なぜ突然レンチが壊れたのか？

トルクレンチは主にボルトの締結に使用され、その適用トルクは一般的に20%~90%のレンチングトルクであり、連続的に調整可能である。

使用する際は、まず目標トルクを設定し、ハンドルを引く。

トルクが目標値に達すると、レンチは微振動し、「ビリビリ」と澄んだ音がする。

トルクレンチを3ヶ月使用した後、ヘッドとハンドルの間のコネクティングロッドが折れた。

研究者たちは破断の原因を突き止めるため、一連の物理的・化学的検査と分析を行い、再発防止のために熱処理工程を改善した。

1.物理的・化学的検査

1.1 マクロ観察

トルクレンチの長さは1180mmで、トルクは1200N-m。

骨折は、図1a)に示すように、ヘッドとハンドルの接続部で発生した。

レンチの頭に近いので、ここの応力は大きい。

図1b）は、レンチの内部に設置されたコネクティングロッドで、主にヘッドとハンドルを連結するためのもので、直径16mm、長さ350mm。

図1c）は、トルクレンチの破面のマクロ形態を示し、3つの領域に分かれている：

ゾーンIは亀裂発生源ゾーンで、亀裂の端に位置し、亀裂面積の1%～2%を占める；

ゾーンIIは疲労膨張ゾーンで、明るい白色の三日月状で、明らかな疲労縞があり、破断面積の8%～10%を占めている；

ゾーンIIIは一過性の破砕帯で、灰色を呈し、明らかな裂け目があり、破砕面積の約90%を占める。

コネクティングロッドが折れるとき、大きな力がかかっていることがわかる。 疲労破壊.

図1 レンチの破断箇所、コネクティングロッドと破断のマクロ形態

1.2 化学成分分析

コンロッドは 40Cr 合金鋼。大きさφ16mm×12mmの円柱状試料を破断面近傍で採取。

グラインダーで平らに研磨した後、直読分光計でコネクティングロッドの化学成分を分析する。

その化学組成は、以下の技術要件を満たしている。 40Cr 合金構造用鋼（GB/T 3077-2015）の合金鋼。

1.3 機械的特性試験

コンロッドの硬度 焼き入れと焼き戻し 熱処理は22~26HRC。

コネクティングロッドから、φ10mm×5mmの大きさのサンプルの一部を切り取る。

引張特性は万能材料試験機で、硬度はロックウェル硬度計で測定した。結果を表1に示す。

引張強さ、 降伏強度また、コネクティングロッドの伸びも技術要件を満たしていない。

表1 コネクティングロッドの機械的特性試験結果

1.4 組織観察

コネクティングロッドの破断部付近でサンプルを切断し、硝酸エタノールで腐食させ、顕微鏡で観察する。

図2から、濃い灰色の組織は高温焼戻し後にマルテンサイトから変態した焼戻しソルバイトであり、網状フェライトとアシキュラーフェライトが母材の粒界に平行に分布していることがわかる。 オーステナイト.

ウィドマンシュタッテン構造は、粒の中に逆三角形状に分布している。

ウィドマンシュタッテン構造のフェライトは、親フェライトの癖面に沿って析出する。 オーステナイト癖面の結晶面指数は{11 1}である。 _γ.

焼入れ冷却条件下では、温度がAc3線まで下がると、構造の安定性を維持するために、余剰フェライトが固溶体から周囲に「排出」され、典型的な高温変態の特徴であるネットワークフェライトが形成される。

冷却速度が遅いほど、ネットワークフェライトやウィドマンシュタッテン構造が形成されやすくなる。

コネクティングロッドは冷却過程で高温変態を起こし、熱処理工程に無理があることを示している。

図2 コンロッド破断の微細構造

1.5 破壊分析

図3a）は、破断初期部分の顕微鏡的形態を示す。

初期領域は亀裂の端に位置する。亀裂源付近には同心円状のベイナイト線が見られる。

これは疲労成長の典型的な特徴であり、破壊形態が疲労き裂に属することを示している。図3d)に示すように、図3a)のボックスに対してエネルギースペクトル解析を行う。

Fe、Cr、Mn、Oの回折ピークは比較的明瞭で、クラックの原因が介在物によるものではないことを示している。

図3b)は膨張部の顕微鏡的形態を示し、疲労条痕は狭く、膨張時の応力が小さいことを示している。

図3c）は、一過性の破断部の微細形状を示しており、多数の楕円形のくぼみがあることから、コネクティングロッドが張力によって最終的に破断したことがわかる。

図3 コンロッドとコンロッドの破断面の異なる位置におけるマイクロモルフォロジー EDSスペクトル 図3aのボックス面積

2 分析と考察

コネクティングロッドの破断面を分析したところ、破断面は次のようなものであった。 疲労破壊面しかし、その引張強さ、降伏強さ、伸びは技術的要求を満たしていない。

組織観察からわかるように、破断部の組織は網目状フェライトとウィドマンシュタッテンである。 焼入れ・焼戻し工程コネクティングロッドのオーステナイトは安定性が高く、ウィドマンシュタッテンの形成につながる。

第二に、熱処理炉から熱処理炉までの部品の保持時間である。 急冷媒体 が長いと、粒界にフェライトが析出してネットワークが形成され、粒界の強度と界面エネルギーが低下するため、材料の脆性が増大する。

外力が作用すると、き裂が始まり、フェライト硬度の低い粒界に進展し、粒界がき裂の伝播路となる。

したがって、コネクティングロッドの熱処理工程を改善する必要がある。

3. 熱処理工程の改善

コネクティングロッドの熱処理工程を改善するための対策は以下の通りである：

(1) 急冷温度を880℃から830℃に下げる。

焼入れ温度が低いと、オーステナイトのミクロゾーンの組成の不均一性が増し、オーステナイトの熱安定性が低下し、オーステナイトの高温変態がアシキュラーフェライトに分解する確率が低下し、ミクロゾーンのオーステナイトの早期変態が促進される；

(2)保持時間を短くすることで、オーステナイト結晶粒の成長と表面析出を避けることができる。 脱炭 高温で；

(3)本来の熱処理工程では、コネクティングロッドをトロリー炉でコンパクトに並べて加熱した後、バスケットに投入して急冷する必要がある。

転送時間は約180秒。

改良後、コネクティングロッドはメッシュベルト炉で分散・加熱され、素早く焼入れ媒体に入ることができる。

転移時間は約8秒である。転移時間を短くすることで、メッシュフェライトの析出を抑制し、オーステナイト組織が速やかに低温変態帯に入ることを促進し、低温マルテンサイト変態を生じさせることができる；

(4)コネクティングロッドは細くて長く、焼入れ後の応力は比較的均一で、亀裂が入りにくい。

元の急冷媒体は普通のものである。 焼入れ油油の冷却速度は550～650℃と低く、平均冷却速度は60～100℃/秒に過ぎない。

温度範囲は連続変形の "ノーズ "にある Cカーブ急冷が必要だ。

12%（質量分率）のPAG（ポリアルキレングリコール）溶液を使用した後、冷却速度を速める。 

この温度範囲での中温変態を低減することで、より理想的な低温変態を実現することができる。 マルテンサイト組織 そして、より深い硬化層が得られる。

表2 改良前後の熱処理プロセスパラメーターの比較

改良されたプロセスを使用してコネクティングロッドを熱処理し、その機械的特性を試験した。

引張強さは1054MPa、降伏強さは880MPa、伸びは12%、硬度は23HRCで、いずれも技術要件を満たしている。

熱処理後の組織を図4に示す。

網状フェライト、ウィドマンシュタッテン構造、マッシブフェライトはなく、構造は均一で安定している。

熱処理を改善した後、コネクティングロッドは18カ月間、破損することなく使用されている。

図4 改良熱処理後のコネクティングロッドの組織

4.結論

(1) コネクティングロッドの硬度が適格であり、引張強さ、降伏強さ、伸びが技術要件を満たしていない；

微細構造は、焼戻しソルバイト＋網状フェライト＋ウィドマンスタッテン。

疲労破壊に属する。クラックはコネクティングロッドの外周面から発生しており、クラック発生源に介在物は見られない。

(2)コネクティングロッドの破断の原因は、コネクティングロッドの熱処理工程が不適格であり、その結果、機械的特性が低くなっている。

熱処理工程は、焼入れ温度を下げ、保持時間と移送時間を短くし、焼入れ冷却速度を上げることで改善される。

(3)改良工程熱処理後、コネクティングロッドの機械的特性と微細構造は技術要件を満たし、コネクティングロッドは18ヶ月の使用後も破損していない。