金属圆筒体的热处理方法及热处理装置 【技术领域】
本发明涉及利用感应加热，以多用于金属板处理生产线上的中空轧辊外壳工件为代表的金属圆筒体为对象，在其外表面上进行淬火等热处理的技术，并提供能够减少热处理过程中发生的圆筒体外径的变形，且以高的功率效率实现所希望的热处理深度的热处理方法及该方法中使用的装置。背景技术
以往利用感应加热的中空轧辊外壳等金属圆筒体的热处理是在图7中所示的状态下进行的，即，在金属圆筒体1的外表面侧配置围绕圆筒体1、并可沿圆筒体轴向的小区间1a的加热线圈2，向该线圈通入高频交流电对上述小区间进行感应加热使其达到热处理温度，此操作从圆筒体的一端向另一端连续推进，与此同时，对与加热区的后端侧邻接区1b进行喷射冷却，此操作跟随上述感应加热，同样也从一端向另一端连续推进(在图7所示的例子中，从设置于线圈2周围地小孔群喷射冷却水，此冷却水同时也冷却线圈)。
但是，经过上述热处理后，圆筒体的外径通常比热处理前的外径缩小0.5％左右。如果在每次热处理作业中，上述缩径的缩径率在圆筒体的圆周方向和轴向上均可保持稳定，则可通过将欲进行热处理的金属圆筒体的内外径尺寸设计为把缩径因素考虑在内的较大尺寸的方法，即可处理。但是，上述的缩径在圆周方向及在轴向上都不一致，在轴向上还有变鼓的倾向，而且，因为在每次热处理作业中均存在偏差，需要提供外径尺寸比按平均缩径值考虑的尺寸更大的圆筒体进行热处理。因此，在热处理后还需对外径或内外径进行切削加工，使其尺寸能够真正符合所定的圆筒体尺寸要求。例如，外径为800mm的轧辊外壳，其切削厚度达到5mm以上，所以，这种切削方法已不适合近年来日益增高的降低成本的要求。另外，在处理含有贵重金属材料的圆筒体时，材料方面的损失也不可忽视。而且，因为切削余量较大，不容易确保切削后的热处理深度达到期望值。
因此，如果能尽可能减小外径变形的变形率，便可消除上述变形的不一致性和偏差。由此观点出发，以减小变形率为目的，提供了如图1所示的改良热处理方法(低变形热处理方法)。这种改良热处理方法的特征在于：对上述圆筒体的外表面进行热处理的同时，还可抑制伴随热处理而发生的圆筒体内表面侧的升温。在图1所示的实施例中，从图中所示的冷却剂喷射端3(由在中空环状体上设置多个小孔构成)向圆筒体内表面喷射冷却水进行上述冷却。
如果采用上述改良热处理方法，伴随热处理而发生的外径变形可降低至±0.1％左右(外径也可能略微扩大)，而不需要上述那样大的切削余量。由此可见，通过冷却内表面抑制热处理进行区的内表面侧的升温及与其相伴的塑化(变形阻力下降)，可减小外径的变形。即，用以往热处理方法的热处理进行区，由于伴随着内表面侧升温的变形阻力下降导致的塑化变形，外表面侧随着其加热-冷却的过程，发生“热膨胀→壁厚/周长比增加(＝周长/壁厚比减小)→冷却收缩→固定在周长减小状态”的现象，与此相比，使用改良热处理方法的热处理进行区，由于内表面侧的刚性(变形阻力不下降而维持在较高水平)抑制了上述诸现象中的“壁厚/周长比增加”，不容易产生上述的周长减小。
采用内表面冷却的改良热处理方法对解决上述问题非常有效。但是，使用这种改良热处理方法又引发了新的问题。那就是，要达到期望的热处理深度，需要大量的电力，与以往的热处理方法相比，其电力费用的增加达到不可忽略的水平，另外，需要昂贵的大容量电源设备也成为问题。这些问题与近来的低成本发展趋势不相符，因此，希望能够得到解决。发明目的
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种在轧辊等工件的外表面侧进行采用连续移动式感应加热和冷却操作的热处理时，能够尽可能地抑制热处理后的外径变形并且成本低的热处理技术。发明内容
本发明的金属圆筒体的热处理方法，其特征在于：对于金属圆筒体外表面侧的热处理，采用从圆筒体的外表面侧对圆筒体的轴向小区间进行感应加热，并随之对此加热区进行喷射冷却的连续移动式外表面侧操作，以及用冷却内表面的方法控制由上述感应加热引起的圆筒体内表面侧升温的内表面侧操作，此时，上述外表面侧操作中的感应加热，在基于根据被加热工件中在感应加热时产生的感应电流透入深度δ(cm)，被加热工件材料的电阻率ρ(Ω·cm)和相对导磁率μ以及电流频率f(Hz)的关系式
δ＝5030×(ρ/μf)……(1)
的δ值为上述热处理的设定处理深度dH的1.5-3.5倍的电流频率条件下进行。
利用上述本发明热处理方法，可确保作为上述改良热处理方法优点的降低外径变形的效果，而且，设定热处理深度与使用以往的热处理方法时差别不大，无需过大的电力消耗便可解决上述问题。
在此，若以使感应电流的透入深度δ低于设定热处理深度dH的1.5倍的高的电流频率，则热处理深度达不到设定值，另一方面，若以使δ超过dH的3.5倍的低的电流频率，则为确保期望的处理速度所需的电力消耗达到显著高于使用以往热处理方法时的水平，此种情况也不理想。上述适当的δ(并且，适当的电流频率)与dH的关系取决于由圆筒体内表面的冷却而导致的散热作用。换而言之，根据本发明，可认定足以补偿上述散热作用所需的δ下限(频率上限)和为使专为加热散热作用区而消耗的感应电流分量处于容许水平以内所需的δ上限(频率下限)。附图的简要说明
图1本发明实施例的1例的正剖面图
图2本发明实施的其它例1的正剖面图
图3本发明实施的其它例2的正剖面图
图4本发明实施的其它例3的正剖面图
图5在加热线圈上设置小孔群的冷却装置的扩大剖面图
图6用以说明本发明作用的圆筒体半边侧实壁部分的剖面图
图7以往实施形态的示意正剖面图符号说明
1 金属圆筒体
1a 轴向的小区间
1b 1a后端侧邻接区
2 感应线圈
2a 冷却装置
2aa 小孔群
3 喷嘴实施例
本发明的实施虽然可不考虑金属圆筒体的用途和材质，但是，圆筒体的主要用途为轧辊、旋转轴类，而主要材质可使用碳钢、低合金钢、模具钢、高速钢或不锈钢。
在此，首先对实施本发明所用的装置进行说明。
图1以实施本发明用装置的一例为模式表示其正剖面图，在外表面侧，金属圆筒体1的轴向小区间1a被围绕在其周围的加热线圈2感应加热至热处理温度，此加热操作由圆筒体的下端向上端连续推进，与此同时，由设在线圈上的小孔群2aa喷射线圈内的冷却水的冷却装置2a对加热区1a的后端侧邻接区1b进行冷却，此操作跟随上述加热操作自下向上连续推进。即，圆筒体外表面侧的热处理由具备线圈2和喷射冷却装置2a的热处理单元进行。在此，上述线圈2通常使用宽度与被加热的小区间1a的区间宽度相适应的单匝环状线圈。另外，上述的喷射冷却可采用如图1等所示的、通过设定在线圈2全周的小孔群2aa喷射线圈2内的线圈冷却水的方法。也可使用另外配备的专用喷射装置。另一方面，在内表面侧，从配置于圆筒体内侧的环状喷嘴3喷射冷却水以便冷却内表面，此操作正对着上述热处理进行区的内侧部分，并与外表面侧的操作同步协调连续进行，边进行内表面侧的操作边进行圆筒体外表面侧的热处理。在上述线圈2中兼作冷却装置2a的小孔群2aa的设置状态见图5，图5为该部分的放大图。
在此装置中，内表面侧的冷却操作或以略高于上述加热1a的上端(例如高10mm)的位置作为起点，流下的水同时冷却1a和1b两个区，以便抑制由外表面侧的热影响在1a和1b两区引起的内表面侧升温及与之相伴的变形阻力下降，或如图2所示，上述冷却操作也可以1b区的上端附近为起点，主要抑制1b区的升温和变形阻力下降。另外，冷却进行也可于图1和图2所示的适宜位置的中间某个适当位置进行。进而，如图3所示，也可由固定在圆筒体内表面侧上端的环状喷嘴3喷射冷却水，对其下方的所有区域始终进行冷却。
此外，在图1、图2和图3所示的实施例中，是使圆筒体轴线为垂直静止设置而使线圈等向上移动，也可将圆筒体设置于水平方向，在其外表面侧配置水流切断机构，以防冷却水喷至加热区1a。另外，也可使圆筒体旋转，进而，使线圈静止不动，而使圆筒体移动。
作为内表面侧的冷却手段，上述喷射方式具有可通过改变制冷剂的喷射量和温度的方式很容易调整冷却条件的优点。尤其推荐图1和图2中所示的同步协调移动方式，因为它能够对欲冷却部位的冷却条件进行随时调整。作为其它的冷却手段，还可采用如图4所示的方式，即，在设置面板4来止水的圆筒体内部全部注满制冷剂，或在圆筒体与配置于圆筒体内部的内筒之间注满制冷剂，根据需要以替换制冷剂的方式进行冷却，它具有设备简单的优点。作为内表面侧冷却用制冷剂，虽然使用冷却能力大的水最为合适，但进行缓慢冷却时，也可充注其它制冷剂。下面对实施本发明的操作进行说明
图6表示本发明中从圆筒体外表面侧开始进行感应加热的状况，以金属圆筒体的半边侧实壁部分为模式，其中1为金属圆筒体，1c、1d及t分别表示外表面侧、内表面侧和壁厚，δ为被感应线圈2感应而产生的感应电流的透入深度，dH为在圆筒体外表面侧实施淬火等热处理的深度。
在本发明中，如上面所述，在使根据上述(1)式求出的δ为上述dH的1.5-3.5倍条件下，设定通过线圈2的电流频率f。下面将(1)式改写为以下(2)式，以便更容易求出f：f＝25.3×106ρ/μδ2……(2)若以对钢制轧辊外壳施行淬火为实施例，令淬火温度下钢材的ρ、μ分别为10-4Ω·cm和1.0，则(2)式将变成更简单的(3)式：F＝2530/δ2……(3)在此，若求对应于设定淬火深度范围dH＝0.3-0.7cm(3-7mm)的适当频率f，则对应于dH＝0.3cm(3mm)的δ＝0.45-1.05cm，f＝12500-2300Hz；对应于dH＝0.7cm(7mm)的δ＝1.05-2.45cm，f＝2300-420Hz。总之，为驱动实施本发明用的上述热处理装置(参照图1-图4)的感应线圈所需的高频电源装置，最好使用可输出500-10000Hz频率的高频电源装置。此外，也可使用可输出2000-5000Hz的、价格较便宜的高频电源装置。
圆筒体内表面冷却条件(制冷剂种类、流量等)的设定应使内表面欲冷却区的温度被抑制在300℃以下。将上述温度控制在300℃以下的同时进行外表面侧的热处理，可将由热处理引起的圆筒体外径变形控制在外径的0.1％左右，显著降低圆周方向和轴向上变形量的不一致或每次热处理作业中变形量的偏差，从而减少上述热处理后的切削余量，如处理外径为800mm的轧辊外壳时，外径切削余量明显减小至1-2mm的程度。
另外，若在金属圆筒体已预热的状态下对其实施本发明的热处理，可使由热处理引起的外径变形成为扩径变形。将上述预热的圆筒体内表面温度保持在700℃时，可将变形率抑制在不到0.2％的低水平上。
使用图1所示形态的装置和用于比较的图7所示形态的装置，在感应线圈等的相对移动速度为1.5mm/秒，淬火温度为950℃的条件下，对外径800mm，壁厚30mm，长1000mm的中碳钢(JIS G4501/S50C)制圆筒体外表面侧进行设定深度为5mm(0.5cm)的淬火处理。此时，通过感应线圈的高频电流频率f采用表1中记载的各种频率。[表1] No. 摘要 操作条件 所需电力 (KW) 实际淬火深度 (mm) 外径变形 f (Hz) δ dH 圆筒体的预热 (内表面温度℃) 圆筒体内表面的冷却 (内表面温度℃) 变形形态 外径的增减(mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14以往热处理方法 比较例 ″ ″ ″ ″ 7000 4500 1600 830 630 1.2 1.5 2.5 3.5 4.0 - - - - - - - - - - 540 560 580 580 580 4～5 5～6 5～6 5～7 5～7 缩径 ″ ″ ″ ″ -1～-2 -2～-4 -2～-6 -3～-7 -3～-4改良热处理方法 ″ 7000 1.2 无 有(约100) 560 4～5 ″ -0.3～-0.5 本发明 例 ″ ″ ″ ″ ″ ″ 4500 1600 ″ ″ ″ ″ 830 1.5 2.5 ″ ″ ″ ″ 3.5 ″ ″ ″ ″ 有(约500) 有(约650) 无 ″(″) ″(″) 有(约200) 有(约250) 有(约300) 有(约400) 有(约100) 580 600 590 590 560 550 600 5～6 5～6 5～6 5～6 5～6 5～6 5～7 ″ ″ ″ ″扩径～缩径 扩径 缩径 -0.4～-0.6 -0.6～-0.9 -0.7～-1.3 -0.9～-1.4 -0.7～+0.7 ±0～+1.4 -0.8～-1.3 比较例 630 4.0 ″ ″(″) 640 5～7 ″ -0.9～-1.5
由电流频率f决定的感应电流透入深度与设定淬火深度的比率δ/dH、圆筒体的预热和内表面冷却等操作条件、感应加热所需电力、实际淬火深度、外径变形发生状况等的关系，见表1。
表1中的结果显示，在采用改良热处理方法的组(No.6-14)中，淬火时发生的外径变形大小，仅为使用以往热处理方法的组(No.1-5)的1/3以下。详细情况为：δ/dH小于1.5的No.6的淬火深度未达到设定值。另一方面，δ/dH大于3.5的No.14所需电力与使用以往热处理方法时相比，消耗量过大。与此相比，在采用δ/dH＝1.5-3.5范围内的频率f的情况下，实施改良热处理方法的No.7-13的本发明实施例中，未出现淬火深度不够和所需电力过大等上述缺点，而且外径变形也显著降低，由此可明显地看出本发明的效果。
正如上面所述，本发明可在对轧辊等金属圆筒体的外表面侧进行采用连续移动式感应加热和冷却操作的淬火等热处理的同时，对圆筒体内表面进行冷却。此时，由于以能够使感应电流的透入深度为热处理深度设定值dH的1.5-3.5倍范围内的电流频率进行上述感应加热，可将热处理后的外径变形抑制到最小程度。并且，可在将伴随于上述内表面冷却的感应加热所需电力增加的成本抑制到可忽略不计的程度进行设定深度的热处理。
此结果，实际上不增加电力成本，热处理后的外径变形在圆周方向和轴向上的不一致或在每次热处理作业中的偏差显著降低，为使圆筒体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。对于轧辊等的优质廉价要求不断提高，使用本发明便可在实际上不增加成本的情况下，解决对实现上述要求成为障碍的上述热处理中的变形问题，这会为业界带来极大的利益。