WO2019111591A1

WO2019111591A1 - 熱処理装置

Info

Publication number: WO2019111591A1
Application number: PCT/JP2018/040295
Authority: WO
Inventors: 勝俣　和彦
Original assignee: 株式会社Ihi; 株式会社Ｉｈｉ機械システム
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-06-13
Also published as: JPWO2019111591A1; DE112018006225T5; CN111094599A

Abstract

熱処理装置（１）は、被処理物（Ｗ）を加熱する加熱室（Ｋ）と、冷却油（Ｙ）が貯留される油槽（３２）が設けられ、加熱室で加熱された被処理物を冷却油に浸漬させて冷却する冷却室（Ｒ）と、冷却室を所定の減圧圧力とする減圧部（５）と、を備え、減圧圧力において被処理物を冷却油に浸漬させる。

Description

熱処理装置

　本開示は、熱処理装置に関する。
　本願は、２０１７年１２月６日に日本に出願された特願２０１７－２３４５７８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　焼入れ等の熱処理を行う熱処理装置では、被処理物を冷却するために、冷却油が貯留された油槽に被処理物を浸漬させる。例えば、特許文献１には、シャフト部品（被処理物）の熱処理装置が開示されている。特許文献１における熱処理装置においては、被処理物を効率的かつ均一に冷却するため、油槽中にアジテータを設け、油槽内の冷却油を循環させている。

日本国特開２０１４－１６２９３３号公報

　しかしながら、例えばモリブデンを含有しない炭素鋼のように冷却性（焼入れ性）の悪い素材製の被処理物においては、従来の手法による冷却では、被処理物を急速に冷却することができず、被処理物の硬度を高めることができない場合がある。

　本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、被処理物の硬度を従来よりも高めることを目的とする。

　本開示の一態様の熱処理装置は、被処理物を加熱する加熱室と、冷却油が貯留される油槽が設けられ、上記加熱室で加熱された上記被処理物を上記冷却油に浸漬させて冷却する冷却室と、上記冷却室を所定の減圧圧力とする減圧部と、を備え、上記減圧圧力において上記被処理物を上記冷却油に浸漬させる。

　上記一態様の熱処理装置において、上記減圧部は、上記被処理物の材料組成に応じて上記減圧圧力を設定してもよい。

　上記一態様の熱処理装置において、上記加熱室と上記冷却室とを区画する密閉扉をさらに備え、上記加熱室及び上記冷却室を上記減圧圧力に設定した状態において上記密閉扉を開放することにより、上記被処理物を上記加熱室から上記冷却室に移動させて上記冷却油に浸漬させてもよい。

　上記一態様の熱処理装置において、上記減圧部は、冷却の前後における上記被処理物の温度差が大きくなるように上記減圧圧力を設定してもよい。

　上記一態様の熱処理装置において、上記減圧部は、上記減圧圧力を３０ｋＰａ以下に設定してもよい。

　上記一態様の熱処理装置において、上記冷却油中に流れを形成する流れ形成部をさらに備えていてもよい。

　上記一態様の熱処理装置において、上記流れ形成部は、上記油槽の底部に配置され、気体を上方に向けて噴射する噴射ノズルを備えていてもよい。

　本開示によれば、減圧下で被処理物を冷却油に浸漬させる、つまり冷却油の沸点を常圧よりも下げた状態で被処理物を冷却油に浸漬させるので、冷却の前後における被処理物の温度差を大きくすることが可能である。この結果として、被処理物の冷却速度を常圧の場合よりも速くすることが可能となり、以って被処理物の組織構造を微細化させて被処理物の硬度を高めることができる。

本開示の一実施形態に係る熱処理装置の全体を示す側断面図である。本開示の一実施形態における油面圧と冷却油の冷却曲線との相関を示している。本開示の一実施形態における油面圧と被処理物の冷却曲線との相関を示している。本開示の一実施形態における油槽の中央側（油槽の各側壁から離れた位置）に配置された被処理物の各油面圧下における硬度を示すグラフである。本開示の一実施形態における油槽の外側（油槽の各側壁近傍の位置）に配置された被処理物の各油面圧下における硬度を示すグラフである。

　以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係る熱処理装置１について説明する。

　本実施形態に係る熱処理装置１は、被処理物Ｗに焼入れ処理を施す装置であり、加熱部２、油冷部３（冷却部）、搬送装置４、真空ポンプ５及び、２つの開閉弁６Ａ，６Ｂ（制御弁）を備えている。熱処理装置１は、加熱部２で加熱した被処理物Ｗを油冷部３で冷却することにより、被処理物Ｗをマルテンサイト変態させる。

　被処理物Ｗは、鋼材等の金属で形成された各種の部品（金属部品）である。被処理物Ｗは、所定形状の搬送トレーＴに収容された状態で熱処理装置１内に取り込まれて焼入れ処理される。

　加熱部２は、加熱チャンバ２０、クラッチ式密閉扉２１、断熱部材２２、発熱体２３及び載置台２４等を備えている。加熱チャンバ２０は、略円筒形に形状設定されると共に中心軸線が水平方向となるように横置きされた容器である。加熱チャンバ２０の一端にクラッチ式密閉扉２１が設けられている。クラッチ式密閉扉２１が閉じられることによって加熱チャンバ２０の内部空間が密閉状態となり、クラッチ式密閉扉２１が開放されることによって加熱チャンバ２０の内部空間が開放される。

　クラッチ式密閉扉２１は、加熱部２と油冷部３との境界に存在する中間開閉扉であり、加熱部２の内部空間と油冷部３の内部空間（油冷室Ｒ）とを隔離あるいは連通させる。クラッチ式密閉扉２１は、図示しない制御装置によって開閉動作が制御される。

　断熱部材２２は、加熱部２の内部に収容された略直方体状の中空部材である。すなわち、断熱部材２２は、所定サイズの平板状断熱材を直方体状に組み上げることにより中空状かつ直方体状に形成されている。なお、断熱部材２２において、クラッチ式密閉扉２１に対峙する平板状断熱材は、クラッチ式密閉扉２１に支持されており、クラッチ式密閉扉２１の開閉に応じて断熱部材２２の内部空間を開放／閉鎖する。

　発熱体２３は、断熱部材２２内に設けられた棒状部材である。複数の発熱体２３が、断熱部材２２の上部及び下部に所定間隔を空けて設けられている。発熱体２３は、セラミックスヒータあるいはグラファイト製のグラファイトヒータ等の電気ヒータであり、図示しない電源から電力が給電されることにより発熱する。なお、発熱体２３への給電は、上述した制御装置によって制御される。

　載置台２４は、断熱部材２２内の下部において、下部の発熱体２３の上方に設けられている。載置台２４は、アルミナ等のセラミックス材（断熱材）から形成されており、被処理物Ｗが載置される支持台である。なお、発熱体２３及び載置台２４が備えられた断熱部材２２の内部空間は、被処理物Ｗを加熱するための加熱室Ｋである。

　油冷部３は、冷却チャンバ３０、搬出入扉３１、油槽３２、昇降装置３３、複数の噴射ノズル３４及び不活性ガス供給装置３５等を備えている。冷却チャンバ３０は、上述した加熱チャンバ２０に隣接して設けられた容器であり、冷却チャンバ３０の内部空間が油冷室Ｒ（冷却室）である。油冷室Ｒは、上述したクラッチ式密閉扉２１によって加熱チャンバ２０の内部空間と隔離あるいは連通している。

　搬出入扉３１は、被処理物Ｗを油冷室Ｒに搬入及び油冷室Ｒから搬出するための開閉扉である。すなわち、搬出入扉３１は、図示するように、冷却チャンバ３０においてクラッチ式密閉扉２１と対向する位置に設けられており、搬送装置４との協働によって被処理物Ｗを油冷室Ｒに搬入あるいは油冷室Ｒから搬出させる。搬出入扉３１は、上述した制御装置によって制御される。

　油槽３２は、油冷室Ｒの下部に設けられた容器であり、所定量の冷却油Ｙを貯留する。油槽３２は、昇降装置３３の昇降が自在となるように上部が解放されている。油槽３２では、昇降装置３３の降下によって被処理物Ｗが冷却油Ｙに浸漬されて冷却され、また昇降装置３３の上昇によって冷却済みの被処理物Ｗが冷却油Ｙから引き上げられて冷却が停止される。

　昇降装置３３は、油冷室Ｒにおいて被処理物Ｗが載置される昇降台３６を上下に昇降させる。昇降装置３３は、昇降台３６を降下させることによって被処理物Ｗを油槽３２内の冷却油Ｙに対して浸漬状態とし、昇降台３６を上昇させることによって被処理物Ｗを冷却油Ｙに対して非浸漬状態とする。昇降装置３３は、上述した制御装置によって制御される。

　複数の噴射ノズル３４は、油槽３２の底部近傍において、水平方向に所定距離を空けて離散配置されている。各噴射ノズル３４は、不活性ガス供給装置３５から供給された不活性ガス（圧縮ガス）を油槽３２の底部近傍から上方に向けて噴射する。すなわち、冷却油Ｙに浸漬された被処理物Ｗに不活性ガスが下方から噴き付けられると共に、不活性ガスの噴射によって冷却油Ｙに上下方向の対流が発生する。

　不活性ガス供給装置３５は、噴射ノズル３４に不活性ガス（圧縮ガス）を供給する。不活性ガス供給装置３５は、例えば不活性ガスの一種である窒素ガスを噴射ノズル３４に供給する。不活性ガスは、加熱室Ｋで高温に加熱された被処理物Ｗに接触しても、被処理物Ｗを構成する材料と化学反応を起こさないガスである。なお、不活性ガス供給装置３５は、上述した制御装置によって制御される。

　ここで、複数の噴射ノズル３４及び不活性ガス供給装置３５は、冷却油Ｙ中に流れを形成するものであり、本開示の流れ形成部を構成している。すなわち、流れ形成部は、油槽３２の底部近傍に配置され、不活性ガス（気体）を上方に向けて噴射する複数の噴射ノズル３４を備える。

　搬送装置４は、被処理物Ｗを油冷室Ｒと加熱室Ｋとの間で搬送する。すなわち、搬送装置４は、油冷室Ｒに設けられ、搬出入扉３１を介して油冷室Ｒに搬入された被処理物Ｗを昇降装置３３の載置台を経由して加熱室Ｋに移動させると共に、加熱室Ｋの被処理物Ｗを昇降装置３３の載置台上に移動させる。搬送装置４は、上述した制御装置によって制御される。

　真空ポンプ５は、油冷室Ｒ及び加熱室Ｋを減圧して第１の減圧圧力あるいは第２の減圧圧力とする減圧部である。真空ポンプ５は、開閉弁６Ａを介して加熱室Ｋに接続され、また開閉弁６Ｂを介して油冷室Ｒに接続されている。第１の減圧圧力は、加熱室Ｋにおける被処理物Ｗの加熱に適した真空圧であり、また第２の減圧圧力は、油冷室Ｒにおける被処理物Ｗの冷却に適した真空圧である。

　特に、第２の減圧圧力は、油槽３２における冷却油Ｙの沸点を常圧よりも下げるためのものであり、本開示における減圧圧力に相当する。第２の減圧圧力は、例えば１０ｋＰａである。

　２つの開閉弁６Ａ，６Ｂのうち、一方の開閉弁６Ａは、真空ポンプ５と加熱チャンバ２０とを接続する配管に設けられ、他方の開閉弁６Ｂは、真空ポンプ５と冷却チャンバ３０とを接続する配管に設けられている。一方の開閉弁６Ａは、真空ポンプ５と加熱室Ｋとを接続あるいは遮断する制御弁であり、他方の開閉弁６Ｂは、真空ポンプ５と油冷室Ｒとを接続あるいは遮断する制御弁である。開閉弁６Ａ，６Ｂは、上述した制御装置によって制御される。

　次に、本実施形態に係る熱処理装置１の動作及び作用効果について詳しく説明する。
　まず、搬送トレーＴに収容された被処理物Ｗは、搬出入扉３１を介して油冷室Ｒ内に取り込まれて上昇状態にある昇降台３６上に載置される。被処理物Ｗが昇降台３６上に載置されると、搬出入扉３１が閉鎖され、油冷室Ｒが密閉状態になる。

　この密閉状態において真空ポンプ５及びクラッチ式密閉扉２１が作動することにより、油冷室Ｒ及び加熱室Ｋが連通状態に設定されると共に第１の減圧圧力に設定される。搬送装置４が作動することにより昇降台３６上の被処理物Ｗが昇降台３６上から加熱室Ｋの載置台２４上に搬送される。

　続いて、クラッチ式密閉扉２１が閉鎖状態となり、加熱室Ｋが密閉状態となる。この密閉状態において発熱体２３に電力が供給されることによって、被処理物Ｗは、所定の加熱プロファイルに従って１０００℃程度の高温まで加熱される。被処理物Ｗの加熱処理が完了すると、真空ポンプ５が作動することにより油冷室Ｒ及び加熱室Ｋが第２の減圧圧力に設定される。この結果、油冷室Ｒにおける冷却油Ｙの沸点は、常圧よりも下がることになる。

　このような状態において、クラッチ式密閉扉２１が開放状態となり、また搬送装置４が作動することにより、被処理物Ｗは油冷室Ｒの昇降台３６上に搬送される。すなわち、本実施形態では、油冷室Ｒ及び加熱室Ｋが何れも第２の減圧圧力に設定された状態で、クラッチ式密閉扉２１が開放されて、被処理物Ｗが加熱室Ｋから油冷室Ｒに移動する。

　続いて、油冷室Ｒでは、不活性ガス供給装置３５が作動することによって複数の噴射ノズル３４から不活性ガスが油槽３２の冷却油Ｙ内に噴出し、この噴出状態において、昇降台３６が降下することによって油槽３２内の冷却油Ｙに被処理物Ｗが浸漬される。被処理物Ｗは、所定時間に亘って冷却油Ｙに浸漬されることによって、例えば表面温度が２００℃程度に低下するまで冷却される。

　ここで、このような冷却処理における冷却油Ｙは、油冷室Ｒが減圧圧力（第２の減圧圧力）、例えば１０ｋＰａに設定されているので、沸点が常温よりも低下した状態、つまり常温よりも気化し易い状態にある。

　図２は、冷却油Ｙの油面圧つまり油冷室Ｒの減圧圧力を１０１ｋＰａ、４０ｋＰａ、１３ｋＰａ、６．７ｋＰａに設定した場合における冷却油Ｙの冷却曲線を示している。図２に示すように、冷却油Ｙは、油面圧（減圧圧力）が低いほど、初期（０秒～１０秒）の冷却速度が遅く、かつ中期以降（１０秒以降）の温度低下が大きい特性を有している。
　図３は、冷却油Ｙの油面圧を７０ｋＰａ、１０ｋＰａに設定した場合における被処理物Ｗの冷却曲線を示している。なお、図２及び図３の冷却曲線を取得する際に用いた被処理物Ｗは、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）である。炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）は、モリブデンを含有せず、クロムの含有量が他の炭素鋼ＳＣＭ４４０等と比較して少ないため、一般的に焼入れ性の低い炭素鋼である。

　冷却油Ｙの油面圧が低い状態に設定されて被処理物Ｗの冷却処理が行われると、図３に破線で示すように、冷却開始から２０秒程度までの冷却曲線が緩やかとなると共に、後半の冷却曲線が急峻となる。これは、冷却油Ｙの油面圧が減圧状態であり、冷却油Ｙの沸点が低下するため、冷却油Ｙと被処理物Ｗとの温度差が大きくなるためである。

　図４Ａは、油槽３２の中央側（油槽３２の各側壁から離れた位置）に配置された被処理物Ｗの各油面圧下における硬度を示すグラフであり、図４Ｂは、油槽３２の外側（油槽３２の各側壁近傍の位置）に配置された被処理物Ｗの各油面圧下における硬度を示すグラフである。
　図４Ａ、４Ｂに示すように、油槽３２内における位置によりバラツキがあるものの、油面圧を減少させるほど、被処理物Ｗの硬度が高くなることがわかる。

　表１は、各油面圧下における被処理物Ｗの表面硬度を示している。表１に示すように、被処理物Ｗの表面硬度は、油面圧が低いほどより高くなることがわかる。さらに、油冷室Ｒの外側に配置された被処理物Ｗについては、油面圧が３００ｈＰａ（３０ｋＰａ）以下の場合に表面硬度が顕著に高くなっている。したがって、油面圧を３０ｋＰａ以下とすることにより、被処理物Ｗの硬度を高めることができる。

　本実施形態によれば、油冷室Ｒを所定の減圧圧力とする真空ポンプ５（減圧部）を備え、所定の減圧圧力において被処理物Ｗを冷却油Ｙに浸漬させる、つまり冷却の前後における被処理物Ｗの温度差が大きくなるように減圧圧力を設定して被処理物Ｗを冷却油Ｙに浸漬させる。したがって、被処理物Ｗの組織の結晶を微細化させることができ、この結果として被処理物Ｗの硬度を高めることができる。

　また、本実施形態によれば、油槽３２がクラッチ式密閉扉２１によって加熱室Ｋと区画された油冷室Ｒに備えられ、加熱室Ｋ及び油冷室Ｒを所定の減圧圧力に設定した状態においてクラッチ式密閉扉２１を開放することにより、被処理物Ｗを加熱室Ｋから油冷室Ｒに移動させて冷却油Ｙに浸漬させる。つまり被処理物Ｗを冷却油Ｙに浸漬させる際の被処理物Ｗの移動時に被処理物Ｗの雰囲気圧力が変化しないので、例えば上記移動時における被処理物Ｗの表面の変質を抑制あるいは防止することができる。

　さらに、本実施形態によれば、減圧圧力を１０ｋＰａに設定するので、被処理物Ｗの組織の結晶をより効果的に微細化することが可能であり、この結果として表１に示すように、被処理物Ｗの硬度をより効果的に高めることができる。

　また、冷却油Ｙは、噴射ノズル３４によって不活性ガスが下部から上部に向けて噴射された状態にあると共に上下方向に対流している状態にある。不活性ガスは、冷却油Ｙ内において無数の気泡となり、一部が被処理物Ｗの表面に付着する。被処理物Ｗの冷却初期においては、被処理物Ｗの熱により被処理物Ｗの表面に気化した冷却油Ｙの気体膜が形成される。この気体膜に対して不活性ガス供給装置３５から噴射された気泡が付着し、気泡が気体膜を伴って浮上することで、気体膜が破壊される。したがって、本実施形態によれば、不活性ガスの気泡が被処理物Ｗの表面に形成された気体膜を素早く除去するので、冷却初期段階における被処理物Ｗの冷却を早めることができる。

　以上、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲において種々変更可能である。

（１）上記実施形態においては、被処理物Ｗ（Ｓ４５Ｃ）を焼入れ処理する場合に真空ポンプ５を用いて油冷室Ｒを所定の減圧圧力、例えば１０ｋＰａに設定したが、本開示はこれに限定されない。すなわち、油冷室Ｒを所定の減圧圧力とすることと焼入れ性との関係は、被処理物Ｗの材料組成あるいは／及び冷却油Ｙの組成に応じて異なることが容易に想定されるので、減圧圧力は、被処理物Ｗの材料組成あるいは／及び冷却油Ｙの組成に応じて適宜設定されるべきである。これによれば、材料組成が異なる被処理物Ｗ毎により効果的な熱処理を施すことが可能である。

（２）上記実施形態においては、油面圧を１０ｋＰａまで減圧したが、本開示はこれに限定されず、油面圧を３０ｋＰａまで減圧してもよい。

（３）上記実施形態においては、不活性ガス供給装置３５により油槽３２内の冷却油Ｙの流れを形成したが、本開示はこれに限定されない。例えば、油槽３２内にアジテータを設け、アジテータにより冷却油Ｙを撹拌してもよい。

（４）上記実施形態においては、焼入れ性の悪い素材の一例として、Ｓ４５Ｃを挙げているが、本開示は上記素材に限定されるものではなく、他の焼入れ性の悪い素材についても適用可能である。

　本開示によれば、被処理物の硬度を高めることができる。

１　熱処理装置
Ｋ　加熱室
Ｒ　油冷室（冷却室）
Ｙ　冷却油
２　加熱部
２０　加熱チャンバ
２１　クラッチ式密閉扉
２２　断熱部材
２３　発熱体
２４　載置台
３　油冷部（冷却部）
３０　冷却チャンバ
３１　搬出入扉
３２　油槽
３３　昇降装置
３４　噴射ノズル
３５　不活性ガス供給装置
３６　昇降台
４　搬送装置
５　真空ポンプ（減圧部）
６Ａ，６Ｂ　開閉弁

Claims

　被処理物を加熱する加熱室と、
　冷却油が貯留される油槽が設けられ、前記加熱室で加熱された前記被処理物を前記冷却油に浸漬させて冷却する冷却室と、
　前記冷却室を所定の減圧圧力とする減圧部と、
を備え、
　前記減圧圧力において前記被処理物を前記冷却油に浸漬させる熱処理装置。
　前記減圧部は、前記被処理物の材料組成に応じて前記減圧圧力を設定する請求項１に記載の熱処理装置。
　前記加熱室と前記冷却室とを区画する密閉扉をさらに備え、
　前記加熱室及び前記冷却室を前記減圧圧力に設定した状態において前記密閉扉を開放することにより、前記被処理物を前記加熱室から前記冷却室に移動させて前記冷却油に浸漬させる請求項１または２に記載の熱処理装置。
　前記減圧部は、冷却の前後における前記被処理物の温度差が大きくなるように前記減圧圧力を設定する請求項１～３の何れか一項に記載の熱処理装置。
　前記減圧部は、前記減圧圧力を３０ｋＰａ以下に設定する請求項１～４の何れか一項に記載の熱処理装置。
　前記冷却油中に流れを形成する流れ形成部をさらに備える請求項１～５の何れか一項に記載の熱処理装置。
　前記流れ形成部は、前記油槽の底部に配置され、気体を上方に向けて噴射する噴射ノズルを備える請求項６に記載の熱処理装置。