(57)【要約】 【課題】  ボルト等の締結部材とマグネシウム合金やアルミニウム合金部材とを絶縁して電食を防止するにあたり、低コストで、両者の密着性及び耐久性を十分に確保できる電食防止構造を提供する。【解決手段】  異なる金属からなる金属部材を締結するためのガラス被覆ボルトの製造方法であり、Ｃ：０．３７〜０．５３重量％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５重量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０重量％、残部がＦｅからなるボルトを転造する工程と、ボルトを加熱した後に急冷する工程と、ボルトを脱脂洗浄する工程と、ボルト表面に単体金属又は合金からなる層を被覆した後に熱処理を行うことによって下地被覆を形成する下地処理工程と、ボルトの少なくともフランジ面の下地処理層表面にＳｉＯ２を主成分とするガラス溶射材料を溶射することによりガラス層を形成する工程と、ボルトを溶射後急冷する工程と、ボルトを加熱処理した後に急冷を行う工程とを有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる金属からなる金属部材を締結するためのガラス被覆ボルトの製造方法であって、
Ｃ：０．３７〜０．５３重量％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５重量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０重量％、残部がＦｅからなるボルトを転造する工程と、
上記ボルトを８５０〜９００℃で１０〜６０分間加熱した後に急冷する工程と、
上記ボルトを脱脂・洗浄する工程と、
上記ボルト表面に単体金属または合金からなる層を被覆した後に３５０℃以下で熱処理を行うことによって厚さ１０〜１００μｍの下地被覆を形成する下地処理工程と、
上記ボルトの少なくともフランジ面（被締結部材との接触面）の上記下地処理層表面に８５０〜１０００℃でＳｉＯ２を主成分とするガラス溶射材料を溶射することにより厚さ１０〜１００μｍのガラス層を形成する工程と、
上記ボルトを溶射後１００℃以下に一度急冷する工程と、
上記ボルトを４００〜５５０℃で２０〜１２０分間加熱処理した後に急冷を行う工程とを有することを特徴とするガラス被覆ボルトの製造方法。
【請求項２】
マグネシウム、アルミニウム、またはこれらの合金からなる金属部材を被締結部材として用い、請求項１に記載の方法によって製造したガラス被覆ボルトを締結部材として用いたことを特徴とする金属部材の電食防止構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウムやアルミニウム等の合金部材を、この合金部材とは異種の金属からなる締結部材（ボルト）で締結する構造において、締結部分における電気的腐食（電食）の発生を未然に防止する技術に関する。 
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車産業においては、環境問題への関心が高まるにつれてさらなる燃費向上が要望されるようになってきている。このような要望に対応するために、自動車産業では、自動車車体の軽量化の検討が必要となり、実用金属の中で軽量なマグネシウム合金やアルミニウム合金を部品として使用することが多くなってきている。特に最近では、外装や構造部品のように非常に高い耐食性が求められる部位への適用が進められようとしている。
【０００３】
しかしながら、マグネシウム合金は最も卑な実用合金であるため、鉄やアルミニウムといった異種金属と締結する場合に、電解質を含む水分の存在下において電食が発生し易いという問題がある。特に自動車のエンジンルーム内や足廻り部分においては、雨水や融雪塩等に含まれる電解質の働きによって電食が著しく促進され、締結部分に不具合すなわち緩みを招くおそれがある。そこで、このような問題に対して、アルミニウム製のワッシャに陽極酸化を施して絶縁したり（例えば、特許文献１参照）、ボルトに樹脂を被覆したりする対策が提案されている（例えば、特許文献２および３参照）。
【０００４】
しかしながら、アルミニウム製のワッシャに陽極酸化を施すには、コストが著しくかかってしまうといった欠点があり、ワッシャを組み込む工程が必要となり効率が悪いという問題がある。さらに、陽極酸化皮膜は、アルカリに弱いという欠点がある。また、ボルトに樹脂を被覆した場合には、ボルトに対する樹脂塗膜の密着性およびそれに伴う耐久性が要求されるが、上記従来技術においては密着性および耐久性が十分とは言えず、塗膜が剥離して電食が起こることが懸念され、密着性を向上させることが課題となっている。
【０００５】
耐食性皮膜を形成する他の方法として、１００℃以上に加熱した被塗物にガラスを溶射して、ガラス皮膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７１５７５８号
【特許文献２】特公昭５８−４００４５号公報
【特許文献３】特開２００３−６４４９２号公報
【特許文献４】特許第２９３７３６９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、本発明者らがボルトの表面を特許文献４に開示の方法によって被覆することを試みた結果、通常の焼入れおよび焼戻しを行ったボルトにガラス溶射を行うと、ボルトがなまり、強度が低下するという問題点があった。
【０００８】
したがって本発明は、例えば鋼製のボルトやワッシャ等の締結部材とマグネシウム合金部材とを絶縁して電食を防止するにあたり、コストを増大させることなく、両者の密着性および耐久性を十分に確保することができる電食防止方法および電食防止構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の金属部材の電食防止方法は、異なる金属からなる金属部材を締結するためのガラス被覆ボルトの製造方法であって、Ｃ：０．３７〜０．５３重量％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５重量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０重量％、残部がＦｅからなるボルトを転造する工程と、ボルトを８５０〜９００℃で１０〜６０分間加熱した後に急冷する工程と、ボルトを脱脂・洗浄する工程と、ボルト表面に単体金属または合金からなる層を被覆した後に３５０℃以下で熱処理を行うことによって厚さ１０〜１００μｍの下地被覆を形成する下地処理工程と、ボルトの少なくともフランジ面の下地処理層表面に８５０〜１０００℃でＳｉＯ２を主成分とするガラス溶射材料を溶射することにより厚さ１０〜１００μｍのガラス層を形成する工程と、ボルトを溶射後１００℃以下に一度急冷する工程と、ボルトを４００〜５５０℃で２０〜１２０分間加熱処理した後に急冷を行う工程とを有することを特徴としている。
【００１０】
本発明の電食防止方法においては、締結部材に焼入れを行い、この締結部材の表面に前記下地処理層を構成する単体金属または合金成分を設け、加熱して締結部材と下地処理層との界面において界面拡散処理を行い、下地処理層の表面にガラスを溶射・急冷し、最後に焼戻し加熱しているので、締結部材と下地処理層の界面において両成分が相互に拡散しているとともに、下地処理層とガラス層の界面においても両成分が相互に拡散している。したがって、下地処理層は締結部材の表面から剥離しにくく、電食が効果的に防止され、また、ガラス層も下地処理層表面から剥離しにくく、耐久性が格段に高い。従来は締結部材の表面処理の前に焼入れおよび焼戻しを行っていたので、表面処理における再度の加熱で締結部材の強度が低下していた。本発明のよう締結部材の焼戻しを最後に行うことで、締結部材の強度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の金属部材の電食防止構造および電食防止方法について詳細に説明する。
図１は、本発明の電食防止構造を有する金属部材の一例であるボルトを示す。図１（Ａ）において、符号１は例えば鋼製のボルト本体であり、その表面のうち、少なくとも異種金属からなる被締結部材と接触する箇所には、単体金属または合金からなる下地処理層２が設けられている。さらに、下地処理層２の表面には、ガラス層３が設けられている。なお、図１（Ｂ）に示すように、ボルト１の全表面に下地処理層２およびガラス層３を設けることも可能である。
【００１２】
本発明に用いるボルトの材質は、Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳ  Ｇ４０５１）のような調質材（焼入れ・焼戻しを調質する鋼材）とする。熱処理を施すことにより強度を出したものでない場合、ガラス溶射の熱処理により好ましくない組織変化を起こし、ボルトの強度低下につながるためである。また、このような鋼材には、不純物としてリンや硫黄を含んでいてもよい。
【００１３】
このような電食防止構造を有するボルトは、次のような方法で作製することができる。まず、上述の鋼材を鍛造してボルト形状とし、円柱部分を転造してネジ溝を切り、続いて、このボルトに焼入れ（加熱後急冷する工程）を行う。このときの温度は、８５０〜９００℃であることが好ましい。焼入れ温度が８５０℃以下の場合、鋼材のフェライト層が完全にオーステナイト変態することができず、ボルト強度に問題を有し、９００℃以上の場合は、それ以上の効果の増大が認められないので、エネルギーコストが増大してしまう。また、焼入れ時間は、１０〜６０分間が好ましい。１０分未満の場合、ボルトに熱が均一に伝わらず、必要な組織に変態することができず、一方、６０分を超えると、同様に効果の増大が認められないので、エネルギー効率が悪化してしまう。
【００１４】
なお、焼入れ工程と後述のガラス溶射工程を兼ねることによって焼入れを省略することはできない。ガラス溶射工程では、加熱温度に関しては焼入れを行うのに十分な温度で加熱されるが、溶射時間が数秒〜１分程度であるため、上述したように、ボルト全体の組織がオーステナイト組織になることができず、先に焼入れを十分行う必要がある。
【００１５】
焼入れ工程に続いて、脱脂および洗浄を行う。従来技術では、焼入れの直後に焼戻しを行うが、本発明では、８５０℃以上での溶射工程を有するため、焼入れの直後に焼戻しを行わず、次工程に進む。
【００１６】
次に、下地処理層を形成する材料をボルト表面に形成する。下地処理層に用いられる金属は、特に限定されず任意のものを使用することができるが、密着性や耐久性の観点から、アルミニウム、鉄、クロム等を用いることが好ましい。また、合金を用いる場合は、ステンレス合金や、アルミニウム合金が好適に用いられる。下地処理層をボルト表面に設ける方法としては、下地処理層成分を溶融状態で溶射することが挙げられる。
【００１７】
ボルト表面の一部あるいは全体に下地処理層を形成した後に、約３５０℃に加熱して界面拡散処理を行う。この処理を行うことで、ボルトの構成成分および下地処理層の構成成分が界面を越えて相互に拡散し、界面近傍にいわゆる金属間化合物を形成する。これにより、ボルト本体と下地処理層の密着がより強固なものになる。下地処理層の厚さは１０〜１００μｍであることが好ましく、１０μｍ未満の場合は、下地処理層とボルト間の拡散が不足し、密着性が悪化する。１００μｍを超える場合は、均一な厚さが得られないと共に、密着性向上の効果がそれ以上増大しないので、エネルギー効率が悪化する。より好ましくは、２５〜５０μｍである。
【００１８】
続いて、下地処理層の表面にガラス層を設ける。ガラス層を構成する成分は、ＳｉＯ２を主成分として８５％以上含むものが好ましい。ガラス層の形成方法としては、溶融状態のガラスを溶射することが挙げられるほか、溶融状態のガラスを塗布または浸漬したり、固体状態の粒子を噴霧する等の方法が挙げられる。ガラス層を溶射によって形成する場合は、８５０〜１０００℃の範囲で行うことが好ましい。８５０℃未満の場合は、ボルト表面温度が８５０℃以上とならず、ボルト表面組織にフェライト層が析出し、強度低下を起こす。一方、１０００℃を超える場合、効果の増大がそれ以上見込めず、エネルギー効率が悪化する。
【００１９】
ガラス層の厚さは、１０〜１００μｍが好ましく、１０〜３０μｍであるとより好ましい。この範囲に満たない場合は、均一に膜が形成されず、絶縁機能が低下する。一方、この範囲を超えた場合は、接触面積が大きくなるため、輸送時等にボルト同士が接触した際に、欠けが発生しやすくなる。
【００２０】
ガラスを溶射した後は、急冷して焼戻しを行う。急冷せずに焼戻しを行うと、ボルト表面組織にフェライト層が析出し、強度低下を起こすからである。焼戻しは、４００〜５５０℃で６０〜１２０分間行う。焼戻し温度が４００℃未満の場合、フェライト層が多く出るため、低温焼戻し脆性を起こし、一方、５５０℃を超えると、フェライトが減少しマルテンサイトが多くなるため、高温焼戻し脆性を起こし、いずれもボルトの靭性が低下してしまう。焼戻し時間が２０分未満の場合、ボルトに熱が均一に伝わらず、必要な組織に変態することができず、一方、６０分を超えると、同様に効果の増大が認められないので、エネルギー効率が悪化してしまう。
【００２１】
ガラス層の表面のうち、被締結部材と接触する面の面粗度は、６．３〜２５Ｓであると好ましい。この範囲にすることで、トルク係数のバラツキが少なくなり、的確なトルク管理が可能となる。面粗度が６．３Ｓ未満の場合は、被締結部材との摩擦が低すぎて、所定のトルクで締結した場合に過大な軸力が発生して、被締結部材あるいはボルトの破断・変形の原因となる可能性がある。一方、面粗度が２５Ｓを超える場合は、同じく所定のトルクで締結した場合に、必要な軸力が発生しない。
【００２２】
以上のようにして作製した本発明のボルトによれば、被締結部材はガラス層を介して接触するので、ボルトと被締結部材は絶縁され、異種金属間で問題となっていた電食を防止することができる。また、ボルト本体と下地処理層との密着性および下地処理層とガラス層との密着性が向上しているので、輸送時や使用時において絶縁性および耐久性が向上している。さらに、面粗度を本発明の範囲に規定することで、所定のトルクに対して適切な範囲の軸力が発生するので、好適である。
【実施例】
【００２３】
次に、実施例によって本発明の作用効果をより詳細に説明する。 
（１）製造方法の比較
＜実施例１＞（ガラス溶射ボルト）
組成比がＣ：０．４５重量％、Ｓｉ：０．２０重量％、Ｍｎ：０．４５重量％、および残部：Ｆｅのボルトを鍛造し、続いて転造してネジ溝を切った。このボルトに８５０℃で３０分間焼入れを行い、脱脂・洗浄した後、溶融ステンレス（ＳＵＳ−３１６Ｌ）を溶射して下地処理層を形成し、３５０℃に加熱してボルト母材および下地処理層間の界面拡散処理を行った。続いて、下地処理層の表面に、ＳｉＯ２：９０重量％、Ｂ２Ｏ３：３重量％、Ａｌ２Ｏ３：２重量％、ＬｉＯ２：５重量％の組成を有するガラス材料を８５０℃で３０秒間溶射し、その後、室温まで急冷した。続いて、４２５℃で６０分間熱処理（焼戻し）を行った。
このボルトの下地処理層の厚さは４５μｍ、ガラス層の厚さは６５μｍ、面粗度は１２．５Ｓ、ボルト硬度はＨｖ２７７〜２８３であった。
【００２４】
＜比較例１＞（ガラス溶射ボルト）
鋼製のボルトを鍛造し、転造してネジ溝を切った。このボルトに８５０℃で焼入れを行い、続いて４５０℃で焼戻しを行い、脱脂・洗浄した後、溶融ステンレス（ＳＵＳ−３１６Ｌ）を溶射して下地処理層を形成し、３５０℃に加熱してボルト母材および下地処理層間の界面拡散処理を行った。続いて、下地処理層の表面に、実施例１と同一組成のガラス粒子を溶射し、７００℃で焼成を行った。
【００２５】
＜比較例２＞（亜鉛メッキボルト）
鋼製のボルトを鍛造し、転造してネジ溝を切った。このボルトに８５０℃で焼入れを行い、続いて４５０℃で焼戻しを行い、脱脂・洗浄した後、亜鉛メッキおよびクロメート処理を行った。
【００２６】
実施例１のボルトは、ガラス被覆処理前には焼入れのみを行い、ガラス被覆処理後に焼戻しを行っているので、ボルトの強度（硬度）が確保できた。また、ガラス被覆が施されているので、異種金属との接触においても絶縁性が保たれて電食は生じなかった。一方、比較例１のボルトは、従来のボルトの製造方法に基づいてガラス被覆処理前に焼入れおよび焼戻しを行っているので、ガラス被覆処理後の焼成によってボルトの強度（硬度）が低下していた。また、亜鉛メッキボルトは、強度（硬度）には問題がないものの、ガラス被覆層を有していないため、異種金属との接触によって電食を起こしてしまい、耐久性に問題があった。
【００２７】
（２）輸送時のガラス皮膜耐久性試験
本発明の実施例１の方法によって、サイズ（Ｍ６×３０）のボルトを１００本ずつ作製し、輸送容器（３３０×２３０×１２０ｍｍ）に緩衝材を用いずに梱包した。また、比較例３の樹脂被覆ボルト（同サイズ）を１００本作製し、同様に梱包した。これら輸送容器を往復摺動試験機にセットし、振幅１５ｃｍ、振動数１Ｈｚの振動を１０時間加えて輸送時の振動環境を再現し、耐久試験とした。
【００２８】
耐久試験後、各ボルトの外観を観察した結果、比較例３のボルトでは１００本中２３本にガラス皮膜の破損が観察されたが、実施例１のボルトでは、破損は全く生じていなかった。このように、本発明のボルトは従来のボルトと比較して耐久性が格段に向上していることが分かる。
【００２９】
（３）耐塩水噴霧およびアルカリ浸漬による樹脂の耐久性試験 
本耐久試験には、上記実施例１、比較例１および２のボルトを用いたほか、上記特許文献１に記載のアルマイト加工を行ったボルトおよび上記特許文献３に記載の樹脂被覆を行ったボルトをそれぞれ比較例３および４として用いた。被締結部材としてはマグネシウム合金ＡＺ９１Ｄ材を用い、上記各ボルトを用いて、図２（Ａ）の模式図に示すように締結した。各試験片に対してＪＩＳ  Ｋ２７３１に準じた試験方法で、塩水を２４０時間噴霧した後、マグネシウム合金の錆びの発生を調べた。これらの結果を、表１の絶縁性（初期）の欄に示す。また、実施例および比較例の各ボルトに対して上記（２）に記載の輸送時ガラス皮膜耐久試験と同様の条件で振動を加えて衝突させた後のボルトを用意し、塩水噴霧試験を同様に行った。これらの結果を、表１の絶縁性（輸送後）の欄に示す。さらに、実施例および比較例の各ボルトに対してアルカリ浸漬試験を行った。具体的には、０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液に各ボルトを１００時間浸漬した。その結果を表１に併記した。なお、表１では、◎：錆びの発生なし、○：点状の錆びがわずかに発生、△：錆びの流れ跡が確認できたが実用上問題ない範囲、×：錆が著しく発生して実用不可能、として評価した。また、◎、△、×に対応する塩水噴霧試験後のマグネシウム合金板の外観を図２（Ｂ）に示した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示すように、従来のボルトは、初期絶縁性、輸送後絶縁性、アルカリ浸漬後絶縁性を全てにおいて満足することはできなかったが、本発明のボルトは、いずれも満足しており、高い耐久性を有していることが分かる。
【００３２】
（４）軸力安定性評価
実施例１および比較例２の亜鉛メッキボルト（サイズ：Ｍ６×３０）を用いて、図４に示すように、被締結部材のマグネシウム合金ＡＺ９１Ｄ材を締結した。ボルトの頭部にトルクを加え、被締結部材とボルトのフランジとの間に発生する軸力を測定し、これらの相関関係をプロットした。なお、被締結部材と接触する実施例のボルトのフランジ面（座面）の面粗度は、１２．５Ｓであった。これら締結および軸力測定を、実施例および比較例ともに１０回ずつ行った結果、図３に示すように、実施例のボルトは実線で挟まれる範囲に相関関係を示し、比較例のボルトは破線で挟まれる範囲に相関関係を示した。
【００３３】
図３から明らかなように、実施例のボルトのトルク係数は０．２０〜０．２５であり、亜鉛メッキボルトのトルク係数０．１７〜０．２５と同等レベルであり、しかも上限と下限のバラツキは亜鉛メッキボルトよりも小さく、軸力安定性が向上している。これにより的確なトルク管理が可能になることが分かる。
【００３４】
（５）高温時におけるボルト軸力保持特性
実施例１および比較例２の亜鉛メッキボルト（サイズ：Ｍ６×３０）を用いて、図４に示すように被締結部材のマグネシウム合金ＡＺ９１Ｄ材を締結した。ボルトの頭部に所定のトルクを加え、被締結部材とボルトのフランジとの間に発生する軸力を６００ｋｇｆにした。これら各試験片を１５０℃に加熱して１００時間保持した。１００時間経過後、残存軸力を測定した結果、実施例の軸力低下率は３１％、比較例の軸力低下率は３０％であり、実施例のボルトは比較例とほぼ同等レベルの軸力低下率を有している。
【００３５】
（６）ボルト硬度
実施例に供したボルト本体の強度区分は８．８級であり、８．８級ボルトの規格としては、ビッカース硬度：Ｈｖ２５０〜３２０が要求されるので、図１（Ａ）および図５（Ａ）に示すａ〜ｄの各位置において、それぞれビッカース硬度を測定した。その結果、被覆部ａ〜ｃにおいてはＨｖ２７７〜２８３であり、未被覆部ｄにおいてはＨｖ２８０〜２８３であった。この結果を図５（Ｂ）のグラフに示した。図５（Ｂ）から明らかなように、本発明のガラス被覆ボルトは、要求される範囲のボルト硬度が十分に確保されている。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、マグネシウム合金部材と異種材料からなる締結部材とを絶縁して電食を防止するにあたり、安価で、かつ耐久性および絶縁性を十分に確保することができ、さらに、締結トルクと軸力の関係が安定した的確なトルク管理が可能なボルトを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の電食防止構造の概念を示す模式断面図であり、（Ａ）は被締結部材との接触部のみに電食防止処理を施したボルトの断面図であり、（Ｂ）は全体に電食防止処理を施したボルトの断面図である。
【図２】（Ａ）は、塩水噴霧試験の模式図であり、（Ｂ）は、塩水噴霧試験後の被締結部材の状態を示す写真図である。
【図３】本発明および従来のボルトにおけるトルクと軸力の関係を示すグラフである。
【図４】ボルトの締結状態を示す模式断面図である。
【図５】（Ａ）は、ボルト硬度の測定箇所を示す写真図であり、（Ｂ）は、ボルト硬度の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１    ボルト本体
２    下地処理層
３    ガラス層
４    マグネシウム合金
５    フランジ
６    座面
７    雌ネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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