(57)【要約】【課題】本発明は、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の継続使用の如何を容易かつ精度良く判定できる劣化度判定方法の提供を目的とする。【解決手段】当該劣化度判定方法は、鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係並びに焼割れ応力の閾値を取得する工程と、判定対象である操業過程のポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、小試験片の各部位及びポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する工程と、この測定結果から、鋼材の変態点を含む所定温度範囲での平均熱伝達率Ｋｔを算出する工程と、この平均熱伝達率Ｋｔに基づき、取得工程で得られた平均熱伝達率及び最大応力の関係から導出される最大応力σｔを導出する工程と、取得工程で得られた焼割れ応力の閾値、及び最大応力σｔからポリマー水溶液の継続使用の如何を判定する工程とを備える。【選択図】図１
2019052856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法であって、
上記鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係並びに焼割れ応力の閾値を取得する工程と、
判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する工程と、
上記測定工程で得られた測定結果から、上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲での平均熱伝達率Ｋｔを算出する工程と、
上記算出工程で得られた平均熱伝達率Ｋｔに基づき、上記取得工程で得られた平均熱伝達率及び最大応力の関係から導出される最大応力σｔを導出する工程と、
上記取得工程で得られた焼割れ応力の閾値及び上記導出工程で得られた最大応力σｔから上記ポリマー水溶液の継続使用の如何を判定する工程と
を備えることを特徴とする劣化度判定方法。
【請求項２】
上記取得工程が、
判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する工程と、
上記測定工程で得られた温度データから応力を解析する工程と
を有する請求項１に記載の劣化度判定方法。
【請求項３】
上記取得工程での焼割れ応力の閾値の取得に、過去の実績データを用いる請求項２に記載の劣化度判定方法。
【請求項４】
上記取得工程での焼割れ応力の閾値の取得に、焼割れ発生状態の上記ポリマー水溶液を用いて上記測定工程及び解析工程を行う請求項２に記載の劣化度判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、劣化度判定方法に関する。詳細には、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型船用エンジンのクランク軸等に使用される高強度の鋼材では、焼入性に優れた低合金鋼を油焼入れして所望の機械的特性を確保することが一般的である。しかし、近年では環境への負荷を軽減し、また火災の発生を防ぐために、油焼入れに代わってポリマー水溶液を用いたポリマー焼入れが活用されている。
【０００３】
ポリマー焼入れには、水焼入れに比べて広い温度域で緩冷却ができること、ポリマーの種類や濃度を変えることで冷却速度を制御できること等の利点がある。そのため、ポリマー焼入れは、油焼入れよりも大きな冷却速度を有するにも関わらず、水焼入れでしばしば問題となる焼割れを防止しやすいと考えられている。
【０００４】
しかし、ポリマー水溶液は、焼入れ回数の増加に伴い劣化して緩冷却性能が低下し、焼入れした鋼材に焼割れが生じる場合がある。その場合、焼割れが生じた鋼材の多くは廃棄せねばならず、多大な損失を招くことがある。この焼割れを防ぐには、ポリマー水溶液の緩冷却性能が低下する前に新しい液に交換するか、使用中の液に新しい液を注ぎ足して緩冷却性能を維持する等の対策が必要となる。一方、この交換や注ぎ足しの頻度が高まるとポリマー水溶液の使用量が増え、鋼材の製造コストが上昇する。そこで、焼割れを防ぎながら、ポリマー水溶液の交換や注ぎ足しの頻度を最小限に抑えるべく、ポリマー水溶液の継続使用の如何を容易かつ精度良く判定できる劣化度判定方法が望まれている。
【０００５】
この点に関し、管理対象の焼入れ用冷却液に加熱した試験片を浸漬して試験片が所定の温度まで冷却される時間を計測し、この計測した冷却時間から、予め基準データとして求めておいた冷却時間と冷却液の濃度との関係を用いて管理対象の冷却液の濃度を推定する冷却液管理方法が提案されている（特開２０１４−１６７４８７号公報参照）。この冷却液管理方法では、冷却液の継続使用の可否を判断する管理指標として冷却液の濃度を用いる。
【０００６】
しかし、上記冷却液管理方法では、加熱した試験片を冷却液に浸漬し、所定の温度になるまでの冷却時間を計測するという煩雑な作業が必要である。
【０００７】
また、本発明者らの検討により、鋼材の焼入れにポリマー水溶液を用いる場合、使用に伴って熱分解、酸化等によりポリマーが低分子量化することが判明している。そのため、例えば同じ濃度のポリマー水溶液であっても、使用時間が長くなるほどポリマーが低分子量化し、緩冷却性能が低下して焼割れが生じ易くなると考えられる。従って、使用中のポリマー水溶液に新しいポリマー水溶液を注ぎ足しながら使用する場合では、上記冷却液管理方法のように冷却液の濃度のみで冷却液の継続使用の可否を判断することは困難と考えられる。
【０００８】
一方、ポリマー水溶液の濃度だけでなく、ポリマー水溶液の動粘度及び動粘度測定時のポリマー濃度によりポリマー水溶液の劣化度を判定する劣化度判定方法が提案されている（特開２０１７−３７０１９号公報参照）。上記動粘度はポリマーの分子量と相関関係が認められるため、この劣化度判定方法によれば新しいポリマー水溶液を注ぎ足しながら使用する場合でもポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できると考えられる。
【０００９】
しかし、上記劣化度判定方法は必ずしも焼割れの理論に基づいたものではない。また、ポリマー水溶液の物性を通じて間接的に金属材料の焼割れの発生を予測するものであり、焼割れの発生メカニズムに直接基づいたより高精度な劣化度判定方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１４−１６７４８７号公報
【特許文献２】特開２０１７−３７０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の継続使用の如何を容易かつ精度良く判定できる劣化度判定方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記劣化度判定方法を確立すべく、劣化度の異なる複数のポリマー水溶液を用いて鋼材の焼入れ試験を行い、鋼材及びポリマー水溶液の様々な物性値を測定、解析等して検討した。その結果、本発明者らは、鋼材の種類ごとの特定の温度範囲での鋼材及びポリマー水溶液間の平均熱伝達率と鋼材の最大応力との組合せを、上記劣化度の管理指標として採用できることを見出した。具体的には、本発明者らは、焼割れの発生メカニズムを精査することで、焼入れに伴い鋼材に発生する応力の最大値（最大応力）と、鋼材のマルテンサイト変態点及びベイナイト変態点以下の温度範囲での鋼材及びポリマー水溶液間の平均熱伝達率とに相関関係があることを見出した。これにより、本発明者らは、上記最大応力と上記平均熱伝達率との組合せを上記劣化度の管理指標として好適に使用できることを見出し、この知見に基づき本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法であって、上記鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係並びに焼割れ応力の閾値を取得する工程と、判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する工程と、上記測定工程で得られた測定結果から、上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲での平均熱伝達率Ｋｔを算出する工程と、上記算出工程で得られた平均熱伝達率Ｋｔに基づき、上記取得工程で得られた平均熱伝達率及び最大応力の関係から導出される最大応力σｔを導出する工程と、上記取得工程で得られた焼割れ応力の閾値及び上記導出工程で得られた最大応力σｔから上記ポリマー水溶液の継続使用の如何を判定する工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
当該劣化度判定方法では、鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係並びに焼割れ応力の閾値を取得する工程は、鋼材及びポリマー水溶液の組合せ並びに鋼材の種類毎に一回行えばよい。そして、毎回の劣化度判定では、判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、この小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定し、この測定した温度変化からソフトウェア処理等で上記平均熱伝達率Ｋｔの算出及び上記最大応力σｔの導出を行い、このσｔと上記焼割れ応力の閾値との対比をすれば足りる。そのため、当該劣化度判定方法では、ポリマー水溶液の濃度、動粘度等の煩雑な測定なしに、ポリマー水溶液の継続使用の如何を容易に判定できる。また、焼入れでの冷却速度に直接影響する鋼材及びポリマー水溶液間の平均熱伝達率Ｋｔと、焼割れの発生に直接影響する鋼材の最大応力σｔ及び焼割れ応力の閾値に基づき劣化度を判定するため、ポリマー水溶液の継続使用の如何を精度良く判定できる。加えて、小試験片と少量のポリマー水溶液を用いて試験室で焼入れ試験を行えばよく、操業設備で焼入れ試験を行う必要がない。そのため、焼入れ試験のために操業を停止したり、大きな試験片を作製したりする必要がなく、ポリマー水溶液の継続使用の如何を安価かつ安全に判定できる。
【００１５】
上記取得工程が、判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する工程と、上記測定工程で得られた温度データから応力を解析する工程とを有するとよい。このような応力解析工程を有することで上記鋼材のマルテンサイト変態域及びベイナイト変態域をより正確に同定し、平均熱伝達率Ｋｔの算出に用いる所定温度範囲をより適切に決定することで、ポリマー水溶液の劣化度をより精度良く判定できる。
【００１６】
上記取得工程での焼割れ応力の閾値の取得に、過去の実績データを用いるとよい。ここで、「過去の実績データ」とは、ポリマー水溶液を用いて鋼材の焼入れをしたときに実際に焼割れが生じた上記鋼材の残留応力の測定データ又は算出データをいう。このように、焼割れが生じた鋼材の残留応力に基づき焼割れ応力の閾値を取得することで、操業設備での焼入れに一層即した劣化度判定ができ、また焼割れ応力の閾値を取得するための焼入れ試験、残留応力測定等が不要になる。
【００１７】
上記取得工程での焼割れ応力の閾値の取得に、焼割れ発生状態の上記ポリマー水溶液を用いて上記測定工程及び解析工程を行うとよい。ここで、「焼割れ発生状態」とは、ポリマー水溶液を用いて鋼材の焼入れをしたときに焼割れが生じ始めるようになった上記ポリマー水溶液の劣化状態をいう。このように、焼割れ発生状態の上記ポリマー水溶液を用いて上記測定工程及び解析工程を行うことで、上記過去の実績データがない場合でも焼割れ応力の閾値を取得できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の劣化度判定方法は、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の継続使用の如何を容易かつ精度良く判定できる。また、本発明の劣化度判定方法は、上記ポリマー水溶液の継続使用の如何を容易かつ精度良く判定できるため、上記ポリマー水溶液の交換又は注ぎ足しの頻度を最小限に抑えることができ、上記ポリマー水溶液の使用量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る劣化度判定方法によりポリマー水溶液の継続使用が可能と判定される場合を模式的に表す判定図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る劣化度判定方法によりポリマー水溶液の継続使用が不可と判定される場合を模式的に表す判定図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る劣化度判定方法における鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係を示す近似線を表すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る劣化度判定方法での焼入れ試験において、各温度での鋼材の歪を実測した場合と、この歪を汎用有限要素解析ソフトウェアにより解析した場合との比較を示す比較図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る劣化度判定方法での焼入れ試験に用いた小試験片の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る劣化度判定方法について説明する。
【００２１】
当該劣化度判定方法は、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法である。当該劣化度判定方法は、上記鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係並びに焼割れ応力の閾値を取得する工程（取得工程）と、判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する工程（測定工程）と、上記測定工程で得られた測定結果から、上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲での平均熱伝達率Ｋｔを算出する工程（算出工程）と、上記算出工程で得られた平均熱伝達率Ｋｔに基づき、上記取得工程で得られた平均熱伝達率及び最大応力の関係から導出される最大応力σｔを導出する工程（導出工程）と、上記取得工程で得られた焼割れ応力の閾値及び上記導出工程で得られた最大応力σｔから上記ポリマー水溶液の継続使用の如何を判定する工程（判定工程）とを備えることを特徴とする。
【００２２】
（鋼材）
当該劣化度判定方法が適用されるポリマー焼入れで処理される鋼材の種類としては特に限定されず、例えば鋼、ニッケル−クロム鋼、ニッケル−クロム−モリブデン鋼、クロム−モリブデン鋼、クロム鋼、マンガン−クロム鋼等が挙げられる。
【００２３】
（ポリマー水溶液）
当該劣化度判定方法におけるポリマー水溶液は、加熱した鋼材を浸漬したり、加熱した鋼材に噴射したりすることで、この鋼材の焼入れをするポリマー水溶液である。上記ポリマー水溶液に用いるポリマーとしては、水に溶解し易く、かつ、所望の緩冷却性能を有する限り特に限定されず、例えばポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）等が挙げられる。必要に応じて、これらのうちの２種以上を用いてもよい。
【００２４】
上記ポリマー水溶液に用いるポリマーの数平均分子量の下限としては特に限定されないが、例えば４，０００が好ましく、４，５００がより好ましい。上記数平均分子量が上記下限に満たない場合、所望の緩冷却性能を得るためにポリマー濃度を高くせねばならず、ポリマーの使用量が増えて鋼材の製造コストが上昇するおそれがある。
【００２５】
上記ポリマー水溶液のポリマー濃度の下限としては特に限定されないが、例えば１０体積％が好ましく、１５体積％がより好ましい。一方、上記ポリマー濃度の上限としては、例えば６０体積％が好ましく、５０体積％がより好ましい。上記ポリマー濃度が上記下限に満たない場合、当初から所望の緩冷却性能が得られないおそれがある。逆に、上記ポリマー濃度が上記上限を超える場合、ポリマーの使用量が過度に増えて鋼材の製造コストが上昇するおそれがある。
【００２６】
上記ポリマー水溶液の熱伝導率の下限としては特に限定されないが、例えば０．４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）が好ましく、０．４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）がより好ましい。一方、上記ポリマー水溶液の熱伝導率の上限としては、例えば０．６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）が好ましく、０．６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）がより好ましい。上記熱伝導率が上記下限に満たない場合、鋼材の冷却速度が遅くなりすぎて焼入れで期待される所望の強度が得られないおそれがある。一方、上記熱伝導率が上記上限を超える場合、ポリマーの緩冷却性能が不足し、焼割れが生じ易くなるおそれがある。
【００２７】
＜取得工程＞
取得工程では、鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係並びに焼割れ応力の閾値を取得する。取得工程は、後述の測定工程、算出工程、導出工程及び判定工程を通じて行われる操業過程のポリマー水溶液の劣化度判定で用いる判定基準を作成する工程である。従って、取得工程は、毎回の劣化度判定で行う必要はなく、鋼材及びポリマー水溶液の組合せの種類毎に一回行えばよい。
【００２８】
「上記鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率」は、上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲において、後述の式（１）等で算出される各時点での上記鋼材及びポリマー水溶液間の熱伝達率［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］を平均した値［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］である。ここで、「上記鋼材の変態点」とは、上記鋼材のマルテンサイト変態点及びベイナイト変態点をいい、「上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲」とは、上記鋼材のマルテンサイト変態点及びベイナイト変態点を含む所定の温度範囲をいう。所定温度範囲にこれらの変態点を含めるのは、特にこれらの変態点以下の温度域で焼割れが生じ易いからである。上記平均熱伝達率は、後述の測定工程で得られた測定結果から、例えば表計算ソフトウェアを用いたソフトウェア処理で算出することができる。この表計算ソフトウェアとしては、例えば日本マイクロソフト社の「Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌ」が好適に用いられる。
【００２９】
上述のように、上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲を予め決定する必要がある。この決定に際し、最初に上記鋼材のマルテンサイト変態域及びベイナイト変態域を同定する。この同定は、例えば汎用有限要素解析ソフトウェアによるソフトウェア処理で行うことができる。この汎用有限要素解析ソフトウェアとしては、例えばＴＲＡＮＳＶＡＬＯＲ社の「ＦＯＲＧＥ」が好適に用いられる。具体的には、まず後述の式（１）等で算出される各時点での上記鋼材及びポリマー水溶液間の熱伝達率［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］を算出し、次にこの熱伝達率のデータを用いて温度毎の上記鋼材の応力解析を実施し、さらにこの熱伝達率のデータと上記応力解析の結果とから上記鋼材のマルテンサイト変態域及びベイナイト変態域を同定する。そして、これらの変態域を含むように上記所定温度範囲を決定する。その際、上記平均熱伝達率の算出が容易に行なえるように、上記所定温度範囲の上限が高すぎず、かつ下限が低すぎないようにすることが好ましい。この上限としては、例えば５５０℃が好ましく、５００℃がより好ましく、４５０℃がさらに好ましい。一方、この下限としては、例えば１００℃が好ましく、１２０℃がより好ましく、１４０℃がさらに好ましい。なお、上記所定温度範囲の決定は、鋼材の種類毎に一回行えばよい。
【００３０】
上記応力解析では、焼入れ試験での小試験片の各部位の温度、相変態、応力、歪等の連成解析を行う。この連成解析に用いる鋼材の応力−歪曲線は、上記鋼材のＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に基づく引張試験で測定される応力及び伸び又は歪を用いて作成できる。また、上記連成解析に用いる上記鋼材の熱伝導率、比熱等の熱物性値は実測値を使用できる。さらに、上記連成解析で変態開始温度及び変態分率の推定に用いる恒温変態線図（ＴＴＴ図）は、上記鋼材と同一又は近似の成分のものを使用できる。なお、図４に示すように、上記汎用有限要素解析ソフトウェア処理による各温度での歪の解析値とこの歪の実測値とが冷却速度（Ｃ．Ｒ．）に関係なく非常に良く一致し、上記応力解析の信頼性が確認された。
【００３１】
「上記鋼材及びポリマー水溶液に基づく最大応力」は、上記ポリマー水溶液を用いて上記鋼材の焼入れをするときに上記所定温度範囲で上記鋼材に生じる応力の最大値［ＭＰａ］である。この最大応力は実測してもよく、上記応力解析により上記所定温度範囲での応力の最大値を求め、この最大値を用いてもよい。
【００３２】
「上記鋼材及びポリマー水溶液に基づく平均熱伝達率及び最大応力の関係」とは、上記鋼材との間で特定の平均熱伝達率を有する上記ポリマー水溶液を用いて上記鋼材の焼入れをしたときの上記特定の平均熱伝達率と上記鋼材の最大応力との関係をいう。詳細には、後述の近似線で示される平均熱伝達率及び最大応力の関係をいう。この関係及び近似線は、劣化度の異なる複数のポリマー水溶液を用い、後述の測定工程から導出工程に至る一連の工程を、近似線の作成に必要な回数繰り返すことで取得することができる。
【００３３】
「焼割れ応力の閾値」とは、ポリマー水溶液を用いて鋼材の焼入れをした場合にこの鋼材に焼割れが生じ始めるときの最大応力［ＭＰａ］をいう。この閾値は、上記ポリマー水溶液を用いて上記鋼材の焼入れをした場合に実際に焼割れが生じ始めたときの上記鋼材の残留応力を測定又は算出して取得してもよく、上記応力解析を行って上記所定温度範囲での最大応力を求め、この最大応力を上記閾値としてもよい。
【００３４】
＜測定工程＞
測定工程では、判定対象である操業過程の上記ポリマー水溶液及び上記鋼材と同種の小試験片を用いて焼入れ試験を行い、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する。
【００３５】
測定工程で行う焼入れ試験は、ポリマー水溶液の劣化度を正確に判定するために、上記鋼材及びポリマー水溶液を用いて操業設備で行う実際の焼入れにできるだけ近い態様で行うことが好ましい。そのため、上記焼入れ試験は、加熱した小試験片をポリマー水溶液に浸漬する態様に限らず、加熱した小試験片にポリマー水溶液を均一に噴射する態様でもよく、加熱した小試験片を霧状のポリマー水溶液で冷却する態様でもよく、その他の態様でもよい。
【００３６】
本発明の判定対象は、実際に焼入れに用いられ、劣化が懸念される操業過程のポリマー水溶液である。上記焼入れ試験を加熱した小試験片をポリマー水溶液に浸漬する態様で行う場合、一回の焼入れ試験に用いる上記ポリマー水溶液の量としては、上記小試験片の大きさ等にもよるが、例えば２Ｌ程度とすることができる。
【００３７】
本発明の「小試験片」とは、これを用いて試験室で焼入れ試験を行なえる程度の大きさを有する試験片をいう。上記小試験片の形状は、小試験片の各部位の温度測定に支障のない限り特に限定されず、例えば球状、扁球状、立方体状、正多角柱状、円柱状等が挙げられる。これらの中で、焼入れ試験に広く用いられ、応力解析をし易い円柱状が好ましい。
【００３８】
上記小試験片が円柱状である場合、この円柱の底面の直径の下限としては、例えば１０ｍｍが好ましく、１５ｍｍがより好ましい。一方、上記直径の上限としては、例えば４０ｍｍが好ましく、３０ｍｍがより好ましい。上記直径が上記下限に満たない場合、小試験片の中心と側面との温度差が小さくなりすぎて算出される平均熱伝達率の信頼性が低下するおそれがある。一方、上記直径が上記上限を超える場合、焼入れ試験の規模が無用に大きくなり、安価にポリマー水溶液の劣化度判定ができないおそれがある。
【００３９】
上記小試験片が円柱状である場合、この円柱の高さの下限としては、例えば３０ｍｍが好ましく、４０ｍｍがより好ましい。一方、上記高さの上限としては、例えば１２０ｍｍが好ましく、１００ｍｍがより好ましい。上記高さが上記下限未満である場合、小試験片の中心と上面及び底面との温度差が小さくなりすぎて算出される平均熱伝達率の信頼性が低下するおそれがある。一方、上記高さが上記上限を超える場合、焼入れ試験の規模が無用に大きくなり、安価にポリマー水溶液の劣化度判定ができないおそれがある。
【００４０】
上記小試験片を加熱する温度は特に限定されないが、ポリマー水溶液の劣化度を正確に判定するために、実際に上記鋼材の焼入れをするときの加熱温度と同じ温度が好ましく、例えば８００℃以上１０００℃以下の所定の温度とすることができる。加熱方法は特に限定されず、高周波加熱等の公知の方法を適宜用いることができる。
【００４１】
上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する機器としては、迅速かつ正確に測定できる限り特に限定されず、例えば熱電対温度計が挙げられる。
【００４２】
上記小試験片の各部位は、上記小試験片の時間毎の温度変化を代表できる部位である限り、特に限定されない。上記小試験片の形状が円柱状である場合、上記各部位としては、例えば上面から所定厚さの上部円柱状領域の重心、底面から上記所定厚さの底部円柱状領域の重心、側面から上記所定厚さの側部円筒状領域における上記側面から上記所定厚さの１／２の位置で小試験片の高さの１／２の位置、並びに上記上部円柱状領域、底部円柱状領域及び側部円筒状領域に囲まれる中央部円柱状領域の重心を用いることができ、これらの位置に熱電対を設置して上記温度変化を測定することができる。一方、ポリマー水溶液は、ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を代表できる任意の位置に熱電対を設置して上記温度変化を測定することができる。
【００４３】
加熱した小試験片を浸漬する際のポリマー水溶液の初期温度は特に限定されないが、ポリマー水溶液の劣化度を正確に判定するために、実際に上記鋼材の焼入れをするときの初期温度と同じ温度が好ましく、例えば３０℃以上８０℃以下の所定の温度とすることができる。
【００４４】
上記時間毎の温度変化は、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の温度を一定時間毎に計測して測定できる。この一定時間は、上記平均熱伝達率の信頼性に影響しない限り特に限定されず、例えば０．１秒、０．５秒、１．０秒、２．０秒、５．０秒等とすることができる。
【００４５】
＜算出工程＞
算出工程では、上記測定工程で得られた測定結果から、上記鋼材の変態点を含む所定温度範囲での平均熱伝達率Ｋｔを算出する。ここで、「上記測定工程で得られた測定結果」とは、上記小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化の測定結果をいう。
【００４６】
上記測定工程で得られた測定結果から、上記所定温度範囲での上記鋼材及びポリマー水溶液間の平均熱伝達率Ｋｔを算出する。上記小試験片が円柱状である場合、このＫｔは、例えば下記式（１）に上記測定結果を代入して各時点での鋼材及びポリマー水溶液間の熱伝達率ｈｉを算出し、このｈｉの上記所定温度範囲における平均値を上記Ｋｔとして算出する。
【数１】
2019052856.tif 000003
【００４７】
但し、式（１）中、ｔは小試験片の上面から所定厚さの上部円柱状領域の重心、ｂは底面から上記所定厚さの底部円柱状領域の重心、ｓは側面から上記所定厚さの側部円筒状領域における上記側面から上記所定厚さの１／２の位置で小試験片の高さの１／２の位置、ｃは上記上部円柱状領域、底部円柱状領域及び側部円筒状領域に囲まれる中央部円柱状領域の重心である。ｍｉ（ｉはｔ、ｓ、ｂ）は上記上部円柱状領域、側部円筒状領域及び底部円柱状領域各々の質量［ｋｇ］である。Ａｉは上記上部円柱状領域、側部円筒状領域及び底部円柱状領域と上記中央部円柱状領域との接触面積［ｍ２］である。Ｃｐｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）は上記中央部円柱状領域、上部円柱状領域、側部円筒状領域及び底部円柱状領域各々の比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］である。ｌｉ（ｉはｔ、ｓ、ｂ）はｃから上面、側面及び底面の各面までの距離［ｍ］である。Ｔｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）はｃ、ｔ、ｓ及びｂの各点での温度［Ｋ］であり、Ｔｂｕｌｋはポリマー水溶液の温度［Ｋ］である。ｈｉは試験片の上面、側面及び底面での熱伝達率［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］である。
【００４８】
上記所定厚さの下限は特に限定されないが、例えば１ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましい。一方、上記所定厚さの上限も特に限定されないが、例えば５ｍｍが好ましく、４ｍｍがより好ましい。上記所定厚さが上記下限に満たない場合、熱電対の正確な位置への設置が困難になり、上記平均熱伝達率の信頼性が低下するおそれがある。一方、上記所定厚さが上記上限を超える場合、上記小試験片の表面近傍の温度を正確に測定することが困難になり、上記平均熱伝達率の信頼性が低下するおそれがある。
【００４９】
＜導出工程＞
導出工程では、上記算出工程で得られた平均熱伝達率Ｋｔに基づき、上記取得工程で得られた平均熱伝達率及び最大応力の関係から最大応力σｔを導出する。具体的には、平均熱伝達率及び最大応力の関係を示す近似線とＫｔとを用いてσｔを読み取る。この読取の詳細は、後述の実施例で述べる。
【００５０】
＜判定工程＞
判定工程では、上記取得工程で得られた焼割れ応力の閾値（以下「σｔｈ」ともいう）及び上記導出工程で得られた最大応力σｔから上記ポリマー水溶液の継続使用の如何を判定する。具体的には、σｔｈに基づき最大応力σｔの許容値（以下「σａｃ」ともいう）を決定し、判定対象であるポリマー水溶液を用いて得られる最大応力σｔとこのσａｃとの大小関係により上記ポリマー水溶液の継続使用の如何を判定する。
【００５１】
例えば、図１に示すように、最大応力σｔがσａｃに満たない場合、即ち、下記式（２）を満たす場合は焼割れが生じず、ポリマー水溶液の継続使用が可能と判定する。なお、図１及び図２では、上記平均熱伝達率Ｋｔ及び最大応力σｔをそれぞれＫｔｅｓｔ及びσｔｅｓｔと表示している。
σｔ＜σａｃ  ・・・（２）
【００５２】
一方、図２に示すように、最大応力σｔが最大応力σｔの許容値σａｃ以上となる場合、即ち、下記式（３）を満たす場合は焼割れが生じるおそれがあり、ポリマー水溶液の継続使用が不可と判定する。この場合、いきなりポリマー水溶液の全量を交換してもよいが、全量を交換するのでなく、判定したポリマー水溶液に新しい液を注ぎ足し、この注ぎ足した液について再度劣化度判定を行い、上記式（２）を満たすようにすることが好ましい。このようにすることで、ポリマー水溶液の使用量を節約できる。ここで、注ぎ足す液量は、劣化の程度によるが、例えば判定した液１００質量部に対し、新しい液を２０〜３０質量部注ぎ足すことが考えられる。
σｔ≧σａｃ  ・・・（３）
【００５３】
判定工程では、焼割れ応力の閾値σｔｈをそのまま最大応力σｔの許容値σａｃとしてもよいが、より確実に焼割れを防止するため、σｔｈを１を超える安全係数で除した値をσａｃとすることが好ましい。この安全係数は特に限定されないが、この安全係数の下限としては、例えば１．１が好ましく、１．２がより好ましく、１．３がさらに好ましい。一方、この安全係数の上限としては、例えば２．２が好ましく、２．１がより好ましく、２．０がさらに好ましい。上記安全係数が上記下限に満たない場合、σａｃがσｔｈに近すぎて焼割れを十分に防止できないおそれがある。一方、上記安全係数が上記上限を超える場合、σａｃが小さくなりすぎてポリマー水溶液の使用量が増え、鋼材の製造コストが上昇するおそれがある。
【００５４】
なお、ポリマー水溶液の劣化度判定は、鋼材の焼入れをする度に行ってもよく、所定回数又は所定時間の焼入れが焼割れの発生なく行えると期待できる場合には、この所定回数又は所定時間の経過の度に行ってもよい。
【００５５】
＜利点＞
当該劣化度判定方法は、加熱した小試験片をポリマー水溶液で冷却し、この小試験片の各部位及び上記ポリマー水溶液の時間毎の温度変化を測定する簡易な作業とソフトウェア処理のみで足り、ポリマー水溶液の継続使用の如何を容易に判定できる。また、当該劣化度判定方法は、冷却速度に直接影響する鋼材及びポリマー水溶液間の平均熱伝達率と、焼割れに直接影響する鋼材の焼割れ応力の閾値及び最大応力とを管理指標とするため、ポリマー水溶液の継続使用の如何を精度良く判断できる。さらに、当該劣化度判定方法は、少量のポリマー水溶液を用いて試験室で焼入れ試験を行なえばよく、ポリマー水溶液の継続使用の如何を安価かつ安全に判定できる。
【００５６】
〔その他の実施形態〕
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
【００５７】
上記実施形態では、測定工程、算出工程、導出工程及び判定工程を独立した工程とし、この順に行う形態としたが、これらの工程を組み合わせて実施してもよい。例えば、導出工程と判定工程とを組み合わせ、最大応力σｔを導出しつつ継続使用の如何を判定してもよい。このようにすることで、ポリマー水溶液の使用の可否をより迅速に判定できる。
【００５８】
上記実施形態では、加熱した小試験片をポリマー水溶液に浸漬する態様で焼入れ試験を行ったが、他の態様で行ってもよい。例えば、複数のノズルを備えるスプレー装置によりポリマー水溶液を加熱した試験片に均一に噴射する態様としてもよい。その場合の各ノズルの噴射速度としては特に限定されないが、例えば１００〜１２００Ｌ／（ｍ２・ｍｉｎ）の範囲で適宜調節できる。また、その場合のポリマー水溶液の温度変化は、例えばノズルの近傍のポリマー水溶液の温度を一定時間毎に計測して測定することができる。
【００５９】
上記実施形態では、最も冷却され易い小試験片の表面近傍の部位（ｔ、ｓ、ｂ）と、最も冷却され難い小試験片の中心部（ｃ）との温度を測定したが、平均熱伝達率の算出に支障がなければ、例えば小試験片の表面と中心部との中間の位置の温度のみ測定してもよい。このようにすることで、ポリマー水溶液の継続使用の如何をより容易に判定できる。
【実施例】
【００６０】
以下、実施例に基づき本発明を更に説明するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００６１】
（平均熱伝達率及び最大応力の関係の取得）
焼入れ試験を行うためのポリマー水溶液として、継続使用により焼割れ発生状態に至ったを２Ｌ程度採取した。また図５の小試験片の模式的断面図に示すように、焼入れをする鋼材と同種の低合金鋼製で直径２０ｍｍ、高さ６０ｍｍの円柱状の小試験片を用意した。
【００６２】
上記小試験片を表面から厚さ３ｍｍで仮想的な４領域に分割し、分割した領域毎に熱電対を設置した。具体的には、図５の模式的断面図において、上面から厚さ３ｍｍの円柱状領域を上部Ｒｔ、底面から厚さ３ｍｍの円柱状領域を底部Ｒｂ、側面から厚さ３ｍｍの円筒状領域を側部Ｒｓ、上部Ｒｔ、底部Ｒｂ及び側部Ｒｓに囲まれる円柱状領域を中央部Ｒｃとした。上部Ｒｔの重心をｔ、底部Ｒｂの重心をｂ、中央部Ｒｃの重心をｃ、側部Ｒｓにおける側面から厚さ１．５ｍｍの位置で高さ３０ｍｍの位置をｓとし、ｔ、ｂ、ｓ及びｃの各位置に熱電対を設置した。また、ポリマー水溶液では、上記小試験片をポリマー水溶液に完全に浸漬した際の小試験片側面とポリマー水溶液が入った容器の内部側面との中間の位置でポリマー水溶液の深さ１／２の位置、上記小試験片の上面と上記ポリマー水溶液の液面との中間の位置、及び上記小試験片の底面と上記容器の内部底面との中間の位置の３ヶ所に熱電対を設置した。
【００６３】
上記熱電対を設置した小試験片を９００℃まで加熱した後直ちに、トラバーサを用いて湯煎により５０℃に保温した上記ポリマー水溶液に浸漬し、浸漬開始から０．５秒毎にｔ、ｂ、ｓ及びｃの４点の温度とポリマー水溶液の上記３ヶ所の温度とを測定した。この測定は、ｃ点の温度が７０℃に冷却されるまで行った。
【００６４】
上部Ｒｔ、側部Ｒｓ及び底部Ｒｂの熱量変化は、ポリマー水溶液への放熱量と中央部Ｒｃからの入熱量とによって決まるため、これらの関係を表す下記式（１）に上記４点ｔ、ｓ、ｂ、ｃの各時点での温度、及びポリマー水溶液の上記３ヶ所の各時点での温度の平均値を代入し、各時点でのポリマー水溶液と上部Ｒｔ、側部Ｒｓ及び底部Ｒｂとの間の熱伝達率ｈｉを算出した。この算出は、上記「Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌ」により行った。
【数２】
2019052856.tif 000004
【００６５】
但し、式（１）中、ｔは小試験片の上面から厚さ３ｍｍの上部Ｒｔの重心、ｂは底面から厚さ３ｍｍの底部Ｒｂの重心、ｓは側面から厚さ３ｍｍの側部Ｒｓにおける上記側面から厚さ１．５ｍｍの位置で高さ３０ｍｍの位置、ｃは上記上部Ｒｔ、底部Ｒｂ及び側部Ｒｓに囲まれる中央部Ｒｃの重心である。ｍｉ（ｉはｔ、ｓ、ｂ）は上部Ｒｔ、側部Ｒｓ及び底部Ｒｂ各々の質量［ｋｇ］である。Ａｉは上部Ｒｔ、側部Ｒｓ及び底部Ｒｂと中央部Ｒｃとの接触面積［ｍ２］である。Ｃｐｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）は中央部Ｒｃ、上部Ｒｔ、側部Ｒｓ及び底部Ｒｂ各々の比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］である。ｌｉ（ｉはｔ、ｓ、ｂ）はｃから上面、側面及び底面の各面までの距離［ｍ］である。Ｔｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）はｃ、ｔ、ｓ及びｂの各点での温度［Ｋ］であり、Ｔｂｕｌｋはポリマー水溶液の上記３ヶ所の各時点での温度の平均値［Ｋ］である。ｈｉは小試験片の上面、側面及び底面での熱伝達率［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］である。
【００６６】
次に、上記算出したｈｉを用いて上記「ＦＯＲＧＥ」により温度毎の上記小試験片の応力解析をした。さらに、上記算出したｈｉのデータと上記応力解析の結果とから、上記鋼材のマルテンサイト変態域及びベイナイト変態域を同定し、平均熱伝達率Ｋｔの算出に用いる所定温度範囲を、これらの変態域を含む１４０℃以上４４０℃以下に決定した。そして、この温度範囲での上記鋼材及びポリマー水溶液間の平均熱伝達率Ｋｋ［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］を算出した。一方、上記応力解析の結果から、この温度範囲での上記鋼材の最大応力σｋ［ＭＰａ］を抽出した。
【００６７】
上記平均熱伝達率Ｋｋ及び最大応力σｋを平均熱伝達率を横軸とし、最大応力を縦軸とする２軸直交座標系にプロットした。
【００６８】
同じ組成で劣化度が異なる複数のポリマー水溶液を用いて、上記測定工程、算出工程及び導出工程に相当する上記小試験片の加熱から上記プロットに至るまでの一連の工程を繰返し、上記平均熱伝達率及び最大応力の関係を示す近似線を得るのに十分な数のデータをプロットした。これらのプロットしたデータに最小二乗法を適用し、一次近似をして図３に示す近似線ＴＬを取得した。
【００６９】
なお、近似線の取得の際に最小二乗法を適用する場合、二次近似以上の高次近似をしてもよい。このようにすることで、平均熱伝達率Ｋｋ及び最大応力σｋのプロットしたデータにより忠実な近似線を取得でき、最大応力σｔをより精度良く導出できる。また、最小二乗法以外の近似法を適用してもよい。
【００７０】
（焼割れ応力の閾値の取得）
一方、上記応力解析の結果から１４０℃以上４４０℃以下の温度範囲での上記鋼材の最大応力を取得し、この最大応力を焼割れ応力の閾値σｔｈとした。次いで、安全係数を１．２５として、このσｔｈを１．２５で除した値を最大応力の許容値σａｃとした。
【００７１】
（最大応力σｔの導出及び劣化度判定）
近似線ＴＬの取得で用いた方法と同様にして、判定対象であるポリマー水溶液の平均熱伝達率Ｋｔ［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］を算出し、図１に示す２軸直交座標系の平均熱伝達率軸（以下「Ｋ軸」という）上にプロットした。次に、この点（Ｋｔ，０）を通り最大応力軸（以下「σ軸」という）に平行な直線を引き、この直線と近似線ＴＬとの交点（以下「第一交点」という）を求めた。そして、第一交点を通りＫ軸に平行な直線を引き、この直線とσ軸との交点（以下「第二交点」という）を求め、第二交点に対応する最大応力の値を、最大応力σｔ［ＭＰａ］として読み取った。なお、この読取は上記「Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌ」を用いて行った。そして、図１に示すように、このσｔが上記最大応力の許容値σａｃに満たず、上記式（２）を満たすため、このポリマー水溶液の継続使用が可能と判定した。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上説明したように、本発明の劣化度判定方法は、鋼材の焼入れに用いるポリマー水溶液の継続使用の如何を容易かつ精度良く判定できるため、焼入れにポリマー水溶液を用いる鋼材の製造等に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７３】
ＴＬ  近似線
Ｒｂ  底部
Ｒｔ  上部
Ｒｓ  側部
Ｒｃ  中央部
ｂ  Ｒｂの重心
ｔ  Ｒｔの重心
ｓ  Ｒｓにおける所定の位置
ｃ  Ｒｃの重心
【図１】
2019052856.tif 000005
【図２】
2019052856.tif 000006
【図３】
2019052856.tif 000007
【図４】
2019052856.tif 000008
【図５】
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