特開 2023-149661 真空浸炭炉および真空浸炭処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023149661

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】真空浸炭炉および真空浸炭処理方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 8/22 20060101AFI20231005BHJP

【ＦＩ】

C23C8/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022058342

(22)【出願日】2022-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】306039120

【氏名又は名称】ＤＯＷＡサーモテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100167634

【弁理士】

【氏名又は名称】扇田 尚紀

(74)【代理人】

【識別番号】100187849

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 隆史

(72)【発明者】

【氏名】柴田 大樹

(72)【発明者】

【氏名】藤原 稔

(72)【発明者】

【氏名】金山 正男

【テーマコード（参考）】

4K028

【Ｆターム（参考）】

4K028AA01

4K028AB01

4K028AC03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】真空浸炭炉において、ワーク装入時における加熱室内への外気の流入を抑制する。
【解決手段】真空浸炭炉１において、炉外から装入されるワークＷの真空浸炭処理が行われる加熱室１０と、加熱室１０の底部１０ａに設けられたワークＷの装入口２３と、を設ける。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空浸炭炉であって、
炉外から装入されるワークの真空浸炭処理が行われる加熱室と、
前記加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口と、を有する、真空浸炭炉。

【請求項2】

前記加熱室の下方に配置された、前記装入口から前記加熱室内に前記ワークを装入する昇降機を有する、請求項１に記載の真空浸炭炉。

【請求項3】

前記ワークを支持する支持台と、
前記支持台の下に設けられた前記装入口を覆う蓋体と、を有し、
前記昇降機は、前記蓋体を昇降させる構成を有し、
前記蓋体は、上昇時に前記加熱室の底部に密接して前記装入口を閉塞する形状を有する、請求項２に記載の真空浸炭炉。

【請求項4】

前記装入口の開閉を検知する開閉検知機構と、
前記昇降機を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記開閉検知機構によって、前記装入口が所定外のタイミングで開放されたことが検知された際に、前記昇降機を上昇させて前記蓋体を上昇させる制御を実行するように構成されている、請求項３に記載の真空浸炭炉。

【請求項5】

前記装入口の開閉を制御する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記装入口を開放する際に、前記加熱室に不活性ガスが供給されて、前記加熱室内の圧力が大気圧以上の圧力となった後に、前記装入口を開放する制御を実行するように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空浸炭炉。

【請求項6】

前記加熱室内の雰囲気を制御する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記装入口が閉塞されてから前記加熱室内の温度が前記真空浸炭処理を行う温度に昇温するまでの時間の５０％以上の時間、前記加熱室内を、不活性ガス雰囲気、かつ、１×１０²Ｐａ以上、大気圧未満の圧力で維持する制御を実行するように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空浸炭炉。

【請求項7】

前記加熱室は、該加熱室内をバーンアウトする際に酸化性ガスを供給するガス供給口を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空浸炭炉。

【請求項8】

前記加熱室に隣接し、真空雰囲気下で浸炭処理が行われた前記ワークが装入される冷却室を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空浸炭炉。

【請求項9】

真空浸炭処理方法であって、
ワークの浸炭処理が行われる加熱室内に不活性ガスを供給し、該加熱室の圧力を大気圧以上の圧力とした後に、該加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口を開放し、
前記装入口から前記ワークを装入し、
前記加熱室内の温度を、真空浸炭処理を行う温度まで昇温させ、
真空排気された前記加熱室に浸炭性ガスを供給して前記ワークの真空浸炭処理を行う、真空浸炭処理方法。

【請求項10】

前記装入口が閉塞されてから前記加熱室内の温度が前記真空浸炭処理を行う温度に昇温するまでの時間の５０％以上の時間、前記加熱室内を、不活性ガス雰囲気、かつ、１×１０²Ｐａ以上、大気圧未満の圧力で維持する、請求項９に記載の真空浸炭処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空浸炭炉および真空浸炭処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

各種鋼材料からなる自動車部品や機械部品等のワークの表面を硬化させるための熱処理として、従前より浸炭処理が行われている。近年においては、浸炭処理におけるＣＯ２排出削減の観点から、減圧下において、直接、浸炭性ガスを添加し、添加した浸炭性ガスの分解により生じた炭素を、ワーク表面に含侵させる真空浸炭処理技術が普及している。従来、そのような真空浸炭処理を行う真空浸炭炉として、特許文献１には、中間真空扉で区画された加熱室と冷却室との２室を備えるとともに、加熱室の前部にワーク装入用の装入扉が設けられ、冷却室の後部にワーク搬出用の搬出扉が設けられた真空浸炭炉が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特公平５－０１４０２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の真空浸炭炉においては、加熱室にワークを装入する際に、予め加熱室内を大気圧状態、かつ、所定の温度に加熱しておき、その状態の加熱室の前部から水平方向にワークを装入している。

【0005】

しかしながら、本発明者らによって行われたシミュレーションの結果によれば、加熱室に対して水平方向にワークを装入する構造の真空浸炭炉では、ワーク装入用の装入扉を開放した際に、加熱室内に短時間で外気が流入することが判明した。

【0006】

加熱室内は、通常、８００～９００℃の高温状態にあるため、ワーク装入時に加熱室内に外気が流入した場合には、加熱室内の構造物の酸化が生じ易い。このため、加熱室内の構造物の材料には、耐酸化性材料を適用する必要がある。

【0007】

また、ワークが装入されて装入扉を閉じた後の加熱室内に空気が残存していると、ワーク表面の酸化が生じ易いため、加熱室内の温度を浸炭温度まで昇温させる前に真空排気を行うことが好ましい。

【0008】

しかしながら、ワーク装入時の加熱室内への外気の流入量が多いほど、加熱室内の酸素量も多くなり、ワークが酸化し難い雰囲気となるまで加熱室内の酸素分圧を低下させるには時間がかかる。すなわち、加熱室内への外気の流入量が多いほど、真空排気時間が長くなり、浸炭処理の開始までに時間を要する。

【0009】

以上のように、加熱室に対して水平方向にワークを装入する構造の真空浸炭炉では、ワーク装入時に加熱室内に空気が流入するために、加熱室内の構造物に適用可能な材料が制限されると共に、浸炭処理を開始するまでの時間が増加する。

【0010】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、真空浸炭炉において、ワーク装入時における加熱室内への外気の流入を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決する本発明は、真空浸炭炉であって、炉外から装入されるワークの真空浸炭処理が行われる加熱室と、前記加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口と、を有することを特徴としている。

【0012】

別の観点による本発明は、真空浸炭処理方法であって、ワークの浸炭処理が行われる加熱室内に不活性ガスを供給し、該加熱室の圧力を大気圧以上の圧力とした後に、該加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口を開放し、前記装入口から前記ワークを装入し、前記加熱室内の温度を、真空浸炭処理を行う温度まで昇温させ、真空排気された前記加熱室に浸炭性ガスを供給して前記ワークの真空浸炭処理を行うことを特徴としている。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、真空浸炭炉において、ワーク装入時における加熱室内への外気の流入を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係る真空浸炭炉の概略構成を示す説明図である。

【図2】加熱室を説明するための斜視図である。

【図3】加熱室を下から見た、装入口の大きさを説明するための説明図である。

【図4】装入口の開閉検知機構を説明するための説明図である。

【図5】加熱室へのワークの装入工程から冷却室へのワークの搬送工程までの加熱室内の圧力履歴および温度履歴を示す説明図である。

【図6】加熱室へのワークの装入工程と、冷却室へのワークの搬送工程を説明するための説明図である。

【図7】シミュレーションの解析モデルを示す図である。

【図8】シミュレーション結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0016】

図１は、本実施形態に係る真空浸炭炉の概略構成を示す説明図である。図２は、加熱室を説明するための斜視図である。本実施形態においては、図面に示されるＸ方向が真空浸炭炉１の幅方向、Ｙ方向が真空浸炭炉１の奥行方向、Ｚ方向が真空浸炭炉１の高さ方向である。

【0017】

＜真空浸炭炉＞
真空浸炭炉１は、炉外から装入される各種鋼材料からなる自動車部品や機械部品等のワークＷの真空浸炭処理が行われる加熱室１０と、加熱室１０に隣接して配置された冷却室４０を備えている。

【0018】

（加熱室）
加熱室１０は、軸方向がＸ方向を向いた略円筒状の容器であり、この加熱室１０の内面には、断熱材１１が設けられている。加熱室１０の内部には、天井部からＺ方向下方に延びたヒータ１２が複数設置され、各ヒータ１２は、Ｘ方向に間隔をおいて配置されている。ヒータ１２は、ＳｉＣヒータなどのセラミックヒータや電気バーナー、ガスバーナー等の公知の加熱装置を適用できるが、高温時の酸化によるヒータ劣化を抑制する観点からは、セラミックヒータを用いることが好ましい。加熱室１０の天井部中央には、加熱室１０内の雰囲気を攪拌する攪拌ファン１３が取り付けられている。

【0019】

加熱室１０の冷却室４０側の側壁には、加熱室１０から冷却室４０にワークＷを搬送するための搬送口１４が形成されている。また、加熱室１０と冷却室４０との間には、昇降式の扉１５が設けられており、搬送口１４は、その扉１５によって開放または閉塞される。

【0020】

上記の搬送口１４が形成された加熱室１０の側壁とは反対側の側壁には、ワークＷを加熱室１０から冷却室４０に押し出すプッシャー１６が設けられている。プッシャー１６は、例えばリニアガイドなどの直線移動機構（図示せず）を有し、Ｘ方向に移動自在に構成されている。

【0021】

図２に示すように、加熱室１０の側壁には、プッシャー１６用の開口部１７が形成されており、プッシャー１６でワークＷを押し出す際には、その開口部１７をプッシャー１６が通過する。

【0022】

図１に示すように、プッシャー１６の周囲は、ハウジング１８で囲まれている。このハウジング１８は、図２に示す開口部１７（図２ではハウジング１８は図示せず）を覆うようにして加熱室１０の側壁に固定されている。ハウジング１８は、ワークＷの真空浸炭処理の際に、加熱室１０内に外気が流入しないように密閉された構造となっている。

【0023】

ハウジング１８の上方には、加熱室１０内の雰囲気を排気する排気管１９が設けられている。排気管１９は、真空ポンプ２０に接続されている。また、排気管１９には、圧力計２１が取り付けられており、この圧力計２１によって加熱室１０内の圧力が測定される。なお、加熱室１０内の圧力測定が可能であれば、圧力計２１の設置位置は特に限定されない。また、二酸化炭素排出抑制の観点から、排気管１９に二酸化炭素回収装置（図示せず）を取り付けてもよい。

【0024】

図２に示すように、加熱室１０の円筒部の外周面には、ガス供給口としてのガスインレット２２が設けられている。このガスインレット２２は、浸炭性ガス（例えばアセチレンガス、エチレンガス、プロパンガス、ブタンガスやこれらのガスが混合されたガス）や不活性ガス（例えば窒素ガス、アルゴンガス）、酸化性ガス（例えば空気、酸素、二酸化炭素）などのガスを加熱室１０内に供給する。

【0025】

ガスインレット２２は、Ｘ方向およびＹ方向に沿って複数設けられており、各々のガスインレット２２は、互いに間隔をおいて配置されている。なお、図２では加熱室１０に隠れて図示されていないが、加熱室１０の円筒部の外周面においては、図２に示されたガスインレット２２と対向する位置にも、同様のガスインレットが設けられている。すなわち、加熱室１０においては、一対のガスインレット２２が当該加熱室１０を挟むようにして設けられており、加熱室１０に供給されるガスは、加熱室１０の側方の２方向から供給される。

【0026】

各々のガスインレット２２には、それぞれガス供給管（図示せず）が接続されている。それらの複数のガス供給管のうち、例えば一部のガス供給管は、浸炭性ガスが貯蔵されたボンベ（図示せず）に接続され、他の一部のガス供給管は、不活性ガスが貯蔵されたボンベ（図示せず）に接続され、残りのガス供給管は、酸化性ガスが貯蔵されたボンベ（図示せず）やエアーコンプレッサー（図示せず）に接続されている。このようなガス供給系によれば、加熱室１０内に供給するガスを切り替えることができ、加熱室１０内の雰囲気を、浸炭性ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気、またはそれら各ガスの混合雰囲気に切り替えることができる。

【0027】

なお、ガスインレット２２は、複数設置されてなくてもよく、例えば１つのガスインレット２２から、浸炭性ガス、不活性ガスおよび酸化性ガスの各ガスが適宜混合された状態で供給される構成であってもよい。

【0028】

排気管１９とガスインレット２２の位置関係に関し、本実施形態においては、排気管１９が、加熱室１０における冷却室４０側の側壁とは反対側の側壁に設けられ、ガスインレット２２は、排気管１９が設置された側壁とは異なる側壁に設けられている。換言すると、排気管１９とガスインレット２２は、排気管１９の延伸方向（本実施形態ではＸ方向）とガスインレット２２の延伸方向（本実施形態ではＹ方向）が交差するように設けられている。排気管１９とガスインレット２２の位置関係は特に限定されないが、以下の理由によって、本実施形態のような配置とすることが好ましい。

【0029】

従前の真空浸炭炉のように、加熱室に対して水平方向にワークＷを装入する構造の炉においては、ワークＷの装入口を、本実施形態の開口部１７や排気管１９が設けられた側壁に形成する必要があった。すなわち、従前の真空浸炭炉においては、排気管の取付位置を、本実施形態の排気管１９の取付位置にすることができず、排気管１９とガスインレット２２の位置関係を、本実施形態のような位置関係とすることはできなかった。

【0030】

これに対して、本実施形態のような排気管１９とガスインレット２２の位置関係によれば、加熱室１０内に供給されるガスの供給位置と排気位置との距離を従前の真空浸炭炉よりも遠ざけることが可能となる。これにより、加熱室１０に供給されたガスが、加熱室１０内に拡散する前に排気される現象（いわゆるショートパス）の発生を抑制することができる。このため、例えば真空浸炭処理の際には、加熱室１０に供給された浸炭性ガスが、加熱室１０内に十分に拡散した状態で真空浸炭処理を行うことができ、浸炭ばらつきを抑制することが可能となる。

【0031】

ガスインレット２２から供給される各ガスのうち、不活性ガスは、ワークＷに対する真空浸炭処理を行う過程で必要に応じて供給される。例えば不活性ガスは、加熱室１０へのワークＷの装入工程や、加熱室１０から冷却室４０へのワークＷの搬送工程、浸炭拡散工程において供給される。

【0032】

一方、酸化性ガスは、ワークＷに対する真空浸炭処理を行う過程や、真空浸炭処理後の定期的なメンテナンス作業の際に必要に応じて供給される。例えば酸化性ガスは、定期的なメンテナンス作業として、加熱室１０内に堆積する煤を燃焼させて除去するバーンアウトを行う際に供給される。後述するように、本実施形態に係る真空浸炭炉１は、加熱室１０への外気の流入が発生し難い構造であるため、ガスインレット２２から酸化性ガスを供給することによって、バーンアウトを効果的に行うことが可能となる。

【0033】

図１に示すように、加熱室１０の底部１０ａには、ワークＷを装入するための装入口２３が形成されている。このため、加熱室１０にワークＷが装入される際には、加熱室１０の下方からワークＷが装入される。後述の実施例で示すように、加熱室１０の下方からワークＷを装入する場合には、ワークＷの装入時における加熱室１０への外気の流入を抑制することができる。

【0034】

図３は、加熱室１０を下から見た図である。この図３に示されるように、装入口２３は、ワークＷのサイズに対して十分に大きなサイズを有している。一方、ワークＷの装入時における加熱室１０内への外気の流入を抑える観点では、ワークＷに対する装入口２３のサイズは過大でないことが好ましい。

【0035】

具体的には、装入口２３の縦幅（Ｙ方向長さ）をａ₁、ワークＷの縦幅（Ｙ方向長さ）をｂ₁としたとき、縦幅比（ａ₁／ｂ₁）は、１．８０以下であることが好ましい。より好ましくは、１．７０以下であり、さらに好ましくは、１．６０以下または１．５０以下である。一方、装入口２３と、ワークＷを昇降させるための周辺部品との干渉をより確実に回避するためには、縦幅比（ａ₁／ｂ₁）は、１．０１以上であることが好ましく、より好ましくは、１．０２以上である。

【0036】

また、装入口２３の横幅（Ｘ方向長さ）をａ₂、ワークＷの横幅（Ｘ方向長さ）をｂ₂としたときの横幅比（ａ₂／ｂ₂）は、上述した縦幅比の好ましい上限値を規定する理由と同様の理由によって、１．８０以下であることが好ましい。より好ましくは、１．７０以下であり、さらに好ましくは、１．６０以下または１．５０以下である。また、上述した縦幅比の好ましい下限値を規定する理由と同様の理由によって、横幅比（ａ₂／ｂ₂）は、１．０１以上であることが好ましく、より好ましくは、１．０２以上である。

【0037】

なお、図３に示す例では、装入口２３は、矩形状であるが、装入口２３の形状は、ワークＷを装入可能な形状であれば特に限定されず、例えば円形や楕円形などであってもよい。

【0038】

（昇降機）
図１に示すように、加熱室１０の下方には、装入口２３から加熱室１０内にワークＷを装入するための昇降機としてのシザーリフター３０が設けられている。シザーリフター３０の上方には、ワークＷを支持する支持台３１と、支持台３１の下に設けられた断熱材３２と、断熱材３２の下に配置された蓋体３３が設けられている。シザーリフター３０の上端部は、蓋体３３の下面と接続されていて、蓋体３３は、シザーリフター３０の昇降動作に連動して昇降するように構成されている。

【0039】

蓋体３３は、装入口２３を閉塞し、加熱室１０の底壁部としても機能する部材であり、装入口２３全体を覆う形状を有している。蓋体３３は、シザーリフター３０によって上昇し、加熱室１０の底部１０ａに密接することによって、装入口２３が閉塞される。

【0040】

真空浸炭炉１においては、装入口２３の開閉検知機構を設けることが好ましい。この開閉検知機構の一例について図４を参照して説明する。

【0041】

図４（Ａ）に示す例では、蓋体３３の周縁部の下方に略台形状の接触部材３４が設けられている。この接触部材３４は、蓋体３３の昇降動作に連動して昇降するように蓋体３３に直接または間接的に接続されている。

【0042】

接触部材３４の側方には、装入口２３の開閉検知センサとしてのリミットスイッチ３５が設けられている。リミットスイッチ３５は、水平方向に延びた検知部３６を有し、検知部３６は、Ｙ方向を回転軸として回転可能である。リミットスイッチ３５は、検知部３６の初期位置からの回転角度が所定の角度に達した際に、後述の制御装置１００に向けてＯＮ信号を出力する。

【0043】

検知部３６の設置高さは、蓋体３３で装入口２３が閉塞される前の段階でリミットスイッチ３５がＯＦＦ状態となり、かつ、蓋体３３で装入口２３が閉塞された時にリミットスイッチ３５がＯＮ状態となる高さに設定される。

【0044】

このようにリミットスイッチ３５が設置されている場合、図４（Ａ）に示すように、蓋体３３で装入口２３が閉塞される前においては、接触部材３４の上方に検知部３６が位置しており、接触部材３４と検知部３６が非接触状態にある。この段階では、検知部３６が初期位置にあり、リミットスイッチ３５はＯＦＦ状態である。

【0045】

一方、図４（Ｂ）に示すように、蓋体３３で装入口２３が閉塞された際には、接触部材３４が検知部３６に接触し、検知部３６の初期位置からの回転角度が所定の角度に達した状態となる。これにより、リミットスイッチ３５がＯＮ状態となり、制御装置１００においては、装入口２３が閉塞したと判断される。

【0046】

すなわち、リミットスイッチ３５のＯＦＦ状態とＯＮ状態が切り替わることによって、蓋体３３の開閉状態を自動的に検知することができる。このような開閉検知機構によれば、ワークＷの装入後において、例えばワークＷや蓋体３３等の自重によって、蓋体３３が所定外のタイミングで下降した場合に、リミットスイッチ３５によって装入口２３が開放されたことを検知することができる。

【0047】

そして、装入口２３の開放が検知された場合には、後述の制御装置１００からシザーリフター３０に上昇信号が出力され、ＯＮ状態にあるリミットスイッチ３５が再度ＯＦＦ状態となるまで蓋体３３を上昇させることができる。これにより、真空浸炭炉１の運転を停止せずに、ワークＷに対する真空浸炭処理を継続することができる。

【0048】

なお、上述の「所定外のタイミング」とは、装入口２３が本来開放されるべきでないタイミングを意味し、具体的なタイミングは、当業者が実際の操業を考慮して適宜決定することである。例えば、装入口２３の開放予定のタイミングが、加熱室１０へのワーク装入時に設定されている場合には、所定外のタイミングは、そのワーク装入時以外のタイミングである。

【0049】

また、上述の開閉検知機構は、リミットスイッチ３５を用いた機構に限定されず、近接センサや光電センサ、レーザーセンサ等を用いた機構を適用することができる。

【0050】

以上、蓋体３３を昇降させる昇降機について説明したが、昇降機は、シザーリフター３０に限定されず、例えば油圧シリンダの伸縮動作を利用した機構などの他の機構を用いた昇降機であってもよい。

【0051】

また、本実施形態における真空浸炭炉１では、シザーリフター３０と蓋体３３とを互いに接続することで一体化させる構成が採用されているが、シザーリフター３０と蓋体３３は、常時接続された構成でなくてもよい。例えば、シザーリフター３０で蓋体３３を上昇させて装入口２３を閉塞した後、蓋体３３を支持する他の支持手段で蓋体３３の位置を固定し、シザーリフター３０については下降させることが可能な構成が採用されてもよい。

【0052】

また、ワークＷの装入と装入口２３の閉塞を実現する構成は、装入口２３からワークＷを装入し、装入口２３を閉塞することができれば、蓋体３３を昇降させる構成に限定されない。

【0053】

（冷却室）
加熱室１０に隣接して配置される冷却室４０では、真空浸炭処理されたワークＷの冷却が行われる。図１に示す冷却室４０は、油冷式の冷却室であり、冷却室４０は、焼入れ用の油が貯留する油槽４１を備えている。

【0054】

この油槽４１の上方には、ワークＷの搬送空間がある。搬送空間には、ワークＷを当該搬送空間と油槽４１との間で昇降させるエレベータラック４２が設けられている。冷却室４０の加熱室１０側の側壁には、冷却室４０にワークＷを搬送するための搬送口４３が形成されており、その搬送口４３が形成された側壁とは反対側の側壁には、冷却室４０からワークＷを搬出するための搬出口４４が形成されている。また、搬出口４４が形成された側壁の外側には、搬出口４４を閉塞する昇降式の扉４５が設けられている。

【0055】

なお、冷却室４０の冷却方式は、油冷式に限定されず、ガス冷式などの他の冷却方式であってもよい。また、冷却室４０は、加熱室１０に隣接して配置されなくてもよく、加熱室１０から搬出したワークＷを、加熱室１０に対して間隔をおいて配置された冷却室４０に装入するようにしてもよい。

【0056】

（制御装置）
上記の真空浸炭炉１は、制御装置１００を備えている。制御装置１００は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、真空浸炭炉１における一連の処理を制御する各種のプログラムが格納されている。例えばプログラム格納部には、加熱室１０内のガスの供給と排気を制御するプログラムや、シザーリフター３０の動作を制御するプログラム等が格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御装置１００にインストールされたものであってもよい。

【0057】

本実施形態に係る真空浸炭炉１は、以上のように構成されている。なお、本明細書では説明を省略しているが、真空浸炭炉１は、加熱室１０内の温度を測定する温度センサなどの一般的な真空浸炭炉で必要とされる構成も有している。

【0058】

＜真空浸炭処理方法＞
次に、この真空浸炭炉１におけるワークＷの真空浸炭処理の一例について説明する。

【0059】

図５は、加熱室１０へのワークＷの装入工程から冷却室４０へのワークＷの搬送工程までの加熱室１０内の圧力履歴および温度履歴を示す説明図である。本実施形態では、以下に説明する真空浸炭炉１の各動作が制御装置１００で制御されることによって、ワークＷの真空浸炭処理が図５に示す処理フローに沿って自動的に実行される。なお、以下で説明する真空浸炭炉１の一部の動作については、オペレータによる手動操作によって実行されてもよい。また、以下の説明における「圧力」は絶対圧である。

【0060】

（装入工程）
まず、装入口２３が開放される前の段階では、ガスインレット２２から加熱室１０内に不活性ガスの一例である窒素ガスが供給されることによって、加熱室１０内の雰囲気は、不活性ガス雰囲気の一例である窒素ガス雰囲気となっている。すなわち、加熱室１０内の雰囲気は、ワークＷの酸化が抑制される雰囲気である。加熱室１０内をガス比重が軽い窒素ガス雰囲気とすることで、加熱室内１０への空気流入をより抑制することができるため好ましい。

【0061】

このときの加熱室１０内の圧力は、例えば１×１０⁴～１．５×１０⁵Ｐａに設定されるが、大気圧以上の圧力であることが好ましい。これにより、加熱室１０の内外の圧力差が存在しないか、または加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも高い状態となり、装入口２３が開放された際に、加熱室１０内に外気が流入し難くなる。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より高くする場合、その圧力差は、５×１０⁴Ｐａ以下であることが好ましい。

【0062】

次に、蓋体３３が下降し、これによって加熱室１０の底部１０ａに設けられた装入口２３が開放され、ローラーコンベア（図示せず）などの搬送手段によって炉外から搬送されたワークＷが支持台３１の上に支持される。続いて、制御装置１００からシザーリフター３０に対して上昇を指示する信号が出力され、蓋体３３が上昇する。これにより、図６（Ａ）に示すように、加熱室１０の底部１０ａと蓋体３３が密接し、装入口２３が閉塞され、装入口２３からワークＷが加熱室１０内に装入される。

【0063】

なお、加熱室１０内への外気の流入を抑制する観点では、装入口２３が開放されてから再度閉塞されるまでの間、窒素ガスの供給量を調節することによって、加熱室１０内の圧力が、大気圧以上の圧力で維持されることが好ましい。

【0064】

また、ワークＷの装入時における加熱室１０内の温度は、特に限定されないが、１ロット前のワークＷが加熱室１０から冷却室４０に搬送された時の加熱室１０内の温度、に対して－１００℃～＋１００℃の温度であることが好ましい。例えば、１ロット前のワークＷが冷却室４０に搬送された時の加熱室１０内の温度が８７０℃である場合には、次ロットのワークＷの装入時における加熱室１０内の温度は、７７０～９７０℃であることが好ましい。

【0065】

このような温度管理を行うことによって、加熱室１０内における過度の降温を抑えることができ、次ロットのワークＷが装入されてから、浸炭温度に昇温させるまでの時間を短縮することができる。

【0066】

（昇温工程）
加熱室１０にワークＷが装入された後、加熱室１０内の真空排気が行われる。この真空排気によって加熱室１０内に残存する空気が排出されることで、加熱室１０の昇温中におけるワークＷの酸化が抑制される。なお、この真空排気により加熱室１０内の圧力を１×１０³Ｐａ以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、５×１０²Ｐａ以下である。

【0067】

真空排気時間は、図５に示すように、昇温工程の時間の５０％以下に設定されることが好ましい。換言すると、昇温工程における加熱室１０内は、昇温工程の時間の５０％以上の時間、不活性ガス雰囲気、かつ、１×１０²Ｐａ以上、大気圧未満の圧力となるように維持されることが好ましい。なお、真空排気時間は、昇温工程の時間の３０％以下に設定されることが好ましい。このような雰囲気を維持する制御は、上述の制御装置１００を用いて実行されることが好ましい。昇温工程の時間とは、装入工程において装入口２３が閉塞されてから、後述する均熱工程の真空排気が開始されるまでの時間である。

【0068】

なお、上述の真空排気は、ワークＷの鋼種が酸化し難い鋼種である場合や、要求される浸炭品質の水準等に応じて省略されてもよい。

【0069】

上述の真空排気によって加熱室１０内が真空雰囲気となった後に、真空排気が停止し、加熱室１０内に窒素ガスが供給される。そして、加熱室１０内の圧力が所定の圧力（例えば３×１０⁴Ｐａ）に達した後に、窒素ガスの供給が停止する。

【0070】

昇温工程においては、加熱室１０内の圧力が大気圧未満であることが好ましい。より好ましくは、１.０×１０⁵Ｐａ以下である。これにより、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも低くなり、蓋体３３が加熱室１０の底部１０ａに押し付けられる力が作用する。その結果、例えば加熱室１０またはシザーリフター３０に予期せぬ衝撃が加わった場合などにおいても、加熱室１０の底部１０ａと蓋体３３の密接状態が維持され易くなる。

【0071】

特に、加熱室１０の下方からワークＷを装入する構造の真空浸炭炉１においては、昇降機としてのシザーリフター３０に対し、ワークＷや蓋体３３といった重量物の自重が作用する。すなわち、シザーリフター３０には、加熱室１０の底部１０ａと蓋体３３の密接状態が解除される方向の荷重がかかる。したがって、上述した制御により、蓋体３３を加熱室１０の底部１０ａに押し付けることは、加熱室１０内の密閉度を維持する観点において有用である。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より低くする場合、その圧力差は、１．０×１０⁵Ｐａ未満であることが好ましい。さらに好ましくは、１．０×１０⁴Ｐａ～９．５×１０⁴Ｐａである。

【0072】

また、上記の窒素ガスの供給と共に、ヒータ１２と攪拌ファン１３を作動させ、加熱室１０内の温度を所定の浸炭温度（９３０℃）まで昇温させる。この昇温工程においては、加熱室１０内が真空雰囲気ではなく、窒素ガス雰囲気であるために、加熱室１０内の温度が上昇し易くなり、昇温時間を短縮することができる。なお、浸炭温度は、ワークＷの鋼種や炉内の構造物によって適宜設定されるものであり、真空浸炭処理の場合には、例えば７３０～１２００℃に設定される。

【0073】

（均熱工程）
加熱室１０内の温度が所定の浸炭温度に達した後に、再度真空排気を行う。この真空排気により、ワークＷの浸炭処理が開始される前に、ワークＷの均熱が行われる。なお、この真空排気により加熱室１０内の圧力を１×１０³Ｐａ以下にすることが好ましい。さらに好ましくは、５×１０²Ｐａ以下である。

【0074】

なお、均熱工程は省略されてもよい。均熱工程が省略される場合、前述の昇温工程の途中から真空排気が開始される。その場合における前述の「昇温工程の時間」とは、装入工程において装入口２３が閉塞されてから、後述する浸炭性ガスの供給が開始されるまでの時間である。

【0075】

一方、均熱工程が省略されて、昇温工程の途中から真空排気が開始された場合、加熱室１０内が真空雰囲気となった後は対流熱伝達が生じない。そのような対流熱伝達が生じない環境下では、昇温工程におけるワークＷの温度ばらつきが生じ易くなる。このため、ワークＷの温度ばらつきを抑制し、浸炭品質を高めるためには、不活性ガス雰囲気下でワークＷを十分に加熱した後に、均熱工程を行うことが好ましい。

【0076】

（浸炭拡散工程）
加熱室１０内が真空雰囲気となった後に、真空排気を継続しながら、浸炭温度に達した加熱室１０内に浸炭性ガス（例えばアセチレンガス）を供給する。このとき、加熱室１０内の圧力は１×１０⁵Ｐａ以下となるように維持され、この状態でワークＷの真空浸炭が開始される。そして、その状態を一定時間維持した後、浸炭性ガスの供給を停止し、ワークＷの拡散処理を行う。

【0077】

（降温・二次均熱工程）
拡散処理が完了した後、真空排気を停止し、攪拌ファン１３により加熱室１０雰囲気を攪拌しながら、加熱室１０に窒素ガスを供給する。そして、加熱室１０内の圧力が所定の圧力（例えば５×１０⁴Ｐａ）に達した後に窒素ガスの供給を停止する。その状態を一定時間維持し、ワークＷの降温と二次均熱処理を行う。加熱室１０内の圧力は、１×１０³Ｐａを超え、大気圧未満の圧力となるように維持されることが好ましい。加熱室１０内の圧力を１×１０³Ｐａ超、大気圧未満の圧力とすることで、攪拌ファン１３による対流熱伝達によりワークＷの温度ばらつきを抑制することができる。

【0078】

また、降温・二次均熱工程において、加熱室１０内の圧力が大気圧未満である場合には、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも低くなり、蓋体３３が加熱室１０の底部１０ａに押し付けられる力が作用する。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より低くする場合、その圧力差は、５×１０⁴Ｐａ以下であることが好ましい。

【0079】

（搬送工程）
ワークＷの降温と二次均熱処理が完了した後、図６（Ｂ）に示すように、加熱室１０の側壁に設置された扉１５を開き、加熱室１０から冷却室４０にワークＷを搬送する。その後、扉１５を閉じる。冷却室４０に搬送されたワークＷは、油槽４１内で焼入れされた後に冷却室４０から搬出される。

【0080】

なお、冷却室４０にワークＷが搬送された後に、加熱室１０内に次ロットのワークＷが装入されない状態が続くと、加熱室１０内の圧力が上昇し、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力より大きくなる。これによって、蓋体３３には下向きの力が作用するため、蓋体３３を下降させないためには、シザーリフター３０の稼働が必要となる。

【0081】

このため、冷却室４０にワークＷが搬送された後は、加熱室１０内の圧力が大気圧未満で維持されることが好ましい。これにより、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも低くなり、蓋体３３が加熱室１０の底部１０ａに押し付けられる力が作用する。

【0082】

この結果、蓋体３３の下降を防ぐことを目的としたシザーリフター３０の稼働が不要となり、シザーリフター３０のモータの負荷を軽減することができる。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より低くする場合、その圧力差は、５×１０⁴Ｐａ以下であることが好ましい。

【0083】

以上の工程により、１ロット分のワークＷの真空浸炭処理が完了する。そして、次ロットのワークＷが加熱室１０に装入される際には、前述した装入工程が再度実施される。すなわち、加熱室１０内に窒素ガスが供給され、加熱室１０内の圧力が大気圧以上の圧力となった状態で、装入口２３が開放される。これにより、加熱室１０の内外の圧力差が存在しないか、または加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも高くなり、装入口２３が開放された際に、加熱室１０に外気が流入し難くなる。

【0084】

装入口２３が開放された後は、蓋体３３が初期位置まで下降し、支持台３１の上に次の浸炭処理対象のワークＷが載せられる。その後、図５に示す処理フローに沿って、ワークＷに対する真空浸炭処理が行われる。このような処理が繰り返し行われることによって、後続のワークＷに対しても順々に真空浸炭処理が行われる。

【0085】

以上、本実施形態に係る真空浸炭炉１による真空浸炭処理方法について説明した。真空浸炭炉１によれば、加熱室１０にワークＷを装入する際に、加熱室１０の底部１０ａからワークＷが装入される。これにより、後述の実施例で示すように、ワークＷの装入時における加熱室１０への外気の流入を抑制することが可能となる。

【0086】

その結果、加熱室１０内の構造物の酸化が生じ難くなるため、構造物の材料として耐酸化性材料以外の材料を採用することができる。例えば従前の真空浸炭炉では、攪拌ファン１３の材料として、耐酸化性の懸念からカーボンコンポジット材の採用は避けられてきたが、本実施形態に係る真空浸炭炉１によれば、加熱室１０内の構造物の酸化が抑制されるため、カーボンコンポジット材を採用できる。これにより、攪拌ファン１３の軽量化を図ることが可能となる。

【0087】

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【実施例0088】

図７に示す加熱室の解析モデルを用いて、加熱室への外気の流入を評価するためのシミュレーションを実施した。図７に示す比較例のモデルは、加熱室の側方にワークの装入口が形成されており、実施例のモデルは、加熱室の底部にワークの装入口が形成されている。

【0089】

シミュレーションの解析条件は以下の通りである。本シミュレーションにおいては、初期状態における加熱室内と加熱室外の空気を区別し、それぞれの空気濃度の経時変化に着目した。
・解析タイプ：非定常流れにおける流体濃度解析
・解析時間：３０秒間
・境界条件
加熱室と流体との境界：静止壁
加熱室外領域と解析範囲外領域との境界：静止壁
・熱移動条件
流体と流体：熱移動あり
流体と固体：断熱
流体と解析範囲外領域：断熱
・物性
加熱室内雰囲気：９３０℃の空気
加熱室外雰囲気：２５℃の空気
加熱室材料：機械構造用炭素鋼

【0090】

図８は、シミュレーション結果を示す図である。図８に示されるように、加熱室の側方に装入口が設けられた比較例のモデルでは、シミュレーションの開始直後から加熱室内に外気が流入し、開始５秒後には、加熱室内の雰囲気の大半が外気に置換された。

【0091】

一方、加熱室の底部に装入口が設けられた実施例のモデルでは、加熱室内への外気の流入がなく、加熱室内の雰囲気は、初期状態の雰囲気のまま維持されていた。なお、図８では、シミュレーション開始後の５秒間の結果しか示されていないが、シミュレーションが完了する３０秒後の結果においても、実施例のモデルでは加熱室への外気の流入は確認されなかった。

【0092】

本実施例の結果によれば、加熱室の底部からワークを装入する構造の真空浸炭炉においては、加熱室の側方からワークを装入する構造の真空浸炭炉に対して、外気流入を抑制する観点で顕著な効果を奏することがわかる。

【産業上の利用可能性】

【0093】

本発明は、ワークの浸炭処理を行う真空浸炭炉に適用することができる。

【符号の説明】

【0094】

１ 真空浸炭炉
１０ 加熱室
１０ａ 加熱室の底部
１１ 断熱材
１２ ヒータ
１３ 攪拌ファン
１４ 搬送口
１５ 扉
１６ プッシャー
１７ 開口部
１８ ハウジング
１９ 排気管
２０ 真空ポンプ
２１ 圧力計
２２ ガスインレット
２３ 装入口
３０ シザーリフター
３１ 支持台
３２ 断熱材
３３ 蓋体
３４ 接触部材
３５ リミットスイッチ
３６ 検知部
４０ 冷却室
４１ 油槽
４２ エレベータラック
４３ 搬送口
４４ 搬出口
４５ 扉
１００ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】