(57)【要約】【課題】熱処理用設備に容易に適用でき、設備を簡易かつ安価に構成することが可能な変態ひずみ測定方法を提供する。【解決手段】変態ひずみ測定方法は、熱処理時のワーク１の温度及びワーク１に発生するひずみを測定して、ワーク１のひずみ測定値に基づいて熱処理の加熱時にワーク１に変態ひずみが発生しはじめるときのワーク１の温度測定値である加熱変態開始点を算出して、前記加熱を開始したときから前記加熱変態開始点に到るまでの間におけるワーク１の温度測定値及びひずみ測定値に基づいて、前記変態ひずみが発生しないと仮定した場合のワーク１の温度変化とひずみ量との関係式である仮定式を算出して、前記仮定式に基づいて算出される前記加熱時にワーク１に変態が発生しないと仮定したときのワーク１のひずみ値から、ワーク１のひずみ測定値を減じることにより前記加熱時にワーク１に発生する変態ひずみを算出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを加熱した後、冷却することにより前記ワークに熱処理を施すときに前記ワークに発生する変態ひずみを測定する変態ひずみ測定方法であって、
熱処理時の前記ワークの温度及び前記ワークに発生するひずみを測定して、
前記ワークのひずみ測定値に基づいて前記加熱時に前記ワークに変態ひずみが発生しはじめるときの前記ワークの温度測定値である加熱変態開始点を算出して、
前記加熱を開始したときから前記加熱変態開始点に到るまでの間における前記ワークの温度測定値及びひずみ測定値に基づいて、前記変態ひずみが発生しないと仮定した場合の前記ワークの温度変化とひずみ量との関係式である仮定式を算出して、
前記仮定式に基づいて算出される前記加熱時に前記ワークに変態が発生しないと仮定したときの前記ワークのひずみ値から、前記ワークのひずみ測定値を減じることにより前記加熱時に前記ワークに発生する変態ひずみを算出する変態ひずみ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークに熱処理を施すとき、ワークに発生する変態ひずみを測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークの強度性能を向上するため、必要に応じてワークに焼入等の熱処理を施すときがある。
そして、一般的な熱処理用の設備（熱処理用設備）は、内部にワークを収容して加熱及び冷却可能な熱処理炉と、ワークの温度を測定する熱電対と、を有し、熱処理炉にワークを収容して加熱し、その後冷却することにより、ワークに焼入れなどの熱処理を施す。
【０００３】
熱処理を施すとワークの強度性能を向上できるが、熱負荷によりワークに残留ひずみが発生する。
熱処理に伴う残留ひずみは、「変態ひずみ」及び「熱ひずみ」が組み合わさったものとされている。「変態ひずみ」は、ワークの材料変態時にワークの内外部における変態時間のずれに起因して発生する。「熱ひずみ」は、熱負荷により体積膨張したワークが冷却時に均等に収縮しないことに起因して発生する。
【０００４】
従来、ワークに発生する変態ひずみを測定する技術は公知であり、例えば特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載の変態ひずみ測定装置は、ワークの熱処理時に、熱電対により測定されたワークの温度、及びレーザ変位計により測定されたワークの変形量に基づいて変態ひずみを測定する。
しかし、熱処理用設備に特許文献１に記載の変態ひずみ測定装置を適用するには、レーザ変位計を用意し、さらに熱処理用設備の熱処理炉にレーザ変位計のレーザ照射用の窓等を設ける必要がある。このように、熱処理用設備の改造等が必要になり、熱処理用設備に適用しにくく、設備が煩雑かつ高価になるという問題を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７８８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、熱処理用設備に容易に適用でき、設備を簡易かつ安価に構成することが可能な変態ひずみ測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の変態ひずみ測定方法は、ワークを加熱した後、冷却することにより前記ワークに熱処理を施すときに前記ワークに発生する変態ひずみを測定する変態ひずみ測定方法であって、熱処理時の前記ワークの温度及び前記ワークに発生するひずみを測定して、前記ワークのひずみ測定値に基づいて前記加熱時に前記ワークに変態ひずみが発生しはじめるときの前記ワークの温度測定値である加熱変態開始点を算出して、前記加熱を開始したときから前記加熱変態開始点に到るまでの間における前記ワークの温度測定値及びひずみ測定値に基づいて、前記変態ひずみが発生しないと仮定した場合の前記ワークの温度変化とひずみ量との関係式である仮定式を算出して、前記仮定式に基づいて算出される前記加熱時に前記ワークに変態が発生しないと仮定したときの前記ワークのひずみ値から、前記ワークのひずみ測定値を減じることにより前記加熱時に前記ワークに発生する変態ひずみを算出する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱処理用設備に容易に適用でき、設備を簡易かつ安価に構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ワークの温度及びひずみの測定形態を示す模式図である。
【図２】本発明に係る変態ひずみ算出方法の実施の一形態を示すフロー図である。
【図３】熱処理時において、ワークが加熱されているときのワークの温度及びひずみの近似曲線を示す図である。
【図４】仮定式Ｙ（Ｔ）を示す図である。
【図５】ワークの温度がＴａのときにワークに発生している変態ひずみを平面α上で示す図である。
【図６】熱ひずみ算出方法の実施の一形態を示すフロー図である。
【図７】熱処理時において、ワークが冷却されているときのワークの温度及びひずみの近似曲線を示す図である。
【図８】熱処理によりワークに発生した熱ひずみを平面α上で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る変態ひずみ測定方法の実施の一形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態における変態ひずみ測定方法は、ワーク（例えば、鋼材からなるパイプ）１に焼入等の熱処理を施すときに、一般的な熱処理用の設備（以下単に「熱処理用設備」という。）を使用して、ワーク１に発生する変態ひずみ（ワーク１の材料変態時にワーク１の内外部における変態時間のずれに起因して発生するひずみ）を測定する方法である。
【００１２】
熱処理用設備は、ワーク１に熱処理を施すための設備である。
熱処理用設備は、熱処理炉（不図示）、熱電対１１、加熱冷却機構（不図示）、及び制御装置１２を有する。
熱処理炉は、内部にワーク１を収容可能な形状を有する容器状の部材であり、内部にワーク１を収容して加熱及び冷却することが可能に構成されている。
熱電対１１は、ワーク１に取付可能に構成され、ワーク１に取り付けられた状態でワーク１の温度を測定するものである。
加熱冷却機構は、熱処理炉内のワーク１を加熱（高周波誘導加熱）及び冷却（焼入油等に浸漬して冷却）するものである。
制御装置１２は熱電対１１にケーブル等で接続されており、熱電対１１で測定されたワーク１の温度測定値が制御装置１２に送信されるように構成されている。制御装置１２は加熱冷却機構に接続されており、制御装置１２から加熱冷却機構に信号が送信されることにより加熱冷却機構が熱処理炉内のワーク１を加熱、冷却する。制御装置１２は、熱電対１１から受信したワーク１の温度測定値等を記録する記録部１２ａと、熱電対１１から受信したワーク１の温度測定値に基づいて加熱冷却機構に信号を送信し、ワーク１の加熱及び冷却を制御する制御部１２ｂと、を有する。
ワーク１に熱処理が施されるときの手順について説明すると、熱処理炉内にワーク１が収容された状態において、まず、制御部１２ｂが加熱冷却機構を加熱制御してワーク１を加熱する。次に、制御部１２ｂが、熱電対１１からワーク１の温度が所定値まで上昇したことに係る信号を受信すると、制御部１２ｂが加熱冷却機構を冷却制御してワーク１を冷却する。このようにワーク１が、熱処理炉内で加熱→冷却されることにより、ワーク１に熱処理が施される。
【００１３】
本実施形態では、変態ひずみを測定するために、熱処理用設備に加えて高温環境対応型のひずみゲージ１３が用いられる。ひずみゲージ１３は、ワーク１に貼付可能に構成されており、ワーク１に貼り付けられた状態でワーク１のひずみを測定するものである。ひずみゲージ１３は制御装置１２にケーブル等で接続され、ひずみゲージ１３で測定されワーク１のひずみ測定値が制御装置１２に送信され、記録部１２ａで記憶される。制御装置１２の制御部１２ｂは、熱電対１１で測定されるワーク１の温度測定値及びひずみゲージ１３で測定されるワーク１のひずみ測定値に基づいて後述する仮定式Ｙ（Ｔ）、ワーク１に発生する変態ひずみ等を算出するように構成されている。
【００１４】
以下では、本実施形態における変態ひずみ測定方法について説明する。
なお、本実施形態では、熱処理時、ワーク１がＴａまで加熱された後、冷却されるものとする。つまり、ワーク１は、熱処理の加熱時に、温度がＴａに達するとその昇温が終了される。また、ワーク１がＴａまで昇温したときの変態ひずみを測定するものとする。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態における変態ひずみ測定方法は、ひずみゲージ貼付工程Ｓ１０、データ記憶工程Ｓ２０、仮定式算出工程Ｓ３０、及び変態ひずみ算出工程Ｓ４０を備える。
【００１６】
ひずみゲージ貼付工程Ｓ１０においては、ひずみゲージ１３がワーク１に貼付される。詳細には、予め熱処理用設備が用意された状態、つまり、熱処理炉にワーク１が収容され、さらにワーク１に熱電対１１が取り付けられ、ワーク１に熱処理を施すことが可能な状態において、ひずみゲージ１３がワーク１に貼付される。
【００１７】
データ記憶工程Ｓ２０においては、ワーク１に熱処理が施され、熱処理時に熱電対１１で測定されるワーク１の温度測定値、及びひずみゲージ１３で測定されるワーク１のひずみ測定値が記録部１２ａに記憶されていく。
【００１８】
仮定式算出工程Ｓ３０においては、仮定式Ｙ（Ｔ）が算出される。仮定式Ｙ（Ｔ）は、熱処理時（加熱時）にワーク１に変態が生じないと仮定したときのワーク１の温度変化とひずみ量との関係式である。仮定式Ｙ（Ｔ）は、データ記憶工程Ｓ２０で記録部１２ａに記憶されたワークの温度測定値及びひずみ測定値に基づいて、制御部１２ｂで算出される。
詳細には、まず、ワーク１加熱時の変態開始点（加熱変態開始点）Ｔｘが、以下のようにして算出される。つまり、熱処理時にワーク１の加熱を開始すると、ワーク１の温度測定値が上昇していき、これに伴いワーク１のひずみ測定値も大きくなっていく。さらに、加熱を続けていくとワーク１の温度測定値が上昇し続けているにもかかわらずワーク１のひずみ測定値が小さくなっていく。このひずみ測定値が小さくなり始めるときのワーク１の温度測定値Ｔｘが加熱変態開始点Ｔｘとして算出される。その他の加熱変態開始点Ｔｘの算出方法として、例えば、図３に示すように、横軸を温度値Ｔ、縦軸をひずみ値Ｙ、とする平面α上に、加熱時のワーク１の温度測定値及びひずみ測定値が近似曲線１４で表される。そして、近似曲線１４の近似式が微分され、該近似式の傾きが算出される。そして、該近似式の傾きが＋から−に変わるときのワーク１の温度Ｔｘが加熱変態開始点Ｔｘとして算出される。
次に、ワーク１の加熱を開始したときから加熱変態開始点Ｔｘまでの間のワーク１の温度測定値及びひずみ測定値に基づいてワーク１の温度変化とひずみ量との関係式、つまり仮定式Ｙ（Ｔ）が算出される。平面αを用いた仮定式Ｙ（Ｔ）の算出方法について説明すると、図４に示すように、平面α上に、ワーク１の加熱を開始したときから加熱変態開始点Ｔｘまでのワーク１の温度測定値及びひずみ測定値が近似曲線（線分）１５で表される。そして、近似曲線１５の近似式Ｙ（Ｔ）（例えば、ｐＴ２＋ｑＴ＋ｓ、といった二次関数）が仮定式Ｙ（Ｔ）として算出される。
【００１９】
変態ひずみ算出工程Ｓ４０においては、ワーク１がＴａまで昇温したとき、つまりワーク１の昇温終了時の変態ひずみが、制御部１２ｂで算出される。
詳細には、図５に示すように、まず、仮定式算出工程Ｓ３０で算出された仮定式Ｙ（Ｔ）に基づいてワーク１の温度値がＴａのときのひずみ値（推定ひずみ値）Ｙ（Ｔａ）＝εＡ’が算出される。つまり、加熱時にワーク１に変態が発生しないと仮定したとき、ワーク１が加熱されてＴａに昇温すると、ワーク１のひずみ値がεＡ’になるものと推定される。
次に、推定ひずみ値εＡ’から、ワーク１の温度測定値がＴａのときにおけるワーク１のひずみ測定値εＡが減じられ、変態ひずみΔεＡ（＝εＡ’−εＡ）が算出される。
【００２０】
以上のように構成することで、熱処理用設備を用いて変態ひずみを測定する際、ひずみゲージ１３を用意し、ワーク１にひずみゲージ１３を貼付すればよく、例えば熱処理炉に窓を設けるといった熱処理用設備の改造等は必要ない。したがって、本実施形態における変態ひずみ測定方法は、熱処理用設備に容易に適用でき、設備を簡易かつ安価に構成することが可能である。
【００２１】
以下では、上記変態ひずみ算出方法を適用して熱ひずみ（熱負荷により体積膨張したワークが冷却時に均等に収縮しないことに起因して発生するひずみ）を算出する熱ひずみ算出方法について説明する。なお、前述したのと同様に、熱処理時、ワーク１がＴａまで加熱された後、冷却されるものとする。
【００２２】
図６に示すように、本実施形態における熱ひずみ算出方法は、ひずみゲージ貼付工程Ｓ１０、データ記憶工程Ｓ２０、仮定式算出工程Ｓ３０、総変態ひずみ算出工程Ｓ５０、及び熱ひずみ算出工程Ｓ６０を備える。
【００２３】
前述のひずみゲージ貼付工程Ｓ１０→データ記憶工程Ｓ２０→仮定式算出工程Ｓ３０を経た後、総変態ひずみ算出工程Ｓ５０に移行する。
【００２４】
総変態ひずみ算出工程Ｓ５０においては、熱処理が開始されてから終了されるまでの間にワーク１に発生した変態ひずみの総量（総変態ひずみ）が、制御部１２ｂで算出される。
詳細には、図７に示すように、まず、ワーク１熱処理時（冷却時）のワーク１の変態終了点（冷却変態終了点）Ｔｂが、以下のようにして算出される。熱処理時、ワーク１をＴａまで加熱した後、冷却していくが、ワーク１の冷却を開始すると、ワーク１の温度測定値が下降していき、これに伴いワーク１のひずみ測定値も小さくなっていく。さらに、冷却を続けていくと、ワーク１の温度測定値が下降し続けているにもかかわらずワーク１のひずみ測定値が大きくなっていく。さらに冷却を続けていくとワーク１のひずみ測定値が再び小さくなっていく。このワーク１のひずみ測定値が再び小さくなり始めるときのワーク１の温度測定値Ｔｂが冷却変態終了点として算出される。
次に、図８に示すように、仮定式算出工程Ｓ３０で算出された仮定式Ｙ（Ｔ）に基づいてワーク１の温度値がＴｂのときの推定ひずみ値Ｙ（Ｔｂ）＝εＢ’が算出される。
次に、推定ひずみ値εＢ’から、ワーク１の冷却変態終了点におけるワーク１のひずみ測定値εＢが減じられ、総変態ひずみΔεＢ（＝εＢ’−εＢ）が算出される。
【００２５】
熱ひずみ算出工程Ｓ６０においては、熱処理によりワーク１に発生した熱ひずみが、制御部１２ｂで算出される。
詳細には、熱処理終了時（ワーク１が熱処理開始時の温度に戻ったとき）のワーク１のひずみ測定値εＥ、つまり熱処理によりワークに発生するひずみの総量（残留ひずみ）εＥから、総変態ひずみ算出工程Ｓ５０で算出された総変態ひずみΔεＢが減じられ、熱ひずみ（εＥ−ΔεＢ）が算出される。
【００２６】
以上のように、残留ひずみから総変態ひずみを減じることで、熱ひずみを推測することが可能である。これにより、熱処理に伴い発生する残留ひずみεＥにおける、総変態ひずみΔεＢ及び熱ひずみ（εＥ−ΔεＢ）の寄与率を推測することが可能である。
【００２７】
また、熱処理条件と、残留ひずみεＥにおける総変態ひずみΔεＢ及び熱ひずみ（εＥ−ΔεＢ）の寄与率と、の関係を掴むことで、どのような熱処理条件にすれば残留ひずみεＥを抑制できるか、明確にすることが可能である。
【００２８】
なお、変態ひずみΔεＡは加熱時に発生した変態ひずみの総量であり、総変態ひずみΔεＢか加熱時及び冷却時に発生した変態ひずみの総量である。したがって、総変態ひずみΔεＢから変態ひずみΔεＡを減じることにより、冷却時に発生した変態ひずみの総量（ΔεＢ−ΔεＡ）を算出することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１      ワーク
１１    熱電対
１２    制御装置
１２ａ  記録部
１２ｂ  制御部
１３    ひずみゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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