(57)【要約】【課題】  被処理物を均質に加熱し、温度管理しやすくする。【解決手段】  伝熱媒体を貯留する処理槽と、処理槽内の収容物を加熱する加熱手段とを備え、ピリジニウム系カチオンとアンモニウム系カチオンとイミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる熱処理炉である。熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体や、分解温度が200℃以上であるイオン液体や、粘度が100mPa・s以下であるイオン液体を用いることが好ましい。処理槽内で、ピリジニウム系カチオンとアンモニウム系カチオンとイミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体に被処理物を浸漬させて熱処理する熱処理工程を含む熱処理方法である。熱処理工程は、被処理物を、処理温度400℃以下で焼戻しする焼戻し工程である。【選択図】      図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱媒体を貯留する処理槽と、処理槽内の収容物を加熱する加熱手段とを備え、ピリジニウム系カチオンと、アンモニウム系カチオンと、イミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる熱処理炉。
【請求項２】
熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体を伝熱媒体として用いる請求項1に記載の熱処理炉。
【請求項３】
分解温度が200℃以上であるイオン液体を伝熱媒体として用いる請求項1または請求項2に記載の熱処理炉。
【請求項４】
粘度が100mPa・s以下であるイオン液体を伝熱媒体として用いる請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の熱処理炉。
【請求項５】
式（1）で示されるピリジニウム系カチオンと、アニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の熱処理炉。
【化１】
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（式（1）において、R1とR2とは、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。）
【請求項６】
式（2）で示されるアンモニウム系カチオンとアニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の熱処理炉。
【化２】
2016023355.tif 000010
（式（2）においてR3ないしR6は、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。）
【請求項７】
式（3）で示されるイミダゾリウム系カチオンとアニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の熱処理炉。
【化３】
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（式（3）においてR7とR8とは、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。）
【請求項８】
イオン液体が、[BF4]-と、[PF6]-と、[(CF3SO2)2N]-と、[NO3]-と、[AcO]-と、[Al2Cl7]-と、[N(CN)2]-と、[CH3SO3]-と、Cl-と、Br-と、[NTf2]-と、[AlCl4]-と、[NO2]-と、I-と、[AsF6]-と、[SbF6]-と、[NbF6]-と、[TaF6]-と、[F(HF)2.3]-と、[p-CH3PhSO3]-と、[CH3CO2]-と、[CF3CO2]-と、[CF3SO3]-と、[(CF3SO2)3C]-と、[C3F7CO2]-と、[C4F9SO3]-と、[(CF3SO2)2N]-と、[(C2F5SO2)2N]-と、[(CF3SO2)(CF3CO)N]- とからなる群から一つ以上選択されるアニオンを含有するイオン液体である請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の熱処理炉。
【請求項９】
処理槽内で、ピリジニウム系カチオンと、アンモニウム系カチオンと、イミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体に被処理物を浸漬させて熱処理する熱処理工程を含む熱処理方法。
【請求項１０】
処理槽内で、熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体に被処理物を浸漬させて熱処理する熱処理工程を含む請求項9に記載の熱処理方法。
【請求項１１】
熱処理工程が、被処理物を、処理温度400℃以下で焼戻しする焼戻し工程である請求項9または請求項10に記載の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理炉およびこれを用いる熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、歯車、ばね等の低温焼戻しや、非鉄合金材料の時効処理等の低温熱処理には、流起炉、オイルバス、ソルトバス、流動床炉等が用いられる。流起炉は、炉内のガスや空気をファン等で撹拌して対流させ、伝導伝熱で被処理物を加熱する熱処理装置である。流起炉は、輻射加熱炉より昇温速度が速いため、比較的伝熱ムラが少ない。しかし伝熱媒体として用いられるガスや空気は熱容量が小さく熱伝導率が低いため、伝熱ムラの抑制は十分でない。
【０００３】
特許文献1には、被処理物を熱水中で処理し、降温後に取出しうるように構成することで温度の均一性を向上させる低温熱処理装置が開示される。しかしさらに伝熱ムラを抑制する熱処理炉が求められる。
【０００４】
オイルバスは伝熱媒体として油を用いる。ソルトバスは溶融塩を用いる。また流動床炉は、砂やセラミック等の無機物粒子を用いた流動層を伝熱媒体として用いる。これらの伝熱媒体を用いる場合、被処理物との総括伝熱係数が大きくなる。そのため、さらなる伝熱ムラの減少や温度管理性の向上が求められる。
【０００５】
オイルバスは加熱したオイルの中に被処理物を浸漬させて熱処理を行う。オイルバスを用いる場合、被処理物からオイルを除去する後処理が不可欠である。そのため、作業工程の簡略化が求められる。また火災防止の観点からオイルの取扱に厳重な注意が必要である。
【０００６】
ソルトバスの伝熱媒体は、溶融塩である。ソルトバスを用いる場合、溶融塩からの揮発や、被処理物に付着する塩の洗浄で生じる廃液を処理する後処理が発生する。環境負荷も大きい。さらに熱処理炉を含む熱処理装置やその周辺が溶融塩の揮発成分により腐食する場合がある。そのため、メンテナンスコストの低減が求められる。
【０００７】
流動層炉の伝熱媒体は砂や無機物等の粉体である。流動層炉は、粒体を収容する炉に熱風中に吹き込む構造である。特許文献2には、金属からなるワークピースの性質を改善する熱処理用に用いられる熱処理炉であって、容器内に粒状物が充填され、その粒状物が容器内に吹き込まれる熱風により流動化されて形成される流動層を備える。そのような熱処理装置は、流動層炉内に熱風を吹き込むための設備を付加することで、構造が複雑化しやすい。また粉塵対策が必要である。そのため設備コストや運転コストの低減が求められる。
【０００８】
特許文献3には、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、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い、加熱すべき面全体を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熱処理装置が開示される。しかし、さらに簡便にかつ均質に被処理物に伝熱できる熱処理炉が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平4-337022号公報
【特許文献２】特許第4699605号公報
【特許文献３】特開2004-218016号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、被処理物に均質に伝熱でき、温度管理しやすい伝熱媒体を備える熱処理炉を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、伝熱媒体を貯留する処理槽と、処理槽内の収容物を加熱する加熱手段とを備え、ピリジニウム系カチオンと、アンモニウム系カチオンと、イミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる熱処理炉である。
【００１２】
本発明においては、熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体や、分解温度が200℃以上であるイオン液体や、粘度が100mPa・s以下であるイオン液体を伝熱媒体として用いることが好ましい。
【００１３】
式（1）で示されるピリジニウム系カチオンと、アニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いることが好ましい。式（1）においてR1とR2とは、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。
【化１】
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【００１４】
式（2）で示されるアンモニウム系カチオンとアニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いることが好ましい。式（2）においてR3ないしR6は、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。
【化２】
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【００１５】
式(3)で示されるイミダゾリウム系カチオンとアニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いることが好ましい。式（3）においてR7とR8とは、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。
【化３】
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【００１６】
イオン液体が、[BF4]-と、[PF6]-と、[(CF3SO2)2N]-と、[NO3]-と、[AcO]-と、[Al2Cl7]-と、[N(CN)2]-と、[CH3SO3]-と、Cl-と、Br-と、[NTf2]-と、[AlCl4]-と、[NO2]-と、I-と、[AsF6]-と、[SbF6]-と、[NbF6]-と、[TaF6]-と、[F(HF)2.3]-と、[p-CH3PhSO3]-と、[CH3CO2]-と、[CF3CO2]-と、[CF3SO3]-と、[(CF3SO2)3C]-と、[C3F7CO2]-と、[C4F9SO3]-と、[(CF3SO2)2N]-と、[(C2F5SO2)2N]-と、[(CF3SO2)(CF3CO)N]- とからなる群から一つ以上選択されるアニオンを含有することが好ましい。
【００１７】
本発明は、処理槽内で、ピリジニウム系カチオンと、アンモニウム系カチオンと、イミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体に被処理物を浸漬させて熱処理する熱処理工程を含む熱処理方法を包含する。処理槽内で、熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体に被処理物を浸漬させて熱処理することが好ましい。上記の熱処理工程は、被処理物を処理温度400℃以下で焼戻しする焼戻し工程であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、被処理物に均質に伝熱でき、温度管理しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の熱処理炉の例を示す概略図である。
【図２】本発明の熱処理炉の例を示す概略図である。
【図３】本発明の熱処理方法の熱履歴の例を示すモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［熱処理炉］
本発明の熱処理炉は、伝熱媒体を貯留する処理槽と、処理槽内の収容物を加熱する加熱手段とを備え、ピリジニウム系カチオンと、アンモニウム系カチオンと、イミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択されるカチオンと、アニオンとを含有するイオン液体を伝熱媒体として用いる熱処理炉である。本発明は、熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体を伝熱媒体として用いる。
【００２１】
図1は、本発明の熱処理炉の例を示す概略図である。図1において、1は熱処理炉、2は処理槽、3は処理槽に貯留されるイオン液体、4は加熱手段、5は開閉蓋、6はイオン液体3を流動させる撹拌機構（撹拌翼）である。本発明を用いる熱処理は、加熱手段4により加温されたイオン液体3に、治具Bに収納した被処理物Aを所定時間浸漬させて行われる。治具Bとしては、被処理物Aを処理槽2に着底させない構造を備えるバスケット、吊具、スペーサー等が挙げられる。
【００２２】
本発明は、伝熱媒体として所定のイオン液体を用いる。イオン液体とは、一般に融点が0℃以上100℃以下の範囲内である塩をいう。本発明に用いられるイオン液体は、熱伝導性に優れる。そのため本発明は、処理槽内の温度分布を迅速に均質にでき、所望の処理温度に調節できる。これにより、被処理物の全ての領域に均質に伝熱できる。また本発明で用いられるイオン液体は、粘性が低く表面張力が高いため、熱処理炉から取り出した被処理物の後処理を簡便にできる。
【００２３】
本発明においてピリジニウム系カチオンとは、ピリジン環を含むカチオンをいう。好ましいピリジニウム系カチオンの例としては、式（1）で示されるカチオンが挙げられる。式（1）において、R1とR2とは、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。
【化４】
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【００２４】
ピリジニウム系カチオンと所定のアニオンとを含有するイオン液体は、熱伝導率が0.1W/mK以上であり、0.3〜5W/mKが好ましく、1.0〜5W/mKがより好ましい。分解温度は200℃以上であり、200〜450℃が好ましく、300〜450℃がより好ましい。粘度は100mPa・s以下であり、0.2〜100mPa・sが好ましく、0.2〜5mPa・sがより好ましい。
【００２５】
本発明においてアンモニウム系カチオンとは、第一級ないし第四級アンモニウムカチオンをいう。好ましいアンモニウム系カチオンの例としては、式（2）で示されるカチオンが挙げられる。式（2）においてR3ないしR6は、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。
【化５】
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【００２６】
アンモニウム系カチオンと所定のアニオンとを含有するイオン液体は、熱伝導率が0.1W/mK以上であり、0.3〜5W/mKが好ましく、1.0〜5W/mKがより好ましい。分解温度は200℃以上であり、200〜450℃が好ましく、300〜450℃がより好ましい。粘度は100mPa・s以下であり、0.2〜100mPa・sが好ましく、0.2〜5mPa・sがより好ましい。
【００２７】
本発明においてイミダゾリウム系カチオンとは、イミダゾール環を含むカチオンをいう。好ましいイミダゾリウム系カチオンの例としては、式（3）で示されるカチオンが挙げられる。式（3）においてR7とR8とは、互いに独立して、炭素数が1〜8のアルキル基と、ビニル基と、アリール基と、ヒドロキシ基と、シアノ基とからなる群からいずれか一つが選択される。
【化６】
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【００２８】
イミダゾリウム系カチオンと所定のアニオンとを含有するイオン液体は、熱伝導率が0.1W/mK以上であり、0.3〜5W/mKが好ましく、1.0〜5W/mKがより好ましい。分解温度は200℃以上であり、200〜450℃が好ましく、300〜450℃がより好ましい。粘度は100mPa・s以下であり、0.2〜100mPa・sが好ましく、0.2〜5mPa・sがより好ましい。
【００２９】
本発明に用いられるイオン液体は、カチオンとアニオンとを含有する。カチオンとしては、上記のピリジニウム系カチオンと、アンモニウム系カチオンと、イミダゾリウム系カチオンとからなる群からいずれか一つ以上選択される。アニオンとしては、[BF4]-と、[PF6]-と、[(CF3SO2)2N]-と、[NO3]-と、[AcO]-と、[Al2Cl7]-と、[N(CN)2]-と、[CH3SO3]-と、Cl-と、Br-と、[NTf2]-と、[AlCl4]-と、[NO2]-と、I-と、[AsF6]-と、[SbF6]-と、[NbF6]-と、[TaF6]-と、[F(HF)2.3]-と、[p-CH3PhSO3]-と、[CH3CO2]-と、[CF3CO2]-と、[CF3SO3]-と、[(CF3SO2)3C]-と、[C3F7CO2]-と、[C4F9SO3]-と、[(CF3SO2)2N]-と、[(C2F5SO2)2N]-と、[(CF3SO2)(CF3CO)N]- とからなる群から、上記のカチオンの少なくともいずれか一つ以上と組み合わせ可能なものが適宜選択される。
【００３０】
本発明に用いられるイオン液体の熱伝導率は、0.1W/mK以上であり、0.1〜5W/mKが好ましく、0.3〜5W/mKがより好ましく、1.0〜5W/mKが更に好ましい。これにより本発明は、被処理物を急速に加熱できる。そのため、被処理物の形状が複雑であるか否かにかかわらず均質に伝熱させることができる。すなわち被処理物の金属組織の変態が、いずれの領域においても均質になりやすい。また析出物を微細化させ、均質に分散させることができる。
【００３１】
これにより引張強度や靱性が高い被処理物を得られる。熱伝導率が0.1W/mK未満の場合、複雑な形状の被処理物に対し均質に伝熱しがたい。その場合、熱処理後の被処理物の機械的強度が低くなる。また本発明で熱処理された被処理物は熱変形が少ないため、熱処理後の研磨加工コストを軽減できる。
【００３２】
本発明に用いられるイオン液体の分解温度は200℃以上であり、200〜450℃が好ましく、300〜450℃がより好ましい。そのため、本発明の熱処理炉は、焼戻し工程に好適である。上記のイオン液体は、上記の好ましい範囲内の分解温度を備えるものから被処理物に含有される金属を所望の組織状態に変態させるために必要な温度を超えるものが選択される。分解温度が200℃未満であるイオン液体を伝熱媒体として用いる場合、本発明を適用する被処理物に対し均質な材料特性を付与しがたい。
【００３３】
本発明の熱処理炉で取り扱われる被処理物としては、コイルばね、板バネ、歯車、軸受等が挙げられる。本発明は、とりわけ歯車のような複雑な形状を備える被処理物の熱処理に好適である。被処理物の材料としては、シリコンマンガン鋼、マンガンクロム鋼、クロム鋼、クロムバナジウム鋼、マンガンクロムボロン鋼、シリコンクロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等が挙げられる。例えば、クロムモリブデン鋼を材料とする歯車を被処理物とする場合、分解温度が350〜400℃のイオン液体を用いることが好ましい。
【００３４】
本発明に用いられるイオン液体の粘度は100mPa・s以下であり、0.2〜100mPa・sが好ましく、0.2〜5mPa・sがより好ましい。これにより被処理物は、イオン液体の付着が少ない状態で処理槽から取り出せる。そのため本発明は、被処理物の洗浄等の後処理にかかるコストを軽減できる。また被処理物の腐食を抑制できる。
【００３５】
本発明においては、イオン液体を流動させる撹拌機構を備えることが好ましい。これにより処理槽内のイオン液体の温度分布を均質にでき、被処理物に均質に伝熱することができる。撹拌機構としては、図1に例示される構造を備える撹拌翼が挙げられる。上記のイオン液体は不揮発性であるため、撹拌機構は、イオン液体中に空気を通気させる通気撹拌構造であってもよい。図2は、通気撹拌構造による撹拌機構を備える熱処理炉の例である。図2において、7は処理槽2に空気ガスを導入するガス導入管である。図1と共通する符号は説明を省略する。通気撹拌構造は、撹拌機構が簡便になるため好ましい。
【００３６】
本発明に備えられる加熱手段は、従来公知の熱処理炉に用いられる加熱手段を適用できる。具体的には、絶縁された電気ヒーターや、ラジアントチューブ等が挙げられる。これらの加熱手段は、処理槽内の収容物、すなわち被処理物や治具、伝熱媒体としてのイオン液体を加熱する。
【００３７】
［熱処理方法］
本発明の熱処理方法は、処理槽内で、熱伝導率が0.1W/mK以上であるイオン液体に被処理物を浸漬させて熱処理する熱処理工程を含む。本発明は、用いられるイオン液体の分解温度より低い処理温度で熱処理する熱処理工程である。本発明で用いられるイオン液体は、分解温度が200℃以上であり、好ましくは200〜450℃であり、より好ましくは300〜450℃である。本発明は、被処理物を処理温度400℃以下で焼戻しする焼戻し工程に好適である。
【００３８】
例えば、伝熱媒体として用いられるイオン液体の分解温度が200℃の場合は、処理温度150℃以上200℃未満で焼戻し工程を行える。分解温度が300℃の場合は、処理温度150℃以上300℃未満で焼戻し工程を行える。分解温度が450℃の場合は、処理温度を150℃以上400℃以下で焼戻し工程を行える。
【００３９】
本発明は上記の所定の熱処理炉を用いて行われる。被処理物を処理槽内に収容する前に、加熱手段によりイオン液体を所定の保持温度まで昇温させる。保持温度は、熱処理工程終了後の被処理物の所望の硬度、強度に対応して適切な温度に調節される。
【００４０】
輻射伝熱や対流伝熱による熱処理工程では、伝熱媒体の温度を迅速に所望の保持温度に調節するため、図3（b）に示すように伝熱媒体を所望の保持温度よりやや高温になるまで昇温させた後、降温させて所望の保持温度になるように伝熱媒体の温度を調節する。熱処理工程における保持時間は、被処理物への過剰な伝熱を回避することが求められる。しかし図3（b）に例示される熱履歴を示す熱処理工程では、保持時間の管理が困難である。保持時間の管理困難性は、得られる被処理物の材料特性が不均質になる原因になりうる。
【００４１】
一方、本発明で伝熱媒体として用いられるイオン液体は熱伝導率が良好である。そのため迅速に所望の保持温度に調節でき、熱履歴におけるオーバーシュートやアンダーシュートを抑制できる。図3（a）は、本発明の熱処理炉における熱履歴の例を示すモデル図である。これにより本発明は、複雑な形状の被処理物の熱処理においても、迅速に全ての領域に伝熱される。すなわち被処理物において、オーバーシュートにより過剰に伝熱される領域の発生を抑制できる。その結果、いずれの領域においても均質な材料特性を備える被処理物を得ることができる。また、保持時間の管理が簡便である。さらに昇温開始から保持時間終了までの時間を短縮しやすい。
【００４２】
イオン液体が保持温度に到達後、被処理物をイオン液体に浸漬させる。イオン液体の昇温開始から保持時間終了まで、イオン液体は所定の撹拌機構により流動させることが好ましい。これによりイオン液体の温度を処理槽内で均質にすることができる。
【００４３】
保持時間終了後、被処理物を処理槽内から取り出し冷却する。本発明で用いられるイオン液体は低粘度であるため、処理槽から取り出された被処理物に付着するイオン液体は極めて少ない。そのため、本発明においては、熱処理工程後に、被処理物の洗浄等の後処理が軽減される。
【符号の説明】
【００４４】
1  熱処理炉
2  処理槽
3  イオン液体
4  加熱手段
5  開閉蓋
6  撹拌機構（撹拌翼）
7  ガス導入管
A  被処理物
B  治具（バスケット）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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