JP2015014041A - シンターハードニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環状ワークをシンターハードニングするときに、急冷時のワークの移動とワークの寸法精度の低下とを防止する。
【解決手段】カーボントレイに複数のセラミックス板を載せ、更にその各セラミックス板に粉末成形されたワークを載せた状態で、前記カーボントレイを、前記ワークを焼結温度に加熱する焼結室と、前記焼結温度からの冷却過程で前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れする急冷室とに順に移動させるシンターハードニング方法であって、前記ワークは、中央に開口部をもつ環状体であり、前記セラミックス板は、前記ワークを前記セラミックス板に載せたときのワークの開口部の位置に、前記セラミックス板を上下に貫通するガス抜け穴を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、粉末成形されたワークを加熱して焼結し、その後の冷却工程で急速冷却を行なうことにより、高強度の焼結品を製造するシンターハードニング方法に関する。

従来、高強度の焼結品を製造する方法として、粉末成形されたワークを焼結し、冷却した後、別工程で浸炭焼入れなどの熱処理を行なう方法が一般的であったが、この方法では、焼結とその後の熱処理とでそれぞれ加熱を行なうので、加熱に伴う膨張・収縮による歪みが発生しやすく、焼結品の寸法精度の低下が避けられなかった。

これに対し、近年、シンターハードニングという技術が開発されている。シンターハードニングは、粉末成形されたワークを加熱して焼結（sinter）し、その後の冷却過程でワークを急速冷却することで焼入れ（hardening）する方法である。この方法によれば、１の加熱で、焼結と焼入れとを行なうことができるので、加熱に伴う歪みの発生が抑えられる。

シンターハードニングは、例えば、ローラハース炉、プッシャー炉、メッシュベルト炉を用いて行なわれる。ローラハース炉は、ワークを載せたトレイを、搬送方向に沿って並んだローラで移動させる連続焼結炉である（例えば特許文献１）。プッシャー炉は、ワークを載せたトレイが搬送方向に沿って隙間なく並び、その上流端のトレイをプッシャーで下流側に押し動かすことで、全トレイを同時に移動させる連続焼結炉である（例えば特許文献２）。メッシュベルト炉は、金属製のメッシュベルトにワークを載せ、そのメッシュベルトでワークを炉内で移動させる連続焼結炉であるが、メッシュベルトの耐熱性の観点から１１５０℃を超える温度での焼結を行なうことは難しい。

特許第４５７６３３１号公報 特開平６−３４６１０４号公報

本願の発明者は、環状のワークを用いて、シンターハードニングの試験を行なった。具体的には、カーボントレイに複数のセラミックス板を載せ、更にその各セラミックス板に環状のワークを載せた状態で、カーボントレイを焼結室と急冷室とに順に移動させることにより、環状ワークのシンターハードニングを行なった。このとき、焼結室では、ワークを１１００〜１３００℃程度の焼結温度に加熱して所定時間その温度を保持し、急冷室では、焼結温度からの冷却過程でワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れを行なった。ワークとカーボントレイの間にセラミックス板を介在させる理由は、高温のワークが、カーボントレイの炭素と反応するのを防止するためである。セラミックス板は、穴や凹凸のない平板状のものを使用した。

上記シンターハードニング試験を行なった結果、本願の発明者は、ワークに冷却ガスを吹き付けて急冷するときに、ワークがセラミックス板に対して移動する場合があることに気が付いた。ワークの急冷中に、ワークがセラミックス板に対して移動すると、冷却むらが生じる等により、ワークの寸法精度（特に平面度）が低下する。

ここで、ワークがセラミックス板に対して移動する原因は、次のように考えられる。すなわち、ワークを冷却して焼入れするためには、変態点以上の温度からワークを急速に冷却する必要があり（少なくとも０．８℃／秒以上）、この冷却速度を確保するためには、ワークに冷却ガスを吹き付ける際に、冷却ガスの風速を高くする必要がある。例えば、３〜４℃／秒の冷却速度を得るために、およそ２０〜３０ｍ／秒程度の風速が必要となることがある。そして、高い風速で冷却ガスを吹き付けたときに、環状ワークの中央の開口部に流れ込んだ冷却ガスが、ワークとセラミックス板の間に流入して、ワークを移動させるものと考えられる。

本発明は、上記の事情を考慮し、環状ワークをシンターハードニングするときに、急冷時のワークの移動とワークの寸法精度の低下とを防止することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では、以下の構成を採用したシンターハードニング方法を提案する。
カーボントレイに複数のセラミックス板を載せ、更にその各セラミックス板に粉末成形されたワークを載せた状態で、前記カーボントレイを、前記ワークを焼結温度に加熱する焼結室と、前記焼結温度からの冷却過程で前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れする急冷室とに順に移動させるシンターハードニング方法であって、
前記ワークは、中央に開口部をもつ環状体であり、
前記セラミックス板は、前記ワークを前記セラミックス板に載せたときのワークの開口部の位置に、前記セラミックス板を上下に貫通するガス抜け穴を有する。

本発明によれば、環状ワークをシンターハードニングするときに、急冷時のワークの移動とワークの寸法精度の低下とを防止することができる。

本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で使用する連続焼結炉を示す断面図である。 図１の急冷室近傍の拡大断面図である。 図２に示す状態のワーク、セラミックス板、カーボントレイ、枠体の平面図である。 図２に示すワークとセラミックス板の拡大断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
（１）本発明の実施形態であるシンターハードニング方法は、
カーボントレイに複数のセラミックス板を載せ、更にその各セラミックス板に粉末成形されたワークを載せた状態で、前記カーボントレイを、前記ワークを焼結温度に加熱する焼結室と、前記焼結温度からの冷却過程で前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れする急冷室とに順に移動させるシンターハードニング方法であって、
前記ワークは、中央に開口部をもつ環状体であり、
前記セラミックス板は、前記ワークを前記セラミックス板に載せたときのワークの開口部の位置に、前記セラミックス板を上下に貫通するガス抜け穴を有する、
シンターハードニング方法である。
この構成を採用すると、急冷室で冷却ガスをワークに吹き付けたときに、環状ワークの中央の開口部に流れ込んだ冷却ガスが、セラミックス板のガス抜け穴に抜けるので、ワークとセラミックス板の間に冷却ガスが流入しにくくなる。そのため、セラミックス板に対するワークの移動と、ワークの寸法精度の低下とを防止することができる。
（２）前記カーボントレイは、前記セラミックス板を前記カーボントレイに載せたときの前記セラミックス板のガス抜け穴の位置に、前記カーボントレイを上下に貫通するガス排出穴を有する構成を採用すると好ましい。このようにすると、環状ワークの中央の開口部からセラミックス板のガス抜け穴に流入した冷却ガスを、カーボントレイのガス排出穴を通って円滑に排出することができる。
（３）前記カーボントレイの移動方向に沿って間隔をおいて配置された複数のローラを用いて前記カーボントレイを移動させる場合、前記カーボントレイの下に、前記カーボントレイのガス排出穴の下端と前記ローラの表面とが離間するように前記カーボントレイを支持する枠体を敷くと好ましい。このようにすると、カーボントレイの下の枠体によって、ガス排出穴の下端とローラの表面とが離間した状態に保たれるので、カーボントレイのガス排出穴の真下にローラがあるときにも、ガス排出穴からの冷却ガスの排出がローラで阻害されず、安定してガス排出穴の機能を確保することができる。
（４）前記セラミックス板の材質は、コージライトを採用すると好ましい。このようにすると、急冷室でワークに冷却ガスを吹き付けたときに、セラミックス板が破損するのを防止することができる。また、セラミックス板の破損によるワークの寸法精度の低下を防止することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法の具体例を、図１から図４を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１に、本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法で使用する連続焼結炉を示す。この連続焼結炉は、上流側から下流側に向かって順に、脱ガス室１、予熱室２、焼結室３、徐冷室４、急冷室５、冷却室６、置換室７を有する。これらの各室１〜７には、ワークを載せたカーボントレイ８を上流側から下流側に移動させる複数のローラ９が設けられている。各ローラ９は、カーボントレイ８の移動方向に沿って間隔をおいて配置され、図示しない駆動装置で回転駆動される。

脱ガス室１、予熱室２、焼結室３、徐冷室４には、それぞれヒータ１０が設けられている。急冷室５には、冷却ガスを室内に送り込むブロワ１１が接続されている。冷却室６には、室内雰囲気を冷却するクーラー１２と、室内雰囲気を循環させるファン１３とが設けられている。

脱ガス室１の入口、徐冷室４の入口と出口、急冷室５の入口と出口、置換室７の入口と出口には、それぞれ扉１４〜２０が設けられている。これらの扉１４〜２０は個々に開閉駆動される。

次に、本発明の実施形態にかかるシンターハードニング方法を説明する。

図２、図３に示すように、カーボントレイ８の上に複数のセラミックス板２１を載せ、その各セラミックス板２１の上にワーク２２を載せる。この状態でカーボントレイ８はローラ９で搬送され、図１に示す脱ガス室１、予熱室２、焼結室３、徐冷室４、急冷室５、冷却室６、置換室７を順に移動する。

図３に示すように、ワーク２２は、中央に開口部２３をもつ環状体であり、シンターハードニング用の合成鋼粉を粉末成形して形成されている。ワーク２２の中央の開口部２３は円形であり、ワーク２２の外周も円形である。ワーク２２の下面（セラミックス板２１との接触面）は平面とされている。このワーク２２は、例えばクラッチハブである。

図３、図４に示すように、セラミックス板２１は、円形の平板状である。セラミックス板２１は、ワーク２２をセラミックス板２１に載せたときのワーク２２の開口部２３の位置（図ではセラミックス板２１の中心）に、セラミックス板２１を上下に貫通する円形のガス抜け穴２４を有する。ガス抜け穴２４の内径は、ワーク２２の開口部２３の内径と同じかそれよりも大きい。セラミックス板２１の外径も、ワーク２２の外径と同じかそれよりも大きい。セラミックス板２１の外径はφ８０〜１３０ｍｍ、開口部２３の内径はφ３０〜４０ｍｍの範囲に設定することができる。

セラミックス板２１の材質はコージライトである。コージライトは、酸化マグネシウムと酸化アルミニウムと二酸化けい素とを主要化学成分とするセラミックスである。セラミックス板２１の熱膨張係数は、１０００℃において３．０×１０^−６／℃以下とされている。セラミックス板２１の厚さは２〜７ｍｍ、好ましくは３〜６ｍｍである。

図３に示すように、カーボントレイ８は、方形の平板状に形成されている。カーボントレイ８の上には、複数のセラミックス板２１が、各セラミックス板２１の中心が正三角形の頂点に位置するように配置（いわゆる千鳥配置）される。このような配置とすることにより、１枚のカーボントレイ８に載せるセラミックス板２１の枚数を最大限に確保することが可能となる。

図４に示すように、カーボントレイ８の上面には、各セラミックス板２１を収容してセラミックス板２１の位置を水平方向に保持する凹部２５が形成されている。凹部２５は、セラミックス板２１の外周に対応する形状を有し、凹部２５の平らな内底面でセラミックス板２１の下面を支持するとともに、凹部２５の周縁でセラミックス板２１の外周を位置決めする。凹部２５の深さは、セラミックス板２１の厚さよりも小さく、１〜３ｍｍ程度である。

カーボントレイ８は、セラミックス板２１をカーボントレイ８に載せたときのセラミックス板２１のガス抜け穴２４の位置（図では凹部２５の中央）に、カーボントレイ８を上下に貫通する円形のガス排出穴２６を有する。ガス排出穴２６の内径は、セラミックス板２１のガス抜け穴２４の内径と同じかそれよりも大きくなっている。カーボントレイ８の材質は、焼結室３での高温に耐えるようにカーボンが採用されている。このようなカーボントレイ８として、例えば、炭素繊維強化／炭素複合材（いわゆるＣ／Ｃコンポジット、すなわち炭素繊維と炭素マトリックスからなる複合材料）で形成したものを採用することができる。ワーク２２とカーボントレイ８の間にセラミックス板２１を介在させる理由は、高温のワーク２２がカーボントレイ８の炭素と反応するのを防止するためである。

カーボントレイ８の下には、カーボントレイ８のガス排出穴２６の下端とローラ９の表面とが離間するようにカーボントレイ８を支持する枠体２７が敷かれている。図２、図３に示すように、枠体２７は、カーボントレイ８の下面をガス排出穴２６の位置を避けて支持する格子状である。格子状とすることにより、ワーク２２とセラミックス板２１の重さでカーボントレイ８がたわむのを防止すると同時に、ガス排出穴２６がローラ９で塞がれないようにするための空間をカーボントレイ８の下側に形成している。枠体２７は、カーボントレイ８と同様、焼結室３の高温に耐えるようにカーボンで形成されている。図では、１枚のカーボントレイ８を１つの枠体２７に載せた例を示しているが、複数枚のカーボントレイ８を１つの枠体２７に載せてもよい。

次に、連続焼結炉の各工程を説明する。まず、上述のように、カーボントレイ８にセラミックス板２１を載せ、更にその各セラミックス板２１にワーク２２を載せた状態で、カーボントレイ８を、図１に示す連続焼結炉の上流端の脱ガス室１に送り込む。

図１に示す脱ガス室１にカーボントレイ８が入ると、カーボントレイ８上のワーク２２は５００〜７００℃程度の温度になるまで加熱される。このとき、ワーク２２に存在するワックス成分等が燃焼し、ワーク２２から燃焼ガスが生じる。ワーク２２から生じた燃焼ガスは、排ガス燃焼炉３０で処理される。

次に、カーボントレイ８は、脱ガス室１から予熱室２に移動する。予熱室２では、ワーク２２が焼結温度よりも低い８００〜１０００℃程度の温度に加熱される。

その後、カーボントレイ８は、予熱室２から焼結室３に移動する。焼結室３では、ワーク２２が１１００〜１３００℃程度の焼結温度になるまで加熱され、所定時間（例えば１５〜３０分程度）、その温度を保持する。これにより、ワーク２２を構成する合成鋼粉が焼結して一体化する。

ワーク２２の焼結が完了すると、徐冷室４の入口の扉が開かれ、焼結室３から徐冷室４にカーボントレイ８が移動する。徐冷室４では、ワーク２２が、焼結温度から所定の焼入温度（例えば８７０℃程度）にまで冷却される。この焼入温度は、Ａ_３変態点以上、９００℃以下に設定される。焼入温度をＡ_３変態点以上に設定することにより、その後の急冷でワーク２２を効果的に焼入れすることが可能となり、９００℃以下に設定することで、急冷時のワーク２２の歪み等の品質低下を抑えることができる。Ａ_３変態点は、ワーク２２を構成する合成鋼粉の炭素含有量等により決まる温度である。

その後、徐冷室４の出口の扉１６と急冷室５の入口の扉１７とが順に開かれ、徐冷室４から急冷室５にカーボントレイ８が移動する。カーボントレイ８が急冷室５に入ると、図２に示すように、急冷室５の入口の扉１７と出口の扉１８をいずれも閉じた状態で、ワーク２２の上方の吹出口２８からワーク２２に向かって冷却ガスが吹き付けられる。冷却ガスは、不活性ガス（例えば窒素を主成分とするガス）である。この冷却ガスの吹き付けによって、ワーク２２はＡ_３変態点以上の温度から２００〜３００℃程度の温度まで急冷され、この急冷によりワーク２２は焼入れされる。

急冷時のワーク２２の冷却速度は、０．８℃／秒以上、好ましくは２℃／秒以上、より好ましくは３℃／秒以上である。これによりワーク２２の硬度を効果的に高めることができる。それ以上ワーク２２の冷却速度を大きくしても、ワーク２２の硬度は飽和するため、冷却速度は４℃／秒以下でよい。ここで、ワーク２２の冷却速度は、ワーク２２が８００℃から４００℃まで冷却するときの速度である。

急冷室５でワーク２２を急冷した後、急冷室５の出口の扉１８が開かれ、カーボントレイ８は、急冷室５から冷却室６に移動する。冷却室６では、ワーク２２が酸化しない温度（２００℃以下、好ましくは１５０℃以下）までワーク２２が冷却される。

その後、置換室７の入口の扉１９が開かれ、カーボントレイ８は、冷却室６から置換室７に移動する。カーボントレイ８が置換室７に入ると、置換室７の入口の扉１９が閉じ、その後、置換室７の出口の扉２０が開き、カーボントレイ８が置換室７から送り出される。カーボントレイ８が置換室７から出ると、置換室７の出口の扉２０が閉じ、置換室７の室内雰囲気が不活性ガスに置換され、次のカーボントレイ８が送り込まれるまで待機状態となる。

ところで、図２に示すように、急冷室５で冷却ガスをワーク２２に吹き付けるとき、上述の冷却速度を確保するためには、冷却ガスの風速を高くする必要がある。例えば、３〜４℃／秒の冷却速度を得るために、２０〜３０ｍ／秒程度の風速が必要となる。そのため、高い風速で冷却ガスを吹き付けたときに、環状ワーク２２の中央の開口部２３に流れ込んだ冷却ガスが、ワーク２２とセラミックス板２１の間に流入し、ワーク２２が移動する可能性がある。ワーク２２の急冷中にワーク２２がセラミックス板２１に対して移動した場合、冷却むらが生じる等により、ワーク２２の寸法精度（特に平面度）が低下するおそれがある。

そこで、この実施形態では、急冷室５で冷却ガスをワーク２２に吹き付けたときに、ワーク２２の移動とワーク２２の寸法精度の低下とを防止するため、ワーク２２をセラミックス板２１に載せたときのワーク２２の開口部２３の位置に、セラミックス板２１を上下に貫通するガス抜け穴２４を設けている。これにより、図４に示すように、環状ワーク２２の中央の開口部２３に流れ込んだ冷却ガスが、セラミックス板２１のガス抜け穴２４に抜けるので、ワーク２２とセラミックス板２１の間に冷却ガスが流入しにくくなる。そのため、セラミックス板２１に対するワーク２２の移動と、ワーク２２の寸法精度の低下とを防止することができる。

また、このとき、セラミックス板２１をカーボントレイ８に載せたときのセラミックス板２１のガス抜け穴２４の位置に、カーボントレイ８を上下に貫通するガス排出穴２６を設けているので、環状ワーク２２の中央の開口部２３からセラミックス板２１のガス抜け穴２４に流入した冷却ガスは、カーボントレイ８のガス排出穴２６を通って円滑に排出される。

また、カーボントレイ８が急冷室５内のローラ９で搬送され、冷却ガスの吹き付けを行なう位置で停止したときに、カーボントレイ８のガス排出穴２６の真下にローラ９がくる可能性がある。このとき、もしカーボントレイ８の下面がローラ９で接触支持されているとすれば、ガス排出穴２６からの冷却ガスの排出がローラ９で阻害されるおそれがある。

そこで、この実施形態では、カーボントレイ８の下に、カーボントレイ８のガス排出穴２６の下端とローラ９の表面とが離間するようにカーボントレイ８を支持する枠体２７を敷くようにしている。これにより、ガス排出穴２６の下端とローラ９の表面とが離間した状態に保たれるので、カーボントレイ８のガス排出穴２６の真下にローラ９があるときにも、ガス排出穴２６からの冷却ガスの排出がローラ９で阻害されず、安定してガス排出穴２６の機能を確保することができる。

また、この実施形態では、セラミックス板２１の材質としてコージライトを採用しているため、急冷室５でワーク２２に冷却ガスを吹き付けたときに、セラミックス板２１が破損するのを防止することができ、その結果、セラミックス板２１の破損によるワーク２２の寸法精度の低下を防止することが可能となっている。急冷時にセラミックス板２１が破損しない理由は、セラミックス板２１の熱膨張係数が比較的小さく、その結果、急冷時の熱収縮が小さく抑えられることや、セラミックス板２１の形状が割れにくい形状であること等が考えられる。

本発明の実施形態のシンターハードニング方法の効果を確認するため、ワークを載せるセラミックス板として、Ｎｏ．１からＮｏ．４までの４種類のものを使用し、シンターハードニングの試験を行なった。その試験条件と試験結果をそれぞれ表１、表２に示す。

この試験結果によれば、ガス抜け穴をもたないセラミックス板を使用したＮｏ．３では、急冷時にワークが移動するのに対し、ガス抜け穴を有するセラミックス板を使用したＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４では、急冷時にワークが移動しないことを確認することができる。

また、急冷時にワークが移動したＮｏ．３では、ワークの下面の平面度が０．０６２ｍｍであるのに対し、急冷時にワークが移動しないＮｏ．４では、ワークの下面の平面度が０．０４１ｍｍに改善していることを確認することができる。

また、セラミックス板の材質としてアルミナを採用したＮｏ．１、Ｎｏ．２では、急冷時にセラミックス板が破損するのに対し、セラミックス板の材質としてコージライトを採用したＮｏ．３、Ｎｏ．４では、急冷時にセラミックス板が全く破損しないことを確認することができる。

１ 脱ガス室
２ 予熱室
３ 焼結室
４ 徐冷室
５ 急冷室
６ 冷却室
７ 置換室
８ カーボントレイ
９ ローラ
１０ ヒータ
１１ ブロワ
１２ クーラー
１３ ファン
１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０ 扉
２１ セラミックス板
２２ ワーク
２３ 開口部
２４ ガス抜け穴
２５ 凹部
２６ ガス排出穴
２７ 枠体
２８ 吹出口

Claims (4)

1. カーボントレイに複数のセラミックス板を載せ、更にその各セラミックス板に粉末成形されたワークを載せた状態で、前記カーボントレイを、前記ワークを焼結温度に加熱する焼結室と、前記焼結温度からの冷却過程で前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れする急冷室とに順に移動させるシンターハードニング方法であって、
   前記ワークは、中央に開口部をもつ環状体であり、
   前記セラミックス板は、前記ワークを前記セラミックス板に載せたときのワークの開口部の位置に、前記セラミックス板を上下に貫通するガス抜け穴を有する、
   シンターハードニング方法。
2. 前記カーボントレイは、前記セラミックス板を前記カーボントレイに載せたときの前記セラミックス板のガス抜け穴の位置に、前記カーボントレイを上下に貫通するガス排出穴を有する請求項１に記載のシンターハードニング方法。
3. 前記カーボントレイの移動方向に沿って間隔をおいて配置された複数のローラを用いて前記カーボントレイを移動させ、
   前記カーボントレイの下には、前記カーボントレイのガス排出穴の下端と前記ローラの表面とが離間するように前記カーボントレイを支持する枠体が敷かれている請求項１または２に記載のシンターハードニング方法。
4. 前記セラミックス板の材質が、コージライトである請求項１から３のいずれか一項に記載のシンターハードニング方法。

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