JP2020012191A - 溶体化処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉可能な炉に配置されたワークを、加圧条件下にて冷却ガスを用いて冷却する際に、炉の内部の圧力の変動を抑制することが可能な溶体化処理装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る溶体化処理装置１は、炉１１内に配置されたワークＷを加圧条件下で固液共存状態となるまで加熱した後に冷却を行う溶体化処理装置１であって、ワークにＷ対し冷却ガスを噴射する冷却ガス供給部１４と、炉１１内の圧力を取得する圧力センサ１５と、炉１１内から炉１１外へとガスを放出する開放弁１６と、圧力センサ１５によって取得された圧力に基づいて、開放弁１６の開度をフィードバック制御する制御部１７と、を備え、制御部１７は、加圧条件下でワークＷに対し冷却ガスが噴射された際、炉１１内の圧力を所定の範囲に保持するように、開放弁１６の開度を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、溶体化処理装置に関する。

ケイ素を含むアルミニウム合金の鋳物を密閉可能な炉に配置し、加圧条件下にて固液共存状態まで加熱した後、急冷しいわゆる焼き入れを行う溶体化処理が知られている。特許文献１には、密閉可能な炉を用いてアルミニウム合金の鋳物を加圧するとともに、固液共存状態になるまで加熱する溶体化処理方法が開示されている。

特開２０１７−１５５２８８号公報

発明者らは、密閉可能な炉を用いてアルミニウム合金の鋳物（ワーク）を加圧しつつ固液共存状態まで加熱し、引き続き加圧条件下にて焼き入れ準備のために冷却ガスを用いた当該ワークの冷却を行った場合、冷却ガスの導入に起因する炉内の圧力の変動によって、好適な加圧及び冷却の条件を満たしつつ溶体化した製品を製造することが困難であるという問題を見出した。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、密閉可能な炉に配置されたワークを、加圧条件下にて冷却ガスを用いて冷却する際に、炉の内部の圧力の変動を抑制することが可能な溶体化処理装置を提供するものである。

本発明に係る溶体化処理装置は、
炉内に配置されたワークを加圧条件下で固液共存状態となるまで加熱した後に冷却を行う溶体化処理装置であって、
前記ワークに対し冷却ガスを噴射する冷却ガス供給部と、
前記炉内の圧力を取得する圧力センサと、
前記炉内から炉外へとガスを放出する開放弁と、
前記圧力センサによって取得された圧力に基づいて、前記開放弁の開度をフィードバック制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
加圧条件下で前記ワークに対し前記冷却ガスが噴射された際、前記炉内の圧力を所定の範囲に保持するように、前記開放弁の開度を制御する。

本発明に係る溶体化処理装置では、加圧条件下でワークに対し冷却ガスが噴射された際、炉内の圧力を所定の範囲に保持するように、開放弁の開度を制御する。よって、密閉可能な炉に配置されたワークを、加圧条件下にて冷却ガスを用いて冷却する際に、炉の内部の圧力の変動を抑制することができる。

本発明により、密閉可能な炉に配置されたワークを、加圧条件下にて冷却ガスを用いて冷却する際に、炉の内部の圧力の変動を抑制することができる。

実施の形態に係る溶体化処理装置の概略正面断面図である。 実施の形態に係る溶体化処理装置の開放弁の詳細の一例を示す概略図である。 実施の形態に係る制御部の詳細を示す概略図である。 実施の形態に係る溶体化処理装置を用いてワークを溶体化する一連の流れを示すフローチャートである。 実施の形態に係る溶体化処理装置を用いてワークの溶体化を行った際の、炉の内部の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。 図６は、実施例に係る加圧条件下において冷却ガスを用いてワークの冷却を行った際の、炉の内部の圧力変化を示すグラフである。

本実施の形態に係る溶体化処理装置は密閉可能な炉を有しており、加圧条件下においてワークの加熱及び冷却を行うことによってワークを溶体化処理する装置である。
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、当然のことながら、図１〜図３に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。また、図面中の符号について、同じ構成を複数備えるものについては、一部符号を省略している。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態に係る溶体化処理装置の概略正面断面図である。図１は、溶体化処理装置１の炉１１の内部に、ワークＷを配置した状態を示している。本実施の形態におけるワークＷは、例えば、アルミニウム合金材の鋳物である。
図１に示すように、本実施の形態に係る溶体化処理装置１は、炉１１、加圧ガス供給部１２、加熱部１３、冷却ガス供給部１４、圧力センサ１５、開放弁１６、制御部１７を備える。なお、溶体化処理装置１は、最終的にワークＷの焼き入れ（水冷）のための水槽（不図示）を備えていてもよい。
以下、図１を参照して各構成の詳細を説明する。

炉１１は、ワークＷを収容し、内部を密閉し加圧しつつ加熱及び冷却を行うことができる炉である。図１に示すように、炉１１の、ワークＷを収容する内部空間の形状としては、例えば円筒状や角筒状のものを用いることができる。炉１１のｘ軸負側に設けられた蓋部１１ａは、炉１１の内部にワークを出し入れするための貫通口の蓋である。なお、蓋部１１ａは、ワークＷを出し入れすることができかつ密閉可能な形状であればよく、例えば扉状であってもよいし、スライド式の蓋であってもよいし、取り外し可能な蓋であってもよい。蓋部１１ａを設ける位置は、所望の位置に適宜変更可能である。

加圧ガス供給部１２は、炉１１の内部を加圧するための加圧ガスを供給する。図１に示すように、加圧ガス供給部１２は、炉１１の内部にそれぞれ少なくとも１以上のノズル１２ａを備えており、当該ノズル１２ａから炉１１の内部に向かって加圧ガスが噴射される。加圧ガス供給部１２は、炉１１に対して少なくとも１以上設けることができる。本実施の形態では、一例として、図１に示すように、加圧ガス供給部１２を２対有しており、ノズル１２ａをそれぞれ６本ずつ有している。炉１１の内部を加圧するための加圧ガスとしては、例えば圧縮空気や、窒素、アルゴン及びヘリウムなどの不活性ガス等を用いることができる。

加熱部１３は、ワークＷを固液共存状態となるまで加熱し、当該加熱した温度の状態を保持することができる装置である。図１に示すように、本実施の形態における加熱部１３は、炉１１の内部のｚ軸正側及び負側にそれぞれ配設されているが、適宜配置の変更は可能である。加熱部１３は、少なくとも１つ以上の加熱装置１３ａと、温度制御用の温度計である熱電対１３ｂとを備える。加熱装置１３ａは、ワークＷを固液共存状態となるまで加熱することができればよく、例えば、電熱線ヒーター等を用いることができる。

本実施の形態では、加熱装置１３ａはｚ軸正側と負側にそれぞれ１２個ずつ配設されている。加熱装置１３ａのうち、隣り合う４個の加熱装置１３ａが加熱する領域を１つの領域として、各領域ごとに温度制御を行うことができる。

具体的には、図１に示すように、加熱装置１３ａを例えばＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に分けた場合について説明する。熱電対１３ｂが取得した温度に基づき、各領域ごとにＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）等による制御を行うことによって、炉１１の内部の温度を各領域ごとに細かく制御することができる。本実施の形態では、一例として、４個の加熱装置１３ａが加熱する領域を１つの領域としたが、これに限定されず、ワークのサイズ等に応じて適宜変更可能である。

また、本実施の形態に係る加熱部１３を用いた一例として、ワークＷにアルミニウム合金を用いて、当該アルミニウム合金を加熱する場合、昇温後、炉１１の内部の温度を、好適な加圧及び加熱の条件を満たしつつ溶体化した製品を製造することができる温度である５４５±５℃の範囲内に保持することができる。なお、当然のことながら、当該温度は所望の製品によって温度設定は適宜設定変更可能である。

冷却ガス供給部１４は、炉１１の内部に配置されたワークＷを加圧条件下において冷却するための冷却ガスを供給する。ワークＷを冷却する冷却ガスとして、例えば、窒素ガスや、圧縮空気、アルゴン、及びヘリウム等を用いることができる。図１に示すように、冷却ガス供給部１４は、ワークＷに対して冷却ガスを噴射可能なノズル１４ａを少なくとも１つ以上有する。本実施の形態では、ノズル１４ａの本数は３本示しているが、ワークＷのサイズ等に応じて適宜変更可能である。

圧力センサ１５は、炉１１の内部の圧力を検知可能なセンサである。圧力センサ１５は、例えば、後述する開放弁１６と離間した位置に配設することができる。本実施の形態では、炉１１の内部を加圧するため、圧力センサ１５として、少なくとも０．０１ＭＰａ単位で測定可能であり、少なくとも１ＭＰａ程度まで測定可能な圧力センサ１５を用いることが好ましい。

開放弁１６は、炉１１の内部の気体を、炉１１の外部へと排出する弁である。本実施の形態における開放弁１６としては、開度を任意の幅に調節可能な調節弁を用いることが好ましい。開放弁１６の詳細は次の図２を用いて、また、制御部１７の詳細は図３を用いて詳細に説明する。

図２は、実施の形態に係る溶体化処理装置の開放弁の詳細の一例を示す概略図である。図２に示すように、本実施の形態では、開放弁１６として、弁１６ａが任意の角度に回転し、開度の制御が可能なバタフライ弁を用いているが、これに限定されない。具体的には、弁の開度を任意の幅に制御可能な調節弁であればよく、他に例えば、グローブ弁等を用いることができる。開放弁１６の弁１６ａの開度は、上述の圧力センサ１５が取得した圧力に基づき、以下に図３を用いて詳細を説明する制御部１７によってフィードバック制御を行うことによって決定する。

図３は、実施の形態に係る制御部の詳細を示す概略図である。制御部１７は、圧力センサ１５が取得した圧力に基づいて、開放弁１６の開度の制御を行う。
図３に示すように、制御部１７は、圧力信号受信部、演算部及び出力制御部を備える。所望の圧力の設定値と、圧力センサ１５が取得した実際の炉１１の内部の圧力とに基づき、演算部が演算を行う。当該演算の結果に基づき、出力制御部が開放弁１６の開度を制御する、フィードバック制御を行う。

フィードバック制御の例としては、例えば、ＰＩＤ制御を用いて行うことができる。一例として、ワークＷとしてアルミニウム合金を用いた場合、炉１１の内部の圧力を、好適な加圧及び冷却温度の条件を満たしつつ溶体化した製品を製造することができる圧力である０．９±０．１ＭＰａの範囲内に保持することができる。なお、当然のことながら、当該圧力の設定は所望の製品によって適宜設定変更可能である。

以下、図４及び図５を用いて、実施の形態に係る溶体化処理装置を用いてワークを溶体化する一連の流れを説明する。
図４は、実施の形態に係る溶体化処理装置を用いてワークを溶体化する一連の流れを示すフローチャートである。図５は、実施の形態に係る溶体化処理装置を用いてワークの溶体化を行った際の、炉の内部の温度変化及び圧力変化を示すグラフである。図４に示すステップＳ１〜ステップＳ５と、図５に示すステップＳ１〜ステップＳ５とが対応している。
以下、主に図５を参照しつつ説明する。

図５では、加熱温度（℃）は折れ線を用いて、炉内の圧力（ＭＰａ）は破線を用いて示す。
まず、図５のグラフに示すように、炉１１の内部とワークＷとの加圧及び加熱を行う（ステップＳ１）。具体的には、炉１１の内部に加圧ガス供給部１２から加圧ガスを導入しつつ、加熱部１３を用いて炉１１の内部及びワークＷの加熱を行う。

次に、炉１１の内部が所望の圧力となったら、加圧ガスの供給による加圧を停止する（ステップＳ２）。一方で、ワークＷが固液共存状態となるまで、すなわち炉１１の内部が所望の温度となるまで、加熱部１３による加熱は継続する。炉１１の内部は密閉された空間であるため、加圧を停止した場合であっても、炉１１の内部は加圧された状態を保持することができる。ワークＷが固液共存状態となるまで加熱を行ったら、すなわち、炉１１内が所望の温度域となったら、加熱を止め、当該温度を保持する。

次に、図５のグラフに示すように、焼き入れの準備のため、加熱されたワークＷの冷却を行う（ステップＳ３）。ワークＷの冷却には、冷却ガス供給部１４から供給される冷却ガスを用いる。当該冷却は加圧条件下で行うが、冷却ガスを炉１１の内部へと導入することによって炉１１内の圧力が上昇した場合であっても、上述の通り、当該圧力の上昇を圧力センサ１５が検知する。当該変動した圧力に基づき、制御部１７によって開放弁１６が制御され開放されるフィードバック制御が行われるため、上昇した炉１１の内部の圧力が適宜開放される。したがって、図５のグラフに示すように、ステップＳ３の工程の間、ワークＷを冷却しつつ、炉１１内の圧力を所定の圧力の範囲Ｑに保持することができる。

次に、図５のグラフに示すように、開放弁１６を開放し、炉１１の内部を除圧した後（ステップＳ４）、ワークＷを急冷することにより、いわゆる焼き入れを行う。具体的には、水を張った水槽にワークＷを沈めて水冷し（ステップＳ５）、図５のグラフに示すようにワークＷの温度を急激に下げ、焼き入れを行う。
以上が、溶体化処理装置を用いてワークＷを溶体化する一連の流れである。

発明者らは、密閉可能な炉を用いてアルミニウム合金の鋳物を加圧しつつ固液共存状態になるまで加熱し、引き続き加圧条件下において焼き入れ準備のために冷却ガスを用いて当該鋳物の冷却を行う場合、冷却ガスの導入に起因する炉内の圧力の変動によって、好適な加圧及び冷却温度の条件を満たしつつ溶体化した製品を製造することが困難であるという問題を見出した。

本実施の形態では、密閉可能な炉に、圧力センサと、開放弁と、圧力センサによって取得された圧力に基づいて開放弁の開度をフィードバック制御する制御部とを備えている。当該制御部は、加圧条件下でワークに対し冷却ガスが噴射された際、炉内の圧力を所定の範囲に保持するように、開放弁の開度を制御する。したがって、炉の内部に配置されたワークを加圧条件下にて冷却ガスを用いて冷却する際に、炉の内部の圧力の変動をフィードバック制御により抑制することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

本実施例では、溶体化を行うワークとして、アルミニウム合金の鋳物を用いた。溶体化処理装置の加熱炉として、総体寸法がＷ１３５０ｍｍ×Ｈ２０７０ｍｍ×Ｌ１８３５ｍｍであり、加圧可能な部分が内径４５０ｍｍ×長さ１２４０ｍｍであり、そのうちワークＷを配置可能なスペースがＷ３００ｍｍ×Ｈ１５０ｍｍ×Ｌ５００ｍｍである加熱炉を用いた。

本実施例では、加圧条件下における冷却時に、炉の内部の圧力が０．８５ＭＰａとなるように制御部のゲージ圧を設定した。
図６は、実施例に係る加圧条件下において冷却ガス（窒素ガス）を用いてワークの冷却を行った際の、炉の内部の圧力変化を示すグラフである。図６のグラフに示すように、加圧条件下において冷却ガスを用いて１０分間冷却を行った。冷却の結果、図６のグラフに示すように、ゲージ圧を所定の範囲内（０．９±０．１ＭＰａ）に保つことができた。

具体的には、本実施例における１０分間の冷却時間内における、炉の内部の最高圧力は０．８６ＭＰａであり、最低圧力は０．８５ＭＰａであり、平均圧力は０．８５ＭＰａであった。すなわち、本実施例に係る溶体化処理装置の圧力センサが取得した圧力に基づいて制御部が開放弁の開度をフィードバック制御することにより、炉の内部の圧力の変動を抑制し、炉の内部の圧力を安定した状態に保つことができた。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１１ 炉
１１ａ 蓋部
１１ｂ 保持部
１２ 加圧ガス供給部
１２ａ ノズル
１３ 加熱部
１３ａ 加熱装置
１３ｂ 熱電対
１４ 冷却ガス供給部
１５ 圧力センサ
１６ 開放弁
１７ 制御部

Claims (1)

1. 炉内に配置されたワークを加圧条件下で固液共存状態となるまで加熱した後に冷却を行う溶体化処理装置であって、
   前記ワークに対し冷却ガスを噴射する冷却ガス供給部と、
   前記炉内の圧力を取得する圧力センサと、
   前記炉内から炉外へとガスを放出する開放弁と、
   前記圧力センサによって取得された圧力に基づいて、前記開放弁の開度をフィードバック制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   加圧条件下で前記ワークに対し前記冷却ガスが噴射された際、前記炉内の圧力を所定の範囲に保持するように、前記開放弁の開度を制御する、
   溶体化処理装置。

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