(57)【要約】      （修正有）【課題】焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する焼入れ熱処理方法、装置の提供。【解決手段】ワークを予熱保温後に保温処理するステップと、焼入液を加え、使用された焼入液の冷却特性と熱交換係数を測定し、焼入液の成分と温度を適切に修正するステップと、ワークを焼入槽１内に浸し、冷却を始め、焼入液を継続して補充し、焼入槽内の内部循環均温装置１５を起動して温度を均一にし、焼入液の温度が１〜５度の温度上昇範囲に保たれるようにするステップと、その後、内部循環速度を変更し、焼入液におけるポリマーを溶液から迅速に析出させ、ワーク表面にポリマー薄膜を形成するよう促すステップと、焼入槽１からワークを取り出すステップと、を有する焼入れ熱処理方法。【選択図】図１
2020056092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入槽、補助槽、および制御盤を有し、
焼入槽の底部には焼入剤を加熱するための加熱板（一）が設けられ、
焼入槽内には内部循環均温装置が設けられ、
焼入槽の上側頂部には焼入剤の温度を測定する温度センサ（一）、および焼入剤の熱交換係数を測定する熱交換係数センサが設けられ、
焼入槽の上側頂部にはワーク入口が設けられ、
補助槽の底部には焼入剤を加熱するための加熱板（二）が設けられ、
補助槽と焼入槽との間には焼入槽と補助槽の温度を均衡させる外部循環均温装置が設けられ、
補助槽の上側頂部には焼入剤の温度を測定する温度センサ（二）が設けられ、
補助槽の側壁には焼入剤を冷却する冷却モジュールが設けられ、
制御盤内にはタッチパネル、産業用コンピュータ、ＰＬＣコントローラ、温度制御モジュール、データ取得ボードが設けられ、
産業用コンピュータは、ＵＳＢデータケーブルによりタッチパネル、およびＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続され、
ＰＬＣコントローラは、温度制御モジュール、データ取得ボード、内部循環均温装置、外部循環均温装置、および冷却モジュールにそれぞれ電気的に接続され、
温度制御モジュールは、温度センサ（一）、および温度センサ（二）にそれぞれ電気的に接続され、
データ取得ボードは、熱交換係数センサに電気的に接続される、ことを特徴とする焼入熱処理装置。
【請求項２】
前記内部循環均温装置は、複数の循環攪拌器（一）であり、
各循環攪拌器（一）は、ＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続され、
循環攪拌器（一）は、ワーク載置口の周囲に均一に設けられ、
循環攪拌器（一）の底部には螺旋パドル（一）が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の焼入熱処理装置。
【請求項３】
外部循環均温装置は、二つの循環攪拌器（二）、二本の導流通路、および二つの電磁弁を有し、
導流通路は、焼入槽と補助槽との間に設けられ、
二つの電磁弁は、導流通路にそれぞれ設けられて導流通路の開閉を実現し、
一方の導流通路は、焼入槽と補助槽の上側頂部に近接する位置に設けられ、
他方の導流通路は、焼入槽と補助槽の底部近接する位置に設けられ、
二つの循環攪拌器（二）は、二本の導流通路にそれぞれ互いに対応し、
循環攪拌器（二）の底部には螺旋パドル（二）が設けられ、
補助槽底部に近接する循環攪拌器（二）の螺旋パドル（二）は、焼入剤を補助槽から焼入槽内に押し入れることができ、
補助槽上側頂部に近接する循環攪拌器（二）の螺旋パドル（二）は、焼入剤を焼入槽から補助槽内に吸い入れることができ、
二つの循環攪拌器（二）、二つの電磁弁は、ＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の焼入熱処理装置。
【請求項４】
産業用コンピュータ内には有線ネットワークカードおよび／または無線ネットワークカードが配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の焼入熱処理装置。
【請求項５】
熱処理生産において焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する方法であって、
請求項１に記載の焼入熱処理装置を採用し、
ステップ１：まず、ワークを設定温度下で、ワークの特徴により特定される時間により予熱保温処理し、その後、ワークを加熱昇温し、設定温度に達した後にワークの特徴により特定される時間において保温処理するステップと、
ステップ２：水溶性ポリマー焼入媒体を選択し、焼入槽および補助槽に一定濃度の焼入液を注入し、適切な温度まで調節し、冷却特性検出機器および熱交換係数検知器を用いて、使用された焼入液の冷却特性および熱交換係数を測定し、かつ産業用コンピュータにおける履歴データと対比し、焼入液の成分と温度を適切に修正するステップと、
ステップ３：ワークをワーク載置口から焼入槽内に浸し、冷却を始め、同時に、焼入槽と補助槽との間の外部循環均温装置により焼入液を継続して補充し、焼入槽内の内部循環均温装置を起動して温度を均一にし、焼入液の温度が１〜５度の温度上昇範囲に保たれるようにし、これによりワーク冷却過程の高温領域において非マルテンサイト変態を抑制するステップと、
ステップ４：一定時間起動した後、導流通路に設けられた循環攪拌器（二）を停止させ、焼入槽と補助槽との間の外部循環を遮断し、その後、内部循環速度を変更し、焼入液におけるポリマーを溶液から迅速に析出させ、ワーク表面にポリマー薄膜を形成するよう促すことで、低温領域においてできる限り遅い冷却速度を得るステップと、
ステップ５：焼入終了後、焼入槽からワークを取り出すステップと、を有する、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
ステップ４における起動時間は、８から１５秒であり、その後、循環攪拌器（二）を停止させる、ことを特徴とする請求項５に記載の熱処理において焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属熱処理生産における浸漬焼入冷却分野に関し、特に焼入熱処理装置、および焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼入媒体および冷却方法は、ワーク焼入冷却時の焼入応力の分布に顕著な影響を及ぼす。通常、水溶性ポリマー焼入剤の希釈溶液を使用して焼入を行う場合、液体の有機ポリマーが金属表面に堆積して膜を形成するので、ポリマー薄膜の厚みを調整することで金属の冷却程度を調節できる。
【０００３】
ポリマー薄膜の厚みは、焼入冷却槽におけるポリマー焼入剤の濃度を調整することにより完成される。溶液におけるポリマー焼入剤の濃度が一定濃度よりも低いときには、焼入時に高温領域で析出され、ワーク表面で浸潤作用を果たし、水蒸気膜が素早く破壊されるように促すことができるので、濃度が低いときのポリマーの冷却能力は、ＮａＣｌの水溶液に近くなる。ポリマー濃度が増大するときには、焼入過程においてワーク表面に堆積膜が形成され、断熱層の作用を果たすため、冷却速度を遅くできる。堆積膜の存在により、放熱が均一になるので、軟点を取り除くことができ、かつワークの内部応力が低減され、ワークの変形を防ぐことができる。ポリマー焼入液の温度は、冷却速度と反比例し、相対流速は、冷却速度と正比例する。従って、焼入液の濃度、温度または攪拌度を調節することで冷却を制御できる。
【０００４】
水溶性焼入媒体の第１の指標は、高温段階の冷却速度を速く保つ、または基本的に保つとともに、低温段階の冷却速度を下げることである。低段階の最も代表的な温度は、３００℃付近である。鋼製品を３００℃付近まで冷却するときに得られる冷却速度は、焼入媒体の「３００℃冷却速度」となり、理論と実験により、焼入媒体の３００℃付近の冷却速度は、多くの種類の鉄鋼ワークの焼入割れに決定的な作用があるか否かが証明されている。しかしながら、実際の生産においてポリマーは溶液中から直ぐにに析出してしまい、ワーク表面にポリマー薄膜を形成する時間は、ワーク数、形状、表面積、熱交換効率および攪拌速度の影響を受ける。リアルタイムにモニタリングしなければ、鋼製品が３００℃付近まで冷却されたときに、ちょうど、冷却速度を効果的に低くできるように保証をすることは難しくなってしまう。
【０００５】
鉄鋼の種類の違いにより異なる臨界冷却速度があり、双方の隔たりが大きい場合もあるので、いずれかの焼入剤ですべての鋼材の焼入を同時に満足させることは不可能である。材料自体の、および多くの熱処理工程の多様性の制限により、多くは、実験室の冷却曲線では到達可能な冷却速度が、工業大量生産では全く実現できておらず、ワーク数や表面積の変化により焼入媒体の昇温速度が変わるので、実際の生産におけるワークの冷却曲線を変更することに影響してしまう。焼入槽において加熱冷却装置により温度を調節する効率は低く、かつフレキシブルに温度制御できず、実験室において測定された焼入媒体の冷却曲線をワークで得られるようにすることができない。生産において、ワークの持ち出しや高温酸化分解はいずれも、ポリマー水溶液焼入媒体におけるポリマーの量を減少させ、水道水の揮発、外部の汚染物質の蓄積、焼入剤の劣化などはいずれも焼入液の冷却特性に影響し、実験室で得られた冷却特性から乖離させてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既存技術に存在する欠陥を解決するため、本発明は、熱処理生産において焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を実現するために、本発明が採用する技術的解決手段は、以下のとおりである。焼入熱処理装置は、焼入槽、補助槽、および制御盤を有する。
【０００８】
焼入槽の底部には焼入剤を加熱するための加熱板（一）が設けられ、焼入槽内には内部循環均温装置が設けられ、焼入槽の上側頂部には焼入剤の温度を測定する温度センサ（一）、および焼入剤の熱交換係数を測定する熱交換係数センサが設けられ、焼入槽の上側頂部にはワーク入口が設けられる。
【０００９】
補助槽の底部には焼入剤を加熱するための加熱板（二）が設けられ、補助槽と焼入槽との間には焼入槽と補助槽の温度を均衡させる外部循環均温装置が設けられ、補助槽の上側頂部には焼入剤の温度を測定する温度センサ（二）が設けられ、補助槽の側壁には焼入剤を冷却する冷却モジュールが設けられる。
【００１０】
制御盤内にはタッチパネル、産業用コンピュータ、ＰＬＣコントローラ、温度制御モジュール、データ取得ボードが設けられ、産業用コンピュータは、ＵＳＢデータケーブルによりタッチパネル、およびＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続され、ＰＬＣコントローラは、温度制御モジュール、データ取得ボード、内部循環均温装置、外部循環均温装置、および冷却モジュールにそれぞれ電気的に接続され、温度制御モジュールは、温度センサ（一）、および温度センサ（二）にそれぞれ電気的に接続され、データ取得ボードは、熱交換係数センサに電気的に接続される。
【００１１】
熱処理生産において焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する方法は、上述の焼入熱処理装置を採用するものである。
【００１２】
ステップ１：まず、ワークを設定温度下で、ワークの特徴により特定される時間により予熱保温処理し、その後、ワークを加熱昇温し、設定温度に達した後にワークの特徴により特定される時間において保温処理するステップと、
ステップ２：水溶液焼入媒体を選択し、焼入槽および補助槽に一定濃度の焼入液を注入し、適切な温度まで調節し、冷却特性検出機器および熱交換係数検知器を用いて、使用された焼入液の冷却特性および熱交換係数を測定し、かつ産業用コンピュータにおける履歴データと対比し、焼入液の成分と温度を適切に修正するステップと、
ステップ３：ワークをワーク載置口から焼入槽内に浸し、冷却を始め、同時に、焼入槽と補助槽との間の外部循環均温装置により焼入液を継続して補充し、焼入槽内の内部循環均温装置を起動して温度を均一にし、焼入液の温度が１〜５度の温度上昇範囲に保たれるようにし、これによりワーク冷却過程の高温領域において非マルテンサイト変態を抑制するステップと、
ステップ４：一定時間起動した後、導流通路に設けられた循環攪拌器（二）を停止させ、焼入槽と補助槽との間の外部循環を遮断し、その後、内部循環速度を変更し、焼入液におけるポリマーを溶液から迅速に析出させ、ワーク表面にポリマー薄膜を形成するよう促すことで、低温領域においてできる限り遅い冷却速度を得るステップと、
ステップ５：焼入終了後、焼入槽からワークを取り出すステップと、である。
【００１３】
本発明の技術的解決手段を採用すると、ワーク数と表面積の変化、および焼入液の使用過程における成分と性質の変化により、工業生産上のワーク冷却が実験室で得られた焼入液の理想的な冷却特性から乖離するという課題を効果的に回避でき、ワーク、特に形状が複雑なワークまたは中高炭素鋼、合金鋼、若しくは非鉄金属材料から製造された大型ワークの変形と割れを回避でき、さらに理想的な組織、性能、および使用寿命を得られるようになる。 
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】焼入熱処理装置の循環構造の概略図である。
【図２】焼入熱処理装置のモニタリングおよび調温システムの構造概略図である。
【図３】焼入熱処理装置の制御原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に図面を踏まえて本発明の好適な形態をさらに説明する。
【００１６】
図１〜３に示すように、焼入熱処理装置は、焼入槽１、補助槽２、および制御盤を有する。
【００１７】
焼入槽の底部には焼入剤を加熱するための加熱板（一）３が設けられ、焼入槽内には内部循環均温装置が設けられ、焼入槽の上側頂部には焼入剤の温度を測定する温度センサ（一）４、および焼入剤の熱交換係数を測定する熱交換係数センサ一５が設けられ、焼入槽の上側頂部にはワーク入口６が設けられる。
【００１８】
補助槽の底部には焼入剤を加熱するための加熱板（二）７が設けられ、補助槽と焼入槽との間には焼入槽と補助槽の温度を均衡させる外部循環均温装置が設けられ、補助槽の上側頂部には焼入剤の温度を測定する温度センサ（二）８が設けられ、補助槽の側壁には焼入剤を冷却する冷却モジュール９が設けられ、冷却モジュール９は、空冷蒸発器または水冷蒸発器である。冷却モジュール９は、焼入剤の温度を設定温度まで迅速に調節し、焼入剤の迅速な冷却を実現できる。
【００１９】
制御盤内にはタッチパネル１０、業用コンピュータ１１、ＰＬＣコントローラ１２、温度制御モジュール１３、データ取得ボード１４が設けられ、産業用コンピュータは、ＵＳＢデータケーブルによりタッチパネル、およびＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続され、ＰＬＣコントローラは、温度制御モジュール、データ取得ボード、内部循環均温装置、および外部循環均温装置にそれぞれ電気的に接続され、温度制御モジュールは、温度センサ（一）、および温度センサ（二）にそれぞれ電気的に接続され、データ取得ボードは、熱交換係数センサに電気的に接続される。
【００２０】
前記内部循環均温装置は、複数の循環攪拌器（一）１５であり、各循環攪拌器（一）は、ＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続され、各循環攪拌器（一）は、ワーク載置口の周囲に均一に設けられる。本技術的解決手段において好適な形態は、二つの循環攪拌器（一）をワーク載置口の両側に対称に設け、循環攪拌器（一）の底部には螺旋パドル（一）１６が設けられる。
【００２１】
外部循環均温装置は、二つの循環攪拌器（二）１７、二本の導流通路１８、および二つの電磁弁を有し、導流通路は、焼入槽と補助槽との間に設けられ、二つの電磁弁は、導流通路にそれぞれ設けられて導流通路の開閉を実現し、一方の導流通路は、焼入槽と補助槽の上側頂部に近接する位置に設けられ、他方の導流通路は、焼入槽と補助槽の底部近接する位置に設けられ、二つの循環攪拌器（二）は、二本の導流通路にそれぞれ互いに対応し、循環攪拌器（二）の底部には螺旋パドル（二）１９が設けられ、補助槽底部に近接する循環攪拌器（二）の螺旋パドル（二）は、焼入剤を補助槽から焼入槽内に押し入れることができ、補助槽上側頂部に近接する循環攪拌器（二）の螺旋パドル（二）は、焼入剤を焼入槽から補助槽内に吸い入れることができ、二つの循環攪拌器（二）、二つの電磁弁２１は、ＰＬＣコントローラにそれぞれ電気的に接続される。
【００２２】
さらなる改良として、産業用コンピュータ内には有線ネットワークカードおよび／または無線ネットワークカードが配置される。有線またはネットワークカードを介して、産業用コンピュータと移動端末デバイスのデータインタラクティブが実現でき、産業用コンピュータが遠隔制御のラインに接続されることも実現でき、管理者またはメンテナンス者が焼入熱処理装置の遠隔端末制御およびモニタリングを行うことも実現できる。
【００２３】
熱処理生産において焼入液の冷却特性をインラインでスマート制御する方法は、上述の焼入熱処理装置を採用するものであり、
ステップ１：まず、ワーク２０を設定温度下で、ワークの特徴により特定される時間により予熱保温処理し、その後、ワークを加熱昇温し、設定温度に達した後にワークの特徴により特定される時間において保温処理するステップと、
ステップ２：水溶液焼入媒体を選択し、焼入槽および補助槽に１３％濃度の焼入液を注入し、適切な温度まで調節し、冷却特性検出機器および熱交換係数検知器を用いて、使用された焼入液の冷却特性および熱交換係数を測定し、かつ産業用コンピュータにおける履歴データと対比し、焼入液の成分と温度を適切に修正するステップと、
ステップ３：ワークをワーク載置口から焼入槽内に浸し、冷却を始め、同時に、焼入槽と補助槽との間の外部循環均温装置により焼入液を継続して補充し、焼入槽内の内部循環均温装置を起動して温度を均一にし、焼入液の温度が１〜５度の温度上昇範囲に保たれるようにし、これによりワーク冷却過程の高温領域において非マルテンサイト変態を抑制するステップと、
ステップ４：１０秒間起動した後、導流通路に設けられた電磁弁２１を停止させ、焼入槽と補助槽との間の外部循環を遮断し、その後、内部循環速度を変更し、焼入液におけるポリマーを溶液から迅速に析出させ、ワーク表面にポリマー薄膜を形成するよう促すことで、低温領域においてできる限り遅い冷却速度を得るステップと、
ステップ５：焼入終了後、焼入槽からワークを取り出すステップと、である。
【００２４】
本出願の技術的解決手段をさらによく説明するために、ここでは、中炭素合金鋼ワークが、有効厚みが１００ｍｍよりも大きいときに、油焼入硬さ不足が生じやすく、水焼入で変形割れが生じやすいという課題につき、本特許の方法を応用して、以下のように解決するものである。具体的なステップは、以下のとおりである。
１：ワークを６００℃で１時間予熱保温し、その後８４５℃まで昇温し、４時間保温する。
２：ホートンシリーズＰＡＧ水溶液焼入媒体を選択し、焼入槽と補助槽に１３％濃度の焼入液を注入し、温度を３０℃に調節し、冷却特性検出機器および熱交換係数センサを利用して、調合された焼入媒体の冷却特性および熱交換係数を検出し、産業用コンピュータにより、濃度と温度を適切に修正する。
３：ワークを焼入槽内に浸し、冷却を始め、かつ焼入槽と補助槽との間の外部循環を起動して温度制御し、焼入槽の内部循環を起動して温度を均一にし、焼入液の温度が２〜３度の温度上昇範囲に保たれるようにする。
４：約１０秒後に、焼入槽と補助槽との間の外部循環を停止させ、内部循環速度を変更し、焼入液におけるＰＡＧポリマーを溶液から迅速に析出させ、ワーク表面にポリマー薄膜を形成するよう促し、ワークの冷却速度を調整する。
５：焼入終了後、焼入槽からワークを取り出す。
【００２５】
上述のように、本特許のＰＡＧ水溶性焼入液と中炭素合金鋼ワークを採用した好適な実施形態を詳細に説明した。
【００２６】
以上の実施形態は、本発明の技術的構想および特徴を説明したにすぎず、その目的は、当業者が本発明の内容を理解し、かつ実施できるようにすることであり、これにより本発明の保護範囲を制限できるわけではなく、本発明の主旨の実質に基づいて行う等価の変更や修飾はいずれも本発明の保護範囲内にカバーされるものとする。
【符号の説明】
【００２７】
３  加熱板（一）
７  加熱板（二）
１３  温度制御モジュール
４  温度センサ（一）
８  温度センサ（二）
１０  タッチパネル
１１  産業用コンピュータ
１２  ＰＬＣコントローラ
９  冷却モジュール
２１  電磁弁
１５  遠心ポンプ１
１７  遠心ポンプ２
１４  データ取得ボード
５  熱交換係数センサ
【図１】
2020056092.tif 000003
【図２】
2020056092.tif 000004
【図３】
2020056092.tif 000005