JPH0225520A - 鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法 - 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】 ａ、　産業上の利用分野 本発明は、鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法に関する。

ｂ、　従来の技術 このような方法は、本出願人による西独特許出順第３７
２１６６５号明細書により公知である。この方法では、
回転浸漬の際に焼入れによる亀裂を回避するために、冷
却する中空体の回転数をマルテンサイト変態開始温度に
達すると著しく増加させる。

殊に容器すなわち閉じた端面を有する中空体の場合には
この方法は好ましい結果をもたらした。

しかしこのような素材を焼入れする場合には、全体的に
一様な組織形成が実現されるように、冷却効果の局所的
相違が過度にならないように冷却を行うことも重要であ
る。冷却効果が局所的に異なると互いに比容の異なる種
々の組織形態が現れるので中空体が著しく変形すること
がある。これは、中空体の後処理の費用をい（倍にも上
昇させるだけでなく、例えば鋼管の場合には屡々後続の
加工を困難にする　（例えば湾曲した管による搬送障害
）。

両側とも閉じている容器の浸漬深さが、どの程度の強さ
で両端が冷却されなければならないかにより定められる
のに対し、管すなわち置端が開いている中空体の場合に
は適切な浸漬深さは管の長平方向における材料特性の一
様性がどの程度でなければならないかにより決まる。管
の外側に冷却の一様性は浸漬深さに依存しない、しかし
管の内側の冷却の場合には事情が異なる。何故ならば、
終端部に流入する冷却剤は中央に向かう流路で加熱され
、従って冷却効果は中央に向かうにつれ弱まるからであ
る。しかしこの効果は浸漬深さが太き（なるにつれ弱ま
る。浸漬深さが直径の８０％を越えると内側における冷
却効果は、直径の６０倍の長さを存する管の場合でさえ
全管長にわたり十分に一様である。このようにして、壁
厚が厚すぎない（例えば熱処理鋼３４ＣｒＭｏ　４の場
合には約２８１より薄い）かぎり、全体にわたりマルテ
ンサイ）ＩＩＩ織を形成する焼入れが実現される。この
理由から、−様な特性を得るために浸漬深さを対応して
定めると有利であると見なすことができる。冷却する管
を完全に浸漬することはしかし回避すべきである。何故
ならば管の内部に蒸気泡が形成され、泡はこの浸漬状態
では逃げることが困難であり、このために冷却効果が異
なることがあるからである。

（約２４０閣の直径を越える）比較的大きい直径を有す
る管の場合には大抵、浸漬深さが小さくても内部が比較
的−様に冷却され、従って全体も一様に冷却される。し
かし直径の小さい管、片側のみが開いている容器の場合
には問題がある。何故ならば熱及び流体技術的な条件が
著しく不利となるからである。これは殊に、焼入れの後
に焼戻ししなくとも好適な機械的特性を有するベイナイ
ト組織を得るために行う恒温変態処理の際の冷却の場合
に当てはまる　（第１図の曲線２ａ参照）、これに対し
て、マルテンサイト組織変態を行う焼入れ（第１図の曲
１１１−３＞すなわち冷却剤の温度までの急冷の場合に
は一体的な組織形成は通常は、中空体のために適した材
料を選択することにより確実にされる。従って冷却効果
がより大きく異っても支障ない。

液体冷却剤の効果は、冷却する素材の表面温度に非常に
強く依存することが公知である。この温度が高いほど焼
入れ効果は小さい、しかし鋼素材の熱処理の際に屡々、
高い温度領域すなわちオーステナイト変態温度とマルテ
ンサイト変態温度の間の領域あるいはベイナイト形成領
域を迅速に通過し、このようにして望ましくない組織成
分（例えばフェライト、パーライト等）を阻止すること
が重要となる。一方、壁厚にわたり温度分布が一様であ
ることを保証し、このようにして管壁の応力の発生をで
きるだけ回避するためにマルテンサイト形成の温度領域
はできるだけ緩慢に通過されなければならない。

殊に冷却強度の減少の制御に関して、西独特許出願第３
７２１６６５号明細書による方法は好ましい結果をもた
らす、これに対し、て　（特に厚肉管の処理の場合には
）、焼入れする中空体を回転浸漬する際の冷却効果を、
これまで実現可能と見なされてきた限界を越えて高めた
いという希望がある。別の問題として、焼入れする中空
体の表面特性が（例えば表面酸化により）−様でないた
めに冷却効果が一様でなくなることがある。

ヨーロッパ特許出願公開第ＱＯ８６９８８Ａ１号公報に
より、動かされている冷却剤浴液の中で静止している管
の内部及び外部に冷却水が供給される冷却装置において
、完全に浸漬されている前記の管の内側における冷却効
果が蒸気泡発生により低下するのが、管端面に取付けら
れているノズルによりら線状に流れて供給される水の中
に圧縮空気が注入されることにより回避されることが公
知である。

しかしこの公報からは、管の外側に対する圧縮空気によ
る冷却効果の強まりに関して何らの教示も得られない。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、回転浸漬の際の中空体の冷却を大幅に
強め一様化する方法及び装置を提供することにある。

ｄ、　課題を解決するための手段 上記課題は本発明により特許請求の範囲第１項記載の特
徴部分に記載の特徴により解決される。

この方法の有利な実施例は特許請求の範囲第２項ないし
第８項に記載されている。この方法を実施する装置は特
許請求の範囲第９項記載に記載されている。特許請求の
範囲第１０項ないし第１２項には本発明による装置の有
利な実施例が記載されている。

ｅ、　作用 本発明による解決方法では、回転している中空体（例え
ば管）の下で冷却剤が撹拌されて冷却が行われる０例え
ば循環ポンプでも行える撹拌は、好ましくは例えば中空
体の下に配置されるノズル管により圧縮空気を導入して
行われる。このノズル管は例えば冷却槽の底面に設けら
れ、冷却する中空体の長手方向軸線に平行に走行する。

その上面には多数の孔が設けられている。これらの孔を
通って圧縮空気が逃げ、冷却剤浴液の表面へ向かいなが
ら強い攪拌を行う、このようにして明らかに、第１の冷
却フェーズで高い温度レベルで発生する蒸気槽（フィル
ム蒸発）は中空体の表面で破壊され、発生した蒸気泡（
泡蒸発）は第２の冷却フェーズで迅速に表面から離れる
。この結果冷却剤浴液の冷却効果は著しく高められる。

このような蒸気層の崩壊及び蒸気泡の解離は、冷却媒体
と（例えば管、容器等の）中空体の表面の間の相対速度
が小さい場合には著しくこの表面の特性（例えば荒さ等
）に依存するので、この速度の増加は、表面特性が−様
でない場合に攪拌により冷却効果を一様化するように作
用する。

冷却効果を強めることにより冷却時間を著しく減らし、
従って焼入れ効果を強めることができる。

これは非常に簡単な手段（例えば圧縮空気導入等）で実
現できる。このようにして、従来の回転浸漬装置の利用
分野を大きい費用をかけないで大幅に拡張することが可
能である。すなわち、これまでのように厚肉の中空体の
焼入れのみが可能であるのではなく、合金含有量の小さ
い鋼から成る同一の肉厚の管又は容器の焼入れも可能と
なる。

マルテンサイト変態開始温度に達した時に冷却効果を弱
めることは、圧縮空気を単に遮断することにより可能で
ある。又、冷却を穏やかに行わなければならない場合に
は、冷却する中空体の回転数を高めることにより穏やか
な冷却に調整することも可能である。又、中空体の浸漬
深さを小さくすると冷却効果が弱まる。しかしながらそ
の原に、片側あるいは両側が開いている中空体の場合に
その開放端寄り内側の方がより迅速に冷却する危険が高
まる。中空体の内側におけるこの−様でない冷却効果を
排除する方法は、冷却剤が中空体の内部へ入るのを初め
から除外することにより基本的には実現可能である。こ
れは、適切な密封蓋を中空体の開放端面に一時的に取付
けることにより実現できる。しかしこのような手段は、
大きい操作及び装置費用を必要とし、従ってそれほど好
ましいとは思われない。

従って本発明の有利な実施例では、特に直径が２４０園
より小さい鋼管の場合に、流入する冷却剤により開放端
における内部冷却が強められる分だけ、この領域での外
部冷却を対応して弱めることにより少なくとも近位的に
補償される。これは例えば、撹拌のために供給される圧
縮空気の圧力を減らすことによりあるいは圧力を高めら
れて供給される冷却剤（例えば加圧水）の圧力を減らす
ことによりこれらの終端領域における冷却剤浴液の攪拌
が弱められて行われることにより保証される。

このようにして、敏感な材料の場合でも−様なベイナイ
ト組織が恒温処理の際の冷却により得られる。

ｆ、　発明の効果 本発明による方法の効果を次に比較例に基づき詳細に説
明する。

第１の例 直径１７８閣、肉厚１４．５閣、長さ１５００ｍｍの鋼
管が加熱され、９６０°Ｃの初期温度で水槽を備えてい
る回転浸漬装置の中に入れられた。回転浸漬装置は管の
昇降が可能に構成され、管の均衡温度の検出ができるよ
うに、前もって与えられている焼入れ時間の後に再び水
槽から管が取出された。第１の比較実験では浸漬深さは
それぞれ管の直径の９０％であり、管の回転数は８０ｒ
ｐｍであった。

従来の方法では１８秒の冷却時間の後に管の中に５７５
”Ｃの均衡温度が生じた０本発明による０、２５バール
の超過圧力の圧縮空気の供給の場合には均衡温度は僅か
１０秒後に既に５１０℃、１２秒後には４５０°Ｃであ
った。

第２の例 第２の実験では２つの同一の管が回転装置の中で、第１
の実験の場合と同一の動作温度の下にそれぞれ管の直径
の５０％の浸漬深さで浸漬されて８０ｒｐｍで回転され
圧縮空気導入状態で冷却された。

圧縮空気の超過圧力は第１の管の場合には０．２５バー
ル、第２の管の場合には０．５バールであった。

１２秒の焼入れ時間後に第１の管においては６００　’
Ｃの均衡温度が生じ、第２の管においては４５３’Ｃの
均衡温度が生じた。

これらの結果は、冷却効果が圧縮空気の導入により著し
く高められることを明瞭に示している。

冷却時間は従来の技術に比べ約半分に短縮する。

第３の例 開放端面を有する中空体を従来の回転浸漬装置で冷却す
る場合におけるこれまでの方法の不十分な点が、第２図
及び第３図に示されている直径１７０ｍ、肉厚１４晴、
長さ１５−の鋼管における測定結果に示されている。こ
の管が、ベイナイト組織形成のために９２０℃から４５
０°Ｃの中間温度に焼入れられるようにされる。しかし
実際の温度分布は、第２図が示すように極端に異なる。

終端においては既に温度は４００℃を下回るのに対して
中間の領域では６００’Ｃの近辺か又はこれを上回る。

すなわち、発生する温度差は２５０°Ｋまで達する。こ
れは、例えば第３図に示されている管長にわたり強く異
なる伸長限界値ＲＬａＩ３に示されているように対応し
て異なる組織形成をもたらす。

終端には目標のベイナイト組織が形成されたので終端に
おいては値が（第１図の２／２ａに対応して）約７０Ｏ
Ｎ／ｗ”にあるのに対して、（管端部から約２−３ｓａ
離れている）中間の領域では値は４６５４９５Ｎ／ａｓ
”である、後者の値は、（第１図の曲線３／３ａに対応
して）フェライト／パーライト組織が優勢であることを
示す。

ｇ、　実施例 次に本発明を実施例に基づき図を参照しながら説明する
。第５図及び第６図には特許請求の範囲第６項記載の方
法による本発明の効果を示す、第４図に概念的に示され
ている装置で冷却された鋼管において求められた測定結
果が示されている。

材料及び管寸法は第２図及び第３図の比較試験のものに
対応する。第４図には多数の矢印により、浸漬されてい
る管ｌの下の冷却浴液を攪拌する圧縮空気が個々のノズ
ルリップに分割されて供給されるのが管始端１ａ及び管
路端１ｂの領域で示されている０本例では、個々の長さ
が３５０　ｍの各々８°つの個々のノズルリップ２ａ、
　２ｂが各管路端１ａ、　ｌｂに設けられている。管１
の中央領域には長い単位ノズルリップ２が配置されてい
る。このようにして、双方の管路端１ａ、　ｌｂにおけ
る各々約３ｍの部分長を中央領域とは異なる強さで冷却
することが原理的には可能である。

第５図及び第６図に示されている実施例ではそれぞれ２
つの最外側のノズルリップ２ａ、　２ｂに圧縮空気が供
給される。この圧力は１．３バールまで低めることがで
きる。その他のすべてのノズルリップ２ａ、　２ｂ及び
長い単一のノズルリップ２は２．５バールの圧縮空気に
より作動される。従って、外部からの冷却が弱い管路端
の長さは各側で約７００−である。管Ｉの浸漬深さは９
０％に定められている。

これらの条件の下に、第５図に示されているように約１
５ｍの管長にわたり非常に一様な温度分布が得られた。

ばらつき領域が約３０°にの帯域幅に縮まるので、ベイ
ナイト組織形成のための恒温変態処理の際に行う冷却に
必要な温度が実際上いずれの個所でも得られる。これに
対応して、形成されたベイナイｌ−＆ｔｌ織も一様であ
る。これは、第６図に示されている６７０−６９ＯＮ　
／　ａｍ　”の−様な伸長限界値に示されている。

第４図に示されている冷却装置を例えば鋼管製造のため
にできるだけ効果的で柔軟に（異なる管寸法及び材料）
作動するために、その都度冷却する管の長さをオーステ
ナイト化炉からの排出の際に測定し、管の浸漬深さ、温
度、材料、直径、壁厚を考慮して強く冷却する領域とそ
れほど強くなく冷却する領域の位置及び長さを求め、最
後に、対応するノズルリップに必要な圧力を加える電子
制御装置の使用が勧められる。

【図面の簡単な説明】

第１図はオーステナイト状態の鋼を焼入してマルテンサ
イト組織を得る際の特性曲線と、恒温変態処理してベイ
ナイト組織を得る際の特性曲線を示す時間−温度線図、
第２図及び第３図は開放されている端面を有する中空体
を従来の回転浸漬装置の中で冷却する際の温度特性を示
す線図、第４図は本発明による冷却装置を概念的に示す
側面図、第５図及び第６図は本発明による冷却装置の中
で冷却する際の温度特性を示す線図である。 ■・・・管、　　　　　　　ｌａ、　ｌｂ・・・管路端
、２・・・長い単一のノズルリップ、 ２ａ、　　２ｂ・・・ノズルリップ。 ０［ Ｃ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）オーステナイト変態温度に加熱された中空体が例え
   ば水槽である冷却剤槽の中で、長手軸線が冷却槽の液面
   に平行になるように配置され表面の一部のみが冷却剤槽
   の中に浸るように浸漬され長手軸線を中心に回転される
   方法で冷却される、焼入れ焼戻し処理の枠内での鋼製の
   円筒状中空体の焼入れ方法において、冷却槽が中空体の
   下の領域で少なくとも一次的に撹拌されることを特徴と
   する鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ２）前記撹拌が、前記冷却剤槽の中に吹込まれる圧縮空
   気により行われることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ３）前記撹拌を、マルテンサイト変態開始温度に達する
   と終了することを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ４）前記中空体の浸漬深度が、マルテンサイト変態開始
   温度に達すると低下されることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第３項のうちのいずれか１項に記載の
   鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ５）前記中空体の回転数が、マルテンサイト変態開始温
   度に達した後に高められることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第５項のうちのいずれか１項に記載の
   鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ６）少なくとも１つの開放端面を有する前記中空体を冷
   却する場合には前記撹拌が１つの開放端面を有する１つ
   又は複数の終端の各領域では、前記中空体の中央領域に
   比べそして場合によっては閉成端面を有する終端領域に
   比べ弱めて行われ、撹拌の弱まりは、これに伴う外部へ
   の熱放出の減少がこれらの終端領域の内部冷却の強まり
   にほぼ対応するように調整されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第５項のうちのいずれか１
   項に記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ７）前記撹拌が、領域ごとに異なる圧力の圧縮空気を供
   給することにより行われることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ８）前記攪拌が一次的に前記中央領域及び場合によって
   は閉成端面を有する前記領域だけで行われることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項ないし第７項のうちのいず
   れか１項に記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法。 ９）前記冷却剤浴液を収容する容器と、冷却剤浴液に水
   平に位置する円筒状中空体を回転する回転装置を備えて
   いる特許請求の範囲第１項記載の鋼製の円筒状中空体の
   焼入れ方法を実施する装置において、圧縮空気を冷却剤
   浴液の中に吹込むノズルシステム（２、２ａ、２ｂ）が
   円筒状中空体の軸線の下で冷却剤の液面の下に配置され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鋼
   製の円筒状中空体の焼入れ方法を実施する装置。 １０）前記ノズルシステム（２、２ａ、２ｂ）が、水平
   に配置されている管部材として形成され、その壁の最上
   の外套ラインの領域に多数の孔が設けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第９項記載の特許請求の範囲
   第１項記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法を実施す
   る装置。 １１）互いに異なる動作圧力が前記ノズル（２、２ａ、
   ２ｂ）に個々に又は領域ごとに統合されて印加されるこ
   とが可能な特許請求の範囲第９項記載の特許請求の範囲
   第１項記載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法を実施す
   る装置。 １２）前記回転装置が前記冷却剤浴液の液面に対して種
   々の高さに調整可能であることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項ないし第７項記載の特許請求の範囲第１項記
   載の鋼製の円筒状中空体の焼入れ方法を実施する装置。