JP6795812B2 - アルミニウム合金製ボルト - Google Patents

Description

本発明は、頭部と、該頭部の下端面から下方に伸びる首下部とを有し、頭部と首下部の境界領域に首下丸み部が形成されているアルミニウム合金製のボルトに関するものである。

一般に、機械的な構造物を構成する複数の部材の連結ないしは締結にはボルトが用いられるが、例えば自動車などといった軽量化の要求が強い構造物を構成する複数の部材の連結ないしは締結には、軽量であることからアルミニウム合金ボルトが広く用いられている。アルミニウム合金ボルトは、典型的には、工具等と係合させるための頭部と、該頭部の下端面から下方に伸びその一部又は全部にねじが切られた首下部ないしは軸部とを有している（例えば、特許文献１、２参照。）。

一方、アルミニウム合金は、一般に、強度が高くなればなるほど応力腐食割れへの感受性が高くなるといった特徴を有する。このため、アルミニウム合金ボルトを製造する場合、応力腐食割れへの対策が不可欠となる。そして、このような対策の１つとして、アルミニウム合金ボルトを形成しているアルミニウム合金材料の結晶粒を微細化することより耐応力腐食割れ性を強化するといった手法が知られている。

特開２０１０−２３６６６５号公報 特開２０１１−１９０４９３号公報

一般に、アルミニウム合金は、加工歪を付与した後に溶体化処理や時効処理などの熱処理を施せば、その結晶粒が微細化するといったことが知られている。したがって、アルミニウム合金ボルトを製造する際に、ボルト素材に加工歪を付与した上で熱処理を施せば、ボルト素材の結晶粒を微細化することができ、ひいてはアルミニウム合金ボルトの耐応力腐食割れ性を向上させることができる。

しかしながら、従来のボルトの製造手法では、首下丸み部（首下Ｒ部）ないしは首下部に十分に加工歪を付与することができず、これらの部位では熱処理を施しても結晶粒を十分に微細化することができない。このため、従来のアルミニウム合金ボルトでは、とくに応力集中部である首下丸み部に応力腐食割れが生じるおそれがあるといった問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、首下丸み部ないしは首下部に十分に加工歪を付与することができ、この後の熱処理によりこれらの部位の結晶粒を微細化して、応力集中部における耐応力腐食割れ性を向上させることを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明に係る、頭部（ボルトヘッド）と、該頭部の下端面から下方に伸びる首下部（軸部）とを有し、頭部と首下部の境界領域に首下丸み部（首下Ｒ部）が形成されているアルミニウム合金製のボルトの製造方法は、線材作製工程と、歪付与工程と、ボルト素材作製工程と、熱処理工程と、ねじ形成工程とを有する。

そして、線材作製工程では、ボルトの形状及び寸法に相応ないしは対応するアルミニウム合金製の線材（円柱形部材）を作製する。歪付与工程では、線材の、首下丸み部が形成される部位を含む領域（該部位の上下の所定の領域）に、据え込み加工又は絞り加工（絞り成型加工）を施して加工歪を付与する。ボルト素材作製工程では、線材に塑性加工を施して、頭部と首下部と首下丸み部とを有するボルト素材を作製する。熱処理工程では、ボルト素材に熱処理（例えば、溶体化処理及び時効処理）を施す。ねじ形成工程は、ボルト素材作製工程の実施後において熱処理工程の前又は後に実施され、このねじ形成工程では、ボルト素材の首下部の一部又は全部の領域にねじ部を形成する。かかるボルトでは、頭部、首下丸み部（任意的に首下部の、首下丸み部との隣接領域）を構成するアルミニウム合金の第１結晶粒の平均結晶粒径は、首下部を構成するアルミニウム合金の第２結晶粒の平均結晶粒径より小さくなる。
ここで、「隣接領域」は、ボルトの首下丸み部に接する首下部のうち、第１結晶粒を有する領域をいう。図１０（ａ）に示すように、首下部の一部が隣接領域の場合もあれば、図１０（ｂ）に示すように、第１結晶粒の領域が広いときは、首下部の大部分が隣接領域となる場合もある。隣接領域は、図１１に示すように、少なくとも、ねじ端部からねじの呼び径Ｄと等しい距離の位置まで延びることが好ましい。構造物をボルトで締結する場合、頭部から、ねじ端部から距離Ｄの位置までの部分には大きな応力が集中するが、ねじ端部から距離Ｄの位置から、ねじ端部までの部分には、それほど大きな応力がかからないためである。

本発明に係るボルトの製造方法においては、線材作製工程で、横断面の直径が首下部の横断面の直径と同一である円柱形の線材を作製し、歪付与工程で、線材の頭部が形成される側（上側）の端部から首下丸み部が形成される部位より下側の所定の部位まで、頭部を形成するための据え込み加工を施し、この後首下丸み部が形成される部位から前記所定の部位まで絞り加工を施すようにしてもよい（第１の実施態様）。

本発明に係るボルトの製造方法においては、線材作製工程で、横断面の直径が首下部の横断面の直径より大きい円柱形の線材を作製し、歪付与工程で、首下丸み部が形成される部位より上側の部位から線材の下端部まで、首下部を形成するための絞り加工を施し、この後に線材の頭部が形成される側（上側）の端部から首下丸み部が形成される部位より下側の所定の部位まで、頭部を形成するための据え込み加工を施すようにしてもよい（第２の実施態様）。この場合、絞り加工と据え込み加工とを複数回繰り返して実施するようにしてもよい（第３の実施態様）。

本発明に係るアルミニウム合金製のボルトによれば、歪付与工程で首下丸み部ないしは首下部に十分に加工歪を付与することができ、この後の熱処理工程で溶体化処理や時効処理などといった熱処理を施すことで、これらの部位のアルミニウム合金材料の結晶粒が微細化される。このため、首下丸み部等の応力集中部における耐応力腐食割れ性を大幅に向上させることができ、ボルトの信頼性を高めることができる。

（ａ）〜（ｆ）は、本願出願人に係るボルトの普通の製造手順を示す図であり、（ａ）及び（ｄ）はコイル材を切断して作製した線材を示し、（ｂ）及び（ｅ）は上端近傍部に据え込み加工を施して大径部及びテーパ部を形成した後における線材を示し、（ｃ）及び（ｆ）は大径部及びテーパ部に頭部成型加工を施して作製したボルト素材を示している。 （ａ）〜（ｈ）は、本願出願人に係るボルトのもう１つの普通の製造手順を示す図であり、（ａ）及び（ｅ）はコイル材を切断して作製した線材を示し、（ｂ）及び（ｆ）は中間部から下端部にわたって絞り加工を施して首下部を形成した後における線材を示し、（ｃ）及び（ｇ）は絞り加工が施されていない上端近傍部に据え込み加工を施して大径部及びテーパ部を形成した後における線材を示し、（ｄ）及び（ｈ）は大径部及びテーパ部等に頭部成型加工を施して作製したボルト素材を示している。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施形態１に係るボルトの製造手順を示す図であり、（ａ）及び（ｅ）はコイル材を切断して作製した線材を示し、（ｂ）及び（ｆ）は上端近傍部に据え込み加工を施して大径部及びテーパ部を形成した後における線材を示し、（ｃ）及び（ｇ）は大径部及びテーパ部に絞り加工を施した後における線材を示し、（ｄ）及び（ｈ）は大径部等に頭部成型加工を施して作製したボルト素材を示している。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施形態１に係るボルトの製造手順の変形例を示す図であり、（ａ）及び（ｅ）はコイル材を切断して作製した線材を示し、（ｂ）及び（ｆ）は上端近傍部に据え込み加工を施して大径部及びテーパ部を形成した後における線材を示し、（ｃ）及び（ｇ）は大径部及びテーパ部に絞り加工を施した後における線材を示し、（ｄ）及び（ｈ）は大径部等に頭部成型加工を施して作製したボルト素材を示している。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施形態２に係るボルトの製造手順を示す図であり、（ａ）及び（ｅ）はコイル材を切断して作製した線材を示し、（ｂ）及び（ｆ）は中間部から下端部にわたって絞り加工を施して首下部を形成した後における線材を示し、（ｃ）及び（ｇ）は大径部及びテーパ部に絞り加工を施した後における線材を示し、（ｄ）及び（ｈ）は大径部及びテーパ部に頭部成型加工を施して作製したボルト素材を示している。 （ａ）〜（ｊ）は、本発明の実施形態３に係るボルトの製造手順を示す図であり、（ａ）及び（ｆ）はコイル材を切断して作製した線材を示し、（ｂ）及び（ｇ）は中間部から下端部にわたって絞り加工を施して首下部を形成した後における線材を示し、（ｃ）及び（ｈ）は上端近傍部に据え込み加工を施した後における線材を示し、（ｄ）及び（ｉ）は上端部及びその近傍部にさらなる据え込み加工又は絞り加工を施して大径部及びテーパ部を形成した後における線材を示し、（ｅ）及び（ｊ）は大径部及びテーパ部に頭部成型加工を施して作製したボルト素材を示している。 （ａ）はアルミニウム合金材料からなる試験片の据え込み加工を施す前の形状（左側）と、据え込み加工を施した後の形状（右側）とを模式的に示す立面図であり、（ｂ）はこの試験片に熱処理を施した後における、圧縮率と平均結晶粒径の関係を示すグラフである。 （ａ）はアルミニウム合金材料からなる試験片の絞り加工を施す前の形状（左側）と、絞り加工を施した後の形状（右側）とを模式的に示す立面図であり、（ｂ）はこの試験片に熱処理を施した後における、断面減少率と平均結晶粒径の関係を示すグラフである。 （ａ）は、図７（ａ）に示す据え込み加工前の試験片に熱処理を施した後におけるアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真であり、（ｂ）は、図７（ａ）に示す据え込み加工後の試験片に熱処理を施した後におけるアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真であり、（ｃ）は、図８（ａ）に示す絞り加工前の試験片に熱処理を施した後におけるアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真であり、（ｄ）は、図８（ａ）に示す絞り加工後の試験片に熱処理を施した後におけるアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真である。 「隣接領域」の具体例を示す模式図である。 「隣接領域」の好ましい一例を示す模式図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を具体的に説明する。まず、本願出願人に係るアルミニウム合金製のボルトの普通の製造方法を説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、横断面が円形であり、その直径が製造すべきボルトの首下部の横断面の直径と同一であるアルミニウム合金製のコイル材からボルトを製造するための普通の手法を示している。

このボルトの製造方法によれば、図１（ａ）に示すように、アルミニウム合金製のコイル材（図示せず）を、製造すべきボルトの形状及び寸法に相応ないしは対応する長さに切断して円柱形の線材１（円柱形部材）を作製し、この線材１を所定の形状（後記の大径部及びテーパ部に対応する形状）を有する金型２内に配置する。なお、この種のボルトに適したアルミニウム合金としては、例えば６０００系（Al-Mg-Si）のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ではＡ６０００番台）や７０００系（Al-Zn-Mg-(Cu)）のアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ではＡ７０００番台）などを用いることができる。６０００系、７０００系のアルミニウム合金の引張り強さは、それぞれ、４００ＭＰａ以上、５００ＭＰａ以上となる。

本明細書では、線材ないしはボルト素材における位置関係を簡潔に示すため、適宜、これらの中心軸方向に関して頭部が形成される側を「上」といい、これと反対側（首下部ないしは軸部が形成される側）を「下」ということにする。本明細書において、コイル材、線材、ボルト素材等における「横断面」は、これらの中心軸と垂直な面で切断した断面を意味する。また、本明細書において「首下部」は、頭部の下端面からボルト下端部まで伸びる軸部（ねじ部及び非ねじ部を含む）を意味する。図１において（図２〜図６も同様）、仮想線Ｌは、後で説明する首下丸み部８の位置ないしは該首下丸み部８に対応する位置を示している。

そして、金型２内に配置された線材１に対して、ハンマー等（図示せず）で下向きの押圧力を加えて据え込み加工を施し、線材１の上端近傍部を塑性変形させ、図１（ｂ）に示すように、大径部３及びテーパ部４を形成する。なお、これらの大径部３及びテーパ部４は、後で説明するように最終的には頭部６（ボルトヘッド）となる。一方、線材１のテーパ部４より下側の部分は塑性変形せず、そのままの状態で首下部５となる。

さらに、大径部３とテーパ部４とに頭部成型加工（プレス加工）を施して、図１（ｃ）に示すように、頭部６と首下部５とを備えたボルト素材７を作製する。その際、頭部６と首下部５の境界領域に首下丸み部８（首下Ｒ部）が形成される。なお、この製造方法においては、線材１の直径ｄ_１と首下部５の直径ｄ_２は同一である。この後、首下部５の周面の一部又は全部に、転造等によりねじが形成され、ボルトが完成する。この普通のボルトの製造方法では、図１（ｂ）、（ｃ）中のＲ１、Ｒ２で示す領域では加工歪は比較的小さくなる。

図１（ｄ）〜（ｆ）は、それぞれ、図１（ａ）〜（ｃ）に示す線材１又はボルト素材７に、熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施した場合のアルミニウム合金材料の結晶粒の大きさを模式的に示している。ただし、実際のボルトの製造工程では、このような個別の熱処理は施さず、ボルト素材７を作製した後に熱処理を施す。なお、このような結晶粒径の変化は、加工歪の付与だけでは起こらず、熱処理によって生じる。図１（ｄ）〜（ｆ）において、線材１内又はボルト素材７内のおおむね円形の多数の図形は、アルミニウム合金材料の結晶粒の大ききを比喩的ないしは誇張的に示している。これらの円形の図形は、線材１内又はボルト素材７内の各部位における結晶粒の相対的な大小関係を示すためのものであり、結晶粒の実際の寸法を示すものではないのはもちろんである。なお、このような結晶粒の大きさの表示は、後で説明する図２〜図６においても同様である。

このボルトの製造方法によれば、首下部５には塑性変形を伴う加工は施されないので、この領域ではアルミニウム合金材料の流動は起こらず、これらの領域には加工歪を付与することができない。このため、図１（ｆ）から明らかなとおり、熱処理を施しても、ボルト素材７の首下部５では、アルミニウム合金材料の結晶粒を微細化することができず（結晶粒径大）、耐応力腐食割れ性を確保することができない。また、首下丸み部８（ないしは、その隣接領域）では、ある程度の加工歪を付与することができるので、熱処理を施すことによりアルミニウム合金材料の結晶粒を多少は微細化することができるが（結晶粒径中）、耐応力腐食割れ性を十分に確保することはできない。なお、頭部６の大部分（下端近傍部以外の部分）では、アルミニウム合金材料の結晶粒は十分に微細化される（結晶粒径小）。

図２（ａ）〜（ｄ）は、横断面が円形であり、その直径が製造すべきボルトの首下部の直径より大きいアルミニウム合金製のコイル材からボルトを製造するための本願出願人に係るもう１つの普通の手法を示している。このボルトの製造方法によれば、図２（ａ）に示すように、アルミニウム合金製のコイル材（図示せず）を、製造すべきボルトの形状及び寸法に相応ないしは対応する長さに切断して円柱形の線材１１を作製する。ここで、コイル材には、その円形の横断面の直径が製造すべきボルトの首下部の横断面の直径より大きいものが用いられる。

次に、図２（ｂ）に示すように、線材１１の、首下丸み部（ないしは、頭部と首下部の境界領域）に対応する部位から下端部にわたって絞り加工（絞り成型加工）を施して首下部１２を形成した上で、この線材１１を所定の形状を有する金型１３内に配置する。この場合、絞り加工が施される部位では、横断面の直径がｄ_３である線材１１が縮径され、首下部１２の横断面の直径ｄ_４はｄ_３よりも小さくなる。このため、首下部１２内ではアルミニウム合金材料の流動が起こり、首下部１２に十分な加工歪を付与することができる。

そして、金型１３内に配置された線材１１に対して、ハンマー等（図示せず）で下向きの押圧力を加えて据え込み加工を施し、線材１１の上端近傍部（絞り加工が施されていない部分の上側部分）を塑性変形させ、図２（ｃ）に示すように、大径部１４及びテーパ部１５を形成する。なお、テーパ部１５と首下部１２の間には、絞り加工が施されていない未加工部１６が存在する。さらに、大径部１４とテーパ部１５と未加工部１６とに頭部成型加工（プレス加工）を施して、図２（ｄ）に示すように、頭部１７と首下部１２とを備えたボルト素材１８を作製する。その際、頭部１７と首下部１２の境界領域に首下丸み部１９（首下Ｒ部）が形成される。この後、首下部１２の周面の一部又は全部に、転造等によりねじが形成され、ボルトが完成する。この普通のボルトの製造方法では、図２（ｃ）、（ｄ）中のＲ３、Ｒ４で示す領域では加工歪は比較的小さくなる。

図２（ｅ）〜（ｈ）は、それぞれ、図２（ａ）〜（ｄ）に示す線材１１又はボルト素材１８に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施した場合のアルミニウム合金材料の結晶粒の大きさを、図１（ｄ）〜（ｆ）と同様の形態で比喩的ないしは誇張的に示している。図２（ｈ）から明らかなとおり、このボルトの製造方法によれば、ボルト素材１８の首下部１２には絞り加工によって加工歪を付与することができ、この後の熱処理により首下部１２のアルミニウム合金材料の結晶粒を微細化することができる（結晶粒径小）。

しかしながら、首下丸み部１９（ないしは、その隣接領域）では、十分に加工歪を付与することができないので、熱処理を施してもアルミニウム合金材料の結晶粒を十分には微細化することができず（結晶粒径中）、耐応力腐食割れ性を十分には確保することができない。なお、頭部１７の大部分（下端近傍部以外の部分）では、アルミニウム合金材料の結晶粒は十分に微細化される（結晶粒径小）。

以下、本発明に係るアルミニウム合金製のボルトの製造方法を説明する。
＜実施形態１＞
図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１に係るボルトの製造方法を示している。このボルトの製造方法は、図１（ａ）〜（ｆ）に示す普通のボルトの製造方法と同様に、横断面が円形であり、その直径が製造すべきボルトの首下部の横断面の直径と同一であるアルミニウム合金製のコイル材からボルトを製造する。すなわち、実施形態１に係るボルトの製造方法は、図１（ａ）〜（ｆ）に示す普通のボルトの製造方法を改良したものである。

そして、実施形態１に係るボルトの製造方法では、図１（ａ）〜（ｆ）に示す普通のボルトの製造方法に比べて、線材の据え込み加工を施す部分を、線材の伸びる方向（上下方向）に長くしている。すなわち、普通のボルトの製造方法に比べて、線材を下向きに深く据え込むようにしている。具体的には、首下丸み部に対応する部位よりやや下側の部位まで、アルミニウム合金材料が塑性流動する程度に線材に据え込み加工を施すようにしている。

実施形態１に係るボルトの製造方法においては、図３（ａ）に示すように、アルミニウム合金製のコイル材（図示せず）を、製造すべきボルトの形状及び寸法に相応ないしは対応する長さに切断して円柱形の線材２１を作製し、この線材２１を所定の形状を有する金型２２内に配置する。そして、線材２１にハンマー等（図示せず）で下向きの押圧力を加えて据え込み加工を施し、線材２１の上端近傍部を塑性変形させ、図３（ｂ）に示すように、大径部２３及びテーパ部２４を形成する。なお、テーパ部２４より下側の塑性変形しない部分は首下部２５となる。この場合、大径部２３には加工歪が十分に付与される。なお、テーパ部２４の下部では、加工歪はやや小さくなる。図３（ｂ）から明らかなとおり、この大径部２３の中心軸方向（上下方向）の長さは、図１（ｂ）に示す普通のボルトの製造方法における大径部３の中心軸方向の長さに比べてかなり長くなっている。

次に、図３（ｃ）に示すように、大径部２３の下側部分及びテーパ部２４に絞り加工を施して縮径する。なお、大径部２３の上側部分は縮径されず、非縮径部２３ａとなる。この絞り加工により、絞り加工が施されなかった非縮径部２３ａの下側には、比較的縮径の度合いが小さい第１縮径部２６と、首下部２５と同一径となるまで縮径されて該首下部２５の一部をなす第２縮径部２５ａとが形成される。これにより、図１（ａ）〜（ｆ）に示す普通のボルトの製造方法ではアルミニウム合金材料の流動が起こらなかった、テーパ部２４に対応する部位、すなわち最終的に首下丸み部となる部分ないしはその隣接領域にもアルミニウム合金材料の流動を起こさせて十分に加工歪を付与することができる。

前記のとおり、このボルトの製造方法では、図１（ａ）〜（ｆ）に示す普通のボルトの製造方法に比べて線材２１を下向きに深く据え込むようにしているので、頭部の形成に必要な量を超えて余分に据え込み加工を施すことになる。すなわち、完成製品であるボルトには不必要なものである、過剰に据え込んだ比較的大径の部分が生じる。そこで、この大径の部分に対して絞り加工を施すようにしている。このように絞り加工が施される部分では、据え込み加工及び絞り加工の２度の加工により加工歪を付与することができるので、熱処理後におけるアルミニウム合金材料の結晶粒の微細化をより促進することができる（結晶粒径小）。

さらに、非縮径部２３ａと第１縮径部２６とに頭部成型加工（プレス加工）を施して、図３（ｄ）に示すように、頭部２７と首下部２５（第２縮径部２５ａを含む）とを備えたボルト素材２８を作製する。その際、頭部２７と首下部２５（第２縮径部２５ａ）の境界領域に首下丸み部２９（首下Ｒ部）が形成される。この後、首下部２５の一部又は全部の周面に、転造等によりねじが形成され、ボルトが完成する。このボルトの製造方法では、図３（ｂ）中のＲ５で示す領域では据え込み加工により加工歪が付与され、図３（ｃ）中のＲ６で示す領域では絞り加工により加工歪が付与される。かくして、図３（ｄ）中のＲ７で示す領域では、据え込み加工及び絞り加工により加工歪が付与されるので、加工歪は非常に大きくなる。

図３（ｅ）〜（ｈ）は、それぞれ、図３（ａ）〜（ｄ）に示す線材２１又はボルト素材２８に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施した場合のアルミニウム合金材料の結晶粒の大きさを、図１（ｄ）〜（ｆ）と同様の形態で比喩的ないしは誇張的に示している。図３（ｈ）から明らかなとおり、このボルトの製造方法によれば、熱処理後には首下丸み部２９（ないしは、その隣接領域）でアルミニウム合金材料の結晶粒（第１結晶粒）を十分に微細化することができ（結晶粒径小）、首下丸み部２９の耐応力腐食割れ性を十分に確保することができる。さらに、首下部２５の上側部分（すなわち、第２縮径部２５ａ）でも、熱処理によりアルミニウム合金材料の結晶粒を十分に微細化することができ、首下部２５の上側部分の耐応力腐食割れ性を確保することができる。なお、頭部２７でも、アルミニウム合金材料の結晶粒は十分に微細化される（結晶粒径小）。頭部２７、首下丸み部２９、首下部２５の上部部分２５ａのアルミニウム合金の結晶粒の平均結晶粒径は、約４０μｍ以下、好適には、約１０μｍ〜約３０μｍ、より好適には約１０μｍ〜約２０μｍとなり、首下部２５（上部部分２５ａを除く）の結晶粒の平均結晶粒径（例えば１５０μｍ）より小さくなっている。ここでは、首下部２５の上部部分２５ａも微細化したが、頭部２７と首下丸み部２９のみ微細化されても良い（以下の実施の形態において同様）。

図４（ａ）〜（ｄ）は、図３（ａ）〜（ｄ）に示す実施形態１に係るボルトの製造方法に比べて、線材２１をさらに下向きに深く据え込むようにしたボルトの製造方法を示している。具体的には、首下丸み部に対応する部位よりかなり下側の部位、例えばねじ部の切り上がり位置まで、アルミニウム合金材料が塑性流動する程度に、線材２１に据え込み加工を施すようにしている。また、図４（ｅ）〜（ｈ）は、それぞれ、図４（ａ）〜（ｄ）に示す線材２１又はボルト素材２８に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施した場合のアルミニウム合金材料の結晶粒の大きさを、図１（ｄ）〜（ｆ）と同様の形態で比喩的ないしは誇張的に示している。なお、図４（図５も同様）において、仮想線Ｍは、ねじ部の切り上がり位置を示している。

図４（ａ）〜（ｈ）に示すボルトの製造方法は、線材２１の据え込みの深さが異なる点を除けば、図３（ａ）〜（ｈ）に示すボルトの製造方法と同様であるので、図４（ａ）〜（ｈ）では、線材２１ないしはボルト素材２８の各構成要素には、図３（ａ）〜（ｈ）の場合と同様の参照番号を付している。このボルトの製造方法では、図４（ｂ）中のＲ８で示す領域では据え込み加工により加工歪が付与され、図４（ｃ）中のＲ９で示す領域では絞り加工により加工歪が付与される。かくして、図４（ｄ）中のＲ１０で示す領域では、据え込み加工及び絞り加工により加工歪が付与されるので、加工歪は非常に大きくなる。

図４（ｈ）から明らかなとおり、このボルトの製造方法によれば、首下丸み部２９（ないしは、その隣接領域）でアルミニウム合金材料の結晶粒を十分に微細化することができ、首下丸み部２９の耐応力腐食割れ性を十分に確保することができる。さらに、首下部２５の上側部分（第２縮径部２５ａ）、すなわちねじ部の切り上がり位置より上側の部分でアルミニウム合金材料の結晶粒を十分に微細化することができ、首下部２５のこの部分の耐応力腐食割れ性を向上させることができる。すなわち、図３（ａ）〜（ｄ）に示すボルトの製造方法に比べて、より広い領域でアルミニウム合金材料の結晶粒を微細化することができ、首下部２５の上側部分の耐応力腐食割れ性を向上させることができる。

＜実施形態２＞
図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態２に係るボルトの製造方法を示している。このボルトの製造方法は、図２（ａ）〜（ｈ）に示す普通のボルトの製造方法と同様に、横断面が円形であり、その直径が製造すべきボルトの首下部の横断面の直径より大きいアルミニウム合金製のコイル材からボルトを製造する。さらに、図２（ａ）〜（ｈ）に示す普通のボルトの製造方法と同様に、線材に絞り加工を施して首下部を形成した上で、線材の上部に据え込み加工を施すようにしている。すなわち、実施形態２に係るボルトの製造方法は、図２（ａ）〜（ｈ）に示す普通のボルトの製造方法を改良したものである。そして、実施形態２に係るボルトの製造方法では、図２（ａ）〜（ｈ）に示す普通のボルトの製造方法に比べて、絞り加工を施す領域を上側に広げている。したがって、絞り加工を施した部分の上部では、絞り加工に加えて据え込み加工を施すことになる。

実施形態２に係るボルトの製造方法においては、図５（ａ）に示すように、アルミニウム合金製のコイル材（図示せず）を、製造すべきボルトの形状及び寸法に相応ないしは対応する長さに切断して円柱形の線材３１を作製する。ここで、コイル材には、その円形の横断面の直径が製造すべきボルトの首下部の横断面の直径より大きいものが用いられる。

次に、図５（ｂ）に示すように、線材３１の、首下丸み部（ないしは、頭部と首下部の境界領域）に対応する部位より上側の部位から線材３１の下端部にわたって絞り加工（絞り成型加工）を施して首下部３２を形成した上で、この線材３１を所定の形状を有する金型３３内に配置する（図５（ｆ）参照）。この場合、絞り加工が施された部分では線材３１が縮径され、アルミニウム合金材料の流動が起こり、加工歪が付与される。ここで、線材３１の絞り加工が施された部分の上端近傍部は、金型３３の空洞３４内に位置する（図５（ｆ）参照）。すなわち、この絞り加工により、首下丸み部に対応する部分に加工歪が付与される。

そして、金型３３内の線材３１に対して、ハンマー等（図示せず）で下向きの押圧力を加えて据え込み加工を施し、線材３１の絞り加工が施されていない部分と、絞り加工が施された部分の上端近傍部とを塑性変形させ、図５（ｃ）に示すように、大径部３５及びテーパ部３６を形成する。この場合、大径部３５及びテーパ部３６にはもれなく据え込み加工が施されるが、大径部３５の下端近傍部及びテーパ部３６には、すでに絞り加工が施されているので、これらの部分には絞り加工及び据え込み加工の両方が施される。なお、首下部３２には、前記のとおり絞り加工が施されている。かくして、大径部３５とテーパ部３６と首下部３２とに十分に加工歪が付与される。

さらに、大径部３５とテーパ部３６とに頭部成型加工（プレス加工）を施して、図５（ｄ）に示すように、頭部３７と首下部３２とを備えたボルト素材３８を作製する。その際、頭部３７と首下部３２の境界領域に首下丸み部３９（首下Ｒ部）が形成される。この後、首下部３２の周面の一部又は全部に、転造等によりねじが形成され、ボルトが完成する。このボルトの製造方法では、図５（ｂ）中のＲ１１で示す領域では絞り加工により加工歪が付与され、図５（ｃ）中のＲ１２で示す領域では据え込み加工により加工歪が付与される。かくして、図５（ｄ）中のＲ１３で示す領域では、据え込み加工及び絞り加工により加工歪が付与されるので、加工歪は非常に大きくなる。なお、図５において、仮想線Ｍは、ねじ部の切り上がり位置を示している。

図５（ｅ）〜（ｈ）は、それぞれ、図５（ａ）〜（ｄ）に示す線材３１又はボルト素材３８に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施した場合のアルミニウム合金材料の結晶粒の大きさを、図１（ｄ）〜（ｆ）と同様の形態で比喩的ないしは誇張的に示している。図５（ｈ）から明らかなとおり、このボルトの製造方法によれば、熱処理により首下丸み部３９（ないしは、その隣接領域）でアルミニウム合金材料の結晶粒を微細化することができ（結晶粒径小）、首下丸み部３９の耐応力腐食割れ性を十分には確保することができる。さらに、首下部３２でもアルミニウム合金材料の結晶粒を微細化することができ（結晶粒径小）、首下部３２の耐応力腐食割れ性を十分には確保することができる。なお、頭部３７でも、アルミニウム合金材料の結晶粒は十分に微細化される（結晶粒径小）。

＜実施形態３＞
図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態３に係るボルトの製造方法を示している。このボルトの製造方法は、線材に対して、まずその上端近傍部より下側の部位に絞り加工を施し、この後に線材の上端近傍部に据え込み加工を施すことにより、大径部とテーパ部を形成する点では、図５（ａ）〜（ｈ）に示す実施形態２に係るボルトの製造方法と同様である。

しかしながら、実施形態３に係るボルトの製造方法では、絞り加工と据え込み加工とを交互に複数回繰り返し、首下丸み部に対応する部分及び首下部の上部に対応する部分に加工歪を蓄積させて、熱処理後にアルミニウム合金材料の結晶粒をより細かく微細化するようにしている。この実施形態３に係るボルトの製造方法によれば、絞り加工と据え込み加工の繰り返し回数を変える（調節）ことにより、アルミニウム合金材料の結晶粒の粒径を調整ないしは制御することができる。

実施形態３に係るボルトの製造方法においては、図６（ａ）に示すように、アルミニウム合金製のコイル材（図示せず）を、製造すべきボルトの形状及び寸法に相応ないしは対応する長さに切断して円柱形の線材４１を作製する。ここで、コイル材には、その円形の横断面の直径が製造すべきボルトの首下部の横断面の直径より大きいものが用いられる。

次に、図６（ｂ）に示すように、線材４１の、首下丸み部（ないしは、頭部と首下部の境界領域）に対応する部分よりやや上側の部位から線材４１の下端部にわたって絞り加工（絞り成型加工）を施して首下部４２を形成する。この場合、線材４１の上端近傍部には、絞り加工が施されていない未加工部４３が存在する。続いて、この線材４１を所定の形状を有する金型（図示せず）内に配置し、未加工部４３と首下部４２の上端近傍部とに据え込み加工を施して拡径部４４を形成する。この据え込み加工では、絞り加工が施されなかった未加工部４３と、絞り加工が施された首下部４２の上端近傍部とが塑性変形して拡径される。このとき、首下部４２の上端近傍部には、絞り加工と据え込み加工とが施されるので、より大きい加工歪を付与することができ、この部分では熱処理が施されたときに、アルミニウム合金材料の結晶粒は非常に小さくなる。

さらに、線材４１に対して、前記の絞り加工と据え込み加工とを（図６（ｂ）、（ｃ）中に破線Ａで示す工程）、予め設定された回数だけ交互に繰り返して実施する。この場合、拡径部４４に対応する部分では、繰り返し塑性変形が生じ、大きな加工歪が付与される。ここで、絞り加工と据え込み加工の繰り返し回数を多くすればするほど、線材４１の上部により大きな加工歪を付与することができ、熱処理を施すことにより、アルミニウム合金材料の結晶粒径を小さくすることができる。したがって、絞り加工と据え込み加工の繰り返し回数を調節ことにより、アルミニウム合金材料の結晶粒の粒径を制御ないしは調節することができる。

このように、図６（ｂ）、（ｃ）中に破線Ａで示す絞り加工と据え込み加工とを交互に繰り返し実施した後、線材４１に対してさらなる据え込み加工又は絞り加工を施して、図６（ｄ）に示すように、大径部４５及びテーパ部４６を形成する。さらに、大径部４５とテーパ部４６とに頭部成型加工（プレス加工）を施して、図６（ｅ）に示すように、頭部４７と首下部４２とを備えたボルト素材４８を作製する。その際、頭部４７と首下部４２の境界領域に首下丸み部４９（首下Ｒ部）が形成される。

この後、首下部４２の周面の一部又は全部に、転造等によりねじが形成され、ボルトが完成する。このボルトの製造方法では、図６（ｂ）中のＲ１４で示す領域では絞り加工により加工歪が付与され、図６（ｃ）中のＲ１５で示す領域では据え込み加工により加工歪が付与される。かくして、図６（ｅ）中のＲ１６で示す領域では、据え込み加工及び絞り加工が繰り返し実施されて加工歪が蓄積されるので、加工歪は非常に大きくなる。

図６（ｆ）〜（ｊ）は、それぞれ、図６（ａ）〜（ｅ）に示す線材４１又はボルト素材４８に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施した場合のアルミニウム合金材料の結晶粒の大きさを、図１（ｄ）〜（ｆ）と同様の形態で比喩的ないしは誇張的に示している。図６（ｊ）から明らかなとおり、このボルトの製造方法によれば、頭部４７と、首下部４２の上端近傍部（首下丸み部４９を含む）とでは、絞り加工と据え込み加工とが繰り返されるので、その繰り返し回数に応じてアルミニウム合金材料の結晶粒径が非常に小さくなり（結晶粒径微小）、耐応力腐食割れ性が大幅に向上する。なお、線材４１の、前記上端近傍部より下側の部分は、最初に絞り加工が施されるだけであるので、アルミニウム合金材料の結晶粒径は、実施形態２における首下部３２の場合と同様である（結晶粒径小）。

図７（ａ）、（ｂ）に、据え込み加工を施した複数のアルミニウム合金製の試験片を作製した上で、これらの試験片に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施し、該試験片中のアルミニウム合金材料の平均結晶粒径を測定した結果を示す。なお、据え込み加工を施さず、熱処理のみを施した試験片についても同様の測定を行っている。具体的には、図７（ａ）に示すように、アルミニウム合金材料からなる高さ（中心軸方向の長さ）がｈ_０（２０ｍｍ）であり直径がＤ（１２ｍｍ）である複数の円柱形部材を準備し、これらの円柱形部材を、高さが所定値ｈ_１（＜ｈ_０）となるように上下方向（中心軸方向）に押圧して塑性変形させ、圧縮率αが互いに異なる試験片を作製した。ここで、試験片の圧縮率αは、下記の式１で定義される値である。
α＝１００×（ｈ_０−ｈ_１）／ｈ_０……………………………………………式１
α ：圧縮率（％）
ｈ_０：円柱形部材の加工前の高さ（ｍｍ）
ｈ_１：円柱形部材の加工後の高さ（ｍｍ）

図７（ｂ）は、圧縮率αが０〜８０％の範囲内の複数の試験片に対して熱処理を施した後で、各試験片中のアルミニウム合金材料の平均結晶粒径を測定した結果を示している。図７（ｂ）から明らかなとおり、据え込み加工を施さない試験片（α＝０）では、平均結晶粒径は３０μｍであるが、圧縮率αが２０％の試験片では平均結晶粒径が２０μｍとなり、とくに圧縮率αが４０％以上の試験片では平均結晶粒径は１０μｍ以下となっている。

図９（ａ）は、据え込み加工を施さず熱処理のみを施した試験片（α＝０）中のアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真である。また、図９（ｂ）は、圧縮率αが８０％の据え込み加工を施した後で熱処理を施した試験片中のアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真である。図９（ａ）と図９（ｂ）を対比すれば、据え込み加工を施して熱処理を施した試験片では、据え込み加工を施さず熱処理のみを施した試験片に比べて、アルミニウム合金材料の結晶粒径が大幅に小さくなっていることが分かる。

図８（ａ）、（ｂ）に、部分的に絞り加工を施した複数のアルミニウム合金製の試験片を作製した上で、これらの試験片に熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施し、該試験片中の絞り部分におけるアルミニウム合金材料の平均結晶粒径を測定した結果を示す。なお、絞り加工を施さず、熱処理のみを施した試験片についても同様の測定を行った。具体的には、図８（ａ）に示すように、アルミニウム合金材料からなる高さ（中心軸方向の長さ）がｈ（２０ｍｍ）であり直径がＤ_０（１２ｍｍ）である複数の円柱形部材を準備し、これらの円柱形部材の下部に、直径が所定値Ｄ_１（＜Ｄ_０）となるように絞り加工を施して塑性変形させ、断面減少率β（絞り率、押し出し率）が互いに異なる試験片を作製した。ここで、試験片の断面減少率βは、下記の式２で定義される値である。
β＝１００×（Ｄ_０ ^２−Ｄ_１ ^２）／Ｄ_０ ^２………………………………………式２
β ：断面減少率（％）
Ｄ_０：円柱形部材の加工前の直径（ｍｍ）
Ｄ_１：円柱形部材の絞られた部分の直径（ｍｍ）

図８（ｂ）は、断面減少率βが０〜８０％の範囲内の複数の試験片に対して熱処理を施した後で、各試験片中の絞られた部分（β＝０の場合を除く）のアルミニウム合金材料の平均結晶粒径を測定した結果を示している。図８（ｂ）から明らかなとおり、絞り加工を施さない試験片（β＝０）では、平均結晶粒径は約３０μｍであるが、断面減少率βが大きくなればなるほど平均結晶粒径が小さくなり、とくに断面減少率βが８０％の試験片では平均結晶粒径は１０μｍとなっている。

図９（ｃ）は、絞り加工を施さず熱処理のみを施した試験片（β＝０）中のアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真である。また、図９（ｄ）は、断面減少率βが８０％の絞り加工を施した後で熱処理を施した試験片中の絞り部分のアルミニウム合金材料の結晶構造を示す顕微鏡写真である。図９（ｃ）と図９（ｄ）を対比すれば、絞り加工を施して熱処理を施した試験片では、絞り加工を施さずに熱処理のみを施した試験片に比べて、アルミニウム合金材料の結晶粒径が大幅に小さくなっていることが分かる。

図７（ｂ）、図８（ｂ）及び図９（ａ）〜（ｄ）によれば、本発明の実施形態１〜３に係るボルトの製造方法を用いることにより、ボルトの首下丸み部ないしは首下部でアルミニウム合金材料の結晶粒を十分に微細化することができ、首下丸み部等の応力集中部における耐応力腐食割れ性を向上させることができることが分かる。

以上、本発明の実施形態１〜３に係るアルミニウム合金製のボルトの製造方法によれば、歪付与工程で首下丸み部ないしは首下部に十分に加工歪を付与することができ、この後の熱処理工程で熱処理（溶体化処理及び時効処理）を施して、これらの部位のアルミニウム合金材料の結晶粒を十分に微細化することができるので、首下丸み部等の応力集中部における耐応力腐食割れ性を大幅に向上させることができ、ボルトの信頼性を高めることができる。

１ 線材、２ 金型、３ 大径部、４ テーパ部、５ 首下部、６ 頭部、７ ボルト素材、８ 首下丸み部、１１ 線材、１２ 首下部、１３ 金型、１４ 大径部、１５ テーパ部、１６ 未加工部、１７ 頭部、１８ ボルト素材、１９ 首下丸み部、２１ 線材、２２ 金型、２３ 大径部、２３ａ 非縮径部、２４ テーパ部、２５ 首下部、２５ａ 第２縮径部、２６ 第１縮径部、２７ 頭部、２８ ボルト素材、２９ 首下丸み部、３１ 線材、３２ 首下部、３３ 金型、３４ 空洞、３５ 大径部、３６ テーパ部、３７ 頭部、３８ ボルト素材、３９ 首下丸み部、４１ 線材、４２ 首下部、４３ 未加工部、４４ 拡径部、４５ 大径部、４６ テーパ部、４７ 頭部、４８ ボルト素材、４９ 首下丸み部。

Claims (6)

1. 頭部と、該頭部の下端面から下方に伸びる首下部とを有し、該頭部と該首下部の境界領域に首下丸み部が形成されているアルミニウム合金製のボルトであって、
   該頭部および該首下丸み部を構成するアルミニウム合金の第１結晶粒の平均結晶粒径は、該首下部を構成するアルミニウム合金の第２結晶粒の平均結晶粒径より小さいことを特徴とするアルミニウム合金製ボルト。
2. 更に、上記首下部の、上記首下丸み部との隣接領域は、上記第１結晶粒のアルミニウム合金から構成されることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製ボルト。
3. 上記第１結晶粒の平均結晶粒径は、４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金製ボルト。
4. 上記第１結晶粒の平均結晶粒径は、１０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金製ボルト。
5. 上記第１結晶粒の平均結晶粒径は、１０μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金製ボルト。
6. ６０００系のアルミニウム合金、または７０００系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム合金製ボルト。