現状と将来動向
渡 邊 陽 一
パーカー熱処理工業㈱1．はじめに
熱処理シミュレーションは、1980年代の理論の構築以来現在に至るまで に数多くの研究開発が行われ、高精度・高速化および利便性が格段に進 んだ。このシミュレーションの応用技術に焦点を当て、これまでの取り 組みや成果を整理し今後の展望を述べる。 素形材業界、とりわけ熱処理部材を扱う業界に とって、新商品の開発期間の短縮、あるいはものづ くりにおける高精度化、品質安定化や製造コスト低 減のための熱処理設計工程（素材成分を含め鍛造や 機械加工の影響を考慮した工程）の最適化は、最重 要課題であり、また最も労力を要する。熱処理シミュ レーションの意義は、この課題解決の最有力ツール として利用できることにある。鋼の熱処理、たとえ ば浸炭焼入れや高周波焼入れでは相変態を伴うため 現象は極めて複雑である。一連のプロセスを把握す るには、時間と共に変化する組織、温度、応力・ひ ずみ場の相互作用を時間の関数として正確に評価し なければならない。井上らは、1980年代にこのよう な変態・熱・力学理論1）を提唱し、その後 1992年 には実用的な 2 次元解析ソフト“HEARTS （HEAt tReaTment Simulation program）”を米国で初めて 発表2）した。これが契機となり、海外でも熱処理解 析ソフトの研究開発の機運が高まり、溶接や鍛造の 解析ソフト（夫々 SYSWELD, DEFORM）への熱処 理解析機能を追加させるなど、現在の主要な市販ソ フトの実現につながっている。 熱処理シミュレーションの起源をはじめ詳しい原 理やそのシステム開発に関しては、すでに多くの優 れた解説記事や論文3）～ 8）がある。ここでは、実際の 熱処理部材の歪み低減などの課題解決を目的とした シミュレーション技術に焦点を当て、最近の報告事 例や活動を整理し将来動向を展望したい。 現在、実用可能な市販ソフトとして、HEARTS の 他、GRANTAS, DEFORM-HT, SYSWELD, DANTE, FINAS/TPS そして COSMAP がよく知られている。 また、ABAQUS などの汎用有限要素解析ソフトを利 用し、ユーザーサブルーチンを付加して計算している ところもある。 シミュレーションを行うには、入力値として、被 処理材の各種物性値と冷却剤の特性値が欠かせな い。主なものとして、鋼材の熱伝導率や比熱、密度、 潜熱といった熱伝導特性値、鋼中 C や N（浸炭窒化 の場合）の拡散定数、力学特性値として、処理温度 までの各温度での応力―歪み線図、ヤング率（縦弾 性係数）、ポアソン比、加工硬化係数、熱膨張係数、 鋼材の変態特性データとして、TTT か CCT 線図、2．浸炭焼入れシミュレーション
特集 熱処理技術の最新動向 変態膨張係数、そして焼入れなど相変態を伴う場合 に重要となる変態塑性係数9），10）などである。さらに、 境界条件として、焼入れ冷却剤の冷却曲線から算出 される熱伝達率が温度の関数として必要となる。こ れら一連のデータの収集には大変な労力を伴い、ま たデータの精度が計算精度を大きく左右する。鋼材 物性値については、（公社）日本材料学会塑性工学部門 委員会材料データベース研究分科会が、2001年、各 種構造用鋼、工具鋼および耐熱鋼などのデータベー ス “MATEQ”11），12）を開発している。現在もデータ の追加・更新が図られており、熱処理シミュレーショ ンに必要なほぼすべての材料特性値が整備されてい る13）。焼入れ油など冷却剤の熱伝達率も宇都宮大の 奈良崎や油剤メーカーらが中心となって、各種冷却 剤 （水、熱処理油、食塩水、ポリマー水溶液、溶融 ソルト、溶融金属）の熱伝達率特性に及ぼす液温、 濃度、攪拌速度、圧力などの影響を調査し、後述す る日本熱処理技術協会研究部会活動と併せてデータ ベース化が進められている14）。 しかし、シミュレーションの高精度化や生産現場 への応用には、多様な形状の実部品を用いた地道な 実験検証や熱処理ノウハウのデジタル化が不可欠で あり、大掛かりな共同研究体制による推進が待ち望 まれてきた。 2．1 国内初の国際プロジェクトによる浸炭焼入れ シミュレーションの新たな展開 この分野では初の国際的な大型プロジェクトが、 2002年 9 月から2005年 3 月までの 2 年半、（一財）製造 科学技術センター（MSTC; Manufacturing Science and Technology Center）15）の下部団体である IMS （Intelligent Manufacturing System）の国際共同研 究プログラムとして、（独）新エネルギー・産業技術 総合開発機構（NEDO）や経済産業省の支援を受け て進められた。プロジェクトコード VHT（Virtual heat treatment tool for monitoring and optimizing HT process）、課題名「熱処理プロセスのモニタリ ングと最適化のための仮想熱処理ツールの構築」で ある。参加機関は、国内では自動車会社や建機メー カーなど 4 企業と 3 大学の計 7 機関、海外では、フ ランス企業やドイツ IWT など世界的研究所を含む 6 機関を中心とするEU（European Union）グループと カナダや韓国の機関を加えた 14 機関に上る。主な課 題は、熱処理ノウハウに関するナレッジ（knowledge） データベース（KBS; Knowledge Based System）構 築、材料特性値のデータベースの構築、これらの有 限要素シミュレーションへの適用（新規開発を含 む）、ナレッジデータベースと有限要素シミュレー
ション結果に基づいた意思決定支援システム（DSS; Decision Support System）の構築と適用、そして、 この意思支援システムの生産現場への応用である。 残念ながら各地域（EU や各国）の足並みが揃わず、 構想通りの成果が得られたとは言い難い。しかし、 このプロジェクトは、熱処理シミュレーション自体 の学術研究やソフト開発に留まらず、それを生産現 場で発生する課題解決のツールとして実用化を目指 したことが意義深い。 主な成果としては、まず井上、巨らが中心となっ て新たな熱処理シミュレーションソフト“COSMAP （COmputer Simulation of MAnufacturing
Process）”16）が開発された。これは先の“HEARTS” をベースとしているが、解析機能の充実に主眼を置 き、浸炭に加え浸炭窒化及び局部加熱の機能が追加 されている。更に、マルチソルバ機能や、プリポス トとして FEMAP や GiD のサポートも可能となっ ている。これにより、既存の熱処理シミュレーショ ンソフトより高速で柔軟性に富むシミュレーション が可能となった。このソフトは、現在、NPO法人 「変態・熱・力学研究協会（MTM）」17）を通じて、㈲ アイデアマップ（IDEAMAP）から頒布されている。 また、市販ソフトを含めた複数のシミュレーション ソフトのベンチマークを実施し、鋼材や冷却剤デー タの信頼性検証や新たな収集・蓄積がなされた。 さらに、実際の自動車用ファイナルギヤ、アウト プットギヤおよびピニオンリダクションギヤを取り 上げ、浸炭焼入れ歪みを支配している主要因を絞り 込みその寄与度を明確にする手法を提案している。 熱処理製造現場で収集した処理条件（部品形状、装 入ロット、ジグへのセッティング位置、雰囲気条件、 焼入れ温度、油槽温度など）と熱処理品質（歪みな ど）の 1 対 1 対応の多量のデータの中から、意味のあ る相関関係を抽出（データマイニング）するため、相 関がツリー状に出力される決定木法 J. R. Quinlan18） を応用しソフトウエア・See5®を用いて解析した。 歪みへの寄与度が大きいとして抽出された要因につ いて、要因に関する入力値を変えて歪みシミュレー ションを繰り返し、得られた歪み量が最小になる時 の入力値を見出す。例えば、アウトプットギヤでは、 熱処理前後での歯の圧力角変化量θが最小になるよ う熱処理条件（データマイニング結果：1st ～ 3rd 因 子；焼入温度および油槽温度）の最適化を行った。簡 単な試みとして焼入温度；1093K～1153K、油槽温度； 363K～383Kの範囲で、最適化ソフトウエア iSight® による DoE（Design of Experiment 実験計画）法と SA（Simulation Annealing）法を用いて θ が最小と なるまで自動でくり返しシミュレーションを行い、
以上のような手法を用いて、計算機シミュレー ションを品質予測・課題解決のためのツールとし て実用可能なものにする熱処理品質データベース、 データマイニング、最適化ソフトウエアおよび熱 処理シミュレーションソフトウエアを統合した “熱 処理シミュレーションシステム”19）が提案されてい る（図 1）。このシステムは生産上のトラブル・課題 が発生した場合、その対象となる熱処理品質につい て、熱処理データベースからデータマイニングを行 い主要因を抽出する。次に、抽出された主要因につ いて、最適化ソフトとソルバーである熱処理シミュ レーションを連動させて繰り返し計算による最適化 を図る。最終的には、このような個々の計算および データの受け渡しをシームレスに自動で行えるよう なシステムの開発が望まれる。 このプロジェクト国内主メンバーは、その後 MSTC のアイデアファクトリー（IF; Idea Factory）20） 事業で、幅広く熱処理 CAE（Computer Aided Engineer-ing）としてシミュレーション関連の課題を取り上げ、 調査研究活動が継続されている。 熱処理歪みやそのばらつきは、材料成分や鋳造時 の偏析、棒材圧延、鍛造や機械加工の履歴に少なか らず原因があるが、熱処理後に顕在化し、熱処理条 件の影響が最も大きい。相変態を伴わないオーステ ナイト系ステンレス SUS304 鋼製の歯車を 860℃か ら 100℃の油に急冷しても歯型に大きな変化が生じ ない（図 2）ことから、熱処理とりわけ浸炭焼入れで は、冷却時のマルテンサイト変態をその開始タイミ ングを含め均質化するような冷却の制御が重要であ る。図 3 は、アウトプットギヤのブランク（歯切り前） 材を平置きで油焼入れした際の各部位の熱伝達率を 比較した結果である。最も熱伝達率の大きい inside （内径面）と最も小さい bottom（底面）とでは、最 大 3 倍ほどの差異がある。歯切りした歯部ではもっ と顕著となることは容易に想像できる。これが歪み 量を大きくしている一因であり、計算機シミュレー ションを難しくする要因でもある。また、平置きで 浸炭焼入れする量産ハイポイドリングギヤは、一般 に図 4 のように変形（計算機シミュレーションで再 ᾲಣℂ೨ ᾲಣℂᓟ ᐔᱤゞ䋨SUS304㍑䋩 䊝䉳䊠 䊦 2 5 ᾲಣℂᓟ 䋨860͠- 1h →ᴤ಄䋩 ᱤవ ᱤర 䊝䉳䊠䊷䊦 2.5 䊏䉾䉼⋥ᓘ 125.0mm ᱤవ⋥ᓘ 130.0mm ၮ⋥ᓘ 117.46mm ၮ⋥ᓘ 117.46mm ജⷺ 20㫦 ᱤ 25.0mm ᱤᢙ 50 ౝⓣ⋥ᓘ 20mm 図2 SUS304鋼歯車の焼入れ変形 図3 歯車（アウトプットギヤのブランク材）の熱伝達率 図1 熱処理シミュレーション生産活用システム構想例 図4 ハイポイドリンギギヤの浸炭焼入れ変形
Fast
Slow
Fast
Slow
Slow/Fast
Fast
（Fast; 熱伝達率大，slow; 熱伝達率小） ᣣᏱ⊛䈮ᾲ ಣℂ䊂䊷䉺 ᦨㆡൻ 㓸 䉲䊚䊠䊧䊷䉲䊢䊮 䊂䊷䉺 䊙䉟䊆䊮䉫 䉲䉴䊁䊛 ᾲಣℂຠ⾰ ᾲಣℂຠ⾰ 㪆ຠ⾰ຠ⾰ 㪛㪙㪛㪙 䉲䊚䊠䊧 䉲䊢䊮 ᧚ᢱ‛ᕈ୯ ᧚ᢱ‛ᕈ୯ 㪛㪙 㪛㪙 㪆ຠ⾰ຠ⾰ 㪛㪙㪛㪙 㪛㪙㪛㪙 ᦨㆡ⸃ ᦨㆡ⸃ ⷐ࿃⸃ᨆታ㛎䋨⹜ታ㛎䈭䈬䋩ᾲಣℂ႐
⺖㗴 iSight䈭䈬 COSMAP, DEFORM-HT 䈭䈬特集 熱処理技術の最新動向 その他、サンギヤなどリングギヤの浸炭焼入れ後の 内径真円度を確保するために行っている研削の取代 を最小化するには熱処理前の内径形状を最適化する 必要があり、さまざまな形状での変形を予測できる シミュレーションが極めて有効である。 図7 複雑形状歯車部品における必要な硬さ分布が求められる各部位 現結果；変形量はわかりやすくするため拡大してい る）する。均一な熱伝達率を与えた計算では、この ような変形は生じない。実際の変形を再現できたの は、境界条件として円周方向の熱伝達率を変化させ たためであり、このことは実際の焼入れでは円周方 向の冷却が均質でないことを意味する。こ れが、歪みのばらつきを生じさせる一因で ある。そこで、冷却油の熱流体解析（CFD; Computational Fluid Dynamics）を実施し、 治具や部品間に設置するスペーサー形状を 適正化することにより円周方向の流れを均 質化できた（図 5）。その結果背面平面度の ばらつきが低減し従来のプレス焼入れを廃 止することに成功している。 図 6（a）のような断面形状の歯車では、内 径と歯面のいずれの部位にも表面硬さが必 要となる。最適な J 値（焼入れ性）の 鋼材を 選択するためには、現状では多くの歯車試作 と焼入れ実験が必要であるが、硬さ分布を シミュレーション（図 6（b））することで効率 的に選択することが可能となる。また、図 7 のような複雑形状の歯車において、各部位 の表面硬さを同時に満たす適正な焼入れ性の 鋼材を選択する際にも活かすことができる。 クラッチギヤ クラッチギヤ 図6 歯車部品の硬さを満たす最適鋼材の選定 (a) 歯車断面 (b) 断面硬さ分布の計算結果 窒素などのガスを冷却媒体とする焼入れは、環境 負荷低減やクリーンな製造現場の実現だけでなく、 油槽によるものより冷却を制御しやすく、歪み低減 技術としても期待が大きい。この加圧ガス焼入れ技 術について、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機 構（NEDO）の研究開発プロジェクト「高精度真空浸 炭加圧ガス冷却システムおよびその制御技術開発」 （2005年 7 月～ 2007年 3 月）が、計算機シミュレー ションを駆使することで成果を上げた。
3．シミュレーション利用による加圧ガス焼入れの研究開発
図5 ハイポイドリングギヤの配置断面における 油流れの解析結果 (a) ジグおよびハイポイドリング ギヤ配置外観（改良前） (b) 改良前 (c) 改良後ガス窒化やガス軟窒化は、浸炭に比べ硬化深さは 浅いが低温処理で変態を伴わないため歪みが小さい こと、耐食性や耐摩耗性に優れること、また各種ハー ドコーティングの下地処理などで最近改めて注目さ れ、研究活動も活発化している。特に、ガス雰囲気 制御技術が急速に進歩し、化合物層厚さやその組成、 拡散層深さまで高精度に制御できるようになりつつ ある。その背景には 1980年代ころからの窒化の数値 シミュレーション研究がある。 Rozendaal と Mittemeijer ら28）は、純鉄を 560℃ の NH3/H2の混合ガス雰囲気で窒化し時間と共に変 化する窒素濃度分布やそれによって生じる表面の最 大残留応力および g’-Fe4N 相形成の計算予測を試み ている。さらに Somers と Mittemeijer29）は、純鉄の ガ ス 窒 化 に お け る g’-Fe4N1-xお よ び e -Fe2N1-z/g’ -Fe4N1-x化合物層中の窒素の自己拡散係数を評価 し、反応速度論に基づいて、a -Fe 界面からの化合 物層の形成・成長をシミュレートしている。また、 Schacherl ら30）は、Fe-4.3～21.5at%Cr 合 金 の ガ ス 窒化を扱い、内部窒化31），32）すなわち窒素拡散層に おいて、過剰窒素による合金窒化物 MeNnの析出（実 験では CrN の析出）を溶解度積モデルから算出して いる。鋼の窒化における窒素濃度分布は、1997年に Y. Sun と T. Bell33）によって計算されているが、実用 Fe-Mn-Cr-Mo お よ び Fe-Si-Mn-Cr-Mo-V系 窒 化 用鋼の合金成分 Me（Cr, V）の影響を考慮、すなわち 固溶窒素と MexNyの析出を考慮したものとして、窒 素が鉄合金窒化物として析出する前に一時的に Fe-Me-N 配列としてトラップされるという窒素トラッ プモデル34）に基づいた計算が報告35）されている。平 岡ら36）は、S40C をベース鋼とした鋼のガス窒化に よる拡散層の窒素濃度分布について Si, Cr, Mo, V お よび W 添加すなわち合金窒化物析出を考慮して計 算し、構造用鋼や工具鋼まで広く実用鋼に応用でき るとしている。 Christiansen や Somers ら37）は、オー ステナイト系ステンレス鋼（AISI304, 316）のガス窒 化について、拡張オーステナイトの成長における窒 素濃度分布を数値シミュレートしている。 硬さ分布の計算機シミュレーションについては、 井上ら38）が、C, Si および Cr 量の異なる中炭素フェ ライト・パーライト鋼のガス軟窒化による硬さ向上 が、窒素濃度に比例すると仮定して、窒素濃度分布 から硬さ分布を計算している。窒化元素を含有する 実用窒化鋼での硬さ分布シミュレーションでは、合 金窒化物の析出による析出強化や分散強化を考慮す る必要があるが、楠見ら39）は、Ti 添加鋼のガス窒 化において TiN の析出を計算し、硬さ上昇が析出 物の体積率 f と平均粒径 d の関数で表現されるとい う Ansell-Lenel の析出強化理論40）を使って、∆σ y=
式（G, G* は夫々a -Fe, TiN の剛性率、 b はバーガースベクトル）から硬さ上昇を計算して いる。 残留応力のシミュレーションに関する報告は少な いが、最近井上ら41）～ 44）は、ガス窒化による a -Fe
4．窒化シミュレーションの研究と応用への期待
品（アウトプットギヤやハイポイドリングギヤ）を 用いた実験を繰り返して、窒素ガス流れ及び冷却状 態と熱処理品質（硬さ・組織および変形）との 関係を詳細に調べた。炉内冷却過程について、 乱流モデルを用いガス温度の変化を考慮した 非定常 CFD 解析によるシミュレーションを実 施した23）～ 25）。その結果、窒素ガス圧力 3.0MPa で焼入れた場合、1.5MPa（ガス流速はより高 速）の場合に比し、冷却速度のばらつきが小 さいことや、同圧でも縦置きでは横置きに比 し冷却速度が低い上、冷却速度のばらつきが 大きくなることなどが予測され、実験結果と も一致した。このような基礎知見や確立した 評価解析手法を応用して、図 8 に示すように 冷却速度の異なる冷却を三段に分けて焼入れ する改良型ガスマルクエンチ法が提案されて ニングコスト低減の研究開発が活発化することで、 実用化が一層進んでいくものと予想される。 通常焼入れ （内部） 三段焼入れ（表層部） 第一段冷却 2MPa, 12m/s, 25s 第二段冷却 0.6MPa, 2.5m/s, 120s 2MPa, 12m/s, 455s 第三段冷却 内部のMs（ﾏﾙﾃﾝｻｲﾄ変態開始）温度 表層部のMs（ﾏﾙﾃﾝｻｲﾄ変態開始）温度 （自動車用ハイポイドギア，歯部の熱電対による実測） 三段焼入れ（内部） 通常焼入れ（表層部） 一段の2MPaガス焼入れに対し， 背面平面度が約54％改善 時間(s) 温度(℃) 210 180 150 120 90 60 30 0 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 （自動車用ハイポイドギヤ、歯部の熱電対による実測） 図8 ステップガス焼入れ（改良ガスマルクエンチ）特集 熱処理技術の最新動向 中の侵入・拡散窒素と窒化物形成の逐次的シミュ レーションを行い、固溶窒素と g’/e 窒化物生成に よる体積変化から歪み分布を算出し、弾塑性解析を 行って残留応力を評価している。 最表面に形成する窒素化合物層は、耐摩耗性や疲 労強度などに大きく影響するため、その構成相の計 算機予測は極めて重要である。平岡ら45）は、鉄窒化 層の平衡状態図に相当するレーラー線図を合金鋼に 応用し、合金鋼でのレーラー図を熱力学計算により 作成し、e や g’相と共存する合金窒化物の領域を示 すと共に、a /g’境界および g’/e 境界が、Si, Mn, Ni,
Cr, Mo, V, Al に比べ C 量によってより大きく影響さ れることなどを報告している。 以上紹介した窒化シミュレーションは、生産技術 では、表面硬さを含め最適な硬さ分布と窒化組織を 最短時間で効率的に確保できる材料設計、ならびに その窒化条件の最適化のためのツールとして活用で きることに最大の意義がある。すでに、一部メーカー からは、化合物層厚さや窒化深さなどを予測できる 窒化プロセスパラメータ決定支援ソフト46）が提供さ れている。
5．熱処理シミュレーションに関する研究開発活動の現状と将来
5．1 日本熱処理技術協会・研究部会の活動 この分野では、（一社）日本熱処理技術協会47）にお いて、企業や大学から先鋭分子が集まって 1993年に 発足した「冷却剤評価研究部会」（1993年度～1996年 度）活動に遡るが、その後、焼入れ組織やひずみの制 御に関する研究部会活動を経て、2001年から本格的 な熱処理シミュレーションに関する研究部会活動が スタートしている。まず、「焼入れとシミュレーショ ン研究部会」（2001年度～2004年度）、そして「焼入 冷却剤の冷却能データベース研究部会」（2005年度～ 2008年度）、「焼入れ残留応力の数値シミュレーション 研究部会」（2009年度～2011年度）などの場が核となっ て、鋼円柱や歯車などを対象にした各種焼入れ実験、 冷却剤の冷却能測定、材料物性値の収集、そしてベン チマークシミュレーションなどを実施し、シミュレー ションの精度検証と精度向上活動が行われてきた。シ ミュレーションの精度を左右する材料物性値に関して は、先の（公社）日本材料学会塑性工学部門委員会材料 データベース研究分科会と連携した形で活動が進めら れてきた。これら活動の成果は、日本熱処理技術協会 の協会誌「熱処理」に技術解説や論文として掲載され たり、協会主催の熱処理セミナーの場で公表されてい るので参照いただきたい。主な成果として例えば、信 頼性の高い熱伝達率の測定とそのデータベース化が挙 げられる。これは、銀棒を用いた冷却性能評価法（JIS K2242）に基づいて得られる冷却曲線から集中熱容量 法により熱伝達率を求め標準的熱伝達率データとして 収集し、扱いやすいエクセル・データとしてデータベー ス化したもので、近々、日本熱処理技術協会から公開 （時期は未定）される。 現在は、「焼入冷却と変形シミュレーション研究部 会」（2012年度から活動中）として、前活動を継承し、 鋼部材の焼入れに伴う残留応力の発生と変形の予測・ 制御技術の向上を目指した活動となっている。対象と なる熱処理は、これまでの浸炭焼入れや高周波焼入れ だけでなく、窒化や軟窒化も加えられている。また、 生産現場における課題解決への関心の高まりから、流 体解析や気液混相流解析に関する実験や調査も新たに 盛り込まれている。ワーキンググループ（WG）形式 で活動を進めており、主な課題を表 1 に示す。WG Ⅰ は、熱処理シミュレーションで最も重要な入力値の一 つである、冷却特性、特に熱伝達率の高精度測定に関 するものである。中心式銀プローブを用いた冷却能測 定法に関する JIS B 法（K2242-B）の ISO 規格化に向 けた検討準備を進めているが、すでに、ASTM 規格 化（D7646；アルミニウム合金の溶体化後の急冷用冷 媒の冷却能測定法）が実現しており、さらに従来の標 準液 DOP（フタル酸ジ 2-エチルヘキシル）に加え鉱 油系標準液を採用する改正を行った。現在、この鉱油 系標準液を使ったラウンドロビンテストを実施中であ る。WG Ⅱでは、関心の高い非対称形状部材で発生す る曲がり変形について、浸炭油焼入れした場合を取り 上げ、残留応力予測の高精度化を含めたメカニズムの 解明に取り組んでいる。実際のシミュレーションでは、 浸炭層のメッシュ分割法が課題の一つに挙げられ、材 料物性値や計算条件などを含めて最適化を検討してい る。また、円板状試験片の高周波焼入れにおける変形 と残留応力について、シミュレーションと実験検証が 精力的に進められており、正確な熱伝達率や材料物性 値を取得することが重要課題となっている。さらに、 自動車用の浸炭焼入れ部材の量産現場における歪み 対策への応用を目指し、自動車会社はじめ、部品メー カー、炉メーカーや油剤メーカーが連携・協力し合い、 ハイポイドリングギヤや CVT プーリーなど実部品 を対象とした活動を加速している。団体焼入れ時の部 品間や部品位置の冷却ばらつきの実測とシミュレー ションへの反映が大きな課題であるが、解析の簡素化 に関するノウハウも積み上がりつつあり、成果が期待されている。WG Ⅲでは、窒化シミュレーションを取 り上げ、これまであまり詳細な研究報告のない窒化時 の変形や残留応力についての文献調査を進める一方、 Cr 鋼や Cr-Mo 鋼など JIS 規格鋼の窒化による表面化 合物層や拡散層硬さ分布のシミュレーションが試みら れている。検証用の窒化実験も実施し、データの収集 と化合物層形成過程の解明48），49）が進められている。 5．2 ドイツＩＷＴ変形工学プロジェクト 一方、ドイツでは、DFG（ドイツ研究振興協会）か らファンドを受け、 IWT（材料熱処理研究所）6）、ブ レーメン大学が中心となり焼入歪みの低減を目標とし た CAE のプロジェクト；The Collaborative Research Center SFB570 “Distortion Engineering”50）が2001年 から 2011年までの 10年間に渡り進められた。これ は、製造工程、すなわち自動車変速機部品を例に すれば鋳造、圧延、機械加工、熱処理および研削 における各プロセスをつながったものとして “プロ セスチェイン（Process chain）” という概念を導入 し、歪み発生に影響する重要因子ならびに連続す る各プロセスの優先度を決めて制御し、これまで の個別プロセスではなく全体としてプロセスを最 適化することを狙いとしている。これを実現する には、各プロセスからの歪み要因の相互作用を測 定し評価しなければならないため、高精度な計測 技術と共に計算機シミュレーションの研究が中核 をなす。プロセスチェインシミュレーションの統 括的成果として、リング、シャフトおよびディス ク / ギヤを対象に結論50）が提示されているが、熱 力学や機構的な限界から最終目的である歪み対策 は十分ではなく特にシャフトやディスク / ギヤで は難しいと総括している。今後、工程別に異なっ たシミュレーションツールの必要性、材料特性や 熱処理条件などのデータ管理・データベース化が キーとなることから国際的協働が期待される51） とも報告している。2005年、2008年および 2011年 の 3 回に渡って国際会議 IDE を開催し成果が公表さ れている。最終年 2011年の国際会議では、ベアリン グ、シャフト、ディスク / ギヤの製造で発生する歪 みに関する発表、また、自動車用アルミダイカスト 部品の歪みや航空機部品での残留応力、溶接歪み、 そして浸炭焼入れ歪みや高周波焼入れ歪みの研究成 果も多数発表されている。このプロジェクトならび に成果の今後の展開が注目される。 Ⅰ：冷却能測定および規格化 （1） 冷却性能測定法の ISO と JIS 規格における不整合性の解消 （2） IFHTSE-Liquid Quenchants Database Project を通じた JIS
法の普及活動 （3） 冷却能の定義をその研究経緯の調査に基づき確認 （4） 相対流れのある小型球プローブを用いた冷却能測定の精度と 再現性の確認 a JIS 冷却能測定法の ISO 規格化の提案 b 冷却能とその規格に関する調査研究 Ⅱ：焼入変形と残留応力シミュレーションの高精度化と実用化研 究 ― 実部品の冷却による残留応力・変形発生機構の解明とその 防止 a 長尺鋼部品の熱処理変形と残留応力 b メッシュ分割方法と残留応力や変形との関係について c 丸棒を用いた高周波焼入れにおける変形と残留応力 d 浸炭実操業におけるシミュレーション活用のための課題と解決に関する調査・研究 Ⅲ：窒化シミュレーションの高精度化と実用化研究 （1） 窒化の変形・残留応力シミュレーション実用化 （2） 化合物層と拡散層の発生モデルの厳密化による上記シミュ レーションの精度向上 a 窒化の変形・残留応力シミュレーションに対する検証問題の設定 b 化合物層と拡散層の発生モデルの調査と実験検証に関する調査・研究 熱処理シミュレーションは、理論や計算原理の構 築以来、計算結果の精度向上を主目的とした研究が 行われてきた。しかし、精度の検証のための熱処理 品質の実測値、とりわけ歪み量や残留応力値には測 定精度そのものに限界がある。浸炭歯車では、ミク ロンオーダーの歪みを、シミュレーション結果と厳 格に対比できる測定法は存在しない。また残留応力 分布については、X線回折法で電解研磨しながら深 さ方向に測定する現在の一般的方法では真の値は得 られない。 熱処理シミュレーションの今後の発展を考える 時、計算精度の向上を目的とした精度の高い入力物 性値の取集や計算法の改良は重要ではあるが、熱処 理プロセスの最適化や適用部品の最適形状設計、そ して歪みや割れの原因解明とそれら問題解決のため のツールとしての利用技術開発が不可欠である。工
6．おわりに
特集 熱処理技術の最新動向 学的視点から熱処理現場で抱える現実の課題をよく
認識した研究開発が期待される。 参考文献
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