(57)【要約】【課題】シミュレーションされた冷却液の冷却角度と冷却曲線とに基づいて冷却液を管理し、最適な冷却能力を推定することが可能な冷却性評価方法を提供することにある。【解決手段】プラスチッククエンチの濃度を測定し、前記プラスチッククエンチの最適濃度範囲を、容積比２０％〜２５％の範囲に設定する。次に、最大冷却能力における最適冷却角度範囲を４５度〜６５度に設定するとともに、沸騰段階から対流段階に移行する冷却速度６５℃／ｓｅｃ〜８５℃／ｓｅｃにおける最適冷却曲線を設定する。続いて、前記設定された冷却角度および冷却速度に基づいて冷却液を管理することにより、冷却された素材の最終品質を評価する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形および加工を施した製品に対する焼き入れまたは窒化処理等の熱処理を施す際の冷却条件を、冷却液の管理に基づいて最適な冷却能力を評価するための方法であって、
冷却および焼き入れ用の急冷冷却液の濃度を測定し、前記急冷冷却液の最適濃度範囲を設定する工程と、
最大冷却能力における最適冷却角度範囲を設定するとともに、沸騰段階から対流段階に移行する冷却速度における最適冷却曲線を設定することにより、最適な冷却能力を推定する工程と、
を有することを特徴とする冷却角度と冷却曲線による冷却性評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記急冷冷却液は、プラスチッククエンチからなり、
前記最適冷却角度範囲は、４５度〜６５度からなり、
前記最適冷却速度は、６５℃／ｓｅｃ〜８５℃／ｓｅｃの範囲からなることを特徴とする冷却角度と冷却曲線による冷却性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製品に対して焼き入れ、窒化処理等の熱処理を施した後、冷却液の最大冷却能力における冷却角度と、沸騰段階から対流段階に移行する冷却曲線とを設定してシミュレーションすることにより、製品の品質特性、特に、製品の軸歪み特性および内部異常組織発生の抑止等の最適な冷却条件を予測することが可能な冷却角度と冷却曲線による冷却品質評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、クランクシャフトをＬＣＮやＧＳＮ（ＧＡＳ  ＳＯＦＴ  ＮＩＴＲＩＤＩＮＧ）等の軟窒化後、高分子水溶液による急冷処理（プラスチッククエンチ）をしているが、焼き入れおよび窒化処理後の冷却速度は、製品の品質を左右する極めて重要な要素である。例えば、設定冷却能力がミスマッチである場合には、製品に大きな軸歪みが発生する。また、固溶した窒素が析出して著しく疲労強度を低下せしめる等の問題があるため、冷却処理後、製品の「軸歪み特性」、「内部異常組織発生の抑止」等の品質特性を検査測定する必要がある。
【０００３】
従って、焼き入れおよび窒化処理後の冷却速度を管理する必要があるが、沸騰段階から対流段階に移行する曲線部が不安定でばらついており、通常、この部分を評価基準から外すことが一般的であるため、「攪乱の強弱」、「高分子の劣化」等を判断できないという不合理があった。
【０００４】
なお、関連する先行技術として、例えば、特許文献１には、金型等の実用焼き入れ温度範囲の種々の温度から焼き入れられた材料の靱性を推定する非破壊評価方法が開示され、また、特許文献２には、鉄鋼材料を加熱後冷却することで焼き入れ処理を行う際、その焼き入れ範囲を推定する焼き入れ範囲シミュレーション方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−３７２８５６号公報（図５参照）
【特許文献２】
特開２００１−４９３３３号公報（図１参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような場合、非破壊検査手段として、急冷冷却液のプラスチッククエンチ濃度を屈折計（糖度計）によって測定する検査方法が従来から行われている。
【０００７】
急冷処理を行う場合、一般に焼き入れ油と水溶性焼き入れ液とがあり、性能管理（濃度管理）として粘度、屈折率、ｐＨ、冷却曲線が用いられている。通常、量産性、後工程等の関係から後処理が不要となる水溶性焼き入れ液が多用されている。この水溶性焼き入れ液の主成分には、ポリマー（高分子物質）が使用され、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリアクリル酸ソーダ（ＳＰＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリイソブチレンマイレン酸ソーダ（ＰＭＩ）、ポリアマイド（Ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ポリオキシエチレン−プロピレン  ポリエーテル（ＰＡＧ）等が用いられている。これらのポリマーは、鉱油等と比較して熱安定性が劣るため、使用中にかなり分解される特性を有する。
【０００８】
従って、ポリマーの濃度と共に、特に、分子量の管理が必要となるが、屈折率ではポリマーの分解状態を把握することができない。すなわち、屈折率換算濃度では冷却能力から大きくずれが発生するからである。この結果、ポリマーの高分子の挙動が正確に把握することができないという問題がある。
【０００９】
一方、粘度換算濃度は、屈折率換算濃度と比較してずれが小さいが、粘度はポリマーが分解すると低下するという特性を有する。このため、ポリマーが分解・酸化して腐敗すると酸を生じ、ｐＨが低下する。従って、ｐＨは水溶性焼き入れ液の酸化劣化やバクテリアによる腐敗の目安となるが冷却能力の手掛かりとなるものは得られない。
【００１０】
以上のように、水溶性焼き入れ液は、粘度や屈折率だけでは、冷却能力の変化を十分に把握することができないという問題がある。
【００１１】
さらにまた、冷却曲線等による冷却能力と併用して冷却状態を把握することが考えられるが、沸騰段階以下の再現性は良好であるが、蒸気膜段階が非常に不安定であり、蒸気膜段階が観察されるような条件下ではばらつきが大きく、現実的には未だ実用化されていないのが現状である。
【００１２】
この原因は、水溶性焼き入れ液の蒸気膜が、ワークの汚れ、スラッジやオイル混合等による液の汚れおよび焼き入れに伴う少しの振動に対して容易に破断するためであり、蒸気膜段階を含めた冷却能力の評価方法が希求されている。
【００１３】
本発明は、以上の問題点を考慮してなされたものであり、シミュレーションされた冷却液の冷却角度と冷却曲線とに基づいて冷却液を管理し、最適な冷却能力を推定することが可能な冷却角度と冷却曲線による冷却性評価方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、成形および加工を施した製品に対する焼き入れまたは窒化処理等の熱処理を施す際の冷却条件を、実際に冷却された素材自体ではなく、冷却液の管理に基づいて最適な冷却能力を推定するための方法である。
【００１５】
すなわち、本発明では、先ず、冷却および焼き入れ用の急冷冷却液の濃度を測定し、前記急冷冷却液の最適濃度範囲を設定する。この場合、前記冷却および焼き入れ用の急冷冷却液としては、プラスチッククエンチを用いると好適であり、また、前記最適濃度範囲としては、例えば、容積比２０％〜２５％の範囲に設定すると好適である。
【００１６】
次に、最大冷却能力におる最適冷却角度範囲を設定するとともに、沸騰段階から対流段階に移行する冷却速度（冷却曲線の曲率Ｒ）における最適冷却曲線を設定する。この場合、前記最適冷却角度範囲を、４５度〜６５度の角度範囲に設定すると好適であり、また、前記最適冷却速度（冷却曲線の曲率Ｒ）を、６５℃／ｓｅｃ〜８５℃／ｓｅｃの範囲に設定すると好適である。
【００１７】
続いて、前記設定された冷却角度および冷却速度に基づいて、焼き入れまたは窒化処理等の熱処理が施された素材の冷却性を評価する。すなわち、冷却液の冷却曲線における冷却角度および冷却速度が設定範囲内であれば、冷却液の冷却能力が適正に保持され、素材に対して最適な冷却が施されていると推定し、反対に設定範囲外であれば、冷却液の冷却能力が低下しており、不適切な冷却が施されていると推定され所定の処理がなされる。
【００１８】
なお、一般的に広義では、「冷却」の概念の中に「焼き入れ」が含まれるが、本発明において、「焼き入れ」とは、鋼材に対する７５０℃〜１０００℃の加熱によってマルテンサイトを生成させることをいい、「冷却」とは、前記マルテンサイトの生成を伴わない場合、例えば、窒化処理等のように鋼材に対する４００℃〜６００℃の加熱処理によってマルテンサイト変態を伴わないものをいう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る冷却角度と冷却曲線による冷却性評価方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２０】
重量比０．４５〜０．４９からなる炭素（Ｃ）および重量比０．６〜０．９からなるマンガン（Ｍｎ）を主成分とする鋼材を用いて熱間鍛造によりワークを成形した後、所定の寸法仕様に加工し、次いでガス軟窒化処理（ＧＳＮ）を施した。さらに、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を主成分とした高分子水溶液からなる急冷冷却液（急冷液）を使用して急冷処理を施した。
【００２１】
処理条件としては、図１に示されるように、ＲＸガスにＮＨ３を加えたもので、５８５±５℃の温度によって約１００分〜１５０分間ワークを加熱した後、前記急冷液（プラスチッククエンチ）によって５５℃まで急冷させた。
【００２２】
次に、急冷液のプラスチッククエンチ濃度を変化させたプラスチッククエンチ濃度別処理による軸歪み結果を図２に示す。プラスチッククエンチ濃度と歪み量（軸振れ）とはそれぞれ相関関係にあるからである。
【００２３】
また、歪み方向角度（歪みの分散角度）を判定要素の一つとしたのは、最大歪み量のみならず、歪みが発生する方向性をも考慮に含めることにより、大量生産した場合の後工程における仕上げ加工の労力を大幅に削減することができるからである。換言すると、歪みが分散して発生して歪み方向角度が大きい場合よりも、歪みが一方向に集中して発生して歪み方向角度が小さい方が後工程における修正作業が容易となり、大量生産に適しているからである。
【００２４】
なお、前記プラスチッククエンチ濃度は、屈折計によって測定した。
【００２５】
図２から諒解されるように、プラスチッククエンチ濃度（容積比）が０％のとき最大歪み量が１００μで歪み方向角度が１８０度となり、プラスチッククエンチ濃度（容積比）が１５％のとき最大歪み量が８０μで歪み方向角度が１２０度となり、プラスチッククエンチ濃度（容積比）が２０％のとき最大歪み量が５０μで歪み方向角度が６０度となり、プラスチッククエンチ濃度（容積比）が２５％のとき最大歪み量が３０μで歪み方向角度が３０度となることがわかった。
【００２６】
プラスチッククエンチ濃度が０％の場合、最大歪み量が１００μとなって歪み量が最大となり、判定結果は不良であると判断した（×印参照）。また、プラスチッククエンチ濃度が１５％の場合、最大歪み量が８０μとなり、０％の場合と比較して最大歪み量がやや減少しているが、歪み方向角度が１２０度で広角度で分散しているため、判定結果はやや不良であると判断した（△印参照）。
【００２７】
これに対して、プラスチッククエンチ濃度が２０％および２５％の場合、最大歪み量がそれぞれ５０μおよび３０μで歪み量が小さいとともに、歪み方向角度も６０度および３０度と大きく分散することがなく方向性が限定されているので、判定結果は、良好であると判断した（○印参照）。
【００２８】
このような実験結果からプラスチッククエンチ濃度範囲を、２０％〜２５％の範囲に設定するとよいことがわかった。
【００２９】
次に、プラスチッククエンチ濃度範囲を、２０％〜２５％に設定するために、テストデータに基づいて冷却曲線の最適冷却角度範囲と最適冷却速度範囲とをシミュレーションした結果を図３に示す。
【００３０】
図３に示される特性曲線において、実線はプラスチッククエンチ濃度（容積比）が１４％の場合、一点鎖線はプラスチッククエンチ濃度（容積比）が２０％の場合、破線はプラスチッククエンチ濃度（容積比）が２５％の場合をそれぞれ示している。
【００３１】
先ず、特性曲線における冷却角度は、テストデータから変換してグラフ表示化した図３から諒解されるように、最大冷却角度が４５°未満では、γ′Ｆｅ４Ｎが析出されて疲労強度の低下を招来し、一方、最大冷却角度が６５°を超えると軸歪みが１００μを超えて歪み取りが不可能な状態となる。
【００３２】
従って、最適冷却角度範囲を４５°〜６５°の範囲に設定するとよいことがわかった。
【００３３】
次に、冷却速度（Ｒ）は、テストデータに基づいてグラフ表示化した図４から諒解されるように、沸騰段階から対流段階に至る冷却曲線の曲率「Ｒ」は、重要な品質要素となっており、前記冷却曲線の曲率を５５Ｒ未満に設定した場合、窒化に関しては圧縮応力・内部組織と共に良好となるが極端な軸歪みが発生して歪み取りが不可能となる。一方、前記冷却曲線の曲率が１２０Ｒを超えると、冷却作用が緩慢となり、γ′Ｆｅ４Ｎが析出されて疲労強度の低下を招く。
【００３４】
なお、冷却過程は、一般的に、冷却→蒸気膜段階→沸騰段階→対流段階の４つの段階からなり、前記沸騰段階および対流段階は、冷却過程の第ＩＩＩ段階および第ＩＶ段階をそれぞれ示す。
【００３５】
従って、冷却速度（Ｒ）を、冷却曲線の曲率を５５Ｒ〜１２０Ｒの範囲（図４の斜線部分）に設定するとよく、鋼材の種類およびプラスチッククエンチ濃度の誤差等を勘案して最適冷却速度範囲を、６５Ｒ〜８５Ｒ、すなわち、６５℃／ｓｅｃ〜８５℃／ｓｅｃの範囲に設定するとよいことがわかった。なお、より一層好適には、図３から諒解されるように、最適冷却速度範囲を、６５Ｒ〜７３Ｒ、すなわち、６５℃／ｓｅｃ〜７３℃／ｓｅｃの範囲に設定するとよい。
【００３６】
公知の冷却能力の指針である冷却速度は、プラスチッククエンチ濃度と密接に関係するために前記プラスチッククエンチ濃度管理の指針として重要である。
【００３７】
そこで、
▲１▼  プラスチッククエンチ濃度および適正供給量、
▲２▼  歪みレベル（歪み量）、
▲３▼  冷却速度、冷却角度、最大冷却速度および針状組織析出の有無、
等の▲１▼〜▲３▼の３つの情報をパーソナルコンピュータのプログラムに入力し演算して総合的な判断を下す。
【００３８】
次に、クエンチテストを用いた冷却曲線の管理について説明する。
【００３９】
このクエンチテストとは、予めワーク（鍛造用素材）と同じ温度に加熱したセンサを冷却槽に浸漬して、前記センサ出力をアウトプットすることにより、冷却液の冷却曲線を作図して冷却能力を評価するものである。ここで、クエンチテストのフローチャートを図５に示す。
【００４０】
先ず、ステップＳ１において図示しないクエンチテスト装置をオン状態とした後、１）最大冷却速度（℃／ｓｅｃ）、２）冷却角度、３）冷却速度（Ｒ）等の各閾値を設定して入力する（ステップＳ２）。
【００４１】
次に、センサをワークである鍛造用素材と同一温度まで図示しない加熱炉を用いて加熱した後（ステップＳ３）、前記センサを冷却液が貯留された冷却槽に浸漬する（ステップＳ４）。続いて、前記設定された各項目の閾値を比較演算し（ステップＳ５）、アウトプットされたセンサ出力である冷却曲線がステップＳ５で設定された閾値内にあるか否かを判定することにより、鍛造用素材の冷却性を評価する（ステップＳ６）。
【００４２】
このようなクエンチテストを用いることにより、急冷液（冷却液）の冷却能力に対する評価を日常管理することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００４４】
シミュレーションされた冷却液の冷却角度と冷却曲線とに基づいて最適濃度範囲、最適冷却角度範囲および最適冷却速度範囲を設定し、前記設定範囲内に合致するように冷却液を管理することにより、最適な冷却能力および品質を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却角度と冷却曲線による冷却性評価方法を実施するために行った実験の処理条件を示す特性図である。
【図２】前記実験の結果であって、プラスチッククエンチ濃度と最大歪み量と歪み方向角度の関係を示す説明図である。
【図３】冷却速度と時間との関係からなる冷却曲線を示す説明図である。
【図４】冷却速度に関する冷却曲線の曲率を示す説明図である。
【図５】クエンチテストの手順を示すフローチャートである。
【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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