(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
急冷チャンバとしても機能する真空炉内において金属加工物を加熱した後、モータによりファンを駆動することにより冷却ガスを該急冷チャンバに充填して加圧し前記金属加工物を急冷する方法であって、
ａ）前記急冷チャンバ内の圧力が、最終圧力よりも低い所定の第１の圧力より低い間は、最終的な第１の供給電圧より低い第２の供給電圧で前記モータを作動させることにより前記ファンを動作させておく工程と、
ｂ）前記急冷チャンバ内の圧力が前記第１の圧力を上回ったときには、前記モータへの供給電圧を前記第１の供給電圧に変化させて前記ファンを駆動させることにより前記急冷チャンバ内の圧力を前記最終圧力に向けて高める工程とを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の圧力は、７５０ｍｂａｒであり、前記第１及び第２の供給電圧は、それぞれ４００Ｖ及び２３０Ｖであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ａ）前記ファンの前記モータを７５０ｍｂａｒより低い圧力かつ前記モータの定格供給電圧より低い電圧で始動することにより、前記急冷を開始する工程と、
ｂ）前記ファンを定格速度まで加速する工程と、
ｃ）前記急冷チャンバに冷却ガスを充填し、前記急冷チャンバの圧力を１から４０ｂａｒの値に調整する工程と、
ｄ）前記急冷チャンバ内の圧力が７５０ｍｂａｒよりも大きい圧力に達するのと実質的に同時に前記供給電圧を前記モータの定格供給電圧へと切り替える工程と、
ｅ）ガス急冷プロセスが完了した後で、前記急冷チャンバを大気圧へ換気し、前記加工物を取り出す工程とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ファンの速度が、所望の冷却ガスに応じて、該冷却ガスの圧力が前記第１の圧力を上回るように変化する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記モータは、水冷式である請求項１乃至４のいずれか１に記載の方法。
【請求項６】
前記ファンが前記急冷チャンバにおいて４０ｂａｒまでの圧力で運転される請求項１乃至４のいずれか１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工物を急冷するために冷却ガスの流れが真空炉においてファンにより発生させられ、該ファンは、真空炉の最小圧力を上回ると所定の供給電圧で運転される回転電流モータによって駆動され、該最小圧力は回転電流モータのモータ電力に関連して決定される、金属加工物の熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属加工物の熱処理、例えば、焼入れ、焼戻しまたは焼きなまし、において、真空炉がますます利用されるようになっている。加工物は、加熱された後、ガス状媒体、例えば窒素、により真空炉で冷却される。従来の油浴急冷法または塩浴急冷法と比較して、そのようなガス急冷は、加工物の汚染が起きないという、即ち高価なクリーニング措置が不要になるという、有利な点を提供する。ガス急冷時にこれらの油浴急冷法または塩浴急冷法と同等な冷却効果を達成する為には、高い冷却ガス圧力であって、それに関連してガス密度が増大されているがゆえに所望の熱伝達を保証する高い冷却ガス圧力を、提供すべきであることが知られている。しかし、冷却ガス圧力が高いと、複雑な安全対策が必要となり、真空炉の充満または排気の為に必要とされる時間も比較的長くなってしまう。
【０００３】
高圧ガスの急冷中に起こる別の不利な点は、高圧時に起こる負荷モーメントに必要な冷却ガス速度を保証するために冷却ガスの流れを真空炉で発生させる為に使用されるファンには、比較的高いシャフト出力が必要であるという事実で分かる。シャフト出力が高いと、ファンを駆動する電気モータに関して高いモータ電力を達成することも必要となる。従って、この電気モータは通常、例えば２２０ｋＷの定格電力の回転電流モータの形で実現される。定格モータ電力が２２０ｋＷであると、約４００Ｖの供給電圧で４００Ａの定格モータ電流となる。ファンが始動された時、このプロセス中に起こる、冷却ガスの標準状態下での定格モータ電流の通常９倍に達するサージの為に、３６００Ａの始動電流が生じる。
【０００４】
この種の高い電流によって、主に接続点での、ネットワークの中断及びかなりの磨耗が起こる。これは、回転電流モータのいわゆるソフトスタートを実現する始動装置を利用することで防止される。これは、始動電流を例えば定格モータ電流の５倍又は６倍に制限することで実現される。しかし、このような始動装置には、高いコストが付随するため、経済的なことを考慮すると満足のいくものとは考えられていない。
【０００５】
ファンを駆動する電気モータのソフトスタートによって、低い炉圧での、即ち、真空炉の充満中の、処理される加工物の急冷が可能となるが、急冷プロセスの開始は、時間に関する下限になりやすい。その理由は、ファンが始動される前に、回転電流モータの供給電圧に関連して決定される最小圧力まで、真空炉を充満しておく必要があるという事実にある。この措置は、例えば、絶縁損傷につながるフラッシュオーバーの発生を防止する役割をする。モータ供給電圧が４００Ｖである回転電流モータに対して、いわゆるパッシェン曲線の助けを借りて決定される最小圧力は、通常、約７５０ｍｂａｒである。
【０００６】
冷却ガスによる真空炉の充満中に真空炉の圧力が最小圧力に達したときのみ、ファンは始動されるので、急冷時間及びその結果として達成可能な急冷効果は、ファンの不可避の始動時間の為に、不利な影響を受ける。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、急冷効果の改善が簡単かつ費用のかからない様式で達成される、金属加工物の熱処理方法を創作することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、金属加工物の熱処理方法であって、前記加工物を急冷する為に、ファンにより排気される１つのチャンバ又は複数のチャンバを有する炉の急冷チャンバに冷却ガスの流れを発生させるステップと、前記急冷チャンバの圧力が最小圧力を上回ると所定の供給電圧で運転される回転電流モータにより、前記ファンを駆動するステップと、前記最小圧力は前記回転電流モータのモータ電力に関連して決定されることと、最小圧力より低い前記急冷チャンバの圧力で前記ファンを始動するステップと、前記急冷チャンバの圧力が最小圧力に達するまで前記回転電流モータは第２の低い供給電圧で運転されることから成る方法を要旨とする。
【０００９】
このような方法は、急冷効果の改善の達成を可能にする。この第１の要因は、処理される各加工物の所望の急冷挙動に関する高い変動性を可能にする短い急冷時間が、最小圧力よりも低い真空炉の圧力でファンを始動することにより達成されることにある。
【００１０】
本発明の特徴は、決定された冷却ガス速度に必要なファンのシャフト出力に必要とされるよりも低い供給電圧で回転電流モータが運転されても、危険なフラッシュオーバーを伴わずに最小圧力未満の圧力でのファンの始動が可能であることである。供給電圧を低下させると始動電流も低下する。即ち、ソフトスタートの実現を可能にする始動装置を不要にできる。供給電圧が低いとモータ電力も減小するが、該モータ電力は、真空炉の圧力が低く、それに関連して冷却ガスの密度も低いため、ファンを始動させるのには十分である。
【００１１】
真空炉の圧力が最小圧力に達すると、ファンはより高い供給電圧で運転される。ファンはこの時既に、その通常の速度で回転しているので、加工物を急冷する為に必要とされるシャフト出力は、より高い供給電圧への切り替えが行われても、直ちに使用可能である。即ち、先行技術の水準のようにファンの始動によって起こるタイムロスのせいで急冷効果が損なわれるということはない。この点で、ファンの回転により真空炉の圧力が最小圧力に達する前に運動エネルギーが予めファンにたくわえられ、より高い供給電圧への切り替えが行われる時に前記運動エネルギーがはずみ車効果という形で現れることは、特に有利である。始動電流が低いため、本発明の方法は、経済的なことを考慮するとより有利な電流消費にも貢献しており、匹敵する急冷効果を依然として達成しながら実現することは困難な非常に高い急冷圧力を不要にすることを可能にする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記電源電圧が前記回転電流モータに印加され変圧器によって高い供給電圧から低い供給電圧へと減小され、また逆に増大されることを要旨とする。
【００１３】
変圧器による電圧の変圧は、比較的費用がかからず、また、本発明の方法が実行されるように既存の熱処理システムを容易に更新することを可能にする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記回転電流モータが最小圧力より上では約４００Ｖの供給電圧で運転され、また前記最小圧力より下では約２３０Ｖの供給電圧で運転されることを要旨とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の方法において、前記回転電流モータが最小圧力より上では約４００Ｖの供給電圧で運転され、また前記最小圧力より下では約２３０Ｖの供給電圧で運転されることを要旨とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記回転電流モータに印加される前記供給電圧が、前記急冷チャンバの圧力又は前記回転電流モータを流れる電流の強さの少なくも一方に依存して変更されることを要旨とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の方法において、前記回転電流モータに印加される前記供給電圧が、前記急冷チャンバの圧力又は前記回転電流モータを流れる電流の強さの少なくも一方に依存して変更されることを要旨とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の方法において、前記回転電流モータに印加される前記供給電圧が、前記急冷チャンバの圧力又は前記回転電流モータを流れる電流の強さの少なくも一方に依存して変更されることを要旨とする。
【００１８】
供給電圧が、急冷チャンバの圧力又は回転電流モータを流れる電流の強さの少なくも一方に依存して変更されれば、該方法ができる限り容易に実行され自動化されるよう保証される。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、最小圧力が約５００〜１２００ｍｂａｒであることを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、請求項２に記載の方法において、最小圧力が約５００〜１２００ｍｂａｒであることを要旨とする。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項３に記載の方法において、最小圧力が約５００〜１２００ｍｂａｒであることを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項４に記載の方法において、最小圧力が約５００〜１２００ｍｂａｒであることを要旨とする。
【００２１】
７５０ｍｂａｒという最小圧力が、真空炉で使用されるファンの為の最も一般的な回転電流モータのモータ電力を考慮すべく、提案される。
請求項１２に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記回転電流モータが水で冷却されることを要旨とする。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、請求項２に記載の方法において、前記回転電流モータが水で冷却されることを要旨とする。
請求項１４に記載の発明は、請求項３に記載の方法において、前記回転電流モータが水で冷却されることを要旨とする。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、請求項４に記載の方法において、前記回転電流モータが水で冷却されることを要旨とする。
請求項１６に記載の発明は、請求項５に記載の方法において、前記回転電流モータが水で冷却されることを要旨とする。
【００２４】
回転電流モータの水による冷却は、強力な回転電流モータの利用を可能にする。
請求項１７に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記最小圧力を上回っている場合に、前記ファンの速度が所望の冷却ガス速度に依存して変化することを要旨とする。
【００２５】
上回っている場合に所望の冷却ガス速度に依存して最小圧力をファンの速度を変化させることにより、冷却ガスの流れの簡単な制御が達成される。
請求項１８に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記ファンが前記急冷チャンバにおいて４０ｂａｒまでの圧力で運転されることを要旨とする。
【００２６】
十分な急冷効果を達成しながらも個々の要求に対応する冷却ガス圧力を保証するためには、ファンが２０ｂａｒまでの真空炉の圧力で運転されることが提案される。
【００２７】
請求項１９に記載の発明は、請求項１に記載の方法において、前記加工物を急冷するステップをさらに含み、前記急冷するステップは、ａ）前記ファンの前記回転電流モータを７５０ｍｂａｒより低い圧力で、即ち前記モータの定格供給電圧より低い電圧、望ましくは前記定格供給電圧の８０％から４０％の電圧、で始動することにより、ガス急冷を開始するステップと、ｂ）前記ファンを定格速度まで加速するステップと、ｃ）前記急冷チャンバを急冷ガスで充満し、前記急冷チャンバの急冷圧力を１から４０ｂａｒの値に調整するステップと、ｄ）前記急冷チャンバで圧力が７５０ｍｂａｒよりも大きい圧力に達したら前記供給電圧を前記モータの前記定格供給電圧へと本質的に同時に切り替えるステップと、ｅ）前記ガス急冷プロセスが完了した後で、前記急冷チャンバを大気圧へ換気し、前記加工物を取り外すステップとから成ることを要旨とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の目的の詳細及びその他の利点は、以下の金属加工物の表面焼入れ方法の例証的な記述からもたらされる。
【００２９】
表面焼入れプロセスは、著しく硬度の高い金属加工物の境界層を提供するために役立つ。即ち、優れた機械的特性を持つ加工物全体を提供する為に役立つ。この目的で、境界層は、初めに、使用に必要な特性に依存して炭素又は窒素の少なくとも一方を強化され、後に、適切な焼入れ温度から室温以下に急冷される。炭化又は浸炭窒化が後の焼入れと同様、ガス状熱処理媒体の簡単な交換を可能にする真空炉で実行されるならば、手順技術に関して、許容できる表面焼入れが達成される。
【００３０】
処理される加工物が真空炉にて例えば炭化された後、焼入れプロセスは、ガス状炭化媒体の排気及びその後の不活性冷却ガスによる真空炉の充満によって、その後直ちに行われる。即ち、加工物を別の炉のチャンバへと輸送する必要がない。個々の要求に対応する冷却ガス速度を有する冷却ガスの流れを発生させる、電気的に駆動されるファンは、真空炉における加工物の焼入れのために提供される。冷却ガスの流れは、処理される加工物を焼入れ温度から室温以下に急冷する。
【００３１】
定格電力が２００ｋＷの回転電流モータが、ファンの駆動のために設けられる。この回転電流モータは、真空炉の圧力が７５０ｍｂａｒ未満である場合には２３０Ｖの供給電圧で運転され、真空炉の圧力が７５０ｍｂａｒを超える場合には４００Ｖの供給電圧で運転される。始動変圧器は、供給電圧を２３０Ｖに降下させる。２３０Ｖから４００Ｖへの切り替えは、冷却ガスによる充満中に真空炉の圧力が約７５０ｍｂａｒに達すると実行される。回転電流モータに２３０Ｖの圧力が供給されている間は、モータ電力は、４００Ｖの供給電圧が使用可能なモータ電力のわずか３分の１、即ち、この場合７３．３ｋＷに達するにすぎない。この措置により、定格モータ電流は、２２０ｋＷのモータ電力における４００Ａの値から元の値の約半分に低下する。ファンの始動に対応して始動電流の減小が起こるが、その際、前記始動電流が電力網を損なうことはない。測定によると、発生される最大の始動電流は１５００Ａであり、前記始動電流は１〜２秒の間に発生することが実証された。始動電流の減小により、比較的低い電流消費も保証される。
【００３２】
２３０Ｖに減小された供給電圧はまた、別の状態で２２０ｋＷのモータ電力で７５０ｍｂａｒ未満の圧力にて発生するフラッシュオーバーの危険を排除する。更に、２３０Ｖに減小された供給電圧は、ファンが１５０ｍｂａｒ未満の圧力で始動すること、及び、全シャフト出力が７５０ｍｂａｒに達すると有効になることを可能にする。
【００３３】
図１は、先行技術の水準による、また本発明による、急冷プロセスを起動する為の、炉圧、ファン速度及び供給電圧に関する時刻歴を示す。
ファンモータの始動の為の最小圧力への急冷コンテナの従来の充填が不要になるので、選択されたガス急冷圧力が即刻発生される。この結果、所望の冷却温度に達する為の対応時間の利点が達成されるように、最大の冷却力での冷却プロセスが速く開始される。同一の材料を組み合わせると、その結果、先行技術の水準と比較して急冷の結果が改善される。
【００３４】
図２は、本発明を利用するかまたは利用しない、冷却プロセスに関する対応する測定曲線を示す。
急冷コンテナの連続的な充填によってもまた、熱伝達の改善が達成されるように、冷却プロセスの最初の数分間で著しく速くガスが冷却される。本発明の利用により達成される速いガスの冷却を図３に示す。
【００３５】
表面焼入れされる特定の鋼は、相対的に低い焼入性を有し、従って十分な冷却の結果を達成する為には最初の数分の間に非常に速い冷却を必要とするので、本発明は特にそのような例に適している。
【００３６】
前述の更なる変形及び改変が、当業者には明白であるが、それらは本願に添付された請求の範囲に包含されるものとする。
本願は欧州優先権出願９９  １１  ８９２０．０を基礎としており、同優先権出願は、参照により本願に組み込まれる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、金属加工物が、簡単かつ費用のかからない様式で熱処理される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）先行技術の水準による炉圧、ファン速度及び電圧に関する時刻歴を表すグラフ。（ｂ）本発明による炉圧、ファン速度及び電圧に関する時刻歴を表すグラフ。
【図２】先行技術の水準によるか、または本発明による、加工物の温度対冷却時間のグラフ。
【図３】先行技術の水準によるか、または本発明による、ガス温度対冷却時間のグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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