JPWO2005098055A1

JPWO2005098055A1 - 金属部品の冷却方法、金属部品の製造方法、及び金属部品の冷却装置

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Publication number: JPWO2005098055A1
Application number: JP2006512121A
Authority: JP
Inventors: 三郎山方; 博充村上; 横田　秀雄; 秀雄横田; 須田　聡; 聡須田; 浩之星野; 秀樹柘植; 宏一寺坂
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2008-02-28
Also published as: EP1736555B1; EP1736555A4; US20070175549A1; EP1736555A1; CN1938435A; CN100497663C; WO2005098055A1

Abstract

冷却液が金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜を均一に破壊することにより、金属部品を均一に冷却することを課題とする。上記課題を解決するために、金属部品の表面に生じた蒸気膜に対して振動を加え、冷却液１を攪拌せずに蒸気膜を破壊する。そして、蒸気膜が破壊し始めた後に冷却液１を攪拌して、蒸気膜の破壊により生じた気泡を冷却液１内に拡散させる。

Description

本発明は、加熱した金属部品を冷却液に浸漬して冷却する方法と、この冷却方法を用いた金属部品の製造方法及び金属部品の冷却装置に関する。

焼入れ処理や固溶化処理は、高温に加熱した金属部品を、鉱油（焼入れ油）、水、または水溶性冷却剤の水溶液等からなる冷却液に浸漬して急冷する熱処理である。これらの冷却液は冷却の安定性や経済性に優れているが、以下の点が問題点として挙げられる。すなわち、これらの冷却液は、高温に加熱した金属部品を浸漬した瞬間に金属部品との接触面で気化して、金属部品の表面に蒸気の膜（以下、「蒸気膜」と記す。）を生じさせる。そして、この蒸気膜は金属部品の冷却を遅延させるため、特に、金属部品の形状や冷却槽内での配置等により蒸気膜が部分的に安定すると、金属部品が均一に冷却されず、金属部品に変形や焼ムラ（硬度の差）が生じる。

この問題点を解決するため、従来は金属部品を浸漬した冷却液をできるだけ強く対流攪拌することで、蒸気膜と冷却液との接触面で積極的に熱交換させて、金属部品の表面の温度を下げることにより、蒸気膜を速やかに破壊することが行われている。
特許文献１（特開２００３−２８６５１７号公報）では、金属部品を浸漬した冷却液を、振動と噴流によって攪拌して、冷却液に水平方向の流れと垂直方向の流れを生じさせることにより、蒸気膜を破壊し、且つ、破壊した蒸気膜から生じた気泡を冷却液内に拡散消失させる方法が提案されている。

しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法では、蒸気膜を破壊する際に冷却液を攪拌するため、冷却液には強い流れが生じて蒸気膜の均一破壊が阻害され易い。よって、この特許文献１に記載の方法では、金属部品を均一に冷却するという点でさらなる改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷却液が金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜を均一に破壊することにより、金属部品を均一に冷却できる方法を提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、冷却液が金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜は膜内部の圧力で安定に保たれており、この蒸気膜の安定性を壊すことで効果的に蒸気膜を破壊できることを見出した。
すなわち、本発明は、加熱した金属部品を冷却液に浸漬して冷却する方法において、前記冷却液が前記金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、前記冷却液を攪拌せずに前記蒸気膜を破壊することを特徴とする金属部品の冷却方法を提供する。

この冷却方法によれば、蒸気膜は、繰り返し変動する圧力が加えられることにより膨張収縮を繰り返して揺らぎを起こし、この揺らぎにより膜厚が薄くなった部分を起点として破壊される。このとき、冷却液を攪拌せずに繰り返し変動する圧力を加えることにより、冷却液には自然対流のような弱い流れは生じるが、冷却液を攪拌した場合のような強い流れは生じないため、蒸気膜を均一に破壊できる。

本発明の冷却方法において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法としては、冷却液に振動を加える方法、冷却液の液面の圧力を変化させる方法、およびこれらの方法を組み合わせて行う方法が挙げられる。また、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法としては、金属部品を揺動させる方法も挙げられる。さらに、前記蒸気膜に加える圧力は、連続的に変動させてもよいし、パルス振動のように間欠的に変動させてもよい。

本発明の冷却方法において、冷却液に振動を加える方法としては、冷却液に強い流れが生じない方法であれば特に限定されず、例えば、冷却槽内に振動板や回転体等の振動子を設置し、振動板を往復運動させたり、回転体を回転運動させる方法が挙げられる。また、冷却液に振動を加える方法としては、冷却槽内に複数の振動子を設置し、これらの振動子を振動させる方法も挙げられる。これによれば、冷却液に、複数の振動子の共振による振動を加えたり、冷却槽内で部分的に異なる振動を加えることができる。

また、本発明の冷却方法において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法として、冷却液に振動を加える方法を採用する場合には、前記蒸気膜の厚さに応じて、前記振動の振幅および振動数の少なくとも一つを調整するようにしてもよい。
ここで、蒸気膜の厚さは、金属部品の大きさ、温度、および形状や、冷却液の種類、温度、および液体にかかる圧力などによって変化する。例えば、蒸気膜が厚い場合には振幅を大きくすることが好ましく、蒸気膜が薄い場合には振動数を大きくすることが好ましい。

さらに、本発明の冷却方法において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法として、冷却液に振動を加える方法を採用する場合には、前記冷却液の状態に応じて、前記振動の振幅および振動数の少なくとも一つを調節するようにしてもよい。
ここで、冷却液の状態は、(1) 金属部品の表面に蒸気膜が存在する蒸気膜段階、(2) この蒸気膜が破壊されて金属部品の表面から除去されることにより金属部品が露出し、この露出面と接触する冷却液が沸騰する沸騰段階、(3) 沸騰が終わり対流が起こる対流段階、の順に変化する。例えば、蒸気膜が安定して存在する蒸気膜段階の前期では振幅を大きくし、蒸気膜が破壊し始める蒸気膜段階の後期から沸騰段階に移行する前までは振動数を大きくすることが好ましい。

本発明の冷却方法において、冷却液に加える振動の振幅が小さすぎると蒸気膜の破壊効果が期待できず、一方、振幅を大きくしすぎると冷却液の液面が波打ち、場合によっては強い流れが生じる。この観点から、振動を振動板により加える場合には、その振動板の揺れ幅で示される振幅を、２ｍｍ以上とすることが好ましい。また、振動を圧力により加える場合には、その圧力の変化量で示される振幅を、振動を加えない状態で冷却液に加わっている圧力に対して１％（例えば、１００Ｐａ）以上とすることが好ましい。

また、冷却液に加える振動数が小さすぎると圧力の変化が緩やかで蒸気膜に揺らぎが起こらないため、蒸気膜の破壊効果が期待できない。一方、冷却液に加える振動数が大きすぎると蒸気膜の揺らぎが細かくなりすぎるため、蒸気膜の破壊効果が期待できない。この観点から、ユーラステクノ株式会社製の振動モータ（商品名：ユーラステクノバイブレータ）を備えた振動装置を用いた場合において、冷却液に加える振動の振動数は、５〜８０Ｈｚとすることが好ましく、２０〜３０Ｈｚとすることがより好ましい。

さらに、冷却液に加える振動の振動数が小さく振幅が大きい場合には、冷却液の液面が波打つことを防ぐ必要があるため、冷却槽の構造が複雑になる。また、超音波のように振幅が小さく振動数が大きい振動を冷却液に加えると、蒸気膜の揺らぎが細かくなりすぎるため、蒸気膜の破壊効果が期待できない。
さらに、本発明の冷却方法においては、前記蒸気膜が破壊し始めた後に前記冷却液を攪拌して、前記蒸気膜の破壊により生じた気泡を前記冷却液内に拡散させることが好ましい。

これによれば、破壊された蒸気膜から生じた気泡を、冷却液内に均一に且つ迅速に拡散消失させることができるため、金属部品の冷却をさらに均一に且つ迅速に行うことができる。この冷却液の攪拌は、大量の金属部品を一度に冷却する際や体積の大きな金属部品を冷却する際等、気泡の迅速な拡散が必要とされる場合に、特に有効である。
ここで、冷却液を攪拌する方法としては、噴流攪拌等が挙げられ、冷却液に下方から上方に向けて均一な流れを形成する方法が好ましい。また、冷却液の攪拌を開始するタイミングは、蒸気膜が破壊し始める時点に合わせることが好ましい。

また、前記攪拌は、前記蒸気膜に変動する圧力を加えることを停止してから行ってもよいし、変動する圧力を継続して加えながら行ってもよい。いずれの方法を採用するかは、冷却する金属部品の大きさや種類、量に応じて選択する。
例えば、変形が生じ易い金属部品を冷却する場合には、冷却液の対流段階での冷却を緩やかにするために、前記攪拌を前記蒸気膜に変動する圧力の付与を停止してから行うことが好ましい。すなわち、冷却液を攪拌している時は振動を加えないことが好ましい。一方、大量の金属部品を一度に冷却する際や体積の大きな金属部品を冷却する場合には、冷却液の対流段階でも強い冷却を行うために、前記攪拌を前記蒸気膜に変動する圧力を加えた状態で行うことが好ましい。すなわち、冷却液を攪拌すると同時に振動も加えることが好ましい。

さらに、本発明の冷却方法においては、前記冷却液の状態および前記冷却液中での前記金属部品の状態に応じて、前記攪拌の強度および前記攪拌により生じる流れの方向のうち少なくとも一つを調整することが好ましい。
ここで、冷却液の沸騰段階では、壊れた蒸気膜から生じた気泡を均一に且つ速やかに冷却液内に拡散消失させることが好ましい。このため、蒸気膜が破壊し始める蒸気膜段階後期から対流段階に移行する前までは強い攪拌を行うことが好ましい。また、金属部品の長手方向を冷却液内で鉛直方向に向けて配置している場合には、攪拌により生じる流れの方向を鉛直方向にし、金属部品の長手方向を冷却液内で水平方向に向けて配置している場合には、攪拌により生じる流れの方向を水平方向にすることが好ましい。

なお、本発明の冷却方法は、金属部品の焼入れ処理や固溶化処理に好適に用いることができる。
本発明はまた、金属部品の製造方法において、金属部品を加熱する工程と、加熱した後の前記金属部品を冷却液に浸漬して冷却する工程とを備え、前記冷却する工程では、前記冷却液が前記金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、前記冷却液を攪拌せずに前記蒸気膜を破壊することを特徴とする金属部品の製造方法を提供する。

この製造方法によれば、金属部品の冷却の均一性が向上して、変形や焼ムラが生じ難くなるため、高精度且つ高品質の金属部品を得ることができる。
なお、本発明の製造方法において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法としては、上述した冷却方法と同様に、冷却液に振動を加える方法、冷却液の液面の圧力を変化させる方法、およびこれらの方法を組み合わせて行う方法や、金属部品を揺動させる方法が挙げられる。

また、冷却液に振動を加える方法としては、上述した冷却方法と同様に、一又は複数の振動子を振動させる方法が挙げられる。
さらに、本発明の製造方法において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法として、冷却液に振動を加える方法を採用する場合には、上述した冷却方法と同様に、前記蒸気膜の厚さや前記冷却液の状態に応じて、前記振動の振幅および振動数の少なくとも一つを調整するようにしてもよい。

さらに、本発明の製造方法においては、上述した冷却方法と同様に、前記蒸気膜が破壊し始めた後に前記冷却液を攪拌して、前記蒸気膜の破壊により生じた気泡を前記冷却液内に拡散させることが好ましい。このとき、上述した冷却方法と同様に、前記前記冷却液の状態および前記冷却液中での前記金属部品の状態に応じて、前記攪拌の強度および前記攪拌により生じる流れの方向のうち少なくとも一つを調整することが好ましい。

本発明はさらに、金属部品の冷却装置において、加熱した後の金属部品を冷却液に浸漬して冷却する手段を備え、前記冷却する手段は、前記冷却液が前記金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、前記冷却液を攪拌せずに前記蒸気膜を破壊するようになっていることを特徴とする金属部品の冷却装置を提供する。
この冷却装置によれば、金属部品の冷却の均一性が向上して、変形や焼ムラが生じ難くなるため、高精度且つ高品質の金属部品を得ることができる。

なお、本発明の冷却装置において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法としては、上述した冷却方法と同様に、冷却液に振動を加える方法、冷却液の液面の圧力を変化させる方法、およびこれらの方法を組み合わせて行う方法や、金属部品を揺動させる方法が挙げられる。さらに、前記蒸気膜に加える圧力は、連続的に変動させてもよいし、パルス振動のように間欠的に変動させてもよい。

また、本発明の冷却装置において、冷却液に振動を加える方法としては、上述と同様に、一又は複数の振動子を振動させる方法が挙げられる。
さらに、本発明の冷却装置において、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加える方法として、冷却液に振動を加える方法を採用する場合には、上述と同様に、前記蒸気膜の厚さや前記冷却液の状態に応じて、前記振動の振幅および振動数の少なくとも一つを調節するようにしてもよい。

さらに、本発明の冷却装置において、前記冷却する手段は、前記蒸気膜が破壊し始めた後に前記冷却液を攪拌して、前記蒸気膜の破壊により生じた気泡を前記冷却液内に拡散させるようにすることが好ましい。このとき、前記前記冷却液の状態および前記冷却液中での前記金属部品の状態に応じて、前記攪拌の強度および前記攪拌により生じる流れの方向のうち少なくとも一つを調整することが好ましい。

本発明に係る金属部品の冷却方法に用いられる冷却装置の一例を示す概略構成図である。本実施形態の冷却装置において振動装置を作動させた場合に冷却液に生じる圧力変化を示す図である。本実施形態の冷却装置において攪拌装置を作動させた場合に冷却液に生じる圧力変化を示す図である。本発明に係る金属部品の冷却方法に用いられる冷却装置の他の例を示す概略構成図である。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の冷却処理を施したステンレス製丸棒試験片の側面における冷却曲線を示す図である。Ｎｏ．５とＮｏ．６の冷却処理を施したステンレス製丸棒試験片の側面における冷却曲線を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、本発明に係る金属部品の冷却装置を用いて、金属部品を製造する場合について説明する。
図１は、本発明に係る金属部品の冷却方法に用いられる冷却装置の一例を示す概略構成図である。

この冷却装置は、図１に示すように、冷却液１が入った冷却槽２と、金属部品を収容する容器３と、二個の振動装置１０と、攪拌装置２０と、制御装置３０と、を備えている。この冷却装置の上部には、金属部品を加熱する加熱装置４０が配置されている。そして、この加熱装置４０で加熱された金属部品を収容した容器３が、図示しないエレベータ装置により冷却槽２の中央部に浸漬されるようになっている。

振動装置１０は、一枚の振動板１１と、この振動板１１を所定の振幅および振動数で振動させる駆動装置１２と、を備えている。振動板１１は、冷却槽２内の容器３の側面近傍に、容器３に板面を向けて鉛直に配置されている。この振動装置１０を作動させることにより、振動板１１が水平方向に往復運動して振動４が発生し、この振動４が冷却液１に加わる。ここで、二個の振動装置１０の振動数および振幅を各々調節することにより、冷却液１に、二枚の振動板１１の共振により生じた振動を加えたり、容器３の両側で異なる振動を加えることができる。

攪拌装置２０は、冷却槽２内の振動板１１よりも側方に、軸を鉛直方向に向けて配設されたプロペラ２１と、複数の整流板２２と、プロペラ２１の回転運動を制御する駆動装置２３と、を備えている。この攪拌装置２０を作動させることにより、プロペラ２１が回転を行って冷却液１が攪拌され、冷却液１には整流板２２に沿って容器３の下方から上方に向かう上昇流が生じる。

制御装置３０は、冷却槽２の外部に配設されており、振動装置１０の駆動装置１２および攪拌装置２０の駆動装置２３を作動するタイミングを制御するように構成されている。また、制御装置３０は、蒸気膜の厚さや冷却液１の状態に応じて、振動装置１０の駆動装置１２を制御するとともに、冷却液１の状態や冷却液１中での金属部品の状態に応じて、攪拌装置２０の駆動装置２３を制御するように構成されている。

この冷却装置の冷却槽２内に、歪みゲージ圧力センサを設置して、振動装置１０と攪拌装置２０をそれぞれ単独で作動させた場合に冷却槽２内の冷却液１に生じた圧力変化を測定した。
図２は、振動装置の振動板を振動数４０Ｈｚの条件下で作動させた場合に冷却液に生じた圧力変化を示すグラフである。図３は、攪拌装置を冷却液に生じる上昇流が流量３０ｍ^３／ｈとなる条件下で作動させた場合の、冷却液の圧力変化を示すグラフである。このグラフでは、縦軸のセンサー起電力の揺れ幅が圧力の変化量の大きさ（相対値）を示し、センサー起電力の数値が冷却液に生じた流れの強さ（相対値）を示す。

図２および図３に示すように、振動装置１０の作動では、センサー起電力が０．０２Ｖ程度となる圧力変化が繰り返し冷却液に生じていたが、攪拌装置２０の作動では、冷却液に圧力の変化がほとんど生じていなかった。
また、振動装置１０により冷却液１に生じた流れは、攪拌装置２０に比べて弱い流れであった。これにより、振動装置１０を作動させると、冷却液１に強い流れが生じることなく繰り返し変動する圧力が加わり、攪拌装置２０を作動させると、冷却液１に強い流れが形成されるが、変動する圧力は加わらないことが確認できた。

図４は、本発明の冷却方法に用いられる冷却装置の他の例を示す概略構成図である。
この冷却装置は、図４に示すように、冷却液１が入った冷却槽２と、冷却処理を行う金属部品を収容する容器３と、冷却槽２内にガスを導入するガス導入管５と、冷却槽２内からガスを排出するガス排出管６と、冷却槽２内の側方にプロペラ２１が軸を鉛直方向に向けて配設された攪拌装置２０と、冷却槽２の外部に配設された制御装置５０と、を備えている。そして、上述した図１に示す冷却装置と同様の方法で、加熱装置４０で加熱された金属部品を収容した容器３が、冷却槽２内の中央部に浸漬されるようになっている。なお、上述した図１に示す冷却装置と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

ガス導入管５は、制御装置５０に接続された電磁弁５ａにより、冷却槽２内にガスを導入可能となっている。
ガス排出管６は、制御装置５０に接続された電磁弁６ａにより、冷却槽２内のガスを排出可能となっている。
制御装置５０は、ガス導入管５の電磁弁５ａを開いて冷却槽２内にガスを導入し続けるとともに、ガス排出管６の電磁弁６ａの開閉を繰り返し行うように構成されている。これにより、冷却槽２内に入った冷却液１の液面の圧力を変化させることができる。また、制御装置５０は、蒸気膜が破壊し始めた時点で攪拌装置２０の作動を開始するように構成されている。

さらに、制御装置５０は、蒸気膜や冷却液１の状態に応じて、ガス導入管５から導入するガス量や、ガス排出管６の電磁弁６ａの開閉タイミングを制御するとともに、冷却液１や冷却液１中での金属部品の状態に応じて、攪拌装置２０の駆動装置２３を制御するように構成されている。
上記構成の冷却装置を用いて、本発明の実施例に相当する方法および従来例に相当する方法で、金属部品の冷却を行った。

８３０℃に加熱した直径１２ｍｍのステンレス製丸棒試験片（金属部品）を、７０℃の焼入れ油（冷却液）１に浸漬して、以下に示すＮｏ．１〜６の方法で冷却した。なお、Ｎｏ．１〜３およびＮｏ．５，６では、上述した図１に示す冷却装置（以下、「第１の冷却装置」と記す。）を用いて冷却を行い、Ｎｏ．４では、上述した図４に示す冷却装置を用いて冷却を行った。また、第１の冷却装置で焼入れ油１に加える振動４の振幅は、振動板１１の揺れ幅で示す。なお、各冷却方法は、制御装置３０，５０に予め記憶させた演算処理が実行されることで、自動的に実施される。

Ｎｏ．１では、まず、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数４０Ｈｚ、振幅４ｍｍで振動させて、この振動を焼入れ油１に２秒間加えた。次に、振動装置１０を停止すると同時に攪拌装置２０を作動して、流量３０ｍ^３／ｈの上昇流で焼入れ油１を噴流攪拌した。
Ｎｏ．２では、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数４０Ｈｚ、振幅４ｍｍで振動させて、この振動を焼入れ油１に加えた。

Ｎｏ．３では、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数４０Ｈｚ、振幅４ｍｍで振動させると同時に攪拌装置２０を作動して、流量３０ｍ^３／ｈの上昇流で焼入れ油１を噴流攪拌した。
Ｎｏ．４では、電磁弁５ａを開いて、ガス導入管５から窒素ガスを冷却槽２内に導入し続けて、焼入れ油１の液面の圧力を０．１２ＭＰａとした状態で、ガス排出管６の電磁弁６ａの開閉を１秒間に２回、１５秒間行って、液面にかかる圧力を繰り返し変化させた。

Ｎｏ．５では、焼入れ油１の自然対流に任せた。
Ｎｏ．６では、攪拌装置２０を作動して、流量３０ｍ^３／ｈの上昇流により焼入れ油１を噴流攪拌した。
そして、Ｎｏ．１〜６の冷却過程において、ステンレス製丸棒試験片の側面における温度を測定して、各試験片の冷却曲線を作成した。この結果は、図５および図６に示す。

図５は、Ｎｏ．１〜４の条件で冷却したステンレス丸棒試験片の側面における冷却曲線を示す。図６は、Ｎｏ．５とＮｏ．６の条件で冷却したステンレス丸棒試験片の側面における冷却曲線を示す。
図５に示すように、焼入れ油１に振動を加えた後に焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したＮｏ．１では、試験片を焼入れ油１に浸漬してから１．９秒後に、緩やかな冷却から急激な冷却に変化した。この変化点を「特性点」と称する。

また、焼入れ油１に振動を加えることで冷却したＮｏ．２と、焼入れ油１に振動を加えると同時に焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したＮｏ．３では、いずれも試験片を焼入れ油１に浸漬してから２．７秒後に特性点が見られた。
さらに、焼入れ油１の液面の圧力を繰り返し変化させることで冷却したＮｏ．４では、試験片を焼入れ油１に浸漬してから２．７秒後に特性点が見られた。

ここで、Ｎｏ．２では、焼入れ油１に振動を加えた後に焼入れ油１を噴流攪拌していないため、蒸気膜の破壊により生じた気泡の拡散に時間がかかり、特性点が見られる時間がＮｏ．１よりも遅れたと考えられる。
また、Ｎｏ．３では、焼入れ油１に振動を加えると同時に焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したため、冷却液に強い流れが生じて、蒸気膜の均一な破壊が阻害され、特性点が見られる時間がＮｏ．１よりも遅れたと考えられる。

さらに、Ｎｏ．４では、焼入れ油１の液面の圧力を変化させた後に焼入れ油１を噴流攪拌していないため、蒸気膜の破壊により生じた気泡の拡散に時間がかかり、特性点が見られる時間がＮｏ．１よりも遅れたと考えられる。
一方、図６に示すように、焼入れ油１の自然対流により冷却したＮｏ．５では、試験片を焼入れ油に浸漬してから３．８秒後に特性点が見られた。また、焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したＮｏ．６では、試験片を焼入れ油に浸漬してから３．５秒後に特性点が見られた。

以上の結果から、焼入れ油１を攪拌せずに蒸気膜を破壊し、蒸気膜が破壊し始めた後に焼入れ油１を攪拌することにより、金属部品を迅速に冷却できることが分かった。
また、Ｎｏ．１の特性点は、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４の特性点と比べて２０℃程度高い温度であり、Ｎｏ．５およびＮｏ．６の特性点と比べて５０℃程度高い温度であった。この結果から、Ｎｏ．１の条件で冷却を行った場合、蒸気膜の破壊は、金属部品の表面温度が下がった結果起こるのではなく、蒸気膜の安定性を壊すことで起こることが確認できた。

次いで、金属部品を浸炭処理し、その後の冷却を本発明の方法および従来の方法で行い、熱処理前後の金属部品の寸法変化を以下のようにして調べた。
まず、ＳＣＭ４２０製のリング状素材（外径７０ｍｍ，内径５５ｍｍ，軸方向の長さ４０ｍｍ）を用意した。次に、このリング状素材を、９２０℃の、アルコール滴下で還元雰囲気とされた炉内に、軸方向を鉛直方向に合わせて配置した。次に、この還元雰囲気炉内にプロパンガスを添加しながら、雰囲気炭素濃度を０．８％に保って、６０分間の浸炭処理を行った。次に、還元雰囲気炉内でリング状素材の温度を８５０℃まで下げた。

次に、このリング状素材を、図１の加熱装置４０から冷却槽２に移動する。この冷却槽２には、７０℃の焼入れ油（冷却液）１が入れてあり、焼入れ油１の上方は無酸化雰囲気に保持されている。この焼入れ油１にリング状素材が浸漬される。そして、以下に示すＮｏ．１０〜１５の条件で冷却した。
Ｎｏ．１０では、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数４０Ｈｚ、振幅４ｍｍで振動させて、この振動を焼入れ油１に６０秒間加えた。

Ｎｏ．１１では、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数６０Ｈｚ、振幅２ｍｍで振動させて、この振動を焼入れ油１に６０秒間加えた。
Ｎｏ．１２では、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数４０Ｈｚ、振幅４ｍｍで振動させると同時に攪拌装置２０を作動して、流量３０ｍ^３／ｈの上昇流で焼入れ油１を６０秒間噴流攪拌した。

Ｎｏ．１３では、まず、振動装置１０を作動して、振動板１１を振動数４０Ｈｚ、振幅４ｍｍで振動させて、この振動を焼入れ油１に２秒間加えた。次に、振動装置１０を停止すると同時に攪拌装置２０を作動して、流量３０ｍ^３／ｈの上昇流で焼入れ油１を６０秒間噴流攪拌した。
Ｎｏ．１４では、攪拌装置２０を作動して、流量３０ｍ^３／ｈの上昇流で焼入れ油１を６０秒間噴流攪拌した。

Ｎｏ．１５では、自然対流に任せた焼入れ油１に、リング状素材を５分間浸漬した。
そして、冷却処理後の各リング状素材について、軸方向の両端部および中央部における外径寸法と真円度を測定し、熱処理前後の外径寸法の変化と真円度の変化を調べた。結果は、表１に示した。
なお、表１中、外径寸法で「＋」がついた数値は熱処理を行う前に比べて寸法が大きくなったことを意味し、「−」がついた数値は熱処理を行う前に比べて寸法が小さくなったことを意味する。また、表１には、上端，中央，下端の間における寸法変化の最大差を算出した結果を併せて示した。この外径寸法の最大差が小さい程、熱処理後のリング状素材の軸方向での変形の差が小さいことを示す。

表１に示すように、焼入れ油１に振動を加えることで冷却したＮｏ．１０〜１３では、焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したＮｏ．１４および焼入れ油１の自然対流により冷却したＮｏ．１５に比べて、外径寸法の最大差が小さかった。

Ｎｏ．１０〜１３のうち、焼入れ油１に振動を加えた後に焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したＮｏ．１３では、外径寸法の最大差が著しく小さかった。また、焼入れ油１に振動数が大きく且つ振幅が小さな振動を加えることで冷却したＮｏ．１１では、振動による効果が小さく、Ｎｏ．１０，Ｎｏ．１２，Ｎｏ．１３と比べて、外径寸法の最大差が大きかった。

また、Ｎｏ．１０〜１３では、焼入れ油１を噴流攪拌することで冷却したＮｏ．１４よりも真円度の変化が小さく、焼入れ油１の自然対流により冷却したＮｏ．１５と同程度の真円度が得られた。
以上の結果から、焼入れ油を攪拌せずに蒸気膜を破壊し、蒸気膜が破壊し始めた後に焼入れ油を攪拌することにより、得られる金属部品の軸方向での変形の不均一性を改善できることが分かった。

本発明によれば、金属部品の表面に生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、冷却液を攪拌せずに蒸気膜を破壊することにより、冷却液に強い流れが生じないため、蒸気膜が均一に破壊され易くなる。よって、金属部品の冷却の均一性が向上して、変形や焼ムラが生じ難くなるため、高精度且つ高品質の金属部品を得ることができるようになる。

Claims

加熱した金属部品を冷却液に浸漬して冷却する方法において、
前記冷却液が前記金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、前記冷却液を攪拌せずに前記蒸気膜を破壊することを特徴とする金属部品の冷却方法。
前記冷却液に振動を加えることにより、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の金属部品の冷却方法。
前記冷却液の液面の圧力を変化させることにより、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の金属部品の冷却方法。
前記冷却液に振動を加えることと、前記冷却液の液面の圧力を変化させることを組み合わせて、前記蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の金属部品の冷却方法。
前記冷却液に加える振動を、複数の振動子により与えることを特徴とする請求の範囲第２項または第４項に記載の金属部品の冷却方法。
前記蒸気膜の厚さに応じて、前記振動の振幅および振動数の少なくとも一つを調整することを特徴とする請求の範囲第２項、第４項、第５項のいずれか一項に記載の金属部品の冷却方法。
前記冷却液の状態に応じて、前記振動の振幅および振動数の少なくとも一つを調節することを特徴とする請求の範囲第２項、第４項、第５項のいずれか一項に記載の金属部品の冷却方法。
前記蒸気膜が破壊し始めた後に前記冷却液を攪拌して、前記蒸気膜の破壊により生じた気泡を前記冷却液内に拡散させることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載の金属部品の冷却方法。
前記冷却液の状態および前記冷却液中での前記金属部品の状態に応じて、前記攪拌の強度および前記攪拌により生じる流れの方向のうち少なくとも一つを調整することを特徴とする請求の範囲第８項に記載の金属部品の冷却方法。
金属部品の製造方法において、
金属部品を加熱する工程と、加熱した後の前記金属部品を冷却液に浸漬して冷却する工程とを備え、
前記冷却する工程では、前記冷却液が前記金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、前記冷却液を攪拌せずに前記蒸気膜を破壊することを特徴とする金属部品の製造方法。
金属部品の冷却装置において、
加熱した後の金属部品を冷却液に浸漬して冷却する手段を備え、
前記冷却する手段は、前記冷却液が前記金属部品の表面で気化して生じた蒸気膜に対して繰り返し変動する圧力を加え、前記冷却液を攪拌せずに前記蒸気膜を破壊するようになっていることを特徴とする金属部品の冷却装置。