JP2009197944A - ドリルねじ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性に優れると共にドリリング時間のバラツキが少ないドリルねじを提供する。
【手段】ドリルねじは、雄ねじ２を有する軸１と頭部３とドリル部４とで構成されている。ドリルねじの表面の全体に、カチオン電着塗装法によって樹脂の電着塗装膜６が形成されている。全体が電着塗装膜６で覆われていることによって高い耐食性（耐候性）が確保され、かつ、ドリル部４も電着塗装膜６で覆われていることにより、ドリリング時間のバラツキが抑制されている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ドリルねじとその製造方法に関するものである。

ドリルねじは軸の先端部にドリル部を形成したものであり、ワーク及びこれが締結される基材への自己穿孔性を有しており、建築の分野を初めとして広く使用されている。ドリルねじには様々の機能が要請されるが、特に、切削性能は作業能率や作業者の負担軽減の点から重要であり、また、耐食性（防錆機能）も重要である。特に、屋根板の締結や壁材の締結のように建築関係で湿気や外気に晒される場所に使用する場合は、耐食性（耐候性）は重要な要素になる。

ドリルねじの素材としては例えば炭素鋼やクロム鋼のような鋼材（線材）が多用されており、切削性を高める方法としては一般に浸炭焼き入れや窒化焼き入れのような焼き入れが成されており、また、耐食性向上手段としては一般に亜鉛メッキ等のメッキ処理がなされている。耐食性を確保するためにステンレス鋼を使用することも行われているが、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れているものの焼き入れできないという問題があり、マルテンサイト系ステンレス鋼は焼き入れはできるが耐食性に劣るという問題がある。

切削性を向上させる手段として本願出願人は、特許文献１において、ＺｎやＳｎのメッキを施してから加熱処理を施すことで表面に合金層を形成することを提案した（なお、特許文献１に出願人として記載されている称は本願出願人会社の旧名称である。）。

また、他の先行技術として特許文献２には、ドリル部の表面のみに厚さ０．５μｍ以上の耐薬品性樹脂皮膜を形成して、ドリル部を除いた部分の表面には耐食性皮膜を形成することが開示されており、この構成により、ドリル部の耐食性を維持しつつねじ込み時間が短縮された旨の効果が記載さている。また、この特許文献２では、耐薬品性樹脂皮膜の素材としてはエポキシ系やオレフィン系、テフロン（登録商標）系のものが例示されており、樹脂皮膜形成方法としては浸漬法（ドブ漬け）やスプレー法が例示されている。また、耐食性皮膜としてはメッキ処理が例示されている。

なお、ドリル部を持たない（即ち、ワーク及び基材に対する切削性能を持たない）タッピンねじにおいて、その全体を樹脂で塗装することは特許文献３，４に開示されている。このうち特許文献３はワークへのねじ込みに際して塗料を剥がして剥げた塗料をシール性ワッシャーとして機能させんとしたものであり、他方、特許文献４は、タッピンねじの表面に加工硬化等によって２μｍ以下の超微細粒フェライト組織を形成することで焼き入れを不要ならしめることを主眼としており、塗装は耐食のためだけに設けていると解される。
特開平３−１４９４０７号公報 特開２００２−３２３０２１号公報 実公昭３７−１３９１６号公報 特開２００７−２９５０号公報

特許文献２は、ドリル部をメッキすると切刃の部分のメッキ厚さが他の部分よりも厚くなって切削性が低下するという知見を基に、ドリル部のみに樹脂皮膜でマスキングしてからメッキすることにより、ドリル部にメッキをせずに地鉄の硬度と耐食性とを確保しつつ、他の部分にはメッキによる耐食性を確保することを企図している。なお、ドリル部の樹脂皮膜を耐薬品性としているのは、脱脂処理やメッキ処理に耐えるためと解される。

しかし、特許文献２のようにドリル部のみに樹脂皮膜を形成するには、ドリルねじの姿勢を揃えた状態で浸漬・乾燥等の処理を施さねばならないため処理が面倒であり、また、特許文献２ではドリル部を除いた部分はメッキ処理のみしか開示していないが、用途によってはメッキのみでは必要な耐食性を確保できない場合がある。

他方、ねじ類において素材の微妙なバラツキや加工条件の僅かの違いによって製品の特性にバラツキが生じることは不可避であり、ドリルねじも例外ではない。そして、ドリルねじにおいて、締結作業の能率や作業者の負担軽減の点からドリル部の切削性能（ドリリング時間）のバラツキが一つの問題として挙げられる。しかるに、この切削性能のバラツキという問題は、従来は考慮されていなかったと言える。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、全体に亙って高い耐食性を確保しつつ切削性能のバラツキが抑制されたドリルねじを提供せんすとるものである。

ドリルねじの耐食性を高める方法としては耐食膜（防錆膜）を表面の全体に被覆することが考えられるが、ワーク及び基材へのねじ込みによって容易に剥がれないことや、被覆処理が簡単である等の条件が必要になる。本願発明者は塗装に着目し、本願発明を完成させるに至った。

本願発明はドリルねじとその製法とを対象にしている。請求項１の発明はドリルねじに関するものであり、この発明では、外周に雄ねじを形成した軸と、前記軸の一端部に一体に形成されていて回転工具が係合し得る頭部と、前記軸の他端部に一体に設けられたドリル部とから成っており、軸と頭部とドリル部との表面の全体がカチオン電着塗装膜で被覆されている。また、請求項２の発明では、請求項１において、焼き入れしてからメッキを施して更に加熱処理することで表面部の全体にメッキ金属−鉄の合金層が形成されており、合金層をカチオン電着塗装膜で被覆している。

本願発明におけるドリルねじの製法は、請求項３に記載したように、鋼線より成る素材に頭部とドリル部と雄ねじとを形成してから焼き入れし、次いで、メッキを施してから加熱処理することで表面部の全体に合金層を形成し、その後に表面の全体をカチオン電着塗装膜で被覆する、という工程を含んでいる。

カチオン電着塗装は、塗料の溶液中にワークを浸漬し、ワークを陰極として溶液に通電することで塗料をワークの表面に塗着するものであり、入り込んだ隅部や狭い溝部にも確実に塗装できる点や、アニオン電着塗装に比べて耐食性・接着性が優れている点、膜厚が１５μｍ前後で均一化している点等の多くの利点があり、自動車用ボデーや建材（支柱・梁など）のような大型製品の塗装に多用されている。

そして、本願発明の構成を採用すると、ドリルねじはその表面の全体が樹脂皮膜で塗装されているため極めて高い耐食性を備えているが、ドリルねじへのカチオン電着塗装は、例えば多数本のドリルねじを金属製カゴ等の容器に入れてこの容器に通電するバッチ処理によって簡単に施すことができ、このためコストが嵩むことはない。

そして、本願発明では、ドリルねじにもカチオン電着塗装が施されていることにより、切削性能のバラツキが小さくなる。正確に述べると、ドリル部がワーク及び基材を貫通させるのに要するトルクと時間が個々の製品によって異なる度合いを従来よりも抑制でき、その結果、打ち込みに大きな力を要するものが表れることを防止して作業者の負担を軽減できる。

カチオン電着塗装を施したことで切削性能のバラツキが低下する理由は明確でないが、塗装膜が潤滑剤の役割を果たしているのではないかと推測される。つまり、ドリルねじによる締結作業において、ドリル部によるワーク及び基材の下穴加工工程ではドリル部は高速（数百ｒｐｍ以上）で回転してワーク及び基材を少しずつ切削するものであるに対して、基材への雄ねじのねじ込みは低速で行われるものであり、この点は打ち込みを最初から低速回転で行うタッピンねじや木ねじと相違するドリルねじの特徴なのであるが、下穴を空けるに際して、ドリル部の高速回転による摩擦熱で樹脂皮膜が溶けて潤滑剤の役割を果たしているのではないかと推測される。

特許文献１の構成にすると、亜鉛のようなメッキ金属と鉄との合金層の存在により、単に焼き入れ・焼きなまし処理を施しただけのものに比べて切削性が向上するが、請求項２，３のように構成すると、ドリル部の表面に合金層が形成されていることによる切削性能アップの確保できることに加えて切削性のバラツキが抑制されることになり、このため特に好適である。

次に、本願発明の具体的な構成を説明する。

(1).構造・製法
図１のうち（Ａ）は本願発明を適用したドリルねじの外観図である。ドリルねじは、外周に雄ねじ２が形成されている軸１を備えており、軸１の一端部には六角の頭部３が一体に形成されており、軸１の他端部にはドリル部４が一体に形成されている。頭部３はフランジ３ａを備えている。頭部３としては鍋形や皿形、或いは六角穴付きなど様々の形態を採用できる。

ドリル部４は一対の縦溝４ａによって区分された２つのパート４ｂを有しており、両パート４ｂの先端は軸心に対して傾斜した切刃４ｃになっている。２つの切刃４ｃはチゼルエッジ４ｄを挟んだ両側に対称に配置されている。縦溝４ａがねじ部まで延びている場合もある。また、ねじ部には軸方向の線に沿って並んだノッチを設けることも可能である。また、雄ねじ２の始端はドリル部４にかかっていても差し支えない。

図１（Ｂ）は軸１の模式的な平断面図であり、この図１（Ｂ）に例示して示すように、ドリルねじの表面部の全てはＦｅ−Ｚｎの合金層５になっており、かつ、合金層５の表面の全体にカチオン電着塗装法によるで電着塗装膜６が形成されている。樹脂膜６を構成する樹脂の種類として、例えばフッ素樹脂が挙げられる。電着塗装膜６の厚さは概ね１０〜１５μｍ前後である。

ドリルねじは概ね次の手順で製造される。すなわち、まず、鋼線材を素材としてこれを所定長さに切断して素材ピースと成し、素材ピースの一端部に圧造によって頭部３を形成し、次いで、素材ピースの他端部に圧造又は切削によってドリル部４を形成し、次いで、素材ピースのうち軸になる部分の外周面に転造によって雄ねじ２を形成し、これによってドリルねじの形態と成す。

次いで、ドリルねじを８８０〜９００℃程度に加熱してから急冷することで焼き入れ及び焼き戻しを行い、それから表面の全体に電気亜鉛メッキを施し、次いで、２００〜４００℃に加熱することで表面部に合金層５を形成し、その後、カチオン電着塗装を施す。カチオン電着塗装の具体的な方法は、水溶性塗料溶液が溜められた塗装槽にカゴ状容器に入ったドリルねじを浸漬し、カゴ状容器をマイナス極として塗料溶液に通電することで塗料をドリルねじの表面に万遍なく塗布し、それからドリルねじを塗装槽から引き上げて乾燥させる、という手順で行われる。

(2).試験結果
図２のグラフでは、本実施形態に係るドリルねじのドリリング性能の試験結果を示している。この試験は、厚さ０．６ｍｍのワークＷを厚さ２．３ｍｍの基材Ｂに重ねて、これに比較例と本実施形態との３０本ずつのドリルねじを打ち込み、ドリル部４がワークＷと基材Ｂとを貫通する時間を計測して、各サンプルごとにプロットして表とした。

ドリルねじは呼び径（雄ねじ２の外径）が６ｍｍのものを使用しており、この場合のドリル部４の外径（正確にはドリルねじの外接円の直径）は約５ｍｍ程度である。ドリルねじをワークＷ及び基材Ｂに押し当てる推力は１５６．８Ｎで、工具の回転数は２５００ｒｐｍであった。なお、ドリルねじは長さ３５ｍｍのものを使用したが、試験はドリル部４の貫通の時間を測定するものであるため、ドリルねじの長さは試験結果には影響しない。

図２において、白抜き丸でプロットしたサンプルは、合金層５は有しているが電着塗装膜６は有していない比較例、黒丸でプロットしているサンプルは、合金層５と電着塗装膜６とを有している本願実施例である。ドリル部４は圧造によって加工している。比較例と本願実施例とは、カチオン電着塗装の工程を除いて同じ条件で加工されている。

この図２において、比較例と本願実施品とは、ドリリングの最小時間は２秒前後で殆ど変わらないが、最大時間については本願実施品が約５．５秒であるのに対して比較例は約８．２秒もあり、本願実施品は比較例に比べてドリル時間のバラツキが少ない（すなわちドリル時間の安定性が高い）ということが把握できる。

また、図３はトルク試験機を用いてねじのタッピングトルクを計測した結果であり、図３に示す寸法のサンプルを５本ずつ用意し、これらについての平均値を表に表したものである。ワークには建物等に使用するＣ型鋼（チャンネル材）を用いた。この図３から、本願実施品はメッキ品に比べてタッピングトルクが低いことが把握できる。これは、カチオン電着塗装が潤滑剤の役割を果たしてねじ込み抵抗を抑制できるためと推測される。

(3).その他
本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えばドリルねじの外観形状には特段の限定はないのであり、軸、頭部、ドリル部の形状は任意に設定できる。または、雄ねじを多条ねじとすることなども可能である。

（Ａ）はドリルねじの外観形状を示す図、（Ｂ）は軸の部分的な拡大断面図である。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 軸
２ 雄ねじ
３ 頭部
４ ドリル部
５ 合金層
６ カチオン電着塗装膜

Claims (3)

1. 外周に雄ねじを形成した軸と、前記軸の一端部に一体に形成されていて回転工具が係合し得る頭部と、前記軸の他端部に一体に設けられたドリル部とから成っており、軸と頭部とドリル部との表面の全体がカチオン電着塗装膜で被覆されている、
   ドリルねじ。
2. 焼き入れしてからメッキを施して更に加熱処理することで表面部の全体にメッキ金属−鉄の合金層が形成されており、合金層をカチオン電着塗装膜で被覆している、
   請求項１に記載したドリルねじ。
3. 鋼線より成る素材に頭部とドリル部と雄ねじとを形成してから焼き入れし、次いで、メッキを施してから加熱処理することで表面部の全体にメッキ金属−鉄の合金層を形成し、その後、カチオン電着塗装法によって表面の全体に樹脂の電着塗装膜で被覆する、
   という工程を含むドリルねじの製造方法。

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