(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法であって、
ポリマー水溶液の動粘度を測定する工程と、
上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程と、
上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する工程と
を備え、
上記判定工程で、上記動粘度及びポリマー濃度を軸とする座標系に上記ポリマー水溶液の継続使用の可否を示す閾値線を設定し、この閾値線より動粘度が大きい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断することを特徴とする劣化度判定方法。
【請求項２】
上記座標系を動粘度ｙ［ｍｍ２／ｓ］及びポリマー濃度ｘ［体積％］を軸とする２軸直交座標系とし、上記閾値線をｙ＝ａｘ＋ｂ（ａは正の定数、ｂは定数）の一次関数とし、
上記判定工程で、下記式（１）の場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断し、下記式（２）の場合にポリマー水溶液の継続使用不可と判断する請求項１に記載の劣化度判定方法。
ｙ＞ａｘ＋ｂ  ・・・（１）
ｙ≦ａｘ＋ｂ  ・・・（２）
【請求項３】
上記取得工程で、上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を測定する請求項１又は請求項２に記載の劣化度判定方法。
【請求項４】
金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法であって、
ポリマー水溶液の動粘度を測定する工程と、
上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程と、
上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する工程と
を備え、
上記測定工程前にポリマー水溶液を特定濃度に希釈する工程をさらに備え、
上記測定工程で上記希釈工程後のポリマー水溶液の動粘度を測定し、
上記取得工程で取得するポリマー濃度として上記希釈工程後の特定濃度を採用することを特徴とする劣化度判定方法。
【請求項５】
上記判定工程で、上記動粘度及びポリマー濃度を軸とする座標系に上記ポリマー水溶液の継続使用の可否を示す閾値線を設定し、この閾値線より動粘度が大きい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断する請求項４に記載の劣化度判定方法。
【請求項６】
上記座標系を動粘度ｙ［ｍｍ２／ｓ］及びポリマー濃度ｘ［体積％］を軸とする２軸直交座標系とし、上記閾値線をｙ＝ａｘ＋ｂ（ａは正の定数、ｂは定数）の一次関数とし、
上記判定工程で、下記式（１）の場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断し、下記式（２）の場合にポリマー水溶液の継続使用不可と判断する請求項５に記載の劣化度判定方法。
ｙ＞ａｘ＋ｂ  ・・・（１）
ｙ≦ａｘ＋ｂ  ・・・（２）
【請求項７】
金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法であって、
ポリマー水溶液の動粘度を測定する工程と、
上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程と、
上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する工程と
を備え、
上記判定工程が、
上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づき上記金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定する工程と、
上記同定工程で得た平均熱伝達率が閾値より小さい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断する工程と
を有することを特徴とする劣化度判定方法。
【請求項８】
上記金属材料と同質の円柱状の試験片を加熱して閾値導出用のポリマー水溶液へ浸漬し、上記試験片の中心、上面、側面及び底面並びにポリマー水溶液の温度の経時変化を測定し、その経時的温度を下記式（３）に導入することで上記閾値を導出する請求項７に記載のポリマー水溶液の劣化度判定方法。
【数１】
0006568425.tif 000005
但し、式（３）中、ｔは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の上記側面から上記所定厚さの１／２の位置で試験片の高さの１／２の位置、ｃは上記上部、底部及び側部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、側部及び底部の質量［ｋｇ］である。Ａｉは上記上部、側部及び底部と上記中央部との接触面積［ｍ２］である。Ｃｐｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）は上記中央部、上部、側部及び底部の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］である。ｌｉは重心ｃから上面、側面及び底面までの距離［ｍ］である。Ｔｘはｃ、ｔ、ｓ及びｂで測定される温度［Ｋ］であり、Ｔｂｕｌｋはポリマー水溶液の温度［Ｋ］である。ｈｉは上面、側面及び底面における熱伝達率［Ｗ／ｍ２・Ｋ］である。
【請求項９】
金属材料を加熱する工程と、
ポリマー水溶液への浸漬により上記金属材料を冷却する工程と、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の劣化度判定方法によりポリマー水溶液の劣化度を判定する工程と
を備える金属加工部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、劣化度判定方法及び金属加工部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の焼入れ等の熱処理において、一般に焼割れの防止のために、水よりも冷却速度の遅い冷却液が使用される。近年では、高温操作に伴う火災の危険性を回避するため、冷却液としてポリマー水溶液が実用化されている。
【０００３】
このような冷却液は、使用し続けることにより劣化し冷却緩和能が低下するため、金属材料の焼割れが生じ易くなる。金属材料の焼割れが生じないようにするためには、冷却液がこのような状態になる前に新しい冷却液に交換する必要がある。交換するまでの期間が短いと冷却液の消費量が多くなり、金属材料の製造コストが増加する。そのため、冷却液の交換期間を長くすべく、冷却液の継続使用の可否を適切に判断できる管理指標の確立が要求されている。
【０００４】
このような要求に対して、管理対象の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）。この冷却液管理方法は、冷却液の冷却時間から濃度を求め、冷却液の継続使用の可否を判断する管理指標としてその濃度を用いるものである。
【０００５】
しかし、上記冷却液管理方法では、加熱した試験片を管理対象の冷却液に浸漬し、その冷却時間を計測するという繁雑な作業が必要となる。
【０００６】
また、発明者らの既往の検討結果より、冷却液としてポリマー水溶液を用いる場合、使用に伴ってポリマーが低分子量化することがわかっている。そのため、例えば同じ濃度のポリマー水溶液であっても、使用時間の長いポリマー水溶液はポリマーの分子量が小さくなり、焼割れの生じ易さが異なってくると考えられる。従って、例えば劣化を抑制するために使用中のポリマー水溶液に新たなポリマー水溶液を継ぎ足しながら使用するような場合、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１６７４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の継続使用の可否を容易かつ精度よく判断できる劣化度判定方法及び金属加工部材の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、ポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できる管理指標を確立すべく、劣化度の異なる複数のポリマー水溶液の物性値を測定し検討を行った。その結果、本発明者らは、ポリマー濃度及び動粘度の組合せが上記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、劣化が進んだポリマー水溶液を水で希釈したときの動粘度と、その希釈したポリマー水溶液と同じポリマー濃度の劣化が進んでいないポリマー水溶液の動粘度とを比較したところ、劣化が進むに従って動粘度が低下することを見出した。これにより、本発明者らは、ポリマー濃度及び動粘度の組合せがポリマー水溶液の劣化度の判定に用いることができることを見出した。本発明者らは、この知見に基づき本願発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の劣化度判定方法であって、ポリマー水溶液の動粘度を測定する工程と、上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程と、上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度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である。
【００１１】
当該劣化度判定方法は、ポリマー水溶液の劣化度を判定するために、ポリマー水溶液の動粘度の測定、及び動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度の取得を行なえばよく、試験材をポリマー水溶液に浸漬して冷却温度を測定するような繁雑な作業が必要ないので、容易にポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できる。また、動粘度及びその動粘度に対応するポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定するので、ポリマー水溶液の継続使用の可否を精度よく判断できる。
【００１２】
上記判定工程で、上記動粘度及びポリマー濃度を軸とする座標系に上記ポリマー水溶液の継続使用の可否を示す閾値線を設定し、この閾値線より動粘度が大きい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断するとよい。このように、ポリマー水溶液の継続使用の可否を示す閾値線を設定した動粘度及びポリマー濃度を軸とする座標系を用いてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断することにより、ポリマー水溶液の劣化度をより容易に判断できる。
【００１３】
上記座標系を動粘度ｙ及びポリマー濃度ｘを軸とする２軸直交座標系とし、上記閾値線をｙ＝ａｘ＋ｂ（ａは正の定数、ｂは定数）の一次関数とし、上記判定工程で、下記式（１）の場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断し、下記式（２）の場合にポリマー水溶液の継続使用不可と判断するとよい。
ｙ＞ａｘ＋ｂ  ・・・（１）
ｙ≦ａｘ＋ｂ  ・・・（２）
【００１４】
このように、動粘度ｙ及びポリマー濃度ｘを軸とする２軸直交座標系の一次関数で上記閾値線を表すことで、上記継続使用の可否をより精度よく判断できると共に、対象とする動粘度及びポリマー水溶液と閾値線との差を把握し易い。
【００１５】
上記取得工程で、上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を測定するとよい。このように、測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を測定することで、ポリマー水溶液の希釈等の作業なしで、動粘度及びポリマー濃度を測定するという簡易な作業のみで、ポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できる。
【００１６】
上記測定工程前にポリマー水溶液を特定濃度に希釈する工程をさらに備え、上記測定工程で上記希釈工程後のポリマー水溶液の動粘度を測定し、上記取得工程で取得するポリマー濃度として上記希釈工程後の特定濃度を採用してもよい。このように、特定濃度に希釈後のポリマー水溶液の動粘度を測定すると共に希釈工程後の特定濃度を採用することで、動粘度のみに基づいてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できるので、より容易にポリマー水溶液の劣化度を判定できる。
【００１７】
上記判定工程が、上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づき上記金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定する工程と、上記同定工程で得た平均熱伝達率が閾値より小さい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断する工程とを有するとよい。ここで、２００℃以上４００℃以下は、経験則より焼割れが生じる温度域であるので、焼割れの発生に対する上記閾値の精度が高い。従って、このようにポリマー水溶液の動粘度及びポリマー濃度に基づいて上記温度域での平均熱伝達率を同定し、この平均熱伝達率と上記閾値との比較によりポリマー水溶液の継続使用の可否を判断するので、ポリマー水溶液の継続使用の可否の判断精度をより向上できる。
【００１８】
上記金属材料と同質の円柱状の試験片を加熱して閾値導出用のポリマー水溶液へ浸漬し、上記試験片の中心、上面、側面及び底面並びにポリマー水溶液の温度の経時変化を測定し、その経時的温度を下記式（３）に導入することで上記閾値を導出するとよい。
【数１】
0006568425.tif 000002
但し、式（３）中、ｔは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の上記側面から上記所定厚さの１／２の位置で試験片の高さの１／２の位置、ｃは上記上部、底部及び側部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、側部及び底部の質量［ｋｇ］である。Ａｉは上記上部、側部及び底部と上記中央部との接触面積［ｍ２］である。Ｃｐｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）は上記中央部、上部、側部及び底部の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］である。ｌｉは重心ｃから上面、側面及び底面までの距離［ｍ］である。Ｔｘはｃ、ｔ、ｓ及びｂで測定される温度［Ｋ］であり、Ｔｂｕｌｋはポリマー水溶液の温度［Ｋ］である。ｈｉは上面、側面及び底面における熱伝達率［Ｗ／ｍ２・Ｋ］である。
【００１９】
このように、試験片の中心、上面、側面及び底面並びにポリマー水溶液の温度の経時変化を測定し、その経時的温度を上記式（３）に導入して上記閾値を導出することにより、焼割れの発生に対する閾値の精度をより高くでき、ポリマー水溶液の劣化度の判定精度をより向上できる。
【００２０】
また、上記課題を解決するためになされた別の発明は、金属材料を加熱する工程と、ポリマー水溶液への浸漬により上記金属材料を冷却する工程と、上記劣化度判定方法によりポリマー水溶液の劣化度を判定する工程とを備える金属加工部材の製造方法である。
【００２１】
当該金属加工部材の製造方法は、上記劣化度判定方法によりポリマー水溶液の劣化度を判定する工程を備えるので、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の継続使用の可否を容易かつ精度よく判断できる。これにより、当該金属加工部材の製造方法は、焼割れが発生する状態により近い状態となるまでポリマー水溶液の継続使用を可能とし、ポリマー水溶液を交換するまでの使用時間を長くすることができるため、ポリマー水溶液の使用量を低減でき、金属加工部材の製造コストを低減できる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明の劣化度判定方法は、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の継続使用の可否を容易かつ精度よく判断できる。また、本発明の金属加工部材の製造方法は、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の継続使用の可否を容易かつ精度よく判断できるので、ポリマー水溶液を交換するまでの使用時間を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一実施形態の劣化度判定方法におけるポリマー水溶液の継続使用の可否を判定する閾値線を示すグラフである。
【図２】使用期間の異なるポリマー水溶液の動粘度の測定結果を示すグラフである。
【図３】使用期間の異なるポリマー水溶液を同じポリマー濃度に希釈した場合の動粘度の測定結果を示すグラフである。
【図４】ポリマー濃度αにおける動粘度と金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図５】ポリマー濃度１．２αにおける動粘度と金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図６】ポリマー濃度１．４αにおける動粘度と金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図７】平均熱伝達率の導出のために用いた試験材の模式的断面図である。
【図８】ポリマー濃度αにおける試験材上面での温度と金属材料及びポリマー水溶液間の熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図９】ポリマー濃度αにおける試験材側面での温度と金属材料及びポリマー水溶液間の熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図１０】ポリマー濃度αにおける試験材底面での温度と金属材料及びポリマー水溶液間の熱伝達率との関係を示すグラフである。
【図１１】動粘度と金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との近似直線の切片とポリマー濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る劣化度判定方法、及び金属加工部材の製造方法の実施形態について説明する。
【００２５】
〔第一実施形態〕
［劣化度判定方法］
当該劣化度判定方法は、金属材料の熱処理の冷却液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、ポリマー水溶液の動粘度を測定する工程（測定工程）と、上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程（取得工程）と、上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する工程（判定工程）とを備える。
【００２６】
当該劣化度判定方法を適用する熱処理で対象とする金属材料として、例えば鋼、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金等が挙げられる。
【００２７】
上記ポリマー水溶液に用いるポリマーとしては、水に溶解するものであればよく、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）などを用いることができる。
【００２８】
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、４，０００が好ましく、４，５００がより好ましい。上記ポリマーの数平均分子量が上記下限に満たないと、必要な冷却緩和能を得るためにポリマー濃度を高くしなければならず、ポリマーの使用量が多くなり、製造コストが増加するおそれがある。
【００２９】
上記ポリマー水溶液のポリマー濃度の下限としては、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、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と、必要な冷却緩和能を得ることができないおそれがある。逆に、上記ポリマー濃度が上記上限を超えると、ポリマーの必要量が増加し、製造コストが増加するおそれがある。
【００３０】
上記ポリマー水溶液の熱伝導率の下限としては、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、０．６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）が好ましく、０．６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）がより好ましい。上記ポリマー水溶液の熱伝導率が上記下限に満たないと、金属材料の冷却速度が遅くなりすぎ、熱処理で期待される金属材料の所望の特性が得られないおそれがある。逆に、上記ポリマー水溶液の熱伝導率が上記上限を超えると、ポリマーによる冷却緩和効果が小さすぎ、焼割れ抑制効果が低下するおそれがある。
【００３１】
＜測定工程＞
測定工程では、粘度計を用いてポリマー水溶液の動粘度を測定する。動粘度を測定する粘度計として、例えばウベローデ粘度計やキャノンフェンスケ粘度計を用いることができる。
【００３２】
＜取得工程＞
取得工程では、上記測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を測定する。このポリマー濃度は、例えば屈折率濃度計を用いることにより容易に測定することができる。
【００３３】
＜判定工程＞
判定工程では、測定工程で測定した動粘度及び取得工程で測定したポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する。
【００３４】
上記判定工程では、具体的には、動粘度及びポリマー濃度を軸とする座標系にポリマー水溶液の継続使用の可否を示す閾値線を設定し、この閾値線より動粘度が大きい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断し、動粘度がこの閾値線以下の場合にポリマー水溶液の継続使用不可と判断する。
【００３５】
さらに具体的には、上記判定工程では、例えば図１に示すように、上記座標系を動粘度ｙ及びポリマー濃度ｘを軸とする２軸直交座標系とし、閾値線ＴＬをｙ＝ａｘ＋ｂ（ａは正の定数、ｂは定数）の一次関数とする。この判定工程では、この一次関数に上記測定した動粘度及びポリマー濃度を代入し、下記式（１）の場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断し、下記式（２）の場合にポリマー水溶液の継続使用不可と判断する。
ｙ＞ａｘ＋ｂ  ・・・（１）
ｙ≦ａｘ＋ｂ  ・・・（２）
【００３６】
なお、上記閾値線ＴＬは、例えば閾値線導出用のポリマー水溶液として、使用劣化により焼割れが発生し始める状態となったポリマー水溶液を用いて得ることができる。具体的には、異なるポリマー濃度となるよう上記閾値線導出用のポリマー水溶液の希釈により複数のポリマー水溶液を作成してこれらの動粘度を測定した後、例えば最小二乗法により、これらのポリマー水溶液の濃度及び動粘度の関係を一次近似して上記閾値線ＴＬを得ることができる。なお、図１に示す各プロットは、上記閾値線導出用のポリマー水溶液の動粘度、及びこのポリマー水溶液に水を添加して複数のポリマー濃度に希釈したものの各動粘度を測定し、各ポリマー濃度に対する動粘度を示すものである。これらのプロットより、上述のように上記閾値線ＴＬを求めることができる。
【００３７】
ここで、動粘度及びポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定できる理由について説明するが、発明者らは、動粘度及びポリマー濃度がポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できる管理指標として採用できることを見出す前に、これ以外の物性についても上記管理指標として採用できるか検討した。具体的には、発明者らは、まず分子量について検討し、その結果、測定毎のばらつき及び測定箇所によるばらつきが大きいため、分子量を上記管理指標として用いることは困難であることがわかった。次に、本発明者らは、ポリマー水溶液の熱伝導率と動粘度とのそれぞれについて検討したが、いずれもポリマー水溶液の劣化との相関が認められず、これらも上記管理指標として用いることは困難であることがわかった。次に、発明者らは、動粘度及びポリマー濃度の組合せについて検討した。
【００３８】
発明者らは、まず表１に示す使用時間の異なるポリマー水溶液について動粘度を測定したところ、図２のような結果が得られた。表１中の新液Ａは、熱処理に使用する前のポリマー水溶液であり、操業液Ｂ〜Ｅは、使用中の複数のポリマー水溶液である。各操業液Ｂ〜Ｅは、この順に使用時間が長いものである。表１では、ポリマー水溶液のポリマー濃度を濃度比で示している。この濃度比は、新液Ａのポリマー濃度に対する各操業液Ｂ〜Ｅのポリマー濃度の割合（操業液のポリマー濃度［体積％］／新液Ａのポリマー濃度［体積％］）である。使用中のポリマー水溶液は、劣化を抑制するために新液Ａを継ぎ足しながら使用するので、使用期間が長くなるほどポリマー濃度が高くなる。
【００３９】
【表１】
0006568425.tif 000003
【００４０】
図２より、使用期間が長く劣化が進んでいると考えられるポリマー水溶液ほど動粘度が高いことがわかる。「動粘度が高い」ことは、通常「熱伝達率が低い」と予測されるので、「焼割れが発生し難い」と考えられる。しかし、図２はこのことと逆の結果となっている。従って、動粘度をポリマー水溶液の劣化度の管理指標として用いることはできない。
【００４１】
そこで発明者らは、ポリマー濃度が新液Ａのポリマー濃度αと同じとなるよう各操業液Ｂ〜Ｅを水で希釈し、同じポリマー濃度αとした各操業液Ｂ〜Ｅの動粘度を測定した。この測定結果を図３に示す。図３より、劣化が進んでいると考えられるポリマー水溶液ほど動粘度が低いことがわかる。これは、劣化が進んでいるポリマー水溶液ほど分子量が低下しているためと考えられる。このことより、所定の濃度における動粘度が、ポリマー水溶液の継続使用の可否を判断するための管理指標として使用できることがわかる。従って、ポリマー濃度毎にポリマー水溶液の継続使用の可否を判断するための閾値となる動粘度が定まるので、上述のように閾値線導出用のポリマー水溶液を用いることで、ポリマー濃度に対応する動粘度の閾値を示す上記閾値線ＴＬが得られる。これにより、動粘度及びポリマー濃度から閾値線ＴＬを用いてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できる。
【００４２】
当該劣化度判定方法は、試験材をポリマー水溶液に浸漬して冷却温度を測定する等の作業なしで、ポリマー水溶液のポリマー濃度及び動粘度を測定するという簡易な作業のみで、ポリマー水溶液の継続使用可否を判断できる。また、当該劣化度判定方法は、測定したポリマー濃度及び動粘度を閾値線ＴＬと比較することで、ポリマー水溶液の継続使用可否を判断できるので、ポリマー水溶液の劣化度を判定し易い。
【００４３】
［金属加工部材の製造方法］
当該金属加工部材の製造方法は、金属材料を加熱する工程（加熱工程）と、ポリマー水溶液への浸漬により上記金属材料を冷却する工程（冷却工程）と、上記劣化度判定方法によりポリマー水溶液の劣化度を判定する工程（劣化度判定工程）とを主に備える。
【００４４】
上記加熱工程及び冷却工程は、金属材料に対する焼入れ処理や焼戻し処理などの熱処理において加熱及び冷却を行う工程である。例えば金属加工部材としてクランクシャフト等に用いる鍛鋼品用高強度鋼を製造する場合、上記工程以外に、溶製工程、鋳造工程、鍛造工程などを備える。さらに、このようにして製造した鍛鋼品用高強度鋼を機械加工工程により加工することで、例えば船舶用駆動源の伝達部材として用いられる中間軸、推進軸、連接棒、ラダーストック、ラダーホーン、クランクシャフト等が製造される。
【００４５】
＜加熱工程＞
加熱工程では、所定の温度で所定時間、金属材料を加熱する。例えば鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ処理における加熱工程では、焼入前処理工程で冷却された鋼材を８００℃以上９５０℃以下程度まで昇温して１時間以上保持する。
【００４６】
＜冷却工程＞
冷却工程では、上記加熱工程で加熱した金属材料をポリマー水溶液に浸漬することにより所定温度まで冷却する。例えば鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ処理における冷却工程では、加熱工程で加熱された鋼材をポリマー水溶液に浸漬し、例えば平均冷却速度５０℃／ｍｉｎ程度で４５０℃以上５３０℃以下程度まで冷却する。
【００４７】
＜劣化度判定工程＞
劣化度判定工程では、ポリマー水溶液のポリマー濃度及び動粘度を測定し、上記劣化度判定方法によりポリマー水溶液の継続使用可否を判断する。例えば劣化度判定方法として図１の座標系を用いる場合、劣化度判定工程では、測定したポリマー濃度ｘ及び動粘度ｙが上記式（１）を満たすときは、そのポリマー水溶液を継続使用し、上記式（２）を満たすときは、そのポリマー水溶液の継続使用不可と判断して、新しいポリマー水溶液に交換する。
【００４８】
なお、上記劣化度判定工程は、金属材料を冷却する毎に行ってもよいし、所定回数の金属材料の冷却が焼割れなく行えると見込めるような場合には、所定回数の冷却処理を行った後のみに行うようにしてもよい。
【００４９】
このように当該金属加工部材の製造方法は、上記劣化度判定方法によりポリマー水溶液の劣化度を判定する工程を備えるので、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の継続使用の可否を容易かつ精度よく判断でき、焼割れが発生する状態により近い状態となるまでポリマー水溶液の継続使用ができる。これにより、ポリマー水溶液を交換するまでの使用時間を長くすることができるため、ポリマー水溶液の使用量を低減でき、金属材料の製造コストを低減できる。
【００５０】
〔第二実施形態〕
［劣化度判定方法］
当該劣化度判定方法は、ポリマー水溶液を特定濃度に希釈する工程（希釈工程）と、希釈工程後のポリマー水溶液の動粘度を測定する工程（測定工程）と、測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程（取得工程）と、上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する工程（判定工程）とを備える。上記取得工程は、具体的には、ポリマー水溶液のポリマー濃度として希釈工程後の特定濃度を採用する。
【００５１】
＜希釈工程＞
希釈工程では、ポリマー水溶液に水を添加して特定濃度に希釈する。具体的には、希釈工程では、例えばポリマー水溶液のポリマー濃度を測定し、そのポリマー濃度から特定濃度に希釈するために必要な水の添加量を算出し、その算出した量の水をポリマー水溶液に添加する。
【００５２】
ここで、上記ポリマー水溶液は、劣化を抑制するために適宜ポリマー水溶液の新液を継ぎ足して使用するので、使用中のポリマー水溶液のポリマー濃度は時間が経過するに伴って大きくなる。従って、上記特定濃度は、使用中のポリマー水溶液より低いポリマー濃度であればよく、例えばポリマー水溶液の新液のポリマー濃度とすることができる。
【００５３】
＜測定工程＞
測定工程では、粘度計を用いて、上記希釈工程後の特定濃度に希釈したポリマー水溶液の動粘度を測定する。
【００５４】
＜取得工程＞
取得工程では、ポリマー水溶液のポリマー濃度として希釈工程後の特定濃度を採用する。つまり、取得工程ではポリマー水溶液のポリマー濃度として上記特定濃度を取得する。
【００５５】
＜判定工程＞
判定工程では、取得工程で取得した特定濃度における動粘度、すなわち測定工程で測定した動粘度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する。具体的には、判定工程では、測定した動粘度を閾値と比較し、測定した動粘度が閾値よりも大きい場合には、ポリマー水溶液の継続使用可能と判断する。
【００５６】
上記動粘度の閾値は、次のようにして求められる。つまり、図１に示すように、閾値線ＴＬは、動粘度ｙ及びポリマー濃度ｘを軸とする２軸直交座標系で一次関数として表される。従って、この閾値線ＴＬより特定濃度に対する動粘度の閾値が求められる。例えば図１において上記特定濃度を２５体積％とした場合、動粘度の閾値は６ｍｍ２／ｓと求められる。
【００５７】
このように当該劣化度判定方法は、ポリマー水溶液を特定濃度に希釈することで、動粘度のみに基づいてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断できるので、より容易にポリマー水溶液の劣化度を判定できる。
【００５８】
〔第三実施形態〕
［劣化度判定方法］
当該劣化度判定方法は、ポリマー水溶液を特定濃度に希釈する工程（希釈工程）と、希釈工程後のポリマー水溶液の動粘度を測定する工程（測定工程）と、測定工程での動粘度測定時のポリマー水溶液のポリマー濃度を取得する工程（取得工程）と、上記測定工程で得た動粘度及び上記取得工程で得たポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の劣化度を判定する工程（判定工程）とを備える。上記判定工程は、測定工程で得た動粘度及び取得工程で得たポリマー濃度に基づき金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定する工程（同定工程）と、同定工程で得た平均熱伝達率が閾値より小さい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断する工程（判断工程）とを有する。
【００５９】
当該劣化度判定方法は、判定工程が同定工程及び判断工程を有し、ポリマー水溶液の継続使用の可否を平均熱伝達率により判断する点が、上記第二実施形態の劣化度判定方法と異なる。以下に、上記第二実施形態と異なる判定工程について説明する。
【００６０】
＜判定工程＞
上述したように、判定工程は、同定工程及び判断工程を有する。なお、ここでは上記特定濃度をポリマー濃度αとする。従って、判定工程は、ポリマー濃度αに希釈されたポリマー水溶液の動粘度を測定工程から取得し、ポリマー濃度αという情報を取得工程から取得する。
【００６１】
（同定工程）
同定工程では、ポリマー濃度αに希釈されたポリマー水溶液の動粘度とポリマー濃度αとに基づき、金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定する。この同定方法について、以下に具体的に説明する。
【００６２】
後述するように、発明者らは、ポリマー水溶液のポリマー濃度に対して、動粘度と金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との間に相関があることを見出した。ここで、ポリマー濃度αのポリマー水溶液における動粘度と上記平均熱伝達率との関係を図４に示す。図４は、複数のポリマー水溶液のそれぞれに対してポリマー濃度αとなるよう水で希釈し、それらの希釈後のポリマー水溶液の動粘度の測定値及び上記平均熱伝達率の算出値を示したものである。図４の第１相関線ＣＬ１は、動粘度及び上記平均熱伝達率の関係を一次近似した直線である。同定工程では、この動粘度と上記平均熱伝達率との相関を示す第１相関線ＣＬ１を用いて、測定工程で得た動粘度から金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定する。
【００６３】
なお、図５は、図４と同様に希釈したポリマー水溶液に基づいて得たポリマー濃度αの１．２倍のポリマー濃度１．２αのポリマー水溶液における動粘度と上記平均熱伝達率との関係を示したものである。同様に、図６は、ポリマー濃度αの１．４倍のポリマー濃度１．４αのポリマー水溶液における動粘度と上記平均熱伝達率との関係を示したものである。図５の第２相関線ＣＬ２及び図６の第３相関線ＣＬ３は、それぞれポリマー濃度１．２α及びポリマー濃度１．４αにおける動粘度及び上記平均熱伝達率の関係を一次近似した直線である。図４〜図６に示すように、いずれのポリマー濃度においても、上記平均熱伝達率は動粘度と相関していることがわかる。
【００６４】
（判断工程）
判断工程では、同定工程で得た平均熱伝達率が閾値より小さい場合にポリマー水溶液の継続使用可能と判断する。この判断方法について、以下に具体的に説明する。
【００６５】
図４の第１閾値Ｐ１は、上記閾値導出用のポリマー水溶液をポリマー濃度αに希釈したポリマー水溶液における動粘度及び２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を示したものである。判断工程では、この閾値導出用のポリマー水溶液の平均熱伝達率（第１閾値Ｐ１）をポリマー水溶液の継続使用可否の判断用の閾値として用い、同定工程で得た平均熱伝達率の方が第１閾値Ｐ１より小さい場合に、ポリマー水溶液の継続使用可能と判断する。ここで、２００℃以上４００℃以下は、経験則より焼割れが生じる温度域であるので、２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を示す上記第１閾値Ｐ１は、焼割れの発生に対する精度が高い。上記判断工程は、この精度の高い閾値を用いるので、ポリマー水溶液の継続使用の可否の判断精度が高い。
【００６６】
なお、図５の第２閾値Ｐ２及び図６の第３閾値Ｐ３は、それぞれ上記閾値導出用のポリマー水溶液をポリマー濃度１．２α及びポリマー濃度１．４αに希釈したポリマー水溶液における動粘度及び２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を示したものである。上記測定工程で、ポリマー濃度１．２α又はポリマー濃度１．４αに希釈したポリマー水溶液の動粘度を測定する場合には、判断工程は、第２閾値Ｐ２又は第３閾値Ｐ３を用いてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断する。
【００６７】
（平均熱伝達率の閾値の導出方法）
平均熱伝達率の閾値は、例えば上記金属材料と同質の試験片を加熱して閾値導出用のポリマー水溶液へ浸漬し、上記試験片の中心、上面、側面及び底面並びにポリマー水溶液の温度の経時変化を測定し、その経時的温度を下記式（３）に導入することで導出できる。
【数２】
0006568425.tif 000004
但し、式（３）中、ｔは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の上記側面から上記所定厚さの１／２の位置で試験片の高さの１／２の位置、ｃは上記上部、底部及び側部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、側部及び底部の質量［ｋｇ］である。Ａｉは上記上部、側部及び底部と上記中央部との接触面積［ｍ２］である。Ｃｐｘ（ｘはｃ、ｔ、ｓ、ｂ）は上記中央部、上部、側部及び底部の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］である。ｌｉは重心ｃから上面、側面及び底面までの距離［ｍ］である。Ｔｘはｃ、ｔ、ｓ及びｂで測定される温度［Ｋ］であり、Ｔｂｕｌｋはポリマー水溶液の温度［Ｋ］である。ｈｉは上面、側面及び底面における熱伝達率［Ｗ／ｍ２・Ｋ］である。
【００６８】
上記試験片の直径の下限としては、１０ｍｍが好ましく、１５ｍｍがより好ましい。一方、試験片の直径の上限としては、４０ｍｍが好ましく、３０ｍｍがより好ましい。試験片の直径が上記下限未満であると、試験材の中心及び外周間の温度差が小さくなりすぎ、導出される平均熱伝達率の精度が低下するおそれがある。逆に試験片の直径が上記上限を超えると、平均熱伝達率導出用の設備が不必要に大きくなるおそれがある。
【００６９】
上記試験片の高さの下限としては、３０ｍｍが好ましく、４０ｍｍがより好ましい。一方、試験片の高さの上限としては、１２０ｍｍが好ましく、１００ｍｍがより好ましい。試験片の高さが上記下限未満であると、試験材の中心と上面及び下面との温度差が小さくなりすぎ、導出される平均熱伝達率の精度が低下するおそれがある。逆に試験片の高さが上記上限を超えると、試験片をポリマー水溶液へ浸漬させるための移動量が大きくなり、導出用設備のコストが増加するおそれがある。
【００７０】
仮想的な領域に区切るための試験材の表面からの上記所定厚さの下限としては、１ｍｍが好ましく、２ｍｍがより好ましい。一方、上記試験材の表面からの所定厚さの上限としては、５ｍｍが好ましく、４ｍｍがより好ましい。上記試験材の表面からの所定厚さが上記下限未満であると、正確な位置への熱電対の設定が困難となり、算出される熱伝達率の精度が低下するおそれがある。逆に、上記試験材の表面からの所定厚さが上記上限を超えると、算出される熱伝達率と表面における熱伝達率との差が大きくなるため、算出される熱伝達率の精度が低下するおそれがある。
【００７１】
なお、上記閾値の導出は、金属材料の冷却毎に行う必要はなく、金属材料の種類毎に一度行えばよい。
【００７２】
次に、上記閾値の導出方法の具体例として、発明者らが行った導出方法について説明する。
【００７３】
上記閾値の導出は、加熱した円柱状の試験材をポリマー水溶液に浸漬し、試験材の経時的な温度変化を測定し、その温度変化から金属材料及びポリマー水溶液間の熱伝達率を算出して行った。具体的には、直径２０ｍｍ、高さ６０ｍｍの丸棒（スペシャルメタルズ社の「インコネル６００」）を用いた。また、ポリマー水溶液として、表１に示す各ポリマー水溶液を用いた。
【００７４】
この試験材を表面から厚さ３ｍｍで仮想的な領域に区切り、区切った領域ごとに熱伝達率を算出した。具体的には、図７の試験材の軸を通る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、外周側面から厚さ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の外周面から１．５ｍｍの位置で高さ３０ｍｍの位置をｓとし、これらのｔ、ｂ、ｓ、ｃの位置に熱電対を設置した。
【００７５】
次に、上記試験材を９００℃まで加熱し、ポリマー水溶液の入ったビーカー内に浸漬させ、試験材各部の温度変化及びポリマー水溶液の温度変化を測定した。ここで、試験材を浸漬する際のポリマー水溶液の温度は、湯煎により５０℃とした。
【００７６】
側部Ｒｓ、上部Ｒｔ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ので、これらの関係を表す上記式（３）に、上記測定した各部の経時的温度変化を導入して、ポリマー水溶液と側部Ｒｓ、上部Ｒｔ及び底部Ｒｂとの間の各熱伝達率ｈｉを算出した。
【００７７】
経験則より焼割れが生じる温度域は２００℃以上４００℃以下であるが、上記各熱伝達率ｈｉを算出した結果、この温度域において各ポリマー水溶液の冷却特性に有意な差は認められなかった。
【００７８】
次に、各操業液Ｂ〜Ｅを新液Ａと同じポリマー濃度αとなるように水を添加して希釈し、上述した方法と同様の方法により、ポリマー水溶液と側部Ｒｓ、上部Ｒｔ及び底部Ｒｂとの間の各熱伝達率ｈｉを算出した。その結果、図８〜図１０に示すように、２００℃以上４００℃以下の温度域において、使用時間が長く劣化が進んでいるほど熱伝達率が高くなることが確認できた。
【００７９】
次に、新液Ａのポリマー濃度αに対して、各操業液Ｂ〜Ｅをポリマー濃度がα、１．２α、１．４αとなるよう希釈し、上述した方法と同様の方法により、ポリマー水溶液と側部Ｒｓ、上部Ｒｔ及び底部Ｒｂとの間の各熱伝達率ｈｉを算出した。図４〜図６は、この算出結果を用いて、各ポリマー濃度ごとの動粘度と２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との関係を示したグラフである。図４〜図６より、所定濃度において、動粘度と２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との間に相関があることがわかる。従って、動粘度及びポリマー濃度がわかれば、２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定することができる。
【００８０】
なお、図４〜図６より、動粘度と２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との間の相関を一次式で近似したときの傾きがほぼ等しいことがわかる。図１１は、これらの一次式の切片とポリマー濃度との関係を示しており、切片の値がポリマー濃度と相関していることがわかる。従って、図１１より任意のポリマー濃度における動粘度と２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率との相関を示す一次式を求めることができる。これにより、任意のポリマー濃度のポリマー水溶液について、動粘度を測定することで２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定することができる。
【００８１】
なお、上記判定工程では、ポリマー濃度αに希釈した後のポリマー水溶液の動粘度及びポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断したが、希釈前のポリマー水溶液の動粘度及びポリマー濃度に基づいてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断してもよい。この場合、上記劣化度判定方法において、希釈工程は省略できる。
【００８２】
［その他の実施形態］
当該劣化度判定方法及び金属加工部材の製造方法は上記実施形態に限定されるものではない。
【００８３】
つまり、上記第一実施形態では、ポリマー水溶液の継続使用の可否を示す閾値線を設定する座標系として、動粘度及びポリマー濃度を軸とする２軸直交座標系を用いることとしたが、２軸直交座標系以外の座標系を用いてもよい。例えば、さらに他のパラメータを追加して３軸以上の座標系を用いてもよい。
【００８４】
また、上記第二実施形態では、ポリマー水溶液を希釈するために、まずポリマー水溶液のポリマー濃度を測定し、そのポリマー濃度から特定濃度に希釈するために算出した量の水を添加することとしたが、例えば希釈する前のポリマー水溶液のポリマー濃度を測定せずに希釈を行ってもよい。つまり、ポリマー水溶液に水を添加しつつポリマー濃度を測定し、ポリマー濃度が特定濃度まで低下した時点で水の添加を停止するようにしてもよい。
【００８５】
また、上記第一実施形態では、動粘度及びポリマー濃度を軸とする座標系に設定した閾値線を用いてポリマー濃度に対する動粘度によりポリマー水溶液の継続使用の可否を判断した。一方、上記第三実施形態では、金属材料及びポリマー水溶液間の２００℃以上４００℃以下の平均熱伝達率を同定し、この平均熱伝達率によりポリマー水溶液の継続使用の可否を判断したが、これらの両方の判断を組み合わせてポリマー水溶液の継続使用の可否を判断してもよい。つまり、動粘度及び上記平均熱伝達率の両方で、ポリマー水溶液の継続使用の可否を判断してもよい。このようにすることで、ポリマー水溶液の継続使用の可否をより精度よく判断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上説明したように、本発明の劣化度判定方法及び金属加工部材の製造方法は、金属材料の熱処理の冷却液に用いるポリマー水溶液の継続使用の可否を容易かつ精度よく判断できるので、熱処理の冷却液にポリマー水溶液を用いる金属材料の製造等に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
ｂ  試験片の底部円柱状領域の重心
ｃ  試験片の上部、底部及び側部に囲まれる中央部円柱状領域の重心
ｔ  試験片の円柱状領域の重心
ｓ  試験片の側部円筒状領域の側面から所定厚さの１／２の位置で試験片の高さの１／２の位置
Ｒｂ  底部
Ｒｃ  中央部
Ｒｔ  上部
Ｒｓ  側部
ＴＬ  閾値線
ＣＬ１  第１相関線
ＣＬ２  第２相関線
ＣＬ３  第３相関線
Ｐ１  第１閾値
Ｐ２  第２閾値
Ｐ３  第３閾値
【図１】
0006568425.tif 000006
【図２】
0006568425.tif 000007
【図３】
0006568425.tif 000008
【図４】
0006568425.tif 000009
【図５】
0006568425.tif 000010
【図６】
0006568425.tif 000011
【図７】
0006568425.tif 000012
【図８】
0006568425.tif 000013
【図９】
0006568425.tif 000014
【図１０】
0006568425.tif 000015
【図１１】
0006568425.tif 000016