JP2009242854A - 誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの表面、特に円板状または円環状等のワークの端面に、浸炭むらの部位を生じさせることがなく、ワークの表面全面に均一な浸炭処理を施すことのできる誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具を提供する。
【解決手段】シャフト１１と、このシャフト１１の上端に取り付けられた支持台１２とからなるワーク支持具１において、この支持台２の上面におけるワークと接触する領域に、載置された際にワークとの間に隙間を形成する複数の凸部１２ｃ，１２ｃ，・・・を形成する。この構成により、各凸部１２ｃ上に載置されたワークとの間に浸炭性ガスを流通させることのできる隙間を維持しつつ、少ない接触点（接触面積）でワークを安定して支持することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭ガス雰囲気下において、支持具の上に載置した円板状または円環状等のワークを、高周波電流を流した誘導コイルにより誘導加熱して浸炭処理を行う装置のワーク支持具に関する。

従来、浸炭方法の１つとして、浸炭ガスが供給される処理室（浸炭雰囲気下）に、支持具にセットしたワーク（被処理物）を配置するとともに、このワーク（または処理室）の周囲に配設された誘導コイルに高周波電流を流して該ワークを誘導加熱することにより、ワークの表面に浸炭ガスの熱分解による炭素を析出させ、ワーク表面からその内部へと炭素を拡散浸透させる高周波浸炭あるいは高周波浸炭焼入れが行われている（例えば、特許文献１〜３等を参照。）。

図５は、高周波誘導加熱方式によりワークの加熱を行うガス浸炭処理装置の概略構成図である。
この浸炭処理装置は、浸炭性ガスが供給される浸炭室（チャンバあるいは処理室）３０中に配置された略円板状のワークＷ（被処理物）に高周波浸炭処理を行うためのものであり、ワークＷは、昇降することによりこのワークＷを浸炭室３０内に挿入することのできる支持具３１の上に載置されている。

支持具３１は、上下方向に移動可能なシャフト３１ａと、このシャフト３１ａの上端に取り付けられた円板状の支持台３１ｂとから構成されており、コントローラ等の指示によって、誘導コイル３２と略同じ水平高さで、かつ、その径方向略中央の誘導加熱に最適な位置に、ワークＷをセットする。

浸炭処理は、ワークＷが浸炭室３０内の所定位置に到達するまで支持具３１を上昇させ、浸炭室３０の開口をシャッター３３で密閉し、ガス供給管３４，３４から一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素化合物ガス等を供給して、浸炭室３０内を浸炭雰囲気とした後、誘導コイル３２に高周波電流を流すことによってワークＷを誘導加熱し、このワークＷを約１０００〜１４００℃の高温にまで加熱する方法で行われる。

なお、この例は、高周波浸炭処理を排気管付きの密閉室内で行った例であるが、浸炭ガスを供給しつつ、一端開放管内で浸炭処理が行われる場合もある。従って、これらいずれの場合も含むより広い意味で、以下では「処理室」と呼ぶこととする。また、ワークを加熱するための誘導コイルは、浸炭室の外側に配設される場合もある。
特開２００４−３６００５７号公報 特開２００１−５９１５４号公報 特開昭６０−３６６５７号公報

ところで、高周波誘導加熱方式を採用した浸炭処理装置においては、浸炭処理されるワーク（被処理物）をなるべく均等に加熱するため、そのワークは、誘導コイルのからの距離が均等となる所定位置（すなわちコイルの径方向中心に近い場所）に配置される。また、同様の理由により、浸炭処理されるワークの形状およびこれを保持する支持具の形状は、円板（円柱）状あるいは円環状とされる場合が多い。

しかしながら、前記浸炭処理装置の概略図からも明らかなように、円板状または円環状のワークを、同様の形状の支持具で支持した場合、これらの端面どうしの間に大きな接触面が生じてしまい、その当接面が浸炭処理されないという問題があった。

特に、軸受に用いられる内外輪等においては、物品の端面（両側端面）においても周方向に均等な浸炭処理（表面炭素濃度）が必要とされ、万一周方向に不均等な浸炭処理（いわゆる「浸炭むら」）が発生した場合は、浸炭不足の部位に応力が集中し、設計通りの性能と寿命を発揮できない場合も考えられる。

本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、ワークの表面、特に円板状または円環状等のワークの端面に、浸炭むらの部位を生じさせることがなく、ワークの表面全面に均一な浸炭処理を施すことのできる誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、浸炭ガスが供給される処理室内にワークを配置し、その周囲に配設された誘導コイルに高周波電流を流して該ワークを誘導加熱することにより、前記ワークに浸炭処理を施す誘導加熱式浸炭処理装置に用いられるワーク支持具であって、前記ワーク支持具は、シャフトと、このシャフトの上端に配設されてその上面に前記ワークを載置することのできる支持台とからなり、この支持台の上面における前記ワークと接触する領域に、載置されたワークとの間に隙間を形成する複数の凸部が形成されていることを特徴とする。

本発明は、支持具で支持した円板状または円環状等のワークを、浸炭ガス雰囲気下において高周波誘導加熱して浸炭処理を行う高周波浸炭法において、上に載置されたワークとの間に浸炭ガスを流通させることのできるワーク支持具を用いることによって、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、シャフトとこのシャフトの上端に配設されてその上面に前記ワークを載置することのできる支持台とからなるワーク支持具において、前記ワークと接触する支持台の上面領域に、複数の凸部を形成することにより、この支持具の上に載置されたワークとの間に、浸炭性ガスが流通するのに十分な間隙を形成することができる。また、このワーク支持具は、ワークと点接触またはこれに近い状態で接触するため、このワークと支持具との接触面積を最少に抑えることができる。従って、本発明の誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具は、ワークと支持具が大きな面で接触する従来の支持具に比べ、浸炭処理が不能な部位を大幅に低減することができる。また、ワークの表面全面に、浸炭むらのない均一な浸炭処理を施すことが可能となる。

なお、このワーク支持具の上面に形成する凸部の断面形状は、特に限定されたものではないが、台形状や半球状等、ワーク表面の硬さ（硬度）が許す範囲で、なるべく尖った形状であることが望ましい。また、これら凸部を形成する数も、特に制限があるものではないが、ワークを周方向均等に支持するのが望ましいことから、これら凸部は、周方向同一半径上に規則的に設けるか、あるいは、支持台の上面に全くランダムに形成することが好ましい。

ここで、前記ワーク支持具の支持台が、小径円板状の中央部と、この中央部から周方向に等間隔の角度で径方向外側に突出する３つ以上の腕部とからなり、前記凸部が、これら各腕部における前記中央部の中心から同一半径上にあたる位置に形成されている構成を好適に採用することができる。（請求項２）

この構成は、軸受に用いられる内外輪等、円板状または円環状等のワークに浸炭処理を施すのに好適なワーク支持具の構成であって、ワーク支持具の支持台を、小径円板状の中央部から周方向に等間隔の角度で外径側に突出する少なくとも３つ以上の腕部を有する形状とすることにより、これら円板状または円環状等のワークに対する浸炭性ガスの流れを阻害する部位が減少し、ワーク支持具に対向するワーク端面の浸炭むらを防止することができる。

また、前記凸部を、これら各腕部における前記中央部の中心から同一半径上にあたる位置に形成することにより、これら円板状または円環状等のワークが最小限の支持点で均等に支持され、浸炭むらが生じる可能性を更に低減することができる。

なお、周方向に均等に形成される支持台腕部の数は、浸炭性ガスの流れを考慮した場合、ワークの形状やその表面の硬さ（硬度）が許す範囲で、なるべく少ないことが望ましく、理想的には３本の腕部で支持することが望ましい。また、各腕部に規則的に形成される凸部も、必ずしも１つの円の周上にあたる位置に１列のみ形成されるものではなく、複数の異なる半径を有する円の周上にそれぞれ１列ずつ形成しても良い。

以上のように、本発明の誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具によれば、ワークの表面、特に円板状または円環状等のワークの端面に、浸炭むらの部位を生じさせることがなく、ワークの表面全面に均一な浸炭処理を施すことができる。

また、不良品の発生率を低減させ、浸炭処理品の歩留まりおよび品質を向上させることが可能になる。

以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具の使用状態を示す図である。また、図２（ａ）は第１実施形態のワーク支持具の支持台を上から見た図であり、図２（ｂ）はそのワーク支持具の支持台の横断面図である。

この第１実施形態におけるワーク支持具１は、例えば軸受の軌道輪を高周波浸炭処理するために用いられるものであり、シャフト１１と、このシャフト１１の上端に取り付けられた支持台１２とから構成されている。なお、本実施形態における高周波浸炭処理も、従来例同様、支持具１の上に載置したワークが浸炭室内の所定位置に到達するまで該支持具１を上昇させ、浸炭性ガスを供給して浸炭室内を浸炭雰囲気とした後に、ワークの周囲に配設された誘導コイルに高周波電流を流し、該ワークを約１０００〜１４００℃の高温にまで誘導加熱する方法で行われる。

ワーク支持具１を構成するシャフト１１と支持台１２とは、窒化ホウ素（ＢＮ：ボロンナイトライド）の焼結体から形成されており、ワーク（軸受の外輪）を直接支える支持台１２は、略円板状の中央部１２ａと、この中央部１２ａから周方向に等間隔の角度で径方向外側に突出する８本の腕部１２ｂとからなる放射状に形成されている。また、これら各腕部１２ｂの根元部近傍には、環状のワークの載置位置を案内するガイド柱１２ｄがそれぞれ設けられている。なお、これら各ガイド柱１２ｄは、中央部１２ａの中心から等距離の位置（すなわち、同一の円周上）に形成されている。

本実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具の特徴は、中央部１２ａから突出する各腕部１２ｂの先端近傍に、載置されたワークとの間に隙間を形成する凸部１２ｃがそれぞれ形成されている点である。この凸部１２ｃは、図３に示すように、頂部が欠けた四角錐状に形成されており、側面から見た断面が台形状をなす形状とされている。

以上の構成により、この実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具は、これら凸部１２ｃ上に載置された軸受内外輪等の円環状のワークとの間に浸炭性ガスを流通させることのできる隙間を維持しつつ、少ない接触点（接触面積）でワークを安定的に支持することができる。

また、浸炭性ガスの流動が最も必要とされるワーク付近には、細い形状の腕部１２ｂしかなく、浸炭性ガスの流れを阻害することがない。従って、本実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具は、円環状ワークの端面に浸炭むらを生じさせることがなく、ワークの表面全面に均一な浸炭処理を施すことが可能となる。

なお、この第１実施形態において支持具１を構成する材料は、特に限定されるものではないが、図示しない誘導コイルから発生する誘導電流による温度上昇を防止するため、絶縁体でなければならない。また、支持するワークが誘導加熱により高温（約１０００〜１４００℃）となるため、耐熱性も要求される。そのため、本実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具１では、窒化ホウ素を用いた。

また、窒化ホウ素（低圧相の焼結体）は、耐熱性，電気絶縁性の他に、化学的に安定で成形性・機械加工性が良いという特徴を持つが、その反面、比較的柔らかいため、強度や耐摩耗性に欠けるという欠点も有する。そのため、本実施形態では支持台から突出する腕部の本数を多く設計し、各腕部に設けられた凸部も断面略台形状とした。しかしながら、本発明における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具の腕部の本数や凸部の形状も、これらの例に限定されるものではない。また、ワーク支持具の支持台の形状も、特に放射状に限定されるものではない。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具の構造を示す斜視図である。

この第２実施形態におけるワーク支持具２も、例えば軸受の軌道輪を高周波浸炭処理するために用いられるものであり、シャフト２１と、このシャフト２１の上端に取り付けられた支持台２２とから構成されている。なお、本実施形態における高周波浸炭処理の方法も、前記第１実施形態と同様である。

本実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具２が、第１実施形態における例と異なる点は、ワークを直接支える支持台２２が、小径円板状の中央部２２ａと、この中央部２２ａから周方向に等間隔の角度で径方向外側に突出する３本の腕部２２ｂとからなる放射状に構成されている点である。

また、このワーク支持具２は、導電物質であるカーボンを用いて成形されているとともに、載置されたワークとの間に隙間を形成するための各凸部（２２ｃ）は、各腕部２２ｂに設けられた穴に嵌め入れられたセラミックス製ボール（セラミックボール２２ｃ）により形成されている。

なお、これらセラミックボール２２ｃは、各腕部２２ｂにおける前記中央部２２ａの中心から同一半径上にあたる位置（すなわち、中央部２２ａの中心から見て同一の円周上）に形成されているとともに、これら各腕部２２ｂの根元部近傍には、第１実施形態と同様に、環状のワークの載置位置を案内・位置決めするガイド柱２２ｄがそれぞれ設けられている。

以上の構成によっても、このワーク支持具２は、各凸部２２ｃ上に載置された軸受内外輪等の円環状のワークとの間に浸炭性ガスを流通させることのできる隙間を維持しつつ、最小限の接触点（接触面積）でワークを安定的に支持することができる。また、浸炭性ガスの流動が最も必要とされるワーク付近には、３本の腕部２２ｂしかなく、良好な浸炭性ガスの流れを維持することができる。従って、本実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具も、円環状ワークの端面に浸炭むらを生じさせることがなく、ワークの表面全面に均一な浸炭処理を施すことが可能となる。

なお、この第２実施形態においては、ワークの支持にセラミックボール（絶縁体）を使用したことにより、高強度であるが導電物質であるため、従来使用できないと考えられてきたカーボンの使用が可能になったが、このワーク支持具２を構成する材料は特に限定されるものではなく、浸炭処理が行われる高温（約１０００〜１４００℃）に耐えられる材料であれば、導電物質，半導体，絶縁物質を問わず、何でも良い。

しかしながら、本実施形態で採用したカーボン（焼結体）は、高強度・長寿命でありながら安価で、しかも、高温になればなるほどその機械的強度が増すという特徴を備えるため、ワーク支持具を構成する材料として好適であり、支持具のコスト面（初期製作費用およびランニングコスト）でも有利である。また、このカーボンの特性により、最小限である３本の腕部で、重量物のワークでも支持することが可能となったが、ワーク支持具の支持台の形状も放射状に限定されるものではない。ただし、ワーク支持具を導電物質や半導体で形成した場合は、誘導電流が還流してしまうため、支持台を環状あるいは円状等の形状に形成することはできない。

また、載置されたワークとの間に隙間を形成するための各凸部（ボール）を形成するセラミック材料も、前述の窒化ホウ素系（ただし高圧相）の他、より耐磨耗性に優れる窒化ケイ素系，酸化アルミニウム系，酸化マグネシウム系等、浸炭処理温度において絶縁性とその硬さを維持できる材料であれば、特に限定されるものではない。また、ボールの形状やボールを保持する穴（溝）の形状も適宜選択することができる。勿論、各凸部を必ずしもボールから形成する必要はなく、その他の形状の部材を、これらワークと支持台の間に介在配置しても良い。

本発明の第１実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具の使用状態を示す図である。 （ａ）は第１実施形態のワーク支持具の支持台１２を上から見た図であり、（ｂ）はその支持台１２の横断面図である。 第１実施形態のワーク支持具の支持台１２に形成された凸部１２ｃの拡大図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態における誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具の構造を示す斜視図であり、（ｂ）はその要部拡大図である。 高周波誘導加熱方式によりワークの加熱を行うガス浸炭処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１ ワーク支持具
１１ シャフト
１２ 支持台
１２ａ 中央部 １２ｂ 腕部 １２ｃ 凸部 １２ｄ ガイド柱
２ ワーク支持具
２１ シャフト
２２ 支持台
２２ａ 中央部 ２２ｂ 腕部 ２２ｃ セラミックボール（凸部）
２２ｄ ガイド柱
３０ 浸炭室
３１ 支持具
３２ 誘導コイル
３３ シャッター
３４ ガス供給管

Claims (2)

1. 浸炭ガスが供給される処理室内にワークを配置し、その周囲に配設された誘導コイルに高周波電流を流して該ワークを誘導加熱することにより、前記ワークに浸炭処理を施す誘導加熱式浸炭処理装置に用いられるワーク支持具であって、
   前記ワーク支持具は、シャフトと、このシャフトの上端に配設されてその上面に前記ワークを載置することのできる支持台とからなり、
   この支持台の上面における前記ワークと接触する領域に、載置されたワークとの間に隙間を形成する複数の凸部が形成されていることを特徴とする誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具。
2. 前記ワーク支持具の支持台が、小径円板状の中央部と、この中央部から周方向に等間隔の角度で径方向外側に突出する３つ以上の腕部とからなり、前記凸部が、これら各腕部における前記中央部の中心から同一半径上にあたる位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱式浸炭処理装置のワーク支持具。

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