(57)【要約】  ここで説明されるのは、ファスナ組立体における腐食を減少させるチタン合金から形成されたファスナインサートである。腐食、特に異種金属接触腐食の減少に加えて、ファスナインサートは、ステンレス鋼ファスナインサートに比べて、軽量であり、改善された強度対重量比を与える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも約５０．０重量％のチタンと、本質的に、窒素、炭素、水素、鉄、酸素、アルミニウム、バナジウム、スズ、ルテニウム、パラジウム、コバルト、モリブデン、クロム、ニッケル、ニオブ、ジルコニウム、ケイ素、ハフニウム、ビスマス、イットリウム、銅、タンタル、ホウ素、マンガン及びタングステンからなる群から選択された少なくとも１つの他の成分とからなる合金から形成された本体からなるファスナインサート。
【請求項２】
前記インサートが、螺旋コイル状ワイヤの形態であることを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項３】
前記螺旋コイル状ワイヤが、或る角度をなす内壁を有することを特徴とする請求項２に記載のファスナインサート。
【請求項４】
前記螺旋コイル状ワイヤが、ほぼ菱形の断面を有することを特徴とする請求項３に記載のファスナインサート。
【請求項５】
前記螺旋コイル状ワイヤが、約６０度の雌ねじ巻き目を有することを特徴とする請求項２に記載のファスナインサート。
【請求項６】
前記螺旋コイル状ワイヤが、選択的に取り外し可能なタングを含むことを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項７】
前記インサートが、少なくとも１つのノッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項８】
前記インサートが、少なくとも約１６０，０００ｐｓｉの引張強度を有することを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項９】
前記インサートが、少なくとも約３５ＨＲＣの硬度を有することを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項１０】
前記本体が熱処理されることを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項１１】
前記インサートが、前記本体に酸化チタンの外層を与えるように陽極処理されることを特徴とする請求項１に記載のファスナインサート。
【請求項１２】
ａ）少なくとも約６０．０重量％のチタン、
ｂ）約３．２重量％から約８．８重量％までの間のバナジウム、
ｃ）約２．７重量％から約７．０重量％までのアルミニウム、
ｄ）約８．０重量％までのクロム、
ｅ）約５．０重量％までのジルコニウム、
ｆ）約０．０２重量％から約０．６０重量％までの鉄、
ｇ）約０．２５重量％までの酸素、
ｈ）全体の約１．０重量％までの炭素、水素及び窒素、
を含有する合金から形成された螺旋コイル状本体からなるファスナインサート。
【請求項１３】
前記螺旋コイル状本体が、或る角度をなす内壁を有することを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項１４】
前記螺旋コイル状本体が、ほぼ菱形の断面を有することを特徴とする請求項１３に記載のファスナインサート。
【請求項１５】
前記螺旋コイル状本体が、約６０度の雌ねじ巻き目を有することを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項１６】
前記螺旋コイル状本体が、選択的に取り外し可能なタングを含むことを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項１７】
前記インサートが、少なくとも１つのノッチを含むことを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項１８】
前記インサートが、少なくとも約１６０，０００ｐｓｉの引張強度を有することを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項１９】
前記インサートが、少なくとも約３５ＨＲＣの硬度を有することを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項２０】
前記本体が熱処理されることを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【請求項２１】
前記インサートが、前記本体に酸化チタンの外層を与えるように陽極処理されることを特徴とする請求項１２に記載のファスナインサート。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、ファスナインサートに関し、より詳細には、タップ立てされた穴を有する基体とナット組立体との両方に有用な螺旋コイル状チタンワイヤファスナインサートに関する。
【０００２】
（背景技術）
ファスナ組立体には、種々の形状、寸法、設計及び材料がある。多くの締結組立体は、ボルト、ピン、又はスクリューといったファスナを含むだけでなく、基体のタップ立てされた穴又はねじ切りされたナットバレルの中に入れられるファスナインサートも含むことになる。ねじ切りされたファスナとの関連において有用な１つの特定のタイプのファスナインサートは、「Ｗｉｒｅ  Ｃｏｉｌ  Ｓｃｒｅｗ  Ｔｈｒｅａｄ  Ｉｎｓｅｒｔ  ｆｏｒ  Ｍｏｌｄｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する米国特許第２，６７２，０７０号に記載されるような螺旋コイル状ワイヤインサートである。
一般的には、タップ立てされたねじは、インサートが、ねじ係合長さの全体にわたって動的及び静的負荷のよりバランスのとれた分布を与えるので、こうした螺旋コイル状ワイヤインサートの固有の可撓性に起因して強化される。この可撓性はまた、リード及び角度の誤差の変動を補償する。
螺旋コイル状インサートは、通常は、クリンピング、ステーキング、ロック、又はスエージングを呈さず、所定位置にキー結合することを要求しないので、螺旋コイル状ワイヤインサートは、他の手法では受入基体に伝達されることになる負荷を大きく減少させる。こうした螺旋コイル状ワイヤインサートは、通常は、ねじ切りされたファスナのための係留機構として有用ではあるが、高強度の用途に用いられるようにするために、こうしたインサートは、高強度の材料から形成されなければならない。これまでは、ファスナインサートを製造するのに３０２／３０４ステンレス鋼が用いられていた。
【０００３】
ナット及び／又はファスナが他の合金から形成されたファスナ組立体におけるステンレス鋼インサートの使用は、一般には腐食、特に異種金属接触腐食といった或る認識された問題を招くことになる。「異種金属接触腐食」という句は、電解物中の２つの異なる金属間のガルバニ電池における２つの金属のポテンシャル（ｅｍｆ）の差に由来して生じる電流に起因する電気化学的腐食を意味する。
ステンレス鋼ファスナインサートは、異種金属接触腐食を防ぐ目的のために、ジンククロメートで被覆されていた。しかしながら、ジンククロメートの塗布は、厳密な量的制御を要求し、手間がかかると考えられる。ジンククロメートの多過ぎる塗布は、移動を妨げる場合がある。さらに、取付工具は、工具のマンドレル上へのジンククロメートの望ましくない堆積を防止するために、頻繁なクリーニングを要求する。ジンククロメートの少な過ぎる塗布は、例えば不適切な腐食防護といった或る他の問題を招く。
タップ立てされた穴における異種金属接触腐食を防ぐための別の最近の手法は、係属中の米国特許出願第０９／３５６，９８８号に記載されている。この特許出願によれば、異種金属接触腐食を防ぐための改良点は、ステンレス鋼から形成されたファスナインサートをフルオロポリマー組成物で被覆した結果として見出されたものであった。インサートに、コーティング、シーラント、又はめっきを適用する付加的な段階は、製造工程における費用をかさませることになる。
【０００４】
（発明の開示）
したがって、本発明の主な目的は、ファスナ組立体における異種金属接触腐食を、無くせないのであれば、制限する傾向があるチタン合金ファスナインサートを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、同様の寸法及び形状にされたステンレス鋼ファスナインサートよりかなり軽量の、例えば改善された強度対重量比を与えるチタン合金ファスナインサートを提供することである。
これらの目的を達成するために、特に、本発明は、少なくとも約５０．０重量％のチタン、好ましくは６０．０重量％のチタン、さらに好ましくは少なくとも約７０．０重量％のチタンを含有するチタン合金から形成された本体を含むファスナインサートに関するものである。チタン成分に加えて、合金は、窒素、炭素、水素、鉄、酸素、アルミニウム、バナジウム、スズ、ルテニウム、パラジウム、コバルト、モリブデン、クロム、ニッケル、ニオブ、ジルコニウム、ケイ素、ハフニウム、ビスマス、イットリウム、銅、タンタル、ホウ素、マンガン及びタングステンの１つ又はそれ以上を含んでも良い。
合金をワイヤ状に形成する際に、ワイヤは、望ましい断面幾何学的形状に形成し、次いでコイル状にすることができる。ワイヤをおよそ２３℃まで冷却させた後に、該ワイヤを後でより詳しく説明するように熱処理して、特定の引張硬さ及びトルク値を得ることができる。結果として得られる優れた耐腐食性をもつファスナインサートは、軽量で、良好な強度を与えるものとなる。
【０００５】
（発明を実施するための最良の形態）
図１−図２を参照すると、本発明の教示に係るチタン合金から形成されたインサート１０が示されている。種々の形状及び寸法とすることができるファスナインサートは、ねじ切りされたファスナ１２と関連して用いられる螺旋コイル状ワイヤの形態で示されている。図示されるように、インサートは、或るタイプのファスナ組立体に有用なものとなりうるロックするファスナインサートとは対照的に、自由に延びる変化のあるものである。ファスナインサートは、基体１４に沿って設けられたねじ切りされた孔又はタップ立てされた穴１６の中に位置され、ファスナと組み合わされて物体３０を固定する。「自由に延びる」とは、チタンインサートがその全長にわたってほぼ対称な螺旋状コイルであることを意味し、一方、ロックするファスナインサートは、普通は図５に示されるような直線セグメントである少なくとも１つの対称でない巻き目を含む。
ファスナインサート１０は、取り付け前に、その中にしっかりと固定されることを保証するために用いられるタップ立てされた穴より大きい直径をもつように製造されることが好ましい。螺旋状に巻かれたファスナインサートにおいては、コイルは、どんな標準的なねじ切りされたボルト又はスクリューにも事実上適応できる約６０度の雌ねじ巻き目をもつことが好ましい。さらに、ファスナインサートは、挿入工程において有用な取り外し可能な又は離脱されるタングを含んでも良い。
【０００６】
図３及び図４を参照すると、チタンファスナインサート１０を組み入れたナット組立体２０が示されている。ナット組立体は、必要に応じて、上述のような自由に延びる又はロックするファスナインサートのいずれかを含んでも良い。通常のナット製造機械で作成することができるナット２２は、全体としてほぼ一定のピッチ及び直径をもつバレル２４を含む。インサート１０をナットバレル２４の中に挿入した後に、ナットの雌ねじを各端部３２及び３２Ａのそれぞれにおいて変形させて、インサートがナットから係合解除されるのを防ぐことができる。
ナット組立体２０が形成されたときに、ねじ切りされたボルト又はスタッドといったファスナを、ファスナインサートを含むナットの中に挿入して、物体３０を保持することができる。ナット組立体は、上記のような異種金属接触腐食に抵抗するだけでなく、より一様なトルクとより正確な予荷重又は締め付けも与える。
【０００７】
図５及び図６を参照して説明されるように、好ましいファスナインサートの実施形態は、或る角度をなす内壁４２及び４２Ａを有する多数の巻き目４０を含む。相補的な或る角度をなす内壁の組み合わせは、図２及び図４に示されるようにファスナ１２に沿って設けられたねじ溝１８に緊密に嵌合するように働く。
非常に好ましい実施形態においては、多数の巻き目はまた、用途に応じて、タップ立てされた穴１６又はナット２２のねじ溝に緊密に係合するために、或る角度をなす外壁４４及び４４Ａを有する。或る角度をなす内壁及び外壁は、典型的には同じファスナインサートの巻き目に沿って延びるので、複数の巻き目は、ほぼ菱形の断面をもつ傾向がある。
【０００８】
上述の実施形態との関連において有用なファスナインサートを形成するために、少なくとも約５０．０重量％、より好ましくは少なくとも約６０．０重量％のチタン、さらに好ましくは少なくとも約７０．０重量％のチタンを含有するチタン合金が用いられる。チタン成分に加えて、合金は、窒素、炭素、水素、鉄、酸素、アルミニウム、バナジウム、スズ、ルテニウム、パラジウム、コバルト、モリブデン、クロム、ニッケル、ニオブ、ジルコニウム、ケイ素、ハフニウム、ビスマス、イットリウム、銅、タンタル、ホウ素、マンガン、及びタングステンの１つ又はそれ以上を含んでも良い。
【０００９】
好ましい実施形態においては、ファスナインサートは、
ａ）少なくとも約６０．０重量％のチタン、
ｂ）約３．２重量％から約８．８重量％までの間のバナジウム、
ｃ）約２．７重量％から約７．０重量％までのアルミニウム、
ｄ）約８．０重量％までのクロム、
ｅ）約５．０重量％までのジルコニウム、
ｆ）約０．０２重量％から約０．６０重量％までの鉄、
ｇ）約０．２５重量％までの酸素、
ｈ）全体の約１．０重量％までの炭素、水素及び窒素、
を含有するチタン合金から形成されることになる。
【００１０】
非常に好ましい実施形態においては、本発明のファスナインサートは、
ａ）少なくとも約７０．０重量％のチタン、
ｂ）約３．２重量％から約８．８重量％までの間のバナジウム、
ｃ）約２．７重量％から約７．０重量％までのアルミニウム、
ｄ）約４．０重量％から約９．０重量％までの間のクロム、
ｅ）約０．０２重量％から約０．６０重量％までの鉄、
ｆ）約０．１重量％から約０．２５重量％までの酸素、
ｇ）約５．０重量％までのジルコニウム、
ｈ）全体の約１．０重量％までの炭素、水素及び窒素、
を含有するチタンから形成されることになる。
【００１１】
本発明のチタンファスナインサートを形成するのに有用な市販のチタン合金組成物は、Ｄｙｎａｍｅｔ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＴｉ−６−４及びＴｉ−Ｂｅｔａ−Ｃという商標名のものである。
【００１２】
ワイヤを冷却して、該ワイヤが複数の巻き目に沿って或る角度をなす内壁を有し、該ワイヤの長さの少なくとも大部分にわたってほぼ菱形の断面を与えるようにするために、ワイヤの送り速度を注意深く制御しなければならない。例えば、自由に延びるファスナインサートの送り速度は、通常は、チタン合金が応力点又は応力面の欠陥を生じるのを防ぐために、ステンレス鋼ワイヤをコイル状にするための速度に比べて約１０−２０％低い速度で実行される。結果として得られるインサートは、種々のサイズのものとすることができるが、航空宇宙又は自動車製造のような産業用途においては、制限する意味ではなく単なる例として、インサートは、通常は、約０．２インチから約２．０インチまでの間の長さと、約０．２インチから約２．０インチまでの間の外径とを有し、長さ対外径の比は、通常は１：１から３：１までの範囲内である。
【００１３】
チタン合金ワイヤが、適切なサイズとなるような形状にされ螺旋コイル状にされた後に、結果として得られるコイルは通常は熱処理される。この熱処理は、通常は、溶液中で例えば合金のベータ遷移温度を５０−９０℃上回る約７８０−９４０℃の温度で、約１０−６０分間行われる。熱処理が浸漬により溶液中で行われない場合には、こうした処理は、酸素の吸収に起因するアルファの生成を避けるために、真空又は不活性ガス雰囲気において行われることが好ましい。熱処理した後に、体心立方ベータ相が通常は維持される。その後に、コイル状ワイヤは、通常は、約４５０−５００度の温度で６から１４時間エージングされる。このエージングの結果として、高分散アルファ相成分が析出する。
随意的には、チタン合金ワイヤが螺旋コイル状にされてインサートが形成された後に、該インサートは、ここでは別に陽極処理とも呼ぶ電解化成コーティング工程を経る。陽極処理工程を行うために、ファスナインサートは、非ハロゲン化溶媒でクリーニングされて、全てのグリース、油、石けん、アルカリその他の汚染物が除去されるべきである。
クリーニングされた後に、インサートは、通常はＮｉ＋イオンを含有する電解液中に浸漬することにより陽極処理されることが好ましく、それにより、インサートはアノードとして働き、浴タンクはカソードとして働く。インサートの浸漬は、全てのエアポケットが除去されることを保証するために、かきまぜながら行われることが好ましい。チタンインサートを陽極処理することにより、結果として得られるインサートは、必要であればより容易にめっき処理することができ、改善された高温酸化と応力腐食特性を呈する。
【００１４】
本発明の結果として得られるチタン合金ファスナインサートは、少なくとも約１６０，０００ｐｓｉの引張強度を有することが好ましく、通常は約２００，０００ｐｓｉ程度の高さの引張強度を有する。さらに、チタン合金ファスナインサートは、通常は、少なくとも約３５ＨＲＣのオーダーの硬度と、およそ３５−５０ＨＲＣの硬度範囲を有する。当業者であれば理解されるように、ＨＲＣは、ロックウェルＣスケールにおける硬度のスタンダードである。
チタンファスナインサート、特に、本発明の陽極処理チタンファスナインサートは、ステンレス鋼ファスナインサートに比べて、耐異種金属接触腐食性における劇的な改善を呈する。異種金属接触腐食特性を分析するために、チタンインサートを、アルミニウム２０２４化成被覆試験ブロックの中に設置した。炭素鋼ボルトを各チタン螺旋状インサートの内側に組み付けた。組み立てられたアルミニウムブロックに対して、ＡＳＴＭ  Ｂ１１７−９７に従い塩水スプレー（噴霧）試験を行った。試験は、８０ｃｍ2当り１．７ｍｌ／時の平均塩溶液体積、平均塩溶液濃度４．９（％）、及び平均塩溶液ｐＨ６．７において、９６時間及び１６８時間にわたって行った。
【００１５】
試験が完了した後に、アルミニウムブロック又はチタンインサートにおいて腐食は観測されなかった。試験が完了した後に、アルミニウムブロック又はチタンインサートにおいて腐食は観測されなかった。炭素鋼ボルトを分解し、アルミニウムブロックをねじ切りされた穴の軸線に沿って区分化した後に、アルミニウムブロックのねじ溝とチタンインサートのねじ溝との間に腐食は観測されなかった。炭素鋼ボルトとアルミニウムブロックとの界面においてのみ非常に僅かな腐食が観測され、これは試験の最初の９６時間の間にのみ生じた。塩水スプレー（噴霧）試験でチタンインサートがマグネシウム試験ブロックにおいて試験されたときにも同様の結果に至った。
【００１６】
当業者であれば理解されるように、本発明のチタン合金ファスナインサートは、ステンレス鋼ファスナインサートに比べて、通常は少なくとも約５０％の重量の節約を与える。チタン合金ファスナインサートはまた、高い強度対重量比を有し、これは、限定する意味ではなく単なる例として、航空及び航空宇宙産業における用途に特に有用である。上記の試験結果によって示されるさらに別の利点は、通常用いられるステンレス鋼ファスナインサートと比べて、耐異種金属接触腐食性における目立った改善に関係するものである。
開示された本発明の好ましい実施形態は、言及した目的を達成するように良く計算されたものであることは明らかであるが、本発明は、その精神から逸脱することなく、修正、変更及び変化の余地があることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】螺旋状に巻かれたチタン合金ファスナインサートを含むファスナ組立体の分解斜視図である。
【図２】図１のファスナ組立体の組立て断面図である。
【図３】螺旋状に巻かれたチタン合金ファスナインサートを含むナット組立体の分解斜視図である。
【図４】図３のナット組立体の組立て断面図である。
【図５】ロックするチタン合金ファスナインサートの斜視図である。
【図６】ロックセグメントに沿ったチタン合金ファスナインサートの断面図である。
【図７】好ましい断面形状を図示するファスナインサートの正面断面図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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