ろうづけ製品の歪みメカニズムについて

質問

Ｓ４０Ｃ調質材(HRC17～25）にINVスプラインを加工した部品（円筒状）を【Ａ】とします。
次にＳ４８Ｃ生材に【Ａ】の外径にたいしてΦ0.010～Φ0.046マイナスした１段つきの穴と　更にΦ0.15～Φ0.25プラスした2段目の穴をもった軸を【Ｂ】とします。
【Ａ】と【Ｂ】を【Ｂ】の１段目の径で閉まりばめにて勘合し、２段目の穴と【Ａ】のすきまに銀ろうを流して高周波誘導加熱によるろうづけをするという製品があります。

【Ａ】単品でのＩＮＶスプラインの精度は、BBD・大径・小径ともにJIS規格（JIS　B1603）で検査され、すべてＯＫです。

ところが、圧入さらにろう付けでINVスプライン歯形は変形を起こし、JIS規格を外れてしまうものも発生します。

圧入と歪み量（BBD変化量）、ろうづけと歪み量を調べるテストを実施したところ、
　?圧入締め代と歪量には比例的な増加関係が確認されました。
　?ろうづけ加熱時間と歪み量は、2次強線的な増加傾向とみなせる相関関係があるようです。

?についてのメカニズムを考える時、「クリープ変形」を想像しています。
テスト結果としては、圧入締め代が大きいとろう付け時の変形も大きくなるようです。
これは、圧入による残留応力が、加熱によりクリープ変形を起こすと考えても良いでしょうか？

最終的には、完成品状態でJIS規格を満足させるための手法を構築することが目標となりますが、まずは　今、何が起きてるかを正しく認識したいと思い質問させていただきました。

ご指導よろしくお願い致します。

歪みはＢＢＤ（ビトゥイーンボールダイヤ）の変化で判断しています。

１機種のみの状態を間単に説明しますと「圧入」でＢＢＤは、圧入代の大きさの０．９倍程度のマイナスとなります。例えば圧入代が０．０２５程度あるとＢＢＤ変化は０．０２２くらいになります。

それを「ロウ付け」しますと、更に０．０１５程度マイナスし、ここまででトータル０．０４０くらいのマイナスとなります。

圧入での変化は圧縮応力による塑性変形だとしても　ロウ付け時の変化をどう認識すれば良いか説明つきません。

ロウ付け時の変化は、圧入代が大きければ大きいほど、加熱時間が長ければ長いほど大きくなるところまではテストでわかったので、対策としては、圧入代を出来る限り小さくし、加熱時間を必要以上に長くとらないことを目指して対策を展開中です。

回答No.5

noname#230359 · ベストアンサー

【Ａ】に何が起きているのかを考えてみましょう。圧入部の歪量の方が大きいので、とりあえず圧入部だけで考える。なお「歪」というのが、どのような形状や寸法の変化なのかを示してくれた方が考え易かった。

圧入してあるのだから、それによる応力が発生している。主に【Ａ】には円周方向の圧縮、【Ｂ】には円周方向の引張の応力。室温ではこれらの応力は材料の耐力よりも低いので、部品は弾性変形するだけ。

ろう付け時の高温になると材料の耐力が低下する。一方【Ａ】と【Ｂ】の熱膨張係数はほとんど同じなので、圧入による応力は変化しない。もし耐力が圧入による応力よりも低くなると、部品が塑性変形を起こす。塑性変形は【Ａ】では収縮、【Ｂ】では膨張する方向。

この変形は単なる塑性変形。圧入による応力が耐力を越えていない温度で長時間保持したために変形した場合はクリープ変形。

加熱時の【Ａ】と【Ｂ】の温度が同じであると、耐力の低い【Ｂ】の方がよりより大きく変形する(ろう付け温度が600度程度以下の場合。それ以上なら耐力はほとんど同じになる)。外側にある【Ｂ】の方が温度が高いと、より一層【Ｂ】の方が変形する。

室温に戻っても塑性変形分は戻らないので、【Ａ】はろう付け前よりも太くなり、【Ｂ】は細くなっている。

加熱時の各部品内に温度分布があると、塑性変形も不均一になるので、形状が真円からずれる場合もあり得る。

これにろう付け現象が影響していると話は複雑になる。ろう材なしで同じ加熱だけをしてみれば、影響があるかどうかが判る。

上記の「外側にある【Ｂ】の方が温度が高いと、・・」について。
【Ｂ】の方が温度が高い場合、【Ａ】と【Ｂ】の膨張量が異なるので、圧入による応力が低下することを指摘するのを忘れていました。

質問にある「?ろうづけ加熱時間と歪み量は、2次曲線的な増加傾向とみなせる相関関係がある」の解釈。
加熱時間を長くするとは、(a)【Ａ】と【Ｂ】両方の温度が高くなる、(b)【Ａ】の温度は一定だが熱伝導により【Ｂ】の温度が上昇していく、のいずれなのか。
(a)(b)ともに塑性変形量は大きくなる方向だが、2次曲線的に増加するのなら(b)のような気がする。

「(b)【Ａ】の温度は一定だが熱伝導により【Ｂ】の温度が上昇していく、のいずれなのか」を
「(b)【Ｂ】の温度は一定だが熱伝導により【Ａ】の温度が上昇していく、のいずれなのか」に訂正。

「質問追記」によれば予想通り【Ａ】が細くなっている。また「お礼」によれば【Ａ】の寸法変化はろう付けとは関係がないことから、変形は加熱だけで起きていることは確実。つまり「ロウ付けによる変化」ではなく、「加熱による変化」である。

「ロウ付け時の変化をどう認識すれば良いか説明つきません」。それを回答(5)で説明したのだが、再度説明する。

「圧入での変化は圧縮応力による塑性変形」が起きていることは理解されている。どの程度塑性変形するのか。変形する(【Ａ】が細く【Ｂ】が太くなる)と、応力は緩和される。応力が材料の耐力と同等に低下するまで塑性変形が進み、同等になると塑性変形は止まる。このため耐力の低い材料ほど大きく変形する。

加熱による変形も「圧入による圧縮応力による塑性変形」である。温度を上げると耐力が低下するので、室温で圧入して塑性変形した部品を加熱すると、塑性変形が再び進行する。圧入時と同じように、応力がその温度での耐力と同じになるまで塑性変形する。

応力による変形量は応力の高さと材料の耐力の競合で決まることが判れば、理解できると思う。

「耐力」とは何かの説明。
材料の強度として最も知られているのが「引張強度」。破断するまで引張り、その過程で必要な元も高い荷重÷元の断面積で現される。

延性のある材料では、破断する前に塑性変形する(全体的な伸びや部分的なくびれ変形)。塑性変形を開始する時の荷重÷元の断面積で現されるのが「耐力」。当然引張強度よりも低い。SS材の場合は「降伏点」で現される。部品によっては破断しなければ良いものもあるが、変形しては困るものもある。そのような部品の設計には耐力を用いる。

塑性変形しない超硬合金には引張強度はあるが耐力は存在しない。伸びが小さい高硬度鋼では耐力は引張強度に近くなる。伸びの大きな鋼では耐力は引張強度よりもかなり低くなる。

材料に応力が加わると、材料はまず弾性変形を起す。弾性変形は応力を除くと元に戻る。耐力を超えると塑性変形が始まる。塑性変形は元には戻らない。応力が高いほど塑性変形量は大きくなる。

金属材料では温度を高くすればするほど引張強度も耐力も低くなっていく。

「【Ａ】だけに注目してみれば、圧入による圧縮力にこの金属の耐力が負け、歯面を太らせる方向へまず変形し、更に加熱されることにより耐力が低くなるので、更に塑性変形が進行した・・・と解釈してもよろしいでしょうか？」
その通りです。

「【Ａ】だけをロウ付け時と同じくらいの温度まで圧入せずに単品状態で加熱できた場合に歯面の変形は同様に発生するものでしょうか？」
変形させるための応力が無いから発生しない。

なお【Ａ】が変形しているのだから、密着している【Ｂ】も必ず変形している。【Ａ】と【Ｂ】の変形量(体積)は同じになるが、【Ａ】よりも外径が大きい(多分肉厚も大きい)【Ｂ】での外径寸法変化はμ以下なっていると思われる。

「「銀ロウ」の存在は無視してもいいでしょうか」
ロウの有無によらず変形量は同じなので、今回の話題の範囲では無視していいも思われる。

「圧入代が大きいほど、更に加熱時間が長いほど変形量が多いことをどう説明できるか」
変形量は圧入時の変形量＋加熱時の変形量に分けられる。圧入代が大きいほど圧入時の変形は大きくなる。変形は応力が室温での耐力と同じになると止まる。従って圧入変形後に残留する応力は圧入代によらず一定になる。

この残留した応力により加熱時に変形が発生する。残留している応力が一定なのだから、材料温度が一定ならば、当初の圧入代によらず変形量は一定になる。加熱時間が長いほど変形量が増加するということは、材料温度が徐々に上昇していると考えられる。

「時間が長い（＝加熱温度が高まる？）と変形量は２次曲線的に大きくなりました」
炭素鋼や低合金鋼の強度は、300-400度程度まではあまり低下しない。それ以上の高温になると急激に低下し、600-650度では多分室温の1/2から1/3になっている。室温から650度までの全体を大雑把に見ると2次曲線の様になっている。このことからも加熱時間を長くすると温度が上昇していると考えられる。

「対策」
1.は良い。2.については、上記の考えから本来は時間ではなく温度で管理するべきと考えられる。

お礼

丁寧な説明をありがとうございます。
まず、先に説明不足であった作業内容について補足させて頂きます。

銀ロウは、ＢＡｇ－７（液相線６５０℃／固相線６２０℃）が使われており、加熱は高周波誘導過熱でリング状のコイルが【Ａ】を【Ｂ】に圧入された状態のものを包みこんで加熱します。

したがって【Ｂ】から加熱がはじまり、時間の経過で【Ａ】に伝達されていくものと思います。
銀ロウはリング状（指輪のようなイメージ）に成型されたものを、【Ａ】と【Ｂ】双方に施された面取り部に乗っけるような感じでセットされます。（軸の長さ方向を上下に配し、加熱中はワークは回転させます。）
加熱によりロウが溶けて【Ａ】と【Ｂ】の隙間に流れ込みます。

又、銀ロウ無しで同じ条件の加熱だけをするテストも実施しましたが、圧入直後に測定したＢＢＤは過熱後には　ろう付けと同じ傾向の変化をすることを確認しました。

実は、加熱時間とＢＢＤ変化が２次曲線的に変化するという説明をしましたが、これは銀ロウ無しのデーターも含めて横軸を加熱時間・縦軸をＢＢＤ変化量としてプロットした結果です。
隙間にロウがあったも無くても変化の傾向はあまりかわりませんでした。

これらを前提に、この現象について再度ご説明いただけたら幸いです。

ありがとうございます。

大事なことを教示して頂いているのですが、私の理解力が乏しく今ひとつ理解に苦しんでおります。

「耐力」というキーワードが、私には難しく、「応力がその温度での耐力と同じになるまで塑性変形する」ということが　どういうことなのか？が理解できません。

「耐力」ということばを素人の私が理解できるような表現、もしくは具体的な評価ファンクションとして　ご説明いただけたら　ひょっとしたら理解が進むのではないかと考えます。

圧入で一端塑性変形したのに、過熱で更に変形、しかも圧入締め代に相関をもって変形するのは、いったい【Ａ】に何が起こっているのか？これが説明できればと思っております。

できの悪い質問者でたいへん恐縮ですが、もう一度ご指導よろしくお願い致します。

尚、【Ｂ】の外径をを圧入前後でマイクロメーターで測定するレベルでは、径の変化は殆どないことも付け加えておきます。

「回答」本当にありがたく厚く感謝申し上げます。

高専を卒業して　すでに３８年経過し、そういえば「材料力学」とか「金属材料学」というカテゴリーの授業があったのを少しだけ思い出しました。
気づけば６０歳定年まであと１．５年と言う段階で、自らの学のなさを憂いております。

疑問のポイントは、圧入で一度塑性変形したものが、加熱によって更に変形し、その変形量は、圧入締め代が大きいほど、更に加熱時間が長いほど変形量が多いことをどう説明できるかでした。

今回の場合　【Ａ】と【Ｂ】が圧入によって圧縮と引張りが働いている状態のものを加熱するということになります。
【Ａ】だけに注目してみれば、圧入による圧縮力にこの金属の耐力が負け、歯面を太らせる方向へまず変形し、更に加熱されることにより耐力が低くなるので、更に塑性変形が進行した・・・と解釈してもよろしいでしょうか？

それと例えば、【Ａ】だけをロウ付け時と同じくらいの温度まで圧入せずに単品状態で加熱できた場合に歯面の変形は同様に発生するものでしょうか？
この状態が実際につくれて試せればいいのですが、同じ様態が量産で造れないのでまず、理論的にはどうか？を推察できますでしょうか？

もうひとつ、応力を与えるという観点で「銀ロウ」の存在は無視してもいいでしょうか？
加熱時間と変形量の関係を実証するテストで、銀ロウは使用しませんでしたが、結果は明らかに時間が長い（＝加熱温度が高まる？）と変形量は２次曲線的に大きくなりました。

何度もお付き合いいただいて恐縮ですが、ご指導よろしくお願いいたします。

そういえば、１年くらい前にこの部品の錆の問題に苦しんでいて、ここに投稿したのを思いだしました。
その回答者のお名前の中に「黒猫」さんがいらっしゃったような記憶がよみがえり　今過去ログを検索してみました。
そうしましたら、やはり「黒猫」さんにアドバイスを受けている記録が残っていました。

幾たびもお世話になり、改めて感謝申し上げます。

錆の状況については、皆無にすることは現実できていませんが、他の回答者の皆さんからも指摘のあった「フラックス」が原因であるということを真摯に受け止め、残渣を最小限にするための工程を追加して対応し始めています。

探したら、フラックス残渣処理剤というのが実存していましたが、強酸性だったので施工メーカーから使用を拒まれ　結局アルカリ洗浄液の中にワークを浸漬し相手部品（スプライン軸）を改造した治具でフラックスを擦り落とすことでかなり錆の発生が抑制されました。

ところが、完成品をＪＩＳ規格のスプラインゲージで通しを確認すると、数％がゲージ挿入不可である事実に気づき、問題解析のひとつとして工程ごとにＢＢＤを測定していて　今回の実態に気づいたわけです。

今回の対策としては、
　１．圧入締め代を最小限にする
　２．ろう付け時に必要以上の加熱をしない
をテストしながら確認しています。

よく理解できました。
ありがとうございました。

本当は、採取できたデーターや整理したグラフなどを持ってご相談できればもっと早くに回答が導かれたのだろうと思いますが、文章で表現するというのはなかなか難しいものであることを思い知らされました。

何らかの問題が発生した時、既知の知識や経験でカバーできることならばいいですが、どうしてそうなるのか？原因もわからず悶々とすることがあります。
何かしてみてちょっと良くなったら、そのままにするケースがありますが、それは対策したことにはなっていないので　たいていの場合、再発します。

常には、「問題解決は原理原則を解説の基軸にもたなければならない」とうそぶいていますが、本当はそれができるだけの知識が備わっていないことを嘆くことが多いです。

又、何かの機会にこのサイトを利用させて頂くことがあるかと思います。
もし、その問題に精通していらっしゃれば　又ご指導よろしくお願い致します。

ありがとうございました。

質問を締め切っておきながら、アドバイス頂いたコメントの一部に対して現実と異なる点に気づきました。
それは、ろう付け後に発生するインボリュートスプライン歯形の変形のメカニズムに対する説明の箇所です。

頂いたアドバイスは、
「この残留した応力により加熱時に変形が発生する。残留している応力が一定なのだから、材料温度が一定ならば、当初の圧入代によらず変形量は一定になる。」
でしたが、テスト結果は「ろう付け時の変形も傾きは小さいですが、圧入時の締代に対しほほ比例的な変形を確認しました。」
つまり、圧入代が大きいとそれだけ、?圧入時変形　?ろうづけ時変形は　共に大きくなったということになります。

この矛盾点をどう理解すればいいのか？改めてご指導いただけないでしょうか？よろしくお願い致します。

尚、「【Ａ】だけをロウ付け時と同じくらいの温度まで圧入せずに単品状態で加熱できた場合に歯面の変形は同様に発生するものでしょうか？」という質問をさせて頂き、「応力を発生させているものがないので変形しない」という推察をお聞きしました。
この部分は、変形の発生メカニズムを明快にする重要なことだと思いましたので、現物でなんとか確認してみようと考えています。
現物ワーク【Ｂ】の圧入部の径を【Ａ】の径よりも大きく修正して、圧入しない状態を造り、加熱条件を変えないで、?銀ロウ無し　?銀ロウありでロウ付け作業を行ってみたいと計画しています。
この状態で変形量を確認して、推察頂いたことを証明してみようと思います。
準備に少し時間がかかりそうですが、結果がでたら　ここで報告したいと思います。

回答No.4

noname#230359

それでは、iwanaiと同じである、変態点（変体点）かな？　　lol

以前、THK製のスプラインのナットと軸受けを、THKで追加加工し購入しましたが、

追加工にて歪みがでて、途中で引っ掛かり返品したことがありました。

その時の見解書は、加工を協力会社に出し、合わせチェックもしないまま出荷が原因とのこと。

やはり、あの大手メーカーでもあることなので、チェックと歩留まり向上策位が対処さくでしょうか？

回答No.3

noname#230359

冷却時のロウ材と母材の引けが原因。

ロウ材は、冷却時に縮みますが、溶融接合でないので、母材への影響はあまりなし。

母材も、冷却時縮みます。（足踏むの薄鋼板が波うっていたら、焼いとすえて、縮めて

引張り、波を伸ばす処理をする位縮みます）

ですから、母材が縮み、追従しロウ材が縮み、反りが出て、問題の現象にではないでしょうか？

入口は、問題ないのではないでしょうか？

お礼

ご回答ありがとうございました。

文字だけで説明するのは、少し伝えにくいところもありますが・・・
ＢＢＤ変化量を穴の深さ方向に４箇所測定しています。
変化の大きいところは、ろう付けされた箇所よりも　奥側の圧入された箇所となります。

この事実も含めて、圧入での残留応力が加熱することで変形に結びついているのではないかと想像したわけです。
圧入代が多ければ多いほどＢＢＤ変化量も大きくなるのもデーターから見てとれます。

この時　【Ａ】部品に　何が起こっているのか？を説明できればと・・・・

情けない話ですが、これらのＣＯＭＰ状態が製品化されて　ずいぶん経過していますが、この悪さ加減を数量的な解析を含めて調査したのは　これが始めてです。
名誉のために　付け加えさせて頂きますが、この組合せが原因で商品としてお客様にご迷惑をお掛けしたという情報は上がってきておりません。

したがって、この設計を根本から否定するのではなく　歪み量を現状より小さくし、スプラインをＪＩＳ規格の中に収めることができるか？
あるいは、現状が問題ないならば　図面公差を緩和するか？などの処置を検討しています。

回答No.2

noname#230359

再出

もうひとつの論点。
ロウは融点（液相温度）と凝固点（固相温度）があり、融点より上げて流れ、凝固点より下げると固着する。

　　ロウ品種
　　http://www2.odn.ne.jp/~cbl61670/f_Ag-braze.htm

高周波加熱は短時間の加熱でワークの温度が不均一で変形が不均一な経過が生じる。
圧入のみなら冷えると均一化するが、ロウ付けは途中経過の凝固点で止まり不均一なまま固まることが想定できる。

なのでやはり併用が問題と思います。

引け・・・珍説

それはボイド欠陥と同じで、ギャップ過大や塵芥や加熱条件の問題。

ロウ付けはギャップを狭める程に強度が上がり、ロウの強度を超え母材強度に近づく。

　　第10図　ろう付継手の強さとギャップ（間隔）の関係
　　http://www.nihonwel.co.jp/pdf_data/Capter17/brazing.pdf

狭すぎると回り込みが不充分となる怖れあり、0.025～0.05の設定が多いハズ。

圧入部を極力小さくして影響を及びにくくするのと最適ギャップを再吟味することでしょう。

＞THK製のスプラインのナットと軸受けを、、、、

それ本件と無関係でしょ!!

家政婦は見た　のは事実真実だが、この爺はノーベル賞ならぬ脳減る症に罹り幻を見、書くらしい。

ある回答の内容に疑いあっての設問。お二方が精査して追及したのが　脳減る症　の由来。
　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=302977&event=QE0004、

　　貴殿とは立ち位置が異なるアドバイザーとして人生を歩んできたと考えます。
　　金属学だけ深くでもありませんし、似た事例だったので、アドバイスをしました。
　　悪しからず。

　　厄介な問題の解決は、常識で考えから解決できないことが多い。
　　発明やノーベル賞の内容にも、失敗からの発明や、発想の転換・・・

　　真価の程は確かでないが、実際にあったことを記載したまでです。
　　悪しからず。

回答（3）が参加し設問者と同調
　　何を伝えたいかわかりやすく、礼節を踏まえた文章をこころがけてください。。。
　　予想通りですが、馬耳東風のようですね・・・

本件回答もよく読めば論理性に欠けるのは判るが、上記は金属物性の専門家が登場し症状がわかりやすい例。
溶接ロウ付けの分野は専門家が少なく、脳減る症の診断がつきにくく混乱することが多い。

　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=304633&event=QE0004

此処の管理者が技術者であるなら、脳減る症に何らかの処置を施すはずが、放置のまんま。

回答No.1

noname#230359

圧入とロウ付けを併用する目的がわかりません。
強度はロウ付けが持つべきだし、その位置決めなら中間ばめ。芯ブレの公差によってはロウの回り込みシロを考慮した隙間ばめの方がよし。厳しいなら一部だけ中間ばめしで位置精度を確保。

クリープ変形とは
　　高温下において、物体に一定の荷重（応力）を加えることで、時間とともに
　　物体が変形していく現象のことです《脳減る症でないが引用元略》

提起件は温度が落着くと直ちに判る現象で、それではないと思います。

お礼

さっそく回等頂きましてありがとうございました。

製品の設計は別部門が担当しておりますが、現場での解釈は次の通りです。

・【Ａ】部品は、貫通穴なのでブローチで加工する。
・1段目の圧入は、ろうづけ時の仮止めの役割
　（加熱したときに【Ｂ】部品が膨張して径大となり、位置ずれをするのを防ぐ）
・【Ａ】と【Ｂ】の接合強度は、相当厳しく圧入では保証できないのでろう付けで固定している

圧入時の【Ａ】に加わった残留応力が、加熱により、更に大きくなるのかと・・・
圧入代が大きいほど、歪み量（ＢＢＤ変化量）が大きくなります。

おっしゃるとおり時間の経過とは無関係ですね。