JP2020164922A - Hardening method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焼き入れ方法に関する。 The present invention relates to a quenching method.
従来、焼き入れ対象の被処理物を冷却剤に浸漬し、マルテンサイト変態温度以下になるまで冷却する焼き入れ方法が知られている。このような焼き入れ技術においては、冷却剤として水や焼き入れ油を使用する技術が知られており、焼き入れ油を使用する技術としては、例えば、特許文献1が挙げられる。 Conventionally, there is known a quenching method in which an object to be hardened is immersed in a coolant and cooled to a temperature equal to or lower than the martensitic transformation temperature. In such a quenching technique, a technique of using water or quenching oil as a cooling agent is known, and as a technique of using the quenching oil, for example, Patent Document 1 can be mentioned.
被処理物が冷却剤に接することで初期に冷却が開始される表面と、冷却剤に直接接しない内部とで温度差が生じる。被処理物が高温である場合には熱膨張が生じるため、被処理物の内部が高温の状態においては、被処理物全体が膨張する。 A temperature difference occurs between the surface where cooling is initially started when the object to be treated comes into contact with the coolant and the inside which does not come into direct contact with the coolant. Since thermal expansion occurs when the object to be processed is at a high temperature, the entire object to be processed expands when the inside of the object to be processed is at a high temperature.
水を主成分とする冷却剤は焼き入れ油と比較して冷却速度が速い。従って、水を主成分とする冷却剤が使用された場合、焼き入れ油が冷却剤として使用された場合よりも早期にマルテンサイト変態開始温度以下になる。焼き入れの過程では被処理物の表面が内部より先に冷えるため、被処理物の表面が内部より先にマルテンサイトに変態する。マルテンサイト変態が発生すると、被処理物の表面が硬くなるため、その後に内部が冷却されても、被処理物が熱膨張した状態が維持されてしまう。従来は、水を主成分とする冷却剤を使用して焼き入れを行うと、被処理物の内部が熱膨張した状態で被処理物の表面が硬くなり、熱膨張の影響が大きい(伸びであれば、伸びが大きい)状態で被処理物を硬化させてしまうと考えられていた。この結果、水を主成分とした冷却剤を使って熱膨張の影響を抑制することは困難であると考えられていた。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、水を主成分とした冷却剤を使用した場合であっても、熱膨張による影響を抑制できる可能性を高めることを目的とする。
Water-based coolants have a faster cooling rate than hardened oils. Therefore, when a water-based coolant is used, the temperature drops below the martensitic transformation start temperature earlier than when the quenching oil is used as the coolant. In the process of quenching, the surface of the object to be treated cools before the inside, so the surface of the object to be treated transforms into martensite before the inside. When the martensitic transformation occurs, the surface of the object to be treated becomes hard, so that the object to be treated is maintained in a state of thermal expansion even if the inside is subsequently cooled. Conventionally, when quenching is performed using a coolant containing water as the main component, the surface of the object to be treated becomes hard while the inside of the object to be treated is thermally expanded, and the effect of thermal expansion is large (due to elongation). If there is, it was thought that the object to be treated would be cured in a state of (large elongation). As a result, it was considered difficult to suppress the influence of thermal expansion by using a coolant containing water as a main component.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to increase the possibility of suppressing the influence of thermal expansion even when a coolant containing water as a main component is used.
上記の目的を達成するため、焼き入れ対象の被処理物を冷却する焼き入れ方法は、冷却剤で前記被処理物を冷却し、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度になる前に冷却を停止する1次冷却工程と、前記被処理物の表面と内部とを均熱化する均熱化工程と、少なくとも、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで水を主成分とする冷却剤で前記被処理物を冷却する2次冷却工程と、を含むように構成される。 In order to achieve the above object, the quenching method for cooling the object to be hardened is to cool the object to be processed with a coolant so that the surface of the object to be hardened is at a temperature equal to or lower than the start temperature of martensitic transformation. A primary cooling step of stopping cooling before the cooling occurs, a soaking step of equalizing the surface and the inside of the object to be treated, and at least water is mainly used until the surface of the object to be treated is transformed into martensitic transformation. It is configured to include a secondary cooling step of cooling the object to be treated with a cooling agent as a component.
すなわち、2次冷却工程において、水を主成分とする冷却剤で焼き入れが行われる構成において、2次冷却の前に1次冷却が行われることで、被処理物の表面が冷却され、これに伴って内部も冷却される。この状態でマルテンサイト変態開始温度以下の温度になると被処理物の表面が硬化してしまうため、1次冷却は表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に停止させ、停止後に被処理物の表面と内部とを均熱化させる。 That is, in the configuration in which quenching is performed with a coolant containing water as a main component in the secondary cooling step, the surface of the object to be treated is cooled by performing the primary cooling before the secondary cooling. The inside is also cooled accordingly. In this state, if the temperature falls below the martensitic transformation start temperature, the surface of the object to be treated will harden. Therefore, the primary cooling should be stopped before the surface becomes below the martensitic transformation start temperature, and the object to be treated should be stopped after the stop. The surface and the inside are homogenized.
この結果、被処理物の内部の熱が表面に伝達され、内部が冷却される。この冷却により、1次冷却の段階で表面がマルテンサイト変態開始温度以下になるまで冷却する構成と比較して、被処理物の内部の温度を下げることができる。従って、熱膨張の程度を抑制することができる。そして、被処理物の内部の温度が下がった後に、被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで冷却することにより、熱膨張の程度が抑制された状態で被処理物の表面を硬化させることができる。この結果、熱膨張による影響を抑制できる可能性を高めることができる。 As a result, the heat inside the object to be processed is transferred to the surface, and the inside is cooled. By this cooling, the temperature inside the object to be processed can be lowered as compared with the configuration in which the surface is cooled to the martensitic transformation start temperature or lower in the primary cooling stage. Therefore, the degree of thermal expansion can be suppressed. Then, after the temperature inside the object to be treated has dropped, the surface of the object to be treated can be cured by cooling until the surface of the object to be treated undergoes martensitic transformation, so that the degree of thermal expansion is suppressed. it can. As a result, the possibility of suppressing the influence of thermal expansion can be increased.
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
(1)焼き入れ方法を実施する装置の構成:
(2)熱処理工程:
(3)実施例:
(4)他の実施形態:
Here, embodiments of the present invention will be described in the following order.
(1) Configuration of the device that implements the quenching method:
(2) Heat treatment process:
(3) Example:
(4) Other embodiments:
(1)焼き入れ方法を実施する装置の構成:
図1Aは、本発明の一実施形態である焼き入れ方法を実施する装置を模式的に示す図である。図1Aにおいては装置の主要部を示しており、各部を駆動させるための機構や各部の形状等としては、種々の構成を採用し得る。図1Aに示す装置においては、中空の直方体の一面を開口させることによって形成された冷却槽10が備えられている。本実施形態において冷却槽10には、予め冷却剤Wが蓄積されている。本実施形態において冷却剤Wは水である。冷却剤Wは水を主成分とする冷却剤であってよく、冷却剤は、例えば、水に各種の材料が溶けている水溶液であっても良い。
(1) Configuration of the device that implements the quenching method:
FIG. 1A is a diagram schematically showing an apparatus for carrying out the quenching method according to the embodiment of the present invention. FIG. 1A shows the main part of the device, and various configurations can be adopted as the mechanism for driving each part, the shape of each part, and the like. The device shown in FIG. 1A includes a cooling tank 10 formed by opening one surface of a hollow rectangular parallelepiped. In the present embodiment, the coolant W is accumulated in advance in the cooling tank 10. In this embodiment, the coolant W is water. The coolant W may be a coolant containing water as a main component, and the coolant may be, for example, an aqueous solution in which various materials are dissolved in water.
本実施形態において、焼き入れ方法を実施する装置には、被処理物Sを昇降させる移動装置20が備えられている。移動装置20は、支持台21および支持部22を備えており、被処理物Sは支持台21に載せられる。支持台21は冷却槽10の高さ方向に延びる支持部22に支持されている。支持部22には、図示しないモーター等の駆動源が接続され、図示しない昇降機構によって支持台21を上下に移動させることができる。むろん、モーター等の駆動源は種々のエネルギーで駆動されてよく、電動、油圧駆動、気圧駆動、などの種々のエネルギーを利用可能である。また、動力伝達機構もモーター等に限定されず、リニアモーター等であっても良い(以下同様)。また、被処理物Sを昇降させる構成は種々の構成を採用可能である。 In the present embodiment, the device that implements the quenching method is provided with a moving device 20 that raises and lowers the object S to be processed. The moving device 20 includes a support base 21 and a support portion 22, and the object S to be processed is placed on the support base 21. The support base 21 is supported by a support portion 22 extending in the height direction of the cooling tank 10. A drive source such as a motor (not shown) is connected to the support portion 22, and the support base 21 can be moved up and down by an elevating mechanism (not shown). Of course, a drive source such as a motor may be driven by various energies, and various energies such as electric, hydraulic drive, and atmospheric pressure drive can be used. Further, the power transmission mechanism is not limited to a motor or the like, and may be a linear motor or the like (the same applies hereinafter). Further, various configurations can be adopted for raising and lowering the object S to be processed.
本実施形態において駆動源は、被処理物Sが載せられた支持台21の昇降速度を変化させることができ、駆動源に対する制御信号を変化させることにより、支持台21の上昇速度および支持台21の下降速度を指定することができる。支持部22は、冷却槽10の底面から開口部側に向けて鉛直方向に沿って延びている。従って、支持部22の下方は冷却槽10内の冷却剤Wに浸かっており、支持台21が上下移動されることにより、支持台21上の被処理物Sを冷却剤Wに浸漬したり、また、冷却剤W内の被処理物Sを外部に取り出したりすることができる。 In the present embodiment, the drive source can change the ascending / descending speed of the support 21 on which the object S to be processed is placed, and by changing the control signal for the drive source, the ascending speed of the support 21 and the support 21 You can specify the descending speed of. The support portion 22 extends in the vertical direction from the bottom surface of the cooling tank 10 toward the opening side. Therefore, the lower part of the support portion 22 is immersed in the coolant W in the cooling tank 10, and the support base 21 is moved up and down to immerse the object S on the support base 21 in the coolant W. Further, the object S to be processed in the coolant W can be taken out to the outside.
なお、支持台21に対して載置される被処理物Sの数や置き方(向き)等は種々の態様であって良い。例えば、支持台21にパレットが取り付けられ、当該パレット内に複数の被処理物Sが配置されてもよい。本明細書においては、被処理物Sが1個である場合を例にして説明を行う。むろん、支持台21や支持部22等が各種の特徴を有していて良く、例えば、支持台21を容易に下降させることができるようにするために支持台21がメッシュや格子状に形成されていても良い。 The number and placement (orientation) of the objects to be processed S placed on the support base 21 may be in various modes. For example, a pallet may be attached to the support base 21, and a plurality of objects S to be processed may be arranged in the pallet. In this specification, the case where the object to be processed S is one will be described as an example. Of course, the support base 21 and the support portion 22 may have various characteristics. For example, the support base 21 is formed in a mesh or a grid pattern so that the support base 21 can be easily lowered. You may be.
冷却槽10内においては、冷却剤Wを流動させる流動装置30が設けられている。流動装置30は、軸31とプロペラ32とを備えている。すなわち、冷却槽10においては、その側面付近において、側面に沿って延びる軸31が設けられている。軸31は、鉛直方向に沿って平行な方向の線を中心に回転可能である。軸31にはプロペラ32が連結されており、プロペラ32は図示しないモーター等の駆動源によって回転する。 In the cooling tank 10, a flow device 30 for flowing the coolant W is provided. The flow device 30 includes a shaft 31 and a propeller 32. That is, in the cooling tank 10, a shaft 31 extending along the side surface is provided in the vicinity of the side surface thereof. The shaft 31 is rotatable about a line in a direction parallel to the vertical direction. A propeller 32 is connected to the shaft 31, and the propeller 32 is rotated by a drive source such as a motor (not shown).
本実施形態において駆動源は、プロペラ32を回転させることによって鉛直方向に向けた流れを誘起することができ、本実施形態においては、鉛直方向上方に向けた流れが誘起される。プロペラ32によって鉛直方向上方に向けた流れが誘起されると、液面付近で水平方向に流れが分散する。 In the present embodiment, the drive source can induce a flow in the vertical direction by rotating the propeller 32, and in the present embodiment, a flow in the vertical direction is induced. When the propeller 32 induces a flow upward in the vertical direction, the flow is dispersed in the horizontal direction near the liquid surface.
冷却槽10内には、鉛直方向に平行な面を有する板状の部材が設けられ、板状の部材の最上部が液面より深い位置に存在し、板状の部材の最下部は冷却槽10の底より浅い位置に存在する。また、板状の部材の広い面が対向するように配置されている。このため、冷却剤Wに誘起された流れは、板状の部材の表裏で互いに逆方向に循環する。従って、プロペラ32によって誘起された流れが液面付近で水平方向に流れが分散すると、さらに、冷却槽10の中央付近で鉛直方向下方に流れる。そして、冷却槽10の中央付近の鉛直方向下方への流れが底面付近に達すると、再び側面側に流れ、プロペラ32側に循環する。この結果、図1Aにおいて破線の矢印で示すような流れが形成される。すなわち、冷却槽10においては、中央付近で鉛直方向下方に流れ、冷却槽10の側面付近で鉛直方向上方に流れる循環流が形成される。なお、ここでは、当該循環流を形成できればよく、板状の部材以外の部材、例えば、環状の部材が配置されてもよい。 A plate-shaped member having a plane parallel to the vertical direction is provided in the cooling tank 10, the uppermost portion of the plate-shaped member exists at a position deeper than the liquid surface, and the lowermost portion of the plate-shaped member is a cooling tank. It exists at a position shallower than the bottom of 10. Further, the wide surfaces of the plate-shaped members are arranged so as to face each other. Therefore, the flow induced in the coolant W circulates in opposite directions on the front and back surfaces of the plate-shaped member. Therefore, when the flow induced by the propeller 32 is dispersed in the horizontal direction near the liquid surface, it further flows downward in the vertical direction near the center of the cooling tank 10. Then, when the flow downward in the vertical direction near the center of the cooling tank 10 reaches the vicinity of the bottom surface, it flows to the side surface side again and circulates to the propeller 32 side. As a result, a flow as shown by the broken line arrow in FIG. 1A is formed. That is, in the cooling tank 10, a circulating flow that flows downward in the vertical direction near the center and flows upward in the vertical direction near the side surface of the cooling tank 10 is formed. Here, as long as the circulating flow can be formed, a member other than the plate-shaped member, for example, an annular member may be arranged.
軸31を回転させる駆動源は、軸31の回転速度を変化させることができ、駆動源に対する制御信号を変化させることにより、冷却槽10内の循環流の流速を指定することができる。本実施形態においては、被処理物Sが浸漬された場合に、被処理物Sの側面に接する部位における下方の流れFdの流速を制御できるように構成されている。すなわち、駆動源に対する制御指示によって流速が指定されると、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速が指定された流速になるように構成されている。 The drive source that rotates the shaft 31 can change the rotation speed of the shaft 31, and by changing the control signal for the drive source, the flow velocity of the circulating flow in the cooling tank 10 can be specified. In the present embodiment, when the object S to be processed is immersed, the flow velocity of the downward flow Fd at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed can be controlled. That is, when the flow velocity is specified by the control instruction to the drive source, the flow velocity of the flow Fd below the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed is configured to be the specified flow velocity.
本実施形態において、被処理物Sは、浸炭処理された後の部品である。浸炭処理は、図1Aに図示していない浸炭処理装置によって実行されればよく、各種の態様の炉によって被処理物Sを加熱し、被処理物Sの周囲に存在する炭素を被処理物Sに浸炭させることができればよい。むろん、炉の構成も限定されず、炉内で浸炭しながら被処理物Sが搬送される構成等であっても良いし、炉内の固定位置に存在する被処理物Sで浸炭が行われた後に取り出されてもよい。浸炭の態様も限定されず、ガス浸炭、液体浸炭、固体浸炭、真空浸炭(真空ガス浸炭)、プラズマ浸炭などの各種の態様で浸炭が行われてよい。いずれにしても、浸炭が行われた後の被処理物Sが支持台21にセットされて焼き入れが行われればよい。 In the present embodiment, the object to be treated S is a part after carburizing. The carburizing treatment may be carried out by a carburizing treatment apparatus (not shown in FIG. 1A), and the object S to be processed is heated by a furnace of various modes, and the carbon existing around the object S to be processed is removed from the object S to be processed. It would be good if it could be carburized. Of course, the configuration of the furnace is not limited, and the object to be processed S may be transported while carburizing in the furnace, or the object to be processed S existing at a fixed position in the furnace is carburized. It may be taken out afterwards. The mode of carburizing is not limited, and carburizing may be performed in various modes such as gas carburizing, liquid carburizing, solid carburizing, vacuum carburizing (vacuum gas carburizing), and plasma carburizing. In any case, the object S to be processed after carburizing may be set on the support base 21 and quenching may be performed.
(2)熱処理工程:
次に、被処理物Sに対する熱処理工程(浸炭処理および焼き入れ処理)を説明する。図4および図5は本実施形態にかかる熱処理工程を示すフローチャートである。熱処理工程においては、熱処理対象の被処理物Sが浸炭処理装置にセットされる(ステップS100)。次に、浸炭処理が行われる(ステップS105)。浸炭処理の条件は、被処理物Sの利用目的等に基づいて決定される。例えば、被処理物Sがセットされた浸炭処理装置内に予め決められた炭素含有物(ガス等)が導入され、被処理物Sが既定の昇温速度で目的温度まで加熱される。そして、被処理物Sが目標温度に達したら、既定の期間だけ目的温度に維持される。
(2) Heat treatment process:
Next, the heat treatment step (carburizing treatment and quenching treatment) for the object S to be treated will be described. 4 and 5 are flowcharts showing the heat treatment steps according to the present embodiment. In the heat treatment step, the object to be heat-treated S is set in the carburizing treatment device (step S100). Next, carburizing treatment is performed (step S105). The conditions of the carburizing treatment are determined based on the purpose of use of the object S to be treated and the like. For example, a predetermined carbon-containing material (gas or the like) is introduced into the carburizing apparatus in which the object to be processed S is set, and the object to be processed S is heated to a target temperature at a predetermined heating rate. Then, when the object S to be processed reaches the target temperature, it is maintained at the target temperature for a predetermined period.
次に、浸炭処理が行われた被処理物Sが移動装置20にセットされる(ステップS110)。すなわち、浸炭処理が行われた被処理物Sが、支持台21に載置される。本実施形態においては、1次冷却工程および2次冷却工程において、後述するシンクロ状態が実現される。当該シンクロ状態を実現するため、まず、流速Vqがシンクロ速度にセットされる(ステップS115)。すなわち、軸31を回転させる駆動源に制御信号が出力され、プロペラ32の回転が開始される。この際、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速がシンクロ速度になるように設定される。ここで、シンクロ速度は、予め決められた速度であり、詳細は後述する。 Next, the object S to be carburized is set in the moving device 20 (step S110). That is, the object S to be carburized is placed on the support base 21. In the present embodiment, the synchronized state described later is realized in the primary cooling step and the secondary cooling step. In order to realize the synchronized state, the flow velocity Vq is first set to the synchronized speed (step S115). That is, a control signal is output to the drive source that rotates the shaft 31, and the rotation of the propeller 32 is started. At this time, the flow velocity of the flow Fd below the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed is set to be the synchro velocity. Here, the synchro speed is a predetermined speed, and the details will be described later.
次に、被処理物の下降速度Veがシンクロ速度にセットされる(ステップS120)。すなわち、支持台21を移動させる駆動源に制御信号が出力され、この結果、支持台21の下降速度Veがシンクロ速度となり、冷却剤Wの下方の流れFdの流速と同値になる。シンクロ速度は、支持台21を下降させる下降速度Veと、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速とを同期させる際の速度値として予め設定される。 Next, the descending speed Ve of the object to be processed is set to the synchro speed (step S120). That is, a control signal is output to the drive source that moves the support base 21, and as a result, the descending speed Ve of the support base 21 becomes the synchro speed, which is the same value as the flow velocity of the flow Fd below the coolant W. The synchro speed is preset as a speed value at which the descending speed Ve for lowering the support base 21 and the flow velocity of the lower flow Fd of the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed are synchronized.
すなわち、本実施形態においては、移動装置20において支持台21の下降速度を制御可能であり、プロペラ32の回転によって被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速を制御可能であることを利用して、両速度を一致させる。この結果、被処理物Sが冷却剤Wの液面に接し、浸漬が開始されると、冷却剤Wの液面よりも内側における被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度は0になる。 That is, in the present embodiment, the moving device 20 can control the descending speed of the support 21, and the rotation of the propeller 32 causes the flow velocity of the lower flow Fd of the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed. Take advantage of the controllability to match both speeds. As a result, when the object S to be treated comes into contact with the liquid surface of the coolant W and immersion is started, the relative velocity between the object S to be treated and the coolant W inside the liquid surface of the coolant W becomes 0. ..
具体的には、被処理物Sは、移動装置20の支持台21に載置されているため、被処理物Sの可動方向は支持台21の可動方向に一致している。このため、被処理物Sの移動方向は鉛直下方に向けた方向である。一方、被処理物Sの側面に接する部位において冷却剤Wが流れる方向も、高さ方向のほぼ全域において鉛直方向に平行であり、かつ鉛直下方に向けた方向である。従って、被処理物Sの移動方向と、被処理物Sに接する冷却剤Wの流れの方向が一致する。 Specifically, since the object S to be processed is mounted on the support 21 of the moving device 20, the movable direction of the object S to be processed coincides with the movable direction of the support 21. Therefore, the moving direction of the object S to be processed is a direction directed vertically downward. On the other hand, the direction in which the coolant W flows at the portion in contact with the side surface of the object S to be treated is also parallel to the vertical direction in almost the entire height direction and is directed downward vertically. Therefore, the moving direction of the object S to be processed coincides with the direction of the flow of the coolant W in contact with the object S to be processed.
さらに、本実施形態においては、支持台21の下降速度Veと、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速Vqと、が共にシンクロ速度であり、一致している。従って、冷却剤の液面よりも内側における被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度は0である。本実施形態では、この状態をシンクロ状態と呼ぶ。下降速度Veは任意の速度であってよいが、被処理物Sの冷却剤に対する浸漬が開始され、浸漬が完了するまでの期間が短いほど、被処理物Sが冷却剤に接する時間差に起因する温度差が小さくなり、歪みが発生しづらい。従って、下降速度Veはできるだけ速いことが好ましく、例えば、100mm/s〜1500mm/s等の速度とすることができる。 Further, in the present embodiment, the descending speed Ve of the support base 21 and the flow velocity Vq of the flow Fd below the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S are both synchronized velocities. There is. Therefore, the relative velocity between the object S to be treated and the coolant W inside the liquid level of the coolant is 0. In this embodiment, this state is referred to as a synchronized state. The descending speed Ve may be any speed, but the shorter the period from the start of immersion of the object S to the coolant to the completion of immersion, the more time difference the object S to be treated comes into contact with the coolant. The temperature difference becomes small and distortion is unlikely to occur. Therefore, the descending speed Ve is preferably as fast as possible, and can be, for example, a speed of 100 mm / s to 1500 mm / s.
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度が0であり、被処理物Sの移動速度が下降速度Veである。この状態において下降速度Veは0よりも大きいため、この状態は、被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度が、被処理物の移動速度(下降速度Ve)より遅い状態であると言える。なお、流速の方向を厳密に制御または測定することは困難であるため、流れの方向および速度には誤差があっても良いし、流れの方向および速度は測定結果ではなく制御目標量であっても良い。 In the synchronized state as described above, the relative speed between the object to be processed S and the coolant W is 0, and the moving speed of the object to be processed S is the descending speed Ve. Since the descending speed Ve is larger than 0 in this state, it can be said that the relative velocity between the object S to be processed and the coolant W is slower than the moving speed (descending velocity Ve) of the object to be processed. Since it is difficult to strictly control or measure the direction of the flow velocity, there may be an error in the direction and velocity of the flow, and the direction and velocity of the flow are not the measurement results but the control target amount. Is also good.
ステップS115,S120においてシンクロ状態が実現されると、被処理物Sの浸漬が行われる。すなわち、本実施形態においては、被処理物Sの浸漬が開始される前(被処理物Sが冷却剤Wの液面に接する前)から、被処理物Sの移動方向と同一方向かつ被処理物Sの移動速度と同一速度の流れが冷却剤Wに形成されている。このため、本実施形態においては、被処理物Sが冷却剤Wの液面に接する段階で既にシンクロ状態になっている。 When the synchronized state is realized in steps S115 and S120, the object to be processed S is immersed. That is, in the present embodiment, from before the immersion of the object S to be started (before the object S comes into contact with the liquid surface of the coolant W), the object S is in the same direction as the moving direction and is to be processed. A flow at the same speed as the moving speed of the object S is formed in the coolant W. Therefore, in the present embodiment, the object S to be treated is already in the synchronized state at the stage of contacting the liquid surface of the coolant W.
図1Bは、被処理物Sが浸漬される前の状態を模式的に示す図である。シンクロ状態が実現されると、図1Bに示すように流速Vqと下降速度Veとがシンクロした状態において、被処理物Sが徐々に冷却剤Wの液面に接近する。シンクロ状態において被処理物Sが下降し、図1Cに示すように冷却剤Wの液面に達すると、冷却剤Wに接した部分の被処理物Sの熱が冷却剤Wに移動することで被処理物Sが冷却される。図1Cに示すように、被処理物Sが冷却剤Wの液面に達した状態が浸漬開始の状態である。浸漬開始以後、移動装置20による移動が継続され、やがて被処理物Sの鉛直上方の面が図1Dに示すように冷却剤Wの液面に達すると被処理物Sの全体が冷却剤Wに浸かった状態になる。被処理物Sの全体が冷却剤Wに浸かった状態が浸漬完了の状態である。 FIG. 1B is a diagram schematically showing a state before the object S to be immersed is immersed. When the synchronized state is realized, the object S to be treated gradually approaches the liquid surface of the coolant W in a state where the flow velocity Vq and the descending speed Ve are synchronized as shown in FIG. 1B. When the object S to be treated descends in the synchronized state and reaches the liquid level of the coolant W as shown in FIG. 1C, the heat of the object S to be processed in the portion in contact with the coolant W is transferred to the coolant W. The object S to be processed is cooled. As shown in FIG. 1C, the state in which the object S to be treated reaches the liquid level of the coolant W is the state in which immersion is started. After the start of immersion, the movement by the moving device 20 is continued, and when the vertically upper surface of the object S to be treated reaches the liquid level of the coolant W as shown in FIG. 1D, the entire object S to be processed becomes the coolant W. It will be in a soaked state. The state in which the entire object S to be treated is immersed in the coolant W is the state in which the immersion is completed.
本実施形態においては、浸漬開始され、浸漬完了した後(例えば図2Aに示す状態)においてもシンクロ状態が継続される。シンクロ状態においては、図1B〜図1D等に示すように、被処理物Sが鉛直方向下方に向けて降下する一方で、冷却剤Wの液面Swは鉛直方向に移動しない(液面内に入った被処理物Sの体積分の液面上昇は除く)。従って、図1C等において、被処理物Sと冷却剤Wの液面Swとの相対速度は0ではない。一方、浸漬開始後において、液面Swの内側において冷却剤Wは鉛直方向下方に向けて流れている。従って、図1Cに示す状態以後において、シンクロ状態であれば、冷却剤Wの液面Swよりも内側における被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度は0である。 In the present embodiment, the synchronized state is continued even after the immersion is started and the immersion is completed (for example, the state shown in FIG. 2A). In the synchronized state, as shown in FIGS. 1B to 1D, the object S to be treated descends downward in the vertical direction, while the liquid level Sw of the coolant W does not move in the vertical direction (into the liquid level). Excluding the rise in the liquid level by the volume of the contained object S). Therefore, in FIG. 1C and the like, the relative velocity between the object S to be treated and the liquid level Sw of the coolant W is not zero. On the other hand, after the start of immersion, the coolant W flows downward in the vertical direction inside the liquid level Sw. Therefore, after the state shown in FIG. 1C, in the synchronized state, the relative velocity between the object S to be treated and the coolant W inside the liquid level Sw of the coolant W is 0.
このように、冷却剤Wの内部における被処理物Sの移動と、被処理物Sに接する冷却剤Wの移動とが同期していると、被処理物Sに接して被処理物Sからの熱が伝達された冷却剤Wは、被処理物Sと共に移動して被処理物Sの周囲にとどまった状態となる。このため、冷却剤Wに接した被処理物Sにおいては冷却剤Wによって急冷が開始されるものの、シンクロ状態が維持されていると被処理物Sに接した冷却剤Wが徐々に暖まるため、冷却は促進されない。 In this way, when the movement of the object S to be processed inside the coolant W and the movement of the coolant W in contact with the object S are synchronized, the object S is in contact with the object S to be processed and the object S is to be processed. The coolant W to which heat has been transferred moves together with the object S to be processed and stays around the object S to be processed. Therefore, in the object S in contact with the coolant W, rapid cooling is started by the coolant W, but if the synchronized state is maintained, the coolant W in contact with the coolant S gradually warms up. Cooling is not promoted.
すなわち、被処理物Sの周囲の冷却剤Wが攪拌等によって他の場所に移動する場合、被処理物Sの周囲で高温になった冷却剤Wが低温の冷却剤Wに置換される。しかし、シンクロ状態においては被処理物Sに接して高温になった冷却剤Wが低温の冷却剤に置換されにくく、冷却は促進されない。シンクロ状態が維持されていると、先に冷却剤Wの液面に到達して先に冷却が開始された部位の冷却速度は徐々に遅くなる。一方、後に冷却剤Wの液面に到達して冷却が開始された部位の冷却速度は、先に冷却が開始された部位の冷却速度より速い。このためシンクロ状態が維持されると、被処理物Sの表面に生じた温度差は徐々に小さくなり、被処理物Sにおける歪みの発生を抑制することができる。 That is, when the coolant W around the object S to be processed moves to another place by stirring or the like, the coolant W that has become hot around the object S to be processed is replaced with the coolant W that has a low temperature. However, in the synchronized state, the coolant W that has become hot in contact with the object S to be treated is not easily replaced by the low temperature coolant, and cooling is not promoted. When the synchronized state is maintained, the cooling rate of the portion that first reaches the liquid level of the coolant W and starts cooling first gradually slows down. On the other hand, the cooling rate of the portion that later reaches the liquid level of the coolant W and starts cooling is faster than the cooling rate of the portion where cooling is started earlier. Therefore, when the synchronized state is maintained, the temperature difference generated on the surface of the object to be processed S gradually becomes smaller, and the occurrence of strain on the object to be processed S can be suppressed.
本実施形態においては、以上のようにシンクロ状態が実現されることによって、被処理物Sにおいて歪みが発生しないようにして1次冷却工程が行われるが、1次冷却工程においては、当該シンクロ状態が省略されてもよい。例えば、流動装置30による流れの誘起が行われていない状態(Vq=0)で、ステップS115において被処理物の下降が行われ、浸漬完了後、被処理物Sが冷却剤内の既定の高さに達するとステップS120において下降が停止される構成であってもよい。 In the present embodiment, by realizing the synchronized state as described above, the primary cooling step is performed so that distortion does not occur in the object S to be processed, but in the primary cooling step, the synchronized state is performed. May be omitted. For example, in a state where the flow is not induced by the flow device 30 (Vq = 0), the object to be processed is lowered in step S115, and after the immersion is completed, the object S to be processed has a predetermined height in the coolant. The descent may be stopped in step S120 when the height is reached.
いずれにしても、被処理物Sが冷却剤Wに接していると、被処理物Sは1次冷却されている状態になる。本実施形態においては、当該1次冷却において、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度になる前に冷却が停止される。このため、被処理物Sが冷却剤Wに接してから既定期間が経過したか否かが判定される(ステップS125)。ステップS125における既定期間は、被処理物Sが冷却剤Wに接してからの期間であり、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態しないように当該期間が予め決められている。すなわち、後のステップS130で被処理物Sが移動装置20によって上昇されるが、上昇によって被処理物Sが冷却剤Wから引き上げられた段階で、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態していないように既定期間が決められていればよい。 In any case, when the object S to be processed is in contact with the coolant W, the object S to be processed is in a state of being primary cooled. In the present embodiment, in the primary cooling, cooling is stopped before the surface of the object to be treated S reaches a temperature equal to or lower than the martensitic transformation start temperature. Therefore, it is determined whether or not a predetermined period has elapsed since the object S to be treated came into contact with the coolant W (step S125). The predetermined period in step S125 is the period after the object S to be treated comes into contact with the coolant W, and the period is predetermined so that the surface of the object S to be treated does not undergo martensitic transformation. That is, the object S to be processed is raised by the moving device 20 in the subsequent step S130, but the surface of the object S to be processed is martensitic transformed at the stage when the object S to be processed is pulled up from the coolant W by the increase. It suffices if the default period is set so that there is no such thing.
以上のように、本実施形態においては、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度にならないようにするための判断が、既定期間に基づいて実施される。しかし、当該判断は、種々の手法で実施されてもよい。例えば、図示しないセンサー等によって被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度より高い特定の温度(例えば、マルテンサイト変態開始温度直上)に達したことが検出されても良いし、支持台21が初期位置から支持台21を下降速度Veで下降させる場合において初期位置から被処理物Sが冷却剤Wに接する位置まで移動する時間が計測されることで既定期間が経過したか否か判定されても良い。また、被処理物Sが停止してからの時間が計測されることで既定期間が経過したか否か判定されてもよい。 As described above, in the present embodiment, the determination for preventing the surface of the object to be treated from becoming below the martensitic transformation start temperature is made based on the predetermined period. However, the determination may be made in various ways. For example, it may be detected by a sensor (not shown) or the like that the surface of the object to be treated reaches a specific temperature higher than the martensitic transformation start temperature (for example, immediately above the martensitic transformation start temperature), and the support 21 is initially set. When the support base 21 is lowered from the position at the lowering speed Ve, even if it is determined whether or not the predetermined period has elapsed by measuring the time for the object S to move from the initial position to the position in contact with the coolant W. good. Further, it may be determined whether or not the predetermined period has elapsed by measuring the time after the object S to be processed has stopped.
ステップS125において、被処理物Sが冷却剤Wに接してから既定期間が経過したと判定された場合、被処理物の上昇が行われる(ステップS130)。すなわち、支持台21を移動させる駆動源に制御信号が出力され、この結果、支持台21が上昇する。上昇速度Veは任意の速度であってよいが、上昇によって被処理物Sが引き上げられた段階で被処理物の表面がマルテンサイト変態していないように上昇が行われる。ここでも、上昇速度Veは、例えば、100mm/s〜1500mm/s等の速度とすることができる。 In step S125, when it is determined that the predetermined period has elapsed since the object S to be processed comes into contact with the coolant W, the object to be processed is raised (step S130). That is, a control signal is output to the drive source that moves the support base 21, and as a result, the support base 21 rises. The ascending speed Ve may be any speed, but the ascending is performed so that the surface of the object to be treated is not martensitic transformed at the stage when the object S to be processed is pulled up by the ascending. Here, too, the ascending speed Ve can be, for example, a speed of 100 mm / s to 1500 mm / s.
ステップS130において、上昇速度Veで被処理物Sの上昇が開始すると、被処理物Sが徐々に冷却剤Wの液面に接近し、被処理物Sはやがて液面の上方に引き上げられる。本実施形態においては、被処理物Sが引き上げられて、冷却剤Wの上方の既定の高さに達すると上昇が停止される(ステップS135)。既定の高さは、被処理物Sの全体が冷却剤Wの液面の外部に存在する高さであれば良く、予め決められている。図2Bは、被処理物Sの上昇が停止された状態を示す図である。なお、本実施形態において、被処理物Sが冷却剤Wの外部に達すると、冷却剤による冷却が停止するので、ステップS115〜S130は1次冷却工程である。 In step S130, when the object S to be processed starts to rise at the ascending speed Ve, the object S to be processed gradually approaches the liquid level of the coolant W, and the object S to be processed is eventually pulled up above the liquid level. In the present embodiment, when the object S to be treated is pulled up and reaches a predetermined height above the coolant W, the rise is stopped (step S135). The default height is predetermined as long as the entire object S to be treated is at a height outside the liquid level of the coolant W. FIG. 2B is a diagram showing a state in which the ascent of the object to be processed S is stopped. In the present embodiment, when the object S to be treated reaches the outside of the coolant W, the cooling by the coolant is stopped, so steps S115 to S130 are the primary cooling steps.
以上のようにして被処理物Sが冷却剤Wの外部に存在する状態になると、被処理物Sは均熱化されている状態になる。すなわち、被処理物Sの表面は1次冷却工程において冷却剤Wに接しているため、冷却剤によって直接冷却されるが、被処理物Sの内部は冷却剤Wに接していないため、冷却速度は遅く、内部の温度が表面の温度より高くなっている。このため、均熱化工程においては、内部の熱が表面を介して周囲に放散される。従って、内部の熱が表面に移動することにより、被処理物Sの表面と内部とが均熱化される。 When the object S to be treated is present outside the coolant W as described above, the object S to be treated is in a state of being thermalized. That is, since the surface of the object S to be treated is in contact with the coolant W in the primary cooling step, it is directly cooled by the coolant, but since the inside of the object S to be processed is not in contact with the coolant W, the cooling rate Is slow and the internal temperature is higher than the surface temperature. Therefore, in the heat equalization step, the internal heat is dissipated to the surroundings through the surface. Therefore, the heat inside is transferred to the surface, so that the surface and the inside of the object S to be treated are equalized.
本実施形態においては、時間によって均熱化工程が終了したか否か判断される。このため、既定期間が経過したか否かが判定される(ステップS140)。ステップS140における既定期間は、均熱化によって被処理物Sの内部が目標とする温度以下になるまで低下するように設定されていればよく、当該期間は予め決められている。なお、当該期間は、種々の手法で計測されてよく、例えば、被処理物Sの最下部が冷却剤Wの液面に達してからの期間であってもよいし、被処理物Sの上昇が開始されてからの期間であってもよいし、被処理物Sの上昇が停止してからの期間であってもよく、種々の構成を採用可能である。 In the present embodiment, it is determined whether or not the thermalization step is completed depending on the time. Therefore, it is determined whether or not the predetermined period has elapsed (step S140). The predetermined period in step S140 may be set so as to decrease the temperature inside the object to be processed S to a target temperature or lower due to thermalization, and the period is predetermined. The period may be measured by various methods. For example, the period may be the period after the lowermost portion of the object S reaches the liquid level of the coolant W, or the increase of the object S to be processed. It may be a period after the start of the operation, or a period after the rise of the object S to be processed has stopped, and various configurations can be adopted.
以上のように、ステップS130によって被処理物Sが冷却剤Wの液面より上方に引き出されてから、既定期間が経過したと判定されるまでの期間に、被処理物Sの内部の温度が目標とする温度以下になるため、ステップS130〜S140は均熱化工程である。このような均熱化が行われると、焼き入れ温度の被処理物Sが冷却剤によってマルテンサイト変態開始温度以下になるまで冷却される構成と比較して、被処理物Sの内部の温度が低下した状態で焼き入れを開始することができる。従って、熱膨張による被処理物Sの変形を抑制した状態で焼き入れを開始することができる。 As described above, the temperature inside the object S to be processed is set during the period from when the object S to be processed is drawn above the liquid level of the coolant W in step S130 until it is determined that the predetermined period has elapsed. Steps S130 to S140 are thermalization steps because the temperature is below the target temperature. When such thermalization is performed, the temperature inside the object to be processed S becomes higher than that in the configuration in which the object S to be processed at the quenching temperature is cooled by the coolant until it becomes lower than the martensitic transformation start temperature. Quenching can be started in a lowered state. Therefore, quenching can be started in a state where deformation of the object to be processed S due to thermal expansion is suppressed.
本実施形態においては、ステップS200〜S230において、焼き入れを行うための2次冷却工程が実行される。具体的には、まず、流速Vqがシンクロ速度にセットされる(ステップS200)。すなわち、軸31を回転させる駆動源に制御信号が出力され、プロペラ32の回転が開始される。この際、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速がシンクロ速度になるように設定される。ここで、シンクロ速度は、予め決められた速度であり、詳細は後述する。なお、ステップS200における流速VqがステップS115における流速Vqと同一であれば、ステップS200は省略可能である。 In the present embodiment, in steps S200 to S230, a secondary cooling step for quenching is executed. Specifically, first, the flow velocity Vq is set to the synchro velocity (step S200). That is, a control signal is output to the drive source that rotates the shaft 31, and the rotation of the propeller 32 is started. At this time, the flow velocity of the flow Fd below the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed is set to be the synchro velocity. Here, the synchro speed is a predetermined speed, and the details will be described later. If the flow velocity Vq in step S200 is the same as the flow velocity Vq in step S115, step S200 can be omitted.
次に、被処理物の下降速度Veがシンクロ速度にセットされる(ステップS205)。すなわち、支持台21を移動させる駆動源に制御信号が出力され、この結果、支持台21の下降速度Veがシンクロ速度となり、冷却剤Wの下方の流れFdの流速と同値になる。シンクロ速度は、支持台21を下降させる下降速度Veと、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速とを同期させる際の速度値として予め設定される。 Next, the descending speed Ve of the object to be processed is set to the synchro speed (step S205). That is, a control signal is output to the drive source that moves the support base 21, and as a result, the descending speed Ve of the support base 21 becomes the synchro speed, which is the same value as the flow velocity of the flow Fd below the coolant W. The synchro speed is preset as a speed value at which the descending speed Ve for lowering the support base 21 and the flow velocity of the lower flow Fd of the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed are synchronized.
すなわち、本実施形態においては、移動装置20において支持台21の下降速度を制御可能であり、プロペラ32の回転によって被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速を制御可能であることを利用して、両速度を一致させる。この結果、被処理物Sが冷却剤Wの液面に接し、浸漬が開始されると、冷却剤Wの液面よりも内側における被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度は0になる。 That is, in the present embodiment, the moving device 20 can control the descending speed of the support 21, and the rotation of the propeller 32 causes the flow velocity of the lower flow Fd of the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S to be processed. Take advantage of the controllability to match both speeds. As a result, when the object S to be treated comes into contact with the liquid surface of the coolant W and immersion is started, the relative velocity between the object S to be treated and the coolant W inside the liquid surface of the coolant W becomes 0. ..
具体的には、被処理物Sは、移動装置20の支持台21に載置されているため、被処理物Sの可動方向は支持台21の可動方向に一致している。このため、被処理物Sの移動方向は鉛直下方に向けた方向である。一方、被処理物Sの側面に接する部位において冷却剤Wが流れる方向も、高さ方向のほぼ全域において鉛直方向に平行であり、かつ鉛直下方に向けた方向である。従って、被処理物Sの移動方向と、被処理物Sに接する冷却剤Wの流れの方向が一致する。 Specifically, since the object S to be processed is mounted on the support 21 of the moving device 20, the movable direction of the object S to be processed coincides with the movable direction of the support 21. Therefore, the moving direction of the object S to be processed is a direction directed vertically downward. On the other hand, the direction in which the coolant W flows at the portion in contact with the side surface of the object S to be treated is also parallel to the vertical direction in almost the entire height direction and is directed downward vertically. Therefore, the moving direction of the object S to be processed coincides with the direction of the flow of the coolant W in contact with the object S to be processed.
さらに、本実施形態においては、支持台21の下降速度Veと、被処理物Sの側面に接する部位における冷却剤Wの下方の流れFdの流速Vqと、が共にシンクロ速度であり、一致している。従って、冷却剤の液面よりも内側における被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度は0である。本実施形態では、この状態をシンクロ状態と呼ぶ。下降速度Veは任意の速度であってよいが、被処理物Sの冷却剤に対する浸漬が開始され、浸漬が完了するまでの期間が短いほど、被処理物Sが冷却剤に接する時間差に起因する温度差が小さくなり、歪みが発生しづらい。従って、下降速度Veはできるだけ速いことが好ましく、例えば、100mm/s〜1500mm/s等の速度とすることができる。 Further, in the present embodiment, the descending speed Ve of the support base 21 and the flow velocity Vq of the flow Fd below the coolant W at the portion in contact with the side surface of the object S are both synchronized velocities. There is. Therefore, the relative velocity between the object S to be treated and the coolant W inside the liquid level of the coolant is 0. In this embodiment, this state is referred to as a synchronized state. The descending speed Ve may be any speed, but the shorter the period from the start of immersion of the object S to the coolant to the completion of immersion, the more time difference the object S to be treated comes into contact with the coolant. The temperature difference becomes small and distortion is unlikely to occur. Therefore, the descending speed Ve is preferably as fast as possible, and can be, for example, a speed of 100 mm / s to 1500 mm / s.
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度が0であり、被処理物Sの移動速度が下降速度Veである。この状態において下降速度Veは0よりも大きいため、この状態は、被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度が、被処理物の移動速度(下降速度Ve)より遅い状態であると言える。なお、流速の方向を厳密に制御または測定することは困難であるため、流れの方向および速度には誤差があっても良いし、流れの方向および速度は測定結果ではなく制御目標量であっても良い。 In the synchronized state as described above, the relative speed between the object to be processed S and the coolant W is 0, and the moving speed of the object to be processed S is the descending speed Ve. Since the descending speed Ve is larger than 0 in this state, it can be said that the relative velocity between the object S to be processed and the coolant W is slower than the moving speed (descending velocity Ve) of the object to be processed. Since it is difficult to strictly control or measure the direction of the flow velocity, there may be an error in the direction and velocity of the flow, and the direction and velocity of the flow are not the measurement results but the control target amount. Is also good.
ステップS200,S205においてシンクロ状態が実現されると、被処理物Sの浸漬が行われる。すなわち、本実施形態においては、被処理物Sの浸漬が開始される前(被処理物Sが冷却剤Wの液面に接する前)から、被処理物Sの移動方向と同一方向かつ被処理物Sの移動速度と同一速度の流れが冷却剤Wに形成されている。このため、本実施形態においては、被処理物Sが冷却剤Wの液面に接する段階で既にシンクロ状態になっている。 When the synchronized state is realized in steps S200 and S205, the object to be processed S is immersed. That is, in the present embodiment, from before the immersion of the object S to be started (before the object S comes into contact with the liquid surface of the coolant W), the object S is in the same direction as the moving direction and is to be processed. A flow at the same speed as the moving speed of the object S is formed in the coolant W. Therefore, in the present embodiment, the object S to be treated is already in the synchronized state at the stage of contacting the liquid surface of the coolant W.
2次冷却工程におけるシンクロ状態も1次冷却工程と類似しており、図1B〜図1D,図2Aまでは1次冷却工程と同様である。すなわち、図1Bは、被処理物Sが浸漬される前の状態を模式的に示す図である。シンクロ状態が実現されると、図1Bに示すように流速Vqと下降速度Veとがシンクロした状態において、被処理物Sが徐々に冷却剤Wの液面に接近する。シンクロ状態において被処理物Sが下降し、図1Cに示すように冷却剤Wの液面に達すると、冷却剤Wに接した部分の被処理物Sの熱が冷却剤Wに移動することで被処理物Sが冷却される。図1Cに示すように、被処理物Sが冷却剤Wの液面に達した状態が浸漬開始の状態である。浸漬開始以後、移動装置20による移動が継続され、やがて被処理物Sの鉛直上方の面が図1Dに示すように冷却剤Wの液面に達すると被処理物Sの全体が冷却剤Wに浸かった状態になる。被処理物Sの全体が冷却剤Wに浸かった状態が浸漬完了の状態である。 The synchronized state in the secondary cooling step is also similar to that in the primary cooling step, and FIGS. 1B to 1D and 2A are the same as in the primary cooling step. That is, FIG. 1B is a diagram schematically showing a state before the object S to be immersed is immersed. When the synchronized state is realized, the object S to be treated gradually approaches the liquid surface of the coolant W in a state where the flow velocity Vq and the descending speed Ve are synchronized as shown in FIG. 1B. When the object S to be treated descends in the synchronized state and reaches the liquid level of the coolant W as shown in FIG. 1C, the heat of the object S to be processed in the portion in contact with the coolant W is transferred to the coolant W. The object S to be processed is cooled. As shown in FIG. 1C, the state in which the object S to be treated reaches the liquid level of the coolant W is the state in which immersion is started. After the start of immersion, the movement by the moving device 20 is continued, and when the vertically upper surface of the object S to be treated reaches the liquid level of the coolant W as shown in FIG. 1D, the entire object S to be processed becomes the coolant W. It will be in a soaked state. The state in which the entire object S to be treated is immersed in the coolant W is the state in which the immersion is completed.
2次冷却工程においては、浸漬開始され、浸漬完了した後(例えば図2Aに示す状態)においてもシンクロ状態が継続される。シンクロ状態における冷却の様子は1次冷却工程と同様であり、シンクロ状態が維持されていると、先に冷却剤Wの液面に到達して先に冷却が開始された部位の冷却速度は徐々に遅くなる。一方、後に冷却剤Wの液面に到達して冷却が開始された部位の冷却速度は、先に冷却が開始された部位の冷却速度より速い。このためシンクロ状態が維持されると、被処理物Sの表面に生じた温度差は徐々に小さくなり、被処理物Sにおける歪みの発生を抑制することができる。 In the secondary cooling step, the synchro state is continued even after the immersion is started and the immersion is completed (for example, the state shown in FIG. 2A). The state of cooling in the synchronized state is the same as in the primary cooling step, and if the synchronized state is maintained, the cooling rate of the part that first reaches the liquid level of the coolant W and starts cooling first gradually increases. It will be late. On the other hand, the cooling rate of the portion that later reaches the liquid level of the coolant W and starts cooling is faster than the cooling rate of the portion where cooling is started earlier. Therefore, when the synchronized state is maintained, the temperature difference generated on the surface of the object to be processed S gradually becomes smaller, and the occurrence of strain on the object to be processed S can be suppressed.
そして、被処理物Sの表面における温度差が抑制され、被処理物Sにおける歪みの発生が抑制された状態で被処理物Sの表面がマルテンサイト変態すると、被処理物Sの表面が硬くなり、以後、被処理物Sが変形しにくくなる。従って、シンクロ状態が維持されていることにより、歪みの発生が抑制された状態で焼き入れを完了することが可能になる。このため、本実施形態のように均熱化の後にシンクロ状態を含む2次冷却工程が行われると、熱膨張による被処理物Sの変形と、歪みの発生との双方を抑制した状態で焼き入れを行うことができる。 Then, when the surface of the object to be treated S undergoes martensitic transformation while the temperature difference on the surface of the object to be processed S is suppressed and the occurrence of strain on the object to be processed S is suppressed, the surface of the object to be processed S becomes hard. After that, the object to be processed S is less likely to be deformed. Therefore, since the synchronized state is maintained, quenching can be completed in a state in which the occurrence of strain is suppressed. Therefore, when the secondary cooling step including the synchronized state is performed after the heat equalization as in the present embodiment, the workpiece S is baked in a state in which both deformation of the object to be processed S due to thermal expansion and occurrence of strain are suppressed. Can be put in.
本実施形態においては、以上のようにシンクロ状態で焼き入れを完了させるために、浸漬開始後に既定期間が経過した場合に、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態したとみなす。このため、ステップS200,S205によって被処理物Sの浸漬が開始されると、被処理物Sが冷却剤Wに接してから既定期間が経過したか否かが判定される(ステップS210)。既定期間は、被処理物Sが冷却剤Wに接してから、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態するまでの期間であり、予め決められている。当該既定期間は、種々の手法で決められてよく、本実施形態においては、被処理物Sの表面のマルテンサイト分率が既定の比率になるまでの期間として決められている。すなわち、被処理物Sの表面にマルテンサイトが形成されている比率が閾値以上である場合に被処理物Sの表面がマルテンサイト変態したとみなされる。 In the present embodiment, in order to complete the quenching in the synchronized state as described above, it is considered that the surface of the object to be treated S has undergone martensitic transformation when a predetermined period has elapsed after the start of immersion. Therefore, when the immersion of the object to be processed S is started in steps S200 and S205, it is determined whether or not a predetermined period has elapsed since the object to be processed S came into contact with the coolant W (step S210). The predetermined period is a period from when the object S to be treated comes into contact with the coolant W until the surface of the object S to be treated undergoes martensitic transformation, and is predetermined. The predetermined period may be determined by various methods, and in the present embodiment, it is determined as a period until the martensite fraction on the surface of the object S to be treated reaches the predetermined ratio. That is, when the ratio of martensite formed on the surface of the object S to be treated is equal to or greater than the threshold value, it is considered that the surface of the object S to be treated has undergone martensitic transformation.
マルテンサイト分率は、被処理物Sにおいて許容される歪みの程度によって決められて良く、例えば、被処理物の表面のマルテンサイト分率が28%になるまでの期間を既定期間とする構成を採用可能である。この構成によれば、被処理物Sに生じる歪みをほぼ限界まで小さくすることができる(詳細は後述)。なお、ここで、マルテンサイト分率P(t)は、
P(T)=1−exp(−b(Ms−T))
T:温度
Ms:マルテンサイト変態開始温度
b:材質、炭素濃度により特定される定数(例えばSCM420では、母材においてはb=0.143、0.8(mass%)の表面炭素濃度に浸炭した場合においてはb=0.01となる)
で表現される。
The martensite fraction may be determined by the degree of strain allowed in the object S to be processed. For example, a configuration in which the period until the martensite fraction on the surface of the object to be processed reaches 28% is the default period. It can be adopted. According to this configuration, the strain generated in the object S to be processed can be reduced to almost the limit (details will be described later). Here, the martensite fraction P (t) is
P (T) = 1-exp (-b (Ms-T))
T: Temperature Ms: Martensitic transformation start temperature b: A constant specified by the material and carbon concentration (for example, in SCM420, the base material was carburized to a surface carbon concentration of b = 0.143, 0.8 (mass%)). In some cases, b = 0.01)
It is expressed by.
いずれにしても、ステップS210においては、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態したか否かが、既定期間に基づいて特定される。なお、被処理物Sが冷却剤Wに接してから既定期間が経過したか否かを判定する際に、期間の開始は種々の手法で特定されてもよい。例えば、図示しないセンサー等によって被処理物Sが冷却剤Wに接したことが検出されても良いし、支持台21が初期位置から支持台21を下降速度Veで下降させる場合において初期位置から被処理物Sが冷却剤Wに接する位置まで移動する時間が計測されても良い。 In any case, in step S210, whether or not the surface of the object to be treated S has undergone martensitic transformation is specified based on a predetermined period. When determining whether or not a predetermined period has elapsed since the object S to be treated comes into contact with the coolant W, the start of the period may be specified by various methods. For example, it may be detected by a sensor (not shown) or the like that the object S is in contact with the coolant W, or when the support base 21 lowers the support base 21 from the initial position at a lowering speed Ve, it is covered from the initial position. The time required for the processed object S to move to the position where it comes into contact with the coolant W may be measured.
ステップS210において、被処理物Sが冷却剤Wに接してから既定期間が経過したと判定された場合、流速Vqが急冷速度にセットされ(ステップS215)、被処理物の下降速度Veが0にセットされる(ステップS220)。すなわち、本実施形態においては、被処理物Sが冷却剤Wに接してから既定期間だけシンクロ状態が維持され、既定期間以後においては移動装置20における支持台21の下降は停止されてシンクロ状態が停止される(図2Cに示す状態)。この結果、被処理物Sの周囲における冷却剤Wの循環が促進され、被処理物Sから冷却剤Wへの熱の流出が促進される。このため、より高速に冷却が行われる。 In step S210, when it is determined that the predetermined period has elapsed since the object S in contact with the coolant W, the flow velocity Vq is set to the quenching speed (step S215), and the descending speed Ve of the object to be processed becomes 0. It is set (step S220). That is, in the present embodiment, the synchronized state is maintained for a predetermined period after the object S is in contact with the coolant W, and after the predetermined period, the lowering of the support 21 in the mobile device 20 is stopped and the synchronized state is maintained. It is stopped (state shown in FIG. 2C). As a result, the circulation of the coolant W around the object S to be treated is promoted, and the outflow of heat from the object S to be treated to the coolant W is promoted. Therefore, cooling is performed at a higher speed.
なお、ステップS215においてセットされる流速Vqである急冷速度は、シンクロ状態が停止された後に冷却剤Wで熱交換を促進する際の流速として予め決められていれば良い。この限りにおいて、シンクロ速度と同一であっても良いし、異なっていてもよい。急冷速度がシンクロ速度と同一である場合、ステップS215は省略可能である。ステップS220においては、シンクロ状態を停止させるために下降速度Veを0としているが、むろん、他の値であっても良い。例えば、支持台21を僅かずつ上昇させ、焼き入れが終了すると共に被処理物Sが冷却剤Wから出て行くように構成すれば、焼き入れ終了後に被処理物Sを上昇させるために必要な期間を短くすることができる。 The quenching speed, which is the flow velocity Vq set in step S215, may be predetermined as the flow velocity when the coolant W promotes heat exchange after the synchro state is stopped. To this extent, it may be the same as or different from the sync speed. If the quenching rate is the same as the sync rate, step S215 can be omitted. In step S220, the descending speed Ve is set to 0 in order to stop the synchronized state, but of course, other values may be used. For example, if the support base 21 is raised little by little so that the workpiece S exits the coolant W as the quenching is completed, it is necessary to raise the workpiece S after the quenching is completed. The period can be shortened.
いずれにしても、ステップS215,S220によってシンクロ状態が停止されると、焼き入れが終了するまで待機される(ステップS225)。焼き入れの終了は、種々の条件で決められてよく、例えば、所定の時間の経過を条件とする構成等を採用可能である。 In any case, when the synchronized state is stopped by steps S215 and S220, it waits until the quenching is completed (step S225). The end of quenching may be determined by various conditions, and for example, a configuration or the like subject to the passage of a predetermined time can be adopted.
ステップS225において、焼き入れが終了したと判定されると、被処理物を上昇させる(ステップS230)。すなわち、移動装置20が制御され、支持台21が上昇される。これにより、被処理物Sが冷却剤Wに漬けられた状態は終了し、熱処理工程が終了する。むろん、この冷却工程は一例であり、この後、焼き戻しや焼きなまし、高周波加熱等の熱処理が行われてもよい。 When it is determined in step S225 that quenching has been completed, the object to be processed is raised (step S230). That is, the moving device 20 is controlled and the support base 21 is raised. As a result, the state in which the object to be treated S is immersed in the coolant W ends, and the heat treatment step ends. Of course, this cooling step is an example, and after that, heat treatment such as tempering, annealing, and high frequency heating may be performed.
なお、本実施形態においては、浸漬開始前から浸漬完了を経て焼き入れが完了するまでの期間にわたって、支持台21の下降速度Veを一定としたが、むろん、下降速度Ve等が可変であっても良い。例えば、浸漬開始から浸漬完了までの期間においては、浸漬開始から浸漬完了までの期間を早期に終わらせるための下降速度とし、浸漬開始後または浸漬完了後に、連続的または段階的に下降速度を変化させる構成等であっても良い。すなわち、浸漬開始から浸漬完了までの制御と、浸漬完了後の制御と、を別個に制御する構成が採用されてもよい。すなわち、被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度が、被処理物Sの移動速度より遅い状態が維持される限りにおいて、種々の速度で制御されて良い。 In the present embodiment, the descent speed Ve of the support base 21 is constant from before the start of dipping to the completion of quenching after the completion of dipping, but of course, the descent speed Ve and the like are variable. Is also good. For example, in the period from the start of immersion to the completion of immersion, the descending speed is set to end the period from the start of immersion to the completion of immersion at an early stage, and the descending speed is changed continuously or stepwise after the start of immersion or the completion of immersion. It may be configured to be allowed. That is, a configuration may be adopted in which the control from the start of immersion to the completion of immersion and the control after the completion of immersion are controlled separately. That is, the relative speed between the object S to be processed and the coolant W may be controlled at various speeds as long as the state of being slower than the moving speed of the object S to be processed is maintained.
(3)実施例:
次に、上述の熱処理工程によって焼き入れが行われた場合の被処理物Sの特性を述べる。図6は、SCM20を利用して形成した円柱状のシャフト(直径36mm、軸長148mm)の軸方向を鉛直方向に対して垂直に向けた状態で支持台21に載置し、焼き入れを行った場合の例を示す図である。すなわち、図6においては、同じ材料に対して異なる焼き入れ工程で焼き入れを行った場合の条件と、各条件で製造されるシャフトの特性とを示している。
(3) Example:
Next, the characteristics of the object to be treated S when quenching is performed by the above-mentioned heat treatment step will be described. In FIG. 6, a columnar shaft (diameter 36 mm, shaft length 148 mm) formed by using the SCM 20 is placed on a support 21 in a state where the axial direction is perpendicular to the vertical direction, and quenching is performed. It is a figure which shows the example of the case. That is, FIG. 6 shows the conditions when the same material is quenched in different quenching steps and the characteristics of the shaft manufactured under each condition.
比較例1における冷却剤は焼き入れ油であり、比較例1は均熱化工程を行わず、かつ、シンクロ状態を実現せずに1回の冷却工程でホット油による焼き入れを行った場合の例である。なお、比較例1においては、冷却速度を高めるために、冷却剤を攪拌し、浸漬方向と逆向きの流速(200mm/s)を与えてある。 The coolant in Comparative Example 1 is quenching oil, and in Comparative Example 1, when quenching with hot oil is performed in one cooling step without performing the heat equalization step and realizing the synchronized state. This is an example. In Comparative Example 1, in order to increase the cooling rate, the coolant is agitated and a flow velocity (200 mm / s) opposite to the immersion direction is given.
比較例2における冷却剤は水であり、比較例2は均熱化工程を行わず、かつ、シンクロ状態を実現して1回の冷却工程で焼き入れを行った場合の例である。実施例における冷却剤Wは、水であり、1次冷却工程、均熱化工程、2次冷却工程を行った場合の例である。なお、冷却剤の熱伝達率は、ホット油:3800W/(m2・K)、水:11000W/(m2・K)である。 The coolant in Comparative Example 2 is water, and Comparative Example 2 is an example in which the soaking step is not performed and the synchronized state is realized and quenching is performed in one cooling step. The coolant W in the examples is water, which is an example in which the primary cooling step, the soaking step, and the secondary cooling step are performed. The heat transfer coefficient of the coolant is hot oil: 3800 W / (m 2 · K) and water: 11000 W / (m 2 · K).
図6においては、比較例1,比較例2および実施例のそれぞれについて、焼き入れ温度(℃)、被処理物Sの下降速度Ve(mm/s)、冷却剤Wの流速Vq(mm/s)、冷却剤Wの温度(℃)、シンクロ時間(s)を示している。ここで、焼き入れ温度は、被処理物Sが冷却剤Wの液面に接触する前の温度である。1次冷却時間は、1次冷却工程が行われる期間であり、本例では被処理物Sの浸漬開始から被処理物Sが液面上に引き上げられるまでの期間である。また、均熱化時間は、均熱化工程が行われる期間であり、本例では被処理物Sが液面上に引き上げられてから再度浸漬が開始されるまでの期間である。均熱化終了温度は、均熱化が終了した段階における被処理物Sの表面温度である(本例では表面の最上部と最下部の温度が一致している)。下降速度Veおよび流速Vqは鉛直方向下向きが正方向である。冷却剤Wの温度における常温は25℃である。 In FIG. 6, for each of Comparative Example 1, Comparative Example 2 and Example, the quenching temperature (° C.), the descending speed Ve (mm / s) of the object to be processed S, and the flow velocity Vq (mm / s) of the coolant W ), The temperature (° C.) of the coolant W, and the synchronization time (s) are shown. Here, the quenching temperature is the temperature before the object S to be treated comes into contact with the liquid surface of the coolant W. The primary cooling time is the period during which the primary cooling step is performed, and in this example, it is the period from the start of immersion of the object to be treated S to the period from the start of immersion of the object to be processed S to the time when the object to be processed S is pulled up onto the liquid surface. Further, the thermalization time is a period during which the thermalization step is performed, and in this example, it is a period from when the object S to be treated is pulled up onto the liquid surface until the immersion is started again. The thermalization end temperature is the surface temperature of the object S to be treated at the stage where the thermalization is completed (in this example, the temperatures at the top and bottom of the surface are the same). The descending velocity Ve and the flow velocity Vq are positive in the vertical direction and downward. The room temperature at the temperature of the coolant W is 25 ° C.
シンクロ時間は被処理物Sが冷却剤に接してから下降速度Veが0とされるまでの時間である。すなわち、比較例2,実施例のそれぞれにおいては、シンクロ状態においてVe=Vqとなっているが、シンクロ時間が経過するとVe=0となるように制御される。従って、比較例2,実施例のそれぞれにおいては、シンクロ時間は被処理物Sが冷却剤に接してから被処理物Sの表面がマルテンサイト変態するまでの既定期間が、10秒である。 The synchronization time is the time from when the object S to be treated comes into contact with the coolant until the descending speed Ve is set to 0. That is, in each of Comparative Example 2 and Example, Ve = Vq in the synchronized state, but it is controlled so that Ve = 0 when the synchronized time elapses. Therefore, in each of Comparative Examples 2 and Examples, the default synchronization time is 10 seconds from the contact of the object S with the coolant to the martensitic transformation of the surface of the object S.
比較例1は、被処理物Sの下降速度Veを200mm/sとし、120℃の焼き入れ油に300秒保持した後、被処理物Sを焼き入れ油から取り出した場合の例である。比較例2は、水の温度を常温とし、被処理物Sの下降速度Veを200mm/s、水の流速Vqを200mm/sとしてシンクロ状態を10秒継続させ、その後、下降速度Veを0、流速Vqを200mm/sとしてシンクロ状態を終了させた場合の例である。 Comparative Example 1 is an example in which the descending speed Ve of the object to be processed S is set to 200 mm / s, the object to be processed S is held in the quenching oil at 120 ° C. for 300 seconds, and then the object to be processed S is taken out from the quenching oil. In Comparative Example 2, the temperature of the water was set to room temperature, the descending speed Ve of the object to be treated S was set to 200 mm / s, the flow velocity Vq of the water was set to 200 mm / s, and the synchronized state was continued for 10 seconds, and then the descending speed Ve was set to 0. This is an example when the synchronized state is terminated with the flow velocity Vq set to 200 mm / s.
実施例は、水の温度を常温とし、被処理物Sの下降速度Veを200mm/sとして被処理物Sを水に浸漬することで4秒のシンクロ状態を伴う1次冷却工程を行い、その後、被処理物Sの上昇速度Veを200mm/sとして被処理物Sを引き上げて16秒間均熱化し、さらに、その後に被処理物Sを水に浸漬することで10秒のシンクロ状態を伴う2次冷却工程を行っい、その後、下降速度Veを0、流速Vqを200mm/sとしてシンクロ状態を終了させた場合の例である。なお、実施例において均熱化が終了した段階での被処理物Sの表面の温度は560℃であった。各実施例においては、シンクロ状態を終了させた状態で被処理物Sの表面と内部の温度差がなくなるまで冷却剤W内に保持された後に被処理物Sが取り出される。 In the embodiment, the temperature of the water is set to room temperature, the descending speed Ve of the object to be processed S is set to 200 mm / s, and the object to be processed S is immersed in water to perform a primary cooling step accompanied by a synchronized state for 4 seconds. The rising speed Ve of the object to be processed S is set to 200 mm / s, the object to be processed S is pulled up to equalize the heat for 16 seconds, and then the object to be processed S is immersed in water to accompany a synchronized state of 10 seconds. This is an example in which the next cooling step is performed, and then the synchronized state is terminated with the descending speed Ve being 0 and the flow velocity Vq being 200 mm / s. In the examples, the temperature of the surface of the object to be treated S at the stage when the soaking was completed was 560 ° C. In each embodiment, the object S to be processed is taken out after being held in the coolant W until the temperature difference between the surface and the inside of the object S to be processed disappears in the state where the synchronized state is completed.
図6においては、以上のような比較例1,比較例2および実施例によって得られた被処理物Sの特性として、歪み量(曲がり量)(μm)、伸び量(μm)、表面硬度(Hv)、有効硬化深さ(mm)、内部硬度(Hv)が示されている。歪み量(曲がり量)は、被処理物Sの円柱軸が鉛直方向にどの程度曲がっているかを示し、鉛直方向における被処理物Sの円柱軸の最上部と最下部との距離を示している。伸び量は、焼き入れ完了後における、浸漬の方向と垂直な方向の被処理物Sの長さと、常温の状態における熱処理を施していない被処理物Sの軸方向の長さとの差である。表面硬度は、被処理物Sの表面のビッカース硬さの平均値である。有効硬化深さは、ビッカース硬さが既定値(本例では513Hv)となる深さの平均値である。内部硬度は、被処理物Sの中心のビッカース硬さである。 In FIG. 6, as the characteristics of the object to be treated S obtained by Comparative Examples 1, 2 and Examples as described above, the strain amount (bending amount) (μm), the elongation amount (μm), and the surface hardness ( Hv), effective curing depth (mm), and internal hardness (Hv) are shown. The amount of strain (bending amount) indicates how much the cylindrical axis of the object S to be processed is bent in the vertical direction, and indicates the distance between the uppermost part and the lowermost part of the cylindrical axis of the object S to be processed in the vertical direction. .. The amount of elongation is the difference between the length of the object to be treated S in the direction perpendicular to the dipping direction and the axial length of the object to be treated S that has not been heat-treated at room temperature after the completion of quenching. The surface hardness is an average value of the Vickers hardness of the surface of the object S to be treated. The effective curing depth is an average value of the depth at which the Vickers hardness becomes a default value (513 Hv in this example). The internal hardness is the Vickers hardness at the center of the object S to be treated.
以上の例において、比較例1と実施例とを比較すると、歪み量はそれぞれ7μmと4μmとである。焼き入れ油と水とを比較すると、水の方が大きい熱伝達率を有しているため、同等の下降速度で浸漬を行うと、水の方が大きい歪みが発生する。しかし、実施例においては、シンクロ状態を伴う冷却が行われているため、歪みの発生が抑制されており、冷却剤が水である実施例の方が焼き入れ油である比較例1よりも歪み量が小さくなっている。 In the above examples, when Comparative Example 1 and Example are compared, the strain amounts are 7 μm and 4 μm, respectively. Comparing the quenching oil and water, water has a larger heat transfer coefficient. Therefore, when immersion is performed at the same descending speed, water causes a larger strain. However, in the examples, since the cooling accompanied by the synchronized state is performed, the occurrence of strain is suppressed, and the example in which the coolant is water is more distorted than the comparative example 1 in which the quenching oil is used. The amount is getting smaller.
さらに、比較例1,比較例2と実施例とを比較すると、伸び量はそれぞれ41μm,259μmと45μmである。被処理物Sの内部が高温の状態で硬くなると被処理物Sに生じた熱膨張が解消しないため、被処理物Sであるシャフトに伸びが残留する。焼き入れ油と水とを比較すると、水の方が大きい熱伝達率を有しているため、双方において均熱化を行うことなく冷却を進めると、被処理物Sの表面が硬化し始める段階における内部の温度は、水の方が高くなる。従って、双方において均熱化を行うことなく冷却を進めると、比較例1,比較例2に示されたように、水で冷却されると焼き入れ油で冷却されるよりも伸び量が大きくなる。 Further, when Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are compared with Example, the elongation amounts are 41 μm, 259 μm and 45 μm, respectively. If the inside of the object S to be processed becomes hard at a high temperature, the thermal expansion generated in the object S to be processed is not eliminated, so that the shaft of the object S to be processed remains stretched. Comparing the quenching oil and water, water has a larger heat transfer coefficient. Therefore, if cooling is promoted without equalizing the heat on both sides, the surface of the object to be treated S begins to harden. The internal temperature in water is higher in water. Therefore, if cooling is promoted without soaking in both sides, as shown in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the amount of elongation becomes larger when cooled with water than when cooled with quenching oil. ..
しかし、実施例においては、均熱化が行われており、均熱化が終了した段階で被処理物Sの表面が560℃まで冷えている。このため、被処理物Sの内部においても表面の温度近くまで冷却されている。この結果、実施例の方が比較例2よりも伸び量が小さくなっており、実施例の伸び量は比較例1と同等になっている。 However, in the examples, the thermalization is performed, and the surface of the object to be treated S is cooled to 560 ° C. at the stage when the thermalization is completed. Therefore, the inside of the object to be treated S is also cooled to near the surface temperature. As a result, the amount of elongation of Example is smaller than that of Comparative Example 2, and the amount of elongation of Example is the same as that of Comparative Example 1.
さらに、比較例1のように冷却剤Wが油である場合と、実施例のように冷却剤Wが水である場合とを比較すると、同じ材料で焼き入れをした場合に、冷却剤Wが油である場合より、冷却剤Wが水である場合の方が、有効硬化深さを深くすることができる。具体的には、冷却剤Wが水である場合、これらの冷却剤Wは油よりも熱伝達率が大きいため、より効率的に冷却を行うことができる。 Further, comparing the case where the coolant W is oil as in Comparative Example 1 and the case where the coolant W is water as in the example, when quenching with the same material, the coolant W is The effective curing depth can be made deeper when the coolant W is water than when it is oil. Specifically, when the coolant W is water, these coolants W have a higher heat transfer coefficient than oil, so that cooling can be performed more efficiently.
焼き入れ前の浸炭処理によってシャフトにオーステナイトが形成された後、急冷が行われるとマルテンサイトが形成されるが、この冷却の冷却速度が速いほど効率的にマルテンサイトを形成することができる。従って、冷却剤Wが焼き入れ油である場合と比較して、冷却剤Wが水である場合には、効率的にマルテンサイト変態を行わせることが可能である。この結果、冷却剤Wが水である場合、冷却剤Wが焼き入れ油である場合と比較して、同等の表面硬度を有する被処理物Sを得るために必要な焼き入れに要する時間が非常に短くなる。 After austenite is formed on the shaft by the carburizing treatment before quenching, martensite is formed when quenching is performed, and the faster the cooling rate of this cooling, the more efficiently martensite can be formed. Therefore, when the coolant W is water, it is possible to efficiently perform martensitic transformation as compared with the case where the coolant W is a quenching oil. As a result, when the coolant W is water, the time required for quenching to obtain the object S having the same surface hardness as that when the coolant W is quenching oil is very long. Becomes shorter.
さらに、冷却剤Wとして水が利用されると、焼き入れ油が利用される場合と比較して、同じ材料の被処理物Sにおける有効硬化深さを深くすることができる。図7は、比較例1,比較例2と実施例における硬さを示す図であり、横軸は中心からの距離、縦軸はビッカース硬さを示している。なお、中心は被処理物Sの円柱軸であり、当該円柱軸から最下部に向けた距離が負の値、円柱軸から最上部に向けた距離が正の値で示されている。 Further, when water is used as the coolant W, the effective curing depth in the object S to be treated of the same material can be increased as compared with the case where quenching oil is used. FIG. 7 is a diagram showing the hardness in Comparative Examples 1, 2 and Examples, in which the horizontal axis shows the distance from the center and the vertical axis shows the Vickers hardness. The center is the cylindrical axis of the object S to be processed, and the distance from the cylindrical axis to the lowermost part is shown as a negative value, and the distance from the cylindrical axis to the uppermost part is shown as a positive value.
この図に示すように、被処理物Sの表面から内部の全域に渡って、比較例1は実施例よりもビッカース硬さが小さい。この結果、比較例1は実施例よりも有効硬化深さが浅いといえる。このように、同じ材料の被処理物Sを焼き入れする際に、冷却剤Wとして水を使うと、焼き入れ油を使うよりも硬く、有効硬化深さが深い被処理物Sを得ることができる。 As shown in this figure, the Vickers hardness of Comparative Example 1 is smaller than that of Example from the surface of the object S to be treated to the entire area inside. As a result, it can be said that Comparative Example 1 has a shallower effective curing depth than Examples. In this way, when water is used as the coolant W when quenching the workpiece S of the same material, it is possible to obtain the workpiece S which is harder and has a deeper effective curing depth than the quenching oil is used. it can.
以上のように、水は、油よりも効率的に冷却することが可能であるため、同じ有効硬化深さの被処理物Sを得るために必要な浸炭処理の時間を短くすることができる。水を利用して、焼き入れ油と同等の有効硬化深さを得るのであれば、焼き入れ対象の被処理物Sの表面における炭素濃度が低くても充分である。従って、冷却剤Wが焼き入れ油である場合と比較して、浸炭処理に要する時間は少なくて良い。特に、浸炭時間は、浸炭深さの2乗に比例するため、冷却剤Wが油である場合に得られる被処理物Sと同等の有効硬化深さで良いのであれば、浸炭処理に要する時間を非常に短くすることができる。この結果、浸炭処理を行うための期間および金銭のコストを抑制することができる。 As described above, since water can be cooled more efficiently than oil, the carburizing time required to obtain the object S to be treated having the same effective curing depth can be shortened. If water is used to obtain an effective curing depth equivalent to that of the quenching oil, it is sufficient that the carbon concentration on the surface of the object to be hardened S is low. Therefore, the time required for the carburizing treatment may be shorter than when the coolant W is a quenching oil. In particular, since the carburizing time is proportional to the square of the carburizing depth, the time required for the carburizing treatment is sufficient if the effective curing depth equivalent to that of the object to be treated S obtained when the coolant W is oil is sufficient. Can be very short. As a result, the period for performing the carburizing treatment and the cost of money can be suppressed.
なお、浸炭処理の期間が短くなり、被処理物Sの表面における炭素濃度が低い部品を被処理物Sとすることができるのであれば、当該部品を用意するためのコストも抑制可能である。すなわち、浸炭された部品が被処理物Sとして予め用意され、オーステナイト化温度まで加熱された後に冷却される場合、炭素濃度を予め高くしなければならない焼き入れ油での焼き入れと比較して、焼き入れ前の被処理物Sが柔らかい材質となるため、被処理物Sを得るための加工が容易である。従って、被処理物Sを製造する際の加工コストが抑制される。 If the period of the carburizing treatment is shortened and a part having a low carbon concentration on the surface of the object S to be treated can be used as the object S to be treated, the cost for preparing the part can be suppressed. That is, when the carburized part is prepared in advance as the object to be treated S and is cooled after being heated to the austenitizing temperature, the carbon concentration must be increased in advance as compared with quenching with quenching oil. Since the object to be processed S before quenching is made of a soft material, processing for obtaining the object to be processed S is easy. Therefore, the processing cost when manufacturing the object S to be processed is suppressed.
シンクロ状態の継続期間である既定期間は、焼き入れ終了後に被処理物Sに残留する歪みの量が低減されるように選択されればよい。すなわち、少なくとも被処理物Sの表面がマルテンサイト変態するまでシンクロ状態を継続させれば、焼き入れ終了後に被処理物Sに残留する歪みを抑制できる可能性を高められる。しかし、許容される歪みの量に応じてシンクロ状態を継続させる既定期間を制御しても良い。 The predetermined period, which is the duration of the synchronized state, may be selected so as to reduce the amount of strain remaining in the object S to be processed after the quenching is completed. That is, if the synchronized state is continued at least until the surface of the object to be processed S undergoes martensitic transformation, the possibility of suppressing the strain remaining on the object to be processed S after the completion of quenching can be increased. However, the predetermined period for keeping the synchronized state may be controlled according to the amount of distortion allowed.
図8は、上述の実施例における被処理物Sの温度変化と、マルテンサイト分率とを示す図である。なお、横軸は時間を対数で示しており、左の縦軸は温度、右の縦軸はマルテンサイト分率を示している。図8においては、このグラフにおいて、被処理物Sが冷却剤Wに接してからの経過時間毎の、被処理物Sの温度およびマルテンサイト分率の推移が示されている。 FIG. 8 is a diagram showing the temperature change of the object to be treated S and the martensite fraction in the above-mentioned embodiment. The horizontal axis shows the time logarithmically, the left vertical axis shows the temperature, and the right vertical axis shows the martensite fraction. In FIG. 8, in this graph, the transition of the temperature and the martensite fraction of the object S to be treated is shown for each elapsed time after the object S to be treated comes into contact with the coolant W.
なお、図8においては、被処理物Sの最下部における表面の温度およびマルテンサイト分率を実線で示している。また、被処理物Sの最上部における表面の温度およびマルテンサイト分率を一点鎖線で示し、被処理物Sの内部(中心)における温度およびマルテンサイト分率を二点鎖線で示している。 In FIG. 8, the surface temperature and the martensite fraction at the lowermost part of the object S to be treated are shown by solid lines. Further, the surface temperature and martensite fraction at the uppermost portion of the object S to be treated are shown by a alternate long and short dash line, and the temperature and martensite fraction inside (center) of the object S to be treated are indicated by a alternate long and short dash line.
図8に示す例において1次冷却工程は最初の4秒間であり、当該1次冷却工程においてシンクロ状態ではあるが、被処理物Sの浸漬開始初期においては、図8に示すように被処理物Sの最下部の表面と最上部の表面とに温度差が生じた状態となる。この状態で、被処理物Sが冷却剤Wに浸漬していくと、被処理物Sの最下部の表面と最上部の表面とで温度差が生じた状態で徐々に冷えていく。しかし、本実施例においては、シンクロ状態が形成されているため、最下部と最上部とで生じている温度差は、徐々に解消していき、図8に示す例においては、被処理物Sの表面の温度が、当該表面におけるマルテンサイト変態開始温度(図8においては浸炭層Ms点と表記)に達する前の段階(マルテンサイト変態開始温度直上の段階)で温度差がほぼ解消されている。 In the example shown in FIG. 8, the primary cooling step is the first 4 seconds, and the primary cooling step is in a synchronized state, but at the initial stage of immersion of the object S to be processed, the object to be processed is as shown in FIG. There is a temperature difference between the lowermost surface and the uppermost surface of S. In this state, when the object S to be treated is immersed in the coolant W, the object S is gradually cooled with a temperature difference between the lowermost surface and the uppermost surface of the object S to be processed. However, in this embodiment, since the synchronized state is formed, the temperature difference between the lowermost portion and the uppermost portion is gradually eliminated, and in the example shown in FIG. 8, the object to be treated S The temperature difference is almost eliminated at the stage (the stage immediately above the martensitic transformation start temperature) before the temperature of the surface of the surface reaches the martensitic transformation start temperature (denoted as the Ms point of the carburized layer in FIG. 8). ..
一方、この段階(開始から4秒の段階)において、被処理物Sの内部はほとんど冷却されていない。しかし、本実施例においては、開始から4秒〜20秒までの期間の計16秒に渡って均熱化が行われる。このため、当該均熱化工程の間に内部の熱は表面側に伝達され、この結果、開始から20秒の段階で被処理物Sの表面の温度が560℃となり、内部の温度は620℃程度になり、両者は非常に近づいている。本実施形態においては、当該均熱化工程により、被処理物Sの表面の最下部と最上部とで生じている温度差は、ほぼ解消している。 On the other hand, in this stage (4 seconds from the start), the inside of the object to be processed S is hardly cooled. However, in this embodiment, the thermalization is performed for a total of 16 seconds from the start to a period of 4 to 20 seconds. Therefore, the internal heat is transferred to the surface side during the thermalization step, and as a result, the surface temperature of the object S to be processed becomes 560 ° C. and the internal temperature becomes 620 ° C. in 20 seconds from the start. The two are very close to each other. In the present embodiment, the temperature difference between the lowermost portion and the uppermost portion of the surface of the object to be treated S is almost eliminated by the thermalization step.
本実施例においては、この段階(開始から20秒の段階)から2次冷却工程が開始される。2次冷却工程が開始されると、開始から数秒で被処理物Sの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる。本実施例においては、シンクロ状態が形成されているため、2次冷却工程が開始され多段階で被処理物Sの最下部と最上部とに温度差が生じていたとしても、徐々に解消していく。この結果、被処理物Sの鉛直方向の上下に温度差が生じていない状態で、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる。被処理物Sの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になると、被処理物Sの表面にマルテンサイトが形成されていく。また、被処理物Sの表面におけるマルテンサイト分率は、時間と共に上昇していく。このように、被処理物Sの表面にマルテンサイトが形成されると、被処理物Sの表面が硬くなり、歪みを抑制する働きがある。 In this embodiment, the secondary cooling step is started from this stage (20 seconds from the start). When the secondary cooling step is started, the surface of the object to be treated S becomes below the martensitic transformation start temperature within a few seconds from the start. In this embodiment, since the synchronized state is formed, even if the secondary cooling step is started and a temperature difference occurs between the lowermost portion and the uppermost portion of the object to be processed S in multiple stages, it is gradually eliminated. To go. As a result, the surface of the object to be treated S is below the martensitic transformation start temperature in a state where there is no temperature difference between the upper and lower parts of the object S to be processed in the vertical direction. When the surface of the object to be treated S becomes below the martensitic transformation start temperature, martensite is formed on the surface of the object to be treated S. In addition, the martensite fraction on the surface of the object S to be treated increases with time. When martensite is formed on the surface of the object to be treated S in this way, the surface of the object to be treated S becomes hard and has a function of suppressing distortion.
図9は、横軸をシンクロ状態の継続時間、縦軸を歪み量および表面のマルテンサイト分率として示した図である。なお、図9は、実施例と同じ被処理物Sについて、図6に示す条件と同じ条件でシンクロ状態の継続時間を変化させた場合に、被処理物Sに生じる歪み量が変化する様子を示している。なお、図9に示す被処理物Sの歪み量は、焼き入れを終えて被処理物Sが完成した状態での歪み量であり、図9に示すグラフでは実線および左の縦軸で示されている。また、図9に示す被処理物Sにおける表面のマルテンサイト分率は、シンクロ状態が終了した段階での値であり、図9に示すグラフでは破線および右側の縦軸で示されている。 In FIG. 9, the horizontal axis shows the duration of the synchronized state, and the vertical axis shows the amount of strain and the martensite fraction on the surface. Note that FIG. 9 shows how the amount of strain generated in the object S to be processed changes when the duration of the synchronized state is changed under the same conditions as those shown in FIG. 6 for the object S to be processed as in the embodiment. Shown. The amount of strain of the object to be processed S shown in FIG. 9 is the amount of strain in the state where the object to be processed S is completed after quenching, and is shown by a solid line and a vertical axis on the left in the graph shown in FIG. ing. The martensite fraction on the surface of the object S to be treated shown in FIG. 9 is a value at the stage when the synchronized state is completed, and is shown by a broken line and a vertical axis on the right side in the graph shown in FIG.
図9に示すように、シンクロ状態を継続する既定期間(シンクロ時間)が長くなるほど被処理物Sの表面に形成されるマルテンサイトの比率であるマルテンサイト分率が上昇する。焼き入れ終了後に被処理物Sに残留する歪みの量は、シンクロ状態を継続する既定期間が長くなると共に減少する。しかし、歪み量が限界値(図9に示す例では1μm)まで小さくなると、それ以後、歪み量は小さくならない。図9に示す例においては、シンクロ状態の継続期間が10秒を超えると歪み量の変化が鈍化し、以後、シンクロ状態の継続期間を長くしても有意な変化はない。このように、歪み量の変化がほぼ一定になる段階でのマルテンサイト分率を解析したところ、マルテンサイト分率が28%であることが判明した。従って、被処理物の表面のマルテンサイト分率が28%以上になった状態を、被処理物の表面がマルテンサイト変態した状態とみなし、この状態でシンクロ状態を停止させる構成とすれば、被処理物Sの歪みを概ね最小にすることができる。 As shown in FIG. 9, as the predetermined period (synchronization time) for continuing the synchronized state becomes longer, the martensite fraction, which is the ratio of martensite formed on the surface of the object S to be treated, increases. The amount of strain remaining in the object S to be processed after the completion of quenching decreases as the predetermined period for continuing the synchronized state becomes longer. However, when the amount of strain decreases to the limit value (1 μm in the example shown in FIG. 9), the amount of strain does not decrease thereafter. In the example shown in FIG. 9, when the duration of the synchronized state exceeds 10 seconds, the change in the amount of strain slows down, and thereafter, there is no significant change even if the duration of the synchronized state is lengthened. As described above, when the martensite fraction was analyzed at the stage where the change in the strain amount became almost constant, it was found that the martensite fraction was 28%. Therefore, if the state in which the martensite fraction on the surface of the object to be treated is 28% or more is regarded as the state in which the surface of the object to be treated is transformed into martensite, and the synchronized state is stopped in this state, the object to be treated The distortion of the processed object S can be substantially minimized.
一方、被処理物Sにおける歪み量の許容範囲がより大きい場合には、シンクロ状態の継続時間をより短くすることができる。例えば、シンクロ状態の継続時間が0秒である状態(図9に示す従来焼き入れ)の歪み量に対して歪み量を1/15(図9に示す6.3μm)とするために必要なシンクロ状態の継続時間は図9に示すT1である。この継続時間でのマルテンサイト分率は6.8%である。従って、シンクロ状態を行わない場合に被処理物Sに生じる歪みを1/15以下にしたい場合には、マルテンサイト分率が6.8%になるまでシンクロ状態を継続すれば良い。 On the other hand, when the allowable range of the strain amount in the object S to be processed is larger, the duration of the synchronized state can be shortened. For example, the synchronization required to reduce the strain amount to 1/15 (6.3 μm shown in FIG. 9) with respect to the strain amount in the state in which the duration of the synchronized state is 0 seconds (conventional quenching shown in FIG. 9). The duration of the state is T 1 shown in FIG. The martensite fraction for this duration is 6.8%. Therefore, if it is desired to reduce the strain generated in the object S to be processed to 1/15 or less when the synchronized state is not performed, the synchronized state may be continued until the martensite fraction becomes 6.8%.
また、シンクロ状態の継続時間が0秒である状態の歪み量に対して歪み量を1/20(図9に示す4.7μm)とするために必要なシンクロ状態の継続時間はT2である。この継続時間でのマルテンサイト分率は14.5%である。従って、シンクロ状態を行わない場合に被処理物Sに生じる歪みを1/20以下にしたい場合には、マルテンサイト分率が14.5%になるまでシンクロ状態を継続すれば良い。 Further, the duration of the synchronized state required to reduce the strain amount to 1/20 (4.7 μm shown in FIG. 9) with respect to the strain amount in the state where the duration of the synchronized state is 0 seconds is T 2 . .. The martensite fraction for this duration is 14.5%. Therefore, if it is desired to reduce the strain generated in the object S to be processed to 1/20 or less when the synchronized state is not performed, the synchronized state may be continued until the martensite fraction becomes 14.5%.
さらに、シンクロ状態の継続時間が1秒である状態の歪み量に対して歪み量を1/30(図9に示す3.1μm)とするために必要なシンクロ状態の継続時間はT3である。この継続時間でのマルテンサイト分率は21.5%である。従って、シンクロ状態を行わない場合に被処理物Sに生じる歪みを1/30以下にしたい場合には、マルテンサイト分率が21.5%になるまでシンクロ状態を継続すれば良い。 Further, the duration of the synchronized state required to reduce the strain amount to 1/30 (3.1 μm shown in FIG. 9) with respect to the strain amount in the state where the duration of the synchronized state is 1 second is T 3 . .. The martensite fraction at this duration is 21.5%. Therefore, if it is desired to reduce the strain generated in the object S to be processed to 1/30 or less when the synchronized state is not performed, the synchronized state may be continued until the martensite fraction becomes 21.5%.
さらに、実施例における伸び量は45μmであり、比較例2における伸び量である259μmと比較して伸び量が非常に小さい値に抑制されている。具体的には、実施例および比較例における伸び量は、図10に示すように変化する。図10においては、図9と同等に時間を横軸とし、伸び量を縦軸として実施例および比較例2における伸び量の変化を示している。なお、図10においては、実線で実施例の伸び量の変化を示し、破線で比較例2の伸び量の変化を示している。 Further, the elongation amount in the example is 45 μm, which is suppressed to a value that is very small as compared with the elongation amount of 259 μm in the comparative example 2. Specifically, the amount of elongation in Examples and Comparative Examples changes as shown in FIG. In FIG. 10, the change in the amount of elongation in Examples and Comparative Example 2 is shown with time as the horizontal axis and the amount of elongation as the vertical axis, as in FIG. In FIG. 10, the solid line shows the change in the elongation amount of the example, and the broken line shows the change in the elongation amount of the comparative example 2.
比較例2においては、均熱化工程を行わずに1回の冷却工程で焼き入れを行う構成である。従って、比較例2において、被処理物Sの表面の温度は初期において図8と同様に変化するが、4秒を過ぎても温度は上昇せずに下降を続け、4秒を過ぎてしばらくすると被処理物Sの表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる。被処理物Sの表面にマルテンサイトが形成されると、オーステナイトからマルテンサイトへの変態にともなう結晶系の変化により、体積が増加する。 In Comparative Example 2, the quenching is performed in one cooling step without performing the thermalization step. Therefore, in Comparative Example 2, the temperature of the surface of the object S to be treated changes in the same manner as in FIG. 8 at the initial stage, but the temperature does not rise even after 4 seconds and continues to fall, and after 4 seconds, after a while. The surface of the object S to be treated becomes below the martensitic transformation start temperature. When martensite is formed on the surface of the object S to be treated, the volume increases due to the change in the crystal system accompanying the transformation from austenite to martensite.
図10においては、冷却開始後10秒を過ぎたあたりで当該体積の増加に起因する伸び量の増加が現れ、被処理物Sの伸び量が増加している。例えば、時刻T4における伸び量は650μm程度である。この状態から冷却が継続されると、温度の低下に伴って熱膨張の程度が小さくなり、結果として伸び量も小さくなるが、マルテンサイト変態が進むためにやがて伸び量の低下に限界が現れる。この結果、図10に見られる限界値としての伸び量が図6に示す259μmである。 In FIG. 10, about 10 seconds after the start of cooling, an increase in the amount of elongation due to the increase in the volume appears, and the amount of elongation of the object to be treated S increases. For example, the amount of elongation at time T 4 is about 650 μm. When cooling is continued from this state, the degree of thermal expansion decreases as the temperature decreases, and as a result, the amount of elongation also decreases, but the decrease in the amount of elongation eventually reaches a limit due to the progress of martensitic transformation. As a result, the amount of elongation as the limit value seen in FIG. 10 is 259 μm shown in FIG.
一方、実施例においては、均熱化が行われるため、均熱化工程で被処理物Sの内部の熱が表面を介して外部に伝達されると、被処理物S全体としては熱膨張の程度が小さくなり、均熱化工程の全体の傾向としては伸び量が小さくなっていく。そして、開始から20秒後に均熱化工程が終了して2次冷却が開始されると、再度、急冷が始まる。実施例においては、この急冷に伴って時刻T5に至るまで伸び量が急低下する。この結果、図10に示す例では、時刻T5において伸び量が330μmまで低下する。 On the other hand, in the embodiment, since the heat is equalized, when the heat inside the object S to be processed is transferred to the outside through the surface in the heat equalization step, the object S as a whole undergoes thermal expansion. The degree becomes smaller, and the overall tendency of the thermalization process is that the amount of elongation becomes smaller. Then, when the soaking step is completed and the secondary cooling is started 20 seconds after the start, the rapid cooling is started again. In the embodiment, the amount of elongation sharply decreases until the time T 5 with this rapid cooling. As a result, in the example shown in FIG. 10, elongation amount at time T 5 is reduced to 330 [mu] m.
時刻T5は、図8に示すように、実施例において被処理物Sの表面にマルテンサイト変態が形成され始める時刻である。この時刻T5を過ぎると、実施例においても、オーステナイトからマルテンサイトへの変態にともなう結晶系の変化によって、体積が増加する。しかし、この体積の増加に伴う伸び量の最大値は、図10に示す時刻T6における伸び量である478μm程度である。従って、比較例においてマルテンサイト変態が開始された後の伸び量の最大値である650μm程度と比べて非常に小さい値である。 As shown in FIG. 8, the time T 5 is the time when the martensitic transformation starts to be formed on the surface of the object S to be treated in the examples. After this time T 5 , even in the examples, the volume increases due to the change in the crystal system accompanying the transformation from austenite to martensite. However, the maximum value of the stretch amount due to this increase in volume is 478μm about a elongation amount at the time T 6 shown in FIG. 10. Therefore, in the comparative example, it is a very small value as compared with the maximum value of about 650 μm of the amount of elongation after the start of martensitic transformation.
従って、マルテンサイト変態で伸び量が増加したとしても478μm程度で済んでいる実施例においては、冷却が継続されると、比較例と比較して非常に小さい値になるまで伸び量が低下する。すなわち、実施例において図10に示されたように伸び量を限界まで低下させると、図6に示す45μmまで伸び量を低下させることができる。以上のように、本実施形態においては、1次冷却工程と2次冷却工程との間に均熱化工程を挟むことにより、マルテンサイト変態の開始を遅らせることができ、その過程で内部の熱を逃がすことで被処理物Sの伸び量を低下させておくことができる。このため、2次冷却工程の初期の冷却で非常に小さい伸び量となり、伸び量を低下させた状態でマルテンサイト変態を行わせることができる。この結果、最終的に被処理物Sに生じる伸びも非常に小さい値にすることができる。 Therefore, in the examples in which the elongation amount is only about 478 μm even if the elongation amount increases due to martensitic transformation, when the cooling is continued, the elongation amount decreases until the value becomes very small as compared with the comparative example. That is, when the elongation amount is reduced to the limit as shown in FIG. 10 in the examples, the elongation amount can be reduced to 45 μm shown in FIG. As described above, in the present embodiment, by sandwiching the heat equalization step between the primary cooling step and the secondary cooling step, the start of martensitic transformation can be delayed, and the internal heat is generated in that process. It is possible to reduce the amount of elongation of the object to be processed S by letting it escape. Therefore, the amount of elongation becomes very small in the initial cooling of the secondary cooling step, and the martensitic transformation can be performed in a state where the amount of elongation is reduced. As a result, the elongation finally generated in the object S to be processed can be set to a very small value.
さらに、実施例によれば、被処理物Sの硬度を容易に高めることができる。図11Aおよび図11Bは、上述の実施例における被処理物Sの温度変化と、温度毎の組織変態点とを示す図である。ここでも、横軸は時間を対数で示しており、左の縦軸は温度を示している。図11Aにおいては、このグラフにおいて、被処理物Sが冷却剤Wに接してからの経過時間毎の、被処理物Sの表面の温度変化が示されている。図11Bは、被処理物Sの内部の温度変化を示している。 Further, according to the embodiment, the hardness of the object to be treated S can be easily increased. 11A and 11B are diagrams showing the temperature change of the object to be treated S in the above-described embodiment and the tissue transformation point for each temperature. Again, the horizontal axis represents time logarithmically, and the left vertical axis represents temperature. In FIG. 11A, in this graph, the temperature change on the surface of the object to be treated S is shown for each elapsed time after the object to be processed S comes into contact with the coolant W. FIG. 11B shows the temperature change inside the object S to be processed.
図11Aおよび図11Bに示すように、表面、内部の双方共にオーステナイトの状態からマルテンサイト変態開始温度より高い温度が長時間維持されると、被処理物Sの組織はフェライトやベイナイトに組織変態する。ただし、被処理物Sの表面と内部とでは、炭素濃度が異なる等の理由により、フェライトに組織変態する領域とベイナイトに組織変態する領域とが異なっている。すなわち、フェライト、ベイナイト共に、表面においては内部よりも組織変態するまでの時間が長い。 As shown in FIGS. 11A and 11B, when a temperature higher than the martensitic transformation start temperature is maintained for a long time from the austenite state on both the surface and the inside, the structure of the object S to be treated undergoes structural transformation to ferrite or bainite. .. However, the region that undergoes microstructure transformation to ferrite and the region that undergoes microstructure transformation to bainite are different between the surface and the inside of the object S to be treated, for reasons such as different carbon concentrations. That is, both ferrite and bainite take longer to undergo tissue transformation on the surface than on the inside.
特に、内部においてベイナイトは早期に析出するが、表面においては非常に長期にわたって析出しない。このため、本実施形態においては、容易に、被処理物Sの表面がベイナイトに変態しないように均熱化を行うことが可能であり、実施例においては、被処理物Sの表面がベイナイトに変態しないような期間にわたって均熱化が行われる。 In particular, bainite precipitates early on the inside, but does not precipitate on the surface for a very long period of time. Therefore, in the present embodiment, it is possible to easily perform thermalization so that the surface of the object to be treated S does not transform into bainite, and in the embodiment, the surface of the object to be treated S becomes bainite. Thermalization is performed over a period that does not cause metamorphosis.
さらに、被処理物Sの表面、内部のいずれにおいてもフェライトが析出する温度域は概ね600℃を越えている。本実施例においては、16秒間の均熱化によって被処理物Sの表面が約200℃から560℃に達することで内部が620℃程度まで下がっている。従って、均熱化を続けたとしても表面は620℃より高温にはならない。そして、均熱化後の時刻におけるフェライトの変態点は、図11Aに示すように620℃より高温である。従って、本実施例においては、被処理物Sの表面がフェライトに変態しないように均熱化を行うことが可能である。以上のように、本実施例においては、被処理物Sの表面がベイナイト、フェライトのいずれにも組織変態しないため、2次冷却工程において表面が効率的にマルテンサイト変態し、被処理物Sを硬くすることができる。 Further, the temperature range in which ferrite is deposited on both the surface and the inside of the object S to be treated exceeds approximately 600 ° C. In this embodiment, the surface of the object to be treated S reaches about 200 ° C. to 560 ° C. by soaking for 16 seconds, and the internal temperature is lowered to about 620 ° C. Therefore, even if the thermalization is continued, the surface does not become higher than 620 ° C. The transformation point of ferrite at the time after soaking is higher than 620 ° C. as shown in FIG. 11A. Therefore, in this embodiment, it is possible to perform thermalization so that the surface of the object to be treated S does not transform into ferrite. As described above, in this embodiment, since the surface of the object to be treated S does not undergo structural transformation to either bainite or ferrite, the surface is efficiently transformed into martensite in the secondary cooling step, and the object to be treated S is transformed. Can be hardened.
(4)他の実施形態:
以上の実施形態は本発明を実施するための一例であり、他にも種々の実施形態を採用可能である。例えば、被処理物はシャフトに限定されず、ギアや建築用の部品など、種々の物品が被処理物とされて良い。また、焼き入れの際の被処理物の姿勢としては、種々の姿勢が採用されてよい。例えば、多くのシャフトにおいては軸長が直径よりも長いため、上述のようにシャフトの軸が鉛直方向に垂直に向けられた姿勢においては、被処理物の高さが最も低くなる置き方で支持台21に載置されて焼き入れが行われている。しかし、被処理物の高さが最も高くなる置き方、例えば、軸長が直径よりも長いシャフトであれば、軸方向を鉛直方向に平行に向けた状態で支持台21に載置されて焼き入れが行われてもよい。また、1次冷却工程、均熱化、2次冷却工程を行う際に熱交換を担う媒体はガスであってもよい。
(4) Other embodiments:
The above embodiment is an example for carrying out the present invention, and various other embodiments can be adopted. For example, the object to be processed is not limited to the shaft, and various articles such as gears and building parts may be the object to be processed. Further, various postures may be adopted as the posture of the object to be processed at the time of quenching. For example, in many shafts, the shaft length is longer than the diameter, so in the posture in which the shaft axis is oriented vertically as described above, the shaft is supported in the position where the height of the object to be processed is the lowest. It is placed on a table 21 and hardened. However, in the case where the height of the object to be processed is the highest, for example, if the shaft has a shaft length longer than the diameter, the shaft is placed on the support 21 with the axial direction parallel to the vertical direction and quenched. Quenching may be done. Further, the medium responsible for heat exchange during the primary cooling step, the soaking process, and the secondary cooling step may be gas.
焼き入れは、金属を所定の温度に加熱した後に急冷させる熱処理であれば良く、被処理物としては、種々の材料が想定されて良い。例えば、上述の実施形態のように、浸炭処理された鋼が急冷される焼き入れに限定されず、炭素を含有する鋼が予め用意され、当該鋼が加熱された後に急冷される焼き入れであっても良い。また、被処理物は、浸炭浸窒を施した材料、浸窒を施した材料であっても良い。 Quenching may be a heat treatment in which the metal is heated to a predetermined temperature and then rapidly cooled, and various materials may be assumed as the object to be processed. For example, it is not limited to quenching in which the carburized steel is rapidly cooled as in the above-described embodiment, but is a quenching in which a steel containing carbon is prepared in advance and the steel is rapidly cooled after being heated. You may. Further, the object to be treated may be a material that has been carburized and nitrified, or a material that has been carburized.
さらに、被処理物は焼き入れ対象であれば良く、材質は限定されない。例えば、各種の鉄鋼材、一般圧延鋼材、炭素鋼材、合金鋼、浸炭用鋼、工具鋼、ばね鋼、軸受鋼、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板、炭素鋼鋳鋼品が被処理物となり得る。さらに、JIS、SAE、DINなどの材料規格に定義される鉄鋼材料、例えば、JIS S35C、JIS S45C、JIS SCM440、JIS SCM420、JIS SCM415、JIS SCR440、JIS SCR420、MSB20、DEG、AG20等が被処理物となり得る。また、これら材料に浸炭処理、浸炭浸窒処理、浸窒処理を施したものも被処理物となり得る。 Further, the object to be processed may be a target for quenching, and the material is not limited. For example, various steel materials, general rolled steel materials, carbon steel materials, alloy steels, carburizing steels, tool steels, spring steels, bearing steels, hot rolled steel sheets, cold rolled steel sheets, and carbon steel cast steel products can be processed objects. .. Further, steel materials defined in material standards such as JIS, SAE, and DIN, for example, JIS S35C, JIS S45C, JIS SCM440, JIS SCM420, JIS SCM415, JIS SCR440, JIS SCR420, MSB20, DIN, AG20, etc. are processed. It can be a thing. Further, a material obtained by subjecting these materials to a carburizing treatment, a carburizing distilling treatment, or a carburizing treatment can also be an object to be treated.
1次冷却工程においては、冷却剤で被処理物を冷却し、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度になる前に冷却を停止することができればよい。すなわち、均熱化工程において、被処理物の内部と表面とを均熱化させることで内部の冷却を促進するできるようにするために、表面をマルテンサイト変態させない範囲で冷却させることができればよい。この意味では、1次冷却工程において、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度直上になるまで冷却すれば、非常に効率的に均熱化を行うことができる。 In the primary cooling step, it is sufficient that the object to be treated can be cooled with a coolant and the cooling can be stopped before the surface of the object to be processed reaches a temperature equal to or lower than the martensitic transformation start temperature. That is, in the heat equalization step, in order to promote the cooling of the inside by soaking the inside and the surface of the object to be treated, it is sufficient that the surface can be cooled within a range that does not cause martensitic transformation. .. In this sense, in the primary cooling step, if the surface of the object to be treated is cooled to just above the martensitic transformation start temperature, the heat equalization can be performed very efficiently.
1次冷却における冷却剤は種々の冷却剤であって良い。すなわち、上述の実施形態のように、水であっても良いし、水に各種の材料が溶けている各種の水溶液であっても良い。焼き入れ油であっても良い。また、1次冷却の態様も種々の態様であって良く、冷却槽に蓄積された冷却剤への被処理物の浸漬であっても良いし、空の冷却槽に配置された被処理物に対してシャワーによって冷却剤がかけられても良いし、気体状の冷却剤が被処理物に噴射されても良い。ただし、1次冷却が2次冷却と同じ冷却剤および同じ装置で実施されると、簡易な装置によって1次冷却を実現可能であり好ましい。 The coolant in the primary cooling may be various coolants. That is, as in the above-described embodiment, it may be water or various aqueous solutions in which various materials are dissolved in water. It may be quenching oil. Further, the mode of primary cooling may be various modes, and the object to be treated may be immersed in the coolant accumulated in the cooling tank, or the object to be treated may be placed in an empty cooling tank. On the other hand, the coolant may be applied by a shower, or the gaseous coolant may be sprayed onto the object to be treated. However, when the primary cooling is carried out with the same coolant and the same device as the secondary cooling, the primary cooling can be realized by a simple device, which is preferable.
均熱化工程は、被処理物の表面と内部とを均熱化することができればよい。すなわち、被処理物の内部の熱が表面に向けて流れる工程が設けられれば良い。均熱化は、1次冷却が停止した状態、すなわち、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下にならない状態で実施されればよい。従って、上述の実施形態のように、被処理物の冷却が行われない状態で均熱化が行われても良いし、被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下にならないように、例えば、気体による空冷等が行われた状態で均熱化が行われてもよく、種々の構成が採用可能である。 In the thermalization step, it is sufficient that the surface and the inside of the object to be treated can be thermalized. That is, it suffices to provide a step in which the heat inside the object to be processed flows toward the surface. The soaking may be carried out in a state where the primary cooling is stopped, that is, in a state where the surface of the object to be treated does not fall below the martensitic transformation start temperature. Therefore, as in the above-described embodiment, the thermalization may be performed in a state where the object to be processed is not cooled, and the surface of the object to be processed may be kept below the martensitic transformation start temperature, for example. , The heat may be equalized in a state where air cooling by gas or the like is performed, and various configurations can be adopted.
2次冷却工程は、少なくとも、被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで水を主成分とする冷却剤で被処理物を冷却することができればよい。すなわち、2次冷却工程においては、水を主成分とする冷却剤で被処理物を冷却することで被処理物を焼き入れすることができればよい。被処理物の表面がマルテンサイト変態したか否かは、上述の実施形態のように既定期間によって規定されても良いし、マルテンサイト分率によって規定されても良いし、被処理物の表面の温度によって規定されても良い。 In the secondary cooling step, it is sufficient that the object to be treated can be cooled with a coolant containing water as a main component at least until the surface of the object to be treated is transformed into martensite. That is, in the secondary cooling step, it is sufficient that the object to be processed can be quenched by cooling the object to be processed with a coolant containing water as a main component. Whether or not the surface of the object to be treated has undergone martensitic transformation may be defined by a predetermined period as in the above embodiment, by the martensite fraction, or by the martensite fraction of the surface of the object to be treated. It may be defined by temperature.
移動装置は、被処理物を移動させることによって被処理物を冷却槽に蓄積された水を主成分とする冷却剤の内部に漬けることができればよい。移動装置は種々の構成で実現されてよく、例えば、水を主成分とする冷却剤の液面より上方に被処理物を配置した状態から液面より下方に被処理物を移動させることが可能な種々の装置であって良い。被処理物の移動方向は鉛直方向に平行であっても良いし、異なっていてもよい。移動速度は可変であっても良い。ただし、この場合であっても、被処理物と水を主成分とする冷却剤との相対速度が、被処理物の移動速度より遅い状態は維持される。なお、水を主成分とする冷却剤は、水であっても良いし、水に他の物質が溶けている各種の水溶液であっても良い。すなわち、焼き入れ油よりも熱伝達率が高く冷却速度が大きい冷却剤であれば良い。 The moving device only needs to be able to immerse the object to be processed in the coolant containing water accumulated in the cooling tank as a main component by moving the object to be processed. The moving device may be realized by various configurations. For example, it is possible to move the object to be processed below the liquid surface from the state where the object to be processed is arranged above the liquid surface of the coolant containing water as a main component. It may be various devices. The moving direction of the object to be processed may be parallel to the vertical direction or may be different. The moving speed may be variable. However, even in this case, the relative speed between the object to be treated and the coolant containing water as a main component is maintained at a speed slower than the moving speed of the object to be treated. The coolant containing water as a main component may be water or various aqueous solutions in which other substances are dissolved in water. That is, any coolant having a higher heat transfer coefficient and a higher cooling rate than the quenching oil may be used.
被処理物と水を主成分とする冷却剤との相対速度が、被処理物の移動速度より遅く、冷却が緩和される状態は、少なくとも、被処理物が水を主成分とする冷却剤に接してから被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで維持されれば良い。すなわち、被処理物が水を主成分とする冷却剤に接するとその部分から冷却が始まるので表面の温度の差が発生し始める。このため、この段階では、冷却が緩和される。このように冷却が緩和される状態では、被処理物の表面に温度差が生じにくいため、歪みを抑制することができる。このため、熱膨張による影響の抑制と、歪みの抑制とを両立させることができる。 When the relative speed between the object to be treated and the coolant containing water as the main component is slower than the moving speed of the object to be treated and the cooling is relaxed, at least the coolant whose main component is water is to be treated. It suffices to maintain the surface of the object to be treated until it undergoes martensitic transformation after contact. That is, when the object to be treated comes into contact with a coolant containing water as a main component, cooling starts from that portion, so that a difference in surface temperature begins to occur. Therefore, cooling is relaxed at this stage. In such a state where cooling is relaxed, a temperature difference is unlikely to occur on the surface of the object to be treated, so that distortion can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the influence of thermal expansion and suppress the strain at the same time.
また、冷却が緩和され、歪みを抑制できる状態は、被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで維持されれば良い。すなわち、表面がマルテンサイト変態すると被処理物の表面が硬化するため、その後に急冷しても被処理物に歪みは生じにくい。このため、被処理物の表面がマルテンサイト変態した後においては、さらに急冷しても良く、例えば、被処理物と水を主成分とする冷却剤との相対速度が、被処理物の移動速度以上になっても良い。 In addition, the state in which cooling is relaxed and strain can be suppressed may be maintained until the surface of the object to be treated undergoes martensitic transformation. That is, when the surface is transformed into martensite, the surface of the object to be treated is hardened, so that the object to be treated is unlikely to be distorted even if it is rapidly cooled thereafter. Therefore, after the surface of the object to be treated has undergone martensitic transformation, it may be further rapidly cooled. For example, the relative speed between the object to be treated and the coolant containing water as a main component is the moving speed of the object to be treated. It may be more than that.
むろん、被処理物の表面がマルテンサイト変態した後においては、移動装置による被処理物の移動を停止させてもよい。この場合、水を主成分とする冷却剤を流動させる流動装置の動作を継続するなどして被処理物の周囲の水を主成分とする冷却剤が入れ替わることを促進する構成を採用可能である。 Of course, after the surface of the object to be treated has undergone martensitic transformation, the movement of the object to be processed by the moving device may be stopped. In this case, it is possible to adopt a configuration that promotes the replacement of the water-based coolant around the object to be treated, such as by continuing the operation of the fluidizing device that flows the water-based coolant. ..
被処理物と水を主成分とする冷却剤との相対速度は、被処理物の移動速度より遅ければよい。従って、上述の実施形態のように、被処理物と水を主成分とする冷却剤との相対速度が0になるように流動装置の動作が制御される構成以外にも、種々の構成が採用可能である。すなわち、移動装置によって被処理物が移動している過程において、当該被処理物と同方向の成分を有する速度ベクトルで水を主成分とする冷却剤が移動していればよい。 The relative speed between the object to be treated and the coolant containing water as a main component may be slower than the moving speed of the object to be treated. Therefore, in addition to the configuration in which the operation of the flow device is controlled so that the relative speed between the object to be treated and the coolant containing water as a main component becomes 0 as in the above-described embodiment, various configurations are adopted. It is possible. That is, in the process of moving the object to be processed by the moving device, it is sufficient that the coolant containing water as a main component is moving with a velocity vector having components in the same direction as the object to be processed.
表面がマルテンサイト変態している状態は、当該マルテンサイトによって被処理物に歪みが生じにくくなっている状態であれば良い。このような状態は、種々の手法で定義されて良く、例えば、浸炭開始後の経過時間によって定義されても良いし、被処理物の温度によって定義されても良いし、表面におけるマルテンサイト分率によって定義されても良い。すなわち、マルテンサイト変態によって被処理物が硬くなり、歪みの影響を受けにくい状態は、被処理物の組成等によって変動し得るが、被処理物毎に予め経過時間や温度、マルテンサイト分率を特定しておけば、その状態に至るまで冷却が緩和される状態を維持することで、表面がマルテンサイト変態しているとみなすことができる。 The state in which the surface is transformed into martensite may be a state in which the object to be treated is less likely to be distorted by the martensite. Such a state may be defined by various methods, for example, it may be defined by the elapsed time after the start of carburizing, it may be defined by the temperature of the object to be treated, or the martensite fraction on the surface. May be defined by. That is, the state in which the object to be treated becomes hard due to martensitic transformation and is not easily affected by strain may vary depending on the composition of the object to be processed, etc., but the elapsed time, temperature, and martensite fraction are determined in advance for each object to be processed. Once specified, it can be considered that the surface is martensitic transformed by maintaining the state in which the cooling is relaxed until that state is reached.
浸漬は、被処理物を冷却剤に浸す処理であれば良い。すなわち、被処理物の周囲に冷却剤が存在しない状態から、被処理物が冷却剤に浸された状態に変化することによって被処理物の熱が冷却剤に移動するように実施されればよい。浸漬は、1次冷却工程、2次冷却工程のいずれで実施されてもよい。 The immersion may be any treatment as long as the object to be treated is immersed in a coolant. That is, the heat of the object to be treated may be transferred to the coolant by changing from the state where the coolant is not present around the object to be treated to the state where the object to be treated is immersed in the coolant. .. The immersion may be carried out in any of the primary cooling step and the secondary cooling step.
焼き入れを行う2次冷却工程においては、流動しない静止水の内部に被処理物Sが保持されることでシンクロ状態が実現されてもよい。図2Dは、図1Aと同様の移動装置20および流動装置30を備えた冷却槽101にシャワー25が設けられた構成を示す図である。なお、図2Dに示す構成においてシャワー25と冷却槽101以外の構成は図1Aに示す構成とほぼ同様であり、移動装置20は、被処理物Sを上昇、下降させることができればよい。流動装置30は、水を主成分とする冷却剤Wを流動させることができればよい。なお、冷却槽101は冷却槽10より高く、冷却槽101には予め冷却剤Wが蓄積されている。 In the secondary cooling step of quenching, the synchronized state may be realized by holding the object S to be processed inside the static water that does not flow. FIG. 2D is a diagram showing a configuration in which a shower 25 is provided in a cooling tank 101 provided with a moving device 20 and a flow device 30 similar to those in FIG. 1A. In the configuration shown in FIG. 2D, the configurations other than the shower 25 and the cooling tank 101 are almost the same as the configuration shown in FIG. 1A, and the moving device 20 may raise or lower the object S to be processed. The flow device 30 may be able to flow the coolant W containing water as a main component. The cooling tank 101 is higher than the cooling tank 10, and the coolant W is accumulated in the cooling tank 101 in advance.
本実施形態においては、さらに、焼き入れ方法を実施する装置にシャワー25が備えられている。本実施形態において、シャワー25は、複数のノズルを備えており、図示しない配管が接続される。配管は冷却剤を蓄積した図示しないタンクに接続されており、配管に接続された圧力調整弁の開閉することにより、各ノズルから冷却剤を吐出させ、また、吐出を停止させることが可能である。なお、図3Cにおいては、被処理物Sの周囲の破線によってノズルから吐出された冷却剤を示している。(図3A〜図3Dにおいては、流動装置30を省略して示している。以下同様)。 In the present embodiment, the shower 25 is further provided in the device for carrying out the quenching method. In the present embodiment, the shower 25 includes a plurality of nozzles, and pipes (not shown) are connected to the shower 25. The pipe is connected to a tank (not shown) in which the coolant is stored, and by opening and closing the pressure regulating valve connected to the pipe, the coolant can be discharged from each nozzle and the discharge can be stopped. .. In addition, in FIG. 3C, the coolant discharged from the nozzle is shown by the broken line around the object S to be processed. (In FIGS. 3A to 3D, the flow device 30 is omitted. The same applies hereinafter).
本実施形態においては、各ノズルから吐出された冷却剤が被処理物Sの複数の面にかけられる。図3Cに示す例においては、被処理物Sの上面と側面に冷却剤がかけられることが模式的に示されているが、むろん、被処理物Sの上面に冷却剤がかけられ、冷却剤が被処理物Sの表面上を流れることによって冷却剤が被処理物Sのほぼ全面に接する構成であってもよい。また、被処理物Sの下面に冷却剤がかけられても良い。この場合、支持台21がノズルを備え、当該ノズルから吐出された冷却剤が被処理物Sに対してかけられる構成等を採用可能である。 In the present embodiment, the coolant discharged from each nozzle is applied to a plurality of surfaces of the object S to be processed. In the example shown in FIG. 3C, it is schematically shown that the coolant is applied to the upper surface and the side surface of the object S to be treated, but of course, the coolant is applied to the upper surface of the object S to be treated and the coolant is applied. The coolant may be in contact with almost the entire surface of the object to be treated S by flowing on the surface of the object to be processed S. Further, a coolant may be applied to the lower surface of the object S to be treated. In this case, it is possible to adopt a configuration in which the support base 21 is provided with a nozzle and the coolant discharged from the nozzle is applied to the object S to be processed.
以上のような構成において、冷却槽101の内部に被処理物Sが配置された状態で、冷却槽101に対する冷却剤Wの蓄積を開始し、少なくとも、被処理物Sが冷却剤Wに接してから被処理物Sの表面がマルテンサイト変態するまで流動装置30による冷却剤Wの流動が行われず、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態した後に流動装置30による冷却剤Wの流動が行われる。 In the above configuration, in the state where the object S to be processed is arranged inside the cooling tank 101, the accumulation of the coolant W in the cooling tank 101 is started, and at least the object S to be processed is in contact with the coolant W. The coolant W is not flowed by the fluidizing device 30 until the surface of the object S to be treated undergoes martensitic transformation, and the coolant W is fluidized by the fluidizing device 30 after the surface of the object S to be treated undergoes martensitic transformation. ..
具体的には、図2Dに示されるように、初期の被処理物Sに接触しないような深さまで冷却剤Wが蓄積された状態で、図4に示す処理と同様の処理が行われた後に、図12Aに示す処理を実行することで焼き入れを行うことが可能である。図12Aに示す処理は、図5に示す処理にステップS195およびステップS197が追加され、ステップS200およびステップS205が省略された処理である。すなわち、本実施形態においては、図4に示す処理と同様にステップS100〜S130が実行されることで1次冷却工程が行われる。図3Aは1次冷却が行われている過程を示す図である。 Specifically, as shown in FIG. 2D, after the same treatment as that shown in FIG. 4 is performed in a state where the coolant W is accumulated to a depth that does not contact the initial object S to be treated. , Quenching can be performed by executing the process shown in FIG. 12A. The process shown in FIG. 12A is a process in which steps S195 and S197 are added to the process shown in FIG. 5, and steps S200 and S205 are omitted. That is, in the present embodiment, the primary cooling step is performed by executing steps S100 to S130 in the same manner as the process shown in FIG. FIG. 3A is a diagram showing a process in which primary cooling is performed.
次に、ステップS125を経てステップS130〜ステップS140が実行されると、被処理物Sが冷却剤Wの上方に引き上げられ、均熱化工程が行われる。図3Bは均熱化工程が行われている過程を示す図である。 Next, when steps S130 to S140 are executed through step S125, the object S to be treated is pulled above the coolant W, and a thermalization step is performed. FIG. 3B is a diagram showing a process in which the thermalization step is performed.
次に、図12Aに示すステップS195においてシャワーによる吐出が開始される。すなわち、シャワー25のノズルから冷却剤Wの吐出が開始される。この結果、図3Cに示すように、シャワー25のノズルから冷却剤が吐出される。本実施形態においては、シャワー25から吐出された冷却剤Wが冷却槽101内に蓄積されていき、被処理物Sの最上部が冷却剤Wの液面以下となり、被処理物Sの最上部と液面Swとの間の距離が既定値になるとシャワーが停止される(ステップS197)。すなわち、シャワー25のノズルから冷却剤の吐出が停止される。図3Dは、被処理物Sの浸漬が完了し、シャワー25が停止された状態を示す図である。 Next, in step S195 shown in FIG. 12A, the discharge by the shower is started. That is, the discharge of the coolant W is started from the nozzle of the shower 25. As a result, as shown in FIG. 3C, the coolant is discharged from the nozzle of the shower 25. In the present embodiment, the coolant W discharged from the shower 25 is accumulated in the cooling tank 101, the uppermost portion of the object to be treated S is below the liquid level of the coolant W, and the uppermost portion of the object to be treated S is The shower is stopped when the distance between the liquid level and the liquid level Sw reaches a default value (step S197). That is, the discharge of the coolant is stopped from the nozzle of the shower 25. FIG. 3D is a diagram showing a state in which the immersion of the object S to be processed is completed and the shower 25 is stopped.
なお、本実施形態において、浸漬完了直後から既定期間は、冷却剤Wにおいて攪拌等は行われない。従って、液面Swの下方で冷却剤Wは流動していない。このため、浸漬が完了すると、冷却剤Wの液面Swよりも内側における被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度は0になる。従って、本実施形態においてもシンクロ状態が実現されている。 In the present embodiment, the coolant W is not stirred or the like for a predetermined period immediately after the completion of immersion. Therefore, the coolant W does not flow below the liquid level Sw. Therefore, when the immersion is completed, the relative velocity between the object S to be treated and the coolant W inside the liquid level Sw of the coolant W becomes 0. Therefore, the synchronized state is also realized in this embodiment.
以上のようなシンクロ状態においては、被処理物Sと冷却剤Wとの相対速度が0であり、被処理物Sに接して被処理物Sからの熱が伝達された冷却剤Wは、被処理物Sに接した状態で被処理物Sの周囲にとどまった状態となる。このため、冷却剤Wに接している被処理物Sは冷却剤Wによって急冷が開始されるものの、シンクロ状態が維持されていると被処理物Sに接した冷却剤Wが徐々に暖まるため、冷却は促進されない。 In the synchronized state as described above, the relative velocity between the object S to be processed and the coolant W is 0, and the coolant W in which heat from the object S to be processed is transferred in contact with the object S to be processed is to be applied. It stays in contact with the object S and stays around the object S to be processed. Therefore, although the object S in contact with the coolant W is rapidly cooled by the coolant W, the coolant W in contact with the coolant S gradually warms up when the synchronized state is maintained. Cooling is not promoted.
すなわち、被処理物Sの周囲の冷却剤Wが攪拌等によって他の場所に移動する場合、被処理物Sの周囲で高温になった冷却剤Wが低温の冷却剤Wに置換される。しかし、シンクロ状態においては被処理物Sに接して高温になった冷却剤Wが低温の冷却剤に置換されにくく、冷却は促進されない。シンクロ状態が維持されていると、先に冷却剤Wの液面に到達して先に冷却が開始された部位の冷却速度は徐々に遅くなる。一方、後に冷却剤Wの液面に到達して冷却が開始された部位の冷却速度は、先に冷却が開始された部位の冷却速度より速い。このためシンクロ状態が維持されると、被処理物Sの表面に生じた温度差は徐々に小さくなり、被処理物Sにおける歪みの発生を抑制することができる。 That is, when the coolant W around the object S to be processed moves to another place by stirring or the like, the coolant W that has become hot around the object S to be processed is replaced with the coolant W that has a low temperature. However, in the synchronized state, the coolant W that has become hot in contact with the object S to be treated is not easily replaced by the low temperature coolant, and cooling is not promoted. When the synchronized state is maintained, the cooling rate of the portion that first reaches the liquid level of the coolant W and starts cooling first gradually slows down. On the other hand, the cooling rate of the portion that later reaches the liquid level of the coolant W and starts cooling is faster than the cooling rate of the portion where cooling is started earlier. Therefore, when the synchronized state is maintained, the temperature difference generated on the surface of the object to be processed S gradually becomes smaller, and the occurrence of strain on the object to be processed S can be suppressed.
以後、ステップS210,S215,S225,S230は、上述の図5に示す処理と同様である。すなわち、既定期間が経過すると、ステップS215で流速Vqがセットされ、シンクロ状態が終了され、流動装置30による流動が開始される。この結果、被処理物Sが急速に冷却される。この後、焼き入れが終了すると(ステップS225)、被処理物Sが上昇されて焼き入れが完了する。ここでも、既定期間は、被処理物Sが冷却剤Wに接してから、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態するまでの期間であり、予め決められる。当該既定期間は、種々の手法で決められてよく、例えば、被処理物Sの表面のマルテンサイト分率が既定の比率(例えば、28%)になるまでの期間を既定期間とすることが可能である。 After that, steps S210, S215, S225, and S230 are the same as the process shown in FIG. 5 described above. That is, when the predetermined period elapses, the flow velocity Vq is set in step S215, the synchronized state is terminated, and the flow by the flow device 30 is started. As a result, the object S to be processed is rapidly cooled. After that, when the quenching is completed (step S225), the object S to be processed is raised and the quenching is completed. Here, too, the predetermined period is a period from when the object S to be treated comes into contact with the coolant W until the surface of the object S to be treated undergoes martensitic transformation, and is predetermined. The default period may be determined by various methods. For example, the period until the martensite fraction on the surface of the object S to be treated reaches the predetermined ratio (for example, 28%) can be set as the default period. Is.
以上の実施形態は、図6に示す実施例と同じ原理の焼入である。例えば、2次冷却工程における液面の上昇速度が200mm/sとなるように、シャワー25からの冷却剤Wの吐出量が調整されると、移動装置20による被処理物Sの下降速度が200mm/sである実施例と同等の速度で浸漬が行われ、シンクロ状態で冷却される。このため、被処理物Sが液面に接してからの既定期間が、実施例と同等の期間とされれば、これらの実施例と定性的に同一の焼入を実施することができる。 The above embodiment is quenching based on the same principle as the embodiment shown in FIG. For example, when the discharge amount of the coolant W from the shower 25 is adjusted so that the rising speed of the liquid level in the secondary cooling step is 200 mm / s, the falling speed of the object S to be processed by the moving device 20 is 200 mm. Immersion is performed at a rate equivalent to that of the embodiment at / s, and the mixture is cooled in a synchronized state. Therefore, if the predetermined period after the object to be treated S comes into contact with the liquid surface is the same period as in the examples, quenching that is qualitatively the same as in these examples can be performed.
従って、被処理物Sにおける歪みの発生を抑制することができる。さらに、少なくとも被処理物Sの表面がマルテンサイト変態するまでシンクロ状態を維持する熱処理工程を容易に実現することができる。さらに、被処理物Sの表面がマルテンサイト変態した後においては、流動装置30によって水を主成分とする冷却剤Wを流動させるため、歪みの発生を抑制しながらも、早期に焼き入れを完了させることができる。さらに、本実施形態においては、1次冷却工程と2次冷却工程との間に均熱化工程を挟むことにより、マルテンサイト変態の開始を遅らせることができ、伸び量を低下させた状態でマルテンサイト変態を行わせることができる。この結果、最終的に被処理物Sに生じる伸びも非常に小さい値にすることができる。さらに、本実施形態においては、容易に、被処理物Sの表面がベイナイトに変態しないように均熱化を行うことが可能であり、被処理物Sの硬度を容易に高めることができる。さらに、被処理物Sの表面がフェライトに変態しないように均熱化を行うことが可能であり、表面を効率的にマルテンサイト変態させることができ、被処理物Sを硬くすることができる。 Therefore, it is possible to suppress the occurrence of strain in the object S to be processed. Further, it is possible to easily realize a heat treatment step of maintaining a synchronized state at least until the surface of the object S to be treated undergoes martensitic transformation. Further, after the surface of the object to be treated S is transformed into martensite, the coolant W containing water as a main component is flowed by the flow device 30, so that quenching is completed at an early stage while suppressing the occurrence of strain. Can be made to. Further, in the present embodiment, by interposing a thermalization step between the primary cooling step and the secondary cooling step, the start of martensitic transformation can be delayed, and martensite is in a state where the amount of elongation is reduced. Site transformation can be performed. As a result, the elongation finally generated in the object S to be processed can be set to a very small value. Further, in the present embodiment, it is possible to easily perform thermalization so that the surface of the object to be treated S does not transform into bainite, and the hardness of the object to be treated S can be easily increased. Further, it is possible to perform thermalization so that the surface of the object to be treated S does not transform into ferrite, the surface can be efficiently transformed into martensite, and the object to be processed S can be hardened.
なお、上述のステップS195においては、シャワー25から吐出された冷却剤が被処理物Sにかかるため、被処理物Sが蓄積された冷却剤Wに浸漬する前に冷却されることになる。この冷却は、浸漬の前に被処理物Sの上下における温度差を予め抑制する効果があり、この冷却を補助冷却と呼ぶ。この補助冷却においては、シャワー25から吐出された冷却剤が被処理物Sの最上部から最下部に渡る全域にかけられ、同時に補助冷却される。従って、被処理物Sの表面において最上部と最下部との温度差はほぼ生じておらず、最上部と最下部との温度差がほぼ生じていない状態で冷却剤Wへの浸漬を開始することができる。また、シャワー25から吐出された冷却剤を被処理物Sにかけることのみによって、1次冷却工程が行われてもよい。 In the above-mentioned step S195, since the coolant discharged from the shower 25 is applied to the object S to be processed, the object S to be processed is cooled before being immersed in the accumulated coolant W. This cooling has the effect of suppressing the temperature difference between the upper and lower parts of the object S to be treated before immersion, and this cooling is called auxiliary cooling. In this auxiliary cooling, the coolant discharged from the shower 25 is applied to the entire area from the uppermost portion to the lowermost portion of the object S to be processed, and at the same time, the auxiliary cooling is performed. Therefore, the immersion in the coolant W is started in a state where there is almost no temperature difference between the uppermost portion and the lowermost portion on the surface of the object S to be treated and there is almost no temperature difference between the uppermost portion and the lowermost portion. be able to. Further, the primary cooling step may be performed only by applying the coolant discharged from the shower 25 to the object S to be processed.
このような被処理物Sの表面における温度差を抑制する補助冷却を行うと、補助冷却を行わない場合と比較して、さらに被処理物Sに生じる歪みを抑制することができる。図12Bは、図6に示す実施例と同様のシャフトの軸方向を鉛直方向に対して垂直に向けた状態で図2Dに示す装置で冷却剤に浸漬し、焼き入れが完了するまで保持したサンプルの歪み量を示している。サンプルAは、シャワー25による補助冷却を行わずに浸漬した場合の例であり、サンプルBは、シャワー25による補助冷却を行った後に浸漬した場合の例である。 When the auxiliary cooling that suppresses the temperature difference on the surface of the object to be processed S is performed, the strain generated in the object to be processed S can be further suppressed as compared with the case where the auxiliary cooling is not performed. FIG. 12B shows a sample obtained by immersing the shaft in a coolant with the apparatus shown in FIG. 2D with the axial direction of the shaft oriented perpendicular to the vertical direction in the same manner as in the embodiment shown in FIG. 6, and holding the sample until quenching is completed. The amount of distortion of is shown. Sample A is an example of a case where the shower 25 is immersed without auxiliary cooling, and sample B is an example of a case where the sample B is immersed after the auxiliary cooling by the shower 25.
図12Bに示されたサンプルA,サンプルBにおいても冷却剤は水であり、熱伝達率は、11000W/(m2・K)である。図12Bにおいては、サンプルAおよびサンプルBについて、焼き入れ温度(℃)、被処理物Sの下降速度Ve(mm/s)、冷却剤Wの温度(℃)、シャワー時間(秒)を示している。ここで、焼き入れ温度は、被処理物Sが冷却剤Wの液面に接触する前の温度である。冷却剤Wの温度における常温は25℃である。シャワー時間は、シャワー25による補助冷却が開始されてから、被処理物Sの最下部が冷却剤Wの液面Swに接するまでの時間である。 In Sample A and Sample B shown in FIG. 12B, the coolant is water and the heat transfer coefficient is 11000 W / (m 2 · K). In FIG. 12B, the quenching temperature (° C.), the descending speed Ve (mm / s) of the object to be processed S, the temperature (° C.) of the coolant W, and the shower time (seconds) are shown for Sample A and Sample B. There is. Here, the quenching temperature is the temperature before the object S to be treated comes into contact with the liquid surface of the coolant W. The room temperature at the temperature of the coolant W is 25 ° C. The shower time is the time from when the auxiliary cooling by the shower 25 is started until the lowermost portion of the object S to be treated comes into contact with the liquid level Sw of the coolant W.
サンプルA、サンプルBともに、浸漬が完了した段階(被処理物Sが冷却剤Wの液面下に達した段階)で被処理物Sに生じている歪みを浸漬後歪みとし、焼き入れが完了した段階で被処理物Sに生じている歪みを焼入後歪み量とした。図12Bに示す歪み量(曲がり量)は、被処理物Sの円柱軸が鉛直方向にどの程度曲がっているかを示し、鉛直方向における被処理物Sの円柱軸の最上部と最下部との距離を示している。従って、図12Bに示す歪み量は、被処理物Sに生じる歪みの最大値を示している。 In both Sample A and Sample B, the strain generated in the object to be treated S at the stage when the immersion is completed (the stage when the object to be processed S reaches below the liquid level of the coolant W) is regarded as the strain after immersion, and quenching is completed. The strain generated in the object S to be processed at this stage was defined as the amount of strain after quenching. The amount of strain (bending amount) shown in FIG. 12B indicates how much the cylindrical axis of the object S to be processed is bent in the vertical direction, and the distance between the uppermost part and the lowermost part of the cylindrical axis of the object S to be processed in the vertical direction. Is shown. Therefore, the amount of strain shown in FIG. 12B indicates the maximum value of strain generated in the object S to be processed.
サンプルAとサンプルBとを比較すると、浸漬後歪み量はサンプルAが22μmに対してサンプルBが1μmである。焼入後歪み量はサンプルAが94μmに対してサンプルBが0.7μmである。従って、補助冷却が行われると、補助冷却が行われない場合と比較して、歪み量を抑制する効果がある。従って、2次冷却工程の初期に、シャワー25による補助冷却を行えば、被処理物Sに発生する歪み量を抑制することが可能である。むろん、1次冷却工程の過程でシャワー25による補助冷却を行ってもよい。この場合、均熱化を行う前の段階で被処理物Sの表面に生じる温度差を抑制することができ、被処理物Sに歪みが生じていない状態で均熱化を行うことが可能である。 Comparing Sample A and Sample B, the amount of strain after immersion is 22 μm for Sample A and 1 μm for Sample B. The amount of strain after quenching is 94 μm for sample A and 0.7 μm for sample B. Therefore, when the auxiliary cooling is performed, there is an effect of suppressing the amount of strain as compared with the case where the auxiliary cooling is not performed. Therefore, if auxiliary cooling is performed by the shower 25 at the initial stage of the secondary cooling step, it is possible to suppress the amount of strain generated in the object S to be processed. Of course, auxiliary cooling by the shower 25 may be performed in the process of the primary cooling step. In this case, the temperature difference generated on the surface of the object to be treated S can be suppressed before the thermalization is performed, and the thermalization can be performed in a state where the object S to be processed is not distorted. is there.
10…冷却槽、20…移動装置、21…支持台、22…支持部、25…シャワー、30…流動装置、31…軸、32…プロペラ、101…冷却槽 10 ... Cooling tank, 20 ... Moving device, 21 ... Support stand, 22 ... Support part, 25 ... Shower, 30 ... Flow device, 31 ... Shaft, 32 ... Propeller, 101 ... Cooling tank
Claims (6)
冷却剤で前記被処理物を冷却し、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下の温度になる前に冷却を停止する1次冷却工程と、
前記被処理物の表面と内部とを均熱化する均熱化工程と、
少なくとも、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで水を主成分とする冷却剤で前記被処理物を冷却する2次冷却工程と、
を含む焼き入れ方法。 It is a quenching method that cools the object to be hardened.
A primary cooling step of cooling the object to be treated with a coolant and stopping the cooling before the surface of the object to be treated reaches a temperature equal to or lower than the martensitic transformation start temperature.
A thermalization step for soaking the surface and the inside of the object to be treated,
At least, a secondary cooling step of cooling the object to be treated with a coolant containing water as a main component until the surface of the object to be treated is transformed into martensite.
Quenching method including.
前記被処理物を移動させる移動装置により、冷却槽に蓄積された前記水を主成分とする冷却剤の内部に前記被処理物を移動させ、
少なくとも、前記被処理物が前記水を主成分とする冷却剤に接してから前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで、前記被処理物と前記水を主成分とする冷却剤との相対速度が、前記被処理物の移動速度より遅い状態が維持される、
請求項1に記載の焼き入れ方法。 In the secondary cooling step,
The moving device for moving the object to be processed moves the object to be processed inside the coolant containing the water as a main component accumulated in the cooling tank.
At least, the relative between the object to be treated and the coolant containing water as a main component from the time when the object to be treated comes into contact with the coolant containing water as a main component until the surface of the object to be treated undergoes martensitic transformation. The state in which the speed is slower than the moving speed of the object to be processed is maintained.
The quenching method according to claim 1.
蓄積された前記水を主成分とする冷却剤を流動させる流動装置を備えた冷却槽の内部に前記被処理物が配置された状態で、前記冷却槽に対する前記水を主成分とする冷却剤の蓄積を開始し、少なくとも、前記被処理物が前記水を主成分とする冷却剤に接してから前記被処理物の表面がマルテンサイト変態するまで前記流動装置による前記水を主成分とする冷却剤の流動が行われず、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態した後に前記流動装置による前記水を主成分とする冷却剤の流動が行われる、
請求項1に記載の焼き入れ方法。 In the secondary cooling step,
A water-based coolant for the cooling tank in a state where the object to be treated is arranged inside a cooling tank equipped with a flow device for flowing the accumulated water-based coolant. The water-based coolant by the flow device at least from when the object to be treated comes into contact with the water-based coolant until the surface of the object to be treated undergoes martensitic transformation. After the surface of the object to be treated has undergone martensitic transformation, the water-based coolant is flowed by the flow device.
The quenching method according to claim 1.
前記被処理物に対して、複数のノズルから冷却剤を吐出することによって行われる冷却が含まれる、
請求項1〜請求項3のいずれかに記載の焼き入れ方法。 In the primary cooling step,
Cooling of the object to be processed is performed by discharging coolant from a plurality of nozzles.
The quenching method according to any one of claims 1 to 3.
前記被処理物に対して、複数のノズルから冷却剤を吐出することによって行われる冷却が含まれる、
請求項1〜請求項4のいずれかに記載の焼き入れ方法。 In the secondary cooling step,
Cooling of the object to be processed is performed by discharging coolant from a plurality of nozzles.
The quenching method according to any one of claims 1 to 4.
前記被処理物の鉛直方向の上下に温度差が生じていない状態で、前記被処理物の表面がマルテンサイト変態開始温度以下になる、
請求項1〜請求項5のいずれかに記載の焼き入れ方法。 In the secondary cooling step,
The surface of the object to be treated is below the martensitic transformation start temperature in a state where there is no temperature difference above and below the object to be processed in the vertical direction.
The quenching method according to any one of claims 1 to 5.
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