JP6455602B2 - 鋼材を焼入れする際の冷却時間の導出方法、鋼材の焼入れ方法および鋼材の焼入れ焼戻し方法 - Google Patents
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Description
しかし、工場における操業で、冷却中の鋼材の「中心部分の温度」を直接測定することは現実的でない。よって、実際の焼入れでは、予め設定した冷却条件が達成する冷却速度を知っておくことで、この冷却速度で冷却中の鋼材の、中心部分の温度と冷却時間との関係から、鋼材の中心部分の温度を推定している。そして、鋼材の中心部分の温度が指示温度に達したときを、そのときの冷却時間で判断している。
しかし、実際に焼入れが実施される鋼材は、大きさや形状が様々である。そして、焼入れする鋼材の大きさや形状が異なるときに、その鋼材の中心部分の冷却速度も異なる。よって、大きさや形状が異なる、一つひとつの鋼材において、それら鋼材の中心部分の冷却速度が異なる点で、冷却中の鋼材の中心部分の温度と冷却時間との関係がわからないことから、指示温度まで冷却したいときに、どのくらいの時間冷却すればよいかを算出することは容易でない。
また、本発明の目的は、上記の焼入れ方法によって焼入れされた鋼材に、さらに、焼戻しを行う鋼材の焼入れ焼戻し方法を提供することである。
焼入れを行う鋼材と同じ鋼種Aからなり、体積Vおよび表面積Sがそれぞれ異なるn個(nは2以上の自然数)の試験片を作製し、これら試験片のそれぞれの中心部分に温度センサーを挿入するための穴を設ける第1のステップと、
試験片の上記の穴に温度センサーを挿入し、冷却開始温度Tsに加熱保持し、ついで各試験片に対し同じ冷却条件Cで冷却を開始し、冷却を開始してから上記の温度センサーで測定された試験片の中心部分の温度が低下して冷却停止温度Teに到達するまでの冷却時間tを測定する試験を、上記したn個の試験片について実施する第2のステップと、
関係式(1)で定義される関数fであって、第2のステップで得られた1組が体積V、表面積Sおよび冷却時間tからなるn組のデータが関係式(1)を満足する関数fを決定する第3のステップと、
焼入れを行う鋼材の形状F1が有する体積V1および表面積S1を関係式(1)に代入して冷却時間t1を算出する第4のステップと、
を備える鋼材を焼入れする際の冷却時間の導出方法である。
関係式(1): t=f(V/S)
本発明では、実際の鋼材に焼入れを行う前に、この鋼材と同じ鋼種Aでなる試験片を準備する。そして、この試験片に、後述する、実際の鋼材に行う焼入れと同じ冷却条件Cによる焼入れを行うことで、実際の鋼材に焼入れを行ったときに、鋼材の中心部分が指示温度に到達するのに要する「冷却時間」を、予め算出しておく。
なお、温度センサーを挿入するための穴を設けたことによって、試験片の体積Vや表面積Sは、厳密には、変化する。しかし、この穴を設けたことによる体積Vや表面積Sの変化が、上記の相関に与える影響は僅かであり、無視することができる。
Cu、Al、Ti、Ca、Mg、O(酸素)、N(窒素)は、添加されたり、不純物として鋼材中に残留したりする可能性のある元素である。これら元素の含有量の上限は、好ましくは、Cu:0.25%、Al:0.25%、Ti:0.03%、Ca:0.01%、Mg:0.01%、O:0.01%、N:0.08%とすることができる。
第2のステップは、第1のステップで準備したn個の試験片に、焼入れを行うステップである。そして、後述する第3のステップで、実際の鋼材に行う焼入れの管理に使用できる「鋼材の有するV/S値」と「鋼材の中心部分の冷却速度(つまり、焼入れ冷却に要する冷却時間)」との相関を求めるのに必要な基礎データを、採取するステップである。
第2のステップで、試験片に行う焼入れの冷却条件は、実際の鋼材に行う焼入れの冷却条件と同じ「冷却条件C」とする。本発明の効果を達成するにおいて、管理すべき冷却条件の因子は、冷却媒体の種類や温度、圧力(強度)である。
ついで、冷却開始温度Tsに加熱保持した上記の試験片について、冷却条件Cで冷却を開始する。そして、その冷却の間、試験片の中心部分の温度を温度センサーで測定し、試験片の中心部分の温度が冷却停止温度Teに到達するまで冷却する。このとき、冷却停止温度Teは、例えば、実際の鋼材に行う焼入れ時の「焼入れ終了温度」である(図7)。具体的に示すと、例えば、室温〜350℃の範囲である。
そして、上記の冷却を開始してから、試験片の中心部分の温度が冷却停止温度Teに到達するまでの冷却時間tを測定する。そして、この冷却時間tの測定を、様々なV/S値を有するn個の試験片で行うことで、これら試験片の中心部分の温度が「冷却開始温度Ts」から「冷却停止温度Te」に到達するまでの、上記のV/S値によって異なるn個の「冷却時間t」を採取する。
このように、焼入れ温度と焼入れ終了温度との間で、複数個の冷却温度域(冷却開始温度Tsおよび冷却停止温度Te)を設定して、複数通りの本発明の冷却時間の導出方法を実施する場合として、「多段階焼入れ」がある。多段階焼入れとは、その焼入れ時の冷却が、異なる冷却条件によって多段階に分かれている焼入れのことを言う。この多段階焼入れでは、例えば、ある一つの冷却条件で冷却を開始した後に、この冷却を停止して、次いで、これとは異なる、別の一つの冷却条件で冷却することとなる。そして、これらそれぞれの冷却段階(冷却条件)で、冷却時間を導出するための、異なる関数fを決定して、それぞれの冷却段階に適した冷却時間を導出することが好ましい。
そして、図8において、本発明に係る第2のステップでは、一段目の、試験片の中心部分の温度が「冷却開始温度TsH」から「冷却停止温度TeH」に到達するまでの「冷却時間tH」を測定する作業と、2段目の、試験片の中心部分の温度が「冷却開始温度TsL」から「冷却停止温度TeL」に到達するまでの「冷却時間tL」を測定する作業とを、必要に応じて実施することとなる。
第3のステップは、第2のステップで得た、V/S値によって異なるn個の「冷却時間t」を用いて、実際の鋼材の焼入れに使用する「鋼材の有するV/S値」と「焼入れ冷却に要する冷却時間」との相関を求めるステップである。そして、この相関は、t=f(V/S)の関係式(1)で定義される関数f(V/S)をもって決定される。
関数のフィッティング機能を用いることで、V/S値と冷却時間tとの関係をグラフ上に「線」で表すことができ、つまり「視覚化」することができる。これは、例えば、試験片の仕様や冷却条件等が同じ焼入れ試験であっても、その焼入れ試験を別々の焼入れ設備で行ったときに、実測値に多少の誤差が生じ得る場合、その誤差(つまり、それぞれの焼入れ設備に固有の冷却能力の差)を容易に認識できる点で、有利である。
つまり、実際の形状に加工された鋼材は、例えば金型といった工具製品のように、表面に凹凸がある。このことによって、実際の鋼材の表面積は大きくなることから、同じV/S値を有した立方体と比べて、実は、焼入れ冷却中の降温速度が大きい。そして、それぞれの中心部分の温度についても、実際の形状に加工された鋼材の方が、立方体形状の試験片よりも、冷却開始温度Tsから冷却停止温度Teに「速く」到達する。従って、立方体の試験片で決定した図1の関数fで管理される冷却時間を、そのまま、実際の鋼材の焼入れで実施すると、冷却時間tが経過したときの実際の鋼材の中心部分の温度は、想定していた冷却停止温度Teよりも「低く」なっている場合がある。実際の鋼材の焼入れにおいて、鋼材の中心部分の温度が下がり過ぎていると、鋼材の割れや歪みの要因となる。また、上述した2段冷却であれば、その2段目の冷却に移行するタイミングが遅れて、やはり、鋼材の割れや歪み、または機械的特性の低下の要因となる。
そして、実際の形状に加工された鋼材の焼入れの挙動に整合するよう、図1の関数fの精度を高めるためには、試験片の形状を疑似的に変更した上記の焼入れ試験の結果等に基いて、図1の関数fを「短時間側」に移行させる補正が効果的である。つまり、第3のステップで関数fを決定するときに、試験片の表面積Sを、この表面積Sの値よりも大きな値である表面積S’に補正することである。これを説明すると、図1の関数fの直線を満たしている、それぞれの位置の「V/S値」と「冷却時間t」との関係において、その「V/S値」の表面積Sの値だけを、その表面積Sよりも大きな表面積S’に置き換えて計算し直すことで、関数fを、新たな「V/S’」の位置に、適正量だけ「右側」に移行させる補正である(図2)。そして、この移行させる量は、S<S’≦(1.3×S)の範囲内とすることで、実際の鋼材における焼入れ挙動が、概ねこの範囲内に納まることを、上記の焼入れ試験の結果や、CAEによる温度解析等によって、確認済みである。
第4のステップは、上述の第1〜3のステップで決定された関数fを、実際の鋼材の焼入れ管理に用いることで、その体積V1および表面積S1を有する鋼材の中心部分の温度が、「冷却開始温度Ts」から、目標とする「冷却停止温度Te」に冷却されるまでの「冷却時間t1」を算出するステップである。これにより、実際の鋼材の焼入れで、その指示温度までの冷却を、冷却時間で管理することができる。
なお、この実際の焼入れで管理する冷却時間は、上記の関係式(1)で算出された冷却時間に対して、少々の操作域(誤差域)が許容される。例えば、上記の算出された冷却時間に対して、その値のプラスマイナス20%までの範囲で操作することができる。好ましくは、プラスマイナス10%までの範囲である。また、上述した過冷の防止に配慮すれば、冷却時間の操作域の上限は、10%までとすることが好ましく、5%までとすることがより好ましい。
実際の焼入れで管理する冷却時間は、その管理のしやすさに配慮して、上記の関係式(1)で算出された冷却時間を、例えば、その小数点第一位で切り上げ、切り捨て、四捨五入等して、整数の数値に丸めたものとすることができる。
また、前述した第3のステップでは、関数fに係る表面積Sを補正したところ、この補正に替えて、上記した実際の鋼材の有する「V1/S1値」の表面積S1の方を、「S1<S1’≦(1.3×S1)」の範囲内で補正してもよい。
関係式(2): (Ts−Te)/t1≧R
第4のステップでは、第1〜3のステップで決定された関数fを、実際の鋼材の焼入れ管理に用いることができるか自体を、事前に確認することを行うこともできる。つまり、体積と表面積との関係が「V1/S1」である形状F1を有する実際の鋼材の焼入れにおいて、その中心部分を、「冷却開始温度Ts」から、目標とする「冷却停止温度Te」にまで冷却するときに、上記の関数fから求めた「冷却時間t1」によって、鋼材の中心部分が、後述する「目標とする冷却速度R」以上の冷却速度で冷却できるかを、確認することができる。鋼材の中心部分で実現される冷却速度が、この「目標とする冷却速度R」を下回ると、鋼材の中心部分でマルテンサイト変態が不十分となり得る場合がある。
まず、本発明の鋼材の焼入れ方法においては、鋼種Aからなる鋼材を、決められた冷却条件Cで焼入れたときに、その冷却中の鋼材の中心部分で実現されている「実際の冷却速度」が、マルテンサイト変態が十分に進むような大きな冷却速度であることが好ましい。そして、この「実際の冷却速度」が、十分に大きな冷却速度であると判断できるためには、その鋼種Aからなる鋼材において、判断基準となる、組織をマルテンサイト変態させるための「目標とする冷却速度R」を定めておくことが好ましい。そして、上述した「実際の冷却速度」が、この「目標とする冷却速度R」以上の速い冷却速度であることが好ましい。
また、鋼材が大きいこと等によって、焼入れ時の冷却が遅くなり得るときには、目標とする冷却速度Rを、上部臨界冷却速度からある程度小さく(遅く)設定することもできる。例えば、目標とする冷却速度Rを、上部臨界冷却速度よりも30%までの範囲で小さい冷却速度(例えば、上部臨界冷却速度よりも10%小さい冷却速度や、30%小さい冷却速度)に設定することができる。
そして、目標とする冷却速度Rを数値で示すと、例えば、焼入れ温度から、450〜700℃までの高温域の冷却過程で、概ね9.0〜15.0℃/分(例えば、10.0℃/分や13.0℃/分)といった冷却速度である。そして、これ以降の、例えば、上記の450〜700℃の温度から、室温〜350℃までの低温域の冷却過程で、概ね7.0〜12.0℃/分といった冷却速度である。
本発明であれば、鋼材の大きさや形状が異なっても、それら鋼材の中心部分の冷却速度を簡便に推定することができる。そして、好ましくは、その間、鋼材の中心部分の冷却速度が、上述した「目標とする冷却速度R」以上の冷却速度を実現できるかも推定することができる。
そして、目標とする冷却速度R’を数値で示すと、例えば、600℃から、室温〜350℃までの低温域の冷却過程で、概ね7.5〜17.0℃/分(例えば、13.0℃/分や15.0℃/分)といった冷却速度である。目標とする冷却速度R’は、特に、上述した2段冷却(図8)を実施する場合に設定することが、さらに好ましい。そして、その2段目の冷却で設定することが、特に好ましい。
そして、上記の第4のステップで、焼入れを行う鋼材の中心部分の温度が「冷却開始温度Ts」から「冷却停止温度Te」に冷却されるまでの「冷却時間t1」を算出した後には、そして、好ましくは、上記の第4のステップで、決定された関数fが実際の鋼材の焼入れ管理に用いることができることを確認した後には、その実際の鋼材に、上記の「冷却時間t1」による焼入れを行えばよい。一具体的には、所定の形状F1に加工した、鋼種Aからなる鋼材を、焼入温度Tsに加熱し、冷却条件Cで冷却時間t1だけ冷却した後、この冷却条件Cでの冷却を停止する作業である。そして、行いたい焼入れが、2段冷却等であるなら、1段目の冷却に相当する上記の冷却条件Cでの冷却を停止してから、ついで、この冷却条件Cと異なる、別の冷却条件Cで、2段目の冷却をすることもできる。
2段冷却は、1020℃の焼入れ温度(TsH)から、固定入子の中心部分が650℃(TeH)に到達するまでを、1段目の冷却とした。そして、この1段目の冷却を終えた鋼材を別の冷却設備に移動させたことで、固定入子の中心部分の温度が600℃(TsL)に低下したときから、250℃の焼入れ終了温度(TeL)に到達するまでを、2段目の冷却とする、焼入れパターンとした。
冷却条件Cは、1段目の冷却で、大型ファン(ファン能力:420m3/min×3台)による大気中での衝風冷却を設定した。そして、2段目の冷却で、100℃の油中に固定入子の全体を浸漬する油焼入れを設定した。
まず、鋼種AにSKD61を用いて、3個の試験片を作製した。3個の試験片の形状は立方体であり、それぞれの一辺は、150mm(体積V/表面積S=25.00)、200mm(同33.33)、300mm(同50.00)とした。そして、これらの試験片の中心部分に、温度センサーを挿入するための穴を設けた。
次に、第1のステップで作製した3個の試験片に、実際の固定入子に行う焼入れに倣った、上記で説明した焼入れパターンおよび冷却条件Cによる、2段冷却の多段階焼入れ試験を実施した。このとき、試験片の穴には温度センサーを挿入して、試験片の中心部分の温度が、TsHからTeHに到達するまでの冷却時間tH、および、TsLからTeLに到達するまでの冷却時間tLを測定した。
第2のステップで得た、3組の「V/S値」と「冷却時間tH」との実測値の関係を、グラフ上にプロットした(添え字の「H」は、1段目の冷却であることを示す)。図1は、高温域である1段目の冷却について、上記の実測値の関係をプロットしたものである(「●」印)。そして、CAEによって、この実測値の関係から試験片と冷却媒体との間の熱伝達係数を求め、かつ、この求めた熱伝達係数を用いて、様々なV/S値のときの冷却時間tHを計算して、V/S値の範囲を更に拡張した追加データを得た。そして、この追加データとして、V/S値が「58.33」(立方体で一辺が350mm)および「66.67」(立方体で一辺が400mm)のときの、「V/S値」と「冷却時間t」との実測値の関係を、図1のグラフ上にプロットした(「□」印)。また、このとき、同様のCAEを行って、3組の実測値の関係についても検算し、図1のグラフ上にプロットし直した(「□」印)。そして、これらCAEを用いて追加した複数の「□」印のプロット点をフィッティングして、図1中の「実線」で示される関数fHを得た。このとき、フィッティングには、マイクロソフト社製の表計算ソフト「エクセル(2007)」のフィッテング機能を用いた。
そして、本実施例では、過冷の防止にも配慮して、上記の補正量が「S’=(1.3×S)」の関数fHを採用した。そして、この補正された関数fHが、「tH=0.6572(V/S)−9.9774」の一次関数であることを確認した(tHの単位は「分」、Vの単位は「mm3」、Sの単位は「mm2」である)。
そして、1段目の冷却と同様、2段目の冷却でも、上記の関数fLの精度が上がるように、関数fLを補正した。図4中に示す破線は、図3の関数fLを、S’=(1.1×S)、S’=(1.2×S)、S’=(1.3×S)の関係で、それぞれ右側に移行させた、補正後の関数fLである。図4中に示される「●」印および「◆」印のプロット点は、試験片の形状を図5の固定入子のような凸形状に変更して焼入れ試験を行ったときの、「V/S値」と「冷却時間tL」との関係の実測値である。また、「○」印および「◇」印のプロット点は、上記の「●」印および「◆」印による実測値を、CAEで計算し、検算したものである。そして、2段目の冷却でも、上記の関数fLを「S’=(1.3×S)」の補正量で補正して、この補正された関数fLを採用した。そして、この補正された関数fLが、「tL=0.6762(V/S)−6.2818」の一次関数であることを確認した(tLの単位は「分」、Vの単位は「mm3」、Sの単位は「mm2」である)。
焼入れを行いたい鋼材である、図5の固定入子について、その体積V1および表面積S1を求めた。そして、これらの値は、先述の通り、体積V1が113,043,680mm3であり、表面積Sが2,205,144mm2であった。なお、これらの作業において、固定入子の内部に設けられた冷却孔等の微小空間は、無いものとした。そして、図5の固定入子の「V/S値」は、(113,043,680mm3/2,205,144mm2)によって計算される「51.26」に決定した(厳密には、単位は「mm」である)。
その結果、1段目の冷却において、固定入子の中心部分の温度が、1020℃の焼入れ温度(TsH)から、650℃(TeH)に到達するまでの冷却時間tH1は「23.71分」と算出された。このとき、実際の焼入れでは、管理のしやすさに配慮して、この「23.71分」の冷却時間tH1の値を小数点第一位で四捨五入し、実際に管理する冷却時間tH1を「24分」とした。そして、この実際に管理する冷却時間tH1が経過する間の冷却速度は、[(1020−650)/24]=15.4℃/分であり、上述した「13.5℃/分」の冷却速度Rを超えていた。
また、2段目の冷却において、固定入子の中心部分の温度が、600℃(TsL)から、250℃の焼入れ終了温度(TeL)に到達するまでの冷却時間tL1は「28.38分」と算出された。このとき、実際の焼入れでは、管理のしやすさに配慮して、この「28.38分」の冷却時間tL1の値を小数点第一位で四捨五入し、実際に管理する冷却時間tL1を「28分」とした。そして、この実際に管理する冷却時間tL1が経過する間の冷却速度は、[(600−250)/28]=12.5℃/分であり、上述した冷却速度RおよびR’の間で決定される「7.5〜13.0℃/分」の範囲を満たしていた。
以上の結果より、最初に設定した鋼種Aおよび冷却条件Cで、上記の冷却時間tH1およびtL1による2段冷却の焼入れを行ったときに、焼入れ後の固定入子の金属組織で十分なマルテンサイト変態が進み、かつ、割れの発生も抑制できると思われる。よって、鋼種Aや冷却条件Cの見直しは不要であると判断できた。
そして、焼入れが終了した後の固定入子を観察した結果、その金属組織は十分なマルテンサイト変態が進んでおり、かつ、割れも発生していなかった。また、関数fの補正量を大き目に設定したことで、過冷を防止することもできた。
Claims (4)
- 鋼材を焼入れする際、冷却開始温度Tsに加熱された鋼材に、冷却条件Cでの冷却を開始してから、該冷却条件Cでの冷却を終了するまでの冷却時間を予め導出する、鋼材を焼入れする際の冷却時間の導出方法であって、
焼入れを行う鋼材と同じ鋼種Aからなり、体積Vおよび表面積Sがそれぞれ異なるn個(nは2以上の自然数)の試験片を作製し、前記試験片のそれぞれの中心部分に温度センサーを挿入するための穴を設ける第1のステップと、
前記試験片の前記穴に前記温度センサーを挿入し、冷却開始温度Tsに加熱保持し、ついで各試験片に対し同じ冷却条件Cで冷却を開始し、冷却を開始してから前記温度センサーで測定された前記中心部分の温度が低下して冷却停止温度Teに到達するまでの冷却時間tを測定する試験を、n個の前記試験片について実施する第2のステップと、
関係式(1)で定義される関数fであって、第2のステップで得られた1組が体積V、表面積Sおよび冷却時間tからなるn組のデータが関係式(1)を満足する関数fを決定する第3のステップと、
前記焼入れを行う鋼材の形状F1が有する体積V1および表面積S1を関係式(1)に代入して冷却時間t1を算出する第4のステップと、
を備えることを特徴とする鋼材を焼入れする際の冷却時間の導出方法。
関係式(1): t=f(V/S) - 請求項1に記載の冷却時間の導出方法によって導出した冷却時間t1を用いて行う、鋼材の焼入れ方法であって、
前記鋼材を焼入れする際、前記冷却開始温度Tsに加熱された前記鋼材を前記冷却条件Cで前記冷却時間t1だけ冷却した後、前記冷却条件Cでの冷却を停止することを特徴とする鋼材の焼入れ方法。 - 前記鋼材の焼入れ時の冷却が、異なる冷却条件によって多段階に分かれており、それぞれの冷却段階で、冷却時間を導出するための、異なる関数fを決定することを特徴とする請求項2に記載の鋼材の焼入れ方法。
- 請求項2または3に記載の鋼材の焼入れ方法で焼入れした鋼材に、さらに、焼戻しを行うことを特徴とする鋼材の焼入れ焼戻し方法。
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