JP5757475B2 - 焼入れ方法及び焼入れ装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼の熱処理における焼入れ方法及びその装置に関する。

鋼の熱処理における焼入れ方法において、従来、冷却を複数のワーク間で均一に行えるようにしたり、焼入れ初期にワークの周囲に形成される蒸気膜を破壊して冷却速度を高めたりするために、焼入れ中に冷却液を振動させたり攪拌したりすること（特許文献１，２，３参照）や、焼入れ中にワーク自体を揺動させること（特許文献４，５参照）が知られている。

具体的に、特許文献１には、焼入れの際に冷却液に８〜６００ｋＨｚの範囲の超音波振動を与えることが記載されている（第２欄下から３行目以下）。

特許文献２には、冷却液に与えられる振動数を１０〜５００Ｈｚとすることが記載されている（請求項２）。

特許文献３には、冷却液に与える振動の周波数として、１０〜６０Ｈｚ、好ましくは４０Ｈｚが例示されている（００３８段落）。

特許文献４には、ワークを収容する枠体にシリンダを連結し、冷却液中に前記枠体を浸漬した状態で前記シリンダを作動させることにより、３００ｍｍのストロークで約１０秒間揺動させることが記載されている（第２頁右上欄第６〜１３行及び第２図）。

特許文献５には、冷却液中のワークを上下に揺動させることが記載されている（００２７段落）が、その揺動の速度についてはなんら記載がない。

特開平４−１３８０８号公報 特開２００１−６４７２２号公報 特開２００３−２８６５１７号公報 特開昭６３−２８８２２号公報 特開２００７−３２１２３１号公報

しかしながら、前記従来の方法では、ワークに対する冷却液の当たりが弱かったり、ワーク・冷却液間の相対的な流速が緩やかであったりして、十分な効果が得られていたとは言えない。

本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、冷却速度を確実に高めることができる焼入れ方法及び焼入れ装置を提供しようとするものである。

前記課題を解決するため、本発明に係る焼入れ方法は、ワーク支持フレームに固定されたワークを冷却液中で振動させながら冷却する焼入れ方法であって、前記ワークの振動のストロークを１０〜５０ｍｍとし、且つ、カムの一回転につき前記ワークを複数回往復動させて、前記ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる速度で前記カムを回転させることを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、ワークを冷却液中で高速振動させることで、ワークの急冷が可能となる。振動の速度は、ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上となる高速である。これにより、沸騰段階ではワークを包み込む沸騰泡が確実且つ効率的に剥ぎ取られ、ワーク表面の冷却液の入れ替えが促進されて冷却速度が速くなる。また、沸騰段階後の対流段階においても、前記振動によりワーク表面の冷却液が入れ替わるので、冷却速度が速くなる。よって、ホット油を使用した場合でもコールド油焼入れと同等以上の冷却能が得られ、ワーク内部（芯部）の硬度はコールド油焼入れと同等か、それ以上のものが得られる。なお、本発明では、ワークの振動のストロークを１０〜５０ｍｍとし、且つ、カムの一回転につきワークを複数回往復動させて、ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる速度で前記カムを回転させることで、ワークを簡単且つ確実に高速振動させることができる。

好適な実施の一形態として、前記冷却液がホット油であり、前記ワークの振動をＭｓ点付近までとし、その後前記ワークの振動を弱めるか又は停止させて冷却することもできる（請求項２）。このようにすれば、Ｍｓ点付近まではコールド油並みの冷却速度が得られ、それ以後は緩やかな冷却となる。これにより、ワーク表面の有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、ワーク内部（芯部）の硬度はホット油焼入れと同等の硬度となり、靭性に優れた焼入れ品質を得ることができる。

本発明に係る焼入れ装置は、ワークが固定されたワーク支持フレームを冷却液中で振動させる振動機構を備え、該振動機構が、一回転中に前記ワーク支持フレームを１０〜５０ｍｍのストロークで複数回往復動させるカムであって、前記ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる速度で回転駆動されるカムを備えることを特徴とする（請求項３）。

本発明に係る焼入れ装置によれば、前記振動機構により前記ワーク支持フレームが振動させられることで、ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる。このため、焼入れ初期の沸騰段階で前記振動機構を作動させることにより、ワークを包み込む沸騰泡が確実且つ効率的に剥ぎ取られ、ワーク表面の冷却液の入れ替えが促進されて冷却速度が速くなる。また、沸騰段階後の沸騰と対流が混在する段階および対流段階においても前記振動機構を作動させることにより、ワーク表面の冷却液が入れ替わるので、冷却速度を速くすることができる。加えて、前記振動機構が、一回転中に前記ワーク支持フレームを１０〜５０ｍｍのストロークで複数回往復動させるカムであって、前記ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる速度で回転駆動されるカムを備えるので、ワークの高速振動を簡単且つ確実に実現できる。

好適な実施の一形態として、前記ワーク支持フレームに連結されるロッドを備え、前記カムに接触する従動子を介して前記ロッドが往復駆動される態様を例示する（請求項４）。

本発明の実施の一形態に係る焼入れ方法による冷却曲線と冷却速度を示すグラフである。 本発明の実施の一形態に係る焼入れ装置の要部を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態に係る焼入れ方法及び焼入れ装置について説明する。

本発明の実施の一形態に係る焼入れ方法は、ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上となるように前記冷却液中で前記ワークを高速で振動させながら前記ワークを冷却することを特徴とする。特に、前記冷却液としてホット油を用い、Ｍｓ点付近まで急速に冷却し、その後前記ワークの振動を弱めるか又は停止させて緩やかに冷却することが好ましい。

すなわち、好ましい実施の形態では、加熱されたワークを冷却液でＭｓ点付近まで急速に冷却する。急速冷却を可能にするのは、前記冷却液中におけるワークの高速振動である。ここで、高速の目安は、ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上となることである。

冷却液中でワークを高速振動させることにより、沸騰段階においてワークを包み込む沸騰泡が確実且つ効率的に剥ぎ取られる。このため、ワーク表面の冷却液の入れ替えが促進されて冷却速度が速くなる。また、沸騰段階後の対流段階においても、前記高速振動によりワーク表面の冷却液が入れ替わるので、冷却速度が速くなる。よって、ホット油を使用した場合でもコールド油焼入れと同等の冷却能が得られ、ワーク内部（芯部）硬度はコールド油焼入れと同等か、それ以上のものが得られる。

本発明の発明者は、鋭意検討を重ね、ユニークな試験方法で試験を行った結果、上述の発明を見いだすに至った。すなわち、本発明の実施の一形態に係る焼入れ方法の効果を検証するため、次のような試験を行った。

テストピースとして、直径１８ｍｍ、長さ４０ｍｍのＳＣｒ４２０材の丸棒を用い、このテストピースにシース熱電対を取り付け、ＳＵＳ棒に針金で固定する。このテストピースを、Ｎ_２雰囲気、８５０℃に保持された加熱炉（ゴールドファーネス）に挿入後、３０分間保持する。その後、加熱されたテストピースを、電気コンロで保温されたステンレスバケツ内の油（冷却液）で冷却する（焼入れ）。

冷却液として、１３０℃のホット油を二つと６０℃のコールド油一つを準備する。同じ条件で加熱したテストピースをそれぞれの油で焼入れし、焼入れ過程におけるテストピースの温度を前記シース熱電対で連続的に測定する。

＜実施例１＞
一方のホット油による焼入れにおいては、本発明の一実施例に係る焼入れ方法を実施する。具体的には、前記テストピースの付いたＳＵＳ棒をジグソーに連結し、前記テストピースをホット油に漬けた状態で前記ジグソーを作動させて、前記テストピースをホット油内で長さ方向に高速振動（前後動）させる。焼入れ開始と同時に高速振動を開始し、テストピースの温度が油温と同じになったところでテストピースの振動を停止させる。高速振動のストロークは２６ｍｍ、ストローク数は１５００往復／分とする。したがって、テストピース（ワーク）に対するホット油（冷却液）の流速は、１．３ｍ／秒ということになる。

＜比較例１＞
他方のホット油による焼入れは、比較例１である。すなわち、テストピースの付いたＳＵＳ棒をホット油内で手回しして攪拌する。この場合の、テストピースに対するホット油の流速は、約０．７ｍ／秒とする。

＜比較例２＞
コールド油による焼入れは、比較例２である。比較例１と同様に、テストピースの付いたＳＵＳ棒をコールド油内で手回しして攪拌する。この場合の、テストピースに対するコールド油の流速も、約０．７ｍ／秒とする。

前記実施例及び比較例１，２の各測定結果から、図１の冷却曲線を得た。この冷却曲線から算出した冷却速度曲線も、図１に示してある。

図１から次のことが分かる。沸騰段階のピーク（およそ６５０〜８００℃：沸騰泡の発生が最も激しい）は、コールド油を使った比較例の方が冷却速度が速い。これは、油本来の性状によるものである。

これに対し、およそ６５０〜２００℃の範囲（沸騰と対流の混在領域及び対流段階）では、ホット油を使った本実施例の冷却速度がコールド油を使った比較例２の冷却速度を上回っている。よって、ワークを高速振動させることで冷却速度が速くなり、ホット油を使ってコールド油以上の冷却速度を得ることができる。

この試験結果から、沸騰段階ではワークを包み込む沸騰泡が確実且つ効率的に剥ぎ取られ、ワーク表面の冷却液の入れ替えが促進されて冷却速度が速くなるものと考えられる。また、沸騰段階後の沸騰と対流の混在領域及び対流段階においても、高速振動によりワーク表面の冷却液が入れ替わるので、冷却速度が速くなるものと考えられる。

前記実施例により得られた焼入れ処理品の内部（芯部）硬度は、ロックウェル硬さ（ＨＲＣ）において、実施例１は３７．５、比較例１は３０．５、比較例２は３５．０であり、コールド油焼入れ以上であった。

なお、前記実施例では、ワークに対する冷却液の流速を１．３ｍ／秒としたが、これより多少遅くても（例えば、毎秒１ｍ以上であれば）同様の効果が得られると考えられる。また、ワークの高速振動のストロークも、前記実施例には限定されず、例えば、１０〜５０ｍｍ、好ましくは１５〜３５ｍｍのストロークが採用可能である。

本実施例では、ワークの温度が油温と同じになるまで高速振動を続けたが、高速振動はＭｓ点付近までとし、その後ワークの振動を弱めるか又は停止させることとしてもよい。このようにすれば、Ｍｓ点付近まではコールド油並みの冷却速度が得られ、それ以後は緩やかな冷却となる。これにより、ワーク表面の有効比率（有効硬化層深さ／全浸炭深さ）が高く、ワーク内部（芯部）の硬度はホット油焼入れと同等の硬度となり、靭性に優れた焼入れ品質を得ることができると考えられる。

ところで、実際の焼入れにおいて、前記方法を実施するためには、多数のワークを支持するワーク支持フレームを冷却液中で高速振動させることになる。そのため、ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上となるように前記ワーク支持フレームを冷却液中で高速振動させる高速振動機構を備えた焼入れ装置が必要である。また、高速振動されるワーク支持フレームから各ワークが浮き上がったり飛び出したりしないように、ワークをワーク支持フレームに固定しておくのが好ましい。

図２に、前記高速振動機構を例示する。図２の例は、一回転中にワーク支持フレーム１を複数回往復動させるカム２を備える。このようにすれば、カム２の回転数に比べて前記ワーク支持フレーム１の往復動の回数を多くできるので、ワークに対する冷却液の流速を高速にし易くて好適である。

前記カム２が回転駆動源としてのモータ（図示せず）で回転駆動されると、前記カム２に接触する従動子３を介して縦ロッド４が所定のストロークで上下方向に往復駆動される。該縦ロッド４は前記ワーク支持フレーム１に連結されているので、該ワーク支持フレーム１が上下に振動し、前記ワーク支持フレーム１上の各ワークＷも上下に高速で振動する。図２中、符号５は焼入れ槽である。

図２の装置によれば、従来必要とされていた冷却液攪拌翼及び攪拌機構が不要となるので、焼入れ装置全体の設備費や設置スペースが節約できる利点もある。また、従来の攪拌翼による攪拌には、ロット内（油槽内）でワークと接触する油の流速ばらつきにより焼入れ歪が発生するおそれがあるが、本発明によれば前記流速が均一となり、焼入れ歪の低減効果が期待できる。

Claims (4)

1. ワーク支持フレームに固定されたワークを冷却液中で振動させながら冷却する焼入れ方法であって、前記ワークの振動のストロークを１０〜５０ｍｍとし、且つ、カムの一回転につき前記ワークを複数回往復動させて、前記ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる速度で前記カムを回転させることを特徴とする、焼入れ方法。
2. 前記冷却液がホット油であり、前記ワークの振動をＭｓ点付近までとし、その後前記ワークの振動を弱めるか又は停止させて冷却することを特徴とする、請求項１に記載の焼入れ方法。
3. ワークが固定されたワーク支持フレームを冷却液中で振動させる振動機構を備え、該振動機構が、一回転中に前記ワーク支持フレームを１０〜５０ｍｍのストロークで複数回往復動させるカムであって、前記ワークに対する冷却液の流速が毎秒１ｍ以上の高速となる速度で回転駆動されるカムを備えるものである、焼入れ装置。
4. 前記ワーク支持フレームに連結されるロッドを備え、前記カムに接触する従動子を介して前記ロッドが往復駆動される、請求項３に記載の焼入れ装置。

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