JP5545223B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents
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Description
本願は、2009年2月10日に日本に出願された特願2009−028900号、および2009年2月27日に日本に出願された特願2009−047227号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
冷却室内のミスト密度に分布が生じている場合には、冷却特性に差が生じて被処理物に温度分布が生じてしまう可能性がある。また、被処理物が複数の場合には、ミスト密度の分布に応じて被処理物間に温度差が生じる可能性がある。
このように、温度分布が被処理物に生じた場合には、被処理物の変形の原因となる虞があるとともに、温度分布が生じた被処理物を、焼き入れ処理に用いた場合には、被処理物が一様な硬さとならない虞がある。
一方、複数の被処理物に温度差が生じた場合には、被処理物間で品質に差が生じて品質不良となる可能性もある。
(1)本発明の熱処理方法は、加熱された被処理物を、ミスト状の冷却液を用いて冷却する冷却工程を有する熱処理方法であって、第1のミスト密度で前記被処理物を冷却する第1工程と、前記第1のミスト密度よりも、密度が小さい第2のミスト密度で前記被処理物を冷却する第2工程とを交互に繰り返して行う。
従って、本発明の熱処理方法では、第1工程で被処理物に温度分布が生じた場合でも、第2工程ではミスト密度が小さくなることからミスト冷却による温度分布の拡大が抑えられるとともに、被処理物における熱伝導により温度分布が緩和される。従って、本発明では、被処理物に対する冷却時の温度分布を抑制することが可能になり、変形や硬さのバラツキ等の品質不良の発生を回避することができる。
これにより、本発明では、第2工程において被処理物における熱伝導による温度分布の緩和を効果的に促進することができる。
(3)上記(1)または(2)に記載の熱処理方法では、前記ミストの密度を前記冷却液の供給量、供給圧力、供給時間の少なくとも一つで調整しても良い。
これにより、本発明では、予め保持した相関関係に基づいて前記第1工程と前記第2工程とを切り替えるオープン制御を実施することができ、効率的、且つ高精度な熱処理を実施することが可能になる。
これにより、本発明では、被処理物の温度に応じてミスト状の冷却液の供給量、供給圧力、供給時間等を調整することにより、最適な冷却処理を実施することが可能になり、被処理物に対する高精度の熱処理を実現できる。
これにより、本発明では、被処理物における温度差が所定の閾値を超えた後に第1工程から第2工程に切り替えて温度差の拡大を抑え、熱伝導により被処理物における温度差が閾値内に収まった後に第2工程から第1工程に切り替えて被処理物に対する冷却処理を行うことができる。
計測した前記被処理物間の温度差に基づいて、前記第1工程と前記第2工程とを切り替えても良い。
これにより、本発明では、複数の被処理物の間での温度差を抑制して、各被処理物で品質不良の発生を抑えることが可能になる。
従って、本発明の熱処理装置では、第1のミスト密度で冷却液を供給することにより被処理物に温度分布が生じた場合でも、第1のミスト密度よりも小さい密度の第2のミスト密度で冷却液を供給することにより、ミスト冷却による温度分布の拡大が抑えられるとともに、被処理物における熱伝導により温度分布が緩和される。従って、本発明では、被処理物に対する冷却時の温度分布を抑制することが可能になり、変形や硬さのバラツキ等の品質不良の発生を回避することができる。
なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
また、本実施形態では、熱処理装置として、多室型の真空熱処理炉(以下、単に「真空熱処理炉」と称する)の例を示す。
真空熱処理炉(熱処理装置)100は、被処理物に対して熱処理を施すものであって、脱気室110、予熱室120、浸炭室130、拡散室140、降温室150、冷却室160が順次隣接して配置されており、被処理物は各室110〜160に順次単列で搬送される。
図2は、冷却室160の正面断面図であり、図3は、図2におけるA−A線視断面図である。冷却室160は、真空容器1内に形成される。また、真空容器1内には、搬送装置10、ガス冷却装置20、ミスト冷却装置30、温度計測装置80を含む冷却ユニットCUが設けられている。
なお、以下の説明においては、搬送装置10による被処理物Mの搬送方向を単に搬送方向と称する。
冷却ガスとしては、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが用いられる。
冷却液としては、例えば油、ソルト、後述するフッ素系不活性液体等を用いることができる。
そして、温度センサ80A、80Bの計測結果から求められた被処理物Mの温度差TSが所定の閾値(例えば10℃)を超えたとき(時間T1)には、インバータ41が、切替装置として機能し、モータ39の駆動を制御してミスト冷却装置30におけるノズル部34からのミスト供給を停止させる。
そして、温度差TSが所定の閾値(例えば10℃)以内になった後に再度ノズル部34からミスト状の冷却液を冷却室160に供給および噴射する。このように、所定の閾値を設定し、温度センサ80A、80Bの計測結果を用いて被処理物Mが所定温度となるまで、第1工程と第2工程とを交互に繰り返して行う。
また、遅延時間を設定するのではなく、ディファレンシャル(differential)温度(例えば2℃)を設定し、温度差TSが12℃を超えたところでミスト冷却を停止し、温度差TSが8℃以内となったところでミスト冷却を再開してもよい。
具体的には、例えば、大気圧下(101kPa(abs))において、常温25℃で沸点131℃のフッ素系不活性液を用いる場合には、沸点が110℃となる雰囲気調整圧55kPa(abs)〜沸点が80℃となる雰囲気調整圧20kPa(abs)程度の条件で処理することが好ましい。
具体的には、ミスト状冷却液の供給温度が下がった場合には、その下がった温度の分だけ冷却液の沸点も低くするように、雰囲気調整圧を高くすることが望ましい。一方、ミスト状冷却液の供給温度が上がった場合には、その上がった温度の分だけ冷却液の沸点も高くするように、雰囲気調整圧を低くすることが望ましい。なお、図示しない真空排気装置により容器内の気体を排気することにより雰囲気調整圧を低くする。
具体的には、冷却液回収および供給系33における開閉弁36を閉じ、ガス回収および供給系23における開閉弁26を開くことにより、冷却室160から排気管25に導入した冷却ガスを熱交換器27で再冷却し、ファン28の作動によりヘッダ管21に循環するように供給することができる。
また、本実施形態では、被処理物Mの温度を複数箇所、より詳細には冷却効率の高い箇所と低い箇所とで計測し、この計測結果に応じて第1工程と第2工程とを切り替えているため、自動運転による高い生産性を実現する熱処理を実施することができる。また、焼き入れ時等においては、所望の冷却曲線(時間と温度低下特性との関係)を設定し、この冷却曲線に沿った被処理物Mの冷却も実施できるため、例えば鋼材の被処理物Mに対して焼き入れ等の熱処理を施す際にも、鋼材に硬くて脆いパーライト組織が形成されない条件で冷却することができ、高品質の被処理物Mを得ることができる。
フッ素系不活性液体を用いた場合には、被処理物Mの構成材料を侵さず被処理物Mに悪影響を及ぼすことを防止できる。また、フッ素系不活性液体は、不燃性を有しているため、安全性も向上させることが可能である。また、フッ素系不活性液体は、沸点が水よりも高いため、冷却ポテンシャルも高く、水を用いた場合に生じる酸化や蒸気膜等の問題も抑制することができる。それとともに、蒸発潜熱の点でも熱伝達能力に優れており、被処理物Mを効率的に冷却することが可能である。さらに、被処理物Mにフッ素系不活性液体が付着しても洗浄する必要がないことから、生産性も向上する。
ミスト密度を調整する方法としては、上述したモータ39及びポンプ38を用いた冷却液の供給量調整や、供給圧力調整、供給時間調整(絞り弁等を用いた周波数調整)等を採ることができる。いずれの場合でも、被処理物Mに対する冷却特性に応じて第1、第2のミスト密度を適宜設定可能である。
また、被処理物Mの温度計測を行いながら工程切替を行なうのではなく、例えば、予め実験やシミュレーション等により、ミスト状の冷却液の供給と被処理物Mの温度(冷却特性)との相関関係をテーブルとして保持しておき、その相関関係に基づいて冷却液の供給を調整しつつ、タイマー運転を行なってもよい。
この場合、複数の被処理物Mの中、ミスト密度が大きい位置(例えば外側の位置)に配置される被処理物Mに温度センサ80Aを設けるとともに、ミスト密度が小さい位置(例えば中側の位置)に配置される被処理物Mに温度センサ80Bを設け、上述したように、これら温度センサ80A、80Bで計測された温度差に応じて第1工程と第2工程を切り替えてもよい。
これにより、本発明では、複数の被処理物Mの間での温度差を抑制して、各被処理物で品質不良の発生を抑えることが可能になる。
通常、雰囲気圧が高いと沸点は上がり、雰囲気圧が低いと沸点が下がる。そのため、不活性ガスの添加量を調整して、雰囲気圧を上昇させることにより、冷却液の気化潜熱による冷却能力を高めることができ、逆に雰囲気圧を下降させることにより、沸点が下がって供給液温度との温度差が狭まり冷却速度(冷却能力)を抑えることができる。
このように、不活性ガスの添加量を調整することにより、被処理物Mに対する冷却特性を制御することも可能になり、より高精度の冷却を実施することができる。
冷却液として水を用いた場合には、液相または気相のいずれであっても、煩雑な後処理を要することなく安全に排出することが可能であり、後処理に係るコスト面及び地球環境保護の観点からも好適である。
Claims (3)
- 加熱された被処理物を、ミスト状の冷却液を用いて冷却する冷却工程を有する熱処理方法であって、
第1のミスト密度で前記被処理物を冷却する第1工程と、
前記第1のミスト密度よりも密度が小さい第2のミスト密度で前記被処理物を冷却する第2工程と、
前記被処理物の温度を計測する工程と、
計測した温度に基づいて、前記ミスト状の冷却液の供給を制御する工程と、を有し、
前記第1工程と前記第2工程とを交互に繰り返して行い、
複数の前記被処理物に対して温度を計測し、計測した前記被処理物間の温度差に基づいて、前記第1工程と前記第2工程とを切り替える熱処理方法。 - 請求項1記載の熱処理方法において、
前記第1工程では、前記ミスト状の冷却液を供給し、
前記第2工程では、前記ミスト状の冷却液の供給を停止する熱処理方法。 - 請求項1または2記載の熱処理方法において、
前記ミスト状の冷却液の密度を、前記冷却液の供給量、供給圧力、供給時間の少なくとも一つで調整する熱処理方法。
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