JP7060527B2

JP7060527B2 - マルテンサイト変態率予測方法及び加工条件の設定方法

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Publication number: JP7060527B2
Application number: JP2019002574A
Authority: JP
Inventors: 潤柳本; 健志朗三村; 大小淵; 浩之生田; 太浩石黒
Original assignee: University of Tokyo NUC; Toyota Motor Corp
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Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: US20200224289A1; JP2020112403A

Description

本発明は、鋼材加工処理におけるマルテンサイト変態率予測方法及び加工条件の設定方法に関する。

鋼材の熱処理に伴うマルテンサイト変態率の計算式として、非特許文献１に開示された計算式がある。

Magee, C. L.:The Nucleation of Martensite, Ch.3. ASM, New York, 1968. M.Suehiro, K.Sato, H.Yada, T.Senuma and Y.Matsumura:Transactions ISIJ, 27(1987), 439. T.Senuma, M.Suehiro and H.Yada, ISIJ, Int., 32-3(1992), 423. Yanagimoto, J. and Liu, J; ISIJ, Int., 41-12(2001), 1510. 新日鉄技法、第392号(2012), 45.

非特許文献１の計算式を用いた場合には、鋼材の所謂静的な熱処理での変態率の予測結果は、実挙動と概ね合うという結果が出ている。これは、静的な熱処理では変態の温度依存率が支配的になるからである。一方、鋼材の熱処理に変形加工を組合せた処理(例えば、歯車材の転造加工処理)における変態率の予測結果は、実挙動と大きくかけ離れる。これは、非特許文献１の計算式が変態の出現に変形加工によるエネルギー変化等の所謂動的な要素を考慮していないことが理由と考えられる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、鋼材を熱処理とともに変形加工する際のマルテンサイト変態率の予測精度を従来の計算法より高めることができるマルテンサイト変態率予測方法及び加工条件の設定方法を提供する。

本発明の一態様に係るマルテンサイト変態率予測方法は、鋼材を、温度変化を伴う熱処理とともに変形加工した際に発現するマルテンサイト相への変態率を予測する方法であり、予測式を用いてマルテンサイト変態率を算出する方法である。このような構成とすることにより、鋼材を熱処理とともに変形加工する際のマルテンサイト変態率の予測精度を従来の計算法より高めることができる。

また、本発明の一態様に係る加工条件の設定方法は、マルテンサイト変態率予測方法を用いて、所定のマルテンサイト変態率を有するように前記鋼材を変形加工する際の温度及び歪み速度を設定する。このような構成とすることにより、所望のマルテンサイト変態率を有する鋼材に加工することができ、部分毎に強度の作り分けを行うことができる。

本発明により、鋼材を熱処理とともに変形加工する際のマルテンサイト変態率の予測精度を従来の計算法より高めることができるマルテンサイト変態率予測方法及び加工条件の設定方法を提供する。

実施形態１に係るマルテンサイト変態率予測式において、変形加工によって変態ノーズのシフトを例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、温度を示す。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法を例示したフローチャート図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、予測式のパラメータを同定する方法を例示したフローチャート図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、圧縮試験における加工前のワークを例示した図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、圧縮試験における加工後のワークを例示した図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、圧縮試験における加工後のワークの断面を例示した図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、高温で圧縮させたワークの断面の実測組織を例示した図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、高温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率を例示した計算結果である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、高温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値、既存式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値及び実測したマルテンサイト変態率の測定値を例示したグラフであり、横軸は、ワークの上面からの距離であり、縦軸は、マルテンサイト変態率を示す。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、低温で圧縮させたワークの断面の実測組織を例示した図である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、低温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率を例示した計算結果である。実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、低温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値、既存式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値及び実測したマルテンサイト変態率の測定値を例示したグラフであり、横軸は、ワークの上面からの距離であり、縦軸は、マルテンサイト変態率を示す。ＥＶ化の車両からの歯車へのニーズを例示した図である。実施形態に係るマルテンサイト変態予測方法において、歯車の強度の作り分けを例示した図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施形態）
実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法を説明する。マルテンサイト変態率予測方法を、＜予測式＞、＜マルテンサイト変態率予測方法＞及び＜加工条件の設定方法＞に分けて説明する。＜予測式＞において、マルテンサイト変態率の予測に用いる予測式を説明する。その際に、既存する既存式との比較も説明する。＜マルテンサイト変態率予測方法＞において、予測式を用いたマルテンサイト変態率予測方法を説明する。＜加工条件の設定方法＞において、マルテンサイト変態率予測方法を用いた加工条件の設定方法を説明する。

＜予測式＞
本実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法は、鋼材を、温度変化を伴う熱処理とともに変形加工した際に発現するマルテンサイト相への変態率を予測する方法であり、下記の（１）式に示す予測式を用いてマルテンサイト変態率Ｖ_ｍを算出する。

ここで、Ｖ_αはフェライト率であり、Ｖ_ｐはパーライト率であり、Ｖ_βはベイナイト率である。例えば、マルテンサイト変態率Ｖ_ｍ、フェライト率Ｖ_α、パーライト率Ｖ_ｐ、ベイナイト率Ｖ_βは体積分率である。Ｍ_Ｓは下記の（２）式を満たす。

Ｔは熱処理の温度であり、ε_ｉのドット（εｉの上に・を付したもの、以下、ε^・ _ｉで示す。）は、鋼材の歪み速度であり、ε^＊は規格化定数［／ｓ］であり、ｔ_０は変形加工の開始時間であり、ｔ_ｎは変形加工の終了時間であり、ρは鋼材の平均転位密度であり、ρ_０は鋼材の初期転位密度であり、αは材料定数であり、ｍは転位依存性指数であり、ｎは歪み速度依存性指数であり、α、ｍ及びｎは、温度及び歪み速度に依存するパラメータである。

フェライト率Ｖ_αは、例えば、非特許文献２～４に示すように、下記の（３）～（５）式で算出される。

パーライト率Ｖ_ｐは、例えば、非特許文献２に示すように、下記の（６）～（８）式で算出される。

ベイナイト率Ｖ_βは、例えば、非特許文献２に示すように、下記の（９）～（１１）式で算出される。

各係数の値は、例えば、非特許文献４に示すように、下記の（１２）式の値である。単位は（ｃａｌ^３／ｍｏｌ^３）である。

下記（１３）式は、変形エネルギー起因の核生成を示している。

上記（１３）式は、Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎパラメータである。よって、動的再結晶挙動を記述した下記（１４）式に相当する。

上記（１４）式は、歪み速度により偶発的に核生成することを示す。ｅｘｐ項は、温度依存の定数として、例えば、ａとして整理することができる。

下記（１５）式は、変態ノーズのシフトを示している。ここで、初期転位密度ρ_０は、≒１０^８／ｃｍ^２である。

図１は、実施形態１に係るマルテンサイト変態率予測式において、変形加工によって変態ノーズのシフトを例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、温度を示す。図１に示すように、鋼材の変形加工時の温度を変化させた場合に、鋼材の相状態は温度によって変化する。例えば、９８０℃以上では、γ鉄の単相であり、７８０℃～９８０℃では、γ鉄を含んだ二相の状態となる。上記（１５）式は、転位が、非マルテンサイト領域の変態ノーズをシフトさせる機能を有することを示している。

次に、既存式を説明する。既存式は、非特許文献１に示すように、下記の（１６）式である。

既存式は、予測式と比べて、上記の（１３）式及び（１５）式の項を含んでいない。既存式を用いて計算することにより、静的な熱処理、すなわち、変形加工を伴わず、昇温及び冷却のみの熱処理の場合におけるマルテンサイト変態率を精度よく予測することができる。静的な熱処理において、マルテンサイト相の発現は、温度に大きく依存するからである。

一方、動的な熱処理、すなわち、変形加工を伴う熱処理の場合には、マルテンサイト相の発現は、温度依存性の他、変形エネルギー起因の核生成及び変態ノーズのシフトにも依存する。したがって、動的な熱処理において、既存式を用いてマルテンサイト変態率を計算しても、精度よく予測することができない。既存式は、このような変形エネルギー起因の核生成及び変態ノーズのシフトを考慮していないためである。

本実施形態の予測式には、上記（１３）及び（１５）に示す項が付加されている。したがって、変形エネルギー起因の核生成及び変態ノーズのシフトも考慮している。よって、動的な熱処理におけるマルテンサイト変態率を精度良く予測することができる。

＜マルテンサイト変態率予測方法＞
次に、本実施形態のマルテンサイト変態率予測方法を説明する。図２は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法を例示したフローチャート図である。図３は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、予測式のパラメータを同定する方法を例示したフローチャート図である。図４は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、圧縮試験における加工前のワークを例示した図である。図５は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、圧縮試験における加工後のワークを例示した図である。図６は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、圧縮試験における加工後のワークの断面を例示した図であり、図５のＶＩ－ＶＩ線の断面を示す。

マルテンサイト変態率を予測するためには、図２のステップＳ１１に示すように、予測式のパラメータα、ｍ及びｎを同定することから始める。予測式のパラメータα、ｍ及びｎを同定するためには、まず、図３のステップＳ２１に示すように、ワークの円柱圧縮試験を行う。

図４に示すように、円柱圧縮試験に用いるワーク１０は、底面（上面１１及び下面１２）の直径が８（ｍｍ）、高さが１２（ｍｍ）の円柱状の鋼材である。このようなワーク１０の両底面に対して、ワーク１０を圧縮させるような応力を加えて変形させる。これにより、図５に示すように、高さが３（ｍｍ）の円柱に変形させる。そして、図６に示すように、変形後のワーク１０の中央部を、縦に切断し、底面に直交する断面を露出させる。

次に、図３のステップＳ２２に示すように、ワーク１０の中央部の断面における硬さを測定する。硬さを測定する場合には、断面をメッシュ状に微小部分に区分し、各微小部分の硬さを測定する。次に、ステップＳ２３に示すように、測定した断面の各微小部分の硬さをマルテンサイト変態率に変換する。例えば、測定した硬さ及び結晶組織から得られる歪み量を用いてマルテンサイト変態率に変換する。そうすることにより、断面におけるマルテンサイト変態率の分布を得る。このようにして、ステップＳ２１～Ｓ２３により、鋼材の圧縮試験によってマルテンサイト変態率の測定値を測定する。

一方、ステップＳ２４に示すように、円柱圧縮解析を行う。円柱圧縮解析は、予測式を用いてマルテンサイト変態率を算出する。その際に、ステップＳ２５に示すように、パラメータα、ｍ及びｎを変更しつつ、複数のパラメータα、ｍ及びｎについて、ステップＳ２６に示すようにマルテンサイト変態率を算出する。マルテンサイト変態率を算出する際には、ワーク１０をメッシュ状に微小部分に区分し、各微小部分の歪み速度を用いてマルテンサイト変態率を算出する。例えば、円柱圧縮する際の加工速度から歪み速度を導く。具体的には、加工開始時の時間ｔ_０から加工終了時の時間ｔ_ｎまでの微小時間における歪み速度を総和して歪み速度を算出する。このようにして、ステップＳ２４～Ｓ２６により、パラメータα、ｍ及びｎを変化させた予測式によってマルテンサイト変態率の計算値を計算する。

なお、ステップＳ２１～Ｓ２３の後に、ステップＳ２４～Ｓ２６を行ってもよいし、ステップＳ２４～Ｓ２６の後に、ステップＳ２１～Ｓ２３を行ってもよい。また、ステップＳ２４～Ｓ２６と、ステップＳ２１～Ｓ２３とを並行に行ってもよい。

次に、ステップＳ２７に示すように、マルテンサイト変態率の測定値と計算値とを比較する。そして、両者の誤差が、例えば、所定の範囲を超える場合には、ステップＳ２５に戻り、パラメータα、ｍ及びｎを変更する。そして、ステップＳ２６及びＳ２７を繰り返す。一方、ステップＳ２７において、両者の誤差が所定の範囲以内の場合には、そのときのパラメータを、予測式のパラメータα、ｍ及びｎとして同定する。なお、両者の誤差について、所定の範囲は、例えば、１０％であるが、これにこだわらない。

次に、図２のステップＳ１２に示すように、同定したパラメータα、ｍ及びｎが代入された予測式を用いて、所定の温度及び所定の歪み速度の場合のマルテンサイト変態率を算出する。このようにして、鋼材を、温度変化を伴う熱処理とともに変形加工した際に発現する、鋼材のマルテンサイト相への変態率を予測することができる。

本実施形態の予測式及び既存の既存式を用いて、高温及び低温において変形加工した場合のマルテンサイト変態率を比較する。高温における変形加工は、例えば、１０５０［℃］の温度及び５０［／ｓ］の歪み速度で行う変形加工である。高温における変形加工は、温度の依存性が大きい。よって、このような変形加工は、静的な熱処理の状態に相当する。静的な熱処理に相当する場合には、既存式を用いても予測することができる。

図７は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、高温で圧縮させたワークの断面の実測組織を例示した図である。図８は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、高温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率を例示した計算結果である。図９は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、高温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値、既存式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値及び実測したマルテンサイト変態率の測定値を例示したグラフであり、横軸は、ワークの上面からの距離であり、縦軸は、マルテンサイト変態率を示す。

図７に示すように、測定値は、ワーク１０の断面の硬度を測定して導く。具体的には、ステップＳ２２及びステップＳ２３により求める。図８に示すように、予測式の計算値は、ステップＳ２４～Ｓ２６により求める。ワーク１０の断面のマルテンサイト変態率の分布は、グレースケールで示されている。図９に示すように、測定値についてみると、上面近傍でのマルテンサイト変態率は０．８である。上面からの距離が０（ｍｍ）から２（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．７から０．８５の間を振動しながら微増している。距離が２（ｍｍ）から３（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．８５から０．９４まで増加する。

本実施形態の予測式による計算値についてみると、上面近傍でのマルテンサイト変態率は、０．７５である。上面からの距離が０（ｍｍ）から０．５（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は微増している。距離が０．５（ｍｍ）から３（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．８５でほぼ一定である。

既存式による計算値についてみると、上面近傍でのマルテンサイト変態率は、０．８である。上面からの距離が０（ｍｍ）から０．５（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は微減している。距離が０．５（ｍｍ）から３（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．７５でほぼ一定である。

このように、高温における変形加工では、本実施形態の予測式は、マルテンサイト変態率の測定値と、良好な一致を示している。よって、本実施形態の予測式は、高温における変形加工によるマルテンサイト変態率を予測することができる。また、高温における変形加工は、温度依存性が大きい静的な熱処理に相当するので、本実施形態の予測式の他、既存式でも予測可能となっている。

一方、低温における変形加工は、例えば、７５０（℃）の温度及び５０（／ｓ）のひずみ速度で行う変形加工である。低温における変形加工は、温度の依存性が小さい。よって、このような変形加工は、動的な熱処理に相当する。動的な熱処理の場合には、既存式を用いて予測することができない。

図１０は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、低温で圧縮させたワークの断面の実測組織を例示した図である。図１１は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、低温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率を例示した計算結果である。図１２は、実施形態に係るマルテンサイト変態率予測方法において、低温で圧縮させたワークの断面を、予測式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値、既存式を用いて予測したマルテンサイト変態率の計算値及び実測したマルテンサイト変態率の測定値を例示したグラフであり、横軸は、ワークの上面からの距離であり、縦軸は、マルテンサイト変態率を示す。

図１０に示すように、測定値は、ワーク１０の断面における硬度を測定して導く。図１０の断面の中央部には、組織の変化が観測される。図１１に示すように、予測式の計算値は、グレースケールで示されている。ワーク１０の断面の中央部には、マルテンサイト変態率の変化が観測される。

図１２に示すように、測定値についてみると、上面近傍でのマルテンサイト変態率は０．０５である。上面からの距離が０（ｍｍ）から１．６（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．１以下で推移する。距離が１．６（ｍｍ）において、マルテンサイト変態率は急増し、距離が１．７５（ｍｍ）において０．９のピーク値となる。距離が２（ｍｍ）において急減し、距離が２（ｍｍ）から３（ｍｍ）まで０．１で推移する。

本実施形態の予測式による計算値についてみると、上面近傍でのマルテンサイト変態率は０である。上面からの距離が０（ｍｍ）から１．５（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．２まで微増する。距離が１．６（ｍｍ）において、マルテンサイト変態率は急増し、距離が１．７５（ｍｍ）において０．８５のピーク値となる。距離が２（ｍｍ）において急減し、距離が２（ｍｍ）から３（ｍｍ）において、０．１まで減少する。

既存式による計算値についてみると、上面近傍でのマルテンサイト変態率は０．８７である。上面からの距離が０（ｍｍ）から１．０（ｍｍ）までは、マルテンサイト変態率は０．５まで減少する。距離が１．０（ｍｍ）から２．５（ｍｍ）まで、０．４５程度で推移する。距離が２．５（ｍｍ）から３．０において、０．６５まで増加する。

このように、低温における変形加工の場合には、本実施形態の予測式は、マルテンサイト変態率の測定値と、良好な一致を示している。例えば、ワーク１０の上面１１と下面１２との間の中央部において、マルテンサイト変態率が上昇する挙動を、予測式は再現することができる。よって、予測式は、低温における変形加工によるマルテンサイト変態率を精度よく予測することができる。一方、低温における変形加工は、温度依存性が小さい変態を示すので、既存式では予測することができない。例えば、既存式は、ワークの中央部において、マルテンサイト変態率が上昇する挙動を再現することができない。

本来、７５０℃の熱処理だけでは、マルテンサイト相は発現しない。マルテンサイト相を発現するためには、９００℃よりも高温に熱処理し、ｆｃｃ構造のγ鉄に炭素等が固溶したオーステナイトにしなければならない。オーステナイトを冷却することにより、ｂｃｃ構造に炭素が固溶したｂｃｔ構造のマルテンサイト相が発現する。

一方、変形加工を伴った７５０℃の熱処理では、変形加工のエネルギーにより、結晶格子は歪む。そして歪んだ結晶格子中に炭素が入り込む。入り込んだ炭素のうち、抜け出せなかった炭素は、変形加工後にそのまま閉じ込められる。そして、結果的にマルテンサイト変態すると考えられる。このようなマルテンサイト変態を、既存式は考慮していないので、マルテンサイト変態率を予測することができない。

低温における変形加工は、次のような利点がある。すなわち、鋼材の酸化量を低減することができる。また、鋼材の熱膨張量を小さくすることができる。さらに、残留するγ鉄を低減することができる。よって、低温による変形加工は、鋼材を材料とする部品の加工法として重要度が増している。本実施形態の予測式は、このような重要度の高い加工法に適用することができる。

本実施形態のマルテンサイト変態率予測方法によれば、鋼材を熱処理とともに変形加工する際のマルテンサイト変態率の予測精度を、既存の予測方法より高めることができる。特に、動的な熱処理に相当する低温の変形加工の場合には、既存式ではマルテン変態率を予測できないが、本実施形態の予測式では、予測することができる。

＜加工条件の設定方法＞
次に、本実施形態のマルテンサイト変態率予測方法を応用した加工条件の設定方法を説明する。本実施形態の加工条件の設定方法は、上述したマルテンサイト変態率予測方法を用いて、所定のマルテンサイト変態率を有するように、鋼材を変形加工する際の温度及び歪み速度を設定する。本実施形態の加工条件の設定方法を、例えば、歯車を強化する加工条件の設定に適用する。ＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）化の車両及びシステムからのニーズにより、歯車には、小型化及び高効率化を達成するための歯車強化技術が必須である。

図１３は、ＥＶ化の車両からの歯車へのニーズを例示した図である。図１３に示すように、例えば、車両及びシステムのニーズとして、電池搭載量低減及び電費向上が求められている。そのためには、タイヤ転がり損失低減のニーズがあり、低重心化・小型化及び左右輪重差低減が求められている。また、Ｔ／Ａ損失低減のニーズがあり、高効率化が求められている。さらに、搭載性のニーズがあり、小型化が求められている。

そのような低重心化、左右輪重差低減、高効率化及び小型化を達成させるため、Ｔ／Ａへのニーズとして、Ｈ寸低減、Ｗ寸低減、軽量化、オイル低粘度化、オイル少量潤滑化、ボールＢｒｇ化及びＬ寸低減が求められている。そして、これらのＴ／Ａへのニーズは、すべて、歯車強化に直結している。

歯車強化の方法として、高強度材で歯車を成形する手段もあるが、従来技術の延長では強度に限界がある。また、歯車全体が強固な状態では、ねじれ剛性（動的な剛性）が高すぎて、振動に悪影響を与える。そのため、剛性が必要な部分を強固にし、それ以外の部分に靭性も与えるといった歯車の部分的な箇所による強度の作り分けが必要である。

図１４は、実施形態に係るマルテンサイト変態予測方法において、歯車の強度の作り分けを例示した図である。図１４に示すように、歯車２０の歯同士が接触する歯面２１、及び、歯曲げの起点となる歯元２２は、強度が必要である。一方、歯の中心部２３は、強度よりも靭性を必要とする。

このように、歯車２０の部分的な箇所による強度の作り分けが必要なため、変形加工による強化と熱処理による強化とを組み合わせた加工熱処理を行う必要がある。これにより、従来にない強度の発現を狙うことができる。本実施形態では、マルテンサイト変態率予測方法を用いて、所定のマルテンサイト変態率を有するように鋼材を変形加工する際の温度及び歪み速度を設定する。例えば、歯車２０の材料である鋼材に対して、変形加工は、回転させたダイスにより行う。そして、鋼材の歪み速度を設定する際には、歯車２０の所定の部分を成形するダイスの回転条件を設定する。

具体的には、歯面２１及び歯元２２のマルテンサイト変態率を、歯の中心部２３のマルテンサイト変態率よりも大きくなるように、歯車２０の歯面２１、歯元２２、中心部２３等を別々の加工条件で加工する。その際に、歯車２０の各部分によって、ダイスの回転速度等を所望のマルテンサイト変態率となるように設定する。よって、歯車２０の部分的な箇所毎にマルテンサイト変態率を変えることができ、部分的な箇所毎による強度の作り分けを行うことができる。

加工方法の一つとして、転造があげられる。転造も強い力を加えて素材を変形させ、強度を向上させる加工法である。しかしながら、転造は、塑性歪みによる加工硬化を用いて強度を向上させている。よって、本実施形態の変形加工によりマルテンサイト変態させて強度を向上させる方法とは異なっている。

加工を伴う加工熱処理は、長年に渡って研究されている分野であるものの、メカニズムが複雑であり、成形パターンも無数に存在する。このため、良品の条件出しは困難である。本実施形態のマルテンサイト変態率予測方法を用いた加工条件の設定方法は、動的な熱処理において、相変態のメカニズムを解明することができ、正確な歪と組織の制御を行うことができる。よって、歯車２０の部分的な箇所による強度の作り分け等、変形加工における強度の制御に重要なものである。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。例えば、実施形態のマルテンサイト変態率予測方法を用いて所定のマルテンサイト変態率を有するように鋼材を変形加工して、歯車等の部品を製造する製造方法であって、上記加工条件の設定方法により設定された温度及び歪み速度で変形加工する部品の製造方法も、本発明の技術的思想の範囲である。

１０ワーク
１１上面
１２下面
２０歯車
２１歯面
２２歯元
２３中心部

Claims

鋼材を、温度変化を伴う熱処理とともに変形加工を行い、
前記熱処理とともに前記変形加工を行った前記鋼材において、マルテンサイト変態率の測定値を測定し、
下記（１）式の前記マルテンサイト変態率の予測式Ｖ _ｍと、前記マルテンサイト変態率の前記測定値とを用いて前記（１）式のパラメータα、ｍ及びｎを同定し、
同定した前記パラメータα、ｍ及びｎを用いて、所定の温度及び所定の歪み速度の場合の前記鋼材の前記マルテンサイト変態率の予測値を算出する前記マルテンサイト変態率の予測方法であって、
ここで、

であり、
Ｖ_αはフェライト率であり、
Ｖ_ｐはパーライト率であり、
Ｖ_βはベイナイト率であり、
Ｍ_Ｓは以下の（２）式を満たし、

Ｔは熱処理の温度であり、
ε_ｉのドット（εｉの上に・を付したもの）は、前記鋼材の歪み速度であり、
ε^＊は規格化定数であり、
ｔ_０は変形加工の開始時間であり、
ｔ_ｎは変形加工の終了時間であり、
ρは鋼材の平均転位密度であり、
ρ_０は鋼材の初期転位密度であり、
α、ｍ及びｎは、測定値に基づくパラメータである、
マルテンサイト変態率予測方法。
前記（１）式の前記マルテンサイト変態率の前記予測式Ｖ _ｍと、前記マルテンサイト変態率の前記測定値とを用いて前記（１）式の前記パラメータα、ｍ及びｎを同定するステップは、
前記パラメータα、ｍ及びｎの各値を初期値に設定し、
前記初期値を用いた前記マルテンサイト変態率の計算値を算出し、
測定した前記マルテンサイト変態率の前記測定値と算出した前記マルテンサイト変態率の前記計算値とを比較し、
前記測定値と前記計算値との両者の誤差が所定の範囲を超えた場合に、前記パラメータα、ｍ及びｎの少なくともいずれかの値を変更し、変更した前記値を用いて前記マルテンサイト変態率の前記計算値を算出し、
前記測定値と前記計算値との前記両者の前記誤差が所定の範囲内の場合に、当該パラメータα、ｍ及びｎを、前記（１）式の前記パラメータα、ｍ及びｎとして同定する、
請求項１に記載のマルテンサイト変態率予測方法。
請求項２に記載のマルテンサイト変態率予測方法を用いて、所定のマルテンサイト変態率を有するように前記鋼材を前記熱処理及び前記変形加工を行う際の前記所定の温度及び前記所定の歪み速度を設定する、
加工条件の設定方法。
前記鋼材は、歯車の材料であり、
前記変形加工は、回転させたダイスにより行い、
前記所定の歪み速度を設定する際には、前記歯車の所定の部分を成形する前記ダイスの回転条件を設定する、
請求項３に記載の加工条件の設定方法。