JP2013249918A - 締結構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の構造部材を含む複数の構造部材同士を、マグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製の締結部材にて締結した締結構造体について、その構造部材の電解腐食を防止する。
【解決手段】マグネシウム合金製等の第１の構造部材１０と、第２の構造部材２０とを取り付け孔１１、２１が整合するように重ね合わせ、締結部材としてのボルト３１の軸部３１ａを第１の構造部材１０の側からこの取り付け孔１１、２１に差し込み、ここに第２の構造部材２０の側からナット３２をねじ合わせる。ボルト３１の頭部３１ｂとナット３２の上から、流動性を有する密封用合成樹脂材を盛り付け、これを硬化させて密封体５０を構成し、外気から遮断する。ボルト３１と第１の構造部材１０の間に外部から水分が侵入することが防がれるため、第１の構造部材１０の素材の水分によるイオン化を抑制し、電解腐食を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、重なり合う複数の構造部材同士を締結部材にて締結した締結構造体およびその締結構造体の製造方法に関する。

パーソナルコンピュータや携帯電話などの筐体として、マグネシウム合金製の筐体が普及している。
これは、マグネシウムが実用金属中最も軽いことから、パーソナルコンピュータや携帯電話の軽量化を図るために用いられているものであるが、近年、自動車の軽量化を図るために、自動車のボディ等の構造部材についても、マグネシウム合金製とすることが研究されている。

ところで、この種の構造部材から完成品を組み上げる際には、複数の構造部材同士が重なり合った状態で、ボルト・ナットやリベット、ファスナー、アンカー、ピン、キーなど、前記構造部材内に差し込まれる軸部と前記構造部材の外面に対向する頭部を有する締結部材により締結することが多い。
締結部材は通常は鉄などのマグネシウムよりも電位的に貴な金属からなるが、これがマグネシウム合金製の構造部材の締結に用いられると、貴な金属からなる締結部材と卑な金属からなる構造部材がじかに接触することになる。
さらにここに雨水などが付着して水分が介在すると、マグネシウムのイオン化が促進されることで、卑な金属からなる構造部材を陽極とし、貴な金属からなる締結部材を陰極とし、マグネシウムイオンが溶け出した水分を電解液とする、ガルバニ電池が構成されることになる。
したがって、陽極となる構造部材の電解腐食（ガルバニック腐食）が生じてしまい、構造部材が破孔するなど、強度の低下の原因となる。

パーソナルコンピュータや携帯電話などでは、外面に多量の水分が付着するような過酷な環境下での使用は稀であったため、そのマグネシウム合金製の筐体が電解腐食する問題は顕在化しなかった。
しかしマグネシウム合金の用途が広がり自動車のボディ等に用いられる場合、自動車は携帯電話等とは比較にならない過酷な環境で用いられるため、このような電解腐食の発生はできるだけ抑制することが要請される。

ここで特許文献１のように、マグネシウム合金からなる構造部材をアルミニウム合金製のボルト・ナットにより締結したものも考案されている。
締結部材であるボルトをアルミニウム合金製とすると、従来のように鉄製等である場合に比べて、マグネシウムとの電位差が小さいため、電解腐食の発生を低減することはできるが、しかしそれでも、電位差がある以上は電解腐食を完全に防止することはできない。
また、ボルトの表面に酸化被膜処理（アルマイト処理：アルマイトは登録商標）がなされている場合でも、摩擦等によりその被膜が剥がれてしまうと、電解腐食が発生してしまう。

以上の問題は、構造部材がマグネシウム合金製である場合のみならず、同じく実用金属の中では軽量なアルミニウム合金製であり、かつ締結部材がアルミニウムよりも電位的に貴な金属製である場合にも共通する。

特開２００８−３２０３８号公報

そこで本発明の解決すべき課題は、マグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の構造部材を含む複数の構造部材同士を、マグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製の締結部材にて締結した締結構造体について、その構造部材の電解腐食を防止することである。

上記した課題を解決するため、本発明の締結構造体を、取り付け孔が形成されたマグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の特定構造部材を最外層に含む、重なり合う複数の構造部材と、前記特定構造部材の取り付け孔に差し込まれる軸部、この軸部と一体であり前記特定構造部材の外面に対向する頭部、を有するマグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製の締結部材と、前記締結部材の頭部を外気から遮断するように、流動性を有する密封用合成樹脂材を盛り付け、これを硬化させてなる密封体と、から構成したのである。
前記締結部材は頭部と軸部を有する限り特に種類は限定されないが、ボルト、ファスナー、アンカー、ピン、キーまたはリベットであるのが好ましい。

前記締結構造体は、前記締結部材の軸部と前記特定構造部材の取り付け孔との間に、流動性を有する絶縁用合成樹脂材を充填し硬化させてなる充填体をさらに備えるのが好ましい。

上記した課題を解決するため、本発明の締結構造体の製造方法を、以下の工程を含むものとしたのである。
取り付け孔が形成されたマグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の特定構造部材が最外層になるように、他の構造部材と重ね合わせる工程。
軸部と頭部とからなりマグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製の締結部材のその軸部に流動性を有する絶縁用合成樹脂材を塗布する工程。
前記締結部材を、前記絶縁用合成樹脂材が塗布された軸部が前記特定構造部材の取り付け孔に差し込まれ、前記頭部が前記特定構造部材の外面に対向するように、前記重なり合う複数の構造部材に取り付けかつ前記絶縁用合成樹脂材を硬化させて充填体を形成する工程。
前記特定構造部材の外面上に、流動性を有する密封用合成樹脂材を前記締結部材の頭部を密封するように盛り付け、この密封用合成樹脂材を硬化させて密封体を形成する工程。

締結部材の頭部を密封体により密封すると、締結部材と特定構造部材との間に外部から水分が侵入することが防がれるため、特定構造部材の素材の水分によるイオン化の促進が防止され、電解腐食を抑制することができる。

締結構造体は、前記締結部材の軸部と前記特定構造部材の取り付け孔との間に、合成樹脂製の充填体をさらに備えると、両者の間に電子の移動が生じにくくなり、また取付孔内に水分が浸入することが防がれるため、電解腐食をさらに防止することができる。

第１実施形態の締結構造体の断面図 第２実施形態の締結構造体の断面図 第３実施形態の締結構造体の断面図

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１に示す第１実施形態の締結構造体は、第１の構造部材１０と第２の構造部材２０を重ね合わせ、これを締結部材３０としてのボルト３１およびナット３２により締結したものであり、たとえば自動車の構造体として用いられ、その電解腐食が防止されているものである。

特定構造部材としての第１の構造部材１０は、マグネシウム合金製またはアルミニウム合金製であり、その厚み方向に貫通する取り付け孔１１が形成されている。
マグネシウム合金およびアルミニウム合金の種類は特に限定されないが、ＡＺ９１（アルミニウムが約９重量％、亜鉛が約１重量％含まれ、残部がマグネシウムと不可避不純物からなるマグネシウム合金）が例示できる。
その厚みや寸法、形状等は特に限定されないが、主として自動車のボディを想定している。

第２の構造部材２０は、その厚み方向に貫通する取り付け孔２１を有し、この取り付け孔２１が第１の構造部材１０の取り付け孔１１と整合するように、第１の構造部材１０に重ねあわされている。
第２の構造部材２０の材質は特に限定されないが、鋼製、合成樹脂製、マグネシウム合金製、アルミニウム合金製が例示できる。鋼としては、冷間圧延鋼としてのＳＰＣＣが、合成樹脂としては、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が例示できる。
その厚みや寸法、形状等は特に限定されないが、主として自動車のフレーム、シャーシ等を想定している。

ボルト３１は、軸部３１ａと軸部３１ａの端部に一体に形成された頭部３１ｂとからなり、その軸部３１ａが第１および第２の構造部材１０、２０の取り付け孔１１、２１を挿通しており、その頭部３１ｂが第１の構造部材１０の外面と対向している。
ナット３２はボルト３１の軸部３１ａの先端にねじ合わされ、第２の構造部材２０の外面と対向している。
ボルト３１およびナット３２は、マグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製であり、その限りにおいて材質は特に限定されないが、クロメート処理等の表面処理がなされた鉄製が例示できる。

ボルト３１の軸部３１ａと第１および第２の構造部材１０、２０の取り付け孔１１、２１との隙間には、充填体４０が介在している。
この充填体４０は、軸部３１ａと各取り付け孔１１、２１の隙間に流動性を有する合成樹脂製の絶縁材を充填し、硬化させることにより形成されている。
絶縁材の充填の方法は特に限定されないが、ボルト３１の軸部３１ａに絶縁材を塗布し、ついで軸部３１ａを取り付け孔１１、２１に差し込むことによるのが簡単である。
また充填体の材質は合成樹脂製である限り特に限定されないが、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、シリコン系、ポリサルファ系、ＳＢＲ系、ブチルゴム系等のコーキング剤が例示できる。

第１の構造部材１０上において、ボルト３１の頭部３１ｂは密封体５０により外気から遮断された状態に密封されている。
この密封体５０は、ボルト３１の頭部３１ｂの上に流動性を有する合成樹脂製の密封材を盛り付けて、硬化させることにより形成されている。
密封体５０の材質は合成樹脂製である限り特に限定されないが、充填体と同様のものが例示できる。
同様に、第２の構造部材２０上において、ナット３２は密封体５０により外気から遮断された状態に密封されている。

第１実施形態の締結構造体の構成は以上のようであり、このような締結構造体において仮に密封体５０が存在しない場合には、マグネシウム合金等からなる第１の構造部材１０にそれよりも貴な金属からなるボルト３１の頭部３１ｂが接触しているところに、水分が介在するとマグネシウム等のイオン化が促進されて、ここにガルバニ電池が構成され、その陽極となる第１の構造部材１０の電解腐食が生じてしまう。
密封体５０でボルト３１の頭部３１ｂを密封することにより、第１の構造部材１０とボルト３１の間に水分が付着および介在するのを防止し、もって第１の構造部材１０のマグネシウム等のイオン化を抑制して、電解腐食の発生を防止することができる。

密封体５０でナット３２を密封することにより、ナット３２と第２の構造部材２０との隙間から、取り付け孔２１を通じて第１の構造部材１０の側へと水分が侵入するのを防ぐことができる。
なおナット３２を密封する密封体５０は、第２の構造部材２０が卑な金属製ではない場合には、ナット３２と第２の構造部材２０との間に電子の移動がほとんどおこなわれないため、コストや手間を勘案して省略することができる。

さらに、第１の構造部材１０の取り付け孔１１とボルト３１の頭部３１ｂの間に充填体４０を介在させることで、第１の構造部材１０とボルト３１の間で電子が移動するのを抑制し、さらに取り付け孔１１内に水分が浸入するのを抑制するため、電解腐食の発生が一層抑制されている。
締結構造体の使用環境がそれほど過酷でない場合には、コストや手間を勘案して充填体４０を省略することができる。
締結部分の部材間の形状は、水分の進入をできるだけ防ぐため平滑であることが望ましく、表面粗さがＲｍａｘ５μｍ以下であるとなお望ましい。

第１実施形態の締結構造体に関し、第１の構造部材１０としてＡＺ９１板に電着塗装を施したものを、第２の構造部材２０としてＳＰＣＣ板に焼付け塗装を施したものを、ボルト３１としてクロメート処理された鉄製ボルトをそれぞれ準備し、ＳＳＴ（塩水噴霧試験）をおこない、塩水噴霧後９６時間放置し腐食の有無の確認をおこなったが、腐食が発生しなかった。
これに対して、密封体を用いないことを除き、同様の条件で試験をおこなったが、腐食が発生し、密封体の効果が確認された。

図２に示す第２実施形態の締結構造体は、第１の構造部材１０と第２の構造部材２０を重ね合わせ、これを締結部材３０としてのリベット３３により締結したものである。
以下、第１実施形態と同様の構成については、詳細な説明を省略する。

マグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の特定構造部材としての第１の構造部材１０と、任意の材質の第２の構造部材２０とは、その取り付け孔１１、２１が整合した状態で重ね合わされ、軸部３３ａと第１の頭部３３ｂを有するリベット３３が、その軸部３３ａを第１の構造部材１０の側から取り付け孔１１、２１へと差し込むことで取り付けられている。
リベット３３は、軸部３３ａの第２の構造部材２０の外面に突出する先端部が潰されることで、第２の頭部３３ｃが形成され、これにより第１および第２の構造部材１０、２０は締結される。
リベット３３の材質は、第１の構造部材１０よりも電位的に貴な金属製である限りにおいて特に限定されないが、上記ボルト３１と同様の材質が例示できる。また、第１の構造部材１０がマグネシウム合金製である場合には、それよりも貴なアルミニウム合金製としてもよい。

第１および第２の構造部材１０，２０の取り付け孔１１、２１とリベット３３の軸部３３ａの隙間には、流動性を有する合成樹脂製の絶縁材を充填し硬化させてなる充填体４０が介在している。
第１の構造部材１０の外面上で、リベット３３の第１の頭部３３ｂは、流動性を有する合成樹脂製の密封材を盛り付けて硬化させることにより形成された密封体５０により、密封されている。
同様に、第２の構造部材２０の外面上で、リベット３３の第２の頭部３３ｃは、流動性を有する合成樹脂製の密封材を盛り付けて硬化させることにより形成された密封体５０により、密封されている。
充填体４０およびリベット３３の第２の頭部３３ｃを密封する密封体５０は、コストや手間、第２の構造部材２０の材質を勘案して、適宜省略可能である。

図３に示す第３実施形態の締結構造体は、第１の構造部材１０と第２の構造部材２０を重ね合わせ、これを締結部材３０としてのセルフピアスリベット３４により締結したものである。
以下、第１および第２実施形態と同様の構成については、詳細な説明を省略する。

取り付け孔１１が形成された特定構造部材としての第１の構造部材１０と、取り付け孔が形成されていない第２の構造部材２０とが重ね合わされ、中空の軸部３４ａと頭部３４ｂを有するセルフピアスリベット３４は、第１の構造部材１０の側から軸部３４ａが取り付け孔１１へと差し込まれている。
さらにセルフピアスリベット３４の軸部３４ａの先端箇所は、第２の構造部材２０の板面に工具を用いて適宜打ち込まれている。中空の軸部３４ａの先端はこの打ち込み時にかかる負荷により、図示のように第２の構造部材２０の内部において、外側へと広がって変形する。
このためセルフピアスリベット３４は、第２の構造部材２０に固定され、これにより第１および第２の構造部材１０、２０は締結される。
第１の構造部材１０の取り付け孔１１とセルフピアスリベット３４の軸部３４ａの隙間には、充填体４０が介在している。この充填体４０は、コストや手間を勘案して適宜省略可能である。
第１の構造部材１０の外面上で、セルフピアスリベット３４の頭部３４ｂは密封体５０により、密封されている。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。

たとえば上記実施形態では、締結部材３０としてボルト３１、ナット３２、セルフピアスリベット３４を含むリベット３３を例示したが、これに限定されず軸部と頭部を有するすべての締結部材に本発明を適用可能である。
また構造部材として２枚が重なり合う態様を例示したが、これに限定されず３枚以上が重ね合わされていてもよい。
充填体４０は上記したように省略可能であるし、存在する場合でも実施形態のように取り付け孔１１、２１の全域に充填されている必要はなく、マグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の構造部材の取り付け孔にのみ充填されていてもよい。

１０ 第１の構造部材
１１ 取り付け孔
２０ 第２の構造部材
２１ 取り付け孔
３０ 締結部材
３１ ボルト
３１ａ 軸部
３１ｂ 頭部
３２ ナット
３３ リベット
３３ａ 軸部
３３ｂ 第１の頭部
３３ｃ 第２の頭部
３４ セルフピアスリベット
３４ａ 軸部
３４ｂ 頭部
４０ 充填体
５０ 密封体

Claims (5)

1. 取り付け孔が形成されたマグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の特定構造部材を最外層として含む、重なり合う複数の構造部材と、
   前記特定構造部材の取り付け孔に差し込まれる軸部、および前記特定構造部材の外面に対向する頭部、を有するマグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製の締結部材と、
   前記締結部材の頭部を外気から遮断するように、流動性を有する密封用合成樹脂材を盛り付け、これを硬化させてなる密封体と、を備える締結構造体。
2. 前記締結部材の軸部と前記特定構造部材の取り付け孔との間に、流動性を有する絶縁用合成樹脂材を充填し硬化させてなる充填体をさらに備える請求項１に記載の締結構造体。
3. 前記締結部材はボルトである、請求項１または２に記載の締結構造体。
4. 前記締結部材はリベットである、請求項１または２に記載の締結構造体。
5. 取り付け孔が形成されたマグネシウム合金製またはアルミニウム合金製の特定構造部材が最外層になるように、他の構造部材と重ね合わせる工程と、
   軸部と頭部とからなりマグネシウムおよびアルミニウムよりも電位的に貴な金属製の締結部材のその軸部に流動性を有する絶縁用合成樹脂材を塗布する工程と、
   前記締結部材を、前記絶縁用合成樹脂材が塗布された軸部が前記特定構造部材の取り付け孔に差し込まれ、前記頭部が前記特定構造部材の外面に対向するように、前記重なり合う複数の構造部材に取り付けかつ前記絶縁用合成樹脂材を硬化させて充填体を形成する工程と、
   前記特定構造部材の外面上に、流動性を有する密封用合成樹脂材を前記締結部材の頭部を密封するように盛り付け、この密封用合成樹脂材を硬化させて密封体を形成する工程と、を含む締結構造体の製造方法。

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