(57)【要約】【課題】  より高い冷却速度を得ることにより、より質の高い熱処理を行うことができる熱処理装置及び熱処理部品の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の熱処理装置（１）は、被処理物（Ｗ）を加熱する加熱手段（６）と、この加熱手段によって加熱された被処理物を冷却するための冷却液（４）を入れた冷却槽（２ｃ）と、少なくとも冷却槽を収容した圧力室（２）と、この圧力室の内部を加圧する加圧手段（１２）と、加熱手段によって加熱された被処理物を、加圧手段によって加圧された圧力室の中に収容された冷却槽の中に入れる投入手段（１０）と、を有することを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を加熱する加熱手段と、
この加熱手段によって加熱された被処理物を冷却するための冷却液を入れた冷却槽と、
少なくとも上記冷却槽を収容した圧力室と、
この圧力室の内部を加圧する加圧手段と、
上記加熱手段によって加熱された被処理物を、上記加圧手段によって加圧された上記圧力室の中に収容された上記冷却槽の中に入れる投入手段と、
を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
上記加圧手段が、高圧の気体を収容したガス容器を有し、このガス容器から上記圧力室の中に高圧の気体を導入することによって上記圧力室内を加圧する請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
さらに、上記冷却槽の中の冷却液を攪拌する攪拌手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理装置。
【請求項４】
上記冷却槽の冷却液の中に、粒状物が混入されている請求項３記載の熱処理装置。
【請求項５】
上記投入手段が、上記圧力室内の圧力がゲージ圧で０．１〜３０ＭＰａの状態で、被処理物を上記冷却槽の中に入れる請求項１乃至４の何れか１項に記載の熱処理装置。
【請求項６】
熱処理すべき部品を形成する段階と、
形成された上記部品を、加熱手段によって加熱する段階と、
上記部品が搬入された、冷却液が入った冷却槽を収容した圧力室内の圧力を、加圧手段によって加圧する段階と、
加熱された上記部品を、冷却槽の冷却液の中に入れる段階と、
を有することを特徴とする熱処理部品の製造方法。
【請求項７】
熱処理すべき部品を形成する段階と、
形成された上記部品を、圧力室内に搬入する段階と、
上記圧力室を密閉する段階と、
上記圧力室内の圧力を、加圧手段によって加圧する段階と、
上記圧力室内に搬入された熱処理すべき上記部品を、加熱手段によって加熱する段階と、
加熱された上記部品を、上記圧力室内に収容された、冷却液が入った冷却槽に入れる段階と、
を有することを特徴とする熱処理部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理装置及び熱処理部品の製造方法に関し、特に、加熱された被処理物を冷却液によって冷却する熱処理装置及び熱処理部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、様々な機械部品の製造工程において、熱処理が広く行われている。特に、熱処理すべき部品を加熱し、その後急激に冷却する焼入れは、広く行なわれている。焼入れを行う際に、熱処理すべき加熱した部品を急激に冷却する冷却媒体として、熱処理油、冷却水等の液体、不活性ガス等の気体、ソルト等が知られている。また、熱処理油、冷却水等の冷却液による冷却方法としては、加熱された部品を冷却液の入った冷却槽の中に投入する、加熱された部品に冷却液を流下させる等の方法が知られている。
【０００３】
焼入れ等の熱処理の効果は、部品を加熱する温度、冷却液の温度の他、熱処理すべき部品の各部の冷却速度等によって変化する。特に、焼入れにおいては、被処理物を、焼割れや焼入れ歪を発生させずに硬化させるために、被処理物の材質に合わせた適切な冷却速度が必要であり、種々の熱処理方法が試みられている。熱処理方法が適切でない場合には、熱処理した部品に変形を生じたり、熱処理の効果が同一ロット内の部品でばらついたりするという問題が発生する。熱処理すべき部品を、冷却液を入れた冷却槽に投入する焼入れ方法は、広く採用されているが、この方法においては、冷却槽内の冷却液の温度を均一にすることにより、部品の冷却速度を高め、部品の各部の冷却速度を均一にするために、冷却液をプロペラ攪拌機や噴流攪拌機によって攪拌することが行われている。また、特開２００３−２８６５１７号公報には、冷却槽内で、振動攪拌機を噴流攪拌機と併用して、ロット内の熱処理部品のバラツキを抑制した焼入れ装置が記載されている。
【０００４】
また、熱処理すべき部品を冷却槽に投入する熱処理方法においては、熱処理すべき部品の冷却速度に限界が存在する。図３は、従来の熱処理装置において、熱処理すべき部品を冷却油に投入した場合の冷却曲線の一例である。図３に示すように、熱処理部品は、冷却槽に投入後、初めは、比較的緩やかな傾きの直線状に温度が低下し、次いで、特性温度と呼ばれるＭ点の温度に到達すると、その後は、指数関数状の曲線を描いて温度が低下する。冷却槽への投入直後は、熱処理部品と冷却液の温度差が最も大きいため、本来、最大の冷却速度が得られるはずであるが、実際の冷却速度は比較的遅く、Ｍ点到達後に冷却速度は最大となる。この現象は、加熱された熱処理部品を冷却槽に投入した直後には、熱処理部品が、その熱によって蒸発した冷却液の蒸気膜によって覆われることによって起こるものであることが知られている。すなわち、熱処理部品が蒸気膜によって覆われると、蒸気膜の熱伝導と放射冷却で熱が移動することになるが、気体である蒸気膜は密度が小さく断熱性が高いので、冷却速度は低下する。
【０００５】
次に、熱処理部品の温度がＭ点まで低下すると、熱処理部品の周囲の蒸気膜は形成されなくなり、冷却液が熱処理部品に直接接触するようになる。冷却液が熱処理部品に直接接触すると、冷却液が沸騰され、冷却液が冷却槽内で対流することによって熱処理部品の熱が奪われる。このように、冷却液が熱処理部品に直接接触するようになった直後に、冷却速度は最大となる。さらに温度が低下し、熱処理部品に直接接触した冷却液が沸騰しないようになると、対流熱伝達及び熱伝導によって熱処理部品の熱が奪われる。この段階では、熱処理部品の温度が低下し、熱処理部品と冷却液の温度差が小さくなっているため、冷却速度は遅くなる。
また、大型の部品の熱処理では、熱処理部品のある部分では部品を蒸気膜が取り囲み、他の部分では冷却液の対流で冷却が行われる等、単一の熱処理部品の各部で冷却速度が大きく異なる場合もある。このような場合には、各部の冷却速度の違いから、熱処理部品に大きな焼入れ歪が発生することもある。
【０００６】
従って、熱処理部品を冷却槽に投入した直後における、熱処理部品が蒸気膜によって覆われる現象を抑制することにより、熱処理部品の冷却速度を速め、焼入れ歪の発生を抑制することが可能になる。この熱処理部品が蒸気膜によって覆われる現象を起こり難くし、冷却速度を高くするために、上述したように冷却槽内の冷却液を攪拌することが行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２８６５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の熱処理装置のように、冷却槽内の冷却液を攪拌することによって冷却速度を高めることは可能であるものの、近年、益々高まりつつある熱処理に対する要求を十分に満足することはできないという問題がある。また、冷却液を攪拌する方法では、熱処理部品周囲の冷却液の流速が必ずしも均一にならないため、熱処理部品の各部での冷却速度を一定にし、焼入れ歪の発生を防止することが難しいという問題もある。
従って、本発明は、従来の熱処理装置よりもより高い冷却速度を得ることができ、又、従来の熱処理装置よりもより質の高い熱処理を行うことができる熱処理装置及び熱処理部品の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の熱処理装置は、被処理物を加熱する加熱手段と、この加熱手段によって加熱された被処理物を冷却するための冷却液を入れた冷却槽と、少なくとも冷却槽を収容した圧力室と、この圧力室の内部を加圧する加圧手段と、加熱手段によって加熱された被処理物を、加圧手段によって加圧された圧力室の中に収容された冷却槽の中に入れる投入手段と、を有することを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、被処理物は加熱手段によって加熱され、加圧手段によって加圧された圧力室の中に収容された冷却槽の中の冷却液に浸漬される。冷却槽の中に入れられた被処理物の周囲の冷却液は、被処理物の熱によって蒸発される。しかしながら、冷却槽は加圧された圧力室の中に収容されているので、被処理物の周囲における冷却液の蒸気膜の形成が抑制され、或いは、形成される蒸気膜が薄くなる。
このように構成された本発明によれば、被処理物の周囲における蒸気膜の形成が抑制され、又は形成される蒸気膜の厚さが薄くなるので、被処理物の冷却速度を高くすることができる。また、加圧により蒸気膜の形成を抑制し、又は形成される蒸気膜の厚さを薄くする作用は、被処理物の周囲に均一に働くため、蒸気膜の影響による冷却速度のむらを非常に少なくすることができる。
【００１１】
本発明において好ましくは、加圧手段が、高圧の気体を収容したガス容器を有し、このガス容器から圧力室の中に高圧の気体を導入することによって圧力室内を加圧する。
このように構成された本発明によれば、市販のガス容器を接続するだけで、特別な装置を用いることなく、簡単に圧力室の中を高圧にすることができる。
【００１２】
また、本発明において好ましくは、さらに、冷却槽の中の冷却液を攪拌する攪拌手段を有する。
このように構成された本発明によれば、冷却槽の中の冷却液の温度を均一にすることができると共に、被処理物の周囲における蒸気膜の形成が妨害されるので、被処理物の冷却速度をさらに高めることができる。
【００１３】
さらに、本発明において好ましくは、冷却槽の冷却液の中に、粒状物が混入されている。
このように構成された本発明によれば、冷却液の中に混入されている粒状物が、被処理物の周囲における蒸気膜の形成を妨害するので、被処理物の冷却速度をさらに高めることができる。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、投入手段は、圧力室内の圧力がゲージ圧で０．１〜３０ＭＰａ（１．０２〜３０６ｋｇｆ／ｃｍ2）の状態で、被処理物を冷却槽の中に入れる。
このように構成された本発明によれば、被処理物の周囲における蒸気膜の形成を効果的に抑制し、又は形成される蒸気膜の厚さを効果的に薄くすることができる。
【００１５】
また、本発明の熱処理部品の製造方法は、熱処理すべき部品を形成する段階と、形成された部品を、加熱手段によって加熱する段階と、部品が搬入された、冷却液が入った冷却槽を収容した圧力室内の圧力を、加圧手段によって加圧する段階と、加熱された部品を、冷却槽の冷却液の中に入れる段階と、を有することを特徴としている。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、熱処理される部品の周囲における蒸気膜の形成が抑制され、又は形成される蒸気膜の厚さが薄くなるので、熱処理される部品の冷却速度が高まり、質の高い熱処理部品を得ることができる。また、加圧により蒸気膜の形成を抑制し、又は形成される蒸気膜の厚さを薄くする作用は、被処理物の周囲に均一に働くため、蒸気膜の影響による冷却速度のむらを非常に少なくすることができる。
【００１７】
さらに、本発明の熱処理部品の製造方法は、熱処理すべき部品を形成する段階と、形成された部品を、圧力室内に搬入する段階と、圧力室を密閉する段階と、圧力室内の圧力を、加圧手段によって加圧する段階と、圧力室内に搬入された熱処理すべき部品を、加熱手段によって加熱する段階と、加熱された部品を、圧力室内に収容された、冷却液が入った冷却槽に入れる段階と、を有することを特徴としている。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、熱処理される部品の周囲における蒸気膜の形成が抑制され、又は形成される蒸気膜の厚さが薄くなるので、熱処理される部品の冷却速度が高まり、質の高い熱処理部品を得ることができる。また、加圧により蒸気膜の形成を抑制し、又は形成される蒸気膜の厚さを薄くする作用は、被処理物の周囲に均一に働くため、蒸気膜の影響による冷却速度のむらを非常に少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱処理装置及び熱処理部品の製造方法によれば、より高い冷却速度及びより質の高い熱処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による熱処理装置を説明する。図１は、本発明の第１実施形態の熱処理装置の概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の熱処理装置１は、圧力室である圧力容器２と、その中に配置された加熱手段であるヒーター６と、このヒーター６の周囲を取り囲む断熱材８と、圧力容器２の外部から内部に延び、先端に被処理物であるワークＷを支持することができるようになった投入手段である昇降機１０と、を有する。さらに、本実施形態の熱処理装置１は、高圧の窒素ガスを収容したガス容器１２と、このガス容器１２と圧力容器２を接続する管路に設けられた減圧弁１４及び開閉弁１６と、を有する。ガス容器１２、減圧弁１４及び開閉弁１６は、加圧手段を構成する。また、本実施形態の熱処理装置１は、圧力容器２の底部に配置され、冷却液を攪拌するプロペラ１８と、このプロペラ１８を回転駆動するモーター２０と、を有する。プロペラ１８及びモーター２０は、攪拌手段を構成する。
【００２１】
圧力容器２は、概ね円筒形の胴部２ａと、その上下に取付けられた半球面状の鏡板２ｂ、２ｃから構成されている。下側の鏡板２ｃには、冷却液である熱処理油４が入れられており、圧力容器２の下部は冷却槽として機能する。また、下側の鏡板２ｃには、水平方向に延びる円筒状のプロペラ取付け部２ｄが形成されている。プロペラ１８のシャフトは、このプロペラ取付け部２ｄを通って圧力容器２の外部へ延び、モーター２０の出力軸に結合されている。さらに、上側の鏡板２ｂには、圧力容器２の内部が異常な高圧になって圧力容器２が破裂するのを防止する安全弁２２、及び圧力容器２内のガスを放出するためのガス放出弁２６が取付けられている。また、圧力容器２下部の熱処理油４が入れられている部分には、ワークＷの冷却状態を観察するための観察窓２３が２つ設けられている（１つのみ想像線で図示）。さらに、圧力容器２下部の周囲には水冷ジャケット（図示せず）が、圧力容器２内の下部には熱処理油用ヒーター（図示せず）が夫々設けられ、圧力容器２内の熱処理油を熱処理に適した温度に冷却し、又は加熱することができるようになっている。なお、本実施形態において、圧力容器２は、ＳＵＳ３０４製であり、３ＭＰａ（３０．６ｋｇｆ／ｃｍ2）の内部圧力で使用するように設計されている。
【００２２】
ヒーター６は、コイル状の電気ヒーターであり、圧力容器２内部の上方に位置するように支持されている。ヒーター６は、昇降機１０が上昇して、昇降機１０によって支持されたワークＷがヒーター６の内部に位置するとき、ワークＷを加熱するように構成されている。
断熱材８は、圧力容器２内部の上方に、ヒーター６を取り囲むように支持されている。断熱材８の上面には、昇降機１０のシャフト１０ａを通す穴が設けられており、底面にはワークＷを出し入れするための開口部が形成されている。断熱材８の他の部分は、ヒーター６の周囲を取り囲むように形成され、ヒーター６の熱が断熱材８の外部に逃げにくいようになっている。なお、本実施形態において、断熱材８は、セラミックファイバー製である。
【００２３】
投入手段である昇降機１０は、圧力容器２の外部から内部へ延びるシャフト１０ａを有し、このシャフト１０ａの先端にはワークＷが取付けられるようになっている。また、このシャフト１０ａは、ワークＷがヒーター６の内側に位置する上昇位置から、ワークＷが圧力容器２の下部に入れられている熱処理油の中に浸漬される下降位置まで移動可能に構成されている。さらに、圧力容器２のシャフト１０ａを通す部分には、シール２４が配置されており、圧力容器２の気密性を保持している。なお、本実施形態においては、シャフト１０ａは、ＳＵＳ３０４製であり、エアシリンダーの駆動力によって上下動される。また、本実施形態においては、ワークＷがシャフト１０ａの先端に直接取付けられているが、ワークＷの種類によっては、ワークＷをシャフト１０ａの先端に吊り下げても良いし、また、シャフト１０ａの先端に適当なバスケットを吊り下げ、その中にワークＷを入れても良い。なお、本明細書において投入手段とは、昇降機によってワークＷを熱処理油の中に浸漬させる手段や、ワークＷを熱処理油の中に落下させる手段等、ワークＷを熱処理油の中に入れる全ての手段を含むものとする。
【００２４】
ガス容器１２には、高圧の窒素ガスが入れられており、このガス容器１２から圧力容器２内に窒素ガスを送り込むことにより、圧力容器２内を所定の高圧にする。また、ガス容器１２から圧力容器２内に窒素ガスを導く管路の途中には、減圧弁１４及び開閉弁１６が直列に設けられている。この開閉弁１６を開放することにより、窒素ガスを圧力容器２内に送り込み、圧力容器２内の圧力を減圧弁１４によって設定される所定の圧力に加圧することができる。本実施形態においては、ワークＷを急冷する際に、圧力容器２内の圧力を、ゲージ圧で３ＭＰａに加圧している。圧力容器２内の圧力は、熱処理すべきワークＷや、必要とされる熱処理条件に応じて、ゲージ圧で約０．１乃至３０ＭＰａ（１．０２〜３０６ｋｇ／ｃｍ2）に設定することができ、加圧の効果及び熱処理設備の経済性を考慮すれば、ゲージ圧で約０．３乃至３ＭＰａ（３．０６〜３０．６ｋｇ／ｃｍ2）に設定するのがより好ましい。
【００２５】
プロペラ１８は、圧力容器２下部の熱処理油が入っている冷却槽として機能する部分に配置されている。また、プロペラ１８は、モーター２０によって駆動され、熱処理油を攪拌してワークＷを急冷する際に冷却槽内の熱処理油の温度を均一にするように構成されている。
【００２６】
次に、本発明の第１実施形態による熱処理装置１の作用を説明する。まず、昇降機１０のシャフト１０ａを圧力容器２から引き抜き、シャフト１０ａの先端にワークＷを取付ける。本実施形態においては、ネジ込みによってシャフト１０ａの先端にワークＷを取付けている。次に、ワークＷを取付けたシャフト１０ａを圧力容器２に挿入し、圧力容器２を密閉する。
【００２７】
シャフト１０ａを圧力容器２に挿入した後、昇降機１０を、ワークＷがヒーター６の内側に位置するまで下降させる。次いで、ヒーター６に電流を流し、ヒーター６の内側のワークＷを加熱する。所定時間ヒーター６に電流を流し、ワークＷを所定の温度まで加熱した後、適当なタイミングでヒーター６に流す電流を切る。ワークＷを加熱する温度は、ワークＷの材質に依存するが、本実施形態においては、ワークＷを８５０゜Ｃになるまで加熱している。次に、モーター２０を起動させ、プロペラ１８を回転させて熱処理油を攪拌する。
【００２８】
一方、熱処理油を攪拌すると同時に、開閉弁１６を開放することにより、ガス容器１２内の窒素ガスを圧力容器２内に導入する。ガス容器１２内には約１５ＭＰａの圧力の窒素ガスが収容されているが、窒素ガスは減圧弁１４により約３ＭＰａ（３０．６ｋｇ／ｃｍ2）まで減圧され、圧力容器２内に流入する。窒素ガスの流入により、圧力容器２内の圧力が約３ＭＰａまで上昇すると、流入が停止するので、開閉弁１６を閉鎖する。
【００２９】
圧力容器２内の圧力が所定圧力まで上昇したならば、昇降機１０を下降させ、ワークＷを熱処理油の中に浸漬させる。熱処理油の中に高温のワークＷを浸漬させると、ワークＷの熱によりワークＷ周囲の熱処理油が加熱される。本実施形態の熱処理装置１では、圧力容器２の内部が高圧に維持されているので、熱処理油が加熱されても熱処理油は気化しにくく、ワークＷの周囲に熱処理油の蒸気膜が形成され難くなる。また、ワークＷの周囲に熱処理油の蒸気膜が形成されたとしても、圧力容器２の内部は大気圧よりも非常に高い圧力であるため、蒸気膜の厚さは、周囲の圧力が大気圧である場合よりも非常に薄くなる。さらに、圧力容器２の内部が高圧であるため、蒸気膜を形成する熱処理油の蒸気の密度は、周囲の圧力が大気圧である場合よりも大きくなり、蒸気膜を通して伝導される熱量も大きくなる。また、プロペラ１８による熱処理油の攪拌も、ワークＷ周囲の熱処理油の蒸気膜の形成を妨害するように作用する。
【００３０】
この結果、図３に示した冷却曲線のＭ点は、左上に移動して、蒸気膜段階は非常に短くなり、或いは無くなる。これにより、ワークＷを熱処理油の中に浸漬させた直後から沸騰段階又は対流段階が開始して、ワークＷは、非常に速い速度で冷却される。また、圧力容器２の内部を加圧したことによる効果は、ワークＷ全体に均一に及ぶので、ワークＷの各部での冷却速度の差は少なくなる。さらに、本実施形態の熱処理装置による冷却では、冷却曲線のＭ点が無くなり、或いはその影響が殆ど無くなるので、熱処理油を冷却媒体として使用しながら、その冷却曲線は、冷却媒体の沸騰が起こらないガス冷却やソルトバスによる冷却と類似したものとなる。
続いて、ワークＷの温度が所定温度まで低下するとワークＷの熱処理が完了する。次いで、ガス放出弁２６を開放して、圧力容器２内の圧力を大気圧まで低下させた後、シャフト１０ａを圧力容器２から引き抜いて熱処理されたワークＷを取り出す。
【００３１】
本発明の第１実施形態の熱処理装置によれば、冷却開始直後におけるワークＷ周囲の蒸気膜の形成を抑制するので、冷却開始直後にワークＷから熱処理油に移動する熱量を大きくすることができ、ワークＷの冷却速度を高めることが可能になる。これにより、質の高い熱処理を行うことが可能になる。
【００３２】
また、本実施形態の熱処理装置によれば、圧力容器内を加圧したことによる効果が、ワークＷ全体に均一に及ぶため、ワークＷの各部での冷却速度の差は少なくなり、焼入れ歪の発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態の熱処理装置によれば、熱処理油を冷却媒体として使用しながら、その冷却曲線が、ガス冷却やソルトバスによる冷却と類似したものとなるので、冷却液、冷却ガス、ソルト等による冷却の長所を併せ持った熱処理を実現することができる。
【００３３】
また、上述した実施形態においては、圧力容器の一部を冷却槽として使用しているが、冷却槽を別体で構成し、それを圧力容器の中に配置しても良い。なお、本明細書において、「圧力室の中に収容された冷却槽」とは、本実施形態のように圧力室の一部を冷却槽として使用する場合を含むものとする。
さらに、上述した実施形態においては、ワークを加熱した後、圧力容器内を加圧し、ワークを冷却液に投入して急冷していたが、圧力容器内を加圧した後でワークを加熱するようにしても良い。
【００３４】
また、上述した実施形態においては、電気ヒーターによってワークを加熱していたが、燃焼ガスや、高周波電流を流した高周波コイル等によってワークを加熱するように構成することもできる。また、上述した実施形態においては、プロペラによって冷却液を攪拌していたが、噴流攪拌機、振動攪拌機等、任意の攪拌手段を使用することができる。
さらに、上述した実施形態においては、熱処理油の温度を、水冷ジャケット（図示せず）、及び熱処理油用ヒーター（図示せず）によって調整しているが、熱処理油を外部の熱交換器に循環させて温度を調整するように構成することもできる。
【００３５】
また、上述した実施形態では、窒素ガスを流入させることにより圧力容器内を加圧していたが、導入するガスとして、アルゴンガス等の不活性ガス、空気、二酸化炭素ガス、窒素と水素、窒素と一酸化炭素、窒素と二酸化炭素等の混合ガス等を使用することができる。なお、活性ガスを不活性ガスと混合して使用する場合には、爆発限度内の割合でそれらを混合して使用するのが良い。また、上述した実施形態では、加圧する手段としてガス容器内の圧力を利用しているが、液化ガスを使用する場合や、使用するガスの種類、使用する圧力によっては、昇圧機等を利用して圧力容器内を加圧することもできる。
【００３６】
或いは、ガス容器や昇圧機等を使用せずに圧力容器内を加圧することもできる。即ち、密閉した圧力容器内でガスを加熱すると、温度上昇によりガスが膨張し圧力容器内の圧力が上昇する。この場合には、ガスを加熱するヒーターが加圧手段として作用する。なお、本明細書において、「ガス容器」の用語は、小容器、中容器等、ガスを収容した容器の総称として使用している。
【００３７】
さらに、上述した実施形態では、冷却液として熱処理油を使用していたが、熱処理油の他に、マルテンパー油、水、水溶性冷却材等、種々の液体を冷却液として使用することができる。なお、冷却液として熱処理油を使用する場合には、熱処理油の温度をホット（１００〜２００゜Ｃ）、セミホット（１００〜１３０゜Ｃ）、コールド（常温〜８０゜Ｃ）に調整して熱処理が行われ、マルテンパー油を使用する場合には１５０〜３００゜Ｃ、水を使用する場合には１０〜３５゜Ｃ程度に調整して熱処理が行われる場合が多いが、これ以外の温度で熱処理を行うこともできる。
【００３８】
また、本実施形態の熱処理装置は、ガス浸炭、光輝焼入れ等、種々の熱処理に供される。例えば、本実施形態の熱処理装置は、自動車関連部品では、クラッチプレート、薄物歯車、シャフト、クランクシャフト、ベアリング、タペット等の金属製品の熱処理に、工作機械ではギヤ、シャフト、歯車等に、建設機械ではキャタピラ（商標）等の熱処理に使用することができる。さらに、本実施形態の熱処理装置は、金型、ゲージ等の工具類、ボルト、ドリル、金属バット、弓、ゴルフ用品等の熱処理にも使用することができる。また、本実施形態の熱処理装置によれば、炭素鋼、ステンレス鋼等の合金、アルミ合金等、任意の鉄及び非鉄金属部品の熱処理を行うことができる。
【００３９】
さらに、上述した本発明の第１実施形態による熱処理装置では、冷却槽の中には熱処理油のみが入れられていたが、変形例として、熱処理油の中に粒状物を混入しておいても良い。この変形例によれば、ワークの急冷時に粒状物を混入させた熱処理油を冷却槽の中で攪拌すると、熱処理油と共に粒状物がワークに衝突するので、ワーク周囲の蒸気膜は、より破壊されやすくなるため、ワークの冷却速度を上昇させることができる。熱処理油の中に混入させる粒状物としては、例えば、平均粒径約０．１μｍ乃至３ｍｍ、嵩比重約０．５乃至１６の粒子等を使用することができる。また、粒状物の材質としては、鉄、酸化鉄、砂、タングステン、炭化ケイ素、酸化ケイ素、カーボンファイバ等を使用することができる。
【００４０】
次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態による熱処理装置を説明する。本発明の第２実施形態による熱処理装置は、大型の圧力室を備え、大量のワークＷ又は大型のワークＷを熱処理できる点が、本発明の第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第２実施形態の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様な点については説明を省略する。
【００４１】
図２は、本発明の第２実施形態による熱処理装置の概略断面図である。図２に示すように、本実施形態の熱処理装置１００は、圧力室である圧力容器１０２と、加熱手段であるヒーター１０６と、断熱材で形成された加熱室１０８と、圧力容器１０２の下流側下部に収容された熱処理油１０４に被処理物であるワークＷを投入する投入手段である昇降機１１０と、を有する。さらに、本実施形態の熱処理装置１００は、ガス容器１１２と、減圧弁１１４と、開閉弁１１６と、を有する。ガス容器１１２、減圧弁１１４及び開閉弁１１６は、加圧手段を構成する。また、本実施形態の熱処理装置１００は、冷却液を攪拌するプロペラ１１８と、モーター１２０と、を有する。プロペラ１１８及びモーター１２０は、攪拌手段を構成する。
【００４２】
圧力容器１０２は、水平方向に延びる概ね円筒形の本体部１０２ａと、その両端に形成された搬入口１０２ｂ及び搬出口１０２ｃと、本体部１０２ａの下流側から鉛直下方に延びる冷却槽部１０２ｄと、を有する。冷却槽部１０２ｄは、圧力容器１０２の本体部１０２ａと連続して形成された円柱状の容器であり、その中に冷却液である熱処理油１０４が入れられ、冷却槽として機能する。また、冷却槽部１０２ｄの底部には、プロペラ１１８及びモーター１２０が設けられ、冷却槽部１０２ｄ内の熱処理油１０４を攪拌できるようになっている。
【００４３】
また、圧力容器１０２の上流側及び下流側には、圧力容器１０２内の圧力が過度に上昇したとき、圧力容器１０２が破裂するのを防止する安全弁であるラプチャーデスク１２２が、夫々取付けられている。さらに、圧力容器１０２の上流側及び下流側には、搬入口１０２ｂ又は搬出口１０２ｃを開放する場合等に、圧力容器１０２内部のガスを放出し、圧力容器１０２内を大気圧に復帰させるガス放出弁１２３が夫々取付けられている。
さらに、圧力容器１０２の内部には、ワークＷを搬入口１０２ｂから搬出口１０２ｃまで搬送する搬送ローラ１２４が、水平方向に多数配置されている。搬送ローラ１２４は、ワークＷの両端部でワークＷを支持し、各々回転駆動されることによって、ワークＷを搬入口１０２ｂから搬出口１０２ｃ（上流側から下流側）まで搬送する。
【００４４】
また、圧力容器１０２内の加熱室１０８の両側には、ホークローダー１２６ａ及びホークアンローダー１２６ｂが夫々配置されている。ホークローダー１２６ａは、両側の搬送ローラ１２４の間に配置されており、ワークＷを加熱室１０８に入れるとき、搬送ローラ１２４よりも上まで上昇するように構成されている。ワークＷを加熱室１０８に入れるときは、ホークローダー１２６ａが上昇して、ワークＷが、ホークローダー１２６ａのホークの上に載せられ、ホークリフトのように作用して、ワークＷを加熱室１０８内の支持台１２８の上に載せるように構成されている。同様に、ホークアンローダー１２６ｂは、ホークリフトのように作用して、支持台１２８の上のワークＷを、加熱室１０８の下流側の搬送ローラ１２４に載せるように構成されている。
【００４５】
また、断熱材で形成された加熱室１０８は、断熱材を取付けた入口扉１０８ａ及び出口扉１０８ｂを有しており、ワークＷを加熱する際それらを閉じて、加熱室１０８内の熱が外部に逃げないようにしている。さらに、加熱室１０８の内部には、複数のヒーター１０６が挿入されており、加熱室１０８内に搬入されたワークＷを所定温度に加熱するように構成されている。また、加熱室１０８の上方には、炉内攪拌手段１２９が配置されている。炉内攪拌手段１２９は、加熱室１０８内部に配置されたパドル１２９ａを回転させて、加熱室１０８内のガスを攪拌し、ワークＷの温度を均一に上昇させる。
【００４６】
さらに、圧力容器１０２の内部には、冷却槽部１０２ｄに隣接して、圧力容器１０２の上流側と下流側を隔てる隔壁１３０が設けられている。この隔壁１３０には、ワークＷを冷却槽部１０２ｄに搬入する際に開かれる油煙防止扉１３２が設けられている。ワークＷを冷却槽部１０２ｄで熱処理する際に生じる油煙は、この隔壁１３０及び油煙防止扉１３２によって遮断されるので、圧力容器１０２の上流側の機材の油煙による汚染が防止される。
また、昇降機１１０は、隔壁１３０に隣接して、圧力容器１０２の冷却槽部１０２ｄ側に配置されている。昇降機１１０の上面には、多数の搬送ローラが設けられており、隔壁１３０を通過したワークＷは、この搬送ローラによって昇降機１１０の中央まで移動される。また、昇降機１１０は、ワークＷを載せた後、昇降機構（図示せず）によって、想像線で示す位置まで下降され、ワークＷを熱処理油１０４の中に浸漬させるように構成されている。
【００４７】
プロペラ１１８は、圧力容器１０２の冷却槽部１０２ｄの底部に配置されている。また、モーター１２０は、冷却槽部１０２ｄの下方に配置されており、プロペラ１１８を駆動することにより熱処理油を攪拌し、ワークＷを急冷する際に冷却槽部１０２ｄ内の熱処理油１０４の温度を均一にするように構成されている。さらに、圧力容器１０２の冷却槽部１０２ｄの外側には、水冷ジャケット１３４が取付けられており、熱処理油１０４の温度を所定温度に維持している。
【００４８】
さらに、ガス容器１１２には、高圧の窒素ガスが入れられており、窒素ガスを隔壁１３０の両側に送り込むことにより、圧力容器１０２の内部全体を所定の高圧にする。また、減圧弁１１４及び開閉弁１１６は、圧力容器１０２内に窒素ガスを導く管路の途中に設けられ、ガス容器１１２内のガスを所定の圧力にして圧力容器１０２内に導入するように構成されている。
【００４９】
次に、本発明の第２実施形態による熱処理装置１００の作用を説明する。ここでは、一例として、金属製の歯車を被処理物として熱処理する場合を説明する。まず、切削加工等により形成され、脱脂洗浄等の前処理を施した多数の歯車を熱処理用のバスケットの中に収容したものを、熱処理すべきワークとして準備する。次に、圧力容器１０２の搬入口１０２ｂを開放する。さらに、搬送ローラ１２４を作動させ、ワークＷを圧力容器１０２の中に移動させた後、搬入口１０２ｂが閉鎖される。さらに、各ガス放出弁１２３を開放した状態で、ガス容器１１２から窒素ガスを圧力容器１０２内に導入し、圧力容器１０２内の空気を圧力容器１０２の外に排出させる。所定時間窒素ガスを導入した後、各ガス放出弁１２３を閉鎖して、圧力容器１０２を密閉する。
【００５０】
圧力容器１０２内に移動されたワークＷは、搬送ローラ１２４によってホークローダー１２６ａの上方まで搬送される。ワークＷがホークローダー１２６ａの上方に到達すると、ホークローダー１２６ａが、両側の搬送ローラ１２４の間から上方にせり上がり、搬送ローラ１２４よりも僅かに上方までワークＷを上昇させる。ワークＷが持ち上げられ、搬送ローラ１２４から離れると、ホークローダー１２６ａのホークが、ワークＷを載せたまま加熱室１０８の方に移動し、ワークＷを加熱室１０８の中に搬入する。ホークローダー１２６ａのホークが移動して、ワークＷが加熱室１０８内の支持台１２８の上方まで達すると、ホークは下降される。ホークローダー１２６ａのホークが下降されると、ホークは支持台１２８の上面に設けられた溝（図示せず）の中に受け入れられる。これにより、ワークＷは、その底面のホークに当接していなかった面で支持台１２８の上面に支持され、支持台１２８の上に載せられる。ワークＷを支持台１２８の上に載せると、ホークローダー１２６ａは、ホークを加熱室１０８外へ引き戻し、搬送ローラ１２４の下方へ下降させる。
【００５１】
ワークＷが支持台１２８の上に載せられると、加熱室１０８の入口扉１０８ａ及び出口扉１０８ｂが閉鎖される。次いで、ヒーター１０６に通電され、ワークＷが加熱される。炉内攪拌手段１２９は、加熱室１０８内のパドル１２９ａを回転させ、加熱室１０８内の窒素ガスを攪拌し、ワークＷ全体が均一に加熱されるようにする。ワークＷが所定時間加熱され、所定温度に達すると、ヒーター１０６への通電が停止され、出口扉１０８ｂが開放される。出口扉１０８ｂが開放されると、ホークアンローダー１２６ｂが、ホークローダー１２６ａと同様に作用して、ワークＷを加熱室１０８から取り出し、ワークＷを、加熱室１０８の下流側の搬送ローラ１２４の上に載せる。
【００５２】
搬送ローラ１２４の上に載せられたワークＷは、搬送ローラ１２４によって、昇降機１１０の上まで移動される。ワークＷが昇降機１１０の上に載せられると、開閉弁１１６が開放され、圧力容器１０２内に窒素ガスが導入される。圧力容器１０２内に窒素ガスが導入されると、ガス放出弁１２３が閉鎖されているため、圧力容器１０２内の圧力は、減圧弁１１４によって規定される所定の圧力まで上昇する。圧力容器１０２内の圧力が所定の圧力に到達すると、開閉弁１１６が閉鎖される。
【００５３】
次に、ワークＷを載せた昇降機１１０は下降を開始すると共に、油煙防止扉１３２は閉鎖される。油煙防止扉１３２が閉鎖された後、ワークＷは、圧力容器１０２の冷却槽部１０２ｄの中の熱処理油１０４に浸漬され冷却される。ワークＷが熱処理油によって冷却される作用は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、ワークＷの冷却時に発生する熱処理油の蒸気（油煙）は、隔壁１３０及び油煙防止扉１３２によって圧力容器１０２の下流側に隔離され、上流側に配置された加熱室１０８やその中のヒーター１０６等の機材が、油煙によって汚染されるのが防止される。
【００５４】
ワークＷが所定温度まで冷却されると、昇降機１１０は、ワークＷをもとの位置まで上昇させる。次いで、ガス放出弁１２３を開放し、加圧された圧力容器１０２内の圧力を大気圧まで低下させる。圧力容器１０２内の圧力が大気圧まで低下された後、搬出口１０２ｃが開かれ、ワークＷは、搬送ローラ１２４によって搬出口から搬出される。
【００５５】
本発明の第２実施形態の熱処理装置によれば、ワークＷの冷却速度を高めることができ、又は、バスケットの中に収容された各歯車を均一に冷却することができる。また、本実施形態の熱処理装置によれば、大量の部品を順次熱処理することができる。
【００５６】
なお、上述した実施形態では、加熱手段及び冷却槽を収容した圧力容器を加圧していたが、変形例として、図２に示す熱処理装置において、隔壁１３０及び油煙防止扉１３２を、加圧に耐える構造とし、冷却槽部１０２ｄの部分だけを圧力室として加圧するように構成することもできる。この場合には、加圧する部分以外は、必ずしも気密性がある必要はなく、適用によっては大気に開放された状態であっても良い。
【００５７】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態の熱処理装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の熱処理装置の概略断面図である。
【図３】従来の熱処理装置における被処理物の冷却曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
Ｗ        ワーク
１        本発明の第１実施形態の熱処理装置
２        圧力容器
４        熱処理油
６        ヒーター
８        断熱材
１０      昇降機
１２      ガス容器
１４      減圧弁
１６      開閉弁
１８      プロペラ
２０      モーター
２２      安全弁
２３      観察窓
２４      シール
２６      ガス放出弁
１００    本発明の第２実施形態による熱処理装置
１０２    圧力容器
１０２ａ  本体部
１０２ｂ  搬入口
１０２ｃ  搬出口
１０２ｄ  冷却槽部
１０４    熱処理油
１０６    ヒーター
１０８    加熱室
１０８ａ  入口扉
１０８ｂ  出口扉
１１０    昇降機
１１２    ガス容器
１１４    減圧弁
１１６    開閉弁
１１８    プロペラ
１２０    モーター
１２２    ラプチャーデスク
１２３    ガス放出弁
１２４    搬送ローラ
１２６ａ  ホークローダー
１２６ｂ  ホークアンローダー
１２８    支持台
１２９    炉内攪拌手段
１２９ａ  パドル
１３０    隔壁
１３２    油煙防止扉
【図１】
2006183874.tif 000003
【図２】
2006183874.tif 000004
【図３】
2006183874.tif 000005