JPS63125613A

JPS63125613A - 試験片に対する焼き入れ試験装置

Info

Publication number: JPS63125613A
Application number: JP62226248A
Authority: JP
Inventors: パトリス・シユベグレール; ジヤン−ジヤツク・デブリ; ベルナール・クルマン; フランソワ・モロー; ジヤツク・オリビエ
Original assignee: Servimetal SA
Current assignee: Servimetal SA
Priority date: 1986-09-11
Filing date: 1987-09-09
Publication date: 1988-05-28
Also published as: FR2603901B1; FR2603901A1; EP0260207A1; JPH0325485B2; US4840353A

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】本発明は冷却液、特に焼入れ液を研究し、材料さらに特
には鉄および非鉄合金の焼入れ条件を最適化し、および
これらの焼入れ性を計測するだめの装置に関する。

技術の背景多くの金属合金は、これらが高温から、所定の冷却速度
で所定の条件下で冷却させる液の中へ焼入れする段階を
含む熱処理により得られる特に均一な構造とされたとき
に最も高い機械的性質を有することは知られている。

しかしながら、もしこれらの条件が満足されないときは
、これらは変形し、有害な内部応力が発生し、かつ焼入
れ成分内に収縮割れさえ発生する。従って焼入れ条件を
知シ、これらを極めて正確な方法で製造することが重要
である。

焼入れ操作は一般に液媒体内で行なわれ、液媒体は所望
の冷却速度に応じて、水膨、油彩または溶融（溶融塩）
形であり得る。

一旦高温に上げられた部品が蒸発性液体内に焼入れされ
ると、冷却作用は低下する温度に対応して３つの個別段
階で行なわれる。即ち、−第１段階は「温発泡（ｃａｌ
ｅｆａｃｔｉｏｎ）　Ｊ　Ｋ相当する。部品は蒸気の筒
で包囲され、蒸気の筒は部品を焼入れ液から遮断し、か
つ冷却速度を遅らせる。

−第２段階は核沸騰に相当し、いわゆる部品上の多数の
点に蒸気泡が付着する外観を呈する。

および −　最終の第３段階は焼入れ液と部品との間の直接接触
による伝導および対流による冷却に相当する。

焼入れ媒体の品質は試験により評価可能で、熱の良伝導
体でありおよび／または温度センサが配置されている当
該温度範囲内ではいかなる同素変態も示さない金属（例
えば銀）の標準試験片を、制御された加熱炉内で高温に
加熱し、試験片を加熱炉から取出した直後にそれを焼入
れ媒体に浸漬し、時間経過に伴なう温度変化を記録する
ことからなる。

このようにして、各焼入れ媒体に対し同一初期温度を用
いて、一連の温度対時間曲線および冷却速度対時間曲線
（誘導曲線）をプロットすることが可能で、これにより
前記媒体の品質および欠点を目的をもって評価可能であ
る（このような曲線を「急冷曲線」という）。

現在量も広く使用されている焼入れ剤は鉱物油または植
物油であるが、これらは、例えばポリビニルアルコール
、ポリオキシアルキレンクリコール、ポリアクリルアル
コールおよびポリビニルピロリドン（フランス特許第２
５０７２０９　号、第２５３７９９７号、第２５３７９
９８号および第２５３８００２号（ＳＥＲＶＩＭＥＴＡ
Ｌ）　）　（７）　ヨウ＆　水溶性ポリマーをベースに
した水溶液にとって替わられる傾向にある。

従って焼入れの専門家の観点からすれば、できるだけ工
業的用途に近い条件で、金属合金または他の新材料と既
知の焼入剤との関係、ならびに新焼入れ剤の前記材料と
の関係を正確かつ再現性のある形で試験することを可能
にする１個の装置を手元に有すれば、極めて有用である
。

本発明の要旨は焼入れ液と、その混合と、および試験片
形状の材料の焼入れ性との研究用装置であって、装置は
試験片を加熱する加熱炉と、各試験片を焼入れ液中に導
入したシ焼入れ試験片を引上げたシする手段と、焼入れ
液を含む焼入れ槽と、および焼入れ液を循環する手段と
からなる。

本発明によれば、焼入れ槽は液の循環および分散を組織
化しその速度を制御する手段によって接続される上部槽
と下部槽とからなり、上部槽には槽の軸方向を向く複数
個の半径方向ノズルを含み加圧液源に接続された少なく
とも１個の円形列（プレイ）によセ形成された液下イン
ゼクタ（注入装置）が設けられ、上部槽の上方部分は液
を加圧手段へ戻すだめの導管を含み、および下部槽には
別の加圧液取入口と液の温度を記録し制御する手段とを
含む。これにより本装置は、与えられた部品と与えられ
た材料に対する液の最適の撹拌および混合を決定するこ
とを可能とする。

具体例本発明による装置は基本的に４つの部分、即ち加熱炉（
線ＡＡ’の上部）、　装入部（線ＡＡ’　　とＢＢ’と
の間）、焼入れ槽（および熱交換器）（線ＢＢ’とＣＣ
′との間）および焼入れ液の撹拌システムならびに安全
槽（第１図の下部、線ＣＣ／の下側）からなる。

１、電気抵抗手段を有する加熱炉１は、周囲温度から１
２００℃までの温度範囲の達成を可能にする。本発明の
実施例において、加熱炉の出力電力は１４００ワツトで
あり一方その内径は７０１３１であり長さは２００絽で
あるので、現在一般に使用されている試験片、例えば１
．ｇ８．Ｌ２４および＄１６　、Ｌ４８の銀試験片、＄
３５゜Ｌ　１０５ｆｌの試験片「Ｕ」、まだは本適用例
で開発されたような、鋼３８Ｃ２からなシ頂角２０°の
くさび形状に加工された、直径３Ｑｍ。

片と呼ばれるような特殊試験片など、種々の試験片の使
用を可能とする。

温度は熱電対２で測定され、表示されかつ制御される。

弁４を設けた導管３は、窒素または窒素−水素混合物の
ような不活性ガスの加熱炉への注入を可能にする。

加熱操作およびそれに続く焼入れ操作の間、試験される
べき試験片５は上部板７を貫通するロッド６により支持
されるが、上部板７はわずかな隙間を有するオリフィス
を残して加熱炉を密閉し、ロッドの上下運動は油圧ジヤ
ツキ８により制御される。

第２のジヤツキ９は焼入れ操作中、ロッド６を支持する
ヘッド１０に鉛直方向振動を与えるが、この機能につい
てはさらに詳細に後述する。

加熱炉の下部にも密閉滑動板１１が設けられ、滑動板１
１はジヤツキ１２で制御される。安全ロック１３により
、滑動板の運動を試験片５の下方向運動に依存させるこ
とが可能である。

２、装入部は焼入れ槽を覆う鐘状部１３で形成され、こ
れにより焼入れ液の窒素による保護が可能になる。この
ような保護は液が油であって高温（２５０℃以下）に加
熱されるときは不可欠である。鐘状部１３は連結管１４
を介して加熱炉に結合されるが、連結管１４は、着脱式
かまたは鉛直ヒンジ軸のまわシの回転運動により開放さ
れる２つの半円筒で形成される。管１４の開放運動は鐘
状部を遮断するためのフラップ１５の運動と同期し、こ
れによυ焼入れ液上に窒素雰囲気を形成しながら試験片
の導入または引上げを可能とする。窒素は弁１７で制御
される導管１６を介して鐘状部内に導入される。

３、焼入れ槽２０は２つの部分、即ち上部槽２１と下部
槽２２とからなる。上部槽２１はシリンダで形成され、
シリンダの上部には溢流リング２３が設けられ、溢流リ
ングの外側周縁部分２４は鐘状部１３に密封接続される
。上部槽２１はさらに、試験片５が焼入れを受けるとき
に試験片５が占める高さ位置に配置されている目標口２
５と、焼入れ液の温度および／または流速を検知するた
めのセンサの設置を可能とするシール継手からなる複数
個の「タップ開口」２６（このうち３個が図示されてい
る）とを含む。最後に上部槽は、試験片の周囲に分散配
置されたノズルからなる液体の直接注入装置４０を含む
。これについては後述する。

下部槽２２は、液の分散と流速とを制御するための格子
２７のような特殊装置により上部槽２１から分離される
が、この装置の機能については後に詳述する。

下部槽はさらに、２８で示すヘアピン形の電気加熱要素
（浸漬ヒータ）と、２９で示す位置調節が可能な液の温
度および／または流速を検知するためのセンナとを含む
。

焼入れ液の撹拌および混合装置は、全体撹拌と減下注入
とを可能にする。この装置は次のものからなる。

一１時間あたｐ１全液量（槽＋導管手段）の例えば５０
〜２００倍の高流量を出力する循環ポンプ３０゜一プレート型熱交換器３１゜焼入れ液の温度範囲（周囲温度から２５０℃まで）を考
慮すると、加熱（抵抗手段２８）と冷却（熱交換器３１
）とにより組合せ制御を行なうことが必要になる。ＰＩ
Ｄ（比例／積分／微分）型のこの制御効果は、液温に関
して±１℃の精度を提供する。

−多くの焼入れ油は特に２００マたは２５０℃に加温さ
れるａ引火するという事実を考慮して、安全手段として
提供される急速払出し槽３２゜急速払出しは、手動によ
り（この制御モードはｆ−、Ｑンチアウト」制御といわ
れる）または鐘状部内の温度上昇を検出して（センサ３
３）自動的に行なわれる。急速払出し操作のとき、管１
６と弁１７とを介して窒素、または７ツ化炭素のような
消火ガス鐘部１３内への注入が同時に行なわれる。

一液を加圧して下記のような注入を可能にする導管と弁
との組合せであって、・　弁３５を開にし弁３６と３７とを閉にして導管３４
を介して下部槽２２へのみ注入するが、流速はロータメ
ータ３８によｐ測定され、かつ液は導管３９を介してポ
ンプ３０に戻され（この管路は「全体撹拌」管路という
）、・　または弁３５と３６とを閉にし弁３７を開にし
て、導管４１を介してインジェクタ４０へのみ注入する
が、流速はロータメータ４２により測定され、かつ液は
リング部分２３へ溢流することにより戻されて、導管３
９を介して抜出され（この管路は減下注入管路という）
、・　または弁３５と３７とを開にして（弁３６は閉の
まま）、両方の管路へ同時に注入される、ような注入を
可能にする導管と弁との組合わせからなる。

焼入れ液を試験片に対して循環し撹拌する手段は本発明
の基本点の１つでおる。

このような循環および撹拌の効果は、効果を最大化する
だけでなく、使用液の種類および試験片の性状に無関係
に制御され、測定可能でかつ再現つの手段を含む。

１、下部槽２２から試験片５の周９を通過する液の循環
。第１図に示すような、試験片に対する相対位置（高さ
方向）に無関係に格子２７を配置するこの単純な方式は
、液循環流を試験片の周シに確実に収斂させることはで
きない。この方式が適切な例は少数の例にのみ限定され
る。

第２図では、単純格子は辺長１０ｍ＋１１の正方形断面
の空洞所有のはちの巣形状の分離器５０に置換され、そ
の上方には直径が試験片の直径に対応させた開口５２が
設けられるが、開口の直径は、最も広く使用される試験
片に対しては３０〜６０■の大きさである。実際に液体
流通過直径は少なくとも試験片の直径に等しくなければ
ならず、試験片直径の１〜５倍の範囲が好ましい。

はちの巣通路は、試験片に到達する液が実質的に発散さ
れる前に平行流の形成を促進し、これにより試験片の周
シに高速循環擬似層流を形成してを支持するが、収斂円
錐５３は流れ断面の減少により液の循環速度を増加させ
る。

タメータ５５のプロペラ５４の位置と試験片５との関係
を示す。ロータメータ５５は試験の途中において任意に
位置セットまたは抜出しが可能であて組立体は収斂円錐
５６のみを用いているが、収斂円錐５６は液が全く到達
しなかったシあるいはわずかじか循環しないデッドゾー
ン５７を試験片５０周シから大部分除去できて有利であ
る。

充填部材５８は、試験片に対する円錐５６の高さの調節
を可能にする（分解後）。

２、液を試験片の周シに循堕させるだめの第２の手段は
、減下インゼクタ（注入装置）４０で形成される。図示
の特定構造においては、インゼクタは２つの重ね列（ア
レイ）６０．６１からなシ、各列にはそれぞれ相互に１
２００間隔に配置された３個のノズルが設けられ、重ね
列は注入液の流速または流れ形状を変えるように交換も
可能である。

同様にインセクタ４０全体は、分解可能な継手６３によ
り分解ならびに交換が可能である（第１図参照）。

最後に、例えば温発泡効果を遅速させたうまたは不安定
化させるために、発振ジヤツキ９の作用によυ支持ロッ
ド６従って試験片５に所定の周波数ならびに振幅の振動
を与えることにより、焼入れ効果を修正可能である。

前記の試験片の機械的振動は、ピエゾ電気効果または磁
気ひずみ効果を利用する通常の型の超音波発振器で行な
ってもよく、振動の効果は放出されて試験片に集積され
る。

装置には一般に測定手段が付属される。種々の温度（加
熱炉および液）の測定および制御は既述の通υである。

特に重要な測定は、試験片内の温度勾配を求めるために
２点（中心と表面）で採取される試験片の温度測定であ
シ、これは試験片内の任意に選択した位置に開孔された
オリフィス内に配置され支持ロッド６を介して記録手段
７０に接続される小型の熱電対により行なわれるが、記
録手段７０は試験過程において温度一時間曲線とその微
分値（冷却速度一時間）とを直接プロットする。

焼入れ液の循環速度は、管路上の種々の点および上部槽
ならびに下部槽内で、スクリュー型ロータメータで測定
される。測定は、検出器の前面内の２枚羽根スクリュー
またはプロペラ５４の回転により誘導される電流の変化
を基準にしている。

行なわれる測定は、０．１〜７ｍ／ｓの範囲内で相当正
確である。ロータメータ３８．４２は固定式である。第
１図の２９に相当するロータメータ、即ちタップ開口２
６を介して手段２７と試験片５との間まだはノズル６２
のレベルに配置される５５のようなその他ロータメータ
は、着脱式および／または可動式である。

片に循環されるような構造とした。焼入れ槽は５０リツ
トルの全容積を有し、そのほかに外部管路の全容積は２
０リツトルである。循環ポンプは１０ｍ’／ｈの最大流
速を有する。ロッド６の先端の試験片５をシリンダ１４
（装入部）の位置で設定する操作は手動による。その他
の操作はすべて自動である。試験片の移動および位置決
めはジヤツキ８により行なわれ、ジヤツキ８はその速度
および位置が制御され、かつ２つのタイマで操作される
が、一方のタイマは加熱時間（温度の上昇とその温度レ
ベル保持）を与え、他方のタイマは下記サイクルに応じ
た液中浸漬時間を与える。

−人：装入部（開始点） −Ｂ：加熱炉内への移動と温度上昇 −〇二焼入れ槽内への移動（制御され調節された速度で
） −Ｄ：取出部への引戻しおよび新しいサイクルの開始。

試験片層ｐの液の循環および撹拌の効果を評価するだめ
に、液の循環速度は、試験片の付近（第３Ｂ図）および
さらに特には収斂部材５６の上方部分５９と試験片５の
底部との間に配置箸れたロータメータ５５によυ測定さ
れたが、ここで試験片はタイプ５ＦＢ（銀、平底φ１６
ｍ、　Ｌ４８１＋１１’１であり、ロータメータがタッ
プ開口２６の位置にセットされ、試験片は注入ノズルの
位置に配置された。

これらの測定は下記の異なるケースで実施された。

−ｒＴＲＡＴＨＥＲＪ油（ＭＩＬＬＯＩＬ社の製品）、
５０．８０および１５０℃にて、 −ｒＴＯ１０Ｊ油（ＭＯＴＵＬ社の製品）、５０および
８０℃にて、一純水２０℃にて、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を１．２５重量％添加
した水、２０℃にて。

得られた結果は次の通シである。

これらの高い速度は通常の工業的条件下で得られるもの
よシ実質的に犬である。

さらに、試験片５が取外されたとき速度は３〜１７チだ
け上昇し、従ってそれは８０℃においてロータメータ５
５の位置において１ｍ／ｓをはるかに超えることに注目
すべきである。

接続導管内では、測定された速度は３．３〜３．５ｍ／
ｓのオーダーである（ロータメータ４２．３８）。

本発明による装置は従って、油または溶液タイプの焼入
れ液の試験片に対する挙動と、金属合金のような材料の
焼入れ性とを研究し、これにより与えられた焼入れ液と
与えられた熱処理条件とに対する急冷曲線を正確かつ再
現可能な形で確立することを可能にする。与えられた既
知材料または新材料に対する液の焼入れおよび撹拌条件
を事前に研究し、決定しかつ最適化することもまた可能
となる。

【図面の簡単な説明】

図は液の分散を制御する装置詳細部の縦断面図でおる。１・・・加熱炉、３，１６・・・導管（不活性ガス）、
４゜１７・・・弁（不活性ガス）、５・・・試験片、６
・・・ロッド、８，９・・・ジヤツキ、１３・・・鐘状
部、１４・・・装入部、２０・・・焼入れ槽、２１・・
・上部槽、２２・・・下部槽、２３・・・溢流リング、
２４・・・外側部分、２７・・・液の循漆組織化手段（
穴あき格子）、２８・・・電気加熱要素（加熱抵抗手段
）、２９・・・サーモスタット、３０・・・加圧液源（
加圧手段）、３１・・・熱交換器、３２３６・・・急速
払出し手段、３３・・・検出器、３８．４２゜５５・・
・ロータメータ、３９・・・戻り導管（液）、４０・・
・インゼクタ、５０・・・はちの巣格子、５１・・・ダ
イヤフラム、５３．５６・・・収斂円錐、５８・・・充
填手段、５９・・・円錐の上部開口。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試験片を加熱する加熱炉と、各試験片を焼入れ液
内に導入したり焼入れ試験片を引上げたりする手段と、
焼入れ液を含む焼入れ槽と、ポンプおよびその付帯導管
により焼入れ液を循環する手段とからなる、焼入れ液と
、その撹拌と、および試験片形状の材料の焼入れ性との
研究用装置であつて、焼入れ槽は液の循環および分散を
組織化しかつその速度を制御するための手段を介して接
続される上部槽と下部槽とからなり、上部槽には槽の軸
方向へ向く複数個の半径方向ノズルを含みかつ加圧液源
に接続された少なくとも１個の円形列により形成された
液下インゼクタが設けられ、上部槽の上方部分が液を加
圧手段へ戻すための導管を含み、また下部槽が別の加圧
液取入口と、液の温度を監視し制御する手段と、液の循
環速度を測定する手段とを含むことを特徴とする装置。
（２）加熱炉内の試験片の温度上昇と、選定された温度
の熱的保持と、試験片の焼入れ液中への下向き運動およ
び試験片の上部槽内における位置決めと、および焼入れ
作業の終端における試験片の上向き運動とを提供するプ
ログラム可能な手段をさらに含むことを特徴とする、特
許請求の範囲第１項に記載の装置。
（３）試験片はロッドの下端に固定され、ロッドの上端
部はヘッドを介して一方では直線方向ジャッキとさらに
他方で振動ジャッキとに結合されることを特徴とする、
特許請求の範囲第１項または第２項に記載の装置。
（４）試験片を振動させるための超音波発生器をさらに
含むことを特徴とする、特許請求の範囲第１項、第２項
または第３項に記載の装置。
（５）試験片が、頂角２０°のくさび形状に加工された
鋼３８Ｃ２からなる直径３０ｍｍおよび長さ１００〜１
０５ｍｍの円柱形状であることを特徴とする、特許請求
の範囲第１項、第２項または第３項に記載の装置。
（６）液の循環と分散の組織化手段が穴あき格子で形成
されることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載
の装置。
（７）液の循環と分散の組織化手段が、その直径が少な
くとも試験片の直径に等しく、好ましくは前記直径の１
〜５倍の範囲内にある軸方向オリフィスを有するダイヤ
フラムをその上部に設けたはちの巣格子で形成されるこ
とを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の装置。
（８）前記手段が収斂円錐をさらに含むことを特徴とす
る、特許請求の範囲第６項または第７項に記載の装置。
（９）液の循環と分散組織化手段が収斂円錐で形成され
、円錐の上部開口の直径は少くとも試験片の直径に等し
く、好ましくは前記直径の１〜５倍であることを特徴と
する、特許請求の範囲第１項に記載の装置。
（１０）前記手段が、試験片に対するそれの位置を調節
するための充填手段を含むことを特徴とする、特許請求
の範囲第６項から第９項のいずれか一項に記載の装置。
（１１）不活性ガス取入口を含み、かつその上部が装入
部を介して加熱炉の下部と密封結合をなす密封鐘状部が
上部槽の上方に配置されることを特徴とする、特許請求
の範囲第１項に記載の装置。
（１２）上部槽の上部が周縁溢流リングを含み、溢流リ
ングの外側部分が鐘状部の下部に密封結合され、また溢
流リングが戻り導管に接続されることを特徴とする、特
許請求の範囲第１項または第１１項に記載の装置。
（１３）液の温度を監視し制御する手段が、下部槽内に
配置されかつサーモスタットで制御される加熱抵抗手段
と、外部式プレート型熱交換器とからなることを特徴と
する、特許請求の範囲第１項に記載の装置。
（１４）接続導管内にスクリュー形ロータメータを含む
ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の装置
。
（１５）上部槽および／または下部槽内に可動式および
／または着脱式ロータメータを含み、少なくとも前記ロ
ータメータの１つは液の循環と分散の組織化手段のオリ
フィスと試験片との間に配置されることを特徴とする、
特許請求の範囲第１項に記載の装置。
（１６）鐘状部内の温度の異常上昇を検出するために検
出器に接続された、焼入れ液の急速払出し手段を含むこ
とを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の装置。