JP2007231367A - 熱処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の焼戻し処理を行なうことができ、一個（単一）の被加熱物（ワーク）の加熱のみならず多数個の被加熱物の連続加熱もでき、被処理物の形状に関係なく均一な硬さ分布を得ることができ、さらに硬さのバラツキも少ない熱処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】 被処理物６を過熱水蒸気５により所要温度に加熱し、その後に冷却工程（冷却手段８による冷却）を施行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理物を熱処理（例えば、焼戻し処理等）するための熱処理方法及び装置に関する。

従来では、被処理物（ワーク）の熱処理を行なうに当たって電気炉を用いたり或いは高周波誘導加熱装置を用いるが、焼入れ後の焼戻し作業も電気炉や高周波誘導加熱装置を用いて行なうもの多用されている。例えば、公知技術としては、特開平６−６９１４１号（特許文献１）に示す電気炉を用いたものや、特開２００１−３０３１３４号（特許文献２）に示す高周波誘導加熱装置を用いるものが挙げられる。
特開平６−６９１４１号 特開２００１−３０３１３４号

従来より鉄鋼部材の焼入れ後の焼戻し処理に多用されている電気式焼戻し炉は、電気で発熱体を加熱し、加熱された発熱体で空気を加熱し、加熱された空気をファンによって撹拝することにより炉内に均一な温度の熱風を生じさせ、この熱風中で被処理物を加熱することにより焼戻しを行なうようにしている。このような加熱法によれば、被処理物である鉄鋼部材の温度分布をその形状の如何によらずに均一にすることができる。例えば、図５及び図６に示すハブユニットの外輪（被処理物）２０においては、外輪２０のボール溝２１ａ，２１ｂのうちのフランジ２２に近接するボール溝２３ａ，２３ｂ及び軌道間２４と、外輪２０のボール溝２１ａ，２１ｂのうちのフランジ２２から遠いボール溝２５ａ，２５ｂ及び軌道間２６の熱容量の差によらず、全体が均一に加熱されるため、焼戻し硬さのバラツキも少なく焼戻し品質は安定した良質なものとなる。これは、加熱媒体である熱風の熱量が小さいため、被処理物であるハブユニット２０が、ゆっくりと、内部まで加熱される事によるものである。しかしながら、その反面、その熱量が少ないことから、長時間にわたり加熱する必要があり、従って生産効率が低いのが実状である。なお、図６において、Ｓは、高周波焼入れ処理により得られた焼入れ硬化層である。

また、電気式焼戻し炉を用いて一個流しの生産ラインを構成する場合には、加熱時間が長いため生産効率が低くインライン化が困難である。また、被処理物を連続して加工する連続式の場合には、インライン化が可能であるが、装置の占有面積が大きくなり、経済的ではない。連続式焼戻し炉ではない場合には、ある程度の被処理物の数量をまとめてから処理するのであるが、例えば、高周波焼入れしたもの（高周波焼入れ済みのもの）を焼戻しする時は、ある程度数量がまとまってから処理することになり、最初に焼入れしたものは、焼戻しを行なうまでに可成りの時間が経過することになる。焼戻し処理は、焼入れ処理の直後に行なうのが原則であり、焼入れ処理から時間が経つと置割れを生じたりする等の不具合を生じる。

一方、高周波誘導加熱装置を用いて被処理物を、一個乃至数個、同時に誘導加熱によって焼戻しを行なう場合には、電気式焼戻し炉と比較して極めて短時間で焼戻し処理が可能であるが、焼戻し品質は被加熱物の形状に依存し、電気式焼戻し炉に比べて焼戻し硬さのバラツキが大きくなる場合がある。例えば、図５及び図６に示すハブユニットの外輪２０においては、フランジ２２に近接するボール溝２３ａ，２３ｂ及び軌道間２４の近傍は、フランジ１２から遠いボール溝１５ａ，１５ｂ及び軌道間１６の近傍よりも熱容量が大きいため加熱され難く、ワーク一固体の中での温度分布が均一になりにくいため、焼戻し硬さのバラツキが大きくなる傾向がある。このような被処理体の形状による温度のバラツキは、高周波誘導加熱コイルの形状の工夫のみでは対応できない場合もある。

また、被処理物が鉄鋼部材の場合には、磁気変態点以下の温度における高周波電流の浸透深さは略１ｍｍ以下であり、極端な急速加熱により焼戻しを行なうと表面近傍のみが加熱されて内部は加熱されず、表面よりも内部の硬さが高くなるという不具合を生じることがある。

本発明は、上述の如き実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、高品質の焼戻し処理を行なうことができ、一個（単一）の被加熱物（ワーク）の加熱のみならず多数個の被加熱物の連続加熱もでき、被処理物の形状に関係なく均一な硬さ分布を得ることができ、さらに硬さのバラツキも少ない熱処理方法及び装置を提供することにある。

上述の如き目的を達成するために、本発明に係る熱処理方法では、被処理物を過熱水蒸気により所要温度に加熱し、その後に冷却工程を施行するようにしている。
また、本発明に係る熱処理方法では、前記熱処理が、焼戻し処理であり、前記過熱水蒸気は、温度が１００℃〜１２００℃のものであるようにしている。
また、本発明に係る熱処理方法では、前記熱処理が、高周波焼入れ処理済みの被処理物についての焼戻し処理である場合において、前記過熱水蒸気を、高周波電源を備えた過熱水蒸気発生装置から得るようにしている。
また、本発明に係る熱処理方法では、前記過熱水蒸気による熱処理を、単一の被処理物又は連続して加工される被処理物に対して行なうようにしている。
また、本発明に係る熱処理装置では、
（ａ） 水供給手段と、
（ｂ） 前記水供給手段から供給される水を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気生成手段と、
（ｃ） 前記過熱水蒸気生成手段により発生された過熱水蒸気を被処理物に適用する過熱水蒸気適用手段と、
（ｄ） 前記過熱水蒸気にて加熱された被処理物を冷却する冷却手段と、
を備えるようにしている。
また、本発明に係る熱処理装置では、前記過熱水蒸気生成手段は、高周波電源に接続された高周波誘導加熱コイルを利用して水蒸気を加熱する水蒸気加熱部を備え、前記水蒸気が前記水蒸気加熱部において加熱されて過熱水蒸気になるように構成している。

請求項１に記載の本発明は、被処理物を過熱水蒸気により所要温度に加熱し、その後に冷却工程を施行するようにしたものであるから、高熱の蒸気体から成る過熱水蒸気により被処理物が加熱されるため、被処理物をその全面にわたって均一に加熱することができて高品質の焼戻し処理を行なうことができ、被処理物の形状に関係なく硬さのバラツキのない均一な硬さ分布を得ることができる。また、高熱の過熱水蒸気のため、短時間で熱処理を行なうことができる。

また、請求項２に記載の本発明は、熱処理が、焼戻し処理であり、過熱水蒸気は、温度が１００℃〜１２００℃のものであるようにしたものであるから、過熱水蒸気としては１００℃〜１２００℃の広範囲の温度範囲のものを必要に応じて容易に作ることが可能であるため、被処理物の形態に対応して最適な条件のものを選定して焼戻し加熱等の熱処理を行なうことができる。

また、請求項３に記載の本発明は、熱処理が、高周波焼入れ処理済みの被処理物についての焼戻し処理である場合において、過熱水蒸気を、高周波電源お呼び高周波誘導加熱コイルを備えた過熱水蒸気発生装置から得るようにしたものであるから、過熱水蒸気は、水蒸気を高周波電源及び高周波誘導加熱装置を利用して加熱することにより容易に作ることができるため、高周波誘導加熱装置を用いた熱処理工程に対してはより適用性が高い。

また、請求項４に記載の本発明は、過熱水蒸気による熱処理を、単一の被処理物又は連続して加工される被処理物に対して行なうようにしたものであるから、被処理物の形態や熱処理条件等に応じて単一の被処理物又は連続して加工される被処理物の全てに対して適宜に適用することができる。

また、請求項５に記載の本発明は、水供給手段と、水供給手段から供給される水を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気生成手段と、過熱水蒸気生成手段により発生された過熱水蒸気を被処理物に適用する過熱水蒸気適用手段と、過熱水蒸気にて加熱された被処理物を冷却する冷却手段とを備えるようにしたものであるから、本発明に係る熱処理方法を適宜に施行することができ、高熱の過熱水蒸気により短時間で被処理物をその全面にわたって均一に加熱することができ、被処理物の形状に関係なく硬さのバラツキのない均一な硬さ分布を得ることができる。また、高熱の過熱水蒸気のため、短時間で熱処理を行なうことができる。しかも、特別な高価な設備を必要としないで済むという利点を有する。

また、請求項６に記載の本発明は、過熱水蒸気生成手段は、高周波電源に接続された高周波誘導加熱コイルを利用して水蒸気を加熱する水蒸気加熱部を備え、水蒸気が水蒸気加熱部において加熱されて過熱水蒸気になるように構成したものであるから、高周波電源及び高周波誘導加熱コイルを利用して過熱水蒸気を容易に得ることができ、その過熱水蒸気を被処理物の加熱に適用することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る熱処理方法及び装置について図１〜図４を参照して説明する。

図１は、本発明の熱処理方法を実施するために用いられる熱処理装置１を示すものである。本装置１は、例えば、焼入れ処理済みの鉄鋼部材（被処理物の一種）を焼入れ処理直後に焼戻し処理するのに用いられるものであって、図１に示すように、水供給手段２と、この水供給手段２から供給される水３を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気生成手段４と、この過熱水蒸気生成手段４により生成（発生）された過熱水蒸気５を被処理物６に適用する過熱水蒸気適用手段７と、過熱水蒸気５にて加熱された被処理物６を冷却する冷却手段８（冷却ジャケット４０）とを備えている。上述の過熱水蒸気生成手段４は、水供給手段２から供給される水３を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生装置９と、この水蒸気発生装置９から発生された水蒸気１０を過熱水蒸気５にする水蒸気加熱部（高周波誘導加熱装置）１１とから構成されている。なお、本実施形態における水蒸気加熱部１１は、高周波電源１２と、この高周波電源１２に接続された高周波誘導加熱コイル１３と、高周波電源１２及び高周波誘導加熱コイル１３により高周波誘導加熱されて前記水蒸気１０に熱を伝達して高温の過熱水蒸気にするための熱源体（図示省略）とから構成されている。

また、上述の過熱水蒸気適用手段７は、下方に開口部を有するチャンバー３０と被処理物保持部材３５とを備えており、図示しないチャンバー昇降手段或いは被処理物保持部昇降手段（図示省略）により被処理物保持部材３５がチャンバー３０の下方の開口部に蓋をした状態となされて熱処理空間３２が形成されるように構成されている。更に、チャンバー３０は、上述の過熱水蒸気生成手段４により生成された過熱水蒸気５を導入する過熱水蒸気供給ポート３３と、被処理物を加熱して温度が下がった水蒸気をチャンバー３０から排出するための水蒸気排出ポート３４とを備えている。また、熱処理空間３２内の温度降下を防ぐために、チャンバー３０は、断熱材３１により断熱処理が施されている。

このような構成の熱処理装置１によって、被処理物に熱処理を行なう工程を詳述する。なお、被処理物６としては図２及び図３に示すハブユニットの外輪２０とする。

まず、被処理物であるハブユニットの外輪２０を被処理物保持部材３５に載置し、図外の昇降手段により上昇させ、チャンバー３０内に形成される熱処理空間３２の所要の位置に保持する。次に、水３を過熱水蒸気生成手段４の水蒸気発生装置９に供給し、この水蒸気発生装置９より水蒸気１０を発生させる。この水蒸気１０の温度は、例えば１００℃であってよいが、それに限定されるものではない。続いて、水蒸気１０を、高周波電源１２から高周波電流が流される高周波誘導加熱コイル１３にて高周波誘導加熱される図外の熱源体との接触或いは熱伝導により加熱して高温の過熱水蒸気５を生成する。しかる後に、過熱水蒸気生成手段４により生成された過熱水蒸気５を、ハブユニットの外輪２０が配置された熱処理空間３２にチャンバー３０の過熱水蒸気供給ポート３３を通して供給し、過熱水蒸気５をハブユニットの外輪２０の表面に接触させることによりハブユニットの外輪２０を昇温させ、所要時間にわたり所要温度に加熱保持を行うことにより所望の熱処理、例えば焼戻し処理を行う。なお、ハブユニットの外輪２０の表面に接触して温度の下がった水蒸気は、チャンバー３０の水蒸気排出ポート３４より排出されるため、チャンバー３０内は常に高温の過熱水蒸気５が供給される。過熱水蒸気５を被処理物に接触させる際、被処理物の寸法形状に応じて種々のノズル等を用いてもよい。次いで、所要時間にわたる所要温度の加熱保持が完了したハブユニットの外輪２０を、図外の昇降手段により被処理物保持部材３５とともに下降させてチャンバー３０より排出して冷却手段８に搬送し、冷却手段８の冷却ジャケット４０から冷却水をハブユニットの外輪２０に所要時間にわたり噴射することにより水冷し、本装置１による熱処理工程（ここでは焼戻し工程）を完了する。

この過熱水蒸気５の温度は、被処理物６の形状，大きさ，材質等により相異し、所望の硬さを得られる条件を実験的及び経験的に見出すことにより設定されてよい。なお、前記条件は、加熱温度及び加熱時間であり、その他の条件としては被処理物６の焼戻し処理に必要な雰囲気を作り出すための過熱水蒸気５の供給量等が挙げられる。過熱水蒸気５の温度は、１００℃〜１２００℃程度であり、単一のワーク又は連続して加工されるワークに適用する場合によって異なる。

図２は、被処理物６として図５及び図６に示すハブユニットの外輪２０を用い、水蒸気元圧０.１ＭＰａ，水蒸気流量６０ｋｇ／Ｈ，過熱水蒸気温度６３０℃の条件の下で焼戻し処理したときの、加熱時間と表面硬さとの関係を示すグラフである。また、図３は、同じ被処理物６（外輪２０）を上記と同じ条件で処理したときの、加熱時間と加熱終了直後のワーク温度（被処理物６の温度）との関係を示すグラフである。処理条件を変更した場合、或いは被処理物６が異なる場合には、これらの関係も変化する。

焼戻し方法としては、被処理物６を所望の硬さが得られる温度に加熱した後に一定時間にわたり放冷してから水等の冷却液で急冷するか（図４参照）、加熱終了直後に冷却液の噴射により急冷するかの何れかの方法が採用される。この冷却条件も、また、被処理物６の形状や形態によって適宜に設定される。

被処理物として図５及び図６に示すハブユニットの外輪２０を焼戻し処理する場合、被処理物６の温度（ワーク温度）を１６０℃〜２５０℃の範囲に設定することにより焼戻し硬さを７７０Ｈｖ〜６６０Ｈｖの範囲で任意に調整できることが図２及び図３のグラフより確認することができる。

以上のように、過熱水蒸気５を被処理物６の冷却工程前の加熱工程における加熱媒体として用いるようにした焼戻し方法及び装置（熱処理方向及び装置）の利点としては、次のような効果が挙げられる。
（１） 電気炉焼戻し処理と同等の熱処理品質を得ることができる。
（２） 高周波焼戻し処理並みの加熱時間で処理することができる。
（３） 被処理物の種類や寸法等にもよるが、通常は、同程度の大きさ、同程度の材質であれば３０秒〜６５秒程度の加熱時間で焼戻し処理を行なうことができる。
（４） 内部まで充分に焼戻しされ、高周波焼戻しの場合のように内部の硬さが表面の硬さよりも高くなる傾向がない。
（５） 電気炉では生産上無理と思われるような一個流しの焼戻し処理が可能であり、かつ、連続処理も行なうことができる。
（６） 被処理物の形状がバランスのとれていないものであっても、その形状とは関係なく良品質の焼戻し処理を行なうことができる。

以上のように、本実施形態に係る熱処理方法及び装置によれば、電気炉や高周波焼入れによって焼入れ処理された単一の被処理物（ワーク）又は連続して加工される被処理物の焼戻しを被処理物の形状に無関係で適用することができ、短時間で所望の硬さの焼戻し処理を行うことができ、焼戻し加熱も被処理物の全体にわたって均一に行なうことができ、一定の焼戻し硬さを有する被処理物を確実に得ることできる。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、既述の実施形態では、高周波誘導加熱方式の過熱水蒸気生成手段３を用いるようにしたが、高周波誘導加熱方式とは別の方式の過熱水蒸気生成手段を用いるようにしてもよい。既述の実施形態では、鉄鋼部材の焼戻しについて適用される例を説明したが、それに限定されるものではなく、他の金属部材やガラス部材についての熱処理にも対応することができる。また、過熱水蒸気１０を用いる熱処理としては焼戻し処理に限定されるものでなく、焼入れ処理等のその他の各種の熱処理にも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る熱処理方法を施行するための熱処理装置を示すブロック図である。 図１の熱処理装置を用いて熱処理方法を施行した場合の加熱時間と表面硬さとの関係を示すグラフである。 本発明の過熱水蒸気を用いた熱処理方法による加熱時間と、加熱終了直後の被加熱物の温度との関係を示すグラフである。 本発明に係る過熱水蒸気を用いた熱処理方法による焼戻し方法の一例を示す線図である。 被加熱物としてのハブユニットの外輪の上面図である。 被加熱物としてのハブユニットの外輪の断面図である。

符号の説明

１ 熱処理装置
２ 水供給手段
３ 水
４ 過熱水蒸気生成手段
５ 過熱水蒸気
６ 被処理物
７ 過熱水蒸気適用手段
８ 冷却手段
９ 水蒸気発生装置
１０ 水蒸気
１１ 水蒸気加熱部（高周波誘導加熱装置）
１２ 高周波電源
１３ 高周波誘導加熱コイル
３０ チャンバー
３１ 断熱材
３２ 熱処理空間
３３ 過熱水蒸気供給ポート
３４ 水蒸気排出ポート３４
３５ 被処理物載置部材
４０ 冷却ジャケット

Claims (6)

1. 被処理物を過熱水蒸気により所要温度に加熱し、その後に冷却工程を施行するようにしたことを特徴とする熱処理方法。
2. 前記熱処理が、焼戻し処理であり、前記過熱水蒸気は、温度が１００℃〜１２００℃のものであることを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
3. 前記熱処理が、高周波焼入れ処理済みの被処理物についての焼戻し処理である場合において、前記過熱水蒸気を、高周波電源及び高周波誘導加熱コイルを備えた過熱水蒸気発生装置から得るようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理方法。
4. 前記過熱水蒸気による熱処理を、単一の被処理物又は連続して加工される被処理物に対して行なうようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
5. （ａ） 水供給手段と、
   （ｂ） 前記水供給手段から供給される水を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気生成手段と、
   （ｃ） 前記過熱水蒸気生成手段により発生された過熱水蒸気を被処理物に適用する過熱水蒸気適用手段と、
   （ｄ） 前記過熱水蒸気にて加熱された被処理物を冷却する冷却手段と、
   を備えることを特徴とする熱処理装置。
6. 前記過熱水蒸気生成手段は、高周波電源に接続された高周波誘導加熱コイルを利用して水蒸気を加熱する水蒸気加熱部を備え、前記水蒸気が前記水蒸気加熱部において加熱されて過熱水蒸気になるように構成したことを特徴する請求項５に記載の熱処理装置。
   
   
   

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