(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなるワークピースの熱処理に用いられ、炉体内に備わる熱風管を介して吹き出る熱風により熱せられ流動する流動層を有する回転式熱処理炉であって、
前記熱風管は、前記炉体内に設けられた前記流動層中に浸漬され、
前記流動層中であって前記熱風管の上部において、前記ワークピースを回転させ熱処理するワークピース回転手段を備え、そのワークピース回転手段が、ワークピースを載置し前記流動層中を回転する炉床と、前記炉体の中心に配置された回転軸と、前記回転軸を介して前記炉床を回転させる駆動機とを備えることを特徴とする回転式熱処理炉。
【請求項２】
前記回転軸が、遮断壁によって前記流動層と隔離されている請求項１に記載の回転式熱処理炉。
【請求項３】
前記ワークピース回転手段が、
前記炉床を断続的に移動させるピッチ送りであり、送り時間及び停止時間が任意に調節可能である請求項１又は２に記載の回転式熱処理炉。
【請求項４】
前記ワークピースを、前記炉体内へ入れるための搬入口、及び、前記炉体外へ出すための搬出口において、
炉体外部と前記流動層内部とを接続する導入壁を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の回転式熱処理炉。
【請求項５】
金属からなるワークピースを溶体化処理し、次いで時効処理を行い、前記ワークピースの機械的特性を向上させる熱処理方法であって、
熱風管が、炉体内に設けられた流動層中に浸漬され、
前記流動層中であって前記熱風管の上部において、ワークピースを回転させ熱処理するワークピース回転手段を備えるとともに、そのワークピース回転手段が、ワークピースを載置し前記流動層中を回転する炉床と、前記炉体の中心に配置された回転軸と、前記回転軸を介して前記炉床を回転させる駆動機とを備えた、それぞれ別の回転式熱処理炉を、前記溶体化処理及び時効処理に用い、
前記溶体化処理において排出されるガスの持つ排熱を、熱交換器によって前記時効処理の熱源として利用することを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の熱処理に用いる熱処理炉、熱処理装置、及び、熱処理方法に関する。詳細には、金属製品、例えばアルミニウム合金からなる自動車用足廻り部品の、機械的強度向上のために行う熱処理に用いる回転式の熱処理炉と、その熱処理炉を組み込んだ熱処理装置、及び、その熱処理装置を用いた熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属を熱処理して金属内部の組成構造を変化させることによって、機械的強度を向上させることが出来ることが知られている。
高い機械的強度が求められる製品、例えば、自動車用足廻り部品に適用するアルミニウム（Ａｌ）合金として、Ａｌ−Ｓｉ系Ａｌ合金や、Ａｌ−Ｓｉ系Ａｌ合金を基本組成として、更に、他元素のＣｕ、Ｍｇ等を含有した多元Ａｌ−Ｓｉ系合金が用いられている。
【０００３】
Ａｌ−Ｓｉ系合金に少量のＭｇを添加した合金として、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨがあり、これらの合金はＭｇ2Ｓｉの中間相の析出による熱処理効果で強度を高めているものである。特に、ＡＣ４Ｃや、Ｆｅを０．２０質量％以下含有して靭性を高めたＡＣ４ＣＨは自動車等の車両ホイール用合金として用いられている。更に、Ａｌ−Ｓｉ系合金に少量のＭｇ及びＣｕを添加した合金も用いられており、Ｍｇ2Ｓｉの中間相による析出硬化とＣｕの固溶硬化、Ａｌ2Ｃｕの中間相による析出硬化等により強度を向上させている。
【０００４】
上記のように、例えば、Ａｌ合金の高強度化は、他元素の添加とそれによる中間相の時効析出によって得られるものであり、時効析出のための熱処理は、溶体化処理及び時効処理からなる。
【０００５】
溶体化処理は、凝固時に晶出した非平衡相を高温で固溶化させ、その後水冷することによって常温で組成が均一な固溶体を得る熱処理である。
溶体化処理に引き続く時効処理は、比較的低い温度で保持することによって、中間析出相による析出硬化を起こさせるものであり、これらの熱処理により金属、例えばＡｌ合金において、機械的特性の向上を図ることが出来る。
【０００６】
従来、このような溶体化処理及び時効処理としては、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が、溶体化温度までの昇温速度が遅く昇温に時間がかかり、しかも、処理装置が大型となり装置初期コストが高価とならざるを得ず、又、運転操作が煩雑で人手が多くかかる上に昇温及び温度保持のための熱エネルギーが膨大であるため、運転コストも高くなるという問題があった。その結果、コスト競争力が低下し、熱処理した金属製品の機械的強度が優れているにもかかわらず、製品が普及し難かった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンパクト故に設備コストが安価で、省スペースであり、熱エネルギーロスを徹底的に防止するとともに、運転の全自動化を図り、運転コストを低減した熱処理炉、熱処理装置、及び、熱処理方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、金属からなるワークピースの熱処理に用いられ、炉体内に備わる熱風管を介して吹き出る熱風により熱せられ流動する流動層を有する回転式熱処理炉であって、熱風管は、炉体内に設けられた流動層中に浸漬され、流動層中であって熱風管の上部において、ワークピースを回転させ熱処理するワークピース回転手段を備えることを特徴とする回転式熱処理炉が提供される。
【０００９】
ワークピース回転手段は、ワークピースを載置し流動層中を回転する炉床と、炉体の中心に配置された回転軸と、回転軸を介して炉床を回転させる駆動機とを備え、回転軸が、遮断壁によって流動層と隔離されていることが好ましい。又、ワークピース回転手段は、炉床を断続的に移動するピッチ送りであり、送り時間及び停止時間が任意に調節可能であることも好ましい。
【００１０】
又、本発明の回転式熱処理炉においては、ワークピースを、炉体内へ入れるための搬入口、及び、炉体外へ出すための搬出口において、炉体外部と流動層内部とを接続する導入壁を有することが好ましく、その搬入口及び搬出口には、エアカーテン又は／及び集塵機を備えることが好ましい。又、搬入口が、搬出口を兼ねることも好ましい。搬入時及び搬出時の炉圧の変動を防止するためのダンパー機構を備えることも好ましい。
【００１１】
更に、本発明の回転式熱処理炉においては、熱風管が、ヘッダー管と分散管とからなり、ヘッダー管はリング状であり、分散管はノズル又は小孔を有する概ね円筒状であり、分散管が、垂直方向にヘッダー管と炉床の間に位置し、水平方向にヘッダー管のリングの中心から放射状に配置されることが好ましい。熱風管の熱風吹込口は、搬入口又は搬出口の何れかの開口部の下部に配置されることが好ましい。
【００１２】
本発明の回転式熱処理炉においては、自動温度調節機構を有していて、例えば、自動温度調節機構は、炉体の隅に複数の温度計測器を備え温度を計測し、計測温度を基に、ガス量を変更することで吹き込む熱風の温度を制御し流動層内の温度を調節可能であることが好ましい。
【００１３】
又、自動流動層界面調節機構を有していて、自動流動層界面調節機構は、炉体の隅に少なくとも１基の流動層界面計測器を備え界面を計測し、計測界面を基に、炉体上部に備えた粒状物供給機により、粒状物を補給することで流動層界面を調節可能であることが好ましい。
ワークピースは、例えばアルミニウムホイールを好適に処理することが出来る。
【００１４】
又、本発明によれば、上記した回転式熱処理炉を、溶体化処理炉及び／又は時効処理炉として用いた熱処理装置であって、溶体化処理炉と時効処理炉の他に、少なくとも耐熱集塵機、熱交換器を備え、溶体化処理炉の排ガスを耐熱集塵機により除塵した後に、熱交換器によって排ガスの持つ廃熱を回収し、時効処理炉の熱源として利用することを特徴とする熱処理装置が提供される。
【００１５】
本発明の熱処理装置においては、ワークピースを回転式熱処理炉へ搬入及び搬出するための自動搬送機を備えることが好ましい。自動搬送機には、例えばガントリーを好適に用いることが出来る。
【００１６】
更に、本発明においては、金属からなるワークピースを溶体化処理し、次いで時効処理を行い、ワークピースの機械的特性を向上させる熱処理方法であって、熱風管が、炉体内に設けられた流動層中に浸漬され、流動層中であって熱風管の上部において、ワークピースを回転させ熱処理するワークピース回転手段を備えた回転式熱処理炉を、溶体化処理及び／又は時効処理に用い、溶体化処理において排出されるガスの持つ排熱を、熱交換器によって時効処理の熱源として利用することを特徴とする熱処理方法が提供される。
ワークピースとして、例えばアルミニウムホイールを好適に処理することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明は、金属製品、例えば、アルミニウム合金をワークピースとして、溶体化処理を施した後に急冷し、次いで時効処理を行う装置であるが、本装置を用いて、これらの処理を施すことにより、例えば、車両用ホイール等の所望の用途に適用し得るように、金属製品の機械的特性を向上させることが出来る。
本発明の熱処理装置においては、特に、ワークピースが炉体内で円を描くように回転して熱処理され、流動層を備えたコンパクトな回転式熱処理炉を、溶体化処理及び／又は時効処理用の炉に採用しているところに特徴がある。流動層は、内部の温度が概ね均一になるとともに伝熱効率がよいため、溶体化処理温度までの昇温時間を短縮することが出来る。又、コンパクト化によって、熱処理炉そのものの製造コスト低減だけでなく、連絡配管、架台、サポート、ワークピース搬送機等の部材、周辺機器のコスト低減も必然的になされ、又、必要な配置スペースが縮小（土地コストが低減）出来、装置運搬を含む設置工事コストも低減可能である。
【００１８】
本発明の熱処理装置においては、溶体化処理炉の排ガスの持つ廃熱を回収し、時効処理炉の熱源として再利用することにも特徴がある。溶体化処理温度は概ね５５０℃であり、時効処理温度は概ね１８０℃であるため、溶体化処理の排ガスの持つ廃熱は、熱交換器の熱回収率を考慮しても時効処理の熱源として充分な熱量を有する。従って、時効処理炉に供給する熱量分の運転コストを削減出来る。
尚、設備として熱交換器が追加となるが、時効処理用の熱風製造装置、例えば熱風炉が不用となるため、設備コストも低減することが可能となる。
【００１９】
更には、本発明の熱処理装置においては、ワークピースの搬入搬出や、流動層内の温度コントロール、あるいは流動層の界面レベルコントロールを自動化しているという特徴を有し、通常の運転に人手を殆ど介せずに、安定した熱処理を行うことを実現している。
【００２０】
続いて、図面に基づき、本発明の回転式熱処理炉及び熱処理装置について、詳細を説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係る熱処理装置の一実施例を示す上面からみた図である。熱処理装置１は、溶体化処理炉２、時効処理炉３、耐熱集塵機６、熱交換器７、自動搬送機８、及び、熱風製造装置４，５を主な構成機器とする。尚、上記したように時効処理炉３に付帯する熱風製造装置５は設置しなくてもよいが、本実施例ではバックアップ用として備えている。
【００２２】
ワークピース１１は、以下のような流れで処理される。先ず自動搬送機８によって溶体化処理炉２に移動し、搬入口２１から溶体化処理炉２内に入れられ、高温にて溶体化処理される。溶体化処理を終えると搬入口２１から炉外に出て、自動搬送機８を経て焼入水槽９内に浸漬され急速冷却されて常温に戻される。次いで、自動搬送機８を経て時効処理炉３に移動し、搬入口３１から時効処理炉３内に入れられ、中低温にて時効処理が行われる。時効処理を終えると搬入口３１から炉外に出て、元の位置に戻る。
【００２３】
自動搬送機８は、特に限定されるものではなく、例えばガントリーを用いることが出来る。図１に示す自動搬送機８では、ワークピース１１を把持するハンドが２本のレールを伝わって移動し、図示しない昇降機によって溶体化処理炉２又は焼入水槽９あるいは時効処理炉３にて搬入出が行われるものとした。図１のように、溶体化処理炉２の搬入口２１と焼入水槽９と時効処理炉３の搬入口３１とを、処理順序に合わせて直線状に並べるレイアウトが、より低コスト化出来、搬送時間が縮まるので好ましい。
【００２４】
溶体化処理炉２には、後述する回転式熱処理炉を用いる。ワークピース１１は搬入口２１から流動層内に入れられ溶体化処理される。
溶体化処理は、ワークピース１１が、例えば、車両用ホイールに使用されるＡｌ合金の場合において、以下の処理が行われる。
【００２５】
溶体化温度までの昇温は３０分以内という急速昇温で行う。こうすると、全体の溶体化処理時間を短く出来、又、共晶組織のむやみな粗大化を防止し且つ球状化することが出来、強度とともに延性（伸び特性）を向上出来る。溶体化温度までの昇温時間は、より好ましくは２０分以内、更に好ましくは３〜１０分という短時間である。溶体化温度までの昇温を３０分を超えた時間で行うと、Ａｌ合金の共晶組織が粗大化し好ましくない。溶体化温度は５３５〜５５０℃の範囲であり、５４０〜５５０℃がより好ましい。
【００２６】
流動層の適用は、従来の空気を熱媒体とする雰囲気炉に対して次のような利点を有する。
流動層内においては、粒状物が熱風により加熱され、且つ、均一に混合されて形成されており、流動層内部の温度が概ね均一（約±２〜３℃）になるとともに伝熱効率がよいことから、溶体化処理温度までの昇温時間を短縮することが出来る。溶体化温度における保持時間は、２５分〜３時間とすることが好ましい。溶体化温度での保持時間が２５分未満と短すぎると、得られるＡｌ合金の延性が劣り、又、保持時間が３時間を超える場合でも、Ａｌ合金の共晶組織が粗大化して同様にＡｌ合金の延性が低下する。
【００２７】
時効処理炉３にも、回転式熱処理炉を用いる。ワークピース１１は搬入口３１から流動層内に入れられ時効処理される。流動層を用いることで昇温時間が速められ時効処理時間の短縮を図ることが出来る。溶体化処理と同様に、ワークピース１１が、車両用ホイールに使用されるＡｌ合金の場合においては、時効処理は数分で１６０〜２００℃まで昇温し、その温度で数１０分〜数時間保持することが好ましく、１７０〜１９０℃が更に好ましい。
【００２８】
耐熱集塵機６は、溶体化処理炉２及び時効処理炉３から排出されるガスを高温のまま通して集塵する。溶体化処理炉２から出る排ガスは耐熱集塵機６を通って図示しない配管を経て熱交換器７へ送られ、熱が回収された後に放散される。新たに熱を受け取り高温となった熱風は図示しないブロワー及び配管を経て時効処理炉３へ送られ熱処理に用いられる。時効処理のために熱風を製造するエネルギーが不用となるので大幅な運転コスト低減が実現される。溶体化処理炉２に付帯する熱風製造装置４は常時稼働するが、時効処理炉３の熱風製造装置５は通常は稼働せず、本実施例においては予備機であり設置しなくともよい。
【００２９】
溶体化処理炉２から出る排ガスを集塵した後に、直接、時効処理炉３に吹き込むことは、熱回収の点で効率よく、熱交換器７を設置不用となるので更なる設備コストの低減にもなるが、耐熱集塵機６の能力や長期の運転安定性、あるいは温度調節の容易さを考慮すると熱交換器７を用いて新たな空気を昇温する方法が好ましい。
【００３０】
続いて、溶体化処理炉２及び時効処理炉３に用いられる回転式熱処理炉について、図２、図３に基づき説明する。
図２は、本発明に係る回転式熱処理炉の一実施例を示す図で、図１におけるＡＡ断面矢視方向の断面図であり、時効処理炉３を示すが、構造は溶体化処理炉２でも同じである。ここでは、時効処理炉３を例に回転式熱処理炉の説明を行う。又、図３は回転式熱処理炉内に設置される熱風管の平面図である。
【００３１】
回転式熱処理炉（時効処理炉３）は、炉体内に流動層１３と雰囲気層１４を有していて、ヘッダー管３４と分散管３５からなる熱風管が、炉体内に設けられた流動層１３中に浸漬され、ワークピース１１を、流動層１３中で且つ熱風管の分散管３５上部において回転させて熱処理する炉である。ワークピースを回転させる手段は、ワークピース１１を載置して流動層１３中を回転する炉床と、炉体の中心に配置された回転軸と、回転軸を介して炉床を回転させる駆動機３３とを備えている。ワークピース１１を回転させることによって炉体のコンパクト化が可能となり、低コストが実現された。ワークピース１１の回転は、炉床を断続的に移動するピッチ送りが好ましく、送り時間及び停止時間が任意に設定可能であり、トータルの熱処理時間が調節可能であることが好ましい。
【００３２】
炉体内において、粒状物がヘッダー管３４と分散管３５からなる熱風管を浸漬するように充填され、この粒状物が分散管３５から吹き込まれる熱風により流動化されるとともに加熱され、均一に混合されて流動層１３が形成される。熱風製造装置５は、例えば、図示しないブロワー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、熱風管（ヘッダー管３４及び分散管３５）を経て流動層１３に吹き込まれる。粒状体抜口（ドレン）３６は図示しない弁の付いた排出口であり、適宜粒状物を外部に排出する。
流動層１３は、容器加熱方式や間接加熱方式、更に直接加熱方式が知られていて、何れの方式も適用可能であるが、熱風の直接吹込みによる直接加熱方式により流動層を形成することが、流動層中の温度分布が良好になることから好ましい。
【００３３】
本発明の回転式熱処理炉では、炉床を廻す回転軸は、遮断壁によって高温の流動層１３と隔離されているため、回転軸の軸受けが流動層１３を構成する粒状体を噛み込む等の問題が生じ難く、安定した運転が長期にわたり実現される。回転軸は、シール部３８により遮断壁を通し、炉床と接続されている。流動層から遮断された回転軸部分には、炉圧より正圧となるようにコンプレッサー等から圧力空気が吹き込まれ粒状体の侵入を防止している。
【００３４】
ワークピース１１を、回転式熱処理炉内へ入れるための搬入口３１は炉体外へ出すための搬出口を兼ねていて、開口部が少なく熱の放出ロスが少ない。又、搬入口３１には、炉体外部と流動層１３内部とを接続する導入壁３７が設けられ、これによって雰囲気層１４からの熱放出ロスを低減している。本発明の熱処理装置においては、溶体化処理炉の排ガスの持つ廃熱を時効処理炉に再利用して省エネルギー化を図っているが、このように熱処理炉単体においても省エネルギー化に努めている。
【００３５】
搬入口３１には、開口部からの粉塵発生防止を図るために図示しないエアカーテンや集塵機を備えていることが好ましい。更には、搬入口３１を開閉する際に生じ易い炉圧の変動を防止するために、図示しないダンパー機構を備えていることも好ましい。
【００３６】
図３に示すように、熱風管のヘッダー管３４はワークピース１１を載せた炉床の回転に合わせてリング状に形成される。分散管３５は、垂直方向においてヘッダー管３４と炉床の間に位置し、水平方向にはヘッダー管３４のリングの中心から放射状に配置されていて、その一つ一つは概ね円筒状であり、熱風を放散するノズルや小孔を有している。分散管３５の吹き込み口は、搬入口３１の下部に配置されていて、搬入出時に搬入口３１が開口しても温度低下が起き難く、熱処理がより安定する。
【００３７】
本発明の回転式熱処理炉においては、省マンパワーのため、自動温度調節機構を有することが好ましい。例えば、図１に示すような炉体が四角形の場合に、四角形の四隅に各々温度計測器を備え、計測温度を基に、ガス量調節弁によって吹込熱風温度を制御する機構を備えることが好ましい。
【００３８】
又、自動流動層界面調節機構を有することが好ましい。自動流動層界面調節機構としては、例えば、同じく図１に示すような炉体が四角形の時に、四角形の何れかの隅に１基の流動層界面計測器を備え、計測界面を基に、炉体上部に備えた粒状物供給機によって粒状物を補給する機構を備えることが好ましい。更に詳細には、流動層界面計測器とは、例えば、透明な耐熱ガラスを通して光電管にて流動層を構成する粒状体の界面を計る機器である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の回転式熱処理炉、その熱処理炉を用いた熱処理装置、及び、熱処理方法によれば、装置がコンパクトになるが故に設備コストが安価で、省スペースであり、又、熱エネルギーの再利用や熱ロスの防止によって運転コストを低減し、更に、運転の全自動化が図られ、省マンパワーを実現することが出来る。その結果、本発明の熱処理装置を用いて熱処理した金属製品は、機械的強度が優れていて、且つ、安価となるため、一層の普及が期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る熱処理装置の一実施例を示す平面図である。
【図２】  本発明に係る回転式熱処理炉の一実施例を示す図で、図１におけるＡＡ断面矢視方向の断面図である。
【図３】  本発明に係る回転式熱処理炉の一実施例を示す図で、熱風管の平面図である。
【符号の説明】
１…熱処理装置、２…溶体化処理炉（回転式熱処理炉）、３…時効処理炉（回転式熱処理炉）、４，５…熱風製造装置、６…耐熱集塵機、７…熱交換器、８…自動搬送機、９…焼入水槽、１０…粒状物吐出槽、１１…ワークピース、１２…温度計測器、１３…流動層、１４…雰囲気層、２１，３１…搬入口、２２，３２…排気ダクト、３３…駆動機、３４…ヘッダー管、３５…分散管、３６…粒状体抜口（ドレン）、３７…導入壁、３８…シール部。
【図１】
0004723060.tif 000002
【図２】
0004723060.tif 000003
【図３】
0004723060.tif 000004