JPH0325485B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は鉄及び非鉄合金の焼き入れの際に用い
られる焼き入れ液の研究及び焼き入れ条件の研究
に用いられる試験片に対する焼き入れ試験装置に
関する。 多くの金属合金は、これらが高温から、所定の
冷却速度で所定の条件下で冷却させる液の中へ焼
き入れする段階を含む熱処理により得られる特に
均一な構造とされたときに最も高い機械的性質を
有することは知られている。 しかしながら、もしこれらの条件が満足されな
いときは、これらは変形し、有害な内部応力が発
生し、かつ焼き入れ成分内に収縮割れさえ発生す
る。従つて焼き入れ条件を知り、これらを極めて
正確な方法で製造することが重要である。 焼き入れ操作は一般に液媒体内で行なわれ、液
媒体は所望の冷却速度に応じて、水形、油形また
は溶融（溶融塩）形であり得る。 一旦高温に上げられた部品が蒸発性液体内に焼
き入れされると、冷却作用は低下する温度に対応
して３つの個別段階で行なわれる。即ち、 −第１段階は「温発泡（calefaction）」に相当す
る。部品は蒸気の筒で包囲され、蒸気の筒は部
品を焼き入れ液から遮断し、かつ冷却速度を遅
らせる。 −第２段階は核沸騰に相当し、いわゆる部品上の
多数の点に蒸気泡が付着する外観を呈する。お
よび −最終の第３段階は焼き入れ液と部品との間の直
接接触による伝導および対流による冷却に相当
する。 焼き入れ媒体の品質は試験により評価可能で、
熱の良伝導体でありおよび／または温度センサが
配置されている当該温度範囲内ではいかなる同素
変態も示さない金属（例えば銀）の標準試験片
を、制御された加熱炉内で高温に加熱し、試験片
を加熱炉から取出した直後にそれを焼き入れ媒体
に浸漬し、時間経過に伴なう温度変化を記録する
ことからなる。 このようにして、各焼き入れ媒体に対し同一初
期温度を用いて、一連の温度対時間曲線及び冷却
速度対時間曲線（誘導曲線）をプロツトすること
が可能で、これにより前記媒体の品質および欠点
を目的をもつて評価可能である（このような曲線
を「急冷曲線」という）。 現在最も広く使用されている焼き入れ剤は鉱物
油または植物油であるが、これらは、例えばポリ
ビニルアルコール、ポリオキシアルキレングリコ
ール、ポリアクリルアルコールおよびポリビニル
ピロリドン（フランス特許第2507209号、第
2537997号、第2537998号および第2538002号
（SERVIMETAL））のような水溶性ポリマーを
ベースにした水溶液にとつて替わられる傾向にあ
る。 従つて焼き入れの専門家の観点からすれば、で
きるだけ工業的用途に近い条件で、金属合金また
は他の新材料と既知の焼き入れ剤との関係、なら
びに新焼き入れ剤の前記材料との関係を正確かつ
再現性のある形で試験することを可能にする１個
の装置を手元に有すれば、極めて有用である。 従つて、本発明の目的は、鉄、金属合金又は他
の新材料からなる試験片に対して、これらの材料
と焼き入れ液の関係及び、焼き入れ条件を調べる
ため正確且つ再現性のある焼き入れ試験を行うた
めの焼き入れ試験装置を提供することである。 上述した本発明の目的は、試験片を加熱する加
熱炉と、内部に焼き入れ液を含むように構成され
た円筒状の上部槽と、上部槽に設けられ、一端が
焼き入れ液の加圧手段に第１の接続導管を介して
接続され他端が上部槽の軸方向に配向する半径方
向ノズルの複数と、上部槽の上方部分に設けら
れ、焼き入れ液を加圧手段へ戻す戻り導管と、上
部槽の下方に設けられ、内部に焼き入れ液を含む
ように構成された下部槽と、上部槽と下部槽の間
に設けられ、焼き入れ液の循環および分散を組織
化しかつその速度を制御するための組織化手段
と、下部槽に設けられ、第２の接続導管を介して
前記加圧手段と接続される焼き入れ液の取入口
と、下部槽に設けられ、前記焼き入れ液の温度を
監視し且つ制御する制御手段と、試験片の上部槽
への導入及び上部槽からの引上げを行うための導
入引上げ手段とを備える試験片に対する焼き入れ
試験装置によつて達成される。 上記構成によれば、組織化手段を介して接続さ
れる上部槽と下部槽内に焼き入れ液が導入された
後、制御手段により所定の条件で制御される焼き
入れ液中に、試験片が導入引上げ手段を介して導
入される。この際、試験片は上部槽内に位置する
よう導入される。焼き入れ液は下部槽から組織化
手段を通過して上部槽に至るように循環される
か、半径方向ノズルによつて、直接試験片に噴射
される。 上記の構成においては、半径方向ノズルは、少
なくとも１つの円形列を形成することが好まし
い。 また、加熱炉は、加熱炉内の前記試験片の温度
上昇と、試験片の選定された温度での熱的プラト
ーとを提供するプログラム可能な第１のプログラ
ム手段を含んでいることが好ましい。 同様に、導入引上げ手段は、上部槽内の焼き入
れ液中への試験片の下向き運動と、試験片の上部
槽内における位置決めと、焼き入れ作業の終端に
おける試験片の上向き運動とを提供するプログラ
ム可能な第２のプログラム手段を含んでいること
が好ましい。 また、導入引上げ手段は、試験片が下端に固定
されたロツドと、該ロツドを上下動させるための
ジヤキとを有することが好ましい。 組織化手段は、穴あき格子を含むか、又は直径
が前記試験片の直径に少なくとも等しい軸方向オ
リフイスを有するダイヤフラムが上部に設けられ
たはちの巣格子を含むことが望ましい。この場合
オリフイスの直径は試験片の直径の１から５倍が
好ましい。 また組織化手段は、収歛円錐を含んでもよく、
上部開口の直径が少なくとも試験片の直径に等し
い収歛円錐を含んでもよい。この場合、上部開口
の直径が試験片の直径の１から５倍であることが
好ましい。 更に、組織化手段は、試験片に対する該組織化
手段の位置を調整するための調整手段を含むこと
が好ましい。 上部槽は、該上部槽の上部に設けられていると
共に、前記戻り導管に接続される周縁溢流リング
を含むことが望ましく、また第１の接続導管及び
第２の接続導管のそれぞれの内部にスクリユー型
ロータメータを含むことが好ましい。 同様に、上部槽は、組織化手段と試験片の間に
配置される他のロータメータを含むことが好まし
い。 以下、本発明の好適な一実施例を図面に基づき
詳述する。 本実施例による装置は基本的に４つの部分、即
ち加熱炉（線AA′の上部）、装入部（線AA′と
BB′との間）、焼き入れ槽（および熱交換器）（線
BB′とCC′との間）および焼き入れ液の撹拌シス
テムならびに安全槽（第１図の下部、線CC′の下
側）からなる。 電気抵抗手段を有する加熱炉１は、周囲温度か
ら1200℃までの温度範囲の達成を可能にする。本
実施例において、加熱炉の出力電力は1400ワツト
であり一方その内径は70mmであり長さは200mmで
あるので、現在一般に使用されている試験片、例
えばφ8、L24およびφ16、L48の銀試験片、φ35、
L105mmの試験片「Ｕ」、または本実施例で開発さ
れたような、鋼38C2からなり頂角20゜のくさび形
状に加工された、直径30mm、長さ100〜105mm製を
有する「くさび」試験片と呼ばれるような特殊試
験片など、種々の試験片の使用を可能とする。 温度は熱電対２で測定され、表示されかつ制御
される。弁４を設けた導管３は、窒素または窒素
−水素混合物のような不活性ガスの加熱炉への注
入を可能にする。 加熱操作およびそれに続く焼き入れ操作の間、
試験されるべき試験片５は上部板７を貫通するロ
ツド６により支持されるが、上部板７はわずかな
隙間を有するオリフイスを残して加熱炉を密閉
し、ロツドの上下運動は油圧ジヤツキ８により制
御される。 第２のジヤツキ９は焼き入れ操作中、ロツド６
を支持するヘツド１０に鉛直方向振動を与える
が、この機能についてはさらに詳細に後述する。 ロツド６、ジヤツキ８，９は、導入引き上げ手
段を構成する。 加熱炉の下部にも密閉滑動板１１が設けられ、
滑動板１１はジヤツキ１２で制御される。安全ロ
ツク１３により、滑動板の運動を試験片５の下方
向運動に依存させることが可能である。 装入部は焼き入れ槽を覆う鐘状部１３で形成さ
れ、これにより焼き入れ液の窒素による保護が可
能になる。このような保護は液が油であつて高温
（250℃以下）に加熱されるときは不可欠である。
鐘状部１３は連結管１４を介して加熱炉に結合さ
れるが、連結管１４は、着脱式かまたは鉛直ヒン
ジ軸のまわりの回転運動により開放される２つの
半円筒で形成される。管１４の開放運動は鐘状部
を遮断するためのフラツプ１５の運動と同期し、
これにより焼き入れ液上に窒素雰囲気を形成しな
がら試験片の導入または引上げを可能とする。窒
素は弁１７で制御される導管１６を介して鐘状部
内に導入される。 焼き入れ槽２０は２つの部分、即ち上部槽２１
と下部槽２２とからなる。上部槽２１はシリンダ
で形成され、シリンダの上部には溢流リング２３
が設けられ、溢流リングの外側周縁部分２４は鐘
状部１３に密封接続される。上部槽２１はさら
に、試験片５が焼き入れを受けるときに試験片５
が占める高さ位置に配置されている目標口２５
と、焼き入れ液の温度および流速の少なくとも一
方を検知するためのセンサの設置を可能とするシ
ール継手からなる複数個の「タツプ開口」２６
（このうち３個が図示されている）とを含む。最
後に上部槽は、試験片の周囲に分散配置された半
径方向ノズルからなる液体の直接注入装置４０を
含む。これについては後述する。 下部槽２２は、液の分散と流速とを制御するた
めの格子２７のような特殊装置により上部槽２１
から分離されるが、この装置の機能については後
に詳述する。 下部槽はさらに、２８で示すヘアピン形の電気
加熱要素（浸漬ヒータ）と、２９で示す位置調節
が可能な液の温度および流速の少なくとも一方を
検知するためのセンサとを含む。 電気加熱要素２８とセンサ２９は後述するプレ
ート型熱交換器３１と協働して制御手段を構成す
る。 焼き入れ液の撹拌および混合装置は、全体撹拌
と液下注入とを可能にする。この装置は次のもの
からなる。 −１時間あたり、全液量（槽＋導管手段）の例え
ば50〜200倍の高流量を出力する加圧手段とし
ての循環ポンプ３０。 −プレート型熱交換器３１。 焼き入れ液の温度範囲（周囲温度から250℃
まで）を考慮すると、加熱（抵抗手段２８）と
冷却（熱交換器３１）とにより組合せ制御を行
なうことが必要になる。PID（比例／積分／微
分）型のこの制御効果は、液温に関して±１℃
の精度を提供する。 −多くの焼き入れ油は特に200または250℃に加温
されると引火するという事実を考慮して、安全
手段として提供される急速払出し槽３２。 急速払出しは、手動により（この制御モード
は「パンチアウト」制御といわれる）または鐘
状部内の温度上昇を検出して（センサ３３）自
動的に行なわれる。急速払出し操作のとき、管
１６と弁１７とを介して窒素、またはフツ化炭
素のような消化ガス鐘部１３内への注入が同時
に行なわれる。 −液を加圧して下記のような注入を可能にする導
管と弁との組合せであつて、 弁３５を開にし弁３６と３７とを閉にして導
管３４を介して下部槽２２へのみ注入するが、
流速はロータメータ３８により測定され、かつ
液は導管３９を介してポンプ３０に戻され（こ
の管路は「全体撹拌」管路という）、または弁
３５と３６とを閉にし弁３７を開にして、導管
４１を介してインジエクタ４０へのみ注入する
が、流速はロータメータ４２により測定され、
かつ液はリング部分２３へ溢流することにより
戻されて、導管３９を介して抜出され（この管
路は液下注入管路という）、または弁３５と３
７とを開にして（弁３６は閉のまま）、両方の
管路へ同時に注入される、ような注入を可能に
する導管と弁との組合わせからなる。 焼き入れ液を試験片に対して循環し撹拌する手
段は本発明の基本点の１つである。 このような循環および撹拌の効果は、効果を最
大化するだけでなく、使用液の種類および試験片
の性状に無関係に制御され、測定可能でかつ再現
可能であることが重要である。 従つて循環操作は第２図、第３Ａ図、第３Ｂ
図、第４Ａ図、第４Ｂ図及び第４Ｃ図に示すよう
な２つの手段を含む。 １ 下部槽２２から試験片５の周りを通過する液
の循環。第１図に示すような、試験片に対する
相対位置（高さ方向）に無関係に組織化手段と
しての格子２７を配置するこの単純な方式は、
液循環流を試験片の周りに確実に収歛させるこ
とはできない。この方式が適切な例は小数の例
にのみ限定される。 第２図では、単純格子は同様に組織化手段と
しての辺長10mmの正方形断面の空洞所有のはち
の巣形状の分離器５０に置換され、その上方に
は直径を試験片の直径に対応させた開口５２が
設けられるが、開口の直径は、最も広く使用さ
れる試験片に対しては30〜60mmの大きさであ
る。実際に液体流通過直径は少なくとも試験片
の直径に等しくなければならず、試験片直径の
１から５倍の範囲が好ましい。 はちの巣通路は、試験片に到達する液が実施
的に発散される前に平行流の形成を促進し、こ
れにより試験片の周りに高速循環擬似層流を形
成して高能率冷却作用を提供する。 第３Ａ図では、分離器５０の下側は収歛円錐
５３を支持するが、収歛円錐５３は流れ断面の
減少により液の循環速度を増加させる。 第３Ａ図の一部の拡大図である第３Ｂ図は、
ロータメータ５５のプロペラ５４の位置と試験
片５との関係を示す。ロータメータ５５は試験
の途中において任意に位置セツトまたは抜出し
が可能である。 最後に第４Ａ図では、はちの巣分離器は取外
されて組立体は収歛円錐５６のみを用いている
が、収歛円錐５６は液が全く到達しなかつたり
あるいはわずかしか循環しないデツドゾーン５
７を試験片５の周りから大部分除去できて有利
である。 充填部材５８は、試験片に対する円錐５６の
高さの調節を可能にする（分解後）。 ２ 液を試験片の周りに循環させるための第２の
手段は、液下インゼクタ（注入装置）４０で形
成される。図示の特定構造においては、インゼ
クタは２つの重ね列（アレイ）６０，６１から
なり、各列にはそれぞれ相互に120゜間隔に配置
された３個の半径方向ノズルが設けられ、重ね
列は注入液の流速または流れ形状を変えるよう
に交換も可能である。 同様にインゼクタ４０全体は、分離可能な継
手６３により分離ならびに交換が可能である
（第１図参照）。 最後に、例えば温発泡効果を遅速させたりまた
は不安定化させるために、発振ジヤツキ９の作用
により支持ロツド６従つて試験片５に所定の周波
数ならびに振幅の振動を与えることにより焼き入
れ効果を修正可能である。 前記の試験片の機械的振動は、ピエゾ電気効果
または磁気ひずみ効果を利用する通常の型の超音
波発振器で行なつてもよく、振動の効果は放出さ
れて試験片に集積される。 装置には一般に測定手段が付属される。種々の
温度（加熱炉および液）の測定および制御は既述
の通りである。 特に重要な測定は、試験片内の温度勾配を求め
るために２点（中心と表面）で行なわれる試験片
の温度測定であり、これは試験片内の任意に選択
した位置に開口されたオリフイス内に配置され支
持ロツド６を介して記録手段７０に接続される小
型の熱電対により行なわれるが、記録手段７０は
試験過程において温度−時間曲線とその微分値
（冷却速度−時間）とを直接プロツトする。 焼き入れ液の循環速度は、管路上の種々の点お
よび上部槽ならびに下部槽内で、スクリユー型ロ
ータメータで測定される。測定は、検出器の前面
内の２枚羽根スクリユーまたはプロペラ５４の回
転により誘導される電流の変化を基準にしてい
る。行なわれる測定は、0.1〜7m／ｓの範囲内で
相当正確である。ロータメータ３８，４２は固定
式である。第１図の２９に相当するロータメー
タ、即ちタツプ開口２６を介して手段２７と試験
片５との間またはノズル６２のレベルに配置され
る５５のようなその他ロータメータは、着脱式お
よび／または可動式である。 前記ならびに第１図に示す試験装置において、
第４Ａ図に示す構造により液が下部槽から試験片
に循環されるような構造とした。焼き入れ槽は50
リツトルの全容積を有し、そのほかに外部管路の
全容積は20リツトルである。循環ポンプは10m³/
ｈの最大流速を有する。ロツド６の先端の試験片
５をシリンダ１４（装入部）の位置で設定する操
作は手動による。その他の操作はすべて自動であ
る。試験片の移動および位置決めはジヤツキ８に
より行なわれ、ジヤツキ８はその速度および位置
が制御され、かつ２つのタイマで操作されるが、
一方のタイマは加熱時間（温度の上昇とその温度
レベル保持）を与え、他方のタイマは下記サイク
ルに応じた液中浸漬時間を与える。 −Ａ：装入部（開始点） −Ｂ：加熱炉内への移動と温度上昇 −Ｃ：焼き入れ槽内への移動（制御され調節され
た速度で） −Ｄ：取出部への引戻しおよび新しいサイクルの
開始。 試験片周りの液の循環および撹拌の効果を評価
するために、液の循環速度は、試験片の付近（第
３Ｂ図）およびさらに特には収歛部材５６の上方
部分５９と試験片５の底部との間に配置されたロ
ータメータ５５により測定されたが、ここで試験
片はタイプSFB（銀、平底φ16mm、L48mm）であ
り、ロータメータがタツプ開口２６の位置にセツ
トされ、試験片は注入ノズルの位置に配置され
た。 これらの測定は下記の異なるケースで実施され
た。 −「TRATHER」油（MILLOIL社の製品）、５
０，８０および150℃にて、 −「TO10」油（MOTUL社の製品）、50および
80℃にて、 −純水20℃にて、 ポリビニルピロリドン（PVP）を1.25重量％
添加した水、20℃にて。 得られた結果は次の通りである。

【表】 これらの高い速度は通常の工業的条件下で得ら
れるものより実質的に大である。 さらに、試験片５が取外されたとき速度は３か
ら17％だけ上昇し、従つてそれは80℃においてロ
ータメータ５５の位置において1m／ｓをはるか
に超えることに注目すべきである。 接続導管内では、測定された速度は3.3から
3.5m／ｓのオーダーである（ロータメータ４２，
３８）。 本発明による装置は従つて、油または溶液タイ
プの焼き入れ液の試験片に対する挙動と、金属合
金のような材料の焼き入れ性とを研究し、これに
より与えられた焼き入れ液と与えられた熱処理条
件とに対する急冷曲線を正確かつ再現可能な形で
確立することを可能にする。与えられた既知材料
または新材料に対する液の焼き入れおよび撹拌条
件を事前に研究し、決定しかつ最適化することも
また可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にてなる装置の一実施例の全体
の略縦断面図、第２図、第３Ａ図、第３Ｂ図、第
４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は液の分散を制
御する装置詳細部の縦断面図である。 １…加熱炉、３，１６…導管、４，１７…弁
（不活性ガス）、５…試験片、６…ロツド、８，９
…ジヤツキ、１３…鐘状部、１４…装入部、２０
…焼き入れ槽、２１…上部槽、２２…下部槽、２
３…溢流リング、２４…外側部分、２７…穴あき
格子、２８…電気加熱要素、２９…サーモスタツ
ト、３０…加圧液源、３１…熱交換器、３２，３
６…急速払出し手段、３３…検出器、３８，４
２，５５…ロータメータ、３９…戻り導管、４０
…インゼクタ、５０…はちの巣格子、５１…ダイ
ヤフラム、５３，５６…収歛円錐、５８…充填手
段、５９…円錐の上部開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試験片を加熱する加熱炉と、内部に焼き入れ
   液を含むように構成された円筒状の上部槽と、前
   記上部槽に設けられ、一端が焼き入れ液の加圧手
   段に第１の接続導管を介して接続され他端が前記
   上部槽の軸方向に配向する半径方向ノズルの複数
   と、前記上部槽の上方部分に設けられ、前記焼き
   入れ液を前記加圧手段へ戻す戻り導管と、前記上
   部槽の下方に設けられ、内部に前記焼き入れ液を
   含むように構成された下部槽と、前記上部槽と前
   記下部槽の間に設けられ、前記焼き入れ液の循環
   および分散を組織化し且つその速度を制御するた
   めの組織化手段と、前記下部槽に設けられ、第２
   の接続導管を介して前記加圧手段と接続される前
   記焼き入れ液の取入口と、前記下部槽に設けら
   れ、前記焼き入れ液の温度を監視し且つ制御する
   制御手段と、前記試験片の前記上部槽への導入及
   び前記上部槽からの引上げを行うための導入引上
   げ手段とを備える試験片に対する焼き入れ試験装
   置。 ２ 前記半径方向ノズルの複数が、少なくとも１
   つの円形列を形成する特許請求の範囲第１項に記
   載の試験装置。 ３ 前記加熱炉は、前記加熱炉内の前記試験片の
   温度上昇と、前記試験片の選定された温度での熱
   的プラトーとを提供するプログラム可能な第１の
   プログラム手段を含んでいる特許請求の範囲第１
   項又は第２項に記載の試験装置。 ４ 前記導入引上げ手段は、前記上部槽内の前記
   焼き入れ液中への前記試験片の下向き運動と、前
   記試験片の前記上部槽内における位置決めと、焼
   き入れ作業の終端における前記試験片の上向き運
   動とを提供するプログラム可能な第２のプログラ
   ム手段を含んでいる特許請求の範囲第１項から第
   ３項のいずれか一項に記載の試験装置。 ５ 前記導入引上げ手段は、前記試験片が下端に
   固定されたロツドと、該ロツドを上下動させるた
   めのジヤツキとを含む特許請求の範囲第１項から
   第４項のいずれか一項に記載の試験装置。 ６ 前記組織化手段は、穴あき格子を含んでいる
   特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項
   に記載の試験装置。 ７ 前記組織化手段は、直径が前記試験片の直径
   に少なくとも等しい軸方向オリフイスを有するダ
   イヤフラムが上部に設けられたはちの巣格子を含
   んでいる特許請求の範囲第１項から第５項のいず
   れか一項に記載の試験装置。 ８ 前記オリフイスの直径が前記試験片の直径の
   １から５倍である特許請求の範囲第７項に記載の
   試験装置。 ９ 前記組織化手段は、収歛円錐を含む特許請求
   の範囲第６項から第８項のいずれか一項に記載の
   試験装置。 １０ 前記組織化手段は、上部開口の直径が少な
   くとも試験片の直径に等しい収歛円錐を含む特許
   請求の範囲第１項から第５項に記載の試験装置。 １１ 前記上部開口の前記直径が前記試験片の前
   記直径の１から５倍である特許請求の範囲第１０
   項に記載の試験装置。 １２ 前記組織化手段は、試験片に対する該組織
   化手段の位置を調整するための調整手段を含む特
   許請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一項
   に記載の試験装置。 １３ 前記上部槽は、該上部槽の上部に設けられ
   ていると共に、前記戻り導管に接続される周縁溢
   流リングを含む特許請求の範囲第１項から第１２
   項のいずれか一項に記載の試験装置。 １４ 前記第１の接続導管及び前記第２の接続導
   管のそれぞれの内部にスクリユー型ロータメータ
   を含む特許請求の範囲第１項から第１３項のいず
   れか一項に記載の試験装置。 １５ 前記上部槽は、前記組織化手段と前記試験
   片の間に配置される他のロータメータを含む特許
   請求の範囲第１項から第１４項のいずれか一項に
   記載の試験装置。