(57)【要約】【課題】  冷間鍛造が可能で安価なチタン合金製ボルトを提供することを課題とする。【解決手段】    図（ａ）で素材ピース２０は、Ｆｅが０．６〜１．４質量％、Ｏが０．２４〜０．４４質量％、残部がチタン及び不可避的不純物からなるＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成する。この素材ピース２０において、軸部になる部分を絞り加工により小径化する。（ｂ）の絞り成形品２１に頭据え込み鍛造を施すことで、大径部２２をボルト頭にする。（ｃ）は得られた頭付き軸部材２５を示し、この頭付き軸部材２５は、軸部２３の一端にフランジ２７が付いたボルト頭２６を一体的に備える。【効果】  Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成するので、冷間塑性加工が可能となり、加工コストを低減することができ、素材コストを低減することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成すると共に引張強さが少なくとも８００ＭＰａであり、ねじ形成対象部位に絞り加工を施した後に転造法によりねじ形成されたことを特徴とするチタン合金製ボルト。
【請求項２】
前記Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金は、Ｆｅが０．６〜１．４質量％、Ｏが０．２４〜０．４４質量％、残部がチタン及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１記載のチタン合金製ボルト。
【請求項３】
前記Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金において、Ｏの一部を０．０５質量％以下のＮで置換すること特徴とする請求項２記載のチタン合金製ボルト。
【請求項４】
Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金の素材を準備する素材準備工程と、前記素材を冷間にて塑性加工する冷間塑性加工工程と、この工程で得た塑性加工品にねじ加工若しくはねじ成形を施すねじ形成工程とからなること特徴とする引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法。
【請求項５】
前記ねじ形成工程は転造法でねじを成形することを特徴とする請求項４記載の引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法。
【請求項６】
前記冷間塑性加工工程とねじ形成工程との間に、４００〜６００℃で焼鈍を施す熱処理工程を加えることを特徴とする請求項４記載の引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法。
【請求項７】
前記熱処理工程の後にバレル研磨を施す表面処理工程を加えることを特徴とする請求項６記載の引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法。
【請求項８】
請求項６記載の焼鈍は、大気中で行うことを特徴とする引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法。
【請求項９】
前記冷間塑性加工工程に、ねじ形成対象部位に絞り加工を施す絞り工程を加え、減面率を（絞り前の断面積−絞り後の断面積）／絞り前の断面積の式で計算するときに、減面率が１０％〜７０％の範囲になるようにねじ形成対象部位を絞ることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項記載の引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチタン合金製ボルト及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械要素の一つであるボルトは鋼製ボルトが主流である。しかし、近年、高強度及び軽量化が得られるチタン合金製ボルトも実用に供される（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第２９８２５７９号公報（第３頁）
【０００３】
特許文献１の段落番号［００２０］第２行〜第３行に「ここではチタン材としてＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金を用い、・・・」との開示があるが、その他の合金の例示が無いため、特許文献１はＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金をベースにして完成した発明に係ると見なすことができる。
【０００４】
Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金は、α＋β型合金と呼ばれ、チタンにα安定化元素とβ安定化元素とを添加してなる合金であり、高強度が得られることは周知である。
ただし、α＋β型合金は変形抵抗が高く、室温での伸びが小さいため、鍛造法にて成形する場合は、変形抵抗が低下し、伸びが改善する高温での熱間鍛造で成形する必要がある。
【０００５】
熱間鍛造には次のような欠点がある。
熱間鍛造品は高温で成形加工を行うため、熱膨張の影響から寸法精度が低くなる。鍛造品の寸法精度が高いほど歩留率は高くなるが、熱間鍛造品では削り代などの加工代が大きくなり歩留率は低くなる。
また、チタン材は高温で激しく酸化が進行するため、表面のスケールや酸化層の除去が必要となり工程が増える。工程の増加は、コストを引き上げる直接要因となる。
さらに、熱間鍛造には鍛造対象物を高温に加熱する必要があり、そのための熱エネルギーが必要となる。
【０００６】
この点、冷間鍛造であれば、熱エネルギーが不要で且つ熱膨張による寸法精度の低下が無いので、鍛造品を最終製品形状に近似させることが可能である。冷間鍛造が可能なチタン材料としては、純チタン、β型チタン合金が提案されている。
しかし、純チタンは低強度であるため、強度が要求されるボルトには不向きである。
また、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌに代表されるβ型チタン合金はα＋β型チタン合金よりさらに多量のβ安定元素を添加してなる合金であり、高価な合金を多量に添加する必要があるとともに、変形抵抗が高いので、金型の寿命が短く、ボルトは高価になる。
【０００７】
そこで、冷間鍛造が可能で、β型チタン合金並みの強度特性を有し且つ安価なチタン合金製ボルトが必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は冷間鍛造が可能で、β型チタン合金並みの強度特性を有し且つ安価なチタン合金製ボルトを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係るチタン合金製ボルトは、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成すると共に引張強さが少なくとも８００ＭＰａであり、ねじ形成対象部位に絞り加工を施した後に転造法によりねじ形成されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係るチタン合金製ボルトでは、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金は、Ｆｅが０．６〜１．４質量％、Ｏが０．２４〜０．４４質量％、残部がチタン及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係るチタン合金製ボルトでは、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金において、Ｏの一部を０．０５質量％以下のＮで置換すること特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金の素材を準備する素材準備工程と、前記素材を冷間にて塑性加工する冷間塑性加工工程と、この工程で得た塑性加工品にねじ加工若しくはねじ成形を施すねじ形成工程とからなること特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、ねじ形成工程は転造法でねじを成形することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、冷間塑性加工工程とねじ形成工程との間に、４００〜６００℃で焼鈍を施す熱処理工程を加えることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、熱処理工程の後にバレル研磨を施す表面処理工程を加えることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法では、請求項６記載の焼鈍は、大気中で行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項９に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、冷間塑性加工工程に、ねじ形成対象部位に絞り加工を施す絞り工程を加え、減面率を（絞り前の断面積−絞り後の断面積）／絞り前の断面積の式で計算するときに、減面率が１０％〜７０％の範囲になるようにねじ形成対象部位を絞ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明では、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成するので、冷間鍛造が可能となり、加工コストを低減することができる。加えて、引張強さが少なくとも８００ＭＰａであるため、ボルトとして十分な大きさの強度を確保することができる。
そして、転造法であれば圧延筋（フロー）を全て残すことができ、強度的に有利になる。加えて、転造法は転造ダイスを成形品に押しつけるだけであるから、ねじの摩擦係数を容易に安定化させることができる。
【００１９】
請求項２に係る発明では、チタン合金はＦｅが０．６〜１．４質量％、Ｏが０．２４〜０．４４質量％で、さらに請求項３に係る発明では、Ｏの一部を０．０５質量％以下のＮで置換することが可能であり、残部がチタン及び不可避的不純物からなることを特徴とする。この組成であれば安価で入手可能な規格外スポンジチタンを使用することができ、材料費を大幅に下げることができるため、ボルトの低コスト化を促すことができる。
【００２０】
Ｆｅが０．６質量％未満で、Ｏが０．２４質量％未満であると、強度不足や冷間加工性の不足が起こる。また、Ｆｅが１．４質量％を超え、Ｏが０．４４質量％を超えると、冷間加工時に割れが発生しやすくなる。また、Ｏの一部を０．０５質量％以下のＮで置換すると冷間加工時の先端割れの抑制に効果がある。
【００２１】
請求項４に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金の素材を準備する素材準備工程と、前記素材を冷間にて塑性加工する冷間塑性加工工程と、この工程で得た塑性加工品にねじ加工若しくはねじ成形を施すねじ形成工程とからなること特徴とする。
Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成するので、冷間塑性加工が可能となり、加工コストを低減することができる。冷間塑性加工であれば歩留率を容易に向上させることができ、素材コストを低減することができる。
したがって、本発明によれば低コストのチタン合金製ボルトを提供することができる。
【００２２】
請求項５に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、ねじ形成工程は転造法でねじを成形することを特徴とする。
他のねじ形成法であるねじ研削法やねじ切削法は、成形品の表面に存在する圧延筋（フロー）を切断するため、強度上問題が残る。この点、転造法であれば圧延筋（フロー）を全て残すことができ、強度的に有利になる。加えて、転造法は転造ダイスを成形品に押しつけるだけであるから、ねじの摩擦係数を容易に安定化させることができる。
【００２３】
請求項６に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、冷間塑性加工工程とねじ形成工程との間に、４００〜６００℃で焼鈍を施す熱処理工程を加えることを特徴とする。
すなわち、冷間塑性加工後に６００℃以下で焼鈍を施し、冷間塑性加工で成形品に発生する歪みを焼鈍で軽減若しくは除去する。
【００２４】
なお、ここでの焼鈍を４００℃未満で実施すると歪みを十分に除去することができない。また、焼鈍は６００℃を超えた高温で実施すると表面の酸化層が厚くなり、脆化するため、その後の転造工程で微小な割れが発生しやすくなる。そこで、ねじ形成工程の前に実施する焼鈍は４００〜６００℃で行う。
【００２５】
請求項７に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、熱処理工程の後にバレル研磨を施す表面処理工程を加えることを特徴とする。
バレル研磨で成形品の表面の粗さを調整することができる。特にフランジ面の粗さを安定させることで、ボルト締結時のトルクを一定化することができる。
【００２６】
請求項８に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法では、請求項６記載の焼鈍は、大気中で行うことを特徴とする。
チタン材は、酸化しやすく表面への酸化層の形成により疲労強度が低下するため、一般に真空または不活性ガス中で焼鈍が行われている。
本発明では、６００℃以下の焼鈍温度では、疲労強度の低下が発生しないか、発生しても問題とならない程度に僅かであることを見出した。焼鈍を大気中で行えるということは、コスト低減の効果が大きい。
【００２７】
請求項９に係る引張り強さが少なくとも８００ＭＰａであるチタン合金製ボルトの製造方法は、冷間塑性加工工程にねじ形成対象部位に絞り加工を施す絞り工程を加え、減面率を（絞り前の断面積−絞り後の断面積）／絞り前の断面積の式で計算するときに、減面率が１０％〜７０％の範囲になるようにねじ形成対象部位を絞ることを特徴とする。この場合、ねじ形成部のみに絞り加工を施しても良いし、ねじを形成していない軸部も含めて絞り加工を施しても良い。
【００２８】
素材の強度が高いと加工時の変形抵抗が大きくなり、成形加工が難しくなる。一方、高強度ねじを広く供給するためには、ねじの引張り強さが８００ＭＰａ以上であることが求められる。そこで、素材の状態では、８００ＭＰａ未満の強度とし、適切な絞り加工を加えることで残留応力により８００ＭＰａを超えるように設定すると、成形加工が容易になるとともにねじの強度も確保できる。
減面率が１０％未満であると絞り加工による強度向上効果が不十分であり、減面率が７０％を超えると金型との焼付きにより絞り加工が困難となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
【００３０】
素材は、主な工程としてインゴット熔解、分塊鍛造、熱間圧延、冷間伸線、焼鈍工程を経て、コイル材としてボルトヘッダーに供給される。
なお、素材は、Ｆｅが０．６〜１．４質量％、Ｏが０．２４〜０．４４質量％、残部がチタン及び不可避的不純物からなるＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金、さらには、Ｏの一部を０．０５質量％以下のＮで置換したＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系合金が好ましい。
【００３１】
図１は本発明に係る冷間塑性加工工程の一例を示す図である。
（ａ）はコイル材を適当な長さに切断することで得た素材ピース２０を示す。この素材ピース２０において、後にボルト頭になる部分を残し、軸部になる部分を絞り加工により小径化する。
【００３２】
すなわち、ねじ形成工程の先立って、ねじ形成対象部位（素材ピース２０に一部）に絞り加工を施し、減面率を（絞り前の断面積−絞り後の断面積）／絞り前の断面積の式で計算するときに、減面率が１０％〜７０％の範囲になるようにねじ形成対象部位を絞る。
【００３３】
減面率が１０％未満であると絞り加工による強度向上効果が不十分であり、減面率が７０％を超えると金型の焼付きにより絞り加工が困難になる。したがって、減面率は１０％〜７０％の範囲に設定する。
【００３４】
（ｂ）は絞り成形品２１を示し、この絞り成形品２１は、直径がＤの大径部２２と直径がｄの軸部２３とからなる。減面率は、（Ｄ２−ｄ２）／Ｄ２となる。
この様な絞り成形品２１にヘッディング鍛造（頭据え込み鍛造）を施すことで、大径部２２をボルト頭にする。
（ｃ）は得られた頭付き軸部材２５を示し、この頭付き軸部材２５は、軸部２３の一端にフランジ２７が付いたボルト頭２６を一体的に備える。
【００３５】
図２は本発明に係る熱処理工程及び表面処理工程の一例を示す図である。
（ａ）は図１（ｃ）で得た頭付き軸部材２５を示す。この頭付き軸部材２５を焼鈍設備に入れて、大気雰囲気で且つ４００〜６００℃の加熱条件で焼鈍を施す。冷間塑性加工で頭付き軸部材２５に内包した歪みは、焼鈍を施すことで軽減若しくは除去することができ、以降の加工が容易になる。特にこの焼鈍により、首下の残留応力を開放または低減することができ、破断位置が首下になることを防ぐことができる。さらに、この焼鈍を行うことで、０．２％耐力が向上するため、耐力／引張り強さ比が、従来の合金（Ｔｉ６４など）より小さい傾向にある本合金でも、ボルトの規格を十分満足できるようになる。
【００３６】
（ｂ）は焼鈍済み軸部材２８を示す。この焼鈍済み軸部材２８にバレル研磨を施す。バレル研磨は容器（バレル）に焼鈍済み軸部材２８と研磨材（粒）とを投入し、容器を振動又は回転させることで焼鈍済み軸部材２８に研磨材を接触させる研磨法であり、研磨材の大きさ、形状、材質、処理時間を変えることで、出来上がり面粗さを制御することができる。
【００３７】
（ｃ）は研磨済み軸部材３０を示す。この研磨済み軸部材３０の表面は所望の粗さに仕上がる。特にフランジ面２９の粗さは重要である。ＪＩＳＢ０６０１：２００１に規定される「最大高さ粗さＲｚ」を便宜的に面粗さと呼ぶときに、フランジ面２９の面粗さは、バレル研磨前に約１０μｍであったものが、バレル研磨後は約３μｍ以下となった。
このようにフランジ面２９の面粗さを改善することで、ボルト締結時のトルクを一定化することができる。また、ヘッド（ボルト頭）の表面の面粗さも良くなることから、商品性を高めることができる。
【００３８】
図３は本発明に係るねじ成形工程の一例を示す図である。
（ａ）は図２（ｃ）で得た研磨済み軸部材３０を示す。この研磨済み軸部材３０の軸部２３にねじ部を成形する。ねじ成形には転造法、ねじ研削法、ねじ切削法などがある。
転造法は、転造ダイスを軸部２３に押しつけたねじ部を造る技術である。
ねじ研削法は、研削砥石で軸部２３を研削することでねじ部を造る技術である。
ねじ切削法は、バイト、フライスなどの切削具で軸部２３を切削することでねじ部を造る技術である。
【００３９】
（ｂ）は転造法で製造したチタン合金製ボルト３１を示し、軸部２３の一部にねじ部３２を有する。このねじ部３２は軸部２３の全長にわたって設けることもできる。
（ｃ）は転造法以外の方法、ねじ研削法、ねじ切削法などで製造したチタン合金製ボルト３３を示し、軸部２３の一部にねじ部３４を有する。このねじ部３４は軸部２３の全長にわたって設けることもできる。
【００４０】
転造法以外のねじ研削法やねじ切削法は、成形品の表面に存在する圧延筋（フロー）を切断するため、素材強度によっては、ボルトの引張り強さが８００ＭＰａに達していないことがある。
この点、転造法であれば圧延筋（フロー）を全て残すことができ、さらに破壊の起点となるねじ底部に残留応力を付与できることから、強度的に有利になる。引張り強さが８００ＭＰａ以下の素材を用いた場合でも転造加工により、ボルトの引張り強さを８００ＭＰａ以上にすることができる。
加えて、転造法は転造ダイスを成形品に押しつけるだけであるから、ねじの摩擦係数を容易に安定化させることができる。
【００４１】
図４は本発明に係るチタン合金製ボルトの拡大図であり、チタン合金製ボルト３１は、軸部２３の一部又は全部に転造によるねじ部３２を備え、軸部２３の他端にボルト頭２６を備え、このボルト頭２６にフランジ２７を備える。
そして、このチタン合金製ボルト３１はＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金で構成すると共に引張強さが少なくとも８００ＭＰａであることを特徴とする。
【００４２】
なお、本発明では材質をＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系合金にするとともに、以上に述べた塑性加工、焼鈍を施すことで８００ＭＰａ以上の引張り強さを得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、高強度ボルトとして最も需要の多い引張り強さ８００ＭＰａのボルトを、引張り強さ６００ＭＰａが限界であった純チタンボルトと同等以下のコストで供給可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る冷間塑性加工工程の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る熱処理工程及び表面処理工程の一例を示す図である。
【図３】本発明に係るねじ成形工程の一例を示す図である。
【図４】本発明に係るチタン合金製ボルトの拡大図である。
【符号の説明】
【００４５】
２０…素材ピース、３１、３３…チタン合金製ボルト、３２、３４…ねじ部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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