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株式会社コーレンス: 当稿の全てあるいは一部といえども無断転載・複写を厳禁します

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THE QUENCHING IN MOLTEN SALTS

ON A MODULAR MULTIPURPOSE BELL FURNACE LINE

JEAN-MARIE HERTZOG, CODERE SA

コデレ社熱処理装置技術資料

モジュール式多目的ベル型熱処理装置における溶融ソルト焼入れ（冷却）

コデレ社メタラジスト : Mr. Jean-Marie Hertzog

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ABSTRACT

The quenching in molten salts shows many metallurgic advantages like a low distortion level, a high

temperature working range between 180 and 500°C and a high running safety.

In many minds, it is still associated with the traditional salt bath lines which in spite of their high

working flexibility show unclean working conditions and pollution problems.

In order to overcome to these inconveniences, the company CODERE SA has developed since 30

years modular bell multipurpose installations which allow a clean and easy integration of

quenching tanks of molten salts based on mixtures of nitrites-nitrates or nitrates-nitrates.

The principle of these types of installations is based on a functional separation of the different modules

as well as the direct quenching transfer from the furnace to the quenching tank.

The washing and re-treatment system allow an optimal washing of the parts in conformity to the reject

regulation.

The following report shows also practical examples of applications like martempering after case

hardening or after austenitizing of tool steels, as well as austempering.

KEYWORD

Quenching, molten salt, bell furnace line

概要

ソルト焼入れは「低歪み」、「180℃から 500℃といった広い温度範囲での冷却」並びに「操作上の安

全性」といった点で様々な冶金上の利点があります。しかし、運用上の自由度が高い一方、一般的に

は作業環境の悪さとか環境汚染の問題を抱えた従来の塩浴装置を連想されるのも事実です。

このような不便さを解消するためにコデレ社は 30年以上も前から、亜硝酸塩/硝酸塩（あるいは硝酸

塩/硝酸塩の混合）混合中性ソルトによるクリーンな焼入れ槽を簡便にライン構成できる、モジュラ

ー式のベル型多目的熱処理装置を開発・製造しております。

この熱処理装置の原理は、一連の熱処理工程を機能上、異なるモジュールに分割し、炉を冷却槽まで

直接トランスファーするものです。洗浄並びに後処理モジュールを合目的にライン構成することで、

部品に合わせて洗浄工程まで最適化することも出来ます。

本稿では、表面硬化や工具鋼のオーステナイト化後のマルテンパー処理やオーステンパー処理などの

実用例も示します。

キーワード :

Quenching, molten salt, bell furnace line

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1. General properties of molten salts for the quenching:

1.1 Chemical composition The most currently molten salts used for the staged quenching in the workshops of thermal treatments

are:

- The nitrite of sodium and nitrate of potassium mixtures for the quenching between 160 and 500°C

- The nitrates of sodium and nitrate of potassium mixtures for the quenching between 250 and 550°C

1. 焼入れ時の溶融塩の基本特性

1.1化学成分

熱処理現場で、多段冷却（焼入れ）に使用される溶融塩の主流は、次の通りです。

- 160℃～500℃の焼入れ用:亜硝酸塩ナトリウムと亜硝酸塩カリュウムの混合

- 250℃～550℃の焼入れ用:硝酸塩ナトリウムと亜硝酸塩カリュウムの混合

1.2 Advantages:

- These are entirely mineral substances and therefore they don't present any phenomenon of ageing

until temperatures of 500°C and they also assure a regular behavior in time.

- Having a weak steam tension to heat the phase of calefaction during the operation of quenching is

nearly undetectable on the curves of cooling.

This characteristic assures a homogeneous cooling on the whole work-piece and reduces

considerably the distortions.

- They don't let carbonated dregs on the surface of the parts, they are washable with water without any

additive and therefore facilitate the operations of electro-deposition (polishing, chromium-plating

etc)

- They can be used in a large field of temperatures allowing the martempering or austempering

quenching for construction steels or tools.

1.2 利点

- これらは、全て鉱物であるため、500℃まで劣化現象を起こしませんので、この間、安定した挙動

が得られます。

- 蒸気張力が弱いため、冷却中に熱害的な悪影響が冷却線上で出現することは殆どありません。

こうした特性が、部品全体の均一な冷却を保証し、歪み（部品の変形）を大幅に低減します。

- 部品表面に炭酸塩系の付着カスを生じる事はなく、部品は無添加の水で洗浄可能ですので、電着

工程を容易にします。（研磨、クロムめっき等）

- 構造用鋼や工具鋼のマルテンパーまたはオーステンパー処理用に広範囲の温度で使用できます。

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2. Usage precautions:

- The quenching baths must be proportioned in volume and must be equipped with circulation system

to avoid the local overheating.

Indeed over 500°C, the nitrites decompose themselves in a violent way in nitrates.

- It is necessary to avoid or to reduce any source of pollution from carbonated species that forms

carbonates as mud and thus modifies the behavior of the quenching environment.

The pollution by the chlorides must also be avoided.

Remarks:

Too often the baths of molten salt for the staged quenching are badly assimilated to the open

baths of salt composed either of cyanides for carburizing, either of mixtures of chlorides for the

austenitizing in neutral environment of steels.

Of this historic they transmit an image of toxicity, pollution and conditions of unsanitary work.

2. 使用上の前提条件:

- 焼入れ槽は冷却に見合った容積が必要で、また局部的な過熱オーバーヒートを避けるため、撹拌

（対流）装置を装備する必要があります。

500℃以上では、亜硝酸化合物は、激しく硝酸塩に分解します。

- 泥状の炭酸塩類の発生により冷却能に影響を与えることの無いように、炭酸塩系成分による汚染

の原因となる全ての原因を低減あるいは、排除する必要があります。

塩化物の混入も同様に避ける必要があります。

備考:

多段焼入れ用の溶融ソルト槽は、浸炭用のシアン、又はオーステナイト処理用の混合塩化物を使

用したオープンタイプの塩浴槽と同一視されることが極めて多い。こうした歴史的な背景が、ソルト

は有害、環境汚染あるいは非衛生的な作業を連想させますが、当社が使用するソルトは中性ソルトで

あり、無害です。

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3. Implementation of the salt quenching on a batch type furnace line under controlled

atmosphere:

3.1 Technical constraints:

The use of the quenching to the nitrites-nitrates salts on furnaces with controlled atmosphere often

requires a functional separation between the gas of treatment often composed of a gas mixture with

strong content in CO (therefore reducer) and the quenching environment (strong oxidizer) to avoid the

formation of carbonates.

According to this constraint, the installations must be equipped:

- either with intermediate sieves

- either with a system of load transfer with air passage

For 30 years CODERE SA has been constructing and developing modular bell type facilities for

heat treatments under controlled atmosphere permitting simultaneously:

- a separation of the atmosphere of treatment and the quenching environment

- a transfer of the load directly from the furnace towards the quenching bath without air passage.

3.雰囲気制御式のバッチ炉でのソルト焼入れの実施

3.1 技術的な制約について:

雰囲気制御式のバッチ炉に亜硝酸―硝酸塩混合の冷却方法を採用する場合、炭酸根の形成を避けよ

うとすれば、「高濃度 CO (還元系成分) を伴うプロセスガス」と「焼入れ帯 (強酸化系)」を機能上分

離する必要があります。しかし、従来の一体型バッチ炉でこうした機能上の分離を実現しようとすれ

ば、以下の方法しかなく、実際は不可能です:

- フィルター機能を有する間仕切りの使用

- 大気中移動を組み込んだ搬送システム

こうした命題の下、30年以上に亘り、コデレ社は、雰囲気制御式モジュラータイプのベル型熱処理装

置を開発・製造してきました。この装置の特徴は次の通りです:

- 熱処理雰囲気と焼入れ環境を分離できる

- プロセスガスをパージすることなく、ワークを炉から焼入れ槽へ直接搬送できる

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3.2 Principle of the functional separation between the treatments furnaces and the quenching

baths:

The basic installation is constructed in 1 line of 2 levels:

- on the top level, a mobile furnace,

- on the low level, a stationary quenching bath.

A frontal manipulator assures the furnace’s operations of loading and unloading.

According to the customer's needs, the installation may be equipped with:

- 1 or more furnaces;

- 1 or more baths;

- The necessary peripheral facilities such as stations of washing, furnaces for tempering, furnaces for

preheating etc.

The modularity of the system allows at all time a comfortable extension of the line.

These facilities are available in different sizes, starting from 50 kg gross weight until 1000 kg.

3.2炉（加熱炉）と焼入れ槽の機能分離の原理

コデレ社の基本的な装置は二段分けした一列構造である

- 上段:可動式の加熱炉を設置します

- 下段:固定式焼入れ槽を設置します

熱処理装置の前面側の搬送装置（マニピュレータ）で、ワークの投入（ローディング）及び取り出し

（アンローディング）を行います。

お客様のニーズにより、上述の標準的な熱処理ラインに以下のモジュールを追加出来ます；

- 1 ~ 複数基の炉

- 1 ~ 複数基の冷却槽

- 洗浄機、焼戻し炉、予熱炉などの必要な周辺機器

当熱処理装置はモジュール化されているため、何時でも必要に応じて装置を拡張できます。

当熱処理装置は、サイズが豊富で、バッチ当たり処理量 50kg~1000kg（冶具込み重量）に対応出

来ます。

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バッチタイプ炉工程管理された雰囲気下でのモジュラー設備

ワークのメカニカル・ロック不要

型式:

M-MM-MMM

型式:

LA2

型式:

CR6-CRG6

型式:

N2BP-N2HP

型式:

CH8-C10-C11

型式:

E-H1-H2-S4

型式:

CH8-C10-C11

マニピュレータアルカリ洗浄機炉冷却槽炉冷却槽炉

手動 1-2槽 / 2-3槽雰囲気ガス有・無窒素、エアー予熱、アニール水、ポリマー予熱、アニール

モーター駆動スプレー予熱、テンパー 1~5バールオーステナイトオイル max.100℃ オーステナイト

全自動浸積アニール、窒化浸炭、浸炭窒化オイル max.200℃ 浸炭、浸炭窒化

乾燥 (真空) 軟窒化窒化、軟窒化ソルト max.450℃ 窒化、軟窒化

650~850℃ 酸窒化酸窒化

冷却有・無 1050~1150℃ 1050~1150℃

図 1

モジュラー式ベル型熱処理ライン構成の図解による例

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3.3 Description of the heat treatment furnace:

The furnace consists of the following elements:

- an insulated body frame

- a radial heating divided in independent heating zones to assure a

thermal homogeneity of + / - 5°C in the whole load.

- a bell made of refractory steel equipped with a superior plug and a system of

forced convection of gases.

- a lift in the low part equipped with a plug permitting the introduction of the load and

the thermal and chemical insulation during the treatment of the load.

- the set of gases distribution necessary to different treatments;

- temperatures and atmospheres sensors necessary to the piloting of

different parameters of treatment.

- a system for the transfer of the loads towards the quenching baths.

3.3加熱炉の詳細

加熱炉の構成は以下の通りです。

- 断熱ボディフレーム

- 輻射ヒーター : ワーク全域で+/－5℃の温度均一性を保証するために、分割独立制御

の加熱ゾーンによる輻射加熱

- 耐熱鋼製のベル : 高性能なプラグ及びガスの強制対流システム付

- リフト : 加熱炉にワークを投入する役目と、ワークの処理中の熱処理雰囲気

維持の役目を合わせ持ちます

- ガスパネル : 様々な熱処理に必要なガスを供給します

- 各種センサー : 様々な熱処理のパラメータ操作に必要な温度・雰囲気センサー

- ワーク搬送メカニズム : ワークを焼入れ槽へトランスファーさせます

図 2:

高温炉の詳細図

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The following heat-treatments under controlled atmosphere are possible:

-Neutral austenitizing

-Carburizing

-Carbonitriding

The bell allows a very fast conditioning of the atmospheres

雰囲気を制御することで、同じ加熱炉で以下の熱処理が可能です:

- ニュートラル・オーステナイジング（中性オーステナイト化）

- 浸炭

- 浸炭窒化

メタルマッフルのため雰囲気を迅速に調整できます。

3.4 Description of the quenching bath: The quenching bath consists of a insulated tank in steel.

It is equipped with the following elements:

- a lift for the loading and unloading operations;

- a system of heating by immersed heating elements;

- a set of cooling with forced air;

- a cover to assure the thermal tightness;

- a circulation system with adjustable flow to assure the thermal homogeneity of the

bath and a efficient cooling of the load.

3.4 焼入れ槽の詳細:

焼入れ槽は、鋼製の二重構造の断熱タンクで構成されます。

以下の機器で構成されます。

－リフト: ワークをソルト槽に自動的に下降、上昇させます

－ヒーター: 浸漬型のヒーターエレメントによる加熱システム

－ブロー冷却: 空気吹き込み式冷却機構(塩浴の間接冷却)

－カバー: 焼入れ時以外はソルト槽の開口部を閉じて、ソルト面からの放熱を防ぎます

－対流・撹拌装置: 塩浴槽の温度の均一性と効率的なワークの冷却を図るための流量制御可能な循

環システム

The content of the bath has been defined in order to respect a minimal report of 10 between the weight

of the quenching liquid and the weight of the maxi load.

槽の容積は、冷却媒体の重量がワークの最大重量（冶具込み）に対して最低でも 10倍になるように

設計されます。

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In any case, the raise of temperature after the quenching of a maxi load is limited to 10°C.

いかなる場合でも、最大重量のワークを焼入れしても、ソルト温度の上昇は、10℃を超える事はあり

ません。

図 3:

焼き入れタンクの詳細図

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3.5 Description of the transfer furnace / bath:

On the occasion of the quenching transfer, the plug of the furnace on which rests the load descends to

the level of the sliding table.

Then the furnace gets in transfer while pushing the load on the elevator of the quenching bath.

Once the load put on the elevator, this latter descends to immerse the load in the quenching fluid.

The furnace comes back to its position of origin for the loading in the furnace of the next load.

During the transfer, no heat loss and oxidation are occurred on the load.

3.5 トランスファーの詳細、可動式炉と焼入れ槽の詳細

炉が焼入れのために移動する際、先ず炉のプラグが少し下がり、プラグ上のワークは、炉のスライ

ドテーブルと同じレベルになります。

その後、炉内のワークを押しながら炉は焼入れ槽のリフト上まで自走します。炉が焼入れ槽のリフト

に完全に乗った時、リフトが下がりワークは焼入れ媒体中に引き込まれます。

ワークが完全に冷却槽に入った後、炉は、原点位置に戻り、次の新規ワークの受け入れ準備に入りま

す。このトランスファー動作中、熱処理品質に悪影響を及ぼすヒートロス並びに酸化は、ワークに生

じることはありません。

図 4:

焼き入れトランスファーの詳細図

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3.6 Washing of the pieces after salt quenching:

The nitrite-nitrate salts are entirely soluble in water.

The washing of the work-pieces is made by simple aspersion or immersion in water without additives.

It can be used the technique of the inverse cascade to decrease the volume of washing water for

reprocess and to maintain the bath of rinsing to a weak concentration of salt.

According to the degree of maintaining of quenching salt on the loads to wash and the frequency of

quenching, one can use 2 or 3 baths built up in inverse cascade.

3.6 ソルト焼入れ後のワーク洗浄

亜硝酸―硝酸塩の混合ソルトは、完全水溶性です。

従って、ワークは、添加物を含まない水の散水または浸漬で洗浄することが出来ます。

コデレ社の洗浄機は、洗浄水の再利用を意図して洗浄水の絶対量を少なくするため、又洗浄機のリン

シング槽のソルト濃度を低くするために逆カスケード技法を採用しております。

焼入れの頻度あるいは、洗浄するワークに残っているソルトの割合に応じて、コデレ社では二槽式あ

るいは三槽式の逆カスケード洗浄機を用意しております。

図 5:

ソルト洗浄機の詳細図

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3.7 Reprocessing of the washing waters

The washing water may be retreated by simple evaporation to the air pressure or under-pressure.

The salt recovered may be fully reused.

The principle of the washing water recycling system is described below:

3.7 洗浄水の再利用

洗浄水は蒸発させたり、負圧にすることで回収再利用します。

回収されたソルトは、再利用出来ます。

洗浄水のリサイクル・システムの原理は、以下の図の通りです。

図 6:

洗浄水のリサイクル・システムの原理

ソルト水蒸発器

回収されたソルト

container

ソルトタンクへ

逆カスケードで結ばれた洗浄

タンク

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3.8 Particularities:

- In the case of work-pieces of complex geometry or strong section, the risk of crack exists when

washing is followed directly after the quenching.

In the case of salt quenching, the temperature of the quenching environment allows to make a

tempering application between quenching and washing.

- The nitrite-nitrate salts are strongly hygroscopic.

This property is used to increase the drasticity of the quenching environment by addition of water.

3.8 特殊性

- 複雑な形状または肉厚差の大きいワークの場合、焼入れ直後に洗浄すると、クラック発生のリス

クがあります。

ソルト焼入れの場合、焼入れ温度が高いので、焼入れ工程と洗浄工程の間に、焼戻し工程を入れ

る事も出来ます。

- 亜鉛硝酸―硝酸塩の混合ソルトは、強力な吸湿性があります。

この特性を利用して、水を添加することによって極めて高い冷却能を得る事ができます。

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Time in seconds

Tem

pera

ture

in

°C

Without water addition

With 0.5% water addition

図 7:

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4. Examples of practical applications:

4.1 Martempering after carburizing or carbonitriding

-Parts: retainer rings (outer dia. 85 mm – wall thickness 0.40 mm)

-Steel grade:

Requirements:

-Case depth: 0.05 – 0.10 mm

-Flatness error: < 0.10 mm

4. 実用例

4.1浸炭/浸炭窒化後のマルテンパー

- 部品:リテーナ・リング (外径: 85mm, 板厚: 0.4mm)

- 鋼種:（非合金鋼）

要求熱処理仕様:

-ケース深さ:0.05-0.10mm

-平坦度誤差:<0.01mm

図.8:

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4.2 Austempering of bearings:

-Parts: outer rings (outer dia. 100 mm – height 15 mm)

-Steel grade: 100Cr6

Requirements

-Required hardness: 61-63 HRC

-Required oval error: < 0.10 mm

4.2 ベアリングのオーステンパー処理

- 部品:アウター・リング（外径 100ｍｍ高さ 15ｍｍ）

- 鋼種:100Cr6


-硬度:61-63HRC

-真円度誤差:<0.10mm

図.9:

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4.3 Austempering of fasteners:

-Parts: snapping rings

-Steel grade: CK75

Requirements:

-Hardness: 47-51 HRC

-Distortion: flatness error < ½ of the ring thickness

4.3ファスナーのオーステンパー処理

- 部品:スナップ・リング

- 鋼種:CK75


-硬度:47-51HRC

-歪み:平坦度誤差＜リング厚さの 1/2

図 10:

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