ボルト、および、ボルトの製造方法
【課題】おねじの疲労強度を確実に改善すること。
【解決手段】この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトにおいて、少なくともおねじの表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部が設けられていて、表面硬化部は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理により設けられている。また、この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの製造方法において、おねじを形成する切削加工の工程と、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与されるように、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて表面硬化部を設ける加工処理の工程と、からなる。
【解決手段】この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトにおいて、少なくともおねじの表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部が設けられていて、表面硬化部は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理により設けられている。また、この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの製造方法において、おねじを形成する切削加工の工程と、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与されるように、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて表面硬化部を設ける加工処理の工程と、からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるボルト、および、そのボルトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとしては、たとえば、ガスタービンのロータスピンドルボルトやエンジンクランクケースのスタッドボルトなどがある。以下、ガスタービンのロータスピンドルボルトについて図１０および図１１を参照して説明する。
【０００３】
図１０において、符号「１００」は、ガスタービンの圧縮機のロータである。前記ロータ１００は、ロータスピンドルボルト（ガスタービン用締結ボルト）すなわちボルト１０１およびナット１０２により締結されている多数枚のディスク１０３と、前記多数枚のディスク１０３に固定されている動翼１０４と、から構成されている。なお、前記多数枚のディスク１０３は、周方向にほぼ等間隔に配置されている複数本の前記ボルト１０１および複数個の前記ナット１０２により、締結されている。
【０００４】
前記ロータ１００においては、ガスタービンの起動や停止に伴って熱伸び差が発生したり、また、スラストや遠心力や自重たわみ状態での回転などにより変動荷重が加わって伸び縮みが発生したりするので、前記ボルト１０１および前記ナット１０２の締付力が変化する。このために、図１１に示すように、前記ボルト１０１のおねじと前記ナット１０２のめねじとの噛み合い部、すなわち、ねじ噛み合い部１０５においては、変動応力（引っ張り応力や曲げ応力）が負荷される。そして、前記ねじ噛み合い部１０５に変動応力が負荷されると、前記ねじ噛み合い部１０５においては、摩耗や疲労損傷を起こし易くなる。そこで、前記ねじ噛み合い部１０５、特に、前記ボルト１０１のおねじの疲労強度（特に、フレッティング（フレッチング）疲労強度）を改善する必要がある。
【０００５】
ねじ締結部材（たとえば、ボルトおよびナット、スタッドボルトなど）の疲労強度を改善した技術は、従来からある（たとえば、特許文献１、特許文献２）。以下、従来のねじ締結部材のボルトについて説明する。従来のねじ締結部材のボルトは、めねじに嵌合するおねじを、引っ張り方向へ、先細状に整形したもの（特許文献１）である。また、ボルト首下丸み部を製品ボルト首下丸み部局率半径の１．２〜３．０倍の範囲のボルトを成形し、そのボルト首下丸み部に冷間加工を施して所定の曲率半径に整形加工したもの（特許文献２）である。
【０００６】
ところが、前者（特許文献１）は、おねじを引っ張り方向に先細状に整形しておねじにかかる引張応力を均一化するものであって、おねじの表面硬度を上昇させかつおねじに圧縮残留応力を付与するものではない。このために、前者は、おねじの疲労強度を改善するには限界がある。また、後者（特許文献２）は、ボルト首下丸み部に冷間加工を施してボルト首下丸み部の表面硬度を上昇させかつボルト首下の丸み部に圧縮残留応力を付与するが、おねじの表面硬度を上昇させかつおねじに圧縮残留応力を付与するものではない。このために、後者も、前者と同様に、おねじの疲労強度を改善するには限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５６−５３６５１号公報
【特許文献２】特開平７−１８０７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする問題点は、従来のねじ締結部材のボルトでは、おねじの疲労強度を改善するには限界があるという点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける、ことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明は、表面硬化部が、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒をボルトの少なくともおねじの表面に当てる加工処理により、設けられている、ことを特徴とする。
【００１１】
さらに、この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトのおねじを形成する切削加工の工程と、ボルトの少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける加工処理の工程と、からなる、ことを特徴とする。
【００１２】
さらにまた、この発明は、ボルトの少なくともおねじの表面に表面硬化部を設ける加工処理が、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒をボルトの少なくともおねじの表面に当てる加工処理である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトは、少なくともおねじの表面に設けられている表面硬化部により、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与されることとなる。このために、この発明のボルトは、おねじの疲労強度を改善することができるので、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効である。
【００１４】
また、この発明のボルトは、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて、おねじの表面に表面硬化部を加工処理するものである。このために、この発明のボルトは、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与される一方、おねじの表面の粗さによりおねじの疲労強度の改善に対して影響を与えるようなことがない。この結果、この発明のボルトは、おねじの疲労強度を確実に改善することができる。
【００１５】
さらに、この発明のニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの製造方法は、切削加工工程で形成したおねじの表面に表面硬化部を加工処理工程で設けるものであるから、この表面硬化部により、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与されることとなる。このために、この発明のボルトの製造方法は、おねじの疲労強度を改善することができるので、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるボルトを製造することができる。
【００１６】
さらにまた、この発明のボルトの製造方法は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて、おねじの表面に表面硬化部を加工処理するものである。このために、この発明のボルトの製造方法は、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与される一方、おねじの表面の粗さによりおねじの疲労強度の改善に対して影響を与えるようなことがない。この結果、この発明のボルトの製造方法は、おねじの疲労強度を確実に改善することができるボルトを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、この発明にかかるボルトの一実施例を示す一部拡大断面図である。
【図２】図２は、この発明にかかるボルトの製造方法の一実施例を示す説明図である。
【図３】図３は、耐疲労強度検証試験装置を使用した耐疲労強度検証試験の状態を示す説明図である。
【図４】図４は、従来品と本発明品１との耐疲労強度検証試験装置を使用した耐疲労強度検証試験の結果を示す説明図である。
【図５】図５は、粒径の大きさによる疲労強度の影響を示す説明図である。
【図６】図６は、照射回数による疲労強度の影響を示す説明図である。
【図７】図７は、照射距離による疲労強度の影響を示す説明図である。
【図８】図８は、ナットの製造方法の一実施例を示す説明図である。
【図９】図９は、ナットの試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）の実施の結果を示す説明図である。
【図１０】図１０は、ガスタービンのロータスピンドルボルトとして使用されている従来のボルトを示す説明図である。
【図１１】図１１は、ねじの噛み合い分を示す一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明にかかるボルトの実施例のうちの１例、および、この発明にかかるボルトの製造方法の実施例のうちの１例を図１〜図７に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。図１（Ａ）は、ナットのめねじの構造を示す一部拡大断面図、図１（Ｂ）は、この実施例にかかるボルトのおねじの構造を示す一部拡大断面図である。図２（Ａ）は、この実施例にかかるボルトの製造方法の表面硬化部の加工処理工程の一例を示す説明図、図２（Ｂ）は、表面硬化部の加工処理の一条件を示す説明図である。
【実施例】
【００１９】
まずは、この発明にかかるボルトの一実施例について説明する。図１（Ｂ）において、符号「１」は、この実施例にかかるボルトである。前記ボルト１は、たとえば、ニッケル系の超合金から構成されている。なお、前記ボルト１としては、ニッケル系の超合金のほかに、たとえば、鉄、低合金鋼、ステンレス、その他の超合金から構成されているものであっても良い。また、前記ボルト１は、頭部と、軸部と、ねじ部と、が切削加工により構成されている。前記ねじ部の外面には、有効径ｄのおねじ１０が切削加工により形成されている。そして、前記ボルト１の少なくともおねじ１０の表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１が、設けられている。
【００２０】
前記表面硬化部１１は、メッシュサイズ＃１５０、すなわち、目が１００μｍ×１００μｍのメッシュを通過し得る粒径以下の粒を、前記ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に当てる加工処理、たとえば、ショットブラストやショットピーニングなどにより、設けられている。
【００２１】
以下、この発明にかかるボルトの製造方法の一実施例について図２（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。まず、切削加工の工程において、ボルト１の頭部と軸部とねじ部とを構成し、かつ、ねじ部の外面に有効径ｄのおねじ１０を形成する。つぎに、加工処理の工程において、ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１を、設ける。
【００２２】
前記の加工処理の工程は、メッシュサイズ＃１５０、すなわち、目が１００μｍ×１００μｍのメッシュを通過し得る粒径以下の粒を、ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に当てる加工処理の工程、たとえば、ショットブラストやショットピーニングなどにより、行われる加工処理の工程である。
【００２３】
前記の加工処理の工程は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すような条件において、表面硬化部１１を加工処理する。すなわち、ボルト１のおねじ１０をボルト１の軸心回りに回転させる速度であるボルトネジ歯周速（Ｓ）が８０ｍｍ／ｓ、ブラストガン１３をボルト１の軸心に対して平行に移動させる速度であるブラストガン移動速度（Ｖ）が８ｍｍ／ｓ、ブラストガン１３からボルト１のおねじ１０までの距離である照射距離（Ｌ）が５００ｍｍ、ブラストガン１３からブラスト材をボルト１のおねじ１０に当てる力であるブラスト材供給圧（Ｐ）が０．５５ＭＰａ、ブラストガン１３からボルト１のおねじ１０に当てるブラスト材の粒径がメッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ）のメッシュを通過し得る粒径以下である。
【００２４】
この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１は、たとえば、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルト、または、エンジンクランクケースのスタッドボルトとして使用することができる。すなわち、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１は、おねじ１０に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとして有効である。
【００２５】
以下、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１の有効性について、図３に示す耐疲労強度検証試験装置３を使用した耐疲労強度検証試験に基づいて説明する。
【００２６】
前記耐疲労強度検証試験装置３の台座３０の横孔３１中に試験用のボルト１を通す。前記ボルト１の一端もしくは両端にナット２を締め付けて、前記ボルト１を前記台座３０に所定の引張荷重で固定する。また、前記台座３０の竪孔３２に押し棒３３を通して前記ボルト１に当てる。さらに、前記ボルト１に応力計測器３４を試験部分３５の近傍に設ける。前記応力測定器３４は、前記試験部分３５に亀裂が生じたか否かを判断するための測定器であって、測定値が急激に変化したときには前記試験部分３５に亀裂が生じたことを示す。そして、室温大気中の試験環境下において、前記押し棒３３で前記ボルト１に所定の繰返し曲げ荷重を与えて前記ボルト１の試験部分３５（ボルト１の歯面やねじ底）の疲労試験を行う。なお、前記所定の引張荷重は、前記ボルト１が塑性変形する荷重の約３分の２の荷重であり、また、所定の繰返し曲げ荷重は、前記ボルト１が塑性変形する荷重の約２〜２．５％の荷重である。
【００２７】
前記耐疲労強度検証試験装置３を使用した耐疲労強度検証試験の結果を図４に示す。なお、図４の縦軸は、前記押し棒３３によりボルトに与えた所定の繰返し曲げ荷重の回数を示す。この図４に示すように、従来品（従来のボルト）は、所定の繰返し曲げ荷重の回数が約６．３×１０の６乗回のときに、前記試験部分に亀裂が生じた。これに対して、本発明品１（この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１）は、所定の繰返し曲げ荷重の回数が約１．２×１０の７乗回を超えても、前記試験部分３５に亀裂が発生していない。すなわち、本発明品１は、従来品に比較して約２倍以上の疲労強度が得られることとなる。因みに、試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）、すなわち、移動試験片を接触片で一定の面圧となるように挟み、局所の応力振幅を与える試験の実施の結果、本発明品１の試験片が従来品の試験片と比較して約１０倍以上の疲労強度が得られた。
【００２８】
以上から明らかなように、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１は、従来のボルトと比較して約２倍以上の疲労強度が得られるので、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルト、または、エンジンクランクケースのスタッドボルトなど、おねじ１０に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとして有効である。
【００２９】
ここで、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法において、粒（ブラスト材）を少なくともおねじ１０の表面に当てて、その少なくともおねじ１０の表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１を、加工処理により設けているものである。前記表面硬化部１１を前記の加工処理により設ける場合において、最も重要な要因となるのは、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒（ブラスト材）の粒径である。
【００３０】
すなわち、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法においては、疲労強度を向上させるために、少なくともおねじ１０の表面の「硬度向上」と「圧縮残留応力の付与」とを目的とするものである。ところが、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒の粒径により、少なくともおねじ１０の表面の「粗さ」が変化してねじ底の疲労強度に大きく影響する。
【００３１】
以下、粒径の大きさによる疲労強度の影響を図５を参照して説明する。図５に示すように、少なくともおねじ１０の表面の「表面硬さ向上」と「圧縮応力付与」とは、粒径の大きさにより影響を受けない。一方、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」は、粒径の大きさにより影響を受ける。すなわち、メッシュサイズ＃４６（目が３５５μｍ×３５５μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃８０（目が１８０μｍ×１８０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃１００（目が１５０μｍ×１５０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径の場合、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」が大きくなり、ねじ底の疲労強度が図４に示す従来品と大差がない。一方、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃３６０（目が７０μｍ×７０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径の場合、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」が小さくなり、図４に示す本発明品１とほぼ同様のねじ底の疲労強度が得られる。
【００３２】
このように、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法においては、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ）のメッシュを通過し得る粒径以下、好ましくは、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃３６０（目が７０μｍ×７０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径のブラスト材を少なくともおねじ１０に当てるものである。
【００３３】
次に、ブラスト材による加工処理の条件として、ブラスト材の粒径に次いで重要な要因として、ブラスト材の照射回数およびブラストガンからおねじまでの照射距離（Ｌ）がある。以下、ブラスト材によるボルト１のおねじ１０に対する照射回数およびブラストガンからおねじまでの照射距離（Ｌ）による疲労強度への影響を、図６および図７を参照して説明する。
【００３４】
図６は、ブラスト材の照射回数と残留応力および表面粗さの関係を示すものである。横軸は照射回数を示し、左側縦軸は圧縮残留応力、右側縦軸はおねじ表面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を示している。圧縮残留応力は縦軸上方ほど大きく、縦軸下方ほど小さくなることを表している。
【００３５】
図６では、図２（Ｂ）に示す条件で、ブラスト材の粒径メッシュサイズ＃１５０で、照射回数を変えて加工処理した結果を示す。この条件下で照射回数４回の条件により得られたボルトは、図４に示す本発明品１と同様の疲労強度が得られた。この場合の圧縮残留応力および表面粗さを基準値として選択している。縦軸の目盛は、基準値を１００としてパーセントで表示している。
【００３６】
ここで、ブラスト材の照射回数の意味を説明する。図２（Ａ）に示す加工方法では、ボルトを回転させつつブラスト材をボルト１のおねじ１０の外表面に照射しながら、同時にブラストガンが軸方向に移動する。ガンはおねじの末端に達したら反転し、引き続きブラスト材を照射しつつ逆方向に移動する。ガンがこの反復運動を繰り返して、おねじ表面の加工処理が行われる。照射回数とは、ブラスト材が同一表面に照射される回数（頻度）を示している。
【００３７】
図７は、ブラストガンからおねじまでの照射距離と圧縮残留応力および表面粗さの関係を示している。横軸は照射距離を示し、縦軸は図６と同様である。また、図７は、加工条件として照射回数を４回に固定し、その他の条件は図６と同じ条件を選定して、照射距離を変えて加工処理した結果を表している。基準値および縦軸の考え方は図６と同様である。
【００３８】
図６によれば、照射回数が２回では、圧縮残留応力が基準値に対して大幅に不足し、照射回数が４回で基準値に達する。更に、照射回数が６回では若干の圧縮残留応力の増加が認められる。一方、照射回数が２〜４回では表面粗さに大きな変化はないが、照射回数６回では若干表面粗さが増加する。照射回数が６回を上まわると、表面粗さは急激に増加する。
【００３９】
図７によれば、照射距離が２００ｍｍでは圧縮残留応力が基準値に対して不足し、表面粗さが大幅に上まわっている。照射距離が５００ｍｍでは、圧縮残留応力および表面粗さともに、基準値を満足している。照射距離が７５０ｍｍでは、圧縮残留応力および表面粗さともに基準値に対して若干低下する。しかし、照射距離が７５０ｍｍを上まわる領域では、圧縮残留応力が著しく低下する。
【００４０】
図６および図７によれば、４回〜６回の照射回数であれば圧縮残留応力が基準値を上回る一方、表面粗さの変化は比較的小さく、表面粗さの増加に伴う疲労強度への影響はほとんどない。また、照射距離が５００〜７５０ｍｍでは、圧縮残留応力がほぼ基準値に達し、照射距離を増加させても圧縮残留応力の低下は比較的小さい。すなわち、照射回数を増加させれば圧縮残留応力も増加するが、照射回数が６回を越えると表面粗さが大きくなりすぎて、疲労強度の低下を招く。一方、照射距離は小さい方が圧縮残留応力は大きくなるが、表面粗さも同時に大きくなるため、逆に疲労強度は低下する。また、照射距離が７５０ｍｍを越える場合には、ブラスト加工処理の効果が薄くなり、疲労強度は上がらない。従って、加工条件としては、照射回数で４〜６回、照射距離で５００〜７５０ｍｍを選定するのが望ましい。なお、この加工条件の下では、表面硬化部の表面硬度はボルトの母材以上の硬度が確保できている。
【００４１】
また、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法において、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒の材質としては、錆びない非鉄材、たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリカ（ＳｉＯ２）を使用する。
【００４２】
以下、この発明にかかるボルトとともにねじ締結部材を構成するナットおよびそのナットの製造方法について図１および図８および図９を参照して説明する。図８（Ａ）は、ボルトのおねじの表面粗さおよびナットのめねじの表面粗さを示す一部拡大断面図、図８（Ｂ）は、ナットのめねじの構造を示す一部拡大断面図である。
【００４３】
図１（Ａ）において、符号「２」は、ナットである。前記ナット２は、たとえば、鋼製から構成されている。また、前記ナット２は、ねじ孔が切削加工により構成されている。前記ねじ孔の内面には、めねじ２０が切削加工により形成されている。前記ナット２のめねじ２０の表面には、硬度が前記ナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１が、設けられている。
【００４４】
前記表面軟質皮膜部２１は、たとえば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティング、サーメテルＷコーティング、銀メッキ、銅メッキなどにより設けられている。図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、前記表面軟質皮膜部２１の厚さ（膜厚）Ｔは、前記ボルト１のおねじ１０の表面１２の粗さの最大値Ｔ１と前記ナット２のめねじ２０の表面２２の粗さの最大値Ｔ２との和よりも大きくする。この結果、前記ボルト１のおねじ１０と前記ナット２のめねじ２０とをねじ込んだ際に、前記ボルト１のおねじ１０の表面１２と前記ナット２のめねじ２０の表面２２とが前記表面軟質皮膜部２１から露出して相互に接触することがない。
【００４５】
前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴにより、前記ナット２のめねじ２０の有効径を変更させる必要がある。すなわち、前記ナット２において、前記表面軟質皮膜部２１を設ける場合のめねじ２０の有効径Ｄ０（すなわち、母材のめねじの有効径Ｄ０）を、前記表面軟質皮膜部２１を設けない場合のめねじ２０の有効径Ｄ（すなわち、完成品のめねじの有効径Ｄ）に対して、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴとほぼ同等の寸法分大きくする必要がある。
【００４６】
一方、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴを大きくし過ぎると、完成品のめねじの有効径Ｄに対して母材のめねじの有効径Ｄ０が大きくなり過ぎて、本来あるべきねじ山が小さくなり過ぎるので、強度不足となる虞がある。このために、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、本来あるべきねじ山が小さくなり過ぎて強度不足とならない程度（Ｘ）を最大値とする。この結果、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、以下の範囲となる。すなわち、Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ＜（Ｘ）となる。前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、ねじの公差により異なり、たとえば、ねじ２級公差の場合（２級の嵌めあいの場合）、約２５μｍ程度である。
【００４７】
以下、図１（Ａ）に示すナット２の製造方法の一例について図８（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。まず、切削加工の工程において、ナット２のねじ孔を構成し、かつ、このねじ孔の内面にめねじ２０を形成する。このめねじ２０の有効径Ｄ０は、完成品のめねじの有効径Ｄよりも表面軟質皮膜部２１の厚さＴ分ほど大きい。つぎに、加工処理の工程において、ナット２のめねじ２０の表面に、硬度がナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１を、たとえば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティング、サーメテルＷコーティング、銀メッキ、銅メッキなどにより設ける。
【００４８】
図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２は、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１とほぼ同様に、たとえば、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルト、または、エンジンクランクケースのスタッドボルトにねじ込まれるナットとして使用することができる。すなわち、図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２は、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１とほぼ同様に、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるナットとして有効である。
【００４９】
以下、図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２の有効性について、図９に示す試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）、すなわち、移動試験片を接触片で一定の面圧となるように挟み、局所の応力振幅を与える試験の実施の結果を示す説明図に基づいて説明する。
【００５０】
図９の縦軸は、破損繰返し数を示す。この図９に示すように、従来品（従来のナット）は、破損繰返し数が約１．１×１０の６乗回のときに破損が生じた。これに対して、本発明品２（図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２であって、表面軟質皮膜部２１がメッキの場合）は、破損繰返し数が約１．４×１０の６乗回のときに破損が生じた。また、本発明品３（図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２であって、表面軟質皮膜部２１がＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティングの場合）は、破損繰返し数が約１．１×１０の７乗回を超えても破損が発生していない。すなわち、本発明品２、３のナットは、従来品のナットに比較して十分な疲労強度が得られることとなる。
【００５１】
このように、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１を使用することにより、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトなど、ボルト１のおねじ１０に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとして有効である。さらに、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１と、図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２とを使用することにより、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトおよびナットなど、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトおよびナットとしてさらに有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
この発明にかかるボルトおよびこの発明にかかるボルトの製造方法は、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトおよびボルトの製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ ボルト
１０ おねじ
１１ 表面硬化部
１２ おねじの表面
１３ ブラストガン
２ ナット
２０ めねじ
２１ 表面軟質皮膜部
２２ めねじの表面
３ 耐疲労強度検証試験装置
３０ 台座
３１ 横孔
３２ 縦孔
３３ 押し棒
３４ 応力計測器
３５ 試験部分
ｄ おねじの有効径
Ｄ 完成品のめねじの有効径
Ｄ０ 母材のめねじの有効径
Ｔ 表面軟質皮膜部の厚さ
Ｔ１ おねじの表面粗さの最大
Ｔ２ めねじの表面粗さの最大
Ｓ ボルトネジ歯周速
Ｖ ブラストガン移動速度
Ｌ 照射距離
Ｐ ブラスト材供給圧
１００ ロータ
１０１ ボルト
１０２ ナット
１０３ ディスク
１０４ 動翼
１０５ ねじ噛み合い部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるボルト、および、そのボルトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとしては、たとえば、ガスタービンのロータスピンドルボルトやエンジンクランクケースのスタッドボルトなどがある。以下、ガスタービンのロータスピンドルボルトについて図１０および図１１を参照して説明する。
【０００３】
図１０において、符号「１００」は、ガスタービンの圧縮機のロータである。前記ロータ１００は、ロータスピンドルボルト（ガスタービン用締結ボルト）すなわちボルト１０１およびナット１０２により締結されている多数枚のディスク１０３と、前記多数枚のディスク１０３に固定されている動翼１０４と、から構成されている。なお、前記多数枚のディスク１０３は、周方向にほぼ等間隔に配置されている複数本の前記ボルト１０１および複数個の前記ナット１０２により、締結されている。
【０００４】
前記ロータ１００においては、ガスタービンの起動や停止に伴って熱伸び差が発生したり、また、スラストや遠心力や自重たわみ状態での回転などにより変動荷重が加わって伸び縮みが発生したりするので、前記ボルト１０１および前記ナット１０２の締付力が変化する。このために、図１１に示すように、前記ボルト１０１のおねじと前記ナット１０２のめねじとの噛み合い部、すなわち、ねじ噛み合い部１０５においては、変動応力（引っ張り応力や曲げ応力）が負荷される。そして、前記ねじ噛み合い部１０５に変動応力が負荷されると、前記ねじ噛み合い部１０５においては、摩耗や疲労損傷を起こし易くなる。そこで、前記ねじ噛み合い部１０５、特に、前記ボルト１０１のおねじの疲労強度（特に、フレッティング（フレッチング）疲労強度）を改善する必要がある。
【０００５】
ねじ締結部材（たとえば、ボルトおよびナット、スタッドボルトなど）の疲労強度を改善した技術は、従来からある（たとえば、特許文献１、特許文献２）。以下、従来のねじ締結部材のボルトについて説明する。従来のねじ締結部材のボルトは、めねじに嵌合するおねじを、引っ張り方向へ、先細状に整形したもの（特許文献１）である。また、ボルト首下丸み部を製品ボルト首下丸み部局率半径の１．２〜３．０倍の範囲のボルトを成形し、そのボルト首下丸み部に冷間加工を施して所定の曲率半径に整形加工したもの（特許文献２）である。
【０００６】
ところが、前者（特許文献１）は、おねじを引っ張り方向に先細状に整形しておねじにかかる引張応力を均一化するものであって、おねじの表面硬度を上昇させかつおねじに圧縮残留応力を付与するものではない。このために、前者は、おねじの疲労強度を改善するには限界がある。また、後者（特許文献２）は、ボルト首下丸み部に冷間加工を施してボルト首下丸み部の表面硬度を上昇させかつボルト首下の丸み部に圧縮残留応力を付与するが、おねじの表面硬度を上昇させかつおねじに圧縮残留応力を付与するものではない。このために、後者も、前者と同様に、おねじの疲労強度を改善するには限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５６−５３６５１号公報
【特許文献２】特開平７−１８０７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする問題点は、従来のねじ締結部材のボルトでは、おねじの疲労強度を改善するには限界があるという点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける、ことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明は、表面硬化部が、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒をボルトの少なくともおねじの表面に当てる加工処理により、設けられている、ことを特徴とする。
【００１１】
さらに、この発明は、ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトのおねじを形成する切削加工の工程と、ボルトの少なくともおねじの表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部を、設ける加工処理の工程と、からなる、ことを特徴とする。
【００１２】
さらにまた、この発明は、ボルトの少なくともおねじの表面に表面硬化部を設ける加工処理が、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒をボルトの少なくともおねじの表面に当てる加工処理である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明のニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトは、少なくともおねじの表面に設けられている表面硬化部により、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与されることとなる。このために、この発明のボルトは、おねじの疲労強度を改善することができるので、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効である。
【００１４】
また、この発明のボルトは、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて、おねじの表面に表面硬化部を加工処理するものである。このために、この発明のボルトは、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与される一方、おねじの表面の粗さによりおねじの疲労強度の改善に対して影響を与えるようなことがない。この結果、この発明のボルトは、おねじの疲労強度を確実に改善することができる。
【００１５】
さらに、この発明のニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの製造方法は、切削加工工程で形成したおねじの表面に表面硬化部を加工処理工程で設けるものであるから、この表面硬化部により、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与されることとなる。このために、この発明のボルトの製造方法は、おねじの疲労強度を改善することができるので、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されることに対して有効であるボルトを製造することができる。
【００１６】
さらにまた、この発明のボルトの製造方法は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて、おねじの表面に表面硬化部を加工処理するものである。このために、この発明のボルトの製造方法は、おねじの表面の硬度が上昇し、かつ、おねじの表面に圧縮残留応力が付与される一方、おねじの表面の粗さによりおねじの疲労強度の改善に対して影響を与えるようなことがない。この結果、この発明のボルトの製造方法は、おねじの疲労強度を確実に改善することができるボルトを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、この発明にかかるボルトの一実施例を示す一部拡大断面図である。
【図２】図２は、この発明にかかるボルトの製造方法の一実施例を示す説明図である。
【図３】図３は、耐疲労強度検証試験装置を使用した耐疲労強度検証試験の状態を示す説明図である。
【図４】図４は、従来品と本発明品１との耐疲労強度検証試験装置を使用した耐疲労強度検証試験の結果を示す説明図である。
【図５】図５は、粒径の大きさによる疲労強度の影響を示す説明図である。
【図６】図６は、照射回数による疲労強度の影響を示す説明図である。
【図７】図７は、照射距離による疲労強度の影響を示す説明図である。
【図８】図８は、ナットの製造方法の一実施例を示す説明図である。
【図９】図９は、ナットの試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）の実施の結果を示す説明図である。
【図１０】図１０は、ガスタービンのロータスピンドルボルトとして使用されている従来のボルトを示す説明図である。
【図１１】図１１は、ねじの噛み合い分を示す一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明にかかるボルトの実施例のうちの１例、および、この発明にかかるボルトの製造方法の実施例のうちの１例を図１〜図７に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。図１（Ａ）は、ナットのめねじの構造を示す一部拡大断面図、図１（Ｂ）は、この実施例にかかるボルトのおねじの構造を示す一部拡大断面図である。図２（Ａ）は、この実施例にかかるボルトの製造方法の表面硬化部の加工処理工程の一例を示す説明図、図２（Ｂ）は、表面硬化部の加工処理の一条件を示す説明図である。
【実施例】
【００１９】
まずは、この発明にかかるボルトの一実施例について説明する。図１（Ｂ）において、符号「１」は、この実施例にかかるボルトである。前記ボルト１は、たとえば、ニッケル系の超合金から構成されている。なお、前記ボルト１としては、ニッケル系の超合金のほかに、たとえば、鉄、低合金鋼、ステンレス、その他の超合金から構成されているものであっても良い。また、前記ボルト１は、頭部と、軸部と、ねじ部と、が切削加工により構成されている。前記ねじ部の外面には、有効径ｄのおねじ１０が切削加工により形成されている。そして、前記ボルト１の少なくともおねじ１０の表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１が、設けられている。
【００２０】
前記表面硬化部１１は、メッシュサイズ＃１５０、すなわち、目が１００μｍ×１００μｍのメッシュを通過し得る粒径以下の粒を、前記ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に当てる加工処理、たとえば、ショットブラストやショットピーニングなどにより、設けられている。
【００２１】
以下、この発明にかかるボルトの製造方法の一実施例について図２（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。まず、切削加工の工程において、ボルト１の頭部と軸部とねじ部とを構成し、かつ、ねじ部の外面に有効径ｄのおねじ１０を形成する。つぎに、加工処理の工程において、ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１を、設ける。
【００２２】
前記の加工処理の工程は、メッシュサイズ＃１５０、すなわち、目が１００μｍ×１００μｍのメッシュを通過し得る粒径以下の粒を、ボルト１の少なくともおねじ１０の表面に当てる加工処理の工程、たとえば、ショットブラストやショットピーニングなどにより、行われる加工処理の工程である。
【００２３】
前記の加工処理の工程は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すような条件において、表面硬化部１１を加工処理する。すなわち、ボルト１のおねじ１０をボルト１の軸心回りに回転させる速度であるボルトネジ歯周速（Ｓ）が８０ｍｍ／ｓ、ブラストガン１３をボルト１の軸心に対して平行に移動させる速度であるブラストガン移動速度（Ｖ）が８ｍｍ／ｓ、ブラストガン１３からボルト１のおねじ１０までの距離である照射距離（Ｌ）が５００ｍｍ、ブラストガン１３からブラスト材をボルト１のおねじ１０に当てる力であるブラスト材供給圧（Ｐ）が０．５５ＭＰａ、ブラストガン１３からボルト１のおねじ１０に当てるブラスト材の粒径がメッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ）のメッシュを通過し得る粒径以下である。
【００２４】
この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１は、たとえば、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルト、または、エンジンクランクケースのスタッドボルトとして使用することができる。すなわち、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１は、おねじ１０に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとして有効である。
【００２５】
以下、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１の有効性について、図３に示す耐疲労強度検証試験装置３を使用した耐疲労強度検証試験に基づいて説明する。
【００２６】
前記耐疲労強度検証試験装置３の台座３０の横孔３１中に試験用のボルト１を通す。前記ボルト１の一端もしくは両端にナット２を締め付けて、前記ボルト１を前記台座３０に所定の引張荷重で固定する。また、前記台座３０の竪孔３２に押し棒３３を通して前記ボルト１に当てる。さらに、前記ボルト１に応力計測器３４を試験部分３５の近傍に設ける。前記応力測定器３４は、前記試験部分３５に亀裂が生じたか否かを判断するための測定器であって、測定値が急激に変化したときには前記試験部分３５に亀裂が生じたことを示す。そして、室温大気中の試験環境下において、前記押し棒３３で前記ボルト１に所定の繰返し曲げ荷重を与えて前記ボルト１の試験部分３５（ボルト１の歯面やねじ底）の疲労試験を行う。なお、前記所定の引張荷重は、前記ボルト１が塑性変形する荷重の約３分の２の荷重であり、また、所定の繰返し曲げ荷重は、前記ボルト１が塑性変形する荷重の約２〜２．５％の荷重である。
【００２７】
前記耐疲労強度検証試験装置３を使用した耐疲労強度検証試験の結果を図４に示す。なお、図４の縦軸は、前記押し棒３３によりボルトに与えた所定の繰返し曲げ荷重の回数を示す。この図４に示すように、従来品（従来のボルト）は、所定の繰返し曲げ荷重の回数が約６．３×１０の６乗回のときに、前記試験部分に亀裂が生じた。これに対して、本発明品１（この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１）は、所定の繰返し曲げ荷重の回数が約１．２×１０の７乗回を超えても、前記試験部分３５に亀裂が発生していない。すなわち、本発明品１は、従来品に比較して約２倍以上の疲労強度が得られることとなる。因みに、試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）、すなわち、移動試験片を接触片で一定の面圧となるように挟み、局所の応力振幅を与える試験の実施の結果、本発明品１の試験片が従来品の試験片と比較して約１０倍以上の疲労強度が得られた。
【００２８】
以上から明らかなように、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１は、従来のボルトと比較して約２倍以上の疲労強度が得られるので、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルト、または、エンジンクランクケースのスタッドボルトなど、おねじ１０に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとして有効である。
【００２９】
ここで、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法において、粒（ブラスト材）を少なくともおねじ１０の表面に当てて、その少なくともおねじ１０の表面に、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部１１を、加工処理により設けているものである。前記表面硬化部１１を前記の加工処理により設ける場合において、最も重要な要因となるのは、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒（ブラスト材）の粒径である。
【００３０】
すなわち、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法においては、疲労強度を向上させるために、少なくともおねじ１０の表面の「硬度向上」と「圧縮残留応力の付与」とを目的とするものである。ところが、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒の粒径により、少なくともおねじ１０の表面の「粗さ」が変化してねじ底の疲労強度に大きく影響する。
【００３１】
以下、粒径の大きさによる疲労強度の影響を図５を参照して説明する。図５に示すように、少なくともおねじ１０の表面の「表面硬さ向上」と「圧縮応力付与」とは、粒径の大きさにより影響を受けない。一方、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」は、粒径の大きさにより影響を受ける。すなわち、メッシュサイズ＃４６（目が３５５μｍ×３５５μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃８０（目が１８０μｍ×１８０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃１００（目が１５０μｍ×１５０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径の場合、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」が大きくなり、ねじ底の疲労強度が図４に示す従来品と大差がない。一方、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃３６０（目が７０μｍ×７０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径の場合、少なくともおねじ１０の表面の「表面粗さ」が小さくなり、図４に示す本発明品１とほぼ同様のねじ底の疲労強度が得られる。
【００３２】
このように、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法においては、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ）のメッシュを通過し得る粒径以下、好ましくは、メッシュサイズ＃１５０（目が１００μｍ×１００μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）、メッシュサイズ＃３６０（目が７０μｍ×７０μｍ、すなわち、ブラスト材粒径の目安）の粒径のブラスト材を少なくともおねじ１０に当てるものである。
【００３３】
次に、ブラスト材による加工処理の条件として、ブラスト材の粒径に次いで重要な要因として、ブラスト材の照射回数およびブラストガンからおねじまでの照射距離（Ｌ）がある。以下、ブラスト材によるボルト１のおねじ１０に対する照射回数およびブラストガンからおねじまでの照射距離（Ｌ）による疲労強度への影響を、図６および図７を参照して説明する。
【００３４】
図６は、ブラスト材の照射回数と残留応力および表面粗さの関係を示すものである。横軸は照射回数を示し、左側縦軸は圧縮残留応力、右側縦軸はおねじ表面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を示している。圧縮残留応力は縦軸上方ほど大きく、縦軸下方ほど小さくなることを表している。
【００３５】
図６では、図２（Ｂ）に示す条件で、ブラスト材の粒径メッシュサイズ＃１５０で、照射回数を変えて加工処理した結果を示す。この条件下で照射回数４回の条件により得られたボルトは、図４に示す本発明品１と同様の疲労強度が得られた。この場合の圧縮残留応力および表面粗さを基準値として選択している。縦軸の目盛は、基準値を１００としてパーセントで表示している。
【００３６】
ここで、ブラスト材の照射回数の意味を説明する。図２（Ａ）に示す加工方法では、ボルトを回転させつつブラスト材をボルト１のおねじ１０の外表面に照射しながら、同時にブラストガンが軸方向に移動する。ガンはおねじの末端に達したら反転し、引き続きブラスト材を照射しつつ逆方向に移動する。ガンがこの反復運動を繰り返して、おねじ表面の加工処理が行われる。照射回数とは、ブラスト材が同一表面に照射される回数（頻度）を示している。
【００３７】
図７は、ブラストガンからおねじまでの照射距離と圧縮残留応力および表面粗さの関係を示している。横軸は照射距離を示し、縦軸は図６と同様である。また、図７は、加工条件として照射回数を４回に固定し、その他の条件は図６と同じ条件を選定して、照射距離を変えて加工処理した結果を表している。基準値および縦軸の考え方は図６と同様である。
【００３８】
図６によれば、照射回数が２回では、圧縮残留応力が基準値に対して大幅に不足し、照射回数が４回で基準値に達する。更に、照射回数が６回では若干の圧縮残留応力の増加が認められる。一方、照射回数が２〜４回では表面粗さに大きな変化はないが、照射回数６回では若干表面粗さが増加する。照射回数が６回を上まわると、表面粗さは急激に増加する。
【００３９】
図７によれば、照射距離が２００ｍｍでは圧縮残留応力が基準値に対して不足し、表面粗さが大幅に上まわっている。照射距離が５００ｍｍでは、圧縮残留応力および表面粗さともに、基準値を満足している。照射距離が７５０ｍｍでは、圧縮残留応力および表面粗さともに基準値に対して若干低下する。しかし、照射距離が７５０ｍｍを上まわる領域では、圧縮残留応力が著しく低下する。
【００４０】
図６および図７によれば、４回〜６回の照射回数であれば圧縮残留応力が基準値を上回る一方、表面粗さの変化は比較的小さく、表面粗さの増加に伴う疲労強度への影響はほとんどない。また、照射距離が５００〜７５０ｍｍでは、圧縮残留応力がほぼ基準値に達し、照射距離を増加させても圧縮残留応力の低下は比較的小さい。すなわち、照射回数を増加させれば圧縮残留応力も増加するが、照射回数が６回を越えると表面粗さが大きくなりすぎて、疲労強度の低下を招く。一方、照射距離は小さい方が圧縮残留応力は大きくなるが、表面粗さも同時に大きくなるため、逆に疲労強度は低下する。また、照射距離が７５０ｍｍを越える場合には、ブラスト加工処理の効果が薄くなり、疲労強度は上がらない。従って、加工条件としては、照射回数で４〜６回、照射距離で５００〜７５０ｍｍを選定するのが望ましい。なお、この加工条件の下では、表面硬化部の表面硬度はボルトの母材以上の硬度が確保できている。
【００４１】
また、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法において、少なくともおねじ１０の表面に当てる粒の材質としては、錆びない非鉄材、たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリカ（ＳｉＯ２）を使用する。
【００４２】
以下、この発明にかかるボルトとともにねじ締結部材を構成するナットおよびそのナットの製造方法について図１および図８および図９を参照して説明する。図８（Ａ）は、ボルトのおねじの表面粗さおよびナットのめねじの表面粗さを示す一部拡大断面図、図８（Ｂ）は、ナットのめねじの構造を示す一部拡大断面図である。
【００４３】
図１（Ａ）において、符号「２」は、ナットである。前記ナット２は、たとえば、鋼製から構成されている。また、前記ナット２は、ねじ孔が切削加工により構成されている。前記ねじ孔の内面には、めねじ２０が切削加工により形成されている。前記ナット２のめねじ２０の表面には、硬度が前記ナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１が、設けられている。
【００４４】
前記表面軟質皮膜部２１は、たとえば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティング、サーメテルＷコーティング、銀メッキ、銅メッキなどにより設けられている。図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、前記表面軟質皮膜部２１の厚さ（膜厚）Ｔは、前記ボルト１のおねじ１０の表面１２の粗さの最大値Ｔ１と前記ナット２のめねじ２０の表面２２の粗さの最大値Ｔ２との和よりも大きくする。この結果、前記ボルト１のおねじ１０と前記ナット２のめねじ２０とをねじ込んだ際に、前記ボルト１のおねじ１０の表面１２と前記ナット２のめねじ２０の表面２２とが前記表面軟質皮膜部２１から露出して相互に接触することがない。
【００４５】
前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴにより、前記ナット２のめねじ２０の有効径を変更させる必要がある。すなわち、前記ナット２において、前記表面軟質皮膜部２１を設ける場合のめねじ２０の有効径Ｄ０（すなわち、母材のめねじの有効径Ｄ０）を、前記表面軟質皮膜部２１を設けない場合のめねじ２０の有効径Ｄ（すなわち、完成品のめねじの有効径Ｄ）に対して、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴとほぼ同等の寸法分大きくする必要がある。
【００４６】
一方、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴを大きくし過ぎると、完成品のめねじの有効径Ｄに対して母材のめねじの有効径Ｄ０が大きくなり過ぎて、本来あるべきねじ山が小さくなり過ぎるので、強度不足となる虞がある。このために、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、本来あるべきねじ山が小さくなり過ぎて強度不足とならない程度（Ｘ）を最大値とする。この結果、前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、以下の範囲となる。すなわち、Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ＜（Ｘ）となる。前記表面軟質皮膜部２１の厚さＴは、ねじの公差により異なり、たとえば、ねじ２級公差の場合（２級の嵌めあいの場合）、約２５μｍ程度である。
【００４７】
以下、図１（Ａ）に示すナット２の製造方法の一例について図８（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。まず、切削加工の工程において、ナット２のねじ孔を構成し、かつ、このねじ孔の内面にめねじ２０を形成する。このめねじ２０の有効径Ｄ０は、完成品のめねじの有効径Ｄよりも表面軟質皮膜部２１の厚さＴ分ほど大きい。つぎに、加工処理の工程において、ナット２のめねじ２０の表面に、硬度がナット２の母材よりも低い表面軟質皮膜部２１を、たとえば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティング、サーメテルＷコーティング、銀メッキ、銅メッキなどにより設ける。
【００４８】
図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２は、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１とほぼ同様に、たとえば、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルト、または、エンジンクランクケースのスタッドボルトにねじ込まれるナットとして使用することができる。すなわち、図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２は、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１とほぼ同様に、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるナットとして有効である。
【００４９】
以下、図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２の有効性について、図９に示す試験片を使用したフレッティング疲労試験（フレッチング疲労試験）、すなわち、移動試験片を接触片で一定の面圧となるように挟み、局所の応力振幅を与える試験の実施の結果を示す説明図に基づいて説明する。
【００５０】
図９の縦軸は、破損繰返し数を示す。この図９に示すように、従来品（従来のナット）は、破損繰返し数が約１．１×１０の６乗回のときに破損が生じた。これに対して、本発明品２（図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２であって、表面軟質皮膜部２１がメッキの場合）は、破損繰返し数が約１．４×１０の６乗回のときに破損が生じた。また、本発明品３（図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２であって、表面軟質皮膜部２１がＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎ溶射コーティングの場合）は、破損繰返し数が約１．１×１０の７乗回を超えても破損が発生していない。すなわち、本発明品２、３のナットは、従来品のナットに比較して十分な疲労強度が得られることとなる。
【００５１】
このように、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１を使用することにより、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトなど、ボルト１のおねじ１０に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトとして有効である。さらに、この実施例にかかるボルト１、および、この実施例にかかるボルトの製造方法により製造されたボルト１と、図１（Ａ）に示すナット２、および、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すナットの製造方法により製造されたナット２とを使用することにより、図１０に示すようなガスタービンのロータスピンドルボルトおよびナットなど、ボルト１のおねじ１０とナット２のめねじ２０との噛み合い部に繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトおよびナットとしてさらに有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
この発明にかかるボルトおよびこの発明にかかるボルトの製造方法は、おねじに繰り返し応力が発生するような部位に使用されるボルトおよびボルトの製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ ボルト
１０ おねじ
１１ 表面硬化部
１２ おねじの表面
１３ ブラストガン
２ ナット
２０ めねじ
２１ 表面軟質皮膜部
２２ めねじの表面
３ 耐疲労強度検証試験装置
３０ 台座
３１ 横孔
３２ 縦孔
３３ 押し棒
３４ 応力計測器
３５ 試験部分
ｄ おねじの有効径
Ｄ 完成品のめねじの有効径
Ｄ０ 母材のめねじの有効径
Ｔ 表面軟質皮膜部の厚さ
Ｔ１ おねじの表面粗さの最大
Ｔ２ めねじの表面粗さの最大
Ｓ ボルトネジ歯周速
Ｖ ブラストガン移動速度
Ｌ 照射距離
Ｐ ブラスト材供給圧
１００ ロータ
１０１ ボルト
１０２ ナット
１０３ ディスク
１０４ 動翼
１０５ ねじ噛み合い部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトにおいて、少なくともおねじの表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部が設けられていて、前記表面硬化部は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理により設けられている、ことを特徴とするボルト。
【請求項２】
ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの製造方法において、おねじを形成する切削加工の工程と、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与されるように、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて表面硬化部を設ける加工処理の工程と、からなる、ことを特徴とするボルトの製造方法。
【請求項１】
ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトにおいて、少なくともおねじの表面には、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与された表面硬化部が設けられていて、前記表面硬化部は、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てる加工処理により設けられている、ことを特徴とするボルト。
【請求項２】
ニッケル系超合金で構成されるおねじを有するボルトの製造方法において、おねじを形成する切削加工の工程と、表面硬度が上昇しかつ圧縮残留応力が付与されるように、メッシュサイズ＃１５０のメッシュを通過し得る粒径以下のアルミナ粒を少なくともおねじの表面に当てて表面硬化部を設ける加工処理の工程と、からなる、ことを特徴とするボルトの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１７６４９１（Ｐ２０１２−１７６４９１Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０１７９５（Ｐ２０１２−１０１７９５）
【出願日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【分割の表示】特願２００７−５５７７８２（Ｐ２００７−５５７７８２）の分割
【原出願日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【分割の表示】特願２００７−５５７７８２（Ｐ２００７−５５７７８２）の分割
【原出願日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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