JP2009203496A - 焼入れ試験装置および焼入れ試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ガスにより試験片の端面を一様に冷却することができる焼入れ試験装置を提供する。
【解決手段】本発明の焼入れ試験装置１０は、試験部材２０および筐体３０を有する。試験部材２０は、冷却ガスにより一方の端部の端面２１側から冷却される。筐体３０は、端面２１を外部に露出させつつ試験部材２０を収容して、試験部材２０の側面に断熱空間３１を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料の焼入れ性評価に用いられる焼入れ試験装置および焼入れ試験方法に関する。

近年、環境対応技術として、環境負荷の少ない窒素ガスおよびヘリウムガスなどの冷却ガスを真空加熱された金属製品に吹き付けることによって、金属製品を硬化させるガス焼入れ処理の必要性が高まっている。

ガス焼入れ処理では、金属製品をなす鋼材の焼入れ品質を確保する見地から、下記の非特許文献１に示すノズル式ガス焼入れ試験方法が知られている。非特許文献１に示すガス焼入れ試験方法は、加熱された試験片の一方の端面に、ガスノズルから噴射される冷却ガスを吹き付けることによって、試験片を端面側から冷却するものである。このようなガス焼入れ試験方法によれば、冷却された試験片の端面からの距離に対応した硬度を測定することによって、鋼材の焼入れ性を評価することができる。
Ｍ．Ｌｏｈｍａｎｎ ｅｔ ａｌ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｇａｓｅｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ：Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ，１８−２０ Ａｐｒｉｌ １９９４，Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ Ｉｌｌｉｎｏｉｓ

しかしながら、上記ガス焼入れ試験方法では、ガスノズルから噴射された冷却ガスを試験片の端面に吹き付けるため、加熱された試験片の端面を一様に冷却することができないという問題がある。冷却ガスの密度および粘度は冷却水などと比べて大幅に低いため、ガスノズルから噴射された冷却ガスを試験片に吹き付けるだけでは、試験片の端面を一様に冷却することができない。また、試験片の端面全体に冷却ガスを供給しようとすると、冷却ガスにより試験片の側面が冷却されてしまい、正確な試験結果が得られない。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、冷却ガスにより試験片の端面を一様に冷却することができる焼入れ試験装置および焼入れ試験方法を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の焼入れ試験装置は、試験部材および筐体を有する。前記試験部材は、冷却ガスにより一方の端部の端面側から冷却される。前記筐体は、前記端面を外部に露出させつつ前記試験部材を収容して、前記試験部材の側面に断熱空間を形成する。

本発明の焼入れ試験方法は、冷却ガスにより一方の端部の端面側から冷却される試験部材の側面に断熱空間を形成する。

本発明の焼入れ試験装置および焼入れ試験方法によれば、冷却ガスにより試験部材の側面が冷却されることなく、試験部材の端面のみが冷却される。したがって、試験部材の端面全体に冷却ガスを供給することによって、試験部材の端面を一様に冷却することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。なお、図中、同様の部材には同一の符号を用いた。

図１は、本発明の一実施の形態における焼入れ試験装置の概略構成を示す断面図である。図示する焼入れ試験装置１０は、概説すれば、冷却ガスにより一方の端部の端面２１側から冷却される試験部材（以下、試験片と称する）２０と、端面２１を外部に露出させつつ試験片２０を収容して、試験片２０の側面に断熱空間３１を形成する筐体（以下、容器と称する）３０と、を有する。以下、詳述する。

試験片２０は、冷却ガスにより一方の端部の端面２１側から冷却されるものである。本実施の形態の試験片２０は、円柱形状を有し、焼入れ性が評価される鋼材から形成される。試験片２０は、一方の端部の端面２１に冷却ガスが接触して熱を奪うことにより、端面２１側から冷却される。

容器３０は、端面２１を外部に露出させつつ試験片２０を収容して、試験片２０の側面に断熱空間３１を形成するものである。容器３０は、円柱状の試験片２０を取り囲む円筒状の側面部と、試験片２０の端面２１を露出する開口部が設けられた蓋面部と、試験片２０の他方の端部と連結される円形状の底面部と、を有する。容器３０の側面部には、断熱空間３１と外部とを連通する通気孔３２が互いに対向する位置に上下に２個ずつ設けられている。また、容器３０の蓋面部に設けられた開口部の内周面と試験片２０の端部の外周面との間には、容器３０と試験片２０との間の熱伝達を抑制するための間隙部３３が設けられている。容器３０の底面部には、連結部材３４を介して、試験片２０の他方の端部が連結される。

以上のとおり構成される本実施の形態の焼入れ試験装置１０では、試験片２０の側面に断熱空間３１を形成しつつ、試験片２０の一方の端部の端面２１に冷却ガスを供給することによって、試験片２０が端面２１側から冷却される。以下、図２を参照しつつ、本実施の形態における焼入れ試験方法について説明する。

図２は、本実施の形態の焼入れ試験方法を説明するための図である。図２（Ａ）は、加熱焼入れ炉の内部に配置される焼入れ試験装置を示す図であり、図２（Ｂ）は、加熱焼入れ炉でガス焼入れ処理される試験片の温度履歴を示す図である。

図２（Ａ）に示すとおり、本実施の形態の焼入れ試験装置１０は、冷却ガスが導入される加熱焼入れ炉４０の内部に配置され、試験片２０は、加熱焼入れ炉４０でガス焼入れ処理される。

加熱焼入れ炉４０は、焼入れ試験装置１０の試験片２０を加熱したのちに、内部に冷却ガスを導入して、試験片２０をガス焼入れ処理するものである。本実施の形態の加熱焼入れ炉４０は、上部から下部に向かって冷却ガスが流れるように、外部から冷却ガスが導入される。なお、加熱焼入れ炉４０自体は、一般的なガス焼入れ処理用の加熱焼入れ炉であるため詳細な説明は省略する。

焼入れ試験装置１０は、加熱焼入れ炉４０の内部に、試験片２０の露出された端面２１が上向きになるように配置される。あるいは、焼入れ試験装置１０は、加熱焼入れ炉４０の内部に、試験片２０の露出された端面２１が横向きまたは下向きになるように配置される。このような構成にすると、試験片２０の端面２１に上方から冷却ガスが吹き付ける噴流冷却、端面２１に沿って冷却ガスが流れる側流冷却、および端面２１から離れる向きに冷却ガスが流れる剥離流冷却による試験片２０の焼入れ性を評価することができる。

加熱焼入れ炉４０内部に所望の姿勢で焼入れ試験装置１０が配置されたのち、焼入れ試験装置１０の試験片２０は、図２（Ｂ）に示す温度履歴でガス焼入れ処理される。具体的には、まず、加熱焼入れ炉４０内部で、焼入れ試験装置１０の試験片２０がオーステナイト化温度にまで加熱される。そして、オーステナイト化温度状態が所定時間維持されたのち、加熱焼入れ炉４０内部に冷却ガスが導入されることによって、焼入れ試験装置１０の試験片２０がガス冷却される。

本実施の形態の焼入れ試験装置１０では、容器３０により試験片２０の側面に断熱空間３１が形成されているため、加熱焼入れ炉４０に導入される冷却ガスによって試験片２０の側面が冷却されることなく、試験片２０の端面２１のみが冷却される。したがって、加熱焼入れ炉４０に導入される冷却ガスにより試験片２０の端面２１が一様に冷却される。

ガス焼入れ処理された試験片２０は、容器３０から取り外されて、端面２１からの距離に対応した硬度が測定されることにより、焼入れ性が評価される。なお、端面からの距離に対応した硬度を測定することによって試験片の焼入れ性を評価する技術自体は、冷却水によって冷却された試験片の焼入れ性を評価する一端式ジョミニー試験（ＪＩＳ Ｇ０５６１）と同様であるため詳細な説明は省略する。

次に、図３を参照して、本実施の形態の焼入れ試験装置の効果について説明する。図３は、一般的なガス焼入れ試験装置を比較例として示す図である。

図３に示すとおり、一般的なガス焼入れ試験装置は、試験片２０’を加熱する加熱手段と、加熱された試験片２０’に冷却ガスを吹き付けるノズルと、を有する。冷却ガスの密度および粘度は冷却水などと比較して大幅に低いため、一般的なガス焼入れ試験装置では、ノズルから噴射された冷却ガスを試験片に吹き付けるだけでは、試験片２０’の端面を一様に冷却することができない。また、冷却ガスを試験片２０’の端面全体に吹き付けようとすると、冷却ガスにより試験片２０’の側面が冷却されてしまい、正確な試験結果が得られない。さらに、一般的なガス焼入れ試験装置では、ノズルから噴射された冷却ガスは、試験片２０’の端面に垂直に吹き付けるので、冷却ガスが試験片２０’の端面に吹き付ける角度の焼入れ性への影響を評価することができない。冷却ガスが吹き付ける角度によって、試験片２０’の冷却速度は大きく変化する。

一方、本実施の形態の焼入れ試験装置１０によれば、容器３０によって試験片２０の側面に断熱空間３１が形成されることにより、試験片２０の端面２１のみをガス冷却することができる。したがって、一般的な加熱焼入れ炉４０を用いることによって、試験片２０の端面２１を一様に冷却することができ、精度のよいガス焼入れ試験を実施することができる。また、本実施の形態の焼入れ試験装置１０によれば、複数の焼入れ試験装置１０を加熱焼入れ炉４０内に配置することによって、複数の試験片２０に対してガス焼入れ試験を実施することができる。さらに、本実施の形態の焼入れ試験装置１０によれば、加熱焼入れ炉４０内に配置する姿勢を変更することによって、冷却ガスが試験片２０の端面２１に吹き付ける角度の焼入れ性への影響を評価することができる。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。

（ａ）本実施の形態の焼入れ試験装置は、冷却ガスにより一方の端部の端面側から冷却される試験片と、端面を外部に露出させつつ試験片を収容して、試験片の側面に断熱空間を形成する容器と、を有する。したがって、冷却ガスにより試験片の側面が冷却されることなく、試験片の端面のみが冷却される。その結果、試験片の端面全体に冷却ガスを供給することによって、試験片の端面を一様に冷却することができる。

また、焼入れ試験装置の姿勢を変更して配置することによって、試験片の端面に吹き付けられる冷却ガスの角度の焼入れ性への影響を評価することができる。

（ｂ）本実施の形態の焼入れ試験装置は、冷却ガスが導入される加熱焼入れ炉の内部に配置され、試験片は、加熱焼入れ炉で加熱されたのち、当該加熱焼入れ炉の内部に導入される冷却ガスによって端面側から冷却される。したがって、別途の試験装置を用いることなく、通常の加熱焼入れ炉を用いて、試験片の端面を一様にガス冷却することができる。また、複数の試験片に対してガス焼入れ試験を同時に実施することができる。

さらに、焼入れ試験装置を加熱焼入れ炉の内部に上向き、横向き、および下向きに配置することによって、噴流冷却、側流冷却、および剥離流冷却などに対応した試験片の焼入れ性を評価することができる。

（ｃ）試験片の一方の端部と容器との間には、試験片と容器との間の熱伝達を抑制するための間隙部が設けられている。したがって、冷却ガスによって試験片を適切に冷却することができるため、精度のよいガス焼入れ試験を実施することができる。

（ｄ）容器には、断熱空間と外部とを連通する通気孔が設けられている。したがって、通気孔を通じて外部から断熱空間に冷却ガスが導入されるため、冷却ガスが導入された後は、断熱空間に冷却ガスの流れが発生することが抑制される。また、試験片の端部と容器との間の間隙部から断熱空間に冷却ガスが流入することを防止することができ、ガス焼入れ試験の精度をより高めることができる。

（ｅ）本実施の形態の焼入れ試験方法は、冷却ガスにより一方の端部の端面側から冷却される試験片の側面に断熱空間を形成する。したがって、冷却ガスにより試験片の側面が冷却されることなく、試験片の端面のみが冷却される。その結果、試験片の端面全体に冷却ガスを供給することによって、試験片の端面を一様に冷却することができる。

以下、実施例を用いて本発明の実施の形態をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、本実施例によって何ら限定されるものではない。

本実施例では、上述した本発明の一実施の形態に示す焼入れ試験装置を複数用いて、ＳＣＭ４２０Ｈ鋼材およびＳＣＭ４１８Ｈ鋼材の焼入れ性を評価した。

具体的には、まず、試験片２０として、ＳＣＭ４２０ＨおよびＳＣＭ４１８Ｈを各２個準備し、それらを容器３０に収容して４個の焼入れ試験装置１０を製作した。次に、冷却ガスの噴流および剥離流による試験片の焼入れ性を評価できるように、４個の焼入れ試験装置１０を互いに上下逆さに加熱焼入れ炉４０の内部に配置して、ガス焼入れ処理を実施した。そして、試験片２０を容器３０から取り出して、ガス焼入れ処理された４個の試験片２０に対して、各試験片の端面からの距離に対応した硬度をそれぞれ測定した。測定結果を図４に示す。

図４に示すとおり、ＳＣＭ４２０Ｈの方がＳＣＭ４１８Ｈよりも端面から内部に渡って一様に硬度が高くなっていることが分かる。したがって、ガス焼入れ処理では、ＳＣＭ４２０Ｈで製作された製品を焼入れ処理することによって、製品全体にわたって十分な焼入れ処理が実施されることが判明した。

また、図４に示すとおり、ＳＣＭ４２０Ｈでは、噴流冷却および剥離流冷却の両方において、試験片の全域に渡って十分な焼入れが確保されている。一方、ＳＣＭ４１８Ｈでは、剥離流冷却において部分的に硬度が低くなっていることが分かる。したがって、ＳＣＭ４１８Ｈで製作した部品を焼入れ処理する際には、剥離流によって冷却される部分の硬度が低下するおそれがあるため、冷却ガスの流れに対して部品をどのように配置するかを考慮して焼入条件を決定する必要がある。

以上のとおり、本発明の焼入れ試験装置によれば、端面が一様に冷却されることにより、試験片を適切に焼入れ処理することができることが確認された。さらに、本発明の焼入れ試験装置によれば、一般的な加熱焼入れ炉を用いて、４個の試験片を同時に焼入れすることができたため、試験時間が大幅に短縮されることが確認された。

以上のとおり、上述した一実施の形態において、本発明の焼入れ試験装置および焼入れ試験方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。

本発明の一実施の形態における焼入れ試験装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す焼入れ試験装置を用いた焼入れ試験方法を説明するための図である。 一般的なガス焼入れ試験装置を比較例として示す図である。 図１に示す焼入れ試験装置を用いた焼入れ性評価結果を示す図である。

符号の説明

１０ 焼入れ試験装置、
２０ 試験片（試験部材）、
２１ 端面、
３０ 容器（筐体）、
３１ 断熱空間、
３２ 通気孔、
３３ 間隙部、
４０ 加熱焼入れ炉。

Claims (5)

1. 冷却ガスにより一方の端部の端面側から冷却される試験部材と、
   前記端面を外部に露出させつつ前記試験部材を収容して、前記試験部材の側面に断熱空間を形成する筐体と、
   を有することを特徴とする焼入れ試験装置。
2. 前記焼入れ試験装置は、冷却ガスが導入される加熱焼入れ炉の内部に配置され、
   前記試験部材は、前記加熱焼入れ炉で加熱されたのち、当該加熱焼入れ炉の内部に導入される冷却ガスによって前記端面側から冷却されることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ試験装置。
3. 前記試験部材の一方の端部と前記筐体との間には、前記試験部材と前記筐体との間の熱伝達を抑制するための間隙部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ試験装置。
4. 前記筐体には、前記断熱空間と外部とを連通する通気孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼入れ試験装置。
5. 冷却ガスにより一方の端部の端面側から冷却される試験部材の側面に断熱空間を形成することを特徴とする焼入れ試験方法。

Images