提高钢制螺栓耐松弛性的方法 【技术领域】
本发明涉及提高钢制螺栓耐松弛性的方法。
背景技术
钢制螺栓在具有拧入零件的内螺纹孔中的外螺纹部分的螺纹轴的一端有螺栓头，当把有螺栓孔的另一个零件重叠在有内螺纹孔地零件上，把钢制螺栓的外螺纹部分穿过螺栓孔，拧入内螺纹孔中的情况下，螺纹轴上带有外螺纹部分的拧入内螺纹孔的终端与螺栓头之间的非拧入部分，便受到了沿轴线方向的拉伸应力。由于在制造钢制螺栓的工艺过程中，要经过拉拔等塑性加工，此外，还要进行热处理，所以，在其结晶晶格内部产生了许多位错，因此，在上述拉伸应力作用下，会在上述非拧入部分中产生由位错的移动而引起的伸长，并由于这种伸长而降低轴向的拉力。由于这种伸长而造成的轴向拉力的降低就称为松弛性。
因此，为了提高钢制螺栓的耐松弛性，提出了对这种钢制螺栓进行发蓝处理的方法。例如，见专利文献1-特开2001-348618号公报(第1～8页)。
可是，经过发蓝处理的螺栓，其耐松弛性提高的程度很低，因此，目前还希望进一步提高这种耐松弛性。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种使用比较简单的手段，就能大幅度提高钢制螺栓的耐松弛性的方法。
为达到上述目的，本发明提供了一种提高钢制螺栓的耐松弛性的方法，按照这种方法，先准备好，在具有用于拧入零件的内螺纹孔中的外螺纹部分的螺纹轴的一端，具有螺栓头的钢制螺栓；再把上述外螺纹部分拧入螺栓保持工具的带有内螺纹的保持孔中，拧入的长度超过使用时拧紧在上述零件的上述内螺纹孔中的拧入长度L2；接着，在上述螺纹轴上，在上述外螺纹部分的拧入终端与上述螺栓头之间的轴状部分上，施加超过其轴状部分的弹性极限的轴向拉伸应力，于是，上述轴状部分作便成为受到应力载荷的区域；然后，对上述受到应力载荷的区域进行设定的加热温度T为200℃≤T≤300℃的热处理，使上述区域成为受到应力载荷和加热的区域。
借助于上述方法，就能使螺纹轴上的，在外螺纹部分的拧入终端与螺栓头之间的轴状部分中所产生的位错成为固定不动的位错，这样，在较大的拉伸应力下使用时，就能抑制螺纹轴上非拧入部分的伸长，减少螺纹轴向拉伸应力的降低。此外，由于上述拉伸应力没有作用在外螺纹部分上拧入带有内螺纹的保持孔内的那一部分上，即，拧紧时的拧入部分上，所以这一部分上就没有受到导致螺纹的节距变化等等的不良影响。因此，在使用螺栓时，能以规定的扭矩拧紧这个螺栓。
另外，当热处理的加热温度T小于200℃时，这种热处理就没有效果，另一方面，当T大于300℃时，轴向拉力就降低得太多了。
【附图说明】
图1是表示钢制螺栓上的螺纹轴的变化的一个例子的说明图；
图2是表示提高耐松弛性的方法的一个实施例，和钢制螺栓使用时的例子的说明图；
图3是表示钢制螺栓上的螺纹轴的变化的另一个例子的说明图；
图4是表示提高耐松弛性的方法的另一个实施例，和钢制螺栓使用时的另一个例子的说明图；
图5是钢制螺栓的一个例子的正视图；
图6是热处理的加热温度T与加热时加载后的残余轴向拉力之间的关系曲线图；
图7是伸长δ与轴向拉力降低量、轴向拉力降低率之间的关系曲线图；
图8是在伸长δ为500μm的情况下，初始轴向拉力与加热时加载后的残余轴向拉力之间的关系曲线图；
图9是在伸长δ为1000μm的情况下，初始轴向拉力与加热时加载后的残余轴向拉力之间的关系曲线图；
图10是钢制螺栓另一个例子的正视图。
【具体实施方式】
[第一实施例]
图1(a)中所示的钢制螺栓1是实施提高耐松弛性的方法用的螺栓，它在带有拧入零件的内螺纹孔中的外螺纹部分2的螺纹轴3的一端，有一个螺栓头4。这个螺栓头4由六角形部分5和凸缘部分6所构成。
钢制螺栓1是经过以下各道工序制成的。即，在钢琴丝线材类的线材上进行钢丝韧化处理的工序；在上述线材上进行表面处理的工序；在上述线材上进行拉伸加工的工序；以及在毛坯上进行冷压成型加工，获得钢制螺栓1的工序。
如图2(a)、(b)所示，在对钢制螺栓1实施提高其耐松弛性的方法时，要使用螺栓保持工具7。上述螺栓保持工具7是用钢制成的，其一个端面8敞开，并具有直径大于钢制螺栓1的螺纹轴3的孔部9，以及与上述孔部9连通，且其直径小于孔部9，带有内螺纹的保持孔10。孔部9的长度L1，是在使用时把钢制螺栓1的外螺纹部分2拧入零件的内螺纹孔中的长度，即，拧紧时拧入长度L2以上的部分，在本实施例中，将这一部分设定为大致能获得与其拧紧时的拧入长度L2相等。
(1)如图2(a)所示，把钢制螺栓1的外螺纹部分2拧入螺栓保持工具7的带内螺纹的保持孔10内，并使其螺栓头4与端面8压接。外螺纹部分2的拧入长度，大致与使用中拧紧时的拧入长度L2相等。
(2)在螺纹轴3上，在外螺纹部分2的拧入终端a与螺栓头4之间的部分上，即，在被孔部9所包围着的轴状部分11上施加负载，以使其轴线方向的拉伸应力超过其弹性极限，使这个轴状部分11成为受到应力负载的区域A1。即，如图2(b)所示，通过转动钢制螺栓1将其拧紧，使得螺纹轴3产生伸长(应变)δ，并使得外螺纹部分2的被孔部9包围的轴状部分11的一部分进入带内螺纹的保持孔10中。在这样的情况下，在螺纹轴3上，受到应力负载的区域A1就变成进入带内螺纹的保持孔10中的上述拧入终端a与螺栓头4之间的部分，其在轴线方向的长度是图1(b)中所示的L3。
(3)把螺栓保持工具7与钢制螺栓1一起放入加热炉内，接着，对受到应力负载的区域A1进行热处理，并分别设定其加热温度T为200℃≤T≤300℃，其加热时间t为0.5小时≤t≤3小时，然后进行空冷，于是，上述区域A1就成为受到应力负载和加热的区域A2。
在进行了上述(1)～(3)工序之后，把钢制螺栓1从螺栓保持工具7上卸下来，于是，在受到应力负载和加热的区域A2中，其轴线方向的长度L4便如图1(c)中所示的那样，缩短了因弹性而伸长的长度部分λ。
如图2(c)所示，在使用钢制螺栓1时，把具有螺栓孔14的另一个零件15重叠对准在具有内螺纹孔12的零件13上，把钢制螺栓1的外螺纹部分2穿过螺栓孔14，拧入内螺纹孔12中，使螺栓头4压接在另一个零件15的端面16上。在此状态下，把外螺纹部分2拧入内螺纹孔12中的拧入长度，要比拧紧时的拧入长度L2短。
接着，如图2(d)、图1(d)所示，拧紧钢制螺栓1，并确保其外螺纹部分2拧紧时的拧入长度为L2。此时，在图2(c)中的钢制螺栓1的被包围在螺栓孔14中的部分伸长了δ1，而受到应力负载和加热的区域A2的端部则处于内螺纹孔12的开口外的附近，这个区域A2没有进入内螺纹孔12内。即，在使用这种具有受到应力负载和加热区域A2的钢制螺栓1时，如以另一个零件15的螺栓孔14的长度为L5，而以螺纹轴3的受到应力负载和加热的区域A2上拧紧螺栓后的轴线方向的长度为L6，则将螺栓保持工具7的孔部9的长度L1与螺栓孔14的长度L5之间的关系设定为L1＜L5，以便使得L4＝L6(包括L5L6)的关系成立。
按照上述提高耐松弛性的方法，在螺纹轴3上，能使得在外螺纹部分2的拧入的终端a与螺栓头4之间的轴状部分11中产生的位错固定不动，成为不活动的位错，这样，便如图2(d)所示，当在比较大的拉伸应力下使用时，就能防止螺纹轴3的未拧入部分的受到应力负载和加热的区域A2的伸长，从而减少轴向拉力的降低。此外，由于上述拉伸应力并不作用在外螺纹部分2的拧入内螺纹保持孔10中的那一部分上，即，拧紧时的拧入部分B上，因此螺纹的节距变化等不良影响不会波及到部分B。因此，就能在使用时把钢制螺栓1拧紧到规定的扭矩。
[第二实施例]
在本实施例中，如图3(a)、图4(a)所示，把螺栓保持工具7的孔部9的长度L7做得比上述实施例中的孔部9的长度L1还要短，即，设定L7＜L1，把与上述同样的钢制螺栓1的外螺纹部分2拧紧在螺栓保持工具7的带内螺纹的保持孔10中时，拧入的长度超过拧入长度L2。并以这种过度的拧入长度为L8。
如图3(b)、图4(b)所示，在轴状部分11受到上述拉伸应力作用的状态下，在受到应力负载的区域A1与拧紧时的拧入部分B之间，存在着没有应力负载的区域，即节距正常的部分b。
如图3(c)所示，把经过热处理的钢制螺栓1从螺栓保持工具7中卸下来时，在与上述实施例一样的受到应力负载和加热的区域A2上，其轴线方向的长度L4缩短了因弹性而伸长的那一部分长度λ。
与上述实施例一样，如图4(c)所示，在使用钢制螺栓1时，把具有螺栓孔14的另一个零件15重叠对准在具有内螺纹孔12的零件13上，把钢制螺栓1的外螺纹部分2穿过螺栓孔14，拧入内螺纹孔12中，使螺栓头4压接在另一个零件15的端面16上。在此状态下，外螺纹部分2拧入内螺纹孔12中的拧入长度，要比拧紧时的拧入长度L2短。
接着，如图4(d)、图3(d)所示，拧紧钢制螺栓1，并确保其外螺纹部分2上拧紧时的拧入长度L2。此时，在图4(c)中，钢制螺栓1的包围在螺栓孔14中的部分伸长了δ1，而在受到应力负载和加热的区域A2的端部与内螺纹孔12的开口之间，则存在着上述部分b的全部或一部分，因此，螺栓上节距发生变化的受到应力负载和加热的区域A2不会进入内螺纹孔12内。
即，在使用这种具有受到应力负载和加热的区域A2的钢制螺栓1时，如以另一个零件15的螺栓孔14的长度为L5，而以螺纹轴3的受到应力负载和加热的区域A2上拧紧螺栓后的轴线方向的长度为L6，则将螺栓保持工具7的孔部9的长度L7与螺栓孔14的长度L5之间的关系设定为L7＜L5，以便使得L5＞L6的关系成立。
[具体的例子]
图5中所示的钢制螺栓1，是使用了图3、4中所示的提高耐松弛性的方法的螺栓，其尺寸为：螺纹的公称尺寸是M9；节距为0.75；公称长度L为50mm；外螺纹部分2的长度s为37mm。此外，钢制螺栓1是用钢琴丝类的线材制成的，其成分中的重量比：C为0.83％；Si为0.22％；Mn为0.75％；P≤0.025％；S为0.025％；Cu为0.20％；Cr为0.15％，其余为Fe。钢琴丝类的线材由于经过了面积缩减率很大的拔丝加工，在结晶晶格内部产生了大量的位错，因此，一般认为，用这种钢制造的螺栓1很容易发生松弛现象。
在实施上述方法时，螺栓保持工具7所使用的材质为JIS SCM 435，孔部9的长度L7设定为30.5mm；另一方面，钢制螺栓1拧紧时的拧入长度L2为20mm；而过度拧入长度L8为3mm。还有，在钢制螺栓1的轴状部分11上所施加的轴线方向的拉伸应力，设定为使该轴状部分11上所产生的伸长(应变)δ为300μm、500μm和1000μm，上述伸长δ是在把钢制螺栓1组装在螺栓保持工具7上的状态下，用千分表测定的。在轴状部分11处于弹性极限时的上述拉伸应力，是伸长300μm时的应力。热处理时的加热温度T，在以上给出的伸长δ的各例中，选定为在200℃≤T≤350℃的范围内，此外，加热时间t设定为1小时。
表1中列出了实施提高耐松弛性的方法后的钢制螺栓1的例子1～18的伸长δ与热处理的加热温度T。在表1中，还列出了不施加上述拉伸应力，即伸长δ为零的状态下进行热处理的例子19～21。这几个例子相当于进行了发蓝处理。
[表1] 钢制螺栓 伸长δ(μm) 加热温度T(℃)例1 300 200例2 250例3 300例4 350例5 500 215例6 230例7 250例8 270例9 285例10 300例11 1000 200例12 215例13 230例14 250例15 270例16 285例17 300例18 350例19 0 200例20 250例21 300
在图4(d)中，设定零件15的螺栓孔14的长度L5为33.5mm，在拧紧钢制螺栓1的各例子1～21时，在受到应力负载和加热的区域A2中所产生的初始轴向力为63.7kN。
把拧紧后的两个零件13、15放置在150℃的环境下经过24小时，然后测定1～21每一个例子热加载后残余的轴向力，其结果列于表2。在表2中还列出了各例子1～21的热处理的加热温度。
[表2] 钢制螺栓加热温度T(℃)热加载后的残余轴向力(kN)例1 200 5.9例2 250 5.2例3 300 5.5例4 350 5.9例5 215 5.9例6 230 5.8例7 250 6.6例8 270 5.9例9 285 5.2例10 300 5.3例11 200 5.3例12 215 5.0例13 230 6.7例14 250 6.3例15 270 5.3例16 285 5.2例17 300 5.9例18 350 5.9例19 200 4.0例20 250 5.0例21 300 5.9
图6是根据表2中的热处理的加热温度T与热加载后的残余轴向拉力之间的关系画成的曲线图。从图6中看得很清楚，按照以上所说的那样，所承受的轴线方向的拉伸应力超过弹性极限的例5～18，与所承受的拉伸应力为上述弹性极限的例1～4和未承受上述拉伸应力的例19～21相比，上述残余轴向拉力比较大，由此可以看到这种提高耐松弛性的方法的效果。
此外，关于例5～10和例12～17，在两者的热处理温度T相同的情况下，则可以看到，所设定的上述拉伸应力大的例12～17的残余轴向拉力要比例5～10中的大。此外，当把热处理的加热温度T设定为200℃≤T≤300℃时，例5～17的每一个例子，都能把耐松弛性提高到比把上述拉伸应力设定在弹性极限内的例1～4中的残余轴向拉力最大的例2还要高。可见理想的加热温度是215℃≤T≤285℃。
图7是当热处理的加热温度T设定为250℃时，例2、7、14、20的伸长δ与轴向拉力的降低量以及轴向拉力的降低率之间的关系的曲线图。各例中括弧内的数值表示轴向拉力的降低量和轴向拉力的降低率。由图7可知，例7、14与例2、20相比，轴向拉力的降低量小，而且轴向拉力的降低率也小。
图8表示与伸长δ设定为500μm的例6、7、8有关的初始轴向拉力与热加载后的残余轴向拉力之间的关系，另外，图9表示与伸长δ设定为1000μm的例13、14、15有关的初始轴向拉力与热加载后的残余轴向拉力之间的关系。从这两个图可知，当关于发动机的实用的初始轴向拉力为63.7～73.5kN时，最适宜的热处理加热温度为250℃，而且，在230℃时的效果要比270℃时的效果好。特别是，如图9所示，可以看到例13、14在初始轴向拉力为63.7～73.5kN时，具有明显超过虚线所示的14.9调质螺栓的耐松弛刚性。
如图10所示，本发明也适用于这种形状的钢制螺栓1，即，在螺纹轴3上，在外螺纹部分2的终端c与螺栓头4之间的轴部17的直径，比外螺纹部分2的直径小的螺栓，或者外螺纹部分2全部都拧入零件13的内螺纹孔12中的螺栓。
按照权利要求1所记载的本发明，能借助于采用上述那样比较简单的手段，大大提高钢制螺栓的耐松弛性。此外，在提高耐松弛性的处理过程中，由于不使钢制螺栓在使用过程中拧紧时的拧入部分螺纹的节距发生变化，从而能在使用时以规定的扭矩拧紧钢制螺栓。
按照权利要求2所记载的本发明，能使用特定结构的螺栓保持工具，很容易地实施提高耐松弛性的方法。
按照权利要求3所记载的本发明，能切实地防止螺纹节距产生变化的受到应力载荷和加热的区域进入零件的内螺纹孔中。