(57)【要約】【課題】加熱浸炭処理されたワークを冷却、等温保持、冷却焼入れするに際し、塩浴を用いずして、歪少なく、高品質、高効率焼入れすることができる浸炭ガス焼入れ方法を提供する。【解決手段】浸炭処理したワークを等温保持可能なガス冷却炉に投入し、前記ワークの表面マルテンサイト変態点直上温度での等温保持を介して常温以下の温度へガス焼入れを行う浸炭浸炭ガス焼入れ方法であって、  前記ガス冷却炉の冷却ガスのガス圧、風量、制御目標温度の変更等制御要素の変更を行うことにより前記等温保持の温度までの冷却速度を変化させ、前記ワークの内部と表面のマルテンサイト変態点到達時刻を管理して細かな温度制御を行うことを特徴とする浸炭ガス焼入れ方法。【選択図】      図９
2005344183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭処理したワークを等温保持可能なガス冷却炉に投入し、前記ワークの表面マルテンサイト変態点直上温度での等温保持を介して常温以下の温度へガス焼入れを行う浸炭ガス焼入れ方法であって、
前記ガス冷却炉の冷却ガスのガス圧、風量、制御目標温度の変更等制御要素の変更を行うことにより前記等温保持の温度までの冷却速度を変化させ、前記ワークの内部と表面のマルテンサイト変態点到達時刻を管理して等温保持の制御目標温度を調節することを特徴とする浸炭ガス焼入れ方法。
【請求項２】
前記ガス冷却炉中には、投入ワークを制御目標温度で等温保持することが可能な等温保持室を有し、
前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを再度内部へ出力する循環路が付属され、該循環路は吸引端が２分岐され、一方の分岐管はそのままで他の分岐管には適宜ガスを前記等温保持の温度より十分低い温度に冷却する常温冷媒を用いたクーラが配置され、両分岐管の合流点より後にはガス循環用のファンが配置され、両分岐管には流量制御のための弁が介在され、
前記合流点以後の温度が前記制御目標温度となるよう前記弁を開度調節するコントローラが設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の浸炭ガス焼入れ方法。
【請求項３】
前記ワークの表面位置としては、その代表位置として、表面より０．２〜０．５mm深さの一位置が参照されることを特徴とする請求項１に記載の浸炭ガス焼入れ方法。
【請求項４】
前記ガス冷却炉は、等温保持室並びに冷温ガス冷却室とを有し、前記等温保持室は、制御目標温度を最初は低く、後で高く取り、最終的には表面マルテンサイト変態点温度直上温度で等温保持することを特徴とする請求項１に記載の浸炭ガス焼入れ方法。
【請求項５】
前記ガス冷却炉は、予備冷却室及び等温保持室並びに冷温ガス冷却室を有し、前記ワークの表面温度が等温保持の温度近くなるまで予備冷却室で冷却し、次いで等温保持室で等温保持し、その後冷温冷却室で急冷することを特徴とする浸炭ガス焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に浸炭処理した製品（以下ワークと呼ぶ）を、近年開発された等温保持可能なガス冷却炉に投入し、塩浴なしで、前記ワークの表面マルテンサイト変態点直上温度での等温保持を介して常温以下の温度へガス焼入れを行い、塩浴では為し得なかった高度、高品質の温度焼入れを行うことができる浸炭ガス焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の浸炭焼き入れ方法としては、例えば特開平５−２２２４４５号公報、特開平６−１２２９１９号公報に示されるものがある。
【０００３】
特開平５−２２２４４５号公報に示される浸炭焼入れ方法は、加熱ワークを内部マルテンサイト変態開始温度直上の温度（４００〜４５０℃）に保持した第１の熱浴に侵漬した後、表面マルテンサイト変態点温度直上の温度（２００〜２５０℃）の熱浴に侵漬し、その後冷却することを特徴とする。これは、浸炭処理したワークの内部と表面とでマルテンサイト変態点温度が大きく異なることに鑑みて、両変態のタイミングを一致させ、内部非浸炭部分の変態の均一性を図ろうとしたものである。ここでの第１及び第２の熱浴としては、硝酸カリ及び硝酸石炭等による塩浴が用いられる。
【０００４】
特開平６−１２２９１９号公報に示される浸炭焼入れ方法は、ワーク内部及び表面のマルテンサイト変態点温度が大きく異なることに鑑みて、表面マルテンサイト変態点直上の温度であるマクルエンチ点（２３０℃）までを、急速冷却（例えば２００℃／秒以上）するようにしたものである。急速冷却の仕方については説明されていないが、この種の冷却は、やはり塩浴等の熱浴によらざるを得ず、さらに、撹拌、吹付け等を考慮せねばならず、かつ薄物に限られる。
【０００５】
従来、このように、浸炭ワークは塩浴を用いて等温（恒温）保持し、次いで焼入れ処理されていた。これにより、歯車、スプライン軸、キー溝の有る浸炭部品等の寸法精度を向上させることが行われていた。しかしながら、いずれも塩浴を用いて等温保持の処理を行うため、設備が大変で、作業環境が劣化し、その実施が大変であった、のみならず、条件変更には設備変更を必要とし、ワークに応じて条件変更するのが難しく、結局各種ワークに適用するのが難しかった。
【特許文献１】特開平５−２２２４４５号公報、第１頁、図１
【特許文献２】特開平６−１２２９１９号公報、第１頁、図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、近年本発明者等によって開発された１００〜５００℃の任意の中間温度で等温保持可能な等温保持室を備えたガス冷却炉を用いて、浸炭処理されたワークを任意の冷却パターンで冷却処理することにより、塩浴を用いずして、容易に高品質の浸炭焼入れをすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の浸炭ガス焼入れ方法は、浸炭処理したワークを等温保持可能なガス冷却炉に投入し、前記ワークの表面マルテンサイト変態点直上温度での等温保持を介して常温以下の温度へガス焼入れを行う浸炭ガス焼入れ方法であって、
前記ガス冷却炉の冷却ガスのガス圧、風量、等温保持の制御目標温度の変更等制御要素の変更を行うことにより前記等温保持までの冷却速度を変化させ、前記ワークの内部と表面のマルテンサイト変態点到達時刻を管理して等温保持の制御目標温度を調節することを特徴とする。前記ガス冷却炉中には、投入ワークを制御目標温度で等温保持することが可能な等温保持室を有し、
前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを再度内部へ出力する循環路が付属され、該循環路は吸引端が２分岐され、一方の分岐管はそのままで他の分岐管には適宜ガスを前記等温保持の温度より十分低い温度に冷却する常温冷媒を用いたクーラが配置され、両分岐管の合流点より後にはガス循環用のファンが配置され、両分岐管には流量制御のための弁が介在され、
前記合流点以後の温度が前記等温保持の温度となるよう前記弁を開度調節するコントローラが設けられたものとすることができる。
【０００８】
既に本発明者等によって開発されたガス冷却炉の例としては、例えば国際公開WO 03/080876 A1（ホットガス焼入れ装置及びホットガス熱処理システム）の例がある。これは、循環炉を第１（高温用）及び第２（低温用）の２つの流路に分岐し、両流路に備えた制御窓の開度調節しつつ前記第１及び第２流路の終端位置に備えたミキサ出力温度を制御する基本型のホットガス焼入れ装置等が示されている。このホットガス焼入れ装置によれば、任意の制御目標温度を設定し、炉中に加熱ワークを投入することにより、１００〜５００℃の間で任意に定めた制御目標温度に冷却し、等温保持することができる。その後、同炉又はこれに接続した別のガス急冷室により常温以下の温度に向けてガス急冷することもできる。
【０００９】
そこで、本発明では、等温ガス冷却炉のガス圧、風量、制御目標温度等制御要素の変更を行うことにより、等温保持の制御目標温度を調節し、前記ワークの内部と表面のマルテンサイト変態点到達時刻の夫々を管理する。適切な焼入れ方法としては、従来例で示した第１及び第２の熱浴による２段目標温度の設定や、表面及び内部のマルテンサイト変態開始を同時進行させる例も参考となる。
【００１０】
制御目標温度の変更は、電気コントローラの設定温度を変更するのみで良い。冷却途中、又は等温保持の途中で変更することもできる。±５℃以下、例えば誤差２〜３℃の制御が可能である。特に、等温保持の温度は表面変態点直上温度とするので、これを上下に変動させることは、ワーク表面付近でのマルテンサイト変態を微妙に調節できることを意味する。ガス圧は１〜７Barで調節可能であるので、吹付けガスのガス密度を調節し、冷却速度を変化させることもできる。風量はワーク表面に直接当るガス分子密度であるので、これにより冷却速度を変化させることもできる。ガス圧、風量共に、等温保持の途中で変化させることもできる。
【００１１】
ワークの表面位置としては、実表面でなくその代表位置として、表面より０．２〜０．５mm深さの一位置を参照するのが好ましい。この位置は、即ち浸炭部分の中心位置でもある。例えばワークが歯車であるとき、内部と表面より０．２〜０．５mmの間に定める参照位置とのマルテンサイト変態点を夫々４００℃、２５０℃とし、実表面マルテンサイト変態点２００℃に対して制御目標温度を２２０〜２３０℃と定め、この範囲で制御目標温度を変化させるとき、内部の変態点到達時刻に対し参照位置での変態点到達時間を大幅に前後調節すること等ができる。
【００１２】
前記ガス冷却炉は、ガス冷却室として、等温保持室並びにガス急冷室とを有し、前記等温保持室は、制御目標温度を最初は低く、後で高く取り、最終表面マルテンサイト変態点温度直上温度で等温保持することができる。このようにすれば、表面マルテンサイト変態点温度より低い温度、例えば１５０℃のガスを用いて冷却速度を速め、ＴＴＴ縮図（Ｓ曲線）のノーズに引掛けることのない冷却が可能であり、かつ内部及び表面の温度差を緩和することができる。
【００１３】
また、前記ガス冷却炉は、ガス冷却室として、予備冷却室及び等温保持室並びにガス急冷室を有し、前記ワークの表面温度が等温保持の温度近くになるまで予備冷却室で冷却し、次いで等温保持室で等温保持することができる。
【００１４】
このようにすれば、予備冷却室での比較的急速な冷却を得ることができ、ＴＴＴ線図のノーズに引掛けることのない冷却が可能であり、かつ内部及び表面の温度差を緩和することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上の通り、本発明によれば、任意の中間温度で等温保持可能のガス冷却炉を用いて、浸炭処理されたワークの等温保持までの冷却を行い、制御目標温度、ガス圧、風量等の制御要素の変更により冷却速度を変更し、塩浴を用いず容易に任意の冷却パターンを設定することができ、歪の少ない高品質の熱処理を簡単に行うことができる。ガス冷却であるので、作業環境も大幅に改善される。
【００１６】
等温保持を行うことができるガス冷却炉として、循環路を第１（高温用）、第２（低温用）の２流路に分岐し、夫々に設けた制御窓の開度調節をすることにより、両流路の接合点の温度を制御目標温度に調整する形のものを用いれば、±５℃以下の制御温度で制御でき、制御目標温度を任意に設定できる。ガス圧、風量も自由に変更できる。これら制御要素は冷却及び等温保持の途中で変更でき、制御目標温度が２段、３段に複数段に設定できる。塩浴交換の必要もなく、目標温度変更のスイッチ操作で簡単に実施できる。
【００１７】
ワークの表面より０．２〜０．５mm深さの一位置を参照位置とし、内部及び表面の温度が変態点温度に到達する時刻を管理すれば、ワーク表面及び内部のマルテンサイト変態点到達時刻を調節でき、歪の少ない高品質の浸炭焼入れを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１〜図６は、本発明を実施するのに用いる連続式金属熱処理システムの説明図である。この熱処理システムは、本発明者等によって近年開発されたものであり、未公開部分が多いので、まずその装置概要を説明する。
【００１９】
図１は、前室、加熱室、等温保持室、冷温ガス冷却室を直列接続して成る連続式金属熱処理システム１を示す側断面図である。図２は図１の循環路２の側面図で、炉体部分についてはＦ２−Ｆ２線に沿った断面図で示している。図３は図１の循環路２部分を拡大して示す平面図である。図４は、図１〜図３で示したシステム１の制御説明線図である。
【００２０】
図１において、本発明の実施に用いる連続式金属熱処理システム１は、循環路２を備えた等温保持室３を核として、前部に加熱室４を、後部に冷温ガス冷却室５を備えている。加熱室４の前部には前室６を配置し、全体として、前室６、加熱室４、等温保持室３、冷温ガス冷却室５の順で、ワークＷを順次流し、熱処理する構成である。ワークＷの移送のためには、ローラコンベアＲが設けられている。
【００２１】
加熱室４は、単にワークＷを加熱する真空加熱炉である場合と、加熱ワークＷに浸炭処理を行う浸炭加熱炉の場合がある。浸炭加熱炉の場合には、加熱ヒータの他に、プロパンガス等や滴注剤の注人装置やそれらの排ガスを燃焼排気する補助設備が設けられる。他の浸炭加熱炉で浸炭処理したワークＷを再加熱して浸炭焼入れすることもできる。
【００２２】
前室６は、ワークＷを加熱室４へ供給するために、常圧又は負圧でワークＷを保持するもので、前方に負圧対応用の扉装置７を有する。
【００２３】
加熱室４は、真空状態でワークＷを８２０〜１２５０℃に加熱するもので、前後方向には、夫々扉装置８、９を有し、かつ加熱用ヒータ１０と、トランス１１を有する。後部の扉装置９は、次段の等温保持室３の扉を同時作動させる形のものとなっている。
【００２４】
等温保持室３は、入力されたワークＷを変態点温度に関連して定める等温保持の温度、例えば３００℃に保持するのみならず、加熱室４から入力されたワークＷを等温保持の温度まで冷却する機能を備えている。
【００２５】
図２及び図３に示すように、等温保持室３は、外部に循環路２を有する。本例の循環路２は、交互通風可能に構成されている。
【００２６】
等温保持室３の側面には一対の窓１２、１３が開設され、その内部には整流板１４が配置されている。各窓１２、１３には上方に立ち上がる立ダクト１５Ｒ、１５Ｌが夫々立設され、そのダクト１５Ｒ、１５Ｌには一対の平行ダクト１６、１７が接続されている。接続口には、通風方向変更のためのバタフライ弁１８、１９が配置されている。各平行ダクト１６、１７の夫々の中央には、吸引ダクト２０又は吐出ダクト２１が夫々接続されている。吸引ダクト２０は、夫々バタフライ弁２２、２３を介して第１、第２の分岐管２４、２５に分岐され、第２の分岐管２５にはクーラ２６が配置されている。クーラ２６は一般的な噴流炉と同様の水冷管で構成されている。空冷も可能であるが、水冷の方が実用的である。両分岐管２４、２５の合流点２６Ｓは、単に管を接合しただけの構造とすることもできるが、機能的には両分岐管２４、２５から流入される、異なる温度のガスを均一混合する役目を為す。このために、適宜整流板、撹拌板、撹拌ファン、金属又はカーボン材等による接触材を配置することもある。
【００２７】
前記合流点２６Ｓに次いではファン２７が配置され、次いで補助ヒータ２８を介して前記吐出ダクト２１に接続されて、全体で循環路２を為す。補助ヒータ２８や管路のヒータは、初期において、循環路２内の温度を調節するだけのもので、等温保持の作動中はほとんど作動することはなく、小容量のものでよい。補助ヒータ２８は、等温保持室３内に設けることの可能であり、配管回りに設けることもできる。循環路２には保温材２９が施されている。
【００２８】
以上の構成の等温保持室３において、バタフライ弁１８、１９の切換えを行うことにより、循環流３０の流れ方向を切換えることができる。即ち、ワークＷの右方向から又は左方向から等温保持の温度に調節された温度の不活性ガスを吹き付けることができる。整流板１４に代え多数の細管によるディストリビュータを配置することもできる。
【００２９】
不活性ガスを等温保持のための温度、即ち変態点温度付近に定めた温度、例えば３００℃に調節する方式を示すと、ワークＷに吹付けられた後の不活性ガスは窓１２又は１３を介して吸引ダクト２０を通り、第１及び第２の分岐管２４、２５に流入する。
【００３０】
第１及び第２の分岐管２４、２５に流入されるガス量は、コントローラ３１の制御により、バタフライ弁２２、２３の開度に応じて調節制御される。コントローラ３１は、例えばファン２７の後に取り付けた温度センサ３２の検出信号に応じ、検出温度が３００℃より高いときは、クーラ２６側の弁２３を開け、３００℃より低いときは、同弁２３を閉じる方向で弁開度を調節制御する。温度センサの取り付位置は、これらに限定されない。
【００３１】
冷却開始時には、ファン２７が回転し、循環流３０がワークＷに吹き付けられ、ガス温度が上昇して立ダクト１５Ｒ又は１５Ｌ、次いで吸引ダクト２０に流入する。このときの上昇温度は１００〜３００℃程度である。この温度上昇を伴った突入ガスの温度を緩和するため、立ダクト１５Ｒ、１５Ｌ、又は及び窓１２、１３吸引ダクト２０、等の循環路中に、熱量吸収緩和のための接触材を介在させることができる。接触材としては、鉄球、鉄管、又はカーボン材等で構成され、ガスと接触して熱交換し、通過ガスの温度を予め定めた等温保持の温度、つまりは接触材の温度とするものである。循環ガスを接触材と接触させることにより、突入ガスの温度を緩和し、温度ムラを無くすることができる。接触材の量は、ワーク重量の倍率で、０．１〜０．５倍程度の範囲で定められる。
【００３２】
ワークＷは、等温保持の初期において、例えば８２０〜１２５０℃にあるので、冷却が必要で、クーラ２６がその熱量を吸収する。この間、ヒータ２８が作動することはほとんどない。
【００３３】
再度図１において、等温保持室３と冷温ガス冷却室５との間には、同時動作で扉を開閉する扉装置３３が設けられている。冷温ガス冷却室５の後部には、ワーク取出し用の扉装置３４が設けられている。
【００３４】
冷温ガス冷却室５には、不活性ガス噴出用の噴出口３５が設けられ、等温保持室３から送られてきたワークＷにマイナス温度、例えば−５０℃の不活性ガスを吹付け、急冷焼入れすることができる。冷温ガス冷却室５は専らマイナス温度での急冷処理を行えば良く、等温保持室３は専ら等温保持すればよく、等温保持室３の機能構成を簡易なものとすることができる。因みに、等温保持室３で、マイナス温度への焼入れ処理まで行うと、等温保持室は＋３００℃から−５０℃へと温度の急変化を強いられ、耐火構造が相当複雑で、構成困難となる。それが両者が役割り分担され、夫々構成簡単となっている。
【００３５】
以上の構成による連続式金属熱処理システム１の作用を図４を用いて説明する。各室６、４、３、５のタクトタイムｎｈを一定、例えば４時間であるとして説明する。ワークＷの流れについて示すと、まず、冷温ガス冷却室５のワーク５を取出し、扉装置３４を作動させてその扉を閉じ、等温保持室３のワークＷをガス冷却室５へ導入する。等温保持室３には、加熱室４から加熱されたワークＷが導入される。加熱室４には前室６からワークＷが導入される。
【００３６】
今、加熱室４でワークＷが加熱開始されたとする。前室６には、次のワークＷを供給するため、処理用のワークＷが装入される。加熱室４で加熱されたワークＷは、等温保持室３へ送られる。この時点でワークＷには浸炭処理がされているとする。これらのワークＷの流れに応じて、各室は、所要の圧力変化、不活性ガスの導入が行われるが、その詳細については説明を省略する。説明の都合より、等温保持室３の処理圧力及びガス冷却室５の処理圧力は共に３Barであるとする。後述するように、この圧力は任意に設定可能であり、かつ処理の途中で変更することも可能である。
【００３７】
図４に示すように、ワークＷは、前室６では室温（２０℃）に保持されているが、ここで１００〜６００℃程度まで予熱するのは構わない。加熱室４では、所定の予熱曲線に基いてワークＷを８２０〜１２５０℃まで昇温させる。ＴＲは炉室温度を、ＴＷはワーク温度を示す。
【００３８】
等温保持室３では、前のワークＷを等温保持した後、次のワークＷを受入れるときの炉室温は、等温保持の温度（ここでは例として）３００℃である（制御目標温度を変えない限り常時一定）。扉装置９を作動させ、加熱室４と減圧同圧化し、ワークＷを入力する。扉装置９を閉じ、等温保持処理する。
【００３９】
等温保持では、図２及び図３で示した循環路２の作動により、ワークＷに例えば３００℃の不活性ガス流３０を交互に吹付け、ワークＷの冷却及び等温保持を行う。冷却曲線の形状は、ワーク重量、形状、循環路２のクーラ２６の能力等により異なる。凡その状況を示すと、ワーク重量３００〜５００Ｋｇ、クーラ能力２５〜５０万Kcal/Hにて１５〜３０分程度の時間で等温化できる。不活性ガスの有効利用を図るため、ガス冷却室５で用いた不活性ガスをクーラ２６に導入することもできる。ワークＷの重量が小さく、特に形状が薄い場合には、等温化までに要する時間を５分程度まで縮めることもできる。
【００４０】
等温保持室３でワークＷを冷却し、等温保持している間に、冷温ガス冷却室５でガス冷却が終了する。冷温ガス冷却室５では、この時刻ｔeでワークＷを取出し、次の冷却を待つことができる。
【００４１】
以上により、ワークＷは、前室６、加熱室４、等温保持室３、冷温ガス冷却室５を介して８２０〜１２５０℃から冷却して３００℃での等温保持を行い、次いで、−５０℃への焼入れを行うことができ、従来塩浴を用いなければ実現できなかった高品質の焼入れ処理を、不活性ガスのみの乾式として、かつ高効率で行うことが可能となった。因みに塩浴で冷却を行うと塩浴温度が変化し、これを所要の温度に調節し直すのは至難の技である。また途中で温度を±５℃の範囲で変更すること等到底不可能である。連続浴を作っても連続的に使うときのみ有効で、その変更は難しい。処理は各炉の最大所要時間にタクトタイムを合わせて連続的に行うことができ、高効率である。装置構成が比較的複雑で装置コストが高い等温保持室３を専用機として繰り返し利用できるので、全体装置コストを安価とすることができる。等温保持の温度はその制御目標温度の変更により自由に設定できるので、各種金属、各種焼入れ方法に適用でき、汎用性が高い。
【００４２】
本発明の実施で用いることのできるもう１つの連続式金属熱処理システムの例を示す。図５に示す連続式金属熱処理システム３６は、図１に示すシステム１に対し、等温保持室３の前段に予備冷却室３８を設けたものである。予備冷却室３８と等温保持室３との間には新たな扉装置３７が設けられる。
【００４３】
図６に示すように、予備冷却室３８は、加熱されたワークＷを等温保持のための温度近くまで冷却し、それから等温保持室３へ送るものである。予備冷却は、等温保持のタクトタイムnhの中で行われる。冷却方式は低温ガスを直接吹き付けるものとし、このガスは、冷温ガス冷却室５との間に架け渡されたガス排気管３９を用いて、冷却用ガスの有効利用することも可能である。予備冷却室３８で等温保持の温度近くまで急冷し、等温保持室３へ送ることができるので、比較的大型のワークであっても冷却速度を速め、効率的な冷却を図ることができる。
【００４４】
また、予備冷却室３８を等温保持室３の前部に配置するので、予備冷却の要否に応じ、ワークＷの都合によっては予備冷却せず、直接等温保持室３で冷却し、等温保持することができる。ワークＷによって種々対応できるので、汎用性が高い。
【００４５】
以上、図１〜図５で示した装置構成より明らかなように、等温保持室３は循環路２を有し、吸引ダクト２０を、バタフライ弁２２、２３で開度調節される第１、第２の分岐管２４、２５に接続し、次いで吹出しダクト２１に接続した構造である。従って、本等温保持室３の分岐管２４、２５の内一方の分岐管２４を閉じ、クーラ２６側の分岐管２５を全開すれば、それは特開平５−６６０９０号公報にも示されているような従来の噴流炉と同様の機能を果すことができる炉の構成である。
【００４６】
従って、本発明の等温保持室３は、利用法によっては、従来噴流炉と同様機能をも有し、水冷温度（２０℃）への急冷焼入れも行うこともできる。さらに、かくなる構成であるので、図５に示す予備冷却室３８を等温保持室３と同一構造とし、焼入れ手法によっては、等温保持の手前で水冷温度への焼入れを行うこともできる。次いで、焼入れ済みのワークＷを等温保持して焼戻し、再度マイナス温度へ焼入れる等できる。さらに拡張して予備冷却室３８と、等温保持室３と、冷温ガス冷却室５とを図１〜図３で示した等温保持室３と同一構成とすれば、各室３８、３、５の機能を種々変えて、冷却曲線を自由に設計でき、等温保持を含めての各種熱処理をダイナミックに効率良く行うことができる。
【００４７】
次に、上記構成の連続式金属熱処理システムを用いて、本発明の浸炭焼き入れ方法を説明する。
【００４８】
図７に拡大して示すように、浸炭された歯車の如きワークＷは、表面Ｐｓから深部Ｐｃに亘り、図８に示すような分布で浸炭されている。図７には、深さ１mmまでの炭素が染み込んだ例が示されている。図８において、横軸は深さｄmm、縦軸は炭素濃度Ｃ％を示す。表面Ｐｓ点より順次０．２mm深い位置にＰ１、Ｐ２…Ｐ５とする。最深位置をＰＣとする。
【００４９】
各位置Ｐｉ（ＰＳ、Ｐ１、Ｐ２…Ｐ５）の炭素濃度が異なるので各位置Ｐｉのマルテンサイト変態点温度は、例えば、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃の如く大きく異なる。
【００５０】
本発明では、塩浴を用いることなく、既に示した連続式金属熱処理システム１，３６を用いて歪の少ない浸炭焼入れ方法を提供しようというものである。
【００５１】
本発明を実施するために、連続式金属熱処理システム１，３６は、等温保持室３の制御目標温度を１〜２℃単位で自由に設定できるようにしている。等温保持の平衡状態での温度制御誤差は±５℃位を上限とし、実際には、平衡状態において、誤差２〜３℃以下の制御ができるようにする。また、圧力は３barを基準にするが１〜７barで変更可能である。さらに、ファン２７の回転速度を制御することにより、風量を自由に調節可能できる。これらの制御要素は等温保持の処理中でも、その途中で変更することも可能である。
【００５２】
そこで、本発明では、浸炭処理したワークＷを等温保持可能な等温保持室３に投入し、前記ワークＷの表面マルテンサイト変態点直上温度（例えば２３０℃）での等温保持を介して冷温ガス冷却室５で常温以下（例えば−５０℃）へガス焼入れを行う浸炭ガス焼入れ方法であって、
前記等温保持室３の冷却ガスのガス圧、風量、制御目標温度の変更等制御要素の変更を行うことにより冷却速度を変化させ、前記ワークＷの内部ＰＣと表面ＰＳ〜Ｐ４とマルテンサイト変態点到達時刻の夫々を時間軸上で管理し、前後調節することができる。
【００５３】
図９は、一制御条件下におけるワークＷの冷却曲線を示す。ＮはＴＴＴ曲線のノーズを示す。冷却開始温度は９００℃であるとする。等温保持の制御目標温度は２３０℃であるとする。横軸時間は、参考的に２００秒辺りで平衡する状態で示している。
【００５４】
図９に示すように、表面ＰＳ、次いで０．２mmづつ深い位置Ｐ１，Ｐ２…では順次冷却が遅れ、内部位置ＰＣは相当遅い。位置ＰＣが変態点温度（４００℃）に到達する時間をｔ１、表面より０．４mm深い位置Ｐ２が変態点温度（２５０℃）に到達する時刻をｔ２とすると、これらを略一致させたり、相互にずらせることが可能である。ただし、本発明は、これを一致させることが要点ではない。
【００５５】
一方、図１０は、他の条件を同一にして制御要素の１部、例えば風量を２００秒の時刻辺りの時刻から低下させ、冷却速度を変化させた場合の冷却曲線を示す。図示のように、内部の位置ＰＣが変態点温度に到達する時刻ｔ１に対し、表面より０．４mm深い位置Ｐ２が変態点温度に到達する時刻ｔ２が大幅に遅れている。
【００５６】
これらのことから内部の位置ＰＣと表面より一定深さの参照位置Ｐ２の夫々が変態点温度に到達するまでの時刻ｔ１，ｔ２を相互に前後調節可能であることが示される。制御目標温度を５℃又は１０℃程度上昇させることによっても同様の効果を得ることができる。ガス圧に変化を与えても同様である。
【００５７】
このように、内部の位置ＰＣと表面参照位置Ｐ２とが夫々の変態点温度に到達する時刻を管理することにより、参照位置Ｐ２を境として、各位置をノーズＮの下で均一に適切温度で保持することができる。一般には、両者の時刻が略一致するか又は後者の方を遅らせるよう制御すれば良い。即ち、第１に内部の点ＰＣがノーズＮの下を通ることと、参照位置Ｐ２が内部と大きな偏差なく均一に等温保持されることが条件である。
【００５８】
本発明の等温保持室３によれば、参照位置Ｐ２の変態点での等温保持を内部変態に関連させて細かく微妙に制御できる。制御目標温度は、等温保持の途中において、５℃程度の範囲で脈動させることも可能であり、各点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を湯加減良く制御できる。
【００５９】
図１１は、図１〜図４に示す金属熱処理システム１の等温保持室３を用いて、冷却途中で制御目標温度ＴＡ，ＴＢを変え、冷却速度を変化させた例を示す。内部位置ＰＣがマルテンサイト変態点温度に到達する時刻ｔ１を比較的速め、かつ参照位置Ｐ２がマルテンサイト変態点温度に到達する時刻ｔ２を接近させることができる。最も重要な点は、ワークＷの各位値をノーズＮに引掛けることなく、かつ制御目標温度ＴＡ，ＴＢより下に通過させてしまう恐れが無く、全体を安定にノーズＮ下で制御できる点である。繰り返し示すように、制御目標温度ＴＢは、ワークＷの量に関係なく、誤差２〜３℃以下に制御することができ、これにより参照位置Ｐ２を基準として細かく制御できる。
【００６０】
図１２は、図５及び図６に示す金属熱処理システム３６の予備冷却室３８及び等温保持室３を用いて、急冷、次いで等温保持し、冷却速度を変化させた例を示す。前例と同様に、内部位置ＰＣがマルテンサイト変態点温度に到達する時刻ｔ１を比較的速め、かつ参照位置Ｐ２がマルテンサイト変態点温度に到達する時刻ｔ２を接近させることができる。ワーク全体をノーズＮ下で等温保持室３の制御目標温度Ｔｏの間に挟み込み、参照位置Ｐ２を基準としての細かな制御ができる。
【００６１】
図９〜図１２において、具体的な温度、時間の数値を示したが、これはあくまで参考的な数値であり、実際炉では、時間において数分の１から数倍にかけて相違する。
【００６２】
等温保持し、冷温冷却したワークについては、続けてショットピーニングすることもできる。特開平６−１７２８５３号公報等に示されるように、マイナス温度でショットピーニングをすれば、圧縮残留応力の分布をより高めることができる。連続処理できるので効率が良い。
【００６３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に用いる連続式金属熱処理システムの側断面図である。
【図２】図１の循環路の側面図で、炉体部分についてはＦ２−Ｆ２線に沿った断面図で示してある。
【図３】図１の循環路部分を拡大して示す平面図である。
【図４】図１〜図３で示したシステムの制御説明線図である。
【図５】加熱室と等温保持室との間に予備冷却室とを備えた連続式金属熱処理システムを示す側断面図である。
【図６】図５で示したシステムの制御説明線図である。
【図７】本発明で用いる浸炭処理させたワークの温度状況を拡大して示す断面説明図である。
【図８】図７で示したワークの深度及び炭素濃度の関係を示す線図である。
【図９】本発明の浸炭焼入れ方法において、等温保持する温度までの冷却方式を示す時間及び温度の線図である。
【図１０】図９の冷却速度を変えて示す線図である。
【図１１】等温保持の制御目標温度を２段に変えた実施例を示す時間及び温度の線図である。
【図１２】予備冷却室での冷却に次いで等温保持室で冷却、等温保持する実施例を示す時間及び温度の線図である。
【符号の説明】
【００６５】
１、３６  連続式金属熱処理システム
２  循環路
３  等温保持室
４  加熱室
５  冷温ガス冷却室
６  前室
７、８、９、３３、３４、３７  扉装置
１０  ワーク加熱用ヒータ
１１  トランス
１２、１３  窓
１４  整流板
１５  立ダクト
１６、１７  平行ダクト
１８、１９、２２、２３  バタフライ弁
２０  吸引ダクト
２１  吐出ダクト
２４  第１分岐管
２５  第２分岐管
２６  クーラ
２６Ｓ  合流点
２７  ファン
２８  補助ヒータ
２９  保温材
３０  循環流
３１  コントローラ
３２  温度センサ
３５  噴出口
３８  予備冷却室
３９  ガス排気管
ＴＲ  炉室温度
ＴＷ  ワーク温度
Ｒ  ローラコンベア
ｔ１  内部の変態点到達時間
ｔ２  参照位置の変態点到達時間
ＰＳ  ワークの表面位置
ＰＣ  ワークの内部位置
Ｐ２  ワークの参照位置
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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