JP5906005B2 - 熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理方法に関し、特にミスト冷却による被処理物の焼入れ処理の熱処理方法に関するものである。

被処理物である金属材を加熱し、冷却することにより、焼入れ処理を行う熱処理方法において高速の冷却を必要とする場合、従来は油冷方式やガス冷却方式が用いられている。上記油冷方式においては、冷却効率は優れているものの、細かな冷却コントロールがほとんどできず被処理物が変形しやすいという問題がある。一方、ガス冷却方式においては、ガスの流量制御等により冷却コントロールが容易であり、被処理物の変形に関しては優れているものの、冷却効率が低いという問題がある。

そこで、特許文献１には、被処理物を囲んで液用ノズルとガス用ノズルとを配置し、液用ノズルから冷却液をスプレー式で供給し（いわゆるミスト冷却）、ガス用ノズルから冷却ガスを供給することにより、冷却コントロール性及び冷却効率の向上を図った技術が開示されている。

特開平１１−１５３３８６号公報

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような問題が存在する。
ミスト冷却の基本的な冷却は気化潜熱による冷却であるため、ミストの当たる度合いにより被処理物内外に温度差が生じる場合がある。そしてこの温度差が、品質に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、被処理物の外表面が所定の組織の変態点に到達しても、被処理物の内部が未だ高温で変態点に到達していない場合、被処理物の内外で組織が不均一になる虞がある。さらには、被処理物の外表面の組織が、被処理物の内部よりも先に変態すると、内部応力が生じて被処理物に曲りが生じてしまう虞がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、被処理物の組織の不均一化及び曲りを抑制できる熱処理方法の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、所定温度に保持された被処理物を、該被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であって該変態点より高い目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、上記第１工程の後の上記被処理物を、上記ミスト状の冷却媒体の供給を停止して所定時間保持する第２工程と、上記第２工程の後の上記被処理物を、上記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有するという熱処理方法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、第１工程で被処理物の内外に温度差が生じた場合でも、第２工程でのミスト冷却停止期間において被処理物の内外の温度差の拡大が抑えられると共に、被処理物の内外における熱伝導により温度差が緩和される。そして、被処理物の内外の温度差が緩和された状態で、所定の組織の変態点以下まで被処理物を冷却することにより、被処理物の内外の組織をほぼ同時に所定の組織に変態させることができる。

また、本発明においては、上記第１工程と上記第２工程との間において、上記被処理物を、上記第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却するように上記ミスト状の冷却媒体を供給する緩冷工程を有するという手法を採用する。
本発明では、第２工程で被処理物の内外における熱伝導により温度差が緩和されるものの、高温の内部からの熱伝導により被処理物の全体の温度が目標温度よりも高くなって、目的としない他の組織の変態点に達してしまわないように、第２工程に入る前に被処理物を緩冷することで、被処理物の内外の温度差を緩和すると共に、被処理物の内外における熱伝導により被処理物の全体の温度が目標温度より高くならないようにする。

また、本発明においては、上記被処理物の外表面の温度を計測する工程を有し、上記計測した温度が上記目標温度を超えた時に、上記第１工程から上記緩冷工程に移行するという手法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、被処理物の外表面の温度をモニタリングしつつ、被処理物の外表面の温度が目標温度を超えたときに緩冷を開始する。

また、本発明においては、上記被処理物の内部の温度を計測する工程を有し、上記計測した温度が上記目標温度を超えた時に、上記緩冷工程から上記第２工程に移行するという手法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、被処理物の内部の温度をモニタリングしつつ、被処理物の内部の温度が目標温度を超えたときに緩冷を終了する。

また、本発明においては、上記被処理物の外表面の温度に基づいて、上記被処理物の内部の温度を計測するという手法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、温度計測装置の設置数の削減を図ることができる。

また、本発明においては、所定温度に保持された被処理物を、該被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であって該変態点より高い目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、上記第１工程の後の上記被処理物を、上記第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度で所定時間ミスト冷却する第２工程と、上記第２工程の後の上記被処理物を、上記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有する熱処理方法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、第１工程で被処理物の内外に温度差が生じた場合でも、第２工程でのミスト密度が小さい冷却期間において被処理物の内外の温度差の拡大が抑えられると共に、被処理物の内外における熱伝導により温度差が緩和される。そして、被処理物の内外の温度差が緩和された状態で、所定の組織の変態点以下まで被処理物を冷却することにより、被処理物の内外の組織をほぼ同時に所定の組織に変態させることができる。

また、本発明においては、上記目標温度は、上記変態点と、該変態点よりも高い温度で上記組織が上記所定の組織以外の組織に変態し始める上部の変態点との間において設定されているという手法を採用する。
さらに、上記変態点は、マルテンサイト変態点であり、上記上部の変態点は、パーライト変態点であるという手法を採用する。

本発明によれば、所定温度に保持された被処理物を、該被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であって該変態点より高い目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、上記第１工程の後の上記被処理物を、上記ミスト状の冷却媒体の供給を停止して所定時間保持する第２工程と、上記第２工程の後の上記被処理物を、上記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有するという熱処理方法を採用することによって、第１工程で被処理物の内外に温度差が生じた場合でも、第２工程でのミスト冷却停止期間によって、被処理物の内外の温度差の拡大が抑えられると共に、被処理物の内外における熱伝導により温度差が緩和され、そして、被処理物の内外の温度差が緩和された状態で、所定の組織の変態点以下まで被処理物を冷却することにより、被処理物の内外の組織をほぼ同時に所定の組織に変態させることができる。
したがって、本発明では、被処理物の組織の不均一化及び曲りを抑制できる。

本発明の実施形態における真空熱処理炉の全体構成図である。 本発明の実施形態における冷却室の正面断面図である。 図２におけるＡ−Ａ線視断面図である。 本発明の実施形態における熱処理方法を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態における被処理物の内外の温度差を説明するための模式断面図である。 ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。 ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。 ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。 ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。

以下、本発明の熱処理方法の実施の形態を、図１ないし図５を参照して説明する。
なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
また、本実施形態では、本発明の熱処理方法の実施する熱処理装置として、多室型の真空熱処理炉（以下、単に「真空熱処理炉」と称する）の例を示す。

図１は、本実施形態の真空熱処理炉の全体構成図である。
真空熱処理炉（熱処理装置）１００は、被処理物に対して熱処理を施すものであって、脱気室１１０、予熱室１２０、浸炭室１３０、拡散室１４０、降温室１５０、冷却室１６０が順次隣接して配置された構成を有しており、被処理物は各室１１０〜１６０に順次単列で搬送される。

本発明は、冷却室１６０における冷却処理に特徴を有しているため、以下、冷却室１６０について詳述する。
図２は、冷却室１６０の正面断面図であり、図３は、図２におけるＡ−Ａ線視断面図である。冷却室１６０は、真空容器１内に形成される。また、真空容器１内には、搬送装置１０、ガス冷却装置２０、ミスト冷却装置３０、温度計測装置８０からなる冷却ユニットＣＵが設けられている。

搬送装置１０は、被処理物Ｍを水平方向に沿って搬送可能なものであって、互いに間隔をあけて対向配置され搬送方向（水平方向）に延在する一対の支持フレーム１１、各支持フレーム１１の対向する面に回転自在に、且つ搬送方向に所定間隔をあけて設けられたローラ１２、被処理物Ｍが載置されローラ１２上を搬送されるトレー１３、鉛直方向に沿って設けられ支持フレーム１１の両端を支持する支持フレーム１４（図２では図示せず）を有している。
なお、以下の説明においては、搬送装置１０による被処理物Ｍの搬送方向を単に搬送方向と称する。

トレー１３は、例えば板材を格子状に配列し、略直方体に形成したものであり、その幅は被処理物Ｍの幅よりも僅かに大きく、底面の幅方向の端縁でローラ１２に支持される大きさに形成されている。
被処理物Ｍとしては、ここではダイス鋼（ＳＫＤ材）やハイス鋼（ＳＫＨ材）等の鋼を対象としている。具体的に本実施形態では、被処理物Ｍとしてダイス鋼（ＳＫＤ６１）を例示して以下説明する。

ガス冷却装置２０は、冷却室１６０内に冷却ガスを供給することによって被処理物Ｍを冷却するものであって、ヘッダ管２１、供給管２２、ガス回収・供給系２３を備えている。ヘッダ管２１は、図３に二点鎖線で示すように、冷却室１６０の搬送方向下流側端部に配置され、搬送装置１０による被処理物Ｍの搬送経路を中心とする環状に形成されている。このヘッダ管２１には、ガス回収・供給系２３によって冷却ガスが供給される。

供給管２２は、一端部がヘッダ管２１に接続されており、他端側が搬送方向上流側に向けて水平方向に延びて形成され、搬送装置１０による被処理物Ｍの搬送経路を中心として、周方向に略等間隔（ここでは９０°間隔）で複数（ここでは４つ）設けられている。具体的には、図３に示すように、供給管２２は、環状のヘッダ管２１の３時、６時、９時、１２時の位置（上下左右の位置）に設けられている。各供給管２２は、冷却室１６０の長さに亘る長さで他端側が冷却室１６０の搬送方向上流側に向けて水平方向に延びて形成されている。各供給管２２には、被処理物の搬送経路に向けて開口する噴出口２４が長さ方向全体に亘って、それぞれ所定間隔をあけて複数形成されている。

ガス回収・供給系２３は、真空容器１に接続された排気管２５、排気管２５に設けられた開閉弁２６、排気管２５で回収された冷却ガスを再冷却する冷却器としての熱交換器２７、再冷却された冷却ガスをヘッダ管２１に供給するファン２８とを主体に構成されている。
冷却ガスとしては、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが用いられる。

ガス回収・供給系２３は、冷却液回収・供給系３３における開閉弁３６を閉じ、ガス回収・供給系２３における開閉弁２６を開くことにより、冷却室１６０から排気管２５に導入した冷却ガスを熱交換器２７で再冷却し、ファン２８の作動によりヘッダ管２１に循環するように供給することができる。

ミスト冷却装置３０は、冷却室１６０内に冷却液をミスト状に供給することによって被処理物Ｍを冷却するものであって、ヘッダ管３１（図３では図示せず）、供給管３２、冷却液回収・供給系３３を備えている。ヘッダ管３１は、冷却室１６０の搬送方向上流側端部に配置され、搬送装置１０による被処理物Ｍの搬送経路を中心とする環状に形成されている。このヘッダ管３１には、冷却液回収・供給系３３によって冷却液が供給される。

供給管３２は、一端部がヘッダ管３１に接続されており、他端側が搬送方向下流側に向けて水平方向に延びて形成され、搬送装置１０による被処理物Ｍの搬送経路を中心として、周方向に略等間隔（ここでは９０°間隔）で複数（ここでは４つ）設けられている。具体的には、図３に示すように、供給管３２は、環状のヘッダ管２１に水平方向から±４５°の位置に設けられている。各供給管３２は、冷却室１６０の長さに亘る長さで他端側が冷却室１６０の搬送方向下流側に向けて水平方向に延びて形成されている。各供給管３２には、被処理物の搬送経路に向けて冷却液をミスト状に噴射するノズル部３４が長さ方向全体に亘って、それぞれ所定間隔をあけて複数形成されている。

なお、供給管３２及びノズル部３４の配置としては、ミスト状の冷却液が重力の影響を受けることから、供給量に差が生じる可能性がある上下方向を避けることが好ましく、好適には、水平方向に沿ってミスト状の冷却液を供給する。ただし、上下方向に沿って冷却液を供給する場合には、重力により影響を考慮して供給量を異ならせればよい。また、供給管３２を４つではなく、例えば３つ配置する場合には、垂直成分を極力減らすためにも、天頂部と、この天頂部を挟んで±１２０°の位置に配置することが好ましい。

冷却液回収・供給系３３は、真空容器１に接続された排液管３５、排液管３５に設けられた開閉弁３６、排液管３５で回収された冷却液をモータ３９の駆動により配管３７を介してヘッダ管３１に送液するポンプ３８、冷却室１６０の圧力（気圧）を計測するセンサ４０、モータ３９の駆動をコントロールするインバータを含みセンサ４０の計測結果に基づいて冷却液の流量制御を行う制御装置４１、処理品からの受熱により気化した冷却液を液化する液化器（液化トラップ）４２を主体に構成されている。
冷却液としては、例えば油、ソルト液、後述するフッ素系不活性液体等を用いることができる。

冷却液回収・供給系３３は、冷却室１６０にミスト状で供給されて真空容器１の内壁面や液化器４２で液化して真空容器１の底部に貯溜した冷却液を、ガス回収・供給系２３における開閉弁２６を閉じ、冷却液回収・供給系３３における開閉弁３６を開いた状態で、モータ３９を駆動してポンプ３８を作動させることにより、配管３７を介してヘッダ管３１に循環するように供給することができる。特に、センサ４０が冷却室１６０内の気圧が低下して冷却液の供給・噴射量が低下したことを検知した場合には、制御装置４１によりモータ３９の駆動を制御して、冷却液の供給量を調整することにより、常に適切な量の冷却液をヘッダ管３１に対して供給することができる。

温度センサ８０は、被処理物Ｍの温度を計測するものであって、被処理物Ｍの外表面に設けられている。温度センサ８０の計測結果は、制御装置４１に出力される。温度センサ８０としては、ここでは熱電対が設けられているが、例えば放射温度計のような非接触式のセンサを用いて温度を計測する構成としてもよい。

制御装置４１は、温度センサ８０の計測結果に応じてモータ３９の駆動を制御する。本実施形態の制御装置４１は、メモリにミスト状の冷却液の時間当たりの供給量と被処理物Ｍの内外の温度との相関関係をテーブルとして保持しており、温度センサ８０の計測結果（被処理物Ｍの外表面の温度）から被処理物Ｍの内部の温度を計測可能な構成となっている。なお、上記相関関係のテーブルは、例えば予備実験やシミュレーション等により作成される。

続いて、上記の真空熱処理炉１００において、加熱された被処理物Ｍを冷却室１６０で冷却する手順について、図４及び図５を参照して説明する。なお、以下の説明では、焼入れ温度に保持された被処理物Ｍを、マルテンサイト組織の状態に変態させる焼入れ処理について説明する。
図４は、本実施形態の熱処理方法を説明するためのグラフである。図５は、本実施形態の被処理物Ｍの内外の温度差を説明するための模式断面図である。
図４において、縦軸は温度を、横軸は時間を示す。また、図４において、実線は被処理物Ｍの外表面の温度変化を、破線は被処理物Ｍの内部の温度変化を示す。また、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、図４の時間経過に伴って順次変化する被処理物Ｍの温度分布の状態を示すものであり、図５（ａ）は時間Ｔ１における温度分布を、図５（ｂ）は時間Ｔ２における温度分布を、図５（ｃ）は時間Ｔ３における温度分布を示す。なお、図５においては温度の高温低温を、ドットパターンの濃淡で示している。

本実施形態の熱処理方法では、先ず、オーステナイト組織の状態まで加熱（１０００℃程度）した被処理物を、マルテンサイト組織に変態し始める変態点Ｍｓの近傍であって、該変態点Ｍｓより高い目標温度Ｔａまで、ミスト状の冷却液を供給してミスト冷却する（第１工程Ｓ１：急冷工程）。
目標温度Ｔａは、被処理物Ｍがパーライト組織に変態し始める変態点Ｐｓ（上部の変態点）より低く、被処理物Ｍがマルテンサイト組織に変態し始める変態点Ｍｓより高い範囲内において設定されている。具体的に本実施形態では、被処理物Ｍがダイス鋼（ＳＫＤ６１）であるので、目標温度Ｔａは、３７０℃〜５５０℃の間において設定されている。なお、目標温度Ｔａは、後述する第３工程におけるプロセスを考慮して、変態点Ｍｓ近傍の温度（変態点Ｍｓより十数℃度程度高い温度）に設定することが好ましい。

第１工程Ｓ１では、被処理物Ｍを、パーライト組織に変態し始める変態点Ｐｓ（所謂パーライトノーズ）を避けるように、目標温度Ｔａまでミスト冷却で急冷する。
具体的に本実施形態では、冷却室１６０に搬送された被処理物Ｍに対して、ミスト冷却装置３０におけるノズル部３４から冷却液をミスト状に供給・噴射させることで冷却を行う。ここで、ノズル部３４からの拡散角度としては、例えば図３に示すように、９０°に設定されることで被処理物Ｍの側面（外表面）に対して全面的に噴射させることができる。また、このとき、被処理物Ｍ（トレイ１３）の斜め下方に位置するノズル部３４から噴出した冷却液は、トレイ１３が板材を格子状に配列したもので形成されていることから、板材の隙間を通過することにより、支障なく被処理物Ｍに到達して冷却することができる。また、被処理物Ｍの搬送方向前面及び背面についても、ノズル部３４が冷却室１６０の長さ方向全体に亘って設けられていることから、特に供給管３２の両端側に位置するノズル部３４からの噴射により、ミスト状の冷却液が所定のミスト密度で供給されるため、ミスト状の冷却液の気化潜熱により支障なく被処理物Ｍを冷却することができる。

このミスト状の冷却液を用いた冷却の場合には、冷却液を連続的に供給して被処理物Ｍとの熱交換が可能となるため、被処理物Ｍを冷却液中に浸漬した場合のように、高温の被処理物Ｍに接触した冷却液が沸騰して生じた気泡により冷却液との接触面積が減って冷却効率が低下したり、さらに気泡の量が増加して蒸気膜となって断熱層を形成し冷却効率が著しく低下するといった不都合を生じることなく、被処理物Ｍに対する冷却処理を継続的に実施できる。
なお、ミスト冷却装置３０のノズル部３４から冷却液をミスト状に供給・噴射させると同時に、ガス冷却装置２０の噴出口２４から冷却ガスを供給・噴射させてもよい。この構成によれば、冷却ガスの流れにより冷却室１６０にミスト状に噴霧された冷却液が拡散することになり、冷却室１６０の雰囲気を一様とすることができ、冷却ムラを低減させることが可能となる。

ここで、ミスト冷却の基本的な冷却は気化潜熱による冷却であるため、ミストの当たる度合いにより被処理物内外に温度差が生じる（図５（ａ）参照）。例えば、図４に示すように、被処理物Ｍの外表面の温度は、被処理物Ｍの内部の温度よりも温度低下が短時間で進行するため、時間経過とともに温度差が大きくなってしまう。

本実施形態の熱処理方法では、次に、被処理物Ｍの外表面に設けられた温度センサ８０の計測結果が、目標温度Ｔａを超えた時に、被処理物Ｍを、第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却するようにミスト状の冷却液を供給する（緩冷工程Ｓ２）。
緩冷工程Ｓ２では、冷却室１６０内における、被処理物Ｍの外表面近傍のミスト密度を低下させ、第１工程Ｓ１よりも低い冷却効率で被処理物Ｍを冷却する。このとき、被処理物Ｍにおいては、熱伝導により高温の内部から低温の外表面に熱が伝わることにより温度差が小さくなる。

緩冷工程Ｓ２では、高温の内部からの熱伝導により被処理物Ｍの全体の温度が目標温度Ｔａよりも高くなって、目的としない他の組織の変態点（例えば変態点Ｐｓ）に達してしまわないような冷却を実施する。すなわち、緩冷工程Ｓ２では、高温の内部の熱伝導による温度上昇を相殺するような冷却を実施する。もっとも、緩冷工程Ｓ２においては、該冷却によって被処理物Ｍの外表面が、Ｍｓ変態点に達してしまわないように、冷却効率（ミスト密度）を制御装置４１によって調節させる。

緩冷工程Ｓ２は、被処理物Ｍの内部の温度が目標温度Ｔａを超えるまで実施する。これにより、確実に被処理物Ｍの全体の温度が目標温度Ｔａよりも高くなることを防止できる。なお、本実施形態の被処理物Ｍの内部の温度は、被処理物Ｍの外表面に設けられた温度センサ８０の計測結果と、制御装置４１のメモリに記録されたテーブルデータとを用い、両者を照会することで計測している。
このような緩冷工程Ｓ２を経た被処理物Ｍは、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）と比べて内外の温度分布が緩和される。

本実施形態の熱処理方法では、次に、ミスト状の冷却液の供給を停止して、被処理物Ｍを所定時間保持する（第２工程Ｓ３）。
第２工程Ｓ３では、ミスト冷却停止期間において被処理物Ｍの内外の温度差の拡大を抑えて、被処理物Ｍの内外における熱伝導により温度差を緩和し、被処理物Ｍの温度をほぼ均一にする。第２工程Ｓ３のミスト冷却停止期間は、被処理物Ｍの内外の温度差が所定の閾値（例えば１０℃）以内になるまで実施する。本実施形態では、第２工程Ｓ３のミスト冷却停止期間は、被処理物Ｍの内外の温度をモニタリングしつつ、被処理物Ｍの内外の温度差が所定の閾値以内になった時に終了する。なお、第２工程Ｓ３のミスト冷却停止期間は、被処理物Ｍの内外の温度差と熱伝達率とから、被処理物Ｍの内外の温度差が所定の閾値以内になる時間を予測し、その時間が経過したときに終了する手法を用いてもよい。
このような第２工程Ｓ３を経た被処理物Ｍは、図５（ｃ）に示すように、内外の温度が目標温度Ｔａとなるように均一化される。

本実施形態の熱処理方法では、最後に、被処理物Ｍを変態点Ｍｓ以下の温度まで冷却する（第３工程Ｓ４）。
第３工程Ｓ４では、第１工程Ｓ１、緩冷工程Ｓ２、第２工程Ｓ３を経ることで内外の温度差が緩和された状態の被処理物Ｍを、変態点Ｍｓ以下まで冷却することにより、被処理物Ｍの内外の組織をほぼ同時にマルテンサイト組織に変態させる。なお、目標温度Ｔａが、変態点Ｍｓより十数℃度程度高い温度あれば、第３工程Ｓ４における冷却によって生じる被処理物Ｍの内外の温度差を微小に抑えることが可能となり、品質の向上を図ることが可能となる。

なお、第３工程Ｓ４での冷却は、ミスト状の冷却液の供給を再開することで行ってもよいが、被処理物Ｍを急冷させる必要のない場合は、例えば、ガス冷却装置２０により冷却室１６０内に冷却ガスを供給することによって被処理物Ｍを冷却してもよい。具体的には、被処理物Ｍに対して、ガス冷却装置２０における噴出口２４から冷却ガスを供給・噴射させることで被処理物Ｍを直接冷却する。

以上説明したように、本実施形態では、焼入れ温度に保持された被処理物Ｍを、該被処理物Ｍの組織がマルテンサイト組織に変態し始める変態点Ｍｓの近傍であって該変態点Ｍｓより高い目標温度Ｔａまで、ミスト状の冷却液を供給してミスト冷却する第１工程Ｓ１と、第１工程Ｓ１の後の被処理物Ｍを、ミスト状の冷却液の供給を停止して所定時間保持する第２工程Ｓ３と、第２工程Ｓ３の後の被処理物Ｍを、変態点Ｍｓ以下の温度まで冷却する第３工程Ｓ４とを有するという熱処理方法を採用することによって、第１工程Ｓ１で被処理物の内外に温度差が生じた場合でも、第２工程Ｓ３でのミスト冷却停止期間によって、被処理物Ｍの内外の温度差の拡大が抑えられると共に、被処理物Ｍの内外における熱伝導により温度差が緩和され、そして、被処理物Ｍの内外の温度差が緩和された状態で、変態点Ｍｓ以下まで被処理物を冷却することにより、被処理物Ｍの内外の組織をほぼ同時にマルテンサイト組織に変態させることができる。
したがって、本実施形態では、被処理物Ｍの組織の不均一化及び曲りを抑制できる。

また、本実施形態においては、第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ３との間において、被処理物Ｍを、第１工程Ｓ１のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却するようにミスト状の冷却液を供給する緩冷工程Ｓ２を有するという手法を採用することによって、高温の内部からの熱伝導により被処理物Ｍの全体の温度が目標温度Ｔａよりも高くなって目的としない他の組織の変態点Ｐｓに達してしまうことを防止することができる。すなわち、第２工程に入る前に被処理物Ｍを緩冷することで、被処理物Ｍの内外の温度差を緩和すると共に、高温の内部の熱伝導による温度上昇を相殺するような冷却を実施し、被処理物Ｍの内外における熱伝導により被処理物の全体の温度が目標温度より高くなることを防止することで、被処理物Ｍの組織の不均一化及び曲りをより確実に抑制できる。

なお、上記実施形態における冷却液としては、フッ素系不活性液体を好適に用いることができる。
フッ素系不活性液体を用いた場合には、被処理物Ｍの構成材料を侵さず被処理物Ｍに悪影響を及ぼすことを防止できる。また、フッ素系不活性液体は、不燃性を有しているため、安全性も向上させることが可能である。また、フッ素系不活性液体は、沸点が水よりも高いため、冷却ポテンシャルも高く、水を用いた場合に生じる酸化や蒸気膜等の問題も抑制することができるとともに、また蒸発潜熱の点でも熱伝達能力に優れており、被処理物Ｍを効率的に冷却することが可能である。さらに、被処理物Ｍにフッ素系不活性液体が付着しても洗浄する必要がないことから、生産性も向上させることができる。

（実験例）
以下、図６〜図９に示すグラフを参照して、本発明の効果についてより明らかにする。

図６は、ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。本実験では、ＳＵＳ３０４（φ２５ｍｍ×６０ｍｍ）の円柱状の被処理物に対するミスト噴霧量（ミスト密度）を変化させた場合に、被処理物の中心部の温度がどの様に変化するかを調べた。
グラフでは、炉内圧力を５０ｋＰａとして、１つのノズルを用いて、ミスト噴霧量を８Ｌ／ｍｉｎとした場合、また、ミスト噴霧量を２Ｌ／ｍｉｎとした場合、そして、ミスト噴霧量を８Ｌ／ｍｉｎ→２Ｌ／ｍｉｎ→８Ｌ／ｍｉｎと変化させた場合の各噴霧条件の温度変化を示している。
グラフに示すように、ミスト噴霧量を変化させることにより被処理物の冷却速度を任意に変化させることができることがわかる。また、ミスト噴霧量を途中で少なくすることにより冷却速度にブレーキをかけることができることが分かる。

図７は、ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。本実験では、ＳＵＳ３０４（φ２５ｍｍ×６０ｍｍ）の円柱状の被処理物を、ミスト冷却あるいは浸漬冷却した場合に、被処理物の中心部の温度がどの様に変化するかを調べた。
グラフでは、炉内圧力を５０ｋＰａとして、３つのノズルを用いて９Ｌ／ｍｉｎずつ、合計でミスト噴霧量を２７Ｌ／ｍｉｎで一定噴射させた場合の噴霧条件の温度変化を示している。
グラフに示すように、被処理物を冷媒に浸して冷却する浸漬冷却よりも、ミスト冷却の方がより早く被処理物を冷却することができ、ミスト冷却の冷却性能が高いことが分かる。

図８は、ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。本実験では、ＳＵＳ３０４（φ８０ｍｍ×８０ｍｍ）の円柱状の被処理物をミスト冷却した場合に、被処理物の中心部、直径１／４、側面、中心下部、中心上部の各温度がどの様に変化するかを調べた。
グラフでは、炉内圧力を５０ｋＰａとして、３つのノズルを用いて９Ｌ／ｍｉｎずつ、合計でミスト噴霧量を２７Ｌ／ｍｉｎで一定噴射させた場合の噴霧条件の温度変化を示している。
グラフに示すように、一定のミストを噴霧し続けて冷却すると、被処理物の内外の温度差の拡大が進行することが分かる。

図９は、ミスト冷却の一実験結果を示すグラフである。本実験では、ＳＵＳ３０４（φ８０ｍｍ×８０ｍｍ）の円柱状の被処理物に対するミスト冷却を途中で一時停止した場合に、被処理物の中心部、直径１／４、側面、中心下部、中心上部の各温度がどの様に変化するかを調べた。
グラフは、炉内圧力を５０ｋＰａとして、３つのノズルを用いて９Ｌ／ｍｉｎずつ、合計でミスト噴霧量を２７Ｌ／ｍｉｎで噴射させる場合であって、ミスト噴霧量を２７Ｌ／ｍｉｎ→０Ｌ／ｍｉｎ→２７Ｌ／ｍｉｎと変化させた場合の噴霧条件の温度変化を示している。
グラフに示すように、噴霧を一時停止することにより、被処理物の内外の温度差が緩和されて、冷却が進行することが分かる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、ミスト密度を調整する方法としては、上述したモータ３９及びポンプ３８を用いた冷却液の供給量調整や、供給圧力調整、供給時間調整（絞り弁等を用いた周波数調整）等を採用することができる。

また、上記実施形態では、温度センサ８０で被処理物Ｍの温度を計測し、計測した温度に基づいて被処理物Ｍの内部の温度を計測すると説明したが、被処理物Ｍの内部の温度を計測する温度センサを別途設ける構成であってもよい。

また、上記実施形態で説明した冷却液の供給は、通常真空下で行われるが、例えばミスト冷却時に上述した不活性ガスを添加する構成としてもよい。
通常、雰囲気圧が高いと沸点は上がり、雰囲気圧が低いと沸点が下がる。そのため、不活性ガスの添加量を調整して、雰囲気圧を上昇させることにより、冷却液の気化潜熱による冷却能力を高めることができ、逆に雰囲気圧を下降させることにより、沸点が下がって供給液温度との温度差が狭まり冷却速度（冷却能力）を抑えることができる。
このように、不活性ガスの添加量を調整することにより、被処理物Ｍに対する冷却特性を制御することも可能になり、より高精度の冷却を実施することができる。

また、上記実施形態では、ミスト冷却装置３０とガス冷却装置２０とを併用する構成としたが、これに限定されるものではなく、ミスト冷却装置３０のみが設けられる構成であってもよい。

また、上記実施形態では、冷却液として油、ソルト液、フッ素系不活性液体等を例示したが、この他に、酸化や蒸気膜等の影響が軽微な場合には水を用いてもよい。ミスト状の冷却液として水を用いる場合には、上述したフッ素系不活性液を用いる場合と同様の理由により、沸点が９０℃となる雰囲気調整圧７０ｋＰａ（abs）〜沸点が８０℃となる雰囲気調整圧４８ｋＰａ（abs）程度の条件で処理することが好ましい。
冷却液として水を用いた場合には、液相または気相のいずれであっても、煩雑な後処理を要することなく安全に排出することが可能であり、後処理に係るコスト面及び地球環境保護の観点からも好適である。

また、上記実施形態では、第２工程Ｓ３においてミスト状の冷却液の供給を停止して所定時間保持すると説明したが、ミスト状の冷却液の供給を停止せずに、第１工程Ｓ２の後の被処理物Ｍを、第１工程Ｓ１のミスト密度よりも小さいミスト密度で所定時間ミスト冷却することでも、被処理物Ｍの内外の温度差の拡大が抑えられて、被処理物Ｍの内外における熱伝導により温度差を緩和することができる。

２０…ガス冷却装置、 ３０…ミスト冷却装置、 ３２…供給管、 ３４…ノズル部、 ４１…制御装置、 ８０…温度センサ、 １００…真空熱処理炉（熱処理装置）、 １６０…冷却室、 ＣＵ…冷却ユニット、 Ｍ…被処理物、 Ｓ１…第１工程、 Ｓ２…緩冷工程、 Ｓ３…第２工程、 Ｓ４…第３工程

Claims (9)

1. 所定温度に保持された被処理物を、該被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であって該変態点より高い目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記被処理物を、前記第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却するように前記ミスト状の冷却媒体を供給する緩冷工程と、
   前記緩冷工程の後に、前記ミスト状の冷却媒体の供給を停止して、前記被処理物を前記変態点に到達せず前記変態点より高い温度の状態で所定時間保持する第２工程と、
   前記第２工程の後に、前記被処理物を、前記ミスト状の冷却媒体を供給することによって前記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有し、
   前記第２工程を行うことで前記被処理物の内部及び外部の温度差が所定の閾値以内になったときに、前記第３工程を開始することを特徴とする熱処理方法。
2. 所定温度に保持された被処理物を、該被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であって該変態点より高い目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却しつつ、前記被処理物を前記変態点に到達せず前記変態点より高い温度の状態で所定時間保持する第２工程と、
   前記第２工程の後の前記被処理物を、前記ミスト状の冷却媒体を供給することによって前記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有し、
   前記第２工程を行うことで前記被処理物の内部及び外部の温度差が所定の閾値以内になったときに、前記第３工程を開始することを特徴とする熱処理方法。
3. 所定温度に保持された被処理物を、前記被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であり且つ前記変態点と、前記変態点よりも高い温度で前記組織が前記所定の組織以外の組織に変態し始める上部の変態点との間において設定される目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記被処理物を、前記第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却するように前記ミスト状の冷却媒体を供給する緩冷工程と、
   前記緩冷工程の後に、前記ミスト状の冷却媒体の供給を停止し、前記被処理物を前記変態点及び前記上部の変態点のいずれにも到達せず前記変態点より高く前記上部の変態点より低い温度の状態で所定時間保持する第２工程と、
   前記第２工程の後の前記被処理物を、前記ミスト状の冷却媒体を供給することによって前記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有し、
   前記緩冷工程では、前記被処理物を前記変態点及び前記上部の変態点のいずれにも到達せず前記変態点より高く前記上部の変態点より低い温度の状態で保持することを特徴とする熱処理方法。
4. 前記緩冷工程において、前記被処理物の外表面が前記変態点に到達してしまわないように、前記緩冷工程における前記ミスト密度を調節する制御工程を有することを特徴とする請求項３に記載の熱処理方法。
5. 前記被処理物の外表面の温度を計測する工程を有し、
   前記計測した温度が前記目標温度に到達した時に、前記第１工程から前記緩冷工程に移行することを特徴とする請求項３または４に記載の熱処理方法。
6. 前記被処理物の内部の温度を計測する工程を有し、
   前記計測した温度が前記目標温度に到達した時に、前記緩冷工程から前記第２工程に移行することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の熱処理方法。
7. 前記被処理物の外表面の温度に基づいて、前記被処理物の内部の温度を計測することを特徴とする請求項６に記載の熱処理方法。
8. 所定温度に保持された被処理物を、前記被処理物の組織が所定の組織に変態し始める変態点の近傍であり且つ前記変態点と、前記変態点よりも高い温度で前記組織が前記所定の組織以外の組織に変態し始める上部の変態点との間において設定される目標温度まで、ミスト状の冷却媒体を供給してミスト冷却する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記第１工程のミスト密度よりも小さいミスト密度でミスト冷却しつつ、前記被処理物を前記変態点及び前記上部の変態点のいずれにも到達せず前記変態点より高く前記上部の変態点より低い温度の状態で所定時間保持する第２工程と、
   前記第２工程の後の前記被処理物を、前記ミスト状の冷却媒体を供給することによって前記変態点以下の温度まで冷却する第３工程とを有することを特徴とする熱処理方法。
9. 前記変態点は、マルテンサイト変態点であり、前記上部の変態点は、パーライト変態点であることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載の熱処理方法。

Images