(57)【要約】【課題】高強度であるとともに、表面硬さが大きく、しかも表面硬さと内部の硬さとのバランスのとれた新しいタッピングネジ、さらには新しいネジ一般を提供する。【解決手段】平均粒径３μｍ以下のフェライト粒の超微細組織鋼を有し、表面部に窒化層を有するネジまたはタッピングネジとする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が３μｍ以下のフェライト粒の超微細組織を有し、表面部に窒化層を有することを特徴とするネジまたはタッピングネジ。
【請求項２】
平均粒径が１μｍ以下のフェライト粒の超微細組織を有していることを特徴とする請求項１のネジまたはタッピングネジ。
【請求項３】
表面部の窒化層の厚みが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のネジまたはタッピングネジ。
【請求項４】
窒化層による表面硬さがビッカース硬さで４５０以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのネジまたはタッピングネジ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかのネジまたはタッピングネジの製造方法であって、平均粒径が３μｍ以下のフェライト粒の超微細組織を有するネジまたはタッピングネジ用成形体に、４８０℃〜５９０℃の温度において低温軟窒化処理を施すことを特徴とするネジまたはタッピングネジの製造方法。
【請求項６】
５００℃〜５５０℃の温度において低温軟窒化処理を施すことを特徴とする請求項５のネジまたはタッピングネジの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ネジまたはタッピングネジとその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、高強度であって、しかも表面硬さが大きく、表面硬さと内部の硬さとのバランスのとれた新しいネジまたはタッピングネジとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
従来、タッピングネジは、ＳＷＣＨ−１０〜２０またはＳＵＳ４１０を素材とし、機械加工後に浸炭焼入れ処理によってタッピングに必要な硬さ、耐衝撃性及び引張強さを確保してきた。また、従来では、耐食性を保持するために、浸炭処理後に亜鉛メッキ等の表面処理を施していた。メッキ等によって生じる遅れ破壊が問題にもなっている。
【０００３】
しかしながら、従来の浸炭処理においては、表面部の浸炭層が０．２ｍｍ以上と厚く、タッピングネジ本体の内部まで硬化してしまうという問題があった。タッピングネジにおいては、本体内部の硬さよりも表面部の硬さが大きいことが必要とされており、しかもその硬さのバランスが重要であって、硬さの大きな表面部の厚みは適切であることが望ましいことから、従来の浸炭処理は実際的に満足できるものではなかった。また、浸炭処理においては、耐食性を保持するためのメッキ等の表面処理がさらに必要とされていることから、これら工程は面倒なもので、生産工程での負荷が大きいという問題があった。
【０００４】
一方、この出願の発明者らは、合金元素の添加や調質処理によらず、超微細組織によって強度が確保される新しい高強度ネジとその製造方法を提案している（先行出願）。
【０００５】
この新しい高強度ネジにおいては、たとえば平均粒径が１μｍ以下のフェライト粒からなる超微細組織であることを特徴としている。
【０００６】
【先行出願】
特願２００２−１６４９９４号
そこで、この出願の発明は、発明者らがすでに提案している高強度ネジの新しい技術知見を踏まえ、その特徴を生かして、従来のタッピングネジについての問題点を解消して、高強度であるとともに、表面硬さが大きく、しかも表面硬さと内部の硬さとのバランスのとれた新しいタッピングネジ、さらには新しいネジ一般を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、平均粒径が３μｍ以下のフェライト粒の超微細組織を有し、表面部に窒化層を有することを特徴とするネジまたはタッピングネジを提供し、第２には、この場合において、平均粒径が１μｍ以下のフェライト粒超微細組織を有すること、第３には、表面部の窒化層の厚みが１００μｍ以下であること、第４には、窒化層による表面部の硬さが、ビッカース硬度で４５０以上であること、を各々特徴とするネジまたはタッピングネジを提供する。窒化層とは最表面部の化合物層（例えば、ｅ相といわれるＦｅ３Ｎ，　Ｆｅ２−３（Ｃ，Ｎ）が主体である領域）および化合物層下の析出層（たとえば、γ‘と言われるＦｅ４Ｎや添加元素の窒化物の析出領域）を意味する。
【０００８】
また、この出願の発明は、第５には、上記のネジまたはタッピングネジの製造方法として、前記の平均粒径３μｍ以下のフェライト粒の超微細組織を有するネジまたはタッピングネジ用成形体に、４８０℃〜５９０℃の温度において低温軟窒化処理を施すことを特徴とする製造方法を提供し、さらに第６には、５００℃〜５５０℃の温度において低温軟窒化処理を施すことを特徴とするネジまたはタッピングネジの製造方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１０】
平均粒径３μｍ以下、さらには平均粒径１μｍ以下のフェライト粒からなる超細組織を有するネジについては、前記の先行出願においても開示しているように、フェライト粒超細組織を有する鋼を素線として用い、冷間もしくは温間の加工によりネジ成形することにより得ることができる。この場合のフェライト超細組織鋼そのものについては、たとえば、厚鋼板に温間温度域における多方向多パス圧延を施して、臨界歪みよりも大きな歪みを導入することで製造することができる。
【００１１】
これにより、たとえば、フェライト平均粒径が１．０μｍで引張強さが７００ＭＰａ、０．７μｍで８００ＭＰａの高強度なものが実現されている。
【００１２】
このような超微細組織を有する鋼としては、その組成の面においては、相変態による高強度化の機構を全く利用せず、強度を高めるための合金元素の添加を必要としないために鋼の組成が制限されることがなく、たとえば、フェライト単相鋼や、フェライトとセメンタイトとからなる鋼をはじめ、広い範囲の鋼材を用いることができる。より具体的には、たとえば、組成が、重量％で、
Ｃ：０．００１％以上１．２％以下、
Ｓｉ：２％以下、
Ｍｎ：３％以下、
Ｐ：０．２％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｎ：０．０２％以下、
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉが合計で５％以下、
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖが合計で０．５％以下、
Ｂ：０．０１％以下、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物といった、合金元素が添加されていない組成のものを１つの例として示すことができる。もちろん、上記のＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂ等の合金元素は、必要に応じて上記の範囲を超えて添加することも可能であるし、逆に全く含まれていなくてもよい。
【００１３】
この出願の発明においては、ネジあるいはタッピングネジとして成形した成形体に対して、低温軟窒化処理を施すことを特徴としているが、この低温軟窒化の手段そのものは、ガスまたは塩浴による窒化手段として従来より知られており、いわゆる「本窒化」と呼ばれる窒化処理に比べてより短い時間で窒化が行われるのが特徴である。
【００１４】
これまでネジについては浸炭処理は知られているものの、窒化処理、さらには低温軟窒化処理を施したものは全く知られていない。
【００１５】
この出願の発明のネジまたはタッピングネジにおいては表面部の窒化層を有し、その厚さは好ましくは１００μｍ以下の厚みであるものとする。そして、このような窒化層の存在による表面の硬さは、ビッカース硬さとして、４５０以上であることが好ましい。
【００１６】
そして、表面部を除く、ネジまたはタッピングネジの本体内部のビッカース硬さは、４５０以下であることが望ましい。このように、表面部の窒化層の厚みと、表面部と内部の硬さのバランスは、タッピングネジにとって大変に重要であり、この出願の発明によって実現される極めて顕著な効果である。
【００１７】
たとえば、タッピングネジが鉄板（ＳＰＣ等）にタッピングを施すための最低硬さＨｖ４５０（経験値）を満たす軟窒化処理温度は、ガス軟窒化処理条件と硬さの推移より４８０℃以上が必要になる。通常、軟窒化処理の温度は、５８０℃〜６００℃であるが、この温度で処理を施した場合超微細結晶粒が粗大化し超微細組織鋼の意義を失いかねない。結晶粒の粗大化が始まる温度は、一般的に５５０℃であるが、６００℃でも処理時間を１．０時間以下とすれば結晶粒の粗大化も押さえることは可能になる。しかし、時間短縮によって安定した窒化層を得ることが困難になる。このようなことから、この出願の発明においては、一般的には処理温度は４８０℃〜５９０℃の範囲とするが、処理温度５００℃〜５５０℃で行うことが好ましい。
【００１８】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【００１９】
【実施例】
表１に用いた鋼の組成を示した。平均フェライト粒径０．５μｍから１．０μｍの超微細組織鋼を作製し、ネジ用の素材とした。また平均粒径２０μｍのＳＳ４００およびＳＷＣＨ１８Ａの素線も比較のため用意した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
これらの素材を用いて成形、転造を行い、Ｍ６のネジを作製した。次にこれらのネジに対し、ガス軟窒化処理を施した。ガス軟窒化の条件は、ＮＨ３とＣＯ２の混合ガス雰囲気中で５３０℃、２時間である。図１−４に実施例１−４のネジ部の断面写真を示すが、厚さで約１０μｍの窒化層（化合物層）の形成が確認された。
【００２２】
図５には窒化層近傍の組織写真を示すが、実施例１では、窒化層近傍のフェライトは平均粒径１μｍ以下であり、きわめて微細な組織が保たれていることが明らかである。一方、比較例１の場合、窒化層近傍の粒径は粗大である。
【００２３】
表２にネジ表面および芯部のピッカー硬さを示す。実施例１−４では表面硬さが５６０を超え、極めて高硬度が得られている。同時にタッピングネジに要求される表面硬さを満足している。表面硬さとは、化合物層直下の硬さ、または、化合物層を含んだ領域の硬さである。
【００２４】
一方、芯部硬さは、最も低いものでも２００を超えており、比較例１の１４２に比べ高硬度であることは明らかである。また、タッピングネジに求められる表面層のピッカース硬さ４５０以上と内部の硬さは４５０以下が満足されている。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
図１−４には、本ネジを厚さ１ｍｍの軟鋼板に貫通させた後、すなわち、タッピング後に、ネジを取り出し断面を観察した写真も示している。窒化層（化合物層）の剥離は観察されず、タッピングネジとしての実用に耐えうる窒化層の耐剥離強度があることが確認された。比較例の場合も、柔らかい部材に対しては、タッピング可能である。
【００２７】
さらに、実施例１−４のネジは実用上十分な耐食性を有していた。
【００２８】
表３に素材１のガス軟窒化前後の引張強さの変化を示すが、ほとんど変化がなかった。また、比較のため、素材７を浸炭焼入れし、引張強さを調べたが、強度は素材１のガス軟窒化したものに比べ劣っていた。したがって、ガス軟窒化を超微細組織鋼への適用は、素材引張強さを低下させることなく、表面硬さを上昇できる、優れた方法といえる。
【００２９】
従来のタッピングネジには浸炭焼入れが必要であった。これは、８００℃以上にネジを加熱する必要があった。しかし、超微細組織と低温軟窒化技術を組み合わせることによって、従来に比べはるかに低い温度での熱処理で、タッピングネジの製造が可能となったわけである。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明によって、これまでに知られていない、優れた特性を有するネジまたはタッピングネジが提供される。
【００３２】
軟窒化処理による耐食性も確保されていることから、この出願の発明は、屋外や高湿度環境で使用されるすべてのネジに有効である。例えば、プレハブの組立用ネジ、自動車（特にナンバープレート装着用）、風呂トイレ、エアコン、コンプレッサー、洗濯機、冷蔵庫等家電製品に使用可能である。また、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレスには、これまでタッピングネジが作れないためにボルト−ナットの組み合わせが採用されていたが、この発明は、その代替として極めて有効である。
【００３３】
そして、この出願の発明の超微細組織鋼とガス軟窒化の組み合わせは、従来の鉄鋼と浸炭焼入れの組み合わせに比べ、耐引張強さ、耐衝撃、耐疲労、耐遅れ破壊に優れ、特に耐衝撃の観点からは、自動車（タイヤ装着用）、車両、工作機械等に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のガス軟窒化後のネジ部およびタッピング後のネジ部の断面を示した顕微鏡写真である。
【図２】実施例２のガス軟窒化後のネジ部およびタッピング後のネジ部の断面を示した顕微鏡写真である。
【図３】実施例３のガス軟窒化後のネジ部およびタッピング後のネジ部の断面を示した顕微鏡写真である。
【図４】実施例４のガス軟窒化後のネジ部およびタッピング後のネジ部の断面を示した顕微鏡写真である。
【図５】実施例１と比較例１についての窒化層近傍の組織を示したＳＥＭ写真である。
【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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