KR101718179B1 - 금속유리 체결 나사 - Google Patents

Abstract

<과제>
나사 자체에 헐거워지기 어려운 성질을 부여하여, 경량 부재를 포함하여 폭넓은 분야에서, 고강도이고 신뢰성이 높은 체결을 실현하는 금속유리 체결 나사를 제공한다.
<해결 수단>　
나사의 나사산 및 나사홈의 가공에 있어서, 비정질로 이루어지는 벌크 금속유리를 피가공재인 벌크 금속유리의 유리 전이 온도 이하에서 전조 가공에 의해 성형한다. 벌크 금속유리는 전조 가공과 같은 소성 가공에 의해, 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 부분의 연성이 향상된다고 하는 특성을 가진다. 이것을 효과적으로 이용하여, 체결시에 나사에 걸리는 인장력(축력)에 의해 나사홈 바닥 영역에서 생기는 인장 응력의 응력 집중을 완화시키기 위해서, 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되는 영역의 나사홈 바닥으로부터의 깊이를 d로 하고, 나사 외경을 D로 했을 때, d＞0.022×D의 관계로 한다.

Description

금속유리 체결 나사{METALLIC GLASS FASTENING SCREW}

본 발명은 비정질(아모퍼스(amorphous))로 이루어지는 벌크 금속유리(bulk metallic glass)를 소재로 하고, 그 성형 방법 및 그 성형 방법으로부터 창제되는 특성에 특징을 가지는 체결 나사에 관한 것이다.

벌크 금속유리는 비정질(아모퍼스)로 이루어지는 합금이고, 일반적으로 높은 강도(높은 항복 응력)와 통상의 금속의 대략 10배 가까운 탄성 한계 뒤틀림(항복 뒤틀림)을 가지고, 또 구성 원소의 조합에 의해 강도 및 탄성률(영률)을 변화시키는 것이 가능하고, 주조법에 의해, 함유하는 화학 성분으로 결정되는 임계 직경 이하의 원기둥 형상으로 성형할 수가 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).　비정질로 이루어지는 벌크 금속유리를 소형의 기계 부품 등에 응용하기 위해서, 그 응고 수축이 작다고 하는 특징을 살린 주조법에 있어서, 회전 원심력 등을 이용하여 충전성을 향상시키기 위한 여러 가지 공구, 장치, 방법 등이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).　벌크 금속유리를 표면에 가지는 원통상 소재의 표면을, 그 벌크 금속유리가 점성 유동을 일으키는 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 가열한 후, 점성 유동성을 이용하여 요철을 가지는 다이스에 꽉 눌러 성형하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3, 4 참조). 또, 제품의 표면에 금속유리를 용사(溶射)함으로써, 내부는 종래의 소재의 특징을 남긴 채, 표면에 벌크 금속유리의 특징을 갖게 하는 제안이 이루어져 있다(예를 들면, 특허문헌 5, 6 참조)

일본 특허공개 2008－238214호 공보 일본 특허공개 2008－126313호 공보 일본 특허공개 2008－200734호 공보 일본 특허공개 2005－173558호 공보 일본 특허공개 2007－131952호 공보 일본 특허공개 2005－201789호 공보

체결 나사는, 단단히 조인 후에 잔존하는 축력(軸力)에 의해, 접촉하는 좌면(座面) 및 나사의 맞물림부의 나사 표면에 생기는 마찰력을 이용하여 피체결재를 헐거워지지 않게 고정한다. 지금까지 나사의 헐거워짐 방지는 주로 너트를 특수 형상 혹은 특수 구조로 함으로써 행해져 왔지만, 나사 자체를 헐거워지기 어려운 것으로 하면, 떼어내기나 반복 사용이 용이하게 되어, 사용할 수 있는 분야가 넓어진다. 이를 위해서는, 체결시의 조임력을 크게 할 수 있도록 강도를 올리고, 동시에 나사의 탄성률을 내려 변형하기 쉽게 하여 피체결체와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있으면, 마찰력이 커져 헐거워지기 어려운 나사가 실현되지만, 이러한 나사는 지금까지 생산되지 않았다.　

벌크 금속유리는 비정질로 이루어지고, 일반적으로 높은 강도와 통상의 금속의 대략 10배의 탄성 한계 뒤틀림을 가지고, 또 구성 원소의 종류의 조합에 의해, 탄성률을 변화시키는 것이 가능하다. 벌크 금속유리로 유해한 결함 없이 안정하게 나사의 형상을 성형할 수 있으면, 벌크 금속유리가 가지는 고강도이고 저탄성률, 또 고탄성 한계 뒤틀림이라고 하는 특별한 장점을 이용하여, 종래의 나사와 비교하여 헐거워지기 어려운 나사를 만들 수가 있다. 그러나, 벌크 금속유리는 결정 금속이 아니기 때문에, 전위(轉位)(가공에 의해 도입되는 결정 금속 특유의 선결함)에 의한 소성 변형(영구 뒤틀림을 수반하는 변형)을 일으키지 않고, 여러 가지 변형 기구가 고안되어 있지만, 기본적으로 실온 부근에서는 연성(延性)이 극히 부족한 것으로 되어, 가공 방법으로서는 주조법(용탕에 의한 전사 가공), 혹은 유리 전이 온도 이상에서 벌크 금속유리 고유의 점성 유동을 일으키는 과냉각 액체 온도 영역(일반적으로 400℃ 부근에서 ±수십℃의 범위에 존재한다)에서 성형하는 것이 주이고, 이 유리 전이 온도 이하에 있어서, 특히 가공도가 크고, 가공된 부분의 뒤틀림의 구배(인접한 부분의 뒤틀림의 차)가 큰 나사의 전조(轉造) 가공(소성 변형을 이용한 가공 방법의 하나)에 적용하는 것은 어렵다고 생각되고 있었다.　

벌크 금속유리는 절삭날에 있어서 난(難)절삭 가공재료이고, 원기둥상으로 주조된 벌크 금속유리 로드(rod) 등을 절삭 가공에 의해 나사산 및 나사홈을 성형하려고 하면, 날끝의 마모가 현저하여 안정하게 생산하는 것은 매우 어렵다. 또, 재료 손실이 생겨 경제적으로도 바람직하지 않다.　

주조 가공에서는, 나사산과 같이 형상이 첨예한 부분에의 벌크 금속유리의 충전이, 그 표면장력 등의 영향에 의해 용이하지 않고, 비록 가압력이나 회전 원심력을 주어도 안정한 나사 형상을 얻는 것은 어렵고, 또 고온에서 발생하는 가스가 혼입하여 결함을 일으킬 가능성이 있기 때문에, 주조 가공만으로 만들어진 나사는 신뢰성이 낮다고 생각되고 있었다.　

일반적으로, 주조 가공된 것은 무르기 때문에, 이것을 전조 가공하여 신뢰성이 높은 체결 나사를 만든다고 하는 발상은 없고, 전조 가공에는 연성이 높은 전신재(展伸材)를 필요로 하고 있었다. 벌크 금속유리에 대해서도, 일반 주조품과 마찬가지의 사고방식에서, 실온에서의 소성 가공은 곤란하다고 생각되고 있었다. 이 때문에, 이에 대신하여, 유리 전이 온도 이상의 과냉각 액체 온도 영역으로 가열하여 점성 유동을 이용하는 것이 검토되고 있지만, 가공 속도가 낮고, 또 가공 온도 범위가 좁기 때문에 엄격한 온도 제어가 필요하게 되고, 또한 고온으로 되므로 산화 방지를 위한 진공 장치 등이 필요하게 되어, 이 방법으로 생산을 행하는 것은 용이하지 않았다.　

또, 유리 전이 온도 이상의 점성 유동 영역에 있어서의 가공에서는, 표면에서 중심까지 점성 유동을 일으키므로, 중심 부근에까지 변형을 일으켜 단면의 형상이 왜(歪)(일그러짐)로 되어, 나사의 규격을 만족하는 형상을 얻는 것은 어렵다. 이와 같이 점성 유동 영역에서의 전조 가공에 의한 나사의 성형은 바람직하지 않다.

통상의 금속 재료를 소정의 형상으로 가공 후, 표면에 금속유리를 용사하는 것이 시도되고 있지만, 이것은 표면만이 벌크 금속유리의 특성을 가진다. 그러나, 체결시에 나사에 발생하는 축력은 나사의 횡단면 전체에 미치기 때문에, 내부까지 벌크 금속유리가 아니면, 벌크 금속유리의 특성인 고강도이며 저탄성률이고, 고탄성 한계 뒤틀림을 가진다고 하는 특징이 나사에 있어서 발휘될 수 없다.　

일반 결정으로 이루어지는 금속에 있어서의 전조 가공은, 고속이라고 하는 생산성의 장점 이외에, 가공된 부분에 전위가 도입됨으로써 경화하는 현상(가공 경화 혹은 뒤틀림 경화라고 한다)을 이용한 강도의 향상을 도모하고 있다. 벌크 금속유리에서는 이러한 가공 경화는 생기지 않으므로, 기계 특성을 향상시킬 목적으로 이것에 전조를 적용하는 경우는 없었다.　

일반적으로, 연성을 충분히 가진 결정으로 이루어지는 금속의 나사에서는, 나사가 나사축 방향으로 인장되었을 때, 절결(切缺) 형상을 한 나사홈 바닥 영역에 집중하는 응력은, 그 부분이 전위를 통한 소성 변형을 약간 일으킴으로써 응력이 완화되어 안정한 체결을 가능하게 하고 있다. 벌크 금속유리에 의해 만들어지는 체결 나사는, 소재인 벌크 금속유리에 연성이 부족하므로, 절삭이나 주조에 의해 체결 나사로 성형한 경우, 나사축 방향으로 인장되었을 때의 응력 집중을 완화하기 위한 소성 변형이 불충분하여, 소재의 강도보다 상당히 작은 인장력으로 그곳으로부터 파단할 위험성이 있어, 나사로서의 신뢰성이 부족하다고 생각되고 있었다.　

지금까지 나사 및 일반 기계 부품에 있어서는, 표면에 탄소를 스며들게 하는 침탄 처리, 질소를 도입하는 질화 처리 등, 주로 내부의 경도를 올리지 않고 표면을 경화하여, 부품으로서의 강도와 인성을 갖게 하는 것이 생각되어 왔지만, 표면에 연성을 주어 강도와 인성(무르지 않은 성질)을 주는 사고방식은 특히 체결 나사에 있어서는 없었다.　

생체 내 및 생체의 외부와 접촉하여 사용되는 체결 나사는 절삭으로 제작되어 생산성에 문제가 있었다. 또, 헐거워지기 어렵다고 하는 특성은 생체에 있어서 매우 중요하지만, 지금까지 별로 강조되는 경우가 없었다.　

알루미늄 합금이나 마그네슘 합금과 같은 항복점이 낮고 탄성률도 낮은 피체결재를, 그것보다 항복점이 높고 탄성률도 높은 통상의 강철 나사로 체결하는 경우, 피체결재측의 좌면에 영구 뒤틀림(함몰)이 발생하기 쉽기 때문에, 큰 축력을 줄 수가 없고, 나사를 체결하는데 충분한 마찰력을 얻는 것이 어려웠다. 또한, 사용 중에 발생하는 외력, 특히 진동에 의해 마찬가지의 영구 뒤틀림을 일으켜 축력이 저하하고, 나사의 헐거워짐을 촉진하여 큰 문제가 되고 있었다.　

그래서 본 발명에서는, 벌크 금속유리의 특성을 살린 헐거워지기 어려운 금속유리 체결 나사를, 안정한 제조가 가능하고, 또한 성형시에 표면의 연성을 개선하여 금속유리 체결 나사에 신뢰성을 부여하는 공정과 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.

비정질로 이루어지는 벌크 금속유리는, 점성 유동을 개시하는 유리 전이 온도 이하에서는, 단축(單軸) 인장 시험에 있어서 연성을 거의 나타내지 않지만, 단축 압축 시험에서는 약간 연성이 보인다. 이 사실에 기초하여, 유한 요소법을 이용한 수치 해석에 의한 가공 중의 응력의 해석과 기초 실험을 행한 결과, 모든 나사에서는 적당하지 않지만, 실용 나사로서 사용 가능한 범위의 나사산의 각도를 가지는 나사의 전조 가공에 있어서, 가공 중에는 소성 변형하는 영역이 압축 응력 하에 있는 것을 알아냈다. 이와 같이, 압축 하에서 소성 가공이 행해지는 경우는, 변형시에 발생하는 크랙의 개구가 억제되어, 크랙이 진전하지 않고 상당량의 변형이 달성되는 것이라고 생각하여, 가공 실험 및 응력 해석을 반복함으로써, 점성 유동을 이용하지 않고도 유리 전이 온도 이하에서 정상적인 나사산 및 나사홈의 성형이 전조 가공으로 가능하다고 하는 것을 분명히 하였다.　

벌크 금속유리에서는 미끄럼대(帶)(최대 전단 응력을 일으키는 면에 발생하여, 소성 변형을 가능하게 하는 수십 나노 레벨의 변형대로, 벌크 금속유리에 보이는 특유의 현상)로 불리는 변형대에서 미끄럼을 일으킴으로써, 소성 뒤틀림(소성 뒤틀림이 누적(적분)되어 소성 변형으로 된다)을 일으킨다고 말해지고 있다. 다만, 이 미끄럼은 통상의 결정 금속의 전위에 의한 균일한 변형과 달리, 국부적으로 불균일한 것이기 때문에, 인장의 힘이 작용하면 분리하여 파단해 버린다. 다만, 유리 전이 온도 이하에서, 소성 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 부분은, 그 미끄럼대를 기점으로 하여 새로운 미끄럼대가 발생하기 쉬워지므로, 그 부분의 연성이 향상된다고 말해지고 있다. 이렇게 하여, 체결 나사의 나사홈 바닥 영역과 같이, 나사에 축력이 작용한 경우에 응력 집중부로 되는 개소에 이 미끄럼대가 도입되어 있으면, 그 부분의 연성이 향상되어 응력 집중이 완화된다.　

이상을 기초로, 과제를 해결하기 위해서 이하와 같은 수단을 강구한다.　

본 발명은 나사의 나사산 및 나사홈의 가공에 있어서, 비정질로 이루어지는 벌크 금속유리를, 피가공재인 벌크 금속유리의 유리 전이 온도 이하에서, 전조 가공에 의해 성형하는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사이다.　

벌크 금속유리는 전조 가공과 같은 소성 가공에 의해, 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 부분의 연성이 향상된다고 하는 특성을 가진다. 본 발명은 이것을 효과적으로 이용하여, 체결시에, 나사에 걸리는 인장력(축력)에 의해 나사홈 바닥 영역에서 생기는 인장 응력의 응력 집중을 완화시키기 위해서, 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되는 영역의 나사홈 바닥으로부터의 깊이를 d로 하고, 나사 외경을 D로 했을 때, d＞0.022×D의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사이다.　

본 발명은 나사산 각이 40~70도의 범위에 있는 삼각 나사인 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사이다.　

본 발명은 상기 벌크 금속유리가 Ti기, Pd기, 또는 Zr기 중 적어도 하나를 포함함으로써, 생체용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사이다.

본 발명은 상기 벌크 금속유리가 항복점이 낮고, 탄성률이 낮은 피체결재를 체결하는 경우는, 체결시에 피체결재의 영구 뒤틀림(함몰)에 의한 헐거워짐을 방지하기 위해서, 피체결재와 동등 혹은 낮은 탄성률을 가지는 Mg기, Pt기, Ti기, Zr기의 어느 것인가를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사이다.　

본 발명은 상기 벌크 금속유리의 소성 변형을 일으키는 영역의 평균 응력이 압축 응력이거나, 또는 상기 벌크 금속유리의 인장 파단 강도의 3분의 1 이하의 인장 응력이고, 전조 가공에 의해 성형되는 금속유리 체결 나사의 제조 방법이다.

본 발명에 의해, 비정질로 이루어지는 벌크 금속유리의 공통의 특성인 고강도이며 저탄성률이고, 또한 고탄성 한계 뒤틀림을 나사에 실현함으로써, 헐거워지기 어려운 체결 나사를 제공한다. 또, 실온, 및 실온보다 높지만 유리 전이 온도 이하의 비교적 낮은 온도에서 전조 가공함으로써, 안정한 품질과 생산성을 가지고, 또 나사의 표면 부근의 연성을 개선하여 나사의 나사홈 부근에 생기는 응력 집중을 완화하고, 내부는 벌크 금속유리 본래의 강도를 유지함으로써, 체결 나사의 강도, 인성(무르지 않은 성질) 및 신뢰성을 향상시키는 제조 공정, 및 금속유리 체결 나사를 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하에, 발명의 효과에 대한 내용의 상세를 설명한다.　

벌크 금속유리는 통상의 금속에는 보이지 않는, 고강도이면서 저탄성률이고 고탄성 한계 뒤틀림을 가진다고 하는 특성을 가지므로, 이것을 체결 나사에 적용한 경우, 피체결재의 뒤틀림에 의한 축력 변화를 작게 억제할 수가 있다. 예를 들면, 외력이나 진동에 의해 피체결재가 압축 변형해도 축력의 저하는 작게 억제되어, 고탄성률의 강철 나사와 비교하여 축력이 안정한 헐거워지기 어려운 나사가 실현될 수 있다.　

경량의 금속 재료는 일반적으로 항복점이 낮고 탄성률도 작다. 이것을 종래의 탄성률이 높은 강철 나사로 체결하면, 좌면에 있어서 피체결재측에 변형(함몰)이 생겨 헐거워짐의 원인으로 된다. 피체결재와 동등 혹은 낮은 탄성률의 벌크 금속유리를 선정하여, 본 발명에 의해 만들어지는 금속유리 체결 나사를 이용하면, 나사측의 좌면이 피체결재와 마찬가지로 변형되므로, 좌면에서의 접촉 면적이 커지고 면압이 저하하여 함몰이 억제됨과 아울러, 마찰력도 증가하여 헐거워지기 어려운 체결이 가능하게 된다.　

한편, 같은 경량 재료라도 세라믹스는 압축 강도가 높고 탄성률도 높다. 이것을 금속유리 체결 나사로 체결하는 경우는, 고강도인 특징을 이용하여 강하게 단단히 조임으로써, 금속유리 체결 나사 자체가 변형되어 좌면 및 나사의 맞물림부의 접촉 면적이 증대하여 마찰력이 커지므로, 헐거워지기 어려운 체결이 실현된다.　

벌크 금속유리를, 유리 전이 온도 이하에서 전조 가공을 행함으로써, 표면 부근에 소성 뒤틀림이 도입되고, 나사산·나사홈에 미끄럼대가 축적하여, 그 부분의 연성이 향상된다. 이렇게 하여 전조 가공으로 창제된 연성이, 체결시에 생기는 나사의 축력(인장력)에 의한 나사홈 바닥 영역에서의 응력 집중을 완화한다.　

이와 같이, 나사의 표면에 연성을 부여하고, 내부에 벌크 금속유리 본래의 고강도를 갖게 함으로써, 형상에 기인하는 표면으로부터의 균열 발생에 의한 취성적(脆性的)인 파단을 억제하고, 또 강도의 불균일을 저감하여, 균형 있는 고강도이고 신뢰성이 높은 나사가 실현된다.　

전조 가공은 소성 가공의 일반적인 특징인 재료 손실의 저감을 실현하고, 주조 가공에서 도입되는 미크로 결함을 기계적으로 눌러 부수는 것(단압(鍛壓) 효과)에 의해, 표면 부근의 결함의 일부를 소멸시켜, 신뢰성이 높은 나사를 만드는 것을 가능하게 한다.　

벌크 금속유리에는 일반적인 기계 특성 이외에도, 내식성, 또 생체 적합성(인체에 받아들여져도 인체가 거부 반응을 나타내지 않는다)을 가지는 성분의 조합이 존재하므로, 이러한 환경에 성분을 맞춤으로써, 폭넓은 응용 분야에서 헐거워지기 어려운 체결을 실현할 수가 있다.　

여기서 적용되는 나사는, 나사의 두부를 가지는 통상의 체결 나사뿐만이 아니라, 나사부에 축력을 줌으로써 사용되는 일반적인 나사에도 적용된다.

도 1은 전조 전의 중간 가공품의 성형을 나타내는 도이다.
도 2는 전조 가공을 나타내는 도이다.
도 3은 나사 단면의 응력 분포를 나타내는 도이다.
도 4는 나사산의 단면을 나타내는 도이다.
도 5는 나사 단면도이다.
도 6은 나사 외관을 나타내는 도이다.
도 7은 X선 회절 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 8은 전조 가공 중의 나사산을 나타내는 도이다.
도 9는 나사 단면의 상당 뒤틀림 분포를 나타내는 도이다.
도 10은 비커스(Vickers) 압자(壓子)에 의한 압흔(壓痕) 시험을 나타내는 도이다.
도 11은 나사의 인장 파단 강도 시험을 나타내는 도이다.
도 12는 하중-신장 선도이다.
도 13은 나사의 인장 파단 강도의 비교를 나타내는 도이다.

본 발명의 실시 형태를, 도 1~도 5에 기초하여 본 나사의 제조 방법에 대해서 설명하고, 도 6~도 13에서 그 시험 결과를 나타낸다.　

소재로 되는 벌크 금속유리는 공통되는 성질로서, 고강도이고, 저탄성률, 또한 고탄성 한계 뒤틀림을 가진다고 하는 헐거워지기 어려운 체결 나사에 유리한 특별한 장점을 가짐과 아울러, 그것을 구성하는 합금 성분에 의해 물리적, 또 화학적인 성질이 변화하므로, 피체결재, 체결 조건, 및 환경에 적합한 벌크 금속유리의 합금 성분(주성분으로 되는 금속을 그 벌크 금속유리의 기라고 부른다)을 선택하여 금속유리 체결 나사를 만들 수가 있다.　

항복점이 낮고, 탄성률이 낮은 피체결재, 예를 들면, 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금과 같은 부재를 체결하는 경우는, 피체결재의 영구 뒤틀림(함몰)에 의한 헐거워짐을 방지하기 위해서, 탄성률이 동등 혹은 낮은 Mg기, Pt기, Ti기, Zr기 등의 벌크 금속유리를 당해 체결 나사의 소재로 선정한다. 이에 의해, 나사측의 변형을 크게 하여, 좌면에서의 접촉 면적을 증대시키고, 면압을 저하시켜 함몰을 막음과 아울러, 마찰력을 높여 헐거워지기 어렵게 한다. 또, 세라믹스와 같은 탄성률이 높고 압축 강도가 높은 피체결재에는, 고강도이고 탄성률이 비교적 낮은 벌크 금속유리를 이용함으로써, 조임력을 크게 하여, 좌면 및 나사의 맞물림부의 접촉 면적을 증대시켜 마찰력을 크게 함으로써, 헐거워지기 어렵게 할 수가 있다.　

헐거워지기 어려움과 함께 내식성이 요구되는 부위의 체결에는 Ni-Cr기 등의 내식성이 높은 벌크 금속유리를 적용한다.　

생체 내에서 사용하는 경우는, Ti기, Pd기, Zr－Pd기 등을 적용함으로써, 알레르기나 생체 내에서의 거부 반응이 적은 생물학적인 적합성을 가진 헐거워지기 어려운 체결 나사를 실현할 수가 있다.　

도 1에 벌크 금속유리를 나사로 전조하기 전의 중간 가공품으로 성형하는 방법을 나타낸다. 벌크 금속유리는 성분 원소를 융점 이상으로 아크 용해 등으로 가열 용해한 후, 원기둥상으로 주조할 수가 있다. 원기둥상으로 주조된 도 1 (a)의 벌크 금속유리 환봉(1)을, 도 1 (a)의 깎아내기에 의한 나사의 중간 형상품(2)과 같이 절삭 가공으로 성형함으로써, 전조 가공 전의 중간 가공품을 만들 수가 있다. 다만, 벌크 금속유리는 절삭 가공이 용이하지 않은 것, 절삭에 의한 손실이 발생하는 것, 또 육각 구멍 붙은 나사와 같이 두부에 구멍 가공이 필요한 경우는 그 가공이 곤란한 것 등을 고려하여, 도 1 (b)의 주조용 소재(3)와 같이 소망하는 나사에 상당하는 체적으로 작게 자른 후, 무산화 분위기 중에서 재용해하고, 나사 두부(41)와 나사축부(42)를 가지는 주형으로 주조하여, 도 1 (b)의 주조에 의한 나사의 중간 형상품(4)과 같은 전조 가공 전의 중간 가공품을 성형하는 쪽이 바람직하다.

도 2는 전조 가공의 기구를 나타낸다. 도 2 (a)는 나사산 및 나사홈의 형상을 가지는 2개의 금형(전조 다이스 이동측(P1) 및 전조 다이스 고정측(P2)) 사이에, 주조에 의한 나사의 중간 형상품(4)을 삽입하여, 나사축부(42)를 굴리면서 압하(壓下)하는 전조 가공이다. 도 2 (b)는 주조에 의한 나사의 중간 형상품(4)으로부터, 전조 가공 초기(5), 전조 가공 중기(6)와 같이 서서히 금형 형상이 나사에 전사됨으로써, 전조 가공을 완료한 나사(7)가 성형되는 전조 가공이다.　

전조 가공이, 벌크 금속유리에 있어서, 그 유리 전이 온도 이하에서 가능하게 되는 이유를 이하에 설명한다. 먼저, 여기서 사용되는 용어에 대해서 설명한다. 평균 응력은 어느 점에 있어서 서로 직교하는 면에 생기는 수직 응력의 평균치이고, 그 점이 압축 상태(음의 값을 취한다)에 있는지, 인장 상태(양의 값을 취한다)에 있는지를 나타내는 것으로, 평균 수직 응력이라고도 한다. 상당 응력은 면에 평행한 방향으로 생기는 전단 응력에 관계된 값으로, 일반적으로 똑같지 않은 다축의 응력의 상태를 알기 쉽게 하기 위해서, 단순한 환봉의 인장를 행한 경우(단축 인장 혹은 1축 인장이라고 한다)의 응력에 상당시킨다. 한편, 상당 뒤틀림은 일반의 똑같지 않은 뒤틀림의 상태를 단축 인장의 뒤틀림에 상당시킨 것이다. 또, 인장 파단 강도란 인장 파단 하중을 단면적으로 나누어 단위 면적당 값으로 환산한 것으로 응력과 같은 단위를 가진다.　

실온에 있어서 벌크 금속유리는 단축 인장 시험에서 거의 연성을 나타내지 않으므로, 유리 전이 온도 이하에서 벌크 금속유리를 성형하기 위해서는, 금형으로부터 힘을 받아 변형을 일으키는 영역의 평균 응력이 음(즉 압축 상태를 나타낸다)의 상태에서 행해지는 것이 필요하다. 왜냐하면, 압축 상태이면 파괴의 원인으로 되는 균열의 진전이 억제되기 때문이다. 또, 단축 인장에 있어서도, 파단하기 직전까지는 파괴되지 않고 변형되기 때문에, 단축 인장에 있어서의 파단 직전의 평균 응력, 즉 인장 파단 강도의 3분의 1(이것은 단축 인장에서 파단하기 직전의 최대 인장 하중의 상태에 있어서의 평균 응력을 나타낸다. 단축 인장에서는 인장축과 수직인 2방향의 응력이 0이므로, 인장축 방향의 응력의 3분의 1이 평균 응력으로 된다)까지를 포함할 수가 있다. 따라서, 유리 전이 온도 이하에서 벌크 금속유리를 성형하기 위해서는, 평균 응력이 음의 범위를 포함하여 당해 벌크 금속유리의 인장 파단 강도의 3분의 1 이하인 것이 필요하다.　

벌크 금속유리에 있어서, 전조 가공과 같이, 큰 소성 뒤틀림과, 소성 뒤틀림이 표면 근처에 집중하여 뒤틀림 구배가 커지는 가공에 있어서, 앞에 나온 필요 조건이 충분히 유효한지는 지금까지 분명하게 되어 있지 않았지만, 유한 요소법에 의한 응력 해석과 가공 실험을 반복한 결과, 삼각 나사를 기본으로 하는 금속유리 체결 나사에 있어서 그 유효성이 분명하게 되었다.　

도 3에 유한 요소법 해석에 의해 계산된 전조 가공 중에 생기는 나사 단면의 응력 분포를 나타낸다. 그 내용에 대해서 전조 가공을 나타내는 도 2와 함께 설명한다. 전조 가공은, 도 2 (a), (b)에 도시되듯이, 나사산 및 나사홈에 상당하는 형상을 가지는 전조 다이스 이동측(P1) 및 전조 다이스 고정측(P2)의 2개의 다이스 사이를, 나사축부(42)를 밀어붙이면서 굴림으로써, 금형 형상이 이것에 전사되어 나사산 및 나사홈이 성형되는 방법이다. 이 프로세스를 응력 해석함에 즈음하여, 벌크 금속유리의 특성을 감안하여, 가공 경화를 하지 않는 강(剛) 완전 소성체 모델(소성 변형을 개시하는 상당 응력이 일정치를 취한다고 가정한 모델)을 채용하고, 여기에서는 Zr기 금속유리의 실험치인 1800MPa을 소성 변형을 개시하는 상당 응력으로 하여 일정치로 하였다. 수치 해석의 하나인 유한 요소법에 의해 해석하면, 전조 가공을 나타내는 도 2 (b)의 전조 가공 중기(6)로 대표되는 전조 가공 도중에 있어서, 나사의 내부에 소성 뒤틀림을 일으키는 영역을 나타내는 상당 응력 분포는, 전조 가공 중의 나사의 상당 응력 분포를 나타내는 도 3 (a)와 같이 된다. 이에 의해 소성 변형 영역은, 동 도의 윤곽선 F로 표시되는 상당 응력이 1800MPa(MPa은 응력의 단위) 이상인 사선으로 표시되는 영역(8) 중에 있고, 나사산 및 나사홈의 부근에 있는 것을 알 수 있다. 한편, 나사 단면의 평균 응력 분포를 나타내는 도 3 (b)에 같은 가공 시점의 평균 응력 분포를 나타내지만, 평균 응력이 0MPa인 윤곽선 Q1로부터 나사산 및 나사홈측(도 중 우측)의 대부분은 평균 응력이 음으로 되어 압축 응력 하에 있고, 소성 변형 영역의 임계를 나타내는 상당 응력이 1800MPa인 윤곽선 Q2도 이 중에 포함되는 것을 알 수 있다. 도 3 (b) 중에서, 이 가공 시점에 있어서, 금형에 접하고 있지 않은 나사산 선단 부근에, 약간 평균 응력이 0MPa을 넘어 양으로 되는 부분이 존재하지만, 벌크 금속유리의 인장 파단 강도(1800MPa)의 3분의 1인 600MPa 이하인 것을 알 수 있다. 이렇게 하여, 이론적으로 전조 가공이 크랙의 진전에 의한 파괴를 억제하는 효과가 있는 것이 드러났다.

상기의 이론적인 내용은 복수의 실험에 의해 정당성이 확인되었다. 또, 유리 전이 온도 이하에 있어서 성형이 가능하게 된 것은, 전조 가공이 전형적인 순차 가공, 즉 원통 형상의 벌크 금속유리에 대하여, 5회 정도 밀어넣으면서 굴리고, 밀어넣음량을 순차로 늘리면서 반복해서 가하여, 금형의 나사홈을 전사하여 완성시키는 가공 방법이기 때문에, 전조 가공이 진행할 때마다 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대가 축적되고, 벌크 금속유리의 연성이 개선되어 변형 능력이 향상된 것도 그 요인의 하나라고 생각된다.　

나사의 나사산부 및 나사홈부는 전조 가공 중에 금형을 통해 힘을 받지만, 그 나사의 형상에 의해, 전조 가공 중에 피가공물인 벌크 금속유리 내에 생기는 응력의 상태, 즉 가공 중의 평균 응력이 음(압축)으로 될지 양(인장)으로 될지가 결정된다.　

도 4에 도시되는 나사산의 단면에 있어서, 통상, 체결에 사용되는 도 4 (a)의 삼각 나사의 나사산(9)에 있어서는, 전조 가공의 개시부터 완료까지의 모든 시점에서, 소성 변형 영역이 모두 압축 응력 혹은 인장 파단 강도의 3분의 1 이하에 있는 것이 앞에 나온 유한 요소법 해석에 의해 분명하게 되었다. 이렇게 하여, 미터 나사 및 유니파이 나사 등으로 대표되는 삼각 나사의 금속유리 체결 나사가, 이론적으로 전조 가공이 가능하다는 것이 드러나고, 또 실험에 의해 확인되었다.

이에 반해, 도 4 (b)에 도시되는 각나사, 및 도 4(c)에 도시되는 사다리꼴 나사에 있어서는, 소성 변형 영역으로 되는 각나사의 나사산(10), 사다리꼴 나사의 나사산(11)의 주변에 인장 파단 강도의 3분의 1을 넘는 높은 인장 응력이 생기기 때문에, 유리 전이 온도 이하에서는, 크랙을 일으키지 않고 안정한 정상적인 가공이 행해지는 것은 일반적으로 곤란하다는 것을 실험과 유한 요소법 해석에 의해 확인하였다. 다만, 상당 응력이 소성 변형을 개시하는 값을 넘는 영역(앞에 나온 예에 있어서, 상당 응력이 1800MPa 이상인 영역(9)에 해당)에 있어서, 평균 응력이 압축, 혹은 인장 파단 강도의 3분의 1 이하로 되도록 형상을 수정하면, 정상적인 가공을 행하는 것은 가능하게 된다.　

나사산의 단면을 나타내는 도 4 (a)에 있어서의, 삼각 나사의 나사산 각도 Q3은 40도 이하에서는 축력의 보지(保持)를 충분히 행할 수 없고, 또 70도를 넘으면 나사의 맞물림 부분의 마찰력이 저하하여 헐거워지기 쉽게 된다. 따라서, 체결 나사로서의 기능을 최대한으로 발휘하기 위해서는, 나사산의 각도는 40~70도의 범위에 있는 것이 필요하다. 또, 이들 나사산 각도를 가지는 나사는 전조 가공 중에 있어서, 소성 뒤틀림이 생겨 소성 변형하는 영역의 평균 응력이, 압축 혹은 인장 파단 강도의 3분의 1 이하의 인장 응력인 것이, 각각 유한 요소법 해석과 실험에 의해 나타나므로, 유리 전이 온도 이하에서 벌크 금속유리를 전조 가공할 수가 있다.　

이어서, 상기와 같이 유리 전이 온도 이하에서, 전조 가공에 의해 제작된 금속유리 체결 나사의 기계 특성에 대해서 설명한다.　

나사는 나사홈을 가지므로, 체결되어 인장력(축력)이 나사에 작용했을 때, 이 나사홈의 부근에서 홈 형상에 기인하는 높은 응력이 발생한다(나사홈이 V형을 하고 있고 절결 형상에 근사하기 때문에 생긴다). 그 중에서도 너트 좌면에 가까운 나사측의 제1나사의 홈 바닥 부근이 가장 높게 된다. 여기는 너트와의 끼워맞춤부이므로, 나사 전체의 인장뿐만이 아니라, 나사산의 휨작용에 의한 인장이 중첩되기 때문이다(예를 들면, 야마모토 아키라 등： 일본규격협회, 나사 조임 기구 설계의 포인트, P190 등). 따라서, 연성이 부족한 취성 재료의 나사에서는, 너트 좌면에 가까운 나사측의 제1나사의 홈 바닥 부근으로부터 파단해 버리기 때문에, 신뢰성이 높은 체결을 실현할 수 없었다.　

도 5는 전조 가공에 의해 만들어진 나사 단면도를 나타낸다. 도 5 (a)에서는 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입된 영역, 즉 벌크 금속유리 특유의 미끄럼대를 포함하는 영역(12)이 사선에 의해 표시된다. 체결되어 인장력(축력)이 나사에 작용했을 때, 높은 인장 응력이 발생하는 나사홈의 저부(바닥의 주변 영역)도 이 미끄럼대를 포함하는 영역(12)에 포함된다.　

이 나사홈의 저부에 있어서의 연성의 효과에 대해서 이론적인 관점에서 설명한다.　

파괴 역학에 의하면, 인장 하중이 걸렸을 때, 그것과 수직 방향으로 나아가는 균열의 선단부에서는 매우 높은 인장 응력이 발생한다. 이 선단 영역에 연성이 있으면, 그곳이 인장 소성 변형함으로써 인장 응력이 완화된다. 나사와 같이 절결 형상에 유사한 나사홈이 있으면, 나사의 단면을 나타내는 도 5의 인장 방향(R1)으로 축력에 의한 인장 하중이 걸렸을 때, 이곳이 균열 발생의 선단부의 역할을 하여 높은 인장 응력이 발생한다. 이 나사홈 바닥 영역에 연성이 있으면, 도 5 (a)의 M부를 확대한 도 5 (b)의 인장 소성 변형 영역(13)에 있어서, 인장 소성 변형함으로써 인장 응력이 완화된다. 도 5를 이용하여, 이 인장 소성 변형 영역(13)의 크기를 구하는 계산 방법을 이하에 나타낸다. 도 5 (b)의 나사홈부의 확대도로부터, 인장 소성 변형 영역(13)의 나사홈 바닥으로부터 깊이(거리)를, 도 5 (b)와 같이 r로 하면, 파괴 역학에 의하면, 탄성 한계까지 인장 하중이 걸렸을 때의 r은, 임계 응력 확대 계수 Kc(후술)와, 탄성 한계 응력(탄성 한계의 인장 하중을 유효 단면적으로 나눈 값) σl, 및 원주율 π를 이용하여,　　

로 거의 어림할 수가 있다. 또한, 이 Kc는 균열이 발생하는 부분의 형상과, 탄성 한계 응력 σl에 의해 이하와 같이 구할 수가 있다. 즉, 나사의 홈부를 균열로 간주하여, 등간격으로 원환 균열을 가지는 무한의 환봉으로 가정하면, 임계 응력 확대 계수 Kc는 도 5 (b)의 나사 외경(D)을 이용하여, 식 (2)와 같이 된다(참고 문헌으로서, 우사미： 기계설계, 51권, 15호(2007년), 및 니시타니 등： 일본기계학회 논문집(A편), 50권 453호(1984년)). 또한, 논문 중의 계수에 안전을 위해 0.30으로 한다고 하는 사고방식도 있지만, 여기에서는 표준값인 0.26을 (2)식의 계수로 이용하고 있다.　　

여기서, 식 (2)를 식 (1)에 대입하면

r=0.022×D　　　　　　　　 　···(3)

로 된다. 이 나사홈의 인장 소성 변형 영역(13)의 깊이(r)의 위치가, 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되고 미끄럼대가 축적하고 있는 영역에 포함되어, 연성이 향상되고 있는 것이 필요하게 된다. 즉, 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입된 영역의 깊이를 d로 할 때, d가 r보다 클 필요가 있다. 즉,

d＞r　　　　　　　　　 　　　　　　···(4)

즉, 식 (3)과 식 (4)로부터,

d＞0.022×D　　　　　 　　　　　　···(5)

가 아니면 안된다. 안정한 효과를 얻기 위해서는, 불균일 등을 고려하여, 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 영역(12)의 깊이(d)는 이 최저값의 1.5배 이상인 것이 바람직하다.

전조 전의 형상을, 주조 혹은 절삭에 의해, 나사의 나사산 및 나사홈의 일부를 성형하여, 이것을 중간 형상으로 하고, 그 후 전조 가공을 행하여 나사로 마무리한 경우는, 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되는 영역의 크기가 불충분하게 되어, 상기 식 (4)의 조건을 만족하지 않는 경우가 있다. 이때는 전조를 행해도 응력 집중 완화의 효과를 충분히 얻을 수 없다.　

유리 전이 온도 이하에 있어서 전조 가공을 행함으로써, 소성 뒤틀림이 생기지 않는 내부에, 주조한 대로의 벌크 금속유리에 의한 고강도를 갖게 하고, 표면 부근에는 전조 가공에 의해, 도 5의 미끄럼대를 포함하는 영역(12)과 같이, 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 집적시킴으로써 연성을 향상시킨다. 이러한 종래의 나사에 없는 새로운 조직 설계에 의해, 나사의 홈 형상에 기인하는 응력 집중을 완화하여, 균열을 진전하기 어렵게 하여, 전조 가공을 행하지 않는 금속유리 체결 나사에 비해, 나사의 파단 강도를 향상시키고, 또 강도를 안정화할 수가 있다.　

유리 전이 온도는 벌크 금속유리의 종류에 따라 다르지만, 통상 300℃ 이상이다. 본 발명에 의한 온도 범위는 유리 전이 온도 이하로 하고 있지만, 생산성을 고려하여, 엄격한 열관리나 특수한 윤활제 및 산화 방지를 위한 장치가 불요하게 되는 200℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.　

가공 속도는 표면에 있어서의 금형과의 사이의 소부(燒付)나, 승온에 의한 벌크 금속유리의 결정화를 피하는 것을 고려하여 설정한다. 예를 들면, 유리 전이 온도 이하라도, 가공 속도가 너무 빠르면 가공되는 부분이 단열 상태로 되어 승온하고, 그 부분이 결정화하여 무르게 될 우려가 있으므로, 뒤틀림 속도를 100s^-1 이하로 억제하는 것이 바람직하다.　

전조 가공된 금속유리 체결 나사는 X선 회절법(XRD)에 의해 전조된 나사산 및 나사홈의 미시적 구조를 해석함으로써, 비정질의 비율을 구할 수가 있다. 취화(脆化)의 원인으로 되는 수백 미크론을 넘는 것 같은 매크로(macro)인 편석이나 결정화 입자의 존재는, 유해하고 불가(不可)로 하지만, 그것 이하의 미세 입자 혹은 나노 입자로 불리는 결정 입자에 대해서는, 유해하지 않으면 이것을 포함할 수가 있다. 금속유리가 체결 나사로서 기능하기 위해서는, 전조 가공된 나사축부(71)의 50% 이상이 비정질인 것이 바람직하다. 또한, 나사 두부(41)에 있어서는, 축력에 거의 관여하지 않으므로 이것 이하라도 좋다.

<실시예>

이하에 본 발명의 실시예를 나타낸다.　

제작하는 체결 나사는 산의 각도가 60도인 JIS에 규정되는 크기가 M3인 육각 구멍 붙은 볼트(캡스크류(cap screw))로 하고, 나사의 머리 아래 길이 8mm의 전나사(축부 전체에 나사산과 나사홈을 가지는 나사)를 이용하였다.　

벌크 금속유리로서는, 고강도이고, 고유리 형성능을 가지고, 충격치가 높은 Zr기의 벌크 금속유리 Zr55 Al10 Cu30 Ni5(숫자는 성분 비율을 나타낸다)를 사용하였다. 이 벌크 금속유리의 유리 전이 온도는 410℃이다.　

강도를 생각하면 Fe기 및 그것에 버금가는 Ni기가 바람직하지만, Fe기는 무름이 있고, 또 Ni기는 임계 직경(주조했을 때에 벌크 금속유리가 비정질로 되는 최대 직경)이 작고 결정화하기 쉬우므로 바람직하지 않다. 이에 반해 Zr기는 유리 형성능이 높고, 또 인장 파단 강도도 1800MPa로 나사에 있어서는 충분히 높은 강도이고, 또한 탄성률이 90GPa(90000MPa), 항복 뒤틀림 2.0%로 탄성 범위가 크므로, 경금속과 같은 저탄성률재를 비롯하여 세라믹스와 같은 고탄성률재까지, 폭넓은 재료를 피체결재로 이용하여 헐거워지기 어려운 체결을 실현할 수가 있다.　

도 1과 같이, 소재를 주조법으로 φ5.25, 길이 200mm의 벌크 금속유리의 환봉(1)을 제작한 후, 목적으로 하는 상기 나사와 동등한 체적으로 되도록 잘라내어 주조용 소재(3)를 만들었다.　

상기 주조용 소재(3)를, 진공 흡입 후에 아르곤 가스로 치환한 분위기 중에서, 고주파 유도 가열에 의해 920℃로 승온하여 재용해하고, 나사 두부(41) 및 나사축부(42)를 형성하기 위한 형에 부어 넣어, 주조에 의한 나사의 중간 형상품(4)을 제작하였다. 금형으로는, 당해 벌크 금속유리가 비정질을 형성하기 위한 최저의 냉각 속도인 임계 냉각 속도를 고려하여, 적당한 열전도율과 금형 수명을 가지는 강철을 선정하였다.　

크기가 M3인 주조에 의한 나사의 중간 형상품(4)을 이용하여, 나사산의 각도를 60도로 한 전조 다이스 이동측(P1)과 전조 다이스 고정측(P2)을 이용하여, 실온(약 20℃)과 온간(溫間)(180℃)의 2조건으로, 도 2에 나타내는 전조 가공을 행하여 나사산 및 나사홈의 성형을 행하였다.　

도 6은 실온에서 전조 가공을 완료한 나사(7) 외관의 주사형 전자현미경상이다. 도 6 (a)는 전체상이고, 도 6 (b)는 나사부의 확대상이다. 이에 의해, 전조 가공으로 성형된 나사산(14)이 정상적으로 성형되어 있는 것이 확인되었다. 또, 전조 가공을 완료한 나사(7)는 각 부의 치수 측정에 의해 모두 규격 내에 있는 것을 확인하였다.　

도 7에 Cr－Kα선을 이용한 X선 회절 시험(XRD)의 결과를 나타낸다. 종축은 X선의 강도를 나타내고, 횡축은 입사각을 나타내고 있고, 나사산부와 나사 두부의 2개 부분의 시험 결과를 각각 A, B로서 나타내고 있다. 이에 의해, 전조 가공으로 성형된 나사산부 A는 회절 강도에 결정의 존재를 나타내는 명료한 피크가 없는 것에 의해 비정질로 되어 있는 것이 확인되었다. 또, 나사 두부 B에는 결정의 피크가 몇 개인가 보여 일부 결정화하고 있는 것을 알 수 있다.　

도 8은 전조 가공 중의 나사산을 나타낸다. 이로부터, 2개의 나사산이 형성되어 있는 부분에, 줄무늬 모양으로 미끄럼대(15)가 보인다. 이들 미끄럼대가, 전조 가공이 진행함과 아울러, 나사산 및 나사홈의 부근에 축적되어 이 부분의 연성이 향상된다.　

도 9는 나사 단면의 상당 뒤틀림 분포를 나타내고 있다. 이것을 이용하여, 도 5에 도시되는 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 영역(12)의 깊이(d)를 이론적으로 구할 수가 있다(도 3에 있어서, 상당 응력이 1800MPa인 윤곽선 Q2에 의해 구할 수도 있지만, 여기에서는 보다 알기 쉽게 하기 위해서 상당 뒤틀림 분포를 사용한다).　즉, 도 9 중의 윤곽선 B로부터 나사의 표면측의 영역은 상당 뒤틀림이 0.24 이상이고, 대상으로 되는 벌크 금속유리의 탄성 한계 뒤틀림 0.02를 넘고 있으므로, 소성 뒤틀림이 도입된 영역인 것을 알 수 있다. 윤곽선 B는 나사홈으로부터의 깊이가 약 0.3mm이므로, 적어도 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 영역(12)의 깊이(d)는 0.3mm보다 깊은 위치로 되어, 0.3mm보다 큰 값을 취하는 것을 알 수 있다. 다음에, 도 5에 도시되는 인장 하중이 파단 하중 부근까지 인장 방향(R)으로 걸렸을 때에, 나사홈에 생기는 인장 소성 변형부(13)의 깊이(r)는 대상으로 되는 M3 나사의 외경(D)이 3mm이므로, 식 (3)으로부터 r=0.022×3mm=0.066mm로 된다. 이에 의해, d는 r의 4배 이상으로 되어, 식 (4)의 d＞r, 즉 식 (5) d＞0.022D의 관계가 성립하므로, 인장 하중이 걸렸을 때에 생기는 인장 소성 변형부(13)는, 전조에 의해 도입된 연성을 주는 미끄럼대를 포함하는 영역(12)에 포함되어, 나사홈의 저부에 생기는 인장 응력을 완화할 수가 있다.　

도 10은 나사 단면의 비커스 경도 시험의 결과를 나타낸다. 종축은 100g의 하중에 의한 비커스 경도를 나타내고, 횡축은 나사의 종단면에 있어서, 나사홈 바닥으로부터 나사축의 중심을 향하는 깊이를 나타낸다. 측정은 0.05mm 간격으로 행해져 도 10과 같은 꺾은선 그래프를 작도하였다. 도 10으로부터, 홈 바닥으로부터의 깊이가 0.36mm로부터 표면을 향해 경도가 낮아지기 때문에, 이것을 가지고 전조 가공에서 도입된 소성 뒤틀림에 의한 미끄럼대를 포함하는 영역(12)의 깊이(d)라고 생각할 수가 있다. 이 값은 상기의 유한 요소법에 의한 상당 뒤틀림의 해석 결과와 거의 동등하고, 이 결과로부터도 d＞0.022D의 관계가 성립하는 것을 알 수 있다.　

도 11은 벌크 금속유리를 이용하여 전조 가공을 완료한 나사(7)와, 주조에 의한 나사의 중간 형상(4)을 절삭 가공함으로써 나사산과 나사홈을 성형한 크기가 같은 M3의 절삭 금속유리 체결 나사에 대해서, 나사의 인장 파단 강도의 시험을 행한 결과이다. 나사의 인장 파단 강도는, 인장에 있어서의 최대 파단 하중을 나사의 유효 단면적((나사의 피치 직경＋나사홈 직경)/2의 직경으로 그려지는 원의 면적)으로 나눈 값으로 표시된다. 실온에서 전조 가공된 냉간 전조 가공품, 및 온간(180℃)으로 전조 가공된 온간 전조 가공품의 어느 인장 파단 강도도, 절삭 가공에 의해 성형된 절삭 금속유리 체결 나사의 그것보다도 크다. 또, 나사의 신장(인장 파단할 때까지의 나사의 머리 아래로부터 너트 좌면까지의 길이의 변화량)은 절삭 금속유리 체결 나사의 평균 신장을 1.0으로 한 경우의 각각의 배율로 표시된다. 냉간 전조 가공 및 온간 전조 가공의 금속유리 체결 나사는 절삭 금속유리 체결 나사의 1.7~1.8배의 신장을 나타낸다.　

도 12는 실온에서 전조된 금속유리 체결 나사와 절삭에 의한 금속유리 체결 나사의 인장 시험에 있어서의 하중-변위 선도를 나타낸다. 횡축을 나사의 신장을 나타내는 인장 방향의 변위로 하고, 종축을 그때의 하중으로 하여, 나사가 파단할 때까지 각각의 나사를 인장했을 때의 관계를 나타내고 있다. 이에 의해, 파선으로 표시되는 절삭 금속유리 체결 나사는, 전조에 의한 도 5의 미끄럼대를 포함하는 영역(12)을 가지지 않으므로, 연성을 나타내지 않고 직선의 도중에서 돌연 파단하고 있다. 이에 반해, 전조에 의한 금속유리 체결 나사는, 변위의 증가에 따라 도중에서 직선성으로부터 약간 벗어나 위로 볼록한 비선형의 곡선을 나타내고 있다. 이것은 나사홈의 저부에서, 도 5 (b)의 인장 소성 변형부(13)에서, 인장 소성 신장이 생겼기 때문이고, 나사로서의 연성이 나타난 것을 보여주고 있다.　

또, 도 12로부터, 파단 하중이, 전조에 의한 금속유리 체결 나사 쪽이 절삭 금속유리 체결 나사보다도 크게 되어 있다. 이것은 전조에 의한 금속유리 체결 나사는 나사홈에 있어서의 응력 집중이 완화되므로, 절삭 나사와 같이 직선의 도중, 즉 탄성 영역의 도중에서 취성 재료와 같이 돌연 파단하지 않는다. 나사의 내부에, 주조한 대로의 벌크 금속유리의 강도를 유지하고, 나사산 및 나사홈 부근에 전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되어 미끄럼대를 포함하는 영역(12)이 배치되고, 이 부분에 연성을 부여함으로써 이들이 균형 있게 작용하여 파단 강도가 향상되어 있다.　

도 13은 JIS의 M3 나사에 있어서, 다른 나사와의 나사의 인장 파단 강도의 비교를 나타낸 것이다. 비교재로서 SUSXM7(오스테나이트계 스테인리스강 나사), 하이텐(기계 체결용의 고항장력 볼트) 및 베타티탄(고강도의 베타티탄 나사)의 인장 파단 강도를 이용하고 있다. 본 발명에 의한 전조에 의한 온간(180℃), 및 실온에서 전조 가공에 의해 만들어진 전조에 의한 금속유리 체결 나사는, 샘플 2개를 이용하여 나타나 있지만, 모두 비교 나사 중에서 최고 강도인 하이텐 나사보다 1.3배 정도 강도가 높다. 금회의 크기가 M3인 금속유리 체결 나사는 계산상, 하이텐에서는 거의 하나 위의 나사 크기인 M4에 상당하는 나사의 인장 파단 하중을 가지고 있다.　

제작된 10개의 금속유리 체결 나사에서, 나사의 인장 파단 강도의 불균일의 정도를 측정한 바, 절삭 금속유리 체결 나사는 평균 인장 파단 강도의 약 15%의 범위에서 인장 파단 강도가 흩어져 있는데 반해, 전조에 의한 금속유리 체결 나사는 그것이 3%의 범위로 작았다. 이것은 전조에 의해 만들어진 금속유리 체결 나사에서는, 나사홈부의 연성이 향상되고, 응력 집중이 완화되어, 파단 하중이 안정한 것을 나타내고 있다.　

이와 같이, 유리 전이 온도 이하에서 전조 가공에 의해 성형된 금속유리 체결 나사는, 나사의 인장 파단 강도가 다른 고강도 나사에 비해 큰 값을 가지고, 또 벌크 금속유리가 가지는 큰 탄성 한계 뒤틀림이라고 하는 특성을 가지므로, 축력이 안정하고, 또 피체결체와의 접촉 면적이 증대하여 마찰력이 증가함으로써, 나사 자체에 헐거워지기 어려운 특성을 가지고, 또한 나사의 표면의 연성이 향상됨으로써, 나사홈의 응력 집중이 완화되어 안정한 강도를 유지할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 체결 나사가 제공된다.

<산업상 이용 가능성>

CO₂ 가스의 배출량의 삭감 및 에너지 절약에 유효한 경량 부재에 있어서, 헐거워지기 어려운 금속유리 체결 나사를 실현하여 폭넓게 산업계에 공헌한다.　

고속화가 진행되는 가공기나 물 주변 및 부식 환경에 있어서는, 세라믹스가 부재로서 사용되지만, 이 부재에 대해서도 헐거워지기 어려운 금속유리 체결 나사를 실현하여 널리 산업계에 공헌한다.　

의료 관계에 있어서도, 생체 적합성을 가지는 벌크 금속유리(Ti기, Pd기, Zr－Pd기 등)를 선정하고, 또 체결 대상으로 되는 뼈 등과 탄성률이 근사한 벌크 금속유리를 선정함으로써, 헐거워지기 어려운 생체용의 금속유리 체결 나사의 제공이 가능하게 된다.

1:　벌크 금속유리 환봉　 2:　깎아내기에 의한 나사 중간 형상품
3: 주조용 소재 4: 주조에 의한 나사의 중간 형상품
41:　나사 두부 42:　나사축부
5: 전조 가공 초기 6:　전조 가공 중기
7:　전조 가공을 완료한 나사 71:　전조 가공된 나사의 축부
8:　상당 응력이 1800MPa 이상인 영역
9:　삼각 나사의 나사산 10:　각나사의 나사산
11:　사다리꼴 나사의 나사산 12:　미끄럼대를 포함하는 영역
13:　인장 소성 변형 영역 14:　전조 가공으로 성형된 나사산
15:　미끄럼대 P1:　전조 다이스 이동측
P2:　전조 다이스 고정측 Q1:　평균 응력이 0MPa인 윤곽선
Q2:　상당 응력이 1800MPa인 윤곽선
Q3:　나사산 각도 R1:　인장 방향

Claims (6)

1. 나사의 나사산 및 나사홈의 가공에 있어서, 비정질로 이루어지는 벌크 금속유리를, 피가공재인 벌크 금속유리의 유리 전이 온도 이하에서, 전조 가공에 의해 성형하는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사.
2. 제1항에 있어서,
   전조 가공에 의해 소성 뒤틀림이 도입되는 영역의 나사홈 바닥으로부터의 깊이를 d로 하고, 나사 외경을 D로 했을 때, d＞0.022×D의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   나사산 각이 40~70도의 범위에 있는 삼각 나사인 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사.
4. 제1항에 있어서,
   상기 벌크 금속유리는 Ti기, Pd기, 또는 Zr기 중 적어도 하나를 포함함으로써, 생체용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 벌크 금속유리는 항복점이 낮고, 탄성률이 낮은 피체결재를 체결하는 경우는, 체결시에, 피체결재의 영구 뒤틀림(함몰)에 의한 헐거워짐을 방지하기 위해서, 피체결재와 동등 혹은 낮은 탄성률을 가지는 Mg기, Pt기, Ti기, Zr기의 어느 것인가를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속유리 체결 나사.
6. 제1항 또는 제4항에 기재된 금속유리 체결 나사의 제조 방법으로서,
   상기 벌크 금속유리의 소성 변형을 일으키는 영역의 평균 응력이 압축 응력이거나, 또는 상기 벌크 금속유리의 인장 파단 강도의 3분의 1 이하의 인장 응력이고, 전조 가공에 의해 성형되는 금속유리 체결 나사의 제조 방법.

Images