JPH08510297A - 溶解ガスを含む冷却液による金属の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 金属物品を焼き入れする方法は、（ａ）溶解したガスを含む冷却液（１２）の溜りを準備し、（ｂ）溜りの中に金属物品を浸漬する、ことを含む。このガスは、窒素および二酸化炭素からなる群から選択され、二酸化炭素であることが好ましい。冷却液（１２）は水であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 溶解ガスを含む冷却液による金属の熱処理方法 本発明は加熱された金属物品を焼き入れする方法および装置、および溶体化熱 処理した金属物品に係り、さらに詳しく言えば、本発明方法および装置は、高温 の金属物品を液体溜りの中に浸漬してその物品を迅速冷却し、これにより最終製 品の性質を改善することに関するものである。本発明方法は、熱処理可能なアル ミニウム，アルミニウム合金に使用する上で特に好適である。 焼き入れは多くの金属製造法における重要な段階である。一般に、焼き入れの 目的は、低温（典型的には室温付近）まで迅速に冷却することにより、溶体化熱 処理温度にて形成された固溶体を保存することである。材料は、冷水に浸漬する か、１次製造機におけるシート、プレートまたは押出加工品の連続熱処理におい て冷媒（典型的には冷水）を逐次に溢水（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）させるか高速噴射 することによって、焼き入れられることが多い。 「浸漬」という用語およびその変化形は、本明細書では焼き入れするべき材料 を冷却液（典型的には水）の溜りの液面下に沈めることを意味する。浸漬用の容 器すなわちタンクの中へ完全に入れ込むことができるほど十分小さい部品に関し ては、この浸漬という用語は一般にその全体を溜りの液面下に沈めることを意味 する。しかしながら、多数の部分を有する部品の一部分だけを液溜り中に沈める ことを含めるように意図される。浸漬用の容器内に沈めるには大きすぎるスラブ 、シート、プレート、箔および押出加工品の連続部分のような長尺材料に関して は、浸漬するという用語は連続材料の一部を逐次に浸漬して、常にその材料の一 部分だけが液溜り中に沈められるようになされることを含めることが意図される 。長尺材料に関しては、その一部分が連続的に液溜り中へ送り込まれる一方、こ れと同時に一部分は送り出される。 型鍛造品、鋳造品、衝撃押出加工品およびシートから形成される部材のような 各種厚さの金属部品は、冷水よりも冷却速度が多少緩やかな媒体中で一般に焼き 入れされる。この媒体は約６５〜８０°Ｃ（１５０〜１８０°Ｆ）の温度範囲に 加熱された水、沸騰水またはポリアルキレン（ｐｏｌｙａｌｋｙｌｅｎｅ）グリ コールとされることができる。材料を各種媒体に通すか沈めることによって、異 なる冷却速度が得られ、このことは金属の強度や他の性質に影響を与える。 冷水による焼き入れは、金属を冷却する最も一般的な方法であるが、残留応力 および反りを生じる問題を与える。金属の重量部分に残留応力が発生する１つの 理由は、焼き入れ時の熱収縮の相違にある。残留応力の強さは、その部分の寸法 が大きくなるほど、製品形状の非対称性が強まるほど、また冷却速度が増大する ほど大きくなる。 熱処理後に必要とされる皮むき、トリミング（不要部分の切除）および機械加 工のような金属除去作業は、引張り応力状態にある材料をしばしば露出させる。 また、非対称的（残留応力に関して）金属除去作業は、残留応力が再分布される ことによって歪みを生じることになり得る。 許容差の小さい公差部品が製造されるときには、最終的に生じた反りは修正に 費用がかかり困難である。使用性能が因子になることが多いが、残留応力の差を 減少させる主な誘因は、機械加工時の反りの減少または機械加工前の形状の改善 である。焼き入れ時の薄い部分の反りも問題となり得る。 部品の異なる部分における冷却速度の差を減少させる１つの方法は、通常使用 されるよりも熱い緩やかな焼き入れ媒体すなわち水か、または水・ポリマー溶液 を使用することである。厚い部分や薄い部分に使用される最もゆっくりした水に よる焼き入れ媒体である沸騰水は、最終製品の機械的性質および腐食耐性は低く なるが鍛錬品の焼き入れにしばしば使用される。 真直化の経費を減少させるための他の開発技術は、ポリビニルアルコール、ア ルケン（ａｌｋｙｌｅｎｅ）グリコール、またはグリコールのような有機添加剤 を添加した水中で焼き入れすることである。有機添加剤を含む溶液中での焼き入 れは、焼き入れ後にこれらの部品を真直化する経費を大幅に減少させる。これら の溶液は有効であるとはいえ経費高となり、溶液を廃棄するときには環境上の懸 念を与える。さらに、焼き入れ物品の表面にフィルムを残すことが多い。このフ ィルムは除去しなければならず、このことは付随的な洗浄段階を必要にする。解 放内面を有する焼き入れされた金属に関しては、この洗浄段階でのフィルム除去 は全く煩雑である。洗浄液の廃棄は別に経費を要する。 水である焼き入れ液に代わる幾つかの従来技術が米国特許第４９６９９５９号 、同第４７２２６１１号、同第４４４１９３７号、同第４４０４０４４号、同第 ４１７７０８６号および同第３８５０７０５号に記載されている。 したがって、冷水よりも残留応力および反りが小さく、焼き入れ溶液の廃棄に 関する環境上の懸念を最小限に抑えた金属の焼き入れのための経済的且つ有効な 焼き入れ溶液および焼き入れ方法を提供することが有利となる。 他の利点は、処理製品の強さに悪い影響を与えることなく残留応力および反り を減少させる金属の溶体化熱処理；金属が柔軟である間の焼き入れの第１段階で の冷却速度はゆっくりで、金属が冷却されて柔軟性が低下したときの焼き入れ段 階後半での冷却速度が速い焼き入れ媒体を備えての焼き入れ；これまでは達成不 可能であった公差内での金属の薄い部分の焼き入れ、およびこれによる従来の焼 き入れ後に実施されていた寸法修正作業の必要性の低減およびしばしばその省略 ；焼き入れした物品の表面にフィルムをそれほど残さず、したがって焼き入れ後 の洗浄段階の必要性を不要にする焼き入れ媒体；ポリアルキレングリコールのよ うな有機物よりも環境に対する悪影響が小さい、冷水による焼き入れ速度をゆっ くりさせるリサイクル可能で環境に優しい添加剤；付随的な環境に対する懸念を 生じることのない既存製造設備の改善；これまで商業レベルとされていたよりも 大きな厚さ対幅の比率を有する金属の焼き入れ、である。 本発明によれば、（ａ）溶解ガスを内部に含む冷却液の溜りを準備し、（ｂ） 金属物品をその溜りの中に浸漬させて金属を焼き入れするようになす段階を含む 金属物品を焼き入れする方法が提供される。この冷却液は水であることが最も好 ましい。ガスは、液体水の中に大量に溶解可能な、アンモニア、窒素、二酸化炭 素およびそれらの混合気でなる群から選択されることが好ましい。ガスは二酸化 炭素であることが最も好ましい。 本発明の他の特徴は、金属を焼き入れする装置である。この装置は、（ａ）冷 却液を保持する容器と、（ｂ）ガスを冷却液中に溶解させる混合手段とを含んで 構成される。この装置はまた、（ｃ）冷却液を混合手段から前記容器へ移送する 給送導管手段も含む。さらに、この容器は、溶解ガスを含む冷却液を受け入れる ために底壁よりも上方に位置する入口手段も含む。入口手段は、第１導管手段か ら流入する冷却液を分配するための少なくとも１つの開口を有する。 好ましい実施例で、装置は容器から混合手段へ冷却液を移送する導管手段を含 む。この実施例で、冷却液は混合室中へリサイクルされて付加的なガスを冷却液 中に溶解させ、冷却液の焼き入れの熱移動を減少させるようになされる。この再 調整された冷却液は、その後容器へ戻るように移送され、再使用することができ る。 他の好ましい実施例は以下の事項の１つまたはそれ以上を含む。すなわち （１）容器中へリサイクルされる冷却液から溶解ガスを奪うための、加圧空気 の入口を有する混合手段。この混合手段は溜りの内側または外側に配置され得る 。 （２）密閉装置中へ新たな冷却材料を導入するための給送手段。新たな冷却液 は蒸発して失われた冷却液に代えて使用される。新たな冷却液はまた容器へ移送 される冷却液の温度を低下または上昇させるために導入されることもできる。 （３）冷却液を加熱または冷却する加熱ポンプ手段。この加熱ポンプは容器内 部または導管内部に配置されることができる。 本発明の第２の方法は、（ａ）冷却液にガスが溶解して含まれる溶液を準備す る、（ｂ）その溶液を十分に長い時間にわたり金属物品に噴射してその金属を焼 き入れするようになす、ことによる金属物品の焼き入れである。第１の方法と同 様に、ガスは二酸化炭素であることが最も好ましく、冷却液は水であることが好 ましい。この方法は、熱処理された金属の連続シートまたは長尺な押出加工品の 焼き入れに特に有利である。 本発明の他の特徴は、押出モールド成形で得られる金属、またはシート、箔ま たはプレートとなるように圧延された金属のような連続した金属を噴射による焼 き入れをするために有用な装置に関する。この装置は、（ａ）ガスを冷却液に溶 解させるためのガス混合手段と、（ｂ）この冷却液を金属に対して噴射するため の噴射手段とを含んでなる。この装置はまた、（ｃ）混合手段および噴射手段が 互いに隣接されていない場合には、混合室から噴射手段へ冷却液を移送するため の給送導管手段も含む。 本発明方法および装置は、種々の異なる金属の焼き入れに使用でき、またアル ミニウム，アルミニウム合金に使用することに特に適当である。さらに、この方 法は圧延、鋳造、押出加工および鍛造を含む各種の金属成形方法で形成された金 属の焼き入れに有用である。 本発明の他の特徴は、添付図面とともに考えるべき好ましい実施例に関連する 以下の説明にさらに述べられており、添付図面で同一符号は同じ部品を示してお り、さらに、 第１図は、焼き入れされた金属物品の製造における主要段階を示すフローチャ ートであり； 第２図は、本発明の浸漬用タンク装置の側面図であり； 第３図は、第２図に示された浸漬用タンクの線ＩＶ−ＩＶを通る頂部断面図で あり； 第４図は、噴射手段を含む本発明の代替実施例の側面図であり； 第５図は、静止混合装置へ流れ込む空気，ガスの量を制御することで二酸化炭 素の溶解レベルを予め定めた範囲内に自動的に保持する方法における決定を示す 論理および方法のフローチャートであり； 第６図は、１２０．７ｍｍ×３８．１ｍｍ×３０４．８ｍｍ（４．７５インチ ×１．５インチ×１２インチ）の焼き入れしたＡＡ７０５０アルミニウム合金ブ ロックに基づいた各種の従来技術の冷却液による冷却速度と本発明の冷却液によ る冷却速度とを比較した焼き入れの熱データのグラフである。 発明を実施する態様 「溶解ガス」という用語は、本明細書では大気圧以上の圧力で流体中に噴射さ れ、または他の方法で導入すなわち人為的に加えられたガスを意味するように使 用されている。 「溶解ガスを含む流体」という語句およびその変化形は、自然界で生じる通常 の溶解ガスレベルよりも高いレベルで溶解ガスを含む流体を含めることを意図し ている。例えば、一般に金属の焼き入れに使用される水道水、湖水、川水などの 純水はある量のガスを含んでいるが、これらの純水がガスを含む流体であるとは みなさない。しかしながら自然に生じる炭酸水は、これまで金属の焼き入れに使 用されていないが、本発明の目的のために溶解ガスを含む流体であるとみなされ る。 本明細書で使用される「薄壁部品」という用語は、１つの寸法（例えば長さ） が他の２つの寸法の一方よりも少なくともほぼ１桁（ａｎ ｏｒｄｅｒ ｏｆｍ ａｇｎｉｔｕｄｅ）大きい少なくとも一部分を有する金属を意味するように使用 される。代表的には、薄壁部品は厚さや幅に比べて長さが格段に大きい圧延製品 である。鍛造品や押出加工品は、１つの壁を通る断面厚さが一方向において他の 方向におけるよりも少なくとも１桁小さいならば、典型的に薄壁と考え得られる 。 まず第１図を参照すれば、成形金属物品の製造における主要段階のフローチャ ートが示されている。これらの段階はアルミニウム，アルミニウム合金の焼き入 れに使用する上で特に適しているが、他の様々な種類の金属部品の焼き入れにも 使用できる。これらの段階はこの技術分野では一般に周知であり、便宜的に第１ 図の左側に列挙した広い範疇に分類できる。これらの広い範疇の各々は多数の段 階を含む。これらの広い範疇の各々につき少なくとも２つの代表的な段階が列挙 されている。本発明は金属の凝固に関連する、特に成形部品を焼き入れする処理 段階に関連する方法および装置に関する。 アルミニウム合金のような合金は、強度、硬さなどの性質を向上させるために 従来より処理されてきた。この処理はこの技術分野で析出硬化と称され、第１図 に示されるように溶解、焼き入れおよび焼鈍、または時効の副段階を含む。析出 硬化よりも金属の溶体化熱処理が先に行われる。この段階の間、金属中に形成さ れた少なくともある量の金属間化合物は溶解され、固溶体となされる。溶体化処 理に関する明確な時間および温度は処理される特定の合金に応じて決まるが、ア ルミニウム合金で形成されたほとんどの部品は約４２７°Ｃ（８００°Ｆ）〜約 ５９３°Ｃ（１１００°Ｆ）の温度範囲における１つ以上の温度で溶体化熱処理 される。 次に、溶体化処理された金属は溶体化熱処理炉から取り出されて、典型的には 水で室温になるまで焼き入れされる（その金属がその合金の臨界温度にまで冷却 される機会を得る前に）。典型的には、この第２の温度は２０４°Ｃ（４００° Ｆ）より低く、１２１°Ｃ（２５０°Ｆ）よりも低いことが好ましい。 焼き入れ時のこの物品の温度変化は非常に急激に起こり、先行する溶体化熱処理 時に溶解された元素の大部分は析出する時間を持てない。この焼き入れ処理は溶 体化熱処理の一部であり、これはしたがって過飽和準安定固溶体を生じる。 焼き入れ作業時の金属の冷却速度は時効処理された部品の残留応力の大きさお よび最終的な機械的性質の両方に顕著な影響を及ぼす。最適な焼き入れパスは、 最大の機械的性質および最小の残留応力および歪みを得るものである。この理想 は、（ａ）部品が臨界温度範囲として知られた合金の特定温度範囲の上限に達す るまでは、焼き入れの第１段階を通じて遅く、（ｂ）臨界温度範囲を通じて急激 な焼き入れによって最も良く達成される。この焼き入れパスは、必要とされる温 度範囲までは応力を発生する急激な焼き入れを制限する。 金属がその最高温度にあり、したがって最も柔軟であるときは、焼き入れの第 １段階は残留応力の発生に対して十分長い時間であると考えられる。金属が臨界 温度範囲の上限に達するまでは、冷却液にとって焼き入れの第１段階で遅い熱移 動速度を有することが望ましい。焼き入れのこの第１段階の間に部品が急激に冷 却されすぎたならば、この部品は内部応力を発生し、この応力が望ましくない熱 歪みを、特に熱慣性の小さな薄壁物品に生じることになる。一般的に、臨界温度 範囲の上限にまで金属が冷却される速度を遅くするほど、部品に形成される残留 応力の値は小さくなる。 臨界温度範囲の上限に達した後、この部品は迅速な冷却が望ましい焼き入れの 第２段階に進入する。金属がこの臨界温度範囲内に保持される時間長さは焼き入 れ時に使用される冷却液の成分、使用される冷却液の量、使用される冷却液の温 度および部品の厚さによってきまる。金属が臨界温度範囲を通じて冷却されると き、降伏／引張り強度、破断靭性、時効後の耐食性のようなその機械的性質を発 現する準備がなされる。熱慣性が小さい薄壁部分は素早く冷却され、臨界温度範 囲内で費やす時間は１秒以内である。熱慣性の大きな厚い部分は臨界温度範囲内 で数分間を費やす。 上述したように、臨界温度範囲は合金特有のものであり、例えば合金の化学組 成に応じて変化する。ＡＡ６０６１、ＡＡ７０７５、ＡＡ７０５０のようなアル ミニウム合金は、それらの機械的性質を発現するために３９９〜２８８°Ｃ （７５０〜５５０°Ｆ）の温度範囲を通じて迅速な冷却を必要とする。 臨界温度範囲を通過した後、この方法は室温またはその近くまでのゆっくりし た冷却速度へ戻されることが望ましい。この第３の焼き入れ段階時に金属が経験 する冷却速度は最初の２つの段階時の冷却速度よりも重要でない。 約２１°Ｃ（７０°Ｆ）の温度の冷水は金属を焼き入れするための冷却液とし て非常に有効であることが見出されており、また他の冷却液の焼き入れ速度と比 較して標準的であると考えることができる。約２１°Ｃ（７０°Ｆ）の温度の冷 水は理想的な冷却液ではない。何故なら、焼き入れの第１および第２の段階の両 方において素早い冷却を行うからである。薄壁を有する部品に関しては、冷水を 使用した焼き入れの第１段階で発生した内部応力は部品に反りを引き起こす。 約６６°Ｃ（１５０°Ｆ）の温度を有する温水は焼き入れのその段階における 過大残留応力を減少させるうえで冷水よりもさらに有効であると知られており、 薄壁を有する部品の熱歪みを除去することができる。しかしながら、温水の冷却 作用が緩やかになるほど、部品が臨界温度範囲内に保持される時間が増大し、こ れは多くの合金にとって最適な機械的性質に及ばない結果をもたらすことになる 。 さらに、温水による焼き入れは極めて一貫した効果を発揮するとは考えられず 、応力の減少は被加工物品内部で、または被加工物品の間で変化する。さらに、 温水による焼き入れは表面仕上げのような被加工物品の各種状況に敏感である。 温水焼き入れ媒体が焼き入れの臨界温度段階より前の焼き入れ処理時に冷い焼 き入れ媒体と交換できるならば、部品は低残留応力および良好な機械的性質を有 して製造することができる。焼き入れ処理時の焼き入れ温水を冷水で置き換える か、浸漬による焼き入れ時の水温を変化させることは、法外の企てである。焼き 入れタンクは流体溜り、一般には水の溜りであり、素早く温度を変化できるよう にするには大きすぎる。約６６°Ｃ（１５０°Ｆ）の温度の３７８５リットル（ １０００ガロン）を超える温水を充満されたタンクの温度を約２１°Ｃ（７０° Ｆ）の温度の冷水に１秒以内で変化させる試みは実際的でない。 当業者は、被加工物品の過大内部応力の発生を避けることを望んでしばしば最 適焼き入れよりも抑えて設定している。上述したような有機添加剤は焼き入れの 第１段階時の冷却速度の低下に有効であった。しかしながら、それらは焼き入れ の第２段階時の臨界温度範囲での冷却速度も低下させてしまう。 この技術分野での挑戦は、金属温度が最高で柔軟なときに焼き入れする第１段 階時に温水による焼き入れと似てゆっくりした冷却速度と、金属が冷却されて柔 軟性が低下したときの臨界温度範囲での速い冷却速度との最高の組み合わせを有 する焼き入れ媒体を見出すことである。 驚くべきことに、ＣＯ₂のようなガスが冷水に溶解すると、浸漬焼き入れの最 初の迅速段階時の熱冷却速度が温水焼き入れの熱冷却速度と同様となり、さらに 焼き入れ後半の臨界段階時にはこの焼き入れ媒体が意図して溶解されたガスを全 く含まない冷水と同様に作用することが、見出された。 いずれの理論によっても束縛されることを望まないが、その金属が炭酸水の溜 りの中に浸漬すなわち沈められた直後にＣＯ₂蒸気の絶縁層が金属表面上に形成 されると考えられる。高温金属からの熱がその金属の高温表面との接触に応答し て水を局所蒸発すなわち核沸騰させると考えられる。水蒸気およびＣＯ₂は小さ な気泡を形成し、この気泡が合体して水に露出した金属表面上に小さな気泡の層 を形成する。この小さな気泡は典型的には約１００〜約３５０ミクロンの数百ミ クロンの桁の寸法である。これらの小さな気泡はガス状のＣＯ₂で充満されると 考えられる。この層は絶縁層として作用して、金属を焼き入れ媒体から引き離し 、これにより熱除去（すなわち、そうでなければ金属の熱冷却が冷却媒体で行わ れる）速度を低下させるものと考えられる。この層は、金属が比較的高温である ときに金属表面にガス状ブランケットを形成する。 さらに、金属表面はこのフィルムで一様に覆われ、ＣＯ₂を含む水に露された 金属被加工物品の全面は、フィルム絶縁のこの作用を経験すると考える。ＣＯ₂ 気泡は表面で沸騰して、焼き入れ処理時に離脱すなわち失われると考えられる。 しかしながら、蒸気の失われる層は一定して新たな気泡で置換され、この新たな 気泡は金属被加工物品が炭酸水の沸騰点より高温である限りガスの蒸発で絶えず 形成されるものとさらに考えられる。金属の被加工物品の表面から離脱する気泡 は溜りの液面へ向けて浮上する間に冷水中に再吸収されると考えられる。非常に 僅かな気泡が溜りの水面に認められる。 金属の表面温度が炭酸水の沸騰点より高く保持されている限り、新たな気泡が 連続的に形成され、これらの気泡は金属表面に付着してその金属を冷水から絶縁 して、これにより冷却速度を低下させ、冷水溜りの冷却速度を温水のそれとほぼ 同じ程度にする。金属の被加工物品が連続的に冷却される間、新たな気泡の発生 速度は低下し、絶縁層は次第に退化して、冷水が金属表面に直接に接触すること になる。 金属が冷却し続けると、溶解されたＣＯ₂の蒸気は発生しなくなり、ＣＯ₂を含 む溶解された溶液の冷却速度は典型的に冷水焼き入れのそれにほぼ近づき、すな わち水中のＣＯ₂ガスは冷却速度にもはや重要な要素を持たなくなる。 焼き入れのための好ましい冷媒は水で、好ましいガスはＣＯ₂である。水は安 価且つ入手可能なことから好ましい冷媒である。ＣＯ₂は無臭で比較的安価であ り、水に良く溶けるので好ましい。さらに、リサイクル水中のガス増強がないの で、ＣＯ₂はポリアルキレングリコールのような化学添加剤と関係するいかなる 欠点の影響も受けない。 第２図は本発明の実施に使用される装置の側面図である（特に横断面図での） 。この装置は容器１０を含み、この容器１０は流体１２の溜りを保持するための 開放タンクである。「開放タンク」という用語は本明細書では、タンク内に保持 された流体溜りに対して大気圧を超える圧力または大気圧未満の圧力を与えるた めの、または熱が逃げるのを防止するための準備がなされていないことを意味す る。流体１２は水であることが好ましい。 容器１０は、タンクから流体を取り出すための底部に近い出口ポート１４と、 容器１０の１つの側壁１７の頂部付近に配置されたオーバーフローポート１６と を有する。オーバーフローポート１６は装置から流体を排出するためのドレン（ 図示せず）に連結されることができる。 出口ポート１４はポンプ２０を含む導管１８に連結されており、ポンプ２０は 水を加圧してその大部分を導管２２および分配器２４に通して容器１０へ戻すよ うに循環させる。分配器２４は容器２０に流入する水を分配するためのポート２ ６を備えた導管である。 ポンプ２０は小量の水を導管２８へ加圧して循環させ、導管２８は水を容器１ ０へ再循環させる前に、ＣＯ₂を水に溶解させるために、またはその代わりに空 気を水中へ噴射して水から溶解ガスを奪うようにするために静止混合器３０へ導 く。導管への空気およびガスの入口はそれぞれ制御バルブ３２，３４で制御され 、これらの制御バルブはガスセンサー３６の下流且つ静止混合器３０の上流に配 置されている。上述で説明したように、ＣＯ₂は好ましいとされるガスであり、 冷水が好ましいとされる流体である。二酸化炭素は水に非常に溶けやすい。 ガスセンサー３６は、導管２８を流れる流体に現在溶解されているガス量を決 定する。ガスセンサー３６がこのレベルを決定する手段は周知であり、本発明で 重要ではない。購入可能な二酸化炭素を検出するように調整された赤外線スペク トロメータが有用であると見出されている。しかしながら、当業者は溶液中のガ ス量を検出して数量化する他の既存手段や新開発の手段も使用できると認識する であろう。このような装置には、限定するわけではないが、膜を通るガスの透過 、または流体の抵抗すなわち導電性の変化を基にする装置が含まれる。センサー ３６を通過した流体は導管３８でタンク１０内に導かれる。 ガスセンサー３６からの出力はマイクロプロセッサ４０へ送られ、マイクロプ ロセッサ４０は溶液中の現在のガス量を基準信号または信号範囲と比較する。こ の比較に基づいて、マイクロプロセッサ４０は指令信号を制御バルブ３２，３４ の制御装置（図示せず）に送り、ガスセンサー３６の出力信号に応じて装置への 空気および（または）ガスの流れを調整させ、停止させもする。この指令信号は 適当なバルブを適当に変化させる。マイクロプロセッサ４０はセンサー３６から の信号を基準信号と連続的に比較するので、バルブ３２，３４の開度はその信号 が基準範囲内になるまで連続して増分的に変化される。 ガスおよび（または）空気は静止混合器３０内で水に溶解される。静止混合器 ３０は内部バッフルを備えており、このバッフルは回転し、水に溶解するガスに 空気を溶け込ませることを助成する。この静止混合器はこの分野で周知であり、 ガスを圧力下で流体に噴射し、これによりそのガスを流体に溶解させるために一 般に使用されている。水に溶解されたガスの正確な量は水温および加圧ガスの流 れに応じて決まる。水中へのガスの流れは、水が大気圧に近い圧力の下でそのガ スで飽和されるレベルに設定されることが好ましい。これを達成するために必要 なガス量は１リットル（１ガロン）当たり０．００７リットル （０．００１ＳＣＦ）と少ない。水がガスで過飽和状態とされるならば、飽和点 を超えた過剰ガスは容器１０が開放タンクであるのでこの容器１０内に気泡とな って解放される。 ガスを含む流体は静止混合器３０から導管４２を経て容器１０へ送られ、そこ でタンクに入る。このガスを含む流体はその後マニホルド装置へ移送され、この マニホルド装置は容器１０の底部近くに配置された給送導管４４および平行パイ プ４６を含んでなる（第３図に最も良く示されている）。パイプ４６は容器１０ 内にガスを含む流体を解放してタンク内に混合流を発生させるための一連の出口 を備えている。 容器１０内の流体は、その流体に作用する圧力が大気圧まで低下する。上述し たように、容器１０は開放タンクであり、内部に収容された流体溜りはその流体 が加圧されて、これにより意図的に溶解された以上のガスを保持するように閉じ 込められてはいない。過剰ガス（すなわち、大気圧の下で二酸化炭素の飽和点よ り高い濃度に溶解されたガス）は解放されて気泡を形成し、この気泡は溜りの液 面へ浮上する。これまでは、浸漬用タンク内での冷却速度を減速するために二酸 化炭素を使用できるようにする十分な量のＣＯ₂を溶液内に保持できるとは考え られなかった。 熱ポンプ４８は本発明の選択的な特徴であり、本発明を実施するために必須で あると考えるものではない。使用するならば、タンク１０内に配置することが好 ましい。熱ポンプ４８は水の溜りを所望温度に維持することに有用であろう。マ イクロプロセッサおよび温度制御装置（全て図示せず）が溜りの温度を自動的に 維持するために使用できる。さらに、熱ポンプ４８は焼き入れの前に水を予熱す ることに使用できる。焼き入れを安定化させるために温水を使用できる。さらに 、二酸化炭素は温水（６６〜９３°Ｃ（１５０〜２００°Ｆ））に溶けやすく、 本発明方法は冷水と同様に温水に使用でき、またはそれらの中間の温度で使用で きる。 冷水は高温金属を焼き入れすることに関連する水温上昇に逆作用することで有 用である。必要ならば、水入口導管５０が冷水を水源から容器１０内へ運び、オ ーバーフローポート１６が過剰水をドレン（図示せず）へ解放する。付加的な加 圧空気源および静止混合器（全て図示せず）がオーバーフローポート１６を出て 廃棄装置またはリサイクル装置へ解放される前の水から全ての溶解ガスを奪うた めに使用できる。 作動において、容器１０は水で満たされる。出口ポート１４をデータ水はポン プ２０で加圧され、その流れは２つに分けられる。ポンプに流入した水の約７０ ％を占める多量な部分は導管２２へ向けられ、そこで容器１０へ戻るように移送 され、分配器２４からポート２６を通して分配される。分配器２４で形成される 流れのパターンはタンク１０内の水を循環保持し、タンク内の水の局部的な高温 箇所を分散させることに役立つ。 ポンプ２０を出た水の残る量は導管２８へ向けられ、そこで溶解されているガ ス量のレベルを決定するために小量が採取される。この採取はセンサー３６に水 が流入した結果であり、信号はマイクロプロセッサ４０へ送られる。マイクロプ ロセッサの基準値およびセンサー３６からの出力がどうであるかによって、マイ クロプロセッサは指令信号を制御バルブへ送り、制御バルブを適当に調整する。 二酸化炭素を含む適当な溶液により焼き入れするために、基準範囲は水中の炭 酸量が水温に応じて水１リットル（ガロン）当たり０．００７〜１．５リットル （０．００１〜０．２標準立方フィート（ＳＣＦ））と変化できるように設定さ れることが好ましい。一般に、所要の効果を得るには、温度が上昇すれば炭酸化 は少ないことが必要である。熱ポンプ４８は水の初期温度を維持しまたは上昇さ せ、これにより二酸化炭素ガスを保存することに使用できる。所望の二酸化炭素 レベルに到達したならば、部品はバスケットに入れるか、この分野で周知の他の いずれかの方法で溜りの中へ下ろされる。ほとんど全ての実施例に関しては、部 品が水面下に改善に沈められると考えられる。部品は水の溜りの液面より十分下 方の高さ位置にまで下ろされて、部品と溜りの液面との間の水に高温箇所が生じ ることを最小限に抑えるようになすことが好ましい。 始動の態様において、水は典型的にほんの僅かの二酸化炭素を含むか全く含ま ないものとされ、マイクロプロセッサは指令信号を制御バルブ３２に送って閉止 状態を保持させ、また信号を制御バルブ３４へ送って開口させる。この方法は溶 解ガスのレベルが所望範囲内にあると検出されるまで繰り返される。水中の過剰 ガスは気泡としてタンク内に解放され、この方法に悪影響を及ぼさないように、 すなわち焼き入れ速度の減速に寄与することのないようにする。したがって、気 泡が溜りの水面に現れたならば、水に噴射される二酸化炭素の量は基準範囲の上 限を下げることで減少されることができる。この代わりに、制御バルブ３４はほ とんどまたは全く気泡が溜りの水面に現れなくなるまで、手動で閉じることがで きる。 留意すべきは、二酸化炭素ガスは容器１０内の水からゆっくりと逃げ出して表 面に浮上することである。ＣＯ₂は空気よりも軽いので、ＣＯ₂のブランケットが 溜りの頂面に形成される。このブランケットはタンクから空中へＣＯ₂が損失さ れる速度を遅くする。ＣＯ₂の損失を最小限に止めるために、このガス状のブラ ンケットを撹乱しないように注意しなければならない。 水中のＣＯ₂レベルが所望範囲内になったならば、部品は何も特別な考慮なし に溜りの中に浸漬されることができる。選択事項であるが、この浸漬された部品 は、その部品の表面に形成された気泡の層の分散を促進するために、沈められて いる間は振動される。さらに、この部品が振動する結果として生じる乱れも、溜 りの中に局部的な高温箇所が形成されることを最小限に抑える。部品は容器１０ の中に浸漬されている間の全てにわたり、またはその時間の一部にわたって振動 されることができる。 焼き入れされる部品が水を置換して生じる流体のオーバーフローは、オーバー フローポート１６を経て容器１０から出る。オーバーフローポート１６を通して て導管中を流れる水はリサイクルされるか、または適当な廃棄装置へ排出される 。上述したように、二酸化炭素を含む水は環境に関する危惧を提起しない。水を 適当なリサイクルまたは廃棄装置２６へ移送する前に、水から溶解二酸化炭素を 除去することが望ましい場合は、加圧空気が水と混合されて水からその溶解ガス を奪うようになされる。 二酸化炭素／水による焼き入れの後、タンクは通常の冷水による焼き入れ条件 （すなわち、溶解ガスをほとんどまたは全く含まない）に迅速に復元される。基 準範囲がゼロに設定されたならば、マイクロプロセッサは制御バルブ３４に信号 を送って閉止させる。このことがタンクに対する付加的なガスの流れを停止させ る。しかしながら、ガスはしばらくの間は水中に残るので、マイクロプロセッサ は付加的な指令信号を制御バルブ３２に送って開口させ、これにより加圧空気を 静止混合器３０に流入する水に加えるようにプログラムされることができる。上 述したように、加圧下での噴射空気は水からＣＯ₂の大部分を奪う。この奪取の 行われた水はその後焼き入れタンクへ循環され、タンク条件を通常の迅速冷水焼 き入れに戻すことができる。 水温は導管５０を経て冷水を追加することで低下されることができる。これは 、水をオーバーフローポート１６に流入させる。マイクロプロセッサおよび温度 センサーは水温を自動制御するために使用できる（図示せず）。 マイクロプロセッサ４０は信号を基準範囲内にするためのガスの最適流量を瞬 間的に計算することができる。さらに、各種の焼き入れ実施例のためにコンピュ ータに多数の基準範囲をプログラムすることができる。上述したように、基準範 囲をゼロに設定して、全ての溶解ガスを水から奪い取って通常の焼き入れ態様に 戻すようにすることができる。 空気は二酸化炭素の流れを水から奪い取ることが知られており、コンピュータ は最も効率的に二酸化炭素を使用するようにプログラムされることができる。こ のような問題の１つは第５図に示されている。第５図を参照すれば、溶解二酸化 炭素レベルを予め定めた範囲内に自動的に維持する方法における決定を示す論理 および方法のフロー図を示している。本質的にこの方法で続く手順は以下の段階 を含む。すなわち、 （ａ）マイクロプロセッサ４０に上限および下限基準値をインプットする。 （ｂ）ガス検出器すなわちセンサー３６からの信号をマイクロプロセッサにイ ンプットする。 （ｃ）センサーからのインプット信号がマイクロプロセッサに蓄えられている 基準範囲内であるかを決定する。 （ｄ）センサーからの信号が下限基準値よりも小さいならば、制御バルブに指 令信号を送ってガスバルブ３４を所定量だけ開口させ、冷却液に溶解されるガス の流量を上方へ調整するようになす。 （ｅ）センサーからの信号が上限基準値よりも大きいならば、制御バルブに指 令信号を送ってガスバルブ３６を所定量だけ開口させ、冷却液に溶解されたガス の幾分かを除去するようになす。 （ｆ）センサーからの信号が基準範囲内であるならば、制御バルブには指令信 号を送らない。 （ｇ）予め定めた時間長さだけ待機する。 （ｈ）段階（ｂ）〜（ｈ）を繰り返す。 次に第４図を参照すれば、本発明の代替装置が示されている。第４図の装置は 、噴射ヘッド６０が溶解ガスを含む冷却液を部品に噴射して、その材料を焼き入 れするように使用されること以外は、第２図の装置に類似である。 第４図の噴射装置は容器６２を含み、この容器６２は水であることが好ましい 流体６４を集合させるための開放タンクである。容器６２は、タンクから流体を 取り出すための底部に近い出口ポート６６と、オーバーフローポート６８とを有 する。オーバーフローポート６８はリサイクル装置または廃棄装置へ導かれたド レンに連結されることができる。 出口ポート６６はポンプ７２を含む導管７０に連結されており、ポンプ７２は 水を加圧してその水を導管２８’へ循環させ、この導管２８’は静止混合器３０ ’へ導いてその水にＣＯ₂を溶解させるか、この代わりに空気を水に噴射させる ようにする。ポンプ７２の全出力は導管２８’へ循環される。 第２図に示された実施例と同様に、導管２８’への空気およびガスの流入はそ れぞれ制御バルブ３２’，３４’で制御されるのであり、これらの制御バルブは ガスセンサー３６’の下流且つ静止混合器３０’の上流に配置されている。ガス センサー３６’は導管２８’を流れる流体に現在溶解しているガスの量を決定す る。ガスセンサー３６’がこのレベルを決定する手段は周知であり、本発明で重 要ではない。センサー３６’を通過する流体は導管３８’を通して容器６２の中 へ向けられる。 ガスセンサー３６’からの出力はマイクロプロセッサ４０’へ送られ、マイク ロプロセッサ４０’は溶液中の現在のガス量を基準信号または信号範囲と比較す る。この比較に基づいて、マイクロプロセッサ４０’は指令信号を制御バルブ３ ２’，３４’の制御装置（図示せず）へ送って、ガスセンサー３６’の出力信 号に応じて装置への空気および（または）ガスの流れを調整させ、停止させもす る。この指令信号は適当なバルブを適当に変化させる。マイクロプロセッサ４０ ’はセンサー３６’からの信号を基準信号と連続的に比較するので、バルブ３２ ’，３４’の開度はその信号が基準範囲内になるまで変化される。 ガスおよび（または）空気は静止混合器３０’内で水に溶解される。静止混合 器３０’は内部バッフルを備えており、このバッフルは回転し、水に溶解するガ スに空気を溶け込ませることを助成する。ガスを含む流体は静止混合器３０’か ら導管４２’を経て平行な噴射ヘッド６０の列を含む給送導管７４へ移送され、 容器６２を超えてガスを含む流体を解放する。噴射ヘッド６０を出た流体に作用 する圧力は大気圧まで低下する。 噴射ヘッド６０は炭酸水のカーテンをタンク上方に形成する。部品はその外面 が流体で濡れて焼き入れされるレベルにまで下げることができる。流体１２’は 容器６２に集められ、静止混合器へリサイクルされるか、リサイクルまたは廃棄 装置へ向けて流され得る。 本発明の有利な点は、以下の例で説明される。最初の３つの例は比較のために 実行された。 例１ 約１３２．５リットル（３５ガロン（４．７立方フィート））の容量の焼き入 れタンクがその床にガスマニホルドを有して構成された。このタンクは初期温度 が約２１°Ｃ（７０°Ｆ）の水で満たされ、冷却液（水）を循環させるためにブ ロック底部の近くにマニホルドを有して設計された。１２０．６×３８．１×３ ０４．８ｍｍ（４．７５×１．５×１２インチ）の寸法を有するアルミニウム合 金７０５０のブロックが約４８２°Ｃ（９００°Ｆ）の温度にまで加熱され、タ ンク内で焼き入れされた。上述したように、ＡＡ７０５０は約３９９〜２８８° Ｃ（７５０〜５５０°Ｆ）の温度範囲を経て迅速冷却されて、機械的特性を発現 された。サーモカップルがブロック中心に固定された。 ブロックは、焼き入れの前に行われる溶体化熱処理をシミュレーションするた めに炉内に置かれた。ブロックが均一温度に加熱された後、ブロックは炉から取 り出されて、冷水である焼き入れ溶液の中に直ちに沈められ、タンク床の上方約 十数センチメートル（数インチ）のレベルにまで沈められた。この部品は焼き入 れ中は振動されなかった。ブロック中心で受けた熱冷却はサーモカップルで測定 され、連続的に記録され、プロットされて添付図面の第６図の曲線を形成した。 第６図は各種の異なる焼き入れ媒体を比較する温度対時間のプロットである。 第６図に示されるように、全体の焼き入れ時のブロック中心の冷却速度は極め て迅速である（曲線の傾斜が急である）。臨界温度範囲以上での焼き入れ部分の 冷却速度は１秒当たり約３０°Ｃ（８６°Ｆ）（６６°Ｃ／１．７５秒（１５０ °Ｆ／１．７５秒））であった。３９９°Ｃ（７５０°Ｆ）より上にて受けたブ ロックの高い冷却速度は、薄壁を有する部品にとって速すぎると考えられる。臨 界温度範囲（Δｔ_cw）時の冷却速度は１秒当たり約４９°Ｃ（１２１°Ｆ）（９ ３°Ｃ／１．６５秒（２００°Ｆ／１．６５秒））であった。 例２ 同じアルミニウムブロックを再加熱した後焼き入れするために初期温度が６６ °Ｃ（１５０°Ｆ）の高温水の溜りを使用する以外は、例１の手順が繰り返され た。ブロック中心が受けた熱冷却は測定され、記録され、プロットされ、そして 第６図に示されている。 第６図のプロットの緩やかな傾斜で示されているように、臨界温度範囲より上 の、また臨界温度範囲での例２のブロック中心での冷却速度は例１ほど迅速では ない。臨界温度範囲より上での焼き入れ時の冷却速度は、１秒当たり約１７°Ｃ （３０°Ｆ）（６６°Ｃ／５秒（１５０°Ｆ／５秒））であった。ブロック中心 の臨界温度範囲より上にとどまる時間は、冷水（例１）のときよりも約２．８倍 の時間であった。したがって、臨界温度範囲より上の焼き入れで生じた残留応力 は望ましく減少された。 しかしながら、例２のプロットの緩やかな傾斜は臨界温度範囲にまで続いてい る。臨界温度範囲での冷却速度は１秒当たり約２４．７°Ｃ（４４．４°Ｆ）（ ９３°Ｃ／４．５秒（２００°Ｆ／４．５秒））であった。臨界温度範囲（Δｔ_ww ）にブロックがとどまる時間長さは（Δｔ_cw）よりも２．５倍以上である。上 述で説明したように、これは望ましいことではないと考えられ、この分野ではそ の後に時効処理された被加工物品における機械強度の低下に関連すると考 えられる。 例３ 初期温度が３８°Ｃ（１００°Ｆ）で、２０重量％のＵＣＯＮ（登録商標）（ ポリアルキレングリコール）を含有する水溶液が再加熱された後の同じアルミニ ウムブロックを焼き入れすることに使用された以外は、例１の手順が繰り返され た。ＵＣＯＮ（登録商標）は米国ニューヨーク州テリータウンに所在するユニオ ン・カーバイド・ケミカルズ・アンド・プラスチック・カンパニー、インコーポ レーテッド、のスペシャルティー・ケミカルズ事業部で製造されている。ブロッ ク中心で受ける熱冷却が測定され、記録され、そして第６図に示されている。 第６図の緩やかな傾斜で示されているように、例３のブロック中心の冷却速度 は例１や例２の冷却速度ほど迅速ではない。焼き入れにおける最初の８〜９秒間 だけ例３のブロックの冷却速度は例２のそれよりもゆっくりしている。この時間 枠内の冷却速度は、１秒当たり約１５°Ｃ（２７°Ｆ）（６６°Ｃ／５．５秒（ １５０°Ｆ／５．５秒））であった。ブロック中心の臨界温度範囲より上にとど まる時間は、冷水（例１）のときの約３．１倍で、温水（例２）のときの約１． １倍であった。したがって、臨界温度範囲より上の焼き入れで生じた残留応力（ 例２におけるように）は望ましく減少された。 例３の緩やかな傾斜および緩やかな焼き入れ速度は臨界温度範囲にまで十分に 続いた。臨界温度範囲での冷却速度は１秒当たり約２４．７°Ｃ（４４．４°Ｆ ）（９３°Ｃ／４．３秒（２００°Ｆ／４．３秒））であった。臨界温度範囲（ Δｔ_20%）にブロックがとどまる時間長さは冷水（例１）の長さの約２．５倍で あり、温水（例２）とほぼ同じであった。上述したように、これは望ましいこと ではないと考えられ、この分野ではその後に時効処理された被加工物品における 機械強度の低下に関連すると考えられる。さらに、例３のブロックの冷却速度は 曲線の真直部分で示されるように２５秒間の経過にわたってかなり一定に維持さ れた。 溜りからの取り出しにより、焼き入れしたブロックはポリアルキレングリコー ルのフィルムで覆われた。例３の溶液で焼き入れした部品は時効処理の前に洗浄 を必要とする。 例４ 同じアルミニウムブロックを再加熱した後に焼き入れするために使用された溜 りに流入する水に二酸化炭素ガスが溶解された以外は、例１の手順が繰り返され た。溜りの中の二酸化炭素のレベルは１リットル（１ガロン）当たりＣＯ₂が約 ０．７リットル（０．１標準立方フィート（ＳＣＦ））に維持された。この量は タンク内へ炭酸水を連続圧送することで冷水に溶解した。ブロック中心が受けた 熱冷却が測定され、記録され、そして第６に示された。 驚くことに、例４のブロック中心の冷却速度は例１ほど迅速ではない（第６図 を参照されたい）。臨界温度範囲より上の焼き入れ部分における冷却速度は１秒 当たり約１７°Ｃ（２９°Ｆ）（６６°Ｃ／５．２秒（１５０°Ｆ／５．２秒） ）であった。ブロック中心の臨界温度範囲より上にとどまる時間は、冷水（例１ ）のときよりも約２．８倍の時間であった。臨界温度より上では、例４の冷却速 度（焼き入れ強さ）は例２の場合と非常に似ていた。したがって、臨界温度範囲 より上の焼き入れで生じた残留応力（例２におけるように）は望ましく減少され た。 驚くことに、臨界温度の間、例４のブロックの冷却速度は増大した。臨界温度 範囲の間の冷却速度は１秒当たり３４．７°Ｃ（６２．５°Ｆ）（９３°Ｃ／３ ．２秒（２００°Ｆ／３．２秒））であった。臨界温度範囲の間の熱伝達速度は 曲線の比較的急な傾斜で示されるように例２および例３の熱伝達速度よりも速か った。例４のブロックが臨界温度範囲（Δｔ_CO2）にとどまる時間長さは、Δｔ_{w w} およびΔｔ_UCONの両方よりも短い。上述で説明したように、これは望ましくな いと考えられ、この分野ではその後に時効処理された被加工物品における機械強 度の低下に関連すると考えられる。冷却後２０秒経った例４のブロック中心の温 度は例１の冷水による焼き入れにおけるブロック温度よりも低かった。 本発明のある特徴は本発明から逸脱せずに変化されうることを認識すべきであ る。したがって、例えば本発明は二酸化炭素ガスが水に溶解した好ましい実施例 に関して説明してきたが、本発明に含まれるガスには、いずれかのガス、冷却液 媒体よりも揮発性の強い化学薬品、または高温面に接触されるとガスを解放する 化学薬品が含まれることを認識しなければならない。冷却液として水が使用され るときに使用できるガスには、限定するわけでないが二酸化炭素、空気、酸素、 窒素、炉ガスおよびその混合気が含まれる。さらに、本発明はガスの溶解に限定 されるものではない。したがって、例えば本発明は二酸化炭素が水に溶解される 好ましい実施例に関して説明したが、炭酸（Ｈ₂ＣＯ₃）が水と混合されることが できると認識されねばならない。炭酸は二酸化炭素と水との反応で形成される。 水のような焼き入れ媒体に炭酸を加えることはＣＯ₂ガスを溶解させることと同 じ効果を有する。さらに、有機または無機炭酸塩が本発明の実施に使用できる。 無機炭酸塩はＣａＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃を含む。無機炭酸塩は溶液から ミネラルの付着が生じる可能性があるためにそれほど望ましくない。 本発明の好ましい実施例を冷水の炭酸化に関して上述で説明したが、当業者に は本発明が温水による焼き入れにも有用であることが明白となろう。さらに、本 発明は３．５％ＮａＣｌ溶液のようなこの分野で使用される塩水溶液とともに使 用できる。さらに、本発明はポリビニルアルコール、アルキレングリコール、プ ロピレングリコール、エチレングリコールまたはグリコールのようなこの分野で 使用される有機添加剤とともに使用することもできる。当業者は、重要な点が、 使用されるガスを溶解できる流体の使用にあることを認識するだろう。 本発明の好ましい実施例はアルミニウム合金部品の焼き入れに特に有用である ことに関して上述で説明したが、当業者には本発明が他の金属の焼き入れにも有 用であることが明白となろう。本発明で使用することが適当な金属はアルミニウ ム，アルミニウム合金に限定されることはない。マグネシウム、銅、鉄、亜鉛、 ニッケル、コバルト、チタン、およびそれらの合金のような他の金属から形成さ れる物品も本発明で利益を得る。 本発明の好ましい実施例が鍛錬および鍛造アルミニウム，アルミニウム合金の 部品を焼き入れするのに特に有用であるということに関して上述で説明されたが 、当業者には金属物品を形成する方法がその有用性に重要であるとは考えられな いことが明白となろう。本発明方法および装置は鋳造、圧延、打ち抜きおよび押 出加工を含めて他の形成方法で製造された金属物品を焼き入れするうえでも有用 であると推測される。さらに、鋳造はスクイズ鋳造（溶湯鍛造）、レオキャステ ィング（ｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇ）、コムポキャスティング （ｃｏｍｐｏｃａｓｔｉｎｇ）、真空鋳造、または正圧鋳造で実施することがで きる。 本発明の好ましい実施例が７０５０アルミニウム合金部品の製造に特に有用で あることに関して上述で説明したが、当業者には本発明が約７５重量％以上のア ルミニウムおよび１つ以上の合金元素を含む他のアルミニウム合金からなる部品 の製造に有用であることが明白となろう。このような適当な合金元素の中で、マ ンガン、亜鉛、ベリリウム、リチウム、銅、けい素、マグネシウムで構成される 本質的に特徴を形成する合金元素の群から少なくとも１つが選択される。これら の合金元素は、それらの１つ以上を含む合金がそれらの元素から特徴的な性質を 本質的に導き出すという理由で、本質的に性質を形成する元素となる。通常はそ れらの特徴を与える各元素の量は、マグネシウムおよび銅の各々に関しては合金 中の合金元素としてその元素が存在しているならば合金全体の約０．５〜約１０ 重量％であり、亜鉛元素に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在して いるならば合金全体の約０．０５〜約１２．０重量％であり、ベリリウム元素に 関しては合金中の合金元素としてその元素が存在しているならば合金全体の約０ ．００１〜約５．０重量％であり、リチウム元素に関しては合金中の合金元素と してその元素が存在しているならば合金全体の約０．２〜約３．０重量％であり 、マグネシウム元素に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在している ならば通常は合金全体の約０．１５〜約２．０重量％である。 鉄およびシリコン元素は、本質的な性質形成合金元素として完全すなわち常に 正確に分類できてはいないが、しばしば正確な量でアルミニウム合金中に存在し 、これを含むある種の合金に発現された特徴的な性質によって顕著な効果を有す る。例えば、鉄は、たとえ望ましくない不純物として存在し且つそのようにみな されても、しばしば存在することが望ましく、ある種の合金では特別な機能を発 揮するために合金全体の約０．３〜２．０重量％の量に調整される。けい素もこ のように考えられ、約０．２５〜多くて１５重量％と変化する範囲で見られるが 、ある種の合金では特別な機能を発揮するために約０．３〜１．５重量％の範囲 で見出される。前述したこれらの元素の２つの性質に照らして、また定義の便宜 のために、鉄およびシリコン元素はある種の合金中にて特徴に影響する量で存在 する ことが少なくとも望ましいとされるときには、性質形成合金成分として適当に考 えられるべきものである。 これらの本質的な性質形成元素の１つ以上を含み得るこのようなアルミニウム ，アルミニウム合金は、前述した性質形成元素を含むか含まないかに係わらずに 、特定の性質を向上させるためにある量の周知の補助的合金元素を含む。このよ うな補助的元素は通常はクロム、ニッケル、ジルコニウム、バナジウム、チタン 、ボロン、鉛、カドミウム、ビスマスおよび場合によりシリコンおよび鉄とされ る。また、リチウムは上述の本質的な性質形成元素に挙げられているが、ある例 では上述した範囲内の量で補助的元素として合金中に存在される。これらの補助 元素の１つが本明細書で考える種類のアルミニウム合金中に存在する場合、合金 全体の重量パーセントでの量は、該当する元素で変化するが通常は約０．０５〜 ０．４％であり、チタンは約０．０１〜０．２５％、バナジウムまたはジルコニ ウムは約０．０５〜０．２５％、ボロンは約０．０００２〜０．０４％、カドミ ウムは約０．０５％〜０．５％、そしてビスマスまたは鉛は約０．４〜０．７％ である。 アルミニウム合金は、最も好ましくは鍛錬および鍛造アルミニウム合金、例え ばアルミニウム協会に登録された識別番号２０１１、２０１４、２０１７、２１ １７、２２１８、２６１６、２２１９、２４１９、２５１９、２０２４、２１２ ４、２２２４、２０２５、２０３６、４０３２、６１０１、６２０１、６００９ 、６０１０、６１５１、６３５１、６９５１、６０５３、６０６１、６２６２、 ６０６３、６０６６、６０７０、７００１、７００５、７０１０、７０１６、７ ０２１、７０２９、７０４９、７０５０、７１５０、７０５５、７０７５、７１ ７５（ｂ）、７４７５、７０７６、７１７８および他の適当な同様識別番号の合 金を含んでいた。特に関心のあるアルミニウム合金は２０１４、６０６１、７０ ５０、７０５５および７０７５である。これらのアルミニウム合金は一般に総括 的な識別番号が２０００番台の合金、６０００番台の合金、および７０００番台 の合金である。本発明で処理できる鋳造合金は最も好ましくは鋳造アルミニウム 合金、例えばこれらの識別番号の２２２、２４２、２９５、２９６、３１９、３ ３６、３５５、３５６、３５７および７１２で識別される合金である。これらの 鋳 造合金は一般に総括的な識別番号が２００番台の合金、６００番台の合金、およ び７００番台の合金である。 本発明は焼き入れ金属に関して説明してきたが、本発明方法および装置は金属 マトリックス複合材、金属積層材およびサーメットですることが使用できる。 本発明の有用性は薄壁金属物品の反りを減じることに関してある程度説明した が、本発明の向上された冷却速度はまた幅対厚さの比が小さい焼き入れ金属物品 にも有用であると考えられる。本発明により利益を得られる他の方法で形成され たおよび（または）機械加工された金属部品には航空機用部材およびアルミニウ ムホイールリムを含む鍛造アルミニウム製品や、押出チューブ、形状部材および バーのような押出加工品や、スラブ、シート、箔およびプレートを含む圧延製品 や、このような製造による製品の全てから機械加工された製品が含まれる。本発 明はまた有機化合物を含む溶液中で焼き入れした後皮むきすることが困難な形状 部材に特に有用である。上述で説明したように、本発明で使用した溶解ガスは焼 き入れ後の洗浄や清浄処理を行うことを必要にするような残留物を残さない。 本発明はタンク内に部品全体を浸漬することで金属を焼き入れすることに関し て説明したが、部品を完全に浸漬して焼き入れ媒体で完全に覆うようにすること に限定する意図はない。本発明は噴射焼き入れ、および（または）逐次に連続す るシートの一部分を溜りの中に沈めて、シートの一部分だけが常に流体の中に沈 められているようにすることを含めることが意図される。この実施例では、シー ト、プレートまたは箔（一般に平坦圧延製品と称される）の一部分が連続して同 時に溜りの中へ進入および進出するようになされる。この連続シートはその後コ イルに巻き上げられるか、他の方法で処理される。 同様に、本発明は細長い押出加工品、鋳造品または鍛造品の一部を溜りの中に 逐次に浸漬して、押出加工品、鋳造品または鍛造品の一部だけが絶えず流体中に 沈められているようにすることを含むように意図する。この実施例では、押出加 工品、鋳造品または鍛造品の一部が連続して同時に溜りの中へ進入および進出す るようになされる。 また、本発明の実施に有用となる二酸化炭素または他のガスの濃度を変化させ ることも考えられる。 さらに、本発明の装置は図面に示したものと異なる方法で構成することができ ることは、考えられる。したがって例えば、静止混合気３０は容器１０の外側に 配置される必要はなく（第２図を参照されたい）、これにより導管４２の必要性 を排除することができる。さらに、第２図に示された熱ポンプ４８は容器１０の 外側に配置できる。さらに、第２図および第４図のポンプに流入する水は容器か らもたらされる必要はない。この水は代替冷水源からポンプへ流入されることが でき、この水は意図的にある量の溶解ガスを含むことも含まないこともできる。 本発明の最高の態様と考えられるものが上述で説明された。しかしながら、当 業者には記載形式の様々な変更を本発明の精神から逸脱せずに本発明に対してな し得ることが明白となろう。本発明の範囲は、請求の範囲を表現している用語の 広義の意味において定義される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンター，ダニエル イー. アメリカ合衆国 15632 ペンシルバニア 州エックスポート，クライン ホロウ ロ ード 5570 (72)発明者 ユ，ホ アメリカ合衆国 15668 ペンシルバニア 州マーリィズビル，ウエスト ベンデン ドライブ 4051

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属物品を焼き入れする方法であって、 （ａ）溶解したガスを含む冷却液の溜りを準備し、 （ｂ）前記金属の焼き入れのために前記溜りの中に金属物品を浸漬する、 ことを含む焼き入れ方法。 ２． 請求項１の焼き入れ方法であって、ガスを前記冷却液中に噴射すること でガスが前記液体内に溶解されている焼き入れ方法。 ３． 請求項１の焼き入れ方法であって、段階（ａ）が大気圧および大気温度 に開放されている冷却液の溜りを形成することを含む焼き入れ方法。 ４． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記ガスが窒素、二酸化炭素および その組み合わせからなる群から選択される焼き入れ方法。 ５． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記ガスが二酸化炭素である焼き入 れ方法。 ６． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記冷却液が水である焼き入れ方法 。 ７． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記物品がアルミニウム、マグネシ ウム、銅、鉄、亜鉛、ニッケル、コバルト、チタン、およびそれらの合金からな る群から選択された金属で形成された焼き入れ方法。 ８． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記冷却液に溶解された前記ガスの レベルを冷却液１リットル（ガロン）当たり０．００７〜１．５リットル（０． ００１〜０．２標準立方フィート（ＳＣＦ））の範囲内に維持することをさらに 含む焼き入れ方法。 ９． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記冷却液の一部を循環させてガス を前記冷却液に溶解させ、前記冷却液の溶解ガス量を冷却液１リットル（ガロン ）当たり０．００７〜１．５リットル（０．００１〜０．２標準立方フィート（ ＳＣＦ））の範囲内に維持することをさらに含む焼き入れ方法。 10． 請求項１の焼き入れ方法であって、前記溜りの前記冷却液が第１の温度 を有し、追加の冷却液を前記溜りに追加し、前記追加の冷却液が前記第１の温度 よりも低い第２の温度を有することをさらに含む焼き入れ方法。 11．請求項１の焼き入れ方法であって、前記冷却液の一部を混合室に通して循 還させ、前記循還される冷却液の部分に空気を噴射して前記溶解されているガス の少なくとも一部を前記循環部分から除去することをさらに含む焼き入れ方法。 12．請求項１の焼き入れ方法であって、前記冷却液の一部を混合室に通して循 還させ、前記循還される冷却液の部分に空気を噴射して前記溶解されているガス の少なくとも一部を前記循環される冷却液部分から除去し、その後前記冷却液の 前記循環部分を前記溜りへ導くことをさらに含む焼き入れ方法。 13．請求項１の焼き入れ方法であって、 （ａ）前記冷却液に溶解された前記ガスの量を監視し、 （ｂ）前記監視に応じて該冷却液に追加のガスを溶解させる、 ことをさらに含む焼き入れ方法。 14．請求項１の焼き入れ方法であって、段階（ｂ）の前に前記金属物品が約４ ２７°Ｃ（８００°Ｆ）〜約５９３°Ｃ（１１００°Ｆ）の温度を有する焼き入 れ方法。 15．請求項１の焼き入れ方法であって、段階（ｂ）の前に前記金属物品が溶体 化熱処理される焼き入れ方法。 16．請求項１の焼き入れ方法であって、段階（ｂ）の前に前記金属物品が熱間 加工される焼き入れ方法。 17．請求項１の焼き入れ方法であって、段階（ｂ）の前に前記金属物品が押出 加工される焼き入れ方法。 18．請求項１の焼き入れ方法であって、段階（ｂ）の前に前記金属物品が鍛造 される焼き入れ方法。