JPS62202019A - 金属材料の焼入れ方法および装置 - 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 本発明は金属材料よりなる比較的大きな製品・部材の熱
処理、特に溶体化処理後の急冷処理（以下「焼入れ」と
称す）に係わる。更に詳しくは本発明は焼入れにおいて
冷却液による被処理材の冷却効果を高める方法およびそ
のための装置に関する。

（ロ）従来の技術 冷媒質として冷却液を使用した場合、焼入れに際して高
温の被処理材に接した処理液は急激に蒸発し、この上記
膜が被処理材表面を覆う断熱層を形成して冷却効果を阻
害する。従ってこの」二記膜を除去することが焼入れに
おける急冷を効果的に行う上で最も重要な過大とされて
いる。

鋼材の焼入れに関してはこの蒸気膜の排除のために、従
来一般に次の２つの対策が採られている。

１つの方法は焼入れ槽内に冷却液の噴射ノズルを設け、
この噴射力によって冷却液を攪拌して蒸気膜を被処理材
表面から除去する方法である。勿論空中に位置させた被
処理材に対して冷却液を噴射する方法もこれと同様効果
を発揮する。他の方法は、焼入れ槽内に気体噴射ノズル
を設け、冷却液内に浸漬した被処理材の表面に対して断
続的に気体を吹きつけ、これにより蒸気膜を除去する方
法である（実開昭５４−２９８１３号公報参照）。

前述した冷却液噴射ノズルにより冷却液を攪拌する方法
では、大きな被処理材に対しては多数の或いは強力な装
置を必要とし、設備費が高くなるとともに安定した冷却
条件を得ることが困難である。

焼入れ槽内の気体噴射ノズルにより気体を断続的に被処
理材に吹きつける方法では、吹きつけが中断されている
間の蒸気膜の除去を如何に行うかの問題が依然として残
る。この中断時間を無くすように連続噴射すると、被処
理材の表面に吹きつけた気体自体が蒸気膜と同様な断熱
層を形成し、意図する冷却効果の向上が達成できない。

また、この方法では被処理材の表面に対して均等に気体
を噴射しなければ均等な焼入れ効果を得られず、しかも
被処理材は常に一定形状寸法のものと限らないので、前
記公報に開示されているように気体噴射ノズルと被処理
材とを相対的に動かす等の考慮も必要となり、この結果
として先の方法と同様に設備費が高くなるとともに安定
した冷却条件を得ることが困難である。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、従来の
欠点を解消し、蒸気膜を速やかに往つ効果的に除去でき
、これにより焼入れ効果を向上できる焼入れ方法、およ
びこれを達成する簡単な構造で保守も容易な装置を提供
することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段 この目的を達成するために、本発明の方法は冷却液に形
成した気液混合の連続上昇流を、所定の焼入れ温度に加
熱した金属材料に接触させることを特徴とする。

またその方法を実施するために用いられる本発明の装置
は、焼入れ槽内の底部に配設した気体吹き出し孔を設け
た気体吹き出し管と、取付は板を介して焼入れ槽の垂直
内壁に沿って該垂直内壁から間隔を隔てて配備した仕切
板とを有することを特徴とする。

（ホ）作用 冷却液を冷媒として使用する焼入れにおいては、気体を
被処理材表面上に直接吹きつけて蒸気膜を除去するより
も、焼入れ槽内底部から気体を連続的に吹き出し、上昇
する気泡によって生じる気液混合の上昇流を被処理材表
面に沿ってせっしくさせながら上昇させるようになせば
、極めて有効に蒸気膜を除去できるとともに焼入れの向
上が達成できることを見出して本発明が完成されたので
ある。

ここで気液混合の連続上昇流を金属材料に接触させると
は、気液混合流が金属材料の表面に沿って上昇する状態
で被処理材である金属材料を冷却液内に位置（浸漬）さ
せることを意味する。従って予め気液混合の上昇流を形
成した冷却液内に金属材料を浸漬し、或いは金属材料の
浸漬直後に気液混合の上昇流を形成するという何れの順
序も可能であるが、実際上は前者の方が好ましい。

即ち、本発明はこの気液混合の上昇流によって蒸気膜を
除去すること、並びにこの上昇流は当然ながら他の領域
にて下降流を生じ、この循環による強力な攪拌作用によ
り冷却液温度の平均化を得て被処理材の均一な焼入れ効
果を得ることを特徴とするのである。

更に詳しくは、被処理材表面に接して上昇する気液混合
流の「流動」および「混在気泡」が蒸気膜を被処理材表
面から除去する上で極めて有効に作用することが見出さ
れた。またこの気液混合の上昇流は単に蒸気膜の除去に
有効であるばかりでなく、焼入れ槽内で冷却液の上昇域
および下降域を形成して全体的な強力な循環流を形成す
る働きをなし、これにより容易且つ簡単に冷却液の強力
な撹拌効果を得て冷却液温度の平均化を得られることが
見出されたのである。

また焼入れ装置を上述のように構成することにより、焼
入れ槽内の底部に配設した気体吹き出し管より連続的に
噴出する気体により冷却液内に気液混合の上昇流を形成
することが可能となる。

（へ）実施例 本発明の焼入れ方法を実施するための装置の一実施例を
第１図に示し、以下にこの装置によって実施した焼入れ
試験に沿って説明する。

第１図に示す焼入れ装置において、符号１は冷却液とし
て温水２を貯えた焼入れ槽を示している。

この焼入れ槽１はここには図示していないが通常のよう
に蒸気や電気ヒーター等の加熱手段を備え、所定の温度
に冷却液を予熱できるようになっている。符号３は焼入
れ試験に使用された第一の被処理材を示し２ている。符
号４は被処理材３を支持する治具を示し、耐熱性の高い
材料例えば鋼材等で作られている。この治具４は被処理
材３の溶体化処理および焼入れの工程を通じて被処理材
３を支持したまま取り扱われる。即ち溶体化処理炉に対
する被処理材３の出し入れ、焼入れ槽１への搬送、温水
２内への浸漬、引き上げ等を行うのに使用され、被処理
材３と同じ熱作用を受けるものである。

このために被処理材３のための治具４は被処理材３の処
理を阻害しないように、第６図に詳細に示すように、下
端に放射状に延出せる支持腕４ａを有して構成されてい
る。符号４ｂは支持腕４ａの間隔を差し渡す補強腕であ
る。符号６は焼入れ槽１の底壁上面に固定された台座を
示しており、焼入れ処理の間この台座６の上に治具４が
載置されるようになっている。

また、第１図において符号７は焼入れ槽１の垂直壁の内
面から間隔を隔てて内側に配備された仕切板を示してい
る。この仕切板７は後述にて明らかとなるように温水２
に仕じる上昇流域と下降流域とを仕切ることを主眼とす
るものである。この仕切板７は取付は板８を介して焼入
れ槽１の垂直壁の内面に対し固定されている。勿論取付
は板８は該間隔内を温水２が流動できるように配向され
配備される。

本発明の特徴として、この焼入れ装置にはここではルー
プ形の気体吹き出し管３１．３２が焼入れ槽１内の下部
に水平状態として配備されており、これらの気体吹き出
し管３１．３２に対して気体導管４１．４２がそれぞれ
接続されている。気体吹き出し管３１はここでは台座６
に対して固定されている。また気体吹き出し管３２は治
具４の支持腕４ａに対応する高さ位置でここでは仕切板
７の下端付近に固定されている。また気体導管４１．４
２は図示するように焼入れ槽１の上部から矢印５で示す
ように外部へ延びており、ここでは図示していないが適
当な気体供給源に対して接続され、気体を気体吹き出し
管３１．３２に対して導くようになされている。ここで
気体とは、被処理材や焼入れ装置等に対して悪影響のな
いことが必要であり、安価に入手できしかも取り扱い容
易な点等から圧搾空気等が最も実用的とされる。

気体吹き出し管３１は筒状の被処理材３の内周面側に気
体を吹き出し、また気体吹き出し管３２は外周面側に気
体を吹き出し、これらの気体の吹き出しによってそれぞ
れの周面に沿った気液混合の上昇流を形成するためのも
のである。ここで、気体吹き出し管３１から吹き出され
た気体による気液混合の上昇流は治具４の支持腕４ａの
間を通って上昇し、この支持腕４ａが特に障害となるこ
とはない。このような気体の吹き出しのために、気体吹
き出し管３１．３２にはそれぞれ第２図および第３図に
示すように気体吹き出し孔９が形成されている。この実
施例において気体吹き出し管３１の孔９は、被処理材３
の内周面側に全体的な上昇流を形成することを意図して
、気体吹き出し管３１の両側の広い範囲に気液混合の上
昇流を形成するために、例えば４５°程度の傾きとなる
ように第４図に示すように適当な間隔ａ、ｂにて千鳥状
に配列されている。一方気体吹き出し管３２の孔９は仕
切板７の外側に全体的な下降流を形成することを意図し
て、被処理材３の外周面に向かう方向にのみ例えば４５
°程度に傾げて配向されている。これらの孔９はそれぞ
れ下方へ向けて開口されるのが望ましい。この理由は、
当初は気体吹き出し管３１．３２内に温水が侵入してお
り、気体の供給によりこの温水を完全に排出しなければ
総ての孔９からの吹き出しが得られないからである。即
ち、下方に向いていれば先ず気体吹き出し管内の全周上
部に気体が導かれ、次第に内部の水面レベルが低下した
後吹き出しが開始されるようになるので、全部の孔９か
らの吹き出しが開始され易くなるのに対し、上方に向い
て備えられていると導管４１．４２に近い孔９からの吹
き出ししか得られないことになるからである。

このような構成の焼入れ装置においては、焼入れのため
の温水２の予熱（例えば８０°Ｃ程度）、被処理材３の
浸漬および搬出は従来と同様に行われる。しかし本発明
の特徴として、被処理材の浸漬前に導管４１．４２を通
じて気体吹き出し管３１．３２に気体が供給され、この
気体がそれぞれの孔９から吹き出されて所要位置に気液
混合の上昇流が形成されるのである。この気体の供給は
焼入れ終了まで′ｍ続される。この結果として焼入れ槽
１内の温水２はこの上昇流とこれに対応して発生する下
降流とによって大きく攪拌（循環）されることになる。

ここでは仕切板７の内側に上昇流域が、また外側に下降
流域が形成されるのである。

このように循環されている温水２に対して被処理材３は
その内周面および外周面が気液混合の上昇流内に位置さ
れるように（気液混合の上昇流が被処理材の表面に沿っ
て上昇するように）浸漬される。この状態での浸漬によ
り、被処理材３の表面に発生した蒸気膜（図示せず）は
前述したように「上昇流動」および「気泡の働き（気泡
が表面に衝突する）」によって直ちに強力に破壊・除去
されるのである。また気液混合流が表面に沿って流動（
上昇）するので、破壊された蒸気膜は気泡とともに上昇
し、その個所は直ちに温水と接触して冷却されるので冷
却効率が格段に高くなり、しかもこれらの気泡が蒸気膜
のように停滞して冷却を阻害することはないのである。

次に、（ａ＞本発明の特徴とする気体の吹き出しによる
気液混合の上昇流の強さを調べるために次のような試験
を行った。

第２図に示すように下向きに４５″の角度で配向した直
径１．５ｍｍの孔９を第４図に示すようにａ−１２，５
ｍｍ、ｂ＝２５ｍｍの千鳥状に配列して有する外径Ａ＝
２５ｍｍの気体吹き出し管を水深１ｍに保持し、供給空
気量と上昇流の流速を測定した。

この結果、気体吹き出し管の長さ１ｍ当り６０１！／分
の空気量を供給した場合、上昇流の流速は大体２２ｍ／
分であった。

供給空気量を８０１／分とした場合には上昇流の流速は
大体２８ｍ／分であった。

また、上昇流により水面に盛り上がりが見られた幅（強
い上昇流域）は、気体吹き出し管を中心として大体１５
０〜２００ｍｍ程度であった。

尚、実際の焼入れに際して蒸気膜の除去に必要な気液混
合流の流速（循環、攪拌）を得るために上昇流の流速を
高めることは極めて容易であることは明らかである。

（ｂ）気液混合の上昇流の作用により蒸気膜の除去が改
善されたこと、即ち焼入れが良好に行えるかを調べるた
めに、実際に供試体を使用して焼入れ試験を実施した。

試験内容は次の通りである。

第一の供試体として、Ａ６０６１アルミニウム合金の鍛
造材で作られた第５図に詳細に示すような形状のものを
３個使用した。これらの供試体をそれぞれＴＡＩ、ＴＡ
２、ＴＡ３と称することにする。これらは何れも第５図
にて示した各部の寸法はｍｍ単位でＡ＋＝１１８０、Ａ
２＝１４４０゜Ａ３＝１６３０、Ｂ、−１４７０、ＢＺ
＝１７５０、Ｃ＝１３０、Ｄ、＝１００．ＤＺ　＝１８
０程度であり、重量は約３．３トンの大きさのものであ
った。

供試体ＴＡＲ１ＴＡ２の焼入れ条件として気体の吹き出
しを行った８０℃の温水、供試体ＴＡ３の焼入れ条件と
しては気体の吹き出しを行わない８０℃の温水をそれぞ
れ使用した。

第二の供試体として、Ａ６０６１アルミニウム合金の鍛
造材で作られた第７図および第８図に示す形状のものを
２個使用した。これらの供試体をそれぞれＴＢＩ、ＴＢ
２と称することにする。何れも第７図および第８図にて
示した各部の寸法はｍｍ単位でｗ、−３１９、Ｗ２　＝
２３０ＳＨ＝２０５、Ｈ＋＝９７、Ｓ−２１０程度であ
った。

供試体ＴＢＩの焼入れ条件として気体の吹き出しを行っ
た８０℃の温水、供試体ＴＢ２の焼入れ条件として気体
の吹き出しを行わない１０℃の冷水をそれぞれ使用した
。

尚、上記総ての供試体は予め５５５℃で溶体化処理をほ
どこされたものである。

何れの供試体も前述の焼入れ処理の後１〜２日間常温に
放置し、然る後１７５℃にて２４時間の人工時効処理を
施した。

これらの供試体ＴＡＩ、ＴＡ２、ＴＡ３、ＴＢｌ、ＴＢ
２の焼入れ効果を知るために、人工時効処理後の強度特
性および焼入れ歪を測定した。測定結果を第１表に示す
。

第１表に示すように強度特性の測定結果を供試体ＴＡＩ
、ＴＡ２、ＴＡ３で比較すれば、同じ冷媒である温水を
使用しても本発明の焼入れ方法が従来方法に比較して引
張強さおよび耐力に優れた結果を得ており、即ち焼入れ
効果の得られたことを示している。しかも、このように
大きな供試体においては、歪を小さくするために８０℃
温水の冷媒を使用する場合には本発明の気液混合流を利
用することによってＪＩＳ　　Ｈ４１４０Ａ６０６１　
　ＦＨ−Ｔ６で規定された機械的性質の要求値を十分満
足できるが、気液混合流を利用しないと前記規格を満足
できないことが確認された。

供試体ＴＢＩ、ＴＢ２で比較すれば、本発明の方法によ
る８０℃温水の冷却でも、従来方法による１０℃冷水に
よる焼入れとほぼ同様な焼入れ効果を得られることが示
されている。

（ト）発明の効果 以上のように、本発明は簡単な手段により確実に焼入れ
効果を向上できる。また本発明の方法によれば、８０℃
温水の冷却でも冷水なみの強度が得られるのみならず、
焼入れ歪も小さく、従来できなかった特に大きな被処理
材の焼入れをも可能にでき、産業上多大の効果を得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による１つの実施例とする焼入れ装置の
全体的な概略縦断面図。 第２図および第３図は第１図の装置において本発明の特
徴とする気体吹き出し孔を有する気体吹き出し管を示す
部分的な断面図。 第４図は気体吹き出し管における気体吹き出し孔の配列
状態の一例を示す底面図。 第５図は本発明の焼入れ方法の試験に使用した第一の供
試体の縦断面図。 第６図は第５図に示した第一の供試体用の支持治具の平
面図。 第７図および第８図は本発明の焼入れ方法の試験に使用
した第二の供試体のそれぞれ側面図および正面図。 １・・・・・・焼入れ槽 ２・・・・・・冷却液である温水 ３・・・・・・被処理材 ４・・・・・・支持治具 ７・・・・・・仕切板 ９・・・・・・気体吹き出し孔 ３１．３２・・・気体吹き出し管 ４１．４２・・・気体導管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷却液に形成した気液混合の連続上昇流を、所定
   の焼入れ温度に加熱した金属材料に接触させることを特
   徴とする金属材料の焼入れ方法。
2. （２）焼入れ槽内の底部に配設した気体吹き出し孔を設
   けた気体吹き出し管と、焼入れ槽の垂直内壁に沿って該
   垂直内壁から間隔を隔てて配備した仕切板とを有するこ
   とを特徴とする金属材料の焼入れ装置。