JPH01268817A - 熱プラズマ火炎中での金属又は合金の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背旦］ 金属や合金の熱処理は大変古く、重要な工業上の処理技
術であり、相当広い領域で有益な製品を作るのに必要と
される。特に、この技術の大部分は、表面及び／又は全
体の硬化技術に関し、靭性があるが比較的柔らかな普通
又は合金鋼材に、堅く、耐摩耗及び耐疲労特性を持つ表
面を付加しく表面硬化の場合）、若しくは全体にこの特
性をもたせる（全体を硬化した場合）。これらの結果を
もたらす従来通常に行われている方法には、シェル硬化
処理、化学火炎硬化処理、又は誘導硬化処理がある。「
熱処理の原理」、ジョージ　クラウス著、ＡＳＭ、１９
８０年、第１０章、又は「実用熱処理」、ハワード　イ
ー　ボイヤー著、ＡＳＭ、１９８４．第１１章、参照。

シェル硬化は、−船釣には、特定の金属又は合金材の表
面層のみを硬化するのに使用される。この材料は、通常
溶融鉛又は溶融塩浴のような加熱媒体中に浸漬される。

この工程の次に焼入れがおこなわれ、これにより硬い外
側の層が作られる。

この場合、主に部品の設計（部品すべてが加熱されなけ
ればならない）や加熱浴温度に固有の限界があることか
ら、制限を受ける。これらの制限があるため、極端に急
速に加熱したり、加熱処理される材料の特定の領域、部
分を局部的に加熱することができない。

火炎硬化には、適切な燃料ガスと酸素との間の化学的な
反応で作られた火炎を使用する方法がある。通常使用さ
れる燃料ガスは、水素又はアセチレンである。この技術
を使うと、材料は所定時間火炎中で選択できに硬化され
る。この技術では、主に化学火炎温度を用いるために、
金属材への熱転は速度が制限され、このため試料温度の
増加速度が制限される。この結果、熱伝導により熱処理
領域に隣接する部分が過熱される。

誘導処理がおこなわれた場合、硬化されない金属又は合
金試料は、外部の電磁誘導コイルにより試料中に誘導さ
れた電流によって間接的に硬化される。この技術には、
いくつかの重要な欠点がある。たとえば、誘導硬化技術
を用いた場合、とくに部品が鋭いエツジを持ちまたは厚
さが変化する場合、局部的な温度制御は達成しがたい。

誘導加熱は、特定の金属試料内に誘導された電流に依存
するため、材料のあるものは（その幾何学的な形状によ
り）、この技術を用いても有効に硬化することができな
い。更に加えて、異なる形状又は寸法の材料は、誘導硬
化処理を最適なものとす５ためには、それ自身のために
特別に設計された誘導コイルをそれそぞれ必要とする。

場合によっては、これらの特殊な誘導コイルの設計や組
立てに関する費用は、とくに硬化される材料が大量に作
られる場合を除いて、高くなることが避けられない。

［発明の概要及び目的］ 上述した多くの制限は、適切に設計され制御された熱プ
ラズマ加熱処理システムを使用することにより解消する
ことができる。ここに開示する本発明は、このようなシ
ステムを記載しており、このシステムでは多くの種類の
金属及び／又は合金材を熱処理するために使用、するこ
とができる。この熱プラズマシステムでは、大気圧のア
ルゴン、又は窒素プラズマ「火炎」を用いて金属及び／
又は合金試料の表面又は全体を硬化するのを促進する。

こシステムは、上記方法特有の利点を数多く持つととも
に、従来の炉硬化技術の利点を持つ。

これらの利点の一つは、適切に設計され制御された熱プ
ラズマシステムにより、熱処理されるべき多くのタイプ
の金属材料について、大変正確にかつ局部的な温度制御
をすることができるということである。この技術の別の
利点は、プラズマ「火炎」内で作ることが可能な著しく
高い温度により、著しく急速な試料の加熱速度を得るこ
とができるということである。例えば、本発明では１０
．０００℃を越えるプラズマ「火炎」温度を容易に達成
することができるが、溶融塩浴温度又は化学火炎温度で
は、希に３．３００℃を越えるだけである。

プラズマ「火炎」中で非常に高い温度を達成できるため
、金属又は合金材は、プラズマ「火炎」中で著しく急速
に加熱できる。しかし、加熱される金属又は合金材がそ
の浸漬温度に達するや否やプラズマ「火炎」温度を下げ
ることにより過熱やこれに関連する局部的な溶融現象を
完全に解消することができる。この調整は、手動又は自
動で、プラズマ「火炎」生成機に入力される電力を調整
することにより容易になされる。この浸漬温度は約６０
０℃と１０００℃の間に維持されることが好適である。

幾何学的な形状や寸法が広い範囲にわたっ°Ｃ異なる多
数の試料の熱処理を促進するためには、プラズマシステ
ムの修正をごく少しおこなえばよい。

さらに加えて、大きな試料に関し、比較的広い帯の材料
を有効に熱処理するために、多数のプラズマシステムを
同時に使用することができる。この　゛多数システムを
使用すると、同じ材料で材料の厚さが変化していても、
同じ若しくは異なる温度条件下で独立に又は同時に加熱
することができる。

−成約には、著しく急速にコントロール加熱（熱プラズ
マシステムでのみ可能である）に続いて適切な焼入れ及
び／又はアニール（焼きなまし）またはテンパー（焼も
どし）をおこなうと、他の技術を用いては有効に熱処理
することがむずかしかった（不可能でないにしても）金
属機械部品を、広い範囲で製造することができる。プラ
ズマ火炎を止めた後、ワークピースがまだ回転し及び／
又はその支持体上を直進している間に、直ぐにワークピ
ースの例えば水や液化ガス、液化窒素、アルゴン、又は
二酸化炭素のような液体をスプレィすることにより焼入
れをおこなうことができる。焼入れは、液体内に同じよ
うに浸漬させることにより上記ワークピースの回転を止
め、及び／又は直進を止めた後におこなうこともできる
。

本発明方法では、試料を所定の深さで硬化せしめ、又は
試料全体を完全に硬化させるために、プラズマ「火炎」
中で金属及び／又は合金を熱処理する手段を備えている
。この工程の付加的な工程は、適切な金属試料を著しく
急速に加熱するのに使用される。このことにより、誘導
により同じ試料中の隣接する領域が有害な加熱を受ける
のを最少限とする。この工程は、また加熱された試料中
で優れた温度制御をおこなうことができるとともに、硬
化層中で優れた深さ制御ができる。更に加えて、この工
程では、各種形状及び寸法のワークピースに適用するこ
とが比較的容品であり、ワークピースのうち選択的に硬
化された領域中で優れた顕微鏡組織的な性質を得ること
ができる。

［発明の詳細な説明］ 本発明方法では、高温、大気圧の熱プラズマシステムを
使用して、特定の金属合金試験試料の表面及び全体を硬
化するのを促進する。本発明の装置は、流動するアルゴ
ンガスシステム内で著しく高温の熱プラズマを生成する
のに適用することができる。しかし、アルゴンに変えて
、他の純粋なガス若しくは混合ガスを使用することもで
きる。

このシステムの使用過程で、高温アルゴンプラズマ「火
炎」は、回転する金属合金試験試料の外側表面の対して
向けられる。試験試料の表面温度は、非接触赤外線温度
センサにより監視される。試験試料の温度は、プラズマ
生成機からの不活性ガス流速を変え、及び／又はプラズ
マ生成機に入力される電力を変えることにより制御され
る。これらの温度監視及び制御手段は、任意の特定の加
熱処理操作の加熱及び／又は浸漬用過程において試料温
度全体を大変正確に調整するのに使用することができる
。

好適な具体例によれば、本発明は、プラズマ生成手段に
よって生成されたプラズマ火炎中で、金属のワークピー
スを加熱処理するための方法を提供し、 プラズマ火炎通路中でワークピースを動かす工程と、 上記ワークピースを十分速い速度で回転させて、ワーク
ピースが上記プラズマ火炎中で加熱される位置と、非接
触衣Ｉｉｉ温度測定手段により表面温度を７１定するこ
とが要求される位置との間で相当量の冷却が生じないよ
うにする工程と、 プラズマ火炎を生成するためのプラズマ生成手段を発火
するするコニ程と、 プラズマ火炎温度、すなわち上記非接触表面温度Ａ？Ｊ
定手段による表面ワークピース温度を制御して、試料加
熱速度とワークピースの浸漬温度を所望の値に保持する
ようにする工程と、 プラズマ火炎を消す工程と、 ワークピースを焼入れする工程と、 を具備した方法である。

［発明の詳細な説明］ 第１図は、本発明にかかる熱プラズマ処理装置を示す。

この装置は、プラズマ火炎生成手段１００、熱処理容器
２００、赤外線温度センサ手段３００、及びガス通気孔
４００を備えている。プラズマ火炎生成手段１００は、
カソード外囲器７を備え、この中にカソード１１が配置
され、支持フランジ９により保持されている。そしてこ
のフランジはプラズマガス噴射リング８を介してカソー
ド外囲器７に接続されている。プラズマガスの入口はリ
ング８内に設けられ、これは図面には示されていない。

支持手段１２は、カソード外囲器７と同軸に列設され、
プラズマガスが流れるカソード１１と同軸に列設した内
部チャンネル３０を形成し、また水入口４，４０及び出
口５，５０と夫々接続された外部チャンネル３Ｉ．３２
を形成し、上記内部チャンネル３０を冷却している。水
入口４１及び出口５１もまたカソード１１を内部から冷
却するのに設けられている。

アダプターフランジ６は、上記チャンネル３０の出力と
熱処理容器２００との間を接続するものである。上記フ
ランジはまたアノードケーブル１５に接続され、従って
高圧アノードである。プラズマ火炎２１は、カソード１
１とアノード６との間で生成され、処理されるワークピ
ース１９まで広がる。このワークピースは中空試料とし
て示されている。この試料は支持リング１８．３８に回
転可能に取付けられ、従ってプラズマ火炎通路内に載置
されている。

容器２００は、導管５６を備え、これは焼入れ一排水バ
ルブ１６に接続され、このバルブは焼入れ流体導管５４
．５５に接続されている。そして火炎を消した直後又は
その後でワークピースの焼入れがなされるようになって
いる。

１、Ｒ，温度１１−１定手段は、試料上にほぼ導管５６
の前に位置している。Ｉ．Ｒ２温度センサ１は、リモー
ト電力供給源（図示せず）にケーブル２によって接続さ
れている。中空円部組６０は、一端が容器２００に接続
され、他端が第二の中空円部組６５と接続され、さらに
Ｉ．Ｒ，センサ１に接続されている。

水ジャケット６６は、第−鞘６０と第二組６６との間に
設けられ、容器２００とＩ．Ｒ，センサ１との間でガス
を冷却するようになっている。

第２図は、第１図の装置の平面図で、同じ符号は同じ機
器を示す。

ワークピース１９（又は試料）は、二つのリング１８．
３８との間を回転する。そしてカップリング手段２２を
介して可変速度り、Ｃ，モーター２４に取付けられてい
る。さらに処理の要求に応じて上記試料の回転速度を変
える手段（図示せず）を具備している。

実施例 ここに開示した本発明の装置及び方法を、いくつかの実
際の金属合金試料について試験した。

これらの試料をＥ５２１００鋼から作製した。というの
は、この種の鋼は誘導工程で有効に硬化できるためであ
る。

実施例１ 始めに、熱間仕上され、球状化アニールされた長さＩ．
２７　ｃｌｌの丸い製品を機械加工して試験試料を作っ
た。これら試験試料は、夫々１５．２　ｃｍの長さに切
断された。またこの材料を作るのに使用された製造工程
により顕微鏡組織的な不整合が生じるが、これを除去す
るために、これら試料の表面をほぼ０．０２　ｃｍ機械
的に切除した。いくつかのこれら試料を第１図及び第２
図に示す装置を用いて形成された純粋のアルゴンプラズ
マ「火炎」中で加熱処理した。しかし、試料支持アセン
ブリは、これら試験のため、Ｉ．２７　ｃｍ　ｏ、ｄ、
ロッドを保持するように修正さた。

この評価過程で、Ｉ．２７　ｃｍ　ｏ、ｄ、試験ロッド
をほぼ１０　　ｒｃｖ／ｓｅｅで回転させて、均一な試
料の加熱をおこなえるようにした。純粋なアルゴンをほ
ぼ１００ＳＬＰＭ　（標準リットル７分）の流速でプラ
ズマガスとして使用した。約１２ＳＬＰＭの流速のアル
ゴンガスを付加的に用いて、赤外線センサと回転試験試
料との間の光学通路内を排気した。電力は、プラズマガ
ス流速、システムの幾何学形状、外部や冷却水への熱損
、及びこの試験セットで選択された急速加熱速度により
決められる。初期のプラズマ入力は、約１０Ｋｗ（１０
０アンペアＸ　１００ボルト）である。これらの条件下
で、Ｉ．２７Ｃ■ｏ、ｄ、合金鋼試料は、常温から８５
０±５℃までほぼ３０秒で路線形的に温度上昇した。プ
ラズマ「火炎」を支持する電流入力を手動で減少させる
ことにより、試験試料をいくつかの処理時間で、８５０
±５℃に維持し又は浸漬した。浸漬用過程での必要電力
は、約９Ｋｗ（９０アンペア×１００ボルト）であった
。・この電力は、すべて試料温度を８５０±５℃に保持
するのに必要とされ、また同時に実験装置の形態や操作
パラメータに関連する固有の熱損に消費された。夫々の
浸漬期間後、プラズマ電力の供給を遮断し、高温回転し
ている試料を水で急速に焼入れした。上記のように試験
された試験試料のうち２つから得られた試験結果を表１
に示す。これら試料は、双方とも全体が優れかつ均一に
硬化された。これら試料の双方の熱影響領域全体の硬さ
は、ロックウェルＣスケールで６０以上であった。熱影
響領域全体の顕微鏡組織は優れており、物理学的な性質
は、全て誘導タイプの硬化処理を用いて得られたものと
同等又は、より優れていた。

実施例２ ２．５４　ｃｍ　ｏ、ｄ、の固体の丸い製品を機械加工
して、実施例１と同じ鋼材であって大きな寸法のものを
得た。これら試料についても、ここに述べる熱プラズマ
システムで硬化した。初期試料加熱段階で使用する電力
入力を除いて、これら試料の処理過程で使用する操作条
件は、上記Ｉ．２７　ａｍ　ｏ、ｄ、試料を加熱処理す
るのに使用した操作条件とほぼ同じである。しかし、２
．５４　ａｍ　ｏ、ｄ、試料については、８７０±５℃
まで加熱して浸漬した。これら試料が大容量であるため
、浸漬温度に達するのに長′くかかった。これら試料の
一つは、約４５秒で３００〜８７０℃に加熱された。他
の同様の試料は、約８１秒で３００から８７０℃に加熱
された。

これら加熱速度に相当な違いがある理由は、これら試料
の初期加熱段階で異なるプラズマ電力を使用したという
事実に関係がある。これら固体のＩ．５４　ｃ■ｏ、ｄ
、試料の２つから得られた試験結果を表２に示す。これ
ら試料は、双方とも熱処理領域全体が優れた硬化を達成
していることがわかる。

しかし、８７０±５℃で１０秒だけ浸漬した試料では全
体の硬化は達成できなかった。しかし他の試料では硬化
が達成できた。この処理を金属合金試料に適切に適用す
る場合、硬化層の深さを制御するために、時間を変えれ
ば有効に使用できることをはっきりと示している。

実施例３ 機械加工して２．５４　ｃｍ　ｏ、ｄ、の中空合金孔試
料を更に得た。そして発明の装置及び方法を用いて試験
をおこなった。これら試料についても、固体試料を作る
のに使用されたＥ５２ＬＯＯ鋼の同じ棒から機械加工さ
れた。これらロッドの中空中心部分は、内径（＋、Ｄ、
）がＩ．２７　ｃｍである。この中心加熱領域の各側全
体に伸びたこの中心中空部分の長さ部分を、プラズマ加
熱「火炎」に暴露した。第１図及び第２図は、これら試
料を処理するのに使用される装置の形態をよく示してい
る。操作条件もまた、これら試料の初期加熱段階でのプ
ラズマ電力）、力を除いて上記記載の場合と同様である
。主にプラズマ電力の人力が違うことから、これらの試
料は約１００秒で室温から８７０±５℃の温度に加熱さ
れた。これらの中空試験試料のうち２つから得られた試
験結果を表３に示す。これら試験結果は、完全な全体の
硬化は、中空試料ののうち所定の限定領域内で得ること
ができた。周辺領域は比較的柔らかで靭性を持っていた
が、この事実は本方法による別の重要な利点である。

表１ 固体Ｉ．２７　ｃＩＩＯ，０，合金鋼試料を用いたプラ
ズマ熱処理結果 試料１　　試料２ ８５０±５℃の　　　１０　　３０ 浸漬時間（秒） 硬化外側表面　　　　Ｉ．９７　　　Ｉ．９７領域の長
さ（ｃｍ） 試料中心の硬化　　　Ｉ．７６　　　Ｉ．８４領域の長
さ（ｃｍ） 熱処理領域全体の　　＞　ｅｏ　　　　＞　ｅ。

硬度（ＲＣスケール） 熱処理領域外側の　　＜１０　　　　＜１０硬度（１？
Ｃスケール） 表２ 固体２．５４　ｃＩｌ　Ｏ，Ｄ、合金鋼試料を用いたプ
ラズマ熱処理結果 試料１　　試料２ ８５０±５℃の　　　１０　　　３００浸漬時間（秒） 硬化外側表面　　　　２．２　　　６．０領域の長さ（
ｃｎ＋） 試料中心の硬化　　　０．０　　　４．５領域の長さ（
ｃｍ） 加熱領域中心の　　　０．５　　　Ｉ．３硬化層の深さ
（ｃＩｌ） 熱処理領域全体の　　＞　ｅｏ　　　　＞　ｅ。

硬度（ＲＣスケール） 熱処理領域外側の　　＜　ＩＱ　　　　＜　１０硬度（
ＲＣスケール） 表３ 固体２．５４　ｃｍ　Ｏ，Ｄ、合金鋼試料を用いたプラ
ズマ熱処理結果 試料１　　試料２ ８５０±５℃の　　　１０　　６０ 浸漬時間（秒） 硬化外側表面　　　　Ｉ．７　　　、　２．１領域の長
さ（ｃｍ） 試料中心の硬化　　　Ｉ．７　　　２．１領域の長さく
ｃｌｌ） 熱処理領域全体の　　＞５５　　　　＞８０硬度（ＲＣ
スケール） 熱処理領域外側の　　＜　１０　　　　＜　１０硬度（
ＲＣスケール）

【図面の簡単な説明】

第１図は熱プラズマ処理装置の一部断面側面図、第２図
は第１図の装置の一部断面平面図である。 １００・・・プラズマ火炎生成手段、２００・・・熱処
理容器、３００・・・赤外線温度センサ手段、４００・
・・ガス通気孔、１・・・赤外線センサ、２・・・ケー
ブル、６・・・アノード（アダプターフランジ）、７・
・・カソード外囲器、８・・・リング、１１・・・カソ
ード、１２・・・支持手段、１５・・・アノードケーブ
ル、１６・・・焼入れ〜排水パイプ、１８．３８・・・
支持リング、１つ・・・ワークピース、２１・・・プラ
ズマ火炎、２２・・・カップリング手段、２４・・・モ
ーター、３０・・・内部チャンネル、３Ｉ．３２・・・
外部チャンネル、４，４０゜４１・・・水入口、５，５
０．５１・・・水出口、５４゜５５・・・焼入れ流体導
管、５６・・・導管、６ｏ・・・中空円部組（第−鞘）
、６５・・・中空円部組（第三組）、６６・・・水ジャ
ケット 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ火炎通路中でワークピースを動かす工程と
   、 上記ワークピースを十分速い速度で回転させて、ワーク
   ピースが上記プラズマ火炎中で加熱される位置と、非接
   触表面温度測定手段により表面温度を測定することが要
   求される位置との間で相当量の冷却が生じないようにす
   る工程と、 プラズマ火炎を生成するためのプラズマ生成手段を発火
   する工程と、 プラズマ火炎温度、すなわち上記非接触表面温度測定手
   段によるワークピース表面温度を制御して、試料加熱速
   度とワークピースの浸漬温度を所望の値に保持するよう
   にする工程と、 プラズマ火炎を消す工程と、 ワークピースを焼入れする工程と、 を具備したプラズマ生成手段で生成されたプラズマ火炎
   中で金属のワークピースを熱処理する方法。 ２、上記非接触表面温度測定手段は、Ｉ．Ｒ．手段であ
   る請求項１に記載の方法。 ３、所望の浸漬温度は約６００℃と１０００℃との間に
   維持される請求項１に記載の方法。 ４、回転軸に沿ってワークピースを動かす工程を更に具
   備してなる請求項１に記載の方法。 ５、ワークピースの形態に応じてワークピースの移動速
   度を変える工程を更に備えて、ワークピースの全てにわ
   たって同じ深さで処理するようにした請求項４に記載の
   方法。 ６、ワークピースの形態に応じてワークピースの回転速
   度を変える工程を更に備えて、ワークピースの全てにわ
   たって同じ深さで処理するようにした請求項１又は５に
   記載の方法。 ７、多数のプラズマ生成手段を用いて同じワークピース
   の異なる領域を同時に加熱処理する工程を更に備え、そ
   れぞれが非接触表面温度手段と接続している請求項１に
   記載の方法。 ８、異なる各領域は、それぞれ他の領域とは異なる温度
   で処理される請求項７に記載の方法。 ９、異なる各領域は、それぞれ他の領域とは異なる厚さ
   で処理される請求項７に記載の方法。 １０、プラズマガスは、水素、ヘリウム、ネオン、アル
   ゴン、キセノン、ラドン、窒素、酸素、二酸化炭素又は
   これらの混合物から選択される請求項１に記載の方法。 １１、上記焼入れは、火炎が消された直後になされる請
   求項１に記載の方法。 １２、上記焼入れ工程は、ワークピースの表面上に冷却
   された流体をスプレイすることによりなされる請求項１
   に記載の方法。 １３、上記焼入れは、ワークピースが回転している間に
   なされる請求項１２に記載の方法。 １４、上記焼入れは、上記ワークピースの表面上に液化
   ガスをスプレイすることによりなされる請求項１２に記
   載の方法。