(57)【要約】【課題】室温での塑性変形加工により容易かつ高い生産性で安価に製造することができるＡｌ基複合材製ネジおよびその製造方法を提供する。【解決手段】Ａｌ基複合材製ネジ１０は、Ａｌ基金属を主成分とした軸芯部１２の外側に、軸芯部１２と同種のＡｌ基金属に強化材粒子が分散されてなる複合材料からなるネジ山部１４が、この軸芯部１２と連続して形成された構造を有している。このネジ１０は、鋳型２２内で強化材粒子４４を分散させたＡｌ基融体４２を生成し、強化材粒子４４がＡｌ基融体４２の周縁部に移動するようにＡｌ基融体４２を構成する溶融金属に電磁力を作用させ、Ａｌ基融体４２を固化させて鋳型２２から複合材からなる無垢棒を取り出し、これに転造法によりネジ山を形成することで製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ基金属を主成分とする軸芯部と、
前記軸芯部の外側にこの軸芯部と連続して形成され、前記軸芯部と同種のＡｌ基金属に強化材粒子が分散されてなる複合材料からなるネジ山部と、
を有することを特徴とするＡｌ基複合材製ネジ。
【請求項２】
前記強化材粒子はＳｉＣであることを特徴とする請求項１に記載のＡｌ基複合材製ネジ。
【請求項３】
鋳型内で強化材粒子を分散させたＡｌ基融体を生成する工程と、
前記強化材粒子が前記Ａｌ基融体の周縁部に移動するように、前記Ａｌ基融体を構成する溶融金属に電磁力を作用させる工程と、
前記Ａｌ基融体を固化させて、前記鋳型から複合材からなる無垢棒を取り出す工程と、
前記無垢棒に転造法によりネジ山を形成する工程と、を有することを特徴とするＡｌ基複合材製ネジの製造方法。
【請求項４】
前記強化材粒子はＳｉＣであり、前記Ａｌ基融体は純Ａｌ融体またはＡｌ合金融体であることを特徴とする請求項３に記載のＡｌ基複合材製ネジの製造方法。
【請求項５】
前記Ａｌ基融体に電磁力を作用させる工程は、前記鋳型を囲繞するように誘導コイルを配置し、前記鋳型の長さ方向に交流磁場を発生させることにより行うことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のＡｌ基複合材製ネジの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ＡｌまたはＡｌ合金と、セラミックスとからなる複合材料を用いてなるＡｌ基複合材製ネジとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、エンジンや自転車等の軽量化が望まれる分野では、その組み立てに使用されているネジを、従来の鉄製やステンレス製のものから、軽量なアルミ製のものに替える動きが広まっている。
【０００３】
しかしながら、アルミ製ネジは、強度が小さく、ネジ山が塑性変形し易いために、締め直しが困難であるという欠点がある。そのため、例えば、アルミサッシ窓の枠部材の組み立てにはステンレス製ネジが用いられている。このため、解体後のアルミリサイクルプロセスにおいては、全てのネジを取り外す必要があり、そのためのコストがかかる。
【０００４】
そこで、例えば、金属をマトリックスとし、強化材としてセラミックス粒子を分散させた複合材料からなるネジが検討されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような複合材料製のネジでは、ネジ山を温間鍛造や切削加工により形成する必要があるので、加工コストが高くなるという問題がある。
【特許文献１】特開２０００−３４３１７８号公報（段落［０００９］、［００１０］、［００１６］等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、室温での塑性変形加工により容易かつ高い生産性で安価に製造することができるＡｌ基複合材製ネジおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るＡｌ基複合材製ネジは、軸芯部はＡｌ基金属を主成分としており、この軸芯部と同種のＡｌ基金属に強化材粒子が分散されてなる複合材料からなるネジ山部が、この軸芯部の外側にこの軸芯部と連続して形成された構造を有していることを特徴としている。
【０００７】
このようなＡｌ基複合材製ネジは、鋳型内で強化材粒子を分散させたＡｌ基融体を生成する工程と、強化材粒子がＡｌ基融体の周縁部に移動するようにＡｌ基融体を構成する溶融金属に電磁力を作用させる工程と、Ａｌ基融体を固化させて鋳型から複合材からなる無垢棒を取り出す工程と、無垢棒に転造法によりネジ山を形成する工程とを経ることによって製造される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、外周部がＡｌ基金属と強化材との複合材料からなり、軸芯部（中心部）がＡｌ基金属からなる棒状基材を用いることにより、金属製のネジの製造に広く用いられている転造法を用いてＡｌ基複合材製ネジを製造することができる。これにより、高強度なネジを、容易かつ高い生産性で安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１はＡｌ基金属−セラミックス複合材料からなるネジ（以下「Ａｌ基複合材製ネジ」という）の組織構造を模式的に示す断面図である。
【００１０】
図１に示されるように、Ａｌ基複合材製ネジ１０は、Ａｌ基金属を主成分とする軸芯部１２と、軸芯部１２の外側に軸芯部１２と連続して形成され、軸芯部１２と同種のＡｌ基金属に強化材粒子が分散されてなる複合材料からなるネジ山部１４を有している。このような構造により、Ａｌ基複合材製ネジ１０は、純Ａｌ製ネジと比較して、高い強度を示す。
【００１１】
なお、Ａｌ基複合材製ネジ１０の頭部１６もまた、その中心部はＡｌ基金属からなり、その外周部は複合材料からなる。これは、後述する通り、Ａｌ基複合材製ネジ１０の製造方法に由来する。
【００１２】
Ａｌ基金属としては、純ＡｌやＡｌ−Ｍｇ系合金等が好適に用いられるが、これらに限定されるものではない。また、強化材粒子としては、ＳｉＣ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ等のセラミックス粒子が好適に用いられ、これらは１種のみがＡｌ基金属に添加されていてもよいし、２種以上がＡｌ基金属に添加されていてもよい。さらに強化材粒子はこれらに限定されるものではなく、Ａｌ基金属よりも融点が高く、Ａｌ基金属と合金を形成しない金属材料、例えば、合金より析出する金属Ｓｉ等であってもよい。
【００１３】
次に、このような構造を有するＡｌ基複合材製ネジ１０の製造方法について説明する。図２にＡｌ基複合材製ネジ１０の製造に用いる無垢棒の製造装置の概略構成例を示す。この製造装置２０は、Ａｌ基金属を溶融させるための有底円筒形状の鋳型（坩堝）２２と、この鋳型２２を鉛直姿勢で支持する台座部２４と、鋳型２２を囲繞するように設けられた誘導コイル２６と、誘導コイル２６に高周波電流を供給するための高周波電源２８を有している。鋳型２２には、鋳型２２に充填された金属原料の高周波誘導加熱時および鋳型２２内のＡｌ基融体の電磁分離（交流磁場印加）時にその影響を受け難い材料、具体的には、ＳｉＯ２（石英ガラス、合成石英）製のものが好適である。台座部２４は耐熱レンガ等を用いることができる。誘導コイル２６の線径やターン数（巻き数）は鋳型２２の大きさや鋳型２２に投入される金属の溶解能力を考慮して、適宜、設定される。高周波電源２８は、鋳型２２に充填された金属原料の高周波誘導加熱と鋳型２２内のＡｌ基融体の電磁分離を行うことができるように、周波数と出力を調節する機能を有する。
【００１４】
なお、製造装置２０に、鋳型２２を冷却するための冷却水を鋳型２２の外周に吹き付けるための冷却水スプレー装置、鋳型２２内の溶融物を撹拌するための撹拌棒、鋳型２２とこのような冷却水スプレー管をその内部に収容し、誘導コイル２６がその外部に配置されるように設置される保護管を設けることも好ましい。
【００１５】
また、製造装置２０は、１本の誘導コイルが高周波誘導加熱と電磁分離の両方を行う構成となっているが、高周波誘導加熱用コイルと電磁分離用コイルを別々に備えており、各コイルにそれぞれの駆動電源が接続された構成としてもよい。
【００１６】
Ａｌ基複合材製ネジ１０の製造に用いる無垢棒の製造は、まず、鋳型２２に原料たるＡｌ基金属の粉末（または塊状物）と強化材粉末を所定比で充填し、これを高周波誘導加熱することで、強化材粒子が分散したＡｌ基融体を生成させる。このＡｌ基融体を撹拌して強化材粒子の分布の均一化を図ることも好ましい。
【００１７】
なお、強化材粒子が分散したＡｌ基融体を生成させることができる限りにおいて、原料に制限はない。例えば、最初に純Ａｌを鋳型２２に投入してＡｌ融体を生成させ、これに強化材粒子を添加して混合したり、或いは強化材粒子を含有するＡｌ基金属を添加して溶解混合する等の方法も好適に用いられる。
【００１８】
Ａｌ基融体の温度を一定とした後に高周波誘導加熱電源を切り、続いて電磁分離用コイルに所定周波数の交流電流を流す。これにより鋳型２２内のＡｌ基融体に電磁力を作用させて、強化材粒子をＡｌ基融体の周縁部に移動、集積させる。
【００１９】
図３に強化材粒子の移動メカニズムを模式的に示す。誘導コイル２６に交流電流を通電することで発生する交流磁場３２とＡｌ基融体４２中に誘導される誘導電流３４との相互作用によって電磁力３６が生じ、この電磁力３６が発生しない強化材粒子４４には電磁力３６とは反対の方向に力がかかる。この反対の方向がＡｌ基融体４２の外周へと向かう方向となるので、この作用を利用して強化材粒子４４をＡｌ基融体４２の周縁部に集積させることができる。
【００２０】
このような電磁分離のメカニズムから、Ａｌ基金属と強化材粒子との組み合わせは、両者に導電性の差があるものであればよく、強化材粒子の濃度にも制限がないことがわかる。
【００２１】
この電磁分離用コイルへの給電方法には、一定時間連続して電流を流す方法が好適に用いられる。
【００２２】
強化材粒子の集積幅（以下、「表皮厚さ」という）の制御は電磁分離の際にコイルに流す電流の周波数により調節することができる。この表皮厚さδは、δ＝（πμｅσｆ）−１／２（透磁率μｅ＝４π×１０−７Ｈ・ｍ−１、導電率σ＝３．８０×１０６Ω−１ｍ−１、ｆ：周波数）により求められる。
【００２３】
したがって、先に示した図１ではネジ山部１４全体が複合材料から形成されている形態としたが、表面のみが複合材料からなりその内側はＡｌ基金属からなるネジ山部を有するＡｌ基複合材製ネジもまた、このような強化材粒子の濃度や電磁分離の条件を制御することにより、製造することができることがわかる。
【００２４】
続いて、この電磁分離処理が終了したら、鋳型２２を冷却してＡｌ基融体を固化させる。これにより鋳型２２内に、その中心部は金属成分が主成分となっており、外周部に強化材粒子が集積・分散した複合材からなる無垢棒が形成される。
【００２５】
この無垢棒を鋳型２２から取り出し、転造法によりこの無垢棒にネジ山を形成する。転造法は、冷間塑性変形加工の一種であって、ネジの一般的な製造方法として周知であり、丸棒材（無垢棒）をネジの形をした複数の円筒状の金型（ロール）で挟み込み、回転させながら押し付けることによって丸棒材を塑性変形させ、ネジ山の形を造る方法である。
【００２６】
このようにＡｌ基複合材製ネジ１０の製造プロセスにおいては、強化材粒子を所望の部位に分散させてなる複合材無垢棒を、鋳型２２内での原料溶融、強化材粒子の集積、固化という簡単な操作によって行うことができる。また、ネジ山の形成に汎用されているネジの成形技術を用いることができるので、生産性が高く、安価に製造することができる。
【００２７】
本例では単純化した鋳型構成を示したが、パイプ状鋳型の片端からＡｌ基金属を連続的に供給し、電磁分離を行った後の他方端部に冷却機構を設けて、固化した丸棒を引き抜くことで、連続鋳造も可能である。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
図２に示した構造を有し、かつ、表１に記載した規格で構成された製造装置を用いて、最初に所定量の純Ａｌを鋳型中で高周波誘導加熱（周波数：３０ｋＨｚ）して溶解し、７５０℃に保持した。続いて、高周波誘導加熱を継続しながら、この溶融ＡｌにＳｉＣ分散Ａｌ合金（Ｈｙｄｒｏ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ社製、Ｓｉが９％，Ｍｇが６％で残部がＡｌ、ＳｉＣ：２３重量％、ＳｉＣ平均粒径：１３μｍ（この合金からアルカリ抽出したＳｉＣ粒子のＨＥＬＯＳ粒径分布装置による体積基準粒度分布からの算出による））を、Ａｌ基融体におけるＳｉＣ濃度が最終的に４．５重量％となるように所定量添加し、ＳｉＣ分散Ａｌ基融体を生成させ、これを７５０℃に保持した。なお、ＳｉＣ分散Ａｌ合金の溶解は、ＳｉＣ粒子の電磁分離を防止するために、Ａｌ基融体を撹拌しながら行った。
【００２９】
ＳｉＣ分散Ａｌ合金が完全に溶解して、その温度が７５０℃に安定した後に高周波誘導加熱を停止した。その後さらに２０秒間、Ａｌ基融体を撹拌してＳｉＣ粒子を分散させた。その後速やかに誘導コイルに２２０アンペアの電流（周波数：３０ｋＨｚ）を３０秒間連続して流すことで、Ａｌ基融体の電磁分離を行った。高周波電源を切って電磁分離を終了させ、試料を自然冷却、固化させた。鋳型から取り出した無垢棒の形状は、大凡、φ１１ｍｍ×１００ｍｍであった。
【００３０】
この無垢棒をその長さ方向と垂直に切断し、その断面組織を光学顕微鏡により観察した。また、この無垢棒に転造法によりネジ山を形成し、得られたネジをその長さ方向と平行に切断して、その断面組織を光学顕微鏡で観察した。
【００３１】
図４に作製した無垢棒の断面の光学顕微鏡写真を示す。この写真に示されるように、無垢棒の周縁部に、ＳｉＣ粒子の集積層が均一に形成されており、周波数３０ｋＨｚの表皮厚さδ（＝１．４９ｍｍ）に対応していることが確認された。また、無垢棒の中心部分は金属Ａｌが主成分となっていることが確認された。
【００３２】
図５Ａ〜５Ｄに作製したネジの断面の光学顕微鏡写真を示す。図５Ｂ，５Ｃ，５Ｄはそれぞれ図５Ａ中の領域（ａ）部，（ｂ）部，（ｃ）部の拡大写真である。従来のＳｉＣを金属Ａｌに均一分散させた材料ではネジの作製に転造法を用いることはできなかったが、周縁部にＳｉＣの集積層を形成し、中心部を金属Ａｌで構成した円柱状複合材を用いれば、転造法によるネジ製造が可能であることが確認された。
【００３３】
ネジ山部分の拡大写真に見られるように、加工前の無垢棒の状態と比較して、ネジ山部分ではＳｉＣ粒子の集積層が密になっている。これは、ネジ山が圧縮変形によって形作られるために、ネジの谷の部分のＳｉＣ粒子がネジ山へと押し寄せられたことによる結果であると考えられる。
【００３４】
（実施例２）
鋳型に最初に投入する金属として、実施例１の純Ａｌに代えてＡｌ合金（Ａｌ−７０７５）を用いたことと、ＳｉＣ分散Ａｌ合金としてＳｉＣの平均粒径が２１μｍのものをもちいたことの２点を除いて、実施例１と同じ手順に従い、ネジを作製した。ネジの断面の光学顕微鏡写真を図６に示す。図６Ｂ，６Ｃはそれぞれ図６Ａ中の領域（ａ）部，（ｂ）部の拡大写真である。
【００３５】
図６Ａ〜６Ｃに示されるように、ネジ山の形状も崩れておらず、クラックの発生も見られないことから、主成分にＡｌ基合金を用いた場合にも、転造法により容易にネジ形状に塑性変形加工することができるということが確認できた。また、ネジ山部分にＳｉＣ粒子が均一に分散していることが確認できた。
【表１】
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【００３６】
（トルク試験）
実施例２のネジを再び製造し、そのトルク試験を以下の方法で行った。すなわち、ネジの軸部の万力で挟んで固定し、ネジ部にステンレス製のナットを嵌め込む。その上からさらにステンレス製の長ナットを嵌め込み、下部のナットをスパナで固定しながら、上部の長ナットを１０Ｎ・ｍ刻みのトルクで締め込み、ネジ部が破断する締め付けトルクの値を求めた。比較のために、実施例２のネジの基材であるＡｌ−７０７５合金のみからなるネジを２本作製して、同様に締め付けトルクを測定した。
【００３７】
測定結果を表２に示す。実施例２のネジの規格はＭ１２である。実施例２のネジは３０〜４０Ｎ・ｍの締め付けトルクではネジ山の変形が認められなかった。これに対して、Ａｌ−７０７５合金のみからなるネジは、表２に示す通り、２０Ｎ・ｍの締め付けトルクを超えると、ネジ山に変形が生じることが確認された。これらのことから、実施例２のネジは、ＳｉＣ粒子をネジ山部分に集積させたことで、ネジ山が変形し難くなっていると考えられる。したがって、従来のアルミネジでは小さいトルクでネジ山が変形してしまい、繰り返しの使用が困難であったが、ＳｉＣ粒子をネジ山部へ集積させることにより、繰り返し使用にも耐えうるネジが作製できる。
【００３８】
また、実施例２のネジは、締め付けトルクが４０Ｎ・ｍを超えたところで、ネジ部が破断した。Ｍ１２型のアルミネジの締め付け規定トルクは２１Ｎ・ｍであり、一般的な鉄系Ｍ１２型ネジの締め付け規定トルクは４２Ｎ・ｍであることから、鉄系ネジと同等の締め付けトルクを有していることが確認された。
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るＡｌ基複合材製ネジの組織構造を模式的に示す断面図。
【図２】Ａｌ基複合材製ネジの製造に用いる無垢棒の製造装置の概略構成を示す図。
【図３】Ａｌ基融体における強化材粒子の移動メカニズムを模式的に示す図。
【図４】実施例１に係る無垢棒の断面の光学顕微鏡写真。
【図５Ａ】実施例１のネジの断面の光学顕微鏡写真。
【図５Ｂ】図５Ａ中の領域（ａ）部の拡大写真。
【図５Ｃ】図５Ａ中の領域（ｂ）部の拡大写真。
【図５Ｄ】図５Ａ中の領域（ｃ）部の拡大写真
【図６Ａ】実施例２のネジの断面の光学顕微鏡写真。
【図６Ｂ】図６Ａ中の領域（ａ）部の拡大写真。
【図６Ｃ】図６Ａ中の領域（ｂ）部の拡大写真。
【符号の説明】
【００４０】
１０…Ａｌ基複合材製ネジ、１２…軸芯部、１４…ネジ山部、１６…頭部、２０…製造装置、２２…鋳型、２４…台座部、２６…誘導コイル、２８…高周波電源、３２…交流磁場、３４…誘導電流、３６…電磁力、４２…Ａｌ基融体、４４…強化材粒子。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
2008106848.tif 000010
【図５Ｃ】
2008106848.tif 000011
【図５Ｄ】
2008106848.tif 000012
【図６Ａ】
2008106848.tif 000013
【図６Ｂ】
2008106848.tif 000014
【図６Ｃ】
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