JPS6376834A - 軽量ボルトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は軽量で耐熱性を有する金属基複合材で形成した
軽量ボルトの製造方法に係り、特に加工性および製品の
歩留りが優れた軽量ボルトの製選方法に関する。

（従来の技術） アルミニウム合金系のボルトは通常の鉄製ボルトと比較
して比重が約１／３と小さいため従来から航空機、人工
衛星など、部材の軽量化が要請される分野で使用されて
いた。ところが、近年、アルミニウムが優れた放射能減
衰性および放出ガス特性を有する点が着目され、原子力
機器、核融合機器、真空装置等の分野においても積極的
に採用されている。

しかしながら、アルミニウム合金の中には、ジュラルミ
ンのように常用温度帯においては鉄系材料に相当する高
強度を有するものもあるが、一般的には、弾性率および
高温度帯における強度が改善されていないため、使用箇
所が比較的低温度域の狭い範囲に限定されてしまう欠点
があった。

上記の欠点を改善するため、従来から、例えばグラフ？
イト、アルミナ、シリコンカーバイドなどの短＄１１ｆ
ｆまたは粒子をマトリックス金属中に分散させて複合化
した金属基複合材料が実用化されている。金属基複合材
料は、マトリックス金属自体が有する熱伝導性、電気伝
導性などの特性を維持しながら軽量化が図られ、また材
料強度が改善されている。特に、マトリックス金属単体
と比較し、その常温域における強度の増加に加え、高温
域にお番プる耐熱強度が著しく改善されている。そのた
め、アルミニウム複合材料は鉄系金属に比較してコスト
高ではあるが軽量化に対でるＨ　＆３が強い自動車、航
空機産業分野などで円及している。

金属中に分散される繊維状の補強用基材としては、材質
別に長繊維のものから短繊維のものまで多種に及ぶが、
部品の形状や要求特性に適合したものが選定される。一
般に、短繊維の補強用基材を使用した複合材は長繊維の
補強用基材を使用したものと比較して強度が劣るものの
加工性に浸れており、機械加工または塑性加工ににっで
複雑で開缶な部品でも製作することかできる利点がある
。

上記のような複合材料から軽量ボルトを製造覆る加工法
は大別して２通りに分類される。第１の加ｌｆｆ１は、
素材をダイスまたは工具でローリングすることにより所
定形状に成形する転造加工であり、第２の加工法は素材
を所定形状に切削して成形する機械加工方法である。ｆ
ｔ１者は後者と比較して製造に必要な索材容量が半分以
下であり、また加工時間も１／１０程度であるため、製
品の歩留りおよび生産効率の優れた転造加工によって軽
ｒｉ１ボルトは製造されている。

次に、転造加工による軽１ｎボルトの製造工程を第３図
（Ａ）〜（Ｄ＞を参照して説明する。

第３図では、補強用基材としてシリコンカーバイド知識
１Ｉｉ（Ｓ　ｉ　Ｃウィスカー）を使用したアルミニウ
ム合金複合材を用い、呼び径がＭ８のボルトを製造する
場合で例示している。

初めに第３図（△）に示１ように、呼び径Ｍ８のボルト
の谷径に等しい外形７Ｍに調整された丸棒状のボルト素
材１を４５０〜６００℃の温度で予熱づ°る。温度が均
一化した後に、第３図（Ｂ）に示すように、ヘッダ２を
ボルト素材１に押圧してローリングし、ボルト頭部３の
成形を行ない、引き続き第３図（Ｃ）に示ずように転造
ダイス４によってボルト軸部５にねじ加工を行なう。そ
の後に、所定の熱処理を施し、ボルト頭部３と、ねじ部
６を右するボルト軸部５とが一体に成形された軒昂ボル
ト７が、第３図（Ｄ）に示すように完成する。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のように繊維強化複合材料は、使用する補強用基材
とマトリックス金属どの組合せによってボルト素材の強
度特性を選択する自由度が高い。

しかしながら、使用する補強用基材の含有率の大小によ
って、ボルト素材の成形加工の難易度が大きく変化づる
特性を有している。第４図は、補強用基材としてシリコ
ンカーバイド知謀１１［（ＳｉＣウィスカー）を使用し
たアルミニウム複合材において、補強用基材の含有率に
対応するＳｉＣウィスカ一体積率Ｖｆと引張強さＴおよ
び伸び率Ｓの関係を示したものである。

第４図において、ＳｉＣウィスカ一体積率Ｖｆの増加に
比例して引張強さＴは増加するが、逆に伸び率Ｓは減少
する。なＪ３、この傾向は補強用基材としてｍＭまたは
粒子をマトリックス金属中に分散して形成した金属基複
合材料に共通して現われる現象である。

したがって、複合材で形成した軽量ボルトの強度特性を
向上させるためには、補強用基材の含有率の高い複合材
を使用することが望ましいといえる。

しかしながら、補強用基材の含有率の増加に従って伸び
率Ｓが低下するため、塑性加工が困難になり、製造した
軽量ボルト７に欠陥が多発する傾向がある。例えば第５
図に示すように、補強用基材含有率に対応づるＳｉＣウ
ィスカ一体積率Ｖｆが１５％位までは欠陥のない良好な
ボルト頭部３を成形することができるが、１５％を超え
、２０％程度になると縁部に鍛造割れ８を生じ、ざらに
２５％以上では、ボルト頭部３がボルト軸部５から欠落
することもあり、製品の歩留りが著しく低下する問題点
があった。

本発明は上記の問題点を解消するためになされたもので
あり、優れた強度特性を有するとともに、塑性加工性に
優れ、割れなどの欠陥発生率が低く、製品の歩留りが高
い１ｉｌｌｆＭボルトの製造方法を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る軽ｔａボルトの製造方法は、マトリックス
金属中に短繊維状または粉体状の補強用基材を分散させ
た金属基複合材料でボルト素材を形成し、ボルト素材を
所定形状に成形加工して軽量ボルトを製造する方法にお
いて、前記ボルト素材に対する加工度が高い領域の補強
用基材含有率を低く設定し、一方加工度が低い領域の補
強用基材含有率を高く設定してボルト素材を調整し、し
かる後に転造加工により所定形状に成形づることを特徴
とする。

（作用） 本発明方法においては、ボルト素材に対Ｊ−る加工度が
高い領域の補強用基材含有率を低く設定しているため、
その前域の可塑性が高く、したがって、転造加工によっ
て素材形状を大きく塑性変形させて複雑な形状に成形し
ても、割れまたは剥離欠落などの欠陥を生じることが少
ない。

一方、ねじ部などの比較的加工度が低い領域の補強用基
材含有率を高くしているため、その領域にお（プるポル
ｉ−素材の引張り強さを大きく設定づ′ることができる
。したがって、使用時に最大の荷重が作用するねじ部の
強度を増加できることから、ボルト全体としての強度特
性を改善できる。

すなわちボルト素材に対する加工度の高低、および所要
強度の大小に応じて補強用１１月の含有率を領域毎に設
定するため、最適な強度特性を有するように調整できる
上に軽量ボルト全体としての加工性が優れ、加工時にお
いて割れなどの欠陥発生率が低減され、製品の歩留りを
大幅に自重することができる。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明する
。

初めに第１図（Ａ）に示ずように金属基複合材料で棒状
のボルト素材１を形成する。金属基複合材料は、マトリ
ックス金属として、例えばアルミ。

ニウム合金中に短ｔａｉｌ状または粉体状の補強用基材
を分散させて調整する。補強用基材としては、グラファ
イト、アルミナ、シリコンカーバイド、セラミックスな
どから選択され、さらに要求強度、耐熱特性によっては
２種以上組み合されて使用される場合もある。

ボルト索４４１の補強用基材含有率は、従来法の如（全
領域において一様ではなく、ボルト頭部を形成する領域
のように加工度が高い領域αにおいては補強用基材含有
率を低く設定し、一方ボルト軸部を形成する領域のよう
に加工度が低い領域βにおいては補強用基材含有率を高
くしている。

本実茄例においては、補強用基材としてシリコンカーバ
イドの知謀ＭＥ　（Ｓ　ｉ　Ｃウィスカー）を用い、マ
トリックス金属としては６０６１アルミニウム合金を使
用した例で示ず。また、補強用基材含有率に対応するＳ
ｉＣウィスカ一体積率Ｖｆはボルト頭部およびボルト軸
部に対応する領域においてそれぞれ１５体積％、３０体
積％に調整した〈以下、Ｓ　＋　Ｃウィスカ一体積率は
Ｖｆ値と、またＶｆ値の単位は１０１１％と略記する）
。

上記のように調整されたボルト素材１は、第３図にＪ３
いて例示した転造加工によって各部の成形加工がなされ
る。加工度が高いボルト頭部においてはＶｆ値が低いた
め、ボルト素材の塑性が高く、ヘッド２による成形加工
が極めて容易であり、また割れなどの欠陥発生率が少な
い。

一方、ねじ部が形成されるボルト軸部においてはＶｆｌ
ｉｉｌｒを高く設定しているので形成されたねじ部の強
度は高い。また、Ｖｆ値が高くても加工度が低いために
成形作業上の問題は少ない。

上記の転造加工作業によって第１図（Ｂ）に示すように
ボルト頭部３と、ボルト軸ｆ２Ｉ５およびねじ部６とか
ら成る軽量ボルト７が完成する。

次に、従来方法と本発明方法とにおいて、Ｖｆ値を種々
変化させて製造した場合の製品の歩留りについて第２図
を参照して比較説明する。すなわち、ボルト素材１の全
領域にわたりＶｆ値を均一に調整して成形加工を行なう
従来方法において、Ｖｆ値をｌ　５ｖｏ　Ｉ　、％、２
０ＶＯＩ、％、２５ｖ０１１％、３０ｖｏｌ、％と段階
的に変えて、軽量ボルトを’ＩＩ造し、ボルト頭部にお
ける割れの有無等を浸透試験（ＰＴ）で確認し、その結
果がら軽量ボルトの製品としての歩留りを算出している
。

また、本発明方法の効果を比較確認するため、ボルト頭
部に対応する領域のＶｆａｌを１５ｖｏｌ。

％に設定する一方、ボルト軸部に対応する領域のＶｆｌ
ｉｆｌを２０Ｖ０１．％、２５ＶＯＩ、％、３０ｖ０１
０％に変化させて１．同様にして製品の歩留りを確認し
た。

その結果、従来方法においては、Ｖｆ値が１５ｖｏｌ０
％のときは、歩留りは約９５％と高いが、Ｖｆｉｌの上
昇に従って急激に成形加工が困ガになり、歩留りが低下
し、Ｖｆ値が３０ｖｏｌ、％の場合は成形加工が不可能
であった。

一方、本発明方法によると、ボルト軸部におけるＶｆ値
の上昇につれて若干歩留りが低下する傾向が見られるが
、従来方法では全く成形加工が不可能であったＶｆＷｌ
が３Ｑｖｏ　ｌ　、％の場合においても、歩留りが約８
５％の高率で成形加工をすることが可能であった。また
ボルト軸部に形成したねじ部６の強度はＶｆ値の上昇に
対応して増加し、軽量ボルト全体として優れた強度特性
と成形加工性を併せ持つことが可能となった。

なお、ボルト頭部に対応する領域のＶｆ値の値はマトリ
ックス金属の材質特性により最適値に設定する必要があ
る。すなわちマトリックス金属として６０６１アルミニ
ウム合金を使用した本実施例の場合は、Ｖｆ値が１５ｖ
ｏｌ、％のときに優れた加工性を呈し、また純アルミニ
ウムを使用した場合はＶｆ値が２０ｖｏ　Ｉ　、％程度
まで成形が可能であり、２０１４アルミニウム合金を使
用した場合はＶｆ値が１０ｖｏｌ、％以下に設定しない
と、加工性が低下する。

また、第１図（Ａ）に示すボルト頭部に対応する加工度
が高い領域αとボルト軸部に対応する加工度が低い領域
βの長さの比率は、第１図（Ｂ）に示すボルト頭部３の
高ざγの２０〜５０％に相当する長さだ番ノＶｆｌｉｆ
ｆの高いボルト軸部５がボルト頭８！１３内に嵌入する
ように設定すると良い。この比率にすると、ボルト頭部
３とボルト軸部５との接合強度が高く、ボルト頭部３の
加工性が浸れる。

〔発明の効果〕

本発明方法によれば、ボルト素材に対する加工度の高低
および要求強度の大小に応じて補強用基材の含有率を領
域毎に設定しているため、最適な強度特性を得ることが
できる上に、軽量ボルト全体としての加工性が優れ、割
れなどの欠陥発生率が低減される。したがって、軽量ボ
ルトの製品としての歩留りを飛躍的に向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ＞は本発明方法において使用するボルト素材
を一部破断して示す正面図、第１図（Ｂ）は本発明方法
によって製造した軽量ボルトを−・部破断して示す正面
図、第２図は本発明方法と従来方法によって製造した製
品の歩留りを比較して表示したグラフ、第３図（Ａ）〜
（Ｄ）は転進加工による軽石ボルトの製造工程を示ず説
明図、第４図は補強用基材としてＳｉＣウィスカーを使
用したアルミニウム複合材の機械的特性を示すグラフ、
第５図は従来方法によって製造した軽量ボルトのボルト
頭Ｎ−の状態を示す図表である。 １・・・ボルト素材、２・・・ヘッダ、３・・・ボルト
頭部、４・・・転造ダイス、５・・・ボルト＠部、６・
・・ねじ部、７・・・軽伍ボルト、８・・・鍛造割れ、
ｖｒ・・・ＳｉＣウィスカ一体積率、Ｔ・・・引張強さ
、Ｓ・・・伸び率、α・・・加工度が＾い領域、β・・
・加工度が低い領域、γ・・・ボルト頭部高さ。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１図 巴乙父明方４ ０コ従来万５去 ＳｉＣウイス力−イ本積率（％プ 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス金属中に短繊維状または粉体状の補強
   用基材を分散させた金属基複合材料でボルト素材を形成
   し、ボルト素材を所定形状に成形加工して軽量ボルトを
   製造する方法において、前記ボルト素材に対する加工度
   が高い領域の補強用基材含有率を低く設定し、一方加工
   度が低い領域の補強用基材含有率を高く設定してボルト
   素材を調整し、しかる後に転造加工により所定形状に成
   形することを特徴とする軽量ボルトの製造方法。 ２、加工度の高い部位は、ボルト頭部に対応する領域で
   あり、その領域における補強用基材含有率は１５体積％
   以下の範囲で調整する特許請求の範囲第１項記載の軽量
   ボルトの製造方法。 ３、加工度の低い部位は、ボルト軸部に対応する領域で
   あり、その領域における補強用基材含有率は３０体積％
   以下の範囲で調整する特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の軽量ボルトの製造方法。 ４、マトリックス金属は、アルミニウム系金属、マグネ
   シウム系金属、チタン系金属のいずれかである特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の軽量
   ボルトの製造方法。 ５、補強用基材は、グラファイト、アルミナ、シリコン
   カーバイド、セラミックスから選択された１以上の物質
   から成る特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   １項に記載の軽量ボルトの製造方法。