JP5931769B2 - 赤外炉及び赤外線加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外炉及び赤外線加熱方法に関し、特に、金属板を加熱する赤外炉及び赤外線加熱方法に関する。

燃費向上を目的とする車体の軽量化又は衝突安全性に対するニーズの高まりに伴い、車体部品の製造方法として、ダイクエンチ工法が注目されている。ダイクエンチ工法は、加熱された鋼板を、プレス金型で成形と同時に急速冷却することにより、鋼板を焼入れする工法である。

また、鋼板を焼入れするために鋼板を加熱する方法として、赤外線加熱方法が注目されている。赤外線加熱方法は、ワークに赤外線を照射して、ワークに赤外線を吸収させることにより、ワークを発熱させる方法である。

また、車体部品等の車両用部品に関しては、高強度部品と低強度部品を溶接して一つの部品を製造する手間を省くため、一つの部品内に強度の変化を持たせたいという要求がある。このような部品は、高強度部によって強度が確保され、低強度部は加工し易いという利点を有している。

以上の背景技術に関連する特許文献を以下に紹介する。

特許文献１には、鋼板と赤外線ランプの間に所定の形状を有するプレート材を配置すること、および、鋼板のプレート材で覆われていない側の少なくとも一部の加熱強度分布を、鋼板の前記プレート材で覆われている側の加熱強度分布と異なるよう設定すること、が提案されている。

特許文献２には、鋼板のある領域には強い赤外線を照射すると同時に、この鋼板の別の領域にはより弱い赤外線を照射する赤外線加熱装置が提案されている。

特許文献３には、鋼板の目標加熱温度に応じて点灯させる赤外線ランプの個数を選択すると共に、点灯させる全ての赤外線ランプの出力強度を同率に設定する赤外線加熱装置が提案されている。

特許文献４には、鋼板の加熱状態を領域ごとに制御するため、マトリックス状に配置された複数の赤外線ランプのうち、所定列のランプの出力を低くし、他列のランプの出力を高くする赤外線加熱装置が提案されている。

特許文献５には、鋼板の一部分をＡｒ１変態点以上に赤外線加熱すると共に、鋼板の残部の温度が室温〜Ａｒ１変態点未満の状態で、鋼板のプレス成形を開始するプレス方法が提案されている。

特許第４５７５９７６号公報 特開２０１１−２００８６６号公報 特開２０１１−７４６９号公報 特開２０１１−９９５６７号公報 特開２００５−１９３２８７号公報

赤外線加熱を車体部品の量産工程に適用する場合、昇温時間の短縮と省エネルギの両立が望まれ、さらには、赤外炉構造の簡素化が望まれる。

金属製のワークを加熱する赤外炉又は赤外線加熱方法において、ワークに所望の強度差を有する強度分布に対応する温度分布を形成するため、第１〜第４の視点において下記の手段を提供する。
第１の視点において、下記の手段が提供される：
ワークの一面に対向する複数の赤外線ランプ；
ワークの他面に対向し、赤外線を反射する反射面；
ワークの位置に応じて可変される、ワークの一面に入射する赤外線の強度。

第１の視点に基づく第２の視点において、下記の手段が提供される：
ワークの一面に対向する出力調整自在な複数の赤外線ランプ；
ワークの他面に対向し、赤外線を反射する反射面；
複数の赤外線ランプの出力を、複数の赤外線ランプとワークとの位置関係に応じて設定する一又は複数のコントローラ。

第１の視点に基づく第３の視点において、下記の手段が提供される：
ワークの一面に対向する複数の赤外線ランプ；
ワークの他面に対向し、赤外線を反射する反射面；
複数の赤外線ランプとワークの一面との間に配置され、ワークに入射する赤外線の強度を、ワークの位置に応じて変化させる物体。

第４の視点において、下記の手段が提供される：
ワークの一面に入射する赤外線の強度が前記ワークの位置に応じて可変されるよう、赤外線を照射する；
ワークの他面には、ワークの一面に向かって放射された赤外線の反射光を照射する。

上記各視点は、昇温時間の短縮と省エネルギの両立と、赤外炉構造の簡素化とに貢献し、さらに、赤外線加熱を車体部品の量産工程に適用することに貢献する。例えば、一つの部品内に、強度特性の異なる第１および第２の領域を形成する場合、第１と第２の領域の間に不可避的に形成されて、両領域の中間的な強度特性を有する徐変部（遷移領域）を小さくすることができる。第１と第２の領域の温度差が小さくなり（両領域間の熱勾配が小さくなり）、第１の領域から第２の領域に流入する単位時間当たりの熱量が減少するからである。かくして、強度分布に関する高精度な要求に対応できる、シャープな特性変化を持った部品が得られる。

実施形態に係る赤外炉の基本構造を説明するブロック図である。 実験１の結果を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態１に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態２に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態３に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態４に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態５に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 実験２の結果を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態６に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態７に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、実施形態８に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布、さらに、赤外線を遮蔽する物体のメッシュ部およびその変形例を図示する模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施形態９に係る赤外炉の構造およびこの赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を図示する模式図である。 実験３の結果を示すグラフである。

本発明の実施形態によれば、ワークの一面側に複数の赤外線ランプを設置すると共に、ワークの他面側には反射面を設置した、簡素な赤外炉構造によって、十分に短い昇温時間を得ることができると共に省エネルギが達成される。また、複数の赤外線ランプの局所的な出力調整による、ないし、複数の赤外線ランプとワークの一面の間に配置される物体による、ワーク一面上における局所的な赤外線入射強度の調整によって、一つの部品内に強度の変化を持たせた部品を、得ることができる。以上の作用により、例えば、一つの部品内に、強度特性の異なる第１および第２の領域を形成する場合、第１と第２の領域の間に不可避的に形成されて、両領域の中間的な強度特性を有する徐変部（遷移領域）を小さくすることができる。第１と第２の領域の温度差が小さくなり（両領域間の熱勾配が小さくなり）、第１の領域から第２の領域に流入する単位時間当たりの熱量が減少するからである。かくして、強度分布に関する高精度な要求に対応できる、シャープな特性変化を持った部品が得られる。

本発明による赤外線加熱は、鋼板を部分的に焼入れするための、鋼板の部分的な加熱に好適に利用できる。例えば、鋼板の第１の領域は、オーステナイト化温度以上に赤外線加熱され、同じ鋼板の第２の領域は、オーステナイト化温度未満に赤外線加熱され、このような温度分布を持った状態でこの鋼板は、成形工程、例えば、ダイクエンチ工程に供給される。ダイクエンチ工程において、第１の領域は、臨界速度以上の冷却速度で急冷および成形されてマルテンサイト組織が形成され、第２の領域は、臨界速度未満の冷却速度で冷却および成形されてベイナイトないしフェライト組織が形成され、第１の領域と第２の領域の間には、両領域の中間的な特性を有する徐変部が不可避的に形成される。

上記第１の視点における好ましい形態を説明する。下記の形態等は、複数の赤外線ランプの配置関係によって、ワークの一面において、第１の領域に入射するないし照射される赤外線の強度を、第２の領域に入射するないし照射される赤外線の強度よりも高くする。また、下記の形態等は、上記徐変部を小さくすることができる。

ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、第１の領域と対向する位置には、複数の赤外線ランプが相対的に密に配置され、第２の領域と対向する位置には一又は複数の赤外線ランプが相対的に疎に配置される。

ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、第１の領域と対向する位置には、一又は複数の赤外線ランプが相対的にワークの近くに配置され、第２の領域と対向する位置には一又は複数の赤外線ランプが相対的にワークの遠くに配置される。

上記第２の視点における好ましい形態を説明する。下記の形態等は、複数の赤外線ランプの局所的な出力調整によって、ワークの一面において、第１の領域に入射するないし照射される赤外線の強度を、第２の領域に入射するないし照射される赤外線の強度よりも高くすることができる。また、下記の形態等は、上記徐変部を小さくすることができる。

ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、一又は複数のコントローラによって、複数の赤外線ランプのうち、第１の領域と対向する一又は複数の赤外線ランプの出力は、第２の領域と対向する一又は複数の赤外線ランプの出力よりも高く設定される。

上記第３の視点における好ましい形態を説明する。下記の形態等は、物体による赤外線遮蔽効果によって、ワークの一面において、第１の領域に入射するないし照射される赤外線の強度を、第２の領域に入射するないし照射される赤外線の強度よりも高くすることができる。また、下記の形態等は、上記徐変部を小さくすることができる。

ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、物体は、第２の領域と該第２の領域と対向する一又は複数の赤外線ランプとの間に配置される。

上記物体は、赤外線部分透過性であってもよい。この物体が赤外線の一部を透過させることによって、第２の領域も十分に加熱されるため、第１の領域から第２の領域への熱伝導による第１の領域の温度低下が防止される。

上記物体は、メッシュ状であってもよい。この物体のメッシュ部が赤外線の一部を透過させることによって、第２の領域も十分に加熱されるため、第１の領域から第２の領域への熱伝導による第１の領域の温度低下が防止される。

上記物体の輪郭は、第１又は第２の領域の輪郭に合わせて形成することが好ましい。

赤外線の一部又は全部を遮蔽する上記物体の材質は、セラミックス、耐熱ボード、耐熱性鉄板、耐熱シリカ等から選択することができる。

赤外線ランプは、エネルギ密度が高く、比較的狭い範囲の面加熱に適した近赤外線を放射することが好ましい。好ましい波長の範囲は０．８〜２μｍである。なお、場合によっては、波長の比較的長い赤外線を用いることも可能である。

赤外線ランプとしては、各種形状のランプを用いることができるが、中でも、安価で、赤外炉への装着が容易な長管型を用いることが好ましい。本発明によれば、長管型を用いても、一つの部品に十分な特性の変化を形成することができる。

赤外線ランプの出力強度は、投入する電力量、又は、赤外線を放射する陰極線に流れる電流量を調整することによって、制御することができる。

赤外線加熱に適したワークとしては、各種鋼板、例えば、ボロン鋼板、ＧＡ鋼板およびＧＩ鋼板が例示されるが、部分的な熱処理が可能なものであれば、その他の金属板でもよい。

反射面は、鏡面や光沢面のように、赤外線の反射率が高いことが好ましい。反射率は、６０％以上が好ましく、さらには、７０％以上、８０％以上、９０％以上が好ましい。反射面は、例えば、各種金属メッキ、例えば、金メッキ又は銀メッキから形成することができる。

一又は複数の冷却材によって、ワークの他面を局所的に冷却してもよい。これによって、ワークの特性をスポット的に変化させることができる。

複数の赤外線ランプは、ワークの輪郭ないし所望の特性分布に応じて、平面的あるいは立体的に配置することが好ましい。

上記所定の熱処理は、代表的には焼入れのための熱処理であるが、その他の熱処理であってもよい。

なお、上述の各形態は、本発明の効果が達成される限り、適宜組み合わせることが可能である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面参照符号は、理解を助けるために、図面中の要素に便宜上付記したものであって、本発明を図示の態様に限定することを意図するために用いるものではない。

［赤外炉の基本構造］
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る赤外炉１０の基本構造を説明する。赤外炉１０は、ワークＷの一面に対向する複数の赤外線ランプ１と、ワークＷの他面に対向し、赤外線を反射する反射面３と、複数の赤外線ランプ１の出力を個別に設定可能なコントローラ４と、を備えている。コントローラ４は、複数の赤外線ランプ１のオンオフ制御および出力制御を行う。

赤外炉１０において、ワークＷの一面に入射する赤外線の強度は、ワークＷの位置に応じて可変することができる。

このような、ワークＷの一面上における入射強度の部分的な調整は、出力調整自在な複数の赤外線ランプ１の局所的な出力調整、又は、赤外線を遮蔽する物体５、或いは、これらの手段の併用によって達成することができる。

なお、複数のコントローラ４を、複数の赤外線ランプ１に一対一に設け、赤外線ランプ１の出力強度を個別に調整してもよい。また、ワークＷを下から複数のピンによって支持する場合には、複数の赤外線ランプ１は図１に示すように上方に配置することが好ましく、ワークＷを上から吊り下げる場合には、複数の赤外線ランプ１を下方に配置することが好ましい。一又は複数のコントローラ４は、後述する各種実施形態において、複数の赤外線ランプ１の出力調整用に適宜用いられる。

次に、反射面３の設置によって生じる効果を、下記の実験１の結果を参照しながら説明する。

［実験１］
図１に示したように、ワークＷの一面側にのみ複数の赤外線ランプ１を設け、ワークＷの他面側には反射面３を配置した場合、すなわち、片側加熱の場合と、ワークＷの一面側と他面側の両方に複数の赤外線ランプ１を配置した場合、すなわち、両側加熱の場合とで、厚み１．６ｍｍのボロン鋼板の昇温速度を測定した。同時に、ボロン鋼板（ワークＷ）の一面と他面との温度差を測定した。なお、両側加熱は、二倍の個数の赤外線ランプ１を要するため、片側加熱と比べて約２倍の電力量を要する。

図２は、片側加熱の場合と両側加熱の場合におけるボロン鋼板の昇温速度をそれぞれ示すグラフである。図２を参照すると、室温から９００℃に到達する時間は、片側加熱の場合には３１．４秒であり、両側加熱の場合には２９．６秒であり、両者の昇温速度に有意な差はなかった。したがって、片側加熱により、省エネルギを達成しつつ、十分に短い鋼板の昇温時間が得られることがわかった。また、片側加熱の場合でも、鋼板の一面と他面との温度差は５℃以内に抑制されており、この温度差は、温度制御上、問題のないレベルである。

［実施形態１］
図３（Ａ）は、実施形態１に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照すると、実施形態１の赤外炉１０は、ワークＷの一面に対向する出力調整自在な複数の赤外線ランプ１と、ワークＷの他面に対向して赤外線を反射する反射面３と、を備えている。

複数の赤外線ランプ１のうち、ワークＷの第１の領域Ｒ１に対向する複数の赤外線ランプ１ａがオンされて、図１に示したコントローラ４により設定された出力で赤外光２ａを放射する。ワークＷの第２の領域Ｒ２に対向する複数の赤外線ランプ１ｂはオフされる。これによって、第１の領域Ｒ１には、赤外光２ａが選択的に入射するないし照射される。なお、複数の赤外線ランプ１ｂは取り外されていてもよい。

ワークＷの他面側では、赤外光２ａの一部が反射面３上で反射され、生成された反射光２ｃが、ワークＷの他面に入射する。

図３（Ｃ）を参照すると、上記赤外線加熱によって、ワークＷには、強度等の特性を異ならせることができるような温度差をもった第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とが形成される。例えば、第１の領域Ｒ１は、焼入れに必要な温度以上に加熱されて、さらに急冷後に高強度および高硬度となり、第２の領域Ｒ２は、焼入れ温度未満に加熱されて、さらに冷却後に低強度および低硬度となる。なお、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の間には、徐変部Ｔが不可避的に形成される。徐変部Ｔは、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の中間的な特性を有している。

［実施形態２］
図４（Ａ）は、実施形態２に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図４（Ａ）を参照すると、実施形態２は、図１に示したコントローラ４によって、複数の赤外線ランプ１の出力を、複数の赤外線ランプ１とワークＷとの位置関係に応じて設定することを特徴としている。以下の実施形態２の説明においては、主として、本実施形態２と前記実施形態１の相違点について説明し、両実施形態の共通点については、適宜、実施形態１の説明を参照するものとする。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照すると、実施形態２の赤外炉１０では、複数の赤外線ランプ１のうち、ワークＷの第１の領域Ｒ１に対向する複数の赤外線ランプ１ａは高強度の赤外光２ａを放射し、ワークＷの第２の領域Ｒ２に対向する複数の赤外線ランプ１ｂは低強度の赤外光２ｂを放射する。したがって、第１の領域Ｒ１の一面には高強度の赤外光２ａが入射し、第２の領域Ｒ２の一面には低強度の赤外光２ｂが入射し、同時に、ワークＷの他面には、反射面３からの反射光２ｃが入射する。

図４（Ｃ）を参照すると、実施形態２の赤外線加熱によって、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の間には、実施形態１に比べて、狭い徐変部Ｔが形成される。その理由は、実施形態２の場合、第２の領域Ｒ２に対向している複数の赤外線ランプ１ｂもオンされているため、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の温度差が小さくなり、第１の領域Ｒ１から第２の領域Ｒ２への単位時間当たりの熱流束が減少し、第１の領域Ｒ１において第２の領域Ｒ２に隣接する部分の温度が焼入れ温度未満になることが抑制されるからである。

［実施形態３］
図５（Ａ）は、実施形態３に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図５（Ａ）を参照すると、実施形態３は、複数の赤外線ランプ１の配置密度によって、ワークＷの一面に入射する赤外線の強度を、ワークＷの位置に応じて可変することを特徴としている。以下の実施形態３の説明においては、主として、本実施形態３と前記実施形態２の相違点について説明し、両実施形態の共通点については、適宜、実施形態２の説明を参照するものとする。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照すると、実施形態３の赤外炉１０では、第１の領域Ｒ１と対向する位置には、複数の赤外線ランプ１ａが相対的に密に配置され、第２の領域Ｒ２と対向する位置には一又は複数の赤外線ランプ１ｂが相対的に疎に配置されている。したがって、複数の赤外線ランプ１ａ，１ｂが同様の強度で赤外線を放射しても、第１の領域Ｒ１の一面には高強度の赤外光２ａが入射し、第２の領域Ｒ２の一面には低強度の赤外光２ｂが入射し、同時に、ワークＷの他面には、反射面３からの反射光２ｃが入射する。

図５（Ｃ）を参照すると、実施形態３の赤外線加熱によって、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の間には、実施形態１に比べて、狭い徐変部Ｔが形成される。その理由は、実施形態３の場合、第２の領域Ｒ２に対向している一又は複数の赤外線ランプ１ｂもオンされているからである。

［実施形態４］
図６（Ａ）は、実施形態４に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図６（Ａ）を参照すると、実施形態４は、複数の赤外線ランプ１とワークＷとの距離によって、ワークＷの一面に入射する赤外線の強度を、ワークＷの位置に応じて可変することを特徴としている。以下の実施形態４の説明においては、主として、本実施形態４と前記実施形態２の相違点について説明し、両実施形態の共通点については、適宜、実施形態２の説明を参照するものとする。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）を参照すると、実施形態４の赤外炉１０では、第１の領域Ｒ１と対向する位置には、複数の赤外線ランプ１ａが相対的にワークＷの近くに配置され、第２の領域Ｒ２と対向する位置には複数の赤外線ランプ１ｂが相対的にワークＷの遠くに配置されている。したがって、複数の赤外線ランプ１ａ，１ｂが同様の強度で赤外線を放射しても、第１の領域Ｒ１の一面には高強度の赤外光２ａが入射し、第２の領域Ｒ２の一面には低強度の赤外光２ｂが入射し、同時に、ワークＷの他面には、反射面３からの反射光２ｃが入射する。

図６（Ｃ）を参照すると、実施形態４の赤外線加熱によって、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の間には、実施形態１に比べて、狭い徐変部Ｔが形成される。その理由は、本実施形態４の場合、第２の領域Ｒ２に対向している一又は複数の赤外線ランプ１ｂもオンされているからである。

次に、物体による赤外線遮蔽効果によって、ワークの位置に応じて、ワークに入射する赤外線の強度を変化させる実施形態等を説明する。

［実施形態５］
図７（Ａ）は、実施形態５に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）を参照すると、実施形態５の赤外炉１０は、ワークＷの一面に対向する出力調整自在な複数の赤外線ランプ１と、ワークＷの他面に対向し、赤外線を反射する反射面３と、複数の赤外線ランプ１とワークＷの一面との間に配置され、ワークＷに入射する赤外線の強度をワークＷの位置に応じて変化させるプレート状の物体５と、を備えている。物体５は、ワークＷの第２の領域Ｒ２と、それに対向する複数の赤外線ランプ１ｂとの間に配置されている。また、物体５は、第１および第２の領域Ｒ１，Ｒ２の所望される輪郭に合わせて、曲線上の輪郭を有している。

複数の赤外線ランプ１がオンされると、複数の赤外線ランプ１（＝１ａ、１ｂ）は、同様の強度で赤外光を放射し、ワークＷの第１の領域Ｒ１と対向する複数の赤外線ランプ１ａからの赤外光２ａは、直接的に第１の領域Ｒ１に入射する。一方、物体５を介してワークＷの第２の領域Ｒ２と対向する複数の赤外線ランプ１ｂから放射される赤外光２ｄは、物体５によって遮られる。これによって、複数の赤外線ランプ１ａ，１ｂが同様の強度で赤外線を放射しても、第１の領域Ｒ１に入射する赤外線の強度は、第２の領域Ｒ２に入射する赤外線の強度よりも高くなる。

また、ワークＷの他面側では、赤外光２ａの一部が反射面３上で反射され、生成された反射光２ｃが、ワークＷの他面に入射する。これによって、物体５と対向する第２の領域Ｒ２の温度が、低くなりすぎることが防止される。なお、反射面３の赤外線反射率によって第２の領域Ｒ２の温度を制御し、下記の徐変部Ｔの幅を可変することができる。

図７（Ｃ）を参照すると、上記赤外線加熱によって、ワークＷには、強度等の特性を異ならせることができるような温度差をもった第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とが形成される。例えば、第１の領域Ｒ１は、焼入れに必要な温度以上に加熱されて、さらに急冷後に高強度および高硬度となり、第２の領域Ｒ２は、焼入れ温度未満に加熱されて、さらに冷却後に低強度および低硬度となる。なお、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の間には、徐変部Ｔが不可避的に形成される。徐変部Ｔは、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の中間的な特性を有している。また、第２の領域Ｒ２に対向する複数の赤外線ランプ１ｂもオンされているため、反射面３からの反射光２ｃによるワークＷの他面の加熱効果と相まって、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の間には、実施形態１に比べて、狭い徐変部Ｔが形成される。なお、必要に応じて、本実施形態５の物体による赤外線の部分的な遮蔽と、前記実施形態２の複数の赤外線ランプの出力調整とは、併用することができる。

ここで、物体５の遮蔽機能を、下記の実験２の結果を参照しながら検証する。

［実験２］
図７（Ａ）に示したような赤外炉１０において、鋼板（ワークＷ）が部分的に焼入れされるよう、赤外線を遮蔽する物体５を用いて赤外線加熱および急冷ないし冷却した後、鋼板の長さ方向（図７（Ｃ）の左右方向）のビッカース硬度分布を測定した。なお、鋼板のビッカース硬度は、鋼板の強度に比例している。ワークＷとしては、長さ５００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのボロン鋼板を用いた。物体５としては、幅５０ｍｍの第１のプレートと、幅１００ｍｍの第２のプレートを用い、それらを、上記ボロン鋼板と複数の赤外線ランプ１の間にそれぞれ配置した。上記ボロン鋼板の長さ方向において、第１のプレートは、その中心が、上記ボロン鋼板の端から１００ｍｍの位置上にあるよう配置され、第２のプレートは、その中心が、同４００ｍｍの位置上にあるよう配置された。また比較のため、これら第１および第２のプレートを用いないで、上記ボロン鋼板を赤外線加熱し冷却した後、同様にビッカース硬度分布を測定した。

図８は、実験２の結果を示すグラフであって、白抜き四角のプロットは、第１および第２のプレートを用いて赤外線加熱を行った場合の長さ方向の硬度分布を示し、塗り潰し円のプロットは、これらのプレートを用いないで赤外線加熱を行った場合の長さ方向の硬度分布を示している。

図８に示すビッカース硬度分布を参照すると、幅５０ｍｍの第１のプレートの下には５０ｍｍ幅の第２の領域Ｒ２が形成され、この第２の領域Ｒ２の両側には、幅２０ｍｍの徐変部Ｔがそれぞれ形成され、幅１００ｍｍの第２のプレートの下には、１００ｍｍ幅の第２の領域Ｒ２が形成され。この第２の領域Ｒ２の両側には、幅２０ｍｍの徐変部Ｔがそれぞれ形成され、その他の部分には、第１の領域Ｒ１が形成されたことがわかった。

以上より、物体５による部分的な赤外線の遮蔽によって、一つの部品内に強度の変化を持たせた部品を得ることができることが確認された。また、物体５の直下においても、ワークＷの一面と他面の温度差は、実験１と同様に、ほとんど発生しなかった。これは、ワークＷの他面側に反射面３を配置した効果と考えられる。さらに、反射面３等の効果によって、徐変部Ｔの幅も小さくなると考えられる。

［実施形態６］
図９（Ａ）は、実施形態６に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図９（Ａ）を参照すると、実施形態６は、ワークＷの周囲に一又は複数の蓄熱材６を配置したことを特徴としている。以下の実施形態６の説明においては、主として、本実施形態６と前記実施形態５の相違点について説明し、両実施形態の共通点については、適宜、実施形態５の説明を参照するものとする。

図９（Ａ）を参照すると、実施形態６の赤外炉１０では、ワークＷの上方に複数の赤外線ランプ１が配置され、残りの三方に蓄熱材６がそれぞれ配置されている。複数の蓄熱材６からは蓄熱された熱が輻射され、第２の領域Ｒ２が、例えば、焼入れ温度未満まで加熱されるのを助ける。なお、蓄熱材６は、他の実施形態にも適用することができる。蓄熱材６には、セラミック耐熱ボード等を用いることができる。

［実施形態７］
図１０（Ａ）は、実施形態７に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図１０（Ａ）を参照すると、実施形態７は、物体５として、赤外線部分透過性のプレートを用いたことを特徴としている。以下の実施形態７の説明においては、主として、本実施形態７と前記実施形態５の相違点について説明し、両実施形態の共通点については、適宜、実施形態５の説明を参照するものとする。

図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を参照すると、実施形態７の赤外炉１０において、赤外線透過性の物体５は、それに対向する複数の赤外線ランプ１ｂから放射される赤外光２ｄの一部を透過させる。これによって、透過光２ｅがワークＷの第２の領域Ｒ２の一面に入射する。したがって、複数の赤外線ランプ１ａ，１ｂが同様の強度で赤外線を放射しても、第１の領域Ｒ１に入射する赤外光２ａの強度は、第２の領域Ｒ２に入射する赤外線、すなわち透過光２ｅの強度よりも高くなる。しかしながら、第２の領域Ｒ２も、反射光２ｃおよび透過光２ｅによって、十分に加熱されるため、徐変部Ｔの幅は狭くなる。なお、赤外線透過性の物体５として、所望の透過率を有する曇り石英ガラスや半透明セラミックス等を用いることができる。

［実施形態８］
図１１（Ａ）は、実施形態８に係る赤外炉の内部構造を模式的に示す正面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の複数の赤外線ランプとワークを示す平面図であり、図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図であり、図１１（Ｄ）は、図１１（Ｂ）に示した物体の部分拡大図であり、図１１（Ｅ）は、図１１（Ｄ）に示した部分の変形例を示す図である。

図１１（Ｂ）を参照すると、実施形態８は、物体５として、メッシュ状のプレートを用いたことを特徴としている。以下の実施形態８の説明においては、主として、本実施形態８と前記実施形態７の相違点について説明し、両実施形態の共通点については、適宜、実施形態７の説明を参照するものとする。

図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）を参照すると、実施形態８の赤外炉１０において、物体５はメッシュ状であるから、物体５は、それに対向する複数の赤外線ランプ１ｂから放射される赤外光２ｄの一部を、透過させて、透過光２ｅをワークＷの第２の領域Ｒ２の一面に入射させる。したがって、複数の赤外線ランプ１ａ，１ｂが同様の強度で赤外線を放射しても、第１の領域Ｒ１に入射する赤外光２ａの強度は、第２の領域Ｒ２に入射する透過光２ｅの強度よりも高くなる。しかしながら、第２の領域Ｒ２も、反射光２ｃおよび透過光２ｅによって、十分に加熱されるため、徐変部Ｔの幅は狭くなる。

図１１（Ｄ）を参照して、メッシュは格子状に形成することができ、又、図１１（Ｅ）を参照して、メッシュはハニカム状ないし六角状に形成して強度を高めてもよい。また、物体５としては、網目構造を有するセラミックスや多孔質セラミックス等を用いてもよい。

［実施形態９］
図１２（Ａ）は、実施形態９に係る赤外炉の内部構造を部分的に示す正面図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の赤外炉によって加熱されたワークの特性分布を示す平面図である。

図１２（Ａ）を参照すると、実施形態９の赤外炉は、ワークＷの他面を局所的に冷却する冷却材７，７を備えている。図１２（Ｂ）を参照すると、図１２（Ａ）の状態で、図３（Ａ）等に示した赤外線加熱を行うと、冷却材７，７がそれぞれ当接した部分が第２の領域Ｒ２，Ｒ２となり、これら第２の領域Ｒ２，Ｒ２の周囲がそれぞれ徐変部Ｔ，Ｔとなり、残部が第１の領域Ｒ１となる。このような冷却材７は、必要に応じて、その他の実施形態に係る赤外炉１０に適宜追加することができる。

なお、冷却材７としては。セラミックスやナトリウムを封入した金属体などの温度吸収部材を用い、それをワークＷの他面に接触させることができる。このような温度吸収部材を、ワークＷを支持するピンとして用いてもよい。また、冷却材７として、水やエアを、ワークＷの他面側に配置されたノズルから噴出させてもよく、これらを、上述の金属体と併用してもよい。

［実験３］
ここで、領域の設定温度（例えば、約４００〜９００℃）に応じた赤外線ランプの出力調整方法の一例を実験結果に基づいて説明する。赤外線加熱されるワークとしては、厚み１．６ｍｍ、長さ１００ｍｍ、幅８０ｍｍのボロン鋼板を用い、その中央に熱電対を取り付け、複数の赤外線ランプから出力される赤外線の強度を約５０〜１００％の間で変えて赤外線加熱をそれぞれ行い、ボロン鋼板の温度変化をそれぞれ測定した。

図１３は、実験３の結果を示すグラフであって、鋼板に対する赤外線入射強度の違いによる、鋼板の加熱温度の違いを示すグラフである。図１３を参照すると、赤外線ランプの出力調整によって鋼板の温度を自在に設定できること、さらに、複数の赤外線ランプの部分的な出力調整によって鋼板の複数の所定領域の温度を自在に設定できることが分かる。

なお、以上説明した複数の実施形態は、特に断り書きがない限り、併用することができる。

以上、本発明の実施形態等を説明したが、本発明は、上記した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の基本的な技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形、置換又は調整を加えることができる。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明は、車体部品、例えば、各種ピラー、サイドメンバ、又は、ドアの構成部品であるインパクトバー等の熱処理ないし加熱成形に好適に利用される。

１ 複数の赤外線ランプ
１ａ 第１の領域に対向する一又は複数の赤外線ランプ
１ｂ 第２の領域に対向する一又は複数の赤外線ランプ
２ａ 第１の領域に対向する赤外線ランプから放射される赤外光、高強度の赤外光
２ｂ 第２の領域に対向する赤外線ランプから放射される赤外光、低強度の赤外光
２ｃ 反射光
２ｄ 物体によって遮蔽される赤外光
２ｅ 透過光
３ 反射面
４ コントローラ
５ 赤外線を遮蔽又は部分透過する物体
６ 蓄熱材
７ 冷却材
１０ 赤外炉、赤外線加熱装置
Ｗ ワーク
Ｒ１ 第１の領域、高強度部、高硬度部
Ｒ２ 第２の領域、低強度部、低硬度部
Ｔ 徐変部、遷移部
１０ 赤外炉

Claims (12)

1. 金属製のワークを加熱する赤外炉であって、
   前記ワークの一面に対向する複数の赤外線ランプと、
   前記ワークの他面に対向し、赤外線を反射する反射面と、
   を備え、
   前記ワークの前記一面に入射する赤外線の強度が、前記ワークに所望の強度差を有する強度分布に対応する温度分布が形成されるよう前記ワークの位置に応じて可変される、ことを特徴とする赤外炉。
2. 金属製のワークを加熱する赤外炉であって、
   前記ワークの一面に対向する出力調整自在な複数の赤外線ランプと、
   前記ワークの他面に対向し、赤外線を反射する反射面と、
   前記複数の赤外線ランプの出力を、前記ワークに所望の強度差を有する強度分布に対応する温度分布が形成されるよう前記複数の赤外線ランプと前記ワークとの位置関係に応じて設定する一又は複数のコントローラと、
   を備える、ことを特徴とする赤外炉。
3. 金属製のワークを加熱する赤外炉であって、
   前記ワークの一面に対向する複数の赤外線ランプと、
   前記ワークの他面に対向し、赤外線を反射する反射面と、
   前記複数の赤外線ランプと前記ワークの前記一面との間に配置され、前記ワークに入射する赤外線の強度を、前記ワークに所望の強度差を有する強度分布に対応する温度分布が形成されるよう前記ワークの位置に応じて変化させる物体と、
   を備える、ことを特徴とする赤外炉。
4. 前記ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、前記所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、
   前記第１の領域と対向する位置には、複数の前記赤外線ランプが相対的に密に配置され、前記第２の領域と対向する位置には、一又は複数の前記赤外線ランプが相対的に疎に配置される、ことを特徴とする請求項１記載の赤外炉。
5. 前記ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、前記所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、
   前記第１の領域と対向する位置には、一又は複数の前記赤外線ランプが相対的に前記ワークの近くに配置され、
   前記第２の領域と対向する位置には、一又は複数の前記赤外線ランプが相対的に前記ワークの遠くに配置される、ことを特徴とする請求項１記載の赤外炉。
6. 前記ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、前記所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、
   前記一又は複数のコントローラによって、前記複数の赤外線ランプのうち、前記第１の領域と対向する一又は複数の前記赤外線ランプの出力は、前記第２の領域と対向する一又は複数の前記赤外線ランプの出力よりも高く設定される、ことを特徴とする請求項２記載の赤外炉。
7. 前記ワークは、所定の熱処理がされる第１の領域と、前記所定の熱処理がされない第２の領域と、を有し、
   前記物体は、前記第２の領域と該第２の領域と対向する一又は複数の前記赤外線ランプとの間に配置される、ことを特徴とする請求項３記載の赤外炉。
8. 前記ワークの周囲に蓄熱材を配置したことを特徴とする請求項１記載の赤外炉。
9. 前記物体は、赤外線部分透過性であることを特徴とする請求項３記載の赤外炉。
10. 前記物体は、メッシュ状であることを特徴とする請求項３記載の赤外炉。
11. 前記ワークの前記他面を局所的に冷却する冷却材を備えることを特徴とする請求項１記載の赤外炉。
12. 金属製のワークの赤外線加熱方法であって、
    前記ワークの一面には、前記ワークに所望の強度差を有する強度分布に対応する温度分布が形成されるよう、前記一面に入射する赤外線の強度が前記ワークの位置に応じて可変した状態で赤外線を照射し、
    前記ワークの他面には、前記ワークの一面に向かって放射された赤外線の反射光を照射する、
    ことを特徴とする赤外線加熱方法。

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