浸炭解析方法及び浸炭解析装置
【課題】被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する場合における解析精度を向上させる。
【解決手段】流体解析により被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、状態量から被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する浸炭量計算工程とを有する。
【解決手段】流体解析により被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、状態量から被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する浸炭量計算工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析方法及び浸炭解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に示すように、従来から、鋼材からなる被浸炭処理物を、浸炭ガスが供給される処理空間に載置することによって、被浸炭処理物の表層に炭素を拡散浸透させる浸炭処理が行われている。
このような浸炭処理によれば、被浸炭処理物の表層が硬化し、被浸炭処理物の表面の耐摩耗性を向上させたりすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−５９９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、被浸炭処理物への炭素の含浸速度は、処理空間へ供給される浸炭ガスに含まれる炭素含有化合物の濃度や被浸炭処理物の形状等の様々な要件によって異なってくる。
このため、実際の浸炭処理に先立ち、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析により計算し、この数値計算の結果から最適な浸炭条件を設定する試みがなされている。
【０００５】
このような従来の数値解析で用いられる手法は、被浸炭処理物の表面の炭素濃度が鋼材の炭素固溶限界濃度であると仮定し、この表面からの炭素の拡散を、拡散方程式を解くことによって浸炭量を求めるものである。
ところが、実際の浸炭処理では、被浸炭処理物の表面の炭素濃度は、炭素固溶限界濃度になっておらず、徐々に炭素固溶限界濃度に向かう。また、炭素固溶限界濃度に向かう速度も、被浸炭処理物の表面の近傍に存在する浸炭ガスの濃度分布（密度）に依存して変化する。さらには浸炭ガスの濃度分布は、処理空間の形状や被浸炭処理物の形状に依存して変化する。
【０００６】
つまり、実際の浸炭処理においては被浸炭処理物の浸炭量が、浸炭ガスの状態量によって変化するにも関わらず、従来の数値解析においては、これを無視して計算を行っている。
このため、従来の数値解析によれば、被浸炭処理粒の大まかな浸炭量を計算することはできるものの、より実現象に近い浸炭挙動を求めることは難しかった。
例えば、従来の数値解析においては、上述のように被浸炭処理物の表面の炭素濃度を炭素固溶限界濃度であると仮定しているため、炭素固溶限界濃度に至るまでの被浸炭処理物の表面における炭素濃度のムラを求めることができない。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する場合により実現象に近い浸炭量を計算可能とする、すなわち解析精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析方法であって、流体解析により上記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、上記状態量から上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた上記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて上記浸炭量を計算する浸炭量計算工程とを有するという構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記表面炭素濃度計算工程にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、上記浸炭量計算工程にて、実験により求められる反応速度係数と上記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、上記水素発生量から上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記表面炭素濃度計算工程にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、上記浸炭量計算工程にて、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が上記炭素固溶限界濃度であるとして上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析装置であって、流体解析により上記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算手段と、上記状態量から上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算手段と、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた上記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて上記浸炭量を計算する浸炭量計算手段とを備えるという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記表面炭素濃度計算手段にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、上記浸炭量計算手段が、実験により求められる反応速度係数と上記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、上記水素発生量から上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第４または第５の発明において、上記表面炭素濃度計算手段にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、上記浸炭量計算手段は、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が上記炭素固溶限界濃度であるとして上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、流体解析により被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量が計算され、この状態量から被浸炭処理物の表面の炭素濃度が計算され、被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた被浸炭処理物への炭素流入量が設定されると共に当該炭素流入量に基づいて浸炭量が計算される。
つまり、本発明によれば、予め被浸炭処理物の表面の炭素濃度を炭素固溶限界濃度と仮定せず、流体解析を行うことによって、炭素固溶限界濃度に至るまでにおける被浸炭処理物の表面の炭素濃度が計算される。このため、被浸炭処理物の表面の炭素濃度の分布を、実際に浸炭処理を行った場合に合うように計算することができる。そして、この被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じて炭素流入量が設定されるため、実際に浸炭処理を行った場合に近づけて浸炭量を計算することができる。
したがって、本発明によれば、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する場合により実現象に近い浸炭量を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における浸炭解析装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における浸炭解析装置の数値解析対象である鋼材と処理空間とを示す概念図である。
【図３】本発明の一実施形態における浸炭解析装置の動作（本発明の一実施形態における浸炭解析方法）を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法を実証するための実験装置である。
【図５】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法による計算結果と実験結果とを比較するグラフであり、時間とモル分率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法による計算結果と実験結果とを比較するグラフであり、時間と浸炭重量との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法による計算結果と実験結果とを比較するグラフであり、鋼材Ｘの表面からの距離と固体内炭素濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る浸炭解析方法及び浸炭解析装置の一実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓの概略構成を示すブロック図である。
浸炭解析装置Ｓは、図２に示すような浸炭処理を行う処理空間Ｋ内に載置された鋼材Ｘ（被浸炭処理）に対する浸炭量を数値解析により計算するものであり、パーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータ装置から構成されている。そして、図１に示すように、浸炭解析装置Ｓは、ＣＰＵ１と、記憶装置２と、入力装置３と、出力装置４と、通信装置５とを備えている。
【００１９】
ＣＰＵ１は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓの全体を制御するものであり、記憶装置２、入力装置３、出力装置４及び通信装置５と電気的に接続されている。
そして、ＣＰＵ１は、記憶装置２に記憶された数値解析プログラムＰに基づいて当該制御を行う。
【００２０】
より詳細には、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、例えば有限体積法に基づく流体解析を実行することにより処理空間Ｋの一部であって鋼材Ｘとの境界領域における浸炭ガスＹ（図２参照）の状態量を計算する。具体的には、ＣＰＵ１は、当該状態量として、流体密度、温度、圧力、流速、質量分率、モル分率を計算する。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、本発明の状態量計算装置として機能する。
【００２１】
なお、本実施形態の浸炭解析装置Ｓにおいては、浸炭ガスＹとして、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン、エチレン、ベンゼン、トルエン等の炭化水素ガス、あるいはこれらの炭化水素ガスを窒素、水素、アルゴン、ヘリウム等と混合したガスを用いることができる。
【００２２】
また、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、上述の状態量から鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算する。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、本発明の表面炭素濃度計算手段として機能する。
【００２３】
また、本実施形態の浸炭形成装置ＳにおいてＣＰＵ１は、鋼材Ｘの表面の炭素濃度に応じて炭素流入量を設定し、さらには炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、本発明の浸炭量計算手段として機能する。
【００２４】
ここで、ＣＰＵ１は、計算により求めた鋼材Ｘの表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合には、記憶装置２に記憶された反応速度係数及び水素発生量計算式を用いて水素発生量を計算する。そして、ＣＰＵ１は水素発生量と、記憶装置２に記憶された第１の炭素流入計算式とを用いて炭素流入量を算出する。
なお、反応速度係数をα、水素発生量を［Ｈ２］、炭素含有化合物の濃度を［ＣＸ］とした場合に水素発生量計算式は、下式（１）で示される。また、炭素流入量をｄ［Ｃ］／ｄｔとした場合に上述の第１の炭素流入量計算式は、下式（２）で示される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
【数２】
【００２７】
つまり、ＣＰＵ１は、計算により求めた鋼材Ｘの表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合には、反応速度係数、水素発生量計算式（１）及び第１の炭素流入量計算式（２）に基づいて炭素流入量を算出する。
【００２８】
なお、反応速度係数αは、実験によって予め与えられる値である。具体的には、実際に処理空間に浸炭ガスを供給して浸炭処理を行い、炭素流入速度と炭素含有化合物ガス（例えばアセチレンガス）分圧（すなわちモル分率）の時間履歴を実験で計測する。続いて炭素含有化合物ガスのモル分率を質量分率に換算する。その後、上記時間履歴から炭素流入速度と炭素含有化合物ガスの質量分率との関係式を算出し、この関係式の傾きを反応速度αとする。
【００２９】
一方、ＣＰＵ１は、計算により求めた鋼材Ｘの表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合には、鋼材Ｘの表面の炭素濃度が記憶装置２に記憶された炭素固溶限界濃度であるとして、記憶装置２に記憶された第２の炭素流入計算式を用いて炭素流入量を算出する。
なお、第２の炭素流入計算式は、もともと炭素が鋼材Ｘの内部に拡散して浸透することによって鋼材Ｘの表面から失われた炭素が補充される際に必要となる炭素流入量を算出する式であり、拡散係数をＤｓ、表面からの位置をｘとした場合に、下式（３）で示される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
そして、ＣＰＵ１は、上述のようにして算出した炭素流入量と、記憶装置２に記憶された拡散方程式とを用いて、微小な領域に分割された鋼材Ｘの各領域における浸炭量を計算する。
なお、ＣＰＵ１は、各領域における浸炭量から、浸炭分布や浸炭重量を算出することもできる。
【００３２】
記憶装置２は、メモリ等の内部記憶装置及びハードディスクドライブ等の外部記憶装置によって構成されており、ＣＰＵ１から入力される情報を記憶すると共にＣＰＵ１から入力される指令に基づいて記憶した情報を出力するものである。
そして、本実施形態の浸炭解析装置Ｓにおいて記憶装置２は、図１に示すように、入力データＤ１と、計算データＤ２と、上記数値解析プログラムＰとを記憶している。
【００３３】
なお、入力データＤ１は、浸炭解析装置Ｓの外部から入力されるデータであり、流入流量、質量分率、処理空間温度、処理空間圧力、メッシュデータ、初期炭素濃度、最大計算時間、炭素固溶限界濃度、反応速度係数、拡散係数、水素発生量計算式、炭素流入量計算式及び拡散方程式を含むデータ群である。
ここで、流入流量は、処理空間に供給する浸炭ガスＹの流量である。また、質量分率は、浸炭ガスＹを構成する物質の質量の割合である。また、メッシュデータは、処理空間Ｋ及び鋼材Ｘの形状を示すものであり、微小な複数の領域の集まりとして形状を表すものである。また、メッシュデータには、これらの各分割領域同士における物理量のやり取りを規定するための条件等も含まれている。また、初期炭素濃度は、浸炭処理が行われる以前から鋼材Ｘが含んでいる炭素の濃度である。最大計算時間は、浸炭解析を行う時間を示すものである。
【００３４】
また、計算データＤ２は、ＣＰＵ１による処理の結果として得られるデータであり、処理空間の各位置における流体密度、温度、圧力、流速、質量分率、及びモル分率を含み、また鋼材Ｘの表面の炭素濃度、水素発生量、炭素流入量、浸炭量、計算時間を含むデータ群である。
【００３５】
入力装置３は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓと作業者とのマンマシンインターフェイスであり、ポインティングデバイスであるキーボード３ａやマウス３ｂを備えている。
出力装置４は、ＣＰＵ１から入力される信号を可視化して出力するものであり、ディスプレイ４ａ及びプリンタ４ｂを備えている。
通信装置５は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓと外部装置との間においてデータの受け渡しを行うものであり、社内ＬＡＮ（Local Area Network）等のネットワークＮに対して電気的に接続されている。
【００３６】
次に、このように構成された本実施形態の浸炭解析装置Ｓの動作（本実施形態の浸炭解析方法）について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
なお、以下の説明においては、上記入力装置３や通信装置５を介して、既に記憶装置２に入力データＤ１が入力された状態であるとする。
【００３７】
まずＣＰＵ１は、流体解析を行うことによって、処理空間Ｋ全体における浸炭ガスＹの状態量を計算する（ステップＳ１）。
このように処理空間Ｋ全体における浸炭ガスＹの状態量を計算することによって、ＣＰＵ１は、処理空間Ｋの一部であって鋼材Ｘとの境界領域における浸炭ガスＹの状態量を得る。
なお、ここでは、周知の有限体積法を用いて浸炭ガスＹの状態量を計算するため、計算方法の詳細については省略するが、ＣＰＵ１は、例えば入力データＤ１のうち流入流量、質量分率、炉内温度、炉内圧力及びメッシュデータを用い、メッシュデータを構成する各分割領域における流体密度、温度、圧力、流速、質量分率、モル分率を計算する。そして、ＣＰＵ１は、これらの値を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる。
また、本ステップＳ１は、本発明の状態量計算工程に相当する。
【００３８】
続いて、ＣＰＵ１は、鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算する（ステップＳ２）。
より詳細には、ＣＰＵ１は、ステップＳ１で算出した浸炭ガスＹの状態量を示すデータから、上記境界領域の状態量を示すデータを抽出し、この抽出したデータや記憶装置２に予め記憶された初期炭素濃度に基づいて鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算する。ここで、鋼材Ｘの表面は、メッシュデータとして複数の分割領域に分かれて定義されており、ＣＰＵ１は、各分割領域の炭素濃度を計算することによって鋼材Ｘの表面の全体の炭素濃度を得る。そして、ＣＰＵ１は、計算により求められた鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる。
なお、本ステップＳ２は、本発明の表面炭素濃度計算工程に相当する。
【００３９】
続いて、ＣＰＵ１は、ステップＳ３において算出した鋼材Ｘの表面の炭素濃度が、予め記憶装置２に記憶された炭素固溶限界濃度より小さいか否かを判定する（ステップＳ３）。
ここで、ＣＰＵ１は、ステップＳ３において炭素濃度を計算した分割領域の各々について、炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さいか否かを判定する。
【００４０】
そして、本実施形態の浸炭解析方法においては、各分割領域の炭素濃度に応じて、当該分割領域への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する。
【００４１】
より詳細には、ＣＰＵ１は、炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合には、記憶装置２に記憶された反応速度係数、水素発生量計算式（１）及び第１の炭素流入量計算式（２）に基づいて炭素流入量を算出して設定する。
具体的には、ＣＰＵ１は、反応速度係数及び水素発生量計算式（１）を用いて単位時間あたりの水素発生量を計算し、この値を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる（ステップＳ４）。さらにＣＰＵ１は、ステップＳ４で算出した水素発生量と第１の炭素流入量計算式（２）とに基づいて炭素流入量を計算し、この値を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる（ステップＳ５）。
なお、本ステップＳ４と本ステップＳ５とを合わせたステップが本発明の浸炭量計算工程に相当する。
【００４２】
一方、ＣＰＵ１は、炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さくない場合、すなわち炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合には、記憶装置２に記憶された第２の炭素流入量計算式（３）に基づいて炭素流入量を算出して設定する（ステップＳ６）。
なお、本ステップＳ６は、本発明の浸炭量計算工程に相当する。
【００４３】
そして、ＣＰＵ１は、ステップＳ５あるいはステップＳ６において設定された炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する（ステップＳ７）。
より詳細には、ＣＰＵ１は、ステップＳ５あるいはステップＳ６において、鋼材Ｘの表面を構成する各分割領域に設定された炭素流入量を用いて記憶装置２に予め記憶された拡散方程式を解くことによって、各分割領域からの炭素の拡散量を算出し、鋼材Ｘの内部を構成する各分割領域における浸炭量を算出する。そして、ＣＰＵ１は、当該浸炭量を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる。
【００４４】
続いて，ＣＰＵ１は、解析時間が記憶装置２に記憶された最大計算時間に到達したか否かを判定する（ステップＳ８）。
この結果、解析時間が最大計算時間に到達している場合には、ＣＰＵ１は浸炭解析を終了する。一方、解析時間が最大計算時間に到達していない場合には、ＣＰＵ１は、解析時間を１ステップ進めて再度ステップＳ１に戻る。
【００４５】
なお、ＣＰＵ１は、全てのステップが完了した後、入力装置３等を介して指示が入力された場合には、当該指示に基づいて計算データＤ２を纏めたり演算処理して、出力装置４に出力する。この結果、出力装置４において、計算データＤ２が視覚化されて出力される。
【００４６】
以上のような本実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法によれば、流体解析により鋼材Ｘとの境界領域における浸炭ガスの状態量が計算され、この状態量から鋼材Ｘの表面の炭素濃度が計算され、鋼材Ｘの表面の炭素濃度に応じた鋼材Ｘへの炭素流入量が設定されると共に炭素流入量に基づいて浸炭量が計算される。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置Ｓによれば、予め鋼材Ｘの表面の炭素濃度を炭素固溶限界濃度と仮定せず、流体解析を行うことによって、炭素固溶限界濃度に至るまでにおける鋼材Ｘの表面の炭素濃度が計算される。この計算は、流体解析の性質上、鋼材Ｘの表面を構成する分割領域ごと計算することができるため、鋼材Ｘの表面の炭素濃度分布を、実際に浸炭処理を行った場合に合うように計算することができる。そして、鋼材Ｘの表面の炭素濃度に応じて炭素流入量が設定されるため、実際に浸炭処理を行った場合に近づけて浸炭量を計算することができる。
したがって、本発明によれば、鋼材Ｘへの浸炭量を実現象に近づけて計算する、すなわち数値解析の精度を向上させることが可能となる。
【００４７】
次に、本実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法についての検証を行うための実験結果について説明する。
本実験においては、図４に示す実験装置Ａを用いて実験を行った。実験装置Ａは、図４に示すように、石英管Ａ１と、加熱炉Ａ２と、マスフローコントローラＡ３と、真空ポンプＡ４と、温度計Ａ５と、熱電対Ａ６と、ガス分析計Ａ７（４重極マスフィルタ）とを備えている。
そして、本実験においては、加熱炉Ａ２によって加熱される石英管Ａ１の途中部位に鋼材ＸとしてＳＣＭ４２０を載置し、マスロフーコントローラＡ３によって石英管Ａ１に流入する浸炭ガスＹの流量を調節し、真空ポンプＡ４で排気したガスの分析をガス分析計Ａ７で行い、温度計Ａ５で石英管Ａ１の温度を測定し、さらに熱電対Ａ６によって石英管Ａ１内部の温度を測定した。
なお、本実験では、浸炭ガスとしてアセチレンとアルゴンとの混合気体を用いた。また、本実験においては、ガス分析の結果、アセチレン熱分解反応は見られなかった。
【００４８】
本実験においては、以下の表に示すように、実験条件を変えた２つのケース（ｃａｓｅ１〜ｃａｓｅ４）について実験を行った。
【００４９】
【表１】
【００５０】
図５は、ガス分析計Ａ７で計測したアセチレンモル分率と、アセチレンモル分率から算出した水素モル分率の時間変化と、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果とを比較したグラフである。なお、図５において、ｃａｌが付されたグラフが上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果を示し、ｅｘｐが付されたグラフがｃａｓｅ１に相当する実験結果を示し、ｅｘｐ（２）が付されたグラフがｃａｓｅ２に相当する実験結果を示す。
【００５１】
そして、図５に示すように、浸炭初期についてはアセチレンガスの流入に起因する圧力変動によって実験値が振動するものの、浸炭初期の反応を除いた領域で、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果と、実験結果とが定量的に一致することが確認された。
【００５２】
図６は、鋼材Ｘの同一箇所における浸炭重量の時間変化を示すグラブである。
この結果からも分かるように、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果は、実験結果と良い一致を示すことが分かる。
【００５３】
図７は、深さ方向における鋼材Ｘ内の炭素濃度分布（固体内炭素濃度分布）の変化を示すグラフである。なお、実験においてはＥＰＭＡを用いて画像解析と３点のライン分析とを行った。
この結果からも分かるように、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果は、実験結果と良い一致を示すことが分かる。
【００５４】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５５】
例えば、上記実施形態における数値解析装置の構成は一例である。本発明の数値解析装置の構成は、上記実施形態において説明した構成に限られるものではなく、一般的にコンピュータ装置が備える他の構成（ＤＶＤドライブ装置やＢＤドライブ装置等）を備えることもできる。
【符号の説明】
【００５６】
Ｓ……数値解析装置、１……ＣＰＵ（状態量計算手段、表面炭素濃度計算手段、浸炭量計算手段）、２……記憶装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析方法及び浸炭解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に示すように、従来から、鋼材からなる被浸炭処理物を、浸炭ガスが供給される処理空間に載置することによって、被浸炭処理物の表層に炭素を拡散浸透させる浸炭処理が行われている。
このような浸炭処理によれば、被浸炭処理物の表層が硬化し、被浸炭処理物の表面の耐摩耗性を向上させたりすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−５９９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、被浸炭処理物への炭素の含浸速度は、処理空間へ供給される浸炭ガスに含まれる炭素含有化合物の濃度や被浸炭処理物の形状等の様々な要件によって異なってくる。
このため、実際の浸炭処理に先立ち、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析により計算し、この数値計算の結果から最適な浸炭条件を設定する試みがなされている。
【０００５】
このような従来の数値解析で用いられる手法は、被浸炭処理物の表面の炭素濃度が鋼材の炭素固溶限界濃度であると仮定し、この表面からの炭素の拡散を、拡散方程式を解くことによって浸炭量を求めるものである。
ところが、実際の浸炭処理では、被浸炭処理物の表面の炭素濃度は、炭素固溶限界濃度になっておらず、徐々に炭素固溶限界濃度に向かう。また、炭素固溶限界濃度に向かう速度も、被浸炭処理物の表面の近傍に存在する浸炭ガスの濃度分布（密度）に依存して変化する。さらには浸炭ガスの濃度分布は、処理空間の形状や被浸炭処理物の形状に依存して変化する。
【０００６】
つまり、実際の浸炭処理においては被浸炭処理物の浸炭量が、浸炭ガスの状態量によって変化するにも関わらず、従来の数値解析においては、これを無視して計算を行っている。
このため、従来の数値解析によれば、被浸炭処理粒の大まかな浸炭量を計算することはできるものの、より実現象に近い浸炭挙動を求めることは難しかった。
例えば、従来の数値解析においては、上述のように被浸炭処理物の表面の炭素濃度を炭素固溶限界濃度であると仮定しているため、炭素固溶限界濃度に至るまでの被浸炭処理物の表面における炭素濃度のムラを求めることができない。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する場合により実現象に近い浸炭量を計算可能とする、すなわち解析精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析方法であって、流体解析により上記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、上記状態量から上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた上記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて上記浸炭量を計算する浸炭量計算工程とを有するという構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記表面炭素濃度計算工程にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、上記浸炭量計算工程にて、実験により求められる反応速度係数と上記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、上記水素発生量から上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記表面炭素濃度計算工程にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、上記浸炭量計算工程にて、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が上記炭素固溶限界濃度であるとして上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析装置であって、流体解析により上記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算手段と、上記状態量から上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算手段と、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた上記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて上記浸炭量を計算する浸炭量計算手段とを備えるという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記表面炭素濃度計算手段にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、上記浸炭量計算手段が、実験により求められる反応速度係数と上記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、上記水素発生量から上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第４または第５の発明において、上記表面炭素濃度計算手段にて計算された上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、上記浸炭量計算手段は、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が上記炭素固溶限界濃度であるとして上記炭素流入量を算出するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、流体解析により被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量が計算され、この状態量から被浸炭処理物の表面の炭素濃度が計算され、被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた被浸炭処理物への炭素流入量が設定されると共に当該炭素流入量に基づいて浸炭量が計算される。
つまり、本発明によれば、予め被浸炭処理物の表面の炭素濃度を炭素固溶限界濃度と仮定せず、流体解析を行うことによって、炭素固溶限界濃度に至るまでにおける被浸炭処理物の表面の炭素濃度が計算される。このため、被浸炭処理物の表面の炭素濃度の分布を、実際に浸炭処理を行った場合に合うように計算することができる。そして、この被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じて炭素流入量が設定されるため、実際に浸炭処理を行った場合に近づけて浸炭量を計算することができる。
したがって、本発明によれば、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する場合により実現象に近い浸炭量を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における浸炭解析装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における浸炭解析装置の数値解析対象である鋼材と処理空間とを示す概念図である。
【図３】本発明の一実施形態における浸炭解析装置の動作（本発明の一実施形態における浸炭解析方法）を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法を実証するための実験装置である。
【図５】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法による計算結果と実験結果とを比較するグラフであり、時間とモル分率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法による計算結果と実験結果とを比較するグラフであり、時間と浸炭重量との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態における浸炭解析装置及び浸炭解析方法による計算結果と実験結果とを比較するグラフであり、鋼材Ｘの表面からの距離と固体内炭素濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る浸炭解析方法及び浸炭解析装置の一実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓの概略構成を示すブロック図である。
浸炭解析装置Ｓは、図２に示すような浸炭処理を行う処理空間Ｋ内に載置された鋼材Ｘ（被浸炭処理）に対する浸炭量を数値解析により計算するものであり、パーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータ装置から構成されている。そして、図１に示すように、浸炭解析装置Ｓは、ＣＰＵ１と、記憶装置２と、入力装置３と、出力装置４と、通信装置５とを備えている。
【００１９】
ＣＰＵ１は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓの全体を制御するものであり、記憶装置２、入力装置３、出力装置４及び通信装置５と電気的に接続されている。
そして、ＣＰＵ１は、記憶装置２に記憶された数値解析プログラムＰに基づいて当該制御を行う。
【００２０】
より詳細には、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、例えば有限体積法に基づく流体解析を実行することにより処理空間Ｋの一部であって鋼材Ｘとの境界領域における浸炭ガスＹ（図２参照）の状態量を計算する。具体的には、ＣＰＵ１は、当該状態量として、流体密度、温度、圧力、流速、質量分率、モル分率を計算する。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、本発明の状態量計算装置として機能する。
【００２１】
なお、本実施形態の浸炭解析装置Ｓにおいては、浸炭ガスＹとして、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン、エチレン、ベンゼン、トルエン等の炭化水素ガス、あるいはこれらの炭化水素ガスを窒素、水素、アルゴン、ヘリウム等と混合したガスを用いることができる。
【００２２】
また、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、上述の状態量から鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算する。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、本発明の表面炭素濃度計算手段として機能する。
【００２３】
また、本実施形態の浸炭形成装置ＳにおいてＣＰＵ１は、鋼材Ｘの表面の炭素濃度に応じて炭素流入量を設定し、さらには炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置ＳにおいてＣＰＵ１は、本発明の浸炭量計算手段として機能する。
【００２４】
ここで、ＣＰＵ１は、計算により求めた鋼材Ｘの表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合には、記憶装置２に記憶された反応速度係数及び水素発生量計算式を用いて水素発生量を計算する。そして、ＣＰＵ１は水素発生量と、記憶装置２に記憶された第１の炭素流入計算式とを用いて炭素流入量を算出する。
なお、反応速度係数をα、水素発生量を［Ｈ２］、炭素含有化合物の濃度を［ＣＸ］とした場合に水素発生量計算式は、下式（１）で示される。また、炭素流入量をｄ［Ｃ］／ｄｔとした場合に上述の第１の炭素流入量計算式は、下式（２）で示される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
【数２】
【００２７】
つまり、ＣＰＵ１は、計算により求めた鋼材Ｘの表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合には、反応速度係数、水素発生量計算式（１）及び第１の炭素流入量計算式（２）に基づいて炭素流入量を算出する。
【００２８】
なお、反応速度係数αは、実験によって予め与えられる値である。具体的には、実際に処理空間に浸炭ガスを供給して浸炭処理を行い、炭素流入速度と炭素含有化合物ガス（例えばアセチレンガス）分圧（すなわちモル分率）の時間履歴を実験で計測する。続いて炭素含有化合物ガスのモル分率を質量分率に換算する。その後、上記時間履歴から炭素流入速度と炭素含有化合物ガスの質量分率との関係式を算出し、この関係式の傾きを反応速度αとする。
【００２９】
一方、ＣＰＵ１は、計算により求めた鋼材Ｘの表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合には、鋼材Ｘの表面の炭素濃度が記憶装置２に記憶された炭素固溶限界濃度であるとして、記憶装置２に記憶された第２の炭素流入計算式を用いて炭素流入量を算出する。
なお、第２の炭素流入計算式は、もともと炭素が鋼材Ｘの内部に拡散して浸透することによって鋼材Ｘの表面から失われた炭素が補充される際に必要となる炭素流入量を算出する式であり、拡散係数をＤｓ、表面からの位置をｘとした場合に、下式（３）で示される。
【００３０】
【数３】
【００３１】
そして、ＣＰＵ１は、上述のようにして算出した炭素流入量と、記憶装置２に記憶された拡散方程式とを用いて、微小な領域に分割された鋼材Ｘの各領域における浸炭量を計算する。
なお、ＣＰＵ１は、各領域における浸炭量から、浸炭分布や浸炭重量を算出することもできる。
【００３２】
記憶装置２は、メモリ等の内部記憶装置及びハードディスクドライブ等の外部記憶装置によって構成されており、ＣＰＵ１から入力される情報を記憶すると共にＣＰＵ１から入力される指令に基づいて記憶した情報を出力するものである。
そして、本実施形態の浸炭解析装置Ｓにおいて記憶装置２は、図１に示すように、入力データＤ１と、計算データＤ２と、上記数値解析プログラムＰとを記憶している。
【００３３】
なお、入力データＤ１は、浸炭解析装置Ｓの外部から入力されるデータであり、流入流量、質量分率、処理空間温度、処理空間圧力、メッシュデータ、初期炭素濃度、最大計算時間、炭素固溶限界濃度、反応速度係数、拡散係数、水素発生量計算式、炭素流入量計算式及び拡散方程式を含むデータ群である。
ここで、流入流量は、処理空間に供給する浸炭ガスＹの流量である。また、質量分率は、浸炭ガスＹを構成する物質の質量の割合である。また、メッシュデータは、処理空間Ｋ及び鋼材Ｘの形状を示すものであり、微小な複数の領域の集まりとして形状を表すものである。また、メッシュデータには、これらの各分割領域同士における物理量のやり取りを規定するための条件等も含まれている。また、初期炭素濃度は、浸炭処理が行われる以前から鋼材Ｘが含んでいる炭素の濃度である。最大計算時間は、浸炭解析を行う時間を示すものである。
【００３４】
また、計算データＤ２は、ＣＰＵ１による処理の結果として得られるデータであり、処理空間の各位置における流体密度、温度、圧力、流速、質量分率、及びモル分率を含み、また鋼材Ｘの表面の炭素濃度、水素発生量、炭素流入量、浸炭量、計算時間を含むデータ群である。
【００３５】
入力装置３は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓと作業者とのマンマシンインターフェイスであり、ポインティングデバイスであるキーボード３ａやマウス３ｂを備えている。
出力装置４は、ＣＰＵ１から入力される信号を可視化して出力するものであり、ディスプレイ４ａ及びプリンタ４ｂを備えている。
通信装置５は、本実施形態の浸炭解析装置Ｓと外部装置との間においてデータの受け渡しを行うものであり、社内ＬＡＮ（Local Area Network）等のネットワークＮに対して電気的に接続されている。
【００３６】
次に、このように構成された本実施形態の浸炭解析装置Ｓの動作（本実施形態の浸炭解析方法）について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
なお、以下の説明においては、上記入力装置３や通信装置５を介して、既に記憶装置２に入力データＤ１が入力された状態であるとする。
【００３７】
まずＣＰＵ１は、流体解析を行うことによって、処理空間Ｋ全体における浸炭ガスＹの状態量を計算する（ステップＳ１）。
このように処理空間Ｋ全体における浸炭ガスＹの状態量を計算することによって、ＣＰＵ１は、処理空間Ｋの一部であって鋼材Ｘとの境界領域における浸炭ガスＹの状態量を得る。
なお、ここでは、周知の有限体積法を用いて浸炭ガスＹの状態量を計算するため、計算方法の詳細については省略するが、ＣＰＵ１は、例えば入力データＤ１のうち流入流量、質量分率、炉内温度、炉内圧力及びメッシュデータを用い、メッシュデータを構成する各分割領域における流体密度、温度、圧力、流速、質量分率、モル分率を計算する。そして、ＣＰＵ１は、これらの値を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる。
また、本ステップＳ１は、本発明の状態量計算工程に相当する。
【００３８】
続いて、ＣＰＵ１は、鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算する（ステップＳ２）。
より詳細には、ＣＰＵ１は、ステップＳ１で算出した浸炭ガスＹの状態量を示すデータから、上記境界領域の状態量を示すデータを抽出し、この抽出したデータや記憶装置２に予め記憶された初期炭素濃度に基づいて鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算する。ここで、鋼材Ｘの表面は、メッシュデータとして複数の分割領域に分かれて定義されており、ＣＰＵ１は、各分割領域の炭素濃度を計算することによって鋼材Ｘの表面の全体の炭素濃度を得る。そして、ＣＰＵ１は、計算により求められた鋼材Ｘの表面の炭素濃度を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる。
なお、本ステップＳ２は、本発明の表面炭素濃度計算工程に相当する。
【００３９】
続いて、ＣＰＵ１は、ステップＳ３において算出した鋼材Ｘの表面の炭素濃度が、予め記憶装置２に記憶された炭素固溶限界濃度より小さいか否かを判定する（ステップＳ３）。
ここで、ＣＰＵ１は、ステップＳ３において炭素濃度を計算した分割領域の各々について、炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さいか否かを判定する。
【００４０】
そして、本実施形態の浸炭解析方法においては、各分割領域の炭素濃度に応じて、当該分割領域への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する。
【００４１】
より詳細には、ＣＰＵ１は、炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合には、記憶装置２に記憶された反応速度係数、水素発生量計算式（１）及び第１の炭素流入量計算式（２）に基づいて炭素流入量を算出して設定する。
具体的には、ＣＰＵ１は、反応速度係数及び水素発生量計算式（１）を用いて単位時間あたりの水素発生量を計算し、この値を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる（ステップＳ４）。さらにＣＰＵ１は、ステップＳ４で算出した水素発生量と第１の炭素流入量計算式（２）とに基づいて炭素流入量を計算し、この値を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる（ステップＳ５）。
なお、本ステップＳ４と本ステップＳ５とを合わせたステップが本発明の浸炭量計算工程に相当する。
【００４２】
一方、ＣＰＵ１は、炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さくない場合、すなわち炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合には、記憶装置２に記憶された第２の炭素流入量計算式（３）に基づいて炭素流入量を算出して設定する（ステップＳ６）。
なお、本ステップＳ６は、本発明の浸炭量計算工程に相当する。
【００４３】
そして、ＣＰＵ１は、ステップＳ５あるいはステップＳ６において設定された炭素流入量に基づいて浸炭量を計算する（ステップＳ７）。
より詳細には、ＣＰＵ１は、ステップＳ５あるいはステップＳ６において、鋼材Ｘの表面を構成する各分割領域に設定された炭素流入量を用いて記憶装置２に予め記憶された拡散方程式を解くことによって、各分割領域からの炭素の拡散量を算出し、鋼材Ｘの内部を構成する各分割領域における浸炭量を算出する。そして、ＣＰＵ１は、当該浸炭量を計算データＤ２として記憶装置２に記憶させる。
【００４４】
続いて，ＣＰＵ１は、解析時間が記憶装置２に記憶された最大計算時間に到達したか否かを判定する（ステップＳ８）。
この結果、解析時間が最大計算時間に到達している場合には、ＣＰＵ１は浸炭解析を終了する。一方、解析時間が最大計算時間に到達していない場合には、ＣＰＵ１は、解析時間を１ステップ進めて再度ステップＳ１に戻る。
【００４５】
なお、ＣＰＵ１は、全てのステップが完了した後、入力装置３等を介して指示が入力された場合には、当該指示に基づいて計算データＤ２を纏めたり演算処理して、出力装置４に出力する。この結果、出力装置４において、計算データＤ２が視覚化されて出力される。
【００４６】
以上のような本実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法によれば、流体解析により鋼材Ｘとの境界領域における浸炭ガスの状態量が計算され、この状態量から鋼材Ｘの表面の炭素濃度が計算され、鋼材Ｘの表面の炭素濃度に応じた鋼材Ｘへの炭素流入量が設定されると共に炭素流入量に基づいて浸炭量が計算される。
つまり、本実施形態の浸炭解析装置Ｓによれば、予め鋼材Ｘの表面の炭素濃度を炭素固溶限界濃度と仮定せず、流体解析を行うことによって、炭素固溶限界濃度に至るまでにおける鋼材Ｘの表面の炭素濃度が計算される。この計算は、流体解析の性質上、鋼材Ｘの表面を構成する分割領域ごと計算することができるため、鋼材Ｘの表面の炭素濃度分布を、実際に浸炭処理を行った場合に合うように計算することができる。そして、鋼材Ｘの表面の炭素濃度に応じて炭素流入量が設定されるため、実際に浸炭処理を行った場合に近づけて浸炭量を計算することができる。
したがって、本発明によれば、鋼材Ｘへの浸炭量を実現象に近づけて計算する、すなわち数値解析の精度を向上させることが可能となる。
【００４７】
次に、本実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法についての検証を行うための実験結果について説明する。
本実験においては、図４に示す実験装置Ａを用いて実験を行った。実験装置Ａは、図４に示すように、石英管Ａ１と、加熱炉Ａ２と、マスフローコントローラＡ３と、真空ポンプＡ４と、温度計Ａ５と、熱電対Ａ６と、ガス分析計Ａ７（４重極マスフィルタ）とを備えている。
そして、本実験においては、加熱炉Ａ２によって加熱される石英管Ａ１の途中部位に鋼材ＸとしてＳＣＭ４２０を載置し、マスロフーコントローラＡ３によって石英管Ａ１に流入する浸炭ガスＹの流量を調節し、真空ポンプＡ４で排気したガスの分析をガス分析計Ａ７で行い、温度計Ａ５で石英管Ａ１の温度を測定し、さらに熱電対Ａ６によって石英管Ａ１内部の温度を測定した。
なお、本実験では、浸炭ガスとしてアセチレンとアルゴンとの混合気体を用いた。また、本実験においては、ガス分析の結果、アセチレン熱分解反応は見られなかった。
【００４８】
本実験においては、以下の表に示すように、実験条件を変えた２つのケース（ｃａｓｅ１〜ｃａｓｅ４）について実験を行った。
【００４９】
【表１】
【００５０】
図５は、ガス分析計Ａ７で計測したアセチレンモル分率と、アセチレンモル分率から算出した水素モル分率の時間変化と、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果とを比較したグラフである。なお、図５において、ｃａｌが付されたグラフが上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果を示し、ｅｘｐが付されたグラフがｃａｓｅ１に相当する実験結果を示し、ｅｘｐ（２）が付されたグラフがｃａｓｅ２に相当する実験結果を示す。
【００５１】
そして、図５に示すように、浸炭初期についてはアセチレンガスの流入に起因する圧力変動によって実験値が振動するものの、浸炭初期の反応を除いた領域で、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果と、実験結果とが定量的に一致することが確認された。
【００５２】
図６は、鋼材Ｘの同一箇所における浸炭重量の時間変化を示すグラブである。
この結果からも分かるように、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果は、実験結果と良い一致を示すことが分かる。
【００５３】
図７は、深さ方向における鋼材Ｘ内の炭素濃度分布（固体内炭素濃度分布）の変化を示すグラフである。なお、実験においてはＥＰＭＡを用いて画像解析と３点のライン分析とを行った。
この結果からも分かるように、上記実施形態の浸炭解析装置Ｓ及び浸炭解析方法による計算結果は、実験結果と良い一致を示すことが分かる。
【００５４】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５５】
例えば、上記実施形態における数値解析装置の構成は一例である。本発明の数値解析装置の構成は、上記実施形態において説明した構成に限られるものではなく、一般的にコンピュータ装置が備える他の構成（ＤＶＤドライブ装置やＢＤドライブ装置等）を備えることもできる。
【符号の説明】
【００５６】
Ｓ……数値解析装置、１……ＣＰＵ（状態量計算手段、表面炭素濃度計算手段、浸炭量計算手段）、２……記憶装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析方法であって、
流体解析により前記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、
前記状態量から前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、
前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた前記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて前記浸炭量を計算する浸炭量計算工程と
を有することを特徴とする浸炭解析方法。
【請求項２】
前記表面炭素濃度計算工程にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、
前記浸炭量計算工程にて、実験により求められる反応速度係数と前記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、前記水素発生量から前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項１記載の浸炭解析方法。
【請求項３】
前記表面炭素濃度計算工程にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、
前記浸炭量計算工程にて、前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が前記炭素固溶限界濃度であるとして前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の浸炭解析方法。
【請求項４】
被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析装置であって、
流体解析により前記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算手段と、
前記状態量から前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算手段と、
前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた前記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて前記浸炭量を計算する浸炭量計算手段と
を備えることを特徴とする浸炭解析装置。
【請求項５】
前記表面炭素濃度計算手段にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、
前記浸炭量計算手段は、実験により求められる反応速度係数と前記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、前記水素発生量から前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項４記載の浸炭解析装置。
【請求項６】
前記表面炭素濃度計算手段にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、
前記浸炭量計算手段は、前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が前記炭素固溶限界濃度であるとして前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項４または５記載の浸炭解析装置。
【請求項１】
被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析方法であって、
流体解析により前記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、
前記状態量から前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、
前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた前記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて前記浸炭量を計算する浸炭量計算工程と
を有することを特徴とする浸炭解析方法。
【請求項２】
前記表面炭素濃度計算工程にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、
前記浸炭量計算工程にて、実験により求められる反応速度係数と前記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、前記水素発生量から前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項１記載の浸炭解析方法。
【請求項３】
前記表面炭素濃度計算工程にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、
前記浸炭量計算工程にて、前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が前記炭素固溶限界濃度であるとして前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の浸炭解析方法。
【請求項４】
被浸炭処理物への浸炭量を数値解析によって計算する浸炭解析装置であって、
流体解析により前記被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算手段と、
前記状態量から前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算手段と、
前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた前記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて前記浸炭量を計算する浸炭量計算手段と
を備えることを特徴とする浸炭解析装置。
【請求項５】
前記表面炭素濃度計算手段にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度より小さい場合に、
前記浸炭量計算手段は、実験により求められる反応速度係数と前記浸炭ガスの濃度とを用いて単位時間当たりの水素発生量を求め、前記水素発生量から前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項４記載の浸炭解析装置。
【請求項６】
前記表面炭素濃度計算手段にて計算された前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が炭素固溶限界濃度以上である場合に、
前記浸炭量計算手段は、前記被浸炭処理物の表面の炭素濃度が前記炭素固溶限界濃度であるとして前記炭素流入量を算出することを特徴とする請求項４または５記載の浸炭解析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２６６５８（Ｐ２０１１−２６６５８Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７３１１２（Ｐ２００９−１７３１１２）
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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