JP4958725B2 - 熱処理装置 - Google Patents

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。

例えば金型等の鉄鋼製品、部品、材料を熱処理する装置として、真空熱処理炉（下記特許文献を参照）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（以下、対象物という）を所定時間加熱した後、低温の冷却ガスを導入しながらファンで攪拌したり、その対象物を油槽に投入したりして急冷処理することが通例となっている。

ガスによる冷却は、油浴冷却に比して冷却速度が緩く対象物の熱変形や割れを回避でき、対象物が油で汚れてしまわないといったメリットがある。
実用新案登録第３１２５１３８号公報 特許３５１６９０６号公報

加熱した対象物を焼き入れする際、対象物の全体を均等に冷却できないと、各部の焼き（オーステナイト組織からマルテンサイト組織への変態）の入り具合の差、つまりは寸法変化（マルテンサイト変態に伴う膨張）の時間差によって、焼き割れや焼き曲がりが発生する。

形状に凹凸のある対象物をガス焼き入れするとき、冷却ガスは抵抗の少ない流れやすい場所を多く流れるので、いきおい凹形状部分には冷却ガスが当たりにくくなる。結果、凹形状部分は他の部分よりも温度降下が遅れるため、焼き割れ等するリスクが高まる。

大きな凹穴や複数の孔を有する複雑な形状の対象物をガス冷却するにあたり、炉内のガス圧を１ＭＰａないし３ＭＰａに高めることで、対象物全体の温度降下の均一化を図ることも考えられる。しかしながら、炉内全域の気圧を高めるために莫大な量の冷却ガスを消費しなければならない上、炉胴の耐圧性能の向上、巨大出力を発揮するファン駆動源の設置が必須となる。これらランニングコスト及び設備コストの増大は、言うまでもなく熱処理コストの高騰に直結する。加えて、超高圧ガスの使用は作業の危険を増す。

また、たとえ炉内全域に高圧の冷却ガスを充満させ、大エネルギでこれを攪拌したとしても、対象物が種々の質量を持つ部位で構成されている場合には均一な冷却が困難である。

以上に鑑みてなされた本発明は、徒に多量、高圧の冷却ガスを投入することなしに、対象物の焼き割れ、焼き曲がりを回避することを所期の目的としている。

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、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、対象物の加熱室及び冷却室、冷却ガスを吸引、吐出して還流させるファン、冷却室内にある対象物に冷却ガスを吹き当てる吹出口、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、冷却ガスの温度を降下させる熱交換器、並びに、ファンの吐出口〜吹出口〜冷却室〜還流口〜熱交換器〜ファンの吸引口のガス循環ルートを形成する流路を具備する。

本熱処理装置の特徴は、冷却室内部に吹出した冷却ガスをファンに向けて還流させる還流路上にある還流口に、その開度を調節する調節機構を付設している点にある。この開度調節機構の機能により、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。

本熱処理装置によれば、対象物の熱処理目的に応じた合理的、経済的かつ安全性の高い作業が実施できる。例えば、部位による質量の差異が小さい対象物の処理、または同寸法、同形状の複数個の対象物の一括処理では、還流口の開度を大きく開いて冷却ガスの流速を上げ、短時間で均一な冷却効果を得ることができる。

逆に、部位による質量の差異が大きい対象物、とりわけ冷却ガスが当たりにくい凹穴や孔を有する対象物の処理では、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、その部位がＭｓ点（マルテンサイト生成温度）近くまで冷却されたと判断した時点で還流口の開度を絞り込み、冷却ガスの流速を落としながら冷却室内の限定増圧を行う。即ち、ガス冷却処理中に、装置内全域を高圧化するのではなく、あくまで一部である冷却室内のみを限定的に増圧する。すると、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均一となる。

開度調節機構が付随する還流口を複数方向（前後、左右または上下）に開設すれば、非対称形状の対象物にも適応できる汎用性の高い熱処理装置となる。非対称形状の対象物を冷却するにあたっては、各方向の還流口を相異なる開度に設定し、極端な場合には一方の還流口を全開に、他方の還流口を全閉に近づけて、比較的質量の大きい部位に多くのガスの流れが当たるようにする。さらに、各方向の還流口の開度を所定間隔で交互に開閉することも有効である。

前記還流口の開度調節機構は、還流口の開口面積（還流口が複数存在する場合には、その総和）を、冷却ガスの吹出口の開口面積（吹出口が複数存在する場合には、その総和）以下に絞ることができるものとする。また、還流口の開口面積を、吹出口の開口面積以上に広げることができるものとする。還流口の開口面積が吹出口の開口面積よりも大の状態と、吹出口の開口面積よりも小の状態とを選択的にとり得るならば、通常の対象物を処理する際には例えば還流口の開口面積と吹出口の開口面積とが約１：１程度の比となるように還流口を絞り、焼き割れ等を起こしにくい低難易度の対象物を処理する際には還流口を拡開して冷却ガスの循環を速め処理時間を短縮するといったように、対象物の性質に合わせた運用が可能となる。

前記還流口の開口面積は、前記吹出口の開口面積の約３００％から約２０％の範囲で調節できるようにする。

熱処理対象物をガス冷却する熱処理装置では、冷却ガスを攪拌するファンが重要な要素である。従来一般的な熱処理装置では、ファンを駆動する駆動源はおしなべて電動モータである。対象物を加熱するヒータもまた、電熱線を採用しているものが圧倒的に多い。このような熱処理装置におけるファン駆動モータの出力は、ヒータの加熱電力と同等かそれ以下である。処理物の搬入、加熱、均熱、冷却、搬出という熱処理サイクルは数時間から十数時間を要するが、そのうちファンを回転駆動する時間は一時間程度である。ワンサイクルの中で短時間使用されるに過ぎないファンモータのために大電力を導入するのは、受電設備コスト、基本電力料金コストともに負担が大きいため、ファンモータの出力は加熱電力以下に抑え、電源を共通化してコスト増を回避している現状にある。

対して、本発明に係る熱処理装置は、還流口の開度を絞って冷却室内のガス圧力を高めるものであることから、冷却ガスを攪拌するファンの駆動源の出力は高ければ高いほどよい。ファンの駆動源が熱機関であれば、エネルギ源をヒータ用の受電設備とは切り離し、その出力を加熱電力の数倍の大きさとすることも容易である。

熱処理装置全体の小形化を図るには、前記冷却室内部または周囲にヒータを配設し、前記冷却室が前記対象物の加熱室を兼ねる構成とするのが好適である。

還流口を絞って気圧を高めると、循環する冷却ガスの摩擦熱によって冷却室が昇温する。前記冷却室の周囲（冷却室自体または炉胴）に冷却液を流通させる冷却液ジャケットを付設しておけば、冷却ガスの摩擦熱による昇温を抑制できる。

本熱処理装置は、上述の如き新構造様式の下、熱処理対象物の形状、性状、各部の質量差等に対応した還流口の開度を選択することを通じ、冷却室内の冷却ガスの流れの挙動を弾力的に制御できるため、各種の対象物毎に最適な冷却条件にて信頼性の高い熱処理効果を得ることができる。

本発明によれば、徒に多量、高圧の冷却ガスを投入することなく、対象物の焼き割れ、焼き曲がりを回避できる。

以下、本発明の実施の形態を、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。本熱処理装置は、図１及び図２に示すように、対象物を加熱する加熱室が、対象物を冷却する冷却室２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、対象物を急冷する冷却ガス、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。

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、その駆動軸を炉胴１を貫通して外方に突出させている。駆動軸が炉胴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。

熱処理筐体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。処理室筐体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、その室内にヒータ７を設置している。ヒータ７は、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、室内に搬入された対象物を取り巻く位置に配置する。

処理室筐体２の上下壁には、冷却ガスの吹出口として、多数のノズル２３を設けている。また、処理室筐体２の前後の隔壁２２及び蓋２１には、冷却ガスの還流口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。

処理室筐体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、加熱時に処理室筐体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。

処理室筐体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、処理室筐体２の上下壁と炉胴１との間を通過し、上下のノズル２３を介して冷却室２内に吹出す。冷却室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を介して冷却室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、処理室筐体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、本実施形態では、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。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。

本熱処理装置において、ファン５の駆動源は電動モータではなく熱機関９、例えばディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガスタービンエンジン等である。好ましくは、自動車や船舶等で用いられる既知の回転数制御機構を適用して回転数制御を行い得るものとする。熱機関９は、炉胴１とは別に構築した架台に載置して支持させる。熱機関９の出力軸とファン５の駆動軸とは、歯車機構、巻掛伝動機構等を介して連結する。熱機関９の最大出力は、ヒータ７に給電する電源出力の数倍の大きさまで可能である。

本熱処理装置によるガス冷却（焼き入れ）処理のプロセスの概要を述べると、対象物を加熱室兼冷却室２の内に搬入し、蓋２１及び開閉扉１１を閉止して、ヒータ７に通電し対象物を加熱する。加熱完了後、ヒータ７への通電を遮断するとともに、熱機関９を起動してファン５を回転させる。真空中の回転であるから、ファン５の回転速度は直ちに所要の回転数に達する。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対象物を急冷する。このとき、対象物の形状、寸法、質量、個数や総重量等に応じた適宜量だけ冷却室２の還流口２４の開度を絞り調節する。特に、対象物の各部の質量の差が大きい場合には、比較的質量の小さい部位の温度がＭｓ点より高い間は還流口２４を全開として冷却ガスの循環を速め、Ｍｓ点近くになったら還流口２４を絞って冷却ガスの循環を緩めつつ冷却室２内のガス圧力を高めるようにして、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。冷却完了後は、炉胴１内を大気圧まで下げ、対象物を搬出する。

本実施形態によれば、加熱、均熱した対象物を、冷却用のガスを充填して冷却するものであって、充填された冷却ガスを吸引し吐出するファン５と、前記対象物が搬入される冷却室２と、前記冷却室２に設けられ前記ファン５が吐出する冷却ガスを冷却室２内部に吹出させる吹出口２３と、前記冷却室２内部に吹出した冷却ガスを前記ファン５に向けて還流させる還流路上に設けられ開度を調節する調節機構８が付帯した還流口２４とを具備する熱処理装置を構成したため、還流口２４の開度を絞って冷却室２内のガス圧力を高め、（部位による質量の差異の大きい）対象物の全体を均一に冷却して焼き割れ、焼き曲がりのリスクを低減することができる。また、装置内全域を高圧化するのではなく、あくまで一部である冷却室２内のみを限定的に増圧するので、多量の冷却ガスを消費せず、なおかつ安全に作業を遂行することができる。

前記調節機構８は、前記還流口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ため、焼き割れ等を起こしやすい形状の対象物を処理する際には還流口２４を絞って冷却室２内のガス圧力を増圧する、あるいは、焼き割れ等を起こしにくい形状の対象物を処理する際には還流口２４を大きく開いて冷却ガスの循環を速め処理時間を短縮するといったように、対象物の特性、目的に合わせた運用が可能となる。

前記還流口２４の開口面積を前記吹出口２３の開口面積の約２００％から約３０％の範囲で調節できるため、汎用性が高い。

本熱処理装置は、還流口２４の開度を絞って冷却室２内の気圧を高めるものであることから、冷却ガスを攪拌するファン５の駆動源９の出力を、ヒータ７の給電出力よりも大きくできることが望ましい。

前記ファン５の駆動源が熱機関９であり、またその駆動源が炉外にあるため、出力を前記ヒータ７の加熱電力の数倍の大きさとすることができる。

前記冷却室２にヒータ７を配設し、前記冷却室２が前記対象物の加熱室を兼ねる構成としているため、熱処理装置全体の小形化が図られる。

前記冷却室２の周囲に冷却液を流通させる冷却液ジャケット１２を付設しているため、加熱中の放射熱や循環する冷却ガスの摩擦熱による昇温を抑制できる。

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。例えば、上記実施形態では、一つの還流口２４に対して一枚のシャッタ８１を設けていたが、図３に示すように、一つの還流口２４に対して複数枚のシャッタ８１を設けてもよい。図示例では、互いに独立に昇降動作可能なシャッタ８１を上下に対向配置しており、還流口２４の開度のみならず、還流口２４の開通部分の高さ位置をも調節できるようになっている。

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。

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。

ファンの駆動源は、電動モータであってもよい。その場合、電動モータの電源とヒータの電源とを別系統とする等して、電動モータの出力をヒータの出力よりも大きくとることが望ましい。

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。 本発明の変形例の一を示す側断面図。

符号の説明

２…冷却室
２３…吹出口
２４…還流口
５…ファン
８…調節機構

Claims (6)

1. 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、
   充填された冷却ガスを吸引し吐出するファンと、
   前記熱処理対象物が搬入される冷却室と、
   前記冷却室に設けられ前記ファンが攪拌する冷却ガスを冷却室内部に吹出させる吹出口と、
   前記冷却室内部に吹出した冷却ガスを前記ファンに向けて還流させる還流路上に設けられ開度を調節する調節機構が付帯した還流口と、
   冷却ガスの温度を降下させる熱交換器とを具備し、
   前記ファンの吐出口〜前記吹出口〜前記冷却室〜前記還流口〜ファンの吸引口のガス循環ルートを形成しており、
   前記調節機構は、ガス冷却処理中に前記還流口の開口面積を前記吹出口の開口面積以下に絞ることができるものであり、
   ガス冷却処理中に、前記還流口の開口面積を前記吹出口の開口面積以下に絞りながら前記ファンで冷却ガスを撹拌することにより、前記冷却室内に限定して冷却ガス圧力を増圧することを特徴とする熱処理装置。
2. 前記調節機構は、前記還流口の開口面積を、前記吹出口の開口面積の２００％から３０％の範囲で調節できるものである請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記熱処理対象物を加熱するヒータをさらに具備し、
   前記ファンの駆動源の出力を前記ヒータの加熱電力よりも大出力にできる請求項１または２記載の熱処理装置。
4. 前記ファンの駆動源が熱機関である請求項１、２または３記載の熱処理装置。
5. 前記冷却室内部または周囲にヒータ及び断熱材を配設しており前記冷却室が前記熱処理対象物の加熱室を兼ねる請求項１、２、３または４記載の熱処理装置。
6. 前記冷却室の周囲に冷却液を流通させる冷却液ジャケットを付設している請求項１、２、３、４または５記載の熱処理装置。

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