JPS61526A - 炭素鋼材の熱処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 この発明は高温の金属を所定の冷却速度で冷却する熱処
理、特に流体冷媒として温水或いは温度の高い懸濁水を
用いて広い範囲の冷却速度を得られるような金属の熱処
理方法とその装置に関するものである。

口、従来技術及びその問題点 高温の金属を温水中に浸漬すると金属表面に蒸気の膜が
生成し、これが金属と温水との直接の接触を妨げるため
金属の冷却速度が遅くなることはｐ　　　　　ｍ＜９１
１１°ｔ’ＬｔｌＮ７ａ・ｃ　ｏ＞ｆＪｔ？）Ｉｆ＝！
ＪＨＩＩ７％＠　ｈ　Ｑ”が、この冷却方式を金属の熱
処理例えば高炭素鋼線材をパテンチング処理に利用する
方法は特公昭４５−８５６３号公報に記載され公知にな
っている。従って以下においては本発明を高炭素鋼線材
のパテンチング熱処理を例として説明するが、この方法
がその他の金属の熱処理にも利用可能であることは勿論
である。

ところで従来高炭素鋼線材のパテンチングに温水を使用
する場合には温水の温度は略沸点に近い温度に限られて
いる。その主たる理由は（ａ）温水（湯）温度の温度管
理が極めて容易であること、（ｂ）沸点に近い温水温度
でも処理される高炭素鋼線材が細い場合には一応満足で
きる冷却速度が得られ、例えば鉛パテンチングした線材
には劣るが、所要の引張り強度が得られるからである。

しかしこの温水温度では材料の材質、表面状態等が一定
であれば、表面積光たりの奪熱量は一定であり冷却速度
を変化或いは制御することはできない。従ってこの方法
では線材の直径が大きくなると冷却速度が小さくなり、
不充分な強度の熱処理した線材しか得られない欠点があ
る。

これに対し冷却速度を大きくすること、即ちパテンチン
グの場合には鉛パテンチングと同じ強度を得たい希望は
大きい。このため温水（冷媒）の温度を沸点より大きく
下げた状態、即ちサブクール状態で熱処理する試みが行
われているが、湯温を下げる（サブクール度を大きくす
る）と蒸気膜が不安定となり、膜沸騰から核沸騰に移行
する温度が変態点以上に高くなる。この結果移行温度か
らの冷却速度が著しく（過度に）速くなって、焼きが入
る現象、即ちマルテンサイトが全体又は核沸騰の核の近
くの局部に発生する現象を招来するので不成功に終わっ
ている。

その他冷却速度を高めるため冷媒を攪拌して処理物体と
の相対流速を与える試みもなされ、例えば特開昭５７−
９８２６号のように略沸点の温水中に空気を吹き込み攪
拌することで成程度の効果が得られているが、この方法
でもパテンチング処理した線材の強度は鉛パテンチング
の場合より数ｋ（ｊ　／　ｍｍ低い結果に終わっている
。

この現状に対し本出願人等は温水中に空気を吹き込むと
温水をサブクール状態、即ち沸点よりかなり下げても、
膜沸騰が安定することを発見し、所謂サブクール状態で
の熱処理方法として特願昭５８−９１９２３号を出願し
た。

しかしながらこの方法においては単に空気を温水中に吹
き込む方法であるため発生する気泡径が５ｍｍ以上の大
きさのものを含む状態であり、気泡分散の均一度が時間
と場所で異なり不充分となり、結果として蒸気膜の安定
化が不満足なものでしかなかった。本発明は該方法の改
良であり、しかもパテンチング以外の一般的な熱処理に
用いることができるものである。

ハ９発明の構成 この発明は前記の空気吹き込みにより生成した気泡を液
中で裁断して細かくし直径が略］Ｍ程度あるいはそれ以
下の長径の気泡とした温冷媒の中に金属を浸漬して熱処
理することを特徴とするものである。

本発明者等は空気吹き込みにより生成した気泡を冷媒中
で裁断して略１ｍｍ程度あるいはそれ以下の気泡とする
と冷媒中での気泡の分散が均一となり蒸気膜がより安定
化すること、更には該冷媒を攪拌すると蒸気膜がより安
定した状態で冷却速度が向上する（蒸気膜により過度に
はならない）との知見を得て本発明を完成したものであ
る。

温水等の冷媒中に気体を吹き込み生成した気泡が混在す
る混相を気（泡）水湿相流体（一般的には気（泡）液流
体）と名付ける。これは気体中に液滴が混在する状態の
ミスト状態と丁度逆の構造の状態である。

ところで例えば温水槽の底部に常温の空気を吹き込み気
泡を生成させると、気泡は熱膨張することは当然である
が更に気泡中には水が温水温度での平衡蒸気圧に達する
まで蒸発するので気泡は急速に著しく膨張すると共に浮
上して場面から放散して行く。この気水混相流体の状態
を定量的に表示するには先ず単位場面面積当たり単位時
間に浮上して放散する気体（気泡）の容積を取ることが
１　　　　”ゝ、　ｃｔｙｌｅ２’４ＨＡＫｈ８Ａ’ｒ
＋ｊ；ｂ・＊＊ｏｘｓａ度は単位場面面積当たり単位時
間に吹き込む空気量を測定し、この値から熱膨張率と気
泡内に蒸気が平衡蒸気圧まで含まれると仮定した場合の
膨張率から大略の値を計算で求めることができる。温水
に常温の空気を気体として吹き込んだ時の気泡の膨張率
は大凡第１図に示す通りである。

また気水混相流体の状態は気体相が全体中にしめる容積
比率、即ち気体混相率（ガスホールドアツプとも言う）
で定量的に表示することができる。

例えば湯中に空気を吹き込んだ場合の気体混相率は空気
吹き込みをする前と後の場面の上昇度合、即ち全体の体
積の増加から求めることができるが、この場合気泡が均
一に分散していないと場面が乱れるので均一に分散して
いることが前提となる。

湯水中に常温の空気を吹き込んだ時の空塔速度と気体混
相率との関係の一例は第２図の通りである。

以上の説明では吹き込む気体の状態を常温とし、該気体
は冷媒蒸気を殆ど含まず（湯水に対し常温で飽和した空
気或いは加圧空気はこの状態である。）、気体中の蒸気
圧が考慮する必要がない程低い場合である。この場合は
気泡中に冷媒が蒸発して蒸発熱を冷媒から奪うため気体
の吹き込みは一般に冷媒温度を低下させる。従って処理
される高温の金属材から冷媒への入熱量との兼ね合いを
考慮して冷媒である金属液混相流体の温度を切っていに
保つために冷媒を外部から加熱或いは冷却する補助装置
が必要となる。本発明者等は特願昭５８−９１９２３号
記載のように吹き込み気体を予熱し、予め気体中に冷媒
の蒸気を混合して蒸気圧を高めておくと気泡中への蒸気
の蒸発量が減少し、それだけ冷媒を冷却する能力が弱く
なり、このような気体の予備調湿処理により冷媒の温度
を管理できることを指摘した。この方法は本発明の場合
にも有効に利用できるものである。更に本発明について
は気泡が細分化されているので気泡の比表面積は著しく
大であり、蒸気が蒸発して気泡内が平衡状態になる時間
が短く、気泡内が不飽和の状態のまま冷媒表面から放散
することが起こり難く奪熱量が一定となるので冷媒の温
度管理がそれだけ容易となる利点が生ずる。

連続的に高温の金属材を処理する、例えば線材の直接パ
テンチング処理のような場合には一般にこの蒸発潜熱に
よる奪熱では奪熱量が不足気味のため外部冷却を必要と
する。しかし通常の熱処理においては気体の予備調湿処
理即ち予熱と蒸気圧増加処理は冷媒の温度管理のために
極めて有効である。

本発明方法では膜沸騰冷却を利用して所望の熱処理を行
うものに適用するものであるから、冷却において膜沸騰
が容易に生成するような冷媒条件でなければならない。

通常本方法による熱処理に用いられる水の場合には常温
の水では膜沸騰は殆ど現れない。従って水の場合はサブ
クール状態といっても約４５℃以上で望ましくは７０℃
以上の温水にする必要があり、且つ低温では膜沸騰を助
ける添加剤を用いることが望ましい。

本発明方法においては気泡の直径を約１　ｍｍ程度に細
分化するが、これにより気泡の液中分散が非常に均一化
することになり、被処理金属材の表面に生じて射る蒸気
膜の表面に平等に気泡が到達する。その事が表面の蒸気
膜を膨張させる作用があると共に気体の種類によっては
蒸気膜中の気体組成を変化させて被処理金属材の表面に
何らかの化学変化をｔらす場合があり、更に核沸騰を起
こしている無蒸気膜部を気体が修復するので、結果とし
て蒸気膜を安定化すると共に核沸騰の誘発を抑え全体と
して膜沸騰を安定継続せしめることになるものと推定さ
れる。

このように蒸気膜に均一に気泡が到着する必要があるの
で、本発明においては気泡の量即ち空塔速度或いは気体
混相率には下限が存在するが、限界値は使用する気体、
液体の種類によって変化する。この限界値については以
下の実施例によって理解することができる。

また上記では本発明を水を主成分とする液体について説
明したが本発明の趣旨や範囲内に於いて他の液体、例え
ば懸濁液や油、合成油等の場合にも用いることもできる
ことは当然である。

以下本発明方法を実施するための装置を図面に１・　　
　　　　　も８ずパフ説明する・第７図は本発明の熱処
理装置の一例を示したものである。

冷媒を収容した処理槽（１）の下部に気体吹込み管（２
）をもうけ、且つ気体出口の中心軸を介して泡切断機用
モーター（４）によって駆動される泡切断機αａが取り
付けられている。処理槽（１）内には攪拌機（６）がも
うけられ、被処理金属材（８）が処理槽内の冷媒中に釣
り下げられる。また配管０１）がもうけられ処理槽（１
）の上部側から冷媒（７）を抜取り熱交換器（９）を経
て循環ポンプθ０で再び処理槽（１）の底部から送り込
むようになっている。この他処理槽に冷媒を供給するた
めの供給槽を付属してもうけ処理槽とパイプで連結して
も良い。

処理槽（１）に冷媒を入れ、下部の気体吹き込み管（２
）から気体を吹き込むと大径気泡（３）ができるが、そ
の上昇通路にもうけた泡切断機αりの回転によって切断
され直径約１　ｍｍ程度の気泡（５）となって細分化さ
れ均一に分散されて冷媒中を浮上し、気液混相流体（７
）が形成される。その際攪拌機（６）により流体を強力
に攪拌し、また循環ポンプ０＊を動かして気液混相流体
の温度を一定に保持する。このようにして形成された気
液混相流体の中に高温に加熱された金属材（８）を浸漬
すると前記の説明のように安定した膜沸騰による適当な
冷却速度の熱処理ができる。

泡切断板ａ功は例えば１０ｍｍ程度の小円形孔を多数有
する円板が良く、或いは羽根車のようなものを回転させ
ても良い。この泡切断機に攪拌能力を兼備させて、攪拌
機を省略することもできる。

更に気体吹き込み装置に加熱したり加湿したりする予備
調湿装置をもうけて冷媒の温度を制御するようにするこ
ともできる。

第７図の例では被処理金属材を間歇的に浸漬処理する実
施例を示したが、本発明の趣旨を逸脱することなく長尺
品等を連続浸漬処理できるように変形することもできる
。

二、実施例 実施例ｌ ５ＷＲＨ８２Ｂの材料、即ちＣ００８％、Ｓｉ０．２％
、Ｍｎ０．６８％の高炭素鋼の直径１３ｍｍφの丸棒を
９５０℃に加熱し、第７図に示す装置で温水に浸漬して
熱処理した。これは高炭素鋼材のパテンチング処理に相
当する。その場合に泡切断機なしで槽中の温水に常温の
空気を吹き込んだ状態の気水混相流体と吹き込んだ空気
泡の上昇通路に泡切断機として回転有孔円盤を設置して
気泡を切断した状態の気水混相流体の２種類の冷媒で実
験して比較した。観察によると泡切断機なしの場合には
気泡の大きさは直径が約５ｍｍ程度であり時として１０
ｍｍ以上の直径の気泡が混在していたが、泡切断機を回
転した場合は気泡直径は約１　ｍｍであった。気体の吹
き込み量としては空塔速度３　ｃｗｒ　／豊、気体混相
率０．１を目標して吹き込んだ。得られた結果は第３図
の通りであった。

即ち単純な空気吹き込みの大気泡の場合は図中の実線で
示す範囲の結果で、湯温が７５℃以下では核沸騰が始ま
りマルテンサイトが発生することが多く、且つ得られた
引張り強度は本発明のように気泡を１　ｍｍ程度に切断
した場合に比し低い。一方泡切断がある場合は湯温が６
５℃になってもマルテンサイトの発生がなく、図面の点
線の範囲の強度を有し適度の急冷による良好な焼き入れ
効果があることがわかる。明らかに細かい気泡の方が膜
沸騰が安定であり、しかも冷却効果が良好である。

この事実は本発明の方法のように粒の細かい気泡の方が
、その分散が槽の隅々まで均一で、被処理材の表面に生
じている蒸気膜に均等に掴まえられ易く蒸気膜を膨張さ
せて安定化すると共に、被処理材の表面に酸化反応を起
こさせ、結果として蒸気膜の破壊を防止し、従って核沸
騰をより良く防止するものと考えられる。また切断用の
有孔円盤の回転により冷媒が強く攪拌され気泡がより均
等に蒸気膜に到達し気泡の捕捉が促進されてそれだけ蒸
気膜が安定化するのみならず、冷媒と被処理材との間の
ｔ目射流速が大となり、そのため冷却速度が大きくなっ
て、結果として引張り強度の向上をもたらしたものと考
えられる。

本実験により気泡を細分化して粒径を揃えるこ（お（よ
り、や。エイ。９４工、あ６゜おヵ５カカ、６カ５、こ
のことは大きな槽中で長尺品を連続熱処理する場合には
特に著効がある。

また被処理材の寸法にもよるが、気泡の粒径は約１　ｍ
ｍ前後が実用上充分の効果がある。

実施例２ 実施例１と同じ成分で直径１０ｉ＋ｍφの試料を用い、
冷媒温度８０℃で前記同様の２種類の気水混相流体に浸
漬した場合の材料の中心部の冷却曲線を測定した。また
相対流速の効果を調べるために気泡径１　ｍｍの場合に
Ｑ、５ｍ／ｓｅｃの速度を流体中を試料の軸に直角方向
に移動させながら同様の測定を行った。

その結果は第４図の通りであった。

この結果から冷却速度は相対流速を与えたもの■が初期
には若干速いが、本材料のパーライト変態後の冷却曲線
に注目すると、大径気泡−細径気泡一相対流速あるいは
細径気泡の順序で核沸騰への転化する温度が低下してい
る。即ちそれだけ蒸気膜が安定していることが分かる。

実施例３ ＳＷＲＨ８２Ｂ材の直径１１ｍｍφの短尺の棒材を無酸
化雰囲気中で９５０℃に加熱した後、温水に空気を吹き
込み直径１　ｍｍ前後に気泡を切断均一に分散させた気
水混相流体からなる８０℃の冷媒に浸漬して熱処理（パ
テンチング処理）した。吹き込む空気の量を変化させて
得られた材料の強度を測定した。得られた結果は第５図
の通りであった。

図面の横軸は吹き込み空気量と共に計算から得た空塔速
度を併記しである。

この結果から空塔速度がＱ、　５　ｃｍ　／　ｓｅｃ以
下ではマルテンサイトが発生しており、核沸騰の誘発を
完全には防止することができないことが判る。即ち安全
を見て１　ｃｍ　／　ｓｅｃ以上では核沸騰が発生しな
い。

また空塔速度を大にすると冷媒の攪拌が強くなり従って
冷却速度が上昇して得られる強度が次第に上昇するが、
次第に飽和する傾向があることが判る。観察によると空
塔速度を２０６ｍ／ＳｅＣ以上にすると空気量が多くな
るので空気が気泡の形にならず所謂吹き抜けの現象を呈
するようになって良くない。空塔速度は１〜２０ＣＩｎ
／ｓｅｃが適当であることが判る。尚この空塔速度の望
ましい範囲は、冷媒を構成する気体、液体の種類や液処
理金属材の表面状況等によって若干の変化がある。これ
らの空塔速度はこれを気体混相率にすると０．０５〜０
．３５に相当する。（第２図参照） 実施例４ 実施例３と同じ金属材を同じ条件で加熱し、気泡径的１
ｗｕｎとし空塔速度５　ａｎ　／　ｓｅｃで冷媒の温度
を変化しで、温水の場合とこれに界面活性剤を添加した
場合の得られる強度を比較測定した。界面活性剤として
はＰＶＡを０．０３％添加した。

得られた結果は第６図の通りであった。

この結果から界面活性剤を添加する同じ冷媒温度で得ら
れる強度は若干低いが、マルテンサイトが低温の冷媒ま
で発生せず、低温造膜沸騰が安定であることが判る。界
面活性剤を添加すると同じ空塔率でも気体混相率が増加
する現象が認められるので、これが冷却速度を若干低下
させる原因となっているものと考えられる。

このような熱伝達率を変化させるような物質を添加した
溶液、或いは懸濁液は攪拌量等の条件と組合わせて目的
によって採用できるものである。

ホ５発明の効果 以上に詳しく説明したように本発明の熱処理方法及び装
置は次の効果を有するものである。

１、気泡の大きさを１　ｍｍ前後またはそれ以下と細分
化されているので、その分散が均一となり複雑な形状或
いは長尺の金属物品の隅々に迄均等に気□泡が到達し、
そこの膜沸騰を安定化させるので、大きなサブクール状
態でも所望の膜沸騰冷却が実施できる。

２、泡切断機や攪拌機によって冷媒が強い攪拌状態とな
るため冷却速度が大きくなると同時に更に膜沸騰が安定
化する。

３、気泡径が小さいので気泡内の蒸気圧が平衡状態に速
やかに到達し、蒸発による冷媒からの奪熱量のばらつき
が小さく、気体吹き込みした冷媒の温度管理が容易とな
る。

即ち加温した冷媒に気体吹き込みを行い且つす１　　　
　″−“′Ｆ！！［４−”ｎｔｒａ”４ｊ、ｌＪＭＫ−
え、１つ核沸騰を防止して過度の冷却を制御することが
できて良好な熱処理材を得ることができる有効な方法、
装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は温水に常温の空気を吹き込んだ場合の発生した
気泡の膨張率と温水温度の関係をしめずグラフ、第２図
は空塔速度と気体混相率の関係をしめずグラフである。 第３図は従来の方法と本発明の方法で鋼材のパテンチン
グ処理をした場合の冷媒温度と得られた引張り強度の比
較関係を示すグラフ、第４図は同処理の場合の鋼材中心
の温度の低下曲線を示すグラフ、第５図は本発明方法に
よる空気吹き込み量と得られる材料の引張り強度の関係
を示すグラフ、第６図は界面活性剤を添加した場合の冷
媒温度と引張り強度の関係を示すグラフである。第７図
は本発明の装置の一例を示す正面断面図である。 （１）・・・処理槽、　　　　　（２）・・・気体吹込
み管、（３）・・・大径気泡、 （４）・・・泡切断機用モーター、 （５）・・・径約！　ｍｍの気泡、　（６）・・・攪拌
機、（７）・・・気液混槽流体、　　（８）・・・金属
部品、（９）・・・熱交換器、　　　　００・・・循環
ポンプ、０１）・・・配管、　　　　　　０■・・・有
孔円盤。 代理人　弁理士　１）中　理　夫 第１同 第２図 空ま’？　ｔｈＡ　　鵠。 第３図 ；今１某温度　（た） 櫂 第４図 ９寺　藺　（Ｓ把ン 第５図 第６図 ＾１某−ｉｔ、ｐｔ＜と） 第７図 徨１ギア７″　　　　　　　ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温の金属類を直径約１ｍｍ或いはそれ以下の気泡
   が多数液体中に均一に分散した気液混槽流体からなる冷
   媒中に浸漬して冷却熱処理することを特徴とする金属類
   の熱処理方法 ２、気液混相流体における気体の空塔速度が１〜２０ｃ
   ｍ／ｓｅｃであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の金属類の熱処理方法 ３、気液混相流体の気体混相率が０．０５〜０．３５で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第
   ２項記載の金属類の熱処理方法 ４、液体が水或いは熱伝達率を変化させる物質を含む水
   溶液または懸濁水であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第３項いずれかに記載の金属類の熱処理方
   法 ５、気液混相流体の温度を４５℃以上で液体の沸点以下
   に維持して処理することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第４項いずれかに記載の金属類の熱処理方法 ６、気液混相流体を強い攪拌状態として処理することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項いずれかに
   記載の金属類の熱処理方法 ７、高温の金属類を流体の冷媒に浸漬して冷却熱処理す
   る装置において、槽中の液体に気体を吹込む装置をもう
   けると共に生成した気泡を細分する泡切断機を液中にも
   うけた冷媒槽を熱処理槽として有することを特徴とする
   金属類の熱処理装置 ８、金属類を浸漬処理するための熱処理槽に連結した液
   上冷媒を供給する供給槽をもうけたことを特徴とする特
   許請求の範囲第７項記載の金属類の熱処理装置 ９、熱処理槽中に冷媒を強力に攪拌する装置をもうけた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第７項若しくは第８項
   記載の金属類の熱処理装置 １０、冷媒を所定の温度に維持する温度調節装置をもう
   けたことを特徴とする特許請求の範囲第７項乃至第９項
   いずれかに記載の金属類の熱処理装置 １１、気体を吹込む装置に気体を加熱する装置及び、ま
   たは気体中に液体の蒸気を送り込む装置をもうけてある
   ことを特徴とする特許請求の範囲第７項乃至第１０項い
   ずれかに記載の金属類の熱処理装置