(57)【要約】【課題】締結作業を短時間で行うことができると共に、締結後の緩みを効果的に防止することができる締結部品を提供する。【解決手段】被膜付締結部品は、ねじの山谷部の表面に、締結過程で剥がれる炭素微粒子被膜を有している。この被膜付締結部品は、界面活性剤を含む溶液を準備し、この溶液中に、その最長寸法が５μｍ以下である炭素微粒子を単分散状態で分散させ、炭素微粒子が分散している溶液を締結部品のねじの山谷部の表面に接触させて炭素微粒子を含む被膜を形成し、締結部品を乾燥させて溶液の溶媒を除去し、ねじの山谷部の表面に炭素微粒子を付着させることによって得られる。【選択図】図３
2015004370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじの山谷部の表面に、締結過程で剥がれる炭素微粒子被膜を有している、被膜付締結部品。
【請求項２】
前記炭素微粒子は、その最長寸法が５μｍ以下である、請求項１に記載の被膜付締結部品。
【請求項３】
前記炭素微粒子は、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノファイバーおよびフラーレンからなる群から選ばれた微小炭素系物質である、請求項２に記載の被膜付締結部品。
【請求項４】
前記締結部品は、雄ねじを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜付締結部品。
【請求項５】
前記締結部品は、雌ねじを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜付締結部品。
【請求項６】
界面活性剤を含む溶液を準備する工程と、
前記溶液中に、その最長寸法が５μｍ以下である炭素微粒子を単分散状態で分散させる工程と、
前記炭素微粒子が分散している前記溶液を締結部品のねじの山谷部の表面に接触させて炭素微粒子を含む被膜を形成する工程と、
前記締結部品を乾燥させて前記溶液の溶媒を除去し、前記ねじの山谷部の表面に前記炭素微粒子を付着させる工程とを備える、被膜付締結部品の製造方法。
【請求項７】
前記炭素微粒子は、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノファイバーおよびフラーレンからなる群から選ばれた微小炭素系物質である、請求項６に記載の被膜付締結部品の製造方法。
【請求項８】
前記締結部品の乾燥処理を、８０℃〜３５０℃の温度範囲内で行う、請求項６または７に記載の被膜付締結部品の製造方法。
【請求項９】
前記溶液中に分散した前記炭素微粒子の濃度は、０．０５％以上である、請求項６〜８のいずれかに記載の被膜付締結部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ねじ、ボルト、ナット等の締結部品に関し、特にねじの山谷部の表面に被膜を有する締結部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ねじの山谷部に被膜を有する締結部品は、例えば特開２００７−２９１２８０号公報（特許文献１）に開示されている。この公報は、ボルト、ナット等の締結部品に、優れた長期耐食性、優れた機械的特性（特に、ヌープ硬さ、折り曲げ性、耐衝撃性および被覆破壊）および摺動に対する耐損傷性に優れる被膜を形成することを開示している。
【０００３】
上記公報に開示された被膜は、フェノール樹脂やポリアミドイミド等の合成樹脂バインダと、非導電性物質で表面処理された多層炭素ナノ繊維と、分散媒とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
産業界では、通常、自動締結機を用いてねじやボルト等の締結部品の締結作業を行う。作業効率の観点から、ねじやボルト等を短時間で締め込むことが望まれる。特に、構造物、建造物などに使用される長さ５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の長尺ねじや長尺ボルトでは、締結時間が生産性、施工コストに大きく影響する。
【０００６】
締結時間を短くするために締結部品のねじの山谷部の表面に形成される被膜の摩擦係数を小さくすることが考えられる。しかしながら、ねじの山谷部の表面に強固に密着した被膜の摩擦係数を小さくすると、締結後に、構造物や建造物が振動したり衝撃を受けたりした場合に締結部品の緩みが生じるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、締結時間を短縮することができるとともに、締結後の緩みを生じさせないようにする被膜付締結部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に従った被膜付締結部品は、ねじの山谷部の表面に、締結過程で剥がれる炭素微粒子被膜を有していることを特徴とする。締結部品は、雄ねじを有するねじやボルトのみならず、雌ねじを有するナット等も含む。
【０００９】
被膜を形成する炭素微粒子は、好ましくは、その最長寸法が５μｍ以下である。粒子状の炭素微粒子であればその最長寸法は最大粒径部分となり、線状の炭素微粒子であればその最長寸法は最大長さ部分となる。
【００１０】
好ましくは、上記の炭素微粒子は、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノファイバーおよびフラーレンからなる群から選ばれた微小炭素系物質である。
【００１１】
この発明に従った被膜付締結部品の製造方法は、以下の工程を備える。
（ａ）界面活性剤を含む溶液を準備する工程。
（ｂ）上記溶液中に、その最長寸法が５μｍ以下である炭素微粒子を単分散状態で分散させる工程。
（ｃ）上記炭素微粒子が分散している溶液を締結部品のねじの山谷部の表面に接触させて炭素微粒子を含む被膜を形成する工程。
（ｄ）上記の締結部品を乾燥させて溶液の溶媒を除去し、ねじの山谷部の表面に炭素微粒子を付着させる工程。
【００１２】
好ましくは、炭素微粒子は、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノファイバーおよびフラーレンからなる群から選ばれた微小炭素系物質である。
【００１３】
好ましくは、上記の締結部品の乾燥処理を、８０℃〜３５０℃の温度範囲内で行う。また、溶液中に分散した炭素微粒子の濃度は、好ましくは、０．０５％以上である。
【発明の効果】
【００１４】
上記の被膜付締結部品によれば、締結過程では炭素微粒子被膜が摩擦係数を減ずるので、締結作業を比較的小さな締め付けトルクで短時間に行うことができる。ねじの山谷部の表面への炭素微粒子被膜の密着強度は高くないので、締結過程で炭素微粒子被膜が剥がれる。そのため、緩み方向に対しては大きな摩擦係数となるので、締結後の緩みを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】被膜を形成していないねじと、ケッチェンブラック粒子被膜を形成したねじとを並べて示す写真である。
【図２】締め付けトルクおよび緩めトルクの計測状況を示す図である。
【図３】ケッチェンブラック粒子被膜と、締め付けトルクおよび締結完了時間との関係を示す図である。
【図４】ケッチェンブラック粒子被膜と緩めトルクのとの関係を示す図である。
【図５】溶液中のケッチェンブラック粒子の濃度と締め付けトルクとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態の特徴は、ねじ、ボルト、ナットなどの締結部品に対して、締め付けトルクを小さくして締結作業を短時間で行えるようにし、締結後においては緩みを生じさせないようにする被膜を形成したことにある。この被膜形成前の締結部品は、金属または合金がねじの山谷部の表面に露出しているものであってもよいし、ねじの山谷部の表面に耐食性コーティング等を施したものであってもよい。
【００１７】
具体的には、ねじ、ボルト、ナットなどの締結部品のねじの山谷部の表面に、ほぼ均一に炭素微粒子被膜を形成する。この炭素微粒子被膜は、摩擦係数を低下させる働きをするので、締め込み時のトルクが小さくなり、締結作業を短時間で行うことができるようになる。
【００１８】
上記の被膜を形成する炭素微粒子は、好ましくは、その最長寸法が５μｍ以下である。粒子状の炭素微粒子であればその最長寸法は最大粒径部分となり、線状の炭素微粒子であればその最長寸法は最大長さ部分となる。好ましくは、上記の炭素微粒子は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノファイバーおよびフラーレンからなる群から選ばれた微小炭素系物質である。カーボンブラックの一種であるケッチェンブラックも好適炭素微粒子である。経済性（コスト）を考慮すると、ケッチェンブラックを含むカーボンブラックの利用がより好ましい。
【００１９】
重要な特徴は、締結部品の素材表面と炭素微粒子被膜とを強固に焼き付けせずに、ねじの山谷部の表面に対する炭素微粒子被膜の密着強度をそれほど高くしないように被膜を形成した点である。そのため、締め込み過程、すなわち締結過程での摩擦により炭素微粒子被膜の一部または全部がねじの山谷部の表面から剥がれる。剥がれた炭素微粒子被膜の一部は、締結後のねじの緩みを防止する抵抗物として機能し、また被膜が剥がれて露出した締結部品の素材表面は大きな摩擦係数を発揮するので、締結後の締結部品の緩みを効果的に防止することができる。
【００２０】
本願発明の発明者は、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン合金の各材料からなる長尺ねじを対象にして、上記の被膜形成の効果を検証した。
【００２１】
上記の特性を発揮する被膜付締結部品は、以下の工程を経て製造される。
【００２２】
（ａ）界面活性剤を含む溶液を準備する工程
界面活性剤としては、再公表特許公報ＷＯ２００９／０５４３０９に開示されたような親水性および疎水性を有する両性界面活性剤、または中性界面活性剤、またはアルカリ性界面活性剤等を使用できる。
【００２３】
（ｂ）上記溶液中に、その最長寸法が５μｍ以下である炭素微粒子を単分散状態で分散させる工程
「単分散状態」とは、炭素微粒子が部分的または全体的に絡み合って凝集するのではなく、炭素微粒子が単独の状態で分散していることを意味する。この場合、単独の状態で分散している炭素微粒子がネットワークを形成することもあるが、このネットワーク状態も「単分散状態」に含まれる。溶液中に分散した炭素微粒子の濃度は、好ましくは、０．０５％以上である。濃度の下限値を「０．０５％」としたのは、被膜の締め付けトルクの低減効果が０．０５％以上から顕著になるからである。経済性の観点から、濃度の上限値を「５％」にすることが好ましい。
【００２４】
（ｃ）上記炭素微粒子が分散している溶液を締結部品のねじの山谷部の表面に接触させて炭素微粒子を含む被膜を形成する工程
「接触」は、締結部品のねじの山谷部を炭素微粒子分散溶液中に浸漬することや、炭素微粒子分散溶液を締結部品の山谷部の表面に噴霧することを含む。
【００２５】
（ｄ）上記の締結部品を乾燥させて溶液の溶媒を除去し、ねじの山谷部の表面に炭素微粒子を付着させる工程
「付着」は、炭素微粒子被膜を締結部品のねじの山谷部に強固に焼き付けするものではなく、締結作業時に一部または全部が剥がれる程度の付着強度にする必要がある。言い換えれば、溶媒を飛散して除去させる程度の乾燥処理温度であればよい。好ましい乾燥処理温度は、８０℃〜３５０℃の範囲である。アルコール系溶媒であれば８０℃程度でよく、水溶媒であれば１００℃程度でよい。
【００２６】
実際に行った実験および評価を以下に記載する。
【００２７】
［炭素微粒子被膜の形成］
炭素微粒子として、カーボンブラックの一種である安価なケッチェンブラック粒子（平均粒子径：３８ナノメートル）を準備した。このケッチェンブラック粒子を界面活性剤を含む水溶液中に投入し、超音波撹拌機を用いて水溶液中に均一に単分散状態で分散させた。ケッチェンブラック粒子分散溶液は墨汁のような黒色溶液であり、ケッチェンブラック粒子の凝集物は見られなかった。
【００２８】
溶液中のケッチェンブラック粒子の濃度に関しては、０．２％のものと、２％ものとを用意した。
【００２９】
同一のＳＣＭ４３５合金鋼ねじを複数本用意し、サンプルとして、以下のものを作成した。
【００３０】
試料１：被膜形成を行っていない未処理ねじ。
【００３１】
試料２：０．２％濃度のケッチェンブラック粒子分散溶液中にねじの山谷部を浸漬し、引き上げた後に電気炉を用いて１００℃の大気雰囲気中で乾燥した０．２％ケッチェンブラック粒子被膜付ねじ。
【００３２】
試料３：２％濃度のケッチェンブラック粒子分散溶液中にねじの山谷部を浸漬し、引き上げた後に電気炉を用いて１００℃の大気雰囲気中で乾燥した２％ケッチェンブラック粒子被覆ねじ。
【００３３】
図１の（ａ）は試料１の未処理ねじを示し、（ｂ）は試料３の２％ケッチェンブラック粒子被覆ねじを示す。（ｂ）の写真に示すように、乾燥後のケッチェンブラック粒子は良好な密着性を有した状態でねじの山谷部の表面を均一に被覆している。
【００３４】
［締め付けトルク、緩めトルクおよび締結完了時間の評価］
図２は、締め付けトルクおよび緩めトルクの計測状況を示している。締め付けトルクに関しては、厚み１．６ｍｍのＣ型鋼板（下穴φ２．６ｍｍキリ穴付き）に対してねじを締め込む際のトルクを計測した。具体的には、部材（Ｃ型鋼板）を固定し、トルクアナライザーを用い、試料が空回り、もしくは継続試験が不可能になるまでのトルク推移を計測し、その値から適正締め付けトルクを設定した。
【００３５】
締付時間（締付完了時間）に関しては、予備試験で決定した適正締め付けトルクまで、部材（φ２．６ｍｍ下穴）に試料をねじ込んだ時間を測定した。トルクアナライザーの測定条件は、回転数２００ｒｐｍ、荷重１００Ｎであった。
【００３６】
緩めトルクに関しては、厚み１．６ｍｍのＣ型鋼板（下穴φ２．６ｍｍキリ穴付き）にねじ込まれたねじを緩め方向に回転させた際のトルクを計測した。具体的には、締付時間の計測を終了した試験体に、トルクアナライザーを用い、部材に締め付けられた試料を逆転方向（緩み方向）に回転させて約１０ｍｍ戻し、その時の最大トルクを測定した。トルクアナライザーの測定条件は、回転数５０ｒｐｍ、荷重１００Ｎであった。
【００３７】
評価項目は、表1に示す締め付けトルク（Ｎ・ｍ）、表２に示す締結完了時間（ｓ）（締付時間）、表３に示す緩めトルク（Ｎ・ｍ）である。試料１（被膜無）、試料２（０．２％濃度の被膜）、試料３（２％濃度の被膜）の計測数は、それぞれ１０個である。
【００３８】
【表１】
2015004370.tif 000003
【００３９】
【表２】
2015004370.tif 000004
【００４０】
【表３】
2015004370.tif 000005
【００４１】
締め付けトルクの計測結果を示す表１から、被膜無のねじを基準とすると、０．２％濃度のケッチェンブラック粒子被膜付ねじの締め付けトルクは約２１％減少し、２％ケッチェンブラック粒子被膜付ねじの締め付けトルクは約３０％減少していることがわかる。
【００４２】
締付時間（締結完了時間）の計測結果を示す表２から、被膜無のねじを基準とすると、０．２％濃度のケッチェンブラック粒子被膜付ねじの締付時間は約２３％減少し、２％濃度のケッチェンブラック粒子被膜付ねじの締付時間は約３４％減少していることがわかる。
【００４３】
緩めトルクの計測結果を示す表３から、被膜無のねじ、０．２％濃度のケッチェンブラック粒子被膜付ねじ、２％濃度のケッチェンブラック粒子被膜付ねじは、それぞれ、ほぼ同じ値であり、それらの間に有意差は無いことがわかる。
【００４４】
図３は、横軸に被膜無ねじ、０．２％濃度被膜付ねじ、２％濃度被膜付ねじをとり、左縦軸に締め付けトルク（Ｎ・ｍ）をとり、右縦軸に締付時間（ｓ）をとった図である。「〇」は各試料の締め付けトルクの平均値を示し、「△」は各試料の締付時間の平均値を示す。図３に示すように、締め付けトルクおよび締付時間は、ケッチェンブラック粒子被膜を形成することにより減少していることが認められ、かつ、ケッチェンブラック粒子の濃度が高いほど減少率が大きいことが認められる。
【００４５】
図４は、横軸に被膜無ねじ、０．２％濃度被膜付ねじ、２％濃度被膜付ねじをとり、左縦軸に緩めトルク（Ｎ・ｍ）をとった図である。「◇」は、各試料の平均値を示す。図４に示すように、０．２％濃度被膜付ねじ、および２％濃度被膜付ねじにおいても、被膜無ねじと同等の緩めトルクになっていることが認められる。
【００４６】
表１〜表３、図３および図４から、所定濃度のケッチェンブラック粒子被膜をねじの山谷部の表面に形成したねじは、締め付けトルクが小さくなって締付時間を減少させることが認められ、他方では、緩めトルクは被膜無ねじと同程度であり締結後の緩みを効果的に防止し得るものであることが認められる。
【００４７】
［ケッチェンブラック粒子の濃度と締め付けトルクとの関係］
本願発明者は、溶液中に分散するケッチェンブラック粒子の濃度と、締め付けトルクとの関係を調査した。その結果を表４および図５に示す。
【００４８】
【表４】
2015004370.tif 000006
【００４９】
表４および図５に示すように、ケッチェンブラック粒子の濃度が０．０５％以上になると、ケッチェンブラック粒子被膜付ねじの締め付けトルクが急激に減少していることが認められる。したがって、溶液中のケッチェンブラック粒子の濃度は、０．０５％以上が好ましい。
【００５０】
以上、この発明を実施形態（実施例）に基づいて説明したが、この発明は記載した実施形態に限定されるものではなく、発明と同一の範囲または均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。例えば、炭素微粒子を構成する微小炭素系物質として、ケッチェンブラックに代えて、他のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノファイバー、フラーレン等を使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
この発明は、締結作業を短時間で行うことができると共に、締結後の緩みを効果的に防止することができる締結部品として有利に利用され得る。
【図２】
2015004370.tif 000007
【図３】
2015004370.tif 000008
【図４】
2015004370.tif 000009
【図５】
2015004370.tif 000010
【図１】
2015004370.tif 000011