Andy Marine では、実践的な製造知識は時間をかけて構築された最も貴重な資産の 1 つであると信じています。
当社のワークショップ内には、材料の選択、鋳造プロセスから仕上げ、品質管理に至るまで、ステンレス鋼の船舶用ハードウェアに長年取り組んできたエンジニア、生産スペシャリスト、経験豊富な技術者がいます。
これらの洞察の多くは、コンポーネントが故障する理由、海洋環境でさまざまな材料がどのように機能するか、信頼性の高いハードウェアを開発する際に本当に重要な詳細は何かなど、日々の生産経験を通じて得られます。
ただし、この実践的な知識は多くの場合、ワークショップ内でのみ共有され、調達やエンジニアリングの決定を下している顧客に届くことはほとんどありません。
エンジニアの話 は、これらの会話を整理し、船舶用ハードウェアの背後にある製造経験を共有するための私たちの取り組みです。
このシリーズでは、船舶用ハードウェア メーカーの視点から、材料、製造プロセス、設計上の考慮事項、実際の教訓について説明します。
今日の ENGINEER TALKS Ep.26 は、編集者の私が執筆した、Engineer Li による講演です。
抵抗が上昇したら、効果的な行動は停止することです
移動の最初の部分では自由に回転し、その後徐々に回転しにくくなるステンレス製ファスナーは、これまでに加えたトルクについてではなく、ジョイントについて何かを伝えています。ツールの本能は、力を加えてファスナーを固定することです。それは、小さな追加の入力によって限界アセンブリが固着したアセンブリ、または次のサービスで取り外すことが不可能であることが判明した締結具に変わる瞬間です。
糸かじりの厄介な点は、それが検査証明書に記載されないことです。ねじの形状、材質、機械的特性の検査に合格したステンレス製ファスナーでも、ペアとして機能しない可能性があります。かじりは、通常、測定を待っているベンチに座っている欠陥ではありません。これは、組み立て中に、それぞれ単独では許容できる 2 つの表面の間に生じる状態です。
したがって、抵抗の増加に対する有効な対応は、数値ではなく決定です。立ち止まって証拠を読み、ジョイントを再組み立てするか、再加工するか、または再仕様するかを決定します。すべての条件が同じアクションを必要とするわけではないため、決定を下す前に、いくつかのかなり異なる条件のうちのどれに注目しているかを知ることが役立ちます。
「曲がらない」といえる4つの状態
かじりは、回転が停止するステンレスねじを総称する用語としてよく使用されます。少なくとも 4 つの条件がツールで同様の方法で存在し、それぞれが異なる方向を向いています。
| ツールと部品が示すもの | まず確認してください | 証明されないこと | 次のステップ |
|---|---|---|---|
| 締め付けの途中で抵抗が急激に上昇し、側面に金属が破れたり、汚れたり、転移したりする | アライメントと摩擦状態が組立仕様と一致するかどうか | グレードが間違っている、またはファスナーが不良である | 止めてファスナーを外し、何よりもまず両方のネジ山を調べてください。 |
| ねじ山が最初のターンからきれいに進入せず、明らかにオフセットした側面接触があった | ファスナーが穴に対して直角に開始されたかどうか | 素材に問題があるということ | ファスナーを取り外し、リードスレッドを清掃し、指定された方法に戻ります。 |
| 糸の間に砂、破片、または乾燥した化合物が溜まっている | ねじ山の清浄度と組立環境 | ジョイントの設計や材質が間違っているのではないか | 両方のネジ山を清掃し、仕様に従って再組み立てします |
| 取り付け時に空回りし、後で外れなくなる留め具。接合部の周囲に腐食生成物が見られる | アセンブリが稼働しているかどうか、およびどのような堆積物が存在するか | 2 つの部分のうちどちらが責任を負うか | 固着したアセンブリとして扱い、さらに力を加える前に評価してください |
これらのカテゴリは実際には重複します。部品の位置もわずかにずれているため、ねじ山内の破片は消えません。汚れは、個別に説明するのではなく、かじりの前兆であることがよくあります。カテゴリは診断ではなく調査の方向性を示すものであり、ジョイントが安全に使用を再開できるかどうかを示すものではありません。
実際に何が起こっているのか: 自己加速する粘着摩耗
かじりは、重度の凝着摩耗の一種です。相対運動する 2 つの金属表面は、その高い点 (凹凸) でのみ接触し、ネジが締められると、これらの接触点に同時に負荷がかかり、スライドします。ステンレス鋼を不動態に保つ酸化クロム皮膜は薄く、空気中ですぐに再形成されますが、滑らせると接触点で皮膜が切り取られ、その下の地金が露出します。接触圧力とそれに伴う摩擦熱が十分な場合、露出した金属はバルク溶融することなく固相で溶接できます。
その結果、摩擦が緩やかに増加するわけではありません。多くの場合、溶接接合部はその両側の親金属よりも強いため、ねじが回転し続けると、より弱い親金属の内部で破損が発生します。つまり、材料が一方の表面から引きはがされて、もう一方の表面に転写されます。移された塊は、元の表面よりも硬くなります。それらは反対側の側面をこすり、その酸化膜を破壊し、局所的な圧力を高め、次に溶接できる新たな接触点を作成します。損傷はそれ自体で進行するため、かじりは段階的な警告ではなく、工具の突然の変化として現れる傾向があります。
実際に接触している凹凸 - 側面の高い点のみが接触しています
スライドにより保護酸化膜が切断され、地金が露出します。
局所的な圧力と摩擦熱により、露出した金属 (固相) を溶接します。
溶接部は母材よりも強力です。金属が引き裂かれて転写されます。
移された塊は反対側の側面をこすります - より粗く、より熱く、より高い圧力
地金の増加、溶接の増加: サイクルが加速します
2 つの実際的な結果が続きます。まず、締め付けがトルクによって制御される場合、摩擦係数の上昇は、達成されるトルクが意図したクランプ荷重を表しなくなっていることを意味します。予荷重が設計で想定されている値を下回っているにもかかわらず、ジョイントが締め付けられているように見える可能性があります。第 2 に、極端な場合には、さらなる回転に対する抵抗が雄ねじのねじり強度を超える可能性があり、締結具は着座部に到達せずにねじりに失敗します。したがって、トルクの測定値が目標に達しても、それ自体はジョイントに正しく予荷重がかかっているという証拠にはなりません。
オーステナイト系ステンレスねじが通常の設定である理由
かじりに関する苦情のほとんどは、ペアの両方のメンバーが 300 シリーズ ステンレス鋼であることに関係しており、その理由は不思議ではありません。オーステナイト系ステンレス鋼は比較的柔らかく延性があり、不動態皮膜が薄く摺動時にせん断されやすく、炭素鋼に比べて摩擦熱の放散が難しく、同時により多くの摩擦を発生します。さらに、同じ種類で同じ硬度の材料は、異なる材料よりもかじりやすいのが一般的です。316 タップ付きボディに 316 ボルトを使用することは、まさにその組み合わせです。部材の 1 つの仕上げまたはコーティングは、別の方向に作用する傾向があります。
材料の選択は答えの正当な一部ですが、それは検索ではありません。一般に、硬度が高いグレードほどかじりに対する耐性が優れていると報告されており、複数の相を含む微細構造、または炭化物、窒化物、硫化物が分散した微細構造は、滑り面間の冷間圧接を減少させると報告されています。いずれの場合も、使用環境と一致する耐食性が必要であり、海洋作業では通常、問題を決定する制約となります。自由加工材種はその利点を示しています。硫化物介在物は滑り接触において固体潤滑剤として機能するため、その腐食性能は個別に評価する必要があります。
グレードペアリングは、かじりの治療法として提示されることがあります。よく引用される例 (304 のボルトと 316 のナット) は、信頼性がありません。2 つの硬度の差が結果を変えるほど必ずしも大きいわけではないからです。特性クラスも同じように引用されていますが、そこではレポートは一致しません。一部の研究では、より高いクラス 80 のファスナーが 70 クラスのファスナーよりも耐かじり性に優れていることが示されていますが、他のレポートでは、冷間加工が含まれているためリスクが増加していると考えられています。公表された証拠は 2 つの方向を示しており、グレードの組み合わせも特性クラスも耐かじり性だけを基準にしてファスナーを選択する根拠にはなりません。問題がジョイントにとって重要な場合、それは仕様に含まれており、実際のアセンブリで試行することで解決できます。
制御できる変数
グレードの選択は 1 つのレバーで行われ、通常は製品の生産開始後に最も可動性の低いレバーです。以下の変数は製造、購買、組立部門の管轄下にあり、ほとんどのリスクを取り除くことができます。
ねじ品質とバリ
ロール成形されたねじ山は、機械加工または切断されたねじ山よりもかじりにくいと一般に報告されています。これは、表面が滑らかで、木目の流れがねじ山を横切って切断されるのではなくねじ山の形状に従うためです。ただし、少なくとも 1 つのステンレス原料供給源が 300 シリーズ材料の冷間成形の利点に異議を唱えているため、これは確定した規則ではなく報告されている傾向であり、実際の故障の評価に代わるものではありません。
ソース間でより一貫性があるのは、ダメージとジオメトリの役割です。切り傷、へこみ、縫い目、材料の重なり、バリがサイクルの開始点となる最高点を形成します。そのため、目に見える損傷があるねじ山、またはゴーゲージを通過しないねじ山は警告の兆候です。干渉によって締め付け曲線の前部に卓越したトルクが追加され、損傷した形状が近くでかじり始める可能性があります。細目ねじは取り扱いの際に傷がつきやすく、同じクランプ荷重に対してより多くの回転を必要とするため、一般的に並目ねじよりもかじりやすいものとして扱われます。表面仕上げは両端でも重要です。過度に滑らかな仕上げと過度に粗い仕上げは、どちらも制御された中間仕上げよりも好ましくないと報告されています。
取り扱いと梱包は同じ会話に属します。重いステンレス製の留め具を落としたり、容器の中に一緒に投げ込んだりすると、ねじ山に傷がつきます。傷はかじりの刺激になります。購入者が実施できる受入検査は簡単です。布で糸を拭き、糸が引っ掛かっているかどうかを確認し、低倍率で側面を検査し、清浄度を確認し、即席の基準ではなく購入仕様書に記載されているゲージと合格基準を適用します。
ファスナーの位置合わせと開始方法
最終的に締め付ける前に、嵌合部品を組み立ての許容範囲内に揃える必要があります。アライメントが悪い場合、逃げ面の接触はねじ山の反対側の 2 つの小さな円弧に制限されるため、同じ締め付け作業が意図した接触領域の一部に集中し、それに応じて局所的な温度と圧力が上昇します。電動工具を使用する前に、ファスナーを手動で始動して直角に噛み合っていることを確認すると、最初の回転時にその状態が作り込まれるのを防ぐことができます。部品のスタックをまとめるために糸を使用できるかどうか、および留め具をどのように開始するかは、アセンブリ仕様の項目です。これらの項目が存在する理由は、今説明した接触形状にあります。
組立速度と摩擦熱
ねじ継手にかかる仕事のほとんどは、クランプ荷重ではなく、摩擦を克服することに費やされ、そのエネルギーは側面で少量の金属に蓄積されます。ファスナーの大部分は冷たいままですが、負荷がかかった側面は部品全体よりもはるかに熱くなります。取り付け速度が速いと、発生する熱と締めすぎの危険性の両方が高まります。これは、ステンレス製ファスナーを同じサイズの炭素鋼製ファスナーよりもゆっくりと締め、時計ではなく固定トルクに注意するという標準的な作業場アドバイスの基礎です。ロック機能にも同様の注目が必要です。卓越トルク要素は、係合時に軸方向の荷重を追加します。これにより、締め付け曲線の前部に余分な作業が追加され、ジョイントの摩擦状態が変化します。
承認済みの潤滑および摩擦制御
摩擦制御は設計上の決定であり、消耗品の選択ではありません。潤滑剤を追加したり、コーティングやメッキを変更したりすると、ジョイントのトルクと張力の関係が変化するため、そのたびに指定された締め付けトルクを再評価する必要があります。乾燥した状態のねじのトルク値は潤滑されたねじには反映されず、元の値に一定の割合の減少を適用することは、トルクを再決定する代わりにはなりません。
どの潤滑剤またはコーティングが許容されるかは、使用媒体、温度、接触する材料、ガルバニック効果、およびファスナーメーカーの承認によって異なります。海洋作業については、2 つの注意事項を記録する価値があります。黒鉛含有化合物はステンレス鋼の電食を促進する可能性があり、高温制限もあるため、その使用は想定されるのではなく正当化される必要があります。また、グリースが乾燥したり、ひび割れたり、表面を濡らしなかったりすると、水が溜まるポケットが残る可能性があり、それ自体が隙間の状態です。サプライヤーが塗布するコーティング (ワックス、PTFE、または二硫化モリブデン系) はステンレス製ファスナーに広く使用されており、ベンチで塗布する潤滑剤よりも生産時の制御が容易です。すべての関節に適した単一の焼き付き防止製品は存在しないため、この記事では意図的にその製品を推奨しません。
トルク、フリクション、プリロード
ステンレスファスナー用の汎用の締め付けトルク表は存在せず、その理由は文献のギャップではなく構造的なものです。ステンレスファスナーのプロパティクラス規格である ISO 3506 は、締め付けトルクではなく最小の破壊トルクを示します。公開されているステンレス ファスナーの参考表は、表面状態と潤滑に関する規定の仮定に基づいて計算されており、発行者によっては仕様ではなくガイドとして説明されており、重要な用途向けの試験が示されています。したがって、特定のジョイントの組み立てトルクは、締結具、ジョイントの形状、実際に指定されている摩擦状態に対して確立する必要があり、それらのいずれかが変化した場合には再チェックする必要があります。
いつ停止して調査するか
- 部品が向かい合う前に抵抗が上がったら停止します。トルクを加えたり、障害物にファスナーを打ち込むためにインパクトツールに手を伸ばしたりしないでください。抵抗の増加は関節に関する情報であり、克服すべき障害ではありません。
- ファスナーを外して両方のネジ山を確認します。破れたり、汚れたり、移動した金属、砂や破片、乾燥した化合物、腐食生成物に注意してください。ファスナーが直角に始まっているかどうか、パーツが揃っているかどうかを確認します。
- 調査結果を上記のカテゴリに分類し、重複する点に留意してください。使用中に固着したアセンブリは、最初のアセンブリ中に固着したファスナーとは別のケースであり、どちらも、ペアのどのメンバーが原因であるかを単独で知ることはできません。
- 損傷した部品は損傷したものとして扱います。ねじ山がかじりついたファスナーや本体は、メーカーのガイダンスに従って、資格のある担当者によって評価される必要があります。現場で調整、ヤスリがけ、またはその他の方法で再加工されたスレッドは、重要な耐荷重接続に戻すべきではありません。
- 見つかった内容を条件とともに記録します。摩擦状態、使用するツールと速度、アライメント状態、および部品番号によって、次のアセンブリで同じ結果が発生することを回避できます。その記録のない痛ましいイベントは、次のバッチでも繰り返される傾向があります。
購入および組立仕様書に記載する内容
上で説明したリスクのほとんどは、アセンブリ ベイからドキュメントに移すことができます。ねじ接続を備えたステンレス製ハードウェアの場合、記録する価値のある項目は次のとおりです。
- ねじの形状、直径、ピッチおよび公差等級、ボルト単独ではなく、ペアの両方のメンバーについて記載されています。
- 両方のメンバーのマテリアルとプロパティ クラス、接合部がかじりやすいことが知られている場合のそれらの間の硬さの関係を含みます。
- スレッドの品質と合格基準— ゲージまたは検査方法、清浄度の要件、バリと損傷の制限については、注文前に合意します。
- 梱包と取り扱いの要件輸送中、保管中、キッティング中に完成した糸を保護します。
- 意図した摩擦状態: 乾燥、メッキ、ワックスまたはコーティング、どの潤滑剤またはコーティングが承認されているか、および誰がそれを塗布しているか。
- 締め付け方法: アセンブリ仕様で定義された駆動速度、着座トルク、シーケンスおよびステージ数、およびトルクと予圧の関係が確立された基礎。
- トレーサビリティ、これにより、押収されたアセンブリをバッチおよび仕様変更にまで遡ることができます。
これらはいずれも特定のサプライヤー向けの仕様ではありません。重要なのは、ネジの品質、清浄度、摩擦状態はすべて書き留めて検証できること、そしてそれらを暗黙的に残しておくことが、通常の組み立てに関する質問を保証の議論に変えるものであるということです。
ねじ締結要件についての議論
ねじ接続を備えたステンレス船舶用ハードウェアを指定または調達する場合は、コンポーネントの図面、それが属するアセンブリ、仕様で定義されている摩擦とトルクの条件を当社に送信してください。アプリケーションに照らしてねじ山と材料の要件を検討し、組立時や次回のサービス時にジョイントが意図したとおりに動作するように、注文書に何を記録する必要があるかを話し合います。
