NACHITECHNICALREPORT

Materials

33B5

Vol.

May/2018■ 新商品・適用事例紹介

改良型真空浸炭炉
マテリアル事業

Improved NACHI Vacuum Carburizing Furnace
NVC Series〈キーワード〉真空浸炭・EN-CARBO・バッチ型真空浸炭炉
真空浸炭シミュレーション・リファイニング
高濃度浸炭

サーモテック事業部／技術部

宮腰 昇

Noboru Miyakoshi

「改良型真空浸炭炉」

要旨

世界 各 国で 電気自動 車（EV）シフトが急 速に進む中、自動車の材料・熱 処理に対する要求はますます高くなり、さらなる小型高強度化・低ひずみ化などの高品質化が求められている。熱処理の一つである浸炭焼入れは、自動車産業界を中心とし、耐 摩耗、高強 度が必 要な変 速 機 歯車、産 業用減速機、建設機械の歯車などに広く適用されている。
最近では真空浸 炭炉が得意とする高濃 度浸 炭、浸炭焼入れは、自動車産業界を中心とし、耐摩耗、高濃度浸炭窒化処理での産業用部品への適用が高強度が必要な変速機歯車、産業用減速機、建設拡大している。

機械の歯車などに広く適用されている。自動車産業界

NACHIでは2000年のバッチ型真空浸炭炉発売

では十数年前の大ロット用のバッチ型、セル型処理から以降、実操業での課題・問題点を解決するため、インライン化した小ロットあるいは1個とりの熱処理ハード・ソフト面での改良を重ねてきた。本稿ではシステムへと変化が出てきている。一方、多品種・少量のNACH Iバッチ型 真空 浸 炭 炉「N VC - 6,-10」の熱処理が中心である中堅メーカーや熱処理加工業2機種の特長を中心にハード・ソフト面での改良点にではバッチ型が中心である。エンドユーザーからのついて説明する。

短納期対応、熱処理要求品質も厳しくなってきて

Abstract

おり、条件設定の容易化、安定した熱処理品質、設備

In the midst of rapid preference shift ofconsumers to Electric Vehicle（EV）around theworld, demands for materials and heat treatmentof automobile parts are increasingly becoming
higher.  Thus, high quality of small, high-strength
material with lesser distortion is required.  
A method of carburizing and quenching that is
one of the heat treatment methods is widely
applied to transmission gears centering aroundthe automobile industry, industrial reduction
gears and construction machine gears that requireabrasion-resistance and high strength.     In recent years, application of high-concentration
carburizing and high-concentration carbonitriding
treatment with excellent performance of a vacuum
carburizing furnace is expanding to industrial
parts.      Since the launch of a batch-type vacuum
carburizing furnace in 2000, NACHI has repeatedly
made improvements in its hardware and softwareto resolve issues and problems in the actual
operation.   In this paper, we will explain theimprovements made in hardware and software,focusing on the features of two models,“NVC-6”
and“NVC-10”of NACHI Batch-Type Vacuum
Carburizing Furnaces.
1

1. はじめに

信頼性、生産性をいかに向上させていくかがますます重要になってきている。本稿ではNACHIバッチ型
真空浸炭炉「NVC-6,-10」の2機種の特長を中心にハード・ソフト面での改良点について説明する。

2. バッチ型真空浸炭炉「NVC-6,-10型」の特長
表１にバッチ型真空浸炭炉「NVC-6,-10型」の基本装置（RFU）の設計を見直し、ユニット化した。標準諸元を示す。浸炭ガスは開発時から採用している

仕様「NVC-10型」の正面、側面写真をそれぞれ図1

エチレンに加えアセチレンも対応可能とした。また、

および図2に示す。炉 前にはリフタ機 能付き搬 送

2015年に発 表した真空浸炭シミュレーション「EN-装置があり油槽専用ピット施工なしで設置できる。

CARBO Calc.」を付属し、熱処理条件の事前検討や炉前搬送装置は自動搬送台車にも変更でき、全自動化

品質確 認に掛かっていた工数が1/3程 度になるライン対応も可能である。また、真空排気装置、ガスなどのメリットが出ている。今後の需要拡大が見込

制御盤、給排水装置は各々ユニット設計をしており、まれる高濃度浸炭、高濃度浸炭窒化処理での再ユーザー設置エリアに対応した柔軟なレイアウト対応

加熱処理前の熱処理品冷却に必要なリファイニングできるように配慮している。

※1

※2

※3

表1
設備型式

バッチ型真空浸炭炉NVCシリーズ2機種 基本諸元
「NVC-6型」「NVC-10型」

有効寸法
（mm）

W610×L950×H610

W760×L1,220×H760

処理量（kg/G.C）

600

1,000

使用温度
（℃）

800 〜 1,050（最高1,080）

電気容量
（kW）

100160

焼入油量
（L）

8,000

10,000浸炭ガス

エチレン・アセチレン
（選択）

処理ソフト

EN-CARBO Calc.（真空浸炭シミュレーションソフト）

オプション

高濃度浸炭・高濃度浸炭窒化

図1 「NVC-10型」設備正面（ピットレス仕様）
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図2 「NVC-10型」設備側面（ピットレス仕様）
2

「改良型真空浸炭炉」

3. 項目解説
1）浸炭ガスの互換性
NACHIはエチレンを用いた真 空 浸 炭 方 法 で

2）真 空 浸 炭 シミ ュレ ー ション「EN-CARBO Calc.」

2000年に特許取得し、NVCシリーズを販売してきた。

真空浸炭の条件設定は難しい？ガス浸炭から真空

しかしながら、海外需要家での入手性の悪さ、顧客浸 炭を初めて検討する場 合、異なる条 件設定が要求もあり、アセチレンを対応可能とした。エチレンと障壁になる場合がある。このような需要家向けにアセチレンでは浸 炭時の鋼 表面での浸 炭機 構、条件設定を容易化するツールとして「EN-CARBO

適した処理 圧力が異なる 。反応性がマイルドな

2）
Calc.」がある。NACHIでは3年前から「EN-CARBO

エチレンプロセスでは通常炉圧2 ～ 3kPa（abs）でのCalc.」を試験処理に導入し、SCr、SCM材などの処理であり、油回転真空ポンプの排気能力で十分で肌焼鋼の共析浸炭に対し、処理品質の条件出しある。一方、反応活性なアセチレンでは処理圧を1kPa精度および、必要工数低減に効果を挙げている。

（abs）以下で行なう必要がある。そのため、油回転真空「EN- CARBO Calc.」に熱 処 理 品 諸 元（ 材 質、ポンプ＋メカニカルブースタポンプの真空排気構成と形状、表面積など）と目標とする浸炭深さを入力設定なる。浸 炭ガス種 選 択は基 本的にユーザー要求することで浸炭パラメータが算出される。初回処理仕様によるが、過去納入事例より歯車などの鋭 角でも狙いの浸 炭深さに対し、誤 差±10％以内の部位の炭化物抑制が重要な場合はエチレン浸炭、結果を得ることができる（図3）。結果、需要家向け

ノズル部品などの細穴内部浸炭にはアセチレン浸炭試験において量産条件出しまでの時間が従来比でといったように、NACHIでは熱処理品形状、炭化物1/3となり、材料検査工数、試験処理費用も大幅に抑 制に適した浸 炭ガスをNACHI試 験 炉 で品質低減した。さらに、「EN-CARBO Calc.」で得ら確認し提案している。

れる炭素濃度勾配の算出結果をもとに従来の浸炭

1）条件を見直し歯車の歯筋精度の改善にとり組んでいる例もある。多品種少量の熱処理品、混載処理での条件設定に困っておられる小事業者や熱処理加工業において「EN-CARBO Calc.」が品質、生産性向上の課題解決の一つ手段となれば幸いである。

3.0

Calculated ECD550（mm）

＋10％
2.5

−10％

2.01.5

SCM415歯車歯面初回計算・実測比±10％以内
N＝45R 2 ＝0.918
σ＝0.141.0
0.5
0.00.00.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Observed ECD550（mm）

図33

シミュレーション・実測値対比（NVC-6型）

3）加熱方式
長期間でも安定した温度分布性能を確保する

高温減圧下環境でのヒータ表面変質による経年ため、ヒータ構造は初期型と比較し、改良型（現行劣化を回避することができず、ヒータ表面のバーン機種）では大きく設計変更している。表2に初期アウト、定期的な清掃、ヒータ交換、温度分布測定での型および現行機種の比較を示す。主変更点は、加熱ゾーン毎での出力調整が必要となり、保守加熱方式を従来の炭化珪素発熱体＋セラミック作業の負担となっていた。改良型では、従来の加熱保護管から金属発熱体+炭化珪素製ラジアント

方 式を見 直し、SiC-RT内 部に 金 属 発 熱 体をチューブ（SiC-RT）にした点である。初期型では配置し発熱体表面と浸炭ガスの接触を完全遮断真空容器中の炉内部に発熱体を20 ～ 30本近くする設計とした（図4）。結果、煤によるヒータ設置し、放電防止のため端子電圧を下げることが抵抗値変動がなくなったことで、温度分布性能の必要であった。この方式では余剰浸炭ガス由来の信頼性が向上し、ヒータ交換寿命も3倍以上に煤が、ヒータ表面および端子部に付着する。このため、のびた。

表2
項目

浸炭室加熱方式の比較

初期型

改良型
（現行）

改良型の特長ヒータ種類

炭化珪素発熱体

金属発熱体

金属発熱体は温度での抵抗変化率が低く、ヒータ設計の自由度が高い。

ヒータ保護管多孔質アルミナチューブ

特殊炭化珪素製チューブ（RT：ラジアントチューブ）

熱間強度が強く、ガス透過性も低いため真空シールが可能。初期費用は高い。

ヒータ配置

炉内（真空下）炉外（大気圧）ヒータは真空シールされたRT内配置となり、プロセスガスと完全遮断。ヒータ
性能劣化の影響が少ない。

ヒータ配列

上下面（計21本、計27本）

左右側面（計12本）

熱処理品側面でのヒータ配置となり、熱処理品、熱処理油落下などによる損傷リスクが少ない。

ヒータ端子部

炉内（真空下）炉外（大気圧）

ヒータ端子部が炉外のため、放電防止用の降圧用変圧器が不要になる。

従来型

ヒータ端子部

改良型（現行機）

ヒータ端子部
SiC製RT＋金属発熱体多孔質アルミナ管＋SiC発熱体

図4

NACHI TECHNICAL REPORT

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従来型および改良型加熱方式模式図4

「改良型真空浸炭炉」

4）焼入油槽十分な油面高さ、油量確保
焼入油槽は、本体、油槽撹拌機、オイルクーラで任意可能である。待機中（攪拌）−静止（攪拌停止）構成される。NVCシリーズでは、バスケット高さ−弱攪拌や、強攪拌−弱攪拌など製品にあわせた方向での焼入れ性バラつき低減を狙い、バスケット段階攪拌パターン設定も可能である。焼入れ後の油没位置でも油面から熱処理品上面までの高さを温度上昇は定格量で20℃未満、通常は装填量での確保できる十分な深さとしている（図5）。撹拌

平均的な運用では10℃～ 15℃の油温上昇となる。

方式は左右両側にプロペラ式攪拌機2台配置し、操業温度は熱処理油（コールド油/ホット油）によりバスケット油没位置での底面を左右同などに噴き異なるが、通常60 ～ 120℃で運用可能としている。

出すよう、整流ダクトを油槽底部に配置してある。

オイルクーラは処理内容、運用方法にあわせ、整流ダクト内は乱流域で平均流速が最大0.4m/熱交換容量を変更できるように配慮している。

sec程度になるように設計し、流速は吐出流量を（浸炭の他、調質用途割合が高い場合などは容量増）

撹 拌 機INVモーター回転数の無断 変速 可 能で

□ 油面圧力設定 ～ 90kpa□ 攪拌機回転数 無断変速
段階冷却（周波数設定）
高速-低速
攪拌-停止-高速□ 液面管理□ 自動給油（オプション）□ オイルクーラ
排熱時間 2時間以内
サイクルにあわせ容量設定可能□ 油温度上昇
通常10 ～ 15℃□ 焼入れ遅れ時間 35秒前後
30秒以内（引き出しから）

図5

5

焼入れ油槽構造 「NVC-10型」

5）リファイニングファンユニット（RFU）

6）加熱室ファンユニット

RFUは高濃度浸炭や高温浸炭で再結晶による

NVCシリーズでは、真空加熱中での処理品、組 織調整が必要になる場合に必要なガス冷却バスケット、ジグからのCr脱元素防止のため、ユニットであり、オプション搭載している。高濃度

炉内に定流量の窒素ガスを導入し、パーシャル浸炭サイクルでの1次冷却（結晶粒微細化）では加熱を行なう回路を標準装備している。しかし、大型浸炭温度からA1変態点以下まで約30分での冷却部品、あるいは数量が多く嵩張る荷姿の場合では、能力を有している。金型専用の加圧冷却真空炉

真空加熱（放射加熱）だけでは、バスケット外部と（第2種圧力容器）では、加圧ガス冷却機能を搭載

バスケット芯部の昇温速度が遅れ、処理サイクルがする仕様が一般的だが、NVCシリーズは、真空油長くなる。このような場合に、室温～ 600℃付近焼入れを基本としており、構造上、窒素ガスによるでの対流伝熱領域での昇温速度を上げる目的で、常圧（大気圧直下）冷却としている。1台の炉で対流加熱ファン（オプション）を搭載する場合が真空浸炭と真空焼入れ処理を行なう需要家の場合、ある。ただし、対流加熱時には炉壁から放散熱量もNVCシリーズにRFUを搭載し、ダイス鋼の窒素増加するため省エネの点では好ましくない。真空ガス雰囲気焼入れ、SKD61、SUS440などの金型、加熱による800℃～ 1050℃温度域での温度分布は刃物やSUS410材の螺子部品の浸窒焼入れ（表面±3℃程度（設備仕様±5℃以内）、窒素ガス対流硬さHV600以上）への適用事例がある。ただし、加熱の場合、±7.5℃程度となる。また、処理内容

構造上RFUでの雰囲気ガス冷却での処理量はによりファンインペラを2種類の材質（耐熱鋳鋼製/油冷時の半分程度となる。

C/Cコンポジット製）から選択可能としている。
真空浸炭を行なう場合、一定使用間隔で加熱室内に付着した煤を燃焼除去するためにバーンアウト処理を行なう。この際、空気を炉内導入するため、C/Cコンポジット製インペラは消耗が早くなるため、耐熱鋳鋼製インペラとしている。

NACHI TECHNICAL REPORT

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4. まとめ
NACHI真空浸 炭炉の基 本 技 術は、過去10年以上に渡る各所実績をふまえ汎用技術として普及し、部分的な改良を継続し安定運用している。今後、大手メーカーに続き、中堅部品加工業者、熱処理加工業への普及が促進すると予想される。
NACHIは、真空 浸 炭炉を円滑に普及させるために、上 述の熱処理レシピ作成負担の軽減、容易化も鍵になると考えており、より現場に即した実用的なシミュレーション技術をさらに磨き上げると共に、現在とり組んでいる処理プロセスにおける炉内雰囲気 監 視の量産レベルでの実用化、遠隔監視システムと連携し顧客のニーズに応えてゆく所存である。

用語解説※1 高濃度浸炭
通常浸炭は表面炭素濃度を共析点（C 0.78%）で調整するが、これよりも高い表面炭素濃度での組織（過共析）にし、表面組織に炭化物を生成させる処理。

※2 高濃度浸炭窒化
高濃度浸炭後の焼入れ前にアンモニアガスを導入し、鋼表面に窒素を侵入させる処理。

※3 リファイニング
高温浸炭加熱による結晶粒の粗大化防止のため、一旦、A1変態点以下までガス冷却した後に、再度焼入れ保持温度まで昇温してから焼入れする処理のこと。

参考文献
1）園部勝：NACHI TECHNICAL REPORT Vol.18（2014）A1 p5
2）園部勝：工業加熱 Vol.52,No.1（2015）NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.33B5May / 2018〈発行〉2018 年 5 月 24 日株式会社 不二越 技術開発本部
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