JP2021059767A - クエンチ処理設備及びクエンチ処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上述のようなクエンチ処理を実施するための設備として、特許文献1〜3に示されるものが提案されている。これら特許文献1〜3は、水や油等の熱媒体を使用し、その熱媒体に被処理材を浸漬することによって、被処理材の急冷を行っている。
また、金型を使用したプレス加工によって鋼板等の金属材料を所定形状に成形して被処理材にすると同時に、金型と金属材料との接触による冷却を利用して被処理材にクエンチ処理を施すダイクエンチ処理を実施するための設備として、特許文献4,5に示されるものが提案されている。
また、上述のダイクエンチ処理は、被処理材を金型に接触させて急冷するため、特定形状の被処理材しか対応することができず汎用性に欠ける。加えて、ダイクエンチ処理は、急冷時等に被処理材の表面に発生した酸化スケール等の異物が金型の型面に付着したり、設備内に堆積したりして成形不良の原因になってしまう。
そして、上述のクエンチ処理及びダイクエンチ処理は、水や油等の熱媒体を貯留する大型の槽や、成形のための大きな金型が必要となるため、設備が大型化して煩雑なものになってしまう。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、上記クエンチ処理設備は、バッチ式のものであり、上記加熱室と上記冷却装置と上記搬送装置とが1つの収容室の室内に設置されているとともに、上記収容室には不活性ガスを供給する不活性ガス供給器が接続されており、該不活性ガスを充満させることによって上記収容室内が無酸化雰囲気とされている、ことを要旨とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、上記クエンチ処理設備は、連続式のものであり、上記冷却装置と上記搬送装置とが1つの収容室の室内に設置され、上記加熱室の室内と上記収容室の室内とが連通されているとともに、上記加熱室及び上記収容室には不活性ガスを供給する不活性ガス供給器が接続されており、該不活性ガスを充満させることによって上記加熱室内及び上記収容室内が無酸化雰囲気とされている、ことを要旨とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のうち何れか一項に記載の発明において、上記冷却装置は、上記被処理材が圧接される上記定盤の圧接面に不活性ガスを吹き付ける不活性ガス吹付装置をさらに有することを要旨とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1から4のうち何れか一項に記載の発明8において、上記被処理材の厚さは、1〜5mmであることを要旨とする。
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、上記加熱工程又は上記冷却工程は、無酸化雰囲気下で行われることを要旨とする。
請求項8に記載の発明は、請求項6又は7に記載の発明において、上記所定の高温度域は、800〜900℃であり、上記所定の低温度域は、50〜100℃であることを要旨とする。
請求項9に記載の発明は、請求項6から8のうち何れか一項に記載の発明において、上記冷却工程において、上記所定の圧力は、10〜100kgf/cm2であることを要旨とする。
また、クエンチ処理方法は、上記クエンチ処理設備を使用して行われ、加熱工程後の被処理材を所定の低温度域に急冷する冷却工程が、被処理材と、温度制御装置によって所定の低温度域に制御された定盤とを、押圧装置を用いて所定の圧力で圧接させることにより、被処理材の形状が保持された状態で行われる。
従って、クエンチ処理設備を使用したクエンチ処理方法は、冷却装置によって被処理材を急冷することができるため、熱媒体への浸漬や金型を使用することなくクエンチ処理を施すことができる。
この冷却装置(12)は、温度制御装置(14)によって所定の低温度域に制御された定盤(13A,13B)と、被処理材(W)とを、押圧装置(15)を使用して圧接させることにより、定盤(13A,13B)と被処理材(W)との間で伝熱を行わせ、被処理材(W)を所定の低温度域に冷却する。
加熱室(11)は、構成、形状、炉内容積、加熱方式等について特に問わず、一般的な加熱炉や加熱室を使用することができる。
クエンチ処理設備(10)の搬送装置(10A)による搬送方式は、構成、形状等について特に問わず、処理方式に応じたものを使用することができる。搬送装置(10A)による搬送方式は、バッチ式のものであればローラーハース式、固定炉床式、台車式等が挙げられ、連続式のものであればローラーハース式、ウォーキングビーム式、ウォーキングハース式、プッシャ式等が挙げられる。
上述した搬送方式の中でもローラーハース式は、構成が簡易であり、薄板状に形成された被処理材(W)を搬送するのに好適であるという観点から、クエンチ処理設備(10)の搬送方式として好ましい。
また、クエンチ処理設備(10)は、熱媒体を貯留するための貯留槽や金型を要さないことから、設備の小型化や省スペース化、設備のメンテナンスの容易化、構成の簡易化などを図ることができるという利点を有する。
定盤(13)は、平板状に形成されており、被処理材(W)との間で伝熱を行うものであれば、構成、材質等について特に問わない。この定盤(13)は、内部に冷却回路が設けられた構成とすることができる。また、定盤(13)の材質には、被処理材(W)との間で伝熱を行うことが可能な熱伝導率を有する鉄、アルミニウム、銅、チタン等の金属、あるいはそれら金属を使用した合金を使用することができる。
このため、被処理材(W)と圧接されることで該被処理材(W)を冷却する定盤(13)の形状は、薄板状とされた被処理材(W)の形状を保持可能であるという観点から、平板状とすることが好ましい。
また、定盤(13)の形状は、被処理材(W)との接触面積が増すことで冷却効率の向上を図ることができるという観点から、被処理材(W)が圧接される圧接面を平坦状とすることがより好ましい。
押圧装置(15)は、被処理材(W)と定盤(13)とを圧接させることが可能な構成を有するのであれば、その他の構成、形状、油圧式や空圧式や電動などの駆動方式等について特に問わない。この押圧装置(15)には、一般的なプレス装置などを使用することができる。
金属材料は、特に問わないが、クエンチ処理が硬さや靱性の要求に応えるべく施されるという観点から、好ましくは炭素鋼であり、より好ましくは炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼等の工具鋼であり、さらに好ましくは高速度工具鋼(ハイス鋼)である。この高速度工具鋼とは、高温下での硬さと耐軟化性を高めた材料であり、金属用の切削工具の材料として有用である。
薄板状に成形される被処理材(W)の厚さ(T)は、反りや歪みの発生を抑制することができるという観点から、好ましくは1〜5mm、より好ましくは1.5〜4mm、さらに好ましくは1.5〜3mmである。特に被処理材(W)の厚さが上述の範囲である場合、通常のソルトバスを使用したクエンチ処理であれば反りや歪みが頻繁に発生することに比べて、本発明は反りや歪みの発生を抑制することができる点で有用である。
不活性ガス供給装置(17)を使用してクエンチ処理設備(10)内を無酸化雰囲気にする場合、被処理材(W)の表面への酸化スケールの付着を抑制することができ、酸化スケールの除去に係る作業を省略することができる。
不活性ガス供給装置(17)は、設備内に不活性ガスを供給可能な構成を有するのであれば、その他の構成、不活性ガスの供給量や供給方式等について、特に問わない。
図3に示すような連続式のクエンチ処理設備(10)の場合、不活性ガス供給装置(17)は、冷却装置(12)と搬送装置(10A)とが1つの収容室(18)の室内に設置されている構成として、この収容室(18)と加熱室(11)とに接続されていることが好ましい。また、収容室(18)と加熱室(11)とは、互いの室内が連通する構成とされていることが好ましい。
収容室(18)は、冷却装置(12)等を収容可能なサイズを有し、内部に不活性ガスを供給することで無酸化雰囲気にすることが可能な構成を有するのであれば、その他の構成、サイズ、不活性ガスの供給量や供給方式等について、特に問わない。
この酸化スケールは、クエンチ処理設備(10)内に堆積して設備内を汚したり、被処理材(W)を定盤(13)に固着させたり、定盤(13)の表面に付着して汚したりする等といった不具合を発生させる。
このため、バッチ式のクエンチ処理設備(10)であれば、加熱室(11)、冷却装置(12)及び搬送装置(10A)を収容する収容室(18)の室内を不活性ガスで満たして無酸化雰囲気にする。
また、連続式のクエンチ処理設備(10)であれば、冷却装置(12)及び搬送装置(10A)を収容する収容室(18)と、加熱室(11)とを連通させて、収容室(18)及び加熱室(11)の室内を不活性ガスで満たして無酸化雰囲気にする。
不活性ガス吹付装置(13C)は、上述した酸化スケールによる被処理材(W)の定盤(13)への固着を抑制するという観点で設けられる。すなわち、不活性ガス吹付装置(13C)を使用し、定盤(13)の圧接面に不活性ガスを吹き付けることにより、定盤(13)の圧接面を無酸化雰囲気にして被処理材(W)を圧接させることができる。
不活性ガス吹付装置(13C)は、定盤(13)の圧接面に不活性ガスを吹き付けることが可能な構成を有するのであれば、その他の構成、不活性ガスの供給量や供給方式等について、特に問わない。例えば、図2に示すように、不活性ガス吹付装置(13C)は、不活性ガス供給装置(17)から伸びる不活性ガスの供給路に分岐路(17A)を設け、この分岐路(17A)の端部を、定盤(13)に設けられた吹付路(13D)に接続して構成することができる。あるいは、不活性ガス吹付装置(13C)は、定盤(13)の圧接面の近傍に配設されたノズルに分岐路(17A)の端部を接続して構成することもできる。
加熱工程は、被処理材(W)を所定の高温度域に加熱する工程である。この加熱工程は、クエンチ処理設備(10)の加熱室(11)を使用して実行される。そして、加熱工程を施された被処理材(W)は、その金属組織がオーステナイト組織に変態される。
冷却工程は、加熱工程後の被処理材(W)を所定の低温度域に急冷する工程である。この冷却工程は、クエンチ処理設備(10)の冷却装置(12)を使用して行われる。そして、冷却工程で急冷された被処理材(W)は、その金属組織がオーステナイトからマルテンサイト組織に変態される。
すなわち、薄板状に形成された被処理材(W)は、金属組織をオーステナイト組織からマルテンサイト組織へ変態させる急冷時に、反りや歪み等が非常に発生しやすい。そこで、クエンチ処理方法は、定盤(13)と被処理材(W)とを押圧装置(15)を用いて所定の圧力で圧接させることにより、金属組織の変態時における被処理材(W)の反りや歪みの発生を抑制している。
そこで、冷却工程では、被処理材(W)の全体を略均一に急冷するとともに、酸化スケールの発生を抑制するという観点から、押圧装置(15)を用いて被処理材(W)と定盤(13)とを圧接させている。
但し、この冷却工程は、例えばダイクエンチ処理のような、被処理材(W)を所定の形状に成形することを目的とした工程ではなく、所定の薄板状に成形して得られた被処理材(W)の形状を保持することを目的とした工程である。従って、押圧装置(15)を用いて定盤(13)と圧接された被処理材(W)の形状が変化してしまうことは、この冷却工程の目的から外れており、このため押圧装置(15)を用いた被処理材(W)と定盤(13)との圧接は、被処理材(W)の形状を保持可能な程度の所定の圧力で行われる。
無酸化雰囲気下で加熱工程又は冷却工程を実行することについては、その実行のための構成などについて特に問わないが、例えば上述したように冷却装置(12)等を収容する収容室(18)の内部や、加熱室(11)と収容室(18)の内部に不活性ガスを供給することにより、実行することができる。
被処理材(W)の金属材料が、例えば上述の炭素鋼であれば、オーステナイト組織に好適に変態させるという観点から、所定の高温度域は、800〜900℃が好ましく、820〜900℃がより好ましく、850〜900℃がさらに好ましい。
被処理材(W)金属材料が、例えば上述の炭素鋼であれば、所定の低温度域は、好ましくは50〜100℃であり、より好ましくは70〜100℃であり、さらに好ましくは70〜90℃である。
具体的に、上記所定の圧力は、好ましくは10〜100kgf/cm2であり、より好ましくは20〜100kgf/cm2であり、さらに好ましくは30〜95kgf/cm2である。
クエンチ処理設備10は、上流側から下流側へ順番に、加熱室11、冷却装置12を有している。
加熱室11は、内部に被処理材Wを収容する空間が設けられている。加熱室11の内部には、ヒータ11Bが設けられている。そして、加熱室11は、内部に装入された被処理材Wをヒータ11Bによって加熱することにより、被処理材Wの金属組織をオーステナイト化させる。
下定盤13Aは、平板状に形成されており、その上面には加熱室11から送られた被処理材Wが載せられるように構成されている。また、下定盤13Aの内部には、冷却回路13Cと、不活性ガス吹付装置13Cとが設けられている。
上定盤13Bは、平板状に形成されており、押圧装置15に取り付けられて、下定盤13Aの上方に配置されている。この上定盤13Bは、押圧装置15の作動時に下定盤13Aへ接近することで、この下定盤13Aとの間に被処理材Wを挟持するように構成されている。
また、上定盤13Bの内部には、冷却回路13Cと、不活性ガス吹付装置13Cとが設けられている。
押圧装置15は、上定盤13Bを下定盤13Aへ接近させ、下定盤13A及び上定盤13Bの間に被処理材Wを挟持させるとともに、上定盤13Bを押圧することにより、下定盤13A及び上定盤13Bと被処理材Wとを所定の圧力で圧接させるように構成されている。
そして、冷却装置12は、温度制御装置14によって所定の低温度域に制御された下定盤13A及び上定盤13Bと、被処理材Wとが、押圧装置15を用いて所定の圧力で圧接されることにより、下定盤13A及び上定盤13Bと被処理材Wとの間で伝熱が行われ、被処理材Wを、その形状が保持された状態で所定の温度域まで冷却する。
この収容室18には、不活性ガス供給装置17が接続されており、収容室18の内部は、不活性ガス供給装置17から例えば窒素ガス等の不活性ガスが供給されて、充満されることにより、無酸化雰囲気とされている。
また、収容室18において、内部に被処理材Wを出し入れするための出入口には、収容室18内部に不活性ガスを充満させて無酸化雰囲気とするための開閉式の扉18Aが設けられている。
冷却装置12は、下定盤13A及び上定盤13Bと被処理材Wとが圧接される際、不活性ガス供給装置17から分岐路17Aを介して不活性ガス吹付装置13Cへ供給される、例えば窒素ガス等の不活性ガスを、定盤13の圧接面、具体的には下定盤13Aの上面と上定盤13Bの下面とに吹き付けるように構成されている。
このため、被処理材Wが圧接される定盤13の圧接面(下定盤13Aの上面及び上定盤13Bの下面)は、不活性ガス吹付装置13Cによって吹き付けられた不活性ガスにより、無酸化雰囲気とされている。
クエンチ処理設備10は、上流側から下流側へ順番に、加熱室11、冷却装置12、及び冷却室16を有している。
加熱室11は、内部に被処理材Wを収容する空間が設けられた炉本体11Aを有している。炉本体11Aの内部には、ヒータ11Bが設けられており、また炉本体11Aの内部に被処理材Wを装入するための入口には、扉11Cが開閉可能に設けられている。そして、加熱室11は、炉本体11Aの内部に装入された被処理材Wをヒータ11Bによって加熱することにより、被処理材Wの金属組織をオーステナイト化させる。
冷却室16は、内部に被処理材Wを収容するための空間を有している。この冷却室16は、内部に収容された被処理材Wを常温となるまで冷やすためのものであり、被処理材Wに風を当てて冷やすべくブロア装置(図示略)を有している。
また、冷却装置12と冷却室16との間には段積み装置(図示略)が設けられている。この段積み装置を用いることにより、冷却装置12によって急冷された被処理材Wは、段積みされて、複数がまとまった状態として、冷却室16の内部に収容されている。
そして、冷却室16は、内部に段積みされた複数の被処理材WSが収容されるとともに、これら被処理材WSを常温となるまで冷やすように構成されている。
加熱室11及び収容室18には、不活性ガス供給装置17が接続されており、加熱室11及び収容室18の内部は、不活性ガス供給装置17から例えば窒素ガス等の不活性ガスが供給されて、充満されることにより、無酸化雰囲気とされている。
また、収容室18において、内部に被処理材Wを出し入れするための出入口には、収容室18内部に不活性ガスを充満させて無酸化雰囲気とするための開閉式の扉18Aが設けられている。
この被処理材Wの金属材料には、炭素鋼が使用されており、被処理材Wの厚さTは、1〜5mmとされている。
まず、加熱工程において、被処理材Wは、加熱室11で所定の高温度域である800〜900℃に加熱されることにより、その金属組織がオーステナイト組織に変態され、オーステナイト化される(図1参照)。
冷却装置12による冷却工程において、下定盤13A及び上定盤13Bは、温度制御装置14によって、予め50〜100℃に制御されている(図2参照)。
加熱室11から送り出された被処理材Wは、まず下定盤13Aの上面に載せられ、次いで、押圧装置15により上定盤13Bが下定盤13Aに接近することで、下定盤13A及び上定盤13Bの間に挟持される(図2参照)。
このように下定盤13A及び上定盤13Bと圧接された被処理材Wは、冷却による反りや歪みの発生を防止されるとともに、圧力が所定範囲に保たれることで、下定盤13A及び上定盤13Bとの圧接による変形や成形を防止される。
そして、下定盤13A及び上定盤13Bと圧接された被処理材Wは、下定盤13A及び上定盤13Bとの間で伝熱を行うことにより、所定の低温度域である50〜100℃に急冷されて、その金属組織がオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態される。
炭素鋼による被処理材Wの場合、急冷による割れ等の不良を防止するとともに、作業効率の向上を図るという観点から、冷却時間は、好ましくは1〜20秒、より好ましくは5〜15秒、さらに好ましくは8〜12秒である。
上述のクエンチ処理設備10は、冷却工程で熱媒体へ浸漬したり、金型を使用したりせずに、冷却装置12を用いたことにより、被処理材Wの表面に熱媒体や酸化スケール等といった異物が付着しない。このため、異物の洗浄・除去に係る作業を省略することができる。
さらに、冷却装置12の定盤13と被処理材Wとが圧接されることにより、急冷時における被処理材Wの反りや歪みの発生が防止されており、不良発生率の低減を図ることができる。
また、加熱工程及び冷却工程を無酸化雰囲気下で行うとともに、定盤13と被処理材Wとが圧接され、さらに不活性ガス吹付装置13Cによって定盤13の圧接面が無酸化雰囲気とされることにより、酸化スケールの原因となる外気が被処理材Wの表面に触れ難くなっており、被処理材Wの表面に酸化スケールが付着し難いため、酸化スケール等の除去に係る作業を簡易化することができる。
11 加熱室
12 冷却装置
13 定盤
13A 下定盤
13B 上定盤
14 温度制御装置
15 押圧装置
16 冷却室
17 不活性ガス供給装置
18 収容室
W 被処理材
Claims (9)
- 金属材料を使用して薄板状に形成された被処理材に対してクエンチ処理を施すために、上記被処理材を所定の高温度域に加熱する加熱室と、上記加熱室で加熱された上記被処理材を所定の低温度域に急冷する冷却装置と、上記加熱室から上記冷却装置へ上記被処理材を搬送する搬送装置と、を有するクエンチ処理設備であって、
上記冷却装置は、平板状に形成されて上記被処理材との間で伝熱を行う定盤と、上記定盤の温度を上記所定の低温度域に制御する温度制御装置と、上記定盤と上記被処理材とを圧接させる押圧装置と、を有することを特徴とするクエンチ処理設備。 - 上記クエンチ処理設備は、バッチ式のものであり、上記加熱室と上記冷却装置と上記搬送装置とが1つの収容室の室内に設置されているとともに、
上記収容室には不活性ガスを供給する不活性ガス供給器が接続されており、該不活性ガスを充満させることによって上記収容室内が無酸化雰囲気とされている、請求項1に記載のクエンチ処理設備。 - 上記クエンチ処理設備は、連続式のものであり、上記冷却装置と上記搬送装置とが1つの収容室の室内に設置され、上記加熱室の室内と上記収容室の室内とが連通されているとともに、
上記加熱室及び上記収容室には不活性ガスを供給する不活性ガス供給器が接続されており、該不活性ガスを充満させることによって上記加熱室内及び上記収容室内が無酸化雰囲気とされている、請求項1に記載のクエンチ処理設備。 - 上記冷却装置は、上記被処理材が圧接される上記定盤の圧接面に不活性ガスを吹き付ける不活性ガス吹付装置をさらに有する請求項1から3のうち何れか一項に記載のクエンチ処理設備。
- 上記被処理材の厚さは、1〜5mmである請求項1から4のうち何れか一項に記載のクエンチ処理設備。
- 請求項1から5のうち何れか一項に記載のクエンチ処理設備を使用し、金属材料を所定の薄板状に成形して得られた被処理材に対してクエンチ処理を施すためのクエンチ処理方法であって、
上記被処理材を所定の高温度域に加熱する加熱工程と、
上記加熱工程後の上記被処理材を所定の低温度域に急冷する冷却工程と、を備え、
上記冷却工程は、上記温度制御装置によって上記所定の低温度域に制御された上記定盤と上記被処理材とを、上記押圧装置を用いて所定の圧力で圧接させることにより、所定の上記薄板状に成形された上記被処理材の形状が保持された状態で行う、ことを特徴とするクエンチ処理方法。 - 上記加熱工程又は上記冷却工程は、無酸化雰囲気下で行われる請求項6に記載のクエンチ処理方法。
- 上記所定の高温度域は、800〜900℃であり、上記所定の低温度域は、50〜100℃である請求項6又は7に記載のクエンチ処理方法。
- 上記冷却工程において、上記所定の圧力は、10〜100kgf/cm2である請求項6から8のうち何れか一項に記載のクエンチ処理方法。
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