不動態皮膜はかじりの原因ではなく、かじりを遅らせています

先に結論を書きます。ステンレスがなぜかじるのかについて読んだ説明は、ほとんどが逆です。 不動態皮膜は犯人ではありません—— 316L では、あらかじめ厚く育てた酸化層のほうが galling の損傷を明確に下げました。 その皮膜がまず削り抜かれなければ、金属と金属は触れないからです。 そして炭素鋼も免れていません—— NIST は普通の 1018 と 1541 でかなり重いかじりを測っています。 本当に押しているのは、軟らかくて延性が高いことです。

先にかじりとは何かを、それから理由を

ASTM G40 は galling を、滑る固体のあいだに起きる表面損傷で、 巨視的で、多くは局所的な粗さの増大と、もとの表面より高い突起を特徴とするものと定義します。決定的な特徴は塑性流動で、材料の移着を伴うこともあります。

この定義から三つが出てきます。そして現場ではこの三つがよく混ざります。

ひっかき傷ではありません。材料は押しのけられて盛り上がっており、脇へすき取られただけではありません
焼付き（seizure）と同じではありません。焼付きは機能上の結果——相対運動が止まることです。重いかじりは焼付きに至りますが、まだ焼付いていないかじりも、かじりです
「冷間圧着」は同義語ではありません。冷間圧着は固相の接合で、しばしば始まりの事象です。galling はそのあとに発達する損傷の形態で、ASTM の定義は材料移着が証明できることすら求めていません

当サイトが書くつもりだった説明と、それが誤りである理由

どこにでもある版——そして当サイトが下書きしていた版——はこうでした。ステンレスを耐食にしている不動態皮膜が突起でこすり取られ、新たに露出したステンレスは化学的に非常に活性なので、相手と冷間圧着する。 買った理由が、裏切る理由でもある。よくできた話です。

しかし酸化皮膜の働く向きは逆です。 316L を対象とした研究は、 あらかじめ厚く育てた酸化層が galling の損傷を有意に下げることを見つけました。酸化層は凝着を下げます。それがまず削り取られるか、表面に機械的に混ぜ込まれて、そのあとでかじりが起きます。 あの皮膜は、あなたと不具合のあいだに立つ障壁であって、不具合の機構ではありません。

話の後半も正しくありません。炭素鋼はかじります。 NIST の摩耗試験は、普通の 1018 と 1541 でかなり重い galling を作っています。実務でステンレスと炭素鋼を分けているものが何であれ、 「炭素鋼ではこれは起きない」はその理由ではありません。

実際に起きていること

研究が支えられる形で、この過程を述べると：

荷重と滑りが突起——実際に触れている高い点——に高い接触応力と塑性変形を生みます
その変形がその場にある隔ての層をすべて壊します——酸化物、汚れ、潤滑
裸の金属が裸の金属に触れ、強い凝着接点ができます
滑りが続くと、その接点は界面ではなく母材の内部でせん断され、材料が移着し、くさび状に盛り上がり、塑性流動が繰り返されます

結果が ASTM の記述する巨視的な粗さと突起で、 ねじ山のなかでは、さっきまで隙間だったはめあいが、いま干渉になっています。

材料の性質が最も効くのは四つ目です。 軟らかく延性のある表面は、その接点を深くせん断させ、塑性流動を続けさせます。固溶化状態のオーステナイト系ステンレス——304、316、つまり A2 と A4——は軟らかく、非常に延性があります。それが本当の答えで、しかもそれは力学的な性質であって化学的な性質ではありません。

検討して捨てた候補が一つあります。 当サイトは当初、オーステナイト系がかじるのは加工硬化率が高いからだと仮定していました。 向きが逆でした。英国ステンレス協会の資料は 高い延性と低い加工硬化率が galling に有利な条件だと示し、 NIST も塑性流動が制限される合金はむしろかじりに強くなりうると述べています。

ほかの二つも通りませんでした——熱伝導率が低いこと（316L のモデルはこの速度域では摩擦発熱の影響が小さいとしています）、そして「遊離黒鉛がないこと」（それは炭素鋼との差ではありません。黒鉛は鋳鉄の組織です）。

どの材質か、そして組合せの話

固溶化状態の 304 と 316 は、硬化したマルテンサイト系よりかじりやすい—— 理由は上のとおりで、より軟らかく延性が高いので、大きな尺度の塑性流動が可能だからです。硬化したマルテンサイト系は、その流動が始まりにくい硬さに到達できます。

同材質どうしは強い危険因子であって、判定則ではありません。 自己対の材料は冶金的に完全に相容れるので強い凝着接点を作りやすく、 NIST の純金属試験でも自己対のほうが損傷が重いのが通例でした。 しかし異材のオーステナイト系もかじりますし、自己対でも高い耐性を持つよう開発されたオーステナイト系合金もあります。 「材質が同じ」は警報として扱い、判決として扱わないでください。

試験規格が教えること、教えないこと

誰かが galling の数字を出してきたら、それが何かを知っておく価値があります。

ASTM G98 は無潤滑、低速、断続的な滑りの button-on-block 試験で、 しきい値かじり応力を与えます。 ASTM は材料の対を予備的に順位づけるためのもので、定量的な設計に直接用いてはならないと明記し、 この方法は潤滑された滑りを扱いません
ASTM G196 は損傷の定量測定を採り、再現性が高くなります。 ASTM は G98 を予備のふるいとして位置づけています

どちらも模しているのは低速、断続、無潤滑の接触です—— ねじのかみ合いは確かにそのなかに入ります。 しかしどちらも、あなたのそのボルトの許容応力を与えません。

この頁が変えていないこと

上のどこにも、ステンレスが悪い選択だとは書いていません。書いてあるのは—— かじる理由は化学的ではなく力学的であること、酸化皮膜は味方であって敵ではないこと、そして炭素鋼のねじも同じ不具合に免疫ではないこと。

ステンレスを選ぶ本当の取引は別のところにあります—— 同じ寸法ならステンレスのほうが弱く、この半分の代償が変更届に載ることはめったにありません。等級の文字の意味と、材質選定が決定の順序のどこに来るかはねじの決め方にあります。

参考資料

ASTM G40 — 摩耗とエロージョンに関する用語（galling の定義、凝着摩耗）
ASTM G98 — 材料のかじり抵抗の標準試験方法（しきい値かじり応力、適用範囲と限界）
ASTM G196 — 材料の対のかじり抵抗の標準試験方法
Rogers ほか — 316L ステンレスにおける galling と酸化の相互作用
NISTIR 89-4064 — 普通炭素鋼を含む摩耗試験
英国ステンレス協会 — ステンレスのかじりと耐かじり性、摩耗とかじりに影響する因子

本頁は一つの機構を説明し、それについてよく語られる説明を一つ訂正しています。 個々の継手の合否は、あなたの図面、図面が引く規格、そして必要なら実際の試験が決めます。

この記事は手順 5、表面処理を扱います。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

不動態皮膜がステンレスのかじりの原因ですか。

逆です。316L を対象とした研究は、あらかじめ厚く育てた酸化層が galling の損傷を有意に下げることを見つけました。酸化層は凝着を下げ、それがまず削り取られるか表面に機械的に混ぜ込まれて、そのあとでかじりが起きます。皮膜は不具合の機構ではなく、あなたと不具合のあいだに立つ障壁です。

炭素鋼はかじりませんか。

かじります。NIST の摩耗試験は普通の 1018 と 1541 でかなり重い galling を作っています。実務でステンレスと炭素鋼を分けているものが何であれ、「炭素鋼では起きない」はその理由ではありません。

では固溶化状態のステンレスがかじりやすいのはなぜですか。

軟らかく、延性が非常に高いからです。凝着接点が界面ではなく母材の内部でせん断されるとき、軟らかく延性のある表面は接点を深くせん断させ、塑性流動を続けさせます。これは力学的な性質であって化学的な性質ではありません。なお当サイトは当初、加工硬化率が高いからだと仮定していましたが、向きは逆で、高い延性と低い加工硬化率が galling に有利な条件です。

かじりと冷間圧着と焼付きは同じものですか。

違います。焼付きは相対運動が止まるという機能上の結果で、重いかじりは焼付きに至りますが、まだ焼付いていないかじりもかじりです。冷間圧着は固相の接合で、しばしば始まりの事象です。galling はそのあとに発達する損傷の形態で、ASTM G40 の定義は材料移着が証明できることすら求めていません。

かじりの数値を設計にそのまま使えますか。

使えません。ASTM G98 が与えるしきい値かじり応力について、ASTM 自身が材料の対を予備的に順位づけるためのもので定量的な設計に直接用いてはならないと明記し、潤滑された滑りも扱っていません。ASTM G196 は損傷の定量測定で再現性が高くなりますが、どちらもあなたのボルトの許容応力を与えるものではありません。

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