JP4051347B2 - ホットガス熱処理システム - Google Patents

Description

本発明は、Ｎ2 ガスやＡｒガス等の不活性ガスを金属のマルテンサイト変態温度に関連して定めた中間温度に調節して成るホットガスを用いて、金属の急冷或いは等温保持を行うことにより、塩浴を用いずして高品質の等温保持による熱処理を効率的に行うことができる_ホットガス熱処理システムに関する。

金属の焼入れ方法としては、焼入れ開始温度に予熱したワークを一気に常温まで冷却し、その後焼戻す通常焼入れの他に、等温熱処理法と称し、Ｓ曲線（Ｔ，Ｔ，Ｔ，曲線）で定められる中間温度で一定時間等温保持し、格別に品質向上できるオーステンパ、マルテンパ、マルクエンチ等が知られている。

従来より、等温保持による熱処理は、塩浴を用いて行なわれている（社団法人 日本熱処理技術協会編、熱処理技術便覧、２０００年８月３０日発行、P．１４４〜１４７（塩浴熱処理）参照）。焼入れには、１５０〜５５０℃の低温用、５７０〜９５０℃の中温用、１０００〜１３００℃の高温用の塩浴が用いられる。塩浴材としては、ＫＮＯ_２やＫＮＯ_３とＮａＮＯ_２の混合物や、ＢａＣｌ_２とＫＣｌ又はＣａＣｌ_２との混合物、或いはＮａＣｌとＬｉＣｌ又はＫＣｌの混合物等が温度別に区分されて使用される。

塩浴を用いた金属の熱処理では、真空炉や雰囲気炉等の予熱炉からワークを取り出し一気に目的とする温度へ冷却することはできず、種々の対策がねられている（社団法人 日本熱処理技術協会編、熱処理技術便覧、２０００年８月３０日発行、Ｐ．７６９〜７７３（塩浴炉）参照）。

例えば、真空炉内に高温の塩浴を配置し、一度塩を表面に付けた状態でワークを取り出し、防錆被覆を施した状態で、順次温度の低い塩浴へ移行させ、最終中間温度の塩浴で等温保持することが行われている。塩浴間の移動は、チェーンブロック等を用いて行なう。高温ワーク及び高温熱浴を相手とする作業で、熟練を必要とし、極めて注意深く行なわれる。

一方、連続式と称し、予熱炉の下方にオーステンパ処理用の塩浴を配置し、予熱炉から排出した小物ワークを塩浴へ移し、コンベア等で順次移動させる例もある。処理品に制限が多く、オーステンパにしか利用できない欠点がある。

多目的と称し、トレイバッチ式自動搬送により、予熱炉及びソルト冷却槽を連係して全自動でオーステンパ処理を行うようにした例もある。しかし、これも大がかりで塩浴を使うことに変わりは無い。
塩浴は、その使い方を如何にしようとも、塩浴内にワークを浸漬し、冷却又は、等温保持しようとするものであるから、ワークの漬け込み及び引き上げの手段を必要とし、自ずと、処理に制限が生ずる。例えば、昇温オーステンパのように、２００℃へ急冷後、素早く２５０℃へ昇温して等温保持し、その後常温へ冷却しようとするような複雑工程にあっては、複数の塩浴が必要で、またワークを塩浴に対し移送する手段が必要で、装置が大がかりで製品コストアップの原因となっていた。

また、一方、近年、塩浴の使用による環境劣化の問題等から、ワークの冷却、特に焼入れを行うに際し、塩浴での冷却を避けてＮ_２ガスやＡｒガス等の不活性ガスを用いて冷却、焼入れすることが行われるようになってきた。例えば、特開平５−６６０９０号公報に示される真空炉では、耐圧性の炉本体内にワークを収納して１０００〜１２００℃に加熱し、次いでの冷却を行うため、前記炉本体内に５Ｂａｒの不活性ガスを導入し、該ガスをターボブロワーの作動により循環させ、前記熱処理品を比較的速やかに冷却することができる。この真空炉は、内部に設置したワークを、徐熱、１次予熱、２次予熱、焼入れ温度への予熱、予熱温度での高温保持等の一連の加熱処理を行うヒータ等の加熱手段が設けられている。ワークに一連の予熱処理を施すと、次いで５ＢａｒのＮ_２ ガスを吸込み、冷却し、焼入れ処理することができる。当該炉は、噴流炉とも称されている。

しかしながら、従来のガス焼入れ可能な噴流炉にあっては、予熱されたワークを常温へ向けて急冷でき、常温への焼入れ処理はできるものの、中間温度での等温保持はできず、オーステンパ、マルテンパ、マルクエンチ等等温保持を必要とする熱処理はできなかった。

上記噴流炉を用いて、等温保持によるオーステンパを試みた例がある。この場合、制御装置の目標温度を等温保持温度に設定して、ここで一定時間の等温保持させるよう指令することになる。すると、上記噴流炉は、指令に従い、ガス温が目標温度から下に外れると、ワーク加熱用のヒータが入り、上に外れるとヒータが切れる。

この間、ブロワーによって循環されるガス流は常時水冷装置によって冷却されている。このため、上記噴流路は、上に５０〜１００℃、下に１００℃と大幅な温度変化を示し、到底使用に耐えない。即ち、従来の噴流炉では、等温保持の制御は不可能である。また、不活性ガスの導入が常温であることから、部分的、局所的に過冷却を生じるという問題点もある。さりとて、不活性ガスの導入温度を単に上昇させれば良いというものでもない。

本発明者等は、等温保持可能なガス焼入れ方法を鋭意研究した。また、この研究結果により、予熱後のワークを冷却するに際し、常温不活性ガスを吹付ければ、必ず部分的、局所的な過冷却を生じるので、少なくとも初期に与える不活性ガスは、例えばＭｓ点付近の高温とすべきであることに着目し、ホットガスの概念を確立し、その応用について研究した。ホットガスとは、予熱ワークを目標温度に冷却するのに用いられる不活性ガスで、焼入れ方法の種別に応じワークに過冷却を生じさせることの無い温度、例えばＭｓ点以上の温度に定めた中間温度の不活性ガスをいう。より正確に定義すると、ホットガスとは、等温保持の目標温度として参照されるマルテンサイト変態温度に関連して定めた中間温度に調節生成された不活性ガスをいう。このホットガスを生成し、ワークに吹付けることにより、過冷却無しでワークを目標温度に冷却し、等温保持することができる。

本発明は、以上示したホットガスの概念を踏襲した上で、等温保持を加えての熱処理を行うことができるホットガスによる_ホットガス熱処理システムを提供することを目的とする。これにより、従来塩浴法により実施されていた等温保持による金属熱処理をより安全、より効率的にホットガスで行えるのみならず、ホットガス温度の自在な制御により従来塩浴法では行えなかった金属熱処理方法をも自由に実施できるようになる。

また、具体的に、従来の通常焼入れのみ実施可能の噴流炉に対し、中間温度での等温保持が可能で、オーステンパ、昇温オーステンパ、マルテンパ、マルクエンチ等、任意の焼入れを実施できる５種（基本型、ガス予熱型、ミキサ内又は流路内接触材型、るつぼ型）のホットガス焼入れ装置を提供することを目的とする。

さらに、前記ホットガス焼入れ装置を予熱炉等と組み合わせて、等温保持を加えて各種熱処理を効率良く実施できるホットガス熱処理システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決することのできる本発明のホットガスによる金属熱処理方法は、焼入れ開始温度に予熱したワークに、前記ワークのマルテンサイト変態温度付近に調節された不活性ガス（ホットガス）を吹付けて急冷し、その後温度差５℃以内で任意の時間等温保持すると共に、前記ホットガス温度を任意に変更可能として、各種等温保持の金属熱処理方法に従い、単に一定温度で一定時間等温保持するのみならず、例えば３００℃で１０分、３１５℃で２０分、再度３０５℃で３０分等と、静的又は動的な等温保持による金属熱処理を行うことを特徴とする。

従って、本発明のホットガスによる金属熱処理システムによれば、従来塩浴法に代えて、各種等温保持による金属熱処理をホットガスを用いて安全、効率的に小設備で行うことができる。加えて、温度変化の制御を容易、迅速、自在に行えるので、従来塩浴による制御が解除され、静的等温保持に加えて動的等温保持を行うことができる。動的とは、素早いことと、変化が自在であることを意味する。例えば、３００℃で１０分、３１５℃で２０分、再度３０５℃で３０分等と、設計通り、正確で、動的な制御が可能となる。

さらに、従来塩浴法で実施可能とされているオーステンパ、マル_テンパ、マルクエンチ等の各種金属熱処理方法の改良を図ることができ、されに効果的な等温保持による金属熱処理方法を提案できる素材とすることができる。

本発明のホットガス熱処理システムは、次の５種の装置構成を取る。各構成のホットガス焼入れ装置を、夫々Ｈ・Ｏ・Ｔ−１、Ｈ・Ｏ・Ｔ−２、Ｈ・Ｏ・Ｔ−３、Ｈ・Ｏ・Ｔ−４、Ｈ・Ｏ・Ｔ−５とし、夫々の特徴を表１にまとめて示す。

本発明の基本型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１は、焼入れ開始温度に予熱されたワークを、前記ワークのマルテンサイト変態温度付近に定めた中間温度に急冷し、その後等温保持することができるホットガス焼入れ装置であって、予熱されたワークを不活性ガス雰囲気中で収納するワーク収納部と、前記ワーク収納部と連通される流路に対し、夫々に開度調節可能な制御窓を有して分岐配置される第１（高温用）及び第２（低温用）の流路と、前記第２の流路中に配置され、その入口から入力された不活性ガスを常温に向けて冷却するガス常温冷却装置と、前記第１及び第２の流路の終端位置に配置され、両流路から送られてきた異なる温度の不活性ガスを均一温度に混合するミキサと、前記ミキサから出力される不活性ガスを細管に分岐し、前記ワークの外周面に均一に吹付けるディストリビュータと、前記ミキサと前記ディストリビュータとの間に配置され、前記ミキサから出力される不活性ガスを前記ディストリビュータに対し加圧して供給するブロワ−装置と、所要の量の不活性ガスを前記第１又は第２の流路に吹込む不活性ガス導入手段と、前記ブロワ−装置を駆動し、かつ前記不活性ガスを導入しつつ、前記ミキサの出力ガスの温度が前記中間温度となるよう前記制御窓の開度を調節制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする。

本発明のホットガス焼入れ装置は、焼入れ開始前、ワークは不活性ガス雰囲気中にあるので、第１流路及び第２流路を夫々流れる高温及び低温のガス量を調節し、両流路の終端位置に配置されるミキサで両ガスを混合し、任意の温度の不活性ガスを生成することができる。

各流路及びそれらに備えられる制御窓は、各流路を通過するガス量の比率の調整を行うものであり、夫々の開度は、個別に制御されても良く、連動制御されても良い。また、機能的にはガス量を調節するだけで良い。例えば、風洞構成とされれば良く、断面形状は角であっても丸であっても良い。管材を集合させて構成することもできる。さらに、制御窓は、開口部分を板状部材で仕切る構成の他、弁部材を用いて開口部分を閉じるような形でも良い。制御方式は、開口部分を連続的に制御するものの他、開口部分を複数に分割し、分割部分のいくつかを開閉制御し、全体流量を調節するようなものであっても良い。

ガス常温冷却装置の一例としては、水冷装置の例がある。空冷装置も可能である。この他、冷却媒体を水や空気以外のものとした冷却装置の例があるが、実用的には、水冷装置が最も利用し易い。従って、本発明では、ガス常温冷却装置は、水冷装置を用いるものとして説明する。

一般に、第１流路を流れるガスは、ディストリビュータから出力され、その後ワークで加熱される。また、初期においては６００〜７００℃で、その後は、本発明で調節される中間温度、例えば２００〜５００℃となり、最終的には常温となる。このとき、本発明の第１流路は、ガスを通過させるだけの構成であるので、壁面を適宜カーボン耐火材等で覆っておくだけの構成で良い。また、第２流路は、その内部に水冷装置を配置するので、入力された高温ガスを即座に常温に冷却することができ、常時常温に近い状態であるので、特別の耐火構造とする必要が無く、容易に構成できる。

前記ミキサは、第１及び第２流路から出力されるガスを均一に混合するだけのものである。従って、第１及び第２流路から夫々入力されるガスを、適宜金属片や、板、管路等を介して、混合するだけの構造として実現できる。

水冷装置、ディストリビュータ、並びにブロワ−装置は、従来例で示した特開平５−６６０９０号公報の噴流路と同様の通常装置で構成できる。冷却水管による水冷装置の出力温度は、入力ガスの温度に応じ、２０〜１００℃とすることができる。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１では、ミキサから出力される不活性ガスの温度を中間温度に調節できる。従って、常温不活性ガスは、第１流路又は第２流路いずれに導入しても構わない。例えば第１流路に導入された不活性ガスは、第１流路を流れる不活性ガスと混合され、第２流路から出力される不活性ガスと混合され、中間温度となってディストリビュータへ案内される。ガスの導入量は、ワークを急冷可能なだけのガス密度となるよう、圧力が、例えば５Ｂａｒとなるよう調節される。コントローラは、常時ミキサの出力温度を監視し、中間温度を目標温度として、ディストリビュータから出力される温度が目標温度となるよう、各流路に備えた制御窓の開度を調節する。目標温度は可変とすることができる。例えば、オーステンパでの等温保持温度を３００℃とする場合、目標温度を最初は２００℃、次いで３００℃等とすることができる。本発明では、これら中間温度を全てホットガスと呼んでいる。

以上の構成、仕様により、ディストリビュータを通過するガスは、常時、コントローラで制御された温度となるので、ワークに過冷却を生じるような低温ガスを出力してしまうことが無い。また、温度は、第１及び第２流路のガス通過量を調節する形で行われるので、制御を緻密に行うことができ、等温保持の段階では±１℃での制御が十分可能である。

以上により、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１では、不活性ガス雰囲気中に収納されたワークを、中間温度で焼入れ又は等温保持できる。また、過冷却を生じることが無い。オーステンパの他、マルテンパ、昇温オーステンパ等、中間温度での等温保持を必要とする焼入れを実施することができる。

本発明のガス予熱型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２は、焼入れ開始温度に予熱されたワークを、前記ワークのマルテンサイト変態温度付近に定めた中間温度に急冷し、その後等温保持することができるホットガス焼入れ装置であって、予熱されたワークを真空中で収納するワーク収納部と、前記ワーク収納部と連通される流路に対し、夫々に開度調節可能な制御窓を有して分岐配置される第１（高温用）及び第２（低温用）の流路と、前記第２の流路中に配置され、その入口から入力された不活性ガスを常温に向けて冷却するガス常温冷却（水冷）装置と、前記第１及び第２の流路の終端位置に配置され、両流路から送られてきた異なる温度の不活性ガスを均一温度に混合するミキサと、前記ミキサから出力される不活性ガスを細管に分岐し、前記ワークの外周面に均一に吹付けるディストリビュータと、前記ミキサと前記ディストリビュータとの間に配置され、前記ミキサから出力される不活性ガスを前記ディストリビュータに対し加圧して供給するブロワ−装置と、前記中間温度に予熱した不活性ガスを前記第２流路を除く任意の位置に吹込む不活性ガス導入手段と、前記ブロワ−装置を駆動し、かつ前記不活性ガスを導入しつつ、前記ミキサの出力ガスの温度が前記中間温度となるよう前記制御窓の開度を調節制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２は、ワークを真空中で収納する場合に適用される。導入する不活性ガスは、中間温度、例えば１５０〜３００℃に予熱することを必要とする。即ち、第１及び第２流路は、前述のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２と同様に、いわば単にガスを通過させるだけの構造であるので、第１又は第２流路に常温の不活性ガスを導入すると、ディストリビュータを介してワークに常温の不活性ガスを吹付けてしまう。これでは過冷却が生ずる。そこで、本発明では、不活性ガスを中間温度に予熱してから導入するので、ワークに初期に吹付けるガスを過冷却を生ずることのない中間温度とすることができ、過冷却を生じ無い。

導入ガスの予熱は、電気ヒータや、熱交換器で実施することができる。導入量は１〜数ｋｇ程度であり、これを１５０℃程度に昇温すれば良い。所要エネルギーは５００〜１０００kcal程度である。予熱温度は、コントローラが制御する制御目標温度と異なるので、あくまで過冷却を生ずることのない温度として定めて良い。例えば、不活性ガスの予熱温度を１５０℃、制御目標温度を初期において２００℃、最終３００℃として等温保持すること等ができる。初期の目標温度を最終目標温度より低く設定するのは、冷却温度を可能な限り素早く行うようにするためである。

以上により、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２は、真空中に収納されたワークを、予熱された不活性ガスを吹込みつつ、中間温度に冷却し、等温保持することができ、オーステンパ、マルテンパ、昇温オーステンパ等の等温熱処理も行うことができる。

本発明のミキサ内接触材型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−３は、焼入れ開始温度に予熱されたワークを、前記ワークのマルテンサイト変態温度付近に定めた中間温度に急冷し、その後等温保持することができるホットガス焼入れ装置であって、予熱されたワークを真空又は不活性ガス雰囲気中で収納するワーク収納部と、前記ワーク収納部と連通される流路に対し、夫々に開度調節可能な制御窓を有して分岐配置される第１（高温用）及び第２（低温用）の流路と、前記第２の流路中に配置され、その入口から入力された不活性ガスを常温に向けて冷却するガス常温冷却（水冷）装置と、前記第１及び第２の流路の終端位置に配置され、両流路から送られてきた異なる温度の不活性ガスを均一温度に混合するミキサと、前記ミキサから出力される不活性ガスを細管に分岐し、前記ワークの外周面に均一に吹付けるディストリビュータと、前記ミキサと前記ディストリビュータとの間に配置され、前記ミキサから出力される不活性ガスを前記ディストリビュータに対し加圧して供給するブロワ−装置と、前記ミキサ内に配置され、通気性及び熱容量を有し、その入口から入力された不活性ガスと熱量交換する蓄熱型接触材と、不活性ガス（常温可）を前記ミキサの前段側に吹込む不活性ガス導入手段と、前記ブロワ−装置を駆動し、かつ前記不活性ガスを導入しつつ、前記ミキサの出力ガスの温度が前記中間温度となるよう前記制御窓の開度を調節制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−３では、第１及び第２流路の終端位置に配置されるミキサ内に蓄熱型接触材が配置される。蓄熱型接触材とは、不活性ガスと接触し蓄熱量を熱交換できる金属等の物質で、通気性良く構成される。

蓄熱型接触材の例としては、例えば、鉄等金属のチップや鋼球、或いは管材等の例がある。要するに流路中を流れる不活性ガスと熱交換し、不活性ガスの温度を、蓄熱型接触材の予熱温度に変換できるものであれば良い。接触材の熱容量Ｑｍは、収納部に収納されたワークの熱容量Ｑｗとの比率で定めることができる。計算上は、ワーク及び蓄熱型接触材が同一材質（鉄）であれば、重量比率で定めることができる。

蓄熱型接触材の熱容量Ｑｍは、ワークの熱容量をＱｗとするとき、０．１〜０．３倍程度必要である。初期に導入された常温の不活性ガスを過冷却を生ずることの無い温度としてワークに吹付けるため、不活性ガスの導入量に応じて定めなければならない。熱容量が余りに小さ過ぎると、不活性ガスの導入量に大幅な制限が生じる。熱容量は大であるほど安定するが、ミキサ容量が大となるので、実用的には０．３倍程度で定める。

以上により、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−３によれば、ワークが真空中で収納されている場合、第２流路に導入された常温不活性ガスは、ミキサ内の接触材でワークに過冷却が生じることのない温度、例えば２００℃まで昇温され、ワークに吹付けられる。

収納部が、初期に真空で無く、不活性ガス雰囲気である場合には、前のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１で示したように、各流路の制御窓の開度調節により、初めから不活性ガスの温度と過冷却が生ずることのないよう制御可能ではある。しかし、本発明では、ミキサ内に若干の蓄熱型接触材を配置しているので、収納部から出力された高温ガスを接触材温度まで急冷でき、ガス密度、即ちガス圧及びガス流速大としてワークをより急速に冷却することができる。

本発明の流路内接触材型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４は、焼入れ開始温度に予熱されたワークを、前記ワークのマルテンサイト変態温度付近に定めた中間温度に急冷し、その後等温保持することができるホットガス焼入れ装置であって、予熱されたワークを真空又は不活性ガス雰囲気中で収納するワーク収納部と、前記ワーク収納部と連通される流路に対し、夫々に開度調節可能な制御窓を有して分岐配置される第１（高温用）及び第２（低温用）の流路と、前記第１流路内に配置され、通気性及び熱容量を有し、その入口から入力された不活性ガスと熱量交換する蓄熱型接触材と、前記第２の流路中に配置され、その入口から入力された不活性ガスを常温に向けて冷却する水冷装置と、前記第１及び第２の流路の終端位置に配置され、両流路から送られてきた異なる温度の不活性ガスを均一温度に混合するミキサと、前記ミキサから出力される不活性ガスを細管に分岐し、前記ワークの外周面に均一に吹付けるディストリビュータと、前記ミキサと前記ディストリビュータとの間に配置され、前記ミキサから出力される不活性ガスを前記ディストリビュータに対し加圧して供給するブロワ−装置と、不活性ガス（常温可）を前記ミキサの前段側に吹込む不活性ガス導入手段と、前記ブロワ−装置を駆動し、かつ前記不活性ガスを導入しつつ、前記ミキサの出力ガスの温度が前記中間温度となるよう前記制御窓の開度を調節制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４は、前述のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−３と異なり、蓄熱型接触材２１をミキサ１２でなく第１流路Ｆ１中に配置している。流路寸法は自由に設計できるので、多量の蓄熱型接触材を配置することができる。ワークを１０００℃で１トンとし、流路中に各種質重量の２５０℃の鉄製接触材とを配置した場合の平衡温度は、次表２の通りである。

表２に示すように、等量の接触材（１．０トン）では、丁度中間の温度となる。１０倍量の接触材では６８℃上昇する。３０倍量では２４℃の上昇に止めることができる。

金属の焼入れでは、急冷が必要である。即ち１０００〜１３５０℃に予熱されたワークをマルテンサイト変態温度に関連して定めた目標温度、例えば３００℃に向けて数分内に急冷しなければならない。そこで、第１流路内にワークと等量の接触材を配置することにより、より大量のガスをより高圧高速で供給することが可能となり、高速焼入れ可能となる。

不活性ガスの導入を前記接触材の前位置とすれば、導入する不活性ガスは接触材で加熱されホットガスとなるので、ワーク収納が真空であるか不活性ガス雰囲気中であるかに拘らず、予熱は不要である。少しづつの不活性ガスの導入では、導入位置を必ずしも接触材の前位置とする必要は無い。しかし、不活性ガスの導入位置を接触材の前位置とした方が温度ムラを生ぜず所要の量の不活性ガスを導入でき、最も適切である。

以上の通り、本発明の流路内接触材型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４によれば、第１流路内に所要の量例えば１トンの蓄熱型接触材を配置しているので、ワーク収納が真空又は不活性ガス雰囲気中であるか否かに拘らず、焼入れ開始に伴なう高温ガスを接触材の予熱温度で定まる中間温度とすることができ、大量のホットガスをワークに吹付け急冷できる。また、中間温度の制御は、1次及び２次流路に備えた制御窓の開度調節によるので、容易、高精度に中間温度の制御ができる。

本発明のるつぼ型ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５は、焼入れ開始温度に予熱されたワークを、前記ワークのマルテンサイト変態温度付近に定めた中間温度に急冷し、その後等温保持することができるホットガス焼入れ装置であって、予熱されたワークを真空又は不活性ガス雰囲気中で収納するワーク収納部と、前記ワーク収納部のガス取出口から取出した不活性ガスを細管に分岐し、前記ワークの外周面に均一に吹付けるディストリビュータと、前記ガス取出口と前記ディストリビュータとの間に配置されるガス循環路と、前記循環路中に配置され、前記ディストリビュータに対し、加圧ガスを供給するブロワ−装置と、前記循還路中に配置される大量の蓄熱型接触材と、当該蓄熱型接触材を前記中間温度に維持するヒータ又は及びクーラから成る補助熱源と、を備えたことを特徴とする。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５によれば、前記ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１〜Ｈ・Ｏ・Ｔ−４と同様、恰も従来の塩浴に代わるホットガス熱浴（るつぼ）を実現して、収納ワークの温度を接触材の温度に駆染ませて、所要の温度で等温保持できる。急冷も可能である。ホットガスの温度、即ち接触材の温度を変えることにより、通常焼入れやオーステンパも可能である。焼戻し炉に利用することもできる。

他のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１〜Ｈ・Ｏ・Ｔ−４と異なるのは、表２に示す接触材の量を十分大きくしてワーク温度と接触材温度をバランスさせて急冷する点である。本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５は、前記ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１〜Ｈ・Ｏ・Ｔ−４の第２流路を必須とはしない。

ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５における接触材の熱容量は、表２に示した関係から、ワークの熱容量を基準として５〜１０倍以上、好ましくは１０〜３０倍の高容量とし、水冷装置の作動なしでも前記ワークを急冷可能な程度の量とする。これにより、ブロワー装置の駆動のみにより、中間温度への急冷及び等温保持ができる。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５は、使用する接触材の量が大きく、接触材の初期予熱温度を変化させるのに多少の時間及び熱量を必要とする。従って、本装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５を複数配置し、例えば２００℃、２５０℃等と夫々異なる温度で管理すれば、所要の温度に即座に対応でき、各種熱処理を効率的に、かつ円滑に実施できる。

本発明のホットガス熱処理システムは、焼入れ開始温度に予熱したワークを急冷又は等温保持しつつ多量のワークに各種等温保持熱処理方法を適用し、順次効率的に熱処理することができるホットガス熱処理システムＨ・Ｏ・Ｔ・Ｓであって、前記ワークを焼入れ開始温度に予熱する予熱炉と、前記予熱炉で予熱されたワークを前記焼入れ開始温度に保持したままで移送するワーク移送手段と、該ワーク移送手段で移送されてきたワークを受け入れ、前記焼入れ開始温度と常温との間に設定された中間温度に急冷又は等温保持できるホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−ｉ（i＝１〜５）を有し、前記予熱炉で予熱されたワークを前記ホットガス焼入れ装置へ送り、オーステンパ、昇温オーステンパ、マルテンパ、マルクエンチ、その他の熱処理を効率良く行うことを特徴とする。

前記ワーク移送手段は、保温ないし保熱手段と、内部圧力を調節するガス圧調節手段とを有し、熱処理工場内を自由に移動可能なロボットで構成できる。また、前記ワーク移送手段は、保温ないし保熱手段及び内部圧力を調節するガス圧調節手段並びにワーク移送手段を備えたトンネル装置で構成できる。

本発明のホットガス熱処理システムＨ・Ｏ・Ｔ・Ｓは、各種ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１〜５）を各種熱処理システムに組み込んで、ワークの移送を行い、焼入れ開始温度に予熱したワークを急冷又は等温保持しつつ多量のワークに各種熱処理方法を適用し、順次効率的に熱処理することができる。

システム構成例としては、ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１〜５）と複数予熱炉とを直列又は並列に組合せたものの例がある。直列接続による連続 送りのものでは、各炉に対するタクトを適切とすることにより、間欠送りされるワークを順次、効率良く焼入れできる。従来の塩浴を用いてシステム化したものと異なり、ワークの漬け込み引き上げの必要が無く、環境劣化の恐れも無く、配置は自在であり、応用範囲が広くフレキシブルな熱処理システムとすることができる。

以上示した本発明の_ホットガス熱処理システムを用いた熱処理では、等温保持による熱処理を行うので、脱炭や酸化のような表面変質の危険を防止できる。また、表面粗さや歪みが生じないので、再仕上げコストが節減できる。靭性高く割れを防止し寿命を長くできる。自動化により管理パラメータを確実に尊守でき、品質保証ができる。不快環境を無くして、汚染、廃水問題も生じない。操業円滑化を図ることができ、加工コストの低減を図ることができる等、多大のメリットが生じる。

図１は、本発明の一実施形態に係るホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１、Ｈ・Ｏ・Ｔ−２の構造を示す縦断面説明図である。 図２は、基本型ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１の制御概要を示す温度線図である。 図３は、ガス予熱型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２の制御概要を示す温度線図である。 図４は、本発明のホットガス焼入れ装置を用いて行うことができる等温保持焼入れ方法を示す時間及び温度の焼入れ線図である。 図５は、本発明のミキサ内接触材型ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−３の構造を示す縦断面説明図である。 図６は、本発明の流路内接触材型ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４の構造を示す縦断面説明図である。 図７は表２に示すワーク及び接触材の循環路中での平衡温度を示す線図である。 図８は、ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４の制御概要を示すフローチャートである。 図９は、第８図の制御により得られる各種の変化ないし動作を示すタイムチャートである。 図１０は、本発明のるつぼ型ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５（Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒ）の実施形態を示す縦断面説明図である。 図１１は、本発明の一実施形態に係るホットガス熱処理システムＨ・Ｏ・Ｔ・Ｓの構造を示す平面説明図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１〜５）、及びホットガス熱処理装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｓについて、順次実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施の形態に係るホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１、Ｈ・Ｏ・Ｔ−２の構成を示す。基本型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１と、ガス予熱型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２とは、見かけ上同一で、不活性ガス（Ｎ_２ガス）の導入位置と、制御方法とが異なる。基本型Ｈ・Ｏ・Ｔ−１のものでは、不活性ガスの導入位置は第１又は第２流路で良いが、ガス予熱型にあっては、第１流路側とされる。図には、いずれの場合にも適用可能とすべく、不活性ガスを第１流路に導入した例で示している。

圧力容器１は、５Ｂａｒの圧力に耐えるよう作られる。 圧力容器１の外周は、保温材２で保温されている。圧力容器１の前面（図において左方）には、開閉自在の扉３が設けられている。

前記圧力容器１の前寄りの位置には、断熱材で作られた予熱炉４が配置され、その内部がワークＷの収納部とされている。予熱炉４の前面窓５は、前記扉３に設けられたシリンダ装置６で、予熱炉４の本体部分に密着できるようになっている。予熱炉４の内部には、ワークＷが収納されている。

本例では、予熱炉４は、ワークＷを収納し、ヒータ７でワークの予熱を行うものとする。予熱済みのワークＷが外部から移送されて来ることもある。予熱炉４は、雰囲気炉又は真空炉として構成することができる。予熱炉４を真空炉とする場合には、圧力容器１の内部で真空状態を保てるよう構成する。予熱炉４の後部には、回動軸８の回動に基づいて開閉可能の後面窓９が設けられている。

前記圧力容器１の内側には、前記予熱炉４に収納されたワークＷに対し不活性ガスを吹付けると共に、吹付けた後のガスを循環させるための循環路１０が配置されている。循環路１０には、ディストリビュータ１１の吸気口１１ａが配置され、ディストリビュータ１１の出力口は、バルブＶ１の付いた多数の細管１１ｂが分岐接続されて、前記予熱炉４の内部で前記ワークＷに向けてガスを吐出するよう構成されている。ディストリビュータ１１の本管の前端には細孔１１ｃが設けられ、少量のガスを常時吐出できるようになっている。循環路１０中のガスを中間温度で予熱保持するためである。

前記循環路１０の途中には、循環路１０中を流れる不活性ガスを、ホットガスとするために上下１対の流路Ｆ１、Ｆ２が分岐形成されている。両流路Ｆ１、Ｆ２の終端位置には、両流路Ｆ１、Ｆ２から出力される不活性ガスを均一に混合するためのミキサ１２が配置されている。各流路Ｆ１、Ｆ２のガス入口には、シリンダ装置１３、１４で開度調節可能な制御窓Ｃ１、Ｃ２が設けられている。両窓Ｃ１、Ｃ２は、一方の窓を開けるとき、他方の窓が閉じる態様で連続動作することもできる。

前記第２流路には、水冷装置１５が配置されている。図には、水冷管のみを示している。図示しない水タンク等から図示の管に常温水を送り、第２流路Ｆ２中を流れる不活性ガスを常温へ向けて冷却するものである。焼入れ開始時のように入力ガス温度が５００℃以上の高温の場合には、水冷装置１５通過後のガス温度が１００℃以上になることも有る。

前記ミキサ１２は、両流路Ｆ１、Ｆ２から夫々温度の異なるガスを入力し、両者を混合して均一温度化するものである。そのため、ミキサ１２内部には、両入力ガスを混合するために、例えば金属片や、多重の仕切り板が介在され、或いは、図示しない撹拌用のスクリュー等が配置される。前記予熱炉４の後部窓９から出力されたガスは、両流路Ｆ１、Ｆ２を介してミキサ１２の出力口から出力される。循環路１０内には、温度制御のための温度センサと、ガス圧検出用のセンサ類が配置される。

一方、前記圧力容器１の後端には、直流モータ１６で回転軸１７を回転駆動し、羽根１８でガスを加圧し出力するターボブロワー装置１９が設けられている。ブロワー装置１９で加圧された不活性ガスは、前記ディストリビュータ１１の吸気口１１ａへ向けて出力される。

回転軸１７は、内側がホットガスであり常時高温であることから、中間に断熱材製の中間軸を介在させた構造としている。また、その回りを水冷し、直流モータ１６側に熱が伝導されにくい構造とする。直流モータ１６は、常時は低速回転され、不活性ガスをディストリビュータ１１の本管へ送り、その先端に設けた細孔１１ｃからの返りによって、循環路１０を常時一定温度に保つ。また、前記バルブＶ１を開け、モータ１６を全回転することにより、ワークＷにホットガスを吹付けることができる。前記第１流路Ｆ１には、不活性ガスを導入するためのガス導入管２０の先端が開口されている。

以上の構成のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１、Ｈ・Ｏ・Ｔ−２は見かけ上、両者同一であるが、予熱炉４が雰囲気炉であるか、又は真空炉であるかが異なる。圧力、ガス温度、流量等の制御方式も異なる。

まず、予熱炉４が雰囲気炉である場合、ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１が適用される。予熱炉４は、雰囲気炉であり、循環路１０も同圧制御できるので、後面窓９は完全密閉構造でなくとも良い。焼入れ開始前、ブロワー装置１９は、ゆっくりと回転されている。循環路１０中のガス温度は、ワークＷに過冷却が生じることのない中間温度として定められる。この中間温度は、マルテンサイト変態温度Ｔ_Ａより少し低い温度Ｔ_Ｂとされる。

図２に示すように、雰囲気炉に適用されるホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１では、焼入れ開始時刻ｔ１において、循環路１０には、例えば２００℃のホットガスが循環されている。マルテンサイト変態温度Ｔ_Ａは３００℃であるとする。時刻ｔ１で焼入れ開始されると、制御窓Ｃ１、Ｃ２の夫々の開度が調節された上で、後面窓９が開かれ、流路Ｆ１及びＦ２を介してミキサ１２へガスが流入される。循環路１０中のガス温度が、図２（a）に示す目標温度Ｔｐとなるよう、制御窓Ｃ１、Ｃ２の開度が制御される。

このとき、圧力容器１中のガス圧力は、雰囲気炉４を使用中の圧力、例えば２Ｂａｒから、順次高圧、例えば５Ｂａｒに上昇するよう、時刻ｔ２から常温不活性ガスが導入される。時刻ｔ２と時刻ｔ１は略同時的である。

循環路１０中の温度を検出しつつ、この温度が目標温度Ｔ_Ｐとなるよう、かつ５Ｂａｒを超えないようガス導入量を定める。ワークＷは、図２（b）に示すように、材料の表面（浅部）と深部で冷却線Ｔｗ１、Ｔｗ２が異なるが、マルテンサイト変態温度Ｔ_Ａへ向けて漸次、冷却される。

ワークＷが均一にマルテンサイト変態温度Ｔ_Ａに冷却されると、第２流路の制御窓Ｃ２を絞り、最終的には閉じ、等温保持することができる。

予熱炉４が真空炉とされる場合のガス予熱型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−２では、図３に示すように、予熱された不活性ガスを吹込む点が異なる。また、それに次いで制御窓Ｃ１、Ｃ２を制御する時刻ｔ３を少し遅らせて行う点が異なる。不活性ガスの導入には、雰囲気生成のために若干の時間を必要とするので、ワークＷの冷却曲線Ｔｗ３、Ｔｗ４は、前例（Ｔｗ１、Ｔｗ２）と比べ、僅かに遅れた形となる。雰囲気形成されれば、その後については前例のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１と同様である。

図４は、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１〜５）で行うことができる時間及び温度の焼入れ線図である。図において、破線は、通常焼入れを示す。実線は、オーステンパを示す。一点鎖線は、昇温オーステンパを示す。２点鎖線は、マルクエンチとマルテンパを示す。

破線で示す通常焼入れでは、焼入れ開始温度を、例えば１０００℃とするとき、常温へ向けて一気に冷却し、後で適宜焼戻しする。この方法は、従来の噴流炉でも実施できる。本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１〜５）では、等温保持機能を用いて、同一炉内で焼戻しまで行うことができる。

オーステンパでは、例えば等温保持の目標温度を３００℃として、例えば２５０℃のホットガスにより、Ｓ曲線の鼻に掛かるまでの時間で冷却し、等温保持してＳ曲線を通過させ、その後常温へ向けて冷却する。

昇温オーステンパでは、目標温度Ｔ_Ｐを前記の目標温度３００℃より幾分低い温度、例えば２５０℃に設定し、ワークＷの表面及び内部が均一温度になってから、次の目標温度３００℃に上昇させて等温保持し、Ｓ曲線通過の後に常温へ向けて冷却する。常温への冷却は、装置外で行うこともできる。

マルクエンチでは、マルテンサイト変態温度（Ｍｓ点）より少し高い温度で等温保持して焼入れし、Ｓ曲線に当たるまでの時間内に空冷相当の冷却速度で冷却し、その後焼戻しを行う。空冷は、装置外で行うこともできる。

マルテンパでは、マルテンサイト開始及び終了のＭｓ及びＭｆ点の中間温度に急冷及び等温保持し、焼戻しマルテンサイトと下部ベイナイトの混合組成を作る。等温保持中で変態の完了を待たずに炉から出し、別の炉で焼戻し処理することもできる。

以上のように、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１〜５）では、１００〜４００℃の中間温度で自由に急冷、かつ等温保持できる。温度制御の誤差は５〜１０℃以下、特に、等温保持では±１℃程度とすることができる。

図５は、ミキサ内接触材型ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−３を示す縦断面図である。前例のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１、Ｈ・Ｏ・Ｔ−２と異なり、ミキサ１２内にワークＷの熱容量Ｑｗの０．３倍程度の蓄熱型接触材２１を配置している。他の部材について、同一参照符号で示す部材は前例のものと同様機能を果す。

接触材２１としては、鉄、或いはアルミニウム等の金属球や、金属細管、金属チップ等の通風性の良好なものを用いることができる。直径５〜１５ｍｍ程度の金属細管を用いる場合、穴方向を通風方向と一致させて用いる。接触材２１は、焼入れ開始時、予め中間温度に予熱しておく。これら接触材２１に不活性ガスを接触させることにより、不活性ガスの温度を即座に接触材２１の温度に変換し、ディストリビュータ１１を介してワークＷに吹付けることができる。

ミキサ１２内に配置した接触材２１の量は、例えばワーク１トンに対し、３００ｋｇであるので、表２の関係から、平衡温度を目標温度とするのは不可能である。しかし、焼入れ開始時にミキサに入力される高温の不活性ガスの温度を瞬時に接触材２１の温度に冷却できる。従って、接触材の温度を、予め図２又は図３に示す初期の目標温度、例えば２００℃に設定しておくことにより、導入不活性ガスを、又は雰囲気不活性ガスを、少なくとも初期において、２００℃としてワークＷに吹付けることができる。言い換えれば、焼入れ開始時、多量の不活性ガスを瞬時に導入可能とし、急冷速度を速めることができる。次いで、制御窓Ｃ１、Ｃ２の開度調節を行い、ガスを冷却するので、図２又は図３で示したものと同様の温度制御を行うことができる。接触材２１を用いることにより、制御安定性も高くなる。

図６に示すように、本発明の流路内接触材型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４は、第１流路Ｆ１内に接触材２１を配置している。他の部材については、図１、図５に示したものと同様である。図１、図５に示したものと同一機能を果す部材には同一参照符号を付けて示している。接触材２１は、ミキサ１２内には、配置していないが、ミキサ１２内にも配置することもできる。

前記接触材２１の量は、表２を参照して設定する。即ち、接触材２１として、例えば鋼球を使用した場合、ワークＷの重量の１．０倍等として定める。

図７は、表２で示した条件下において、ワークＷ及び接触材２１を循環路１０中で温度平衡させた場合の時間及び温度の特性線図である。図示のように、接触材２１の温度を２５０℃、等温保持の目標温度Ｔ_Ｐを３００℃とするならば、接触材２１がワークＷと同量の１トンの場合、３２５℃分の吸熱を行うことができる。即ち、ホットガスをワークＷに吹付けると、ホットガスは高温となり、圧力上昇し、循環路１０へ向う。このとき、温度上昇したガスは、接触材２１で冷却する。圧力を見ながら、Ｎ₂ ガス導入管２０のバルブを調節し、圧力を３〜５Ｂａｒに保ち、第２流路Ｆ２の制御窓Ｃ２を、徐々に開け、循環ガス温度が最終目標温度となるよう冷却する。これらの処置により、ホットガス温度を、例えば３００℃とすることができ、ワークＷの温度を目標温度に平衡させることができる。以後、等温保持を行うことができる。

本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４の制御概要を図８及び図９にまとめて示す。ワークＷ及び接触材２１の重量は共に１トンであるとする。また、オーステンパの目標温度を３００℃とし、過冷却の生じることのない中間温度は２５０℃であるとする。図８において、ステップ８０１で循環路１０中の接触材２１の温度を２５０℃として、ホットガスを生成し、ステップ８０２を介して冷却工程へ移行する。図９（ｃ）に示すように、ブロワー装置１９は、必要に応じて回転速度を変更できる。接触材２１の加熱には、雰囲気ガス温を利用することも可能であるが、図示しないヒータを用いることでもできる。

ステップ８０３では、ブロワー装置１９を高速駆動し、ステップ８０４でディストリビュータ１１のバルブＶ１を開け、ホットガスをワークＷに吹付ける。このとき、ステップ８０５で後面窓９を開ける。

ステップ８０６〜８１１では、ホットガスの温度検出を行いながら、制御窓Ｃ１、Ｃ２、ヒータ１４を制御し目標温度での等温保持を行う。ステップ８１２を介し、目標温度の変更等の別のプログラムへジャンプすることもできる。ステップ８１３で、常温への冷却処理を行う。等温保持への移行の時点でワークを別の炉へ移し、装置内は、常時ホットガス温度に保持することもできる。その方が熱損失少なく、かつ、内部構造物に大きな温度変化を与えることが無いので好ましい。

図９に示すように、本例のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｃ−４によれば、冷却開始時刻ｔ１より後の時刻ｔ４〜ｔ５にかけて、正確に等温保持できる。等温保持の温度誤差は数℃以下で行うことができる。（ａ）図は、ワークＷの温度を、（ｂ）図はホットガスの温度変化を示している。（ｃ）図はブロワー装置１９の回転速度の変化を示している。（ｄ）図は、不活性ガスの圧力変化を示している。（ｅ）図は予熱、急冷、等温保持、冷却の工程を示している。工程には、加熱、焼戻し工程を含めることもできる。

以上のように、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｃ−４によれば、接触材２１を用いて生成したホットガスにより、収納ワークＷを急冷し、等温保持でき、加えて加熱を自由に行うことができ、オーステンパはもとより、１つの炉でマルクエンチ、マルテンパ等を行うことができる。制御精度に差は生じるが、他のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−１、Ｈ・Ｏ・Ｔ−２、Ｈ・Ｏ・Ｔ−３についても同様である。塩浴不用のホットガスによる制御であるので、安全、自在で、高精度の温度制御が可能であり、金属製品を理論通りに高品質に熱処理することができる。

図１０は、るつぼ型のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５の一実施の形態を示す縦断面説明図である。縦型円筒状の圧力容器２２の一側面には、ワークＷを出し入れするための仕切り窓２３が設けられ、その内部には、ワークＷを収納する収納部２４が設けられている。

前記圧力容器２２の内部は、複数の仕切り板２５により、下端から上端にかけて交互に半量づつ仕切られ、流路が形成されている。流路内には、前述同様の接触材２１が充填されている。流路の収納部２４近くには、ディストリビュータ２６が配置され、図下方の流路に入ったガスは、ディストリビュータ２６を介してワークＷに吹付けられ、その後上段の流路に戻る構成とされている。

前記圧力容器２２の上部には、図１で示したと類似のブロワー装置２７が設けられ、ブロワー装置２７で加圧されたガスは、ダクト２８を介して上端から下端に向けて送られ、前記流路を含めて循環路２９を構成している。ダクト２８の１部には、不活性ガスを補充するためのガス導入管２０と、温度調節用のヒータ３０及び冷却装置３１が設けられている。冷却装置３１は、バルブＶ２を介して循環路２９中のガスの１部を取り出し、これを水管を用いて冷却し、循環路２９中に返す構成である。圧力容器２２及びダクト２８外周は、適宜保温材２を用いて保温される。

接触材２１の量は、表２、図７を参照して、例えば１トンのワークＷを接触材２１のみで目標温度３００℃位まで冷却保持することを想定し、例えば１０トン以上、３０トンと設定される。接触材２１の所要量（体積）は、鉄の比重を７．９ｇ／ｃｍ^３とすれば、接触材２１が鋼球である場合、見掛け比重は４．１４ｇ／ｃｍ^３であるので、次表３の通り定まる。

表３から、ワーク重量を１トンとすると、接触材量１０〜３０トンが実用的な値であることが解る。ただし、ワーク重量１００Ｋｇであるとすると、接触材量も１／１０の量で対応可能である。

ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５の作用について示す。今、仕切り窓２３を介して、収納部２４に例えば、１０００℃に予熱されたワークＷが投入されたとする。それまでに、接触材２１の温度は、例えば２５０℃のホットガス温度に予熱されているとする。

ワークＷが投入されると、ブロワー装置２７を高速回転させ、ディストリビュータ２６を介してホットガスをワークＷに吹付ける。圧力は、上昇するが、大量の接触材２１を用いているので、３〜５Ｂａｒの範囲で、容易に制御できる。即ち、ホットガスの温度は初期において２５０℃である。接触材２１の量を１０トンとすると、表２から平衡温度は３１８℃である。目標温度を３００℃とし、これを正確に制御したい場合には、１８℃分の熱量を冷却装置４７で取り去るか、又は、ホットガス温度即ち接触材２１の温度を始めから１８℃低下させ２３２℃としておけば良い。接触材２１の量を２０トンとするならば、表２よりホットガス温度は２９６℃となるので、初期温度を４℃だけ上昇させ、２５４℃に設定しておけば良い。以後の等温保持の間の温度低下は、１℃程度であるので、敢えてヒータ３０を作動させる必要も無い。以上により極めて高精度の急冷及び等温保持を行うことができる。

以上の通り、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５は、投入ワークＷを急冷し、一定温度で等温保持できる。ホットガス温度まで冷却されたワークＷを受け入れて等温保持のみ行うこともできる。従って、図４で示したような各種等温保持を含めた熱処理において、急冷、又は等温保持の１部又は全ての工程に利用することができ、高品質の金属熱処理を行うことができる。

収納部２４は、ダクト２８中に配置することも可能である。また、例えば１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃のように、各種温度の異なる複数の装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−５を配置し、順次又は選択的な使用により、任意の熱処理に利用することもできる。この限りにおいて、本発明のホットガス焼入れ装置は、従来の塩浴に代わる「ホットガスるつぼ」であると称することもできる。塩浴と異なり、安全で、漬け込みや引き上げの必要が無く、使い勝手が格別良い。１０トンの接触材２１を用いるとしても、その体積は２、４ｍ^３であり、さほど大型装置となることもない。等温保持専用として用いる場合には、本装置をホットガス等温保持装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒと呼ぶこともできる。

仕切り窓２３に、図１で示したような予熱炉４の予熱機能を有する真空炉、或いは雰囲気炉（図示せず）を直結することもできる。この場合、予熱炉４で予熱したワークＷを仕切り窓２３を開けて収納部２４に収納し、冷却焼入れし、等温保持することができる。

図１１は、３台の予熱炉３２と、１台のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４と、３台の等温保持装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒを組み合わせて構成したホットガス熱処理システムＨ・Ｏ・Ｔ・Ｓ_の構成を示す平面図である。ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−４は、仕切り窓２３を用いた点を除いて図６に示したものと同様である。ホットガス等温保持装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒは、図１０に示したものと同様である。ただし、本例のホットガス等温保持装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒでは、ワーク収納部２４をダクト２８内に配置している。

図１１において、予熱炉３２は、ワークＷの予熱を行うことができる。ホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒ−４は、予熱されたワークＷを受け入れて、図４に示す各種焼入れを行うことができる。ホットガス等温保持装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒは、予め指定の温度、例えば２３０℃、２５０℃、２７０℃等に予熱されていて、受け入れワークＷを目標温度、例えば３００℃に急冷し、等温保持できる。又、急冷済みのワークＷを受け入れて一定温度で等温保持し、焼戻し等を行うことができる。ワーク移送ロボット３３は、真空又はガス雰囲気中、ワークＷを一定温度で保温して、炉から炉への移送を行うものである。

ワーク移送、保温ないし保熱手段及びガス圧調節手段、並びにローラ装置等によるワーク移動手段を備えたトンネルを作り、複数の予熱炉３２と１つ又は複数のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−iを相互に連結した形とすることもできる。また、各装置を１つのワークステーションで連係して、１つ又は複数のワークＷに各種熱処理を与えることもできる。

ホットガス熱処理システムＨ・Ｏ・Ｔ・Ｓとしては、上記実施の形態に係るものの他、様々の形態が有る。例えば、ワークを移送可能なワークステーションを中心として、回りに予熱炉やホットガス焼入れ装置、或いは等温保持装置を連結した形が有る。また、各加熱温度の異なる複数の予熱炉を直列に接続し、次いでホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−i、次いで並列に複数の等温保持装置Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒを接続した形等である。

このように、本発明のホットガス焼入れ装置Ｈ・Ｏ・Ｔ−iを中心として、各種各様のシステムを構築することができ、高効率で高品質の熱処理を行うことができる。

複数種の温度の異なる等温保持炉Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒ−iを風洞で接続し、風洞内に設置したワークＷに、選択された等温保持炉Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒ−iのホットガスを吹付けるようにしても良い。このようにすれば、任意の温度が適切に選択できる。また、順次自然に冷却された等温保持炉Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒ−iの接触材２１を加熱して使用する形となるので、省エネルギーとなり、資源節約できる。

以上の具体例により明らかなように、本発明のホットガスによる金属熱処理方法は以上示した装置、システムを用いて、従来塩浴法に代えて使用できるにとどまらず、より動的な等温保持制御を行うことが可能である。動的特性に優れるので、塩浴変換作業の手間及び時間が皆無で、かつ追従性が良く、任意の温度設計が可能である。

また、未だ開発されていない等温保持による金属熱処理方法が確立されたとき、即座にこれを実施できる利点がある。例えば、小刻みな温度変化を与えることができ、また、上下温度変化を自在に設定できる。本発明のホットガスによる金属熱処理方法によれば、従来塩浴法に代えて、各種等温保持による金属熱処理とホットガスを用いて安全、効率的に小設備で行うことができる。加えて、温度変化の制御を容易、迅速、自在に行えるので、従来塩浴による制限が解除され、静的等温保持に加えて動的等温保持を行うことができる。動的とは、素早いことと、変化が自在であることを意味する。例えば、３００℃で１０分、３１５℃で２０分、再度３０５℃で３０分等と、設計通り、正確で、動的な制御が可能となる。

さらに、従来塩浴法で実施可能とされているオーステンパ、マル_テンパ、マルクエンチ等の各種金属熱処理方法の改良を図ることができ、されに効果的な等温保持による金属熱処理方法を提案できる素材とすることができる。

本発明は、以上示した実施の形態に限定されるものでは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計的変更を行うことができ、各種態様で実施し得ること勿論である。

本出願に開示の内容は、２００１年１０月２３日に出願された日本国出願 特許出願番号２００１−３２５２４８と、２００２年２月１８日に出願された日本国出願 特許出願番号２００２−０３９９５５と、２００２年３月２５日に出願された日本国出願 特許出願番号２００２−０８４２３０と、２００２年６月１１日に出願された日本国出願 特許出願番号２００２−１７０１９４とに包含された発明に関するものであって、これらの日本国出願が全体的に本明細書に組み込まれる。

産業上の利用の可能性

本発明のホットガスによる金属熱処理方法によれば、従来塩浴法に代えて、各種等温保持による金属熱処理をホットガスを用いて安全、効率的に小設備で行うことができる。加えて、温度変化の制御を容易、迅速、自在に行えるので、従来塩浴による制御が解除され、静的等温保持に加えて動的等温保持を行うことができる。

また、従来塩浴法で実施可能とされているオーステンパ、マル_テンパ、マルクエンチ等の各種金属熱処理方法の改良を図ることができ、されに効果的な等温保持による金属熱処理方法を提案できる素材とすることができる。

本発明の基本型のホットガス焼入れ装置は、第１（高温用）及び第２（低温用）の２つの流路を有し、各流路に備えた制御窓の開度調節を行うことにより循環路中を流れるガスの温度をマルテンサイト変態温度に関連して定めた中間温度に制御する。従って、不活性ガス雰囲気中にあるワークを中間温度へ急冷でき、マルテンサイト変態温度で任意の時間高精度に等温保持できる。

コントローラは、ミキサ出力温度が中間温度となるよう各流路に備えた制御窓の開度を制御すれば良い。また、冷却ガス圧が所要のガス圧、例えば５Ｂａｒとなるよう、不活性ガス雰囲気中に追加導入される常温不活性ガスの量を制御すれば良く、不活性ガスの予熱も真空炉である場合を除いて不要である。

本発明のガス予熱型のホットガス焼入れ装置は、第１及び第２の流路と、各流路の終端位置にミキサを有している。また、中間温度に予熱された不活性ガスを導入しつつミキサ出力温度が中間温度となるよう、前記第１及び第２流路を備えた制御窓の開度を調節する。従って、ワークが真空中で収納されている場合であってもワークを中間温度に急冷でき、マルテンサイト変態温度で等温保持できる。

本発明のミキサ内接触材型のホットガス焼入れ装置は、基本型のものに比べミキサ内に熱容量を有する接触材が配置されている。従って、焼入れ開始時の雰囲気不活性ガス又は導入不活性ガスを即座に接触材の温度、即ち中間温度に変化させることができる。以後は、導入不活性ガスが中間温度となるよう基本型と同一制御を行えば良く、急冷速度が速く制御安定性が良好である。

本発明の流路内接触材型のホットガス焼入れ装置は、基本型のものに比べ、第１流路内に所要の蓄熱型接触材を配置している。従って、ミキサ内接触材型と比べ、数倍量の接触材を配置することができる。第１流路への所要量の接触材の配置を行うことにより、多量のガスであっても追従性良く中間温度への冷却が可能となり、容易、迅速、確実な中間温度への急冷が可能となる。また、等温保持での温度安定性が良好となる。

本発明のるつぼ型のホットガス焼入れ装置によれば、循環路内に多量の蓄熱型接触材を配置するので、ガス循環のみでワークの中間温度への急冷が可能である。また、等温保持装置として等温保持のみを主体として利用することも可能である。

本発明のホットガス熱処理システムは、以上示した各種のホットガス焼入れ装置の内１つ又は複数と、他の予熱炉等をワーク移送ロボットやワークステーション、或いはトンネル装置を介して組合せ、間欠又は連続的な等温保持による金属熱処理を極めて効率良く行うことができる。

符号の説明

１、２２…圧力容器
２…保温材
３…扉
４、３２…予熱炉
５…前面窓
６、１３、１４…シリンダ装置
７、３０…ヒータ
８…回動軸
９…後面窓
１０、２９…循環路
１１、２６…ディストリビュータ
１１ａ…ディストリビュータ本管の吸気口
１１ｂ…ディストリビュータの細管
１１ｃ…本管先端に設けられた細孔
１２…ミキサ
１５…水冷装置（管）
１６…直流モータ
１７…回転軸
１８、２１…羽根
１９、２７…ブロワー装置
２０…Ｎ_２ガス導入管
２１…蓄熱型接触材
２３…仕切り窓
２４…収納部
２５…仕切り板
２８…ダクト
３１…水冷装置
３３…ワーク移送ロボット
Ｃ１、Ｃ２…制御窓
Ｖ１、Ｖ２…バルブ
Ｈ・Ｏ・Ｔ−i（i＝１、２、３、４）…ホットガス焼入れ装置
Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｒ…ホットガス等温保持装置
Ｈ・Ｏ・Ｔ・Ｓ…ホットガス熱処理システム
Ｆ１…第１流路（高温側）
Ｆ２…第２流路（低温側）

Claims (3)

1. 次の要件（１）〜（１１）を備えて成ることを特徴とする金属熱処理用ホットガス熱処理システム。
   （１）予熱炉４の内側空間に、焼入れ開始温度に予熱したワークＷを収納するワーク収納部を備えている。
   （２）前記ワーク収納部と連通され、ワークＷに過冷却を生ずることのない温度として定めた予熱温度Ｔ_Ｂの不活性ガスであるホットガスを維持するためのホットガス循環路１０を備えている。
   （３）このホットガス循環路１０は、前記ワークＷを焼入れ開始するまでの間、循環路１０中に常時ホットガスを維持している。
   （４）前記ワーク収納部は、前記循環路１０の出力端とディストリビュータ１１を介して接続されており、その一壁面には一対の制御窓Ｃ１、Ｃ２を介して前記循環路１０の入力端と接続されている。
   （５）前記一方の制御窓Ｃ１を通る流路を高温用の第１流路Ｆ１、他方の制御窓Ｃ２を通る流路を低温用の第２流路Ｆ２としており、この第２流路Ｆ２には通過ガスを常温冷媒で常温近くの温度まで冷却するガス常温冷却装置１５が設けられている。
   （６）前記第１、第２の流路Ｆ１、Ｆ２の後端には、両流路から出力されたガスを均一混合するミキサ１２が配置されている。
   （７）前記ワークＷの焼入れ開始では、前記制御窓Ｃ１、Ｃ２が開かれて前記ワークＷが前記循環路１０中に配置された形を形成する。
   （８）前記ミキサ１２を通過したガスの温度が初期においては前記ホットガスの温度Ｔ_Ｂとなるよう前記制御窓Ｃ１、Ｃ２の開度を調節するコントローラが設けられている。
   （９）前記ワークＷに前記循環路１０中のホットガスを吹付けて温度Ｔ_Ｂのホットガスで急冷し、次いで前記ワークＷのマルテンサイト変態温度Ｔ_Ａより少し高い温度でＳ曲線のノーズを越えない範囲に定めた等温保持のための目標温度で等温保持するコントローラが設けられている。
   （１０）等温保持の間、放熱による冷却を防止するためのヒータが設けられている。
   （１１）等温保持の後、ワークＷを常温以下の温度へガス冷却し焼入れする。
2. 前記循環路１０中には、蓄熱材で構成され、その蓄熱量を前記ホットガスと熱交換し、前記ホットガスを目標温度に少ないバラツキでの制御を可能とする蓄熱型接触材２１を、ワークＷの熱容量１に対して、３０％以上の量配置していることを特徴とする請求項１記載のホットガス熱処理システム。
3. 次の要件（１）〜（８）を備えて成ることを特徴とする金属熱処理用ホットガス熱処理システム。
   （１） 焼入れ開始温度に予熱したワークＷを収納する収納部２４を設けている。
   （２）予め焼入れ開始温度に予熱されたワークＷを受入れて収納する収納部２４を含めて、ワークＷに応じ過冷却を生ずることのない温度として予め定めた予熱温度Ｔ_Ｂの不活性ガスであるホットガスを維持するためのホットガス循環路２９を設けている。
   （３）前記ホットガス循環路２９には、前記ワークＷの熱容量１に対し、５倍以上の熱容量の蓄熱型接触材２１を配置している。
   （４）前記ワークＷの等温保持への冷却では、前記循環路２９のガスをワークＷに吹付け、その最終平衡温度が前記ワークＷのマルテンサイト変態温度Ｔ_Ａより少し高い温度でＳ曲線のノーズを越えない範囲に定めた等温保持のための目標温度Ｔ_Ｐとなるよう、前記ホットガス温度Ｔ_Bを予め定めておく。
   （５）等温保持への冷却では、前記循環路２９のガスをワークＷに吹付け、前記蓄熱型接触材２１を通して冷却し、等温保持の最終段階では、その平衡温度を前記目標温度Ｔ_Ｐとする。
   （６）前記循環路２９には、前記予めのホットガス温度Ｔ_Ｂを定めておくと共に、目標温度Ｔ_Ｐを一定に保つため、ヒータ３０と、冷却装置３１を設けている。
   （７）前記冷却装置３１は、循環路２９の一部からガスを吸引し、これを水管を用いて冷却し、これを循環路２９中に返す構成である。
   （８）一定時間等温保持した後に、前記収納部２４からワークＷを取り出し、常温以下の温度へガス冷却する。

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