熱処理後のファスナーの水素脆化

ファスナーの水素脆化は、初期の加工中に材料に水素原子が侵入することが原因で発生します。 ほとんどの場合、ファスナーは静的な引張荷重を受けると水素脆化が起こります。 通常の引張試験などの高速材料試験においても水素脆化が発生しにくくなります。 水素原子は通常、材料内の三方向応力を受ける領域のように拡散します。 材料内の応力レベルとシステム内の水素蓄積の程度は、トラップ サイトへの水素拡散の比率に影響します。 トラップ位置に水素が蓄積すると、材料の破壊応力が低下し、その結果、材料に亀裂の形成、亀裂の伝播、破損が発生します。 静荷重を受けた締結具内の水素の膨張は、水素脆化破壊の電流遅延時間によって直接観察できます。 材料の水素脆化傾向、材料の総量、水素拡散率、スピン応力レベルにより、水素脆化破壊時間の遅れは数分から数日または数週間まで大きく異なります。

ファスナーが加工中に水素原子を含む環境に接触したことがある場合は、水素脆化が発生している可能性があります。 鋼の化学反応中に水素を生成する処理を行うと、材料に水素が侵入し、その結果、材料の水素脆化傾向が増大します。 自動車産業で使用されるスチール製ファスナーは、環境腐食、陰極電解油除去、酸脱酸、化学洗浄、黒化、電気メッキなどの化成皮膜処理条件下で活性水素原子と直接接触します。 . 電気めっきプロセスでは水素が生成されるため、スチール製ファスナーの水素吸収に最も大きな影響を与えます。 電気めっきプロセス中に吸収される水素の総量は、電気めっき溶液の効率に大きく依存します。 一般に、高効率の電気めっきプロセスでは、低効率の電気めっきプロセスよりも水素の生成量が少なくなります。 電気めっきドラムにロードされる電気めっき溶液の量が多すぎる、または少なすぎるなどの要因は、電気めっきプロセスの効率に大きな影響を与えます。 （ガイド：ファスナーの表面処理方法）

酸洗い、熱処理後のスケール除去、めっき前処理など、鋼との相互作用時に水素を生成する他のプロセスも無視できません。 ジョンソンの研究では、酸への浸漬が鋼の靭性に及ぼす影響について説明しています。 ファスナー加工中の水素の吸収は累積されます。 1 回の処理で部品に導入される水素だけでは水素脆化を引き起こすのに十分ではありませんが、複数のプロセスで部品に導入される水素が蓄積すると水素脆化を引き起こす可能性があります。

電気めっきまたは洗浄中の水素吸収の悪影響は、電気めっき後の熱処理（通常はベーキング）中に除去または軽減される可能性があります。 水素脆化の程度は通常、ファスナーの強度レベルまたは冷間加工条件によって異なります。 トロイアーノはかつて故障時間と水素含有量および焼成時間との関係を示しました。 ベーキングにより、材料内の水素の蓄積が減少し、故障時間と臨界応力レベルの低下が延長および改善されます。 ここで臨界応力度とは、疲労限界と同様に、それ以下では水素脆化が生じない応力度をいう。

ベーキング時間が十分であるかどうかは、主に材料の硬度レベル、電気めっきプロセス、コーティングの種類、およびコーティングの厚さに依存します。 電気めっき処理後の硬度レベルが低いファスナーは、通常 4 時間未満でベーキングする必要があります。同じメッキですが、硬度レベルが高いファスナーは通常、少なくとも 8 時間ベーキングします。 硬度が 3133HRC の間のファスナーは 8 時間ベーキングする必要があることが示唆されています。硬度が 33 ～ 36HRC のファスナーは 10 時間ベーキングする必要があります。硬度が 36 ～ 39HRC のファスナーは 12 時間ベーキングする必要があります。 硬度が 39 ～ 43HRC のファスナーは、14 時間焼き付けする必要があります。 焼き付けプロセスの配合では、ファスナーの硬度レベルとコーティングの種類も考慮する必要があります。 めっき層は水素拡散バリアとしてある程度の役割を果たし、ファスナーの外部への水素の拡散を妨げます。 一般に、水素は、密なコーティングを通して外部に拡散するよりも、ファスナーなどの緩いコーティングを通して外部に拡散する方が容易です。 亜鉛コーティングとより密度の高いカドミウムコーティングの間には、このような違いさえあります。 水素拡散材をできるだけ多く作るためには、長時間焼成する必要があります。 A.W.グロビンJr. コーティングの厚さが 2.5 μm を超えると、水素が鋼の外に拡散することがより困難になると考えられています。 この場合、亜鉛めっき層が水素の拡散の障害となる。 この場合のベーキング処理により、実際には材料中のさまざまなトラップ位置に水素が再分配されると考えられます。 ファスナーの水素脆化破壊は、すでに自動車業界で幅広い懸念を引き起こしています。 このような故障は予期せず発生するものであり、自動車会社やファスナーサプライヤーにとって大きな負担となり、経済的損失を被るだけでなく、ユーザー満足度や自動車の安全性を脅かすものとなります。

自動車業界では、ファスナーの水素脆化破壊の防止にますます注目が集まっています。 水素脆化が発生したファスナーは、実際の応力が材料の引張強さよりもはるかに低い場合、組み立て後数分以内に早期に破損する可能性があります。 自動車組立工場では、ファスナーの水素脆化破壊は生産効率を大きく低下させます。 水素脆化による故障の可能性がある車両は一台一台検査し、考えられるすべての留め具を信頼性の高い新品の留め具に交換する必要があり、留め具の交換には多大な時間がかかります。 水素脆化により破損したファスナーの交換は、自動車メーカーにとってもファスナーメーカーにとっても大きな負担となります。

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