JP2007162142A - 鋼部品のガス冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の鋼部品のガス冷却方法および装置においては、肌焼き鋼等の冷却には冷却ガスの流速を高くする必要があり、このためコスト及び危険性が増大する欠点があった。
【解決手段】本発明の鋼部品のガス冷却方法においては、鋼部品を入れた減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、上記減圧密閉容器の上部中央に設けた軸流ファンにより上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却し、被処理鋼部品配置部分で冷却ガスの流速が増大するようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は鋼部品のガス冷却方法に関するものである。

真空炉においてトレーに積載さた鋼部品を浸炭もしくはオーステナイト加熱後に前記処理を行なった容器内に冷却ガスを圧入し、循環ファンによりガスを循環させることによる強制対流冷却を行ない、この冷却ガスを循環流路に設けられた熱交換器により冷却することは、例えば特開平４−２８０９１６号公報に示されるように既知である。

然しながら、従来のガス冷却方法及び装置では冷却ガスの流速が低く冷却速度が十分ではない為、あまり速い冷却速度を必要としない一部の工具鋼等に用途が限られ、ＳＣＭ４２０やＳＣｒ４２０等の肌焼き鋼には適用できなかった。

また、冷却速度を高めるためには、冷却ガス圧力を約４ＭＰａのように非常に高圧にすれば良いが冷却ガスの高圧化は大型化、設備費の増加、また取扱い性及び安全性の低下を招く。

また、鋼部品をトレーに積載して処理を行なう場合には個々の鋼部品に対する流速が均一にならない為、冷却速度に差が生じ、鋼部品の品質がばらつくようになる。また、熱交換器を設ければ流路抵抗が増大し、流速の低下を招く。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明の鋼部品のガス冷却方法は、鋼部品を入れた減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、上記減圧密閉容器の上部中央に設けた軸流ファンにより上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却することを特徴とする。

また、鋼部品のガス冷却方法は、被処理鋼部品配置部分で冷却ガスの流速が増加するようにした減圧密閉容器内の上記配置部分に鋼部品を配置し、上記減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、ファンによって上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却することを特徴とする。

また、鋼部品のガス冷却方法は、被処理鋼部品配置部分で冷却ガスの流速が増加するようにした減圧密閉容器内の上記配置部分に鋼部品を配置し、この減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、ファンによって上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却することを特徴とする。

また、本発明の鋼部品のガス冷却方法は、上記ファンの回転数を変えて上記鋼部品に任意の冷却覆歴を与えるようにしたことを特徴とする。

また、上記冷却ガスは１ＭＰａ以下の圧力の窒素、ヘリウムなどの不活性ガス、水素ガス、或いはこれらの２種或いは３種以上の混合ガス、または０．６ＭＰａの圧力の窒素であることを特徴とする。

上記のように本発明のガス冷却方法によれば、冷却ガスとして安価で取り扱い性の良い窒素ガス単体を用い、０．６ＭＰａという従来装置に比較して低い圧力において従来の装置では困難であった、肌焼き鋼に対して焼き入れを行なうことができる。また使用圧力が低く、複雑な熱交換器を必要とせず、モータも低出力の汎用モータを使用することができるから設備の簡素化、設備費の低減が可能となり安全性も高い等大きな利益がある。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

図１は減圧密閉容器１と、真空ポンプ２と、この真空ポンプ２と上記容器１間を接続する排気路３と、この排気路３に介挿した排気バルブ４と、冷却ガスを貯蔵したリザーバタンク５と、このリザーバタンク５と上記容器１間を接続する冷却ガス導入路６と、この冷却ガス導入路６に介挿した導入バルブ７とより成る鋼部品冷却装置である。

上記鋼部品冷却装置における減圧密閉容器１は、図２に示すように外筒８と内筒９とより成る二重筒構造とし、この二重筒間に冷却水通路１０を形成し、例えばリング状の被処理鋼部品１１を支持台１２によって上記内筒９の中心部１３で保持せしめると共に、上記内筒９と上記支持台１２間に中間筒状体１４を配置し、この中間筒状体１４と上記内筒９間、容器１の上蓋１５間及び底板１６間に夫々流体通路１７〜１９を形成し、上記中間筒状体１４の内周面には、上記中心部１３で最も狭くなり、これより上下方向に向って次第に広がる逆円錐台状及び円錐台状の断面形状の空間２０及び２１が形成されるようにした縦断側面が梯形状の環状壁２２を設ける。

また、上記中間筒状体１４内の上部中央には循環ファン２３を配置し、上記上蓋１５に載置したモーター２４によって回転せしめる。

また、上記循環ファン２３の下面と上記支持台１２間における上記空間２０内には上記空間２０を流れる流体を整流するための内部ダクト２５を配置し、この内部ダクト２５は図３及び図４に示すように、上記空間２０の上部から上記中心部１３に向って延びる逆円円錐台状断面のコア部２６と、このコア部２６の外周面に互に円周方向に離間して上下方向及び半径方向外方に延び、その上端が互に同一円周方向に弧状に湾曲する複数のガイド片２７とにより構成し、このガイド片２７の任意のものを上記中間筒状体１４の壁２２に固定せしめる。

更に上記内筒９の内周面には図５に示すように半径方向内方にＶ字状に開いて上下方向に延びる鋼製の伝熱フィン２８を複数個取り付けると共に、上記容器１の底板１６上には、その中央部２９が円錐状に上方に盛り上がり、周辺部３０が弧状に上方に湾曲する下部整流板３１を配置し、上記上蓋１５の下面には、その中央部３２が逆円錐台状に下方に突出する上部整流板３３を配置し、この中央部を貫通して上記モーター２４の回転軸３４が上記循環ファン２３に向って延びるようにする。

なお、３５は上記上蓋１５と上記モーター２４の回転軸３４間に形成した磁気シール、３６は上記底板１６と、上記支持台１２の支持棒３７間に形成した真空シールである。

本発明の鋼部品のガス冷却方法においては、減圧密閉容器１内を真空ポンプ２により排気バルブ３を介して内部圧力が１Ｐａ程度（被処理鋼部品が焼き入れ温度で酸化されない圧力）になるまで真空排気し、上記減圧密閉容器１内の所定の位置に被処理鋼部品１１を保持した後、排気バルブ４を閉じてから上記減圧密閉容器１内に外部に設置したリザーバタンク５に蓄えた冷却ガスを導入バルブ７を開いて所定の圧力例えば１ＭＰａ〜０．６ＭＰａになるまで導入する。導入バルブ７を閉じて容器１内に冷却ガスを封入した後、被処理鋼部品１１の上部に設けた循環ファン２３をモータ２４で駆動し図２中に矢印で示すように冷却ガスを空間２０，２１、流体通路１９，１７，１８を介して循環せしめる。

所定の時間、循環ファン２３を駆動させ被処理鋼部品１１を冷却し、その間、冷却ガスを水冷された伝熱フィン２８を有する内筒９を介して冷却する。

上記冷却ガスとしては一種の不活性ガス、一種或いは二種以上の混合不活性ガス、または水素ガス単体或いは水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用いる。

上記循環ファン２３としては軸流ファンを用い、駆動モータ２４の出力をインバータ等により調節し、その回転数を変えることにより被処理鋼部品に最適な熱履歴を与えるようにする。

（実験例１）

図１に示すガス冷却装置内に、被処理鋼部品１１として前工程で約８７０℃に加熱した外径１９０ｍｍ、内径１４０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、重さ２．４Ｋｇの角状断面のリング状鋼部品を入れ焼入れを行なった。鋼部品の材質は一般的な肌焼き鋼であるＳＣＭ４２０及びＳＣｒ４２０とし、冷却ガスは窒素単体、導入圧力は０．６ＭＰａとした。

循環ファン駆動モータ２４としては出力１８．５ｋｗの２極汎用モータを用い、運転周波数は６０Ｈｚとし循環ファン２３の回転数を３６００ｒｐｍとした。

図６は冷却時の被処理鋼部品各部分の、冷却時間−温度の変化を示したものである。図６における曲線（１）〜（３）は夫々図２に示す配置のリング状鋼部品の前部，背部，側部の温度変化を示す。この図６から明らかなように被処理鋼部品の各部は略均一に冷却されており、ファン起動時の被処理鋼部品の温度は搬送中に降温し約８５０℃であったが、ファン起動後は３０秒後で５３０℃、６０秒後で３００℃、９０秒後で１５０℃、１２０秒後で１００℃であった。

また、被処理鋼部品の冷却ガスの流速は３４ｍ／ｓであった（大気圧下において羽根車式流速計により測定）。焼き入れの結果、被処理鋼部品の芯部硬さはロックウェル硬さでＳＣＭ４２０材がＨＲＣ３２．５、ＳＣｒ４２０材でＨＲＣ３１．４であった。この値は焼き入れ油による焼き入れ硬さと略同等である。

図７は、被処理鋼部品の材質をＳＣＭ４２０とし、ファンの回転数を３６００ｒｐｍとしてガス圧力を変化させた場合の被処理鋼部品の焼入れした芯部硬さの関係を、図８は同様の条件の下で、ファン回転数と被処理鋼部品の焼入れした芯部硬さの関係を示したものである。このようにガス圧力およびファン回転数を変化させることで任意の芯部硬さを得ることが可能となる。

（実験例２）

図１に示すガス冷却装置内に、外径２２０ｍｍのリングギアを入れ焼入れを行なった。鋼部品の材質は一般的な肌焼き鋼であるＳＣＭ４２０とし、冷却ガスは窒素単体、導入圧力は０．６ＭＰａとした。

循環ファン駆動モータ２４としては出力１８．５ｋｗの２極汎用モータを用い、運転周波数は６０Ｈｚとし循環ファン２３の回転数を３６００ｒｐｍとした。

ファン起動時の被処理鋼部品の温度は、搬送中に降温し約８３０℃であったが、ファン起動後の被処理鋼部品の温度（最大肉厚部）は３０秒後で４３０℃、６０秒後で２００℃、９０秒後で８０℃、１２０秒後で５０℃であった。

図９は浸炭後焼入れした後の被処理鋼部品の各部分の断面の硬さ分布測定結果である。図９における曲線（１）〜（３）は夫々図２に示す配置のリング状鋼部品の前部，背部，側部の硬さ変化を示す。被処理鋼部品の表面から０．０５ｍｍの部分の硬さはマイクロビッカース硬さで約Ｈｍｖ（０．５）７３０、焼入れした芯部硬さはロックウェル硬さでＨＲＣ３０であった。図９から明らかなように、被処理鋼部品はその各部で均一な硬さ分布が得られている。

図１０は、鋼部品としてＳＣＭ４２０を用い循環ファンの回転数を換えた場合の冷却時間−温度の変化を示し、曲線（１）〜（４）は夫々６ｂａｒのＮ₂ ガスを用い、ファンの回転数を３６００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍ，１８００ｒｐｍ，６００ｒｐｍとした場合である。

ガス冷却装置の説明図である。 ガス冷却装置における減圧密閉容器の縦断正面図である。 図２に示す減圧密閉容器における内部ダクトの平面図である。 図３に示す内部ダクトの正面図である。 図２に示す減圧密閉容器の一部の横断平面図である。 本発明の鋼部品のガス冷却方法によって処理した鋼部品の冷却時間−温度の関係を示す線図である。 本発明の鋼部品のガス冷却方法によって処理した鋼部品の芯部硬さと冷却ガス圧の関係を示す線図である。 本発明の鋼部品のガス冷却方法によって処理した鋼部品の芯部硬さとファン回転数の関係を示す線図である。 本発明の鋼部品のガス冷却方法によって処理した浸炭した鋼部品の表面からの距離と硬さの関係を示す線図である。 本発明の鋼部品のガス冷却方法によって処理した鋼部品の温度−冷却時間と循環ファン回転数との関係を示す線図である。

符号の説明

１ 減圧密閉容器
２ 真空ポンプ
３ 排気路
４ 排気バルブ
５ リザーバタンク
６ 冷却ガス導入路
７ 導入バルブ
８ 外筒
９ 内筒
１０ 冷却水通路
１１ 被処理鋼部品
１２ 支持台
１３ 中心部
１４ 中間筒状体
１５ 上蓋
１６ 底板
１７ 流体通路
１８ 流体通路
１９ 流体通路
２０ 空間
２１ 空間
２２ 環状壁
２３ 循環ファン
２４ モーター
２５ 内部ダクト
２６ コア部
２７ ガイド片
２８ 伝熱フィン
２９ 中央部
３０ 周辺部
３１ 下部整流板
３２ 中央部
３３ 上部整流板
３４ 回転軸
３５ 磁気シール
３６ 真空シール
３７ 支持棒

Claims (6)

1. 鋼部品を入れた減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、上記減圧密閉容器の上部中央に設けた軸流ファンにより上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却することを特徴とする鋼部品のガス冷却方法。
2. 被処理鋼部品配置部分で冷却ガスの流速が増加するようにした減圧密閉容器内の上記配置部分に鋼部品を配置し、上記減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、ファンによって上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却することを特徴とする鋼部品のガス冷却方法。
3. 被処理鋼部品配置部分で冷却ガスの流速が増加するようにした減圧密閉容器内の上記配置部分に鋼部品を配置し、この減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、ファンによって上記冷却ガスを上記減圧密閉容器内で循環させ、上記鋼部品を強制対流冷却することを特徴とする鋼部品のガス冷却方法。
4. 上記ファンの回転数を変えて上記鋼部品に任意の冷却覆歴を与えるようにしたことを特徴とする請求項１、２または３記載の鋼部品のガス冷却方法。
5. 上記冷却ガスが１ＭＰａ以下の圧力の窒素、ヘリウムなどの不活性ガス、水素ガス、或いはこれらの２種或いは３種以上の混合ガスであることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の鋼部品のガス冷却方法。
6. 上記冷却ガスが０．６ＭＰａの圧力の窒素であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の鋼部品のガス冷却方法。

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