JPH09241728A - 粗材の冷却方法及び粗材冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】合金元素を増加を抑制しつつ、残留応力の低減
や亀裂の抑制に有利な効果を奏する粗材の冷却方法及び
粗材冷却装置を提供すること。 【解決手段】高温状態の粗材２を常温領域まで冷却する
過程において、粗材２の引張強度特性が急激に変化する
温度領域において、粗材２を徐冷する。具体的には、粗
材冷却装置１の保温箱１０の収容室１３に高温状態の粗
材２を収容する。粗材２の引張強度特性が急激に変化す
る温度領域に降温したら、開口窓１５の開口度を大きく
するシャッタ開放操作を行う。温度領域を経過したら開
口窓１５を閉じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温状態の粗材を
冷却する粗材の冷却方法、及び、その方法に使用できる
粗材冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高温状態の粗材を冷却する場合につい
て、溶湯が凝固した鋳造品である鉄系粗材を例にとって
説明する。従来より鋳造工程によれば、一般的には、溶
解した高温の金属溶湯が鋳型のキャビティに注入され、
溶湯が凝固した後に型ばらしが行われ、その後に鋳造品
である粗材が取り出され、更に粗材が大気中に放置され
て常温付近まで空冷される。

【０００３】上記した鋳造工程によれば、粗材の型ばら
しの目標温度は規定されており、その目標温度に基づい
て、粗材の型ばらし工程が実行される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来の技術によれば、型ばらし直後の高温状態の粗材が
そのまま空冷されると、粗材において冷却アンバランス
が発生し易く、粗材の残留応力が誘発され易い。特に冷
却速度にアンバランスが発生しがちの粗材の内部と表面
とでは、大きな残留応力が発生されがちである。

【０００５】この様な残留応力の影響で、亀裂や変形が
粗材に発生し易くなる。特に粗材が薄肉部分と厚肉部分
とをもつ場合には、残留応力の影響で亀裂や変形が粗材
に発生し易くなる。上記した残留応力の問題を軽減する
には、鋳型内に粗材を埋設したまま粗材を徐冷する時間
を長くして、粗材の冷却速度を緩慢とすれば良い。しか
しこの場合には鋳型内冷却工程に要する時間が長くな
り、生産能率及び設置スペースの面でも不利である。更
にＡ₁ 変態点を通過する速度も緩慢となり、粗材の材料
強度の面で不利となる。Ａ₁ 変態点の通過速度は、材料
強度に大きな影響を与えるからである。

【０００６】従って上記した場合には材料強度の確保の
ために、粗材に含有される合金元素量を必要以上に増加
させることとなり、コストの面で不利である。本発明は
上記した実情に鑑みなされたものであり、合金元素を増
加を抑制しつつ、残留応力の低減や亀裂の抑制に有利な
効果を奏する粗材の冷却方法及び粗材冷却装置を提供す
ることを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は粗材の冷却方
法について鋭意開発を進め、引張強度特性が急激に変化
する温度領域をもつ粗材に着目した。以下、代表的な粗
材である鉄系粗材を例にとって、図５及び図６を参照し
て説明する。図５の横軸は温度を示し、縦軸は引張強度
（σ_B ）、耐力（σ_0.2 ）、伸び（δ）を示す。図５の
特性線から理解できる様に、鉄系粗材の場合には、粗材
の温度が高くなるにつれて、粗材の引張強度（σ_B ）や
耐力（σ_0.2 ）が低下し、伸び（δ）が大きくなるとい
う傾向がある。つまり粗材の温度が低くなるにつれて、
粗材の引張強度（σ_B ）や耐力（σ_0.2 ）が大きくな
り、伸び（δ）が小さくなるという傾向がある。更に図
５の特性線から理解できる様に、鉄系粗材によれば、６
５０〜５００°Ｃの温度領域では、引張強度特性が急激
に変化する。この温度領域を粘性−弾性境界温度領域と
呼ぶ知見者もいる。

【０００８】上記した温度領域の冷却速度が速いと、粗
材における残留引張応力や残留圧縮応力が大きくなるこ
とに本発明者は着目した。特に冷却が遅れる側の厚肉部
においては、残留引張応力が大きくなる。この残留応力
のメカニズムについては次の様に推察される。即ち、図
６に示すモデル試験を参照して説明を加えると、図６に
示す様に薄肉部（棒１）の端部と厚肉部（棒２）の端部
とを橋架部３で連結した構造をもつモデル試験片が冷却
されると、熱伝導率が小さな鋳型に埋設されている状態
では、試験片の冷却速度が緩慢であるため、厚肉部と薄
肉部との温度差はあまりない。

【０００９】しかし型ばらしされた後では、モデル試験
片は空冷される。空冷の際には、熱容量が小さな薄肉部
の冷却速度は速いものの、熱容量が大きな厚肉部の冷却
速度は薄肉部に比較してゆっくりである。従って薄肉部
が非粘性領域に降温しても、厚肉部はまだ粘性領域であ
り、厚肉部においては応力が基本的には解放されると考
えられる。

【００１０】しかし厚肉部も６５０〜５００°Ｃの温度
領域よりも降温すれば、厚肉部も非粘性領域となるため
応力解放機能が低下し、厚肉部が自身の熱収縮に対抗す
る。結果として、厚肉部には引張応力が残留し、一方、
薄肉部には圧縮圧力が残留する。本発明者は、上記の様
に引張強度特性が急激に変化する温度領域において、粗
材を徐冷すれば、粗材における残留応力や亀裂の低減を
図り得ることに着目し、試験で確認し、本発明を完成し
た。

【００１１】即ち、請求項１に係る粗材の冷却方法は、
高温状態の粗材を常温領域まで冷却する過程において、
粗材の引張強度特性が急激に変化する温度領域におい
て、粗材を徐冷することを特徴とするものである。請求
項２に係る粗材の冷却方法は、請求項１において、高温
状態の粗材と、粗材を収容可能な収容室及び開口窓を備
えた保温箱と開口窓の開口度を可変に閉じる開閉シャッ
タとをもつ箱状の粗材冷却装置とを用い、粗材冷却装置
の収容室に高温状態の粗材を収容し、粗材の引張強度特
性が急激に変化する温度領域までは、開口窓の開口度を
大きくするシャッタ開放操作を行い、粗材の引張強度特
性が急激に変化する温度領域において、開口窓の開口度
を小さくするか開口窓を閉塞するシャッタ閉塞操作を行
い、粗材が該温度領域よりも実質的に降温したら開閉シ
ャッタの開口度を大きくするシャッタ開放操作を行うこ
とを特徴とするものである。

【００１２】請求項３に係る粗材冷却装置は、引張強度
特性が急激に変化する温度領域をもつ粗材を冷却するも
のであって、粗材を収容可能な収容室を区画する箱体
と、収容室と外気とを連通する開口窓と、開口窓の開口
度を可変に閉じる開閉シャッタとを備えた保温箱と、保
温箱の収容室内の粗材の温度を直接または間接的に検知
する温度検知手段と、温度検出手段による検知に基づい
て開閉シャッタを開閉制御して開口窓の開口度を調整す
るシャッタ開閉手段とを具備してなることを特徴とする
ものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明方法で用いる代表的な粗材
としては、鉄系粗材がある。鉄系粗材としては鋳造品、
熱間鍛造品を採用できる。鉄系粗材によれば、徐冷する
上記温度領域は６５０〜５００°Ｃである。徐冷の形態
としては、後述する実施例の様に、開口窓をもつ保温箱
に粗材を収容すると共に、開口窓の開口面積を小さくす
る形態を採用できる。

【００１４】更に徐冷の形態としては、粗材やその粗材
を収容している保温箱の内部を加熱手段で別途、保温加
熱する操作を行う形態でも良い。なお加熱手段として
は、発熱ヒータや誘導加熱コイル等を採用できる。請求
項２に係る粗材の冷却方法によれば、箱状の粗材冷却装
置を用いる。この粗材冷却装置は、粗材を収容可能な収
容室及び開口窓を備えた保温箱と、開口窓を開閉可能に
閉じる開閉シャッタとをもつ。

【００１５】そして、箱状の粗材冷却装置の収容室に高
温状態の粗材を収容する収容操作を行い、その後に、粗
材の引張強度特性が急激に変化する温度領域において、
シャッタ閉塞操作を行い、開閉シャッタを閉じる。その
後、上記温度領域よりも粗材が降温したら、冷却速度を
速めても実質的に支障はないため、シャッタ開放操作を
行い、開閉シャッタを開く。

【００１６】請求項３に係る粗材冷却装置によれば、保
温箱の箱体には、保温性を確保すべく断熱材が内張りさ
れていることが好ましい。開口窓は、保温箱の上部、特
に天井部に設けられていることが好ましい。開閉シャッ
タは、開口窓の開口度を可変に閉じるものであり、その
構造は適宜選択できる。更に温度検知手段は、収容室内
の粗材の温度を直接または間接的に検知するものであ
る。この場合には、収容室内の空気の温度を検知し、そ
の温度に基づいて粗材の温度を推測することにしても良
い。

【００１７】シャッタ開閉手段としては、温度検出手段
による検知に基づいて開閉シャッタを開閉して開口窓の
開口度を調整するものである。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は使用状態における粗材冷却装置の断面図を
示す。図２は粗材冷却装置の模式的斜視図を示す。この
粗材冷却装置１は保温箱１０を備えている。保温箱１０
は、粗材２を収容する収容室１３を区画する金属板製の
箱体１２と、収容室１３と外気とを連通する開口窓とし
ての天井窓１５と、天井窓１５を開閉可能に閉じる開閉
シャッタ１７とを備えている。

【００１９】開閉シャッタ１７は、シャッタ開閉手段と
して機能する油圧または空圧式のシリンダ３により開閉
作動される。開閉シャッタ１７の作動により、天井窓１
５の開口度は可変となる。図１に示す様に、箱体１２の
下面開口１２ｘが形成されている。箱体１２の壁体１２
ｃの内面には、カオウール等の断熱材１８が内張されて
いる。断熱材１８は保温性を向上させる。更に保温箱１
０には、作業者等が収容室１３の内部を観察するための
覗き窓１０ｅが設けられ、更に、覗き窓１０ｅを開閉す
る蓋１０ｆが設けられている。

【００２０】保温箱１０には温度検知手段としての温度
センサ３Ｘが装備されている。温度センサ３Ｘは、収容
室１３内の空気の温度を検出することにより、収容室１
３内の粗材２の温度を間接的に検知するものである。温
度センサ３Ｘの検知信号は制御装置４に入力され、これ
に応じて制御装置４からの制御信号が信号線４ｉを経て
シリンダ３の駆動回路に入力され、シリンダ３が作動す
る。なおシリンダ３や制御装置４は、保護カバー４ｍに
覆われて保護されている。

【００２１】本実施例によれば、保温箱１０の収容室１
３に粗材２を収容した状態で粗材２を降温させ、このと
きにおける粗材２の降温温度と保温箱１０の収容室１３
の温度との関係を予め測定されている。一般的には粗材
２の温度と収容室１３の温度との間には相関性が得られ
る。即ち粗材２が降温すれば、収容室１３の温度が低下
する傾向が得られる。従って収容室１３の温度を温度セ
ンサ３Ｘで検知すれば、粗材２の温度を推測できる。図
３の特性線Ｈはこの関係の一例を模式的に示すものであ
る。なお特性線Ｈの形態は、粗材２の種類等に応じて相
違する。

【００２２】本実施例によれば、予め、開閉シャッタ１
７を開放作動させて天井窓１５を開放させておく。高温
状態の粗材２は、パレット６上の保持台６０に載せられ
ている。ロボットや作業者により、粗材２の上方から、
保温箱１０はパレット６に載置される。従ってこの粗材
２は保温箱１０の収容室１３に収容される。この状態で
は図１に示す様に、粗材２は保温箱１０に覆われてい
る。

【００２３】本実施例で用いる粗材２は、縦方向に貫通
する空洞２ｐを備えている。粗材２は型ばらし直後の鋳
鉄系の鋳造品であり、具体的には内燃機関用のシリンダ
ブロックである。空洞２ｐはシェル中子で成形されてお
り、シリンダボアとして機能する。空洞２ｐにはシェル
中子の残留物が付着している。なお粗材２の冷却速度
は、砂型の鋳型に粗材２が埋設されているときには、１
〜２〔°C ／ｍｉｎ〕と極めて緩慢である。

【００２４】粗材２が保温箱１０に収容されていると
き、温度センサ３Ｘにより収容室１３の温度は検知され
ており、これにより粗材２の温度は間接的に検知されて
いる。パレット６には、風穴として機能する縦方向に貫
通する冷却風導入孔６３が形成されている。冷却風導入
孔６３は砂落とし孔も兼ねる。天井窓１５が開放すれ
ば、保持台６０の冷却風導入孔６３から空気が天井窓１
５に向けて上方に流れ易くなる。即ち、下から上に空気
が流れる『煙突効果』が得られ、『煙突効果』で流れる
風により粗材２の冷却が促進される。

【００２５】粗材２は放熱するものの、下方から上方に
向かう冷却風により、粗材２は比較的速い速度で空冷さ
れる。換言すれば、天井窓１５を実質的に全開すれば、
通常の空冷に近い冷却状態が得られる。この場合には冷
却の程度は粗材２の種類にもよるが、例えば１０〜５０
〔°C ／ｍｉｎ〕程度にできる。この様に本実施例によ
れば、保温箱１０に粗材２を収容した直後では、シャッ
タ開放操作を継続しておき、天井窓１５を開口させてお
く。一般的には全開とする。

【００２６】粗材２がある温度域まで降温したら、制御
装置４はシャッタ閉塞操作を行い、シリンダ３を作動し
て開閉シャッタ１７を閉塞させて天井窓１５を閉じる。
一般的には全閉とする。従って『煙突効果』は得られな
くなり、下から上への風は流れにくくなる。これにより
収容室１３内の粗材２の放熱の影響が大きくなり、保温
箱１０の収容室１３が降温しにくくなる。よって収容室
１３の温度が維持される。従って粗材２の引張強度特性
が急激に変化する温度領域、つまり６５０〜５００°C
においては粗材２の冷却速度は緩慢となり、粗材２が徐
冷される。この様に６５０〜５００°C の温度領域で粗
材２は徐冷されるので、粗材２の残留応力は軽減または
回避される。

【００２７】徐冷の程度は、粗材２の種類にもよるが６
〜８〔°C ／ｍｉｎ〕程度にできる。そして粗材２の引
張強度特性が急激に変化する温度領域、つまり５００°
C の温度領域よりも、粗材２が実質的に降温したら、制
御装置４はシャッタ開放操作を行い、シリンダ３により
開閉シャッタ１７を開放作動させ、天井窓１５の開口度
を大きくする。一般的には天井窓１５を全開とする。

【００２８】シャッタ開放操作を開始する時期として
は、粗材２のうち冷却の遅い部位が５００°C よりも降
温した時点を採用できる。この様にすれば天井窓１５が
開放しているので、前述同様に、保持台６０の冷却風導
入孔６３から空気が天井窓１５に向けて上方に流れ易く
なり、所謂『煙突効果』が得られる。よって粗材２の冷
却が促進され、通常の空冷に近いか或いは同様の冷却速
度が得られる。

【００２９】図４は、粗材２の冷却時間と粗材２の温度
との関係を示すグラフである。特性線Ｋは、粗材２を鋳
型内に埋設したまま粗材２を冷却した比較例に係る冷却
過程を示す。特性線Ｐ１は、引張強度特性が急激に変化
する温度領域を保温箱１０を用いて徐冷した本実施例に
係り、粗材２の厚肉部の冷却過程を示す。特性線Ｐ２
は、引張強度特性が急激に変化する温度領域を保温箱１
０を用いて徐冷した本実施例に係り、粗材２の薄肉部の
冷却過程を示す。

【００３０】特性線Ｓ１は、保温箱１０を用いずに粗材
２を空冷した比較例に係り、粗材２の厚肉部の冷却過程
を示す。特性線Ｓ２は、保温箱１０を用いずに粗材２を
空冷した比較例に係り、粗材２の薄肉部の冷却過程を示
す。図４から理解できる様に本実施例に係る特性線Ｐ１
によれば、比較例に係る特性線Ｓ１よりも徐冷効果が認
められる。本実施例に係る特性線Ｐ２によれば、比較例
に係る特性線Ｓ２よりも徐冷効果が認められる。特性線
Ｓ１、Ｓ２による冷却過程と、特性線Ｐ１、Ｐ２による
冷却過程とを比較すれば、粗材２の温度が８００〜７０
０°C 付近から、保温箱１０による徐冷効果が認められ
る。

【００３１】以上説明した様に本実施例によれば、粗材
２の引張強度特性が急激に変化する温度領域を徐冷する
ため、粗材２の残留応力等を軽減または回避するのに有
利であり、従って残留応力の軽減を目的とする焼鈍熱処
理の廃止または簡略化を図り得る。ところで鉄系の粗材
２の場合には、前述の様にＡ₁ 変態点（文献によれば一
般的には７２３°C ）を降温する冷却速度が材料強度に
大きな影響を与えると言われている。即ち鉄系材料を空
冷する場合には、Ａ₁ 変態点の通過速度は大きい方が好
ましいと、一般的には言われている。結晶粒の微細化の
ためと推察されている。

【００３２】この点本実施例によれば、前述した様に６
５０〜５００°C の温度領域では徐冷を図るものの、粗
材２の温度がその温度領域に降温するまでの間は、天井
窓１５を開放して冷却風導入孔６３から導入される冷却
風を期待する。そのため、上記温度に到達するまでの粗
材２の冷却速度は、速いものである。従って粗材２のＡ
₁ 変態点の通過速度を確保でき、材料強度の確保に有利
である。よって、粗材２に含まれる合金元素を必要以上
に増加させずとも良く、或いは、増加するとしてもその
量を抑え得る。

【００３３】更に本実施例によれば、上記温度領域の徐
冷を図るものの、その温度領域よりも低い温度では、天
井窓１５を開放して冷却風導入孔６３から導入される冷
却風を期待する。そのため、徐冷した後では粗材２の冷
却速度は速いものであり、生産能率の確保に有利であ
る。更に粗材２の空洞２ｐをシェル中子で成形した場合
には、鋳造後の粗材２の空洞２ｐの内面にはシェル中子
の残量物が付着している。この残留物と空気中の酸素と
の接触性が向上すれば、型ばらし後における残留物の焼
け性が促進され、残留物が粗材２の空洞２ｐから落下し
易くなると言われている。この点本実施例によれば天井
窓１５が開放されている状態では、粗材２よりも下方に
配置されている冷却風導入孔６３から上方の天井窓１５
に向かう冷却風を期待できるため、図１の矢印Ｙ１に示
す様に、粗材２の空洞２ｐの内部にも冷却風を通過させ
るのに有利となる。故に、粗材２の空洞２ｐの内面に付
着しているシェル中子の残量物と空気との接触性が向上
する。よって、残留物の焼けを促進させる効果、ひいて
は残留物の除去性を向上する効果を期待できる。なお除
去された残留物は、冷却風導入孔６３から排出される。

【００３４】

【発明の効果】本発明方法によれば、引張強度特性が急
激に変化する粗材の温度領域を徐冷するため、合金元素
を増加を抑制しつつ、粗材における残留応力や亀裂を抑
制するのに有利である。本発明装置によれば、開閉シャ
ッタの閉塞操作により開口窓の開口面積を調整するた
め、粗材の徐冷を図り得る。そのため、合金元素を増加
を抑制しつつ、粗材における残留応力や亀裂を抑制する
のに有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】粗材冷却装置を用いて粗材を徐冷している状態
を示す断面図である。

【図２】粗材冷却装置の模式的斜視図である。

【図３】粗材の温度と収容室内の温度との関係を示すグ
ラフである。

【図４】粗材の冷却過程を示すグラフである。

【図５】鉄系粗材の温度と引張強度、耐力、伸びとの関
係を示すグラフである。

【図６】モデル試験片の構成図である。

【符号の説明】

図中、１は粗材冷却装置、１０は保温箱、１２は箱体、
１３は収容室、１５は天井窓（開口窓）、１７は開閉シ
ャッタ、３はシリンダ（シャッタ開閉手段）、３は温度
センサ（温度検知手段）、４は制御装置を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温状態の粗材を常温領域まで冷却する過
   程において、該粗材の引張強度特性が急激に変化する温
   度領域において、該粗材を徐冷することを特徴とする粗
   材の冷却方法。
2. 【請求項２】請求項１において、高温状態の粗材と、該
   粗材を収容可能な収容室及び開口窓を備えた保温箱と該
   開口窓の開口度を可変に閉じる開閉シャッタとをもつ箱
   状の粗材冷却装置とを用い、 該粗材冷却装置の該収容室に高温状態の該粗材を収容
   し、該粗材の引張強度特性が急激に変化する温度領域ま
   では、該開口窓の開口度を大きくするシャッタ開放操作
   を行い、 該粗材の引張強度特性が急激に変化する温度領域におい
   て、該開口窓の開口度を小さくするか該開口窓を閉塞す
   るシャッタ閉塞操作を行い、 該粗材が該温度領域よりも実質的に降温したら該開閉シ
   ャッタの開口度を大きくするシャッタ開放操作を行うこ
   とを特徴とする粗材の冷却方法。
3. 【請求項３】引張強度特性が急激に変化する温度領域を
   もつ粗材を冷却するものであって、 該粗材を収容可能な収容室を区画する箱体と、該収容室
   と外気とを連通する開口窓と、該開口窓の開口度を可変
   に閉じる開閉シャッタとを備えた保温箱と、 該保温箱の収容室内の該粗材の温度を直接または間接的
   に検知する温度検知手段と、 該温度検出手段による検知に基づいて該開閉シャッタを
   開閉制御して該開口窓の開口度を調整するシャッタ開閉
   手段とを具備してなることを特徴とする粗材冷却装置。