亜鉛合金めっきドリルねじ
【課題】穿孔性を向上させるために、めっき厚を薄くしても、ドリルねじの耐食性が低下せず、かつ締結体全体の耐食性も確保できるドリルねじを提供する。
【解決手段】銅の質量百分率をＸ、錫の質量百分率をＹとしたとき、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％、残部が亜鉛および不可避的不純物である亜鉛合金めっきを被覆したことを特徴とする亜鉛合金めっきドリルねじ。好ましくは、２．０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％である。
【解決手段】銅の質量百分率をＸ、錫の質量百分率をＹとしたとき、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％、残部が亜鉛および不可避的不純物である亜鉛合金めっきを被覆したことを特徴とする亜鉛合金めっきドリルねじ。好ましくは、２．０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板やＨ型鋼等を締結する部品であるドリルねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼材・鋼板等を締結する方法として、作業性の向上やコスト削減を目的に、ドリルねじが用いられる。これは、ねじ先がドリル刃になったもので、下穴開け・ねじ切りの下処理工程を省略することができる。
【０００３】
鉄製のドリルねじは腐食しやすいため、めっきを施すことがよく行われている。さらに、ドリルねじの単体の耐食性を高めるだけではなく、締結体全体の耐食性を向上させるために、鋼板にも亜鉛などのめっきを施すことがよく行われている。
【０００４】
特許文献１には、ねじの耐食性を高めるため、ビッカース硬度６００以上のニッケルりん無電解めっきをしたドリルねじのめっき組成が開示されている。ビッカース硬度が高いのは、ドリル部の穿孔性を維持するためであり、一般に、ドリルねじのドリル刃は、硬い方が母材への進入が早く、作業時間が短縮できる。しかし、文献１に開示されている技術を用いて、亜鉛めっきに相当する耐食性を確保しようとすると、めっき時間が非常にかかるため、コストが高くなり、実際的でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３３８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ドリルねじの穿孔時間は、ねじのドリル刃部分に亜鉛めっきが厚くついているほど、長くかかる。ドリルねじを数万個使用する作業では、わずかな穿孔時間の差が、作業時間に大きく反映される。めっき厚を薄くすれば穿孔時間を短縮できるのだが、今度はドリルねじ単体の耐食性が低下する。
【０００７】
なお、本明細書で述べるドリルねじ単体の耐食性は、ＳＳＴ試験で、ドリルねじに赤錆が発生するまでの試験時間を指標とする。
【０００８】
本発明は、穿孔性を向上させるために、めっき厚を薄くしても、ドリルねじの耐食性が低下せず、かつ締結体全体の耐食性も確保できるドリルねじ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】
【０００９】
本発明者は、従来知見に従い、亜鉛よりも腐食しにくい金属（ニッケル、銅、モリブデン等）が適量添加された亜鉛合金を被覆すると、ねじ単体の耐食性は確かに向上した。
【００１０】
ところが実際に、これらの亜鉛合金めっきを被覆したドリルねじで、亜鉛めっき鋼板を締結し、これをＳＳＴ試験すると、ねじ頭周辺に赤錆発生が早々観察され、締結体全体の耐食性はむしろ低下した。これは、特許文献１記載の発明においても同様であった。また、施工方法をいろいろ変えても避けることはできなかった。水・酸素・電解質が侵入しないように、ねじ頭部の形状がなべ底形や六角形のドリルねじを、亜鉛めっき鋼板にしっかり圧着してみたが、やはり、赤錆がドリルねじの頭周辺から発生した。
【００１１】
この原因を解明すべく、赤錆が発生したドリルねじと赤錆が発生しなかったドリルねじを調査したところ、以下の事実が判明した。
【００１２】
図１は、耐食性が悪かったサンプルの、亜鉛合金めっき鋼板の原板の鉄素地とドリルねじの断面の断面図である。
【００１３】
図１に示すように、ねじと鋼板の鉄素地の間に隙間が形成されると、そこへ水・酸素が浸入し、酸素通気差腐食を起こし、亜鉛めっき鋼板の鉄素地の部分が腐食することを知見した。
【００１４】
隙間の観察方法は、作製した試験用サンプルから、締結した鋼板を含むドリルねじを切り出し、エポキシ樹脂に埋め込んだのち、ねじの中心軸を通る面で切断・研磨して、その断面を顕微鏡で観察した。観察部位は、ドリルねじのねじ部から頭までである。隙間とは、固相の連続性が破綻した部位であり、固/気相に挟まれた空間である。開放隙間とは、ドリルねじのねじ部の亜鉛合金めっき層と亜鉛鉄板の素地（鉄）の間に形成された隙間が、ねじの頭頂部底辺まで連続しているものをいう。
【００１５】
結局、前述した課題を解決するためには、耐食性に優れためっきだけではなく、同時に、従来の施工法で亜鉛めっき鋼板に穿孔した時に、ねじと鋼板の間に開放隙間を形成させないことが必要であることがわかった。
【００１６】
ドリルねじが穿孔時に開放隙間を形成させないためには、めっき層が、鉄板の変形部分に、よく追随する必要がある。そのためには、めっき層金属が変形しやすく、かつ、変形に必要なせん断力を発生させるために、鋼板の鉄素地とドリルねじのめっき層との界面が滑りにくい（摩擦係数が大きい）ことが必要である。
【００１７】
隙間形成に、金属変形時の変形のしやすさと滑りにくさがどのように関係しているのか、そして、金属の元素組成とどのような関係にあるかは、学術的にはまだ十分に明らかにされていない。そこで、発明者は、隙間形成と、亜鉛めっき中の銅・錫の含有率の関係を実験的に明らかにした。図２に、実験結果をまとめて示す。
【００１８】
図中、×は開放隙間が形成された組成、○はねじと鋼板の間に若干隙間はあるが、開放隙間ではない組成、●は隙間の形成がまったく無い組成を示す。
【００１９】
隙間を形成しない範囲は、図中で何本かの直線に挟まれた領域であった。
【００２０】
上記の知見に基づいて完成された本発明の要旨は下記（１）（２）のとおりである。
（１）銅の質量百分率をＸ、錫の質量百分率をＹとしたとき、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ、２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％、残部が亜鉛及び不可避的不純物である亜鉛合金めっきを被覆したことを特徴とした亜鉛合金めっきドリルねじ。
（２）２.０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ、１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であることを特徴とする、（1）記載の亜鉛合金めっきドリルねじ。
【発明の効果】
【００２１】
耐食性の高い亜鉛合金めっきを薄く施したことにより、ドリル穿孔性が向上し、作業時間が短縮するとともに、めっき鋼板の基材（鉄）の腐食の原因となる、ドリルねじめっき層と亜鉛めっき鋼板の鉄地との間の隙間が形成されず、ドリルねじ自体を含む締結体全体の耐食性にも優れたドリルねじが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、締結体に開放隙間がある場合のイメージ図である。
【図２】図２は、本発明の請求範囲を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
めっき前のドリルねじは、通常、ねじ外径３〜７ｍｍの鉄製が広く用いられるが、限定するものではない。
【００２４】
めっき層の形成方法は限定するものではないが、電気めっきあるいは溶融めっき等が適用できる。めっき条件、めっき前処理、および、ベーキング等の後処理は、それぞれのめっき方法に適したものであれば限定するものではない。
【００２５】
本発明では、めっき耐食性と締結施工後、鋼板とめっき層の間に隙間が形成されない、銅と錫の添加量の範囲を規定した。これにより、ドリルねじと鋼材の締結体全体の耐食性が低下しない。銅と錫のめっき含有率Ｘ、Ｙが、１．５＞Ｙ／Ｘ、Ｙ／Ｘ＞２.５、Ｘ＋Ｙ＞１５mass％の場合はいずれも、施工後に隙間が形成される。また、２mass％＞Ｘ＋Ｙの場合は、隙間は形成されないが、耐食性が亜鉛めっきと差がなくなり、ドリルねじ単体の耐食性が低下する。
【００２６】
従って本発明においては、開放隙間を発生させないためには、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であることが必要である。さらに２．０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であれば、開放隙間は発生せず、かつ、内部の方にも隙間が全く発生せず、一層好ましい。
【００２７】
めっき膜厚は特に限定しないが、穿孔性を高めるために従来の亜鉛めっき（２０〜３０μｍ）より薄いことが好ましく、１０〜２０μｍであることが好ましい。１０μｍ未満だと、隙間を埋めることができなくなり、隙間が発生する傾向がある。２０μｍを超えると、耐食性は向上するが、穿孔性が低下する傾向となる。なお、ドリルねじは様々な角、辺を持った立体物であるから、各所でめっき厚がばらつく(特に電解めっき)ので、本明細書中でめっき膜厚とは、断面観察により、刃先先端を除くねじ部の平均膜厚のことを意味する。
【実施例】
【００２８】
ＪＩＳ ＳＷＣＨ１８Ａ鋼線にガス浸炭焼入れ−焼き戻し処理をおこなって製造したＭ４×３０ のドリルねじ（六角頭）に、バレルめっき法で、純亜鉛めっき、あるいは、亜鉛合金めっきした。塩化亜鉛７５ｇ/ｌ、塩化アンモニウム２００ｇ/ｌ、市販の亜鉛めっき用光沢剤を適量添加しためっき浴に、塩化銅、塩化錫を段階的に添加して濃度を変えて、それぞれ電解めっきを行った。めっき層中に含まれる添加元素組成比は、電解めっき後、ねじのめっき層を酸で溶解し化学分析で決定した。
【００２９】
試験用サンプルは、７５×１５０×１．６ｍｍの溶融亜鉛めっき冷延鋼板（目付け６０ｇ/ｍ２）に、インパクトドライバー（トルク１３５Ｎ・ｍ）を用いて本発明品をねじ締めした。
【００３０】
耐食性試験として、試験用サンプルを、ＳＳＴ（ＪＩＳ Ｋ５６００−７−１耐中性塩水噴霧性、１９９９年 準拠）に最大３０日間入れ、ドリルねじ周囲に赤錆が発生するまでの日数を記録した。
【００３１】
表１に各試験用サンプルについて、めっき層の条件と解放隙間の有無、ＳＳＴ試験結果とを併せて示す。表１の結果の主要なものを図２にプロットして示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
本発明による条件のめっきを施したものは、いずれも２５日の間には錆は発生せず良好な耐食性を示した。
【００３４】
特にサンプル番号６、１５、２８、３１、３５はめっき組成が本発明の好ましい範囲にあるため、開放隙間はもちろん、内部の隙間も全く認められない（図２の●プロット）。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、穿孔性を向上させるためにめっき厚を薄くしても、ドリルねじの耐食性が低下せず、かつ締結体全体の耐食性も確保できるドリルねじが提供される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板やＨ型鋼等を締結する部品であるドリルねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼材・鋼板等を締結する方法として、作業性の向上やコスト削減を目的に、ドリルねじが用いられる。これは、ねじ先がドリル刃になったもので、下穴開け・ねじ切りの下処理工程を省略することができる。
【０００３】
鉄製のドリルねじは腐食しやすいため、めっきを施すことがよく行われている。さらに、ドリルねじの単体の耐食性を高めるだけではなく、締結体全体の耐食性を向上させるために、鋼板にも亜鉛などのめっきを施すことがよく行われている。
【０００４】
特許文献１には、ねじの耐食性を高めるため、ビッカース硬度６００以上のニッケルりん無電解めっきをしたドリルねじのめっき組成が開示されている。ビッカース硬度が高いのは、ドリル部の穿孔性を維持するためであり、一般に、ドリルねじのドリル刃は、硬い方が母材への進入が早く、作業時間が短縮できる。しかし、文献１に開示されている技術を用いて、亜鉛めっきに相当する耐食性を確保しようとすると、めっき時間が非常にかかるため、コストが高くなり、実際的でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３３８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ドリルねじの穿孔時間は、ねじのドリル刃部分に亜鉛めっきが厚くついているほど、長くかかる。ドリルねじを数万個使用する作業では、わずかな穿孔時間の差が、作業時間に大きく反映される。めっき厚を薄くすれば穿孔時間を短縮できるのだが、今度はドリルねじ単体の耐食性が低下する。
【０００７】
なお、本明細書で述べるドリルねじ単体の耐食性は、ＳＳＴ試験で、ドリルねじに赤錆が発生するまでの試験時間を指標とする。
【０００８】
本発明は、穿孔性を向上させるために、めっき厚を薄くしても、ドリルねじの耐食性が低下せず、かつ締結体全体の耐食性も確保できるドリルねじ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】
【０００９】
本発明者は、従来知見に従い、亜鉛よりも腐食しにくい金属（ニッケル、銅、モリブデン等）が適量添加された亜鉛合金を被覆すると、ねじ単体の耐食性は確かに向上した。
【００１０】
ところが実際に、これらの亜鉛合金めっきを被覆したドリルねじで、亜鉛めっき鋼板を締結し、これをＳＳＴ試験すると、ねじ頭周辺に赤錆発生が早々観察され、締結体全体の耐食性はむしろ低下した。これは、特許文献１記載の発明においても同様であった。また、施工方法をいろいろ変えても避けることはできなかった。水・酸素・電解質が侵入しないように、ねじ頭部の形状がなべ底形や六角形のドリルねじを、亜鉛めっき鋼板にしっかり圧着してみたが、やはり、赤錆がドリルねじの頭周辺から発生した。
【００１１】
この原因を解明すべく、赤錆が発生したドリルねじと赤錆が発生しなかったドリルねじを調査したところ、以下の事実が判明した。
【００１２】
図１は、耐食性が悪かったサンプルの、亜鉛合金めっき鋼板の原板の鉄素地とドリルねじの断面の断面図である。
【００１３】
図１に示すように、ねじと鋼板の鉄素地の間に隙間が形成されると、そこへ水・酸素が浸入し、酸素通気差腐食を起こし、亜鉛めっき鋼板の鉄素地の部分が腐食することを知見した。
【００１４】
隙間の観察方法は、作製した試験用サンプルから、締結した鋼板を含むドリルねじを切り出し、エポキシ樹脂に埋め込んだのち、ねじの中心軸を通る面で切断・研磨して、その断面を顕微鏡で観察した。観察部位は、ドリルねじのねじ部から頭までである。隙間とは、固相の連続性が破綻した部位であり、固/気相に挟まれた空間である。開放隙間とは、ドリルねじのねじ部の亜鉛合金めっき層と亜鉛鉄板の素地（鉄）の間に形成された隙間が、ねじの頭頂部底辺まで連続しているものをいう。
【００１５】
結局、前述した課題を解決するためには、耐食性に優れためっきだけではなく、同時に、従来の施工法で亜鉛めっき鋼板に穿孔した時に、ねじと鋼板の間に開放隙間を形成させないことが必要であることがわかった。
【００１６】
ドリルねじが穿孔時に開放隙間を形成させないためには、めっき層が、鉄板の変形部分に、よく追随する必要がある。そのためには、めっき層金属が変形しやすく、かつ、変形に必要なせん断力を発生させるために、鋼板の鉄素地とドリルねじのめっき層との界面が滑りにくい（摩擦係数が大きい）ことが必要である。
【００１７】
隙間形成に、金属変形時の変形のしやすさと滑りにくさがどのように関係しているのか、そして、金属の元素組成とどのような関係にあるかは、学術的にはまだ十分に明らかにされていない。そこで、発明者は、隙間形成と、亜鉛めっき中の銅・錫の含有率の関係を実験的に明らかにした。図２に、実験結果をまとめて示す。
【００１８】
図中、×は開放隙間が形成された組成、○はねじと鋼板の間に若干隙間はあるが、開放隙間ではない組成、●は隙間の形成がまったく無い組成を示す。
【００１９】
隙間を形成しない範囲は、図中で何本かの直線に挟まれた領域であった。
【００２０】
上記の知見に基づいて完成された本発明の要旨は下記（１）（２）のとおりである。
（１）銅の質量百分率をＸ、錫の質量百分率をＹとしたとき、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ、２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％、残部が亜鉛及び不可避的不純物である亜鉛合金めっきを被覆したことを特徴とした亜鉛合金めっきドリルねじ。
（２）２.０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ、１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であることを特徴とする、（1）記載の亜鉛合金めっきドリルねじ。
【発明の効果】
【００２１】
耐食性の高い亜鉛合金めっきを薄く施したことにより、ドリル穿孔性が向上し、作業時間が短縮するとともに、めっき鋼板の基材（鉄）の腐食の原因となる、ドリルねじめっき層と亜鉛めっき鋼板の鉄地との間の隙間が形成されず、ドリルねじ自体を含む締結体全体の耐食性にも優れたドリルねじが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、締結体に開放隙間がある場合のイメージ図である。
【図２】図２は、本発明の請求範囲を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
めっき前のドリルねじは、通常、ねじ外径３〜７ｍｍの鉄製が広く用いられるが、限定するものではない。
【００２４】
めっき層の形成方法は限定するものではないが、電気めっきあるいは溶融めっき等が適用できる。めっき条件、めっき前処理、および、ベーキング等の後処理は、それぞれのめっき方法に適したものであれば限定するものではない。
【００２５】
本発明では、めっき耐食性と締結施工後、鋼板とめっき層の間に隙間が形成されない、銅と錫の添加量の範囲を規定した。これにより、ドリルねじと鋼材の締結体全体の耐食性が低下しない。銅と錫のめっき含有率Ｘ、Ｙが、１．５＞Ｙ／Ｘ、Ｙ／Ｘ＞２.５、Ｘ＋Ｙ＞１５mass％の場合はいずれも、施工後に隙間が形成される。また、２mass％＞Ｘ＋Ｙの場合は、隙間は形成されないが、耐食性が亜鉛めっきと差がなくなり、ドリルねじ単体の耐食性が低下する。
【００２６】
従って本発明においては、開放隙間を発生させないためには、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であることが必要である。さらに２．０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であれば、開放隙間は発生せず、かつ、内部の方にも隙間が全く発生せず、一層好ましい。
【００２７】
めっき膜厚は特に限定しないが、穿孔性を高めるために従来の亜鉛めっき（２０〜３０μｍ）より薄いことが好ましく、１０〜２０μｍであることが好ましい。１０μｍ未満だと、隙間を埋めることができなくなり、隙間が発生する傾向がある。２０μｍを超えると、耐食性は向上するが、穿孔性が低下する傾向となる。なお、ドリルねじは様々な角、辺を持った立体物であるから、各所でめっき厚がばらつく(特に電解めっき)ので、本明細書中でめっき膜厚とは、断面観察により、刃先先端を除くねじ部の平均膜厚のことを意味する。
【実施例】
【００２８】
ＪＩＳ ＳＷＣＨ１８Ａ鋼線にガス浸炭焼入れ−焼き戻し処理をおこなって製造したＭ４×３０ のドリルねじ（六角頭）に、バレルめっき法で、純亜鉛めっき、あるいは、亜鉛合金めっきした。塩化亜鉛７５ｇ/ｌ、塩化アンモニウム２００ｇ/ｌ、市販の亜鉛めっき用光沢剤を適量添加しためっき浴に、塩化銅、塩化錫を段階的に添加して濃度を変えて、それぞれ電解めっきを行った。めっき層中に含まれる添加元素組成比は、電解めっき後、ねじのめっき層を酸で溶解し化学分析で決定した。
【００２９】
試験用サンプルは、７５×１５０×１．６ｍｍの溶融亜鉛めっき冷延鋼板（目付け６０ｇ/ｍ２）に、インパクトドライバー（トルク１３５Ｎ・ｍ）を用いて本発明品をねじ締めした。
【００３０】
耐食性試験として、試験用サンプルを、ＳＳＴ（ＪＩＳ Ｋ５６００−７−１耐中性塩水噴霧性、１９９９年 準拠）に最大３０日間入れ、ドリルねじ周囲に赤錆が発生するまでの日数を記録した。
【００３１】
表１に各試験用サンプルについて、めっき層の条件と解放隙間の有無、ＳＳＴ試験結果とを併せて示す。表１の結果の主要なものを図２にプロットして示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
本発明による条件のめっきを施したものは、いずれも２５日の間には錆は発生せず良好な耐食性を示した。
【００３４】
特にサンプル番号６、１５、２８、３１、３５はめっき組成が本発明の好ましい範囲にあるため、開放隙間はもちろん、内部の隙間も全く認められない（図２の●プロット）。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、穿孔性を向上させるためにめっき厚を薄くしても、ドリルねじの耐食性が低下せず、かつ締結体全体の耐食性も確保できるドリルねじが提供される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅の質量百分率をＸ、錫の質量百分率をＹとしたとき、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％、残部が亜鉛および不可避的不純物である亜鉛合金めっきを被覆したことを特徴とする亜鉛合金めっきドリルねじ。
【請求項２】
２．０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であることを特徴とする請求項１記載の亜鉛合金めっきドリルねじ。
【請求項１】
銅の質量百分率をＸ、錫の質量百分率をＹとしたとき、１．５≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ２mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％、残部が亜鉛および不可避的不純物である亜鉛合金めっきを被覆したことを特徴とする亜鉛合金めっきドリルねじ。
【請求項２】
２．０≦Ｙ／Ｘ≦２.５、かつ１０mass％≦Ｘ＋Ｙ≦１５mass％であることを特徴とする請求項１記載の亜鉛合金めっきドリルねじ。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２７１２５（Ｐ２０１１−２７１２５Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７０２５５（Ｐ２００９−１７０２５５）
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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