(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファスナ（１０）の外側部分を形作る外殻（１２）であって、内側ボア（３０）を有する円筒形状の長さを有し、前記内側ボア（３０）が前記内側ボア（３０）の第１の端部と前記内側ボア（３０）の第２の端部との間の前記外殻（１２）を通って延在し、前記外殻が前記内側ボア（３０）の前記第１の端部にわたり延在する頭部（２４）を有し、前記外殻が前記内側ボア（３０）の周りに延在する脚部（２６）を有し、前記脚部（２６）が前記頭部（２４）と一体的な１つのピースであり、前記脚部（２６）が前記頭部（２４）から前記外殻（１２）の前記円筒形状の長さに沿って前記内側ボア（３０）の前記第２の端部まで延在し、前記外殻がセラミック材料から構成される、外殻（１２）と、
前記外殻（１２）の前記内側ボア（３０）の内側にあるコア（１４）であって、前記内側ボア（３０）の前記第１の端部から前記内側ボア（３０）の前記第２の端部まで延在する長さを有し、ガラスセラミック材料から構成される、コア（１４）とを備え、
前記外殻の前記内側ボアは、前記外殻の内面によって囲まれており、
前記コアは、前記コアの周りに延在する外面を有し、前記コアの前記外面が、前記外殻の前記内面と接合されており、前記コアの周りで前記外殻を圧縮状態に引張する、ファスナ。
【請求項２】
前記脚部（２６）が前記脚部（２６）にオネジを有し、前記オネジが前記コア（１４）の周りに延在する、請求項１に記載のファスナ。
【請求項３】
前記外殻（１２）の前記セラミック材料が、ガラスセラミック材料とは異なるセラミック材料である、請求項１に記載のファスナ。
【請求項４】
ファスナを作る方法であって、
前記ファスナ（１０）の外殻（１２）を形成することであって、前記外殻（１２）が両側に第１の端部と第２の端部とを備えた長さを有し、前記外殻（１２）の前記第１の端部に頭部（２４）を形成し、前記外殻（１２）の第２の端部にオネジを形成し、前記外殻（１２）の長さ方向を通って延在する内側ボア（３０）を有する前記外殻（１２）を形成することと、
前記外殻（１２）の前記内側ボア（３０）の中へ溶かされたプレ結晶化ガラスセラミックを注ぐことと、
前記溶かされたプレ結晶化ガラスセラミックを前記外殻の前記内側ボア内で熱処理し、前記外殻を熱処理して、前記プレ結晶化ガラスセラミックをガラスセラミックに結晶化させ、前記外殻に接合させ、前記外殻を前記ガラスセラミックに向けて圧縮状態に引張させることと、
を含む、方法。
【請求項５】
セラミック材料から前記外殻（１２）を形成することを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
アルミナから前記外殻（１２）を形成することを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
ジルコニアから前記外殻（１２）を形成することを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
鋳込成形又は射出成形のうちの一方によって、続いてセラミック材料の静水圧プレス成形及び焼結によって、前記外殻（１２）を形成することを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記ガラスセラミック材料が冷却された後に前記ガラスセラミック材料を熱処理して、前記ガラスセラミック材料を結晶化し、前記ガラスセラミック材料を前記外殻（１２）に接合することを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記外殻（１２）の前記第２の端部、及び前記外殻（１２）に接合された前記ガラスセラミックを機械加工して、滑らかな底部を形成することを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
長さを有するコアであって、前記コアの前記長さの両端部において第１の端部及び第２の端部を有し、前記コアの周りに延在する外面を有し、ガラスセラミック材料から構成される、コアと、
前記コアの周りの外殻であって、ガラスセラミックではないセラミック材料から構成され、前記コアの前記第１の端部の周りに延在する頭部を有し、前記コアの周りに延在する脚部を有し、前記脚部が前記頭部と一体的な１つのピースであり、前記脚部が前記頭部から前記コアの前記長さに沿って前記コアの前記第２の端部まで延在する、外殻と、
を備え、
前記外殻は前記コアの前記外面と接合され、前記コアは前記コアの周りで前記外殻を圧縮状態に引張する、ファスナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、セラミックファスナの製造に関する。特に、本開示は、セラミックファスナを製造する方法、及び該方法に従って製造されたセラミックファスナに関し、該セラミックファスナは、アルミナ又はジルコニアなどの強いセラミック材料の外殻を有し、該外殻は、ガラスセラミック材料で満たされる内側ボア（ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｂｏｒｅ）を有する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナから製造されたセラミックファスナ及びジルコニア系セラミックから製造されたセラミックファスナが、現在、購入可能である。しかしながら、既知のセラミックファスナは、それらの低い破壊靱性及び衝撃抵抗性のために、多くの人によって、性能が劣ると考えられている。商業的用途及び航空宇宙の用途の両方において、高い靱性を有し且つ高い衝撃及びせん断力に耐えることができる、高温セラミックファスナ及び非導電性セラミックファスナが必要である。
【発明の概要】
【０００３】
本開示のセラミックファスナは、基本的に、異なるセラミック材料から構成された外殻及び内部コアから成る。外殻は、ファスナの外側部分を形成し、コアを取り囲む。
【０００４】
外殻は、内側ボアを有する円筒形状の長さを有する。内側ボアは、外殻を通って、内側ボアの第１の端部と内側ボアの第２の端部との間で延在する。外殻は、外殻の第１の端部において頭部を有する。頭部は、内側ボアの第１の端部にわたり且つ第１の端部の周りに延在する。頭部は、ボルトの六角頭又は小ねじの擦り割り付き頭部などの、典型的なファスナの頭部として構成される。外殻は、頭部から外殻の第２の端部まで延在する脚部を有する。脚部は、内側ボアの全長を取り囲む。脚部は、頭部と一体的な１つのピースとして形成される。脚部は、脚部に少なくとも１つのオネジを有する。外殻のセラミック材料は、焼結されたアルミナ又はジルコニア系セラミックなどの、高純度のセラミック材料である。
【０００５】
コアは、外殻の内側ボアの内側にある。コアは、内側ボアの第１の端部におけるコアの第１の端部から、内側ボアの第２の端部におけるコアの第２の端部まで、延在する長さを有する。コアは、ガラスセラミック材料から構成される。ガラスセラミック材料は、ファスナの製造の間に外殻の内側ボアの内面に接合され、外殻を圧縮状態に引張する。
【０００６】
セラミックファスナを製造することにおいて、外殻は、外殻の外面を形成する内面を有する型内で鋳造（ｃａｓｔ）される。外殻は、アルミナ又はジルコニアなどのセラミック粉体から形成される。外殻は、鋳込成形（ｓｌｉｐ  ｃａｓｔｉｎｇ）若しくは射出成形によって、静水圧プレス成形及び焼結によって、又は別の同等な方法によって、型内で形成される。これは、ファスナを回転させるために従来から使用されてきた、ツールと係合するように構成された頭部と、頭部から外殻の第２の端部まで延在する脚部とを有する、外殻を形成する。脚部は、脚部の外側に少なくとも１つのオネジを伴って成形される。成形プロセスは、頭部の内側から外殻を通って、脚部を通って、外殻の第２の端部まで延在する内側ボアをも有する外殻を形成する。内側ボアの開口部は、外殻の第２の端部に設けられる。
【０００７】
この後、コアは、外殻の内側ボアの内側に形成される。コアは、プレガラスセラミック混合物（ｐｒｅ‐ｇｌａｓｓ‐ｃｅｒａｍｉｃ  ｍｉｘｔｕｒｅ）を作り出すセラミック粉体から作り上げられる。プレガラスセラミック混合物は、その後、加熱炉内で溶かされる。溶かされたガラスセラミック混合物は、その後、外殻の内側ボアの中へ注がれる。溶かされたプレガラスセラミック混合物は、外殻頭部の内側から、脚部を通って、外殻の第２の端部における開口部まで、外殻の内側ボアを満たす。
【０００８】
外殻、及び外殻の内側ボア内のガラスセラミックは、その後、熱処理されて、コアのガラスセラミックを結晶化させる。これは、外殻に接合するファスナのガラスセラミックコアを形成し、外殻を圧縮状態に引張する。
【０００９】
その後、ファスナは冷却され、外殻の第２の端部は、機械加工されて、外殻の第２の端部、及び外殻の第２の端部におけるガラスセラミックを滑らかにし、最終的なセラミックファスナを作り出す。
【００１０】
上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において独立に実現することが可能であり、また別の実施形態において組み合わせることも可能である。これらの実施形態について、以下の説明及び添付図面を参照して更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示のセラミックファスナの断面図である。
【図２】ファスナの外殻を形成することにおいて使用される型の図である。
【図３】型から取り出された外殻の断面図である。
【図４】熱い、溶かされたプレガラスセラミック混合物で満たされようとしている外殻の断面図である。
【図５】ガラスセラミック混合物が加熱され且つ結晶化を経て、ファスナのガラスセラミックコアを形成する、ガラスセラミック混合物で満たされた外殻の断面図である。
【図６】セラミックファスナを形成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本開示のセラミックファスナ１０の断面図である。ファスナ１０は、基本的に、外殻１２と内部コア１４から構成される。外殻１２及びコア１４は、異なるセラミック材料から形成される。外殻１２は、ファスナ１０の外側部分を形成し、コア１４を取り囲む。ファスナ１０は、中心軸１６を有し、外殻１２とコア１４の両方が、中心軸１６の周りで対称である。
【００１３】
外殻１２は、外殻の第１の端部２０と外殻の第２の端部２２との間で円筒形状の長さを有する。外殻１２は、外殻の第１の端部２０に形成された頭部２４を有する。頭部２４の外側部分は、ボルトの六角頭、小ねじの擦り割り付き頭部、又は従来のファスナの頭部の任意の他の構成などの、従来のファスナの頭部として構成される。外殻１２は、外殻１２の長さに沿って頭部２４から、外殻の第２の端部２２まで延在する脚部２６も有する。脚部２６の外面は、典型的なねじファスナの外面として構成される。図１で表されているように、少なくとも１つのオネジ２８が、外殻の第２の端部２２と隣接する脚部２６の外側部分に形成される。脚部２６は、頭部２４と一体的な１つのピースとして形成され、頭部２４から外殻１２の長さに沿って、外殻の第２の端部２２まで延在する。本開示において、外殻１２は、焼結されたアルミナ又はジルコニア系セラミックなどの、高純度のセラミック材料から形成される。他の同等なセラミック材料が採用されてもよい。外殻１２は、外殻１２の長さ方向を通って延在する内側ボア３０を有する。内側ボア３０は、外殻の頭部２４の内側の外殻１２の第１の内面３２によって画定された第１の端部を有する。内側ボア３０は、第１の内面３２によって画定されたボアの第１の端部から、ボア３０が外殻１２の第２の内面３４によって画定される脚部２６の長さ方向を通って、外殻の第２の端部２２におけるボアに対する開口部３６によって画定されたボア３０の第２の端部まで延在する。脚部２６を通って延在する内側ボア３０の第２の内面３４の部分は、一定の内径及び一定の断面積を有する円筒形状の構成を有する。図１で見られ得るように、外殻の頭部２４内の第１の内面３２によって画定された内側ボア３０の第１の内面３２の部分も、脚部２６の第２の内面３４内に含まれたボアの第２の内面３４の部分の断面径及び断面積よりも大きい、断面径及び断面積を有するほぼ円筒の形状を有する。
【００１４】
コア１４は、外殻１２の内側ボア３０の内側にあり、内側ボアを完全に満たす。コア１４は、外殻１２の第１の内面３２に一致するコアの第１の端部４２から、外殻の第２の端部２２における内側ボアの開口部３６に一致するコアの第２の端部４４まで、延在する長さを有する。コア１４の長さに沿って、コアは、ボア３０の第１の内面３２の部分及び第２の内面３４の部分に一致する外面を有する。これは、ボア３０の第１の内面３２の部分においてコア１４に頭部を形成し、ボア３０の第２の内面３４の部分においてコア１４に脚部を形成する。コア１４は、ガラスセラミック材料から構成される。ガラスセラミック材料は、外殻１２内のボア３０の第１の内面３２の部分及び第２の内面３４の部分に接合される。この接合は、ファスナ１０の製造の間に作り出され、外殻１２を圧縮状態に引張するコア１４をもたらす。
【００１５】
セラミックファスナ１０を製造する方法が、図２〜図６で表されている。セラミックファスナ１０を製造することにおいて、外殻１２が最初に形成され、その後、コア１４が外殻内に形成される。
【００１６】
図６を参照すると、ステップ１では、外殻１２を形成するために使用されるセラミック粉体が決定される。本開示において、セラミック粉体はアルミナである。しかし、ジルコニア又は他の同等なセラミック粉体が使用されてもよい。
【００１７】
図２及び図６を参照すると、ステップ２では、外殻１２が、外殻１２の外面を形成するように構成された内面５０を有する型４８内で形成される。図２は、型４８の半分のみを表している。図２で示されている型４８の半分の対称像（ｍｉｒｒｏｒ  ｉｍａｇｅ）である型の第２の半分も、外殻１２を形成することにおいて使用されることが理解されるべきである。外殻１２は、鋳込成形によって、熱間静水圧プレス成形及び焼結によって、又は別の同等な方法によって、アルミナセラミック粉体から、組み合わせられた二つの割型４８内で形成される。外殻１２の成形が完了すると、図３で表されているように、外殻１２は型４８から取り出される。図３で表されているように、外殻１２は、外殻の第１の端部２０における頭部２４、外殻１２の長さに沿って外殻の第２の端部２２まで延在する脚部２６、脚部２６のオネジ２８、及び内側ボアの第１の端部３２から外殻１２を通って外殻の第２の端部２２における開口部３６におけるボアの第２の端部３４まで延在する内側ボア３０を有するように、成形される。
【００１８】
図６で表されているように、ステップ３では、セラミック粉体が、コア１４を形成するために望ましいガラスセラミック材料のための前駆体（ｐｒｅ‐ｃｕｒｓｅｒ）として決定される。選択された粉体は、混合されてプレガラスセラミック混合物を形成する。
【００１９】
図６で表されているように、ステップ４では、プレガラスセラミック混合物が、加熱炉内のるつぼの中へ置かれ、プレガラスセラミック混合物を溶かす加熱炉内で加熱されて、溶かされたプレ結晶化ガラスセラミック（ｐｒｅ‐ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｇｌａｓｓ‐ｃｅｒａｍｉｃ）を形成する。
【００２０】
図４及び図５で表されているように、ステップ５では、溶かされたプレ結晶化ガラスセラミックが、そのとき、るつぼから、外殻の第２の端部２２における開口部３６を通して、外殻１２の内側ボア３０の中へ注がれる。溶かされたプレ結晶化ガラスセラミックは、内側ボア３０の開口部３６まで、外殻１２の内側ボア３０を完全に満たす。
【００２１】
図５及び図６で表されているように、ステップ６では、外殻１２の内側ボア３０内の溶かされたプレ結晶化ガラスセラミック、及び外殻が、熱処理されてコア１４のガラスセラミックを結晶化する。これは、外殻１２内のボア３０の第１の内面３２の部分及び第２の内面３４の部分に接合されたガラスセラミックコア１４を形成し、コア１４に向けて外殻１２を圧縮状態に引張する。
【００２２】
図６で表されているように、ステップ７では、セラミックファスナ１０の外殻１２及びコア１４が、冷却される。冷却に続いて、外殻１２及びコア１４は、機械加工を経て、必要であるならば、外殻の内側ボア３０の開口部３６における外殻の第２の端部２２及びコア１４を滑らかにし、図１で表された最終的なセラミックファスナを作り出す。
【００２３】
更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。
条項１
ファスナの外側部分を形作る外殻であって、内側ボアを有する円筒形状の長さを有し、前記内側ボアが前記内側ボアの第１の端部と前記内側ボアの第２の端部との間の前記外殻を通って延在し、前記外殻が前記内側ボアの前記第１の端部にわたり延在する頭部を有し、前記外殻が前記内側ボアの周りに延在する脚部を有し、前記脚部が前記頭部と一体的な１つのピースであり、前記脚部が前記頭部から前記外殻の前記円筒形状の長さに沿って前記内側ボアの前記第２の端部まで延在し、前記外殻がセラミック材料から構成される、外殻と、前記外殻の前記内側ボアの内側にあるコアであって、前記内側ボアの前記第１の端部から前記内側ボアの前記第２の端部まで延在する長さを有し、ガラスセラミック材料から構成される、コアとを備える、ファスナ。
条項２
前記脚部が前記脚部にオネジを有し、前記オネジが前記コアの周りに延在する、条項１に記載のファスナ。
条項３
前記外殻の前記セラミック材料が、ガラスセラミック材料とは異なるセラミック材料である、条項１に記載のファスナ。
条項４
前記外殻の前記セラミック材料が、焼結されたアルミナである、条項１に記載のファスナ。
条項５
前記外殻の前記内側ボアが内面によって取り囲まれており、前記コアが前記コアの周りに延在する外面を有し、前記コアの前記外面が、前記内側ボアの前記内面と接合されており、前記コアの周りで前記外殻を圧縮状態に引張する、条項１に記載のファスナ。
条項６
前記頭部が前記内側ボアの前記第１の端部の周りに延在し、前記内側ボアの前記第１の端部が前記頭部の内側にあり、前記コアが前記コアの前記長さの両側端部において第１の端部及び第２の端部を有し、前記コアの前記第１の端部が前記内側ボアの前記第１の端部にあり且つ前記頭部の内側にある、条項１に記載のファスナ。
条項７
前記コアが前記コアの前記第１の端部に頭部を有し、前記コアの前記頭部が前記コアの前記長さに沿った最も大きい断面積である断面積を有し、前記コアの前記頭部が前記外殻の前記頭部の内側にある、条項６に記載のファスナ。
条項８
長さを有するコアであって、前記コアの前記長さの両端部において第１の端部及び第２の端部を有し、前記コアの周りに延在する外面を有し、ガラスセラミック材料から構成される、コアと、ガラスセラミックではないセラミック材料から構成される外殻であって、前記コアの前記第１の端部の周りに延在する頭部を有し、前記コアの前記長さの周りに延在する脚部を有し、前記脚部が前記頭部と一体的な１つのピースであり、前記脚部が前記頭部から前記コアの前記長さに沿って前記コアの前記第２の端部まで延在する、外殻とを備える、ファスナ。
条項９
前記外殻の前記セラミック材料が、焼結されたアルミナである、条項８に記載のファスナ。
条項１０
前記外殻の前記セラミック材料が、ジルコニアである、条項８に記載のファスナ。
条項１１
前記外殻が前記コアの前記外面と接合され、前記コアが前記コアの周りで前記外殻を圧縮状態に引張する、条項８に記載のファスナ。
条項１２
前記コアが前記コアの前記第１の端部において頭部を有し、前記コアの前記頭部が前記コアの前記長さに沿った最も大きい断面積である断面積を有し、前記コアの前記頭部が前記外殻の前記頭部の内側にある、条項８に記載のファスナ。
条項１３
前記脚部が前記脚部にオネジを有し、前記オネジが前記コアの周りに延在する、条項８に記載のファスナ。
条項１４
ファスナを作る方法であって、前記ファスナの外殻を形成することであって、前記外殻が両側に第１の端部と第２の端部とを備えた長さを有し、前記外殻の前記第１の端部に頭部を形成し、前記外殻の第２の端部にオネジを形成し、前記外殻の長さ方向を通って延在する内側ボアを有する前記外殻を形成することと、前記外殻の前記内側ボアの中へ溶かされたプレ結晶化ガラスセラミックを注ぐことと、前記溶かされたプレ結晶化ガラスセラミックが前記外殻の前記内側ボアの内側で冷却されるようにすることとを含む、方法。
条項１５
セラミック材料から前記外殻を形成することを更に含む、条項１４に記載の方法。
条項１６
アルミナから前記外殻を形成することを更に含む、条項１４に記載の方法。       
条項１７
ジルコニアから前記外殻を形成することを更に含む、条項１４に記載の方法。
条項１８
鋳込成形又は射出成形のうちの一方によって、続いてセラミック材料の静水圧プレス成形及び焼結によって、前記外殻を形成することを更に含む、条項１４に記載の方法。
条項１９
前記ガラスセラミック材料が冷却された後に前記ガラスセラミック材料を熱処理して、前記ガラスセラミック材料を結晶化し、前記ガラスセラミック材料を前記外殻に接合することを更に含む、条項１４に記載の方法。
条項２０
前記外殻の前記第２の端部、及び前記外殻に接合された前記ガラスセラミックを機械加工して、滑らかな底部を形成することを更に含む、条項１９に記載の方法。
【００２４】
本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書中に記載され図示されたセラミックファスナの製造及びその操作方法に様々な変更を加えることができるであろうから、先ほどの記述に含まれ、添付図面に示された全てのものは、限定というよりむしろ例示として解釈されたい。したがって、本開示の幅広さ及び範囲は、上記の例示的な実施形態のうちのいずれかによって限定されるべきではなく、本明細書に添付される以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ規定されるべきである。
【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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