JP2006284052A - 真空加熱回転炉および粉末材料の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の高コスト化や取り扱い性の低下を招くことなく、高い真空度を実現することができるとともに、高品質の粉末材料を確実に得ることができる。
【解決手段】 軸線Ｏ回りに回転可能に支持されるとともに、内部に粉末材料が充填される本体部１１と、該本体部１１の内部を加熱する加熱手段１２と、本体部１１の内部を排気して真空状態にする排気手段１５とが備えられ、本体部１１をその軸線Ｏ回りに回転しながら、該本体部１１の内部に充填された粉末材料を真空中で熱処理する構成とされた真空加熱回転炉１０であって、排気手段１５は、本体部１１にその外側から直結されて、本体部１１がその軸線Ｏ回りに回転する際に、該本体部１１と共回りする構成とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空加熱回転炉および粉末材料の熱処理方法に関するものである。

従来から粉末材料は、例えば、焼成されて形成された焼結製品における全領域において、均質な物性を具備させる等のために、真空中で熱処理が施されている。粉末材料にこのような熱処理を施すための装置として、従来から、軸線回りに回転可能に支持されるとともに、内部に粉末が充填される本体部と、該本体部の内部を加熱する加熱手段と、前記本体部の内部を排気して真空状態にする排気手段とが備えられ、前記本体部をその軸線回りに回転しながら、該本体部の内部に充填された粉末を真空中で熱処理する構成が知られている。そして、前記排気手段は、一般に本体部に直結されたロータリージョイントを介して当該本体部の内部と連通状態で連結された構成とされている。

ここで、該装置においては、前記本体部をその軸線回りに回転しながら、該本体部の内部に充填された粉末を真空中で熱処理する構成とされているので、この本体部の内部を高い真空度に維持した状態で、該本体部を回転することが困難であるという問題があった。すなわち、本体部の内部における真空度は、前記ロータリージョイントの気密性に大きく委ねられ、しかも該ロータリージョイントは、前記本体部との連結部分が摺動することとなるので、高い気密性を具備させることは技術的に限界があるため（＞０．５Ｐａ）、例えば０．１３Ｐａより小さい高真空中で前記熱処理することが困難であるという問題があった。

このような問題を解決するための手段として、例えば下記特許文献１に示されるような、ロータリージョイントを用いずに、前記排気手段を前記本体部の内部に配設する構成を採用することが考えられる。
特表２００２−５１９６１３号公報

しかしながら、この場合、排気手段を前記本体部の内部に配設することにより、この本体部の内部が、粉末材料が充填される空間と、排気手段の内部空間とからなる二重構造となって、装置が複雑になり、この装置の高コスト化を招くばかりでなく、その取り扱いが複雑になるという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、装置の高コスト化や取り扱い性の低下を招くことなく、高い真空度を実現することができる真空加熱回転炉および粉末材料の熱処理方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の真空加熱回転炉は、軸線回りに回転可能に支持されるとともに、内部に粉末材料が充填される本体部と、該本体部の内部を加熱する加熱手段と、前記本体部の内部を排気して真空状態にする排気手段とが備えられ、前記本体部をその軸線回りに回転しながら、該本体部の内部に充填された粉末材料を真空中で熱処理する構成とされた真空加熱回転炉であって、前記排気手段は、前記本体部にその外側から直結されて、前記本体部がその軸線回りに回転する際に、該本体部と共回りする構成とされたことを特徴とする。

この発明によれば、排気手段が前記本体部にその外側から直結されて、前記本体部と共回りする構成とされているので、本体部が前記回転するに際し、前記排気手段と前記本体部との連結部分が摺動することがない。さらに、本体部の内部は粉末材料が充填される空間のみとなる。以上により、装置の高コスト化や取り扱い性の低下を招くことなく、本体部を回転しながらその内部を高い真空度にすることが可能になる。

ここで、前記排気手段は、前記本体部の前記軸線と同軸的に配設されているのが望ましい。
この場合、前記本体部の前記回転により、排気手段に作用する遠心力が最小限に抑えられ、本体部の内部を高い真空度にすることを確実に実現することができるとともに、このような真空度を長期に亙って維持することが可能になる。

また、本発明の粉末材料の熱処理方法は、請求項１または２に記載の真空加熱回転炉を用いて粉末材料を熱処理することを特徴とする。
この発明によれば、粉末材料が高い真空状態で撹拌および加熱されることとなり、高品質の粉末材料を得ることが可能になり、例えば該粉末材料を焼成して得られた焼結製品の全領域において、均質な物性を具備させることを確実に実現することができる。

この発明によれば、装置の高コスト化や取り扱い性の低下を招くことなく、高い真空度を実現することができるとともに、高品質の粉末材料を確実に得ることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示すものである。本実施形態の真空加熱回転炉１０は、軸線Ｏ回りに回転可能に支持されるとともに、内部に粉末材料が充填される本体部１１と、該本体部１１の内部を加熱する加熱手段１２と、本体部１１の内部を排気して真空状態にする排気手段１５とが備えられ、本体部１１をその軸線Ｏ回りに回転しながら、本体部１１の内部に充填された粉末材料を真空中で熱処理する構成とされている。さらに本実施形態では、本体部１１の内部の前記粉末材料を撹拌する撹拌手段１３が備えられ、前記粉末材料を真空雰囲気とされた本体部１１の内部で撹拌させた状態で熱処理するようになっている。

本体部１１は、例えばステンレス鋼、必要に応じて耐熱性合金、例えばモリブデン、タンタル、若しくはタングステン、またはチタンおよびジルコニウムを含有するモリブデン合金により有底筒状に形成され、その軸線Ｏが鉛直方向と平行になるように縦向きに配設された縦型構造とされている。この本体部１１は、大径部１１ｆと、該大径部１１ｆよりも小径とされ、該大径部１１ｆの軸線Ｏ方向における上端に連設されて上方に延在する小径部１１ｂと、大径部１１ｆの軸線Ｏ方向における下端に連設されるとともに、下方に向かうに向かうに従い漸次縮径された縮径部１１ａとを備える概略構成とされている。小径部１１ｂの上端面には、本体部１１の内部と連通する開口部が形成されている。

大径部１１ｆの小径部１１ｂ側、つまり上端部には、粉末材料が本体部１１の内部に投入される投入口１１ｃが設けられている。さらに、本体部１１の下端部、つまり縮径部１１ａには、熱処理が施された後の前記粉末材料が、この本体部１１の内部から外部に取り出される図示されない取り出し口が設けられている。

そして、この本体部１１の軸線Ｏ方向における両端部、つまり縮径部１１ａおよび小径部１１ｂにそれぞれ、該軸線Ｏ方向における外方へ向けて延びるように当該本体部１１と同軸的に第１、第２シャフト１１ｄ、１１ｅが設けられている。縮径部１１ａに設けられた第１シャフト１１ｄは、図示されない第１モータに連結され、小径部１１ｂに設けられた第２シャフト１１ｅは、図示されない軸受に支持されている。以上により、前記第１モータの回転駆動力が第１シャフト１１ｄに伝達されることにより、本体部１１および第２シャフト１１ｅも軸線Ｏ回りに回転するようになっている。

加熱手段１２は、円筒状体とされて本体部１１の外周面を取り囲むように該本体部１１と同軸的に配設されている。該加熱手段１２により、本体部１１の内部に充填された前記粉末材料が、本体部１１の外側から加熱されるようになっている。なお、本体部１１の投入口１１ｃは、その開口部が加熱手段１２の外方に位置するように本体部１１に設けられている。

小径部１１ｂには、その軸線Ｏと同軸的に水冷ジャケット１４と排気手段１５とが上方に向けて、つまり大径部１１ｆから離間する方向にこの順に設けられている。
水冷ジャケット１４はドーナツ状とされ、その内側に小径部１１ｂが挿入された状態で本体部１１に配設されており、小径部１１ｂの外周面側を冷媒が循環するようになっている。なお、小径部１１ｂの長さによっては、水冷ジャケット１４は設けなくてもよい。

排気手段１５は、小径部１１ｂの前記開口部を塞ぐように、本体部１１に該本体部１１と同軸的にその外側から直結されており、本体部１１がその軸線Ｏ回りに回転する際に、該本体部１１と共回りする構成とされている。また、排気手段１５は、図示されない真空ポンプと連通された真空配管１５ａに連結されており、該本体部１１の内部を排気できるようになっている。なお、排気手段１５としては、例えばロータリーポンプやメカニカルポンプ等が挙げられる。

以上の構成により、本体部１１の内部のガスを、前記真空ポンプによって真空配管１５ａを介して排気手段１５から排気する際に、加熱手段１２により加熱された当該ガスを、水冷ジャケット１４によって一旦冷却した後に、排気手段１５および真空配管１５ａを順次通過させるようになっている。

撹拌手段１３は、本実施形態では、前記大径部１１ｆの下端部の内部に、本体部１１の軸線Ｏと同軸的に配設されたフィン付板１３ａと、前記第１モータとにより構成されている。フィン付板１３ａは、小径部１１ｂの内部に設けられた図示されない第２モータにより前記軸線Ｏ回りに回転可能に支持され、円板の一方の表面、つまり本体部１１の小径部１１ｂと対向する表面に、図１（ｂ）に示すように、径方向中央部から径方向外方へ向けて延びるように放射状に複数のフィン１３ｂが設けられた構成とされている。なお、フィン付板１３ａは例えば前記耐熱性合金により形成されている。

以上の構成により、前記第１モータによる本体部１１の軸線Ｏ回りの回転によって、本体部１１の内部に充填された前記粉末材料に遠心力を作用させるとともに、フィン付板１３ａを前記第２モータにより軸線Ｏ回りに回転することによって、前記粉末材料に、軸線Ｏ方向上方へ向けた揚力を主として作用させることができるようになっている。ここで、フィン付板１３ａは、前記第２モータにより軸線Ｏ回りに正逆回転可能に支持されており、これにより、前記粉末材料に作用する該フィン付板１３ａによる遠心力の方向を変化させることができるようになっている。以上により、本体部１１の内部に充填された前記粉末材料は、個々の粉末が互いに接触しない程度に撹拌されるようになっている。すなわち、個々の粉末の表面が露出する程度に撹拌されるようになっている。
ここで、前記粉末材料としては、例えば鉄粉末やニオブ粉末やタンタル粉末等が挙げられる。

次に、以上のように構成された真空加熱回転炉１０により、前記粉末材料を熱処理する方法について説明する。
まず、前記粉末材料を投入口１１ｃから本体部１１の内部に投入し、その後、投入口１１ｃの開口部を閉塞する。そして、加熱手段１２により、本体部１１の内部を約５００℃〜１０００℃まで加熱した状態で、前記真空ポンプにより真空配管１５ａおよび排気手段１５を介して本体部１１の内部を排気して、その内圧を約０．０１Ｐａ〜１．０Ｐａにする。この際、本体部１１の内部のガスは、水冷ジャケット１４が配設された小径部１１ｂを通過するので、加熱手段１２により高温とされたガスは水冷ジャケット１４によって冷却された後に排気手段１５を通過する。これにより、本体部１１の内部を真空雰囲気にする。

そして、前記第１モータにより本体部１１をその軸線Ｏ回りに回転することにより、本体部１１の内部に充填された粉末材料に遠心力を作用させる。さらに、前記第２モータによりフィン付板１３ａをその軸線Ｏ回りに回転することによって、前記粉末材料に軸線Ｏ方向上方へ向けた揚力を主として作用させる。ここで、フィン付板１３ａの正逆回転を所定のタイミングで異ならせることにより、前記粉末材料に作用する該フィン付板１３ａによる遠心力の方向を変化させる。

なお、本体部１１の大径部１１ｆの外径が約６００ｍｍで、かつ軸線Ｏ方向の大きさが約２５００ｍｍであって、本体部１１の内部にタンタル粉末を１００ｋｇ充填した場合、該本体部１１を約０．２ｒｐｍ〜３ｒｐｍで回転させるとともに、フィン付板１３ａを約０．２ｒｐｍ〜１２０ｒｐｍで回転させる。
以上により、個々のタンタル粉末は、前述のように互いが接触しない程度に撹拌される。
この状態で、１時間程度保持することにより粉末材料に熱処理を施す。その後、図示されない取り出し口を開口して、熱処理された粉末材料を取り出す。

以上説明したように本実施形態に係る真空加熱回転炉１０および粉末材料の熱処理方法によれば、排気手段１５が本体部１１にその外側から直結されて、本体部１１と共回りする構成とされているので、本体部１１が前記回転するに際し、排気手段１５と本体部１１との連結部分が摺動することがない。さらに、本体部１１の内部は粉末材料が充填される空間のみとなる。以上により、装置の高コスト化や取り扱い性の低下を招くことなく、本体部１１を回転しながらその内部を高い真空度にすることが可能になる。

特に本実施形態では、排気手段１５は本体部１１の軸線Ｏと同軸的に配設されているので、本体部１１の前記回転により、排気手段１５に作用する遠心力が最小限に抑えられ、本体部１１の内部を高い真空度にすることを確実に実現することができるとともに、このような真空度を長期に亙って維持することが可能になる。

さらに、このような真空加熱回転炉１０では、粉末材料を高い真空状態で撹拌および加熱することが可能になるので、高品質の粉末材料が得られ、例えば該粉末材料を焼成して得られた焼結製品の全領域において、均質な物性を具備させることを確実に実現することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、真空加熱回転炉１０として前記縦型構造を示したが、これに代えて、図２に示すような、横型構造の真空加熱回転炉２０を採用してもよい。すなわち、本体部２１を、有底筒状として、その軸線Ｏが水平方向に延び、かつ鉛直方向と直交するように、その両端部２１ａ、２１ｃを支持部２２により支持させるとともに、図示されない第１モータにより回転可能とされた状態で横向きに配設する。そして、この本体部２１の軸線Ｏ方向における一方の端部２１ａに、水冷ジャケット１４と排出手段１５とを配設するとともに、本体部２１の軸線Ｏ方向中央部２１ｂの外周面を囲み、かつ該軸線Ｏ方向両端部２１ａ、２１ｃが突出するように、加熱手段１２を配設する。さらに、本体部２１の前記両端部２１ａ、２１ｃと前記中央部２１ｂとの各連結部分に、開口部が加熱手段１２よりも外方に位置するように、投入口１１ｃおよび取り出し口２１ｄを配設する。さらにまた、前記両端部２１ａ、２１ｃにそれぞれ、該端部２１ａ、２１ｃを昇降可能に支持する昇降手段（例えば油圧シリンダー）２３を配設する。これにより、熱処理が施された後の粉末材料を本体部２１の内部から取り出すときに、取り出し口２１ｃが設けられた他方の端部２１ｃ側が下方に、前記一方の端部２１ａ側が上方に移動するように、本体部２１をその軸線Ｏに対して傾けることができるようになっている。

なお、本体部２１の前記一方の端部２１ａの内部と排気手段１５の内部との連結部分には、図示されないフィルター等が配設されており、排気手段１５により本体部２１の内部を排気する際に、本体部２１の内部の前記ターゲット粉末および基材粉末が排出されないようになっている。また、前記中央部２１ｂの内周面には、図２（ｂ）に示すように、径方向内方へ向けて延びるフィン２１ｅが、周方向に所定の間隔をあけて複数突設されている。このフィン２１ｅは、前記軸線Ｏ方向に連続的に延在しても、断続的に延在してもよい。
このような構成においても、図１の実施形態と略同様の作用効果を奏することができる。ここで、本実施形態でも、排出手段１５を、本体部２１に、前記軸線Ｏと同軸的に該本体部２１の外側から直結させる。
このような構成においても、図１の実施形態と略同様の作用効果を奏することができる。

装置の高コスト化や取り扱い性の低下を招くことなく、高い真空度を実現することができるとともに、高品質の粉末材料を確実に得ることができる真空加熱回転炉および粉末材料の熱処理方法を提供する。

本発明に係る第１実施形態として示した粉末被覆装置の概略構成図である。 本発明に係る第２実施形態として示した粉末被覆装置の概略構成図である。

符号の説明

１０ 真空加熱回転炉
１１、２１ 本体部
１２ 加熱手段
１５ 排気手段
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 軸線回りに回転可能に支持されるとともに、内部に粉末材料が充填される本体部と、該本体部の内部を加熱する加熱手段と、前記本体部の内部を排気して真空状態にする排気手段とが備えられ、前記本体部をその軸線回りに回転しながら、該本体部の内部に充填された粉末材料を真空中で熱処理する構成とされた真空加熱回転炉であって、
   前記排気手段は、前記本体部にその外側から直結されて、前記本体部がその軸線回りに回転する際に、該本体部と共回りする構成とされたことを特徴とする真空加熱回転炉。
2. 請求項１記載の真空加熱回転炉において、
   前記排気手段は、前記本体部の前記軸線と同軸的に配設されていることを特徴とする真空加熱回転炉。
3. 請求項１または２に記載の真空加熱回転炉を用いて粉末材料を熱処理することを特徴とする粉末材料の熱処理方法。
   
   

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