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熱処理後の転造：そのうち一つの数字は負です

熱処理のあとで転造するほうが高くつきます。そしてそれは一つの疲労の数字で売られています。 その数字は本物です。107 回の疲労強度が最大で +158%。 数字が言っていないのは、それが初期締付け力 1% の条件で測られたということ—— ほとんど締めていないボルトです。 同じ比較を並目に、そして実際の継手が使う初期締付け力に置くと、測られたのは +8%、−9%、0% でした。

その実験と、そこでの「初期締付け力」の意味

Stephens らは熱処理前の転造（RBHT）と熱処理後の転造（RAHT）を、 五つの初期締付け力の水準それぞれで S–N 曲線を作って比べました。 この設計こそがこの研究を読む値打ちです。 たいていの疲労比較は平均応力を一つ選んで終わりにします。

ここでの「初期締付け力」は固定した最小軸応力を指し、 最大応力のほうを変えて曲線を作っています。 百分率の基準はおよそ 1100 MPa で—— ⚠️ それは RBHT 試験片の平均保証応力であって、各群それぞれのものではありません。

これが効いてきます。RAHT の保証応力はおよそ 10% 低いからです。

公称RAHT 自身の保証応力に対して何を表すか
1%1.1%組付けの初期締付け力がほぼない、R < 0.05
50%55%中程度の平均応力
75%83%実際に組まれた継手に近い
90%100%ほぼ RAHT の保証応力の上
100%110%それを超える。塑性が効き始める

著者自身が 75% と 90% の二つを実際の初期締付け力を代表するものとして記述しています。 根拠は Caterpillar と著者の経験です。 ですから実用条件の証拠は存在します——ただしそれは見出しに使われたほうの数字ではありません。

あの売り文句が出てきた表

107 回の交番応力における RAHT の RBHT に対する向上
公称の初期締付け力細目（3/8-24 UNRF）並目（3/8-16 UNRC）
1%+158%+147%
50%+67%（STP の表）；SAE 要旨では +69%+8%
75%+50%−9%
90%+40%0%
100%およそ +30%高い初期締付け力での向上は報告なし

右の列の 75% を見てください。マイナス 9 ポイントです。 著者が実生活を代表すると呼んだその初期締付け力で、 並目の RAHT ボルトは安いほうの工程に勝っていません。わずかに負けています。

⚠️ 当サイトは「RAHT が並目を悪くする」とは主張しません。 +8% と 0% のあいだに −9% が現れるのは「再現する利点がない」と読むべきで、 「有害である」ではありません。正直な要約はこうです—— 並目の群は高い初期締付け力で、信頼できる優位をまったく示さなかった。

真似をする前に、この但し書きは本物です

上の表を使えるかどうかがここで決まるので、最後に埋めません。

  • ⚠️ 並目の群には交絡があります。転造ダイスが違い、谷の半径が 5–15% 違い、残留応力が異常で、並目 RAHT 試験片にはねじの重なり（laps）がありました。並目の結果の一部は工程順序ではなく製造から来ている可能性があります
  • ⚠️ 1% での細目と並目の差は有意とは示されていません。+158% 対 +147% に仮説検定はかけられていません
  • ⚠️ 大きさは一般化できません。のちの M8・10.9 のボルトを扱った研究は、R ≈ 0.8 でおよそ 9% の向上しか見つけていません
  • ⚠️ 発表された数値には版の違いがあります。SAE と JAI の要旨は「69 から 30%」、のちの ASTM STP の表は公称 50、75、90% に対して 67%、50%、40%。丸めか解析版の違いと見るべきで、その桁まで正確なのではありません

これらを通り抜けて残るのは数字ではなく形です。 RAHT の優位は初期締付け力がほとんどないときに最大で、締付け力が上がるにつれて下がる—— そして著者はそれを結論として書いています。読者に推論させているのではありません。

残留応力の数字は、それ自体より伝わり方のほうが壊れています

RAHT の原理は、材料が硬くなったあとでねじの谷を冷間加工し、 疲労き裂が本来始まる場所に残留圧縮応力を残すことです。 出回っている数字はどれも本物の測定値です——ただ、ゆるく伝えられています。

数字それが実際に何なのか
−500 から −1000 MPaXRD で測った表面近傍の最大圧縮応力の成分、位置は表面と 0.051／0.127 mm 深さ。どの RAHT ねじにも当てはまる軸方向の表面応力ではありません
細目 RAHT の軸方向表面およそ −255 MPa
並目 RAHT の軸方向表面わずかに引張り側——その群が利点を示さなかったことと整合しています
−225 MPa中性子回折で測ったもので、表面 XRD ではありません。無負荷、溶融亜鉛めっき、10.9 の M36

⚠️ そして「初期締付け力が圧縮応力を食べてしまう」は、当サイトが復唱しない単純化です。 加えられた弾性の引張りは、局部の総応力の履歴のなかで残留圧縮応力を相殺します。 本当の緩和には局部の塑性か繰返しによる再分配が要ります。 2005 年の研究は疲労挙動と無負荷の XRD 分布から緩和を推論していて、 締付けの最中に応力場を連続して追ってはいません。

問題は焼き付けであって、めっきではありません

ある研究がよく「表面処理が RAHT の利点を打ち消す」と要約されます。 ⚠️ その要約は間違いで、しかも正す値打ちがあります。図面の違う項目を指してしまうからです。

調べられたのは転造後の温度への曝露—— 有機金属被膜の焼付け硬化や、めっき後の脱水素ベーキングのたぐいです。 争点になっている機構は冷間加工の残留応力の熱による緩和であって、 めっきの化学作用が一般に RAHT を打ち消すという主張ではありません。

そしてこれは水素脆化ではありません——別の機構で、 当サイトにはねじを折るさび止めという別の頁があります。 二つの関わりは、同じ一回のベーキングが両方に関係するという点だけです。 ある問題からあなたを守るそのベーキングが、 お金を払って買った残留応力を緩和しうる熱でもあるのです。

規格が与えるもの、与えないもの

  • ⚠️ ISO 898-1 は RAHT を要求していませんし、もっと役に立つことに、疲労抵抗を規定しないと明記しています。高い強度区分で疲労性能は買えません——それは別に書き出す要求です
  • 熱処理後の転造が表面硬さを上げうることは認めていますが、製造の順序は規定していません
  • ⚠️ 航空宇宙も通則ではありません。AS8879 のような規格が規定するのはねじ山形状で、工程を要求にするのは購買仕様か製品仕様です
  • ⚠️ 一般に通用する寸法や硬さの上限はありません。一般の転造実務はおよそ 32 HRC、専用の航空宇宙用ダイスと工程ならおよそ 38–40 HRC 以上まで転造できます。直径、ピッチ、材料の延性、ダイスの材質、転造力、許容できる工具寿命がどれも効きます
  • ⚠️ あの 20–40% の価格上乗せは業界の見積りで、ASTM の論文に出てそのまま引用されています。供給者から独立した費用のデータセットは見つけられませんでした

では、いつ指定する値打ちがあるのか

  1. 継手が疲労に敏感で、しかも初期締付け力が高くないとき。測られた利点がいちばん大きいのがそこで、しかもそれは実在する設計の状況です——すべての継手が強く締められているわけではありません。
  2. 高い初期締付け力の継手に対する汎用の格上げとして使わないこと、とくに並目では。この研究は実用の締付け力で信頼できる優位を見つけていません。
  3. 転造のあとに何が起きるかを訊いてください。部品にめっきと脱水素ベーキングが入るなら、あるいは被膜を熱硬化させるなら、買った残留応力はその熱を通ります。工程の名前だけでなく、順序と温度を受け取ってください。
  4. 疲労が要るなら要求として書くこと。強度区分は運んでくれません。ISO 898-1 自身がそう言っています。
  5. まず初期締付け力のほうを片づけること。ここでの疲労挙動は平均応力が支配するので、たいていの継手では継手線図と締付け方法の管理のほうが、転造の順序より効きます。

その手前の問い——転造すべきか切削すべきか——は 転造か切削かにあります。

参考資料

  • R. I. Stephens、N. J. Bradley、N. J. Horn、J. J. Gradman、J. M. Arkema、C. S. Borgwardt、〈Fatigue of High Strength Bolts Rolled Before or After Heat Treatment with Five Different Preload Levels〉、SAE Technical Paper 2005-01-1321、2005、DOI 10.4271/2005-01-1321
  • N. J. Bradley ら、〈Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Fine Thread Bolts for Multiple Preload Conditions〉、《Journal of ASTM International》3(4)、2006、JAI13069、DOI 10.1520/JAI13069
  • R. I. Stephens ら、〈Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Coarse Thread Bolts for Multiple Preload Conditions〉、《Journal of ASTM International》3(3)、2006、JAI13075、DOI 10.1520/JAI13075
  • N. J. Horn、R. I. Stephens、〈Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on High Strength Bolts for Different Fatigue Preload Conditions〉、《Journal of ASTM International》3(1)、2006、JAI12551、DOI 10.1520/JAI12551
  • Marcelo ら、2011 —— M8、10.9、R ≈ 0.8 でおよそ 9% の向上
  • ISO 898-1 —— ファスナの機械的性質；強度区分を規定し、疲労抵抗は規定しないと明記。AS8879 —— ねじ山形状であって工程要求ではない

どの継手の合否も、あなたの図面とあなた自身の試験が決めます。

この記事は手順 2、ねじを扱います。全体の順序は相手材、ねじ、頭部、駆動部、表面処理、書類で、これを崩すと微調整ではなく手直しになる理由はねじの決め方にあります。

よくある質問

熱処理後の転造は、その追加費用に見合いますか。

ほとんど完全に、その継手の初期締付け力がどれだけ高いかによります。Stephens らの五水準の研究では、細目の RAHT ボルトは初期締付け力 1% で 10⁷ 回の疲労強度が 158% 向上しましたが、公称 90% ではおよそ 40% まで落ちます。並目の試験片は公称 50% で 8%、75% で負の 9%、90% で 0% であり、著者が実生活を代表すると記述した締付け力では信頼できる利点がありませんでした。

その試験の「初期締付け力 1%」とは何ですか。

固定した最小軸応力で、およそ 1100 MPa の 1% に設定されています。その 1100 MPa は熱処理前に転造した群の平均保証応力です。応力比は 0.05 未満なので、ボルトは繰返しの引張りを受けてはいますが、組付けの初期締付け力はほとんどありません。この条件を言わずに 158% を引くのは、締まった継手を設計している人に対して誤解を招きます。

なぜ百分率が別の群を基準にしているのですか。

その研究が、熱処理前に転造した群の平均保証応力をすべての試験片の共通の基準に使ったからです。RAHT ボルトの保証応力はおよそ 10% 低いので、公称の 1、50、75、90、100% は RAHT 自身の保証応力に対しておよそ 1.1、55、83、100、110% にあたります。公称 90% では、RAHT ボルトはすでに自分の保証応力の近くにいます。

めっきは熱処理後の転造の利点を打ち消しますか。

それは誤読です。よく引かれるその研究が見ているのは転造後の温度への曝露、つまり有機金属被膜の焼付けやめっき後の脱水素ベーキングのたぐいで、争点の機構は冷間加工の残留応力の熱による緩和です。めっきの化学作用そのものが利点を打ち消すと示しているのではありませんし、水素脆化とは別の機構です。関わりは同じ一回のベーキングが両方に関係するという点だけです。

強度区分が高ければ疲労性能も良いのですか。

いいえ。ISO 898-1 が規定するのは機械的および物理的な強度区分で、疲労抵抗は規定しないと明記しています。疲労が継手にとって重要なら別に要求として書かねばなりませんし、それを支配するのは製造の順序、ねじ谷の状態、初期締付け力であって、強度区分の数字ではありません。

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図面が熱処理後の転造を要求しているなら、この継手が実際に受ける初期締付け力と、 転造のあとに部品が何を通るのかをお知らせください。 この二つはどちらも、その要求が結局何を買っているのかを変えます。

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