JP5368112B2 - 熱処理された金属製品のための噴射焼入れシステム - Google Patents

Description

本発明は、２００６年２月８日付け出願の米国仮出願第６０／７７１，３８６号の利益を主張し、その全体が参照によりここに組み込まれる。

本発明は、金属製品の熱処理プロセスに使用する噴射焼入れシステムに関する。

焼入れ（急冷）、もしくは焼入れ及び焼もどし（焼なまし）の冶金プロセスは、鋼管等の金属製品を硬化するため、もしくは硬化及び焼き戻し（強化）するため、該金属製品を作り出すのに用いた出発原料とは異なる望ましい冶金学上の特性を実現するために、広く用いられている。焼入れは、例えば電気誘導加熱により、製品の加熱後に行われる。開放噴射焼入れシステムは、焼入れシステムの一タイプであり、金属製品の硬化及び焼き戻しを成し遂げるために使用可能である。パイプ、バーもしくは管類等の長くて丸い製品を生産ライン速度にてインライン式で焼入れする際、これらのプロセスによって得られる材料特性を決定する重要なパラメータは、金属冷却速度であり、この速度は、望ましい結果を獲得するためには、一般に、できるだけ迅速でなければならない。そして次に、冷却速度は、加熱金属部分の急速冷却中に用いられる焼入れ液（焼入れ剤）の量によって決められる。加熱部分の表面に高体積流量の水を供給するのに使用される慣用の装置は、時折、焼入れバレルとして知られている。典型的な焼入れバレルは、一体構造の大径シリンダであり、中圧下で焼入れ媒体が通過する多数の穴を備えている。焼入れ液は、加熱金属部分と接触するやいなや、望ましい硬度を得るのに必要な急速冷却を与える。また、固定位置焼入れリングもしくはスロット焼入れも周知である。この装置は、焼入れされる部分が通過する中空リングである。該装置は、多数の等間隔の穴もしくはスロットを含み、焼入れ流体のためのノズルとして機能する。スロット焼入れは、高周波焼入れスキャナ等の単一構成少量用途において典型的に用いられる。

焼入れシステムは、種々の製品直径を取り扱うことができなければならない。しかしながら、既存の焼入れバレル及び焼入れリングは、固定された内径を有する。異なる直径を有する製品がそれらの固定径装置を通過する際、該製品に当たる噴射（スプレー）の形状、噴射流量及び噴射圧力は、噴射ノズルと該製品との間のすき間の相違により変化する。既存の焼入れシステムでは、噴射が製品からある一定のノズルに対して反射される際、反射した噴射は、隣り合うノズルの噴射パターンを妨げ、それらの有効性を低下させ、もしくは破壊すらし得る。既存の焼入れシステムの上記制限は、膨張する蒸気を、焼入れされる製品の表面に生じさせ得る。これは、製品の冷却速度を著しく低下させる熱蒸気バリアを作り出す。

更に、既存のバレル焼入れシステムにおいて水ジェットを作り出すために用いられる小さい「ピンホール」焼入れノズルは、実現可能な有効噴射量及び圧力を制限する。

更に、製品は、一般に、回転しながら焼入れ装置を通って直線的に移動しなければならないので、支持コンベヤーロールは、該製品の進行の軸線に対して斜めになる。これは、異なる直径の製品を、慣用の固定形態焼入れシステムを通じて異なる中心線上を進行させる。

本発明の目的は、既存の噴射焼入れシステムの上記制限を克服することである。

一側面において、本発明は、金属製品の噴射（スプレー）焼入れのための装置及び方法である。少なくとも一つの焼入れリングは、焼入れ液プレナムと、金属製品に対して焼入れ液（焼入れ剤）を放出するための出口とを備える。焼入れリングは、相互に連結される二つのリング要素から形成され得る。相互連結された該リング要素は、焼入れ液プレナムと、金属製品に対して焼入れ液を放出するための出口とを形成する。相互連結する二つのリング要素の相対位置の調整は、上記出口の形状及び容積（体積）を変化させ、該出口からの噴出の圧力、流量及び／又はパターンを変える。

他の側面において、本発明は、金属製品を噴射焼入れするための、複数の焼入れリングを有する装置及び方法からなり、各焼入れリングは、焼入れ液プレナムと、金属製品に対し焼入れ液を放出するための出口とを含む。各焼入れリングは、相互に連結する二つのリング要素から形成され得る。該相互連結リング要素は、焼入れ液プレナムと、金属製品に対し焼入れ液を放出するための出口とを形成する。二つの相互連結リング要素の相対位置を調整することで、出口の形状及び容積（体積）を変化させ、出口からの噴射（スプレー）の圧力、流量及び／又はパターンを変える。噴射ガードは、ある焼入れリングからの焼入れ液噴射が隣接する焼入れリングから反射した噴射によって干渉されることを防ぐため、一つ又は複数の焼入れリングと関連し得る。

本発明の上記及び他の側面は、明細書及び特許請求の範囲に更に記載される。

上述した本発明の概要並びに以下の詳細な説明は、図面を参照すればより良く理解される。本発明を例示目的で、目下好ましい本発明の模範的形態が図面に示される。しかしながら、本発明は、図面に開示される特定の構成及び手段には限定されない。

本発明のすべての例において、加熱処理されている加工品（加工中の製品）９０（金属製品）は、一つ又は複数の焼入れリングを通って、図面に示す矢印の方向にＺ軸に沿って直線状に移動する。本発明のいくつかの例において、加工品はまた、一つ又は複数の焼入れリングを通って移動する際、Ｚ軸の周りに回転し得る。支持ローラー等の図示しない適切な機械的手段が、焼入れリングを通って加工品を前進させるために使用される。加工品９０が円筒パイプもしくは導管として例示されるが、本発明は、限定はしないが矩形管等の異なる形状の加工品に使用され得る。また、加工品は、歯車等の一連の別個の（複数の）加工品からなり得、これらは、一つ又は複数の焼入れリングを通って該別個の加工品を移動させるための移送手段に適切に取り付けられる。図面に示さない、焼入れ前に加工品を加熱するための加熱装置は、加工品を囲む一つ又は複数のソレノイドの電気誘導コイルにして、交流電流が該一つ又は複数のコイルに流れると、加工品を誘導加熱するものであり得るが、これは例示であり、これに限定はされない。また、いくつかの構成において、加熱装置は、二つ以上の焼入れリング間の空間を占め得る。

図１を参照すると、本発明の噴射焼入れシステムにおいて使用する焼入れリング１２の一例が示される。この例において、焼入れリングは、相互接続される第１リング要素１４及び第２リング要素１６を備える。この限定されない例において、第２リング要素１６は、図３、４又は５に最も良く示されるように第１リング要素１４内へと調製可能に挿入され、焼入れリングプレナム１８及び出口通路２０を形成する。規定された中心軸線Ｚ_r（図１）に沿って第１及び／又は第２リング要素を移動させることにより、焼入れリングの出口通路２０の寸法が拡大／縮小し、出口通路からの噴射（スプレー）の圧力、流量及び／又はパターンを変化させる。この限定されない本発明の例において、第１及び第２リング要素間の間隔を制御するために一つ又は複数の締め具２８が用いられ、該間隔が変わるにつれ、上記出口開口の形状及び容積（体積）がそれに応じて変化する。適切な源から焼入れ液が一つ又は複数の入口通路２２により焼入れリングプレナムに供給される。この限定しない本発明の例において、出口通路２０は、環状開口で全体的に円錐形状であり、また、図３、４又は５において典型的な流量９２（斜線区域として部分的に示される）で例示されるように、加工品９０の周囲３６０度に対して焼入れ液を全体的に円錐ボリュームにて噴射する。本例が３６０度円錐流れパターンを用いるが、本発明の他の例では、第１及び第２リング要素の特定の構成によって決定される異なる流れパターンも用いることができる。例えば、一つの代替例は、加工品の周りに角度分割された複数の円錐流れ区域であり得、ここで、分割区域は、加工品の周りの選択した一つ又は複数の領域において焼入れ液流を作り出すため、障壁（バリア）によって分離される。例えば、上述した３６０度焼入れ液流ではなく、焼入れ液流は、分離障壁によって加工品の周り０〜９０度及び１８０〜２７０度として定義された角度領域に制限され得る。本発明のいくつかの実施形態において、焼入れリングの形状及び容積（体積）は固定され得る。

図２は、本発明の噴射焼入れシステムの別の例を示す。この例において、複数の焼入れリング１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄが、加工品９０がこれら焼入れリングを通って移動する際に加工品９０を囲む。各焼入れリングは、図１に示す焼入れリングと構成が類似する。隣り合う焼入れリング間の距離ｄ_sは、特定用途の焼入れ条件を満たす適切な取付け構造によって独立に調整され得る。更に、各焼入れリングの中心軸線Ｚ_rの位置は、特定用途の焼入れ条件を満たす適切な取付け構造によって独立に調整され得る。上述したように、いくつかの用途において、加工品は、一つ又は複数の焼入れリングを通って移動しながらＺ軸線の周りを回転する。この構成において、トルクの力は、加工品が焼入れリングが通過する際、加工品の中心軸線の位置をそらさせ得る。焼入れリングの中心軸線が、それを通って移動する加工品の位置のこのずれを追跡するように焼入れリングを移動させることが有利であり得る。図６は、適切な取付け支持構造３０の限定されない例を図式的に示す。支持構造３０は、支持アーム３２ａ〜３２ｄと、焼入れリング位置制御要素３４とを備える。支持アーム３２ａ〜３２ｄは、焼入れリング１２ａ〜１２ｄそれぞれを焼入れリング位置制御要素３４に連結する。各支持アームの位置は、二つ以上の隣り合う焼入れリング間の間隔を変えるため、制御要素３４によりＺ軸に沿って調整され得る。本発明のいくつかの例において、一つ又は複数の焼入れリングの中心軸線の位置は、制御要素３４によりＸ−Ｙ平面内の一つ又は複数の焼入れリングと関連する支持アームを移動させることによって、Ｘ−Ｙ平面内で変更され得る。制御要素３４及び支持アームは、適切なアクチュエータによって駆動され得、該アクチュエータは、一つ又は複数の焼入れリングの位置の望ましい変化を迅速に実行するコンピュータ処理コントローラの出力に応答する。

図３は、本発明の噴射焼入れシステムの別の例を示す。焼入れリング１２ｅ及び１２ｆは、図１に示す焼入れリングに構成が類似し、また、噴射ガード２４を含む。噴射ガード２４は、焼入れリングの上流側に取り付けられ、反射された噴射ボリューム９４をそらして消散する（該図に陰影付き区分として部分的に示される）。噴射ガードの限定されない一例は、環状ディスクの形状である。噴射ボリューム９４は、ボリューム９２の入射噴射からの加工品から反射された噴射のための典型的なエンベロープ（包み／外被）を表す。焼入れ液が上流焼入れリングから放出する前に反射された噴射をそらして消散することが、上流焼入れリングからの放出焼入れ液と反射噴射との干渉を防止する。例えば、図４において、焼入れリング１２ｅから放出された反射焼入れ液は、上流焼入れリング１２ｆに関連する噴射ガード２４によってそらされ、また、焼入れリング１２ｆからの反射焼入れ液は、上流焼入れリング１２ｇに関連する噴射ガード２４によってそらされる。噴射ガード２４は、その関連する焼入れリングの側部に恒久的に貼り付けられ得、又は、図５に示すように、その関連する焼入れリングに対して調整可能に取り付けられ得る。後者において、一つ又は複数のオフセット留め具２６が関連する焼入れリング１２ｊから噴射ガード２４をオフセットするために使用され得る。この構成は、焼入れリングの側部に噴射ガードを直接取り付けるために適したものよりも下流焼入れリングが更に下流に位置付けられる用途において有利である。各噴射ガードの形状及び位置は、焼入れリング及び熱処理中の加工品の特定の配置構成により変化し得る。

本発明の上記例の一つ又は複数と組み合わせた本発明の別の例において、個々の焼入れリングの流れは、各焼入れリングからの冷却流の分配を最適化して、焼入れ速度を加工品のマス冷却要求に適合させるために調整され得る。例えば、適切な入力及び出力デバイスを有するコンピュータプロセッサが、次の焼入れシステムの調整の一つ又は複数を実現するために使用され得る。すなわち、（１）一つ又は複数の焼入れリング間の間隔の変更、（２）一つ又は複数の焼入れリングの中心線位置の変更、（３）一つ又は複数の噴射ガードの位置の変更、及び、（４）一つ又は複数の焼入れリングのための出口の完全な閉鎖を含む、一つ又は複数の焼入れリングの出口の形状及び容積の変更、である。これらの焼入れシステムの調整は、焼入れリングを通過する加工品のマス冷却要求に基づき上記プロセッサによって実行されるコンピュータプログラムによって動的（ダイナミック）に成し遂げられ得る。本発明のいくつかの例において、加工品の熱映像、例えば赤外線映像が、フィードバックデータを制御システム（プロセッサ）に供給して、リアルタイム冷却の結果を表示するために用いられ得る。

本発明の別の例において、特定の内径の一つ又は複数の焼入れリングがモジュールに組み立てられ得る。このモジュールは、上述した支持構造を組み入れることができる。異なる寸法の加工品及び／又は異なるマス冷却要求を有する加工品を実現するため、異なる内径の焼入れリング及び／又は異なる焼入れシステムの特徴を有する異なるモジュールが熱処理ラインにおいて交換され得る。焼入れ液と任意の電気的及び／又は機械的インターフェースとに対する迅速な連通には、各モジュールが提供され得る。

本発明の例に示した第１及び第２焼入れリング要素の特定の形状は、該要素が焼入れ液プレナム室及び一つ又は複数の調整可能な出口開口を形成する限り、本発明の範囲から逸脱することなく変更され得る。更には、二つ以上のリング要素（第１及び第２焼入れリング要素）が、本発明の範囲を逸脱することなく、既述した発明の機能と同じ機能を実行し得る。本発明のいくつかの例において、一つ又は複数の焼入れリングは、随意的なヒンジ要素を有する分割（スプリット）リング組立体として形成され得、これにより、一つ又は複数の焼入れリングが加工品の周りにおいて交換され得る。

本発明の種々の例においてある数の焼入れリングが示されるが、焼入れリングの数は、本発明の範囲を逸脱することなく変更され得る。更に、一つ又は複数の焼入れリングは、特定の用途において、加工品のための機械的サポート又は移送構成要素等の他の構成要素と誘導加熱デバイス等の加熱構成要素との間の空間を占め得る。二つ以上の焼入れリングを有する構成において、各焼入れリングの出口体積（容積）は、特定の用途に必要とされる固有の噴射量を形成するために独立に調整され得る。

本発明の上記例は、説明の目的のためだけに与えられ、決して本発明の限定として構成されることはない。本発明は、種々の実施形態を参照して説明されたが、ここで用いる用語は、限定の用語ではなく、説明及び例示の用語である。本発明は特定の手段、材料及び実施形態を参照してここに記述されたが、本発明は、ここに開示した特定の手段、材料及び実施形態に限定されることを企図しない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲内にあるようなすべての機能的に同等の構成、方法及び使用にまで拡張する。当業者は、本明細書及び特許請求の範囲の教示の利益から、それらに多数の変更をもたらし得、また、変更は、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の側面においてなされ得る。

本発明の噴射焼入れシステムに用いられる焼入れリングの一例の斜視図である。 本発明の噴射焼入れシステムに用いられる複数の焼入れリングの一例の斜視図である。 本発明の噴射焼入れシステムの二つの焼入れリングの一例の断面図である。 本発明の噴射焼入れシステムの三つの焼入れリングの一例の断面図である。 一つの焼入れリングが延ばした（突出した）噴射ガードを有する、本発明の噴射焼入れシステムの二つの焼入れリングの一例の断面図である。 複数の焼入れリングが支持構造に取り付けられる、本発明の噴射焼入れシステムにおいて複数の焼入れリングの一例の斜視図である。

符号の説明

１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ、１２ｊ 焼入れリング
１４ 第１リング要素
１６ 第２リング要素
１８ 焼入れプレナム
２０ 出口通路
２２ 入口通路
２４ 噴射ガード
２８ 締め具
３０ 支持構造
３４ 制御要素
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 支持アーム
９０ 加工品

Claims (12)

1. 中心軸線に沿って焼入れリングを通過する加工品に焼入れ液を放出するための該焼入れリングであって、
   適切な焼入れ液源から焼入れリングプレナムへ前記焼入れ液を供給する１以上の入口通路を有する外側リング要素と、
   前記中心軸線に沿って前記外側リング要素内に少なくとも部分的かつ調整可能に挿入される筒部を有し、前記焼入れリングプレナム及び前記焼入れ液の出口通路を形成する内側リング要素であって、前記焼入れリングプレナムが前記内側及び外側リング要素の対向内面より形成され、前記出口通路が前記内側及び外側リング要素の前記対向内面の間に形成された前記中心軸線に垂直な断面にて環状の円錐開口であり、かつ前記焼入れリングプレナムに連通し、前記出口通路が一つ又は複数の角度分割された円錐流れ区域を含んで前記加工品の周りに前記焼入れ液を円錐の流動ボリュームで放出する、内側リング要素と、
   前記内側及び／又は外側リング要素を前記中心軸線に沿って移動させ、前記出口通路からの前記焼入れ液の圧力、流量及び／又はパターンを変化させるために前記出口通路のサイズを増加又は減少させる、１以上の締め具と、を備える、焼入れリング。
2. 前記焼入れリングの前記中心軸線の位置を変更するための手段を有する支持構造を更に備える請求項１に記載の焼入れリング。
3. 中心軸線に沿って焼入れリング組立体を通過する加工品に焼入れ液を放出するための該焼入れリング組立体であって、
   二つ以上の焼入れリングにして、各焼入れリングは、
   適切な焼入れ液源から焼入れリングプレナムへ前記焼入れ液を供給する１以上の入口通路を有する外側リング要素と、
   前記中心軸線に沿って前記外側リング要素内に少なくとも部分的かつ調整可能に挿入される筒部を有し、前記焼入れリングプレナム及び前記焼入れ液の出口通路を形成する内側リング要素であって、前記焼入れリングプレナムが前記内側及び外側リング要素の対向内面により形成され、前記出口通路が前記内側及び外側リング要素の前記対向内面の間に形成された前記中心軸線に垂直な断面にて環状の円錐開口であり、かつ前記焼入れリングプレナムに連通し、前記出口通路が前記加工品の周りに前記焼入れ液を円錐の流動ボリュームで放出する、内側リング要素と、
   前記内側及び／又は外側リング要素を前記中心軸線に沿って移動させ、前記出口通路からの前記焼入れ液の圧力、流量及び／又はパターンを変化させるために前記出口通路のサイズを増加又は減少させる、１以上の締め具と、
   二つ以上の焼入れリングの少なくとも一つの前記内側又は外側リング要素の一方の外面に関連付けられた噴射ガードであって、前記二つ以上の焼入れリングの少なくとも一つから放出された前記焼入れ液に前記加工品からの反射噴射が干渉すること抑制するように位置付けられ、前記反射噴射が前記二つ以上の焼入れリングの隣接する一つの前記外側通路から供給される、噴射ガードと、を備える、二つ以上の焼入れリングと、
   前記二つ以上の焼入れリングを取り付けるための支持構造と、を備える、焼入れリング組立体。
4. 前記支持構造は、前記二つ以上の焼入れリングの二つ以上の該リング間の間隔を変更するための手段を更に含む請求項３に記載の焼入れリング組立体。
5. 前記支持構造は、前記二つ以上の焼入れリングの少なくとも一つの中心軸線の位置を変更するための手段を更に含む請求項３又は４に記載の焼入れリング組立体。
6. 前記焼入れリング組立体は、二つ以上の焼入れリングであって、当該二つ以上の焼入れリングの夫々が同一の内径を有する、二つ以上の焼入れリングを含むモジュールを備える、請求項３〜５のいずれか一項に記載の焼入れリング組立体。
7. 前記噴射ガードは、前記二つ以上の焼入れリングの少なくとも一つの内側又は外側リング要素の一方の外側面から調整可能に位置付けられる請求項３乃至６のいずれか一項に記載の焼入れリング組立体。
8. 加工品を焼入れする方法であって、
   二つ以上の焼入れリングを備えた焼入れリング組立体に中心軸線に沿って前記加工品を通過させる工程にして、前記二つ以上の焼入れリング各々が外側リング要素及び内側リング要素を有する、工程と、
   前記二つ以上の焼入れリング各々の前記外側リング要素における開口に焼入れ液を供給する工程にして、前記開口がその関連する焼入れリングの焼入れリングプレナムと連通し、前記中心軸線に沿って前記内側リング要素の筒部を前記外側リング要素へ調整可能に挿入することにより焼入れリングプレナム及び前記焼入れリングプレナムからの前記焼入れ液の出口通路が形成され、ここで、前記焼入れリングプレナム及び前記出口通路が、前記内側及び外側リング要素の対向内面により形成され、前記出口通路が前記焼入れリングプレナムに連通する、工程と、
   前記二つ以上の焼入れリング各々の出口通路から前記加工品の表面に焼入れ液を前記中心軸線に垂直な断面にて環状の円錐の流動ボリュームで放出する工程と、
   前記内側及び／又は外側リング要素を前記中心軸線に沿って移動させ、前記出口通路からの前記焼入れ液の圧力、流量及び／又はパターンを変化させるために前記焼入れリングの前記出口通路のサイズを増加又は減少させる工程と、
   前記焼入れリング組立品を通過する前記加工品のマス冷却要求に応じて、前記二つ以上の焼入れリングの一つの焼入れリングの前記内側又は外側リング要素のいずれかの外面に配置された噴射ガードの位置を動的に調整し、前記二つ以上の焼入れリングの隣接する一つの前記出口通路から放出される前記焼入れ液から生じる前記加工品からの反射噴射をそらす、工程と、
   を含む方法。
9. 前記焼入れリング組立体を通過する前記加工品の前記マス冷却要求に応答して、前記二つ以上の焼入れリングのうちの少なくとも二つの隣り合う焼入れリング間の間隔を動的に調整する工程を更に含む請求項８に記載の方法。
10. 少なくとも一つの焼入れリングを通過する前記加工品の前記中心軸線の位置に応じて、前記二つ以上の焼入れリングの少なくとも一つの焼入れリングの前記中心軸線の位置を動的に調整する工程を更に含む請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記焼入れリング組立体を通過する前記加工品の前記マス冷却要求に応じて、前記二つ以上の焼入れリングのうちの少なくとも一つの焼入れリングの前記出口通路の容積を動的に調整する工程を更に含む請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記焼入れリング組立体をモジュール交換する工程を更に含む請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。

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