横方向フラックス加熱：先進高張力鋼向けのコンパクトで柔軟性の高い製造技術

自動車業界では、燃費向上のための車両重量の削減、乗員の安全性と衝突時の生存性の向上、そして耐疲労性や防食性の向上による車両寿命の延長という、常に追求されている目標を達成するために、革新的な材料製造技術を活用しています。

AHSSのメリット

新世代の先進高張力鋼（AHSS）は、従来の高張力鋼や炭素鋼よりも高い降伏強度を特徴としています。AHSSの高い強度対重量比により、強度を損なうことなく極めて薄い板厚の使用が可能になります。さらに、AHSSは成形性に優れており、より少ない部品数で複雑な形状を実現できるため、溶接やその他の接合技術の使用を削減できます。これらの特性は、自動車業界が目標に向かって前進する上で役立っています。 例えば、AHSSの一種であるデュアルフェーズ鋼は、フェライト相とマルテンサイト相の両方を含み、超高張力鋼（UHSS）のグループに分類されます。この鋼材は大きな力に耐え、多量のエネルギーを吸収することができるため、自動車の衝突安全性を向上させます。現在、自動車の車体には、軟鋼と先進高張力鋼が選択的に組み合わされて使用されています（図1）。

AHSSは、一般に800°Cから900°Cの範囲にある臨界温度（共晶温度）以上に軟鋼を加熱することで製造されます。この温度では焼きなましが発生し、それによって鋼中の炭素がフェライトからオーステナイトへと拡散します。この相転移により、鋼の磁性が低下します。 加熱および冷却速度を調整することで、鋼の最終的な微細組織を精密に制御することができ、その結果、強度、延性、成形性など、異なる機械的特性を備えたさまざまなグレードのAHSSを製造することが可能となります。

AHSSの生産

AHSSの製造における重要なポイントの一つは、オーステナイト相転移を引き起こすために必要な高温まで鋼を急速に加熱することである。誘導加熱は、そのコンパクトさ、低い熱慣性、および高い信頼性から、こうした用途において従来の輻射管技術に代わる有力な選択肢として、ますます注目されている。

誘導加熱とは、金属ストリップに高出力・高周波の交流磁場を印加するプロセスである。この磁場は金属に浸透し、高周波の渦電流によって金属ストリップ内に熱が発生する。 これらの高出力の渦電流により、金属ストリップは極めて短時間で、AHSSの製造に必要な高温まで加熱される。誘導加熱を行う際、鋼の微細組織を監視する方法の一つとして、誘導加熱コイルの電圧、電流、周波数といった電気的パラメータを測定することが挙げられる。これらの測定値から、鋼の実際の抵抗率や磁気特性が得られるのである。

誘導加熱技術の2大主流である軸方向（または縦方向）磁束誘導加熱（Afx）と横方向磁束誘導加熱（Tfx）は、お客様の要件に最適な形で対応するため、インダクトサームが提供する相互に補完し合う技術です。

AFXは、従来、磁性鋼のストリップの温度を急速に上昇させるために使用されてきました。この方式では、浸透深度が非常に浅い渦電流を印加し、金属ストリップの両面で流れの方向が逆になるようにします。AFXは、金属ストリップを自然に均一に加熱するため、ストリップの幅全体にわたって均一な金属組織特性が得られます。AFXの制限事項の一つは、磁性材料に対して最も効率的であるという点です。 前述のように、鋼を共晶温度以上に加熱すると、相変化（オーステナイトへの変化）が生じ、磁性が低下します。これを補うためには、所望の浸透深度を得るために周波数を上げる必要があり、その結果、加熱効率が低下し、AFXの製造コストが増加します。

Tfxによる加熱では、金属ストリップの両面で渦電流が同じ方向に流れます。この技術には、ストリップ内の加熱の均一性を制御することが困難であり、その結果、ストリップの幅方向で組織や機械的特性にばらつきが生じるという課題が長らくありました。しかし、Tfxは非磁性薄板の加熱に極めて効率的であるため、磁気特性が低いAHSSストリップに最適であるという点で優れています。

インダクトサームのソリューション

インダクトサーム社の特許取得済みTfxインダクタ技術は、当社の「Uniseal for Annealing Furnaces」に採用されており、Tfxに伴う加熱ムラの問題をすべて解決します。この技術は、インダクトサーム社の高出力密度インバータおよび全自動閉ループ方式の高速応答型温度・位置センサーと組み合わされています。 これにより、当社の焼鈍炉に搭載されたインダクトサームのTfxインダクタ技術は、横方向の入力温度分布が均一であるか否かにかかわらず、システムの出口において均一な温度分布を実現します。 したがって、インダクトサームのTfx技術は、ストリップを均一に加熱するとともに、横方向の加熱密度を調整することで、温度の不均一性（対称・非対称を問わず）を補正したり、特定の横方向温度分布を適用したりすることが可能です。

図1～6。入力温度が均一または不均一な場合の、均一な出口温度。出典：Inductotherm

Afxではこのような温度の横断プロファイル補正を行うことはできませんが、これはInductotherm Tfx技術の高い柔軟性を示しています。

図2に、Inductotherm社製の3.4 MW Uniseal-Tシステムの概略図を示す。このシステムは、金属ストリップにTfx加熱を行い、横方向の温度分布を継続的に監視する。平均温度および横方向の温度分布はフィードバックループに利用され、誘導加熱素子を精密に制御することで、金属ストリップの要求される出口温度の横方向分布を実現する。

インダクトサーム・グループについて

インダクトサーム・グループは、熱処理用誘導装置の世界有数のメーカーであり、誘導溶解および熱処理分野において世界的に最も知名度の高い企業です。同社は、世界中の金属および鋳造メーカー向けに、56,000台以上の溶解・加熱・溶接システムを納入してきました。同社は、金属や特殊材料の溶解、加熱、熱処理、鍛造、加工に使用される先進的な技術、製品、システムを専門としています。 インダクトサーム・グループは米国（ニュージャージー州）に本社を置き、40社のフルサービス企業で構成されており、10のグローバルブランドに分類される50の個別製品ラインを提供しています。

インダクトサーム社のコーティング装置について

ベルギーのヘルスタルに本社を置くInductotherm Coating Equipment, SAは、誘導技術の世界的なリーダーであり、Inductotherm Groupを構成する40社のうちの1社です。以前はACECまたはElphiacとして知られていたInductotherm Coating Equipmentは、80年以上にわたり誘導加熱および溶解装置を製造してきました。 同社は、溶融亜鉛めっきライン用のコーティングポットや予備溶解ポットをはじめ、乾燥、硬化、ガルバネール処理、リフロー、脱炭、過時効処理、そしてより一般的には鉄鋼業界におけるあらゆる熱処理用途向けのストリップヒーターなど、幅広い最先端技術機器を設計・製造しています。