(57)【要約】【課題】従来の流動層炉に比べ、よりコンパクトであり、より質の高い熱処理を行い得る流動層式熱処理炉を提供すること。【解決手段】炉体３９内に粉粒体が充填され、その粉粒体が、熱風管１４を通して炉体３９内に吹き込まれる熱風により熱せられ流動して流動層１３が形成され、金属からなるワークピース１１が、その流動層１３中で熱処理される流動層式熱処理炉３である。この流動層式熱処理炉３は、粉粒体を流動させる熱風の流速が０．０５〜０．２ｍ／ｓｅｃであり、粉粒体は、その見掛け比重が１．６〜１．８であり、且つ、径が４００〜６００μｍφの概ね球状体が６０％以上を占めてなるところに特徴を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体内に粉粒体が充填され、前記粉粒体が炉体内に吹き込まれる熱風により熱せられ流動して流動層が形成され、金属からなるワークピースが前記流動層中で熱処理される炉であって、
前記熱風は、流速が０．０５〜０．２ｍ／ｓｅｃであり、
前記粉粒体は、見掛け比重が１．６〜１．８であり、且つ、径が４００〜６００μｍφの略球状体が６０％以上を占めることを特徴とする流動層式熱処理炉。
【請求項２】
前記粉粒体が、二酸化ケイ素を主成分としてなる請求項１に記載の流動層式熱処理炉。
【請求項３】
前記流動層の展開率が、１２０％以下である請求項１又は２に記載の流動層式熱処理炉。
【請求項４】
前記粉粒体の充填高さに対しフリーボード高さが、２．５倍以下である請求項１〜３の何れか一項に記載の流動層式熱処理炉。
【請求項５】
前記ワークピースが、車両用ホイールである請求項１に記載の流動層式熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属の熱処理に用いられる流動層式熱処理炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、金属を熱処理し金属内部の組成構造を変化させることによって、機械的性質を向上させ得ることが知られている。例えば、アルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）系合金に少量のマグネシウム（Ｍｇ）を添加した合金（ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ４Ｄ等）では、溶体化処理により凝固時に晶出した非平衡相を高温で固溶させた後、水冷して常温で均一な固溶体を得て、次いで、人工時効処理により比較的低い温度で保持して中間析出相による析出硬化を起こさせて、機械的性質の向上を図ることが出来る。
【０００３】従来、このような溶体化処理及び時効処理には、空気を熱媒体としたトンネル炉等の雰囲気炉が用いられている。しかしながら、雰囲気炉は、溶体化温度までの昇温速度が遅く昇温に時間がかかり、又、処理装置が大型となる上に、運転操作が煩雑で人手が多くかかり、更には、昇温及び温度保持のために熱エネルギーを多量に必要とするという問題があった。そこで、本出願人は、これら従来の雰囲気炉の問題点を解決するべく、流動層が形成されその中でワークピースが熱処理される新たな炉を開発し、特許文献１及び特許文献２に開示した。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５４８８０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１０７０６４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、既に特許文献１及び特許文献２に開示された熱処理炉にかかる技術的思想を基にして、新たに高度な創作が加えられたものである。特許文献１及び特許文献２に示される流動層炉は、雰囲気炉に対して、それぞれコンパクト化、省スペース化、熱エネルギーロスの低減、運転の全自動化等の目的が一定のレベルで達成されているが、本発明は、コンパクト化を更に追求するとともに、より質の高い熱処理を行い得る流動層炉を得ることを目標として、なされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、炉体内に粉粒体が充填され、その粉粒体が炉体内に吹き込まれる熱風により熱せられ流動して流動層が形成され、金属からなるワークピースが流動層中で熱処理される炉であって、熱風は、流速が０．０５〜０．２ｍ／ｓｅｃであり、粉粒体は、見掛け比重が１．６〜１．８であり、且つ、径が４００〜６００μｍφの概ね球状体が６０％以上を占めることを特徴とする流動層式熱処理炉が提供される。
【０００７】本発明においては、粉粒体が二酸化ケイ素を主成分としてなることが好ましい。
【０００８】本発明の流動層式熱処理炉によれば、流動層の展開率を１２０％以下とすることが可能である。又、粉粒体の充填高さに対し、フリーボード高さを２．５倍以下とすることが可能である。
【０００９】本発明の流動層式熱処理炉は、ワークピースが車両用ホイールである場合に好適に用いられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明について実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の記載に限定して解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１１】本発明の流動層式熱処理炉は、金属からなるワークピースの熱処理に用いられるものである。金属として好ましくはＡｌ合金を挙げることが出来るが、熱処理を施すことにより一定の効果を生じ得るものであれば限定されるものではなく、Ｍｇ合金、炭素鋼や鋳鉄等の鉄合金、チタン（Ｔｉ）合金、その他も対象となる。
【００１２】熱処理として好ましいものは具体的に溶体化処理、時効処理を挙げることが出来るが、金属に一定の効果を生じ得る処理であれば限定されない。
【００１３】ワークピースとしての具体的な金属製品は、好ましくは車両用ホイールを挙げることが出来るが、熱処理によって機械的性質の向上等の一定の効果を期待するものであれば限定されず、ホイール以外の車両用足周り部品、車体シャシー部品、歯車やカム等の伝達系機械部品、航空宇宙産業の構造部品、その他も対象となる。特に車両用ホイールは、熱処理によって実質的な機械的性質向上の効果を薄肉化に結実させ得るところに意義がある。熱処理によって、より薄肉化しても熱処理を施さない場合と同等の機械的性質、例えば引張強度、伸び等を保つことが出来るので、軽合金材料の採用等に加えて、更なる軽量化が図られる。軽量化した車両用ホイールは、環境負荷の低減を図るべく燃費の向上が求められる自動車の製造者あるいは需要者に望まれる製品である。
【００１４】本発明の流動層式熱処理炉は、炉体内に粉粒体が充填され、その粉粒体が炉体内に吹き込まれる熱風により熱せられ流動して流動層が形成される熱処理炉である。流動層は、粉粒体が均一に混合されて形成され、空気を熱媒体とする雰囲気炉に対して、より優れた伝熱効率を有する。加えて、後述する特徴を有することから、従来の流動層式の熱処理炉に比較してコンパクトになり、且つ、流動層の流動状態が概ね均一になり得るので熱処理にかかる質の向上が期待出来る。
【００１５】本明細書にいうコンパクトな熱処理炉とは、全高の低い炉をいう。本発明の流動層式熱処理炉は、従来の熱処理炉に比較して、粉粒体の充填空間とフリーボードを加えた必要高さが概ね半分程度であり、炉の全高も大幅に低くなっている。従って、従来の熱処理炉が、屋外や吹き抜け空間を有する工場に設置場所が限定されたのに対し、本発明の流動層式熱処理炉は、通常のフロア高の工場に設置可能であり、搬入も容易であることから、設置場所の制約が大幅に緩和される。
【００１６】本明細書にいう熱処理にかかる質とは、ワークピースの機械的性質等の改善され具合等により評価出来る熱処理自体の質をいう。質の高い熱処理とは、例えば、より高い生産性を実現しつつ、より省エネルギーで、より安全・確実に、より高い機械的性質をワークピースに付与し得る熱処理をいう。熱処理において固溶その他の所望の現象は温度によって左右されるので、質の高い熱処理を実現するには、温度分布が均一な流動層を有する熱処理炉が必要となる。そして、温度分布が均一な流動層を得るには、全域で流動状態が概ね均一な流動層が望まれる。流動層は熱風が吹き込まれて粉粒体が流動するものであるから、流動層の流動状態が乱れると流動層の部分毎に熱の収支バランスが保ち難くなり、温度分布の乱れを導くからである。
【００１７】本発明の流動層式熱処理炉は、粉粒体を熱し流動させて流動化するための熱風の流速と、流動層を構成する粉粒体とに、必須の特徴を有する。本発明においては、熱風の流速を０．０５〜０．２ｍ／ｓｅｃとする。より好ましくは概ね０．１ｍ／ｓｅｃである。粉粒体は、見掛け比重が１．６〜１．８であり、且つ、径が４００〜６００μｍφの概ね球状体が６０％以上を占めるようにする。より好ましい粉粒体は、その見掛け比重が概ね１．７であり、その径が４００〜６００μｍφの概ね球状体が７０％以上を占め、尚且つ、１００〜８００μｍφの概ね球状体が９５％以上を占めるものである。
【００１８】流動層炉をコンパクトにするためには、流動層の展開率を小さくするとともに、充填される粉粒体の固定層（流動する前の粉粒体の層）上のフリーボード高さを低くする必要がある。そして、流動層の展開率を小さくするには、流動化にかかる流体の流速を小さくして、一定の重量を有する粉粒体の浮揚を抑えればよいと考えられる。ところが、熱風の流速を小さくしただけでは、新たな問題が生じ得て、目的達成が困難であった。
【００１９】例えば、従来のラジアントチューブを用いた間接加熱方式の流動層炉（特許文献２の図５（ｂ）参照）において、流体（この例では空気（冷風））の流速を小さくすると、流動状態が弱められ流動層の展開率を小さくすることが可能であるが、流動層の中に静的にラジアントチューブが存在するため、下方から吹き込まれる流体に直接当たらないラジアントチューブの上面に粉粒体が積もり、均一な流動状態が失われるとともに、ラジアントチューブに積もって接している粉粒体が高温になり、著しく温度分布が不均一な流動層を招来してしまう。このような流動層炉では、より高い温度で溶体化処理することが困難であり、熱処理の質が高められない。
【００２０】又、元来、流体として気体（熱風、冷風等）を用いて固体である粉粒体を流動させて流動化を実現する場合に、気体と固体との密度差が大きく、気体の粘度が小さいため、粉粒体の分散は均一に行われ難いと考えられる。従って、一定の重量を有する粉粒体に対し流速を変更して流動層の展開率を小さくするとしても、併せて、質の高い熱処理を実現し得る全域で流動状態の均一な流動層を得るのは、容易ではなく、実際のところ、従来、何ら公に提案がなされていない。
【００２１】本発明は、粉粒体の径のバラツキが流動状態に与える影響や、重量が同じでも形状、大きさによって実質的に流体（熱風）に対する抵抗が変化し流動状態を変え得る、との考えの下、研究、実験が重ねられてなされたものである。本発明は、上記所定の見掛け比重と形状及び径からなる粉粒体を、上記所定の熱風流速で熱しつつ流動させることによって、流動層において、均一な流動状態を維持しつつ、流動の始まりに近い流動状態を、実現している。
【００２２】本発明においては、流動層において熱媒体たる粉粒体の密度が高くなり得るので、伝熱効率は一層高くなる。一方、流動化は生じているため、粉粒体の自由度は確保され、ワークピースは流動層中を自由に移動出来る。粉粒体の密度が高いことから、粉粒体が互いに衝突する確率は高いが、略球状体を呈していること、及び、弱い流動状態であり粉粒体の運動量が小さいこと、により、粉塵の発生は少なく、フリーボードを低くしても粉粒体が流出し難い。
【００２３】尚、粉粒体の見掛け比重とは、固定層状態における、換言すれば、粉粒体の静止状態における、空隙を含んだ比重である。即ち、粉粒体の真比重×充填率に等しい。又、概ね球状体の粉粒体の径とは球状体の短軸及び長軸の平均値をいう。
【００２４】本発明においては、粉粒体の成分を限定するものではなく、一般に自然砂の主成分である二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等、あるいはその他成分の人工粉粒体であってもよい。好ましくは、二酸化ケイ素を主成分とする粉粒体である。粉塵爆発することがなく、より安全であり、入手し易く、安価であるからである。具体的に、粉粒体として、ベトナム産のカムランケイ砂、オーストラリア産のフラタリーサンド等を、粒度分布毎に分離して選別したものを採用することが出来る。
【００２５】従来、例えば特許文献２に示されるラジアントチューブを用いた間接加熱方式の流動層炉では、流動層の展開率は１５０％以上を必要としていたが、本発明の流動層式熱処理炉では、流動層の展開率を１２０％以下とすることが可能である。より好ましくは展開率１１０％以下とする態様であり、炉体を更にコンパクトにすることが可能になる。尚、展開率とは、流動前の静的な粉粒体の充填高さ（固定層高さ）に対する流動後の動的な粉粒体の高さ（流動層高さ）の比をいう。
【００２６】又、上記従来の流動層炉では、粉粒体の充填高さに対するフリーボード高さは５倍以上を要していたが、本発明の流動層式熱処理炉では、２．５倍以下とすることが可能である。より好ましくは粉粒体の充填高さに対するフリーボード高さは２倍以下である。尚、フリーボードとは、充填される粉粒体の流動層上に存在する炉体内の天井面までの自由空間をいうが、フリーボード高さとは粉粒体が静止した状態での固定層上の高さである。
【００２７】本発明は、上記所定の見掛け比重と形状及び径からなる粉粒体を、上記所定の熱風流速で熱しつつ流動させることによって、上記の如く小さな展開率であっても、均一な流動状態を維持することが出来る。又、上記本発明の特徴、及び、それから導出される上記小さな展開率、均一な流動状態であることによって、上記の如く低いフリーボード高さであっても、粉粒体や粉塵が流出し難い。そして、コンパクトな熱処理炉でありながらワークピースに質の高い熱処理を施すことが可能である。
【００２８】続いて、本発明の流動層式熱処理炉について、図面に基づき、より具体的に説明する。図１は、本発明の流動層式熱処理炉の一実施形態を示す概略断面図である。流動層式熱処理炉３は、炉体３９内に流動層１３を有し、熱風管１４が流動層１３中に浸漬され、ワークピース１１を流動層１３中で熱風管１４の上部において熱処理する、密閉構造の炉である。
【００２９】流動層１３は、ベトナム産のカムランケイ砂からなる概ね球状体の粉粒体により構成されている。この粉粒体は、見掛け比重が１．７、径が１００〜８００μｍφのものが９５％以上、且つ、４００〜６００μｍφのものが７０％以上を占めるように選別したものである。粉粒体は、熱風管１４から流速０．１ｍ／ｓｅｃで吹き込まれる熱風により流動し加熱され均一に混合される。
【００３０】熱風製造装置５は、図示しない（送風）ブロワより送られる空気を火炎により暖めるもので、その熱風は温度調節され、上記流速で、ヘッダー管及び分散管からなる熱風管１４を経て炉体３９内に吹き込まれ、流動層１３を形成する。吹き込まれた熱風は、排気として炉体３９外へ排出され、炉体３９内の圧力は一定に保たれる。
【００３１】流動層式熱処理炉３において、粉粒体の充填高さである固定層高さＨｓは８００ｍｍであり、粉粒体を流動させた流動層高さＨａは８５０ｍｍである。従って、これらの比、即ち展開率Ｈａ／Ｈｓは１．０６２５（約１０７％）である。又、充填される粉粒体の固定層上面から炉体内の天井面までの高さであるフリーボード高さＨｆは１７００ｍｍである。従って、Ｈｆ／Ｈｓは概ね２．１２５（約２．２倍）である。尚、高さＨａ、Ｈｓの基準となる下面は、熱風管１４の分散パイプノズル部を通る水平面である。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の流動層式熱処理炉は、流動層を形成する粉粒体の見掛け比重、形状、径と、流動層を形成するための熱風の流量を規定したので、従来より一層コンパクトで、搬入が容易な、設置場所の制約のない炉になり、尚且つ、流動層の流動状態が均一で、粉粒体の流出が抑制されてより安全に、より質の高い熱処理を行うことが可能な炉である。本発明の流動層式熱処理炉の用途として、例えば、機械的性質向上効果を薄肉化に結実させ軽量化させることにより燃費の向上が図れる車両用ホイールの熱処理を挙げることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流動層式熱処理炉の一実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
３…流動層式熱処理炉、５…熱風製造装置、１１…ワークピース、１３…流動層、１４…熱風管、３９…炉体。
【図１】
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