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【発明の名称】 浴冷却装置
【発明者】 【氏名】藤田 良幸

【氏名】藤田 英人

【氏名】松村 良雄

【氏名】波多野 多英

【氏名】藤野 良治

【要約】 【課題】浴冷却における熱処理対象物の焼き割れ、焼き曲がりを防止ないし軽減する。

【構成】冷却剤を蓄えておく浴槽1と、浴槽1内に冷却剤を噴射するための噴射管2と、噴射管2を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段5とを具備する浴冷却装置を構成した。本浴冷却装置は、浴槽1に蓄えた冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射し、浴槽1中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加熱した熱処理対象物を冷却剤に浸漬して浴冷却する浴冷却装置であって、
冷却剤を蓄えておく浴槽と、
浴槽内に冷却剤を噴射するための噴射管と、
噴射管を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段とを具備してなり、
浴槽に蓄えた冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射し、浴槽中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却することを特徴とする浴冷却装置。
【請求項2】
噴射管の噴射口を、浴槽に蓄えた冷却剤の水面近傍に位置づけている請求項1記載の浴冷却装置。
【請求項3】
噴射管の噴射口が複数存在し、それら噴射口から浴槽の中央に向けて冷却剤を噴射する請求項1または2記載の浴冷却装置。
【請求項4】
浴槽内の冷却剤を吸い込んで噴射管に還流するための吸込管をさらに具備する請求項1、2または3記載の浴冷却装置。
【請求項5】
冷却剤を加温してその温度を維持するための冷却剤加温手段をさらに具備する請求項1、2、3または4記載の浴冷却装置。
【請求項6】
注入するガスを加温して冷却剤の温度を維持するためのガス加温手段をさらに具備する請求項1、2、3、4または5記載の浴冷却装置。
【請求項7】
前記浴槽を密閉してその内部を大気圧以上の高圧とすることを可能とする蓋をさらに具備する請求項1、2、3、4、5または6記載の浴冷却装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、加熱した熱処理対象物を浴冷却する浴冷却装置に関する。
【背景技術】
【0002】
金型等の熱処理対象物を熱処理するに際しては、真空炉等で熱処理対象物を所定時間加熱した後、低温の不活性ガスを導入してガス冷却したり、その熱処理対象物を浴槽に投入して浴冷却したりすることが通例である(例えば、下記特許文献を参照)。
【特許文献1】特許3516906号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
熱処理対象物の浴冷却に使用する冷却剤は、焼き入れ油や焼き戻し油から、水または添加物を加えた水性液体へと転換しつつある。焼き入れ油や焼き戻し油は第4類第3、第4石油類に属する危険物であり、保管総量の規制を受け、管理の徹底が要求される。引火点の高い油は常温での粘性も高く、油浴冷却後の熱処理対象物を洗浄する作業を煩瑣にする。また、洗浄液にも有害物質が含まれていることが多く、環境対策が不可欠となる。水浴冷却であれば、これらの問題を回避できる。しかも、水は焼き入れ油や焼き戻し油に比べて安価に入手できる。
【0004】
一方、水と油との密度の相違や沸点の相違から、水浴冷却では油浴冷却よりも急速に熱処理対象物が冷却される。故に、単純に油浴冷却と同じように水浴冷却を実施すると、熱処理対象物に焼き割れや焼き曲がりが発生すること必至である。水浴槽に投入された熱処理対象物は、表面は急冷されるものの内部の温度降下がそれに追随せず、内外の焼き入れ(オーステナイト組織からマルテンサイト組織への変態)の時間差、即ち寸法変化(マルテンサイト変態に伴う膨張)の時間差が大きくなって焼き割れ等するリスクが高い。
【0005】
油浴冷却にしても、熱処理対象物が大形または肉厚である場合には、内外の焼き入れの時間差に起因する焼き割れ等のリスクが顕在化する。同様に、部位的に肉厚の差がある場合にも、その肉厚差が冷却速度の差をもたらし焼き割れ等の要因となり得る。
【0006】
以上に鑑みてなされた本願発明は、浴冷却における熱処理対象物の焼き割れ等を防止ないし軽減することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した課題を解決するべく、本発明では、冷却剤を蓄えておく浴槽と、浴槽内に冷却剤を噴射するための噴射管と、噴射管を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段とを具備し、浴槽に蓄えた冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射し、浴槽中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却する浴冷却装置を構成した。
【0008】
つまり、浴槽中に微細なバブルを大量に混入させることで、熱処理対象物に与える浴冷却効果を抑制するようにしたのである。このようなものであれば、熱処理対象物の表面や肉厚の薄い部位のみが早く冷えすぎてしまうのを避けることができる。そして、熱処理対象物の内外の焼きの入り具合の差、並びに肉厚差のある部位の焼きの入り具合の差を小さくし、焼き割れ等を防止ないし軽減することが可能となる。
【0009】
噴射管の噴射口を浴槽に蓄えた冷却剤の水面近傍に位置づけておけば、冷却剤を噴射したときに水面上の雰囲気または大気をも浴槽中に叩き込んでバブルの量を増すことができる。
【0010】
熱処理対象物の周縁部分は中央部分よりも冷えやすい。とりわけ、隅角はすぐに温度が下がる。噴射口を複数とし、それら噴射口から浴槽の中央に向けて冷却剤を噴射するものとすれば、比較的冷却負荷(熱容量)の大きい熱処理対象物の中央部分を重点的に冷却しつつ、そこで昇温した冷却剤を周辺側に流動させて熱処理対象物の周縁部分を冷却することができる。よって、熱処理対象物全体の温度降下が均等になり、熱処理対象物の焼き割れ等の発生を抑えられる。
【0011】
浴槽内の冷却剤を吸い込んで噴射管に還流するための吸込管を具備するものとすれば、微細なバブルを含んだ冷却剤にさらにガスを注入して噴射管から噴射することとなり、浴槽中のバブルの量がより一層増す。このことは、水や水性液体を冷却剤に使用する水浴冷却処理において特に有効である。
【0012】
鉄鋼等の浴焼き入れでは、浴槽の温度をある程度以上高く保っておく必要がある。しかし、本発明に係る浴冷却装置で使用するガスは、常温で供給されるのが普通である。さすれば、ガスの混交により冷却剤の温度は下がってしまう。熱処理対象物に与える浴冷却効果を必要十分に抑制するには、冷却剤にかなりの量(または、高圧)のガスを混交しなければならないが、冷却剤の温度が顕著に下がってしまえばやはり熱処理対象物の内外の焼き入れの時間差、肉厚差のある部位の焼き入れの時間差が拡大して焼き割れ等の悪影響を生じる。上記の理由から、冷却剤を加温してその温度を維持するための冷却剤加温手段を付設することが望ましい。及び/または、注入するガスを加温して冷却剤の温度を維持するためのガス加温手段を付設することも考えられる。
【0013】
加えて、前記浴槽を密閉してその内部を大気圧以上の高圧とすることを可能とする蓋を設けることも好ましい。さすれば、水浴冷却処理において浴槽の水温を100℃以上に上げることができ、鋼鉄の焼き入れ等にさらに好適となる。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、浴冷却における熱処理対象物の焼き割れ等を防止ないし軽減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の浴冷却装置は、図1ないし図4に示すように、冷却剤を蓄えておく浴槽1と、浴槽1内に冷却剤を噴射するための噴射管2と、噴射管2を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段5とを具備する。浴槽1の上部には、浴槽1を開成/閉止する可動の蓋(図示せず)が存在する。この蓋は、浴槽1を密閉して内部を大気圧以上の高圧にできるものとすることが好ましい。
【0016】
本浴冷却装置は、加熱した熱処理対象物を浴槽1に投入して冷却剤に浸漬し、その浴槽1を満たしている冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射して、浴槽1中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却することができる。ここでは、冷却剤には水、注入ガスにはN2等の不活性ガスまたは空気を想定している。本浴冷却装置は、熱処理対象物を加熱する熱処理炉内に設置してもよく、熱処理炉外に設置して炉から搬出した熱処理対象物を投入し冷却するものとしてもよい。
【0017】
詳述すると、本浴冷却装置では、上方から冷却剤たる水を噴射する上側噴射管21、22、23、24と、下方から水を噴射する下側噴射管25、26、27、28とを併設している。上側噴射管21、22、23、24は、浴槽1の周壁部の上縁に沿うように四方に配しており、各噴射管21、22、23、24から複数個の噴射口21a、22a、23a、24aを浴槽1中央に向けて斜め下方に突き出させている。上側噴射管21、22、23、24の噴射口21a、22a、23a、24aは、浴槽1に水を満たしたときにその水面近傍に臨む高さ位置にある。但し、噴射口21a、22a、23a、24aが水中に漬かっていたとしてもバブリングは可能である。噴射口21a、22a、23a、24aの先端には、如雨露の如く複数の貫通孔を穿ったキャップを装着している。このキャップを貫通孔を穿っていないキャップに換装すれば、個々の噴射口21a、22a、23a、24aの閉塞が可能である。即ち、熱処理対象物の形状、寸法等に対応して、何れの噴射口21a、22a、23a、24aから水を噴射し何れの噴射口21a、22a、23a、24aから噴射しないようにするか、換言すれば熱処理対象物のどの部位に水を重点的に当てて冷却するかを調整することができる。
【0018】
下側噴射管25、26、27、28は、浴槽1の壁面に沿って略鉛直方向に延伸し、下端で噴射口25a、26a、27a、28aを浴槽1中央に向けて斜め上方に突き出させている。下側噴射管25、26、27、28の噴射口25a、26a、27a、28aは、浴槽1に水を満たしたときにその水面下に潜っている。噴射口25a、26a、27a、28aの先端には、やはり複数の貫通孔を穿ったキャップを装着している。下側噴射管25、26、27、28の中途にはバルブ25b、26b、27b、28bを介設しており、このバルブ25b、26b、27b、28bを閉じれば個々の噴射口25a、26a、27a、28aから水を噴射しないようにすることができる。
【0019】
下側噴射管25、26は上側噴射管23に接続し、上側噴射管23は上側噴射管22と接続した上、液圧ポンプ72の吐出側に接続している。並びに、下側噴射管27、28は上側噴射管24に接続し、上側噴射管24は上側噴射管21と接続した上、液圧ポンプ71の吐出側に接続している。
【0020】
液圧ポンプ71、72の吸込側には、浴槽1内の水を吸い込むための吸込管3を接続してある。吸込管3の吸込口33a、33bは、浴槽1の底部に開口する。より具体的には、中空箱状の底部構造体33を浴槽1の底面上に固定し、底部構造体33と吸込管本体31、32とを連通するとともに、底部構造体33の上面に吸込口33a、33bを形成している。吸込管本体31は液圧ポンプ71を介して浴槽1内の水を噴射管21、24、27、28に還流させる。並びに、吸込管本体32は液圧ポンプ72を介して浴槽1内の水を噴射管22、23、25、26に還流させる。
【0021】
しかして、噴射管2にガスを導入するガス導管51、52を、上側噴射管21、22と上側噴射管24、23との分岐箇所に挿入している。ガス導管51、52は、ガスボンベ(図示せず)または雰囲気若しくは大気を吸引する気圧ポンプ(図示せず)等に接続し、何れかから供給される加圧ガスを噴射管2内に送り込む。ガス導管51、52及びガスボンベ、気圧ポンプ等が、ガス注入手段5の要素となる。
【0022】
加えて、水を加温して温度を維持する冷却剤加温手段6として、浴槽1内に複数本のヒータ61、62を敷設している。
【0023】
熱処理対象物を浴冷却するにあたっては、浴槽1に注水し、ヒータ61、62に通電して水を沸騰直前となる温度(約98℃以上)にまで加温する。しかる後、浴槽1に加熱した熱処理対象物を投入して浸漬する。次いで、液圧ポンプ71、72を起動して水を噴射管2に圧送し、かつその水にガス導管51、52から加圧ガスを注入して、噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aから猛烈に噴射する。特に、浴槽1の水面上にある噴射口21a、22a、23a、24aから噴射された水は、水面に激しく衝突して水中に突入し、水面上の雰囲気または大気を浴槽1中に巻き込む。結果、先に注入された加圧ガスと相まって、微細なバブルを大量に発生させる。このバブルは、水の噴射を止めてもなお数分間以上浴槽1中に滞留し続ける程のものである。
【0024】
また、噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aから噴射された水は、まず浴槽1中央に向かい、熱処理対象物の中央部分に当たってそこから周辺側へ流動し、熱処理対象物の周縁部分と接触しつつ浴槽1底部の吸込口に流れ込むバブルを含んだ噴流となる。そして、吸込管3及びポンプ71、72を経由して噴射管2に還流し、さらなる加圧ガスの注入を受けて、再度噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aから噴射される。このようにして、水を攪拌する作用を営ませ、浴槽1の略全域にバブルを行き渡らせ、熱処理対象物に与える浴冷却効果を抑制しながら、熱処理対象物全体の冷却速度を均等化する。なお、熱処理対象物の浴冷却処理の間、ヒータ61、62を制御して水温を約98℃以上に維持する。
【0025】
本実施形態によれば、冷却剤たる水を蓄えておく浴槽1と、浴槽1内に水を噴射するための噴射管2と、噴射管2を流通する水にガスを注入するためのガス注入手段5とを具備し、浴槽1に蓄えた水に対してガスを混交した水を噴射し、浴槽1中をバブリングしながら熱処理対象物を浴冷却する浴冷却装置を構成したため、熱処理対象物に与える浴冷却効果を抑制できる。同時に、噴射管2から噴射されて熱処理対象物に直に当たる噴射水の冷却効果をも抑制できる。従って、熱処理対象物の内外の焼きの入り具合の差、並びに肉厚差のある部位の焼きの入り具合の差が小さくなり、焼き割れ等の防止ないし軽減が可能となる。
【0026】
噴射管2の噴射口21a、22a、23a、24aを浴槽1に蓄えた水の水面近傍に位置づけているため、水を噴射したときに水面上の雰囲気または大気をも浴槽1中に叩き込んでバブルの量を増すことができる。
【0027】
噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aを複数とし、それら噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aから浴槽1の中央に向けて水を噴射するものとしたため、比較的冷却負荷の大きい熱処理対象物の中央部分を重点的に冷却しつつ、そこで昇温した水を周辺側に流動させて熱処理対象物の周縁部分を冷却することができる。よって、熱処理対象物全体の温度降下が均等になり、熱処理対象物の焼き割れ等の発生を抑えられる。
【0028】
浴槽1内の水を吸い込んで噴射管2に還流するための吸込管3を具備しているため、微細なバブルを含んだ水にさらにガスを注入して噴射管2から噴射することとなり、浴槽1中のバブルの量がより一層増す。このことは、水を使用する水浴冷却処理において特に有効である。
【0029】
鉄鋼等の浴焼き入れでは、浴槽1の温度をある程度以上高く保っておく必要があるが、ガスボンベまたは気圧ポンプ等から供給されるガスは常温であるのが普通である。本実施形態では、水を加温してその温度を維持するための冷却剤加温手段6を付設しており、ガスの混交による水温降下を補償して浴焼き入れ、浴焼き戻しに適した温度に保つことができる。
【0030】
加えて、蓋で浴槽1を密閉した状態でガス注入手段5を介してガスを注入することで、浴槽1内部を大気圧以上の高圧にすることが可能である。さすれば、水浴冷却処理において浴槽1の水温を100℃以上に上げることができるので、鋼鉄の焼き入れ等にさらに好適となる。
【0031】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、上側噴射管21、22、23、24と下側噴射管25、26、27、28とを併設していたが、上側噴射管21、22、23、24のみ、または下側噴射管25、26、27、28のみとすることを妨げない。また、浴槽1の周壁部に、内側方に向けて水を噴射する噴射管を配設してもよい。
【0032】
噴射管2の噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aが、おしなべて浴槽1の中央に向いているとは限られない。噴射口21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28aの方向を可変としてもよい。熱処理対象物が部位によって肉厚差の大きいものである場合には、より厚肉な部位に水を重点的に当てるよう噴射方向を調整し、また水の噴射量を増減させて、効果的に焼き割れ等を抑制するようにする。
【0033】
冷却剤加温手段6たるヒータを、浴槽1外に配置することも可能である。即ち、吸込管3または噴射管2を流通する水を加温し得る位置にヒータを敷設し、これによって温度を維持する態様をとり得る。
【0034】
並びに、水に注入するガスを加温するガス加温手段を敷設し、ガスの注入に伴う水温降下を抑止することも考えられる。例えば、ガスボンベまたは気圧ポンプ等から供給される加圧ガスを一旦浴槽1内に導き、浴槽1を満たす(加温された)水によって温め、その後に噴射管2内に送り込むようにする。この場合、図5に示すように、浴槽1の周壁部に沿ってガス導管4を浴槽1中を囲繞するように配設し、その両端を浴槽1外に露出させて、一端をガスボンベまたは気圧ポンプに接続し、他端を噴射管2に接続する。ガス導管4の浴槽1内にある部分は、銅等の熱伝導率の高い材料を用いて作製する。この例では、水を加温するヒータ61、62が、ガスを加温するガス加温手段6としての役割をも担うこととなる。
【0035】
無論、ガス加温手段として、ガスボンベまたは気圧ポンプ等から供給されるガスを加温するためのヒータないし熱交換器を別途付設してもよい。さらには、噴射管2内にガスを送り込むときにガスを断熱圧縮し、以てガスを加温するようにしてもよい。
【0036】
その上で、使用する冷却剤は水に限定されない。添加物を加えた水性液体、油または油性液体であっても構わない。
【0037】
その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の一実施形態の浴冷却装置を示す正面図。
【図2】同平面図。
【図3】同X−X線正断面図。
【図4】同Y−Y線側断面図。
【図5】本発明の変形例の一を示すY−Y線側断面図。
【符号の説明】
【0039】
1…浴槽
2…噴射管
21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28a…噴射口
3…吸込管
5…ガス注入手段
6…冷却剤加温手段、ガス加温手段
【出願人】 【識別番号】598171830
【氏名又は名称】エジソンハード株式会社
【出願日】 平成18年8月4日(2006.8.4)
【代理人】 【識別番号】100085338
【弁理士】
【氏名又は名称】赤澤 一博

【識別番号】100118245
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 敬子


【公開番号】 特開2008−38190(P2008−38190A)
【公開日】 平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願番号】 特願2006−212861(P2006−212861)