JP2004067478A - 熱処理炉用トレ− - Google Patents

Abstract

【課題】油焼き入れ熱処理炉においても、充分に使用が可能な炭素繊維強化炭素製トレ−を提供する。
【課題解決の手段】シリコン含浸炭素繊維強化炭素材からなる油焼き入れ熱処理炉用トレ−。
また上記のシリコン含浸炭素繊維強化炭素材において、シリコンの含浸量が５〜７５％であり、シリコン含浸後の開気孔率が１０％以下であること。

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、金属熱処理炉、特に油焼き入れ熱処理炉に用いるトレ−に関し、
Ｓｉ（シリコン）を含浸した炭素繊維強化炭素材を用いた高温強度や不浸透性に優れたトレ−に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属やセラミックス等の各種の材料を熱処理する高温炉においては、被熱処理材を載置するトレ−（棚）が必要である。
【０００３】
従来、このトレ−として多く用いられていたのは金属製トレ−である。
しかし金属製トレ−には次のような欠点がある。
【０００４】
熱処理炉では８００℃以上の高温での熱処理を行うが、金属製トレ−は、高温強度が不十分なために、使用中に変形や亀裂が発生し易く、寿命が短い。
【０００５】
また重量が重いため、熱容量が大きくなり、操炉の消費電力も多くなる。
【０００６】
上記のような金属製トレ−の欠点を解消したものとして炭素繊維強化炭素材
（以下Ｃ／Ｃと呼ぶ）製のトレ−が注目され、使用され始めている。
例えば、実用新案登録公報第２５２６１６０号公報には、複数のＣ／Ｃ製の板材からなる真空熱処理炉用段積みトレ−が記載されている。
【０００７】
Ｃ／Ｃ製トレ−は金属製トレ−に比べて高温強度や耐熱衝撃性が高いため、高温熱処理においても、変形や亀裂の発生が少ない。
また、高温強度が高く軽量設計が可能なため熱容量を小さく抑えられ、操炉の消費電力が少ないメリットもある。
【０００８】
上記のように、Ｃ／Ｃは熱処理炉用トレ−用途に優れた材料であるが、材料中に気孔を多く含む多孔性材料のため、次のような問題点もある。
【０００９】
真空熱処理炉を用いて油焼き入れ熱処理をする場合、熱処理後に被熱処理物をトレ−とともに油に浸漬させて急冷させる。
この時にＣ／Ｃの気孔内に油が浸透して残留すると、トレ−を次回使用する際に真空度が上がらなくなる。
また洗浄工程の溶剤がＣ／Ｃの気孔に浸透して同様な支障をきたすこともあ
る。
さらに真空熱処理炉だけではなく、大気圧熱処理炉においても、油が残留すると熱処理中に油が分解し、被処理物の変色などの悪影響を及ぼすことがある。
【００１０】
このような問題点からＣ／Ｃの高温強度や軽量性などの優れた特性を生かしつつ、多孔性材料としての欠点を解消したトレ−を得ることが技術的課題となっている。
【００１１】
【発明の課題】
上記のような要求に応えるために、本発明者は従来のＣ／Ｃの優れた特性を生かしつつ、多孔性材料としての欠点を解消し、油焼き入れ炉でも、十分使用できるＣ／Ｃ製トレ−を提供する。
【００１２】
【課題解決の手段】
上記のような課題を解決するために、本発明者は鋭意検討した結果、シリコンを含浸したＣ／Ｃが油焼き入れ炉のトレ−として有効な材料であることを見出
し、本発明を完成した。
【００１３】
即ち、本発明者が提案するのは、シリコン含浸炭素繊維強化炭素材料からなる油焼き入れ熱処理炉用トレ−である。
【００１４】
以下に本発明の構成要件について、さらに詳細に説明する。
【００１５】
本発明において基材として用いるＣ／Ｃは、特に限定されない。
炭素繊維は、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系いずれも使用可能である。
【００１６】
上記のＣ／Ｃの気孔中にＳｉ（シリコン）を含浸させて、不浸透性に優れた材料とする。
【００１７】
本発明では、特に油焼き入れ熱処理炉トレ−の用途としての効果を検討した結果、シリコンの含浸量と、含浸後の気孔率について、好ましい範囲があることを見出した。
油の浸透の防止のためには、シリコンを必ずしもＣ／Ｃ内部全体に含浸する必要はなく、表面に近い部分のみでも足りる。
【００１８】
シリコンの含浸量は、５〜７５％が好ましい。
７５％を超えるとシリコンと炭素繊維の反応が顕著となり材料強度が低くなり、また５％未満では気孔が多数残り、シリコン含浸の効果がでない不都合が生じ、いずれも好ましくない。
なお、シリコン含浸量は次の計算式で求める。
（シリコン含浸重量）／（基材Ｃ／Ｃ重量）
【００１９】
また含浸後の開気孔率は１０％以下が好ましい。
１０％を超えると油が気孔に浸透し、本発明の効果がでないため好ましくない。
【００２０】
本発明におけるシリコンの含浸方法は限定されないが、一般的な製法でＣ／Ｃを製作し、その後シリコンを含浸すればよい。
例えば、ＰＡＮ系又はピッチ系の炭素繊維に樹脂を加え、緻密化のためのピッ
チ含浸、焼成を繰り返して得たＣ／Ｃをシリコン粉末が充填されたセラミックスるつぼに載置する。
そしてこのセラミックスるつぼを焼成炉等において、真空中または不活性ガス雰囲気中でシリコンの融点である１４２０℃以上で加熱処理することにより溶融シリコンがＣ／Ｃの気孔に浸透し、シリコンを含浸したＣ／Ｃが得られる。
また、出願人が先に出願した特願２００１−３６０３０８号の方法も有効である。
【００２１】
この方法を適用すると、まずトレ−形状に加工した炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと言う）を得る。
このＣＦＲＰにシリコン粒を乗せて加熱するとＣＦＲＰがＣ／Ｃ化されシリコン含浸Ｃ／Ｃが得られる。
【００２２】
あるいは、シリコンとＣＦＲＰを炭素繊維のよりひもやクロスで連絡しておき、
毛細管現象を利用して、よりひもやクロスを介してシリコンを浸透させる方法でもよい。
【００２３】
含浸の熱処理条件は、シリコンの融点である１４２０℃以上で行い、雰囲気は真空中が一般的である。
【００２４】
上記のようにして本発明のシリコン含浸炭素繊維強化炭素材製トレ−が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によると、従来のＣ／Ｃの高温強度や軽量性などの優れた特性を生かしながら、多孔質材料としての欠点を解消し、不浸透性に優れた熱処理炉用トレ−が得られる。
本トレ−は、各種ガス雰囲気炉に適用可能であり、トレ−に焼入油の浸透がなく、被処理物の変色などの支障をきたすことがない。
特に油焼き入れ真空炉で使用した場合、油がＣ／Ｃの気孔中に浸透することを防止できるので、真空度を上げることができ、支障なく操炉が可能である。
洗浄工程における溶剤の浸透も防止できるので、同様に操炉の問題を解消できる。
【００２６】
【実施例および比較例】
【実施例１】
ＰＡＮ系炭素繊維を使用し、フェノ−ル樹脂を添加し、緻密化のためピッチ含
浸、焼成を４回繰り返すことで、かさ密度１．６３ｇ／ｃｍ^３のＣ／Ｃを得た。このＣ／Ｃにシリコンを１６００℃で含浸して、シリコン含浸量１５．８％、かさ密度１．８４ｇ／ｃｍ^３、開気孔率１．８％のＣ／Ｃを得て、トレ−形状に加工した。
このトレ−を用いて、油焼き入れ真空熱処理炉において、真空中で８５０℃で熱処理後、油中に投入して油焼き入れ処理を行った。
この後、溶剤にてトレ−を洗浄後、同様の操作を約５００回繰り返し行ったが、
トレ−の変形や亀裂は発生せず、また操炉において炉内真空度０．１Ｔｏｒｒ以下
を維持でき、真空度が悪化する等の不具合も生じなかった。
【００２７】
【実施例２】
実施例１と同様にして得たシリコン含浸したＣ／Ｃ製トレ−を用いて、大気圧熱処理炉にて、８５０℃で、熱処理後、油中に投入して油焼き入れ処理を行った。
この後、溶剤にてトレ−を洗浄後、同様の操作を約２００回繰り返し行ったが、
トレ−の変形や亀裂は発生せず、また被処理物が変色する等の不具合も生じなかった。
【００２８】
【実施例３】
ＰＡＮ系炭素繊維を使用し、フェノ−ル樹脂、コ−クスを添加し、ＣＦＲＰを
得て真空炉用トレ−形状に加工した。
このＣＦＲＰとるつぼに充填したシリコン粒を炭素繊維クロスを用いてつな
ぎ、真空中１６００℃で加熱処理し、シリコン粒を毛細管現象を利用してＣＦＲＰに含浸して、同持にＣＦＲＰをＣ／Ｃ化して、シリコン含浸Ｃ／Ｃ製トレ−を得た。
シリコン含浸後のＣ／Ｃのシリコン含浸量は４６％、かさ密度は２．０５ｇ／ｃｍ^３、開気孔率は２．２％であった。
このトレ−を用いて、実施例１と同様に油焼き入れ真空熱処理炉において、真空中、８５０℃で油焼き入れ処理を行った。
約３００回処理を行ったが、やはりトレ−の変形や亀裂は発生せず、また操炉に於ける不具合も生じなかった。
【００２９】
【比較例１】
実施例１と同様にして得たＣ／Ｃにシリコンを含浸せずにトレ−形状に加工
し、Ｃ／Ｃ製トレ−を得た。
Ｃ／Ｃのかさ密度は１．６３ｇ／ｃｍ^３、開気孔率は１０．７％であった。
このトレ−を用いて実施例１と同様の油焼き入れ熱処理炉で処理を行ったが、油や洗浄工程の溶剤がＣ／Ｃの気孔に浸透し残存したため、炉内真空度が４Ｔｏｒｒまでしか到達せず、トレ−を再使用して運転することはできなかった。

Claims (3)

1. シリコン含浸炭素繊維強化炭素材からなる油焼き入れ熱処理炉用トレ−。
2. 請求項１においてシリコンの炭素繊維強化炭素材に対する含浸量が５〜７５％である炭素繊維強化炭素材からなる油焼き入れ熱処理炉用トレ
   −。
3. 請求項１においてシリコン含浸後の開気孔率が１０％以下であるシリコン含浸炭素繊維炭素材料からなる油焼き入れ熱処理炉用トレ−。