締結部品の焼割れ、トルクの限界オーバー、水素脆化の原因と改善策

ファスナー接続を固定するために広く使用されている機械部品の一種です。 ファスナーは、機械、設備、車両、鉄道などのさまざまな業界で広く使用されており、最も広く使用されている機械基本部品の 1 つです。 その特徴は、仕様が多岐にわたり、性能や用途も多様であり、高度な標準化・シリアル化・汎用化が進んでいることです。 ファスナーが故障すると、重大な結果が生じる可能性があります。 したがって、ファスナーの破損原因の分析を強化し、それに対応する改善策を見つける必要があります。 Xiaorui はファスナーに関する知識の理解に基づいて、次のことを皆さんと共有したいと考えています。

1. 表面焼入れ割れ

表面焼入れ割れとは、焼入れ過程や焼入れ後の室温保存過程で発生する割れを指し、後者は時効割れとも呼ばれます。 焼入れ工程において、焼入れにより発生する応力が材料自体の強度を超え、塑性変形限界を超えると、亀裂の発生につながります。 焼入れ亀裂はマルテンサイト変態の開始直後に発生することが多く、亀裂の分布は特定のパターンに従いません。 ただし、これらは一般に、ワークピースの鋭いコーナーや断面の突然の変化で発生する傾向があります。 マルテンサイト変態域での急速冷却によって生じる焼入れ亀裂は、多くの場合粒内であり、周囲に枝分かれのない真っ直ぐな亀裂が存在します。

高い焼入れ加熱温度により発生する焼入れ割れは結晶粒に沿って分布しており、割れ端は鋭く微細であり、過熱特性を持っています。 構造用鋼ではマルテンサイトのような粗大な針状結晶が観察され、工具鋼では共晶炭化物または角張った炭化物が観察されます。 表面脱炭を行った高炭素鋼ワークピースは、焼入れ後に網目状の亀裂が形成されやすくなります。 これは、焼入れ冷却時の表面脱炭層の体積膨張が未脱炭中心部に比べて小さく、中心部の膨張により表面材が網目状に引っ張られて割れることによるものである。 表面の焼入れ亀裂はボルトの突然の破断を引き起こす可能性があり、そのような破断の原因は表面にあります。

2. 限界を超えたトルク

トルクアラームは通常、組立工程中に発生します。ボルト角度方式でトルクを制御するタイプです。

ファスナーのトルク制限を超える故障モードと理由は次のとおりです。

(1) 組立後の部品の最終トルクが管理上限値を上回る、または管理下限値を下回る場合。 その理由は、部品の組立トルクの管理範囲が無理であり、管理範囲を小さく設定しすぎたり、管理範囲が上下にずれたりすることが原因です。

(2) 設定角度まで仮締めしていない場合、トルクが上限警報に達します。 その理由は、部品自体の摩擦係数が上限を超えたり、部品同士の摩擦係数が上限を超えたり、部品間の干渉により組立トルクが急激に増加したりするためである。

(3) 通常取り付け、トルク下限警報。 原因は、部品自体の摩擦係数が下限値を超えているか、部品の嵌合部の摩擦係数が下限値を超えており、部品の嵌合トルクがイニシャルトルクより大きい（消費トルクが大きすぎる）ためです。ねじ込むとき、これはロックナットを締めるときによく行われます。

3. 水素脆化

ファスナーは水素脆化を起こしやすく、これがファスナー破損の主な原因です。 水素脆化は、水素原子が材料マトリックス全体に入り込み、拡散する現象です。 水素原子が材料マトリックスに入ると格子歪みが発生し、本来の平衡状態が崩れ、外力により割れやすくなります。 外部から負荷が加わった場合、スクリュー、水素原子が高度に集中した応力ゾーンに移動し、結晶境界エッジ間に大きな応力を引き起こし、その結果、ファスナーの結晶粒子間に破壊が生じます。 取り付け前にファスナーに臨界水素が含まれていると、24 時間以内に破損します。 水素がファスナーに入った後、いつ壊れるかを予測することは不可能です。

4. 改善策

4.1 表面焼割れ防止対策：

（1）高周波焼入れ装置とワークピース間のギャップを合理的に調整し、プロセス要件に従って適切な中間周波電源パラメータと焼入れプロセスパラメータを厳密に選択し、製品周囲の均一な温度上昇を確保し、局所的な温度が通常を超えることを防ぎます。焼入れ温度。

(2) クエンチングインダクタの構造を改善し、インダクタの先端と終端の円形断面構造を長方形の断面構造に変更し、終端インダクタと終端インダクタの加熱速度を低減し、終端を防止します。テール部分が急速に加熱され、プロセス制御温度を超えて過剰燃焼を引き起こし、亀裂が生じるのを防ぎます。

(3) クエンチングセンサーのクエンチング遷移領域の導電性磁石の数を減らし、その領域の熱を適切に低減します。

(4)予熱加熱冷却急冷方式を採用し、製品の加熱温度を均一にします。

(5) 中間周波加熱後の冷却時間を適切に延長してください。

(6) セルフテンパリングを実施します。 プロセスの技術パラメータに厳密に従って、急冷冷却剤の圧力、流量、温度、冷却時間を合理的に制御します。 溶射停止後、ワークの余熱を利用して硬化層の温度を上昇させ、自己焼戻しを行うことで高い表面硬度と良好な耐摩耗性を維持し、焼入れ組織を適時安定化し、ピーク引張応力を低減します。

4.2 トルクシステム

トルク管理方法は、まず締め付けます。ボルト小さなトルク、通常は締め付けトルクの 40% ～ 60% (プロセス検証後に決定) まで設定し、この時点から指定された角度制御方法で締め付けを開始します。 この方法は、ボルトが特定の軸方向の伸びを生じ、コネクタが圧縮される特定の角度に基づいています。 これを行う目的は、回転角度によって必要な軸方向のクランプ力を生成しながら、密着面にボルトを締め付けて表面の凹凸を克服することです。 回転角度を計算した後は、軸方向のクランプ力に対する摩擦抵抗の影響がなくなるため、単純なトルク制御方法よりも精度が高くなります。 トルク管理方法のポイントは、回転角度の開始点を測定することです。 この回転角度が決まれば比較的高い締付精度が得られます。

4.3 水素脆化の防止対策

(1) 通常の電気めっきと厳密な水素除去。 金属中の水素の可逆性を利用し、電気めっきボルトに脱水素処理を施すことは、水素脆化を軽減または解消するための重要な方法です。 加工する際は、電気メッキされたスチールボルトをオーブンに入れて加熱してください。 焼成温度は約200℃、焼成時間は鋼材の強度により異なります。 強度が高いほど、焼き時間は長くなります。 ボルト材質中の水素は高温で水素オーバーフローを形成し、水素除去の目的を達成します。

(2) 低水素脆化電気めっき。 低水素脆化電気めっきは、航空機部品の水素脆化を研究するために 1960 年代から 1970 年代に開発されたプロセスで、低水素脆化カドミウムめっき、低水素脆化カドミウムチタンめっき、低水素脆化亜鉛めっきなどが含まれます。メッキ前に応力除去焼戻しが施されており、強酸による酸洗いはできません。 酸化スケールや表面の汚れを除去するためにサンドブラスト処理を行うか、酸化スケールの発生を防ぐために真空熱処理を行う必要があります。 電気めっき工程では、めっき液の配合を調整する一方で、電圧を下げ、電流密度を厳密に制御することで水素粒子の吸着量を減らします。 その後の工程でも水素除去のための厳密なベーキングが必要であり、水素除去時間は少なくとも18時間となります。