熱処理シミュレーションとその構成

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熱処理工程では多くの条件に対して多くの品質が決まる．Fig.2.3. は主要な熱処理シ ミュレーションの入力因子と出力因子，その計算の構成を示したものである．実際のシミ ュレーションでは部品の形状や浸炭・焼入れの状態を因子とし，これを流体解析や沸騰解 析を用いて解いたうえで， Fig.2.3. の左に示す境界条件として反映させたうえで熱処理 シミュレーションを実施する．熱処理シミュレーションでは熱伝導解析・弾塑性応力解 析・炭素濃度拡散解析・金属相変態解析を強連成にて計算し，熱処理品質を結果として得 る．

熱処理条件

熱処理品質

浸炭条件

温度条件 ワーク形状 冷却条件

-油剤特性 -撹拌 -圧力etc..

前組織

変形 硬さ 残留応力 組織

etc….

変態塑性

温度 / 応力・歪 / 金属組織 の連成解析によって 熱処理条件から熱処理品質が予測できる

浸炭焼入れシミュレーションの構成

Fig.2.3. 熱処理シミュレーションの構成

2.2.1. 浸炭シミュレーションの構成

浸炭は処理雰囲気中から部品の表面を境界として内部に炭素が拡散する現象である．一 般的に工業的に用いられる浸炭は Table2.2 に示す様に表面の炭素濃度が速度論で決まる ものと雰囲気の化学ポテンシャルと平衡になる平衡論で決まるものがある．

Table2.2. 浸炭反応の種類

浸炭手法 反応支配方程式

真空浸炭，固体浸炭等 速度論

液体浸炭，ガス浸炭等 平衡論

熱処理部品の表面の炭素濃度が Table2.2.にて示す様式で決まったのち，部品内部の炭 素濃度は Fick の第二法則，いわゆる拡散方程式を支配方程式として決定される．実際の 浸炭反応では粒界拡散，粒内拡散の別や，過剰に炭素が含侵された際の炭化物析出等が起 こるがそのような現象を解析した事例は従来にはない．

2.2.2. 焼入れシミュレーションの構成

浸炭プロセスの後の焼入れプロセスでは金属変態速度式，熱伝導，弾塑性応力解析を基 礎とした metallo-thermo-mechanical theory による解析が行われる．この解析の中では 相変態時の相分率の変化が Fig.2.4. に示す変態図によって計算されるとともに，各時点 での材料物性値は相分率に重みづけされた混合則で求められる．

Fig.2.4. 熱処理シミュレーションの基礎となる状態図

一般にこれら多数のカイネティクスを包含した計算で相互作用を考慮した厳密解を求め るのは非常に困難である．そこで一般的な熱処理シミュレーションではこれら三種(浸炭 を含み四種の場合もある)の構成方程式をそれぞれ順序通りに繰り返して解き，一巡した ら時間増分を 1Step 進めるという準強連成となる解析を行う．その連成の手法はシミュレ ーションコード毎に若干ずつ異なるので，ソフトウェア別の結果を比較する際は注意が必 要である．

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焼入れシミュレーションではその入力条件として冷却境界条件を入力する必要がある．

冷却境界条件を導出するには Fig.2.5. に示す様にジグを含む部品積載全体をモデリング し，流体解析による冷却状態の調査を行う必要がある．

Fig.2.6. に実際の油焼入れとガス焼入れの様子を示す．ガス焼入れではガスの流れと流 速・圧力等の関数で決まる部品表面の熱伝達率を，油焼入れでは沸騰を考慮した熱伝達率 を導出する必要がある．

しかしながら油焼入れにおける沸騰流解析の研究は依然黎明期であり，原子力分野等利 用範囲の広い定常沸騰に関する解析事例は多数あるが，焼入れをはじめとする非定常沸騰 流の解析事例は非常に尐ない．

Fig.2.5. 冷却境界条件のシミュレーション

対流 段階 沸騰 段階 蒸気膜

段階

ガスの流れ

Fig.2.6. 焼入冷却の様子(左，油焼入れ，右，ガス焼入れ)

これは現象そのものが複雑で未解明な部分が多いことに加え，蒸気泡の微視的な破裂か ら巨視的な流れまでを非定常で同時に解析しないといけないことによる計算機負荷の問題，

一般に焼入油は不透明もしくは高屈折率であり可視化が困難な事，現象が非常に高速であ

るため，従来の熱電対の応答速度では温度現象をとらえることが困難，等々に起因しシミ ュレーションを実施するための基礎技術の蓄積が不十分な事によるところが大きい．

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