WO2007010607A1 - 浸炭処理方法および浸炭炉 - Google Patents

浸炭処理方法および浸炭炉 Download PDF

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temperature
furnace
heating element
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Inventor
Tomoyuki Ishibashi
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Koyo Thermo Systems Co., Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/04—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/06—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B5/14—Arrangements of heating devices

Definitions

  • the present invention relates to a carburizing method and a carburizing furnace for carburizing a workpiece, particularly a workpiece having a rotationally symmetric mass distribution, such as inner and outer rings of a bearing and gears.
  • This single-processing carburizing furnace adopts high-speed carburizing technology and can shorten the processing time, but because it is a single processing, problems remain in productivity and manufacturing cost. .
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-360057
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-25974
  • An object of the present invention is to provide a carburizing treatment method and a carburizing furnace that do not require a complicated device and can realize the maximum throughput (processing amount per hour) at low cost.
  • a plurality of workpieces are held in multiple stages inside the graphite tubular heating element in the carburizing furnace main body, and the heating element and the workpiece are arranged in the height direction of the carburizing furnace main body.
  • Inductive heating is performed so that all workpieces are uniformly heated at a temperature of 1250 ° C or higher by a plurality of coil members that are arranged so as to surround the carburizing furnace body at various locations and individually enable heating temperature control .
  • the carburizing furnace according to the present invention is covered with a vertical cylindrical furnace body closed at the top and the inner surface of the furnace body! And a heat generating floor, and a movable floor supported by the movable floor and capable of holding a plurality of workpieces in multiple stages.
  • a holding jig and induction heating coil means arranged so as to heat the work held by the heating element and the holding jig are provided.
  • the heating element and the workpiece are each induction-heated by the coil means, and the workpiece is induction-heated directly by the coil and indirectly heated by the heating element. Therefore, ultra-high temperature carburization becomes possible, and the carburizing time can be shortened. In addition, since multiple workpieces can be processed at once, the maximum throughput can be realized at low cost.
  • the coil means is composed of a plurality of coil members arranged so as to surround the furnace main body at a plurality of positions in the height direction of the furnace main body, and all the workpieces held by the holding jig during the carburizing process
  • the control means for individually controlling the electricity supplied to the plurality of coil members so as to be uniformly heated is provided, the work quality can be stabilized.
  • control means controls the uniform heating temperature to be 1250 ° C or higher, ultra-high temperature carburization becomes possible.
  • sooting generation of soot
  • the gas introduction amount and the vacuum exhaust amount can be controlled by controlling the gas introduction amount and the vacuum exhaust amount.
  • a carburizing method and a carburizing furnace capable of realizing the maximum throughput at a low cost without requiring a complicated apparatus are provided.
  • the carburizing furnace includes a vacuum chamber 11, a heat-insulated upper closed cylindrical furnace main body 12 accommodated in the vacuum chamber 11, and a graphite cylindrical heat generation coated on the inner surface of the furnace main body 12.
  • the body 13 and the bottom opening of the furnace body 12 can be opened and closed so that it can be opened and closed!
  • the heat insulating material carbon felt is preferably used.
  • the vacuum chamber 11 is supported by the outer peripheral edge portion of the horizontal substrate 21.
  • a vertically projecting vertical cylinder 22 is provided at the center of the substrate.
  • the furnace body 12 and the heating element 13 are concentric and are received by and communicated with the vertical cylinder 22 together.
  • a gas introduction pipe 23 is provided in the furnace main body 12 so as to introduce the downward force treatment gas.
  • the gas introduction pipe 23 extends from outside the vacuum chamber 11 so as to cross the vacuum chamber 11 and communicates with the furnace body 12.
  • a gas exhaust pipe 24 is provided on the top wall of the furnace body 12.
  • the movable floor 14 is supported by a lifting platform 31 that is lifted and lowered by a lifting mechanism (not shown).
  • a cooling water passage 32 is formed in the lift 31.
  • a turntable 33 is received on the upper surface of the movable floor 14.
  • the turntable 33 has a vertical rotation shaft 34 that extends on the common axis of the furnace body 12 and the heating element 13 and penetrates the movable floor 14.
  • the rotating shaft 34 is rotated by a rotating mechanism, not shown.
  • the holding jig 15 has a structure capable of holding a plurality of workpieces W in multiple stages with an insulating material such as ceramic and is mounted on the turntable 33.
  • the insulating material may be SiC (silicon carbide) or BN (boron nitride).
  • Each coil member 16 is connected to a high frequency power supply 41.
  • Temperature sensors 42 for detecting the temperature inside the furnace body 12 are provided at a plurality of locations in the height direction of the furnace body 12.
  • the output signal of the temperature sensor 42 is sent to the control device 43.
  • the control device 43 can individually supply the coil member 16 with electricity having different frequencies, voltages, currents, and the like from the high frequency power source 41.
  • FIG. 1 shows the movable floor 14 positioned at the upper limit of the lifting stroke.
  • the movable floor 14 is fitted into the vertical cylinder 22 and the lower end opening of the furnace body 12 is closed. From this state, the movable floor 14 is lowered to a position where the entire holding jig 15 is exposed below the furnace body 12. Then, the movable floor 14 is positioned at the lower limit of the lifting stroke. With the movable floor 14 positioned at the lower limit, the holding jig 15 on which the processed workpiece W is placed, and this Replace holding jig 15 with workpiece W to be processed.
  • the inside of the furnace body 12 is kept in a vacuum by the vacuum chamber 11, and the carburizing gas is introduced into the furnace body 12 through the introduction pipe 23.
  • the temperature inside the furnace body 12 is raised from room temperature to a processing temperature.
  • the temperature in the furnace body 12 reaches the processing temperature, the temperature is maintained for a certain time. After the treatment time has elapsed, the cake W is then slowly cooled and then exposed to room temperature.
  • the heating element 13 is heated by induction heating, and the workpiece W is also heated. At this time, the workpiece W is heated not only by the induction heating by the coil member 16 but also by the heat generated by the heating element 13.
  • T1 and T2 it is preferable that T1 ⁇ T2.
  • each coil member 16 is controlled so that the temperature in the entire furnace body 12 is uniform. If all the coil materials 16 are controlled to have the same conditions, the temperatures at the top and bottom in the furnace body 12 will be lower than at the center.
  • a workpiece W is an outer ring of a bearing and is a ring-shaped member having a mass distribution of rotational symmetry.
  • the workpiece W is held by the holding jig 15 so as to be concentric with the common axis.
  • the material of work W is equivalent to CSCr420.
  • the processing amount at a time is 10 pieces.
  • the time required for temperature rise should be within 60 seconds.
  • the carburizing temperature is 1260 ° C. Processing time may be about 15 minutes.
  • Slow cooling is performed until the temperature of the workpiece W decreases to 500 ° C, and the time required is 10 to 20 minutes. When the temperature of the workpiece W decreases to about 200 ° C, the workpiece W is taken out from the furnace body 12.
  • the cycle time required from the start of temperature rise to the end of slow cooling should be within 30 to 40 minutes.
  • the surface carbon concentration of the carburized workpiece W was lWt%, and the effective hardening depth was 1 mm. Industrial applicability
  • the carburizing furnace according to the present invention is suitable for achieving carburizing of a work, particularly a work having a rotationally symmetric mass distribution, such as inner and outer rings of a bearing and gears.
  • FIG. 1 is a vertical longitudinal sectional view of a carburizing furnace according to the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a flow of carburizing operation by the apparatus.

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Abstract

　浸炭炉は、上端閉鎖垂直筒状炉本体12と、炉本体12の内面に被覆されているグラファイト製筒状発熱体13と、炉本体12の下端開口を開閉しうるように昇降自在に配置されている可動床13と、可動床13に支持されかつ複数のワークＷを多段に保持しうる保持ジグ14と、発熱体13および保持ジグ14に保持されたワークＷを加熱しうるように配置されている誘導加熱コイル16とを備えている。

Description

明 細 書
浸炭処理方法および浸炭炉
技術分野
[0001] この発明は、ワーク、とくに、ベアリングの内外輪、歯車等のように回転対称の質量 分布をもつワークを浸炭処理するための浸炭処理方法および浸炭炉に関する。 背景技術
[0002] 従来の浸炭炉は、連続型、バッチ型、 1個処理などに大別される。連続型、バッチ 型は、大量生産に対応した生産形態には適するが、処理品の品質、バラツキ、精度 を追求する製品に対しては十分な結果が得られて 、な 、。これらの問題点を解決す るために開発されたものが 1個処理の浸炭炉である（例えば、特許文献 1または特許 文献 2参照。）。
[0003] この 1個処理の浸炭炉は、高速浸炭技術を採用し、処理時間を短縮することは可能 であるが、如何せん、 1個処理のため、生産性、製造コストの面で問題が残る。
特許文献 1：特開 2004— 360057号公報
特許文献 2：特開昭 59 - 25974号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] この発明の目的は、複雑な装置を必要とせず、最大のスループット（時間当たり処 理量)を安価に実現できる浸炭処理方法および浸炭炉を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0005] この発明による浸炭処理方法は、浸炭炉本体内において、グラフアイト製筒状発熱 体の内側に複数のワークを多段に保持し、発熱体およびワークを、浸炭炉本体の高 さ方向複数か所で浸炭炉本体を取り囲むように配置されかつ個別に加熱温度制御 を可能とする複数のコイル部材によって全てのワークが 1250°C以上の温度で均一 加熱されるように誘導加熱するものである。
[0006] この発明による浸炭処理方法によれば、複雑な装置を必要とせず、最大のスルー プットを安価に実現できる。 [0007] この発明による浸炭炉は、上端閉鎖垂直筒状炉本体と、炉本体の内面に被覆され て！、るグラフアイト製筒状発熱体と、炉本体の下端開口を開閉しうるように昇降自在に 配置されて 、る可動床と、可動床に支持されかつ複数のワークを多段に保持しうる保 持ジグと、発熱体および保持ジグに保持されたワークを加熱しうるように配置されて ヽ る誘導加熱コイル手段とを備えて 、るものである。
[0008] この発明による浸炭炉では、コイル手段によって発熱体およびワークがそれぞれ誘 導加熱され、ワークはコイルによって直接的に誘導加熱されるとともに、発熱体によつ て間接的に加熱される。したがって、超高温浸炭が可能となり、浸炭時間を短縮する ことができる。さらに、複数のワークを一括処理することができるから、最大のスループ ットを安価に実現できる。
[0009] さらに、コイル手段が、炉本体の高さ方向複数か所で炉本体を取り囲むように配置 されている複数のコイル部材よりなり、浸炭処理時に、保持ジグに保持された全ての ワークが均一加熱されるように複数のコイル部材に供給される電気を個別に制御する 制御手段を備えていると、ワーク品質の安定ィ匕を図ることができる。
[0010] また、均一加熱温度が 1250°C以上となるように制御手段が制御するようになされて いると、超高温浸炭が可能となる。
[0011] また、浸炭処理時における発熱体の温度を Tl、ワークの温度を Τ2としたときに、 T1 ≥Τ2であると、ワークの過熱を防止することができる。
[0012] また、炉本体が真空チャンバによって取り囲まれているから、ガス導入量と真空排 気量を制御することにより、スーティング (煤の発生）を防止することができる。
発明の効果
[0013] この発明によれば、複雑な装置を必要とせず、最大のスループットを安価に実現で きる浸炭処理方法および浸炭炉が提供される。
発明を実施するための最良の形態
[0014] この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。
[0015] 浸炭炉は、真空チャンバ 11と、真空チャンバ 11内に収容されている断熱材製上端 閉鎖垂直円筒状炉本体 12と、炉本体 12の内面に被覆されているグラフアイト製筒状 発熱体 13と、炉本体 12の下端開口を開閉しうるように昇降自在に配置されて!、る断 熱材製可動床 14と、可動床 14に支持されている保持ジグ 15と、炉本体 12外面の高さ 方向複数か所で炉本体 12を取り囲むように配置されている複数の誘導加熱コイル部 材 16とを備えている。断熱材としては、カーボンフェルトが好適に用いられる。
[0016] 真空チャンバ 11は、水平基板 21の外周縁部で支持されている。基板の中央には上 方突出垂直筒 22が設けられている。
[0017] 炉本体 12および発熱体 13は、同心でありかつともに垂直筒 22に受けられてこれに 連通させられている。炉本体 12内にこれの下方力 処理ガスを導入しうるようにガス 導入管 23が配管されている。ガス導入管 23は、真空チャンバ 11の外から、真空チャン バ 11を横断するようにのびてきて炉本体 12に連通させられている。炉本体 12の頂壁 にはガス排気管 24が設けられて 、る。
[0018] 可動床 14は、図示しない昇降機構によって昇降させられる昇降台 31によって支持さ れている。昇降台 31には冷却水通路 32が形成されている。可動床 14上面には回転 台 33が受けられている。回転台 33は、炉本体 12および発熱体 13の共通軸線上をの びかつ可動床 14に貫通させられた垂直回転軸 34を有している。回転軸 34は、図示し な 、回転機構によって回転させられる。
[0019] 保持ジグ 15は、セラミックのような絶縁材料で複数のワーク Wを多段に保持しうる構 造となされかつ回転台 33に載せられている。絶縁材料は、 SiC (炭化珪素）、 BN (窒 化ホウ素）でもよい。
[0020] 各コイル部材 16は、高周波電源 41に接続されている。炉本体 12の高さ方向複数か 所には、炉本体 12内の温度を検出する温度センサ 42が備えられている。温度センサ 42の出力信号は、制御装置 43に送られる。制御装置 43によって、高周波電源 41から 、コイル部材 16に、周波数、電圧等、電流等を異にする電気が個別に供給可能とな されている。
[0021] 図 1は、昇降ストロークの上限に位置させられた可動床 14を示している。この状態で 、可動床 14は、垂直筒 22にはめ入れられ、炉本体 12の下端開口は閉鎖されている。 この状態から、可動床 14を保持ジグ 15の全体が炉本体 12の下方に露出させる位置ま で下降させる。そうすると、可動床 14は昇降ストロークの下限に位置させられる。可動 床 14を下限に位置させた状態で、処理済みのワーク Wを載せた保持ジグ 15と、これ カゝら処理するワーク Wを載せた保持ジグ 15とを交換する。これから処理するワーク W を載せた保持ジグ 15が炉本体 12内に収納されるように可動床 14を上限まで上昇させ ると、処理可能状態となる。上記したように、ワークを保持ジグ毎交換することに代え て、 1つの保持ジグを用いて、ワークだけを移載するようにしてもよい。
[0022] つぎに、図 2を参照しながら、浸炭処理の流れを説明する。真空チャンバ 11によつ て炉本体 12内は真空に保たれ、導入管 23を通じて炉本体 12内には浸炭処理ガスが 導入される。
[0023] 炉本体 12内を温度を常温から処理温度まで昇温する。炉本体 12内の温度が処理 温度に達すると、その温度を一定時間保持する。処理時間が経過すると、この後、ヮ ーク Wを徐冷し、ついで、常温に曝す。
[0024] 炉本体 12内の加熱に際し、コイル部材 16に通電すると、誘導加熱によって、発熱体 13が加熱させられるともに、ワーク Wも加熱される。このときに、ワーク Wは、コイル部 材 16による誘導加熱に加えて、発熱体 13力も放射される熱によっても加熱される。発 熱体 13の温度を T1とし、ワーク Wの温度を T2とすると、 T1≥T2であることが好ましい
[0025] 温度センサの検出信号に基づいて、炉本体 12内全体の温度が均一となるように各 コイル部材 16が制御される。もし仮に、全てのコイル材 16を同じ条件のものとに制御 すると、炉本体 12内の頂部および底部の温度は、その中央部よりも低下してしまうこと になる。
[0026] 浸炭処理の条件を具体的につぎに示す、ワーク Wは、ベアリングの外輪で、回転対 称の質量分布をもつリング状のものである。ワーク Wは、上記共通軸線と同心となるよ うに保持ジグ 15に保持される。ワーク Wの材質は CSCr420相当のものである。一度 の処理量は 10個である。昇温に要する時間は、 60秒以内とする。浸炭処理温度は、 1260°Cとする。処理時間は、 15分程度でよい。徐冷はワーク Wの温度が 500°Cまで 低下するまでとし、要する時間は、 10〜20分である。ワーク Wの温度が 200°C程度 まで低下すると、炉本体 12内からワーク Wを取り出す。昇温開始から、徐冷終了まで に要するサイクルタイムは、 30〜40分以内とする。浸炭処理されたワーク Wの表面 炭素濃度は lWt%、有効硬化深さは、 1mmであった。 産業上の利用可能性
[0027] この発明による浸炭炉は、ワーク、とくに、ベアリングの内外輪、歯車等のように回転 対称の質量分布をもつワークを浸炭処理することを達成するのに適している。
図面の簡単な説明
[0028] [図 1]この発明による浸炭炉の垂直縦断面図である。
[図 2]同装置による浸炭処理動作の流れを示す説明図である。
符号の説明
[0029] 12 炉本体
13 発熱体
14 可動床
15 保持ジグ
16 コイル
W ワーク

Claims

請求の範囲
[1] 浸炭炉本体内において、グラフアイト製筒状発熱体の内側に複数のワークを多段に 保持し、発熱体およびワークを、浸炭炉本体の高さ方向複数か所で浸炭炉本体を取 り囲むように配置されかつ個別に加熱温度制御を可能とする複数のコイル部材によ つて全てのワークが 1250°C以上の温度で均一加熱されるように誘導加熱する浸炭 処理方法。
[2] 上端閉鎖垂直筒状炉本体と、炉本体の内面に被覆されているグラフアイト製筒状発 熱体と、炉本体の下端開口を開閉しうるように昇降自在に配置されて 、る可動床と、 可動床に支持されかつ複数のワークを多段に保持しうる保持ジグと、発熱体および 保持ジグに保持されたワークを加熱しうるように配置されて ヽる誘導加熱コイル手段と を備えている浸炭炉。
[3] コイル手段が、炉本体の高さ方向複数か所で炉本体を取り囲むように配置されてい る複数のコイル部材よりなり、
浸炭処理時に、保持ジグに保持された全てのワークが均一加熱されるように複数の コイル部材に供給される電気を個別に制御する制御手段を備えている請求項 2に記 載の浸炭炉。
[4] 均一加熱温度が 1250°C以上となるように制御手段が制御するようになされて!、る 請求項 3に記載の浸炭炉。
[5] 浸炭処理時における発熱体の温度を Tl、ワークの温度を Τ2としたときに、 Tl≥Τ2 である請求項 2〜4のいずれか 1つに記載の浸炭炉。
[6] 炉本体が真空チャンバによって取り囲まれている請求項 2〜5いずれか 1つに記載 の浸炭炉。
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