JP5825579B2

JP5825579B2 - 高強度焼結部品の製造方法と連続焼結炉

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Publication number: JP5825579B2
Application number: JP2013005298A
Authority: JP
Inventors: 功介平井
Original assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Sintered Alloy Ltd
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: JP2014136814A

Description

この発明は、品質の安定した高強度焼結部品を焼結と焼入れを連続的に行って製造する高強度焼結部品の製造方法とその方法を実施する連続焼結炉に関する。

高強度焼結部品の製造法のひとつに、高温で焼結した後に浸炭焼入れを実施する方法がある。また、他のひとつにシンターハードニングと言う技術がある。

前者は一般的に採用されている方法であるが、この方法は加熱工程を２回経るため、歪の増加による製品の寸法精度の悪化や製造コストの上昇が避けられない。これに対し、後者のシンターハードニングは、焼結と焼入れを一行程で連続的に行うものであり、従って、加熱が１回で済み、２回加熱を行うことによって生じる前者の方法の問題が解消される。

なお、シンターハードニングは、ワーク（被処理品）を収納したトレイをシリンダアクチュエータで押して移動させるプッシャー炉や下記特許文献が開示しているような連続焼結炉を使用して実施することができる。

特許第４５７６３３１号公報

シンターハードニングによる焼結部品の製造は、上述したように、焼結と焼入れを２回に分けて行う方法で問題になる製品の寸法精度の悪化や製造コスト上昇の問題が解消されるが、一方で以下の難点を有していた。

即ち、プッシャー炉を使用してシンターハードニングを実施する方法は、設備の構造上、加熱室と冷却室を分離して設けることができないため、マルテンサイト変態を生じさせるための冷却速度が不十分になり、ワークに冷却ムラが生じて目的とする材料特性が得られていない。

また、連続焼結炉では、炉内に送りローラを設けてその送りローラでワークを収容したトレイを搬送するが、冷却速度を高めようとすると送りローラによる搬送速度を早める必要があり、搬送速度を速めるとワークを１１００℃〜１３００℃の焼結温度まで加熱する
必要上、焼結ゾーンの長さが長くなって設備の大型化が避けられなくなる不具合があった。

この発明は、連続焼結炉を使用するシンターハードニングにおいて、焼結ゾーンの長尺化を招かずに加熱後の冷却速度を十分に高めて品質の安定した高強度焼結部品を製造できるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ワークを収容したトレイを脱ガスゾーン、予熱ゾーン、焼結室を有する加熱ゾーン、冷却ゾーンに順番に導いて焼結と焼入れを連続的に行う高強度焼結部品の製造方法に以下の特徴を付与した。即ち、前記加熱ゾーンと冷却ゾーンとの間に扉を設置して加熱ゾーンから冷却ゾーンへの熱の流れをその扉で遮り、さらに、前記トレイの搬送を送りローラを設けて行って前記冷却ゾーンにおけるトレイの搬送速度を加熱ゾーンにおける搬送速度よりも大、かつ、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる速さにして焼結と焼入れを行うようにした。

そしてさらに、この方法では、前記加熱ゾーンに、焼結室と冷却ゾーン間に配置される徐冷室を含ませてその徐冷室の入口と出口に扉を設置し、さらに、前記冷却ゾーンに急冷室とその急冷室の後方に配置される冷却室を含ませて前記急冷室の入口と出口にもそれぞれ扉を設置し、前記徐冷室の出口の扉と前記急冷室の入口の扉との間に徐冷室と急冷室から独立した空間を持ち、
前記焼結室を通過したトレイを、出入り口の扉が閉じられた前記徐冷室においてワークの変態点（Ａ_３点）以上、９００℃以下の温度を保持しながら急冷室による処理の順番が来るまで待機させ、さらに、前記空間を０〜−５％の温度低下に抑えられる条件で前記トレイを前記急冷室に搬送するようにした。

また、前記冷却ゾーンのうち、前記徐冷室から前記急冷室に至る区間ではワークの収容されたトレイを急冷室内での搬送速度よりも高速で搬送して当該区間でのワークの温度変化を小さく抑えるのが好ましい。

この発明では、上記の方法を実施する連続焼結炉も併せて提供する。その連続焼結炉は、ワークを収容したトレイを順番に送り込む脱ガスゾーン、予熱ゾーン、焼結室を有する加熱ゾーン、冷却ゾーンの各々と、各ゾーンの内部に設けるトレイ搬送用の送りローラと、前記加熱ゾーンと冷却ゾーンとの間に設置されて加熱ゾーンから冷却ゾーンへの熱の流れを遮る扉を備える。

そしてさらに、前記冷却ゾーン内での送りローラによる搬送速度が加熱ゾーンにおける送りローラの搬送速度よりも大、かつ、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる速さに設定された炉である。

この連続焼結炉は、前記加熱ゾーンに、入口と出口にそれぞれ扉の設置された徐冷室が含まれ、その徐冷室は前記焼結室と冷却ゾーン間に配置され、さらに、前記冷却ゾーンに、入口と出口にそれぞれ扉の設置された急冷室とその急冷室の後方に配置される冷却室が含まれ、前記徐冷室の出口の扉と前記急冷室の入口の扉との間に徐冷室と急冷室から独立した空間を持ち、前記焼結室を通過したトレイを、出入り口の扉が閉じられた前記徐冷室においてワークの変態点以上、９００℃以下の温度を保持しながら急冷室による処理の順番が来るまで待機させ、さらに、前記空間を０〜−５％の温度低下に抑えられる条件で前記トレイを搬送するように構成されている。

この発明による焼結部品の製造は、冷却ゾーンでのトレイの搬送速度を３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる速さにして焼結と焼入れを行うので、ワークの冷却が十分になされる。また、加熱ゾーンと冷却ゾーンとの間に両ゾーン間を開閉可能に仕切る扉をもうけたことによって加熱ゾーンから冷却ゾーンへの温熱の流れが阻止されて冷却ゾーン内で温度ムラが小さくなり、これにより、高速で安定した冷却がなされて製造される焼結部品の材料特性が満足できるものになる。

また、加熱ゾーンと冷却ゾーンにおける搬送速度を異ならせたので、加熱ゾーンでの搬送速度を遅くして長さの短い焼結室によってワークを安定した焼結に必要な温度に加熱することができ、設備の大型化を招かない。

この発明の方法の実施に用いるこの発明の連続焼結炉の断面図図１の連続焼結炉の平面図炉内各部でのワーク温度の変動状況とワーク搬送速度の変動状況を示す図

以下、この発明の高強度焼結部品の製造方法とそれを実行する連続焼結炉の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１、図２は、この発明の方法を実施する連続焼結炉の具体例を示している。この連続焼結炉は、脱ガスゾーン１、予熱ゾーン２、加熱ゾーン３、冷却ゾーン４を順番に連ならせて構成されている。５は排ガス燃焼炉であり、脱ガスゾーン１において発生した排ガスがこの排ガス燃焼炉５に導入されて処理される。

加熱ゾーン３は、焼結室３ａとその焼結室３ａの後方に配置された徐冷室３ｂとからなる。

また、冷却ゾーン４は、急冷室４ａ、冷却室４ｂを組み合わせたものになっている。急冷室４ａと冷却室４ｂにおける冷却は窒素ガスを用いて行われる。

設備の最後段の６は、窒素ガスと大気を置換する置換室である。この置換室６は、炉内に大気が流入するのを防止する目的で設けられている。

各ゾーンの内部には、動力駆動の送りローラ７が設けられており、その送りローラ７によってワークを収容したトレイＴが炉の上流から下流に向けて搬送される。

徐冷室３ｂの入口と出口には、焼結室３ａとの間及び冷却ゾーン４との間を開閉可能に仕切る扉８、９がそれぞれ設けられている。また、急冷室４ａの入口と出口にも出入り口を開閉する扉１０，１１が設けられ、さらに、置換室６の入口部と出口部にも出入り口を開閉する扉１２，１３が設けられている。

冷却室４ｂの入口は急冷室４ａの出口に、また、冷却室４ｂの出口は置換室６の入口にそれぞれ連なっており、従って、冷却室４ｂの出入り口も、急冷室４ａの出口の扉１１と置換室６の入口の扉１２によって開閉されるようになっている。

焼結炉の内部に設けた送りローラ７は、速度調整が可能な可変ローラである。冷却ゾーン４の内部に設けられた送りローラ７の搬送速度は、加熱ゾーン３における搬送速度よりも大、かつ、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる速さに設定されている。

図１の１４はヒータ、図２の１５は急冷室用の冷却ファン、図１の１６はガスクーラ、１７は冷却室用の冷却ファン、１８は搬送コンベヤである。

例示の連続焼結炉は、図１に示した各部の長さを以下の通りに設定している。
・全長Ｌ：１９ｍ
・排ガス燃焼炉５の長さａ：１．８ｍ
・脱ガスゾーン１の長さｂ：１．７２ｍ
・隣接ゾーン間の各仕切り壁長さｃ，ｅ，ｇ：０．４ｍ
・予熱ゾーン２の長さｄ：１．５２ｍ
・焼結室３ａの長さｆ：５．０４ｍ
・徐冷室３ｂの長さｈ：１．５２ｍ
・扉９から扉１０に至る区間の長さｉ：０．７５ｍ
・急冷室４ａの長さｊ：１．２ｍ
・冷却室４ｂの長さｋ：２．２５ｍ
・置換室６の長さｌ：０．９ｍ
・搬送コンベヤ１８の長さｍ：１．１ｍ

また、例示の焼結炉では、入口から徐冷室３ｂまでの送りローラ７による搬送速度を０．２５ｍ／ｍｉｎとし、徐冷室出口の扉９から急冷室入口の扉１０までの区間を１．０ｍ／ｍｉｎと言う高い速度で搬送することでワークの温度低下の抑制と、急冷室の温度上昇の防止を図っている。そして、さらに、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を得るための急冷室４ａから急冷室４ａ以降の長手方向中間点までの搬送速度を０．４ｍ／ｍｉｎに設定している。

なお、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を得るのに必要な搬送速度の上記数値０．４ｍ／ｍｉｎは一例に過ぎない。その速度は、徐冷室３ｂや急冷室４ａの長さ、徐冷室３ｂと急冷室４ａ間の長さ、急冷室４ａにおける冷却能力などによって変動する。

排ガス燃焼炉５の入口から徐冷室３ｂまでの区間に設けられる送りローラ７の搬送速度は、同一に設定されている。

この発明の方法は、以上の通りに構成された連続焼結炉を用いて高強度部品を製造する。
処理対象のワークを収容したトレイＴを搬送ローラ７に載せて連続焼結炉内に導入し、脱ガスゾーン１での脱ガス処理後に予熱ゾーン２を通過させてここでワークを７００℃〜１０００℃程度に加熱する。

その後、トレイＴを焼結室３ａに導入してここでワークを１１００℃〜１３００℃の焼結温度になるまで加熱し、その温度を所定時間保持して焼結を進める。

焼結を終えたワークはトレイＴとともに徐冷室３ｂに導入してここで徐徐に温度を下げて急冷室４ａの入口の扉１０が開かれるまで、Ａ_３点以上の焼入れ温度（変態点以上、９００℃以下の温度）に保持して待機させる。このとき、扉８、９は閉じられている。そのために、焼結室３ａから徐冷室３ｂへの温熱の流れが阻止され、徐冷室３ｂ内での温度ムラが小さく抑えられ、変態点以上、９００℃以下の温度が安定して維持される。待機中の温度を９００℃以下にすることで、焼入れの冷却における品質低下を避けることができる。

また、扉９を設置したことで加熱ゾーン３から冷却ゾーン４への温熱の流れも阻止され、急冷室４ａ内の温度ムラも小さく抑えられる。

先行するトレイＴが急冷室４ａでの冷却処理を終えて冷却室４ｂに送り出されると、扉１１が閉じられ、扉９，１０が開かれて徐冷室３ｂから急冷室４ａにトレイＴが送り込まれる。徐冷室３ｂから急冷室４ａにトレイＴを移動させる送りローラ７は、例示の炉の場合、扉９，１０間では１．０ｍ／ｍｉｎの搬送速度で駆動され、徐令室３ｂを出たワークは、急冷室４ａに導入されるまでの温度低下が０〜−５％程度に抑えられて急冷室４ａに入るときの温度がＡ_３点以上に保たれるようになっている。

このとき、急冷室４ａ内ではトレイＴ内のワークに対して窒素ガスが吹きつけられ、それによって焼結後のワークが急速に冷却されて焼入れされる。その冷却は、３℃／ｓｅｃ以上の速度でなされる。

なお、急冷室４ａに吹込む窒素ガスは常温（室温）であり、トレイ導入時の急冷室４ａの温度は１５０℃以下に、また、急冷室４ａでの搬送速度は０．４ｍ／ｍｉｎに保つようにしてある。

急冷室４ａを通過したワークは、トレイＴとともに冷却室４ｂに移されて３００℃を下回る温度になるまで冷却され、さらに、冷却室４ｂから置換室６に向けて搬送され、その間に酸化が起きない温度（２００℃以下、より好ましくは１５０℃以下）まで冷却されて出炉する。

かかる方法における炉内各部でのワーク温度の変動状況と送りローラによるワーク搬送速度の変動状況を図３に示す。

上述したように、この発明によれば、加熱ゾーン３と冷却ゾーン４との間に扉９を設けたので、急冷室４ａの温度が安定し、また、送りローラ７による徐冷室３ｂから急冷室４ａへのワーク移動が高速でなされて急冷室４ａでのワークの冷却が急速になされ、これにより、焼入れによるマルテンサイト変態が安定して起こって良好な材料特性が得られる。

また、加熱ゾーン３におけるワークの搬送速度は、冷却ゾーン４における搬送速度の影響を受けず、ワークを低速で移動させながら焼結することができるので、焼結室の長尺化による設備の大型化を招かない。

１脱ガスゾーン
２予熱ゾーン
３加熱ゾーン
３ａ焼結室
３ｂ徐冷室
４冷却ゾーン
４ａ急冷室
４ｂ冷却室
５排ガス燃焼炉
６置換室
７送りローラ
８〜１３扉
１４ヒータ
１５、１７冷却ファン
１６ガスクーラ
１８搬送コンベヤ
Ｔトレイ

Claims

ワークを収容したトレイ（Ｔ）を脱ガスゾーン（１）、予熱ゾーン（２）、焼結室（３
ａ）を有する加熱ゾーン（３）、冷却ゾーン（４）に順番に導いて焼結と焼入れを連続的
に行う高強度焼結部品の製造方法であって、前記加熱ゾーン（３）と冷却ゾーン（４）と
の間に扉（９）を設置して加熱ゾーン（３）から冷却ゾーン（４）への熱の流れをその扉
で遮り、さらに、前記トレイ（Ｔ）の搬送を送りローラ（７）を設けて行って冷却ゾーン
（４）におけるトレイの搬送速度を加熱ゾーン（３）における搬送速度よりも大、かつ、
３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる速さにして焼結と焼入れを行うようにし、
前記加熱ゾーン（３）に、前記焼結室（３ａ）と冷却ゾーン（４）間に配置される徐冷
室（３ｂ）を含ませてその徐冷室の入口と出口に扉（８，９）を設置し、さらに、前記冷
却ゾーン（４）に急冷室（４ａ）とその急冷室の後方に配置される冷却室（４ｂ）を含ま
せて前記急冷室（４ａ）の入口と出口にもそれぞれ扉（１０，１１）を設置し、前記徐冷
室の出口の扉（９）と前記急冷室の入口の扉（１０）との間に徐冷室（３ｂ）と急冷室（
４ａ）から独立した空間を持ち、
前記焼結室（３ａ）を通過したトレイを、出入り口の扉（８，９）が閉じられた前記徐
冷室（３ｂ）においてワークの変態点（Ａ_３点）以上、９００℃以下の温度を保持しなが
ら急冷室による処理の順番が来るまで待機させ、さらに、前記空間を０〜−５％の摂氏温度低下に抑えられる条件で前記トレイを前記急冷室（４ａ）に搬送するようにした高強度焼結部品の製造方法。
前記冷却ゾーン（４）のうち、徐冷室（３ｂ）から前記急冷室（４ａ）に至る区間において、ワークの収容されたトレイ（Ｔ）を前記急冷室（４ａ）内での搬送速度よりも高速で搬送するようにした請求項１に記載の高強度焼結部品の製造方法。
前記トレイが前記急冷室（４ａ）に入るときのワーク温度をＡ_３点以上に保つようにした請求項１又は請求項２に記載の高強度焼結部品の製造方法。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法で高強度焼結部品を製造する連続焼結炉であって、ワークを収容したトレイ（Ｔ）を順番に送り込む脱ガスゾーン（１）、予熱ゾーン（２）、焼結室（３ａ）を有する加熱ゾーン（３）、冷却ゾーン（４）の各々と、各ゾーンの内部に設けるトレイ搬送用の送りローラ（７）と、前記加熱ゾーン（３）と冷却ゾーン（４）との間に設置されて加熱ゾーン（３）から冷却ゾーン（４）への熱の流れを遮る扉（９）を備え、前記冷却ゾーン（４）内の送りローラ（７）による搬送速度が加熱ゾーン（３）における送りローラの搬送速度よりも大、かつ、３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度が得られる速さに設定され、
なおかつ、前記加熱ゾーン（３）に、入口と出口にそれぞれ扉（８，９）の設置された徐冷室（３ｂ）が含まれ、その徐冷室は前記焼結室（３ａ）と冷却ゾーン（４）間に配置され、さらに、前記冷却ゾーン（４）に、入口と出口にそれぞれ扉（１０，１１）の設置された急冷室（４ａ）とその急冷室の後方に配置される冷却室（４ｂ）が含まれ、前記徐冷室の出口の扉（９）と前記急冷室の入口の扉（１０）との間に徐冷室（３ｂ）と急冷室（４ａ）から独立した空間を持った連続焼結炉。