技術資料＞大同製真空炉の設備技術進歩

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技術資料
Technical Data

大同製真空炉の設備技術進歩
石浜克則＊

Development of Equipment Technology for Vacuum Furnace
in Daido Steel
Katsunori Ishihama
Synopsis
The vacuum furnace was developed in 1950 and brought about many benifits，such as less oxidization, good surface brightness,
reduction of the dimensional change of works, and easy operativity.
Since 1971, Daido Steel has been developing vacuum furnaces like batch type gas quenching vacuum furnaces, batch type/continuous type sintering vacuum furnaces, vacuum carburizing furnaces and so on.
This paper will describe the outline of vacuum furnaces with the origination and the functional progress.

1．はじめにし，VI 社が得意とする特殊用途の真空炉は市場規模が小さく，民生品を主体とする市場を開拓すべく，当社固1950 年代に真空炉が熱処理の分野に登場して以来今有の技術を盛り込んだ，バッチ式ガス焼入炉，2 室油冷日までに幾多の開発，改良が加えられてきた．初期の真却炉，焼結炉などを商品化し，さらには多量生産向けの空熱処理炉は冷却能力が劣るために焼きなまし，脱ガスローラハース炉を開発した．などの限られた処理目的でしか使用されていなかった．

また 2004 年，真空浸炭炉についてドイツの ALD 社

その後コールドウォール式で炉内にガスクーラとガス循と技術提携を結び，ALD 社の最先端の技術に独自の改環ファンを内蔵した炉が開発されたことにより，利用範良を加えた，国産の量産形真空浸炭炉（ModulTherm®）

囲が拡大し急速に普及した．真空炉による熱処理は処理を商品化し，直近では，同 ALD 社の最新炉である前後品の酸化，脱炭などの表面性状の変化が少なく，光輝性工程と同期したスリムバッチ真空浸炭炉（SyncroTherm®）に優れ，かつ放射加熱のため昇温が緩やかであり処理品についても国産化した．の変形が少ない．また，熱処理の自動化が容易であり，このように，当社では常にユーザの要求に合致した自作業環境も良いことから幅広く使用され発展をとげてき動化，省エネルギー，生産性の高い真空熱処理炉を提供た．

し続けて，これまでに約 400 基，800 室の納入実績を有

大同特殊鋼㈱機械事業部（以下当社という）の真空している．以下，当社の代表的な真空熱処理炉，真空焼炉の歴史は 1971 年，米国の Vacuum Indutry 社（以下 VI結炉，真空浸炭炉について，生い立ち，その時代背景，社）との技術提携による技術導入が始まりである．ただ機能拡張など，設備技術進捗の歴史について述べる．

2013 年 10 月 29 日受付＊大同特殊鋼㈱機械事業部（Machinery Div., Daido Steel, Co., Ltd.）

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2．真空熱処理炉
真空熱処理炉は処理品の光輝性，長寿命化，後加工省略によるコストダウン，省エネルギー，無公害，作業環境の改善など多くのメリットが評価されて急速に普及し，広い分野で使用されるようになった．これに伴ってユーザーから炉メーカーに対する要求も多様化してきているが，これらの要求のうち各機種に共通している点は，急速な均一冷却性，冷却速度のコントロール，温度分布精度の向上，高能率化，省エネルギー，保守管理の簡易化といった点である．
先に述べたが当社の真空炉は VI 社との技術提携にもとづく真空熱処理炉が起源であり，当初は冷却ガス圧力が大気圧未満の減圧冷却炉であったが，さらに冷却速度を改善するために大気圧以上，200 kPa の加圧ガス冷却真空熱処理炉が開発された．ただし，大物のハイス金型など一部の鋼種に対しては冷却性能が充分でなく，これらユーザのニーズに対応すべく，炉内に最高 700 kPa まで封入したガスを循環させて処理品を強制対流で急冷する急速ガス冷却式真空熱処理炉（QHS シリーズ，以下急冷炉），さらには，その上位機種として熱伝達係数を大きく取ることができるジェット噴流で炉内に最高 600
kPa まで封入したガスを循環させて処理品を冷却する噴流ガス冷却式真空熱処理炉（FHS シリーズ，以下噴流炉）を開発した．
Fig. 1 に急冷炉，Fig. 2 に噴流炉の炉構成を，Fig. 3に急冷炉と噴流炉の冷却時間の比較例を示す．

Fig. 3. Comparison between FHS and QHS aboutcooling time.
その後，現在までに各種ニーズに応えるべく機能が追加され，主な項目としては以下の通りである．
（1）温度分布精度の向上
目的に応じたヒータ制御の適正な細分化（2）低温域の昇温速度，温度分布向上
軸流ファンによる対流加熱仕様をオプションで装備（3）冷却制御の向上
処理品温度による冷却制御

Fig. 1. QHS.

（4）冷却能力向上（油冷却からの置き換え）
ガス冷却圧力の 1000 kPa対応，および大風量化（5）均一冷却目的に応じたガス整流機構および熱風ガスによる冷却仕様をオプションで装備

Fig. 2. FHS.

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3.

真空焼結炉

粉末冶金技術の進展に伴い，焼結製品の種類が増加すると共に材料の種類も多岐にわたり，Cr-Mn 添加の Fe系粉末，ステンレス粉末，希土類磁石用粉末，さらにTa，Ti，WC など特別粉末が焼結されるようになった．
当初の焼結炉は雰囲気炉主体であり，アンモニア分解ガス，発熱型ガス，吸熱型ガス，水素ガスおよび窒素ガスなどの雰囲気下で焼結が行われていたが，その後に前記材料は酸化防止のため真空焼結炉で行われるのが一般的となった．ところで真空下で焼結することは以下のようなメリットがある．
（1）処置品を酸化させない

3.

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1室真空焼結炉

Fig. 4 に 1 室真空焼結炉の例を示す．

これらの炉は脱バインダー，焼結，冷却を 1 室で行うもので，稼働率があまり高くない小ロット製品に用いられる．小回りが利くのみでなく , 何よりも廉価さが魅力であり市場普及率も高い．
加熱室はカーボンファイバー断熱材に囲まれ，その内部にカーボン製ヒータが配置されている．真空排気系はバインダーキャッチャー，メカニカルブースター，ロータリーポンプで構成され，高真空仕様の機種では拡散ポンプを付加する．通常処理品の酸化防止と，稼働率アップのため冷却速度を高める必要があり，冷却ファンを設（2）最高温度が高い（機種にもよるが max. 2000～

ける．設置スペースや風向きの問題で冷却ファンを天（3）磁性材の場合，不純物の混入が少ないため，磁気4-(b)）に分かれる．また稀であるが，処理品を下から装2300 ℃まで可能．雰囲気炉は 1300 ℃が限界）．

特性がよい．
このような真空焼結炉のニーズのもと，当社の真空焼井に設ける場合（Fig. 4-(a)）と後壁に設ける場合（（Fig.
入する竪型（Fig. 4-(c)）を用いる場合もある．射出成型品などバインダー使用量が多い場合，Fig. 4-(d) に示す結炉の歴史は，VI 社の 1 室，2 室形真空熱処理炉技術ようなマッフル付の機種が使用される．

をベースとし，焼結処理に必要な技術を独自開発し誕生

3.

した．
その後の処理量の増加や処理品の高品質化に伴い，多室連続炉の必要が生まれた．多室真空炉の難しさは，搬送機構である．当社ではいち早くこの問題に取り組み，処理品質の高度化と，生産性の向上を図るべく，従来の搬送機構の制約から解放された自由な室数が実現できるローラハース式連続焼結炉を開発した．ただし，初期のローラハース式連連続焼結炉では高温対応のため水冷構造にしたロールからの水冷損失が大きく，原単位に難があるとのことで爆発的な普及には至らなかった．その後，当時まだメーカーでも試作段階であった C/C コンポジットでのロール開発に成功し，原単位の改善だけでなく，温度分布も改善され，不良率低減による歩留り向上効果もあり，当時発展段階であった焼結磁石業界に採用され，主にこの業界の成長と共に納入実績を伸ばし現在に至っている．
以下に当社の代表的な真空焼結炉である，1 室真空焼結炉，2 室真空焼結炉，ローラハース式連続真空焼結炉の特長について述べる．

22室真空焼結炉

1 室炉は，加熱室が装入・装出時大気にさらされるため，真空排気に対する注意（酸化防止）や，メンテナンスなど常に気を配らなければならない，その点 2 室真空焼結炉は冷却室で処理品が出入されるため加熱室が大気にさらされることなく取扱いが容易である，また，冷却専用の部屋があるため，加熱室の温度を下げる必要がな
く，稼働率が上がると共に省エネルギーにもなる．Fig.
5 に竪形の 2 室真空焼結炉の例を示した．

処理品は，鋼板製の冷却室に装入し，真空排気後，真空仕切弁を開き，加熱室に移動する．加熱室は 1 室真空炉とほぼ同じ構造となっており，操業も 1 室と同じ方法で行われる．焼結後は再び冷却室に戻され，N2 ガスで復圧後ファンにより冷却される．この場合，加熱室と冷却室が独立しているため，冷却速度が速く，炉内の残留バインダーもないため仕上がり品質もよい．

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電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

Fig. 4. Batch type sintering vacuum furnace.

3.

3

ローラハース式連続焼結炉

本炉は生産性の向上，自動化および省エネルギーを全て満足した設備であり，Fig. 6 に代表的な構造例，
Table 1 に標準仕様を示し，以下にその特長を述べる．
（1）搬送上からの処理室数制約なし
ローラハースによる搬送は，理論上無限の室数を接続するができ，処理目的に合わせた最適室数の構成が可能である．また前後設備を含めた搬送の自動化，省力化が容易であると共にコストパフォーマンスも高い．
（2）非常にコンパクト
搬送構造がシンプルなため，炉内容積がコンパク
Fig. 5. Double room vertical type sintering vacuum
furnace

トになり，a）真空排気容積が小さい．b）微圧ガスおよび冷却ガスの使用量が少ない．c）設置スペー

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Fig. 6. Roller hearth type continuous vacuum sintering furnace.
Table 1. Roller Hearth Type Continuous Vacuum furnace standard specifications
SH□R－755

SH□R－965

SH□R－1555

Effective dimensions (mm)L750×W500×H500

L900×W600×H500

L1500×W500×H500

Max. charge weight

250 kg (gross)

500 kg (gross)

800 kg (gross)

Cooling pressure (Pa)

7×10 ～1000 k←←

Temperature (℃)

Max. 1400

←

←

-４

スが小さいなど，ユーザにとって好都合である．
（3）合理的搬送

る．本システムは運転中においてもワックスキャッチャーの再生ができ，交互に冷却加熱をくり返しな高温ゾーンでは，ローラーは C/Cコンポジットをがら使用することにより，連続運転が可能となって使用し，非水冷でオシレーションをする必要もなくいる．炉内ヒータはワックスの影響を考慮し金属停止状態で保持可能であり，温度分布の確保とローチューブヒータを採用したため，常にクリーンな状ラの長寿命化が図れる．

態が維持され通常の操業においては清掃などが不要（4）各室の機能独立性が高いとなっている．ロールは耐熱金属製で，変形防止の3.

機能毎にユニット化を図ることによって，当面必ためオシレーションさせている．なお炉殻にはワッ要な部分のみ設置し，生産状況などにより処理室のクス付着防止のため，シーズヒータが保温材と共に追加が容易に行える．

巻かれており，常に 90～ 160 ℃の温度に制御保持さ

4各室の機能例（1）脱ワックス室れている．
（2）焼結室脱ワックス室からローラハースにより次のゾーン

このゾーンはステアリン酸亜鉛などのワックスでに搬送された処理品は，焼結温度まで加熱され焼結成形した処理品を約 650 ℃まで昇温し脱ワックスす処理が行われる．ここでは温度分布が重要となるが，るゾーンである．個体状のワックスは昇温と共に液本炉ではヒータの適正な出力配分と非水冷の C/Cコ化または気化するが，脱ワックス室外部から N 2ガンポジット製ローラの採用により± 3 ℃以内の温度スなどのキャリアーガスを微量導入しつつ，断熱室分布が達成されている．炉殻は二重鋼板製の水冷内から直接真空排気を行うことによって，断熱室外ジャケット式であり，一般的にはその中にカーボン部のワックス汚染を防止しつつ高効率の脱ワック製断熱材の加熱室が構成されている．なお，1室とスが行える．ワックスキャッチャーは，2系統の回は異なり，常時高温に保持され温度変化が少ないた収機能をもつワックス回収システムを採用してい

め，処理用途に応じ断熱材の種類，構成，厚みを変160

電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

えることにより，極力放熱損失を低減するよう設計

・変成炉を持たずシーズニング不要のため立上げ，立下げ時間が短いされている．加熱ヒータはグラファイト製で，温度分布とメンテナンス性を配慮して設計が行われている．また C/Cコンポジット製ローラにより，熱損失が少なく，耐熱性，耐久性にも優れている．

・細穴，深穴の浸炭が可能などの特長があり，日本国内では単室形のバッチ炉を中心に普及が進んでいる．
当社の真空浸炭炉は当時最先端の浸炭技術をもった独（3）徐冷室徐冷室は処理品の急冷を防止しつつ，均一徐冷を行うゾーンである．本ゾーンは構造的には焼結室との ALD 社との技術提携をもとにスタートしたが，国内へ展開するにはいくつかの課題を抱えていた．

ほとんど同じであるため，材料のヒートパターンに

ALD 社製 ModulTherm® は高圧ガスを使用するガス冷よっては第 2 焼結室として使用することもでき，焼却仕様であり，国内へ展開するためには，製品歪の問題結時間の長い材料の場合サイクルタイムを短縮するから油冷却仕様への変更が必須であった．また，それまことも可能である．

での真空浸炭では，経験値により浸炭条件を見出すしかなく，コスト・時間とも多大なロスを生むという大きな（4）冷却室
冷却室は処理品の取出し温度まで（急速に）冷却問題を抱えていた．

するゾーンである．炉殻は軟鋼製でロールも一般的

当社は真空浸炭炉の国内展開に必要な油冷却技

な仕様は金属製であり放熱性がよい．また冷却を術， 浸 炭 シ ミ ュレ ー シ ョ ン 技 術 を 独 自 開 発 し， 国 産

加速するためガス循環ファンとクーラを組合せ炉内

ModulTherm® 式真空浸炭炉を商品化した．

ガスとして N 2ガスなどの冷却媒体を強制循環させFig. 7 に ModulTherm® の外観，Table 2 に標準仕様を冷却させる．本炉では炉内冷却ガス圧を大気圧から示し，以下に当社の代表的な真空浸炭炉の ModulTherm®

1000 kPaまで可変できるため，冷却ガス圧力を適正システム固有の特長を述べる．に選ぶことにより冷却スピードを広範囲に調整することができる．

4.

1モジュールシステム

ModulTherm® はモジュールと呼ばれる複数のバッチ（5）仕切弁
各ゾーンの温度，圧力および雰囲気を所望の処理炉の数量や仕様を自在に組み合わせてシステムが構成さ条件にするため，各部屋の境目には仕切弁が設けられており，ユーザの所要生産能力と品質要件から算出されている．これらは，最大 300 kPaの差圧に対しシーれる熱処理の所要時間を基に，最大の生産効率が得られル性を損なうことなく，また最高 1300 ℃にも耐え，る設備仕様の提案が可能である．

なおかつスムーズな開閉が可能なように設計されている．

4．真空浸炭炉
浸炭焼入れ処理は，自動車を始めとする輸送機械，産業用機械の動力伝達系鋼材部品の表面硬化方法として広く普及しており，その技術開発は熱処理全般の中でも特に盛んに行われている．
現在の主流であるガス浸炭処理と比べて，減圧下で行われる真空浸炭処理は，・表面に粒界酸化層を形成しない・浸炭温度の高温化による処理時間短縮が可能

Fig. 7. ModulTherm® appearance.

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Table 2. ModulTherm® standard specifications
Effective dimensions (mm)

L1000×W600×H750

Max. charge weight

500 kg (gross)

Cooling method

Oil Quenching

Productive capacity＊400 kg/ch (net),temperature : 930 ℃,
material : SCr420,
ECD : 0.6 mm

4.

2

Carburizing chamber×25 ton/day

Carburizing chamber×4

10 ton/day

Carburizing chamber×615 ton/day

・焼入前の処理品温度低下防止および均熱保持

浸炭モジュール・徐冷工程（プロセスによっては拡散工程の一部を含む）を浸炭モジュールから切り離すことによる浸炭処理品の昇温・均熱・浸炭・拡散の各工程が浸炭モモジュールの回転率向上

ジュール内で行われる．常時高温に保持され温度変化が少ないため，カーボンとセラミックの複層断熱材構造により極力放熱損失を低減するよう設計されている．
また最大 140 kPa･abs の窒素ガスによる対流加熱機能が備えられており，真空加熱に比べて昇温時間が約 20% 短縮されている．

4.

3・簡易ガス冷却機能による高濃度浸炭処理時の最適構造

4.

4

搬送モジュール

Fig. 8 に搬送モジュールの外観を示す．処理品の搬送はすべて搬送モジュール内のフォークによって行われる．搬送系を 1 ヶ所に集約することにより，熱負荷の大保温モジュール

きい浸炭モジュールおよび保温モジュールから駆動部分処理品を焼入温度に保持したままレール上を走行するを排除し，設備の耐久性を高めている．

保温モジュールは，存在自体が大きな特長であり，具体的には下記の利点を有する．

Fig. 8. Transfer module.

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4.

5

浸炭シミュレーション

真空浸炭法ではガス浸炭処理に用いられる CP（Carbon

Fig. 9 にソフトウェアの表示画面を示す．対象となる材料の化学成分は自由に設定できるため，JIS 鋼はもちろん当社独自鋼種にも適用可能である．

Potential）の概念の適用が困難で，代わりに飽和値調整シミュレーションの精度を検証するために，表面炭素法とも呼ばれるガス流量，時間を制御する方法が用いら濃度および浸炭深さ（炭素濃度が 0.35 % となる表層かれるが，これらの条件を勘や経験だけで的確に求めようらの距離）について計算値と実測値を比較した結果をとすれば大変な時間と労力が必要となる．当社は，膨大

Fig. 10 に示す．計算値と比べて実測値は最大約 20 % のなデータベースを基に開発されたシミュレーションソフ

ばらつきはあるものの，これだけの精度があれば 1，2トウェアを用いることにより，浸炭条件（以下，レシピ回程度のテスト処理で狙いどおりのレシピを決定できるという）の決定にかかる手間を大幅に軽減している．

ものと考えている．

Fig. 9. Screen of simulation software for carburizing.

(a)Surface Carbon Concentration(b) Carburized depth (C=0.35 %)Fig. 10. Comparison between calculated value and measurements.

技術資料＞大同製真空炉の設備技術進歩

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ModulTherm® の導入効果

5．むすび

当社納入先において確認された量産型 ModulTherm®

以上，代表的な当社の真空熱処理炉を例にとり設備技

4.

6の導入効果は以下の通りである．

術の進歩について紹介したが，まだ他にも多くの開発が（1）省エネ効果検討され成果をあげている．当社は特殊鋼材料のメー

製品重量あたりのエネルギー使用量を既設のカーであるため , 材料の研究開発，生産はもとより製鋼ガス浸炭炉と比較したところ，約 39 %の省エネ設備，熱処理設備，関連機器に至るまで，一貫して製作効果が確認された．これは以下の要因によるもするプラントメーカでもある．真空熱処理という工程のである．

をとってみても，一連の鋼材生産のうちの一工程として・製品への炭素供給源となる雰囲気ガスの使用量とらえることのできる数少ないメーカであるという利点

が 1/100 以下，かつ炉から排出される余剰の雰を生かし，今後も材料面，設備ハード面の両面からユー囲気ガスを燃焼させずに排気ザーのニーズに応えていきたい．

・設備の立上げ，立ち下げ時間が短いため，週末など短期間の休日ごとに停止させることで無駄な待機エネルギーを削減（2）省人化効果
操炉要員 1 人・1 日あたりの生産量を既設のガス浸炭炉と比較したところ，約 3 倍の生産量向上効果が確認された．ModulTherm® は電気加熱方式を採用しているため，バーナの監視要員が不要であるほか，前述の通りガス浸炭炉は休日も炉を停止しないため監視要員が必要であることによる．
（3）安全・快適な作業環境
ModulTherm®は浸炭モジュールにアセチレンガスを導入して浸炭処理を行っているが，炉内の圧力は大気圧の約 1/100 と低く，炉体は外部と空気の出入りのない完全気密構造のため，ガス浸炭炉と比べて潜在的な爆発リスクが低減されている．
また従来の熱処理現場は高温と粉塵に晒され，いわゆる典型的な“3K”職場として認識されてきたが，ModulTherm ® は高温の浸炭モジュールおよび保温モジュールの全周を水冷ジャケットで囲っているため，周囲への放熱がほとんどない上に，燃焼排ガスが発生しないため粉塵の飛散もなく，現場の作業環境は格段に改善された．