(57)【要約】【課題】長尺な金属線材を均一かつ安定してガス吸収処理可能な金属線材の多用途型線材連続熱処理装置を提供する。【解決手段】ガス吸収炉１２と減速モータ１３とを１つの圧力容器１４に収納したので、ガス吸収炉１２のワイヤ供給管１５およびワイヤ排出管２６を開放状態としても炉内圧はほとんど変化しない。そのため、長尺なワイヤ１１に対して連続的に窒素ガスのガス成分である窒素を均一かつ安定して吸収処理することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属線材を所定の処理成分を含む処理ガスの雰囲気で、かつ所定の炉内圧で加熱し、前記金属線材中に前記処理成分を吸収させるガス吸収炉と、
該ガス吸収炉内に、前記金属線材を連続的に供給する線材連続供給手段と、
該線材連続供給手段および前記ガス吸収炉を収納する１つの圧力容器とを備えた多用途型線材連続熱処理装置。
【請求項２】
前記圧力容器内には、前記ガス吸収炉から排出された処理済みの金属線材を巻き取る巻き取り手段が収納された請求項１に記載の多用途型線材連続熱処理装置。
【請求項３】
前記ガス吸収炉の内圧と前記圧力容器の内圧との圧力差は、１〜１００ｋＰａである請求項１または請求項２に記載の多用途型線材連続熱処理装置。
【請求項４】
前記金属線材はステンレス鋼製で、前記処理ガスは、処理成分を窒素とした窒素ガスである請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の多用途型線材連続熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は多用途型線材連続熱処理装置、詳しくは例えば炉内の処理ガスとして窒素ガスを使用し、ステンレス鋼などの金属線材に窒素などの処理成分を吸収させる多用途型線材連続熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野では、患者への肉体的・精神的な負担を小さくする治療方法（低侵襲治療）の研究が行なわれている。その中、外科治療用および外科的な検査用として、例えば血管に挿入されるステンレス鋼製のワイヤやパイプの細線化の要求が高い。
しかしながら、ステンレス鋼からなるワイヤやパイプは細線化を進めると、著しく脆くなる。そこで、ステンレス鋼に窒素を吸収（吸蔵）させ、ステンレス鋼製のワイヤやパイプを高強度化、高靱性化および高耐蝕性化することが考えられる。
これを踏まえて、非特許文献１のような金属線材の連続熱処理炉を使用し、炉内雰囲気を窒素ガスとして熱処理することにより、ステンレス鋼製のワイヤやパイプに窒素を吸収させることが考えられる。
【０００３】
このとき、連続熱処理炉の炉内圧力は常圧である。これは、炉外に設けられた線材連続供給手段からワイヤやパイプが炉内に連続供給され、その結果、連続熱処理炉の材料供給口と材料排出口とは、常時、大気解放しておかなければならず、よって炉内を高圧化することができないためである。
【０００４】
【非特許文献１】村上俊之、大和田能由、玉井豊、白神哲夫、“ミストパテンティング活用線材”、ＮＫＫ技法、Ｎｏ．１７４、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００１年８月付の論文、［平成１７年５月３０日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.jfe-steel.co.jp/archives/nkk_giho/174/11.html〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の連続熱処理炉内の圧力は、このように常圧であったので、ステンレス鋼製のワイヤやパイプに対する窒素の吸収性は十分とは言えなかった。その結果、所定量の窒素を吸収させるのに必要な熱処理時間が長くなっていた。
そこで、ステンレス鋼製のワイヤやパイプをコイル状とし、これを密閉構造の高圧熱処理炉に投入してこれらに窒素を吸収させることが考えられる。しかしながら、ステンレス鋼製のワイヤやパイプをコイル状に巻いて熱処理すると、ワイヤやパイプ同士が触れ合った部分に、ガスと接触しない領域が発生し、ワイヤやパイプに対して、全長にわたって均一に窒素を吸収させることができないおそれがあった。
【０００６】
そこで、発明者は鋭意研究の結果、線材連続供給手段と連続熱処理炉とを１つの圧力容器に収納すれば、連続熱処理炉の線材供給口および線材排出口を開放した状態でも、炉内圧力を高圧化し、ワイヤやパイプに対して連続的に窒素を均一かつ安定して吸収処理可能であることを知見し、この発明を完成させた。
【０００７】
この発明は、長尺な金属線材を均一かつ安定してガス吸収処理することができる多用途型線材連続熱処理装置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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、金属線材を所定の処理成分を含む処理ガスの雰囲気で、かつ所定の炉内圧で加熱し、前記金属線材中に前記処理成分を吸収させるガス吸収炉と、該ガス吸収炉内に、前記金属線材を連続的に供給する線材連続供給手段と、該線材連続供給手段および前記ガス吸収炉を収納する１つの圧力容器とを備えた多用途型線材連続熱処理装置である。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、ガス吸収炉と線材連続供給手段とを１つの圧力容器に収納したので、ガス吸収炉の線材供給口および線材排出口を開放状態としても炉内圧はほとんど変化しない。そのため、金属線材に対して連続的に所定のガス成分を均一かつ安定して吸収処理することができる。
【００１０】
金属線材の素材は限定されない。例えば、ステンレス鋼、チタン合金、コバルト合金などを採用することができる。
金属線材の直径は限定されない。金属線材の用途によりその直径は異なる。
処理ガスは限定されない。例えば、窒素ガス（処理成分は窒素）、アンモニアガス（処理成分はアンモニア）、浸炭ガス（処理成分は炭素）、二酸化炭素ガス（処理成分は二酸化炭素）を採用することができる。
【００１１】
ガス吸収炉の炉内温度としては、例えば６００〜１２５０℃である。６００℃未満では、ガス成分の吸収（拡散）が生じない。または相変態が生じない。１２５０℃を超えると、素材の結晶粒が粗大化し、優れた機械的特性が得られない。ガス吸収炉の好ましい温度は、１０００〜１２００℃である。この範囲であれば、ガスの吸収（拡散）が活発で、ガス吸収量が多く、ガス吸収速度が高い。
【００１２】
ガス吸収炉の炉内圧力は限定されない。負圧でもよいし、常圧でもよいし、高圧でもよい。
線材連続供給手段としては、例えば自動ペイオフ装置などを採用することができる。
線材連続供給手段による金属線材の供給速度は、１〜１０ｍ／分である。１ｍ／分未満では、金属線材がガス吸収炉内に長時間保持されるため、素材の結晶粒の粗大化を招く。１０ｍ／分を超えると、金属線材がガス吸収炉内に短時間しか保持されず、十分なガス成分の吸収ができない。金属線材の好ましい供給速度は、３〜８ｍ／分である。この範囲であれば、金属線材に良好なガス成分の吸収が行なえるとともに、生産性に優れるというさらに好適な効果が得られる。
金属線材の供給速度を変更することで、金属線材に対する処理成分の吸収（吸蔵）深さを制御することもできる。
【００１３】
圧力容器としては、例えば、高圧タンクなどを採用することができる。
圧力容器の内圧は限定されない。例えば、ガス吸収炉の内圧と略同じとすることができる。
圧力容器の大きさ、形状などは限定されない。ガス吸収炉と線材連続供給手段とを収納可能であればよい。
圧力容器の内部ガスとしては、例えば空気、窒素ガスなどを採用することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記圧力容器内には、前記ガス吸収炉から排出された処理済みの金属線材を巻き取る巻き取り手段が収納された請求項１に記載の多用途型線材連続熱処理装置である。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、処理済みの金属線材は、圧力容器内で巻き取り手段により巻き取られる。これにより、例えば圧力容器の一部に形成された貫通孔から容器外に処理済みの金属線材を導出し、それを容器外に設置された巻き取り手段により巻き取る際の課題であった圧力容器内の圧力変化を防ぐことができる。
【００１６】
巻き取り手段の構造は限定されない。例えば、金属線材が巻回される巻き取りリールを回転モータにより回転させて巻き取るものなどを採用することができる。
巻き取り速度は、金属線材の供給速度と略同じである。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記ガス吸収炉の内圧と前記圧力容器の内圧との圧力差は、１〜１００ｋＰａである請求項１または請求項２に記載の多用途型線材連続熱処理装置である。
【００１８】
ガス吸収炉内と圧力容器内との圧力差が１ｋＰａ未満では、炉内に圧力容器内の空気などが流入する。また、ガス吸収炉内と圧力容器内との圧力差が１００ｋＰａを超えると、炉内に供給するガスの消費量が増大し、コストが高くなる。ガス吸収炉内と圧力容器内との好ましい圧力差は１０〜５０ｋＰａである。この範囲であれば、経済的で安定した金属線材に対するガス吸収処理が行なえるというさらに好適な効果が得られる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、前記金属線材はステンレス鋼製で、前記処理ガスは、処理成分を窒素とした窒素ガスである請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の多用途型線材連続熱処理装置である。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、金属線材としてステンレス鋼を採用し、これに窒素を吸収処理することで、金属線材の機械的強度および耐蝕性を高めることができる。
ステンレス鋼としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４などを採用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１に記載の発明によれば、ガス吸収炉と線材連続供給手段とを１つの圧力容器に収納したので、ガス吸収炉の線材供給口および線材排出口を開放状態としても炉内圧はほとんど変化しない。そのため、金属線材に対して連続的に所定のガス成分を均一かつ安定して吸収処理することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、処理済みの金属線材を、圧力容器内で巻き取り手段により巻き取るようにしたので、例えば圧力容器の貫通孔から処理済みの金属線材を導出し、それを容器外に設けた巻き取り手段により巻き取る際の課題であった圧力容器内の圧力変化を防ぐことができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、ガス吸収炉の内圧と前記圧力容器の内圧との圧力差を１〜１００ｋＰａとしたので、圧力容器内の空気などが炉内に流入する事態を防ぐことができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、金属線材としてステンレス鋼を採用し、これに窒素を吸収処理することで、金属線材の機械的強度および耐蝕性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の実施例を説明する。ここでは、金属線材としてステンレス鋼製のワイヤを採用し、処理ガスとして窒素ガスを採用したものを例とする。
【実施例１】
【００２６】
図１において、１０はこの発明の実施例１に係る多用途型線材連続熱処理装置（以下、線材連続熱処理装置）で、ワイヤ（金属線材）１１を、窒素（所定の処理成分）を含む窒素ガス（処理ガス）の雰囲気、０．４ＭＰａの炉内圧で加熱し、ワイヤ１１にその表面から窒素を吸収させるガス吸収炉１２と、ガス吸収炉１２内に、ワイヤ１１を連続的に供給する減速モータ（線材連続供給手段）１３と、減速モータ１３およびガス吸収炉１２を収納する１つの圧力容器１４とを備えている。
【００２７】
以下、線材連続熱処理装置１０を詳細に説明する。
ワイヤ１１は、直径０．５ｍｍ、長さ１０ｋｍ、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製である。
ガス吸収炉１２は、圧力容器１４の一側部に収納された横長な矩形容器である。ガス吸収炉１２への窒素ガスの供給量は１リットル／分、ガス吸収炉１２の内容積は約０．１ｍ３、圧力容器１４の内容積は１．７ｍ３である。
【００２８】
ガス吸収炉１２の上流側の端板の一端部には、ワイヤ供給管（線材供給口）１５が形成されている。ワイヤ供給管１５の上流端は、円筒形状を有する予熱炉１６の下流端に連通されている。予熱炉１６内には、２対の通電ローラ１７が、炉の長さ方向に離間して配置されている。通電ローラ１７間には、バッテリ１８を介して５０Ｖの直流電気が供給される。これにより、予熱炉１６に供給されたワイヤ１１は、９００℃程度まで加熱される。予熱炉１６の上流側の端板には、ワイヤ導入管１９が連通されている。ワイヤ導入管１９の近傍には、回転軸が水平なワイヤ供給用のプーリ２０が配置されている。圧力容器１４の底板のうち、プーリ２０の直下部分には、荒くコイル状に巻かれた吸収処理前のワイヤ１１が載置されている。
【００２９】
ガス吸収炉１２内には、１対の耐熱ローラ２１が互いに平行な離間状態で収納されている。両耐熱ローラ２１は、各軸線がワイヤ１１の供給方向に対してそれぞれ直交している。両耐熱ローラ２１の外周側の略全域には、多数本のワイヤ溝が形成されている。炉内に導入されたワイヤ１１は、両耐熱ローラ２１間において、それぞれ対峙するワイヤ溝とワイヤ溝との間にたすき掛けのように交互に掛け渡される。
両耐熱ローラ２１の回転軸は、ガス吸収炉１２の一側板から圧力容器１４の内部空間にそれぞれ突出されている。両回転軸２１ａの先端部には、互いに噛合した歯車２２が固着されている。
【００３０】
一方の歯車２２の外端側には、プーリ２３が固定されている。また、圧力容器１４の他端部内のガス吸収炉１２の近傍には、可変速型の前記減速モータ１３が収納されている。減速モータ１３の出力軸には、プーリ２４が固着されている。両プーリ２３、２４間には、動力伝達用の無端状のベルト２５が掛け渡されている。ガス吸収炉１２の下板の一側部分には、ワイヤ排出管（線材排出口）２６が設けられている。ワイヤ排出管２６を通過した処理済みのワイヤ１１Ａは、圧力容器１４の底板の一端部上に排出される。
【００３１】
圧力容器１４の一側板の他端下側の隅部には、圧力容器１４内に圧縮空気を供給する空気導入管２７が連通されている。図示しないコンプレッサにより発生した圧縮空気を、空気導入管２７を通して圧力容器１４内に供給し、この容器内圧をガス吸収炉１２の内圧と略同じにする。
圧力容器１４の上板の一端部上には、圧力容器１４の内圧を調整する圧縮空気の排気弁２８が突設されている。また、圧力容器１４の上板の他端部上には、ガス吸収炉１２に窒素ガスを供給するガス供給管２９と、ガス吸収炉１２の炉内圧を測定する炉内圧力計３０と、圧力容器１４の容器内圧を測定する容器内圧力計３１とがそれぞれ突設されている。圧力容器１４の内部空間の温度は、５０℃である。
【００３２】
次に、この発明の実施例１に係る線材連続熱処理装置１０の作動を説明する。
図１に示すように、ガス吸収炉１２にガス供給管２９から高圧の窒素ガスを供給する。これにより、炉内圧は４気圧となる。ワイヤ１１に対する窒素ガス中の窒素の吸収速度は、炉内圧の平方根に比例する。したがって、炉内圧が４気圧の場合、大気圧のときの２倍の吸収速度となる。炉内温度は１２００℃である。
また、空気導入管２７から圧力容器１４内に圧縮空気を供給し、容器内圧を炉内圧より若干低い気圧にする。圧力容器１４の内圧は、排気弁２８により一定圧に調整される。圧力容器１４の内部温度は５０℃である。
【００３３】
減速モータ１３によりプーリ２４を回転させると、ベルト２５を介して、両耐熱ローラ２１が互いに反対方向に回転させられる。これにより、吸収処理前のワイヤ１１が、プーリ２０を介して５ｍ／分で予熱炉１６に供給され、ここで９００℃に予熱後、ガス吸収炉１２に導入される。ガス吸収炉１２において、両耐熱ローラ２１のローラ溝に巻回されたワイヤ１１は、前記速度で移送されながら、１２００℃の窒素ガス雰囲気で、窒素の吸収処理が行われる。ワイヤ１１のガス吸収炉１２の通過時間（吸収処理時間）は０．５分である。処理済みのワイヤ１１Ａは、ワイヤ排出管２６を通り、圧力容器１４の底板の一端部上に排出される。
【００３４】
このように、ガス吸収炉１２と減速モータ１３とを１つの圧力容器１４に収納したので、ガス吸収炉１２のワイヤ供給管１５およびワイヤ排出管２６を開放状態としても炉内圧はほとんど変化しない。そのため、長尺なワイヤ１１に対して連続的に窒素ガスのガス成分である窒素を均一かつ安定して吸収処理することができる。
また、処理済みのワイヤ１１Ａは、圧力容器１４に収納された図示しない電動式の巻き取りリール（巻き取り手段）により巻き取るようにしてもよい。これにより、例えば圧力容器１４の貫通孔から処理済みのワイヤ１１Ａを導出し、それを容器外に設けた巻き取り手段により巻き取る際の課題であった圧力容器１４内の圧力変化を防ぐことができる。
さらに、ここではガス吸収炉１２の炉内圧と圧力容器１４の容器内圧との圧力差を５０ｋＰａとしたので、経済的で安定した窒素吸収が行なえる。
【００３５】
ここで実際に、実施例１の線材連続熱処理装置１０によるＳＵＳ３１６製のワイヤおよびＳＵＳ３０４製のワイヤ（何れも直径は０．５ｍｍ）について、窒素吸収処理（１４７３Ｋ、１気圧、窒素雰囲気）を行い、伸線加工（直径０．５ｍｍのものを直径０．１ｍｍ）としたときの素材の機械的特性について調査した結果を報告する。
１０分間程度の窒素吸収処理により、０．２％の耐力（降伏強度）は約２倍に高まった。このことから、窒素吸収に要する理論時間より短い処理時間で十分な機械的性質を有する窒素ステンレス鋼の作製が可能であることがわかった。ワイヤの直径が小さくなれば指数関数的に窒素吸収に要する時間は短くなる。
【００３６】
また、窒素吸収処理された伸線加工のワイヤは、真空焼鈍処理された伸線加工のワイヤと比べて、伸線加工率に伴う強度レベルは高い位置で推移し、その効果はＳＵＳ３０４製のワイヤよりもＳＵＳ３１６製のワイヤの方が大きかった。
さらに、窒素吸収処理された伸線加工のワイヤは、真空焼鈍処理された伸線加工のワイヤと比べて、強度延性バランスに優れ、優れた力学的特性を示すものであった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施例１に係る金属線材の多用途型線材連続熱処理装置の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  多用途型線材連続熱処理装置、
１１  ワイヤ（金属線材）、
１２  ガス吸収炉、
１３  減速モータ（線材連続供給手段）、
１４  圧力容器。
【図１】
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