JP2004309125A

JP2004309125A - 回転式熱処理炉

Info

Publication number: JP2004309125A
Application number: JP2004088955A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Sakai; 崇之酒井
Original assignee: Asahi Tec Corp
Current assignee: Asahi Tec Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】従来より熱エネルギーロスを低減し熱を有効利用出来るとともに、熱処理の質向上が図られた熱処理炉を提供すること。
【解決手段】炉体３９内に粉粒体が充填され、その粉粒体が熱風管から吹き出される熱風により熱せられ流動して流動層１３が形成され、ワークピース搬送手段により金属からなるワークピース１１が、その流動層中で回転し熱処理され得る回転式熱処理炉３である。この回転式熱処理炉３は、熱風管が、その各々に複数の分散管３５を備える複数のヘッダー管３４を有し、複数のヘッダー管３４は、個々に分割リング状を呈し全体で一のリングを構成し、複数の分散管３５が、熱風を吹き出す多数のノズル又は小孔を有し概ね細長筒状を呈するとともに、ヘッダー管３４の側面から、その一のリングの中心へ向けて水平方向に配置されることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属の熱処理に用いる熱処理炉に関する。より詳細には、金属製品、例えばアルミニウム合金からなる車両用ホイールの機械的強度向上のために行う熱処理に好適に使用される回転式の熱処理炉に関する。

一般に、析出硬化型合金においては、熱処理し金属内部の金属組織構造を変化させることによって、機械的性質を向上させ得ることが知られている。例えば、アルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）系合金に少量のマグネシウム（Ｍｇ）を添加した鋳造用合金として、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ４Ｄ等が知られるが、これらの合金は、熱処理によりＭｇ₂Ｓｉの中間相を析出させ強度を高めているものである。その他、銅（Ｃｕ）を添加したＡｌ合金に熱処理を施し、Ｃｕの固溶硬化、Ａｌ₂Ｃｕの中間相による析出硬化、あるいは、Ａｌ合金にＭｇと亜鉛（Ｚｎ）を添加して熱処理を施し、ＭｇＺｎ₂を析出させる（超々ジュラルミン）等により機械的性質を向上させることが出来る。

上記に例示した手段は、他元素の添加とそれによる中間相の時効析出によって実現されるものであり、時効析出のための熱処理は、溶体化処理及び時効処理から構成される。溶体化処理は、凝固時に晶出した非平衡相を高温で固溶化させ、その後水冷することによって常温で組成が均一な固溶体を得る熱処理である。溶体化処理に引き続く時効処理は、比較的低い温度で保持することによって、中間析出相による析出硬化を起こさせるものである。これらの熱処理により、上記の如く、例えばＡｌ合金の機械的性質の向上を図ることが出来る。

従来、このような溶体化処理及び時効処理には、空気を熱媒体としたトンネル炉等の雰囲気炉が用いられている。しかしながら、雰囲気炉は、溶体化温度までの昇温速度が遅く昇温に時間がかかり、又、処理装置が大型となる上に、運転操作が煩雑で人手が多くかかり、更には、昇温及び温度保持のために熱エネルギーを多量に必要とするという問題があった。そこで、本出願人は、これら従来の雰囲気炉の問題点を解決するべく新たな熱処理炉を開発し、特許文献１に開示した。
特開２００２−５４８８０号公報

本発明は、既に特許文献１に開示された回転式熱処理炉にかかる技術的思想を基にして、新たに高度な創作が加えられたものである。コンパクト化、省スペース化、熱エネルギーロスの低減、運転の全自動化等の目的は、特許文献１に示す回転式熱処理炉で一定レベルの達成がなされているが、このうち特に熱エネルギーロスの低減を含む熱の有効利用という観点、及び、熱処理の質向上の観点、から更なる改善が望まれていた。本発明は、この要望に対応すべくなされたものであり、具体的には以下に示す手段である。

即ち、本発明によれば、炉体内に粉粒体が充填され、粉粒体が炉体内に備わる熱風管から吹き出される熱風により熱せられ流動して流動層が形成され、金属からなるワークピースが流動層中で回転し熱処理される炉であって、熱風管は、その各々に複数の分散管を備える複数のヘッダー管を有し、複数のヘッダー管は、個々に分割リング状を呈し全体で一のリングを構成し、複数の分散管が、熱風を吹き出す多数のノズル又は小孔を有するとともに、概ね細長筒状を呈し、ヘッダー管の側面から一のリングの中心へ向けて水平方向に配置される回転式熱処理炉が提供される。

本発明の回転式熱処理炉においては、ヘッダー管の数は２以上であることが好ましく、分散管の数はヘッダー管毎に５以上であることが好ましい。又、分散管の径が１５０Ａ（ｍｍ）以下であることが好ましく、分散管が有する多数のノズル又は小孔の開口ピッチが分散管のヘッダー管の側面側から一のリングの中心側に向けて、徐々に大きく又は小さくなることが好ましい。

本発明においては、ワークピースを炉体内へ入れ炉体外へ取り出すワークピース搬入出手段を備え、ワークピース搬入出手段が、炉体内と炉体外との間に設けられる副室と、炉体内の流動層中と副室との間でワークピースが載置されたワークピース固定用ジグを移動させる搬送装置と、副室のワークピース固定用ジグと炉体外の所定の場所との間でワークピースを移動させる搬入出装置と、を有することが好ましい。副室のワークピース固定用ジグとは副室に移動してきたワークピース固定用ジグの意味であり、ワークピース固定用ジグは副室に固定されているわけではない。副室は、炉体内と遮断可能に設けられ、且つ、炉体外と遮断可能に設けられることが好ましい。又、上記搬入出装置は、ワークピースを把持し反転させる機能を有することが好ましい。更に、上記ワークピース固定用ジグが、複数のワークピースを載置可能であることが好ましい。

本発明においては、ワークピースを流動層中で回転させるワークピース搬送手段を備え、そのワークピース搬送手段が、炉体の中心に配置された回転軸と、回転軸に接続されるとともにワークピースが載置されたワークピース固定用ジグを着脱自在に保持するステムと、回転軸及びステムを介してワークピース固定用ジグを回転させる駆動機と、を有することが好ましい。

本発明の回転式熱処理炉は、複数のワークピースを、連続的に、上記ワークピース搬入出手段により炉体内へ入れ、上記ワークピース搬送手段により流動層中を回転させ、上記ワークピース搬入出手段により炉体外へ出して、熱処理することが可能である。

本発明の回転式熱処理炉は、ワークピースが車両用ホイールである場合に好適に用いられる。

本発明の回転式熱処理炉によれば、熱処理に際し、従来より更に、熱エネルギーロスが低減され熱の有効利用が図れるとともに、熱処理の質の向上が実現され、スループットを向上させつつ、より省エネルギーで、より安全・確実に、より高い機械的性質をワークピースに付与することが出来る。

以下、本発明について実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の記載に限定して解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明の回転式熱処理炉は、金属からなるワークピースの熱処理に用いられるものである。金属として好ましくはＡｌ合金を挙げることが出来るが、熱処理を施すことにより一定の効果を生じ得るものであれば限定されるものではなく、Ｍｇ合金、炭素鋼や鋳鉄等の鉄合金、チタン（Ｔｉ）合金、その他複合材料等も対象となる。

熱処理として好ましいものは具体的に溶体化処理、時効処理を挙げることが出来るが、被熱処理体である金属に一定の効果を生じ得る処理であれば限定されず、焼き入れ、焼きなまし、炭化、窒化（表面硬化）、その他の処理も対象となる。

ワークピースとしての具体的な金属製品は、好ましくは車両用ホイールを挙げることが出来るが、上記熱処理によって機械的性質の向上等の一定の効果を期待するものであれば限定されず、ホイール以外の車両用足周り部品、歯車やカム等の伝達系機械部品、各種構造部材等も対象となる。特に車両用ホイールは、熱処理によって実質的な機械的性質向上の効果を薄肉化に結実させ得るところに意義がある。熱処理によって、より薄肉化しても熱処理を施さない場合と同等の機械的性質、例えば引張強度、伸び等を保つことが出来るので、併せて軽合金材料を採用することにより、更なる軽量化を図ることが出来る。軽量化した車両用ホイールは、加速性能、ブレーキ性能等の運動性能を向上させるとともに、燃費向上に寄与するので、環境負荷の低減が求められる自動車の製造者あるいは需要者に望まれる製品である。

本発明の回転式熱処理炉は、熱風管と炉体内に充填された粉粒体とワークピース搬送手段とを少なくとも構成要素とし、熱風管から吹き出る熱風により粉粒体が熱せられ流動して流動層が形成され、ワークピースがワークピース搬送手段により流動層中で回転し熱処理される炉であり、好ましくはワークピースを炉体内へ入れ炉体外へ取り出すワークピース搬入出手段を有するものである。

ワークピースは、後述するワークピース搬入出手段により炉体内へ入れられ、ワークピース搬送手段により炉体内の流動層中を回転し、炉体内を１周した後に、ワークピース搬入出手段により炉体外へ取り出される。ワークピースには、回転中に、流動層を形成する熱風管から吹き出る熱風により熱せられた粉粒体からの熱伝導によって熱処理が施される。

粉粒体は熱媒体であり、粒状であって一定の比重を有し流動層を形成し得るものであれば限定されるものではない。例えば、径が概ね１００〜８００μｍφのケイ砂を使用することが出来る。ケイ砂の径は、流動層の流動状態をより一定にするためにより均一であることが好ましく、概ね４００〜６００μｍφのものが５０％以上を占めるように構成することが好ましい。

本発明の回転式熱処理炉において流動層は粉粒体が熱風により加熱され且つ均一に混合されて形成されており、空気を熱媒体とする雰囲気炉に対して伝熱効率がよい。加えて、後述する特徴を有することから、温度分布の均一性が格段に優れ流動層内の最高温度と最低温度の差は約±２℃以下に収まり、且つ、流動層全域で流動状態が概ね一定に保持され得るので、熱処理にかかる質の向上が期待出来る。

本明細書にいう熱処理にかかる質とは、ワークピースの機械的性質等の改善され具合等により評価出来る熱処理自体の質をいう。質の高い熱処理とは、例えば、より高い生産性を実現しつつ、より省エネルギーで、より安全・確実に、より高い機械的性質をワークピースに付与し得る熱処理をいう。炭素鋼の変態を利用する熱処理やＡｌ合金の固溶を利用する熱処理その他熱処理において所望の現象（変態、固溶その他）は温度によって左右されるので、質の高い熱処理を実現するには、温度分布が均一で全域で流動状態が概ね一定な流動層を有する熱処理炉が必要となる。

より具体的に例示すれば、Ａｌ−Ｓｉ合金からなるワークピースに対し融点直下の温度で溶体化処理を施すことにより、短時間（数分〜数十分オーダー）で固溶量を大きく出来、時効硬化後のワークピースに優れた機械的性質を付与することが可能である。短時間で溶体化処理を終えられるメリットは大きい。先ずスループットが向上し且つ熱使用量がより少なくて済む。そして、仮に溶体化処理中に融点に達しても、一般に、潜熱により短時間ではＡｌ−Ｓｉ合金は溶融しないので安全である。又、固溶と同時に進行する共晶Ｓｉ組織の肥大化が抑制され、他方、処理温度がより高温であることから球状化は促進されるため、応力集中が緩和され得るものになり、より優れた機械的性質が付与され得る。更に、温度分布が一定であるのでワークピース全体で固溶率は概ね均一になり、部分的に機械的性質が低下するといった問題は生じ得ない。

上記融点直下の温度で行う溶体化処理（熱処理）は、流動層の温度分布が均一であるから実現出来るのである。温度分布が均一でない場合には、温度がオーバーシュートすることによってＡｌ−Ｓｉ合金が溶融する可能性が生じるので、融点より一定以上低い温度で安全を確保しつつ溶体化処理を行う必要があり、上記メリット等は減じられるか又は享受出来ない。

尚、熱処理にかかる質の向上を図るために、全域で流動状態が概ね一定な流動層が好ましい。その一の理由は、実際に、ワークピース全体に均一に熱が伝導されることを担保するためである。

又、熱処理中において継続して流動層内の最高温度と最低温度の差が約±２℃以下、より好ましくは約±１．５℃以下に収まるような格段に均一性に優れた温度分布の流動層を実現するには、必然的に概ね一定の流動状態が求められるという別の理由がある。流動層は炉体内に吹き込まれる熱風により粉粒体が流動するものであるから、流動層に対し常に一定の熱が供給され排出されている。従って、流動状態が乱れると流動層の部分毎に熱の収支バランスが保ち難くなり、温度分布の乱れを導くからである。

本発明の回転式熱処理炉は、熱風管に第１の特徴を発現する。これは必須の特徴である。本発明の回転式熱処理炉の熱風管は複数のヘッダー管を有しており、その複数のヘッダー管は、個々には分割リング状を呈し、全体では一のリングを構成して配置される。又、複数のヘッダー管の各々には複数の分散管が備えられる。複数の分散管は、それぞれが熱風を吹き出す多数のノズル又は小孔を有し、概ね細長筒状を呈するものである。そして、分散管はヘッダー管の側面からヘッダー管全体で構成するリングの中心へ向けて水平方向に配置されている。

複数のヘッダー管が全体で構成する一のリングの形状は、ワークピース搬送手段によって流動層中を移動（回転）するワークピースの移動の軌跡に合わせて決定される。より詳細には、所定の幅を有するワークピースの軌跡の概ね外側の線に沿って、複数のヘッダー管が全体で一のリングを構成するように配置される。そして、熱風を吹き出すノズル又は小孔を有する分散管は、ヘッダー管の側面からヘッダー管のリングの中心へ向けて水平方向に配置されるので、丁度、ワークピースの移動の軌跡に合わせて、熱風がノズル又は小孔から吹き出されることになり、熱効率よくワークピースを昇温させることが出来る。

特許文献１に開示された回転式熱処理炉では、分散管はヘッダー管の上に配置されていたが、本発明においては、分散管がヘッダー管の側面からヘッダー管のリングの中心へ向けて水平方向に配置される。この態様により、熱風管に必要な流動層高さを低くすることが出来る。一方、ワークピース全体を浸漬させるのに必要な流動層高さはワークピースによって一定である。従って、本発明の回転式熱処理炉は、従来より流動層高さを低く出来、炉体を更にコンパクトにすることが可能である。そして、併せて流動層の形状を熱風管に合わせてドーナツ形状又は円柱形状にすることによって、より流動層体積を小さく出来るので、流動層内の温度分布が均一になり易く、且つ、昇温に必要な熱量が低減され得る。

又、本発明の分散管の配置態様によれば、ヘッダー管のリングの中心へ向かうに従って分散管どうしの間隔が狭まるようになるため、分散管におけるノズル又は小孔の取付ピッチを一定とすれば、流動層を形成するために熱風が吹き出されるノズル又は小孔は、ヘッダー管のリングの中心へ向かうに従って高密度に配置されることになる。このことは、流動層の一定水平面積あたりヘッダー管から遠くになるほどノズル又は小孔が多く存在することを意味し、同時に流動層を形成するために吹き出される熱風の量がヘッダー管のリングの中心へ向かいヘッダー管から遠くになるほど多くなり得ることを示すが、他方、ヘッダー管から遠いほどにノズル又は小孔から吹き出される熱風の温度は低下するので、流動層を形成するために炉体内の一定面積あたりに送り込まれる熱量は概ね一定に近づく。従って、本発明の分散管の態様は、流動層内の温度分布をより均一化し、熱処理にかかる質の向上に寄与し得る。

一方、特許文献１に開示された回転式熱処理炉では、リング状の１のヘッダー管が採用されていたが、本発明においては、熱風管が複数即ち２以上のヘッダー管を有していて、それぞれに熱風を吹き出す多数のノズル又は小孔を有する分散管が備わっている。この態様により、上記したようにヘッダー管から遠いノズル又は小孔ほど熱風の温度は低下するものの、その温度低下はより小さくなり、吹き出し点毎の温度のバラツキは従来より抑制される。流動層を形成するために吹き出す熱風の温度は、より高温に保たれ熱エネルギーのロスが低減され、加えて、吹き出す熱風の温度が全域で均一に近くなるので、炉体内の一定体積あたりに吹き込まれる熱風の量を、より一定に近づけた場合でも、流動層の温度分布の均一性が維持され得る。従って、本発明のヘッダー管の態様は、流動層全域の流動状態を概ね一定に保持し、熱処理にかかる質の向上に寄与し得る。

即ち、本発明は、分散管の配置、複数のヘッダー管の具備、等の熱風管の工夫によって、流動層内の温度分布をより均一にするとともに、流動状態をより一定にし、尚且つ、熱エネルギーのロスを低減している。分散管の配置態様によって熱風の温度低下を熱風の量でカバーし流動層全域において供給される熱量を一定にして流動層内の温度分布を均一化する手段のみでは、流動層の流動状態は一定になり難く、既に述べたように温度分布の均一化にも限界がある。複数のヘッダー管を具備することにより、熱風の温度低下を極小さく抑え熱風の量を一定に近づける態様が実現される。反対に複数のヘッダー管の具備のみでも、流動層内の温度分布の均一化及び流動状態の一定化の両立が難しい。

ヘッダー管の数は複数であればよいが、より好ましくは３以上、更に好ましくは４以上である。分散管の数はヘッダー管毎に５以上であることが好ましい。ヘッダー管を２とすると分散管の数は１０以上となるが、より好ましくは分散管の数は全部で１００以上、更に好ましくは１２０以上である。特許文献１に開示された回転式熱処理炉では、分散管の数は全部で概ね１２であったが、分散管の数を増加させることによって、流動層内の最高温度と最低温度の差を極小さく抑えることが容易となる。

又、分散管の径は、流動層中で強度が保持出来得る限り、より細いことが好ましい。１５０Ａ（ｍｍ）以下であることが好ましく、より好ましくは５０Ａ以下、更に好ましくは４０Ａ以下である。分散管が有する熱風が吹き出されるノズル又は小孔を、より高密度に配置することが出来、流動層全域の流動状態をより一定にし易いからである。

分散管が有する多数のノズル又は小孔は、その開口ピッチが、分散管のヘッダー管の側面側から一のリングの中心側に向けて、徐々に大きく又は小さくなることが好ましい。これは、熱風管全体の形状によって、流動層内の温度分布の均一化及び流動状態の一定化を両立させるために、好ましい手段である。開口ピッチが大きい又は小さいとは、隣接するノズル又は小孔の間隔が長い又は短いことを意味するが、ノズル又は小孔は一直線上に設けられることに限定されず、流動層全域における流動状態を一定化すべく設ければよい。

熱風管の形状は流動層の形状を主要因として決定される。そして、流動層の形状は、ワークピースの形状及び同時に流動層中を回転し熱処理されるワークピースの数を主要因として決定される。例えば、ワークピースが幅の大きなものであり、一方、熱処理炉のコンパクト化のために同時に処理されるワークピースの数を少なくする場合には、ヘッダー管が表すリングの半径と分散管の長さとの差が小さい熱風管になる。

この態様の場合、熱風が吹き出されるノズル又は小孔がヘッダー管のリングの中心側で、熱風の温度が下がる以上に高密度に配置される結果、温度分布が偏り易い。一方、既に述べたように、流動層全域における流動状態を一定化するには熱風の温度低下は極小さいことが好ましく、更に、本発明は、開口ピッチではなく、分散管が有するノズル又は小孔の開口断面積を大きく又は小さくする手段を否定するものではないが、熱風の量も一定に近づけることが好ましいことから、熱風の量が変化し易い開口断面積による調節はより好ましい手段ではない。そこで、ノズル又は小孔の開口ピッチを分散管のヘッダー管の側面側から一のリングの中心側に向けて徐々に大きくする手段をとることによって、流動層内の温度分布の均一化と流動状態の一定化とを両立させることが出来る。

ヘッダー管が表すリングの半径と分散管の長さとの差あるいは比によっては、熱風管のノズル又は小孔の開口ピッチを、分散管のヘッダー管の側面側から一のリングの中心側に向けて徐々に小さくするか又は一定とする態様もあり得る。熱風管は、熱風の温度低下を抑えるために炉体内における熱風の吹き出し点であるノズル又は小孔までの距離を小さくしつつ、そのノズル又は小孔がより均一且つ高い密度で配設されることが好ましい。

次に、本発明の回転式熱処理炉の第２の特徴について説明する。本発明の回転式熱処理炉においては、ワークピース搬入出手段に、好ましい第２の特徴を発現する。本発明の回転式熱処理炉は、ワークピース搬入出手段として炉体内と炉体外との間に設けられる副室を備えており、ワークピースは、この副室を経由して、炉体外から炉体内の流動層中に、好ましくは連続的に、搬入、浸漬され、流動層中から引き上げられて炉体外へ搬出される。尚、副室と炉体内においてワークピースはワークピース固定用ジグに載置された状態で移動するが、本明細書においてこれを単にワークピースの移動と記す場合がある。

副室は、上記ワークピースの移動を可能とするため、炉体外への搬入出口と及び炉体内への搬入出口を有するが、副室は有限な空間であるため、ワークピースの搬出入にかかり副室の炉体内側の搬入出口が開くときに起こり得る炉体内の熱の放出が抑えられる。特許文献１に開示された回転式熱処理炉においても、搬入口（搬出口）は直接、炉体外に開いていて、導入壁が採用され放出ルートが限定されることにより熱放出ロスが低減されているが、本発明にかかる副室を設ける効果は放出ルートが限定される点で同等である。しかしながら、副室は以下の好ましい機能を発揮する態様をとることにより、従来技術を凌駕する。

本発明の回転式熱処理炉においては、上記した副室は、炉体内と遮断可能に設けられ、且つ、炉体外と遮断可能に設けられることが好ましい。副室を炉体内及び炉体外と遮断することが出来れば、搬出入時に、炉体内と炉体外とを通じさせることなくワークピースを炉体内（流動層中）と炉体外とを移動させることが出来、熱放出ロスが極めて少なくなるからである。

具体的には、ワークピースの搬入出を行わないときには副室は炉体内と通じており炉体外と遮断されていて、ワークピース搬出時には、先ず、ワークピースが流動層中から副室に引き上げられる。副室と炉体外とは遮断されたままであるので、炉体内の熱は炉体外に放出されない。次に、ワークピースが副室に入ったら、副室と炉体内とが遮断される。従って、この後に炉体内の熱は炉体外に放出されない。そして、副室と炉体外との遮断が解かれ副室と炉体外とが通じ、ワークピースが副室から炉体外に搬出される。ワークピース搬入時には、先ず、副室と炉体外との遮断が解かれ副室と炉体外とが通じ、ワークピースが炉体外から副室に入れられる。副室と炉体内とは遮断されたままであるので、炉体内の熱は炉体外に放出されない。次に、ワークピースが副室に入ったら、副室と炉体外とが遮断される。そして、副室と炉体内との遮断が解かれ副室と炉体内とが通じ、ワークピースが副室から炉体内に入り流動層中に浸漬される。副室と炉体外とは既に遮断されているので、炉体内の熱は炉体外に放出されない。

副室が炉体内と遮断可能であること及び副室が炉体外と遮断可能であることは、副室と炉体内との間及び副室と炉体外との間に、遮断手段を備えることによって実現される。ここで、遮断手段は、何れもが完全に隔離し得る手段であることが望ましい。

より好ましい遮断手段は、副室と炉体内及び副室と炉体外の何れもが完全に隔離し得る手段であり、例えば、好ましくはワークピースの移動に伴い自動的に開閉する機構を有するスライド式、観音開き式、引き倒し式、押し上げ式その他のドアを例示することが出来る。ワークピースやワークピース固定用ジグ等には流動層を形成する粉粒体が付着して持ち出されることがあるが、例えば、副室と炉体内の遮断手段として炉体内側へ開く観音開き式自動ドアを採用し、副室と炉体外の遮断手段として炉体外側へ開く引き倒し自動ドアを採用すると、これら粉粒体が炉体内側へ戻り易いので好ましい。

本発明の回転式熱処理炉では、副室と炉体内との間のワークピースの移動はワークピース固定用ジグに載置された状態で行われ、副室と炉体外との間のワークピースの移動はワークピースのみで行われる。ワークピースは、後述するようにワークピース固定用ジグに載置された状態で流動層中を回転し熱処理されるので、ワークピース固定用ジグもワークピース同様に高温になるが、ワークピース固定用ジグは副室と炉体内との間を移動し炉体外に出ないので常時高温が維持され、自らが保有する熱を失うことがない。仮にワークピース固定用ジグを炉体外に出し入れすれば、その都度、ワークピース固定用ジグは冷やされ熱を失うので炉体内で再度熱を必要とするが、本発明では、このようなワークピース固定用ジグを介した熱放出ロスが防止される。又、ワークピース固定用ジグが常時高温に維持される結果、ワークピースの昇温が早められ、ワークピースが流動層中を回転する時間が短縮され得ることとなり、熱処理にかかるスループット向上に寄与する。更には、ワークピース固定用ジグが炉体外に出ないので、ワークピース固定用ジグに付着した粉粒体が炉体外に無用に排出されることがない。尚更には、ワークピース固定用ジグが加熱・冷却を繰り返さない結果、熱変形が抑えられ、量産中のトラブル発生が少なくなる。

本発明の回転式熱処理炉は、そのワークピース搬入出手段として、流動層中と副室との間をワークピースが載置されたワークピース固定用ジグを移動させる搬送装置を有している。搬送装置は、ワークピース固定用ジグを移動させる移動手段と、ワークピース固定用ジグの保持及び取り外しが出来る着脱手段とを有するものであれば限定されない。搬送装置は、流動層中にワークピース固定用ジグを浸漬した後に後述するワークピース搬送手段にワークピース固定用ジグを預ける動作を繰り返すため、着脱手段は、より簡素で早く脱着可能な手段を採用することが好ましい。

具体的には、例えば、移動手段としてエアーシリンダ、又は電動式乃至油圧式エレベータに準じた手段を採用することが出来る。又、着脱手段としては、例えばワークピース固定用ジグ側に掛止部や凹部を設けることを条件として掛止部や凸部等を採用出来る。

本発明の回転式熱処理炉は、そのワークピース搬入出手段として、副室に移動したワークピース固定用ジグ内と炉体外の所定の場所との間でワークピースを移動させる搬入出装置を有している。搬入出装置は、ワークピース固定用ジグに載置されたワークピースを掴み離すことが可能な把持手段と、その把持手段をワークピース固定用ジグ内と炉体外の所定の場所との間で移動可能な移載手段とを有するものであれば限定されない。搬入出装置は、把持したワークピースを反転する機能を有することが好ましい。ワークピースを反転させることにより、ワークピースに付着した粉粒体を振り落とすことが出来、粉粒体が炉体外に無用に排出されることがない。このことは、上記ワークピース固定用ジグが炉体外に出ないことと併せて、流動層を形成する粉粒体の補給頻度を極少なくするために有用である。

具体的には、搬入出装置は、空圧、油圧、電動機等を駆動力源として、例えば、移載手段として直動アクチュエータを採用し、その先端に把持手段として独立した多指ハンド装置を取り付けた態様をとることが出来る。より好ましい移載手段は、把持したワークピースの回転を容易に実現出来ることから、ハンド及びアームを有する所謂産業用多軸ロボットである。

次に、本発明の回転式熱処理炉の第３の特徴について説明する。本発明の回転式熱処理炉においては、ワークピース搬送手段に、好ましい第３の特徴を発現する。本発明の回転式熱処理炉は、ワークピース搬送手段として、炉体の中心に配置された回転軸と、回転軸に接続されるとともにワークピースが載置されたワークピース固定用ジグを着脱自在に保持するステムと、回転軸及びステムを介してワークピース固定用ジグを回転させる駆動機と、を有している。ワークピースはワークピース固定用ジグに載置されたまま、炉体内においてワークピース搬入出手段から受け渡され、そのままの状態で流動層中を少なくとも１周し（回転し）熱処理される。ワークピースを回転させるため、炉体においてワークピースを熱処理する有効な流動層の形状は概ねドーナツ形状又は円柱形状となる。従って、炉体のコンパクト化が可能となるとともに、比表面積が最も小さくなる形状であるので、炉体外面から生じる熱放出ロスが最も少なくなる。

炉体内は高温になるので、ワークピース搬送手段として最も留意すべき点は、熱による電気・機械系部品部材のトラブルである。炉体の中心に配置された回転軸にステムが接続され、そのステムにワークピース固定用ジグが保持され、そのワークピース固定用ジグに載置されたワークピースが、駆動機が回転軸を回すことにより流動層中を回転軸を中心にして回転するという搬送手段は、回転軸が炉体の中心に配されることから、回転軸と炉体とのシール、及び、回転軸の冷却に留意する必要があるが、例えばワークピース固定用ジグに自立性を持たせ流動層中の一定の軌跡を自ら移動させる等の手段に比較して、より簡素であり、摺動、係合等の機械的構造部分がより少なく、長期運転時の安定性に優れる。

ワークピース固定用ジグ（ワークピース）の回転動作は、流動層中を断続的に移動するピッチ送りが好ましく、送り時間及び停止時間が任意に設定可能であり、トータルの熱処理時間が調節可能であることが好ましい。回転運動を起こす駆動機は、限定されるものではなく内燃機関等でもよいが、一般に電動機が採用される。

次に、ワークピース固定用ジグについて説明する。１サイクルの熱処理において、ワークピース固定用ジグは、副室において搬入出装置からワークピースを受け取り、流動層中を回った後に、副室において搬入出装置へワークピースを受け渡すまで、ワークピースを載置する。図６は、ワークピース固定用ジグの一例を示す斜視図であり、図７は他例を示す斜視図である。１つのワークピース固定用ジグが載置するワークピースの数は、図６に示されるワークピース固定用ジグの如く１つでもよいが、スペース効率向上を図るためには、図７に示されるワークピース固定用ジグのように、１つのワークピース固定用ジグが２以上のワークピースを載置する態様が好ましい。但し、１つのワークピース固定用ジグが２以上のワークピースを載置する場合には、ワークピース固定用ジグが大きくなるため、副室も大きくすることが必要となる。副室を大きくすることは、副室が炉体外及び炉体内と遮断可能に設けられていても、熱放出ロスの抑制の観点から好ましくない。従って、１つのワークピース固定用ジグが載置するワークピースの数は、好ましくは１〜３、より好ましくは２である。又、１サイクルの熱処理において、ワークピース固定用ジグは、ワ−クピース搬入出手段、ワークピース搬送手段と、一定時間の間、保持される。これらの役割から、ワークピース固定用ジグに求められる要件は、次の３つである。

先ず、ワークピースを載せ置き出来るものであること。形状は限定されず、流動層中でも安定してワークピースが保持されるように、ワークピースの形状に合わせて決定することが望ましい。

次に、ワ−クピース搬入出手段及びワークピース搬送手段と容易に着脱可能なものであること。着脱手段は対象毎に設けてもよく共通の手段であってもよいが、より簡素且つ意図しない脱着が生じ難いしくみを採用することが好ましい。

次に、流動層において粉粒体とワークピースとの接触を妨げないものであること。熱処理のみを考慮すればワークピースのみを流動層中に浸漬させることが望ましいが、そうすると、流動層中へ入れるとき及び流動層中から出すときにワークピースを直接把持する必要が生じるので好ましくなく、そこにワークピース固定用ジグの使用の有用性が認められる。尚、ジグと称しているが、これは容器状の如く形態で粉粒体の自由な移動を妨げるものではないことを表している。

ワークピース固定用ジグを用いることによって、ワークピースの位置が決まるので、ワークピースのみを流動層中に浸漬させる場合より、位置決め精度を上げることが出来る。又、ワークピース固定用ジグの上端を流動層に埋没せず露わにすることによって、ワークピースのみを流動層中に浸漬させる場合より流動層中からワークピース（ワークピース固定用ジグ）を取り出し易くなり、加えて、搬入出装置を流動層中に入れる必要がないので熱による搬入出装置の劣化を抑えることが出来る。

続いて、回転式熱処理炉について、図面に基づいて、より具体的に説明する。図１、図２は、本発明の回転式熱処理炉の一実施形態を示す図である。図１は平面図であり、図２は炉体及び副室の断面を表した立面図である。又、図３は本発明の回転式熱処理炉内に設置される熱風管の平面図である。尚、ワークピースは車両用ホイールを想定している。

回転式熱処理炉３は、炉体３９内に流動層１３が形成され、その上部に雰囲気層１４を有し、ヘッダー管３４と分散管３５とからなる熱風管が流動層１３中に浸漬されるように備わり、ワークピース１１を、流動層１３中且つ熱風管の分散管３５上部において回転させて熱処理する炉である。

炉体３９内には粉粒体が充填される。粉粒体は、ヘッダー管３４を経て分散管３５から吹き込まれる熱風により、流動し加熱され均一に混合されて流動層１３を形成する。熱風製造装置５は、例えば、図示しないブロワーより送られる空気を火炎により加熱するもので、その熱風は温度調節され、熱風管を経て炉体３９内に吹き込まれ流動層１３を形成する。粉粒体抜口３６は弁の付いた排出口であり、適宜、粉粒体を外部に排出する。

ワークピースを回転させる手段として、炉体３９の中心に配置された回転軸４０と、回転軸４０に接続されるとともにワークピース１１が載置されたワークピース固定用ジグ２５を着脱自在に保持するステム４１と、回転軸４０及びステム４１を介してワークピース固定用ジグ２５を回転させる駆動機３３とを備えている。

ステム４１とワークピース固定用ジグ２５との着脱は、ワークピース固定用ジグ２５に下方に向けた凹部を形成し、ステム４１に凸部を形成し、ステム４１の凸部にワークピース固定用ジグ２５の凹部が噛み合わせて、ワークピース固定用ジグ２５をステム４１に保持させればよい。

ワークピースを搬出・搬入する手段として、炉体内と炉体外との間に設けられる副室４３と、炉体内の流動層１３中と副室４３との間でワークピース１１が載置されたワークピース固定用ジグ２５を移動させる搬送装置と、副室４３のワークピース固定用ジグ２５と炉体外の所定の場所との間でワークピース１１を移動させる搬入出装置とを備えている。これらにより、複数のワークピースが、連続的に、炉体内に搬入され熱処理後に炉体外から搬出される。

搬送装置は、ワークピース固定用ジグ２５を昇降させるエアシリンダを駆動源とする昇降機２１と、昇降機２１の先端に設けられた雄掛止部２２とからなり、雄掛止部２２でワークピース固定用ジグ２５の雌掛止部２３を掛止することにより保持し、ワークピース固定用ジグ２５を昇降させて流動層１３中及び副室４３間を移動させる。

搬入出装置は、ワークピース固定用ジグ２５に載置されたワークピース１１を掴み離すことが可能な多指ハンドを有し、その多指ハンドをワークピース固定用ジグ２５内と炉体外の所定の場所との間で自在に移動可能なアームを有する産業用多軸ロボット８で構成されている。

回転式熱処理炉３では、図示されるように、ワークピース固定用ジグ２５を回す回転軸４０が高温の流動層１３と隔離されているため、回転軸４０の軸受けが流動層１３を形成する粉粒体を噛み込む等の問題は生じず、安定した運転が長期にわたり実現される。又、雰囲気層１４も高温になるが、回転軸４０の中には、図示しない冷却水が循環しており、回転軸４０を冷却することによって、回転軸４０自体の保全を図るとともに駆動機３３に熱が伝達し故障を招来するのを防止している。回転軸４０はシール部３８により炉体３９を通じ、ステム４１を張り出して、その先にワークピース固定用ジグ２５を着脱自在に保持している。

回転式熱処理炉３の上には、副室４３が設けられ、ワークピース１１の炉体外〜炉体内間の移動は、副室４３を通過して行われる。従って、熱の放出ルートは限定され熱の放出ロスは少ない。又、副室４３には、炉体外と通じる開口に炉体外側へ開く引き倒しドア３７が設けられ、副室４３と炉体外とを遮断可能としている。更に、副室４３には、炉体内と通じる開口に、炉体内側へ開く観音開きドア３１が設けられ、副室４３と炉体内とを遮断可能としている。この態様によって炉体内から炉体外への熱放出ロスは極めて低く抑えられる。

熱風管は、図３に示すように、５つのヘッダー管３４で構成され、その５つのヘッダー管３４は、個々には分割リング状を呈し、全体としてリング状に形成される。そのリング状とは、ワークピース１１を載せたワークピース固定用ジグ２５の回転（移動）の軌跡に合わせた形状である。

分散管３５は、各ヘッダー管３４毎に２３本備わり、ヘッダー管３４の内側の側面から水平方向にヘッダー管３４のリングの中心に向けて配置されている。従って、流動層の高さを、より低くすることが出来る。

個々の分散管３５は、径が４０Ａであり、概ね細長筒状を呈し、熱風を放散するノズルや小孔を有している。熱風製造装置５により生じた熱風は、５つのヘッダー管３４毎に送られ、直ぐに、分散管３５を介して炉体３９内へ吹き込まれ流動層１３を形成する。又、５つのヘッダー管３４及び分散管３５は、概ね同形状である。このような態様により、流動層内の温度分布がより均一になるとともに、熱エネルギーロスが抑制される。

炉体３９からの排気は、排気ダクト３２により図示しない集塵機６へ送られ、図示しない配管で排出される。排気の有する熱は図示しない熱交換器により加熱される前の空気に与えられる。熱交換器は、サイクロン４５の後段で集塵機６の前段に設けられるが、狭い板間に排気を流すので、排気に粉塵が混入しているとつまり易い。排気ダクト３２の経路に設けられたサイクロン４５は、排気に混合した粉塵を除去し、熱交換器に粉塵がつまる問題を回避する。

次に、回転式熱処理炉の別の態様について説明する。図４、図５は、本発明の回転式熱処理炉の他の実施形態を示す図である。図４は平面図であり、図５は炉体及び副室の断面を表した立面図である。

図示される回転式熱処理炉１０３は、上記回転式熱処理炉３と同様に、炉体１３９内に流動層１１３が形成され、その上部に雰囲気層１４を有し、ヘッダー管３４と分散管１３５とからなる熱風管が流動層１１３中に浸漬されるように備わり、ワークピース１１を、流動層１１３中且つ熱風管の分散管１３５上部において回転させて熱処理する炉である。

回転式熱処理炉１０３は、上記回転式熱処理炉３のワークピース固定用ジグ２５がワークピース１１を１つ載置するのに対し、車両用ホイールを想定したワークピース１１を２つ載置するワークピース固定用ジグ１２５を有するところが異なる。回転式熱処理炉１０３は、スペース効率が回転式熱処理炉３より向上しており、外形が回転式熱処理炉３と概ね同じ大きさであって、流動層１１３は、その幅が回転式熱処理炉３の流動層１３より回転軸４０側に少し拡げられ、熱風管の分散管１３５も回転式熱処理炉３の分散管３５より長くなっているものであるが、回転式熱処理炉３が炉体内に最大１６ピース同時に熱処理可能なのに対し、回転式熱処理炉１０３は炉体内に最大２４ピース同時に熱処理可能である。

回転式熱処理炉１０３では、流動層１１３中において、２つのワークピース１１が回転の進行方向に対し並列になるようにワークピース固定用ジグ１２５に載置される。換言すれば、流動層１１３中において、２つのワークピース１１の中心を結ぶ直線が概ね回転軸４０を向くようにワークピース固定用ジグ１２５がステム１４１に保持される。

一方、搬入・搬出時にワークピース１１が通過する副室１４３では、２つのワークピース１１は回転軸４０に対し並列になるようにワークピース固定用ジグ１２５に載置され、流動層１１３中とは概ね９０°向きを変えている。これは、ワークピース１１が副室１４３のワークピース固定用ジグ１２５内と炉体外の所定の場所との間を移動するに際し、産業用多軸ロボット８が２つのワークピース１１の各々を掴み離しし易くするためである。２つのワークピース１１を載置したワークピース固定用ジグ１２５の向きを概ね９０°変える手段は、例えば昇降機１２１に回転機能を付加させることにより実現出来る。

尚、ワークピース固定用ジグ１２５は、２つのワークピース１１を載置するため、回転式熱処理炉３のワークピース固定用ジグ２５より大きくなる。そして、副室１４３も、回転式熱処理炉３の副室４３より大きくなり、より大きな観音開きドア１３１及び引き倒しドア１３７を有する。以上の説明の他、回転式熱処理炉１０３は、既に説明した回転式熱処理炉３に準じた構成要素を有し同様の機能を発揮するが、再述は避ける。

本発明は、金属の熱処理に用いられる。より詳細には、金属製品、例えばアルミニウム合金からなる車両用ホイールの機械的強度向上のために行う熱処理（溶体化処理及び時効処理）に好適に使用される。

本発明の回転式熱処理炉の一実施形態を示す平面図である。図１に示す回転式熱処理炉の一部の断面を表した立面図である。図１に示す回転式熱処理炉に用いられる熱風管の平面図である。本発明の回転式熱処理炉の他の実施形態を示す平面図である。図４に示す回転式熱処理炉の一部の断面を表した立面図である。本発明に係るワークピース固定用ジグの一例を示す斜視図である。本発明に係るワークピース固定用ジグの他例を示す斜視図である。

符号の説明

３，１０３…回転式熱処理炉、５…熱風製造装置、６…集塵機、８…産業用多軸ロボット、１１…ワークピース、１３，１１３…流動層、１４…雰囲気層、２１，１２１…昇降機、２２…雄掛止部、２３…雌掛止部、２５，１２５…ワークピース固定用ジグ、３１，１３１…観音開きドア、３２…排気ダクト、３３…駆動機、３４…ヘッダー管、３５，１３５…分散管、３６…粉粒体抜口、３７，１３７…引き倒しドア、３８…シール部、３９，１３９…炉体、４０…回転軸、４１…ステム、４３，１４３…副室、４５…サイクロン。

Claims

炉体内に粉粒体が充填され、前記粉粒体が炉体内に備わる熱風管から吹き出される熱風により熱せられ流動して流動層が形成され、金属からなるワークピースが前記流動層中で回転し熱処理される炉であって、
前記熱風管は、その各々に複数の分散管を備える複数のヘッダー管を有し、前記複数のヘッダー管は、個々に分割リング状を呈し全体で一のリングを構成し、前記複数の分散管が、熱風を吹き出す多数のノズル又は小孔を有するとともに、略細長筒状を呈し、ヘッダー管の側面から前記一のリングの中心へ向けて水平方向に配置される回転式熱処理炉。
前記ヘッダー管の数が、２以上である請求項１に記載の回転式熱処理炉。
前記分散管の数が、ヘッダー管毎に５以上である請求項１又は２に記載の回転式熱処理炉。
前記分散管の径が、１５０Ａ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。
前記分散管が有する多数のノズル又は小孔の開口ピッチが、前記分散管のヘッダー管の側面側から前記一のリングの中心側に向けて、徐々に大きく又は小さくなる請求項１〜４の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。
前記ワークピースを炉体内へ入れ炉体外へ取り出すワークピース搬入出手段を備え、前記ワークピース搬入出手段が、炉体内と炉体外との間に設けられる副室と、炉体内の前記流動層中と前記副室との間でワークピースが載置されたワークピース固定用ジグを移動させる搬送装置と、前記副室のワークピース固定用ジグと炉体外の所定の場所との間でワークピースを移動させる搬入出装置と、を有する請求項１〜５の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。
前記副室は、炉体内と遮断可能に設けられ、且つ、炉体外と遮断可能に設けられる請求項６に記載の回転式熱処理炉。
前記搬入出装置が、ワークピースを把持し反転させる機能を有する請求項６又は７に記載の回転式熱処理炉。
前記ワークピース固定用ジグが、複数のワークピースを載置可能な請求項６〜８の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。
前記ワークピースを前記流動層中で回転させるワークピース搬送手段を備え、前記ワークピース搬送手段が、炉体の中心に配置された回転軸と、前記回転軸に接続されるとともにワークピースが載置されたワークピース固定用ジグを着脱自在に保持するステムと、前記回転軸及び前記ステムを介して前記ワークピース固定用ジグを回転させる駆動機と、を有する請求項６〜９の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。
複数のワークピースが、連続的に、前記ワークピース搬入出手段により炉体内へ入り、前記ワークピース搬送手段により流動層中を回転し、前記ワークピース搬入出手段により炉体外へ出て、熱処理される請求項１０に記載の回転式熱処理炉。
前記ワークピースが、車両用ホイールである請求項１〜１１の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。