(57)【要約】【課題】浴冷却における熱処理対象物の焼き割れ、焼き曲がりを防止ないし軽減する。【解決手段】冷却剤を蓄えておく浴槽１と、浴槽１内に冷却剤を噴射するための噴射管２と、噴射管２を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段５とを具備する浴冷却装置を構成した。本浴冷却装置は、浴槽１に蓄えた冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射し、浴槽１中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却することができる。  【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した熱処理対象物を冷却剤に浸漬して浴冷却する浴冷却装置であって、
冷却剤を蓄えておく浴槽と、
浴槽内に冷却剤を噴射するための噴射管と、
噴射管を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段とを具備してなり、
浴槽に蓄えた冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射し、浴槽中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却することを特徴とする浴冷却装置。
【請求項２】
噴射管の噴射口を、浴槽に蓄えた冷却剤の水面近傍に位置づけている請求項１記載の浴冷却装置。
【請求項３】
噴射管の噴射口が複数存在し、それら噴射口から浴槽の中央に向けて冷却剤を噴射する請求項１または２記載の浴冷却装置。
【請求項４】
浴槽内の冷却剤を吸い込んで噴射管に還流するための吸込管をさらに具備する請求項１、２または３記載の浴冷却装置。
【請求項５】
冷却剤を加温してその温度を維持するための冷却剤加温手段をさらに具備する請求項１、２、３または４記載の浴冷却装置。
【請求項６】
注入するガスを加温して冷却剤の温度を維持するためのガス加温手段をさらに具備する請求項１、２、３、４または５記載の浴冷却装置。
【請求項７】
前記浴槽を密閉してその内部を大気圧以上の高圧とすることを可能とする蓋をさらに具備する請求項１、２、３、４、５または６記載の浴冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱した熱処理対象物を浴冷却する浴冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型等の熱処理対象物を熱処理するに際しては、真空炉等で熱処理対象物を所定時間加熱した後、低温の不活性ガスを導入してガス冷却したり、その熱処理対象物を浴槽に投入して浴冷却したりすることが通例である（例えば、下記特許文献を参照）。
【特許文献１】特許３５１６９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱処理対象物の浴冷却に使用する冷却剤は、焼き入れ油や焼き戻し油から、水または添加物を加えた水性液体へと転換しつつある。焼き入れ油や焼き戻し油は第４類第３、第４石油類に属する危険物であり、保管総量の規制を受け、管理の徹底が要求される。引火点の高い油は常温での粘性も高く、油浴冷却後の熱処理対象物を洗浄する作業を煩瑣にする。また、洗浄液にも有害物質が含まれていることが多く、環境対策が不可欠となる。水浴冷却であれば、これらの問題を回避できる。しかも、水は焼き入れ油や焼き戻し油に比べて安価に入手できる。
【０００４】
一方、水と油との密度の相違や沸点の相違から、水浴冷却では油浴冷却よりも急速に熱処理対象物が冷却される。故に、単純に油浴冷却と同じように水浴冷却を実施すると、熱処理対象物に焼き割れや焼き曲がりが発生すること必至である。水浴槽に投入された熱処理対象物は、表面は急冷されるものの内部の温度降下がそれに追随せず、内外の焼き入れ（オーステナイト組織からマルテンサイト組織への変態）の時間差、即ち寸法変化（マルテンサイト変態に伴う膨張）の時間差が大きくなって焼き割れ等するリスクが高い。
【０００５】
油浴冷却にしても、熱処理対象物が大形または肉厚である場合には、内外の焼き入れの時間差に起因する焼き割れ等のリスクが顕在化する。同様に、部位的に肉厚の差がある場合にも、その肉厚差が冷却速度の差をもたらし焼き割れ等の要因となり得る。
【０００６】
以上に鑑みてなされた本願発明は、浴冷却における熱処理対象物の焼き割れ等を防止ないし軽減することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するべく、本発明では、冷却剤を蓄えておく浴槽と、浴槽内に冷却剤を噴射するための噴射管と、噴射管を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段とを具備し、浴槽に蓄えた冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射し、浴槽中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却する浴冷却装置を構成した。
【０００８】
つまり、浴槽中に微細なバブルを大量に混入させることで、熱処理対象物に与える浴冷却効果を抑制するようにしたのである。このようなものであれば、熱処理対象物の表面や肉厚の薄い部位のみが早く冷えすぎてしまうのを避けることができる。そして、熱処理対象物の内外の焼きの入り具合の差、並びに肉厚差のある部位の焼きの入り具合の差を小さくし、焼き割れ等を防止ないし軽減することが可能となる。
【０００９】
噴射管の噴射口を浴槽に蓄えた冷却剤の水面近傍に位置づけておけば、冷却剤を噴射したときに水面上の雰囲気または大気をも浴槽中に叩き込んでバブルの量を増すことができる。
【００１０】
熱処理対象物の周縁部分は中央部分よりも冷えやすい。とりわけ、隅角はすぐに温度が下がる。噴射口を複数とし、それら噴射口から浴槽の中央に向けて冷却剤を噴射するものとすれば、比較的冷却負荷（熱容量）の大きい熱処理対象物の中央部分を重点的に冷却しつつ、そこで昇温した冷却剤を周辺側に流動させて熱処理対象物の周縁部分を冷却することができる。よって、熱処理対象物全体の温度降下が均等になり、熱処理対象物の焼き割れ等の発生を抑えられる。
【００１１】
浴槽内の冷却剤を吸い込んで噴射管に還流するための吸込管を具備するものとすれば、微細なバブルを含んだ冷却剤にさらにガスを注入して噴射管から噴射することとなり、浴槽中のバブルの量がより一層増す。このことは、水や水性液体を冷却剤に使用する水浴冷却処理において特に有効である。
【００１２】
鉄鋼等の浴焼き入れでは、浴槽の温度をある程度以上高く保っておく必要がある。しかし、本発明に係る浴冷却装置で使用するガスは、常温で供給されるのが普通である。さすれば、ガスの混交により冷却剤の温度は下がってしまう。熱処理対象物に与える浴冷却効果を必要十分に抑制するには、冷却剤にかなりの量（または、高圧）のガスを混交しなければならないが、冷却剤の温度が顕著に下がってしまえばやはり熱処理対象物の内外の焼き入れの時間差、肉厚差のある部位の焼き入れの時間差が拡大して焼き割れ等の悪影響を生じる。上記の理由から、冷却剤を加温してその温度を維持するための冷却剤加温手段を付設することが望ましい。及び／または、注入するガスを加温して冷却剤の温度を維持するためのガス加温手段を付設することも考えられる。
【００１３】
加えて、前記浴槽を密閉してその内部を大気圧以上の高圧とすることを可能とする蓋を設けることも好ましい。さすれば、水浴冷却処理において浴槽の水温を１００℃以上に上げることができ、鋼鉄の焼き入れ等にさらに好適となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、浴冷却における熱処理対象物の焼き割れ等を防止ないし軽減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の浴冷却装置は、図１ないし図４に示すように、冷却剤を蓄えておく浴槽１と、浴槽１内に冷却剤を噴射するための噴射管２と、噴射管２を流通する冷却剤にガスを注入するためのガス注入手段５とを具備する。浴槽１の上部には、浴槽１を開成／閉止する可動の蓋（図示せず）が存在する。この蓋は、浴槽１を密閉して内部を大気圧以上の高圧にできるものとすることが好ましい。
【００１６】
本浴冷却装置は、加熱した熱処理対象物を浴槽１に投入して冷却剤に浸漬し、その浴槽１を満たしている冷却剤に対してガスを混交した冷却剤を噴射して、浴槽１中に噴流及びバブルを発生させながら熱処理対象物を浴冷却することができる。ここでは、冷却剤には水、注入ガスにはＮ2等の不活性ガスまたは空気を想定している。本浴冷却装置は、熱処理対象物を加熱する熱処理炉内に設置してもよく、熱処理炉外に設置して炉から搬出した熱処理対象物を投入し冷却するものとしてもよい。
【００１７】
詳述すると、本浴冷却装置では、上方から冷却剤たる水を噴射する上側噴射管２１、２２、２３、２４と、下方から水を噴射する下側噴射管２５、２６、２７、２８とを併設している。上側噴射管２１、２２、２３、２４は、浴槽１の周壁部の上縁に沿うように四方に配しており、各噴射管２１、２２、２３、２４から複数個の噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａを浴槽１中央に向けて斜め下方に突き出させている。上側噴射管２１、２２、２３、２４の噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａは、浴槽１に水を満たしたときにその水面近傍に臨む高さ位置にある。但し、噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａが水中に漬かっていたとしてもバブリングは可能である。噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａの先端には、如雨露の如く複数の貫通孔を穿ったキャップを装着している。このキャップを貫通孔を穿っていないキャップに換装すれば、個々の噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａの閉塞が可能である。即ち、熱処理対象物の形状、寸法等に対応して、何れの噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａから水を噴射し何れの噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａから噴射しないようにするか、換言すれば熱処理対象物のどの部位に水を重点的に当てて冷却するかを調整することができる。
【００１８】
下側噴射管２５、２６、２７、２８は、浴槽１の壁面に沿って略鉛直方向に延伸し、下端で噴射口２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａを浴槽１中央に向けて斜め上方に突き出させている。下側噴射管２５、２６、２７、２８の噴射口２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａは、浴槽１に水を満たしたときにその水面下に潜っている。噴射口２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａの先端には、やはり複数の貫通孔を穿ったキャップを装着している。下側噴射管２５、２６、２７、２８の中途にはバルブ２５ｂ、２６ｂ、２７ｂ、２８ｂを介設しており、このバルブ２５ｂ、２６ｂ、２７ｂ、２８ｂを閉じれば個々の噴射口２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａから水を噴射しないようにすることができる。
【００１９】
下側噴射管２５、２６は上側噴射管２３に接続し、上側噴射管２３は上側噴射管２２と接続した上、液圧ポンプ７２の吐出側に接続している。並びに、下側噴射管２７、２８は上側噴射管２４に接続し、上側噴射管２４は上側噴射管２１と接続した上、液圧ポンプ７１の吐出側に接続している。
【００２０】
液圧ポンプ７１、７２の吸込側には、浴槽１内の水を吸い込むための吸込管３を接続してある。吸込管３の吸込口３３ａ、３３ｂは、浴槽１の底部に開口する。より具体的には、中空箱状の底部構造体３３を浴槽１の底面上に固定し、底部構造体３３と吸込管本体３１、３２とを連通するとともに、底部構造体３３の上面に吸込口３３ａ、３３ｂを形成している。吸込管本体３１は液圧ポンプ７１を介して浴槽１内の水を噴射管２１、２４、２７、２８に還流させる。並びに、吸込管本体３２は液圧ポンプ７２を介して浴槽１内の水を噴射管２２、２３、２５、２６に還流させる。
【００２１】
しかして、噴射管２にガスを導入するガス導管５１、５２を、上側噴射管２１、２２と上側噴射管２４、２３との分岐箇所に挿入している。ガス導管５１、５２は、ガスボンベ（図示せず）または雰囲気若しくは大気を吸引する気圧ポンプ（図示せず）等に接続し、何れかから供給される加圧ガスを噴射管２内に送り込む。ガス導管５１、５２及びガスボンベ、気圧ポンプ等が、ガス注入手段５の要素となる。
【００２２】
加えて、水を加温して温度を維持する冷却剤加温手段６として、浴槽１内に複数本のヒータ６１、６２を敷設している。
【００２３】
熱処理対象物を浴冷却するにあたっては、浴槽１に注水し、ヒータ６１、６２に通電して水を沸騰直前となる温度（約９８℃以上）にまで加温する。しかる後、浴槽１に加熱した熱処理対象物を投入して浸漬する。次いで、液圧ポンプ７１、７２を起動して水を噴射管２に圧送し、かつその水にガス導管５１、５２から加圧ガスを注入して、噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａから猛烈に噴射する。特に、浴槽１の水面上にある噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａから噴射された水は、水面に激しく衝突して水中に突入し、水面上の雰囲気または大気を浴槽１中に巻き込む。結果、先に注入された加圧ガスと相まって、微細なバブルを大量に発生させる。このバブルは、水の噴射を止めてもなお数分間以上浴槽１中に滞留し続ける程のものである。
【００２４】
また、噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａから噴射された水は、まず浴槽１中央に向かい、熱処理対象物の中央部分に当たってそこから周辺側へ流動し、熱処理対象物の周縁部分と接触しつつ浴槽１底部の吸込口に流れ込むバブルを含んだ噴流となる。そして、吸込管３及びポンプ７１、７２を経由して噴射管２に還流し、さらなる加圧ガスの注入を受けて、再度噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａから噴射される。このようにして、水を攪拌する作用を営ませ、浴槽１の略全域にバブルを行き渡らせ、熱処理対象物に与える浴冷却効果を抑制しながら、熱処理対象物全体の冷却速度を均等化する。なお、熱処理対象物の浴冷却処理の間、ヒータ６１、６２を制御して水温を約９８℃以上に維持する。
【００２５】
本実施形態によれば、冷却剤たる水を蓄えておく浴槽１と、浴槽１内に水を噴射するための噴射管２と、噴射管２を流通する水にガスを注入するためのガス注入手段５とを具備し、浴槽１に蓄えた水に対してガスを混交した水を噴射し、浴槽１中をバブリングしながら熱処理対象物を浴冷却する浴冷却装置を構成したため、熱処理対象物に与える浴冷却効果を抑制できる。同時に、噴射管２から噴射されて熱処理対象物に直に当たる噴射水の冷却効果をも抑制できる。従って、熱処理対象物の内外の焼きの入り具合の差、並びに肉厚差のある部位の焼きの入り具合の差が小さくなり、焼き割れ等の防止ないし軽減が可能となる。
【００２６】
噴射管２の噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａを浴槽１に蓄えた水の水面近傍に位置づけているため、水を噴射したときに水面上の雰囲気または大気をも浴槽１中に叩き込んでバブルの量を増すことができる。
【００２７】
噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａを複数とし、それら噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａから浴槽１の中央に向けて水を噴射するものとしたため、比較的冷却負荷の大きい熱処理対象物の中央部分を重点的に冷却しつつ、そこで昇温した水を周辺側に流動させて熱処理対象物の周縁部分を冷却することができる。よって、熱処理対象物全体の温度降下が均等になり、熱処理対象物の焼き割れ等の発生を抑えられる。
【００２８】
浴槽１内の水を吸い込んで噴射管２に還流するための吸込管３を具備しているため、微細なバブルを含んだ水にさらにガスを注入して噴射管２から噴射することとなり、浴槽１中のバブルの量がより一層増す。このことは、水を使用する水浴冷却処理において特に有効である。
【００２９】
鉄鋼等の浴焼き入れでは、浴槽１の温度をある程度以上高く保っておく必要があるが、ガスボンベまたは気圧ポンプ等から供給されるガスは常温であるのが普通である。本実施形態では、水を加温してその温度を維持するための冷却剤加温手段６を付設しており、ガスの混交による水温降下を補償して浴焼き入れ、浴焼き戻しに適した温度に保つことができる。
【００３０】
加えて、蓋で浴槽１を密閉した状態でガス注入手段５を介してガスを注入することで、浴槽１内部を大気圧以上の高圧にすることが可能である。さすれば、水浴冷却処理において浴槽１の水温を１００℃以上に上げることができるので、鋼鉄の焼き入れ等にさらに好適となる。
【００３１】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、上側噴射管２１、２２、２３、２４と下側噴射管２５、２６、２７、２８とを併設していたが、上側噴射管２１、２２、２３、２４のみ、または下側噴射管２５、２６、２７、２８のみとすることを妨げない。また、浴槽１の周壁部に、内側方に向けて水を噴射する噴射管を配設してもよい。
【００３２】
噴射管２の噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａが、おしなべて浴槽１の中央に向いているとは限られない。噴射口２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａの方向を可変としてもよい。熱処理対象物が部位によって肉厚差の大きいものである場合には、より厚肉な部位に水を重点的に当てるよう噴射方向を調整し、また水の噴射量を増減させて、効果的に焼き割れ等を抑制するようにする。
【００３３】
冷却剤加温手段６たるヒータを、浴槽１外に配置することも可能である。即ち、吸込管３または噴射管２を流通する水を加温し得る位置にヒータを敷設し、これによって温度を維持する態様をとり得る。
【００３４】
並びに、水に注入するガスを加温するガス加温手段を敷設し、ガスの注入に伴う水温降下を抑止することも考えられる。例えば、ガスボンベまたは気圧ポンプ等から供給される加圧ガスを一旦浴槽１内に導き、浴槽１を満たす（加温された）水によって温め、その後に噴射管２内に送り込むようにする。この場合、図５に示すように、浴槽１の周壁部に沿ってガス導管４を浴槽１中を囲繞するように配設し、その両端を浴槽１外に露出させて、一端をガスボンベまたは気圧ポンプに接続し、他端を噴射管２に接続する。ガス導管４の浴槽１内にある部分は、銅等の熱伝導率の高い材料を用いて作製する。この例では、水を加温するヒータ６１、６２が、ガスを加温するガス加温手段６としての役割をも担うこととなる。
【００３５】
無論、ガス加温手段として、ガスボンベまたは気圧ポンプ等から供給されるガスを加温するためのヒータないし熱交換器を別途付設してもよい。さらには、噴射管２内にガスを送り込むときにガスを断熱圧縮し、以てガスを加温するようにしてもよい。
【００３６】
その上で、使用する冷却剤は水に限定されない。添加物を加えた水性液体、油または油性液体であっても構わない。
【００３７】
その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態の浴冷却装置を示す正面図。
【図２】同平面図。
【図３】同Ｘ−Ｘ線正断面図。
【図４】同Ｙ−Ｙ線側断面図。
【図５】本発明の変形例の一を示すＹ−Ｙ線側断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１…浴槽
２…噴射管
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ…噴射口
３…吸込管
５…ガス注入手段
６…冷却剤加温手段、ガス加温手段
【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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