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応力腐食割れ 忘れたらアカン ものづくり

応力腐食割れを起こすステンレス


耐食性が必要な個所にはステンレス鋼が良く使われます。
しかし、このステンレス鋼もある条件では腐食を起こし
て割れる現象が発生します。たとえば、これは印刷会社
などでインクを攪拌する混合機の撹拌軸に発生した現象です。

主軸の材料は、耐食性を優先するため、ステンレス鋼を
使用しています。使用したステンレス鋼は、鉄の他に合金
元素として、8%のニッケルと18%のクロムを含有
しています。この含有比率から、このステンレス鋼は
8-18ステンレス鋼と呼ばれています。ステンレス鋼
の分類ではオーステナイト系ステンレス鋼になります。




ちなみに、ステンレス鋼と一般に言われるものには、
オーステナイトステンレス鋼の他に、クロムだけを含有
しているフェライト系ステンレス鋼や、マルテンサイト系
ステンレス鋼が有りますが、特に塩酸や硫酸の様な酸化性
の強酸に対して酸化被膜が頑丈で耐食性のあるオーステ
ナイト系ステンレス鋼を使用します。

但し、オーステナイト系ステンレス鋼は、常温でもオーステ
ナイト組織ですので、焼入れしてもマルテンサイト組織に
変態しません。従って強度的にはあまり強くはありません。                                                                        
ここで使用する混合機の撹拌軸は、インクの粘度による撹拌
抵抗が働くだけなので、それほど発生する応力は、大きく
なく耐食性を優先してオーステナイト系ステンレスを使用
しています。

一般に、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性は優秀です
が、金属組織内に腐食に対して比較的弱いクロム炭化物が
析出すると、耐食性が劣化します。クロム炭化物は組織内の
結晶粒界に沿って析出するので、この現象での腐食を粒界腐食
と呼んでいます。

これは、このステンレス鋼の弱点で、酸に対してかなり腐食
します。しかし、その対策としては次のようなものが有ります。

 1.低炭素のオーステナイト系ステンレス鋼を使用します。
  一般に材料記号の最後に"L"が付きます。これは、クロムと
  化合する炭素量を少なくするためで、クロム炭化物の生成
  を少なくするものです。

 2.炭素に対してクロムより親和的なチタン、ニオブなどの第3
  の合金元素を添加してクロム炭化物の生成を妨げるものでです。

 3.クロム炭化物が析出したときは、もう一度高温に加熱する
  とクロム炭化物が組織に固溶します。この時急冷すると
  クロム炭化物は析出することが出来ずに、粒界腐食を防止
  できます。

炭素量を減らしたり、チタン、ニオブ等の合金元素を添加する
方法は、製鋼上の技術ですので、より確実ではありますが価格的
には高くなります。

一方、加熱による固溶後急冷する方法は、熱処理による方法なの
で製造工程での処理になり、材料の入手性に対しては有利になり
ます。この方法は、約1000℃に加熱した後、水に浸漬することに
より急冷します。この方法は、溶体化処理といわれています。

この撹拌機の主軸は溶体化処理をしていましたが、数カ月の稼働
後、折損したとのクレームが発生しました。破面を観察すると、
結晶粒に沿ってジグザグ状に割れが進行したように観察されまし
た。割れの近くを切断して確認すると応力腐食割れであることが
わかりました。

応力腐食割れは、外部応力が引張応力として作用したときに、
設計上許容される負荷よりはるかに小さい負荷であっても、ある
特別な雰囲気や環境により、局部的に割れが発生、進行する現象
をいいます。

撹拌軸断面の割れの様子は、人の毛細血管が生成されるような
形状を示しています。割れの発生部から始まり、内部に向かって
進行します。結晶粒に沿って折れ曲がりながら、途中で分岐を
繰り返し、毛細血管のように細かくなって割れが深部まで入り
込んで行きます。

応力腐食割れを発生させる特別な雰囲気とは、多くの場合塩素
イオンと水酸化イオンを含む溶液です。加わる負荷が小さくて
もこのイオンを含む溶液中では割れが発生することがあります、
理論的にはこの発生メカニズムがまだ充分に解明されていません。

応力腐食割れを回避するためには、使用する雰囲気が変えられ
ない場合、対象鋼の表面を被覆する方法、クロムとニッケルの量
を調整して組織をオーステナイト単相ではなく2相にする方法、
第3の合金元素であるニオブ、モリブデン、アルミニウムなどを
添加する方法などがあります。

応力腐食割れはアルミニウムやジュラルミンにも発生します。
第二次世界大戦で、戦闘機や爆撃機の機体に、当時は原因不明の
割れが発見されました。






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ジャンル : ビジネス

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