JPH01198422A - 金属材料の熱処理条件決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属材料の熱処理条件決定方法に係り、鋼材に
焼き入れ等の熱処理加工を行う際などに利用できる。

〔従来の技術〕

従来より、金属材料に対する熱処理は、酸化被膜を形成
する等の表面処理に利用されるほか、材料の硬さや靭性
といった特性を変化させる際に多・用されており、例え
ば、代表的な金属材料である鋼材においては、硬度を高
めるための焼き入れ、軟化させるための焼きなまし、あ
るいは一端焼き入れしたのち靭性を付与するための焼き
戻しといった熱処理を行うことにより多種多様な性質の
ものが製造されてい暮。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このような金属材料の熱処理においては、加
熱から冷却に到る温度や時間経過といった熱処理条件が
処理後の組織、すなわち材料の性質に大きな影響を及ぼ
すものであり、所期の特性を得るためには最適な熱処理
条件を的確に把握して熱処理を行うことが要求される。

しかし、熱処理条件を規定する要素は多岐にわたってお
り、例えば、加熱温度や時間だけでも多様な設定が可能
なうえ、冷却用の熱処理液の種類や温度、熱処理液の撹
拌状態といった冷却時の要素を加えると実に様々な組み
合わせが可能であり、細かな条件設定ができる反面、ど
のような組み合わせが最適であるのかを判定することが
容易でない。

また、熱処理条件が同じでも処理する金属材料の形状が
異なると、各部に及ぶ熱処理効果が変化して得られる性
質に相違が生じることから、任意の形状の処理対象物に
最適な熱処理を行うことは非常に難しいものである。

ところが、従来は最適な熱処理条件を決定するための有
効な手段がなく、いくつかの条件の下で試験的に加工実
験を行い、試行錯誤を繰返しながら最適な条件の範囲を
絞ってゆくという方法に頼らざるを得す、加工実験の評
価にあたって処理対象物の内部についても検査する場合
、全体としての作業ロスは真人なものとなり、実加工を
開始するまでに時間がかかるという問題があった。

本発明の目的は、任意の処理対象物に対して最適な熱処
理条件を簡単に決定できる金属材料の熱処理条件決定方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、処理対象物と同一の金属材料に固有の冷却曲
線のなかから処理対象物に要求される特性を与える目標
冷却曲線を選択する第１の工程と、複数の熱処理条件に
ついて、任意の冷却性能試験方法によって冷却曲線を求
めたうえで処理対象物に応じた補正を行い、当該熱処理
条件を処理対象物に適用した際の予測冷却曲線を予測す
る第２の工程と、前記目標冷却曲線と複数の予測冷却曲
線とを順次比較して所定温度に達するまでの冷却過程の
履歴熱量が略等しい予測冷却曲線を与える最適熱処理条
件を決定する第３の工程とを含む一連の工程によって金
属材料の熱処理条件決定方法を構成するものである。

ここで、本発明の各工程には、以下に示すような具体的
な手段が採用゛できる。

例えば、第１の工程における目標冷却曲線の選択には、
鋼材の焼き入れ加工に適用する場合、ＪＩＳＧ−０５６
１に規定されるようなジョミニー式一端焼入による焼入
性試験方法が利用できる。

すなわち、前記ジョミニー式試験により処理対象物の材
料として用いる鋼材のジョミニー曲線およびジョミニー
冷却曲線を測定し、焼き入れ温度に対応したジョミニー
曲線から処理対象物に要求される焼き入れ硬度を与える
ジョミニー距離を求め、このジョミニー距離に対応する
ジョミニー冷却曲線を目標冷却曲線として選択すればよ
い。

一方、第２の工程における冷却性能試験方法には、冷却
に熱処理液を用いる場合、ＪＩＳＫ−２２４２の５．２
に示される熱処理油の冷却性能試験方法が利用でき、こ
の冷却性能試験方法に示すように銀棒を用いて当該熱処
理液を用いた場合の標準冷却曲線を測定し、この標準冷
却曲線に前記銀棒と処理対象物との材料の物性値（比熱
、密度、熱伝導率など）の相違を補正し、かつ処理対象
物の形状の影響等を等価直径あるいは等偏冷却速度を用
いて補正することにより、処理対象物の予測冷却曲線を
算出する。なお、前記銀棒に替えてステンレス鋼等の変
態温度をもたない金属材料を用いて標準冷却曲線を測定
してもよい。

より具体的には、前記測定によって得られる冷却曲線か
ら冷却時に処理対象物から熱処理液等に奪われる熱の熱
伝達率を算出するとともに、前記処理対象物の物性や形
状要素に応じた冷却時の伝熱特性を考慮して処理対象物
における温度分布を算出し、処理対象物の内部深さ等に
応じた任意位置での予測冷却曲線を算出する。この場合
、熱伝達率は上記膜、沸騰、対流の各段階毎に、しかも
処理対象物の表面温度の関数として算出する方が好まし
い。

例えば、熱伝達率α（ｋｃａｌ／ｍ”、ｈｒ、”ｃ　）
　、処理対象物の表面温度θ（’Ｃ）、熱処理液の温度
Ｔ。

（”Ｃ）、処理対象物内部の温度勾配ｄθ／ｄｘ（”Ｃ
／ｍ）、処理対象物に用いる鋼材の熱伝導率λ（ｋｃａ
ｌ／　＋ｗ、ｈｒ、”Ｃ）　、処理対象物に用いる鋼材
°中の単位面積を単位時間に通過する熱Ｉｑ（ｋｃａｌ
／ｍ”、ｈｒ）、処理対象物から熱処理液へ単位面積を
単位時間に通過する熱量Ｑ　（ｋｃａｌ　／　ｍ”、ｈ
ｒ　）とした場合、 Ｑ　　−α　・　（θ−Ｔｃ　）　　　・　・　・　（
２）と表される熱伝導および伝達の基礎式を用い、処理
対象物の熱の流れを基に各部の温度分布を算出する。な
お、微分方程式の解は計算機を用い、差分法による非定
常数値解析を利用した２次元解析などが好ましい。

また、第３の工程において、予測冷却曲線および目標冷
却曲線の履歴熱量が略等しいと判定する所定温度として
は、鋼材の焼き入れの場合には鋼材のマルテンサイト変
態開始温度が該当するものであり、その判定にあたって
は、前記温度に到る冷却時間の比較、あるいは前記温度
に到る冷却曲線の積分値の比較の何れかを利用すればよ
い。

（作用〕 このように構成された本発明においては、第１の工程で
処理対象物に最適な目標冷却曲線を決定し、材料側の要
求条件をまとめておくとともに、第２の工程で各熱処理
条件が処理対象物に作用した際に予測される予測冷却曲
線を計算して処理対象物の形状要因等を含む環境側の要
求条件をまとめておき、これらの予備測定に基づいて、
第３の工程において目標冷却曲線に近い予測冷却曲線を
選択することにより、膨大な繰返しを含む煩雑な加工実
験を行うことなしに最適な熱処理条件を予測する。

ここで、第１の工程における目標冷却曲線の選択や第２
の工程における熱処理条件毎の冷却曲線の算出にあたっ
ては、ＪＩＳに規定されるようなジョミニー式焼入試験
方法や熱処理液の冷却性能試験方法等の既成の試験方法
を利用して、確実かつ客観的な評価を可能とする。

さらに、第３の工程における目標冷却曲線と予測冷却曲
線との比較にあたっては、各々が鋼材のマルテンサイト
変態開始温度といった熱処理効果を左右する所定温度ま
で冷却されるまでの経過時間または温度の積分値を判定
することにより、実際の熱処理加工に即した処理対象物
に最適の熱処理条件の選択を可能とする。

従って、以上に示した第１ないし第３の工程によれば、
処理対象物に最適な熱処理条件の決定を簡単かつ確実に
決定でき、これにより前記目的が達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例として本発明に基づく鋼材の焼
き入れ加工について図面を用いて説明する。

第１図に示すように、本実施例は、直径４０ｍｍ、高さ
５０印の円筒形状に形成された鋼材（ＳＵＪ２）からな
る処理対象物１を用い、規定の焼き入れ条件として、処
理対象物１を８５０°Ｃに加熱した状態で３０分間−保
持した後、熱処理液２中に投入して冷却を行うものとし
、熱処理液２０種類、温度等の設定条件を適宜選択する
ことにより適当な熱処理条件を定め、焼き入れ後に要求
される特性は処理対象物ｌの表面から深さ４舗の位置で
の硬度Ｈ１ｃ＝４６とすることである。

ここで、処理対象物１に焼き入れ加工を行う際に用いる
焼き入れ加工装置１０は、上方に処理対象物１を包囲し
て加熱可能な略ドーナツ状の赤外線加熱炉１１を備える
とともに、下方には任意の冷却性能を有する熱処理液２
が満たされた油槽１２が配置されている。この油槽１２
内には、赤外線加熱炉１１と同軸配置されて垂直に下降
した処理対象物１を収容可能な中心筒体１３が設けられ
、この中心筒体１３によって油槽１２の内部は油面から
所定深さ以下を内側部分と外側部分とに仕切られている
。また、油槽１２内の各部分は各々底部近傍に接続され
た配管ループ１４によって連通され、この配管ループ１
４中に直列配置された流量計１５およびポンプ１６によ
り熱処理液２を任意の流速で流動させ、その際の撹拌効
果によって熱処理液２の処理対象１１５１に対する冷却
性能を調整可能である。

従って、本実施例においては、熱処理液２の種類、温度
等のほか熱処理液２の撹拌速度が異なる複数の熱処理条
件が設定可能であるが、前記硬度がＨ＊ｃ−４６とする
のに最適な熱処理条件を決定するにあたっては、従来の
ような加工実験を行うのではなく、本発明に基づいて簡
単な予備測定により最適熱処理条件を予測し、直接実際
の焼き入れ加工を行った。

まず、第１の工程として、ＪＩＳＧ−０５６１に定めら
れた鋼の焼入性試験方法を応用して５ＵＪ２のジョミニ
ー曲線およびジョミニー冷却曲線を同時に測定し、目標
冷却曲線を決定した。

すなわち、第２図に示すように、ＪＩＳＧ−０５６１に
定められたジョミニー試片２１を５ＵＪ２を用いて作成
し、このジョミニー試片２１の水冷端２２から１．５ｍ
ｍ　、　　７．５ｍ　、　１２．５ｅａ、２２．５＋ｍ
ｎ、３２．５Ｍおよび４２．５胴の位置に各々直径１．
６鵬で深さ３　ｍｍの孔２３を設け、名札２３にＣＡシ
ース熱電対２４を差し込み、赤外線加熱炉２５を用いて
窒素：水素＝１０：１の雰囲気中で所定加熱温度まで加
熱し、ＪＩＳＧ−０５６１に準拠して噴水口２６から水
を噴射して水冷端２２を水冷し、第３図に示すようなジ
ョミニー曲１３と、第４図に示すようなジョミニー冷却
曲線４とを測定した。

続いて、第３回のシロミニ−曲線３のうち加熱温度８５
０°Ｃに対応するジョミニー曲線３１を選択し、第５図
に示すように、選択したジョミニー曲線３１から硬度Ｈ
，Ｃ＝４６を与えるジョミニー距離（水冷端２２からの
距＃）＝６．６ｍｍを求め、第４図のジョミニー冷却曲
線４からジョミニー距鋪＝６．６Ｍに対応するジョミニ
ー冷却曲線を算出し、このジョミニー冷却曲線を目標冷
却曲線４１として決定した。

一方、処理対象物１を冷却するにあたっては、熱処理液
２の種類、°温度および撹拌速度の組み合わせの異なる
５種類の熱処理条件とした。ここで各条件＃１〜５の設
定は第１表に示すような内容とした。

第１表 ここで、第２の工程として、各条件＃１〜５の熱処理液
２で処理対象物１を冷却した場合に予測される予測冷却
曲線を求めた。

この予測冷却曲線の算出にあたっては、ＪＩＳＫ−２２
４２の５．２に定める熱処理油の冷却性能試験を利用し
て各条件＃１〜５の熱処理液２の冷却曲線を求め、得ら
れた冷却曲線から冷却時に処理対象物１から熱処理液２
に奪われる熱の熱伝達率を算出するとともに、物性や形
状要素に応じた処理対象物ｌ自体の熱伝達特性を考慮し
て処理対象物１の形状、材質および指定位置（表面から
４ｆｆｉＩ１１）等に応じた補正を行い、処理対象物１
における温度分布を算出した。

なお、補正にあたっては、英国ＢＳ規格（ＢＳ５０４６
　：１９７４）に基づき、処理対象物ｌの高さ５０ｍ＋
を考慮して実直径４０■に対して等価直径を３５ｍｍと
して計算した。また、温度分布の算出にあたっては、熱
伝達率α（ｋｃａｌ　／　ｍ”、ｈｒ。

°Ｃ）、処理対象物１の加熱温度θ（”Ｃ）、熱処理液
２の温度Ｔｃ（”Ｃ）、処理対象物ｌ内部の温度勾配ｄ
θ／　ｄｘ　（”Ｃ／ｍ）、５ＵＪ２の熱伝導率λ（ｋ
ｃａｌ／　＋ｍ、ｈｒ、”Ｃ）　、処理対象物に用いる
鋼材中の単位面積を単位時間に通過する熱量ｑ　（ｋｃ
ａｌ／ｍ”、ｈｒ　）　、処理対象物１から熱処理液２
へ単位面積を単位時間に通過する熱量Ｑ　（ｋｃａｌ／
ｍ”、ｈｒ）とした際の熱伝導および伝達の基礎式９式
％（２） を用いて計算機で解析し、処理対象物ｌの温度分布を算
出し、以上により、第６図に示すように、熱処理条件＃
１〜５毎に予測冷却曲線６１〜６５を決定した。

さらに、第３の工程として、第７図に示すような積分値
の順次比較により、第２の工程で得られた予測冷却曲線
６１〜６５の中から、第１の工程で決定された目標冷却
曲線４１と近似のものを選択した。

まず、第４図の目標冷却曲線４１に基づいて５ＵＪ２の
マルテンサイト変態開始温度（Ｔ−２５０°Ｃ）までの
冷却過程の温度θ、の積分値１゜ ｒ＋−ｊθ１　・ｄｔ を求めると、積分値ＩＩ　−１０４４０″Ｃ＝　ｓｅｅ
であった。

一方、第６図の各予測冷却曲線６１〜６５について、同
様にＴ　＝　２５０　”Ｃまでの冷却過程の温度θ暑の
積分値Ｉ８を求めると第２表に示すような値となった。

第２表 ここで、第２表の積分値Ｉ２のなかから、積分値ｌｌ−
１０４４０°Ｃ−５ｅｃに最も近いものを選択すると、
条件＃４すなわち熱処理液２として０種を用い、その温
度を８０°Ｃにしておくとともに、流速０．２ｍｂで撹
拌するという熱処理条件が極めて近いと判定でき、従っ
て、最適熱処理条件として条件＃４を選択した。

ここで、第３の工程で選択された最適熱処理条件に従っ
て熱処理液２の種類、温度および撹拌速度を設定し、前
、述の規定の焼き入れ条件と併せて得られる条件の下で
、実際に処理対象物１を加熱したのち熱処理液２により
冷却して焼き入れ加工を行った。その結果、得られた処
理対象物１は、表面から４ｍの位置での硬度がＨ宵Ｃ＝
４７であった。

このような本実施例によれば、予測した最適熱処理条件
に従って実際の熱処理加工を行うことにより、処理対象
物１に要求される硬度を満足する正確な焼き入れ加工が
実現できる。

また、最適な熱処理条件を簡単な予備測定と計算とによ
って確定することができ、従来、最適な熱処理条件を決
定するにあたって不可欠とされていた多岐にわたる煩雑
な加工実験を省略して作業ロスを大幅に低減できる。

さらに、第１の工程における目標冷却曲線４１０選択や
第２の工程における条件＃１〜５の予測冷却曲線６１〜
６５の算出にあたっては、ＪＩＳに規定されるジぢミニ
ー式焼入試験方法や熱処理液の冷却性能試験方法等の既
成の試験方法を利用したため、予備測定および評価を確
実かつ客観的にできる。

また、第３の工程における目標冷却油ｌ１１４１と予測
冷却曲線６１〜６５との比較にあたっては、各々が鋼材
のマルテンサイト変態開始温度Ｔまで冷却されるまでの
温度θ１．θオの積分値Ｉｔ。

Ｉ！を比較するため、実際の熱処理加工に即した熱処理
条件が選択でき、実加工時の条件設定をより正確にする
ことができる。

なお、本発明は前記実施例の態様に限定されるものでは
なく、各工程で採用する具体的手段等は実施にあたって
適宜変更可能である。

すなわち、第１の工程において目標冷却曲線４１を求め
るにあたっては、その都度ＪＩＳＧ−０５６１相当のジ
ョミニー式試験を行うのではなく、ジョミニー曲線３等
は鋼材の製造業者が製品に付属させるデータ等を利用し
てもよく、あるいは過去の実験に基づく好適なデータ等
があれば適宜利用可能であり、要するに第１の工程は処
理対象物ｌと同一の材料で所望の特性が得られる目標冷
却曲線４１が決定できればよく、ジョミニー式試験以外
の手段を採用してもよい。

また、第２の工程において予測冷却曲線６１〜６５を求
めるにあたっては、ＪＩＳＫ−２２４２の５．２相当の
冷却性能試験方法以外の手段によって各熱処理条件毎の
冷却曲線を求めてもよ（、例えば処理対象物１の冷却に
熱処理液２以外の冷却手段を用いる場合その都度、当該
冷却手段に好適かつなるべく客観的な冷却曲線が得られ
る冷却性能試験方法を採用することが望ましい。

さらに、予測冷却曲線６１〜６５を求める際の処理対象
物１に対応した補正にあたっては、熱伝導および熱伝達
の基礎式（１）、（２）の解を計算機を用で精密な値と
して求めるのではなく、適当な近似によってより高速化
したり、あるいは可能な範囲内で手計算等によって概算
を行ってもよい。

また、第３の工程において、各予測冷却曲線６１〜６５
および目標冷却曲線４１の履歴熱量が略等しいと判定す
る温度Ｔとしては、５ＵＪ２等の鋼材ではマルテンサイ
ト変態開始温度が該当するが、処理対象物１に他の金属
材料を用いる場合、熱処理によって得られる特性に寄与
する金属組繊を形成する条件の温度を用いればよい。

さらに、判定にあたっては、第７図のような前記温度Ｔ
までの各温度θ１．θ２の積分値１＋。

■！の比較に替えて、第８図のように、各冷却曲線４１
．６１〜６５が前記温度Ｔに到る冷却時間ｔ０を比較し
てもよく、準備作業をより簡単かつ迅速にできるが、前
記実施例にように積分値の比較を利用したほうが正確で
ある。

また、各々の比較にあたっては、各冷却曲線４１．６１
〜６５を実際に図示して比較したり、あるいは図示せず
とも計算機上などで数値データによって比較してもよい
。

さらに、本発明を通用する熱処理加工としては鋼材等の
焼き入れ加工に限らず、加工に用いる装置も前記実施例
に限定されるものではない、また、熱処理条件の設定も
前記実施例に示したような項目のみならず、必要に応じ
て適当な項目等を加減し、当該項目の設定が異なる複数
の条件を第２の工程で試験することにより当該項目を含
めた最適熱処理条件をも簡単かつ正確に決定することが
でき、本発明は金属材料に対する種々の熱処理等に広く
適用可能である。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明の金属材料の熱処理条件決
定方法によれば、任意の処理対象物に対して最適な熱処
理条件を節単に決定できる、加工実験等の作業ロスを解
消できるとともに、確実かつ迅速な準備ないし実加工を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置構成を示す概略図、第
２図は前記実施例における予（ｉ１２ｊＩ１１定を示す
概略図、第３図は前記実施例で用いるジョミニー曲線を
示すグラフ、第４図は前記実施例で用いるジョミニー冷
却曲線を示すグラフ、第５図は前記第３図のジョミニー
曲線の１つを示すグラフ、第６図は前記実施例で算出す
る条件毎の予想冷却曲線を示すモデル、第７図は前記実
施例における目標冷却曲線と予測冷却曲線との比較を示
すグラフ、第８図は本発明の変形例の目標冷却曲線と予
測冷却曲線との比較を示すグラフである。 １・・・処理対象物、２・・・熱処理液、３，３１・・
・ジョミニー曲線、４・・・ジョミニー冷却曲線、４１
・・・目標冷却曲線、６１〜６５・・・予測冷却曲線。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）処理対象物と同一の金属材料に固有の冷却曲線の
   なかから処理対象物に要求される特性を与える目標冷却
   曲線を選択する第１の工程と、複数の熱処理条件につい
   て、任意の冷却性能試験方法によって冷却曲線を求めた
   うえで処理対象物に応じた補正を行い、当該熱処理条件
   を処理対象物に適用した際の予測冷却曲線を予測する第
   ２の工程と、 前記目標冷却曲線と複数の予測冷却曲線とを順次比較し
   て所定温度に達するまでの冷却過程の履歴熱量が略等し
   い予測冷却曲線を与える最適熱処理条件を決定する第３
   の工程とを含み構成されたことを特徴とする金属材料の
   熱処理条件決定方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記金属材料は
   鋼材であり、前記要求される特性は硬度であり、前記所
   定温度はマルテンサイト変態開始温度であり、前記熱処
   理加工は焼き入れ加工であることを特徴とする金属材料
   の熱処理条件決定方法。
3. （３）特許請求の範囲第２項において、前記第１の工程
   は、ジョミニー式一端焼入による焼入性試験方法に基づ
   いて前記鋼材のジョミニー曲線およびジョミニー冷却曲
   線を求め、前記ジョミニー曲線から前記要求される硬度
   となるジョミニー距離を求め、このジョミニー距離に対
   応するジョミニー冷却曲線を目標冷却曲線として選択す
   ることを特徴とする金属材料の熱処理条件決定方法。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   おいて、前記冷却性能試験方法は、加熱した金属棒材を
   熱処理液中で冷却して棒材各部の冷却曲線を測定する熱
   処理液の冷却性能試験方法であることを特徴とする金属
   材料の熱処理条件決定方法。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   おいて、前記第２の工程は、前記冷却性能試験方法で得
   られた冷却曲線から当該熱処理条件の下での熱伝達率を
   算出し、この熱伝達率と処理対象物の形状および金属材
   料の物性値とに基づいて処理対象物の各部の温度分布を
   算出し、この温度分布に基づいて処理対象物の任意位置
   における予測冷却曲線を算出することを特徴とする金属
   材料の熱処理条件決定方法。
6. （６）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに
   おいて、前記第３の工程は、前記所定状態に到る冷却曲
   線の積分値が略等しい場合に前記履歴熱量が略等しいと
   判定することを特徴とする金属材料の熱処理条件決定方
   法。
7. （７）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに
   おいて、前記第３の工程は、前記所定状態に到る冷却時
   間が略等しい場合に前記履歴熱量が略等しいと判定する
   ことを特徴とする金属材料の熱処理条件決定方法。