JP2009091638A

JP2009091638A - 熱処理方法及び熱処理装置

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Publication number: JP2009091638A
Application number: JP2007265355A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sakurai; 崇櫻井; Toshishiyun Kakehi; 都志春筧
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】熱処理後の被処理体の歪みを抑制する。
【解決手段】被処理体を熱処理する際の被処理体の昇温処理工程において、被処理体をオーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度まで昇温する。その後、昇温した被処理体を第一の設定温度で所定の時間保持し、被処理体内の温度分布を均一にする。その後、第一の設定温度に保持された被処理体を、被処理体に溶質が固溶化する第二の設定温度まで昇温する。このように被処理体内の温度分布を第一の設定温度で均一にすることにより、被処理体にオーストナイト変態による不均一な収縮が生じず、かつ、熱応力による不均一な膨張が起きず、熱処理後の被処理体の歪みを抑制できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば鋼材等の被処理体を昇温処理して、炭素等の溶質を固溶化させる熱処理方法及び熱処理設備に関する。

従来、鋼材等の被処理体を熱処理する熱処理設備の一種として、連続ガス浸炭設備が知られている。かかる連続ガス浸炭設備には、例えば、昇温処理を行う昇温室（予熱室）、浸炭処理を行う浸炭室、降温処理を行う降温室（冷却室）、再加熱処理を行う再加熱室、焼入処理を行う焼入室等の処理室が、被処理体の搬送方向においてこの順に並べて設けられている。そして、被処理体がこの設備内を連続して搬送され、各処理室内で被処理体に所定の処理が施される（特許文献１）。

このような連続ガス浸炭設備では、昇温処理を行う際に発生する熱応力によって被処理体が不均一に膨張し、熱処理後の被処理体内に歪みが発生することがある。そこで特許文献１では、このような熱応力による歪みを防止するため、昇温室における被処理体の昇温処理の際の昇温カーブを制御すること、すなわち、被処理体の表面と内部の昇温速度が同じになるように制御することが提案されている。

特開平８−１９９３３１号公報

しかしながら、従来のように昇温カーブを制御しただけでは、被処理体の表面と内部の昇温速度を同じにできるが、被処理体の表面内の温度分布を均一に制御することができないことがあった。そうすると、オーステナイト変態の開始点がばらつくために、大きな変態応力が発生し被処理体が不均一に収縮し、その結果、熱処理後の被処理体内に歪みが発生することがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、熱処理後の被処理体の歪みを抑制することができる熱処理方法及び熱処理設備を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、被処理体を昇温処理して溶質を固溶化させる熱処理方法であって、被処理体をオーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度まで昇温し、前記昇温した被処理体を前記第一の設定温度で所定の時間保持し、前記第一の設定温度に保持された被処理体を、被処理体に溶質が固溶化する第二の設定温度まで昇温することを特徴としている。

本発明によれば、被処理体をオーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度まで昇温した後、被処理体を第一の設定温度で所定の時間保持しているので、被処理体のオーステナイト変態が開始する前に、被処理体内の温度を均一にすることができる。すなわち、被処理体の表面と内部の温度を均一にできるだけでなく、被処理体の表面内の温度も均一にすることができる。そうすると、その後、被処理体を第二の設定温度まで昇温する際に、オーステナイト変態が開始しても、その開始点が被処理体内で均一なので、被処理体がオーステナイト変態によって不均一に収縮することがない。また、このように被処理体内の温度を均一にしているので、熱応力によって被処理体が不均一に膨張することもない。したがって、被処理体を第二の設定温度まで昇温する際に、被処理体にオーステナイト変態による不均一な収縮が起きず、かつ、熱応力による不均一な膨張が起きないので、熱処理後の被処理体の歪みを抑制することができる。

別な観点による本発明においては、被処理体を昇温処理して溶質を固溶化させる熱処理設備であって、被処理体の昇温を行う昇温室と、前記昇温室内の被処理体の温度を調節する温度調節機構とを備え、前記温度調節機構は、前記昇温室内の被処理体の温度を、オーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度と、被処理体に溶質が固溶化する第二の設定温度とに調節することが可能な構成であり、前記昇温室内の被処理体の温度は、前記第一の設定温度に昇温された後、当該第一の設定温度で所定の時間保持され、その後前記第二の設定温度まで昇温される構成としたことを特徴としている。

前記昇温室は、被処理体を前記第一の設定温度まで昇温させることができる第一の昇温ゾーンと、被処理体を前記第一の設定温度から前記第二の設定温度まで昇温させることができる第二の昇温ゾーンとを備えていてもよい。

前記第一の昇温ゾーンと前記第二の昇温ゾーンの間を開閉する開閉扉を備えていてもよい。

本発明によれば、オーステナイト変態による被処理体の不均一な収縮を抑制することができ、かつ、熱応力による被処理体の不均一な膨張が抑制できるので、熱処理後の被処理体の歪みを抑制することができる。

以下、本発明にかかる実施形態を、熱処理設備としての連続ガス浸炭設備１に基づいて、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、連続ガス浸炭設備１は、鋼材品である被処理体２をＸ方向（略水平方向）に沿った搬送方向Ｄに搬送しながら被処理体２を高温の状態で処理する（昇温処理、浸炭処理、拡散処理、降温処理からなるガス浸炭を行う）熱処理炉３と、被処理体２の油冷（油焼入れ処理）を行う油冷部４と、連続ガス浸炭設備１の各部を制御する制御部５（制御コンピュータ）を備えている。

熱処理炉３の炉体１０内には、複数の処理室として、被処理体２の昇温処理を行う昇温室１１、浸炭処理及び拡散処理を行う浸炭室１２（浸炭拡散室）、拡散処理後の降温処理を行う降温室１３が、入口側から出口側に向かう搬送方向Ｄにおいてこの順に並べて設けられている。炉体１０の入口側には、被処理体２を連続ガス浸炭設備１の外部から炉体１０内（昇温室１１）に搬入するための搬入口２１、及び、搬入口２１を開閉する搬入口扉２２が設けられている。炉体１０の出口側には、被処理体２を炉体１０内（降温室１３）から搬出して油冷部４（後述する油槽室１０２）に搬入するための搬入出口２５、及び、搬入出口２５を開閉する搬入出口扉２６が設けられている。

炉体１０の内部において、昇温室１１と浸炭室１２の間、浸炭室１２と降温室１３の間には、壁体３１、３２（仕切壁）がそれぞれ備えられている。すなわち、炉体１０の内部は２つの壁体３１、３２によって３つの処理室に仕切られている。各壁体３１、３２には、被処理体２をＸ方向に通過させる通過口４１、４２がそれぞれ開口されている。各通過口４１、４２は、開閉扉５１、５２によってそれぞれ開閉される。すなわち、昇温室１１と浸炭室１２の間は開閉扉５１によって開閉され、浸炭室１２と降温室１３の間は開閉扉５２によって開閉されるようになっている。このような開閉扉５１、５２を設け、開閉扉５１、５２によって各処理室の雰囲気を仕切ることが可能な構成にすると、開閉扉５１、５２を設けない場合と比較して、各処理室の雰囲気制御を行い易くなる。

搬入出口２５は、降温室１３と油冷部４（後述する油槽室１０２）との間に設けられている。搬入出口扉２６には、降温室１３側と油冷部４側（後述する油槽室１０２）とを連通させる連通孔２６ａが設けられている。

因みに、本実施形態においては、昇温室１１は１個の被処理体２を収納できる大きさに形成されている。浸炭室１２は３個の被処理体２をＸ方向において一列に並べて収納できる大きさに形成されている。すなわち、搬送方向Ｄにおいて浸炭室１２の上流側、浸炭室１２の中央部、浸炭室１２の下流側に、被処理体２をそれぞれ１つずつ配置できるように構成されている。降温室１３は１個の被処理体２を収納できる大きさに形成されている。

また、熱処理炉３には、被処理体２を搬送する搬送機構としてのローラコンベア５５、炉体１０内の雰囲気を攪拌する攪拌機構５６（ファン）、炉体１０内の雰囲気を加熱するヒータ５７（図２参照）が設けられている。ヒータ５７には、例えばガスバーナが用いられ、このガスバーナは加熱温度によって出力（ガスの燃焼量）を変更することができる。

図１に示すように、ローラコンベア５５は、複数のローラ５５ａを備えている。ローラ５５ａは、炉体１０の下部においてＸ方向に並べて設けられており、各ローラ５５ａの上面に被処理体２を載せて搬送するように構成されている。攪拌機構５６は、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３の天井部にそれぞれ設けられている。

図２に示すように、ヒータ５７は、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３にそれぞれ設けられている。また、各ヒータ５７（発熱体部分）は、炉体１０の内側面（すなわち、ローラコンベア５５による被処理体２の搬送経路の両側）に沿って、Ｘ方向において複数本並べて設けられている。さらに、各ヒータ５７は、制御部５の制御命令にしたがって出力（発熱量）が調節されるように構成されている。また、各ヒータ５７の出力、すなわち、昇温室１１の温度、浸炭室１２の温度、降温室１３の温度は、それぞれ個別に調節できるようになっている。

さらに、図１に示すように、熱処理炉３には、炉体５内に各種ガスを供給するガス供給路として、例えば都市ガスなどの炭化水素系のガス（Ｃ_ｍＨ_ｎ）をエンリッチガスとして供給するエンリッチガス供給路７１、変成ガスとしてのＲＸガス（例えばＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２等を含有するガス）を供給するＲＸガス供給路７２、空気を供給する空気供給路７３、窒素ガス（Ｎ_２）を供給する窒素ガス供給路７４が接続されている。また、昇温室１１には、炉体１０内の排気を行うエキセス８１（入口側排気機構）が設けられている。

エンリッチガス供給路７１は、例えば浸炭室１２、降温室１３にエンリッチガスを供給するように配設されている。ＲＸガス供給路７２は、例えば昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３にＲＸガスを供給するように配設されている。空気供給路７３は、例えば昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３に空気を供給するように配設されている。窒素ガス供給路７４は、例えば昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３に窒素ガスを供給するように配設されている。

エキセス８１は、例えば昇温室１１の天井部に設けられており、昇温室１１内のガスを連続ガス浸炭設備１の外部に排出するようになっている。なお、このエキセス８１は、例えば昇温室１１が外部の圧力に対して陰圧になった場合等には、昇温室１１に対する外気（連続ガス浸炭設備１の外部の雰囲気）の取り入れを行う外気取り入れ路として機能することも可能である。エキセス８１の開度、すなわち、昇温室１１の排ガスの排気量又は外気の流入量は、調節可能にしてもよい。

油冷部４は、油冷部筐体１０１の内部に油槽室１０２が形成された構成になっており、油槽室１０２の下部には、オイル（冷却液）を貯留する油槽１０３が設けられている。また、油冷部４には、被処理体２を油槽室１０２内で搬送方向Ｄに搬送、及び、油槽１０３の上方と油槽１０３との間でＺ方向に昇降移動させる搬送昇降機１０５（エレベータ）が設けられている。油冷部筐体１０１の出口側には、被処理体２を油槽室１０２から連続ガス浸炭設備１の外部に搬出させる油槽室搬出口１１１と、油槽室搬出口１１１を開閉する油槽室搬出口扉１１２が設けられている。

また、油冷部４には、前述したＲＸガス供給路７２と、窒素ガス供給路７４が接続されており、ＲＸガス供給路７２、窒素ガス供給路７４からＲＸガス、窒素ガスがそれぞれ供給されるようになっている。

さらに、油冷部４には、油槽室１０２の排気を行う排気機構としてのエキセス１２０（出口側排気機構）が設けられている。エキセス１２０は、例えば油槽室１０２の天井部に設けられており、油槽室１０２内のガスを連続ガス浸炭設備１の外部に排出するようになっている。なお、このエキセス１２０は、例えば油槽室１０２が外部の圧力に対して陰圧になった場合等には、油槽室１０２に対する外気の取り入れを行う外気取り入れ路として機能することも可能である。エキセス１２０の開度、すなわち、油槽室１０２の排ガスの排気量又は外気の流入量は、調節可能にしてもよい。

上述した連続ガス浸炭設備１の各部の機能要素（例えば開閉扉５１、５２の移動機構、ローラコンベア５５、ヒータ５７等）は、制御部５の命令によって制御される。制御部５は、例えば汎用コンピュータ、シーケンサ等を備えており、所定の処理レシピにしたがって被処理体２を自動的に処理する制御を行うように構成されている。すなわち、制御部５の制御により、後に詳細に説明する昇温処理工程、浸炭処理工程、拡散処理工程、降温処理工程、油焼入処理工程からなる一連の熱処理工程（図３参照）、及び、昇温室１１内の被処理体２の温度を第一の設定温度まで上昇させる第一の昇温工程、昇温室１１内の被処理体２の温度を第一の設定温度に保持する保持工程、昇温室１１内の被処理体２の温度を第一の設定温度から第二の設定温度まで昇温させる第二の昇温工程（図３参照）を実施できるようになっている。

さらに、本実施形態においては、昇温室１１の雰囲気温度、浸炭室１２の雰囲気温度、及び、降温室１３の雰囲気温度を調節することで、昇温室１１、浸炭室１２、及び、降温室１３内に収納されている各被処理体２の温度を調節する温度調節機構１３１が構成されている。温度調節機構１３１は、制御部５、昇温室１１に備えられたヒータ５７、浸炭室１２に備えられたヒータ５７、降温室１３に備えられたヒータ５７を有している（図２参照）。

温度調節機構１３１は、図３に示すように、例えば昇温室１１の雰囲気温度を、２段階の所定の目標値、すなわち、被処理体２のオーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度と、被処理体２に炭素等の溶質が固溶化する第二の設定温度とに調整することが可能である。すなわち、昇温室１１の雰囲気温度を昇温させることで、昇温室１１に収納されている被処理体２の温度を第一の設定温度と第二の設定温度に変化させることができる。第一の設定温度は、本実施の形態においては約７００℃に設定されている。第二の設定温度は約９３０℃、すなわち後述する浸炭処理温度とほぼ同じ値に設定されている。なお、第一の設定温度は、例えば被処理体２が鉄系材料である場合、７００℃〜８００℃であればよい。また、この昇温室１１における昇温プロセスは、被処理体２の温度測定結果（図示しない熱電対からの出力による温度測定結果）に基づいて時間設定をした昇温プロセスであってもよい。例えば被処理体２の実温に基づいて、被処理体２を第一の設定温度まで１０分間昇温した後、第一の設定温度で５分間保持し、その後第二の設定温度まで３０分間昇温するように制御する。

また、温度調節機構１３１は、図４に示すように、昇温室１１の雰囲気温度を、第一の設定温度と第二の設定温度に、所定の周期で交互に昇降させるようになっている。より具体的には、昇温室１１に被処理体２が搬入される際は、昇温室１１の雰囲気温度を第一の設定温度に調節し、被処理体２の温度を第一の設定温度まで上昇させた後、第一の設定温度で所定の時間保持する。その後、昇温室１１の雰囲気温度を第一の設定温度から第二の設定温度に調節し、被処理体２の温度を第二の設定温度に昇温させる。そして、次の被処理体２が搬入されると、昇温室１１の雰囲気温度を第二の設定温度から第一の設定温度に調整し、搬入された被処理体２の温度を第一の温度まで上昇させるように設定されている。なお、被処理体２を第一の設定温度で保持する所定の時間は、被処理体２について、場所およびワーク内の温度ばらつきが均一になる時間で良く、被処理体２の材料の種別や大きさにもよるが、例えば２分〜３０分が好ましく、さらに好ましくは５分〜２０分程度である。前記保持時間により、ギア、クランクシャフト、ドライブシャフト、ボルト、ネジ、排気マニホールドなどの自動車部品の処理に対して十分に温度の均一性を得ることができる。

また、温度調節機構１３１は、図３に示すように、浸炭室１２の雰囲気温度を、被処理体２の浸炭処理と拡散処理を行うことが可能な所定の目標値、すなわち、浸炭処理温度に調節することができる。そして、浸炭室１２の雰囲気温度を調節することで、浸炭室１２に収納されている被処理体２の温度を浸炭処理温度（例えば９００℃〜９６０℃）にすることができる。浸炭処理温度は、本実施形態においては約９３０℃に設定されている。

さらに、温度調節機構１３１は、図３に示すように、降温室１３の雰囲気温度を、被処理体２の降温処理を行うことが可能な所定の目標値、すなわち、降温処理温度に調節することができる。そして、降温室１３の雰囲気温度を調節することで、降温室１３に収納されている被処理体２の温度を降温処理温度にすることができる。降温処理温度は、本実施形態においては約８５０℃に設定されている。

次に、以上のように構成された連続ガス浸炭設備１を用いた被処理体２の熱処理方法について説明する。

先ず、被処理体２が搬入される前の連続ガス浸炭設備１においては、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３、油槽室１０２内の雰囲気（雰囲気温度、圧力、組成等）が、制御部５の制御により、それぞれ所定の処理条件に調節される。例えば、昇温室１１の温度は約７００℃程度（第一の設定温度）、浸炭室１２の温度は約９３０℃程度（浸炭処理温度）、降温室１３の温度は約８５０℃程度（降温処理温度）に調節される。

昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３、油槽室１０２の雰囲気の調節は、制御部５の制御により、ヒータ５７の出力（発熱量）、エンリッチガス供給路７１によるエンリッチガスの供給流量、ＲＸガス供給路７２によるＲＸガスの供給流量、空気供給路７３による空気の供給流量、窒素ガス供給路７４による窒素ガスの供給流量、熱処理炉３のエキセス８１による排気量、油冷部４のエキセス１２０による排気量等がそれぞれ調整されることにより行われる。具体的には、例えば昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３の雰囲気温度は、温度調節機構１３１の機能によって調節される。

また、熱処理炉３の搬入口２１、通過口４１、４２、搬入出口２５、油冷部４の油槽室搬出口１１１は、搬入口扉２２、開閉扉５１、５２、搬入出口扉２６、油槽室搬出口扉１１２によってそれぞれ閉じられている。このように昇温室１１と浸炭室１２の間に開閉扉５１を備えることで、昇温室１１と浸炭室１２の間においてガスが過剰に移動することを抑制でき、昇温室１１の雰囲気温度と浸炭室１２の雰囲気温度を互いに異なる値に調節し易くなる。浸炭室１２と降温室１３の間に開閉扉５２を備えることで、浸炭室１２と降温室１３の間においてガスが過剰に移動することを抑制でき、浸炭室１２の雰囲気温度と降温室１３の雰囲気温度を互いに異なる値に調節し易くなる。

なお、通過口４１、４２は、完全には密閉されておらず、例えば開閉扉５１、５２の上方等には、炉体５内のガスが通過可能な隙間が形成される。また、降温室１３と油槽室１０２は、連通孔２６ａを通じて互いに連通している。したがって、浸炭室１２や降温室１３内のガスは、昇温室１１、エキセス８１を通じて外部に排気することができ、また、連通孔２６ａ、油槽室１０２、エキセス１２０を通じて外部に排気することができる。このように適度に排気を行うことが可能な状態にしながら、各ガスを供給することで、昇温室１１の処理雰囲気、浸炭室１２の処理雰囲気、降温室１３の処理雰囲気を、それぞれ適切に調節できる。

以上のように、連続ガス浸炭設備１内の雰囲気が所定の処理条件に調節された状態において、熱処理炉３の搬入口２１が開かれ、被処理体２が搬入口２１を通じて昇温室１１に搬入され、搬入口２１が閉じられる。

こうして被処理体２が熱処理炉３に搬入されると、先ず、昇温処理工程が開始される。すなわち、浸炭室１２から開閉扉５１によって遮断された状態の昇温室１１において、ヒータ５７の加熱によって被処理体２が昇温される。かかる昇温処理により、被処理体２の温度は、昇温室１１に搬入される前の常温から、昇温室１１の雰囲気温度、すなわち、約７００℃（第一の設定温度）程度まで昇温される（図３参照）。

被処理体２が第一の設定温度まで昇温されると、ヒータ５７により昇温室１１の雰囲気温度が第一の設定温度で所定の時間、例えば１０分間保持される。かかる保持工程中に、被処理体２内の温度は、第一の設定温度で均一にされる（図３参照）。すなわち、被処理体２の表面と内部の温度が第一の設定温度で均一にされるだけでなく、被処理体２の表面内の温度も第一の設定温度で均一にされる。

被処理体２内の温度が第一の設定温度で均一にされると、ヒータ５７により昇温室１１の雰囲気温度が約９３０℃（第二の設定温度）程度まで昇温される。かかる昇温処理により、被処理体２の温度は、第二の設定温度まで昇温される（図３参照）。

昇温室１１内の被処理体２の昇温処理が終了すると、通過口４１が開かれ、昇温処理が終了した被処理体２は、通過口４１を通じて昇温室１１から搬出され、浸炭室１２に搬入される。被処理体２が浸炭室１２に搬入されると、通過口４１が閉じられ、昇温室１１と浸炭室１２が開閉扉５１によって遮断された状態になる。そして、浸炭処理工程が開始される。すなわち、被処理体２が浸炭室１２において浸炭処理される。

なお、被処理体２が昇温室１１から浸炭室１２に移動させられた後は、次の未処理の被処理体２を搬入口２１から昇温室１１に搬入し、続けて昇温処理することができる。すなわち、熱処理炉３では、複数の被処理体２を並行して連続的に処理することができる。

浸炭室１２での浸炭処理工程と拡散処理工程においては、浸炭室１２に搬入された被処理体２は、浸炭室１２において周期的に移動させられながら浸炭処理及び拡散処理される。

浸炭室１２内の被処理体２は、被処理体１つ分だけ、搬送方向Ｄに移動させられる。したがって、浸炭室１２に被処理体２が搬入されてから単位所要時間が経過すると、先に搬入された被処理体２（浸炭室１２の上流側に配置されていた被処理体２）は、搬送方向Ｄに被処理体１つ分だけ移動させられ、浸炭室１２の中央部に配置される。そして、次の被処理体２（昇温処理が行われた被処理体２）を、昇温室１１から浸炭室１２に搬入し、先に浸炭室１２に搬入されている被処理体２に対して並ぶ位置（浸炭室１２上流側）に配置することができる。その後、さらに単位所要時間が経過すると、先に搬入された被処理体２（浸炭室１２の中央部に配置されていた被処理体２）は、搬送方向Ｄに被処理体１つ分だけ移動させられ、浸炭室１２の下流側に配置され、次に搬入された被処理体２（浸炭室１２の上流側に配置されていた被処理体２）は、搬送方向Ｄに被処理体１つ分だけ移動させられ、浸炭室１２の中央部に配置される。そして、その次の被処理体２（昇温処理が行われた被処理体２）を、昇温室１１から浸炭室１２に搬入し、先に浸炭室１２に搬入されている被処理体２に対して並ぶ位置（浸炭室１２の上流側）に配置することができる。こうして、２つ以上（３つ以下）の被処理体２を浸炭室１２内に並べ、並行して浸炭処理と拡散処理を行うことができる。

なお、浸炭処理工程と拡散処理工程においては、浸炭室１２の雰囲気温度は、ヒータ５７により約９３０℃程度に保持される（図３参照）。そして、このような高温処理雰囲気により、浸炭を好適に進行させることができる。

浸炭室１２内の被処理体２（浸炭室１２の下流側に配置されている被処理体２）の浸炭処理と拡散処理が終了すると、通過口４２が開かれ、浸炭処理と拡散処理が終了した被処理体２は、通過口４２を通じて浸炭室１２の下流側から搬出され、降温室１３に搬入される。被処理体２が降温室１３に搬入されると、通過口４２が閉じられ、浸炭室１２と降温室１３が開閉扉５２によって遮断された状態になる。そして、降温処理工程が開始される。すなわち、浸炭室１２から開閉扉５２によって遮断され、かつ、油槽室１０２から搬入出口扉２６によって遮断された状態の降温室１３において、被処理体２が降温処理される。

降温処理工程においては、降温室１３の雰囲気温度は、約９３０℃から時間が経過するに従い次第に低減され、約８５０℃程度まで降温処理される。かかる降温処理により、被処理体２の温度は、約８５０℃まで降温される（図３参照）。

降温処理工程が終了すると、搬入出口２５が開口され、油槽室１０２が降温室１３に対して連通させられる。そして、降温処理された被処理体２が、搬入出口２５を通じて降温室１３から油槽室１０２に移動させられ、搬送昇降機１０５上に受け渡される。以上のようにして、熱処理炉３に搬入された被処理体２は、ローラコンベア５５によって、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３に順次搬送され、昇温室１１における昇温処理、浸炭室１２における浸炭処理、浸炭室１２における拡散処理、降温室１３における降温処理がこの順に施される。

被処理体２が降温室１３から油槽室１０２に搬入されると、搬入出口扉２６によって搬入出口２５が閉じられ、油焼入処理工程が開始される。すなわち、被処理体２が油冷部４において油焼き入れされる。

油冷部４における油焼入処理工程においては、被処理体２は搬送昇降機１０５の作動によって下降させられ、油槽１０３に貯留されているオイルに浸漬させられ、油冷される。すなわち、降温室１３において約８５０℃程度（オーステナイト化温度以上）の高温の状態で処理された被処理体２が、オイルによってオーステナイト化温度以下（例えば約１３０℃〜１６０℃程度）に冷却されることにより、被処理体２に焼入れが施される。

その後、搬送昇降機１０５の作動により、被処理体２が引き上げられ、油槽１０３から取り出される。そして、油槽室搬出口１１１が開口され、油槽室搬出口１１１を通じて油槽室１０２から搬出される。こうして、油焼入処理工程が終了し、連続ガス浸炭設備１における被処理体２に対する一連の熱処理が終了する。

以上の実施の形態によれば、昇温室１１において、被処理体２をオーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度まで昇温した後、被処理体を第一の設定温度で所定の時間保持しているので、被処理体２のオーステナイト変態が開始する前に、被処理体２内の温度を均一にすることができる。そうすると、その後被処理体２を第二の設定温度まで昇温する際に、オーステナイト変態が開始しても、その開始点が被処理体２内で均一なので、被処理体２がオーステナイト変態によって不均一に収縮することがない。また、このように被処理体２内の温度を均一にしているので、熱応力によって被処理体が不均一に膨張することもない。したがって、被処理体２を第二の設定温度まで昇温する際に、被処理体２にオーステナイト変態による不均一な収縮が起きず、かつ、熱応力による不均一な膨張が起きないので、熱処理後の被処理体２の歪みを抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施形態では、昇温室１１は１室であったが、図５に示すように、昇温室１１を第一の昇温ゾーン１４０と第二の昇温ゾーン１４１に分けられていてもよい。昇温室１１は、壁体１４２によって第一の昇温ゾーン１４０と第二の昇温ゾーン１４１に仕切られ、壁体１４２には、被処理体をＸ方向に通過させる通過口１４３が開口されている。通過口１４３は開閉扉１４４によって開閉され、各昇温ゾーン内の雰囲気を仕切ることが可能な構成になっている。また、第一の昇温ゾーン１４０と第二の昇温ゾーン１４１には、それぞれに攪拌機構５６及びヒータ５７が設けられている。かかる場合、第一の昇温ゾーン１４０では、被処理体２の第一の昇温処理工程と保持工程が行われ、第二の昇温ゾーン１４１では、被処理体２の第二の昇温処理工程が行われる。すなわち、第一の昇温ゾーン１４０の雰囲気温度は、約７００℃（第一の設定温度）に維持され、第二の昇温ゾーン１４１の雰囲気温度は、約９３０℃（第二の設定温度）に維持されている。したがって、かかる場合でも、被処理体２を第二の設定温度まで昇温する際に、被処理体２にオーステナイト変態による不均一な収縮が起きず、かつ、熱応力による不均一な膨張が起きないので、熱処理後の被処理体２の歪みを抑制することができる。さらに、従来は熱応力による被処理体２の歪みを防止するために昇温カーブを制御する、すなわち被処理体２の昇温速度を遅くする必要があったが、本発明の上記熱処理によれば、発明者らが調べたところ、熱応力による歪みやオーステナイト変態による歪みが問題となることなく第一の設定温度までの昇温速度を大きくすることができ、保持時間を含めても昇温にかかる時間を大幅に短縮することができることが分かった。具体的には、被処理体２の材質や大きさにもよるが、従来の１．５〜２倍の昇温速度でも歪みの問題は起きず、時間的にも第二の設定温度までの昇温時間でみても従来と比べて１５〜３０％程度の短縮が可能となる大きな効果が得られた。

また、熱処理設備は被処理体２の連続浸炭処理を行う連続ガス浸炭設備であるとし、被処理体は鋼材であるとしたが、これらはかかるものに限定されず、本実施形態は、様々な熱処理を行う熱処理設備において適用できる。例えば、被処理体は鉄系合金以外の他の合金、金属材料からなるものであってもよい。

また、昇温室１１に収容可能な被処理体２の個数、浸炭室１２に収容可能な被処理体２の個数、降温室１３に収容可能な被処理体２の個数も、以上の実施形態に示したものには限定されない。例えば昇温室１１や降温室１３に、２以上の被処理体２を並べて収容できる構成にしてもよい。浸炭室１２には２以下あるいは４以上の被処理体２を収容するように構成してもよい。

温度調節機構１３１の構成も、以上の実施形態に示したものに限定されない。例えばヒータ５７の種類は、以上の実施形態に示したものに限定されない。また、温度調節機構１３１は、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３にそれぞれ設けられているヒータ５７の発熱量を調節することで、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３の雰囲気温度を調節する構成としたが、かかる構成には限定されず、例えば、昇温室１１の雰囲気を冷却する冷却路、浸炭室１２の雰囲気を冷却する冷却路、あるいは、降温室１３の雰囲気を冷却する冷却路を備える構成にしてもよい。すなわち、冷却路を炉体１０の壁部（昇温室１１を構成する部分、浸炭室１２を構成する部分、降温室１３を構成する部分）にそれぞれ内蔵し、各冷却路に冷媒（冷却水）をそれぞれ通過させることで、昇温室１１、浸炭室１２、降温室１３をそれぞれ個別に冷却できるようにしてもよい。例えば降温処理工程においては、降温室１３を冷却させる冷却路における冷媒の流量を増加させることにより、降温室１３の雰囲気温度を低下させるようにしてもよい。また、降温室１３に対して、エンリッチガス、ＲＸガス、空気又は窒素ガス等のガスを、常温（降温室１３の雰囲気温度に対して低温）にしたまま吹き込むことにより、降温室１３の雰囲気温度を低下させるような構成にしてもよい。

また、各処理室に対するガス供給路の配設の態様、各処理室に供給されるガスの種類等も、以上の実施形態には限定されない。例えば窒素ガスに代えて、他の不活性ガス、例えばアルゴンガス（Ａｒ）等を含むガスを使用してもよい。

以下、被処理体に対する熱処理の昇温処理工程において、本発明の熱処理方法を用いて被処理体を昇温させた場合の熱処理後の被処理体の歪みについて、ヒータの出力を一定にして被処理体を昇温させた場合の熱処理後の被処理体の歪みと比較して説明する。

本実施例を行うに際し、熱処理を行う設備としては、先に図１に示した連続ガス浸炭設備１を用いた。被処理体２は直方体とし、図６（ａ）に示すように、被処理体２の各頂点に歪み測定用のワークを配置した。そして（Ａ）〜（Ｈ）ワークのうち、最も歪みの大きい（Ｅ）ワーク（被処理体２の進行方向前面上部の頂点位置）の温度分布と熱処理後の歪みを計測した。温度分布は、図６（ｂ）に示すように、進行方向に対して０度°、９０°、１８０°、２７０°の４箇所に熱伝対を配置して測定した。

（１）浸炭処理温度まで被処理体２を連続して加熱する場合
昇温処理工程において、ヒータ５７によって、被処理体２の（Ｅ）ワークの温度が９３０℃（浸炭処理温度）になるまで昇温させた。この昇温における（Ｅ）ワークの昇温速度は、平均で約１５℃／分とした。この場合、昇温室１１の雰囲気温度が７８０℃（オーステナイト変態温度）に達した際、（Ｅ）ワーク内の９０°と２７０°の温度差が約２０℃となり、温度分布が不均一になっていた。そして、熱処理後、（Ｅ）ワークに大きな歪みが発生した。

（２）本発明の熱処理方法の場合
昇温処理工程において、先ず、ヒータ５７によって、被処理体２の（Ｅ）ワークの温度が７００℃（第一の設定温度）になるまで昇温させた。第一の設定温度までの（Ｅ）ワークの昇温速度は、平均で約２１℃／分とした。次に、ヒータ５７によって、（Ｅ）ワーク内の温度が７００℃で均一になるまで５分保持した。その後、ヒータ５７によって、（Ｅ）ワークの温度が９３０℃（第二の設定温度）になるまで昇温させた。第一の設定温度から第二の設定温度までの（Ｅ）ワークの昇温速度は、平均で約１５℃／分とした。この結果、（１）に示したヒータの出力を一定にした場合に比べて、熱処理後の（Ｅ）ワークの歪みは小さくなり、製品として許容範囲にすることができた。また、（１）の場合と比べて、被処理体２の（Ｅ）ワークの温度が９３０℃に達するまでの時間を約１０％短縮することができた。

本発明は、例えば鋼材等の被処理体を昇温処理して、溶質を固溶化させる熱処理方法及び熱処理設備に有用である。

本実施形態にかかる連続ガス浸炭設備の概略縦断面図である。本実施形態にかかる連続ガス浸炭設備の概略縦断面図である。連続ガス浸炭設備において被処理体に対して行われる処理工程、被処理体の温度変化、被処理体を昇温するヒータの出力の関係を示すグラフである。昇温室において被処理体に対して行われる処理工程と、昇温室の雰囲気温度の変化、昇温室の雰囲気を昇温するヒータの出力の関係を示すグラフである。他の実施形態にかかる連続ガス浸炭設備の概略縦断面図である。（ａ）は実施例における被処理体の斜視図であり、（ｂ）は実施例における被処理体の歪み測定用ワークの平面図である。

符号の説明

１連続ガス浸炭処理設備
２被処理体
３熱処理炉
５制御部
１１昇温室
１２浸炭室
１３降温室
５７ヒータ
１３１温度調節機構
１４０第一の昇温ゾーン
１４１第二の昇温ゾーン

Claims

被処理体を昇温処理して溶質を固溶化させる熱処理方法であって、
被処理体をオーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度まで昇温し、
前記昇温した被処理体を前記第一の設定温度で所定の時間保持し、
前記第一の設定温度に保持された被処理体を、被処理体に溶質が固溶化する第二の設定温度まで昇温することを特徴とする、熱処理方法。
被処理体を昇温処理して溶質を固溶化させる熱処理設備であって、
被処理体の昇温を行う昇温室と、
前記昇温室内の被処理体の温度を調節する温度調節機構とを備え、
前記温度調節機構は、前記昇温室内の被処理体の温度を、オーステナイト変態の開始直前の第一の設定温度と、被処理体に溶質が固溶化する第二の設定温度とに調節することが可能な構成であり、
前記昇温室内の被処理体の温度は、前記第一の設定温度に昇温された後、当該第一の設定温度で所定の時間保持され、その後前記第二の設定温度まで昇温される構成としたことを特徴とする、熱処理設備。
前記昇温室は、被処理体を前記第一の設定温度まで昇温させることができる第一の昇温ゾーンと、被処理体を前記第一の設定温度から前記第二の設定温度まで昇温させることができる第二の昇温ゾーンとを備えることを特徴とする、請求項２に記載の熱処理設備。
前記第一の昇温ゾーンと前記第二の昇温ゾーンの間を開閉する開閉扉を備えることを特徴とする、請求項３に記載の熱処理設備。