JP4329418B2 - 焼入れ方法および焼入れ用冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼入れ方法および焼入れ用冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金材からなるパネル品や鋳造品の機械的特性を改善つまり調質するために、種々の熱処理を施すことが広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
熱処理のなかで溶体化処理を伴う過飽和固溶体組織とする場合には、溶体化処理温度から急冷することが必要であり、冷却速度が速いほど、機械的特性に対して好影響を及ぼすことが知られている。
【０００４】
急冷する方法としては、ワークを１０〜９０℃の水温中に浸漬させて冷却する方法が一般的である。体積が小さいワークや、薄肉のワークの場合には、空気を吹き付けて冷却する方法も採用されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２８０１１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
自動車の構造を構成する部品にアルミニウム合金材を適用する場合、その形態は大型で、薄い肉厚が必要とされ、さらには、機械的特性についても高い特性が求められている。
【０００７】
このような大型で薄肉なアルミニウム合金製ワーク、例えば、アルミニウム鋳造品を焼入れする場合に、冷却速度を高めるために当該鋳造品を水に浸漬させると、鋳造品の表面近傍の水が瞬時に沸騰し、蒸気の泡を形成する。この蒸気の泡は、水中において、不均一な断熱状態を形成する。この結果、鋳造品の冷却が部位ごとに不均一な状態となり、製品に大きな歪みが生じ易いという問題がある。
【０００８】
空気を吹き付けて冷却する場合には、上記のような断熱状態が形成されないので、冷却の不均一を改善することはできる。しかしながら、冷却速度が遅くなるため、良好な機械的特性を得ることが困難になる。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ワークに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークを急速に冷却して良好な機械的特性を得ることが可能な焼入れ方法および焼入れ用冷却装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、下記の手段により達成される。
【００１１】
アルミニウム合金材からなるワークを焼入れする方法において、
冷却媒体としての水ミストを帯電させて前記ワークに噴霧して、前記ワークの冷却を行うことを特徴とする焼入れ方法である。
【００１２】
また、アルミニウム合金材からなるワークを焼入れするために用いられる冷却装置において、
冷却媒体としての水ミストを帯電させる帯電手段と、
帯電した水ミストを前記ワークに向けて噴霧するミスト発生手段と、を有することを特徴とする焼入れ用冷却装置である。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、ワークに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークを急速に冷却して良好な機械的特性を得ることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る焼入れ用冷却装置１０の全体構成を示す概略図、図２は、図１に示される焼入れ用冷却装置１０の要部を示す斜視図である。
【００１６】
図１に示される焼入れ用冷却装置１０は、アルミニウム合金材からなるワークＷを焼入れするために用いられ、概説すれば、冷却ブース２０と、冷却ブース２０に対してワークＷを搬入搬出する移送手段３０と、冷却媒体としての水ミスト４１をワークＷに向けて噴霧するミスト発生手段４０と、水ミスト４１に運動エネルギーを付加する空気５１の流れを発生する空気流発生手段５０と、を有している。本明細書では、水ミスト４１に運動エネルギーを付加する空気５１を、ドライブエアーとも称する。
【００１７】
図２にも示すように、前記ワークＷは、アルミニウム合金材からなる例えば鋳造品であり、断面ハット形状をなす長尺体に形成されている。
【００１８】
冷却ブース２０内の床面には、ガイドローラ２１が回動自在に取り付けられたコンベヤ２２が敷設されている。図２において、左奥側に溶体化炉（図示せず）が配置され、溶体化炉から搬出された移送手段３０は、右手前に配置された冷却ブース２０に運ばれてくる。冷却ブース２０内には、ミスト発生手段４０および空気流発生手段５０が取り付けられる一対の保持プレート２３が配置されている。一対の保持プレート２３は、コンベヤ２２を挟んで対向して配置されている。
【００１９】
前記移送手段３０は、ワークＷを吊り下げるフレーム形状のハンガー３１から構成されている。ハンガー３１は、その基部がガイドローラ２１上に載置され、矢印で示される方向に沿ってスライド移動自在となっている。
【００２０】
前記ミスト発生手段４０は、例えば、スプレーノズル４２から構成されている。スプレーノズル４２は、保持プレート２３のそれぞれに複数個取り付けられ、ワークＷの両側面に向けて水ミスト４１を噴霧する。スプレーノズル４２は、水ミストの形成方式から、加圧空気と水とを混合させて水ミストを形成する方式と、加圧空気を用いずに水を霧状に拡散させる方式とに大別できる。いずれの方式のスプレーノズル４２でもよいが、本実施の形態では、前者の加圧空気と水とを混合させて水ミストを形成する方式のスプレーノズル４２を用いている。このため、焼入れ用冷却装置１０には、各スプレーノズル４２に加圧空気を供給する系統（図示せず）と、水を供給する系統（図示せず）とが設けられている。なお、水ミスト４１の噴霧圧力および噴霧流量は、ワークＷの大きさ、体積、冷却すべき温度などに応じて適宜変更されるものであり、特に限定されるものではない。また、スプレーノズル４２から噴霧される水ミスト４１の噴霧パターンは、円錘形や扇形など種々あるが、特に限定されるものではない。
【００２１】
前記空気流発生手段５０は、例えば、エアーノズル５２から構成されている。エアーノズル５２は、保持プレート２３のそれぞれに複数個取り付けられ、ワークＷの両側面に向けて空気を噴出する。エアーノズル５２は、一般的なガス用ノズルが用いられる。各エアーノズル５２は、スプレーノズル４２の間に位置するように配置するのが好ましい。焼入れ用冷却装置１０には、各エアーノズル５２に加圧空気を供給する系統５３と、コンプレッサやブロワーなどの供給源５４とが設けられている（図１を参照）。エアーノズル５２からドライブエアー５１を噴出してワークＷに当てると、そのドライブエアー５１の流れは、スプレーノズル４２から噴霧された水ミスト４１にワークＷに向かう運動エネルギーを付加することになる。
【００２２】
水ミスト４１は、その質量が比較的小さく、そのままでは、ワークＷへの付着率あるいは到達率が比較的少なくなることが懸念される。第１の実施の形態では、ドライブエアー５１により微小水滴に運動エネルギーを付加してあるので、水ミスト４１は、ワークＷまで確実に吹き付けられ、ワークＷへの付着率が高まる。さらに、水ミスト４１は、ドライブエアー５１の作用により、ワークＷに衝突する際の流速（衝突流速）が高められる。
【００２３】
ワークＷの冷却の均一化を図る観点から、スプレーノズル４２からワークＷに向けて噴霧する水ミスト４１を、ワークＷに対して相対的に移動させながら、ワークＷの冷却を行うのが好ましい。このため、第１の実施の形態にあっては、コンベヤ２２上にスライド移動自在に載置されたハンガー３１を移動するための移動手段６０を有している。移動手段６０は、ハンガー３１に接続される偏心カムと、当該偏心カムを回転駆動するモータ（いずれも図示せず）などから構成されている。モータを駆動すると、偏心カムの偏心量に応じた距離だけハンガー３１が往復動し、ハンガー３１に吊り下げられたワークＷが往復動する。これにより、ワークＷを水ミスト４１に対して移動させてある。
【００２４】
次に、作用を説明する。
【００２５】
図２に示すように、ワークＷは、ハンガー３１に吊されている。溶体化炉から搬出されたハンガー３１は、搬出後速やかに、冷却ブース２０に運ばれてくる。
【００２６】
ハンガー３１が冷却ブース２０に入ると、各スプレーノズル４２から、ワークＷの両側面に向けて水ミスト４１を噴霧する。さらに、各エアーノズル５２から、ワークＷの両側面に向けてドライブエアー５１を噴出する。水ミスト４１は、ドライブエアー５１により、ワークＷに向かう運動エネルギーが付加される。これにより、水ミスト４１は、ワークＷに確実に付着し、さらに、衝突流速も高められる。また、移動手段６０が作動され、ワークＷは往復動している。
【００２７】
そして、ワークＷは、多量の水ミスト４１が高速で吹き付けられることによって、急速に冷却される。さらに、ワークＷの冷却は、水ミスト４１をワークＷに対して相対的に移動させながら行われる。
【００２８】
ここで、冷却媒体は水ミスト４１であるので、ワークＷに吹き付けられるとすぐに蒸発するため、水に浸漬させた場合のような蒸気の泡がワークＷ表面に存在ないし滞留することがない。このため、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されない。したがって、ワークＷのすべての部位が均一に冷却され、ワークＷの変形がほとんど生じなくなる。
【００２９】
さらに、冷却媒体は水ミスト４１であるので、水滴粒径が非常に小さく、水滴の表面積／体積で表される比が大きくなる。このため、蒸発に伴う気化熱量が増え、ワークＷの冷却効率が上がる。このときの冷却速度は、空冷の場合に比べて速く、その結果、空冷の場合に比べてワークＷの機械的特性が向上する。
【００３０】
水ミスト４１の粒径を小さくすると、冷却効率は上がるが、その質量が比較的小さく、ワークＷへの付着率あるいは到達率が比較的少なくなることが懸念される。しかしながら、第１の実施の形態にあっては、ドライブエアー５１により微小水滴に運動エネルギーが付加されているため、水ミスト４１のワークＷへの付着率が高められている。したがって、ワークＷは、効率よく冷却される。
【００３１】
しかも、ドライブエアー５１の流れによって、冷却時に発生した蒸気がワークＷ近傍から随時除去される形態となる。常に新しい水ミスト４１がワークＷに付着することから、ワークＷの冷却の均一性がより向上し、冷却効率も増大する。
【００３２】
ワークＷが大型の場合には、第１の実施の形態のように、スプレーノズル４２を複数個設けて、水ミスト４１をワークＷの全面に噴霧する必要がある。このように複数個のスプレーノズル４２から水ミスト４１を噴霧した場合、噴霧された水ミスト４１同士の一部が重なり合って、単位面積当たりに噴霧される水ミスト４１の流量分布が均一にならない虞がある。しかしながら、第１の実施の形態にあっては、ワークＷを移動しながら当該ワークＷの冷却を行っているので、複数個のスプレーノズル４２から水ミスト４１を噴霧しても、単位面積当たりに噴霧される水ミスト４１の流量分布の均一化を図ることができる。したがって、ワークＷは、均一に冷却される。
【００３３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る焼入れ方法によれば、アルミニウム合金材からなるワークＷを焼入れする方法において、冷却媒体としての水ミスト４１をワークＷに向けて噴霧するとともに、水ミスト４１に運動エネルギーを付加するドライブエアー５１の流れをワークＷに当てて、ワークＷの冷却を行っているので、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されなくなり、ワークＷのすべての部位を均一に冷却することができ、さらに、ドライブエアー５１により水ミスト４１のワークＷへの付着率を高めて、ワークＷを効率よく冷却することができる。よって、ワークＷに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークＷを急速に冷却して良好な機械的特性を得ることが可能となる。
【００３４】
また、ワークＷに向けて噴霧する水ミスト４１を、ワークＷに対して相対的に移動させながら、ワークＷの冷却を行っているので、ワークＷをより均一に冷却することができる。
【００３５】
また、第１の実施の形態に係る焼入れ用冷却装置１０によれば、アルミニウム合金材からなるワークＷを焼入れするために用いられる冷却装置において、冷却媒体としての水ミスト４１をワークＷに向けて噴霧するスプレーノズル４２と、水ミスト４１に運動エネルギーを付加するドライブエアー５１の流れを発生するエアーノズル５２と、を有するので、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されなくなり、ワークＷのすべての部位を均一に冷却することができ、さらに、ドライブエアー５１により水ミスト４１のワークＷへの付着率を高めて、ワークＷを効率よく冷却することができる。よって、ワークＷに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークＷを急速に冷却して良好な機械的特性を得ることが可能となる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る焼入れ用冷却装置１０ａの全体構成を示す概略図である。なお、図１および図２に示される部材と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。
【００３７】
第２の実施の形態は、空気流発生手段５０に代えて、水ミスト４１を帯電させる帯電手段７０を備えた点で、第１の実施の形態と相違している。
【００３８】
図３に示される焼入れ用冷却装置１０ａは、アルミニウム合金材からなるワークＷを焼入れするために用いられ、概説すれば、冷却ブース２０と、移送手段３０と、冷却媒体としての水ミスト４１を帯電させる帯電手段７０と、帯電した水ミスト４１をワークＷに向けて噴霧するミスト発生手段４０と、移動手段６０と、を有している。
【００３９】
前記帯電手段７０は、高電圧（静電気）を発生する高電圧発生装置７１と、発生した高電圧を水ミスト４１に付加する電気ケーブル７２などから構成されている。コンベヤ２２がアースされ、当該コンベヤ２２上のハンガー３１に吊り下げられたワークＷがアースされている。
【００４０】
前記ミスト発生手段４０は、第１の実施の形態と同様にスプレーノズル４２から構成され、さらに、電気ケーブル７２に接続されるとともに水ミスト４１を帯電させるための機構が接続されている。
【００４１】
水ミスト４１は、その質量が比較的小さく、そのままでは、ワークＷへの付着率あるいは到達率が比較的少なくなることが懸念される。第２の実施の形態では、帯電手段７０により水ミスト４１を帯電させ、ワークＷをアースしているので、水ミスト４１は、静電作用により、ワークＷまで確実に吹き付けられ、ワークＷへの付着率が高まる。さらに、水ミスト４１は、静電作用により、ワークＷに衝突する際の流速（衝突流速）が高められる。
【００４２】
第２の実施の形態では、ハンガー３１が冷却ブース２０に入ると、高電圧発生装置７１を作動して水ミスト４１を帯電させ、各スプレーノズル４２から、ワークＷの両側面に向けて帯電した水ミスト４１を噴霧する。水ミスト４１は、静電作用により、ワークＷに確実に付着し、さらに、衝突流速も高められる。また、移動手段６０が作動され、ワークＷは往復動している。
【００４３】
ワークＷは、多量の水ミスト４１が高速で吹き付けられることによって、急速に冷却される。さらに、ワークＷの冷却は、水ミスト４１をワークＷに対して相対的に移動させながら行われる。
【００４４】
ここで、冷却媒体は水ミスト４１であるので、第１の実施の形態と同様に、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されず、ワークＷのすべての部位が均一に冷却され、ワークＷの変形がほとんど生じなくなる。さらに、空冷の場合に比べて、冷却速度が速く、ワークＷの機械的特性が向上する。
【００４５】
水ミスト４１の粒径を小さくすると、冷却効率は上がるが、その質量が比較的小さく、ワークＷへの付着率あるいは到達率が比較的少なくなることが懸念される。しかしながら、第２の実施の形態にあっては、水ミスト４１が帯電されているため、静電作用により、水ミスト４１のワークＷへの付着率が高められている。したがって、ワークＷは、効率よく冷却される。
【００４６】
また、第１の実施の形態と同様に、ワークＷを移動しながら当該ワークＷの冷却を行っているので、ワークＷは、均一に冷却される。
【００４７】
以上説明したように、第２の実施の形態に係る焼入れ方法によれば、アルミニウム合金材からなるワークＷを焼入れする方法において、冷却媒体としての水ミスト４１を帯電させてワークＷに噴霧して、ワークＷの冷却を行っているので、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されなくなり、ワークＷのすべての部位を均一に冷却することができ、さらに、静電作用により水ミスト４１のワークＷへの付着率を高めて、ワークＷを効率よく冷却することができる。よって、ワークＷに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークＷを急速に冷却して良好な機械的特性を得ることが可能となる。
【００４８】
また、ワークＷに向けて噴霧する水ミスト４１を、ワークＷに対して相対的に移動させながら、ワークＷの冷却を行っているので、ワークＷをより均一に冷却することができる。
【００４９】
また、第２の実施の形態に係る焼入れ用冷却装置１０ａによれば、アルミニウム合金材からなるワークＷを焼入れするために用いられる冷却装置において、冷却媒体としての水ミスト４１を帯電させる帯電手段７０と、帯電した水ミスト４１をワークＷに向けて噴霧するスプレーノズル４２と、を有するので、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されなくなり、ワークＷのすべての部位を均一に冷却することができ、さらに、静電作用により水ミスト４１のワークＷへの付着率を高めて、ワークＷを効率よく冷却することができる。よって、ワークＷに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークＷを急速に冷却して良好な機械的特性を得ることが可能となる。
【００５０】
（発明の効果の確認について）
図４は、水ミストの平均粒径と冷却速度との関係、および、水ミストの平均粒径とワークの変形量との関係を概念的に示す図である。
【００５１】
本発明による焼入れ方法の効果を確認するために、アルミニウム合金材からなる試験片の冷却実験を、水ミストの平均粒径を変化させながら行った。実験は、水ミストの噴霧のみで冷却する場合、水ミストの噴霧にドライブエアーを付加して冷却する場合（第１の実施の形態に相当）、および、水ミストの噴霧に当該水ミストの帯電を付加して冷却する場合（第２の実施の形態に相当）、の各条件について行った。各条件とも、水の噴霧流量は一定にしたままで、水ミストの平均粒径を変化させた。実験においては、噴出口径が異なるスプレーノズルを多数用いて、水ミストの平均粒径を変化させた。そして、各条件において冷却速度および変形量を測定した。
【００５２】
実験結果の概要を図４に示す。なお、変形量については、各条件とも大差がなかったので、３つの条件下での平均を示してある。
【００５３】
図示するように、水ミストの平均粒径が細かくなるほど、冷却速度は大きくなり、変形量は小さくなった。また、水ミストの噴霧のみで冷却する場合に比べて、水ミストの噴霧に当該水ミストの帯電を付加して冷却する場合の方が冷却速度は大きかった。水ミストの噴霧にドライブエアーを付加して冷却すると、冷却速度がさらに大きくなった。
【００５４】
しかしながら、水ミストの平均粒径が５０μｍ未満では冷却速度が小さくなる傾向にあり、十分な焼入れ効果を得ることができなかった。
【００５５】
また、水ミストの平均粒径が５００μｍより大きくなると、試験片に大きな変形が発生した。これは、平均粒径が５００μｍより大きくなると、冷却媒体がいわゆるシャワー状となって吹き付けられてしまい、沸騰による空気層が試験片の表面に存在ないし滞留し易くなり、沸騰空気層が断熱層となり、冷却に「むら」が生じたものと考えられる。
【００５６】
したがって、水ミストの平均粒径が５０μｍ〜５００μｍの範囲において、十分な焼入れ効果を得ることができる大きな冷却速度を得ることができ、かつ、試験片の変形量を可及的に小さくできることがわかった。
【００５７】
以上より、ワークＷに歪みが生じることを抑制しつつ、当該ワークＷを急速に冷却できるという、本発明による効果を確認した。なお、「ミスト」と「シャワー」との境界をなす粒径について、一義的に定まる値はない。但し、本明細書においては、上記の結果より、「水ミスト」とは、水滴の平均粒径が５０μｍ〜５００μｍの範囲にあるものと定義される。
【００５８】
（変形例）
水ミスト４１とワークＷとは相対的に移動していればよく、実施の形態のようにワークＷ側を移動させる形態に限られない。例えば、ワークＷ側を固定しておき、個々のスプレーノズル４２自体を首振り運動する形態や、複数のスプレーノズル４２を取り付けた保持プレート２３をスライド移動する形態でもよい。第１の実施の形態では、ドライブエアー５１の噴出方向を変化させることにより、水ミスト４１とワークＷとを相対的に移動することもできる。また、ミスト発生手段４０とワークＷとの間の距離が変化しないように、水ミスト４１とワークＷとを相対的に移動させる形態のほか、ミスト発生手段４０とワークＷとの間の距離が変化する方向、つまり、スプレーノズル４２とワークＷとを相対的に接近離反移動させる方向に、水ミスト４１とワークＷとを相対的に移動させる形態でもよい。
【００５９】
また、ワークＷの大きさを考慮して複数個のスプレーノズル４２を配置した実施の形態について説明したが、ワークＷが比較的小さい場合には、１個のスプレーノズル４２を配置するだけでよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る焼入れ用冷却装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】 図１に示される焼入れ用冷却装置の要部を示す斜視図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態に係る焼入れ用冷却装置の全体構成を示す概略図である。
【図４】 水ミストの平均粒径と冷却速度との関係、および、水ミストの平均粒径とワークの変形量との関係を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ…冷却装置
２０…冷却ブース
３０…移送手段
３１…ハンガー
４０…ミスト発生手段
４１…水ミスト
４２…スプレーノズル
５０…空気流発生手段
５１…ドライブエアー（水ミストに運動エネルギーを付加する空気）
５２…エアーノズル
６０…移動手段
７０…帯電手段
７１…高電圧発生装置
Ｗ…アルミニウム合金材からなるワーク

Claims (3)

1. アルミニウム合金材からなるワークを焼入れする方法において、
   冷却媒体としての水ミストを帯電させて前記ワークに噴霧して、前記ワークの冷却を行うことを特徴とする焼入れ方法。
2. 前記ワークに向けて噴霧する水ミストを、前記ワークに対して相対的に移動させながら、前記ワークの冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の焼入れ方法。
3. アルミニウム合金材からなるワークを焼入れするために用いられる冷却装置において、
   冷却媒体としての水ミストを帯電させる帯電手段と、
   帯電した水ミストを前記ワークに向けて噴霧するミスト発生手段と、を有することを特徴とする焼入れ用冷却装置。

Images