专利名称：高强度螺钉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在开有螺纹底孔的相啮合构件上形成内螺纹并进行连接的自攻螺钉、镦头螺钉或螺栓等高强度螺钉。
以往，以镦头螺钉或螺栓为主的自攻螺钉等螺钉类在各种领域里被用作连接装置。这种自攻螺钉只需在相啮合构件上开设螺纹底孔即可自然产生丝锥的作用而旋入，节省由普通的小螺钉(螺栓、螺母)形成连接那样在相啮合构件上预先形成内螺纹的工序，具有能大幅度减轻作业的优点。
这样，由于自攻螺钉需要在相啮合构件上形成内螺纹，因而必需比相相啮合构件坚硬得多，并作为连接装置还必须具有组合的机械性能(耐疲劳性、耐冲击性等)。因此，以往的自攻螺钉一般由低碳结构用钢构成的螺钉毛坯材料经滚轧加工形成螺钉，对其表面进行热处理硬化。也即，使自攻螺钉螺纹部的表面成为与工具钢硬度相同的高碳马氏体，而使自攻螺钉芯部成为富有韧性的低碳马氏体。此外由于螺钉、螺栓类为受拉杆件，表面硬化处理会使韧性损失而降低强度，因而应进行整体淬火及回火(调制)处理。这些都是公知常识。
以往的自攻螺钉由于要在相啮合构件上形成内螺纹，需要大的回转力，因此即使牺牲一些紧固力也会加大螺纹部的螺距使回转所需的力距减小。另一方面，虽然有螺纹部的螺距与小螺钉相同的S坚固螺钉(“S坚固螺钉”为日东精工株式会社注册商标)，但其不适于以大张力连接相啮合构件的用途。一般来说，以往的自攻螺钉如因修理等原因而从相啮合构件中卸下，即不适于再次紧固。也就是，自攻螺钉的螺纹牙在安置到相啮合构件螺纹底孔中而进行旋入时已受到相当的损坏，此外还会由于振动等原因会将螺纹牙的一部分压坏。
因此，以往的自攻螺钉由于材料强度的问题，表面硬化处理的问题，作业性问题等，无法在一次与相啮合构件连接后、取出再次连接，而只考虑了在螺纹底孔中用小的力距来形成内螺纹的初次连接时的作业性。至此说明了螺钉在苛刻的使用状态下的以自攻螺钉为例的以往例子和问题，但以上的说明主要部分也适用于镦头螺钉或螺栓等一般的螺钉。
本发明是鉴于前述的情况而作出的，其目的是提供一种高强度螺钉，其作为自攻螺钉或镦头螺钉或螺栓，使用以往不使用的高强度钢材，并在其表面实施渗碳硬化处理，具有高的张应力和剪切应力，而且表面硬度高；特别是自攻螺钉对相啮合构件的螺纹底孔内螺纹的成形性良好并具有好的连接性及耐久性。本发明的另一目的是提供一种高强度螺钉，它是在将自攻螺钉从相啮合构件卸下后，可以在自攻螺钉形成的内螺纹中旋入小螺钉，具有与小螺钉互换性的。
为了达到上述目的而作出的本发明的高强度螺钉，它是由高强度钢构成的螺钉毛坯材料形成的，至少在螺纹部上进行表面硬化处理而形成表面硬化层的。
这里，前述螺钉毛坯材料最好从含碳量0.20％以上的碳钢、铝镇静钢、镍铬钼合金钢、铬钼合金钢中选择的一种。在这种情况下，最好前述表面硬化处理是连续淬火气体渗碳处理，而且最好把表面硬化层的深度范围设定为0.05-0.3mm。
本发明在公称直径是6mm以下的螺钉场合下，所用的螺钉毛坯材料是碳含量0.09-0.13％(是重量％，以下也是)、锰含量1.00-1.30％、铝含量0.02-0.05％、其他除微量金属元素以外为铁，用一定温度的淬火气体渗碳处理，将表面硬化层的深度范围设定为0.05-0.3mm；在公称直径是8-12mm的螺钉场合下，所用的螺钉毛坯材料是碳含量0.15-0.18％、锰含量1.00-1.50％、铝含量0.02-0.05％，其他除微量金属元素以外为铁，用一定温度的淬火气体渗碳处理将表面硬化层的深度范围设定为0.3-0.7mm，表面硬度是威氏硬度550-700Hv、芯部硬度是威氏硬度200-320Hv，抗拉强度是800-1200N/mm2。
由此，可形成兼有不会受相啮合构件损伤程度的表面硬度和作为拉伸杆件的韧性的高强度螺钉。
此外，前述螺钉是自攻螺钉，最好前述螺纹部的螺距设定为与小螺钉有互换性的螺距，并且前述自攻螺钉形状为S坚固螺钉(“S坚固螺钉”为日东精工株式会社注册商标)的情况下，在一度与相啮合构件连接后卸下时，可以利用最初形成的自攻孔再次连接，还可以换成小螺钉旋入连接。
此外，最好在前述表面硬化层的表面上进行金属镀膜以形成保护覆盖膜、提高耐腐蚀性。
图1是表示本发明的自攻螺钉的典型实施例的S坚固螺钉，(a)是俯视图，(b)是侧视图，(c)是底视图。
图2是说明第1螺钉毛坯材料的连续淬火气体渗碳处理的温度与时间关系的坐标图。
图3是说明第2螺钉毛坯材料的气体渗碳处理的温度与时间关系的坐标图。
下面，对本发明的实施例更详细地进行说明。
本发明的高强度螺钉是由高强度钢构成的螺钉毛坯材料形成，至少对螺纹部进行表面硬化处理，特别进行连续淬火气体渗碳处理，形成深度范围为0.05-0.3mm的表面硬化层的。由此构成具有高拉伸应力和剪切应力，表面硬度高的螺钉。特别是当作为自攻螺钉时，就成为对啮合构件的螺纹底孔具有良好的内螺纹成形性及较大紧固和耐久性的高强度自攻螺钉。本发明的高强度螺钉所用的第1螺钉毛坯材料是用了以往高强度螺栓所用的高强度钢或含碳率0.20％以上的高碳钢或合金钢，具体地说，作为螺钉毛坯材料推荐使用冷锻加工用碳钢(SWRCH220以上的钢)、机械结构用碳钢(S20C、S38C、S45C)、机械结构用合金钢(镍铬钼合金钢(SNCM240、SNCM630)、铬钼合金钢(SCM415、SCM435、SCM440)、铝镇静钢等。最好是含碳率为0.22％以上的碳钢和含碳率为0.2％以上的铝镇静钢。这种第一螺钉毛坯材料的代表性的铝镇静钢的化学成分由以下的表1示出。
此外，本发明所用的第2螺钉毛坯材料，如果使用含碳量0.09-0.18％、锰含量1.00-1.50％、铝含量0.02-0.05％，其他除多种微量金属元素以外为铁的毛坯材料，就可以使深部的组织细化，以制造强度更高的螺钉。更详细地来说，在公称直径是6mm以下的螺钉场合下，是配制成C的含量范围为0.09-0.13％，Mn的含量范围为1.00-1.30％、铝的含量范围为0.02-0.05％，其他Si、P、S、Cu、Ni、Cr等通常钢材中所包含的金属元素为微量，特别使Cu和P大幅度减少，提高Mn含量的毛坯材料。在公称直径是8-12mm的螺钉场合下，是配制成碳含量范围为0.15-0.18％、锰含量范围为1.00-1.50％、铝含量范围为0.02-0.05％，其他除多种微量金属元素以外为铁。这种公称直径是6mm以下的螺钉场合的毛坯材料的代表性化学成分由以下表2示出。
(表1)第1螺钉毛坯材料的化学成分
第2螺钉毛坯材料的化学成分
>[螺钉加工]本发明的高强度螺钉的成形方法是以往公知的方法。即，将前述螺钉毛坯材料构成线材，对该线材的端部进行头部加工以形成头部的同时，按规定长度切断，通过搓丝加工成形螺纹部。本发明的高强度螺钉的一例是如图1所示的自攻螺钉这典型的螺钉形态。图1中所示的被称为S坚固螺钉的自攻螺钉具有头部1和螺纹部2，该螺纹部2从基部到前端，断面由圆形变化为棱圆形(带圆角的三角形)。其他的螺钉形态推荐使用设置圆弧面的自攻螺钉、有头自攻螺钉、高强度自攻螺钉、六角自攻螺钉等。
由于这些S坚固螺钉最先插入相啮合构件的螺纹底孔的螺纹部2前端相对于螺纹底孔为3点接触，因而使接触阻力减小，可以用小的力距在螺纹底孔中形成内螺纹。此外，将前述螺纹部2的螺纹牙的螺距设定成与JIS规定的螺钉零件的分类中被分为小螺钉的那一类相同的螺距，使其具有与小螺钉的互换性。但本发明的自攻螺钉并不局限于前述的螺钉形态，可以是广泛应用的至今已知的自攻螺钉形式。在如前所述地成形的螺钉上进行表面硬化处理，至少在螺纹部表面上形成表面硬化层。可作为表面硬化处理的有渗碳处理、渗氮处理、高频处理、火焰淬火处理等，特别是渗碳处理最好。此外，作为渗碳处理推荐浸碳淬火处理，真空淬火处理、铝淬火处理(アルミ烧入处理)等。而且最好将表面硬化层，即渗碳硬化层的深度设定为第1螺钉的场合是0.05-0.3mm的范围内。如渗碳硬化层的深度小于0.05mm、则硬化效果不佳，而大于0.3mm时不但效果达到饱和，还会由于螺纹部的芯部变脆，不适于高强度的连接。在用第2螺钉毛坯材料时的渗碳硬化层深度。在公称直径是6mm以下螺钉的场合下，设定为0.05-0.3mm的范围，在公称直径是8-12mm螺钉场合下、设定为0.3-0.7mm范围。其理由是和上述一样的。
由于这种表面硬化处理基本上是热处理，对螺钉的机械性能发生很大影响，因而是最重要的工序。即通过必要的热处理同时给与强度与韧性两种相反的性质。
渗碳淬火处理是在钢的表面使碳扩散渗透，一般称为渗碳处理。若进行渗碳淬火，则能够硬化表面，能得到由耐磨的表面和富有韧性的芯部构成的自攻螺钉。渗碳是将产品加热到900℃左右、通过下述反应进行的。
(布德奥反应)
其中，当淬火炉内有过多的氧气时，由于钢材中的碳成分与氧气化合，相反会造成使碳减少的脱碳，实际上在丁烷气体中混合理论量的空气，将由转换炉转换成的RX气体送入淬火炉内，借助载体和少量的浓缩气体进行渗碳。
在渗碳处理中，为了兼顾碳原子向螺钉毛坯材料的渗透性和固溶限度，一般在铁的A1相变点700℃以上温度进行处理。然而，对铬钼合金钢等含有高浓度铬的钢材，若在700℃以上的高温下进行渗碳，则从热力学看会使稳定的铬碳化合物从晶粒边界或层叠缺陷中大量析出。这些碳化物一析出就会使螺钉毛坯材料中固溶的铬量减少，从而使耐腐蚀性显著地降低。此外，如在远远超过铁的再结晶温度(约450℃)下长时间保存，由于螺钉毛坯材料软化，不仅芯部的强度显著降低，并且析出的铬碳化物也会变得粗大，渗碳硬化层的表面硬度达不到威氏硬度Hv600-650以上。另一方面，为了防止螺钉毛坯材料的软化及铬碳化合物的粗大，在将渗碳温度设定在500℃以下的情况下，由于有形成在钢材表面的钝态氧化膜，因而碳原子的渗透困难，不能形成充分的硬化层。因此，在如铬钼钢等含有高浓度铬的钢材中，渗碳处理的温度应该比900℃更低，最好是将渗碳温度设定成500℃-700℃。
本发明的第1螺钉毛坯材料的表面硬化处理所采用的渗碳淬火处理，是称为连续淬火气体渗碳处理。这种连续淬火气体渗碳处理如图2所示，将螺钉加热至温度T1，在一定时间内维持该温度、同时进行渗碳，接着将温度冷却至T2、并将这种状态维持一定时间，最后将温度冷却至T3并将这种状态维持一定时间后进行油冷。这样，抑制螺钉芯部的马氏体量，增大铁素体量后，可以提高韧性。更具体地说，在第1螺钉毛坯材料是铝镇静钢的场合下，温度T1为810℃-900℃，温度T3为760℃-800℃。其中，将温度T1与温度T3的差设定为50℃-100℃。此外，温度T2最好设定为比温度T1与温度T3的中间温度低。而时间t1取决于螺纹部的直径、大约为40分-60分钟。
最后，将进行了前述连续淬火气体渗碳处理的螺钉在240℃-430℃的温度下维持40分-60分钟，进行回火处理。进行了这一连串热处理的螺纹部的表面硬度变为威氏硬度500Hv-600Hv，芯部硬度变为威氏硬度280Hv-350Hv。此外，进行0°至10°的楔块拉伸试验(依据JIS B-1051)，即使在标准负荷下拉伸也不发生脱头现象。实际上，在制作公称直径4mm螺钉场合下，表面硬化层深度是0.06-0.08mm，拉伸强度是1030-1110N/mm2。
本发明的第2螺钉毛坯材料的表面硬化处理所采用的渗碳淬火处理是在一定温度下的淬火气体渗碳处理。这种气体渗碳处理是如图3所示，将螺钉加热至温度T4，在一定时间(t2)内维持此温度并进行渗碳，再进行油冷淬火。具体地说，温度T4是850-900℃、时间t2是40分-60分。此后，将进行了前述的气体渗碳处理的螺钉在220℃-350℃的温度下维持40分-60分钟，进行回火处理。进行了这种热处理的螺纹部的表面硬度(深度0.02mm)变为威氏硬度550Hv-700Hv，芯部(D/4)的硬度为威氏硬度200Hv-320Hv。此外，进行0°至10°的楔块拉伸试验(依据JIS B-1051)，即使在标准负荷下拉伸也不发生脱头现象。另外，在公称直径是6mm的螺钉、表面硬化层深度是0.21-0.22mm场合下，直至断裂的拉伸强度、在10个样品中是890-990N/mm2。特别是在较低温度下进行回火处理的样品的拉伸强度好。此外，将第2螺钉毛坯材料与图2所示的连续淬火气体渗碳处理的相比较，结论是对于这种毛坯材料而言、图3所示的单纯热处理的机械性能好。在前述螺钉表面即使形成表面硬化层，特别是渗碳硬化层也会有耐腐蚀性差的情况。因此，最好在表面硬化层的表面进行金属镀膜、以形成保护膜。这种金属镀膜可用锌镀膜、铬镀膜、黑色铬镀膜、镍镀膜等。
锌镀膜作为铁防锈(手段)而被广泛利用，通过进行铬酸盐处理，成为外观性能和耐腐蚀性能好的保护覆盖膜。铬镀膜在锌镀膜后进行铬酸盐处理，形成铬酸盐覆盖膜，这种铬酸盐覆盖膜耐磨性能，耐腐蚀性能、耐热性能良好。由于黑色铬镀膜耐腐蚀性能好而耐磨性能差，适用于将螺钉保持在使用前的状态。镍镀膜对于空气和湿气远比铁稳定，是耐腐蚀性好的覆盖膜。对这些金属镀膜的种类，可根据目的适当选用。
根据以上所述本发明的高强度螺钉，可以提供一种具有以往所没有的好的机械性能的高强度自攻螺钉，它是用高强度钢构成的第1螺钉毛坯材料形成，由于至少螺纹部进行了表面硬化处理，特别是进行连续淬火气体渗碳处理，形成深度为0.05-0.3mm范围的表面硬化层，因而在具有大的拉伸应力和剪切应力的同时表面硬度高，特别是在作为自攻螺钉的情况下，具有对啮合构件的螺纹底孔形成内螺纹的成形性好，并具有好的连接性和耐久性。
而且，如果使用根据螺钉的公称直径范围、配制组成的第2螺钉毛坯材料，同样根据螺钉的公称直径范围、调整渗碳硬化层而制作螺钉，则可形成表面硬度为威氏硬度550-700Hv、芯部硬度为威氏硬度200-320Hv、拉伸强度为800-1200N/mm2范围的高强度螺钉。特别是通过对芯部硬度的抑制还可提高韧性、改善耐破坏特性。
此外，由于前述螺纹部的螺距设定为具有与小螺钉互换的螺距，而且前述自攻螺钉的形状为S坚固螺钉，因此自攻螺钉具有与小螺钉的互换性，一旦将其从啮合构件中卸下后，可以在自攻螺钉成形的内螺纹中旋入小螺钉。
权利要求
1.一种高强度螺钉，其特征为，它是由高强度钢构成的螺钉毛坯材料形成的，至少在螺纹部上进行表面硬化处理而形成表面硬化层的。
2.按照权利要求1所述的高强度螺钉，其特征为，前述螺钉毛坯材料是从含碳量0.20％以上的碳钢、铝镇静钢、镍铬钼合金钢、铬钼合金钢中选择的一种。
3.按照权利要求1或2所述的高强度螺钉，其特征为，前述表面硬化处理是连续淬火气体渗碳处理，表面硬化层的深度范围设定为0.05-0.3mm。
4.按照权利要求1所述的高强度螺钉，其特征为，在公称直径是6mm以下的螺钉场合下，所用的螺钉毛坯材料是碳含量0.09-0.13％(是重量％，以下也是)、锰含量1.00-1.30％、铝含量0.02-0.05％、其他除微量金属元素以外为铁，用一定温度的淬火气体渗碳处理，将表面硬化层的深度范围设定为0.05-0.3mm；在公称直径是8-12mm的螺钉场合下，所用的螺钉毛坯材料是碳含量0.15-0.18％、锰含量1.00-1.50％、铝含量0.02-0.05％，其他除微量金属元素以外为铁，用一定温度的淬火气体渗碳处理将表面硬化层的深度范围设定为0.3-0.7mm，表面硬度是威氏硬度550-700Hv、芯部硬度是威氏硬度200-320Hv，抗拉强度是800-1200N/mm2。
5.按照权利要求1-4中任一项所述的高强度螺钉，其特征为，前述螺钉是自攻螺钉。
6.按照权利要求5所述的高强度螺钉，其特征为，前述螺纹部的螺距设定为有与小螺钉互换性的螺距。
7.按照权利要求5或6所述的高强度螺钉，其特征为，前述自攻螺钉形状是S坚固螺钉(“S坚固螺钉”为日东精工株式会社注册商标)。
8.按照权利要求1-7中任一项所述的高强度螺钉，其特征为，在前述表面硬化层的表面上进行金属镀膜以形成保护覆盖膜。
全文摘要
本发明提供的一种作为自攻螺钉或镦头螺钉或螺栓使用的高强度螺钉,它是由高强度钢构成的螺钉毛坯材料形成的,至少在螺纹部2上进行表面硬化处理,特别是进行连续淬火气体渗碳处理,以形成深度范围为0.05—0.3mm的表面硬化层的。
文档编号F16B33/06GK1274812SQ00107699
公开日2000年11月29日 申请日期2000年5月19日 优先权日1999年5月21日
发明者尾上广司 申请人:尾上广司