JP4330133B2 - 金属線材の連続真空浸炭装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属線、金属帯、金属パイプ等の細長い金属線材の連続真空浸炭装置に関する。

鋼帯の浸炭例として、特許文献１等においては、ガス浸炭による浸炭であって、予熱帯、加熱帯、均熱帯、浸炭帯、第一、第二冷却帯を順次鋼帯を通過させて連続浸炭を行っている。ガス浸炭帯においては、ガスシールにより浸炭帯を外部と分離している。また、特許文献２においては、熱プラズマ浸炭による浸炭であって、鋼帯を加熱帯、熱プラズマ処理帯、均熱帯、熱プラズマ処理帯、冷却帯、順次鋼帯を通過させて連続浸炭を行っている。熱プラズマ浸炭帯においては、シール装置により浸炭帯を外部と分離している。また、特許文献３においては、ガスシールされたガス浸炭装置内に鋼帯を搬送支持するハースロール間に雰囲気ガスを供給可能にされた枝管を有する炉心管を複数配置し、種々のガス浸炭条件とすることができるようにしている。また、特許文献４に記載のような、金属線材の熱処理等においては、不活性ガスや還元ガスを供給可能にされた枝管を有する炉心管と炉心管を外周に設けられたヒータを有する加熱炉、還元ガスを供給可能にされた枝管を有する炉心管が設けられた冷却装置、枝管を有しない炉心管が設けられた焼き戻し炉の順に順次金属線材を通過させ熱処理を行っている。

一方、連続浸炭に対して、特許文献３においては、鋼帯コイルとして、鋼帯コイルが置かれた焼鈍炉内を密閉、減圧し、上方を陽極とし、鋼帯コイルを陰極としてグロー放電により浸炭している。一方、特許文献４においては、前パージ室、真空昇温室、真空浸炭室、真空拡散室等を炉扉で区切って配置して連続真空浸炭するバッチ式の連続真空浸炭装置が知られている。
特開平４−８８１２６号公報 特許第３４０４７８４号公報 特開平７−１３８６５１号公報 特開平５−９５９６号公報 特許第２９８１３８４号公報 特開２００２−１１５０４２号公報

近年、プリンタのドットピンや半導体回路検査用のプローブピンのような０．０２ｍｍ〜３ｍｍ程度の細線や帯等が要求されている。これらの細線は強度を要し、表面さらには芯部までに至る浸炭等を行う要求がある。しかし、かかる極細線といえる細さまで至る線材の浸炭においては、特許文献１のようなガス浸炭では、浸炭ガス中に炭酸ガス、水分、あるいは一酸化炭素、酸素等が含まれており表面酸化や粒界酸化が発生し、細線などでは応力集中源となり、使用中に折損等を引き起こす要因となる。また、ガス浸炭帯を除く加熱帯、冷却帯は外部空気と接触しており、酸化し易く安定した線材を得られないという問題があった。また、特許文献２のようなプラズマ浸炭であっても浸炭帯を除く加熱帯、冷却帯は外部空気と接触しており、酸化し易く安定した線材を得られないという問題があった。また、特許文献３，４のように炉心管を用いて線材のガイドとし、かつガス量を減らすことができるが、空気との接触による品質の低下はさけられないという問題があった。

そこで、特許文献５、６に記載のように減圧下（真空下）で処理するようにすれば、良好な品質の浸炭処理ができる。しかし、これらのものは、焼鈍炉を密閉したり、浸炭室、拡散室等を炉扉で仕切り、処理品をバッチで送る間歇式であり、鋼線のような線材を塊状で扱うので、線材の位置、重ね方等により、昇温ばらつきや、浸炭ばらつきが避けられず、また、生産性も劣る等の問題があった。

本発明の課題は前述した問題点に鑑みて、金属線材の浸炭において処理品の表面欠陥が少なく浸炭ばらつきが小さく、また、浸炭ガス消費量が少なく、消費エネルギーの低減、二酸化炭素等の排出量の低減可能な、金属線材の連続真空浸炭装置を提供することである。

本発明においては、金属線材が通過可能にされ浸炭ガスを供給可能にされた枝管を有し、両端が開放した第一の炉心管と、前記第一の炉心管を外部から加熱する第一の加熱装置と、前記第一の加熱装置の外側に設けられた第一の断熱材と、からなる浸炭帯と、前記浸炭帯の第一の炉心管の出口とは離隔して設けられ、前記浸炭帯より送出される前記金属線材が通過可能にされ不活性ガスを供給可能にされた枝管を有し、両端が開放した第二の炉心管と、前記第二の炉心管を外部から加熱する第二の加熱装置と、前記第二の加熱装置の外側に設けられた第二の断熱材と、からなる拡散帯と、前記浸炭帯と前記拡散帯とを前記金属線材が順次通過可能に同室内に配設された真空室と、を有する金属線材の連続真空浸炭装置を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、第一の炉心管は回りにヒータが取付られており、炉心管の長さを適当に設定することにより、昇温もを兼ねることができる。また、枝管より浸炭ガスを供給することにより、炉心管を通過する線材の浸炭を行う。また、第二の炉心管の回りにはヒータが取付れられており、温度調整でき、また、枝管より窒素のような不活性ガスを供給できるので炉心管を通過する第一の炉心管で表面に炭素が浸炭された線材の内部への浸炭の拡散が行える。さらに、第二の炉心管の長さやヒータ位置を適宜に配置することにより拡散時間を調節し、さらには冷却帯とすることができる。また、第一、第二の炉心管の両端を開放し、互いに離隔させ、一つの真空室内に設けているので、炉心管の両端から排出される第一の炉心管の浸炭ガス、第二の炉心管の不活性ガスが互いに炉心管内で混合したりすることがない。さらに、第一及び第二の炉心管を一つの真空室に設けたので、空気の混入等による酸化がなく、炉心管にガスシールや真空シールを設ける必要がなく、ガス制御も容易である。

線の太さや、浸炭濃度により、一回の浸炭、拡散の後、さらに浸炭及び拡散を繰り返してもよい。そこで、請求項２に記載の発明においては、前記第一及び第二の炉心管を一組として、互いに離隔して複数設けられ、前記金属線材が順次通過可能に前記真空室内に配設されている金属線材の連続真空浸炭装置とした。

真空室への金属線材の出入りにあたっての真空室と外部との遮断にあたっては、真空室の金属線材の出入口に複数の干渉室を設け各室から排気を段階的に行う差動排気装置等により行うことができる。しかし、この差動排気装置は大きなものとなる。そこで、請求項３に記載の発明においては、金属線材を前記浸炭帯へ巻き出す巻き出しボビンと、前記拡散帯を経て送出される金属線材を巻き取る巻き取りボビンと、を備え、少なくとも前記巻き出し及び巻き取りボビンが前記真空室内に配設された金属線材の連続真空浸炭装置とした。

即ち、金属線材が巻き回されたボビンそのものを真空室内に設けるようにしたので、装置全体が一つの真空室内となり外部との遮断が容易に行え、密閉度も高いものとできる。なお、通過する線材の通過部をシールするのは困難であるが、固定部や回転軸等のシールは容易である。そこで、ボビンの回転検出のためのエンコーダや、ボビンの回転のための駆動モータ、テンションモータ等も併せて真空室内に設けても良いが、回転シール等を介して真空室外に設ける等してもよく、少なくとも金属線材が巻き回されたボビンが動作可能に真空室内にあればよい。また、真空室はいくつかの室から構成され、各室が互いに連通され同圧となるようにされた場合も含む。

なお、かかる金属線材の連続真空浸炭装置にあっては、効率的に処理するためには、できる限り一定の条件で処理するのが好ましい。そこで、請求項４に記載の発明においては前記金属線材を一定速度で通過できるようにされた金属線材の連続真空浸炭装置とした。

本発明においては、真空室内に第一、第二の炉心管を離隔して配置し、第一の炉心管で昇温、浸炭を行い、第二の炉心管で拡散、さらには冷却を行い、空気の混入等による酸化がなく、炉心管にガスシールや真空シールを設ける必要がなく、ガス制御も容易なものとしたので、処理品の表面欠陥が少なく浸炭ばらつきが小さく、また、浸炭ガス消費量が少なく、消費エネルギーの低減、二酸化炭素等の排出量の低減可能な、また、酸化損耗しない金属線材の連続真空浸炭装置を提供するものとなった。さらに、かかる浸炭では、表面ばかりでなく芯部への浸炭も可能であり、低炭素鋼の細線を芯部まで浸炭し、高炭素鋼の細線を得ることができ、ドットピンやプローブ等の強靱で極細の線材の生産に有用である。

また、請求項２に記載の発明においては、第一及び第二の炉心管を一組として、複数設けることにより、種々の浸炭を可能とする。また、請求項３に記載の発明においては、金属線材用ボビンを真空室内に配設するようにしたので、ガス浸炭やプラズマ浸炭のような通過する線材の通過部をシールするための複雑なシール構造が不要であり、さらには、酸化がなく、また、シールとの接触傷の発生も等もなく良質な浸炭を確保できるものとなる。また、請求項４に記載の発明においては金属線材を一定速度で通過できるようにしたので、炉心管の長さや、供給ガスの量の調整により金属線材の連続真空浸炭を容易にすることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態を示す金属線材の連続真空浸炭装置の模式図である。図１に示すように、本発明の金属線材の連続真空浸炭装置１は、真空室２内に、金属線材３を巻き出す巻き出しボビン４と、巻きだしボビンから巻き出された金属線材が内部を通過するようにされた第一の炉心管１０及び第二の炉心管２０と、金属線材を巻き取る巻き取りボビン５が順次配設されている。第一の炉心管１０のほぼ中央に枝管１１が取り付けられ、真空室２の外部の浸炭ガス供給装置１２に接続され、浸炭ガス（エチレン、アセチレン、プロパン等の不飽和炭化水素ガスや飽和炭化水素ガス等が好ましい）が供給可能にされている。第一の炉心管１０の回りには電気ヒータ等の加熱装置１３が設けられ第一の炉心管を例えば８００〜１０５０℃の範囲で調節可能にされている。また、第二の炉心管２０のほぼ中央に枝管２１が取り付けられ、真空室２の外部の不活性ガス供給装置２２に接続され、不活性ガス（窒素、ヘリウム、アルゴンガス等が好ましい）が供給可能にされている。

第二の炉心管２０の回りには電気ヒータ等の加熱装置２３が設けられ第二の炉心管を第一の炉心管と同様に加熱調整可能にされている。第一の炉心管１０の出口１０ｂと第二の炉心管２０の入り口２０ａとは少なくとも、管の口径以上離隔（口径の数倍が好ましい）しており、炉心管からでてくるガスが真空室２内に拡散するようにされている。第一、第二の炉心管及び加熱ヒータを回りに、真空室２内の全体に渡って断熱材が配置されている。断熱材は金属線材３の通過部付近を除く第一の炉心管及び加熱ヒータと巻き出しボビン４との間の断熱材６ａ、第一の加熱装置回りの第一の断熱材１６、第二の加熱装置回りの第二の断熱材２６、第一及び第二の断熱材間の断熱材６ｃ、金属線材の通過部付近を除く第二の炉心管及び加熱ヒータと巻き取りボビン５との間の断熱材６ｂとから構成される。第一の炉心管１０、枝管１１、第一の加熱装置１３、第一の断熱材１６で浸炭帯１７を構成し、第二の炉心管２０、枝管２１、第二の加熱装置２３、第二の断熱材２６で拡散帯２７を構成する。

真空室２に接続された排出管７は、真空室外に設けられた排気制御バルブ、ロータリー真空ポンプに接続され、真空室内の圧力を所定真空の圧力に維持するようにされている。また、メンテナンス時等に大気圧と同圧にするために真空室内に窒素ガス等の不活性ガスや空気を供給するガス・空気導入管８が設けられている。巻き出しボビン４には金属線材にテンションを与えるために定テンション装置に接続されている。また、巻き取りボビン５には図示しない巻き取り用サーボモータが取り付けられ金属線材が一定速度で炉心管内を通過するように制御されている。巻き出し、巻き取りボビン４，５は真空室２内に設けられているが、加熱装置１３，２３とは断熱材６ａ，６ｂで仕切られているので、高温にはならないようにされている。９，９は補助ローラである。

かかる金属線材の連続真空浸炭装置においては、真空室内のガス・空気等を排出管７から排出させるために真空室２内の圧力を１０Ｐａ程度に制御する。第一、第二の炉心管１０，２０は加熱装置１３，２３により例えば９３０℃に加熱される。加熱完了後に第一の炉心管１０の枝管１１から所望のエチレン等の浸炭ガスを供給し、第一の炉心管内が浸炭ガスで満たされるように調整する。また、第二の炉心管２０の枝管２１から窒素ガスを供給し、第二の炉心管内が窒素ガスで満たされるように調整する。次に、巻き取りボビン５により巻き取られながら、巻き出しボビン４から繰り出される例えば低炭素含有の直径で０．０２〜３．０ｍｍの細線である金属線材３が第一の炉心管１０内に導かれる。

第一の炉心管１０の入り口１０ａ近傍では浸炭ガス中で、昇温工程となり、金属線材３は炉心管内を進み、第一の炉心管１０内で徐々に浸炭され、出口１０ｂに達する。さらに、第二の炉心管２０の入り口より第二の炉心管内を通過する。第二の炉心管は不活性ガスである窒素で満たされているので、金属線材はガスと反応することなく金属線の内部で炭素の拡散が行われる。第二の炉心管及び断熱材６ｂを通過すると、金属線材は冷却され拡散を終了し、冷却され巻き取りボビンに巻き取られ浸炭が完了する。浸炭帯、拡散帯でのシールがなく、また、真空中の浸炭が行えるので、浸炭ばらつきや、表面酸化や粒界酸化がなく、また、傷等もなく良好な品質の浸炭が可能である。なお、金属線材３の通過部付近を除く第一と第二の炉心管との間に断熱材を設け、それぞれの加熱温度を別々の温度に設定できるようにしてもよい。ボビン４，５は真空室２に設けられた密閉扉２ａ，２ｂより出し入れされる。

図２は本発明の第二の実施の形態を示す金属線材の連続真空浸炭装置の模式図である。本発明の第二の実実施の形態は、拡散帯を２カ所設けたものであり、図１に示した第二の炉心管２０、枝管２１、加熱装置２３、断熱材２６、と同じ、第三の炉心管３０、枝管３１，加熱装置３３、断熱材３６が設けられている。なお、図１と同様な部分については、同符号を付し説明の一部を省略する。図２のものは、さらに、第二の炉心管と第三の炉心管等の間に金属線材３の通過部付近を除く断熱材６ｄが設けられている。図２に示すものは、浸炭時間より拡散時間を多く必要とする場合に適している。この場合、拡散時間が短くてもよい時は、後半の加熱装置を使用せずに温度を低下させておけばよい。

図３は本発明の第三の実施の形態を示す金属線材の連続真空浸炭装置の模式図である。第三の実施の形態は、浸炭及び拡散を２回繰り返すようにしたものである。図１と同様な主要部分について、同符号を付し説明を省略する。このものは、浸炭拡散を２回行えるので、一回の浸炭深さでは浸炭しにくい材料等の浸炭に適している。

本発明の実施の形態を示す金属線材の連続真空浸炭装置の模式図である。 本発明の第二の実施の形態を示す金属線材の連続真空浸炭装置の模式図である 本発明の第三の実施の形態を示す金属線材の連続真空浸炭装置の模式図である。

符号の説明

１ 金属線材の連続真空浸炭装置。
２ 真空室
３ 金属線材
４ 巻き出しボビン
５ 巻き取りボビン
１０ 第一の炉心管
１１ 枝管
１３ 第一の加熱装置
１６ 第一の断熱材
１７ 浸炭帯
２０ 第二の炉心管
２１ 枝管
２３ 第二の加熱装置
２６ 第二の断熱材
２７ 拡散帯

Claims (4)

1. 金属線材が通過可能にされ浸炭ガスを供給可能にされた枝管を有し、両端が開放した第一の炉心管と、前記第一の炉心管を外部から加熱する第一の加熱装置と、前記第一の加熱装置の外側に設けられた第一の断熱材と、からなる浸炭帯と、前記浸炭帯の第一の炉心管の出口とは離隔して設けられ、前記浸炭帯より送出される前記金属線材が通過可能にされ不活性ガスを供給可能にされた枝管を有し、両端が開放した第二の炉心管と、前記第二の炉心管を外部から加熱する第二の加熱装置と、前記第二の加熱装置の外側に設けられた第二の断熱材と、からなる拡散帯と、前記浸炭帯と前記拡散帯とを前記金属線材が順次通過可能に同室内に配設された真空室と、を有することを特徴とする金属線材の連続真空浸炭装置。
2. 前記第一及び第二の炉心管を一組として、互いに離隔して複数設けられ、前記金属線材が順次通過可能に前記真空室内に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の金属線材の連続真空浸炭装置。
3. 金属線材を前記浸炭帯へ巻き出す巻き出しボビンと、前記拡散帯を経て送出される金属線材を巻き取る巻き取りボビンと、を備え、少なくとも前記巻き出し及び巻き取りボビンが前記真空室内に配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の金属線材の連続真空浸炭装置。
4. 前記金属線材を一定速度で通過できるようにされていることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の金属線材の連続真空浸炭装置。
   

Images