JP2017095756A - シンターハードニング方法およびシンターハードニング用の焼結炉 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の焼入れ組織が得られたか否かを効率よく検査することが可能なシンターハードニング方法を提供する。【解決手段】粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを複数の搬送ローラで搬送し、前記搬送ローラの搬送経路上に設けられた焼結室で前記ワークを焼結温度に加熱し、前記搬送ローラの搬送経路上で前記焼結室の下流側に位置する急冷室で、前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れし、前記急冷室で前記ワークに冷却ガスを吹き付けているときに、前記急冷室内のワークの冷却速度を温度センサで検知して、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する、シンターハードニング方法。【選択図】図２

Description

本発明は、シンターハードニング方法、およびそのシンターハードニング方法に好適なシンターハードニング用の焼結炉に関する。

従来、高強度の焼結品を製造する方法として、粉末材料を圧縮成形して形成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（例えば、特許文献１）。シンターハードニングは、粉末材料を圧縮成形して形成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。

特開２０１５−１４０４１号公報

従来、上記のシンターハードニングで高硬度焼結品を製造する場合、得られた焼結品が所定の焼入れ組織を有するかどうかは、シンターハードニングの後工程において、手作業の渦流検査によって行なっていた。

すなわち、シンターハードニングは、ワークを搬送する複数の搬送ローラと、搬送ローラの搬送経路上でワークを焼結温度に加熱する焼結室と、焼結室の下流側に位置する急冷室とを有する連続焼結炉を用いて行なわれる。そして、急冷室でのワークの冷却速度が十分に大きい場合には、所定の焼入れ組織をもつ焼結品が得られるが、急冷室に何らかの異常がある場合には、急冷室でのワークの冷却速度が不足し、所定の焼入れ組織が得られないおそれがある。

そこで、従来、得られる焼結品が所定の焼入れ組織を有するか否かを検査するため、連続焼結炉から排出された個々の焼結品について、渦流検査を行ない、高硬度焼結品の信頼性を確保していた。渦流検査は、焼結品を交流磁場内に配置することで、焼結品の内部に電磁誘導による渦電流を発生させ、その渦電流により誘起された誘導磁場に基づいて焼入れ組織を検査するものである。そして、この渦流検査は、連続焼結炉から排出された個々の焼結品を、作業者が手作業で渦流検査装置にセットすることで行なっていた。

しかしながら、連続焼結炉から排出された個々の焼結品を、手作業で渦流検査するのは煩雑であった。

本発明は、所定の焼入れ組織が得られたか否かを効率よく検査することが可能なシンターハードニング方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るシンターハードニング方法は、
粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを複数の搬送ローラで搬送し、
前記搬送ローラの搬送経路上に設けられた焼結室で前記ワークを焼結温度に加熱し、
前記搬送ローラの搬送経路上で前記焼結室の下流側に位置する急冷室で、前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れし、
前記急冷室で前記ワークに冷却ガスを吹き付けているときに、前記急冷室内のワークの冷却速度を温度センサで検知し、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する、
シンターハードニング方法である。

上記によれば、所定の焼入れ組織が得られたか否かを効率よく検査することが可能である。

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の急冷室をワークの搬送方向に直交する断面に沿って破断した一部拡大断面図である。 図２に示す温度センサの出力の時間変化の一例を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
（１）本発明の一態様に係るシンターハードニング方法は、
粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを複数の搬送ローラで搬送し、
前記搬送ローラの搬送経路上に設けられた焼結室で前記ワークを焼結温度に加熱し、
前記搬送ローラの搬送経路上で前記焼結室の下流側に位置する急冷室で、前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れし、
前記急冷室で前記ワークに冷却ガスを吹き付けているときに、前記急冷室内のワークの冷却速度を温度センサで検知して、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する、
シンターハードニング方法である。
このようにすると、急冷室でワークを焼入れするときの冷却速度に基づいて、ワークに所定の焼入れ組織が得られたかを間接的に検査可能である。すなわち、シンターハードニングの工程内において、所定の焼入れ組織が得られたか否かを検査することが可能であり、シンターハードニングで得られた個々の焼結品を、シンターハードニングの後工程において手作業で検査する必要がない。そのため、所定の焼入れ組織が得られたか否かを効率よく検査することが可能である。
（２）上記のシンターハードニング方法は、以下の構成を加えることができる。
前記温度センサは、前記ワークから放射される赤外線の強度を測定することで前記ワークの温度を検出する放射温度計であり、
前記温度センサで前記急冷室内のワークの冷却速度を検知している間、そのワークを支持する前記搬送ローラは、前記ワークを搬送方向の前後に往復運動させるように正転と逆転を繰り返す。
このようにすると、温度センサで急冷室内のワークの冷却速度を検知している間、ワークが前後に往復運動するので、ワークが放射温度計による温度測定エリアに確実に入り、安定した検査が可能となる。
（３）また、本発明の一態様に係るシンターハードニング用の連続焼結炉として、以下の構成のものを提供する。
粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを搬送する複数の搬送ローラと、
前記搬送ローラの搬送経路上で前記ワークを焼結温度に加熱する焼結室と、
前記搬送ローラの搬送経路上で前記焼結室の下流側に位置し、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、
前記急冷室内のワークの冷却速度を温度センサで検知して、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する冷却温度検査装置と、
を有するシンターハードニング用の連続焼結炉。

［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およびこのシンターハードニング方法に好適な連続焼結炉を、以下に図面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、図２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、鉄系の粉末材料を圧縮成形して形成されたワークＷを、１１００℃以上の焼結温度に加熱して焼結する連続焼結炉である。この連続焼結炉は、上流側から下流側に向かって順に、脱ワックス室２、予熱室３、焼結室４、徐冷室５、急冷室６、冷却室７を有する。

これら各室２〜７には、複数のワークＷを載せたカーボントレイ１を上流側から下流側に移動させる搬送ローラ８〜１３が設けられている。搬送ローラ８〜１３は、各室２〜７にワークＷの搬送方向に間隔をおいて複数設けられている。すなわち、搬送ローラ８〜１３によるワークＷの搬送経路上に各室２〜７が順に設けられている。

脱ワックス室２の入口、脱ワックス室２と予熱室３の間、予熱室３と焼結室４の間、焼結室４と徐冷室５の間、徐冷室５と急冷室６の間、急冷室６と冷却室７の間、冷却室７の出口には、それぞれシャッター１４〜２０が設けられている。これらのシャッター１４〜２０は個々に開閉駆動される。

脱ワックス室２、予熱室３、焼結室４、徐冷室５には、それぞれの室内雰囲気を加熱するヒータ２１〜２４が設けられている。焼結室４は、不活性ガス（例えば窒素ガス）の雰囲気で満たされており、その不活性ガスの雰囲気中でワークＷを加熱する。

急冷室６には送風ファン２５が接続され、急冷室６と送風ファン２５の間で冷却ガスが循環するようになっている。冷却ガスは不活性ガス（例えば窒素ガス）である。急冷室６と送風ファン２５の間の冷却ガスの循環経路の途中には、冷却ガスを冷却するチラー（図示せず）が接続されている。

図２に示すように、急冷室６には、急冷室６内のワークＷの温度を検知する温度センサ２６が設けられている。温度センサ２６は、ワークＷから放射される赤外線の強度を測定することでワークＷの温度を検出する放射温度計である。温度センサ２６は、急冷室６でワークＷに冷却ガスを吹き付けているときに、急冷室６内のワークＷの冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する冷却温度検査装置２７に接続されている。

温度センサ２６は、急冷室６内を搬送されるワークＷの真上を避けるように、急冷室６の側壁２８に設けられている。このように、ワークＷの真上を避けて温度センサ２６を配置することで、ワークＷが発する熱による温度センサ２６の損傷を防止している。また、急冷室６の側壁２８には、急冷室６の搬送ローラ１２を駆動する電動モータ２９が取り付けられている。

図１に示すように、冷却室７には、室内雰囲気を冷却するクーラー３０と、室内雰囲気を循環させる循環ファン３１とが設けられている。

次に、この連続焼結炉を用いて、ワークＷをシンターハードニングする方法の一例を説明する。

まず、図１に示すように、カーボントレイ１の上に複数のワークＷを載せ、その状態でワークＷを搬送して脱ワックス室２に入れる。ワークＷが脱ワックス室２に入ると、ワークＷは５００〜７５０℃程度の温度になるまで加熱される。このとき、ワークＷに存在するワックス成分が燃焼し、ワックス成分が除去される。

その後、ワークＷが、搬送ローラ８，９によって脱ワックス室２から予熱室３に搬送される。予熱室３では、ワークＷ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、ワークＷは、搬送ローラ９，１０によって予熱室３から焼結室４に搬送される。焼結室４では、ワークＷが１１００〜１３００℃程度の焼結温度になるまで加熱され、所定時間、焼結温度に保持される。これにより、ワークＷを構成する粉末が焼結して一体化する。

その後、ワークＷは、搬送ローラ１０，１１によって焼結室４から徐冷室５に搬送される。徐冷室５は、室内の雰囲気温度が９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点（いわゆるＡ_３変態点）よりも高い温度（例えば、８４０〜８７０℃の温度範囲）に保たれるように温度制御されている。ワークＷは、この徐冷室５内に１０分〜２０分程度滞在するように搬送ローラ１１で搬送される。これにより、ワークＷは、９００℃よりも低く、かつ、オーステナイト変態点よりも高い温度に冷却して保持される。

その後、ワークＷは、搬送ローラ１１，１２によって徐冷室５から急冷室６に搬送される。ワークＷが急冷室６に入ると、急冷室６の入口のシャッター１８と出口のシャッター１９をいずれも閉じ、その状態で送風ファン２５を作動させてワークＷに冷却ガスを吹き付け、ワークＷをマルテンサイト変態点（いわゆるＭｓ点）よりも低い温度（例えば、２５０〜３５０℃の温度範囲）に急冷する。急冷時のワークＷの冷却速度は、２〜５℃／秒（好ましくは３〜５℃／秒）である。この急冷によりワークＷは焼入れされ、ワークＷの組織がマルテンサイトに変態する。

ここで、急冷室６でのワークＷの冷却速度が十分に大きい場合には、所定の焼入れ組織をもつ焼結品が得られるが、急冷室６に何らかの異常（例えば、送風ファン２５の異常や、急冷室６と送風ファン２５の間で循環する冷却ガスを冷却するチラーの異常等）がある場合には、急冷室６でのワークＷの冷却速度が不足し、所定の焼入れ組織が得られないおそれがある。そこで、急冷室６の急冷によって硬化されたワークＷが所定の焼入れ組織を有するか否かを検査するため、図２に示す冷却温度検査装置２７は、急冷室６でワークＷに冷却ガスが吹き付けられているときに、急冷室６内のワークＷの冷却速度を温度センサ２６で検知し、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査することで、ワークＷに所定の焼入れ組織が得られたかを間接的に検査する。そして、ワークＷの冷却速度が予め設定された範囲から外れたときは、図示しない報知装置で作業者に異常が報知される。

ところで、ワークＷの冷却温度を温度センサ２６で検知するとき、搬送ローラ１２を停止させた状態でワークＷの温度を測定することも可能であるが、搬送ローラ１２を停止させた状態でワークＷの温度を測定すると、次のような問題が生じる場合がある。

すなわち、搬送ローラ１２が停止したときに、ワークＷが温度センサ２６による温度測定エリアに確実に入れば問題ないが、搬送ローラ１２が停止したときに、ワークＷが温度センサ２６による温度測定エリアからずれた位置に停止し、温度センサ２６が、搬送方向の前後に隣り合うワークＷの間の部分（すなわち、ワークＷを支持するカーボントレイ１の上面）の温度を測定してしまう可能性がある。この場合、ワークＷの冷却温度ではなく、ワークＷを支持するカーボントレイ１の冷却温度を検知することになり、検査不良の原因となる。

そこで、この実施形態においては、急冷室６内のワークＷの冷却速度を温度センサ２６で検知している間、搬送ローラ１２が正転と逆転を繰り返すように電動モータ２９を駆動し、ワークＷを搬送方向の前後に往復運動させるようにしている。これにより、ワークＷが温度センサ２６による温度測定エリアに確実に入り、安定した検査が可能となる。ここで、ワークＷの往復運動の前後の移動距離は、前後方向に隣り合うワークＷの隙間よりも大きく設定されている。また、ワークＷが１往復する周期は１５秒〜４５秒の範囲に設定されている。

図３に、ワークＷを往復運動させた状態でワークＷの冷却速度を検知したときの温度センサ２６の出力変化の一例を示す。縦軸は温度センサ２６により測定された温度に対応し、横軸は時間に対応している。図３に示す温度センサ２６の出力値が１００℃程度の幅をもって上下しているのは、ワークＷの往復運動に伴って、ワークＷが温度センサ２６の温度測定エリアに出入りしていることを示している。また、温度センサ２６の出力値が全体として低下しているのは、急冷室６での冷却ガスの吹き付けによりワークＷの温度が低下していることを示している。この温度センサ２６の出力値に基づいて、冷却温度検査装置２７は、急冷室６でワークＷに冷却ガスを吹き付けているときのワークＷの冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する。

急冷室６内でのワークＷの急冷が終了した後、ワークＷは、搬送ローラ１２，１３によって急冷室６から冷却室７に搬送される。冷却室７では、ワークＷが１５０℃以下の低温（例えば１００℃程度）に冷却される。冷却室７でのワークＷの冷却が完了すると、ワークＷは、冷却室７の下流側に隣接する図示しない置換室に排出される。

上述のシンターハードニング方法で高硬度焼結品を製造すると、急冷室６でワークＷを焼入れするときの冷却速度に基づいて、ワークＷに所定の焼入れ組織が得られたかを間接的に検査することができる。すなわち、シンターハードニングの工程内において、所定の焼入れ組織が得られたか否かを検査することが可能であり、シンターハードニングで得られた個々の焼結品を、シンターハードニングの後工程において手作業で検査する必要がない。そのため、所定の焼入れ組織が得られたか否かを効率よく検査することが可能である。

また、上述のシンターハードニング方法で高硬度焼結品を製造すると、温度センサ２６で急冷室６内のワークＷの冷却速度を検知している間、ワークＷが前後に往復運動するので、ワークＷが温度センサ２６による温度測定エリアに確実に入り、安定した検査が可能である。

１ カーボントレイ
２ 脱ワックス室
３ 予熱室
４ 焼結室
５ 徐冷室
６ 急冷室
７ 冷却室
８〜１１ 搬送ローラ
１２，１３ 搬送ローラ
１４〜２０ シャッター
２１〜２４ ヒータ
２５ 送風ファン
２６ 温度センサ
２７ 冷却温度検査装置
２８ 側壁
２９ 電動モータ
３０ クーラー
３１ 循環ファン
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. 粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを複数の搬送ローラで搬送し、
   前記搬送ローラの搬送経路上に設けられた焼結室で前記ワークを焼結温度に加熱し、
   前記搬送ローラの搬送経路上で前記焼結室の下流側に位置する急冷室で、前記ワークに冷却ガスを吹き付けて焼入れし、
   前記急冷室で前記ワークに冷却ガスを吹き付けているときに、前記急冷室内のワークの冷却速度を温度センサで検知して、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する、
   シンターハードニング方法。
2. 前記温度センサは、前記ワークから放射される赤外線の強度を測定することで前記ワークの温度を検出する放射温度計であり、
   前記温度センサで前記急冷室内のワークの冷却速度を検知している間、そのワークを支持する前記搬送ローラは、前記ワークを搬送方向の前後に往復運動させるように正転と逆転を繰り返す請求項１に記載のシンターハードニング方法。
3. 粉末材料を圧縮成形して形成されたワークを搬送する複数の搬送ローラと、
   前記搬送ローラの搬送経路上で前記ワークを焼結温度に加熱する焼結室と、
   前記搬送ローラの搬送経路上で前記焼結室の下流側に位置し、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、
   前記急冷室内のワークの冷却速度を温度センサで検知して、その検知した冷却速度が予め設定された範囲内か否かを検査する冷却温度検査装置と、
   を有するシンターハードニング用の連続焼結炉。