(57)【要約】【課題】ワークピースを冷却するための装置および方法が提供される。【解決手段】支持体１０７、１１５の表面が、操作位置においてワークピースＦを支持する。冷却用気体および付加的な冷却材の供給源１２７がある。冷却用気体は、基準周囲条件において気体である１つまたは複数の（第１）成分の気体を有する。付加的な冷却材は、基準周囲条件において液体である１つまたは複数の（第２）成分を含む。導管システムが、供給源から冷却用気体および付加的な冷却材を導き、かつ、操作位置においてワークピースに衝突するよう冷却用気体と付加的な冷却材の混合物を放出するように配置された多数の出口１３１、１３５を有する。【選択図】図１
2005036318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作位置にワークピースを支持するための支持体表面と、
冷却用気体および付加的な冷却材の供給源であって、冷却用気体は、周囲条件において気体である１つまたは複数の成分の気体を含み、付加的な冷却材は、周囲条件において液体である１つまたは複数の成分を含む、供給源と、
この供給源から冷却用気体および付加的な冷却材を導き、かつ、操作位置においてワークピースに衝突するよう冷却用気体と付加的な冷却材の混合物を放出するように配置された複数の出口を有する、導管システムと、
を備えることを特徴とする、金属製ワークピースを冷却するための装置。
【請求項２】
前記供給源は、冷却用気体の第１の供給源と、付加的な冷却材の第２の供給源とを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記付加的な冷却材の１つまたは複数の成分は、水を含み、
前記混合物中の水は、冷却用気体の質量流量の５−２０％の質量流量を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記混合物中の水の主要部分は、水蒸気であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記混合物中の水の主要部分は、液滴形態であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記支持体表面は、複数の垂直に延びるロッドの表面部分によって提供されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
モータと、
このモータを支持体表面と導管システムの少なくとも１つに結合し、かつ、モータにより駆動されて出口に対するワークピースの振動を生成する、リンク装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、ワークピースをインピンジメント冷却することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
実質的により厚くかつより大きく重い第１の部分と、相対的により薄くかつより小さく軽い第２の部分とを含む断面を有する金属製ワークピースを冷却するための装置であって、
ワークピースを支持するための固定具と、
ワークピースを焼入れするための液体液滴を含有する圧縮された冷却用気体の混合物の供給源と、
圧縮された冷却用気体が、実質的により厚くかつより大きく重い第１の部分上を流れ、かつ、相対的により薄くかつより小さく軽い第２の部分から流れ去るように、冷却のためにワークピース上に圧縮された冷却用気体を供給しかつ導くための一組の管と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記供給源は、
少なくとも前記冷却用気体の第１の気体供給源と、
第１の気体供給源とワークピースの間の気体流れ経路に沿って冷却用気体に液体液滴を添加する手段と、
を含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
冷却中に鍛造品と管の相対的な移動を提供する手段をさらに備えることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記装置は、ワークピースをインピンジメント冷却することを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも第２の流体の質量流量が少なくとも第１の流体の質量流量の２−２０パーセントである混合物を形成するように、周囲条件において気体である少なくとも第１の流体を、周囲条件において液体である少なくとも第２の流体と混合し、
鍛造品を冷却するよう鍛造品の表面上に衝突するように混合物を導く、
ことを含むことを特徴とする、鍛造品を冷却する方法。
【請求項１４】
前記混合することは、第２の流体が、気体として主要部分となる、混合物を形成することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記混合することは、第２の流体が、液体として主要部分となる、混合物を形成することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記混合することは、
実質的に第１の流体としての空気と、
実質的に第２の流体としての水と、
を含む混合物を形成することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記混合することは、
第１の流体としての空気と、
第２の流体としての水と、
から実質的に成る混合物を形成することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記導くことは、
表面の第１の部分上に衝突するように混合物の第１の部分を導き、
第１の部分とは実質的に反対の、表面の第２の部分上に衝突するように混合物の第２の部分を導く、
ことを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
前記鍛造品としてタービンエンジンディスクに実施されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
前記鍛造品としてニッケル基またはコバルト基超合金物品に実施されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
冷却中に鍛造品と混合物の出口流れの少なくとも１つを移動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
振動させることは、２．０Ｈｚより小さな振動数および少なくとも＋／−４°の振幅での軸線周りの往復回転を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
第２の流体の質量含有量が第１の流体の質量含有量の２−２０重量パーセントである混合物を形成するように、周囲条件において気体である少なくとも第１の流体を、周囲条件において液体である少なくとも第２の流体と混合し、
鍛造品を冷却するよう鍛造品の表面上に衝突するように混合物を導き、
混合物の衝突する流れに対して鍛造品を移動させる、
ことを含むことを特徴とする、鍛造品を熱処理する方法。
【請求項２４】
前記鍛造品としてニッケル基またはコバルト基超合金鍛造品に実施されることを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記移動させることは、鍛造品を振動させることを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
ワークピースを支持するための固定具と、
ワークピースを焼入れするための冷却用気体の供給源と、
ワークピースを冷却するように、供給源から冷却用気体を供給し、かつ、ワークピース上に冷却用気体を導く、導管システムと、
ワークピースの冷却中に導管システムに対してワークピースを移動させる手段と、
を備えることを特徴とする、熱処理された金属製ワークピースを冷却するための装置。
【請求項２７】
前記移動させる手段は、導管システムに対するワークピースの振動を生成することを特徴とする請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
前記移動させる手段は、
電気モータと、
第１の方向のモータのシャフトの連続的回転が固定具の振動を生成するように、固定具にモータを結合する機械的リンク装置と、
を備えることを特徴とする請求項２６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属物品の冷却に関する。より詳細には、本発明は、超合金鍛造品の焼入れに関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
関連主題は、参照することによってここに組み込まれる２００１年１１月２９日出願され２００３年５月２９日に公開第２００３／００９８１０６Ａ１号として公開された米国特許出願第０９／６８３，１８５号に開示されている。’１８５号出願の出願日の利益は主張されていない。
【背景技術】
【０００３】
熱処理された金属物品の制御された冷却は、所望の材料特性を達成するのに重要である。歴史的には、焼入れ冷却は、液体（例えば、水または油）に浸漬することにより達成されてきた。最近になって、ガスタービンエンジン工業界は、超合金構成部品の気体インピンジメント冷却の提案を検討してきた。例えば、米国特許出願公開第２００３／００９８１０６号および米国特許第６，３９４，７９３号は、空気インピンジメント冷却装置を開示している。’１０６号公開および’７９３号特許は、あたかもそっくり述べられるかのように参照することによってここに組み込まれる。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００９８１０６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３９４，７９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却装置および方法にはさらなる改良の余地が残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明の一態様は、金属製ワークピースを冷却するための装置を含む。支持体表面が、操作位置においてワークピースを支持する。冷却用気体および付加的な冷却材の供給源がある。冷却用気体は、基準周囲条件（例えば、２１℃、および標準大気圧力）において気体である１つまたは複数の（第１）成分の気体を有する。付加的な冷却材は、基準周囲条件において液体である１つまたは複数の（第２）成分を含む。導管システムが、供給源から冷却用気体および付加的な冷却材を導き、かつ、操作位置においてワークピースに衝突するよう冷却用気体と付加的な冷却材の混合物を放出するように配置された多数の出口を有する。
【０００６】
さまざまな実施において、付加的な冷却材の１つまたは複数の成分は、水を含み得る。そのような水は、冷却用気体の質量流量の５−２０％の流量を有し得る。そのような水の主要部分は、水蒸気とすることができる。代替として、そのような水の主要部分は、液滴形態とすることができる。支持体表面は、多数の垂直に延びるロッドの表面部分により提供できる。装置は、モータと、このモータを支持体表面に結合し、かつ、モータにより駆動されてワークピースを振動させる、リンク装置とを含むことができる。供給源は、冷却用気体の第１の供給源と、付加的な冷却材の第２の供給源とを含むことができる。
【０００７】
本発明の別の態様は、金属製ワークピースを冷却するための装置を含む。ワークピースは、実質的により厚くかつより大きく重い第１の部分と、相対的により薄くかつより小さく軽い第２の部分とを含む断面を有する。装置は、ワークピースを支持するための固定具を含む。装置は、ワークピースを焼入れするための液体液滴を含有する圧縮された冷却用気体の混合物の供給源を含む。装置は、ワークピース上に圧縮された冷却用気体を供給しかつ導くための一組の管を含む。管は、ワークピースに向けられた複数の出口を有し、それによって、圧縮された冷却用気体は、実質的により厚くかつより大きく重い第１の部分上を流れ、かつ、相対的により薄くかつより小さく軽い第２の部分から流れ去る。
【０００８】
さまざまな実施において、供給源は、圧縮された冷却用気体の第１の気体供給源と、第１の気体供給源とワークピースの間の気体流れ経路に沿って冷却用気体に液体液滴を添加する手段とを含むことができる。装置は、冷却中に鍛造品と管の相対的な移動を提供する手段をさらに含むことができる。装置は、ワークピースをインピンジメント冷却することができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、鍛造品を冷却する方法を含む。周囲条件において気体である少なくとも第１の流体が、混合物を形成するように、周囲条件において液体である少なくとも第２の流体と混合される。少なくとも第２の流体の質量流量が、少なくとも第１の流体の質量流量の２−２０パーセントである。混合物は、鍛造品を冷却するよう鍛造品の表面上に衝突するように導かれる。
【００１０】
さまざまな実施において、混合することは、第２の流体が、気体として主要部分となるか、あるいは代替として、液体として主要部分となる、混合物を形成することができる。混合することは、実質的に第１の流体としての空気と、実質的に第２の流体としての水とを含む混合物を形成することができる。混合することは、第１の流体としての空気と、第２の流体としての水とから実質的に成る混合物を形成し得る。導くことは、表面の第１の部分上に衝突するように混合物の第１の部分を導き、第１の部分とは実質的に反対の、表面の第２の部分上に衝突するように混合物の第２の部分を導くことを含み得る。方法は、鍛造品としてタービンエンジンディスクに実施できる。方法は、鍛造品としてニッケル空間またはコバルト基超合金物品に実施できる。方法は、鍛造品を振動させることをさらに含むことができる。振動は、２．０Ｈｚより小さな振動数および少なくとも＋／−４°の振幅での軸線周りの往復（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）回転を含み得る。
【００１１】
本発明の別の態様は、鍛造品を熱処理する方法を含む。周囲条件において気体である少なくとも第１の流体が、混合物を形成するように、周囲条件において液体である少なくとも第２の流体と混合される。第２の流体の質量含有量は、第１の流体の質量含有量の２−２０重量％である。混合物は、鍛造品を冷却するよう鍛造品の表面上に衝突するように導かれる。鍛造品は、振動される。鍛造品は、ニッケル基またはコバルト基超合金鍛造品とすることができる。
【００１２】
本発明の別の態様は、熱処理された金属製ワークピースを冷却するための装置を含む。装置は、ワークピースを支持するための固定具を含む。装置は、ワークピースを焼入れするための冷却用気体の供給源を含む。装置は、供給源から冷却用気体を供給し、かつ、ワークピースを冷却するようにワークピース上に冷却用気体を導く、導管システムを含む。装置は、ワークピースの冷却中に導管システムに対してワークピースを移動させる手段を含む。
【００１３】
さまざまな実施において、手段は、ワークピースの振動を生成することができ、また、電気モータを含むことができる。機械的リンク装置が、第１の方向のモータのシャフトの連続的回転が固定具の振動を生成するように、固定具にモータを結合することができる。
【００１４】
本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、以下の説明および添付の図面内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示す。
【００１６】
図１は、焼入れ装置１００の一実施態様の分解斜視図を示す。焼入れ装置１００は、タービンディスクまたは空気シールなどの環状鍛造品Ｆ（図には一部のみを示す）を受けることができる。環状形状に適合しているとはいえ、装置は、どのような形状の鍛造品Ｆも熱処理できる。
【００１７】
同様に、装置１００は、どのような材料から形成された鍛造品も焼入れできる。しかしながら、好ましい材料は、航空宇宙用の高温合金である。一般的に言えば、そのような材料は、高温において、引張り強さ、クリープ抵抗性、耐酸化性、および耐食性などの適切な性能特性を有する必要がある。粗粒ニッケル合金は、焼入れ処理の上方の温度（例えば、１８００−２１００°Ｆ）における延性の谷（ｔｒｏｕｇｈ）に起因して焼入れ割れが特に発生する傾向がある。航空宇宙用の高温材料の例としては、ＩＮ１００、ＩＮ１１００、ＩＮ７１８、Ｗａｓｐａｌｏｙ、およびＩＮ６２５などのニッケル合金が挙げられる。
【００１８】
これらの特性を達成するために、上述した合金は、焼入れ処理の正確な制御を必要とする。正確な制御は、焼入れ中の鍛造品の割れを防止しかつ鍛造品に対するその後の製造操作中の残留応力の影響を防止するのに必要とされる。焼入れ中に割れを示す鍛造品の大部分は、一般に、スクラップと見なされる。
【００１９】
焼入れ装置１００は、好ましくは、鍛造品Ｆの全ての表面にインピンジメント冷却を提供できる。装置１００は、第１の冷却セクション１０１と、第２の冷却セクション１０３と、中央冷却セクション１０５とを含む。各セクションは、ここでさらに詳細に説明する。
【００２０】
図３は、第１の冷却セクション１０１を示す。第１の冷却セクション１０１は、好ましくは、鍛造品Ｆの底部に対応する。第１の冷却セクション１０１は、装置１００の周りに配置された１つまたは複数の支持体１０７を含む。図は、３つの支持体１０７を示しているとはいえ、本発明は、任意の適切な数の支持体１０７を使用できる。
【００２１】
支持体１０７は、複数の同心状の管１０９が内部に収まる凹部を有する。図は、５つの管１０９を示しているとはいえ、本発明は、任意の数の管１０９を利用できる。管１０９の数は、鍛造品Ｆの形状寸法に依存する。より大きな鍛造品Ｆは、より多数の管１０９を必要とする。
【００２２】
複数のスペーサ１１１が、従来の固定具で支持体１０７に取り付けられている。スペーサ１１１は、支持体１０７に管１０９を保持するように機能する。図は、各スペーサ１１１が複数の管１０９を保持するように示しているとはいえ、スペーサ１１１は、１つの管のみを保持することもできる。これによって、他の管１０９を乱さずに管１０９の個別の調整が可能となる。スペーサの別の重要な機能は、以下に説明する。
【００２３】
図２から理解されるように、鍛造品Ｆの頂部は、鍛造品Ｆの底部とは異なる形状を有し得る。従って、第２の冷却セクション１０３は、第１の冷却セクション１０１の形状を鏡に映したものではない可能性がある。むしろ、第２の冷却セクション１０３は、好ましくは、鍛造品Ｆの頂部に適合する。
【００２４】
第１の冷却セクション１０１と同様に、第２の冷却セクション１０３は、１つまたは複数の支持体１１５と、同心状の管１１７と、スペーサ１１９とを含む。支持体１１５に固定されるとき、スペーサ１１９は、支持体１１５に管１１７を取り付ける。支持体１０７、１１５、およびスペーサ１１１，１１９は、焼入れ処理の条件に適した任意の材料から形成できる。
【００２５】
融通がきくように、装置１００は、さまざまな形状の鍛造品Ｆに適合する必要がある。鍛造品Ｆごとに、冷却セクション１０１、１０３は、具体的な形状に概略適合する必要がある。これは、従来の技術で達成できる。例えば、装置は、各鍛造品の形状に特有の支持体１０７、１１５を利用できる。
【００２６】
代替として、同じ支持体１０７、１１５が、各鍛造品Ｆのために使用され得る。異なる形状に適合するために、自在支持体が、管１０９、１１７のそれぞれの選択的な配置を可能とする特徴部（図示せず）を含む必要がある。可能な一構成においては、自在支持体は、管１０９、１１７が載置される高さ調節可能な載せ台を有することができる。載せ台は、高さを調節するのにねじ付きシャフトを使用できる。
【００２７】
さらに、支持体１０７、１１５のどちらかは、最も外側の管１０９、１１７が鍛造品Ｆの外径部を取り囲むことができるような、大きさおよび形状とすることができる。この構成によって、装置１００は、鍛造品Ｆの外径部を焼入れすることができる。しかしながら、全ての鍛造品Ｆが、その外径部において焼入れを必要とする訳ではない。一例として、外径部において薄い部分を有する鍛造品Ｆは、一般に、焼入れを必要としない。
【００２８】
図４および図５は、管１０９の１つを示す。管１０９は、環状鍛造品Ｆに軸対称の冷却を提供するように環状となっている。管１１３は、工具用鋼（例えば、ＡＭＳ５０４２、ＡＭＳ５０６２、ＡＩＳＩ４３４０など）、ステンレス鋼（ＡＩＳＩ３１０、ＡＩＳＩ３１６、１７−４ＨＰなど）、銅、および真鍮などの任意の適切な材料から形成できる。一例として、管１０９は、約０．７インチから１．３インチの内径を有することができるとともに、適切な厚みを有することができる。具体的な値は、焼入れ処理の条件に依存することになる。
【００２９】
管１０９、１１７はそれぞれ、従来の技術を用いて流体供給源１２７に取り付けられた入口（図示せず）を有する。供給源１２７は、各管１０９、１１７への流体の流れを制御するのに従来の弁（図示せず）を使用できる。弁は、手動であるいはコンピュータで制御できる。そのような制御を有する利点は、以下に明らかになるであろう。
【００３０】
管１０９、１１７は、内部に開口部１３１の配置を含む。好ましくは、開口部は、鍛造品Ｆに軸対称の冷却を提供するように、管１０９、１１７の周りに規則的に配置される。しかしながら、非対称性の配置も可能である。図５から理解されるように、開口部１３１は、管１０９、１１７の周囲の約２５°から２７０°の角度αに及ぶ。好ましくは、角度αは、約９０°である。
【００３１】
管１０９、１１７内の開口部は、流体が冷却セクション１０１、１０３から流出するための出口ノズルを画定する。流体は、鍛造品Ｆを冷却するように開口部１３１から押し出される。開口部１３１は、所望のノズル構成を提供するために、鋭い端縁または滑らかな端縁を有することができる。開口部１３１の具体的な形状寸法態様は、以下に詳細に説明する。
【００３２】
図６は、中央冷却セクション１０５を示す。中央冷却セクション１０５は、好ましくは、鍛造品Ｆの内側開口部内に配置される。外径部のように、鍛造品Ｆの内径部は、焼入れを必要としないことがあり得る。内径部において薄い部分を有する鍛造品Ｆは、一般に、焼入れを必要としない。
【００３３】
管１０９、１１７と同様に、中央冷却セクション１０５は、従来の技術を用いて流体供給源１２７に取り付けられた入口１３３を含む管である。また、中央冷却セクション１０５は、出口端部において複数の開口部１３５を含む。中央冷却セクション１０５の大きさおよび形状は、鍛造品Ｆの形状寸法に依存する。
【００３４】
装置１００の組み立ては、以下のように進行する。組み立てられた第１の冷却セクション１０１が、鍛造品Ｆを受ける。具体的には、鍛造品Ｆは、スペーサ１１１の上に配置される。次に、第２の冷却セクション１０３が、鍛造品Ｆの上に配置される。同様に、スペーサ１１１が、鍛造品の上に配置される。次に、中央冷却セクション１０５が、環状鍛造品Ｆの中央開口部内に配置される。中央冷却セクション１０５は、好ましくは、第１の冷却セクション１０１の支持体１０７上に配置され、スペーサ１１１の末端を隣接されることにより、鍛造品Ｆから間隔が置かれる。しかしながら、他の配置も可能である。装置１００は、ここで、焼入れ操作を開始する準備ができる。
【００３５】
装置は、鍛造品Ｆを焼入れするのに気体などの任意の適切な流体を利用できる。好ましくは、本発明は空気を使用する。供給源１２７は、約２．５インチから３．５インチの直径を有し得る。また、供給源１２７は、約４５から７５ｐｓｉｇの圧力で装置１００に約１２  ｌｂ／ｓｅｃの周囲（例えば、６５−９５°Ｆ）空気を供給できる。同様に、具体的な値は、焼入れ処理の条件に依存することになる。
【００３６】
一般的に言えば、本発明の目的の１つは、鍛造品Ｆの冷却速度を正確に制御することである。この正確な制御によって、鍛造品Ｆ上へのインピンジメント冷却の使用が可能となる。インピンジメント冷却は、強制対流冷却の一つであり、強制対流領域の残りのものより大幅に高い熱伝達係数を生成する。例えば、従来の強制空気対流は、通常の装置を用いて約５０ＢＴＵ／ｈｒ  ｆｔ2  °Ｆの熱伝達係数を達成できる。一方、インピンジメント冷却は、約３００ＢＴＵ／ｈｒ  ｆｔ2  °Ｆまでの熱伝達係数を達成できる。
【００３７】
図７は、管１０９、１１７と鍛造品Ｆの間の空間的関係を提供する。第１および第２冷却セクション１０１、１０３を示しているとはいえ、この図に示される空間的関係は、中央冷却セクション１０５にも適用可能である。図から理解されるように、スペーサ１１１が、鍛造品Ｆと管１０９、１１７の間の隙間を提供する。
【００３８】
管内の開口部１３１は、好ましくは、焼入れ処理を実施するのに十分な量の流体を鍛造品Ｆに対して推進するのに適した直径ｄを有する。一例として、開口部１３１の直径ｄは、約０．５５インチから０．７５インチとすることができる。この直径ｄにおいて、好ましくは、約０．００２  ｌｂ／ｓｅｃから０．０１  ｌｂ／ｓｅｃの流体が、約２００ｆｔ／ｓｅｃから１０００ｆｔ／ｓｅｃの速度で各開口部１３１を通過する。
【００３９】
スペーサ１１１によって生成される管１０９、１１７と鍛造品Ｆの間に形成される隙間は、本発明の本質的な態様である。スペーサ１１１は、管１０９、１１７と鍛造品Ｆの間の距離Ｚを画定する。距離対直径比（Ｚ／ｄ）は、約１．０から６．０の範囲になる必要がある。
【００４０】
周方向の間隔Ｘが、管１０９、１１７内の隣接した開口部１３１間に存在する。開口部１３１の周方向の間隔によって、所望の冷却速度を達成するのに適した鍛造品Ｆへの流体の流れが確保される。また、開口部１３１の周方向の配置によって、鍛造品Ｆの軸対称の冷却が確保される。周方向の間隔対直径比（Ｘ／ｄ）は、約０．０から２４．０とする必要がある。
【００４１】
最後に、径方向の間隔Ｙが、管１０９内の隣接した開口部１３１間に存在する。同様に開口部１３１の径方向の間隔によって、所望の冷却速度を達成するのに適した鍛造品Ｆへの流体の流れが確保される。径方向の間隔対直径比（Ｙ／ｄ）は、約０．０から２６．０とする必要がある。
【００４２】
これらのパラメータを用いて、本発明は、インピンジメント冷却を用いる鍛造品の全ての部分を処理できる。インピンジメント冷却は、増加した乱流と増加した噴流到達速度の効果の組み合わせによって、装置１００の熱伝達係数が大幅に向上するので、好ましい。
【００４３】
適切な範囲内で上述したパラメータを変えることにより、本発明は、本発明の別の目的、すなわち、鍛造品Ｆの異なる領域の冷却速度間の任意の差を低減すること、が達成できる。理想的には、本発明は、鍛造品の全ての領域に亘って冷却速度を等しくするように努める。
【００４４】
本発明は、鍛造品Ｆの別の領域と比較して鍛造品の１つの領域へより多くのインピンジメント冷却を提供することにより、鍛造品Ｆ内の温度勾配を低減する。熱伝達によって、物体の体積は、熱質量に相当し、物体の表面積は、冷却容量に相当する。低い表面積対体積比を示す物体は、より高い表面積対体積比を有する物体と同じほど容易には熱を伝達できない。
【００４５】
本発明は、低い表面積対体積比を示す鍛造品Ｆの領域の熱伝達を増加させるように努める。実際的に言えば、本発明は、より小さな体積部分に隣接して位置する鍛造品Ｆの表面に比較して、より大きな体積部分に隣接して位置する鍛造品Ｆの表面に、より多くの冷却を提供する。
【００４６】
本発明は、上述した特性のいずれかを変えることによりインピンジメント冷却を局所的に調整することができる。例えば、システム設計段階において、管１０９、１１７の直径を調整することによって、開口部１３１の直径を調整することによって、スペーサ１１１の大きさを調整することによって、あるいは、開口部１３１の密度を調整する（すなわち、間隔の距離ＸまたはＹを調整する）ことによって、鍛造品Ｆの所望の領域へ冷却を選択的に調整できる。装置１００の操作中に、各管１０９、１１７、１０５内の圧力を調整することによって、鍛造品Ｆの所望の領域へ冷却を選択的に調整できる。供給源１２７上の上述した弁は、圧力を調整するのに使用できる。圧力を調整する任意の他の技術も使用できる。
【００４７】
本発明は、焼入れ過程中に、これらの特性を静止させることができる。換言すれば、装置１００は、焼入れ過程の温度範囲全体に亘って管１０９、１１７、１０５内の選択された圧力を一定に保持できる。代替として、本発明は、焼入れ過程中に、管１０９、１１７、１０５内の圧力を動的に調整できる。例えば、装置１００は、粗粒ニッケル合金鍛造品Ｆが、延性が谷のように低下する温度範囲（例えば、１８００−２１００°Ｆ）から出るまでは、所望の圧力で作動できる。その後、装置は、焼入れ過程の残りについては低減された圧力で作動できる。他の変更例も可能である。
【００４８】
本発明は、油浴焼入れにより生成される熱伝達係数（例えば、７０−１４０ＢＴＵ／ｈｒ  ｆｔ2  °Ｆ）またはファン焼入れ（例えば、５０ＢＴＵ／ｈｒ  ｆｔ2  °Ｆ）より大きな熱伝達係数を生成できる。本発明は、約３００ＢＴＵ／ｈｒ  ｆｔ2  °Ｆの熱伝達係数を生成できる。
【００４９】
より高い熱伝達係数にもかかわらず、本発明によって製造される焼入れ製品は、油浴焼入れにより生成される焼入れ製品より低い残留応力値を示す。油浴焼入れの任意の冷却速度は、高い残留応力値を生成する。一方、本発明は、鍛造品Ｆを示差的に冷却する（すなわち、鍛造品に亘って温度勾配を制御する）能力に起因して、より低い残留応力値を達成する。ファン焼入れにより生成される残留応力値を参照することは、ファン焼入れが航空宇宙用の高温合金を焼入れするのに必要とされる冷却条件を満たすことができないので、適切ではないことに注意する必要がある。
【００５０】
相対的に乾燥した冷却用気体（例えば、空気など）によって生成される冷却を上回るように冷却を向上させるのが望ましいものとなり得る。これは、気体に付加的な流体を添加することを含み得る。例示的な付加的な流体は、ミストとして導入されるかまたは水蒸気として導入される水である。水蒸気は、周囲温度に比較して相対的に高温になり得るとはいえ、鍛造品に比較すると相対的に低温になり得る。
【００５１】
図８は、空気供給源２０２から焼入れ装置２０４に延びる空気導管２００を示しており、装置２０４は、それ以外は装置１００と同様とすることができる。ミスト生成システム２０６が、設けられており、これは、導管２００内に直列に噴霧器またはミスト注入アッセンブリ２０８を有する。上流から下流へと、ミスト生成システムは、水供給源２１０を含み、水供給源２１０は、導管システム２１２により噴霧器アッセンブリ２０８に接続される。導管システム２１２内に直列に、制御弁２１４、高圧ポンプ２１６、多段のフィルタ２１８および２１９、流量計２２０、および安全弁２２２が設けられている。図９は、噴霧器アッセンブリ２０８のさらなる詳細を示す。導管システム２１２の複数の末端分岐部２３０、２３２が、下流方向５００に噴霧されたミスト噴霧２３６を放出する出口孔２３４を有する。出口孔の下流にあるフィルタ２４０が、所定の大きさより大きな液滴の通過を防止する。フィルタ２４０により止められた水、および、噴霧器を通る空気流中に飛沫同伴されない水は、排水導管２４２へと排水され、供給源２１０に戻され得るか、あるいは、ミスト回路へと再導入され得る。
【００５２】
ミストの例示的な流量は、空気の流量の５から２０パーセント（特に言及しない限り両端を含める）である（従って、混合物の約５から１７パーセントである）。例示的な特性の液滴の大きさ（例えば、平均値／中央値／最頻値など）は、１０マイクロメートルから５００マイクロメートルである。ミストを生成するためには、例示的なポンプ圧力は、約１，０００ｐｓｉ程度である。
【００５３】
図１０は、ミストシステム２０６および噴霧器２０８の代わりに空気導管２００内に配置される水蒸気注入器２６２を有する水蒸気生成システム２６０を示す。例示的なシステム２６０は、水供給源２６４からの冷却用水と共に水蒸気供給源２６３からの冷却用過熱水蒸気を含み、これらは、それぞれ、工業設備内の建物用の水蒸気および水とすることができる。これらの供給源からの導管２６６および２６８はそれぞれ、過熱低減器（ｄｅｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ）２７０に通ずる。第１の導管２６６内に直列に、制御弁２７２、濾過器２７４、圧力調整器２７６、および逃し弁２７８が設けられる。第２の導管２６８内に直列に、制御弁２８０および水フィルタ２８２が設けられる。過熱低減器では、過熱水蒸気は、水と適切な割合で混合されて作動水蒸気を生成し、この作動水蒸気は、導管２８４に沿って注入器２６２へと放出される。導管２８４内に直列に、水蒸気フィルタ２８６、圧力計２８８、および安全弁２９０が設けられる。さまざまな商業上の製品が、複数のこれらの構成部品を具体化することができる。例えば、製品は、カリフォルニア州モンロヴィアのミー工業株式会社（Ｍｅｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．）、およびニュージャージー州ホーホークス（Ｈｏ−Ｈｏ−Ｋｕｓ）のアトマイジングシステムズ株式会社（Ａｔｏｍｉｚｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．）から入手できる。例示的な実施態様においては、過熱水蒸気は、３６８°Ｆを超過する温度、および１５０ｐｓｉを超過する圧力であり、一方、作動水蒸気は、約２４０°Ｆの温度、および１．５から８０ｐｓｉの圧力である。例示的な実施態様においては、作動水蒸気は、空気−水蒸気混合物の体積流量の少なくとも２０％を形成する。実質的に空気が存在せず、単なる水蒸気が導入される可能性も考慮される。
【００５４】
図１１は、第１（下部）および第２（上部）の冷却セクション３０２および３０４それぞれを有する代替の焼入れ装置３００を示す。各冷却セクションは、最も内側の管３１０Ａから最も外側の管３１０Ｇへと中心軸線５１０周りに同心に配置された複数の出口導管または管を備える。これらの出口管は、図１の管１０９、１１７と同様に形成できる。出口管３１０Ａ−３１０Ｇのそれぞれは、装置の横方向（水平方向）の中心面から延びる例示的な４つの供給導管３１２を有する。例示的な導管３１２は、軸線５１０周りに９０°間隔で離間しており、支持体プレート３１４を通って延び、クランプ（図示せず）などを用いて支持体プレート３１４に再配置可能に取り付けられている。供給導管は、適切な分岐導管によって噴霧器または水蒸気注入器の下流で上述した空気導管２００に接続されている。クランプによって、第１および第２のセクションの出口管は、鍛造品の第１および第２の表面の表面輪郭に対応するように（例えば、図２の波形配置のように）垂直方向にジグザグ配列が可能となっている。クランプによって、管は、異なる第１および第２の表面輪郭の異なる鍛造品に適合するように位置を変えることができる。異なる直径の鍛造品が、適合されることができ、最も外側の管（１つまたは複数）の直径（１つまたは複数）より実質的に小さな直径の鍛造品が処理されるときは、弁（図示せず）が、そのような最も外側の管（１つまたは複数）を通る流れを遮断するように使用できる。
【００５５】
なおさらなる変形例では、鍛造品は、第１のセクション以外の上で支持できる。例えば、図１１は、末端（上部）の端部表面３２２有しかつ第１のセクション３０２の支持体プレート３１４内のスロット３２４を通って垂直に延びる複数の支持体ロッド３２０を示す。鍛造品は、これらの表面３２２の頂上で支持できる。セクション３０２と３０４の一方または両方が、鍛造品の関連する表面に最も近い操作位置に、関連する出口管を位置合わせするように垂直に移動され得る。例示的な実施態様においては、両方のセクションが、横方向の中心面の方へおよびそこから離れるように移動可能である。例えば、第１および第２ののモータ３３０および３３２が、駆動ねじ３３４および３３６によってそれぞれのセクションに結合されることができ、それによって、前進および逆進方向へのねじの軸線回りのねじの駆動回転によって、セクションは、横方向の中心面の方へおよびそこから離れるように移動する。例示的な実施態様においては、各セクションは、関連する駆動ねじに係合する従動ナット３４０と、他方のセクションの駆動ねじを通過させるブシュ３４２とを有する。一組の付加的な平滑な案内ロッド３５０を設けることができ、各セクションは、そのような案内ロッドを自由に通過させる関連するブシュ３５２を有する。有利なことには、出口管の位置は、セクションが、鍛造品に最も近いセクション操作位置に両方とも移動されたとき、鍛造品が表面３２２によって支持されたままとなるような位置である。
【００５６】
さらに、焼入れ中に衝突の流れに対して鍛造品を移動させる手段が設けられ得る。出口管の出口孔からの衝突の流れに対する鍛造品の移動は、鍛造品の表面上に衝突する噴流により引き起こされる局所的な温度勾配を低減する冷却効果をさらに分散させる。例示的な移動は、連続的に行うことができ、あるいは、振動的に行うことができる。例示的な実施態様においては、移動は、鍛造品の絶対的な移動を含み、導管システムの出口孔は、固定されたままである。図１２は、例示的な振動移動アクチュエータ３６０を示す。アクチュエータは、ロータ／シャフト軸線５２０を有するモータ３６２を含む。ロッド３２０は、十字形支持体構造３６４の関連する端部に支持される。構造３６４は、アクチュエータシャフト３６６の上端に取り付けられており、アクチュエータシャフト３６６は、一対の軸受３６８（図１３にも図示される）によりアクチュエータシャフト３６６の中心軸線５２２回りに回転するように支持されている。モータ３６２は、リンク装置３７０（図１４）を用いてシャフト３６６に結合されており、リンク装置３７０は、モータシャフトに対して固定された第１のリンク３７２と、アクチュエータシャフトに対して固定された第２のリンク３７４と、回転軸線５３０および５３２をそれぞれ有する枢軸接続部において最初の２つのリンクを接続する第３のリンク３７６とを有する。例示的な実施態様においては、モータシャフトの軸線回りのモータシャフトの連続的な回転によって、アクチュエータシャフトの軸線周りに所定の角度範囲を通るアクチュエータシャフトの往復回転が生成される。例示的な範囲は、モータの３６０°のサイクル毎に＋２２．５°から−２２．５°のサイクルとなる。より大きなサイクルおよび連続的回転が可能であるように、よりいっそう小さなサイクルも可能である。例示的な４５°振動は、衝突する流れに対して鍛造品を移動させるための相対的に遅い構成要素である。そのような振動の例示的な速度は、０．３３Ｈｚである。
【００５７】
本発明の１つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。例えば、特定の鍛造品の詳細は、任意の関連する実施の詳細に影響を及ぼし得る。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の焼入れ装置の一実施態様の分解斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った焼入れ装置の断面図である。
【図３】図１に示される焼入れ装置の一構成部品の平面図である。
【図４】図３に示される構成部品の一部分の詳細図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿って取った構成部品の断面図である。
【図６】図１に示される焼入れ装置の第２の構成部品の立面図である。
【図７】鍛造品が内部に配置されている図１に示される焼入れ装置の一部分の立面図である。
【図８】冷却用空気にミストを添加するためのシステムの概略図である。
【図９】図８のシステムの噴霧器の概略図である。
【図１０】冷却用空気内へ水蒸気を注入するためのシステムの概略図である。
【図１１】焼入れ装置の代替の実施態様の概略図である。
【図１２】図１１の装置の側面図である。
【図１３】図１１の装置の振動アクチュエータの概略図である。
【図１４】図１３のアクチュエータのリンク装置の底面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００…焼入れ装置
１０１…第１の冷却セクション
１０３…第２の冷却セクション
１０５…中央冷却セクション
１０７、１１５…支持体
１０９、１１７…管
１１１、１１９…スペーサ
１２７…流体供給源
１３１、１３５…開口部
２０２…空気供給源
２０４…焼入れ装置
２１０…水供給源
２６３…水蒸気供給源
３００…焼入れ装置
３０２…第１の冷却セクション
３０４…第２の冷却セクション
３２０…支持体ロッド
３２２…表面
３６２…モータ
３６６…アクチュエータシャフト
３７０…リンク装置
５２０…ロータ／シャフト軸線
５２２…中心軸線
Ｆ…鍛造品
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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