(57)【要約】      （修正有）【課題】アークを交流磁界で駆動し金属片表層を焼き入れ等の熱処理を行う方法において、細いアークを安定に磁気駆動し、加熱後の金属材料片の急冷を、アークの安定性を損なうことなしに行なう方法の提供。【解決手段】アーク６を駆動する磁界を、磁極をアークトーチ１出口付近に設置した鉄芯電磁石で発生させ、アークトーチ１先端に水冷金属オリフィスを付設し、水冷オリフィスから噴出するプラズマガスを層流化することにより細いアークを安定させることにより、高い精度で加熱パターンを金属材料片２上に形成させる。加熱された金属材料片２の背面に時間遅れで冷却水８を噴射させ熱処理効果を高める。【選択図】図１
2015048530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料との間にアークを発生させるアーク発生装置と、アークを金属材料の幅方向に往復運動させるための交流磁場発生装置と、往復運動するアークを照射する面と反対側の金属材料面に冷却水を噴射する装置とを備えた金属材料熱処理装置
【請求項２】
アークを金属材料の幅方向に往復運動させる交流磁場を発生させるために鉄芯電磁石を用い、鉄芯磁極をアークトーチのプラズマガス噴出口近辺に配置することを特徴とする請求項１に記載の金属材料熱処理装置
【請求項３】
往復運動するアークを照射する面と反対側の金属材料面に冷却水を噴射する装置において、冷却水を噴射する位置をアーク照射位置より金属材料を搬送する方向より先方位置にすることを特徴とする請求項１に記載の金属材料熱処理装置
【請求項４】
請求項１に記載する金属材料熱処理装置において、アークを発生させるアークトーチのプラズマガスを噴出するトーチノズルに水冷金属オリフィスを取り付け、トーチから噴出するプラズマガスを細くしてアークのエネルギー密度を高めることを特徴とする金属材料熱処理装置
【請求項５】
請求項１に記載する金属材料熱処理装置を用いて金属材料を熱処理する方法において、アークトーチから噴出するプラズマガス流を層流とすることを特徴とする金属材料熱処理
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、金属材料たとえば鋼板をアークによって加熱し、焼入れをするための熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  金属片の広い面積を加熱する方法として、アークを交流磁界で往復運動させる磁気駆動アーク方法が用いられている。例えば、鋳鋼片の幅広い表層を溶融処理するために、特許文献１や特許文献２に示されるように、アークを発生させるアークトーチと、アークを金属材料の幅方向に往復運動させるための交流磁場発生装置とを備えた金属材料熱処理装置が用いられる。これらの装置では、アークを交流磁界で往復運動させるための磁界発生方法として、アークの両側に互いに平行な電流通路を設け、これらの電流通路に電流を通じる方法が用いられている。（特許文献１参照）。【０００３】  金属片表面の広い面積を加熱する方法としては、高周波誘導加熱による方法もあるが、アークを熱源として用い方がエネルギー密度を高くしやすく、高周波誘導電源の設備コストよりアーク電源の設備コストの方が安価であり、磁気駆動アークの方法がより経済的なメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９８４４０
【特許文献２】特開２００８−２８４５８２
【特許文献３】特開昭５４−１４２１５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来技術である特許文献１、特許文献２に示されているアークを用いた金属材料熱処理装置は、主に表面溶融にもちいられるが、本発明は焼き入れ等の熱処理に用いることをおもな目的とする。かかる熱処理においては、加熱だけでは不十分であり、金属材料片を加熱後に急冷することが不可欠である。【０００６】  高周波誘導加熱法を用いた金属材料焼き入れでは誘導加熱で昇温加熱した後冷却水を噴射して急冷することが一般的に行われる。  しかしアーク加熱法ではアーク加熱している近傍で水を噴射すると、アークが冷却されアークの安定維持ができなくなるため、アークで所定温度に金属を昇温したら、アークを止めて、加熱部に水を噴射し冷却し、さらにまたアーク加熱をして、止めて冷却するという作業を繰り返さねばならず、高周波誘導加熱では可能である連続的な加熱冷却の焼き入れ作業が、アーク方法では困難であるという問題がある。【０００７】  交流磁場でアークを往復運動させる金属材料片の加熱処理を行うことの利点は、アークに作用する交流磁場の波形を制御することにより、加熱パターンを変えることができることである。たとえば、励磁電流の交流波形を矩形波状にすればアークは往復運動振幅の両端にのみ長く滞在し、それ以外の中央部は高速で移動するため、アークの移動振動の両端のみが加熱されというようなことが可能である。矩形波の励磁電流の振幅波形を時間とともに変化してやれば、そろばん玉状の加熱パターンを作ることも可能である。金属材料表面に細かな熱処理パターンを作るためには、磁界で駆動されるアークが収縮状態を保ち、金属表面上に形成されるアーク根が広がらない状態で、往復運動されなければならない。しかしながら、磁気駆動アーク加熱方法においては長く伸びたアークを用いるため、アークが広がり、細かな熱処理パターンが作りにくいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記課題を解決するための本発明は、金属材料との間にアークを発生させるアークトーチと、アークを金属材料の幅方向に往復運動させるための交流磁場発生装置と、往復運動するアークを照射する面と反対側の金属材料面に冷却水を噴射する装置とを有することを解決手段としている。【０００９】  焼き入れ処理等には加熱後の冷却が不可欠であるが、冷却水がアークの安定性に影響を及ぼさないように、アークにより加熱された金属片を冷却するのに、本発明では、往復運動するアークを照射する面と反対側の金属材料面に冷却水を噴射する。さらに、金属片が加熱昇温され所定の時間高温を維持したのち急冷を始められるよう、冷却水を噴射する位置をアーク照射位置より先方に位置させ、連続的に搬送される金属片がアーク加熱位置を通過した後ある時間を経て冷却水噴射位置を通過していくようにすることを特徴とする。【００１０】  細かな熱処理を可能にするために、本発明では、アークを発生させるアークトーチのプラズマガスを噴出するトーチノズルの先端に、水冷のオリフィスを取り付け、当該水冷オリフィスの直径を小さくしアークの太さを小さく絞ることが課題解決の一つの手段としている。プラズマガスが当該オリフィスで絞られることにより、アークの電流密度が上がり、細く長いアークが安定して得られる。【００１１】  細いアークが、細い状態を保ったまま、アークトーチと金属片表面との空間で形成され続けるためにアークトーチから噴出されるプラズマガスが、層流的であることが望ましい。アークトーチより噴出するプラズマガスが乱れて乱流的になると、アーク形状も乱れて不安定となり、金属片表面のアーク根が広がり金属片上に形成される熱処理パターンが広がるからである。  アークトーチから噴出するプラズマガスを層流的して熱処理をすることも本発明の一つである。【００１２】  上述特許文献１、特許文献２、特許文献３に示されるアークを往復運動させるための交流磁場発生法は、いずれも、アークの両側に互いに平行な電流通路を設け、いわゆる空芯コイルを空間に設置し、これらに励磁電流を通じる方法が用いられている。アークの存在する広い空間でアーク全体に磁場を作用させようとの狙いを持っていた。しかしながら、空芯コイルで広い空間に必要な磁界を発生させるためには大きな励磁電流を必要とし、そのための電流電源は大型にならざるをえなかった。励磁電流波形をいろいろ制御し、例えば矩形波にしたり、正弦波にしたり、さらにその振幅を変調させたり、周波数をかえたりする機能を持たせるには、電源価格が高くなる欠点があった。本発明では、空芯コイルを用いずに、アークを往復運動させる磁場を鉄心の電磁石で作ることを特徴としている。鉄心電磁石を用いることにより、小電流で強い磁場が得られるので、励磁電流電源は小型になり、様々な電流波形が容易にかつ安価にえられるようになる。しかしながら、鉄心電磁石では鉄心に挟まれた狭い空間にしか強い磁場が形成できないので、アーク空間の広い領域でアークを駆動することが難しい。本発明者らの実験調査により、鉄心電磁石でアークを往復運動させるには、アークに作用させる強い磁場はアークトーチの出口付近にすることが好ましいことが判明した。この知見に基づき、本発明ではアークを金属材料の幅方向に往復運動させる交流磁場を発生させるために鉄心電磁石を用い、鉄心磁極をアークトーチのプラズマガス噴出口近辺に配置することを特徴の一つとしている。
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、金属材料片の表面を、様々なパターンを描きながら、熱処理ができるので、高品質の品質の製品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】アークを磁気駆動して熱処理を行わせる方法の概略を示す概念図である
【図２】第２の実施に関わる鉄芯電磁石を設置した金属熱処理装置の鉄心磁極部の概念図
【図３】第３の実施に関わる金属材料下面の水冷方法の概念を示す図
【図４】従来の典型的なＴＩＧアークトーチの概念図
【図５】第４の実施に関わる水冷金属オリフィスを取り付けたアークトーチの概略を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる金属材料熱処理装置の基本的構成を示す模式図である。金属材料熱処理装置は、アークトーチ１とアークトーチと金属材料２との間に直流アークを発生させるためのアーク電源３と、アークを電磁力で往復運動させるための磁界発生コイル４とコイルに励磁電流を供給するための磁場電源５と、電磁力で往復運動するアーク６で加熱された金属材料を金属材料背面から冷却するための冷却水噴射装置７とで構成される。アークトーチは、移行型アークを発生できるトーチであればよく、例えば、ＴＩＧ溶接用に一般的に使用されているアークトーチを用いることができる。アーク電源３の負極にアークトーチ１を接続し、アーク電源３の正極に金属材料を接続しアークトーチを金属材料に近づけてアークを発生させたのちアークトーチを引き上げ、アーク長を所定の長さに引き延ばす。アークに作用する磁界は例えば４に示されるような空芯のコイルに、励磁電源５を接続し、当該コイルに、所定の周波数、例えば商用５０Ｈｚないしは６０Ｈｚの交流電流を供給する。交流の励磁電流によりアーク空間に交番磁界が発生し、この交番磁界によりアークは６で図示されるような往復運動をする。励磁電流の波形を変化させることによりアークの熱流束分布を制御できる。例えば励磁電流を矩形の交流波形とすれば、アークは往復運動の振幅両端にのみ長時間とどまるので両端にのみ熱流束が集中する。かかる機能を持たせるために、磁場電源５は、電流値を制御できるだけでなく、電流周波数と電流波形が変化できることが望ましい。アークは１ｋＨｚを超える早い変化に対しては応答できなくなるので、磁場電源の周波数制御の範囲は１ｋＨｚ以下でよい。金属材料の熱処理に必要な冷却水は、アークの安定性を維持するために、冷却水供給パイプ７を金属材料の下に配置し、冷却水８を金属材料背面に噴射する。
【００１６】  図１の模式図では磁界発生法として特開昭５４−１４２１５２の発明である空芯コイルに電流を流す方法が示されている。空芯コイルによる励磁方法は、広い空間に、均一に磁界を発生させるために優れた方法であるが、磁束密度を高めるためには、大きな励磁電流を必要とするという欠点がある。鉄芯をコイル中に挿入することにより、鉄芯で挟まれた空間の磁束密度が高まることはよく知られていることであるが広い空間領域に均一な磁界を作ることができない。鉄芯を用い、小さな励磁電流でもアークを所定の振幅に往復運動をさせるためには、鉄芯配置位置に配慮が必要である。図２に適正な鉄芯位置を示している。磁気回路を作る鉄芯９と励磁コイル１０とで電磁石を形成し。図２中に示されるように、アークトーチ１の出口付近に配置に、鉄芯磁極１１を配置することにより、アークトーチの出口付近でアークが強い磁界を感じ、広い幅で安定に往復運動する磁気駆動アーク６を得ることが可能になる。
【００１７】  図３に示すごとく、たとえば金属材料片２が矢印で示される方向に搬送されつつ、連続的にアーク６により加熱されていくとき、金属材料片の下面の冷却水供給管パイプ７から冷却水８を噴射して金属片を急冷し焼き入れ熱処理をするためには、冷却水の噴射を、アーク照射位置より金属材料を搬送する方向先方にすることにより焼き入れ効果は高まる。適正な冷却水噴射位置は金属材料片の搬送速度ｖにより異なり、金属材料片がアーク照射位置と冷却水噴射位置の間隔をＬとすればＬ／ｖの値が２０秒から３０秒の間になるように設定することが望ましい。
【００１８】  細かな熱処理を可能にするために、本発明では、プラズマガスを噴出するアークトーチノズルの先端に、さらに、金属製、例えば銅製の水冷のオリフィスを取り付け、しかもそのオリフィス直径をアークトーチ出口より小さくした水冷オリフィスとし、アークの太さを小さく絞ることを特徴としている。ＴＩＧ溶接等で用いる典型的なアークトーチは図４に示されるごとくタングステン陰極１２とアークトーチ外部の金属材料２を上極としてアーク６が形成されている。陰極の周りのセラミックスノズル１３と陰極１２との間を、例えばアルゴンガスのような不活性なプラズマガスが流れアークトーチから噴出する。ＴＩＧ溶接ではタングステン陰極１２と陽極である金属材料２の間に形成されるアークの長さは短くてよいため、磁界で駆動するアークのように長いアークを形成させる必要がないので、長いアークを安定的に形成するための配慮が十分になされていない。図５は長いアークが太さを細く維持しつつ形成させるため具体例を模式的に図示したもので、例えば１２、１３で示されるタングステン陰極と、セラミックスノズルで構成される従来のＴＩＧ溶接トーチに、セラミックスノズルの径よりさらに穴径が小さい水冷の銅製のオリフィス１４を接続することにより、剛直性の高い、直径が太くならないアークが得られる。
【００１９】  細いアークが、細い状態を保ったまま、アークトーチと金属片表面との空間で形成されるためにアークトーチから噴出されるプラズマガスが、流体的に安定で、層流的であることが好ましい。層流的な流れは、アークトーチに供給するアークガスの流量を適当に絞ることにより可能となる。  プラズマガスの流量を絞りすぎてもアークが電気的に不安定となる。プラズマガスが層流的であり、かつ電気的に安定である否かは、アーク維持電圧の時間的変動を観測すれば容易にわかる。乱流的なプラズマガスが層流的になるとアーク維持電圧の変動が急に小さくなる。アークガス流量を絞りすぎてもアークは電気的に不安定化し電圧変動が大きくなる。この変化を測定し適正な層流化プラズマガス流が形成されていることを確認して、金属材料の熱処理をおこなう。
【実施例１】
【００２０】  上記の金属材料熱処理装置により０．５％質量炭素を含む鋼材に対して熱処理を行った。サンプルとした鋼材は厚さ３ｍｍ、幅１２０ｍｍ、長さ３００ｍｍの平板である。アーク電流は６０Ａで実施した。アークトーチ先端と金属材料片との距離は５０ｍｍとした。アークトーチ先端に水冷銅製のオリフィスを取り付けている。オリフィスの直径は５ｍｍである。アークトーチにアルゴンガスをガス流量１０ＮＬ／ｍｉｎ供給した。アークと作用させる交流磁場は鉄芯の電磁石で形成され、鉄芯磁極中心の位置はアークトーチの水冷オリフィスのガス噴出口と同じ高さに配置する。磁気回路を形成する鉄芯にまかれたコイルに周波数８０Ｈｚで変化する矩形波の励磁電流を供給した。アークトーチとサンプル金属材料片との距離を近づけ、アーク着火を行った後アーク長が所定の長さ５０ｍｍになるようアークトーチを引き上げる。アーク出口での磁束密度の二乗平均平方根が１．５ｍＴになるよう励磁電流を調整したのち、サンプルの搬送を開始した。アークは矩形波で時間変動する励磁電流で駆動され往復運動し、往復運動の振幅幅は５０ｍｍであった。矩形波変動の磁場で駆動されているためアークからの熱流は振動幅両端に集中し中心部の熱流は小さい。金属材料サンプルは材料長手方向に搬送さし、搬送速度は２ｍｍ／ｓで行った。金属材料の下面に冷却水を搬送方向先方アークトーチ軸から５０ｍｍ離れた位置に０．６Ｌ／ｍｉｎの流量で噴射して急冷した。【００２１】  この条件で熱処理を行った後、サンプル鋼材を幅方向に切断し、断面の硬度分布を測定したところ、金属材料断面の２か所に硬度上昇部分ができていることが観察された。硬度上昇領域の硬度はビッカース硬度で７００であり、硬度上昇がみられない領域のビッカース硬度２３０のほぼ３倍の硬度になっていた。２か所の硬度上昇領域中心の間隔は５０ｍｍ、硬度上昇領域幅はそれぞれ１５ｍｍであった。【００２２】  一本のアークトーチを用い、一枚の金属材料の表面に、金属材料を一度搬送することにより、２本の平行な線状の焼き入れ硬化処理ができること示した、本発明の実施例である。
【実施例２】
【００２３】  実施例１同様な金属熱処理装置を用い、アークガスの流量を変えることによりアークトーチから噴出するプラズマガス流が乱流状態として熱処理を行った場合と層流状態として熱処理を行った場合の熱処理効果について調査した。実施条件はアークトーチに供給するアークガス流量以外はすべて実施例１の条件と同じである。アークガス流量が１０ＮＬ／ｍｉｎの場合と６ＮＬ／ｍｉｎの場合の二つの異なる条件で比較した。アークガス流量が１０ＮＬ／ｍｉｎの場合のアーク電圧を観測するとアーク電圧は時間的に不規則に大きく変動しておりその変動分の電圧値は直流電圧の３０％程度でありプラズマガスが乱流化していた。一方、アークガス流量が６ＮＬ／ｍｉｎの場合のアーク電圧は時間的にほとんど変動することなく安定している。この場合の電圧変動値は直流アーク電圧の１％以下であり、アークから出る音も静かであり、プラズマガスが層流的にトーチオリフィスから流出していた。【００２４】  この二つの異なる条件で熱処理を行った後、サンプル鋼材を幅方向に切断し、断面の硬度分布を測定した。いずれの場合も  金属材料切断断面の離れた２か所に３倍以上の硬度上昇領域が存在することが確認されたが、硬度上昇領域の幅が異なった。アークガス流量が１０ＮＬ／ｍｉｎでの熱処理の場合の硬度上昇領域の幅が１５ｍｍであるのに対し、アークガス流量が６ＮＬ／ｍｉｎの場合の硬度上昇領域幅は１０ｍｍであった。アークガス流を減少させプラズマガスを層流化させることにより、アーク熱処理領域を絞り込み、細かなパターンで熱処理が可能になった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  本発明は、金属材料表面の焼き入れ等の熱処理する際に、複雑な形状パターンの熱処理領域を行わせるのに有用である。
【符号の説明】
【００２６】１    アークトーチ
２    金属材料片
３    アーク電源
４    励磁コイル
５    磁場電源
６    アーク
７    冷却水パイプ
８    噴射冷却水
９    電磁石鉄芯
１０  励磁コイル
１１  鉄芯磁極
１２  アークトーチ陰極
１３  セラミックストーチノズル
１４  水冷金属オリフィス
Ｌ    金属片冷却水噴射位置
ｖ    金属片搬送速度
【図１】
2015048530.tif 000003
【図２】
2015048530.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015048530.tif 000006
【図５】
2015048530.tif 000007