铝基合金制紧固件的制造方法及铝基合金制紧固件与流程

本发明涉及一种耐久性优异的高强度铝基合金制紧固件的制造方法及铝基合金制紧固件。

背景技术：
以往，汽车产业界中所使用的主要材料为钢。但是，在全世界范围内能源节约化的动向活跃，出现了追求车辆进一步轻量化的倾向。轻量化所涉及的不仅是车辆，还包括其组成部件及螺栓类的紧固件。关于钢螺栓，利用通过进行高强度化而使其尺寸小型化、进而减少其数量的方法来推进轻量化，但由于材料自身的比重较大，因此，即使将数量限制到必需的最小值，也难以进行进一步的轻量化。此外，在车辆的构成部件的铝质化的发展中，通过组合使用钢制螺栓，存在由热膨胀率的不同所带来的铝材损坏、和由异种金属相接触所产生的腐蚀劣化发展的可能性的问题，更存在回收时需要分别回收的问题等，因此需要高强度的铝基合金制螺栓（以下称为铝合金螺栓）。对铝合金螺栓进行高强度化处理时，以往，如专利文献1所记载的那样，通常通过实施固溶化处理与时效硬化处理来将铝合金螺栓调整至一定强度。由于随着高强度化的进行，铝合金螺栓容易产生应力腐蚀断裂，所以一般采用使强度由最高强度下降5～15%的过时效调质处理（overagethermalrefining）。该专利文献1中记载的方法是在冷锻成螺栓形状后，施加包括从超过480℃的高温骤冷、和在+60℃～220℃的范围内的时效硬化处理的热处理。另外，在专利文献2至4中，也与专利文献1相同地在加工处理后实施用于提高强度的热处理。现有技术文献：专利文献专利文献1：日本专利第3939414号公报专利文献2：日本专利公开6-185512号公报专利文献3：日本专利公开11-172359号公报专利文献4：日本专利公开8-309472号公报专利文献5：日本专利公开9-314276号公报

技术实现要素：
然而，采用现有技术的加工成螺栓形状后施加热处理的方法时，拉伸强度被限定在JISB1057所记载的范围内，实用的范围被限定在日本螺丝研究协会杂志第25卷第9期（1994）中记载的拉伸强度为565MPa～570MPa，屈服应力为505MPa～515MPa的范围内。制备铝合金螺栓时，由于会发生因重视强度而导致韧性降低的问题，因此需要根据需要改变材质和/或热处理方式。基于上述问题，在铝合金螺栓中，还未能实现如通过调质而制造的钢制螺栓那样的既能提高拉伸强度、又能防止韧性降低的技术。在施加少量加工变形的情况下，铝基合金材料会因用于提高强度的热处理而产生材料的晶粒粗大化，导致无法获得所期望的强度。因此必须在考虑加工变形条件的基础上实施加工。为解决上述现有技术的问题，本发明的目的在于，通过改变制造过程中施加热处理的时机，提供一种具备现有技术中不存在的抗拉伸特性等强度特性的铝基合金制紧固件的制造方法和铝基合金制紧固件。为解决上述技术问题，本发明的铝基合金制紧固件的制造方法的特征是，对铝基合金制材料施加热处理，以提高其强度，之后，在锻压工序中使其变形成规定的形状而使其加工硬化，以进一步提高其强度。紧固件为螺栓等外螺纹部件或铆钉等具有紧固时受拉伸力作用的轴部的部件时，在锻压工序中对轴部进行挤压加工。紧固件为外螺纹部件时，在挤压加工轴部后，对轴部进行螺纹的滚丝加工。热处理为进行固溶化处理后进行时效处理，对铝合金材料的组织结构进行一次复位来调质。锻压工序优选为冷锻。本发明的铝基合金制紧固件的特征是，所述铝基合金制紧固件是螺栓等外螺纹部件或铆钉等具备紧固时受拉伸力作用的紧固用轴部的铝基合金制紧固件；轴部为由挤压加工对通过热处理而提高了强度的铝基合金制成形材料进行锻压而成的结构；作为通过挤压加工而对所述轴部进行的加工硬化的历史，所述轴部具有由表面至规定深度硬度逐渐增大的硬度分布。本发明在通过固溶化处理和时效硬化处理等热处理工序使铝基合金制材料高强度化的基础上，通过锻压工序使铝基合金制材料变形成紧固件形状而施加加工硬化，因此，相比现有技术的加工成紧固件形状后施加热处理的方法，能够制造具备高抗拉伸特性的铝基合金制紧固件。尤其是若在锻压工序中通过冷锻而成形，则不需要热锻那样的大型设备，降低了成本。附图说明图1是表示作为本发明的实施方式的铝基合金制紧固件的铝合金螺栓的制造工序的图；图2中的（A）为表示图1的制造工序中由材料到产品的加工形状变化的图，图2中的（B）为表示由图1所示的方法所制造的铝合金螺栓的挤压率与拉伸强度的关系的坐标图；图3表示距离图1的铝合金螺栓的轴部表面的距离与硬度的关系，图3中的（A）为表示颈部的硬度分布的坐标图，图3中的（B）为表示螺纹部的硬度分布的坐标图。附图标记说明10铝合金螺栓（铝基合金制紧固件）10A第1镦锻坯料10B第2镦锻坯料20轴部、20A中间形态轴部30头部、30A中间形态头部100线材、101单元线材110第1成形冲模111冲模孔、112大径孔、113小径孔、114台阶部、115顶杆120第1冲压机、121第1冲头、125顶杆210第2成形冲模211冲模孔、215顶杆220第2冲压机具体实施方式以下基于图示的实施方式对本发明进行详细说明。图1表示作为本发明的实施方式的铝基合金制外螺纹部件的铝合金螺栓的制造工序。如图1中的（H）、图2中的（A）所示，该铝合金螺栓10具备轴部20、和设置在轴部20一端的头部30。轴部20上具备螺纹部21，其在由前端向头部30的规定长度部分形成外螺纹；以及未形成螺纹的颈部22，其处于螺纹部21与头部30之间。在图中，头部为常见的六边形，但并不局限于六边形，任意形状、结构均可。如图1中的（A）所示，铝基合金制材料为线状或棒状的线材100。铝合金可使用Al-Mg-Si系合金的6000系列、Al-Mg-Zn系合金的7000系列的合金，是通过热处理调质的合金即可，例如Al-Cu系合金的2000系列也可适用。对该铝基合金材料的线材100进行热处理。热处理是指在进行固溶化处理之后，实施时效硬化处理。6000系列的合金的处理为T6，即515℃～550℃的固溶化处理，水冷淬火，在170℃～180℃下约8小时的时效硬化处理。7000系列的合金的处理为T73，即460℃～475℃的固溶化处理，水冷淬火，在110℃～115℃下约6小时～8小时、在175℃～180℃下约6小时～10小时的时效硬化处理。这些热处理条件为一般性的处理，不必特别进行温度管理。接着，如图1中的（C）～（G）所示，将实施过热处理后的线材裁切成与一根螺栓相应的一定长度的单元线材101，而后进入锻压工序。固溶化处理及时效硬化处理亦可在裁切成单元线材101之后进行。锻压工序均利用冷锻进行。首先，如图1中的（C）～（E）所示，将该单元线材101插入预先在规定位置设置有顶杆115的第1成形冲模110中，通过用第1冲头121进行密闭挤压加工，形成作为第1阶段的中间成形体的第1镦锻坯料10A。如图1中的（C）、图2中的（A）所示，第1镦锻坯料10A具备用于形成螺栓头部30的中间形态头部30A与用于形成螺栓轴部20的中间形态轴部20A。在第1成形冲模110中形成有贯通的台阶状的冲模孔111。该冲模孔111具备与单元线材的线径相应的大径孔112、直径小于大径孔112的小径孔113、以及位于大径孔112与小径孔113的分界线的台阶部114。台阶部114形成为向着小径孔113的方向直径逐渐减小的锥体形状。将单元线材101插入第1成形冲模110的大径孔112中，由与第1成形冲模110对置的第1冲压机120的第1冲头121压入。单元线材101一边被台阶部114挤压出小径，一边进入小径孔113侧，与插入小径孔113的顶杆115冲撞，于第1冲头121与顶杆115之间被压缩，形成第1镦锻坯料10A。这样，被压入小径孔113中的部分形成中间形态轴部20A，残留在大径孔112中的部分形成中间形态头部30A。接下来，如图1中的（F）、（G）所示，通过镦锻用第2成形冲模210与第2冲头220，形成作为第2阶段的中间成形体的第2镦锻坯料10B。如图1中的（G）和图2中的（A）所示，第2镦锻坯料10B形成最终形状的头部30。如图1中的（F）所示，在该第2成形冲模210中设置有冲模孔211与镦锻凹部216。冲模孔211为直径与中间形态轴部20A相同的圆孔，预先于一定位置设置有顶杆215。在该冲模孔211中插入第1镦锻坯料10A的中间形态轴部20A，中间形态轴部20A的前端与顶杆215冲撞，将中间形态头部30A保持为从冲模孔211的开口部突出的状态。另一方面，镦锻凹部216的形状与最终成形品的铝合金螺栓10的头部30的形状相仿，中间形态头部30A的一半插入其内，由第2冲压机220挤压形成与镦锻凹部216的内周形状相仿的形状。由此形成第2镦锻坯料10B，其具备未形成螺纹的中间形态轴部20A与头部30。接着，用未图示的滚丝模，从中间形态轴部20A的前端对一定长度的中间形态轴部20A进行外螺纹滚丝加工，形成螺纹部21，如图1中的（H）所示，完成作为最终产品的铝合金螺栓10。以此成形的铝合金螺栓10，在通过固溶化处理和时效硬化处理获得高强度化的基础上，进一步通过冷锻来挤压轴部20而施加加工硬化，因此，相比现有技术的加工成螺栓形状后实施热处理的方法，能够制造具备高抗拉伸特性的铝合金螺栓10。尤其是由于通过冷锻成形，因此，不需要热锻那样的大型设备，降低了成本。表1表示用不同的铝基合金制造多个轴部挤压率不同的样品，并对各样品测定拉伸强度与屈服应力的试验结果。样品A、样品B这两种样品使用6000系列的铝基合金，样品C使用7000系列的铝基合金。对铝基合金线材进行固溶化处理，并进行时效硬化来进行调质。固溶化处理的温度条件为，对于样品A，固溶化处理温度为550℃，水冷淬火，时效硬化处理为在170℃下进行15小时。对于样品B，固溶化处理温度为550℃，水冷淬火，时效硬化处理为在170℃下进行6小时。挤压率为作为原材料的单元线材的横截面积与轴部的横截面积的面积比，分别为16%、26%、36%、46%、56%、70%这6种。轴部的直径为挤压率越高，所使用的单元线材直径就越大。【表1】图2（B）是针对上述表1中的数据，以挤压率为横轴，拉伸强度为纵轴的坐标图。这样，尽管根据挤压率的不同而有所变化，但样品A、样品B、样品C均能实现500MPa以上的拉伸强度。挤压率在16%～70%的程度是适合的，超过70%，可能会发生断裂等，小于16%，则由加工硬化带来的强度提高效果变小很多。特别是挤压率超过36%时，能够使强度达到500MPa以上。另外，还可以确认，作为通过挤压加工而对轴部进行的加工硬化的历史，在所述轴部上形成有由表面至一定深度硬度逐渐增大的硬度分布的结构特征。这样由于表面侧较柔软，因此提高了紧固时螺纹牙接触面的密接性。图3表示在A6000系列的铝合金螺栓中，挤压率为36%、46%、56%的本发明的样品D、与未经挤压的普通对照样品E的硬度分布；对于如图3中的（B）所示的无螺纹的颈部22、和形成有螺纹的螺纹部21，图3中以距离表面的距离为横轴、以硬度（Hv）为纵轴来表示。图3中的（A）表示颈部22的硬度分布。样品的颈部22的直径为7mm，硬度分布测定至中心位置（距离表面3.5mm）。对于颈部而言，在0～0.5mm程度的区间内，在本发明的样品D中，硬度由130Hv急剧上升至170Hv，在更深处，到3.5mm的中心位置为止的区间，有硬度从170Hv缓慢升高到180Hv左右的趋势。另一方面，在未经挤压的对照样品E中，即使深度变化，硬度仍保持在110～120Hv的程度。对于形成有螺纹的螺纹部21，如图3中的（D）所示，以螺纹牙的顶部为零点进行测定。如图3中的（C）所示，由于无法测定螺纹牙的顶部，因此，从0.1mm左右的深处起进行测定。由于螺纹牙部分由滚丝而加工硬化，所以即使在0.1mm的深处，硬度达到160Hv的程度，且形成随深度增加而硬度缓慢增大的硬度分布。这样，对于轴部20的无螺纹的颈部22，由于其表面的硬度低于深部，因此，即使在轴部经挤压而获得高强度的情况下，也能够容易地滚丝出螺纹牙。以上，通过本发明，能够制造具有高拉伸特性的铝合金螺栓10，因此，达到了以下的技术效果。1）轻量化对于现有技术中需要使用钢制螺栓的高紧固力的被紧固部件，也可以使用本发明的高强度的铝合金螺栓，由于相对于钢的7.85（g/cm3）的材料密度，铝基合金的材料密度为2.71（g/cm3），因此，铝基合金的比重约为钢的1/3，能够实现轻量化。2）防止因热膨胀系数差所导致的螺栓松脱在被紧固部件为铝基合金的情况下，若使用钢制的螺栓，则由于铝基合金与钢存在热膨胀系数差的缘故，因此，随着温度的上升会使螺栓的负载增大，根据情况，被紧固部件可能会塌陷变形，有发生松脱的可能性。相对于此，通过使用本发明的可应对高紧固力的高强度铝合金螺栓，由于螺栓与被紧固部件的热膨胀系数相同，可防止出现上述情况。3）防止因异种金属相接触而导致的电位差腐蚀当被紧固部件为铝基合金时，铝若与镁或铁接触，则铝侧会因电位差腐蚀而被侵蚀，根据情况，被紧固部件可能会塌陷变形，有发生松脱的可能性，但是，通过使用本发明的可应对高紧固力的高强度铝合金螺栓，由于不存在异种金属之间的电位差，因此能够防止因电位差而导致的腐蚀。4）促进回收利用现有技术中，在被紧固部件为铝基合金的情况下，当使用钢制螺栓时，回收时需分别回收。与此相对，通过使用本发明的能够应对高紧固力的高强度铝合金螺栓，由于螺栓与被紧固部件材质相同，因此无需分别回收。在上述实施方式中，作为铝基合金制紧固件，以铝合金螺栓为例进行了说明，但并不限定于螺栓，可以适用于所有在轴部形成有外螺纹的铝基合金制外螺纹部件。此外，与外螺纹部件相同，作为在紧固时受拉伸力作用的紧固部件，本发明还可适用于铆钉。铆钉基本上为图1中第2镦锻坯料的形状，不需要进行螺纹的滚丝工序。此外，作为紧固件，本发明也可适用于与螺栓配对的螺母。关于螺母的制造，与螺栓和铆钉不同，不具备轴部，例如，在镦锻等锻压工序之前，对材料施以热处理以提高其强度，之后可利用由锻压工序带来的加工硬化来实现高强度化。