JP2938136B2 - 熱処理方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，アルミニウム材，鋼材等の金属材料を熱処
理する方法及び装置に関する。

〔従来技術〕

アルミニウム材，鋼材等の金属材料は，鋳造，鍛造な
どにより所望形状に加工した後，必要に応じて熱処理を
行う。即ち，これら金属材料の被処理体は，一旦所定の
高温に加熱した後冷却水中に浸漬して，その熱処理を行
う。この熱処理としては，例えば，アルミニウム材にお
いては溶体化処理が，また鋼材においては焼入れがあ
る。

この熱処理の冷却過程においては，被処理体の表面と
内部，冷却水中における被処理体の上端と下端とが，成
可く同じ温度を保ちながら，つまり両者の温度差を成可
く小さくした状態で，均等冷却する必要がある。何故な
ら，両者間の温度差が大きい場合には，被処理体内に熱
応力，熱ひずみが生じ，残留応力が発生するからであ
る。

しかしながら，第９図に示すごとく，加熱した被処理
体９を冷却水931中に浸漬すると，該被処理体９の表面
に接した冷却水が沸騰して気泡94を発生する。そして，
発生した気泡は上方に移動し，被処理体９の上部を覆
う。そのため，熱伝達の悪い気泡に覆われた上部は，冷
却水に早く接する下部に比較して冷却が遅れる。

それ故，被処理体９の下方と上方，更に表面と内部と
の間では大きな温度差が生じ，上記均等冷却ができな
い。

上記に関して，被処理体９としてアルミニウム鋳物
（以下，アルミ鋳物という）を例にとり，以下に説明す
る。

即ち，従来，アルミ鋳物（例えば自動車のシリンダヘ
ッド）の液体化処理は，第６図に示すごとく，一つのト
レー８内に多数の被処理体９を入れ，同時に熱処理を行
っている。このトレー８は，多量の被処理体９を同時に
加熱，冷却するため，その底面及び周囲は通気性，通水
性の良い網状となっている。

即ち，上記トレー８は，第７図及び第８図に示すごと
く，金属製であって底面に金網底81を，側面にはフレー
ム82の間に金網壁83を有する通水性の良い枠体である。
そして，該トレー８の金網底81上には，例えば40個の被
処理体９を立ててある。

アルミ鋳物の熱処理は，一般にT6処理が行われ，第６
図に示すごとく，熱処理炉91内で加熱された被処理体９
は炉出口の扉92が開くと，トレー８と共に冷却水槽93の
上部まで送られ，数秒で冷却水931内に浸漬される。こ
れにより，トレー８内には金網底81及び金網壁83より冷
却水931が流入し，アルミ鋳物は水温まで冷却され，固
溶化処理が行われる。

この時，冷却水に最初に接する被処理体の先端部（下
部）の冷却は非常に速い。そして，前記第９図に示すご
とく，被処理体９の水没方向，即ち冷却水に接した部分
から，漸次沸騰現象により被処理体９の表面に多量の気
泡94が発生する。そのため，前記のごとく，気泡94で覆
われた上部の冷却が遅れる。それ故，被処理体９の上方
と下方とでは，この気泡が原因となって，冷却能力，冷
却時間が異なり，大きな温度差が生ずる。その結果，熱
処理されたアルミ鋳物に残留歪みが生ずる。

そこで，上記問題の対策例として，冷却水中に冷却緩
和剤を混入する方法がある。この冷却緩和剤の使用によ
り被処理体の内部温度差は小さくなり，残留歪みも低減
できる。しかし，この方法は，冷却水中の冷却緩和剤の
濃度管理を必要とする。また，冷却緩和剤が被処理体の
表面に付着することがあるため，次工程に移る前に冷却
緩和剤の水洗工程が必要となる。

〔解決しようとする課題〕

本発明は，上記従来の問題点に鑑み，熱処理時におけ
る被処理体の内部温度の均一化を図り，残留応力の低減
ができる熱処理方法及びその装置を提供しようとするも
のである。

〔課題の解決手段〕

本発明における第１発明の熱処理方法は，加熱された
被処理体をトレーと共に冷却水中に浸漬して，該被処理
体を熱処理する方法において，被処理体の下部を覆って
上記浸漬を行い，浸漬の初期においては被処理体の下部
が冷却水に接触することを抑制し，浸漬の中期において
は被処理体の中央付近から冷却水を被処理体に接触さ
せ，更に浸漬の後期以降にかけては上記被処理体の下部
が局部的に冷却されることを防止して，被処理体全体の
冷却を均一に行うことを特徴とする熱処理方法にある。

本第１発明において最も注目すべきことは，加熱され
た被処理体をトレーと共に冷却水中に浸漬して熱処理す
るに当り，被処理体の下部を覆って上記浸漬を行い，浸
漬途中において冷却水を被処理体の中央部付近に供給し
て，被処理体の冷却状態を調整するようにしたことであ
る。

また，上記方法において浸漬初期とは，トレーの表面
が冷却水に接触してから，後述する通水抵抗体等によっ
て覆われた部分の上部が水没するまでのことをいう。

また，浸漬の中期とは，上記通水抵抗体等の上部から
被処理体全体が水没するまでの期間のことをいう。

更に，浸漬の後期とは，全体が水没して，冷却が完了
するまでの時期のことをいう。

次に，第２発明の熱処理装置は，被処理体を浸漬する
ための冷却水槽と， 該冷却水槽の冷却水中に加熱した被処理体を運び入れ
るトレーと， 該トレー内に配設されて上方を開口した有底で中空の
容器であると共に，被処理体の浸漬方向の下部を収容
し，浸漬初期においては，上記被処理体の下部が冷却水
に接触することを抑制する通水抵抗体とを有し，かつ該
通水抵抗体の容器における対向壁間距離は被処理体より
大きいことを特徴とする熱処理装置にある。

〔作 用〕

本発明の第１発明の熱処理方法においては，加熱され
た被処理体を冷却水中に入れて熱処理する。この際に，
被処理体は，その下部，即ちその長手方向の中央付近ま
で覆ったことにより，浸漬の初期には，被処理体の下部
はごく少量の冷却水に接触する。

そして，浸漬を続けていくと被処理体を覆った高さま
で下降し，遂には冷却水は被処理体の中央付近から，被
処理体に接触することになり，被処理体は中央付近から
冷却され始める。

また，続く浸漬により被処理体も完全に冷却水中に水
没する。

また，本発明の第２発明の熱処理装置において，通水
抵抗体を被処理体と共に加熱した状態で冷却水中に浸漬
したとき，まず該通水抵抗体の表面に接した冷却水は沸
騰しながら通水抵抗体の側壁に沿って上方に流れる。そ
して，上記のごとく冷却水が通水抵抗体の内部に流入す
る時には，上記の沸騰による気泡を含んだ冷却水が被処
理体の中央付近に接触し被処理体を冷却し始める。この
とき，冷却水は気泡を含んでいるので，被処理体表面か
ら冷却水への伝達熱量は小さく，被処理体表面は急激に
冷却されることはない。

そして，通水抵抗体内に流入した冷却水は被処理体の
下部を冷却する。また，流入した冷却水は通水抵抗体内
に滞留して被処理体を冷却すると共にその温度も上昇す
る。また，通水抵抗体内の冷却水は，通水抵抗体の側壁
を介して冷却水槽内の冷却水によって冷却される。

更に，被処理体が冷却水中に完全に沈没したときに
は，その上方も含めて全体が冷却水によって冷却され
る。

上記のごとく，本第１及び第２発明によれば，被処理
体の長手方向の中央付近まで覆うことによって，冷却水
は被処理体の中央部付近から，下方及び上方に接触して
いくため，長手方向の温度差は小さくなる。

また，上記のごとく，本第１及び第２発明において
は，冷却水は被処理体の中央部付近から供給されるた
め，被処理体の上下両端部に冷却水が接するのに要する
時間は，覆わない場合の約半分となり，長手方向の温度
分布は小さくなる。換言すれば，従来のごとく被処理体
を覆わない場合には，浸漬に伴って下端から上端まで冷
却水が接触していく時間が長い。

〔効 果〕

したがって，本発明の第１発明の方法及び第２発明の
装置によれば，熱処理時において被処理体の内部温度の
均一化を図ることができる。そのため，残留応力の発生
を極力押さえることができる。

また，従来のごとく，冷却緩和剤を用いないので，そ
の濃度管理，熱処理後における被処理体の水洗の必要が
なく，また冷却水の排水処理の問題も生じない。

また，前記装置によれば，上記方法と同様の効果を得
ることができる。また，熱処理装置も簡単である。

以上のごとく，本第１及び第２発明によれば，熱処理
時における被処理体の内部温度の均一化を図り，残留応
力の低減ができる，熱処理方法及びその装置を提供する
ことができる。

〔その他の発明の説明〕

本発明のその他の発明の熱処理装置は，その通水抵抗
体が，被処理体の下部を覆うためのもので，上方を開口
した有底で中空の函体を用いる。被処理体は，該函体状
の通水抵抗体内にその下方を挿入し，通水抵抗体内に立
てた状態で浸漬される。該通水抵抗体は，被処理体を入
れたとき，該被処理体と通水抵抗体壁との間に冷却水が
流入できる間隙を有する内形状とする。被処理体浸漬方
向に垂直な面における上記間隙の断面積と前記面におけ
る被処理体の断面積との比は,0.6:1.0〜1.5:1とするこ
とが好ましい。0.6:1以下では間隙が狭く被処理体下部
の冷却が遅れすぎ,1.5:1以上では間隙が広く被処理体下
部の冷却が早くなりすぎて被処理体の上下の温度差を助
長してしまう。

また，通水抵抗体の深さは，被処理体下部を覆う深さ
であり，被処理体の長さの40〜60％とすることが好まし
い。40％未満では，浅すぎて，浸漬初期において早めに
通水抵抗体内に冷却水が流入してしまう。また,60％を
越えると，浸漬後期にしかも被処理体の比較的上方より
通水抵抗体内に冷却水が流入し，被処理体の上下の温度
差にアンバランスを生じ易い。

また，通水抵抗体は，例えば被処理体の厚肉部分など
早目に冷却したい部分に，浸漬の早期から冷却水から散
布されるよう，通水抵抗体の側壁の一部分に小孔を設け
ておくこともできる（第４図参照）。

また，通水抵抗体は，浸漬途中に通水抵抗体の側方か
ら被処理体に冷却水が散布されるように，その側壁に小
孔を設けておくこともできる。また，この小孔は，上方
へいくほど，開口面積が大きくなるようにし，浸漬の進
行と共に大量の冷却水が被処理体に散布されるようにす
ることもできる（第５図参照）。また，通水抵抗体の底
面には，被処理体から落ちるスケール，鋳砂等を排出す
るための細い排出孔を設けておくことが好ましい。な
お，この排出孔があっても，ここから通水抵抗体内に浸
入する冷却水量は僅少なので，被処理体の冷却速度には
殆ど影響を与えない。

また，本発明の第１発明，第２発明及びその他の発明
は，アルミニウム材，鋼材等の鋳物，鋳造品などの，金
属材料の熱処理に適用することができる。

〔実施例〕

第１実施例 本発明の実施例にかかる熱処理方法及び装置につき，
第１図〜第３図を用いて説明する。

即ち，本例においては，トレー１内に通水抵抗体２を
入れ，該通水抵抗体２の中に被処理体９の下部を入れ
て，これらを下方より冷却水中に浸漬して，熱処理を行
う。

該トレー１は，従来と同様に底面に金網底11を，側面
にはフレーム12の間に金網壁13を設けてなり，通水性の
良い枠体である。また，該トレー１内には，第２図，第
３図に示すごとく，被処理体９をそれぞれ１個づつ挿入
するための，通水抵抗体２が多数配設してある。

上記通水抵抗体２は，第１図〜第３図に示すごとく，
被処理体９の下部を覆う函体であり，側壁22と底板23と
からなり，上方に開口部21を有する。そして，通水抵抗
体２の内部20の深さは，被処理体９の長さの約半分であ
る。また，通水抵抗体２の底板23には，排出孔24を有す
る。

また，上記被処理体９は，長さ450mm,縦幅200mm,横幅
150mmの大きさである。また，通水抵抗体は鋼板製で，
底板23の厚みは約10mm,側壁22の厚みは約5mmで，その大
きさは深さ220mm,縦幅250mm,横幅200mmである。また，
上記排出孔24は直径約10mmで,10ケ設けてある。

次に，熱処理にあたっては，上記トレー１内に配置，
固定した通水抵抗体２内に，被処理体９の下部を挿入す
る。これにより，トレー１内には，多数（例えば40本）
の被処理体９が立て置きされる。その後，前記従来技術
（第６図）で示したごとく，これらを熱処理炉内に入れ
る。そして，所定時間，高温度に加熱し，その後トレー
１と共にこれらを冷却水中に浸漬する。

この浸漬により，第１図に示すごとく，まず初期にお
いては，通水抵抗体２の下面及び側面に触れた冷却水が
沸騰する。そして，続くトレー１の浸漬により，相対的
に冷却水の水面が上がる。また，この水面では，上記沸
騰により冷却水が激しく飛散する。しかし，この時点で
は，被処理体９は通水抵抗体２内にあるため，冷却水と
接触は少なく，温度降下も小さい。

更に，トレー１が下降して，水面が通水抵抗体２開口
部21を越えると，つまり浸漬の中期においては，冷却水
はこの開口部21より通水抵抗体の内部20に溢流して来
る。そのため，被処理体９は，まずその中央部付近が冷
却水によって冷却され，更に通水抵抗体内にある下部が
冷却される。

また，上記に続くトレー１の下降に伴って，被処理体
９の全体が冷却水中に水没する。そのため，この時点で
被処理体９の全体が冷却される。これが，浸漬の後期以
降である。

そして，上記の浸漬過程により知られるごとく，被処
理体９は，上記浸漬中期における通水抵抗体内への冷却
水溢流によって，まずその中央部付近が冷却され，次い
で下部が冷却される。そして，被処理体９の水没，つま
り浸漬後期以降においては被処理体９の上部，更にその
全体が冷却される。

そのため，被処理体９の下端及び上端が冷却されるに
要する時間はほぼ同じとなり，冷却過程における被処理
体９の全体の温度差は少なくなる。それ故，被処理体９
の内部に発生する残留応力を極力抑えることができる。
なお，上記浸漬時において，通水抵抗体２内への冷却水
溢流時点から被処理体９の水没までの時間は，約１〜２
秒である。

また，本例においては，通水抵抗体２の底板23に排出
孔24を設けてあるので，通水抵抗体中に入った被処理体
９のスケール，鋳砂等を容易に排除できる。また，熱処
理後にトレー１を冷却水中より引き上げたときには，通
水抵抗体２中の冷却水をこの排出孔より排出できる。な
お，この排出孔24は細孔であるため，冷却初期にこの排
出孔を通じて通水抵抗体内に入る冷却水量は極く僅かで
あり，上記冷却過程には影響を及ぼさない。

また，熱処理要の冷却水931は，前記第６図に示した
ごとく，処理用の水槽93と別途温度調節を行う水槽（図
示無し）の間を循環し，所定の温度に制御さる。そのた
め，処理用の水槽93内では循環流れがある。そして，ト
レー８内外周に入っている被処理体９はこの流れの影響
を受け，内部に置かれたものに比べて速く冷却される。
従って，品質管理上，この流れの影響を避け，トレー８
内の被処理体９の品質を均一にする必要がある。第２図
は，通水抵抗体のトレー側の壁25を伸ばし，冷却水の流
れの影響を小さくするようにしたものを示している。

第２実施例 本例は，第４図に示すごとく，被処理体５が，部分的
に熱容量を異にする場合に用いる，通水抵抗体３に関す
る。

即ち，アルミニウム製のシリンダヘッド等は，シリン
ダブロックに当たる側は厚肉部を呈し，カムカバーに当
たる部分は薄肉部である。そのため，両部を同じ条件で
冷却すると，当然のごとながら，薄肉部の冷却が速く，
冷却時には全体として不均一な温度となる。

そこで，第４図に示すごとく，通水抵抗体３におい
て，被処理体５の肉厚部51に面する側壁32には，多数の
通水孔33を穿設しておく。また，上記通水抵抗体３は，
側壁32と，その内部に設けたセキ板34とを有する。セキ
板34は，被処理体５との間に間隙341を有するよう設け
てある。

また，被処理体５は厚肉部51と，薄肉部53と，両者の
両端を連結する外壁52とを有する。また，通水抵抗体３
の深さは，被処理体５の全長の約半分である。その他
は，第１実施例と同様である。

そして，熱処理に当たって，上記通水抵抗体３を搭載
したトレーを冷却水中に浸漬すと，浸漬の初期にはまず
上記通水孔33より通水抵抗体３内に冷却水が噴出する。
そして，冷却水は上記厚肉部51に接触し，これを冷却す
る。

このとき，通水抵抗体３の上方開口部は，まだ冷却水
の水面より上にあるので，被処理体５の薄肉部53,外壁5
2には冷却水が接触しない。また，厚肉部51に接触して
加熱された冷却水は，落下して通水抵抗体３の底に溜ま
り，上記間隙341を経て，少量づつ薄肉部53側へ流れ
る。

次に，通水抵抗体３の上方開口部が冷却水の水面下に
来たとき，第１実施例で示したごとく通水抵抗体３内に
冷却水が溢流し，被処理体５の中央付近から冷却水が接
触し始める。更に，被処理体５全体が冷却水中に水没し
て全体が冷却される。

このようにして，本例によれば，厚肉部を早目に冷却
した後，薄肉部及び全体の冷却を行うことができ，第１
実施例と同様に均一冷却を行うことができる。また，第
１実施例と同様の効果を得ることができる。

第３実施例 本例は，第５図に示すごとく，被処理体９を入れる通
水抵抗体４において，側壁41に多数の通水孔42を設けた
ものである。

そして，この通水孔42は，側壁41の中央付近よりも上
方に設けてあり，しかも上方にいくに従って大きい孔径
としてある。つまり，上方にいくに従い開口率を大きく
してある。

本例によれば，通水抵抗体が浸漬されていくと冷却水
が側壁41より内部へ噴出し，しかもその通水抵抗体の浸
漬深さが進むにつれて噴出量が増大する。また，本例に
よれば，上記通水孔の位置，大きさ，浸漬速度を制御す
ることによって冷却速度を調整することができる。ま
た，第１実施例と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は第１実施例を示し，第１図は冷却時の
説明図，第２図はトレーの側面図，第３図はトレー内に
通水抵抗体を配置した状態の斜視図，第４図は第２実施
例における被処理体を入れた通水抵抗体の平面図，第５
図は第３実施例における通水抵抗体の一部断面斜視図，
第６図〜第９図は従来例を示し，第６図は熱処理の説明
図，第７図はトレーの側面図，第８図はトレーの斜視
図，第９図は冷却時の説明図である。 1,8……トレー， 2,3,4……通水抵抗体， 21……開口部， 22,32,41……側壁， 33,42……通水孔， ９……被処理体， 931……冷却水，

フロントページの続き (72)発明者 古谷 健夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 宇田 誠司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−70715（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−181857（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−11152（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21D 1/18,1/63

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱された被処理体をトレーと共に冷却水
   中に浸漬して，該被処理体を熱処理する方法において， 被処理体の下部を覆って上記浸漬を行い，浸漬の初期に
   おいては被処理体の下部が冷却水に接触することを抑制
   し，浸漬の中期においては被処理体の中央付近から冷却
   水を被処理体に接触させ，更に浸漬の後期以降にかけて
   は上記被処理体の下部が局部的に冷却されることを防止
   して，被処理体全体の冷却を均一に行うことを特徴とす
   る熱処理方法。
2. 【請求項２】被処理体を浸漬するための冷却水槽と， 該冷却水槽の冷却水中に加熱した被処理体を運び入れる
   トレーと， 該トレー内に配設されて上方を開口した有底で中空の容
   器であると共に，被処理体の浸漬方向の下部を収容し，
   浸漬初期においては，上記被処理体の下部が冷却水に接
   触することを抑制する通水抵抗体とを有し，かつ該通水
   抵抗体の容器における対向壁間距離は被処理体より大き
   いことを特徴とする熱処理装置。