JP4916545B2

JP4916545B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP4916545B2
Application number: JP2009289367A
Authority: JP
Inventors: 良幸藤田; 英人藤田; 良治藤野
Original assignee: エジソンハード株式会社
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: JP2011127214A

Description

本発明は、熱処理対象物を焼き入れ処理等するための熱処理装置に関する。

金型等の鉄鋼製品や部品、材料を熱処理する装置として、真空熱処理炉が公知である。この種の熱処理炉では、炉内を真空引きした状態で熱処理対象物を所定時間加熱した後、低温の不活性冷却ガスを充填してファンで攪拌しながら急冷処理することが通例となっている。

焼き入れ処理において、熱処理対象物の全体を均等に冷却できないと、各部の焼き入れ結果に差が出る。即ち、各部位のオーステナイト組織からマルテンサイト組織への変態の時間差による膨張の時間差が発生し、伸び、反り、曲がり等の焼き入れ変形を引き起こす。極端な場合には、焼き割れにまで発展する。質量の差の大きい凹凸形状、シャープエッジを持つ形状、直径の異なる多数の孔のある形状の熱処理対象物の冷却処理においては、冷却ガスが抵抗の少ない流れやすい方向、場所に多く流れるので、部位によって膨張の時間遅れが発生し、焼き入れ変形の原因となる。

近時では、複雑な形状の対象物をガス冷却するにあたり、炉内に注入する冷却ガスの圧力を１ＭＰａないし３ＭＰａの超高圧に引き上げることで、熱処理対象物全体の温度降下を均一化しようと図っている。しかしながら、莫大な量のガスを消費することになるし、炉胴の耐圧性能の向上も必須となる。これらランニングコスト及び設備コストの増大は、熱処理コストの高騰に直結する。加えて、超高圧雰囲気中でファンを回転駆動できるほどの巨大出力を発揮する原動機を用いなければならないという問題もある。

出願人は、ファンの駆動源として大出力のディーゼルエンジンを採択し、ガス冷却処理を実施している（下記特許文献を参照）。このものは、常に大形の熱処理対象物を処理するような専用的な用途に威力を発揮している。だが、熱処理を施すべき対象物の大きさや個数は毎度異なる。例えば、５０ｋｇの八個の対象物を処理するケースと、４００ｋｇの一個の対象物を処理するケースとでは、必要な冷却ガス圧力、ファン出力が異なってくる。大出力エンジンを用いてファンを駆動する現用炉は、小物を比較的少量処理するためには非効率であり、多様な対象物に対応する汎用性、多目的性の面では課題がある。

一方で、熱処理対象物の一である大形金型は、今後とも工業製品製造上の重要なツールであり、その熱処理技術及び設備を疎かにすることはできない。とは言え、大形熱処理設備に必須の大出力原動機の調達は困難さを増しており、その運用上の制約も多い。

実用新案登録第３１２５１３８号公報

以上に鑑みてなされた本発明は、巨大出力の原動機を用いることなしに、攪拌ファンを高速回転駆動して熱処理対象物を好適にガス冷却できる熱処理装置を提供せんとするものである。

本発明は、今後の世界的趨勢として益々その重要性が予見される、大形精密金型等に対する信頼性の高い熱処理を、コストや危険性の増長を回避しつつ実現する画期的な冷却設備並びに冷却プロセスを提供する。

本発明に係る熱処理装置は、熱処理対象物を加熱後、冷却用のガスを吹き当てて冷却（主として焼き入れ）するものであり、基本構成として、熱処理対象物が搬入される冷却室と、充填された冷却ガスを吸引し吐出することで攪拌するファンと、ファン軸に回転駆動力を供給する複数個の原動機とを具備する。

即ち、一個の大出力原動機を以てファンを回転駆動するのではなく、複数個の原動機が各々出力する駆動力を同一のファン軸に伝達してファンを回転駆動するようにしたのである。本発明によれば、比較的容易に入手できる現実的な出力の原動機を複数個組み合わせて全体で大出力を達成でき、攪拌ファンを高速で回転させて冷却室内を流動する冷却ガスの流速（風速）を効果的に高めることが可能となる。室内に導入するガスを超高圧化（多量化）せずとも、室内を流動するガスの流速を十分に高められれば、熱処理対象物の凹形状部分にも冷却ガスの風が当たりやすくなり、熱処理対象物全体の温度降下を均一化させることができる。

鉄鋼金型等の焼き入れ処理では、鉄鋼金型等を９４０℃ないし１０５０℃まで加熱し、これをＭｓ点（マルテンサイト生成温度）付近まで急速冷却し、しかる後緩やかに冷ます。急冷期間においては、ファンの回転速度ひいては冷却ガスの流速をできるだけ高める必要があり、ファン軸に供給される回転駆動力も大きいことが望ましい。他方、緩冷期間においては、先の急冷期間ほどには冷却ガスの流速が必要でなく、ファン軸に供給される回転駆動力も小さくてよい。熱処理装置が、前記複数個の原動機のうちの一部のみを駆動力供給源として運転している状態と、全部を駆動力供給源として運転している状態とを選択的にとり得るものであれば、急冷期間において全部の原動機を運転し、緩冷期間において一部の原動機を運転するようにして、所望の冶金的効果を獲得しながら原動機の消費エネルギを抑制することが可能となる。また、小形の熱処理対象物を処理するケースでも、一部の原動機のみを運転して必要なファン出力を確保できるので、効率的となる。

熱処理対象物から熱量を奪い昇温した冷却ガスを前記冷却室から吸出す還流口と、還流口の開度を調節する調節機構とをさらに具備し、全部の原動機を運転する時期には前記還流口を比較的大きく開くとともに、その後一部の原動機のみを運転する時期には前記還流口の開度を絞り込み前記冷却室内のガス圧力を増圧するものとすることも好ましい。

本発明によれば、巨大出力の原動機を用いることなく、攪拌ファンを強力かつ高速回転駆動して熱処理対象物を好適にガス冷却できる熱処理装置が実現する。

本発明の一実施形態における熱処理装置を示す側断面図。同実施形態の熱処理装置を示す正断面図。同実施形態における攪拌ファン及びファンの駆動源となる原動機を示す部分平面図。図３に対応したスケルトン図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の熱処理装置は、真空状態で熱処理対象物を加熱した後、冷却用のガスを充填し攪拌して急冷処理する真空熱処理炉である。

はじめに、ファン５の駆動源を除く、本熱処理装置の基本構成を述べる。図１及び図２に示すように、本熱処理装置は、熱処理対象物を加熱する加熱室２が、熱処理対象物を冷却する冷却室を兼ねている一室型のものである。具体的には、熱処理装置の外殻となる炉胴１内に略箱体状または略円筒状をなす処理室筐体２を配し、この処理室筐体２により炉胴１内の一部空間を加熱室及び冷却室として区画している。

炉胴１には、真空排気系３、ガス導入系４、ファン５及び熱交換器６を設けている。真空排気系３は、炉胴１内を真空排気するものであり、例えば拡散ポンプ、メカニカルブースタポンプや油回転真空ポンプ等を直列に連結してなる。ガス導入系４は、熱処理対象物をガス冷却するための冷却ガス、例えばＮ₂等の不活性ガスをガスボンベから炉胴１内に送り込むものである。真空排気系３、ガス導入系４はそれぞれ、バルブを介して断接切替可能に炉胴１に接続する。

冷却ガスを攪拌するファン５は、炉胴１内に充填された冷却ガスをスラスト方向に吸引しラジアル方向に送風するターボファンである。ファン５は、炉胴１の後端側に存在し、そのファン軸を炉胴１を貫通して外方に突出させている。ファン軸が炉胴１を貫通する部位には、真空シールを施す。熱交換器６は、ファン５の直近にあって、ファン５に吸引される冷却ガスを冷ます。

炉胴１の前端側は熱処理対象物の搬出入口とし、その搬出入口に開閉扉１１を設けてある。

処理室２は、耐熱用のグラファイト材、断熱材により囲まれている。処理室２は、前端側が開閉扉１１に追従して開閉可能な蓋２１、後端側が開閉不能の隔壁２２となっている。そして、その室２内にヒータ７を設置している。ヒータ７は、熱処理対象物を所要温度に加熱可能な例えばグラファイトヒータ等であって、処理室２内に搬入された熱処理対象物を取り巻く位置に配置する。

処理室２の上下壁には、処理室２内にある熱処理対象物に冷却ガスを吹き当てる吹出口として、多数のノズル２３を設けている。また、処理室２の前後の隔壁２２及び蓋２１には、熱処理対象物から熱量を奪い昇温した冷却ガスを吸出す還流口２４を設けている。還流口２４は、幅方向に長尺なスロット孔である。

処理室２の周囲（図示例では、開閉扉１１を含む炉胴１）には、冷却液を流通させる冷却液ジャケット１２を付設している。冷却水ジャケット１２は、加熱時に処理室２から発される輻射熱等を吸収するとともに、ガス冷却時に冷却ガスの摩擦に伴う昇温を抑制する。

処理室２の外周と炉胴１の内周との間には間隙が介在しており、この間隙に冷却ガスの流路が設定される。即ち、回転するファン５から吐出された冷却ガスは、処理室２の上下壁と炉胴１との間を通過し、上下のノズル２３を介して処理室２内に吹出す。処理室２内に吹出した冷却ガスは、複数方向（図示例では、前後）の還流口２４を介して処理室２外に吸い出される。隔壁２２に設けた（後端側の）還流口２４を経由する冷却ガスは、そのまま熱交換器６を通過してファン５に吸い込まれる。蓋２１に設けた（前端側の）還流口２４を経由する冷却ガスは、処理室２の左右側壁と炉胴１との間を通過して熱交換器６近傍に至り、ファン５に吸い込まれる。

しかして、冷却ガスの還流口２４に、その開度を調節する調節機構８を付帯させている。調節機構８は、昇降動作を通じて還流口２４を開閉するシャッタ８１と、シャッタ８１を駆動するアクチュエータ８２とを要素とする。この調節機構８は、還流口２４の開口面積（の総和）を前記吹出口２３の開口面積（の総和）以下に絞ることができる。つまり、還流口２４の開口面積が吹出口２３の開口面積よりも大の状態と、吹出口２３の開口面積よりも小の状態とを選択的にとり得る。シャッタ８１を上昇させて還流口２４を全開したとき、複数の還流口２４の開口面積の総和は、複数のノズル２３の開口面積の総和の３００％（ないし２００％）となる。シャッタ８１を下降させれば、還流口２４の開度を絞ることができる。限界まで絞ったときには、複数の還流口２４の開口面積の総和が、複数のノズル２３の開口面積の総和の１０％（ないし２０％、ないし３０％）となる。

この開度調節機構８の機能により、熱処理対象物の形状、単体質量、部位による質量の差異の状況等に対応した冷却ガスの挙動、即ち熱処理対象物に吹き当てるガス量、ガス流速、ガス圧力、ガス流方向等を一定限度内で制御できる。

続いて、ファン５の駆動源について述べる。図３及び図４に示すように、本熱処理装置では、炉外に設置した複数個の原動機９１、９２、９３をファン軸に機械的に接続せしめ、各原動機９１、９２、９３が出力する回転駆動力を同ファン軸に供給してファン５を回転駆動する。原動機９１、９２、９３は、炉胴１とは別に構築した架台に載置して支持させる。各原動機９１、９２、９３は、それぞれ電動モータとする。電動モータ９１、９２、９３としては、例えば自動車用のバッテリモータを採用することができる。原動機９１、９２、９３の電源とヒータの電源とは、別系統とする。各原動機９１、９２、９３の出力の総和は、ヒータ７に給電する電源出力の数倍の大きさに達し得る。

図３及び図４には、三個の原動機９１、９２、９３を示している。これは、駆動源となる原動機の個数が三個に限定されることを意味するものではなく、二個の原動機を使用、または四個以上の原動機を使用してファン５を駆動することも当然に可能である。各原動機９１、９２、９３の出力軸は、ファン軸を中心として略対称に位置する。原動機を三個以上用いる場合にあっては、各原動機の出力軸を、ファン軸の周囲に、その軸心周りに略等角度間隔で配置することができる。

原動機９１の出力軸は、断接切換可能なクラッチ（液圧クラッチ、電磁クラッチ等）９１１を介して、歯車９１２に接続する。この歯車９１２は、直接にまたは他の機械要素を介して間接に、ファン軸に取り付けた歯車５１に噛合する。原動機９２の出力軸は、断接切換可能なクラッチ９２１を介して、歯車９２２に接続する。この歯車９２２は、直接にまたは他の機械要素を介して間接に、ファン軸に取り付けた歯車５１に噛合する。そして、原動機９３の出力軸もまた、断接切換可能なクラッチ９３１を介して、歯車９３２に接続する。この歯車９３２は、直接にまたは他の機械要素を介して間接に、ファン軸に取り付けた歯車５１に噛合する。

本熱処理装置によるガス冷却（焼き入れ）処理のプロセスの一例を示す。熱処理対象物を処理室２の内に搬入し、蓋２１及び開閉扉１１を閉止して真空排気し、ヒータ７に通電して熱処理対象物を加熱する。加熱完了後、ヒータ７への通電を遮断するとともに、クラッチ９１１をつないで原動機９１が出力する回転駆動力をファン軸に伝達しファン５を回転させる。真空中のファン起動であるから負荷が小さく、ファン５の回転速度は直ちに所要の回転数に達する。故に、ファン起動時に全ての原動機９１、９２、９３を運転する必要はない。運転しない原動機９２、９３とファン軸との間のクラッチ９２１、９３１は、切り離しておく。

次に、ガス導入系４より炉胴１内に冷却ガスを導入、充填し、これをファン５で攪拌して循環させながら熱処理対象物を急冷する。ガス冷却は、複数段階に分けて行うことができる。例えば、冷却ガス圧力が比較的低圧の状況下で所定温度まで冷却する第一段階では、全ての原動機９１、９２、９３は運転せず、一部の原動機９１、９２のクラッチ９１１、９２１をつないでこれら原動機９１、９２からの回転駆動力をファン５に伝達する。その後、冷却ガスを追加注入してガス圧力を高めた状況下で急冷する第二段階では、全ての原動機９１、９２、９３のクラッチ９１１、９２１、９３１をつないで全原動機９１、９２、９３からの回転駆動力をファン５に伝達する。

あるいは、熱処理対象物の形状、寸法、質量、個数や総重量等に応じ、適宜量だけ処理室２の還流口２４の開度を調節するようにしてもよい。例えば、各部の質量の差が大きい、または冷却ガスが当たりにくい凹穴や孔を有する熱処理対象物の冷却処理では、温度降下が早い部位、即ち冷却ガスの流れが当たりやすい部位や質量の小さい部位の温度を（炉胴１に設けた観測窓を介しての輻射測温法、火色の目測判定、または検体による直接測温法等を以て）捕捉し、当該部位がＭｓ点に近づくまでの間は、還流口２４の開度を比較的大きく開くとともに全原動機９１、９２、９３を使用してファン５を高速回転駆動し、処理室２内を流動する冷却ガスの流速を高く保つ。当該部位の温度がＭｓ点近くまで低下した暁には、一部の原動機９３（及び／または、９２）とファン軸との間にあるクラッチ９３１（及び／または、９２１）を切り離し、原動機９３（及び／または、９２）の運転を停止する。同時に、還流口２４の開度を絞り込む。すると、冷却ガスの流速が落ちるとともに、処理室２内のみガス圧力が増圧されるので、温度降下が早い部位の冷却が遅れ、温度降下が遅い部位の冷却がこれに追いつく。ひいては、対象物全体の温度降下が略均一となる。このようにして、比較的質量の小さい部位、大きい部位共々マルテンサイト変態を行わせる。

冷却が完了したら、全原動機９１、９２、９３の運転を停止する。そして、炉胴１内を大気圧まで下げ、熱処理対象物を搬出する。

本実施形態によれば、熱処理対象物が搬入される処理室（冷却室）２と、充填された冷却ガスを吸引し吐出することで攪拌するファン５と、ファン軸に回転駆動力を供給する複数個の原動機９１、９２、９３とを具備する熱処理装置を構成したため、比較的容易に入手できる現実的な出力の原動機９１、９２、９３を複数個組み合わせて攪拌ファン５を高速で回転させ、冷却室内を流動する冷却ガスの流速を効果的に高めることが可能である。処理室２内に導入するガスを超高圧化（多量化）せずとも、処理室２内を流動するガスの流速を十分に高められるので、熱処理対象物の凹形状部分にも冷却ガスの風が当たりやすくなり、熱処理対象物全体の温度降下を均一化せしめることができる。

熱処理装置が、前記複数個の原動機９１、９２、９３のうちの一部のみを駆動力供給源として運転している状態と、全部を駆動力供給源として運転している状態とを選択的にとり得るものであることから、急冷期間において全部の原動機９１、９２、９３を運転し、緩冷期間において一部の原動機９１（及び／または、９２）を運転するようにして、所望の冶金的効果を獲得しながら原動機９１、９２、９３の消費エネルギを抑制することが可能となる。小形の熱処理対象物を処理するケースでも、一部の原動機９１（及び／または、９２）のみを運転して必要なファン出力を確保できるので、効率的となる。

前記複数個の原動機９１、９２、９３がそれぞれ電動モータであるため、エンジンを採用する場合と比して速度制御その他の取り扱いが容易となる。さらに、原動機９１、９２、９３がバッテリモータであれば、電力需要の比較的少ない夜間等にバッテリを充電して運用することができ、電力負荷平準化に資する。通常のモータである場合には、大掛かりな送受電設備も不要となり、合理化される。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。列挙すると、原動機とファン軸との間に介在する駆動力伝達機構は、図４に示しているような態様のものには限定されない。差動歯車または遊星歯車を用いて各原動機の出力軸をファン軸に接続するようにしてもよいし、巻掛伝動機構を用いて各原動機の出力軸をファン軸に接続するようにしてもよい。

各原動機の出力軸同士を、巻掛伝動機構（タイミングベルトまたはチェーン）等を介して回転同期させるようにしても構わない。

全部の原動機が電動モータであるとも限られない。一部を電動モータとし、残りを実用的な小形のディーゼルエンジンやタービンエンジン等の熱機関としてもよい。あるいは、全部の原動機を熱機関としてもよい。

上記実施形態では、一つの還流口に対して一枚のシャッタを設けていたが、一つの還流口に対して複数枚のシャッタを設けてもよい。例えば、互いに独立に昇降動作可能なシャッタを上下に対向配置すれば、還流口の開度のみならず、還流口の開通部分の高さ位置をも調節できるようになる。

上記実施形態では、処理室筐体に設けた還流口の開度を調節機構により調節するようにしていたが、処理室筐体には常に全開したガスの流出口を設けておき、その流出口とファンとの間に開度調節機構を伴う還流口を別途設ける態様もとり得る。

熱処理対象物の冷却に使用するガスは、Ｎ₂等の不活性ガスに限定されない。空気等であってもよい。

処理室筐体が断熱材でない場合、その室外、筐体の周囲にヒータを設置することができる。筐体外にヒータを設置する場合、炉胴に断熱材を実装する。

また、上記実施形態では加熱室が冷却室を兼ねる一室型の熱処理装置としていたが、加熱室と冷却室とを別々に設けた二室型の熱処理装置としてもよい。

さらには、ヒータを設置せず、加熱した熱処理対象物を搬入して冷却する冷却処理専用の装置としても構わない。

その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、金型等の鉄鋼製品や部品、材料を熱処理する装置として利用することができる。

２…冷却室
２３…吹出口
２４…還流口
５…ファン
８…調節機構
９１、９２、９３…原動機
９２１、９２２、９３２…クラッチ

Claims

冷却用のガスを充填して熱処理対象物を冷却する熱処理装置であって、
熱処理対象物が搬入される冷却室と、
充填された冷却ガスを吸引し吐出することで攪拌するファンと、
同一のファン軸に回転駆動力を供給する複数個の原動機と
を具備し、
複数個の原動機が出力する駆動力を一つのファン軸に入力して複数個の原動機により一つのファンを駆動し得るものであり、
前記複数個の原動機のうちの一部のみを駆動力供給源として運転している状態と、全部を駆動力供給源として運転している状態とを選択的にとり得るものであって、
熱処理対象物の緩冷期間または小形の熱処理対象物を処理する場合において前記複数個の原動機のうちの一部のみを駆動力供給源として運転し、熱処理対象物の急冷期間または大形の熱処理対象物を処理する場合において前記複数個の原動機の全部を駆動力供給源として運転する熱処理装置。
熱処理対象物から熱量を奪い昇温した冷却ガスを前記冷却室から吸出す還流口と、還流口の開度を調節する調節機構とをさらに具備し、
全部の原動機を運転する時期には前記還流口を比較的大きく開くとともに、その後一部の原動機のみを運転する時期には前記還流口の開度を絞り込み前記冷却室内のガス圧力を増圧する請求項１記載の熱処理装置。