JP4925971B2

JP4925971B2 - 高張力鋼板用タッピンねじ類の製造方法

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Publication number: JP4925971B2
Application number: JP2007214429A
Authority: JP
Inventors: 廣司尾上
Original assignee: 廣司尾上
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: JP2008144266A

Description

本発明は、高張力鋼板用タッピンねじ類の製造方法に関するものである。

自動車の製造・組立には安全性・耐久性・経済性等が考慮された上で様々な方式がとられているが、各種ねじを用いての締結方式が多用されている。その中で、鋼板同士や、鋼板と部品等を連結立する場合に多く用いられているのが鋼製鋼板用タッピン類（以降「タッピンねじ類」と称する）による締結方式である。これは鋼板にプレス等で専用下穴をあけ、タッピンねじ類の雌ねじ成形機能を利用して締結する方式である。

現在使用されている自動車鋼板用鋼製タッピンねじ類は、ＪＩＳの冷間圧造用炭素鋼線（ＳＷＣＨ）の１６Ａ（Ｃ：０．１３〜０．１８wt％含有）・１８Ａ（Ｃ：０．１５〜０．２wt％含有）が材料として用いられ、冷間圧造加工、平ダイス転造加工、熱処理（浸炭焼入・焼戻）、防錆処理の加工・処理を経て供されているのが一般的である。これらの工程の中でもタッピンねじ類の雌ねじ成形機能とねじとして締結機能を両立させるための浸炭焼入・焼戻し処理がポイントとされている。ＪＩＳにはタッピンねじ類の機械的性質の規格が設けられ、表面硬度・芯部硬度・浸炭層深さ・ねじりトルクが規定されている。

この熱処理は低処理コスト、大量生産、安定品質等の為、連続ガス浸炭炉によって処理されるが、この処理による表面・芯部の硬度バラツキは最低でも３０Ｈｖ（ビッカース硬度）あるため、表面硬度５２０〜５７０Ｈｖ程度に管理されたタッピンねじ類が供されている。

一方、タッピンねじ類の被締結物である鋼板についてみてみると、自動車業界では高張力鋼板（ハイテンションスチール＝ハイテン材）の採用が進んでいる。採用理由としては、ＣＯ₂削減という社会的ニーズへの対応として、安全性・経済性を考慮した上での車体重量軽減化の一方法として採用された。４０ｋｇ／ｍｍ²（３９２Ｎ／ｍｍ²）の引張力に耐えられる鋼板（４０ｋｇ級高張力鋼板）から１５０ｋｇ／ｍｍ²（１４７０Ｎ／ｍｍ²）の引張力に耐えられる鋼板（１５０ｋｇ級高張力鋼板）まで耐えられる引張り力によってクラス別けされ、自動車用鋼板として目的に応じて使い分けされている。参考として、表１に鋼板の種類とその硬さを示している。

一般的に鋼板下穴へタッピンねじ類を締付け、信頼性のある締結状態にするためには、当然ながらタッピンねじ類表面硬度は鋼板硬度より高くなければ鋼板への雌ねじ成形が不可能になる。また鋼板下穴へタッピンねじ類を締付けする時、タッピンねじ類のねじ山と鋼板下穴との間に摩擦が生じ、摩擦熱により膨張する現象が発生する。その結果として、ねじ山のヘタリによるかじり、ねじ山坊主が発生して締結不能や不良が生じる。これらの事を防止する上で、鋼板硬度よりタッピンねじ類表面硬度が十分に高くなければならない。締付の安全性確保の面からは硬度差が３００Ｈｖ以上ある方が良いとされている。

ここで問題となるのが、８０ｋｇ級以上の高張力鋼板への現状タッピンねじ類を用いての締付けである。前述の様に８０ｋｇ級高張力鋼板の最高硬度は３２０Ｈｖであるので、安全性確保の見地よりみると、タッピンねじ類の表面硬度は６２０Ｈｖ程度必要であるということになる。しかし、現在供されているタッピンねじ類の表面硬度は、ねじの強度（靭性）面より最高硬度は５７０Ｈｖ程度である。このため、信頼性のある締付が保証できない場合が生ずる。最近使用が増加している１００ｋｇ級高張力鋼板への締付けを考えると、現状の硬度を持つタッピンねじ類は使えない結果となってしまうのである。

現在供されているタッピン類の材料はＳＷＣＨ１６Ａ・１８Ａである。これらの材料製のタッピンねじ類を連続ガス浸炭炉を用いて表面硬度６００Ｈｖ以上にすることは可能であるが、両材のカーボン含有量から芯部硬度は４００Ｈｖを越え、硬くて脆いタッピンねじ類になる。つまり、ねじとしての強度（靭性）が低化し、タッピンねじ類として恐れる遅れ破壊発生比率が増大する結果となってしまう。逆に、１６Ａ・１８Ａのカーボン量以下の炭素鋼線を用いた場合は、連続ガス浸炭炉による浸炭焼入焼戻しの結果、タッピンねじ類の表面硬度６００Ｈｖ以上の確保は可能であるが、芯部硬度は３００Ｈｖ以上にはならない。そのため、タッピンねじ類のＪＩＳ機械的性質のねじりトルク規定を満足させることができない。つまりタッピンねじ類の締結中にねじ切れという現象をひきおこす確率立が高くなる。また、現在供されているタッピンねじ類を用いて高張力鋼板の下穴を大きくして、摩擦を少なくしての締結をすればタッピン機能と靭性の確保が可能であるが、この場合雌ねじとのひっかかり率が低下し、耐ゆるみ性能の低下を導くため勧められない。

尚、本出願人は、特許文献１に開示されるように、従来のものより優れた雌ねじ成形性と靭性とを共に備えたタッピンねじ類を提案しているが、１００ｋｇ級以上の高張力鋼板用のタッピンねじ類としては、表面硬度が足らず、性能的に不十分である。
特開２００１−２４７９３７号公報

８０ｋｇ級以上の高張力鋼板に鋼製タッピンねじ類で締結しようとする場合は前述の問題を解決しなければならない。現状の問題点がタッピンねじ類用材料と熱処理（浸炭焼入・焼戻し）にあることはいうまでもない。材料については、タッピンねじ類を従来の加工法で製造する上で１６Ａ・１８Ａと同等かそれ以上の加工性を有する材料でなければならない。タッピンねじ類を浸炭焼入・焼戻しをして、その表面硬度が６００〜９００Ｈｖまで上げられ、しかもどちらとも芯部硬度は４５０Ｈｖ以下となる必要がある。つまり、高強度・高靭性で遅れ破壊に強い成分設計がなされた材料であり、現状の１６Ａ・１８Ａに近い材料価格で供給できる材料でなければならい。これらの条件を満たした冷間圧造用炭素鋼線（ＳＷＣＨ）が必要となるが、現状のＪＩＳのＳＷＣＨには見当たらない。

また、熱処理については、タッピンねじ類の雌ねじ形成機能とねじ強度（靭性）を両立させる上で表面硬化法、表面強化法があるが、大量消費されるタッピンねじ類は低処理コスト、大量生産、安定品質が求められているため、現状の設備である連続ガス浸炭炉による処理が最善と思われるが、そのままでは表面硬度が高くならない。

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、ＳＷＣＨ１６Ａ・１８Ａに近い材料価格で供給できる材料で、冷間圧造によるねじ成形の加工性に優れた材料を用い、従来の連続ガス浸炭炉による処理条件を工夫して高硬度・高強度を実現できることにより、８０ｋｇ級以上の高張力鋼板に対しても良好に使用することができる高張力鋼板用タッピンねじ類の製造方法を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、Ｃ：０．０５〜０．２０wt％、Ｓｉ：０．２０wt％以下、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％、Ｐ：０．０１５wt％以下、Ｓ：０．０１５wt％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０８wt％、Ｎ：０．００６０wt％以下とＣｒ：０．９５wt％以下、Ｍｏ：０．３０wt％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０wt％のうち少なくとも１種、及び／またはＴｉ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｖ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｎｉ：０．０５〜０．２０wt％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０wt％のうち少なくとも１種を含有し、残部、鉄及び不可避的不純物からなる鋼材料を用い、熱間圧延した所定径のねじ素材を、冷間鍛造、転造加工を経てねじ形状に成形し、浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を施して、表面硬さが６００〜９００Ｈｖ、芯部硬さが３００〜４５０Ｈｖ、硬化層深さ０．０５〜０．７ｍｍ、引張り強さ７００〜１５００Ｎ／ｍｍ²を有し、引張り強さが８０ｋｇ級〜１５０ｋｇ級の高張力鋼板用のタッピンねじ類の製造方法であって、前記浸炭窒化焼入れ処理が、炉内雰囲気ガス量に対してＮＨ₃を１．０〜３．０％（但し、２．０％以下は除く）添加した連続ガス浸炭炉による処理であり、前記焼戻し処理が、温度１００〜４００℃で焼き戻す処理であり、８０ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを６００〜６７０Ｈｖ、１００ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを６３０〜７００Ｈｖ、１３０ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを６７０〜７３０Ｈｖ、１５０ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを７４０〜８３０Ｈｖに設定したことを特徴とする高張力鋼板用のタッピンねじ類の製造方法を構成した。

以上にしてなる本発明の高張力鋼板用タッピンねじ類の製造方法によれば、引張り強さが８０ｋｇ級〜１５０ｋｇ級の高張力鋼板用として、高い引張り応力と剪断応力を備えるタッピンねじ類を提供することができる。特に、本発明のタッピンねじ類は、表面硬度を従来にも増して高くしているので、高張力鋼板の下穴に対する雌ねじ成形性に優れ、しかも芯部硬さを抑えているので、靭性に優れていて大きな締結性と耐久性を備えている。更に、本発明のタッピンねじ類は、高張力鋼板に対しても、かじりや頭飛びがなく、また遅れ破壊も大幅に改善されている。従来にない新素材採用と新熱処理法の採用により８０ｋｇ級〜１５０ｋｇ級の高張力鋼板用タッピンねじ類として高硬度・高強度（靭性）を備えた高品質のものを、低価格で大量に供給することができるようになった。

次に、本発明を更に詳細に説明する。本発明で使用する鋼材料は、前述の特許文献１に記載された新鋼種の鋼材料（ＳＷＣＨ１０ＡＭ）を改良したものである。即ち、前記鋼材料は、Ｃ：０．０５〜０．２０wt％、Ｓｉ：０．２０wt％以下、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％、Ｐ：０．０１５wt％以下、Ｓ：０．０１５wt％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０８wt％、Ｎ：０．００６０wt％以下と、Ｃｒ：０．９５wt％以下、Ｍｏ：０．３０wt％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０wt％のうち少なくとも１種、及び／またはＴｉ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｖ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｎｉ：０．０５〜０．２０wt％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０wt％のうち少なくとも１種を含有し、残部、鉄及び不可避的不純物からなるものである。

この鋼材料は、１６Ａ・１８Ａより、Ｃ含有量が少なく、Ｍｎ含有量が多く、Ｐ及びＳ含有量が少ないといった特徴を有している。更に、焼入性、靭性向上元素、結晶粒微細化元素の添加した特徴を有している。それにより、水素脆性破壊や粒界脆化破壊の低減化を図っている。この鋼材料は、ＪＩＳ以外の新鋼種である。材料価格としては１６Ａ・１８Ａよりも現在は若干割高である。

ＳＷＣＨ１０ＡＭ材を用いる条件で、引張り強さが８０ｋｇ級〜１５０ｋｇ級の高張力鋼板用タッピンねじ類に、高表面硬度と高強度（靭性）を両立させる新熱処理法の浸炭焼入・焼戻しを施した。この熱処理法として浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理法を採用し、焼入用炉内雰囲気ガスについて表面硬度を上げるため、炉内雰囲気ガスのＲＸガス量に対しＮＨ₃を１．０〜３．０％添加し、またその焼入温度と時間、戻し温度についても靭性を考慮した温度、時間に設定した。ここで、前記連続ガス浸炭炉におけるＮＨ₃濃度を１．５〜２．５％としてなることがより好ましい。また、浸炭窒化焼入れ後の焼戻し温度を１００〜４００℃で行った。

前述の浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理法により、高張力鋼の表面硬度を所望の値に高めることができ、また鋼板の引張強度別に細かな表面硬度の設定ができ、その上、芯部硬度は全て３００〜４５０Ｈｖに抑制することができる。これらは既存設備の連続ガス浸炭炉を使用して処理でき、その処理条件を工夫するだけで、大量生産、低処理コスト、高品質のタッピンねじ類を製造することが可能であるので、工業的な意味での利点は大きいのである。

このように、連続ガス浸炭炉を使用して、浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を行うことで、低コスト・高品質の熱処理ができ、そして相手材に合った高い表面硬さを付与して耐摩耗性を高めるとともに、芯部硬さを３００〜４５０Ｈｖに抑えて頭飛びが発生しないようにできるのである。表２に高張力鋼板の種類毎にタッピンねじ類として要求される表面硬さと芯部硬さの関係を示している。本発明は、この表２に示した表面硬さと芯部硬さを備えたタッピンねじ類を提供するのである。

本発明のタッピンねじ類は、前述の鋼材料をねじ形状に成形し、浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を施して、表面硬さが６００〜９００Ｈｖ、芯部硬さが３００〜４５０Ｈｖ、硬化層深さ０．０５〜０．７ｍｍ、引張り強さ７００〜１５００Ｎ／ｍｍ²を有するものである。更に好ましくは、芯部硬さは４００〜４５０Ｈｖである。この範囲の芯部硬さを有するタッピンねじ類は現在提供されてないのである。

ここで、１００ｋｇ級の高張力鋼板に本発明のタッピンねじ類を用いた試験を行った結果、ねじ込み性、遅れ破壊に対する耐久性は共に良好であり、高い靭性を有していることも確認している。また、１５０ｋｇ級の高張力鋼板については、遅れ破壊試験（冷凍室での保持低温脆化）によるタッピンねじ類の破損状況を調べ、異常がないことを確認している。

以下に本発明に関わる高張力鋼板用タッピンねじ類の鋼材料について限定理由を述べる。

（１）Ｃ：０．０５〜０．２０wt％
Ｃは鋼の強度を確保するのに重要な元素であり、０．０５wt％未満では所望の強度を得ることができず、浸炭硬化性も低下する。一方、０．２０wt％を超えるとねじ芯部の硬度が高くなりすぎて、鋼の靱性が低下する。従って、Ｃ含有量を０．０５〜０．２０wt％の範囲内に限定する。

（２）Ｓｉ：０．２０wt％以下
Ｓｉは脱酸材として重要な作用をするので、製鋼段階においては必ず添加するが、鋼材段階まで残存しなくてもよく、Ｓｉは変形抵抗を増大させ、冷間加工性を低下させる。しかし、本発明においてはＣ含有率を低目に抑えているので、０．２０wt％までは添加しても冷間加工性の低下は小さい。一方、Ｓｉは焼入れ性を高めることもできるのでＳｉ含有量を０．２０wt％以下にする。

（３）Ｍｎ：０．５〜１．８wt％
Ｍｎは鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の組織を微細にすると共に、組織内のマルテンサイトの割合を高め、靱性を確保するのに重要な元素である。この目的のためにはＭｎは０．５wt％以上の添加を必要とする。一方、ねじは比較的寸法が小さいので上限が１．８wt％までの添加で十分焼入れ性は確保できる。従って、Ｍｎ含有量を０．５〜１．８wt％の範囲内に限定する。

（４）Ｐ：０．０１５wt％以下
Ｐはオーステナイト粒界に偏析して、粒界強度を弱める。また、フェライト内に固溶して鋼の変形能を低下させる。このように、Ｐは本発明において不純物元素であるので、その含有量を０．０１５wt％以下とする。

（５）Ｓ：０．０１５wt％以下
ＳはＭｎＳを形成して鋼の変形能を低下させる。また、ＭｎＳは亀裂発生の起点となる。このように、Ｓは本発明において不純物元素であるので、その含有量を０．０１５wt％以下とする．

（６）sol.Ａｌ：０．０２０〜０．０８０wt％
Ａｌは脱酸材として必要な元素であるばかりでなく、粒界に偏析するＮをＡｌＮとして固定して粒界強度を高める作用を有する。Ａｌによるこのような効果を発揮させるためには、sol.Ａｌ（酸可溶Ａｌ）として０．０２０wt％以上の量が必要である。しかしながら、sol.Ａｌが０．０８０wt％を超えると、鋳片の連続鋳造時にＡｌ₂Ｏ₃の凝集体を形成してノズル詰まりの原因となり、鋳造作業を困難にする。従って、sol.Ａｌ含有量を０．０２０〜０．０８０wt％の範囲内に限定する。

（７）Ｎ：０．００６０wt％以下
Ｎはねじ加工時に歪み時効硬化を起こして鋼の冷間加工性を低下させ、工具の寿命も低下させる。このように、Ｎは本発明において不純物元素であるので、その含有量を０．００６０wt％以下とする。

（８）Ｔｉ：０．００５〜０．０５０wt％
Ｔｉは結晶粒の微細化効果を有する。しかしながら、０．００５wt％未満ではその効果が小さく、またＮをＴｉＮとして固定する効果も小さい。ところが、０．０５０wt％を超えて添加しても、これらの効果は飽和するのみならず、Ｔｉが高すぎると、硬質のＴｉＮ、ＴｉＣが多数形成し、加工性が低下する他、合金コストもかかる。従って、Ｔｉ含有量を０．００５〜０．０５０wt％の範囲内に限定する。

（９）Ｃｒ：０．９５wt％以下
Ｃｒは、焼入性を高め、強度を確保するのに有用な元素である。但し、多量に添加し過ぎると冷間圧造性に悪影響を与えもので上限は０．９５wt％に設定する。

（１０）Ｍｏ：０．３０wt％以下
ＭｏはＰの粒界への偏析を防止し、粒界強度を高め、焼入性を向上させる有用な元素である。しかし、多量に添加するとＣｒ同様に冷間圧造性を阻害し、また、Ｍｏは高価な元素なので上限を０．３０wt％とする。

（１１）Ｂ：０．０００５〜０．００５０wt％
Ｂは微量の添加で焼入れ性を向上させる作用を有する。また、ＢＮを形成してＮの粒界偏析を防止する。Ｂの添加によってＭｎやＣｒ、Ｍｏ含有量を低減することができ、鋼の冷間加工性を更に向上させることができる。Ｂによるこのような効果を発揮させるためには０．０００５wt％以上添加する必要がある。しかしながら、０．００５０wt％を超えて添加するとボロンセメンタイトを析出して粒界強度を弱める。従って、Ｂ含有量を０．０００５〜０，００５０wt％の範囲内に限定する。

（１２）Ｎｂ：０．００５〜０．０５０wt％
ＮｂもＴｉと同様、結晶粒の微細化効果を有する。そして、Ｔｉと同様の理由によりＮｂ含有量も０．００５〜０．０５０wt％の範囲に限定する。

（１３）Ｖ：０．００５〜０．０５０wt％
Ｖをごく少量添加することで、結晶粒がより細かい金属構造ができるため、靭性を損なわないで強度や硬度を増すことができるほか、機械的性質や耐熱性なども向上する。そして、Ｔｉと同様の理由によりＶ含有量も０．００５〜０．０５０wt％の範囲に限定する。

（１４）Ｎｉ：０．０５〜０．２０wt％
ステンレス鋼にも用いられているように、耐食性を高め、熱膨張率を下げる作用を有し、靭性も向上する。Ｎｉ含有量は０．０５〜０．２０wt％とすることが好ましい。

（１５）Ｃｕ：０．０５〜０．２０wt％
Ｃｕは靭性を高める作用を有している。Ｃｕの含有量は０．０５〜０．２０wt％とすることが好ましい。

（１６）表面のビッカース硬さＨｖ：６００〜９００
所望のボルト強度および高張力鋼板に雌ねじを成形する上で、ビッカース硬さＨｖで６００未満では先端が欠けたり、折れたりして雌ねじ成形が不可能になる。一方Ｈｖで９００を超えると脆くなり、切欠き効果が高まり亀裂発生を促進させる。従って、ねじ表面の硬さをＨｖ：６００〜９００とする。

（１７）芯部のビッカース硬さＨｖ：３００〜４５０
表面硬さ同様、所望のボルト強度を得るため必要とする。Ｈｖ３００未満では所望のボルト強度が得られない。一方Ｈｖで４５０を越えると靭性が低下し亀裂進展しやすくなる。従って、ねじ芯部の硬さをＨｖ：３００〜４５０とする。

（１８）焼戻し温度：１００〜４００℃
焼戻し温度はボルトとしての最終的な性能（表面・芯部硬さ）と密接に関係しており、低いと硬くなり過ぎ、高いと所望の強度が得られないので１００〜４００℃の範囲とする。

（１９）有効硬化層深さ：０．０５〜０．７０ｍｍ
高張力鋼板に雌ねじを成形する上で表面に所望の硬さを必要とするが、その硬化深さが浅すぎる雌ねじ成形性に劣り、深すぎると芯部の靭性が低下し亀裂進展が促進されるために０．０５〜０．７０ｍｍの範囲とする。因みに、Ｍ４の量産品では硬化深さは約０．３ｍｍである。

〔ねじ加工〕
本発明の高強度ねじの成形方法は、従来から公知の方法である。つまり、前述のねじ素材を線材とし、冷間鍛造、転造加工を経てねじ形状に成形するのである。つまり、線材の端部をヘッダ加工して頭部を形成するとともに、所定長さに切断してねじ部を転造加工によって成形するのである。

Claims

Ｃ：０．０５〜０．２０wt％、Ｓｉ：０．２０wt％以下、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％、Ｐ：０．０１５wt％以下、Ｓ：０．０１５wt％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０８wt％、Ｎ：０．００６０wt％以下とＣｒ：０．９５wt％以下、Ｍｏ：０．３０wt％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０wt％のうち少なくとも１種、及び／またはＴｉ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｖ：０．００５〜０．０５０wt％、Ｎｉ：０．０５〜０．２０wt％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０wt％のうち少なくとも１種を含有し、残部、鉄及び不可避的不純物からなる鋼材料を用い、熱間圧延した所定径のねじ素材を、冷間鍛造、転造加工を経てねじ形状に成形し、浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を施して、表面硬さが６００〜９００Ｈｖ、芯部硬さが３００〜４５０Ｈｖ、硬化層深さ０．０５〜０．７ｍｍ、引張り強さ７００〜１５００Ｎ／ｍｍ²を有し、引張り強さが８０ｋｇ級〜１５０ｋｇ級の高張力鋼板用のタッピンねじ類の製造方法であって、前記浸炭窒化焼入れ処理が、炉内雰囲気ガス量に対してＮＨ₃を１．０〜３．０％（但し、２．０％以下は除く）添加した連続ガス浸炭炉による処理であり、前記焼戻し処理が、温度１００〜４００℃で焼き戻す処理であり、８０ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを６００〜６７０Ｈｖ、１００ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを６３０〜７００Ｈｖ、１３０ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを６７０〜７３０Ｈｖ、１５０ｋｇ級高張力鋼板用では表面硬さを７４０〜８３０Ｈｖに設定したことを特徴とする高張力鋼板用のタッピンねじ類の製造方法。