高力アルミニウム合金ボルトの製造方法
【課題】大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトの製造方法を提供する。
【解決手段】Ｚｎ含有量８質量％以上の７ｘｘｘ系アルミニウム合金から成り、溶体化し時効した後の引張強さが７２０ＭＰａ以上であり、呼び径が１２ｍｍφ以上の高力アルミニウム合金ボルトを製造する方法において、
鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した表層、または該粗粒化する表層を、切削により除去することを特徴とする高力アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【解決手段】Ｚｎ含有量８質量％以上の７ｘｘｘ系アルミニウム合金から成り、溶体化し時効した後の引張強さが７２０ＭＰａ以上であり、呼び径が１２ｍｍφ以上の高力アルミニウム合金ボルトを製造する方法において、
鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した表層、または該粗粒化する表層を、切削により除去することを特徴とする高力アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度でしかも長年月締結しても軸力低下の少ない７ｘｘｘ系アルミニウム合金高力ボルトの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２ｘｘｘ系、６ｘｘｘ系、７ｘｘｘ系等の展伸加工用アルミニウム合金は、特定の熱処理条件で溶体化処理（溶体化焼入処理の意）した後、時効処理（特に自然時効と断らない限り人工時効処理の意）を施すことによって高強度を付与することができる。例えば、７ｘｘｘ系アルミニウム合金は、特定の条件で上記の溶体化＋時効を施すことによって、２ｘｘｘ系や６ｘｘｘ系よりも高い引張強さ６５０ＭＰａ程度の高強度を付与することができるが、溶体化時の急冷（焼入れ）による歪が生じ易いので、所定の熱処理を施した後に所要の成形を加えることが行われる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ｐｂ、Ｂｉを含有する切削性の良好な２ｘｘｘ系アルミニウム合金押出材に熱処理を施したＴ６材を、所定の長さに切断後、鍛造加工、転造加工して、直径８ｍｍ、ピッチ１．２５ｍｍのボルトを製造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３００６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記２ｘｘｘ系アルミニウム合金のＴ６材の引張強さは高々５００ＭＰａであって、Ｔ６材を鍛造加工、転造加工する装置も大設備とする必要はない。
【０００６】
ところで近時、橋梁等に使用する床版も大型長尺材化し、それに伴って床版結合用のボルトも大径化すると共に、更に高強度化が求められている。このような高強度アルミニウム合金としては、７ｘｘｘ系アルミニウム合金が知られており、Ｚｎ含有量が８質量％を超えるような７ｘｘｘ系アルミニウム合金熱処理材は時効処理により容易に引張強さ７２０ＭＰａを超える強度が付与できる。しかしながら、このように高強度のアルミニウム合金で呼び径１２ｍｍφ以上の大径ボルトを鍛造のような塑性加工を施して製造するために、大型の設備を必要とする上、塑性変形量の大きい頭部の鍛造成形時に、頭部周囲に微小割れが発生する虞が大きいという問題があった。
【０００７】
また、とくに呼び径１２ｍｍφ以上のボルトでは大きな初期応力で締め付けても、長期に亘って軸力が低下しないことが重要である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、Ｚｎ含有量８質量％以上の７ｘｘｘ系アルミニウム合金から成り、溶体化し時効した後の引張強さが７２０ＭＰａ以上であり、呼び径が１２ｍｍφ以上の高力アルミニウム合金ボルトを製造する方法において、
鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した表層、または該粗粒化する表層を、切削により除去することを特徴とする高力アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した、または該粗粒化する表層を、切削により除去することにより、大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトを製造することができる。特に、表層の結晶粒度はボルトの締め付け軸力低下に直結するクリープ特性に大きく影響するため、表層の粗大粒を除去した本発明の高力ボルトは大きな初期応力を負荷した状態で長期に亘って軸力の低下が抑制される。
【００１１】
本発明の高力アルミニウム合金ボルトは、例えば、河川、道路等のアルミニウム橋桁、あるいはアルミニウム塔の骨組み等を鉄ボルトを使用せずに確実に締結でき、長期に亘って十分な締結力を保持することが可能であり、使用後のスクラップを再生使用する場合も鉄ボルトを丁寧に取り除く手間が省け、スクラップの溶解において鉄ボルトからのＦｅ不純物の混入が抑制され、再生アルミニウム合金材の純度を極度に低下させることなく再使用することができる等の諸効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図1は、本発明の種々の成形段階における被成形材料の形状を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の典型的な製造工程のフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例で作製したボルト中間体の表層除去前の各部位(1)〜(5)の断面顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、引張強さ７２０ＭＰａ以上、呼び径１２ｍｍφ以上の高力大径ボルトとするために、Ｚｎ含有量を８質量％以上として引張強さを確保し、短径１００μｍ以上の粗大な結晶粒を表層から排除してクリープ特性を高め長期に亘って大きな軸力を確保した。
【００１４】
Ｚｎを８質量％以上含有する７ｘｘｘ系アルミニウム合金の組成と引張強さ７２０ＭＰａ以上を付与する熱処理について説明する。
【００１５】
本発明において、７ｘｘｘ系アルミニウム合金とはＪＩＳ規格およびＡＡ規格を含む組成であるが、いずれの規格の範囲内に限定しない。ＪＩＳでは７０７５、７Ｎ０１が規定されており、７０７５のＺｎ含有量は５．１〜６．１質量％、７Ｎ０１のＺｎ含有量は４．０〜５．０質量％であって、７０７５のＴ６材で引張強さ６１０ＭＰａ程度であるから、近時の大型床版等のボルトとしては締結力が不十分である。一方、ＡＡ規格には、粉末合金であるが７０３４、７０３６等が規定されており、７０３４のＺｎ含有量は１１．０〜１２．０質量％、７０３６のＺｎ含有量は８．４〜９．４質量％であって、７０３４のＴ６材で引張強さ９００ＭＰａ、７０３６のＴ６材で引張強さ８００ＭＰａ程度が得られる。したがって、本発明においてＺｎ含有量の上限は１２質量％であれば十分である。
【００１６】
Ｃｕ、Ｍｇの含有量はＪＩＳ規格あるいはＡＡ規格の７ｘｘｘ系に規定されている程度、例えばＣｕは０．８〜２．８質量％、Ｍｇは１．４〜３．０質量％であってよく、特に限定する必要はない。
【００１７】
Ｓｉ、Ｆｅが各０．５質量％以下、Ｍｎは１．０質量％以下、Ｔｉは０．２質量％以下、Ｂは０．０５質量％以下、Ｃｒ、Ｚｒは前記７ｘｘｘ系の各規格に規定されている程度、それぞれ含有してよい。その他の元素は、各０．５質量％以下であれば本発明の効果を妨げない。
【００１８】
７２０ＭＰａ以上の引張強さを得るための熱処理条件は、例えば４６０℃×１時間以上加熱保持して焼入れする溶体化処理後、１２０℃に２４時間加熱保持して（Ｔ６）時効処理（＝人工時効処理）する。耐ＳＣＣ性を高める目的で、過時効とすることもできる。また、上記のＴ６処理後に１８０℃に１０時間以上保持した後、再度１２０℃に２４時間以上保持（Ｔ７７）して強度と耐ＳＣＣ性を同時に向上させることもできる。
【００１９】
図１に、ボルト素材と各成形段階での加工材の形状を示す。
【００２０】
図１（１）に示すように、ボルト素材１００は押出材または鋳造材であり、単純な円柱形である。ただし、他の状態・形状であってもよく、特に限定しない。
【００２１】
図１（４）に示すように、完成ボルト１は、頭部２とそれに連続する胴部３とから成る。胴部３は首下部３１とねじ部３２とから成る。ｄはねじ部３２の呼び径であり、ねじ山の直径である。本発明は呼び径ｄ≧１２ｍｍφのボルトを特に適用対象とする。ｄ３はねじ部３２に転造でねじを形成する場合の削除後の直径であって、ほぼねじの有効径程度である。３３はねじ部３２に形成されたねじであり、その概略形状を示す。３４は座金（図示せず）が当たる台座である。
【００２２】
素材１００からボルト１までの成形工程は下記のとおりである。
【００２３】
図１（２）に示すように、素材１００を、頭部鍛造型１１、胴部成形型１２、胴部成形台兼押出棒１３から成る鍛造型１０内にセットして、上下から成形力Ｐを負荷することにより、ボルト中間体１ｘに成形する。成形完了後、押出棒１３を下方から押し上げてボルト中間体１ｘを鍛造型１０から取り出す。熱間鍛造の場合は、素材１００として押出材または鋳造材をそのまま用いるか、冷間鍛造の場合は、Ｏ処理を施してから用いる。ただし、これらを限定する必要はない。
【００２４】
次いで、図１（３）に示すように、ボルト中間体１ｘの頭部２は裏面２Ｂを除いて完成ボルト１の頭部２と同寸法に成型されており、ボルト中間体１ｘの胴部は素材１００の径ｄ０に対して成形により若干太い径ｄ１になっている。溶体化処理の前または後に、ボルト中間体１ｘの頭部裏面２Ｂおよび胴部表層３Ａの溶体化時粗粒化部Ｃを切削により除去する。従って図１（２）で得られたボルト中間体１ｘの頭部の高さ１４は、図１（３）で図示される頭部２の高さと、切削除去される溶体化時粗粒化部Ｃとの合計値である。表層切削除去代Ｃは、予め予備試行により実測しておく。素材１００を熱間鍛造したボルト中間体１ｘの場合、除去代Ｃは概ね１ｍｍ程度であり、冷間鍛造の場合は熱間鍛造の場合と同等かやや厚くなる程度である。これにより胴部は径ｄ１からｄ２に減径している。
【００２５】
次に、図１（４）に示すように、胴部３のねじ部３２にねじ３３を形成する。ねじを切削により形成する場合は、上記表層の切削除去と同じ工程でねじ切削まで行なっても良いし、上記表層の切削除去とは別の工程として行なっても良い。ねじを転造によって形成する場合は、ねじ有効径ｄ３まで切削した後に転造する。ねじ形成後に時効処理を行なう。転造によりねじ形成する場合は、時効処理を先に行なってもよい。
【００２６】
本発明の製造方法は、溶体化の後または前に、溶体化により粗粒化したまたは粗粒化する表層を切削により除去する点が特徴である。
【００２７】
本発明の一実施形態においては、溶体化の後に、粗粒化した表層を切削除去する典型的な形態として、前記鍛造後、
前記溶体化を行なった後に、
（Ａ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記時効を行うか、または
（Ａ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う。
【００２８】
本発明の別の一実施形態においては、溶体化の前に、粗粒化する表層を切削除去する典型的な形態として、前記鍛造後、
（Ｂ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記時効を行うか、または
（Ｂ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う。
【００２９】
粗粒化したまたは粗粒化する表層の切削除去代は、行う製造工程について予め予備試行して実測により求めることができる。
【００３０】
図２に、上記（Ａ１）（Ａ２）（Ｂ１）（Ｂ２）の各形態の工程フローチャートをまとめて示す。
【００３１】
図２（Ａ１）の形態においては、鍛造後に鍛造型１０から取り出されたボルト中間体１ｘを溶体化（溶体化焼入れ）する。温度は組成によって異なるが、後述する条件で保持後焼き入れる。水焼入れするのが好ましい。
【００３２】
溶体化されたボルト中間体１ｘは、頭部２の裏面２Ｂとこれに続く胴部３の表層Ｃを切削により除去する。前述したように、除去代Ｃは、素材１００を熱間鍛造したボルト中間体１ｘの場合は約１ｍｍ程度、冷間鍛造の場合は熱間鍛造の場合と同等かやや厚くなる程度である。
【００３３】
この表層Ｃの切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２にねじ切削してねじ３３を形成する。次いで、後述の条件で時効（人工時効）を施す。
【００３４】
図２（Ａ２）の形態においては、図２（Ａ１）の形態と同様に、ボルト中間体１ｘを溶体化した後、表層Ｃを切削除去する。
【００３５】
この表層Ｃを切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２に相当する部分をねじ有効径ｄ３まで切削した後、転造してねじ３３を形成する。次いで、後述の条件で時効を施す。先に時効を行なった後に、ねじ転造を行なってもよい。
【００３６】
図２（Ｂ１）の形態においては、鍛造後取り出されたボルト中間体１ｘの頭部２の裏面２Ｂとこれに続く胴部３の表層Ｃを切削により除去する。除去代Ｃは前記と同様である。
【００３７】
この表層Ｃを切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２にねじ切削してねじ３３を形成する。次いで、溶体化した後、後述の条件で時効を施す。
【００３８】
図２（Ｂ２）の形態においては、図２（Ｂ１）の形態と同様に、鍛造後取り出されたボルト中間体１ｘの頭部２の裏面２Ｂとこれに続く胴部３の表層Ｃを切削により除去する。除去代Ｃは前記と同様である。
【００３９】
この表層Ｃを切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２に相当する部分をねじ有効径ｄ３まで切削した後、溶体化し、転造してねじ３３を形成する。次いで、後述の条件で時効を施す。先に時効を行なった後に、ねじ転造を行なってもよい。
【００４０】
更に、他の実施形態として、溶体化と時効を行なった後に、表層Ｃを切削除去し、その後、胴部に切削または転造によりねじ形成してもよい。この場合、時効による歪を除去できる。
【００４１】
以下、ボルト鍛造に供する素材と、各処理工程を詳細に説明する。
【００４２】
鍛造用の素材１００は、所定組成の鋳造材、または所定組成のビレットを押出加工して作成する押出材が供される。押出加工は公知の技術でよい。押出材は鋳造材に比較して押出加工を受けるので伸率が高く鍛造に適している。押出材は、例えばＺｎ９．４質量％、Ｍｇ３．０質量％、Ｃｕ１．６質量％、Ｚｒ０．１５質量％、残部Ａｌおよび不可避不純物から成る合金であり、Ｔ１(押出後自然時効)状態で引張強さ４６０〜４９０ＭＰａ、０．２％耐力で３３０〜３５０ＭＰａ、伸率１３〜１５％程度である。また、Ｏ材で引張強さ２００ＭＰａ、０．２％耐力で１００ＭＰａ、伸率２３％程度であって引張強さがＴ６材（表３）と較べると相当に低い。
【００４３】
上記の如く引張強さが特に高い訳でなく、鍛造に際して素材１００の温度は室温でも良いが、鍛造素材を３００〜４５０℃に加熱し熱間鍛造すると、鍛造後型外に取出すときに胴部成形台兼押抜棒１３に掛ける押抜力が小さくて済む効果がある。前記押抜力が小さくて済む理由は、胴部成形型１０の鉄製鋳型と素材１００のアルミニウムとの熱膨張差と考えられる。また、該熱間鍛造は室温鍛造と較べて鍛造後のボルト中間体１ｘの残留歪が開放され易く、室温鍛造の場合と較べてボルト中間体１ｘのその後の溶体化処理で発生する粗大再結晶粒の発生領域が狭くなり、素材の切削除去量が少なくなって好ましい。熱間鍛造後溶体化処理の場合は切削代が１ｍｍもあれば十分であるが、冷間鍛造後溶体化処理の場合は熱間鍛造後溶体化処理の場合と同等かやや厚めが目標となる。
【００４４】
頭部を鍛造した後溶体化焼入処理する。溶体化焼入処理後に頭部を鍛造する工程は、溶体化焼入処理と頭部鍛造までの時間において、実操業では２日、あるいは５日と相当にばらつきがあり、その間に自然時効が進行して強度が変化し、鍛造条件が一定しない。溶体化処理の条件は素材１００の組成で変わるが、Ｚｎ含有量が８〜１２質量％の合金では４６０℃×１時間以上加熱保持すればよいがこの値に限定されるものではなく、十分に固溶体化させればよい。焼入れは水焼入れが好ましい。頭部鍛造後のボルト中間体１ｘは爾後の溶体化処理で再結晶するが、ボルト中間体１ｘは頭部２の鍛造および胴部３の成形で変形量が異なり、頭部２の裏面２Ｂおよび胴部３の表層部Ｃの変形量は２〜５％程度と想定され、従ってその部分が溶体化処理で粗大に再結晶し、長径が１〜２ｍｍ程度、短径で１００〜３００μｍ程度に粗大再結晶化する。この粗大再結晶の集合組織は、鍛造および溶体化処理等の諸条件で大きく変化するが、例えば熱間鍛造で厚さ０．６から０．９ｍｍである。
【００４５】
図１（３）は溶体化後にボルト中間体１ｘの頭部２の裏面２Ｂと頭部２に続く胴部３の切削除去する表層部Ｃを示す説明図である。この溶体化後の切削はボルト中間体１ｘに発生した粗大再結晶粒を除去するものである。この粗大再結晶粒の有無によってボルト軸力低下率に相当の開きが生じる。本発明はこの粗大再結晶粒が存在しないボルトであることが技術的中核になる。
【００４６】
一方、図２の（Ｂ１）および（Ｂ２）の形態では、溶体化を鍛造後のボルト中間体１ｘのボルト頭部２の裏面２Ｂと胴部３の外周面を切削除去した後に施す。この切削除去は鍛造後の溶体化で粗大再結晶粒の発生が予測される箇所であって、この部分を溶体化前に除去しておけば溶体化しても粗大再結晶粒は発生しない。切削除去代は前もって鍛造後の溶体化で発生する粗大再結晶粒を測定しておけばよい。これは溶体化で粗大再結晶粒が発生する歪が残留している箇所を取り除くことと同じである。
【００４７】
粗大再結晶粒が存在しないボルトの軸力低下が少ない理由は以下のように考えられる。
【００４８】
すなわち、結晶粒界は結晶内部と較べ結晶配列が不規則で脆弱であると考えられ、ボルト表面に粗大再結晶粒があると、ボルトを締め付け軸力を負荷したときに微細結晶粒の場合と比べて応力の分散箇所が少なく数少ない粗大再結晶粒界に集中するためにクリープ強度にも影響し、長期の負荷で破断の起点となり軸力低下をきたすものと考えられる。従って、応力が分散せず数少ない粒界に集中するような粗大再結晶粒を面削除去すれば、応力が分散する箇所の多い微細結晶粒のみとなり、結果として軸力低下率が小さくなるものと考えられる。
【００４９】
ボルト中間体１ｘの表層Ｃの切削除去代は厚さにして熱間鍛造の場合は１ｍｍあれば十分で、０．７ｍｍ未満では一部に粗大再結晶粒が残る虞があるが、粗大再結晶粒を除去すればよく、除去代の下限を限定する必要はない。上限は限定するものではないが、厚く除去すれば素材の無駄となる。冷間鍛造の場合は熱間鍛造の場合より除去代は同等かやや厚めが目安になる。
【００５０】
ねじ部３２相当箇所は、引抜き等の加工を施して減径し、次いでねじ部３２の転造または切削によりねじ３３を形成してもよい。
【００５１】
溶体化処理後の時効処理（人工時効処理）は、頭部鍛造し溶体化処理後であれば任意の工程で行なうことができる。すなわち、該人工時効処理で高力化したとしても、前記の面削、胴部の成形加工、ねじ部加工のいずれの工程も支障をきたさず加工できるからである。
【００５２】
なお、時効処理は前記したＴ６、あるいはＴ７７等の過時効処理でよく、いずれも７２０ＭＰａの引張強さが得られる。人工時効処理の条件は実操業では種々工夫されているのでそれに従えばよく、７２０ＭＰａ 以上を付与すればよい。従ってＴ６、Ｔ７７に限定するものではない。
【００５３】
具体的に時効処理の実施時期を例示すれば、頭部鍛造し溶体化処理後ボルト中間体１ｘの表層除去前、あるいは、表層除去後胴部3のねじ有効径ｄ３加工前、あるいは、ねじ有効径ｄ３加工後ねじ部３２加工前、あるいは、ねじ部３２加工後等のいずれでもよい。
【実施例１】
【００５４】
表１に示す組成の均質化熱処理した合金ビレットを押出加工して、外径ｄ０＝２２ｍｍφ、長さ１００ｍｍの図１（１）に示す素材１００を得た。押出条件を表２に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
次に図１（２）に示す鍛造金型１０を用い、表２の素材番号２−１、２−２の素材を用い、金型温度室温、素材温度３１０℃にて、４００ｔプレスで鍛造し、Ｍ２０寸法の頭部を有するボルト中間体１ｘを得た。
【００５８】
次に、ボルト中間体１ｘを溶体化処理し、時効処理して、引張強さ、０．２％耐力、伸びを測定した。溶体化処理条件と測定結果をまとめて表３に示す。
【００５９】
【表３】
【００６０】
一方、溶体化処理後の試料番号３−１、３−２の表層の粗大結晶粒を測定した。試料番号３−２の測定した写真の一部を図３に示す。図３の右上に示す観察位置(1)〜(5)が写真(1)〜(5)に対応する。(1)は図１（３）に示すボルト中間体１ｘの頭部２の厚さの１／２の位置、(2)は頭部２の裏面２Ｂ外角部の３ｍｍ内側、(3)は頭部２と胴部３の交わるコーナー部、(4)は頭部２から１０ｍｍ下の胴部、(5)は胴部長さの１／２の位置である。なお、頭部外周の下部周縁には鍛造時にバリが生ずる。断面観察用サンプルの研磨時にバリが邪魔になるため、バリ部分を含む下部周縁を切削除去してから用いた。図３の右上に観察位置をスケッチで示す。写真(2)にはこの削除部分が現れている。
【００６１】
写真観察によれば、塑性変形を受けた表層は、内部と比較して粗大に再結晶していることが判る。試料番号３−１も試料番号３−２と略同様の組織を示していた。
【００６２】
頭部２の裏面２Ｂと頭部２に続く胴部３に掛けて短径の長さ（粗大再結晶粒単体の厚さ部位）が１００〜３００μｍで粗大再結晶粒が厚さ(粗大再結晶粒の集合層)にして３００〜７００μｍ存在していることが判る。粗大結晶粒の測定結果を表４に示す。
【００６３】
【表４】
【００６４】
次いで、頭部鍛造後溶体化処理した表３の試料番号３−１、３−２のボルト中間体１ｘを頭部２の裏面２Ｂと頭部２に続く胴部３の表層Ｃを厚さにして１ｍｍ切削して粗大結晶粒集合層を除去した。切削除去後のサンプル検査の結果、短径で１００μｍ以上の粗大再結晶粒は存在しなかった。
【００６５】
次いで、図１（４）に示すように、胴部３のねじ相当部３２をねじ有効径ｄ３まで切削減径し、転造によりねじを形成し、ＪＩＳ規格Ｍ２０寸法のボルト1を作製した。別途同材でナットおよび平座金を同じくＴ６処理して作製した。ボルト１の寸法は、頭部２が１３ｍｍ、頭部２の平面六角部（図示せず）の対角線長径３７ｍｍ、平行部間隙３２ｍｍ、台座３４の直径２９ｍｍ、胴部３の長さ７０ｍｍである。
【００６６】
一方、比較例として、表層Ｃの粗大結晶粒集合層を切削除去しない以外は上記と同様にして試料を用意した。
【００６７】
次にボルト1とナットおよび平座金を用い、表３に示す０．２％耐力の８５％の締結力で締め、ボルト1の表面に貼付したひずみゲージで軸力低下率を測定した。結果を表５に示す。参考例として、試料番号５−５に、ＪＩＳ７０７５のＴ６処理したボルト（引張強さ：６６１ＭＰａ、０．２％耐力：６１１ＭＰａ、伸び：１１．０％）についても同様に軸力低下率を測定した結果も示す。
【００６８】
【表５】
【００６９】
表５の結果より、本発明方法によって製造されたＺｎを８質量％以上含有するボルト頭部を鍛造成形し、溶体化処理後外周切削により表層Ｃの粗大晶を除去したボルトは、相当に大きな締付力で締め付けても試料番号５−１、５−３に示す如く、軸力残存率%が１００日後で９９．０％（試料番号５−１）と９６．６％（試料番号５−３）、３５０日後で９８．９％（試料番号５−１）と９６．２％（試料番号５−３）であって、軸力残存率が大きく優れていることがわかる。
【００７０】
一方、ボルト頭部鍛造成形後表層Ｃを切削除去していないボルト(試料番号５−２、５−４)は、軸力残存率が小さく、長期の締結治具には向かないことがわかる。
【００７１】
参考として、ＪＩＳ７０７５の面削無しで実施例1記載の手順で作成したボルトの減衰率を示す。３５０日後の軸力減衰率%が９８．７％であって、本発明にかかる高力ボルトは７０７５と同程度の軸力低下率であることが判る。７０７５は他の試料に比べて引張強度および０．２％耐力が低く、０．２％耐力の８５％で締結したときに負荷が小さいため、軸力低下率が小さい。本発明の方法により表層Ｃを除去することにより、７０７５よりも高強度化し、遥かに大きな締結力を負荷しても、７０７５並みの軸力低下率が確保できた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明によれば、大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトの製造方法が提供される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度でしかも長年月締結しても軸力低下の少ない７ｘｘｘ系アルミニウム合金高力ボルトの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２ｘｘｘ系、６ｘｘｘ系、７ｘｘｘ系等の展伸加工用アルミニウム合金は、特定の熱処理条件で溶体化処理（溶体化焼入処理の意）した後、時効処理（特に自然時効と断らない限り人工時効処理の意）を施すことによって高強度を付与することができる。例えば、７ｘｘｘ系アルミニウム合金は、特定の条件で上記の溶体化＋時効を施すことによって、２ｘｘｘ系や６ｘｘｘ系よりも高い引張強さ６５０ＭＰａ程度の高強度を付与することができるが、溶体化時の急冷（焼入れ）による歪が生じ易いので、所定の熱処理を施した後に所要の成形を加えることが行われる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ｐｂ、Ｂｉを含有する切削性の良好な２ｘｘｘ系アルミニウム合金押出材に熱処理を施したＴ６材を、所定の長さに切断後、鍛造加工、転造加工して、直径８ｍｍ、ピッチ１．２５ｍｍのボルトを製造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３００６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記２ｘｘｘ系アルミニウム合金のＴ６材の引張強さは高々５００ＭＰａであって、Ｔ６材を鍛造加工、転造加工する装置も大設備とする必要はない。
【０００６】
ところで近時、橋梁等に使用する床版も大型長尺材化し、それに伴って床版結合用のボルトも大径化すると共に、更に高強度化が求められている。このような高強度アルミニウム合金としては、７ｘｘｘ系アルミニウム合金が知られており、Ｚｎ含有量が８質量％を超えるような７ｘｘｘ系アルミニウム合金熱処理材は時効処理により容易に引張強さ７２０ＭＰａを超える強度が付与できる。しかしながら、このように高強度のアルミニウム合金で呼び径１２ｍｍφ以上の大径ボルトを鍛造のような塑性加工を施して製造するために、大型の設備を必要とする上、塑性変形量の大きい頭部の鍛造成形時に、頭部周囲に微小割れが発生する虞が大きいという問題があった。
【０００７】
また、とくに呼び径１２ｍｍφ以上のボルトでは大きな初期応力で締め付けても、長期に亘って軸力が低下しないことが重要である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、Ｚｎ含有量８質量％以上の７ｘｘｘ系アルミニウム合金から成り、溶体化し時効した後の引張強さが７２０ＭＰａ以上であり、呼び径が１２ｍｍφ以上の高力アルミニウム合金ボルトを製造する方法において、
鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した表層、または該粗粒化する表層を、切削により除去することを特徴とする高力アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した、または該粗粒化する表層を、切削により除去することにより、大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトを製造することができる。特に、表層の結晶粒度はボルトの締め付け軸力低下に直結するクリープ特性に大きく影響するため、表層の粗大粒を除去した本発明の高力ボルトは大きな初期応力を負荷した状態で長期に亘って軸力の低下が抑制される。
【００１１】
本発明の高力アルミニウム合金ボルトは、例えば、河川、道路等のアルミニウム橋桁、あるいはアルミニウム塔の骨組み等を鉄ボルトを使用せずに確実に締結でき、長期に亘って十分な締結力を保持することが可能であり、使用後のスクラップを再生使用する場合も鉄ボルトを丁寧に取り除く手間が省け、スクラップの溶解において鉄ボルトからのＦｅ不純物の混入が抑制され、再生アルミニウム合金材の純度を極度に低下させることなく再使用することができる等の諸効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図1は、本発明の種々の成形段階における被成形材料の形状を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の典型的な製造工程のフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例で作製したボルト中間体の表層除去前の各部位(1)〜(5)の断面顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、引張強さ７２０ＭＰａ以上、呼び径１２ｍｍφ以上の高力大径ボルトとするために、Ｚｎ含有量を８質量％以上として引張強さを確保し、短径１００μｍ以上の粗大な結晶粒を表層から排除してクリープ特性を高め長期に亘って大きな軸力を確保した。
【００１４】
Ｚｎを８質量％以上含有する７ｘｘｘ系アルミニウム合金の組成と引張強さ７２０ＭＰａ以上を付与する熱処理について説明する。
【００１５】
本発明において、７ｘｘｘ系アルミニウム合金とはＪＩＳ規格およびＡＡ規格を含む組成であるが、いずれの規格の範囲内に限定しない。ＪＩＳでは７０７５、７Ｎ０１が規定されており、７０７５のＺｎ含有量は５．１〜６．１質量％、７Ｎ０１のＺｎ含有量は４．０〜５．０質量％であって、７０７５のＴ６材で引張強さ６１０ＭＰａ程度であるから、近時の大型床版等のボルトとしては締結力が不十分である。一方、ＡＡ規格には、粉末合金であるが７０３４、７０３６等が規定されており、７０３４のＺｎ含有量は１１．０〜１２．０質量％、７０３６のＺｎ含有量は８．４〜９．４質量％であって、７０３４のＴ６材で引張強さ９００ＭＰａ、７０３６のＴ６材で引張強さ８００ＭＰａ程度が得られる。したがって、本発明においてＺｎ含有量の上限は１２質量％であれば十分である。
【００１６】
Ｃｕ、Ｍｇの含有量はＪＩＳ規格あるいはＡＡ規格の７ｘｘｘ系に規定されている程度、例えばＣｕは０．８〜２．８質量％、Ｍｇは１．４〜３．０質量％であってよく、特に限定する必要はない。
【００１７】
Ｓｉ、Ｆｅが各０．５質量％以下、Ｍｎは１．０質量％以下、Ｔｉは０．２質量％以下、Ｂは０．０５質量％以下、Ｃｒ、Ｚｒは前記７ｘｘｘ系の各規格に規定されている程度、それぞれ含有してよい。その他の元素は、各０．５質量％以下であれば本発明の効果を妨げない。
【００１８】
７２０ＭＰａ以上の引張強さを得るための熱処理条件は、例えば４６０℃×１時間以上加熱保持して焼入れする溶体化処理後、１２０℃に２４時間加熱保持して（Ｔ６）時効処理（＝人工時効処理）する。耐ＳＣＣ性を高める目的で、過時効とすることもできる。また、上記のＴ６処理後に１８０℃に１０時間以上保持した後、再度１２０℃に２４時間以上保持（Ｔ７７）して強度と耐ＳＣＣ性を同時に向上させることもできる。
【００１９】
図１に、ボルト素材と各成形段階での加工材の形状を示す。
【００２０】
図１（１）に示すように、ボルト素材１００は押出材または鋳造材であり、単純な円柱形である。ただし、他の状態・形状であってもよく、特に限定しない。
【００２１】
図１（４）に示すように、完成ボルト１は、頭部２とそれに連続する胴部３とから成る。胴部３は首下部３１とねじ部３２とから成る。ｄはねじ部３２の呼び径であり、ねじ山の直径である。本発明は呼び径ｄ≧１２ｍｍφのボルトを特に適用対象とする。ｄ３はねじ部３２に転造でねじを形成する場合の削除後の直径であって、ほぼねじの有効径程度である。３３はねじ部３２に形成されたねじであり、その概略形状を示す。３４は座金（図示せず）が当たる台座である。
【００２２】
素材１００からボルト１までの成形工程は下記のとおりである。
【００２３】
図１（２）に示すように、素材１００を、頭部鍛造型１１、胴部成形型１２、胴部成形台兼押出棒１３から成る鍛造型１０内にセットして、上下から成形力Ｐを負荷することにより、ボルト中間体１ｘに成形する。成形完了後、押出棒１３を下方から押し上げてボルト中間体１ｘを鍛造型１０から取り出す。熱間鍛造の場合は、素材１００として押出材または鋳造材をそのまま用いるか、冷間鍛造の場合は、Ｏ処理を施してから用いる。ただし、これらを限定する必要はない。
【００２４】
次いで、図１（３）に示すように、ボルト中間体１ｘの頭部２は裏面２Ｂを除いて完成ボルト１の頭部２と同寸法に成型されており、ボルト中間体１ｘの胴部は素材１００の径ｄ０に対して成形により若干太い径ｄ１になっている。溶体化処理の前または後に、ボルト中間体１ｘの頭部裏面２Ｂおよび胴部表層３Ａの溶体化時粗粒化部Ｃを切削により除去する。従って図１（２）で得られたボルト中間体１ｘの頭部の高さ１４は、図１（３）で図示される頭部２の高さと、切削除去される溶体化時粗粒化部Ｃとの合計値である。表層切削除去代Ｃは、予め予備試行により実測しておく。素材１００を熱間鍛造したボルト中間体１ｘの場合、除去代Ｃは概ね１ｍｍ程度であり、冷間鍛造の場合は熱間鍛造の場合と同等かやや厚くなる程度である。これにより胴部は径ｄ１からｄ２に減径している。
【００２５】
次に、図１（４）に示すように、胴部３のねじ部３２にねじ３３を形成する。ねじを切削により形成する場合は、上記表層の切削除去と同じ工程でねじ切削まで行なっても良いし、上記表層の切削除去とは別の工程として行なっても良い。ねじを転造によって形成する場合は、ねじ有効径ｄ３まで切削した後に転造する。ねじ形成後に時効処理を行なう。転造によりねじ形成する場合は、時効処理を先に行なってもよい。
【００２６】
本発明の製造方法は、溶体化の後または前に、溶体化により粗粒化したまたは粗粒化する表層を切削により除去する点が特徴である。
【００２７】
本発明の一実施形態においては、溶体化の後に、粗粒化した表層を切削除去する典型的な形態として、前記鍛造後、
前記溶体化を行なった後に、
（Ａ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記時効を行うか、または
（Ａ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う。
【００２８】
本発明の別の一実施形態においては、溶体化の前に、粗粒化する表層を切削除去する典型的な形態として、前記鍛造後、
（Ｂ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記時効を行うか、または
（Ｂ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う。
【００２９】
粗粒化したまたは粗粒化する表層の切削除去代は、行う製造工程について予め予備試行して実測により求めることができる。
【００３０】
図２に、上記（Ａ１）（Ａ２）（Ｂ１）（Ｂ２）の各形態の工程フローチャートをまとめて示す。
【００３１】
図２（Ａ１）の形態においては、鍛造後に鍛造型１０から取り出されたボルト中間体１ｘを溶体化（溶体化焼入れ）する。温度は組成によって異なるが、後述する条件で保持後焼き入れる。水焼入れするのが好ましい。
【００３２】
溶体化されたボルト中間体１ｘは、頭部２の裏面２Ｂとこれに続く胴部３の表層Ｃを切削により除去する。前述したように、除去代Ｃは、素材１００を熱間鍛造したボルト中間体１ｘの場合は約１ｍｍ程度、冷間鍛造の場合は熱間鍛造の場合と同等かやや厚くなる程度である。
【００３３】
この表層Ｃの切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２にねじ切削してねじ３３を形成する。次いで、後述の条件で時効（人工時効）を施す。
【００３４】
図２（Ａ２）の形態においては、図２（Ａ１）の形態と同様に、ボルト中間体１ｘを溶体化した後、表層Ｃを切削除去する。
【００３５】
この表層Ｃを切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２に相当する部分をねじ有効径ｄ３まで切削した後、転造してねじ３３を形成する。次いで、後述の条件で時効を施す。先に時効を行なった後に、ねじ転造を行なってもよい。
【００３６】
図２（Ｂ１）の形態においては、鍛造後取り出されたボルト中間体１ｘの頭部２の裏面２Ｂとこれに続く胴部３の表層Ｃを切削により除去する。除去代Ｃは前記と同様である。
【００３７】
この表層Ｃを切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２にねじ切削してねじ３３を形成する。次いで、溶体化した後、後述の条件で時効を施す。
【００３８】
図２（Ｂ２）の形態においては、図２（Ｂ１）の形態と同様に、鍛造後取り出されたボルト中間体１ｘの頭部２の裏面２Ｂとこれに続く胴部３の表層Ｃを切削により除去する。除去代Ｃは前記と同様である。
【００３９】
この表層Ｃを切削除去した後または表層Ｃの切削除去と同時に、ねじ部３２に相当する部分をねじ有効径ｄ３まで切削した後、溶体化し、転造してねじ３３を形成する。次いで、後述の条件で時効を施す。先に時効を行なった後に、ねじ転造を行なってもよい。
【００４０】
更に、他の実施形態として、溶体化と時効を行なった後に、表層Ｃを切削除去し、その後、胴部に切削または転造によりねじ形成してもよい。この場合、時効による歪を除去できる。
【００４１】
以下、ボルト鍛造に供する素材と、各処理工程を詳細に説明する。
【００４２】
鍛造用の素材１００は、所定組成の鋳造材、または所定組成のビレットを押出加工して作成する押出材が供される。押出加工は公知の技術でよい。押出材は鋳造材に比較して押出加工を受けるので伸率が高く鍛造に適している。押出材は、例えばＺｎ９．４質量％、Ｍｇ３．０質量％、Ｃｕ１．６質量％、Ｚｒ０．１５質量％、残部Ａｌおよび不可避不純物から成る合金であり、Ｔ１(押出後自然時効)状態で引張強さ４６０〜４９０ＭＰａ、０．２％耐力で３３０〜３５０ＭＰａ、伸率１３〜１５％程度である。また、Ｏ材で引張強さ２００ＭＰａ、０．２％耐力で１００ＭＰａ、伸率２３％程度であって引張強さがＴ６材（表３）と較べると相当に低い。
【００４３】
上記の如く引張強さが特に高い訳でなく、鍛造に際して素材１００の温度は室温でも良いが、鍛造素材を３００〜４５０℃に加熱し熱間鍛造すると、鍛造後型外に取出すときに胴部成形台兼押抜棒１３に掛ける押抜力が小さくて済む効果がある。前記押抜力が小さくて済む理由は、胴部成形型１０の鉄製鋳型と素材１００のアルミニウムとの熱膨張差と考えられる。また、該熱間鍛造は室温鍛造と較べて鍛造後のボルト中間体１ｘの残留歪が開放され易く、室温鍛造の場合と較べてボルト中間体１ｘのその後の溶体化処理で発生する粗大再結晶粒の発生領域が狭くなり、素材の切削除去量が少なくなって好ましい。熱間鍛造後溶体化処理の場合は切削代が１ｍｍもあれば十分であるが、冷間鍛造後溶体化処理の場合は熱間鍛造後溶体化処理の場合と同等かやや厚めが目標となる。
【００４４】
頭部を鍛造した後溶体化焼入処理する。溶体化焼入処理後に頭部を鍛造する工程は、溶体化焼入処理と頭部鍛造までの時間において、実操業では２日、あるいは５日と相当にばらつきがあり、その間に自然時効が進行して強度が変化し、鍛造条件が一定しない。溶体化処理の条件は素材１００の組成で変わるが、Ｚｎ含有量が８〜１２質量％の合金では４６０℃×１時間以上加熱保持すればよいがこの値に限定されるものではなく、十分に固溶体化させればよい。焼入れは水焼入れが好ましい。頭部鍛造後のボルト中間体１ｘは爾後の溶体化処理で再結晶するが、ボルト中間体１ｘは頭部２の鍛造および胴部３の成形で変形量が異なり、頭部２の裏面２Ｂおよび胴部３の表層部Ｃの変形量は２〜５％程度と想定され、従ってその部分が溶体化処理で粗大に再結晶し、長径が１〜２ｍｍ程度、短径で１００〜３００μｍ程度に粗大再結晶化する。この粗大再結晶の集合組織は、鍛造および溶体化処理等の諸条件で大きく変化するが、例えば熱間鍛造で厚さ０．６から０．９ｍｍである。
【００４５】
図１（３）は溶体化後にボルト中間体１ｘの頭部２の裏面２Ｂと頭部２に続く胴部３の切削除去する表層部Ｃを示す説明図である。この溶体化後の切削はボルト中間体１ｘに発生した粗大再結晶粒を除去するものである。この粗大再結晶粒の有無によってボルト軸力低下率に相当の開きが生じる。本発明はこの粗大再結晶粒が存在しないボルトであることが技術的中核になる。
【００４６】
一方、図２の（Ｂ１）および（Ｂ２）の形態では、溶体化を鍛造後のボルト中間体１ｘのボルト頭部２の裏面２Ｂと胴部３の外周面を切削除去した後に施す。この切削除去は鍛造後の溶体化で粗大再結晶粒の発生が予測される箇所であって、この部分を溶体化前に除去しておけば溶体化しても粗大再結晶粒は発生しない。切削除去代は前もって鍛造後の溶体化で発生する粗大再結晶粒を測定しておけばよい。これは溶体化で粗大再結晶粒が発生する歪が残留している箇所を取り除くことと同じである。
【００４７】
粗大再結晶粒が存在しないボルトの軸力低下が少ない理由は以下のように考えられる。
【００４８】
すなわち、結晶粒界は結晶内部と較べ結晶配列が不規則で脆弱であると考えられ、ボルト表面に粗大再結晶粒があると、ボルトを締め付け軸力を負荷したときに微細結晶粒の場合と比べて応力の分散箇所が少なく数少ない粗大再結晶粒界に集中するためにクリープ強度にも影響し、長期の負荷で破断の起点となり軸力低下をきたすものと考えられる。従って、応力が分散せず数少ない粒界に集中するような粗大再結晶粒を面削除去すれば、応力が分散する箇所の多い微細結晶粒のみとなり、結果として軸力低下率が小さくなるものと考えられる。
【００４９】
ボルト中間体１ｘの表層Ｃの切削除去代は厚さにして熱間鍛造の場合は１ｍｍあれば十分で、０．７ｍｍ未満では一部に粗大再結晶粒が残る虞があるが、粗大再結晶粒を除去すればよく、除去代の下限を限定する必要はない。上限は限定するものではないが、厚く除去すれば素材の無駄となる。冷間鍛造の場合は熱間鍛造の場合より除去代は同等かやや厚めが目安になる。
【００５０】
ねじ部３２相当箇所は、引抜き等の加工を施して減径し、次いでねじ部３２の転造または切削によりねじ３３を形成してもよい。
【００５１】
溶体化処理後の時効処理（人工時効処理）は、頭部鍛造し溶体化処理後であれば任意の工程で行なうことができる。すなわち、該人工時効処理で高力化したとしても、前記の面削、胴部の成形加工、ねじ部加工のいずれの工程も支障をきたさず加工できるからである。
【００５２】
なお、時効処理は前記したＴ６、あるいはＴ７７等の過時効処理でよく、いずれも７２０ＭＰａの引張強さが得られる。人工時効処理の条件は実操業では種々工夫されているのでそれに従えばよく、７２０ＭＰａ 以上を付与すればよい。従ってＴ６、Ｔ７７に限定するものではない。
【００５３】
具体的に時効処理の実施時期を例示すれば、頭部鍛造し溶体化処理後ボルト中間体１ｘの表層除去前、あるいは、表層除去後胴部3のねじ有効径ｄ３加工前、あるいは、ねじ有効径ｄ３加工後ねじ部３２加工前、あるいは、ねじ部３２加工後等のいずれでもよい。
【実施例１】
【００５４】
表１に示す組成の均質化熱処理した合金ビレットを押出加工して、外径ｄ０＝２２ｍｍφ、長さ１００ｍｍの図１（１）に示す素材１００を得た。押出条件を表２に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
次に図１（２）に示す鍛造金型１０を用い、表２の素材番号２−１、２−２の素材を用い、金型温度室温、素材温度３１０℃にて、４００ｔプレスで鍛造し、Ｍ２０寸法の頭部を有するボルト中間体１ｘを得た。
【００５８】
次に、ボルト中間体１ｘを溶体化処理し、時効処理して、引張強さ、０．２％耐力、伸びを測定した。溶体化処理条件と測定結果をまとめて表３に示す。
【００５９】
【表３】
【００６０】
一方、溶体化処理後の試料番号３−１、３−２の表層の粗大結晶粒を測定した。試料番号３−２の測定した写真の一部を図３に示す。図３の右上に示す観察位置(1)〜(5)が写真(1)〜(5)に対応する。(1)は図１（３）に示すボルト中間体１ｘの頭部２の厚さの１／２の位置、(2)は頭部２の裏面２Ｂ外角部の３ｍｍ内側、(3)は頭部２と胴部３の交わるコーナー部、(4)は頭部２から１０ｍｍ下の胴部、(5)は胴部長さの１／２の位置である。なお、頭部外周の下部周縁には鍛造時にバリが生ずる。断面観察用サンプルの研磨時にバリが邪魔になるため、バリ部分を含む下部周縁を切削除去してから用いた。図３の右上に観察位置をスケッチで示す。写真(2)にはこの削除部分が現れている。
【００６１】
写真観察によれば、塑性変形を受けた表層は、内部と比較して粗大に再結晶していることが判る。試料番号３−１も試料番号３−２と略同様の組織を示していた。
【００６２】
頭部２の裏面２Ｂと頭部２に続く胴部３に掛けて短径の長さ（粗大再結晶粒単体の厚さ部位）が１００〜３００μｍで粗大再結晶粒が厚さ(粗大再結晶粒の集合層)にして３００〜７００μｍ存在していることが判る。粗大結晶粒の測定結果を表４に示す。
【００６３】
【表４】
【００６４】
次いで、頭部鍛造後溶体化処理した表３の試料番号３−１、３−２のボルト中間体１ｘを頭部２の裏面２Ｂと頭部２に続く胴部３の表層Ｃを厚さにして１ｍｍ切削して粗大結晶粒集合層を除去した。切削除去後のサンプル検査の結果、短径で１００μｍ以上の粗大再結晶粒は存在しなかった。
【００６５】
次いで、図１（４）に示すように、胴部３のねじ相当部３２をねじ有効径ｄ３まで切削減径し、転造によりねじを形成し、ＪＩＳ規格Ｍ２０寸法のボルト1を作製した。別途同材でナットおよび平座金を同じくＴ６処理して作製した。ボルト１の寸法は、頭部２が１３ｍｍ、頭部２の平面六角部（図示せず）の対角線長径３７ｍｍ、平行部間隙３２ｍｍ、台座３４の直径２９ｍｍ、胴部３の長さ７０ｍｍである。
【００６６】
一方、比較例として、表層Ｃの粗大結晶粒集合層を切削除去しない以外は上記と同様にして試料を用意した。
【００６７】
次にボルト1とナットおよび平座金を用い、表３に示す０．２％耐力の８５％の締結力で締め、ボルト1の表面に貼付したひずみゲージで軸力低下率を測定した。結果を表５に示す。参考例として、試料番号５−５に、ＪＩＳ７０７５のＴ６処理したボルト（引張強さ：６６１ＭＰａ、０．２％耐力：６１１ＭＰａ、伸び：１１．０％）についても同様に軸力低下率を測定した結果も示す。
【００６８】
【表５】
【００６９】
表５の結果より、本発明方法によって製造されたＺｎを８質量％以上含有するボルト頭部を鍛造成形し、溶体化処理後外周切削により表層Ｃの粗大晶を除去したボルトは、相当に大きな締付力で締め付けても試料番号５−１、５−３に示す如く、軸力残存率%が１００日後で９９．０％（試料番号５−１）と９６．６％（試料番号５−３）、３５０日後で９８．９％（試料番号５−１）と９６．２％（試料番号５−３）であって、軸力残存率が大きく優れていることがわかる。
【００７０】
一方、ボルト頭部鍛造成形後表層Ｃを切削除去していないボルト(試料番号５−２、５−４)は、軸力残存率が小さく、長期の締結治具には向かないことがわかる。
【００７１】
参考として、ＪＩＳ７０７５の面削無しで実施例1記載の手順で作成したボルトの減衰率を示す。３５０日後の軸力減衰率%が９８．７％であって、本発明にかかる高力ボルトは７０７５と同程度の軸力低下率であることが判る。７０７５は他の試料に比べて引張強度および０．２％耐力が低く、０．２％耐力の８５％で締結したときに負荷が小さいため、軸力低下率が小さい。本発明の方法により表層Ｃを除去することにより、７０７５よりも高強度化し、遥かに大きな締結力を負荷しても、７０７５並みの軸力低下率が確保できた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明によれば、大型の塑性加工設備を必要とせず、微小割れ発生の虞もなく、大きな初期応力でも長期に亘って軸力低下が小さい高力アルミニウム合金ボルトの製造方法が提供される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ含有量８質量％以上の７ｘｘｘ系アルミニウム合金から成り、溶体化し時効した後の引張強さが７２０ＭＰａ以上であり、呼び径が１２ｍｍφ以上の高力アルミニウム合金ボルトを製造する方法において、
鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した表層、または該粗粒化する表層を、切削により除去することを特徴とする高力アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記鍛造後、
前記溶体化を行なった後に、
（Ａ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記時効を行うか、または
（Ａ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う
ことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１において、前記鍛造後、
（Ｂ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記時効を行うか、または
（Ｂ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う
ことを特徴とする製造方法。
【請求項１】
Ｚｎ含有量８質量％以上の７ｘｘｘ系アルミニウム合金から成り、溶体化し時効した後の引張強さが７２０ＭＰａ以上であり、呼び径が１２ｍｍφ以上の高力アルミニウム合金ボルトを製造する方法において、
鍛造により成形した頭部および胴部から成るボルト中間体の頭部裏面から胴部外周の、溶体化処理時に再結晶粒が短径１００μｍ以上に粗粒化した表層、または該粗粒化する表層を、切削により除去することを特徴とする高力アルミニウム合金ボルトの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記鍛造後、
前記溶体化を行なった後に、
（Ａ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記時効を行うか、または
（Ａ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う
ことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１において、前記鍛造後、
（Ｂ１）前記表層の切削除去と前記胴部の切削によるねじ形成とを１工程でまたは順次別工程で行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記時効を行うか、または
（Ｂ２）前記表層の切削除去を行なった後に、前記溶体化を行い、その後、前記胴部の転造によるねじ形成と前記時効とをこの順でまたは逆順で行う
ことを特徴とする製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２３６６６５（Ｐ２０１０−２３６６６５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８７４０４（Ｐ２００９−８７４０４）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
[ Back to top ]