JP4173256B2 - 変形、歪みを抑える焼入れ方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の熱処理における焼入れ時の変形や歪みを抑えることができる焼入れ方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、焼入れは、鋼を変態点以上の温度に加熱した後、油，水，水溶性冷却剤などの適当な冷却液中に浸漬して急速に冷却する操作であり、例えば図１０に示すような焼入れ装置が使用される。この焼入れ装置は、焼入れ剤である冷却液１を貯えた冷却槽２と、この冷却槽２内に片寄せて配設されたプロペラ攪拌機３と、プロペラ攪拌機３による槽内の液流４を槽底から上部に向かうように整える整流板５とを備えている。もっとも、プロペラ攪拌機３の代わりに噴流用ポンプを用いるものもある。
【０００３】
この焼入れ装置を用いて、鋼製または特殊鋼製の被処理物（以下、ワークという）Ｗを焼入れ処理する方法は次の通りである。
すなわち、予め攪拌機３を始動させて冷却槽２内に冷却液１の流れ４を作っておく。別途に加熱炉で変態点以上に加熱された高温のワークＷをバスケット等の容器６に収納し、これを冷却槽２の冷却液１に浸漬する。かくして冷却液の流れ４にさらすことによりワークＷは急冷され、硬化しまたは強さを増す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、容器６内のワークＷは、エレベータで下降して冷却液１中に浸漬され焼入れされる。そのため、冷却は容器６の下部から始まり、徐々に上部が冷却される傾向がある。更に、冷却液の流れ４が槽の底部から上部に向かう上昇流であることも関与して、被処理品であるワークＷの全体を上部も下部も均一に冷却することが難しい。そのため、ワークＷが単体の場合は変形が起こり、またワークＷが多数個のロットの場合は、ロット全体でバラツキが発生してしまう。
【０００５】
それでもワークＷの数量やサイズが小さければ、攪拌機３による冷却液の流れ４の乱され方が少ないから、バラツキのない良好な焼入れが行われ易い。
しかしながら、一般的な焼入れ装置では、一度に重量で数百キロ〜千キロ程度のワークＷを焼入れする。そのため、冷却槽２内の液流４が遮られてしまい、槽内におけるワークＷの位置特に上部と下部とでは冷却の速度が大きく異なり、冷却のバラツキが大きくなって焼入れ硬さや、歪み，曲がり等の焼入れ変形にバラツキを生ずるという問題がある。
【０００６】
熱処理歪みや曲がりなどが大きい場合には、熱処理後にワークＷの切削工程が必要になる。ところが、近年、熱処理部品の高精度化に伴い、熱処理歪みや曲がりを極力抑え、熱処理後の切削工程を省略することが望まれている。
そこで、本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたものであり、焼入れ処理における冷却能のバラツキを抑制し、もって焼入れ時に発生する変形や歪みを抑制できる焼入れ方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、請求項１に係る発明は、冷却液が溜められた焼入れ冷却槽内に被処理物を浸漬して焼入れする方法において、前記焼入れ冷却槽内にその底部から冷却液を噴流して当該焼入れ冷却槽内の冷却液を攪拌しながら前記被処理物を冷却すると同時に、当該焼入れ冷却槽内の冷却液中に共通の軸を介して連結された上下多段の振動板を没入し、当該振動板を前記軸を介して上下に振動させて当該冷却液に上下振動を強制的に与えて冷却能のバラツキを抑制することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の変形、歪みを抑える焼入れ方法において、前記焼入れ冷却槽内の冷却液に与える上下振動として、振動周波数１０〜６０Ｈｚの範囲の上下振動を用いることを特徴とする。
【０００９】
さらに、請求項３に係る発明は、焼入れ冷却槽内の冷却液に被処理物を浸漬して当該被処理物を焼入れする装置において、前記焼入れ冷却槽内にその底部から冷却液を噴流して当該焼入れ冷却槽内の冷却液を攪拌する攪拌手段と、当該焼入れ冷却槽内の冷却液中に共通の軸を介して連結された上下多段の振動板を没入し、当該振動板を前記軸を介して上下に振動させて当該冷却液に上下振動を付与する振動手段と、当該振動手段の振動周波数を１０〜６０Ｈｚの範囲で調整する周波数調整手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る焼入れ装置の一例を模式的に示す正面断面図である。なお、従来と同一部分には同一符号を付してある。
先ず構成を説明すると、この焼入れ装置は、冷却液１を貯えた冷却槽２内に片寄せて配設した振動攪拌機１０を備えている。この振動攪拌機１０は、略等間隔に上下に配列した１１段の振動板１０ａを有して冷却液１に振動を付与する多段式振動装置であり、振動板１０ａの段数は、バスケット容器６の高さ（深さ）を十分に覆いうる高さとされている。
【００１１】
それらの振動板１０ａは共通の軸１０ｂを介して連結され、冷却液１に没入させてある。その軸１０ｂの端部は、振動の周波数を調整する周波数調整手段として図示しない周波数調整器を内蔵した駆動装置１１に接続されている。
周波数調整器は、焼入れされるワークＷの形状や材質に応じて冷却過程で振動周波数を変化させることが可能である。
【００１２】
冷却槽２の中央スペースには、ワークＷを収納するバスケット容器６が配設され、例えば図外のエレベータにて昇降可能とされている。
次に作用を説明する。
振動攪拌機１０を始動させると、冷却槽２内に冷却液１の水平方向の流れ４が形成される。別途に加熱炉で変態点以上に加熱された高温のワークＷを容器６に収納し、これをエレベータで冷却槽２の冷却液１に浸漬する。この場合、冷却液の流れ４は水平流であるから、容器６内の上部，中部，下部を横断しつつワークＷを均一に急冷する。即ち、従来の上昇流の場合のように、下部のワークＷから冷却が始まり、徐々に上部が冷却されるという上下の不均一はなく、ワークＷ全体が均一に硬化しまたは強さを増す。かくして、焼入れにおけるワークＷの変形，歪みを押さえることができる。
【００１３】
図２に、本発明に係る焼入れ装置の他の実施の形態を示す。
図２（ａ）は正面断面図、（ｂ）はそのｂ−ｂ線断面図である。この実施の形態の焼入れ装置は、上記図１と同様の振動モータ１０ｃにより上下振動させる多段の振動板１０ａを備えた振動攪拌機１０に加えて、更に噴流ポンプ２１及び噴流管２２を備えた噴流攪拌手段２０を併用した点が異なっている。
【００１４】
その噴流管２２は、ワーク収納容器６の下方を横切るように配設され、噴流出口２３は冷却槽２の内壁に対向して容器６の下方に開口している。そして、噴流出口２３から噴出した流れは、冷却槽２の下部より上部に向かう上昇流となり、振動攪拌機１０の振動板１０ａによる水平流と相まって、容器６内を横断する流れが補強される。
【００１５】
すなわち、図１０に示した従来例の攪拌機３による上昇液流４の代わりに、ポンプ２１による上昇噴流を形成したのである。
以下、図２の焼入れ装置を用いて行った、冷却方式別の焼入れ比較実験について説明する。
〔実験方法〕：
流動層加熱炉にてテストピースをそれぞれ焼入れ温度まで加熱し、１０ｍｉｎ間保持した後に取り出し、焼入れを行った。
【００１６】
テストピースは材質ＳＵＪ２の円筒体と、材質Ｓ４５Ｃの丸棒との２種類とした。両種類のテストピースについて、それぞれ次の３種類の冷却方法で焼入れを行い、焼入れ前後でのテストピースの変形量を比較して評価した。
（１）冷却方法
ａ）噴流攪拌のみを用いる。（従来の方法に相当する）
ｂ）振動攪拌のみを用いる。（本発明方法）
ｃ）噴流攪拌と振動攪拌とを併用する。（本発明方法）

振動噴流の強さについては、予備実験により流量と振動周波数との関係を求めたところ、図３の直線関係が得られた。
【００１７】
冷却速さについては、速い方が作業能率が良いが、速い遅いは冷却油の種類により大きく異なってくる。そこで、上記油種ＦＷ２４３について、予備実験により温度８５０℃から３００℃までの冷却速さ（秒数）と振動周波数との関係を求めたところ、図４の関係が得られた。すなわち、振動周波数が１０Ｈｚから３０Ｈｚまでは冷却秒数が６０数秒台を略一定に維持し、周波数３０Ｈｚを越えると次第に速くなり、周波数４０Ｈｚで冷却秒数４５秒と最も速い。周波数が４０Ｈｚを越えるとこんどは次第に遅くなり、周波数６０Ｈｚで冷却秒数は６０秒を若干上回る。ところが、周波数６０Ｈｚを越えると逆に急激に速くなる。
【００１８】
このように、振動周波数の変化により冷却速さが変化するが、周波数が１０Ｈｚ未満になると冷却が遅れて良好な焼入れ結果が得られず、一方、周波数６０Ｈｚを越えると油の粘度にもよるが振動が空回りの状態となり、やはり良好な焼入れ結果が得られない。この結果から、油種ＦＷ２４３を冷却液とする本実験では、最適な振動周波数として４０Ｈｚを採用した。
【００１９】
これに合わせて、併用する噴流の流量を、振動周波数４０Ｈｚに対応するべく４ｍ³ ／Ｈｒとした。
（３）テストピース１
１）円筒体（ＳＵＪ２）：
２）サイズ：２種類
▲１▼外径４０ｍｍ×内径３４ｍｍ×高さ５０ｍｍ
▲２▼外径３２ｍｍ×内径２８ｍｍ×高さ４５ｍｍ
▲３▼試験個数：１テスト毎にｎ＝３
▲４▼配列：
各サイズの円筒体を、１テスト毎に３個ずつ、深さ５０ｍｍのバスケット容器６内に立てて並べた。
【００２０】
▲５▼測定：
それぞれのテストピースについて、上部の直径寸法を焼入れ前と焼入れ後に測定してその差である円筒体上部の変形量を算出して、楕円度ａ，ｂ，ｃ（ｍｍ）とした。また、同時に、円筒体の下部の直径寸法を焼入れ前と焼入れ後に測定してその差である下部の変形量を算出し、楕円度ａ’，ｂ’，ｃ’（ｍｍ）とした。 ▲６▼流動層加熱条件：
８２０℃×１０ｍｉｎ
（４）試験結果
外径４０ｍｍのテストピースの場合の結果を図５に、外径３２ｍｍの場合の結果を図６に、それぞれ示す。図の縦軸の目盛りは、焼入れ処理の前後における楕円度の差すなわちテストピースの変形量、一方横軸は、前記した各冷却方法ａ）〜ｃ）の区分けである。
【００２１】
この結果から、円筒体の場合、従来の噴流攪拌のみより、本発明の振動攪拌のみ又は噴流攪拌＋振動攪拌の場合の方が、焼入れ変形が少ないことがわかる。
また、同一テストピースにおける上部と下部との変形量の違いについても、噴流攪拌のみより振動攪拌のみ又は噴流攪拌＋振動攪拌の場合の方が焼入れ変形が少ないといえる。
【００２２】
次に、テストピース２について実験した。
（５）テストピース２
１）丸棒（Ｓ４５Ｃ）：
２）サイズ：
▲１▼直径１２ｍｍ×長さ１９４ｍｍ
▲２▼試験個数：Ｎｏ．１〜１２
１テスト毎にｎ＝１２
▲３▼配列：
丸棒を、１テスト毎に１２個ずつ、縦２１０ｍｍ×横１００ｍｍ×深さ５０ｍｍのバスケット容器６の底に横並びに配置した。
【００２３】
▲４▼測定：
それぞれのテストピースについて、ダイヤルゲージを用いて丸棒の曲がりを焼入れ処理前と焼入れ処理後とに測定し、変形量（ｍｍ）として記録した。
▲５▼流動層加熱条件：
８５０℃×１０ｍｉｎ
（６）試験結果
噴流攪拌のみの場合の結果を図７に、振動攪拌のみの場合の結果を図８に、噴流攪拌＋振動攪拌の場合を図９にそれぞれ示す。図の縦軸は丸棒の曲がりすなわち変形量、横軸はテストピースＮｏ．である。
【００２４】
この結果から、丸棒の場合、従来の噴流攪拌のみより、本発明の振動攪拌又は噴流攪拌＋振動攪拌の場合の方が、焼入れ変形が少ないといえる。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、少なくとも冷却液に強制振動を与えることにより、ワークに対する冷却液の流れを均一化することができるから、冷却能のバラツキを抑制し、もって焼き入れ時に発生する変形や歪みを抑制できるという効果を奏する。
【００２６】
また、冷却槽内の冷却液の振動を付与する振動手段または振動手段と冷却液の攪拌手段とを設けたことにより、ワークに対する冷却液の流れの均一化が容易にできるから、簡単な構造の装置で焼入れ変形や歪みを抑制できるという効果がある。
また、複数枚の振動板からなる多段式振動攪拌機を備えることで、ワークの上部から下部に及び冷却液の流れを均一化させることができるから、より確実に焼入れ変形や歪みを抑制できるという効果がある。
【００２７】
また、振動攪拌機の振動周波数を適宜調整することができるから、ワークの形状、寸法や冷却液の種類等に応じて最適な振動周波数を用いることが可能となり、安定して焼入れ変形や歪みを抑制できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼入れ装置の一実施の形態を模式的に示す正面断面図である。
【図２】本発明の焼入れ装置の他の実施の形態を模式的に示図で、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はそのｂ−ｂ線断面図である。
【図３】噴流攪拌における噴流の流量と振動周波数との関係を示すグラフである。
【図４】本発明における振動周波数と冷却速度との関係を例示したグラフである。
【図５】ワークが直径４０ｍｍの円筒体の場合の、冷却槽の攪拌方式別の焼入れ変形量を示すグラフである。
【図６】ワークが直径３２ｍｍの円筒体の場合の、冷却槽の攪拌方式別の焼入れ変形量を示すグラフである。
【図７】ワークが丸棒の場合の、噴流攪拌による焼入れ処理の前後の変形量（曲がり）を示すグラフである。
【図８】ワークが丸棒の場合の、振動攪拌による焼入れ処理の前後の変形量（曲がり）を示すグラフである。
【図９】ワークが丸棒の場合の、噴流攪拌＋振動攪拌併用による焼入れ処理の前後の変形量（曲がり）を示すグラフである。
【図１０】従来のプロペラ攪拌方式の焼入れ装置を模式的に示す正面断面図である。
【符号の説明】
１ 冷却液
２ 冷却槽
Ｗ ワーク
６ （ワーク収納）容器
１０ 振動攪拌機
１０ａ 振動板
１１ 周波数調整手段
２０ （噴流）攪拌手段

Claims (3)

1. 冷却液が溜められた焼入れ冷却槽内に被処理物を浸漬して焼入れする方法において、前記焼入れ冷却槽内にその底部から冷却液を噴流して当該焼入れ冷却槽内の冷却液を攪拌しながら前記被処理物を冷却すると同時に、当該焼入れ冷却槽内の冷却液中に共通の軸を介して連結された上下多段の振動板を没入し、当該振動板を前記軸を介して上下に振動させて当該冷却液に上下振動を強制的に与えて冷却能のバラツキを抑制することを特徴とする変形、歪みを抑える焼入れ方法。
2. 請求項１に記載の変形、歪みを抑える焼入れ方法において、前記焼入れ冷却槽内の冷却液に与える上下振動として、振動周波数１０〜６０Ｈｚの範囲の上下振動を用いることを特徴とする変形、歪みを抑える焼入れ方法。
3. 焼入れ冷却槽内の冷却液に被処理物を浸漬して当該被処理物を焼入れする装置において、前記焼入れ冷却槽内にその底部から冷却液を噴流して当該焼入れ冷却槽内の冷却液を攪拌する攪拌手段と、当該焼入れ冷却槽内の冷却液中に共通の軸を介して連結された上下多段の振動板を没入し、当該振動板を前記軸を介して上下に振動させて当該冷却液に上下振動を付与する振動手段と、当該振動手段の振動周波数を１０〜６０Ｈｚの範囲で調整する周波数調整手段とを備えたことを特徴とする変形、歪みを抑える焼入れ装置。

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