JP5265475B2

JP5265475B2 - 一室型真空炉

Info

Publication number: JP5265475B2
Application number: JP2009168786A
Authority: JP
Inventors: 憲明川崎
Original assignee: TOUNETSU Co Ltd
Current assignee: TOUNETSU Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: JP2011021850A

Description

本発明は、一室型真空炉に関し、特に、超硬合金等の各種金属粉末の成形品の焼結処理、セラミックス粉末の成形品の焼成処理、あるいは金属の焼入れ処理等に用いられる一室型真空炉に関するものである。

従来、超硬合金等の金属粉末の成形品の焼結処理等に用いられる一室型真空炉の一室型真空炉の一例として、粉末の成形品を収納する加熱室を炉体内に配設し、炉体内に連通する主排気管と加熱室内に連通する補助排気管とを設けた構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この一室型真空炉は、脱脂工程時、炉本体内に窒素ガス等の不活性ガスをキャリアガスとして供給しながら減圧下で加熱し、その際に発生する気化したバインダを真空ポンプにより補助排気管を介して加熱室から吸引排気する。焼結工程（真空加熱）時、補助排気管の真空弁を閉にする一方、加熱室に形成された開口部を開状態とし、主排気管を介して加熱室内の雰囲気を吸引排気して加熱する。また、焼結工程後の冷却工程時、加熱室の両側面に設けられた扉により閉止されていた開口部を開放し、冷却用窒素ガスを加熱室内に導入して炉内を冷却する。

実開平３−３７３８８号公報

上記特許文献１に開示されている一室型真空炉にあっては、脱脂工程時に加熱室内の雰囲気を、補助排気管を介して炉外に吸引排気するため、気化したバインダが加熱室内に滞留することなく、加熱室内の清浄性を確保することができる。

しかし、脱脂工程で粉末の成形品からバインダを完全に気化除去させることは困難であるため、脱脂工程後の焼結工程（真空加熱）時においてもなお、残留バインダが気化することは不可避である。それ故、焼結工程（真空加熱）時において、主排気管を介して炉内を吸引排気しながら加熱室内の雰囲気を間接的に吸引排気するのでは、加熱室内の清浄性を確保できないという問題がある。

また、真空加熱工程時あるいは加圧加熱工程時に生じる加熱室内と炉体内との圧力差に起因して、加熱室の損傷あるいは破損を招くという問題がある。

さらに、焼結工程後の冷却工程においては、加熱室の側面に設けられた扉により閉止されていた開口部を開放することで、加熱室が冷却用窒素ガスの循環流路として形成されるため、炉内雰囲気の自然対流がほとんど作用せず、冷却に時間を要するとともに、材料を均一に冷却することが困難であるという問題がある。

したがって、本発明は、上記問題点を解決することを課題としてなされたものであり、その目的とするところは、脱脂工程後の焼結工程時においても加熱室内の雰囲気の清浄性を確保することができ、また、加熱室自体の耐久性を向上させることができ、さらに、冷却工程時、材料を短時間で均一に冷却することができる一室型真空炉を提供することにある。

本発明に係る一室型真空炉は、断熱材で囲繞された加熱室が炉体内に配置されるとともに、開閉自在な開口が前記加熱室に形成され、炉体内に連通する主排気管と、加熱室内に連通する補助排気管とを備えた一室型真空炉において、前記開閉自在な開口は、加熱室の天井部に形成され、前記補助排気管は、加熱室の床部に接続され、当該補助排気管が前記加熱室側の固定排気管部と昇降自在に移動する可動排気管部とから構成されており、可動排気管部が上昇位置にあるとき、前記固定排気管部の下端が前記可動排気管部内に、また、前記可動排気管部の下端が前記主排気管内にそれぞれ遊嵌状態で位置する。

また、本発明に係る一室型真空炉は、断熱材で囲繞された加熱室が炉体内に配置されるとともに、開閉自在な開口が前記加熱室に形成され、炉体内に連通する主排気管と、加熱室内に連通する補助排気管とを備えた一室型真空炉において、前記開閉自在な開口は、加熱室の天井部に形成され、前記補助排気管は、加熱室の床部に接続されているとともに、当該補助排気管の胴部に開閉自在な開口が形成され、補助排気管の下端が主排気管内に遊嵌状態で位置する。

加熱室に形成されている開閉自在な開口は、該開口の開口面積を制御可能な蓋部により開閉されることが好ましい。

本発明によれば、真空排気時に主排気管の内周面と補助排気管の下端の外周面とに隙間を形成して当該主排気管と補助排気管を接続するため、加熱室内と炉体内とを同時に真空排気することができる。これにより、例えば、粉末の成形品の焼結処理おいては、脱脂工程後の焼結工程時にも加熱室内の雰囲気を吸引排気することができ、その結果、加熱室内の雰囲気の清浄性を確保することができる。

また、加熱室内と炉体内との間での圧力差を解消でき、その結果、加熱室自体の損傷あるいは破損を回避することができる。

さらに、加熱室内の天井部に開閉自在な開口が加熱室に形成され、補助排気管が炉体内と連通自在であるため、加熱完了後の冷却工程時に当該開口を開状態で、かつ、炉体内と加熱室内とを連通状態とすることができる。これにより、加熱室内において上方向の対流が確実に形成され、その結果、冷却時間の短縮化及び材料を均一に冷却することができる。

加熱室に形成されている開閉自在な開口は、該開口の開口面積を制御可能な蓋部により開閉されるので、雰囲気ガスの加熱室への流入量を最適に制御することができる。

本発明の実施の形態に係る一室型真空炉を説明する全体構成図である。一室型真空炉へ処理材料を装入した状態を説明する概略図である。一室型真空炉の各処理工程時における動作説明図である。一室型真空炉の各処理工程時における動作説明図である。本発明の実施の形態に係る一室型真空炉の変形例を示した構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る一室型真空炉について、添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、「下端」、「上端」、及びそれらの用語を含む用語を便宜上用いるが、これらは、発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるべきではない。

なお、本明細書では、各構成要素の位置規定として、炉本体の頂部側を「上端（側）」、炉本体の底部側を「下端（側）」と記す。

１．一室型真空炉の構成
図１は、本発明の実施の形態に係る一室型真空炉を説明する全体構成図である。図１に示すように、一室型真空炉Ｔは、大略、上下に２分割構造の縦型円筒体の炉体１と上下に２分割構造の加熱室２０と炉体１に接続する排気系１０とからなる。

炉体１は、二重ケーシングからなる水冷ジャケット構造１３で、可動炉体部分である上部炉体１ａと固定炉体部分である下部炉体１ｂとから構成されている。上部炉体１ａは昇降機構（図示せず）により鉛直方向に昇降可能に支持されており、上部炉体１ａと下部炉体１ｂとは、分割部１００において例えば、クランプ機構等からなるクラッチシール装置１１により一体接合され、炉体１内が密封状態にされる。

加熱室２０は、例えば、縦型円筒状の黒鉛製断熱部材で構成されており、炉体１と同軸上に炉体１内に配設される。この加熱室２０は、当該加熱室２０の側壁部と天井部を形成する上部加熱室部２０ａと床部を形成する下部加熱室部２０ｂとからなり、分割部１００で接合・分離可能に構成されている。

上部加熱室部２０ａは、上部炉体１ａ内に固設され、また、天井部には、断面逆台形の開口部２６が形成されているとともに、この開口部２６を閉止する逆円錐台状の上蓋２３が設けられている。上蓋２３は、炉体１の頂部に設けられた例えば、油圧シリンダ等をＮＣ制御するＮＣ制御シリンダ２４のシリンダロッド２４ａの先端部と接続されている。これにより、シリンダロッド２４ａの昇降量が精密に制御される結果、上蓋２３の外周面と開口部２６の内周面との間で形成される間隙、すなわち、開口部２６の開口面積が精密に、かつ、自在に調整される。

下部加熱室部２０ｂは、下部炉体１ｂの底部から立設する支脚２２で保持された底板２１上に取付けられている。

ヒータ３は、上部加熱室部２０ａ内に設けられる。このヒータ３は、周方向に複数配置された横断面が円弧形の板状の電熱ヒータ部材から構成され、電熱ヒータ部材の下端部は上部加熱室部２０ａの側壁及び炉体１の側壁を貫通して設けられた図示しないヒータ端子に接続されている。

下部加熱室部２０ｂには、材料Ｗを戴置する戴置台３２が下部加熱室部２０ｂの底部側から上方に立設して設けられている。下部加熱室部２０ｂの上面と戴置台３２の戴置部との間には、複数の円板状の部材が所定間隔で配置された断熱板３３が取付けられている。この断熱板３３を設けることにより、加熱時及び均熱時、断熱板３３による断熱作用によって加熱室２０内の上部と下部との温度差を軽減する。

補助排気管４は、炉体１と同軸上に加熱室２０内と連通して配置されており、可動排気管４ａと固定排気管４ｂとから構成され、この固定配管４ｂは可動排気管４ａの内径よりも小さい外径を有し、下部加熱室部２０ｂの底部側から加熱室２０内に挿通されている。

可動排気管４ａは炉体１内に連通接続する主排気管５の内径より小さい外径を有し、昇降機構４０により固定排気管４ｂに対して上昇位置と下降位置との間を昇降自在に支持されている。

排気系１０は、主排気管系１０ａと経路の途中で分岐する補助排気管系１０ｂとから構成され、主排気管５は補助排気管４と同軸上に炉体１の底部に接続されている。主排気管５の内径は、可動排気管４ａの外径よりも大径に形成され、主排気管５が可動排気管４ａに所定隙間をもって外装されている。これにより、可動排気管４ａの上昇位置において、可動排気管４ａの下端部が主排気管５内に３〜５ｍｍの隙間をもって遊嵌状態で位置するとともに、固定排気管４ｂの下端部が可動排気管４ａ内に３〜５ｍｍの隙間をもって遊嵌状態で位置し、主排気管５は可動排気管４ａ及び固定排気管４ｂを介して加熱室２０と連通状態となる。

主排気管系１０ａは、真空弁Ｖ１及びメカニカルブースターポンプＭＰを介して油回転ポンプＲＰに接続されている。

補助排気管系１０ｂは、真空弁Ｖ２、ワックスタンク５１及びワックストラップ５２を介してメカニカルブースターポンプＭＰと油回転ポンプＲＰとの間に接続されている。

なお、本実施の形態の一室型真空炉Ｔにおける補助排気管４と主排気管５は、便宜上、「排気管」と称しているが、本実施の形態の一室型真空炉Ｔは、初期排気時、脱脂工程時及び真空加熱工程時には排気管として機能し、加圧加熱工程時及び冷却工程時には主排気管５、補助排気管４を介して雰囲気ガスを炉内に供給する供給管として機能するものである。

キャリアガス供給口６は、炉体１の頂部に炉体１内と連通して取り付けられており、開閉弁Ｖ３及び流量計ＦＭを介して脱脂用キャリアガス供給源（図示せず）に接続されている。

加圧用及び冷却ガス用の雰囲気ガス供給管７は、主排気管系１０ａの真空弁Ｖ１の上流側に接続され、開閉弁Ｖ４を介して雰囲気ガス供給源（図示せず）に接続されている。

２．一室型真空炉の操業例
次に、上記構成からなる一室型真空炉Ｔの操業例について、図２〜図４を参照して説明する。なお、本操業例では、タングステン・カーバイド等の超硬合金の金属粉末の成形品を焼結処理する例を説明する。

図２（ａ）に示すように、上部炉体１ａと下部炉体１ｂとの接続を解除し、上部炉体１ａを支持している図示しない昇降機構を駆動させて上部炉体１ａを上方に移動させる。次に、材料Ｗを戴置台３２上に戴置した後、昇降機構を駆動させて上部炉体１ａを下部炉体１ｂ側に下降させる。そして、図２（ｂ）に示すように、上部炉体１ａと下部炉体１ｂが当接すると、クラッチシール装置１１により上部炉体１ａと下部炉体１ｂとを一体接合させて、炉体１を密封状態とする。

図３の初期排気時、可動排気管４ａを下降位置に移動させるとともに、上蓋２３により開口部２６を全閉状態とする。そして、真空弁Ｖ１を「開」、真空弁Ｖ２及び開閉弁Ｖ３、Ｖ４を「閉」にし、メカニカルブースターポンプＭＰ及び油回転ポンプＲＰを起動させて、炉体１内及び加熱室２０内を真空排気する。

そして、炉内圧力が所定の圧力、例えば、１０Ｐａ以下になると、真空弁Ｖ１を「閉」とするとともに、メカニカルブースターポンプＭＰの駆動を停止し、次の脱脂工程に移行する。

脱脂工程時、ヒータ３に電力を供給し、可動排気管４ａを上昇停止位置に位置させるとともに、ＮＣ制御シリンダ２４を制御して上蓋２３を上昇させ、開口部２６の内周面と上蓋２３の外周面とで形成される間隙、すなわち、キャリアガス流通用開口ｄを形成させる。その後、開閉弁Ｖ３を「開」にし、流量計ＦＭで適宜に調整されたキャリアガス（窒素ガス）Ｇ１がキャリアガス供給口６から炉体１内に供給される。

炉体１内に供給されたキャリアガス（窒素ガス）Ｇ１の一部は、キャリアガス流通用開口ｄを介して加熱室２０内に流入し、加熱に伴って材料Ｗから蒸発するバインダとともに油回転ポンプＲＰにより吸引排気される。なお、気化したバインダを含む吸引排気ガスは、ワックスタンク５１を介して下流側のワックストラップ５２へ送り込まれ、気化したバインダはワックストラップ５２内で凝固されて除去される。

そして、脱脂工程が完了すると、ＮＣ制御シリンダ２４を制御して上蓋２３を下降させ、上蓋２３により開口部２６を全閉状態とし、真空弁Ｖ２及び開閉弁Ｖ３を「閉」とする一方、真空弁Ｖ１を「開」にし、メカニカルブースターポンプＭＰを起動させて、次の真空加熱工程に移行する。

真空加熱工程時、炉体１内の雰囲気が可動排気管４ａの外周面と主排気管５の内周面とで形成される間隙Ｄから吸引排気されるとともに、加熱室２０内の雰囲気が固定排気管４ｂ及び可動排気管４ａを介して吸引排気されることにより、炉内圧力が所定の圧力、例えば、１０Ｐａ程度まで減圧される。なお、上記脱脂工程で完全に除去できずに材料Ｗに残留していた微量のバインダは加熱室２０内で気化するが、固定排気管４ｂ及び可動排気管４ａを介して直接的に吸引排気されるため、加熱室２０内の清浄性が確保できる。

また、加熱室２０内と炉体１内とが主排気管系１０ａで同時に排気されるため、加熱室２０の内外での圧力差が低減し、加熱室２０自体の圧力差に起因する損傷あるいは破損が回避できる。

加熱室２０内温度が所定の温度、例えば、１１００℃まで昇温すると、真空弁Ｖ１を「閉」にし、メカニカルブースターポンプＭＰ及び油回転ポンプＲＰの駆動を停止する一方、開閉弁Ｖ４を「開」とし、次の加圧加熱工程に移行する。

加圧加熱工程時、図示しない加圧用雰囲気ガス供給源から主排気管系１０ａ内に供給された雰囲気ガス（アルゴンガス）Ｇ２は、可動排気管４ａ及び固定排気管４ｂを介して加熱室２０内に導入されるとともに、その一部は間隙Ｄから炉体１内に流入し、炉内はアルゴン雰囲気で密封される。なお、この加圧加熱工程時には、炉内の圧力が所定の圧力、例えば、０．９８ＭＰａに維持される。

加熱室２０内温度が所定の温度、例えば、１４５０℃まで昇温して焼結処理が完了すると、ヒータ３への電力の供給を停止し、ＮＣ制御シリンダ２４を制御して上蓋２３を上昇させて開口部２６を全開状態にするとともに、可動排気管４ａを下降位置まで移動させて次の冷却工程に移行する。

冷却工程時、冷却用ガス（アルゴンガス）Ｇ３は、主排気管系１０ａから可動排気管４ａ及び固定排気管４ｂを介して加熱室２０内に導入される。

そして、開口部２６を通過した冷却用ガスＧ３は、炉体１の内壁と加熱室２０の外壁とで形成される空間を下方に向って流れ、この間に昇温した冷却用ガスＧ３は冷却され、可動排気管４ａから導入される冷却用ガスＧ３に同伴されて、再び加熱室２０内に導入される。このように、冷却工程時、加熱室２０内では下方から上方へ、加熱室２０外では上方から下方へ流れる冷却用ガスＧ３の対流循環が形成されるため、材料Ｗを短時間で均一に冷却することが可能になる。なお、この冷却工程時には、炉内の圧力が所定の圧力、例えば、０．５ＭＰａに維持される。

冷却工程が完了すると、開閉弁Ｖ４を「閉」にするとともに、図示しないリーク弁を「開」として炉体１内を大気圧に戻す。そして、クラッチシール装置１１を作動させて上部炉体１ａと下部炉体１ｂとの結合を解除し、上部炉体１ａを支持している昇降機構（図示せず）を駆動させて上部炉体１ａを上方に移動させ、戴置台３２上に戴置されている材料Ｗを抽出する。

なお、本操業例では、タングステン・カーバイド等の超硬合金の金属粉末の成形品を焼結処理するため、真空加熱及び加圧加熱からなる焼結工程の後、加圧冷却工程を実行したが、これに限定するものではなく、例えば、焼結工程を真空加熱のみで実行してもよいし、加圧冷却に代えて、常圧下で冷却を実行してもよく、冷却工程における冷却用ガスは窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスであってもよい。

また、例えば、処理材料が窒化珪素等のセラミックス粉末の成形品の場合は、窒素雰囲気中で加圧脱脂及び加圧加熱を実行した後、冷却工程を実行する処理を行うことも可能であり、処理材料に応じて各処理工程を適宜変更すればよい。

３．一室型真空炉の変形例
本実施の形態の一室型真空炉では、上述のように、補助排気管４を可動排気管４ａと固定排気管４ｂとで構成し、可動排気管４ａの上昇位置において、可動排気管４ａの下端部が主排気管５内に遊嵌状態で位置するとともに、固定排気管４ｂの下端部が可動排気管４ａ内に遊嵌状態で位置する構成を例に挙げて説明したが、本実施の形態に限定するものではなく、種々の変更が可能である。

図５に示すように、前記可動排気管４ａを排除し、主排気管５の内径を固定排気管４ｂの外径よりも大径に形成し、主排気管５が固定排気管４ｂに所定隙間をもって外装することにより、固定排気管４ｂの下端部を主排気管５内に遊嵌状態で位置させる。さらに、この固定排気管４ｂの胴部に複数の開口部２５ａ及び２５ｂを形成し、この開口部２５ａ及び２５ｂを開閉自在に構成する封止部８ａとロッド８ｂとからなる開閉機構８を配設してもよい。

例えば、図５（ａ）では、固定排気管４ｂの胴部に形成された開口部２５ａ及び２５ｂを開閉機構８で閉止することで真空加熱工程を実行することができる。また、例えば、図５（ｂ）では、固定排気管４ｂの胴部に形成された開口部２５ａ及び２５ｂを開放状態とすることで冷却工程を実行することができる。このように、本変形例では、固定排気管４ｂの胴部に形成された開口部２５ａ及び２５ｂが開閉機構８で開閉自在に構成されているので、より簡易な構造の一室型真空炉を提供することができる。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る一室型真空炉は、超硬合金等の金属粉末の成形品の焼結や、例えば、窒化珪素等のセラミックス粉末の成形品の焼成に有用である。

１炉体
３ヒータ
４補助排気管
４ａ可動排気管
４ｂ固定排気管
５主排気管
６キャリアガス供給口
１０排気系
１０ａ主排気管系
１０ｂ補助排気管系
２０加熱室
２０ａ上部加熱室部
２０ｂ下部加熱室部
２３上蓋
２６開口部
ＦＭ流量計
ＭＰメカニカルブースターポンプ
ＲＰ油回転真空ポンプ
Ｔ一室型真空炉
Ｖ１〜Ｖ２真空弁
Ｖ３〜Ｖ４開閉弁

Claims

断熱材で囲繞された加熱室が炉体内に配置されるとともに、開閉自在な開口が前記加熱室に形成され、前記炉体内に連通する主排気管と、前記加熱室内に連通する補助排気管とを備えた一室型真空炉において、
前記開閉自在な開口は、前記加熱室の天井部に形成され、
前記補助排気管は、前記加熱室の床部に接続され、当該補助排気管が前記加熱室側の固定排気管部と昇降自在に移動する可動排気管部とから構成され、
前記可動排気管部が上昇位置にあるとき、前記固定排気管部の下端が前記可動排気管部内に、また、前記可動排気管部の下端が前記主排気管内にそれぞれ遊嵌状態で位置することを特徴とする一室型真空炉。
断熱材で囲繞された加熱室が炉体内に配置されるとともに、開閉自在な開口が前記加熱室に形成され、前記炉体内に連通する主排気管と、前記加熱室内に連通する補助排気管とを備えた一室型真空炉において、
前記開閉自在な開口は、前記加熱室の天井部に形成され、
前記補助排気管は、前記加熱室の床部に接続されているとともに、当該補助排気管の胴部に開閉自在な開口が形成され、
前記補助排気管の下端が前記主排気管内に遊嵌状態で位置することを特徴とする一室型真空炉。
前記加熱室に形成されている開閉自在な開口は、該開口の開口面積を制御可能な蓋部により開閉されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の一室型真空炉。