JPH0463123B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、加熱されたワークピースを処理する
新規な方法であつて冷却媒体および万能固定体と
して作用する流動床を用いる方法に関するもので
ある。

航空産業において需要が増大しているプロセス
である超塑性加工において、超塑性特性を有する
シート状の金属ブランクは、そのブランクが超塑
性特性を示す加熱された温度（チタン合金に関し
ては1500°〜1750〓の範囲）および加圧条件の下
に精密な許容範囲内で複雑な形状に加工される。
それらに用いられる金属は、好ましくはチタン、
アルミニウム、およびそれらの合金である。ブラ
ンクが完全に形成されたとき、その部品は許容精
度の維持と歪みの防止のために、均一な方法で冷
却されなければならない（米国特許第4233831号
参照）。これは、水、塩水、または塩浴のような
従来の冷却媒体によつて達成することはできな
い。

拡散接合は同様な金属部品が加熱された温度と
圧力の下においてプレスされて加工されるプロセ
スであり、前記部品の表面同士が原子的拡散によ
つて直接接合され、そうして母材金属と同等の接
合強度を有する一体構造の金属部品が形成され
る。拡散接合において用いられる金属はチタン合
金であつて、超塑性加工を行ない得るものであ
る。或る応用に関して、拡散接合は超塑性加工と
ともに用いることができるし、またはそれら２つ
のプロセスは互いに独立して用いることができ
る。なぜならば、両プロセスとも加熱された温度
において生じるからである。これらの構造物は歪
みを生じることなしに加熱された温度から冷却さ
れなければならない。超塑性加工または拡散接合
において用いられる最も通常の合金はTi−6Al−
4Vである。

通常、チタン合金のシートから製造された構造
物は再結晶焼鈍温度以上に加熱されることはな
い。なぜならば、求められる急激な冷却速度が重
大な歪みの問題を生じるからである。同様に、ア
ルミニウム合金のシートから形成された製品は、
強化熱処理のときに受ける冷却速度から守るため
に支持するものを必要とする。支持道具は高価な
ものであり、通常は或る与えられた構造に対応す
る特定のものである。チタン合金のシート材に関
しては、それに用いられる高い温度のために水冷
却は用いることができない。

粒子状の固体物の流動化はよく知られており、
現在種々の業種において用いられている。従来、
加圧された流体が細かく砕かれた粒子状の材料の
床へ多孔質のデヒユーザを介して導かれている。
加圧された流体の流速は固体粒子を浮揚してかき
混ぜるに十分なものであり、その床に流動特性を
与える。

高い熱伝達速度は、ワークピースが流動床内に
浸されて、かつそのワークピースと床の間混に大
きな温度勾配が存在するときに可能となる。これ
は高速の撹拌や対流によつて起こり、さらにその
固体粒子材料の単位体積あたりの大きな表面積に
よつて生じる。粒子材料の熱伝達係数は高いもの
ではないとしても、単位面積あたりの表面積は大
きく、通常の砂に関してその体積に対する表面積
の範囲は1000〜5000ft²／ft³である。流動床の熱
伝達係数は20〜210Btu／ft²・hr・〓であり、こ
れは塩浴または鉛浴装置と比較し得るものであ
る。流動床の第１の利点は、そのプロセスが本質
的に熱等方性を維持することである。その他の利
点として、接触時間を容易に変えることができる
し、その装置は繰返し使用することができるとと
もに連続的自動的操業に容易に適合し得ることが
ある。

新しい冷却方法は、シート状金属加工における
複雑な形状の加熱されたワークピースが均一かつ
制御された冷却速度で冷却することを可能にする
ために求められるものであつて、それによつて金
属強度の特性が最適化し得るとともに歪みを最小
化し得るものである。

発明の概要 本発明の第１の目的は、非等方的熱収縮によつ
て起こる歪みを最小にするようにワークピースを
処理温度から常温へ冷却するための方法を提供す
ることである。ここまで本発明の利用は金属ワー
クピースに限定されてきたが、本発明は非金属物
体にも応用できるものであり、それは完成品が熱
収縮勾配から生じる強度の喪失や歪みを最小にし
て高い精度のものとする必要がある場合である。

本発明のもう１つの目的は、水焼入れにおいて
生じるような歪みを防止して、改善された強度を
得ることを可能にする冷却媒体を提供することで
ある。本発明のもう１つの目的は、金属ワークピ
ースのための冷却方法であつて、制御可能なかつ
繰返し可能な冷却方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、限定された処理領
域内の細かく砕かれた固体粒子材料の集まりの中
に熱い金属ワークピースが浸漬される冷却方法を
提供することである。

本発明のもう１つの目的は、単純な構造の装置
を用いる冷却方法を提供することであつて、その
装置は安価に製造することができるし購入するこ
ともできるものである。

本発明はワークピースを臨界温度範囲以下に急
速に冷却するために従来の流動床の使用を伴う。
すなわち、その臨界温度範囲以下では、比較的穏
やかな冷却速度でも変態を生じず、次にその流動
床は支持固定体として用いられて、その後の冷却
は熱収縮勾配によつて起こる歪み、ねじれ、およ
び反りなどを防止または最小にするために均一に
制御された速度でさらにゆつくりと起こる。ま
ず、その流動床の容器は好ましくはアルミナであ
る固体粒子材料によつてほぼ満たされている。そ
の他の可能な材料として、砂（シリカ）、または
（銅などのような）金属粒子がある。その容器は
底に流体の流入口を有しており、好ましくは空
気、または窒素のような何らかの不活性ガスであ
る流体が制御された速度で固体粒子材料内を上方
向へ拡散させられ、それによつて粒子の床流動状
態が生じる。不活性ガスの使用は、必ずしも急速
冷却に必要なものではないが、その冷却サイクル
の間のワークピースを酸化から保護するという付
加的な利点を有している。流動の状態（滑らか、
泡立ち、激しい、または沈み込み）は、その容器
を通る流体の流速によつて制御することができ
る。滑らかな状態からわずかに泡立つ状態の流動
が好ましい。

加熱されたワークピースは素早く流動床に移さ
れかつ浸されて、流動圧はすぐにかつ急速に減少
させられて、好ましくは完全に停止され、固体粒
子材料はそのワークピースを覆つて堆積し、そし
てその埋め込まれたワークピースを支持して万能
支持体として働く。

その床は冷却体および支持体として働く。浸漬
の間、或る特定の材料のワークピースは臨界温度
範囲（変態曲線の屈曲を含む温度範囲）を通過し
て急速に冷却され、その冷却速度は（変態を防止
するために）臨界的なものであり、後の熱処理に
おいて改善された強度を達成させ得るものであ
る。達成された冷却速度は水冷却と比較し得るも
のであり、一方、ワークピースの温度が臨界温度
範囲を通過して冷却されるときのその冷却の等方
性は歪みを除去または最小にする。そして、床が
沈静して、ワークピースの歪みを最小にする穏や
かな速度で冷却が完了する。

ワークピースの冷却が完了した後に、それは流
動床の容器から取出される。次にそのワークピー
スは、強度特性を改善するための時効硬化させる
ことができる。これは次のような場合に特に重要
である。すなわち、そのワークピースが１つまた
はそれ以上のシートからなる金属のシート製品で
あつて、水冷却によつて歪みを受ける場合であ
り、さらに臨界温度範囲をゆつくりと冷却すれば
変態を起こす場合、すなわちその変態が時効によ
る強度の増大を妨げる場合である。粒子材料の温
度は床を再び流動させることによつて受入れるべ
きレベルまで下げられて、次のワークピースを受
入れる用意ができる。

本発明のその他の目的や利点は以下の詳細な説
明と図面を参照することによつて明らかとなろ
う。

発明の実施例 ここで第１図を参照して、本発明において用い
られる支持と冷却のための装置が全体として１０
で示されている。その装置１０はニユージヤージ
州ニユーブラウンズウイツクのプロセダイン
（Procedyne）社から購入することができるもの
で、AB−3048型である。装置１０の形と寸法は
ワークピース（図示せず）の形状に大きく依存す
るが、３５ないし５５ガロンの容器が試験的運転
において用いられた。容器の壁１２は円柱状であ
つて、30インチの直径と48インチの深さを有して
いる。装置１０は中空の支持ベース１４上に装着
されており、そのベースを介して流体の供給口１
６が装着されている。流体の供給は20PSIGを越
える圧力で24SEFMの速度で行なわれる。固体粒
子材料２６は150メツシユのオーダであり、好ま
しくはアルミナであるが、銅やシリカも用いるこ
とができる。粒子寸法は重要である。なぜなら
ば、小さい粒子ほどその表面積が増大するので熱
伝達が改善されるからである。しかしながら、も
しそれらの粒子があもりに微細であると、散粉が
起こる。粒子材料は、ワークピースから急速に熱
を吸収するために、良好なヒートシンクとしての
特性を示さなければならない。また粒子材料はワ
ークピースの表面と接触したときに比較的不活性
なものでなければならず、しかしこれは冷却速度
が非常に速いのでさほど重要でないかもしれな
い。容器壁１２はその容器の頂上から約６インチ
以内まで満たされる。液体供給口１６はその流体
の流れを制御して監視するために流体レギユレー
タ１８を含んでおり、さらに自動的に流体を停止
（開閉）するバルブ２０を含んでいる。

冷却装置１０は容器壁１２内に水循環システム
（図示せず）をも備えており、それは使用後の熱
の除去を助けて初期の床温度を制御するために用
いることができる。

冷却装置１０内で支持ベース１４に装着されて
いるのは複数の穴２４を有するベース板２２であ
り、そのベース板２２を貫通するそれらの穴２４
はほぼ均一に分布させられている。穴２４の各々
はねじ（図示せず）が据え付けられており、それ
らのねじは冷却装置１０内の均一な流体の流れを
保つように調節されて緩められている。冷却装置
１０は、さらに蓋ハンドル３０を有する蓋２０を
備えており、その蓋は冷却中や使わない間その容
器を封ずるために用いることができる。

冷却と保持のための装置１０は、加工を施す場
所となるべく近い実用的な位置へ置かれる。超塑
性加工において、加工されたワークピース、すな
わちTi−6Al−4Vほ冷却装置１０に近い位置に
ある加工装置から取出される。そのワークピース
は1500°〜1750〓の広い範囲に加熱されているが、
好ましくは1600〓である。固体粒子材料２６を保
持している容器１２は流動床であつて、その容器
１２内では流体が吹き上げられている。加熱され
たワークピースをプレスから素早く取り除くため
に道具（図示せず）が用いられる。そのワークピ
ースは、流動床へ挿入される前のあまりゆつくり
した冷却速度で臨界温度範囲内へ冷却されること
を防ぐために熱絶縁体で包んでもよい。加熱され
たワークピースが十分に床内へ浸漬（好ましくは
プレスから取出された後10秒以内）されるや否や
空気圧が減少させられて、好ましくは封止され
て、そのワークピースをプレスから容器へ移す装
置がワークピースを離す。好ましくは、そのよう
な圧力の減少はワークピースの温度が臨界温度範
囲、すなわちTi−6Al−4Vに関して1000°〜1500
〓以下になるまで起こらない。

素早い取出しと素早し冷却は、改善された材料
特性を得るために本質的なものである。したがつ
て、臨界冷却はその部品が浸されて床が沈静する
以前に起こる。沈静した固体粒子材料は本質的に
そのワークピースの重量を支えるであろう。一度
その床が沈静すれば、ワークピースの冷却ははる
かに穏やかな速度で起こる。そのワークピース
は、その材料が冷却されて臨界温度範囲より十分
低くなるまで、その容器内に保たれる。次にその
ワークピースは取出されて、その床を流動させる
ためにガスソースが開けられて、その流動床は次
のワークピースを冷却するために用いることがで
きる。歪みは、粒子材料の沈静の前には熱伝達の
均一性によつて防止され、粒子材料の沈静の後に
はその粒子の床の固定作用によつて防止される。
その後、その加工されたワークピースは、強度特
性を改善するために時効硬化させることができ
る。

したがつて、本発明によれば、前述の目的や利
点を十分に満足する加熱されたワークピースの冷
却方法が与えられる。ここで用いられた用語のす
べては説明のためであつて限定のためではないこ
とが認識されるべきである。発明は特定の実施例
に関して説明されたが、当該技術分野の技術者達
によつて種々の変更や修正がここで開示されたこ
とから容易であることが明らかである。したがつ
て、添付された特許請求の範囲に含まれるそのよ
うな変更や修正のすべては本発明に含まれるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するために用い
られる冷却と支持のための装置の好ましい一実施
例を示す等角投影図である。 図において、１０は装置、１２は容器壁、１４
はベース、１６は流体供給口、１８は流体レギユ
レータ、２０は封止バルブ、２２はベース板、２
４は穴、２６は粒子材料、２８は蓋、３０は蓋ハ
ンドルを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加熱されたワークピースの冷却方法であつ
   て、 加圧流体によつて流動させられる固定粒子材料
   を含む流動床を用意し、前記粒子材料は前記ワー
   クピースより十分低い温度にあり、 前記加熱されたワークピースを前記流動床内に
   浸し、 前記流動床内の前記ワークピースを前記ワーク
   ピース材料に関する臨界温度範囲以下の温度に冷
   却し、 そして、前記流動床を堆積床に変換し、その中
   で前記冷却されたワークピースが埋込まれて支え
   られるステツプを含むことを特徴とする加熱され
   たワークピースの冷却方法。 ２ 前記冷却は前記ワークピース材料の変態を最
   小にするものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の加熱されたワークピースの冷却
   方法。 ３ 前記流動床を堆積床に変換するステツプは、 前記固体粒子材料が前記ワークピースを覆つて
   堆積するように前記加圧流体の流れを減少させる
   ことを含み、 前記方法はさらに、 前記堆積した粒子材料内に埋め込まれている間
   に前記ワークピースが冷却されて、 その後に前記堆積した粒子材料から前記ワーク
   ピースを取出すことを含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の加熱されたワークピース
   の冷却方法。 ４ 前記加圧流体が空気または不活性ガスである
   ことを特徴とする特許請求の範囲四第２項記載の
   加熱されたワークピースの冷却方法。 ５ 前記加熱されたワークピースが前記固体粒子
   材料内に浸された後に、前記加圧流体の流れが減
   少させられて完全に停止されることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項記載の加熱されたワークピ
   ースの冷却方法。 ６ 前記ワークピースは、前記浸漬ステツプ以前
   には1500〓から1750〓の範囲に加熱された温度に
   あることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の加熱されたワークピースの冷却方法。 ７ 前記流れの減少は前記浸漬ステツプ後10秒以
   内に起こることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の加熱されたワークピースの冷却方法。 ８ 前記流動床の容器の周囲に冷却液を連続的に
   循環させることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の加熱されたワークピースの冷却方法。 ９ 前記ワークピースを時効硬化させることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の加熱された
   ワークピースの冷却方法。 １０ 前記ワークピースを時効硬化させることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載の加熱され
   たワークピースの冷却方法。 １１ 前記ワークピースがシート状の金属である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の加
   熱されたワークピースの冷却方法。 １２ 前記ワークピースがシート状の金属である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の加
   熱されたワークピースの冷却方法。