JP6091046B2 - アルミ合金ボルトの製造方法及びアルミ合金ボルト - Google Patents
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Description
その他、特許文献2乃至4についても、特許文献1と同様に、加工処理後に強度を向上させる熱処理を実施するものである。
このような問題から、アルミ合金ボルトにおいては、調質により作製された鋼製ボルト
のような引張強さ向上、靭性低下の防止を両立させる技術は確立できていない。
前記熱処理は、溶体化処理をして時効処理を行うもので、
前記時効処理は、170℃で6時間とし、
前記軸部の絞り加工は、絞り率を36%以上で、かつ56%以下に設定することを特徴とする。
また、本発明のアルミ合金ボルトは、
おねじが形成されたねじ部を備えた軸部を有する6000系のアルミニウム基合金製のアルミ合金ボルトであって、
前記軸部は、引張り強さが500MPa以上で、
絞り加工による加工硬化の履歴として、硬度が表面から0〜0.5mmの間で130Hvから170Hvまで急激に大きくなり、さらに中心に向かって170Hvから180Hvまで緩やかに大きくなる硬度分布を有し、
前記ねじ部は、絞り加工に対して転造による加工硬化の分だけ、0.1mmの深さで160Hvとなっていることを特徴とする。
特に、圧造工程を冷間鍛造によって成形すれば、熱間処理のような大型の設備が不要で、低コストとなる。
図1には、本発明の実施の形態に係るアルミ合金ボルトの製造工程が示されている。
このアルミ合金ボルト10は、図1(H)、図2(A)に示すように、軸部20と、軸部20の一端に設けられる頭部30を有し、軸部20には、先端から頭部30に向かって所定長さ分だけおねじが形成されたねじ部21と、ねじ部21と頭部30の間のねじが形成されていない首部22とを備えている。図では、頭部を一般的な六角形状としているが、六角形状に限定するものではなく、形状、構造は問わない。
アルミ合金としては、AL‐Mg‐Si系合金の6000系、A1‐Mg‐Zn系合金の7000系の合金が使用されるが、熱処理によって調質される合金であればよく、たとえば、Al‐Cu系合金の2000系についても適用可能である。
このアルミニウム基合金材料の線材100の熱処理をする。
熱処理は、溶体化処理をした後、時効硬化処理を施す。
6000系の処理はT6、溶体化処理は515°C〜550°C、焼入れは水冷で、時効硬化処理は、170°C〜180°Cで約8Hrである。
7000系の処理はT73、溶体化処理は460°C〜475°C、焼入れは水冷で、時効硬化処理として、110°C〜115°Cで約6Hr〜8Hr、175°C〜180°Cで約6Hr〜10Hrである。
これらの熱処理条件は、一般的な処理であり、特別な温度管理は必要としない。
そして、図1(C)〜(G)に示すように、熱処理を行った線材を、一本のボルトに対応する所定長さの単位線材101に切断して圧造工程に進む。
溶体化処理及び時効硬化処理は、単位線材101に切断した後に行ってもよい。
まず、図1(C)〜(E)に示すように、この単位線材101を、予め所定の位置にノックアウトピン115が設定された第1成形ダイス110へ挿入し、第1パンチピン121で密閉絞り加工をすることにより、第1段階の中間成形体である第1ヘッダブランク10Aを成形する。
第1ヘッダブランク10Aは、図1(C)、図2(A)に示すように、ねじ頭部30となる中間形態頭部30Aとねじ軸部20となる中間形態軸部20Aを有する構成となる。
単位線材101は、第1成形ダイス110の大径孔112に挿入され、第1成形ダイス110と対向配置された第1パンチ120の第1パンチピン121によって押し込まれる。単位線材101は、段差部114で小径に絞られながら小径孔113側に進入し、小径孔113に挿入されているノックアウトピン115に突き当たり、第1パンチピン121とノックアウトピン115の間で圧縮されて、第1ヘッダブランク10Aが成形される。
これにより、小径孔113に圧入された部分が中間形態軸部20Aとなり、大径孔112に残った部分が中間形態頭部30Aとなる。
この第2成形ダイス210には、図1(F)に示すように、ダイ孔211と据え込み凹部216が設けられている。ダイ孔211は中間形態軸部20Aと同一径の丸孔で、予め所定の位置にノックアウトピン215が設定されている。このダイ孔211に第1ヘッダ
ブランク10Aの中間形態軸部20Aを挿入し、先端をノックアウトピン215に突き当て、ダイ孔211の開口部から中間形態頭部30Aを突き出た状態に保持する。
これにより、ねじ成形前の中間形態軸部20Aと頭部30を備えた第2ヘッダブランク10Bが成形される。
このように成形されたアルミ合金ボルト10は、溶体化処理と時効硬化処理によって高強度化された上に、さらに冷間圧造によって軸部20を絞って加工硬化を加えているので、従来のように、ボルト形状に加工した後に熱処理を施す方法よりも、高い引張特性を有するアルミ合金ボルト10を製造することができる。特に、冷間鍛造によって成形するので、熱間処理のような大型の設備が不要で、低コストとなる。
アルミ基合金としては、6000系として、サンプルA、サンプルBの2種類、7000系として、サンプルCを用いた。
アルミ基合金線材は、溶体化処理し、時効硬化させて調質をしている。
溶体化処理の温度条件は、サンプルAは、溶体化処理温度は550°、焼き入れは水冷、時効硬化処理は、170°Cで15Hrである。サンプルBは、溶体化処理温度は550°、焼き入れは水冷、時効硬化処理は、170°Cで6Hrとした。
絞り率は、素材の単位線材の断面積に対する軸部の断面積の減少分の面積比、すなわち、
絞り率=(単位線材の断面積―軸部の断面積)/(単位線材の断面積)
で計算される減少率であり、それぞれ16%、26%、36%、46%、56%、70%の6種類である。軸部の径はφ7.10〜7.13mmであり、絞り率が高くなるほど、使用する単位線材の径を太くしている。
このように、サンプルA,サンプルB、サンプルCいずれも、絞り率によるが、500MPa以上の引張り強さを実現できた。
絞り率としては、この16%〜70%程度が好適で、70%を超えると割れ等が発生するおそれがあり、16%より小さいと、あまり加工硬化による強度向上の効果が小さくなる。特に、36%以上とすると、500MPa以上とすることができる。
また、軸部には、絞り加工による加工硬化の履歴として、硬度が表面から所定深さまで徐々に大きくなるような硬度分布が形成されるという構造上の特徴も確認できた。
このように表面側が軟らかいので、締め付け時にねじ山の接触面の密着性がよくなる。
図3(A)は、首部22についての硬さ分布を示している。サンプルの首部22の直径は7mmで、硬さ分布は中心位置(表面からの距離が3.5mm)まで測定している。
首部については、0〜0.5mm程度の間に、本発明のサンプルDでは、130Hvから170Hv程度まで急激に上昇し、それ以上の深さでは、中心位置の3.5mmに至るまでの間は、170Hvから18Hv程度に緩やかに上昇する傾向となる。
一方、絞っていない比較サンプルEの場合には、深さが変わっても、110〜120Hv程度で一定であった。
ので、0.1mmの深さでも硬さが160HV程度であり、深くなっても緩やかに増大する分布となっている。
このように、軸部20のねじの無い首部22については、表面の硬度が深い部分に比較して低いので、軸部を絞って高強度とした場合でも、ねじ山を容易に転造することができる。
1)軽量化
従来は鋼製のボルトを使っていた高い締付け力を必要とする被締結部材についても、本発明の高強度のアルミ合金ボルトを利用することが可能となり、素材密度が、鋼7.85(g/cm3)に対し、アルミニウム基合金、2.71(g/cm3)であることから、比重が鋼の約3/1となり、軽量化を図ることができる。
被締結部材がアルミニウム基合金の場合には、鋼製のボルトを使うと、アルミニウム基合金と鋼では熱膨張係数に差があるため、温度の上昇によってボルト側の負担が大きくなり、場合によっては被締結部材が陥没変形するおそれがあり、ゆるみが発生してしまう可能性がある。これに対して、本願発明の高い締付け力に対応できる高強度のアルミ合金ボルトを使うことで、熱膨張係数を同じにすることで、それを防止することが可能となる。
被締付部材がアルミニウム基合金の場合では、アルミニウムとマグネシウム又は鉄を接触させると、アルミニウム側が電位差腐食で侵され、場合によっては、被締結部材側が陥没変形するおそれがあり、緩みが発生してしまう可能性があるが、本発明の高い締付け力に対応出来る高強度アルミ合金ボルトを使うことで、異種金属間の電位差を無くし、電位差による腐食を防止することが可能となる。
従来は、被締付部材がアルミニウム基合金の場合では、鋼製ボルトを使用している場合には、リサイクルの際に分別する工数が必要となる。これに対して、本発明の高い締付け力に対応できる高強度アルミ合金ボルトを使うことで、被締付部材と同じ材質にでき、分別する工数を削減する事が可能となる。
10A 第1ヘッダブランク
10B 第2ヘッダブランク
20 軸部、20A 中間形態軸部、
30 頭部、30A 中間形態頭部
100 線材、101 単位線材
110 第1成形ダイス
111 ダイ孔、112 大径孔、113 小径孔、
114 段差部、115 ノックアウトピン
120 第1パンチ、121 第1パンチピン、125 ノックアウトピン
210 第2成形ダイス、
211 ダイ孔、215 ノックアウトピン
220 第2パンチ
Claims (2)
- 6000系のアルミニウム基合金製の材料に熱処理を施して強度を高め、その後、圧造工程にて軸部を絞り加工した後に、軸部にねじの転造加工を行うアルミ合金ボルトの製造方法であって、
前記熱処理は、溶体化処理をして時効処理を行うもので、
前記時効処理は、170℃で6時間とし、
前記軸部の絞り加工は、絞り率を36%以上で、かつ56%以下に設定することを特徴とするアルミ合金ボルトの製造方法。 - おねじが形成されたねじ部を備えた軸部を有する6000系のアルミニウム基合金製のアルミ合金ボルトであって、
前記軸部は、引張り強さが500MPa以上で、
絞り加工による加工硬化の履歴として、硬度が表面から0〜0.5mmの間で130Hvから170Hvまで急激に大きくなり、さらに中心に向かって170Hvから180Hvまで緩やかに大きくなる硬度分布を有し、
前記ねじ部は、絞り加工に対して転造による加工硬化の分だけ、0.1mmの深さで160Hvとなっていることを特徴とするアルミ合金ボルト。
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