〃　中尾善信　　〃　小林俊雄

九州工業大学研究報告（工学）No．32 1976年3月       53

アールミニウム合金の冷却能について （第2報）

（昭和50年10月31日 原稿受理）

金属エ学教室村上信義

  〃 中尾善信   〃 小林俊雄

On the Severity of Quenching for Aluminium Alloys

By Nobuyoshi MURAKAMI

  Yoshinobu NAIζAO   Toshio KOBAYASHI

  In the previous paper， we reported cooling￠urΨes for pure aluminium which were caloulated underΨarious cooling conditions on the basis of the theory of heat conduction， and determined the severity of quenohing for pure aluminium of cylindrical forms．

  In this pap酊， the severity of quenching for aluminium alloys of cylindri臼1 forms was determined underΨarious cooliロg￠oロditions．

  Furthermore， cooling curves for aluminium alloys were calculated under unidireotioロal

  The factors which a伍ected the severity of quenching were also discussed．

       ぴ

アルミ⇒ム合錨塊の凝固時の熱解析や離化処理  自

       配 後の焼入冷却速度の推定などに冷却曲線が利用される。     O

 冷却曲線は熱伝導の微分方程式を解くことにより求め     守

られ，Heislern， Newman2 ，モの他3）w6］により線図と

して示されている。著者らも第1報7 で丸棒および板の   ｛A）Pool cooling SP6cim6n

瓢姦＝㌶蹴三ζ驚：㌫ 写…・1°°一斗≡㌔・

よびスプレー冷却の場合について求め報告した・    自 一 一   3

 本報では，一端冷却による冷却曲線の計算結果を線図

で示すとともに・丁ルミニウム合金の浸漬冷却および純   ｛B）Unidirec†ionol cooling specimen アルミニウムの一端冷却における冷却能の測定結果を報      

図1試料の寸法

告する。

       た白  2 実験装置および方法

      （2）一端冷却試料

 21 試料      一端冷却試料は純アルミニウムを用い，直径30mm

 （1）浸漬冷却試料       の円柱試料を金型により溶製したのち，ジョミニー試験  浸漬冷却試料として純アルミニウム，A1−3影Si，   片を旋削により作製した。測温用熱電対は．試料の中心 Al−12％SiおよびA1−4％C凹合金を金型により溶   軸上で冷却端面より約5mmおよび10mmの位置に 製し，直径 ∫＝40mmおよび20mm，長さ ＝200 mm   鋳くるんだ。

の円柱試料を得た。図1に示すように試料溶製の際，測    なお，熱電対の正確な位置は一辿の冷却曲線を測定後

温用熱電対を試料の中心位置に鋳くるみ応答を良くし   試料を切断し，移動顕微競を用いて測定した。

Pur6 Al o，501 o．23 2．70

0，807 Al−3鳩 ^0，410

^o，663

A｝・4鷲u o，3日5

^O，606

Al一胞騨 O，377

Guide bor

      表1 計算に使用した物性値

      工       Thermo−COUPIe

（3）翻の雛値       ¶    R6c°「de「

表筑各舳試料の熱麟率ω・比熱（・）・齪  巴

（ρ）および温度伝導度ぴ）を示す。アルミニウム合金    呂      Elec†ric fumoco では合金組成による比熱および密度の変化は小さいが，    ロ

熱伝導串の変化はかなり大きい・      Sp，cim。，

 2．2 装置

 図2に実験装置の略図を示す。試料をガイド椿に固定       し，炉中で所定の温度に加熱した。一定時間保持し試料       1 全体が均一な温度になったことを確認したのち，ガイド

樺を下げて試料を迅速に燐置内・・挿入し冷却を行な     c：：1輌酬

・・冷却蝋を測定した・冷却は次の方法を用いた・        J。mhy・P。・↑

 （1）浸漬冷却

 約16「の水を入れた永槽中に円柱試料全体を浸波し

冷却した。試料直径にくらべ長さが大きい（∫／ゴ≧5）     図2実験装置

ため，両端からの冷却は無視し，半径方向から一隷に冷

      eo：T白而P． of Cooling wo廿er、oc 却水を羽根車で擾拝しながら冷却した。この場合，橿拝       el・Temp．。f5P6cim6nd††・。・°c

による水流は試料の長さの方向に向かうようにした。

      †：Time fromcooling sfdrちsec

＿試験とほぼ同じ方法で冷却した。冷却曲線は試料の冷       λ・Th6rmol conduo†M†y・c・9・s・

却端面より5口mおよび・・mmの各齪で測定し ⊥．巡lll：離鵠 c 915

た。ただし，正確な測温位置は冷却曲線測定後試料を切     R 44444κlTh8rmol dlffusiVl†y・c・9・s・

断し，冷却端面から鋳くるまれた熱電対までの距離を移    図3 冷却曲線計算のための儲記号（無阻丸棒）

動顕微鏡にょり測定した。

 浸漬冷却および一端冷却とも，ガイド捧を使用して試   程式の解は①式で示される8，。

：：欝霞き麗讐巖灘‡㌶蕊  ・（需砺一妄［躍畿芸ω

≧㌶▲濃；鑑1二：ぎ議 ・み（長・ξ・1r（一鞠 

開始時間を決定した。冷却曲線は熱電対にCA熱電対   ただし，ξ，は②式の∫番目の根である。

を用い，ピジグラフにより測定記録した。厭．」。（ξ）＝ξ」1（ξ）②

a冷軸線の計算および冷却能の決定   γ一〔・（・，τ）一・・v（・一・・）パ＝・丁肥丑一腿およ       びn＝〃Rとおくと①式は③式のように無次元表示が  3．1 無限円柱の冷却曲線

      できる。

灘巖1霊㌶灘蕊三翌 γ一醐め   ③

ンの脚条件雌って酬されるとき融伝導の齢方 表2に示したエβ ・の耐の齢せ1・ついて数値

55

計算を行ない計算による冷却曲線群を得た。その一部を

      X・κf㎡OI〜09｝x｛1説｝1♂｝

第1報〒｝で報告した。

3．2 一端冷却の冷却曲線

 ジョニー試験片を初め均一な温、度θ1から温度o。の 媒質で一端より冷却する場合1熱伝導の微分方程式の解

は④式で示される・。        表2冷軸齢計算に鯛し端

響旱…・（2〆正ア）＋・・p（〃・＋醐 …・しかしこのように完全一致させることは困難であ        カロ

    …f・（2嘉輌司  ④ 熱伝三鰍の決定1・冷却曲線を朋する船類」

       冷却曲線上の適当な温度区間の温度降下に要する時間を

とおくど④式は⑤式のように無次元表示ができる。    し，ζの計算に使用した値から熱伝達係数が決定されて

  γ＝π工β）   ⑤いる川・）。

Xおよび刀の種々の値の組合せについて数値計算    著：者らは冷却能の決定に次の方法を用いた。その概略 し，一端冷却における冷却曲線の計算を行なった。モの   図を図5に示した。実測冷却曲線を計算曲線と同じ座標

実測した冷却曲線とある冷却能の値を使用して計算し  勾配と等しい勾配をもつ曲線を計算曲線群中より選び出 た曲線とを比校して，全温度域で完全に一致すれば実測   し，この曲線の計算に用いているパラメータBκより温

した冷却曲線に対する冷却能は容易にきめることができ   度比「κにおける冷却能妬を決定した。】㌔を再び

08

生

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▲04

05 02

OI

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OI

kT！xP，■1♂      kTノ菖畠．．1σ●

     図4 計算冷却曲線（一方向冷却）

 Colculd†6d      Exp6rim6n†6d       O・7

Y cu「VGS  Y °u「v6

       0、6

       を        8

         x       x   甲：・・4

      ロ Yk一 謗Oll−Bk−h・・R→hk｛θk） ㍉

      式      図5 冷却能の決定法      」：

       0，2

2．0

  Pur●員」   0501

L8  Al−3％Si o．410   晶L1−4ウ」CuO．385   Al−12％Si o．3丁7 L6

L4

ロ ロるヱ

ご

 LO

0．8

o．6

o．4

o，1

OPure Al

iii講 ・／㌔、；

   11／

   i  魯      ／

     昏 1

       100    200   300   400          Tomp．．・C

図7 アルミニウム合金の熱伝達係数（糧油冷却）

  α21… 。・，．㌃．℃4°°5°° 図7 ま冷却能ωと熱伝導率ωの積，すなわち熱

  図6アルミニウム合金の冷却能（漫沽冷却）  伝達係数（由を求めたものである・これicよるど熱       伝遠係数は試料温度により0．2〜0．6ca1・m−2se・−1℃ 1 試料温度転に換算し，冷却能を試料温度の閏数として   と変化するが材質による差は認められない。

求めた。      酬の焼入れ恥熱伝達係数の測定例力 三蹴山

      口10）らにより示されている。彼らによると熱伝達係曇皇は

4・結  果       0．1〜α3cal￠m−・s。r1・C−1であり本実験の値より小

 4．1 アルミニウム合金円柱試料の浸漬冷却       さい値を示している。これは熱伝達係数決定法の相違も

約20℃の水中に浸描冷却した場合の測定結果である。    冷却能や熱伝達係数は冷却剤の物性値や材料の表面状

横軸は試料中心搬を示している。     態磁く㈱される・とくに冷却剤として水を使用する

額料とも3・0〜35・℃1ご冷却能の最大値をもち， 胎，材料麺で鍵し・成長またはf繊する気泡酵

300〜蹴Cで冷却能が大きいのは、試料醐で最錨 は，材料麺の微細なおう部やモれ1増ずるもの（金犀

しい核繊を生じているためと思われる．水温が2・℃ の編粒界かききず，くぼみ描物）を核として蜘

側ではぷ難が多く局所的には合体気泡碓じ麟騰 が糎られるが・一加熱冷却中｛・麺に生じる酸化皮

の生成状況が不安定であるため測定側のばらつきが多少 大きいようである。300℃より低温側では，沸騰が減少 し対流による冷却に移行するために冷却能の値も急激に 減少する。

合金組成についてみると，A1−12％Siの冷却能が最も 大きく，Al−4％Cu， Al−3％Siと小さくなり，純

アルミニウムが最も小さい値を示している。これは，同

一の冷却剤，冷却方法であっても試料の熱伝導率が小さ

いものほど冷却能は大きくなることを示している。

57

る酸化皮膜が多孔質のものであれば発泡点が増加L逆   。抽

に緻密なものであれば発泡点を越じる。さらにこの皮膜     15 心2nd   声㌔

はもとの麺を覆。て生成するため，鋼しのあれや肛 75 °溺  ㌶  エーへ

時の表面あらさの影響を弱める。       三        h  冷却申のアルミニウム合金とステンレス網（SUS27）     α5

の気泡発生状況を観察すると，焼入温度は500〜550℃

で同一でも・アルミニウム合金の場合の気泡生成は激し

       柏0   200   300   400   500 いがステンレス鋼の場合は気泡生成が極めて少なく短時       TE岬 °°C

間のうちに対流のみの冷却に移行し，冷却速度が小さ      図8 A1−4％Cu合金の冷却能におよ

い。両者の気泡生成量の差異は単に表面あらさなどのマ         ぼす冷却回数の影響

クロ的要因によるものではなく，表面に生成される酸化

皮膜のミクロ的な相違によるものと思われる。      璃  アルミニウム合金の場合，表面に生成される丁ルミナ

系の酸化皮膜は高温の水と反応して水酸化物の皮膜を生     112 成する。ζの皮膜は多孔質であるたあ気泡発生点とな

       1、o る。一方，ステンレス鋼の酸化皮膜はNi， Crなどの

酸化物の皮膜であり，これが巌密であるために気泡発生   5。8

点となり得ず，もともと存在した気泡発生点を覆い減少    ご

させる。       α6  このように，表面に生成される酸化皮膜の気泡発生へ

      q4 の影響が大きいため，得られた冷却能や熱伝達係数はそ

るo

また．アルミニウム合金の場合 表面に生成される水

040mmφ

△・20mrnφ

      ⑳     αロエDも△

  8もo   △邑 i≧o

曄  船、・

               100     200     300     400     500

酸化物の皮膜は加熱冷却の繰返しにより増加し1得られ       TEMP．，・C

る酬能を大きくする傾向1・ある・図8はA』4％C・  図9蜘能におよぼす試料直径の影響

の場合であるが，3〜4回の加熱冷却の繰返しまで冷却      （純アルミニウム泣油冷却）

能が増加し，それ以後の変化ほ少ない。これは3〜4回 の繰返しで試料のほぼ全面に均一に水酸化物の皮膜が生

成されるためと思われる・        一：砺寸。r curren†

冷㌶三灘㌶㌶㌶：漂  P伶Specim8n

 浸漬冷却による冷却能の測定は主として直径40mnl

の円柱試料を用いた。試料直径のちがいが冷却能におよ

貯影響を調べるために直径20mmの円柱試料を用い      lmp6116r

て測定した。その結果を図9に示す。これによると高温 部で多少の差はあるが低温部では良く一致しており，全 体として試料直径の影響は認められなかった。すなわ ち・無次元化した冷却曲線をもとにして冷却能の決定を

行な・糊合・試料雌の酬を酬する・とカ・でき・     Mo↑or

非常に大きいビレットや温度測定不可能な細い線も同じ

紬能をもつものと思われる．熱伝運係数の蛇におい    図10擾拝装置

て㌫山口1。｝は試料中心温度で整理すると試料直径の影

響がないことを示している。      べた。図ユ⑪に示すように，水槽中に羽根車を挿入し，

 また，浸油冷却における冷却水の掩拝効果について調   水流が試料の長手方向に向うようにし挫拝した。その結

1．6

L4

1．2

ε 1．o

二

  q8

o，4

q2

     αユゐ坐△△

    Q口㎞△蝕    ぬムに  

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3

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         マ お じオ リロゆの U川d』lb問L＿＿＿認：1：1：1t：1…儒

  oling  ＿．＿ lrw●r ●d．5．Omm

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   O

      TEMP・．．C

   図11冷却襟。三㌣耀鷲9影響  ％2。。5。。4・。5・・

       T6mp．，4℃

果を図11に示す。これによると・撹1半による冷却効果     図12純アルミニウムの冷却能（一方向冷却）

の増大は全く認められなかった。

 三塚帥によると，冷却水を撹拝することにより冷却効   生じ冷却能を低下させているようである。

果の飛躍的な増大があると述べるとともに，沸騰が激し    鎖線は冷却端面より5mmの位置に試験片の側面よ

く発生気体の撹拝作用が大きいときは強制対流と自然対   り小孔をあけて熱電対を挿入し、その先端を内部で溶接 流の差が小さくなると報告している。       した熱電対により冷却曲線を測定し，これを利用して得  本実験で［魁半効果が認められなかったのは，沸騰の激   られた冷却能である。これによると冷却能の値は，鋳く

しさにくらべ撹拝が弱かったためと思われ，沸騰時の裂   るんだ熱電対によるものより小さく，浸漬冷却とほぼ同 拝はかなり強いものでなければモの効果を期待できない   じである。これは．熱電対の応答性の悪さに起因するも ことを示唆している。       のである。このように熱電対の取付け法の適否は重要な

＿齢却を酷っ端合の酬能の測定結果を図・2 応雛示すとは思われな…継上可能であれば・翻

に示す．実線齢却駈より6．3mmの位置で得られ 作製時に鯛対趨｝くるむ方怯が艶良い応答を示すよ た冷却曲線を利用して測定したものである。       うである。

試料雌と綱能の関係畷齢却の場合と同じ餉  5．結 請

を示しているが，各温度における値が浸漬冷却の約2倍

でかなり大きい．これは＿端冷鋤・ジ。ミニ⇒水によ （・）ニユートンの醐条件縦って一端より冷却され

り行肋れているため酬対流による撹㈱果が強園 る場合の冷醐線を数｛直計算し・綱を作製した・

われたためと思われる。       （2）線図と実肌齢却曲線とを用・ て・アルミニウ 破線齢繊面より・・．8mmの位置酬1温し齢却 蛤金畷齢却および一齢却｝・よる酬］慨決定し

曲線より得られた冷却能である。6・3mmの場合の結果   た。

と顕著な相違は見られず輪却酬よりの菰1温雌の影 （3）浸齢敏よ梯却能1ま試醐度ととも｛こ変化

雛ないようである。       し沖心温度約3・・〜35ぴCで最大畦示す・齢金の

 また，＿端冷却の場合，加熱冷却の繰返しにより冷却   最大値は次の通りであった・

能が結少する傾向を示し，浸潰冷却と逆の結果が得られ     a）純アルミニウム 占＝1．2cm−1

加による気泡発生量の増加は伝熱面上に気泡のたまりを     c）A1−4％Cu  1＝1・6cm−1

  d）A1一工2屠Si 力＝1・7cm−1       545．

 （4）浸波冷却の場合・冷却能（のと熱伝導率（Dの   3）V・Pascbkis、」． W． Hilinka：T珀n． ASME，

積1・より得られ蝋鍵係数（α）は温度により変化す  79（1957）1742・ ．

る儲金噸1・よ磋は脇れない．  4）1㌫1鍵；n鑑J Lune：1吐E 晶Chem・

（5）一齢却による冷鋤E 蝦齢却の場合より大き 5）II． B・chm・nn・T・f・1・・Ob，・AbkUhlun且、，。．．

く，約2倍の値を示した。冷却能の最大値は，』・2．5    gange einfacher k6rper（1938）．

cm−1であうた。      6） 日本鉄鰐臨会編：銅の熱処理（1969）．

       7） 村上，中尾，小林：九州工業大学研究報告（工       学）， No． 29 （1974） 97．

本研究の一部は軽金属奨学会の奨学金により実施した    8） 川下：熱伝導論（1966）．

ので同会に厚く感謝する。      9）三塚：日本蹟瑠協会準35回西山記念技術璃座テキ       スト （1975）P．99．

        参考文献      10）山口・福栄ら：三菱刀t工技報，6（1969）1，P．

      30．

1）M・P・Heisler：Trans・ASME，69（1947）227．   11） 日本機械学会紹：沸騰熱伝連（1968）P．23．

2） A．B． Newman：Ind． End． Chem．，28−5（1936）