金属ファスナーの金属組織学
ボルト、ネジ、ピン、リベットなどの金属ファスナーは、その複雑な形状により、最も経験豊富な金属組織学者にも問題となる可能性があります。このアプリケーションノートでは、ボルト試験を含む、金属組織学試験用の金属ファスナーを準備するための実証済みの方法と技術を見つけることができます。
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ファスナー - 多くの産業の構成部品の重要な部分
金属ファスナーは、部品や構成部品の固定など、多くの用途で使用されています。これらのファスナーは、多くの場合、構造的安全性の面で極めて重要です。したがって、金属ファスナーは、工程管理および品質管理の両面において、頻繁に金属組織学試験のターゲットになります。金属組織学は、原材料の抽出検査、生産工程の制御と検証、不具合分析、ボルト試験に使用できます。金属ファスナーに対して実施される金属組織学的試験は、寸法のチェックから構造検査、定量分析まで多岐にわたります。
ファスナー技術
ファスナー技術は幅広いファスナーが含まれています。ボルト、ネジ、ピン、リベットなどの金属ファスナーは、2 つの大きなグループに分けることができます。- ボルト、ナット、ネジなどのねじ式ファスナー。
- リベットやピンなどのねじ山のないファスナー。
ファスナーソリューションと材料の選択は、強度、ねじれ、環境条件などのアプリケーションの要件によって異なります。一般的なファスナーの材料と用途：
| 取付金具 | 一般的な用途 |
| 炭素および低炭素鋼 | 一般用途におけるファスナーソリューション |
| 高強度鋼 | 建設および機械工学 |
| ステンレス鋼 | 高い耐腐食性のファスナーソリューション |
| ニッケルとコバルト | 高温用途のファスナーソリューション |
| チタン | 航空機、医療、食品産業 |
| 真鍮と銅 | 装飾用レールとトリミング |
装飾用レールとトリミング
金属組織学分析用に金属ファスナーを準備する金属組織学者には、大きな課題が 2 つあります。
切断 / セクショニング : 断面切断のためにファスナーをクランプする際、金属ファスナーの寸法及び形状が問題になることがあります。
図1: 取り付け前に余分なネジ頭部を切断する
埋込： 金属ファスナーのネジ山と頭部の収縮隙間は、良好な端部保持を妨げ、試料の洗浄を困難にする可能性があります。
図2: ネジ山、収縮間隙によるしみ
これらの課題を克服する方法についての詳細は、 アプリケーションノート をダウンロードしてください。
ファスナー製造およびファスナー技術
ピンやロッドなどのシンプルな非ねじ式金属ファスナーは、最も古いファスナー技術の 1 つです。その後、ねじ式リベット、ねじ、ボルトが生まれ、最初にこれらは貴金属から作られました。ファスナー技術の大きな進展の 1 つは、プレスと圧延の圧力に耐えることができる延性金属の到来でした。この時点で、金属ファスナーの大量生産に冷間成形が採用されました。現在、チップレス成形（圧延）は冷間プレスまたは熱間プレスによる成形で広く使用されています。
金属ファスナーの冷間成形
冷間プレスは、金属ファスナーを製造するための最も一般的な方法です。連続ワイヤが押出プレスに供給されます。次に、ダイを使用してワイヤを圧縮し、正しい形状が形成されるまでワイヤーの直径を小さくします。ねじ山は、冷間圧延によって形成されます。場合によっては、金属ファスナーの表面硬さを上げるために、高周波焼入れが使用されます。
- 高品質の鋼製ファスナーの場合、特定の材料特性を達成するためにさまざまな熱処理が使用されます。
- 低炭素鋼は浸炭処理され、柔らかい延性の中心部を持つ硬質な表面が形成されます。
- 炭素鋼は硬化および焼き戻しされています。
- 非常に高品質の構造用ネジは、最初の成形後に機械加工して、特定の形状、公差、および表面を実現します。
金属ファスナーの熱間成形
熱間成形は、超大型または複雑な形状の金属ボルトに使用できます。
金属ファスナーの防食
腐食保護を改善するために、ファスナーはマンガン、亜鉛、又はリン酸鉄でコーティングされた後、油が塗布されます。より確実な腐食保護が必要な場合、亜鉛またはカドミウムまたはクロムめっきで金属ファスナーをめっきするか、カドミウムおよびアルミニウムで蒸着コーティングすることができます。
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金属ファスナーの製造に関連するさまざまな工程や技術についての詳細は、 アプリケーションノートをダウンロードしてください。
図3: 冷間圧造は、丸いワイヤ材料が「冷間」のままで必要な形状に成形される基本操作です。金属ファスナーの完全性を確保するため、作業は粒子の連続性を保持する必要があります。
図4: ネジ転造では、精密な平行溝を備える2つの平ダイス間で素材が転造されます。冷間成形または熱間成形の工程では、転造されたネジ山は強く滑らかで、材料が無駄になりません。
金属ファスナーの切断と埋込に関する推奨事項
ボルト試験を含む金属組織学試験用の金属ファスナーを準備する際の主な課題は形状です。断面切断を行う際、ヘッドが突き出ているためファスナーをしっかりとクランプすることが困難な場合があります。さらに、ヘッドと曲面のネジ山は、埋込時に収縮による隙間を生じさせる可能性があります。これは、コーティングされた金属では特に重要です。ファスナーのコーティングは良好な端部保持なしには適切に検査できないためです。これらの課題を克服するための簡単な推奨事項を以下に示します。金属組織学分析とボルト試験用の金属ファスナーの試料作製方法の詳細な説明については、 アプリケーションノートをダウンロードしてください。
切断 / セクショニング： 金属ファスナーを固定する方法
- 中型または薄型のネジおよびボルトの場合、切断面作製時にネジまたはボルトを固定するために特別なネジ式ホルダーを使用できます。
- 小さなネジ、リベット、ボルトの場合は、ファスナーを平らに置くことができるように片側のヘッドをトリミングします。埋込後、ファスナーを中心まで研磨します。
埋込み: 金属ファスナー試料の収縮による隙間を避ける方法
- 熱間埋込みでは 、デュロファスト 、ポリファスト 、 レボファスト などの 硬質充填剤を含む熱間圧縮埋込樹脂 を使用してください 。
- 冷間埋込の場合、収縮率が最も低いエポフィックス などのエポキシ樹脂 を使用します。
- 埋込前に、脱脂剤で試料を徹底的に清掃します。
- 非常に小さなネジとボルトは、金属またはプラスチック片をシムとして使用して取り付ける必要があります。次に、ファスナーを中心まで研磨します。
切断と埋込みの詳細について
図5: ネジとボルト用特殊ホルダー。
金属ファスナーの研磨・琢磨に関する推奨事項
金属組織学試験用にファスナーの試料を作製する際、中心まで試料を粗研磨する必要がある場合があります。これは、研磨砥石を使用して自動研磨機で行うことができます。特定の研磨・琢磨方法は、ファスナーの材料に基づいて行う必要があります。ストルアスは長年にわたり、ボルト試験を含む、様々なファスナーソリューション、材料、用途に合わせた特定の試料作製方法を開発してきました。アプリケーションノート全文では、合金鋼ボルトと真鍮ネジの研磨と琢磨の段階的な試料作製方法を解説しています。
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図6： ボルト試験： 継ぎ目による炭素鋼ボルトの頭部の分離（左）、および 3% ナイタールでエッチングされたボルトの継ぎ目の横断面（右）。
** 直径30 mm、埋込済みの6個の試料の値。ホルダーでクランプ。
** 直径30 mm、埋込済みの6個の試料の値。ホルダーでクランプ。
金属ファスナーのエッチング
金属組織学分析用に金属ファスナーの試料を作製する場合、ファスナーの素材に適したエッチング溶液と方法を選択する必要があります。結果の解釈
バリ、亀裂、折り目などの多くの機械的欠陥は、目視検査または非破壊的な方法で検出できます。しかしながら、欠陥の深さを確立するには、さらなる金属組織学試料作製が必要になることがあります。- 通常、微細構造の不具合は、過熱、結晶粒の成長、脱炭などの熱処理が原因です。
- 破断は多くの場合、曲げ、引っ張り、熱サイクルなどの応力に長期間さらされた結果です。
図7: 過熱によって引き起こされる溶融粒界。カリング液でエッチングされたニッケル系合金。
金属ファスナーの微細構造
ピンやボルトなどのねじ式および非ねじ式金属ファスナーは、最も古いファスナー技術の 1 つです。現在も、部品と構成部品の固定に金属ファスナーが広く使用されています。その結果、金属組織学者にとってファスナー試験とボルト試験は非常に一般的な手順です。金属組織学的試験は通常、生産およびその後の熱処理中に生じる機械的および熱的損傷をチェックするために使用されます。
金属組織学的試験用ファスナーの試料を作製する際の主な課題は形状です。ヘッドの形状は、切断プロセス中にファスナーをしっかりとクランプするのを困難にし、一方で、ねじは、埋込時の収縮間隙につながることがあります。これらの課題は、特定の試料作製技術やツールを使用することで克服できます。研磨、琢磨、エッチングの方法の選択は、ファスナーの材料に基づいて行う必要があります。
合金鋼ボルトと真鍮ねじの研磨と琢磨のための段階的な準備方法を含む、試験用ファスナーとボルトの試料作製方法の完全な説明については、 アプリケーションノートをダウンロードしてください。
図8: 5 % ナイタールでエッチングされた脱炭を示すネジ山部分。
