JP5379556B2 - フェライト相の組織予測方法 - Google Patents
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Description
Cα:フェライト粒の平衡状態における炭素濃度
C0:鋼板(鋼材)の炭素濃度
Cγ:オーステナイトの平衡状態における炭素濃度
Dc:オーステナイト中の炭素の拡散係数
Cγ0:オーステナイトにおける平均炭素濃度。
I(t):時間tにおけるフェライトの核生成速度
A(t):時間tにおけるオーステナイト粒界上のフェライトの占有面積
Vf(τ,t):時間τで生成した1個のフェライト核が成長してなる1個のフェライト粒の時間tにおける体積。
<システム構成>
図1にフェライト相の組織予測方法を実行するための予測システムの概略ブロック図を示す。まず、鋼材の製造方法の一例としては、所定組成を有する合金を溶解、鋳造して製造された鋳塊を熱間圧延し、その後、所定条件で冷却する方法が挙げられる。
この予測システム100は、オーステナイト単相温度又はオーステナイトとフェライトの二相温度から冷却した亜共析組成の鋼材のフェライト組織についての知見を得るものであり、目標値設定手段5と、熱履歴設定手段10と、成分測定手段20と、前工程の熱履歴測定手段30と、熱力学パラメータ計算手段40と、初期粒径等計算手段50と、組織予測計算・判断手段60とを備えている。そして、組織予測計算・判断手段60は、鋼板等の製造ライン80が具備する温度制御装置70との間でデータ(信号)の送受信を行うことができるようになっている。
目標値設定手段5では、目標とするフェライト相の組織を規定するパラメータ(以下、所定の相の組織を規定するパラメータを「組織パラメータ」という)であるフェライト粒径、フェライト分率及びフェライトの粒径分布の目標値を定める。また、フェライト相以外の相、例えば、残留オーステナイト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトの各相についても、所定の組織パラメータ(例えば、パーライト分率、ラメラ間隔、ベイナイト分率、残留オーステナイト分率、残留オーステナイト中の炭素濃度等)の目標値を設定することができる。これらの組織パラメータには、一定の許容範囲を設けることができるようになっている。
予測システム100では、熱履歴設定手段10によって、熱履歴を設定することができるようになっている。熱履歴とは、被処理対象物である鋼材に対して施される熱処理プロセスの条件(熱処理)である。オーステナイトからのフェライトの析出は冷却過程で生じるために、ここで設定する熱履歴は、具体的には、冷却パターンである。熱履歴設定手段10では、熱履歴を設定するためのプログラムを起動すると、表示装置に入力項目(例えば、温度、時間等)が表示されるようになっており、表示された入力項目に対してオペレータが入力手段を用いて所定の条件を入力することにより、熱履歴が作成される。こうして作成した熱履歴は記憶手段に記憶されるようになっている。
成分測定手段20は、冷却前の鋼材に含まれる成分(例えば、C,Si,Mn,Cr,Mo等)を測定するものであり、具体的には、赤外線吸収法、不活性ガス溶解法、発光分光分析法、蛍光X線分析法等により成分測定を行う。ここで測定した成分は、熱力学パラメータ計算手段40に送信され、そこでの熱力学パラメータ(後記する[熱力学パラメータ計算手段40]の説明参照)の計算に使用される。
「前工程」とは、熱履歴設定手段10において設定された熱履歴の熱処理を施す前に鋼材に対して行われた熱処理、すなわち、熱間圧延や、焼鈍等での熱処理を指し、「熱履歴測定手段」とは、具体的には、放射温度計や接触温度計(例えば、熱電対)である。前工程の熱履歴測定手段30で測定した熱履歴は、初期粒径等計算手段50に送信されて、鋼材の前工程終了時(つまり、冷却開始時)におけるオーステナイト平均粒径、フェライト平均粒径及びフェライト分率(以下「初期オーステナイト平均粒径等」という)を計算するために用いられる。なお、前工程である熱処理工程としては、オーステナイト単相域での熱処理や、オーステナイトとフェライトの二相域での熱処理が挙げられる。
熱力学パラメータ計算手段40では、熱履歴設定手段10で設定された熱履歴と、成分測定手段20で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算する。ここで計算される熱力学パラメータは、フェライト核生成の活性化エネルギー;dG*(t)、平衡状態にあるフェライトの炭素量;Cα、平衡状態にあるオーステナイトの炭素量;Cγ、である。これら熱力学パラメータの計算は、熱力学計算ソフト(例えば、スウェーデン王立工科大学が開発した“Thermo-Calc(登録商標)”を用いて計算することができる。
初期粒径等計算手段50は、前工程の熱履歴測定手段30で測定された熱履歴に基づいて、鋼材の前工程終了時(冷却開始時)における初期オーステナイト平均粒径等を計算する。初期粒径等計算手段50は、初期オーステナイト平均粒径等の計算に必要とされる各種のデータや熱力学パラメータが記憶されたデータベースを備えており、ここでの計算は、公知の計算式(例えば、CHARLIE R. BROOKS,“PRINCIPLES OF THE AUSTENNITIZATION OF STEELS”(ELSEVIER APPLIED SCIENCE発行)に記載の式10.1〜10.2)を用いて行うことができる。ここで求められた初期オーステナイト平均粒径等は、組織予測計算・判断手段60による組織パラメータの計算に用いられる。
組織予測計算・判断手段60は、熱履歴設定手段10で設定された熱履歴と、熱力学パラメータ計算手段40で計算された熱力学パラメータと、初期粒径等計算手段50で計算された初期オーステナイト平均粒径等とに基づいて、フェライト相の組織パラメータを始め、フェライト相以外の相の組織パラメータを、予め設定された所定の数式により演算することにより計算する。組織予測計算・判断手段60は、これらの組織パラメータ計算に必要とされるデータが記憶されたデータベースを備えている。なお、これらの組織パラメータを導き出す過程で、種々のパラメータ(後記する<フェライト変態計算>の説明参照)が適宜求められ、計算に用いられる。
温度制御装置70は、製造ライン80に設けられた加熱装置や冷却装置を制御する。組織予測計算・判断手段60において求められた最適な熱履歴(冷却パターン)のデータが温度制御装置70に送信され、温度制御装置70は受信した熱履歴が実現されるように、熱履歴のデータに基づいて製造ライン80の加熱装置と冷却装置を制御する。これにより、目標とする組織のフェライト相を有する鋼材を製造することができる。
図2に、フェライト相の組織パラメータ計算プロセスの第1実施形態に係る概略フローチャートを示す。第1実施形態に係るフェライト相の組織パラメータの計算では、まず、目標値設定手段5において、フェライト相の組織パラメータの目標値を設定する(ST1;目標値設定)。
図3にフェライト変態計算(ST3)の内容を表したフローチャートを示す。また、図4にST2で設定した熱履歴(パターン)の一例を示す。図4に示すように、所定の熱履歴に対して、フェライト変態の挙動を微小時間の等温保持の繰り返しとして取り扱うために、熱履歴の時間を複数の微小な時間(Δt1,Δt2,・・・Δti,・・・、例えば0.1秒毎)に区切り、各時間(t1, t2・・・ti・・・)における温度を求める(ST31;微小時間と温度の設定)。
Sγ :オーステナイトの粒界面積、
I(t):フェライトの核生成速度、
A(t):オーステナイト粒界上のフェライトの占有面積、である。
B :実験的に求められる定数、
dG*(t) :フェライト核生成の活性化エネルギー、
k :ボルツマン定数、
T(t) :熱履歴の時間tにおける温度、
Qc :炭素の拡散の活性化エネルギー、
R :気体定数、である。
なお、定数Bは、事前に実験に合わせて設定することで予測精度を高めることができる。簡便には、1×1022程度の値を用いて計算することができる。
Aex(t):オーステナイト粒界上のフェライトの拡張面積率、である。
Af(τ,t):オーステナイト粒界上の1個のフェライトの面積、であり、“τ”はフェライト核が生成した時間を示す。
Rf :回転楕円体(生成したフェライト核の形状)の長軸/短軸比、
r(τ,t):時間τで生成したフェライト核の時間tにおける半径、である。
なお、r(τ,t)は、より正確には、時間τで生成したフェライト核が成長してなるフェライト粒の時間tにおける半径、と言える。すなわち、冷却開始後に生成したフェライト核が成長してなる、冷却開始後の所定時間tにおけるフェライト粒の半径であり、この半径から、フェライト粒の粒経を求めることができる。
dr(τ,ζ)/dt:フェライト粒の成長速度、である。“ζ”は時間を表すパラメータであって時間tと同義であり、τよりも後の時間を示す。
このフェライト粒の成長速度については、後記して詳細に説明する。
Cα:フェライト粒の平衡状態における炭素濃度、
C0:鋼材の炭素濃度、
Cγ:オーステナイトの平衡状態における炭素濃度、である。
Dc:オーステナイト中の炭素の拡散係数、である。
Cγ0:オーステナイトにおける平均炭素濃度、である。
Cγ1:オーステナイト粒の中心部における炭素濃度、である。
Vex(t):フェライト拡張体積、である。
式16に示されるように、本発明では、フェライト分率V(t)をフェライト拡張体積Vex(t)から直接に求めることができる。
Vf(τ,t):時間τで生成した1個のフェライト核が成長してなる1個のフェライト粒の体積、である。
なお、Sγ,I(τ),A(τ)は式2〜4で説明した通りであり、時間t=τとしたときの値である。式17中の“I(τ)・(1−A(τ))”が、核生成サイトの減少を考慮した部分であり、これにより、式16で得られるフェライト分率V(t)に、フェライトの核数と粒径が反映されることとなる。すなわち、フェライト核の生成数、冷却開始後の所定時間におけるフェライト粒の粒径を求めることによってフェライト変態終了後のフェライト分率が算出される。このフェライト粒の体積Vf(τ,t)は、下式18で示される。式18の“Rf”は式6について、“r(τ,t)”は式7について先に説明した通りである。なお、核生成サイトの減少を考慮するとは、数式に、核生成サイトの減少に関する要素を組み込むことである。
このようにして、フェライト核の生成サイトの減少を考慮したフェライト拡張体積から直接にフェライト変態終了後のフェライト分率を求めることができ、このフェライト分率に基づいて、フェライト粒の粒径分布を求めることができる。すなわち、元々存在するフェライトの数と、各時間(t1, t2・・・ti・・・)に形成したフェライトの数と、それらが成長した後(フェライト変態終了後)のフェライト粒径から、フェライト粒の粒径分布を求める。
図8にフェライトの組織パラメータ計算プロセスの第2実施形態に係る概略フローチャートを示す。図8を図2と対比すると明らかなように、この第2実施形態では、フェライトの組織パラメータ計算プロセスの第1実施形態で行った“ST1;目標値設定”を行わず、その結果、“ST4;設定した目標値の範囲内か?”の判断をも行うことなく、ST101〜106として、ST2,ST3,ST5,ST6,ST7,ST8と同じ処理を行い、その後、ST101〜106で求めた組織パラメータの表示を行って(ST107;組織パラメータの表示)、処理を終了する。ここで、ST101で複数の熱履歴が設定されている場合には、ST107では熱履歴毎に組織パラメータが表示される。
第1実施例では、前記したフェライト相の組織パラメータ計算プロセスの第2実施形態(適宜、図8参照)にしたがって、フェライト相の組織パラメータについて目標値を定めないこととした。
オーステナイトの粒界面積Sγ:3.4×104 m2/m3
フェライトの長軸/短軸比Rf:3
B:1×1022
Qc:154.1kJ/mol
第2実施例では、前記したフェライト相の組織パラメータ計算プロセスの第1実施形態(適宜、図2参照)にしたがって、フェライト相の組織パラメータの目標値として、(1)フェライト分率が80%以上、(2)フェライト平均粒径が20μm以下を設定し、その上で(3)分散が最も小さいものを、最適な熱履歴と判断するものとする。
10 熱履歴設定手段
20 成分測定手段
30 前工程の熱履歴測定手段
40 熱力学パラメータ計算手段
50 初期粒径等計算手段
60 組織予測計算・判断手段
70 温度制御装置
80 製造ライン
100 予測システム
Claims (4)
- オーステナイト単相温度又はオーステナイトとフェライトの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるフェライト粒の粒径分布を、予測システムにより計算するフェライト相の組織予測方法であって、
前記予測システムは、目標とするフェライト相の組織を規定するパラメータであるフェライト粒径、フェライト分率及びフェライトの粒径分布の目標値を定める目標値設定手段と、
前記冷却パターンである熱履歴を設定する熱履歴設定手段と、
前記鋼材に含まれる成分を測定する成分測定手段と、
前記熱履歴設定手段において設定された熱履歴の熱処理を施す前に前記鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定する前工程の熱履歴測定手段と、
前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記成分測定手段で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算する熱力学パラメータ計算手段と、
前記前工程の熱履歴測定手段で測定された熱履歴に基づいて、前記鋼材の冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト平均粒径及びフェライト分率の初期状態を計算する計算手段と、
前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記熱力学パラメータ計算手段で計算された熱力学パラメータと、前記計算手段で計算されたオーステナイト平均粒径、フェライト平均粒径及びフェライト分率とに基づいて、組織パラメータを計算する組織予測計算・判断手段と、を備え、
前記組織予測計算・判断手段は、予め設定された所定の数式により、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト平均粒径及びフェライト分率に基づいて等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にフェライト核の生成数を求めると共に、冷却開始後に生成したフェライト核が成長してなる、冷却開始後の所定時間におけるフェライト粒の粒径を求めることによって算出されたフェライト変態終了後のフェライト分率に基づいてフェライト粒の粒径分布を求めるフェライト変態計算工程を有し、
前記フェライト変態計算工程では、オーステナイト粒内におけるフェライト粒の成長による炭素拡散場の干渉の有無を判断し、前記炭素拡散場の干渉がない場合は炭素拡散場の干渉を考慮しないフェライト粒の成長速度式を用い、前記炭素拡散場の干渉がある場合は炭素拡散場の干渉を考慮したフェライト粒の成長速度式を用いて、前記所定時間におけるフェライト粒の半径を求め、かつ、冷却過程におけるフェライト粒の成長に起因するフェライト核の生成サイトの減少を考慮したフェライト拡張体積から直接に前記フェライト分率を求めることを特徴とするフェライト相の組織予測方法。
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