(57)【要約】【課題】低コストでありながら冷却時のワーク歪み量のばらつきを低減する焼入れ装置と焼入れ方法を提供する。【解決手段】焼入れ装置１０は、複数のワークＷを支持している枠体１２を、加熱炉から移動し、冷却液Ｑで満たされた冷却槽１６へ没入する装置である。枠体１２は、支持しているワークＷの下方投影領域に、格子目が上下方向を向いており、熱容量が均一な格子状の底部２０を備える。枠体１２を冷却槽１６へ降下させる際、底部２０がワークＷに先立って冷却液Ｑに触れる。底部２０の格子目は上下方向を向いており、底部２０が通過する領域（即ちワークの下方投影領域）の全体に亘って冷却液Ｑが素早く擾乱する。底部２０の接触によって発生した擾乱が定常化してからワークＷが冷却液に触れるので、枠体１２の最下段に配置されたワークＷの歪み量のばらつきを、最下段以外に配置されたワークＷと同等に抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のワークを支持している枠体を、加熱炉から移動し、冷却液で満たされた冷却槽へ没入する焼入れ装置であり、
枠体が、支持しているワークの下方投影領域に、格子目が上下方向を向いており熱容量が均一な格子状の底部を備えていることを特徴とする焼入れ装置。
【請求項２】
前記底部の熱容量が、枠体の水平方向に分散支持される複数のワークの総熱容量に略等しいことを特徴とする請求項１に記載の焼入れ装置。
【請求項３】
枠体は、冷却槽に没入したときにワークの下方から上方へ流れる冷却液をワークの周りに旋回させるフィンを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼入れ装置。
【請求項４】
枠体は、ワークの水平方向の周囲を囲う仕切板を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の焼入れ装置。
【請求項５】
仕切板は、冷却槽に没入したときにワークから遠ざかる方向へ向かう冷却液の流れを誘導する整流板を備えていることを特徴とする請求項４に記載の焼入れ装置。
【請求項６】
複数のワークを支持している枠体を、加熱炉から移動し、冷却液で満たされた冷却槽へ没入する焼入れ方法であり、
枠体ごとワークを冷却槽に没入するのに先立って、冷却液の表面領域であって枠体が支持しているワークの下方投影領域に、熱容量が均一な格子状の部材であって加熱された部材を没入することを特徴とする焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のワークを同時に焼入れする焼入れ装置と焼入れ方法に関する。特に、焼入れ時のワーク歪みのばらつきを低減することのできる焼入れ装置と焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワーク（機械部品）の強度を強化するひとつの手法として、ワークを加熱した後に急速に冷却するいわゆる焼入れという加工方法が知られている。生産性を向上するために、焼入れ装置は複数のワークを枠体で支持し、枠体ごと加熱・冷却する。焼入れ装置は、複数のワークを加熱された枠体ごと冷却液（典型的には油）が満たされた冷却槽に沈めて冷却する。
複数のワークをひとつの枠体に支持して冷却すると、ワークの位置により冷却プロセスに差が生じてワークの歪み量がばらついてしまうことがある。
ワークの冷却時に歪み量を均一化する熱処理浴槽（冷却槽）が特許文献１に開示されている。その熱処理浴槽は、ワークの局所的な冷却性能を検知する検知手段と、冷却液の噴出流量又は噴出方向を調整できる複数の噴出口を有している。その熱処理浴槽は、検知手段の検知結果に基づいて、噴出口を制御して冷却液の冷却性能を均一化する。
また、特許文献１には、浴槽内の冷却性能が均一になるように、ダミー部材を配置する方法が知られていると記載されている（特許文献１、段落０００４）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１５７８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された方法は、複雑な冷却槽を用意する必要があるため、コストが嵩む。また、特許文献１には、ダミー部材を配置する方法が知られていると記述されているが、ダミー部材をどのように配置すると冷却性能を均一化することができるかは定かではない。
本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、低コストでありながら冷却時のワーク歪み量のばらつきを低減する焼入れ装置と焼入れ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明者らは、鉛直方向の複数段に亘ってワーク群を枠体に配置して冷却槽に沈めると、最下段に配置したワーク群の歪み量のばらつきが他の段よりも大きいという現象を見出した。この現象は、冷却液が穏やかな状態の冷却槽に、加熱されたワークを沈めた瞬間に冷却液が激しく擾乱され始めることに起因すると考察される。擾乱発生当初の過渡期を過ぎて冷却液の状態が定常的になると冷却性能が冷却槽内で大域的に均一化される結果、最下段以外ではワーク群の歪み量のばらつきが小さくなると考察される。即ち、ワークの歪み量のばらつき度合は、加熱されたワークが冷却液に触れた瞬間から短時間に生じる冷却液の擾乱の経時的な変化に大きく依存する。本発明はそのような新規な知見に基づいて創作された。
【０００６】
本発明に係る焼入れ装置は、複数のワークを支持している枠体を、加熱炉から移動し、冷却液で満たされた冷却槽へ没入する焼入れ装置に具現化される。その焼入れ装置の枠体が、支持しているワークの下方投影領域に、格子目が上下方向を向いており、熱容量が均一な格子状の底部を備えていることを特徴とする。
この焼入れ装置では、熱容量が均一な格子状の底部がワークに先立って冷却液に触れる。底部の格子目は上下方向を向いており、底部が通過する領域（即ちワークの下方投影領域）の全体に亘って冷却液が擾乱し始める。底部が通過した後、ワークが冷却液に接する時点では擾乱発生初期の過渡期を過ぎて定常化している。冷却液の擾乱が定常化してからワークが冷却液に触れるので、枠体の最下段に配置されたワークの歪み量のばらつきを最下段以外に配置されたワークと同等に抑えることができる。
この焼入れ装置は、熱容量が均一な格子状の底部を備えることによって、ワークの歪み量のばらつきを抑制する。この焼入れ装置は、格子状の底部を加えるだけであるので、極めて低コストで実現できる。なお、底部の熱容量が均一とは、局所的には熱容量が異なっていても、ワーク下方投影領域の全体について巨視的に均一であればよい。
【０００７】
枠体の底部の熱容量は、枠体の水平方向に分散支持される複数のワークの総熱容量に略等しいことが好ましい。底部が冷却液に触れてからワークが冷却液に触れるまでの間に、冷却液を十分に擾乱することができるとともに、冷却液の温度を上昇させすぎることがない。
【０００８】
冷却液がワーク表面を均一に流れることによって歪み量のばらつきを一層抑制することができる。そのため、枠体は、冷却槽に没入したときにワークの下方から上方へ流れる冷却液をワークの周りに旋回させるフィンを備えていることが好ましい。或いは枠体は、ワークの水平方向の周囲を囲う仕切板を備えていることが好ましい。フィン或いは仕切板を備えることによって、各ワークの表面に冷却液を均一に流すことができる。フィンと仕切板を共に備えることも好適である。
【０００９】
加熱された枠体やワークが冷却液に触れると気泡が発生することがある。ワークの側面に張り出している突出部が形成されており、気泡がその突出部に留まると冷却性能が低下し、歪み量が増大する。そこで、仕切板は、枠体を冷却槽に没入したときにワークから遠ざかる方向へ向かう冷却液の流れを誘導する整流板を備えていることが好ましい。整流板は、例えば、ワーク側面に対向する位置に備えられており、ワーク側面の凹凸に対応した凹凸面でよい。或いは整流板は、下方から上方に向かうにつれてワーク側面に接近する板であってもよい。後者の場合、整流板は、ワークの下方から上方へ流れる冷却液の流れをワーク側面に向ける。ワーク側面にぶつかった冷却液はその反動でワークの中心から水平方向外側へ向かう流れを形成する。結果的にワーク側面の気泡をワークから遠ざけることができる。整流板が、気泡がワークに留まることを防止する。
【００１０】
本発明は、複数のワークを支持している枠体を、加熱炉から移動し、冷却液で満たされた冷却槽へ没入する焼入れ方法に具現化することもできる。その方法は、枠体ごとワークを冷却槽に没入するのに先立って、冷却液の表面領域であって枠体が支持しているワークの下方投影領域に、熱容量が均一な格子状の部材であって加熱された部材を没入することを特徴とする。前述したように、格子状の部材は枠体の底に取り付けられていてよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低コストでありながら冷却時のワーク歪み量のばらつきを低減する焼入れ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面を参照して本発明に係る焼入れ装置を説明する。図１に、焼入れ装置１０の模式的側面図を示す。図２に、図１のII−II線に沿った断面図を示す。なお、図２には、理解を助けるためにワークＷを破線で示してある。
焼入れ装置１０は、複数のワークＷを同時に焼入れすることができる。本実施例におけるワークＷは、自動車のドライブトレインに用いるシャフトである。焼入れ装置１０は、複数のワークＷを支持する枠体１２と、枠体１２を吊り下げて移動させる移動装置１４と、冷却槽１６と、加熱炉（不図示）を備えている。焼入れ装置１０は、枠体１２ごとワークＷを加熱炉に入れて加熱したのち、枠体１２ごとワークＷを冷却槽１６に没入して焼入れする。移動装置１４が、枠体１２を加熱炉から移動し、冷却槽１６へ降下させる。移動装置１４は、例えばクレーンのような機構でよいので詳細な説明は省略する。
【００１３】
枠体１２は、略立方体の外形状をなしている。枠体１２には、水平方向に伸びている部品支持棒２２が２段に配置されている。各段には３本の部品支持棒２２が平行に配置されている。複数のワークＷが、各部品支持棒２２に懸架される。即ち、各段には、縦横それぞれに３個ずつ合計９個のワークＷが懸架される。枠体１２は、各ワークＷの水平方向の周囲を囲う仕切板２４を備えている。仕切板２４の詳細については後述する。なお、後述するように、仕切板２４は個々のワークＷを囲う円筒状をなしているが、図１では簡略化して仕切板２４を平板で描いている。
【００１４】
枠体１２はさらに、底部２０を備えている。底部２０は、厚み約４０ｍｍのステンレス鋼を格子状に組み合わせた格子形状をなしている。その格子目２１は上下方向を向いている。
底部２０は、枠体１２の下面全体を覆っている。即ち、底部２０は、支持している複数のワークＷの下方投影領域の全体に拡がっている。図２に示すように、底部２０の格子は、その格子目２１がワークＷの下方に位置するように構成されている。
【００１５】
底部２０は、９個のワークＷの総熱容量とほぼ同じ熱容量を有している。前述したように、枠体１２は、水平方向に９個のワークＷを分散支持しているので、底部２０の熱容量は、枠体１２の水平方向に分散支持される９個のワークＷの総熱容量にほぼ等しい。底部２０は、均等な格子状に形成されているので、底部２０の熱容量は、ワークＷの下方投影領域の全体に亘って均一である。なお、底部２０を微視的に見た場合、底部２０の格子目２１の部分と格子の板の部分では当然ながら熱容量が異なるが、底部２０を巨視的に見た場合、底部２０の熱容量はワーク下方領域の全域に亘って均一である。
【００１６】
焼入れ装置１０の動作と利点を説明する。前述したように、焼入れ装置１０は、枠体１２ごと複数のワークＷを加熱炉に入れて加熱したのち、枠体１２ごとワークＷを冷却槽１６に降下させて冷却する。
ワークＷは、窒素とアンモニアを含有するガスで満たされた加熱炉にて約８００℃に加熱される。加熱炉にてワークＷの表層に窒素が浸透する。次に焼入れ装置１０は、枠体１２ごと加熱された複数のワークＷを、冷却液Ｑが満たされた冷却槽１６に没入する。この焼入れはＮクエンチ、あるいは浸窒焼入れと呼ばれる。
【００１７】
加熱された枠体１２を冷却槽１６に没入する際、ワークＷに先立って枠体１２の底部２０が冷却液Ｑに接触する。なお、冷却液Ｑは温調した油である。約８００℃に熱せられた枠体１２が常温の冷却液Ｑに接すると、冷却液Ｑが急速に熱せられて擾乱し始める。枠体１２をさらに降下させると、熱せられた冷却液Ｑは、底部２０の格子目２１を通して底部２０の上方に上昇する。底部２０が格子目２１を有しているので、冷却液Ｑの擾乱は、底部２０の上方に均一に拡がる。従って、ワークＷが冷却液Ｑに接する前に、冷却液Ｑの擾乱はその発生初期の過渡期を過ぎ、ほぼ定常化する。底部２０は複数のワークＷの下方投影領域に拡がっているので、ワークＷが接する冷却液Ｑの表層領域全体で冷却液Ｑの擾乱がほぼ定常化している。下段のワークＷが冷却液Ｑに接するときには既に擾乱発生初期の過渡期を過ぎているので、ワークＷが冷却液Ｑに接し始めてから枠体１２全体が没するまでの間、冷却液Ｑの状態はほぼ一定となる。このため、ワークＷが冷却液Ｑに接する前に、冷却プロセスの局所的なばらつきが生じることが抑制され、ワークＷの局所的な歪み量のばらつきが抑制される。
【００１８】
なお、枠体１２を降下させていくと、最下段のワークＷが降下していく先の冷却液Ｑが底部２０によって加熱される。最下段のワークＷは、冷却液Ｑの下層でも擾乱が定常化した後の冷却液Ｑに触れることになるので、歪み量が他の段のワークよりも増大することがない。
【００１９】
底部２０の熱容量は、枠体１２の水平方向に分散支持される９個のワークＷの総熱容量にほぼ等しいので、底部２０が冷却液Ｑに触れてから下段のワークＷが冷却液Ｑに触れるまでの間に、冷却液Ｑが十分に擾乱されるとともに、冷却液Ｑの温度が上昇しすぎることがない。また、熱容量がほぼ等しいことによって、底部２０に続いて下段のワークＷが冷却液Ｑに接するときと、下段のワークＷに続いて上段のワークＷが冷却液Ｑに接するときの状態を同等にすることができる。下段のワークＷの歪み量のばらつきと、上段のワークＷの歪み量のばらつきを同程度にすることができる。上下方向に並べた複数のワークＷ全体で、歪み量のばらつきを同程度にすることができるので、焼入れ後のワークの寸法ばらつきを均一化することができる。
【００２０】
次に、仕切板２４について説明する。図３に、枠体１２に支持されたワークＷ周辺の拡大図を示す。図４に、仕切板２４の断面図を示す。図４（Ａ）は、図３のIV−IV線に沿った横断面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った縦断面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図である。
【００２１】
図３に示すように、仕切板２４は、個々のワークＷの水平方向の周囲を囲んでいる円筒状をなしている。図示を省略しているが、円筒状の仕切板２４は、枠体１２に固定されている。
仕切板２４の下方、即ち、支持されたワークＷの下方に、ワークＷの側面に沿って冷却液Ｑを旋回させるフィン２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び、２６ｄが設けられている。図４（Ｂ）と（Ｃ）に示す矢印は、冷却液Ｑの流れを示している。図４に示すように、フィン２６ａ〜２６ｄは、上から見たときに冷却液Ｑを時計周りに旋回させる向きに取り付けられている。
ワークＷの周囲を囲う円筒状の仕切板２４とフィン２６ａ〜２６ｄによって、枠体１２を冷却液Ｑに沈めていくと、冷却液ＱはワークＷの周囲を旋回しながらワークＷの下方から上方へ流れる。ワークＷの周囲に冷却液Ｑが均等に触れるので、偏在した歪みがワークＷに生じ難くなる。
【００２２】
ワークＷの周囲を囲む仕切板２４や、フィン２６ａ〜２６ｄは、長尺円柱形状のワーク（典型的にはシャフト）をその長手方向を上下にして枠体１２に支持する場合に特に有効である。冷却液Ｑによるワーク冷却プロセスを、ワークの長手方向に亘って均等にできるからである。
【００２３】
図５及び図６を参照して、仕切板の変形例を説明する。図５は、仕切板１２４の縦断面図である。ワークＷは、外形状が変化する段差Ｗａを有している。段差Ｗａは、ワークの外側に向かって張り出している。ワークＷを冷却液Ｑに沈める際、擾乱した冷却液Ｑから気泡が発生する。気泡は、段差Ｗａに滞留しやすい。そこで、図５に示す仕切板１２４は、整流板１２４ａを有している。整流板１２４ａは、ワークＷの表面の段差Ｗａに対応した位置に設けられており、図５の矢印に示すように、冷却液Ｑに、ワークＷの中心から水平方向の外側へ向かう流れ（即ち、ワークから遠ざかる方向へ向かう流れ）を生じさせる。整流板１２４ａによって、ワークＷの段差Ｗａに滞留する気泡を上方へ逃がすことができる。
【００２４】
図５に示した仕切板１２４と異なる形状の仕切板を、図６に基づいて説明する。図６に示す仕切板２２４は、円筒状の仕切板２２４の内周面から中心へ向かって突出する整流板２２４ａを備えている。図６の矢印は、整流板２２４ａによって生じる冷却液Ｑの流れを示している。図６に示すとおり、整流板２２４ａは、ワークＷの段差Ｗａの下方でワークＷに向かう冷却液Ｑの流れを誘導する。冷却液Ｑは、ワークＷに近づいたのち、その反動でワークＷから遠ざかる流れを形成する。整流板２２４ａも、図５の整流板１２４ａと同様に、ワークＷから遠ざかる方向に冷却液Ｑの流れを生じさせることができる。
【００２５】
上記の実施例の焼入れ装置１０では、枠体１２の底部２０がワークＷの歪み量のばらつきを抑制する。底部２０の代わりに、枠体１２とは別体の部材を用いても上記の効果を得ることができる。ワークの歪み量のばらつきを抑制することができる焼入れ方法は、枠体ごとワークを冷却槽に没入するのに先立って、冷却液の表面領域であって枠体が支持しているワークの下方投影領域に、熱容量が均一な格子状の部材を没入することで実現できる。
【００２６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、枠体の底部は、ワークと同等の形状と熱容量を有している部材（いわゆるダミー）を、各段のワークの配列と同じ配列に配置したものであってもよい。ダミーはワークと同等に格子状に配置されるので、そのような底部は実施例に示した格子状の底部の変形例である。
【００２７】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】焼入れ装置の模式的側面図を示す。
【図２】枠体底部の横断面図を示す。
【図３】ワークの周囲を囲む仕切板を示す。
【図４】仕切板の断面図を示す。
【図５】仕切板の変形例を示す。
【図６】仕切板の他の変形例を示す。
【符号の説明】
【００２９】
１０：焼入れ装置
１２：枠体
１４：移動装置
１６：冷却槽
２０：底部
２１：格子目
２２：部品支持棒
２４、１２４、２２４：仕切板
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ：フィン
１２４ａ、２２４ａ：整流板
Ｗ：ワーク
Ｑ：冷却液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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