JPH034604B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は焼割れおよび歪の発生しやすい金属材
料からなる機械部品の焼入方法およびその装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

二流体噴霧ノズルに類似する噴霧ノズルを備え
る噴霧式焼入装置（特公昭55−9926号公報）で
は、噴霧ノズルに対して水量および空気流量が固
定されており、冷却能力は噴霧ノズルと被焼入物
体の冷却面との間の距離を変えることにより調整
されている。ところがその噴霧ノズルは非常に多
数設けられているため、被焼入れ物体の形状が変
化すると、これに対応して全ての噴霧ノズルと冷
却面との間の距離をセツトし直すのに多大な時間
と労力を要する欠点があつた。

ところで従来の液体と気体、例えば水と空気の
混合噴流を噴出するノズルは二種類に大別するこ
とができる。

その一つは液体を高圧（20〜150Kg／cm²）化し、
ノズルの小孔から噴出する際に微粒化されるタイ
プの一流体噴霧ノズルである。この一流体噴霧ノ
ズルはデスケーリングなどの目的に使用される
が、焼入冷却用としてはほとんど使用されていな
い。

他の一つは特開昭52−156114号公報に記載され
るような二流体噴霧ノズルであり、本願第１図に
その概要を示す。このノズルでは、液体（水）１
と気体（空気）４を混合室３へ導入し、この混合
室３で微粒化された噴霧は外チツプ出口６から噴
出されて水−空気混合噴流７（以下噴霧流と称
す）を形成する。前記水１はニードルバルブ２に
より、空気４はバルブ（図示せず）または内チツ
プ５を取替えることによりそれぞれ調節される。

前記噴霧流中の水滴径分布は第２図に示すよう
に約５〜20μｍと非常に小さく、微粒化か良く行
われている。この噴霧流による焼入冷却能力は比
較的に小さいので、特に水冷付近の焼入冷却能力
を達成することは不可能である。従来このような
微粒噴霧ノズルを用いていたのは、特に焼入冷却
を意識していなかつた為（微細ほど好ましいと考
えていた）と考えられる。

上記のように構成されたいわゆる混合室を有す
るノズルでは、空気圧を水圧より小さくしなけれ
ばならないばかりでなく噴霧流の性質を自由に調
節することが困難で、かつ構造が複雑であること
からコスト高となる。混合室があると空気と水が
非常に良く混ざるので、水が微粒化され易くな
る。また、ニードルバルブを介して小さな〓間か
ら水が噴出されるため、目詰りを生じ易く、保
守・点検に難点がある。

通常、焼入冷却に要求される冷却能力は幅広
く、これに対し従来は空冷、油冷および水溶性油
による冷却あるいは水冷などの冷却方法で対処し
ている。冷却剤が変われば、冷却方法および冷却
装置も変わるため、熱処理設備と熱処理作業が繁
雑になる要因となつている。また冷却能力の微調
整、例えば油冷と水冷の中間の冷却速度が必要な
場合、局所的な冷却および冷却過程において冷却
速度の変更が必要となる場合を生ずる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の焼入方法は、焼割れや残留歪による欠
陥がなくかつ充分に焼きを入れることを目的とす
る。

本発明の焼入装置は、上記焼入方法を実施する
ための最適なノズル形状を有する装置を提供する
ことを目的とし、特にノズル形状を工夫して噴霧
粒径の粗大化を図ることを目的とする。

〔課題を解決するるための手段〕

本発明の焼入方法は被焼入物体を円周方向に回
転させながらその軸方向に沿つて複数の位置から
先ず空気を被焼入物体表面に吹き付けて予備冷却
し、しかる後、直径が50〜200μｍの水滴を含む
水−空気混合噴流を被焼入物体表面に吹き付けて
焼き入れを行うことを特徴とする。

本発明の焼入装置は、被焼入物体をその円周方
向に回転するよう支持する支持体と、該被焼入物
体を中心にしてその周囲に被焼入物体の軸方向に
沿つて複数段に配置されたノズルリングと該各ノ
ズルリングに接続される気体供給管及び液体供給
管とを備え、前記各ノズルリングは被焼入物体に
向けて開口する複数の噴孔を有し、前記気体供給
管及び前記液体供給管上の夫々には流路を開閉す
る弁を付設してなり、前記被焼入物体の表面に先
ず気体を吹き付けて予備冷却し次いで気−液混合
噴流を吹き付けるように前記各弁の開度を調整す
る装置を備え、前記各噴孔は、水の噴出する噴口
を中心とし、この噴口と同一平面にかつ同心に設
けられた空気の噴出するリング状噴口とからな
り、両噴口が夫々に被焼入物体方向に露出してい
ることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の焼入方法では、水−空気の混合噴流を
噴出する前に空気を予備的に流している。これに
より焼入可能な下限温度まで緩やかに冷却し、焼
入急冷時間を短くする。この結果、被焼入物体内
に生じる熱応力を軽減させるので、焼割れの防止
と焼歪みの軽減が図れる。また、噴霧粒径を50〜
200μｍと規定したのは急冷による焼入効果を獲
得すべく水冷のように速い焼入冷却速度を得るた
めに粗大な噴霧粒径が必要なためである。

ここで噴霧粒径の平均が50μｍ未満であると、
冷却が遅くなり過ぎてしまい焼きが入りにくくな
る。一方、平均噴霧粒径が200μｍを超えると、
被焼入れ物表面には噴霧というよりも水流が直接
当たるのと同じ状態になり、鋼材の液体冷却にみ
られる蒸気膜段階の時間が短くなる。このこと
は、噴霧粒径が200μｍを超えると形状が複雑な
被焼入れ物である場合などにおいて焼むらおよび
焼割れの発生率が水冷と同程度に多くなることを
意味する。以上により噴霧粒径の最適範囲は、50
〜200μｍとなる。

本発明の焼入装置では、噴霧粒径50〜200μｍ
の粗大な噴霧粒径を安定して得るためノズルの構
造は従来のように混合室を設定せず、水の噴出す
る墳口と同一平面にかつ同心に空気の噴口を設け
るようにした。この結果、水冷のように早い焼入
冷却速度まで得ることが可能となつた。このよう
に早い焼入冷却速度では不均一な冷却となり易い
ので、その防止として装置に回転機構、複数段の
ノズル配列、複数の噴孔を有するノズルリング等
を設けた。

上記のように装置上の工夫によつて、均一な冷
却を安定して得ることが可能となり、焼むらおよ
び焼割れの防止が図れることになつた。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面について説明する。

第３図において、１０は駆動装置１２により回
転される支持台１１上に鉛直に取付けられた被焼
入物体で、その支持台１１は焼入冷却過程におい
て円周方向の焼むらの発生を防止するために、５
〜20rpm程度の回転数で回転される。１３Ａ〜１
３Ｃは被焼入物体１０を取り囲む支持体１４の内
周壁における数段（図では３段）の水平面円周上
に任意数配置されたノズルで、これらのノズル１
３Ａ〜１３Ｃは任意数のグループに分けられてい
る。

前記ノズル１３Ａ〜１３Ｃは第４図に示すよう
に供給管２０によつて導入される水１５の噴出す
る１〜2φの噴口１７と、この噴口１７と同一平
面に、かつ同心に設けられた供給管２１によつて
導入される空気１６の噴出するリング状噴口１８
とからなり、両噴口１７，１８から噴出された水
と空気は混合して水−空気混合噴流１９を生成す
る。前記リング状噴口１８は騒音および振動を少
なくするためと、空気消費量を低減するために、
0.2〜0.7mm程度に設定されている。

上記のような噴口１７，１８からなる二流体噴
霧ノズルで得られた水−空気混合噴流１９中に含
まれる水滴の直径は、第５図に示すように50〜
200μｍとなり、第２図に比較して大きくなり微
粒化はあまり進んでいない。したがつて前記混合
噴流１９による冷却能力は大であり、ノズルと冷
却面との距離を小さくすれば、水冷付近の冷却能
力も十分に達成することが可能である。

前記ノズル１３Ａ〜１３Ｃの各水供給管２０お
よび空気供給管２１は第６図に示すように各グル
ープ毎に各集合筒２２，２３にそれぞれ接続さ
れ、これらの集合筒２２，２３は水供給源２９お
よび空気供給源３０にそれぞれ接続されている。
前記集合筒２２と水供給源２９とを接続する系路
２６には、流量調節弁２４Ａと電磁弁２５Ａが設
けられ、また集合筒２３と空気供給源３０とを接
続する系路２７には、流量調節弁２４Ｂと電磁弁
２５Ｂが設けられている。前記流量調節弁２４
Ａ，２４Ｂは予め決められた焼入冷却プログラム
に対応した水流量および空気流量が得られる開度
にセツトされており、また電磁弁２５Ａ，２５Ｂ
はタイマ３１，３２からの指令にしたがつて開閉
される。

上記焼入冷却プログラムの例としては冷却開始
時から30秒間は焼入可能範囲で空気のみ噴出する
予備空冷期間とし、30秒から45秒までの15秒間ま
での15秒間には水量15／min（全流量で各ノズ
ルに均等に配分される）が噴出され、45秒から60
秒までの15秒間は水量が５／minの焼入冷却期
間とし、続く60秒から90秒までの30秒間は噴出さ
せずに空気だけを噴出させる空冷期間とするよう
な時間割りで組まれる。このような焼入プログラ
ムは被焼入物体の材質、形状および焼入仕様によ
り決定されるが、伝熱計算およびその材質の
CCT曲線と、必要に応じてて経験に基づく試験
体を用いた実験とから決定される。被焼入物体の
上半部と下半部に対する異なる場合には、ノズル
群を分割しておき、それぞれ異なつた焼入冷却プ
ログラムを実行させることにより目的を達成する
ことができる。

第７図は他の実施例を示すもので、この実施例
は水平回転軸を有する被焼入物体１０に対して垂
直なリング状体２８の内周面にノズル１３を取付
けた構造からなり、そのノズル１３は任意数のグ
ループに分けられ、各グループのノズルから噴出
された混合噴流を被焼入物体１０の表面上の所要
焼入箇所へ噴射するように配列されている。その
他の構成は前記実施例と同様である。このように
構成された実施例は被焼入物体の焼入作業を自動
化する場合に好適である。

以上説明したように、本実施例によれば、次に
列記する効果がある。

(1) ノズルから噴出される水量と空気流量をそれ
ぞれ独立して微調整できるため、焼入冷却能力
をいかなる焼入冷却条件にも対応することがで
きる。

(2) 噴霧粒径は50〜200μｍの粗い粒径となるた
め焼入冷却能力を空冷から水冷まで広範囲に得
られる。また、冷却途中でも任意に冷却条件を
調節できるので、焼割れ発生がなく、焼入歪の
少ない理想的な焼入れを実施することができる
ので信頼性が向上する。

(3) ノズルを被焼入物体の所要焼入箇所に対応し
て集中的に配列することにより、局所焼入冷却
あるいは均一焼入冷却が可能となる。この利点
は形状が複雑な被焼入物体にも適応できる。

(4) ノズルから噴出する水−空気混合噴流の性状
を、タイマー、流量調節弁および電磁弁により
随時に変更することができるので、精度高く安
全に自動化することができ、焼入作業の合理化
が図れる。

(5) 焼入冷却剤として水と空気のみの使用である
から従来のように焼入油あるいは高分子系液体
の使用に比較して大巾な環境の改善をはかると
共に、廃油処理が不要となるから無公害の焼入
装置を実現可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の焼入方法によれ
ば焼割れや残留歪などの欠陥を防止しつつ充分に
焼きを入れることができるという効果があり、ま
た本発明の焼入装置によれば噴霧粒径を粗大化し
てかつ均一に冷却できることから上記焼入方法を
確実に達成することができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の二流体噴霧ノズルの断面図、第
２図は第１図のノズルから噴出される水−空気混
合噴流の水滴径分布の拡大図、第３図は本発明の
焼入装置の一実施例を示す概略図、第４図は同実
施例のノズル断面図、第５図は第４図のノズルか
ら噴出さる水−空気混合噴流の水滴径分布の拡大
図、第６図は第３図のノズルへの液体および気体
の供給系を示す図、第７図は本発明に係わる他の
実施例を示す概略図である。 １３，１３Ａ〜１３Ｃ……ノズル、１７……液
体噴出部、１８……気体噴出部、１９……混合噴
流、２２，２３……集合筒、２４Ａ，２４Ｂ……
流量調整弁、２５Ａ，２５Ｂ……電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被焼入物体を円周方向に回転させながらその
   軸方向に沿つて複数の位置から先ず空気を被焼入
   物体表面に吹き付けて予備冷却し、しかる後、直
   径が50〜200μｍの水滴を含む水−空気混合噴流
   を被焼入物体表面に吹き付けて焼き入れを行うこ
   とを特徴とする焼入方法。 ２ 被焼入物体をその円周方向に回転するよう支
   持する支持体と、該被焼入物体を中心にしてその
   周囲に被焼入物体の軸方向に沿つて複数段に配置
   されたノズルリングと、該各ノズルリングに接続
   される気体供給管及び液体供給管とを備え、前記
   各ノズルリングは被焼入物体に向けて開口する複
   数の噴孔を有し、前記気体供給管及び前記液体供
   給管上の夫々には流路を開閉する弁を付設してな
   り、前記被焼入物体の表面に先ず気体を吹き付け
   て予備冷却し次いで気−液混合噴流を吹き付ける
   よう前記各弁の開度を調整する調整装置を備え、
   前記各噴孔は、水の噴出する噴口を中心とし、こ
   の噴口と同一平面にかつ同心に設けられた空気の
   噴出するリング状噴口とからなり、両噴口が夫々
   に被焼入物体方向に露出していることを特徴とす
   る焼入装置。