CN107523783B - 表面处理方法和表面处理装置 - Google Patents

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Abstract

提供了表面处理方法和表面处理装置。在所述方法中，使处理气体(G2)与由钢制成的被加热的处理对象(P)接触，处理气体(G2)中的元素被固溶，因此对处理对象(P)进行表面处理。通过对其中设置有处理对象(P)的空气进行加热，将处理对象(P)加热到进行表面处理的处理温度(T3)附近的加热温度(T1)。通过在将被加热的处理对象(P)直接加热到处理温度(T3)的时候使处理气体与处理对象(P)的表面接触来进行表面处理。

Description

表面处理方法和表面处理装置
技术领域
本发明涉及表面处理方法和表面处理装置，通过该表面处理方法和表面处理装置，使处理气体与由钢制成的被加热的处理对象接触，并且包含在处理气体中的元素被固溶(solid-solutionized)，以对处理对象进行表面处理。
背景技术
当由钢制成的处理对象经受表面处理时，处理对象被加热，使处理气体与处理对象接触，并且包含在处理气体中的元素在处理对象的表面被固溶。作为这样的技术，例如，日本专利申请公开第2004-217958号(JP 2004-217958 A)提出了以下表面处理方法。在该表面处理方法中，通过感应加热、激光发射加热或红外辐射加热对处理对象进行加热，使诸如氮化处理气体的处理气体与被加热的处理对象的表面接触，并且因此对处理对象进行表面处理。
此外，日本专利申请公开第2014-118606号(JP 2014-118606 A)提出了以下表面处理方法。在该表面处理方法中，首先，在升温单元中通过高频感应加热对处理对象进行加热。接下来，将处理对象传送到渗碳(carburizing)处理单元并且处于渗碳处理气体的空气(atmosphere)之下，对该空气进行加热，并且因此对处理对象进行渗碳处理。接下来，将经渗碳处理的对象传送到氮化处理单元，并且使用渗碳处理中的处理对象的残余热量使氨气与处理对象接触以进行氮化处理。
发明内容
在根据JP 2004-217958 A的表面处理方法中，由于直接加热处理对象而没有加热处理对象周围的空气，因而处理气体在处理对象的加热的表面上分解或反应，并且因此表面处理可以进行。
然而，例如，当处理对象被感应加热时，由于难以在处理对象的整个处理表面和感应加热线圈之间保持恒定的间隙，所以难以均匀地加热处理对象。另一方面，当通过发射诸如激光束或红外辐射的光来加热处理对象时，难以向处理对象的整个处理表面均匀地发光。特别地，当对具有复杂形状的处理对象进行表面处理时，难以均匀地加热处理对象的表面。因此，认为难以对处理对象的表面均匀地进行处理。
考虑到这一点，如JP 2014-118606 A中所公开的，当处理对象周围的空气被加热时，可以均匀地加热处理对象的表面。然而，在这种情况下，在处理气体到达处理对象的表面之前，存在着处理气体分解或反应的可能性，并且存在着不能有效进行表面处理的可能性。此外，当其表面被均匀加热的处理对象的残余热量用于使处理气体与处理对象接触时，由于处理对象的表面温度随着时间的流逝而降低，所以不可能有效地进行表面处理。
本发明提供了一种表面处理方法和表面处理装置，通过该表面处理方法和表面处理装置，可以在处理对象的表面被更均匀地加热的时候有效地进行表面处理。
鉴于上述问题，本发明人进行了广泛的研究，结果发现，在处理对象经受使用处理气体的表面处理之前，当其中设置有处理对象的空气被加热时，可以预先均匀地加热处理对象的表面。接下来，据推测，在均匀加热的处理对象被直接加热的时候，如果使处理气体与处理对象接触，则处理对象的表面保持基本上均匀的温度，并且包含在处理气体中的元素可以在处理对象的表面均匀地固溶。
本发明的第一方面是一种表面处理方法，在该表面处理方法中，使作为处理气体的氨气与被加热的由钢制成的处理对象接触，包含在氨气中的氮被固溶，因此对处理对象进行作为表面处理的氮化处理，其包括：通过对其中设置有处理对象的惰性气体的空气进行加热，将处理对象加热到进行氮化处理的氮化处理温度附近的加热温度；以及通过在将被加热的处理对象直接加热到氮化处理温度的时候使氨气与处理对象的表面接触来进行氮化处理。
在第一方面，可以使用氨气作为处理气体，并且可以进行氮化处理作为表面处理。可以在氨气与处理对象的表面接触之前防止氨气分解，并且可以使在处理对象的表面有效地固溶氨气的氮。此外，惰性气体，例如氮气等，可以被用作为加热期间的空气(atmospheregas)。
在第一方面，当进行表面处理时，可以通过向处理对象发射光来直接加热处理对象。此外，可以使用红外灯进行对处理对象的光发射。
在第一方面，处理对象可以是齿轮。即使处理对象具有诸如齿轮的复杂形状，也可以在处理对象的表面的温度基本上均匀的时候使处理气体与处理对象的表面接触。
在第一方面，加热温度的范围可以是从比氮化处理温度低100℃的温度到比氮化处理温度高120℃的温度。此外，加热温度可以为850℃或更高，并且1200℃或更低。
在第一方面，在加热室中将处理对象加热到加热温度，并且在处理室中对处理对象进行表面处理。表面处理方法还可以包括在将处理对象加热到加热温度之后，将处理对象从加热室传送到处理室。
本发明的第二方面是一种表面处理装置，其包括：升温单元，其被配置成加热处理对象；以及处理单元，其被配置成通过使作为处理气体的氨气与由升温单元加热的处理对象接触并且使包含在氨气中的氮固溶，来进行作为表面处理的氮化处理。升温单元包括其中设置有处理对象的加热室、惰性气体供给单元和第一加热单元，惰性气体供给单元被配置成将惰性气体供给到加热室的内部，使得该内部具有惰性气体的空气，第一加热单元被配置成通过对其中设置有处理对象的加热室中的惰性气体的空气进行加热，来将处理对象加热到进行氮化处理的氮化处理温度附近的加热温度。处理单元包括其中设置有处理对象的处理室、处理气体供给单元和第二加热单元，处理气体供给单元被配置成将氨气供给到处理室，第二加热单元被配置成直接将处理对象加热到氮化处理温度。
在第二方面，气体供给单元可以供给氨气作为处理气体。可以在氨气与处理对象的表面接触之前防止氨气分解，并且可以使在处理对象的表面上有效地固溶氨气的氮。
在第二方面，处理室包括在限定处理室的壁的至少一部分上的具有透光性的透光壁，并且第二加热单元被设置在处理室外部，通过透光壁向处理室中的处理对象发射光，并且可以加热处理对象。可以经由通过透光壁向处理对象发射光来直接加热处理对象。
在第二方面，透光壁包括面向处理室外部的第一壁和面向处理室内部的第二壁。可以在第一壁和第二壁之间存在空间。当在透光壁中设置有空间时，空间可以隔离由第二加热单元本身产生的热，并且可以防止由于所述热而导致的从第一壁到第二壁的热传递。因此，可以防止处理气体在第二壁及其附近的表面上分解或反应。
在第二方面，在处理室中可以设置其上安装有处理对象的安装网。
在第二方面，还可以包括被配置成将处理对象从加热室传送到处理室的传送单元。此外，传送单元可以包括被配置成密封的通道、以及被配置成去除通道中的空气的抽吸泵。因此，由于处理对象在减压状态或真空状态下被传送，因此防止处理对象的表面被氧化，减少了被升温单元加热的处理对象的温度的降低，并且可以将处理对象传送到处理单元。
根据本发明，当空气被加热时，可以更均匀地加热处理对象的表面。当加热的处理对象被直接加热时，可以在处理对象保持基本上均匀的温度的时候，使用处理气体对处理对象有效地进行表面处理。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点和技术以及工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是根据本发明实施方式的表面处理装置的示意图；
图2是图1所示的表面处理装置的处理单元的壁的放大截面图；
图3是示出用于描述根据本发明实施方式的表面处理方法的处理对象表面的温度分布的图；
图4A是根据示例1的样品的截面中的表面层的照片；
图4B是根据比较例3的样品的截面中的表面层的照片；
图5A示出了根据示例2的处理对象的温度分布分析结果；以及
图5B示出了根据比较例5的处理对象的温度分布分析结果。
具体实施方式
下面将参照图1和图2描述根据本发明的实施方式的表面处理装置和表面处理方法。
1.表面处理装置1
图1是根据本发明的实施方式的表面处理装置1的示意图。根据本实施方式的表面处理装置1是使处理气体与被加热的处理对象P接触并且使用处理气体G2对处理对象P进行表面处理的装置。如下面将描述的，处理对象P是由钢制成的处理对象。在本实施方式中，处理对象P例如为齿轮。
如图1所示，表面处理装置1包括：配置成加热处理对象P的升温单元20；以及配置成使用处理气体G2对由升温单元20加热的处理对象P进行表面处理的处理单元30。表面处理装置1可以包括配置成将处理对象P从升温单元20传送到处理单元30的传送单元40。
表面处理装置1还包括冷却室(未示出)和另一传送单元(未示出)，在所述冷却室中，其表面被处理单元30处理的处理对象P被冷却，所述另一传送单元被配置成将处理对象P从处理单元30传送到冷却室。注意，可以不设置上述冷却室和另一传送单元，只要由处理单元30处理的处理对象P能够被提取并且通过空气冷却、油冷却、水冷却等来冷却即可。
1-1.升温单元20
如图1所示，升温单元20包括设置有处理对象P的加热室21、配置成将惰性气体G1供给到加热室21的内部211的惰性气体供给单元22、以及配置成通过加热内部211的空气来加热处理对象P的第一加热单元23。
加热室21具有以下空间：在该空间中，多个处理对象P被设置在内部211中。形成内部211的壁213由具有绝热能力和耐火性的材料制成，该材料例如用于通用电加热炉。注意，在图1中，相对于纸的平面，省略了前壁和后壁的描述。此外，在内部211中设置有其上安装了处理对象P的安装台(未示出)。
在加热室21中形成入口212，使得来自惰性气体供给单元22的惰性气体G1被供给到内部211。入口212与惰性气体供给单元22连通，使得惰性气体G1可以供给到内部211。
惰性气体供给单元22包括填充有惰性气体G1的惰性气体供给源221，以及被配置成调节从惰性气体供给源221向内部211传送的惰性气体G1的流量的调节阀222。此外，惰性气体供给单元22包括被配置成启动和停止向内部211供给惰性气体G1的电磁阀223。惰性气体G1是与处理对象P的材料不具有反应性的气体。例如，可以举例为氮气、氦气或氩气。
在加热室21中形成有出口214，从该出口214排出供给到内部211的惰性气体G1。出口214连接到抽吸泵24。只要内部211中的惰性气体G1可以通过出口214从内部211排出，则可以不设置抽吸泵24。此外，当处理对象P被加热时，通过抽吸泵24将内部211设置为处于减压状态或接近真空的减压状态下，并且可以不设置升温单元20的惰性气体供给单元22。
在本实施方式中，第一加热单元23是加热内部211的空气的电加热器。根据加热器的加热，其中设置有处理对象P的内部211的空气(具体地，惰性气体G1)被加热，因此处理对象P被加热。在本实施方式中，第一加热单元23是加热器，但没有特别限定为例如燃烧器，只要在第一加热单元23被加热时可以加热内部211的空气即可。
1-2.处理单元30
如图1所示，处理单元30包括：其中设置有处理对象P的处理室31；处理气体供给单元32，其被配置成将处理气体G2供给到处理室31的内部311；以及第二加热单元33，其被配置成在处理室31的内部311中直接加热处理对象P。在本实施方式中，第二加热单元33是被配置成通过向处理对象P发射光来加热处理对象P的装置。
处理室31具有以下空间：在该空间中，多个处理对象P被设置在内部311中。在内部311中，设置有其上安装了多个处理对象P的安装网36。当使用安装网36时，可以从设置在安装网36上的处理对象P的下方发射下述第二加热单元33的光。
形成内部311的壁的至少一部分包括具有透光性的透光壁34。在此，作为透光壁34的材料，例如可以举例为具有透光性的陶瓷或具有耐热性的树脂。作为陶瓷，例如可以举例为石英(晶体)、石英玻璃或单晶蓝宝石氧化铝(single crystal sapphire alumina)等，并且没有特别限定陶瓷，只要可以透射来自下述第二加热单元33的光即可。在本实施方式中，因为石英玻璃便宜并且具有高的可加工性，因此石英玻璃用于透光壁34。此外，透光壁34可以形成在以下部分中：在该部分中，第二加热单元33的光被透射到内部311，并且形成内部311的整个壁可以由透光壁34形成。
在本实施方式中，如图2所示，透光壁34包括面向室外部的第一壁341和面向内部311的第二壁342。第一壁341和第二壁342两者都由具有透光性的材料形成，并且它们被设置成彼此间隔开。因此，在第一壁341和第二壁342之间形成有空间S。
当空间S设置在透光壁34中时，空间S隔离由下述第二加热单元33本身产生的热，并且可以防止由于所述热而导致的从第一壁341到第二壁342的热传递。因此，可以防止处理气体G2在面向内部311的第二壁342的表面上及其附近分解或反应。
大气(空气)可以存在于空间S中，并且空间S可以例如处于减压状态，该减压状态是相对于处理室31的外部更接近于真空的状态。因此，如将在下面描述的，可以提高第一壁341和第二壁342之间的隔热能力。此外，可以将诸如气体或液体的流体填充到空间S中，并且流体可以在空间S中连续地流动。由第二加热单元33本身产生的热被空间S中的流体吸收，并且可以防止由于所述热而导致的从第一壁341到第二壁342的热传递。
在处理室31中形成有入口312，使得来自处理气体供给单元32的处理气体G2被供给到内部311。入口312与处理气体供给单元32连通，使得处理气体G2可以被供给到内部311。
在本实施方式中，处理气体供给单元32包括填充有处理气体G2的处理气体供给源321和调节阀322，该调节阀322被配置成调节从处理气体供给源321传送到内部311的处理气体G2的流量。另外，处理气体供给单元32包括被配置成启动和停止向内部311供给处理气体G2的电磁阀323。
处理气体G2是用于对处理对象P进行表面处理的气体。例如，当进行渗碳处理作为表面处理时，使用渗碳处理气体。作为渗碳处理气体，例如可以举例为烃气体。作为烃气体，例如可以举例为乙炔气体、甲烷气体或丙烷气体。另外，当进行氮化处理作为表面处理时，使用氮化处理气体。作为氮化处理气体，可以举例为氨气。另外，当进行硫化处理作为表面处理时，可以举例为含有硫化氢气体的处理气体。惰性气体例如氮气可以另外地与处理气体混合。
此外，在本实施方式中，如下面将描述的，作为表面处理的示例，由于在渗碳处理之后进行氮化处理，所以处理气体供给源321包括：供给源324，其被配置成供给渗碳处理气体；以及供给源325，其被配置成供给氮化处理气体。供给源324和供给源325可以通过切换阀326将渗碳处理气体和氮化处理气体选择性地供给到内部311。
在处理室31中，形成有出口314，从该出口314排出供给到内部311的处理气体G2。出口314连接到抽吸泵35。只要内部311等中的处理气体G2可以通过出口314从内部311排出，则可以不设置抽吸泵35。
第二加热单元33是设置在处理室31外部的装置，第二加热单元33通过透光壁34向内部311中的处理对象P发射光，从而直接加热处理对象P。具体地，在本实施方式中，第二加热单元33是诸如红外灯(卤素灯)的加热灯，其对处理对象P进行红外辐射以作为光，因此第二加热单元33直接加热处理对象P。当第二加热单元33向处理对象P发射光时，由于可以直接加热处理对象P，因此可以基本上均匀地加热光被发射到的处理对象P的表面区域。只要可以通过向处理对象P发射光来直接加热处理对象P，例如，可以使用被配置成向处理对象P发射激光束作为光的的激光发射装置。此外，当第二加热单元33是红外灯时，可以在相对于第二加热单元33、与处理室31相对的位置处设置反射红外辐射的反射构件。因此，可以将红外辐射反射至处理室31。
在此，第二加热单元33没有被特别限定，只要是被配置成在处理室31的内部直接加热处理对象P的装置即可。本文中术语“直接加热”是指不是由来自空气(其中设置有处理对象P)的热传递引起的加热，即通过向处理对象P施加除了热以外的能量来对处理对象进行加热。因此，除了配置成通过发射光来加热处理对象P的装置以外，可以使用设置在处理室31内部或外部并且对处理对象P进行高频感应加热的感应加热装置作为第二加热单元33。另外，可以使用被配置成通过向处理对象P施加电流来电加热处理对象P的电加热装置。
1-3.传送单元40
传送单元40是被配置成将处理对象P从升温单元20传送到处理单元30的装置。在传送单元40中，形成有通道41，处理对象P通过该通道41被从加热室21传送到处理室31。在通道41中，设置有通过其将处理对象P从加热室21传送到处理室31的输送机(未示出)。注意，可以不设置传送单元40，只要可以将处理对象P从加热室21快速地传送到处理室31即可。
通道41可以在通道内形成封闭的(密封的)空间。连接了被配置成抽吸通道41中的大气的抽吸泵43。当抽吸泵43被驱动时，可以去除通道41中的大气，并且可以将通道41的内部设定为在减压状态或接近真空的减压状态下。
因此，可以使从升温单元20提取的处理对象P的表面难以被氧化，并且可以将处理对象P传送到处理单元30，同时隔离由升温单元20加热的处理对象P的热。
2.处理对象P
进行根据本实施方式的表面处理的处理对象P是由钢制成的处理对象。处理对象P可以是具有铁素体组织或珠光体组织的钢。作为钢，例如可以举例为如下钢：其含有C：0.1至0.3质量百分比、Si：0.15至0.35质量百分比、Mn：0.55至0.95质量百分比、P：0.03质量百分比或以下、S：0.03质量百分比或以下、以及剩余部分是不可避免的杂质和Fe。
在此，C是用于确保处理对象P的强度和硬度的元素。当C小于0.1质量百分比时，处理对象P的基材本身的硬度可能不足。另一方面，当C超过0.3质量百分比时，在处理之前的处理对象P的机械加工性和冷锻性劣化，整个硬化基材经历马氏体相变，并且由于基材本身的硬度的改进，齿轮本身的韧性会降低。
Si是提高淬透性(hardenability)的元素，并且当Si小于0.15质量百分比时，处理对象P的淬透性会降低。另一方面，当Si超过0.35质量百分比时，处理对象P的机械加工性和韧性会降低。
Mn是与Si类似地改善淬透性的元素，当Mn小于0.55质量百分比时，处理对象P的淬透性可能降低。另一方面，当Mn超过0.95质量百分比时，处理对象P的机械加工性会降低。
期望添加的P或S的量小，并且当添加超过0.03质量百分比的P时，容易发生偏析(segregation)，并且会降低处理对象P的抗冲击性。当S超过0.03质量百分比时，会降低热加工性能(hot workability)。
此外，根据需要，可以在Ni：0.25质量百分比或以下、Cr：0.8至1.3质量百分比、以及Mo：0.1至0.4质量百分比的范围内，向上述成分另外地添加Ni、Cr和Mo中的至少一种。
当Ni超过0.25质量百分比时，处理对象P的硬度会增加，并且齿轮的韧性会降低。Cr是除了提高淬透性之外还提高耐磨性和耐腐蚀性的元素，并且当Cr小于0.8质量百分比时，处理对象P的淬透性会降低。另一方面，当Cr超过1.3质量百分比时，处理对象P的硬度会增加，并且处理对象P的韧性会降低。
Mo是用于改善淬透性的元素。当Mo浓度小于0.1质量百分比时，淬透性会降低。另一方面，当Mo浓度超过0.4质量百分比时，处理对象P的硬度会提高，并且处理对象P的韧性会降低。
此外，处理对象P可以具有块形状或圆柱形状，但是形状没有特别限制。处理对象可以具有不平坦的表面，使得通过辉光加热(例如使用通常的红外辐射)难以均匀地加热表面。在本实施方式中，作为示例，处理对象P是齿轮。可以举例为例如具有外齿或内齿的正齿轮、斜齿轮、双斜齿轮、锥齿轮和蜗轮的齿轮。齿轮的形状没有特别限制，只要齿轮包括齿顶和齿底即可。
3.表面处理方法
除了图1和图2的表面处理装置以外，下面将参照图3描述本实施方式的表面处理方法。图3是示出用于描述根据本发明实施方式的表面处理方法的处理对象P的表面温度分布的图。
3-1.加热过程
首先，在本实施方式中，首先，在加热室21的内部211设置多个处理对象P。在这种状态下，其流量由调节阀222调节的惰性气体G1被从惰性气体供给源221供给到加热室21的内部211。因此，内部211具有惰性气体G1的空气(atmosphere)。
接下来，在内部211中的惰性气体G1的空气下，当通过第一加热单元23加热空气时，处理对象P被加热到进行表面处理的处理温度T3附近的加热温度T1。因此，在下述的处理单元30中，即使处理对象P通过光发射被加热，由于处理对象P被预先加热到处理温度T3附近，所以处理对象P的表面的温度几乎不变化，并且可以对处理对象P的表面进行均匀地处理。
在此，加热温度T1的范围可以从比处理温度T3低100℃的温度到比处理温度T3高120℃的温度，即，范围为(处理温度T3-100℃)至(处理温度T3+120℃)。特别地，在该温度范围内，可以将加热温度T1设定为高于处理温度T3的温度。因此，当处理对象P从升温单元20传送到处理单元30时，即使处理对象P的表面的温度降低，也可以在处理单元30中将处理对象P的表面的温度快速地增加到处理温度T3。
作为加热温度T1的特定温度，假设温度低于处理对象P的熔点，加热温度T1可以为850℃或更高。因此，当对由钢制成的处理对象P的表面进行上述表面处理(如渗碳处理、氮化处理或硫化处理)时，可以在处理单元30的内部311中更加均匀地加热处理对象P的表面。处理对象P的加热温度T1可以等于或高于处理对象P的钢的A3相变点(transformationpoint)。因此，处理对象P的结构被转变为奥氏体结构，并且可以更快地进行下面描述的表面处理。此外，处理对象P被加热到的温度可以为1120℃或更高、并且1200℃或更低。
3-2.传送过程
接下来，处理对象P被从升温单元20传送到处理单元30。在本实施方式中，加热室21的内部211中的惰性气体G1被抽吸泵24去除，内部211被设置为在减压状态或接近真空的减压状态下，传送单元40的通道41内的大气也被抽吸泵43去除，并且通道41的内部被设置为在减压状态或接近真空的减压状态下。类似地，处理室31的内部311中的大气被抽吸泵35去除，并且内部311被设置为在减压状态或接近真空的减压状态下。在该状态下，处理对象P通过传送单元40被从升温单元20传送到处理单元30。由于处理对象P在减压状态或真空状态下传送，因此防止了处理对象P的表面被氧化，减少了由升温单元20加热的处理对象P的温度降低，并且处理对象P可以被传送到处理单元30。注意，可以省略传送处理对象P的过程，只要可以在一个室中进行下述的加热过程和表面处理过程即可。
此外，在本实施方式中，只要传送单元40在短时间内将处理对象P从升温单元20传送到处理单元30，并且能够防止处理对象P的表面温度T2在传送期间降低，则可以在不降低压力的情况下进行传送。在传送期间，处理对象P的表面温度T2可以为850℃或更高、并且1200℃或更低。
3-3.表面处理过程
在处理单元30中，处理对象P安装在安装网36上。接下来，第二加热单元33用于向加热的处理对象P发射光(红外辐射)，并且处理对象P的表面被加热到处理温度T3。因此，其流量由调节阀322调节的渗碳处理气体被从供给源324供给。因此，当使作为处理气体的渗碳处理气体与处理对象P的表面接触时，对处理对象P进行渗碳处理。
具体地，处理温度T3是可以对处理对象P进行渗碳处理的温度，并且假设温度低于处理对象P的熔点，则处理温度T3可以为850℃或更高，或者等于或高于A3相变点。另外，处理温度T3可以为1080℃或更高并且1120℃或更低。因此，渗碳处理可以用作为对处理对象P的表面处理。
在本实施方式中，当对加热的处理对象P进行红外辐射时，由于处理对象P的表面被直接加热，因此与处理对象P周围的空气被加热时相比，可以防止形成内部311的壁表面的温度增加。因此，作为渗碳处理气体的烃气体被碳化，并且可以降低诸如炭黑的碳化物与形成内部311等的壁表面的粘合性。
此外，在本实施方式中，由于处理对象P的表面通过升温单元20被均匀地加热到处理温度T3附近，所以即使处理对象P的表面通过第二加热单元33被直接加热到处理温度T3，仍可以基本上均匀地加热处理对象P的被进行红外辐射的区域。因此，可以使处理对象P的表面温度保持基本上一致。
因此，例如，即使处理对象P具有诸如齿轮的复杂形状，由于可以在表面温度基本上均匀的时候使渗碳处理气体与表面接触，所以可以对表面进行均匀的渗碳处理。
接下来，通过切换阀326将供给到内部311的处理气体G2从渗碳处理气体切换为氮化处理气体，并且对处理对象P的表面进行氮化处理。具体地，类似于渗碳处理，第二加热单元33用于向被加热的处理对象P发射光(红外辐射)，将处理对象P的表面加热到处理温度T3，并且处理温度T3的温度被保持。
因此，其流量被调节阀322调节的氮化处理气体被从供给源325供给。因此，使作为处理气体的氮化处理气体与处理对象P的表面接触，并且可以对处理对象P进行氮化处理。
具体地，类似于渗碳处理，处理温度T3是可以对处理对象P进行氮化处理的温度，并且假设温度低于处理对象P的熔点，则处理温度T3可以为850℃或更高，或者等于或高于A3相变点。处理温度T3可以为1080℃或更高、并且1120℃或更低。
在本实施方式中，类似于渗碳处理，当对处理对象P进行红外辐射时，由于处理对象P的表面被直接加热，因此与处理对象P周围的空气被加热时相比，可以防止形成内部311的壁表面的温度增加。因此，在内部311中，防止氨气在处理对象P的表面以外的内部311中分解，并且可以在处理对象P的表面有效地固溶氨气的氮。因此，与加热空气以进行氮化处理时相比，由于可以将处理对象P的表面温度设定为较高温度，因此可以促进氮的固溶，因此氮化处理可以在较短的时间内进行。
此外，在本实施方式中，类似于渗碳处理，由于通过升温单元20预先将处理对象P的表面均匀地加热到处理温度T3附近，因此可以保持处理对象P的表面温度在氮化处理中也基本上均匀。因此，即使在具有诸如齿轮的形状的处理对象P中，由于可以在表面温度基本上均匀的时候使氮化处理气体与表面接触，所以可以对表面进行均匀的氮化处理。因此，可以防止表面处理之后的齿轮的齿顶与齿底的质量差异，并且可以防止齿轮变形的发生。
接下来，在保持处理温度T3的同时，内部311中的氮化处理气体通过抽吸泵35被去除。内部311被设置为在减压状态或接近真空的减压状态下，并且在渗碳处理和氮化处理中固溶的碳和氮在处理对象P内部扩散。
此外，在本实施方式中，由于可以在氮化处理之后进行下述的扩散处理，所以向内部311的渗碳处理气体的供给和氮化气体的供给可以通过电磁阀323连续地进行。然而，例如，向内部311的渗碳处理气体或氮化处理气体的供给可以通过电磁阀323间歇地进行。因此，在渗碳处理气体或氮化处理气体的供给已经停止的情况下，在处理对象P的表面中固溶的碳或氮可以在处理对象P内部扩散。
另外，在本实施方式中，作为在处理室31的内部直接加热处理对象P的方法，可以将光发射到处理对象P以用于加热。然而，例如，“直接加热”是指不是由来自空气(其中设置有处理对象P)的热传递引起的加热，即通过向处理对象P施加除了热以外的能量来对处理对象进行加热。因此，处理对象P可以通过高频感应加热或电加热来直接加热。
3-4.传送过程和冷却过程
进行表面处理的处理对象被从处理单元30的内部311提取，并且通过传送单元(未示出)被传送到冷却室(未示出)中。加热的处理对象P在冷却室中被冷却。处理对象P通过空气冷却、水冷却、油冷却或辐射冷却中的任一种被冷却。
此外，在本实施方式中，处理对象P被从处理单元30的内部311传送到冷却室中，并且然后被冷却。然而，只要处理对象P可以被从处理单元30的内部311提取并冷却，则可以不如上所述地设置传送单元和冷却室。
在本实施方式中，虽然进行渗碳处理和氮化处理作为表面处理，但也可以仅进行渗碳处理或氮化处理作为表面处理，并且可以进行硫化处理来替代该表面处理。
下面将参照示例对本发明进行详细描述。
<示例1>
作为处理对象，准备由直径为20mm并且长度为50mm的钢材(JIS标准：SCr20)制成的圆柱形样品。接下来，将样品布置在加热室内，降低加热室内的压力，并且同时氮气以1000L/h的流量流动，通过用作为第一加热单元的加热器将样品周围的空气加热至1120℃的加热温度，并且将处理对象在加热温度下加热50分钟的加热时间。
接下来，将加热的样品在接近真空的减压空气下通过传送单元从升温单元传送到处理单元，处理室内的压强设定为500Pa，并且同时氨气以500L/h的流量流动，使用来自第二加热单元的红外辐射将样品保持在1100℃的处理温度下，并且在处理温度下加热10分钟。
然后，从处理室中提取样品，将氮气在10巴的压强下喷射到样品上10分钟，并因此由气体将样品冷却。确定在所获得的样品的表面上是否形成氮化层。
[表1]
Figure GDA0002015422500000141
<比较例1>
以与示例1相同的方式，对样品进行氮化处理。如表1所示，与示例1的差异在于加热过程中的加热温度为1050℃。另外的差异在于，在表面处理过程中不加热样品，并且使用来自加热期间的残余热量。确定在所获得的样品的表面上是否形成氮化层。
<比较例2>
以与示例1相同的方式，对样品进行氮化处理。如表1所示，与示例1的差异在于加热过程中的加热温度为1050℃。另外的差异在于，在表面处理过程中不加热样品，使用来自加热期间的残余热量，处理室内的压强设定为1400Pa，并且氨气流动10分钟。确定在所获得的样品的表面上是否形成氮化层。
<比较例3>
以与示例1相同的方式，对样品进行氮化处理。如表1所示，与示例1的差异在于在加热过程中在接近真空的减压空气下加热温度为1050℃。另外的差异在于，在表面处理过程中不加热样品，使用来自加热期间的残余热量，处理室内的压强设定为700Pa，并且氨气以600L/h的流量流动30分钟。确定在所获得的样品的表面上是否形成氮化层。
<比较例4>
以与示例1相同的方式，对样品进行氮化处理。如表1所示，与示例1的差异在于在加热过程中在接近真空的减压空气下加热温度为1050℃。另外的差异在于，在表面处理过程中通过加热器将处理室内的空气加热至700℃的同时，处理室内的压强设定为700Pa，并且氨气流动。确定在所获得的样品的表面上是否形成氮化层。
[显微镜观察]
切割示例1和比较例3的样品，并且观察截面中样品的表面层。图4A是根据示例1的样品的截面中的表面层的照片。图4B是根据比较例3的样品的截面中的表面层的照片。
[结果1]
如图4A所示，在示例1的样品的表面上形成有氮化层。然而，如图4B所示，在比较例3的样品的表面上没有形成氮化层。类似于比较例3，在比较例1、比较例2和比较例4的样品的表面上没有形成氮化层。
[考虑因素1]
在比较例1中，由于在表面处理过程中样品的温度下降，所以认为几乎没有氨气中的氮被固溶在样品中。另外，关于比较例1，即使如比较例2中氨气的压强增加，并且即使如比较例3中氨气的压强和流量增加，由于样品的温度下降，所以认为几乎没有氨气中的氮被固溶在样品中。另一方面，在比较例4中，在表面处理过程中通过加热器对室内的空气进行加热时，认为氨气在其与样品的表面接触之前已经在室内分解，并且认为几乎没有氨气中的氮被固溶在样品中。
然而，在示例1中，在表面处理过程中，由于通过红外辐射直接加热样品的表面，所以认为氨气中的氮可以被固溶在被加热的样品的表面中。
<示例2>
使用热分析软件(可从SFTC商购的DEFORMHT)来创建钢处理对象的模型，该钢处理对象由具有2.55mm的模块、具有31个齿并且齿宽为15mm的正齿轮组成，并且在其上进行热分析。具体地，如表2所示，作为针对加热过程的条件，将加热室内的压强设定为减压状态，使用被配置成加热空气的加热器对处理对象进行加热，加热温度为1100℃，并且加热时间为20分钟。
接下来，作为针对表面处理过程的条件，处理室内的压强为500Pa，氨气的流量为120L/h，配置成进行红外辐射的灯被用于对处理对象进行加热，处理温度为1100℃，并且处理时间为10分钟。作为针对冷却过程的条件，使用水冷却作为冷却方法，并且冷却时间为10秒。
<比较例5>
创建与示例2相同的模型，并且对其进行热分析。与示例2的差异在于，关于加热过程的条件，使用配置成进行红外辐射的灯来加热处理对象。
图5A示出了根据示例2的处理对象的温度分布分析结果。图5B示出了根据比较例5的处理对象的温度分布分析结果。图5A和图5B示出了附图中所指示的齿顶和齿底处的温度分布。
[表2]
Figure GDA0002015422500000161
Figure GDA0002015422500000171
[结果2]
如图5A所示，在示例2中，加热过程和氮化处理中的齿顶A和齿底B的温度基本上相同。另一方面，如图5B所示，在比较例5中，加热过程和氮化处理中的齿顶A的温度高于齿底B的温度。齿顶A和齿底B之间的温度差大于示例2的温度差。
[考虑因素2]
认为在示例2的处理对象中齿顶A和齿底B的温度基本上相同是由于以下事实引起的：由于在加热过程中处理对象被预先通过加热器均匀地加热，因此当在表面处理过程中使用配置成进行红外辐射的灯进行加热时，处理对象中几乎没有出现温度差。
另一方面，在比较例5的处理对象中，由于在加热过程和表面处理过程中使用配置成进行红外辐射的灯来加热处理对象，所以与齿顶A相比，更难以进行红外辐射的齿底B被认为具有较低的温度。如上所述，与比较例5中相比，在示例2中，认为已经对处理对象的表面进行更均匀的氮化处理。
虽然上面已经详细描述了本发明的实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，并且在不脱离权利要求书中描述的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种设计修改。
此外，在本实施方式中通过加热惰性气体空气(inert gas atmosphere)而进行加热过程的时候，例如，可以将加热室的内部设置为在减压状态或接近真空的减压状态下，可以加热空气，并且因此可以提高处理对象的表面温度。

Claims (13)

1.一种表面处理方法，其中，使作为处理气体的氨气与被加热的由钢制成的处理对象接触，包含在所述氨气中的氮被固溶，因此对所述处理对象进行作为表面处理的氮化处理，其特征在于包括：
通过对其中设置有所述处理对象的惰性气体的空气进行加热，将所述处理对象加热到进行所述氮化处理的氮化处理温度附近的加热温度；以及
通过在将被加热的所述处理对象直接加热到所述氮化处理温度的时候使所述氨气与所述处理对象的表面接触来进行所述氮化处理。
2.根据权利要求1所述的表面处理方法，
其特征在于，在进行所述表面处理时，通过向所述处理对象发射光来直接加热所述处理对象。
3.根据权利要求2所述的表面处理方法，
其特征在于，使用红外灯来进行对所述处理对象的光发射。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面处理方法，
其特征在于，所述处理对象为齿轮。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的表面处理方法，
其特征在于，所述加热温度的范围是从比所述氮化处理温度低100℃的温度到比所述氮化处理温度高120℃的温度。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的表面处理方法，
其特征在于，所述加热温度为850℃或更高，并且1200℃或更低。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的表面处理方法，
其特征在于，在加热室内将所述处理对象加热至所述加热温度，并且
其中，在处理室中进行对所述处理对象的表面处理，
所述表面处理方法还包括：
在将所述处理对象加热至所述加热温度之后，将所述处理对象从所述加热室传送至所述处理室。
8.一种表面处理装置，其特征在于包括：
升温单元，其被配置成加热处理对象；以及
处理单元，其被配置成通过使作为处理气体的氨气与由所述升温单元加热的所述处理对象接触并且使包含在所述氨气中的氮固溶，来进行作为表面处理的氮化处理；
其中，所述升温单元包括其中设置所述处理对象的加热室、惰性气体供给单元和第一加热单元，所述惰性气体供给单元被配置成将惰性气体供给到所述加热室的内部，使得所述内部具有惰性气体的空气，所述第一加热单元被配置成通过对其中设置有所述处理对象的所述加热室中的惰性气体的空气进行加热，来将所述处理对象加热到进行所述氮化处理的氮化处理温度附近的加热温度；并且
其中，所述处理单元包括其中设置所述处理对象的处理室、处理气体供给单元和第二加热单元，所述处理气体供给单元被配置成将所述氨气供给至所述处理室，所述第二加热单元被配置成直接将所述处理对象加热到所述氮化处理温度。
9.根据权利要求8所述的表面处理装置，
其特征在于，所述处理室包括在限定所述处理室的壁的至少一部分上的具有透光性的透光壁，并且
其中，所述第二加热单元被设置在所述处理室外部，所述第二加热单元通过所述透光壁向所述处理室中的所述处理对象发射光，并且加热所述处理对象。
10.根据权利要求9所述的表面处理装置，
其特征在于，所述透光壁包括面向所述处理室外部的第一壁和面向所述处理室内部的第二壁，并且在所述第一壁和所述第二壁之间存在空间。
11.根据权利要求9或10所述的表面处理装置，
其特征在于，在所述处理室中设置有安装网，在所述安装网上安装所述处理对象。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的表面处理装置，其特征在于，还包括：
传送单元，其被配置成将所述处理对象从所述加热室传送至所述处理室。
13.根据权利要求12所述的表面处理装置，
其特征在于，所述传送单元包括被配置成密封的通道，以及被配置成去除所述通道中的空气的抽吸泵。
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