JP7114936B2 - 熱疲労試験機及び熱疲労試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱疲労試験機及び熱疲労試験方法に関する。

製鉄設備には、高温部材と低温部材とが接触を繰り返す設備が多数存在する。例えば、連続鋳造、圧延、熱処理炉で使用される各種ロールや金型、高炉羽口といった設備が挙げられる。これらの設備の損傷、破壊の挙動を調査、評価したり、寿命を予測したりすることは、設備を安定稼働させるために極めて重要である。

実開昭６３－１７４４５号公報には、安定して連続的な押圧力を試料に負荷することができる摩耗試験機が開示されている。特開昭６２－１６９０３６号公報には、連続鋳造用鋳型のように、高温で相手材との間に相対的な摺動運動をしながら使用される部材の高温耐摩耗性を試験することができる高温摺動磨耗試験機が開示されている。

実開昭６３－１７４４５号公報 特開昭６２－１６９０３６号公報

高温部材と低温部材とが接触すると、その温度差に起因して接触部分が熱膨張又は熱収縮し、その膨張、収縮によって熱応力が発生する。そのため、接触を繰り返すと、熱応力の繰り返しによって部材が疲労破壊する。この現象を「熱疲労」と呼ぶ。

接触による熱疲労では、高温部材と低温部材との接触条件が熱伝達に大きく影響する。既存の熱疲労試験機は、高周波誘導加熱による加熱と冷却ガスによる冷却とを繰り返し、試料に熱サイクルを付与するものが一般的である。しかし、このような装置では、試料の表面だけに熱サイクルを付与することができない。そのため、高温部材と低温部材とが接触したときの温度分布を再現できない。

前掲特開昭６２－１６９０３６号公報の高温摩耗試験機は、高温部材と低温部材とを繰り返し接触させることができる。しかし、この試験機では、試験材及び相手材の双方が摩耗する。上述した製鉄用の高温設備では、常に新しい材料が供給されるため、設備（例えば搬送ロール）の接触面は次第に消耗していくのに対し、材料（例えば搬送される鋼板）の接触面の状態は常に一定である。特開昭６２－１６９０３６号公報の高温摩耗試験機では、このような高温設備の状況を模擬できない。

本発明の目的は、高温設備の状況を模擬した試験が可能な熱疲労試験機及び熱疲労試験方法を提供することである。

本発明の一実施形態による熱疲労試験機は、試料を保持する試料ホルダと、一方向に延びた形状を有する相手材と、前記試料及び前記相手材の少なくとも一方を加熱する加熱機構と、前記試料と前記相手材とが接触するように前記試料ホルダ及び前記相手材の少なくとも一方を他方側へ移動させる第１移動機構と、前記試料ホルダ及び前記相手材の少なくとも一方を前記相手材が延びる方向に移動させる第２移動機構と、を備える。

本発明の一実施形態による熱疲労試験方法は、上記の熱疲労試験機を用いた熱疲労試験方法であって、前記加熱機構によって前記試料及び前記相手材の少なくとも一方を加熱する工程と、前記第１移動機構によって前記試料と前記相手材とを接触させる工程と、前記第１移動機構によって前記試料と前記相手材とを離間させる工程と、前記第２移動機構によって前記試料ホルダ及び前記相手材の少なくとも一方を前記相手材が延びる方向に移動させる工程と、を備える。

本発明によれば、高温設備の状況を模擬した試験が可能になる。

図１は、本発明の一実施形態による熱疲労試験機の斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態による熱疲労試験方法のフロー図である。 図３は、試料を冷却する工程を示す図である。 図４は、試料を加熱する場合の構成の例である。 図５は、試料を加熱する場合の構成の他の例である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［熱疲労試験機］
図１は、本発明の一実施形態による熱疲労試験機１の斜視図である。熱疲労試験機１は、試料保持装置１０、相手材２１、移動台座（第２移動機構）３０、高周波コイル（加熱機構）４１、冷却ノズル（冷却機構）５１、及びたわみ防止装置６０を備えている。

試料保持装置１０は、試料Ｓを保持する試料ホルダ１１、試料ホルダ１１を移動させるアクチュエータ（第１移動機構）１２、及び試料Ｓに加わる荷重を計測するロードセル１３を含んでいる。

試料ホルダ１１は、評価対象である試料Ｓを保持する。試料ホルダ１１は例えば、クランプや電磁石である。アクチュエータ１２は、試料Ｓと相手材２１とが接触するように試料ホルダ１１を相手材２１側に移動させる。アクチュエータ１２は例えば、動力シリンダやモータである。

試料保持装置１０は、試料Ｓの温度を安定させるため、冷却ノズル５１とは別に定常的な冷却機構を含んでいることが好ましい。試料保持装置１０は例えば、試料ホルダ１１の内部に冷却水を循環させるための冷却管をさらに含んでいることが好ましい。試料保持装置１０はまた、試料Ｓの温度や歪みを計測できるように、試料Ｓに取り付けられる熱電対や歪みゲージをさらに含んでいることが好ましい。

相手材２１は、一方向に伸びた円筒形状を有している。以下、説明の便宜のため、相手材２１の延びる方向（管軸方向）をｘ方向と呼ぶ。また、鉛直方向をｚ方向とし、ｘ方向及びｚ方向の両方に垂直な方向をｙ方向と呼ぶ。

相手材２１の材質は、模擬したい状況に応じて種々の材料から選択される。相手材２１の材質は、これに限定されないが、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱鋼等である。

熱疲労試験機１はさらに、相手材２１をｘ方向の周りに回転させるアクチュエータ２２、及び相手材２１に加わるトルクを計測するロードセル２３を備えている。アクチュエータ２２は、例えばモータである。後述するように、相手材２１を回転させることで、試料Ｓと相手材２１とを摺動させることができる。

相手材２１、アクチュエータ２２、及びロードセル２３は、移動台座３０の上に配置されている。移動台座３０は、アクチュエータ３１、及びレール３２を含んでいる。移動台座３０は、アクチュエータ３１によって駆動され、ｘ方向に平行に敷設されたレール３２の上を移動する。移動台座３０を移動させることによって、相手材２１、アクチュエータ２２、及びロードセル２３をｘ方向に移動させることができる。

一方、移動台座３０を移動させても、試料保持装置１０、高周波コイル４１、冷却ノズル５１、及びたわみ防止装置６０は移動しない。そのため、移動台座３０を移動させることによって、相手材２１とこれらの部材との位置関係を変えることができる。

高周波コイル４１は、相手材２１の周りに配置され、相手材２１を加熱して所定の温度に保持する。試料Ｓと相手材２１とを接触させるためのスペースを確保するため、高周波コイル４１は、ｘ方向の一部の区間に隙間を設けて配置されている。

冷却ノズル５１は、試料Ｓに冷媒を吹き付け、試料Ｓを冷却する。冷媒は、例えば水やエアーである。

たわみ防止装置６０は、相手材２１を挟んで試料保持装置１０と対向する位置に配置されている。たわみ防止装置６０は、支持部材６１と、支持部材６１をｙ方向に移動させるアクチュエータ６２とを含んでいる。たわみ防止装置６０は、試料Ｓを相手材２１に接触させる際に相手材２１がたわまないように、支持部材６１によって相手材２１を反対側から支持する。支持部材６１の相手材２１との接触面には断熱材が設けられていることが好ましい。

［熱疲労試験方法］
次に、熱疲労試験機１を用いた熱疲労試験方法を説明する。図２は、本実施形態による熱疲労試験方法のフロー図である。本実施形態による熱疲労試験方法は、試料Ｓを取り付ける工程（ステップＳ１）、相手材２１を加熱する工程（ステップＳ２）、試料Ｓと相手材２１とを接触させる工程（ステップＳ３）、試料Ｓと相手材２１とを離間させる工程（ステップＳ４）、試料Ｓを冷却する工程（ステップＳ５）、及び相手材２１をｘ方向に移動させる工程（ステップＳ６）を備えている。

試料Ｓを準備し、試料ホルダ１１に取り付ける（ステップＳ１）。試料Ｓは、評価対象となる材料から採取され、所定の形状に加工される。試験対象となる材料は、これに限定されないが、例えば金型に用いられる金型用鋼、圧延用ロールや搬送用ロールに用いられる工具鋼、機械構造用鋼等である。

高周波コイル４１によって相手材２１を加熱する（ステップＳ２）。加熱温度は、模擬したい状況に応じて適宜選択する。加熱温度は、これに限定されないが、例えば２００～１５００℃である。相手材２１の温度は例えば、放射温度計によって計測することができる。

相手材２１が所定の温度に到達後、アクチュエータ１２によって試料Ｓをｙ方向に移動させ、試料Ｓと相手材２１とを接触させる（ステップＳ３）。このとき、ロードセル１３によって試料Ｓに加わる荷重を計測し、荷重が一定になるように制御することが好ましい。試料Ｓに加える荷重は、模擬したい状況によって適宜選択する。試料Ｓに加える荷重は、これに限定されないが、例えば１０Ｎ～５ｋＮである。

このとき、模擬したい状況によっては、アクチュエータ２２によって相手材２１を回転させることによって、試料Ｓと相手材２１とを摺動させることもできる。この場合、ロードセル２３によって相手材２１に加わるトルクを計測し、模擬したい状況を再現するようにアクチュエータ２２の出力を制御することが好ましい。

試料Ｓと相手材２１とを所定時間接触させた後、アクチュエータ１２によって試料Ｓをｙ方向に移動させ、試料Ｓと相手材２１とを離間させる（ステップＳ４）。この状態で、図３に示すように冷却ノズル５１から試料Ｓに冷媒を吹き付け、試料Ｓを冷却する（ステップＳ５）。

移動台座３０を移動させ、相手材２１をｘ方向に移動させる（ステップＳ６）。これによって、相手材２１の面のうち、直前の工程で接触させていた面とは異なる面が試料Ｓと対向する。なお、試料Ｓを冷却する工程（ステップＳ５）と相手材２１をｘ方向に移動させる工程（ステップＳ６）とは、順番を入れ替えてもよいし、同時に行ってもよい。

以降、所定のサイクル数に到達するまで、ステップＳ２～Ｓ６を繰り返す。これによって、試料Ｓと、所定の温度に加熱した相手材２１とを繰り返し接触させ、試料Ｓに繰り返し熱応力を付与することができる。

［本実施形態の効果］
本実施形態によれば、高温部材と低温部材とが繰り返し接触することで生じる熱疲労を模擬することができる。本実施形態ではさらに、試料Ｓと相手材２１とを接触（ステップＳ３）及び離間（ステップＳ４）させた後、相手材２１をｘ方向に移動させる（ステップＳ６）。これによって、相手材２１の面のうち、直前の工程で接触させていた面とは異なる面が試料Ｓと対向する。そのため、次に試料Ｓと相手材２１とを接触させる工程（ステップＳ３）では、相手材２１の面のうち、直前の工程で接触させていた面とは異なる面（新生面）が試料Ｓと接触する。

製鉄に用いられる高温設備では、常に新しい材料が供給されるため、設備（例えば搬送ロール）の接触面は次第に消耗（ここでの「消耗」は、熱疲労による損傷と、摺動による摩耗の両方を含む。）していくのに対し、材料（例えば搬送される鋼板）の接触面の状態は常に一定である。接触による熱疲労では、高温部材と低温部材との接触条件が熱伝達に大きく影響する。試料Ｓ及び相手材２１の双方が消耗する場合と、試料Ｓのみが消耗する場合とでは、試料Ｓと相手材２１との接触条件が大きく異なる可能性がある。本実施形態によれば、相手材２１をｘ方向に移動させる工程（ステップＳ６）を含むことにより、評価対象となる材料だけが消耗していく状況を模擬することができる。

以上、本発明の一実施形態による熱疲労試験機及び熱疲労試験方法を説明した。本実施形態によれば、高温設備の状況を模擬した試験が可能になる。

上述した実施形態では、相手材２１を加熱し、相対的に低温の試料Ｓと相対的に高温の相手材２１とを接触させて、試料Ｓに熱応力を加える構成を説明した。しかしこれとは反対に、試料Ｓを加熱し、相対的に高温の試料Ｓと相対的に低温の相手材２１とを接触させて、試料Ｓに熱応力を加える構成としてもよい。また、試料Ｓ及び相手材２１の双方を加熱して、両者の温度差によって試料Ｓに熱応力を加える構成としてもよい。

冷却についても同様である。上述した実施形態では、試料Ｓを冷却する構成を説明したが、相手材２１を冷却する構成としてもよい。また、試料Ｓと相手材２１との双方を冷却する構成としてもよい。

図４及び図５は、試料Ｓを加熱する場合の構成の例である。図４は、試料Ｓの周りに高周波コイル４２を配置し、試料Ｓを周囲から加熱する構成を示している。図５は、試料Ｓの前面に平面上の高周波コイル４３を配置し、試料Ｓの相手材２１と接触する面を加熱する構成を示している。高周波コイル４２及び４３を組み合わせて用いてもよい。

試料Ｓや相手材２１を加熱する手段は、高周波誘導加熱には限定されない。例えば、ヒータによる加熱や、通電加熱等、種々の加熱手段を用いてもよい。同様に、冷却手段も任意である。

上述した実施形態では、アクチュエータ１２によって試料Ｓをｙ方向に移動させて、試料Ｓと相手材２１とを接触させる構成を説明した。しかしこれとは反対に、相手材２１をｙ方向に移動させて、試料Ｓと相手材２１とを接触させる構成としてもよい。また、試料Ｓ及び相手材２１の双方をｙ方向に移動させて、試料Ｓと相手材２１とを接触させる構成としてもよい。

上述した実施形態では、移動台座３０によって相手材２１をｘ方向に移動させて、試料Ｓと相手材２１とが接触する位置を変える構成を説明した。しかしこれとは反対に、試料Ｓをｘ方向に移動させて、試料Ｓと相手材２１とが接触する位置を変える構成としてもよい。また、試料Ｓ及び相手材２１の双方をｘ方向に移動させて、試料Ｓと相手材２１とが接触する位置を変える構成としてもよい。なお、所定のサイクル数を消化する際に、相手材２１を試験途中で交換してもよいし、相手材２１のｘ方向の長さを、所定のサイクル数の試料Ｓとの接触を実現できる十分な長さとすることで、試験途中での交換を行わないようにしてもよい。

上述した実施形態では、相手材２１が円筒形状である構成を説明した。さらに、熱疲労試験機１が相手材２１をｘ方向の周りに回転させるアクチュエータ２２を備えている構成を説明した。この構成によれば、試料Ｓと相手材２１とを接触させる際、相手材２１を回転させて、試料Ｓと相手材２１とを摺動させることができる。これによって、熱疲労だけではなく、摩耗の影響も模擬することができる。なおこの場合、相手材２１は円柱形状であってもよい。また、アクチュエータ２２によって相手材２１をｘ方向周りに回転させることで、相手材２１における試料Ｓとの接触位置を変えることも可能である。つまり、熱疲労試験機１のアクチュエータ２２は、試料Ｓと相手材２１を摺動させるだけでなく、移動台座３０と同様に、相手材２１の試料Ｓとの接触位置を変える機能を有してもよい。例えば、相手材２１の一端から試験を開始し、他端に到達した後にアクチュエータ２２によって相手材２１を回転させ、移動台座３０によって相手材２１を他端から一端に向けて移動させることで、相手材２１の外周面を接触面として最大限に利用することができる。

相手材２１は、断面が角型の形状であってもよい。相手材２１が角型の場合、相手材２１を回転させて試料Ｓと摺動させることは難しくなるが、熱疲労試験は可能である。模擬しようとする接触条件によっては、相手材２１が角型であることが望ましい場合もある。例えば、プレス成型用の金型と加熱されたブランクとの接触による熱疲労を模擬しようとしたときは、相手材２１を角型（もしくは多角形型）とし、試料Ｓとの面接触を繰り返すという接触条件が望ましい場合もある。さらに、試料Ｓと相手材２１との摺動を考慮する場合は、相手材２１をｚ方向に移動可能な移動機構を備えることが好ましい。

上述した実施形態では、試料Ｓと相手材２１とを離間させた後、試料Ｓを冷却ノズル５１によって冷却する構成を説明した。この構成によれば、試料Ｓを迅速に冷却して、試験の効率を高めることができる。しかし、本実施形態による熱疲労試験方法は、試料Ｓの熱容量によっては、試料Ｓを冷却する工程（ステップＳ５）を備えていなくてもよい。この場合、熱疲労試験機１は、冷却ノズル５１を備えていなくてもよい。

上述した実施形態では、熱疲労試験機１がたわみ防止装置６０を備えている構成を説明した。この構成によれば、試料Ｓを接触させる際に相手材２１がたわまないようにすることができる。しかし、熱疲労試験機１は、試料Ｓに加える荷重の大きさや相手材２１の剛性によっては、たわみ防止装置６０を備えていなくてもよい。

したがって、本実施形態による熱疲労試験機は、試料を保持する試料ホルダと、ｘ方向に延びた形状を有する相手材と、試料及び相手材の少なくとも一方を加熱する加熱機構と、試料と相手材とが接触するように試料ホルダ及び相手材の少なくとも一方を他方側へ移動させる第１移動機構と、試料ホルダ及び相手材の少なくとも一方をｘ方向に移動させる第２移動機構と、を備えていればよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ 熱疲労試験機
１０ 試料保持装置
１１ 試料ホルダ
１２ アクチュエータ（第１移動機構）
１３ ロードセル
２１ 相手材
２２ アクチュエータ
２３ ロードセル
３０ 移動台座（第２移動機構）
３１ アクチュエータ
３２ レール
４１～４３ 高周波コイル（加熱機構）
５１ 冷却ノズル（冷却機構）
６０ たわみ防止装置
６１ 支持部材
６２ アクチュエータ

Claims (4)

1. 試料を保持する試料ホルダと、
   一方向に延びた形状を有する相手材と、
   前記試料及び前記相手材の少なくとも一方を加熱する加熱機構と、
   前記試料と前記相手材とが接触するように前記試料ホルダ及び前記相手材の少なくとも一方を他方側へ移動させる第１移動機構と、
   前記試料ホルダ及び前記相手材の少なくとも一方を前記相手材が延びる方向に移動させる第２移動機構と、を備える、熱疲労試験機。
2. 請求項１に記載の熱疲労試験機であって、
   前記相手材を回転させるアクチュエータをさらに備え、
   前記相手材は、円柱又は円筒である、熱疲労試験機。
3. 請求項１又は２に記載の熱疲労試験機であって、
   前記試料及び前記相手材の少なくとも一方を冷却する冷却機構をさらに備える、熱疲労試験機。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の熱疲労試験機を用いた熱疲労試験方法であって、
   前記加熱機構によって前記試料及び前記相手材の少なくとも一方を加熱する工程と、
   前記第１移動機構によって前記試料と前記相手材とを接触させる工程と、
   前記第１移動機構によって前記試料と前記相手材とを離間させる工程と、
   前記第２移動機構によって前記試料ホルダ及び前記相手材の少なくとも一方を前記相手材が延びる方向に移動させる工程と、を備える、熱疲労試験方法。

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