(57)【要約】【課題】多大な費用や時間を費やすことなく最適な球状化焼鈍条件を決定する方法を提供する。【解決手段】熱物性値データベース２８、セメンタイト形態データベース、および材質データベース３１が予め与えられ、且つ、工程設計ステップＳ２において複数の球状化焼鈍条件等が順次に設定されると、履歴予測値算出工程に対応する温度履歴算出ステップ６６において、コイル材に与えられる温度履歴予測値がコイル材モデルの節点毎に算出されると共に、個数予測値算出工程に対応するセメンタイト形態予測ステップ６８において、その節点毎に球状セメンタイトの個数予測値等が算出され、更に、焼鈍条件決定工程に対応するステップＳ６において、その個数予測値の差が最も小さくなるものが最適焼鈍条件として決定される。【選択図】                    図６
2005187854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間加工が施された過共析鋼から成る素材の最適な球状化焼鈍条件を決定する方法であって、
複数の焼鈍条件を順次に設定する条件設定工程と、
前記素材をモデル化した予め記憶された解析モデル内を有限の要素に分割し、予め記憶された前記過共析鋼の熱物性値データと順次に設定される前記焼鈍条件とに基づいて、その要素上の節点毎にその素材に与えられる温度履歴予測値をその焼鈍条件毎に順次に算出する履歴予測値算出工程と、
前記過共析鋼の受ける温度履歴に対応する球状セメンタイト個数の予め記憶された相関データと順次に算出された前記温度履歴予測値とに基づいて順次に設定された前記焼鈍条件の各々における球状セメンタイトの個数予測値を前記節点毎に算出する個数予測値算出工程と、
前記複数の焼鈍条件のうち算出された前記節点毎の個数予測値の最大値と最小値との差が最も小さいものを最適な焼鈍条件として決定する焼鈍条件決定工程と
を、含むことを特徴とする球状化焼鈍条件決定方法。
【請求項２】
前記過共析鋼の材料特性値と球状セメンタイト個数との関係を表す予め記憶された材料特性値データと順次に算出された前記節点毎の個数予測値とに基づいて球状化焼鈍後の材質を予測する材質予測工程を含むものである請求項１の球状化焼鈍条件決定方法。
【請求項３】
前記履歴予測値算出工程は、前記解析モデルのうち温度上昇が最も速い最速部および温度上昇が最も遅い最遅部の温度履歴予測値をそれぞれ算出するものである請求項１の球状化焼鈍条件決定方法。
【請求項４】
前記焼鈍条件は、複数の加熱領域が連なる連続炉における前記素材の送り速度と、それら複数の加熱領域の各々の設定温度とを含むものである請求項１の球状化焼鈍条件決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過共析鋼の球状化焼鈍条件を決定する方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
過共析鋼から成る金属部品を製造するに際しては、例えばビレット等に熱間圧延加工を施して適当な寸法および形状の素材に変形させ、これに球状化焼鈍処理を施して硬度を低下させた後、冷間加工、温間加工や、切削加工等が施される。なお、過共析鋼とは、Cが0.6(％)以上である炭素鋼や、Cr,Mo,Ni,Mn等の元素を適宜含有する合金鋼である。上記の熱間圧延加工が施された素材は、初析セメンタイトとパーライト(すなわちフェライトおよびセメンタイトの共析晶)とが混合した層状の組織になることから、例えばHv300以上の高硬度を有するため、そのままでは冷間加工や切削加工を施すことが困難である。また、これに加工を施した場合には材料割れが生じると共に工具寿命も低下させる。そのため、冷間加工に先立って球状化焼鈍処理を施すことにより、炭化物すなわちセメンタイトを球状化して素材の硬度を例えばHv160〜210程度まで低下させるのである。この焼鈍処理は、例えば、還元性等の適宜の雰囲気下や真空中において、過共析鋼の変態温度(例えば730(℃)程度)より高い800(℃)程度の高温で24時間程度の長時間に亘って加熱することにより行われる。
【０００３】
ところで、焼鈍後の素材(鋼材)の機械的性質はその組織に密接に関連するので、可及的に組織が一様化されることが望まれる。すなわち、例えば、球状セメンタイトが素材の各部位に一様な分布で存在し、その個数が可及的に少ないことが望まれる。このとき、素材組織は焼鈍処理時の温度履歴によって異なるものとなるので、この処理条件を最適化することが過共析鋼の高品位化のために重要である。また、焼鈍処理時間が長くなるほど球状セメンタイト数が少なくなって高品質が得られる反面で製造コストが増大することから、処理条件の最適化は、品質を高めつつ焼鈍処理時間を短縮し延いては製造コストを低下させるためにも重要である。このような要請の下、従来、焼鈍処理条件を決定するに際しては、種々の条件で焼鈍処理試験を行い、その中から最善の結果が得られたものを選定することが行われていた。なお、例えば焼きならし処理を施すに際して、その処理条件から焼きならし後の鋼材の材質を予測することが提案されている(例えば特許文献１参照)。
【特許文献１】特開平５−７２２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような焼鈍処理条件決定方法では、多数の素材を用意して多数回の試験を行うことが必要となるので、多大な材料費や試験時間が必要である。しかも、試験条件が専ら担当者の経験に基づいて定められるため、その中から選定される処理条件は最適条件では無い可能性もあった。極めて多数の試験を繰り返せば最適条件に近づくことが可能と考えられるが、例えば短期間で決定することが望まれる状況下では十分に球状化が進むような長めの熱処理時間を設定して試験せざるを得ないのである。この結果、高温下且つ還元性等の所定の雰囲気下で行われる処理が長時間化して製造コストを増大させていた。また、焼鈍処理は例えば2(ton)程度の質量のビレットから例えば2(km)もの長さに熱間圧延されたコイル材に施されるため、その高さに起因して焼鈍炉内における上部と下部とでは温度上昇速度が相違する。そのため、素材の部位間で温度履歴の差が生じ延いては球状化の度合いに差が生じるので、硬度等の機械的特性が不均一になる問題もあった。
【０００５】
更に、温度履歴は過共析鋼の熱物性値や素材の寸法、形状等の影響を受けるので、上記のようにして選定された焼鈍条件は、試験した素材とは種類、寸法、形状等が異なる別の素材には適用できないので、素材毎に処理条件を決定しなければならない不都合もあった。例えば、コイル材はφ5.5(mm)〜φ25(mm)程度の広範囲に亘る種々の直径のものが用いられるので、小径のものと大径のものとでは温度履歴が著しく相違し延いては適切な焼鈍条件が相違するのである。また、コイル材とは異なる形状、例えば、棒材(例えばφ10(mm)〜φ40(mm)程度)、ブロック状等の形状においても、同様な理由で焼鈍条件が相違することになる。
【０００６】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、多大な費用や時間を費やすことなく最適な球状化焼鈍条件を決定する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、熱間加工が施された過共析鋼から成る素材の最適な球状化焼鈍条件を決定する方法であって、(ａ)複数の焼鈍条件を順次に設定する条件設定工程と、(ｂ)前記素材をモデル化した予め記憶された解析モデル内を有限の要素に分割し、予め記憶された前記過共析鋼の熱物性値データと順次に設定される前記焼鈍条件とに基づいて、その要素上の節点毎にその素材に与えられる温度履歴予測値をその焼鈍条件毎に順次に算出する履歴予測値算出工程と、(ｃ)前記過共析鋼の受ける温度履歴に対応する球状セメンタイト個数の予め記憶された相関データと順次に算出された前記温度履歴予測値とに基づいて順次に設定された前記焼鈍条件の各々における球状セメンタイトの個数予測値を前記節点毎に算出する個数予測値算出工程と、(ｄ)前記複数の焼鈍条件のうち算出された前記節点毎の個数予測値の最大値と最小値との差が最も小さいものを最適な焼鈍条件として決定する焼鈍条件決定工程とを、含むことにある。
【発明の効果】
【０００８】
このようにすれば、過共析鋼の熱物性値データと球状セメンタイトの個数予測値データとが予め与えられ、且つ、条件設定工程において複数の相互に異なる焼鈍条件が順次に設定されると、履歴予測値算出工程において、素材に与えられる温度履歴予測値が有限要素法によって解析モデルの要素の節点毎に算出されると共に、個数予測値算出工程において、その節点毎に球状セメンタイトの個数予測値が算出され、更に、焼鈍条件決定工程において、その個数予測値の差が最も小さくなるものが最適焼鈍条件として決定される。すなわち、素材の特性の一様性に著しく影響する球状セメンタイト個数のばらつきが少なくなるように焼鈍条件が決定される。このとき、球状セメンタイトの個数予測値は過共析鋼の熱物性値等に基づいて、素材の寸法や形状毎に実験を必要とすることなく算出されることから、時間や費用の制約を殆ど受けることなく多数の焼鈍条件についてシミュレーションによって素材内の球状セメンタイト個数を予測することが可能である。したがって、多大な費用や時間を費やすことなく最適な球状化焼鈍条件を決定することができる。
【０００９】
因みに、球状化焼鈍処理を施した素材の球状セメンタイト個数は、前述したようにその素材が受けた温度履歴に依存するから、温度履歴が一様になるような焼鈍条件を設定できれば、組織の一様性を確保できる。しかしながら、温度履歴を一様にすることは著しく困難であり、例えば、前述したように比較的高さのあるコイル材等の素材ではその上下の昇温速度差が比較的大きくなるので、一様にすることはできない。しかしながら、譬え温度履歴を一様にできなくとも、球状セメンタイトの分布が焼鈍処理後に略一様になっていれば、機械的特性の一様性に優れた過共析鋼素材を得ることが可能である。そして、球状セメンタイト個数は、必ずしも高温に長時間曝された部分で最も少なくなるものでは無く、最高保持温度と昇降温速度(すなわち連続炉における各ゾーンの設定温度と送り速度)との微妙な関係で、素材のうち温度が最も速く上昇する部分(以下、最速部という)で多くなる場合と、温度が最も遅く上昇する部分(以下、最遅部という)で最も多くなる場合とがあることが経験的に知られている。
【００１０】
したがって、本発明は、温度履歴と球状セメンタイト個数の相互関連を明らかにすることが焼鈍条件を定める上で重要であることに鑑み、焼鈍条件毎に如何なる温度履歴が素材に与えられるかを解析すると共に、その温度履歴に対応する実際の球状セメンタイト個数を種々の焼鈍条件で試験することで個数予測値データを構築して完成されたものである。要するに、従来では、処理条件を設定する指標となる体系的なデータが何ら存在しないために、試験担当者の経験に頼って処理条件を設定すると共に実際に試験を実施した中から最も良いものを選択する以外になかったのに対し、本発明によれば試験のための時間や費用が削減できるだけでなく、必要以上に長時間の焼鈍処理条件を設定する必要も無くなる。
【００１１】
ここで、好適には、前記焼鈍条件決定工程は、前記球状セメンタイト個数の最大値と最小値との差が所定値よりも小さい焼鈍条件の中からその最大値が最も小さいものを最適な焼鈍条件として決定するものである。このようにすれば、球状セメンタイト個数のばらつきを小さく留めつつ一層少なくして、低硬度で機械的特性の一様性に優れた素材を得ることができる。
【００１２】
また、好適には、前記球状化焼鈍条件決定方法は、予め記憶された前記過共析鋼の受ける温度履歴に対応する球状セメンタイト寸法の相関データと順次に算出された前記温度履歴予測値とに基づいて順次に設定された前記焼鈍条件の各々における球状セメンタイトの寸法予測値を前記節点毎に算出する寸法予測値算出工程を更に含み、前記焼鈍条件決定工程は、前記複数の焼鈍条件のうち算出された前記節点毎の個数予測値の最大値と最小値との差が最も小さく且つその節点毎の寸法予測値の最大値と最小値との差が最も小さいものを最適な焼鈍条件として決定するものである。このようにすれば、セメンタイト個数に加えてそのサイズも焼鈍条件の決定に用いられるので、解析により得られる焼鈍条件の信頼性が一層高められる。
【００１３】
また、好適には、前記球状化焼鈍条件決定方法は、前記過共析鋼の材料特性値と球状セメンタイト個数との関係を表す予め記憶された材料特性値データと順次に算出された前記節点毎の個数予測値とに基づいて球状化焼鈍後の材質を予測する材質予測工程を含むものである。このようにすれば、球状化焼鈍後の特性は球状セメンタイト個数に対応して変化するものであることから、予めそれらの関係を表したデータを用意しておくことにより、その関係データと個数予測値とに基づいて球状化焼鈍後の材料特性(すなわち材質)を予測することができる。すなわち、球状化焼鈍条件を決定するに際して、材料特性を予測してこれを考慮することも可能となる。
【００１４】
また、好適には、前記履歴予測値算出工程は、前記解析モデルのうち温度上昇が最も速い最速部および温度上昇が最も遅い最遅部の温度履歴予測値をそれぞれ算出するものである。このようにすれば、温度上昇速度が著しく相違することから温度履歴が著しく異なる２つの部位が素材から代表して選択され、それらについて解析が行われることから、素材全体について解析する場合に比較して、取り扱うデータ量が著しく少なくなるため、一層短時間且つ低コストで適切な焼鈍条件を設定できる利点がある。すなわち、最速部および最遅部は素材形状や炉内構造に基づいて定まるものであって経験的にも明らかであることから、代表点として容易に抽出することができると共に、他の部分の温度上昇速度延いては球状セメンタイト個数は常にこれらの中間の値になるので、最適な焼鈍条件を定めるに当たって何ら考慮する必要はないのである。
【００１５】
また、好適には、前記焼鈍条件は、複数の加熱領域が連なる連続炉における前記素材の送り速度と、それら複数の加熱領域の各々の設定温度とを含むものである。すなわち、過共析鋼素材の球状化焼鈍は、一般に素材を一方向に沿って搬送しつつ加熱する連続炉を用いて行われるが、このような連続炉において与えられる温度履歴は、各加熱領域の設定温度と素材の送り速度とによって定められるので、少なくともこれらを設定すれば良いのである。
【００１６】
なお、本発明においては、前記の全ての工程を電子計算機を用いて自動で処理することもできるが、すなわち、焼鈍処理条件を定めたい素材の種類や寸法、形状を設定すれば、最適な焼鈍処理条件が出力されるように構成してもよいが、例えば、前記条件設定工程および前記焼鈍条件決定工程等は電子計算機の操作者が行うものであってもよい。すなわち、複数の焼鈍条件は、操作者が適宜の内容で一回の解析毎に順次に設定してもよく、条件決定は、順次に行われる解析結果を操作者が相互に比較して、個数予測値の最大値と最小値との差が最も小さいものをそこから抽出するものであってもよい。
【００１７】
また、前記焼鈍条件決定工程は、算出結果から最適と考えられる一つの条件を決定するものであっても良いが、複数の候補を決定するものであっても良い。後者の場合には、それら複数の候補の焼鈍条件で実際に素材に焼鈍処理を施し、その素材の分析結果をも考慮して焼鈍条件を決定することができる。このようにすれば、シミュレーションによって決定した焼鈍条件の計算上の誤差を実際の焼鈍処理結果を用いて補正できるので、最適な焼鈍条件を一層確実に決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００１９】
図１は、本発明の一例が実行される装置例である球状化焼鈍条件決定装置１０の構成を概略示す図である。この球状化焼鈍条件決定装置１０は、ＣＰＵ(演算制御装置)１２，ＲＡＭ(一時記憶装置)１４、ＲＯＭ(読出専用記憶装置)１６、モニタ装置(画像表示装置)１８、焼鈍条件値などが入力されるキーボード(キー入力装置)２０、たとえば外部に接続された大容量記憶装置２２などが、互いにデータバスライン２４を介して相互に接続されている所謂ストアードプログラム式のコンピュータ(電子制御装置)であり、ＣＰＵ１２は、ＲＡＭ１４の一時記憶機能を利用しつつ、予めＲＯＭ１６などに記憶されたプログラムに従って演算処理を実行し、予測した球状セメンタイト個数や最適として決定した焼鈍条件等をモニタ装置１８上に表示させたり、或いは他のコンピュータへ出力させる。
【００２０】
上記大容量記憶装置２２には、球状化焼鈍工程の焼鈍条件を決定するための解析ソフトウェア２６、熱物性値データベース２８、セメンタイト形態データベース３０、材質データベース３１、コイル材モデル３２等がそれぞれ予め記憶されている。上記球状化焼鈍工程は、例えばボルト、ピン、ワッシャ等の過共析鋼製品(製品の図示省略)の製造工程において、図２に示す素材の熱処理の一段階を構成するものである。図２において、過共析鋼製品(部品)はビレット３４に熱間圧延を施してコイル材３６を得る工程と、そのコイル材３６をトレイ３８に載せて焼鈍炉を通すことにより球状化焼鈍を施す工程と、焼鈍処理を施したコイル材３６に冷間鍛造を施す工程と、更にこれに切削加工を施す工程等により製造される。なお、図において熱間圧延工程および冷間鍛造工程に示される鋸歯状の線は、その時点で何らかの加工が施されることを表したものである。
【００２１】
上記のビレット３４は、例えば155×155(mm)程度の大きさの略一様な矩形断面を備えた2(ton)程度の質量のブロックであり、例えばＳＵＪ２鋼(Fe-1C-0.2Si-0.3Mn-1.5Cr)等の過共析鋼から成るものである。上記の熱間圧延工程においては、このビレット３４が熱間圧延されることにより例えば直径が5.5(mm)程度のコイル材３６に変形させられる。このように変形させられて製造されたコイル材３６は、例えば図３(ａ)に模式的に示すような層状のパーライト４０とその結晶粒の粒界に沿って析出させられた初析セメンタイト４２との混合組織を有している。このような混合組織を有するコイル材３６は極めて高硬度であってそのまま冷間加工を施すことが困難であるが、上記の球状化焼鈍工程によってこの混合組織を構成する炭化物すなわちセメンタイトが球状化されると、Hv380以上であった硬度が例えばHv160〜210程度まで低下して加工が容易になる。焼鈍炉４６は、例えば図４の上段に示すようにコイル材３６の送り方向に連なる複数ゾーンで構成された連続炉であり、例えば図における左端から連なるその１〜８ゾーンの各々毎に独立して温度を設定できるようになっている。焼鈍炉４６には右端に示す８ゾーンに続いて例えば３〜５ゾーン分の冷却帯(図示略)が備えられており、そこで緩速冷却される。この冷却帯を出たコイル材３６は、相変態が完了して球状化組織となっている。図３(ｂ)は、焼鈍後の球状セメンタイト４４の生成状態を模式的に示したものであり、処理前の初析セメンタイト４０の結晶粒界に対応する位置を破線で表した。
【００２２】
図１に戻って、前記解析ソフトウェア２６は、理論式に基づく計算プログラムであって、焼鈍処理を施すコイル材３６をモデル化したコイル材モデル３２を有限の要素に分割し、入力された条件に対して伝熱解析を行い、要素上の節点毎に温度の履歴を計算してコイル材３６に与えられる温度履歴を算出し、焼鈍処理後のコイル材３６の状態(例えば球状セメンタイト４４のサイズ、個数、材料の引張り強さ、硬さ、伸び、絞り等)をその節点毎に代表させて算出する。すなわち、算出されたコイル材３６の温度履歴とセメンタイト形態データベース３０とを用いることにより、球状セメンタイト４４の形態を解析する。また、算出された球状セメンタイト４４の形態と材質データベース３１とを用いることにより、材料特性値である硬さや引張り強さ、伸び、絞りを解析する。このような解析ソフトウェア２６は、市販の汎用品が用いられてもよく、本目的のために独自に作成された専用品が用いられてもよい。
【００２３】
また、上記熱物性値データベース２８は、例えばコイル材３６の熱物性値データが過共析鋼の材質毎に整理されて保存されたものである。上記熱物性値データは、焼鈍炉４６に投入したときのコイル材３６の温度を算出し、延いてはそのコイル材３６の受ける温度履歴を算出するために登録されているものであって、例えば比熱や熱伝導率などにより構成されている。
【００２４】
また、上記セメンタイト形態データベース３０は、コイル材３６を構成する過共析鋼に球状化焼鈍を施したときの温度履歴に対する鋼材のセメンタイト形態の変化、例えば球状セメンタイト４４のサイズや個数が、鋼材の種類毎に整理して保存されたものである。すなわちセメンタイト形態が温度履歴の関数として記憶されている。温度履歴とセメンタイト形態との関係は理論的或いは実験的に求められたものである。
【００２５】
また、上記材質データベース３１は、上記のような球状セメンタイト４４の形態と、引張り強さ、伸び、絞り等の機械的性質との相関を理論的或いは実験的に求めたものである。すなわち、材質がセメンタイト形態の関数として記憶されている。なお、上記のデータベース２８，３０，３１は、例えば、ビレット３４やコイル材３６の製造時における製造条件変動の影響に対応するデータを含むものであっても良い。鋼材組織の製造条件変動が大きい鋼材の球状化焼鈍条件を決定する場合には、それに対応するデータを用いることにより、予測した最適焼鈍条件の信頼性が一層高められる。
【００２６】
図５は、球状化焼鈍条件決定装置１０における処理内容の要部、例えば焼鈍条件を決定するためのセメンタイト形態・材質予測処理５２の手順を説明する図である。予め熱物性値が登録されている前記熱物性値データベース２８のデータと、別途入力されたコイル材３６の種類や焼鈍条件等とを用いて、前記解析ソフトウェア２６で伝熱解析を実行することにより、コイル材３６の温度履歴が節点毎に算出される。すなわち、例えばコイル材３６の受ける温度履歴がその最速部４８および最遅部５０(図２参照)について算出される。ここで、焼鈍条件は例えば焼鈍炉４６の各ゾーン１〜８の設定温度とコイル材３６の送り速度などである。また、最速部４８は、コイル材３６のうち最も速く温度が上昇させられる例えば最上部であり、最遅部５０は、最も遅く温度が上昇させられる例えば最下部であり、それらの位置は炉内温度分布解析や実験データなどに基づいて決定されている。温度履歴は、例えば焼鈍炉４６にコイル材３６を挿入してから送り出されるまでの時間を適当な間隔で分割し、各時間毎に最速部４８および最遅部５０の温度をそれぞれ算出することにより求められる。また、上記解析ソフトウェア２６の解析処理は、例えば、予め入力されたコイル材３６の形状データや鋼材種類データ等に基づいて前記コイル材モデル３２を作成し、そのコイル材モデル３２に対して有限要素解析を行うものである。
【００２７】
上記のようにしてコイル材３６の温度履歴が算出され、必要に応じてこれがモニタ装置１８等に出力された後、セメンタイト形態データベース３０とその温度履歴とに基づいて、コイル材３６の温度履歴に応じたセメンタイト形態が求められる。すなわち、セメンタイト形態データベース３０からその温度履歴に対応するデータ、例えば球状セメンタイト個数やサイズ等が読み込まれ、モニタ装置１８等の出力装置に出力される。コイル材３６のセメンタイト形態が求められると、その後、必要に応じ、材質データベース３１とそのセメンタイト形態とに基づいて、コイル材３６の材質が求められる。すなわち、材質データベース３１からそのセメンタイト形態に対応するデータ、例えば焼鈍後の引張り強さや伸び等の機械的性質が読み込まれ、モニタ装置１８等に出力される。
【００２８】
図６は、過共析鋼から成る軸受鋼等の工業化に至る過程を表したものであって、上記セメンタイト形態・材質予測処理５２の役割を説明する図である。スペック設定ステップＳ１において軸受鋼等のスペック、例えば組織内の球状セメンタイト４４のサイズや、引張り強さおよび硬さ等の機械的特性等が設定されると、工程設計ステップＳ２において鋼材の製造から最終工程に至る焼鈍条件を含む工程設計が為され、次いで、セメンタイト形態・材質予測処理５２が行われる。この予測処理５２では、ＦＥ解析ステップＳ３において、上記設定されたスペックおよび工程と、予測システム(すなわち熱物性値データベース２８、セメンタイト形態データベース３０、材質データベース３１)とに基づいてＦＥ解析が行われる。
【００２９】
上記のステップＳ３には、焼鈍条件設定ステップ、コイル材データ設定ステップ、コイル材モデル作成ステップ等が含まれる。焼鈍条件設定ステップ(焼鈍条件設定工程)では、例えば図４に示されるゾーン１〜８およびそれに続く各ゾーンの設定温度とコイル材３６の送り速度等とが設定される。なお、図４の下段の図において、階段状の実線５４が各々の上方に示される各ゾーン１〜８の設定温度を表している。すなわち、本実施例における焼鈍処理の温度プロファイルは、加熱、保持、冷却の各々のステップが設けられたものとなっている。この設定は、例えば、操作者が適宜に決定してキーボード２０等で入力することで行われるが、解析ソフトウェア２６や大容量記憶装置２２等に予め記憶されていた条件のうちから、設定されたスペックなどに応じて適宜に選択された条件、または一回目のものとして予め定められている特定の条件が自動的に設定されても良い。また、コイル材データ設定ステップ(コイル材データ設定工程)では、焼鈍条件を決定しようとするコイル材３６の材質、寸法、形状等のデータが、例えばキーボード２０等によって入力され、例えば大容量記憶装置２２に登録される。また、コイル材モデル作成ステップ(コイル材モデル作成工程)では、設定されたコイル材データに基づいてＦＥ解析をするためのコイル材モデルが解析ソフト２６によって作成される。作成されたモデルは、例えば大容量記憶装置２２内に格納される。
【００３０】
また、上記のステップＳ３には、例えば、前記の図５に示されるような伝熱解析ステップ(伝熱解析工程)６４，温度履歴算出ステップ(履歴予測値算出工程)６６、セメンタイト形態予測ステップ(セメンタイト形態予測工程)６８、材質予測ステップ(材質予測工程)７０等も含まれる。温度履歴算出ステップ６６では、熱物性値データベース２８と、上記のようにして設定された各データとに基づき、コイル材３６に与えられる温度履歴(すなわち適当な時間毎の温度変化)が例えば最速部４８および最遅部５０について算出される。前記の図４において、破線５６がコイル材３６の最速部４８の温度変化(温度履歴)を表しており、実線５８が最遅部５０の温度変化(温度履歴)を表している。図に示されるように、コイル材３６が各ゾーンから送り出される際には、最速部４８はそのゾーンの設定温度に略一致させられているが、最遅部５０の温度上昇速度には相当の遅れが認められる。
【００３１】
また、セメンタイト形態予測ステップ６８では、セメンタイト形態データベース３０と、上記のように算出された温度履歴５６，５８とから、上記の最速部４８および最遅部５０の焼鈍処理過程の上記適当な時間毎におけるセメンタイト形態の変化が算出される。ここで算出されるセメンタイト形態の変化は、例えば、球状セメンタイト個数やサイズの予測値等である。すなわち、このステップ６８は、球状セメンタイト個数予測ステップ(すなわち個数予測値算出工程)に対応する。また、材質予測ステップ７０では、このように順次に算出されるセメンタイト形態のうち例えば降温過程に入った直後の７ゾーン出口における形態の予測値と、材質データベース３１とから球状化焼鈍処理後のコイル材３６の材質が予測される。
【００３２】
次いで、セメンタイト形態・材質出力ステップＳ４においては、焼鈍処理後のセメンタイト形態すなわち球状セメンタイト４４のサイズや個数が出力される。また、同時に、必要に応じて、そのセメンタイト形態に対応する材質すなわち引張り強さや硬さ等の機械的性質が出力される。
【００３３】
次いで、適否判断ステップＳ５では、出力されたセメンタイト形態および材質が適当なものであるのか否かが判断され、不適当である場合(複数の項目について判断する場合には、例えば何れかが否定された場合)には、前記ステップＳ２において設定された条件のうち未だ評価されていない他の条件について同様な解析が実行され、或いは、そのような条件が存在しなければステップＳ２に戻って工程が再設計される。すなわち、例えば焼鈍条件のうち設定温度と送り速度の一方或いは双方が変更され、ステップＳ３以下のＦＥ解析が再び実行される。なお、前記の図５は、このような繰り返しにおける一回の処理の流れを示したものである。また、ステップＳ４においてセメンタイト形態のみ、或いはセメンタイト個数のみが出力される場合には、ステップＳ５でその出力結果だけが適否判断の対象になる。
【００３４】
上記適否の判断は、先ず、最速部４８および最遅部５０の材質が共に要求スペックを満たすか否かについて為される。次に、それら最速部４８および最遅部５０の相互の材質の差が可能な限り小さくなる工程がより望ましいと判断する。最終的にはコストを考慮して最適な工程が決定される。
【００３５】
一方、上記ステップＳ５の判断が肯定され、或いは上記のような繰り返しの結果ステップＳ５の判断が肯定されると、焼鈍条件決定ステップＳ６において、現在設定されている焼鈍条件が最適なものとして仮に決定される。次いで、試作ステップＳ７において、試作すなわち実際の材料を工程に投入して、決定した条件で処理を施す試作がなされ、確性試験ステップＳ８において試作品が所期のスペックを満たすものであるか否かを確認するための試験が行われる。そして、判定ステップＳ９においてその試験結果が適当であるか否か、すなわち予測した通りの結果(組織や特性)が得られたか否かが判断され、不適当であれば再びステップＳ２に戻って工程設計からやり直すことになるが、適当であれば試験条件が最適焼鈍条件として正式に決定される(すなわち確定する)ので、ステップＳ１０に進んで工業化に着手する。
【００３６】
なお、上記のステップＳ６では、最適解として得た唯一の焼鈍条件を試作用に決定してもよいが、一般には、数値解析による良否判断の誤差を見込んで、最適解とその周辺の数点が試作焼鈍条件として決定され、試作ステップＳ７に送られる。そのため、ステップＳ８では、これら選ばれた数点が同時に試験され、ステップＳ９では、それらの中に適当なものがあるか否かが判断され、適当なものがあれば、それが最適な焼鈍条件として決定される。
【００３７】
ところで、前記のステップＳ５における判断は、例えば、個数予測値については、理想的には個数予測値が十分に小さい値で相互に一致するか否かで判断される。しかしながら、コイル材３６の材質、形状等に起因して一致し難い場合や、一致させるような条件が焼鈍時間が長くなり或いは焼鈍処理温度が高くなる等の理由で工業的に適当な範囲で見出せないと考えられる場合などには、差が十分に小さいと認められる条件、または、工業的に実現可能な焼鈍条件のうちから最も差が小さくなる条件を最適な焼鈍条件として決定すればよい。ここで、個数予測値が「十分に小さい値」であるか否かは、例えばセメンタイトのサイズ、硬さ、機械的性質等がユーザスペックの範囲内にあるか否かに基づいて判断される。また、「十分に小さい」と認められる「差」すなわち前記所定値は、例えばコイル材の部位間の差がスペックの範囲内にあるか否かによって定められる。
【００３８】
また、上記のような焼鈍条件の修正は、例えば出力された個数予測値や経験等に基づいて操作担当者が手動で設定値を変更することで行われる。或いは、解析ソフトウェア２６に予め組み込まれたプログラムによって自動的にまたは操作者の操作を待って設定値が修正される。何れの場合にも、再度行われた解析結果と前回の解析結果との相対関係に基づき焼鈍条件が変更され、次回の解析が実行される。
【００３９】
なお、本実施例において焼鈍条件は前述したように各ゾーン１〜８の設定温度およびコイル材３６の送り速度の組合せで設定されるため、焼鈍条件の変更は、例えばこれらのうちの一方を変更することで行われる。この設定値の変更に際して、次回の設定値は、例えば前回の解析結果と今回の解析結果との相対関係等に基づいて定められる。但し、一回目の解析後には参照すべき前回の解析結果が存在しないので、二回目の焼鈍条件は例えば操作者の経験に基づいて適当な値が設定され、或いは、プログラムに予め二回目の解析条件として組み込まれている値等が自動的に設定される。
【００４０】
図７は、この設定値の変更方法を説明するための焼鈍条件(ヒートパターン)と球状セメンタイト個数予測値との関係の一例を示した図であり、破線６０が最速部４８の個数予測値を、実線６２が最遅部５０の個数予測値をそれぞれ表している。なお、横軸は各焼鈍条件における最高保持温度である。すなわち、焼鈍条件を代表する値として最高保持温度を用いている。この例では、解析を実行した範囲内に最速部個数予測値６０と最遅部個数予測値６２との交点が存在しており、焼鈍条件の変更は、この交点に近づくことを目標として行われる。例えば、１回目、２回目、３回目の解析条件をそれぞれ図示のＡ，Ｂ，Ｃとすれば、１回目の解析(条件Ａ)では最速部個数予測値６０が最遅部個数予測値６２よりも大きい結果が得られており、２回目の解析(条件Ｂ)では最速部個数予測値６０と最遅部個数予測６２との大小関係はそのままでそれらの差が小さくなっている。条件Ｂは条件Ａよりも最高保持温度を20(℃)だけ高くしたものであり、これらの解析結果に基づき、最高保持温度を更に高くすると最適な焼鈍条件に近づくことができると考えられる。しかしながら、更に最高保持温度が20(℃)だけ高く設定された３回目の解析(条件Ｃ)では、最速部個数予測値６０と最遅部個数予測６２との大小関係が逆転し、且つそれらの差も大きくなっているので、最高保持温度を20(℃)よりも細かい刻み、例えば5(℃)刻みで条件Ｂに向かって低下させて４回目以降の解析が実施される。このようにして、図に示される交点すなわち最速部個数予測値６０および最遅部個数予測値６２が一致する焼鈍条件が見出されると、これが最適な焼鈍条件として決定されるのである。
【００４１】
なお、上記の例では、２回目の解析で１回目よりも良い結果が得られているが、２回目の解析結果は任意に設定されるものであることから、必ずしも１回目より良い結果を得ることはできない。例えば、図示の例で１回目に条件Ｂで解析して２回目に最高保持温度を20(℃)だけ下げた条件Ａで解析した場合には、最速部個数予測値６０と最遅部個数予測６２との大小関係がそのままでそれらの差が増大する結果が得られる。そのため、このような場合には、焼鈍条件を変化させる方向が間違っているものと考えられるので、３回目の解析では２回目とは反対に条件Ｂよりも最高保持温度を高くする方向に焼鈍条件を変化させて、条件Ｃで解析を実行する。このように、条件を変更しつつ解析を実行して順次に得られる最速部個数予測値６０および最遅部個数予測値６２との相対関係に基づき、次回の解析条件を修正することにより(すなわち解析結果をフィードバックしつつ)、最適な焼鈍条件が見出される。なお、上記の例では最高保持温度を変化させる場合について説明しているが、最高保持温度に設定されるゾーン以外の他のゾーンの温度を変化させる場合や、コイル材３６の送り速度を変化させる場合についても同様に解析を重ねることで、焼鈍条件の種々の要素について最適化が為されることになる。
【００４２】
図８乃至図１３は、上記のような焼鈍条件決定における解析結果の出力の一例を示した図であり、図８〜図１０が焼鈍炉４６に挿入してからの経過時間に対するコイル材３６に与えられる温度履歴を、図１１〜図１３が球状セメンタイト個数の予測値をそれぞれ表したものである。なお、温度履歴は、最高保持温度を800(℃)の一定値に設定すると共に送り速度をそれぞれ16.9(分/トレイ)、22.5(分/トレイ)、28.5(分/トレイ)と変化させて解析したものである。この送り速度は、コイル材３６がそれぞれトレイ３８に載せられて焼鈍炉４６の入口から挿入されるので、その挿入時間間隔で速度を表したものである。また、個数予測値は、送り速度を15.9(分/トレイ)の一定値に設定すると共に設定温度を、前記の各ゾーン毎に１ゾーン：760(℃)、２ゾーン：800(℃)、３ゾーン：800(℃)、４ゾーン：800(℃)、５ゾーン：800(℃)、６ゾーン：800(℃)、７ゾーン：800(℃)、８ゾーン：760(℃)と変化させて解析したものである。したがって、図８〜図１０の３つの解析結果と、図１１〜図１３の３つの解析結果との間には特に対応関係は無い。また、図８〜図１０において、○は最速部４８の実測データ、●は最遅部５０の実測データであり、破線が最速部４８の予測温度履歴(すなわち算出値)、実線が最遅部５０の予測温度履歴である。図１０では予測温度履歴のみを示している。また、図１１〜図１３において、破線は最速部４８の球状セメンタイト個数の予測値を、実線は最遅部５０の球状セメンタイト個数の予測値をそれぞれ表しており、◎は変態温度(例えば760(℃)程度)を越えた770(℃)に到達した時点を表している。球状セメンタイト個数はこれが生成される変態温度以上の温度で数えることが可能となるため、◎はその時点を示したものである。
【００４３】
上記の図８、図９に示されるように、前記解析ソフトウェア２６や熱物性値データベース２８等を用いて得られた温度履歴解析結果は、実測データに良く一致している。すなわち、適切なモデリングおよび解析手法により温度履歴予測が行われていることがこの図から明らかであり、球状セメンタイト個数を予測するに際して、この温度履歴予測値を用いて支障のないことが判る。なお、この温度履歴を最速部４８と最遅部５０とで一致させる(すなわち図において破線と実線とを完全に重ねる)ことができるならば、球状セメンタイト個数の予測解析をすることなく、最速部４８と最遅部５０との組織の差を解消できるが、現実問題としてこれは不可能である。
【００４４】
また、球状セメンタイト個数の予測解析において、図１１の焼鈍条件では、炉挿入から１時間半程度経過すると最速部４８では球状セメンタイト４４の生成が始まり、その個数が速やかに減少する。そのため、最遅部５０で球状セメンタイト４４が生成される時点では最速部個数予測値６０が最遅部個数予測値６２よりも小さくなっているが、４時間半経過時点で逆転し、出口付近すなわち７ゾーン出口では最遅部個数予測値６２の方が小さくなっている。なお、セメンタイト個数は冷却帯に入る前の７ゾーンで決定され、８ゾーン以降の冷却過程では変化しないため、この解析では７ゾーン出口におけるセメンタイト個数を評価した。図１２の焼鈍条件では、４時間半程度経過した時点で最速部４８で球状セメンタイト４４の生成が始まり、次いで、５時間程度経過すると最遅部５０でも球状セメンタイト４４の生成が開始するが、これらは最速部個数予測値６０の方が終始小さいまま７ゾーンの出口に至る。これらに対して、図１３の焼鈍条件では、炉挿入から２時間程度経過すると最速部４８で球状セメンタイト４４の生成が始まり、４時間程度経過すると最遅部５０でも球状セメンタイト４４の生成が始まるが、最速部個数予測値６０および最遅部個数予測値６２は前者の方が小さい値に保たれながら時間経過に従って共に減少し、７ゾーン出口においてそれらの値が略一致させられている。これらの図では最速部個数予測値６０および最遅部個数予測値６２のみを示しているが、他の部分は昇温速度が中間の値になることから、球状セメンタイト個数もこれらの中間値になる。
【００４５】
したがって、これらの解析結果から、図１３の焼鈍条件を選択すれば、球状化焼鈍の終了時にコイル材３６の全体に亘って球状セメンタイト個数を一様にできるので、一様な組織延いては一様な機械的特性を備えたコイル材３６が得られることが判る。例えば、解析結果として図１１に示される球状セメンタイト個数の予測値が得られたとき、最速部個数予測値６０と最遅部個数予測値６２とが一致するように７ゾーン出口における最速部個数予測値６０が減少するように焼鈍条件を変更する。この変更の影響が過度に作用すると、図１２に示されるように最速部個数予測値６０の方が小さくなるので、図１１および図１２の中間の焼鈍条件で解析を繰り返す。上記の図１３の解析結果は例えばこのようにして得られる。なお、上記３つの何れにおいても最速部個数予測値６０を表した曲線が最遅部個数予測値６２を表した曲線よりも左方から始まっているのは、最速部４８の方が球状セメンタイト４４の生成する温度に速く到達するためである。
【００４６】
要するに、本実施例によれば、過共析鋼の熱物性値データベース２８と球状セメンタイト４４の温度履歴に対応する個数等のセメンタイト形態データベース３０とが予め与えられ、且つ、ステップＳ２において複数の球状化焼鈍条件が順次に設定されると、温度履歴算出ステップ６６において、コイル材３６に与えられる温度履歴予測値がコイル材モデル３２の節点毎に算出されると共に、個数予測値算出工程に対応するセメンタイト形態予測ステップ６８において、その節点毎に球状セメンタイト４４の個数予測値や寸法予測値が算出され、更に、焼鈍条件決定工程(ステップＳ６)において、その個数予測値等の差が最も小さくなるものが最適焼鈍条件として決定される。すなわち、素材の特性の一様性に著しく影響する球状セメンタイト個数等のばらつきが少なくなるように焼鈍条件が決定される。このとき、本実施例においては、球状セメンタイト４４の個数予測値等が過共析鋼の熱物性値等に基づいて、コイル材３６の寸法や形状毎に実験を必要とすることなく算出されることから、時間や費用の制約を殆ど受けることなく多数の焼鈍条件についてシミュレーションによってコイル材３６内の球状セメンタイト個数等を予測することが可能である。したがって、多大な費用や時間を費やすことなく最適な球状化焼鈍条件を決定することができる。
【００４７】
また、本実施例においては、コイル材３６のうち温度上昇が最も速い最速部４８および温度上昇が最も遅い最遅部５０の温度履歴予測値がそれぞれ算出され、それらに対する球状セメンタイト個数等が算出され且つ比較される。そのため、温度上昇速度が著しく相違することから温度履歴が著しく異なる２つの部位４８，５０がコイル材３６から代表して選択され、それらについて解析が行われることから、コイル材３６全体について解析する場合に比較して、取り扱うデータ量が著しく少なくなるため、一層短時間且つ低コストで適切な焼鈍条件を設定できる利点がある。
【００４８】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施できる。
【００４９】
例えば、実施例においては、本発明がＳＵＪ２鋼から成るコイル材３６の球状化焼鈍条件の決定に適用された場合について説明したが、本発明は、ＳＵＪ２鋼以外の種々の過共析鋼の球状化焼鈍条件の決定に適用され、球状化焼鈍処理を施される鋼材の形状もコイル材３６に限られず、棒鋼、板状やブロック状等の種々のものが対象となり得る。
【００５０】
また、実施例においては、連続式の焼鈍炉４６で球状化焼鈍処理が施され、その各ゾーンの設定温度やコイル材３６の送り速度を変更することで焼鈍処理条件を変更し、延いてはコイル材３６に与えられる温度履歴を変化させていたが、設定温度および送り速度の一方だけが変更されるように構成されていてもよい。また、球状化焼鈍に必要な温度プロファイルを実現できるものであれば、バッチ式の焼鈍炉が用いられても良い。
【００５１】
また、実施例においては、最速部４８および最遅部５０のみについて温度履歴を予測し、延いては球状セメンタイト４４の個数やサイズ、焼鈍後のコイル材３６の材質を予測して焼鈍処理条件を決定していたが、これらの他の多数の部位についても同様にＦＥ解析を行って球状セメンタイト４４の個数等を予測し、その全体のデータから焼鈍処理条件を決定するように構成してもよい。このようにすれば、焼鈍処理条件決定の信頼性が一層高められる。
【００５２】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一例が実行される装置例である球状化焼鈍条件決定装置の構成を概略示す図である。
【図２】図１の球状化焼鈍条件決定装置によって焼鈍条件が決定される過共析鋼の加工行程の概略を説明する図である。
【図３】(ａ)、(ｂ)は、それぞれ過共析鋼の焼鈍前後の組織を模式的に示す図である。
【図４】過共析鋼に球状化焼鈍を施すための連続式焼鈍炉のゾーン毎の温度設定と過共析鋼の実際の温度とを説明する図である。
【図５】図１の球状化焼鈍条件決定装置における最適焼鈍条件予測処理の要部であってセメンタイト形態および材質の予測処理方法を説明する図である。
【図６】過共析鋼から成る部品のスペック決定から製品化に至る各段階を説明する図である。
【図７】図５に示されるセメンタイト形態データベースのデータの一例であるヒートパターンと焼鈍後の球状セメンタイト個数との関係を説明する図である。
【図８】図５における最適焼鈍条件予測方法において算出された焼鈍炉に挿入後の経過時間と鋼材温度との関係の一例を示す図である。
【図９】焼鈍炉に挿入後の経過時間と鋼材温度との関係の他の一例を示す図である。
【図１０】焼鈍炉に挿入後の経過時間と鋼材温度との関係の更に他の一例を示す図である。
【図１１】図５における最適焼鈍条件予測方法において算出された焼鈍炉に挿入後の経過時間と鋼材中の球状セメンタイト個数との関係の一例を示す図である。
【図１２】図５における最適焼鈍条件予測方法において算出された焼鈍炉に挿入後の経過時間と鋼材中の球状セメンタイト個数との関係の他の一例を示す図である。
【図１３】図５における最適焼鈍条件予測方法において算出された焼鈍炉に挿入後の経過時間と鋼材中の球状セメンタイト個数との関係の更に他の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０：球状化焼鈍条件決定装置、２６：解析ソフトウェア、２８：熱物性値データベース、３０：セメンタイト形態データベース、３１：材質データベース、３２：コイル材モデル、３６：コイル材、６６：温度履歴算出工程、６４：セメンタイト形態算出工程、６６：材質予測工程、Ｓ６：焼鈍条件決定工程
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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