられる締結部材に関する。

自動車部品等の軽量化や構造物の大型化に伴い、一層、高強度でかつ強靱な高強度金属材料が求められている。その中で、鋼板や形鋼などの金属材料の高強度化に加えて、これらの鋼材の接合等の金属材料同士を係合させる際に用いられるボルトにおいても高強度化が考えられている。このボルトの高強度化では、焼入れ・焼戻しなどの熱処理が必要である。しかしながら、熱処理により得られた高強度のボルトは、水素脆化の危険性、特に、使用中に環境から侵入する水素に起因する遅れ破壊現象の危険性が高まることはよく知られている。

この点を考慮して、例えば、特許文献１に示すように、ボルトに対して高周波加熱等を含む焼入れ焼戻し処理の条件を制御して、耐水素脆化特性、所謂、遅れ破壊に対する特性を発揮するようにしたボルトが知られている。

特開２０１３−１６３８６５号公報

ところで、従来の高強度化されたボルトでは、例えば、自動車の車輪を取りつける部分に用いられる場合、遅れ破壊を防止することに加え、自動車の駆動に伴う振動等の動的荷重を受けることによる疲労破壊を好適に防止することが一層望まれている。

本開示の目的は、遅れ破壊および疲労破壊を好適に防止する強度を有する締結部材を提供することである。

本開示の締結部材は、軸部に形成された螺旋状の凸条によって他の部材と螺合する締結部材であって、前記軸部の一部の外周部に設けられた高周波焼入れ層と、前記高周波焼入れ層上に設けられたメッキ層、とを有する。

本開示によれば、遅れ破壊および疲労破壊に対し高い強度を有する締結部材を実現することができる。

本開示の一実施の形態に係る締結部材の一例を示す断面図 図１のＡ−Ａ線断面図 図１のＢ−Ｂ線断面図 図１のＣ−Ｃ線断面図 締結部材の溝形成部の要部構成を示す断面図 締結部材の変形例１を示す図 締結部材の変形例２を示す図 締結部材の変形例３を示す図 比較例おける結晶粒を示す図 比較例における結晶粒を示す図 実施例における結晶粒を示す図 実施例における結晶粒を示す図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の一実施の形態に係る締結部材の一例を示す断面図であり、図２Ａは、図１のＡ−Ａ線断面図であり、図２Ｂは、図１のＢ−Ｂ線断面図であり、図２Ｃは、図１のＣ−Ｃ線断面図である。また、図３は、締結部材の要部構成を示す断面図であり、詳細には、図３は、高周波焼入れ・焼戻し部の要部構成を示す図である。

締結部材１は、軸部１０を有し、軸部１０は、螺旋状の凸条を有する。締結部材１は、軸部１０に形成された凸条によって他の部材と螺合する。
締結部材１は、例えば、ボルト、小ねじ、スタッド、スレッドローリングねじ、及びスレッドフォーミングねじ等の締結部材で、他の部材と螺合するものであれば、どのように形成されてもよい。

本実施の形態では、図１〜図３に示す締結部材１は、自動車におけるハブのハブフランジ３０に取りつけられるハブボルトとし、他の部材としてのナットとともに、ハブに対して車輪を固定するのに用いられる。

軸部１０の一端側には、頭部２０が設けられている。軸部１０は、本実施の形態では、溝形成部１２と、円柱部１６と、リード角を有するおねじ部１４とを有する。

軸部１０の素材は、例えば、クロムモリブデン鋼であり、調質、つまり、焼入れ・焼戻しされて所定の強度、例えば、強度区分１０．９を有している。
本実施の形態では、溝形成部１２は、セレーション部であり、ハブフランジ３０の取付孔に圧入される部位として形成されている。溝形成部１２は、ハブフランジ３０への圧入作業時の負荷を低減すると共に、締結部材１の螺旋状の凸部に他の部材を螺合する際に生じる軸部１０の回転を防止する。

溝形成部１２は頭部２０に隣接して、ここでは首部として設けられている。溝形成部１２がハブフランジ３０の取付孔に圧入された際に、頭部２０は、円柱部１６とおねじ部１４とをハブフランジ３０の一方の面から突出した状態で、ハブフランジ３０の他方の面に掛合する。
頭部首下丸み部１３（図３参照）、溝形成部１２、円柱部１６及びおねじ部１４の一部は、素材１２２と、高周波焼入れ層１２４と、メッキ層１２６とを有する。これらにより、特に、頭部首下丸み部１３及びおねじ部１４の一部は、遅れ破壊および疲労破壊に対する耐性を有し、高強度化されている。

高周波焼入れ層１２４は、素材１２２の外周部に、高周波熱処理（高周波焼入れ及び焼戻し）を施すことで形成されている。なお、高周波熱処理では、電磁誘導作用による高周波誘導加熱を利用し、素材１２２を秒単位で高温まで急速加熱した後に急速冷却することで、素材１２２の表面を硬化させる処理である。この処理により、頭部首下丸み部１３、溝形成部１２、円柱部１６、おねじ部１４の一部の芯部は、じん性を有し、外周部である表層部分のみが硬化した状態となっている。
高周波焼入れ層１２４は、素材１２２に対して所定の硬さを有するように形成されている。所定の硬さは、例えばビッカース硬度４５０ＨＶ以上であり、好ましくは、ビッカース硬度５００ＨＶ以上である。なお、素材１２２の強度区分を１０．９とした場合、素材１２２のビッカース硬度は３５０ＨＶ程度となる。
高周波焼入れ層１２４における結晶粒は、例えば、浸炭焼入れにより形成される結晶粒と比較して、より微細化された結晶粒である。高周波焼入れ層１２４は、旧オーステナイト結晶粒がＪＩＳＧ０５５１（２０１３）による平均粒度番号が１０以上となるように、形成されている。

このように高周波焼入れ層１２４では、粒界が結晶の微細化が図られるため、オーステナイト粒界の強度が向上し、水素が入っても強度が担保される。

メッキ層１２６は、素材１２２の外周部に形成された高周波焼入れ層１２４を被覆し、素材１２２、具体的には、素材１２２および高周波焼入れ層１２４の腐食を防止する。
メッキ層１２６は、例えば、湿式めっき処理における電解メッキ等により形成される。
メッキ材としては、素材１２２の腐食を防止するものであれば、どのような材料を用いてもよく、例えば、防錆めっきとして鉄の防食にきわめて効果的な亜鉛、ニッケル亜鉛等の亜鉛系の金属が挙げられる。

このように構成された締結部材１によれば、調質された素材１２２の外周部に、高周波焼入れ層１２４が形成され、この高周波焼入れ層１２４上にメッキ層１２６が形成されている。これにより、溝形成部１２、頭部首下丸み部１３及びおねじ部１４のような、応力集中による大きな引張応力が作用する部位において、強度の向上が図られ、螺合する他の部材（図１では、ハブフランジ３０から突出するおねじ部１４に螺合する部材に相当）に固定されて、自動車の駆動により繰り返しかかる動的荷重による動的疲労破壊を防止できることは勿論のこと、水素脆性による静的破壊も防止できる。
なお、本実施の形態では、軸部１０に螺旋状の凸条を有する締結部材１としてハブボルトを用いて説明したが、例えば、図４〜図６に示す締結部材の変形例１〜３としての各ボルト１Ａ〜１Ｃとしてもよい。

図４のボルト１Ａでは、軸部１０Ａの一端にフランジ２２付きの頭部２１が設けられ、軸部１０Ａが外周全面におねじ部１５を有している。このおねじ部１５は、螺旋状の凸条であるおねじにより形成される。おねじ部１５には平座金４１が外挿されるとともに、他の部材であるナット４０が螺合されている。

このように構成されるボルト１Ａは、調質された素材を有し、この素材の外周部に高周波焼入れ層Ｍが設けられている。

高周波焼入れ層Ｍは、フランジ２２の座面から、軸部１０Ａにおいてナット４０との嵌め合い部分に至る範囲に設けられている。なお、高周波焼入れ層Ｍ上には、ボルト１Ａ全体を被覆する図示しないメッキ層が設けられている。

図５に示すボルト１Ｂでは、軸部１０Ｂは、円柱部１７ａとおねじ部１７ｂとを有する。おねじ部１５ｂは、螺旋状の凸条であるおねじにより形成される。軸部１０Ｂの一端に頭部２３が設けられており、高周波焼入れ層Ｍが、頭部２３の座面と、おねじ部１７ｂの一部に設けられている。具体的には、高周波焼入れ層Ｍは、頭部２３の座面から、円柱部１７ａの外周部およびおねじ部１７ｂの嵌め合い部分（おねじ部１７ｂの基端側部分）に渡って設けられている。なお、高周波焼入れ層Ｍ上には、ボルト１Ｂ全体を被覆する図示しないメッキ層が設けられている。

また、図６に示すボルト１Ｃでは、軸部１０Ｃは、円柱部と、円柱部の一端に設けられたフランジ２２付きの頭部２１と、円柱部の他端側に設けられたおねじ部１８とを有する。おねじ部１８は、螺旋状の凸条であるおねじにより形成されており、他の部材としてのフランジナット４５のめねじ部と螺合する。ボルト１Ｃでは、高周波焼入れ層Ｍが、軸部１０Ｃにおいて、他の部材と係合する部分、すなわち、おねじ部１８の基端側部分と、おねじ部１８の基端側部分に隣接する部位（円柱部の先端側の部位）１９との境界部、つまり、不完全ねじ部に設けられている。なお、高周波焼入れ層Ｍ上には、ボルト１Ｃ全体を被覆する図示しないメッキ層が設けられている。

これら変形例１〜３は、本実施の形態と同様に、応力集中が生じやすい部位に高周波焼入れ層Ｍを有することにより、応力集中が生じやすい部位で高強度化が図られている。

［酸洗加速遅れ破壊試験］
＜実施例１＞
クロム・モリブデン鋼を、強度区分１０．９となるように調質して素材とし、その素材の外周面に所定の硬さ（ビッカース硬さ５００ＨＶ）となるように高周波焼入れ処理を施して高周波焼入れ層を形成し、これに亜鉛メッキで被覆することにより１５本の実施例１のボルト（平座金組み込み六角ボルト（首下アンダーカット）Ｍ８×１．２５−１８．５）を製作した。

この製作したボルトを、所定の塩酸溶液に規定時間浸漬して、水素をチャージした後、塑性域極限軸力相当まで角度法で締付けた後、水中に一定期間放置し、その結果の破損状態を確認した（酸洗後塑性域締付け水浸法）。この酸洗後塑性域締付け水浸法を用いた試験では、塩酸の濃度を変更して、加速破壊試験（高濃度）と、評価基準試験（低濃度）との２つの試験を行った。

加速破壊試験の結果を表１に示し、評価基準試験の結果を表２に示す。
なお、各表１、２において、「１０分以内」、「１時間以内」、「７日後」は、それぞれ経過時に破損していた本数を表し、「合計」は「破損した本数／試験対象となった総本数」で表している。

＜比較例１＞
クロム・モリブデン鋼を、所定の硬さ（ビッカース硬さ５００ＨＶ）となるように調質して素材とし、この素材に亜鉛メッキで被覆することにより１５本の比較例１のボルト（実施例１と同形状の平座金組み込み六角ボルト）を製作した。この製作したボルトを実施例１と同様に、酸洗後塑性域締付け水浸法を用いて、破損状態を確認した。加速破壊試験の結果を表１に示し、評価基準試験の結果を表２に示す。

＜比較例２＞
クロム・モリブデン鋼を強度区分１０．９（ビッカース硬さ３２０〜３８０ＨＶに相当）となるように調質して素材とし、この素材にニッケル亜鉛メッキで被覆することにより１０本の比較例２のボルト（実施例１と同形状の平座金組み込み六角ボルト）を製作した。この製作したボルトを実施例１と同様に、酸洗後塑性域締付け水浸法を用いて、破損状態を確認した。加速破壊試験の結果を表１に示し、評価基準試験の結果を表２に示す。

＜比較例３＞
クロム・モリブデン鋼を、所定の硬さ（ビッカース硬さ５００ＨＶ）となるように調質して素材とし、この素材にニッケル亜鉛メッキで被覆することにより１５本の比較例３のボルト（実施例１と同形状の平座金組み込み六角ボルト）を製作した。この製作したボルトを実施例１と同様に、酸洗後塑性域締付け水浸法を用いて、破損状態を確認した。加速破壊試験の結果を表１に示し、評価基準試験の結果を表２に示す。

表１から比較例１と比較例３とを比較して、調質５００ＨＶ品である比較例１のボルトでは、めっき種類に関わらず１５本全数が破損し、調質３５０ＨＶ品である比較例２のボルトでは１０本に破損がなく、本実施の形態の高周波の５００ＨＶ品としての実施例１のボルトでは、１５本に破損がなかった。

また、表２において、調質５００ＨＶ品である比較例１と、調質５００ＨＶのボルトの比較例３のボルトとでは、１５本中、共に約７割が破損していた。なお、亜鉛めっきを施した比較例１の方が、ニッケル亜鉛メッキを施した比較例３よりも破損時期は早かった。
これに対して、本実施の形態のボルトである高周波５００ＨＶ品である実施例１には破損はなかった。

なお、上記実施例１、比較例１及び比較例３のそれぞれにおいて熱処理された素材の表層部の旧オーステナイト結晶粒度を図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂに示す。図７Ａは、比較例１の表層部における結晶粒を示し、図７Ｂは、比較例３の表層部における結晶粒を示す。また、図８Ａは、実施例１の表層部における結晶粒を示し、図８Ｂは、実施例１の表層部より芯部側における結晶粒を示す。なお、それぞれの図において、右下の白線長が２０［μｍ］である。

また、図７Ａに示す比較例１では平均粒度番号Ｇｂ８．９（１０）、図７Ｂに示す比較例３では、平均粒度番号Ｇｂ７．９（１０）、図８Ａに示す実施例１の表層部の平均粒度番号Ｇｂ１０（１０）以上、図８Ｂに示す実施例１の芯部つまり素材の平均粒度番号Ｇｂ８．６（１０）であった。これら各図における結晶粒の平均粒度番号Ｇｂは、ピクリン酸飽和水溶液で腐食するＢｅｃｈｅｔ−Ｂｅａｕｊａｒｄ法（ＪＩＳ Ｇ０５５１（２０１３） 箇条８による）によって旧オーステナイト粒界を現出させ、１０度視野に基づいて総合判定したものである。

図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、高周波焼入れ層を設けた実施例１の表層部では、高周波焼入れ層を設けていない比較例１及び比較例３よりも粒径が小さく微細化されている。
これにより、他の部材と螺合する部位の強度化が図られた締結部材としてのボルトを実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示の締結部材は、他の部材と螺合しても、遅れ破壊および疲労破壊を好適に防止する強度を実現することができ、自動車に用いられるボルトとして有用である。

１ 締結部材
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ ボルト
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 軸部
１２ 溝形成部
１３ 頭部首下丸み部
１４、１５、１７ｂ、１８ おねじ部
１６、１７ａ 円柱部
２０、２１、２３ 頭部
２２、４４ フランジ
３０ ハブフランジ
４０ ナット（他の部材）
４１ 平座金
４５ フランジナット（他の部材）
１２２ 素材
１２４、Ｍ 高周波焼入れ層
１２６ メッキ層

Claims (5)

1. 軸部に形成された螺旋状の凸条によって他の部材と螺合する締結部材であって、
   前記軸部の一部の外周部に設けられた高周波焼入れ層と、
   前記高周波焼入れ層上に設けられたメッキ層と、
   を有する、
   締結部材。
2. 前記高周波焼入れ層は、ビッカース硬度４５０以上であり、ＪＩＳＧ０５５１（２０１３）による平均粒度番号が１０以上の結晶粒の層である、
   請求項１記載の締結部材。
3. 前記軸部の一端に頭部を有し、前記凸条はおねじである、
   請求項１または２に記載の締結部材。
4. 前記凸条はおねじであり、
   前記軸部は、前記おねじが設けられたおねじ部に隣接する円柱部を有し、
   前記円柱部の前記おねじ部と隣接する部分は、前記おねじ部と同様に前記高周波焼入れ層および前記メッキ層を有する、
   請求項１または２に記載の締結部材。
5. 前記メッキ層は、亜鉛系メッキ層である、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の締結部材。