JP5932431B2 - 加熱装置及び加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、「焼き入れ」や「焼き戻し」等の熱処理を行うための加熱装置及びその加熱方法に関するものである。

例えば、特許文献１に記載の鋼の加熱方法では、加熱対象であるワークに直接通電する直接通電加熱方式、又はワークに誘導電流を発生させる誘導加熱方式により、ワークを加熱している。

特開２００３−７３７３７号公報

ところで、直接通電加熱方式では、電極クランプ部等の通電電極が配置された部位は、通電電極間等に比べて、現実に流れる電流値（電流密度）が小さいため、発熱量が小さく、ワーク全体を熱処理温度まで昇温させることが難しい。

誘導加熱方式は、ワークに誘導電流を発生させることにより、ワークを発熱させるものであるが、誘導される電流の電流密度をワーク全体で均一とすることが困難であるため、ワーク全体を熱処理温度まで昇温させることが難しい。

これに対して、大気炉等の加熱された雰囲気によりワークを加熱する加熱方式を用いれば、ワーク全体が高温の雰囲気中に晒されることから、直接通電方式及び誘導加熱方式に比べてワーク全体を均一に熱処理温度まで昇温させることができる。

しかし、大気炉等を用いた加熱方式では、ワークを熱処理温度まで昇温させるに必要な時間が、直接通電方式及び誘導加熱方式に比べて長いため、生産性等の点で難がある。
本発明は、上記点に鑑み、ワーク全体を速やかに昇温させることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、金属からなるワークの加熱装置であって、ワーク（Ｗ）を所定温度まで加熱昇温する第１加熱部（３）であって、ワークに通電することによりワークを昇温させる通電加熱器（３Ａ）及びワークに誘導電流を発生させてワークを昇温させる誘導加熱器（３Ｂ）を有する第１加熱部（３）と、第１加熱部（３）にて昇温されたワーク（Ｗ）全体が搬入され、加熱された雰囲気中又は真空中でワーク（Ｗ）を加熱する第２加熱部（５）と、第１加熱部（３）に設けられ、ワーク（Ｗ）のうち第１部位を加熱する第１加熱器（３Ａ）と、第１加熱部（３）に設けられ、ワーク（Ｗ）のうち第１部位と異なる第２部位を加熱する第２加熱器（３Ｂ）とを備える。

これにより、本発明では、第１加熱部（３）においては、複数の加熱器（３Ａ、３Ｂ）で分担してワーク（Ｗ）を加熱するので、例えば、１つの加熱器にてワーク全体を加熱・昇温させる場合に比べて、ワーク全体を均一に昇温させることができる。

また、第２加熱部（５）は、加熱された雰囲気中又は真空中でワーク（Ｗ）全体を加熱するので、大気炉等と同様に、ワーク全体を均一に昇温させることができる。このとき、第２加熱部（５）にて加熱する前に、第１加熱部（３）にてワークを予備加熱するので、ワークを速やかに昇温させることができる。したがって、本発明では、ワーク全体を速やかに昇温させることが可能となる。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る加熱装置１の概念図である。 本発明の第１実施形態に係る第１加熱器３Ａの概念図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る第１加熱器３Ａの概念図であり、（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る通電電極３Ｃの概念図である。

以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。

そして、本実施形態は、車両用のスタビライザ（以下、ワークと呼ぶ。）を熱処理するための加熱装置に本発明に係る加熱装置及び加熱方法を適用したものである。
因みに、車両用のスタビライザとは、左右の懸架装置を連結する金属製のトーションバーである。また、熱処理とは、焼き入れ、焼き戻し又は歪取焼鈍等をいう。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（第１実施形態）
１．加熱装置の構成
図１は、加熱対象であるワークＷの熱処理を行う加熱装置１の概要を示す図である。

第１加熱部３は、ワークＷを所定温度まで加熱昇温する第１加熱工程を実行する。第２加熱部５は、第１加熱部３にて昇温されたワークＷを加熱する第２加熱工程を実行する。
第１加熱部３は、図２に示すように、第１加熱器３Ａ及び第２加熱器３Ｂを有して構成されている。第１加熱器３Ａは、ワークＷに通電することにより、当該ワークＷを昇温させる通電加熱器である。この第１加熱器３Ａは、ワークＷのうち一対の通電電極３Ｃ間に相当する部位（以下、通電加熱領域という。）を加熱する。

第２加熱器３Ｂは、ワークＷに誘導電流を発生させてワークを昇温させる誘導加熱器である。この第２加熱器３Ｂは、ワークＷのうち通電加熱領域と異なる部位（以下、非通電加熱領域という。）を加熱する。

なお、通電加熱領域と非通電加熱領域とは明確に区別できるものではないが、概ね、通電電極３Ｃを境として通電加熱領域と非通電加熱領域とに区別できる。したがって、本実施形態では、各通電電極３ＣからワークＷの端部まで領域が非通電加熱領域となる。

因みに、第１加熱器３Ａによる加熱及び第２加熱器３Ｂによる加熱は、図２に示すように２工程に分けて実行してもよいが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１加熱器３Ａによる加熱と第２加熱器３Ｂによる加熱とを同時に実行してもよい。

また、第１加熱器３Ａによる加熱及び第２加熱器３Ｂによる加熱を２工程に分けて実行する場合には、いずれを先に実行してもよいが、本実施形態では、第１加熱器３Ａによる加熱を第２加熱器３Ｂによる加熱より先に実行している。

第２加熱部５は、第１加熱部３にて昇温されたワークＷを加熱された雰囲気中又は真空中で加熱する。なお、本実施形態では、第２加熱部５として電熱炉等の大気炉を採用している。なお、雰囲気中で加熱する場合には、窒素等の不活性ガスの雰囲気にて加熱することが望ましい。

そして、第１加熱部３では、熱処理温度（例えば、５００℃）又は当該熱処理温度以下の所定温度（例えば、４９０℃）までワークＷを昇温させ、第２加熱部５では、第１加熱部３にて昇温されたワークＷを熱処理温度まで加熱・昇温させた後、当該のワークＷの温度を予め設定された所定時間だけ熱処理温度に保持する。

なお、第２加熱部５での加熱処理が終了したワークＷは、その後、空冷又は水冷等の冷却法により冷却され、ワークＷの熱処理が終了する。
２．加熱装置及び加熱方法の特徴
本実施形態では、第１加熱部３においては、複数の加熱器、つまり第１加熱器３Ａ及び第２加熱器３Ｂで分担してワークＷを加熱するので、例えば、１つの加熱器にてワークＷ全体を加熱・昇温させる場合に比べて、ワークＷ全体を均一に昇温させることができる。

また、第２加熱部５は、加熱された雰囲気中又は真空中でワークＷを加熱・保持するので、大気炉等と同様に、ワークＷ全体を均一に昇温させた状態でワークＷの温度を保持することができる。

このとき、第２加熱部５にて加熱する前に、第１加熱部３にてワークＷを予備加熱するので、ワークＷを速やかに昇温させた後、第２加熱部５でワークＷを加熱・保持することができる。したがって、本実施形態では、ワークＷ全体を速やかに昇温させることが可能となる。

また、ワークＷ全体を速やかに昇温させることにより、ワークＷが熱処理温度まで昇温するに必要な時間を大幅に短縮できるので、加熱装置１の小型化、稼働費の低減、及びリードタイムの短縮化を図ることができる。

また、本実施形態では、第１加熱器３Ａとして通電加熱器を用いているので、ワークＷの形状に大きく影響されることなく、通電電極３Ｃに通電するのみで、容易に通電加熱領域全体を短時間で昇温させることが可能となる。

ところで仮に、第１加熱器３Ａ、つまり通電加熱器のみで第１加熱部３を構成すると、非通電加熱領域には電流が殆ど流れないため、「非通電加熱領域を加熱することができない」という問題がある。

また仮に、第２加熱器３Ｂ、つまり誘導加熱器のみで第１加熱部３を構成した場合には、誘導される電流の電流密度をワークＷ全体で均一とすることが困難であるため、ワークＷの内部と表面とで発生する誘導電流の電流密度が異なり、「ワークＷ全体を均一に昇温・保持することが難しい」という問題がある。

なお、誘導加熱器にてワークＷ全体を均一に昇温させるには、（ａ）低い周波数の電流をコイルに通電する、（ｂ）昇温時間を比較的に長くしてワークＷをゆっくり昇温・加熱する、又は（ｃ）周波数、出力及び通電時間等の条件を変更しながら多段階で昇温させる等の加熱方法を採用する必要があるので、ワークＷ全体を速やかに昇温させることができない。

これに対して、本実施形態では、ワークＷのうち通電加熱領域については、第１加熱器３Ａ、つまり通電加熱器に通電することにより、容易に通電加熱領域全体を均一に短時間で昇温させることができる。

一方、非通電加熱領域は、通電電極３ＣからワークＷの端部までの領域であり、この領域は、通電加熱領域に比べると十分に小さい領域であるので、非通電加熱領域においては、誘導加熱器による電流密度差の影響は小さい。したがって、誘導加熱器であっても、非通電加熱領域であれば、ワークＷ全体の昇温に大きな影響を与えることなく、当該領域の内部と表面とを均一に昇温させることができる。

以上のように、本実施形態に係る加熱装置１では、通電加熱器の短所を誘導加熱器にて補完しながら、ワークＷ全体を速やかに昇温・保持することができる。
（第２実施形態）
第１実施形態では、第１加熱器３Ａと第２加熱器３Ｂとが別体であったが、本実施形態は、第１加熱器３Ａと第２加熱器３Ｂとを一体化したものである。

すなわち、本実施形態では、図３に示すように、通電することにより発熱する電気抵抗体３Ｄにて第２加熱器３Ｂを構成するとともに、通電電極３Ｃの電極部３Ｅと電気抵抗体３Ｄとを一体化したものである。なお、本実施形態においては、一体化された電極部３Ｅと電気抵抗体３Ｄとを総称する際には通電電極３Ｃと呼ぶ。

電極部３Ｅは、ワークＷ、つまり通電加熱領域に通電するための電極であり、この電極部３Ｅが、第１実施形態における通電電極３Ｃに相当する。電気抵抗体３Ｄは、電極部３Ｅより高い電気抵抗値を有し、通電されることにより発熱する。

これにより、通電加熱領域が発熱して昇温されるとともに、電気抵抗体３Ｄが発熱して通電電極３Ｃも昇温されるので、昇温した通電電極３Ｃによって非通電加熱領域も加熱・昇温する。したがって、通電電極３Ｃに通電するのみで、通電加熱領域及び非通電加熱領域、つまりワークＷ全体を加熱・昇温させることができる。

なお、電極部３Ｅは、例えばＣｕ系材料（Ｃｕ合金も含む。）等の電気抵抗値の低い材料によって構成されている。一方、電気抵抗体３Ｄは、例えば、Ｆｅ系材料等によって構成されている。

因みに、ワークＷがばね鋼の場合は、ばね鋼と同等の電気抵抗値を有するＦｅ系材料にて電気抵抗体３Ｄを構成してもよい。さらには、線径の細いワークＷに対して通電電極３Ｃを大きくしたい場合等には、Ｆｅ系材料より電気抵抗値の大きいステンレスやインコネル等にて電気抵抗体３Ｄを構成してもよい。

また、電極部３Ｅは、図３（ｂ）に示すように、電気抵抗体３Ｄを挟んで両側に設けられている。そして、一対の通電電極３Ｃは、図３（ａ）に示すように、ワークＷを挟むように電極部３ＥがワークＷに接触した状態で配置される。なお、電極部３ＥのうちワークＷと接触する部位には、ワークＷの表面形状に沿うよう湾曲した接触面が形成されている。これにより、電極部３ＥとワークＷとの接触面積を増大させて、接触部で生じる接触電気抵抗の低減を図っている。

一方、電気抵抗体３Ｄは、通電電極３Ｃに設けられた一対の電極部３Ｅ間、つまり電極部３ＥのうちワークＷと接触しない側に接続され、ワークＷと直接接触しない。なお、電極部３Ｅ及び電気抵抗体３Ｄ、つまり本実施形態に係る通電電極３Ｃへの通電条件は以下の通りである。

ワークＷの抵抗値をＲＷとし、ワークＷの質量をｍＷとし、ワークＷの比熱をＣｐＷとし、電気抵抗体３Ｄの電気抵抗値をＲＥとし、電気抵抗体３Ｄの質量をｍＥとし、電気抵抗体３Ｄの比熱をＣｐＥとし、通電開始時における電気抵抗体３Ｄの温度に応じて決まる係数をαとしたときに、α×ＲＷ／（ｍＷ×ＣｐＷ）≦ＲＥ／（ｍＥ×ＣｐＥ）が成立するように通電する。

因みに、本実施形態に係る係数αは、加熱装置１が連続運転しているとき（電気抵抗体３Ｄの温度が高いとき）は、例えば０．７〜０．８であり、加熱装置１が始動時又は間欠運転時のとき（電気抵抗体３Ｄの温度が低いとき）は、例えば１である。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、第２加熱器３Ｂを誘導加熱器又は電気抵抗体にて構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、火炎加熱、反射鏡により光を集光してワークＷを加熱するイメージ炉、加熱した固体粒子を流動化させて固体粒子とワークＷとの接触によりワークＷを加熱する流動層炉、加熱された気体をワークＷに吹き付ける加熱手段、及び赤外線、プラズマ、硝石や過熱蒸気を用いた加熱手段等であってもよい。

また、上述の実施形態では、第１加熱器３Ａを通電加熱器にて構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、上記した加熱手段のいずれかであってもよい。
また、上述の実施形態では、スタビライザをワークＷとして本発明を説明したが、本発明の適用対象は、スタビライザに限定されるものではなく、コイルばね、トーションバー、リーフスプリング等のその他の金属製品に対しても適用することができる。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。
なお、非通電領域に熱処理を行う必要がないワークＷについては、第２加熱器３Ｂを廃止した第１加熱部３としてもよい。因みに、「非通電領域に熱処理を行う必要がないワークＷ」とは、例えば、（ａ）製品の規格上、熱処理が必要でないワークＷ、（ｂ）熱処理後、非通電領域を切断除去するワークＷ等をいう。

１… 加熱装置
３… 第１加熱部
３Ａ… 第１加熱器
３Ｂ… 第２加熱器
３Ｃ… 通電電極
３Ｄ… 電気抵抗体
３Ｅ… 電極部
５… 第２加熱部

Claims (2)

1. 金属からなるワークの加熱装置であって、
   ワークを所定温度まで加熱昇温する第１加熱部であって、ワークに通電することによりワークを昇温させる通電加熱器及びワークに誘導電流を発生させてワークを昇温させる誘導加熱器を有する第１加熱部と、
   前記第１加熱部にて昇温されたワーク全体が搬入され、加熱された雰囲気中又は真空中でワーク全体を加熱する第２加熱部とを備え、
   前記通電加熱器は、ワークのうち前記通電加熱器の通電電極間に相当する第１部位を加熱し、
   さらに、前記誘導加熱器は、前記通電電極からワークの端部までの第２部位を加熱することを特徴とする加熱装置。
2. 金属からなるワークの加熱方法であって、
   ワークを所定温度まで加熱昇温する第１加熱工程であって、ワークに通電することによりワークを昇温させる通電加熱器及びワークに誘導電流を発生させてワークを昇温させる誘導加熱器を有する第１加熱工程と、
   前記第１加熱工程にて昇温されたワーク全体が搬入され、加熱された雰囲気中又は真空中でワーク全体を加熱する第２加熱工程とを備え、
   前記通電加熱器にてワークのうち前記通電加熱器の通電電極間に相当する部位を加熱し、
   さらに、前記誘導加熱器にて前記通電電極からワークの端部までの部位を加熱することを特徴とする加熱方法。