JP6960338B2

JP6960338B2 - 未硬化ねじ山を含む高強度ねじ

Info

Publication number: JP6960338B2
Application number: JP2018002655A
Authority: JP
Inventors: ワグナーフランク; フリッシュコーンハラルド
Original assignee: Kamax Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Kamax Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: EP3358021B1; MX2018001452A; CN108374821B; JP2018151061A; DE102017101931A1; DE102017101931B4; US10662993B2; BR102018002206A2; CN108374821A; EP3358021A1; US20180216652A1

Description

本発明は、ヘッドならびにねじ山及びヘッドから見て軸方向に外方を向くねじ山端を含むねじ山付き部分を含む高強度ねじに関する。

超高強度ねじは、欧州特許出願公開第２５９４６５３号明細書から知られている。

欧州特許出願公開第ＥＰ２５９４６５３号明細書

チップを全く生産することなく、ツール摩耗を減少させて製造され得る高強度ねじまたは超高強度ねじを提供することが本発明の目的である。

本発明によれば、本発明の目的は、独立請求項の特徴によって解決される。

本発明による更なる好ましい実施形態は、従属請求項に見られる。

本発明は、ヘッドならびにねじ山及びヘッドから見て軸方向に外方を向くねじ山端を含むねじ山付き部分を含む高強度ねじに関する。ねじ山付き部分は、ねじ山端で始まり、軸方向に延在する未硬化部分を含む。未硬化部分は、ねじ山付き部分の軸中央部分と比較して硬度が減少している。

本発明は、同様に、高強度ねじを製造する方法に関し、方法は、
− ヘッド及びシャフトを含むブランクを変形によって製造するステップと、
− 硬度の増加を獲得するためブランクを熱処理するステップと、
− シャフトの軸部分で始まる未硬化部分であって、ヘッドから見て外方を向くねじ山端が後のステップで配置されることになり、また、ねじ山付き部分が後のステップで配置されることになるシャフトの軸部分の一部にわたってだけ軸方向に延在する、未硬化部分内でシャフトの硬度を減少させるステップと、
− ねじ山付き部分を、シャフトの領域内でねじ山を変形することによって製造するステップとを含む。

これらの方法ステップは所与の順序で行われる。しかし、これらの方法ステップの間で更なるステップを行うことが可能である。

高強度ねじは、少なくとも８００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度Ｒ_ｍを有するねじとして理解される。高強度ねじは、特性クラス８．８、１０．９、及び１２．９のねじとして理解される。しかし、本発明による高強度ねじは、同様に、少なくとも１４００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度Ｒ_ｍを有する超高強度ねじであってもよい。こうした超高強度ねじは、主に、特性クラス１４．８、１５．８、または１６．８に属する。そのため、本発明による「高強度（ｈｉｇｈ−ｓｔｒｅｎｇｔｈ）」ねじは、少なくとも高強度ねじであるが、同様に、超高強度ねじであり得る。

例えば、新しい高強度ねじは、その軸端部分がねじのヘッドを向き、その軸中央部分が超高強度ねじに対応し、その未硬化部分が、しかし、高強度ねじに対応する「だけである（ｏｎｌｙ）」、ねじ山付き部分を含む。

本出願で使用される用語、未硬化部分は、標準的な技術用語ではない。未硬化部分は、（未硬化でない）ねじ山付き部分の残りと比較して、硬度の減少を有するねじのねじ山付き部分の軸部を指定するものとして、本出願において理解される。未硬化という用語は、硬度が減少したことを表現することを意図される。未硬化は、前もって行われた硬化プロセスが完全に行われなかったことを特に意味しない。

そのため、硬度及び引張強度は、ねじのヘッドから見て外方を向くねじ山のねじ山付き部分の端部分において減少する。多くの場合、これは、ねじの軸端である。しかし、ねじ山付き部分が、ねじの軸端ではなく、代わりに、ねじの軸端とヘッドとの間の任意の場所に配置されることが、同様に可能である。両方の場合に、未硬化部分は、ねじ山付き部分の或る軸長にわたって、ねじ山付き部分のこの端、すなわち、ねじ山ランインから延在する。しかし、未硬化部分は、ねじ山付き部分の全長にわたって延在しない。

未硬化部分における硬度及び引張張力の平均は、ねじ山付き部分の残りの部分における硬度及び引張張力の平均より低い。ねじ山付き部分の「残りの部分」という用語と比較する参照を改善するため、本出願は、ねじ山付き部分の軸中央部分を参照する。

ネジ山端のこの部分における新しい未硬化部分によって、ねじは、複数の方法で逃がされる。この逃がしは、特に、ねじ山端のドーム、すなわち、ねじ山の外径が最初にその最大サイズに達するねじ山ランインの軸部分に関する。このドームの領域において従来技術の種々の問題が存在する。まず第１に、ねじ山の製造中のローリングツールにおいてねじ山の側面に作用するこの場所における不均等な力分布が存在する。

従来技術における別の問題は、対応する雌ねじの領域における締付け式コンポーネントにおける疲労破壊のリスクである。ねじのねじ山の先端による張力集中が存在する。

本発明によれば、ねじ山の製造中にならびにねじ山を締付けるときに、新しいねじのねじ山付き部分の硬度及び引張強度の減少によって、ねじ山ランインの領域内のこのドームにおいて少ない応力が存在する。これは、ローリングツールにおける少ない摩耗、ならびに、締付け式コンポーネントにおける少ない損傷及びクラックが存在することを意味する。

新しい未硬化部分によって、ワンステップローリング法によって超高強度ねじを更に生産することが可能である。従来技術から知られているツーステップスレッドローリングプロセスは必要とされない。コンポーネントにおける応力集中を低減するための他の機械加工法は、同様に必要とされない。

新しい高強度ねじ、特に、新しい超高強度ねじの疲労強度は、それにより、従来技術と比較して実質的に改善される。例えば、約２０Ｎ／ｍ^２と５０Ｎ／ｍ^２との間から最大約１５０Ｎ／ｍ^２以上だけの疲労強度σ_Ａ５０の増加が可能である。

未硬化部分の硬度は、ねじ山付き部分の軸中央部分と比較して少なくとも５０ＨＶだけ低い場合がある。未硬化部分の硬度は、５０ＨＶと３００ＨＶとの間、特に１００ＨＶと２５０ＨＶとの間の値だけ低い場合がある。未硬化部分の引張強度は、ねじ山付き部分の軸中央部分と比較して少なくとも１００Ｎ／ｍｍ^２だけ低い場合がある。特に、未硬化部分の引張強度は、１００Ｎ／ｍｍ^２と７００Ｎ／ｍｍ^２との間、特に２００Ｎ／ｍｍ^２と５００Ｎ／ｍｍ^２との間の値だけ低い場合がある。

未硬化部分の硬度は、ねじ山付き部分の軸中央部分と比較して、１５％と５０％との間、特に２０％と４０％との間の値だけ低い場合がある。未硬化部分の引張強度は、ねじ山付き部分の軸中央部分と比較して、１５％と５０％との間、特に２０％と４０％との間の値だけ低い場合がある。

未硬化部分内のねじ山付き部分の硬度及び引張強度のこの数値的減少は、ねじ山の製造中にローリングツールにおいて起こる少ない摩耗をもたらす。更に、コンポーネントに対するねじの接続中におけるコンポーネントの少ない不具合が存在する。

未硬化部分は、ねじ山付き部分の軸長の一部にわたって延在するだけである。この部分的長さは、ヘッドから見て外方を向くねじ山の端、及び、ねじ山ランインのドーム、すなわち、ねじ山の最大外径に初めて達するねじ山のピッチに対応する、ねじの周囲に巻付く部分を覆う。

少なくともドームのこの部分が未硬化部分によって覆われることを保証するため、未硬化部分は、ねじ山のピッチの２倍、特に３倍にわたって延在してもよい。換言すれば、ねじのねじ山は、それぞれ、完全に２回及び３回ねじに巻付いた。

硬度及び引張張力の増加の所望のポジティブな効果をねじ山が完全に喪失しないことを保証するため、未硬化部分は、ねじ山付き部分の軸中央部分になる前に少なくとも終わる。未硬化部分の長さは、ねじ山のピッチの、最大８倍、特に最大７倍、特に最大６倍に対応してもよい。こうして、ねじ山の製造中にまたねじの締付け中に、普通なら上述したネガティブな効果が起こることになるねじ山付き部分の領域が覆われることが十分に保証される。ねじ山の残りの部分は、この高強度ねじから予測されるように、所望の大きな硬度及び引張強度を有する。

ネジ山は、未硬化部分において通常の標準的なデザインを有してもよい。これは、通常のねじ山ランインが存在することを意味する。例えば、穴または更なる面とりした面として、この場所における他の特別な幾何学的対策は存在しない。しかし、シャフトのねじ山ランインの端における通常の面とりした面が存在する。そのため、ねじ山ランインの逃がしは、未硬化部分によって排他的に達成されてもよい。

高強度ねじを製造する上述した方法において、硬度を減少させることは、ブランクの誘導加熱によって実現されてもよい。これは、ライブコイルが交流電磁場を受け、ブランクの材料内で渦電流を生成することによって特に達成される。これらが初期電流と反対方向へ流れるため、熱が生成される。

ブランクの冷却は、ブランクの誘導加熱に続いてもよい。鋼及び表面層の加熱が、５００℃と７５０℃との間、特に６００℃と７２３℃との間の、オーステナイト変態の始まりＡＣ１より低い温度に制限される場合、これは、特に有利である。加熱ステップと冷却ステップの協調によって、硬度及び強度の所望の減少が獲得される。冷却は、約１０℃〜約５０℃の温度を有する水によって特に実現される。冷却は、約０．０５ｓと３０ｓとの間、特に約０．１ｓと１０ｓとの間の期間にわたって起こる場合がある。

誘導加熱は、約２０ｋＨｚと５００ｋＨｚとの間、特に約１００ｋＨｚと４００ｋＨｚとの間の周波数で実現されてもよい。

誘導加熱は、約０．０５ｓと３０ｓとの間、特に約０．１ｓと１０ｓとの間の期間にわたって実現されてもよい。

しかし、ブランクを加熱することによる硬度の減少は、同様に、例えばレーザによって実現されてもよい。特に、未硬化部分の硬度の所望の減少を獲得するための制御式冷却が、この加熱に続いてもよい。

上述した方法ステップにおいて、ねじは、上述した特徴の１つまたは複数を含んでもよい。

熱処理は、特にオーステンパ処理であってもよい。ねじ山付き部分を生産するための変形は、特にローリングであってもよい。特に、プロセスは、冷間成形であってもよい。

新しい高強度ねじは、特に、オーステンパ処理によって少なくとも部分的に生産されたベイナイト組織を含んでもよい。ベイナイト組織は、延性が依然として同様に非常に高いままで、極端に高い引張強度をもたらす。この高い延性または靱性は、硬化及びそれに続くアニーリングによる知られている方法で従来技術において生産されるマルテンサイト組織から、ベイナイト組織を実質的に識別する。代わりに、オーステンパ処理中に、硬化は、ベイナイト相における等温的組織変態によってオーステナイト相からの急速な冷却によって実現される。要素、特に、ねじは、オーステナイトからベイナイトへの組織変態が全断面にわたって終了するまで、等温度の塩浴内に配置される。マルテンサイト硬化中に必要とされるアニーリングステップは、好ましくは省略されてもよい。そのため、歪を硬化させる傾向が低減される。

高強度ねじを生産するために使用される開始材料は、通常、「ワイヤ（ｗｉｒｅ）」と呼ばれる。新しい高強度ねじのために使用されるワイヤは、冷間成形可能な非硬化式でかつ非焼戻し式の鋼で作られてもよく、約０．２％〜０．６％、または約０．２％〜０．５％の炭素含量を有してもよい。鋼は、特に、約１．１％より大きい総合シェアを有する、合金元素、特に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、またはＴｉを含んでもよい。

本発明の有利な開発は、特許請求の範囲、説明、及び図面に起因する。説明の始めで述べた特徴及び複数の特徴の組合せの利点は、例として役立つだけであり、これらの利点を取得しなければならない本発明による実施形態を必要とすることなく、代替的にまたは累積的に使用されてもよい。含まれる特許請求の範囲によって規定される保護の範囲を変更することなく、以下は、オリジナルの出願及び特許の開示に関して当てはまる。更なる特徴は、図面から、特に、示すデザイン及び複数のコンポーネントの互いに対する寸法から、ならびに、それらの相対的配置及びそれらの動作接続から採取されてもよい。本発明の異なる実施形態の特徴の、または、特許請求の範囲の選択される参照と無関係の異なる特許請求の範囲の特徴の組合せが、同様に可能であり、組合せは、こうして動機付けられる。これは、同様に、別個の図面において示される、または、図面を説明するときに述べられる特徴に関連する。これらの特徴は、同様に、異なる特許請求の範囲の特徴と組合されてもよい。更に、本発明の更なる実施形態が、特許請求の範囲で述べた特徴を持たないことが可能である。

特許請求の範囲及び説明において述べた特徴の数は、副詞「少なくとも（ａｔｌｅａｓｔ）」を明示的に使用する必要なしで、この正確な数及び述べた数より多い数をカバーすると理解される。例えば、１つの未硬化部分が述べられる場合、これは、正確に１つの未硬化部分が存在するように、または、２つ以上の未硬化部分が存在するように理解される。更なる特徴がこれらの特徴に追加されてもよい、または、これらの特徴が、各製品の唯一の特徴であってもよい。

特許請求の範囲に含まれる参照符号は、特許請求の範囲によって保護される事柄の範囲を制限しない。それらの唯一の機能は、特許請求の範囲を理解し易くすることである。

以下で、本発明は、図面に示す好ましい例示的な実施形態に関して更に説明され述べられる。

新しい高強度ねじの例示的な実施形態の図である。図１によるねじのねじ山付き部分の詳細Ａを示す図である。図１によるねじの断面図である。図３によるねじのねじ山付き部分の詳細Ｂを示す図である。

図１〜４は、新しい高強度ねじ１の例示的な実施形態の異なる図を示す。ねじ１は、少なくとも８００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有する高強度ねじ１、特に、少なくとも１４００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有する超高強度ねじ１である。ねじ１は、オーステンパ処理によって特に生産され、ねじ１の全断面にわたって実質的に延在するベイナイト組織を含む。

ねじ１は、ヘッド２及びシャフト３を含む。ヘッド２は、通常のツール係合輪郭を含む。シャフト３は、ねじ山なしシャフト部分４及びねじ山６を含むねじ山付き部分５を含む。この場合、ねじ山６はメートルねじとしてデザインされる。しかし、ねじ山６は、同様に、異なるねじ山６としてデザインされ得る。ねじ山付き部分５は、ねじ山ランイン７及びねじ山ラインアウト８を含む。ねじ山付き部分５は、ヘッド２から見て外方を向くねじ山端９、及び、ヘッド２を向くねじ山端１０を更に含む。相応して、ねじ山付き部分５の軸中央部分１１は、これらの２つのねじ山端９、１０の間の中央に配置される。

参照数字１２で示すように、ねじ山付き部分５は未硬化部分１２を含む。未硬化部分１２は、ねじ山端９で始まり、ねじ山付き部分５の部分的長さにわたって軸方向に延在する。ねじ山付き部分５の軸中央部分１１と比較して、未硬化部分１２において減少した硬度及び引張強度が存在する。未硬化部分１２の硬度は、ねじ山付き部分５の軸中央部分１１と比較して、１５％と５０％との間の値だけ低い場合がある。

未硬化部分１２は、少なくともねじ山付き部分５のドーム１３、すなわち、ねじ山６が初めてその最大外径に達するねじ山付き部分５の領域までかつそれを超えて軸方向に延在する。

例として２つのライン１４、１５によって強調されるように、未硬化部分１２は、ねじ山６のピッチの少なくとも３倍の最小長さにわってライン１４の意味で延在してもよい。

ライン１５によれば、未硬化部分１２は、ねじ山６のピッチの６倍の最大値に対応する最大長さにわって延在してもよい。しかし、他の数値及び本出願で述べる他の数値が使用されてもよいことが理解される。

１ねじ
２ヘッド
３シャフト
４シャフト部分
５ねじ山付き部分
６ねじ山
７ねじ山ランイン
８ねじ山ランアウト
９ねじ山端
１０ねじ山端
１１軸中央部分
１２未硬化部分
１３ドーム
１４ライン
１５ライン

Claims

ヘッド（２）、ならびに、ねじ山（６）及び前記ヘッド（２）から見て軸方向に外方を向くねじ山端（９）を含むねじ山付き部分（５）を含む高強度ねじ（１）であって、前記ねじ山付き部分（５）は、前記ねじ山端（９）で始まり、軸方向に延在する未硬化部分（１２）を含み、前記未硬化部分（１２）は、前記ねじ山付き部分（５）の軸中央部分（１１）と比較して硬度が減少していることを特徴とする、ねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）の硬度は、前記ねじ山付き部分（５）の前記軸中央部分（１１）と比較して少なくとも５０ＨＶだけ低いことを特徴とする、請求項１に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）の硬度は、前記ねじ山付き部分（５）の前記軸中央部分（１１）と比較して、５０ＨＶと３００ＨＶとの間、特に１００ＨＶと２５０ＨＶとの間の値だけ低いことを特徴とする、請求項２に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）の引張強度は、前記ねじ山付き部分（５）の前記軸中央部分（１１）と比較して少なくとも１００Ｎ／ｍｍ^２だけ低いことを特徴とする、請求項１から３のうち少なくとも１項に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）の引張強度は、前記ねじ山付き部分（５）の前記軸中央部分（１１）と比較して、１００Ｎ／ｍｍ^２と７００Ｎ／ｍｍ^２との間、特に２００Ｎ／ｍｍ^２と５００Ｎ／ｍｍ^２との間の値だけ低いことを特徴とする、請求項４に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）の硬度は、前記ねじ山付き部分（５）の前記軸中央部分（１１）と比較して、１５％と５０％との間、特に２０％と４０％との間の値だけ低い、及び／または、
前記未硬化部分（１２）の引張強度は、前記ねじ山付き部分（５）の前記軸中央部分（１１）と比較して、１５％と５０％との間、特に２０％と４０％との間の値だけ低いことを特徴とする、請求項１から５のうち少なくとも１項に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）は、前記ねじ山（６）のピッチの、少なくとも２倍、特に３倍の長さにわたって延在することを特徴とする、請求項１から６のうち少なくとも１項に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）の長さは、前記ねじ山（６）のピッチの、最大８倍、特に最大７倍、特に最大６倍に対応することを特徴とする、請求項７に記載のねじ（１）。
前記未硬化部分（１２）内の前記ねじ山（６）は、通常の標準的なデザインを有し、特に、穴が前記ねじ山（６）内に全く配置されないことを特徴とする、請求項１から８のうち少なくとも１項に記載のねじ（１）。
ベイナイト組織を含むことを特徴とする、請求項１から９のうち少なくとも１項に記載のねじ（１）。
高強度ねじ（１）、特に、請求項１から１０のうち少なくとも１項に記載のねじ（１）を製造する方法であって、
ヘッド（２）及びシャフト（３）を含むブランクを変形によって製造する第１ステップと、
硬度の増加を獲得するため前記ブランクを熱処理する第２ステップと、
前記シャフトの軸部分で始まる未硬化部分（１２）であって、前記ヘッド（２）から見て外方を向く前記ねじ山端（９）が第４ステップで配置されることになり、また、前記ねじ山付き部分（５）が第４ステップで配置されることになる前記シャフト（３）の軸部分の一部にわたってだけ軸方向に延在する、未硬化部分（１２）内で前記シャフト（３）の硬度を減少させる第３ステップと、
ねじ山付き部分（５）を、前記シャフト（３）の領域内でねじ山（６）を変形することによって製造する第４ステップとを含む、方法。
硬度を減少させることは、前記ブランクを誘導加熱することによって実現されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
誘導加熱することは、
約２０ｋＨｚと５００ｋＨｚとの間、特に約１００ｋＨｚと４００ｋＨｚとの間の周波数によって、及び／または、
約０．０５ｓと３０ｓとの間、特に約０．１ｓと１０ｓとの間の時間スパンにわたって実現されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
硬度の増加を獲得するため前記ブランクを熱処理することは、ベイナイト組織を生産するためオーステンパ処理することを含むことを特徴とする、請求項１１から１３のうち少なくとも１項に記載の方法。
硬度を減少させることは、前記ブランクをレーザによって加熱することによって実現されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。