JP2012021186A - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプリングパイプで収集する加熱炉の炉内雰囲気の分析精度を向上させることが可能となる、熱処理装置及び熱処理方法を提供する。
【解決手段】サンプリングパイプ１５における炉内雰囲気の収集側端部１５ａが、断熱部１２の近傍に位置するように、サンプリングパイプ１５を配設し、サンプリングパイプ１５で加熱炉１１の炉内雰囲気を収集し、サンプリングパイプ１５で収集した炉内雰囲気を、雰囲気制御部１３が備える雰囲気温度分析計で測定し、測定した炉内雰囲気のデータに基づいて、加熱ヒータ２１・２１による加熱炉１１の加熱、及び、雰囲気制御部１３による加熱炉１１の内部における雰囲気濃度の制御、を行うことにより、加熱炉１１の内部に収容されたワークＷの熱処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱処理装置及び熱処理方法に関し、詳しくは、サンプリングした炉内雰囲気に基づいて雰囲気熱処理を行う技術に関する。

従来、鋼材等の機械部品であるワークを熱処理炉に搬入し、ワークに対して浸窒処理や浸炭処理等の熱処理を行う熱処理装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
前記熱処理装置においては、熱処理炉の雰囲気を収集して、カーボンポテンシャル、窒素ポテンシャル、雰囲気元素等を測定し、その測定結果に基づいて熱処理炉の内部の雰囲気をフィードバック制御する技術が用いられる。

特開２０１０−７１２８号公報 特開２００７−３０２９４５号公報

従来技術に係る熱処理装置の一例を図３に示す。図３に示す熱処理装置は浸窒焼入れを行う装置であり、加熱ヒータが内部に配設された加熱炉と、加熱炉の炉内雰囲気を制御する雰囲気制御部と、加熱炉の炉内雰囲気を収集するサンプリングパイプと、を備えている。そして、サンプリングパイプで収集した、加熱炉の炉内雰囲気（雰囲気濃度等）を雰囲気濃度分析計で測定し、その結果に基づいて、加熱ヒータによる加熱炉の加熱と、雰囲気制御部による加熱炉の炉内雰囲気（アンモニア濃度等）の制御と、を行う。これにより、加熱炉の内部に収容されたワークの熱処理を行うのである。

従来の熱処理装置においては、炉内雰囲気の分析精度を高めるためには、なるべくワークの近傍における炉内雰囲気をサンプリングパイプで収集することが望ましいと考えられてきた。このため、サンプリングパイプの先端部がワークの近傍に位置するように、図３に示す如くサンプリングパイプを加熱炉内でワーク付近にまで延出する構成としていた。

しかし、前記熱処理装置では、雰囲気濃度分析計におけるアンモニア濃度が、加熱炉の内部における実際のアンモニア濃度と異なる場合があった。これは、サンプリングパイプが加熱炉内において表出している部分で加熱されるため、収集した雰囲気がサンプリングパイプを通過する途中で、雰囲気に含まれるアンモニアが熱分解することが原因の一つと考えられる。また、サンプリングパイプを長期間使用すると、サンプリングパイプのうち加熱炉内において炉内雰囲気に露出している部分の材質が酸化・還元等によって変化し、触媒作用によりアンモニアの熱分解反応が促進（又は、抑制）されることも原因の一つと考えられる。

そこで本発明は、上記現状に鑑み、サンプリングパイプで収集する加熱炉の炉内雰囲気の分析精度を向上させることが可能となる、熱処理装置及び熱処理方法を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、加熱部がその内部に配設された、加熱炉と、前記加熱炉の周囲を取り囲んで配設された、断熱部と、前記加熱炉内の雰囲気濃度を制御する、雰囲気制御部と、前記加熱炉の炉内雰囲気を収集する、サンプリングパイプと、を備え、前記サンプリングパイプで収集した炉内雰囲気のデータに基づいて、前記加熱部による加熱炉の加熱、及び、前記雰囲気制御部による加熱炉内の雰囲気濃度の制御、を行うことにより、前記加熱炉の内部に収容されたワークの熱処理を行う、熱処理装置であって、前記サンプリングパイプにおける炉内雰囲気の収集側端部が、前記断熱部の近傍に位置するように、前記サンプリングパイプが配設されるものである。

請求項２においては、加熱部がその内部に配設された、加熱炉と、前記加熱炉の一側面に配設され、その一部に開口部が開口された、断熱扉と、前記断熱扉の開口部を通じて、前記加熱炉内の雰囲気を排気する、排気通路と、前記加熱炉の周囲のうち、前記断熱扉以外の部分を取り囲んで配設された、断熱部と、前記加熱炉内の雰囲気濃度を制御する、雰囲気制御部と、前記加熱炉の炉内雰囲気を収集する、サンプリングパイプと、を備え、前記サンプリングパイプで収集した炉内雰囲気のデータに基づいて、前記加熱部による加熱炉の加熱、及び、前記雰囲気制御部による加熱炉内の雰囲気濃度の制御、を行うことにより、前記加熱炉の内部に収容されたワークの熱処理を行う、熱処理装置であって、前記サンプリングパイプにおける炉内雰囲気の収集側端部が、前記排気通路の一部に位置するように、前記サンプリングパイプが配設されるものである。

請求項３においては、前記熱処理は浸窒処理又は窒化処理であって、前記雰囲気制御部で制御される加熱炉内の雰囲気元素として窒素が用いられるものである。

請求項４においては、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の熱処理装置でワークの熱処理を行うものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明により、雰囲気熱処理において、サンプリングパイプで収集する加熱炉の炉内雰囲気の分析精度を向上させることが可能となる。

第一実施形態に係る熱処理装置を示した概略図。 第二実施形態に係る熱処理装置を示した概略図。 従来技術に係る熱処理装置を示した概略図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

［第一実施形態］
まず、図１を用いて、第一実施形態に係る熱処理装置１０について説明する。図１に示す如く、本実施形態に係る熱処理装置１０は、加熱部である加熱ヒータ２１・２１がその内部に配設された加熱炉１１と、加熱炉１１の周囲を取り囲んで配設された断熱部１２と、加熱炉１１の内部の雰囲気濃度を制御する雰囲気制御部１３と、加熱炉１１の炉内雰囲気を収集するサンプリングパイプ１５と、を備える。

熱処理装置１０はワークＷに対して浸窒焼入れを行う装置である。即ち、ワークＷを加熱炉１１の内部に搬入して熱処理を行うことで、ワークＷの表面に窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを施す浸窒焼入処理を行うのである。

具体的には、ワークＷを加熱炉１１により焼入れ可能温度（ワークＷの一部又は全体をオーステナイト組織にする温度）にまで加熱するとともに、加熱炉１１の内部にアンモニアガス（又は、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガス）を供給する。
加熱炉１１の内部に供給されたアンモニアガスには熱分解反応が生じ、加熱炉１１の内部の雰囲気はアンモニアと窒素と水素との混合雰囲気となる。そして、このような混合雰囲気内にワークＷを投入することで、ワークＷの表面から窒素が拡散することとなる。
そして、ワークＷの表面から窒素を拡散させた後に、ワークＷを急冷して焼入れを行うことで、表面の硬度が高く内部の高度が低い浸窒焼入れ品が得られる。

熱処理装置１０で浸窒焼入処理を行う際には、加熱炉１１の内部にワークＷを搬送した後、加熱ヒータ２１・２１により加熱炉１１の内部の雰囲気を加熱することによりワークＷの加熱を行う。この時、加熱炉１１の内周上面に配設した攪拌ファン２３により加熱炉１１の内部の雰囲気を攪拌することで、加熱炉１１の内部における各箇所の温度、雰囲気を一定にしている。
加熱ヒータ２１・２１によりワークＷを加熱した後、その加熱状態を維持しながら、加熱炉１１の内周上面に配設したインレットパイプ２５から加熱炉１１の内部に所定流量のアンモニアガス（又はアンモニアガス及び窒素ガス）を供給する。

サンプリングパイプ１５では、加熱炉１１の炉内雰囲気を収集する。そして、サンプリングパイプ１５で収集した炉内雰囲気を、雰囲気制御部１３が備える雰囲気温度分析計で測定するのである。さらに、測定した炉内雰囲気の濃度等のデータに基づいて、加熱ヒータ２１・２１による加熱炉１１の加熱、及び、雰囲気制御部１３による加熱炉１１の内部における雰囲気濃度の制御、を行うことにより、加熱炉１１の内部に収容されたワークＷの熱処理を行うのである。

図１に示す如く、加熱炉１１の内部に設けられる加熱ヒータ２１・２１は、例えば加熱炉１１の内部における両側面部に配置されている。
つまり、加熱ヒータ２１・２１は、加熱炉１１の内部に搬入されたワークＷの、ワーク搬送方向（図１における紙面奥行方向）と直交する方向における両側の外側方に設置されている。これにより、加熱炉１１の内部のワークＷは、ワーク搬送方向と直交する方向における両外側方から加熱されることとなる。

攪拌ファン２３は加熱炉１１の天井面近傍に配置されており、インレットパイプ２５は加熱炉１１の天井面における攪拌ファン２３の近傍位置から下方へ向けてアンモニアガス等のガスを供給するように配置されている。
また、攪拌ファン２３は、上方又は下方から供給される雰囲気を側方へ送風するように構成されている。

上記の如く、加熱炉１１でのワークＷへの浸窒処理は、アンモニアガスの雰囲気下で行われる。
加熱炉１１にてワークＷへ浸窒処理を行うときには加熱炉１１の内部の雰囲気を加熱ヒータ２１・２１により所定の温度に加熱するが、前記加熱ヒータ２１・２１による加熱は、加熱炉１１の内部の温度が所定の時間だけ所定の温度に維持されるように、加熱炉１１に接続される雰囲気制御部１３により制御される。
また、雰囲気制御部１３は、攪拌ファン２３の運転や、加熱炉１１の内部へのアンモニアガスの供給等の制御も行う。

加熱炉１１でのワークＷの浸窒処理が完了すると、ワークＷを図示しない油槽室へ搬送し、該油槽室内の油にワークＷを浸漬して急冷する。これにより、ワークＷの焼入れが行われ、浸窒焼入れ品が得られる。

本実施形態に係る熱処理装置１０は、サンプリングパイプ１５における炉内雰囲気の収集側端部１５ａ（加熱炉１１内と連通する側の端部）が、断熱部１２の近傍に位置するように、サンプリングパイプ１５が配設されている。詳細には図１に示す如く、サンプリングパイプ１５は、収集側端部１５ａが断熱部１２の内部に位置するように配設されており、加熱炉１１の内部に突出しないように構成されているのである。
なお、サンプリングパイプ１５の収集側端部１５ａとは反対側の端部は、雰囲気制御部１３に接続されている。

本実施形態に係る熱処理装置１０は上記の如く構成することにより、サンプリングパイプ１５が加熱炉１１の内部において表出しないようにしている。つまり、サンプリングパイプ１５は加熱炉１１からの伝熱が断熱部１２によって遮断されるため、高温とならないのである。これにより、サンプリングパイプ１５が加熱されることを防ぎ、雰囲気がサンプリングパイプ１５を通過する途中で、雰囲気に含まれるアンモニアが熱分解しないようにしているのである。
また、上記の如くサンプリングパイプ１５は加熱炉１１の内部に存在する高温状態の炉内雰囲気に露出しないため、サンプリングパイプ１５を長期間使用しても、サンプリングパイプ１５が酸化・還元等によって変化し、触媒作用によりアンモニアの熱分解反応が促進（又は、抑制）されることも防止できる。

即ち、本実施形態に係る熱処理装置１０では、サンプリングパイプ１５における雰囲気の熱分解を防止することができる。このため、雰囲気濃度分析計において、加熱炉１１の内部における実際のアンモニア濃度と同じ値を測定することが可能となる。換言すれば、サンプリングパイプ１５で収集する加熱炉１１の炉内雰囲気の分析精度を向上させることが可能となるのである。

本願出願人が行った実験結果によれば、加熱炉１１の炉内雰囲気の分析精度が向上したことにより、浸窒処理の精度を高めることができた。即ち、ワークＷにおける浸窒の深さばらつきを半減させることができたのである。
また、本実施形態の如くサンプリングパイプ１５の収集側端部１５ａをワークＷ付近から離して配置しても、サンプリングパイプ１５で収集する炉内雰囲気はワークＷの近傍の雰囲気とほとんど違いがなく、炉内雰囲気の測定結果に差が出ることはなかった。つまり、サンプリングパイプ１５の収集側端部１５ａをワークＷから離間させることによって炉内雰囲気の分析精度が低下することはなかったのである。

本実施形態においては、熱処理装置１０は浸窒焼入れを行うものとしている。一方、前記の如くサンプリングパイプ１５が加熱炉１１の内部において表出しないように構成し、サンプリングパイプ１５が加熱されることを防ぐことによって雰囲気の変質を防止するという点においては、本発明は他の熱処理（例えば浸炭処理等）においても効果はあると考えられる。但し、サンプリングパイプ１５が腐食性のある元素によって変質することを防ぐという観点においては、雰囲気制御部１３で制御される加熱炉１１の内部の雰囲気元素として窒素が用いられる場合には、その効果はより顕著となる。つまり、熱処理装置１０で行われる熱処理は、雰囲気元素として窒素を用いる浸窒処理又は窒化処理に適用されることがより好適である。

［第二実施形態］
次に、図２を用いて、第二実施形態に係る熱処理装置１１０について説明する。図２に示す如く、本実施形態に係る熱処理装置１１０は、加熱部である加熱ヒータ１２１・１２１がその内部に配設された加熱炉１１１と、加熱炉１１１の一側面に配設され、その一部に開口部１３２ａが開口された断熱扉１３２と、断熱扉１３２の開口部１３２ａを通じて、加熱炉１１１の内部の雰囲気を排気する排気通路となる戸袋１３１及び煙突１３５と、加熱炉１１１の周囲のうち、断熱扉１３２以外の部分を取り囲んで配設された断熱部１１２と、加熱炉１１１の内部の雰囲気濃度を制御する雰囲気制御部１１３と、加熱炉１１１の炉内雰囲気を収集するサンプリングパイプ１１５と、を備える。

熱処理装置１１０は前記第一実施形態と同様に、浸窒焼入れを行う装置である。即ち、ワークＷを加熱炉１１１内に搬入して熱処理を行うことで、ワークＷの表面に窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを施す浸窒焼入処理を行うのである。

熱処理装置１１０で浸窒焼入処理を行う際には、加熱炉１１１の内部にワークＷを搬送した後、加熱ヒータ１２１・１２１により加熱炉１１１の内部の雰囲気を加熱することによりワークＷの加熱を行う。この時、加熱炉１１１の内周上面に配設した攪拌ファン１２３により加熱炉１１１の内部の雰囲気を攪拌することで、加熱炉１１１の内部における各箇所の温度、雰囲気を一定にしている。
加熱ヒータ１２１・１２１によりワークＷを加熱した後、その加熱状態を維持しながら、加熱炉１１１の内周上面に配設したインレットパイプ１２５から加熱炉１１１の内部に所定流量のアンモニアガス（又はアンモニアガス及び窒素ガス）を供給する。

サンプリングパイプ１１５は、その一端となる収集側端部１１５ａが戸袋１３１内に連通し、その他端が雰囲気制御部１１３に接続されている。
サンプリングパイプ１１５では、断熱扉１３２の開口部１３２ａを通じて戸袋１３１に流入した、加熱炉１１１の炉内雰囲気を収集する。そして、サンプリングパイプ１１５で収集した炉内雰囲気を、雰囲気制御部１１３が備える雰囲気温度分析計で測定するのである。さらに、測定した炉内雰囲気のデータに基づいて、加熱ヒータ１２１・１２１による加熱炉１１１の加熱、及び、雰囲気制御部１１３による加熱炉１１１の内部における雰囲気濃度の制御、を行うことにより、加熱炉１１１の内部に収容されたワークＷの熱処理を行うのである。

上記の如く、加熱炉１１１でのワークＷへの浸窒処理は、アンモニアガス（又はアンモニアガス及び窒素ガス）の雰囲気下で行われる。
加熱炉１１１にてワークＷへ浸窒処理を行うときには加熱炉１１１の内部の雰囲気を加熱ヒータ１２１・１２１により所定の温度に加熱するが、加熱ヒータ１２１・１２１による加熱は、加熱炉１１１の内部の温度が所定の時間だけ所定の温度に維持されるように、加熱炉１１１に接続される雰囲気制御部１１３により制御される。

戸袋１３１には、シール扉１３３を介して油槽室１４１が隣接して配設されている。そして、加熱炉１１１でのワークＷの浸窒処理が完了すると、ワークＷを油槽室１４１へ搬送し、油槽室１４１の内部の油にワークＷを浸漬して急冷する。これにより、ワークＷの焼入れが行われ、浸窒焼入れ品が得られる。

本実施形態に係る熱処理装置１１０は、サンプリングパイプ１１５における炉内雰囲気の収集側端部１１５ａが、排気通路である戸袋１３１の一部に位置するように、サンプリングパイプ１５が配設されている。

本実施形態に係る熱処理装置１１０は上記の如く構成することにより、サンプリングパイプ１１５が加熱炉１１１の内部に表出しないようにしている。つまり、サンプリングパイプ１１５は加熱炉１１１からの伝熱が断熱扉１３２によって遮断されるため、高温とならないのである。これにより、サンプリングパイプ１１５が加熱されることを防ぎ、雰囲気がサンプリングパイプ１１５を通過する途中で、雰囲気に含まれるアンモニアが熱分解しないようにしているのである。
また、上記の如くサンプリングパイプ１１５は加熱炉１１の内部に存在する高温状態の炉内雰囲気に露出しないため、サンプリングパイプ１１５を長期間使用しても、サンプリングパイプ１１５が酸化・還元等によって変化し、触媒作用によりアンモニアの熱分解反応が促進（又は、抑制）されることも防止できる。

即ち、本実施形態に係る熱処理装置１１０では、サンプリングパイプ１１５における雰囲気の熱分解を防止することができる。このため、雰囲気濃度分析計において、加熱炉１１１の内部における実際のアンモニア濃度と同じ値を測定することが可能となる。換言すれば、サンプリングパイプ１１５で収集する加熱炉１１１の炉内雰囲気の分析精度を向上させることが可能となるのである。

１０ 熱処理装置
１１ 加熱炉
１２ 断熱部
１３ 雰囲気制御部
１５ サンプリングパイプ
２１ 加熱ヒータ
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 加熱部がその内部に配設された、加熱炉と、
   前記加熱炉の周囲を取り囲んで配設された、断熱部と、
   前記加熱炉内の雰囲気濃度を制御する、雰囲気制御部と、
   前記加熱炉の炉内雰囲気を収集する、サンプリングパイプと、を備え、
   前記サンプリングパイプで収集した炉内雰囲気のデータに基づいて、前記加熱部による加熱炉の加熱、及び、前記雰囲気制御部による加熱炉内の雰囲気濃度の制御、を行うことにより、前記加熱炉の内部に収容されたワークの熱処理を行う、熱処理装置であって、
   前記サンプリングパイプにおける炉内雰囲気の収集側端部が、前記断熱部の近傍に位置するように、前記サンプリングパイプが配設される、
   ことを特徴とする、熱処理装置。
2. 加熱部がその内部に配設された、加熱炉と、
   前記加熱炉の一側面に配設され、その一部に開口部が開口された、断熱扉と、
   前記断熱扉の開口部を通じて、前記加熱炉内の雰囲気を排気する、排気通路と、
   前記加熱炉の周囲のうち、前記断熱扉以外の部分を取り囲んで配設された、断熱部と、
   前記加熱炉内の雰囲気濃度を制御する、雰囲気制御部と、
   前記加熱炉の炉内雰囲気を収集する、サンプリングパイプと、を備え、
   前記サンプリングパイプで収集した炉内雰囲気のデータに基づいて、前記加熱部による加熱炉の加熱、及び、前記雰囲気制御部による加熱炉内の雰囲気濃度の制御、を行うことにより、前記加熱炉の内部に収容されたワークの熱処理を行う、熱処理装置であって、
   前記サンプリングパイプにおける炉内雰囲気の収集側端部が、前記排気通路の一部に位置するように、前記サンプリングパイプが配設される、
   ことを特徴とする、熱処理装置。
3. 前記熱処理は浸窒処理又は窒化処理であって、前記雰囲気制御部で制御される加熱炉内の雰囲気元素として窒素が用いられる、
   ことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の熱処理装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の熱処理装置でワークの熱処理を行う、
   ことを特徴とする、熱処理方法。

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