JPH06145781A - 雰囲気熱処理炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被熱処理品を支持するために炉内に設けた回
転体の熱変形がほとんどなく、長期に亘って円滑な操業
ができ、回転体の交換時期を大幅に延長することのでき
る雰囲気熱処理炉を提供する。 【構成】 炉内に備えた回転体３をＣ／Ｃコンポジット
により形成すると共に炉内雰囲気中の酸素分圧を検出す
る酸素センサ１１を設け、雰囲気制御装置２０により炉
内を常時非酸化性雰囲気に保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属製各種機械部品
の浸炭処理に際して、被処理品を浸炭性雰囲気中で加熱
・保持したり、光輝焼鈍や光輝焼入などに際して、被処
理品を非酸化性雰囲気中で加熱したりするのに利用され
る雰囲気熱処理炉に係わり、特に、被処理品を保持ある
いは載置して回転する回転体を搬送装置として炉内に備
えた雰囲気熱処理炉にに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炉内に搬送装置としての回転体を備えた
雰囲気熱処理炉としては、例えば回転炉床型炉がある
（例えば、昭和５７年５月３１日 株式会社丸善発行
社団法人日本鉄鋼協会編 第３版 鉄鋼便覧 第ＶＩ巻
第５３６〜５３７頁参照）。

【０００３】この回転炉床型炉は、炉底部に設けた円形
あるいはドーナツ形の耐熱鋼製ハースを駆動モータによ
って連続的または間欠的に回転させ、装入口から装入し
た被処理品を前記ハースに直接あるいはトレイに積載し
て載置し、炉内を一周させながら所定の時間加熱し、取
出し口あるいは取出し口を兼ねた前記装入口から取出す
ようにしたものであって、設備面積が小さく、運搬管理
が容易であって、一人の作業員によって被処理品の装
入，取出しができるので、例えば、雰囲気ガスとしてＲ
Ｘガスにプロパンやブタンなどの生ガスを微量エンリッ
チしたものを使用することにより、浸炭後の歯車やピニ
オンをプレス焼入れする際の再加熱炉として、比較的小
ロットの熱処理に適用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の回転炉床型炉においては、回転ハースが昇温・
降温時の加熱・冷却や、高温下での被処理品の装入，取
出しに基づく熱的あるいは応力的なサイクルを繰り返し
受ける結果、当該回転ハースは耐熱鋼で形成されている
とはいえ、クリープや熱応力による変形が徐々に進行
し、ついには著しい形状変化となって被処理品の装入，
取出しや、ハースの円滑な回転にも支障を来すようにな
るという問題があって、これら問題の解消がこの種回転
体を備えた雰囲気熱処理炉における課題となっていた。

【０００５】

【発明の目的】この発明は、炉内搬送装置として、炉内
に被処理品を支持する回転体を備えた雰囲気熱処理炉に
おける上記課題に着目してなされたものであって、炉内
に設けた回転体の熱変形がほとんどなく、長期に亘って
円滑な操業ができ、回転体の交換時期を大幅に延長する
ことのできる雰囲気熱処理炉を提供することを目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる雰囲気
熱処理炉は、炉内に被処理品を支持する回転体を備えた
雰囲気熱処理炉において、前記回転体をＣ／Ｃコンポジ
ットにより形成すると共に、炉内雰囲気中の酸素分圧を
検出する酸素センサを備えた構成としたことを特徴とし
ており、この発明に係わる雰囲気熱処理炉の一実施態様
としては、前記雰囲気熱処理炉に前記酸素センサからの
出力に基づいて炉内を非酸化性雰囲気に自動的に保持す
る雰囲気制御装置を備えることが望ましく、また、前記
雰囲気熱処理炉にシール扉を介して炉内に連通するパー
ジ室を備えた構成とすることも必要に応じて望ましいも
のであって、雰囲気熱処理炉の上記構成を前述した従来
の課題を解決するための手段としている。

【０００７】この発明に係わる雰囲気熱処理炉におい
て、被処理品を支持する回転体の素材として使用するＣ
／Ｃコンポジットは、強化材としての炭素繊維をカ−ボ
ンマトリックスで結合した複合材料であって、耐蝕性，
軽量性，高温強度，耐熱性，耐熱衝撃性に優れ、室温か
ら１５００℃程度まで曲げ強度がほとんど変らないなど
耐熱材料として理想的な特性を備えたものである。 そ
して、このＣ／Ｃコンポジットは、例えば、炭素繊維基
材にメタンやプロパンなどの炭化水素を熱分解して生成
する炭素を気相で直接的に蒸着させるＣＶＤ法、あるい
は炭素繊維基材にフェノール樹脂やピッチなどを含浸さ
せ、成形硬化させたのちに、不活性雰囲気中で焼成する
ことによって炭素化ないし黒鉛化し、さらに高密度化す
るために前記フェノール樹脂やピッチなどの含浸と焼成
を繰り返す含浸法などによって製造されている。

【０００８】しかしながら、Ｃ／Ｃコンポジットは、５
００℃以上の高温下では酸化性雰囲気に弱いので、この
発明に係わる雰囲気熱処理炉においては特に酸素センサ
を備え、常に炉内の酸素濃度を監視し、非酸化性雰囲気
に保持するようにしている。

【０００９】すなわち、この発明に係わる雰囲気熱処理
炉においては、雰囲気ガスとして窒素ガス，アルゴンガ
ス，ＲＸガスが使用できるが、これら雰囲気ガスに空気
や水分が混入しないように配慮すると共に、炉内温度と
ともに雰囲気ガス中の酸素分圧を前記酸素センサによっ
て常時監視し、酸素分圧が所定の値よりも高くなった場
合、炉内温度が７００℃以下のときには、雰囲気ガスを
大量に流すことによって炉内の酸素を追い出し、炉内温
度が７００℃を超えているときには、プロパンガスある
いはブタンガスなどの炭化水素ガスを炉内に送給するこ
とによって炉内の酸素濃度を所定値以下に保持するよう
にしている。 前記プロパンガスあるいはブタンガス等
の炭化水素ガスは高温下では炉内の酸素と反応して一酸
化炭素と水素に分解するので、少量のガスを送給するだ
けで酸素分圧を下げ、炉内を瞬時に非酸化性雰囲気にす
ることができる。 なお、この炉内酸素分圧の監視およ
び炉内雰囲気制御は、手動によって、あるいは雰囲気制
御装置を用いて自動的に行うことができる。 また、手
動あるいは自動装置による雰囲気の監視および制御は、
炉内が高温である限り炉の停止後も引き続き行う必要が
あり、炉内温度が３００℃以下になるまで雰囲気ガスを
所定の酸素濃度以下に保持するようにする。さらに、被
処理品の挿入・取出しに際しては、搬入・搬出口から雰
囲気ガスを吹き出しながら行う（比較的小型の被処理品
の場合）か、あるいはパージ室を介して行うようにし、
炉内への外気の混入を避けることが必要である。

【００１０】

【発明の作用】この発明に係わる雰囲気熱処理炉におい
ては、耐熱性，高温強度，耐熱衝撃性などに優れたＣ／
Ｃコンポジットによって炉内の回転体が形成されている
ので、前記回転体が急速加熱・冷却を繰り返す過酷な条
件下で使用されても変形することがなく、回転体の円滑
な回転や被処理品の挿入・取出しの障害となることはな
い。 また、酸素センサによって炉内雰囲気を常時監視
し、常に炉内を非酸化性雰囲気に保持するようになすこ
とによって、前記Ｃ／Ｃコンポジット製回転体の酸化消
耗が防止される。

【００１１】

【実施例】以下、この発明を図面に基づいてさらに具体
的に説明する。

【００１２】図１ないし図２は、この発明に係わる雰囲
気熱処理炉の一実施例を示すものであって、図１は当該
雰囲気熱処理炉の構造を示す断面説明図、図２はその制
御システムを示す系統図である。

【００１３】すなわち、図１に示す雰囲気熱処理炉１
は、回転炉床型のものであって、耐火れんが２ａにより
ライニングされ、外側を鉄皮２ｂにより覆われた炉体２
の炉床部分には、Ｃ／Ｃコンポジット製のハース３（回
転体）が支持ローラ４によって回転自在に支持されてお
り、チェイン５ａを介してハース駆動モータ５により、
連続あるいは間欠的に減速回転駆動されるようになって
いる。

【００１４】前記ハース３の上下には、それぞれ９本の
ラジアントチューブヒータ６が炉体２の炉壁部分から中
心に向けて放射状に配設され、炉体２の天井部分には、
炉内雰囲気およびその温度を均一化するための撹拌用フ
ァン７およびこれを回転させるための撹拌モータ８が設
けてある。

【００１５】さらに、炉体２の天井部分および炉壁部分
には、雰囲気ガスを炉内に導入するためのガス導入管９
および雰囲気置換に際して炉内を排気する排気管１０が
それぞれ設けてあり、前記ガス導入管９は後述する雰囲
気制御装置２０（図２参照）によって制御される電磁バ
ルブ２２，２４を介して、ＲＸガス，窒素ガス，アルゴ
ンガスなどの雰囲気ガス配管、および雰囲気調整用のプ
ロパンガス配管に接続されている。 また、前記排気管
１０は同じく雰囲気制御装置２０によって制御される電
磁バルブ２５を介して外部に開放されている。

【００１６】また、炉体２の天井部分には、炉内の酸素
分圧を検出する酸素センサ１１と炉内温度を検出する温
度センサとしての熱伝対１２がそれぞれ取付けてあり、
これら各センサ１１および１２は前記雰囲気制御装置２
０に電気的に接続され、その出力に基づいて炉内雰囲気
中の酸素分圧および炉内温度を所定の値に制御するよう
になっている。

【００１７】前記酸素センサ１１は、カルシアあるいは
イットリアなどで安定化したジルコニアが高温において
酸素イオンを透過するイオン伝導性を示すことを利用し
たものであって、検出しようとする炉内雰囲気と参照空
気との間の酸素濃度差によって酸素イオンの移動が発生
し、ジルコニアの両端に接合した電極間に生ずる起電力
を測定して炉内の酸素分圧を検出するようになってお
り、この実施例では、炉内の温度が低い場合でも炉内酸
素分圧を検出できるように、検出素子である前記ジルコ
ニアを局部的に加熱するヒータと、当該ジルコニアの温
度を検出する熱伝対を内蔵している。

【００１８】前記炉体２の図中左側の炉壁には、被処理
品の通路となる開口部２ｃが設けてあり、該開口部２ｃ
は油圧シリンダ１３ａによって上下に駆動される断熱扉
１３によって閉ざされるようになっている。

【００１９】また、前記炉体２の開口部２ｃの左側に
は、真空パージ室１４が設けてあり、該真空パージ室１
４の炉体２側の開口部１４ａは油圧シリンダ１５ａによ
って上下動するシール扉１５によって密閉されるように
なっており、前記真空パージ室１４には、当該パージ室
１４内を排気するための真空ポンプと、排気したのちに
パージ室１４内に炉内と同じ雰囲気ガスを送給するガス
配管（図示せず）が設けてあると共に、被処理品を出し
入れするために搬出入路側に開放されるシール扉１４ｂ
と、パージ室１４内に搬入された被処理品を炉内に装入
したり、熱処理終了後に炉内から取出したりするための
搬送フック１６ａを先端に取付けた油圧シリンダ１６を
備えている。

【００２０】図２は、当該雰囲気熱処理炉１の炉内を非
酸化性雰囲気に維持するための雰囲気制御システムを示
す系統図であって、炉体２に取付けられた酸素センサ１
１および熱伝対１２の出力は雰囲気制御装置２０の信号
変換器を介して調節計に入力され、そのときの炉内温度
および炉内雰囲気の酸素分圧をメータ，表示管あるいは
ＣＲＴなどによって表示すると共に、雰囲気熱処理炉１
の可動中の炉内温度および炉内酸素分圧の時間的変化を
記録紙上に記録するようになっている。

【００２１】一方、前述のように、炉体２に配設された
ガス導入管９は、雰囲気ガス用流量計２１および雰囲気
ガス用電磁バルブ２２を介して、ＲＸガス，窒素ガス，
アルゴンガスなどの雰囲気ガス配管に接続されるととも
に、プロパンガス用流量計２３およびプロパンガス用電
磁バルブ２４を介して雰囲気調整用のプロパンガス配管
に接続されており、同じく、炉体２に配設された排気管
１０は排気用電磁バルブ２５を介して外部に開放されて
いて、雰囲気制御装置２０が前記酸素センサ１１および
熱伝対１２からの出力に基づいて各電磁バルブ２２，２
４，２５を開閉作動させることにより、炉内雰囲気の酸
素分圧を各温度ごとにあらかじめ記憶させておいた所定
の値、すなわちＣ／Ｃコンポジットが酸化されることの
ない酸素分圧以下になるよう自動調整すると共に、前記
熱伝対１２からの出力に基づいて図示しない温度制御装
置が前記ラジアントチューブヒータ６への通電を制御す
ることによって設定された炉内温度を保持するようにな
っている。

【００２２】次に、上記構成を有する雰囲気熱処理炉１
の運転手順について簡単に説明する。

【００２３】まず、熱処理の目的に応じて処理温度と雰
囲気ガスを選択する。

【００２４】例えば、８５０℃での処理を行う場合に
は、雰囲気制御装置２０および温度制御装置を８５０℃
に設定し、電源を投入することにより、あらかじめ定め
られたプログラムにしたがって制御が開始される。

【００２５】まず、排気用電磁バルブ２５を開け、雰囲
気ガス用電磁バルブ２２を開けることによって炉内に雰
囲気ガス（例えばＲＸガス）を所定時間のあいだ流し続
けることにより、炉内がＲＸガスに置換される。

【００２６】次に、炉内雰囲気の酸素分圧が１０^-22 ａ
ｔｍ以下になっていることが確認されると、ラジアント
チューブヒータ６に通電が開始される。

【００２７】なお、７００℃以下の低温炉の場合には、
酸素センサ１１の素子であるジルコニアが特性の内蔵ヒ
ータによって約８５０℃に加熱されるので、炉内の温度
が低くても炉内の酸素濃度を検出することができる。

【００２８】そして、炉内温度が８５０℃に達したら、
熱処理が開始される。

【００２９】すなわち、ハース駆動モータ５の回転速度
を調節し、ハース３が１回転する時間が炉内保持時間に
一致するように調整すると共に、真空パージ室１４のシ
ール扉１４ｂを開いて被処理品を当該パージ室１４内に
収納し、図示しないパージ室用真空ポンプを作動させて
パージ室１４内を排気したのち、炉内雰囲気と同じＲＸ
ガスでパージ室１４内を置換する。 次いで、油圧シリ
ンダ１５ａおよび１３ａを作動させることによりシール
扉１５および断熱扉１３を開け、搬送フック１６ａ取付
けたを油圧シリンダ１６を押出し駆動させて前記被処理
品を炉内で回転しているハース３の上に載置する。

【００３０】この様にして、被処理品を順次に炉内に送
り込むとともに、１回転して開口部２ｃの側に戻ってき
た被処理品は前記搬送フック１６ａによって炉内から取
り出され、パージ室１４から搬送路を経て次工程に搬出
される。

【００３１】この間、例えばパージ室１４から空気が混
入して、炉内雰囲気中の酸素濃度が８５０℃における限
界酸素分圧１０^-22 ａｔｍを超えた場合には、プロパン
ガス用電磁バルブ２４を開けて炉内に少量のプロパンガ
スを流し込み、これによって炉内の酸素分圧を下げるよ
うにする制御が行われる。 すなわち、プロパンガスが
炉内の酸素と反応することによって１酸化炭素と水素が
生じるので、瞬時に酸素分圧を低下させることができ
る。

【００３２】炉内温度が７００℃以下のときに、炉内の
酸素分圧が温度ごとに定められた所定の分圧（例えば７
００℃では１０^-24 ａｔｍ）を超えてしまった場合に
は、プロパンガスによる前記反応が期待できないので、
排気用電磁バルブ２５を開け、雰囲気用電磁バルブ２２
を開けてＲＸガス（又は窒素ガス）を大量に流すことに
よって炉内の酸素を追い出し、酸素分圧を下げるように
する制御が自動的になされる。

【００３３】熱処理が終了して、当該雰囲気熱処理炉１
の運転を停止させたのちも炉内の温度が３００℃以下に
なるまでは、Ｃ／Ｃコンポジットが酸化される可能性が
あるので、炉内雰囲気の酸素分圧を低くするよう雰囲気
ガスを定量流すか、雰囲気をパックしておく。

【００３４】図３（ａ）および（ｂ）は、この発明に係
わる雰囲気熱処理炉の他の実施例を示すものであって、
パージ室を備えていないタイプの例を示すものである。

【００３５】すなわち図に示す雰囲気熱処理炉３０は、
丸刃やクラッチプレートなどの円盤状部品を焼入れする
際の加熱に用いられるものであって、セラミックファイ
バー製断熱材３１ａによってライニングされた有底箱型
状の炉体３１の中央にＣ／Ｃコンポジット製の２枚のロ
ータ３２（回転体）が回転自在に支持されており、略記
した減速モータ３３に駆動されて回転するようになって
いる。

【００３６】炉蓋３４には、炉内雰囲気および温度を均
一なものにするための撹拌用ファン３５と、該ファン３
５を回転させる撹拌モータ３６と、４本のラジアントチ
ューブヒータ３７と、炉内雰囲気中の酸素分圧を検出す
る酸素センサ３８と、炉内温度を検出する熱伝対３９が
設けてある。

【００３７】また、前記炉体３１の両側面には、図３
（ａ）に示すように前記ロータ３２の中心と同一レベル
位置に被処理品４０の装入口４１および取出し口４２が
設けられており、装入口４１から差入れた前記被処理品
４０を前記ロータ３２に放射状に形成されたスリット３
２ａに挿入してロータ３２と共に半回転させ、取出し口
４２から取出すようになっている。

【００３８】炉内雰囲気および炉内温度の制御は、基本
的に前記実施例と同じであり、炉内の圧力を高めに維持
し、被処理品４０の出入れに際して前記装入口４１およ
び取出し口４２から少量の炉内ガスを吹き出させること
によって炉内への空気の混入を防止するようにしてい
る。 また、雰囲気熱処理炉３０の停止中は前記装入口
４１，取出し口４２に取付けられた蓋４１ａ，４２ａを
閉めることができ、炉内ガスの使用量を減らしても外気
が混入しないようになっている。

【００３９】この実施例に係わる雰囲気熱処理炉３０に
おいては、パージ室を設けることなく炉内ガスを吹き出
させることによって外気の混入を防止しているので、取
扱いが容易となり、小型定型部品の熱処理に適したもの
となっている。

【００４０】なお、上記実施例では、雰囲気制御装置に
より自動的に炉内雰囲気をコントロールする例を示した
が、作業員が炉内の酸素分圧を表示装置により監視し、
雰囲気ガスやプロパンガスなどのバルブ操作を手動で行
うようにしてもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
雰囲気熱処理炉は、被処理品を支持する回転体が耐熱
性，高温強度，耐熱衝撃性などに優れ、急速加熱・冷却
を繰り返す過酷な条件下で長時間使用されても変形する
ことがないＣ／Ｃコンポジットにより形成されると共
に、炉内雰囲気中の酸素分圧を検出する酸素センサを備
えた構成としたことにより、炉内雰囲気を常に非酸化性
雰囲気に保持することによって前記Ｃ／Ｃコンポジット
製回転体の酸化消耗を防止することができるので、回転
体の交換時期を大幅に延長させることができるという優
れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係わる雰囲気熱処理炉の
構造を示す断面説明図である。

【図２】図１に示した雰囲気熱処理炉の制御システムを
説明する系統図である。

【図３】（ａ） この発明に係わる雰囲気熱処理炉の他
の実施例を示す断面説明図である。 （ｂ） 図３（ａ）に示した雰囲気熱処理炉の側断面図
である。

【符号の説明】

１，３０ 雰囲気熱処理炉 ３ ハース（回転体） １１， 酸素センサ １４ パージ室 ２０ 雰囲気制御装置 ３２ ロータ（回転体）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内に被処理品を支持する回転体を備え
   た雰囲気熱処理炉において、前記回転体をＣ／Ｃコンポ
   ジットにより形成すると共に、炉内雰囲気中の酸素分圧
   を検出する酸素センサを備えたことを特徴とする雰囲気
   熱処理炉。
2. 【請求項２】 前記酸素センサからの出力に基づいて炉
   内を非酸化性雰囲気に自動的に保持する雰囲気制御装置
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の雰囲気熱処理
   炉。
3. 【請求項３】 シール扉を介して炉内に連通するパージ
   室を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項２記
   載の雰囲気熱処理炉。