JP2009533635A - 高性能のネジ部形成用ネジ - Google Patents
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Abstract
ＨＲＣ５６の最低表面硬さを持つネジ部形成用ネジ（１０）である。このネジ（１０）は、ＨＲＣ２３を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を形成することができる。ネジ（１０）を表面硬化する方法は、ネジ（１０）を少なくとも０．４８炭素レベルまで炭素富化し、それからネジ（１０）を焼き入れする。それからネジ（１０）は焼き戻しされ、表面硬さがコア硬さを３ロックウエルＣポイントよりも大きく超えないように、且つ表面とコアの双方がロックウエルＣ３３〜３９硬さとなるようにする。続いて尖端（１６）は高周波焼き入れされ、そしてネジは再度焼き入れされる。ネジ（１０）は再度焼き戻しされ、リードネジ部（１８）及び最初の３〜４つの全ネジ部（２２，２４）が、好ましくは少なくとも０．００８インチの深さ（２６）まで、最低ロックウエルＣ５６硬さとなるように、且つ締結具（１０）のコアがロックウエルＣ３３〜３９硬さとなるようにする。最後に、仕上げが施される。
【選択図】なし
【選択図】なし
Description
本発明は、一般にネジ部形成用ネジ及びその形成方法に関し、特に締結具、例えば少なくとも一部分がＨＲＣ５６（ロックウエル硬さＣスケール）の最低表面硬さを持つネジ部形成用ネジ、並びにそのようなネジ部形成用ネジを形成する方法に関する。
現在、産業は、ネジ部形成用ネジが、ロックウエルＣ２３以下の硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成可能であることを推奨する。そのようなものとして、現在のネジ部形成用ネジは、そのようなワークピースにネジ部を冷間形成するに十分硬いものである。しかしながら、いくつかの応用では、ネジ部形成用ネジが、ＨＲＣ２３を超える硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成可能であることが望まれる。例えば、高強度低合金（ＨＳＬＡ）素材が形成された後に、この素材に例えば穿孔することによって、穴領域内及び周囲の硬さは、ロックウエルＣ４０硬さに達し、且つそれを超えることができる。
従来のネジ部形成用ネジは、ＨＲＣ２３を超える硬さを持つワークピースにネジ部を成功裏に冷間形成するに十分なほど硬くはない。例えば、いくつかの市販のネジ部形成用ネジは、尖端及び最初の３〜４つの全ネジ部がロックウエルＣ４５最低硬さであり、且つ締結具のコアがロックウエルＣ３３〜３９硬さであるように加工されている。このようなネジ部形成用ネジは、ＨＲＣ２３を超える素材にネジ部を一貫して冷間形成するに十分なほど硬くはない。そのようなネジ部形成用ネジを、ＨＲＣ４０以上の硬さを持つＨＳＬＡ素材（又は他の素材）中に打ち込む時に、ネジ部の崩壊が起こる。この崩壊、又はネジの変形は、ジョイント不良を引き起こす。鉄鋼のような素材にネジ部を形成するときに、ネジ部を崩壊することなく適切に形成するために、締結具は、その締結具がねじ込まれる素材よりも遙かに大きな硬さをもつことが要求される。
現在のネジ部形成用ネジは、ＨＲＣ２３を超える硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成するに十分なほど硬くはないので、そのような場合には、例えばワークピースにネジ部付きジョイントを設けることによって（これはドリル及びタップ操作を必要とする）、あるいは溶接ナット、ルーズナット、溶接ボス、ネジ部付きインサートを設けることによって、あるいは同様の特徴を設けるか、相方ネジ部を設けるための同様の方法を使用することによって、相方ネジ部を設ける必要があった。これらの構造／方法は、追加の操作、ハードウエア及び時間を必要として、よりコスト高で時間浪費型のプロセスを生じる。
そのようなものとして、ロックウエルＣ２３を超える硬さを持つワークピース、例えばＨＳＬＡ素材又は他の素材に、ネジ部を形成することが可能な締結具に対する市場が存在する。
本発明の実施形態の１つの目的は、少なくとも一部分が十分に高い表面硬さを持つネジ部形成用ネジであって、ロックウエルＣ２３を超える硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成することに使用可能なネジ部形成用ネジを提供するにある。
本発明の実施形態のもう１つの目的は、少なくとも一部分がＨＲＣ５６の最低表面硬さを持つネジ部形成用ネジを提供するにある。
本発明の実施形態の更にもう１つの目的は、ネジのネジ部の少なくともいくつかについては、ＨＲＣ５６の最低表面硬さを、少なくとも０．００８インチの深さまで持つネジ部形成用ネジを提供するにある。
簡単に、そして前述した目的の少なくとも１つに従って、本発明の実施形態は、ヘッドと、このヘッドから延びたネジ部付きシャンクとを有するネジ部形成用ネジを提供する。このシャンクのネジ部の少なくともいくつかは、好ましくはＨＲＣ５６の最低表面硬さまで表面硬化され、これによりネジ部形成用ネジが後に、ＨＲＣ２３を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成することに使用され得るようにする。
本発明のもう１つの形態は、そのようなネジ部形成用ネジを形成する方法を提供する。この方法では、ネジに熱処理プロセスを行うことによって、ネジが少なくとも０．４８炭素レベルまで炭素富化され、そして例えばオイル中で焼き入れされる。それから、このネジは焼き戻しされる。これは、脆弱性を低下させ、且つ延性の高いコアを見込むためである。好ましくは、焼き戻しは、表面硬さがコア硬さを３ロックウエルＣポイントよりも大きく超えないように制御される。好ましくは、焼き戻し後に、締結具の表面及びコアの双方がロックウエルＣ３３〜３９硬さとなる。続いて、尖端、例えばネジのリードネジ部及び３〜４つの全ネジ部は高周波焼き入れされ、そしてネジは例えば水中で又は合成クエンチ中で焼き入れされる。それから、ネジは、より低い脆弱性まで再度焼き戻しされる。好ましくは、この焼き戻し工程は、リードネジ部と最初の３〜４つの全ネジ部が、ロックウエルＣ５６最低硬さを持ち、さらに好ましくは少なくとも０．００８インチの深さまでロックウエルＣ５６最低硬さを持ち、且つ締結具のコアがロックウエルＣ３３〜３９硬さにあるようにする。最後に、締結具に仕上げが施されることが好ましい。
この発明の構造及び動作の組織及び手法は、その更なる目的及び利点と共に、添付の図面に関連してなされる以下の説明を参照することによって、最も良く理解される。図面では、同様の参照番号は、同様の要素を識別している。
本発明は異なる形の実施形態に受け入れ可能であるが、その一実施形態が図面に示され、ここで詳細に説明される。本説明は、発明の原理の例示として考えられるべきものであって、この発明をここに図示され説明されたものに限定することを意図されたものではない、と理解されるべきである。
本発明の１つの形態は、少なくとも一部分がＨＲＣ５６の表面硬さを持つ締結具、例えばネジ部形成用ネジに関する。本発明のもう１つの形態は、少なくとも一部分がＨＲＣ５６の表面硬さを持つ締結具、例えばネジ部形成用ネジを表面硬化する方法に関する。この方法は、広範囲なネジに関連して使用され得るが、米国特許第３，９３５，７８５号は、本発明の実施形態に係る方法が使用され得るネジを開示している。この７８５号特許は、参照によりここに完全に組み入れられる。
７８５号特許に及び本願の図１に示されているように、ネジ１０は、ヘッド１２と、このヘッド１２から延びたネジ部付きシャンク１４とを有する。ネジ１０のヘッド１２とは逆の端部１６付近には、ネジ１０の尖端１６に向けて幾分先細りした複数のリードネジ部１８がある。リードネジ部１８とヘッド１２との間には、複数の全ネジ部２０がある。この場合、参照番号２２は、最初の全ネジ部を示し、参照番号２４は、４番目の全ネジ部を示す。この特別なネジの形状及び機能は、より詳細に７８５号特許に見られる。しかしながら、本発明の好ましい特定の実施形態の一例が、図２に示されているように準備されている。この場合、ネジのリードネジ部１８は、最初の３又は４つの全ネジ部と同様に、少なくとも０．００８インチの深さ（即ち、図２に示された寸法２６）まで、少なくともＨＲＣ５６のロックウエル硬さに表面硬化されている。ネジ１０のコアは、ロックウエルＣ３３〜３９硬さであって、ネジ１０が比較的延性のあるコアを持つようにすることが好ましい。図２に示されているように、参照番号２８によって識別された部分は、最低ＨＲＣ５６で高周波焼き入れされた最低領域を有する。これに対し、参照番号３０によって識別された部分は、最低ＨＲＣ５６で高周波焼き入れされた最高領域を有する。参照番号３２によって識別された部分は、硬化され、焼き入れ、及び焼き戻しされた領域であり、コアの３ポイントＨＲＣ内の表面硬さを持つ。
図３は、本発明の一実施形態に係る方法を説明するフローチャートであり、この方法は、図１及び２に示されたネジ部形成用ネジ１０を作ることに使用され得る。この方法では、例えば４０３７番鋼又は同様の合金製のワイヤが与えら、このワイヤが冷間頭部すえ込み機で引き抜きされる。この素材は、例えばＡＩＳＩ規定Ｃ４０３７級の合金鋼からなり、その組成は、炭素０．３５〜０．４０％、マグネシウム０．７０〜０．９０％、イオウ０．０４０％最大、リン０．０３５％最大、シリコン０．２０〜０．３５％及びモリブデン０．２０〜０．３０％であると分析され、通常は微粒の球状化処理された焼きなましキルド鋼として特定されるものである。勿論、本発明の範囲内に完全に留まる他の素材も使用され得る。冷間頭部すえ込みが完了されると、ネジ部がネジ上に形成される。これらの工程は、通常のもので、周知である。
ネジが形成されたら、本発明の実施形態に係る熱処理プロセスが行われる。この熱処理プロセスでは、制御されたプロセスを使用して、良質の炉内で、ネジは炭素富化され、ネジが少なくとも０．４８炭素レベルを得るようにする。この炭素富化は、締結具の表面がベース素材よりも硬く硬化され得るようにする。具体的には、ネジは、炉が華氏１６００〜１７００度にある間に、炉内に９０分間放置される。炉の大気は、０．６〜０．７％炭素ポテンシャル（窒化処理を伴わない）に制御されることが好ましい。炭素回復ゾーンの深さ（図２の寸法２６）は、少なくとも０．００８インチであることが好ましい。（コア要求に対して選択された温度での）焼き戻し後の表面硬さは、コア硬さを３ロックウエルＣ（３０ビッカース）ポイント等化よりも大きく超えないことが好ましい。１〜２ロックウエルＣ（１０〜２０ビッカース）等化表面硬さ増加は、炉のパラメータを選択する１つの目的である。炭素回復ゾーンの硬さ及び深さを測定することに、マイクロ硬さテスターを使用して、炉のパラメータを設定することを助けることができる。
ネジが炭素富化されたら、ネジは、華氏１４０〜１６０度のオイル内で焼き入れされる。焼き入れ後に、ネジは、例えば９０分間、華氏８５０〜９５０度で焼き戻しされる。これは、脆弱性を低下させ、且つ延性の高いコアを締結具内に見込むためである。好ましくは、この工程は、表面硬さがコア硬さを３ロックウエルＣポイントよりも大きく超えないように制御される。この点において、締結具の表面及びコアの双方は、ロックウエルＣ３３〜３９硬さであることが好ましい。
続いて、ネジの尖端、例えばリードネジ部１８及び最初の３〜４全ネジ部は、高周波焼き入れされる。この場合、締結具のリードネジ部は、一時的に電界の作用下におかれて、ネジ部を硬化温度（華氏１６５０〜１７５０度）まで高周波加熱する。このネジは、その直後に例えば水スプレー中で又はその代わりに合成クエンチ中で焼き入れされる。
続いて、ネジは、例えば華氏３００度の温度で最低でも１時間焼き戻しされ、脆弱性を低下させる。この焼き戻し工程は、先の炭素富化工程と効果的に結合して、リードネジ部と最初の３〜４つの全ネジ部が、好ましくは少なくとも０．００８インチの深さまで、ロックウエルＣ５６最低硬さとなり、且つ締結具のコアがロックウエルＣ３３〜３９硬さとなるようにするものであることが好ましい。異なる焼き戻し温度及び期間が使用され得るが、この温度は、尖端をロックウエルＣ５６最低硬さに保つに十分低いことが好ましい。最後に、締結具に仕上げが施されることが好ましい。
本発明の１つの形態は、少なくとも一部分が５６ＨＲＣの最低表面硬さを持つ締結具を提供する。例えば、この締結具は、米国特許第３，９３５，７８５号に示されているようなネジ部形成用ネジであり、この場合、リードネジ部と最初の３又は４つの全ネジ部は、５６ＨＲＣの最低表面硬さを持つ。そのようなものとして、このネジは、２３ＨＲＣを超える硬さを持つワークピース、例えば４０ＨＲＣ以上の硬さを持つＨＳＬＡ素材又は他の素材にネジ部を冷間形成することに使用され得る。
本発明のもう１つの形態は、締結具、例えば米国特許第３，９３５，７８５号に示されているようなネジ部形成用ネジの少なくとも一部分を表面硬化して、そのネジの少なくとも一部分が５６ＨＲＣの最低表面硬さを持つようにする方法を提供する。例えば、リードネジ部と最初の３又は４つの全ネジ部は、５６ＨＲＣの最低表面硬さを持ち、これによりネジは、２３ＨＲＣを超える硬さを持つワークピース、例えば４０ＨＲＣ以上の硬さを持つＨＳＬＡ素材又は他の素材にネジ部を冷間形成することに使用され得る。
本発明の更にもう１つの形態は、プロダクト・バイ・プロセス、具体的には上述したプロセスを使用して作られた締結具を提供する。
本発明の実施形態が図示され説明されたが、当業者は、この開示の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明の種々の変形を工夫することが予測される。例えば、リードネジ部と最初の３又は４つの全ネジ部に関して、表面硬さがもたらされる、と上述したが、本発明の範囲内に完全に留まりながら、より多いか少ないネジ部に関しても、表面硬さは実施され得る。加えて、前述の説明は具体的にＨＳＬＡ素材について論じているが、本発明は、ＨＳＬＡ素材以外の素材にネジ部を形成することにも使用され得る。
１０ ネジ部形成用ネジ
１２ ヘッド
１４ シャンク
１６ 尖端
１８ リードネジ部
２０ 全ネジ部
２２，２４ 全ネジ部
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Claims (19)
- ＨＲＣ２３を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成するように構成されたネジ部形成用ネジであって、このネジ部形成用ネジは、ヘッドと、このヘッドから延びたネジ部付きシャンクとを備え、このシャンクのネジ部の少なくともいくつかは、少なくともＨＲＣ５６の表面硬さを持ち、これにより前記ネジ部形成用ネジが、ＨＲＣ２３を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成することに使用され得るようにすることを特徴とするネジ部形成用ネジ。
- ネジ部付きシャンクは、ヘッドとは逆のネジの端部近傍にリードネジ部を備える請求項１に記載のネジ部形成用ネジ。
- リードネジ部は、ネジの端部に向かってテーパ状に形成されている請求項２に記載のネジ部形成用ネジ。
- ネジ部付きシャンク上の複数の全ネジ部は、ネジのリードネジ部とヘッドとの間に配設されている請求項２に記載のネジ部形成用ネジ。
- ネジのリードネジ部と全ネジ部の少なくとも３つは、少なくとも０．００８インチの深さまで、少なくともＨＲＣ５６の表面硬さを持つ請求項４に記載のネジ部形成用ネジ。
- ネジのコアは、ロックウエルＣ３３〜３９の範囲の硬さを持つ請求項５に記載のネジ部形成用ネジ。
- ネジの端部近傍のネジの第１の部分は、最低ＨＲＣ５６で高周波焼き入れされた最低領域を有し、またネジの第２の部分は、最低ＨＲＣ５６で高周波焼き入れされた最高領域を有する請求項６に記載のネジ部形成用ネジ。
- ネジの第３の部分は、コアの３ポイントＨＲＣ内の表面硬さを持つ請求項７に記載のネジ部形成用ネジ。
- ＨＲＣ２３を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成するように構成されたネジ部形成用ネジを形成する方法であって、この方法は、鋼鉄製のワイヤを与える工程と、このワイヤを冷間頭部すえ込み機で引き抜く工程と、このワイヤ上にネジ部を形成してネジを作る工程と、このネジに熱処理プロセスを行うことによって、ネジを炭素富化する工程と、このネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れする工程とを備え、前記ネジ部形成用ネジが、ヘッドと、このヘッドから延びたネジ部付きシャンクとを備え、そしてシャンクのネジ部の少なくともいくつかが、少なくともＨＲＣ５６の表面硬さを持つようにすることを特徴とする、ネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジを炭素富化した後、ネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れする前に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備える、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れした後に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備える、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジを炭素富化する工程は、炉が華氏１６００〜１７００度にある間、炉の大気を０．６〜０．７％炭素ポテンシャルに制御しながら、その炉内にネジを９０分間放置する工程を含み、この場合、ネジの炭素回復ゾーンの深さは、少なくとも０．００８インチである、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジを炭素富化した後、ネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れする前に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジを焼き入れする工程は、華氏１４０〜１６０度のオイル内でネジを焼き入れする工程を含む、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジを炭素富化した後、ネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れする前に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジを焼き戻しする工程は、ネジを華氏８５０〜９５０度の温度で９０分間焼き戻しする工程を含み、この場合、ネジの表面硬さは、コア硬さを３ロックウエルＣポイントよりも大きく超えることがなく、またネジの表面とコアの双方は、ロックウエルＣ３３〜３９硬さにある、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジのリードネジ部及び少なくとも４つの全ネジ部を高周波焼き入れする工程は、一時的にネジを電界の作用下において、ネジを華氏１６５０〜１７５０度の硬化温度まで高周波加熱する工程を含む、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れした後に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジを焼き戻しする工程は、ネジを華氏３００度の温度で最低でも１時間焼き戻して、ネジの脆弱性を低下する工程を含み、ネジ焼き戻し工程と炭素富化工程は、リードネジ部と少なくとも最初の３つの全ネジ部が、少なくとも０．００８インチの深さまで、ロックウエルＣ５６最低硬さを持ち、且つ締結具のコアがロックウエルＣ３３〜３９硬さにあるようにする、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジのリードネジ部及び少なくとも３つの全ネジ部を高周波焼き入れした後に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジ焼き戻し工程と炭素富化工程は、リードネジ部と少なくとも最初の３つの全ネジ部が、少なくとも０．００８インチの深さまで、ロックウエルＣ５６最低硬さを持ち、且つ締結具のコアがロックウエルＣ３３〜３９硬さにあるようにする、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ワイヤが、ＡＩＳＩ規定Ｃ４０３７級の合金鋼からなり、その組成は、炭素０．３５〜０．４０％、マグネシウム０．７０〜０．９０％、イオウ０．０４０％最大、リン０．０３５％最大、シリコン０．２０〜０．３５％及びモリブデン０．２０〜０．３０％であると分析された、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
- ネジを炭素富化する工程は、ネジが少なくとも０．４８炭素レベルを得るようにネジを炭素富化する工程を含む、請求項９に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
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