JP2019093407A - ボルトの製造方法及びボルト - Google Patents

Abstract

【課題】比較的安価な非磁性鋼を用い、強度の向上と非磁性の維持とを両立できるボルトの製造方法及びボルトを提供する。【解決手段】ボルト１は、非磁性鋼からなる丸棒を室温以上且つ非磁性鋼の再結晶温度未満の冷間温度域の温度として丸棒の外径を絞る絞り加工ステップと、絞り加工ステップによって丸棒が昇温した状態で、ねじ２が形成される端部を除いた丸棒の一部にボルト１の回転工具受け４を形成する冷間塑性加工ステップと、ねじ２が形成される丸棒の端部を冷間温度域で加温して、端部にねじ２を転造する転造加工ステップとを経て製造され、引張強さ９８０ＭＰａ以上、比透磁率１．６以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、ボルトの製造方法及びボルトに関する。

高強度ステンレスボルトでは、典型的には、焼入れによる高強度化が可能なマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられるが、マルテンサイト系ステンレス鋼より耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が用いられる場合もある。オーステナイト系ステンレス鋼からなるボルトでは、室温での冷間加工による加工硬化を利用し、さらに加工率が大きくなるほどに引張強さが高くなる特性を利用して強度の向上が図られている。例えば特許文献１に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼ボルトでは、材料となる線材に対して冷間で伸線加工が施されており、この伸線加工による加工硬化を利用して、ボルトの引張強さが８００ＭＰａ以上に高められている。

ところで、オーステナイト系ステンレス鋼は、基本的には比透磁率が１．６以下の非磁性鋼であるが、冷間加工での加工率が大きくなるほどに加工誘起マルテンサイト変態が発生して磁性を帯びることが知られている。特許文献２に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼ボルトでは、冷間加工での加工率が比較的小さく抑えられることによって比透磁率が１．０２前後に維持されているが、一方で引張強さは７５ｋｇｆ／ｍｍ^２（７３５ＭＰａ）以下となっている。

特開２００６−２８６２３号公報 特開平３−３０９号公報

オーステナイト系ステンレス鋼の代表的な鋼種であるＪＩＳ−ＳＵＳ３０４は、８．０〜１０．５％（重量％）のＮｉ（ニッケル）を含有するが、Ｎｉの成分比を増加させることによってオーステナイト相の安定化が図られたＪＩＳ−ＳＵＳ３０５が知られている。また、他のオーステナイト系ステンレス鋼として、Ｃｕ（銅）を添加することによって冷間加工性の向上が図られたＪＩＳ−ＳＵＳＸＭ７が知られており、Ｎ（窒素）及びＮｂ（ニオブ）を添加することによって強度の向上が図られたＪＩＳ−ＳＵＳ３０４Ｎ２も知られている。ＪＩＳ−ＳＵＳ３０５、ＪＩＳ−ＳＵＳＸＭ７、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４Ｎ２等を用いることにより、ボルトの強度の向上と非磁性の維持とを両立し得るが、これらＪＩＳ−ＳＵＳ３０５、ＪＩＳ−ＳＵＳＸＭ７、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４Ｎ２等は、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４に比べて高コストである。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、比較的安価な非磁性鋼を用い、強度の向上と非磁性の維持とを両立できるボルトの製造方法及びボルトを提供することを目的とする。

本発明の一態様のボルトの製造方法は、非磁性鋼からなる丸棒を室温以上且つ前記非磁性鋼の再結晶温度未満の冷間温度域の温度として前記丸棒の外径を絞る絞り加工ステップと、前記絞り加工ステップによって前記丸棒が昇温した状態で、ねじが形成される端部を除いた前記丸棒の一部にボルトの回転工具受けを形成する冷間塑性加工ステップと、前記丸棒の前記端部を前記冷間温度域で加温して、前記端部にねじを転造する転造加工ステップと、を備える。

また、本発明の一態様のボルトは、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４からなり、引張強さが９８０ＭＰａ以上、比透磁率が１．６以下である。

本発明によれば、比較的安価な非磁性鋼を用い、強度の向上と非磁性の維持とを両立できるボルトの製造方法及びボルトを提供することができる。

本発明の実施形態を説明するための、ボルトの一例の側面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、絞り加工ステップを実施する加工機の一例と、この加工機を用いた絞り加工の工程の一例とを示す模式図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、冷間塑性加工ステップを実施する加工機の一例と、この加工機を用いた冷間塑性加工の工程の一例とを示す模式図である。 転造加工ステップを実施する加工機の一例の模式図である。 実験例の冷間塑性加工直前の丸棒の温度と冷間塑性加工後の丸棒の比透磁率との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、ボルトの一例を示す。

ボルト１は、ねじ２が形成された軸部３と、軸部３より大径な回転工具受け４とを備え、軸部３と回転工具受け４とは一体に形成されている。回転工具受け４は、本例では略六角形状に形成された柱体によって構成されており、スパナ等の工具を用いて回転される。回転工具受け４には、ボルト１の座面を拡大するフランジ５が一体に設けられている。

なお、回転工具受け４は、柱体の端面に設けられる略六角形状の孔によって構成され、六角棒レンチ等の工具を用いて回転されるものでもよいし、柱体の端面に設けられる「−」形状又は「＋」形状の溝によって構成され、ドライバ等の工具を用いて回転されるものでもよい。また、フランジ５は省略されてもよい。さらにまた、ボルト１は、回転工具受け４の軸部３側とは反対側に、ねじが形成されたもう一つの軸部を備える、いわゆる植え込みボルトであってもよい。

ボルト１の製造には、非磁性鋼からなる丸棒が用いられる。ここで、本明細書において「非磁性」とは、比透磁率が１．６以下であるものとする。非磁性鋼としては、オーステナイト系ステンレス鋼、高マンガン鋼等を例示でき、オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０５、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４Ｎ２等を例示できるが、なかでも低コストなＪＩＳ−ＳＵＳ３０４が好適である。なお、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４は、主たる成分として、Ｃ（炭素）を０．０８％以下、Ｓｉ（ケイ素）を１．００％以下、Ｍｎ（マンガン）を２．００％以下、Ｐ（リン）を０．０４５％以下、Ｓ（硫黄）を０．０３％以下、Ｃｒ（クロム）を１８．０〜２０．０％、Ｎｉ（ニッケル）を８．０〜１０．５％の比率（重量％）で含有し、５２０ＭＰａ以上の引張強さを有するものである。また、無加工のＪＩＳ−ＳＵＳ３０４の比透磁率は、一般に１．０〜１．１である。

そして、非磁性鋼からなる丸棒を用いたボルト１の製造工程は、絞り加工ステップと、冷間塑性加工ステップと、切削加工ステップと、転造加工ステップとを備える。以下、絞り加工ステップ、冷間塑性加工ステップ、切削加工ステップ、及び転造加工ステップの各ステップを順に説明する。

＜絞り加工ステップ＞
絞り加工ステップでは、非磁性鋼からなる丸棒を室温以上且つ非磁性鋼の再結晶温度未満の冷間温度域の温度として丸棒の外径を絞る。絞り加工後の丸棒の外径は、ボルト１の軸部３に形成されるねじ２の呼び径（ねじの山部の外径）に応じて設定される。非磁性鋼の再結晶温度未満の冷間温度域にて絞り加工を行うことにより、加工硬化によって丸棒の強度を高めることができる。ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４の再結晶温度は、一般に４５０℃である。好ましくは、冷間温度域で丸棒を加温して絞り加工を行う、すなわち丸棒の温度を室温より高く再結晶温度未満の温度として絞り加工を行うことにより、加工誘起マルテンサイト変態の発生を抑制できる。これにより、丸棒の比透磁率の上昇を抑制できる。

オーステナイト系ステンレス鋼における加工誘起マルテンサイト変態の発生に関連する評価指標としてＭｄ_３０が知られている。Ｍｄ_３０は、オーステナイト単相に０．３の引張真ひずみを与えたときに組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度（℃）として定義されており、下式によって与えられる。
Ｍｄ_３０＝５５１−４６２（Ｃ％＋Ｎ％）−９．２Ｓｉ％
−８．１Ｍｎ％−１３．７Ｃｒ％−２９．０（Ｎｉ％＋Ｃｕ％）
−１８．５Ｍｏ％−６８．０Ｎｂ％−１．４２（ｖ−８．０）
ただし、上式におけるｖはＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）規格の粒度番号である。

Ｍｄ_３０の値が高温であるほど、オーステナイト相が不安定であり、加工誘起マルテンサイト変態が発生しやすい。オーステナイト系ステンレス鋼であるＪＩＳ−ＳＵＳ３０４及びＪＩＳ−ＳＵＳＸＭ７それぞれのＭｄ_３０を標準的な成分比で計算すると、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４のＭｄ_３０は−５０℃となり、ＪＩＳ−ＳＵＳＸＭ７のＭｄ_３０は−１５０℃となり、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４は、相対的に加工誘起マルテンサイト変態が発生しやすいと言える。

丸棒を冷間温度域で加温するに際し、丸棒を直接加温してもよいし、絞り金型を加温して丸棒を間接的に加温してもよいし、両者を組み合わせてもよい。丸棒を直接加温する場合に、加熱方式としては、誘導加熱、直接通電加熱、ヒータ加熱、温風加熱等を例示でき、加熱温度等に応じて適宜選択できる。絞り金型を加温する場合にも、加熱方式としては、誘導加熱、直接通電加熱、ヒータ加熱、温風加熱等を例示でき、加熱温度等に応じて適宜選択できる。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、絞り加工ステップを実施する絞り加工機の一例と、この絞り加工機を用いた絞り加工の工程の一例とを示す。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示す絞り加工機１０は、円筒状の加工孔１１が形成されている絞り金型１２と、加工孔１１に丸棒Ｂを押し込むパンチ１３と、加工孔１１に押し込まれた丸棒Ｂを加工孔１１から押し出すノックアウトピン１４と、を備える。パンチ１３及びノックアウトピン１４は、図示しない駆動部によってそれぞれ駆動される。

素材である丸棒Ｂの外径φ_０は加工孔１１の内径よりも大きく、丸棒Ｂが加工孔１１に押し込まれることによって丸棒Ｂの外径が絞られる。なお、ボルト１の軸部３に対応する丸棒Ｂの部分のみが絞られてもよいし、丸棒Ｂの全体が絞られてもよい。絞られた丸棒Ｂの外径φ_１は、加工孔１１の内径によって規定され、上記のとおり軸部３に形成されるねじ２の呼び径に応じて設定される。

この絞り加工機１０は、絞り金型１２に埋設されたヒータ１５をさらに備える。絞り金型１２がヒータ１５によって冷間温度域で加温され、丸棒Ｂは絞り金型１２を介して間接的に冷間温度域で加温される。丸棒Ｂを冷間温度域の範囲内で加温して絞り加工を行うことにより、上記のとおり、加工硬化によって丸棒Ｂの強度を高めることができ、且つ、加工誘起マルテンサイト変態の発生が抑制されることによって丸棒Ｂの比透磁率の上昇を抑制できる。

加工硬化及び加工誘起マルテンサイト変態の発生は丸棒Ｂの加工率とも関連している。絞り加工における丸棒Ｂの加工率は、加工前の丸棒Ｂの原断面積Ｓ_０と加工後の丸棒Ｂの断面積Ｓ_１との差の原断面積Ｓ_０に対する割合である｜Ｓ_１−Ｓ_０｜／Ｓ_０×１００[％]として定義される。一般に、加工率が高まるほどに、加工硬化が促進され、丸棒Ｂの強度は向上する。しかし、加工率が高まるほどに、加工誘起マルテンサイト変態の発生が助長され、丸棒Ｂの比透磁率もまた上昇する。したがって、絞り加工ステップにおける丸棒Ｂの加工率は、丸棒Ｂの強度の向上と比透磁率の上昇の抑制とのバランスを考慮して設定される。

＜冷間塑性加工ステップ＞
絞り加工ステップにて外径が絞られた丸棒Ｂは加工発熱によって昇温している。絞り加工ステップに続く冷間塑性加工ステップでは、丸棒Ｂが昇温した状態で、ボルト１の軸部３に対応する丸棒Ｂの部分を除いた丸棒Ｂの一部にボルト１の回転工具受け４及びフランジ５を形成する。丸棒Ｂが昇温した状態、すなわち丸棒Ｂの温度が室温より高く再結晶温度未満の温度である状態で冷間塑性加工を行うことにより、加工硬化によって回転工具受け４及びフランジ５の強度を高めることができ、また、加工誘起マルテンサイト変態の発生が抑制されることによって回転工具受け４及びフランジ５の比透磁率の上昇を抑制できる。そして、絞り加工ステップを経た丸棒Ｂが有する残熱を利用することにより、冷間塑性加工ステップにて丸棒Ｂを再度加温する場合に比べてエネルギの消費量を削減でき、ボルト１の製造コストを削減できる。

回転工具受け４は、上記のとおりボルト１の軸部３より大径であり、ボルト１の座面を拡大するフランジ５を一体に有する。かかる回転工具受け４及びフランジ５を形成する冷間塑性加工としては、据え込加工、軸肥大加工等を例示することができるが、なかでも軸肥大加工が好適である。軸肥大加工とは、丸棒Ｂの一部に丸棒Ｂの軸方向の圧縮力を作用させ且つ軸方向と交差する方向の交番負荷を作用させることにより、丸棒Ｂの一部を肥大させるものである。加工誘起マルテンサイト変態の発生は加工速度にも関連しており、据え込加工等の鍛造加工に比べて加工速度が比較的緩やかな軸肥大加工によれば、加工誘起マルテンサイト変態の発生を一層抑制できる。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、冷間塑性加工ステップを実施する加工機の一例と、この加工機を用いた冷間塑性加工の工程の一例とを示す。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示す加工機２０は、軸肥大加工によって丸棒Ｂの一部にボルト１の回転工具受け４及びフランジ５を形成するものである。この加工機２０は、丸棒Ｂの軸方向に丸棒Ｂを挟持する一対のホルダ２１，２２を備える。ホルダ２１は、丸棒Ｂの軸方向の一方の端部であって、ボルト１の軸部３に対応する丸棒Ｂの第１部分ｂ１が嵌入する保持孔２３を有する。ホルダ２２は、丸棒Ｂの軸方向の他方の端部を収容する加工孔２４を有する。加工孔２４は、丸棒Ｂの外径より大きく且つ略六角形状に形成されている。

図３（Ａ）に示すように、基準線Ａ上に配置された丸棒Ｂが一対のホルダ２１，２２によって保持される。そして、ホルダ２１が、図示しない駆動部によって基準線Ａに沿ってホルダ２２側に並進移動される。これにより、丸棒Ｂは軸方向に圧縮される。

丸棒Ｂの圧縮に合せて、図３（Ｂ）に示すように、ホルダ２２が、図示しない駆動部によって基準線Ａに対して傾斜され、且つ回転される。これにより、ホルダ２１の保持孔２３に嵌入している丸棒Ｂの一方の端部ｂ１を除いた丸棒Ｂの第２部分ｂ２において基準線Ａ上に設定される曲げ中心Ｏを中心にして丸棒Ｂは曲げられ、且つ丸棒Ｂは中心軸まわりに回転される。丸棒Ｂの曲げ及び回転に伴い、曲げられた第２部分ｂ２には、丸棒Ｂの軸方向と交差する方向に交番負荷が加えられる。

図３（Ｃ）に示すように、丸棒Ｂの第２部分ｂ２は、曲げ内側が塑性流動によって膨出する。そして、丸棒Ｂの圧縮及び回転に伴い、塑性流動による膨出が全周に亘って成長し、第２部分ｂ２が次第に肥大する。第２部分ｂ２のうち、ホルダ２２の加工孔２４に位置する端部ｂ３は加工孔２４に倣って略六角形状の柱体に成形され、端部ｂ３とホルダ２１の保持孔２３に嵌入している第１部分ｂ１との間の中間部分ｂ４はホルダ２１の端面とホルダ２２の端面との間で略円状に成形される。

図３（Ｄ）に示すように、一対のホルダ２１，２２の間隔が所定の間隔となったところでホルダ２１の並進移動は停止されるが、丸棒Ｂには、引き続き一対のホルダ２１，２２を介して圧縮力が負荷され、且つホルダ２２は回転される。そして、基準線Ａに対して傾斜されたホルダ２２が再び基準線Ａに沿って配置され、丸棒Ｂが曲げ戻しされる。丸棒Ｂの曲げ戻しにより、略円状に成形された中間部分ｂ４の厚みが全周に亘って均される。

以上のプロセスを経て丸棒Ｂに対する軸肥大加工は完了する。丸棒Ｂの第２部分ｂ２のうち、加工孔２４によって略六角形状の柱体に成形された端部ｂ３によってボルト１の回転工具受け４が構成され、略円状に成形された中間部分ｂ４によってボルト１のフランジ５が構成される。

＜切削加工ステップ＞
切削加工ステップでは、ボルト１の軸部３に対応する丸棒Ｂの第１部分ｂ１が切削される。軸部３には、切削加工ステップに続く転造加工ステップにてねじ２が転造され、一般的には、軸部３は、ねじ２の呼び径よりも僅かに小さい外径に形成される。なお、冷間塑性加工ステップにて略円状に成形された丸棒Ｂの中間部分であって、ボルト１のフランジ５を構成する部分が、この切削加工ステップにて整形されてもよい。

＜転造加工ステップ＞
転造加工ステップでは、ボルト１の軸部３に対応する丸棒Ｂの第１部分ｂ１を冷間温度域で加温して、第１部分ｂ１にねじ２を転造する。一般に、切削加工では、潤滑及び冷却の観点から、油等の切削液が材料にかけられ、切削加工ステップを経た丸棒Ｂの温度は低下している。そこで、転造加工ステップにて、再び丸棒Ｂの第１部分ｂ１を冷間温度域で加温してねじ２を転造することにより、加工硬化によってねじ２を含む軸部３の強度を高めることができ、また、加工誘起マルテンサイト変態の発生が抑制されることによってねじ２を含む軸部３の比透磁率の上昇を抑制できる。

丸棒Ｂの第１部分ｂ１を冷間温度域に加温するに際し、誘導加熱、直接通電加熱、ヒータ加熱、温風加熱等によって丸棒Ｂを直接加温してもよいし、丸棒Ｂと転造金型との潤滑に用いられる潤滑液を加温して丸棒Ｂを間接的に加温してもよいし、両者を組み合わせてもよい。

図４は、転造加工ステップを実施する転造加工機の一例を示す。

図４に示す転造加工機３０は、加温部３１と、転造部３２と、加温部３１と転造部３２との間で丸棒Ｂを移送する移送部（不図示）と、を備える。

まず、転造部３２は、丸棒Ｂを中心軸まわりに回転可能に保持する保持部３４と、保持部３４に保持された丸棒Ｂの第１部分ｂ１を直径方向に挟む一対の転造金型３５とを有する。転造金型３５は、本例では略円柱状に形成されており、転造金型３５の外周面には、ねじ２のねじ溝に対応した螺旋状の凸部が設けられている。一対の転造金型３５が丸棒Ｂの第１部分ｂ１に押し付けられた状態で一対の転造金型３５が同一方向に回転され、一対の転造金型３５に挟まれた丸棒Ｂは一対の転造金型３５とは逆方向に回転される。これにより、転造金型３５の外周面の凸部の形状が丸棒Ｂの第１部分ｂ１の外周面に全周に亘って転写され、ねじ２が形成される。

転造部３２は、丸棒Ｂの第１部分ｂ１と一対の転造金型３５とに潤滑液Ｌをかけるノズル３６をさらに有し、ノズル３６から吐出される潤滑液Ｌは、冷間温度域で加温されている。潤滑液Ｌは、例えば油である。

加温部３１は、加温液を貯留している槽３７と、槽３７に貯留されている加温液を冷間温度域で加温するヒータ３８とを有する。槽３７に貯留される加温液は、好ましくは潤滑液Ｌであり、ノズル３６から吐出される潤滑液Ｌは、槽３７から供給される。これにより、ノズル３６から吐出される潤滑液の加温と、槽３７に貯留される加温液の加温とにヒータ３８を共用でき、装置構成が簡潔となる。なお、本例では、ノズル３６から吐出された潤滑液Ｌは槽３７に回収され、潤滑液Ｌはノズル３６と槽３７との間で循環される。

丸棒Ｂは、まず、加温部３１の槽３７に貯留されている潤滑液Ｌに浸漬され、潤滑液Ｌと略同じ温度に加温される。冷間温度域で加温された丸棒Ｂは、移送部によって転造部３２に移送され、転造部３２にて、ねじ２が第１部分ｂ１に形成される。ねじ２が形成される際に、冷間温度域に加温された潤滑液Ｌが第１部分ｂ１と一対の転造金型３５とにかけられることによって第１部分ｂ１の温度の低下が抑制される。冷間温度域の範囲内で丸棒Ｂを加温して転造加工を行うことにより、上記のとおり、加工硬化によってねじ２を含む軸部３の強度を高めることができ、また、加工誘起マルテンサイト変態の発生が抑制されることによってねじ２を含む軸部３の比透磁率の上昇を抑制できる。

以上により、加工硬化によって強度が向上し、且つ加工誘起マルテンサイト変態の発生が抑制されることによって非磁性に保たれたボルト１が得られ、例えば非磁性鋼がＪＩＳ−ＳＵＳ３０４である場合に、引張強さ９８０ＭＰａ以上、比透磁率１．６以下のボルト１が得られる。なお、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４等の非磁性鋼からなる丸棒は、典型的には圧延材であるが、この圧延材に対して冷間にて引抜き加工を行った冷間引抜き材であってもよい。冷間での引抜き加工により、素材として丸棒の引張強さが高められ、この丸棒を用いて製造されるボルトの引張強をさらに高めることができる。

以下、実験例について説明する。

実験例では、熔鋼メーカーの異なるＪＩＳ−ＳＵＳ３０４からなる外径２４ｍｍの丸棒と、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４からなる外径２５ｍｍの丸棒と、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４からなる外径２６ｍｍの丸棒とを素材として用い、室温８−１０℃の環境で、絞り加工ステップ、冷間塑性加工ステップ、及び転造加工ステップを実施した。

＜絞り金型温度、素材丸棒温度及び加工率と絞り加工後の丸棒の引張り強さ及び比透磁率との関係＞
絞り加工ステップでは、外径２４ｍｍ、２５ｍｍ、２６ｍｍの素材丸棒におけるボルト１の軸部３に対応する部分のみを外径２０ｍｍに絞った。この場合に、外径２４ｍｍの素材丸棒の加工率は３０．６％であり、外径２５ｍｍの素材丸棒の加工率は３６．０％であり、外径２６ｍｍの素材丸棒の加工率は４０．８％である。絞り金型１２の温度を、室温と略同じ８℃から３０℃とし、素材丸棒の温度を、室温と略同じ８℃から３５℃として、絞り金型１２の温度、素材丸棒の温度及び加工率と、絞り加工後の丸棒の引張り強さ及び比透磁率との関係を評価した。引張り強さは、ＪＩＳ−Ｚ２２４１に規定される方法に従って測定した。また比透磁率は、比透磁率計によって測定した。評価結果を表１に示す。

表１に示すとおり、例えば絞り金型１２の温度が８℃であり、素材丸棒の温度が３５℃であるＮｏ．２とＮｏ．６とを比較すると、加工率３０．６％のＮｏ．２では、引張り強さが９８１ＭＰａ、比透磁率が１．１５であるのに対して、加工率３６．０％のＮｏ．６では、引張り強さが１０３８ＭＰａ、比透磁率が１．２となった。すなわち、加工率が高まるほどに、加工硬化が促進され、丸棒の強度が向上している。しかし、加工率が高まるほどに、加工誘起マルテンサイト変態の発生が助長され、丸棒の比透磁率もまた上昇している。

次に、加工率が３０．６％であるＮｏ．１からＮｏ．４を比較すると、絞り金型１２の温度及び素材丸棒の温度が８℃のＮｏ．１では、比透磁率が１．４であるのに対し、素材丸棒の温度を３５℃に高めたＮｏ．２では、比透磁率が１．１５となり、さらに絞り金型１２の温度を２５℃に高めたＮｏ．４では、比透磁率が１．１０となった。すなわち、丸棒を冷間温度域で加温することにより、引張強さは維持し、比透磁率の上昇を抑制できている。加工率が３６．０％であるＮｏ．５からＮｏ．８を比較しても、同様に、丸棒を冷間温度域で加温することにより、引張強さを維持し、比透磁率の上昇を抑制できている。ただし、加工率が４０．８％であるＮｏ．１４では、絞り金型１２の温度及び素材丸棒の温度を３０℃に高めても比透磁率は１．８となった。

高強度（引張強さ９８０ＭＰａ以上）且つ非磁性（比透磁率１．６以下）のボルト１を得るにあたり、後工程の転造加工での比透磁率の上昇を考慮すると、絞り加工後の丸棒に許容される比透磁率の上限は１．４程度であり、好ましくは１．２以下である。絞り金型１２を介して丸棒を冷間温度域で加温する場合に、素材丸棒の温度は絞り金型１２の温度以下であり、表１に示す結果から、絞り金型１２の温度は、好ましくは冷間温度域で１８℃以上であり、より好ましくは２５℃以上である。また、素材丸棒の加工率は、好ましくは３０％以上３６％以下である。

＜冷間塑性加工直前の丸棒の温度と冷間塑性加工後の丸棒の比透磁率との関係＞
冷間塑性加工ステップでは、外径２４ｍｍの素材丸棒を用い、この素材丸棒におけるボルト１の軸部３に対応する部分のみを外径２０ｍｍに絞る絞り加工ステップを経て丸棒が昇温した状態で、この丸棒に、軸肥大加工によって回転工具受け４とフランジ５とを形成した。前工程の絞り加工ステップにおける絞り金型１２の温度を１０℃又は２４℃とし、素材丸棒の温度を−３．１℃又は−２．２℃とすることによって軸肥大加工直前の丸棒の温度を変更し、軸肥大加工直前の丸棒の温度と軸肥大加工後の丸棒に形成された回転工具受け４の比透磁率との関係を評価した。なお、上記のとおり、絞り加工ステップでは、ボルト１の軸部３に対応する丸棒の部分のみを絞っており、回転工具受け４とフランジ５とは、ボルト１の軸部３に対応する部分を除いた丸棒の一部によって形成され、当該一部の軸肥大加工前の比透磁率は素材丸棒の比透磁率であって１．０２１である。評価結果を図５に示す。

図５に示すとおり、絞り金型１２の温度を１０℃とし、素材丸棒の温度を−３．１℃とした場合の軸肥大加工直前の丸棒の温度は２０℃前後であるのに対し、絞り金型１２の温度を２４℃とし、素材丸棒の温度を−２．２℃とした場合の軸肥大加工直前の丸棒の温度は３０℃前後となった。そして、軸肥大加工直前の丸棒の温度が２０℃前後である場合に、軸肥大加工後の丸棒に形成された回転工具受け４の比透磁率は、殆どが１．６よりも高くなっているのに対し、軸肥大加工直前の丸棒の温度が３０℃前後である場合に、軸肥大加工後の丸棒に形成された回転工具受け４の比透磁率は、いずれも１．６以下となった。この結果から、高強度且つ非磁性のボルト１を得るにあたり、冷間塑性加工ステップにおいて、軸肥大加工によって回転工具受け４とフランジ５とを形成する場合の軸肥大加工直前の丸棒の温度は、好ましくは冷間温度域で３０℃以上である。

＜転造加工時の丸棒の温度及び潤滑油の温度と比透磁率との関係＞
転造加工ステップでは、絞り加工後の丸棒であって、ボルト１の軸部３に対応する部分の比透磁率が１．１５の丸棒と、比透磁率が１．２の丸棒と、比透磁率が１．４３の丸棒とを用い、冷間温度域で加温された槽３７の加温液に丸棒を浸漬して丸棒を加温し、加温液とは別に冷間温度域で加温された潤滑液を、加温された丸棒と一対の転造金型３５とにかけながらねじ２を転造した。そして、加温された丸棒の温度（初期温度）を種々に変更し、１５℃から６０℃に加温された潤滑液をかけながらねじ２を転造した場合の、丸棒の初期温度とねじ２が転造された軸部３の比透磁率との関係を評価した。なお、軸部３の比透磁率は、軸部３の先端から軸方向に５ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍ離間した各位置において９０度間隔で４箇所の比透磁率を測定し、それらの平均値とする。評価結果を表２に示す。

表２に示すとおり、潤滑液の温度が６０℃である場合に、絞り加工後の比透磁率が１．２の丸棒では、丸棒の初期温度が３０℃以上で、転造加工後の比透磁率が１．６以下になり、丸棒の初期温度が高くなるほどに比透磁率は低下した。また、絞り加工後の比透磁率が１．１５と比較的低い丸棒では、潤滑液の温度が２５℃であっても、丸棒の温度が５℃以上で、転造加工後の比透磁率が１．６以下となった。一方、絞り加工後の比透磁率が１．４３と比較的高い丸棒では、丸棒の初期温度及び潤滑液の温度が６０℃で、転造加工後の比透磁率が１．５５となった。また、絞り加工後の比透磁率が１．２の丸棒の初期温度を４０℃として、潤滑液の温度を３０℃、４０℃とした場合に、潤滑液の温度が３０℃では転造加工後の比透磁率が１．６よりも高くなり、潤滑液の温度が４０℃では転造加工後の比透磁率は１．６以下となった。

ここで、槽３７の加温液を潤滑液とし、潤滑液を槽３７にて加温する場合に、槽３７の潤滑液に浸漬されて加温された丸棒の初期温度と、ねじ２が転造される際に丸棒及び一対の転造金型３５にかけられる潤滑液とは略同じ温度となる。潤滑液の取り扱いの容易性の観点から、潤滑液の温度は好ましくは６０℃以下であり、これを考慮すると、絞り加工後の比透磁率が１．４３の丸棒で、丸棒の初期温度及び潤滑液の温度が６０℃の場合に、転造加工後の比透磁率が１．５５であることから、前工程の絞り加工後の丸棒に許容される比透磁率の上限は１．４程度と言うことができる。さらに、絞り加工後の比透磁率が１．２の丸棒で、丸棒の初期温度及び潤滑液の温度が４０℃の場合に、転造加工後の比透磁率が１．６以下であることから、前工程の絞り加工後の丸棒に許容される比透磁率は好ましくは１．２以下であり、高強度且つ非磁性のボルト１を得るにあたり、安定的に比透磁率１．６以下を求める場合、転造加工ステップにおいて、丸棒が浸漬され且つねじ２が転造される際に丸棒及び一対の転造金型３５にかけられる潤滑液の温度は、好ましくは冷間温度域で４０℃以上である。

１ ボルト
３ 軸部
４ 回転工具受け
５ フランジ
１０ 絞り加工機
１１ 加工孔
１２ 金型
１３ パンチ
１４ ノックアウトピン
１５ ヒータ
２０ 軸肥大加工機
２１ ホルダ
２２ ホルダ
２３ 保持孔
２４ 加工孔
３０ 転造加工機
３１ 加温部
３２ 転造部
３４ 保持部
３５ 転造金型
３６ ノズル
３７ 槽
３８ ヒータ
Ｂ 丸棒
ｂ１ 第１部分（ねじ２が形成される端部）
ｂ２ 第２部分（ねじ２が形成される端部を除いた丸棒の一部）
ｂ３ 端部
ｂ４ 中間部分
Ｌ 潤滑液

Claims (14)

1. 非磁性鋼からなる丸棒を室温以上且つ前記非磁性鋼の再結晶温度未満の冷間温度域の温度として前記丸棒の外径を絞る絞り加工ステップと、
   前記絞り加工ステップによって前記丸棒が昇温した状態で、ねじが形成される端部を除いた前記丸棒の一部にボルトの回転工具受けを形成する冷間塑性加工ステップと、
   前記丸棒の前記端部を前記冷間温度域で加温して、前記端部にねじを転造する転造加工ステップと、
   を備えるボルトの製造方法。
2. 請求項１記載のボルトの製造方法であって、
   前記絞り加工ステップにおいて、前記丸棒を前記冷間温度域で加温して前記丸棒の外径を絞るボルトの製造方法。
3. 請求項２記載のボルトの製造方法であって、
   前記絞り加工ステップにおいて、絞り金型を加温することによって前記丸棒を前記冷間温度域で加温するボルトの製造方法。
4. 請求項３記載のボルトの製造方法であって、
   前記絞り加工ステップにおいて、前記絞り金型を前記冷間温度域で１８℃以上に加温するボルトの製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載のボルトの製造方法であって、
   前記絞り加工ステップにおいて、前記丸棒の加工率は３０％以上３６％以下であるボルトの製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載のボルトの製造方法であって、
   前記冷間塑性加工ステップにおいて、前記丸棒の前記一部に前記丸棒の軸方向の圧縮力を作用させ且つ前記軸方向と交差する方向の交番負荷を作用させることにより、前記丸棒の前記一部を肥大させて前記回転工具受けを形成するボルトの製造方法。
7. 請求項６記載のボルトの製造方法であって、
   前記冷間塑性加工ステップにおいて、加工直前の前記丸棒の温度は３０℃以上であるボルトの製造方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項記載のボルトの製造方法であって、
   前記転造加工ステップにおいて、前記冷間温度域で加温した潤滑液を前記丸棒の前記端部及び転造金型にかけながら、前記丸棒の前記端部にねじを転造するボルトの製造方法。
9. 請求項８記載のボルトの製造方法であって、
   前記転造加工ステップにおいて、前記冷間温度域で加温した前記潤滑液を貯留している槽内の前記潤滑液に前記丸棒を浸漬した後に、前記丸棒の前記端部にねじを転造するボルトの製造方法。
10. 請求項９項記載のボルトの製造方法であって、
    前記転造加工ステップにおいて、前記潤滑液を前記冷間温度域で４０℃以上に加温するボルトの製造方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項記載のボルトの製造方法であって、
    前記丸棒は、冷間引抜き材であるボルトの製造方法。
12. 請求項１から１１のいずれか記載のボルトの製造方法であって、
    前記非磁性鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼であるボルトの製造方法。
13. 請求項１２記載のボルトの製造方法であって、
    前記オーステナイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４であるボルトの製造方法。
14. ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４からなり、引張強さが９８０ＭＰａ以上、比透磁率が１．６以下であるボルト。

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