JP4144476B2 - 鍛造焼ならしシミュレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は，鍛造プレスにより鋼材部品を成形した後，焼ならし炉に入れることにより焼ならしを行う鍛造焼ならし処理について，伝熱解析によって解析する鍛造焼ならしシミュレーション方法に関する。さらに詳細には，鋼材部品中の組織変態の割合を精度よく予測するための鍛造焼ならしシミュレーション方法に関するものである。

従来より，鍛造プレスにより成形された鋼材部品については，その後の材質を調整するために焼ならしが行われる。すなわち，加熱によってオーステナイト化された状態の鋼材を遅い速度で冷却し，所定割合以上のフェライトやパーライトを有するように変態させるのである。これによって，鋼材部品を比較的柔らかく，ねばり強い材質のものとすることができる。この焼ならしのために，鍛造プレス機から取り出された鋼材部品は，焼ならしに適した所定温度（均熱温度）に設定された鍛造焼ならし炉に入れられ，所定時間経過後に取り出される。この所定時間を均熱時間という。均熱時間を長くすればそれだけ組織変態が進行し，確実に所定割合以上のフェライトやパーライトを有するようにすることができる。しかし，必要以上に長い均熱時間は作業効率の低下を招くので好ましくない。そのため，必要最低限の均熱時間を精度よく決定する方法が望まれていた。

従来，この均熱時間を決定するために，次の方法が用いられていた。まず，一定速度で冷却されると想定した連続冷却変態曲線を基におよその均熱時間を推定する。そして，その均熱時間によって実際に部品を製造する実験を行っていた。そして，実験の結果製造された部品の組織判定を行ってフェライトやパーライトが生成されている割合を実測するのである。実験の結果，フェライトやパーライトの生成割合が良好でないと判定された場合には，均熱時間を変更して再び製造及び組織判定を行う。これを所定割合のものが得られるまで繰り返していた。しかし，鍛造プレス機と焼ならし炉とは一般に別体であり，部品を鍛造プレス機から出して焼ならし炉へと投入する間には，僅かながら外気に触れる時間（放冷時間）が不可避的に生じる。そのため，その間に部品は大きく冷却されるので，全体として連続冷却変態曲線にはうまく適合しない。そのため，実験回数が増大しがちであった。

一方近年では，このような熱処理過程について，コンピュータを用いた伝熱解析によるシミュレーション方法が用いられるようになってきている。例えば，コンピュータを用いて，焼入れの際の焼入れ範囲や焼入れ条件を推定するためのシミュレーション方法が提案されている（例えば，特許文献１，特許文献２参照。）。
特開２００１−４９３３３号公報 特許第２７７２７０７号公報

しかしながら，前記した特許文献１，２の技術は焼入れ条件についての解析であり，伝熱解析を焼ならしのシミュレーションに適用した例はなかった。焼ならしと焼入れでは，熱処理の目的や方法に大きな差異があるため，焼入れに関するシミュレーション方法をそのまま焼ならしに適用することはできない。また，前に述べたように，鍛造プレスと焼ならしとの間には放冷時間がある。放冷時間は，時間的にはごくわずかであっても，鋼材部品はその間に大きく冷却されるため，単純な連続冷却を想定した伝熱解析では，実状に適合しないという問題点があった。

本発明は，前記した従来の鍛造焼ならし条件算出方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，鍛造焼ならし工程において，最適な均熱時間を容易かつ高精度に推定することのできる鍛造焼ならしシミュレーション方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた鍛造焼ならしシミュレーション方法は，鋼材を鍛造加工してその後焼ならしする処理を伝熱解析によりシミュレートする鍛造焼ならしシミュレーション方法であって，対象鋼材の材種から焼ならし炉の設定温度を決定する焼ならし温度決定工程と，鍛造打ち上がりから焼ならし炉への投入までの間における対象鋼材の温度変化を解析して対象鋼材の焼ならし炉への投入時における温度を求める放冷域解析工程と，焼ならし炉内での対象鋼材の温度変化及び相変態を解析する炉内域解析工程とを含み，炉内域解析工程では，対象鋼材中の目的相の生成割合の時間変化をシミュレートし，そのシミュレート結果に基づいて対象鋼材の焼ならし炉内での必要な滞在時間を求めるものである。

本発明の鍛造焼ならしシミュレーション方法によれば，焼ならし温度決定工程と放冷域解析工程と炉内域解析工程とを行って，対象鋼材中の目的相の生成割合の時間変化をシミュレートする。すなわち，放冷域と炉内域とを分けてそれぞれの領域で対象鋼材の状態を解析する。放冷域では，鍛造打ち上がりから焼ならし炉への投入までの対象鋼材の温度変化が解析され，焼ならし炉への投入時における対象鋼材の温度が求められる。また，炉内域では，焼ならし炉内での対象鋼材の温度変化及び相変態が解析される。これから，対象鋼材中の目的相の生成割合の時間変化をシミュレートできる。その結果，所定割合の目的相が生成されるために必要な，対象鋼材の焼ならし炉内での滞在時間が求められる。従って，鍛造焼ならし工程において，最適な均熱時間を容易かつ高精度に推定することのできる鍛造焼ならしシミュレーション方法となっている。

さらに本発明では，温度決定工程では，対象鋼材の材種における目的相の等温変態曲線のノーズ先端温度に基づいて設定温度を決定することが望ましい。
このようにすれば，組織変態させるための最低必要な温度が決定できるので，その温度より低温にならないように設定温度を決定すればよい。これにより，なるべく短い均熱時間とすることができる。

さらに本発明では，焼ならし炉内での対象鋼材からの放熱の熱伝達率を，焼ならし炉の出入り口部分と中央部分とのそれぞれについて求める炉内熱伝達率算出工程をさらに含み，炉内域解析工程では，炉内熱伝達率算出工程で求められた熱伝達率を用いて解析を行うことが望ましい。
焼ならし炉の出入り口は，通常開放状態であって外気が出入りする。そこで，このようにすれば，この出入り口部分の熱伝達状態を中央部分と区分して，より精度よくシミュレートすることができるからである。

本発明の鍛造焼ならしシミュレーション方法によれば，鍛造焼ならし工程において，最適な均熱時間を容易かつ高精度に推定することができる。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施の形態は，図１に示す設備で行われる鍛造焼ならし工程に本発明を適用したものである。

本実施の形態でシミュレーションする鍛造焼ならし工程は，図１に示すように，鍛造プレス機１，放冷コンベア２，鍛造焼ならし炉３がこの順に並べられた設備にて実施される。鋼材部品１０は，まず鍛造プレス機１で高温でプレス成形される。続いて，放冷コンベア２によって鍛造プレス機１の出口から鍛造焼ならし炉３の入口まで移動される。このとき不可避的に，空気雰囲気中で放冷されることになる。さらに，均熱温度に設定された鍛造焼ならし炉３に投入されて，この炉を通り抜けることにより焼ならしされる。

これらの工程において，鋼材部品１０は，鍛造プレス機１でプレス成形されるときには１００％オーステナイト化されている。その後冷却されて，温度と時間との関係から部分的にフェライト＋パーライト組織に変態する。この工程の終了時には，鋼材部品１０の所定割合以上がフェライト＋パーライト組織になっていることが，この鍛造焼ならし処理の目標である。つまり，フェライト＋パーライト組織が目的相に相当する。また，目的相の所定生成割合は，面積率で８０〜８５％程度である。
以下では，鋼材部品１０が，放冷コンベア２上にある時間を放冷時間，鍛造焼ならし炉３中にある時間を均熱時間という。また，鋼材部品１０が，鍛造プレス機１から出るときの温度を鍛造打ち上がり温度，鍛造焼ならし炉３に投入されるときの温度を炉投入温度という。

次に，本実施の形態のシミュレーション方法を，図２と図３のフローチャートを参照して説明する。まず，このシミュレーションを行う対象とする鋼材部品１０を決め，その鋼種や形状のデータを得る。そして，その部品形状から，２次元或いは３次元の形状モデルを作成する（Ｓ１０１）。次に，その鋼材部品１０の鋼種等から伝熱解析に必要となる各種のパラメータを決定する（Ｓ１０２）。

ここで，図２のＳ１０２で実行される各種パラメータの決定について，図３に基づいて説明する。まず，鋼材部品１０の大きさや重量から，鍛造打ち上がり温度が決定される（Ｓ２０１）。また，放冷コンベア２の長さとその移動速度とから，放冷時間が求められる（Ｓ２０２）。次に，鋼材部品１０の放冷域での測温結果を基にシミュレートし，熱伝達率を求める（Ｓ２０３）。

また，鋼材部品１０の鋼種により，その等温変態曲線を選択する（Ｓ２０４）。この等温変態曲線は，鋼種ごとにあらかじめ用意されている。これから，その鋼材部品１０のノーズ先端温度を得る（Ｓ２０５）。ノーズ先端温度とは，最も短時間で変態が進行する温度を示し，変態曲線では最も左に振れた位置で表される。鋼材をその温度以上に保つことにより変態が進行する。例えば，図４にその化学成分を示した鋼種「ＤＩＮ １６ＭｎＣｒ５」についての等温変態曲線を図５に示す。このグラフから，この鋼材のパーライト変態開始のノーズ先端温度は約６５０℃であることが分かる。

次に，図３に戻り，Ｓ２０５で得られたノーズ先端温度を基に，鍛造焼ならし炉３内の設定温度である均熱温度を決定する（Ｓ２０６）。一般には，均熱温度はノーズ先端温度の近傍かそれよりやや高い温度に設定する。次に，鍛造焼ならし炉３内での鋼材部品１０の測温結果を基にシミュレートし，熱伝達率を求める（Ｓ２０７）。ここで，鍛造焼ならし炉３の出入り口は開放状態であり，外気が流通する。そのため，鍛造焼ならし炉３内での鋼材部品１０の熱伝達率は一定でなく，出入り口付近で高くなる。またさらに，変態前の組織であるオーステナイト，変態後の各組織であるフェライト，パーライト，ベイナイトのそれぞれの熱伝導率及び比熱を入力する（Ｓ２０８）。なお，図３では，これらのパラメータを順に算出するように示したが，各パラメータはそれぞれ独立であり，Ｓ２０４〜Ｓ２０６以外はいずれも順序を変更して実行してもかまわない。

再び図２に戻り，図３の処理で得られた各種のパラメータを入力して伝熱解析を実行する。まず，鍛造打ち上がり温度を境界条件として，放冷時間，放冷域での熱伝達率，各組織状態での熱伝導率と比熱を利用して放冷域での伝熱解析を行う（Ｓ１０３）。これから，放冷域での鋼材部品１０の温度変化及び炉投入温度（表面温度）が得られる（Ｓ１０４）。この炉投入温度は，実際に部品を製造する操業時に，システムの管理指標として用いられる。次に，炉投入温度を境界条件として，均熱温度，炉内域での熱伝達率，各組織状態での熱伝導率と比熱を利用して炉内域での伝熱解析を行う（Ｓ１０５）。これから，炉内域での鋼材部品１０の温度の時間変化が得られる。これらの放冷域と炉内域での温度変化を時間で累積することにより，部品内各所での組織変態割合が算出できる。

この結果から，均熱時間とフェライト＋パーライト組織の面積率との関係が求められる（Ｓ１０６）。次に，各鋼材部品１０について与えられる目標とするフェライト＋パーライト組織の面積率とＳ１０６の結果とから，フェライト＋パーライト組織の面積率が所定の目標面積率を超える均熱時間が求められる（Ｓ１０７）。これによって，最適均熱時間が決定されて（Ｓ１０８），このシミュレーション処理を終了する。

次に，本実施の形態のシミュレーション方法を用いて，鋼材部品１０の一例について解析を行った実施例について説明する。この実施例で用いた鋼材部品１０は，図４にその化学成分を示した鋼種「ＤＩＮ １６ＭｎＣｒ５」であり，その等温変態曲線は図５に示すようになる。また，この鋼材部品１０の２次元或いは３次元形状は，図６に示すように，略リング状の形状である。そのため，この鋼材部品１０ではその組織変態割合は１つの径方向断面についての面積率で表現できる。

シミュレーション処理を実行するとまず，図６に示した２次元或いは３次元形状を形状モデルとして作成する（図２のＳ１０１）。次に，各種パラメータを決定する（図２のＳ１０２）。この鋼材部品１０では，鍛造打ち上がり温度は約９８０℃である。また，放冷時間は約３０秒であり，放冷域での熱伝達率は０．０９７ｋＷ／（ｍ²・℃）である。これらから，放冷域での伝熱解析を行う（図２のＳ１０３）。その結果，図７に示したように，放冷時間の３０秒間で約８７０℃まで冷却されることが分かった。この図で，実線で示したのが計算値であり，破線で示したのが実測値である。実測は，鋼材部品１０に熱電対を埋め込んで実際に工程を実施することにより計測した。

次に，炉内域の解析を行う（図２のＳ１０５）。上記から炉投入温度は約８７０℃であり，炉内域の熱伝達率は図８に示すように変化する。鍛造焼ならし炉３の出入り口は常時開放状態であり外気が出入りするため，出入り口付近では熱伝達率が高いのである。なお，この図で横軸が時間となっているのは，標準的な速度で鍛造焼ならし炉３を通過させた場合の熱伝達率の変化として示しているからである。炉内域での伝熱解析結果は，図９に示すように，炉の出入り口で鋼材部品１０の温度が大きく変化していることが分かる。この図でも，実線で示したのが計算値であり，破線で示したのが実測値である。すなわち，炉内域のみにおいてもこの鋼材部品１０の温度変化は直線的な連続冷却曲線とは大きく異なる。本実施例のシミュレーションでは，炉内域の熱伝達率を途中で変化させているので，実測値とよく合致した結果が得られた。

これらの放冷域（図７）と炉内域（図９）との解析結果を連続させることにより，図１０に示すような結果が得られる。ここで，破線で示したのが実測値であり，三角印（放冷域）と丸印（炉内域）とで計算値を示している。また，図１０中，一点鎖線で示したのは，従来の手法で用いられていた＜−０．０５℃／ｓｅｃ＞の連続冷却曲線である。

この温度変化の解析結果から，鋼材部品１０内各所において所定温度幅内にある時間を累積することにより，各経過時間でのフェライト＋パーライト組織の面積率が求められる。その結果は，図１１に示すようになった。この図では，鋼材部品１０の径方向断面図を，フェライト＋パーライト組織の面積率によって区分けし，視覚的に表示している。炉投入時には１００％オーステナイト１１である。炉投入から７１８秒後には，フェライト＋パーライト３２〜３３％のＡ領域１２と３４〜３５％のＢ領域１３とができる。外側から冷却されるので，外側から変態が進行する。さらに，炉投入から１１１８秒後には，フェライト＋パーライト５８〜５９％のＣ領域１４，５９〜６０％のＤ領域１５，６１〜６２％のＥ領域１６，６２〜６３％のＦ領域１７ができる。さらに，炉投入から１６１８秒後には，フェライト＋パーライト８５〜８７％のＧ領域１８，８８〜８９％のＨ領域１９ができる。

これらの結果を，均熱時間とフェライト＋パーライト組織の面積率との関係としてグラフ化すると，図１２に示すようになる。ここでは，鋼材部品１０全体のうち最も変態の遅い中心部についてのグラフを示している。この処理では，この部分のフェライト＋パーライト組織の面積率が所定の面積率を超えることが要求されるからである。この鋼材部品１０では，そのフェライト＋パーライト組織の面積率８５％以上が目標値であるので，図１２から必要な最低均熱時間は約２７分であることが分かった。従来の連続冷却曲線からの推定では必要均熱時間約４０分となっていたので，大幅に余分な均熱時間を設けていたことが分かった。

以上詳細に説明したように，本実施の形態のシミュレーション方法によれば，放冷域と炉内域とを区分し，それぞれにおいて伝熱解析を行っているので，炉投入温度を正確に予測できる。また，均熱温度をノーズ先端温度に基づいて決定しているので，比較的短時間で相変態が進行する。さらに，炉内域での熱伝達率を炉の出入り口付近で高く設定することにより，炉内での鋼材部品１０の温度変化をより正確に推定することができる。これから，フェライト＋パーライト組織の面積率を時間経過とともに把握することが可能となる。従って，鍛造焼ならし工程において，最適な均熱時間を容易かつ高精度に推定することのできる鍛造焼ならしシミュレーション方法となった。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，各種パラメータのうち，熱伝導率や比熱等の材質に固有のものは予め入力しておいてもよい。また，鋼種とその等温変態曲線はデータベース化しておけば，ワーク毎に入力する必要はない。
また例えば，フェライト系であれば，特殊鋼にも適用できる。

本実施の形態に係る鍛造焼ならし工程を示す説明図である。 鍛造焼ならし工程シミュレーション処理を示すフローチャートである。 シミュレーション処理に使用する各種パラメータを決定するための処理を示すフローチャートである。 鋼材の例の化学成分を示す表である。 図４の鋼材の等温変態曲線を示すグラフである。 実施例に用いた鋼材部品の３次元形状を示す断面図である。 実施例での放冷域での温度の時間変化を示すグラフである。 実施例での炉内域での熱伝達率を示すグラフである。 実施例での炉内域での温度の時間変化を示すグラフである。 実施例での放冷域及び炉内域での温度の時間変化を示すグラフである。 実施例での変態状態の時間変化を示す図である。 実施例でのフェライト＋パーライト組織の面積率の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

２ 放冷コンベア
３ 鍛造焼ならし炉
１０ 鋼材部品

Claims (3)

1. 鋼材を鍛造加工してその後焼ならしする処理を伝熱解析によりシミュレートする鍛造焼ならしシミュレーション方法において，
   対象鋼材の材種から焼ならし炉の設定温度を決定する焼ならし温度決定工程と，
   鍛造打ち上がりから焼ならし炉への投入までの間における対象鋼材の温度変化を解析して対象鋼材の焼ならし炉への投入時における温度を求める放冷域解析工程と，
   焼ならし炉内での対象鋼材の温度変化及び相変態を解析する炉内域解析工程とを含み，
   前記炉内域解析工程では，対象鋼材中の目的相の生成割合の時間変化をシミュレートし，そのシミュレート結果に基づいて対象鋼材の焼ならし炉内での必要な滞在時間を求めることを特徴とする鍛造焼ならしシミュレーション方法。
2. 請求項１に記載する鍛造焼ならしシミュレーション方法において，
   前記温度決定工程では，対象鋼材の材種における目的相の等温変態曲線のノーズ先端温度に基づいて設定温度を決定することを特徴とする鍛造焼ならしシミュレーション方法。
3. 請求項１に記載する鍛造焼ならしシミュレーション方法において，
   焼ならし炉内での対象鋼材からの放熱の熱伝達率を，焼ならし炉の出入り口部分と中央部分とのそれぞれについて求める炉内熱伝達率算出工程をさらに含み，
   前記炉内域解析工程では，前記炉内熱伝達率算出工程で求められた熱伝達率を用いて解析を行うことを特徴とする鍛造焼ならしシミュレーション方法。
   
   

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