(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に加熱機能、下部に冷却機能を有する上下２室構造を有する水焼入れ装置であって、
被焼入れ物を加熱する装置及び前記被焼入れ物を保持し冷却室に落下させる装置で構成する加熱室、並びに、
前記被焼入れ物を急速冷却する加圧式の水ジェット冷却装置及び不活性ガス噴射で冷却水を強撹拌することによって、前記被焼入れ物の表面近傍の水冷却を核沸騰状態に保持する機能を有する冷却水槽で構成する冷却室、
前記加熱室及び前記冷却室間のスライド式圧力仕切り弁、
前記加熱室に接続される第１の真空排気装置、
前記冷却室に接続される第２の真空排気装置、
前記冷却室に接続される冷却水供給装置、及び、
前記冷却室に接続される不活性ガス供給装置により構成することを特徴とする水焼入れ装置。
【請求項２】
前記不活性ガス供給装置は、さらに前記加熱室にも接続されることを特徴とする請求項１に記載の水焼入れ装置。
【請求項３】
請求項1に記載の水焼入れ装置による水焼入れ方法であって、
真空状態で被焼入れ物を所定の温度まで加熱、保持し、
加熱後の前記被焼入れ物を冷却室に落下し、
高温を保持したままに加圧水ジェット装置で高圧放水して前記被焼入れ物を冷却し、
更に不活性ガス噴射で冷却室内の冷却水を強撹拌し前記被焼入れ物を急速冷却することを特徴とする水焼入れ方法。
【請求項４】
請求項２に記載の水焼入れ装置による水焼入れ方法であって、
不活性ガス雰囲気で被焼入れ物を所定の温度まで加熱、保持し、
加熱後の前記被焼入れ物を冷却室に落下し、
高温を保持したままに加圧水ジェット装置で高圧放水して前記被焼入れ物を冷却し、
更に不活性ガス噴射で冷却室内の冷却水を強撹拌し前記被焼入れ物を急速冷却することを特徴とする水焼入れ方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の水焼入れ方法であって、冷却室における被焼入れ物の表面の水による冷却が核沸騰状態に保持されていることを特徴とする水焼入れ方法。
【請求項６】
請求項３、４又は５に記載の水焼入れ方法であって、不活性ガス雰囲気及び不活性ガス噴射の成分が、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスのうちのいずれか１種、あるいは２種以上の混合気体で構成されていることを特徴とする水焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２室で構成される水焼入れ装置で真空あるいは不活性ガス雰囲気にて高温に加熱、保持した被焼入れ物を冷却室に落下せしめ、冷却室内で加圧水ジェットの高圧放水と不活性ガス噴射での冷却水の強攪拌を行うことにより、被焼入れ物表面を核沸騰状態に保持し、急速冷却を可能とする水焼入れ装置及び水焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水焼入れは、高温に加熱された炭素鋼などを水冷により急冷し、高硬度のマルテンサイト組織を得ることにより、耐摩耗性や引張強度又は疲労強度を向上させる一般的な熱処理である。また、所定の高温状態から水冷によって急冷するオーステナイト系ステンレス鋼の溶体化などの熱処理も含まれる。
【０００３】
大気中の熱処理では、高温状態を保持するため表面酸化の問題が避けられないが、真空あるいは不活性ガス雰囲気は無酸化熱処理としては最も優れた対策である。そのため金型を始め多くの部品や製品に対して、表面の清浄性、光輝性などを確保するため多くの熱処理に採用されている。
【０００４】
真空炉を使用した熱処理では、現在のところ焼入れ性の良いダイス鋼（ＳＫＤ系）、高速度鋼（ＳＫＨ系）の鋼種では主にガス冷却や油冷却によって焼入れ処理が行われている。また、焼入れ性が劣る炭素工具鋼（ＳＫ材）、合金工具鋼（ＳＫＳ材）などは現状においては、主に真空油焼入れ炉を用いて処理されている。
【０００５】
特許文献１には、加熱室、冷却室、水冷装置からなる３室で構成される水焼入れ装置が開示されている。各種雰囲気中で加熱した被焼入れ物を加熱室と同じ雰囲気に調整された冷却室に移し、冷却室の雰囲気を大気圧に調節した後に、被焼入れ物を高速で冷却水が流れる水槽に浸漬して水焼入れを行う。
【０００６】
しかし、前記３室型水焼入れ装置では、水焼入れを雰囲気加熱炉や真空加熱炉に直接接続して無酸化のまま行うことができるが、一旦冷却室に移してから大気圧に調整するため加熱から冷却までに時間を要することで温度低下が避けられず、加熱炉にて余分に昇温を行うといった欠点がある。
【０００７】
特許文献２には、加熱室、連通部、焼入れ室からなる横型真空熱処理炉において真空熱処理装置が開示されている。連通部に設置した開閉扉を瞬時開閉する間に、被焼入れ物を水平移動のピストン機構で押し出すことによって焼入れ室に放出、搬出して水焼入れ処理を行う。
【０００８】
しかし、前記横型真空熱処理装置の水焼入れの場合、浸水までに費やされる時間も短くできるが、被焼入れ物を浸水させるだけでは被焼入れ物の大きさよっては、焼入れ時に生成する水蒸気膜の影響により十分な冷却速度が確保できず、被焼入れ物全域に焼入れ効果が得られない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−９７５２０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２６３７号公報
【００１０】
【非特許文献１】河原全作、ＪＦＥ２１世紀財団  ２００９年度技術研究報告書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
大気中の熱処理では被焼入れ物の取り扱いやすさから、水焼入れについて様々な水冷方法が実施されているが、大気中の加熱は酸化が避けられず、表面粗さや寸法精度に影響を及ぼす。
【００１２】
Ｓ１５Ｃなどの合金元素も少なくＣ量が低い鋼を中心部まで焼入れにより硬化するには、被焼入れ物をＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ０５６１）などで定められた焼入れ温度以上まで加熱し、この温度で保持後に迅速に中心部温度を室温付近まで急冷する必要がある。また、厚板材又はバルク材といった熱容量が大きい被焼入れ物の中心部まで焼入れ効果を得るには、いかに効率よく熱を奪い、急冷できるかが重要となる。
【００１３】
また、ＳＵＳ３０４鋼などのオーステナイト系ステンレス鋼の熱処理法である１０００℃以上の高温に加熱し、析出物を固溶化させる固溶化熱処理も同様の急冷が必要である。
【００１４】
急冷は一般的に熱伝達が大きい水冷により行われるが、特に焼入れ性が悪い材料や厚板材又はバルク材を高温から水冷する場合、被焼入れ物を水に浸漬させるだけでは焼入れ時に被焼入れ物表面に発生する水蒸気膜により水が被焼入れ物に接触することができず、効果的に冷却ができない（非特許文献１参照）。そのため被焼入れ物の中心部まで焼入れや溶体化の効果を得るには、被焼入れ物表面の水蒸気膜を破壊し、核沸騰状態で冷却しなければならない。
【００１５】
現状では、焼入れ性が悪い材料や厚板材又はバルク材を、真空あるいは不活性ガス雰囲気にて高温に加熱、保持された状態から被焼入れ物の中心部まで急速に冷却することが困難であり、いかに被焼入れ物の表面近傍の冷却を核沸騰状態にするかが問題とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は真空あるいは不活性ガス雰囲気にて焼入れ性の劣る被焼入れ物の焼入れに好適な水焼入れ装置及び水焼入れ方法を提供する。
【００１７】
発明の第１は、例えば図１に示すように、上部に加熱機能、下部に冷却機能を有する上下２室構造を有する水焼入れ装置であって、真空あるいは不活性ガス雰囲気で被焼入れ物（７）を加熱する装置（３、４）及び前記被焼入れ物を保持し冷却室に落下させる装置（８、９）で構成する加熱室（１）、並びに、前記被焼入れ物を急速冷却する加圧水ジェット冷却装置（１６）及び不活性ガス噴射で冷却水を強撹拌することによって、前記被焼入れ物の表面近傍の水冷却を核沸騰状態に保持する機能を有する冷却水槽（１）で構成する冷却室（１３）、前記加熱室及び前記冷却室間のスライド式圧力仕切り弁（１２）、前記加熱室に接続される第１の真空排気装置（１０、１１）、前記冷却室に接続される第２の真空排気装置（１４）、前記冷却室に接続される冷却水供給装置（１７、１８）、及び、前記冷却室に接続される不活性ガス供給装置（１９、２０）により構成する水焼入れ装置を提供する。
発明の第２は、発明１に記載の不活性ガス供給装置において、さらに前記加熱室にも接続されることを特徴とする。
【００１８】
発明の第３は、発明１に記載の水焼入れ装置による水焼入れ方法であって、真空状態で被焼入れ物を所定の温度まで加熱、保持し、加熱後の前記被焼入れ物を冷却室に落下し、高温を保持したままに加圧水ジェット装置で高圧放水して前記被焼入れ物を冷却し、更に、不活性ガス噴射で冷却水を強撹拌し冷却室内で前記被焼入れ物の急速冷却を行う水焼入れ方法を提供する。
【００１９】
発明の第４は、発明２に記載の水焼入れ装置による水焼入れ方法であって、不活性ガス雰囲気で被焼入れ物を所定の温度まで加熱、保持し、加熱後の前記被焼入れ物を冷却室に落下し、高温を保持したままに加圧水ジェット装置で高圧放水して前記被焼入れ物を冷却し、更に、不活性ガス噴射で冷却水を強撹拌し冷却室内で前記被焼入れ物の急速冷却を行う水焼入れ方法を提供する。
発明の第５は、発明３又は４に記載の水焼入れ方法であって、冷却室における被焼入れ物の表面が加圧水ジェットの高圧放水や不活性ガス噴射による強攪拌の冷却によって核沸騰状態に保持する水焼入れ方法を提供する。
【００２０】
発明の第６は、発明３、４又は５に記載の水焼入れ方法であって、不活性ガス雰囲気及び不活性ガス噴射の成分が、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスのうちのいずれか１種、あるいは、２種以上の混合気体で構成する水焼入れ方法を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による水焼入れ置及び水焼入れ方法は、被焼入れ物の加熱室から冷却室までの移送に要する時間を１秒以下にすることができ、加熱温度を保持した被焼入れ物を加圧水ジェットによる高圧放水と不活性ガス噴射で冷却水を強攪拌することで被焼入れ物表面を核沸騰状態に保持することができ、被焼入れ物中心部まで焼入れを可能とし、大気による酸化も排除することができる。
【００２２】
更に、前記水焼入れ方法は、被焼入れ物を全方向から冷却することで冷却速度の差を低減し、前記被焼入れ物を均一に冷却することで、前記被焼入れ物全体の歪み、硬さや内部組織、結晶粒度のばらつきも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る水焼入れ装置の概略構成図。
【図２】前記装置の水焼入れ時における冷却室概要図。
【図３】水焼入れ試験による試験材中心部の金属組織観察及び硬さ。
【図４】水焼入れ試験方法の違いによる試験材中心部の金属組織及び硬さ。
【図５】水焼入れ試験方法の違いによる試験材中心部の温度履歴。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明の水焼き入れ装置の構成を示す。水冷ジャケットを有する加熱室１内に、断熱壁２にて構成する加熱空間３を設けている。この加熱空間３にはヒータ４とその内側にヒータ４の損傷を防ぐため被焼入れ物の転倒防止ガイド５を内設している。加熱室１上部のチャンバー蓋６を開閉して、被焼入れ物７と被焼入れ物７を固定する支持台８を支持シャッター９の上にセットする。支持シャッター９には冷却水が循環し、冷却することによって支持シャッター自体の過昇温を防止している。
【００２６】
セット後、加熱室１全体を加熱室用油回転真空ポンプ１０及び加熱室油拡散真空ポンプ１１により排気し、真空度６．６×１０−３Ｐａ以下の真空状態あるいはヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスの不活性ガスにより置換を行い、無酸化状態で加熱処理を行う。加熱室１の排気と同時に、冷却室１３を冷却室用油回転真空ポンプ１４によって排気する。冷却室１３の排気は、加熱室１と同様真空状態あるいは不活性ガスによる置換を行い、２室が同圧になるように設定する。
【００２７】
被焼入れ物の加熱後はヒータ４がＯＦＦ状態になり、冷却室１３の排気弁を閉じた後、スライド式圧力仕切り弁１２が開き、続いて支持シャッター９が開口する。開口後に被焼入れ物７と支持台８が冷却室１３に１秒以内に落下し、落ちると同時にスライド式圧力仕切り弁１２と支持シャッター９が閉口する。閉口によって加熱室１の雰囲気を乱さない状態となり、被焼入れ物の水焼入れが可能となる。水焼入れ終了後は冷却室１３の設けられた図示しないリーク弁を開放し、被焼入れ物７と支持台８を室内より取り出す。
【００２８】
図２は前記冷却室１３での被焼入れ物の水冷却について示している。前記加熱室１で加熱した被焼入れ物７と支持台８が網目状の処理物受け皿１５に落ちると同時に前記スライド式圧力仕切り弁１２が閉口し、冷却室１３内に設置する３つの加圧水ジェットノズル１６からの高圧放水により被焼入れ物７を冷却する。
【００２９】
前記加圧水ジェットノズル１６から高圧放水される水は、水焼入れ装置外に併設している貯水タンク１７にあらかじめ貯水されている。貯水タンク１７には加圧弁１８が設置されており、不活性ガスが導入され、加圧した状態の水が押し込まれている。
【００３０】
前記加圧水ジェットノズル１６は所定の流量を放水し、冷却室１３に所定の水量が注水された後に放水を停止する。放水により十分に冷却水が貯水された状態で、冷却室１３下部のガス噴射口１９からガス供給ユニット２０により供給される不活性ガスを冷却水中に直接噴射することで、冷却水を強攪拌させる。この加圧水ジェットと不活性ガス噴射で冷却水を強攪拌し、被焼入れ物７の表面近傍を核沸騰状態に保持することができる。また、ガス噴射によって冷却室１３の圧力が０．５ＫＰａ以上になると、冷却室１３に設置されている図示しないガス開放弁が作動し室内圧力の調整を行う。
【００３１】
前記水焼入れ装置を加熱するヒータ４は、本発明ではカーボンヒータによる抵抗加熱方式を採用しているが、目的に応じたヒータ材質を選定できる。また、被焼入れ物７を加熱、保持できれば高周波加熱や通電直接加熱でも問題はなく、加熱方式は特に限定するものではない。
【００３２】
前記冷却室１３の加圧水ジェットノズル１６及び噴射口１９については、前記水焼入れ装置の大きさを考慮した上で被焼入れ物７への水焼入れが効果的に作用する条件を満たせば、設置数や設置位置又は放水流量を特に限定する必要はない。
【００３３】
被焼入れ物加熱前の排気において、冷却室１３に水やガスが混入していない場合はスライド式圧力仕切り弁１２を必ずしも閉口しておく必要はなく、開口した状態で加熱室用油回転真空ポンプ１０と加熱室用油拡散真空ポンプ１１で加熱室１と冷却室１３を同時に排気、置換することができ、開口のまま加熱開始することもできる。
【００３４】
前記冷却室１３では、加圧水ジェットノズル１６をガスノズルに取り替え不活性ガスを噴射するガス焼入れや、油注入ノズルに取り替え注油による油焼入れ、又は冷却室１３内で放冷することが可能で、水焼き入れよりも遅い焼入れ速度にも対応することができる。
【００３５】
前記加熱室１では被焼入れ物を様々なガス雰囲気中で保持することにより浸炭処理や窒化処理をすることができ、処理後直ちに冷却といった他の熱処理との組み合わせも可能である。
【００３６】
前記水焼入れおいて、焼入れ性の良い被焼入れ物であれば、加圧水ジェットノズル１６よって貯められた冷却水中に噴射口１９からの不活性ガス噴射で冷却水の強攪拌を行わずに水焼き入れをすることも可能である。
【００３７】
被焼入れ物の表面酸化を問わない水焼入れにおいては、真空あるいは不活性ガス雰囲気での加熱から大気中での加熱に変更できる。そして、冷却室１３内も真空あるいは不活性ガス雰囲気の必要がなければ、あらかじめ冷却水を貯水し、加熱された被焼入れ物を直接落水させて、不活性ガス又はエアー噴射で冷却水を強攪拌し冷却を行っても構わない。
【実施例】
【００３８】
＜実施例１＞
通常、炭素鋼は冷却速度が大きくなるにつれてフェライト、ベイナイト、マルテンサイトへと硬い組織に移行する。炭素鋼は炭素含有量の減少に伴い、マルテンサイト組織の生成には急速な冷却が必要である。そこで焼入れ性が悪く、焼入れにムラが生じやすい０．１５％の炭素を含んだ低炭素鋼であるＳ１５Ｃを選択し、真空中での水焼入れ試験を行った。表１は水焼入れ試験で使用したＳ１５Ｃ（ＪＩＳＧ４０５１）の成分組成範囲を示す。
【００３９】
【表１】
0006465281.tif 000002
【００４０】
市販のＳ１５Ｃ材を直径１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの水焼入れ試験材に機械加工した。試験材の温度を計測するため試験材の中心部に直径１．０ｍｍ、深さ７．５ｍｍの穴空け加工を行い、この穴に直径１．０ｍｍ のシース熱電対(ＪＩＳ１６０５、熱電対種類：ＳＫ、シース材質：Ｂ)を挿入した。このＳ１５Ｃ試験材を使用し、本発明の真空熱処理炉の加熱室に室温で投入した後、油回転真空ポンプと油拡散真空ポンプによって６．６×１０−３Ｐａ以下まで排気した。その際、温度計測のためスライド式圧力仕切り弁を開口したまま排気し、加熱室と冷却室は同じ真空度とした。加熱は１２００℃まで２時間で昇温させ、試験材中心部の温度が設定温度に到達後に１０分間保持し、加熱を停止した。加熱停止後、支持シャッターを開き、冷却室内に試験材を落下させ、スライド式圧力仕切り弁と支持シャッターを閉口した。加熱後から加圧水ジェット開始までを５秒以内に行い、加圧水ジェット流水量は５５Ｌ／ｍｉｎで高圧放水し、放水から数秒後に冷却室下部の噴射口からからアルゴンガスを噴射させ、冷却水を強攪拌した。加圧水ジェットは冷却室に４０Ｌまで貯水すると放水を停止し、冷却室下部から冷却水中へのアルゴンガス噴射は試験材料の中心温度が５０℃以下に冷却された後にガス供給を停止した。
【００４１】
なお、真空容器内への放水は、瞬間的な水の蒸発作用により急激に昇圧する危険性や多量の気化熱発生により水が氷に変化する懸念があったが、本発明装置で初期真空度が６．６×１０−３Ｐａ以下の条件下でも順調な急速冷却が可能であった。
【００４２】
焼入れ試験前と焼入れ試験後の試験材中心部の金属組織観察及び硬さ計測結果を図３に示す。焼入れ前の試験材はフェライトとパーライトからなる組織となり硬さもビッカース硬さ（以後、Ｈｖと標記）１３５と一般的なＳ１５Ｃ材の焼きならし硬さであるＨｖ１１７〜１５６の範囲であった。この試験材を本発明の水焼き入れ方法で冷却することによって試験材中心部までマルテンサイト組織となり、硬さもＨｖ３９４と十分な硬さが得られ、試験材全体に焼入れ効果があった。
【００４３】
＜比較例１＞
実施例１と同じ条件で加熱し、試験材を落下させた後の冷却は加圧水ジェットのみを使用し、アルゴンガス噴射を行わない比較試験を行った。注水条件は実施例１と同じで、加熱後から加圧水ジェット開始までを５秒以内に行い、水ジェット流水量は５５Ｌ／ｍｉｎで高圧放水し、冷却室に４０Ｌまで貯水した後に放水を停止した。
【００４４】
比較例１で実施した試験材中心部の金属組織観察及び硬さ計測の結果を図４に示している。アルゴンガス噴射による強攪拌を行わなかった比較例１は、実施例１のような焼入れ効果が十分に得られなかった。その結果、中心部の大部分がフェライトとなり、マルテンサイト組織に移行せずに硬度もＨｖ１６７となった。
【００４５】
表２は実施例１と比較例１の試験材の中心温度の冷却時間を示しており、１２００℃から１００℃までの冷却に１００秒以上の違いがあった。実施例１は加圧水ジェットの高圧放水による蒸気膜を破壊しながらの冷却だけでなく、アルゴンガス噴射での冷却水の強攪拌が冷却速度の加速に大きく作用していることがわかる。特に８００℃（４０秒前後）からは、加圧水ジェットの放水によって冷却水中に試験材が完全に浸漬した状態でも、アルゴンガス噴射による強攪拌によって、試験材が冷却水槽内で激しく動き回りながら試験材全表面が水と直接接触しながら冷却する核沸騰状態が維持されている。実施例１に比べ、アルゴンガス噴射による強攪拌を行わない比較例１は、試験材が完全に冷却水中に浸漬しまうと試験材の中心部の冷却速度が図４に示すように大きく低減する。その原因は、高温の試験材が水に接触する前に蒸発する膜沸騰状態に移行してしまうことで、水蒸気膜を通して蒸気の対流熱伝達と輻射熱伝達によってのみ冷却されるためである。
【００４６】
【表２】
0006465281.tif 000003
【符号の説明】
【００４７】
１      加熱室
２      断熱壁
３      熱処理空間
４      ヒータ
５      転倒防止ガイド
６      チャンバー蓋
７      被焼入れ物
８      支持台
９      支持シャッター
１０      加熱室用油回転真空ポンプ
１１      油拡散真空ポンプ
１２      スライド式圧力仕切り弁
１３      冷却室
１４      冷却室用油回転真空ポンプ
１５      処理物受け皿
１６      加圧水ジェットノズル
１７      貯水タンク
１８      加圧弁
１９      噴射口
２０      ガス供給ユニット
【産業上の利用可能性】
【００４８】
水焼入れ装置及びこの装置を利用した焼入れ方法によって、焼入れ性が悪い材料や厚板材、あるいはバルク材の中心部まで焼入れが可能となり、大気の酸化を排除した状態で熱処理部品を提供できるため自動車や建築用の構造部材への転用が見込まれる。
【図１】
0006465281.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
0006465281.tif 000007
【図５】
0006465281.tif 000008