スプリングの故障解析と防止技術

春 スプリングは一般機械に不可欠な部品であり、緩衝バランス、エネルギー貯蔵、自動制御、復帰位置決め、安全確保などの役割を果たしています。スプリングは使用中に様々な原因で破損し、機械の故障につながることがよくあります。そのため、スプリングの破損原因とその防止策について検討する必要があります。

ばねの故障につながる主な要因は、材料欠陥、加工・製造欠陥、不適切な熱処理、不適切な表面処理、作業環境要因です。衝突痕、フレッティング摩耗、ピットなどのばね表面欠陥は、ばねの故障の最大の原因であり、50%を占めています。さらに、ひび割れは20%、介在物と気孔は13%、脱炭、熱処理、表面強化はそれぞれ約3%を占めています。

ばねの故障は、単一の原因によって発生する場合もあれば、複数の原因が複合的に作用して発生する場合もあります。したがって、ばねの故障解析では、まず事例の故障現象を調査・分析し、故障モードを特定した上で、故障の原因を究明し、改善策を立案する必要があります。

バネの原材料に起因するバネの故障：

（1）鋼の製錬方法の違いにより、鋼中に含まれる介在物の程度が異なり、ばねの早期疲労破壊を引き起こします。介在物の量が多すぎたり、サイズが大きかったり、均一性が悪いと、材料の機械的性質に影響を与え、早期疲労破壊が発生しやすくなります。例：自動車のサスペンションに使用されているトーションバースプリングは、新車が倉庫から出荷された直後に破損しました。分析の結果、破損の原因はスプリングの表層部に存在する粗大で脆い介在物であることが分かりました。

予防策：

ばね材は、厳格な化学組成管理、高純度、低介在物含有量といった優れた金処理品質に加え、材料組成と組織の均一性と安定性が求められます。鋼中の有害ガスや不純物元素を低減し、鋼の純度を向上させるために、真空精錬やエレクトロスラグ再溶解などの精錬技術を採用する必要があります。

（２）圧延工程で発生する可能性のある欠陥：残留管収縮および中央割れ、折れ曲がり欠陥、線状欠陥、傷。

表面腐食ピット: 過度に焼けた表面、オレンジの皮のような表面、麻のピット。これらはスプリングの故障の原因となる可能性があります。

予防策：

製鉄所は、圧延工程で発生する欠陥を回避し、排除するよう努めるべきであり、バネ工場はバネ原材料の品質検査を強化し、表面品質の良い材料を使用するよう努めるべきである。

製造工程によるスプリングの故障:

冷間成形された螺旋状部材の表面欠陥 スプリングススプリングを巻く際の設備の不良や不適切な調整により発生する可能性があります。

例えば、自動ばねコイリング機でばねを切断する際、切断刃がばねリング付近の鋼線の内面に食い込むことがあります。熱間成形時の高温により、ばね表面にオレンジピール状の欠陥が生じ、ばねの疲労寿命が大幅に低下します。

あるいは、熱間成形時に加熱温度が低すぎるため、鋼材の可塑性が十分でなく、熱間成形工程中にばねの表面応力が材料の強度限界を超え、亀裂が発生します。

予防策：

製造工程においては、表面欠陥を極力回避するために、ばね表面の品質検査を強化することも必要です。

熱処理工程の欠陥によるスプリングの故障：

加熱または冷却中のばねの表面および中心の温度分布が不均一な場合、熱応力が発生し、相変化のプロセスによって組織応力が発生し、その合計値が材料の強度限界を超え、ひび割れが発生します。

この欠陥は、水冷焼入れされた大型ばねでより多く発生し、発生した亀裂は修復不可能で、廃棄するしかありません。さらに、鋼材に残留する収縮孔、白点、冷間加工工具の痕跡、冷間引抜および熱間圧延工程における傷や折れといった原材料の欠陥は、焼入れ時に応力集中や割れを引き起こします。

会社のスプリングは、初期表面の短く浅い折り畳み亀裂により、焼入れ熱処理中に、亀裂は半径方向に3.9mmまで拡大し、疲労 テスト最初に臨界サイズまで膨張し、バネの瞬間的な破断を引き起こしました。不適切な熱処理によって生じた異常組織（粗大な焼入れマルテンサイトなど）

共析フェライトまたは自由フェライト、炭化物の偏析、ばねの熱処理変形、表面の酸化および脱炭により、ばねの破損が発生します。

予防策：

加熱温度と保持時間を厳密に管理することに加え、炉内の雰囲気を制御し、加熱ガスの組成を定期的に分析することで、正常な熱供給を確保することが非常に重要です。変形を低減し、焼割れを防止するため、大きすぎる熱成形用スプリングに加え、一般的な熱成形用スプリングは油中で冷却されます。