JP5663186B2

JP5663186B2 - 浸炭処理装置

Info

Publication number: JP5663186B2
Application number: JP2010082737A
Authority: JP
Inventors: 靖長嶋; 亮介山本
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: CN102206798A; JP2011214056A; KR20110109882A

Description

本発明は、鋼製のワークに浸炭処理を施す浸炭処理装置に関する。

自動車や産業機械などに用いられる鋼製部品の表面硬化処理方法の一つとして、例えば低炭素鋼製のワークを処理室の内部にセットし、このワークの表面層を高周波誘導加熱により所定温度まで加熱した後、処理室内に浸炭ガスを供給して、浸炭処理を行なう高周波浸炭方法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

前記高周波浸炭方法では、例えば、図４に示されるように、ワークＷを内部にセットする処理室１１０と、処理室１１０の内部に設置され、ワークＷを加熱する水冷式の誘導加熱コイル１２０と、処理室１１０内に浸炭ガスを供給するガス流路１５０と、処理室１１０内の排ガスを排出する排ガス流路１６０とを備えた浸炭処理装置１０１が用いられている。

前記浸炭処理装置１０１を用いた高周波浸炭方法では、まず、処理室１１０の内部にセットされたワークＷの表面層を誘導加熱コイル１２０によって所定温度まで誘導加熱する。その後、例えば炭化水素ガスボンベ１５１から供給された炭化水素ガスに、希釈ガスボンベ１５２から供給された希釈ガスを混合した浸炭ガスを、ガス流路１５０を介して処理室１１０内に送給して、処理室１１０内で浸炭雰囲気ガスを生成し、当該浸炭雰囲気ガスを、高温になっているワークＷの表面に接触させる。このとき、ワークＷ表面における浸炭雰囲気ガス中の炭化水素の浸炭反応により生じた炭素がワークＷの表面から内部に拡散浸透する。これにより、ワークＷの表面における炭素含有量が向上するので、ワークＷの表面層が硬化する。

特開２００４−３６００５７号公報

しかしながら、前記従来の浸炭処理装置１０１では、ワークＷの浸炭処理時において、加熱されたワークＷの輻射熱により当該ワークＷの近傍の浸炭雰囲気ガスが温められることによって、処理室１１０の内部で浸炭雰囲気ガスの対流（矢印Ｃ）や拡散（矢印Ｄ）が生じるので、当該浸炭雰囲気ガスと処理室１１０の殻壁１１１および誘導加熱コイル１２０との間で熱交換が促進される。このため、前記浸炭処理装置１０１は、ワークＷの浸炭処理時の熱損失が大きく、浸炭処理に要するエネルギーの消費量が多くなって、浸炭処理コストが高くつくという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ワークの浸炭処理時の熱損失を抑制することができ、浸炭処理コストを安くすることができる浸炭処理装置を提供することを目的とする。

本発明の浸炭処理装置は、鋼製のワークに浸炭処理を施す浸炭処理装置であって、前記ワークを内部にセットする処理室と、前記処理室の内部に設置され、前記ワークを包囲して加熱する誘導加熱コイルと、前記処理室内に浸炭ガスを供給するガス供給路と、前記処理室内の浸炭雰囲気ガスを排気する排ガス流路と、前記ワークと処理室の殻壁および誘導加熱コイルとを区画して処理室内を対流する浸炭雰囲気ガスがワーク側から処理室の殻壁側および誘導加熱コイル側へ流動するのを規制する筒状の方向規制部材と、を備えており、前記方向規制部材が、石英またはセラミックスで形成され、第１の円筒部と、当該第１の円筒部の上端側に設けられ、かつ第１の円筒部よりも小径の第２の円筒部とを備えていることを特徴としている。

本発明の浸炭処理装置では、前記方向規制部材によって、前記処理室内を対流する浸炭雰囲気ガスがワーク側から処理室の殻壁側および誘導加熱コイル側へ流動するのを規制して、浸炭雰囲気ガスと前記処理室の殻壁および誘導加熱コイルとの間の熱交換を抑制することができるので、ワークの浸炭処理時における熱損失を抑制することができる。

本発明の浸炭処理装置では、前記方向規制部材は、第１の円筒部と、当該第１の円筒部の上端側に設けられ、かつ第１の円筒部よりも小径の第２の円筒部とを備えている。
本発明の浸炭処理装置は、前記方向規制部材の内部を通過した浸炭雰囲気ガスを導入して、当該浸炭雰囲気ガスを、前記処理室の殻壁と方向規制部材との間の空間へ所定流量還流させる還流規制部材を備えており、前記還流規制部材が、前記方向規制部材の第２の円筒部における前記第１の円筒部とは反対側の端部に設けられ、前記処理室の天井壁側空間の一部を区画しており、当該還流規制部材の側壁部に前記浸炭雰囲気ガスを前記処理室と前記方向規制部材との間の空間に排出する複数の排出孔を有しているのが好ましい。この浸炭処理装置によれば、前記方向規制部材の内部から導入した浸炭雰囲気ガスを、前記還流規制部材によって、前記処理室の殻壁と方向規制部材との間の空間へ所定流量還流させることができる。前記還流規制部材による前記空間への炭雰囲気ガスの還流量を、ワークの材質や表面積などの特性に応じた適正な値に設定しておくことにより、処理室内の浸炭雰囲気ガスの温度および／または組成を、ワークの特性に合わせた適切な値にすることができる。したがって、この浸炭処理装置によれば、ワークの浸炭処理を均一かつ効率よく行なうことができる。また、前記空間へ還流させた浸炭雰囲気ガス中の未反応ガスを再利用することもできるので、浸炭処理コストを安くすることができる。

本発明の浸炭処理装置は、前記方向規制部材の内部における浸炭雰囲気ガスの滞留時間を調節する滞留時間調節部材を備えているのが好ましい。この浸炭処理装置によれば、前記滞留時間調節部材によって、ワークの材質や表面積などの特性に応じて、前記方向規制部材の内部における浸炭雰囲気ガスの滞留時間を適切に設定しておくことにより、ワークの浸炭処理をさらに均一かつ効率よく行うことができる。

前記滞留時間調節部材は、前記方向規制部材の内部から前記還流規制部材の内部へ導入される浸炭雰囲気ガスの流量を可変調整可能なダンパであり、前記ダンパが、前記方向規制部材の内部に設けられているものであってもよい。この場合には、前記ダンパを操作することによって、前記方向規制部材の内部における浸炭雰囲気ガスの滞留時間を容易に調整することができる。

前記方向規制部材の表面または前記誘導加熱コイルの表面は、ワークからの輻射熱をワーク側空間へ反射する反射層として構成されているのが好ましい。
この場合、ワークからの輻射熱を前記反射層によってワーク側空間へ反射することができるので、当該輻射熱と前記誘導加熱コイルおよび処理室の殻壁との熱交換を抑制することができる。このため、ワークの浸炭処理時における熱損失を一層効果的に抑制することができる。

本発明の浸炭処理装置によれば、ワークの浸炭処理時の熱損失を抑制して、浸炭処理に要するエネルギーの消費量を低減させることができるので、浸炭処理コストを安くすることができる。

本発明の一実施形態に係る浸炭処理装置の要部を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る浸炭処理装置の要部を示す断面図である。本発明のさらに他の実施形態に係る浸炭処理装置の要部を示す断面図である。従来の浸炭処理装置の要部を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の浸炭処理装置を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る浸炭処理装置の要部を示す断面図である。同図において、浸炭処理装置１は、低炭素鋼、低炭素合金鋼などの鋼製のワークＷを内部にセットする処理室１０と、ワークＷを誘導加熱する誘導加熱コイル２０と、浸炭雰囲気ガスの流動方向を規制する円筒状の方向規制部材３１と、この方向規制部材３１の内部を通過した浸炭雰囲気ガスを導入して、当該浸炭雰囲気ガスを、処理室１０の殻壁１１と方向規制部材３１との間の空間へ所定量還流させる還流規制部材３５と、処理室１０内に浸炭ガスを供給するガス供給路５０と、処理室１０内の浸炭雰囲気ガスを排出する排ガス流路６０等を備えている。

処理室１０は、底部が開口した殻壁１１と、この殻壁１１の底部を開放可能に閉塞する円板状の底板１４とによって構成されている。前記殻壁１１は、円筒状の周壁１２の上端部を、円板状の天井壁１３によって閉塞しているものである。これら周壁１２および天井壁１３は、それぞれ石英、耐熱鋼などの耐熱性材料によって形成されている。
前記底板１４は図示しない昇降機構によって昇降可能であり、その上昇端位置で前記殻壁１１の底部を閉塞することができる。

前記誘導加熱コイル２０は、処理室１０の内部に配置されている。この誘導加熱コイル２０はワークＷの外周を包囲可能な螺旋状のものであり、その内周内方にワークＷがセットされる。この誘導加熱コイル２０は、高周波電流が供給されることにより、ワークＷを所望の温度に誘導加熱することができる。
前記ワークＷは図示しない昇降可能な支持部材に支持されている。この支持部材は、前記底板１４と一体に昇降することにより、ワークＷを誘導加熱コイル２０の内周内方へ供給したり、この供給したワークＷを処理室１０の下方へ搬出したりすることができる。

前記方向規制部材３１は、ワークＷの外周を包囲する第１の円筒部３２と、この第１の円筒部３２の上端部に連設され、上方に向かって漸次縮径したテーパ筒部３３と、このテーパ筒部３３の上端部に連設された第２の円筒部３４とからなる。これら方向規制部材３１の材料は、誘導加熱されない材料から選択され、好ましくは、石英またはセラミックスである。
前記方向規制部材３１は、ワークＷと誘導加熱コイル２０との間の空間に配置されて、ワークＷと処理室１０の殻壁１１および誘導加熱コイル２０とを区画している。これにより、加熱されたワークＷの輻射熱によって温められた浸炭雰囲気ガスが、ワークＷ側から誘導加熱コイル２０側および殻壁１１側へ流動するのを規制している（図１の矢印Ａ参照）。したがって、前記浸炭雰囲気ガスと前記殻壁１１および誘導加熱コイル２０との間の熱交換を抑制して、浸炭処理時における熱損失を低減することができる。

前記還流規制部材３５は、処理室１０の天井壁１３側空間の一部を区画している箱形のものであり、その天板部は天井壁１３で兼用している。また、前記還流規制部材３５の底部には開口が設けられており、この開口には、前記第２の円筒部３４が嵌め込まれている。これにより、前記方向規制部材３１の内部で上昇する浸炭雰囲気ガスを、還流規制部材３５の内部に導入可能になっている。さらに、前記側壁部３５ａには、その全周にわたって複数の排出孔３５ｂが設けられている。また、前記還流規制部材３５の内部は、前記排ガス流路６０に連通されており、当該内部に導入された浸炭雰囲気ガスの一部または全部を、前記排ガス流路６０を通して排出することができるようになっている。

各排出孔３５ｂの開口面積の総和は、ワークＷの材質や表面積等の特性に応じた適切な値に設定されている。この開口面積の総和は、浸炭雰囲気ガスの還流率が０〜１００％となる範囲で、ワークＷの特性に応じてワークＷ毎に設定される。ここに、前記「還流率」とは、還流規制部材３５に導入された浸炭雰囲気ガスのうちから、排ガス流路６０を通して排出される浸炭雰囲気ガスを除いたガスの量Ｘに対する、処理室１０の殻壁１１と方向規制部材３１との間の空間へ還流させる浸炭雰囲気ガスの量Ｙの割合（Ｘ／Ｙ）をいう。「還流率０％」は、ワークＷの浸炭処理で用いられた後の浸炭雰囲気ガスを、排ガス流路６０を通して１００％排出することを意味し、「還流率１００％」は、ワークＷの浸炭処理で用いられた後の浸炭雰囲気ガスのうち排ガス流路６０を通って排出されるガスをゼロとし、１００％還流させることを意味する。

このように、前記還流規制部材３５によれば、各排出孔３５ｂの開口面積の総和が、ワークＷの材質や表面積等の特性に応じた適切な値に設定されているので、前記処理室１０の殻壁１１と方向規制部材３１との間の空間へ還流される浸炭雰囲気ガスの量を、適正化することができる。このため、処理室１０内の浸炭雰囲気ガスの温度および／または組成を、ワークＷの特性に合わせた適切な値に設定することができる。したがって、ワークＷの浸炭処理を均一かつ効率よく行なうことができる。
なお、前記還流率が０％を超えるように排出孔３５ｂの開度を調節した場合、還流規制部材３５の内部に導入された浸炭雰囲気ガスを、前記排出孔３５ｂを通して前記処理室１０の殻壁１１と方向規制部材３１との間の空間へ排出し、還流させて再びワークの近傍に供給することができる（図１の矢印Ｂ参照）。この場合には、前記浸炭雰囲気ガス中の未反応ガスを再利用することができるので、浸炭処理コストを安くすることができる。

前記処理室１０には、当該処理室１０内に炭化水素ガスとしてのメタンガスと希釈ガスとしての窒素ガスからなる浸炭ガスを供給するガス流路５０が接続されている。このガス流路５０には、メタンガスを供給するための炭化水素ガスボンベ５１と、窒素ガスを供給するための希釈ガスボンベ５２とが、それぞれ接続されている。
さらに、前記浸炭処理装置１には、処理室１０内の浸炭雰囲気ガスの温度および組成を検出するセンサ７０が設けられている。このセンサ７０の先端の検知部は、例えば、図１に示される位置に配置されるが、図２および３に示されるように、ワークＷと方向規制部材３１との間の空間に配置されていてもよい。
このセンサ７０により、ワークＷの浸炭処理に用いられる浸炭雰囲気ガスの温度および組成をモニターすることができるので、浸炭雰囲気ガスの温度および組成を、ワークＷの材質、表面積などの特性に合わせた適切な値に調節することができる。また、前記センサ７０は、浸炭雰囲気ガスの温度および組成のいずれか一方を検出するものであってもよい。

以上の構成の浸炭処理装置１によれば、方向規制部材３１の内部の浸炭雰囲気ガスが、処理室１０の殻壁１１側および誘導加熱コイル２０側へ流動するのを、前記方向規制部材３１によって規制しているので、浸炭雰囲気ガスと前記処理室１０の殻壁１１及び誘導加熱コイル２０との熱交換を効果的に抑制することができる。
したがって、本発明の浸炭処理装置１によれば、ワークＷの浸炭処理時の熱損失を抑制して、浸炭処理に要するエネルギーの消費量を低減させることができる。具体的には、本発明の浸炭処理装置１は、前記方向規制部材３１を設置していない従来の浸炭処理装置と比べて、浸炭処理時の熱損失を約１７〜２３％程度低減できることが確認されている。よって、本発明の浸炭処理装置１は、浸炭処理コストを安くすることができる。

前記方向規制部材３１は、図２に示されるように、少なくとも誘導加熱コイル２０側表面が、ワークＷからの輻射熱を反射する反射層３１ａとして構成されていてもよい。この反射層３１ａとしては、例えば、方向規制部材３１の母材の表面に対して、金めっき等を施すことにより形成することができる。
また、前記誘導加熱コイル２０は、図３に示されるように、当該誘導加熱コイル２０の表面が、ワークＷからの輻射熱を反射する反射層２２として構成されていてもよい。この反射層２２についても、誘導加熱コイル２０の母材の表面に対して、金めっき等を施すことにより形成することができる。

この場合、前記方向規制部材３１の反射層３１ａまたは、誘導加熱コイル２０の反射層２２によって、ワークＷからの輻射熱をワークＷ側空間へ反射することができるので、当該輻射熱と、前記誘導加熱コイル２０および処理室１０の殻壁１１との熱交換をさらに抑制することができる。このため、ワークＷの浸炭処理時における熱損失を一層効果的に抑制することができる。具体的には、前記方向規制部材３１に反射層３１ａを形成した場合には、反射層３１ａを形成していない場合に比べて、浸炭処理時の熱損失を約８〜１２％程度低減できることが確認されている。

なお、前記浸炭処理装置１においては、図２および図３に示されるように、方向規制部材３１の第２の円筒部３４の内部に、方向規制部材３１の内部の浸炭雰囲気ガスの滞留時間を調節するためのダンパ３８（滞留時間調節部材）を設けてもよい。このダンパ３８は、その回動軸３８ａを処理室１０の外部から回動操作することにより、第２の円筒部３４の内部の開口率を変化させることができ、これにより、方向規制部材３１の内部における浸炭雰囲気ガスの滞留時間をワークＷの特性に応じて適切にする調節することができる。したがって、ワークＷの浸炭処理をより均一かつ効率よく行なうことができる。
また、前記ダンパ３８によって、浸炭雰囲気ガスの還流量および排気量の総量を調節することにより、滞留時間を適切に調節することができる。
なお、前記ダンパ３８の回動軸３８ａは、手動によって回動操作する場合の他、ステッピングモータ等の駆動手段によって遠隔操作する場合もある。

この実施形態においては、滞留時間調節部材としてダンパ３８を用いて、方向規制部材３１の内部における浸炭雰囲気ガスの滞留時間を可変調整可能としているが、前記ダンパ３８に代えて、第２の円筒部３４の口径を適宜選択することにより、当該第２の円筒部３４で滞留時間調節部材を兼用するようにしてもよい。

また、前記浸炭処理装置１においては、ワークの材質、表面積などの特性に応じた適正な浸炭雰囲気ガスの温度および組成の値を予め求めておき、この値を維持できるように、センサ７０からの信号を入力として前記排出孔３５ｂをフィードバック制御して、浸炭雰囲気ガスの処理室１０への還流量を自動的に調整するようにしてもよい。

１浸炭処理装置
１０処理室
１１殻壁
２０誘導加熱コイル
２２反射層
３１方向規制部材
３１ａ反射層
３５還流規制部材
３５ｂ排出口
３８ダンパ（滞留時間調節部材）
５０ガス流路
７０センサ
Ｗワーク

Claims

鋼製のワークに浸炭処理を施す浸炭処理装置であって、
前記ワークを内部にセットする処理室と、
前記処理室の内部に設置され、前記ワークを包囲して加熱する誘導加熱コイルと、
前記処理室内に浸炭ガスを供給するガス供給路と、
前記処理室内の浸炭雰囲気ガスを排気する排ガス流路と、
前記ワークと処理室の殻壁および誘導加熱コイルとを区画して処理室内を対流する浸炭雰囲気ガスがワーク側から処理室の殻壁側および誘導加熱コイル側へ流動するのを規制する筒状の方向規制部材と、
を備えており、
前記方向規制部材が、石英またはセラミックスで形成され、第１の円筒部と、当該第１の円筒部の上端側に設けられ、かつ第１の円筒部よりも小径の第２の円筒部とを備えていることを特徴とする浸炭処理装置。
前記方向規制部材の内部を通過した浸炭雰囲気ガスを導入して、当該浸炭雰囲気ガスを、前記処理室の殻壁と方向規制部材との間の空間へ所定流量還流させる還流規制部材を備えており、
前記還流規制部材が、前記方向規制部材の第２の円筒部における前記第１の円筒部とは反対側の端部に設けられ、前記処理室の天井壁側空間の一部を区画しており、当該還流規制部材の側壁部に前記浸炭雰囲気ガスを前記処理室と前記方向規制部材との間の空間に排出する複数の排出孔を有している請求項１記載の浸炭処理装置。
前記方向規制部材の内部における浸炭雰囲気ガスの滞留時間を調節する滞留時間調節部材を備える請求項２に記載の浸炭処理装置。
前記滞留時間調節部材が、前記方向規制部材の内部から前記還流規制部材の内部へ導入される浸炭雰囲気ガスの流量を可変調整可能なダンパであり、
前記ダンパが、前記方向規制部材の内部に設けられている請求項３記載の浸炭処理装置。
前記方向規制部材の表面または前記誘導加熱コイルの表面が、ワークからの輻射熱をワーク側空間へ反射する反射層として構成されている請求項１〜４のいずれかに記載の浸炭処理装置。