JPH06287634A - 金属加工部品の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来法に比べ、更に加熱時間を短縮し、品質
を向上することが可能となる金属加工部品の熱処理方法
を提供する。 【構成】 金属加工部品を、窒素ガス、ヘリウムガス及
び水素ガスの単体またはこれらより選ばれたガスと窒素
ガスの混合気雰囲気を対流させつつ常温より８５０℃ま
で１〜２０ｂの範囲で加圧加熱し、８５０℃以上では、
８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属加工部品の熱処理
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】円筒形耐圧ケーシングとその内部に断熱
層の二重構造を有し、耐圧ケーシングと断熱層との間に
ガス分配装置と通風機とを備え、ガス分配装置と通風機
とにより断熱層内を加熱及び冷却することができる真空
炉が、例えば、特開平１−１４２０１８号公報として提
案され、この刊行物には、該真空炉を用いて、工具を断
熱層内に入れ、不活性ガスによって７５０℃まで対流加
熱し、焼入処理を行う場合には、不活性ガスを該真空炉
内より除去し、熱輻射によって１３００℃まで真空加熱
し、その後、冷たい不活性ガスを該真空炉内に対流する
ことによって急冷することが記載されている。

【０００３】また、真空パージした金属材料を不活性ガ
ス雰囲気下に加圧加熱する金属材料の熱処理方法及び真
空パージした金属材料を不活性ガス雰囲気下に加圧加熱
し、次いで再度真空加熱することによりその表面をクリ
ーニングした後、引続き該金属材料を不活性ガス雰囲気
下に加圧加熱する方法が、例えば、特開平１−２９０７
１３号公報として知られている。

【０００４】この方法によれば、真空パージした金属材
料を、窒素ガス、アルゴンガスまたはこれらの混合ガス
等、不活性ガス雰囲気下に加圧加熱し、さらに例えば、
ヒータ等によるこれらのガス以外の加熱手段よりの熱輻
射及び熱対流を活用して加熱することにより、金属材料
を真空下で加熱する方法に比べ、加熱時間を従来法の３
割程度にすることが可能となるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
法に比べ、更に加熱時間を短縮し、品質を向上させるこ
とが可能となる金属加工部品の熱処理方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の金属加工部品の
熱処理方法は、上記課題を解決するために、金属加工部
品を、窒素ガス、ヘリウムガス及び水素ガスの単体また
はこれらより選ばれたガスと窒素ガスの混合気雰囲気を
対流させつつ常温より８５０℃まで１〜２０ｂの範囲で
加圧加熱し、８５０℃以上では、８×１０^-1〜１０^-2ｍ
ｂで真空加熱することを特徴とする。

【０００７】また、窒素ガス、ヘリウムガス及び水素ガ
スの単体またはこれらより選ばれたガスと窒素ガスの混
合気雰囲気で加圧加熱する前に真空引きを行い、さらに
前記加圧加熱中に金属加工部品を８×１０^-1〜１０^-2ｍ
ｂで２回以上の真空引きを行って金属加工部品の表面を
クリーニングし、表層部を活性化させる。

【０００８】炉内に供給する窒素ガス、ヘリウムガス及
び水素ガスの単体またはこれらより選ばれたガスと窒素
ガスの混合気雰囲気の圧力を金属加工部品の形状、種類
及び例えば、焼入、焼ならし等の熱処理の相違に応じて
１〜２０ｂａｒの範囲で調整することにより、優れた靭
性の金属加工部品を得ることが可能となる。

【０００９】

【発明の効果】本発明の金属加工部品の熱処理方法によ
れば、金属加工部品の熱処理時間を大幅に短縮すること
ができる。さらに、炉の中心部に置かれた部品と外周部
に置かれた部品との温度勾配や単体部品の外表部と中心
部との温度勾配の格差が少なくなり、部品の熱処理歪み
を半減させることができ、消費エネルギーを軽減し、機
械的性質を向上させることができる。

【００１０】また、加えるに、冷却能の向上により優れ
た靭性の金属加工部品を得ることが可能となる。

【００１１】実装される金属加工部品を相対的に増やす
ことが可能となり、金属加工部品の大きさや形状に左右
されず混載でき、密装入量を倍加できる。

【００１２】焼入れサイクルについては、４〜７割、焼
入れ、焼戻しの全サイクルについて３〜４割の工期の短
縮ができ、一つの真空炉での外気に触れさせない焼入
れ、焼戻しの一貫処理が可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の実施例に使用する対流型真
空高圧炉である。

【００１４】炉は、円筒状の耐圧ケーシング１を備え、
その１端面が炉に金属加工部品を供給及び排出すること
のできるドア２として構成されている。装入物室３は、
外方へは円筒形の断熱層４により仕切られており、この
円筒は断熱材からなり、そのドア２側の端面には、壁５
が開閉可動自在に設けられ、壁５に相対して壁１５が設
けられている。断熱層４は、装入物室３中の外方への輻
射を遮蔽するので、僅かなエネルギー損失が生じるにす
ぎない。断熱層４の内側の装入物室３中には、装入物室
３に向かって穿孔７を備えた電気ヒータよりなる加熱管
６が配置されている。加熱管６は、電気絶縁片８を介し
て冷却または加熱ガスを分配するガス分配装置９に固定
されており、ガス分配装置９は駆動モータ１０及び通風
機１１と共に耐圧ケーシング内でドア２に相対する側に
収納されている。

【００１５】断熱層４の壁１５には、１つの開口１２を
備え、開口１２は、スライダ１３によって閉鎖及び開放
することができる。耐圧ケーシング１と断熱層４との間
には、水冷式の熱交換器管１４が収納されている。ま
た、スライダ１３が収容されている室の壁には、別の開
口１６が設けられ、スライダ１３が開口１２を開放して
いる間、別の開口１６は閉鎖される。

【００１６】金属加工部品を装入物室３に装入した後、
装入物室３に不活性ガスを流して加熱する。スライダ１
３は断熱層中の開口１２を開放しており、不活性ガスは
通風機１１によって加熱管６中へ圧送することができ、
ここから不活性ガスは加熱管６全長にわたって均等に分
配された穿孔７より装入物室３中に入り、断熱層４中の
開口１２を通って再び通風機１１へ還流される。不活性
ガスは、加熱管６を通って供給されるので、熱輻射範囲
内での熱ガスによる装入物の迅速かつ均一な加熱が保証
される。装入物は内部でも均一に加熱される。保護ガス
下のこの加熱工程は、約８５０℃まで利用される。

【００１７】金属加工部品を急冷する場合には、スライ
ダ１３を移動して開口１２を閉じると共に別の開口１６
を開放し、断熱層４の壁５を可動して開放し、炉に冷た
い不活性ガスを圧送する。図２に示すように、断熱層４
の壁５と円筒の一方とが開放されることによって間隙が
生じ、装入物室３は耐圧ケーシング１と断熱層４との間
の隙間と連絡する。冷却ガスは通風機１１により、冷却
された加熱管６を経て高速で装入物室３中へ圧送され、
ここから冷却ガスは熱交換器管１４を通って別の開口１
６から再びガス分配装置９中に流入し、循環される。

【００１８】本発明の手順の代表例ついて処理中におけ
る圧力と加熱，冷却及び真空炉内の温度との関係を図３
を参照して説明すると、次の通りである。

【００１９】(１) ８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空パー
ジを行った後、容積比８０％ヘリウムガス、２０％窒素
ガスの混合ガスを炉内に供給し、１〜２０ｂの範囲内で
３００℃まで加熱する。

【００２０】(２) ８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空パー
ジを行う。

【００２１】(３) その後、容積比８０％ヘリウムガ
ス、２０％窒素ガスの混合ガスを炉内に供給し、１〜２
０ｂの範囲内で５００℃まで加熱する。

【００２２】(４) ８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空パー
ジを行う。

【００２３】(５) その後、容積比８０％ヘリウムガ
ス、２０％窒素ガスの混合ガスを炉内に供給し、１〜２
０ｂの範囲内で８５０℃まで加熱する。

【００２４】(６) ８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空パー
ジを行い、熱輻射により１３００℃まで真空加熱する。

【００２５】(７) ３〜２０ｂの９０％ヘリウムガス，
１０％窒素ガスの混合加圧冷却ガスを還流させて冷却す
る。

【００２６】(８) ８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空パー
ジを行う。

【００２７】(９) その後、容積比８０％ヘリウムガ
ス、２０％窒素ガスの混合ガスを炉内に供給し、１〜２
０ｂの範囲内で５５０℃まで加熱する。

【００２８】(１０) ３〜２０ｂの９０％ヘリウムガ
ス，１０％窒素ガスの混合加圧冷却ガスを還流させて冷
却する。

【００２９】(１１) その後、容積比８０％ヘリウムガ
ス、２０％窒素ガスの混合ガスを炉内に供給し、１〜２
０ｂの範囲内で５５０℃まで加熱する。

【００３０】(１２) ３〜２０ｂの９０％ヘリウムガ
ス，１０％窒素ガスの混合加圧冷却ガスを還流させて冷
却する。

【００３１】(１３) ８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空パ
ージを行う。

【００３２】(１４) その後、容積比８０％ヘリウムガ
ス、２０％窒素ガスの混合ガスを炉内に供給し、１〜２
０ｂの範囲内で５５０℃まで加熱する。

【００３３】(１５) ３〜２０ｂの９０％ヘリウムガ
ス，１０％窒素ガスの混合加圧冷却ガスを還流させて冷
却する。

【００３４】図４乃至図９において、ヘリウムガスと窒
素ガスの混合比の割合に対する、混合気の物理特性、即
ち、混合気の動的粘性係数ηｇ、混合気の密度γｇ、混
合気の比熱Ｃｐｇ、混合気の熱伝導度λｇ及び混合気の
熱伝達係数αｇの各変化を示す。なお、各図における横
軸は、ヘリウムガスと窒素ガスとの混合気におけるヘリ
ウムガスの容積率を表す。

【００３５】図４は、混合気中のヘリウムガスの割合に
対する混合気の動的粘性係数ηｇの変化を示しており、
混合気中のヘリウムガスの容積率が６０％であるとき、
混合気の動的粘性がピークに達していることが示されて
いる。なお、表１に、混合気中のヘリウムガスの各割合
に対応する混合気の動的粘性係数ηｇを示す。

【００３６】

【表１】 図５は、混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の密度γｇの変化を示しており、混合気中のヘリウムガ
スの容積率の増加に伴って混合気の密度γｇが１次的に
小さくなることが示されている。なお、表２に、混合気
中のヘリウムガスの各割合に対応する混合気の密度γｇ
を示す。

【００３７】

【表２】 図６は、混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の比熱Ｃｐｇの変化を示しており、混合気中のヘリウム
ガスの容積率が０〜７０％付近までの間は、混合気中の
ヘリウムガスの容積率の増加に伴って、混合気の比熱の
変化が１次的に緩やかに増加し、混合気中のヘリウムガ
スの容積率が７０％付近を堺に１００％までの間は、混
合気中のヘリウムガスの容積率の増加に伴って、混合気
の比熱の変化が２次的に急速に増大することが示されて
いる。なお、表３に、混合気中のヘリウムガスの各割合
に対応する混合気の比熱Ｃｐｇを示す。

【００３８】

【表３】 図７は、混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の熱伝導度λｇの変化を示しており、混合気中のヘリウ
ムガスの容積率の増加に伴って混合気の熱伝導度λｇが
増大することが示されている。なお、表４に、混合気中
のヘリウムガスの各割合に対応する混合気の熱伝導度λ
ｇを示す。

【００３９】

【表４】 図８に、混合気中のヘリウムガスの容積率が０％の時の
図４乃至図７の混合気の動的粘性係数、密度、比熱及び
熱伝導度の各値を１として、重ね書きをして表したグラ
フを示す。

【００４０】さらに、図９は、対流時の混合気中のヘリ
ウムガスの割合に対する混合気の熱伝達係数αｇの変化
を示しており、混合気中のヘリウムガスの容積率が９０
％近傍であるとき、対流混合気の熱伝達性がピークに達
していることが示されている。図９における、縦軸の熱
伝達係数αｇは、図８における混合気中のヘリウムガス
の容積率別の各値をに合算して得たものである。なお、
表５に、混合気中のヘリウムガスの各割合に対応する混
合気の熱伝達係数αｇの値を示す。

【００４１】

【表５】 なお、窒素ガスとヘリウムガスの混合気の熱伝達係数α
ｇは、数式１により導出される。

【００４２】

【数式１】 なお、数式１において、α_N2は窒素の熱伝達係数、λ_N2
は窒素の熱伝導度、γ_N2は窒素の密度、η_N2は窒素の動
的粘性係数、Ｃｐ_N2は窒素の比熱を表す。

【００４３】即ち、ヘリウムガスと窒素ガスの混合比を
ヘリウムガスの容積率９０％，窒素ガス１０％とするこ
とで、真空炉内の金属加工部品に対する混合気による熱
伝達を最も効率よく行うことができる。このことによ
り、加熱及び冷却に要する時間を大幅に短縮することが
できる。

【００４４】図１０は、本発明の金属加工部品の熱処理
方法における常圧から２０ｂの範囲の混合気の熱伝達係
数の変化を示す。混合気の熱伝達係数の変化は、混合気
の圧力に比例することを示している。このことにより、
混合気の圧力を変化させて、例えば、２０ｂとすること
により、混合気による金属加工部品に対する熱伝達性を
更に高くすることができる。

【００４５】混合ガス、加圧及び真空の相乗作用によ
り、真空加圧炉の中心部に置かれた部品と外周部に置か
れた部品との温度勾配の格差が少なくなり、真空加圧炉
内に、実装される金属加工部品を相対的に増やすことが
可能となり、金属加工部品の大きさや形状に左右されず
混載できる。

【００４６】図１１は、本発明の金属加工部品の熱処理
方法による高速度工具鋼の焼入れ焼戻し処理を行った工
程を示す図であり、図１２は、特開平１−１４２０１８
号公報記載の真空炉を用い、不活性ガス雰囲気によって
７５０℃まで加熱し、その後真空加熱によって１１５０
℃まで加熱し、さらにその後、１３００℃まで真空加熱
する方法による高速度工具鋼の焼入れ焼戻し処理を行っ
た工程を示す図である。図１１及び図１２において、実
線は、真空加圧炉内の雰囲気の温度変化を示し、点線
は、製品中心温度を示す。図１１に示すように、本発明
の金属加工部品の熱処理方法によれば、１３００℃まで
達する時間が５．２時間であり、また焼入れ完了時間が
６時間であるのに対して、図１２に示される従来の方法
では、１３００℃に達する時間が８時間であり、焼入れ
完了時間が９時間を要する。図１２に示される従来の方
法では、５００℃，７５０℃及び１１５０℃の３段階の
昇温工程が必要であるのに対し、本発明では、１３００
℃に達するまでに、１３００℃に達するまでに８５０℃
における１段階だけなので、図１２に示される従来の方
法と比較して加熱時間を短縮できる。また、本発明の金
属加工部品の熱処理方法によれば、全サイクルの工期が
１７．５時間であり、図１２に示される従来の方法で
は、全サイクルの工期が２５時間を越えるので、従来法
と比較して全サイクルに要する工期の短縮もできる。

【００４７】図１３は、窒素１００％を用いた本発明の
金属加工部品の熱処理方法によるステンレス鋼の焼きな
まし処理工程と特開平１−２９０７１３号公報記載の金
属材料の熱処理方法によるステンレス鋼の焼きなまし処
理工程とを比較して示す図である。図１３における実線
は、本発明の金属加工部品の熱処理方法による処理を示
し、点線は、特開平１−２９０７１３号公報記載の金属
材料の熱処理方法による処理を示す。

【００４８】図１３に示すように、本発明の方法によれ
ば、７５０℃に達するまでの時間が６時間となり、従来
の方法によれば７．５時間であり、従来の方法に比べて
加熱時間を短縮でき、また、ステンレス鋼の焼きなまし
処理の工期が１３時間となるため、従来法と比較して全
サイクルに要する工期の短縮ができる。

【００４９】図１４は、窒素１００％を用いて本発明の
金属加工部品の熱処理方法と特開平１−２９０７１３号
公報記載の金属材料の熱処理方法により焼なまし処理を
行ったものにおける同じ硬さのステンレス鋼についての
破壊靭性値を比較した図である。図１４において、実線
は、本発明の金属加工部品の熱処理方法によるもの、点
線は、特開平１−２９０７１３号公報記載の金属材料の
熱処理方法によるものを各々示す。なお、硬さは、ロッ
クウェル硬度Ｃスケール表示でＨ_RC２０である。また、
破壊靭性の試験方法は、各試験片に１ｍｍのノッチを形
成し、衝撃荷重をかけて、試験片が破壊された時に吸収
されたエネルギーを破壊靭性値として示し、単位はジュ
ールである。

【００５０】この試験によって、表面が同じ硬さのもの
に対して、その内部の粘り強さ相違を知ることができ、
図１４に示すように、本発明の金属加工部品の熱処理方
法によれば、特開平１−２９０７１３号公報記載の金属
材料の熱処理方法と比べ、優れた靭性の金属加工部品を
得ることが可能である。

【００５１】また、窒素とヘリウムの混合気の代わり
に、水素ガスと窒素の混合気を用いることもできる。表
６は、窒素、ヘリウム、水素の１気圧、２５℃におけ
る、物理特性を示すものである。

【００５２】

【表６】 表６に示す水素における各値、即ち、熱伝導度λ_H2、密
度γ_H2、動的粘性係数η_H2、比熱Ｃｐ_H2を数式１におけ
るλｇ，γｇ，ηｇ，Ｃｐｇの各々に代入し、窒素１０
０％における熱伝達係数α_N2を１とする水素１００％に
おける熱伝達係数α_H2＝１．８４０を得る。この値と、
表５に示すヘリウム１００％の時の熱伝達係数αｇの値
１．３７６を比較すると、水素１００％の方が熱伝達係
数の値が大きく、即ち、水素１００％の方がヘリウムガ
ス１００％よりも加熱及び急冷に要する時間が短い。

【００５３】水素ガスを用いることによって、製造工程
を短縮することが可能となり、また、ヘリウムガスを用
いた場合よりも製造コストを安価にすることができる。

【００５４】また、混合ガスによる昇温処理中に、８×
１０^-1〜１０^-2ｍｂの高い真空度で真空パージを２回行
うことによって、金属加工部品及び真空炉内が真空加熱
され、金属加工部品表面に付着する油や水分等が気化し
て洗浄され、排気によって真空炉の外部に排出されるこ
とにより、雰囲気純度が向上し、表層部が活性化され
る。

【００５５】さらに、ガスを用いる冷却は、冷却ガスの
圧力と流速に左右される。このため３〜２０ｂ域の噴流
を活用し、冷却を向上させ、時間短縮と金属加工部品及
び表面層の調質に資する。このため、元素拡散層の固溶
化を促進・完全化させる。

【００５６】ヘリウム回収装置により、ガスのロスがな
いようにすることができ、連続的に昇温させることが可
能なので、ステップレス加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属加工部品の熱処理方法に用いる真
空炉の略断面図

【図２】冷却作業中における真空炉の略断面図

【図３】本発明の実施例に係る熱サイクル及び圧力サイ
クルを示す図

【図４】混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の動的粘性係数の変化示した図

【図５】混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の密度の変化を示した図

【図６】混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の比熱を示した図

【図７】混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の熱伝導度の変化を示した図

【図８】混合気中のヘリウムガスの容積率が０％の時の
図４乃至図７における混合気の動的粘性係数、密度、比
熱及び熱伝導度の各値を１として示した図

【図９】混合気中のヘリウムガスの割合に対する混合気
の熱伝達係数の変化を示した図

【図１０】本発明の実施例における常圧から２０ｂの範
囲の混合気の熱伝達係数の変化を示した図

【図１１】本発明の金属加工部品の熱処理方法による高
速度工具鋼の焼入れ焼戻し処理を行った工程を示す図

【図１２】従来の熱処理方法による高速度工具鋼の焼入
れ焼戻し処理を行った工程を示す図

【図１３】本発明の金属加工部品の熱処理方法によるス
テンレス鋼の焼きなまし処理工程と別の従来の金属材料
の熱処理方法によるステンレス鋼の焼きなまし処理工程
とを比較して示す図

【図１４】窒素１００％を用いた本発明の金属加工部品
の熱処理方法と窒素１００％を用いた別の従来法による
ステンレス鋼の焼きなまし処理を行ったものにおける破
壊靭性値を比較して示した図

【符号の説明】

１ 耐圧ケーシング ２ ドア ３ 装入物室 ４ 断熱層 ５ 壁 ６ 加熱管 ７ 穿孔 ８ 電気絶縁片 ９ ガス分配装置 １０ 駆動モータ １１ 通風機 １２ 開口 １３ スライダ １４ 熱交換器管 １５ 壁 １６ 開口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属加工部品を、窒素ガス、ヘリウムガ
   ス及び水素ガスの単体またはこれらより選ばれたガスと
   窒素ガスの混合気雰囲気を対流させつつ常温より８５０
   ℃まで１〜２０ｂの範囲で加圧加熱し、８５０℃以上で
   は、８×１０^-1〜１０^-2ｍｂで真空加熱することを特徴
   とする金属加工部品の熱処理方法。
2. 【請求項２】 真空引き後、前記窒素ガス、ヘリウムガ
   ス及び水素ガスの単体またはこれらより選ばれたガスと
   窒素ガスの混合気雰囲気による加圧加熱を行い、前記加
   圧加熱中にさらに２回以上の真空引きを行うことを特徴
   とする請求項１記載の金属加工部品の熱処理方法。