JP2007084870A

JP2007084870A - 浸炭処理装置及び方法

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Publication number: JP2007084870A
Application number: JP2005273726A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Katsumata; 和彦勝俣
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP4929657B2; CN1936067A; US20070062612A1; US8764915B2; DE102006044626A1; FR2890981A1; FR2890981B1; CN1936067B; DE102006044626B4; DE102006044626C5

Abstract

【課題】被処理物に対してより均一な浸炭処理を行う。
【解決手段】内部が減圧状態かつ浸炭性ガス雰囲気の処理室３１において被処理物Ｗを加熱することによって浸炭処理する浸炭処理装置であって、上記処理室３１の内部における複数領域の温度を測定する温度測定手段と、上記被処理物Ｗが均一に浸炭処理されるように上記温度測定手段の測定結果に基づいて上記複数領域の温度を個別に調整する温度調整手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭処理装置及び方法に関するものである。

金属材料からなる被処理物の表面層の炭素量を増加させ、表面層のみを焼入硬化する、いわゆる浸炭処理には、固体浸炭法、液体浸炭法、ガス浸炭法、真空浸炭法等の様々な方法の浸炭処理があるが、この中でも、被処理物に光輝性を要求する場合等には、真空浸炭法が用いられる場合が多い。
このような真空浸炭法は、処理室の内部を真空状態とした後に、処理室の内部にやや減圧された浸炭性ガスを供給し、この状態で被処理物を加熱することによって、被処理物の表面層の炭素量を増加させる方法である。
例えば、特許文献１や特許文献２には、上述の真空浸炭法を用いて被処理物を浸炭処理する真空浸炭炉が開示されている。
特開２００４−２７２９９号公報特開２００２−３５７３８９号公報

ところで、このような真空浸炭炉においては、被処理物の浸炭処理の度合は、被処理物の加熱温度、加熱時間及び温度保持時間等に左右されるため、所望の浸炭処理を被処理物に施す場合には、処理室内部の温度管理を正確に行う必要がある。
このため、従来の真空浸炭炉において、処理室内部の温度を熱電対等の温度計測手段によって計測し、処理室内部の温度環境が所望の状態となるように、温度計測手段の計測結果に基づいて、処理室内部に配置されたヒータの出力を制御している。

しかしながら、従来の真空浸炭炉においては、処理室の一箇所のみの温度を計測し、この計測結果に基づいてヒータの出力を制御している。このため、被処理物の形状や処理室内部における被処理物の充填量ばらつきによっては、処理室内部の被処理物が均一に昇温されない場合がある。
このような場合には、被処理物の浸炭処理の進み具合にばらつきが生じることとなり、被処理物全体を均一に浸炭処理されない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、被処理物に対してより均一な浸炭処理を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、浸炭処理装置に係る第１の手段として、内部が減圧状態かつ浸炭性ガス雰囲気の処理室において被処理物を加熱することによって浸炭処理する浸炭処理装置であって、上記処理室の内部における複数領域の温度を測定する温度測定手段と、上記被処理物が均一に浸炭処理されるように上記温度測定手段の測定結果に基づいて上記複数領域の温度を個別に調整する温度調整手段とを備えるという構成を採用する。

浸炭処理装置に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記複数領域は、上記被処理物の上記処理室への搬入方向における前方領域と、後方領域と、上記前方領域と上記後方領域との間に位置する中間領域とを少なくとも含むという構成を採用する。

浸炭処理装置に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記温度調整手段は、上記複数領域の各領域に配置されるヒータと、該ヒータを上記温度測定手段の測定結果に基づいて個別に制御する制御手段とを備えて構成されるという構成を採用する。

浸炭処理装置に係る第４の手段として、上記第３の手段において、上記制御手段は、上記複数領域の各領域における上記被処理物の充填質量に応じたＰＩＤ値を用いて上記ヒータを個別に制御するという構成を採用する。

浸炭処理装置に係る第５の手段として、上記第３または第４の手段において、上記ヒータは、上記各領域において、上記被処理物を囲んで配置されているという構成を採用する。

浸炭処理方法に係る手段として、内部が減圧状態かつ浸炭ガス雰囲気の処理室において被処理物を加熱することによって浸炭処理する浸炭処理方法であって、上記処理室の内部における複数領域の温度を測定し、上記被処理物が均一に浸炭処理されるように測定結果に基づいて上記複数領域の温度を個別に調整するという構成を採用する。

本発明の浸炭処理装置及び方法によれば、処理室の内部における複数領域の温度が測定され、この測定結果に基づいて、複数領域の温度が個別に調整される。
したがって、各領域の温度を均一に上昇させることが可能となり、被処理物の形状や処理室内部における被処理物の充填量ばらつきによって、被処理物の部位による温度差が生じることを防止することができ、全体昇温時間の短縮が可能となる。
よって、本発明の浸炭処理装置及び方法によれば、被処理物に対してより均一な浸炭処理を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る浸炭処理装置及び方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１の概略構成を示した断面図である。この図に示すように、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１は、被処理物Ｗを冷却する冷却室２０及び被処理物Ｗを加熱する加熱室３０を備える多室型熱処理装置であり、これらに加えて、冷却室２０と加熱室３０との間に中間室４０を有している。

冷却室２０は、内部において冷却ガスＸが循環される熱処理炉１と、熱処理炉１の内部に配置される風炉室２とを備えて構成されている。
また、熱処理炉１の内部には、風炉室２の他に、冷却ガスＸを冷却するための熱交換器３と冷却ガスＸを熱処理炉１の内部において循環させるためのファン４とが配置されている。

熱処理炉１は、熱処理炉１の内部の圧力状態が変化した場合であってもその圧力に耐えられるように略円筒形状に形状設定されており、この円筒形の中心軸が水平となるように姿勢設定されている。
また、熱処理炉１の片側端部は真空シールド扉８０として構成されている。なお、この真空シールド扉８０の内側と、風炉室２の脱着自在な側壁部２１とは接続されており、真空シールド扉８０を開けることによって側壁部２１脱離され、冷却室２０と中間室４０との間において被処理物Ｗの移動を行うことができる構成とされている。
なお、熱処理炉１の内部において、風炉室２の外部空間は、仕切板（不図示）によって上下に２分されている。また、この仕切板によって風炉室２が支持されている。

風炉室２は、その内部において被処理物Ｗを加熱処理及び冷却処理するものである。この風炉室２の内部には、被処理物Ｗを載置するための載置台２２が配置されており、この載置台２２には被処理物Ｗの搬出入を容易にするためのフリーローラ２３が複数設置されている。なお、この載置台２２は、上下方向に気体が通過可能な構造（例えば、格子状）とされている。

また、風炉室２の上壁部及び下壁部は、冷却ガスＸを流れを均一化しかつ整流するための均一化整流部７（７ａ，７ｂ）として構成されている。具体的には、この均一化整流部７としては、格子状に間切りをされた格子箱とパンチングメタルとを組合わせたもの等が用いられている。

また、冷却室２０の後ろ端部（熱交換器３及びファン４を含む端部）は、開閉可能な扉５０として構成されている。そして、この扉５０に、風炉室２の側壁部２１と対向する、同じく開閉可能な側壁部２５が、熱交換器３及びファン４を含んで開閉可能とされた扉５０と接続されている。
このため、扉５０を開けることによって、冷却室２０（風炉室２）と装置外部との間で被処理物Ｗの移動を行うことができる。なお、扉５０は、支持脚５１によって支持されており、この支持脚５１は地面に設置されたスライド装置５２に固定されている。このスライド装置５２が駆動することによって、扉５０は、図示するように、冷却室２０に対して水平方向に近接あるいは離間する。このようなスライド装置５２を採用することによって扉５０の開閉を容易に行うことが可能となる。なお、容易に扉５０を開閉する機構としては、スライド装置５２に限られるものではなく、例えば、ヒンジ装置等であっても良い。

加熱室３０は、冷却室２０と同様に略円筒形に形状設定されており、図示するように、冷却室２０に対向配置されている。また、加熱室３０に連結された搬送棒収納室６２の内部には、本浸炭処理装置Ｓ１の内部において、被処理物Ｗを搬送するための搬送棒６１が設置されている。

加熱室３０の内部には略直方形に形状設定された断熱室３１（処理室）が設置されている。この断熱室３１の一方側（冷却室２０と対向する側）の側面部には、断熱扉３２が設置されており、他方側の側面部には搬送棒６１の出入口となる搬送棒用扉３３が設置されている。この搬送棒用扉３３は、加熱室３０の外壁から突出するように設置された昇降部４１によって開閉が規定される。なお、この搬送棒用扉３３も断熱扉３２と同様に断熱設計されている。断熱室３１の内部には、被処理物Ｗを載置するための載置台３４が設置されている。この載置台３４は、被処理物Ｗが均一に加熱されるように、例えばフレーム状に形成されると共に、被処理物Ｗの移送を良好に行うためのフリーローラ３５が設置されている。なお、断熱室３１内部に設置された載置台３４と風炉室２内部に設置された載置台２２とは、同じ高さに配置されている。

また、断熱室３１の内部には、被処理物Ｗを加熱するためのヒータ１０が複数設置されている。図２は、ヒータ１０の斜視図であり、図３は、断熱室３１を模式的に示した拡大断面図である。これらの図に示すように、本実施形態のヒータ１０は、断熱室３１の出入口側の領域である前方領域Ｒ１（被処理物Ｗの搬入方向における前方領域）に配置されるヒータ１１，１２、断熱室３１の中間領域Ｒ２（被処理物Ｗの搬入方向における前方領域と後方領域との間の領域）に配置されるヒータ１３，１４及び断熱室３１の奥側領域である後方領域Ｒ３（被処理物Ｗの搬入方向における後方領域）に配置されるヒータ１５，１６の合計６本のヒータ１１〜１６によって構成されている。そして、図２に示すように、各ヒータ１１〜１６が被処理物Ｗを囲うように配置されている。
また、断熱室３１の内部には、前方領域Ｒ１の温度を計測する熱電対７１と、中間領域Ｒ２の温度を計測する熱電対７２と、後方領域Ｒ３の温度を計測する熱電対７３とが配置されている。

図４は、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１の温度調整システム１００の機能構成を示したブロック図である。この図に示すように、上述したヒータ１１〜１６及び熱電対７１〜７３は、温度調整システム１００の構成要素として含まれている。具体的には、温度調整システム１００は、断熱室３１の内部における複数領域である領域Ｒ１〜Ｒ３（前方領域Ｒ１、中間領域Ｒ２および後方領域Ｒ３）の温度を測定する測定システム１１０と、被処理物Ｗが均一に浸炭処理されるように測定システム１１０の測定結果に基づいて領域Ｒ１〜Ｒ３の温度を個別に調整する調整システム１２０とを備えて構成されている。そして、測定システム１１０が、熱電対７１〜７３と、当該熱電対７１〜７３の測定結果を測定値として算出する算出部１１１とを備えて構成されている。また、調整システム１２０が、ヒータ１１〜１６と、当該ヒータ１１〜１６の出力を所定のＰＩＤ値及び測定システム１１０から入力される測定値に基づいて調整する制御部１２１とを備えて構成されている。

そして、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１においては、制御部１２１は、前方領域Ｒ１に配置されたヒータ１１，１２の出力を熱電対７１の測定結果に基づいて調整し、中間領域Ｒ２に配置されたヒータ１３，１４の出力を熱電対７２の測定結果に基づいて調整し、後方領域Ｒ３に配置されたヒータ１５，１６の出力を熱電対７２の測定結果に基づいて調整する。
すなわち、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１においては、各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に測定され、この個別に測定された測定結果に応じて各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に調整される。
具体的には、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１においては、各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が均一に加熱されるように、各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に調整される。
また、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１において、制御部１２１は、その領域に充填される被処理物Ｗの質量に応じたＰＩＤ値が設定可能とされている。このため、各領域Ｒ１〜Ｒ３に充填される被処理物Ｗの質量に応じたＰＩＤ値に基づいて各領域Ｒ１〜Ｒ３のヒータ１１〜１６の出力を調整することが可能となっている。

図１に戻り、中間室４０は、中空の略方形状に形状設定されており、冷却室２０と加熱室３０との間に配置されている。その上部には、真空シールド扉８０を昇降するためのシールド扉用昇降部４１と断熱扉３２を昇降するための断熱扉用昇降部４２とが設置されている。
また、浸炭処理装置Ｓ１は、加熱室３０の内部を減圧する減圧装置（不図示）や、断熱室３１の内部に浸炭性ガス（例えばアセチレン）を供給するための浸炭性ガス供給装置（不図示）等を備えて構成されている。

次に、このように構成された本発明に係る浸炭処理装置の動作（浸炭処理方法）について説明する。

まず、スライド装置５２によって扉５０が冷却室２０に対して離間された状態で、被処理物Ｗは、風炉室２内部の載置台２２に載置される。そして、扉５０がスライド装置５２によって冷却室２０に当接され、冷却室２０が密閉される。そして、冷却室２０、加熱室３０及び中間室４０は、減圧装置（不図示）の駆動によって真空引きされる。そして、昇降部４１、真空シールド扉用昇降部４１及び断熱扉用昇降部４２とが駆動することによって搬送棒用扉３３、真空シールド扉８０及び断熱扉３２が開放される。

ここで、搬送棒６１によって、被処理物Ｗは、風炉室２内部の載置台２２から断熱室３１内部の載置台３４上に移送される。そして、再び昇降部４１及び断熱扉用昇降部４２とが駆動して搬送棒用扉３３及び断熱扉３２が閉じられ、この状態において、被処理物Ｗが、ヒータ１０によって加熱される。

そして、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１においては、温度調整システム１００によって、断熱室３１内の各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に測定され、被処理物Ｗが均一に浸炭処理されるように測定結果に基づいて各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に制御される。

具体的には、温度調整システムの一部を構成する温度測定システム１１０の熱電対７１によって前方領域Ｒ１の温度を測定し、この測定結果に基づいて測定システム１１０の算出部１１１が測定値を算出して出力する。また、温度測定システム１１０の熱電対７２によって中間領域Ｒ２の温度を測定し、この測定結果に基づいて測定システム１１０の算出部１１１が測定値を算出して出力する。また、温度測定システム１１０の熱電対７３によって後方領域Ｒ３の温度を測定し、この測定結果に基づいて測定システム１１０の算出部１１１が測定値を算出して出力する。
すなわち、温度測定システム１１０が断熱室３１の内部における複数領域の温度を測定する。

そして、温度測定システム１１０によって測定された測定値は、温度調整システム１００の一部を構成する調整システム１２０に入力される。ここで、調整システム１２０の制御部１２１は、入力された測定値に応じてヒータ１１〜１６の出力を調整する。より詳細には、制御部１２１は、前方領域Ｒ１の温度に基づく測定値が入力された場合にはヒータ１１，１２の出力を調整し、中間領域Ｒ２の温度に基づく測定値が入力された場合にはヒータ１３，１４の出力を調整し、後方領域Ｒ３の温度に基づく測定値が入力された場合にはヒータ１５，１６の出力を調整する。

このように、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１は、領域Ｒ１〜Ｒ３が同じ温度となるように温度調整システム１００によって制御される。そして、断熱室３１の内部に載置された被処理物Ｗが所定の温度まで昇温されたら、浸炭性ガス供給装置（不図示）によって、浸炭性ガスが断熱室３１の内部に供給される。
ここで、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１では、領域Ｒ１〜Ｒ３が同じ温度となるように温度調整システム１００によって制御されているため、被処理物Ｗが均一に昇温されている。よって、浸炭性ガスを断熱室３１の内部に供給することによって、被処理物Ｗに均一な浸炭処理を施すことが可能となる。

また、本実施形態の浸炭処理装置Ｓ１においては、制御部１２１が、その領域に充填される被処理物Ｗの質量に応じたＰＩＤ値を設定可能とされている。予め、各領域Ｒ１〜Ｒ３に充填される被処理物Ｗの質量が分かっている場合には、各領域Ｒ１〜Ｒ３に充填される被処理物Ｗの質量に応じたＰＩＤ値、すなわち各領域Ｒ１〜Ｒ３に存在する被処理物Ｗの吸熱容量に応じたＰＩＤ値に基づいて各領域Ｒ１〜Ｒ３のヒータ１１〜１６の出力を調整することができる。よって、浸炭処理中に断熱室３１の内部の温度を変化させるような場合であっても、各領域Ｒ１〜Ｒ３に存在する被処理物Ｗを同じ速さで同じ温度まで変化させることが可能となり、より均一な浸炭処理を行うことが可能となる。

被処理物Ｗの浸炭処理が完了すると、再び減圧装置によって加熱室３０（断熱室３１）内の浸炭性ガスが排出され、所定時間、浸炭処理によって発生したセメンタイト拡散させる拡散処理が行われる。その後、搬送棒用扉３３及び断熱扉３２が開放され、被処理物Ｗは、搬送棒６１によって再び風炉室２内部の載置台２２に移送される。そして、被処理物Ｗが風炉室２の載置台２２に移送されると、真空シールド扉８０が密閉される。

そして、熱交換器３によって冷却された冷却ガスＸがファン４によって循環されこの循環される冷却ガスＸの流れが、均一化整流部７によって均一化され、この均一化された冷却ガスＸが被処理物Ｗに吹付けられることによって、被処理物Ｗが均一に冷却される。

そして、被処理物Ｗが所定の温度まで冷却されると、扉５０が冷却室２０から脱離され、被処理物Ｗが外部に搬出される。

このような本実施形態の浸炭処理装置及び方法によれば、断熱室３１内の各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に測定され、被処理物Ｗが均一に浸炭処理されるように測定結果に基づいて各領域Ｒ１〜Ｒ３の温度が個別に制御される。このため、被処理物Ｗ全体を均一に昇温させることが可能となり、アセチレン等の浸炭性の高い浸炭性ガスを用いた場合であっても、被処理物Ｗに対してより均一な浸炭処理を行うことが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る浸炭処理装置及び方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、被処理物Ｗを冷却するのに冷却ガスを用いる方式を採用した。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、被処理物Ｗを冷却するのに冷却油を用いる方式を採用することができる。

また、上記実施形態の浸炭処理装置Ｓ１は、加熱室３０と冷却室２０とその間の中間室４０とを備えるものであった。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、さらに複数の加熱室３０や被処理物Ｗに対して他の処理を行う処理室を備える浸炭処理装置Ｓ１に対しても適用することができる。

本発明の一実施形態である浸炭処理装置の概略構成を示した断面図である。ヒータを斜視図である。断熱室を模式的に示した拡大断面図である。温度調整システムの機能構成を示したブロック図である。

符号の説明

Ｓ１……浸炭処理装置
Ｒ１……前方領域
Ｒ２……中間領域
Ｒ３……後方領域
１０（１１〜１６）……ヒータ
３１……断熱室（処理室）
７１〜７２……熱電対
１００……温度調整システム
１１０……測定システム（温度測定手段）
１２０……調整システム（温度調整手段）
１２１……制御部（制御手段）

Claims

内部が減圧状態かつ浸炭性ガス雰囲気の処理室において被処理物を加熱することによって浸炭処理する浸炭処理装置であって、
前記処理室の内部における複数領域の温度を測定する温度測定手段と、
前記被処理物が均一に浸炭処理されるように前記温度測定手段の測定結果に基づいて前記複数領域の温度を個別に調整する温度調整手段と
を備えることを特徴とする浸炭処理装置。
前記複数領域は、前記被処理物の前記処理室への搬入方向における前方領域と、後方領域と、前記前方領域と前記後方領域との間に位置する中間領域とを少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載の浸炭処理装置。
前記温度調整手段は、前記複数領域の各領域に配置されるヒータと、該ヒータを前記温度測定手段の測定結果に基づいて個別に制御する制御手段とを備えて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の浸炭処理装置。
前記制御手段は、前記複数領域の各領域における前記被処理物の充填質量に応じたＰＩＤ値を用いて前記ヒータを個別に制御することを特徴とする請求項３記載の浸炭処理装置。
前記ヒータは、前記各領域において、前記被処理物を囲んで配置されていることを特徴とする請求項３または４記載の浸炭処理装置。
内部が減圧状態かつ浸炭ガス雰囲気の処理室において被処理物を加熱することによって浸炭処理する浸炭処理方法であって、
前記処理室の内部における複数領域の温度を測定し、前記被処理物が均一に浸炭処理されるように測定結果に基づいて前記複数領域の温度を個別に調整することを特徴とする浸炭処理方法。