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あいち産業科学技術総合センター

研究報告2023

研 究 ノート

熱 処 理 CAE における 各 種 パ ラメー タの 検 証
永 縄 勇 人 *1 、 津 本 宏 樹 *1 、 廣 澤 考 司 *1 、 花 井 敦 浩 *1 、 藤 波 駿 一 朗 *1 、 戸 谷 晃 輔 *1

V erifica tion of V arious Para met ers in Hea t-Trea tm ent C AE
Hayato NAGANAWA *1 , Hiroki TSUMOTO *1 , Koji HIROSAWA *1 ,Atsuhiro HANAI *1 , Shunichiro FUJINAMI *1 and Kosuke TOTANI *1
Industrial Research Center * 1
熱 処 理 CAE の 各 種 パ ラ メ ー タ を 文 献 と 実 験 か ら 簡 易 的 に 同 定 す る 手 法 を 確 立 し た 。 パ ラ メ ー タ に つ いては文献値及び実験との比較で取得し、近似モデルも活用した。実験にはジョミニ試験と部分水冷試験を行い、サーモグラフィを用いて冷却速度を測定した。算出したパラメータを用いて解析することで、組織及び冷却挙動を予測できることを確認した。

1. はじめにに暴露している部位の冷却曲線を測定した。

近年、熱処理条件を予測するための熱処理 CAE が市販され始めたが、熱処理 CAE では温度変化(熱解析)やそれに伴う相変態(相変態解析)の少なくとも 2 つを連成解析する必要があり、多くのパラメータの設定が求められる。また、組織ごとに設定しつつ、温度依存性も考慮しなければならないことから、同定が非常に困難である。
本研究では、熱処理 CAE において重要な相変態解析と熱解析に注目し、実験と CAE の比較から必要なパラメータを検証することで、各パラメータを同定した。

図 1

ジョミニ試験の概要図

図 2部 分 水 冷 試 験 (自然 対 流 )の 概 要 図

2 . 4 CAE 解 析
CAE 解析は DEFORM(SFTC 社製)を用い、冷却によ

2 . 実験方 法
2 . 1 実 験 及 び パ ラメー タ同 定 の 流 れ
熱処理 CAE 解析を行うに当たり、まず相変態解析に必要な変態速度論1),2) を検証し、各組織に応じたモデルる相変態解析と熱解析を行った。解析では 2 次元対称モデルを採用し、形状は実験と同じにした。要素数はパラメータ検証時では 650、実証試験時は 3000 とした。
2. 5 実証試験(水 冷 焼入れ 試験)

式及び係数の算出を行った。次に、熱解析に必要なパラS45C(直径 50mm、長さ 50mm)を 830℃で十分に加熱メータの同定を行うため、規格化された試験であるジョし、十分な水の中に全て浸漬させて焼入れを行った。冷ミニ試験を行い、材料物性値である密度、熱伝導率、比却後、中心を径方向に切断して断面の観察を行った。

熱、潜熱を同定した。自然対流による水冷を表現する熱伝達率については、部分水冷試験を行うことで算出した。
2 . 2 ジョミ ニ 試 験

3 . 結果3 . 1 相 変 態 解 析 に 必 要 な パ ラメー タの 算 出

図 1 に示すような JIS G 0561 に準じた冷却試験を行

変態速度論の検証に当たり、実験結果の代わりとしてい、サーモグラフィを用いて部位ごとの冷却曲線を測定

物質・材料研究機構(NIMS)が公開しているデータベーした。冷却試料については機械構造用炭素鋼ス(MatNavi)の連続冷却変態図(CCT 線図)を参考にした。

(S25C~S55C)を用い、放射率が一定となるよう黒体ス

無拡散変態するマルテンサイトには Magee の式 3)、そプレーを塗布して試験を行った。

れ以外の拡散変態する組織については Johnson-Mehl の2 . 3 部 分 水 冷 試 験 ( 自 然 対 流 によ る 水 冷 )式 4)を用い、各係数も同時に算出した。

図 2 に示すように加熱した機械構造用炭素鋼を十分な水の中に部分的に浸漬し、2.2 項と同様の方法で大気中*1 産業技術センター

金属材料室

3 . 2 熱 解 析 に必 要 な パ ラメー タの 算 出
熱解析に必要なパラメータは非常に多く、ジョミニ試

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験との比較で全てを同定することは困難であるため、文の熱伝達率については、同定した全パラメータを基にし献値や近似モデル式も活用した。て部分水冷試験と比較して算出した。

まず、密度については、組織で大きく値が異なり、それぞれに応じた文献も少ないため、Miettinen の計算式
5) を用いて各組織の密度を近似して算出した 1) 。

図 3 に示すとおり金属便覧 6)を熱伝導率については、図3. 3 各冷却試 験と CA E 解析の比較算出したパラメータを用いて相変態解析と熱解析を連図 4 、図図成解析し、各冷却試験結果と比較したところ(図5)、ジョミニ試験及び部分水冷試験の冷却挙動を精度よ参考にした。熱伝導率は化学成分や組織によって大きくく再現することができた。

影響を受けるが、フェライトとマルテンサイトを比較し

3 . 4 実 証 試 験 と C AE 解 析 の 比 較た場合、比較的似た物性を示すことが知られている 7)。

図 6 に実証試験用の焼入れ試

そのため、高温領域の組織であるオーステナイトと低温料の断面と、同条件で CAE 解領域の組織であるオーステナイト以外の 2 つに分け、そ析した結果を示す。本来であれ

れぞれを最小二乗法で多項式近似して用いた。

ばこの形状に合わせた熱伝達率を用いる必要があるが、形状が上記試験と似ているため、部分水冷試験で算出した熱伝達率を用いた。結果、マルテンサイトの臨界生成位置と CAE 解析での変化位置が一致しており、

図3

炭素鋼の熱伝導率

比熱については、オーステナイト以外は以下の式で表CAE に対する今回のパラメー

図6タの妥当性を確認できた。

実証試験と CAE解析の比較される Neumann-Kopp の法則を用いて算出した 8)。

4 . 結びc = (A+BT+CT-2)/Mw
c: 比熱(J/g･K)、 Mw: 分子量(g)、 T: 温度(K)、

本研究では、簡易的な冷却試験を用いて熱処理 CAE(A,102B,10-5C): Fe(α)(17.5,2.48,0), Si(24.2,0.23,-4.56),のパラメータを検証した。結果は以下のとおりである。

Mn(23.9,1.42,-1.57), Fe 3C(82.2,8.37,0)(1) 試験方法が規格化されており、文献も豊富なジョミ

この理由としては、鋼の比熱は電子や磁気、変態の影響ニ試験を利用することで、熱解析に必要なパラメーによって正確な値を測定することが難しく、文献によっタである材料物性値の合わせ込みができた。て値が大きく異なるからである。次にオーステナイトの比熱については、ジョミニ試験によって合わせ込む変数として扱った。これは文献値や Neumann-Kopp の法則
では後述の CAE 解析結果と合致しなかったためである。

(2) 同定した全パラメータを用いて実験と比較することで、様々な冷却条件の熱伝達率も算出可能となった。
(3) CCT 線図を用いて合わせ込みを行った変態速度論により、熱処理による組織の予測も可能とわかった。

また、潜熱についても同様であり、Neumann-Kopp の文献

法則では電子や磁気、変態を表現することができないた
め、これらの影響は全て潜熱に合算させ、ジョミニ試験

1) 岡村一男: 材料, 55(5), 529(2006)

結果と合致するよう変数として合わせ込みを行った。

2) 巨東英: 材料, 55(7), 712(2006)

熱伝達率については、ジョミニ試験では奈良崎等によって算出された文献値を用い 9)、自然対流による水冷

3) C.L.Magee: ASM, Chap.3, 115(1968)
4) W.A.Johnson, R.F.Mehl: Transactions of AIME, 135,416(1939)
5) J.Miettinen: Metallurgical and Materials Transa-

ctions B, 28B , 281(1997)
6) 日本金属学会: 金属便覧, 286(1964), 丸善
7) 遅沢浩一郎: 腐食センターニュース, No.48002
8) 日本金属学会: 金属便覧, 24(1964), 丸善
9) M.Narazaki, M.Kogawara, A.Shirayori, S.Fuchiza図4

ジョミニ試験の冷却曲線

図5

部分水冷試験(自然対流)の冷却曲線

wa: Proc. of 4th Int. Conf. on Quenching and Control of Distortion in Beijing, P97-104, 20-23 May 200