JPH01201418A - 急速クエンチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流動床において物品をクエンチングする方法
に関する。本発明は特に、組成の故に硬化能の低下を示
す特定の金属合金を硬化するのに有用である。

及朋Ａど１里 物品の物理的構造成いは組織特性を変更する為の「クエ
ンチング」は、斯界で周知である。「クエンチング」と
は一般に、物品の温度における急激な変化として理解さ
れている。「アツブークエンチング」は温度の急激な上
昇であり、他方「ダウンークエンチング」は温度の急激
な減少である。

クエンチングは、クエンチングされるべき物品へとまた
物品から急速な熱伝達をもたらす手段を提供する多数の
様々な態様で実現される。もしクエンチングがあまりに
急速にクエンチングされるなら、物品中に応力が累積し
、所望されざる構造欠陥を生ぜしめる。逆に、遅いクエ
ンチングは、クエンチングされた物品中に幾つかの異な
った物理的／形態的構造成いは組織の形成をもたらす。

特に厚肉の構造体に対しては、代表的に、表面の物理的
構造は内部の物理的構造とは異なる。多くの用途に対し
ては、応力集中を回避する為に物品全体を通して一定の
物理的性質を維持することが所望される。

微速ｎ術 金属／合金内部に所望の物理的結晶組織を得る目的のた
めに金属及び合金のクエンチングはクエンチ速度の注意
深い制御を必要とする。クエンチング目的に−様な、コ
ントロールされた熱伝達媒体を提供するのに流動床が成
功裡に使用されてきた。本件出願人は先に、１９８６年
９月３０日付は米国特許出願番号第９１３．３２０号に
おいて流動床において物品をクエンチングするための方
法を開示した。開示された方法は、鋼合金物品を物品中
に所望されざる軟質相の形成を回避して特定の結晶組織
を与えるべくクエンチングするのに特に有用であること
が示された。しかし、成る種の鋼、特に約０．４５重量
％未満の全炭素含有量が低い鋼並びに約０．３重量％未
満の炭素含有量と組み合わせて低い合金金属含有量を有
する鋼は良好にクエンチング出来ないことがあった。ク
エンチング処理量の一層の増大も所望された。

他に知られる関連技術は、物品或いは工作物のクエンチ
ングにおいて使用される流動床特性及び／或いは様々の
方法を記載する。そうした技術としては、米国特許第４
，６１２，０６５号、米国特許第４．３００．９３６号
、米国特許第４．３７２．７７４号、西独特許筒ＤＥ３
４２９７０７号、日本特許出願８１−１９９８４０号及
び７１０２７９３４号が挙げられる。Ｃａｎａｄｉａｎ
　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ　、　Ｖｏｌ　５８．　ｐｐ　３３２−３
３８．１９８０　　において振動された流動床の動力学
について報告が為された。Ｍｅｔａｌｌｏｖｅｎｄｅｎ
ｉｅ　＆　Ｔｅｒｍｉｃｈｅｓｋａｙａ　０ｂｒａｂｏ
ｔｋａ　Ｍｅｔａｌｌｏｖ、Ｎｏ、３．ｐｐ　　１０−
１１．Ｍａｒｃｈ　　１９６８から翻訳された論文ｒ　
ＶＬｂｒｏｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　Ｂｅｄ　ｆｏｒＱｕｅ
ｎｃｈｉｎｇ　Ｊにも振動流動床に関する追加的情報が
与えられている。゛ 最後の論文は、銅ボールのクエンチング中の熱交換速度
を改善するために流動床の振動の使用を論議する。銅ボ
ールは約８５０℃に加熱されそして後振動流動化粒子床
中に急速に浸漬される。コランダム（平均粒寸４５．９
μ）及び砂（平均粒寸２０１゜６μ）が１４０ｍｍ直径
の円筒タンクに置かれる。タンクは、３＝６ｍｍの振幅
において１６ＣｐＳの周期で垂直振動の下に置かれた。

著者は、高い熱伝達速度が得られたことを報告しており
、そして発表されたグラフ曲線から見掛は熱伝達速度は
約６００℃において約３００　ＢＴＵ／ｈｒ、　ｆｔ”
下（０，１７ジユール／ｓｅｅ、　ａｍ”℃）であった
。論文は、床を流動化するのに使用された気体について
言及しておらず、その後それは空気或いは窒素であると
推測された。

本出願人の研究室の実験は、そこで記述された条件の下
でダウンークエンチングされたニッケル球に対しては約
１５０〜１８０　ＢＴＵ／ｈｒ、　ｆｔ”下の熱伝達速
度が得られるはずであることを示した。

これは、流動床において流動化気体として窒素或いは空
気が使用されることを仮定する。

日が　ゞしよ　と　る・ 上記技術はすべて、処理される物品と流動床との間で一
層迅速な熱伝達の生成に向けて流動床特性と流動床操業
方法を記載する。しかし、開示された技術は、総炭素含
有量の低い炭素鋼（例えば１０４５．１０５０．１１４
０および１５２４のような鋼）を物品中に軟質相の形成
を回避しつつ所望の結晶組織を与えるに充分迅速な速度
でクエンチングすることを可能ならしめるに充分に高い
熱伝達速度を提供しない。クエンチング中同様の問題が
生じ得る合金鋼の例としては４１３０．４１２０及び５
１３０が含まれる。

従って、物品中に軟質相を形成することな（、低炭素鋼
及び低合金鋼のクエンチングを可能ならしめるに十分の
改善された熱伝達速度を発現する流動床パラメータの組
合せを提供することが所望される。

１’廊月ｌ鷹 本発明方法は、処理される物品と流動床との間の熱伝達
速度の予想外の改善を提供する流動床パラメータの組合
せを開示する。パラメータの成るものは既知の関連技術
において個別に論議されたけれども、本発明の予想外の
改善をもたらす顕著な改善を提供するのは、これまで知
られていない一つのパラメータを含め従来考慮されなか
ったパラメータの特定の組合せである。

本発明に従えば、流動床を使用して処理物品の急速クエ
ンチングを可能ならしめる方法が提供される。処理され
るべき物品は、微細固体粒子から成る床中に置かれる。

微細固体粒子と熱交換するのに気体が使用される。この
気体は、気体の流量が最小流動化流量に少なくとも等し
いなら、微細固体粒子を流動化するのにも使用され得る
。床温度は、処理されている物品が冷却されるべきとき
には所望の物品温度未満に維持され、或いは処理されて
いる物品が加熱されるべきときには所望の物品温度を超
えて維持される。床内での熱伝達速度は、床に対して被
処理物品を相対移動することにより増大される。物品を
床内で移動しても良い゛し、或いは床を物品の周囲で移
動しても良い。しかし、床が流動化されるとき（気体流
量が最小流動化流ｌに少なくとも等しい）、床を移動す
ることは、懸濁流動粒子間の結合の乏しさの故に、物品
を床内で移動する程有用ではない。（移動床と実際に接
触を受ける周辺粒子のみが床を移動することにより著し
く悪影響される。） 一部の気体が床を通り抜ける沈積（活発でない）床の場
合には、被処理物品の周囲で床を移動することは、床内
で沈積した粒子間の結合が充分であるから、熱伝達速度
に著しい改善を提供する。

床運動或いは部品運動速度は、最大部品寸法に応じて調
整されつるが、好ましい運動速度は少なくとも約４イン
チ／秒（１０，２ｃｍ／秒）である。

速度は、振幅及び周期を有する運動と関連して定義され
つる。例えば、約８サイクル／抄の周期で約１／２イン
チ（１，３ｃｍ）の前後動は、約８インチ／秒の運動速
度を与える。

振幅及び周期並びに様々の運動軌跡の様々の組合せが、
床に対する被りエンチング部品の所望の速度を得るのに
使用される。本出願人は、約１／２インチ（１，３ｃｍ
）を超える振幅が一層有効であることを観測した。使用
されつる最大速度は、部品を永久的に変形してしまわな
ｔｌようなものである。

床に対する部品の運動方向は、均質な床が与えられるか
ぎり、臨界的ではないと信ぜられる。しかし、流動床に
関しては、シャドウィング（流れ流通障害）の発生をも
たらす断面形状を有する部品は、シャドウィング量を軽
減するように特定の部品運動方向の設計を必要としよう
。シャドウィングは、床粒子部分が床内で流動化気体流
れ方向に対して床内の部品の配向により流動化気体と接
触されない現象である。その結果として、流動化されな
い粒子が部品表面上に沈積し、シャドウィング条件を創
出する。例えば、実験は、垂直流動化気体流れを有する
流動床に対しては、垂直上下運動が流動化気体流れ方向
に対して成る角度での運動より円柱状部品に対しては僅
かに良好な熱伝達を提供することを示した。

クエンチング期間全体或いはその一部中、流動化及び／
或いは床内での熱伝達のために気体が使用されつる。沈
積床内での気体は、床と部品との間での熱伝達の殆どが
粒子と部品との間での熱伝達として起こるような気体と
床粒子間熱伝達を提供する。床粒子と部品との間での熱
伝達は、部品周囲に床を移動することにより或いは床内
で部品を移動することにより改善される。

流動化及び／或いは熱伝達に使用される気体は、高熱伝
導性気体となしえ、これは床の熱伝達特性を一層改善す
る。高熱伝導性気体の例としては、制限されるものでな
いが、水素、ヘリウム、解離アンモニアが挙げられる。

肚１立亙１ ここで使用するものとしての「クエンチング」とは、物
品境界を横切っての熱伝達により物品のエンタルピーの
急激な変化を意味する。

「微細固体粒子」とは、３０〜１０００ミクロン範囲内
の平均粒子直径を有する多孔質或いは非多孔質粒子を意
味する。

「床」とは、流体成分と微細固体粒子成分とから構成さ
れるある定まった容積を意味する。この場合、「床」は
流動床でもよいし或いは沈積床でもよい。一定容積は、
その最初の地点（床内の座標点）から異なった地点へと
移動されえ、それにより該一定容積内に含まれる流体成
分の特定部分の運動或いは該一定容積内に含まれる微細
固体粒子成分の特定部分の運動が、成分間の結合作用、
地点変化の大きさ、並びにそれを達成するのに要した時
間の関数として変化される。

「流動床」とは、流体が通される床を意味し、流体成分
の流体抗力が固体成分のその安思（静止安定）位置から
の運動をもたらして、床内での同成分の混合を増進する
。流動化という言葉は、床がとる、零の安息角、易動性
、及び床かさ密度に等しい圧力ヘッドのような流体状の
特性から由来する。

「沈積床」とは、床を流動化するのに必要な流量より低
い容積流量において流体を通した床を意味し、これによ
り床の流体成分と床の固体成分との間で固体成分をその
安息位置からの著しい運動を伴うことなく熱伝達が起こ
る。

「最小流動化流量」とは、床が大気圧において流動床特
性を実現するに必要な、床を通しての流体成分の最低容
積流量を意味する。

「高熱伝導気体」とは、同じ温度及び圧力において８０
％窒素及び２０％ヘリウムの混合物以上の熱伝導率を有
する、気体、気体混合物、蒸気、蒸気混合物或いは気体
−蒸気混合物を意味する。

「速度」とは、床と被処理物品の相対運動の時間率を意
味する。

「振幅」とは、振動運動における変位量の最大値を意味
する。

「サイクル７秒」とは、１秒間に起こる振動乃至他の周
期的プロセスの完全動作の回数を意味する。

日　　の　　　　　　白・　舌　　０ 既に述べたように、本件出願人の米国特許出願番号第９
１３．３２０号は、流動床において物品をクエンチング
するための方法を開示した。このプロセスは、０．３〜
２０　ｇ　／　ａｍ”の範囲内の密度と３０〜１０００
ミクロンの範囲内の平均粒子直径を有する多孔質或いは
非多孔質から成る流動床を使用する。粒子は、同じ温度
及び圧力において８０％窒素及び２０％ヘリウムの混合
物以上の熱伝導率を有する、気体、気体混合物、蒸気、
蒸気混合物或いは気体−蒸気混合物から成る高熱伝導気
体を使用して流動化される。流動床を通しての高熱伝導
気体流量は、床に対する最小流動化流量の少なくとも１
．５倍である。これら粒子密度及び寸法、高熱伝導気体
並びに高流動化流量の組合せは、約１２０〜３２０　Ｂ
ＴＵ／ｈｒ、　ｆｔ”下（０，０６８〜Ｏ，１８１ジュ
ール／ｓｅｃ、　ｃｍ”℃）の範囲内の高い熱伝達速度
を可能ならしめた。

本発明はその改善に関するものであり、−層良好なりエ
ンチング性を提供する。加えて、被処理量が、被処理物
品と流動床熱伝達媒体との間で増大せる熱伝達係数を与
える本発明の使用により一般に増加しつる。

以下、本発明を比較例及び実施例に基づいて説明するが
、先ず図面について概説しておく。

第１図は、アルミナ粒子から成る流動床において７／８
インチ直径のニッケルボールをクエンチングするに際し
て得られる熱伝達速度を最小流動化気体流量に対する流
動化気体流量の比率の関数として示す。

曲線Ａは、ヘリウムが流動化気体として使用されたとき
の熱伝達速度を示しそして床内の部品にニッケルボール
）は床に対して運動状態に置かれていない。２つの異な
った寸法の床が曲線Ａに対するデータを得るのに評価さ
れ、一つは約６インチ直径及び約１フィート高さの研究
室規模の床であり、もう一つは約３フイート直径及び約
５フィート高さを有する工業規模の床である。末社法は
最小流動化流量の１５倍までのヘリウム気体流量におい
て曲線に影響を有さない。

曲線Ｂは、部品が床に対して約１０インチ７秒（２５，
４ｃｍ／ｓｅｅ、　）の速度で移動されることを除いて
、研究室規模の床に対しての曲線Ａと同じ条件下での熱
伝達速度を示す。

曲線Ｃ及びＣｏは、窒素が流動化気体として使用されそ
して床内の部品が床に対して移動されない時の熱伝達速
度を示す。曲線Ｃはｌフィート高さの研究室寸法の床に
対するデータを示しそして曲線Ｃ°は５フィート高さの
工業寸法の床に対するデータを示す。曲線Ｃ及びＣｏの
差は、窒素が流動化気体として使用されたときの熱伝達
速度への大寸法床内での気泡形成の有害な影響を示す。

曲線りは、部品が床に対して約１０インチ７秒（２５，
４ｃｍ／ｓｅｃ、　）の速度で移動されることを除いて
、流動化気体が窒素である場合の曲線Ｃと同じ条件下で
の熱伝達速度を示す。

第２図は、流動化気体の型式の関数として得られた熱伝
達速度の差異を例示する。アルミナ粒子から成るｌフィ
ート高さの研究室寸法の流動床において７／８インチ直
径のニッケルボールをダウンクエンチングした。曲線Ａ
は、最小ヘリウム流動化気体流量に対するヘリウム流動
化気体流量の比率の関数としての熱伝達速度を示す。曲
線Ｃは窒素流動化気体に対する熱伝達速度を示す。曲線
・Ｅは水素流動化気体に対する熱伝達速度を示す。

水素及びヘリウムはここで定義したものとしての「高熱
伝導気体」の定義に入り、他方窒素はそれに入らない。

第３図は、異なった床及び異なった運動条件を使用して
得られた熱伝達速度を示し、ここではヘリウムが熱伝達
及び／或いは流動化を提供するのに使用された気体であ
る。曲線Ａは、１フィート高さの研究室寸法の流動床を
使用して得られたデータを示し、この場合床と７７８イ
ンチ直径のニッケルボールは相対運動状態にない。曲線
Ｂは、ｌフィート高さの研究室寸法の流動床を使用して
得られたデータを示し、この場合７／８インチ直径のニ
ッケルボールは床に対して約１０インチ／秒（２５，４
ｃｍ／ｓｅｃ、　）の速度で移動された。曲線Ｆは、ニ
ッケルボールを床の中央における静止位置として振動床
を使用して得られたデータを示す。振動床は約６インチ
直径及び約１−１／２フィート高さであった。この場合
、振動振幅は約１／８インチ（０，３２ｃｍ）でありそ
して振動周期は約２０サイクル／秒であった。

工較囲 後の比較目的で、前記した米国特許出願番号第９１３．
３２０号に記載したのと同様の方法から成る実験を次の
通り実施した。約７／８インチ（２２ｍｍ）直径のニッ
ケル試験ボールをマグネチックテスト、ゼネラルモータ
ーズ　クエンチョメータテスト或いはニッケルボールテ
ストとして斯界で知られる手順を使用してダウンクエン
チングした。ゼネラルモーターズ法は、約１．８オンス
（５０ｇ）の重量の７／８インチ（２２ｍｍ）直径のニ
ッケルボールを所定の高温に加熱し、そしてボールを所
定の低い温度まで評価されるべきクエンチング媒体中に
ダウンクエンチングすることがら成る。ニッケルボール
が高温から低温まで変化するのに要する時間をクエンチ
ング速度として測定した。クエンチング速度を測定した
温度範囲は、１５４４’Ｆ　〜６１６°Ｆ（８４０℃〜
３６０℃）であった。

使用した流動床は、研究室寸法の床で、約６インチ直径
及び約１フィート高さであった。床の微細固体粒子は、
約６０μの平均粒子直径を有するアルミナ粒子から構成
された。熱伝達及び流動化の為にヘリウム気体が使用さ
れた。流動化気体流量は、床を流動化状態に置（に必要
な最小流量の約１．７倍であった（約４０５ＣＦＨ）。

熱伝達速度は、約１２０　　ＢＴＵ／ｈｒ、　ｆｔ”下
（０、０６８０ジュール／ｓｅｃ、　ｃｍ”℃）であり
、これが第１図の曲線Ａ上の１として示される。

第１図においてプロットされた熱伝達速度は、約１１１
２’Ｆ　（６００℃）で測定されたものである。鋼部品
を硬化する為には、多くの鋼合金に対する時間−温度−
変態（ＴＴＴ）線図のノーズ温度に相当する、この６０
０℃での冷却速度が臨界的である。ＴＴＴ線図は斯界で
周知である。二二で使用するものとしてのノーズ温度は
、成る結晶組織が軟質相への変態を開始するに要する時
間が最小限であるような温度を云う。鋼の場合、それは
オーステナイトが軟質相への変態を開始するに要する時
間が最小限である温度である。従って、ダウンクエンチ
ング中、ノーズ温度で高い熱伝達速度とし、クエンチン
グされている物品がノーズ温度にある時間を減じ、それ
によりダウンクエンチング中形成される所望されざる軟
質物質量を減少することが所望される。

熱伝達速度における実質上の増大は、ヘリウム流動化気
体流量を最小流動化流量の約１５倍まで増大することに
より得られた。この気体流量において、第１図の曲線Ａ
上の３で示されるように、熱伝達速度は約３００　ＢＴ
Ｕ／ｈｒ、　ｆｔ”下（０，１７０ジェール／ｓｅｅ、
　ｃｔａ”℃）であった。しかしながら、最小流動化流
量の約１５倍もの高い流動化気体流量は、そうした流量
においては床粒子の実質部分がキャリーアウト（連行排
出）されるから実用的でない。実際上、最小流動化流量
の約７〜１０倍の流動化気体流量が許容される。約８．
５の流動化気体流量において測定された熱伝達速度は、
第１図の曲線Ａ上の２で示されるように、熱伝達速度は
約２６０　ＢＴＵ／ｈｒ、　ｆｔ’下（０，１４６ジユ
ール／ｓｅｅ、　ｃｍ２℃）であった・気体速度増大に
伴う熱伝達速度における改善は大部分、クエンチングさ
れる部品に対する床粒子の運動の増大による。しかし、
気体速度の増大には次の２つの欠点が存在する： １、粒子を撹拌するのにこの例で使用されるヘリウムの
ような高熱伝導気体は高価であるから、多量のそうした
気体の使用は費用がかかる。

２、最大限の熱伝達の改善は、空洞発生（流動床内での
粒状物質間の空隙の増大）及び床からの粒子のキャリー
アウトにより制限される。

翌１皿盈１貝 倒」。

本出願人は、流動化気体流量を最小限に維持したままク
エンチングされる物品を床内で急速に移動することによ
り熱伝達速度の有意義な改善が実現されることを見出し
た。

上記６０μの平均粒子直径を有するアルミナ粒子から構
成される研究室寸法の床が、最小流動化流量においてヘ
リウム気体で流動化された。ヘリウム気体及び床粒子は
、ダウンクエンチングを与えるよう室温にあった。中央
熱電対を装備する７／８インチ直径ニッケルボールを１
５５０下に加熱し、その後流動床中で７０下にダウンク
エンチングした。クエンチング中、ニッケルボールは、
約１０インチ／秒の床に対するＢＶＵ部品速度を得るよ
う、それを床内で上下に（垂直方向）約３インチの振幅
と約１．７サイクル／秒の周期において急速に移動する
ことにより床内で撹拌状態に維持された。床内でのニッ
ケルボールの上下運動は、床内で垂直に上下動されるロ
ッドにボールを止着することにより達成された。止着は
、ニッケルボールの中心に伸延される熱電対ワイヤを収
蔵した小さなステンレス鋼連結ロッドな介して為された
。連結ロッドは、約１７８インチ未満の直径でありそし
て連結ロッドを通してのニッケルボールからの熱伝達は
ボールからの熱伝達全量に比べて無視し得ると考えられ
る。ボールから流動床への熱伝達速度は、第１図の曲線
Ｂ上の４で示されるように、約３８５８ＴＵ／ｈｒ、　
ｆｔ”−２”Ｆ　（２，１８ジュール／ｓｅｃ、　ｃｍ
”−２℃）であった。

鉱１ 例１に記載したクエンチング床が約４インチ長さの、１
インチ直径の４１３０鋼バーをダウンクエンチングする
のに使用された。ヘリウム流量は最小流動化流量の約３
倍であった。ヘリウム気体及び流動床粒子は室温にあっ
た。バーはダウンクエンチング前約１５５０下に加熱さ
れた。バーはそれを床内で約１０インチ／秒の速度で約
３インチの振幅において上下に移動することにより床内
で撹拌された。バーは７０°Ｆにダウンクエンチングさ
れた。

クエンチングに続いて、鋼バーは、断面をとられそして
硬度分布が測定された。最大硬度（表面下約０．１００
インチ）は４８ＲＣ（ロックウェル硬さスケール）であ
った。比較として、最小流動化流量の約１０におけるヘ
リウム気体で流動化された同じ床を使用しそしてクエン
チング中床内で鋼バーを移動せずにクエンチングされた
同等の鋼バーは約４３ＲＣの最大硬度を示した。

凱ユ 第２図は流動化床における熱伝達速度への流動化気体物
質の影響を例示する。すべてのデータはアルミナ固体微
細粒子を含む上記の研究室寸法の床を使用して得られた
。熱が７／８インチ直径のニッケルボールから床に伝達
されるに際しての熱伝達速度が測定された（ダウンクエ
ンチング）。

示されるデータは約６００℃での熱伝達速度を表わす。

ニッケルボールは床に対して運動されなかった。曲線Ａ
は、流動化気体がヘリウムであるときの最小流動化流量
に対する実際の流動化流量の比率の関数として熱伝達速
度を示す。曲線Ｃは、窒素流動化気体に対して測定され
た同じ熱伝達関係を示す。曲線Ｅは、水素流動化気体に
対しての関係を示す。水素及びヘリウムはここで定義し
たものとしての高熱伝導気体の定義に入り、他方窒素は
高熱伝導気体ではない。明らかに、熱伝達及び流動化の
ために高熱伝導気体を使用することにより熱伝達速度の
有意義な改善が得られる。他のすべての条件を同一とし
て、水素が一暦高い熱伝達速度を与える。

皿Ａ 第３図は、床に対して被処理部品を移動する影響を例示
する。曲線Ａ及びＢを得るのに、約６インチ直径と１フ
ィート高さの研究室寸法の流動床を使用した。約６イン
チ直径及び約１−１／２フィート高さの、匹敵寸法の別
の床が曲線Ｆを得るのに使用された。床の微細固体粒子
は、前述したようなアルミナから成った。流動化気体は
すべての場合ヘリウム気体であった。７／８インチ直径
のニッケルボールがダウンクエンチングされそして与え
られた熱伝達速度はすべての場合的６００℃におけるも
のである。

曲線Ａは、最小ヘリウム流動化流量に対するヘリウム流
動化気体流量の関数として熱伝達速度を示す。ニッケル
ボールは曲線Ａのデータを得る間は相対運動状態になか
った。

曲線Ｂは、ニッケルボールが床に対して約１０インチ／
秒（２５，４ａｍ／ｓｅｃ、　）の速度で流動床内で垂
直上下運動で移動された時の熱伝達関係を示す（流動化
気体流れは床内で垂直方向）。データのバラツキの範囲
内で、少なくとも２０の、最小流動化気体流量に対する
流動化気体流量の比率まで流動化気体流量が増大される
までは熱伝達速度における改善は観察されない。−層重
要なこととして、ニッケルボールが流動床内で静止状態
に保持されるときに得られた範囲にわたって熱伝達速度
の急激な増大が実現された。従って、床内でニッケルボ
ールを移動することは床を通しての流動化気体流量を最
小限に保持しつつ従来知られたよりも大きな熱伝達速度
を可能ならしめた。

曲線Ｆは、ニッケルボールな床の中央に静止状態に保持
したが、法自体が振動されたときの熱伝達関係を示す。

この場合、振動振幅は約１／８インチ（０，３２ｃｍ）
でありそして振動周期は約２０サイクル／秒であった。

従って、相対法速度は約５インチ／秒（１２，７ｃｍ／
秒）であった。床が沈積されたとき、特に最小流動化気
体流量に対する流動化気体流量の比率が零であるとき、
振動床に対する熱伝達速度（曲線Ｆ）は、非振動床に対
する熱伝達速度（曲線Ａ）よりも非振動床における最小
流動化気体流量の約７倍の流動化気体流量に至るまで大
きかった。

振動床（曲線Ｆ）における流動化の開始は、熱伝達速度
の減少をもたらしたが、これは後に最小流動化気体流量
に対する流動化気体流量の比率が２に達したとき沈積床
の零気体流量熱伝達速度まで回復された。しかし、振動
床（曲線Ｆ）を使用して得られた熱伝達速度は、ニッケ
ルボールが約１０インチ／秒（２５，４ａｍ／ｓｅｅ、
　）の速度で静止床内で移動された時に得られた値（曲
線Ｂ）よりはるかに小さい。曲線Ｂに対して曲線Ｆの比
較により実証される、熱伝達速度の低下は少なくとも次
の２つの因子による： （１）ニッケルボールと床間での相対速度の低下（静止
床内で部品を移動する曲線Ｂにおける約１０．０インチ
／秒に比べて曲線Ｆ、振動床のおける約５インチ／秒）
、 （２）微細固体粒子とニッケルボールとの間の相対運動
における総合的改善を与える点で振動床の利益を減じる
ところの、流動化粒子間の結合の乏しさ。

斯くして、床の振動は、非振動床に対して得られる水準
を上回る熱伝達速度の実質的改善を提供しく曲線Ｆと曲
線Ａ参照）、そして静止床内でのニッケルボールの移動
は追加的な相当の改善を提供した（曲線Ｂと曲線Ｆ参照
）。

上記例を基礎として、本出願人は、床内で部品を移動す
ること（或いは程度は落ちるが、運動に関して同様の効
果を創出するべ（懸吊部品或いは物品周囲で床を移動す
ること）に３つの主たる利益が存在すると結論した： １、流動化気体流量を増加することのみにより実現され
つるより一層高い熱伝達速度が達成されつる。

流動床内での部品の移動は、床内で流動化される粒子間
の結合効果の結果として、部品の周囲で床を移動するよ
り利益を与えるように思われる。

２、流動床内での部品の移動は最小流動化気体流量にお
いて熱伝達速度に劇的な改善を与え、従って高価なヘリ
ウム、水素、解離アンモニアその他　・の類似気体のよ
うな高熱伝導気体の消費量を低減する。

部品の周囲で床を移動することは、流動化気体流量を増
加することのみにより得られるより熱伝達速度における
有意義な改善を提供しつる。この熱伝達速度における改
善は、原寸法に依存しようが、約６インチ直径及び１−
１／２フィート高さの小さな床でも起こることが示され
た。

３、流動床内での部品の移動は、総合的な熱伝達速度へ
のシャドウィングの有害な影響を大幅に軽減する。シャ
ドウィングは、クエンチングされる部品の成る帯域近く
の床空間が床を所望の速度での移動状態に維持するに十
分の床撹拌を呈しない現象を云う。例えば、床の底部か
ら頂部への流動化流れを有する床において、床の底、部
に対して最大面積部を水平に配して置かれた大きな部品
は部品上面の上方に死空間を生みだす可能性があり、そ
こでは気体流れ或いは粒子運動はほとんど存在しない。

従って、床内で部品を移動することによって、部品表面
に接触する床粒子が所定期間にわたって増大するだけで
な（、粒子は部品表面全体と接触する。

実験は、運動の振幅が部品寸法と比例されるべきことを
示した。振幅が運動方向において部品の最大寸法にほぼ
等しいとき良好な熱伝達が得られことを示した。例えば
、１／２インチの振幅が、７７８インチ直径のニッケル
ボールのクエンチング中使用されるべき概略最小値であ
る。

本発明が、物品を冷却するのではなく加熱するアップク
エンチング中流動床から被処理物品への熱伝達速度を改
善するのにも使用しうることは等しく明らかであろう。

ｌ豆生力」 本発明は、クエンチング法において、高価な流動化気体
媒体の消費を最小限として従来より高い熱伝達速度を実
現する。更に、本発明は、総合的な熱伝達速度へのシャ
ドウィングの有害な影響を大幅に軽減する。本発明は、
処理量の増大への寄与も顕著である。改善された熱伝達
速度を与える本発明は、鋼はもちろん、熱処理可能なア
ルミニウム合金のような鋼以外の金属のクエンチングに
おいてまた非金属材料のクエンチングにおいて有益であ
る。

本発明について具体的に説明したが、本発明の精神内で
多くの改善をなしうることを銘記されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アルミナ粒子から成る流動床において７／８
インチ直径のニッケルボールなりエンチングするに際し
て得られる熱伝達速度を最小流動化気体流量に対する流
動化気体流量の比率の関数として示すグラフである。 第２図は、流動化気体の型式の関数として得られた熱伝
達速度の差異を例示するグラフである。 第３図は、異なった床及び異なった運動条件な使用して
得られた熱伝達速度を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）微細な固体粒子から成りそして気体を使用して流動
   化される流動床において少なくとも１つの物品を急速ク
   エンチングする方法において、該少なくとも１つの物品
   を流動床内で移動することによるか或いは該少なくとも
   １つの物品の周囲で床を移動することにより該物品と流
   動床との相対運動をもたらし、そして運動速度を少なく
   とも約４インチ／秒（１０．２ｃｍ／秒）とすることを
   特徴とする急速クエンチングする方法。 ２）微細な固体粒子から成りそして床からの或いは床へ
   の熱伝達が気体を使用して達成される沈積床において少
   なくとも１つの物品を急速クエンチングする方法におい
   て、該少なくとも１つの物品を沈積床内で移動すること
   により該物品を沈積床対して運動せしめ、そして運動速
   度を少なくとも約４インチ／秒（１０．２ｃｍ／秒）と
   することを特徴とする急速クエンチングする方法。 ３）微細な固体粒子から成りそして高熱伝導性気体を使
   用してクエンチングの少なくとも一部中流動化される流
   動床において少なくとも１つの物品を急速クエンチング
   する方法において、該少なくとも１つの物品を流動床内
   で移動することによるか或いは該少なくとも１つの物品
   の周囲で床を移動することにより該物品と流動床との相
   対運動をもたらし、そして運動速度を少なくとも約４イ
   ンチ／秒（１０．２ｃｍ／秒）とすることを特徴とする
   急速クエンチングする方法。 ４）運動が少なくとも約１／２インチ（１．３ｃｍ）の
   振幅を有する特許請求の範囲第１項或いは第３項記載の
   方法。 ５）流動化気体流量が床に対する最小流動化流量である
   特許請求の範囲第１項或いは第３項記載の方法。 ６）クエンチングされる物品が鋼からなりそして該鋼が
   約０．４５重量％未満の炭素含有量を有する特許請求の
   範囲第３項記載の方法。 ７）クエンチングされる物品が低合金鋼からなりそして
   該低合金鋼が約０．３重量％未満の炭素を含有する特許
   請求の範囲第３項記載の方法。 ８）クエンチングされる物品が熱処理可能なアルミニウ
   ム合金から成る特許請求の範囲第３項記載の方法。 ９）運動が床内で物品を移動することにより生起される
   特許請求の範囲第１項或いは第３項記載の方法。 １０）運動速度が少なくとも約１０インチ／秒（２５．
   ４ｃｍ）である特許請求の範囲第９項記載の方法。 １１）物品がダウンクエンチングされる特許請求の範囲
   第１項或いは第３項記載の方法。 １２）物品がアップクエンチングされる特許請求の範囲
   第１項或いは第３項記載の方法。 １３）微細な固体粒子から成りそして床からの或いは床
   への熱伝達が床を通しての高熱伝導性気体流れを使用し
   て達成される沈積床において少なくとも１つの物品を急
   速クエンチングする方法において、該少なくとも１つの
   物品を沈積床内で移動することによるか或いは該少なく
   とも１つの物品の周囲で床を移動することにより該物品
   と沈積床との相対運動をもたらし、そして運動速度を少
   なくとも約４インチ／秒（１０．２ｃｍ／秒）とするこ
   とを特徴とする急速クエンチングする方法。 １４）運動が少なくとも約１／８インチ（０．３２ｃｍ
   ）の振幅を有する特許請求の範囲第２項或いは第１３項
   記載の方法。 １５）クエンチングされる物品が鋼からなりそして該鋼
   が約０．４５重量％未満の炭素含有量を有する特許請求
   の範囲第２項或いは第１３項記載の方法。 １６）クエンチングされる物品が低合金鋼からなりそし
   て該低合金鋼が約０．３重量％未満の炭素を含有する特
   許請求の範囲第２項或いは第１３項記載の方法。 １７）クエンチングされる物品が熱処理可能なアルミニ
   ウム合金から成る特許請求の範囲第２項或いは第１３項
   記載の方法。 １８）高熱伝導性気体が水素、ヘリウム或いは解離アン
   モニアから成る群から選択される特許請求の範囲第２項
   或いは第１３項記載の方法。