JP2007211932A - ねじ締結部材、および、ねじ締結部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のねじ締結部材では、おねじとめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善するには限界がある。
【解決手段】おねじ１０の表面もしくはめねじ２０の表面のうち少なくともいずれか一方に、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部２１を、設ける。この結果、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０とが噛み合う噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制することができる。これにより、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部の疲労強度を改善することができるので、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるねじ締結部材、および、そのねじ締結部材の製造方法に関するものである。

ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材としては、たとえば、ガスタービンのロータスピンドルボルトおよびナットなどがある。以下、ガスタービンのロータスピンドルボルトおよびナットからなるねじ締結部材について図８および図９を参照して説明する。

図８において、符号「１００」は、ガスタービンの圧縮機のロータである。前記ロータ１００は、ロータスピンドルボルト（ガスタービン用締結ボルト）１０１（以下、単に「ボルト１０１」と称する）およびナット１０２により締結されている多数枚のディスク１０３と、前記多数枚のディスク１０３に固定されている動翼１０４と、から構成されている。なお、前記多数枚のディスク１０３は、周方向にほぼ等間隔に配置されている複数本の前記ボルト１０１および複数個の前記ナット１０２により、締結されている。前記ボルト１０１および前記ナット１０２は、ねじ締結部材を構成する。

前記ロータ１００においては、ガスタービンの起動や停止に伴って熱伸び差が発生したり、また、スラストや遠心力や自重たわみ状態での回転などにより変動荷重が加わって伸び縮みが発生したりするので、前記ボルト１０１および前記ナット１０２の締付力が変化する。このために、図９に示すように、前記ボルト１０１のおねじと前記ナット１０２のめねじとの噛み合い部、すなわち、ねじ噛み合い部１０５においては、変動応力（引っ張り応力や曲げ応力）が負荷される。そして、前記ねじ噛み合い部１０５に変動応力が負荷されると、前記ねじ噛み合い部１０５においては、摩耗や疲労損傷を起こし易くなる。そこで、前記ねじ噛み合い部１０５の疲労強度（特に、フレッティング（フレッチング）疲労強度）を改善する必要がある。

ねじ締結部材（ボルトおよびナット）の疲労強度を改善した技術は、従来からある（たとえば、特許文献１、特許文献２）。以下、従来のねじ締結部材について説明する。従来のねじ締結部材は、ナットのめねじに嵌合するボルトのおねじを、引っ張り方向へ、先細状に整形したもの（特許文献１）である。また、ボルト首下丸み部を製品ボルト首下丸み部局率半径の１．２〜３．０倍の範囲のボルトを成形し、そのボルト首下丸み部に冷間加工を施して所定の曲率半径に整形加工したもの（特許文献２）である。

ところが、前者（特許文献１）は、ボルトのおねじを引っ張り方向に先細状に整形してボルトのおねじにかかる引張応力を均一化するものであって、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制するものではない。このために、前者は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善するには限界がある。また、後者（特許文献２）は、ボルト首下丸み部に冷間加工を施してボルト首下丸み部の表面硬度を上昇させかつボルト首下の丸み部に圧縮残留応力を付与するが、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制するものではない。このために、後者も、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善するには限界がある。

特公昭５６−５３６５１号公報 特開平７−１８０７１４号公報

この発明が解決しようとする問題点は、従来のねじ締結部材では、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善するには限界があるという点にある。

この発明（請求項１に記載の発明）は、少なくともおねじの表面またはおよび少なくともめねじの表面に、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設ける、ことを特徴とする。

また、この発明（請求項２に記載の発明）は、表面軟質皮膜部の厚さが、おねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きい、ことを特徴とする。

さらに、この発明（請求項３に記載の発明）は、おねじおよびめねじをそれぞれ形成する切削加工の工程と、少なくともおねじの表面またはおよび少なくともめねじの表面に、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設ける加工処理の工程と、からなる、ことを特徴とする。

さらにまた、この発明（請求項４に記載の発明）は、加工処理の工程において、少なくともおねじの表面またはおよび少なくともめねじの表面に設ける表面軟質皮膜部の厚さが、おねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きい、ことを特徴とする。

さらにまた、この発明（請求項５に記載の発明）は、少なくともめねじの表面に、硬度がナットの母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設け、少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける、ことを特徴とする。

さらにまた、この発明（請求項６に記載の発明）は、表面軟質皮膜部の厚さが、おねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きく、表面硬化部が、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下の粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理により、設けられている、ことを特徴とする。

さらにまた、この発明（請求項７に記載の発明）は、めねじを形成する切削加工の工程と、少なくともめねじの表面に、硬度がナットの母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設ける加工処理の工程と、おねじを形成する切削加工の工程と、少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける加工処理の工程と、からなる、ことを特徴とする。

さらにまた、この発明（請求項８に記載の発明）は、加工処理の工程において、少なくともめねじの表面に設ける表面軟質皮膜部の厚さが、おねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きく、少なくともおねじの表面に表面硬化部を設ける加工処理が、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下の粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理である、ことを特徴とする。

この発明（請求項１に記載の発明）のねじ締結部材は、おねじの表面もしくはめねじの表面のうち少なくともいずれか一方に、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設けることにより、ボルトのおねじとナットのめねじとが噛み合う噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制することができる。このために、この発明（請求項１に記載の発明）のねじ締結部材は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善することができるので、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効である。

また、この発明（請求項２に記載の発明）のねじ締結部材は、表面軟質皮膜部の厚さがおねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きいので、ボルトのおねじとナットのめねじとを噛み合わせた際に、ボルトの母材とナットの母材とが表面軟質皮膜部から表面に露出することがない。このために、この発明（請求項２に記載の発明）のねじ締結部材は、ボルトの母材とナットの母材とが噛み合ってボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部における片当りや局所的な高応力が発生するのを確実に防止することができ、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を確実に改善することができる。

さらに、この発明（請求項３に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、切削加工工程で形成したおねじの表面もしくはめねじの表面のうち少なくともいずれか一方に、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部を、加工処理工程で設けるものであるから、この表面軟質皮膜部により、ボルトのおねじとナットのめねじとが噛み合う噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制することができる。このために、この発明（請求項３に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善することができるので、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるねじ締結部材を製造することができる。

さらに、この発明（請求項４に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、おねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きい厚さの表面軟質皮膜部を、おねじの表面もしくはめねじの表面のうち少なくともいずれか一方に、加工処理して設けるものである。このために、この発明（請求項４に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトのおねじとナットのめねじとを噛み合わせた際に、ボルトの母材とナットの母材とが表面軟質皮膜部から表面に露出することがない。この結果、この発明（請求項４に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトの母材とナットの母材とが噛み合ってボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部における片当りや局所的な高応力が発生するのを確実に防止することができ、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を確実に改善することができるねじ締結部材を製造することができる。

さらにまた、この発明（請求項５に記載の発明）のねじ締結部材は、ナットの少なくともめねじの表面に、硬度がナットの母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設けることにより、ボルトのおねじとナットのめねじとが噛み合う噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制することができる。しかも、この発明（請求項５に記載の発明）のねじ締結部材は、ボルトの少なくともおねじの表面に設けられている表面硬化部により、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与されることとなる。このために、この発明（請求項５に記載の発明）のねじ締結部材は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善することができるので、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効である。

さらにまた、この発明（請求項６に記載の発明）のねじ締結部材は、表面軟質皮膜部の厚さがおねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きいので、ボルトのおねじとナットのめねじとを噛み合わせた際に、ボルトの母材とナットの母材とが表面軟質皮膜部から表面に露出することがない。このために、この発明（請求項６に記載の発明）のねじ締結部材は、ボルトの母材とナットの母材とが噛み合ってボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部における片当りや局所的な高応力が発生するのを確実に防止することができる。しかも、この発明（請求項６に記載の発明）のねじ締結部材は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下の粒を少なくともおねじの表面に当てて、おねじの表面に表面硬化部を加工処理するものである。このために、この発明（請求項６に記載の発明）のねじ締結部材は、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与される一方、おねじの表面の粗さによりおねじの疲労強度の改善に対して影響を与えるようなことがない。この結果、この発明（請求項６に記載の発明）のねじ締結部材は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を確実に改善することができる。

さらにまた、この発明（請求項７に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、切削加工工程で形成したナットの少なくともめねじの表面に、硬度がナットの母材よりも低い表面軟質皮膜部を、加工処理工程で設けるものであるから、この表面軟質皮膜部により、ボルトのおねじとナットのめねじとが噛み合う噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制することができる。しかも、この発明（請求項７に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、切削加工工程で形成したボルトの少なくともおねじの表面に表面硬化部を加工処理工程で設けるものであるから、この表面硬化部により、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与されることとなる。このために、この発明（請求項７に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を改善することができるので、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるねじ締結部材を製造することができる。

さらにまた、この発明（請求項８に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、おねじの表面粗さの最大値とめねじの表面粗さの最大値との和よりも大きい厚さの表面軟質皮膜部を、ナットの少なくともめねじの表面に、加工処理して設けるものである。このために、この発明（請求項８に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトのおねじとナットのめねじとを噛み合わせた際に、ボルトの母材とナットの母材とが表面軟質皮膜部から表面に露出することがない。この結果、この発明（請求項４に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトの母材とナットの母材とが噛み合ってボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部における片当りや局所的な高応力が発生するのを確実に防止することができる。しかも、この発明（請求項８に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下の粒を少なくともおねじの表面に当てて、おねじの表面に表面硬化部を加工処理するものである。このために、この発明（請求項８に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与される一方、おねじの表面の粗さによりおねじの疲労強度の改善に対して影響を与えるようなことがない。この結果、この発明（請求項８に記載の発明）のねじ締結部材の製造方法は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部の疲労強度を確実に改善することができるねじ締結部材を製造することができる。

以下、この発明にかかるねじ締結部材の実施例１のうちの２例、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例１のうちの２例を図１〜図７に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例１によりこの発明が限定されるものではない。図１（Ａ）は、この実施例１にかかるねじ締結部材のナットのめねじの構造を示す一部拡大断面図、図１（Ｂ）は、この実施例１にかかるねじ締結部材のボルトのおねじの構造を示す一部拡大断面図である。図２（Ａ）は、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法の切削加工工程で形成されたボルトのおねじの表面粗さおよびナットのめねじの表面粗さを示す一部拡大断面図、図２（Ｂ）は、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法の加工処理工程で表面軟質皮膜部が設けられたナットのめねじの構造を示す一部拡大断面図である。図４（Ａ）は、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法の表面硬化部の加工処理工程の一例を示す説明図、図４（Ｂ）は、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法の表面硬化部の加工処理の一条件を示す説明図である。

図１〜図３は、この発明にかかるねじ締結部材の実施例１、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例１を示す。まずは、この発明にかかるねじ締結部材の実施例１について説明する。図１（Ａ）において、符号「２」は、ナットである。前記ナット２は、たとえば、鋼製から構成されている。また、前記ナット２は、ねじ孔が切削加工により構成されている。前記ねじ孔の内面には、めねじ２０が切削加工により形成されている。前記ナット２のめねじ２０の表面には、硬度が前記ナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１が、設けられている。

前記表面軟質皮膜部２１は、たとえば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティング、サーメテルＷコーティング、銀メッキ、銅メッキなどにより設けられている。図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、前記表面軟質皮膜部２１の厚さ（膜厚）Ｔは、ボルト１のおねじ１０の表面１２の粗さの最大値Ｔ１と前記ナット２のめねじ２０の表面２２の粗さの最大値Ｔ２との和よりも大きくする。この結果、前記ボルト１のおねじ１０と前記ナット２のめねじ２０とをねじ込んだ際に、前記ボルト１のおねじ１０の表面１２と前記ナット２のめねじ２０の表面２２とが前記表面軟質皮膜部２１から露出して相互に接触することがない。

前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴにより、前記ナット２のめねじ２０の有効径を変更させる必要がある。すなわち、前記ナット２において、前記表面軟質皮膜部２１を設ける場合のめねじ２０の有効径Ｄ０（すなわち、母材のめねじの有効径Ｄ０）を、前記表面軟質皮膜部２１を設けない場合のめねじ２０の有効径Ｄ（すなわち、完成品のめねじの有効径Ｄ）に対して、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴとほぼ同等の寸法分大きくする必要がある。

一方、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴを大きくし過ぎると、完成品のめねじの有効径Ｄに対して母材の目ねじの有効径Ｄ０が大きくなり過ぎて、本来あるべきねじ山が小さくなり過ぎるので、強度不足となる虞がある。このために、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、本来あるべきねじ山が小さくなり過ぎて強度不足とならない程度（Ｘ）を最大値とする。この結果、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、以下の範囲となる。すなわち、Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ＜（Ｘ）となる。前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、ねじの公差により異なり、たとえば、ねじ２級公差の場合（２級の嵌めあいの場合）、約２５μｍ程度である。

以下、図１（Ａ）に示すナット２の製造方法（この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法）の一例について図２（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。まず、切削加工の工程において、ナット２のねじ孔を構成し、かつ、このねじ孔の内面にめねじ２０を形成する。このめねじ２０の有効径Ｄ０は、完成品のめねじの有効径Ｄよりも表面軟質皮膜部２１の厚さＴ分ほど大きい。つぎに、加工処理の工程において、ナット２のめねじ２０の表面に、硬度がナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１を、たとえば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティング、サーメテルＷコーティング、銀メッキ、銅メッキなどにより設ける。

一方、前記ボルト１は、たとえば、ニッケル系の超合金から構成されている。なお、前記ボルト１としては、ニッケル系の超合金のほかに、たとえば、鉄、低合金鋼、ステンレス、その他の超合金から構成されているものであっても良い。また、前記ボルト１は、頭部と、軸部と、ねじ部と、が切削加工により構成されている。前記ねじ部の外面には、有効径ｄのおねじ１０が切削加工により形成されている。

この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２（図１（Ａ）に示すナット２）、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法（図２（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法）により製造されたナット２は、少なくともめねじ２０の表面に、硬度がナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１を、設けることにより、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０とが噛み合う噛み合い部における片当りや局所的な高応力の発生を抑制することができる。このために、この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２は、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部の疲労強度を改善することができるので、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材、たとえば、図８に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトおよびナットとして有効である。

また、この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２は、表面軟質皮膜部２１の厚さＴがボルト１のおねじ１０の表面粗さの最大値Ｔ１とナット２のめねじ２０の表面粗さの最大値Ｔ２との和よりも大きいので、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０とを噛み合わせた際に、ボルト１の母材とナット２の母材とが表面軟質皮膜部２１から表面に露出することがない。このために、この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２は、ボルト１の母材とナット２の母材とが噛み合ってボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部における片当りや局所的な高応力が発生するのを確実に防止することができ、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部の疲労強度を確実に改善することができる。

以下、この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２の有効性について、図３に示す試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）、すなわち、移動試験片を接触片で一定の面圧となるように挟み、局所の応力振幅を与える試験の実施の結果を示す説明図に基づいて説明する。

図３の縦軸は、破損繰返し数を示す。この図３に示すように、従来品（従来のナット）は、破損繰返し数が約１．１×１０の６乗回のときに破損が生じた。これに対して、本発明品１（この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２であって、表面軟質皮膜部２１がメッキの場合）は、破損繰返し数が約１．４×１０の６乗回のときに破損が生じた。また、本発明品２（この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２であって、表面軟質皮膜部２１がＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティングの場合）は、破損繰返し数が約１．１×１０の７乗回を超えても破損が発生していない。すなわち、本発明品１、２のナットは、従来品のナットに比較して十分な疲労強度が得られることとなる。

このように、この実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、この実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２は、図８に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトとからなるねじ締結部材など、すなわち、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材（ボルトおよびナットからなるねじ締結部材）として有効である。

なお、前記の実施例１にかかるねじ締結部材、および、前記の実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法において、ナット２のめねじ２０に表面軟質皮膜部２１を設けたものである。ところが、この発明においては、表面軟質皮膜部をボルトのおねじに設けても良いし、また、表面軟質皮膜部をボルトのおねじとナットのめねじとの双方に設けても良い。このボルトのおねじとナットのめねじとの双方に表面軟質皮膜部を設ける場合、この双方に設ける表面軟質皮膜部の厚さは、片方に設ける表面軟質皮膜部の厚さの約２分の１とすることが好ましい。

図４〜図７は、この発明にかかるねじ締結部材の実施例２、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例２を示す。図１（Ｂ）において、符号「１」は、この実施例１にかかるボルトである。前記ボルト１は、たとえば、ニッケル系の超合金から構成されている。なお、前記ボルト１としては、ニッケル系の超合金のほかに、たとえば、鉄、低合金鋼、ステンレス、その他の超合金から構成されているものであっても良い。また、前記ボルト１は、頭部と、軸部と、ねじ部と、が切削加工により構成されている。前記ねじ部の外面には、有効径ｄのおねじ１０が切削加工により形成されている。そして、前記ボルト１の少なくともおねじ１０の表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１が、設けられている。

前記表面硬化部１１は、メッシュサイズ＃１５０、すなわち、目が１００μｍ×１００μｍのメッシュを通過し得る粒径以下の粒を、前記ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に当てる加工処理、たとえば、ショットブラストやショットピーニングなどにより、設けられている。

以下、図１（Ｂ）に示すボルト１の製造方法（この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法）の一例について図４（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。まず、切削加工の工程において、ボルト１の頭部と軸部とねじ部とを構成し、かつ、ねじ部の外面に有効径ｄのおねじ１０を形成する。つぎに、加工処理の工程において、ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１を、設ける。

前記の加工処理の工程は、メッシュサイズ＃１５０、すなわち、目が１００μｍ×１００μｍのメッシュを通過し得る粒径以下の粒を、ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に当てる加工処理の工程、たとえば、ショットブラストやショットピーニングなどにより、行われる加工処理の工程である。

前記の加工処理の工程は、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すような条件において、表面硬化部１１を加工処理する。すなわち、ボルト１のおねじ１０をボルト１の軸心回りに回転させる速度であるボルトネジ歯周速（Ｓ）が８０ｍｍ／ｓ、ブラストガン１３をボルト１の軸心に対して平行に移動させる速度であるブラストガン移動速度（Ｖ）が２ｍｍ／ｓ、ブラストガン１３からボルト１のおねじ１０までの距離である照射距離（Ｌ）が５００ｍｍ、ブラストガン１３からブラスト材をボルト１のおねじ１０に当てる力であるブラスト材供給圧（Ｐ）が０．５５ＭＰａ、ブラストガン１３からボルト１のおねじ１０に当てるブラスト材の粒径がメッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ）のメッシュを通過し得る粒径以下である。

この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたボルト１は、図８に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトとナットとからなるねじ締結部材など、すなわち、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材（ボルトおよびナットからなるねじ締結部材）として有効である。

以下、この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたボルト１の有効性について、図５に示す耐疲労強度検証試験装置３を使用した耐疲労強度検証試験に基づいて説明する。

前記耐疲労強度検証試験装置３の台座３０の横孔３１中に試験用のボルト１を通す。前記ボルト１の一端もしくは両端にナット２を締め付けて、前記ボルト１を前記台座３０に所定の引張荷重で固定する。また、前記台座３０の竪孔３２に押し棒３３を通して前記ボルト１に当てる。さらに、前記ボルト１に応力計測器３４を試験部分３５の近傍に設ける。前記応力測定器３４は、前記試験部分３５に亀裂が生じたか否かを判断するための測定器であって、測定値が急激に変化したときには前記試験部分３５に亀裂が生じたことを示す。そして、室温大気中の試験環境下において、前記押し棒３３で前記ボルト１に所定の繰返し曲げ荷重を与えて前記ボルト１の試験部分３５（ボルト１の歯面やねじ底）の疲労試験を行う。なお、前記所定の引張荷重は、前記ボルト１が塑性変形する荷重の約３分の２の荷重であり、また、所定の繰返し曲げ荷重は、前記ボルト１が塑性変形する荷重の約２〜２．５％の荷重である。

前記耐疲労強度検証試験装置３を使用した耐疲労強度検証試験の結果を図６に示す。なお、図６の縦軸は、前記押し棒３３によりボルトに与えた所定の繰返し曲げ荷重の回数を示す。この図６に示すように、従来品（従来のボルト）は、所定の繰返し曲げ荷重の回数が約６．３×１０の６乗回のときに、前記試験部分に亀裂が生じた。これに対して、本発明品３（この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたボルト１）は、所定の繰返し曲げ荷重の回数が約１．２×１０の７乗回を超えても、前記試験部分３５に亀裂が発生していない。すなわち、本発明品３は、従来品に比較して約２倍以上の疲労強度が得られることとなる。因みに、試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）、すなわち、移動試験片を接触片で一定の面圧となるように挟み、局所の応力振幅を与える試験の実施の結果、本発明品３の試験片が従来品の試験片と比較して約１０倍以上の疲労強度が得られた。

以上から明らかなように、この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたボルト１は、従来のボルトと比較して約２倍以上の疲労強度が得られるので、図８に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトとナットとからなるねじ締結部材など、すなわち、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材（ボルトおよびナットからなるねじ締結部材）として有効である。

ここで、この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法において、粒（ブラスト材）を少なくともおねじ１０の表面に当てて、その少なくともおねじ１０の表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１を、加工処理により設けているものである。前記表面硬化部１１を前記の加工処理により設ける場合において、最も重要な要因となるのは、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒（ブラスト材）の粒径である。

すなわち、この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法においては、疲労強度を向上させるために、少なくともおねじ１０の表面の「硬度向上」と「圧縮残留応力の付与」とを目的とするものである。ところが、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒の粒径により、少なくともおねじ１０の表面の「粗さ」が変化してねじ底の疲労強度に大きく影響する。

以下、粒径の大きさによる疲労強度の影響を図７を参照して説明する。図７に示すように、少なくともおねじ１０の表面の「表面硬さ向上」と「圧縮応力付与」とは、粒径の大きさにより影響を受けない。一方、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」は、粒径の大きさにより影響を受ける。すなわち、メッシュサイズ＃４６（目が３５５μｍ×３５５μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃８０（目が１８０μｍ×１８０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃１００（目が１５０μｍ×１５０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径の場合、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」が大きくなり、ねじ底の疲労強度が図４に示す従来品と大差がない。一方、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃３６０（目が７０μｍ×７０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径の場合、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」が小さくなり、図６に示す本発明品３とほぼ同様のねじ底の疲労強度が得られる。

このように、この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法においては、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ）のメッシュを通過し得る粒径以下、好ましくは、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃３６０（目が７０μｍ×７０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径のブラスト材を少なくともおねじ１０に当てるものである。

また、この実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、この実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法において、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒の材質としては、錆びない非鉄材、たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリカ（ＳｉＯ２）を使用する。

そして、前記の実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、前記の実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２と、前記の実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、前記の実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたボルト１と、からなるねじ締結部材は、前記の実施例１にかかるねじ締結部材のナット２、および、前記の実施例１にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたナット２の作用効果と、前記の実施例２にかかるねじ締結部材のボルト１、および、前記の実施例２にかかるねじ締結部材の製造方法により製造されたボルト１の作用効果と、の相乗効果により、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材（ボルトおよびナットからなるねじ締結部材）として非常に有効である。

この発明にかかるねじ締結部材およびこの発明にかかるねじ締結部材の製造方法は、ボルトのおねじとナットのめねじとの噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるねじ締結部材およびねじ締結部材の製造方法として有用である。

この発明にかかるねじ締結部材の実施例１を示すナットとボルトとの一部拡大断面図である。 この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例１を示すナットの製造方法の説明図である。 この発明にかかるねじ締結部材の実施例１のナット、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例１により製造されたナットの試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）の実施の結果を示す説明図である。 この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例２を示すボルトの製造方法の説明図である。 この発明にかかるねじ締結部材の実施例２のボルト、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例２により製造されたボルトの耐疲労強度検証試験装置を使用した耐疲労強度検証試験の状態を示す説明図である。 この発明にかかるねじ締結部材の実施例２のボルト、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法の実施例２により製造されたボルト（本発明品３）と従来品との耐疲労強度検証試験装置を使用した耐疲労強度検証試験の結果を示す説明図である。 この発明にかかるねじ締結部材、および、この発明にかかるねじ締結部材の製造方法における、粒径の大きさによる疲労強度の影響を示す説明図である。 ガスタービンのロータスピンドルボルトとして使用されている従来のボルトを示す説明図である。 ねじの噛み合い分を示す一部拡大断面図である。

符号の説明

１ ボルト
１０ おねじ
１１ 表面硬化部
１２ おねじの表面
１３ ブラストガン
２ ナット
２０ めねじ
２１ 表面軟質皮膜部
２２ めねじの表面
３ 耐疲労強度検証試験装置
３０ 台座
３１ 横孔
３２ 縦孔
３３ 押し棒
３４ 応力計測器
３５ 試験部分
ｄ おねじの有効径
Ｄ 完成品のめねじの有効径
Ｄ０ 母材のめねじの有効径
Ｔ 表面軟質皮膜部の厚さ
Ｔ１ おねじの表面粗さの最大
Ｔ２ めねじの表面粗さの最大
Ｓ ボルトネジ歯周速
Ｖ ブラストガン移動速度
Ｌ 照射距離
Ｐ ブラスト材供給圧
１００ ロータ
１０１ ボルト
１０２ ナット
１０３ ディスク
１０４ 動翼
１０５ ねじ噛み合い部

Claims (8)

1. おねじを有するボルトと、めねじを有するナットと、から構成されているねじ締結部材において、
   少なくともおねじの表面またはおよび少なくともめねじの表面には、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部が、設けられている、ことを特徴とするねじ締結部材。
2. 前記表面軟質皮膜部の厚さは、前記おねじの表面粗さの最大値と前記めねじの表面粗さの最大値との和よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のねじ締結部材。
3. おねじを有するボルトと、めねじを有するナットと、から構成されているねじ締結部材の製造方法において、
   前記おねじおよび前記めねじをそれぞれ形成する切削加工の工程と、
   少なくともおねじの表面またはおよび少なくともめねじの表面に、硬度が母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設ける加工処理の工程と、
   からなる、ことを特徴とするねじ締結部材の製造方法。
4. 前記加工処理の工程において、少なくともおねじの表面またはおよび少なくともめねじの表面に設ける前記表面軟質皮膜部の厚さは、前記おねじの表面粗さの最大値と前記めねじの表面粗さの最大値との和よりも大きい、ことを特徴とする請求項３に記載のねじ締結部材の製造方法。
5. おねじを有するボルトと、めねじを有するナットと、から構成されているねじ締結部材において、
   少なくともめねじの表面には、硬度が前記ナットの母材よりも低い表面軟質皮膜部が、設けられており、
   少なくともおねじの表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部が、設けられている、
   ことを特徴とするねじ締結部材。
6. 前記表面軟質皮膜部の厚さは、前記おねじの表面粗さの最大値と前記めねじの表面粗さの最大値との和よりも大きく、
   前記表面硬化部は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下の粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理により、設けられている、
   ことを特徴とする請求項５に記載のねじ締結部材。
7. おねじを有するボルトと、めねじを有するナットと、から構成されているねじ締結部材の製造方法において、
   前記めねじを形成する切削加工の工程と、
   少なくともめねじの表面に、硬度が前記ナットの母材よりも低い表面軟質皮膜部を、設ける加工処理の工程と、
   前記おねじを形成する切削加工の工程と、
   少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける加工処理の工程と、
   からなる、ことを特徴とするねじ締結部材の製造方法。
8. 前記加工処理の工程において、少なくともめねじの表面に設ける前記表面軟質皮膜部の厚さは、前記おねじの表面粗さの最大値と前記めねじの表面粗さの最大値との和よりも大きく、
   少なくともおねじの表面に前記表面硬化部を設ける前記加工処理は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下の粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理である、
   ことを特徴とする請求項７に記載のねじ締結部材の製造方法。

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