JP2022155722A - 冷却ジャケット及び焼入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却速度の均一化が可能な冷却ジャケット及び焼入装置を提供する。【解決手段】冷却ジャケット１０は、冷却液２０１を流通させる冷却液供給部材２０と、冷却液供給部材２０から冷却液２０１が供給され、冷却液２０１を噴射する複数の噴射孔３２及び３３が形成された冷却液噴射部材３０と、を備える。冷却液噴射部材３０におけるワークに対向する冷却液噴射面３１は、上下方向Ｖに沿って配列された上部領域３５、中央領域３６、及び、下部領域３７を有する。中央領域３６に形成された各噴射孔３３の面積は、上部領域３５に形成された各噴射孔３２の面積、及び、下部領域３７に形成された各噴射孔３２の面積よりも大きい。冷却液噴射部材３０はワーク１００に対して水平方向Ｈに相対的に移動する。複数の噴射孔３２及び３３が最も短い間隔で配列された最密方向Ｗは、水平方向Ｈ及び上下方向Ｖの双方に対して傾斜している。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、冷却ジャケット及び焼入装置に関する。

鉄鋼部品(以下、「ワーク」という)をオーステナイト変態点以上の高温まで加熱し、引き続きワークを急冷することにより、ワークに焼入処理を施す焼入装置が使用されている。このような焼入装置において、ワークに均一な焼入処理を施すためには、加熱したワークの焼入れを施したい表面を均一に冷却することが必要である。しかしながら、ワークが大きいか、もしくは形状が複雑であると、均一な冷却が困難である。

特開２００７－２０４８３４号公報

本発明の実施形態の目的は、冷却速度の均一化が可能な冷却ジャケット及び焼入装置を提供することである。

本発明の実施形態に係る冷却ジャケットは、冷却液を流通させる冷却液供給部材と、前記冷却液供給部材から前記冷却液が供給され、前記冷却液を噴射する複数の噴射孔が形成された冷却液噴射部材と、を備える。前記冷却液噴射部材におけるワークに対向する面は、上下方向に沿って配列された上部領域、中央領域、及び、下部領域を有する。前記中央領域に形成された各前記噴射孔の面積は、前記上部領域に形成された各前記噴射孔の面積、及び、前記下部領域に形成された各前記噴射孔の面積よりも大きい。前記冷却液噴射部材は前記ワークに対して水平方向に相対的に移動する。前記複数の噴射孔が最も短い間隔で配列された最密方向は、前記水平方向及び前記上下方向の双方に対して傾斜している。

本発明の実施形態に係る焼入装置は、前記冷却ジャケットと、前記ワークを加熱する加熱手段と、を備える。

本発明の実施形態によれば、冷却速度の均一化が可能な冷却ジャケット及び焼入装置を実現することができる。

図１は、実施形態に係る焼入装置を示す斜視図である。 図２は、図１の領域Ａを示す斜視断面図である。 図３は、実施形態に係る冷却ジャケットを示す拡大斜視断面図である。 図４は、実施形態に係る冷却ジャケットの冷却液噴射面を示す側面図である。 図５（ａ）～（ｃ）は、実施形態に係る冷却ジャケットの動作を模式的に示す図である。 図６は、比較例に係る冷却ジャケットの冷却液噴射面を示す側面図である。 図７（ａ）～（ｄ）は、比較例に係る冷却ジャケットの動作を模式的に示す図である。 図８（ａ）は試験例において使用したワークを示す部分断面図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり縦軸に温度をとって冷却時のワークの温度変化を示すグラフであり、（ｃ）は横軸に冷却時の温度範囲をとり縦軸に冷却速度をとって各温度範囲における冷却速度を示すグラフである。

＜実施形態＞
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る焼入装置を示す斜視図である。
図２は、図１の領域Ａを示す斜視断面図である。
図３は、本実施形態に係る冷却ジャケットを示す拡大斜視断面図である。
図４は、本実施形態に係る冷却ジャケットの冷却液噴射面を示す側面図である。

図１に示すように、本実施形態において焼入処理の対象となるワーク１００は、例えば、旋回輪である。ワーク１００の全体の形状は略環状であり、その内面には複数の歯部１０１が設けられている。複数の歯部１０１は、ワーク１００の周方向に沿って周期的に配列されている。本実施形態に係る焼入装置１は、ワーク１００の内面に対して焼入処理を施す。

焼入装置１においては、冷却ジャケット１０と、加熱手段と、移動手段６０と、が設けられている。本実施形態においては、冷却ジャケット１０はワーク１００の内側に配置されており、移動手段６０はワーク１００の外側に配置されている。移動手段６０は、例えば、ワーク１００の外周面に当接することにより、ワーク１００を自転させる駆動ローラーである。移動手段６０は、ワーク１００を自転させることにより、ワーク１００を冷却ジャケット１０に対して相対的に移動させる。

図１～図３に示すように、冷却ジャケット１０においては、冷却液供給部材２０と、冷却液噴射部材３０と、が設けられている。冷却液供給部材２０の形状は略円板状である。冷却液供給部材２０内には、冷却液の流通経路が形成されている。冷却液供給部材２０は、例えば、下面の中央部を介して外部から冷却液が供給され、この冷却液を冷却液供給部材２０の外周面に分配する。

冷却液噴射部材３０は、冷却液供給部材２０の外周面に取り付けられている。冷却液噴射部材３０の形状は、リング状である。冷却液噴射部材３０の外周面が、冷却液噴射面３１となっている。冷却液噴射面３１はワーク１００の内周面に対向している。冷却ジャケット１０の中心軸Ｃは、上下方向Ｖに延びている。

加熱手段は冷却ジャケット１０内に配置されており、例えば、冷却液噴射部材３０内に組み込まれている。加熱手段は、例えば、高周波誘導コイルである。冷却液供給部材２０の下面には、板状部材２１が取り付けられている。板状部材２１は、冷却液噴射部材３０とワーク１００との隙間の下方に配置されている。

移動手段６０により、冷却液噴射面３１はワーク１００に対してワーク１００の周方向に相対的に移動する。ワーク１００の周方向は、水平面に対して平行であり、水平方向Ｈの一種である。

図４に示すように、冷却液噴射部材３０の冷却液噴射面３１には、それぞれ複数の噴射孔３２及び３３が形成されている。噴射孔３２及び３３は、冷却液供給部材２０によって供給された冷却液をワーク１００に対して噴射するための孔である。噴射孔３２及び３３が延びる方向は、例えば、冷却ジャケット１０の半径方向であり、水平方向である。噴射孔３２及び３３の形状は、例えば、円柱形である。噴射孔３３の直径は、噴射孔３２の直径よりも大きい。このため、冷却液噴射面３１において、各噴射孔３３の面積は、各噴射孔３２の面積よりも大きい。

冷却液噴射面３１において、噴射孔３２及び３３は、複数の列をなして２次元的に配列されている。図４に示す列３４は、噴射孔３２及び３３が最も短い間隔で配列された列である。すなわち、隣り合う噴射孔間の距離のうち、列３４が延びる最密方向Ｗにおける距離Ｄ１は、水平方向Ｈにおける距離Ｄ２、上下方向Ｖにおける距離Ｄ３、それ以外の方向における距離Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６のいずれよりも短い。最密方向Ｗは、上下方向Ｖ及び水平方向Ｈの双方に対して傾斜している。冷却液噴射面３１において、列３４は複数形成されており、冷却液噴射部材３０の周方向に沿って周期的又は略周期的に配列されている。

冷却液噴射面３１においては、上下方向Ｖに沿って、上部領域３５、中央領域３６、下部領域３７が設定されている。下部領域３７は上部領域３５よりも下方、すなわち、重力の方向に位置している。中央領域３６は上部領域３５と下部領域３７との間に配置されている。上部領域３５及び下部領域３７には、噴射孔３２が形成されている。中央領域３６には、噴射孔３３が形成されている。したがって、中央領域３６に形成された各噴射孔の面積は、上部領域３５に形成された各噴射孔の面積、及び、下部領域３７に形成された各噴射孔の面積よりも大きい。

上下方向Ｖにおける中央領域３６の長さは、上下方向Ｖにおける上部領域３５の長さよりも長く、上下方向Ｖにおける下部領域３７の長さよりも長い。例えば、上下方向Ｖにおける中央領域３６の長さは、上下方向Ｖにおける上部領域３５の長さ及び下部領域３７の長さの合計よりも長い。図４に示す例では、上部領域３５においては、上下方向Ｖに沿って噴射孔３２が４段設けられており、中央領域３６においては、上下方向Ｖに沿って噴射孔３３が１２段設けられており、下部領域３７においては、上下方向Ｖに沿って噴射孔３２が３段設けられている。

なお、図４には、ワーク１００の位置も二点鎖線で表している。図２～図４に示すように、上下方向Ｖにおいて、冷却液噴射面３１の上縁の位置はワーク１００の上縁の位置と略等しく、冷却液噴射面３１の下縁の位置はワーク１００の下縁の位置と略等しい。

次に、本実施形態に係る焼入装置１の動作について説明する。
図１に示すように、ワーク１００を、内面が冷却ジャケット１０に対向し、外面が移動手段６０に当接するように配置する。このとき、ワーク１００の中心軸は冷却ジャケット１０の中心軸Ｃと一致させる。

次に、移動手段６０により、ワーク１００を自転させる。これにより、冷却ジャケット１０の冷却液噴射部材３０が、ワーク１００に対して水平方向Ｈに相対的に移動する。

次に、冷却液噴射部材３０の加熱手段がワーク１００を加熱する。このとき、ワーク１００が鋼からなる場合は、オーステナイト変態点以上の温度まで加熱する。その後、加熱手段を停止させる。

次に、冷却液を冷却液供給部材２０内に供給する。冷却液は、例えば、ポリマー水溶液又は水である。冷却液は冷却液供給部材２０内を流通して冷却液噴射部材３０に到達し、噴射孔３２及び３３から噴射される。噴射された冷却液は、ワーク１００の内面に接触する。これにより、ワーク１００が冷却される。この結果、ワーク１００の内面に焼入処理が施される。

以下、冷却工程をより詳細に説明する。
図５（ａ）～（ｃ）は、本実施形態に係る冷却ジャケットの動作を模式的に示す図である。
図５（ａ）～（ｃ）は、冷却の初期段階を示している。また、図５（ａ）～（ｃ）において、冷却液の噴射は矢印で表し、太い矢印は細い矢印よりも噴射量が多いことを表している。後述する図７（ａ）～（ｄ）についても同様である。

図５（ａ）に示すように、冷却液噴射部材３０の噴射孔３２及び３３から、冷却液２０１が噴射される。このとき、冷却液噴射部材３０の上部領域３５及び下部領域３７には相対的に小さい噴射孔３２が形成されているため、冷却液２０１の噴射量は相対的に少ない。中央領域３６には相対的に大きい噴射孔３３が形成されているため、冷却液２０１の噴射量は相対的に多い。冷却工程の最初のタイミングで噴射された冷却液２０１は、ワーク１００に接触し、ワーク１００との間で熱交換を行う。

図５（ｂ）に示すように、ワーク１００に接触した冷却液２０１は蒸発して、ワーク１００の内面に沿って蒸気層２０２を形成する。蒸気層２０２はその後に噴射された冷却液２０１がワーク１００に到達することを阻害する。しかしながら、中央領域３６における冷却液２０１の噴射量は上部領域３５及び下部領域３７における冷却液２０１の噴射量よりも多いため、蒸気層２０２は冷却液２０１によって上下に押し出される。

このため、図５（ｃ）に示すように、蒸気層２０２が速やかに除去されて、冷却液２０１が再びワーク１００に接触する。これにより、ワーク１００が引き続き冷却される。

ワーク１００の内面に接触した冷却液の一部は、冷却液噴射部材３０とワーク１００との隙間内を下方に移動し、板状部材２１上で短時間滞留してワーク１００の下面に接触した後、落下する。ワーク１００の内面に接触した冷却液の残部は、冷却液噴射部材３０とワーク１００との隙間内を上方に移動し、ワーク１００上及び冷却ジャケット１０上で短時間滞留してワーク１００の上面に接触した後、主にワーク１００の外側から落下する。

ワーク１００が十分に冷却されたら、冷却液２０１の供給を停止すると共に、移動手段６０を停止する。このようにして、焼入装置１はワーク１００の内面に焼入処理を施す。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る冷却ジャケット１０においては、冷却液噴射面３１において、中央領域３６に形成された各噴射孔３３の面積が、上部領域３５に形成された各噴射孔３２の面積、及び、下部領域３７に形成された各噴射孔３２の面積よりも大きい。これにより、ワーク１００の内面に沿って発生した蒸気層２０２を速やかに上下に排出することができ、その後に噴射された冷却液２０１をワーク１００に速やかに接触させることができる。この結果、ワーク１００の上下方向中央部における冷却効率が向上する。ワーク１００の上下方向中央部は、上部及び下部と比較して、冷却されにくい。このため、ワーク１００の上下方向中央部における冷却効率を向上させることにより、冷却速度の均一化を図ることができる。

また、冷却ジャケット１０に板状部材２１が設けられていることにより、冷却液噴射部材３０とワーク１００との隙間から落下した冷却液２０１を、板状部材２１上で短時間滞留させて、ワーク１００の下面に接触させることができる。これにより、ワーク１００の下面も効率よく冷却することができる。ワーク１００の上面上には冷却液２０１が短時間滞留するため、仮に板状部材２１が設けられていないと、ワーク１００の下面の冷却速度が上面の冷却速度よりも低くなる可能性がある。これに対して、本実施形態においては、板状部材２１が設けられているため、ワーク１００の上面と下面で冷却速度を揃えることができる。これによっても、ワーク１００の冷却速度の均一化を図ることができる。

また、冷却液噴射部材３０はワーク１００に対して水平方向に相対的に移動するため、ワーク１００の内面における任意の位置は、冷却液噴射面３１において水平方向に配列された複数の噴射孔と順次対向する。したがって、ワーク１００の冷却効率を向上させるためには、ワーク１００の内面における上下方向Ｖに延びる線分が所定の冷却期間において対向する冷却液噴射面３１の矩形領域内において、上下方向Ｖにおける噴射孔の段数をできるだけ多くすることが好ましい。

本実施形態においては、冷却液噴射面３１において、噴射孔３２及び３３が最も短い間隔で配列された列３４が延びる最密方向Ｗは、水平方向Ｈ及び上下方向Ｖの双方に対して傾斜している。これにより、上述の矩形領域内において、上下方向Ｖにおける噴射孔の段数を多くすることができる。

最密方向Ｗが上下方向Ｖに対して傾斜していることにより、噴射孔３２及び３３を上下方向Ｖに沿って密に配列させることができる。より具体的に説明すると、図４に示す例では、上下方向Ｖに沿って、上部領域３５においては噴射孔３２が４段配列されており、中央領域３６においては噴射孔３３が１２段配列されており、下部領域３７においては噴射孔３２が３段配列されており、噴射孔は合計で１９段配列されている。これに対して、仮に、最密方向Ｗを上下方向Ｖと一致させると、距離Ｄ１を一定とした場合、上下方向Ｖに沿った噴射孔の段数は１９段よりも少なくなる。

一方、最密方向Ｗが水平方向Ｈに対して傾斜していることによっても、上述の矩形領域内において、上下方向Ｖに沿った噴射孔の段数を多くすることができる。より具体的に説明すると、仮に、最密方向Ｗを水平方向Ｈと一致させると、列３４が並ぶ方向、すなわち、噴射孔の最密方向Ｗと直交する方向が上下方向Ｖと一致することになり、上下方向Ｖにおける噴射孔の段数が低減する。この場合は、ワーク１００が冷却液噴射部材３０に対して水平方向に移動しても、上下方向Ｖにおける噴射孔の位置は変わらないため、上下方向Ｖに沿った噴射孔の段数を増やす効果は得られない。

更に、最密方向Ｗが水平方向Ｈ及び上下方向Ｖの双方に対して傾斜していることにより、ワーク１００における隣り合う歯部１０１間の歯底においては、冷却液が噴射される位置が時間的に変化する。これにより、ワーク１００の歯底において、冷却液の上下方向Ｖに沿った動きが生成される。これによっても、ワーク１００の冷却速度の均一化を図ることができる。

ワーク１００が環状である場合、内側面は外側面と比較して単位体積当たりの表面積が小さいため、冷却されにくい。また、ワーク１００に歯部１０１が形成されている場合、歯底は歯先と比較して単位体積当たりの表面積が小さいため、冷却されにくい。したがって、ワーク１００の内側面の歯底は、一般に冷却効率が低い。本実施形態においては、噴射孔３２及び３３を上述の如く形成することにより、ワーク１００の内側面の歯底においても、冷却効率を向上させることができる。この結果、ワーク１００の冷却速度の均一化を図ることができる。

＜比較例＞
次に、比較例について説明する。
図６は、比較例に係る冷却ジャケットの冷却液噴射面を示す側面図である。

図６に示すように、本比較例に係る冷却ジャケットにおいては、冷却液噴射部材１３０の冷却液噴射面１３１に複数の噴射孔１３２が形成されている。噴射孔１３２の大きさは、相互に実質的に等しい。また、複数の噴射孔１３２は、冷却液噴射面１３１において実質的に均一に分布されている。隣り合う３つの噴射孔１３２は、正三角形の頂点に位置する。すなわち、噴射孔１３２が最も短い間隔で配列された列１３４は、相互に６０度の角度をなす３方向に延びる。この３方向のうちの１つは、水平方向Ｈと一致する。

次に、比較例に係る冷却ジャケットの動作について説明する。
図７（ａ）～（ｄ）は、本比較例に係る冷却ジャケットの動作を模式的に示す図である。

図７（ａ）に示すように、冷却液噴射部材１３０の噴射孔１３２から、冷却液２０１が噴射される。冷却液噴射面１３１においては、複数の噴射孔１３２が略均一に分布されているため、冷却液２０１の噴射量も略均一である。

図７（ｂ）に示すように、冷却液２０１はワーク１００に接触することにより蒸発し、ワーク１００の内面に沿って蒸気層２０２を形成する。蒸気層２０２はその後に噴射された冷却液２０１がワーク１００に到達することを阻害する。本比較例においては、冷却液２０１の噴射量は略均一であるため、蒸気層２０２を上下に押し出す作用は少ない。

図７（ｃ）に示すように、その後に噴射される冷却液２０１によって蒸気層２０２は徐々に消失する。しかしながら、その間、冷却液２０１のワーク１００への到達は阻害され、ワーク１００の冷却効率は低下する。

図７（ｄ）に示すように、蒸気層２０２が除去されると、冷却液２０１が再びワーク１００に接触する。これにより、ワーク１００が引き続き冷却される。このように、比較例においては、上述の実施形態と比較して、蒸気層２０２の排出が遅く、冷却工程の初期段階における冷却効率が低い。

＜試験例＞
次に、上述の効果を示す試験例について説明する。
図８（ａ）は本試験例において使用したワークを示す部分断面図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり縦軸に温度をとって冷却時のワークの温度変化を示すグラフであり、（ｃ）は横軸に冷却時の温度範囲をとり縦軸に冷却速度をとって各温度範囲における冷却速度を示すグラフである。

本試験例においては、上述の実施形態において説明した実施例に係る冷却ジャケットと、比較例に係る冷却ジャケットを作製し、それぞれの冷却ジャケットを用いてワーク１００に対して焼入処理を行い、冷却速度を測定した。

以下、試験条件について説明する。
図８（ａ）に示すように、本試験例においては、ワーク１００として、内側面に歯部１０１が形成された旋回輪を使用した。ワーク１００の材料は、炭素鋼Ｓ５０Ｃとした。加熱処理は高周波誘導加熱によって行い、加熱温度は歯底中央部においてオーステナイト変態点以上の高温（９１０℃）まで加熱した。冷却液には所定濃度のポリマー溶液を使用した。

実施例に係る冷却ジャケットにおいては、図１から４に示すような冷却液噴射部材３０を用い、その上部領域及び下部領域の噴射孔３２の直径を１．８ｍｍとし、中央領域の噴射孔３３の直径を２．４ｍｍとした。比較例に係る冷却ジャケットにおいては、図６に示すような冷却液噴射部材１３０を用い、その噴射孔１３２の直径を１．８ｍｍとした。温度の測定位置１１０は、ワーク１００の内面における上下方向中央部の歯底であって、表面から２ｍｍ深い位置とした。

図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、比較例に係る冷却ジャケットを用いた場合は、冷却工程の初期段階、すなわち、温度が９１０℃から８００℃までの範囲において、ワーク１００の冷却速度が低くなった。これに対して、実施例に係る冷却ジャケットを用いた場合は、同じ温度範囲において、ワーク１００の冷却速度が比較例よりも高かった。このように、実施例によれば、比較例よりも冷却の初期段階における上下方向中央部の冷却速度が高かった。

前述の実施形態は、本発明を具現化した例であり、本発明はこの実施形態には限定されない。例えば、前述の実施形態において、いくつかの構成要素を追加、削除又は変更したものも本発明に含まれる。例えば、冷却液噴射面における噴射孔の形状は円形には限定されず、例えば、多角形でもよい。また、噴射孔３３の隣り合う噴射孔間の距離は噴射孔３２の隣り合う噴射孔間の距離よりも狭く形成されていてもよい。また、噴射孔が延びる方向は水平方向には限定されず、斜め下方向又は斜め上方向でもよい。更に、冷却液供給部材２０と冷却液噴射部材３０は一体的に形成されていてもよい。また、焼入装置は、ワークの外周面に対して焼入処理を施してもよい。この場合は、冷却ジャケットはワークの外側に配置され、移動手段はワークの内側に配置される。ワークは旋回輪には限定されない。

１：焼入装置
１０：冷却ジャケット
２０：冷却液供給部材
２１：板状部材
３０：冷却液噴射部材
３１：冷却液噴射面
３２、３３：噴射孔
３４：列
３５：上部領域
３６：中央領域
３７：下部領域
６０：移動手段
１００：ワーク
１０１：歯部
１１０：測定位置
１３０：冷却液噴射部材
１３１：冷却液噴射面
１３２：噴射孔
１３４：列
２０１：冷却液
２０２：蒸気層
Ｃ：中心軸
Ｄ１～Ｄ６：距離
Ｈ：水平方向
Ｖ：上下方向
Ｗ：最密方向

Claims (7)

1. 冷却液を流通させる冷却液供給部材と、
   前記冷却液供給部材から前記冷却液が供給され、前記冷却液を噴射する複数の噴射孔が形成された冷却液噴射部材と、
   を備え、
   前記冷却液噴射部材におけるワークに対向する面は、上下方向に沿って配列された上部領域、中央領域、及び、下部領域を有し、
   前記中央領域に形成された各前記噴射孔の面積は、前記上部領域に形成された各前記噴射孔の面積、及び、前記下部領域に形成された各前記噴射孔の面積よりも大きく、
   前記冷却液噴射部材は前記ワークに対して水平方向に相対的に移動し、
   前記複数の噴射孔が最も短い間隔で配列された最密方向は、前記水平方向及び前記上下方向の双方に対して傾斜している冷却ジャケット。
2. 前記中央領域の前記上下方向における長さは、前記上部領域の前記上下方向における長さ、及び、前記下部領域の前記上下方向における長さよりも長い請求項１に記載の冷却ジャケット。
3. 前記冷却液噴射部材と前記ワークとの隙間の下方に配置された板状部材をさらに備えた請求項１または２に記載の冷却ジャケット。
4. 前記ワークは環状であり、
   前記冷却液噴射部材は前記ワークの内面に対向する請求項１～３のいずれか１つに記載の冷却ジャケット。
5. 前記ワークは環状であり、
   前記ワークにおける前記冷却液噴射部材に対向する面には、前記ワークの周方向に配列された複数の歯部が設けられている請求項１～３のいずれか１つに記載の冷却ジャケット。
6. 請求項１～５のいずれか１つに記載の冷却ジャケットと、
   前記ワークを加熱する加熱手段と、
   を備えた焼入装置。
7. 前記ワークを前記冷却液噴射部材に対して相対的に移動させる移動手段をさらに備えた請求項６に記載の焼入装置。

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