JPH09113430A - 耐ヒートクラック試験方法および同試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部冷却と外部冷却を組み合わせた冷却方法
とすることにより金型表面のヒートクラックと金型表面
と内部冷却孔間に発生する割れを再現できる耐ヒートク
ラック試験方法および同試験装置を提供する 【解決手段】 試験片内部に冷却孔を有し、前記冷却孔
に冷却媒体を流すことにより内部冷却を行うとともに、
前記試験片の一端面を外部より加熱する加熱過程と、前
記一端面を外部冷却する外部冷却過程とを繰り返すこと
により、耐ヒートクラック性および試験片表面と内部冷
却孔間の耐割れ性を評価する耐ヒートクラック試験方
法、および試験片内部の冷却孔に冷却媒体を供給する供
給手段と、前記試験片の一端面を外部より加熱する加熱
手段と、前記試験片の一端面に外部より冷却する外部冷
却手段と、前記試験片の一端面を加熱する手段と外部冷
却手段とを交互に移動させる移動手段とを設けてなる耐
ヒートクラック試験装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内部冷却を行う熱間
金型等に繰り返し加熱によって発生するヒートクラッ
ク、および材料表面と内部冷却孔間に発生する割れを再
現し、金属、セラミックスなどの材料の耐ヒートクラッ
ク性および耐割れ性を評価するのに用いられる耐ヒート
クラック試験方法および同試験装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金、亜鉛合金などの鋳造
に用いられるダイカスト用金型は、キャビティ内に溶融
状態の被成形材を圧入し所定の形状に成形するのに用い
られる。このような用途に用いられる金型は、高温の溶
融状態の金属に接する加熱状態と、被成形材を金型から
取り出した後に水、潤滑剤等の冷媒で急冷するという冷
却状態に交互にさらされることになる。この熱サイクル
によって金型には圧縮と引張の応力が繰り返し発生する
ことになり、ヒートクラックが発生し易く、金型寿命の
主要因となっている。

【０００３】また最近では、上記ヒートクラックの問題
の他に、外部冷却（離型剤噴霧）時に発生するミストに
よる作業環境悪化の対策として外部冷却を軽減し、冷却
能力を内部冷却により補う技術が進みつつある。このよ
うに外部冷却を軽減し、内部冷却を強化する方法は、加
熱−冷却の熱サイクルの振幅を小さくするためヒートク
ラックを軽減することができるが、一方で内部冷却孔を
金型表面により近づける方向にあるため、金型表面と内
部冷却孔間に割れが発生するという問題が生じてくる。
従来、ヒートクラックが問題となるような金型材料、工
具材料または部品に対しては、ヒートクラックが発生す
る熱サイクルを再現した耐ヒートクラック試験が行なわ
れてきた。そして、従来の耐ヒートクラック試験方法に
は、次のようなものが知られている。

【０００４】第１は試験片をガスバーナで加熱し、その
後、水浴によって急冷する過程を繰り返す方法であり、
第２は円柱状の試験片の外周面を高周波加熱コイルで誘
導加熱し、その後、加熱面を噴霧水で冷却する過程を繰
り返す方法であり、第３は円柱状の試験片の一端面に発
熱体を押しつけ、一端面のみ加熱し、その後加熱面を噴
霧水で冷却する方法（日原政彦ら、「精密工学会誌」第
55巻 1989 P.1869参照）である。これらは何れも冷却
方法は外部からの冷却のみで内部冷却を行う機構にはな
っていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した耐ヒートクラ
ック試験方法は、金型表面に発生するヒートクラックの
みを再現することを目的としており、外部冷却のみを行
い、内部冷却を行う機構になっていないため、金型表面
と内部冷却孔間の割れを再現することができなかった。
本発明は、内部冷却と外部冷却を組み合わせた冷却方法
とすることにより、金型表面のヒートクラックと金型表
面と内部冷却孔間に発生する割れを再現し、さらに内部
冷却と外部冷却のバランスを変えた場合の耐ヒートクラ
ック性および耐割れ性についても評価できる耐ヒートク
ラック試験方法および同試験装置を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、内部冷却と
外部冷却のバランスを変えた場合の耐ヒートクラック性
および耐割れ性を実験室的に再現させるには、内部冷却
および外部冷却による冷却能を、それぞれ任意に設定す
ることが重要であることを見出した。さらに、内部冷却
による冷却能は、冷却媒体の温度および単位時間当たり
の供給量と、内部冷却孔の形状（冷却孔の直径、試験片
表面からの距離、冷却孔本数など）に大きく依存するこ
とがわかった。したがって、試験片に冷却孔を加工する
際には、必要に応じて形状を自由に設定するのがよい。

【０００７】また外部冷却による冷却能は、冷却媒体の
温度および冷却媒体が試験片の一端部を冷却する際の冷
却時間および冷却媒体量も依存度が大きいため、これら
の調整も重要であることがわかった。本発明の試験方法
および試験装置は、内部冷却および外部冷却による冷却
能を制御するために、 （１）内部冷却の冷却媒体の温度制御 （２）内部冷却の冷却媒体の供給量制御 （３）外部冷却の冷却媒体の温度制御 （４）外部冷却の冷却媒体が試験片に接触する時間およ
び量の制御 が可能な制御機能を有することが大切である。

【０００８】すなわち本発明の第１発明は、試験片内部
に冷却孔を有し、前記冷却孔に冷却媒体を流すことによ
り内部冷却を行うとともに、前記試験片の一端面を外部
より加熱する加熱過程と、前記一端面を外部冷却する外
部冷却過程とを繰り返すことにより、耐ヒートクラック
性および試験片表面と内部冷却孔間の耐割れ性を評価す
ることを特徴とする耐ヒートクラック試験方法である。
上記試験片内部の冷却孔を流れる冷却媒体は、温度およ
び単位時間当たりの供給量を、一定温度、一定量に制御
し、さらに加熱された試験片の一端面を外部より冷却す
る際にも、冷却媒体の温度、冷却時間、冷却媒体量をと
もに制御した状態で試験を行なう方法とするのがよい。

【０００９】また、第２発明は、試験片内部に冷却孔を
有し、前記冷却孔に温度および単位時間当たりの供給量
を制御された冷却媒体を流すことにより内部冷却を行う
とともに、前記試験片の一端面を外部より加熱する加熱
過程と、前記一端面を冷却する冷却媒体の温度、冷却時
間、冷却媒体量を制御された外部冷却過程とを繰り返す
ことにより、耐ヒートクラック性および試験片表面と内
部冷却孔間の耐割れ性を評価することを特徴とする耐ヒ
ートクラック試験方法である。上記試験片内部の冷却孔
に冷却媒体を供給する手段には、冷却媒体の温度および
単位時間当たりの供給量を制御できる手段が兼備され、
さらに試験片の一端面を外部より冷却する外部冷却手段
には、冷却媒体の温度、冷却時間、冷却媒体量を制御で
きる手段が兼備された装置とするのがよい。

【００１０】上記発明のうちの、試験片の一端面を外部
より加熱する加熱手段としては、燃焼ガス吹付け法、接
触加熱法、高周波加熱法などが使用できるが、実機の金
型表面から内部冷却孔への温度勾配を再現する点からは
接触加熱法が好ましく、また外部より冷却する外部冷却
手段は、加熱された試験片の一端面に向かって冷却媒体
を噴出するノズルが使用できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の特徴の一つは、ヒートク
ラック試験片の一部を外部より加熱、冷却を繰り返すと
同時に、試験片の内部に冷却孔を設けて常時冷却媒体を
流すことにより、実際の金型で発生する寿命現象をより
現実に近い状態で再現できることである。さらに、内部
冷却の冷却媒体温度および単位時間当たりの供給量の制
御や、外部冷却に用いる冷却媒体の温度、冷却時間、供
給量の制御を任意に設定して試験を行なうことにより、
得られた試験結果を解析して、実際の金型に設ける冷却
孔の位置や冷却媒体の流量などの金型設計にフィードバ
ックさせることができる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）図１に示すように熱間工具鋼SKD61を硬さ4
5HRCに焼入れ焼戻しを行った80mmφ×50mmＬの試料を試
験片２とし、加熱手段として直径ａ=40mmのヒーティン
グブロック１を用い、これを試験片２の端面の中央に配
した。尚、ヒーティングブロック１の加熱方法としては
内径ｂ=60mmの高周波加熱コイル３による誘導加熱法を
用いた。ヒーティングブロック１の加熱温度は700℃と
し、試験片２をヒーティングブロック１に30秒間押し付
け、その後試験片２をヒーティングブロック１から離
し、外部冷却を設定時間だけ行う熱サイクルを繰り返す
試験を行った。なお、試験片１の内部冷却については、
試験中は常時冷却水を一定水量流した。内部冷却孔は直
径がｃ=15mmで、試験片表面からの距離は表１に示す通
りである。また試験条件の詳細および試験結果も表１に
併記するが、このうち条件IIは、外部冷却を行わず内部
冷却だけなので加熱終了後、外部冷却を行う位置まで移
動後、外部冷却を行わず再び加熱に入るようにしたもの
である。

【００１３】

【表１】

【００１４】表１より、内部冷却と外部冷却を併用して
いる場合は、熱サイクルを1000回繰り返すことで試験片
表面にヒートクラックが発生している。一方、内部冷却
のみの場合は、表面のヒートクラックは発生しないが75
0回の熱サイクルで表面と内部冷却孔間に割れが生じて
いる。また、表１より本発明の試験方法によれば、内部
冷却と外部冷却の冷却能を変化させることで、金型表面
に発生するヒートクラックと金型表面と内部冷却孔間の
割れを再現できることがわかる。

【００１５】（実施例２）本発明の耐ヒートクラック試
験装置の一実施例を示す構成図を図２(a)および(b)に示
す。図２(a)は試験片２を加熱している状態の平面図、
(b)は試験片を冷却している状態の平面図である。次に
本発明の耐ヒートクラック試験装置の動作を実施例１に
記載した80mmφ×50mmＬの試験片に適用した場合を例に
とり、図面にしたがって説明する。

【００１６】まず、操作制御盤１４より高周波加熱制御
機１３を介して高周波加熱コイル３にに高周波電流が流
れ、誘導加熱によりヒーティングブロック１が加熱され
る。ヒーティングブロック１の加熱温度は予め設定する
ことができ、設定温度に保持するように制御される。ヒ
ーティングブロック１が設定温度に達すると油圧ユニッ
ト８により油圧シリンダ７が作動し、油圧シリンダ７に
連結された試験片ホルダ６および試験片２を前方に押し
出す。試験片２はヒーティングブロック１に押し付けら
れ、ヒーティングブロック１からの熱伝達により加熱さ
れる（図２(a)）。

【００１７】次いで、予め設定した保持時間後、試験片
は後退し元の待機位置に戻ると停止する。試験片停止
後、コンプレッサ１２で加圧された圧縮空気が吐出さ
れ、図示しない電磁弁を経てエアシリンダ１５が動き、
冷却水ノズル５が試験片２の前方に移動する。これと同
時に操作制御盤１４により冷却水ノズルが開放され、試
験片２の加熱された端面が噴霧水により外部冷却される
（図２(b)）。この噴霧水冷却のエア圧および水圧は図
示しない減圧弁および圧力計で任意に設定することがで
きる。飛散した外部冷却水は冷却ボックス１６に設置し
た図示しない排水口より排水される。予め設定した外部
冷却時間後、冷却水ノズルが閉じ、外部冷却過程が終了
する。

【００１８】この後、ヒーティングブロック１が設定温
度以上に加熱されている事を確認し、再び試験片２が前
方に押し出され加熱過程に入る。この試験過程におい
て、冷却水タンク９より水温制御された冷却水は、循環
ポンプ１０により供給され、流量計１１により流量制御
されて試験片２の内部冷却孔に常時、流されている。本
実施例の加熱過程は、ヒーティングブロック１の温度が
７００℃、試験片接触時間が３０秒で行なった。内部冷
却を行う試験片に上記の熱サイクルを繰り返すことによ
り、実施例１で示したようにヒートクラックおよび金型
表面と内部冷却孔間の割れを再現できた。

【００１９】

【発明の効果】本発明の耐ヒートクラック試験方法およ
び同試験装置により、ヒートクラックおよび金型表面と
内部冷却孔間に発生する割れを実験室的に再現できるた
め、新材質の評価だけでなく、金型設計を行なう際、寿
命要因の解析手段として用いることが可能となり、工業
上極めて重要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加熱手段の一実施例を示す概念図であ
る。

【図２】本発明の耐ヒートクラック試験装置の一実施例
を示す構成図である。(a)は、試験装置の加熱過程を示
す平面図であり、(b)は、試験装置の冷却過程を示す平
面図である。

【符号の説明】

１：ヒーティングブロック、２：試験片、３：高周波加
熱コイル、４：内部冷却孔、５：冷却水ノズル、６：試
験片ホルダ、７：油圧シリンダ、８：油圧ユニット、
９：冷却水タンク、１０：循環ポンプ、１１：流量計、
１２：コンプレッサ、１３：高周波加熱制御機、１４：
操作制御盤、１５：エアシリンダ、１６：冷却水ボック
ス

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１０月３１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【実施例】 （実施例１）図１に示すように熱間工具鋼SKD61を硬さ4
5HRCに焼入れ焼戻しを行った80mmφ×50mmＬの試料を試
験片２とし、加熱手段として直径ａ=40mmのヒーティン
グブロック１を用い、これを試験片２の端面の中央に配
した。尚、ヒーティングブロック１の加熱方法としては
内径ｂ=60mmの高周波加熱コイル３による誘導加熱法を
用いた。ヒーティングブロック１の加熱温度は700℃と
し、試験片２をヒーティングブロック１に30秒間押し付
け、その後試験片２をヒーティングブロック１から離
し、外部冷却を設定時間だけ行う熱サイクルを繰り返す
試験を行った。なお、試験片１の内部冷却については、
試験中は常時冷却水を一定水量流した。内部冷却孔４は
直径がｃ=15mmで、試験片表面からの距離は表１に示す
通りである。また試験条件の詳細および試験結果も表１
に併記するが、このうち条件IIは、外部冷却を行わず内
部冷却だけなので加熱終了後、外部冷却を行う位置まで
移動後、外部冷却を行わず再び加熱に入るようにしたも
のである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】次いで、予め設定した保持時間後、試験片
は後退し元の待機位置に戻ると停止する。試験片停止
後、コンプレッサ１２で加圧された圧縮空気が吐出さ
れ、図示しない電磁弁を経てエアシリンダ１６が動き、
冷却水ノズル５が試験片２の前方に移動する。これと同
時に操作制御盤１４により冷却水ノズルが開放され、試
験片２の加熱された端面が噴霧水により外部冷却される
（図２(b)）。この噴霧水冷却のエア圧および水圧は図
示しない減圧弁および圧力計で任意に設定することがで
きる。飛散した外部冷却水は冷却ボックス１５に設置し
た図示しない排水口より排水される。予め設定した外部
冷却時間後、冷却水ノズルが閉じ、外部冷却過程が終了
する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １：ヒーティングブロック、２：試験片、３：高周波加
熱コイル、４：内部冷却孔、５：冷却水ノズル、６：試
験片ホルダ、７：油圧シリンダ、８：油圧ユニット、
９：冷却水タンク、１０：循環ポンプ、１１：流量計、
１２：コンプレッサ、１３：高周波加熱制御機、１４：
操作制御盤、１５：冷却水ボックス、１６：エアシリン
ダ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験片内部に冷却孔を有し、前記冷却孔
   に冷却媒体を流すことにより内部冷却を行うとともに、
   前記試験片の一端面を外部より加熱する加熱過程と、前
   記一端面を外部冷却する外部冷却過程とを繰り返すこと
   により、耐ヒートクラック性および試験片表面と内部冷
   却孔間の耐割れ性を評価することを特徴とする耐ヒート
   クラック試験方法。
2. 【請求項２】 試験片内部に冷却孔を有し、前記冷却孔
   に温度および単位時間当たりの供給量を制御された冷却
   媒体を流すことにより内部冷却を行うとともに、前記試
   験片の一端面を外部より加熱する加熱過程と、前記一端
   面を冷却する冷却媒体の温度、冷却時間、冷却媒体量を
   制御された外部冷却過程とを繰り返すことにより、耐ヒ
   ートクラック性および試験片表面と内部冷却孔間の耐割
   れ性を評価することを特徴とする耐ヒートクラック試験
   方法。
3. 【請求項３】 試験片内部の冷却孔に冷却媒体を供給す
   る供給手段と、前記試験片の一端面を外部より加熱する
   加熱手段と、前記試験片の一端面に外部より冷却する外
   部冷却手段と、前記試験片の一端面を加熱する手段と外
   部冷却手段とを交互に移動させる移動手段とを設けてな
   る耐ヒートクラック試験装置。
4. 【請求項４】 試験片内部の冷却孔に冷却媒体を供給
   し、かつ前記冷却媒体の温度および単位時間当たりの供
   給量の制御が可能な供給手段と、前記試験片の一端面を
   外部より加熱加熱する手段と、前記試験片の一端面を外
   部より冷却する冷却媒体の温度、冷却時間、冷却媒体量
   を制御する外部冷却手段と、前記試験片の一端面を外部
   より加熱する手段と外部冷却手段とを交互に移動させる
   移動手段とを設けてなる耐ヒートクラック試験装置。