技術論文

The Effect of Specimen Shape on Heat Transfer Behavior During Oil Quenching
渡邉 啓介*1

中崎 盛彦*2 大村 悟*3 山田 茂則*4

WATANABE Keisuke, NAKASAKI Morihiko, OMURA Satoru and YAMADA Shigenori

Synopsis: Quenching process for the production of high strength parts often causes a problem that the shape accuracy
is deteriorated due to non-uniform deformation of the precisely machined parts during heat treating. It is known
that the deterioration is caused by cooling conditions such as the part-shape, stacking, and agitation of coolant.
The generation and collapse of vapor film during oil quenching process affect the cooling behavior of product.
Understanding of the vapor film behavior is important to elucidate the mechanism of inhomogeneous cooling.
To obtain accurate estimation of deformation and residual stress after quenching of steel materials by heat
treatment, it is essential to actually measure the heat transfer coefficient at each part of the steel materials during
quenching. In this study, the vapor film of the shaft specimen and the stepped-shaft specimen was observed,
and the actual measurement of the cooling curve was carried out by laboratory experiments. Based on theexperimental results, the heat transfer coefficient of each part of the specimen was calculated, and the effect of
the shape of the specimen on the heat transfer behavior was clarified. As a result, the vapor film stage period
at the edge of the specimen was shorter than that at the center. The edge in the large diameter part was cooled
more slowly than that of small diameter part. In the different diameter connection part, the vapor film collapse
was accelerated due to the earlier collapse of the vapor film at the adjacent edge of the large diameter part.
Keywords: heat treatment; quenching; steel shaft; vapor film.

1. 緒言

度に推定するためには、焼入れ時の鋼材各部位における熱伝達係数の実測が不可欠である。しかし、実際の部品製造

自動車産業におけるEV化の進行等を背景として、ギヤラインにおいて焼入れ時の鋼材を精度よく測温することやシャフトなどの部品に対し、静粛性の改善を見込んだ形や、蒸気膜挙動を観察することは容易でなく、熱処理変形状精度の向上が求められている。それらの部品の大半が油の対策立案には多くの実験や熟練技術者の経験に依存して焼入れによる硬化熱処理を経るため、材料・熱処理分野のいるのが現状である。

課題として熱処理変形の原因究明とそれに基づく対策の立

そこで今回、シャフト系部品を模擬した軸状試験片、段案が求められている。

付軸状試験片を対象として、ラボ実験により蒸気膜観察、高強度部品の製造に不可欠な焼入れ工程では、精密加工冷却曲線の実測を行った。そして、実験結果をもとに試験した部品が熱処理において不均一に変形することで、形状片各部位の熱伝達係数を同定し、試験片形状が熱伝達挙動精度が悪化する課題がある。この原因は主として部品の形に及ぼす影響について検証した。

状、配置や積み方などの荷姿、撹拌などの焼入れ条件に伴う冷却の不均一によることが知られている 1,2)。また、焼2. 実験方法

入れ時の蒸気膜の発生、崩壊も部品内の冷却不均一発生の原因として挙げられる3-5)。

実験には、油焼入れ冷却能測定装置 10)を用いた。本装

鋼材焼入れ時の変形や残留応力について、熱処理シミュ
レーションによる検証が行われてきた*1*2*3*46-9)

置の外観をFig. 1に示す。本装置は、大別して制御盤、加。それらを高精熱炉、油槽からなる。支持棒先端に取付けた試験片を加熱研究・開発センター 新商品・技術開発室 プロセス開発グループ
研究・開発センター 部長 博士 (工学)
スズキ株式会社 マリン技術部
スズキ株式会社 環境・材料・生産技術開発部

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エコプロダクトを支える材料技術特集

油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響

油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響

エコプロダクトを支える材料技術特集

6XSSRUWURG&RQWUROSDQHO

+HDWLQJIXUQDFH
2EVHUYDWLRQ ZLQGRZ

2LO
WDQN



Fig.1 Appearance of cooling capacity measurement equipment.

Fig.3

Heat pattern for oil quenching test.

‫ ە‬Temperature measuring points(a) Shaft specimen
Fig.2(b) Stepped-shaft specimen㻌

Shape of specimen and temperature measuring points.

3. 実験結果

炉にて昇温後、支持棒を下降させ加熱炉下部の油槽内で油焼入れを行い、試験片各部位の冷却曲線の実測、蒸気膜の直接観察を行った。試験片形状および測温位置をFig. 2に3.1 軸状試験片示す。SCrベースの肌焼鋼から軸状試験片ならびに太径部Fig. 4に軸状試験片の焼入れ時の蒸気膜観察結果を示を有する段付軸状試験片を作製した。試験片各部位の表面す。蒸気膜は試験片端部より徐々に崩壊していき、14 sから1 mm位置に熱電対を挿入し、熱電対と試験片の隙間時点において中央部に試験片長さの1/3程度付着していたをなくすために銀ペーストを注入した。Fig. 3に熱処理パ蒸気膜が、15 s時に一挙に崩壊した。Fig. 5に実測冷却曲ターンを示す。試験片を室温から850℃まで0.2℃/sで昇線を示す。下面エッジ近傍の点cは軸中央部の点aと比べ温し、0.5 h保持したのちに100℃の油で焼入れた。て急冷開始が早く、冷却曲線からも端部の蒸気膜崩壊が早いことが確認された。以上の結果から、エッジおよび軸形状は蒸気膜崩壊挙動に影響し、それぞれの部位で熱伝達挙動が異なると考えられた。

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油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響㻯㼛㼛㼘㼕㼚㼓㻌㼠㼕㼙㼑㻌㻔㼟㼑㼏㻚㻕㻣㻝㻜㻡㻝㻠

㻝㻡

abc

20mm
Vapor film
Fig.4

Transition of vapor ﬁlm during quenching for shaft specimen(positions from a to c are the temperature measuring points).



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

D 0HDVXULQJSRLQWV           E FRROLQJFXUYHV
Fig.5

Measured cooling curves of shaft specimen.

蒸気膜挙動の比較を示す。蒸気膜挙動の観察結果から、点3.2 段付軸状試験片
Fig. 6に段付軸状試験片の蒸気膜観察結果を示す。上部g,kでの蒸気膜崩壊の早期化は、隣接する太径部のエッジ細径部の上端および下部細径部の下端においては、蒸気部（点h,j）での蒸気膜崩壊が起点となっていることが推

膜は軸状試験片での実験時と同様にエッジ部を起点とし察された。て崩壊している。Fig. 7に実測冷却曲線を示す。この結果

以上の結果より、軸状と段付軸状試験片とでエッジ部おから、段付軸状試験片のエッジ部（点d,h,j,l：軸状試験片よび軸部での冷却挙動は同様であることが分かった。一方の点cに対応）、および中央部（点e,f,i：軸状試験片の点で、段付軸状試験片の細径部と太径部の接続部においてa,bに対応）では、冷却挙動は軸状試験片と同様であるこは、太径部のエッジの影響により軸中央部に比べて蒸気膜とが確認できた。しかし、太径部と細径部の接続部である崩壊が早期化し、冷却挙動が特異的となっていることが推点g,kは、太径部からの熱影響により冷却初期の温度がほ定された。

かの部位よりも高いにも関わらず、同径の軸中央部（点e,f）と比較して蒸気膜崩壊が早いことがわかった。Fig.
8に冷却時間7 sにおける軸状試験片と段付軸状試験片の31

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エコプロダクトを支える材料技術特集

㻜油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響

エコプロダクトを支える材料技術特集㻜㻡㻯㼛㼛㼘㼕㼚㼓㻌㼠㼕㼙㼑㻌㻔㼟㼑㼏㻚㻕
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Fig.6

Transition of vapor ﬁlm during quenching for stepped-shaft specimen(positions from d to l are the temperature measuring points).

(a) Measuring point(b) Upper small diameter part(c) Large diameter part(d) Lower small diameter partFig.7

Measured cooling curve of stepped-shaft specimen.

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油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響

エコプロダクトを支える材料技術特集(a) Shaft specimen(b) Stepped-shaft specimen

Fig.8 Comparison of vapor film during quenching between
shaft specimen and stepped-shaft specimen at coolingtime of 7 s.

4. シミュレーションによる熱伝達係数の同定
D 6KDIWVSHFLPHQ       E 6WHSSHGVKDIWVSHFLPHQ

熱伝達係数は一般的に、集中熱容量法4)や逆解析法によFig.9 Numerical simulation models.

り同定される。このうち、集中熱容量法は試験片の温度分布がほぼ一様と仮定して試験片中心部の冷却曲線より近似的に熱伝達曲線を求める方法であり、今回のように試験片寸法が大きく、熱伝導率の比較的小さい鋼部品には適さない。そこで今回は、実測冷却曲線から逆解析法により試験片各部位の熱伝達係数を同定した。
解析条件をTable 1に、解析モデルをFig. 9に示す。軸状試験片は、周方向および軸方向の蒸気膜崩壊挙動がほぼ対称であったため、周方向1/8、長さ方向1/2の1/16モデルとした。段付軸状試験片では周方向の蒸気膜崩壊挙動が対称であったため、周方向1/12の1/12モデルにて解析を行った。

(a) Aria division

3.1、3.2で示した蒸気膜の生成・崩壊挙動観察結果および測温結果を元に、Fig. 10(a)に示すように熱伝達係数(b) Heat transfer coefficientFig.10 Measured heat transfer coefficient.の領域分割を行った。細径部のエッジ部および軸中央部は軸状試験片、段付軸状試験片で同様の蒸気膜挙動であった

11、Fig. 12に示すようにシミュレーションにより概ね実ため、それぞれ共通の領域①②とした。段付軸状試験片の測冷却曲線を再現できた。細径部エッジ部（点cおよび点

細径部と太径部の接続部においては、太径部のエッジ形状d,l）、軸中央部（点a,bおよび点e,f）それぞれ、試験片形による蒸気膜崩壊早期化の作用が推定されため、領域③と状に関わらず同じ熱伝達係数によって熱履歴を再現できたした。太径部エッジについては、細径部に比べ体積が大きことから、軸状試験片と段付軸状試験片で細径部の熱伝達く熱伝達挙動が異なると推定されるため、細径部エッジ部挙動は同一であることが確認できた。一方、鋼材温度に対の領域①と異なる領域④とした。

する蒸気膜挙動が特異的であった、段付軸状試験片の細径実測冷却曲線から逆解析法により得られたFig. 10(b)部と太径部の接続部(点g,k)については、太径部エッジ部に示す熱伝達係数を上記の領域ごとに与えた結果、Fig.

による蒸気膜崩壊の早期化を考慮し、細径部の軸中央部よTable 1 Numerical simulation conditions.

FEM codeType of elements
Number of elements
Quenching temperature
Oil temperature

DEFORM HT™
6 node hexa hedral element
4950 (Shaft specimen)，8844 (Stepped-shaft specimen)
850℃
100℃

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油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響

エコプロダクトを支える材料技術特集







Fig.11 Cooling curves of shaft specimen.

(a) Upper small diameter part(b) Large diameter part(c) Lower small diameter partFig.12 Cooling curves of stepped-shaft specimen.

にくいためと考えられる。

りも蒸気膜段階を短く設定した熱伝達係数を適用することで熱履歴を再現できた。また、太径部のエッジ部（点以上の結果より、軸中央部に比べてエッジ部は蒸気膜段h,j）の熱伝達係数は細径部のエッジ部（点c,d,l）よりも階が短いため冷却が早く、また、エッジ部については軸径小さかった。これは、細径部に比べ体積が大きく冷却されが大きいほど緩冷却となることがわかった。さらに、径の34

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油焼入れ時の熱伝達挙動に及ぼす試験片形状の影響

エコプロダクトを支える材料技術特集

異なる軸の連結部では、太径部のエッジ部の影響により蒸気膜崩壊が早期化し、同径の軸部とは冷却挙動が異なることがわかった。

5. 結言
本報では、シャフト系部品を模擬した単純形状試験片にて焼入れラボ実験による蒸気膜観察および測温を行い、シミュレーションで熱伝達係数を同定することによって熱伝達挙動を調査した。その結果、以下の知見を得た。
(1)軸状試験片焼入れ時の蒸気膜観察および測温を行った結果、エッジと軸中央部の熱伝達挙動は異なることがわかった。
(2)段付軸状試験片焼入れ時の蒸気膜観察および測温を行った結果、細径部と太径部の接続部においては、軸中央部に比べ蒸気膜崩壊が早期化した。この現象は、太径部のエッジの影響によるものと推定された。
(3)実験結果をもとに試験片各部位の熱伝達係数を同定した結果、軸中央部に比べエッジ部の蒸気膜段階が短く、エッジ部については軸径が大きいほど緩冷却となることがわかった。また、径の異なる軸が連結すると、太径部のエッジ部の影響により連結部の蒸気膜崩壊が早期化し、同径の軸部とは冷却挙動が異なることがわかった。

参考文献
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2) 杉本剛, 谷口光一, 市谷克実, 下里吉計, 奈良崎道
■著者治, 町哲司, 園部勝, 杉浦良憲, 木島秀彌: 熱処理,55(2015)1, 30.
3) 奈良崎道治: 材料, 55(2006)6, 589.
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5) 巨 東 英 , 市 谷 克 実 , 斉 藤 大 道 : 可 視 化 情 報 ,27(2007)2, 75.
6) 岡村一男: 材料, 55(2006)5, 529.

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中崎盛彦

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9) 藤 松 威 史 ,中崎盛彦:山陽特殊製鋼技報,

21(2014)1, 28.
10) 渡 邉 啓 介 ,山田麻由:

山陽特殊製鋼技報,

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