JP2022138965A

JP2022138965A - ボルトの製造方法

Info

Publication number: JP2022138965A
Application number: JP2021039146A
Authority: JP
Inventors: 崇文清水; Takafumi Shimizu
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2022-09-26

Abstract

【課題】降伏および水素脆化割れを抑制できるボルトの製造方法を提供すること。【解決手段】先端部分にねじ部を有するボルトの製造方法であって、前記ボルトの元となる元部材の全体に対して浸炭処理を行う第１浸炭工程と、前記元部材に形成された浸炭層のうち、前記ねじ部となる予定のねじ部予定部に形成された浸炭層を切削する切削工程と、前記ねじ部予定部に雄ネジを転造し、前記ねじ部を形成する転造工程と、前記元部材の全体に対して再度浸炭処理を行う第２浸炭工程と、を有する。【選択図】図７

Description

本開示は、ボルトの製造方法に関する。

従来、頭部、円筒部、ねじ部を備え、それら各部に浸炭処理が施されたボルトが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－２９５３４号公報

上記ボルトを、例えば、シリンダヘッドをシリンダブロックに固定するヘッドボルトとして用いた場合、漏洩した燃焼ガス中の水素により、ねじ部において水素脆化割れが起こるおそれがある。水素脆化割れは、硬度を低くすることで抑制できる。その一方で、降伏を防ぐために、頭部の硬度は確保されることが好ましい。

本開示の一態様の目的は、降伏および水素脆化割れを抑制できるボルトの製造方法を提供することである。

本開示の一態様に係るボルトの製造方法は、先端部分にねじ部を有するボルトの製造方法であって、前記ボルトの元となる元部材の全体に対して浸炭処理を行う第１浸炭工程と、前記元部材に形成された浸炭層のうち、前記ねじ部となる予定のねじ部予定部に形成された浸炭層を切削する切削工程と、前記ねじ部予定部に雄ネジを転造し、前記ねじ部を形成する転造工程と、前記元部材の全体に対して再度浸炭処理を行う第２浸炭工程と、を有する。

本開示によれば、降伏および水素脆化割れを抑制できる。

本開示の実施の形態に係るボルトの外観を示す図本開示の実施の形態に係るボルトによりシリンダヘッドがシリンダブロックに締結された状態を模式的に示す部分断面図本開示の実施の形態に係るボルトの元となる元部材を模式的に示す断面図本開示の実施の形態に係る第１浸炭工程後の元部材を模式的に示す断面図本開示の実施の形態に係る切削工程後の元部材を模式的に示す断面図本開示の実施の形態に係る転造工程後の元部材を模式的に示す断面図本開示の実施の形態に係る第２浸炭工程後の元部材（本開示の実施の形態に係るボルト）を模式的に示す断面図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

図１は、本実施の形態のボルト１０の外観を示す図である。図１に示すボルト１０は、金属により構成されている。この金属としては、例えば、機械構造用炭素鋼Ｓ１０Ｃ～Ｓ２０Ｃ、または、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５Ｈ～ＳＣＭ４２０Ｈ等が挙げられるが、これらに限定されない。

図１に示すように、ボルト１０は、頭部１、円筒部２、ねじ部３を有する。円筒部２の径と、ねじ部３の径とは同じ長さである。

ねじ部３には、雄ネジ５が形成されている。なお、本実施の形態では、頭部１がハット状である場合を例に挙げて説明するが、これに限定されない。

図１に示すボルト１０は、例えば、シリンダヘッドをシリンダブロックに固定するヘッドボルトとして用いられる。このときの例を図２に示す。図２は、ボルト１０によりシリンダヘッド２０がシリンダヘッドガスケット４０を介してシリンダブロック３０に締結された状態を模式的に示す部分断面図である。

シリンダヘッド２０、シリンダブロック３０、およびシリンダヘッドガスケット４０のそれぞれには、ボルト穴（符号および図示略）が設けられている。シリンダブロック３０のボルト穴の内周面には、ねじ部３の雄ネジ５と螺合する雌ネジ（符号および図示略）が形成されている。

ボルト１０は、上記各ボルト穴に挿入され、ねじ部３の雄ネジ５がシリンダブロック３０のボルト穴の雌ねじと螺合する。これにより、シリンダヘッド２０とシリンダブロック３０とはシリンダヘッドガスケット４０を挟持した状態で固定される。

なお、図２では、１本のボルト１０の締結部分のみを図示したが、実際には、シリンダヘッド２０、シリンダブロック３０、およびシリンダヘッドガスケット４０のそれぞれには、複数のボルト穴が設けられており、各ボルト穴に対応してボルト１０が設けられる。

以下、ボルト１０の製造方法について、図３～図７を用いて説明する。ボルト１０の製造方法は、第１浸炭工程、切削工程、転造工程、第２浸炭工程の順に行われる。

なお、第１浸炭工程、第２浸炭工程の手法としては、例えば、ガス浸炭、液体浸炭、個体浸炭が存在するが、これら浸炭手法の種類、組み合わせは限定しないものとする。また、一般的に、浸炭工程の後には焼戻し工程が付随するが、切削工程や転造工程、その他工程の難易度を考慮して、焼戻し工程の有無を選択する必要があるため、以下の説明には明記しないものとする。

ボルト１０の製造にあたり、その元となる部材（以下、元部材という）が用意される。

図３を用いて、元部材１００の構成について説明する。図３は、元部材１００の軸方向（長さ方向と言ってもよい）の断面を模式的に示す図である。

図３に示すように、元部材１００は、頭部１、円頭部予定部１２、ねじ部予定部１３を有する。頭部１、円頭部予定部１２、ねじ部予定部１３は、一体的に形成されている。元部材１００は、金属により構成されている。

図３に示す頭部１は、図１、図２に示した頭部１と同じサイズ、同じ形状である。

図３に示す円筒部予定部１２は、図１、図２に示した円筒部２となる予定の部分（換言すれば、加工されて最終的に円筒部２となる部分）である。

図３に示すように、円筒部予定部１２は、元部材１００の先端に向かうにつれ徐々に拡径した拡径部４を有する。

図３に示す径ｂは、円筒部予定部１２における最小径であり、円筒部２の径（ねじ部３の径と言ってもよい）と同じ長さである。なお、径ｂは、拡径部４における最小径でもある。

図３に示すねじ部予定部１３は、図１、図２に示したねじ部３となる予定の部分（換言すれば、加工されて最終的にねじ部３となる部分）である。

図３に示す径ａは、ねじ部予定部１３の径であり、径ｂより大きい。径ｂは、ねじ部３の径と同じであるため、ねじ部予定部１３は、図１、図２に示したねじ部３の径よりも大きい径を有する円筒形と言える。なお、径ａは、拡径部４における最大径でもある。

径ａの長さは、径ｂの長さに、後述する第１浸炭工程によってねじ部予定部１３に形成される浸炭層の厚み（例えば、図４に示す厚みｃ参照）を加算した長さ以上であればよい。

以上の構成を有する元部材１００を用いて、ボルト１０の製造が行われる。

まず、第１浸炭工程が行われる。この工程では、図３に示した元部材１００の全体に対して浸炭処理が行われる。浸炭処理の各種条件としては、ヘッドボルトを製造する際の公知の条件を適用することができる。浸炭処理により、図３に示した元部材１００の表面には、炭素が浸透した層（以下、第１浸炭層Ａという）が形成される。

図４は、第１浸炭工程後の元部材１００を模式的に示す断面図である。図４に示すように、頭部１、円筒部予定部１２、およびねじ部予定部１３のそれぞれには、第１浸炭層Ａが形成されている。図４に示す長さｃは、第１浸炭層Ａの厚みである。

このように第１浸炭層Ａが形成された元部材１００では、表面が内部よりも硬くなる。

次に、切削工程が行われる。この工程では、図４に示した元部材１００の円筒部予定部１２およびねじ部予定部１３それぞれの一部が切削される。具体的には、円筒部予定部１２およびねじ部予定部１３それぞれの径が図４に示した径ｂとなるように、円筒部予定部１２およびねじ部予定部１３それぞれの表面が切削される。これにより、円筒部予定部１２の拡径部４が削り取られ、円筒部予定部１２は、図１、図２に示した円筒部２となる。また、ねじ部予定部１３における第１浸炭層Ａが全て削り取られる。

図５は、切削工程後の元部材１００を模式的に示す断面図である。図５に示すように、円筒部２およびねじ部予定部１３はともに、径ｂを有する円筒形である。また、円筒部２における第１浸炭層Ａの厚みは、元部材１００の先端に向かうにつれ徐々に小さくなっている（図中の点線の囲み部分参照）。また、ねじ部予定部１３には、第１浸炭層Ａが存在しない。

以上のことから、切削工程は、ねじ部予定部１３に形成された第１浸炭層Ａを全て削り取るととともに、円筒部予定部１２が、均一な径を有する円筒部２となるように、かつ、拡径部４に形成された第１浸炭層Ａの厚みが、元部材１００の先端に向かうにつれ徐々に小さくなるように、拡径部４を削り取る工程である、と言える。

次に、転造工程が行われる。この工程では、図５に示した元部材１００のねじ部予定部１３に図１に示した雄ネジ５が転造される。これより、ねじ部予定部１３は、図１、図２に示したねじ部３となる。

図６は、転造工程後の元部材１００を模式的に示す断面図である。図６に示すように、ねじ部３は、雄ネジ５を有する。

次に、第２浸炭工程が行われる。この工程では、図６に示した元部材１００の全体に対して、再度、浸炭処理が行われる。ここでの浸炭処理は、第１浸炭工程における浸炭処理と同様であってよいし、他の手法による浸炭処理でもよい。浸炭処理により、図６に示した元部材１００の表面には、炭素が浸透した層（以下、第２浸炭層Ｂという）が形成される。

図７は、第２浸炭工程後の元部材１００を模式的に示す断面図である。図７に示すように、頭部１、円筒部２、およびねじ部３のそれぞれには、第２浸炭層Ｂが形成されている。頭部１および円筒部２では、第２浸炭層Ｂは、第１浸炭層Ａに重複して設けられている。なお、第２浸炭層Ｂの厚みは、例えば、第１浸炭工程で形成された第１浸炭層Ａの厚み（例えば、図４に示した厚みｃ）と同じである。

図７に示した第２浸炭工程後の元部材１００は、図１、図２に示したボルト１０として用いられる。

以上説明したように、ボルト１０は、頭部１および円筒部２に対しては２度の浸炭処理（第１浸炭工程および第２浸炭工程）が行われ、ねじ部３に対しては１度の浸炭処理（第２浸炭工程）が行われることにより、製造される。よって、ボルト１０では、頭部１および円筒部２の硬度は、ねじ部３の硬度よりも高くなる（換言すれば、ねじ部３の硬度は、頭部１および円筒部２の硬度よりも低くなる）。したがって、ボルト１０では、頭部１が降伏しにくくなる一方で、ねじ部３において水素脆化割れが起こりにくくなる。すなわち、ボルト１０は、降伏および水素脆化割れを抑制することができる。

一般的に浸炭処理の範囲を部分的に限定したい場合、防炭薬剤塗布や液体冷却、マスキングといった手法が採用されるが、これら手法では浸炭領域と防炭領域の境界が明確であるため、材料の化学的組成の変化が境界において急激に生じ、応力集中の懸念がある。これに対し、ボルト１０では、円筒部２における第１浸炭層の厚みが、ボルト１０の先端に向かうにつれ徐々に小さくなる（図５参照）ため、ヤング率、引張強さを連続的に低下させることができ、上記応力集中を回避できる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

実施の形態では、ボルト１０において円筒部２の径とねじ部３の径とが同じである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、円筒部２の径がねじ部３の径よりも大きくてもよい。よって、本開示は、例えばリーマボルト等にも適用することができる。

本開示のボルトの製造方法は、浸炭処理を用いるボルトの製造方法に有用である。

１頭部
２円筒部
３ねじ部
４拡径部
５雄ネジ
１０ボルト
１２円筒部予定部
１３ねじ部予定部
２０シリンダヘッド
３０シリンダブロック
４０シリンダヘッドガスケット
１００元部材
Ａ第１浸炭層
Ｂ第２浸炭層

Claims

先端部分にねじ部を有するボルトの製造方法であって、
前記ボルトの元部材の全体に対して浸炭処理を行う第１浸炭工程と、
前記元部材に形成された浸炭層のうち、前記ねじ部となる予定のねじ部予定部に形成された浸炭層を切削する切削工程と、
前記ねじ部予定部に雄ネジを転造し、前記ねじ部を形成する転造工程と、
前記元部材の全体に対して再度浸炭処理を行う第２浸炭工程と、を有する、
ボルトの製造方法。
前記第１浸炭工程が行われる前の前記元部材は、
頭部と、前記ねじ部予定部と、前記頭部と前記ねじ部予定部との間にあり、前記ボルトの円筒部となる予定の円筒部予定部と、を有し、
前記円筒部予定部は、
前記元部材の先端に向かうにつれ徐々に拡径した拡径部を有し、
前記切削工程では、さらに、
前記円筒部予定部が、均一な径を有する前記円筒部となるように、かつ、前記第１浸炭工程により前記拡径部に形成された浸炭層の厚みが、前記元部材の先端に向かうにつれ徐々に小さくなるように、前記拡径部を切削する、
請求項１に記載のボルトの製造方法。
前記第１浸炭工程が行われる前の前記ねじ部予定部の径は、
前記円筒部の径に、前記第１浸炭工程により前記ねじ部予定部に形成される浸炭層の厚みを加算した長さ以上である、
請求項１または２に記載のボルトの製造方法。