機械要素の基礎：ボルト

機械要素の基礎：ボルト

ボルトは、ナットやめねじと組み合わせて部品同士を締結する機械要素であり、産業の米とも呼ばれるほど基本的かつ重要な部品です。自動車、航空機、建築物、そしてスマートフォンに至るまで、あらゆる人工物はボルトによってその形状を留めています。

一見すると単純なネジ山が切られた金属の棒に見えますが、その設計と製造、そして締結のメカニズムには、材料力学、トライボロジー、塑性加工学といった多岐にわたる物理法則が凝縮されています。たった一本のボルトの破損が巨大なプラントを停止させ、あるいは航空機の墜落事故を招く可能性があることからも、その技術的な奥深さと重要性は計り知れません。

締結の物理的原理

ボルトが物を固定できる根本的な理由は、斜面の原理と摩擦力、そして材料の弾性にあります。

らせんとくさび

ねじ山を展開すると、それは直角三角形の斜面になります。この斜面を円筒に巻き付けたものがボルトです。ボルトを回転させることは、重い物体を斜面に沿って押し上げる行為と等価です。回転運動を直線運動に変換するこの機構により、小さな回転トルクを巨大な軸方向の力、すなわち軸力へと増幅させることができます。この軸力によって被締結物同士を強く押し付け、その摩擦力によって部材を固定するのがボルト締結の基本原理です。つまり、ボルトそのものがせん断力に耐えて止めているというよりは、ボルトが発揮する軸力によって生じた部材間の摩擦力が、外力に抵抗しているのです。

弾性体としてのばね作用

ボルトを締め込むとき、ボルト自体は引張力を受けてわずかに伸びています。一方、挟み込まれた被締結物は圧縮されてわずかに縮んでいます。このとき、ボルトは引き伸ばされたばねのように元の長さに戻ろうとする力を発揮します。この復元力が軸力となり、締結状態を維持します。もしボルトや被締結物が剛体であり、全く変形しない物質であったならば、ボルト締結は成立しません。振動や温度変化で微小な変位が生じた瞬間に、軸力がゼロになってしまうからです。ボルトは極めて硬いばねとして機能していると言えます。

形状と幾何学的構造

ボルトの各部位には明確な役割と規格が存在します。

ねじ山の幾何学

現在、世界的に標準として使用されているのはメートルねじであり、そのねじ山角度は60度と定められています。おねじの外径を呼び径とし、M10やM12といった記号で表します。ねじ山の頂点と頂点の距離をピッチと呼びます。並目ねじと細目ねじの二種類があり、一般的には並目が使用されます。細目はピッチが細かく、リード角が小さいため緩みにくい、また有効断面積が大きいため強度が強いという利点がありますが、締め付け回転数が多くなり、かじり付きやすいという欠点もあります。そのため、振動の激しい場所や微調整が必要な場所以外では並目が標準となります。

不完全ねじ部と首下R

ボルトの頭部と軸の境界部分には、応力集中を避けるためにアール、すなわち丸みが付けられています。これを首下Rと呼びます。また、ねじが切られている部分と切られていない円筒部（シャンク）の境界には、ねじ山が完全に形成されていない不完全ねじ部が存在します。ボルトが破壊する場合、応力が集中する首下Rか、ねじ底の断面積が最も小さい第一ねじ山付近が起点となることがほとんどです。したがって、これらの形状管理は疲労強度を確保する上で極めて重要です。

強度区分と材料科学

ボルトの頭部には、4.8や10.9といった数字が刻印されていることがあります。これは強度区分を表す世界共通の識別子であり、ボルトの機械的性質を端的に示しています。

数字の意味

例えば10.9という区分の場合、前の数字10は引張強さが1000メガパスカル以上であることを示し、後の数字9は降伏比が90パーセントであることを示しています。つまり、1000メガパスカルで破断し、その90パーセントである900メガパスカルまでは塑性変形せずに弾性変形で耐えられるということを意味します。一般的に強度区分8.8以上を高力ボルトあるいはハイテンションボルトと呼び、それ以下の4.8などを普通ボルトと呼びます。

材料と熱処理

強度区分に応じて、使用される鋼材と熱処理が決定されます。普通ボルトには低炭素鋼や中炭素鋼が用いられ、熱処理を行わない場合もあります。一方、高力ボルトにはクロムモリブデン鋼（SCM材）やクロム鋼（SCr材）などの合金鋼が用いられ、焼入れ焼き戻し処理が必須となります。特に10.9以上の高強度を得るためには、焼入れによって硬いマルテンサイト組織にした後、適切な温度で焼き戻して靭性を付与する調質操作が不可欠です。この熱処理の良し悪しが、遅れ破壊などのトラブルに対する耐性を決定づけます。

締結管理の理論

ボルトを使用する上で最も難しく、かつ重要なのが、いかにして適切な軸力を与えるかという締結管理です。

トルク管理の落とし穴

現場で最も一般的に行われているのは、トルクレンチを用いたトルク法です。規定のトルクで締め付ければ、規定の軸力が得られるという前提に基づいています。しかし、ここに大きな物理的課題が存在します。かけられたトルクのうち、実際に軸力としてボルトを伸ばす仕事に使われるのは、わずか10パーセント程度に過ぎません。残りの50パーセントはボルト頭部座面の摩擦に、40パーセントはねじ部の摩擦によって熱として消費されます。つまり、軸力は摩擦係数のばらつきに極めて敏感に影響を受けます。潤滑油の有無、メッキの種類、表面の粗さ、作業速度などがわずかに変わるだけで、同じトルクで締めても軸力は倍半分も変わってしまうことがあるのです。これをトルク係数の散らばりと呼びます。

回転角法と塑性域締結

トルク法の不確実性を排除するために用いられるのが回転角法です。着座してから所定の角度だけボルトを回転させる方法です。ねじのピッチは一定であるため、回転角度とボルトの伸び量は比例関係にあります。摩擦の影響を受けずに軸力を管理できるため、エンジンのシリンダーヘッドボルトなどの重要保安部品で採用されています。さらに、ボルトを降伏点を超えて塑性変形する領域まで締め込む塑性域締結という手法もあります。塑性域では応力と歪みの関係がなだらかになるため、多少の角度誤差があっても軸力のばらつきが小さく、材料の強度限界まで使い切ることができる高度な締結法です。

緩みのメカニズム

ボルトは締めることよりも、緩まないようにすることの方が技術的に困難です。緩みには、ボルトが回転して戻る回転緩みと、回転せずに軸力が低下する非回転緩みがあります。

回転緩み

振動や衝撃が加わると、被締結材同士が微小に滑ります。これにより、ねじ面や座面の摩擦係数が一時的に極小化あるいはゼロになる瞬間が生まれます。このとき、ボルトは自らが持つ軸力によって斜面を滑り降りようとするトルク、戻り回転トルクにより、自然に回転して緩んでしまいます。これを防ぐためには、ダブルナットや接着剤、あるいは特殊な座金を用いて物理的に回転を阻止するか、強力な軸力を与えて初期の摩擦力を増大させる必要があります。ユンカー振動試験機などの実験装置を用いて、この耐振動性能が評価されます。

非回転緩み（初期へたり）

締結直後から、ボルトが回転していないのに軸力が低下する現象です。接合面の微細な凹凸が潰れて馴染んだり、塗装膜がクリープ変形を起こしたりすることで、被締結材の厚みがわずかに減少します。前述の通り、ボルトは引き伸ばされたばねであるため、挟んでいるものが薄くなれば、復元力すなわち軸力は失われます。これを初期へたりと呼びます。対策としては、へたりを見越した増し締めを行うか、表面粗さを管理してへたり量を減らすことが求められます。

破壊と寿命予測

ボルトの破壊は、単純な引っ張りによる破断だけではありません。むしろ、疲労破壊や遅れ破壊といった、予期せぬタイミングで起こる破壊が恐れられています。

疲労破壊

繰り返しの荷重がかかる環境では、降伏点以下の応力であっても、長期間の使用により亀裂が発生し、最終的に破断に至ります。ボルトにおける疲労破壊の起点は、応力が集中するねじ底や首下Rです。特に、おねじとめねじが噛み合う第一ねじ山には荷重の30パーセント以上が集中するため、ここが最も破断しやすい箇所となります。対策としては、転造加工によってねじ底に圧縮残留応力を付与することや、十分な初期軸力を与えて外力による応力変動幅を小さくすることが有効です。

遅れ破壊

高強度なボルトにおいて、静的な荷重がかかっている状態で、ある日突然、音もなく脆性的に破断する現象です。主な原因は、製造工程や使用環境から侵入した水素原子が、応力の高い箇所に集積し、結晶粒界の結合力を弱めるためと考えられています。水素脆化とも呼ばれます。引張強さが1200メガパスカルを超えると急激に発生リスクが高まるため、高強度ボルトの使用にあたっては、材料選定やメッキ工程での脱水素処理（ベーキング）が厳格に管理されます。

製造プロセスの技術

ボルトは数万本単位で大量生産されるため、その製造プロセスは高速かつ高精度です。

冷間圧造（ヘッダー加工）

コイル状の線材を常温で金型に打ち込み、塑性変形によって頭部や軸部を成形します。切削加工とは異なり、金属の繊維組織（メタルフロー）を切断しないため、粘り強く強度の高い製品が作れます。これをヘッダー加工と呼びます。

転造加工

ねじ山の形成には、転造という塑性加工法が用いられます。ねじの形状をした硬いダイス（転造平ダイスや丸ダイス）の間に素材を挟み、強い圧力をかけながら転がすことで、素材表面を盛り上げてねじ山を作ります。切削ねじに比べて、組織が緻密になり、表面が加工硬化され、さらに鏡面のように平滑に仕上がるため、疲労強度が大幅に向上します。量産されるボルトのほぼ全ては転造ねじです。