(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系ガスによる浸炭処理、又は炭化水素系ガスとアンモニア系ガスによる浸炭窒化処理に用いられる熱処理用治具であって、Ｃ／Ｃコンポジットから形成され、ワークを載置した状態で処理炉の加熱室内に移送され、非酸化性雰囲気又は真空中においてワークと共に加熱、油冷されることを特徴とする熱処理用治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭や浸炭窒化処理、焼入れ，溶体化処理などの各種熱処理において、ワ−ク（非処理物）と共に炉内に持ち込まれるトレーや、複数のワークをトレー上に保持するためのバスケットや支柱，カラー，仕切り板，ワーク受けバーなどの熱処理用治具に係わり、とくに還元性または中性雰囲気、あるいは真空中のように、酸素がほとんど存在しない環境で使用される熱処理用治具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、歯車やギヤシャフト，カムシャフトなどの浸炭処理において、これらワークは、トレーに載置された状態で、処理炉の加熱室への搬入、加熱室から焼入室への移動、さらには焼入室内の油槽中への急冷などが行われる。
【０００３】
また、このとき、複数のワークが炉内で転倒、あるいは移動して、ワーク同士が重なったり、トレーに接触したりすることによって、温度や浸炭層の形成にむらが生じるようなことがないように、各ワークは、バスケットや仕切り板，バーなど、ワーク形状に応じた種々の構造，形状の治具によってトレー上に所定間隔にセッティングされることになる。
【０００４】
このような浸炭処理用治具の素材としては、従来、耐熱性を考慮して、ステンレス鋼（主としてＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３０４を使用することもある）や、耐熱鋳鋼（ＳＣＨ１３，ＳＣＨ１５）が用いられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような浸炭処理用治具においては、ワークと共に９００〜９５０℃の浸炭性雰囲気内で加熱されたのち、油中に急冷されることから、上記のようにステンレス鋼や耐熱鋳鋼を用いて製造されていても、このような浸炭性雰囲気に繰り返し曝され、加熱−急冷の熱応力を繰り返し受けている間に、浸炭されて脆くなると共に、熱変形（クリープ）が進み、焼入れ時の熱衝撃によって割れが発生することがあることから、耐用寿命が短く、治具の材料費が高いことと相俟ってコストアップ要因のひとつとなっていた。また、耐久性を確保するためには、治具の肉厚を増すことが必要となり、結果として治具の重量が増し、持ち運びやワークセッティング時の作業性、さらには加熱時の熱効率が悪化するという問題点があった。
【０００６】
さらに、上記のような浸炭処理用治具を用いた場合には、治具の変形が著しいために、ワークのセッティングや処理後のワークの取出しに際して、作業ロボットのような専用機を使用することができず、無人化，省人化など、思い切った合理化ができないという問題点があり、このような問題点を解消することが上記のような浸炭処理における課題となっていた。
【０００７】
一方、例えば、高速度工具鋼の真空焼入れのように、焼入れ温度がさらに高温（１２００〜１３００℃）となる熱処理には、インコネルのような超合金材料やＭｏのような高融点金属材料からなる熱処理用治具が使用されていたが、このような高温処理用治具においても、材料費がさらに高額になることに加えて、熱変形に基づく上記のような問題点を解消することはできず、基本的に上記浸炭処理用治具と同様の課題を有していた。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、浸炭処理用治具を始めとする従来の熱処理用治具における上記課題に着目してなされたものであって、浸炭や窒化の影響を受けることがなく、高温強度に優れ、急速加熱や焼入れ時の熱衝撃にも耐える優れた耐久性を有し、熱変形せず、ワークのセッティングや処理後の取出しにロボットなどを適用して自動化を図ると共に、軽量化に基づく熱容量の低減が可能となり、省人化および省エネルギーによるコスト削減を達成することができる熱処理用治具を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる熱処理用治具は、炭化水素系ガスによる浸炭処理、又は炭化水素系ガスとアンモニア系ガスによる浸炭窒化処理に用いられるものであって、Ｃ／Ｃコンポジットから形成され、ワークを載置した状態で処理炉の加熱室内に移送され、非酸化性雰囲気又は真空中においてワークと共に加熱、油冷される構成としたことを特徴としており、熱処理用治具におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
【発明の作用】
Ｃ／Ｃコンポジットは、強化材としての炭素繊維と炭素マトリックスの複合材であって、
(1) 金属材料と較べて高温下でも強度低下がなく、軽量化が可能
(2) 耐熱衝撃性に優れ、急加熱や急冷却に耐えることができる
(3) 破壊靭性値が高く、手荒に扱っても破損しにくい
(4) 酸化以外は化学的に極めて安定
(5) 熱膨張係数が小さく、温度変化に対する寸法精度の信頼性が高い
など、優れた特性を有している。
【００１３】
したがって、Ｃ／Ｃコンポジット材を用いて形成した本発明に係わる熱処理用治具においては、上記のように浸炭処理に適用したとしても、浸炭によって治具が脆くなったり、熱変形したり、焼入れ時の熱衝撃によって割れたりすることがなく、しかも浸炭ガスには酸化性ガス（Ｏ２，Ｈ２０，ＣＯ２など）がほとんど含まれないので、５００℃以上の高温で酸化されるというＣ／Ｃコンポジット唯一の欠点が顕現することもなく、耐用期間が長くなると共に、ロボットや専用機の使用による省人化や軽量化による省エネルギーに結び付くものとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる熱処理用治具は、上記のようにＣ／Ｃコンポジットから形成され、炭化水素系ガスによる浸炭処理や、炭化水素系ガスとアンモニア系ガスによる浸炭窒化処理、さらにその後の焼入れ処理に用いるものであって、ワークを載置した状態で処内に移送された後、非酸化性雰囲気又は真空中においてワークと共に加熱され、ワークの処理が終了後、ワークと共に油冷されることになる。
【００１５】
また、浸炭あるいは浸炭窒化処理のうち、従来のガス浸炭やガス浸炭窒化においては、天然ガスやプロパンガスなどの変成ガス、あるいは有機溶剤の熱分解ガス（有機溶剤滴下式）が浸炭性ガスとして用いられる。しかしながら、これらのガスには微量のＣＯ２やＨ２Ｏが混在するため、このようなガス浸炭あるいはガス浸炭窒化に本発明に係わるＣ／Ｃコンポジット製熱処理用治具を用いた場合には、治具に多少の酸化消耗が避けられない。
【００１６】
これに対し、窒素雰囲気（非酸化性雰囲気）又は真空中でワークを加熱したのち、炉内に炭化水素系ガス、あるいは炭化水素系ガスとアンモニア系ガスを送給する浸炭、あるいは浸炭窒化処理方法においては、上記のような酸化性ガスを一切使用せず、しかも処理中に生成されることもないことから、本発明に係わるＣ／Ｃコンポジット製熱処理用治具をこのような浸炭処理あるいは浸炭窒化処理に適用した場合には、治具の酸化消耗が完全に防止されることになる。なお、このような浸炭処理あるいは浸炭窒化処理において、炉内に浸炭用炭素源として供給される炭化水素系ガスとしては、例えばメタンやプロパン，ブタンのような飽和炭化水素ガス、あるいはアセチレンやエチレンなどの不飽和炭化水素ガスを用いることができる。
【００１７】
なお、本発明に係わる熱処理用治具に用いるＣ／Ｃコンポジットは、材料コストが高いことから、従来では航空・宇宙・防衛産業などを中心に使用されてきたが、近年になって製造方法が急速に発展し、コストが下がることによって需要が伸び、需要増に基づく量産効果によってさらにコストが下がるという好循環が働き、現状ではステンレス鋼や耐熱鋳鋼製治具の１．５〜２倍程度のコストでＣ／Ｃコンポジット製治具の製作が可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００１９】
まず、図１に示すような形状を備えたＣ／Ｃコンポジット製の熱処理用治具１（外形寸法：６４０ｍｍＷ×６４０ｍｍＬ×２３０ｍｍＨ，重量：約５．７ｋｇ，熱容量：約４．３ｋＪ／℃）を用意し、当該治具１に、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５からなるギヤシャフト（頭部ギヤ径：約７０ｍｍ，シャフト部径：約２５ｍｍ，長さ：約２００ｍｍ）を、そのシャフト部を前記治具１に設けた升目（４８×４８ｍｍ、１１×１１個）内に挿通した状態にセットした。このとき、被処理物であるギヤシャフトが互いに接触しないように、ひとつ置きとして隣接する升目を空けた状態に合計６０本のギヤシャフトをセットした。このようにそれぞれ６０本のギヤシャフトをセットした治具１を３段に重ねて、図２に示す構造の浸炭炉１０に装入した。
【００２０】
一方、同様のサイズ，構造を備え、ステンレス鋼ＳＵＳ３１０Ｓからなる治具（重量：約２６．９ｋｇ，熱容量：１３．５ｋＪ／℃）に、同種のギヤシャフトを同様にセットし、上記Ｃ／Ｃコンポジット製治具と共に、浸炭炉１０に装入し、図３に示す条件のもとに上記ギヤシャフトに浸炭処理を施した。そして、このような浸炭処理に、同一の治具を繰り返し使用した場合の耐用回数について、上記Ｃ／Ｃコンポジット製治具とステンレス鋼製治具とを比較した。
【００２１】
すなわち、まず、浸炭炉１０の前室１１の入口側に備えた入口側真空扉１１ａを解放し、ギヤシャフトをセットした上記Ｃ／Ｃコンポジット製治具およびステンレス鋼製治具をそれぞれ前室１１内に入れ、真空扉１１ａを閉じた状態で、真空排気装置を作動させて前室１１および加熱室１２内の空気をパージしたのち、図外のガス制御装置を介して窒素ガスを導入し、大気圧に復圧することにより前室１１および加熱室１２内を窒素ガスに置換した。
【００２２】
次に、前室１１の内側真空扉１１ｂおよび加熱室１２の耐熱扉１２ａを開放すると共に、炉内搬送装置１３を作動させて両治具を加熱室１２内に移動させたのち、真空扉１１ｂおよび耐熱扉１２ａを閉じ、攪拌用のファン１４を回転させながら、昇温を行うべく加熱室１２のラジアントチュ−ブヒータ１５に通電を開始した。
【００２３】
加熱室１２の温度が所定の浸炭温度９３０℃に到達した時点で、ガス制御装置から浸炭ガスとして６Ｌ（標準状態）のアセチレンガスを供給し、これを５分ごとに１２回繰り返した。なお、このとき、アセチレンガスと共にアンモニアガスを供給することにより、浸炭窒化することができる。こののち、当該温度に５０分保持したのち、焼入温度である８５０℃に降温し、被処理物であるギヤシャフトの温度を均一化するために、この温度に２０分間保持した。
【００２４】
そして、内側真空扉１１ｂおよび耐熱扉１２ａを開放すると共に、炉内搬送装置１３を作動させて、加熱室１２から引き出し、昇降装置１６の下降作動によって両治具をギヤシャフトとともに油槽１７内に浸漬し、ギヤシャフトに焼入れを施した。なお、図２において、符号１８は加熱室１２内の温度を測定するための熱電対、符号１９および２０は、油槽１７中の焼入油の温度調節を行うためのそれぞれチューブヒータおよび攪拌ファンである。
【００２５】
こののち、各治具を解体して浸炭焼入されたギヤシャフトを取り出したのち、これらの治具に同種のギヤシャフトを再度同様にセットし、同様の浸炭処理を繰り返すことにより、Ｃ／Ｃコンポジット製治具およびステンレス鋼製治具の耐用寿命を比較調査した。
【００２６】
この結果、ステンレス鋼製治具の場合には、徐々に治具の変形が進行し、ほぼ３００回程度の浸炭処理で治具に割れが生じて使用できなくなった。
【００２７】
これに対して、Ｃ／Ｃコンポジット製治具においては、処理を繰り返しても変形や割れなどがほとんど発生せず、少なくとも６００回以上の連続繰り返し処理を行っても、なお支障なく使用が可能であることが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係わる熱処理用治具は、Ｃ／Ｃコンポジットから形成されたものであるから、高温強度に優れ、酸化性雰囲気において５００℃以上に加熱されない限り、化学的に極めて安定であり、炭化水素系ガスを用いた浸炭処理や、炭化水素系ガスとアンモニア系ガスを用いた浸炭窒化処理に適用し、ワークと共に加熱、さらに油冷した場合にも、熱変形や、浸炭や窒化による脆化や、熱衝撃による割れなどが生じることがないので、耐用寿命が大幅に向上すると共に、ロボットや専用機を使用することによってワークのセッティングや処理後のワーク取出し作業を自動化することができ、省人化と軽量化による省エネルギーとが相俟って熱処理コストの大幅な削減が可能になるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる熱処理用治具の形状を示す斜視図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は本発明の実施例に用いた浸炭炉の構造を示すそれぞれ正面図および側面図である。
【図３】本発明の実施例に用いた浸炭処理条件を示す図である。
【符号の説明】
１  熱処理用治具
【図１】
0004317299.tif 000002
【図２】
0004317299.tif 000003
【図３】
0004317299.tif 000004