JP4673647B2 - 金属の表面温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属の表面温度を測定する装置に関し、特に、鉄鋼及びその他の熱伝導度の低い金属の表面温度を測定するのに好適な金属の表面温度測定装置に関する。

焼入れ加工などの熱処理に用いられる冷却剤や、熱間加工（圧延や鍛造）用の冷却剤又は潤滑剤、切削加工液体、冷間圧延油等の加工油は、所定の品質と性状を必要とすることから、ＪＩＳによって規格が定められている。
例えば、焼入れ加工などの熱処理に用いられる冷却剤については、ＪＩＳ Ｋ２２４２において規格が定められている。

このＪＩＳ Ｋ２２４２では、用途に応じて冷却剤の種類が分類されており、その種類ごとに品質及び性状（冷却性能、安定度）が規格化されている。具体的には、加熱器としての加熱用電気炉と、被測定体としての銀棒及び温度計等を備えた表面温度測定装置を用い、加熱した銀棒を、速やかに試料（検査対象となる冷却剤）の中に入れ、このときの銀棒の温度変化を時間の関数として冷却曲線を求めている。そして、この冷却曲線にもとづいて特性温度と８００℃から４００℃までの冷却時間を１／１０秒まで計り冷却性能としている。

このように、ＪＩＳ Ｋ２２４２に準拠する表面温度測定装置では、被測定体として銀棒を用いているが、実際に焼入れ加工が行われる金属としては、鋼が多い。それにもかかわらず、被測定体として、銀棒が用いられるのは、次の理由による。

第一は、鋼の場合、熱伝導度が悪く、温度分布が大きいため、被測定体表面の温度変化を感度よく測定することができないからである（図４のＣ参照）。高温に熱せられた鋼材を熱処理油（冷却剤）に入れた場合を想定すると、鋼材の表面から中心方向に短い時間で大きな温度差が生じる。また、鋼材表面に近づくほど、その温度勾配が大きい。これは、鋼材の熱伝導度が小さいため、鋼材の表面から放散される熱に対して、鋼材の内部における表面側への熱の移動が追いつかないためである。例えば、クロムモリブデン鋼の熱伝導度は、銀の熱伝導度のおよそ１／１０でしかないためである。

第二は、空気雰囲気下では、鋼の表面が酸化してしまうため、従来は、銀棒が用いられている。

このため、従来の金属の表面温度測定装置では、焼入れ加工時における鋼の表面温度の変化を正確に測定することができないという問題があった。

本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、鋼などの熱伝導度の低い金属の表面温度を、冷却剤の種類や熱処理温度などの熱処理条件に応じて、迅速に測定することができるようにした金属の表面温度測定装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、被測定体と、この被測定体を加熱する加熱器と、この加熱器で加熱した前記被測定体を冷却する冷却剤を入れた容器と、前記加熱器と前記容器との間で前記被測定体を移動させ、前記加熱手段で加熱された前記被測定体を前記冷却剤の中に入れる移動手段とを備えた金属の表面温度測定装置であって、
前記被測定体は、本体を銀又は銅で形成するとともに、前記本体の全周を熱伝導度の低い金属からなる薄膜で覆い、かつ、前記薄膜を貫通して前記本体内に位置する絶縁管を設け、この絶縁管を介して、熱電対を形成する素線を前記本体内に挿設し、銀又は銅と熱電対を形成した構成としてある。
ここで、被測定体の薄膜としては、純鉄又は鉄合金の薄膜を挙げることができる。
このように構成すれば、熱伝導度の低い金属（以下、単に「鋼」と称することがある。）の表面の温度変化を、銀又は銅の熱伝導度の速度で測定することが可能となり、また、冷却剤の種類や、熱処理温度などの熱処理条件に応じて迅速に測定することができる。

また、本発明では、被測定体の薄膜を、純鉄又は鉄合金などで形成するとともに、少なくとも、前記容器、前記加熱器、前記被測定体を不活性ガス雰囲気のチャンバー内に配置した構成としてある。
このようにすると、被測定体に、酸化しやすい純鉄又は鉄合金を用いても、測定雰囲気が不活性ガス雰囲気となっているので、被測定体の表面薄膜の酸化を防止することができる。不活性ガスとしては、窒素ガスが好適である。

また、本発明の表面温度測定装置は、前記薄膜の厚さを、１〜１００μｍとしてある。
このように構成すれば、鋼などの金属における低熱伝導度の悪影響を受けることなく、金属表面における温度変化を、ＪＩＳ Ｋ２２４２の規格に準拠して測定することができる。

以上のように、本発明によれば、熱伝導度の低い金属の表面の温度を、ＪＩＳ Ｋ２２４２の規格に準拠して測定することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の表面温度測定装置の一実施形態にかかる装置全体の概略を説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる表面温度測定装置の概略構成図である。

図１に示すように、本装置は、加熱器としての加熱用電気炉１と、試料（冷却剤）容器２と、被測定体１０と、温度計３及び記録計４を備えている。
加熱電気炉１は、被測定体１０を所定温度（約８００℃）まで加熱するためのものであり、強い磁場または交番磁場を炉内に形成しない無誘電式のものなどを用いる。試料容器２は、検査対象となる冷却剤（試料）を入れる容器であり、被測定体１０の下方に配置されている。温度計３は、熱電対の部分を有しており、その測定部は被測定体１０の内部に組み込まれており、被測定体表面の温度を測定する。記録計４は、温度計３が測定した温度を記録する。

加熱用電気炉１、試料（冷却剤）容器２及び被測定体１０は、チャンバー２０内に配置されており、このチャンバー２０内へは、不活性ガス（窒素ガス）が供給されている。すなわち、本実施形態における金属の表面温度測定装置は、不活性ガス雰囲気下において温度測定を行うようになっている。

図２は被測定体の一部を断面にした詳細図である。
被測定体１０は、移動手段１１ａにより上下動可能な支持体１１と、この支持体１１に螺合支持された本体１２からなっており、この本体１２の内部には熱電対の測定部が組み込まれている。本体１２は銀製としてあり、その外周面には、鋼などの低熱伝導度の金属からなる薄膜１２ａがコーティングしてある。本実施形態においては、薄膜１２ａを形成した本体１２のサイズを、直径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍとしてある。
薄膜１２ａは、メッキ、蒸着あるいはスパッタリング等の方法でコーティングするが、その厚さは、１〜１００μｍとすることが好ましい。厚さが１μｍより薄いと、均一な薄膜を得ることが難しくなくなり、１００μｍより厚いと、鋼などの低熱伝導度の悪影響を受け、正確な温度測定が難しくなるからである。

ここで、熱伝導度の低い金属としては、純鉄、クロムモリブデン鋼鋼材のほか、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材、機械構造用炭素鋼鋼材、高速度工具鋼鋼材、ステンレス鋼鋼材などを挙げることができる。
また、鉄系以外の低熱伝導度の金属としては、クロム、チタン及びそれらの窒化物を挙げることができる。

被測定体１０の薄膜１２ａをコーティングした本体１２内には、熱電対のアルメル線１３を、絶縁管１４を介して挿設してある。アルメル線１３の先端は球１３ａとなっており、この球１３ａは、銀からなる本体１２の表面直近に位置しているが、薄膜１２ａには接触しないようにしてある。この先端の球１３ａが、熱電対の測温接点として機能している。銀製の本体１２は、銀製パイプ１５及び銀線１６を経て温度計３の本体に接続されている。また、アルメル線１３は、銀製パイプ１５の内部を、耐熱絶縁体１７を介して通り、温度計３に接続されている。
なお、図２に示す実施形態では、鋼製の薄膜１２ａが銀製の本体１２の全周にコーティングしてある。

被測定体１０の本体１２としては、銀のほか、銅などの熱伝導度の高い金属を用いることができる。本体１２として銅を用いるときには、熱電対として、銅−コンスタンタン熱電対を用いる。熱電対の本体１２への取り付けは、本体１２に銀を用いた場合と同様にして行う。

このように構成されている金属の表面温度測定装置を用いた温度測定は、次のようにして行う。
加熱用電気炉１内において、被測定体１０の本体１２を所定温度（約８００℃）まで加熱した後、支持体を下降させて試料容器２内へ入れる。試料容器２には試験対象となる冷却剤が入っているので、被測定体１０の薄膜１２ａ及び本体１２は急激に冷却され、その表面の温度が変化する。温度計３は、この温度変化を、熱電対を介して測定し、記録計４は、これを記録する。なお、温度変化を時間の関数として冷却曲線を求めることもできる。

実施例と比較例
（実施例１）銀製の本体に鋼製の薄膜をメッキした被測定体を用いた場合。
鋼としては、純鉄を用いた。メッキ層の厚さは１００μmとした。
試料容器に、冷却剤としてコールドクエンチ油「ダフニーマスタークエンチＡ」（出光興産(株)製）を２５０ml入れ、８０℃まで加熱した。電気炉で８１０℃に加熱した上記被測定体を、この冷却剤に入れ表面温度を測定した。測定は窒素ガス雰囲気で行った。
その他はＪＩＳ Ｋ２２４２に準拠して，表面温度の測定を行った。その結果、図３のＢで示す冷却曲線が得られた。
（比較例１）銀製の被測定体を用いた場合。
被測定体として、銀製の本体からなるものを用いた。測定は空気雰囲気で行った。その他は実施例１同様にして測定を行った。その結果、図３のＡで示す冷却曲線が得られた。
（比較例２）鋼製の被測定体を用いた場合。
被測定体として、鋼製の本体からなるものを用いた。鋼は、クロムモリブデン鋼鋼材（ＪＩＳ Ｇ ４１０５ ＳＣＭ４２０）を用いた。測定は、シース材質が耐食耐熱超合金、シース外径１．０ｍｍ、Ｋタイプ接地型でＳＫクラス（ＪＩＳ Ｃ １６０５）のシース熱電対を用い、図２の熱電対挿入位置と同じ位置に挿入して設置した。その他は実施例１と同様にして測定を行った。その結果、図３のＣで示す冷却曲線が得られた。

（実施例２）銀製の本体に鋼製の薄膜をメッキした被測定体を用いた場合。
冷却剤としてホットクエンチ油「ダフニーハイテンプオイルＡ」（出光興産(株)製）を用い，１２０℃まで加熱した。その他は実施例１と同様にして測定を行った。その結果、図５のＢで示す冷却曲線が得られた。
（比較例３）銀製の被測定体を用いた場合。
冷却剤としてホットクエンチ油「ダフニーハイテンプオイルＡ」（出光興産(株)製）を用い，１２０℃まで加熱した。その他は比較例１と同様にして測定を行った。その結果、図５のＡで示す冷却曲線が得られた。

測定結果の比較
実施例と比較例の測定結果を、熱処理シミュレーションソフトと実測値を用いて比較した。
熱処理シミュレーションソフトは「ＤＥＦＯＲＭ^TM−ＨＴ」（(株)ヤマナカゴーキン）を用いた。鋼材の熱伝導度などのデータは、（社）日本材料学会のデータベースＭＡＴＥＱを用いた。鋼材表面における熱伝達率は，さきの表面温度の測定結果を用い、特開平０７−１４６２６４号公報に記載されているベッセル関数による熱伝導方程式の解法によって算出した。算出した結果を、図７に示す。
また、半径８ｍｍの被測定体（円柱モデル）の、表面、表面から４ｍｍ及び中心位置における温度特性についてシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を、図８及び図９に示す。図８は、本体に鉄をコーティングした被測定体によって測定した表面温度に基づいて算出した熱伝達率を用いたシミュレーション結果と、実測値を示す。図９は、本体を銀とした被測定体によって測定した表面温度に基づいて算出した熱伝達率を用いたシミュレーション結果と、実測値を示す。

一方、実測は、半径８ｍｍ、長さ３０mmの円柱状の鋼からなる被測定体を用いた。被測定体には、その中心線から４ｍｍ離れたところにシース熱電対を中心線と平行に取り付けた。その他は、比較例２(実施例１)と同様にして行った。
これらのことから、実施例１の表面温度の測定結果を用いた場合の方が、実測値に近いことが判った。

ここで、特開平７−１４６２６４号に記載されている熱伝達能評価方法について簡単に説明する。この方法は、本出願人が提案したものである。
まず、熱処理過程における評価対象物の物理形状に同一あるいは類似する基準体を設定し、この基準体および評価対象液体間の熱伝達を表す熱伝導方程式を作成する（ステップ４１）。
すなわち、評価対象物の物理形状に同一あるいは類似する基準体により、熱処理シミュレーションを行う冷却過程を代表する冷却モデルＭを設定し、この冷却モデルＭにおける熱伝導方程式を作成する。この熱伝導方程式は、熱伝導を表す一般式から冷却モデルＭの形状等に応じて導かれる。
次に、前記基準体および液体間の熱処理過程における温度変化を測定する（ステップ４２）。すなわち、冷却モデルＭにおける冷却曲線を、熱処理等の液体の種類、熱処理前の材料の温度及び液体の温度を設定した上で測定して求める。
続いて、熱伝導方程式を、固有関数を用いて解析し（ステップ４３）、熱伝達率を同定する（ステップ４４）。

なお、上記熱処理シミュレーションソフトを用いて、銀（比較例１と同じ銀）、鋼（比較例２と同じクロムモリブデン鋼）、及び上記銀に上記鋼をメッキした被測定体（半径５ｍｍの円柱体）をそれぞれ形成し、その中心から径方向の温度分布を解析した。各解析において、最大の温度分布が生じた場合における結果は、図４に示すようになった。
すなわち、鉄のみからなる被測定体は、表面と表面から１ｍｍ離れたところで８０℃程度の温度差がある。このことは、被測定体の表面近くに熱電対の測温接点を配置しても、その設置位置が０．１ｍｍずれただけでも８℃程度の大きな差が生じることを意味している。この点からも、鋼のような、熱伝導度の低い材料からなる被測定体に熱電対を設けてなる表面温度測定装置では、正確な温度測定を期待することができない。また、各装置間において測定精度に大きな差を生じ、信頼性のある測定装置となりえないことが判る。

本発明は、ＪＩＳ Ｋ２２４２による冷却剤の冷却性能試験、及びＪＩＳ Ｋ２２４２の準拠する熱処理シミュレーション技術等に広く利用することができる。特に、熱伝導度の低い金属に対する冷却剤の冷却性能試験及び熱シミュレーション技術などにおいて有効に利用することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる表面温度測定装置の概略構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係る被測定体の、一部を断面にした図である。 図３は、被測定体の種類（実施例１、比較例１,２）ごとにおける温度変化（冷却温度）の測定時間を示す図である。 図４は、被測定体の種類ごとにおける径方向の温度分布を示す図である。 図５は、実施例２及び比較例３における温度変化（冷却温度）の測定時間を示す図である。 図６は、特開平７−１４６２６４号で開示する熱伝達能評価方法の手順を示すフローチャートである。 図７は、熱伝達率と温度の関係を示す図である。 図８は、本体に鉄をコーティングした被測定体を用いた場合の温度特性の実測値とシミュレーションの結果を示す比較図である。 図９は、本体を銀とした被測定体を用いた場合の温度特性の実測値とシミュレーションの結果を示す比較図である。

符号の説明

１ 加熱用電気炉
２ 試料容器
３ 温度計
４ 記録計
１０ 被測定体
１１ 支持体
１２ 本体
１２ａ 薄膜
１３ アルメル線
１３ａ 球
１６ 銀線

Claims (3)

1. 被測定体と、この被測定体を加熱する加熱器と、この加熱器で加熱した前記被測定体を冷却する冷却剤を入れた容器と、前記加熱器と前記容器との間で前記被測定体を移動させ、前記加熱手段で加熱された前記被測定体を前記冷却剤の中に入れる移動手段とを備えた金属の表面温度測定装置であって、
   前記被測定体は、本体を銀又は銅で形成するとともに、前記本体の全周を熱伝導度の低い金属からなる薄膜で覆い、かつ、前記薄膜を貫通して前記本体内に位置する絶縁管を設け、この絶縁管を介して、熱電対を形成する素線を前記本体内に挿設し、銀又は銅と熱電対を形成したことを特徴とする金属の表面温度測定装置。
2. 前記被測定体の薄膜を、純鉄又は鉄合金の薄膜とするとともに、
   少なくとも、前記容器、前記加熱器、前記被測定体を不活性ガス雰囲気のチャンバー内に配置したことを特徴とする請求項１記載の金属の表面温度測定装置。
3. 前記薄膜を、１〜１００μｍの厚さとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の金属の表面温度測定装置。

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