(57)【要約】【課題】焼入温度に昇温した凹部を有するワークを、凹部を下向きにして冷却液槽に貯留した冷却液に浸漬した際に、下向きの凹部を含むワーク全体を良好に冷却することができる冷却装置を提供することである。【解決手段】冷却液２が満たされた冷却液槽１を有し、外部で誘導加熱したワーク６を前記冷却液槽１に沈めてワーク６を急冷する冷却装置２５であって、ワーク６は、環状凹部３４を有するものであり、環状凹部３４を下に向けた状態で冷却液槽１に沈められる冷却装置２５において、環状凹部３４内に封ぜられた気体を除去する補助ジャケット４を設ける。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液が満たされた冷却液槽を有し、外部で誘導加熱したワークを前記冷却液槽に沈めてワークを急冷する冷却装置であって、前記ワークは、凹部を有するものであり、凹部を下に向けた状態で冷却液槽に沈められる冷却装置において、
前記凹部内に封ぜられた気体を除去する除去手段を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記除去手段は、ワークの前記凹部に向けて冷却液を噴射する冷却液噴射機構を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記除去手段は、前記凹部付近の冷却液及び気体を吸引する吸引機構を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
冷却液が満たされた冷却液槽を有し、外部で誘導加熱したワークを前記冷却液槽に沈めてワークを急冷する冷却装置であって、前記ワークは、凹部を有するものであり、凹部を下に向けた状態で冷却液槽に沈められる冷却装置において、
前記ワークの下面側の凹部に冷却液を強制的に行き渡らせる冷却液供給手段を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
冷却液が満たされた冷却液槽に、外部で誘導加熱したワークを沈めて当該ワークを急冷する冷却方法であって、前記ワークは、凹部を有するものであり、凹部を下に向けた状態で冷却液槽に沈められる冷却方法において、
前記ワークの下面側の凹部に冷却液を強制的に行き渡らせることを特徴とする冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材料のワークを高周波焼入するための高周波焼入装置に採用される冷却装置、並びに、冷却方法に関するものであり、ワークを冷却液槽に貯留した冷却液に浸漬させて急冷する冷却装置、並びに、冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料からなる大型のワークを高周波焼入する際、冷却工程では浸漬冷却が実施されることが多い。浸漬冷却とは、冷却液槽に予め冷却液を貯留しておき、焼入温度まで昇温したワークを冷却液槽内の冷却液に液没させることにより急冷する冷却方法である。浸漬冷却を実施することにより、大型ワークの広範な加熱領域を同時に略一様に冷却することができる。この様な、浸漬冷却を実施することができる装置が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示されている装置では、冷却液槽の上方で環状のワークの高周波誘導加熱を行い、その後、昇温したワークを下降させて冷却液槽に貯留された冷却液に液没させ、ワーク全体を急冷することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５８７７４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、焼入で浸漬冷却を実施したところ、ワークによっては、表面硬さや焼入れ硬化層の深さ等の焼入状態に部分的な差が生じたり、焼き割れ等の不良が生じることがある。
【０００６】
そこで本発明者は、以下の仮説を立てた。
すなわち、貯留された冷却液に焼入温度に昇温したワークを液没させると、ワーク全体を時間差なくマルテンサイト変態温度以下に急冷することができるはずであるが、何らかの理由でワークが一様に冷却されず、焼入不良が発生した部位は、焼入に必要な所定時間以内にマルテンサイト変態温度以下に急冷されていないのではないかという仮説を本発明者は立てた。
【０００７】
例えば、大型ギヤの歯面の歯先から歯底までを高周波焼入すると、歯底の一部に焼入が不十分な箇所が存在する場合がある。すなわち、歯底全体ではなく、大型ギヤの円周上の一部の領域のみ焼入硬化層の深さや表面硬さが不良となる場合がある。この焼入が不良となった部位は、歯底の全周ではなく一部分のみであり、この一部のみが焼入温度からマルテンサイト変態温度まで焼入に必要な所定時間以内に急冷されなかったと考えられる。
【０００８】
次に本発明者は、この様な現象が生じる理由について検証及び考察を重ねた。
【０００９】
すなわち、ワーク（大型ギヤ）を液槽に貯留された冷却液に浸漬した際に、ワークの下側に空気が残留しており、この空気に遮られて冷却液が大型ギヤの一部の表面に接触することができず、部分的に冷却が遅れ、表面硬さや焼入硬化層に悪影響を及ぼしたものと本発明者は考えた。
また、高温のワークに接触した冷却液が蒸発し、水蒸気（気体）が発生し、発生した気体がワークの下側に溜まることもあり得る。この発生した気体が、ワークと冷却液との接触を阻害し、ワークの冷却が部分的に遅れたのではないかと本発明者は考えた。
【００１０】
ワークの形状を検証してみると、ワークを液槽の冷却液に浸漬する際、ワークの姿勢は、軸心が鉛直方向を向いており、この場合のワークの下部には、環状の凹部が存在する。この凹部には、空気抜きとして機能する孔がなかった。すなわち、下向きの凹部内に空気又は気体が溜まると、溜まった空気又は気体は逃げることができず、凹部内に滞留し続ける。
【００１１】
そこで本件出願人が、このワークの下向きの凹部内に滞留した空気又は気体を除去してみると、ワークの焼入は良好なものとなった。
【００１２】
以上の知見から本発明者は、ワークの下向きの凹部内の空気溜まりを除去すると、ワークの部分的な冷却遅れが解消されてワークの全領域が一様に冷却され、ワークの焼入部位が一様の表面硬さと焼入硬化層が得られることを見出した。
【００１３】
そこで本発明は、凹部を有する焼入温度に昇温したワークを、凹部を下向きにして冷却液槽に貯留した冷却液に浸漬した際に、下向きの凹部を含むワーク全体を良好に冷却することができる冷却装置、並びに、冷却方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、冷却液が満たされた冷却液槽を有し、外部で誘導加熱したワークを前記冷却液槽に沈めてワークを急冷する冷却装置であって、前記ワークは、凹部を有するものであり、凹部を下に向けた状態で冷却液槽に沈められる冷却装置において、前記凹部内に封ぜられた気体を除去する除去手段を有することを特徴とする冷却装置である。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、凹部内に封ぜられた気体を除去する除去手段を有するので、ワークの下向きの凹部内における気体が封ぜられていた部位が冷却液と接触する。よって、ワークの下部全体が一様に急冷される。そのため、ワークの焼入対象部位に一様な表面硬さと焼入硬化層が形成される。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記除去手段は、ワークの前記凹部に向けて冷却液を噴射する冷却液噴射機構を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置である。
【００１７】
請求項２に記載の発明では、除去手段は、ワークの前記凹部に向けて冷却液を噴射する冷却液噴射機構を有するので、凹部内に封ぜられた気体が冷却液噴射機構から噴射された冷却液によって除去される。そのため、ワークの下向きの凹部内が冷却液と接触し、凹部が急冷され易い。その結果、ワーク全体が急冷される。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記除去手段は、前記凹部付近の冷却液及び気体を吸引する吸引機構を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置冷却装置である。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、前記除去手段は、前記凹部付近の冷却液及び気体を吸引する吸引機構を有するので、凹部内に封ぜられた気体が、冷却液と共に吸引機構に吸引される。そのため、ワークの凹部内における気体が封ぜられた部位が冷却液と接触し、凹部が急冷され易い。その結果、ワーク全体が急冷される。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、冷却液が満たされた冷却液槽を有し、外部で誘導加熱したワークを前記冷却液槽に沈めてワークを急冷する冷却装置であって、前記ワークは、凹部を有するものであり、凹部を下に向けた状態で冷却液槽に沈められる冷却装置において、前記ワークの下面側の凹部に冷却液を強制的に行き渡らせる冷却液供給手段を有することを特徴とする冷却装置である。
【００２１】
請求項４に記載の発明では、ワークの下面側の凹部に冷却液を強制的に行き渡らせる冷却液供給手段を有するので、冷却液供給手段によって強制的に行き渡らせた冷却液によって、凹部に封ぜられた気体が除去される。そのため、ワークの下面側の凹部を構成する部位が、冷却液供給手段によって強制的に行き渡らせた冷却液と接触する。その結果、ワークの下面側の凹部が急冷される。すなわち、ワークの全体が急冷され、ワークの焼入部位には、一様な表面硬さと焼入硬化層とが得られる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、冷却液が満たされた冷却液槽に、外部で誘導加熱したワークを沈めて当該ワークを急冷する冷却方法であって、前記ワークは、凹部を有するものであり、凹部を下に向けた状態で冷却液槽に沈められる冷却方法において、前記ワークの下面側の凹部に冷却液を強制的に行き渡らせることを特徴とする冷却方法である。
【００２３】
請求項５に記載の発明では、ワークの下面側の凹部に強制的に行き渡らせた冷却液によって、凹部に封ぜられた気体が除去される。そのため、ワークの下面側の凹部を構成する部位が、強制的に行き渡らせた冷却液と接触する。その結果、ワークの下面側の凹部が急冷される。すなわち、ワークの全体が急冷され、ワークの焼入部位には、一様な表面硬さと焼入硬化層とが得られる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、凹部を有するワークを、凹部を下向きにして冷却液に浸漬させた際に、ワークの下向きの凹部内が良好に急冷され、ワークの焼入部位には一様で良好な表面硬さと焼入硬化層が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る冷却装置の冷却ジャケットの下方から見た斜視図である。
【図２】図１の冷却ジャケットを分解しワークと共に示した斜視図である。
【図３】図１の冷却ジャケットに、ワークを配置した状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る冷却装置を備えた高周波焼入装置の概略図であり、ワークが高周波誘導加熱されている状態を示す。
【図５】本発明の実施形態に係る冷却装置を備えた高周波焼入装置の概略図であり、ワークが液槽内の冷却液に浸漬されて冷却されている状態を示す。
【図６】図５の冷却装置で冷却されているワークを破断して示した高周波焼入装置の概略図である。
【図７】図６のワークの部分拡大断面図であり、（ａ）は、環状凹部に気体が溜まっている状態を示し、（ｂ）は、補助ジャケットから冷却液を噴射して、環状凹部に溜まった気体を飛ばした状態を示す。
【図８】ワークの環状凹部に封ぜられた気体を移動させなかった場合における、ワーク各部の温度変化を示すグラフである。
【図９】ワークの環状凹部に封ぜられた気体を移動させた場合における、ワーク各部の温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら説明する。
図１は、高周波焼入装置に設けられた本実施形態に係る冷却装置２５のうちの冷却ジャケット３の下方から見た斜視図である。
冷却ジャケット３は、図４に示す様に、液槽１内に配置されており、液槽１内に貯留された冷却液２（焼入液）に液没している。すなわち、本実施形態に係る冷却装置２５は、液槽１と冷却ジャケット３とを備えている。
【００２７】
冷却ジャケット３は、図１，図２に示す様に、環状構造を呈する中空の部材であり、内周面３ａには多数の噴射口９が設けられている。噴射口９は、冷却ジャケット３の内外を連通させる孔である。
また、冷却ジャケット３の底面３ｂの複数箇所（本実施形態では３箇所）には、図２に示す様に、連通孔１０が設けられている。連通孔１０は、冷却ジャケット３の内外を連通させる孔である。
【００２８】
冷却ジャケット３には、冷却液供給管２０が接続されている。冷却液供給管２０は、図示しない冷却液供給源から冷却液（焼入水）を冷却ジャケット３に導く配管である。
【００２９】
冷却ジャケット３の底面３ｂには、連通孔１０と連通するように補助ジャケット４（除去手段，冷却液供給手段，冷却液噴射機構）が固定されている。図２に示す様に、補助ジャケット４は管部材であり、基部１２と枝部１３，１４を有している。基部１２は、一端付近が直角に屈曲しており、一端にはフランジ部１２ａが設けられている。また、基部１２の他端には、枝部１３，１４が連続形成されている。枝部１３，１４は、基部１２と交差しており、基部１２から左右に分岐して互いに対称形状を呈している。枝部１３，１４の先端には、それぞれ返し部１３ａ，１４ａが設けられている。返し部１３ａ，１４ａは、枝部１３，１４及び基部１２と交差している。返し部１３ａ，１４ａの端部には、噴射口１５，１６が設けられている。
【００３０】
フランジ部１２ａが、冷却ジャケット３の底面３ｂにねじ止め等の固定手段によって固定されている。すなわち補助ジャケット４は、冷却ジャケット３の底面３ｂに取り付けられている。
【００３１】
補助ジャケット４は、基部１２が冷却ジャケット３の半径方向内方へのび、返し部１３ａ，１４ａが上方にのび、噴射口１５，１６が上方を向いて開口する様に、環状の冷却ジャケット３の底面３ｂに固定されている。
【００３２】
すなわち冷却ジャケット３から補助ジャケット４に導かれた冷却液（焼入水）は、補助ジャケット４の基部１２から枝部１３，１４に分かれて流れ、噴射口１５，１６から上方又は斜め上方に向けて噴射される。
【００３３】
冷却ジャケット３は、図４，図５に示す様に、支柱であるジャケット支持部材８によって、液槽１内の所定の高さで水平姿勢となるように支持されている。すなわち環状の冷却ジャケット３は、環の中心線が鉛直方向を向く姿勢でジャケット支持部材８によって支持されている。液槽１内の冷却ジャケット３は、液槽１に貯留された冷却液２に液没している。
【００３４】
また、冷却ジャケット３の上面には、図１〜図３に示す様に、フック２１が設けられている。フック２１は、冷却ジャケット３や液槽１のメンテナンス時に、冷却ジャケット３を移動させる際に使用される。
【００３５】
液槽１の上方には、図４，図５に示す様に、高周波焼入装置の環状の加熱コイル５が設置されている。図４では、高周波焼入装置の加熱工程に関わる構成のうちの加熱コイル５のみが描写されており、高周波電源等の構成の描写は省略している。
【００３６】
加熱コイル５は、銅や銅合金等で形成された環状構造を呈する中空の良導体であり、内部には自身の加熱焼損を防止する冷却液が循環供給されている。加熱コイル５は、図示しない高周波電源に接続されている。すなわち、加熱コイル５は、高周波誘導加熱時には、図示しない高周波電源から高周波電流が供給される。加熱コイル５の環状の内部には、図４に示す様に、ワーク６を配置可能である。すなわち、加熱コイル５の内径は、ワーク６の外径よりも若干大きい。ワーク６の構造については後述する。
【００３７】
図４に示す様に、ワーク６は、ワーク支持部材７によって支持されている。ワーク支持部材７は、図示しない昇降装置によって昇降すると共に、図示しない回転装置によって回転可能である。
【００３８】
図示しない昇降装置は、ワーク６を加熱コイル５に近接対向させる高さ位置（図４）と、環状の冷却ジャケット３の内周面３ａに対向させる高さ位置（図５）との間を往復移動することができる。
【００３９】
また、図示しない回転装置は、ワーク支持部材７ごとワーク６を回転させることができる。ワーク６が回転すると、ワーク６の外周面が、加熱コイル５の内周面や冷却ジャケット３の内周面３ａと相対移動する。
【００４０】
次に、ワーク６について説明する。
ワーク６は、直径が０．７ｍ〜２ｍ程度の外歯の大型歯車である。図２に示す様に、ワーク６の外周には歯先３１と歯底３２を有する歯部３３（歯面）が形成されている。ワーク６の中心部分には円筒内壁部３５が設けられている。円筒内壁部３５は筒状の部位であり、内部に軸を挿通させる貫通孔３０が形成されている。
【００４１】
歯部３３と円筒内壁部３５は、環状で且つ板状のウェブ３６で接続されている。すなわち、歯部３３，円筒内壁部３５，及びウェブ３６によって、ワーク６には環状凹部３４（凹部）が形成されている。ウェブ３６には孔が設けられていない。
【００４２】
次に、ワーク６の高周波焼入の手順を説明する。
ワーク６をワーク支持部材７上に載置し、ワーク支持部材７に設けた図示しない昇降装置を駆動し、図４に示す様に、ワーク支持部材７に支持されたワーク６を、加熱コイル５の高さ位置まで移動させる。さらに、図示しない回転装置を駆動してワーク６を回転させる。また、加熱コイル５に高周波電流を通電する。その結果、ワーク６の全周囲の歯部３３（歯面）に高周波の誘導電流が励起され、ワーク６の歯部３３が誘導加熱されて昇温する。
【００４３】
ワーク６の歯部３３が焼入温度に達すると、ワーク支持部材７の図示しない昇降装置を駆動し、図５に示す様に、ワーク６を液槽１の冷却液（焼入液）に液没させ、さらにワーク６を冷却ジャケット３の環状の内部に配置する。ワーク６は、引き続き図示しない回転装置によって回転している。
【００４４】
また、図示しない冷却液供給源から冷却液供給管２０を介して冷却ジャケット３に冷却液（焼入水）を供給する。冷却ジャケット３内の冷却液は、内周面３ａに設けられた多数の噴射口９から噴射される。ワーク６は回転しており、冷却ジャケット３に対して相対移動している。その結果、ワーク６の歯部３３の周囲の高温の冷却液が低温の冷却液と入れ替わり、ワーク６の歯部３３が良好に冷却（急冷）される。
【００４５】
また、冷却ジャケット３内の冷却液が、連通孔１０及び補助ジャケット４を介して、ワーク６に向けて噴射される。すなわち、補助ジャケット４の噴射口１５，１６は、図３及び図６に示す様に、ワーク６の歯部３３における歯底３２の裏面側を向いており、冷却液３７を噴射して歯底３２を裏面側から良好に冷却する。すなわち、環状凹部３４内に滞留した気体が補助ジャケット４から噴射供給された冷却液３７によって押し動かされて移動し、環状凹部３４内における滞留していた部位から除去されるので、環状凹部３４内が流動する冷却液と接触して良好に冷却される。換言すると、環状凹部３４内に封ぜられた気体が除去され、当該気体が冷却液と置換され、環状凹部３４内が冷却液と接触して良好に冷却される。
【００４６】
図７（ａ）に示す様に、ワーク６の下側には、空気又は気体５０が溜まることがあると考えられる。すなわち、ワーク６を図４に示す液槽１の上方の位置から、図５に示す液槽１の冷却液２内の位置に移動させて液没させる際に、環状凹部３４に空気が残ってしまう場合や、高温のワーク６が液槽１の冷却液２に触れて冷却液２が沸騰し、発生した気体（水蒸気）が環状凹部３４に溜まり、図７（ａ）に示す気体５０となることがあると考えられる。
【００４７】
そこでこの環状凹部３４内に向けて補助ジャケット４の噴射口１５，１６から冷却液（焼入水）３７を噴射すると、噴射された冷却液が環状凹部３４内を流動する。すなわち、冷却液３７が環状凹部３４内に行き渡る。そして、環状凹部３４内に空気又は気体５０が滞留していると、この空気又は気体５０は、図７（ｂ）において符号５１で示す様に、流動する冷却液によって飛ばされて移動する。すなわち、環状凹部３４に溜まった空気又は気体５０は、補助ジャケット４の噴射口１５，１６から連続して噴射された冷却液３７によって、一箇所に留まっておらず、一部はワーク６の下部から逃げ、その他は環状凹部３４内を移動し続ける。換言すると、環状凹部３４に滞留している空気又は気体５０は、液槽１内に貯留された冷却液２又は噴射された冷却液３７によって置換される。すなわち、環状凹部３４における空気又は気体５０が滞留していた箇所は、空気又は気体５０が冷却液２又は冷却液３７と置換されて冷却液２又は冷却液３７と接触し、良好に熱交換されて温度低下する。
【００４８】
前述の様に、ワーク６は図示しない回転装置によって回転しており、補助ジャケット４から噴射された冷却液３７は、ワーク６が一回転するうちに環状凹部３４の全周に向けて供給され、環状凹部３４内を冷却液が流動する。
その結果、環状凹部３４内を流動する冷却液が空気又は気体５０に直接又は間接的に当たり、空気又は気体５０を移動させ続けることができると考えられる。すなわち、ワーク６の特定の部位に空気又は気体５０が滞留し続けることがない。換言すると、環状凹部３４内の空気又は気体５０を含む冷却液が攪拌される。そのため、ワーク６は、全体に渡って良好に急冷される。
【００４９】
図８のグラフは、従来の様に、補助ジャケット４によって冷却液３７を噴射することなくワーク６を冷却した場合におけるワーク６の各部の温度変化を示している。
歯部３３の歯先３１の中央部４１は、加熱コイル５が近接対向して高周波の誘導電流が最も励起されやすい部位であり、焼入温度を超えた後、良好に急冷されて温度低下している。また、ウェブ３６と歯部３３の接続部である上部接続部４２は、高周波誘導加熱時に、加熱コイル５が近接せず、焼入温度に達する前に急冷されて温度低下している。
【００５０】
ウェブ３６と歯部３３の接続部である下部接続部４３も、上部接続部４２と同様に焼入温度に達する前に急冷されて温度低下するが、冷却時において、上部接続部４２と比較して明らかに温度低下の仕方が緩慢であり、急冷されていない。また、歯底３２の中央部４６は、焼入温度に達した後、急冷されて良好に温度低下している。
【００５１】
一方、図９のグラフは、補助ジャケット４によって冷却液３７を噴射し、ワーク６を冷却した場合におけるワーク６の各部の温度変化を示している。
補助ジャケット４によって冷却液３７を噴射した場合、図９に示す様に、冷却時における下部接続部４３の温度低下の仕方は、図８の場合と比較して明らかに速くなっている。すなわち、下部接続部４３は、良好に温度低下し急冷されている。その結果、歯部３３の全領域が良好に焼入され、一様な表面硬さと焼入硬化層が得られる。
【００５２】
本実施形態では、環状凹部３４内に封ぜられた気体を除去する除去手段として、補助ジャケット４を使用する例を示したが、補助ジャケット４で冷却液を噴射する代わりに、冷却ジャケット３の噴射口９から噴射された冷却液を環状凹部３４側に導き、環状凹部３４に封ぜられた気体を除去してもよい。具体的には、反射部材（例えば板状の部材）を冷却ジャケット３の下方に配置することにより、冷却液の流れる方向を変える様に構成する。すなわち、冷却ジャケット３から噴射された冷却液を、反射部材で反射させて流れ方向を変え、環状凹部３４内に強制的に行き渡らせる。そして、環状凹部３４内に封ぜられた気体を除去する。
【００５３】
また、補助ジャケット４や、反射部材の代わりに、真空ポンプ等の吸引装置（吸引機構）で環状凹部３４内の冷却液を流動させて、冷却液を環状凹部３４内に強制的に行き渡らせてもよい。
【００５４】
本実施形態では、ワーク６として大型歯車を例示したが、その他に、例えば建設機械の無限軌道のアイドラー等の、浸漬冷却時に下部に凹部があるワークであれば、本発明を実施することにより、焼入の冷却工程で良好に急冷することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１    液槽（冷却液槽）
２    貯留した冷却液
４    補助ジャケット（除去手段，冷却液供給手段，冷却液噴射機構）
２５  冷却装置
３４  環状凹部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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