JP2012101247A - アルミニウム基合金製締結部品の製造方法及びアルミニウム基合金製締結部品 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理を施すタイミングを変えることで、従来には無い引張り強度等の強度特性を持った高強度アルミニウム基合金締結部品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム基合金製の材料を溶体化処理し、次に時効硬化させた後に、さらに圧造工程にて軸部を絞り加工することで加工硬化させ、その後、前記軸部におねじの転造加工を行なうことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐久性に優れ高強度なアルミニウム基合金製締結部品の製造方法及びアルミニウム基合金製締結部品に関するものである。

従来、自動車産業界において使われる主要な材料は鋼であった。しかし全世界中で省エネルギー化に伴う動きが活発化され、車輌の更なる軽量化が求められる傾向にある。軽量化は車輌のみならず、それを構成する部品やボルト類の締結部品にまで及んでいる。

鋼ボルトは高強度化を行なうことでサイズを小型化し、さらに本数を減らすといった方法で軽量化を進められてきたが、材料自体の比重が大きいため、本数を必要最小眼に抑えたとしても、それ以上の軽量化をすることが難しかった。

また、車輌の構成郎品のアルミ化が進む中で、鋼製のボルトを組合わせて使うことで、熱膨張率の違いによるアルミ材の陥没や、異種金属の接触により腐食劣化が進行する懸念、さらにリサイクル時に分別の工数を要する問題等があり、高強度のアルミニウム基合金製のボルト（以下、アルミ合金ボルトという）が要請されている。

アルミ合金ボルトを高強度化する場合は、従来は、特許文献１に記載のように、溶体化処理と時効硬化処理を実施することで所定の強さに調整するのが一般的である。アルミ合金ボルトは、高強度化するに従い応力腐食割れを起こしやすくなるため、一般的には強度を最高強度の５〜１５％低下させた過時効調質が利用される。

この特許文献１に記載方法は、ボルト形状に冷間圧造した後、４８０°Ｃを超える温度からの急冷と、＋６０°Ｃ〜２２０°Ｃの範囲内での時効硬化処理とを含む熱処理を加えている。
その他、特許文献２乃至４についても、特許文献１と同様に、加工処理後に強度を向上させる熱処理を実施するものである。

特許第３９３９４１４号公報 特開平６−１８５５１２号公報 特開平１１−１７２３５９号公報 特開平８−３０９４７２号公報 特開平９−３１４２７６号公報

しかしながら、従来のように、ボルト形状に加工した後に熱処理を施す方法では、ＪＩＳ Ｂ １０５７に記載された範囲内の引張強さが限界であり、実用的な範囲では日本ねじ研究協会誌２５巻９号（１９９４）に記載されている、引張強さ５６５ＭＰａ〜５７０ＭＰａ．耐力５０５ＭＰａ〜５１５ＭＰａが限界である。アルミ合金ボルトの場合は、強度を重視したことにより靭性が低下するという問題が発生することから、必要に応じて材質・熱処理を変える必要がある。
このような問題から、アルミ合金ボルトにおいては、調質により作製された鋼製ボルト
のような引張強さ向上、靭性低下の防止を両立させる技術は確立できていない。

また、アルミニウム基合金材は、少ない加工歪みを与えた場合、強度を上げる熱処理により材料の結晶粒粗大化を生じてしまい、所望の強度を得られないという問題が生じる。加工歪みの条件を考慮した加工を実施しなければならない。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、製造工程中の熱処理を施すタイミングを変えることで、従来には無い引張特性等の強度特性を持ったアルミニウム基合金製締結部品の製造方法及びアルミニウム基合金製締結部品を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のアルミニウム基合金製締結部品の製造方法は、アルミニウム基合金製の材料に熱処理を施して強度を高め、その後、圧造工程にて所定形状に変形させて加工硬化させてさらに強度を高めることを特徴とする。
締結部品として、ボルト等のおねじ部品やリベット等の締結時に引張り力が作用する軸部を有するものに適用する場合には、圧造工程にて軸部を絞り加工する。
締結部品がおねじ部品の場合には、軸部を絞り加工した後に、軸部にねじの転造加工を行う。
熱処理は、溶体化処理をして時効処理を行うもので、アルミニウム合金材料の組織を一度リセットして調質をする。
圧造工程は冷間鍛造であることが好適である。
本発明のアルミニウム基合金製締結部品は、ボルト等のおねじ部品やリベット等の締結時に引張り力が作用する締結用の軸部を備えたアルミニウム基合金製締結部品であって、軸部は、熱処理によって強度を高めたアルミニウム基合金製の成形材を絞り加工によって圧造された構成であり、軸部には絞り加工による加工硬化の履歴として、硬度が表面から所定深さまで徐々に大きくなるような硬度分布を有していることを特徴としている。

本発明によれば、溶体化処理及び時効硬化処理等の熱処理工程によって高強度化された上に、圧造工程によって締結部品の形状に変形させて加工硬化を加えているので、従来のように、締結部品の形状に加工した後に熱処理を施す方法よりも、高い引張特性を有するアルミニウム基合金製の締結部品を製造することができる。
特に、圧造工程を冷間鍛造によって成形すれば、熱間処理のような大型の設備が不要で、低コストとなる。

図１は本発明の実施の形態に係るアルミニウム基合金製締結部品としてのアルミ合金ボルトの製造工程を示す図である。 図２（Ａ）は図１の製造工程における材料から製品に至る加工形状の変化を示す図、（Ｂ）は図１に示す方法で製造されたアルミ合金ボルトの、絞り率と引張り強さの関係を示すグラフである。 図３は図１のアルミ合金ボルトの軸部の表面からの距離と硬さの関係を示すもので、（Ａ）は首部の硬さ分布を示すグラフ、（Ｂ）はねじ部の硬さ分布を示すグラフである。

以下に本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１には、本発明の実施の形態に係るアルミニウム基合金製おねじ部材としてのアルミ合金ボルトの製造工程が示されている。
このアルミ合金ボルト１０は、図１（Ｈ）、図２（Ａ）に示すように、軸部２０と、軸部２０の一端に設けられる頭部３０を有し、軸部２０には、先端から頭部３０に向かって所定長さ分だけおねじが形成されたねじ部２１と、ねじ部２１と頭部３０の間のねじが形成されていない首部２２とを備えている。図では、頭部を一般的な六角形状としているが、六角形状に限定するものではなく、形状、構造は問わない。

アルミニウム基合金製の材料は、図１（Ａ）に示すように、ワイヤー形状あるいは棒形状の線材１００として提供される。
アルミ合金としては、ＡＬ‐Ｍｇ‐Ｓｉ系合金の６０００系、Ａ１‐Ｍｇ‐Ｚｎ系合金の７０００系の合金が使用されるが、熱処理によって調質される合金であればよく、たとえば、Ａｌ‐Ｃｕ系合金の２０００系についても適用可能である。
このアルミニウム基合金材料の線材１００の熱処理をする。
熱処理は、溶体化処理をした後、時効硬化処理を施す。
６０００系の処理はＴ６、溶体化処理は５１５°Ｃ〜５５０°Ｃ、焼入れは水冷で、時効硬化処理は、１７０°Ｃ〜１８０°Ｃで約８Ｈｒである。
７０００系の処理はＴ７３、溶体化処理は４６０°Ｃ〜４７５°Ｃ、焼入れは水冷で、時効硬化処理として、１１０°Ｃ〜１１５°Ｃで約６Ｈｒ〜８Ｈｒ、１７５°Ｃ〜１８０°Ｃで約６Ｈｒ〜１０Ｈｒである。
これらの熱処理条件は、一般的な処理であり、特別な温度管理は必要としない。
そして、図１（Ｃ）〜（Ｇ）に示すように、熱処理を行った線材を、一本のボルトに対応する所定長さの単位線材１０１に切断して圧造工程に進む。
溶体化処理及び時効硬化処理は、単位線材１０１に切断した後に行ってもよい。

圧造工程は、すべて冷間鍛造で行われる。
まず、図１（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、この単位線材１０１を、予め所定の位置にノックアウトピン１１５が設定された第１成形ダイス１１０へ挿入し、第１パンチピン１２１で密閉絞り加工をすることにより、第１段階の中間成形体である第１ヘッダブランク１０Ａを成形する。
第１ヘッダブランク１０Ａは、図１（Ｃ）、図２（Ａ）に示すように、ねじ頭部３０となる中間形態頭部３０Ａとねじ軸部２０となる中間形態軸部２０Ａを有する構成となる。

第１成形ダイス１１０には、段付きのダイ孔１１１が貫通形成されている。このダイ孔１１１は、単位線材の線径に対応する大径孔１１２と、大径孔１１２より小径の小径孔１１３と、大径孔１１２と小径孔１１３の境界の段差部１１４と、を備えている。段差部１１４は小径孔１１３に向かって徐々に小径となる方向のテーパ形状となっている。
単位線材１０１は、第１成形ダイス１１０の大径孔１１２に挿入され、第１成形ダイス１１０と対向配置された第１パンチ１２０の第１パンチピン１２１によって押し込まれる。単位線材１０１は、段差部１１４で小径に絞られながら小径孔１１３側に進入し、小径孔１１３に挿入されているノックアウトピン１１５に突き当たり、第１パンチピン１２１とノックアウトピン１１５の間で圧縮されて、第１ヘッダブランク１０Ａが成形される。
これにより、小径孔１１３に圧入された部分が中間形態軸部２０Ａとなり、大径孔１１２に残った部分が中間形態頭部３０Ａとなる。

次に、図１（Ｆ），（Ｇ）に示すように、据え込み用の第２成形ダイス２１０と第２パンチ２２０によって、第２段階の中間成形体である第２ヘッダブランク１０Ｂが成形される。第２ヘッダブランク１０Ｂは、図１（Ｇ）及び図２（Ａ）に示すように、最終的な形状の頭部３０が成形される。
この第２成形ダイス２１０には、図１（Ｆ）に示すように、ダイ孔２１１と据え込み凹部２１６が設けられている。ダイ孔２１１は中間形態軸部２０Ａと同一径の丸孔で、予め所定の位置にノックアウトピン２１５が設定されている。このダイ孔２１１に第1ヘッダ
ブランク１０Ａの中間形態軸部２０Ａを挿入し、先端をノックアウトピン２１５に突き当て、ダイ孔２１１の開口部から中間形態頭部３０Ａを突き出た状態に保持する。

一方、据え込み凹部２１６は、最終成形品のアルミ合金ボルト１０の頭部３０の形状に倣った形状で、中間形態頭部３０Ａが中途まで入り込み、第２パンチ２２０によって圧潰されて据え込み凹部２１６の内周形状に倣った形状に成形する。
これにより、ねじ成形前の中間形態軸部２０Ａと頭部３０を備えた第２ヘッダブランク１０Ｂが成形される。

次いで、不図示の転造ダイスを用いて中間形態軸部２０Ａの先端から所定長さ分だけおねじを転造してねじ部２１とし、図１（Ｈ）に示すように、最終製品であるアルミ合金ボルト１０が完成する。
このように成形されたアルミ合金ボルト１０は、溶体化処理と時効硬化処理によって高強度化された上に、さらに冷間圧造によって軸部２０を絞って加工硬化を加えているので、従来のように、ボルト形状に加工した後に熱処理を施す方法よりも、高い引張特性を有するアルミ合金ボルト１０を製造することができる。特に、冷間鍛造によって成形するので、熱間処理のような大型の設備が不要で、低コストとなる。

表１には、異なるアルミニウム基合金で、軸部の絞り率を変えたサンプルを複数製造し、各サンプルについて引張り強さと耐力を測定した試験結果を示している。
アルミ基合金としては、６０００系として、サンプルＡ、サンプルＢの２種類、７０００系として、サンプルＣを用いた。
アルミ基合金線材は、溶体化処理し、時効硬化させて調質をしている。
溶体化処理の温度条件は、サンプルＡは、溶体化処理温度は５５０°、焼き入れは水冷、時効硬化処理は、１７０°Ｃで１５Ｈｒである。サンプルＢは、溶体化処理温度は５５０°、焼き入れは水冷、時効硬化処理は、１７０°Ｃで６Ｈｒとした。
絞り率は、素材の単位線材の断面積と軸部の断面積の面積比であり、それぞれ１６％、２６％、３６％、４６％、５６％、７０％の６種類である。軸部の径はφ７．１０〜７．１３ｍｍであり、絞り率が高くなるほど、使用する単位線材の径を太くしている。

図２（Ｂ）は、上記表１のデータについて、絞り率を横軸、引張り強さを縦軸にとって示したグラフである。
このように、サンプルＡ，サンプルＢ、サンプルＣいずれも、絞り率によるが、５００ＭＰａ以上の引張り強さを実現できた。
絞り率としては、この１６％〜７０％程度が好適で、７０％を超えると割れ等が発生するおそれがあり、１６％より小さいと、あまり加工硬化による強度向上の効果が小さくなる。特に、３６％以上とすると、５００ＭＰａ以上とすることができる。
また、軸部には、絞り加工による加工硬化の履歴として、硬度が表面から所定深さまで徐々に大きくなるような硬度分布が形成されるという構造上の特徴も確認できた。
このように表面側が軟らかいので、締め付け時にねじ山の接触面の密着性がよくなる。

図３は、Ａ６０００系のアルミ合金ボルトで、絞り率が３６％、４６％、５６％の本発明のサンプルＤと、絞っていない通常の比較サンプルＥの硬さ分布について、図３（Ｂ）に示されるように、ねじの無い首部２２と、ねじが形成されたねじ部２１について、表面からの距離を横軸に、硬さ（Ｈｖ）を縦軸にとって示したものである。
図３（Ａ）は、首部２２についての硬さ分布を示している。サンプルの首部２２の直径は７ｍｍで、硬さ分布は中心位置（表面からの距離が３．５ｍｍ）まで測定している。
首部については、０〜０．５ｍｍ程度の間に、本発明のサンプルＤでは、１３０Ｈｖから１７０Ｈｖ程度まで急激に上昇し、それ以上の深さでは、中心位置の３．５ｍｍに至るまでの間は、１７０Ｈｖから１８Ｈｖ程度に緩やかに上昇する傾向となる。
一方、絞っていない比較サンプルＥの場合には、深さが変わっても、１１０〜１２０Ｈｖ程度で一定であった。

ねじが形成されるねじ部２１については、図３（Ｄ）に示すように、ねじ山の頂部をゼロとして測定している。図３（Ｃ）に示すように、ねじ山の頂部は測定できないので、０．１ｍｍ程度の深さからの測定となっているが、ねじ山部分は転造によって加工硬化する
ので、０．１ｍｍの深さでも硬さが１６０ＨＶ程度であり、深くなっても緩やかに増大する分布となっている。
このように、軸部２０のねじの無い首部２２については、表面の硬度が深い部分に比較して低いので、軸部を絞って高強度とした場合でも、ねじ山を容易に転造することができる。

以上、本発明によれば、高い引張り特性を有するアルミ合金ボルト１０が実現できるので、次のような波及的な効果を奏する。
１）軽量化
従来は鋼製のボルトを使っていた高い締付け力を必要とする被締結部材についても、本発明の高強度のアルミ合金ボルトを利用することが可能となり、素材密度が、鋼７．８５（ｇ／ｃｍ^３）に対し、アルミニウム基合金、２．７１（ｇ／ｃｍ^３）であることから、比重が鋼の約３／１となり、軽量化を図ることができる。

２）熱膨張係数差によるボルトの緩みの防止
被締結部材がアルミニウム基合金の場合には、鋼製のボルトを使うと、アルミニウム基合金と鋼では熱膨張係数に差があるため、温度の上昇によってボルト側の負担が大きくなり、場合によっては被締結部材が陥没変形するおそれがあり、ゆるみが発生してしまう可能性がある。これに対して、本願発明の高い締付け力に対応できる高強度のアルミ合金ボルトを使うことで、熱膨張係数を同じにすることで、それを防止することが可能となる。

３）異種金属接触による電位差腐食の防止
被締付部材がアルミニウム基合金の場合では、アルミニウムとマグネシウム又は鉄を接触させると、アルミニウム側が電位差腐食で侵され、場合によっては、被締結部材側が陥没変形するおそれがあり、緩みが発生してしまう可能性があるが、本発明の高い締付け力に対応出来る高強度アルミ合金ボルトを使うことで、異種金属間の電位差を無くし、電位差による腐食を防止することが可能となる。

４）リサイクルの推進
従来は、被締付部材がアルミニウム基合金の場合では、鋼製ボルトを使用している場合には、リサイクルの際に分別する工数が必要となる。これに対して、本発明の高い締付け力に対応できる高強度アルミ合金ボルトを使うことで、被締付部材と同じ材質にでき、分別する工数を削減する事が可能となる。

なお、上記実施の形態では、アルミニウム基合金製締結部品として、アルミ合金ボルトを例にとって説明したが、ボルトに限定されるものではなく、軸部におねじが形成されているアルミニウム基合金製のおねじ部品全般について適用可能である。
また、おねじ部品と同様に、締結時に引張り力が作用する締結部品として、リベットについても適用可能である。
リベットは、基本的には、図１の第２ヘッダブランクの形状であり、ねじの転造工程が不要である。
また、締結部品としては、ボルトと一対となるナットについても適用可能である。ナットの製造については、ボルトやリベットと異なり軸部が無いが、たとえば、据え込み加工等の圧造工程の前に、素材に熱処理を加えて強度を高めておき、その後圧造工程による加工硬化を利用して高強度化を図ることができる。

１０ アルミ合金ボルト（アルミニウム基合金製締結部品）
１０Ａ 第１ヘッダブランク
１０Ｂ 第２ヘッダブランク
２０ 軸部、２０Ａ 中間形態軸部、
３０ 頭部、３０Ａ 中間形態頭部
１００ 線材、１０１ 単位線材
１１０ 第１成形ダイス
１１１ ダイ孔、１１２ 大径孔、１１３ 小径孔、
１１４ 段差部、１１５ ノックアウトピン
１２０ 第１パンチ、１２１ 第１パンチピン、１２５ ノックアウトピン
２１０ 第２成形ダイス、
２１１ ダイ孔、２１５ ノックアウトピン
２２０ 第２パンチ

Claims (7)

1. アルミニウム基合金製の材料に熱処理を施して強度を高め、その後、圧造工程にて所定形状に変形させて加工硬化させてさらに強度を高めることを特徴とするアルミニウム基合金製締結部品の製造方法。
2. 締結部品は、締結時に引張り力が作用する軸部を有し、圧造工程にて軸部を絞り加工する請求項１に記載のアルミニウム基合金製締結部品の製造方法。
3. 締結部品はおねじ部品であり、軸部を絞り加工した後に、軸部にねじの転造加工を行う請求項２に記載のアルミニウム基合金製締結部品の製造方法。
4. 熱処理は、溶体化処理をして時効処理を行う請求項１乃至３のいずれかの項に記載のアルミニウム基合金製締結部品の製造方法。
5. 圧造工程は冷間鍛造である請求項１乃至４のいずれかの項に記載のアルミニウム基合金製締結部品の製造方法。
6. 締結用の軸部を備えたアルミニウム基合金製締結部品であって、
   前記軸部は、熱処理によって強度を高めたアルミニウム基合金製の成形材を絞り加工によって圧造された構成であり、
   前記軸部には絞り加工による加工硬化の履歴として、硬度が表面から所定深さまで徐々に大きくなるような硬度分布を有していることを特徴とするアルミニウム基合金製締結部品。
7. 締結部品はおねじ部品である請求項６に記載のアルミニウム基合金製締結部品。

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