JP6476535B2 - 焼入装置および焼入方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱された機械加工部品等の被処理物を冷却槽内に浸漬して冷却する焼入装置および焼入方法に関する。

従来、鋼製の機械加工部品（被処理物）等の焼入処理を行う焼入装置は、焼入れ温度に加熱されている被処理物を急冷するための焼入れ油等の冷却液が貯留された冷却槽を有している。前記焼入装置は、加熱された被処理物を、当該焼入装置に設けられた昇降装置のフォーク上に載置台を介して載置し、このフォークごと冷却液に浸漬して焼入（ 急冷）を行っている。

前記焼入装置の冷却槽は、当該冷却槽の底部に冷却液の吐出口を備え、この吐出口から上方に向けて冷却液を吐出することで前記冷却液を冷却槽の内部で循環させる循環装置が配置されている。この循環装置は、吐出口からの冷却液の流れを当該冷却液に浸漬された被処理物に導き、所定の冷却速度を保ちつつ焼入が行われている（特許文献１ 参照） 。

この種の焼入装置では、フォークに被処理物を載置した状態でフォークごと被処理物を冷却液に浸漬させるため、冷却槽の底部側から上方へ向かう冷却液の流れが当該フォークにより妨げられ、被処理物に対して冷却液の流れを均等に導くことが出来ない場合があった。例えば、バスケット内に多数の環状部材等の被処理物を積み重ねて三次元に配置された被処理物を熱処理する場合、当該被処理物に対して冷却液の流れを均等に導くことができないと、バスケット内の各被処理物の冷却速度が不均一となり、各環状部材等の被処理物に生じる変形や歪の量のバラツキが大きくなる。

このように、被処理物に生じる変形や歪の量のバラツキが大きくなると、熱処理後の加工工程で、旋削や研磨によって各環状部材等の被処理物の変形や歪を除去したり、サイジング等の塑性加工によって変形や歪を除去するに際し、加工時間が長時間に及ぶことがあり、生産効率の低下を招く要因となることがある。

このような要因の対策として、冷却液の流速や流量等の条件を調整することで、冷却液の流れを有る程度均等に導くように設定することが行われている。すなわち、前記被処理物を所定の個数、配置として、冷却後の流速や流量等の環境条件を適切な値として設定することで変形や歪の量のバラツキが抑制される。

しかし前記被処理物は、大きさや個数、配置が異なる他の被処理物を熱処理する場合、冷却液の流速や流量等の環境条件を変える必要があるので、手間がかかる上、多量に貯留されている冷却液の温度も再調整が必要となる。このように、好適な環境条件は、被処理物の大きさや個数等によって異なるので、環境条件を被処理物に応じて適切に調整するのに多くの作業時間を要し、生産効率低下の問題は未だ解消されていなかった。

上記の問題を解消する焼入装置として、冷却液が貯留された油槽と、上面に被処理物が載置される載置台と、被処理物を冷却液に浸漬するための昇降手段とを有し、前記冷却液を上方に向けて吐出する吐出口を前記油槽の底部に備えるとともに冷却液を循環する循環装置を更に有し、前記載置台に冷却油の流れをフォークの上方に導く整流板を備えたものが知られている（特許文献２ 参照）。

特開２００５−３５０７５６号公報 特開２０１０−７１４６号公報

しかしながら、特許文献２ に記載された焼入装置の冷却槽は、当該冷却槽内の底部に冷却液を上方に向けて吐出する吐出口を備えるとともに載置台にも冷却油の流れをフォークの上方に導く整流板を備えている。このため、被処理物を載置した載置台が浸漬される冷却槽内には、下方から上方に向く冷却液の循環流が形成される。

このように特許文献２では特許文献１の冷却液流れの不均等化の問題は解消できるが、載置台上に取付孔を有する複数の被処理物が該被処理物の取付孔を挿通して縦向きに吊下げ状態で載置されている場合には、上方に向く冷却液の流れによって前記被処理物が横振れする。この結果、吊下げ状態で保持された被処理物は、冷却液中での安定性が悪く揺動や煽り（あおり）が生ずるので焼入性能に差が生じ、焼入歪みが大きくなる問題を有していた。

また、この問題点を解消するため、取付孔を有する被処理物であって、加熱処理後の該被処理物を昇降装置の下降により冷却槽内の冷却油に浸漬させて焼入れを行う被処理物の焼入装置において、前記取付孔を有する被処理物を載置台に縦向きに吊下げ保持する吊下げ治具を備え、前記冷却槽は、載置台の下降位置における冷却油に下方を向く循環流を起生させる攪拌装置が配置されて成り、前記冷却油の流れ方向を前記吊り下げ治具に懸張保持される被処理物の吊下げ方向と同一方向になるように構成する装置も考えられる。

しかしながら、そのような装置や方法では被処理物に最初に接触する際の油温と、被処理物の間を通って熱を吸収し、被処理物から出る際の油温とに差が生じるため、結果として上下の被処理物で焼入れ性の差が生じて、焼入れ歪および硬度のばらつきを生じてしまう。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、縦方向に積載した被処理物を冷却槽内に浸漬して冷却する際の上下段での焼入歪差を低減することを目的とする。加熱された鋼材製の被処理物を焼入れ油槽内の油に浸漬して冷却する熱処理装置において、油の流速を鋼材製の被処理物がセットされる高さごとに最適化することにより焼入硬度・変形量のばらつきを抑制する熱処理手法を提供する。

本発明者は、油冷による熱吸収速度Ｑは、Ｑ＝ｆ（Ｐ、Ｖ、Ｈ（Ｔ、Ｃ_Ｐ））という関係が成立（ここにＰは油面圧、Ｖは油の流速、Ｈは油の冷却特性関数（Ｔは油温、Ｃｐは油の比熱を示す）し、中でも特にＨ（Ｔ、Ｃｐ）のＴ（油温）が冷却槽における被処理物の上下位置において差が生じる点に着目して、それを補正するものとしてＶ（油の流速）を制御する手段について鋭意研究を行った。

その結果、本発明においては内部に油を備えた冷却槽と、冷却槽中央の底部に吐出口を有する配管を備えて冷却槽の油を循環させる循環装置とから構成される焼入装置であって、配管の吐出口の上方には被処理物を収容できる被処理物収容手段と、被処理物収容手段の周囲に配置されて油の流れを制御できる整流板とを有しており、被処理物収容手段と整流板との間に形成される隙間については上方側の隙間を下方側の隙間よりも狭くする焼入装置とした。

このような構成にすることで、油冷時において被処理物収容手段と整流板との隙間を流れる油は、下方側（油冷時における油の入口側）と上方側（油冷時における油の出口側）とではその平均流速が変化する。また、焼入方法の発明としては、前述の焼入装置を用いて、循環装置により冷却槽中央の下方側から上方側に向けて油が流れている状態で、被処理物を積載した被処理物収容手段を冷却槽中央へ浸漬させる焼入方法とした。

このような構成にすることで、油冷時において被処理物収容手段と整流板との隙間を流れる油は、下方側（油冷時における油の入口側）と上方側（油冷時における油の出口側）とではその平均流速が変化するので、冷却槽内に浸漬される（積層された）被処理物収容手段において、上下段での焼入性の差を吸収し、焼入歪差および硬度差を低減できるという効果を有する。

（ａ）本発明の実施の形態を示す焼入装置１の模式図、（ｂ）同図（ａ）のＢ−Ｂ 線に沿った切断断面図である。 本発明の別の実施形態を示す焼入装置１の模式図である。 実施例中の真空浸炭時における被処理物Ｗの設置位置を示す模式図である。 実施例中の焼入時における被処理物Ｗの各設置位置を示す模式図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態を示す焼入装置１の模式図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ 線に沿った切断断面図、図２は本発明の別の実施形態を示す焼入装置１の模式図を示す（図１（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った切断断面図でもある）。

図１（ａ） に示すように、本発明を実施する形態の焼入装置１は、油２を入れた冷却槽３と、図示しない加熱手段により加熱を行う加熱室４と、冷却槽３の底部には吐出口５Ａ、５Ｂを備えて油２を冷却槽３内で循環させる循環装置６（撹拌手段６Ａとモータ６Ｂと配管６Ｃから形成されている）と、から構成される。また、冷却槽３内には被処理物Ｗを収容できる被処理物収容手段７と、被処理物収容手段７の周囲に配置されて油２の流れを制御できる整流板２０と、を有している。さらに、被処理物収容手段７と整流板２０との間に形成される隙間３０は、上方側の隙間３０Ａが下方側の隙間３０Ｂよりも狭くなっている。

このような構成にすることで、油２は冷却槽３内の整流板２０によって流路を限定され、被処理物Ｗの下側から上側に通過することで被処理物Ｗを冷却する。整流板２０は整流板２０下方入口の面積と上方出口の面積を被処理物Ｗの装填量（体積）に応じた角度で適宜設定される。被処理物Ｗの体積量や荷姿が一定の場合は整流板２０の角度を最適値に固定してもよいが、一般的な熱処理設備においては角度を可変できる機構を組み込むことが望ましい。

なお、整流板２０は被処理物Ｗの上下動を妨害しない形態であれば必ずしも平板である必要は無く湾曲した形状でもかまわない。整流板２０の被処理物側の形態（表面形状）は平坦である必要は無く、乱流を生じる程度の凹凸を表面に施しても良い。また、整流効果を有する目の細かい金網であっても良い。

本発明の別の実施形態としては、図２に示すように整流板２０の角度をつけず、整流板２０の下方側入口の面積と上方側出口の面積を同一とした上で、整流板２０に流路面積を変更させる整流構造物２１を設けても良い。その場合に於いても、下方の入口側の断面積に対して上方の出口側の断面積が小さくなるように設定する必要がある。

本発明によれば、整流板の下方入口の油の冷却速度をＱｌ，平均流速をＶｌ、平均油温をＴｌ、整流板の上方出口の冷却速度をＱｕ、平均流速をＶｕ，平均油温をＴｕとしたときにＴｌ＜Ｔｕであるため、整流板もしくは整流構造物のいずれか一方またはそれら両方の角度を調整して、Ｖｕ＞ＶｌとすることでＱｕ＝Ｑｌとすることが可能となる。その結果、上下段に装着した被処理物の焼入度合いが同等となり、もって被処理物の硬さおよび歪量を均一にできる。

次に、図１および図２に示す焼入装置１を用いた焼入方法の手順について説明する。まず、加熱室４で加熱された点線で示す被処理物Ｗは図示しない移動手段で焼入装置１の昇降手段ＥＬ上に移動された後、昇降手段ＥＬが下降することで被処理物Ｗは冷却槽３内の油２によって油冷される。被処理物Ｗが冷却槽３内に浸漬される前には、循環装置６により冷却槽３内の油２が循環された状態であり、被処理物Ｗを積載した被処理物収容手段７を冷却槽３内へ浸漬させることで油冷（焼入れ）が行われる。

本発明の焼入装置を用いて焼入試験を行ったので、その試験結果について説明する。使用した被処理物は焼入れの影響をより明確に判定するために、焼入れ感受性の強い材料に対して、均一な浸炭処理を施した鋼材製（ＳＳ４００）の被処理物を用いた。まず、８個の被処理物に対して均一な浸炭処理を施した。浸炭処理時の８個の被処理物Ｗの配置は、浸炭処理時のガスの分布や炉内温度の不均一性の影響を避けるために、図３に示すように中央部（図中のＩの位置）に集中して配置した。

浸炭条件は、加熱温度９３０℃でＥＣＤ５５０（硬さ５５０Ｈｖの浸炭深さ）０．１ｍｍ、表面硬さ７００Ｈｖになる浸炭処理を行い、加熱室内で炉冷処理を１２時間以上行った後に大気中に取り出した。そして、８個の被処理物Ｗを図４に示す最上段のＡ、Ｃ、Ｅ、Ｇに示す４箇所および最下段のＢ、Ｄ、Ｆ、Ｈに示す４箇所の計８箇所に再配置した上で、真空加熱（８５０℃×１時間）を行った後、油温８０℃の油冷を実施した。本試験では整流板による効果を確認するために、整流板（断面形状がくさび型の治具）２２の有る場合と無い場合の２水準で他の条件を統一して行った。整流板２２の有無による油冷後の鋼材製の被処理物の硬さ（単位：ＨＲＣ）変化を表１に示す。

まず、整流板２２が無い場合には表１に示すように浸炭処理は同一条件で行ったにも関らず、最上段（Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇ）に配置された被処理物の硬度が最下段（Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ）のものよりも低く、装置の最上段に配置された被処理物の焼入れ性は最下段に配置されたものよりも劣ることがわかった。

これに対して、整流板（くさび型治具）２２がある場合には最上段（Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇ）に配置された被処理物の硬度が最下段（Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ）のものよりも低いものの、両者の硬度の差は整流板２２が無い場合に比べて縮まった。

１ 焼入装置
２ 油
３ 冷却槽
４ 加熱室
５Ａ 吐出口
５Ｂ 吐出口
６ 循環装置
６Ａ 撹拌手段
６Ｂ モータ
６Ｃ 配管
７ 被処理物収容手段
２０ 整流板
２１ 整流構造物
２２ 整流板（くさび型治具）
３０ 隙間
３０Ａ 上方側の隙間
３０Ｂ 下方側の隙間
ＥＬ 昇降手段
Ｗ 被処理物

Claims (2)

1. 内部に油を備えた冷却槽と、前記冷却槽中央の底部に吐出口を有する配管を備えて前記冷却槽の前記油を循環させる循環装置とから構成される焼入装置であって、前記配管の吐出口の上方には被処理物を収容できる被処理物収容手段と、前記被処理物収容手段の周囲に配置されて前記油の流れを制御できる整流板とを有しており、前記被処理物収容手段と前記整流板との間に形成される隙間は上方側の隙間を下方側の隙間よりも狭くしたことを特徴とする焼入装置。
2. 請求項１に記載の焼入装置を用いた焼入方法であって、前記循環装置により 前記冷却槽中央の下方側から上方側に向けて前記油が流れている状態で、前記被処理物を積載した前記被処理物収容手段を前記冷却槽中央へ浸漬させることを特徴とする焼入方法。

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