(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金製の線材に伸線処理を行って形成される伸線後素材にヘッダ加工を行って所定長さに切断し頭部中間要素を形成し、その後、熱処理を行い、次いで、前記頭部中間要素に連続する軸部中間要素のうち、先端側に雄ネジの転造を行い、前記頭部中間要素側の少なくとも一部は雄ネジを形成しない非ネジ部とすることにより、半ネジとしての高強度アルミニウム合金ボルトを製造する製造方法であって、
所定長さの前記伸線後素材に熱処理を行う前に、前記軸部中間要素の前記雄ネジを形成する部分と前記非ネジ部となる部分とに第１段階絞りを行う第１絞り工程と、
前記第１絞り工程後の前記軸部中間要素のうち、前記非ネジ部となる部分を除いて、前記雄ネジを形成する部分に第２段階絞りを行う第２絞り工程とを有する、
高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法において、
前記熱処理は、溶体化処理後に水焼き入れを行い、その後、自然時効を行った後、２段階の時効を行う処理である、高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度のアルミニウム合金ボルトを製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からアルミニウム合金製のボルトの製造方法が知られている。例えば、特許文献１には、アルミニウム基合金製の材料を溶体化処理し、次に時効硬化させた後に、さらに圧造工程にて軸部を絞り加工することで加工硬化させ、その後、軸部に雄ネジの転造加工を行なうことが記載されている。また、アルミニウム合金として、Ａ１−Ｍｇ−Ｚｎ系合金の７０００系の合金を使用することも示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０１２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高強度のアルミニウム合金ボルトを製造することを目的として、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金製の線材を用いることが考えられる。一方、この線材から大径でないボルト、特に１０ｍｍφ以下の呼び径のボルトを製造するためには、線材に大幅に径を縮小する伸線処理を行う必要がある。この伸線処理によって線材の特性が大きく変化する。そしてその伸線後の素材を用いてボルトを製造する際に、ボルトの形状によっては不都合が生じるおそれがあることが分かった。
【０００５】
具体的には、ボルトの一種として、頭部から連続する軸部の先端部に雄ネジ部を形成する一方、軸部のうち、頭部側の少なくとも一部を雄ネジが形成されない非ネジ部とした、「半ネジ」が知られている。このような半ネジを、上記のアルミニウム合金製の線材を用いて製造する場合に、従来の製造方法では、軸部のほぼ全体に雄ネジを形成する全ネジの場合と異なり、必要な伸びを確保できず、かつ、高強度を確保できないおそれがある。この不都合を解決する手段は、特許文献１には開示されていない。
【０００６】
本発明の目的は、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金製の線材に伸線処理を行って得られる伸線後素材から、半ネジとしての高品質のボルトを実現する高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法は、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金製の線材に伸線処理を行って形成される伸線後素材にヘッダ加工を行って所定長さに切断し頭部中間要素を形成し、その後、熱処理を行い、次いで、前記頭部中間要素に連続する軸部中間要素のうち、先端側に雄ネジの転造を行い、前記頭部中間要素側の少なくとも一部は雄ネジを形成しない非ネジ部とすることにより、半ネジとしての高強度アルミニウム合金ボルトを製造する製造方法であって、所定長さの前記伸線後素材に熱処理を行う前に、前記軸部中間要素の前記雄ネジを形成する部分と前記非ネジ部となる部分とに第１段階絞りを行う第１絞り工程と、前記第１絞り工程後の前記軸部中間要素のうち、前記非ネジ部となる部分を除いて、前記雄ネジを形成する部分に第２段階絞りを行う第２絞り工程とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法によれば、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金製の線材に伸線処理を行って得られる伸線後素材から、半ネジとしての高品質のボルトを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る実施形態の高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法を示す図である。
【図２】実施形態の製造方法で製造するボルト及びその中間素材の構成（ａ）と、ボルトの製造方法における２段階時効の条件（ｂ）とを示す図である。
【図３】実施形態の製造方法により、所定長さに切断した伸線後素材から中間素材を製造する方法を示す図である。
【図４】比較例の製造方法により、所定長さに切断した伸線後素材から中間素材を製造する方法を示す図である。
【図５】図４（ｃ）の比較例の中間素材の写真（ａ）（ｃ）と、（ａ）の点Ｐ１における軸部中間要素の絞りなし部分の断面組織写真（ｂ）と、（ｃ）の点Ｐ２における軸部中間要素の絞りあり部分の断面組織写真（ｄ）と、全ネジとしてのボルトの中間素材における軸部中間要素の写真（ｅ）と、（ｅ）の点Ｐ３における軸部中間要素の断面組織写真（ｆ）とを示す図である。
【図６】図３（ｄ）の実施形態の中間素材において、図５（ａ）の点Ｐ１の断面に対応する断面組織写真（ａ）と、図５（ｃ）の点Ｐ２の断面に対応する断面組織写真（ｂ）とを示す図である。
【図７】実施形態の複数の実施例ｎ（ｎ＝１〜５）において、引張強度ＴＳ、耐力、伸び、ビッカース硬さＨｖの実測結果をそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき、詳細に説明する。以下で説明する形状、数値、数量などは説明のための例示であって、高強度アルミニウム合金ボルトの仕様により変更が可能である。以下では、同様の構成には同一の符号を付して説明する。
【００１１】
図１は、実施形態の高強度アルミニウム合金ボルトの製造方法を示す図である。以下、高強度アルミニウム合金ボルトは、ボルト１０と記載する。図２は、実施形態の製造方法で製造するボルト１０及びその中間素材２３の構成（ａ）と、ボルト１０の製造方法における２段階時効の条件（ｂ）とを示す図である。実施形態の製造方法では、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金から、半ネジとしてのボルト１０を製造する。例えば１０ｍｍφ以下の呼び径を有する大型でないボルト１０において、所望の高い引張強度（例えば鋼の６Ｔ規格の引っ張り強度に近い強度以上、例えば５８５Ｎ／ｍｍ2以上）を確保する。なお、鋼の６Ｔの引っ張り強度は５８８Ｎ／ｍｍ2である。
【００１２】
ボルト１０に用いるアルミニウム合金は、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系の合金である。例えば、この合金は、２．９質量％のＭｇと、８．６質量％のＺｎと、１．２質量％のＣｕと、０．１２質量％のＺｒとを含有し、残部の一部にＡｌを含んで構成することが好ましい。この好ましい合金は、以下、「特別組成アルミニウム合金」と記載する。ボルト１０に用いるアルミニウム合金は、これ以外の組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系の合金において、８質量％以上のＺｎを含有するものであれば、ＪＩＳ規格及びＡＡ規格で７ＸＸＸ系アルミニウム合金としてもよい。なお、Ｚｎの含有量は１２質量％を上限とすることが加工性の面から好ましい。
【００１３】
また、図１の実施形態では半ネジとしてのボルト１０を製造する。具体的には、図１で示すように、ボルト１０は、頭部１２と、軸部１８とを備える。頭部１２は、トルクス（登録商標）形状の外形を有する。トルクス（登録商標）は、六角形の各辺が内側に円弧形に窪んだ形状である。頭部１２は、軸部１８との間に円板状のフランジ１３を持っている。軸部１８は、先半部のみに雄ネジ１９を形成し、軸部１８の残りの部分を非ネジ部２０とする。
【００１４】
さらに、軸部１８は、先端から軸部１８の全長に対し１／４以上で３／４以下の長さ、例えば約３５〜６５％の長さの第２絞り部２１を有する。第２絞り部２１は、後述の図２（ａ）の矢印αで示す範囲に形成される。第２絞り部２１は、ボルト１０の中間素材２３（図１（ｂ）、図２（ａ））を形成する際に、軸部１８を形成する軸部中間要素２３ａに、絞り加工である後述の第１段階絞りと第２段階絞りとを行うことによって形成される。これによって、中間素材２３には、第２絞り部２１を有する軸部中間要素２３ａと、頭部１２を形成する頭部中間要素２３ｂとが形成される。転造によって第２絞り部２１の外周面のほぼ全長にわたる部分には、雄ネジ１９が形成される。また、ボルト１０の軸部１８において、第２絞り部２１から頭部１２側に外れた部分の外周面は、第２絞り部２１の頭部側端より大径の円筒面である非ネジ部２０を有する。実施形態では、この非ネジ部２０も絞り加工である第１段階絞りによって形成される。これにより、後で詳しく説明するように、伸線後素材から、「半ネジ」としての高品質のボルト１０を実現できる。
【００１５】
なお、実施形態のボルト１０と異なり、軸部のほぼ全長にわたって雄ネジを形成する場合もある。このようなボルトは、半ネジに対して「全ネジ」と呼ばれる。
【００１６】
また、ボルトの頭部は、一般的な六角形の頭部としてもよく、フランジを有しない形状としてもよい。
【００１７】
次に、図１を用いて、ボルト１０の製造方法を具体的に説明する。まず図１（ａ）では、アルミニウム合金の材料メーカー等からボルトの製造メーカーにコイル状の線材３０が納入される。この線材３０は、上記の８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金、例えば特別組成アルミニウム合金の線材に伸線処理を行って形成される伸線後素材である。伸線処理は、例えば材料メーカーで形成する線材に対し、伸線メーカーで約５０％以上直径が縮小した線材３０を形成することにより行われる。
【００１８】
その後、図１（ｂ）において冷間鍛造機であるヘッダ加工部３２に送られてヘッダ加工が行われる。ヘッダ加工部３２では、線材３０が所定長さに切断された後、形状を徐々に形成するように図示しない複数段階の中間素材を経た後、図１に示す中間素材２３が形成される。ヘッダ加工では、熱間鍛造のように加熱しながらの加工は行われない。
【００１９】
ヘッダ加工では、ボルト１０の頭部１２を形成する頭部中間要素２３ｂと、頭部中間要素２３ｂに連続して、軸部１８を形成する軸部中間要素２３ａとが形成される。軸部中間要素２３ａでは、後述の２段階絞りによって、頭部側の非ネジ部２０と、第２絞り部２１とが形成される。
【００２０】
その後、図１（ｃ）において、中間素材２３に熱処理を行った後、図１（ｄ）では転造加工部３３において中間素材２３の軸部中間要素２３ａの第２絞り部２１に雄ネジ１９の転造を行って、頭部１２及び軸部１８を有する半ネジとしてのボルト１０を製造する。
【００２１】
ここで、「熱処理」は、溶体化処理（ｃ１）、水焼き入れ（ｃ２）、自然時効（ｃ３）、２段階時効（ｃ４）の順で行われる。「溶体化処理」では、図示しない加熱装置で中間素材２３を４８０℃で所定のＡ時間加熱する。「水焼き入れ」は、加熱装置の加熱部の直下に設けられる水槽に中間素材２３を浸すことで行われる。「自然時効」では２４時間、中間素材２３を放置する。「２段階時効」は、第１時効処理及び第２時効処理を含む。例えば「第１時効処理」として、図示しない第２の加熱装置により、所定温度のＢ℃での中間素材２３の加熱を所定のＣ時間維持する。そして中間素材２３を自然時効として所定時間放置した後、「第２時効処理」として、第２の加熱装置または別の加熱装置により、所定温度のＤ℃での中間素材２３の加熱を所定のＥ時間維持する。
【００２２】
その後、中間素材２３は、転造加工部３３に送られて上記の転造が行われる。そして上記の熱処理によって、高強度のボルト１０が得られる。
【００２３】
次に、図３を用いて、ヘッダ加工で行われる２段階の絞り工程を説明する。図３は、実施形態の製造方法により、所定長さに切断した伸線後素材から中間素材２３を製造する方法を示す図である。具体的には、ヘッダ加工では、上記のように伸線後素材である線材３０を所定長さに切断する。これにより円柱素材３１（図３（ａ））が得られる。円柱素材３１は、所定長さの伸線後素材に相当する。円柱素材３１の外径ｄ１は例えば７．８５ｍｍである。そして、円柱素材３１に熱処理を行う前に頭部中間要素２３ｂを形成することにより所定長さの伸線後素材である頭部付素材３１ａ（図３（ｂ））を形成する。頭部付素材３１ａの軸部中間要素３１ｂの外径ｄ２は、円柱素材３１の外径ｄ１とほぼ同じである。その後、頭部付素材３１ａの軸部中間要素３１ｂに第１絞り工程及び第２絞り工程を行う。第１絞り工程は、頭部付素材３１ａの軸部中間要素２３ａの雄ネジ１９（図１）を形成する部分と非ネジ部２０（図１、図３（ｄ））となる部分とを含む、頭部中間要素２３ｂより先端側（図３（ｂ）の右端側）のほぼ全体の部分に第１段階絞りを行う。これにより、頭部付素材３１ａの外径ｄ３が例えば６．０ｍｍとなる。第２絞り工程は、第１絞り工程後の頭部付素材３１ａにおいて、軸部中間要素２３ａのうち、非ネジ部２０となる部分を除いて、雄ネジを形成する部分に第２段階絞りを行う。これにより、得られた中間素材２３のうち、雄ネジを形成する部分の外径ｄ４が例えば５．０〜５．２ｍｍとなる。
【００２４】
上記の実施形態の製造方法によれば、８質量％以上のＺｎを含有したＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系のアルミニウム合金製の線材に伸線処理を行って得られる伸線後素材から、半ネジとしての高品質のアルミニウム合金のボルト１０を実現できる。特に、軸部を形成する軸部中間要素３１ｂ、２３ａに二段階の絞りを行うので、非ネジ部と雄ネジ形成部分との断面組織の違いを少なくできる。これにより、ボルト１０の引っ張り強度及び伸びの向上を図れる。なお、半ネジと異なり全ネジの場合には、中間素材において軸部を形成する軸部中間要素が形成され、軸部中間要素の軸方向においてほぼすべての部分に雄ネジが形成される。これにより、軸部中間要素では、絞り加工も雄ネジ形成部に合わせてほぼすべての部分に行われる。このような全ネジの場合には、軸部中間要素に二段階絞りを行うことなく、ボルトの引っ張り強度及び伸びを向上させることができる。例えば、本実施形態において、熱処理条件により、後述するように、鋼の６Ｔ相当以上の引っ張り強度ＴＳである５８８Ｎ／ｍｍ2以上の引っ張り強度を実現できる。
【００２５】
図４は、比較例の製造方法により、所定長さに切断した伸線後素材から中間素材４２を製造する方法を示す図である。比較例では、円柱素材４１の外径ｄ４（図４（ａ））を、図３の製造方法で得られる円柱素材３１の外径ｄ１より小さくする。例えば円柱素材４１の外径ｄ４は、５．９ｍｍである。そして、円柱素材４１に熱処理を行う前に頭部中間要素２３ｂを形成することにより、所定長さの頭部付素材４１ａ（図４（ｂ））を形成する。頭部付素材４１ａの軸部中間要素４１ｂの外径ｄ５は、円柱素材４１の外径ｄ４とほぼ同じである。その後、頭部付素材４１ａの軸部中間要素４１ｂにおいて、雄ネジ部を形成する部分のみに１回のみ絞り工程を行って絞り部４２ａ（図４（ｃ））を形成する。これにより、中間素材４２のうち、雄ネジを形成する部分である絞り部４２ａの外径ｄ６が例えば５．０〜５．２ｍｍとなる。比較例の製造方法において、その他の構成は、図１に示した実施形態の構成と同様である。このような比較例の製造方法で製造されたボルトの場合には、実施形態で得られたボルト１０に対し、引っ張り強度及び伸びが大きく低下した。本発明者は、この理由について、半ネジの場合には、断面組織が絞り部４２ａと絞り部４２ａ以外の部分とで大きく異なるためであると考えた。具体的には、半ネジでは、雄ネジ形成部分にのみ絞り加工を行い、非ネジ部には絞り加工を行わないので、絞り部４２ａでの絞り加工時に加わる圧力が影響してアルミニウムの組織自体が変質する。これにより、比較例で全ネジと同条件の時効処理を行った場合でも、絞りを行わない非ネジ部で過時効状態となる。例えば本発明者が行った実験結果によれば、絞りがない部分では、絞り部４２ａに対し機械的性質で約５％のバラツキで低下する可能性があることが分かった。
【００２６】
図５は、図４（ｃ）の比較例の中間素材４２の写真（ａ）（ｃ）と、比較例の中間素材４２の断面組織写真（ｂ）（ｄ）とを示す図である。図５（ｂ）は、（ａ）の点Ｐ１における軸部中間要素４３の絞りがない部分の断面組織写真を示しており、（ｄ）は、（ｃ）の点Ｐ２における軸部中間要素４３の絞り部４２ａの断面組織写真を示している。また、図５（ｅ）は、参考例として、全ネジとしてのボルトの中間素材５０における軸部中間要素５１の写真を示しており、（ｆ）は、（ｅ）の点Ｐ３における軸部中間要素５１の断面組織写真を示している。なお、図５（ｅ）（ｆ）の中間素材５０は、軸部中間要素５１のほぼ全体に絞りを行うことにより形成される。
【００２７】
図５（ｂ）（ｄ）の写真の比較から分かるように、比較例の中間素材４２では同じ部材の中で絞り部４２ａ（図５（ｄ））と、絞り部４２ａ以外の部分（図５（ｂ））とで断面組織が大きく変化している。図５（ｄ）の絞り部４２ａではかなり粗い組織となっているが、図５（ｂ）の絞り部４２ａ以外では細かい筋状で揃った組織が見られた。このことから、比較例の半ネジのように絞り部４２ａを持ち、しかもその絞り部４２ａが軸部の一部のみ、例えば軸部の１／４以上で３／４以下の長さの部分、例えば３５〜６５％の部分のみに存在する場合には、組織が中間部で大きく分かれることが分かる。なお、図５（ｅ）（ｆ）の全ネジの場合にも絞り部があるので断面組織が粗くなっているが、軸部の中間部で断面組織が大きく変化することがない。これにより、強度及び伸びを向上させやすい。
【００２８】
一方、図６は、図３（ｄ）の実施形態の中間素材２３において、図５（ａ）の点Ｐ１の断面に対応する断面組織写真（ａ）と、図５（ｃ）の点Ｐ２の断面に対応する断面組織写真（ｂ）とを示す図である。図６（ａ）（ｂ）の写真の比較から分かるように、実施形態の中間素材２３では、第２絞り部２１と、第１絞り部としての非ネジ部２０とで断面組織の差がかなり少なくなった。これにより、実施形態で引っ張り強度及び伸びを向上できる理由を確認できた。
【００２９】
図７は、実施形態の複数の実施例ｎ（ｎ＝１〜５）において、引張強度ＴＳ、耐力、伸び、ビッカース硬さＨｖの実測結果をそれぞれ示す図である。図７の引張強度ＴＳ、耐力の単位はＮ／ｍｍ2であり、ビッカース硬さの単位はＨｖである。耐力は、０．２％の耐力であり、鉄と同じ基準のＪＩＳ規格による。図７の実測結果で示すように、実施形態では、複数の実施例で、引張強度ＴＳの平均値が６４１．４Ｎ／ｍｍ2となり、耐力の平均値が５３０．７Ｎ／ｍｍ2となり、伸びの平均値が９．４％となった。これにより、実施形態では、引張強度ＴＳ及び伸びについて、それぞれの目標値５８５Ｎ／ｍｍ2以上、７％以上に対し大きく上回ることができた。特に、引張強度ＴＳについては、鋼の６Ｔ相当以上の引っ張り強度ＴＳである５８８Ｎ／ｍｍ2以上の引っ張り強度を実現できた。また、従来からＡ７０５０材に溶体化と時効処理とを施したＡＬ−６の規格のボルトが冷間圧造によるアルミニウム合金ボルトとして、比較的性能がよいことが知られている。一方、ＡＬ−６規格のボルトでは、引張強度ＴＳが５１０Ｎ／ｍｍ2であり、耐力が４４０Ｎ／ｍｍ2であり、伸びが７％であることが分かっている。このことから、実施形態の製造方法で得られるボルト１０では、ＡＬ−６規格のボルトに対し、引張強度ＴＳ及び耐力で大きく上回ることができることを確認できた。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ボルト、１２  頭部、１３  フランジ、１８  軸部、１９  雄ネジ、２０  非ネジ部、２１  第２絞り部、２３  中間素材、２３ａ  軸部中間要素、２３ｂ  頭部中間要素、３０  線材、３１  円柱素材、３１ａ  頭部付素材、３１ｂ  軸部中間要素、３２  ヘッダ加工部、３３  転造加工部、４１  円柱素材、４１ａ  頭部付素材、４１ｂ  軸部中間要素、４２  中間素材、４２ａ  絞り部、４３  軸部中間要素、５０  中間素材、５１  軸部中間要素。
【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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