研削火花：炭素鋼とステンレス鋼の識別

ステンレスを研磨すると火花が出ますか？

はい、ステンレス鋼は研削加工中に火花を発生させます。この現象は、研磨加工中に外れた微細な金属粒子が急速に加熱されるために起こります。研削砥石がステンレス鋼の表面に接触すると、大きな摩擦が発生し、この微細な金属片が1000℃を超える温度に達します。このような高温では、粒子は急速に酸化し、可視光を放出して火花として現れます。

火花の特徴 (色、強度、パターンなど) は、加工するステンレ ス鋼の鋼種や組成によって異なる。例えば、オーステナイト系ステンレ ス鋼 (304、316など) は通常、赤みがかったオレン ジ色をした、より短く、より多くの火花を発生 させるが、マルテンサイト系ステンレス鋼 (420、 440Cなど) は、黄色がかった、より長く、 より明るい火花を発生させることが多い。研削砥石の粒度、回転速度、加圧などの要因も火花の形成に影響する。ステンレス鋼の研削では火花の発生が一般的であるが、作業場環境での潜在的な危険を防ぐため、目の保護や火花の封じ込めなど、適切な安全対策を常に実施する必要がある。

1.鋼鉄火花識別ではなぜ火花が出るのか？

鋼材を研磨砥石で加圧しながら研磨すると、材料は研磨作用によって微粒子になります。これらの粒子は機械的摩擦によって急速に加熱され、回転ホイールの遠心力によって排出されます。

加熱された鋼鉄粒子が空気中の酸素と接触すると、急速に酸化が進む。この発熱反応により、鋼鉄粒子が融点に近づくのに十分な熱が発生し、発光する。この発光粒子の軌跡は流線型を描き、特徴的な火花のパターンを作り出す。

酸化プロセスは、粒子表面に酸化鉄膜（2Fe + O2 → 2FeO）が形成されることから始まる。同時に粒子内では、炭化鉄（Fe3C）の形で存在する炭素が高温で分解し、元素状炭素（Fe3C → Fe + C）を放出する。この遊離した炭素が表面の酸化鉄と反応し、ガス状の一酸化炭素を生成する。

この反応によって、炭素原子が表面の酸化鉄を還元し、大気中の酸素と反応して再酸化するという循環プロセスが生まれる。同時に、これは内部の炭素とのさらなる反応を引き起こし、粒子内に一酸化炭素ガスを蓄積させる。

内部のガス圧が粒子外層の表面張力を上回ると、微小爆発が起こる。この現象は、ミニチュア花火のような明るい破裂音として現れる。その結果、より小さな粒子内に残留炭素が残ると、酸化-爆発サイクルが繰り返され、第2世代、第3世代、あるいは第4世代のバーストにつながる可能性がある。この繰り返しにより、火花試験で観察される特徴的な樹枝状または枝分かれパターンが形成される。

これらの爆発の頻度と強度は、鋼の炭素含有量に直接相関する。高炭素鋼ほど、より頻繁で顕著なバーストを示し、その結果、枝分かれが増え、「花のような」形成を伴う、より複雑な樹枝状パターンが生じる。逆に低炭素鋼は、枝分かれが少なく、より単純なスパークパターンを生じる。

炭素含有量と火花特性の間のこの関係は、作業場で異なる鋼種を識別するための迅速で定性的な方法としての火花試験の基礎を形成しています。しかし、火花試験は貴重な知見を提供する一方で、正確な材料識別と特性評価のためには他の分析方法と併用する必要があることに注意することが重要です。

2.火花の各部分の名称は？

火花のパターン、様々な部品や形状は一般的に以下を含む：

1) ファイアビーム

試験試料を砥石で研削する際に発生する火花を総称して火線と呼ぶ。

ファイヤービームは大きく3つの部分に分けられる：

砥石に最も近いファイヤービームはルートファイアービームと呼ばれる。

真ん中の部分はミドルファイアービームと呼ばれる。

砥石から最も遠いファイヤービームの端の部分をテール・ファイヤービームと呼びます。図 12-1 を参照してください。

2) 合理化

鋼材を研削すると、研削粒子が高速で飛び散り、ストリームラインと呼ばれる明るい線ができる。

流線の形状の特徴から、図12-2に示すように、直線流線、波状流線、間欠流線の3つの一般的な形がある。

3) ファイヤークラッカー

バーストパターンがストリームラインの真ん中で発生する。

樹枝状花火、羽状花火、苞状花火である。

枝状の花火は木の枝に似ており、2本フォーク、3本フォーク、多数本フォークなど、枝の本数が多かったり少なかったりする。

分割には、一次分割、二次分割、多重分割など、さまざまなレベルがある。

フェザー型爆発は、羽毛に似たリム型鋼の特殊な爆発形態である。苞は、流線の途中で発生する特殊な膨張形態で、膨張部分の前後に炸裂を含む。

図12-3を参照されたい。苞花が流線の末端に現れる場合は、苞花尾花とも呼ばれる。

4) ノード

流線が途中ではじける点をノードと呼ぶ。

鮮やかでふっくらとした節がある花火もあれば、節が目立たない花火もある。

5) 日よけライン

火花がはじけると、ストリーマーはススキのラインと呼ばれる。

樹状花火は、ほとんどのススキの集合体であるとみなすことができる。

6) 花粉

爆発するススキのライン間やストリームライン付近で点状の火花が散る。

7) 尾花

カリフラワーは流線型テールの異常形態である。

一般的な尾花には、狐尾花、槍先尾花、木蓮尾花の3種類がある。図12-4に示す。

図12-4 尾花の形

8) カラー

火炎ビーム全体または火花の一部の色と明るさ。

3.火花識別のための装置と操作は？

火花の識別に使われる主な道具はグラインダーである。

研削盤には卓上型とポータブル型がある。

ベンチグラインダーは、鋼鉄サンプルや小さな形状の部品の検査に適しています。

ポータブル・グラインダーは、作業場や倉庫で鋼材のバッチを識別するのに使用できる。

ベンチグラインダーに使用されるモーターの出力は0.5KWで、回転速度は約3000RPMである。

ポータブル・グラインダーのモーターは0.2 KWで、回転数は2800 RPMである。

過度のパワーとスピードは火花の散乱を引き起こし、識別に不利となる。

出力や回転数が低すぎると、タングステンを含む合金工具鋼や高速度鋼を研削することが難しくなり、火炎ビームを生成できないことさえある。

砥石は粒度46#または60#（好ましくは60#）、中硬度200mmで、厚さは20～25mmとする。

ポータブル研削盤用の砥石の直径は9020mmである。

1) 道具の性能を熟知する

研削盤や砥石の粒度などの工具を頻繁に変えないことが望ましい。

火花を識別するためには、道具の性能に関する知識と慣れが不可欠である。

火花の形は、グラインダーによって異なる砥石速度と粒子径の変化によって変化することがある。

2) 砥石摩擦面の切れ味と真円度を維持する。

シャープさと 丸み 砥石の摩擦面を定期的にメンテナンスし、安定した投射力を確保すること。

砥石の切れ味が悪いと流線が悪くなり、真円度が保たれていないと、鋼材が砥石と擦れるときに飛び跳ねることがある。したがって、砥石の真円度は小さすぎてはならない。

3) 環境の影響を修正するために標準ブロックを使用する

作業を開始する前に、客観的環境の潜在的影響を補正するための標準サンプルを特定することが重要である。

作業環境の明るさは火花の観察に大きく影響する。

4) 良い職場を選ぶ

同定場所は過度に明るくすべきではないが、完全に暗くする必要はない。正確な同定を行うためには、明るさを一定に保つことが重要である。

通常、屋外での使用は推奨されない。しかし、屋外での使用が必要な場合は、ウサギなどの強い光の干渉を避けるため、黒い布で覆った可動式の防水シートを使用する。

5) 自作鋼種の標準鋼材サンプル

学習と識別における比較のために、鋼種が既知の標準鋼材サンプル一式を提供すべきである。鋼材サンプルは包括的であればあるほど良い。

各元素の正しい含有量を決定するために、標準鋼材のサンプルは化学分析を受けなければならない。

4.火花識別の意義とは？

機械製造業界において、正確な材料選択と熱処理は、技術専門家が直面する重要な課題です。鋼種の適切な識別と利用は、製品の品質、安全性、費用対効果を確保するために最も重要です。

製造中の鋼種の不適切な選択や不注意な混合は、コンポーネントが性能仕様を満たさないことにつながり、大きな経済的損失や致命的な故障につながる可能性があります。従って、鋼種とそれぞれの特性を包括的に理解することは、機械製造の成功に不可欠です。

鋼材の識別方法は、化学的アプローチと物理的アプローチに大別される。化学分析は高い精度を提供しますが、主に実験室ベースのサンプリング検査に適しています。化学分析には時間とコストがかかるため、ほとんどの製造環境における現場での適用には現実的ではありません。

物理的同定法は、化学的分析に比べると精度は劣るものの、その実用性と熟練技術者の蓄積された専門知識により、予備的な現場評価には非常に貴重である。これらの物理的手法の中でも、火花同定と金属組織分析は、最も効率的で広く適用できる技術として際立っている。

特に火花識別は、多くの利点があるため、業界で広く採用されている：

1. スピードと利便性：この方法では、入念なセットアップや準備をすることなく、鋼種を迅速に評価することができます。
2. 非破壊検査：他のいくつかの方法とは異なり、火花識別は試験される鋼鉄を損傷または変化させないため、材料の完全性が保たれます。
3. 現場での適用性：生産環境で直接実行できるため、リアルタイムの意思決定が可能。
4. 費用対効果：この方法には最小限の装置と消耗品しか必要としないため、頻繁に使用するには経済的に実行可能である。

火花識別の重要性は、製造工程のいくつかの重要な段階で明らかになる：

1. 材料の受け入れと在庫管理：大量の鋼材が工場に入る場合、輸送中や保管中に混入するリスクがあります。スパーク識別は、材料の迅速な確認と選別を可能にします。
2. 生産前の品質保証：製造プロセスを開始する前に、鋼種を確認し、各構成部品に正しい材料が使用されていることを確認することが重要です。
3. 熱処理前の検証：鋼種が異なると、特定の熱処理パラメータが必要となる。熱処理前に鋼種を再確認することで、プロセスの選択と実行におけるコストのかかるエラーを防ぐことができます。
4. 材料のリサイクルと廃棄部品が廃棄される場合、鋼種を特定することは、適切なリサイクルまたは廃棄のために不可欠であり、環境規制を遵守し、材料の回収価値を最大化します。

5.火花の変化に対する合金元素の影響は？

カーボンが主役 鋼の要素 グレードで、その活性化形態は炭素含有量の増加とともに変化する。

6.一般的に使用されている鋼鉄のスパークパターンは？

一般的な鋼のスパークパターンは以下の通り：

図12-6 30 鋼

フレームビームは全体が黄色に見え、中央に太いストリームライン、根元にはやや細いストリームライン、テールにはやや大きな花火がある。さらに、長いススキのような流線がわずかに垂れ下がっている。

二次爆発の場合、明るい爆発ノードを持つ複数の分岐がある。

図12-7 40 鋼

花火のビームの長さが少し長くなった。すべての花火が二次バーストとなり、導火線が長く太くなっている。さらに、ビーム全体の花火の数が増え、花粉も出始めている。花火ビームの尻尾も大きくなり、色は鮮やかな黄色だ。

図12-8 45 鋼

火縄銃の梁の長さは鋼鉄40本分より長い。花火の形が大きくなり、流線と花火の数が増えた。流線が太く、ススキの線が長い。流線と流線の間に適度な花粉があり、力強く発光するため、はじける度合いが大きい。節は明るく、尾部の花火の数は40本鋼よりかなり多い。さらに色は明るい黄色。

図12-9 50 スチール

フレーム・ビームの長さは、スチール・ビーム45本分に相当する。

爆発パターンは顕著で、流線と爆発の数が増えている。流線は太く、その間に長いススキの線と花粉があり、爆発を力強いものにしている。節は明るく、尾部の爆発数は45スチールビームより明らかに多い。炎の色は明るい黄色。

炎全体は黄色で、やや太く長い流線と直線的な形をしている。テールに向かう中間部分はやや垂れ下がっている。

同じ炭素含有量の炭素構造用鋼で作られた、複数の枝を持つ単一の爆発パターンは、爆発パターンよりもわずかに規則的である。爆発の度合いが大きく、節が明るい。

この段階でのクロムの存在は、長さ調整とクラッキングにおけるクロムの役割を示している。

スパークビームは鮮やかな黄色で、流線型のラインが多い。複散形花の二次バーストは大きく、整然としていて、規則的で、かなりの数の花火がある。ススキの線は長く太く、花角ははっきりとしていてよく分かれている。

花粉の量は十分で、破裂度は高く、太い流線があり、中央から尾に向かってやや垂れ下がっている。大枝菊の破裂度はさらに激しい。

現在、ミディアム・カーボン・ロー・インスクリプションは、依然として爆発を促進するという目的を果たしている。

図12-12 20CrMo鋼

火炎ビームは20Cr鋼より短い。流線はやや細く、複数の分岐があり、1回の爆発は1回である。

20CrMoと比較すると、爆発パターンは縮小し、爆発の程度は弱まり、節はあまり明るくなく、色は黄色である。さらに、流線の尾部には銃先尾花がある。

モリブデンはこの段階で阻害する性質を持っている。

クロムは爆発性の元素だが、モリブデンと共存し、その性質は従属的なものになる。

図12-13 40CrMo鋼

の炎の色 42CrMo 鋼の色調は40Cr鋼よりやや濃く、流線も似ている。適量の花粉で二次爆発複合花を形成し、節は明るく見える。しかし、爆発パターンは不規則で乱雑で、爆発の程度はやや弱くなる。尾部には20CrMo鋼には見られない銃先尾花がある。

このことから、炭素含有量がモリブデンに一定の影響を与えることが推測できる。

図12-14 60Si2Mn鋼

ファイヤービームは適度な長さがあり、流線が少なく、やや太い。ほとんどが2回破裂するが、中には3回破裂するものもあり、花型は小さく、シリコン芽の節が目立つ。これらのタイプはススキの線が少なく短く、バースト度はやや弱く、花粉はない。火花の色と爆発節はあまり明るくない。

図12-15 GCr15スチール

ファイヤービームは適度な長さがあり、流線型とトリプルバーストのパターンが多い。流線はやや細く、枝状の花火が密集している。

花火の量は多く、模様は小さく、ススキの線は細く不規則である。ススキとススキの間にはかなりの量の花粉があり、節はあまりはっきりしない。花火の色はオレンジ色。

内部組織は熱間圧延状態のトルースタイト・パーライト。ファイヤービームは長く太く、3つのバーストを特徴とする。バースト強度は強く、ススキ線は長く、ススキ線間にはかなりの量の花粉がある。バーストノードは明るく、テールパターンは長く、中央に位置する。

図12-16 Cr12MoV鋼

ファイヤービームは細く極端に短く、波打つような断続的な流線が数多く細長く見える。

花火は非常に強力で、火花を散らし、いくつもの枝と大きな星を持つ3つの異なる花を咲かせる。その花には無数の折れた花と花粉が含まれ、炎に満ちている。

流線の末端には、モリブデンが含まれているため、明らかに銃の形をした尾花がある。さらに、尾部の流線はわずかに太く、擦ったときに硬い感触を与える。

色：黄色からオレンジ。スパーク形態はCr12と変わらない。

図12-17 5CrMnMo鋼

ファイヤービームは最も太く長く、ストリームラインは中くらいの太さで、バーストは2番目に強い。いずれも3回バーストし、時には数輪の花を咲かせ、モリブデン砲の先端の尾花もある。

花形は3〜4節の多枝星形で、尖尾花をつける。ススキの線は密で、花の分布面積は火束全体の55-60%を占め、花の形は大きく、花の角度は広い。

色に関しては、ファイヤービームは明るい黄色で、節は黄色から白色。削るときの抵抗はあまり強くない。

図12-18 3Cr2W8V鋼

炎のビームは比較的長く、ストリームラインは非常に細く、波状で断続的。バーストは弱く、ハゲツネの尾のような形と大きさの花が少量咲くだけ。

ボディカラー：フューシャ

はげしく孤独で、淡い桜色。

削るときの抵抗感が強い。

図12-19 W6Mo5Cr4V2鋼

フレームビームは短く明るいオレンジイエローに見え、根元は濃い赤色を帯びている。

不規則な流線がいくつかあり、波のようなパターンもある。

ストリームラインはそれほど太くなく、中程度の長さである。

尾の流線は太く、尾花をつけた柳の葉に似ており、先端はわずかにハゲている。

花火の数は少ないが、形は大きい。

ススキのラインはわずかで、それもハゲている。

テールのストリームラインは下方に垂れ下がっている。

7.火花識別の注意点は？

観察されたスパーク・パターンに基づいて試験サンプルの鋼種を判断することは難しい。

これは、火花のパターンが、正確に表現することが難しい微妙な違いを示すことがあるためである。このような火花パターンの微妙な違いを正確に識別するには、十分な経験と専門知識を持った熟練した施術者が必要である。

1) 既知の部品の必要鋼種を特定し、チェックする。

現在、火花識別は、材料が意図された鋼種に属するかどうかを確認するためにのみ使用する必要がある。

部品のバッチを識別する場合、最初の部品を注意深く観察し、分析する必要がある。鋼鉄No.1が正しく使用されていることが確認されたら、その部品を軽く研磨し、最も摩耗が少ないときの火花の基本的な特性を観察する必要がある。

この特徴に留意し、残りの部品は軽い圧力で研磨することができる。この方法は、識別を助けるだけでなく、部品の摩耗や損傷を最小限に抑え、外観や機能性への悪影響を避けることができる。

2) 2つの鋼種が識別のために混合されていることが知られている。

この際、2つの鋼種のスパーク・パターンの根本的な違いに注目することが重要である。それぞれの特徴と重要な違いを明確に理解すれば、両鋼種を区別することが非常に容易になります。

3) 鋼種が不明な部品については、鋼種の識別を行うこと。

判別者が鋼鉄の基本的な使い方を理解し、さまざまな部品を作るために使用すべき材料の常識を熟知していれば、火花を識別するのに大いに役立つ。

火花を粉砕する際、樹枝状爆発が起こるかどうかが一つの要因である。樹枝状爆発がある場合、それはさらに以下の状況から推測できる：

樹枝状爆発が正常に発生し、他の特殊な形態で火花が発生しない場合は、ほとんどが炭素鋼（キルド鋼およびセミキルド鋼）である。

このとき、パターンがスプリットバーストで、バーストポットが比較的まばらであれば、炭素含有量が少なく、炭素鋼の低炭素域に属することを示している。

パターンが二次、三次、または少量の多重分割樹枝状爆発である場合、爆発量は中程度で、爆発間の距離が明確であることから、試料の炭素含有量は約0.4% Cであり、中炭素域の炭素鋼に属することがわかる。

爆発がツリー状の多叉爆発である場合、爆発量が多く、爆発と爆発の間の距離が小さい。 高炭素鋼.爆発が混雑していると、炭素含有量が多いことが確認される。

爆発が樹枝状パターンを呈し、羽毛のような外観を持つ場合、その鋼は非常に低いケイ素含有量で縁取られていることを示す。炭素含有量は爆発量から大まかに推定でき、鋼種を推測するのに役立つ。

大まかに特定する 鋼種:

• 明らかに樹枝状爆発は、大きな枝、無秩序なススキ線、強い爆発強度を持つ火炎ビームの端に存在する。そのほとんどは、合金構造用鋼のマンガン鋼グループに属する。
• 端正で規則的な花火、鮮やかな色彩、直線的で太い流線形の爆発は、ほとんどがクロムを含む構造用鋼に属する。
• 火炎ビームの先端には、明らかにまっすぐな銃口の尾花が現れ、樹枝状爆発はある程度抑制される。その多くはクロムモリブデン鋼、クロムマンガン鋼などの構造用鋼グループに属する。
• 爆発前の特に明るい節や、珪素苞を伴う爆発は、構造用鋼やバネ鋼の珪素-マンガン鋼やクロム-珪素鋼グループに属することがほとんどである。
• 槍の先端の尾花とケイ素を含む芽の花の両方が現れ、樹枝状爆発が著しく縮小した場合、そのほとんどはケイ素-マンガン-アルミニウムおよびケイ素-マンガン-アルミニウム-バナジウム構造鋼に属する。
• 定期的に樹枝状爆発が起こり、爆発の前にニッケルを含む苞が現れる。その 脱炭 鋼の表面には層が見られ、そのほとんどはクロム-ニッケル合金構造用鋼に属している。
• キツネの尾の花があり、木のような爆発は主にキツネの尾の周りに付いている。根元の流線は鮮やかで、暗赤色ではなく、ケシミデュオのタングステン合金構造用鋼のものであることを示している。