(57)【要約】【課題】鋼製ワークの相互間の温度差又は、鋼製ワークの表面とコアの温度差を小さくすることができる加熱方法を提供することを課題とする。【解決手段】鋼製ワーク１１の温度が目標温度に到達する前に、（ｃ）に示すように、加熱室２０の鋼製ワーク１１を前室１５へ移す（矢印（３））。移動が終わったら仕切扉１８を閉じる。そして、鋼製ワーク１１を前室１５に０．５分〜２分保持する。この保持時間が経過したら、鋼製ワーク１１を、矢印（４）のように、加熱室２０へ移す。【効果】１回又は複数回鋼製ワークを加熱室から取り出し、ガス中で自然冷却する。鋼製ワーク自体にあっては、表面温度が下がるため、表面と中心との温度差が縮まる。鋼製ワークが複数である場合は、ヒータに近い方の鋼製ワークの温度が下がるため、ヒータから遠い方の鋼製ワークとの温度差が縮まる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製ワークを熱処理のために目標温度まで加熱する加熱方法であって、
前記鋼製ワークを加熱室で、目標温度まで加熱する間において、１回又は複数回前記鋼製ワークを加熱室から取り出し、ガス中で自然冷却することを特徴とする鋼製ワークの加熱方法。
【請求項２】
前記鋼製ワークは、複数段並べられていることを特徴とする請求項１記載の鋼製ワークの加熱方法。
【請求項３】
ガス中での自然冷却は、鋼製ワークの中心温度が下がり始める前に終了することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鋼製ワークの加熱方法。
【請求項４】
前記鋼製ワークを加熱室から取り出すタイミングは、前記鋼製ワークの表面温度に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の鋼製ワークの加熱方法。
【請求項５】
前記鋼製ワークを加熱室から取り出すタイミングは、加熱室の雰囲気温度に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の鋼製ワークの加熱方法。
【請求項６】
ガス中での自然冷却を終了するタイミングは、加熱室から取り出した後の前記鋼製ワークの表面温度に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の鋼製ワークの加熱方法。
【請求項７】
ガス中での自然冷却を終了するタイミングは、加熱室から取り出した後の経過時間に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の鋼製ワークの加熱方法。
【請求項８】
前記鋼製ワークは、浸炭焼入れを施すギヤであることを特徴とする請求項１記載の鋼製ワークの加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギヤなどの鋼製ワークの加熱方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギヤやシャフトなどは強度部品であるため、このような鋼製ワークは、強度向上を目的に、熱処理が施される。熱処理には、焼入れ、浸炭、窒化などの表面強化法が知られている。中でも、真空又は無酸化ガス中で浸炭を実施する真空浸炭法が広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−１８０２３５公報（図１）
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図５は従来の技術の基本原理を説明する図であり、横軸に工程群が示されている。
加熱工程では、鋼材部品は、室温から浸炭温度（９００〜１０５０℃）まで、大気圧の窒素ガス中で加熱される。
活性化工程では、浸炭温度で雰囲気を真空に代えて鋼材部品の表面を活性化させる。
【０００４】
浸炭工程は、浸炭ガスとしての炭化水素ガスを吹き込み１．３〜２．６ｋＰａの減圧雰囲気に保持することで、浸炭を行わせる。
拡散工程では、雰囲気を１３〜２６Ｐａの真空に代えて、拡散を促す。
降温工程では、窒素ガスを吹き込み、大気圧の窒素ガス中で鋼材部品を８２０〜８９０℃に下げる。
【０００５】
上記工程群のうちで、加熱工程には次に述べる問題が発生した。
図６は従来の加熱工程の説明図であり、（ａ）に示す真空加熱炉１００は、炉体１０１に扉１０２を備え、炉内にヒータ１０３を備え、炉内の雰囲気温度を測定する熱電対１０４及びヒータ１０３の出力を制御する加熱制御部１０５を備え、真空ポンプ１０６及び窒素ガス供給源１０７を備えている。
【０００６】
扉１０２を開いて、鋼製ワーク１１０を炉内に装入し、扉１０２を閉じる。真空ポンプ１０６で炉内の空気やガスを排気する。真空ポンプ１０６を止め、窒素ガス供給源１０７から窒素ガスを供給し、炉内を大気圧の窒素ガスで満たす。次に、ヒータ１０３に通電し、炉内雰囲気が浸炭温度（例えば９３０℃）になるように、加熱制御部１０５で炉内温度を制御する。
【０００７】
鋼製ワーク１１０がギヤである場合は、（ｂ）に示すように、耐熱性のラックジグバスケット１１１に多数個のギヤ１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ、１１２Ｅ、１１２Ｆなどを並べて収納し、このラックジグバスケット１１１を炉内に装入する。
ラックジグバスケット１１１の上隅のギヤ１１２Ａの温度Ｔ１、ラックジグバスケット１１１の中央のギヤ１１２Ｂの温度Ｔ２を、各々試験的に測定した。
【０００８】
すると、（ｃ）に示すように、温度Ｔ１は迅速に上昇した。上隅のギヤ１１２Ａはヒータ１０３で直接加熱されているため、何処よりも早く温度が上昇する。
一方、温度Ｔ２は上がり方が極端に遅かった。
【０００９】
（ｂ）に示す中央のギヤ１１２Ｂは、（ａ）に示すヒータ１０３による直接加熱が殆ど期待できない。しかも、ギヤ１１２Ａ〜１１２Ｆ間の隙間が小さくて、窒素ガスの流れが滞るため、対流伝熱効果が小さい。そこで、このギヤ１１２Ｂは、周辺のギヤ１１２Ｃ〜１１２Ｆの熱輻射により、主として受熱する。そのために、中央のギヤ１１２Ｂは、温度の上昇が最も遅くなる。
【００１０】
温度Ｔ１と温度Ｔ２との温度差ΔＴが、極端に大きいことは好ましくない。ギヤ１１２Ａとギヤ１１２Ｂの熱履歴が相違し、熱処理不良の原因となる。
鋼製ワーク１１０が１個のブロックである場合は、表面の温度がＴ１となり、コアの温度がＴ２となるため、材質によっては熱応力によって、加熱割れや熱塑性変形が発生する。
【００１１】
何れにおいても、温度差ΔＴの圧縮技術が求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、鋼製ワークの相互間の温度差又は、鋼製ワークの表面とコアの温度差を小さくすることができる加熱方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係る発明は、鋼製ワークを熱処理のために目標温度まで加熱する加熱方法であって、前記鋼製ワークを加熱室で、目標温度まで加熱する間において、１回又は複数回前記鋼製ワークを加熱室から取り出し、ガス中で自然冷却することを特徴とする。なお、自然冷却とは、自然対流による冷却を指す。
【００１４】
請求項２に係る発明では、鋼製ワークは、複数段並べられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明では、ガス中での自然冷却は、鋼製ワークの中心温度が下がり始める前に終了することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明では、鋼製ワークを加熱室から取り出すタイミングは、鋼製ワークの表面温度に基づいて決定することを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明では、鋼製ワークを加熱室から取り出すタイミングは、加熱室の雰囲気温度に基づいて決定することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明では、ガス中での自然冷却を終了するタイミングは、加熱室から取り出した後の鋼製ワークの表面温度に基づいて決定することを特徴とする。
【００１９】
請求項７に係る発明では、ガス中での自然冷却を終了するタイミングは、加熱室から取り出した後の経過時間に基づいて決定することを特徴とする。
【００２０】
請求項８に係る発明では、鋼製ワークは、浸炭焼入れを施すギヤであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１に係る発明では、１回又は複数回鋼製ワークを加熱室から取り出し、ガス中で自然冷却する。鋼製ワーク自体にあっては、表面温度が下がるため、表面と中心との温度差が縮まる。鋼製ワークが複数である場合は、ヒータに近い方の鋼製ワークの温度が下がるため、ヒータから遠い方の鋼製ワークとの温度差が縮まる。
【００２２】
請求項２に係る発明では、鋼製ワークは、複数段並べられていることを特徴とする。ヒータに近い方の鋼製ワークの温度が下がるため、ヒータから遠い方の鋼製ワークとの温度差が縮まる。
【００２３】
請求項３に係る発明では、ガス中での自然冷却は、鋼製ワークの中心温度が下がり始める前に終了する。鋼製ワークは表面が高温で中心が低温であるため、表面が冷えても中心は暫く温度が上がる。しかし、中心温度も下がり始めると、過冷却であって、次の加熱で熱エネルギーを多く消費する。熱エネルギーの消費を抑えるために、ガス中での自然冷却は、鋼製ワークの中心温度が下がり始める前に終了する。
【００２４】
請求項４に係る発明では、鋼製ワークを加熱室から取り出すタイミングは、鋼製ワークの表面温度に基づいて決定する。鋼製ワークの温度であれば、信頼性が高まる。
【００２５】
請求項５に係る発明では、鋼製ワークを加熱室から取り出すタイミングは、加熱室の雰囲気温度に基づいて決定する。加熱室には雰囲気温度を測定する温度センサーが常備される。この温度センサーを使用することができるため、コストアップにならない。
【００２６】
請求項６に係る発明では、ガス中での自然冷却を終了するタイミングは、加熱室から取り出した後の鋼製ワークの表面温度に基づいて決定する。鋼製ワークの温度であれば、信頼性が高まる。
【００２７】
請求項７に係る発明では、ガス中での自然冷却を終了するタイミングは、加熱室から取り出した後の経過時間に基づいて決定する。時間であれば、簡単に測れることができるため、コストアップにならない。
【００２８】
請求項８に係る発明では、鋼製ワークは、浸炭焼入れを施すギヤであることを特徴とする。強度が求められるギヤでは、均一加熱が望まれる。そして、浸炭焼入れの前に温度差が小さくなっていれば、好ましい浸炭焼入れが行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は真空浸炭処理設備の原理図であり、真空浸炭処理設備１０は、鋼製ワーク１１を待機させるワーク載せ台１２と、扉１３及び窒素ガス供給源１４を備えている前室１５と、この前室１５の底に繋がっていて油１６が溜められている油焼入れ槽１７と、前室１５に仕切扉１８を介して繋がっている加熱室２０とからなる。
【００３０】
加熱室２０は、炉体２１と、この炉体２１の内部に配置されたヒータ２２と、雰囲気温度を検出する熱電対２３と、この熱電対２３で検出した温度が、所定の温度になるようにヒータ２２の出力を制御する温度制御部２４と、炉体２１の内部を排気する真空ポンプ２５及び炉体２１へ窒素ガスを供給する窒素供給源２６とからなる。
【００３１】
なお、鋼製ワーク１１は、図６（ｂ）で説明したものと同じであって、耐熱性のラックジグバスケット２７に並べられてた多数個のギヤ２８Ａ、２８Ｂなどである。便宜上、ギヤ２８Ａはヒータ２２に最も近いギヤの一つ、ギヤ２８Ｂはヒータ２２から最も遠いギヤとした。
【００３２】
以上の構成からなる真空浸炭処理設備１０で実施する加熱工程を次に述べる。
図２は本発明に係る加熱工程を説明図であり、（ａ）において、扉１３を開いて鋼製ワーク１１を前室１５へ装入する（矢印（１））。装入が終わったら、扉１３を閉める。なお、前室１５の雰囲気は、約１００℃の窒素ガスである。
【００３３】
次に、（ｂ）において、仕切扉１８を開けて鋼製ワーク１１を加熱室２０へ装入する。従来は、加熱室２０で鋼製ワーク１１を目標温度（９００℃〜１０００℃）まで加熱していた。この従来の昇温曲線は、図６（ｃ）に示したとおりである。
【００３４】
本発明では、鋼製ワーク１１の温度が目標温度（加熱最高温度や浸炭温度）に到達する前に、（ｃ）に示すように、加熱室２０の鋼製ワーク１１を前室１５へ移す（矢印（３））。移動が終わったら仕切扉１８を閉じることは言うまでもない。そして、鋼製ワーク１１を前室１５に０．５分〜２分保持する。この保持時間が経過したら、鋼製ワーク１１を、矢印（４）のように、加熱室２０へ移す。なお、加熱工程では加熱室２０の雰囲気は大気圧相当の窒素ガスとした。
【００３５】
図２（ｂ）〜（ｃ）での、鋼製ワーク１１の加熱上昇を正確に測るために、ギヤ２８Ａとギヤ２８Ｂとに測定用の熱電対を直接取付けて、時間と温度の関係を調べた。ギヤ２８Ａの温度をＴ１、ギヤ２８Ｂの温度をＴ２と呼ぶ。この結果を次図で説明する。
【００３６】
図３は本発明に係るワークの昇温曲線を示す図であり、横軸は時間、縦軸は温度とした。そして、横軸に沿わせた「加熱室」はワークが加熱室に装入され、「前室」はワークが前室に移されたことを示す。
温度Ｔ１は急激に上昇し、温度Ｔ２は徐々に上昇するが、Ｐ１の時点（タイミング）で、ワークが雰囲気１００℃前後の前室に移されたために、温度Ｔ１は、８９０℃から７９０℃まで一気に下がった。そして、Ｐ２の時点（タイミング）で、ワークが加熱室に戻されたために、温度Ｔ１は、上昇し始める。
【００３７】
一方、温度Ｔ２は、Ｐ１の時点で横ばいになる。これは、ギヤ２８Ｂが他のギヤで囲まれているため、雰囲気温度の影響を受けにくく、且つ他のギヤから熱を受けるためと考えられる。
【００３８】
想像線で示すＴ１０１、Ｔ１０１、Ｔ１０２は、従来の曲線である。Ｐ３の時点でＴ１０１とＴ１０２との間の温度差ΔＴ１０１は約３００℃であった。これに対して、本発明に係る曲線Ｔ１とＴ２との間の温度差ΔＴ１は約２２０℃であった。
【００３９】
また、Ｐ４の時点（タイミング）で、ワークが１００℃前後の前室に移されたために、温度Ｔ１は、９３０℃から８５０℃まで一気に下がった。そして、Ｐ５の時点（タイミング）で、ワークが加熱室に戻されたために、温度Ｔ１は、上昇し始める。
【００４０】
一方、温度Ｔ２は、Ｐ４の時点で横ばいになる。
想像線で示すＴ１０１、Ｔ１０２は、従来の曲線である。Ｐ６の時点でＴ１０１とＴ１０２との間の温度差ΔＴ１０２は約１２０℃であった。これに対して、本発明に係る曲線Ｔ１とＴ２との間の温度差ΔＴ２は約６０℃であった。
【００４１】
以上に述べたように、加熱工程において、加熱途中でワークを加熱室から前室に移すことで、温度Ｔ１（周縁に配置されたギヤの温度）と温度Ｔ２（中央に配置されたギヤの温度）の差は、従来比で３０〜５０％も減少させることができた。
この結果、極端な温度差に起因する加熱割れの発生を防止することができるようになった。
【００４２】
本発明は、実施例で述べたようにラックジグバスケット（複数の棚）にギヤやシャフトを多数個並べて一括処理する際に有益である。しかし、大型のワーク単品に適用することは差し支えない。この場合は、大型ワークの表面と中心（コア）との温度差が小さくなる。
【００４３】
また、図３から明らかなように、ワークを前室に長時間置くと過冷却となって、中央の温度Ｔ２も横ばいから下降に転じることが予想される。そこで、Ｐ２の時点やＰ５の時点は、下降に転じる前に設定することが望ましい。下降に転じると次の加熱時間が長くなり、投入する熱エネルギーが増加する。下降に転じる前であれば、熱エネルギーの消費を押さえることができる。また、下降に転じると加熱時間（トータル時間）が延びるが、下降に転じる前であれば、加熱時間は延びない。したがって、生産性の低下を押さえることができる。
【００４４】
次に重要なのは、加熱室からワークを前室へ移すタイミングの設定である。
実験では目標温度が９３０℃のときに、Ｐ１での温度は８９０℃であった。そこで、ワークの表面温度を検出して、この温度が８９０℃に達したら、ワークを加熱室から前室へ移すことが推奨できる。ワークの表面温度は、輻射温度計や放射温度計で測定することができる。ワークの温度であれば、制御の信頼性が高まる。
【００４５】
代替案として、雰囲気の温度による制御が挙げられる。図３に破線で示したＴａは加熱室での雰囲気温度である。Ｔａはワークが装入された直後から目標温度に向かって上昇する。雰囲気温度Ｔａは、原則としてＴ１より大きく、時間と共にＴａとＴ１との差は小さくなるものの曲線の傾向は酷似している。そこで、雰囲気の温度がＴａ１（例えば９２０℃）に到達したら、ワークを加熱室から前室へ移すことが推奨できる。
雰囲気温度の測定は既存の熱電対を使用することができる。輻射温度計や放射温度計を設ける必要がないので、設備費用を圧縮することができる。
【００４６】
また、前室からワークを加熱室へ戻すタイミングも重要である。
実施例では、Ｐ１から６０秒（１分）が経過したら、ワークを加熱室へ戻すようにした。時間が経過した時点がＰ２であると認定する。時間であれば、認定は容易であり、制御系のコストアップを抑えることができる。
【００４７】
しかし、理想的には温度で管理することである。そこで、ワークの表面温度を、輻射温度計や放射温度計で測定し、Ｐ１からの温度が所定の温度に下がった時点をＰ２とする。
【００４８】
真空浸炭処理設備の別実施例を説明する。
図４は別実施例に係る真空浸炭処理設備の原理図であり、真空浸炭処理設備３０は、入口扉３１を備えた前室３２と、この前室３２に仕切扉３３を介して繋がっている第１加熱室３４と、この第１加熱室３４に仕切扉３５を介して繋がっている中間室３６と、この中間室３６に仕切扉３７を介して繋がっている第２加熱室３８と、この第２加熱室３８に仕切扉３９を介して繋がっている後室４１と、この後室４１の底に繋がっている油焼入れ槽４２とからなる。４３は出口扉、４４は熱電対、４５は窒素ガス供給源、４６は真空ポンプ、４７はヒータである。
【００４９】
前室３２から第１加熱室３４へ鋼製ワーク１１移し、この第１加熱室３４で図３のＰ１までの加熱を実施する。次に、第１加熱室３４の鋼製ワーク１１を中間室３６へ移し、この中間室３６で図３のＰ１直後の冷却を実施する。この冷却が終わったら、中間室３６のワークを第２加熱室３８へ移して目標温度までの加熱を実施する。この真空浸炭処理設備３０は、鋼製ワークを加熱工程で１回だけ冷却させる加熱方法に好適である。
【００５０】
鋼製ワーク１１は図左から右へ流し、左方向には戻らないようにすると、入口扉３１から鋼製ワーク１１を次々に真空浸炭処理設備３０へ装入することができ、生産性を高めることができる。又、鋼製ワーク１１を第２加熱室３８から中間室３６へ戻すことにより、複数回の冷却も可能である。さらに、中間室３６に、平行に図示しない加熱室や浸炭室を別途接続することにより、種々の加熱条件を与えることが可能である。
【００５１】
すなわち、本発明方法を実施するための真空浸炭処理設備の構造は、図１に限定するものではなく、図４やその他であってもよい。
また、実施の形態では、窒素ガスを使用したが、本発明に使用するガスは、吸熱形ガス、発熱形ガス、不活性ガス等の熱処理に一般に使用されるガスを適宜使用することができることは言うまでもない。
【００５２】
尚、鋼製ワークは、ギヤ、シャフトの他、機械部品であれば種類は問わない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、ギヤの加熱工程に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】真空浸炭処理設備の原理図である。
【図２】本発明に係る加熱工程を説明図である。
【図３】本発明に係るワークの昇温曲線を示す図である。
【図４】別実施例に係る真空浸炭処理設備の原理図である。
【図５】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【図６】従来の加熱工程の説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…真空浸炭処理設備、１１…鋼製ワーク、１５…前室、２０…加熱室、２７…ラックジグバスケット、２８Ａ、２８Ｂ…ギヤ。
【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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