特許 6836162 冷却処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6836162

(24)【登録日】2021年2月9日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】冷却処理方法

(51)【国際特許分類】

   C21D 1/00 20060101AFI20210215BHJP

   C21D 9/00 20060101ALI20210215BHJP

   C21D 1/18 20060101ALI20210215BHJP

【ＦＩ】

   C21D1/00 119

   C21D9/00 M

   C21D1/18 X

   C21D1/18 E

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-42233(P2017-42233)

(22)【出願日】2017年3月6日

(65)【公開番号】特開2018-145483(P2018-145483A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2020年1月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003713

【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076473

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100112900

【弁理士】

【氏名又は名称】江間 路子

(74)【代理人】

【識別番号】100198247

【弁理士】

【氏名又は名称】並河 伊佐夫

(72)【発明者】

【氏名】宇野 聡

(72)【発明者】

【氏名】清水 崇行

【審査官】 河野 一夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０２３３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３７８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５３１９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−１３５４６１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１７−１７１９５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２１Ｄ １／００

Ｃ２１Ｄ １／１８

Ｃ２１Ｄ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

凹凸形状を有する成形面と、該成形面と一対をなす平坦な背面とを備え且つ重量が１５０ｋｇ以上４００ｋｇ未満の被処理物を冷却処理する方法であって、
加熱された該被処理物を冷却する際、前記背面に対する冷却を、前記成形面に対する冷却よりも強として、
前記成形面の熱伝達係数に対する前記背面の熱伝達係数の比である熱伝達係数比が、８００℃において、１．１以上５以下となる冷却条件で冷却を行ない、冷却処理による歪みを抑制するようになしたことを特徴とする冷却処理方法。

【請求項2】

凹凸形状を有する成形面と、該成形面と一対をなす平坦な背面とを備え且つ重量が４００ｋｇ以上の被処理物を冷却処理する方法であって、
加熱された該被処理物を冷却する際、前記背面に対する冷却を、前記成形面に対する冷却よりも強として、
前記成形面の熱伝達係数に対する前記背面の熱伝達係数の比である熱伝達係数比が、８００℃において、１．１２以上１．３以下となる冷却条件で冷却を行ない、冷却処理による歪みを抑制するようになしたことを特徴とする冷却処理方法。

【請求項3】

前記被処理物の中心部における最遅冷却部位にて、１０００℃から５００℃までの平均冷却速度が１５℃／分よりも遅いことを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の冷却処理方法。

【請求項4】

前記被処理物を放冷により冷却するとともに、該被処理物の背面に対して衝風冷却を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の冷却処理方法。

【請求項5】

該被処理物の表面の温度分布を検知する温度検知手段と、
吐出口から冷却用ガスを吐出させて該被処理物の表面を冷却する冷却手段と、
該冷却手段を位置移動可能に保持する移動手段と、を備えた冷却処理設備を用いて、
前記被処理物の背面側における最遅冷却部位の近傍に前記冷却手段を移動させて、該最遅冷却部位の局所冷却を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の冷却処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、金型等の被処理物を焼入れする際の冷却処理に適用される冷却処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

普通鋼、特殊鋼などからなる被処理物を焼入れすると、歪みが発生することが知られている。金型に代表されるような特に大きな被処理物の場合、歪み、すなわち反りや変形が大きくなるため、これらを修正するための加工シロを大きくしなければならず、加工費や加工時間の増加を招いている。
ここで、焼入れ性に優れる工具鋼等は、焼入れ冷却時に急冷しなくても必要な焼入れ硬さが得られるため、大きな被処理物については工具鋼等の焼入れ性に優れた素材を用いることが、低歪み化に有効であった。しかしながら、近年、更なる低歪み化が要求されるようになり、工具鋼等を用いて焼入れ冷却速度を遅くする従来の熱処理方法では、十分な低歪み化が達成できなくなってきた。

【0003】

尚、下記特許文献１では、焼入れする際の冷却処理において、金型の成形面と背面とで熱伝達係数を異ならせる点が開示されているが、この特許文献１に記載のものは、成形面を背面よりも早く冷却するものであり、本発明とは別異のものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−１７８６４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は以上のような事情を背景とし、金型等の被処理物を焼入れした際の歪みを良好に抑制することが可能な冷却処理方法を提供することを目的としてなされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

而して本発明の請求項１は、凹凸形状を有する成形面と、該成形面と一対をなす平坦な背面とを備え且つ重量が１５０ｋｇ以上４００ｋｇ未満の被処理物を冷却処理する方法であって、
加熱された該被処理物を冷却する際、前記背面に対する冷却を、前記成形面に対する冷却よりも強として、
前記成形面の熱伝達係数に対する前記背面の熱伝達係数の比である熱伝達係数比が、８００℃において、１．１以上５以下となる冷却条件で冷却を行ない、冷却処理による歪みを抑制するようになしたことを特徴とする。

【0007】

本発明の冷却処理方法は、１５℃／分より遅い冷却速度でも焼入可能な、Ｃｒを３〜８％含有する熱間工具鋼（ＳＫＤ６１，ＳＫＤ６１改良鋼等）に適用して特に好適である。

【0008】

凹凸を有する成形面と平坦な背面とを備える金型等の被処理物では、成形面と背面とでその表面積が異なるため、焼入れ加熱させた後の冷却処理の際、成形面からの抜熱量と背面からの抜熱量との差分に基づく冷却ムラが生じ、これが歪み発生の要因となっていた。抜熱量の差分の調整は、表面積の小さい背面に対する冷却を相対的に強とし、背面からの抜熱量を増大させることで可能となる。具体的には、抜熱量は表面積と熱伝達係数との積で表されることから、抜熱量の差分の調整は背面の熱伝達係数を大きくすることで実現される。
本発明者らが様々な金型形状及び冷却条件について評価した結果、成形面と背面の熱伝達係数の比（背面の熱伝達係数／成形面の熱伝達係数）が１．１以上となる冷却条件で、低歪みの効果が得られることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

【0009】

尚、熱伝達係数比が過度に大きすぎると、それまでとは逆方向に歪んでしまう。最適な熱伝達係数の比は、被処理物の重量や形状にも左右されるため、１．１以上の範囲で必要に応じて適宜最適な熱伝達係数比を採用することができる。被処理物の重量が１５０ｋｇ以上４００ｋｇ未満の請求項１では熱伝達係数比を５以下とする。

【0010】

ここで熱伝達係数（Ｗ／（ｍ²・ｋ））とは、単位面積当り、単位時間当り且つ被処理物表面とその周りの雰囲気との温度差１℃当りに被処理物から雰囲気中に流れる熱移動量で、この熱伝達係数は被処理物に対する冷却の強弱の程度を表す。具体的には、被処理物に向けて送る冷却用ガスのガス量やガス圧力，雰囲気温度，被処理物の材質等、個々の冷却条件を総合したトータルの冷却の強弱の程度を表す。この熱伝達係数は、対象とする金型等の被処理物をセットし、冷却時の被処理物表面とその近傍雰囲気の温度変化を測定し、被処理物からどれだけ熱量が移動したかを知ることによって、予め実験的に求めておくことができる。熱伝達係数は、被処理物の温度によっても変化するため、本発明では被処理物の表面温度８００℃での熱伝達係数で規定する。尚、温度測定は熱電対や放射温度計、赤外線カメラなどを用いることができる。

【0011】

ここで本発明では、被処理物の重量が４００ｋｇ以上の場合、熱伝達係数比を１．１２以上、１．３以下とする（請求項２）。

【0012】

本発明ではまた、前記被処理物の中心部における最遅冷却部位にて、１０００℃から５００℃までの平均冷却速度を１５℃／分よりも遅くすることができる（請求項３）。被処理物の低歪み化を図るためには、被処理物の表面と中心部との温度差を小さくすることも重要である。平均冷却速度が１５℃／分よりも速い場合には、被処理物の表面と中心部との温度差が大きくなり、大きな熱応力が発生し、低歪みが達成できないおそれが生じるため、本発明では、前記被処理物の中心部における最遅冷却部位を１５℃／分よりも遅い冷却速度で冷却することが望ましい。

【0013】

ここで、被処理物の中心部における最遅冷却部位は、おおよそ被処理物の重心位置若しくはその近傍位置である。測温にあたっては、被処理物の重心位置若しくはその近傍位置に穴をあけ熱電対を用いて測定することができる。また、被処理物が金型等である場合には、予め金型に形成されている水冷用の穴、鋳抜きピン用の穴、押出しピン用の穴等の中から重心位置に近いものを選択し、かかる穴内に挿入した熱電対を使って測温し、これを中心部における最遅冷却部位の温度とすることも可能である。被処理物の中心部付近は冷却が最も遅い部位であるため、多少測温位置がずれていても冷却速度はほぼ同じだからである。

【0014】

一方、冷却速度が遅すぎると焼入れ性の良い工具鋼等であってもパーライト変態が発生し、金型等に必要な硬さが得られなくなってしまう。焼入れ性は被処理物の組成によって異なるため冷却速度で規定することは難しいが、少なくともパーライト変態の面積率が５％以下となる冷却速度以上で冷却することが必要である。この場合の最遅冷却部位での冷却速度は、およそ２℃／分〜８℃／分以上に該当する。

【0015】

本発明では、成形面及び背面の熱伝達係数に１．１倍以上の差を与えられれば、その冷却手段には依存しない。例えば、被処理物の背面側に対して水やアルコール類等の液体やそのミストを直接噴射して背面の冷却を強とすることが可能である。また被処理物の成形面に保温材を当てるなどの手段を用いて、成形面の冷却を弱（即ち、背面の冷却を相対的に強）とする場合であっても、熱伝達係数比が同じであれば同様の低歪みの効果を得ることができるが、本発明では、被処理物を放冷により冷却するとともに、被処理物の背面に対して衝風冷却を行うことができる（請求項４）。この場合、冷却用のガスとして、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、大気などを用いることができる。

【0016】

本発明ではまた、被処理物の表面の温度分布を検知する温度検知手段と、吐出口から冷却用ガスを吐出させて被処理物の表面を冷却する冷却手段と、冷却手段を位置移動可能に保持する移動手段と、を備えた冷却処理設備を用いて、被処理物の背面側の表面における最遅冷却部位の近傍に冷却手段を移動させて、最遅冷却部位の局所冷却を行うことができる（請求項５）。このようにすれば、温度検知手段により得られた被処理物の背面の温度分布に基づいて特定された背面側の最遅冷却部位、即ち冷却速度が最も遅い部位に対して冷却用ガスを吐出させることで、背面での温度分布のばらつきを抑えるとともに、背面の冷却速度を速めて、所定の熱伝達係数比を得ることができる。
尚、局所冷却を行うと被処理物の背面内で熱伝達係数が変化する。本発明において熱伝達係数比を求める際は、局所冷却中の被処理物の背面内で最も冷却が遅い箇所の熱伝達係数を背面の熱伝達係数とする。

【発明の効果】

【0017】

以上のような本発明によれば、金型等の被処理物を焼入れした際の歪みを良好に抑制することが可能な冷却処理方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態の冷却処理方法に用いられる冷却処理設備の全体構成を示した図である。

【図2】図１の可動アームの先端部を拡大して示した図である。

【図3】図２の可動アームの先端部を回転させた場合の回転前後の状態を示した図である。

【図4】歪み測定に用いるレーザ光の色と、測定精度との関係を示した図である。

【図5】冷却処理設備における冷却動作の一例を説明するための図である。

【図6】同実施形態の冷却処理方法にて冷却される金型を示した図である。

【図7】平面度の測定方法を説明するための図である。

【図8】図６の金型を冷却した場合の熱伝達係数比と平面度との関係を示した図である。

【図9】同実施形態の冷却処理方法にて冷却される図６とは異なる金型を示した図である。

【図10】図９の金型を冷却した場合の熱伝達係数比と平面度との関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。図１は、本実施形態の冷却処理方法にて用いられる冷却処理設備１０の全体構成を示した図である。図１において、１２は被処理物としての金型で、図示を省略した加熱室にて焼入れ温度にまで加熱された後にクレーン等によってセット治具１４上に載置される。２０は後述する局所冷却用のノズル２２が取り付けられたロボット、２４は金型１２の前方に位置し、金型１２表面の温度分布を検知する温度検知手段としての赤外線カメラである。
またこの冷却処理設備１０では、図１（Ａ）中左側に圧縮エアを生成・貯留するための一連の装置であるコンプレッサ２６、ドライヤ２７、エアタンク２８を有している。更にこの冷却処理設備１０では、設備の動作制御を行う制御部３０を有している。

【0020】

金型１２は、工具鋼（ＳＫＤ６１）から成り、凹凸形状を有し表面積が大きい成形面（意匠面）１２ａと、この成形面１２ａとは反対側に位置する平坦な背面１２ｂを備えており、本例では背面１２ｂを前方（ロボット２０及び赤外線カメラ２４が配されている側）に向けた状態で、金型１２がセット治具１４上に載置されている。
尚、金型１２に用いられる鋼種は特に限定されるものではなく、焼入れ性に優れた特殊鋼を適宜採用することが可能である。また金型のサイズについても特に限定されるものではないが、焼入れの冷却過程で冷却ムラが生じ易い重量１５０ｋｇ以上のものにおいて、本発明は特に有効である。

【0021】

赤外線カメラ２４は、金型１２の背面１２ｂ全体が検知範囲に含まれるようにその位置が設定されており、金型１２の背面１２ｂの温度分布を検知するとともに、金型１２の背面１２ｂの最遅冷却部位（最高温度部位）を特定し、且つ、最遅冷却部位の温度を検知する。そして赤外線カメラ２４による温度検知の結果は制御部３０へと送られる。制御部３０は、その検知結果に基づいて金型１２に対する冷却条件を制御する。尚、更に金型１２の赤外線カメラ２４とは反対側に、成形面１２ａの温度分布を検知する赤外線カメラ２５を設けておくことも可能である。

【0022】

ロボット２０は、架台３２上に固定された基部３４と、そこから延びる可動アーム３６を有している。可動アーム３６は回転又は屈曲する複数の関節部を有し、可動アーム３６の先端部３８は図１中２点鎖線で示す可動範囲内を上下、左右、及び前後方向に、即ち３次元方向に移動可能とされている。そしてその先端部３８には金型１２を局所冷却するためのノズル２２が取り付けられている。
尚、焼入れ温度にまで加熱された直後の金型１２は非常に高温となる。本例では金型１２からの放射熱の影響がロボット２０全体に及ぶのを防止するため、金型１２の正面からずれた位置にロボット２０が設置されている。

【0023】

図２は、可動アーム３６の先端部３８を拡大して示した図である。同図で示すように先端部３８は、関節軸Ｐを中心に可動アーム３６の根元側に対し回転可能に連結されている。そして先端部３８の、関節軸Ｐとは反対側に位置する取付部材４０には、箱状の熱遮蔽体４２が取付ボルト４４により取付固定されている。

【0024】

熱遮蔽体４２は、可動アーム３６側の取付部材４０に直接固定される被固定部４２ａと、この被固定部４２ａに直交する状態で固定されている平板状の基体４２ｂと、基体４２ｂ上の一方の面を覆うように基体４２ｂに固定された蓋体４２ｃと、を備え、全体として上下、左右、及び前後の各方向に熱遮蔽用の壁が形成された箱形状を成している。熱遮蔽体４２は、金型１２から可動アーム３６の先端部３８に向かって放射される熱を遮蔽して、内部に収納されているセンサ等を保護する。

【0025】

４６は、金型１２の表面の歪みを測定するために用いるレーザ式の変位検出センサで、熱遮蔽体４２の内部に収納された状態で、断面Ｔ字状のブラケット４７を介して基体４２ｂの内面に固定されている。図２（Ａ）及び（Ｂ）で示すように、センサ４６は、関節軸Ｐから最も離間した（図中左側の）位置、即ち金型１２の表面に対して最も接近可能な位置にある熱遮蔽体４２の第１の壁面４８の近傍に配設されている。第１の壁面４８には開口５１が形成され、そこに耐熱ガラス５２が嵌め込まれており、センサ４６の発光部４６ａから発せらせた検出用のレーザ光は開口５１を通じて外部に向けて出射され、対象物である金型１２表面にて反射した後、同じく開口５１を通じて、受光部４６ｂにて受光される。受光された反射光は受光部４６ｂ内の光位置検出素子上で結像され、その結像位置に基づいて、金型１２表面までの高さ方向の変位量が計測される。
本例ではセンサ４６、熱遮蔽体４２及びこれらを移動可能に保持している可動アーム３６により非接触式の歪測定装置１１が構成されている。

【0026】

本例では、センサ４６を用いて焼入れ温度まで加熱された高温状態の金型１２の表面の変位量（歪み量）を測定するため、センサ４６から出射されるレーザ光が赤色だと、金型１２自体の赤熱の影響を受け易い。従って本例のセンサ４６では、波長が３５０〜４５０ｎｍの青色レーザ光を用いている。

【0027】

図４は、レーザ式変位センサ４６から出射されるレーザ光が赤色の場合（同図（Ｂ））及び青色（波長が３５０〜４５０ｎｍ）の場合（同図（Ｃ））での測定精度を示した図である。これら図４（Ｂ）及び（Ｃ）で示した測定結果は、図４（Ａ）で示す３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍのブロック１３の中心付近に１０ｍｍ×１０ｍｍ×高さ１ｍｍの段差を作成し、このブロック１３を８００℃に加熱した状態でその段差を測定した結果である。詳しくはこの１ｍｍの段差を１０回測定し、１０回の平均値及び平均値との差が一番大きい測定値を誤差棒としてプロットしたものである。測定はブロック１３とセンサ４６との測定距離を逐次変化させながら行っている。

【0028】

図４（Ｂ）で示すように赤色レーザの場合、ブロック１３の赤熱の影響を受け、１ｍｍの段差をまともに測定することができない。一方、青色レーザの場合は、図４（Ｃ）で示すように測定距離（ブロック１３とセンサ４６との距離）が近いほど正確に段差を測定できている。金型の歪み測定では、繰り返し精度０．２ｍｍ以内が必要とされるが、図４で示した結果によれば青色レーザであれば測定距離を５００ｍｍ以下とすることで、繰り返し精度０．２ｍｍ以内、即ち段差１ｍｍに対し、±０．１ｍｍの誤差範囲以内で測定することが可能であることが分かる。

【0029】

但し金型１２は非常な高温であるため、測定距離（図３（Ａ）のＬ₁）を５００ｍｍ以下とすると熱遮蔽体４２内部のセンサ４６の温度が動作保証範囲を超える場合がある。このため本例では、図２で示すように熱遮蔽体４２の被固定部４２ａに、熱遮蔽体４２の内部に冷却用の圧縮エアを導入するための導入口５４が設けられている。この導入口５４を通じて、図示を省略する流量調節バルブを介してエアタンク２８と連結された配管５５の先端が、熱遮蔽体４２の内部に挿入されており、本例では制御部３０の制御に基づいて導入口５４からエアタンク２８内の圧縮エアが熱遮蔽体４２の内部に供給される。尚、基体４２ｂには排気口５８が外部と連通する状態で形成されており、熱遮蔽体４２の内部に導入された圧縮エアは排気口５８を通じて外部に排出される。
このように本例では、圧縮エアが熱遮蔽体４２の内部を流通する構成とすることで、センサ４６が高温（具体的には５０℃以上）になるのを防止している。尚、歪み測定の際にセンサ４６と金型１２との間に位置して遮熱を行う第１の壁面４８に水冷機構部を設けることで、センサ４６が高温になるのを防止することも可能である。

【0030】

一方、金型１２を局所冷却するためのノズル２２は、図２（Ａ）で示すように熱遮蔽体４２の被固定部４２ａの内側にブラケット６０を介して取付固定されており、その先端の吐出口２２ａは、熱遮蔽体４２内のセンサ４６が近接配置されている第１の壁面４８とは異なる第２の壁面４９から外方に向けて突出している。
このノズル２２は、図示を省略する流量調節バルブを介してエアタンク２８と連結されており、制御部３０の制御に基づいてノズル２２の吐出口２２ａからは、金型を局所冷却のための冷却用ガスとして、圧縮エアが吐出される。

【0031】

以上のように冷却処理設備１０では、熱遮蔽体４２の第１の壁面４８とは異なる第２の壁面４９から、冷却用ガスが吐出されるようにノズル２２の吐出口２２ａが設けられており、先端部３８を関節軸Ｐ周りに回転させることで、歪み測定と局所冷却との切替を行なう。即ち、金型１２の歪み測定を行う場合には図３（Ａ）で示すように、熱遮蔽体４２の第１の壁面４８を金型１２の表面に対向させる。また金型１２の局所冷却を行う場合には図３（Ｂ）で示すように熱遮蔽体４２の第２の壁面４９を金型１２の表面に対向させる。

【0032】

次に、本実施形態の冷却処理設備１０を用いて冷却処理を行った場合の動作の一例を説明する。尚、この例では、ＳＫＤ６１から成り、幅６００ｍｍ×高さ６００ｍｍ×厚み１５０ｍｍの金型１２における最遅冷却部位での冷却速度が１０℃／ｍｉｎとなるように冷却処理を行うものとする。
図１で示すように先ず、金型１２は図示を省略した加熱室にて焼入れ温度にまで加熱された後にクレーン等によってセット治具１４上に載置される。
そして金型１２は大気中で放冷される。これとともに赤外線カメラ２４が金型１２表面の温度分布を検知する。そしてその温度分布の検知結果に基づいて金型１２表面の最遅冷却部位が特定される。制御部３０は最遅冷却部位の位置情報（Ｘ，Ｙ座標）をロボット２０に出力する。

【0033】

ロボット２０は、図３（Ｂ）で示すように、可動アーム３６の先端部３８に取り付けられたノズル２２の吐出口２２ａを、特定された最遅冷却部位のポイントＧに位置移動させる。そして最遅冷却部位のポイントＧの上方Ｌ₂の距離（ここでは３００ｍｍ）から冷却用の圧縮エアを最遅冷却部位に向けて吹き付け、最遅冷却部位（若しくは最遅冷却部位及びその周辺部）を局所的に冷却する。

【0034】

この例では、最遅冷却部位が６００℃になるまでこの冷却動作を継続させる。図５の１点鎖線で示すように、制御部３０は、冷却動作を開始してからの予定表面温度の推移、即ち冷却速度（本例では１０℃／ｍｉｎ）が予め設定されており、赤外線カメラ２４の監視により随時特定される最遅冷却部位にノズル２２の吐出口２２ａを位置移動させながら、その検知温度と予定表面温度との差分に基づいて、冷却条件を制御する。
詳しくは、最遅冷却部位の検知温度が図５に示した予定表面温度を上回っている場合には局部冷却用の圧縮エアの量を増加させ、検知温度が予定表面温度を下回っている場合には局部冷却用の圧縮エアの量を減少させる。このようにすることで冷却処理の対象となった背面１２ｂにおける最遅冷却部位を、予定していた冷却速度若しくはこれに近似する冷却速度で冷却することができる。
尚、最遅冷却部位の検知温度が６００℃を下回った以降についても予め設定された予定表面温度の推移と一致するように引き続き冷却処理を行うことも可能である。また場合によっては最遅冷却部位の検知温度が６００℃以下の所定温度となった時点で、油冷に切り替えて引き続き冷却処理を行うことも可能である。

【0035】

次に、図６に示す重量１９０ｋｇの金型７０（ＳＫＤ６、５００ｍｍ×４５０ｍｍ×１８０ｍｍ）に対して、熱伝達係数比が異なる冷却処理を行い、冷却処理後の金型７０についてパーライト面積率及び背面の平面度を評価した結果を下記表１に示している。

【0036】

【表1】

【0037】

評価に際しては、熱処理前において、予め金型７０の背面の平面度が０．０２ｍｍ以下であることを確認したのち、加熱炉において、１０３０℃まで加熱・保持し、その後、加熱炉から取り出して金型７０を放冷するとともに、金型７０の背面７０ｂ若しくは成形面７０ａに対し冷却処理設備１０を用いて衝風冷却を実施した。
詳しくは、比較例１，２については、成形面７０ａに対し衝風冷却を実施し、成形面７０ａに対する冷却を強とした。実施例１〜５及び比較例４〜１３については、背面７０ｂに対し衝風冷却を実施し、背面７０ｂに対する冷却を強とした。これらの実施例及び比較例では、衝風冷却の風量を変化させることで熱伝達係数比の値を変化させている。尚、比較例３については、放冷のみで冷却を行っている。

【0038】

衝風冷却中の金型７０の表面温度は、赤外線カメラ２４、２５で計測した。また金型７０内部（重心近傍位置）にΦ３の穴明け後、熱電対を挿入し、金型７０内部の温度を測定した。そして冷却処理終了後、パーライト面積率及び金型７０の背面７０ｂの平面度を測定した。

【0039】

＜熱伝達係数比＞
各冷却処理条件に対応する熱伝達係数は、以下のようにして求めることができる。先ず金型７０と同じ鋼種で作製した２００ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍの試験片を作製し、試験片の一方の表面の中央から２ｍｍの深さと、試験片の重心位置の深さにそれぞれ熱電対を埋設し、試験片の表面温度と金型内部温度（重心位置での温度）を測定可能としておく。また試験片の、温度測定される表面から２０ｍｍ離れた雰囲気温度も熱電対にて測定可能としておく。

【0040】

この試験片を１０３０℃に加熱して１時間保持した後、熱伝達係数を求めたい冷却処理の方法と同じ方法で、試験片を５００℃まで冷却するとともに、試験片の温度変化を熱電対にて測定する。次に、測定された温度変化が再現できるように、熱伝達係数を変化させながらシミュレーションを実施し、測定された温度変化が再現できればその熱伝達係数をその冷却処理方法における熱伝達係数とすることができる。本例では試験片の表面温度が８００℃の時点での熱伝達係数をその表面の熱伝達係数とする。このようにして、各冷却処理方法における成形面の熱伝達係数及び背面の熱伝達係数を求め、（背面の熱伝達係数）／（成形面の熱伝達係数）で算出される値を熱伝達係数比とした。

【0041】

＜最遅冷却部位の冷却速度＞
表１に示す最遅冷却部位の冷却速度（℃／分）は、熱電対により測定された金型内部（重心近傍位置）での１０００℃から５００℃までの平均冷却速度である。

【0042】

＜平面度＞
平面度（ｍｍ）は、図７に示すように、測定したい平面（ここでは背面７０ｂ）に位置する２つの基準点ｋを結んだ直線ｍから、その直線ｍの直上に位置する背面７０ｂの測定点ｐが直線ｍの垂直方向にどれだけずれているかを表すもので、背面７０ｂの中で様々な２つの基準点ｋを設定したとき、最も大きな平面度となったものを、背面７０ｂにおける平面度とした。ここでは平面度０．５ｍｍ以下を目標とする。

【0043】

＜パーライト面積率＞
金型７０の最遅冷却部位（ここでは重心近傍位置）から、１０×１０×１０ｍｍの大きさの試験片を採取し、その１面を鏡面研磨した後、ピクリン酸や硝酸等を用いてエッチングを行なう。パーライト変態した箇所はエッチングにより黒く変色するため、黒く変色した領域の面積率（％）を求める。ここで、金型に要求される硬さが得られるようにパーライト面積率５％以下を目標とする。

【0044】

表１及び図８に示すように、金型７０においては、冷却処理時の熱伝達係数比を異ならせることで平面度が変化する。熱伝達係数比が１未満の場合には金型７０の背面側が凸となるような変形が生じ、また、熱伝達係数比が１０に近い場合には背面側が凹となるような変形が生じ、それぞれ平面度が悪化する傾向が認められる。
この評価において、背面の平面度が優れているのは、熱伝達係数比が１．１〜５の範囲内である。成形面７０ａと背面７０ｂとを同じ強さで冷却した場合（即ち、熱伝達係数比が１の場合）、その平面度は０．６８ｍｍであるのに対し、背面側の冷却能を高めて、熱伝達係数比を１．１〜５の範囲内とすることで、平面度を目標値である０．５ｍｍ以下とすることができる。

【0045】

また、表１で示す実施例及び比較例は、金型内部の最遅冷却部位における冷却速度が２３℃／分以上と速く、パーライト面積率はいずれも０％であり、パーライトの発生は認められなかった。

【0046】

次に、図９に示す重量４８０ｋｇの金型８０（ＳＫＤ６１、幅６６０ｍｍ×高さ５００ｍｍ×厚み２２０ｍｍ）を用いて、熱伝達係数比が異なる冷却処理を行い、最遅冷却部位のパーライト面積率及び背面の平面度を評価した結果を下記表２に示している。尚、評価の方法は、上記金型７０の場合と同様である。

【0047】

【表2】

【0048】

表２及び図１０に示すように、金型８０においても、金型７０の場合と同様に、熱伝達係数比が小さい場合に背面側が凸となるような変形が生じ、一方、熱伝達係数比が大きくなると背面側が凹となるような変形が生じ、それぞれ平面度が悪化する傾向が認められる。この評価において、背面の平面度が優れているのは、熱伝達係数比が１．１〜１．３の範囲内である。成形面８０ａと背面８０ｂとを同じ強さで冷却した場合（即ち、熱伝達係数比が１の場合）、その平面度は０．６〜０．８ｍｍであるのに対し、背面側の冷却能を高めて、熱伝達係数比を１．１〜１．３の範囲内とすることで、平面度を目標値である０．５ｍｍ以下とすることができる。このように、重量が異なる金型７０と８０のいずれにおいても、熱伝達係数比を１．１以上に大きくすることで、平面度が０．５ｍｍ以下の低歪みの金型を得ることができている。

【0049】

また、表２で示す実施例及び比較例は、金型内部の最遅冷却部位における冷却速度が９〜１３℃／分で、パーライト面積率は、いずれも目標値である５％以下を満足している。

【0050】

以上のように本実施形態の冷却処理方法では、加熱された金型を冷却する際、背面に対する冷却を、成形面に対する冷却よりも強として、成形面の熱伝達係数に対する背面の熱伝達係数の比である熱伝達係数比が、８００℃において、１．１以上となる冷却条件で冷却を行なうことで、平面度に優れた金型を得ることができる。

【0051】

本実施形態の冷却処理方法によれば、質量が４００ｋｇ以上である金型８０の場合、熱伝達係数比を１．１２以上１．３以下とすることが低歪み化に有効であり、更に最遅冷却部位を１５℃／分よりも遅い冷却速度で冷却した実施例６〜１２において平面度０．５ｍｍ以下の金型が得られている。

【0052】

本発明ではまた、金型１２の表面の温度分布を検知する赤外線カメラ２４と、吐出口２２ａから冷却用ガスを吐出させて金型の表面を冷却するノズル２２と、ノズル２２を位置移動可能に保持する可動アーム３６と、を備えた冷却処理設備１０を用いて、金型１２の背面１２ｂ側の表面における最遅冷却部位（最高温度部位）の近傍にノズル２２を移動させて、最遅冷却部位の局所冷却が行われる。
この冷却処理設備１０では、赤外線カメラ２４により得られた金型１２の背面１２ｂの温度分布に基づいて特定された最遅冷却部位に対して冷却用ガスを吐出させるため、背面１２ｂでの温度分布のばらつきが抑えられるとともに、背面１２ｂの冷却速度が速められて、所定の熱伝達係数比を得ることができる。

【0053】

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。例えば被処理物として金型以外のものを用いることも可能である。また上記実施形態では背面側を衝風冷却することで所定の熱伝達係数比を得たが、他の方法を用いて所定の熱伝達係数比を得ることも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

【符号の説明】

【0054】

１０ 冷却処理設備
１２，７０，８０ 金型（被処理物）
１２ａ，７０ａ，８０ａ 成形面
１２ｂ，７０ｂ，８０ｂ 背面
２２ ノズル（冷却手段）
２２ａ 吐出口
２４ 赤外線カメラ(温度検知手段）
３６ 可動アーム（移動手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】