JP6192463B2 - 熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転するワークを誘導加熱し、さらにワークの表面に冷却液を噴射供給する熱処理方法に関するものである。

鋼材を熱処理する方策の一つとして高周波焼入れが知られている。高周波焼入れは、短時間で焼入処理が可能であり、且つ、表面側だけを焼き入れ硬化させることができることから、機械部品の焼き入れに広く活用されている。

機械部品（以後、ワークと称する。）の周面を焼入れする場合、まず、加熱コイルに高周波電流を供給し、当該周面に高周波の誘導電流を励起させて当該周面を誘導加熱し、その後、冷却ジャケットから当該周面に向けて冷却液を噴射供給することにより急冷する。

このような高周波焼入装置の冷却ジャケットが、例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１には、筒状の冷却ジャケットの中に昇温したワークを配置し、冷却水を噴射供給してワークを冷却する構成が開示されている。特許文献１の冷却ジャケットは、冷却水の噴射量を調整することができる構成を有しており、ワークの肉厚が厚い部位（熱容量が大きい部位）に対しては冷却水の噴射量を多くし、肉厚が薄い部位（熱容量が小さい部位）に対しては冷却水の噴射量を少なくすることができる。
すなわち、特許文献１の冷却ジャケットは、冷却水の噴射量を部位ごとに調整することができる構成を有しており、肉厚差を有するワークの周面を均一に冷却することができるように配慮されている。
実際に、特許文献１に開示されている冷却ジャケットは、回転するワークの外面を冷却することができ、高周波焼入れそのものは問題なく実施することができる。

実公平２−３８９１２号公報

ところで、ワークを誘導加熱後、冷却液を噴射供給して急冷する際のワークの温度低下速度は、確かに冷却液の噴射量と相関関係があるが、単に冷却液の噴射量を増加させるだけでは期待するほど温度低下しない場合があることが本発明者らの調査によって判明した。すなわち、ワークの冷却効果を向上させる場合には、冷却液の噴射量を増加させればよいと考えられるが、噴射量を増やしても、期待するほどワークの温度低下速度が向上しない場合があることが判明した。

そこで本件発明者らは、様々な調査を行い、ワークの温度が低下しにくい原因について、次の様な知見を得た。

ワークに向けて噴射された低温の冷却水がワーク表面に到達すると、冷却水とワーク表面との間で良好に熱交換が行われ、高い冷却効果を奏することができる。ところが、ワーク表面に冷却水が付着して水膜が形成されると、その後に噴射された冷却水は、ワーク表面に到達する前に水膜に衝突する。

すなわち、ワーク表面に最初に到達した冷却水は、高い冷却効果を奏することができるが、水膜が形成された後にワーク表面に達する後続の冷却水は、水膜に邪魔されて低い温度の状態でワーク表面に達することができない。そのため、ワークに低温の冷却水を連続して噴射供給しているにも関わらず、ワークの温度が低下しにくくなるものと考えられる。

例えば、特許文献１に開示されている冷却ジャケットでは、ワーク表面における噴射された冷却水が直接到達する部位が極めて狭く、ワーク表面の大半が拡大する昇温した水膜に覆われてしまうため、冷却液の噴射量を増加させても、ワークの温度低下速度は、期待するほど向上しない。

従来の冷却ジャケットの様に、冷却水の噴射孔が鉛直方向に真っ直ぐ配列されていると、噴射孔から噴射された冷却水は、先行して噴射された冷却水によってワーク表面に形成された水膜に衝突するため、従来の冷却ジャケットでは、この問題を解決する有効策を見出すことができない。

また、ワークを誘導加熱後、冷却液を噴射供給して急冷する際に、ワークの冷却効果が高すぎると、ワークに割れや歪が生じることがある。この様な場合には、ワークの温度低下速度を遅くする必要がある。そこで、特許文献１に開示されている様な冷却ジャケットを使用し、噴射供給する冷却液の量を減少させて対応することが考えられる。

ところが、冷却液の噴射量とワークの温度低下速度は、相関関係があるものの、必ずしも比例関係にないため、単に冷却液の噴射量を減少させるだけでは、ワークの温度低下速度を期待するほど遅くすることができない。

そこで本発明は、誘導加熱されたワークの周面の冷却速度を容易に変更することができる熱処理方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、ワークを誘導加熱する加熱工程と、加熱直後にワークに冷却液を噴射してワークを急冷する冷却工程を有する熱処理方法において、前記冷却工程においては、ワークを立て姿勢に保持して回転し、その周囲から冷却液を放出するものであり、ワークの回転方向の切り換えが可能であり、前記冷却液は、回転するワークの周面に対して傾斜した放出列を形成して放出されることを特徴とする熱処理方法である。

請求項１に記載の発明では、ワークを立て姿勢に保持して回転し、その周囲から冷却液を放出するものであるので、傾斜した放出列から放出された冷却液は、ワークに衝突すると、ワークを冷却すると共に、ワーク表面に付着してワーク表面に液膜を形成する。この液膜は、ワークから熱伝達されて昇温しており、また、重力の作用でワーク表面に沿って下方へ拡大する。
ここで、傾斜した放出列から放出された冷却液が、先に噴射された冷却液によってワーク表面に形成された液膜に邪魔されずにワーク表面に到達する方向にワークを回転させると、ワークの冷却速度を向上させることができる。すなわち、ワークの表面に形成された液膜は、ワークを冷却して昇温しているが、液膜よりも低温の後続の冷却液が、昇温した液膜に阻害されることなくワーク表面に到達するので冷却効果が高い。そして、液膜よりも低温の冷却液が、液膜が形成される前のワーク表面の広い領域に到達し、ワークを効率よく冷却してワークの温度を効率的に低下させることができる。
逆に、放出列から放出された冷却液が、ワーク表面に形成された液膜上に到達する方向にワークを回転させると、ワークの冷却速度を低下させることができる。すなわち、放出列から放出された低温の冷却液が、ワーク表面上に形成された高温の液膜に到達するので、ワーク表面に対する冷却効果は低減する。
よって、ワークの回転方向を切り換えることによって、容易にワークの冷却速度（温度の低下速度）を変更することができる。

請求項２に記載の発明は、前記放出列から放出される冷却液が、ワークの周面上の軸芯と同方向にのびる直線の下側から上側へ順に到達する様にワークを回転させることを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法である。

請求項２に記載の発明では、放出列から放出される冷却液が、ワークの周面上の軸芯と同方向にのびる直線の下側から上側へ順に到達する様にワークを回転させるので、放出列から放出された冷却液は、ワーク表面に形成された液膜に邪魔されることなくワーク表面に達する。そのため、低温の冷却液が、直接ワークの表面に到達するので、冷却効果が高い。

冷却液は長孔から放出される様にしてもよい（請求項３）。

冷却液は複数の開口から放出され、当該開口が傾斜状態で配列されているのが好ましい（請求項４）。

本発明の熱処理方法では、液膜よりも低温の冷却液が、液膜が形成される前のワーク表面の広い領域に到達するようにワークを回転させたり、ワーク表面に形成された液膜に低温の冷却液が到達する様にワークを回転させることができる。
その結果、ワークを効率よく冷却してワークの温度を効率的に低下させたり、敢えて冷却効率を下げ、ワークに割れが生じるのを回避することができる。

本発明の熱処理方法を実施する高周波焼入装置の概念図であり、（ａ）は、ワークを誘導加熱可能な状態を示し、（ｂ）は、ワークを冷却可能な状態を示す。 図１の高周波焼入装置に設けられた冷却ジャケットの斜視図である。 図２の冷却ジャケットと、冷却ジャケット内部に配置したワークを便宜的に冷却ジャケットの外部に取り出して示した斜視図であり、（ａ）は、冷却ジャケットの外壁を透視して内壁を描写した仮想的な斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の冷却ジャケットの内壁の一部を展開すると共に、当該内壁にワークを近接させて描写した仮想的な斜視図である。 冷却ジャケットの内部をワークと共に描写した図２のＡ−Ａ断面矢視図である。 ワークの周面を展開して描写した部分展開図であり、（ａ）は、ワーク表面に最初に冷却液が到達する部位を二点鎖線で示しており、（ｂ）は、ワーク表面に冷却液が到達して微小時間が経過した際の、ワーク表面に形成された液膜を示しており、（ｃ）は、（ｂ）からさらに時間が経過して液膜の範囲が拡がった状態を示しており、（ｄ）は、ワーク表面における、液膜が形成された領域と液膜が形成されることなく冷却液が供給された領域とを示している。 （ａ）は、ワークの外周面に図５（ｄ）に示す各領域を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ―Ｂ端面図であり、ワークに噴射された冷却液の飛散状態を示している。 冷却ジャケットを仮想的に展開した展開図であり、図３に示す開口の変形例を示す。 冷却ジャケットを仮想的に展開した展開図であり、図３、図７に示す開口のさらに別の変形例を示す。 （ａ）は、従来の冷却ジャケットで冷却したワークの横断面図であり、図９（ｂ）は、本発明の実施形態の高周波焼入装置に設けた冷却ジャケットで冷却したワークの横断面図である。 誘導加熱されたワークを冷却した際におけるワークの温度低下の仕方を示すグラフであり、従来の冷却ジャケットを使用した場合と、本発明の実施形態の高周波焼入装置が備えた冷却ジャケットを使用した場合とを比較したグラフである。 図１０と同様のグラフであり、図１０の場合よりもワークの直径が大きい場合のグラフである。 回転するワークの斜視図であり、（ａ）は、軸芯と平行な外周面上の直線の下部が、傾斜する冷却液到達部と交差している状態を示しており、（ｂ）は、（ａ）の状態からワークが矢印Ａで示す方向に回転し、ワークの外周面上の直線の中央部分が、冷却液到達部と交差している状態を示しており、（ｃ）は、（ｂ）の状態からさらにワークが矢印Ａで示す方向に回転し、ワークの外周面上の直線の上部が、冷却液到達部と交差している状態を示している。 回転するワークの斜視図であり、（ａ）は、軸芯と平行な外周面上の直線の上部が、傾斜する冷却液到達部と交差している状態を示しており、（ｂ）は、（ａ）の状態からワークが矢印Ｂで示す方向に回転し、ワークの外周面上の直線の中央部分が、冷却液到達部と交差している状態を示しており、（ｃ）は、（ｂ）の状態からさらにワークが矢印Ｂで示す方向に回転し、ワークの外周面上の直線の下部が、冷却液到達部と交差している状態を示している。

以下、図面を参照しながら説明する。
図１に示す様に、高周波焼入装置１は、誘導加熱装置２、冷却装置３、移送装置８を有する。高周波焼入装置１は、円筒状又は円柱状のワーク１５の外周面１５ａを高周波焼入する装置である。

誘導加熱装置２は、高周波電源４、トランス６、加熱コイル７を有する。

高周波電源４は、商用電源から供給される交流電力を高周波発振器５で高周波化し、トランス６に供給するものである。さらに、トランス６で変圧された高周波電力が、加熱コイル７に供給される。

加熱コイル７は、銅や銅合金等の良導体で形成された中空の管部材が、適宜湾曲及び屈曲して形成されたものである。すなわち、加熱コイル７は中空の線状部材であり、高周波電源４から高周波電力が供給される。また、加熱コイル７には、図示しない冷却水の循環回路が接続されており、冷却水が循環供給されている。

冷却装置３は、冷却ジャケット９、冷却液供給管１０を有する。

冷却ジャケット９は、図２に示す様に、上面９ａ（上壁）、下面９ｂ（下壁）、外周面１２（外壁）、内周面１３（内壁）で構成された円筒形状を呈しており、内部に環状空間１１（図４）を有している。

内周面１３には複数の開口１４が平行に設けられている。
各開口１４は、長孔状に形成されている。図４に示す様に、各開口１４は環状空間１１に連通している。また、各開口１４は、図３（ｂ）に示す様に、鉛直線Ｖに対して角度θだけ傾斜している。各開口１４の長さは同じであり、各開口１４の上端１４ａから冷却ジャケット９の上面９ａまでの距離は同じである。
開口１４の上端１４ａと下端１４ｂの鉛直方向の長さＨ（図３（ｂ）、図４）は、ワーク１５の焼入対称部位の高さ寸法ｈ（図４）よりも長い。

冷却液供給管１０は、図示しない冷却液供給源と冷却ジャケット９とを接続する配管である。冷却液供給管１０には加圧ポンプ１６と開閉弁（図示せず）とが設けられている。図１（ａ）等では、冷却液供給管１０を１本しか描写していないが、実際には、複数の冷却液供給管１０が、冷却ジャケット９の上面９ａと下面９ｂに接続されて冷却装置３が構成されている。

移送装置８は、図１に示す昇降台２６と、昇降台２６を上下方向に往復移動させる図示しない昇降装置とを有する。図１に示す様に、昇降台２６の下部には、駆動軸１８、モータ１９が設けられている。モータ１９は、正転及び逆転が可能である。モータ１９の回転方向は、図示しない制御装置によって制御される。モータ１９には駆動軸１８が接続されており、駆動軸１８はモータ１９で回転駆動可能である。また、駆動軸１８は、昇降台２６に接続されている。昇降台２６上にはワーク１５が載置される。すなわち、移送装置８は、ワーク１５を昇降台２６ごと回転可能であり、且つ、上下に往復移動可能である。

次に、高周波焼入装置１の動作を説明する。

図１（ａ）に示す様に、立て姿勢のワーク１５が移送装置８によって上昇移動し、ワーク１５と加熱コイル７が対向している。そして、以下のように加熱工程と冷却工程が実施される。

加熱工程は、図１（ａ）に示す様に、ワーク１５が加熱コイル７に対向している状態で実施される。加熱工程では、図示しない制御装置が、高周波電源４をＯＮ状態とし、さらにモータ１９を駆動させる。以下では、冷却効果が高い方向にワーク１５を回転させる場合について説明する。すなわち、図示しない制御装置は、モータ１９を、ワーク１５の冷却効果が高まる方向に回転させる。

すなわち、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示す様に、ワーク１５が軸芯Ｃを中心に矢印Ａで示す方向に回転駆動され、ワーク１５の外周面１５ａ上の軸芯Ｃと平行にのびる鎖線で示す直線Ｅが、矢印Ｂで示す方向に回転移動する。そして、図２に示す冷却ジャケット９の開口１４から噴射供給された冷却液は、外周面１５ａ上の冷却液到達部２２ａに到達する。開口１４が傾斜しているため、冷却液到達部２２ａも傾斜している。図１２（ａ）では、冷却液到達部２２ａに対して、外周面１５ａ上の直線Ｅの下部が交差しており、ワーク１５が矢印Ａで示す方向に回転することにより、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に示す様に、交差する部位が中部、上部に移動する。矢印Ａは、図３、図４にも示しており、この矢印Ａで示す方向に回転させると、後述の様にワーク１５の冷却効果が高い。

ワーク１５は、昇降台２６と共に回転駆動されると共に、ワーク１５に対向する加熱コイル７に高周波電流が通電され、ワーク１５の外周面１５ａには、高周波の誘導電流が励起される。通電から所定時間が経過すると、ワーク１５の外周面１５ａは焼入温度まで昇温する。

加熱工程の終了は、前記所定時間が経過したことをもって図示しない制御装置が判定する。すなわち、加熱コイル７への高周波電流の通電時間が所定時間に達すると、図示しない制御装置は、高周波電源４をＯＦＦ状態にすると共に、移送装置８によってワーク１５を図１（ａ）に示す上方位置から図１（ｂ）に示す下方位置へ移動させる。ワーク１５の回転駆動は継続されている。

冷却工程は、図１（ｂ）に示す様に、ワーク１５が冷却装置３の冷却ジャケット９内に配置された状態で実施される。ワーク１５は、加熱工程から引き続き矢印Ａ（図４）で示す方向に回転駆動されている。冷却工程では、図示しない制御装置が、冷却液供給管１０に設けられた開閉弁（図示せず）を開き、さらに加圧ポンプ１６を駆動させ、冷却液供給源（図示せず）から低温の冷却液を冷却ジャケット９の環状空間１１内に供給する。

環状空間１１内に充満した冷却液は、各開口１４からワーク１５の外周面１５ａに向けて噴射される。冷却ジャケット９の各開口１４と、ワーク１５の外周面１５ａの関係は、図４に示す。すなわち、各開口１４から冷却液が噴射されると、各冷却液は、ワーク１５の外周面１５ａに図４に示す冷却液到達部２２ａ〜２２ｃに到達する。
図６（ｂ）に示す様に、ワーク１５に向けて噴射された冷却液２５は、ワーク１５の外周面１５ａに衝突し、主にワーク１５の矢印Ａで示す回転する向きの接線方向に飛沫２５ａとして飛散する。そして、冷却液２５の一部がワーク１５の外周面１５ａに付着する。

冷却ジャケット９の各開口１４は、図３（ｂ）に示す様に鉛直線Ｖに対して角度θだけ傾斜している。そのため、開口１４から放出される冷却液は、鉛直線Ｖに対して角度θだけ傾斜してワーク１５の外周面１５ａ（ワーク表面）に到達する。すなわち、図４及び図５（ａ）に示す様に、ワーク１５の外周面１５ａの２本の二点鎖線の間の冷却液到達部２２ａ〜２２ｃに冷却液が最初に到達する。図５では、複数の開口１４のうちの隣接する一部の開口１４から噴射された冷却液が到達する部位（冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ）のみを描写しているが、冷却ジャケット９に設けられる開口１４の数は任意である。

図５（ａ）に示す様に、開口１４の高さ寸法Ｈの方が、ワーク１５の焼入対象部位の高さ寸法ｈよりも大きいので、冷却液到達部２２ａ〜２２ｃは、ワーク１５の焼入対象部位（外周面１５ａ）の上下にはみ出ている。よって、冷却ジャケット９は、ワーク１５の焼入対象部位（外周面１５ａ）の全領域に冷却液を噴射供給することができる。

冷却ジャケット９は停止しており、ワーク１５が矢印Ａで示す方向に回転しているので、図５（ａ）に示す冷却液到達部２２ｂのラインＬ４に到達した冷却液は、微小時間が経過した図５（ｂ）では、破線で示すラインＬ３の部位に移動する。すなわち、微小時間の間に、ワーク１５の外周面１５ａは距離ｄだけ回転移動している。そのため、微小時間の間に、ラインＬ３からラインＬ４に至る領域Ｓ３に冷却液が噴射供給される。このとき、冷却液は、領域Ｓ３においてワーク１５の外周面１５ａに直接到達しており、高い冷却効果を奏することができる。

また、微小時間の間に、冷却液（液膜）は重力の作用で高さＸ１だけ落下してワーク１５の外周面１５ａ上で拡大し、折れ線のラインＬ２を形成している。ラインＬ３とラインＬ２の間の領域Ｓ２は、ワーク１５の外周面１５ａにおける液膜が形成された領域である。

図５（ｂ）におけるラインＬ１とラインＬ２の間の領域Ｓ１は、ワーク１５の外周面１５ａにおける未だ冷却液が供給されたり、液膜が形成されていない領域である。

図５（ｂ）に示す状態から、さらに時間が経過して図５（ｃ）に示す状態になると、領域Ｓ１がなくなる。すなわち、図５（ｃ）に示す状態では、ワーク１５の外周面１５ａが全て液膜に覆われている。図５（ｃ）に示す状態では、ラインＬ２を形成する液膜が高さＸ２まで落下している。

そして図５（ｄ）にハッチングで示す領域Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃが、液膜が形成される前に後続の冷却液がワーク１５の外周面１５ａ（ワーク表面）に到達した領域である。すなわち、液膜に邪魔されずに冷却液がワーク１５の外周面１５ａ（ワーク表面）に到達して良好に熱交換された領域である。また、図５（ｄ）における符合ＳＡ、ＳＢ、ＳＣで示す白抜きの領域が、液膜の上から冷却液が供給された領域であり、冷却効果が低い領域である。

図５（ｃ）及び図５（ｄ）では、理解を容易にするために、液膜が形成される領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣを、実際よりもかなり大きく描写しているが、実際には、図６（ａ）に示す様な状態となる。すなわち、領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、傾斜した細長い領域である。
高周波焼入装置１では、領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣの面積が極力小さくなり、領域Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃが極力大きくなる様に、開口１４の角度θ（傾斜角）、開口１４の数又は間隔、及びワーク１５の回転速度が設定されている。すなわち、冷却液到達部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに到達した冷却液が、落下する時間が短くなるように開口１４同士の間隔（開口１４の数）、ワーク１５の回転速度が設定されている。

冷却液が放出される開口１４は長孔であるため、丸孔が並んだ放出列から放出されるよりも単位面積当たりの冷却液の放出量が多く、ワーク１５の広範囲に冷却液を供給することができる。そのため、冷却効果が高い。

また、冷却液は、複数の開口１４から放出され、当該開口１４が傾斜状態で配列されているので、各開口１４から放出された冷却液同士は、ワーク１５に到達するまでの間に衝突したり干渉し合うことがない。また、各開口１４から放出された冷却液は、冷却液を放出した直後に、それぞれワーク１５の表面における液膜が形成されていない部位に衝突するので、衝突した冷却液とワーク１５とが熱交換する。そのため、冷却効果が高い。

ワーク１５の外周面１５ａに液膜が形成され、噴射された後続の冷却液が液膜に到達するか、液膜が形成されていない外周面１５ａに到達するかによって、ワーク１５の温度低下速度は相当に相違する。

そのため、ワーク１５の温度を緩やかに低下させる場合には、ワーク１５に向けて噴射された後続の冷却液が、ワーク１５の外周面１５ａに形成された液膜に到達するようにワーク１５を回転させればよい。すなわち、モータ１９の回転方向を切り換えるだけでワークの温度低下速度を変更することができる。

具体的には、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示す様に、ワーク１５の回転方向を矢印Ｂで示す方向に切り換える。矢印Ｂの方向に回転するワーク１５の外周面１５ａには、先に噴射された冷却液が、外周面１５ａ上に液膜を形成し、この液膜上に後続の冷却液が到達する。そのため、低温の冷却液が直接ワーク１５の外周面１５ａに到達せず、昇温した液膜に到達するので、冷却効果が低くなる。すなわち、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す領域Ｓ２（ワーク１５の外周面１５ａにおける液膜が形成された領域）に冷却液到達部２２ａが重なる様にワーク１５が回転する。

（実施例１）
焼入温度まで誘導加熱した２つのワーク１５を、各々従来の冷却ジャケットと本発明の実施形態の高周波焼入装置の冷却ジャケットで冷却し、各ワーク１５を破断して断面を観察した。
図９（ａ）は、従来の冷却ジャケットで冷却したワークの横断面図であり、図９（ｂ）は、本発明の実施形態の高周波焼入装置１に設けた冷却ジャケット９で冷却したワークの横断面図である。すなわち、図９（ａ）、図９（ｂ）は、焼入後のワーク１５を破断した破断面を示している。
図９（ａ）に示す従来の冷却ジャケットで冷却したワークの横断面は、表面から比較的浅い領域のみマルテンサイト化（焼入れ）されて焼入部２７が形成されている。
一方、図９（ｂ）に示す本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケット９で冷却したワークの横断面は、表面から比較的深い領域までマルテンサイト化（焼入れ）されて焼入部２８が形成されている。
すなわち、図９（ａ）に示すワークは、急冷されて低下した温度幅が比較的小さく、ワークの表面付近のみ焼入れされたものと考えられる。
また、図９（ｂ）に示すワークは、急冷されて低下した温度幅が比較的大きく、ワークの表面付近から比較的深い領域まで焼入れされたものと考えられる。

（実施例２）
ワーク１５は、直径が５ｃｍ、１０ｃｍの２種類を用意した。
図１０は、直径５ｃｍのワーク１５を高周波焼入し、冷却時のワーク１５の温度と経過時間の関係を示すグラフである。
グラフＹ１は、冷却ジャケット９の開口１４の角度θ（傾斜角）、開口１４の間隔Ｄを、それぞれ３０度、（１０π／１２）ｃｍに設定してワーク１５を冷却した場合のグラフである。冷却ジャケット９は、内径（直径）が１０ｃｍのものを使用した。
一方、グラフＹ２は、従来の冷却ジャケットで誘導加熱されたワークを冷却した場合のグラフである。従来の冷却ジャケットは、冷却液が噴射される開口として、多数の丸孔がちどり状に配列されたものを使用した。ワーク１５の回転速度は、本発明の実施形態及び従来技術のいずれの場合も３０ｒｐｍとした。
各グラフにおいて、時刻ｔ０においてワーク１５の温度は、Ｔ０（焼入温度）を呈している。この状態でワーク１５の冷却を開始する。
図１０に示す様に、従来の冷却ジャケットでワーク１５を冷却した場合は、時刻ｔ０で冷却液の噴射が開始され、時刻ｔ１に温度Ｔ１になるまでは、ワーク１５の温度低下が急激に進んでいる。ところが、時刻ｔ１を過ぎると、ワーク１５の温度低下が緩やかになっている。すなわち、温度がＴ１になるまではワーク１５の温度低下は急激であるが、Ｔ１からはなかなか低下しない。
一方、本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケットでワーク１５を冷却した場合は、時刻ｔ１を過ぎ、時刻ｔ２にワーク１５の温度がＴ２になるまで温度低下が急激に進んでいる。そして、時刻ｔ２を過ぎてからの温度低下は緩やかである。
ここで、従来の冷却ジャケットによるワーク１５の温度低下を示すグラフＹ２において、ワーク１５の温度がＴ２になるのは時刻ｔＡである。すなわち、本発明の実施形態の高周波焼入装置の冷却ジャケットで冷却した場合の時刻ｔ２から相当な時間（ｔＡ−ｔ２）が経過しなければ、ワーク１５の温度がＴ２まで低下しない。
また、直径が１０ｃｍのワーク１５を焼入れした場合におけるワーク１５の冷却の仕方を図１１のグラフに示す。この場合においても、図１０と同様の傾向が見られた。
ワークの直径（１０ｃｍ）に合わせて、冷却ジャケット９は、内径（直径）が１５ｃｍのものを使用し、開口１４の間隔を（１５π／１８）ｃｍとした。
図１１に示す様に、従来の冷却ジャケットでは、グラフＹ４で示す様に、時刻ｔ３においてワーク１５の温度がＴ３まで急激に下降した後、ワーク１５の温度低下は緩やかになっている。また、本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケット９で冷却した場合には、グラフＹ３で示す様に、時刻ｔ３を過ぎ、時刻ｔ４において温度Ｔ４に至るまでワーク１５の温度低下が急激に進んでいる。時刻ｔ４を過ぎると、ワーク１５の温度低下は緩やかに進んでいる。
ここで、従来の冷却ジャケットによるワーク１５の温度低下を示すグラフＹ４において、ワーク１５の温度がＴ４になるのは時刻ｔＢである。すなわち、本発明の実施形態の高周波焼入装置の冷却ジャケットで冷却した場合の時刻ｔ４から相当な時間（ｔＢ−ｔ４）が経過しなければ、ワーク１５の温度がＴ４まで低下しない。
図１０及び図１１の結果から、従来の冷却ジャケットでは、ワーク１５の表面（外周面１５ａ）に液膜が形成されるまでの時間が短く、図１０における時刻ｔ１、及び図１１における時刻ｔ３までは、噴射供給された冷却液が直接ワーク１５の外周面１５ａに到達していたが、時刻ｔ１（図１０）、及び時刻ｔ３（図１１）を経過した後は、ワーク１５の外周面１５ａに形成された液膜の上から冷却液が噴射供給されていることがわかる。
同様に、本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケットでワーク１５を冷却した場合には、時刻ｔ２（図１０）、及び時刻ｔ４（図１１）に至るまで噴射された冷却液は、液膜が形成されていないワーク１５の外周面１５ａに到達しており、時刻ｔ２（図１０）、及び時刻ｔ４（図１１）を過ぎると、液膜の上から冷却液が噴射供給されていることがわかる。
図１０では、グラフＹ１、Ｙ２は、時刻ｔ０からｔ１に至るまでは同じ傾きを呈しているが、時刻ｔ１以降で液膜上に冷却液を噴射するようになると、グラフＹ２はグラフＹ１から乖離し、傾斜が緩やかになっている。すなわち、ワーク１５の温度低下が進みにくくなっている。
図１１では、グラフＹ３、Ｙ４は、時刻ｔ０からｔ３に至るまでは同じ傾きを呈しているが、時刻ｔ３以降で液膜上に冷却液を噴射するようになると、グラフＹ４はグラフＹ３から乖離し、傾斜が緩やかになっている。すなわち、ワーク１５の温度低下が進みにくくなっている。
図１０及び図１１から、ワーク１５に向けて噴射供給された冷却液が、ワーク１５における液膜が形成されていない領域に到達し続ける時間が長いほどワーク１５の温度低下が顕著であるのがわかる。

図１０、図１１に示す実施例において、各開口１４（放出列）の角度θ（傾斜角）は、２０〜４０度の範囲に設定すると、冷却効果が高い。

また、図１０、図１１に示す実施例において、各開口１４（放出列）の間隔は、いずれも（５π／６）ｃｍに設定したが、各開口１４の間隔は、（５π／６）ｃｍのプラスマイナス１５％程度に設定すると高い冷却効果が得られ、プラスマイナス７％程度に設定すると、さらに冷却効果が高くなる。
各開口１４の間隔を、上記範囲よりも小さくした場合に冷却効果が低減する原因としては、図６（ｂ）に示す比較的高温の飛沫２５ａが、各開口１４から噴射された低温の冷却液２５に合流し、温度が上昇した冷却液（冷却液２５と飛沫２５ａの混合液）がワーク１５の外周面１５ａに到達するからではないかと考えられる。
また、各開口１４の間隔を、上記範囲よりも大きくした場合に冷却効果が低減する原因としては、開口１４の数が少なくなるため、ワーク１５の冷却が進みにくくなるためであると考えられる。

さらに、ワーク１５の回転速度は、３０ｒ．ｐ．ｍ．のプラスマイナス１０％程度に設定すると、冷却効果が高くなり、プラスマイナス５％以内に設定すると、さらに冷却効果が高くなる。
ワーク１５の回転速度が上記範囲よりも速い場合には、図６（ｂ）に示す飛沫２５ａが生じ易くなり、回転速度が上記範囲よりも遅い場合には、図５（ｃ）に示す液膜高さＸ２が大きくなり、液膜で覆われる前に開口１４から噴射された低温の冷却液がワーク１５の外周面１５ａに到達して冷却することができる領域Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの面積が小さくなるためであると考えられる。

以上では、各開口１４（放出列）が、１つの長孔で構成されている例を示したが、開口１４の代わりに、図７に示す様な複数の孔２０が斜めに列を成して形成した放出列２１を採用することもできる。また、図８に示す様な複数の長孔２３を一列に並べた放出列２４を採用することもできる。

また、各開口１４から噴射された冷却液は、ワーク１５の外周面１５ａの冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ（図５（ａ））に到達する。図５（ａ）に示す各冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ同士の間隔は広く、鉛直方向に重なっていない（すなわち、平面視して重ならない）が、鉛直方向に重なるように各冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ同士の間隔が狭まるように各開口１４を設けてもよい。

また、温度低下速度が過度に速くなり（冷却効果が高過ぎ）、ワーク１５に割れが生じる恐れがある場合には、図示しない制御装置によって、モータ１９（ワーク１５）の回転方向を、図１３における矢印Ｂで示す方向に設定することもできる。ワーク１５が矢印Ｂで示す方向に回転すると、開口１４から噴射された冷却液は、ワーク１５の外周面１５ａに形成された液膜に衝突し、ワーク１５の冷却効果が低下する。
すなわち、高周波焼入装置１は、ワーク１５の回転方向を切り換えるだけで、ワーク１５の温度低下速度（冷却速度）を調整することができる。

１ 高周波焼入装置
２ 誘導加熱装置
３ 冷却装置
９ 冷却ジャケット
１３ 冷却ジャケットの内周面
１４ 開口（放出列）
１５ ワーク
１５ａ ワークの外周面（ワーク表面）
１９ モータ
２１、２４ 放出列

Claims (4)

1. ワークを誘導加熱する加熱工程と、加熱直後にワークに冷却液を噴射してワークを急冷する冷却工程を有する熱処理方法において、
   前記冷却工程においては、ワークを立て姿勢に保持して回転し、その周囲から冷却液を放出するものであり、
   ワークの回転方向の切り換えが可能であり、
   前記冷却液は、回転するワークの周面に対して傾斜した放出列を形成して放出されることを特徴とする熱処理方法。
2. 前記放出列から放出される冷却液が、ワークの周面上の軸芯と同方向にのびる直線の下側から上側へ順に到達する様にワークを回転させることを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
3. 冷却液は長孔から放出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱処理方法。
4. 冷却液は複数の開口から放出され、当該開口が傾斜状態で配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱処理方法。

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