JP2001214915A

JP2001214915A - セルフタッピンねじ及び該セルフタッピンねじを用いたアルミニウム部材の接合方法

Info

Publication number: JP2001214915A
Application number: JP2000024035A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Matsuki; 啓介松木; Koichi Rissen; 幸一立仙; Takemi Naito; 丈己内藤
Original assignee: BOSSARD KK; TORI TECHNO KK; Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: BOSSARD KK; TORI TECHNO KK; Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】被接合材と同材質のアルミニウム合金ででき
たセルフタッピンねじを得る。【構成】このセルフタッピンねじは、硬質のアルミニ
ウム合金を素材とし、タッピングスクリュー部１が形成
されたねじ軸２の先端にリーマ部３が形成されており、
押出加工で下穴７が一体成形されたアルミニウム部材６
の締結に使用される。素材としては、７０００系アルミ
ニウム合金を冷間鍛造，時効処理で硬質化し、Ｎｉ−Ｐ
等の硬質皮膜を形成したものが好ましい。【作用】リーマ部３で下穴７の内径がねじ有効径に好
適な値に修正された後、タッピングスクリュー部１でタ
ッピングされるため、高い接合強度でアルミニウム部材
６が接合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建築材料，構築材料，
道路に敷設される防護柵，歩道橋の欄干等の公共材料と
して使用されるアルミニウム部材の接合に使用されるセ
ルフタッピンねじ及び接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム材料は、軽量性，耐食性，
耐久性に優れていることを活用し、種々の分野で使用さ
れている。ＪＩＳＡ６０００系等のアルミニウム合金
押出材は、強度的にも優れていることから構造材料とし
ても使用されている。アルミニウム部材を用いた建築
物，構築物等の施工では、セルフタッピンねじが使用さ
れていた。具体的には、押出加工で下穴を一体的に形成
した第１部材の端部にねじ貫通孔を形成した第２部材を
重ね合わせ、第２部材側からセルフタッピンねじをねじ
込み、下穴にめねじを形成しながらセルフタッピンねじ
によって第１部材に第２部材を接合している。セルフタ
ッピンねじには、タッピングスクリュー部をねじ軸に刻
設したステンレス鋼製ねじが通常使用されている。ステ
ンレス鋼製ねじは、耐食性に優れ、セルフタッピング及
び接合強度に必要な材質特性を備えている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、異種のステン
レス鋼製ねじを用いてアルミニウム部材を接合すると、
建築物，構築物等を解体してアルミニウムを再利用資源
として回収する際、アルミニウムとステンレス鋼との分
別が必要とされ、再生使用にかかるコストが高くなる。
この点、建築物，構築物等を可能な限りアルミニウム材
料で構成し、最小限の解体・分別作業でアルミニウムを
回収することが要求される。このような観点から、本発
明者の一人は、冷間鍛造，時効処理で強度を向上させ、
更に硬質皮膜を形成したアルミニウム製ボルトを開発し
た（特公平７−９２１０１号公報）。このアルミニウム
製ボルトの使用により解体時の分別作業にかかる負担が
軽減される。しかし、アルミニウム部材の接合には通常
のボルト止めの他にセルフタッピングも採用されてい
る。セルフタッピングにも使用可能なアルミニウム製ね
じが実用化されると、解体・分別作業が楽になり、再利
用資源としてのアルミニウムの回収にかかる負担が大幅
に軽減される。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような要
求に応えるべく案出されたものであり、ねじ軸先端にリ
ーマ部を形成することにより、素材をアルミニウムとし
たにも拘わらず、小さなトルクで下穴の内径を修正し、
セルフタッピング機能をもつセルフタッピンねじを提供
することを目的とする。本発明のセルフタッピンねじ
は、その目的を達成するため、アルミニウム合金を素材
とし、タッピングスクリュー部が刻設されているねじ軸
の先端に下穴内径修正用リーマ部が形成されていること
を特徴とする。

【０００５】下穴内径修正用リーマ部の外接円径は、セ
ルフタッピンねじの有孔径に設定されていることが好ま
しい。素材としては、たとえばＪＩＳＡ７０００系の
アルミニウム合金が使用される。このアルミニウム合金
は、冷間鍛造でボルト形状に成形し、溶体化処理及び時
効処理を施すことにより必要強度が付与され、セルフタ
ッピング時のトルクにも十分耐えることができる。更
に、無電解めっきにより硬質皮膜を形成するとき、被接
合材であるアルミニウム部材よりＨＶで１００以上硬い
硬さに調質され、接合時の摩擦抵抗の低下によりセルフ
タッピンねじにかかるトルクが軽減される。溶体化処理
は好ましくは４６０〜５００℃の温度範囲に設定され、
時効処理では好ましくは１１５〜１２５℃に２４〜２８
時間保持する。また、時効処理後に２５０℃未満の温度
で短時間加熱しマトリックスの粒界に析出した金属間化
合物を再固溶させ、次いで１２０〜１７０℃で６〜２４
時間再時効処理を施す熱処理が最適である。

【０００６】セルフタッピンねじを用いたアルミニウム
部材の接合では、先ず押出加工で下穴を一体に成形した
第１アルミニウム部材の端部にある下穴部分に第２アル
ミニウム部材のねじ貫通孔を重ね合わせる。そして、第
２アルミニウム部材のねじ貫通孔からセルフタッピンね
じを第１アルミニウム部材の下穴に挿通すると共に回転
させることにより、リーマ部で下穴の内径がねじ有効径
となるように切削し、タッピングスクリュー部のねじ山
により下穴の内面を塑性変形させてめねじを形成する。
この状態で、増し締めして第１アルミニウム部材の端部
に第２アルミニウム部材を接合する。

【０００７】

【作用】本発明者等は、アルミニウム合金製のセルフタ
ッピンねじが開発されなかった理由を次のように考え
た。セルフタッピンねじは、下穴をタッピング加工しな
がら回転することから、非常に大きなトルクが加わる。
また、押出材の形状精度が比較的悪く、下穴の内径が小
さい場合、セルフタッピンねじに加わるトルクが更に大
きくなる。そのため、ステンレス鋼製ねじに比較してね
じりせん断強さの小さなアルミニウム合金製ねじでは、
セルフタッピング作業中に破損してしまう。

【０００８】そこで、本発明のセルフタッピンねじで
は、図１に示すようにタッピングスクリュー部１が刻設
されているねじ軸２の先端にリーマ部３を形成してい
る。リーマ部３は、被接合材であるアルミニウム部材に
設けた下穴７（図２）の内径を修正する作用をもち、外
接円径をセルフタッピンねじの有孔径に設定してスプラ
イン状（ａ）又はローレット状（ｂ）に設けられる。ね
じ軸２に沿ったリーマ部３の長さは、下穴７の内径を修
正する上からタッピングスクリュー部１の１．５ピッチ
以上にすることが好ましい。タッピングスクリュー部１
は、好ましくは円周方向に関して非対称的に下穴７をタ
ッピングするように三角形，五角形等の奇数多角形状の
外形に成形される。頭部４には、接合時の回転力が均等
に伝えられるように多角形状の凹部５を穿設することが
好ましい。

【０００９】リーマ部３は、被接合材（第２部材，図示
せず）に形成したねじ貫通孔を介して相手材であるアル
ミニウム部材６（第１部材，図２）に一体成形した下穴
７にねじ込まれる。このとき、下穴７がリーマ部３で切
削加工されるため、小さな加工抵抗で下穴７の内径が修
正される。したがって、ステンレス鋼製よりも強度の小
さなアルミニウム合金製セルフタッピンねじの使用が可
能となる。この点、リーマ部３のない従来のセルフタッ
ピンねじでは、専らアルミニウム部材６の塑性変形によ
り１回のねじ込みでめねじを形成していた。そのため、
内径が小さな下穴７ではめねじを形成する際の変形抵抗
が大きく、アルミニウム合金製のセルフタッピンねじが
使用できなかった。

【００１０】リーマ部３で内径が修正された下穴７は、
次いでタッピングスクリュー部１でタッピング（塑性変
形）され、めねじが形成される。このとき、リーマ部３
の外径をセルフタッピンねじの有効径相当にしておく
と、余分な材料を切り出すことなく下穴７がタッピング
される。これによっても、加工抵抗の増加が抑えられ
る。しかも、下穴７に塑性加工で形成されためねじにタ
ッピングスクリュー部１が強固に噛み合うため、ねじ軸
２を呼び径の２〜３倍程度の長さにするだけで十分な接
合強度が得られる。因みに、リーマ部３のない従来のス
テンレス鋼製セルフタッピンねじで接合しようとする
と、必要以上に長いねじ軸２（具体的には呼び径の６倍
以上）をもつセルフタッピンねじが必要であった。

【００１１】セルフタッピンねじの材質としては、冷間
鍛造及び時効処理によって必要強度が付与されるＪＩＳ
Ａ７０００系のアルミニウム合金が使用される。なか
でも７０５０は、時効処理でＺｒ，Ｚｎ等を含む金属間
化合物を析出させることにより高強度を呈することから
好適な材料である。冷間鍛造及び時効処理としては、特
公平７−９２１０１号公報でも紹介したように、自然対
数値で０．３５〜０．８の加工歪みが与えられる加工度
でアルミニウム合金線材をねじ形状に冷間鍛造し、溶体
化処理・焼入れ後に１５０〜２２０℃で時効処理するこ
とが好ましい。

【００１２】製造されたねじ素材に硬質皮膜を形成する
とき、接合時の摩擦抵抗が小さくなり、締め付け時のト
ルクが過大にならず、セルフタッピンねじの破壊が防止
される。硬質皮膜の形成により、アルミニウム部材６と
比較してセルフタッピンねじがＨＶで１００以上の硬度
差が生じるように硬質化し、めねじの形成に十分な硬さ
が得られる。硬質皮膜としては、Ｎｉ−Ｐ皮膜，硬質Ｃ
ｒめっき層，硬質クロメート皮膜等がある。なかでも、
無電解めっきで形成されるＮｉ−Ｐ皮膜は、アルミニウ
ム材料の表面に形成することが容易で、しかも非常に硬
いため、接合時にセルフタッピンねじとアルミニウム部
材６との摩擦抵抗を下げ、セルフタッピンねじの破壊を
防止する上で有効な皮膜である。

【００１３】本発明に従ったセルフタッピンねじを用い
た接合では、リーマ部３で下穴７の内径を修正した後、
タッピングスクリュー部１でめねじが形成される。その
ため、下穴７の内径寸法に多少の誤差があっても、リー
マ部３によって適正な内径に修正され、しかもリーマ部
３の外形がねじ有効径になっているため、めねじとタッ
ピングスクリュー部１との噛み合いが強固になる。その
ため、下穴７の内径に関する標準寸法をリーマ部３より
若干小さくしておくだけで十分であり、下穴７の寸法精
度に対する要求が緩和される。また、タッピングスクリ
ュー部１でめねじが形成された下穴７は、加工硬化され
ているのでねじ山の剪断力が高く、大きなねじ引抜き力
にも抗し得る継手が得られる。

【００１４】更に、本発明に従ったセルフタッピンねじ
は、アルミニウム部材６と同材質のアルミニウム合金製
であることから、アルミニウム部材６との間に局部電池
を形成せず、電食等に起因する腐食も解消される。ま
た、アルミニウム部材６との熱膨張係数も等しいため、
太陽光の照射等によって昇温・降温が繰り返される環境
にさらされる建築物，構築物等に適用しても、セルフタ
ッピンねじに緩みが生じることもなくなる。

【００１５】

【実施例】径６ｍｍのＪＩＳＡ７０５０アルミニウム
合金線材を冷間鍛造し、ねじ径４ｍｍ，長さ１５ｍｍの
タッピングスクリュー部１及び径３．７ｍｍ，長さ５ｍ
ｍのスプライン状リーマ部３を軸部２に形成した。冷間
鍛造では、頭部４を含めた各部共に加工歪みの自然対数
値が０．３５〜０．８の範囲になるように頭部４を据え
込み、軸部２を押し出す加工を施した。頭部４には、図
１に示すように長径４．５ｍｍ，短径３．２ｍｍ，深さ
２ｍｍの凹部５を成形した。

【００１６】冷間鍛造された素材を５００℃で溶体化処
理した後、水焼入れした。次いで、１２０℃に２４時間
保持した後、２５０℃未満の温度で短時間加熱し，マト
リックスの粒界に析出した金属間化合物を再固溶させ，
更に１７０℃で６時間の再時効処理を施した。再時効処
理された素材を無電解めっきし、膜厚５μｍのＮｉ−Ｐ
皮膜を形成し、セルフタッピンねじを得た。このセルフ
タッピンねじは、硬さがＨＶ１８０で、ＪＩＳＢ１０
５７−ＡＬ６に規定されている機械的性質を満足し、且
つ締め付け状態で腐食性塩類水溶液に１０００時間浸漬
する促進試験後に何らの異常もみられなかった。

【００１７】製造されたセルフタッピンねじの破壊トル
クは、ねじ径４ｍｍ，長さ２５ｍｍのステンレス鋼製セ
ルフタッピンねじに十分匹敵する約３．２４ｋＮ・ｃｍ
であった。内径３．６ｍｍの下穴７が一体成形された硬
さＨＶ９０のアルミニウム部材６の接合にセルフタッピ
ンねじを使用し、リーマ部３のないアルミニウム合金製
セルフタッピンねじ及びねじ径４ｍｍ，長さ２５ｍｍの
ステンレス鋼製セルフタッピンねじと性能比較した。リ
ーマ部３のないアルミニウム合金製セルフタッピンねじ
では、下穴７をタッピングする際のトルクが大きいた
め、タッピング中にねじ自体が破壊した。

【００１８】本発明に従ったセルフタッピンねじ及びス
テンレス鋼製セルフタッピンねじは、アルミニウム部材
６（第１部材）に対する他のアルミニウム部材（第２部
材）の接合に使用できたが、ねじ込みに要したエネルギ
ーに図３に示すように大きな差があった。すなわち、本
発明に従ったセルフタッピンねじでは２ｋＮ・ｃｍ・秒
程度のねじ込みエネルギーであったが、ステンレス鋼製
セルフタッピンねじではほぼ３倍のねじ込みエネルギー
が必要であった。このことは、本発明に従ったセルフタ
ッピンねじでは、ステンレス鋼製セルフタッピンねじに
比較して約１／３の仕事量でアルミニウム部材の接合が
可能なことを意味する。

【００１９】更に、アルミニウム部材６にねじ込まれた
セルフタッピンねじに抜去荷重を加え接合強度を測定し
たところ、本発明に従ったセルフタッピンねじでは３．
１０ｋＮであったのに対し、ステンレス鋼製セルフタッ
ピンねじでは１．７９ｋＮであった。すなわち、本発明
に従ったセルフタッピンねじは、ステンレス鋼製セルフ
タッピンねじよりも大きな強度でアルミニウム部材６を
接合していた。これは、リーマ部３で内径が有効径に一
致するように修正された下穴７がタッピングスクリュー
部１でタッピングされたことから、セルフタッピンで成
形されためねじのダメージが小さく、タッピングスクリ
ュー部１のおねじと下穴７のめねじが強固に噛み合って
いることを意味する。

【００２０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のセルフ
タッピンねじは、アルミニウム合金を素材としながらも
ステンレス鋼製セルフタッピンねじに匹敵する強度を呈
し、ステンレス鋼製セルフタッピンねじよりもはるかに
大きな接合強度でアルミニウム部材を接合できる。その
ため、アルミニウム部材の接合に好適に使用され、アル
ミニウム部材６と同じ材質であることから、電食等の問
題もなく、再利用資源としてのアルミニウムの回収も容
易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ったセルフタッピンねじの数例を
示す斜視図

【図２】被接合材であるアルミニウム部材の断面図

【図３】本発明に従ったセルフタッピンねじとステン
レス鋼製セルフタッピンねじを用いてアルミニウム部材
を接合したときに要するねじ込みエネルギーを比較した
グラフ

【符号の説明】

１：タッピングスクリュー部２：ねじ軸３：リ
ーマ部４：頭部５：凹部６：アルミニウム部材７：下穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松木啓介東京都中央区新川２―２―１―614 有限会社トリテクノ内 (72)発明者立仙幸一東京都品川区東品川二丁目２番20号日本軽金属株式会社内 (72)発明者内藤丈己東京都豊島区要町一丁目29番９号ボサード株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金を素材とし、タッピン
グスクリュー部が刻設されているねじ軸の先端に下穴内
径修正用リーマ部が形成されていることを特徴とするセ
ルフタッピンねじ。
【請求項２】下穴内径修正用リーマ部の外接円径がね
じ有効径に設定されている請求項１記載のセルフタッピ
ンねじ。
【請求項３】ＪＩＳＡ７０００系のアルミニウム合
金を素材とする請求項１記載のセルフタッピンねじ。
【請求項４】冷間鍛造でボルト形状に成形し、溶体化
処理及び時効処理をしたアルミニウム合金を素材とする
請求項１〜３の何れかに記載のセルフタッピンねじ。
【請求項５】アルミニウム合金表面に硬質皮膜が形成
されている請求項１〜４の何れかに記載のセルフタッピ
ンねじ。
【請求項６】押出加工で下穴を一体に成形した第１ア
ルミニウム部材の端部下穴部分に第２アルミニウム部材
のねじ貫通孔を重ね合わせ、請求項１〜５何れかに記載
のセルフタッピンねじをねじ貫通孔から下穴に挿通する
と共に回転させ、セルフタッピンねじのリーマ部で内径
がねじ有効径となるように下穴切削し、タッピングスク
リュー部のねじ山により下穴の内面を塑性変形させてめ
ねじを形成すると共に、増し締めして第１アルミニウム
部材の端部に第２アルミニウム部材を接合することを特
徴とするセルフタッピンねじを用いたアルミニウム部材
の接合方法。
【請求項７】第１アルミニウム部材がＪＩＳＡ６０
００系アルミニウム合金のＴ５処理材である請求項６記
載の接合方法。