設備故障の根本原因：究極のガイド

機械設備の不具合の原因は、設備そのものの固有の不具合によるものもあれば、設計当初の構造、寸法、調整、材料選定などの設計上の問題によるものなど様々である。また、材料の品質にばらつきがある、内部の残留応力が過大であるなど、部品材料の欠陥に起因する問題もある。

また、製造過程における機械加工、鋳造、鍛造、熱処理、組立、標準部品などの技術的な問題など、製造上の問題も故障の原因となる。さらに、部品の不適切な選択や調整、誤った取り付けなどの組み立て上の問題も、不具合の原因となる。最後に、検査や試験における問題も、機器の故障を引き起こす可能性がある。

I.機械部品の故障

(1) 機械部品の故障の分類

機械部品は、指定された機能を失ったときに故障したとみなされる。部品は、次の2つの状態のいずれかに陥った場合、故障したとみなされる：指定された機能を完了することができない、または、確実かつ安全に使用を継続することができない。

部品の故障は機械設備の故障の主な原因である。したがって、部品の故障パターンを研究し、故障の原因を特定し、改善策を採用することは、機械故障の発生を減らし、機械の寿命を延ばすために大きな意義がある。

機械部品の故障の主な現象は、部品の作動合わせ面の摩耗と損傷であり、部品損傷の最大の割合を占めている。材料の腐食と老化も、部品が加工される過程で避けられない故障の一種であるが、その割合は一般にはるかに小さい。これら2つの故障形態は、基本的に通常の使用条件下における機械部品の主な故障モードを要約したものである。

その他の故障例 疲労破壊 部品の変形は、実際には頻繁に発生し、最も危険な故障形態と考えられているが、そのほとんどは製造や設計の欠陥、あるいは機械の不適切なメンテナンスや使用によるものである。

故障解析とは、部品の摩耗、破壊、変形、腐食などの現象やプロセスの特性や法則を調査・研究し、故障の主な原因を特定し、適切な制御方法を採用することである。

故障解析の目的は、機器の故障率を低減し、機器の耐用年数を延ばすために、修理技術計画を策定するための信頼できる基礎を提供し、故障を引き起こす特定の要因を制御することである。

さらに、故障解析は機器の設計や製造にフィードバック情報を提供し、機器事故の特定に客観的な証拠を提供することもできる。

(2) コンポーネントの摩耗

1) コンポーネントの摩耗パターン

自動車やトラクターなどの機械を構成する部品やコンポーネントのような基本単位はよく知られている。ベアリング、ギア、ピストン・シリンダー・アセンブリなど、多くの部品から構成される摩擦ペアは、外力や熱、化学物質などの環境要因の影響を受けて、最終的に破損するまで一定の摩擦と摩耗を経験する。

すべての機械的故障の中で、摩耗に関連する故障はかなりの割合を占める。したがって、コンポーネントとそのマッチング・ペアの摩耗パターンを理解することは不可欠である。

a) コンポーネントの典型的な摩耗曲線

摩耗は進行性の故障の一種である。例えば、シリンダーの摩耗によって引き起こされる故障は、ファンベルトの破断やコンデンサーの故障のような突発的な故障とは異なり、後者は突発的な故障であるのに対し、摩耗によって引き起こされる故障は消耗的な故障である。

b) 許容摩耗と限界摩耗

2) 研磨摩耗

粒子摩耗としても知られる研磨摩耗は、摩擦対の接触面の間に硬い粒子が存在する場合や、一方の材料の硬度が他方より著しく高い場合に発生し、次のような摩耗現象を引き起こす。 金属切断.

機械摩耗の一種で、接触面に目に見える切削痕が残るのが特徴です。あらゆる種類の摩耗の中で、研磨摩耗はおよそ50%を占め、最も一般的で有害な摩耗形態となっている。

その摩耗率と摩耗強度は高く、機械設備の寿命を著しく低下させ、エネルギーと材料の多大な消費につながる。

摩擦面が受ける応力と衝撃によって、研磨摩耗はさらに3つのタイプに分けられる：チゼル・カッティング・スタイル、高応力研磨スタイル、低応力スクラッチ・スタイル。

a) 研磨摩耗のメカニズム

ひとつは研磨粒子による摩擦面に沿った微小切削プロセスであり、もうひとつは研磨粒子による表面層への交互の接触応力であり、これによって表面層には常に変化する緻密な印象が生じ、最終的には表面疲労による侵食が生じる。

研磨粒子の発生源には、外部の塵や砂、切り屑の侵入、流体の持ち込み、表面の摩耗屑、材料構造の表面の硬い点、介在物などがある。研磨摩耗の顕著な特徴は、摩耗面に相対運動方向と平行な小さな溝があり、らせん状、円状、曲線状の微小な切り屑や一部の粉が見られることである。

b) 研磨摩耗の低減対策

研磨摩耗は、摩擦対の表面に研磨粒子が機械的に作用することによって引き起こされる。したがって、摩耗を低減または除去するための戦略は、次の2つの側面からアプローチすることができる。

i) 研磨材の侵入を減らす

機械装置の摩擦対に外部研磨材が入り込むのを防ぎ、慣らし運転中に発生する切粉を速やかに除去する。

具体的な対策としては、エアフィルターや燃料・オイルフィルターの設置、防塵シール装置の追加、潤滑系統への磁鉄鉱、切粉回収室、オイル汚染インジケーターの設置、エア・燃料・オイルろ過装置の定期的な清掃・交換などが挙げられる。

ii) コンポーネント表面の耐摩耗性の向上

まず、耐摩耗性に優れた材料を選択することができる。

第二に、耐摩耗性が要求され、衝撃荷重を受ける部品については、熱処理や 表面処理 は、構成材料表面の特性を改善し、表面硬度を高め、研磨剤の硬度を超えるように努力するために使用することができる。

第三に、精度の要求がそれほど厳しくない部品については、耐摩耗合金を加工面に溶接して耐摩耗性を向上させることができる。

3) 接着剤の摩耗

粘着磨耗とは、相対的な動きの間に、ある摩擦面から別の摩擦面へ物質が移動することによって生じる磨耗の一種を指す。摩擦面の損傷の度合いによって、接着摩耗は5つのタイプに分類されます。

接着剤摩耗のメカニズム

摩擦ペアが高負荷条件下で作動すると、潤滑不良、高い相対移動速度、摩擦から発生する熱が十分に素早く放散できず、表面温度が非常に高くなる。

ひどい場合には、金属の表面層が軟化または溶融し、表面強度が低下することがある。高圧の表面突起は互いに付着し、その後、相対運動中に引きちぎられる。これにより、弱い方の表面から強い方の表面へと材料が移動し、焼き付きやひっかきなど、摩擦ペアの壊滅的な損傷につながる。

接着剤の摩耗を減らすための対策

a.摩擦ペアの表面状態のコントロール

摩擦面がきれいで滑らかであればあるほど、接着剤の摩耗が起こりやすくなる。 表面粗さ が小さすぎる。金属表面には吸着膜があることが多く、塑性変形や100～200℃の温度上昇によって吸着膜が破壊され、いずれも接着剤の摩耗につながる。

接着剤の摩耗を減らすには、負荷、温度、速度、その他の作業条件に基づいて適切な潤滑剤を選択する必要があります。

また、必要な潤滑条件を確立するために、潤滑油に添加剤を加えることもある。大気中の酸素は、金属表面に保護酸化膜を形成し、金属の直接接触や付着を防ぎ、摩擦や摩耗を減らすことができる。

b.を制御する。 素材構成 摩擦ペア表面の微細構造

接着摩耗は、固溶体や金属間化合物を形成する傾向が強いため、材料組成や微細構造が類似した2つの金属材料間で最も発生しやすい。

したがって、摩擦ペアの材料は、固溶体を形成する傾向が最も少ないもの、つまり、異なる材料組成と結晶構造を持つものでなければならない。

摩擦対の一方の表面を鉛、錫、銀、銅などの金属、または軟質合金で覆うことで、耐接着摩耗性を高めることができる。ベアリング・ライナーの表面材にバビットメタルやアルミニウム青銅のような材料を使用すると、耐付着摩耗性を向上させることができる。また、鋼鉄と鋳鉄の組み合わせも、粘着磨耗に対して優れた性能を発揮します。

c.熱伝達条件の改善

熱伝導性の良い材料を選択し、摩擦対を冷却したり、適切な放熱対策を講じることで、摩擦対の相対運動時の温度を下げ、摩擦対表面の強度を維持することができる。

4) 疲労摩耗

疲労摩耗とは、摩擦対表面の局所的な部分に周期的な接触応力を受けて形成される疲労亀裂により、材料の微小粒子が脱落する現象を指す。摩擦ペア間の接触と相対運動によって、疲労摩耗は転がり疲労摩耗と滑り疲労摩耗に分けられる。

疲労摩耗のメカニズム

疲労摩耗のプロセスは、亀裂の形成と拡大、微小粒子の形成と脱落という破壊的プロセスである。摩耗と粘着摩耗は、摩擦対の表面との直接接触に関係する。潤滑剤が2つの摩擦面を隔てている場合、これら2つの摩耗メカニズムは機能しない。

疲労摩耗は、摩擦面の間に潤滑油があって直接接触していなくても、潤滑油膜を通して伝わる応力によって発生する。

摩耗摩耗や接着摩耗と異なり、疲労摩耗はすぐに発生するわけではなく、ある応力サイクルの回数が経過すると微細な粒子が脱落し、摩擦対の機能を失う。疲労摩耗のメカニズムは、亀裂の発生部位によって次の2つのケースに分けられる。

a.転がり接触疲労摩耗

転がり軸受やトランスミッションギアなどの相対する転がり摩擦対の表面に、深さの異なるトゲ状またはポックマーク状のピット（深さ0.1～0.2mm以下）や、より大きな面積の粒子脱落が発生するのは、転がり接触疲労摩耗によるもので、ピッティング摩耗またはスポーリング摩耗とも呼ばれる。

b.摺動疲労摩耗

2つのすべり接触物体の場合、せん断応力は表面から0.786bの深さ（bは平面接触部の幅の半分）で最大となり、ここで塑性変形が最も激しくなる。周期的な荷重の下で変形が繰り返されると、材料表面の局所的な強度が弱くなり、亀裂はまずここで発生する。

摺動摩擦によるせん断応力と法線荷重の複合作用により、最大せん断応力が0.786bからより深い表面へと移動し、摺動疲労摩耗が生じる。剥離層の深さは通常0.2～0.4mmである。

疲労摩耗を軽減または除去するための戦略

疲労摩耗を低減または除去するための戦略には、主に以下の2つの側面において、き裂の形成と拡大に影響する要因を制御することが含まれる。

a.材料の適切な選択と熱処理

鋼材に非金属介在物が存在すると応力集中が生じやすく、介在物のエッジはクラックを形成しやすいため、材料の接触疲労寿命が短くなります。材料の微細構造と内部欠陥も摩耗に大きく影響する。

一般に、小さく均一な結晶粒と球状に分布した炭化物は、転動疲労寿命を向上させる。炭素含有量が マルテンサイト は、未溶解炭化物の同条件で約0.4%-0.5%であり、材料の強度と靭性はバランスよく、接触疲労寿命は高い。

について 未溶解 炭化物を少なく、細かく、均一にする適切な熱処理を施すことで、疲労亀裂をなくすことができる。また、一定の範囲内で硬度を上げると、接触疲労に対する抵抗力が増す。

例えば、こうだ、 軸受鋼 表面硬度は約62HRCで抗疲労摩耗能力が最大となる。歯車の歯の場合、58～62HRCの硬度範囲が最適です。

さらに、2つの接触転動体の硬さを合わせることも重要です。例えば、転がり軸受の場合、軌道面と転動体の硬さは同程度か、転動体の方が軌道面より10%程度硬いのが適切です。

b.表面粗さの適切な選択

経験から、表面粗さを適切に低減することが、抗疲労摩耗能力を向上させる効果的な方法であることが分かっている。例えば、転がり軸受の表面粗さをRa 0.40μmからRa 0.20μmに低減すると、寿命は2～3倍になり、Ra 0.20μmからRa 0.10μmに低減すると、寿命は2倍になる。

しかし、Ra 0.05μm以下に下げても寿命延長にはほとんど影響しない。表面粗さの要求は、表面の接触応力と関係している。通常、接触応力が高い場合や表面硬度が高い場合は、表面粗さを小さくする必要がある。

加えて、表面応力の状態、フィッティング精度の度合い、そして、その性質も重要である。 潤滑油 はすべて、疲労摩耗の速度に影響する可能性がある。一般的に、過度の表面応力、小さすぎたり大きすぎたりするはめあいクリアランス、使用中に潤滑油から発生する腐食性物質はすべて、疲労摩耗を悪化させる可能性がある。

5) 腐食性摩耗

腐食摩耗のメカニズム

摩擦の過程で、金属は同時に周囲の媒体と化学的または電気化学的に反応し、金属表面に腐食生成物の形成と剥離を引き起こす。この現象は腐食摩耗と呼ばれる。

腐食と機械的摩耗の組み合わせによって形成される摩耗現象であるため、そのメカニズムは摩耗摩耗、接着摩耗、疲労摩耗とは異なる。非常に複雑な摩耗プロセスであり、高温または多湿の環境で頻繁に発生し、酸、アルカリ、塩などの特殊な媒体が存在する条件下で発生しやすい。

腐食性媒体と材料の特性により、腐食摩耗は一般に酸化摩耗と特殊媒体中の腐食摩耗の2つに分類される。

a.酸化摩耗

この種の摩耗は酸化摩耗と呼ばれ、空気中または潤滑油中の酸素の作用によって摩擦面に形成された酸化皮膜が、機械的摩擦によって速やかに除去されることで発生する。産業界で使用される金属の大部分は、酸化されると表面に酸化皮膜を形成し、この酸化皮膜の特性が摩耗に大きな影響を与えます。

金属表面に下地と強固に結合した緻密で無傷の酸化皮膜が形成され、その皮膜が良好な耐摩耗性を有していれば、摩耗は軽微なものになる。

しかし、皮膜の耐摩耗性が悪いと摩耗が激しくなる。例えば、アルミニウムもステンレス鋼も酸化皮膜を形成しやすいが、アルミニウムは表面の酸化皮膜の耐摩耗性が悪く、ステンレス鋼は耐摩耗性が良いため、アルミニウムよりもステンレス鋼の方が耐酸化摩耗性が強い。

b.特殊媒体中の腐食摩耗

環境中の酸やアルカリなどの電解質の作用によって摩擦面に形成された腐食生成物が、機械的摩擦によって速やかに除去される摩耗形態を、特殊媒体中腐食摩耗と呼ぶ。

この摩耗のメカニズムは酸化摩耗と類似しているが、摩耗率ははるかに高い。媒体の性質、環境温度、腐食生成物の強度、付着力、その他の要因がすべて、摩耗率に大きな影響を与える。

この種の腐食摩耗は、例えば流体輸送ポンプで発生する可能性が非常に高く、腐食性の流体、特に固体粒子を含む流体を輸送する場合、流体と接触するすべての部品が腐食摩耗にさらされることになる。

腐食摩耗の低減対策

a.適切な材料を選択し、表面に酸化防止処理を施す。摩擦面の耐酸化摩耗性を高めるために、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステンなどの元素を含む鋼を選択することができる。

あるいは、注射のような強化治療もある。 ピーニング とロールプレス、または陽極処理を摩擦面に適用することで、金属表面に緻密な構造または酸化皮膜を形成し、耐酸化摩耗性を向上させることができる。

b.特定の媒体の作用による腐食摩耗の場合、腐食媒体の形成条件を制御し、適切な耐摩耗材料を選択し、腐食媒体の作用方法を変更することによって、摩耗速度を低減することができる。

6) フレッティング摩耗

フレッティング摩耗は、2つの固定接触面が微振幅の振動を経験したときに発生し、主にキー接続面、干渉面またはトランジションフィット面、または機械本体のボルトやリベットで接続された面など、比較的静止した部品界面に現れます。そのため、見過ごされがちです。

フレッティング摩耗の主なリスクは、フィッティング精度の低下、干渉嵌合部品の干渉性の低下、さらには緩みである。接続部の緩みや分離につながり、ひどい場合には事故を引き起こす可能性もある。また、フレッティング摩耗は応力集中を引き起こし、次のような事態を引き起こす可能性もある。 疲労破壊 コネクタの

i) フレッチング摩耗のメカニズム

フレッティング摩耗は、研磨摩耗、接着摩耗、酸化摩耗を含む複合タイプの摩耗である。フレッティング摩耗は通常、接触応力によって接触面の微細な突起が塑性変形し、金属が付着する局所領域に集中する。

微振幅の振動の繰り返しで接着点が剪断され、剪断面が酸化する。接触面は接触を失わないため、摩耗粉は容易に排出されない。これらの粒子は、振動により接触面で研磨剤として作用するため、フレッティング摩耗は接着摩耗、酸化摩耗、研磨摩耗の組み合わせとなる。

ii) フレッチング摩耗を低減または除去するための対策

実際の経験から 材料特性荷重、振幅の大きさ、温度は、フレッティング摩耗に影響を与える主な要因である。したがって、フレッティング摩耗を低減または除去するための主な戦略には、次のようなものがある：

a) 素材特性の改善

適切な材料の組み合わせを選択し、硬度を上げることで、フレッティング摩耗を減らすことができる。一般的に、接着性の良い材料はフレッティング摩耗にも強く、接着性の悪いアルミニウムと鋳鉄、アルミニウムとステンレス鋼、工具鋼とステンレス鋼のような組み合わせはフレッティング摩耗の影響を受けやすい。

炭素鋼の表面硬度を180HVから700HVに上げると、 フレッチング摩耗を50%減らすことができる。表面硫化処理またはリン酸塩処理、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）コーティングも、フレッティング摩耗を減らす有効な対策である。

b) 負荷をコントロールし、プレストレスを増加させる

ある条件下では、フレッティング摩耗量は荷重とともに増加するが、増加率は連続的に減少する。ある臨界荷重を超えると、摩耗は減少する。したがって、干渉フィットのプレストレスまたは干渉を制御することで、フレッティング摩耗を効果的に遅らせることができます。

c) コントロール・アンプリチュード

実験によると、振幅が小さい場合は摩耗率も小さい。しかし、振幅が50～150μmになると、摩耗率は著しく増加する。したがって、振幅を30μm以内に効果的に制御する必要がある。

d) 適切な温度管理

0℃以上の低炭素鋼では、温度が上昇するにつれて摩耗量は徐々に減少する。150～200℃で急激に摩耗量が減少するが、温度が上昇し続けると摩耗量は増加する。温度が135℃から400℃まで上昇すると、摩耗量は15倍まで増加する。中炭素鋼の場合、フレッチング摩耗のターニングポイントは一定条件下で130℃である。この温度を超えると、フレッティング摩耗量は著しく減少する。

e) 適切な潤滑剤の選択

実験によると，通常の液体潤滑剤はフレッチング摩耗を防止する効果がない。高粘度、高滴点、高せん断抵抗の潤滑グリースはフレッティング摩耗防止に一定の効果がある。最も効果的なのはMoS2などの固体潤滑剤である。

7) 摩耗の管理

コントロール要因

摩耗に影響を与える要因は複雑であるが、材料特性、運転条件、幾何学的要因、作業環境という4つのカテゴリーに大別することができ、それぞれのカテゴリーには多数の特定の要素が含まれる。

注目すべきは、すべての摩耗プロセスにおいて、これらの要因を包括的に考慮する必要があるわけではないということである。ある摩耗状態に対して、いくつかの要因は極めて重要で考慮が必要であるが、他の要因は重要でなかったり、関連性がなかったりすることもある。

摩耗部品の材料選択に関する一般的な考慮事項

どのような摩耗条件であっても、部品の摩耗を抑制し、製品の品質を確保するためには、材料を正しく選択することが極めて重要です。適切な材料を選択するための最初のステップは、部品の運転条件と環境を詳細に理解することです。これに基づいて、部品の全体的な性能要件が決定されます。

一般的に、これらの全体的な性能要件は、非三部族的性能要件とトライボロジー的性能要件の2つの主要なカテゴリに分けることができます。トライボロジー以外の性能要件はさらに、一般的な性能要件と特殊な性能要件の2種類に分けられる。

滑り軸受を例に考えてみよう。機械部品である以上、一定の強度、塑性加工性、切削加工性、コストパフォーマンスが要求される。

しかし、すべり軸受としては、適切な硬度と良好な熱伝導性も必要であり、これは非三稜郭的な性能要件の中でも特別な要件である。

もちろん、摩擦部品として最も重要なのはトライボロジー的な性能要件であり、そのため個別に分類されている。これには通常、表面の損傷状態、摩擦係数、摩耗率、動作限界などが含まれる。

摺動摩耗の場合、表面の損傷状態や傾向は、主に対になる材料間の相溶性に依存する。先に述べたように、相互の溶解度が高い2つの金属は、強く接着または溶着し、傷や結合を引き起こすことがある。これは、鉄基合金、ニッケル基合金、チタン合金、および アルミニウム合金.

しかし、焼入れ鋼のような硬度60HRC以上の高硬度材はこの制限を受けない。

摩擦係数については、ブレーキ装置など、特に考慮しなければならない状況もある、 締め付け 装置、および一部の伝動装置。一般に、摩擦係数はシステムの動的性能、材料の表面応力、表面温度、システムに必要な電力を決定する。

摩耗率に関しては、部品の寿命に直接影響するものであり、材料選択におけるその重要性は明らかである。重要なのは、異なる使用条件下での摩耗メカニズムが大きく異なる可能性があることを強調することである。

異なる摩耗メカニズムや摩耗タイプの摩耗速度を低減するために、材料に要求される性能は完全に同じではありません。したがって、摩耗部品の材料を選択する際の重要なポイントは、まず支配的な摩耗メカニズムを決定することである。

(3) 部品の腐食損傷

部品の腐食損傷とは、次のような化学反応または電気化学反応によって引き起こされる、表面材料の損失、表面品質の破壊、内部結晶構造の損傷の現象を指す。 金属材料 と周囲の媒質が混ざり合い、最終的に部品の故障につながる。

金属部品の腐食損傷には次のような特徴がある：損傷は常に金属表面層から始まり、多くの場合、ピット、斑点、破裂などの外部変化を伴う。損傷した金属は酸化物や水酸化物などの化合物に変化し、錆びた金属に付着した酸化鉄層のように、金属表面に部分的に付着した腐食性物質を形成する。 鋼板.

1) 腐食の種類 ダメージ

金属と媒体の相互作用のメカニズムに基づき、機械部品の腐食損傷は化学腐食と電気化学腐食の2つに大別できる。

機械部品の化学腐食

化学腐食とは、電流を発生させずに金属と媒体の化学反応によって引き起こされる腐食を指し、媒体は非導電性である。

化学腐食の原因となる媒体には、一般に、乾燥空気や高温ガスなどの媒体中で発生する気体腐食と、有機液体やガソリン、潤滑油などの媒体中で発生する非電解質溶液中の腐食の2つの形態がある。

金属と接触すると化学反応を起こして表面皮膜を形成し、皮膜が常に剥がれ落ちて再生するため、部品が腐食する。

ほとんどの金属は、室温の空気中で自然に酸化する。しかし、ひとたび表面に酸化被膜が形成されると、金属と媒体間の物質移動を効果的に隔離することができれば、それは保護膜となる。酸化膜が酸化反応を効果的に防ぐことができなければ、金属は酸化され続け、腐食損傷を受けることになる。

金属部品の電気化学的腐食

電気化学的腐食は、金属が電解質物質と接触することで発生する。ほとんどの金属腐食は電気化学的腐食に該当する。金属電気化学腐食の特徴は、腐食を引き起こす媒体が導電性電解質であり、腐食プロセス中に電流が発生することである。電気化学的腐食は、化学的腐食よりも一般的であり、かなり強力である。

2) 機械部品の腐食損傷を低減または除去するための戦略

適切な材料選択

次のような環境条件や用途に応じて、適切な耐食性材料を選択する。 合金鋼 ニッケル、クロム、アルミニウム、シリコン、チタンなどの元素を含むもの。可能であれば、ナイロン、プラスチック、セラミックなどの素材を使用するようにしてください。

合理的な構造設計

部品構造を設計する際には、全域にわたって均一な状態を保つように努め、合理的な設計、単純化された形状、適切な表面粗さを実現する。構造的な応力集中、熱応力、流体の滞留と蓄積、局所的な過熱、および類似の現象と同様に、著しい電位差のある金属間の接触は避けるべきである。

保護コートの塗布

金属表面を亜鉛メッキ、クロムメッキ、モリブデンコートなどの耐食性金属保護層で覆い、金属を媒体から隔離して腐食を防ぐ。 非金属 保護層や、油性塗料、ポリ塩化ビニル、グラスファイバーなどの化学的保護層を施すこともできる。

あるいは、リン酸塩処理、ブルーイング処理、不動態化処理、酸化処理などの化学的または電気化学的方法を用いて、金属表面に化合物の薄膜を被覆することもできる。

電気化学的保護

電気化学的腐食は、金属電解質溶液中で陽極と陰極の領域が形成され、一定の電位差が生じ、化学電池が形成されることによって引き起こされる。電気化学的保護では、保護すべき機械部品を直流電流で分極し、この電位差をなくす。

ある電位に達すると、保護された金属の腐食を最小限に抑えるか、あるいはなくすことができる。この方法は、媒体が導電性で連続的であることを必要とする。

腐食防止剤の添加

腐食媒体に少量の腐食防止剤を添加することで、腐食を抑えることができる。腐食防止剤はその化学的性質により、無機系と有機系に分けられる。

無機抑制剤は金属表面に保護層を形成し、重クロム酸カリウム、硝酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウムなどのように金属を媒体から隔離することができる。有機化合物は金属表面に吸着し、金属の溶解を抑え、還元反応を阻害することで、金属の腐食を緩和することができる。

例えば、アミン塩、寒天、動物用接着剤、アルカロイドなどである。防錆のために腐食防止剤を使用する場合は、その種類、濃度、有効時間に特に注意する必要がある。

環境条件の変化

この方法は、強制換気、除湿、二酸化硫黄のような有害ガスの除去など、腐食性物質を環境から除去し、腐食によるダメージを軽減するものである。

(4) 部品の破損

1) 破砕の種類

破断とは、特定の要因による応力またはエネルギー負荷のサイクルを繰り返した後に、部品が破損することを指す。部品が破断した後に形成される表面は破断面と呼ばれる。破壊には多くの種類があり、破壊の原因と密接に関連しているが、工学的には5つの種類に区別される。

過負荷骨折

このタイプの破壊は、外力が部品の臨界断面が耐えられる限界応力を超えたときに起こる。破断面は、材料の引張試験における破断面に似ています。鋼のような延性材料の場合、破断前に顕著な塑性変形が見られ、破断面はネッキングを示し、延性破断として知られるカップコーン状に見える。

破損の原因は、設計、材料、工程、使用荷重、環境などの側面から分析する必要がある。鋳鉄のような脆性材料の場合、破壊前の塑性変形はほとんどなく、破壊は非常に急速に進行する。

破壊面は平滑で明るく、法線応力に対して垂直であり、脆性破壊として知られている。脆性破壊には明らかな前兆現象がないため、事故の発生は突発的であり、非常に危険な破壊損傷形態である。現在、ほとんどの破壊研究は脆性破壊に焦点を当てている。

腐食破壊

このタイプの破壊は、腐食性媒体の影響を受けた部品が、その引張強さよりも低い応力を交互に受け、時間の経過とともに破壊に至ることで起こる。破面の巨視的な外観は、延性材料であっても脆い特徴を示す。

亀裂は多くの場合、表面で発生し、多発性である。腐食特性は亀裂表面で観察できる。

低応力脆性破壊

ひとつは、不適切な製造工程や低い使用環境温度によって材料が脆くなり、低応力下で脆性破壊を起こす場合である。

一般的な例は、鋼の調質脆性と低温脆性である。もう一つは水素誘起脆性破壊で、水素の影響により材料の降伏限界以下の応力で破壊するものである。

水素誘起脆性破壊における亀裂の発生源は表面直下にあり、一点ではなく小さなパッチである。亀裂伝播領域は酸化した粒状粒子として現れ、破断領域とは対照的で、破断面は巨視的に平滑である。

クリープ破壊

金属部品が一定の温度と応力に長期間さらされると、材料の降伏限界より低い応力下でもゆっくりと塑性変形が起こり、最終的には部品の破壊に至る。

クリープ破面近傍には大きな変形が見られ、粒界破面を中心とした多くのクラックが見られる。破面には酸化皮膜があり、クリープ空洞が観察されることもある。

疲労破壊

疲労破壊とは、金属部品に一定回数の繰り返し荷重または交番応力が加わった後に誘発される破壊現象である。機械部品の破損では、疲労破壊が大きな割合を占め、約50%から80%である。

シャフト、ギヤ、内燃機関のコネクティングロッドなどは交番荷重を受け、その破壊のほとんどは疲労破壊である。

疲労破壊表面の巨視的特徴は、疲労起点領域、疲労き裂伝播領域、および瞬間破壊領域の3つの領域に明確に分けることができる。疲労起点領域は、疲労き裂が最初に形成される領域で、通常は部品の表面に発生します。

しかし、材料表面が硬化していたり、内部欠陥があったりすると、表面直下や部品内部でも発生することがある。疲労の起点となる領域は、多くの場合、表面が滑らかできれいな小さな領域であり、ビーチマークは目立ちません。

疲労き裂伝ぱ部位の最も顕著な特徴は、巨視的な疲労条痕と微視的な疲労線である。疲労線条は、疲労起点を中心とした同心円または円弧をおおよそ形成し、き裂進展方向に対して垂直に、水の波紋のように外側に広がっていく。

瞬時破壊領域は、疲労き裂が臨界サイズまで拡大したときに発生する急速破壊領域である。その巨視的な特徴は、静荷重における急速破壊領域やせん断リップと類似している。 引張破壊.

様々なタイプの破面の巨視的な外観を図1〜4に示す。破断した部品の破断面を観察することで、破断の性質や種類を推測し、破損の原因を突き止め、防止策を講じることができます。

2) 破損解析とその対策

破損解析 - ステップは以下の通り：

a.現地調査

骨折が起きたら、必要に応じて写真やビデオを撮るなどして、骨折前後の状況を速やかに調査・記録することが重要です。折れた部分の破片は、酸化、腐食、汚染を防ぐために慎重に保存しなければならない。

破壊の特徴が特定され、写真に撮られるまでは、移動させたり、洗浄したりすべきではない。また、その時の作業条件、作業状況、周囲の環境も徹底的に調査し、記録すべきである。

b.一次故障部品の分析

重要な部品が破損すると、他の関連部品も破損することがよくあります。このような場合、事象の順序を明確にし、主要な破壊構成要素を正確に特定することが極めて重要であり、これを怠ると解析結果を誤らせる可能性がある。

一次破損部品は粉々に砕けることがあり、その破片を集めて再組み立てし、主要な亀裂である最初の亀裂を特定する必要がある。

c. 破壊分析

肉眼または20倍以下の低倍率の拡大鏡で破損部を観察し、分析する。分析に先立ち、損傷部に付着している油汚れを除去する。

亀裂に付着した錆は、化学的または電気化学的に酸化被膜を除去することができる。亀裂の形態、亀裂の位置、亀裂と変形方向との関係を注意深く観察し、亀裂と関係する力との関係や亀裂起点の位置を特定する。

骨折の原因と性質を特定し、顕微鏡分析の基礎とする。

次に、金属組織顕微鏡や電子顕微鏡を用いて破面の微視的分析を行い、破面の形態と微細構造の関係、破面過程における微視的領域の変化、破面の金属組織や介在物の性質、形状、分布、微小硬度、亀裂の起源の分析を行う。

d.検査

金属組織、化学組成、機械的特性の検査を実施し、材料に巨視的または微視的な欠陥がないか、亀裂の分布と発生がないか、金属組織は正常かどうかを調査する。金属の化学組成が要件を満たしているかどうか、通常の機械的特性が満足のいくものであるかどうかを確認する。

e.故障原因の特定

部品の破損原因を判断する際には、部品の材質、製造工程、荷重条件、組立品質、使用年数、使用環境の媒体や温度、類似部品の使用状況などを考慮します。これらに破壊の巨視的および微視的特徴を組み合わせて正確な判断を下し、破壊の一次的および二次的原因を特定する。

対策の決定

破断の原因を特定した上で、以下の観点から対策を検討する：

a.デザイン

部品の構造設計では、応力集中を最小限に抑え、環境媒体、温度、荷重の性質に応じて合理的に材料を選択するよう努める。

b.プロセス

表面強化処理は部品の疲労寿命を大幅に向上させ、適切な表面コーティングは不純物による脆性破壊を防ぐことができる。ある種の材料の熱処理では、炉内に保護ガスを導入することで、その特性を大幅に向上させることができる。

c.設置および使用

第一に、ストレスや振動が加わらないように正しく設置し、重要な部品がぶつかったり傷ついたりしないようにします。第二に、適切な使用方法に注意し、装置の動作環境を保護し、腐食性媒体からの腐食を防ぎ、品目の異なる部分における過度の温度差を防止する。例えば、冬季の生産時には、しばらくの間、低速でアイドリングする必要がある機器もあり、すべての部品が予熱された後でなければ、負荷をかけて運転することはできない。

(5) コンポーネントの変形

1) コンポーネントの変形の基本概念

機械装置の運転中、変形とは加えられる力によって部品のサイズや形状が変化することを指す。過度の変形は機械的破壊の重要なタイプであり、延性破壊の明らかな兆候である。

機械部品の中には、変形が原因で、組み立てられた部品にさらなる荷重をかけたり、摩耗を早めたり、さまざまな部品間の相互関係に影響を与えたり、あるいは骨折などの致命的な結果につながるものもある。

例えば、各種ドライブシャフトの曲がり、橋型クレーンのメインビームのたわみやねじれ、自動車のメインビームのねじれ変形、シリンダーブロックやギアボックスのケーシングのような基本コンポーネントの変形などの変形は、それらの中で位置精度を損なう可能性があります。変形量が許容限度を超えると、部品は所定の機能を失う。

2) 部品の変形の種類

金属の弾性変形

弾性変形とは、金属の変形のうち、外力を取り除いた後に完全に回復できる部分を指す。

弾性変形のメカニズムは、結晶中の原子が外力を受けて元の平衡位置からずれ、原子間の距離が変化し、結晶格子が伸びたりねじれたりすることである。

そのため、弾性変形量は非常に小さく、一般的に材料の元の長さの0.10%から1.0%を超えることはありません。さらに、金属は弾性変形の範囲内でフックの法則に従う、すなわち応力はひずみに正比例する。

多くの金属材料は、弾性限界以下の応力下で遅れ弾性変形を起こす。ある大きさの応力下では、試験片はある平衡ひずみを生じる。

しかし、この平衡ひずみは応力下で即座に発生するものではなく、完全に発生するには十分な長時間の応力が必要である。応力が取り除かれた後、平衡変形は即座に消失するわけではなく、完全に消失するには十分な時間が必要である。

材料が弾性変形する際に、平衡ひずみが応力より遅れて発生する現象は、弾性遅れ現象として知られており、弾性残効とも呼ばれる。

冷間矯正を施したクランクシャフトなどは、時間が経つと再び曲がってしまうが、これは弾性残効による現象である。弾性残効をなくすには、長時間の矯正が必要です。 アニール標準鋼部品のアニール温度は300～450℃である。

金属部品は、その使用中に設計許容範囲を超える過大な弾性変形を起こすと、部品の正常な動作に影響を及ぼします。例えば、ドライブシャフトの使用中に過度の弾性変形が生じると、シャフト上のギアの噛み合いが悪化し、ギアとそれを支えるローラーベアリングの寿命に影響を及ぼす可能性があります。

工作機械のガイドや主軸に過度の弾性変形が生じると、加工精度が低下したり、加工精度の要求を満たせなくなったりします。従って、機械装置の運転において過度の弾性変形を防止することは極めて重要である。

金属の塑性変形

塑性変形とは、外力を取り除いても元に戻らない金属の永久的な変形を指す。

実際に使用されているほとんどの金属は多結晶であり、そのほとんどが合金である。多結晶体には粒界が存在し、それぞれの粒の方向が異なり、合金には溶質原子や異なる相が存在するため、それぞれの粒の変形を妨げたり制限したりするだけでなく、転位の移動も著しく妨げられる。

従って、多結晶の変形抵抗は単結晶よりも高く、変形がより複雑になる。このことから、結晶粒が細かいほど単位体積当たりの粒界が多く、塑性変形に対する抵抗が大きく、強度が高いことがわかる。

金属材料の塑性変形は、その組織構造や特性に変化をもたらす。大きな塑性変形は多結晶の等方性を破壊し、異方性を示す。

同時に、結晶粒の方位の違いや粒界のブロック効果により、多結晶の塑性変形時の各粒および各粒内の変形は不均一である。

そのため、外力が取り除かれた後、それぞれの結晶粒の弾性回復が異なり、内部応力の発生につながる。 残留応力 を増加させる。さらに、塑性変形は原子の反応性を高め、金属の耐食性を低下させる。

塑性変形は、機械部品の様々な部分の寸法や形状の変化を引き起こし、一連の不都合な結果をもたらす。例えば、工作機械の主軸が塑性変形すると、加工精度が保証されず、不合格率が上昇し、主軸が動作不能になることさえある。

部品の局所的な塑性変形は、全体的な塑性変形ほど明らかには故障を引き起こさないが、これも部品故障の重要な原因である。キーコネクション、スプラインコネクション、ストップ、ピンは、静圧の影響により、通常、一方または両方の相手部品の接触面に局所的な塑性変形を引き起こします。

押し出し変形の量が増えると、特に逆に動く可能性のある部品では、衝撃につながり、元の嵌合関係が壊れるプロセスが強まり、機械的な部品の故障につながる可能性がある。

3) 部品変形の理由

部品が変形する主な原因は以下の通りである：

1）労働ストレス

外部荷重による加工応力が部品材料の降伏限界を超えると、部品の永久変形が生じる。

2）働く温度

温度が上昇すると、原子の熱振動が起こる。 金属材料 が大きくなると、臨界せん断抵抗が減少し、すべり変形が起こりやすくなり、材料の降伏限界が低下する。あるいは、部品の加熱が不均一で温度差が大きいと、大きな熱応力が変形を引き起こす。

3) 残差 内部ストレス

部品は、粗加工と機械加工の両工程で残留内部応力を受け、静的強度と寸法安定性に影響を与えます。これは部品の弾性限界を低下させるだけでなく、内部応力を減少させる塑性変形にもつながります。

4) 内部材料の欠陥

材料の内部不純物、ハードスポット、不均一な応力分布は、使用中に部品の変形を引き起こす可能性があります。注目すべきは、部品の変形は単一の要因の影響で一度に起こるとは限らないということです。むしろ、通常は複数の要因が複合的に作用して累積的に生じるものです。

したがって、部品の変形を防止するためには、設計、製造工程、使用方法、メンテナンス、修理に至るまで、上記の要因を回避・排除するための対策を講じ、部品の変形を許容範囲内に抑える必要がある。

使用中、部品の変形は避けられない。そのため、大規模なオーバーホールの際には、相手面の摩耗をチェックするだけでは不十分です。特に初めて大規模なオーバーホールを行う機械では、位置精度も入念に検査し、修理しなければなりません。

内部応力の影響下にある部品の変形は、通常12カ月から20カ月で完了するため、変形の検査と補修には注意を払わなければならない。

4) 機械部品の変形を防止・低減する戦略

実際の生産現場では、機械部品の変形は避けられない。変形の原因は多面的であるため、変形を緩和するための対策は、設計、加工、修理、使用などの側面を考慮する必要がある。

i) デザイン

設計に際しては、部品の強度だけでなく、製造、組み立て、使用、分解、修理に関する問題とともに、部品の剛性にも注意を払う必要がある。

a.鋳造時の流動性や収縮などの工程性能を考慮し、適切な材料を選択する。 偽造性 鍛造の冷間圧造性と冷間圧造性、溶接の冷間割れと熱間割れ傾向、機械加工の被削性、熱処理の焼入れ性と脆性など。

b.適切な構造を選択し、部品を論理的に配置し、部品の応力条件を改善する。例えば、鋭角なコーナーやエッジを避け、丸みを帯びたコーナーや面取り、厚みの差が大きい部分には加工穴を開けたり、部品を厚くしたりする。穴の位置をうまく配置し、ブラインドホールをスルーホールに変更する。複雑な形状の部品には、複合構造、はめ込み構造などの使用を検討する。

c.設計においては、新技術、新工程、新技術の適用にも注意を払うべきである。 新素材製造時の内部応力と変形を減らすためである。

ii) 加工

加工中は、変形を防止・軽減するために一連の工程措置を講じる必要がある。

a.残留応力を除去するために、原料にエージング処理を施すこと。

b.機械部品の加工手順を策定する場合、作業や工程の配置、加工設備や作業において、変形を低減する対策を採用する。例えば、粗加工と微細加工を分離する原則に従い、内部応力の除去を容易にするために、間に保管時間を置く。

c.リファレンスの変換は、機械部品の加工と修理の間に最小限に抑える必要があり、修理の使用のためにプロセスリファレンスを保持しようとすると、修理の処理中に不均一なリファレンスによって引き起こされるエラーを減らす。

熱処理を施した部品は、加工代の確保、加工寸法の調整、予備変形などに注意する必要がある。

部品の変形パターンを理解した上で、熱処理後に逆変形を加えることができ、応力を事前に加えることも、応力の発生と変化を制御することもできる。

iii) 修理

a.修理時に発生する応力や変形を最小限に抑えるためには、大規模な機械修理の際、合わせ面の摩耗状態をチェックするだけでは不十分で、互いの位置精度も入念に検査し、修理しなければならない。

b.合理的な修理基準を確立し、シンプルで信頼性が高く、操作が簡単な特殊工具、検査工具、および 計測器 を設計すべきである。同時に、新しい修理技術や修理工程の促進も強調されるべきである。

iv) 用途

a.設備管理を強化し、安全作業手順を厳格に実施し、過負荷や局所的な過熱を防止するため、機械設備の検査とメンテナンスを強化する。

b.機器を正しく設置することも重要である。精密工作機械は粗加工に使うべきではない。スペアパーツや付属品は適切に保管する。

使用中の様々な要因の影響

機械設備は、使用中に様々な要因で徐々に劣化・老朽化し、故障や本来の機能を失うこともある。主な外的要因には以下のようなものがある：

• 研磨粒子の影響
  ほとんどの機械装置は、周辺環境に存在する粉塵や研磨粒子の影響を受けます。機器がこれらの粒子に直接接触したり、保護対策が欠けていたりすると、機械機器の寿命は大きく変化します。
• 腐食性の影響
  腐食とは、周囲の媒質との化学反応や電気化学反応によって金属表面に生じる損傷を指す。腐食と摩耗はしばしば共存する。腐食プロセスは摩擦を伴い、材料の品質と脆さを変化させる。摩擦によって腐食層はすぐに剥離する。この腐食と摩耗の複合作用は、腐食摩耗またはフレッティング腐食と呼ばれる。
• 自然要因
  湿度だけでなく、気温、気圧、日射などの自然気候条件は、電気機器、プラスチック、ゴム製品にさまざまなダメージを与える可能性がある。
• 負荷条件
  負荷条件が機械的状態に与える影響は様々である。荷重の大きさが異なれば、摩耗の程度も異なる。荷重が設計平均荷重を超えると、部品の摩耗プロセスが加速され、事故につながる可能性さえある。逆に、負荷を減らせば摩耗は減少する。また、断続的な負荷が部品の摩耗に大きく影響することも、研究や実践から明らかになっている。