專利名稱：金屬圓筒體的熱處理方法及熱處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用感應加熱，以多用于金屬板處理生產(chǎn)線上的中空軋輥外殼工件為代表的金屬圓筒體為對象，在其外表面上進行淬火等熱處理的技術，并提供能夠減少熱處理過程中發(fā)生的圓筒體外徑的變形，且以高的功率效率實現(xiàn)所希望的熱處理深度的熱處理方法及該方法中使用的裝置。
但是，經(jīng)過上述熱處理后，圓筒體的外徑通常比熱處理前的外徑縮小0.5％左右。如果在每次熱處理作業(yè)中，上述縮徑的縮徑率在圓筒體的圓周方向和軸向上均可保持穩(wěn)定，則可通過將欲進行熱處理的金屬圓筒體的內(nèi)外徑尺寸設計為把縮徑因素考慮在內(nèi)的較大尺寸的方法，即可處理。但是，上述的縮徑在圓周方向及在軸向上都不一致，在軸向上還有變鼓的傾向，而且，因為在每次熱處理作業(yè)中均存在偏差，需要提供外徑尺寸比按平均縮徑值考慮的尺寸更大的圓筒體進行熱處理。因此，在熱處理后還需對外徑或內(nèi)外徑進行切削加工，使其尺寸能夠真正符合所定的圓筒體尺寸要求。例如，外徑為800mm的軋輥外殼，其切削厚度達到5mm以上，所以，這種切削方法已不適合近年來日益增高的降低成本的要求。另外，在處理含有貴重金屬材料的圓筒體時，材料方面的損失也不可忽視。而且，因為切削余量較大，不容易確保切削后的熱處理深度達到期望值。
因此，如果能盡可能減小外徑變形的變形率，便可消除上述變形的不一致性和偏差。由此觀點出發(fā)，以減小變形率為目的，提供了如

圖1所示的改良熱處理方法(低變形熱處理方法)。這種改良熱處理方法的特征在于對上述圓筒體的外表面進行熱處理的同時，還可抑制伴隨熱處理而發(fā)生的圓筒體內(nèi)表面?zhèn)鹊纳郎?。在圖1所示的實施例中，從圖中所示的冷卻劑噴射端3(由在中空環(huán)狀體上設置多個小孔構成)向圓筒體內(nèi)表面噴射冷卻水進行上述冷卻。
如果采用上述改良熱處理方法，伴隨熱處理而發(fā)生的外徑變形可降低至±0.1％左右(外徑也可能略微擴大)，而不需要上述那樣大的切削余量。由此可見，通過冷卻內(nèi)表面抑制熱處理進行區(qū)的內(nèi)表面?zhèn)鹊纳郎丶芭c其相伴的塑化(變形阻力下降)，可減小外徑的變形。即，用以往熱處理方法的熱處理進行區(qū)，由于伴隨著內(nèi)表面?zhèn)壬郎氐淖冃巫枇ο陆祵е碌乃芑冃?，外表面?zhèn)入S著其加熱-冷卻的過程，發(fā)生“熱膨脹→壁厚/周長比增加(＝周長/壁厚比減小)→冷卻收縮→固定在周長減小狀態(tài)”的現(xiàn)象，與此相比，使用改良熱處理方法的熱處理進行區(qū)，由于內(nèi)表面?zhèn)鹊膭傂?變形阻力不下降而維持在較高水平)抑制了上述諸現(xiàn)象中的“壁厚/周長比增加”，不容易產(chǎn)生上述的周長減小。
采用內(nèi)表面冷卻的改良熱處理方法對解決上述問題非常有效。但是，使用這種改良熱處理方法又引發(fā)了新的問題。那就是，要達到期望的熱處理深度，需要大量的電力，與以往的熱處理方法相比，其電力費用的增加達到不可忽略的水平，另外，需要昂貴的大容量電源設備也成為問題。這些問題與近來的低成本發(fā)展趨勢不相符，因此，希望能夠得到解決。發(fā)明目的為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種在軋輥等工件的外表面?zhèn)冗M行采用連續(xù)移動式感應加熱和冷卻操作的熱處理時，能夠盡可能地抑制熱處理后的外徑變形并且成本低的熱處理技術。
利用上述本發(fā)明熱處理方法，可確保作為上述改良熱處理方法優(yōu)點的降低外徑變形的效果，而且，設定熱處理深度與使用以往的熱處理方法時差別不大，無需過大的電力消耗便可解決上述問題。
在此，若以使感應電流的透入深度δ低于設定熱處理深度dH的1.5倍的高的電流頻率，則熱處理深度達不到設定值，另一方面，若以使δ超過dH的3.5倍的低的電流頻率，則為確保期望的處理速度所需的電力消耗達到顯著高于使用以往熱處理方法時的水平，此種情況也不理想。上述適當?shù)摩?并且，適當?shù)碾娏黝l率)與dH的關系取決于由圓筒體內(nèi)表面的冷卻而導致的散熱作用。換而言之，根據(jù)本發(fā)明，可認定足以補償上述散熱作用所需的δ下限(頻率上限)和為使專為加熱散熱作用區(qū)而消耗的感應電流分量處于容許水平以內(nèi)所需的δ上限(頻率下限)。
圖1本發(fā)明實施例的1例的正剖面2本發(fā)明實施的其它例1的正剖面3本發(fā)明實施的其它例2的正剖面4本發(fā)明實施的其它例3的正剖面5在加熱線圈上設置小孔群的冷卻裝置的擴大剖面6用以說明本發(fā)明作用的圓筒體半邊側(cè)實壁部分的剖面7以往實施形態(tài)的示意正剖面圖符號說明1 金屬圓筒體1a 軸向的小區(qū)間1b 1a后端側(cè)鄰接區(qū)2 感應線圈2a 冷卻裝置2aa 小孔群3 噴嘴在此，首先對實施本發(fā)明所用的裝置進行說明。
圖1以實施本發(fā)明用裝置的一例為模式表示其正剖面圖，在外表面?zhèn)?，金屬圓筒體1的軸向小區(qū)間1a被圍繞在其周圍的加熱線圈2感應加熱至熱處理溫度，此加熱操作由圓筒體的下端向上端連續(xù)推進，與此同時，由設在線圈上的小孔群2aa噴射線圈內(nèi)的冷卻水的冷卻裝置2a對加熱區(qū)1a的后端側(cè)鄰接區(qū)1b進行冷卻，此操作跟隨上述加熱操作自下向上連續(xù)推進。即，圓筒體外表面?zhèn)鹊臒崽幚碛删邆渚€圈2和噴射冷卻裝置2a的熱處理單元進行。在此，上述線圈2通常使用寬度與被加熱的小區(qū)間1a的區(qū)間寬度相適應的單匝環(huán)狀線圈。另外，上述的噴射冷卻可采用如圖1等所示的、通過設定在線圈2全周的小孔群2aa噴射線圈2內(nèi)的線圈冷卻水的方法。也可使用另外配備的專用噴射裝置。另一方面，在內(nèi)表面?zhèn)?，從配置于圓筒體內(nèi)側(cè)的環(huán)狀噴嘴3噴射冷卻水以便冷卻內(nèi)表面，此操作正對著上述熱處理進行區(qū)的內(nèi)側(cè)部分，并與外表面?zhèn)鹊牟僮魍絽f(xié)調(diào)連續(xù)進行，邊進行內(nèi)表面?zhèn)鹊牟僮鬟呥M行圓筒體外表面?zhèn)鹊臒崽幚?。在上述線圈2中兼作冷卻裝置2a的小孔群2aa的設置狀態(tài)見圖5，圖5為該部分的放大圖。
在此裝置中，內(nèi)表面?zhèn)鹊睦鋮s操作或以略高于上述加熱1a的上端(例如高10mm)的位置作為起點，流下的水同時冷卻1a和1b兩個區(qū)，以便抑制由外表面?zhèn)鹊臒嵊绊懺?a和1b兩區(qū)引起的內(nèi)表面?zhèn)壬郎丶芭c之相伴的變形阻力下降，或如圖2所示，上述冷卻操作也可以1b區(qū)的上端附近為起點，主要抑制1b區(qū)的升溫和變形阻力下降。另外，冷卻進行也可于圖1和圖2所示的適宜位置的中間某個適當位置進行。進而，如圖3所示，也可由固定在圓筒體內(nèi)表面?zhèn)壬隙说沫h(huán)狀噴嘴3噴射冷卻水，對其下方的所有區(qū)域始終進行冷卻。
此外，在圖1、圖2和圖3所示的實施例中，是使圓筒體軸線為垂直靜止設置而使線圈等向上移動，也可將圓筒體設置于水平方向，在其外表面?zhèn)扰渲盟髑袛鄼C構，以防冷卻水噴至加熱區(qū)1a。另外，也可使圓筒體旋轉(zhuǎn)，進而，使線圈靜止不動，而使圓筒體移動。
作為內(nèi)表面?zhèn)鹊睦鋮s手段，上述噴射方式具有可通過改變制冷劑的噴射量和溫度的方式很容易調(diào)整冷卻條件的優(yōu)點。尤其推薦圖1和圖2中所示的同步協(xié)調(diào)移動方式，因為它能夠?qū)τ鋮s部位的冷卻條件進行隨時調(diào)整。作為其它的冷卻手段，還可采用如圖4所示的方式，即，在設置面板4來止水的圓筒體內(nèi)部全部注滿制冷劑，或在圓筒體與配置于圓筒體內(nèi)部的內(nèi)筒之間注滿制冷劑，根據(jù)需要以替換制冷劑的方式進行冷卻，它具有設備簡單的優(yōu)點。作為內(nèi)表面?zhèn)壤鋮s用制冷劑，雖然使用冷卻能力大的水最為合適，但進行緩慢冷卻時，也可充注其它制冷劑。下面對實施本發(fā)明的操作進行說明圖6表示本發(fā)明中從圓筒體外表面?zhèn)乳_始進行感應加熱的狀況，以金屬圓筒體的半邊側(cè)實壁部分為模式，其中1為金屬圓筒體，1c、1d及t分別表示外表面?zhèn)?、?nèi)表面?zhèn)群捅诤?，δ為被感應線圈2感應而產(chǎn)生的感應電流的透入深度，dH為在圓筒體外表面?zhèn)葘嵤┐慊鸬葻崽幚淼纳疃取?br> 在本發(fā)明中，如上面所述，在使根據(jù)上述(1)式求出的δ為上述dH的1.5-3.5倍條件下，設定通過線圈2的電流頻率f。下面將(1)式改寫為以下(2)式，以便更容易求出ff＝25.3×106ρ/μδ2……(2)若以對鋼制軋輥外殼施行淬火為實施例，令淬火溫度下鋼材的ρ、μ分別為10-4Ω·cm和1.0，則(2)式將變成更簡單的(3)式F＝2530/δ2……(3)在此，若求對應于設定淬火深度范圍dH＝0.3-0.7cm(3-7mm)的適當頻率f，則對應于dH＝0.3cm(3mm)的δ＝0.45-1.05cm，f＝12500-2300Hz；對應于dH＝0.7cm(7mm)的δ＝1.05-2.45cm，f＝2300-420Hz?？傊瑸轵?qū)動實施本發(fā)明用的上述熱處理裝置(參照圖1-圖4)的感應線圈所需的高頻電源裝置，最好使用可輸出500-10000Hz頻率的高頻電源裝置。此外，也可使用可輸出2000-5000Hz的、價格較便宜的高頻電源裝置。
圓筒體內(nèi)表面冷卻條件(制冷劑種類、流量等)的設定應使內(nèi)表面欲冷卻區(qū)的溫度被抑制在300℃以下。將上述溫度控制在300℃以下的同時進行外表面?zhèn)鹊臒崽幚?，可將由熱處理引起的圓筒體外徑變形控制在外徑的0.1％左右，顯著降低圓周方向和軸向上變形量的不一致或每次熱處理作業(yè)中變形量的偏差，從而減少上述熱處理后的切削余量，如處理外徑為800mm的軋輥外殼時，外徑切削余量明顯減小至1-2mm的程度。
另外，若在金屬圓筒體已預熱的狀態(tài)下對其實施本發(fā)明的熱處理，可使由熱處理引起的外徑變形成為擴徑變形。將上述預熱的圓筒體內(nèi)表面溫度保持在700℃時，可將變形率抑制在不到0.2％的低水平上。
使用圖1所示形態(tài)的裝置和用于比較的圖7所示形態(tài)的裝置，在感應線圈等的相對移動速度為1.5mm/秒，淬火溫度為950℃的條件下，對外徑800mm，壁厚30mm，長1000mm的中碳鋼(JIS G4501/S50C)制圓筒體外表面?zhèn)冗M行設定深度為5mm(0.5cm)的淬火處理。此時，通過感應線圈的高頻電流頻率f采用表1中記載的各種頻率。[表1]

由電流頻率f決定的感應電流透入深度與設定淬火深度的比率δ/dH、圓筒體的預熱和內(nèi)表面冷卻等操作條件、感應加熱所需電力、實際淬火深度、外徑變形發(fā)生狀況等的關系，見表1。
表1中的結果顯示，在采用改良熱處理方法的組(No.6-14)中，淬火時發(fā)生的外徑變形大小，僅為使用以往熱處理方法的組(No.1-5)的1/3以下。詳細情況為δ/dH小于1.5的No.6的淬火深度未達到設定值。另一方面，δ/dH大于3.5的No.14所需電力與使用以往熱處理方法時相比，消耗量過大。與此相比，在采用δ/dH＝1.5-3.5范圍內(nèi)的頻率f的情況下，實施改良熱處理方法的No.7-13的本發(fā)明實施例中，未出現(xiàn)淬火深度不夠和所需電力過大等上述缺點，而且外徑變形也顯著降低，由此可明顯地看出本發(fā)明的效果。
正如上面所述，本發(fā)明可在對軋輥等金屬圓筒體的外表面?zhèn)冗M行采用連續(xù)移動式感應加熱和冷卻操作的淬火等熱處理的同時，對圓筒體內(nèi)表面進行冷卻。此時，由于以能夠使感應電流的透入深度為熱處理深度設定值dH的1.5-3.5倍范圍內(nèi)的電流頻率進行上述感應加熱，可將熱處理后的外徑變形抑制到最小程度。并且，可在將伴隨于上述內(nèi)表面冷卻的感應加熱所需電力增加的成本抑制到可忽略不計的程度進行設定深度的熱處理。
此結果，實際上不增加電力成本，熱處理后的外徑變形在圓周方向和軸向上的不一致或在每次熱處理作業(yè)中的偏差顯著降低，為使圓筒體加工成符合所定尺寸的成品所需的切削余量降低至以往的1/5-1/3。對于軋輥等的優(yōu)質(zhì)廉價要求不斷提高，使用本發(fā)明便可在實際上不增加成本的情況下，解決對實現(xiàn)上述要求成為障礙的上述熱處理中的變形問題，這會為業(yè)界帶來極大的利益。
權利要求
1.一種金屬圓筒體的熱處理方法，其特征在于對于金屬圓筒體外表面?zhèn)鹊臒崽幚恚捎脧脑搱A筒體的外表面?zhèn)葘A筒體的軸向小區(qū)間進行感應加熱，并對該加熱區(qū)進行跟進噴射冷卻的連續(xù)移動式外表面?zhèn)炔僮?，以及通過冷卻圓筒體內(nèi)表面來抑制伴隨上述感應加熱引起的該圓筒體內(nèi)表面?zhèn)壬郎氐膬?nèi)表面?zhèn)炔僮鳎藭r，上述外表面?zhèn)炔僮髦械母袘訜幔诨诟鶕?jù)感應加熱時被加熱工件中產(chǎn)生的感應電流的透入深度δ(cm)，被加熱工件材料的電阻率ρ(Ω.cm)和相對導磁率μ以及電流頻率f(Hz)的關系式δ＝5030×(ρ/μf)......(1)的δ值為上述熱處理的設定處理深度dH的1.5～3.5倍的電流頻率條件下進行。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬圓筒體的熱處理方法，其中上述圓筒體內(nèi)表面?zhèn)鹊牟僮髟谀軌驅(qū)A筒體內(nèi)表面?zhèn)葴囟纫种圃?00℃以下的冷卻條件下進行。
3.一種金屬圓筒體的熱處理方法，其特征在于將金屬圓筒體預熱至其內(nèi)表面溫度不超過700℃的狀態(tài)，供權利要求1或2所述的熱處理方法進行熱處理。
4.一種金屬圓筒體的熱處理裝置，該裝置是為了實施適用于對金屬圓筒體的外表面?zhèn)鹊臒崽幚?，采用從圓筒體的外表面?zhèn)葘A筒體的軸向小區(qū)間進行感應加熱，并對該加熱區(qū)進行跟進噴射冷卻的連續(xù)移動式外表面?zhèn)炔僮?，以及通過冷卻圓筒體內(nèi)表面抑制伴隨上述感應加熱引起的該圓筒體內(nèi)表面?zhèn)壬郎氐膬?nèi)表面?zhèn)炔僮鞯臒崽幚矸椒ǖ难b置，該熱處理裝置由用于支撐金屬圓筒體的支撐機構，為了對由此支撐機構支持的金屬圓筒體進行上述外表面?zhèn)鹊牟僮鞫O置的具有感應線圈和冷卻劑噴射端的熱處理單元，為冷卻金屬圓筒體的內(nèi)表面而設置的內(nèi)表面冷卻機構，為使上述熱處理單元相對于上述圓筒體支撐機構沿圓筒體的軸向進行連續(xù)的相對移動而設置的相對移動機構構成。
5.根據(jù)權利要求4所述的金屬圓筒體的熱處理裝置，其中上述內(nèi)表面冷卻機構為一種配有帶冷卻劑噴口的環(huán)狀冷卻劑噴射端的噴射冷卻機構，通過同步協(xié)調(diào)其冷卻劑噴射端與上述熱處理單元，使其相對于上述圓筒體支撐機構進行沿圓筒體軸向的連續(xù)相對移動。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的金屬圓筒體的熱處理裝置，其中上述感應線圈由能夠輸出500～10000Hz高頻的高頻電源驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在軋輥等工件的外表面?zhèn)冗M行采用連續(xù)移動式感應加熱和冷卻操作的熱處理時，能夠盡可能地抑制熱處理后的外徑變形并且價格低廉的熱處理技術。對上述軋輥等工件的外表面?zhèn)冗M行熱處理的同時對內(nèi)表面進行冷卻，并通過將上述感應加熱中感應電流的透入深度限制在一定范圍內(nèi)以減輕外徑的變形。
文檔編號C21D1/09GK1455005SQ0211709
公開日2003年11月12日 申請日期2002年4月29日 優(yōu)先權日2002年4月29日
發(fā)明者松原洋一, 永沼敏彥 申請人:第一高周波工業(yè)株式會社