JP2004360057A - ガス浸炭処理装置および処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が極めて簡単であって浸炭ガスの使用量も節約できコストを低減することのできる高速ガス浸炭処理装置及びその処理方法を提供する。
【解決手段】ワーク支持具１と、ワークＷより僅かに大きい寸法を有し、その内側にワークＷと共にワーク支持具１を配置する容器２と、該容器２を支持する容器支持具３と、該容器２の内側に浸炭ガスを導入するガス導入口と、該容器２から浸炭ガスを外に向かって排出する排出口２ａと、容器２の外側に配置され、容器２の外側から加熱する急速加熱手段４を設けた構成とする。この場合、容器２と急速加熱手段４とは、該急速加熱手段４が該容器２を加熱しにくい組み合わせとする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス浸炭法、特に被処理物を容器内に設置し、該容器の外部から被処理物を直接加熱するガス浸炭処理装置及びその処理方法であって、浸炭ガスの使用量も低減することのできるガス浸炭処理装置及びその処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車を始めとする車両工業、産業機械工業等における低炭素鋼や合金鋼の部品の表面改質処理（表面硬化処理）法の一種としてガス浸炭法が用いられる。ガス浸炭法は、低炭素鋼や合金鋼を、炭素を供給する媒介物質（一酸化炭素（ＣＯ）やメタン，エタン，プロパン，蒸気油，アルコール等の炭化水素化合物ガスの浸炭ガス）の雰囲気の中で加熱し（加熱温度は、９３０℃〜１１００℃）、ワークの浸炭、拡散処理を行い表面の浸炭濃度を高める処理法である。特に、ガス浸炭法は浸炭層の深さが均一で、その調節が容易であり、熱効率もよく、大量生産にも適する。
【０００３】
図３は、高周波誘導加熱によりガス浸炭処理法を実施するための装置の概要を示す従来の例図である。即ち、このガス浸炭処理装置は、被処理物Ｗを上下移動可能なシャフト２１の上部に設置し、密閉容器２２内に配置してシャッター２３により密閉し、ガス供給管２４，２５により一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素化合物ガス等を供給し、高周波誘導コイル２６によりワークＷを誘導加熱し、ワークＷ表面に浸炭ガスによる熱分解で炭素を析出させ、ワークＷ表面から内部へと炭素を拡散浸透させる構成としてある（特許文献１）。その他、従来のガス浸炭法を実施するための装置は、いずれも上記するように密閉容器内に被処理物であるワークを配置し、浸炭ガスを供給しながら高周波加熱用コイルで加熱するように構成されている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５９１５４
【特許文献２】特公平６−４５８６８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のガス浸炭処理装置においては、密閉容器内でワークを処理するため複雑な構造や動作が必要である。また、周知の抵抗加熱方式を採用するガス浸炭焼入れ処理装置（図示省略）では、雰囲気ガス（浸炭ガス）を充満した加熱室において、ワークの浸炭、拡散処理を行う。この場合、ワークの重量とは関係なく、雰囲気ガスを加熱室いっぱい充填する必要がある。また、ガス浸炭焼入れ処理装置では、ガスの流速が小さいと、発生した炭酸ガスや水蒸気のため浸炭が阻害されやすい。従って、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを維持するため、加熱室には常に雰囲気ガスを流す必要がある。この場合、浸炭効率は、ガスの流速に比例し、浸炭処理には必要以上の雰囲気ガスを消費するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであって、構造が極めて簡単であり、浸炭ガスの使用量も節約できコストを低減することのできるガス浸炭処理装置およびその処理方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記する課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ガス浸炭処理装置が、ワークを設置するワーク支持具と、ワークより僅かに大きい寸法を有しその内側にワークと共にワーク支持具を配置する容器と、該容器を支持する容器支持具と、該容器の内側に浸炭ガスを導入するガス導入口と、該容器から浸炭ガスを外に向かって排出する排出口と、
前記容器の外側に配置され、該容器を加熱しにくく且つ該容器を介して直接ワークを急速加熱する加熱手段と、
を備えて成ることを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、前記ワークを回転させるワーク回転手段を設けてなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、ガス浸炭処理方法が、前記ワーク及びワーク支持具をその内側に配置し且つワークより僅かに大きい寸法の容器の外側に急速加熱手段を配置すると共に、前記急速加熱手段を該容器を加熱しにくい加熱手段とし、
前記容器内に浸炭ガスを導入しながら前記ワークを容器の外側から直接前記加熱手段により急速加熱することを特徴とするものである。
【００１０】
更に、請求項４に記載の発明は、前記加熱手段が、高周波加熱手段であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、前記加熱手段が、レーザー加熱手段であることを特徴とするものである。
【００１２】
更にまた、請求項６に記載の発明は、前記容器が非導電性耐熱材料または透明材であり、前記加熱手段が、該非導電性耐熱材料または該透明材を加熱しにくい加熱手段であることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の上記各手段においては、なるべくワークを配置する容器の大きさ（内部空間）を小さくし、且つ容器外部より内部のワークを加熱処理し、場合によっては該ワークの表面温度を１３００℃以上に急速加熱して処理するものである。
このガス浸炭処理装置或いはガス浸炭処理方法は、密閉空間内で処理するものではなく、浸炭ガスを流通させながら処理する開放型であり、容器が非導電性耐熱材や耐熱性透明材であるため、石英の場合でも充分耐熱性を維持させることができる。本手段によれば上限として、１４５０℃程度までは可能となる。また、昇降温速度が早いため短時間でガス浸炭処理が可能となる。そして従来のガス浸炭処理装置や処理方法の如く長時間浸炭ガスを流入させる必要もないので、浸炭ガスの使用量を少なくしてコストを低減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のガス浸炭法を実施するためのガス浸炭処理装置の構成を示す図である。このガス浸炭処理装置は、上端部にワークＷを設置するワーク支持具１と、該ワークＷを内部に配置させる容器２と、該容器２を支持する容器支持具３と、該容器２の外側に配置された急速加熱手段４と、ワークＷを回転させるワーク回転手段５と、を含む。
【００１５】
前記ワーク支持具１は、上軸部１ａと下軸部１ｂとをボルト１ｃにより一体に連結したものであるが、上軸部１ａは、ワークＷを加熱する前記急速加熱手段４により加熱されにくい非加熱性材料であって、例えばセラミック材が使用される。即ち、セラミック材は非導電性材料であり、耐熱性に優れているため好適に使用することができる。下軸部１ｂは、鋼材でもよく或いはアルミ合金や銅合金等の非鉄材でもよく、その材料は特に限定されない。このワーク支持具１は、その下軸部１ｂを固定部材１０に配置した軸受１１，１２に支持させてモータ等のワーク回転手段５により回転させ、上端部の治具に保持されたワークＷがその形状と処理面状態に応じて均一にまんべんなく加熱されるようにする。
【００１６】
前記急速加熱手段４には、処理対象の形状、大きさ、品質等により、赤外線や紫外線を用いる光加熱、レーザー光を用いるレーザー加熱、高周波加熱コイルを用いる誘導加熱等の手段を選択して用いる。いずれの加熱手段も高密度エネルギー手段であること、ワークＷの温度を瞬間的に、または高速で処理温度まで加熱できる手段であること等が要求される。
【００１７】
前記容器２は、ワークＷより僅かに内側寸法を大きくしたものであって、ワークＷの形状，大きさにより雰囲気ガス消費量を最大限削減するためできるだけ小さくする。また、該容器２は、前記急速加熱手段４によってワークＷを加熱する際この急速加熱手段４によって加熱されにくい材料を使用する。例えは、急速加熱手段４が高周波誘導加熱用コイルである場合、容器２の材料は非導電性耐熱材料を使用する。実際に行った実験例では、ワークＷを径１０ｍｍの試料棒とし、容器２の内径を径１２ｍｍのムライトチューブを選定し、容器２の周辺を均一加熱するためワークＷを回転させながらガス浸炭処理を行った。更に、急速加熱手段４と該急速加熱手段４によって加熱されにくい容器２の材料の他の組み合わせとしては、急速加熱手段４として赤外線やレーザーを用いた場合、容器２の材料はこの赤外線やレーザーにより加熱されない透明材の石英とすることができる。また、高周波誘導加熱の場合、窒化珪素材などの容器も用いることができる。
【００１８】
前記容器支持具３には、容器２の内部へ浸炭ガス（雰囲気ガス）を導入するガス導入口３ａ，３ｂを軸対称に設けた雰囲気ガス導入機構が設けてあり固定部材７に固定してある。更に、前記容器２の上部には、浸炭ガスの排出口２ａが設けてある。この雰囲気ガス導入口３ａ，３ｂからはワークＷを加熱する前に容器２内に窒素ガスを導入し、内部に残留している空気や水蒸気等を置換（パージ）した後に、後述するようにメタンガスと窒素ガスの混合ガスやその他の炭化水素ガスの雰囲気ガスを流通させて浸炭処理を開始する。尚、前記ガス導入口３ａ，３ｂは、容器支持具３とは別個に設けても良い。
【００１９】
また、前記容器支持具３の上には支持台８が固定され、容器２の外側壁を別位置で規制する環状の容器支持具９が載置してある。なお、容器２はワークＷの浸炭処理後、或いは交換時等に 容器２のみを支持台８から取外すことが出来るようになっている。
【００２０】
この発明のガス浸炭法を実施するためのガス浸炭処理装置の構成は、以上のようであるが、次に具体的な浸炭処理方法について説明する。
【００２１】
ワークＷを、ワーク保持具１の上端部に設置し、前記容器支持具３に設けた雰囲気ガス導入口３ａ，３ｂより容器内に雰囲気ガス（メタンと窒素ガスの混合ガス或いはその他の炭化水素化合物ガスの浸炭ガス）を導入し容器２の内部の空気や水蒸気等をパージする。そして流動する雰囲気ガス中で加熱手段４によりワークＷの表面を加熱して浸炭処理を実施する。尚、容器２の上の雰囲気ガスの排出口２ａの上部近傍に点火器のような燃焼手段１３が配置してあり、排出されてきた雰囲気ガスを燃焼させる。
【００２２】
本発明のガス浸炭処理装置は、図２（ａ）に示すように、容器２の上部が狭い排出口２ａとなるように形成しても良い。或いは、図２（ｂ）に示すように、容器２の上部に排出口７ａを設けた蓋７を載置するようにしても良い。これらの構成では、外気の逆拡散が抑えられるので浸炭ガス使用量をさらに少なくすることができる。
【００２３】
なお、本発明のガス浸炭処理装置および処理方法は、大気圧下で行うものに限定されず、任意の圧力下（加圧、減圧）において行うものも含む。
【００２４】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明のガス浸炭法処理装置および処理方法によれば、極めて簡単な構成で多種類の急速加熱源を用いて高温で浸炭処理を行うことががきる。また、構造が極めて簡単であり、従来の密閉型の処理空間において長時間浸炭ガスを流す必要もなく、浸炭ガスの使用量も必要最小限とすることができるので、コストを低減した浸炭処理装置とその処理方法を提供することができる。更に、浸炭処理時間を短時間とすることができるので作業効率が格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス浸炭処理方法を実施するためのガス浸炭処理装置の構成を示す図である。
【図２】本発明のガス浸炭処理方法を実施するためのガス浸炭処理装置であって、図２（ａ）は容器の上部が狭い排出口となるように形成した実施例を示し、２（ｂ）は容器の上部に浸炭ガス排出口を設けた蓋を設ける実施例を示す図である。
【図３】ガス浸炭処理法を実施するためのガス浸炭処理装置の従来の例図である
【符号の説明】
１ ワーク支持具
１ａ 上軸部
１ｂ 下軸部
１ｃ ボルト
２ 容器
２ａ ガス排出口
３ 容器支持具
３ａ ガス導入口
３ｂ ガス導入口
４ 急速加熱手段
５ ワーク回転手段
Ｗ ワーク
７ 蓋
７ａ 浸炭ガス排出口

Claims (6)

1. ワークを設置するワーク支持具と、ワークより僅かに大きい寸法を有しその内側にワークと共にワーク支持具を配置する容器と、該容器を支持する容器支持具と、該容器の内側に浸炭ガスを導入するガス導入口と、該容器から浸炭ガスを外に向かって排出する排出口と、
   前記容器の外側に配置され、該容器を加熱しにくく且つ該容器を介して直接ワークを急速加熱する加熱手段と、
   を備えて成ることを特徴とするガス浸炭処理装置。
2. ワークを回転させるワーク回転手段を設けてなることを特徴とする請求項１に記載のガス浸炭処理装置。
3. ワーク及びワーク支持具をその内側に配置し且つワークより僅かに大きい寸法の容器の外側に急速加熱手段を配置すると共に、前記急速加熱手段を該容器を加熱しにくい加熱手段とし、
   前記容器内に浸炭ガスを導入しながら前記ワークを容器の外側から直接前記加熱手段により急速加熱することを特徴とするガス浸炭処理方法。
4. 前記加熱手段が、高周波加熱手段である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガス浸炭処理装置またはガス浸炭処理方法。
5. 前記加熱手段が、レーザー加熱手段である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガス浸炭処理装置またはガス浸炭処理方法。
6. 前記容器が非導電性耐熱材料または透明材であり、前記加熱手段が、該非導電性耐熱材料または該透明材を加熱しにくい加熱手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のガス浸炭処理装置またはガス浸炭処理方法。

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