ALarmorナットTM の紹介―CFRP へのアルミナットの適用
The Introduction of ALarmorNutTM,Aluminum Nut Applicable for CFRP
高 木 一 樹
Kazuki Takagi

1. は じ め にルミ部品を取り付けて酸性液に浸漬し通電することによりアルミ表面に酸化被膜を形成する．用いる酸性液は一般的

近年， CFRP を使用している製品が増えているが，まには使用されていない有機成分を含んだ電解液であり，特だ部分的な利用に留まっており，全体を CFRP で構成す

殊な電極取りと，その電解液にて可能となる特殊な通電をる製品は少ない．部分的に CFRP，CFRTP を使用すると行い，ねじなどの複雑形状でも比較的均一な皮膜生成を可金属など異種材料との接合が必要となり，その方法は主に能 と し て い る ．（ 特 殊 陽 極 酸 化 技 術 の 開 発

接着，溶着などに頼っている．その理由の一つは，炭素繊5777939）また，この技術を用いれば難アルマイト材であ維は導電性に優れていることにより，金属材料が接触したる 7000 系のアルミ合金へも比較的に短時間で厚膜の形成状態で雨や露で濡れるとガルバニック反応が起こり，金属が可能である．

材料が腐食することである．つまり腐食環境下で鋼製やアルミ製のボルト，ナット等と炭素繊維が接触すると，炭素3.

特許第ねじ部品への応用

より電位が低く卑な鋼やアルミニウムの電子が放出され腐この高耐食，高硬度の ALarmorは元々アルミボルト食が進行する． CFRP 化が進む航空機では既にその対策への適用を試み開発したものである．アルミボルトは強度が必要とされ1)，自動車部品においても同じくその対策がが高いほど応力腐食割れのリスクも高くなる2) ．そのた必要となる．アルミニウム AL は Fe に比べて卑なる金属

め，高強度な 2000 系や 7000 系のアルミボルトは腐食環境であるが電気絶縁性が高い自然酸化膜を生成する性質を持下ではほとんど使用されていない．そこで A7050 製ボル

ち，人工的に酸化を促進させることにより優れた電気絶縁トを ALarmor皮膜で包み外部の腐食環境を遮断し応力性と高い硬度を有した酸化皮膜を生成する．

腐食割れのリスクを回避できるボルトを開発した．これは今回， CFRP 用のアルミナットに陽極酸化処理等を施JIS B1057 AL6 規格の強度510 N/mm2 以上と応力腐食割すことにより電食の防止を試みたので，その製品（ AL 

れの回避を両立する．AL 部材や Mg 部材を締結しても鋼armorナ ッ トTM ） の 性 能 を 紹 介 し た い ． 主 な 特 徴 はボルトに比べて電食が起きにくい特徴がある．また鋼ボル

CFRTP と一体成形して使用する軽量なアルミ合金製のトに比べて重量が 1/3 であり比強度に優れる．

ナットである．また，電気絶縁性が高い皮膜を有し電食を通常，陽極酸化処理では Fig. 1 のように電流が流れや防止し，樹脂との一体成型後の強度に優れるものである．

2.

陽極酸化処理技術を利用した「ALarmor」の紹介

AL armorは陽極酸化処理をベースとした技術であり，ねじなどの複雑形状でも比較的均一な皮膜が形成され，放熱性に優れている特徴がある．具体的には陽極にア株式会社ヤマシナ 技術開発部
YAMASHINA CORPORATION
原稿受付：2018年 3 月 5 日

Fig. 1

左よりねじ部品 3D スキャン図
極酸化ねじ山縦断面
軽 金 属 溶 接

一般的な陽Vol. 56 (2018) No. 8 Table 1

結果
表面処理

材質

熱処理

強度N/mm2１
◯

A7075

T6510

２
◯

A7050

T7540

一般的な硬質アルマイト

10日後ねじ破断

３◯↑↑↑ALarmor

大きな変化なし

生結果

2 日後ねじ破断

地Fig. 3

左中央右左 アルミ生地右 ALarmor処理

Fig. 2 アルミボルト交互浸漬試料状態
１ A7075 生地 2 日経過◯
２ A7050 一般的な硬質アルマイト 9 日経過◯
３ A7050 AL
◯armor5 ヶ月経過
Fig. 4

左 Ver. 6

右 Ver. 4

すい凸部のねじ山頂部は厚くなり，面に対して垂直に膜が成長するため間隙を生じる．逆に凹部である谷部の膜厚は時に行う．例えば， A7050 製のタッピンねじをアルミ部

薄く耐食性が低くなり応力腐食割れの防止には不十分であ材にねじ込み，めねじを成形するが，おねじと相手材の硬る．これを回避するには皮膜の厚さに応じて曲率半径 Rさが近いためにおねじの山が変形する．しかし， AL ar-を 大 き く 取 る 必 要 が あ り ， 例 え ば 膜 厚 50 mm で あ れ ばmor処理を施すと硬さと膜厚の効果により，おねじが変R1.6 mm とある3) が，サイズが小さい M4 や M6 のねじ形することなくアルミ相手材にめねじの成形が可能となる．

形状としては成立させにくい．そこで，前述の比較的均一

Fig. 3 に同じ材質，熱処理のねじに ALarmor処理があに膜を成長させる処理技術を用い陽極酸化複合皮膜によりる場合，無い場合の比較を示す．

耐食性を高めた．

条件

応力腐食割れの確認として塩水浸漬 10 分と大気開放 50分を繰り返す塩水交互浸漬試験を行った． SUS 四角管を介して SUS ナットに破断トルクの 80 90 ％でアルミボルトを締付け，腐食，破断の状況を確認した．塩水は3.5 wt
サイズ M5x0.8 25

相手材

硬さ Hv1104.

ナット部品への応用

4.1

アルミナット試作

高耐食，高硬度の ALarmor処理をねじ部品に適用し％塩化ナトリウム水溶液を用いた．
用意した試料C 型 タ ッ ピ ン ね じ 4 × 20 A7050 T7 /A6061 T651

１ アル
A7050 T7 ◯て得られた知見を活かし，アルミナットに応用することで２ 一般的な硬質アルマイト，◯
３ AL
ミ生地，◯armor

CFRP，CFRTP と組合せても電食しないナット（ALar-

硬質アルマイトの膜厚は 10 mm 程度であり， AL armor

morナットTM）を開発した．Fig. 4 に形状概観を示す．

は40 mm である．膜厚に違いがあるが，加工時間を考慮しVer. 4 は形状を切削のみで製造し金型が不要であるのでて同程度の生産性である．
一般的な硬質アルマイトでは 10 日後破断したのに対して， AL armorでは 5 ヶ月経過して大きな変化は無かった．Table 1 に結果を，Fig. 2 に試料の状態を示す．
また，この AL armorの硬さは Hv400 以上でありア少量の生産に向いている． Ver. 6 は圧造金型を用いて製造する大量生産向きである．（意匠登録済）
材質は，A5052

A6061

A6056

A7075 等である．

開発初期の段階では各種アルミナットと表面処理の組合せで製造し耐食性の確認を行った．

ルミ製タッピンねじに施すことにより，相手材がアルミ材

具体的にはアルミナットを CFRTP PP CF40 wt ％（株の場合も使用可能となる．タッピンねじは相手材に空いて式会社ダイセル製プラストロン（登録商標）PPCF4011いる下穴におねじを締付けることによりめねじの成形も同（L8）F00S）もしくは CFRTP PA CF40 wt％（株式会社 軽 金 属 溶 接Vol. 56 (2018) No. 8

Fig. 6

電気抵抗値の測定図 ナットCFRTP 間

Table 2Fig. 5(上段)一体成形品断面(左)試験前(右)試験後

電気抵抗値交互浸漬結果

試験前抵抗値（kQ)

0.001

2400800

塩水交互浸漬（日)1202570

ダ イ セ ル 製 プ ラ ス ト ロ ン （ 登 録 商 標 ） PA66 CF40 20（ L9 ） F00L ）を用い一体成形により試料を準備し，塩水交互浸漬法により腐食の進行を確認した．
当初，結果は思わしくなく数日から数十日で白色の腐食が発生した． Fig. 5 に初期成形品と試験前後の状態を示す．
アルミナットと外部を遮断する皮膜機能を簡易的に評価するために，塩水交互浸漬試験前の各試料の電気抵抗値を測定した．その方法は Fig. 6 のように抵抗測定器テスターにより一体成形後の試料のアルミナットCFRTP 間の電気抵抗値を測定した．
抵抗値は各種形状，表面処理により異なり 0.001 kV から800 kV の値であった．
Table 2 にナットCFRTP 間の電気抵抗値と塩水交互浸漬試験で腐食が観察されるまでの日数をまとめた．この二つは相関があり，ナットCFRTP 間の電気抵抗値を高く保つことが耐食性の向上につながると分かる．

Fig. 7電気抵抗値の測定図ナット単体

さらに導通原因特定のために一体成形前のナット単体で電気抵抗値の測定を行った．測定方法は微小な欠陥も検出できるよう Fig. 7 のように 3 wt ％塩化ナトリウム水溶液を局所的に滴下し，そこにテスターの接触端子を当てた．

4.2

ナット単体の耐食性

電気抵抗

M6 用 ア ル ミ ナ ッ ト Ver. 6

Ver. 4 の 形 状 に AL 

アルミナットの各部が ALarmorにより完全に覆われてarmorと従来の硬質アルマイトの 2 種類の処理を施し電いる場合はテスターで測定すると電気抵抗値は∞になる．

気抵抗値の比較を行った．前述のように微小な欠陥も検出欠陥がある場合の抵抗値は低い値を示す．

できるよう 3 wt ％塩化ナトリウム水溶液を局所的に滴下その結果，導通は主に微小なシャープエッジ部や，アルミ表面の荒れ等に起因することが特定できた．まずナット単体を被膜で完全に覆い電気抵抗値を向上することを目指し， そこに テス ターの 接触 端子を 当て た．測 定箇 所をFig. 8 に，測定結果を Table 3，4に示す．

AL armorでは電気抵抗値が∞であったのに対して硬しナット形状の改良，比較的均一な皮膜生成，複合処理の質アルマイトは数十 kV から数百 kV であり電気的に導通選定を行った．改良後の性能を次に示す．

していることが確認できる．
さらに，恒温槽にて一定温度に 1 時間保持した後，常軽 金 属 溶 接Vol. 56 (2018) No. 8 




測定箇所

Fig. 8左 Ver. 6

右 Ver. 4
Fig. 9 ALarmorナットTM 成形品断面
左Ver. 6 CFRTP PA 一体成形拡大
中央 Ver. 4 CFRTP PA 一体成形拡大
右Ver. 4 RTM

電気抵抗値（kQ）Ver. 6 初期状態

Table 3A部

B部

C部

ALarmor∞∞∞

硬質アルマイト

20～2822～3020～28

電気抵抗値（kQ）Ver. 4 初期状態

Table 4A部

B部

C部

ALarmor∞∞∞

硬質アルマイト50～20050～20050～200Fig. 10

押抜き荷重と空転トルク測定方法

電気抵抗値（kQ）Ver. 4 高温放置後

Table 5ALarmor

A部

B部

C部

150°
C∞∞

∞

その結果は従来の硬質アルマイトでは 2.3 日で腐食が進200°
C

∞

∞

∞

行したが， ALarmorでは 3000時間後も外観に著しい変

300°
C∞

∞∞化は見られなかった．一体成形時に金型内で高温の一体成形し塩水交互浸漬試験に供した．

CFRTP PP や CFRTP PA などの炭素繊維複合樹脂がアルミナット表面を流動するが耐食性を保っていることが確
Table 6電気抵抗値（kQ）Ver. 6 冷熱サイクル後

200°
C

A部

B部

C部∞∞

∞

炭素繊維が長繊維の場合，一体成形時にナット溝部に炭∞素繊維が流入せず，強度向上に寄与しにくい懸念がある．

ALarmor
冷熱後認できた．

∞

∞

4.4

成形品の強度そこで，ナット溝部の形状に配慮し炭素繊維が流入しやすい設計にした．ここでは繊維の流れが分かりやすい RTM
温にて同様に電気抵抗値を測定した．温度は PA の一体成形を想定し 300 °C までとした． Table 5 に結果を示すが，ALarmorを施したアルミナットは∞を保っていた．
200 °
C に保持後，さらに（－ 30 °C10 分→ 120 °C10 分）の工法の断面写真も Fig. 9 に提示する．
耐 食 性 の 試 験 の 際 と 同 様 に ， M6 用 AL armorナ ットTM を CFRTP PP CF40 wt ％ も し く は CFRTP PA
CF40 wt％と一体成形し試料を準備した．成形品の強度を冷熱サイクルにかけた後に常温にて電気抵抗値を測定した

確認する方法として， Fig. 10のように押抜き荷重と空転が∞であった．

トルクを測定した．比較の為に Fig. 11のような一般的なこのようにナット単体では高温，冷熱サイクルに対して形状の市販品インサートナットで同様の試験を行った．

も電気抵抗値が低下しないことが確認できたので，実際のTable 7 ， 8 に結果を示す．押抜き荷重は一般的な形状品使用条件に近い一体成形品にて抵抗値及び耐食性の確認をのレベルを超えている．空転トルクは鋼製の10.9のボルト行った．

を締付けるに十分な強度であった．

4.3

一体成形品の耐食性

M6 用 ア ル ミ ナ ッ ト Ver. 6

Ver. 4 の 形 状 に AL 

5.

おわりにarmorと従来の硬質アルマイトの 2 種類の処理を施し，ALarmorナットTM は CFRTP と一体成形した場合にCFRTP PP CF40 wt％もしくは CFRTP PA CF40 wt％と耐 食 性 ， 成 形 品 の 強 度 に 優 れ る が ， 他 に SMC （ Sheet 軽 金 属 溶 接Vol. 56 (2018) No. 8

Molding Compound）や RTM（Resin Transfer Molding）

においても検討がなされている．そのアルミナット樹脂間の電気抵抗値は∞であり，空転トルク測定での破断箇所はボルト折れであったので性能的に問題ない状況である．
また，インサート成形でなく，熱や超音波により圧入するナットやカラーの開発を進めている．
炭素繊維と金属の電食課題を克服することによりCFRP の締結で金属製ボルトの使用が可能となる．これにより CFRP の利用が促進されることを期待する．
Fig. 11参

一般的な形状品

Table 7

押抜き荷重

樹脂材

ナット製品

kN

破断箇所

CFRTP

一般的な形状品

6.5

ナット抜けPPCF40
CFRTP
PA
CF40ALarmorナットTMver. 48.6

ボス割れ

ALarmorナットTMver. 6

9.2

ボス割れ

13.7

ナット抜け

一般的な形状品

ALarmorナットTMver. 4※―ALarmorナットTMver. 617.5

ボス割れ

考文献1) 伊原木幹成：航空宇宙用材料の今後の動向，アルミニウム，Vol.16, No. 74（2009), 202) 軽金属協会編：アルミニウ材料の基礎と工業技術，第一版，(1985), 2043) 軽金属製品協会：アルミニウム陽極酸化処理の作業要領とポイント，(2012), 69※PP の結果から一般的な形状品より高値は明らかで測定せず．

Table 8

空転トルク

樹脂材

ナット製品

Nm

破断箇所

CFRTP

一般的な形状品

22

ボス割れ

PP
CF40
CFRTP

ALarmorナットTMver. 420

ボス割れ

ALarmorナットTMver. 624

ボス割れ

26ボルト折れver. 428

ボルト折れver. 626※

ボルト折れ※

一般的な形状品

PAALarmorナットTM

CF40

ALarmorナットTM※後ほど強度14.9のボルトを使用し37.3 Nm でボスが割れることを確認した．

軽 金 属 溶 接Vol. 56 (2018) No. 8 