JP4783934B2 - 金属ガラス締結ねじ - Google Patents

Description

本発明は、非晶質（アモルファス）からなるバルク金属ガラスを素材とし、その成形方法、およびその成形方法より創製される特性に特徴をもつ締結ねじに関するものである。

バルク金属ガラスは、非晶質（アモルファス）からなる合金であり、一般に高い強度（高い降伏応力）と、通常の金属のおよそ１０倍近い弾性限ひずみ（降伏ひずみ）をもち、また、構成元素の組み合わせにより、強度および弾性率（ヤング率）を変化させることが可能であり、鋳造法により、含有する化学成分で決まる臨界直径以下の円柱形状に成形することができる。（例えば、特許文献１参照）
非晶質からなるバルク金属ガラスを小型の機械部品などに応用するために、その凝固収縮が小さいという特徴を生かした鋳造法において、回転遠心力等を利用して充填性を向上させるための様々な工具、装置、方法などが提案されている。（例えば、特許文献２参照）
バルク金属ガラスを表面にもつ円筒状の素材の表面を、そのバルク金属ガラスが粘性流動を生じるガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱した後、粘性流動性を利用して凹凸を有するダイスに押し当てて成形する方法が提案されている。（例えば、特許文献３，４参照）
また、製品の表面に金属ガラスを溶射することにより、内部は従来の素材の特徴を残したまま、表面にバルク金属ガラスの特徴をもたせる提案がなされている。（例えば、特許文献５，６参照）

特開２００８−２３８２１４号公報 特開２００８−１２６３１３号公報 特開２００８−２００７３４号公報 特開２００５−１７３５５８号公報 特開２００７−１３１９５２号公報 特開２００５−２０１７８９号公報

締結ねじは、締め付け後に残存する軸力により、接触する座面およびねじの噛み合い部のねじ表面に生じる摩擦力を利用して被締結材をゆるまないように固定する。これまで、ねじのゆるみ防止は、主にナットを特殊形状あるいは特殊構造にすることにより行われてきたが、ねじ自身をゆるみ難いものにすれば、取り外しや繰り返し使用が容易となり、使用できる分野が広がる。そのためには、締結時の締め付け力を大きくすることができるように強度を上げ、同時に、ねじの弾性率を下げて変形しやすくして被締結体との接触面積を増大できれば、摩擦力が大きくなり、ゆるみ難いねじが実現されるが、このようなねじは、これまで生産されなかった。

バルク金属ガラスは、非晶質からなり、一般に高い強度と通常の金属のおよそ１０倍の弾性限ひずみをもち、また、構成元素の種類の組み合わせにより、弾性率を変化させることが可能である。バルク金属ガラスにて、有害な欠陥がなく安定してねじの形状の成形できれば、バルク金属ガラスのもつ高強度で低弾性率、また、高弾性限ひずみという特長を利用して、従来のねじに比してゆるみ難いねじを作ることができる。しかし、バルク金属ガラスは結晶金属でないため、転位（加工により導入される結晶金属特有の線欠陥）による塑性変形（永久ひずみをともなう変形）を生じず、様々な変形機構が考案されているが、基本的に室温付近では延性がきわめて乏しいとされ、加工方法としては鋳造法（溶湯による転写加工）、あるいはガラス転移温度以上で、バルク金属ガラス固有の粘性流動を起こす過冷却液体温度領域（一般に４００℃付近で、プラスマイナス数１０℃の範囲に存在する）で成形するのが主であり、このガラス転移温度以下において、特に加工度が大きく、加工された部分のひずみの勾配（隣接する部分のひずみの差）が大きいねじの転造加工（塑性変形をもちいた加工方法の一つ）に適用することは難しいと考えられていた。

バルク金属ガラスは、切削刃物にとって難切削加工材料であり、円柱状に鋳込まれたバルク金属ガラスロッド等を切削加工によりねじ山及びねじ溝を成形しようとすると、刃先の摩耗が著しく、安定して生産することは非常に難しい。また、材料ロスが生じて経済的にも好ましくない。

鋳造加工では、ねじ山のように形状が尖鋭な部分へのバルク金属ガラスの充填が、その表面張力などの影響により容易でなく、たとえ加圧力や回転遠心力を与えても安定したねじ形状を得ることは難しく、また、高温で発生するガスが混入して欠陥を生じる可能性があるため、鋳造加工のみで作られたねじは信頼性が低いと考えられていた。

一般に、鋳造加工されたものは脆いため、これを転造加工して信頼性の高い締結ねじを作るという発想はなく、転造加工には延性の高い展伸材を必要としていた。バルク金属ガラスに対しても、一般の鋳造品と同様の考え方から、室温での塑性加工は困難と考えられていた。そのため、これに替わり、ガラス転移温度以上の過冷却液体温度領域に加熱して粘性流動を利用することが検討されているが、加工速度が低く、また、加工温度範囲が狭いため厳しい温度制御が必要となり、さらに高温になるので酸化防止のための真空装置等が必要となり、この方法で生産を行うことは容易ではなかった。

また、ガラス転移温度以上の粘性流動領域における加工では、表面から中心まで粘性流動を起こすので、中心付近にまで変形を生じて断面の形状が歪（いびつ）になり、ねじの規格を満足する形状を得ることは難しい。このように粘性流動領域での転造加工によるねじの成形は好ましくない。

通常の金属材料を所定の形状に加工後、表面に金属ガラスを溶射することが試みられているが、これは表面のみがバルク金属ガラスの特性を有する。しかし、締結の際にねじに発生する軸力はねじの横断面全体に及ぶため、内部までバルク金属ガラスでなければ、バルク金属ガラスの特性である高強度で低弾性率であり、高弾性限ひずみを有するという特徴が、ねじにおいて発揮できない。

一般の結晶からなる金属における転造加工は、高速という生産性の長所以外に、加工された部分に転位が導入されることにより硬化する現象（加工硬化あるいはひずみ硬化という）を利用した強度の向上を図っている。バルク金属ガラスでは、こうした加工硬化は生じないので、機械特性を向上させる目的で、これに転造を適用することはなかった。

一般に、延性を十分に有した結晶からなる金属のねじでは、ねじがねじ軸の方向に引っ張られたとき、切り欠き形状をしたねじ溝の底の領域に集中する応力は、その部分が転位を介した塑性変形をわずかに起こすことにより応力が緩和され、安定した締結を可能にしている。バルク金属ガラスにより作られる締結ねじは、素材であるバルク金属ガラスに延性が乏しいので、切削や鋳造により締結ねじに成形した場合、ねじ軸の方向に引っ張られたときの応力集中を緩和するための塑性変形が不十分であり、素材の強度よりかなり小さい引張り力でそこから破断する危険性があり、ねじとしての信頼性が乏しいと考えられていた。

これまで、ねじ、および一般の機械部品においては、表面に炭素を滲み込ませる浸炭処理、窒素を導入する窒化処理など、主に、内部の硬さを上げずに表面を硬化して、部品としての強度とじん性を持たせることが考えられてきたが、表面に延性を与えて、強度とじん性（脆くない性質）を与える考え方は、特に締結ねじにおいてはなかった。

生体内および生体の外部と接触して使用される締結ねじは、切削で製作され、生産性に問題があった。また、ゆるみ難いという特性は、生体にとって非常に重要であるが、これまであまり強調されることがなかった。

アルミニウム合金やマグネシウム合金のような降伏点が低く、弾性率も低い被締結材を、それより降伏点が高く、弾性率も高い通常のスチールのねじにて締結する場合、被締結材側の座面に永久ひずみ（陥没）が発生しやすいため、大きな軸力を与えることができず、ねじを締結するに十分な摩擦力を得ることが難しかった。さらに、使用中に発生する外力、特に振動により、同様の永久ひずみを生じて軸力が低下し、ねじのゆるみを促進して大きな問題となっていた。

そこで本発明では、バルク金属ガラスの特性を活かしたゆるみ難い金属ガラス締結ねじを、安定した製造が可能で、且つ成形時に表面の延性を改善して金属ガラス締結ねじに信頼性を付与する工程とともに、提供することを目的とする。

非晶質からなるバルク金属ガラスは、粘性流動を開始するガラス転移温度以下では、単軸引張り試験において延性をほとんど示さないが、単軸圧縮試験では、わずかに延性が見られる。この事実に基づき、有限要素法を用いた数値解析による加工中の応力の解析と、基礎実験を行った結果、すべてのねじでは適当でないが、実用ねじとして使用できる範囲のねじ山の角度をもつねじの転造加工において、加工中は塑性変形する領域が圧縮応力下にあることを見出した。このように、圧縮下で塑性加工が行われる場合は、変形の際に発生するクラックの開口が抑えられ、クラックが進展することなく相当量の変形が達成されるものと考え、加工実験および応力解析を繰り返すことにより、粘性流動を利用せずとも、ガラス転移温度以下で、正常なねじ山及びねじ溝の成形が転造加工で可能であるということを明らかにした。

バルク金属ガラスでは、すべり帯（最大せん断応力を生じる面に発生し、塑性変形を可能にする数１０ナノレベルの変形帯で、バルク金属ガラスにみられる特有の現象）と呼ばれる変形帯で滑りを生じることで、塑性ひずみ（塑性ひずみが累積（積分）されて塑性変形となる）を生じるといわれている。ただし、この滑りは、通常の結晶金属の転位による均一な変形と異なり、局部的で不均一なものであるため、引張りの力が働くと分離して破断してしまう。ただし、ガラス転移温度以下で、塑性加工により塑性ひずみが導入されてすべり帯を含む部分は、そのすべり帯を起点として新たなすべり帯が発生しやすくなるので、その部分の延性が向上するといわれている。こうして、締結ねじのねじ溝の底の領域ように、ねじに軸力が働いた場合に、応力集中部となる箇所に、このすべり帯が導入されていると、その部分の延性が向上して応力集中が緩和される。

以上をもとに、課題を解決するために以下のような手段を講じる。

本発明は、ねじのねじ山及びねじ溝の加工において、非晶質からなるバルク金属ガラスを、被加工材であるバルク金属ガラスのガラス転移温度以下で、転造加工により成形することを特徴とする金属ガラス締結ねじである。

バルク金属ガラスは、転造加工のような塑性加工により、塑性ひずみが導入されてすべり帯含む部分の延性が向上するという特性をもつ。
本発明は、これを効果的に利用して、締結の際に、ねじにかかる引張り力（軸力）によりねじ溝の底の領域で生じる引張り応力の応力集中を緩和させるために、転造加工により塑性ひずみが導入される領域のねじ溝の底からの深さをｄとし、 ねじ外径をＤとしたとき、ｄ＞０．０２２×Ｄの関係にあることを特徴とする金属ガラス締結ねじである。

本発明は、ねじ山角が４０〜７０度の範囲にある三角ねじであることを特徴とする金属ガラス締結ねじである。

本発明は、前記バルク金属ガラスが、Ｔｉ基，Ｐｄ基、又はＺｒ基のうち少なくとも一つを含むことにより、生体用に使用されることを特徴とする金属ガラス締結ねじである。

本発明は、前記バルク金属ガラスが、降伏点が低く、弾性率の低い被締結材を締結する場合は、締結時に、被締結材の永久ひずみ（陥没）によるゆるみを防止するために、被締結材と同等もしくは低い弾性率を有するＭｇ基、Ｐｔ基、Ｔｉ基，Ｚｒ基の何れかを含むことを特徴とする金属ガラス締結ねじである。

本発明は、前記バルク金属ガラスの塑性変形を生じる領域の平均応力が圧縮応力であるか、又は前記バルク金属ガラスの引張り破断強度の３分の１以下の引張り応力で、転造加工により成形される金属ガラス締結ねじの製造方法である。

本発明により、非晶質からなるバルク金属ガラスの共通の特性である高強度で低弾性率であり、かつ高弾性限ひずみをねじに実現することにより、ゆるみ難い締結ねじを提供する。また、室温、および室温より高いがガラス転移温度以下の比較的低い温度で転造加工することにより、安定した品質と生産性を有し、また、ねじの表面付近の延性を改善してねじのねじ溝付近に生じる応力集中を緩和し、内部はバルク金属ガラス本来の強度を保つことにより、締結ねじの強度、じん性（脆くない性質）および信頼性を向上させる製造工程、および金属ガラス締結ねじを合わせて提供することを目的とする。

以下に、発明の効果に対する内容の詳細を説明する。

バルク金属ガラスは、通常の金属には見られない、高強度でありながら低弾性率で高弾性限ひずみを有するという特性をもつので、これを締結ねじに適用した場合、被締結材のひずみによる軸力変化を小さく抑えることができる。例えば、外力や振動により被締結材が圧縮変形しても、軸力の低下は小さくおさえられ、高弾性率のスチールねじに比較して、軸力の安定したゆるみ難いねじが実現できる。

軽量の金属材料は、一般に降伏点が低く、弾性率も小さい。これを従来の弾性率の高いスチールねじで締結すると、座面において被締結材側に変形（陥没）が生じてゆるみの原因となる。被締結材と同等もしくは低い弾性率のバルク金属ガラスを選定し、本発明により作られる金属ガラス締結ねじを用いれば、ねじ側の座面が被締結材と同様に変形するので、座面での接触面積が大きくなり、面圧が低下して陥没が抑制されるとともに、摩擦力も増加してゆるみ難い締結が可能となる。

一方、同じ軽量材料でもセラミックスは、圧縮強度が高く、弾性率も高い。これを金属ガラス締結ねじで締結する場合は、高強度である特徴をもちいて強く締め付けることにより、金属ガラス締結ねじ自身が変形して座面およびねじの噛み合わせ部の接触面積が増大して、摩擦力が大きくなるので、ゆるみ難い締結が実現する。

バルク金属ガラスを、ガラス転移温度以下で転造加工を行うことにより、表面付近に塑性ひずみが導入され、ねじ山・ねじ溝に、すべり帯が蓄積して、その部分の延性が向上する。こうして転造加工にて創製された延性が、締結時に生じるねじの軸力（引張り力）によるねじ溝の底の領域での応力集中を緩和する。

このように、ねじの表面に延性を付与し、内部にバルク金属ガラス本来の高強度を持たせることにより、形状に起因する表面からのき裂発生による脆性的な破断を抑え、また、強度のばらつきを低減して、バランスのよい高強度で、信頼性の高いねじが実現する。

転造加工は、塑性加工の一般的な特徴である材料ロスを低減を実現し、鋳造加工にて導入されるミクロ欠陥を機械的に押しつぶすこと（鍛圧効果）により、表面付近の欠陥の一部を消滅させて、信頼性の高いねじを作ることを可能にする。

バルク金属ガラスには、一般的な機械特性以外にも、耐食性、また生体適合性（人体に取り込まれても、人体が拒否反応を示さない）をもつ成分の組み合わせが存在するので、こうした環境に成分をあわせることにより、幅広い応用分野でゆるみ難い締結を実現することができる。

ここで適用されるねじは、ねじの頭部を有する通常の締結ねじだけでなく、ねじ部に軸力を与えることにより使用される一般的なねじにも適用される。

転造前の中間加工品の成形 転造加工 ねじ断面の応力分布 ねじ山の断面 ねじ断面図 ねじ外観 Ｘ線回折試験結果 転造加工中のねじ山 ねじ断面の相当ひずみ分布 ビッカース圧子による圧痕試験 ねじの引張り破断強度試験 荷重−伸び線図 ねじの引張り破断強度の比較

本発明の実施形態を、図１〜図５に基づいて本ねじの製造方法について説明し、図６〜図１３にて、その試験結果を示す。

素材となるバルク金属ガラスは、共通する性質として、高強度で、低弾性率、かつ高弾性限ひずみを有するというゆるみ難い締結ねじに有利な特長を有するとともに、それを構成する合金成分により物理的、また化学的な性質が変化するので、被締結材、締結条件、および環境に適合したバルク金属ガラスの合金成分（主成分となる金属をそのバルク金属ガラスの基と呼ぶ）を選択して金属ガラス締結ねじを作ることができる。

降伏点が低く、弾性率の低い被締結材、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金のような部材を締結する場合は、被締結材の永久ひずみ（陥没）によるゆるみを防止するために、弾性率が同等もしくは低いＭｇ基，Ｐｔ基，Ｔｉ基，Ｚｒ基等のバルク金属ガラスを当該締結ねじの素材に選定する。これにより、ねじ側の変形を大きくして、座面での接触面積を増大させ、面圧を低下させて陥没を防ぐと共に、摩擦力を高めてゆるみ難くする。また、セラミックスのような弾性率が高く、圧縮強度の高い被締結材には、高強度で弾性率が比較的低いバルク金属ガラスを用いることにより、締め付け力を大きくして、座面およびねじの噛み合い部の接触面積を増大させて摩擦力を大きくすることにより、ゆるみ難くすることができる。

ゆるみ難さとともに耐食性が要求される部位の締結には、Ｎｉ-Ｃｒ基等の耐食性の高いバルク金属ガラスを適用する。

生体内で使用する場合は、Ｔｉ基、Ｐｄ基、Ｚｒ−Ｐｄ基等を適用することにより、アレルギーや、生体内での拒否反応の少ない生物学的な適合性を有したゆるみ難い締結ねじを実現することができる。

図１に、バルク金属ガラスをねじに転造する前の中間加工品に成形する方法を示す。バルク金属ガラスは、成分元素を融点以上にアーク溶解等で加熱溶解した後、円柱状に鋳込むことができる。円柱状に鋳込まれた図１(ａ)のバルク金属ガラス丸棒１を、図１(ａ)の削り出しによるねじの中間形状品２のように切削加工で成形することにより、転造加工前の中間加工品を作ることができる。ただし、バルク金属ガラスは切削加工が容易でないこと、切削によるロスが発生すること、また、六角穴付ねじのように頭部に穴加工が必要な場合は、その加工が困難であることなどを考慮して、図１(ｂ)の鋳造用素材３のように所望するねじに相当する体積に小切りにした後、無酸化雰囲気中で再溶解し、ねじ頭部４１とねじ軸部４２をもつ鋳型に鋳込んで、図１（ｂ）の鋳造によるねじの中間形状品４のような転造加工前の中間加工品を成形する方が好ましい。

図２は、転造加工の仕組みを示す。図２（ａ）は、ねじ山及びねじ溝の形状をもつ２つの金型（転造ダイス移動側Ｐ１および転造ダイス固定側Ｐ２）の間に、鋳造によるねじの中間形状品４を挿入して、ねじ軸部４２を転がしながら圧下する転造加工である。図２（ｂ）は、鋳造により、ねじの中間形状品４から、転造加工初期５、転造加工中期６のように徐々に金型形状がねじに転写されることにより、転造加工を完了したねじ７が成形する転造加工である。

転造加工が、バルク金属ガラスにおいて、そのガラス転移温度以下で可能となる理由を以下に説明する。まず、ここで使われる用語について説明する。平均応力は、ある点において、互いに直交する面に生じる垂直応力の平均値であり、その点が圧縮状態（負の値をとる）にあるか、引張り状態（正の値をとる）にあるかを示すもので、平均垂直応力とも言う。相当応力は、面に平行な方向に生じるせん断応力に関係した値で、一般に一様でない多軸の応力の状態を、わかりやすくするために、単純な丸棒の引張りを行った場合（単軸引張りあるいは一軸引張りという）の応力に相当させる。一方、相当ひずみは、一般の一様でないひずみの状態を、単軸引張りのひずみに相当させたものである。また、引張り破断強度とは、引張り破断荷重を、断面積で割って、単位面積当たりの値に換算したもので、応力と同じ単位をもつ。

室温において、バルク金属ガラスは、単軸引張り試験にてほとんど延性を示さないので、ガラス転移温度以下でバルク金属ガラスを成形するためには、金型から力を受けて変形を生じる領域の平均応力が負（すなわち圧縮状態を示す）の状態で行われることが必要である。なぜならば、圧縮の状態であれば、破壊の原因となるき裂の進展が抑えられるからである。また、単軸引張りにおいても、破断する直前までは、破壊せずに変形することから、単軸引張りにおける破断直前の平均応力、すなわち引張り破断強度の３分の１（これは単軸引張りにて、破断する直前の最大引張り荷重の状態における平均応力を示す。単軸引張りでは、引張り軸と垂直な２方向の応力が０なので、引張り軸方向の応力の３分の１が平均応力となる。）までを含めることができる。よって、ガラス転移温度以下でバルク金属ガラスを成形するためには、平均応力が負の範囲を含め、該バルク金属ガラスの引張り破断強度の３分１以下であることが必要である。

バルク金属ガラスにおいて、転造加工のように、大きな塑性ひずみと、塑性ひずみが表面近くに集中してひずみ勾配が大きくなる加工において、前出の必要条件が、十分に有効であるかはこれまで明らかにされていなかったが、有限要素法による応力解析と加工実験を繰り返した結果、三角ねじを基本とする金属ガラス締結ねじにおいて、その有効性が明らかになった。

図３に、有限要素法解析により計算された転造加工中に生じるねじ断面の応力分布を示す。その内容について、転造加工を示す図２とともに説明する。転造加工は、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、ねじ山及びねじ溝に相当する形状をもつ転造ダイス移動側Ｐ１および転造ダイス固定側Ｐ２の２つのダイスの間を、ねじ軸部４２を押し付けながら転がすことにより、金型形状がこれに転写されて、ねじ山およびねじ溝が成形される方法である。このプロセスを応力解析するにあたり、バルク金属ガラスの特性を鑑み、加工硬化をしない剛完全塑性体モデル（塑性変形を開始する相当応力が一定値をとると仮定したモデル）を採用し、ここではＺｒ基金属ガラスの実験値である１８００ＭＰaを塑性変形を開始する相当応力とし、一定値とした。数値解析の一つである有限要素法により解析すると、転造加工を示す図２（ｂ）の転造加工中期６に代表される転造加工途中において、ねじの内部に塑性ひずみを生じる領域を示す相当応力分布は、転造加工中のねじの相当応力分布を示す図３（ａ）のようになる。これにより塑性変形領域は、同図の輪郭線Ｆで示される相当応力が１８００ＭＰａ（ＭＰａは応力の単位）以上の斜線で示される領域８の中にあり、ねじ山及びねじ溝の付近にあることがわかる。一方、ねじ断面の平均応力分布を示す図３（ｂ）に同じ加工時点の平均応力分布を示すが、平均応力が０ＭＰａの輪郭線Ｑ１よりねじ山及びねじ溝側（図中右側）の大部分は、平均応力が負となり、圧縮応力下にあり、塑性変形領域の境界を示す相当応力が１８００ＭＰａの輪郭線Ｑ２もこの中に含まれることがわかる。図３（ｂ）の中で、この加工時点において、金型に接していないねじ山先端付近に、わずかに平均応力が０ＭＰａを越えて正になる部分が存在するが、バルク金属ガラスの引張り破断強度（１８００ＭＰａ）の３分の１である６００ＭＰａ以下であることがわかる。こうして、理論的に、転造加工がクラックの進展による破壊を抑制する効果があることが示された。

上記の理論的な内容は、複数の実験により正当性が確認された。また、ガラス転移温度以下において成形が可能となったのは、転造加工が典型的な逐次加工、すなわち、円筒形状のバルク金属ガラスに対し、５回程度、押し込みながら転がし、押し込み量を逐次に増やしながら繰り返し加えて、金型のねじ溝を転写して完成させる加工方法であるため、転造加工が進行する毎に塑性ひずみが導入されてすべり帯が蓄積して、バルク金属ガラスの延性が改善され、変形能力が向上したことも、その要因の一つと考えられる。

ねじのねじ山部およびねじ溝部は、転造加工中に金型を通して力を受けるが、そのねじの形状により、転造加工中に、被加工物であるバルク金属ガラス内に生じる応力の状態、すなわち加工中の平均応力が、負（圧縮）になるか正（引張り）になるかが決まる。

図４に示されるねじ山の断面において、通常、締結に使われる図４（ａ）の３角ねじのねじ山９においては、転造加工の開始から完了までのすべての時点で、塑性変形領域が、すべて圧縮応力あるいは引張り破断強度の３分の１以下にあることが、前出の有限要素法解析により明らかになった。こうして、メートルねじおよびユニファイねじなどに代表される三角ねじの金属ガラス締結ねじが、理論的に転造加工が可能であることが示され、また、実験により確認された。

これに対し、図４（ｂ）に示される角ねじ、および図４（ｃ）に示される台形ねじにおいては、塑性変形領域となる角ねじのねじ山１０，台形ねじのねじ山１１の周辺に引張り破断強度の３分の１を越える高い引張り応力が生じるため、ガラス転移温度以下では、クラックを生じることなく安定した正常な加工をすることは一般に困難であることを実験と有限要素法解析により確認した。ただし、相当応力が塑性変形を開始する値を越える領域（前出の例において、相当応力が１８００ＭＰａ以上の領域９に該当）において、平均応力が圧縮、あるいは引張り破断強度の３分の１以下となるように形状を修正すれば、正常な加工を行うことは可能となる。

ねじ山の断面を示す図４（ａ）における、三角ねじのねじ山角度Ｑ３は、４０度以下では軸力の保持が十分に行えず、また、７０度を越えるとねじの噛み合わせの部分の摩擦力が低下してゆるみやすくなる。よって、締結ねじとしての機能を最大限に発揮するためには、ねじ山の角度は４０〜７０度の範囲にあることが必要である。また、これらのねじ山角度をもつねじは、転造加工中において、塑性ひずみが生じて塑性変形する領域の平均応力が圧縮あるいは引張り破断強度の３分の１以下の引張り応力であることが、それぞれ有限要素法解析と実験により示されるので、ガラス転移温度以下でバルク金属ガラスを転造加工することができる。

続いて、上記のようにガラス転移温度以下で、転造加工により製作された金属ガラス締結ねじの機械特性について説明する。

ねじは、ねじ溝を有するので、締結されて引張り力（軸力）がねじに作用したとき、このねじ溝の付近で、溝形状に起因する高い応力が発生する（ねじ溝がＶ形をしており、切り欠き形状に近似しているために生じる）。中でも、ナット座面に近いねじ側の第一ねじの溝の底付近が最も高くなる。ここは、ナットとのはめあい部であるので、ねじ全体の引張りだけでなく、ねじ山の曲げ作用による引張りが重畳されるためである（例えば、山本晃ら：日本規格協会，ねじ締付機構設計のポイント、P１９０など）。よって、延性の乏しい脆性材料のねじでは、ナット座面に近いねじ側の第一ねじの溝の底付近から破断してしまうため、信頼性の高い締結が実現できなかった。

図５は、転造加工により作られたねじ断面図を示す。図５（ａ）では、転造加工により塑性ひずみが導入された領域、すなわちバルク金属ガラス特有のすべり帯を含む領域１２が斜線により示される。締結されて引張り力（軸力）がねじに作用したとき、高い引張り応力が発生するねじ溝の底部（底の周辺領域）もこのすべり帯を含む領域１２に含まれる。

このねじ溝の底部における延性の効果について、理論的な観点から説明する。

破壊力学によると、引張り荷重がかかったとき、それと垂直方向に進むき裂の先端部では、非常に高い引張り応力が発生する。この先端領域に延性があると、そこが引張り塑性変形することにより引張り応力が緩和される。ねじのように、切り欠き形状に類似したねじ溝があると、ねじの断面を示す図５の引張り方向Ｒ１に、軸力による引張り荷重がかかったとき、ここがき裂発生の先端部の役割をはたして高い引張り応力が発生する。このねじ溝の底の領域に延性があると、図５（ａ）のＭ部を拡大した図５（ｂ）の引張り塑性変形領域１３において、引張り塑性変形することにより、引張り応力が緩和される。図５を用いて、この引張り塑性変形領域１３の大きさを求める計算方法を以下に示す。図５（ｂ）のねじ溝部の拡大図より、引張り塑性変形領域１３のねじ溝底から深さ（距離）を、図５(ｂ)のようにｒとすると、破壊力学によれば、弾性限まで引張り荷重がかかったときのｒは、臨界応力拡大係数Ｋｃ（後述）と、弾性限応力（弾性限の引張り荷重を有効断面積で割った値）σl、および円周率πをもちいて、

とほぼ見積もることができる。尚、このＫｃは、き裂が発生する部分の形状と、弾性限応力σlにより以下のように求めることができる。すなわち、ねじの溝部をき裂とみなして、等間隔に円環き裂を有する無限の丸棒と仮定すると、臨界応力拡大係数Ｋｃは、図５（ｂ）のねじ外径Ｄを用いて、式（２）のようになる。（参考文献として、宇佐美：機械設計，５１巻，１５号（２００７年）および、西谷ら：日本機械学会論文集（Ａ編），５０巻４５３号（１９８４年））尚、論文の中の係数に安全を見て、０．３０とするという考え方もあるが、ここでは、標準値である０．２６を（２）式の係数にもちいている。

ここで、式（２）を式(１)に代入すると
ｒ＝０．０２２×Ｄ ・・・（３）
となる。このねじ溝の引張り塑性変形領域１３の深さｒの位置が、転造加工により塑性ひずみが導入されすべり帯が蓄積している領域に含まれ、延性が向上していることが必要となる。すなわち、転造加工により塑性ひずみが導入された領域の深さをｄとするとき、ｄがｒより大きい必要がある。すなわち、
ｄ＞ｒ ・・・（４）
すなわち、式（３）と式（４）より、
ｄ＞０．０２２×Ｄ ・・・(５)
でなければならない。安定した効果を得るためには、ばらつき等を考慮して、転造加工により塑性ひずみが導入されてすべり帯を含む領域１２の深さｄは、この最低値の１．５倍以上であることが望ましい。

転造前の形状を、鋳造あるいは切削により、ねじのねじ山およびねじ溝の一部を成形し
て、これを中間形状とし、その後、転造加工を行ってねじに仕上げた場合は、転造加工に
より塑性ひずみが導入される領域の大きさが不十分となり、前記式（４）の条件を満足し
ない場合がある。このときは、転造を行っても、応力集中の緩和の効果が十分に得られな
い。

ガラス転移温度以下において転造加工を行うことにより、塑性ひずみが生じない内部に、鋳造のままのバルク金属ガラスによる高強度を持たせ、表面付近には、転造加工により、図５のすべり帯をふくむ領域１２のように、塑性ひずみが導入されてすべり帯を集積させることにより延性を向上させる。このような従来のねじにない新しい組織設計により、ねじの溝形状に起因する応力集中を緩和して、き裂を進展しにくくして、転造加工を行わない金属ガラス締結ねじに比べて、ねじの破断強度を向上して、また、強度を安定化することができる。

ガラス転移温度は、バルク金属ガラスの種類により異なるが、通常３００℃以上である。本発明による温度範囲はガラス転移温度以下としているが、生産性を考慮して、厳しい熱管理や特殊な潤滑剤および酸化防止のための装置が不要となる２００℃以下の温度で行うことが好ましい。

加工速度は、表面における金型との間の焼き付きや、昇温によるバルク金属ガラスの結晶化を避けることを考慮して設定する。例えば、ガラス転移温度以下であっても、加工速度が速すぎると加工される部分が断熱状態となって昇温し、その部分が結晶化して脆くなる恐れがあるので、ひずみ速度を１００ｓ^-1以下に抑えることが好ましい。

転造加工された金属ガラス締結ねじは、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により転造されたねじ山及びねじ溝の微視的構造を解析することで、非晶質の割合を求めることができる。脆化の原因となる数１００ミクロンを越えるようなマクロな偏析や結晶化粒子の存在は、有害であり不可とするが、それ以下の微細粒子あるいはナノ粒子といわれる結晶粒子については、有害でなければこれを含めることができる。金属ガラスが締結ねじとして機能するためには、転造加工されたねじ軸部７１の５０％以上が非晶質であることが好ましい。尚、ねじ頭部４１については、軸力にほとんど関与しないので、これ以下であってもよい。

以下に、本発明の実施例を示す。

製作する締結ねじは、山の角度が６０度のＪＩＳに規定されるサイズがＭ３の六角穴付ボルト（キャップスクリュー）とし、ねじの首下長さを８mmの全ねじ（軸部全体にねじ山とねじ溝をもつねじ）をもちいた。

バルク金属ガラスとしては、高強度で、高ガラス形成能を有し、衝撃値が高いＺｒ基のバルク金属ガラスＺｒ５５Ａｌ１０Ｃｕ３０Ｎｉ５（数字は、成分の比率を表す）を使用した。このバルク金属ガラスのガラス転移温度は４１０℃である。

強度を考えるとＦｅ基およびそれに次ぐＮｉ基がのぞましいが、Ｆｅ基は脆さがあり、また、Ｎｉ基は臨界直径（鋳込んだときに、バルク金属ガラスが非晶質となる最大直径）が小さく結晶化しやすいので好ましくない。これに対しＺｒ基はガラス形成能が高く、また、引張り破断強度も１８００ＭＰａとねじにとっては十分に高い強度であり、さらに弾性率が９０ＧＰａ（９００００ＭＰａ）、降伏ひずみ２．０％と弾性範囲が大きいので、軽金属のような低弾性率材をはじめ、セラミックスのような高弾性率材まで、幅広い材料を被締結材に用いて、ゆるみ難い締結を実現することができる。

図１のように、素材を鋳造法にて、φ５．２５、長さ２００ｍｍのバルク金属ガラスの丸棒１を作製した後、目的とする上記ねじと同等の体積になるように切り出し、鋳造用素材３を作った。

上記鋳造用素材３を、真空引き後にアルゴンガスで置換した雰囲気中で、高周波誘導加熱により９２０℃に昇温して再溶解し、ねじ頭部４１およびねじ軸部４２を形成するための型に流し込んで、鋳造によるねじの中間形状品４を製作した。金型には、該バルク金属ガラスが非晶質を形成するための最低の冷却速度である臨界冷却速度を考慮して、適当な熱伝導率と金型寿命を有するスチールを選定した。

サイズがＭ３の鋳造によるねじの中間形状品４をもちいて、ねじ山の角度を６０度とした転造ダイス移動側Ｐ１と転造ダイス固定側Ｐ２を用いて、室温（約２０℃）と温間（１８０℃）の２条件で、図２に示す転造加工を行い、ねじ山及びねじ溝の成形を行った。

図６は、室温にて転造加工を完了したねじ７の外観の走査型電子顕微鏡像である。図６（ａ）は全体像で，図６（ｂ）は、ねじ部の拡大像である。これにより、転造加工で成形されたねじ山１４が、正常に成形されていることが確認された。また、転造加工を完了したねじ７は、各部の寸法測定によりすべて規格内にあることを確認した。

図７にＣｒ−Ｋα線をもちいたＸ線回折試験（ＸＲＤ）の結果を示す。縦軸はＸ線の強度を示し、横軸は入射角を示しており、ねじ山部と、ねじ頭部の２つ部分の試験結果を、それぞれＡ、Ｂとして示している。これにより、転造加工で成形されたねじ山部のＡは、回折強度に結晶の存在を示す明瞭なピークが無いことにより非晶質となっていることが確認された。また、ねじ頭部のＢには結晶のピークがいくつか見られ、一部結晶化していることがわかる。

図８は、転造加工中のねじ山を示す。これより、２つのねじ山が形成されつつある部分に、筋状にすべり帯１５が見られる。これらのすべり帯が、転造加工が進行すると共に、ねじ山およびねじ溝の付近に蓄積されて、この部分の延性が向上する。

図９は、ねじ断面の相当ひずみ分布を示している。これをもちいて、図５に示される転造加工により塑性ひずみが導入されてすべり帯を含む領域１２の深さｄを理論的に求めることができる。(図３において、相当応力が１８００ＭＰａの輪郭線Ｑ２により求めることもできるが、ここではよりわかり易くするために、相当ひずみ分布を使用する) すなわち、図９中の輪郭線Ｂよりねじの表面側の領域は、相当ひずみが０．２４以上であり、対象となるバルク金属ガラスの弾性限ひずみ０．０２を越えているので、塑性ひずみが導入された領域であることがわかる。輪郭線Ｂは、ねじ溝からの深さ約０．３ｍｍであるので、少なくとも塑性ひずみが導入されてすべり帯を含む領域１２の深さｄは０．３ｍｍより深い位置となり、０．３ｍｍより大きい値をとることがわかる。次に、図５に示される引張り荷重が、破断荷重付近まで引張り方向Ｒにかかったときに、ねじ溝に生じる引張り塑性変形部１３の深さｒは、対象となるＭ３ねじの外径Ｄが３ｍｍなので、式（３）より、ｒ＝０．０２２×３ｍｍ＝０．０６６ｍｍとなる。これにより、ｄはｒの４倍以上となり、式（４）のｄ＞ｒ、すなわち、式（５）ｄ＞０．０２２Ｄの関係が成り立つので、引張り荷重がかかったときに生じる引張り塑性変形部１３は、転造により導入された延性を与えるすべり帯を含む領域１２に含まれ、ねじ溝の底部に生じる引張り応力を緩和することができる。

図１０は、ビッカース圧子による圧痕試験の結果を示す。ここでは、有限要素法解析を用いた前記の理論計算以外の方法として、すべり帯を含む領域１２の深さｄを求めることを試験した。縦軸は、ビッカース圧子を５００ｇの荷重で圧下したときに形成される菱形の圧痕の対角線長さの平均を示し、横軸は、ねじの縦断面において、ねじ溝の底から圧下する位置までの深さを示す。圧下は、０．１ｍｍ間隔で行われ、図１０のような折れ線グラフを作図した。尚、圧痕の対角線長さが大きいほど変形しやすく、延性が現れたことを示している。図１０より、平均対角線長さが大きくなり始めるのは、溝底からの深さがおよそ０．３６ｍｍのところであり、これを変化点とし、これをもって、転造加工で導入された塑性ひずみによるすべり帯を含む領域１２の深さｄと考えることができる。この値は、上記の有限要素法による相当ひずみの解析結果とほぼ同等であり、この結果からも、ｄ＞０．０２２Ｄの関係が成り立つことがわかる。

図１１は、バルク金属ガラスをもちいて転造加工を完了したねじ７と、鋳造によるねじの中間形状４を、切削加工することによりねじ山とねじ溝を成形したサイズが同じＭ３の切削金属ガラス締結ねじについて、ねじの引張り破断強度の試験を行った結果である。ねじの引張り破断強度は、引張りにおける破断荷重をねじの有効断面積（（ねじの有効径＋ねじ溝径）／２の径で描かれる円の面積）で除した値で示される。室温で転造加工された冷間転造加工品、および温間（１８０℃）で転造加工された温間転造加工品のいずれの引張り破断強度も、切削加工により成形された切削金属ガラス締結ねじのそれよりも大きい。また、ねじの伸び（引張り破断するまでのねじの首下からナット座面までの長さの変化量）は、切削金属ガラス締結ねじの平均のびを１．０とした場合の、それぞれの倍率で示される。冷間転造加工および温間転造加工の金属ガラス締結ねじは、切削金属ガラス締結ねじの１．７〜１．８倍の伸びを示す。

図１２は、室温で転造された金属ガラス締結ねじと、切削による金属ガラス締結ねじの引張り試験における荷重−変位線図を示す。横軸をねじの伸びを表す引張り方向の変位とし、縦軸をそのときの荷重として、ねじが破断するまでそれぞれのねじを引っ張ったときの関係を示している。これにより、破線で示される切削金属ガラス締結ねじは、転造による図５のすべり帯を含む領域１２を持たないので、延性を示すことなく、直線の途中で突然破断している。これに対し、転造による金属ガラス締結ねじは、変位の増加にともない途中で直線性からわずかに外れ、上に凸の非線形の曲線を呈している。これは、ねじ溝の底部で、図５（ｂ）の引張り塑性変形部１３にて、引張り塑性伸びが生じたためであり、ねじとしての延性が現れたことを示している。

また、図１２より、破断荷重が、転造よる金属ガラス締結ねじの方が切削金属ガラス締結ねじよりも大きくなっている。これは、転造よる金属ガラス締結ねじは、ねじ溝における応力集中が緩和するので、切削ねじのように直線の途中、すなわち弾性領域の途中で脆性材料のように突然破断することがない。ねじの内部に、鋳造のままのバルク金属ガラスの強度を維持し、ねじ山およびねじ溝の付近に、転造加工により塑性ひずみが導入されてすべり帯を含む領域１２配置して、この部分に延性を付与することにより、これらがバランスよくはたらき、破断強度が向上している。

図１３は、ＪＩＳのＭ３ねじにおいて、他のねじとのねじの引張り破断強度の比較を示したものである。比較材として、ＳＵＳＸＭ７（オーステナイト系ステンレスねじ）、ハイテン（機械締結用の高抗張力ボルト）およびベータチタン（高強度のベータチタンねじ）の引張り破断強度をもちいている。本発明による転造による温間（１８０℃）、および室温で転造加工によりつくられた転造による金属ガラス締結ねじは、サンプル２ヶをもちいて示されているが、いずれも比較のねじの中で最高強度のハイテンねじより、１．３倍程度強度が高い。今回のサイズがＭ３の金属ガラス締結ねじは計算上、ハイテンでは、ほぼ一つ上のねじサイズであるＭ４に相当するねじの引張り破断荷重を有している。

製作された１０ヶの金属ガラス締結ねじにて、ねじの引張り破断強度のばらつきの度合いを測定したところ、切削金属ガラス締結ねじは、平均引張り破断強度の約１５％の範囲で引張り破断強度がばらついているのに対し、転造による金属ガラス締結ねじは、それが３％の範囲と小さかった。これは、転造によりつくられた金属ガラス締結ねじでは、ねじ溝部の延性が向上し、応力集中が緩和されて、破断荷重が安定したことを示している。

このように、ガラス転移温度以下で転造加工により成形された金属ガラス締結ねじは、ねじの引張り破断強度が、他の高強度ねじに比べて大きな値を有し、また、バルク金属ガラスの有する大きな弾性限ひずみという特性を有するので、軸力が安定し、また被締結体との接触面積が増大して摩擦力が増加することにより、ねじ自身にゆるみ難い特性をもち、さらに、ねじの表面の延性が向上することにより、ねじ溝の応力集中が緩和され、安定した強度を維持できるので、信頼性の高い締結ねじが提供される。

ＣＯ２ガスの排出量の削減および省エネに有効な軽量部材において、ゆるみ難い金属ガラス締結ねじを実現し、幅広く産業界に貢献する。

高速化が進む加工機や水周り及び腐食環境においては、セラミックスが部材として使用されるが、この部材に対してもゆるみ難い金属ガラス締結ねじを実現して、広く産業界に貢献する。

医療関係においても、生体適合性を有するバルク金属ガラス（Ｔｉ基、Ｐｄ基，Ｚｒ−Ｐｄ基など）を選定し、また、締結対象となる骨などと弾性率が近似するバルク金属ガラスを選定することにより、ゆるみにくい生体用の金属ガラス締結ねじの提供が可能となる。

１ バルク金属ガラス丸棒
２ 削り出しによるねじ中間形状品
３ 鋳造用素材
４ 鋳造によるねじの中間形状品
４１ ねじ頭部
４２ ねじ軸部
５ 転造加工初期
６ 転造加工中期
７ 転造加工を完了したねじ
７１ 転造加工されたねじの軸部
８ 相当応力が１８００ＭＰａ以上の領域
９ 三角ねじのねじ山
１０ 角ねじのねじ山
１１ 台形ねじのねじ山
１２ すべり帯を含む領域
１３ 引張り塑性変形領域
１４ 転造加工で成形されたねじ山
１５ すべり帯
Ｐ１ 転造ダイス移動側
Ｐ２ 転造ダイス固定側
Ｑ１ 平均応力が０ＭＰａの輪郭線
Ｑ２ 相当応力が１８００ＭＰａの輪郭線
Ｑ３ ねじ山角度
Ｒ１ 引張り方向
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Claims (6)

1. ねじのねじ山及びねじ溝の加工において、非晶質からなるバルク金属ガラスを、被加工材であるバルク金属ガラスのガラス転移温度以下で、転造加工により成形することを特徴とする金属ガラス締結ねじ。
2. 転造加工により塑性ひずみが導入される領域のねじ溝の底からの深さをｄとし、 ねじ外径をＤとしたとき、ｄ＞０．０２２×Ｄの関係にあることを特徴とする請求項１に記載の金属ガラス締結ねじ。
3. ねじ山角が４０〜７０度の範囲にある三角ねじであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属ガラス締結ねじ。
4. 前記バルク金属ガラスは、Ｔｉ基，Ｐｄ基、又はＺｒ基のうち少なくとも一つを含むことにより、生体用に使用されることを特徴とする請求項１に記載の金属ガラス締結ねじ。
5. 前記バルク金属ガラスは、降伏点が低く、弾性率の低い被締結材を締結する場合は、締結時に、被締結材の永久ひずみ（陥没）によるゆるみを防止するために、被締結材と同等もしくは低い弾性率を有するＭｇ基、Ｐｔ基、Ｔｉ基，Ｚｒ基の何れかを含むことを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の金属ガラス締結ねじ。
6. 前記バルク金属ガラスの塑性変形を生じる領域の平均応力が圧縮応力であるか、又は前記バルク金属ガラスの引張り破断強度の３分の１以下の引張り応力で、転造加工により成形される請求項１、請求項４、又は請求項５の何れかに記載の金属ガラス締結ねじの製造方法。