(57)【要約】【課題】従来の炉ではワークの昇温中や、その後の熱処理中においてワーク内での温度ばらつきが生じていた。このため、熱処理におけるワークの温度ばらつきを抑制することが望まれる。【解決手段】ワークＷの熱処理を行う熱処理設備１において、ワークＷが収容される処理容器３と、処理容器３内に設けられ、ワークＷの少なくとも下方から該ワークＷを輻射熱で加熱するヒータ４と、処理容器３内に設けられ、ワークＷを支持する複数の支柱４とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの熱処理を行う熱処理設備であって、
前記ワークが収容される処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記ワークの少なくとも下方から該ワークを輻射熱で加熱するヒータと、
前記処理容器内に設けられ、前記ワークを支持する複数の支柱とを備えた、熱処理設備。
【請求項２】
前記支柱の柱部は、前記ヒータの発熱体に対向する部分に、くびれ部を有している、請求項１に記載の熱処理設備。
【請求項３】
前記支柱において、該支柱に載せられる部材に接触する部分がセラミックスで形成されている、請求項１または２に記載の熱処理設備。
【請求項４】
前記支柱は、該支柱に載せられる部材に対して線接触するように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱処理設備。
【請求項５】
前記支柱は、該支柱に載せられる部材に接触する接触部材が着脱可能に構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱処理設備。
【請求項６】
前記支柱は、土台と、前記土台に着脱可能に取り付けられた柱部とを有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用部品や機械部品等のワークの熱処理を行うための熱処理設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱処理の一例である浸炭処理を行う炉として特許文献１や特許文献２に記載された真空浸炭炉がある。特許文献１の真空浸炭炉は、炉体に取り付けられた炉床の上にトレイまたはバスケットが載せられ、その上に被処理物であるワークが載せられて支持される構造である。また、特許文献２の真空浸炭炉は、架台が炉殻に接するように取り付けられ、その架台の上にワークが載せられて支持される構造である。従来の炉では、鋼材からなるワークや治具がこのように支持された状態で加熱処理や浸炭処理等が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１２７７０号公報
【特許文献２】特開２００９−５２８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ワークの熱処理を行う際には、ワークが炉内に搬入された後に所望の熱処理温度までワークが加熱される。しかしながら、従来の炉ではワークの昇温中や、その後の熱処理中においてワーク内での温度ばらつきが生じていた。ワークの昇温中や熱処理中における温度ばらつきは熱処理後の品質ばらつきにも繋がるため、熱処理過程におけるワークの温度ばらつきは小さくすることが好ましい。ワークを均一に加熱するためには、ヒータの出力を徐々に上げることでワークを緩やかに昇温させる緩昇温や、ヒータの出力を段階的に上げることでワークの均熱時間を確保する段階昇温といった方法が考えられる。また、窒素ガスと攪拌ファンによる対流伝熱を利用してワークの均熱を図る方法も考えられる。しかし、いずれの方法においてもランニングコストが増えてしまい、熱処理全体としてのコストは増加することになる。したがって、別の方法でワークの温度ばらつきを抑制することが望まれる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、熱処理におけるワークの温度ばらつきを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一般的に、ワークを支持する部材は、ワークと治具の重量を支える必要があることから、ワークや治具との接触面積を大きくすること、およびワークが載る治具の変形を抑制することを目的として、レール状の支持部材が使用される。一方、本発明者らが熱処理におけるワークの温度ばらつきの原因について検討したところ、ワークの下面側の昇温に寄与するヒータの熱輻射がそのようなレール状支持部材によって遮られ、これに伴うワークの部位ごとの入熱量の差により温度ばらつきが生じることが判明した。本発明者らは、その知見を基に、従前の技術常識となっていたレール状支持部材によるワーク支持方法とは異なる、新たなワーク支持方法を見出した。
【０００７】
すなわち、上記課題を解決する本発明は、ワークの熱処理を行う熱処理設備であって、前記ワークが収容される処理容器と、前記処理容器内に設けられ、前記ワークの少なくとも下方から該ワークを輻射熱で加熱するヒータと、前記処理容器内に設けられ、前記ワークを支持する複数の支柱とを備えていることを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る熱処理設備は、ワークの支持を柱状部材からなる支柱で行うため、従前よりワークに対するヒータの熱輻射が遮られにくくなる。これにより、ワークをより均一に加熱することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱処理におけるワークの温度ばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る真空浸炭炉の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る支柱の概略構成を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る支柱の概略構成を示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る支柱の概略構成を示す正面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る支柱の分解図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る支柱の概略形状を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
本実施形態では熱処理設備の一種である真空浸炭炉を例に挙げて説明する。図１に示すように本実施形態に係る真空浸炭炉１は、真空チャンバ２と、ワークＷが収容される処理容器３と、ワークＷを加熱するヒータ４と、トレイ状の治具Ｊを介してワークＷを直接支持する支柱１０を備えている。
【００１３】
真空チャンバ２と処理容器３の側壁にはワークが載せられた治具Ｊが搬入および搬出されるための開口部が形成され、真空チャンバ２にはその開口部を塞ぐ開閉式の扉５を備えている。扉５の処理容器側の面には扉断熱材５ａが設けられている。処理容器３は、扉５が閉じられて扉断熱材５ａが処理容器３の内面全体を覆う断熱材６に接触することで密閉される。
【００１４】
ヒータ４は、処理容器３内においてワークＷの上方および下方に設けられている。ヒータ４の発熱体４ａは図２のように水平方向（本実施形態では炉幅方向Ｄ）に延伸する形状を有している。発熱体４ａの先端部（図２中の下側の端部）は処理容器３内の断熱材６に埋設されるように固定され、他端部は処理容器３の側壁と、真空チャンバ２の側壁を貫通して真空チャンバ２の外部まで延伸している。また、ヒータ４の発熱体４ａは炉長方向Ｌに沿って間隔をおいて複数本設けられている。なお、発熱体４ａの形状は本実施形態で説明したものに限定されない。
【００１５】
支柱１０は、炉長方向Ｌに沿って間隔をおいて複数配置され、また図２にも示すように炉幅方向Ｄにも間隔おいて複数配置されている。図３〜図６に示すように支柱１０は、土台１１と、土台１１に取り付けられる柱状部材からなる柱部１２と、柱部１２の上端において治具Ｊに接触する円柱状の２本の丸棒１３を備えている。支柱１０の底面に相当する土台１１の底面は処理容器３内の底部に設けられた断熱材６に接しており、各支柱１０は柱部１２がヒータ４の発熱体４ａの間に位置するように配置されている。各支柱１０の柱部１２の側面はヒータ４の発熱体４ａに対向している。
【００１６】
本実施形態の土台１１は、処理容器３の断熱材６に接する正方形状の平板部材１１ａと、平板部材１１ａに対して平面視における縦、横の寸法が小さく、平板部材１１ａの上に溶接された角形部材１１ｂで構成されている。図６に示すように、角形部材１１ｂには上面部がくり抜かれるようにして窪み１１ｃが形成されている。窪み１１ｃは炉高方向Ｈに長手方向を有する円柱状に形成され、炉幅方向Ｄに沿って２箇所設けられている。
【００１７】
柱部１２は、平面視において土台１１の角形部材１１ｂと同形状であり、炉高方向Ｈに延伸するように形成されている。図６に示すように柱部１２には下面部がくり抜かれるようにして窪み１２ａが形成されており、その窪み１２ａは、角形部材１１ｂの窪み１１ｃと同様、炉幅方向Ｄに沿って２箇所設けられている。柱部１２の窪み１２ａと角形部材１１ｂの窪み１１ｃとの間にピン１４が挿入され、これにより図３〜図５に示すように柱部１２と角形部材１１ｂが固定される。本実施形態の土台１１と柱部１２はこのピン１４でのみ固定されているため、柱部１２を持ち上げるだけで容易に柱部１２を取り外すことができる。本実施形態では図２のように支柱１０の柱部１２がヒータ４の各発熱体４ａの間に位置し、発熱体４ａが土台１１の一部を覆うように設けられている。このため、支柱１０の土台１１と柱部１２が一体となっていると、柱部１２の補修や交換を行う際にヒータ４を一度取り外して支柱１０全体を取り出さなければならない。一方、本実施形態のように支柱１０の土台１１と柱部１２が分割可能な構成であれば、柱部１２のみを土台１１から取り外すことができるため、柱部１２の補修や交換を容易に行うことが可能になる。
【００１８】
図３に示すように、本実施形態の柱部１２にはヒータ４の発熱体４ａに対向する部分において、柱部１２の側面がくり抜かれるようにして、くびれ部１２ｂが設けられている。くびれ部１２ｂは発熱体４ａの形状を逃げるように形成され、これにより柱部１２と発熱体４ａとが近接することによる柱部１２の局部加熱を抑制することができる。これに伴い、支柱１０自体の温度差を小さくすることができ、ワークＷをより均一に加熱することができる。
【００１９】
柱部１２の上端に設けられた２本の丸棒１３は、長手方向が炉幅方向Ｄに向き、炉長方向Ｌに並んだ状態で、柱部１２の上端に形成された溝１２ｃに嵌め込まれている。溝１２ｃの深さは丸棒１３の径より、やや小さくなっており、溝１２ｃに嵌め込まれた丸棒１３の一部は柱部１２の上端から上方に突出した状態にある。ワークＷが載せられた治具Ｊは、これらの丸棒１３に接触することで支持される。すなわち、本実施形態の支柱構造においては、治具Ｊが丸棒１３の周面に接触するため、治具Ｊと丸棒１３との接触が線接触となる。これにより支柱１０と治具Ｊとの接触面積を小さくすることができ、両部材が溶着しにくくなる。また、支柱１０と治具Ｊとの接触部分を介した熱伝導で移動する熱量が減少するため、ワークＷのさらなる均熱化を図ることができる。さらに、２本の丸棒１３が治具Ｊに線接触するため、支柱１本あたり２箇所で治具Ｊを支持することができ、ワークＷをより安定して支持することができる。さらにまた治具Ｊが２本の丸棒１３のいずれか一方の丸棒１３にさえ接触すれば、その丸棒１３が設けられた支柱１０による治具Ｊの支持機能は十分に発揮されるため、ワークＷが載せられた治具Ｊを支柱１０の上に載せる搬送装置の搬送位置精度を高精度にする必要がなくなる。さらに丸棒１３は柱部１２の溝１２ｃに嵌め込まれているだけの構造であるため、丸棒１３の割れや破損が生じた際には丸棒１３を容易に交換することができる。すなわち、支柱１０に載せられる部材（本実施形態の場合は治具Ｊ）に接触する接触部材（本実施形態の場合は丸棒１３）は支柱１０に対して着脱自在に設けられていることが好ましい。また、丸棒１３は、図２のように長手方向が平面視において長方形状の治具Ｊの長手方向に対して垂直な方向に向くように設けられることが好ましい。これにより治具Ｊの長辺側が熱膨張して変形した場合であっても丸棒１３の内方に収まるため、治具Ｊを安定的に支持することができる。なお、本実施形態では治具Ｊに対して線接触する接触部材として丸棒１３を用いているが、接触部材は他の部材であっても良い。
【００２０】
このような支柱１０を構成する各部材の素材は、耐熱鋼であれば特に限定されないが、例えばＳＵＳ３１０Ｓが用いられる。また、アルミナ、ムライト、ジルコニア等のセラミックスやその他の高温強度の高い材料を用いても良い。特に、治具Ｊに接触する丸棒１３のような接触部材をセラミックスで形成すると、治具Ｊとの接触に起因する溶着の発生を抑えることが可能となる。この効果は、接触部材自体をセラミックスで形成しなくとも、接触部材の表面にセラミックスコーティングを施した場合でも得られる。すなわち、支柱１０に載せられる部材（本実施形態の場合は治具Ｊ）に接触する部分がセラミックスで形成されていれば、両部材の溶着の発生を抑えることが可能となる。なお、セラミックスは熱衝撃に弱いという特性がある。このため、支柱１０に載せられる部材とセラミックス製の接触部材との接触面積が大きい場合、熱伝導で移動する熱量が大きくなることから、接触部材の急冷により接触部材が割れるおそれがある。したがって、接触部材をセラミックスで形成する場合には、本実施形態の丸棒１３のように接触部材が支柱１０に載せられる部材（本実施形態の場合は治具Ｊ）と線接触するように構成されていることが好ましい。
【００２１】
本実施形態に係る真空浸炭炉１は以上のように構成されている。なお、支柱１０の本数や形状、配置位置は、ワークＷや治具Ｊの形状等に応じてワークＷを安定して直接支持できるよう適宜変更される。  
【００２２】
本実施形態の真空浸炭炉１では、ワークＷが載せられた治具Ｊを支柱１０の上に載せる際に治具搬送用フォーク等の搬送装置（不図示）が用いられる。例えば真空チャンバ２の外部で、ワークＷがセットされた状態の治具Ｊが治具搬送用フォークに載せられ、治具搬送用フォークが処理容器３の内方まで炉長方向Ｌに沿って前進する。そして、治具搬送用フォークが下降し、治具搬送用フォークから支柱１０に治具Ｊを受け渡すことで、治具Ｊが支柱１０に支持される。その後、治具搬送用フォークが真空チャンバ２の外部に向かって炉長方向Ｌに沿って後退する。なお、治具Ｊの形状は本実施形態のようなトレイ状に限定されることはなく、バスケット状の治具や、階層状にワークＷが載せられる多段式の治具であっても良い。また、説明は省略しているが、真空浸炭炉１は、処理容器３内に処理ガスを供給するガスインレットや、真空チャンバ２内を排気する排気管および真空ポンプ等の真空浸炭処理の実施に必要な構成を備えている。
【００２３】
以上のような本実施形態の真空浸炭炉１によれば、治具Ｊを介したワークＷの支持を支柱１０のみで行うため、従前のレール状部材でワークＷを支持する場合よりも、ワークの下方からのヒータ４の熱輻射を遮らないようにすることができる。これによりワークＷの上面側と下面側との入熱量の差を小さくすることができ、ワークＷの温度ばらつきを小さくすることができる。
【００２４】
なお、本実施形態の支柱１０は角柱状の柱部１２を用いて正方形状に構成されているが、支柱１０はその他の多角形状の形状であっても良いし、図７のように円形状の形状であっても良い。また、本実施形態では、治具Ｊを介してワークＷを支持することとしたが、例えばサイズの大きなワークＷの場合にはワークＷを支柱１０で支持しても良い。また、支柱１０の土台１１は、本実施形態のような平板部材１１ａと角形部材１１ｂからなる構造に限定されない。また、支柱１０は土台１１と柱部１２が一体となった構成であっても良い。加えて、支柱１０は、くびれ部１２ｂを有しない構成であっても良い。さらに支柱１０は、例えば丸棒１３を設けずに治具Ｊに対し面接触するような構成であっても良い。いずれの場合も、従前のレール状支持部材に対してはヒータ４の熱輻射を遮らないようにすることができるため、ワークＷの温度ばらつきを抑えることができる。なお、ヒータ４の熱輻射を遮らないようにするという観点から、ヒータ４は処理容器３内において、少なくともワークＷの下方に設けられていることが前提となる。その場合、ワークＷの均熱化の観点ではワークＷの上方にヒータ４を設けることが好ましいが、ワークＷの側方等の別の箇所にさらにヒータ４を設けても良い。
【００２５】
また、本実施形態では熱処理設備として真空浸炭炉１を例に挙げて説明したが、本実施形態のような支柱構造は、真空浸炭炉以外にもガス浸炭等の他の方法で浸炭処理する浸炭炉や、ガス窒化処理やガス軟窒化処理等を行う窒化処理炉にも適用することができる。すなわち、ワークＷの支持が必要となる熱処理設備であれば、本実施形態のような支柱構造を適用することでワークＷを従前より均一に加熱することが可能となる。
【実施例】
【００２６】
本発明の実施例として本発明に係る真空浸炭炉を用い、浸炭処理を想定したワークＷの加熱試験を実施した。本発明に係る真空浸炭炉は、図１、図２に示される上記実施形態で説明した炉構造と同様の構造である。すなわち、真空チャンバの中に処理容器が設けられ、処理容器の内方に土台と、柱部と、丸棒からなる支柱が複数本設けられている。また、ヒータがワークの上方と下方に設けられ、ヒータの発熱体は炉幅方向に延び、かつ炉長方向に間隔をおいて複数設けられている。そして、支柱の柱部はそのヒータの発熱体の間に配置されており、支柱の柱部の、ヒータの発熱体に対向する部分には、くびれ部が設けられている。なお、比較例として、支柱を従来のレール状支持部材に代えて構成した真空浸炭炉を用い、実施例と同条件の加熱試験を実施した。比較例の真空浸炭炉の支柱以外の構成は実施例の真空浸炭炉と同一の構成である。
【００２７】
加熱試験は、処理容器内圧力を１００Ｐａ以下に保持した状態で、室温から９５０℃までワークを加熱することで実施した。ワークの温度は温度測定点に熱電対を埋め込むことで測定した。そして、ワーク上面のある一点（以下、ワーク上面の温度測定点）の温度が７００℃になったときのワーク内の温度差と、９５０℃になったときのワーク内の温度差を測定した。なお、ワーク内の温度差とは、上記のワーク上面の温度測定点の温度と、ワーク下面のある一点（以下、ワーク下面の温度測定点）で測定された温度の差であり、ワーク上面の温度測定点とワーク下面の温度測定点は平面視で同一の位置、すなわち同一の鉛直線上にある点である。実施例と比較例ともに使用したワークの形状は同一であり、ワーク上面およびワーク下面の温度測定点も同じ位置である。また、実施例のワーク下面の温度測定点はヒータに対して露出しているが、比較例のワーク下面の温度測定点はレール状支持部材が存在しているためにヒータに対して露出していない。
【００２８】
以上の加熱試験の結果を下記表１に示す。
【００２９】
【表１】
2019082292.tif 000003
【００３０】
表１に示すようにワーク上面の温度測定点の温度が７００℃になった時点、および９００℃になった時点ともに、実施例のワーク内温度差が比較例のワーク内温度よりも小さくなった。すなわち、ワークを支持する支持部材としてレール状支持部材に代えて支柱を用いることでワークを均一に加熱することが可能となる。
【００３１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、ワークの真空浸炭炉に適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１      真空浸炭炉
２      真空チャンバ
３      処理容器
４      ヒータ
４ａ    ヒータの発熱体
５      扉
５ａ    扉断熱材
６      断熱材
１０    支柱
１１    土台
１１ａ  平板部材
１１ｂ  角形部材
１１ｃ  角形部材の窪み
１２    柱部
１２ａ  柱部の窪み
１２ｂ  柱部のくびれ部
１２ｃ  柱部の溝
１３    丸棒
１４    ピン
Ｄ      炉幅方向
Ｈ      炉高方向
Ｊ      治具
Ｌ      炉長方向
Ｗ      ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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