自動車部品のガス焼入れにおける 品質向上 日産自動車 パワートレイン生産技術本部 日産自動車 杉本 杉本 剛 www.nissan-global.com 1 Agenda 1. 自動車部品での浸炭焼入れ熱処理技術 2. ガス焼入れ技術について 3. ガス焼入れシミュレーション技術の開発 4. シミュレーションを用いたガス焼入れ特性の改善 2 Agenda 1. 自動車部品での浸炭焼入れ熱処理技術 2. ガス焼入れ技術 3. ガス焼入れシミュレーション技術の開発 4. シミュレーションを用いたガス焼入れ特性の改善 3 浸炭焼き入れ熱処理とは・・ CVTプーリー 日産 MAXIMA(北米) 変速機 エンジン CVTプーリーの製造工程 鍛造 焼準 浸炭 焼入れ 目的；硬くする； 強度向上 跳ね返り； 変形ばらつき 4 機械加工 焼戻し 修正 研削 修正大 コスト増加 組立て 浸炭焼き入れ熱処理の効果・跳ね返り 浸炭 表面に炭素を しみこませ 高温にし て 温度 980℃ 急冷(焼入れ) する 炭素 + 急冷 → 炭素マルテンサイト =硬い！ 処理時間 母相⇒炭素マルテン サイト 体積膨張 0.3～1% 5 変形 表面が硬くなる 3-4hr 冷却ばらつき 変形ばらつきの 発生 Agenda 1. 自動車部品での浸炭焼入れ熱処理技術 2. ガス焼入れ技術 3. ガス焼入れシミュレーション技術の開発 4. シミュレーションを用いたガス焼入れ特性の改善 6 ガス焼入れによる低歪化と問題点 ガス焼入れでは流れを工夫することでより冷却速度を向上させ， 均一に冷却できる可能性がある(時間・空間) R145 ハイポイドギア N2ガス焼入れ 蒸気膜 崩落時間差 位置による 冷却差 温度 温度 油焼入れ Pulley DX Fix Secondary 蒸気膜 時間 7 時間 N2ガス 油焼き 入れ N2ガス焼入れ 時間 悪 良 空間 良 悪 充分 不足 冷却速度 バラツキ 冷却速度 8 ここを改良し， 品質の良い 焼入れを実施する Agenda 1. 自動車部品での浸炭焼入れ熱処理技術 2. ガス焼入れ技術 3. ガス焼入れシミュレーション技術の開発 4. シミュレーションを用いたガス焼入れ特性の改善 9 ガス焼入れでの部品品質解析の流れ START 表面熱伝達率算出 方法の開発 (次項以降) ガス流れ解 析 部品表面での ガス流速を求め る 部品表面での 冷却速度を求 める SFTC DEFORM-HT 部品品質の解 析 10 ガス焼入れ熱伝達率データベース作成 ガス焼入れでの熱伝達率測定装置を作成，これを用い，熱伝達率データベースを作成した． 図1.測定器全体形状 外壁 φ300mm 増速スリーブ 整流キャッ プ IHI製高圧 シールキット 水&電気 → コイル(冷却水管兼用) 内径60mm, 外形80mm 100mm 以上 ジャケット クーラー テストピース 銀φ15mmx60mm 石英ガラススリーブ 内径φ50mm, t=2mm 図2.測定部構造 11 Fig. 銀棒試験片を用いたN2ガスの熱伝達率の導出. (Narazaki et al, 2008) 実部品表面での熱伝達率の同定 -逆問題手法- 実部品の表面熱伝達率を検討する為，実測値より熱伝達率を算出する 開始 実部品での実測冷却曲線 初期 熱伝達率 冷却状態の予測 (逆問題手法) 熱伝達率の 修正 NG 実冷却曲線と 計算冷却曲線の比較 OK Fig. 逆問題手法によ る熱伝達率の導出 終了 12 Fig. 銀棒試験片を用いたN2ガスの熱伝達率の導出. (Narazaki et al, 2008) 部品表面での熱伝達率の同定結果 -逆問題手法- 逆問題手法により，実部品表面の熱伝達率を算出できた Tooth surface Inside diameter surface ④ Tooth bottom ⑥ 0 ③ ② Back face surface ⑤ ① Outside diameter surface 900 ①-Outside diameter ③-Inside diameter ⑤-Tooth bottom 2.5 ②-Back face ④-Tooth surface 2 1.5 1 700 600 400 300 200 0 100 200 400 600 800 Temperature, T /℃ Fig. 実験冷却曲線より算出した 熱伝達率(2.0MPa, 12m/s). 13 1000 ①-Calculated ②-Calculated ③-Calculated ④-Calculated ⑤-Calculated 500 0.5 0 ①-Measured ②-Measured ③-Measured ④-Measured ⑤-Measured 800 Temperature, T /℃ Heat transfer coefficient, h /N/sec/mm/k 3 0 10 20 30 Time, t /s 40 50 60 Fig. 算出した冷却曲線と実測冷却曲線 の比較 熱伝達率同定結果とCFDの結果の比較 実測の熱伝達率は解析結果と傾向の一致を見た Tooth surface Inside diameter surface ④ Tooth bottom ⑥ 0 ③ ② Back face surface ⑤ ① Outside diameter surface Heat transfer coefficient, h /N/sec/mm/k 3 ①-Outside diameter ③-Inside diameter ⑤-Tooth bottom 2.5 ②-Back face ④-Tooth surface 2 1.5 1 0.5 0 0 200 400 600 800 1000 Temperature, T /℃ Fig. 実験値冷却曲線より算出した 熱伝達率(2.0MPa, 12m/s). 14 31.8m/s 0m/s Fig. CFDによるガス焼入れ時の 流速分布計算結果 熱伝達率同定結果と流体解析結果の比較検証 流体解析結果と熱伝達率同定結果は良い相関を見た 3.65 ①-Outside diameter ③-Inside diameter ⑤-Tooth bottom 2.5 2 ④ Tooth bottom ③ 1.5 ②-Back face ④-Tooth surface Tooth surface Inside diameter surface Back face surface Log（heat transfer coefficient× temperature）, Log(h ×T) /kW/m2 Heat transfer coefficient, h /N/sec/mm/k 3 ⑥ 0 ② ⑤ ① Outside diameter surface 1 0.5 0 0 200 400 600 800 Temperature, T /℃ Fig. 実験値冷却曲線より算出した 熱伝達率(2.0MPa, 12m/s). 15 1000 3.6 y = 0.7589x + 2.5557 2 R = 0.9854 3.55 3.5 3.45 h=C･(PV)0.7589 3.4 3.35 3.3 3.25 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Log(quenching pressure×flow velocity), Log(P ×V )/ MPa・ m/s Fig. 算出した熱伝達率とCFDによる (P)× (V)値の相関 熱伝達率導出結果の適用例 Slow 歪の予測 Fast Fig. Deformation of back face. Z 0 Fig. Runout of circulated direction. 16 Fig. Lead deformation. Agenda 1. 自動車部品での浸炭焼入れ熱処理技術 2. ガス焼入れ技術 3. ガス焼入れシミュレーション技術の開発 4. シミュレーションを用いたガス焼入れ特性の改善 17 ガス焼入れシミュレーションの適用例 シミュレーションを用い，ガス冷却装置の冷却風導入部位の形状を検討 し， 冷却速度の向上方法を検討した 要求特性；内部硬さ 入口メッシュサイズ変更による渦発生での熱拡散現象の活用 従来条件； メッシュサイズ小 渦による 材料 熱輸送 冷却速度 メッシュサイズを ワーク配置位置に 渦が発生する条件 にした ガス流 位置0mm 位置250mm 改良条件 ；メッシュサイズ大 開口率縮小による流速向上 0 渦粘性 -0.05Pa・s 流速向上による 熱輸送量向上 開口部位の限定による噴流化 噴流(鉛直流)に より熱熱境界層 を吹き飛ばす 熱境界層 18 効果の検証 –流れの様子 可視化 ＰＩV法解析と同等の結果がPIVによる実態流れ可視化でも観察できた 側面によどみが発生 ☆点での流速4.3 m/s 従来条件 流速・巻き込みが大 ☆点での流速11.5 m/s 改良条件 PIV(Particle Image Velocimetry); 流体中に微小粒子を流体中に混ぜ，流れを可視化する手法 19 効果の検証 –流れの様子 可視化ガス導入法の変更により，冷却速度が向上し 冷却順序が変化した 焼入れ条件 1MPa 50Hz N2 測定条件 ノビテック サーメラ NR-300 焦点距離 50mm 絞り全開 従来条件 改良条件 73sec 44sec (▲40%) 冷却の様子 1050℃ →500℃までの 冷却時間 20 効果の検証 –流れの様子 可視化- ① ② ③ ④ ガス導入法の変更により，冷却速度が向上し 冷却順序が変化した Temperature [℃] ① ② ③ ④ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Time [s] 従来条件 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 ① ② ③ ④ Temperature [℃] 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Time [s] 改良条件 焼入れ条件 1MPa 50Hz N2 測定条件 ノビテック サーメラ NR-300 焦点距離 50mm 絞り全開 21 まとめ • ガス焼入れでの熱伝達率をデータベース 化し，CFDを併用することで，ガス焼入時 の熱処理品質シミュレーションを実現し た． • 開発技術を用い，実部品にて焼入れの冷 却速度と冷却の均一性を向上させる方法 を見出した． 22 ＥＮＤ 23
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