(57)【要約】【課題】被処理物が多段積みの場合でも被処理物間および同一被処理物における硬さのばらつきを低減できる冷却装置、焼入れまたは表面処理装置、表面処理方法を提供することを課題とする。【解決手段】水槽２と、水槽２内に設置されており内部に冷却水Ｃを通す配管３と、配管３内に冷却水Ｃを送り込む撹拌機４と、を具備して、撹拌機４の主軸４１が配管３内に挿入されており、配管３の一端３１が主軸４１を除いて閉塞されており、配管３側面に開口部５を有する冷却装置１とした。また、当該冷却装置１の上方に加熱室を設けた表面処理装置とすることもできる。さらに、表面処理方法としては、前述の表面処理装置を用いて加熱室内にて被処理物を真空浸炭処理した後、水槽２内の冷却水Ｃにより被処理物を冷却する表面処理方法とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水槽と、前記水槽内に設置されており内部に冷却水を通す配管と、前記配管内に前記冷却水を送り込む撹拌機と、を具備する冷却装置であって、前記撹拌機の主軸が前記配管内に挿入されており、前記配管の一端が前記主軸を除いて閉塞されており、前記配管側面に開口部を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置の上方に加熱室が設けられていることを特徴とする焼入れまたは表面処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の表面処理装置を用いる表面処理方法であって、前記加熱室内にて被処理物を真空浸炭処理させた後、前記水槽内の前記冷却水により前記被処理物を冷却させることを特徴とする表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼入れ加熱または浸炭や窒化などの表面処理を行った金属材料を冷却する冷却装置、焼入れまたは表面処理装置および表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料（被処理物）に対して熱処理や表面処理を行う場合、その後に冷却する手段としては窒素やアルゴンなどを用いたガスによる冷却方法、または水や焼入れ油などの液体による冷却方法が一般的である。中でも水や油などの液体による冷却は、液体を貯留した水槽に被処理物を一度に浸漬できるため、ガスによる冷却方法に比べて大量の被処理物を均一かつ急速に冷却できる点に特徴がある。
【０００３】
例えば、特許文献１および２では焼入処理や浸炭処理を行うことのできる加熱室の下方に焼入れ油を貯留できる油槽を備えた焼入れ装置が開示されている。この油槽内には被処理物へ向けて焼入れ油を圧送する撹拌機が備え付けられているので、加熱室から出た被処理物を速やかに油冷できる。  
【０００４】
しかし、焼入れ油を用いた焼入れ装置（冷却装置）では被処理物に付着した油の脱脂処理をする工程が必要になり、あわせて使用限界を超えた焼入れ油の処分により生産コストが増加するという問題があった。
【０００５】
そこで、特許文献３では、被処理物の冷却に水や水溶液などの冷媒を用いて環境に配慮した焼入れ装置（冷却装置）が開示されている。この冷却装置には特許文献１および２と同様に被処理物に対して水などの冷媒を圧送する撹拌機と、冷媒を内部に通す配管を備えている。特に、撹拌機の回転を調整して冷媒の流速を３ｍ／ｓ以上にすることで被処理物に発生する歪み量を低減できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平７−１５７６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−７１４６号公報
【特許文献３】特許４１６０５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献３に開示された焼入れ装置（冷却装置）では、冷媒の流速を３ｍ／ｓ以上に規定していることから被処理物を上下方向に２段以上の積み方、いわゆる多段積みにより冷却を行った場合には最下段に積載された被処理物と最上段に積載された被処理物とでは接触する水流の速度（流速）が異なる。その結果、各被処理物の冷却速度も異なるので被処理物間で硬さ（表面硬さおよび内部硬さ）のばらつきが発生するという問題があった。
【０００８】
また、冷媒の流れを一定値以上の流速にすると水面から水を吸い込む際に周囲の空気も巻き込んでしまうために、被処理物には水と空気の混合物が接触することになる。その結果、同一の被処理物内でも流水との接触により冷却された箇所と空気との接触により冷却された箇所とでは、前述の場合と同様に硬さのばらつきが発生するという問題もあった。
【０００９】
そこで、本発明においては、被処理物が多段積みの場合でも被処理物間および同一被処理物における硬さのばらつきを低減できる冷却装置、焼入れまたは表面処理装置および表面処理方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した課題を解決するため、本発明においては、水槽と、水槽内に設置しており内部に冷却水を通す配管と、配管内に冷却水を送り込む撹拌機と、を具備する冷却装置であって、撹拌機の主軸を配管内に挿入しており、主軸を除いた配管の一端を閉塞しており、配管側面に開口部を有する冷却装置とした。本発明により冷却水の吸い込みを配管側面のみから行うことができる。以下、本発明に係る冷却装置の各構成について詳述する。
【００１１】
本発明に係る冷却装置を構成する水槽は、主に金属材料の被処理物に対して焼入れなどの熱処理または浸炭や窒化などの表面処理した後に冷却する部分である。水槽内には冷却水が貯留されており、冷却水としては水道水（上水）の他に工業用水、中水、蒸留水、純水などを用いることができる。また、水槽内部には後述する配管および撹拌機の一部が配置されている。水槽内の冷却水中へ被処理物を速やかに水没させる場合には、水槽の中央部に被処理物を鉛直方向に水槽内へ水没させることのできる昇降機およびガイド部を設けることができる。さらに、水槽の外部にろ過機能を備えた冷却水循環装置を付設することで常に水槽内の冷却水を清浄に保つことができる。
【００１２】
本発明に係る冷却装置を構成する配管は、水槽内に設置して後述する撹拌機で圧送された冷却水を内部に通して、水槽内へ水没した被処理物に対して冷却を行う部分である。例えば、矩形の水槽の場合には、水槽内の四隅に各１本ずつ計４本の配管を設置することができる。各配管は一端（水面方向に向けて固定されている端部）が水槽壁面に固定されて水槽底の隅部分でＬ字状に曲げられて、他端（撹拌機により圧送された冷却水が排出する端部）が水槽中央部にある被処理物の水没箇所（最下点）の下方位置に固定できる。配管の一端には撹拌機の羽根と主軸（シャフト）の各部分が挿入されており、主軸を除いた配管の一端は閉塞されている。したがって、配管の一端では撹拌機による羽根および主軸の回転は可能であるが、その箇所から冷却水の吸引を行わない構造となっている。
【００１３】
また、配管側面には開口部を設けて、冷却水の吸引を水面側からではなく、水面から所定深さにある開口部より行う。これにより、水面からの吸引による渦状気泡の巻き込みが防止されると同時に、特定方向の強水流の方向拡散を行うことができる。開口部の形状は円形に限らず楕円形や矩形などの形状とすることもできる。さらに、開口部を複数個設ける場合には、各開口部間の位置関係、特に同一円周位置（配管の径方向）における配置や上下方向（配管の長さ方向）における配置は、水槽形状や配管径に応じて最適な仕様を選択できる。
【００１４】
本発明に係る冷却装置を構成する撹拌機は、配管内部へ冷却水を任意の流速で圧送させる部分である。撹拌機は冷却水を圧送または対流させるための羽根と主軸およびこれらの動力源であるモータから構成されて、前述のように羽根および主軸の一部は配管の一端へ挿入された状態とする。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、前述した冷却装置の上方に加熱室を設けた焼入れまたは表面処理装置とした。当該冷却装置の上方に加熱室を設けることで、加熱処理または浸炭、窒化、浸炭窒化などの表面処理を終えた被処理物を迅速に冷却できる。当該加熱室は、外部からのプログラミング操作または作業者による直接入力操作を行うことで当該室内の加熱・冷却の温度や時間を自由に設定できる炉である。当該加熱室内では焼入れ・焼き戻しなどの熱処理や浸炭・窒化などの表面改質処理を行うことができる。また、外部のポンプと配管接続することで当該室内を減圧雰囲気下として、真空浸炭や真空焼入れを行うこともできる。
【００１６】
さらに、請求項３に係る発明は、加熱室内にて被処理物を真空浸炭処理した後、当該被処理物を水槽内の冷却水により冷却する表面処理方法とした。真空浸炭処理の手順については、減圧雰囲気下とした加熱室内に被処理物を挿入した後、外部からエチレンなどの浸炭ガスを加熱室内へ充填させる。所定時間が経過した後、被処理物の材質に応じた適切な焼入れ温度まで降下させて、被処理物の材質、寸法、形状などに応じて適切な保持時間が経過した後に加熱室から取り出す。
【００１７】
また、真空浸炭処理後の冷却手順については、加熱室から取り出した被処理物を速やかに本発明に係る冷却装置を構成する水槽内へ水没させる。水没させる前には予め当該水槽内は撹拌機による所定の流速で冷却水が循環するように事前に準備しておき、水没させておく保持時間（冷却時間）は被処理物の材質、寸法、形状等に応じて自由に設定できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る冷却装置は、水槽と、水槽内に設置して内部に冷却水を通す配管と、配管内に冷却水を送り込む撹拌機と、を具備する冷却装置であって、撹拌機の主軸を配管内に挿入して、配管の一端は主軸を除いて閉塞して、配管側面に開口部を有する冷却装置とすることで、冷却水の吸い込みを配管側面のみから行うので、冷却水表面からの吸い込みによる渦状気泡の巻き込みを防止し、多段積みの被処理物であっても被処理物同士および同一の被処理物における硬さのばらつきを低減できる。また、真空浸炭を行う場合にはより深くまで有効浸炭深さを得ることができて、浸炭時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る冷却装置１の実施の形態を示す模式図（正面図）である。
【図２】本発明に係る冷却装置１の実施の形態を示す模式図（平面図）である。
【図３】図１における冷却装置１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明装置および比較装置を用いて行った冷却試験における有効浸炭深さ測定結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の冷却装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る冷却装置１の実施の形態を示す模式図（正面図）、図２は本発明に係る冷却装置１の実施の形態を示す模式図（平面図）である。図１および図２に示すように、本発明に係る冷却装置１を構成する水槽２の上部には撹拌機４が各コーナー部（四隅）に設けられている。また、水槽２の中央部には内部に設けられた４本の配管３の他端３２が集約されている被処理物投入口６が設けられている。
【００２１】
図３は、図１に示す冷却装置１のＡ−Ａ断面図である。図３に示すように撹拌機４の先端には主軸４１を介して羽根４２が取り付けられている。また、水槽２内に設けられた４本の配管３は、一端３１が水槽の四隅に設置されて、他端３２が水槽２の中央部に位置するように配置されている。配管３の一端３１には、撹拌機４の主軸４１の一部と羽根４２が挿入されており、当該端部は主軸４１を除く部分が閉塞されている。配管３の側面には水槽２内の冷却水Ｃを吸い込むことができる開口部５が設けられている。配管３の他端３２は水槽２の中央部に位置する被処理物投入口６で一箇所に集約されており、当該開口部５から吸い込んだ冷却水Ｃを一箇所で集中的に排出できる構成となっている。
【実施例】
【００２２】
本発明に係る冷却装置１（本発明装置）および本発明外の冷却装置（比較装置）を用いて、被処理物の有効浸炭深さを確認するための冷却試験を行った。その結果について図４を用いて説明する。図４は、本発明装置および比較装置を用いて行った冷却試験における有効浸炭深さ測定結果のグラフである。
【００２３】
なお、本実施例で用いた本発明装置は図１に示す冷却装置１を用いた。また、本発明外の比較装置（冷却装置）は冷却水を配管の一端から吸い込む仕様（配管側面に開口部なし）となっており、その他の仕様は本発明装置と共通である。さらに、比較装置を用いた場合では水と焼入れ油の２種類の冷媒を用いて個別に冷却試験を行った。
【００２４】
本実施例に用いた供試材（試料）はクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）であり、寸法は直径４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの丸棒とした。当該丸棒を１段につき８本×１５本の計１２０本を積載したバケットを３段積みにした状態（計３６０本積載）にて、下記条件で浸炭処理および熱処理（焼入れ、焼戻し）を行った。その後、水槽内で撹拌機により対流している冷却水中へ全試料を速やかに水没させた。
・浸炭温度：９５０℃、浸炭（拡散）時間：１８０分、浸炭ガス：エチレンガス、ガス圧力：２．７ｋＰａ
・焼入前温度：８５０℃、焼入前保持温度：３０分、焼戻し温度：１８０℃、焼戻し時間：１２０分
【００２５】
試料の浸炭深さについては、ＪＩＳ  Ｇ０５５７に規定される鋼の浸炭硬化層深さ測定方法に基づいて行った。すなわち試料の表層から内部へ向けて硬さ（ビッカース硬さ）を０．１ｍｍ刻みで順次測定して、ビッカース硬さが５５０Ｈｖである表層からの距離を当該試料の有効浸炭深さ（硬化深さ）とした。また、測定した試料についてはＪＩＳ  Ｂ６９０１に規定されるバッチ式箱型加熱設備の保持温度測定位置に基づいて行った。すなわち、本実施例においては最下段である１段目の四隅の試料４本（試料Ｎｏ．１〜４）、中央段である２段目の中央位置の試料１本（試料Ｎｏ．５）および最上段である３段目の四隅の試料４本（試料Ｎｏ．６〜９）の計９本の試料について有効浸炭深さ（単位：ｍｍ）を測定した。
【００２６】
図４に示すように、本発明装置を用いて浸炭処理後に冷却を行った試料は有効浸炭深さが２．０ｍｍ〜２．１ｍｍの範囲であり、冷却時における試料の設置位置によるばらつきは確認されなかった。これに対して、比較装置では冷媒が水の場合には、浸炭深さは１．８ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲であったが、本発明装置で行った試験結果よりも有効浸炭深さは浅く、ばらつきの範囲も大きくなった。また、比較装置を用いて冷媒が焼入れ油の場合には、有効浸炭深さが１．４ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であり、試料の設置位置によるばらつきは小さくなったが、有効浸炭深さは冷媒が水の場合に比べて浅くなった。
【００２７】
一般的に、真空浸炭における浸炭処理中の浸炭時間、浸炭温度および被処理物への浸炭深さの関係は、Ｄ＝ｋ√Ｔの関係式で表される（ここで、Ｄは浸炭深さ（ｍｍ）、ｋは浸炭温度係数、Ｔは浸炭処理時間（秒）を意味する）。この式を用いると、焼入れ油を冷媒とした場合の冷却装置での有効浸炭深さである１．５ｍｍを得るための浸炭処理時間Ｔ１と本発明装置を用いて有効浸炭深さである２．０ｍｍを得るための浸炭処理時間Ｔ２を比較すると、本実施例においてはＴ１＝Ｔ２である。
【００２８】
したがって、本発明装置を用いて同一材料に対して有効浸炭深さ１．５ｍｍを得るための浸炭処理時間Ｔ３と前述の浸炭処理時間Ｔ１との比は、Ｔ３／Ｔ１＝（１．５／２．０）２＝０．５６となる。よって、本発明に係る冷却装置、焼入れまたは表面処理装置、表面処理方法を用いることで、従来装置を用いて冷媒が焼入れ油の場合に比べて、浸炭拡散時間を約４４％短縮することができる。同様に、従来装置で冷媒が水の場合には（１．８／２．０）２＝０．８１となり、浸炭拡散時間を約１９％短縮することができる。
【００２９】
以上の結果より、本発明に係る冷却装置、焼入れまたは表面処理装置、表面処理方法を用いることで多段積みの被処理物であっても被処理物間の硬さのばらつきを低減できた。また、真空浸炭処理を行う場合には、従来装置に比べて浸炭処理時間の短縮を実現できた。
【符号の説明】
【００３０】
１    冷却装置
２    水槽
３    配管
４    撹拌機
５    開口部
３１  配管の一端
４１  主軸
Ｃ    冷却水  
【図１】
2013227595.tif 000003
【図２】
2013227595.tif 000004
【図３】
2013227595.tif 000005
【図４】
2013227595.tif 000006