説明

高性能のネジ部形成用ネジを形成する方法

【課題】HRC23を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を形成することができるネジ部形成用ネジの形成方法を提供する。
【解決手段】合金ワイヤを冷間据え込みして頭部を成形後、ネジ部を形成する。次に、少なくとも0.48炭素レベルまで炭素富化し、その後に焼き入れ及び焼き戻しする。表面の硬さがコアの硬さを3ロックウエルCポイント以上超えないように、且つ表面とコアの双方がロックウエルC33〜39の硬さとなるようにする。続いて尖端部を高周波焼き入れする。そしてネジを再度焼き入れ及び焼き戻しする。リードネジ部及び最初の3〜4つの全ネジ部が、少なくとも0.008インチの深さまで、最低ロックウエルC56硬さとなるように、且つコアがロックウエルC33〜39硬さとなるようにする。最後に、仕上げを施す。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般にネジ部形成用ネジ及びその形成方法に関し、特に締結具、例えば少なくとも一部分がHRC56(ロックウエル硬さCスケール)の最低表面硬さを持つネジ部形成用ネジ、並びにそのようなネジ部形成用ネジを形成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、産業は、ネジ部形成用ネジが、ロックウエルC23以下の硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成可能であることを推奨する。そのようなものとして、現在のネジ部形成用ネジは、そのようなワークピースにネジ部を冷間形成するに十分硬いものである。しかしながら、いくつかの応用では、ネジ部形成用ネジが、HRC23を超える硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成可能であることが望まれる。例えば、高強度低合金(HSLA)素材が形成された後に、この素材に例えば穿孔することによって、穴領域内及び周囲の硬さは、ロックウエルC40硬さに達し、且つそれを超えることができる。
【0003】
従来のネジ部形成用ネジは、HRC23を超える硬さを持つワークピースにネジ部を成功裏に冷間形成するに十分なほど硬くはない。例えば、いくつかの市販のネジ部形成用ネジは、尖端及び最初の3〜4つの全ネジ部がロックウエルC45最低硬さであり、且つ締結具のコアがロックウエルC33〜39硬さであるように加工されている。このようなネジ部形成用ネジは、HRC23を超える素材にネジ部を一貫して冷間形成するに十分なほど硬くはない。そのようなネジ部形成用ネジを、HRC40以上の硬さを持つHSLA素材(又は他の素材)中に打ち込む時に、ネジ部の崩壊が起こる。この崩壊、又はネジの変形は、ジョイント不良を引き起こす。鉄鋼のような素材にネジ部を形成するときに、ネジ部を崩壊することなく適切に形成するために、締結具は、その締結具がねじ込まれる素材よりも遙かに大きな硬さをもつことが要求される。
【0004】
現在のネジ部形成用ネジは、HRC23を超える硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成するに十分なほど硬くはないので、そのような場合には、例えばワークピースにネジ部付きジョイントを設けることによって(これはドリル及びタップ操作を必要とする)、あるいは溶接ナット、ルーズナット、溶接ボス、ネジ部付きインサートを設けることによって、あるいは同様の特徴を設けるか、相方ネジ部を設けるための同様の方法を使用することによって、相方ネジ部を設ける必要があった。これらの構造/方法は、追加の操作、ハードウエア及び時間を必要として、よりコスト高で時間浪費型のプロセスを生じる。
【0005】
そのようなものとして、ロックウエルC23を超える硬さを持つワークピース、例えばHSLA素材又は他の素材に、ネジ部を形成することが可能な締結具に対する市場が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の実施形態の1つの目的は、少なくとも一部分が十分に高い表面硬さを持つネジ部形成用ネジであって、ロックウエルC23を超える硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成することに使用可能なネジ部形成用ネジを提供するにある。
【0007】
本発明の実施形態のもう1つの目的は、少なくとも一部分がHRC56の最低表面硬さを持つネジ部形成用ネジを提供するにある。
【0008】
本発明の実施形態の更にもう1つの目的は、ネジのネジ部の少なくともいくつかについては、HRC56の最低表面硬さを、少なくとも0.008インチの深さまで持つネジ部形成用ネジを提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
簡単に、そして前述した目的の少なくとも1つに従って、本発明の実施形態は、ヘッドと、このヘッドから延びたネジ部付きシャンクとを有するネジ部形成用ネジを提供する。このシャンクのネジ部の少なくともいくつかは、好ましくはHRC56の最低表面硬さまで表面硬化され、これによりネジ部形成用ネジが後に、HRC23を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成することに使用され得るようにする。
【0010】
本発明のもう1つの形態は、そのようなネジ部形成用ネジを形成する方法を提供する。この方法では、ネジに熱処理プロセスを行うことによって、ネジが少なくとも0.48炭素レベルまで炭素濃縮され、そして例えばオイル中で焼き入れされる。それから、このネジは焼き戻しされる。これは、脆弱性を低下させ、且つ延性の高いコアを見込むためである。好ましくは、焼き戻しは、表面硬さがコア硬さを3ロックウエルCポイントよりも大きく超えないように制御される。好ましくは、焼き戻し後に、締結具の表面及びコアの双方がロックウエルC33〜39硬さとなる。続いて、尖端、例えばネジのリードネジ部及び3〜4つの全ネジ部は高周波焼き入れされ、そしてネジは例えば水中で又は合成クエンチ中で焼き入れされる。それから、ネジは、より低い脆弱性まで再度焼き戻しされる。好ましくは、この焼き戻し工程は、リードネジ部と最初の3〜4つの全ネジ部が、ロックウエルC56最低硬さを持ち、さらに好ましくは少なくとも0.008インチの深さまでロックウエルC56最低硬さを持ち、且つ締結具のコアがロックウエルC33〜39硬さにあるようにする。最後に、締結具に仕上げが施されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態によって表面硬化され得る1つのタイプのネジの側面図である。
【図2】図1に示されたネジの部分的断面図である。
【図3】表面硬化されたネジ部形成用ネジを作る方法であって、本発明の実施形態に係る方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
この発明の構造及び動作の組織及び手法は、その更なる目的及び利点と共に、添付の図面に関連してなされる以下の説明を参照することによって、最も良く理解される。図面では、同様の参照番号は、同様の要素を識別している。
【0013】
本発明は異なる形の実施形態に受け入れ可能であるが、その一実施形態が図面に示され、ここで詳細に説明される。本説明は、発明の原理の例示として考えられるべきものであって、この発明をここに図示され説明されたものに限定することを意図されたものではない、と理解されるべきである。
【0014】
本発明の1つの形態は、少なくとも一部分がHRC56の表面硬さを持つ締結具、例えばネジ部形成用ネジに関する。本発明のもう1つの形態は、少なくとも一部分がHRC56の表面硬さを持つ締結具、例えばネジ部形成用ネジを表面硬化する方法に関する。この方法は、広範囲なネジに関連して使用され得るが、米国特許第3,935,785号は、本発明の実施形態に係る方法が使用され得るネジを開示している。この785号特許は、参照によりここに完全に組み入れられる。
【0015】
785号特許に及び本願の図1に示されているように、ネジ10は、ヘッド12と、このヘッド12から延びたネジ部付きシャンク14とを有する。ネジ10のヘッド12とは逆の端部16付近には、ネジ10の尖端16に向けて幾分先細りした複数のリードネジ部18がある。リードネジ部18とヘッド12との間には、複数の全ネジ部20がある。この場合、参照番号22は、最初の全ネジ部を示し、参照番号24は、4番目の全ネジ部を示す。この特別なネジの形状及び機能は、より詳細に785号特許に見られる。しかしながら、本発明の好ましい特定の実施形態の一例が、図2に示されているように準備されている。この場合、ネジのリードネジ部18は、最初の3又は4つの全ネジ部と同様に、少なくとも0.008インチの深さ(即ち、図2に示された寸法26)まで、少なくともHRC56のロックウエル硬さに表面硬化されている。ネジ10のコアは、ロックウエルC33〜39硬さであって、ネジ10が比較的延性のあるコアを持つようにすることが好ましい。図2に示されているように、参照番号28によって識別された部分は、最低HRC56で高周波焼き入れされた最低領域を有する。これに対し、参照番号30によって識別された部分は、最低HRC56で高周波焼き入れされた最高領域を有する。参照番号32によって識別された部分は、硬化され、焼き入れ、及び焼き戻しされた領域であり、コアの3ポイントHRC内の表面硬さを持つ。
【0016】
図3は、本発明の一実施形態に係る方法を説明するフローチャートであり、この方法は、図1及び2に示されたネジ部形成用ネジ10を作ることに使用され得る。この方法では、例えば4037番鋼又は同様の合金製のワイヤが与えら、このワイヤが冷間頭部すえ込み機で引き抜きされる。この素材は、例えばAISI規定C4037級の合金鋼からなり、その組成は、炭素0.35〜0.40%、マグネシウム0.70〜0.90%、イオウ0.040%最大、リン0.035%最大、シリコン0.20〜0.35%及びモリブデン0.20〜0.30%であると分析され、通常は微粒の球状化処理された焼きなましキルド鋼として特定されるものである。勿論、本発明の範囲内に完全に留まる他の素材も使用され得る。冷間頭部すえ込みが完了されると、ネジ部がネジ上に形成される。これらの工程は、通常のもので、周知である。
【0017】
ネジが形成されたら、本発明の実施形態に係る熱処理プロセスが行われる。この熱処理プロセスでは、制御されたプロセスを使用して、良質の炉内で、ネジは炭素富化され、ネジが少なくとも0.48炭素レベルを得るようにする。この炭素富化は、締結具の表面がベース素材よりも硬く硬化され得るようにする。具体的には、ネジは、炉が華氏1600〜1700度にある間に、炉内に90分間放置される。炉の大気は、0.6〜0.7%炭素ポテンシャル(窒化処理を伴わない)に制御されることが好ましい。炭素回復ゾーンの深さ(図2の寸法26)は、少なくとも0.008インチであることが好ましい。(コア要求に対して選択された温度での)焼き戻し後の表面硬さは、コア硬さを3ロックウエルC(30ビッカース)ポイント等化よりも大きく超えないことが好ましい。1〜2ロックウエルC(10〜20ビッカース)等化表面硬さ増加は、炉のパラメータを選択する1つの目的である。炭素回復ゾーンの硬さ及び深さを測定することに、マイクロ硬さテスターを使用して、炉のパラメータを設定することを助けることができる。
【0018】
ネジが炭素濃縮されたら、ネジは、華氏140〜160度のオイル内で焼き入れされる。焼き入れ後に、ネジは、例えば90分間、華氏850〜950度で焼き戻しされる。これは、脆弱性を低下させ、且つ延性の高いコアを締結具内に見込むためである。好ましくは、この工程は、表面硬さがコア硬さを3ロックウエルCポイントよりも大きく超えないように制御される。この点において、締結具の表面及びコアの双方は、ロックウエルC33〜39硬さであることが好ましい。
【0019】
続いて、ネジの尖端、例えばリードネジ部18及び最初の3〜4全ネジ部は、高周波焼き入れされる。この場合、締結具のリードネジ部は、一時的に電界の作用下におかれて、ネジ部を硬化温度(華氏1650〜1750度)まで高周波加熱する。このネジは、その直後に例えば水スプレー中で又はその代わりに合成クエンチ中で焼き入れされる。
【0020】
続いて、ネジは、例えば華氏300度の温度で最低でも1時間焼き戻しされ、脆弱性を低下させる。この焼き戻し工程は、先の炭素濃縮工程と効果的に結合して、リードネジ部と最初の3〜4つの全ネジ部が、好ましくは少なくとも0.008インチの深さまで、ロックウエルC56最低硬さとなり、且つ締結具のコアがロックウエルC33〜39硬さとなるようにするものであることが好ましい。異なる焼き戻し温度及び期間が使用され得るが、この温度は、尖端をロックウエルC56最低硬さに保つに十分低いことが好ましい。最後に、締結具に仕上げが施されることが好ましい。
【0021】
本発明の1つの形態は、少なくとも一部分が56HRCの最低表面硬さを持つ締結具を提供する。例えば、この締結具は、米国特許第3,935,785号に示されているようなネジ部形成用ネジであり、この場合、リードネジ部と最初の3又は4つの全ネジ部は、56HRCの最低表面硬さを持つ。そのようなものとして、このネジは、23HRCを超える硬さを持つワークピース、例えば40HRC以上の硬さを持つHSLA素材又は他の素材にネジ部を冷間形成することに使用され得る。
【0022】
本発明のもう1つの形態は、締結具、例えば米国特許第3,935,785号に示されているようなネジ部形成用ネジの少なくとも一部分を表面硬化して、そのネジの少なくとも一部分が56HRCの最低表面硬さを持つようにする方法を提供する。例えば、リードネジ部と最初の3又は4つの全ネジ部は、56HRCの最低表面硬さを持ち、これによりネジは、23HRCを超える硬さを持つワークピース、例えば40HRC以上の硬さを持つHSLA素材又は他の素材にネジ部を冷間形成することに使用され得る。
【0023】
本発明の更にもう1つの形態は、プロダクト・バイ・プロセス、具体的には上述したプロセスを使用して作られた締結具を提供する。
【0024】
本発明の実施形態が図示され説明されたが、当業者は、この開示の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明の種々の変形を工夫することが予測される。例えば、リードネジ部と最初の3又は4つの全ネジ部に関して、表面硬さがもたらされる、と上述したが、本発明の範囲内に完全に留まりながら、より多いか少ないネジ部に関しても、表面硬さは実施され得る。加えて、前述の説明は具体的にHSLA素材について論じているが、本発明は、HSLA素材以外の素材にネジ部を形成することにも使用され得る。
【符号の説明】
【0025】
10 ネジ部形成用ネジ
12 ヘッド
14 シャンク
16 尖端
18 リードネジ部
20 全ネジ部
22,24 全ネジ部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
HRC23を超える表面硬さを持つワークピースにネジ部を冷間形成するように構成されたネジ部形成用ネジを形成する方法であって、この方法は、
鋼鉄製のワイヤを与える工程と、
ヘッドと、このヘッドから自由端に向けて延びたシャンクとが形成されるように、このワイヤを冷間頭部すえ込み機で引き抜く工程と、
このシャンク上に、ヘッドに近接する全ネジ部と、全ネジ部及び自由端の間のリードネジ部とを備えるネジ部を形成してネジを作る工程と、
第1に、ネジの表面硬さがロックウエルC33〜39の硬さであり、かつ、ネジの表面硬さがネジのコア硬さよりも3ロックウエルCポイントより大きくならないように、ネジを炭素濃縮し、第2に、リードネジ部と、このリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れして、前記高周波焼き入れされたネジ部が少なくともHRC56の表面硬さを持つようにする、ネジに熱処理プロセスを行う工程とを備える
ことを特徴とする、ネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項2】
ネジを炭素濃縮した後、ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れする前に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備える、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項3】
ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れした後に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備える、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項4】
ネジを炭素濃縮する工程は、炉が華氏1600〜1700度にある間、炉の大気を0.6〜0.7%炭素ポテンシャルに制御しながら、その炉内にネジを90分間放置する工程を含み、この場合、ネジの炭素回復ゾーンの深さは、少なくとも0.008インチである、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項5】
ネジを炭素濃縮した後、ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れする前に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジを焼き入れする工程は、華氏140〜160度のオイル内でネジを焼き入れする工程を含む、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項6】
ネジを炭素濃縮した後、ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れする前に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジを焼き戻しする工程は、ネジを華氏850〜950度の温度で90分間焼き戻しする工程を含、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項7】
ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくともつの全ネジ部を高周波焼き入れする工程は、一時的にネジを電界の作用下において、リードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を華氏1650〜1750度の硬化温度まで高周波加熱する工程を含む、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項8】
ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れした後に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジを焼き戻しする工程は、ネジを華氏300度の温度で最低でも1時間焼き戻して、ネジの脆弱性を低下する工程を含み、ネジ焼き戻し工程と炭素濃縮工程は、前記高周波焼き入れされたネジ部が、少なくとも0.008インチの深さまで、ロックウエルC56最低硬さを持ようにする、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項9】
ネジのリードネジ部及びこのリードネジ部に最も近い少なくとも3つの全ネジ部を高周波焼き入れした後に、ネジを焼き入れ及び焼き戻しする工程を更に備え、ネジ焼き戻し工程と炭素濃縮工程は、前記高周波焼き入れされたネジ部が、少なくとも0.008インチの深さまで、ロックウエルC56最低硬さを持ようにする、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項10】
ワイヤが、AISI規定C4037級の合金鋼からなり、その組成は、炭素0.35〜0.40%、マグネシウム0.70〜0.90%、イオウ0.040%最大、リン0.035%最大、シリコン0.20〜0.35%及びモリブデン0.20〜0.30%であると分析された、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。
【請求項11】
ネジを炭素濃縮する工程は、ネジが少なくとも0.48炭素レベルを得るようにネジを炭素濃縮する工程を含む、請求項に記載のネジ部形成用ネジを形成する方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−187638(P2012−187638A)
【公開日】平成24年10月4日(2012.10.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−115545(P2012−115545)
【出願日】平成24年5月21日(2012.5.21)
【分割の表示】特願2009−506673(P2009−506673)の分割
【原出願日】平成19年4月3日(2007.4.3)
【出願人】(507065795)アキュメント インテレクチュアル プロパティーズ エルエルシー (11)
【Fターム(参考)】