(57)【要約】【課題】段差や凹凸を有する複雑な表面形状の金属部材の加熱において、加熱速度が大きいという誘導加熱の利点は保持したままで表面全体をできるだけ均等に加熱する。【解決手段】金属部材の加熱すべき面と誘導加熱コイルとの距離が加熱すべき面の部位によって異なる状態で、前記加熱すべき面のいかなる部位においても目標加熱温度を超えない温度範囲まで誘導加熱を行ない、次いで前記加熱すべき面全体を前記目標加熱温度にするように、炉や赤外線源などの金属部材の外部に設けた熱源により加熱する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材の加熱方法において、金属部材の加熱すべき面と誘導加熱コイルとの距離が加熱すべき面の部位によって異なる状態で、前記加熱すべき面のいかなる部位においても目標加熱温度を超えない温度範囲まで誘導加熱を行ない、次いで前記加熱すべき面全体を前記目標加熱温度にするように金属部材の外部に設けた熱源により加熱することを特徴とする金属部材の加熱方法。
【請求項２】
金属部材の外部に設けた熱源は、加熱された炉壁に囲まれた中に金属部材を収容する炉であることを特徴とする請求項１記載の金属部材の加熱方法。
【請求項３】
金属部材の外部に設けた熱源は、金属部材の周囲に設置された赤外線放射装置であることを特徴とする請求項１記載の金属部材の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に表面に段差や凹凸を有する金属部材の表面を熱処理などのためにできるだけ均一な温度に迅速に加熱する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属部材の加熱において誘導加熱は表皮効果のため被加熱物の表面を集中的に加熱できるので、表面焼入れなどに多く利用されている。さらに誘導加熱は被加熱物自体が発熱するので急速に温度上昇し、このため炉加熱に比べて熱処理時間が著しく短縮できるので大量生産工程に適しており、被加熱物全体を加熱する必要がある場合にも使用されている。しかしながら表面に段差や凹凸を有する部材の場合、均一な加熱が困難であるという問題がある。例えば図２に示したような段差を有する回転体の周面を加熱する場合、単純な円筒状のコイルを使用すると突き出た部分に誘導電流が集中し、特にコイルとの距離が小さい部位は他の部位より高温になる。このような現象を緩和するには部材の段差などの形状に合わせたコイルを用意すれば良いが設計が難しい。しかも部材の形状が変われば形状の異なるコイルを用意しなければならず、これを交換する手間もかかる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は段差や凹凸を有する複雑な表面形状の金属部材の加熱において、加熱速度が大きいという誘導加熱の利点は保持したままで表面全体をできるだけ均等に加熱する方法を提供することを目的とする。またこの場合、それぞれ異なる部材の形状に応じた加熱コイルを使用することなく実施できることを目標とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、金属部材の加熱方法において、金属部材の加熱すべき面と誘導加熱コイルとの距離が加熱すべき面の部位によって異なる状態で、前記加熱すべき面のいかなる部位においても目標加熱温度を超えない温度範囲まで誘導加熱を行ない、次いで前記加熱すべき面全体を前記目標加熱温度にするように金属部材の外部に設けた熱源により加熱することを特徴とする金属部材の加熱方法である。ここにおいて前記金属部材の外部に設けた熱源は、金属部材を加熱された炉壁に囲まれた中に収容する炉であっても、また金属部材の周囲に設置された赤外線放射装置であってもよい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の金属部材の加熱方法においては、まず誘導加熱を行なってある温度まで加熱を行い、次いで金属部材の外部に設けた熱源により加熱することにより、金属部材表面全体を目標加熱温度、すなわち最終的に加熱すべき温度にする。図１は本発明における誘導加熱方法を示す断面図であって、図２に示した金属部材１を加熱している状況を示している。このように表面に段差や凹凸を有する複雑形状の部材を対象とする場合でも、誘導加熱コイル２はこれに合わせた均一な昇温を狙った形態にする必要はなく、このような単純な円筒のコイルが使用できる。上記のように金属部材の加熱すべき面と誘導加熱コイルとの距離が加熱すべき面の部位によって異なる状態で誘導加熱を行なうと、突出した部位に誘導電流が集中し、この中でもコイルとの距離が近い部位の昇温が著しくなる。すなわち図１において符号３で示した部位（クロス・ハッチングの部位）の昇温が著しく、特に符号４で示した部位が最も高い温度になる。
【０００６】
誘導加熱における加熱温度であるが、加熱すべき面のいかなる部位においても目標加熱温度を超えない範囲にする。つまり図１に示したような金属部材１を最終的に５００℃に加熱する積もりなら、最も昇温が著しい符号４の個所においても５００℃を超えないようにする。最終的に５００℃に加熱する場合において、ある個所では例えば６００℃といった温度まで加熱してその後均熱化した方が全工程における加熱時間は短くできる。しかしながら金属部材において多くの場合、最終的な目標温度より高い温度まで加熱された個所は材質的な問題が生ずるので、いかなる個所においても加熱すべき温度を超えない範囲にしたのである。特に焼戻しにおいては所定の焼戻し温度以上に一旦加熱されてしまえば、その後温度を低下させても到達した最高温度で焼戻ししたのと全く同じ結果になってしまうので、このことは特に重要である。
【０００７】
誘導加熱における加熱温度の制御方法であるが、予め知られている最高温になる個所を放射温度計や熱電対などで測定しつつ加熱すれば良い。本発明の金属部材の加熱方法は同一形状の被加熱材を大量に処理することを主たる目的としており、この場合はコイル電流や通電時間などの加熱条件を一定にすれば加熱温度はほぼ同じになるので、毎回温度測定をする必要はない。
【０００８】
上記のようにして誘導加熱された金属部材は、次いで直ちに加熱すべき面全体を目標加熱温度にするように金属部材の外部に設けた熱源により加熱する。つまり誘導加熱のような金属部材自体の発熱ではなく、金属部材外部からの熱エネルギーの注入により加熱するものである。加熱における熱エネルギー伝達の態様には輻射、対流、熱伝導があることが知られているが、これらのいずれによっても良く、またこれらの２以上の組合せであっても良い。なおここで金属部材の加熱すべき面全体を目標加熱温度にするとしたのは、必ずしもすべての場合において金属部材の内部まで全体を均一な温度に加熱しなくてもよいからである。たとえば表面焼入れをするためなら表面焼入れすべき面全体が目標加熱温度になればよい。
【０００９】
前記のような誘導加熱によって部分的に高温になった金属部材は、部材内における熱伝導によって高温部分から低温部分への熱移動が生ずる。このため誘導加熱が終了すると、もはや加熱されなくなった高温部分は急速に冷却が始まる。このとき直ちに金属部材の外部に設けた熱源により加熱することによって、加熱すべき温度に対する熱量の不足分を補うとともに、部材内部の熱伝導と部材外部からの加熱によって加熱すべき面全体を均等に温度上昇させる。このように誘導加熱と金属部材の外部に設けた熱源による加熱とを併用することにより、従来の炉加熱など金属部材の外部に設けた熱源による加熱のみの場合に比べて、誘導加熱と合わせた加熱時間をたとえば３分の１から４分の１といった大幅に短縮できる。
【００１０】
金属部材の外部に設ける熱源としては、加熱された炉壁に囲まれた中に金属部材を収容する加熱炉がある。図３は本発明における加熱炉の例として箱型炉を示す断面図である。耐火物の炉壁６で囲まれた中に被加熱物である金属部材１を収容するようになっており、紙面と平行な手前の面は耐火物を内張りした扉になっている。そしてニクロム線、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ線などの金属発熱体７が炉壁に沿って設けられており、通常は炉内雰囲気温度が金属部材を加熱すべき温度になるように加熱が制御される。このような炉を使用した場合、炉から金属部材への熱エネルギーの伝達は炉内雰囲気による対流、発熱体からの輻射、さらに金属部材を載置した炉床板８からの熱伝導によってなされる。また上記箱型炉と同様な形態の炉において、紙面と平行な両側の面に出入口を設けてチェーンコンベアやローラにより被加熱物を搬送するようにすればトンネル炉とすることもできる。
【００１１】
また図４は本発明における加熱炉の他の例を示すものであって炉内に耐熱鋼製の炉芯管９を挿入しており、これにより炉芯管内部を窒素などの非酸化性雰囲気にして被加熱物の酸化を防止する。なお図４の炉においては炭化珪素などの非金属発熱体１０を使用しているが、この例においては発熱体は被加熱物に直接対向しないので、輻射による熱エネルギーの伝達の比率は低くなる。なお熱源は図３や図４に示したような電気に限定されずガス加熱や液体燃料による加熱でもよい。ガス加熱や液体燃料による加熱の場合、バーナーの火炎を炉内に直接吹き込む方法と、炉内に設けた輻射管（ラジアント・チューブ）内で燃焼させて炉外に排気する方法とがある。どちらの方法をとるかによって熱エネルギー伝達における輻射、対流、熱伝導の比率は変わって来るが、いずれの方法でも良いことは当然である。
【００１２】
また本発明における金属部材の外部に設けた熱源として、炉の他に金属部材の周囲に設置された赤外線放射装置を使用できる。赤外線は波長０．７８μｍから１ｍｍ程度までの電磁波であって、本発明においては遠赤外線と特に称される波長５．６μｍ以上のものも含まれる。赤外線による加熱はいわゆる金属光沢を有する金属材料では赤外線を吸収ぜず反射してしまうので適しないが、焼入れをして表面に酸化皮膜が生じた状態の鋼材の焼戻しなどには適用できる。焼戻しは通常２００〜４００度といった低温なので、炉よりも設備が簡易な赤外線加熱が特に適している。
【００１３】
赤外線の線源としてはＪＩＳ規格品である赤外線電球やこの他に石英管に電熱線が封入されたシース・ヒーターなどが使用できる。また照明用として多く使用されているハロゲンランプも赤外線加熱用として設計されたものが製造されており、これも使用できる。またさらに電熱線が封入された金属管などの表面に酸化ジルコニウムなどの特に遠赤外線の放射性能が優れたセラミックスを塗布したものも好適である。また炉の場合と同様に熱源は電気に限定されず、たとえばガス加熱によりセラミックの格子（スケルトン）を赤熱状態にしたものなども使用できる。
【００１４】
また加熱装置の形態としては、暖房用の反射型の電気ストーブと同様な赤外線を開放された空間に放射する、いわゆる開放型バンクであっても、また保温機能がある壁に囲まれた中に赤外線源を設けたものであってもよい。このような壁に囲まれた中に赤外線源を設けたものは連続処理のために両側に部材の出入口を設けたトンネル状の形態にすることもできる。上記のように壁に囲まれた中に赤外線源を設けた場合は輻射だけでなく対流などによる伝熱もある程度寄与するものであり、炉と比較した輻射、対流、熱伝導の比率の相違は程度の違いとも言える。
【００１５】
図５は本発明における赤外線加熱装置の例を示す図であって、箱型の保温壁１３に囲まれた中に遠赤外線放射パネル１４が設けられている。遠赤外線放射パネル１４は板状の金属箱の内部に電熱線が封入されており、これによって背面から加熱される金属板の表面に遠赤外線放射物質である酸化ジルコニウム、酸化トリウム、酸化イットリウムの粉末の混合物が塗布されている。被加熱物１は回転テーブル１５の上に乗せられてモータ１６により回転することにより、周囲に均等に赤外線が当たるようになっている。
【００１６】
上記炉加熱や赤外線加熱における加熱温度の制御方法であるが、金属部材の温度を熱電対などで測定しつつ加熱すれば良い。また炉においては炉内雰囲気温度を制御した状態にすれば、金属部材の温度推移を始めに実測しておくことにより同一形状の被加熱材については一定時間炉内に収容することにして良い。一方、赤外線加熱の場合には箱型の保温壁内での加熱であっても部材の温度が保温壁内の雰囲気温度以上になることが起こる。しかし同一形状の被加熱材を処理する場合には加熱電力や赤外線照射時間などの条件を一定にすれば加熱温度はほぼ同じになるので、金属部材の温度推移を始めに実測しておけば毎回温度測定をする必要はない。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
図１および図２に示した形状の、円筒部分が段差になっていてそれぞれの外径が３２ｍｍ、８４ｍｍおよび１４５ｍｍで全長が２３５ｍｍの鋼の材料を本発明の加熱装置によって加熱した。目標加熱温度７６０℃に対し、まず図１に示した全長が同一径のコイル２内で４５秒間誘導加熱して外径１４５ｍｍの部分の角部（図１の符号４の個所）が７４０℃になるまで加熱した。これを７６０℃に設定された図４に示した炉に直ちに移したところ、１８分後には円筒部分の表面全体が７６０±５℃になった。これに対し誘導加熱すること無しに上記の設定温度７６０℃の炉内で加熱した場合は、材料表面全体が７６０±５℃になるのに６５分必要であった。
【００１８】
（実施例２）
前記実施例１と同じ形状の鋼の材料を本発明の加熱装置によって加熱したが、この材料の表面は焼入れのときに生成した酸化皮膜で覆われていた。目標加熱温度３００℃に対し、まず実施例１で使用したのと同じ誘導加熱装置により１０秒誘導加熱して外径１４５ｍｍの部分の角部（図１の符号４の個所）が２８０℃になるまで加熱した。これを図５に示した赤外線加熱装置に直ちに移したところ、６分後には円筒部分の表面全体が３００±５℃になった。これに対し誘導加熱すること無しに上記の赤外線加熱装置で加熱した場合は、材料表面全体が３００±５℃になるのに２５分必要であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は表面に段差や凹凸を有する金属部材を誘導加熱する場合に、金属部材の加熱すべき面と誘導加熱コイルとの距離が加熱すべき面の部位によって異なるために、面全体を均一温度にできない問題を解決したものである。すなわちまず誘導加熱によって金属部材のどの部位も目標加熱温度を超えない温度範囲まで昇温し、次いで加熱すべき面全体を前記目標加熱温度にするように炉や赤外線源などの金属部材の外部に設けた熱源により加熱することにより、従来の均一加熱のためにはもっぱら炉加熱に依らざるを得なかった場合に比べてはるかに短時間で加熱ができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における誘導加熱方法を示す断面図
【図２】本発明が加熱対象とする金属部材の例を示す図
【図３】本発明における加熱炉の例を示す図
【図４】本発明における加熱炉の例を示す図
【図５】本発明における赤外線加熱装置の例を示す図
【符号の説明】
１    金属部材
２    誘導加熱コイル
６    炉壁
７    金属発熱体
８    炉床板
９    炉芯管
１０    非金属発熱体
１３    保温壁
１４    遠赤外線放射パネル
１５    回転テーブル
１６    モータ
【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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