JP7068779B2

JP7068779B2 - 未硬化層を含む高強度ねじ

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Publication number: JP7068779B2
Application number: JP2017116708A
Authority: JP
Inventors: ギュンターハルトマンドクター; ホルスト，ディターリ
Original assignee: Kamax Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Kamax Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: BR102017016044A2; JP2018040488A; US10598207B2; CN107664151A; CN107664151B; US20180031023A1; EP3276189B1; ES2786191T3; MX387460B; MX2017009708A; EP3276189A1

Description

本発明は、ねじ山を有するねじ山部分を含む高強度ねじに関する。

超高強度ねじが、特許文献１から既知である。

欧州特許出願第２５９４６５３号

本発明の目的は、ねじ山の転造中の工具の摩耗が少なく製造することができる高強度ねじを提供することである。

本発明によると、本発明の目的は、独立項の特徴によって解決される。

本発明による付加的な好ましい実施形態は、従属項において見られるものとする。

本発明は、ねじ山を有するねじ山部分を含む高強度ねじに関する。ねじ山部分は、断面において見て、ねじのコアに比して低減された硬さを有する外側表面層として設計されている未硬化層を含む。

本発明はまた、以下のステップを含む、高強度ねじを製造する方法に関する：
－ヘッド及びシャフトを含むブランクを変形によって製造するステップ、
－硬さを高めるようにブランクを熱処理するステップ、
－シャフトの軸方向長さの少なくとも一部においてブランクの硬さを低減し、断面において見て、ねじのコアに比して低減された硬さを有する外側表面層として設計されている未硬化層を生成するステップ、及び
－ヘッドから離間しているシャフトの一部におけるねじ山の変形によってねじ山部分を製造するステップ。

これらの方法のステップは、所与の順序で行われる。しかし、これらの方法のステップ間で付加的なステップを行うことも可能である。

高強度ねじは、少なくとも８００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度Ｒｍを有するねじとして理解されるべきである。高強度ねじは、強度区分８．８、１０．９及び１２．９のねじとして本質的に理解される。しかし、本発明による高強度ねじは、少なくとも１４００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度Ｒｍを有する超高強度ねじであってもよい。本発明による「高強度」ねじはしたがって、少なくとも高強度ねじであるが、超高強度ねじであってもよい。

例えば、新たな高強度ねじは、そのコアが超高強度ねじに対応するねじであるものとすることができるが、その外側表面部分は、高強度ねじに「のみ」対応する。この新たなねじはしたがって、今までのところ１０．９以下の強度区分を有するねじしか使用されてこなかった用途の場合にも使用することができる。

未硬化層という用語は、本願において用いられる場合、標準的な技術用語ではない。本願では、断面で見てねじの外側表面層を指すものと理解されるべきであり、表面層は、ねじのコアに比して低減された硬さを有する。未硬化という用語は、硬さが低減されていることを表現することが意図される。硬化の予め行われるプロセスが完全に行われていないことを特に意味するものではない。

ねじの断面にわたる規定された硬さプロファイル及び強度プロファイルの形成に起因して、本発明は、ねじの高耐荷重を維持しながらも、変形によってねじの熱処理シャフトにおいてねじ山を製造することを可能にする。同時に、それによって、転造中にねじ山部分において誘発される残りの圧縮応力に起因して、ねじの優れた疲労強度特性を実現することができる。高強度条件及び超強度条件における変形によってねじ山をそれぞれ製造する間の材料の過負荷が防止される。

ねじ山の領域における新たな未硬化層に起因して、変形プロセスによって生じる材料の過負荷に起因するクラック形成がない。ねじ山を製造するために必要とされる転造力が低減される。そこから、低減された工具の摩耗が生じる。

外側表面部分における低減された硬さに起因して、新たなねじは、水素によって誘発される応力の腐食割れに対する抵抗が高まる。

未硬化層の径方向内側境界は可変である。しかし、コアの硬度値の９６％～９９％、特に９８％に対応する硬度値が存在するように規定することができる。

ねじは、長手方向中心軸を有する。これは、ねじ継手を締め付けし緩める間にねじが中心として回転する軸である。ねじのねじ山部分のねじ山は、鋭利に切削された仮想的なプロファイルセクションの高さに対応する高さＨを有する。ねじ山は、長手方向軸の周りに巻回するとともに直径ｄを有するねじ山先端、及び、長手方向中心軸の周りに巻回するとともに直径ｄ３を有するねじ山基部を有する。未硬化層は、長手方向中心軸の周りに巻回するねじ山先端に沿って存在するとともに、長手方向中心軸に対して垂直な径方向に、隣接して３６０°だけオフセットされるねじ山基部の２つの位置間の仮想的な軸方向の接続線まで測定した、深さＴ１を有する。Ｔ１のこの定義は、図２を検討すると理解するのがより容易である。未硬化層は、ねじの長手方向中心軸に沿って変化する深さＴを有する。しかし、それぞれの深さＴは、それぞれの部分にねじ山先端、ねじ山基部又はねじ山のない部分があるか否かに依存する。未硬化層のこの変化する深さＴは、ねじ山の製造中の変形プロセスから生じる。深さＴ１の定義はしたがって、その値を示す必要なく、特定の部分における未硬化層の深さＴを求めることが可能であるように役立つ。

別の定義は、コアが、断面において見て、コアの直径ｄｋ＝ｄ／４までのねじの内側部分として理解されるべきであることである。コアの硬さは、コアの直径ｄｋ内の硬さの平均として理解されるべきである。

未硬化層の硬さも、未硬化層内の硬さの平均として理解することができる。この定義は、径方向に未硬化層の異なる位置において異なる硬度値があるため、理にかなっている。未硬化層は、その径方向内側部分では、その径方向外側部分におけるよりも硬い。したがって、硬さは、未硬化層において外側から内側に向かって増大する。

上記で定義された深さＴ１は、０．１ｍｍ～３．０ｍｍ、特に０．２ｍｍ～２．８ｍｍであるものとすることができる。

ねじのねじ山部分のねじ山は、以下の値の対のうちの１つを有することができる：
－高さＨ：０．４ｍｍ～０．７ｍｍ；深さＴ１：０．２５ｍｍ～１．８ｍｍ、又は
－高さＨ：０．７１ｍｍ～１．０ｍｍ；深さＴ１：０．２５ｍｍ～２．７ｍｍ、又は
－高さＨ：１．０１ｍｍ～１．５ｍｍ；深さＴ１：０．２ｍｍ～２．７ｍｍ、又は
－高さＨ：１．５１ｍｍ～２．０ｍｍ；深さＴ１：０．２ｍｍ～２．７ｍｍ、又は
－高さＨ：２．０１ｍｍ～２．５ｍｍ；深さＴ１：０．１５ｍｍ～３．０ｍｍ、又は
－高さＨ：２．５１ｍｍ～４．０ｍｍ；深さＴ１：０．１５ｍｍ～４．０ｍｍ。

未硬化層は、その外側において、３００ＨＶ～４５０ＨＶ、特に３２０ＨＶ～３８０ＨＶの硬さを有することができる。コアは、４００ＨＶ～６５０ＨＶ、特に４５０ＨＶ～５７０ＨＶの硬さを有することができる。未硬化層及びコアの硬度値は、未硬化層がコアより低い硬さを有するように調整される。この意味で、コアは、４００ＨＶ～６５０ＨＶ、特に４５０ＨＶ～５７０ＨＶの硬さを特に有することができ、未硬化層は、その外側において３００ＨＶ～３８０ＨＶの硬さを有することができる。外側は、未硬化層の径方向外側部分として理解されるべきである。

未硬化層の硬さは、その外側では、コアの硬さに比して少なくとも７％、特に１０％～５０％、特に２０％～４０％低減されているものとすることができる。

未硬化層の硬さの平均は、コアの硬さに比して、少なくとも５％、特に７％～４５％、特に１０％～３５％だけ低減されることができる。

未硬化層は、その外側では、９４０Ｎ／ｍｍ^２～１４００Ｎ／ｍｍ^２、特に１０００Ｎ／ｍｍ^２～１２００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有することができる。コアは、１３００Ｎ／ｍｍ^２～２５００Ｎ／ｍｍ^２、特に１４００Ｎ／ｍｍ^２～１８５０Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有することができる。未硬化層及びコアの強度のこれらの値は、未硬化層がコアよりも低い強度を有するように互いに調整される。コアは、１３００Ｎ／ｍｍ^２～２０００Ｎ／ｍｍ^２、特に１４００Ｎ／ｍｍ^２～１８５０Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を特に有することができ、未硬化層は、その外側では、１０００Ｎ／ｍｍ^２～１２００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有することができる。

ねじ山部分に加えて、ねじはヘッドも含む。ねじは、ねじ山のないシャンク部分を更に含むことができる。

ねじ山のないシャンク部分も、断面において見て、ねじのコアに比して低減された硬さを有する外側表面部分として設計されている未硬化層を含むことができる。未硬化層の上述した利点は、したがって、ねじ山部分だけではなく、ねじ山のないシャンク部分にも適用することができる。未硬化層は、シャンク部分の全長に沿って、又は、長さの一部のみに沿って延びることができる。未硬化層は、ヘッド支承遷移面、すなわち、ねじのヘッドのヘッド支承面とねじ山のないシャンク部分との間の遷移面に沿って延びることもできる。

高強度ねじを製造する上述した方法では、硬さを低減することは、ブランクの誘導加熱によって実現することができる。これは、電流が流れるコイルが交流電磁場に晒されるとともに、ブランクの材料において渦電流を生成することによって特に達成される。これらは、初期電流とは反対の方向に流れるため、熱が生成される。

ブランクの冷却がブランクの誘導加熱に続き得る。これは、鋼及び表面層のそれぞれの加熱が、５００℃～７５０℃、特に６００℃～７２３℃のオーステナイト変態Ａｃｌの始まり未満の温度に限定される場合に、特に有利である。加熱及び冷却のステップの協調に起因して、硬さ及び強度の所望の低減が得られる。冷却は、およそ１０℃～およそ５０℃の温度を有する水によって特に実現される。冷却は、およそ０．０５秒～３０秒、特におよそ０．１秒～１０秒の時間期間にわたって行うことができる。

誘導加熱は、２０ｋＨｚ～５００ｋＨｚ、特におよそ１００ｋＨｚ～４００ｋＨｚの周波数において実現することができる。

誘導加熱は、およそ０．０５秒～３０秒、特におよそ０．１秒～１０秒の時間期間にわたって実現することができる。

しかし、ブランクを加熱することによる硬さの低減は、例えばレーザによって実現することもできる。特に、未硬化層の硬さの所望の低減を得るための制御された冷却が、この加熱に続くことができる。

全ての上述した方法のステップにおいて、ねじは、上述した特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。

熱処理は特にオーステンパであり得る。ねじ山部分を製造するための変形は、特に転造であり得る。特に、プロセスは冷間成形であり得る。

新たな高強度ねじは、オーステンパによって特に少なくとも部分的に生成されたベイナイト構造を含むことができる。ベイナイト構造の結果として、引張強度が極めて高くなり、一方で、延性も依然として非常に高い。この高い延性又は靭性は、ベイナイト構造を、従来技術において硬化及び後続のアニーリングによって既知の方法で生成されるマルテンサイト構造から実質的に差別化する。その代わりに、硬化は、オーステンパ中に、ベイナイト相における等温の構造的な変形に起因して、オーステナイト層からの迅速な冷却によって実現される。要素、特にねじは、オーステナイトからベイナイトへの構造的な変形が断面全体にわたって完了するまで、塩浴中に等温で位置付けられる。マルテンサイト硬化中に必要とされるアニーリングステップは、好ましくは省くことができる。したがって、硬化による歪みの傾向が低下する。

高強度ねじを製造するために使用される開始材料は通常、「ワイヤ」と呼ばれる。新たな高強度ねじに使用されるワイヤは、冷間成形可能な非硬化及び非鍛鋼から作ることができ、およそ０．２％～０．６％又はおよそ０．２％～０．５％の炭素含量を有することができる。鋼は、特におよそ１．１％超の総共有を有する合金要素、特にＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ又はＴｉを含むことができる。

本発明の有利な発展形態は、特許請求の範囲、説明及び図面から生じる。説明の始めにおいて述べた特徴及び複数の特徴の組み合わせの利点は、専ら例示として働き、これらの利点を得る必要がある本発明による実施形態の必要なく、代替的又は累積的に使用することができる。添付の特許請求の範囲によって規定されるような保護範囲を変更することなく、以下は、元の出願及び特許の開示に対して当てはまり：更なる特徴は、図面、特に、示される設計、及び、互いに対する複数の構成要素の寸法、並びに、それらの相対的な配置及びそれらの動作上の接続から得ることができる。本発明の異なる実施形態の特徴、又は、請求項の選択される言及とは独立した異なる請求項の特徴の組み合わせも可能であり、これによって動機付けされる。これは、別個の図面において示されるか又は図面を説明するときに述べられる特徴にも関連する。これらの特徴は、異なる請求項の特徴と組み合わせることもできる。さらに、本発明の更なる実施形態が特許請求の範囲において述べられる特徴を有しないことが可能である。

特許請求の範囲及び説明において述べられる特徴の数は、この正確な数、及び、「少なくとも」という副詞を明示的に使用する必要なく、述べられる数よりも多い数を包含するものと理解されるべきである。例えば、ねじ山部分に言及する場合、これは、正確に１つのねじ山部分があるか、又は、２つのねじ山部分若しくはより多くのねじ山部分があるように理解されるべきである。付加的な特徴をこれらの特徴に加えることができるか、又は、これらの特徴はそれぞれの製品の唯一の特徴であるものとすることができる。

特許請求の範囲において含まれる参照符号は、特許請求の範囲によって保護される主題の範囲を限定するものではない。それらの唯一の働きは、特許請求の範囲をより理解しやすくすることである。

以下、本発明を、図面において示される好ましい例示的な実施形態に関して更に説明及び記載する。

新たな高強度ねじを含むねじ継手の（部分）縦断面図である。ねじの一部の縦断面図である。ねじ山部分におけるねじの断面にわたる硬さのコースを示す図である。シャンク部分におけるねじの断面にわたる硬さのコースを示す図である。表中の様々なねじサイズに関連付けられる未硬化層の例示的な値を示す図である。

図１は、新たな高強度ねじ２並びに第１の構成要素３及び第２の構成要素４を含むねじ継手１の例示的な実施形態を示している。ねじ２は、ヘッド５、ねじ山のないシャンク部分６、及び、雄ねじとして設計されているねじ山８を有するねじ山部分７を含む。第１の構成要素３はボア９を含み、第２の構成要素４はボア１０を含む。

ボア１０は、ねじ２の雄ねじに対応する雌ねじ１１を含む。確実なねじ継手１を得るために必要とされるクランプ力は、ねじ山８、１１及びねじ２のヘッド５のヘッド支承面１２の係合によって実現される。

ねじ２は、少なくとも８００Ｎ／ｍｍ^２の張力を有する高強度ねじ２、特に、少なくとも１４００Ｎ／ｍｍ^２の張力を有する超高強度ねじである。ねじ２は、オーステンパによって特に製造され、ねじ２の断面全体にわたって実質的に延びるベイナイト構造を含む。

図２は、長手方向中心軸１３を有する高強度ねじ２の断面を示している。ねじ山８は、長手方向軸１３の周りに通常の方法で巻回するねじ山先端１４、及び、同様に長手方向軸１３の周りに巻回するねじ山基部１５を更に含む。ねじ山８はメートルねじ山８又は異なるねじ山８であるものとすることができる。

ねじ２は、長手方向中心軸１３の領域において延びるコア１６、並びに、それを囲む線１９及び２０間の径方向部分を含む。

表面層１７が、コア１６と径方向に距離を置いたねじ２の部分に位置付けられる。本発明によると、表面層１７は、ねじ２のコア１６に比して低減された硬さを有する未硬化層１８として設計される。この低減された硬さは後で生成されている。未硬化層１８の径方向外側境界は、ねじ２の外側表面によって形成される。未硬化層１８の径方向内側境界は可変である。しかし、線２１によって表される。

本発明の例では、未硬化層１８はねじ山部分７だけではなく、シャンク部分６にも沿って延びる。シャンク部分６では、未硬化層１８の深さＴ２は、線２１とねじ２の外側表面との間に位置付けられる。

ねじ山部分７では、未硬化層１８はねじ２の外側表面までも延びる。しかし、示される深さＴ１は、未硬化層１８の深さの一部のみを示す。深さＴ１は、長手方向中心軸１３の周りに巻回するねじ山先端１４に沿って存在し、長手方向中心軸１３に対して垂直な径方向に、隣接するとともに３６０°だけオフセットされるねじ山基部１５の２つの位置間の仮想的な軸方向接続線２２まで測定される。

図３は、ねじ山部分７における、ねじ２の断面にわたる硬さのコースを示している。図３において含まれている変数は、以下の意味を有する。
ｄ＝ねじ山の外径
ｄｋ＝ねじのコアの直径
ＨＫ＝ねじのコアの硬さ
ＨＲ＝表面層（未硬化層）の硬さ
ΔＨ＝ねじのコアにおける硬さの差
Ｔ１＝ねじ山部分における表面層の深さ（の一部）

図４は、シャンク部分６における、ねじの断面にわたる硬さのコースを示している。図３において用いられている変数に加えた変数は、以下の意味を有する。
ｄｓ＝ねじのシャンク直径
Ｔ２＝シャンク部分における表面層の深さ

図５は、表中のねじ２の様々なサイズの場合の未硬化層１８の例示的な値を示している。図５において付加的に用いられている変数は、以下の意味を有する。
Ｐ＝ねじ山のピッチ
Ｈ＝鋭利に切削された仮想的なプロファイルの三角形の高さ

１ねじ継手
２ねじ
３構成要素
４構成要素
５ヘッド
６シャンク部分
７ねじ山部分
８ねじ山
９ボア
１０ボア
１１雌ねじ
１２ヘッド支承面
１３長手方向中心軸
１４ねじ山先端
１５ねじ山基部
１６コア
１７表面層
１８未硬化層
１９線
２０線
２１線
２２接続線
２３線

Claims

ねじ山（８）を有するねじ山部分（７）を含む高強度ねじ（２）であって、前記ねじ山部分（７）は、断面において見て、該ねじ（２）のコア（１６）に比して低減された硬さを有する外側表面層（１７）として設計されている未硬化層（１８）を含み、
前記ねじ（２）の少なくともコア（１６）は、ベイナイト構造となっており、
前記コア（１６）は、１３００Ｎ／ｍｍ^２～２５００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有し、
前記未硬化層（１８）は、その外側では、１０００Ｎ／ｍｍ^２～１２００Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有することを特徴とする、高強度ねじ。
ねじ（２）であって、
前記ねじ（２）は長手方向中心軸（１３）を有し、
前記ねじ山（８）は、鋭利に切削された仮想的なプロファイルセクションの高さに対応する高さＨを有し、
前記ねじ山（８）は、前記長手方向中心軸（１３）の周りに巻回するとともに直径ｄを有するねじ山先端（１４）、及び、前記長手方向中心軸（１３）の周りに巻回するとともに直径ｄ３を有するねじ山基部（１５）を含み、
前記未硬化層（１８）は、前記長手方向中心軸（１３）の周りに巻回する前記ねじ山先端（１４）に沿って存在するとともに、前記長手方向中心軸（１３）に対して垂直な径方向に、隣接して３６０°だけオフセットされる前記ねじ山基部（１５）の２つの位置間の仮想的な軸方向の接続線（２２）まで測定した、深さＴ１を有することを特徴とする、請求項１に記載のねじ。
ねじ（２）であって、
前記コア（１６）は、断面において見て、該コアの直径ｄｋ＝ｄ／４までの前記ねじ（２）の内側部分であり、
前記コア（１６）の硬さは、前記コアの直径ｄｋ内の硬さの平均であることを特徴とする、請求項２に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記未硬化層（１８）の硬さは、該未硬化層（１８）内の硬さの平均であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記深さＴ１は０．１ｍｍ～３．０ｍｍ、特に０．２ｍｍ～２．８ｍｍであることを特徴とする、請求項２～４のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記ねじ山（８）は、以下の値の対のうちの１つ：
－高さＨ：０．４ｍｍ～０．７ｍｍ；深さＴ１：０．２５ｍｍ～１．８ｍｍ、又は
－高さＨ：０．７１ｍｍ～１．０ｍｍ；深さＴ１：０．２５ｍｍ～２．７ｍｍ、又は
－高さＨ：１．０１ｍｍ～１．５ｍｍ；深さＴ１：０．２ｍｍ～２．７ｍｍ、又は
－高さＨ：１．５１ｍｍ～２．０ｍｍ；深さＴ１：０．２ｍｍ～２．７ｍｍ、又は
－高さＨ：２．０１ｍｍ～２．５ｍｍ；深さＴ１：０．１５ｍｍ～３．０ｍｍ、又は
－高さＨ：２．５１ｍｍ～４．０ｍｍ；深さＴ１：０．１５ｍｍ～４．０ｍｍ
を有することを特徴とする、請求項２～４のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記コア（１６）は、４００ＨＶ～６５０ＨＶ、特に４５０ＨＶ～５７０ＨＶの硬さを有し、前記未硬化層（１８）は、その外側において３００ＨＶ～３８０ＨＶの硬さを有することを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記未硬化層（１８）の硬さは、その外側では、前記コア（１６）の硬さに比して少なくとも７％、特に１０％～５０％、特に２０％～４０％だけ低減されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記コア（１６）は、１４００Ｎ／ｍｍ^２～１８５０Ｎ／ｍｍ^２の引張強度を有することを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、ヘッド（５）及びねじ山のないシャンク部分（６）を特徴とし、該シャンク部分（６）は、断面において見て、前記ねじ（２）の前記コア（１６）に比して低減された硬さを有する外側表面層（１７）として設計されている未硬化層（１８）を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のねじ。
ねじ（２）であって、前記未硬化層（１８）は、
前記シャンク部分（６）の全長に沿っては延びないか、又は
前記シャンク部分（６）及び前記ヘッド支承遷移面の全長に沿って延びることを特徴とする、請求項１０に記載のねじ。
請求項１～１１のいずれか一項に記載の高強度ねじ（２）を製造する方法であって：
ヘッド（５）及びシャフトを含むブランクを変形によって製造するステップ、
硬さを高めるように前記ブランクを熱処理するステップ、
前記シャフトの軸方向長さの少なくとも一部において前記ブランクの前記硬さを低減し、断面において見て、前記ねじ（２）のコア（１６）に比して低減された硬さを有する外側表面層（１７）として設計される未硬化層（１８）を生成するステップ、及び
前記ヘッド（５）から離間している前記シャフトの一部においてねじ山（８）の変形によってねじ山部分（７）を製造するステップ
を含む、方法。
前記硬さの低減は、前記ブランクの誘導加熱によって実現されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
前記誘導加熱は、
およそ２０ｋＨｚ～５００ｋＨｚ、特におよそ１００ｋＨｚ～４００ｋＨｚの周波数において実現され、及び／又は
およそ０．０５秒～３０秒、特におよそ０．１秒～１０秒の時間期間にわたって実現されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
前記硬さの低減は、前記ブランクをレーザで加熱することによって実現されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。