JP2015067838A - Heat treatment method - Google Patents
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
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Abstract
Description
本発明は、回転するワークを誘導加熱し、さらにワークの表面に冷却液を噴射供給する熱処理方法に関するものである。 The present invention relates to a heat treatment method for inductively heating a rotating workpiece and further supplying a cooling liquid to the surface of the workpiece.
鋼材を熱処理する方策の一つとして高周波焼入れが知られている。高周波焼入れは、短時間で焼入処理が可能であり、且つ、表面側だけを焼き入れ硬化させることができることから、機械部品の焼き入れに広く活用されている。 Induction hardening is known as one of the measures for heat-treating steel materials. Induction hardening is widely used for hardening of machine parts because it can be quenched in a short time and only the surface side can be hardened by hardening.
機械部品（以後、ワークと称する。）の周面を焼入れする場合、まず、加熱コイルに高周波電流を供給し、当該周面に高周波の誘導電流を励起させて当該周面を誘導加熱し、その後、冷却ジャケットから当該周面に向けて冷却液を噴射供給することにより急冷する。 When quenching the peripheral surface of a machine part (hereinafter referred to as a workpiece), first, a high frequency current is supplied to the heating coil, a high frequency induction current is excited on the peripheral surface, the peripheral surface is induction heated, and then Then, the cooling liquid is rapidly cooled by jetting and supplying the cooling liquid from the cooling jacket toward the peripheral surface.
このような高周波焼入装置の冷却ジャケットが、例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１には、筒状の冷却ジャケットの中に昇温したワークを配置し、冷却水を噴射供給してワークを冷却する構成が開示されている。特許文献１の冷却ジャケットは、冷却水の噴射量を調整することができる構成を有しており、ワークの肉厚が厚い部位（熱容量が大きい部位）に対しては冷却水の噴射量を多くし、肉厚が薄い部位（熱容量が小さい部位）に対しては冷却水の噴射量を少なくすることができる。
すなわち、特許文献１の冷却ジャケットは、冷却水の噴射量を部位ごとに調整することができる構成を有しており、肉厚差を有するワークの周面を均一に冷却することができるように配慮されている。
実際に、特許文献１に開示されている冷却ジャケットは、回転するワークの外面を冷却することができ、高周波焼入れそのものは問題なく実施することができる。
A cooling jacket for such an induction hardening apparatus is disclosed in
That is, the cooling jacket of
Actually, the cooling jacket disclosed in
ところで、ワークを誘導加熱後、冷却液を噴射供給して急冷する際のワークの温度低下速度は、確かに冷却液の噴射量と相関関係があるが、単に冷却液の噴射量を増加させるだけでは期待するほど温度低下しない場合があることが本発明者らの調査によって判明した。すなわち、ワークの冷却効果を向上させる場合には、冷却液の噴射量を増加させればよいと考えられるが、噴射量を増やしても、期待するほどワークの温度低下速度が向上しない場合があることが判明した。 By the way, after the workpiece is induction-heated, the cooling rate of the workpiece when the coolant is jetted and rapidly cooled is certainly correlated with the coolant injection amount, but it simply increases the coolant injection amount. Then, the inventors have found that the temperature may not drop as much as expected. That is, in order to improve the cooling effect of the workpiece, it is considered that the injection amount of the coolant may be increased. However, even if the injection amount is increased, the temperature decrease rate of the workpiece may not be improved as expected. It has been found.
そこで本件発明者らは、様々な調査を行い、ワークの温度が低下しにくい原因について、次の様な知見を得た。 Therefore, the inventors of the present invention conducted various investigations and obtained the following knowledge about the cause that the temperature of the workpiece is difficult to decrease.
ワークに向けて噴射された低温の冷却水がワーク表面に到達すると、冷却水とワーク表面との間で良好に熱交換が行われ、高い冷却効果を奏することができる。ところが、ワーク表面に冷却水が付着して水膜が形成されると、その後に噴射された冷却水は、ワーク表面に到達する前に水膜に衝突する。 When the low-temperature cooling water sprayed toward the workpiece reaches the workpiece surface, heat exchange is performed favorably between the cooling water and the workpiece surface, and a high cooling effect can be achieved. However, when the cooling water adheres to the work surface and a water film is formed, the cooling water sprayed thereafter collides with the water film before reaching the work surface.
すなわち、ワーク表面に最初に到達した冷却水は、高い冷却効果を奏することができるが、水膜が形成された後にワーク表面に達する後続の冷却水は、水膜に邪魔されて低い温度の状態でワーク表面に達することができない。そのため、ワークに低温の冷却水を連続して噴射供給しているにも関わらず、ワークの温度が低下しにくくなるものと考えられる。 That is, the cooling water that first reaches the workpiece surface can exhibit a high cooling effect, but the subsequent cooling water that reaches the workpiece surface after the water film is formed is disturbed by the water film and is in a low temperature state. The work surface cannot be reached. For this reason, it is considered that the temperature of the workpiece is less likely to be lowered despite continuous supply of low-temperature cooling water to the workpiece.
例えば、特許文献１に開示されている冷却ジャケットでは、ワーク表面における噴射された冷却水が直接到達する部位が極めて狭く、ワーク表面の大半が拡大する昇温した水膜に覆われてしまうため、冷却液の噴射量を増加させても、ワークの温度低下速度は、期待するほど向上しない。
For example, in the cooling jacket disclosed in
従来の冷却ジャケットの様に、冷却水の噴射孔が鉛直方向に真っ直ぐ配列されていると、噴射孔から噴射された冷却水は、先行して噴射された冷却水によってワーク表面に形成された水膜に衝突するため、従来の冷却ジャケットでは、この問題を解決する有効策を見出すことができない。 When the cooling water injection holes are arranged straight in the vertical direction as in the conventional cooling jacket, the cooling water injected from the injection holes is the water formed on the workpiece surface by the cooling water previously injected. Because of the impact on the membrane, conventional cooling jackets cannot find an effective solution to solve this problem.
また、ワークを誘導加熱後、冷却液を噴射供給して急冷する際に、ワークの冷却効果が高すぎると、ワークに割れや歪が生じることがある。この様な場合には、ワークの温度低下速度を遅くする必要がある。そこで、特許文献１に開示されている様な冷却ジャケットを使用し、噴射供給する冷却液の量を減少させて対応することが考えられる。
Further, when the work is induction-heated and then cooled by jetting and supplying a cooling liquid, if the work cooling effect is too high, the work may be cracked or distorted. In such a case, it is necessary to slow down the temperature drop rate of the workpiece. In view of this, it is conceivable to use a cooling jacket as disclosed in
ところが、冷却液の噴射量とワークの温度低下速度は、相関関係があるものの、必ずしも比例関係にないため、単に冷却液の噴射量を減少させるだけでは、ワークの温度低下速度を期待するほど遅くすることができない。 However, although there is a correlation between the coolant injection amount and the workpiece temperature decrease rate, it is not necessarily proportional. Therefore, simply reducing the coolant injection amount is slow enough to expect the workpiece temperature decrease rate. Can not do it.
そこで本発明は、誘導加熱されたワークの周面の冷却速度を容易に変更することができる熱処理方法を提供することを課題としている。 Then, this invention makes it the subject to provide the heat processing method which can change easily the cooling rate of the surrounding surface of the workpiece | work heated by induction.
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、ワークを誘導加熱する加熱工程と、加熱直後にワークに冷却液を噴射してワークを急冷する冷却工程を有する熱処理方法において、前記冷却工程においては、ワークを立て姿勢に保持して回転し、その周囲から冷却液を放出するものであり、ワークの回転方向の切り換えが可能であり、前記冷却液は、回転するワークの周面に対して傾斜した放出列を形成して放出されることを特徴とする熱処理方法である。
The invention according to
請求項１に記載の発明では、ワークを立て姿勢に保持して回転し、その周囲から冷却液を放出するものであるので、傾斜した放出列から放出された冷却液は、ワークに衝突すると、ワークを冷却すると共に、ワーク表面に付着してワーク表面に液膜を形成する。この液膜は、ワークから熱伝達されて昇温しており、また、重力の作用でワーク表面に沿って下方へ拡大する。
ここで、傾斜した放出列から放出された冷却液が、先に噴射された冷却液によってワーク表面に形成された液膜に邪魔されずにワーク表面に到達する方向にワークを回転させると、ワークの冷却速度を向上させることができる。すなわち、ワークの表面に形成された液膜は、ワークを冷却して昇温しているが、液膜よりも低温の後続の冷却液が、昇温した液膜に阻害されることなくワーク表面に到達するので冷却効果が高い。そして、液膜よりも低温の冷却液が、液膜が形成される前のワーク表面の広い領域に到達し、ワークを効率よく冷却してワークの温度を効率的に低下させることができる。
逆に、放出列から放出された冷却液が、ワーク表面に形成された液膜上に到達する方向にワークを回転させると、ワークの冷却速度を低下させることができる。すなわち、放出列から放出された低温の冷却液が、ワーク表面上に形成された高温の液膜に到達するので、ワーク表面に対する冷却効果は低減する。
よって、ワークの回転方向を切り換えることによって、容易にワークの冷却速度（温度の低下速度）を変更することができる。
In the first aspect of the invention, the workpiece is rotated while being held in a standing posture, and the coolant is discharged from the periphery thereof. Therefore, when the coolant discharged from the inclined discharge row collides with the workpiece, While cooling the workpiece, it adheres to the workpiece surface and forms a liquid film on the workpiece surface. The liquid film is heated by heat transfer from the workpiece and expands downward along the workpiece surface by the action of gravity.
Here, when the workpiece is rotated in a direction in which the coolant discharged from the inclined discharge row reaches the workpiece surface without being obstructed by the liquid film formed on the workpiece surface by the previously jetted coolant, The cooling rate can be improved. That is, the liquid film formed on the surface of the workpiece is heated by cooling the workpiece, but the subsequent cooling liquid lower in temperature than the liquid film is not obstructed by the heated liquid film. The cooling effect is high. Then, the coolant having a temperature lower than that of the liquid film reaches a wide area on the surface of the work before the liquid film is formed, and the work can be efficiently cooled to efficiently reduce the temperature of the work.
Conversely, when the workpiece is rotated in a direction in which the coolant discharged from the discharge row reaches the liquid film formed on the workpiece surface, the workpiece cooling rate can be reduced. That is, since the low-temperature cooling liquid discharged from the discharge row reaches the high-temperature liquid film formed on the work surface, the cooling effect on the work surface is reduced.
Therefore, the workpiece cooling rate (temperature decreasing rate) can be easily changed by switching the rotation direction of the workpiece.
請求項２に記載の発明は、前記放出列から放出される冷却液が、ワークの周面上の軸芯と同方向にのびる直線の下側から上側へ順に到達する様にワークを回転させることを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法である。
The invention according to
請求項２に記載の発明では、放出列から放出される冷却液が、ワークの周面上の軸芯と同方向にのびる直線の下側から上側へ順に到達する様にワークを回転させるので、放出列から放出された冷却液は、ワーク表面に形成された液膜に邪魔されることなくワーク表面に達する。そのため、低温の冷却液が、直接ワークの表面に到達するので、冷却効果が高い。
In the invention according to
冷却液は長孔から放出される様にしてもよい（請求項３）。 The cooling liquid may be discharged from the long hole (claim 3).
冷却液は複数の開口から放出され、当該開口が傾斜状態で配列されているのが好ましい（請求項４）。 It is preferable that the coolant is discharged from a plurality of openings, and the openings are arranged in an inclined state.
本発明の熱処理方法では、液膜よりも低温の冷却液が、液膜が形成される前のワーク表面の広い領域に到達するようにワークを回転させたり、ワーク表面に形成された液膜に低温の冷却液が到達する様にワークを回転させることができる。
その結果、ワークを効率よく冷却してワークの温度を効率的に低下させたり、敢えて冷却効率を下げ、ワークに割れが生じるのを回避することができる。
In the heat treatment method of the present invention, the coolant is rotated so that the coolant having a temperature lower than that of the liquid film reaches a wide area on the surface of the work before the liquid film is formed, or the liquid film formed on the surface of the work is applied. The workpiece can be rotated so that the low-temperature coolant can reach.
As a result, it is possible to efficiently cool the workpiece and efficiently reduce the temperature of the workpiece, or to deliberately lower the cooling efficiency and prevent the workpiece from cracking.
以下、図面を参照しながら説明する。
図１に示す様に、高周波焼入装置１は、誘導加熱装置２、冷却装置３、移送装置８を有する。高周波焼入装置１は、円筒状又は円柱状のワーク１５の外周面１５ａを高周波焼入する装置である。
Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the
誘導加熱装置２は、高周波電源４、トランス６、加熱コイル７を有する。
The
高周波電源４は、商用電源から供給される交流電力を高周波発振器５で高周波化し、トランス６に供給するものである。さらに、トランス６で変圧された高周波電力が、加熱コイル７に供給される。
The high-
加熱コイル７は、銅や銅合金等の良導体で形成された中空の管部材が、適宜湾曲及び屈曲して形成されたものである。すなわち、加熱コイル７は中空の線状部材であり、高周波電源４から高周波電力が供給される。また、加熱コイル７には、図示しない冷却水の循環回路が接続されており、冷却水が循環供給されている。
The
冷却装置３は、冷却ジャケット９、冷却液供給管１０を有する。
The
冷却ジャケット９は、図２に示す様に、上面９ａ（上壁）、下面９ｂ（下壁）、外周面１２（外壁）、内周面１３（内壁）で構成された円筒形状を呈しており、内部に環状空間１１（図４）を有している。
As shown in FIG. 2, the cooling
内周面１３には複数の開口１４が平行に設けられている。
各開口１４は、長孔状に形成されている。図４に示す様に、各開口１４は環状空間１１に連通している。また、各開口１４は、図３（ｂ）に示す様に、鉛直線Ｖに対して角度θだけ傾斜している。各開口１４の長さは同じであり、各開口１４の上端１４ａから冷却ジャケット９の上面９ａまでの距離は同じである。
開口１４の上端１４ａと下端１４ｂの鉛直方向の長さＨ（図３（ｂ）、図４）は、ワーク１５の焼入対称部位の高さ寸法ｈ（図４）よりも長い。
A plurality of
Each
The vertical length H (FIG. 3B, FIG. 4) of the
冷却液供給管１０は、図示しない冷却液供給源と冷却ジャケット９とを接続する配管である。冷却液供給管１０には加圧ポンプ１６と開閉弁（図示せず）とが設けられている。図１（ａ）等では、冷却液供給管１０を１本しか描写していないが、実際には、複数の冷却液供給管１０が、冷却ジャケット９の上面９ａと下面９ｂに接続されて冷却装置３が構成されている。
The
移送装置８は、図１に示す昇降台２６と、昇降台２６を上下方向に往復移動させる図示しない昇降装置とを有する。図１に示す様に、昇降台２６の下部には、駆動軸１８、モータ１９が設けられている。モータ１９は、正転及び逆転が可能である。モータ１９の回転方向は、図示しない制御装置によって制御される。モータ１９には駆動軸１８が接続されており、駆動軸１８はモータ１９で回転駆動可能である。また、駆動軸１８は、昇降台２６に接続されている。昇降台２６上にはワーク１５が載置される。すなわち、移送装置８は、ワーク１５を昇降台２６ごと回転可能であり、且つ、上下に往復移動可能である。
The transfer device 8 includes a
次に、高周波焼入装置１の動作を説明する。
Next, the operation of the
図１（ａ）に示す様に、立て姿勢のワーク１５が移送装置８によって上昇移動し、ワーク１５と加熱コイル７が対向している。そして、以下のように加熱工程と冷却工程が実施される。
As shown to Fig.1 (a), the workpiece | work 15 of a standing posture raises and moves by the transfer apparatus 8, and the workpiece | work 15 and the
加熱工程は、図１（ａ）に示す様に、ワーク１５が加熱コイル７に対向している状態で実施される。加熱工程では、図示しない制御装置が、高周波電源４をＯＮ状態とし、さらにモータ１９を駆動させる。以下では、冷却効果が高い方向にワーク１５を回転させる場合について説明する。すなわち、図示しない制御装置は、モータ１９を、ワーク１５の冷却効果が高まる方向に回転させる。
As shown in FIG. 1A, the heating process is performed in a state where the
すなわち、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示す様に、ワーク１５が軸芯Ｃを中心に矢印Ａで示す方向に回転駆動され、ワーク１５の外周面１５ａ上の軸芯Ｃと平行にのびる鎖線で示す直線Ｅが、矢印Ｂで示す方向に回転移動する。そして、図２に示す冷却ジャケット９の開口１４から噴射供給された冷却液は、外周面１５ａ上の冷却液到達部２２ａに到達する。開口１４が傾斜しているため、冷却液到達部２２ａも傾斜している。図１２（ａ）では、冷却液到達部２２ａに対して、外周面１５ａ上の直線Ｅの下部が交差しており、ワーク１５が矢印Ａで示す方向に回転することにより、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に示す様に、交差する部位が中部、上部に移動する。矢印Ａは、図３、図４にも示しており、この矢印Ａで示す方向に回転させると、後述の様にワーク１５の冷却効果が高い。
That is, as shown in FIGS. 12A to 12C, the
ワーク１５は、昇降台２６と共に回転駆動されると共に、ワーク１５に対向する加熱コイル７に高周波電流が通電され、ワーク１５の外周面１５ａには、高周波の誘導電流が励起される。通電から所定時間が経過すると、ワーク１５の外周面１５ａは焼入温度まで昇温する。
The
加熱工程の終了は、前記所定時間が経過したことをもって図示しない制御装置が判定する。すなわち、加熱コイル７への高周波電流の通電時間が所定時間に達すると、図示しない制御装置は、高周波電源４をＯＦＦ状態にすると共に、移送装置８によってワーク１５を図１（ａ）に示す上方位置から図１（ｂ）に示す下方位置へ移動させる。ワーク１５の回転駆動は継続されている。
The end of the heating process is determined by a control device (not shown) when the predetermined time has elapsed. That is, when the energization time of the high-frequency current to the
冷却工程は、図１（ｂ）に示す様に、ワーク１５が冷却装置３の冷却ジャケット９内に配置された状態で実施される。ワーク１５は、加熱工程から引き続き矢印Ａ（図４）で示す方向に回転駆動されている。冷却工程では、図示しない制御装置が、冷却液供給管１０に設けられた開閉弁（図示せず）を開き、さらに加圧ポンプ１６を駆動させ、冷却液供給源（図示せず）から低温の冷却液を冷却ジャケット９の環状空間１１内に供給する。
As shown in FIG. 1B, the cooling process is performed in a state where the
環状空間１１内に充満した冷却液は、各開口１４からワーク１５の外周面１５ａに向けて噴射される。冷却ジャケット９の各開口１４と、ワーク１５の外周面１５ａの関係は、図４に示す。すなわち、各開口１４から冷却液が噴射されると、各冷却液は、ワーク１５の外周面１５ａに図４に示す冷却液到達部２２ａ〜２２ｃに到達する。
図６（ｂ）に示す様に、ワーク１５に向けて噴射された冷却液２５は、ワーク１５の外周面１５ａに衝突し、主にワーク１５の矢印Ａで示す回転する向きの接線方向に飛沫２５ａとして飛散する。そして、冷却液２５の一部がワーク１５の外周面１５ａに付着する。
The cooling liquid filled in the
As shown in FIG. 6B, the
冷却ジャケット９の各開口１４は、図３（ｂ）に示す様に鉛直線Ｖに対して角度θだけ傾斜している。そのため、開口１４から放出される冷却液は、鉛直線Ｖに対して角度θだけ傾斜してワーク１５の外周面１５ａ（ワーク表面）に到達する。すなわち、図４及び図５（ａ）に示す様に、ワーク１５の外周面１５ａの２本の二点鎖線の間の冷却液到達部２２ａ〜２２ｃに冷却液が最初に到達する。図５では、複数の開口１４のうちの隣接する一部の開口１４から噴射された冷却液が到達する部位（冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ）のみを描写しているが、冷却ジャケット９に設けられる開口１４の数は任意である。
Each
図５（ａ）に示す様に、開口１４の高さ寸法Ｈの方が、ワーク１５の焼入対象部位の高さ寸法ｈよりも大きいので、冷却液到達部２２ａ〜２２ｃは、ワーク１５の焼入対象部位（外周面１５ａ）の上下にはみ出ている。よって、冷却ジャケット９は、ワーク１５の焼入対象部位（外周面１５ａ）の全領域に冷却液を噴射供給することができる。
As shown in FIG. 5A, since the height dimension H of the
冷却ジャケット９は停止しており、ワーク１５が矢印Ａで示す方向に回転しているので、図５（ａ）に示す冷却液到達部２２ｂのラインＬ４に到達した冷却液は、微小時間が経過した図５（ｂ）では、破線で示すラインＬ３の部位に移動する。すなわち、微小時間の間に、ワーク１５の外周面１５ａは距離ｄだけ回転移動している。そのため、微小時間の間に、ラインＬ３からラインＬ４に至る領域Ｓ３に冷却液が噴射供給される。このとき、冷却液は、領域Ｓ３においてワーク１５の外周面１５ａに直接到達しており、高い冷却効果を奏することができる。
Since the cooling
また、微小時間の間に、冷却液（液膜）は重力の作用で高さＸ１だけ落下してワーク１５の外周面１５ａ上で拡大し、折れ線のラインＬ２を形成している。ラインＬ３とラインＬ２の間の領域Ｓ２は、ワーク１５の外周面１５ａにおける液膜が形成された領域である。
Further, during a very short time, the cooling liquid (liquid film) drops by the height X1 due to the action of gravity and expands on the outer
図５（ｂ）におけるラインＬ１とラインＬ２の間の領域Ｓ１は、ワーク１５の外周面１５ａにおける未だ冷却液が供給されたり、液膜が形成されていない領域である。
A region S1 between the line L1 and the line L2 in FIG. 5B is a region where the coolant is not yet supplied or the liquid film is not formed on the outer
図５（ｂ）に示す状態から、さらに時間が経過して図５（ｃ）に示す状態になると、領域Ｓ１がなくなる。すなわち、図５（ｃ）に示す状態では、ワーク１５の外周面１５ａが全て液膜に覆われている。図５（ｃ）に示す状態では、ラインＬ２を形成する液膜が高さＸ２まで落下している。
When a further time elapses from the state shown in FIG. 5B and the state shown in FIG. 5C is reached, the region S1 disappears. That is, in the state shown in FIG. 5C, the outer
そして図５（ｄ）にハッチングで示す領域Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃが、液膜が形成される前に後続の冷却液がワーク１５の外周面１５ａ（ワーク表面）に到達した領域である。すなわち、液膜に邪魔されずに冷却液がワーク１５の外周面１５ａ（ワーク表面）に到達して良好に熱交換された領域である。また、図５（ｄ）における符合ＳＡ、ＳＢ、ＳＣで示す白抜きの領域が、液膜の上から冷却液が供給された領域であり、冷却効果が低い領域である。
The areas Sa, Sb and Sc indicated by hatching in FIG. 5D are areas where the subsequent cooling liquid reaches the outer
図５（ｃ）及び図５（ｄ）では、理解を容易にするために、液膜が形成される領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣを、実際よりもかなり大きく描写しているが、実際には、図６（ａ）に示す様な状態となる。すなわち、領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、傾斜した細長い領域である。
高周波焼入装置１では、領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣの面積が極力小さくなり、領域Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃが極力大きくなる様に、開口１４の角度θ（傾斜角）、開口１４の数又は間隔、及びワーク１５の回転速度が設定されている。すなわち、冷却液到達部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに到達した冷却液が、落下する時間が短くなるように開口１４同士の間隔（開口１４の数）、ワーク１５の回転速度が設定されている。
In FIG. 5C and FIG. 5D, the regions SA, SB, and SC where the liquid film is formed are depicted to be considerably larger than actual in order to facilitate understanding. The state is as shown in FIG. That is, the areas SA, SB, and SC are slender and elongated areas.
In the
冷却液が放出される開口１４は長孔であるため、丸孔が並んだ放出列から放出されるよりも単位面積当たりの冷却液の放出量が多く、ワーク１５の広範囲に冷却液を供給することができる。そのため、冷却効果が高い。
Since the
また、冷却液は、複数の開口１４から放出され、当該開口１４が傾斜状態で配列されているので、各開口１４から放出された冷却液同士は、ワーク１５に到達するまでの間に衝突したり干渉し合うことがない。また、各開口１４から放出された冷却液は、冷却液を放出した直後に、それぞれワーク１５の表面における液膜が形成されていない部位に衝突するので、衝突した冷却液とワーク１５とが熱交換する。そのため、冷却効果が高い。
Further, since the coolant is discharged from the plurality of
ワーク１５の外周面１５ａに液膜が形成され、噴射された後続の冷却液が液膜に到達するか、液膜が形成されていない外周面１５ａに到達するかによって、ワーク１５の温度低下速度は相当に相違する。
A liquid film is formed on the outer
そのため、ワーク１５の温度を緩やかに低下させる場合には、ワーク１５に向けて噴射された後続の冷却液が、ワーク１５の外周面１５ａに形成された液膜に到達するようにワーク１５を回転させればよい。すなわち、モータ１９の回転方向を切り換えるだけでワークの温度低下速度を変更することができる。
Therefore, when the temperature of the
具体的には、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示す様に、ワーク１５の回転方向を矢印Ｂで示す方向に切り換える。矢印Ｂの方向に回転するワーク１５の外周面１５ａには、先に噴射された冷却液が、外周面１５ａ上に液膜を形成し、この液膜上に後続の冷却液が到達する。そのため、低温の冷却液が直接ワーク１５の外周面１５ａに到達せず、昇温した液膜に到達するので、冷却効果が低くなる。すなわち、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す領域Ｓ２（ワーク１５の外周面１５ａにおける液膜が形成された領域）に冷却液到達部２２ａが重なる様にワーク１５が回転する。
Specifically, as shown in FIGS. 13A to 13C, the rotation direction of the
（実施例１）
焼入温度まで誘導加熱した２つのワーク１５を、各々従来の冷却ジャケットと本発明の実施形態の高周波焼入装置の冷却ジャケットで冷却し、各ワーク１５を破断して断面を観察した。
図９（ａ）は、従来の冷却ジャケットで冷却したワークの横断面図であり、図９（ｂ）は、本発明の実施形態の高周波焼入装置１に設けた冷却ジャケット９で冷却したワークの横断面図である。すなわち、図９（ａ）、図９（ｂ）は、焼入後のワーク１５を破断した破断面を示している。
図９（ａ）に示す従来の冷却ジャケットで冷却したワークの横断面は、表面から比較的浅い領域のみマルテンサイト化（焼入れ）されて焼入部２７が形成されている。
一方、図９（ｂ）に示す本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケット９で冷却したワークの横断面は、表面から比較的深い領域までマルテンサイト化（焼入れ）されて焼入部２８が形成されている。
すなわち、図９（ａ）に示すワークは、急冷されて低下した温度幅が比較的小さく、ワークの表面付近のみ焼入れされたものと考えられる。
また、図９（ｂ）に示すワークは、急冷されて低下した温度幅が比較的大きく、ワークの表面付近から比較的深い領域まで焼入れされたものと考えられる。
Example 1
The two
FIG. 9A is a cross-sectional view of a workpiece cooled by a conventional cooling jacket, and FIG. 9B is a workpiece cooled by the cooling
The cross section of the workpiece cooled by the conventional cooling jacket shown in FIG. 9A is martensified (quenched) only in a relatively shallow region from the surface, and a quenched
On the other hand, the cross section of the workpiece cooled by the cooling
That is, it is considered that the workpiece shown in FIG. 9 (a) has a relatively small temperature range which has been lowered by rapid cooling, and has been quenched only near the surface of the workpiece.
Further, the workpiece shown in FIG. 9 (b) has a relatively large temperature range which has been lowered by rapid cooling, and is considered to have been quenched from the vicinity of the surface of the workpiece to a relatively deep region.
（実施例２）
ワーク１５は、直径が５ｃｍ、１０ｃｍの２種類を用意した。
図１０は、直径５ｃｍのワーク１５を高周波焼入し、冷却時のワーク１５の温度と経過時間の関係を示すグラフである。
グラフＹ１は、冷却ジャケット９の開口１４の角度θ（傾斜角）、開口１４の間隔Ｄを、それぞれ３０度、（１０π／１２）ｃｍに設定してワーク１５を冷却した場合のグラフである。冷却ジャケット９は、内径（直径）が１０ｃｍのものを使用した。
一方、グラフＹ２は、従来の冷却ジャケットで誘導加熱されたワークを冷却した場合のグラフである。従来の冷却ジャケットは、冷却液が噴射される開口として、多数の丸孔がちどり状に配列されたものを使用した。ワーク１５の回転速度は、本発明の実施形態及び従来技術のいずれの場合も３０ｒｐｍとした。
各グラフにおいて、時刻ｔ０においてワーク１５の温度は、Ｔ０（焼入温度）を呈している。この状態でワーク１５の冷却を開始する。
図１０に示す様に、従来の冷却ジャケットでワーク１５を冷却した場合は、時刻ｔ０で冷却液の噴射が開始され、時刻ｔ１に温度Ｔ１になるまでは、ワーク１５の温度低下が急激に進んでいる。ところが、時刻ｔ１を過ぎると、ワーク１５の温度低下が緩やかになっている。すなわち、温度がＴ１になるまではワーク１５の温度低下は急激であるが、Ｔ１からはなかなか低下しない。
一方、本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケットでワーク１５を冷却した場合は、時刻ｔ１を過ぎ、時刻ｔ２にワーク１５の温度がＴ２になるまで温度低下が急激に進んでいる。そして、時刻ｔ２を過ぎてからの温度低下は緩やかである。
ここで、従来の冷却ジャケットによるワーク１５の温度低下を示すグラフＹ２において、ワーク１５の温度がＴ２になるのは時刻ｔＡである。すなわち、本発明の実施形態の高周波焼入装置の冷却ジャケットで冷却した場合の時刻ｔ２から相当な時間（ｔＡ−ｔ２）が経過しなければ、ワーク１５の温度がＴ２まで低下しない。
また、直径が１０ｃｍのワーク１５を焼入れした場合におけるワーク１５の冷却の仕方を図１１のグラフに示す。この場合においても、図１０と同様の傾向が見られた。
ワークの直径（１０ｃｍ）に合わせて、冷却ジャケット９は、内径（直径）が１５ｃｍのものを使用し、開口１４の間隔を（１５π／１８）ｃｍとした。
図１１に示す様に、従来の冷却ジャケットでは、グラフＹ４で示す様に、時刻ｔ３においてワーク１５の温度がＴ３まで急激に下降した後、ワーク１５の温度低下は緩やかになっている。また、本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケット９で冷却した場合には、グラフＹ３で示す様に、時刻ｔ３を過ぎ、時刻ｔ４において温度Ｔ４に至るまでワーク１５の温度低下が急激に進んでいる。時刻ｔ４を過ぎると、ワーク１５の温度低下は緩やかに進んでいる。
ここで、従来の冷却ジャケットによるワーク１５の温度低下を示すグラフＹ４において、ワーク１５の温度がＴ４になるのは時刻ｔＢである。すなわち、本発明の実施形態の高周波焼入装置の冷却ジャケットで冷却した場合の時刻ｔ４から相当な時間（ｔＢ−ｔ４）が経過しなければ、ワーク１５の温度がＴ４まで低下しない。
図１０及び図１１の結果から、従来の冷却ジャケットでは、ワーク１５の表面（外周面１５ａ）に液膜が形成されるまでの時間が短く、図１０における時刻ｔ１、及び図１１における時刻ｔ３までは、噴射供給された冷却液が直接ワーク１５の外周面１５ａに到達していたが、時刻ｔ１（図１０）、及び時刻ｔ３（図１１）を経過した後は、ワーク１５の外周面１５ａに形成された液膜の上から冷却液が噴射供給されていることがわかる。
同様に、本発明の実施形態の高周波焼入装置１の冷却ジャケットでワーク１５を冷却した場合には、時刻ｔ２（図１０）、及び時刻ｔ４（図１１）に至るまで噴射された冷却液は、液膜が形成されていないワーク１５の外周面１５ａに到達しており、時刻ｔ２（図１０）、及び時刻ｔ４（図１１）を過ぎると、液膜の上から冷却液が噴射供給されていることがわかる。
図１０では、グラフＹ１、Ｙ２は、時刻ｔ０からｔ１に至るまでは同じ傾きを呈しているが、時刻ｔ１以降で液膜上に冷却液を噴射するようになると、グラフＹ２はグラフＹ１から乖離し、傾斜が緩やかになっている。すなわち、ワーク１５の温度低下が進みにくくなっている。
図１１では、グラフＹ３、Ｙ４は、時刻ｔ０からｔ３に至るまでは同じ傾きを呈しているが、時刻ｔ３以降で液膜上に冷却液を噴射するようになると、グラフＹ４はグラフＹ３から乖離し、傾斜が緩やかになっている。すなわち、ワーク１５の温度低下が進みにくくなっている。
図１０及び図１１から、ワーク１５に向けて噴射供給された冷却液が、ワーク１５における液膜が形成されていない領域に到達し続ける時間が長いほどワーク１５の温度低下が顕著であるのがわかる。
(Example 2)
Two types of
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the temperature of the
The graph Y1 is a graph when the
On the other hand, the graph Y2 is a graph when the work heated by induction with the conventional cooling jacket is cooled. The conventional cooling jacket used what had many round holes arranged in the shape of a dust as an opening where a cooling fluid is injected. The rotation speed of the
In each graph, the temperature of the
As shown in FIG. 10, when the
On the other hand, when the
Here, in the graph Y2 showing the temperature drop of the
Moreover, the graph of FIG. 11 shows how the
A cooling
As shown in FIG. 11, in the conventional cooling jacket, as shown by the graph Y4, after the temperature of the
Here, in the graph Y4 showing the temperature drop of the
From the results of FIG. 10 and FIG. 11, in the conventional cooling jacket, the time until the liquid film is formed on the surface (outer
Similarly, when the
In FIG. 10, the graphs Y1 and Y2 exhibit the same slope from time t0 to t1, but when the cooling liquid is injected onto the liquid film after time t1, the graph Y2 deviates from the graph Y1. However, the slope is gentle. That is, it is difficult for the temperature of the
In FIG. 11, the graphs Y3 and Y4 exhibit the same inclination from time t0 to t3, but when the cooling liquid is injected onto the liquid film after time t3, the graph Y4 deviates from the graph Y3. However, the slope is gentle. That is, it is difficult for the temperature of the
From FIG. 10 and FIG. 11, the temperature drop of the
図１０、図１１に示す実施例において、各開口１４（放出列）の角度θ（傾斜角）は、２０〜４０度の範囲に設定すると、冷却効果が高い。 In the embodiment shown in FIGS. 10 and 11, when the angle θ (inclination angle) of each opening 14 (discharge row) is set in the range of 20 to 40 degrees, the cooling effect is high.
また、図１０、図１１に示す実施例において、各開口１４（放出列）の間隔は、いずれも（５π／６）ｃｍに設定したが、各開口１４の間隔は、（５π／６）ｃｍのプラスマイナス１５％程度に設定すると高い冷却効果が得られ、プラスマイナス７％程度に設定すると、さらに冷却効果が高くなる。
各開口１４の間隔を、上記範囲よりも小さくした場合に冷却効果が低減する原因としては、図６（ｂ）に示す比較的高温の飛沫２５ａが、各開口１４から噴射された低温の冷却液２５に合流し、温度が上昇した冷却液（冷却液２５と飛沫２５ａの混合液）がワーク１５の外周面１５ａに到達するからではないかと考えられる。
また、各開口１４の間隔を、上記範囲よりも大きくした場合に冷却効果が低減する原因としては、開口１４の数が少なくなるため、ワーク１５の冷却が進みにくくなるためであると考えられる。
In the example shown in FIGS. 10 and 11, the intervals between the openings 14 (emission rows) are all set to (5π / 6) cm, but the intervals between the
The reason why the cooling effect is reduced when the interval between the
In addition, it is considered that the reason why the cooling effect is reduced when the interval between the
さらに、ワーク１５の回転速度は、３０ｒ．ｐ．ｍ．のプラスマイナス１０％程度に設定すると、冷却効果が高くなり、プラスマイナス５％以内に設定すると、さらに冷却効果が高くなる。
ワーク１５の回転速度が上記範囲よりも速い場合には、図６（ｂ）に示す飛沫２５ａが生じ易くなり、回転速度が上記範囲よりも遅い場合には、図５（ｃ）に示す液膜高さＸ２が大きくなり、液膜で覆われる前に開口１４から噴射された低温の冷却液がワーク１５の外周面１５ａに到達して冷却することができる領域Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの面積が小さくなるためであると考えられる。
Further, the rotation speed of the
When the rotation speed of the
以上では、各開口１４（放出列）が、１つの長孔で構成されている例を示したが、開口１４の代わりに、図７に示す様な複数の孔２０が斜めに列を成して形成した放出列２１を採用することもできる。また、図８に示す様な複数の長孔２３を一列に並べた放出列２４を採用することもできる。
In the above, an example in which each opening 14 (discharge row) is configured by one long hole is shown, but instead of the
また、各開口１４から噴射された冷却液は、ワーク１５の外周面１５ａの冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ（図５（ａ））に到達する。図５（ａ）に示す各冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ同士の間隔は広く、鉛直方向に重なっていない（すなわち、平面視して重ならない）が、鉛直方向に重なるように各冷却液到達部２２ａ〜２２ｃ同士の間隔が狭まるように各開口１４を設けてもよい。
Further, the coolant sprayed from each opening 14 reaches
また、温度低下速度が過度に速くなり（冷却効果が高過ぎ）、ワーク１５に割れが生じる恐れがある場合には、図示しない制御装置によって、モータ１９（ワーク１５）の回転方向を、図１３における矢印Ｂで示す方向に設定することもできる。ワーク１５が矢印Ｂで示す方向に回転すると、開口１４から噴射された冷却液は、ワーク１５の外周面１５ａに形成された液膜に衝突し、ワーク１５の冷却効果が低下する。
すなわち、高周波焼入装置１は、ワーク１５の回転方向を切り換えるだけで、ワーク１５の温度低下速度（冷却速度）を調整することができる。
In addition, when the temperature decrease rate becomes excessively fast (the cooling effect is too high) and the
That is, the
１ 高周波焼入装置
２ 誘導加熱装置
３ 冷却装置
９ 冷却ジャケット
１３ 冷却ジャケットの内周面
１４ 開口（放出列）
１５ ワーク
１５ａ ワークの外周面（ワーク表面）
１９ モータ
２１、２４ 放出列
DESCRIPTION OF
15
19
Claims (4)
前記冷却工程においては、ワークを立て姿勢に保持して回転し、その周囲から冷却液を放出するものであり、
ワークの回転方向の切り換えが可能であり、
前記冷却液は、回転するワークの周面に対して傾斜した放出列を形成して放出されることを特徴とする熱処理方法。 In a heat treatment method having a heating step of induction heating the workpiece, and a cooling step of quickly cooling the workpiece by injecting a coolant immediately after the heating,
In the cooling step, the workpiece is rotated while being held in a standing posture, and the coolant is discharged from the surroundings.
The rotation direction of the workpiece can be switched,
The heat treatment method is characterized in that the coolant is discharged in a discharge row inclined with respect to the peripheral surface of the rotating workpiece.
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