JP4544537B2 - 浸炭装置および浸炭方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車工業や機械工業において用いられる鋼製部品の浸炭を行うのに適した装置および方法に関する。

浸炭装置において処理対象物を誘導加熱する場合、処理対象物を浸炭温度まで迅速に昇温するためには、誘導加熱用コイルに定格出力容量の大きな電源を接続する必要がある。特に、浸炭時間を短縮するために浸炭温度を高くするには電源容量を大きくする必要がある。しかし、定格出力容量の大きな電源は高価で大型であるため、処理量を増大するためにコイル数を増やすと電源数と設置スペースが増大し、浸炭装置の製造や設置に要するコストが増大する。

そこで、予熱室において処理対象物を浸炭温度に昇温させ、複数の浸炭室において処理対象物を誘導加熱により浸炭温度に保持し、しかる後に浸炭を行う浸炭装置を用いることが考えられる（特許文献１参照）。これにより、複数の処理対象物を連続的に処理することで浸炭時間の短縮を図ることができる。
特開平１０−５３８０９号公報

しかし、従来の浸炭装置においては、予熱室と各浸炭室との間を開閉する扉が設けられ、予熱室で浸炭温度まで昇温された処理対象物を浸炭室に搬入した後にその扉を閉鎖し、次に浸炭室に設定流量の浸炭雰囲気用ガスを流動させ、しかる後に浸炭室におけるコイルに通電することで処理対象物を加熱している。そうすると、処理対象物の予熱室での加熱終了から浸炭室での浸炭開始までの時間が長くなり、その間における処理対象物の温度低下が大きくなる。そのため、浸炭室において処理対象物を再び浸炭温度まで上昇させるのに長時間を要し、浸炭時間を十分に短縮できないという問題がある。

さらに、浸炭室での誘導加熱開始時に処理対象物が磁性を有する場合は、その処理対象物の温度がキュリー点未満になると、浸炭室におけるコイルへの通電時に処理対象物が磁力により跳ね上がるのを防止する機構が必要になる。そのような跳ね上がり防止機構を複数の浸炭室それぞれに設けると、装置の構造が複雑になって製造コストが増大するという問題がある。
本発明は、上記課題を解決することのできる浸炭装置および浸炭方法を提供することを目的とする。

本発明の浸炭装置は、浸炭処理用容器と、前記容器内に設けられる単一の昇温用コイルと、前記容器内に設けられる複数の均熱用コイルと、前記昇温用コイルに接続される昇温用電源と、前記均熱用コイルそれぞれに接続される複数の均熱用電源と、前記容器内において処理対象物を前記昇温用コイルによる誘導加熱位置から何れかの前記均熱用コイルによる誘導加熱位置に搬送する搬送機構と、前記処理対象物を前記均熱用コイルによる誘導加熱位置から前記容器の外部に搬出するために前記均熱用コイルと同数設けられる搬出装置とを備え、前記昇温用電源の定格出力容量は前記均熱用電源の定格出力容量よりも大きくされている。
本発明によれば、単一の昇温用電源と複数の均熱用電源を用いて同時に複数の処理対象物を高温の浸炭処理温度に維持する場合において、一つの容器内に単一の昇温用コイルと複数の均熱用コイルとが設けられるので、処理対象物の昇温用コイルによる誘導加熱位置から均熱用コイルによる誘導加熱位置までの搬送時間を短縮できる。よって、昇温用コイルによる誘導加熱終了から均熱用コイルによる誘導加熱開始までの時間を短縮でき、その間における処理対象物の温度低下を防止できる。これにより、電源コストを低減すると同時に、処理対象物の搬送を迅速に行って浸炭処理に要する時間を短縮できる。

前記容器内に供給される浸炭雰囲気用ガスの流量制御機構を備え、処理対象物の前記容器内への搬入から搬出までの間にわたり前記容器内で設定流量の浸炭雰囲気用ガスが常時流動するように、前記流量制御機構により浸炭雰囲気用ガスの流量が制御されるのが好ましい。これにより、一つの容器内で設定流量の浸炭雰囲気用ガスが常時流動するので、処理対象物の昇温用コイルによる誘導加熱開始から均熱用コイルによる誘導加熱終了まで容器内の浸炭雰囲気用ガスの濃度を所望の値に維持できる。よって、昇温用コイルによる誘導加熱終了から均熱用コイルによる誘導加熱開始までの時間を短縮でき、その間における処理対象物の温度低下を防止できる。これにより、電源コストを低減すると同時に、処理対象物の搬送を迅速に行って浸炭処理に要する時間を短縮できる。

本発明の浸炭方法によれば、本発明の浸炭装置により磁性材製の処理対象物を浸炭処理する際に、前記昇温用コイルにより磁性材製の処理対象物をキュリー点を超える浸炭温度に昇温し、しかる後に、前記昇温用コイルによる誘導加熱位置から前記均熱用コイルによる誘導加熱位置に搬送された処理対象物の温度がキュリー点未満になる前に、前記均熱用コイルへの通電を開始する。
本発明の浸炭装置を用いることで、昇温用コイルによる誘導加熱終了から均熱用コイルによる誘導加熱開始までの時間を短縮でき、その間における処理対象物の温度低下を防止できる。これにより、均熱用コイルへの通電開始時に磁性材製の処理対象物をキュリー点以上の温度に維持することができ、均熱用コイルによる誘導加熱の開始時に処理対象物が磁力により跳ね上がることはない。よって、均熱用コイルによる誘導加熱位置においては処理対象物の跳ね上がり防止機構は必要とされない。

本発明の浸炭装置および浸炭方法によれば、コストを低減し且つ浸炭処理時間を短縮できる。

本発明の実施形態の誘導加熱式ガス浸炭装置の構成説明用平断面図 本発明の実施形態の誘導加熱式ガス浸炭装置の構成説明用側断面図 一時的に加熱を停止された処理対象物の温度、時間、および加熱停止時間の間の関係を示す図 処理対象物を加熱した場合の温度、時間、重量、および加熱用電源の出力容量の関係を示す図

符号の説明

１ 誘導加熱式ガス浸炭装置
２ 容器
３ 昇温用コイル
４ 均熱用コイル
５ 昇温用電源
６ 均熱用電源
１０ 流量制御機構
１４ 搬送機構

図１、図２に示す誘導加熱式ガス浸炭装置１は円筒形の浸炭処理用容器２を備える。容器２の内部に単一の昇温用コイル３と、複数（本実施形態では１０）の均熱用コイル４とが設けられている。昇温用コイル３は昇温用電源５に接続され、各均熱用コイル４は均熱用電源６に接続される。昇温用電源５の定格出力容量は均熱用電源６の定格出力容量よりも大きくされる。昇温用電源５と均熱用電源６の定格出力容量は必要最小限とするのが好ましく、例えば、昇温用電源５の定格出力容量は１００ｋＷ、均熱用電源６の定格出力容量は１０ｋＷとされる。均熱用コイル４の数Ｎは、一つの処理対象物Ｗの処理に要する処理時間ｔと処理対象物Ｗの目標処理周期Ｔから、Ｎ≧ｔ／Ｔにより定めることができる。

ガス源７から供給される浸炭雰囲気用ガスが容器２内へ導入口８から供給され、排気口９から排気される。浸炭雰囲気は浸炭ガスと希釈ガスとから構成される。浸炭ガスや希釈ガスの種類は特に限定されない。例えば、浸炭ガスはメタンガスとされ、希釈ガスは窒素ガスとされる。浸炭雰囲気は浸炭ガスのみから構成してもよい。

容器２内に供給される浸炭雰囲気用ガスの流量制御機構１０が、ガス源７と導入口８との間に設けられる電磁流量制御弁１１と、流量制御弁１１に接続される制御装置１３により構成される。制御装置１３は、設定流量に応じて電磁流量制御弁１１を制御することで浸炭雰囲気用ガスの流量を制御し、これにより容器２内で設定流量の浸炭雰囲気用ガスを流動させ、浸炭雰囲気用ガスの濃度を所望値にすることが可能とされている。浸炭雰囲気用ガスが処理量と容器２の大きさに応じて、例えば５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流れ、浸炭雰囲気の全圧が例えば大気圧程度に保持される。

容器２内に、処理対象物Ｗを昇温用コイル３による誘導加熱位置から均熱用コイル４による誘導加熱位置に搬送する搬送機構１４が設けられている。搬送機構１４の設置態様や構造は特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、各コイル３、４の誘導加熱位置で処理対象物Ｗを支持する支持台３ａ、４ａを昇降させる昇降装置１４ａと、処理対象物Ｗを保持するフォークやロボットハンド等の保持装置１４ｂと、保持装置１４ｂを昇温用コイル３の周りの周回方向と横方向とに移動させる移動機構１４ｃとにより構成される。なお、昇温用コイル３の誘導加熱位置で処理対象物Ｗを支持する支持台３ａに、処理対象物Ｗの跳ね上がり防止機構（図示省略）が設けられている。その跳ね上がり防止機構は公知のものを用いることができる。

容器２の上面中央に一つの搬入装置２３が設けられ、容器２の下面周縁近傍に均熱用コイル４と同数の搬出装置２４が設けられている。
搬入装置２３は、筒状の本体２３ａ、本体２３ａの上部入口の開閉扉２３ｂ、本体２３ａの下部と容器２との接続口の開閉扉２３ｃ、本体２３ａ内で処理対象物Ｗを保持する保持装置２３ｄを有する。本体２３ａに上部入口から公知の図外外部搬送装置等により送り込まれる処理対象物Ｗが、保持装置２３ｄにより保持された後に、容器２から接続口を介して本体２３ａ内に上昇した支持台３ａにより支持され、支持台３ａの下降により昇温用コイル３による誘導加熱位置に位置される。
各搬出装置２４は、筒状の本体２４ａ、本体２４ａの下部出口の開閉扉２４ｂ、本体２４ａの上部と容器２との接続口の開閉扉２４ｃ、本体２４ａ内で処理対象物Ｗを保持する保持装置２４ｄを有する。支持台４ａの下降により均熱用コイル４による誘導加熱位置から接続口を介して本体２４ａに送り込まれた処理対象物Ｗは、保持装置２４ｄにより保持された後に、公知の図外外部搬送装置等により本体２４ａから出口を介して外部に送り出される。
搬入装置２３と各搬出装置２４の本体２３ａ、２４ａの内部はパージ機構（図示省略）によりパージ可能とされている。パージ機構は公知のものを用いることができ、例えば真空パージを行うものが採用される。
なお、搬入装置２３や搬出装置２４の位置は特に限定されず、例えば容器２の横位置に配置し、処理対象物Ｗを搬送機構１４により横方向移動させることで容器２内への搬入や容器２からの搬出を行うようにしてもよい。また、搬入装置２３や搬出装置２４の構造も特に限定されない。さらに、搬入装置２３の本体２３ａ内のパージ時間が昇温用コイル３による処理対象物Ｗの昇温時間より長い場合、搬入装置２３を複数設けてもよい。

上記浸炭装置１により磁性材製の処理対象物Ｗを浸炭処理する時、容器２の内部は予め設定した濃度の浸炭雰囲気用ガスで満たされる。そのため、処理対象物Ｗの容器２内への搬入から搬出までの間にわたり容器２内で設定流量の浸炭雰囲気用ガスが常時流動するように、流量制御機構１０により浸炭雰囲気用ガスの流量を制御する。しかる後に、開閉扉２３ｃの閉鎖状態で開閉扉２３ｂを開いて搬入装置２３の本体２３ａに処理対象物Ｗを送り込む。次に、開閉扉２３ｂを閉鎖し、保持装置２３ｄにより処理対象物Ｗを保持した状態で本体２３ａ内をパージする。例えば、真空パージや浸炭雰囲気用ガスによるガスパージを行う。真空パージを行った場合はパージ終了後に本体２３ａ内を容器２の内圧と同圧の浸炭雰囲気用ガスで充填して復圧する。次に、開閉扉２３ｃを開き、本体２３ａ内に上昇させた支持台３ａにより、保持装置２４ｄによる保持を解除された処理対象物Ｗを支持する。次に、支持台３ａを下降させ、開閉扉２３ｃを閉鎖し、処理対象物Ｗを容器２内に搬入する。開閉扉２３ｃを閉鎖したならば、本体２３ａ内をパージする。例えば、真空パージや窒素ガス等によるガスパージを行う。真空パージを行った場合はパージ終了後に本体２３ａ内を復圧して大気圧と同圧の窒素ガス等を充填する。しかる後に、次の処理対象物Ｗの搬入を同様に行う。容器２内に搬入した処理対象物Ｗを昇温用コイル３の誘導加熱位置に配置したならば、昇温用コイル３に通電することで磁性材製の処理対象物Ｗをキュリー点を超える所要浸炭温度まで誘導加熱する。その昇温用コイル３への通電時に処理対象物Ｗは跳ね上がり防止機構により支持台３ａに跳ね上がらないように固定される。浸炭温度まで加熱された処理対象物Ｗは、搬送機構１４により昇温用コイル３による誘導加熱位置から均熱用コイル４による誘導加熱位置に搬送される。例えば、支持台３ａを昇温用コイル３の上方に移動させ、跳ね上がり防止機構による固定を解除し、保持装置１４ｂにより支持台３ａ上の処理対象物Ｗを保持し、移動機構１４ｃにより何れかの均熱用コイル４の上方に位置する支持台４ａ上に処理対象物Ｗを配置し、保持装置１４ｂによる保持を解除された処理対象物Ｗを支持台４ａにより支持し、しかる後に支持台４ａを下降させることで処理対象物Ｗを均熱用コイル４による誘導加熱位置に位置させる。この搬送機構１４による搬送は可及的迅速に行うのが好ましく、例えば１５秒以下で行う。次に、磁性材製の処理対象物Ｗの温度がキュリー点未満になる前に、均熱用コイル４への通電を開始することで処理対象物Ｗを誘導加熱する。本実施形態では均熱用電源６から均熱用コイル４への出力を一定として温度制御は行なわないが、温度制御を行うようにしてもよい。均熱用コイル４により所望の浸炭温度で均熱された処理対象物Ｗの浸炭処理が終了したならば、搬出装置２４の開閉扉２４ｃを開き、容器２から本体２４ａに下降した支持台４ａにより支持された処理対象物Ｗを保持装置２４ｄにより保持する。次に、支持台４ａが容器２内に上昇したならば開閉扉２４ｃを閉鎖し、本体２４ａ内で処理対象物Ｗの冷却を行う。なお、本体２４ａ内で処理対象物Ｗの強制冷却を行う空冷式等の冷却装置を設けてもよい。次に、開閉扉２４ｂを開いて本体２４ａから処理対象物Ｗを外部に搬出する。

上記誘導加熱式ガス浸炭装置１によれば、単一の昇温用電源５と複数の均熱用電源６を用いて同時に複数の処理対象物Ｗを高温の浸炭処理温度に維持する場合において、一つの容器２内に単一の昇温用コイル３と複数の均熱用コイル４とが設けられると共に容器２内で設定流量の浸炭雰囲気用ガスが常時流動するので、処理対象物Ｗの昇温用コイル３による誘導加熱開始から均熱用コイル４による誘導加熱終了まで容器２内の浸炭雰囲気用ガスの濃度を所望の値に維持できる。よって、処理対象物の昇温用コイル３による誘導加熱位置から均熱用コイル４による誘導加熱位置までの搬送時間を短縮し、昇温用コイル３による誘導加熱終了から均熱用コイル４による誘導加熱開始までの時間を短縮でき、その間における処理対象物Ｗの温度低下を防止できる。これにより、電源コストを低減すると同時に、処理対象物Ｗの搬送を迅速に行って浸炭処理に要する時間を短縮できる。また、昇温用コイル３による誘導加熱終了から均熱用コイル４による誘導加熱開始までの間における処理対象物Ｗの温度低下を防止できるので、均熱用コイル４への通電開始時に磁性材製の処理対象物Ｗをキュリー点以上の温度に維持することができ、均熱用コイル４による誘導加熱の開始時に処理対象物Ｗが磁力により跳ね上がることはない。よって、均熱用コイル４による誘導加熱位置においては処理対象物Ｗの跳ね上がり防止機構は必要とされない。

図３は、処理対象物Ｗとしてスチール製の軸受用外輪（重量２００ｇ）を昇温用コイル３により誘導加熱し、処理対象物Ｗの温度が１３００℃に到達してから２５秒経過した後に、一定時間加熱を停止し、しかる後に一定出力の均熱用コイル４により加熱を開始した場合の処理対象物Ｗの温度と時間の関係を示す。その関係は加熱停止時間が５秒の場合は破線で示され、加熱停止時間が１５秒の場合は実線で示される。均熱用コイル４の出力は６．２ｋＷとした。図３より、昇温用コイル３による誘導加熱終了から均熱用コイル４による誘導加熱開始までの時間が短い程に、処理対象物Ｗの温度低下が少なく、当初加熱温度への復帰時間が短くなり、さらに、最終到達温度も高くなるので、浸炭時間を短縮できることを確認できる。

図４は、処理対象物Ｗとしてスチール製の軸受用外輪（重量２００ｇ）と歯車（重量４７０ｇ）を一定出力の均熱用コイル４によってのみ誘導加熱した場合の処理対象物Ｗの温度と時間の関係を示す。均熱用コイル４の出力を６．２ｋＷとした場合の軸受用外輪の温度と時間の関係は実線で示され、均熱用コイル４の出力を８．８ｋＷとした場合の歯車の温度と時間の関係は破線で示される。この場合、軸受用外輪と歯車の最終到達温度は共に略１３３０℃であり、到達に要する時間も共に略８分である。しかし、軸受用外輪の温度が１３００℃に到達する時間は略３．５分であるのに、歯車の温度が１３００℃に到達する時間は略６．５分である。よって、処理対象物Ｗの重量の影響を受けることなく浸炭時間を短縮するには、昇温用コイル３による誘導加熱終了から均熱用コイル４による誘導加熱開始までの搬送時間を可及的に短くし、その搬送時における処理対象物Ｗの温度低下を可及的に少なくするのが好ましい。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、昇温用コイル３および均熱用コイル４による誘導加熱位置において、支持台３ａ、４ａを上下方向軸中心に回転させる機構を設けて処理対象物Ｗを回転させ、処理対象物Ｗの品質の均一性を向上させてもよい。また、均熱用コイル４の周囲に浸炭雰囲気ガスを吹き出すことで雰囲気の均一化を図るための雰囲気調整ノズルを設けてもよい。さらに、容器２内における昇温用コイル３と均熱用コイル４のレイアウトは特に限定されない。

Claims (3)

1. 浸炭処理用容器と、
   前記容器内に設けられる単一の昇温用コイルと、
   前記容器内に設けられる複数の均熱用コイルと、
   前記昇温用コイルに接続される昇温用電源と、
   前記均熱用コイルそれぞれに接続される複数の均熱用電源と、
   前記容器内において処理対象物を前記昇温用コイルによる誘導加熱位置から何れかの前記均熱用コイルによる誘導加熱位置に搬送する搬送機構と、
   前記処理対象物を前記均熱用コイルによる誘導加熱位置から前記容器の外部に搬出するために前記均熱用コイルと同数設けられる搬出装置とを備え、
   前記昇温用電源の定格出力容量は前記均熱用電源の定格出力容量よりも大きくされている浸炭装置。
2. 前記容器内に供給される浸炭雰囲気用ガスの流量制御機構を備え、
   処理対象物の前記容器内への搬入から搬出までの間にわたり前記容器内で設定流量の浸炭雰囲気用ガスが常時流動するように、前記流量制御機構により浸炭雰囲気用ガスの流量が制御される請求項１に記載の浸炭装置。
3. 請求項１または２に記載の浸炭装置により磁性材製の処理対象物を浸炭処理する際に、前記昇温用コイルにより処理対象物をキュリー点を超える浸炭温度に昇温し、しかる後に、前記昇温用コイルによる誘導加熱位置から前記均熱用コイルによる誘導加熱位置に搬送された処理対象物の温度がキュリー点未満になる前に、前記均熱用コイルへの通電を開始する浸炭方法。

Images