WO1994014985A1 - Constrained hardening apparatus and heat treatment apparatus - Google Patents

Description

明細書 拘束焼入れ装置および熱処理装置 技術分野

本発明は棒状などの部材を変形を防止しつつ焼入れするのに適し た拘束焼入れ装置およびこれを利用した熱処理装置に関する。 特に 、 焼入れの時に変形が生じやすい異形部材、 さらには従来の拘束焼 入れ装置では適用が困難であった中空の部材の焼入れに適する。 背景技術

外形が棒状などの機械部品の焼入れは非常に多く行われているが 、 単純な回転軸のよ うな軸対称のものは軸回転しつつ焼入れを行つ て歪の発生を防止している。 しかしたとえば棒の側面が軸に平行に 削り落とされたような部材では冷却速度が軸対称にならず焼入れに よ り曲がりが発生しやすい。 このような異形の棒状部材の焼入れ歪 を抑えるための方法と して従来から拘束焼入れであるプレスクェン チが行われている。 この方法は所定の焼入れ温度に加熟された被焼 入れ材の全体または一部分を所定の形状の凹部を有する金型に入れ て加圧しつつこれとの接触によ り冷却するか、 あるいはそのまま冷 却液の槽の中へ入れて冷却するものである。 この方法は金型との接 触によ り冷却する場合は、 被焼入れ材の熱は一旦金型へ伝導され、 金型自体が冷却液で冷却されて焼入れが行われる。

近来自動車をはじめ機械装置の軽量化が指向されており、 それに 伴いたとえば中実の棒であった回転軸をパイプにするという よ うな 部材を中空にすることが異形部材においても行われつつある。 しか しながらこのよ うな部材に対しては従来のアレスクェンチを適用す ると、 焼入れ温度に加熱されて軟化している材料は内部が中空のた めプレスされたときに容易につぶれて しま う という問題がある。 また従来のプレスクェンチ装置では焼入れの冷却速度を部分的に 変えることは不可能である。 すなわち焼入れにおける歪の発生は熱 歪と変態歪との合成されたもので成分によっても変態温度の関係か ら歪の発生状況は変わり 、 冷却速度の影響は単純ではない。 しかし ながら異形材でも冷却速度を部分的に変えれば歪の発生をその根本 段階でかなり抑制できると考えられる。 したがって冷却速度を部分 的に変えられれば焼入れ加熱温度の調節と組み合わせ、 焼入れ硬度 を部分毎に所望の値にすること も可能となり材料特性上も好ま しい

発明の開示

本発明は上記のよ うな問題点から中空部材においても変形のおそ れのない拘束焼入れ装置、 また焼入れ冷却速度を部分的に調整でき る焼入れ装置を提供し、 さらには機械部品等において所定の部分を 能率よく焼入れ、 焼戻し等できる熱処理装置を提供することを目的 とする， すなわち、 本発明は加圧手段に取りつけられた複数に分割 される一式の金型によ り構成され、 前記一式の金型における隣接す る型同士の型当たり面が接した状態において、 前記金型の内側が被 焼入れ材の形状に一致した先端位置を持つ複数の凸部と金型の外部 あるいは隣接する凹部と連通した凹部とによ り構成され、 前記一式 の金型における少なく とも一つの型の前記凹部の 1箇所以上には焼 入れ液噴出口を有することを特徴とする拘束焼入れ装置である。

ここにおいて特に好ま しい形態と して上記拘束焼入れ装置は複数 め前記焼入れ液噴出口を有し、 各噴出口からの焼入れ液の噴出量の 調整手段が設けられていてもよい。 またさ らに、 上記拘束焼入れ装 置の具体的形態と して被焼入れ材の形状に一致した内面を有する金 型において、 前記内面に溝を形成することによ り前記凹部を構成す るか、 または被焼入れ材の外形面よ り大きな内面を有する金型にお いて、 前記内面に駒部材を複数個設けることによ り前記凸部を構成 したこと を特徴とする。 またさらに本発明は誘導加熱装置と上記の 拘束焼入れ装置とを被熱処理材が同一高さ位置を保ちつつ移動する 位置関係で近接して設けたことを特徴とする熱処理装置である。 図面の簡単な説明

図 1は本発明の拘束焼入れ装置の主要部である金型の例で、 被焼 入れ材を挟んだ状態における断面図を示し、 図 2は図 1の金型にお いて上型と下型を開いた状態における一部断面を示した側面図であ る。 また図 3は本発明の装置を適用するのに好適な被熟処理材の例 を示す斜視図、 図 4は本発明における金型の図 1 とは別の例であつ て被焼入れ材を挟んだ状態における断面図、 図 5は本発明の熱処理 装置の側面図である 発明を実施するための最良の形態

以下、 添付の図面に従って本発明を詳細に説明する。 図 3は本発 明の装置を使用して拘束焼入れを行なう被焼入れ材 1の例を示す斜 視図であり、 中空の管の一部分にラック 2が刻まれている。 図 1 お よび図 2は図 3の材料のラックの部分の焼入れを行なうための装置 であり、 本発明の拘束焼入れ装置の主要部である金型の部分を示し ている。 すなわち図 1は一式の金型を構成する上下の金型で被焼入 れ材を挟んだ状態における断面図で、 図 2は上下の金型を開いた被 焼入れ材を除去した状態における金型の側面図で一部は断面を示し ている - 本発明の装置は金型を使用して拘束焼入れを行う ものであるが、 上型 3 と下型 4の型当り面 7が接した状態、 すなわち金型が完全に 閉じた状態で被焼入材には焼入れ開始時点で圧縮力が事実上かから ないよ うにする すなわち図 1に示すよ うに金型の内側は被焼入材 の形状に一致した先端位置を持つ複数の凸部 5を持ち、 この凸部は 金型が閉じた状態で被焼入れ材 1 に軽く接触するか、 わずかの隙間 を も って対向する状態に置かれる ，. 一方、 金型の内側はこれらの凸 部の間に凹部 6 を有し 、 ここに焼入れ液噴出口 8が配置されて いる 上下の金型はそれぞれ中空部 1 3 、 1 4 を有し 、 凹部に開口 した 複数の焼入れ液噴出口 8に通じている .、 なお各焼入れ液噴出口 8に は孔のあいたプラグがねじ込まれてお り （図示せず） 、 孔径の異な つたプラグと交換するこ とによ り噴出量が変えられるよ う になって いる 、

図 2に示すよ うに上下それぞれの金型 3 、 4の両端には金型が閉 じた状態において被焼入れ材が貫通する穴 9 、 1 0が開いてお り金 型よ り長い材料の焼入れができ る。 先にも述べたよ う に金型の内面 は複数の凸部 5 と凹部 6 とによ り構成され、 凹部には焼入れ液噴出 口 8が複数設けられている。 噴出された焼入れ液は連通した凹部を 通り被焼入れ材との間で構成される排出口 1 1 から金型外部に排出 される。 また下型 4の凹部の底の位置にも排出口 1 2が設けられて お り 、 下部に溜まった液が排出されるよ う になっている .、 排出口は 図示した以外にも被焼入れ材の円周に沿ってさ らに設けた り 、 金型 の凹部と連通する別の位置に設けるこ とができ る。 なお上下の型の それぞれの中空部 1 3 、 1 4には焼入れ液の供耠管 1 5 、 1 6が接 続されている。

上記のよ う にするこ とによ り中空の部材においても金型によ り圧 縮されるこ とがないので変形の怖れがなく拘束焼入れが可能になる , もっと も冷却が進んで変形しょ う とする とこれによ り被焼入れ材 には力がかかるこ とになるが、 このと きには温度低下によ り硬度も 十分上昇しているので表面が凹んだりするこ とはなくなる すなわ ち従来の装置が焼入れ開始に先立ってあらかじめ材料を加圧拘束す るのに対し、 本発明の装置においては焼入れ開始時には材料に大き な拘束力を加えるこ となく 、 温度が低下して変形を しょ う とする と きに初めてこれを防止するよ うな拘束力が加わるよ う にする もので ある ... 本発明の拘束焼入れ装置は焼入れ液噴出口の配置、 焼入れ液噴出 口の寸法、 凸部の配置などによって冷却速度を変えるこ とができ る のでこれによ つて も変形を抑制でき る。 すなわち拘束によって変形 を防止する以前の段階で、 変形の発生原因をある程度除去する こ と が可能になるから材料の残留応力の面からも好ま しい。 またこの冷 却速度の部分的調整によって焼入れ加熱条件との組合わせによ り 、 焼入れ硬さ 、 焼入れ深さなどを部分的に制御するこ と も可能になる すなわち本発明の装置においては焼入れ液噴出口の配置は最低限 上型、 下型の少なく と も一方の凹部の 1箇所にあればよいが、 この 噴出口の配置を適当にする こ とに'よつて焼入れ速度を変えるこ とが でき る。 すなわち噴出口からの噴射が直接当たる と ころでは冷却が 早く 、 凹部の中を流れてきた冷却液によって冷やされる と ころは冷 却が比較的ゆるやかになる 。 さ らに凸部は本発明装置の目的である 材料の変形防止のために適当に配置される必要があるが、 大面積の 凸部に接している と ころは冷却が遅くなるので凸部の配置によ って も冷却速度を調節でき る。

さ らに複数の焼入れ液噴出口を有する場合に各噴出口からの焼入 れ液の噴出量の調整手段を設けるこ とによつて も冷却速度を調節で き る。 これには個々の噴出口に調節弁を設けてもよいが、 先にも述 ベたよ う に噴出口の部分はねじ穴にしておき 、 これに各種の開口径 のプラグをねじ込んで調整してもよい。 この場合、 試験焼入れを行 なって も し必要ならば適切な開口径のプラグに変更すればよい 拘束焼入れ装置における金型の形態と しては被焼入れ材の形状と 一致した内面を有する金型において、 溝を切削して凹部とすればよ い また被焼入れ材の外形面よ り大きな内面を有する金型を製作し ておき 、 これに必要箇所に駒を取り付けて凸部を構成するこ と もで き る いずれにして も凹部が外部あるいは隣接する凹部と連通して 噴出された焼入れ液が排出でき るよ う になっていれば、 あとから凹 部を形成する方法でも凸部を形成する方法でも金型の製作方法は問 わない

以上は一式の金型が上型、 下型の 2つの型によって構成される最 も基本的形態を例と して本発明の説明を行なった，. しかし本発明は —式の金型が複数に分割されるものであれば、 以下に 3分割につい て冽示するよ うに分割する数は問わないものである

図 4は先の例と同じく図 3に示した材料を焼入れするための金型 で、 先の図 1 と同様に金型で被焼入れ材を挟んだ状態における断面 図を示している すなわち一式の金型は 3 1 、 3 2 、 3 3の 3つの 型からなっており、 これらの隣接する型同士の型当り面 3 4 、 3 5 、 3 6が接した状態において、 一式の金型の内側が被焼入れ材 1 の 形状に一致した複数の凸部 5を有している。 なお図 4においては上 記の他の部分の構造については図 1 と同様である。

図 4に示すよ うな 3分割の金型にし、 金型を開く と きには 3 1 、 3 2の型をそれぞれ矢印 3 7 、 3 8の方向に斜め上方に移動させる よ うにすれば、 図 1の 2分割の場合に比べて被焼入れ材の金型への 出し入れが円滑に行なえるという利点がある。 すなわち 2分割の金 型の場合、 金型を上下に開いて被熟処理材料を抜き出すときそれぞ れの金型の縁の部分においては金型の面に平行に移動することにな り、 焼入れ後材料が型から抜け難いといった障害が生ずる場合があ るが、 図 4のよ うにした場合にはそのよ うな問題がなくなる。 した がって、 金型の費用は高くなるが、 大量の材料を高能率で処理する 場合には比較的単純な円筒形状の被焼入れ材でも図 1のよ うな 2分 割よ り も図 4のよ うな 3分割の金型の方が好ま しい。 さらに複雑な 形状の被焼入れ材の場合にはそれに応じて金型の分割の位置や分割 の数を考慮しなければならないことは当然である。

本発明の拘束焼入れ装置は図 1 、 図 2や図 4に示した金型を加圧 手段に取りつけて構成される。 図 5はその状態を示しており、 また あわせて本発明の拘束焼入れ装置を利用した熟処理装置も示してい る すなわち図 5において 2 0は本発明の拘束焼入れ装置であ り 、 油圧による加圧装置に図 4に示した一式の金型が取りつけられてい る ， 2 1は分割された型 3 1 を上下するための 2本の油圧シリ ンダ で、 2 2はこれによ り駆動されるピス トンロッ ドであり、 型 3 1 を 斜め上方に持ち上げるよ うに傾斜して取り付けられている。 油圧シ リ ンダは他の 2本が図 5に示されたものと紙面に平行な面に対して 対称の位置にあり 、 図 4に示した分割された型 3 2を斜め上方に持 ち上げる。 加圧手段はこのよ うな油圧装置に限定されるものではな く 、 たとえばモータ等の動力による機械的加圧装置なども使用し う る。

また図 5に示すよ うに本発明の'拘束焼入れ装置 2 0に近接して誘 導加熱装置 2 3を設けることによ り、 特に能率のよい熟処理装置を 構成できる すなわち加熱装置と しては急速に加熟できるものが作 業能率上好ま しいが、 本発明の拘束焼入れ装置の性能を発揮するに は棒状部材の全周に亘つて加熟できる誘導加熱装置が特に好ま しい さらに特に好ま しい形態と しては図 5のよ うに拘束焼入れ装置 2 0 と誘導加熟装置 2 3とを被熟処理材 1が同一高さ位置を保ちつつ 移動する位置関係で近接して配置するものである。 すなわち被熱処 理材 1が棒状部材であればこれが同一軸線上にあるよ うに配置すれ ばよい。 これによ り被熟処理材の移動はその軸線方向の移動によ り 行なう ことができる。 図 5の 2 4 、 2 5はこのためのローラによる 送り装置である。 したがって棒状部材の長さの一部分のみを熟処理 する場合、 所要長さの部分だけ加熱した後、 拘束焼入れ装置に送り 込み直ちに焼入れすることができる。 また焼戻しをするのに同じ誘 導加熱装置を使う場合容易にこれに戻すことができる。

さ らこのとき被熱処理材の一方または両方に長さを継ぎ足す形で 継ぎ棒を接続しておけば加熱、 焼入れにおける材料の移動はさ らに 容易になり、 被熱処理材の全長を同時に加熱するよ うな場合でも円 滑な作業ができる。 すなわち図 5においては 2 7 、 2 8は継ぎ棒で あり 、 それぞれ 2 9、 3 0の接続部で被熟処理材 1 に接続されてい る。 この継ぎ棒は中実の棒でもパイプでもよく 、 作業終了後容易に 取り外せるよ うなねじ込みなどの方法で結合するよ うにすればよい 以下に本発明の装置を適用して焼入れを行なった結果について述 ベる。 図 3に示した鋼管の長さ方向の一部分にラ ック 2が設けられ ている部材 1のラック部分の焼入れに図 5に示した本発明の熱処理 装置を適用した。 なお焼入れの範囲は前記ラ ックの歯の部分だけで なく ラ ックが設けられている部分の管の全周に亘つて行なう もので ある。 被焼入れ材の概略の寸法は'ラック 2が設けられて断面が欠円 になっている部分は管の外径が 2 3 m m、 内径 1 9 m m、 長さ 3 0 O m mで、 そのうち実際に歯が形成されている部分の長さは 1 8 0 m mである。 なお図 3で左側の断面が全円の部分は外径 2 5 m m、 内径 2 1 mm、 長さ 4 5 0 mmである。 また材質は J I S機械構造 用炭素鋼 S 4 0 C相当である。

高周波誘導加熟装置 2 3によ り約 8 6 CTCに加熱して本発明の拘 束焼入れ装置 2 0によ り水を噴射して焼入れを行なった。 なお被焼 入れ材 1 には同じ断面形状の继ぎ棒 2 7、 2 8を接続して加熱、 焼 入れにおける材料の移動を円滑に行なえるよ うにした。 上記焼入れ 後の材料の長さ 2 0 0 m mのスパンにおける曲がり量 （軸線からの 最大振れ量） は 0 . 0 2〜 0 . 0 5 m mの範囲であった。 これは実 用上曲がりのない状態といえるものである。 また材料に部分的凹み が生じたり、 管が扁平になるなどの変形は認められなかった。 一方 通常の拘束なく周囲から均等に水冷する方法では曲がり量が 2 . 0 〜 3 . 2 m mに達した。 産業上の利用可能性

本発明の拘束焼入れ装置によれば焼入れの冷却開始時には被焼入 れ材に加圧力を加えずに、 冷却して変形しょ う とする と きに至って 初めて拘束力を生ずるよ う にするこ とができ 、 このためパイ プのよ うな中空の部材でも加圧力による扁平化などの変形を生ずるこ とな く焼入れ歪の防止ができ る。 また焼入れ液の悬も被焼入れ材に対し て部分的に変えるこ とができ 、 この面からも焼入れ歪の防止、 さ ら には材質の制御も可能になる。 また本発明の熱処理装置によれば高 能率の材料加熱を行なう こ とができ 、 さ らには加熟工程、 焼入れェ 程間、 さ らには焼戻し工程間の材料の移動を極めて円滑にし、 高能 率の作業ができ る。

Claims

請求の範囲

1 . 加圧手段に取りつけられた複数に分割される一式の金型によ り 構成され、 前記一式の金型における隣接する型同士の型当た り面 が接した状態において、 前記金型の内側が被焼入れ材の形状に一 致した先端位置を持つ複数の凸部と金型の外部あるいは隣接する 凹部と連通した凹部とによ り構成され、 前記一式の金型における 少なく と も一つの型の前記凹部の 1 箇所以上には焼入れ液噴出口 を有するこ と を特徴とする拘束焼入れ装置。

2 . 複数の焼入れ液噴出口を有し、 各噴出口からの焼入れ液の噴出 量の調整手段が設けられているこ と を特徴とする請求項 1記載の 拘束焼入れ装置。

3 . 被焼入れ材の形状に一致した内面を有する金型において、 前記 内面に溝を形成するこ とによ り凹部を構成したこ と を特徴とする 請求項 1記載の拘束焼入れ装置。

4 . 被焼入れ材の外形面よ り大きな内面を有する金型において、 前 記内面に駒部材を複数個設けるこ とによ り凸部を構成したこ と を 特徴とする請求項 1記載の拘束焼入れ装置。

5 . 誘導加熟装置と請求項 1記載の拘束焼入れ装置と を被熟処理材 が同一高さ位置を保ちつつ移動する位置関係で近接して設けたこ と を特徴とする熱処理装置。