双层热处理炉、热处理装置及热处理方法 【技术领域】
本发明涉及金属热处理用的热处理炉、热处理装置及热处理方法。详细地说，是涉及由金属产品，例如由铝合金制成的汽车用车轮部分的部件的、为了提高机械强度而进行的热处理用的，由流化层和气氛层两层构成的热处理炉、和组合有该热处理炉的热处理装置以及使用该热处理装置的热处理方法。
背景技术
众所周知，金属中即使是同样的固体，但由于温度不同也会引起性能改变的变化(广义上)，人们早就在通过将加热和冷却结合起来的处理工艺，来进行提高材料的强度等性能的热处理。尤其是在由多种金属形成地合金的场合，因温度不同溶解度也不同，故通过热处理使溶解到一种金属中的另一种金属的量不同，这样可大大改变金属的性能。
例如，轻合金中的不用花费很大成本便容易利用的铝合金(以下称Al合金)，广泛用于飞机和汽车等的轻量化用途，该铝合金通过加热、冷却可改变抗拉强度、延伸率等机械性能。这可通过下述方法实现，即铝合金是在铝中添加了铜、镁、硅、锌等的合金，经过热处理，使这些元素固溶于基体中，水冷后使其时效硬化。
举更具体的例子，例如在铸造材或变形材用的铝合金之一中有含铜的、强度更高的Al-Cu系合金，多用作车辆用车轮部分的部件，改变该Al-Cu系合金中的铜的固溶率，便可使合金的机械性能不同。
大家知道，Al-Cu系合金，在常温下铜的固溶度降低，在高温下变成α相区域。因此，加热至高温时，形成铜固溶于铝中的α相。然后，实施水淬火而进行急冷时和缓慢冷却时所赋予的性能差别很大。这是由于析出决定硬度的铝和铜之化合物的θ相的显露方式产生差异的缘故。急冷时不析出θ相，在固溶了和高温时相同量的铜的状态下成为过饱和固溶体，这种处理是固溶处理。
过饱和固溶体不稳定，当温度上升或在常温下长时间放置时，容易出现θ相而成为稳定状态。这被称为时效硬化，引起时效硬化的处理就是时效处理。通常，升温进行引起时效硬化的人工时效处理(以下简称时效处理)。进行人工时效处理，是为了缩短处理时间，而且，一般在特定高温下进行时效处理，其抗拉强度等比在常温下长时间放置的自然时效处理的更高。
这种固溶-时效处理，是提高金属产品的机械强度的有效热处理方法。
但是，往往因金属产品的部位不同所要求的机械性能也不同，往往必须只对金属的一部分进一步进行硬化、或使其具有更好的延伸性，但要适应这种要求，就会使热处理工艺变得更复杂，使制造成本增加，故通常是在不产生降低该金属产品所要求的机械性能的部分的范围内，设定热处理温度。
例如，图2所示的铝轮20，外轮缘21和轮辐22要求具有更高的强度，而内轮缘23则同时要求强度和延伸性。这时，使用现有的气氛炉的热处理，难以局部地改变热处理条件，故一般是将提高强度作为主要目的，且在将延伸性保持在一定值以上的条件下，对整个铝轮20进行热处理，这种情况是比较多的。
因此，人们要求这样的处理装置和热处理方法，这种装置和方法可按金属产品的部位来改变热处理条件，这样，便可赋予金属产品各部分不同的机械性能。
本发明是鉴于上述现有技术的课题而开发的，其目的在于提供一种对现有方式的热处理装置进行了改进，在不提高设备费用的情况下，能赋予金属产品的各部分不同的要求的、理想的机械性能的热处理炉、和包括该热处理炉的热处理装置、以及使用该热处理装置的热处理方法。具有更希望的机械性能的金属产品，可以实现薄壁、降低制造成本。尤其是使用以轻量化为目的而采用得较多的铝合金产品，因薄壁可进一步轻量化，故在引导需求量的增大方面也可作贡献。
【发明内容】
本申请人，为了解决上述课题，对金属的热处理方法和热处理装置反复进行研究的结果，发现将构成热处理装置的热处理炉设成双层结构，将一层设为由粒状体构成、且热效率和热分布的均匀性良好的流化层，在流化层上部的自由空间部分，将由气体构成的气氛层作为另外的层形成，将各层的温度设成不同的温度，根据所要求的机械性能，将热处理体即工件的一部分浸渍在规定温度的流化层内、将另一部分露出在规定温度的气氛层中进行热处理，这样，便可达到上述目的。
即，本发明提供一种双层热处理炉，该热处理炉是为改善由金属制成的工件的性能的热处理用的热处理炉，其特征在于，它具有流化层和气氛层，其中流化层是将粒状物填充到容器内，通过吹入容器内的热风使该粒状物流化而形成的，气氛层设在流化层的上部，将空气作为热介质，将工件的一部分浸渍在流化层内，其他部分露出在气氛层中进行热处理。
上述双层热处理炉，具有可使工件在双层热处理炉内移动地进行热处理的移动机构，最好使浸渍在流化层内的工件的一部分与露出在气氛层中的工件的另一部分的比例在0∶100％-100∶0％之间可变动地进行热处理。另外，还可用1座双层热处理炉同时对多个工件进行热处理。
本发明的双层热处理炉，吹入热风用的热风管由集管和分散管构成，至少分散管最好要配设在上述流化层内。另外，最好还具有降低气氛层温度的机构。又，最好还具有流化层界面自动调节机构、或温度自动调节机构。
本发明的双层热处理炉，可较理想地对铝合金制的车辆车轮部分的部件进行热处理。
本发明提供一种热处理装置，该热处理装置是将上述双层热处理炉作为时效处理炉用的热处理装置，其特征在于，除了固溶处理炉和时效处理炉外，它还具有耐热集尘器和热交换器，从固溶处理炉排出的废气经上述耐热集尘器除尘之后，通过上述热交换器回收废气所带的余热，并作为上述时效处理炉的热源再利用。
本发明提供一种热处理方法，是对金属制成的工件进行固溶处理，然后进行时效处理，以改善工件的性能的热处理方法，其特征在于，该方法使用具有流化层和气氛层的双层热处理炉，其中流化层是将粒状物填充在容器内，利用吹入容器内的热风使该粒状物流化而形成的，气氛层设在上述流化层的上部，以空气作为热介质，将工件的一部分浸渍在流化层内，将另一部分露出在气氛中进行热处理，工件的上述部分和另外的部分便获得不同的热处理效果。至少将该热处理方法用于时效处理，可根据工件的部位调节时效硬化。
采用上述热处理方法的时效处理，最好将流化层的温度调节为时效温度。又，最好这样控制流化层的温度，即，使气氛层的温度达到目标时效温度。若工件的材料为铝合金，则该时效温度最好约为150-210℃。
附图简单说明
图1是表示本发明的双层热处理炉的一实施例的截面图；
图2是作为热处理物体即工件的一例的铝轮的截面图；
图3是表示本发明的用双层热处理炉的热处理装置的一实施例的说明图；
图4是表示本发明的用双层热处理炉的热处理装置的另一实施例的说明图；
图5是表示热处理程序的曲线图；
图6是表示比较例的拉伸试验结果的图解；
图7是表示实施例的拉伸试验结果的图解；
图8是表示比较例的冲击及硬度试验结果的图解；
图9是表示实施例的冲击及硬度试验结果的图解。
实施发明的最佳形式
以下，对本发明的实施形式作详细说明。但是，本发明当然不局限于以下实施形式。
本发明的双层热处理炉，是用于改善由金属构成的工件的性能的热处理炉。例如，为了将铝合金的机械性能改善得更好而实施的固溶处理及时效处理，一般多采用以空气为热介质的燧道炉等气氛炉，但，升温速度慢，而且温度波动大，约为±5℃，故存在着不能在更高温度下进行固溶处理的问题，又因现有的燧道炉等气氛炉处理装置大、装置的初期费用高，故最近的铝合金的固溶处理和时效处理，开始采用具有流化层的热处理炉。
本发明是涉及具有流化层和在该流化层上部形成有气氛层的双层的热处理炉，而且，是涉及将该双层热处理炉作为时效处理炉用的热处理装置、和使用该热处理装置的热处理方法的发明。
本发明的特征在于，是由流化层和气氛层构成的双层热处理炉，其中流化层是将粒状物填充在容器内，通过吹入容器内的热风使该粒状物流化而形成的，气氛层形成于流化层上部，以气体作为热介质，热处理的工件的一部分浸渍在流化层内，另一部分露出在气氛层中进行热处理。流化层由硅的氧化物等粒状物构成，气氛层由以空气为代表的气体构成，因此，在采用仅加热流化层的方法的场合，在热处理炉的流化层和气氛层之间，可能因气体的导热系数不同而产生温度差。这时，若改变工件的各个部分所接触的层进行热处理，则通过改变热处理温度，就可以赋予工件各个部分不同的机械性能。
以下，参照附图对本发明的双层热处理炉作更详细的说明。
图1是表示本发明双层热处理炉的一实施例的截面图。
在本发明的双层热处理炉1上，最好采用通过由集管5和分散管4构成的热风管，将热风直接吹入流化层2内的形式的加热方法。用该加热方法的流化层2，是通过吹入容器内的热风加热填充在容器内的粉粒体等粒状物，而且，通过流动，均匀混合而形成，流化层2内部的温度基本均匀，而且导热效率高。这时，包围流化层2的容器，为了防止浪费性的散热，最好使用绝热性良好的材料。
流化层2的加热这样进行，例如，用通过燃烧器等对鼓风机所送的空气进行加热的热风发生装置(未图示)加热到700℃-800℃等规定温度之后，该热风经集管5，从分散管4吹入内部填充、收装有粒状物的流化层2内。流化层2内配设有热风管。这里，热风管由压力调节用集管5、和从压力调节用集管5分支的多个分散管4构成。又，分散管4上形成有多个吹出口，这些吹出口例如各自向下开口。热风吹入流化层2内部，使粒状物流化的同时对粒状物进行加热。这样，例如在铝合金的固溶处理的场合，流化层2内便被加热到540℃-550℃，工件被迅速加热。
本发明，将形成于该流化层2上部的气体层作为气氛层3使用。虽然也可直接将热风吹入气氛层3内，与流化层2分开进行加热，但是，如上所述，由于流化层2是用绝热性非常好的容器构成的，而且气氛层3一侧敞开，或者是用绝热性较低的材料制作的壁构成，故流化层2的热量容易流到气氛层3一侧，必然会加热气氛层3而升温。从热源使用效率的观点来看，气氛层3的升温，通过从该流化层2传送热量而进行加热的间接加热方法来实施是比较理想的。
用间接加热方法使气氛层3升温时，在具有将气氛层3的上部的一部分向大气敞开的上壁的双层热处理炉1上，气氛层3和用热风直接加热的流化层2形成有一定温差，该温差大小取决于构成气氛层3的气体种类。例如，若用空气构成该双层热处理炉1的气氛层3，设流动层2的时效温度为190℃时，气氛导3的温度约为130℃左右，在约60℃的低温下稳定。以60℃左右的温差，可充分地改变热处理的效果，故构成气氛层3的气体最好用最便宜的空气。
根据需要，也可将双层热处理炉1封闭起来，改变气体的种类，从而改变温度差。另外，最好还配备降低气氛层温度的机构。所谓降低气氛层温度的机构，就是例如吹入冷风，或仅在规定时间或仅按规定面积，敞开或封闭双层热处理炉1的上面等的机构。若与变更构成气氛层3的气体种类组合起来，可对流化层2与气氛层3的温度差以附加上述根据气体种类决定的温度差的方式，进行各种变更。
在由具有上述的温度差的流化层2和气氛层3构成的双层热处理炉1上，将作为热处理体的工件的一部分浸渍在流化层2内，将另一部分露出在气氛层3中，进行热处理。例如，进行时效处理，则可将工件的各个部分在不同的温度条件下进行处理，可赋予工件各个部分所需要的、不同的机械性能。在流化层内处理的部分，升温快，而且温度也高，故即使用同一加热时间，时效硬化最快，抗拉强度也最大。在气氛层中处理的部分，升温慢，而且温度也低，即使用同一加热时间，也不进行时效硬化，成为亚时效状态，故延伸率增大。
如上所述，图2所示的铝轮20，其外轮缘21和轮辐22要求更高的强度，但是，内轮缘23在重视强度的同时还重视延伸性。因此，例如，如图3所示，将外轮缘和轮辐浸渍在流化层2内，将内轮缘露出在气氛层3中，或者如图4所示，将内轮缘浸渍在流化层2内，将外轮缘和轮辐露出在气氛层3中进行热处理，便可赋予符合各自要求的机械性能。图3所示的方法，若将流化层2的温度和时间调整成最高时效，则内轮缘便成为亚时效。在图4所示的方法中，若将流化层2的温度及时间调整为过时效，则内轮缘也成为过时效，可望延伸性提高，气氛层3中的外轮缘和轮辐达到接近最高时效的条件。
另外，若还具有可使工件在双层热处理炉1内移动的移动机构，则浸渍在流化层2内的工件的一部分与露出在气氛层3中的工件的另一部分的比例，可在0∶100％-100∶0％之间变动，可更细致地调节热处理条件。例如，作为移动机构，若具有载置工件进行上下移动的升降机，则工件的一部分可在较高温度的流化层2内仅进行规定时间的热处理，而且，可在较低温度的气氛层3内仅进行规定时间的热处理，例如，可更细致地调节关系到抗拉强度和延伸率的时效硬化处理。
在使用本发明的双层热处理炉1的热处理中，由于具有温度不同的流化层2和气氛层3，故可在1座热处理炉内同时对多个工件进行热处理。例如，用调节到适合于各工件的温度的流化层2和气氛层3，将一部分工件浸渍在流化层2内，将另外的工件露出在气氛层3中，便可对具有不同的固溶处理温度的数个工件进行固溶处理。通过这种同时热处理，可提高生产率，可进一步降低金属制品的制造成本。
本发明中，具有流化层界面自动调节机构是比较理想的。所谓流化层界面自动调节机构，系指根据需要、或在产生意义上相反的界面变动时，自动地将流化层2的界面调节为理想界面的机构。流化层界面自动调节机构，例如，双层热处理炉1的炉体为大致长方体、水平截面为大致四角形时，在四角形的任一个角设1台流化层界面检测器(未图示)，最好以检测界面为基准，配备通过设在炉体上部的粒状物供给机(未图示)补充粒状物的机构。更详细地说，流化层界面检测器，是例如通过透明的耐热玻璃，用光电管检测构成流化层的粒状体的界面的仪器。
若具有这种流化层界面自动调节机构，在1座双层热处理炉1上，可根据需要任意变更流化层2和气氛层3的容积，故容易适应各种尺寸的工件。又，可单独、或与可使工件在上述双层热处理炉1内移动的移动机构组合，便可更容易地调节与工件的各部分相适应的热处理条件。又，因可防止异常的界面变动，故在不进行所要求的热处理的情况下，也不容易引起金属产品的质量下降、或合格率降低的问题。
本发明中，最好具有流化层温度自动调节机构。流化层温度自动调节机构，例如可使用这样的机构，即在双层热处理炉1的炉体大致为长方体，水平截面大致为四角形时，在四角形的四个角上设有温度检测器(未图示)，根据检测的温度，通过设在与热风管连接的配管上的气体量调节阀等，控制吹入流化层2中的热风温度。若配备有这样的流化层温度自动调节机构，则可节省人力，而且不易产生异常的温度变化，可防止产生因热处理而不能发挥预期效果的问题。
例如，在时效处理中，若使用该流化层温度自动调节机构，可更容易地进行将流化层2的设定温度作为时效温度的控制。在将流化层2的设定温度作为170℃的时效温度时，将空气作为热介质用的气氛层3，其温度比流化层2的还低。
将空气作为热介质用的气氛层3的温度，也可根据流化层2的设定温度进行调节。该控制也可在考虑到预先知道的流化层2和气氛层3的温度差的基础上，决定流化层2的设定温度，但是，气氛层3也设有温度检测器，根据其检测的温度，进行调节流化层2的设定温度的级联控制则更理想。
本发明热处理装置可对作为工件的铝合金制车辆车轮部分的部件，例如对车轮进行合适的热处理，工件的材料为铝合金的场合，时效温度大致为150℃-210℃。
下面，对使用上述双层热处理炉的热处理装置(未图示)作说明。
本发明的热处理装置，是将双层热处理炉作为时效处理炉使用而构筑的。该热处理装置的特征在于，可在下游侧的时效处理炉上再利用在固溶处理炉使用的热风的热能，可有效地利用热能。热处理装置，除了固溶处理炉、时效处理炉外，还设有热风发生装置，以及在将固溶处理炉和时效处理炉连接起来的配管管道内配备有耐热集尘器及耐热性抽风·鼓风机。热风发生装置，本身具有鼓风机，鼓风机送的空气和燃料在热风炉内进行混合燃烧，产生高温热风。热风被导入固溶处理炉，固溶处理使用热风，温度稍许下降后从固溶处理炉排出，但是，在高温状态下通过耐热集尘器进行除尘。除尘后的热风(固溶处理炉的废气)，接着通过耐热性抽风·鼓风机而被导入时效处理炉，作为时效处理炉的热源再利用。然后，热风(时效处理炉的废气)根据需要除尘之后，通过抽风机排放到大气中。热交换器设置在固溶处理炉和时效处理炉之间的耐热集尘器的上游侧，对固溶处理炉的废气进行热交换，作为送入时效处理炉的热风的热源，这从温度调节的容易性、集尘器的能力、长期运转的稳定性来考虑，是比较理想的。
以下，根据实施例对本发明作更具体的说明。
(实施例)
用双层热处理炉，对铝合金进行固溶处理之后，进行了时效处理。热处理用的双层热处理炉，由一边为1500mm×1500mm的方槽状，直筒部高度为750mm，下部呈梯形的容器构成。流化层的粒状物，用平均粒径为50-500μm的砂。
热处理体即工件，用铸造的铝轮(车辆用，14kg)，试验片的采取位置，定为外轮缘(凸缘)、内轮缘(凸缘)及轮辐3处。上述铝轮的成分为：含有Si：7.0质量％、Mg：0.34质量％、其余为Al。
热处理条件如下。热处理程序示于图5。固溶处理，将铝轮全部浸渍在流化层内，固溶处理温度设为550℃，固溶处理时间51设为持续60分钟。时效处理如图3所示，将外轮缘和轮辐浸渍在流化层中，将内轮缘露出在气氛层中，像这样对铝轮进行处理，设时效处理温度为190℃，设时效处理时间为持续60分钟。
从经过上述热处理的铝轮上采取试验片(n＝4)，分别进行拉伸试验(抗拉强度、0.2屈服强度、延伸率)、冲击试验(冲击值)及硬度试验(硬度)。得到的结果示于图7、图9。
冲击试验，用JIS标准中规定的摆锤式冲击试验法测定了冲击值。硬度试验，用JIS Z 2245标准中规定的试验方法，测定了洛氏硬度。抗拉强度、0.2屈服强度及延伸率等机械性能，根据JIS Z 2201标准规定的试验方法求出。
(比较例)
时效处理，除了将铝轮全部浸渍在流化层内之外，均按和实施例1一样的条件进行了热处理。
从进行了上述热处理的铝轮上采取试验片(n＝4)，分别进行拉伸试验(抗拉强度、0.2屈服强度、延伸率)、冲击试验(冲击值)及硬度试验(硬度)。得到的结果示于图6、图8。
(分析研究)
从实施例及比较例的拉伸试验、冲击试验及硬度试验的结果可以确认，由实施例得到的铝轮与由比较例得到的铝轮比较，内轮缘的0.2屈服强度下降，伸延率大大提高。而且，冲击值增大，硬度下降。内轮缘及轮辐，所有的试验项目均无大的变化。
从本试验结果可知，若用分别具有不同温度的流化层和气氛层的双层热处理炉，即使是用一座热处理炉的一次热处理，也可给予同一工件的各个部位不同的、所要求的机械性能。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明可提供一种能给予金属产品各部分理想的机械性能的热处理炉、和包括该热处理炉的热处理装置及采用该热处理装置的热处理方法。而且，可生产薄壁的、进一步降低生产成本的金属产品。尤其是使用轻量化材料即铝合金的制品，不仅可抑制成本，而且因薄壁还可进一步减轻重量，故对引导扩大需求来说也作出贡献。