JP4966961B2 - 高出力マイクロ波を使用した大型金属試料の迅速且つ均質な熱処理 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を使用した金属試料の熱処理方法に関するものである。

本発明は、さらに、マイクロ波を使用した大型金属試料の迅速で均質な熱処理方法に関するものである。

金属を熱処理する際の最も重要な段階の１つである加熱は、所望の特性を達成し、使用不能の原因になり得る特性変化を回避するために、正確に制御しなければならない。

マイクロ波加熱は、マイクロ波を使用して塊状金属部材を加熱するものである。マイクロ波加熱は、従来の金属片の加熱処理と比較すると、極めて高速で有効な処理方法であることが分かっている。マイクロ波加熱は、様々な種類の鋼及びＣｕ、Ａｌ等の合金などの金属を含む一連の材料に対して首尾よく使用できる。この技法の利点としては、加熱速度が著しく速いこと、機械的な特性が一様であること、エネルギーが節約されること、温度及び処理が瞬時に且つ良好に制御されることなどがある。しかしながら、主として金属の表面には電荷が蓄積されるため、試料のほとんどはマイクロ波による加熱が困難である。商用的に使用されるマイクロ波システムは、空中での波長が１２．１９ｃｍ（４．８インチ）である２４５０ＭＨｚで作動する。材料は、マイクロ波電界に対する反応がそれぞれ異なっている。受容材料中の極性分子は、回転運動による振動によってこれらの電界に応答する。この運動によって生成されるエネルギーにより、これらの物質が加熱される。誘電損失及び損失係数が、効率のよいマイクロ波の吸収、ひいてはそれらの加熱特性に影響を与える。金属粉末成形体は、それらのパーミッシビティ（許容度）により決まる。しかしながら、バルク金属はマイクロ波を反射し、表面加熱の機構は、主として渦電流により影響される。表面が導電性の場合、これは、電荷の蓄積、およびそれに伴って空洞壁にアークが発生する原因になる電圧が生成される。

マイクロ波エネルギーは、通信、食料品処理、ゴム加硫、織物及び木材製品、並びにセラミック粉末の乾燥などの様々な用途において５０年以上にわたって使用されている。セラミックを焼結させるためにマイクロ波を利用することは、比較的新しい。米国ペンシルベニア州立大学の研究所刊行物が、粉末金属成形体の焼結が可能であることを最初に報告し、引き続いて異なる金属系の焼結を立証し、不活性ガス焼結システムを構築した。この開発に基づいて、炭化タングステン工具挿入耐（ツール・インサート）の商用生産にデニス・ツール（Ｄｅｎｎｉｓ ｔｏｏｌ）が適合されるようになった。粉末金属の成形体の焼結を容易にするために、金属粉末を焼結させるためのいくつかの不活性ガス焼結システムが開発された。しかしながら、マイクロ波を使用した金属の熱処理については、当該分野では知られていない。マイクロ波を使用してセラミックを処理する多くの潜在的な利点については以前から認識されているが、今になって初めて、この分野がまだほんの初期段階にあること、とりわけいくつかの特殊なセラミック（複合材料を含む）の商業化において、この分野がまだほんの初期段階にあることが最終的に示された。しかしながら、金属の熱処理については、当分野では知られておらず、また、真に理解されていない。したがって、高出力マイクロ波吸収境界を対象の周辺に提供して、その内壁温度と金属部材との表面温度を整合させることにより、金属部材を加熱する必要性に対する要求をとりわけ満足するシステムを提供する必要がある。また、高出力マイクロ波吸収境界は、部材と空洞壁との間にアークを発生させてはならない。

したがって本発明の目的は、マイクロ波を使用して大型金属試料を熱処理して、それにより、一様で、より高速の熱処理を提供できる方法を提案することである。

本発明の他の目的は、簡単で、操作が容易であり、且つ、費用有効性の高い、マイクロ波を使用した金属試料熱処理方法を提案することである。

本発明の他の目的は、速やかに平衡温度を確立し、表面からの熱損失を最小化する、マイクロ波を使用した金属試料熱処理方法を提案することである。

本発明のこれら及び他の目的は、以下の説明から明らかになるであろう。

本発明によれば、大型金属試料を熱処理するためのシステムが提供され、該システムは、導波管を備えたマイクロ波加熱装置と、温度をモニタおよび測定するための手段と、金属試料を保持するための保持手段とを含み、前記保持手段が箱（キャスケット）構造体を含み、箱構造体が、低密度アルミナ繊維ボードでできており、低密度アルミナ繊維材料で覆われて空洞を形成し、空洞の内壁に沿ってサセプタを備えている。

本発明によれば、さらに、特殊な箱構造体を使用した、セラミック体を焼結させるためのシステムが提供される。

本発明によれば、金属体を焼結させるためのシステムは、導波管を備えたＭＷ発生器からなるマイクロ波加熱装置と、試料を配置するための温度絶縁構造体と、温度をモニタおよび測定するための構造体と、特殊な箱構造体を収納する空洞ハウジングとを備えている。

材料のマイクロ波加熱は、実際の加熱部材である試料の吸収率に依存しており、また、試料を取り囲んでいるサセプタの吸収率にも依存している。適切な構造がなければ、とりわけ材料がマイクロ波を有効に吸収しないより低温領域で、試料を加熱し工程を制御することは困難である。

本発明の目的は、金属を熱処理するための特殊な箱構造体によって達成される。この箱構造体は、低密度アルミナ繊維ボードでできており、低密度繊維材料で覆われている。ＳｉＣサセプタが使用されて、試料を取り囲み、マイクロ波の一部を吸収し、加熱されると等温境界を提供する。これにより、均熱処理の間、温度を正確に制御することを助ける。たとえば、６ｋＷシステムの場合、熱処理サイクルの均熱期間の間、温度変動を１℃以内にすることが極めて容易に達成できる。

以下、本発明について、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、マイクロ波炉及び制御装置からなる６ｋＷマイクロ波加熱システムを示したものである。

図２は、６ｋＷマイクロ波炉で熱処理を実行するために使用される箱構造体を示したものである。この箱構造体は、低密度繊維材料で覆われたアルミナ・ブロックからなっている。

図３は、マイクロ波炉で熱処理され、次に空気中で冷却された１５０×３０×１５ｍｍの試料を示したものである。５〜６個のこのような試料を一度に炉の中に置き、一様な熱処理を実行できる。

Ｐ９１材料に対する実験が実行され、マイクロ波炉の中での制御された速度（図４）での加熱によって、非常に一様な特性が得られた。

図１は、高出力マイクロ波を使用した熱処理のために使用される６ｋＷシステムの典型的な配置を示しており、また、図２は、本発明による箱構造体を示している。システムは、電源供給及び制御するための少なくとも１つのマグネトロン手段１、擬似負荷４、順方向及び逆方向出力モニタ６、同調器７、複数のサセプタ３、導波管８、アプリケータ９及び攪拌機１０を備えており、調整可能パワー反射体６を備えた擬似負荷が、サセプタ３の間に配置されている。箱構造体１１は、チャンバの中に配置されている。

材料のマイクロ波加熱は、実際の加熱部材である試料１４の吸収率に依存しており、また、試料１４を取り囲んでいるサセプタ３の吸収率にも依存している。適切な構造がなければ、とりわけ材料がマイクロ波を有効に吸収しないより低温領域で、試料１４を加熱し工程を制御することは困難である。試料ホルダ構造は重要である。試料ホルダとしての箱構造体は、低密度アルミナ・キャスタブル材のグレード５８Ａでできており、ＳｉＣの中間サイズのグリット（砂）と２：１の割合で混合されている。湿式混合体（ウェット・ミックス）が、ＰＶＣパイプでできた単純な備品を使用してシリンダに注入される。粗い気泡がアルミナ・キャスタブル材に存在しているため、１７５０℃まで加熱しても収縮することはない。２４時間後、鋳造された試料ホルダは強固になり、使用することができる。１４５０℃グレードの低密度繊維材料で５．０８ｃｍ（２インチ）の厚さになるまで箱構造体構造を覆うと、箱構造体が完成する。低密度アルミナ繊維ボード１３は、このような目的のために使用されている。箱構造体には、温度を測定するための覗き窓１２が形成される（図２）。

図４は、マイクロ波による加熱速度は、図に示すように最適化しなければならないことを示している。マイクロ波加熱は、極めて高速の処理である。したがって、所望の温度を得るために極めて速い速度で連続的に加熱されると、試料は一様に加熱されず、試料全体に温度勾配が生じる可能性がある。一様な溶体化（オーステナイト化）温度を得るためにほぼ３〜４時間を必要とするＰ９１鋼の従来の熱処理とは対照的に、マイクロ波加熱に必要な時間は、わずか３０〜４０分である。

図５は、ＭＷおよび従来の電気抵抗加熱によって熱処理された試料の衝撃強さ対オーステナイト化温度のプロットを示したものである。衝撃特性は、９００℃を超える温度でオーステナイト化されると、オーステナイト化温度が高くなるにしたがって、或いは粒径が大きくなるにしたがって減少することが分かる。

図６は、ＭＷ並びに従来の電気抵抗加熱によって熱処理された試料の引張強さ対オーステナイト化温度のプロットを示したものである。引張特性は、９００℃を超える温度でオーステナイト化されると、オーステナイト化温度が高くなるにしたがって、或いは粒径が大きくなるにしたがって大きくなる。一方、衝撃特性は反対の傾向を示し、オーステナイト化温度が高くなるにしたがって、或いは粒径が大きくなるにしたがって減少する（図５）。

以上の及び他の目的を達成するため、また、本発明の目的にしたがって、金属試料の熱処理を、マイクロ波炉を使用して実行するための概要が、本明細書において具体化され、広範囲にわたって説明される。

Ｐ９１鋼の熱処理は、８００℃、９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃、１３００℃に１時間保持してＰ９１鋼を溶体化し、引き続いて試料を７６０℃で２時間焼き戻すことによって実行され、溶接中に直面する熱影響部（ＨＡＺ）の様々な微細構造状態、すなわち、過剰焼き戻し、インタークリティカルム（ｉｎｔｅｒｃｒｉｔｉｃａｉｍ）、細粒状化及び粗粒状化を再現或いは模擬した。

また、同様の実験が、従来の電気抵抗加熱炉で実施された。図５及び図６は、これらの両方の処理による結果を示したものであり、マイクロ波加熱の有効性を正確に表している。

したがって、本発明によるシステムを使用することにより、迅速で均質に加熱されるため、マイクロ波加熱によってＰ９１鋼をはるかに短い時間で熱処理することができる。

マイクロ波熱処理の有効性は、衝撃強さ試験及び引張強さ試験の結果が、非常によく整合していることによって提供され、また、従来加熱及びマイクロ波加熱によって得られる微細構造及び粒径は同じである。

また、本発明による方法によれば、大型金属片を均質且つ一様に熱処理することができる。吸収境界によってマイクロ波エネルギーの一部が伝達され、また、本発明方法により等温状態が生成されるため、マイクロ波によって加熱された対象物の表面からの熱損失が無視し得る程度であることを保障する境界が提供され、それにより、対象物が一様に加熱される。また、本発明による方法によれば、エネルギー及び時間を節約し、且つ、従来のプロセスに匹敵し、さらにはそれよりも良好な機械的特性を得るための柔軟性が許容される。

典型的な６ｋＷマイクロ波加熱システム。 ６ｋＷシステムで熱処理を実行するために使用される箱構造体。 マイクロ波熱処理された典型的な大型金属試料。 大型金属試料を一様且つ効果的に加熱するための典型的な加熱速度プロファイル。 ＭＷおよび従来の電気抵抗加熱によって熱処理された試料の衝撃強さ対オーステナイト化温度の典型的なプロット。 ＭＷおよび従来の電気抵抗加熱によって熱処理された試料の引張強さ対オーステナイト化温度の典型的なプロット。

Claims (4)

1. 大型金属試料を熱処理するためのシステムにおいて、該システムが、
   導波管を備えたマイクロ波加熱装置と、
   温度をモニタおよび測定するための手段と、
   前記金属試料を保持するための保持手段とを含み、
   前記保持手段が、箱構造体を含み、該箱構造体は、炭化ケイ素のグリットを混合された低密度アルミナ・キャスタブル材からできており、前記低密度アルミナ・キャスタブル材は低密度アルミナ繊維材料により覆われており、
   前記箱構造体は、空洞を画定するようになっており、前記空洞の内壁に沿ってサセプタを備え、該サセプタが、炭化ケイ素でできている、システム。
2. 前記マイクロ波加熱装置が、マイクロ波発生器及び制御装置である、請求項１に記載されたシステム。
3. 前記保持手段が、熱処理を施すべき試料を前記空洞内に収納するようになっている、請求項１に記載されたシステム。
4. 前記低密度アルミナ繊維材料が、１４５０℃グレードの低密度繊維材料である、請求項１に記載されたシステム。

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