特開 2024-77424 鋼材の変態塑性係数の同定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024077424

(43)【公開日】2024-06-07

(54)【発明の名称】鋼材の変態塑性係数の同定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/02 20060101AFI20240531BHJP

   C21D 9/00 20060101ALI20240531BHJP

   G01N 33/204 20190101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

G01N25/02 B

C21D9/00 H

G01N33/204

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022189516

(22)【出願日】2022-11-28

(71)【出願人】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100160886

【弁理士】

【氏名又は名称】久松 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 啓介

【テーマコード（参考）】

2G040

2G055

4K042

【Ｆターム（参考）】

2G040AB07

2G040AB08

2G040BA10

2G040BA25

2G040CA05

2G040CA17

2G040CA23

2G040DA03

2G040EA02

2G040EC09

2G040HA05

2G040HA16

2G040ZA08

2G055AA03

2G055BA14

2G055BA15

2G055EA04

2G055FA01

2G055FA05

4K042AA14

4K042AA18

4K042AA25

4K042BA14

4K042CA15

4K042DA01

4K042DB07

4K042DC01

4K042DC02

4K042DC03

4K042DD02

4K042DD03

4K042DD05

4K042DE02

(57)【要約】

【課題】 鋼材に荷重を与えなくても、鋼材を単一方向に変形させやすくして、鋼材の変形量に基づいて鋼材の変態塑性係数を同定する。
【解決手段】 鋼材である試験片に荷重を付与せずに熱処理を行い、この熱処理中に測定した試験片の変形量及び温度に基づいて変態塑性係数を同定する方法であって、試験片として、長手方向と直交する断面において、厚さを幅で除算した値であるアスペクト比が０．０５［－］以上、１．００［－］以下である鋼材を用いる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼材である試験片に荷重を付与せずに熱処理を行い、この熱処理中に測定した前記試験片の変形量及び温度に基づいて変態塑性係数を同定する方法であって、
前記試験片として、長手方向と直交する断面において、厚さを幅で除算した値であるアスペクト比が０．０５［－］以上、１．００［－］以下である鋼材を用いることを特徴とする変態塑性係数の同定方法。

【請求項2】

前記金属組織は、マルテンサイト組織であることを特徴とする請求項１に記載の変態塑性係数の同定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、焼入れなどの熱処理によって相変態が発生する鋼材の変態塑性係数を同定する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

静的強度、耐摩耗性、疲労強度などの必要特性を確保するために、所望の形状に加工された鋼材に対して焼入れなどの熱処理を施している。熱処理を施した鋼材は、例えば、自動車や建設機械などに使用される歯車やシャフトなどの駆動系部品として使用されている。

【0003】

熱処理が施された鋼材は、油などの冷却媒体に浸漬されて冷却されるが、鋼材の形状や冷却槽内における鋼材の設置状態などによって、鋼材内部の位置に応じて冷却速度が異なるため、鋼材が変形することがある。このため、鋼材の変形を予測することにより、鋼材の形状や熱処理条件を変更するといった対策を講じる必要がある。鋼材の変形に対して大きな影響を与えるパラメータは、鋼材の相変態に伴う塑性変形に寄与する変態塑性係数であるため、この変態塑性係数を把握することが好ましい。

【0004】

特許文献１に記載された変態塑性係数同定方法では、試験片を加熱炉に配置して加熱した後、冷却用ガスを用いて試験片を急冷しながら、急冷進行中の試験片に荷重を付与している。そして、急冷進行中の試験片の変形量を逐次測定し、測定された試験片の変形量及び試験片の温度に基づいて変態塑性係数を同定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０－２８１７１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の変態塑性係数同定方法では、急冷進行中の試験片に荷重を付与して変形させているため、実際の熱処理後の冷却工程における試験片の変形（不均一な冷却に伴う変形）を再現できていない。このため、実際の熱処理後の冷却工程における試験片の変態塑性係数を把握することができない。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、鋼材である試験片に荷重を付与せずに熱処理を行い、この熱処理中に測定した試験片の変形量及び温度に基づいて変態塑性係数を同定する方法であって、試験片として、長手方向と直交する断面において、厚さを幅で除算した値であるアスペクト比が０．０５［－］以上、１．００［－］以下である鋼材を用いる。

【0008】

金属組織としては、マルテンサイト組織が挙げられる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、鋼材に荷重を与えなくても、鋼材を単一方向に変形させやすくなり、鋼材の変形量に基づいて鋼材の変態塑性係数を同定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】鋼材である試験片のアスペクト比を説明する図である。

【図2】試験片の変態塑性係数を同定する方法を説明するフローチャートである。

【図3】試験片の変形を説明する概略図である。

【図4】試験片の変形量を測定する説明図である。

【図5】試験片の変形量を測定する説明図である。

【図6】試験片に対して熱電対を取り付ける位置を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（試験片）
本実施形態は、鋼材である試験片の変態塑性係数Ｋを同定する方法である。本実施形態では、試験片として、図１に示す直方体を用いる。図１に示すように、直方体の試験片１は、幅Ｗ、厚さＤ及び長さＬを有する。試験片１の長手方向（長さＬの方向）と直交する断面において、厚さＤを幅Ｗで除算した値をアスペクト比ＡＲ（ＡＲ＝Ｄ／Ｗ）［－］とする。ここで、試験片１のアスペクト比ＡＲは、０．０５［－］以上であって、１．００［－］以下とする。なお、鋼材の種類は、特に限定されるものではない。

【0012】

（変態塑性係数Ｋの同定方法）
上述した試験片１を用いて変態塑性係数Ｋを同定する方法について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。

【0013】

ステップＳ１０１では、予め温度センサが取り付けられた試験片１に対して熱処理を開始する。この熱処理には、試験片１を加熱する加熱工程と、加熱工程後に試験片１を冷却する冷却工程とが含まれる。加熱工程の条件としては、昇温速度、最高到達温度、最高到達温度での保持時間などが挙げられるが、これらの条件は適宜決めることができる。冷却工程では、加熱工程後の試験片１を冷却媒体（液体）に浸漬させたり、加熱工程後の試験片１に冷却媒体（ガス）を吹き付けたりすることにより、試験片１を冷却する。

【0014】

試験片１に取り付けられる温度センサとしては、例えば熱電対を用いることができる。試験片１に対して温度センサを取り付ける位置は、適宜決めることができるが、例えば、試験片１の厚さ方向（厚さＤの方向）における試験片１の上面や下面に対して温度センサを取り付けることができる。

【0015】

ステップＳ１０２では、温度センサによって熱処理中の試験片１の温度を測定する。これにより、熱処理を開始してからの経過時間に応じた試験片１の温度変化を把握することができる。ステップ１０３では、試験片１の熱処理を終了する。

【0016】

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０１の熱処理を開始する前の試験片１の形状と、ステップＳ１０３の熱処理を終了した後の試験片１の形状とに基づいて、熱処理に伴う試験片１の変形量を測定する。試験片１の変形量の測定においては、公知の測定器（例えば、レーザ変位計や撮像装置）を用いることができる。

【0017】

後述するように、アスペクト比ＡＲが０．０５～１．００［－］である試験片１を用いることにより、図３に示すように、試験片１の長手方向（長さＬの方向）における両端が同一方向（厚みＤの方向）に変位して試験片１を単一方向に反らせることができる。これにより、試験片１に荷重を付与することなく、熱処理に伴う試験片１の変形を把握することができる。

【0018】

試験片１の変形量の測定では、図４や図５に示すように、試験片１の長手方向（長さＬの方向）における複数の測定点ＭＰのそれぞれにおいて、熱処理前の位置（初期位置）から熱処理後の位置までの距離（すなわち、変形量）を測定することができる。図４に示す例では、試験片１の厚さ方向（厚さＤの方向）における上面に測定点ＭＰを設けているため、初期位置を試験片１の上面としている。図５に示す例では、試験片１の厚さ方向（厚さＤの方向）における下面に測定点ＭＰを設けているため、初期位置を試験片１の下面としている。複数の測定点ＭＰにおける変形量の測定により、試験片１の長手方向における位置（各測定点ＭＰ）に応じた変形量の分布が得られる。

【0019】

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２の処理で測定した試験片１の温度に基づいて、有限要素法による非定常熱伝導解析を用いた逆解析により、試験片１と試験片１の周囲に存在する冷却媒体との間の熱伝達係数を同定する。

【0020】

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４の処理で測定した試験片１の変形量と、ステップＳ１０５の処理で算出した熱伝達係数とに基づいて、有限要素法の熱処理解析を用いた逆解析によって、試験片１の変態塑性係数Ｋを同定する。本実施形態では、特許文献１に記載された荷重を試験片１に与えていないため、ステップＳ１０６の処理で同定された変態塑性係数Ｋは、熱処理によって変化した試験片１の金属組織に対応したものとなる。

【0021】

ステップＳ１０６の処理において、試験片１と、試験片１の周囲に存在する冷却媒体との境界条件は下記式（１），（２）で与えられる。

【0022】

【数1】

【0023】

上記式（１）において、ｔは時間［ｓ］であり、Ｔは温度［℃］である。上記式（１）では、時間ｔが０［ｓ］であるときの温度Ｔを温度Ｔ_０としている。上記式（２）において、ｎは試験片１及び冷却媒体の界面に対する法線方向であり、Ｔは温度［℃］であり、Ｔ_Ｓは試験片１の表面温度［℃］、Ｔ_Ｆは冷却媒体の温度［℃］である。また、ｋは試験片１の熱伝導率であり、ｈは、試験片１と、試験片１の周囲に存在する冷却媒体との間の熱伝達係数である。熱伝達係数ｈは、上述したステップＳ１０５の処理によって同定される。

【0024】

変態塑性係数Ｋの同定方法としては、ステップＳ１０４の処理で測定された変形量（全ひずみ）εから変態塑性ひずみε_ｔｐを求め、求められた変態塑性ひずみε_ｔｐを下記式（３）に代入することにより、変態塑性係数Ｋを同定することができる。

【0025】

【数2】

【0026】

上記式（３）において、ε_ｔｐは変態塑性ひずみであり、Ｋは変態塑性ひずみε_ｔｐを求めるための係数（変態塑性係数）であり、ξは金属組織の体積分率であり、σは偏差応力である。本実施形態では、熱処理後の試験片１において、金属組織としてマルテンサイト組織だけが含まれるものであり、金属組織の体積分率ξは、マルテンサイト組織の体積分率となる。変態塑性ひずみε_ｔｐを求めるとともに、体積分率ξ及び偏差応力σを求めておけば、上記式（３）に基づいて変態塑性係数Ｋを同定することができる。

【0027】

有限要素法又は差分法を用いて、下記式（４）に示す運動方程式を解くことにより、変態塑性ひずみε_ｔｐを求めることができる。

【0028】

【数3】

【0029】

上記式（４）において、εは全ひずみであり、ε_ｅは弾性ひずみであり、ε_ｐは塑性ひずみであり、ε_ｔｒは変態ひずみであり、ε_Ｔは熱ひずみであり、ε_ｔｐは変態塑性ひずみである。弾性ひずみε_ｅ、塑性ひずみε_ｐ、変態ひずみε_ｔｒ、熱ひずみε_Ｔは、一般的な構造解析で用いられているため、詳細な説明を省略する。例えば、弾性ひずみε_ｅは、下記式(５）に示す応力計算式から求めることができ、熱ひずみε_Ｔは、下記式（６）に示す応力ひずみ関係式から求めることができる。

【0030】

【数4】

【0031】

上記式（５）において、σは応力であり、Ｅはヤング率であり、ε_ｅは弾性ひずみである。上記式（６）において、ε_Ｔは熱ひずみであり、α_Ｔは温度Ｔにおける線膨張係数であり、ΔＴは温度変化量である。

【0032】

オーステナイト組織からマルテンサイト組織に相変態するときのマルテンサイト組織の体積分率ξ_Ｍを求めるときには、下記式（７）に示すｍａｇｅｅの式が用いられることがある。

【0033】

【数5】

【0034】

上記式（７）において、ξ_Ｍはオーステナイト組織からマルテンサイト組織に相変態するときのマルテンサイト組織の体積分率であり、Ａは係数であり、Ｍｓは変態開始温度であり、Ｔは熱処理中に測定された測定温度である。係数Ａ及び変態開始温度Ｍｓは、ＣＣＴ線図又はＴＴＴ線図を用いて決定される。

【0035】

次に、変態塑性係数Ｋを用いて計算された経過時間ｔにおける変形量（たわみ変形量）Ｘｃと、図２に示すステップＳ１０４の処理で測定した変形量（たわみ変形量）Ｘｍとを比較し、変形量Ｘｃ，Ｘｍの差ΔＸ（ΔＸ＝Ｘｃ－Ｘｍ）が許容値ΔＸｔｈよりも小さいか否かを判別する。

【0036】

差ΔＸが許容値ΔＸｔｈ以上であれば、変態塑性係数Ｋを変更して変形量Ｘｃを算出し直す。ここで、変更前の変態塑性係数Ｋに対して変更量（任意の量）ΔＫを加算することにより、変態塑性係数Ｋを変更することができる。そして、上述したように差ΔＸを求め、この差ΔＸが許容値ΔＸｔｈよりも小さいか否かを判別する。

【0037】

差ΔＸが許容値ΔＸｔｈよりも小さい場合には、経過時間ｔに対して時間変化Δｔだけ変化したときの経過時間ｔ＋Δｔにおいて、変形量（たわみ変形量）Ｘｃと、図２に示すステップＳ１０４の処理で測定した変形量（たわみ変形量）Ｘｍとを比較し、変形量Ｘｃ，Ｘｍの差ΔＸ（ΔＸ＝Ｘｃ－Ｘｍ）が許容値ΔＸｔｈよりも小さいか否かを判別する。これにより、経過時間ｔに応じて、変態塑性係数Ｋを同定することができる。

【0038】

なお、一般的に、変態塑性係数Ｋは材料に対して一意に定まるものであるが、上述したように、経過時間ｔに応じて複数の変態塑性係数Ｋを同定した場合には、これらの変態塑性係数Ｋの平均値を用いることもできる。上述したように変態塑性係数Ｋを同定すれば、経過時間ｔに応じた変態塑性ひずみε_ｔｐを算出することができ、材料の強度評価や変形の予測を行うことができる。

【0039】

本実施形態では、アスペクト比ＡＲが０．０５～１．００［－］である試験片（直方体）１を用いることにより、試験片１の長手方向と直交する断面内における熱移動が一次元的となり、この断面内の温度分布によって生じる試験片１の変形は、図３に示すような単一方向の反りとなる。試験片１を単一方向に変形させることにより、ステップＳ１０４の処理において、試験片１の変形量を測定しやすくなり、結果として、試験片１の変態塑性係数Ｋを同定するときの精度を担保しやすくなる。

【0040】

アスペクト比ＡＲが０．０５［－］未満である場合には、幅Ｗに対して厚さＤが小さくなりすぎてしまうため、試験片１にねじれが発生しやすくなり、試験片１を単一方向に変形させにくくなる。一方、アスペクト比ＡＲが１．００［－］よりも高い場合には、幅Ｗに対して厚さＤが大きくなりすぎてしまうため、試験片１の断面二次モーメントが増大して試験片１が変形しにくくなる。このように、アスペクト比ＡＲが０．０５～１．００［－］の範囲を外れると、試験片１を単一方向に変形させにくくなるため、ステップＳ１０４の処理において、試験片１の変形量を測定しにくくなり、結果として、試験片１の変態塑性係数Ｋを同定するときの精度が低下してしまう。

【実施例0041】

試験片（鋼材）の素材として、ＳＣＭ４２０を用いた。実施例である試験片１Ａのサイズと、比較例である２種類の試験片１Ｂ，１Ｃのサイズを下記表１に示す。

【0042】

【表1】

【0043】

電気加熱炉を用いて、各試験片１Ａ～１Ｃに対して熱処理を行った。熱処理における加熱工程の条件としては、昇温速度０．２［℃／ｓ］で８５０［℃］まで昇温した後、０．５［ｈ］の間、８５０［℃］を維持した。冷却工程では、加熱工程後の各試験片１Ａ～１Ｃを焼入れ油（冷却媒体）に浸漬させて冷却した。

【0044】

各試験片１Ａ～１Ｃに熱電対（温度センサ）を取り付けて、熱処理を行っている間の温度を測定した。ここで、熱電対の取付位置は６カ所とした。具体的には、厚さＤの方向における各試験片１Ａ～１Ｃの上面及び下面のそれぞれにおいて、幅方向（幅Ｗの方向）における中央位置であって、長手方向（長さＬの方向）における中央位置と端位置に熱電対を取り付けた。すなわち、図６に示すように、各試験片１Ａ～１Ｃの上面における３カ所（中央位置及び２つの端位置）に熱電対を取り付けるとともに、各試験片１Ａ～１Ｃの下面における３カ所（中央位置及び２つの端位置）に熱電対を取り付けた。

【0045】

各試験片１Ａ～１Ｃの変形量は、レーザ式形状測定機（株式会社キーエンス製）を用いて測定し、変形量の測定点を１１点とした。具体的には、各試験片１Ａ～１Ｃの長手方向（図１に示す長さＬの方向）における中央位置と、この中央位置から長手方向の端位置までの範囲内で等間隔に設定した５カ所の位置について、変形量を測定した。実施例である試験片１Ａについては、単一方向に変形したため、変形量を測定できた。

【0046】

測定温度Ｔから有限要素法の非定常熱伝導解析により熱伝達係数ｈ（上記式（２））を求め、この熱伝達係数ｈを用いて各試験片１Ａ～１Ｃの温度変化を推定した。温度変化（推定値）と、熱電対によって測定された温度変化（測定値）との差は±５％以内となり、高い精度で熱処理時の温度変化を推定できていることが分かった。

【0047】

最大の変形量に基づいて有限要素法の熱処理解析による逆解析にて、熱処理後の試験片１Ａの金属組織であるマルテンサイト組織について、変態塑性係数Ｋを同定した。算出した熱伝達係数ｈと変態塑性係数Ｋを用いて試験片１Ａの各測定点での変形量を推定したところ、変形量（推定値）は変形量（実測値）に対して±５％以内となり、高い精度で変形量を推定できた。

【0048】

比較例である試験片１Ｂについては、長手方向におけるねじれが発生し、単一方向に変形しなかった。このようなねじれが発生してしまうと、試験片１Ｂの変形量を正確に測定することができなくなり、変形量に基づいて変態塑性係数Ｋを同定しても、変態塑性係数Ｋの推定精度を確保することができない。

【0049】

比較例である試験片１Ｃは変形しにくくなっており、試験片１Ｃの変形量を測定することができなかった。これにより、変形量に基づいて変態塑性係数Ｋを同定することもできなかった。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】