第 4 章 単発処理の数値シミュレーション
4.3 計算結果及び考察
4.3.1 加熱過程での温度変化
三 重 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科
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Fig.4.5 Variation of temperature with electrifying voltage E (Contact area ratio ε = 1)
Fig.4.6 Variation of temperature with contact area ratio ε (Electrifying voltage E = 5V)
0 200 400 600 800 1000
0 1 2
T empe ra tur e [ ℃ ]
Electrifying time t [s]
6 8 10
0 200 400 600 800 1000
0 1 2
T empe ra tur e [ ℃ ]
Electrifying time t [s]
0.25 0.49 1 E [V]
ε [-]
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Fig.4.7 Influence of electrifying voltage E and contact area ratio ε on temperature (Electrifying time t = 2s)
0 200 400 600 800 1000
0 2 4 6 8 10 12
A ttainme nt t empe ra tur e [ ℃ ]
Electrifying voltage E [V]
0.25
0.49
1
ε [-]
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図4.8に，図4.7において到達温度が800℃を上回った通電条件での，試験片及び電極の 温度分布を示す．また図4.9に，その時の試験片表面要素の温度を示す．図中の破線は電極 の公称半径を示している．なお，各条件とも通電時間は2sである．加熱領域はやや異なる ものの，どの通電条件においても試験片は電極接触部近傍において高い温度が示されてい る．そして，試験片表面の中心要素は 800℃程度だが，その周囲は 1000℃以上と中心要素 よりも高い温度である．これは，熱伝導率が極めて高いC30A2の電極によって，試験片の 電極と接触している要素では，熱が大きく奪われているためだと考えられる．したがって，
図4.9 に示すように，試験片の表面には環状に高温域が生じる．この現象により実験では，
硬化領域が環状に発達していったと考えられる．
また，3条件とも中心部は同程度の温度だが，最高温度は接触面積率が低い条件ほどそれ
ぞれ100℃程度高い．図3.8や図3.10で示したように，実験において電極接触圧力が低い条
件では均一焼入れが行える条件は認められなかった．接触圧力が低い条件とは，シミュレ ーションにおける接触面積率が低い条件であり，この時，加熱中心の温度と環状に存在す る最高温度との差は大きい．したがって，このような条件では加熱中心がオーステナイト 化温度域に達する前に，試験片の最高温度部と接触状態にある電極表面が溶融したと考え られる．また，電極が溶融するまでに加熱中心がオーステナイト化温度域に達したとして も，温度差が大きいため均一焼入れが行える条件は狭くなる．
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Fig.4.8 Temperature distribution, showing influence of electrifying voltage E and contact area ratio ε (Electrifying time t = 2s)
E = 5V ε = 0.25
E = 7V ε = 0.49
E = 10V ε = 1
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Fig.4.9 Temperature in test piece surface, showing influence of electrifying voltage E and contact area ratio ε (Electrifying time t = 2s)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 1 2 3 4
T empe ra tur e [ ℃ ]
Distance from heating center [mm]
5 , 0.25 7 , 0.49 10 , 1
E = 5V, ε = 0.25
E = 7V, ε = 0.49
E = 10V, ε = 1
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図4.10に，通電電圧E =5V，接触面積率ε = 0.25にて通電時間tが1sと2sの時の，試験 片及び電極の温度分布を示す．通電時間が短い1sの条件であっても1000℃以上の高温域が 認められるが，通電時間の長い2sの条件に比べ，全体の加熱領域は狭くなっている．これ は，通電時間が短いことで，入熱量が少なかったこと，熱の拡散が不十分であったことが 原因として考えられる．
図4.11に，図10で示した温度分布の試験片中心要素の深さ方向の温度を示す．どちらの 通電時間も表層部の温度は比較的低く，深くなるにつれ上昇していき，その後緩やかに減 少していく．この結果から，図 3.11 に示したように深さ方向の硬さは，処理表面より高い 値を示した後，なだらかに低下していった理由が理解できる．また，通電時間が短い条件 では全体的に温度が低いことから，実験において，通電時間の減少により深さ方向の硬さ が低下したことがわかる．
Fig.4.10 Temperature distribution, showing influence of electrifying time t
(
Electrifying voltage E = 5V, Contact area ratio ε = 0.25)
t = 2s t = 1s
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Fig.4.11
Temperature in depth direction, showing influence of electrifying time t(
Electrifying voltage E = 5V, Contact area ratio ε = 0.25) 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 1 2
T empe ra tur e [ ℃ ]
Depth from test piece surface [mm]
1
2
t [s]
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