JP5700323B2 - 金属熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は金属熱処理炉に関する。具体的には、金属を一定時間高温に保持した後に急速に冷却する処理を施す金属熱処理炉であって、ランニング・コストを低廉化することができるとともに、冷却速度を高めることが可能な金属熱処理炉を提供せんとするものである。

例えば、Ｎｉ（ニッケル）基超耐熱合金では、γ（ガンマ：合金マトリックス）およびγ’（ガンマプライム：Ｎｉ_３Ａｌ）が整合配列した組織を示す場合に、その強度は最大に生かされる。この最大の強度をもたらすγ／γ’の整合組織を得るためには、合金の融点ぎりぎりの温度（１３５０℃程度）にまで上げ、かつ、均質化のため一定時間（４０時間程度）保持したうえで、その後、急冷する熱処理方法が必要である。その場合、冷却速度が速いほど高温時に形成された精度の高い整合組成が保たれるため、合金強度は優れる傾向が見られる。

そこで、従来より、合金を高温に加熱した後急冷する手段として、抵抗発熱型ガス冷却式真空熱処理炉（ガスファンクーリング炉）が用いられており、その構成例を図１０に示し説明する。ここで、図１０は、この従来例の構成を概略的に示す、一部を断面表示した正面図である。

図１０において、加熱室１００は、密閉した円缶状に形成されており、その内部に、複数の棒状の抵抗発熱体１１１が、円柵状に配設されている。ここにおける抵抗発熱体１１１の素材には、Ｗ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）などが用いられる。

また、複数の抵抗発熱体１１１を囲むようにして、それぞれ径が異なる円筒状の熱遮蔽板１２１〜１２３が三重に配設されるとともに、熱遮蔽板１２１〜１２３の上下開口を覆うようにして円板状の熱遮蔽板１３１〜１３３が配設されている。これらの熱遮蔽板１２１〜１２３，１３１〜１３３にも、ＷやＭｏなどが素材として用いられる。

このような構成による熱処理炉を用いて合金を融点温度近くまで加熱する場合は、複数の抵抗発熱体１１１により囲まれる空間の中央部に、被加熱合金Ａを配置したうえで、加熱室１００内を真空にする。そこで、各抵抗加熱体１１１に電流を流すと、各抵抗発熱体１１１はジュール熱を発生し、これを熱源とし輻射熱を利用して被加熱合金Ａを融点近くの温度にまで上げ、この状態を一定時間にわたって保持する。

一定時間が経過したならば、各抵抗発熱体１１１への通電を停止するとともに、図示されてはいないガス吹込み口を介して、高純度のＨｅ（ヘリウム）ガスあるいはＡｒ（アルゴン）ガスを冷却ガスとして加熱室１００内に供給し、これを被加熱合金Ａに吹き付けて冷却する。供給された冷却ガスが加熱室１００内に充満すると、ファン（図示せず）を駆動して冷却ガスを強制的に撹拌する。

このように、この従来例では、抵抗発熱体１１１および熱遮蔽板１２１〜１２３，１３１〜１３３の素材としてＷやＭｏなどを用い、また、同一空間内で被加熱合金Ａの加熱と、加熱された被加熱合金Ａの冷却とを行うようにしている。

特開平７−２１８１４４号公報

しかしながら、図１０に示した従来例は、熱処理炉としては構成が簡易であるものの、つぎのような解決すべき課題がある。すなわち、第１に、合金強度は、加熱と冷却のサイクルを繰り返すほど高められるが、抵抗発熱体１１１および熱遮蔽板１２１〜１２３，１３１〜１３３の素材として用いられるＷやＭｏは、加熱と冷却のサイクルを繰り返すと、その損耗が大きく、使用頻度が多い場合は、約１年程度の使用で交換が必要となる。

しかし、ＷやＭｏはレア・メタルであり、極めて高価である。抵抗発熱体１１１および熱遮蔽板１２１〜１２３，１３１〜１３３を交換する場合は、熱処理炉の価格の５０％程度のコストを要する。したがって、図１０に示した従来例によると、コスト要因となるＨｅガスあるいはＡｒガスを冷却ガスとして使用している点も含めて、ランニング・コストが極めて高くなってしまうことになる。

第２に、図１０に示した従来例では、被加熱合金Ａの加熱と、加熱された被加熱合金Ａの冷却とを同一空間内で行っている。すなわち、一定時間にわたって加熱された被加熱合金Ａを冷却するときは、加熱されて高温となっている加熱室１００内に、冷却ガスを供給するようにしている。そのため、冷却ガスによる被加熱合金Ａの冷却速度が遅く、例えば、１３００℃付近から冷却する場合、冷却速度は、最大でも１５０℃／分であり、冷却速度としては不充分である。

前述のように、冷却速度が速いほど優れた合金強度が得られるものである。しかし、被加熱合金Ａの加熱と、加熱された被加熱合金Ａの冷却とを同一空間内で行うと、冷却速度が遅いため被加熱合金Ａの強度を充分に発揮することができないことになる。以上のような解決すべき課題が、図１０に示した従来例にはあった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明はなされたものである。そのために、本発明では、ピッチが調整自在のコイルに高周波電流を流すことにより発熱するカーボンを用いた発熱体を、加熱室内に配設する。加熱室の下方に、発熱体により加熱された被加熱金属を冷却するための冷却室を、加熱室と連通するようにして配設する。被加熱金属を支持して加熱室内に進入可能な水冷昇降軸を、冷却室の底部を貫通して配設する。水冷昇降軸により支持されて加熱室内から冷却室内に移動した、加熱された被加熱金属を冷却するガスを冷却室内に供給する。以上のような手段を、本発明では用いるようにした。

本発明によるならば、安価であり消耗も微少量であるカーボンを発熱体として用い、これを誘導加熱方式により発熱させるとともに、加熱室と冷却室とを別空間にし、冷却ガスとして低価格のＮ_２（窒素）ガスも使用し得るようにしたので、熱処理炉を稼働させた場合のランニング・コストを著しく低廉なものとすることができる。数年間使用しても、熱電対以外の消耗品の交換の必要はほとんどない。

また、発熱体にカーボンを用いることにより、最高使用温度を１７００℃以上にすることができるうえに、誘導コイルのピッチを被加熱合金のサイズや形状などに応じて調整し得るようにしていることから、均熱性すなわち加熱空間における温度分布の均一性を、±５℃の範囲で確保することができる。

さらに、加熱室と冷却室とを、同一空間とするのではなく別空間として形成して、加熱された被加熱合金を、高温となっている加熱室から加熱されていない冷却室内に移動させて冷却する結果、高い冷却速度を得ることができ、高強度の合金を実現することが可能となる。したがって、本発明によりもたらされる効果は、実用上極めて大きい。

本発明の一実施例の構成を示す、一部を断面表示した正面図である。 図１に示した加熱部の構成を拡大表示した断面図である。 図１に示した水冷昇降軸を下降させた場合の様子を示す構成図である。 図３に示した誘導コイルを支持するための構成を示す部分斜視図である。 図５に示した誘導コイルを支持する構成要素の構成を示す構成図である。 図３に示した誘導コイルのピッチを等しくした場合の、加熱部内の温度分布を説明するための説明図である。 図１に示した金属熱処理炉により被加熱合金を加熱している状態を説明するための説明図である。 図１に示した金属熱処理炉により被加熱合金を冷却している状態を説明するための説明図である。 加熱された被加熱合金を冷却するための他の構成を示す部分断面図である。 従来例の構成を示す、一部を断面表示した正面図である。

本発明による金属熱処理炉は、ピッチが調整自在のコイルに高周波電流を流すことにより発熱するカーボン製の発熱体を、被加熱金属を加熱する手段として加熱室内に配設する。加熱室の下方に、加熱された被加熱金属を冷却するための冷却室を設ける。加熱室と冷却室は、中空の連結部により連結し、加熱室と冷却室を仕切って両者の雰囲気を分離するための真空ゲート弁を連結部に設ける。加熱室内の下部に、加熱室からの熱を遮蔽する可動の熱遮蔽板を配設するとともに、冷却室内の上部に、真空ゲート弁に加わる、加熱された被加熱金属からの熱を遮蔽するための可動の熱遮蔽板を配設する。被加熱金属を支持して加熱室内に進入可能な水冷昇降軸を、冷却室の底部を貫通して配設する。冷却用のガスを冷却室内に導入するための、内部にガスを圧送するファンを備えたガス導入管と、冷却室内に導入されたガスを外部に排出するためのガス排出管を、冷却室に設ける。ガス導入管およびガス排出管のうちの少なくとも一方の内部に、ガスと熱交換するための熱交換器を配設する。以下、実施例により詳しく説明する。

本発明の一実施例の構成を、図１に示し説明する。ここで、図１は、本実施例における金属熱処理炉の構成を示す、一部を断面表示した正面図である。

図１において、本実施例における金属熱処理炉は、被加熱合金を加熱するための加熱部２０が内部に設けられた円缶状の加熱室１０の下方に、加熱された被加熱合金を冷却するための円缶状の冷却室８０が、加熱室１０と軸心を同一にして配設され、両者は、円筒状の中空の連結部６０を介して連結されている。

連結された加熱室１０の側壁・底壁および冷却室８０の上壁・側壁・底壁、両者を連結する連結部６０の側壁は、それぞれ二重構造となっており、その空隙部内に冷却水が供給されるようになっている。また、冷却室８０の底部を貫通し、内部に冷却水が流通する昇降可能なパイプ状の水冷昇降軸９０が、加熱室１０内に進入し得るようになっている。

上方の加熱室１０内に配設された加熱部２０は、本発明では誘導加熱方式を用いており、その構成について、加熱部２０を拡大表示した図２（断面図）により説明する。

図２において、２１は、素材に高純度のカーボンを用いて円筒状に形成された発熱体であり、その上部開口は、同じく高純度のカーボンを用いた円板状の発熱体２２により塞がれている。また、下部開口は、図３に示されているように、水冷昇降軸９０の上端に取り付けられた、被加熱合金を支持するための円板状の支持台９１（素材はムライト）と、円板状の断熱材２７との間に介装された、高純度のカーボンを用いた円板状の発熱体２３により、水冷昇降軸９０が上昇したときに塞がれるようになっている。

図２において、円筒状の発熱体２１の外周壁は、円筒状の断熱材２４により囲まれ、上部の円板状の発熱体２２の上面は、円板状の断熱材２６より覆われている。下部の円板状の発熱体２３（図３）の下面は、図３に示したように、円板状の断熱材２７により覆われている。各断熱材２４，２６，２７の素材には、本実施例ではカーボン・フェルトを用いている。なお、円筒状の発熱体２１は、円筒状の断熱材２４の下方に連設された平面形状がリング状の断熱材２５により支持され、この断熱材２５は、図１では図示を省略している、４つの脚部を有する平面形状がリング状の基台４０により支持されている。

発熱体２１を囲む円筒状の断熱材２４は、素材にムライトを用いた円筒状の外筒２８により囲まれ、外筒２８の周囲には、外筒２８の高さ方向にわたって誘導コイル３１が配設されている。誘導コイル３１は、図１では図示を省略している細板状のコイル支持具３２ａ，３２ｂにより支持されている。

図４（部分斜視図）は、コイル支持具３２ａ，３２ｂにより誘導コイル３１を支持するための構成を示している。図示するように、コイル支持具３２ａには、スリット３３が設けられており、図５（ａ）に示すように、側面形状が凸字状の可動ノブ３４の軸部３６が、スリット３３に嵌合して摺動し得るようになっている。可動ノブ３４の軸部３６は、図５（ｂ）に示すように、ろう付けにより誘導コイル３１に固着されている。

したがって、可動ノブ３４の頭部３５（図５（ａ））をつまんで可動ノブ３４を上下方向において移動させれば、誘導コイル３１が移動するので、そのピッチを自在に調整することができることになる。なお、図５（ｃ）（平面図）に示すように、コイル支持具３２ａ〜ｃは、外筒２８の周方向において等間隔に３つ配設され、それぞれの下端部が、基台４０（図２）に固定されている。

ここで、誘導コイル３１のピッチをすべて等しくすると、加熱部２０内部の空間における温度分布は均一とはならず、均熱性を確保することができない。すなわち、誘導コイル３１のピッチがすべて等しい場合は、図６に示すように、破線の平行斜線で示す中層の部位Ｂが、最も温度が高く、１点鎖線の平行斜線で示す上層の部位Ａは、中層の部位Ｂよりは温度が低く、２点鎖線の平行斜線で示す部位Ｃは、上層の部位Ａよりもさらに温度が低くなる。これは、上層の部位Ａは、外筒２８（図２）の上部が開口しているため熱が上方に逃げるとともに常温の大気に近いこと、下層の部位Ｃは、内部に冷却水が流通する水冷昇降軸９０（図１）が近接することによる。

そこで、誘導コイル３１のピッチが狭いほど加熱温度が高まることから、中層の部位Ｂに対しては、図２に示されているように、誘導コイル３１のピッチは広くし、上層の部位Ａに対しては、ピッチをやや狭くし、下層の部位Ｃに対しては、部位Ａに対するよりもさらにピッチを狭くしている。

この誘導コイル３１のピッチの具体的な設定値は、被加熱合金のサイズや形状などにより異なるものである。したがって、ピッチを設定する場合は、あらかじめピッチをすべて等しくした状態で被加熱合金を加熱したうえで、加熱部２０内部の空間における温度分布を測定し、得られた測定値に基づいてピッチを設定するようにする。

このように、被加熱合金のサイズや形状などに応じて誘導コイル３１のピッチを設定すれば、温度制御が容易ではないため用途が限られていた誘導加熱方式であっても、金属の熱処理において充分に有効性を発揮することが可能となる。

図１において、以上のような構成の加熱部２０が内部に設けられた加熱室１０の下端部には、加熱室１０からの放射熱を遮蔽するための、図面上で左右方向において移動可能な熱遮蔽板５０ａが配設されている。また、加熱室１０と下方の冷却室８０とを連結する連結部６０の中間の部位には、加熱室１０と冷却室８０とを仕切って両者の雰囲気を分離するための、円板状の可動のゲート７１を備えた真空ゲート弁７０が配設されている。

他方、冷却室８０の上端部にも、図面上で左右方向において移動可能な熱遮蔽板５０ｂが配設されている。ここにおける熱遮蔽板５０ｂは、加熱室１０の下端部に配設された熱遮蔽板５０ａと相まって、耐熱性がさほど高くない真空ゲート弁７０を保護するためのものである。

さらに、冷却室８０の側面部には、冷却室８０内に冷却用のガスを導入するためのガス導入管８１が開口して備えられ、その内部には、ガスを圧送するためのファン８２と、ガスを冷却するための熱交換器８３ａが配設されている。また、このガス導入管８１と対向する位置の冷却室８０の側面部には、冷却室８０内に導入されたガスを外部に排出するためのガス排出管８４が開口して備えられ、その内部に熱交換器８３ｂが配設されている。冷却室８０内に導入されるガスは、冷却室８０より排出されるガスを循環して使用する。なお、熱交換器８３ａ，８３ｂは、ガス導入管８１およびガス排出管８４の双方ではなく、いずれか一方に配設するようにしてもよい。

図７は、以上のように構成された熱処理炉を使用して被加熱合金を加熱している状態を示している。被加熱合金Ａを加熱する場合は、水冷昇降軸９０を上昇させて、その上端に固定された、被加熱合金を支持する支持台９１を、加熱室１０内に配設された加熱部２０内部の空間内に進入させたうえで、被加熱合金Ａを支持台９１上に搭載する。支持台９１への被加熱合金Ａの搭載は、加熱室１０の円板状の上部蓋１１をはずして行う。所要の作業が完了したならば、加熱室１０内に開口する、図示されてはいない排気口を介して排気をして、加熱室１０および冷却室８０内を真空にする。

そこで、周波数が例えば１ｋＨｚの高周波電流を誘導コイル３１に流して、加熱部２０の内部を例えば１３００℃程度に加熱する。このとき、誘導コイル３１のピッチは、等間隔ではなく、加熱部２０内部の温度分布が均一となるように調整されており、これにより、均熱性が±５℃の範囲で確保されている。

この状態で、一定の時間が経過したならば、図８に示すように、水冷昇降軸９０を下降させて被加熱合金Ａを冷却室８０内に移動させる。同時に、各熱遮蔽板５０ａ，５０ｂおよび真空ゲート弁７０のゲート７１を、それぞれ張り出させる。

そこで、ファン８２の駆動のもとに、ガス導入管８１を介する冷却用のガスを、熱交換器８３ａを通して冷却室８０内に送り込んで、被加熱合金Ａを冷却する。冷却室８０内に送り込まれたガスは、ガス排出管８４の開口部に配設された熱交換器８３ｂにより冷却されて、冷却室８０より排出された後、循環してガス導入管８１に導かれて冷却室８０内に送り込まれる。

ここで、冷却用のガスは、ＨｅガスやＡｒガスなどの不活性ガスに限られない。図１０に示した従来例では、例えば、Ｎ_２ガスは、素材がＷやＭｏである抵抗発熱体２１１を損傷する危険性があるため用いることができない。しかし、本発明による熱処理炉の冷却室８０内では、そのような危険性はないことから、安価なＮ_２ガスを用いることが可能である。

このようにして冷却室８０内で冷却される被加熱合金Ａの冷却速度は、本願発明者が行った実験によれば、加熱温度が１３５０℃付近の場合で４００℃／分である。したがって、図１０に示した従来例によった場合の冷却速度が最大１５０℃／分であるのと比較して、極めて高い冷却速度を実現することができることになる。

なお、本発明による熱処理炉は、鋼鉄などの金属の熱処理にも使用することができるが、鋼鉄などの浸炭を嫌う金属を熱処理する場合は、発熱体２１〜２３に用いるカーボンにＳｉＣ（炭化珪素）のコーティングを施すことにより対処することができる。

以上においては、発熱体２１を円筒状に形成し、上下開口を塞ぐ発熱体２２，２３を円板状に形成したものを、例に挙げて説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。その他にも、例えば、発熱体を角筒状に形成し、上下開口を塞ぐ発熱体を開口の形状に対応した形状に形成する場合についても、本発明は適用され得るものである。

また、加熱された被加熱合金Ａを冷却するための構成として、冷却室８０に、ガス導入管８１、ファン８２、ガス排出管８４および熱交換器８３ａ，８３ｂを配設する場合について説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではない。例えば、図９（部分断面図）に示すように、冷却室８０Ｂ内の上部に張り出す熱遮蔽板５０ｂの下方に、平面形状がリング状のガス供給管８５を配し、その下面に、冷却用のガスを円錐状に噴出する多数のノズル８６を、それぞれが破線で示す被加熱合金Ａを指向するように、所定の角度（例えば、４５°）をもって付設するとともに、冷却室８０Ｂ内の下部に開口するガス排出管８７を設ける構成としてもよい。

さらに、冷却室８０内に冷却用のガスを導入する場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本願発明者が行った実験によれば、冷却用のガスを使用しなくても、加熱された被加熱合金Ａの冷却速度は、加熱温度が１３００℃付近の場合で３００℃／分以上であり、図１０に示した従来例によった場合よりも高い冷却速度を得ることができる。したがって、冷却室８０へのガス導入管８１、ファン８２、ガス排出管８４および各熱交換器８３ａ，８３ｂの配設を省略しても、ランニング・コストの低廉化とともに本発明の目的である冷却速度の向上化を達成することができるものである。

１０ 加熱室
１１ 上部蓋
２０ 加熱部
２１〜２３ 発熱体
２４〜２７ 断熱材
２８ 外筒
３１ 誘導コイル
３２ａ〜３２ｃ コイル支持具
３３ スリット
３４ 可動ノブ
３５ 頭部
３６ 軸部
４０ 基台
５０ａ，５０ｂ 熱遮蔽板
６０ 連結部
７０ 真空ゲート弁
７１ ゲート
８０，８０Ｂ 冷却室
８１ ガス導入管
８２ ファン
８３ａ，８３ｂ 熱交換器
８４ ガス排出管
８５ ガス供給管
８６ ノズル
８７ ガス排出管
９０ 水冷昇降軸
９１ 支持台
１００ 加熱室
１１１ 抵抗発熱体
１２１〜１２３，１３１〜１３３ 熱遮蔽板
Ａ 被加熱合金

Claims (5)

1. γ（合金マトリックス）およびγ’（Ni ₃ Al）が整合配列したNi基超耐熱合金を得ることが可能な金属熱処理炉であって、
   ピッチが調整自在に支持されたコイル（３１）および前記コイルに電流が流れることにより発熱するカーボンを用いた発熱体（２１〜２３）を含む加熱部（２０）が配設され、被加熱金属（Ａ）を1350℃まで加熱可能な加熱室（１０）と、
   前記加熱部により加熱された前記被加熱金属を冷却するための、前記加熱室の下方に前記加熱室とは別空間として配設された冷却室（８０）と、
   前記加熱室と前記冷却室とを仕切る可動のゲート（７０）が配設された、前記加熱室と前記冷却室とを連結するための中空の連結部（６０）と、
   前記加熱室内の下部に配設された、前記加熱室からの熱を遮蔽するための第１の可動の熱遮蔽板（５０ａ）と、
   前記冷却室内の上部に配設された、前記ゲートに加わる前記加熱された前記被加熱金属からの熱を遮蔽するための第２の可動の熱遮蔽板（５０ｂ）と、
   前記冷却室の底部を貫通して配設された、前記被加熱金属を支持して前記加熱室内に進入可能な水冷昇降軸（９０）と
   を具備し、
   加熱室（１０）は、被加熱金属（Ａ）のサイズ、形状または測定された内部空間の温度分布に応じてコイル（３１）のピッチが調整されることで、内部の温度分布を±５℃の範囲で均一に形成することが可能であり、
   加熱室（10）において加熱された被加熱金属（Ａ）が冷却される際には、前記被加熱金属を支持した状態の水冷昇降軸（９０）が下降して冷却室（８０）へ移動するとともに、第１の可動の熱遮蔽板（５０ａ）および第２の可動の熱遮蔽板（５０ｂ）が移動して、加熱室（10）と冷却室（８０）との間が遮蔽されて、冷却室（８０）において、被加熱金属（Ａ）が300℃／分以上の冷却速度で冷却されることを特徴とする金属熱処理炉。
2. 前記冷却室が、
   前記水冷昇降軸により支持されて前記加熱室内から前記冷却室内に移動した前記加熱された被加熱金属を冷却するガスを前記冷却室内に導入するための、内部に前記ガスを圧送するファン（８２）が配設されたガス導入管（８１）と、
   前記ガス導入管により前記冷却室内に導入された前記ガスを前記冷却室内より排出するためのガス排出管（８４）とを備えるとともに、
   前記ガス導入管および前記ガス排出管のうちの少なくとも一方の内部に前記ガスと熱交換するための熱交換器（８３ａ，８３ｂ）が配設された
   ものである請求項１記載の金属熱処理炉。
3. 前記冷却室が、
   前記加熱された被加熱金属を冷却するガスを供給するためのリング状のガス供給管（８５）に前記ガス供給管を介して供給される前記ガスを噴出するための多数のノズル（８６）が付設されたものと、
   前記ノズルを介して噴出された前記ガスを排出するためのガス排出管（８７）とを
   備えたものである請求項１記載の金属熱処理炉。
4. 被加熱金属を冷却するガスは、N ₂ ガスであることを特徴とする請求項２または３に記載の金属熱処理炉。
5. コイル（３１）は、細板状のコイル支持具（３２ａ）に支持されており、このコイル支持具（３２ａ）は、スリット（３３）が設けられており、側面形状が凸字状の可動ノブ（３４）の軸部（３６）が、スリットに嵌合して摺動することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属熱処理炉。

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