はんだ脆化：鋼の品質管理における主要なリスクと予防策

定義と基本概念

はんだ脆化は、特定の低融点はんだ合金や不純物が鋼マトリックスに拡散することによって、鋼の延性と靭性が著しく低下する金属学的現象です。この欠陥は、材料が破断することなく塑性変形する能力が著しく低下する形で現れ、しばしば機械的応力下で脆性破壊を引き起こします。

鋼の品質管理および材料試験の文脈において、はんだ脆化は重要な懸念事項です。なぜなら、これは特に溶接、はんだ付け、またはブレージングプロセスにさらされる鋼部品の構造的完全性を損なう可能性があるからです。これは、特定の元素や相が鋼の微細構造に意図せず拡散または汚染されることによって生じる金属学的脆化の一形態と見なされます。

鋼の品質保証の広範な枠組みの中で、はんだ脆化は、脆いゾーンの形成を防ぐために合金組成、加工条件、および後処理処理を制御する重要性を示しています。これは、圧力容器、パイプライン、構造部品などの重要な用途に使用される鋼製品の信頼性と安全性を確保するための重要な要素です。

物理的性質と金属学的基盤

物理的現れ

マクロレベルでは、はんだ脆化は、機械試験やサービス負荷中に突然の脆性破壊として現れ、しばしば破壊前にほとんど塑性変形が見られません。破壊面は通常、割れ目の面、粒界の亀裂、または粒状の外観など、脆性破壊の特徴を示します。

顕微鏡的には、はんだ脆化は、粒界、界面、または微細構造内における脆い金属間化合物、偏析、または拡散ゾーンの存在として現れます。これらの領域は、くぼみやすべり帯などの延性の特徴が欠如していることが多く、代わりに脆性破壊の形態を示します。

特徴的な特徴には以下が含まれます：

• 粒界に沿った粒間亀裂。
• 特定のスズ、亜鉛、または鉛ベースの相などの脆い金属間化合物の存在。
• 不純物や合金元素の偏析から発生する微小空洞や微小亀裂。
• 微細構造の結束力の低下により、亀裂の伝播が容易になる。

金属学的メカニズム

はんだ脆化の根本的なメカニズムは、低融点はんだ合金や不純物が鋼の微細構造に拡散すること、特に粒界に沿って拡散することに関与しています。スズベースや亜鉛ベースの一般的なはんだ合金は、特定の条件下で鋼の成分と相互作用する可能性のある元素を含んでいます。

はんだ付けや高温にさらされると、これらの元素は鋼に拡散し、粒界で脆い金属間化合物や偏析を形成します。これらの相は、通常、低い破壊靭性を特徴とし、亀裂の発生点として機能する可能性があります。

微細構造の変化には以下が含まれます：

• 脆い金属間相の形成（例：スズリッチまたは亜鉛リッチ化合物）。
• 鉛、カドミウム、または他の有毒元素などの不純物の偏析。
• 延性相や炭化物の枯渇により、微細構造が弱くなる。
• 粒界の脆化により、結束力が低下し、粒間破壊に対する感受性が増加する。

鋼の組成は感受性に影響を与えます。たとえば、高硫黄またはリン含有量の鋼は、脆化しやすい可能性があります。高温はんだ付け、急冷、または不適切な熱処理などの加工条件は、拡散と脆化相の形成を悪化させる可能性があります。

分類システム

はんだ脆化は、重症度、微細構造の特徴、および脆化相の形成の程度に基づいて分類されます。一般的な分類基準には以下が含まれます：

• タイプI（軽度）： 延性に対する影響が最小限の軽微な粒間偏析；顕微鏡分析によってのみ検出可能なことが多い。
• タイプII（中程度）： 靭性を低下させる顕著な粒間脆い相；機械試験で明らかになることがあります。
• タイプIII（重度）： 粒界に沿った脆い相の広範な形成により、壊滅的な脆性破壊を引き起こす。

実際のアプリケーションでは、これらの分類が受け入れ基準や修理戦略を導く役割を果たします。たとえば、タイプIIIの脆化を示す鋼部品は、再溶融、熱処理、または交換が必要になる場合があります。

検出および測定方法

主要な検出技術

はんだ脆化を検出するための主要な方法には以下が含まれます：

• 微細構造分析（光学および電子顕微鏡）： 脆い金属間相、偏析ゾーン、および粒界の特徴の存在を明らかにします。
• 機械試験（破壊靭性、シャルピー衝撃）： 脆化を示す靭性または衝撃抵抗の低下を測定します。
• 化学分析（分光法、マイクロプローブ）： 鋼の微細構造内でのはんだ合金元素や不純物の拡散を検出します。
• X線回折（XRD）： はんだ付けによって形成された特定の金属間相を特定します。

物理的原理は、結晶相によるX線の回折、微細構造の特徴との電子相互作用、または機械試験中の力-変位の測定を含みます。

機器のセットアップには通常、以下が含まれます：

• 金属学的サンプル準備を伴う光学顕微鏡。
• エネルギー分散型X線分光法（EDS）を備えた走査型電子顕微鏡（SEM）。
• 衝撃または引張試験用の機械試験機。
• 元素マッピング用のマイクロプローブ分析装置。

試験基準および手順

関連する国際基準には以下が含まれます：

• ASTM E1820： 破壊靭性の測定のための標準試験方法。