CN102460052A - 金属热处理炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属热处理炉，在加热室(10)内配置有加热部(20)，该加热部具备通过在节距可调整自如的线圈中流过高频电流而发热的使用了碳的发热体。在加热室(10)的下方，经由连结部(60)与加热室(10)连通地配置有冷却室(80)，该冷却室用于对被发热体加热后的被加热金属进行冷却。贯通冷却室(80)的底部地配置有水冷升降轴(90)，该水冷升降轴支承被加热金属，并可进入到加热室(10)内。冷却室(80)配置有向冷却室(80)内导入气体的气体导入管(81)，该气体用于对被水冷升降轴(90)支承地从加热室(10)内移动到冷却室(80)内的加热后的被加热金属进行冷却，由此实现能够降低运转成本且能够提高冷却速度的金属热处理炉。

Description

金属热处理炉

技术领域

本发明涉及金属热处理炉。具体而言，提供一种对金属实施在保持了一定时间的高温之后迅速冷却的处理的金属热处理炉，该金属热处理炉能够降低运转成本，并且能够提高冷却速度。

背景技术

例如，在Ni(镍)基超耐热合金中，在表现出γ(伽马：合金基体)和γ’(伽马涂底层：Ni₃Al)匹配排列的组织的情况下，能够最大程度地利用其强度。为了获得带来该最大强度的γ/γ’的匹配组织，需要采用下述热处理方法，即，上升至逼近合金的熔点的温度(1350℃左右)，并且为了达到均质化而保持一定时间(40小时左右)，然后迅速冷却。这种情况下，冷却速度越快越能够保持在高温时形成的精度高的匹配组成，因此合金强度越优异。

因此，以往，作为将合金加热至高温后迅速冷却的装置，采用了电阻发热型气体冷却式真空热处理炉(气体风扇冷却炉)，在图10中表示其结构例来进行说明。在此，图10示意性表示该现有例的结构，是将一部分进行剖面表示的主视图。

在图10中，加热室100形成为密闭的圆罐状，在其内部，多个棒状的电阻发热体111配置成圆栅栏状。这里的电阻发热体111的原材料使用W(钨)或Mo(钼)等。

另外，按照包围多个电阻发热体111的方式，分别配置了三层直径不同的圆筒状的热遮蔽板121～123，并且按照覆盖热遮蔽板121～123的上下开口的方式配置了圆板状的热遮蔽板131～133。这些热遮蔽板121～123、131～133的原材料也使用W或Mo等。

在使用这种结构的热处理炉将合金加热至熔点温度附近时，在由多个电阻发热体111包围的空间的中央部配置被加热合金A，并且使加热室100内为真空。因此，当在各电阻加热体111中流动电流时，各电阻发热体111产生焦耳热，将此作为热源，利用辐射热使被加热合金A上升至熔点附近的温度，并在一定时间内保持该状态。

在经过了一定时间之后，停止向各电阻发热体111通电，并且经由未图示的气体吹入口，向加热室100内供给高纯度的He(氦)气或Ar(氩)气作为冷却气体，将冷却气体吹到被加热合金A上来进行冷却。当供给的冷却气体充满加热室100内时，驱动风扇(未图示)来强制搅拌冷却气体。

这样，在该现有例中，作为电阻发热体111和热遮蔽板121～123、131～133的原材料使用W或Mo等，而且在同一空间内进行被加热合金A的加热和加热后的被加热合金A的冷却。

(现有技术文献)

专利文献

专利文献1：日本特开平7-218144号公报

但是，例如图10所示的现有例虽然作为热处理炉结构简单，却存在如下应解决的课题。即，第一，对于合金强度而言，越反复进行加热和冷却的循环则合金强度越高，但对于作为电阻发热体111和热遮蔽板121～123、131～133的原材料而使用的W或Mo而言，若反复进行加热和冷却的循环则其损耗大，在使用频度高的情况下，大约使用1年左右就需要进行更换。

然而，W和Mo是稀有金属，价格极高。在更换电阻发热体111和热遮蔽板121～123、131～133时，需要热处理炉的价格的50％左右的成本。因此，根据图10所示的现有例，包括使用成为成本主要因素的He气或Ar气作为冷却气体这一点，运转成本变得极高。

第二，在例如图10所示的现有例中，在同一空间内进行被加热合金A的加热和加热后的被加热合金A的冷却。即，在对被加热了一定时间后的被加热合金A进行冷却时，向被加热而成为高温的加热室100内供给冷却气体。因此，基于冷却气体的被加热合金A的冷却速度慢，例如，在从1300℃附近开始冷却时，冷却速度最大为150℃/分，作为冷却速度并不充分。

如上所述，冷却速度越快越能得到优异的合金强度。但是，若在同一空间内进行被加热合金A的加热和加热后的被加热合金A的冷却，则由于冷却速度慢而无法充分发挥被加热合金A的强度。以上所述的应解决的课题例如存在于图10所示的现有例中。

发明内容

本发明为了解决上述课题而实现。为此，在本发明中，加热室内配置有通过在节距可调整自如的线圈中流过高频电流而发热的使用了碳的发热体。在加热室的下方，与加热室连通地配置有用于冷却被发热体加热后的被加热金属的冷却室。贯通冷却室的底部地配置有水冷升降轴，该水冷升降轴对被加热金属进行支承，并能够进入加热室内。向冷却室内供给气体，该气体用于对被水冷升降轴支承地从加热室内移动到冷却室内的加热后的被加热金属进行冷却。在本发明中使用了如上的结构。

即，本发明的金属热处理炉具有以下特征。

[1]<1>金属热处理炉具备：加热室，其用于对被加热金属进行加热，该加热室配置有加热部，该加热部包括被支承为节距可调整自如的线圈、以及通过在所述线圈中流过电流而发热的使用了碳的发热体；

<2>冷却室，其配置在所述加热室的下方，用于冷却被所述加热部加热后的所述被加热金属；

<3>中空的连结部，其用于连结所述加热室和所述冷却室，该连结部配置有对所述加热室和所述冷却室进行分隔的可动的闸门；

<4>第一可动热遮蔽板，其配置在所述加热室内的下部，用于遮蔽来自所述加热室的热：

<5>第二可动热遮蔽板，其配置在所述冷却室内的上部，用于遮蔽对所述闸门施加的来自所述加热后的所述被加热金属的热：和

<6>水冷升降轴，其配置为贯通所述冷却室的底部，用于支承所述被加热金属，并能够进入所述加热室内。

[2]在上述[1]所述的金属热处理炉中，所述冷却室具备：

气体导入管，其用于向所述冷却室内导入气体，该气体用于对被所述水冷升降轴支承地从所述加热室内移动到所述冷却室内的所述加热后的被加热金属进行冷却，该气体导入管在内部配置有加压输送所述气体的风扇；和

气体排出管，其用于将被所述气体导入管导入到所述冷却室内的所述气体从所述冷却室内排出；并且

在所述气体导入管和所述气体排出管中的至少一方的内部，配置有用于与所述气体进行热交换的热交换器。

[3]在上述[1]所述的金属热处理炉中，所述冷却室具备：

在环状的气体供给管上附加设置多个喷嘴而构成的部件，所述气体供给管用于供给对所述加热后的被加热金属进行冷却的气体，所述多个喷嘴用于将经由所述气体供给管供给的所述气体喷出；和

气体排出管，其用于将经由所述喷嘴喷出的所述气体排出。

(发明效果)

根据本发明，由于利用廉价且消耗也极少的碳作为发热体，通过感应加热方式使该发热体发热，并且将加热室和冷却室设为独立的空间，作为冷却气体还可使用低价格的N₂(氮)气，因此，能够显著降低使热处理炉工作时的运转成本。即便使用多年，也几乎不需要除热电偶以外的消耗品的更换。

另外，由于通过对发热体采用碳而能够使最高使用温度达到1700℃以上，并且可根据被加热合金的尺寸、形状等调整感应线圈的节距，因此，能够将均热性即加热空间中的温度分布的均匀性确保在±5℃的范围内。

进而，使加热室和冷却室并非为同一空间，而是形成为独立的空间，使加热后的被加热合金从变为高温的加热室移动到未被加热的冷却室内来进行冷却，结果可获得高的冷却速度，能够实现高强度的合金。因此，在实际应用上本发明所带来的效果极大。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施例的结构并将一部分进行剖面表示的主视图。

图2是将图1所示的加热部的结构放大表示的剖视图。

图3是表示使图1所示的水冷升降轴下降时的情况的结构图。

图4是表示用于支承图3所示的感应线圈的结构的局部立体图。

图5是表示对图5所示的感应线圈进行支承的构成要素的结构的结构图。

图6是用于说明在使图3所示的感应线圈的节距相等时加热部内的温度分布的说明图。

图7是用于说明通过图1所示的金属热处理炉对被加热合金进行加热的状态的说明图。

图8是用于说明通过图1所示的金属热处理炉对被加热合金进行冷却的状态的说明图。

图9是表示用于对加热后的被加热合金进行冷却的其他结构的局部剖视图。

图10是表示现有例的结构并将一部分进行剖面表示的主视图。

具体实施方式

本发明的金属热处理炉在加热室内配置有通过在节距可调整自如的线圈中流过高频电流而发热的碳制的发热体，作为对被加热金属进行加热的部件。在加热室的下方设置有用于对加热后的被加热金属进行冷却的冷却室。加热室和冷却室通过中空的连结部连结，在连接部上设置有用于对加热室和冷却室进行分隔，从而使两者的气氛分离的真空闸阀。在加热室内的下部，配置有用于遮蔽来自加热室的热的可动热遮蔽板，并且在冷却室内的上部，配置有用于遮蔽对真空闸阀施加的来自加热后的被加热金属的热的可动热遮蔽板。对被加热金属进行支承并能够进入加热室内的水冷升降轴，配置为贯通冷却室的底部。冷却室设有：气体导入管，其用于向冷却室内导入冷却用气体，内部具备加压输送气体的风扇；和气体排出管，其用于将导入到冷却室内的气体向外部排出。在气体导入管和气体排出管中的至少一方的内部，配置有用于与气体进行热交换的热交换器。以下，通过实施例进行详细说明。

(实施例)

在图1中表示本发明的一个实施例的结构来进行说明。在此，图1是表示本实施例的金属热处理炉的结构并将一部分进行剖面表示的主视图。

在图1中，本实施例的金属热处理炉，在内部设置有用于对被加热合金进行加热的加热部20的圆罐状的加热室10的下方，按照轴心与加热室10的轴心相同的方式配置有用于对加热后的被加热合金进行冷却的圆罐状的冷却室80，两者经由圆筒状的中空的连结部60连结。

被连结的加热室10的侧壁、底壁和冷却室80的上壁、侧壁、底壁，以及对两者进行连结的连结部60的侧壁分别为双层构造，其空隙部内被供给冷却水。另外，贯通冷却室80的底部、内部流通冷却水且可升降的管状的水冷升降轴90能够进入加热室10内。

在本发明中，上方的加热室10内配置的加热部20采用了感应加热方式，其结构通过放大表示加热部20的图2(剖视图)进行说明。

在图2中，21是原材料使用了高纯度的碳且形成为圆筒状的发热体，其上部开口被同样使用了高纯度的碳的圆板状的发热体22封闭。另外，下部开口如图3所示，通过使用了高纯度的碳的圆板状的发热体23在水冷升降轴90上升时被封闭，该发热体23安装在水冷升降轴90的上端，介于用来支承被加热合金的圆板状的支承台91(原材料为莫来石)与圆板状的隔热件27之间。

在图2中，圆筒状的发热体21的外周壁被圆筒状的隔热件24包围，上部的圆板状的发热体22的上面被圆板状的隔热件26覆盖。下部的圆板状的发热体23(图3)的下面如图3所示被圆板状的隔热件27覆盖。各隔热件24、26、27的原材料在本实施例中使用了碳毡。此外，圆筒状的发热体21被连接设置在圆筒状的隔热件24下方的平面形状为环状的隔热件25支承，该隔热件25被图1中省略了图示的具有4个脚部且平面形状为环状的基座40支承。

包围发热体21的圆筒状的隔热件24，被原材料使用了莫来石的圆筒状的外筒28包围，在外筒28的周围，在外筒28的整个高度方向上配置有感应线圈31。感应线圈31被图1中省略了图示的细板状的线圈支承件32a、32b支承。

图4(局部立体图)表示了通过线圈支承件32a、32b支承感应线圈31用的结构。如图所示，线圈支承件32a中设置有狭缝33，如图5(a)所示，侧面形状为凸字状的可动把手34的轴部36嵌合在狭缝33中且可滑动。可动把手34的轴部36如图5(b)所示，通过焊接而固定在感应线圈31上。

因此，若抓住可动把手34的头部35(图5(a))使可动把手34在上下方向上移动，则感应线圈31移动，因此能够自如地调整其节距。此外，如图5(c)(俯视图)所示，线圈支承件32a～c在外筒28的周方向上等间隔地配置了3个，各自的下端部固定在基座40(图2)上。

在此，若使感应线圈31的节距全部相等，则加热部20内部的空间的温度分布不会达到均匀，无法确保均热性。即，在感应线圈31的节距全部相等时，如图6所示，由虚线的平行斜线表示的中层的部位B温度最高，由单点划线的平行斜线表示的上层的部位A的温度比中层的部位B低，由双点划线的平行斜线表示的部位C的温度比上层的部位A更低。原因在于，关于上层的部位A，是由于外筒28(图2)的上部开口因此热量向上方逸散，并且该上层的部位A靠近常温的大气，关于下层的部位C，是由于靠近内部流通冷却水的水冷升降轴90(图1)。

因此，鉴于感应线圈31的节距越窄加热温度越升高，所以对于中层的部位B，如图2所示，扩大感应线圈31的节距，对于上层的部位A，稍微缩小节距，对于下层的部位C，使节距比部位A所对应的节距更窄。

该感应线圈31的节距的具体设定值根据被加热合金的尺寸、形状等而不同。因此，在设定节距时，预先在使节距全部相等的状态下对被加热合金进行加热，测定加热部20内部的空间的温度分布，从而基于获得的测定值来设定节距。

若这样根据被加热合金的尺寸、形状等设定感应线圈31的节距，则即便是温度控制不易而用途受限的感应加热方式，也能在金属的热处理中充分发挥有效性。

在图1中，在内部设置了具有上述结构的加热部20的加热室10的下端部配置有热遮蔽板50a，该热遮蔽板50a用于遮蔽来自加热室10的放射热，能够在图上的左右方向上移动。另外，在连结加热室10和下方的冷却室80的连结部60的中间的部位设置有真空闸阀70，该真空闸阀70用于分隔加热室10和冷却室80，使两者的气氛分离，并且具备圆板状的可动的闸门71。

另一方面，在冷却室80的上端部还设置有能够在图上的左右方向上移动的热遮蔽板50b。这里的热遮蔽板50b与配置在加热室10的下端部的热遮蔽板50a相配合，用于保护耐热性并不那么高的真空闸阀70。

进而，在冷却室80的侧面部开口地设置有用于向冷却室80内导入冷却用气体的气体导入管81，其内部配置有用于加压输送气体的风扇82和用于对气体进行冷却的热交换器83a。另外，在与该气体导入管81对置的位置的冷却室80的侧面部开口地设置有气体排出管84，用于将导入到冷却室80内的气体向外部排出，在该气体排出管84的内部配置有热交换器83b。导入到冷却室80内的气体循环使用从冷却室80排出的气体。此外，热交换器83a、83b也可以并不是配置于气体导入管81和气体排出管84的双方，而是配置于其中一方。

图7表示了使用如上述那样构成的热处理炉对被加热合金进行加热的状态。在加热被加热合金A时，使水冷升降轴90上升，使在其上端固定的对被加热合金进行支承的支承台91进入到配置在加热室10内的加热部20内部的空间内，并且将被加热合金A搭载到支承台91上。通过取下加热室10的圆板状的上部盖11，来向支承台91搭载被加热合金A。若完成了所需要的作业，则经由在加热室10内开口的未图示的排气口进行排气，使加热室10和冷却室80内成为真空。

然后，使频率例如为1kHz的高频电流流过感应线圈31，将加热部20的内部加热到例如1300℃左右。此时，感应线圈31的节距并不是等间隔，而是被调整为使加热部20内部的温度分布均匀，由此，确保了均热性在±5℃的范围内。

若在该状态下经过了一定时间，则如图8所示使水冷升降轴90下降，使被加热合金A移动到冷却室80内。同时，使各热遮蔽板50a、50b以及真空闸阀70的闸门71分别伸出。

然后，通过风扇82的驱动，将经由气体导入管81的冷却用气体通过热交换器83a送入到冷却室80内，对被加热合金A进行冷却。送入到冷却室80内的气体被配置在气体排出管84的开口部的热交换器83b冷却，在从冷却室80排出后，被循环导入气体导入管81中从而送入到冷却室80内。

在此，冷却用气体并不限于He气或Ar气等惰性气体。在图10所示的现有例中，例如N₂气由于具有损伤原材料为W或Mo的电阻发热体211的危险性所以无法使用。但是，在本发明的热处理炉的冷却室80内，由于不存在那种危险性，所以能够使用廉价的N₂气。

关于这样在冷却室80内进行冷却的被加热合金A的冷却速度，根据本申请发明人进行的实验，在加热温度为1350℃附近时是400℃/分。因此，与图10所示的现有例中的冷却速度最大为150℃/分相比，能够实现极高的冷却速度。

此外，本发明的热处理炉还能够使用在钢铁等金属的热处理中，但在对钢铁等不适合渗碳的金属进行热处理时，可通过对发热体21～23所使用的碳实施SiC(碳化硅)的涂覆来应对。

以上，以将发热体21形成圆筒状、将封闭上下开口的发热体22、23形成为圆板状的结构为例进行了说明。但本发明并不限定于此。此外，例如，在将发热体形成为方筒状、将封闭上下开口的发热体形成为与开口的形状对应的形状的情况下，也能应用本发明。

另外，作为用于对加热后的被加热合金A进行冷却的结构，说明了在冷却室80配置气体导入管81、风扇82、气体排出管84和热交换器83a、83b的情况。但本发明并不限定于此。例如，也可采用如图9(局部剖视图)所示的结构，即，在向冷却室80B内的上部伸出的热遮蔽板50b的下方，配置平面形状为环状的气体供给管85，在其下面，按照分别指向由虚线表示的被加热合金A的方式，以规定角度(例如45°)附加设置按圆锥状喷出冷却用气体的多个喷嘴86，并且设置在冷却室80B内的下部开口的气体排出管87。

进而，说明了向冷却室80内导入冷却用气体的情况，但本发明并不限定于此。根据本申请发明人进行的实验，即便不使用冷却用气体，在加热温度为1300℃附近时，加热后的被加热合金A的冷却速度也在300℃/分以上，能够获得比图10所示的现有例的情形高的冷却速度。因此，即便省略对冷却室80配置的气体导入管81、风扇82、气体排出管84以及各热交换器83a，83b，也能降低运转成本，实现作为本发明的目的的冷却速度的提高化。

此外，图中的符号如下所示。

10加热室

11上部盖

20加热部

21～23发热体

24～27隔热件

28外筒

31感应线圈

32a～32c线圈支承件

33狭缝

34可动把手

35头部

36轴部

40基座

50a、50b  热遮蔽板

60连结部

70真空闸阀

71闸门

80、80B冷却室

81气体导入管

82风扇

83a、83b  热交换器

84气体排出管

85气体供给管

86喷嘴

87气体排出管

90水冷升降轴

91支承台

100加热室

111电阻发热体

121～123、131～133热遮蔽板

A被加热合金

Claims (3)

1.一种金属热处理炉，其特征在于，具备：

加热室，其用于对被加热金属进行加热，该加热室配置有加热部，该加热部包括线圈和发热体，所述线圈被支承为节距可自由调整，所述发热体通过在所述线圈中流过电流而发热且使用了碳；

冷却室，其配置在所述加热室的下方，用于冷却被所述加热部加热后的所述被加热金属；

中空的连结部，其用于连结所述加热室和所述冷却室，该连结部配置有对所述加热室和所述冷却室进行分隔的可动的闸门；

第一可动热遮蔽板，其配置在所述加热室内的下部，用于遮蔽来自所述加热室的热；

第二可动热遮蔽板，其配置在所述冷却室内的上部，用于遮蔽对所述闸门施加的来自所述加热后的所述被加热金属的热；和

水冷升降轴，其配置为贯通所述冷却室的底部，用于支承所述被加热金属，并能够进入所述加热室内。

2.根据权利要求1所述的金属热处理炉，其特征在于，

所述冷却室具备：

气体导入管，其用于向所述冷却室内导入气体，该气体用于对被所述水冷升降轴支承着从所述加热室内移动到所述冷却室内的所述加热后的被加热金属进行冷却，该气体导入管在内部配置有加压输送所述气体的风扇；和

气体排出管，其用于将被所述气体导入管导入到所述冷却室内的所述气体从所述冷却室内排出，并且，

在所述气体导入管和所述气体排出管中的至少一方的内部配置有用于与所述气体进行热交换的热交换器。

3.根据权利要求1所述的金属热处理炉，其特征在于，

所述冷却室具备：

在环状的气体供给管上附加设置多个喷嘴而构成的部件，所述气体供给管用于供给对所述加热后的被加热金属进行冷却的气体，所述多个喷嘴用于将经由所述气体供给管供给的所述气体喷出；和

气体排出管，其用于将经由所述喷嘴喷出的所述气体排出。

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