はじめに
浸炭・浸炭窒化処理に代表される表面硬化熱処理は、自動車や産業機械から日常製品まで、その製品の機能の重要な部分で、製品性能を決定付ける大切な処理として幅広く行われている。特に大量生産される自動車関係の部品は多く、重量比では、浸炭・浸炭窒化される全ての部品の６０％以上を占めている。その上、自動車では動力伝達や制動装置関係といった、人命を預かる重要な部分の部品に、浸炭・浸炭窒化熱処理が採用されている。一方で、自動車産業が現在置かれている立場は、その生産量の大きさとも相まって、ＬＣＡにおける環境負荷対策など、省資源・省エネルギー問題が大きな課題となっている。自動車の場合は、製造段階だけでなく、その走行中に消費するエネルギーと、排出する炭酸ガスが多く、この削減を目指した燃費改善は各自動車メーカーにとって至上の命題となっている。このような状況の中にあって、侵炭・侵炭窒化熱処理の品質と、これを担う浸炭熱処理設備の果たす役割は非常に大きくなっている。高強度、高精度、低磨耗、低摩擦と言った、精密で信頼性の高い表面硬化熱処理が、燃費改善のためを含めた自動車の性能向上には欠かせなくなっている。図１は、自動車産業において技術開発の方向性を示唆するものとして描かれたものである。今回は、自動車産業の中で、このような要求に応えて活躍し、精密で信頼性の高い浸炭・浸炭窒化熱処理を実現している設備として、スペリア式バッチ型浸炭窒化炉(BBH型)を紹介し、その使用例を示す。熱処理のエンジニアリングアイテム図1
1. BBH型の概要
ＢＢＨ型浸炭炉は、真空窒素パージ方式を採用した、雰囲気安定性の極めて高い滴注式の浸炭・浸炭窒化炉である。気密構造の炉体として、パージ室では真空窒素ガス管換してから処理品を搬入出するので、この方式では加熱室に外気が入ることが無い。このため、連続操業中は勿論、断続操業でも外気の流入による炉内雰囲気の乱れが無く、極めて高い熱処理品質の再現性が得られる。さらに、搬送時には火を使うことが無く安全で、自動化して操業するのに最も適した装置となっている。図２には、シリーズ化されているＢＢＨ型の炉の中から、２室型（Ｂ BH-2 R）について構造図を示す。シリーズの中には、この他に専用のパージ室を設けた３室型、ガス冷却を可能にした油冷却兼用型等がある。 ＢＢＨ型では、処理は次のように進められる。一連の動作は全て自動で行われ、浸炭・浸炭窒化熱処理も、登録されたパターン条件を選択しておくことで自動的に進められる。侵炭雰囲気は、手軽でしかも安定して高い精度に組成管理できるばかりでなく浸炭効率も良い滴注式をベースとし、エンリッチプロパンまたはブタンとレデュースエアーを使って、炭素濃度を増減方向に制御する。さらに、ＢＢＨ型では真空窒素パージ方式と気密度の高い炉体を採用し、酸素センサーによる雰囲気制御を組合せたことで、窒素雰囲気中の残存酸素を管理して、浸炭や脱炭の無い光輝熱処理をも可能にしている。
2. BBH型浸炭炉と処理品
ＢＢＨ型浸炭炉で処理している部品は、その雰囲気制御精度の高さから、精密機械部品の０． 1 mm程度の浸炭から、船舶部品の４ｍｍを超えるものまで実に様々である。また、材料から見てもＳＣＭやＳＮＣＭ等の低合金鋼からＳ１５Ｃ等の炭素鋼、さらにはＳＰＣやＳＰＨの圧延鋼板、ＳＴＫＭ、ＳＷ RMなど実に幅広い。自動車部品についても、様々な材料の多くの部品が有り、その一例を挙げると表1の通りである。
表１　ＢＢＨ漫炭炉の処理品例勿論、浸炭・浸炭窒化熱処理以外の、焼入れ処理も同じ炉で熱処理されている。その一例を挙げるとバネ(SUPやSK材)、軸受(SUJ)、S４5Ｃなどの炭素鋼製品、焼結材料の製品、鋳鉄製品等となっている。これらの部品は、部品に合った汎用のバスケットやフィクチャー組立治具、または専用治具を使い、作業基準に定められた方法でセットしてＢＢＨ型浸炭炉に挿入する。炉の中で、処理品は、高度に制御された温度と雰囲気にて正確な深さと炭素量に浸炭される。所定の時間保持して目的の浸炭深さになったならば、焼入れ保持の温度まで温度降下する。この時B B H型浸炭炉では、温度降下中の雰囲気を目標の炭素濃度に制御するばかりでなく、冷却装置を働かせて迅速に温度降下することも可能にしている。焼入れ冷却では、部品に合せて焼入油の攪拌が調節できる。真空窒素パージ方式の採用によって、焼入れ油の酸化劣化と煤汚れが著しく減少したことも併せて、安定した、きれいで歪の少ない製品に焼入れされる。写真１には、ＢＢＨ型浸炭炉(ＢＢＨ－２Ｒ)を、写真２はパスケット治具にセットされた処理品を、写真３はフィクチャー組立治具にセットされた処理品を、例として示す。また、このようにして処理される部品の一例を示すと、次のようになる。表面硬さ硬さ分布
3. BBH型浸炭炉と全自動運転
ＢＢＨ型炉は、処理品の搬入出に真空窒素パージを採用したことで、炉内の可燃性雰囲気ガスが直接空気と触れることが無い。また、気密構造の炉体は緊急時にも空気の流入が無く、窒素雰囲気でパックすることができるため、安全で、全自動運転に適した設備となっている。また自動車産業では、トヨタ生産方式に代表される、フレキシプルでタイムリーな生産が要求され、これに合わせた細かな工程管理が、競争に勝つ大きな武器になっている。このような状況の中では、立ち上りが速く雰囲気安定性の良いＢＢＨ型炉が、全自動監視システム(商品名“F ama s”)と組合せることで、工場の部品加工ラインに合わせ熱処理工場をリアルタイムに操業でき非常に効果的である。このことは、最近の自動車関連部品メーカーに採用されている熱処理設備に、この組合せが非常に多くなっていることからもうかがえる。   .
4. F a m a sによる自動運転
全自動監視システム“Ｆａｍａｓ”では、前加工の工程から無人搬送車等で送られてくる処理品を受取ると、処理品の受付け、処理工程の選択、熱処理条件の設定等、自動的に工程登録する。登録された処理品は、一旦は自動倉庫等のストックヤードに保管され順番を待つ。順番がくると、選択された処理工程に従って処理が進められ、完成すると、製品の識別を含めて無人搬送車等で次工程に送られる。図３には、Ｆａｍａｓの工程フローを示す。また、図４と図５には、工程監視と浸炭プロセス監視画面を示す。さらに、ＢＢＨ型ではこのような全自動システムに対応して自動運転するばかりでなく、万一の異常に対して監視する、Ｆａｍａｓの警報監視システムにも対応している。様々なセンサーやＰＬＣ等に検知された異常は、泰早く異常箇所を警報画面で知らせると共に、安全方向に炉停止等の処置をする。勿論Ｆａｍａｓを使った遠隔監視も可能としている。また、Ｆａｍａｓでは、ＢＢＨ型浸炭炉を始め、全自動で処理された工程の実績、浸炭処理のデータ等について保存し記録する機能も備えて、作業の実績管理をより確かなものにしている。これらのことは、重要部品を大量に生産している自動車産業において、トレーサビリティーを確保する上でも重要なことになっている。図６には、警報及び工程とプロセスの遠隔監視システム図の例を、図７には、浸炭処理データの記録の例を示す。
5. BBH型と環境対策
B B H型浸炭炉では、精密熱処理による部品機能の向上で環境対策に貢献するばかりでなく、設備の消費するエネルギーや排出物でも、積極的に環境対策に取組み、多くの新技術を取入れた仕様を用意して、環境負荷を軽くしている。燃焼排ガスの熱を回収し、燃焼用空気を予熱しながら燃焼を行う蓄熱型バーナー（リジェネ方式）の採用では、熱効率８０％を達成し、従来型より２０％以上の排ガス削減を可能にした。図８に蓄熱型バーナーを示す。雰囲気排ガスの削減を目指した新滴注方式（アクセルカーポ）では、キャリアガスとなるアルコールの使用量を５０％以上削減している。真空窒素パージの採用と油槽のコントロールシFama s工程認システムステム改善は油の酸化劣化を抑え、焼入れ油の寿命を従来と比較して２倍にしている。また、シーズニングを不要にしたことで、これに要するエネルギーと雰囲気ガスも従来の２０％以下となった。一方B B H型では、これらの効果を含めて多くの環境対策が実現したことで、作業環境に対しても大幅な改善ができている。従来の、熱い、汚れる等のイメージは大幅に軽減された。
おわりに
熱処理はエネルギー多消費型の産業である。しかし熱処理によって生産された部品は、その品質の良し悪しによって、もっと大きなエネルギー消費に関係する。今後、人類が益々発展して行くためには、環境に配慮し資源とエネルギーを極限的に有効利用することが避けられない。熱処理にとって、より高機能、高精度、高品質の製品を作り出すことと、限りなき省エネルギーとの取組みは、何処までも続くであろう。そして、これらの要求に対し様々な試みがなされる中で、雰囲気熱処理の持つ特徴を最大限に活用したこれからの設備として、ＢＢＨ型浸炭炉が大きな効果を発揮するものと期待する。 ＜参考文献＞ 1）熱処理  3 8巻 5号相原、犬塚2)金属プレス1994. 6村上3）計装　　３８巻　７号　小林