JP4440899B2 - 超硬合金、サーメット、又はセラミック製の加工材の熱処理用の装置 - Google Patents

Description

本発明は、超硬合金、サーメット、又はセラミック製の加工材の熱処理用の装置であって、マイクロ波焼結オーブンを有しており、該マイクロ波焼結オーブンのマイクロ波源に対して、加工材が相対的に移動する装置に関する。

ドイツ連邦共和国特許公開第４３２４６３５号公報には、約１６５０℃迄の熱の場合にセラミック体を非連続的に焼結するための装備が設けられているマイクロ波室窯が記載されている（特許文献１参照）。連続的な焼結のためには、慣用の加熱部を備えたトンネル型オーブンが公知であるが、時間もエネルギもコスト高であることが分かっている。ここでの弊害を除くためには、少なくとも１つの固定された焼結卓を有していて、この焼結卓上に被焼結体を配置することができ、更に、駆動装置を用いて焼結卓上を移動することができる、トンネル型の移動可能なフード内に、少なくとも１つのマイクロ波源を有している焼結装置が提案されている。このフードは、自己支持型の構造形式で金属、例えば、アルミニウムから構成されている。具体的な実施例では、このフード内又はフードに、複数のマイクロ波源を配設し、このマイクロ波源に、マイクロ波出力及び／又はフードの速度を温度によって制御して調整するために、測定、制御、及び調整装置が接続されている。焼結すべきセラミック体を、マイクロ波を透過して熱を減衰する、例えば、酸化アルミニウム繊維製のカセット内に配設することができる。

ドイツ連邦共和国特許公開第３６４３６４９号公報にも、有極の、有利には、温度感応の材料又は高粘性の生産物を、マイクロ波エネルギと乾湿調整された雰囲気とを同時に用いて連続的に加熱する装置が記載されており、その雰囲気で、処理すべき材料が充分に計算して大きさが決められた共振器釜を１回以上交互に逆方向に通過させられる（特許文献２参照）。装置によって材料を送給することは、選択的に、コンベアベルト、チャンネル溝、螺旋装置又は管路（付加的な振動部を設けなかったり、又は、設けたりされており、選択的に、負圧、通常圧力、過剰圧力が加えられている）を用いて行われる。そのような装置を用いて、共振室を拡張することによって比較的均等な磁場分布を形成することができるが、マイクロ波ビームに曝された強く結合された試料（超硬合金、サーメット、又は、セラミック製）のそれぞれによって、磁場の分布が変わり、殊に、ドイツ連邦共和国特許公開第３６４３６４９号公報記載の、複数のコンベアベルトを用いて作動する装置の場合のように、各部材が多少ランダムに配向された、直ぐ次のコンベアベルト上の位置を占める場合には制御不能に変化する。

ドイツ連邦共和国特許公開第４１３６４１６号公報には、材料（殊に、セラミック材料、合金等の原料）のマイクロ波ビーム照射用の装置が提案されており、この装置には、少なくとも一部の区間でチャンネル溝又は管装置によって定義されるコンベア区間が設けられており、このコンベア区間の内壁は、所定のマイクロ波吸収能力を有している（特許文献３参照）。この装置は、少なくとも一部の区間で、この壁を囲んでいる共振器並びに少なくとも１つの、マイクロ波ビームの発生用の発生器を有しており、その際、チャンネル溝又は管装置の壁は、その長さに亘って種々異なるマイクロ波吸収特性を有している。マイクロ波を用いて材料を直接加熱するために、付加的に、コンベア区間の前に接続された装置が設けられており、この装置を用いて、材料は、高いマイクロ波吸収能力を持った付加材料に付加的に接合されている。何れにせよ、この装置は、押し出し成型機を用いて成形することができ、ウォームコンベアスクリューを用いて送給することができるような物質に制限される。

ドイツ連邦共和国特許公開第３９２６４７１号公報には、有機物混合体の熱処理方法が記載されており、この方法では、ほぼあらゆる側に反射する制限された共振空間内でマイクロ波が照射され、その際、マイクロ波のモード及び周波数が分裂し、このマイクロ波の主寸法は、定格周波数に関する、マイクロ波領域の自由空間波長のほぼ８倍を下回らない（特許文献３参照）。この刊行物では、超硬合金、サーメット及び／又はセラミックの処理についてはそもそも全く言及されていないということは別にしても、焼結処理に比して、製造技術上且つ装置上コスト高であり、小さな装入量しか達成することができず、不経済である。
ドイツ連邦共和国特許公開第４３２４６３５号公報 ドイツ連邦共和国特許公開第３６４３６４９号公報 ドイツ連邦共和国特許公開第３９２６４７１号公報

本発明の課題は、冒頭に挙げた形式の装置を、どのような被加熱材料でも均一な熱分布を達成することができるようにすることにある。この装置は、できる限り連続的に、且つ、経済的に実行することができ、その際、被処理体を種々の温度段階で、できる限り小さな構成コストで経済的に段階処理することができる。

この課題は、本発明によると、マイクロ波焼結オーブンは、固定された複数のマイクロ波源を備えたトンネルとして構成されており、該トンネルはその内部を通るコンベアベルトによって複数のカセットを個々に長手方向に移動させるものであり、前記マイクロ波焼結オーブン内に、前記加工材を有する前記複数のカセットが配置されており、各カセットはマイクロ波を透過せずに反射させる材料から形成されているカセット壁と前記マイクロ波源からの所定波長のマイクロ波を照射するための開口とを有しており、前記複数のマイクロ波源は前記カセットの長さに相応する間隔で配設されており、各カセットは、使用されているマイクロ波ビームの６波長を超過しない長さ、幅又は高さを有しており、前記各カセットは、前記カセット壁がシフトされてその長さ、幅又は高さが変更されることにより、マイクロ波を多数回反射させるマイクロ波共振空間となることによって解決される。

本発明によると、処理材料乃至加工材は、それぞれのカセット内に配置され、このカセットは、マイクロ波ビーム照射に必要な開口が切除されていると同時に共振空間を形成しており、使用されたマイクロ波ビームの２．４５ＧＨｚ（ε_ｒ＝１の媒体内又は真空内において）の場合に有利には６つの波長の長さ、高さ及び／又は幅を超過しない。従って、マルチモード共振器が作られ、その大きさは、最大でも、使われているマイクロ波ビームの数波長にしか相応せず、その際、使われているマイクロ波の波長に関して、装入物の構成成分は、モード混合器として作用して、マイクロ波を多数回反射するのに寄与する。

焼結材料を、それぞれのカセット（同時に空胴を示す）に細分割することによって、ほぼ連続的処理で焼結することができ、これは、慣用のトンネル型オーブンに類似して制御することができる。カセットに処理材料乃至加工材（予備焼結生成物）を少し積載することによって、相応の程度、広範な磁場均一度を得ることができる。従来技術によると、共振器の大きさを大きくすると磁場を均一にすることができるという意見が支配的であるが、経験的には、磁場分布は、装入物によってかなり影響を受けることが分かる。従って、オーブンの空間をその都度算出することは重要である。と言うのは、他の形式で積載すると、他の磁場分布となるからである。

本発明によると、非常に小さなカセットにすることができ、このカセットは、共振器として作用し、請求項１に定義された条件を充足する。一連のカセットは、一連のマイクロ波源の下を通って移動し、その際、各マイクロ波源のビーム出力は、カセットに所望な温度の高さに調整される。このようにすることによって、例えば、加熱、保持、冷却期間を順次連続して、且つ、互いに並列して実行することができる。

この装置の別の実施例によると、それぞれのカセットは、一列で、マグネトロンを装備したトンネルを通って移動され、その結果、各カセットは、逐次マグネトロンによって照射される。その際、連続的又は非連続的に、カセットをマイクロ波源に関して各方向に動かすことができる。

別の変形実施例では、カセットが少なくとも１つのシフト可能な側壁を有しており、この側壁は熱処理の前に移動され、これにより、処理材料の充填度と照射マイクロ波長とが調整される。この手段によって、例えば、共振空間を装入物の量に適合させることを考慮することができる。側壁乃至相応のピストンをシフトすることが、例えば、ヨーロッパ特許公開第０２３４５２８号公報の第８図に原理が示されていて、説明されている。この系は、ここで使用すべきマルチモードカセットでも使われている。

実施例によると、焼結オーブンは、固定マイクロ波源として構成されたトンネルとして構成されており、該トンネルを通って、カセットは長手方向に移動し、例えば、トンネル内に、カセットの収容のために設けられているコンベアベルトによって移動する。温度及び／又は焼結オーブン雰囲気に応じて、カセットの壁は、マイクロ波を反射する材料、有利には、黒鉛、鋼、モリブデン、ニッケル、チタン、タンタル、銅、アルミニウム及び／又はそれらの合金製である。既述のように、少なくとも１つのカセット壁が底部に対してシフトするように設けられていて、それにより、共振空間を調整乃至拡大及び縮小することができる。

本発明の別の実施例では、トンネルは、複数のマイクロ波源を有しており、該マイクロ波源は、ほぼカセットの長さに相応する間隔で配設されており、有利には、導波管幅だけ超過している。従って、それぞれカセットの長さだけマイクロ波トンネル内にカセット列を摺動させて移動させると、各カセットをマイクロ波源に曝すことができ、その結果、それぞれ個別のビーム出力及び温度をカセット毎に調整することができる。

本発明の別の実施例によると、各マイクロ波源の側方に、マイクロ波を透過しない垂直遮蔽壁が、トンネル内に、有利には、ほぼカセットの長さに相応する間隔を置いて、設けられている。こうすることによって、マイクロ波ビームを側方で遮蔽することができ、つまり、有利には、マイクロ波源の下側の、それぞれの実際のカセットの方向に配向するとよい。

最も簡単な場合には、カセットは、上側に開かれており、又は、マイクロ波を透過するカバーを有している。この第２の実施例は、カセットが外側に向かって閉じられた空間を呈することができるという利点を有している。

最も簡単な場合には、カセットは、矩形であるが、マイクロ波及び焼結乃至加熱技術に応じて、もっと複雑な形状に、例えば、四角形、円筒形等にすることもできる。

カセットの雰囲気を個別に調整して制御するために、各カセットに少なくとも１つの弁を閉じることができる短管が設けられており、この短管を介して、ガスが供給されたり、排出されたりする。殊に、これにより、保護ガス雰囲気をカセット内に形成することができる。

有利には、カセットは、トンネルを通って送給され、その際、カセットの側壁の上側縁が、垂直遮蔽壁の下側縁の下側に、できる限り僅かな間隔を置いて、マイクロ波源の側方を通って案内することができるようにされている。こうすることによって、遮蔽を最適に行うことができ、即ち、２つの隣合ったマイクロ波源のマイクロ波領域が重畳するのを防ぐことができる。

更に有利には、トンネルは、種々異なる強さで加熱することができる領域を有しており、そのような領域は、例えば、焼結の際に必要となる：
６００℃以下、有利には、２００℃〜５００℃の第１の温度領域内では、焼結体が成長することができ、そのためには、相応の吸出装置が設けられており、即ち、焼結領域は、４００℃〜１８００℃、有利には、６００℃〜１４００℃の温度に加熱され、冷却領域は、弱く加熱されるか、又は、全く加熱されず、場合によっては、保護ガス、例えば、アルゴン、ヘリウム等の希ガスのような不活性ガス（イナートガス）、反応性ガス及び／又は混合ガスを供給してもよい。

更に、オーブンのそれぞれのゾーンは、通常のように加熱される。更に、材料のマイクロ波加熱は、プロセッサのそれぞれのステップ手段に制限されている。

この装置は、有利には、ＷＣの合成のために使用することもできるが、別個の加熱処理、例えば、モジュールのワックスの除去のためにも使用することができる。

本発明の実施例について、図示されている。その際、
図１及び図２は、それぞれ、マイクロ波源に対して種々異なる相対位置で位置している一連の５個のカセットの側面略図を示し、
図３は、マイクロ波トンネル型オーブンの択一選択的な実施例を示す。

図１及び２から分かるように、焼結材は、それぞれのカセット１０に分割されており、それぞれのカセットは、一列に順次連続して配置されていて、トンネル１１を通って矢印１２の方向に案内される。トンネル１１内には、等間隔に、マイクロ波源１３（マグネトロン）が配設されており、そのマイクロ波源の下側を通って、一列のカセットが案内される。カセットには、加工材、ここでは、プレスされた、超硬合金、サーメット又はセラミック製切断板１４が装着されている。マイクロ波源１３の種々の出力密度乃至ビーム出力は、種々異なった濃さで明示されている。この実施例では、最後のマイクロ波源１３は、最強出力で照射しており、その結果、加工材１４は、左から右に前進移動して一層強く加熱される。

図２には、同様の列の５個のカセットが、所定距離前進した後の状態が示されている。図２に示した位置状態では、各マイクロ波源１３は、当該カセット１０の中央上方に位置している。カセットは、マイクロ波源１３に対して導電的にトンネル壁と、有利には、スライドコンタクトによって接続されている。

図３に示されている変形実施例では、付加的な遮蔽壁１５が設けられており、この遮蔽壁の下縁端は、側壁１６の上縁の上にぎりぎりのところで終っている。このようにすることによって、カセット１０は、それぞれのマグネトロン１３の下側の中心位置で、このマグネトロンのビームだけが加えられる。この位置では、隣のマイクロ波源のマイクロ波ビームによって生じる磁場が重畳しないようにされ、その他の位置全てで、そのような磁場が重畳しないようにすることができる。

カセット１０は、上方に開放されているか、又は、マイクロ波を透過するカバーを有している。側壁１６及び底面は、マイクロ波非透過材製である。この手段によって、即ち、焼結材を小さなカセット（同時にいわゆる空洞を形成する）に細分割することによって、通常のトンネル型オーブンと同様に調整することができる、ほぼ連続的なプロセスで焼結を行うことができるようになる。焼結ケースの寸法は、照射されたマイクロ波に合わされており、その際、均一に積載することにより、最適な磁場均一度にすることができる。装入量は、カセット１０の運搬速度によって決められるので、磁場の均一度は、装入量に依存しない。それぞれ別個のマイクロ波源１３と接続された共振器を呈する、構造上同じ部材でトンネルをセグメント化することによって、プロセスのフレキシビリティを向上させることができる。従って、種々の温度領域を、比較的僅かな焼結ユニットに基づいて加熱及び冷却を加速するのと同様に調整することができる。こうすることによって、全焼結サイクルを約２秒で実行することができる。従来のマイクロ波オーブンでの比較的大きな装入物の場合に生じるような比較的長い冷却時間は、完全になくなる。

構成部品の成長形成のために、複数のカセット１０が、ワックスで保持された超硬合金ターン切断プレートの装入物を貯蔵積載して、＜２０ｃｍ／分の速度で周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波及び増大する出力密度が加えられるトンネルを通って運搬される。その際達成される最大温度は、５００℃である。蒸発したワックスは、トンネルのカバー内に設けられた開口を通って連続的に吸出される。このようにしてワックスを除去された試料は、続いて選択的に通常の、又は、マイクロ波を用いて加熱された焼結オーブンに供給される。

高多孔性のタングステン−炭素−プレス体の加熱処理のために、それぞれ、タングステン及び炭素粉末の密な混合物からなる高多孔性の複数のプレスタブレットが積載された、複数の黒鉛製カセット１０（寸法５０×５０×３０ｃｍ３）が、＜１０ｃｍ／分の速度で、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波及び可変の出力密度で加えられるトンネルを通って運搬される。その際、マイクロ波散逸によって、１０００〜１８００℃の温度で、混合物がタングステンカーバイド粉末に変換される。

マイクロ波源に対して相対位置で位置している一連の５個のカセットの側面略図。 マイクロ波源に対して図１に示した位置とは異なる相対位置で位置している一連の５個のカセットの側面略図。 マイクロ波トンネル型オーブンの択一選択的な実施例を示す側面略図。

符号の説明

１０ カセット
１１ トンネル
１３ マイクロ波源（マグネトロン）
１４ 加工材
１５ 遮蔽壁
１６ 側壁

Claims (8)

1. 超硬合金、サーメット、又はセラミック製の加工材（１４）の熱処理用の装置であって、マイクロ波焼結オーブンを有しており、該マイクロ波焼結オーブンのマイクロ波源（１３）に対して前記加工材（１４）が相対的に移動する装置において、
   マイクロ波焼結オーブンは、固定された複数のマイクロ波源（１３）を備えたトンネル（１１）として構成されており、該トンネルはその内部を通るコンベアベルトによって複数のカセット（１０）を個々に長手方向に移動させるものであり、
   前記マイクロ波焼結オーブン内に、前記加工材（１４）を有する前記複数のカセット（１０）が配置されており、各カセットはマイクロ波を透過せずに反射させる材料から形成されているカセット壁（１６）と前記マイクロ波源（１３）からの所定波長のマイクロ波を照射するための開口とを有しており、前記複数のマイクロ波源（１３）は前記カセット（１０）の長さに相応する間隔で配設されており、
   各カセットは、使用されているマイクロ波ビームの６波長を超過しない長さ、幅又は高さを有しており、
   前記各カセットは、前記カセット壁がシフトされてその長さ、幅又は高さが変更されることにより、マイクロ波を多数回反射させるマイクロ波共振空間となる
   ことを特徴とする装置。
2. 前記カセット壁の長さ、幅又は高さはピストンによって変更される、請求項１記載の装置。
3. 前記カセット壁（１６）を形成する材料は、黒鉛、鋼、モリブデン、ニッケル、チタン、タンタル、銅、又は、アルミニウム又はそれらの合金から形成されている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記トンネル（１１）は、複数のマイクロ波源（１３）を有しており、前記各マイクロ波源（１３）の側方下側に、マイクロ波非透過性の垂直遮蔽壁（１５）が前記トンネル（１１）内に、前記トンネルの上側の面に且つ前記トンネル内に垂直方向に突入するように、カセット長さに相応する間隔で設けられている、請求項１から３までの何れか１項記載の装置。
5. 前記カセット（１０）は前記開口を覆うマイクロ波透過性のカバーを有しており、且つ、前記各カセット（１０）は、少なくとも１つの、弁を閉じることができる短管を、前記カセット内部のガス雰囲気を形成するために有している、請求項１から４までの何れか１項記載の装置。
6. 前記コンベアベルトによって前記各カセットが運搬される際に、前記トンネル（１１）内で、前記カセット壁（１６）の上縁が前記垂直遮蔽壁（１５）の下縁に対して小さな間隔を有するように設定されている、請求項４または５記載の装置。
7. 前記トンネル（１１）は、種々の温度領域に加熱され得る種々のゾーンを有している、請求項１から６までの何れか１項記載の装置。
8. 前記トンネル（１１）内には、吸出装置を用いて蒸発したワックスを吸い出すために６００℃までの温度領域、６００℃〜１４００℃の焼結領域、及び、冷却領域の種々のゾーンが形成されている、請求項７記載の装置。

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