JP2009057607A

JP2009057607A - 熱処理炉

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Publication number: JP2009057607A
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Inventors: Tsutomu Oki; 力大木
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Abstract

【課題】熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することが可能な熱処理炉を提供する。
【解決手段】鋼の熱処理を実施するための熱処理炉は、被処理物９１を保持する床面ベルト５３を有する反応室としての第２加熱ゾーン５１Ｃと、第２加熱ゾーン５１Ｃ内に開口５６Ａを有し、開口５６Ａから第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気を採取する雰囲気採取パイプ５６とを備えている。そして、雰囲気採取パイプ５６は、開口５６Ａと床面ベルト５３との距離が変更可能に設置されている。
【選択図】図８

Description

本発明は熱処理炉に関し、より特定的には、鋼からなる被処理物を熱処理するための熱処理炉に関するものである。

一般に、鋼からなる被処理物を制御された雰囲気中で加熱する熱処理においては、雰囲気ガスを熱処理炉内に導入しつつ、熱処理炉内の雰囲気を採取して分析し、当該分析結果に基づいて熱処理炉内に導入する雰囲気ガスの流量（単位時間あたりの供給量）を調節することにより、熱処理炉内の雰囲気が制御される。これにより、被処理物の表面改質や酸化などによる表面劣化の抑制が達成される。

たとえば、鋼からなる被処理物に対して実施されるガス浸炭窒化処理においては、Ｒガスおよびアンモニア（ＮＨ_３）ガスを一定の流量で熱処理炉内に流入させるとともに、熱処理炉内のカーボンポテンシャル（Ｃ_Ｐ）値を熱処理炉内の二酸化炭素（ＣＯ_２）の分圧に基づいて制御することにより、当該熱処理炉内の雰囲気が制御されている。ここで、被処理物の表層部に侵入する窒素量は、浸炭窒化処理中に直接測定することは困難である。そのため、各熱処理炉に関して、アンモニアガスの流量と被処理物の表層部に侵入する窒素量との関係を過去の生産実績等から経験的に決定し、浸炭窒化処理中に直接測定することが可能なアンモニアガスの流量を調節することにより被処理物の表層部に侵入する窒素量が制御される場合が多い。

そして、このアンモニアガスの流量は、各熱処理炉の過去の生産実績等に基づき、被処理物の量や形状などを考慮して経験的に決定されているが、過去の生産実績が無いような量や形状の被処理物を浸炭窒化処理する必要が生じた場合、当該浸炭窒化処理における最適なアンモニアガスの流量を決定するための試行錯誤が必要となる。その結果、最適なアンモニアガスの流量が決定されるまでは被処理物の品質を安定させることが困難なだけでなく、上記試行錯誤を量産ラインにおいて実施する必要があるため、要求品質を満たさない被処理物が発生し、生産コスト上昇の要因となるおそれもある。

これに対し、熱処理炉の形状、被処理物の量や形状ごとに変化するアンモニアガスの流量ではなく、熱処理炉内に残留している気体アンモニアの濃度である未分解アンモニア濃度（アンモニアの残留ガス濃度）を調節することにより、被処理物に侵入する窒素量を制御する方法が提案されている（たとえば、非特許文献１および特許文献１参照）。すなわち、浸炭窒化処理中に測定が可能な未分解アンモニア濃度を測定し、熱処理炉の形状や被処理物の量および形状等に関係なく決定可能な未分解アンモニア濃度と被処理物に侵入する窒素量との関係に基づき、アンモニアガスの流量を調節する。これにより、最適なアンモニアガスの流量を試行錯誤により決定することなく、被処理物に侵入する窒素量を制御することが可能となり、被処理物の品質を安定させることができる。

さらに、炭素の活量を未分解アンモニアの体積分率で除した値であるγ値をパラメータとして採用して炉内の雰囲気を制御することにより、被処理物への窒素の侵入速度を調整可能とする浸炭窒化方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。これにより、被処理物の品質をさらに安定させるとともに、効率的な浸炭窒化処理を実施することができる。
恒川好樹、外２名、「ガス浸炭窒化処理におけるボイドの発生と窒素の拡散挙動」、熱処理、１９８５年、２５巻、５号、ｐ.２４２−２４７特開平８−１３１２５号公報特開２００７−１５４２９３号公報

しかしながら、上記文献に開示された浸炭窒化方法を採用した場合でも、被処理物の内部における窒素の濃度が十分に制御されない場合がある。より具体的には、上記文献に開示された浸炭窒化方法を実施した場合でも、被処理物の内部に侵入した窒素の量が予測される量よりも少なくなり、所望の窒素濃度の分布が得られない場合がある。これは、従来の熱処理炉では、熱処理炉内の雰囲気の制御が必ずしも十分な精度で行なわれていないためであると考えられる。

そこで、本発明の目的は、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することが可能な熱処理炉を提供することである。

本発明に従った熱処理炉は、鋼の熱処理を実施するための熱処理炉である。この熱処理炉は、被処理物を保持する保持部を有する反応室と、反応室内に開口を有し、当該開口から反応室内の雰囲気を採取する雰囲気採取部材とを備えている。そして、雰囲気採取部材は、上記開口と保持部との距離が変更可能に設置されている。

一般に、被処理物が制御された雰囲気中で加熱される熱処理においては、所定温度に加熱された熱処理炉内に雰囲気ガスが導入され、熱処理炉内の雰囲気が定常状態となったことを確認した上で、熱処理炉内に被処理物が投入される。そして、熱処理炉内の雰囲気が定常状態となっている場合、熱処理炉内の雰囲気が均一であることを前提として、熱処理炉内の雰囲気が分析され、これに基づいて熱処理炉内の雰囲気が制御される。しかし、本発明者による詳細な検討の結果、熱処理炉内の雰囲気が定常状態であっても、当該雰囲気は必ずしも平衡状態には到達しておらず、熱処理炉内の雰囲気は不均一となっている場合があることが明らかとなった。したがって、熱処理炉内の雰囲気が不均一な状態で熱処理が実施される場合、被処理物に接触する雰囲気と同等の成分を有する領域、すなわち被処理物の近傍の雰囲気が採取され、当該雰囲気の成分組成が分析された上で、当該分析結果に基づいて、熱処理炉内の雰囲気が調整されることが望ましい。つまり、熱処理炉においては、雰囲気を採取するための開口が被処理物の近傍に位置するように雰囲気採取部材が設置されることにより、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することが可能となる。

しかし、熱処理炉においては、種々の形状および量の被処理物が熱処理される。熱処理炉内において被処理物が保持される保持部の近傍に上記開口が位置するように雰囲気採取部材を設置する対策を単に採用した場合、被処理物の形状や量が変更されると、被処理物と雰囲気採取部材とが干渉するおそれがある。

これに対し、本発明の熱処理炉においては、上記開口と保持部との距離が変更可能なように、雰囲気採取部材が設置されている。そのため、被処理物の形状や量が変更された場合でも、これに合わせて上記開口と保持部との距離を変更し、被処理物の近傍における雰囲気を採取することができる。そして、被処理物の近傍から採取された雰囲気の成分組成が分析された上で、当該分析結果に基づいて、熱処理炉内の雰囲気を調整することができる。したがって、本発明の熱処理炉によれば、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することが可能な熱処理炉を提供することができる。

上記熱処理炉において好ましくは、雰囲気採取部材の外周面を取り囲むシール部材と、シール部材の外周面を取り囲み、反応室の外壁に接続された外方壁部とをさらに備えている。そして、雰囲気採取部材は、外方壁部に対して相対的に移動可能に設置されている。

上記構成によれば、雰囲気採取部材と外方壁部との間をシールして熱処理炉内の雰囲気が外部に漏出することを抑制しつつ、雰囲気採取部材を外方壁部に対して移動させることにより、上記開口と保持部との距離を変更することができる。

上記熱処理炉において好ましくは、雰囲気採取部材は、筒状の形状を有する筒状部を含んでいる。さらに、シール部材は、当該筒状部の外周面を取り囲むように配置されている。そして、雰囲気採取部材は、当該筒状部の軸方向に、外方壁部に対して相対的に移動可能に設置されている。

上記構成により、雰囲気採取部材は筒状部においてシール部材によりシールされつつ、外方壁部に対して移動することができる。その結果、上記開口と保持部との距離をスムーズに変更することができる。なお、上記筒状部の軸方向に垂直な断面における断面形状は、多角形形状であってもよいが、円形とすることにより、上記開口と保持部との距離を一層スムーズに変更することが可能となる。

また、上記シール部材は、雰囲気採取部材が外方壁部に対して移動可能の方向に間隔を置いて複数個配置されていてもよい。これにより、雰囲気採取部材が外方壁部に対して移動する際に、雰囲気採取部材と外方壁部との間が安定してシールされる。

上記熱処理炉において好ましくは、シール部材を冷却する冷却部をさらに備えている。鋼の熱処理においては、鋼は高温、たとえば７００℃以上の温度に加熱され、熱処理炉内の雰囲気も高温となっている。そのため、上記シール部材は高温に加熱される場合がある。この場合、シール部材が熱により劣化あるいは損傷し、雰囲気採取部材と外方壁部との間のシールが不十分となるおそれがある。これに対し、シール部材を冷却する冷却部を備えることにより、シール部材の温度上昇を抑え、シール部材の劣化や損傷を抑制することができる。

上記熱処理炉においては、上記熱処理は、浸炭窒化処理であってもよい。この場合、上記熱処理炉は、雰囲気採取部材に接続され、雰囲気採取部材により採取された雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率を算出する雰囲気分析部と、雰囲気分析部に接続され、算出された未分解アンモニアの体積分率に基づいて、反応室内の雰囲気を制御する雰囲気制御部とをさらに備えることができる。

一般に、浸炭窒化処理は、Ｒガス、エンリッチガスおよびアンモニアガスなどのガスが導入された熱処理炉内において、鋼からなる被処理物を所定の温度に加熱することにより行なわれる。また、熱処理炉内に導入される上記ガスの量は、熱処理炉内のＣ_Ｐ値や未分解アンモニアの体積分率などが測定され、これに基づいて調整される。そして、被処理物は、熱処理炉内に上記ガスが導入された後十分に時間が経過し、熱処理炉内の雰囲気が定常状態となった後、熱処理炉内に搬入される。そのため、熱処理炉内の雰囲気は均一であることを前提として、Ｃ_Ｐ値や未分解アンモニアの体積分率などが測定され、これに基づいて熱処理炉内の雰囲気が制御される。しかし、熱処理炉内の雰囲気が定常状態となった後、被処理物が熱処理炉内に投入された場合でも、被処理物の内部における窒素の濃度が十分に制御されないという問題が発生する場合がある。

これに対し、本発明者は、熱処理炉内における未分解アンモニアの体積分率の均一性について詳細に検討を行ない、上記問題の原因に関して、以下の知見を得た。

すなわち、熱処理炉内に導入されたアンモニアは、窒素と水素とに分解する。そして、当該窒素が被処理物に侵入する。ここで、熱処理炉内にＲガス、エンリッチガスおよびアンモニアガスなどのガスが導入された後、定常状態となった場合でも、熱処理炉内の未分解アンモニアの体積分率は、たとえば２０００ｐｐｍ程度となっている。一方、通常浸炭窒化処理が行なわれる温度である８５０℃付近における未分解アンモニアの体積分率の平衡値は１００ｐｐｍ程度である。そして、熱処理炉内における未分解アンモニアの体積分率の分布を調査したところ、熱処理炉内の雰囲気が定常状態となっている場合でも、未分解アンモニアの体積分率は不均一な状態となっており、これが上記問題の原因となっていることが分かった。

つまり、熱処理炉内の雰囲気が定常状態となっている場合でも、熱処理炉内に導入されたアンモニアの分解反応は非平衡状態にあり、熱処理炉内の同一地点における未分解アンモニアの体積分率はほぼ一定となっているものの、導入されたアンモニアが到達するまでの時間が異なる２つの地点においては、その未分解アンモニアの体積分率は異なっている。したがって、熱処理炉内の未分解アンモニアの体積分率に基づいて雰囲気を調整し、被処理物の内部における窒素濃度の制御を精度よく行なうためには、被処理物に接触する雰囲気の未分解アンモニアの体積分率と同等の未分解アンモニアの体積分率を有する領域の未分解アンモニアの体積分率に基づいて雰囲気を調整することが必要である。

これに対し、上記構成においては、雰囲気採取部材の開口と被処理物を保持する保持部との距離が変更可能であるため、熱処理炉内において被処理物が占める領域の近傍の雰囲気を雰囲気採取部材により採取し、当該雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率を雰囲気分析部において算出し、当該体積分率に基づいて熱処理炉の反応室内の雰囲気を制御することができる。その結果、上記構成によれば、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することにより、被処理物の内部における窒素濃度を精度よく制御可能な熱処理炉を提供することができる。

ここで、熱処理炉内において被処理物が占める領域とは、バッチ式の熱処理炉のように熱処理炉内における被処理物の位置が変化することなく熱処理が実施される場合、被処理物が配置される領域、特に当該領域の表面であり、連続炉タイプの熱処理炉のように熱処理炉内における被処理物の位置が変化しつつ熱処理が実施される場合、被処理物が移動する軌跡に該当する領域である。また、算出されるべき上記未分解アンモニアの体積分率は、雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率と一対一の対応関係を有する数値であればよい。さらに、未分解アンモニアの体積分率とは、熱処理炉内に供給されたアンモニアのうち、分解されることなく気体アンモニアの状態で残存しているアンモニアの熱処理炉内の雰囲気における体積分率をいう。

以上の説明から明らかなように、本発明の熱処理炉によれば、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することが可能な熱処理炉を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品を備えた転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における転がり軸受としての深溝玉軸受について説明する。

図１を参照して、深溝玉軸受１は、環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された環状の内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置され、円環状の保持器１４に保持された転動体としての複数の玉１３とを備えている。外輪１１の内周面には外輪転走面１１Ａが形成されており、内輪１２の外周面には内輪転走面１２Ａが形成されている。そして、内輪転走面１２Ａと外輪転走面１１Ａとが互いに対向するように、外輪１１と内輪１２とは配置されている。さらに、複数の玉１３は、玉転走面（表面）１３Ａにおいて内輪転走面１２Ａおよび外輪転走面１１Ａに接触し、かつ保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。

ここで、機械部品である外輪１１、内輪１２、玉１３および保持器１４のうち、特に、外輪１１、内輪１２および玉１３には転動疲労強度や耐摩耗性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも１つが本発明の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品であることにより、当該部品の内部における窒素濃度が精度よく制御されて表面層が強化され、深溝玉軸受１を長寿命化することができる。

図２は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品を備えた転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。図２を参照して、実施の形態１の変形例における転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受について説明する。

図２を参照して、スラストニードルころ軸受２は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された転動部材としての一対の軌道輪２１と、転動部材としての複数のニードルころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。複数のニードルころ２３は、ころ転走面（外周面）２３Ａにおいて、一対の軌道輪２１の互いに対向する主面に形成された軌道輪転走面２１Ａに接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受２の一対の軌道輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。

ここで、機械部品である軌道輪２１、ニードルころ２３および保持器２４のうち、特に、軌道輪２１、ニードルころ２３には転動疲労強度や耐摩耗性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも１つが本発明の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品であることにより、当該部品の内部における窒素濃度が精度よく制御されて表面層が強化され、スラストニードルころ軸受２を長寿命化することができる。

図３は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品を備えた等速ジョイントの構成を示す概略部分断面図である。また、図４は、図３の線分ＩＶ−ＩＶに沿う概略断面図である。また、図５は、図３の等速ジョイントが角度をなした状態を示す概略部分断面図である。なお、図３は、図４の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略断面図に対応する。図３〜図５を参照して、実施の形態１の他の変形例における等速ジョイントについて説明する。

図３〜図５を参照して、等速ジョイント３は、軸３５に連結されたインナーレース３１と、インナーレース３１の外周側を囲むように配置され、軸３６に連結されたアウターレース３２と、インナーレース３１とアウターレース３２との間に配置されたトルク伝達用のボール３３と、ボール３３を保持するケージ３４とを備えている。ボール３３は、インナーレース３１の外周面に形成されたインナーレースボール溝３１Ａと、アウターレース３２の内周面に形成されたアウターレースボール溝３２Ａとに接触して配置され、脱落しないようにケージ３４によって保持されている。

インナーレース３１の外周面およびアウターレース３２の内周面のそれぞれに形成されたインナーレースボール溝３１Ａとアウターレースボール溝３２Ａとは、図３に示すように、軸３５および軸３６の中央を通る軸が一直線上にある状態において、それぞれ当該軸上のジョイント中心Ｏから当該軸上の左右に等距離離れた点Ａおよび点Ｂを曲率中心とする曲線（円弧）状に形成されている。すなわち、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに接触して転動するボール３３の中心Ｐの軌跡が、点Ａ（インナーレース中心Ａ）および点Ｂ（アウターレース中心Ｂ）に曲率中心を有する曲線（円弧）となるように、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａのそれぞれは形成されている。これにより、等速ジョイントが角度をなした場合（軸３５および軸３６の中央を通る軸が交差するように等速ジョイントが動作した場合）においても、ボール３３は、常に軸３５および軸３６の中央を通る軸のなす角（∠ＡＯＢ）の２等分線上に位置する。

次に、等速ジョイント３の動作について説明する。図３および図４を参照して、等速ジョイント３においては、軸３５、３６の一方に軸まわりの回転が伝達されると、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに嵌め込まれたボール３３を介して、軸３５、３６の他方の軸に当該回転が伝達される。ここで、図５に示すように軸３５、３６が角度θをなした場合、ボール３３は、前述のインナーレース中心Ａおよびアウターレース中心Ｂに曲率中心を有するインナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに案内されて、中心Ｐが∠ＡＯＢの二等分線上となる位置に保持される。ここで、ジョイント中心Ｏからインナーレース中心Ａまでの距離と、アウターレース中心Ｂまでの距離とが等しくなるように、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａが形成されているため、ボール３３の中心Ｐからインナーレース中心Ａおよびアウターレース中心Ｂまでの距離はそれぞれ等しく、△ＯＡＰと△ＯＢＰとは合同である。その結果、ボール３３の中心Ｐから軸３５、３６までの距離Ｌは互いに等しくなり、軸３５、３６の一方が軸まわりに回転した場合、他方も等速で回転する。このように、等速ジョイント３は、軸３５、３６が角度をなした場合でも、等速性を確保することができる。なお、ケージ３４は、軸３５、３６が回転した場合に、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａからボール３３が飛び出すことをインナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａとともに防止すると同時に、等速ジョイント３のジョイント中心Ｏを決定する機能を果たしている。

ここで、機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２、ボール３３およびケージ３４のうち、特に、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３には疲労強度や耐摩耗性が要求される。そのため、これらのうち少なくとも１つが本発明の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品であることにより、当該部品の内部における窒素濃度が精度よく制御されて表面層が強化され、等速ジョイント３を長寿命化することができる。

次に、本実施の形態における上記機械部品、および上記機械部品を備えた転がり軸受、等速ジョイントなどの機械要素の製造方法について説明する。図６は、実施の形態１における機械部品および当該機械部品を備えた機械要素の製造方法の概略を示す図である。図６を参照して、まず、鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼部材を準備する鋼部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば、棒鋼を素材とし、当該棒鋼に対して切断、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、機械部品としての外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１などの機械部品の概略形状に成形された鋼部材が準備される。

次に、鋼部材準備工程において準備された上述の鋼部材に対して、浸炭窒化処理を実施した後、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度へ冷却することにより、鋼部材を焼入硬化する焼入硬化工程が実施される。この焼入硬化工程の詳細については後述する。

ここで、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

次に、焼入硬化工程が実施された鋼部材に対して、Ａ_１点以下の温度に加熱することにより焼入硬化された鋼部材の靭性等を向上させる焼戻工程が実施される。具体的には、焼入硬化された鋼部材がＡ_１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。

さらに、焼戻工程が実施された鋼部材に対して、仕上げ加工などが施される仕上げ工程が実施される。具体的には、たとえば、焼戻工程が実施された鋼部材の内輪転走面１２Ａ、軌道輪転走面２１Ａ、アウターレースボール溝３２Ａなどに対する研削加工が実施される。これにより、実施の形態１における機械部品は完成し、実施の形態１における機械部品の製造方法は完了する。さらに、完成した機械部品が組み合わされて機械要素が組み立てられる組立て工程が実施される。具体的には、上述の工程により製造された本発明の機械部品である、たとえば外輪１１、内輪１２、玉１３と保持器１４とが組み合わされて、深溝玉軸受１が組み立てられる。これにより、実施の形態１における機械部品を備えた機械要素が製造される。

次に、上述の焼入硬化工程の詳細について説明する。図７は、本発明の実施の形態１における熱処理炉の構成を示す概略図である。また、図８は、図７の線分ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿う概略部分断面図である。また、図９は、図７および図８における雰囲気採取パイプの周辺を拡大して示す概略部分断面図である。また、図１０は、雰囲気採取パイプの開口の位置を調整するための具体的手順を説明するためのフローチャートである。また、図１１は、実施の形態１における機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程を説明するための図である。また、図１２は、図１１の雰囲気制御工程の詳細を説明するための図である。また、図１３は、図１１の加熱パターン制御工程における加熱パターン（被処理物に与えられる温度履歴）の一例を示す図である。図１３において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図１３において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図７〜図１３を参照して、本実施の形態における熱処理炉および当該熱処理炉を用いて実施される機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程の詳細について説明する。

まず、本実施の形態の熱処理炉について説明する。図７を参照して、本実施の形態における熱処理炉５は、鋼の浸炭窒化処理を実施するための連続炉タイプの熱処理炉である。熱処理炉５は、壁面により取り囲まれた本体部５１と、雰囲気採取パイプ５６と、雰囲気分析部５７と、雰囲気制御部５８とを備えている。

本体部５１の長手方向（Ｘ軸方向）の一端には、被処理物９１を投入するための開口である投入口５４が形成されており、本体部５１の長手方向の他端には被処理物９１を排出するための開口である排出口５５が形成されている。また、本体部５１の底壁に沿って、投入口５４から投入された被処理物９１を保持するとともに、被処理物９１を投入口５４から排出口５５まで搬送する保持部としての床面ベルト５３が配置されている。さらに、本体部５１には、本体部の幅方向（Ｚ軸方向）の一端から他端にまで延在するとともに、本体部５１の上壁から床面ベルト５３に向けて突出し、床面ベルト５３との間に間隔を有する３つの隔壁５２、５２、５２が配置されている。３つの隔壁５２、５２、５２は、本体部５１の長手方向に並べて配置されている。これにより、本体部５１は、長手方向に、投入口５４側から順に予熱ゾーン５１Ａ、第１加熱ゾーン５１Ｂ、第２加熱ゾーン５１Ｃおよび第３加熱ゾーン５１Ｄの４つのゾーンに分割されている。

さらに、図７および図８を参照して、反応室としての第２加熱ゾーン５１Ｃには、第２加熱ゾーン５１Ｃ内に開口５６Ａを有し、第２加熱ゾーン５１Ｃの内部の雰囲気を採取する雰囲気採取部材としての雰囲気採取パイプ５６と、雰囲気採取パイプ５６に接続され、雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率を算出する雰囲気分析部５７と、雰囲気分析部５７に接続され、算出された未分解アンモニアの体積分率に基づき、第２加熱ゾーン５１Ｃの内部の雰囲気を制御する雰囲気制御部５８とが設置されている。また、第２加熱ゾーン５１Ｃの内部の上壁５１Ｃ１には、Ｒガス、エンリッチガス、アンモニアガスなどの雰囲気ガスを第２加熱ゾーン５１Ｃの内部に供給する雰囲気ガス供給部６１と、第２加熱ゾーン５１Ｃの内部の雰囲気ガスを攪拌する攪拌装置としてのファン５９が設置されている。

そして、図８を参照して、床面ベルト５３に保持される被処理物９１が占める領域、すなわち被処理物９１が床面ベルト５３により搬送されて移動する軌跡に該当する領域（被処理物９１が移動することにより占める領域全体）である被処理物通過領域９２と同等の未分解アンモニアの体積分率、たとえば被処理物通過領域９２との未分解アンモニアの体積分率の差が２５％以内となる領域である被処理物近傍領域９３に位置するように、雰囲気採取パイプ５６の開口５６Ａの位置が調整されている。ここで、たとえば炭素の活量が０．９５である場合、被処理物への窒素侵入速度を最大にするためには、未分解アンモニアの体積分率は０．２％程度以上必要であるが、０．１５％であれば当該窒素侵入速度は最大値の９０％以上を確保することができる。つまり、熱処理炉内において被処理物が占める領域との未分解アンモニアの体積分率の差が２５％以下である領域における未分解アンモニアの体積分率に基づいて雰囲気を調整すれば、被処理物の内部における窒素濃度を高い精度で制御することができる。

次に、本実施の形態における雰囲気採取部材としての雰囲気採取パイプについて説明する。図８および図９を参照して、雰囲気採取パイプ５６は、第２加熱ゾーン５１Ｃの上壁５１Ｃ１を貫通するように配置されている。この雰囲気採取パイプ５６は、中空円筒状の形状を有し、第２加熱ゾーン５１Ｃ内に開口５６Ａを有するとともに、内部を第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気が通過可能なパイプ部５６１と、パイプ部５６１の外周面を取り囲むように配置された筒状部としての円筒部材５６２と、円筒部材５６２の外周面を取り囲むように配置された筒状部としてのリング部材５６３とを備えている。リング部材５６３の外周面の中央部には、外周面の端部よりも外径の小さい溝部５６３Ａが形成されている。

そして、溝部５６３Ａには、円筒管状の形状を有するシール部材としての円筒シール６２１が嵌め込まれている。また、リング部材５６３から見て開口５６Ａとは反対側のリング部材５６３の端面に接触するように、円環状の形状を有するシール部材としての円盤シール６２２が配置されている。さらに、リング部材５６３の円盤シール６２２が配置される側とは反対側の端面、および円盤シール６２２のリング部材５６３の側とは反対側の端面のそれぞれに接触するように、円環状の形状を有するとともに、一方の端面が二股に分離したＵパッキン６２３、６２３が配置されている。Ｕパッキン６２３、６２３のそれぞれは、二股に分離した側がリング部材５６３とは反対側に向くように配置されている。

さらに、円筒部材５６２の両側の端面のそれぞれに接触するように、円盤状の支持部材６３１、６３１が配置されている。また、パイプ部５６１には、隣接する領域よりも直径の大きい大径部５６１Ａが形成されている。そして、一方の支持部材６３１は、当該大径部５６１Ａと円筒部材５６２とに挟まれ、かつ他方の支持部材６３１は、円筒部材５６２とパイプ部５６１に嵌め込まれたナット６３２とに挟まれており、ナット６３２が締め付けられることによって、支持部材６３１、６３１により、円筒部材５６２が支持されている。

また、シール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３の外周面を取り囲むように、第２加熱ゾーン５１Ｃの上壁５１Ｃ１から外側に突出する円筒中空状の外方壁部としての保護管５１１が形成されている。シール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３のそれぞれと保護管５１１とは、少なくともその一部において密着している。また、シール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３のそれぞれは、保護管５１１に対してパイプ部５６１の軸方向に摺動可能である。その結果、雰囲気採取パイプ５６と保護管５１１との間がシールされつつ、雰囲気採取パイプ５６は保護管５１１に対して相対的に移動可能となっており、開口５６Ａと床面ベルト５３（図８参照）との距離が変更可能となっている。すなわち、雰囲気採取パイプ５６は、シール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３と一体に、保護管５１１に対して移動可能となっている。また、複数のシール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３が雰囲気採取パイプ５６の軸方向に並べて配置されることにより、雰囲気採取パイプ５６と保護管５１１との間が十分にシールされている。

ここで、保護管５１１およびパイプ部５６１は、高温の浸炭窒化雰囲気に曝されるため、高い耐熱性等が必要である。そのため、保護管５１１の素材としては、ステンレス鋼、ステンレス合金、インコネル、炭素鋼など、パイプ部５６１の素材としては、ステンレス鋼、ステンレス合金、インコネルなどを採用することができる。また、シール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３は、保護管５１１に接触することにより高温に加熱されるおそれがある。さらに、これらは、雰囲気採取パイプ５６および保護管５１１に接触しつつ、保護管５１１に対して摺動可能である必要がある。そのため、円筒シール６２１の素材としては、エチレン樹脂、フェノール樹脂など、円盤シール６２２の素材としては、エチレン樹脂、ポリアミド樹脂など、Ｕパッキン６２３の素材としては、ニトリルゴム、フッ素ゴムなどを採用することができる。

次に、雰囲気採取パイプ５６の開口５６Ａの第２加熱ゾーン５１Ｃ内における位置を調整するための具体的手順の一例を説明する。

図７、図８および図１０を参照して、まず、工程（Ｓ１００）において、ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ；数値流体力学）解析により、熱処理炉５の本体部５１の内部、特に第２加熱ゾーン５１Ｃ内における未分解アンモニアの体積分率を解析する。次に、工程（Ｓ２００）において、工程（Ｓ１００）の解析結果に基づき、被処理物９１が占める領域、たとえば被処理物通過領域９２における未分解アンモニアの体積分率を算出する。さらに、工程（Ｓ３００）において、工程（Ｓ２００）で算出された未分解アンモニアの体積分率との差が２５％以内である被処理物近傍領域９３を確定する。そして、工程（Ｓ４００）において、工程（Ｓ３００）で確定した被処理物近傍領域９３内に位置するように、開口５６Ａの位置を決定する。そして、図９を参照して、雰囲気採取パイプ５６をパイプ部５６１の軸方向に、保護管５１１に対して移動させることにより、開口５６Ａの位置が被処理物近傍領域９３内に位置するように、開口５６Ａの位置を調整する。

次に、熱処理炉５を用いた焼入硬化処理の具体的手順を説明する。図７を参照して、焼入硬化工程においては、まず、被処理物９１としての鋼部材が投入口５４から投入され、床面ベルト５３上に載置される。投入された被処理物９１は、床面ベルト５３により搬送されて予熱ゾーン５１Ａ、第１加熱ゾーン５１Ｂ、第２加熱ゾーン５１Ｃおよび第３加熱ゾーン５１Ｄを順次通過しつつ浸炭窒化処理される。予熱ゾーン５１Ａでは、被処理物９１が加熱されて昇温される。第１加熱ゾーン５１Ｂでは、被処理物９１はさらに加熱されつつ被処理物における温度のばらつきが小さくなるように温度が均一化される。第２加熱ゾーン５１Ｃでは、被処理物９１が浸炭窒化される。そして、第３加熱ゾーン５１Ｄにおいて被処理物９１の温度調整等が行なわれた後、被処理物９１は排出口５５から外部に排出され、冷却油などの冷却剤中に投入されることにより冷却されて、焼入硬化される。

次に、上記熱処理炉を用いた実施の形態１における機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程について説明する。図１１を参照して、焼入硬化工程においては、まず浸炭窒化工程が実施されて被処理物である鋼部材の表層部が浸炭窒化された後、冷却工程において、当該鋼部材がＡ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却されることにより、焼入硬化される。浸炭窒化工程は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における浸炭窒化方法により実施される。すなわち、浸炭窒化工程は、熱処理炉内の雰囲気が制御される雰囲気制御工程と、熱処理炉内において鋼部材に付与される加熱履歴が制御される加熱パターン制御工程とを含んでいる。この雰囲気制御工程と加熱パターン制御工程とは、独立に、かつ並行して実施することができる。

雰囲気制御工程においては、図１２を参照して、まず、熱処理炉５の第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気が採取される雰囲気採取工程が実施される。具体的には、図８を参照して、第２加熱ゾーン５１Ｃ内に位置する開口５６Ａを有する雰囲気採取パイプ５６により、第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気が採取される。次に、図１２を参照して、採取された雰囲気における未分解アンモニアの体積分率が算出される未分解アンモニア体積分率算出工程が実施される。具体的には、図７および図８を参照して、採取された雰囲気が、たとえば雰囲気分析部５７に含まれるガスクロマトグラフにより分析されて、雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率が算出される。そして、図７、図８および図１２を参照して、算出された未分解アンモニアの体積分率に基づいて、第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気が雰囲気制御部５８により調整される雰囲気調整工程が実施される。具体的には、未分解アンモニアの体積分率算出工程において算出された雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率が目標の未分解アンモニアの体積分率になっていない場合、第２加熱ゾーン５１Ｃ内の未分解アンモニアの体積分率を増減させるためのアンモニア供給量調節工程が実施された後、雰囲気採取工程が再度実施される。

アンモニア供給量調節工程は、たとえば、配管を介して熱処理炉５に連結されたアンモニアガスボンベから雰囲気ガス供給部６１を介して単位時間に第２加熱ゾーン５１Ｃに流入するアンモニアの量（アンモニアガスの流量）を当該配管に取り付けられたマスフローコントローラなどを備えた流量制御装置にて調節することにより実施することができる。すなわち、測定された未分解アンモニアの体積分率が目標の未分解アンモニアの体積分率よりも高い場合、上記流量を低下させ、低い場合、上記流量を増加させることにより、アンモニア供給量調節工程を実施することができる。このアンモニア供給量調節工程において、測定された未分解アンモニアの体積分率と目標の未分解アンモニアの体積分率との間に所定の差がある場合、どの程度流量を増減させるかについては、予め実験的に決定したアンモニアガスの流量の増減と未分解アンモニアの体積分率の増減との関係に基づいて決定することができる。

一方、図１２を参照して、未分解アンモニアの体積分率が目標の未分解アンモニアの体積分率になっている場合には、アンモニア供給量調節工程が実施されることなく、雰囲気採取工程が再度実施される。

そして、図８および図１２を参照して、雰囲気採取工程では、アンモニアの分解反応速度を含む解析条件に基づき、第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気のＣＦＤ解析を実施した場合に、被処理物通過領域９２との未分解アンモニアの体積分率の差が２５％以内となる領域である被処理物近傍領域９３の雰囲気が当該領域に開口５６Ａを有する雰囲気採取パイプ５６により採取される。

一方、図１１を参照して、加熱パターン制御工程では、被処理物９１としての鋼部材に付与される加熱履歴が制御される。具体的には、図１３に示すように、鋼部材が上述の雰囲気制御工程によって制御された雰囲気中で、Ａ_１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。当該保持時間が経過するとともに加熱パターン制御工程は終了し、同時に雰囲気制御工程も終了する（浸炭窒化工程）。この加熱パターン制御工程は、図７を参照して、予熱ゾーン５１Ａ、第１加熱ゾーン５１Ｂ、第２加熱ゾーン５１Ｃおよび第３加熱ゾーン５１Ｄを被処理物９１が順次通過することにより、図１３の加熱パターンが被処理物９１に付与されるように、上記各ゾーンの温度が制御されることにより実施される。

その後、図７、図１１および図１３を参照して、排出口５５から排出された被処理物９１が、図示しない焼入油槽に貯留された油中に浸漬（油冷）されることにより、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。以上のプロセスにより、鋼部材は表層部が浸炭窒化されるとともに焼入硬化される。これにより、本実施の形態の焼入硬化工程は完了する。

以上のように、上記熱処理炉５を用いた本実施の形態における浸炭窒化方法（浸炭窒化工程）においては、熱処理炉５の第２加熱ゾーン５１Ｃ内において被処理物近傍領域９３の雰囲気が採取され、当該雰囲気における未分解アンモニアの体積分率が算出された上で、当該体積分率に基づいて、第２加熱ゾーン５１Ｃ内の雰囲気が調整される。その結果、本実施の形態の熱処理炉を用いた上記浸炭窒化方法によれば、被処理物９１の内部における窒素濃度の制御を容易に実施することができる。そして、本実施の形態における機械部品の製造方法によれば、浸炭窒化工程において本実施の形態の熱処理炉を用いた上記浸炭窒化方法を採用しているため、内部における窒素濃度が精度よく制御された機械部品を製造することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の一実施の形態である実施の形態２について説明する。図１４は、図７および図８における雰囲気採取パイプの周辺を拡大して示す概略部分断面図である。

実施の形態２における熱処理炉、浸炭窒化方法、機械部品の製造方法および機械部品は、基本的には図１〜図１３に基づいて説明した実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における熱処理炉は、保護管５１１の構成において実施の形態１とは異なっている。

すなわち、図１４を参照して、実施の形態２における保護管５１１は、シール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３に接触する円筒状の内壁５１１Ａと、内壁５１１Ａの外周面を取り囲む円筒状の外壁５１１Ｂとを含んでいる。内壁５１１Ａと外壁５１１Ｂとの間には、隙間が設けられており、当該隙間は、冷却媒体としての冷却水が通過するための冷却媒体流路５１１Ｅとなっている。さらに、外壁５１１Ｂには、冷却水が進入するための開口である流入口５１１Ｃと、冷却するが排出されるための排出口５１１Ｄとが形成されている。つまり、実施の形態２における熱処理炉５における外方壁部としての保護管５１１の内壁５１１Ａには、内壁５１１Ａを取り囲む冷却部としての冷却媒体流通部としての冷却媒体流路５１１Ｅが形成されている。

そして、熱処理炉５の運転時には、図示しないポンプなどを含む冷却水循環装置から供給された冷却水が、流入口５１１Ｃから矢印αの向きに冷却媒体流路５１１Ｅに流入し、排出口５１１Ｄから矢印βの向きに排出される。これにより、保護管５１１およびシール部材としての円筒シール６２１、円盤シール６２２およびＵパッキン６２３が冷却され、シール部材の熱により劣化あるいは損傷が抑制される。その結果、雰囲気採取パイプ５６と保護管５１１との間のシールを、より確実に実施することができる。

なお、外方壁部としての保護管５１１の内壁５１１Ａに設置される冷却部としては、上述のように冷却水などの冷却媒体が流通するものが採用されてもよいが、高圧エアーを吹きかける機構などが採用されてもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明の一実施の形態である実施の形態３について説明する。図１５は、図７および図８における雰囲気採取パイプの周辺を拡大して示す概略部分断面図である。

実施の形態３における熱処理炉、浸炭窒化方法、機械部品の製造方法および機械部品は、基本的には図１〜図１３に基づいて説明した実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３における熱処理炉は、雰囲気採取パイプ周辺の構成において実施の形態１とは異なっている。

すなわち、図１５を参照して、実施の形態３においては、保護管５１１を貫通し、第２加熱ゾーン５１Ｃの内部にまで到達する雰囲気採取部材としての雰囲気採取パイプ５６は、中空円筒状の形状を有している。また、保護管５１１は、隣接する領域よりも内径の大きい領域である内径拡大部５１１Ｆを含んでいる。そして、保護管５１１の内径拡大部５１１Ｆの内周面と雰囲気採取パイプ５６の外周面との間には、Ｕパッキン６２３が配置されている。また、端部が二股に分離することにより形成されたＵパッキン６２３の溝部６２３Ｃには、Ｕパッキン６２３を支持する支持リング６２３Ａが嵌め込まれている。そして、Ｕパッキン６２３の溝部６２３Ｃとは反対側の端面に接触するように、円盤シール６２２が配置されている。

さらに、第２加熱ゾーン５１Ｃとは反対側の保護管５１１の端面に接触するとともに、円盤シール６２２のＵパッキン６２３側とは反対側の端面に接触し、かつ雰囲気採取パイプ５６の外周面を取り囲むように、外方壁部としての円環状のシール保持部材５１９が配置されている。シール保持部材５１９の内周面と雰囲気採取パイプ５６の外周面との間には、円環状の形状を有するシール部材としての円環シール６２４が配置されている。

シール部材としての円盤シール６２２およびＵパッキン６２３のそれぞれと保護管５１１、およびシール部材として円環シール６２４とシール保持部材５１９とは、少なくともその一部において密着している。また、シール部材としての円盤シール６２２、Ｕパッキン６２３および円環シール６２４のそれぞれに対して、雰囲気採取パイプ５６は、密着しつつ軸方向に摺動可能である。その結果、雰囲気採取パイプ５６と保護管５１１およびシール保持部材５１９との間がシールされつつ、雰囲気採取パイプ５６は保護管５１１およびシール保持部材５１９に対して相対的に移動可能となっており、開口５６Ａと床面ベルト５３（図８参照）との距離が変更可能となっている。

すなわち、雰囲気採取パイプ５６は、シール部材としての円盤シール６２２、Ｕパッキン６２３および円環シール６２４、および外方壁部としての保護管５１１およびシール保持部材５１９に対して摺動することにより移動可能となっている。

ここで、シール部材としての円環シール６２４は、高温の雰囲気採取パイプ５６に接触することにより高温に加熱されるおそれがある。さらに、円環シール６２４に対しては、雰囲気採取パイプ５６が接触しつつ、摺動可能である必要がある。そのため、円環シール６２４の素材としては、ニトリルゴム、フッ素ゴムなどを採用することができる。

なお、上記実施の形態においては、本発明の熱処理炉により熱処理（浸炭窒化）される機械部品の一例として、深溝玉軸受、スラストニードルころ軸受、等速ジョイントを構成する部品について説明したが、本発明の熱処理炉は、表層部の疲労強度、耐摩耗性が要求される機械部品、たとえばハブ、ギア、シャフト等を構成する機械部品の熱処理にも好適である。また、上記実施の形態においては、外方壁部として、第２加熱ゾーン５１Ｃの上壁５１Ｃ１から外側に突出する保護管５１１が形成される場合について説明したが、上壁５１Ｃ１が十分な厚みを有している場合、外方壁部は上壁５１Ｃ１に形成された貫通孔の側壁であってもよい。

以下、本発明の実施例１について説明する。熱処理炉内における雰囲気採取パイプの開口の位置と被処理物に侵入する窒素量の制御の精度との関係を調査する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。

実施例１における実験は、上記実施の形態１において図７および図８に基づいて説明した熱処理炉を用いて実施した。この熱処理炉は、全長５０００ｍｍの連続炉タイプの熱処理炉である。また、被処理物（サンプル）は、ＪＩＳＳＵＪ２（炭素含有量１質量％）製の外径φ３８ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、幅１０ｍｍのリングとした。そして、図７および図８を参照して、被処理物９１（サンプル）を投入口５４から投入し、床面ベルト５３により本体部５１内を搬送することにより、被処理物９１を熱処理した。加熱パターンは図１３と同様のパターンを採用し、保持温度は８５０℃とした。そして、第２加熱ゾーン５１Ｃにおける炭素の活量の目標値を０．９５、γ値（炭素の活量を未分解アンモニアの体積分率で除した値）の目標値を４．５に設定し、被処理物９１に対して浸炭窒化処理を実施した。

このとき、雰囲気採取パイプ５６の開口５６Ａと被処理物通過領域９２との距離ｄを好ましい範囲（開口５６Ａが被処理物近傍領域９３内に位置する範囲）である５０ｍｍ〜１５０ｍｍ（実施例Ａ〜Ｃ）および好ましい範囲外である２００ｍｍ〜６５０ｍｍ（参考例Ａ〜Ｅ）の範囲で変化させて、熱処理を実施した。そして、熱処理中の第２加熱ゾーン５１Ｃにおける炭素の活量およびγ値を測定した。また、熱処理が完了したサンプルを表面に垂直な断面において切断し、表面からの深さ方向における窒素濃度の分布をＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｉｓ）により調査した。表１に熱処理の主な条件を示す。

次に、実験結果について説明する。表２に、上記実施例Ａ〜Ｃおよび参考例Ａ〜Ｅにおける炭素の活量およびγ値の測定結果を示す。また、図１６は、実施例Ａのサンプルにおける内部（表層付近）の窒素濃度の分布を示す図である。また、図１７は、参考例Ｅのサンプルにおける内部（表層付近）の窒素濃度の分布を示す図である。図１６および図１７において、横軸は表面からの深さを示しており、縦軸は窒素濃度を示している。また、図１６および図１７において、図中の細線は窒素濃度の測定値を示しており、太線はγ値等から算出される窒素濃度の予測値を示している。つまり、図１６および図１７において、細線と太線とが一致しているほど、高い精度でサンプルへの窒素の侵入量が制御されていることを表している。

表２を参照して、実施例Ａ〜Ｃおよび参考例Ａ〜Ｅのいずれの場合も、炭素の活量およびγ値は、ほぼ目標値（表１参照）どおりの値が得られていることが確認された。そして、図１６を参照して、開口５６Ａが被処理物近傍領域９３内に位置する実施例Ａにおけるサンプルの表層付近の窒素濃度は、γ値等から算出される窒素濃度の予測値とＥＰＭＡにより測定された窒素濃度の実測値とがよく一致している。つまり、実施例Ａにおいては、サンプルの内部における窒素濃度が精度よく制御されている。一方、図１７を参照して、開口５６Ａが被処理物近傍領域９３外に位置する参考例Ｅにおけるサンプルの表層付近の窒素濃度は、γ値等から算出される窒素濃度の予測値とＥＰＭＡにより測定された窒素濃度の実測値とが大きく異なっている。つまり、参考例Ｅにおいては、サンプルの内部における窒素濃度の制御の精度が低下している。

さらに、実施例Ａ〜Ｃおよび参考例Ａ〜Ｅについて測定された窒素濃度の分布について、サンプルの表面から内部に向けて窒素濃度を積分し、サンプル表面の単位面積からサンプル内に侵入した窒素量（窒素侵入量）を算出した。図１８は、雰囲気採取パイプの開口と被処理物通過領域との距離ｄと窒素侵入量との関係を示す図である。図１８において、横軸は上記距離ｄ、縦軸は窒素侵入量を示している。また、図１８においては、γ値等から算出された窒素侵入量の予測値が破線で示されている。つまり、図１８において、窒素侵入量がこの予測値に近いほど、高い精度でサンプルへの窒素の侵入量が制御されていることを表している。

図１８を参照して、距離ｄが、被処理物近傍領域９３内に開口５６Ａが位置する範囲内である１５０ｍｍ以下の場合、算出された窒素侵入量が予測値とほぼ一致している。一方、距離ｄが２００ｍｍ以上では、距離ｄが大きくなるにしたがって、算出された窒素侵入量と予測値との差が大きくなっている。これは、反応室である第２加熱ゾーン５１Ｃの内部における未分解アンモニアの体積分率が均一となっておらず、距離ｄが１５０ｍｍを超えた場合、被処理物（サンプル）近傍よりも未分解アンモニアの体積分率が高い位置における未分解アンモニアの体積分率の測定結果に基づき、γ値等が制御されたことが原因であると考えられる。以上の結果より、雰囲気採取パイプの開口と被処理物通過領域との距離ｄを１５０ｍｍ以下とすることにより、被処理物の内部における窒素濃度が精度よく制御可能であることが分かった。なお、図１８を参照して、被処理物の内部における窒素濃度を安定して精度よく制御するためには、雰囲気採取パイプの開口と被処理物通過領域との距離ｄを１００ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

以下、本発明の実施例２について説明する。浸炭窒化処理において、熱処理炉内に導入されたアンモニアガスは、分解反応が進行しつつ炉内を流れて被処理物の表面に到達し、被処理物への窒素の侵入に寄与するものと考えられる。そこで、上記実施例１における実験結果の妥当性を確認するため、ＣＦＤ解析を用いて熱処理炉５内における未分解アンモニアの体積分率の分布を調査する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。

浸炭窒化処理の反応室である第２加熱ゾーン５１Ｃにおいては、内部の雰囲気が定常状態となっていても、アンモニアの分解反応は平衡状態には到達していないと考えられる。したがって、第２加熱ゾーン５１Ｃ内における未分解アンモニアの体積分率の分布を解析するためには、導入されたアンモニアの分解反応の反応速度が考慮される必要がある。そこで、まず、浸炭窒化処理が実施される温度および雰囲気中でのアンモニアの分解反応の反応速度定数を算出する実験を行なった。

具体的には、まず、バッチ型熱処理炉（容積１２０Ｌ）にＲガス、エンリッチガスおよびアンモニアガスを供給するとともに、炉内を８５０℃に加熱した。その後、炉内の未分解アンモニアの体積分率が定常状態となったことを確認の上、上記ガスの供給を停止し、赤外線分析計にて未分解アンモニアの体積分率の経時的変化を測定した。さらに、再現性を確認するため、同様の測定を再度行なった。表３に、未分解アンモニアの体積分率の経時的変化の測定結果を示す。

表３を参照して、上述のように２回実施された未分解アンモニアの体積分率の経時的変化には再現性があることが確認される。ここで、アンモニアの分解反応が２次の速度式に従う場合、ある時刻におけるアンモニアの分解速度は以下の式（１）に従う。また、この場合、未分解アンモニアの体積分率の逆数と、経過時間との間には、式（２）に示す直線関係が成立する。

−（ｄＣ_Ａ/ｄｔ）＝ｋＣ_Ａ ^２・・・（１）
（１／Ｃ_Ａ）−（１／Ｃ^０ _Ａ）＝ｋｔ・・・（２）
ここで、Ｃ^０ _Ａは測定開始時のアンモニアの体積分率、Ｃ_Ａは任意の時間におけるアンモニアの体積分率、ｔは測定開始からの経過時間、ｋは反応速度定数である。

図１９は、測定された未分解アンモニアの体積分率の逆数と経過時間との関係を示す図である。図１９において、横軸は測定開始からの経過時間、縦軸は未分解アンモニアの体積分率の逆数である。また、図中の白丸は表３の１回目、黒丸は表３の２回目の測定結果に該当する。

図１９を参照して、測定された未分解アンモニアの体積分率の逆数と経過時間とは、未分解アンモニアの体積分率が０．０４％以上の範囲（図１９の縦軸が２５００以下の範囲）では、直線関係が成立していることが分かる。そして、この直線の傾きから、反応速度定数は２１（ｓ^−１）と算出された。このことから、アンモニアの分解速度は速く、たとえば０．２％であった未分解アンモニアの体積分率は、８秒後には、０．１５％にまで低下していることとなる。したがって、熱処理炉内において、アンモニアの分解反応は平衡状態に到達していないことを考慮すると、熱処理炉内における未分解アンモニアの体積分率は不均一となりやすいことが確認される。

次に、上記アンモニアの分解反応の速度定数により規定されるアンモニアの分解反応速度を含む解析条件に基づき、図７に示す熱処理炉５の本体部５１内における雰囲気のＣＦＤ解析を行なった。熱処理の条件は、実施例１の場合と同様である。ＣＦＤ解析は、種々のソフトウェアにより実施することができるが、ここでは、ＳＴＯＲＭ／ＣＦＤ２０００（ＡｄａｐｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈ社製）を用いて解析を実施した。また、熱処理炉内に存在する未分解アンモニアの体積分率は十分に小さいため、アンモニアが分解してもＲガスの物性値への影響は小さい。そこで、本実施例ではアンモニアの分解はパッシブスカラーとして（決まった流れ場に対して移流拡散し、その濃度は流れ場に対して影響を与えないものとして）、解析を行なった。

表４に、本実施例において採用したＣＦＤ解析の諸元を示す。また、表５に、本実施例において採用した解析条件に含まれる物性値を示す。なお、雰囲気の密度および粘性率は、ＣＯ（一酸化炭素）：２０％、Ｎ_２（窒素）：５０％、Ｈ_２（水素）：３０％の組成のＲガスが８５０℃に加熱された場合を想定して決定した。また、解析において、炉内に導入されるアンモニアの初期の濃度は、上記実施例１における測定結果に合致するように決定した。以上の条件によりＣＦＤ解析を行ない、炉内における流速分布、圧力分布および未分解アンモニアの体積分率が定常状態となった時点で計算を終了した。

図２０は、図７の線分ＸＸ−ＸＸに沿う断面におけるＣＦＤ解析の結果を示す図である。また、図２１は、図７の線分ＸＸＩ−ＸＸＩに沿う断面におけるＣＦＤ解析の結果を示す図である。また、図２２は、図７の線分ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩに沿う断面におけるＣＦＤ解析の結果を示す図である。図２０〜図２２においては、白い領域が未分解アンモニアの体積分率が最も高く、黒に近づくほど当該体積分率が低いことを示している。

図２０〜図２２を参照して、第２加熱ゾーン５１Ｃの内部において、未分解アンモニアの体積分率は、大幅にばらついていることが確認される。そして、図７、図８および図２０を参照して、雰囲気ガス供給部６１および雰囲気採取パイプ５６が設置されている第２加熱ゾーン５１Ｃの上壁５１Ｃ１付近における未分解アンモニアの体積分率が高い一方、被処理物通過領域９２に近い第２加熱ゾーン５１Ｃの底壁５１Ｃ２付近における未分解アンモニアの体積分率は低くなっている。これは、雰囲気ガス供給部６１および雰囲気採取パイプ５６が設置されている第２加熱ゾーン５１Ｃの上壁５１Ｃ１付近から導入されたアンモニアガスが、被処理物通過領域９２に近い第２加熱ゾーン５１Ｃの底壁５１Ｃ２付近に到達するまでに、アンモニアガスの分解反応が速い速度で進行しているためである。

そして、実施例１の実験結果において、雰囲気採取パイプ５６の開口５６Ａから被処理物通過領域９２までの距離ｄが大きくなるにしたがって、被処理物９１への実際の窒素侵入量と予測値との差が大きくなったのは、開口５６Ａから被処理物通過領域９２までの距離ｄが大きいほど、被処理物通過領域９２よりも未分解アンモニアの体積分率が高い領域で雰囲気を採取し、これに基づいて雰囲気を制御していたためであると考えられる。したがって、実施例１の実験結果は妥当なものであって、浸炭窒化処理において被処理物の内部における窒素濃度の制御を精度よく行なうためには、アンモニアの分解反応速度を含む解析条件に基づきＣＦＤ解析を実施した場合に、熱処理炉内において被処理物が占める領域との未分解アンモニアの体積分率の差が２５％以内となる領域、より具体的には、被処理物が占める領域からの距離が１５０ｍｍ以下である領域の雰囲気が採取され、当該雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率に基づいて、熱処理炉内の雰囲気が調整されることが好ましいといえる。

なお、上記実施例１および２における実験条件においては、熱処理炉内の雰囲気の流速は小さくなっている。図２３は、実施例２のＣＦＤ解析により得られた上記実施例１および２における熱処理炉内の雰囲気の流速分布を示す図である。図７、図８および図２３を参照して、熱処理炉５の第２加熱ゾーン５１Ｃにおいては、雰囲気ガス供給部６１およびファン５９が配置されている上壁５１Ｃ１付近の流速が最も速く、０．３ｍ／ｓ程度、他の領域では０．１ｍ／ｓ程度となっている。これは、通常の熱処理条件に比べて小さい値である。また、熱処理炉内における雰囲気の流速が大きいほど、未分解アンモニアの体積分率は均一となる。つまり、上記実施例１および２における実験は、熱処理炉内における未分解アンモニアの体積分率が不均一となりやすい条件下において実施されている。

さらに、上記実施例１および２においては、浸炭窒化温度として８５０℃が採用されている。高炭素鋼が素材として採用される場合、浸炭窒化温度は８５０℃付近、より具体的には８３０℃以上８７０℃以下の温度とされるのが一般的である。

したがって、高炭素鋼からなる被処理物が８３０℃以上８７０℃以下の浸炭窒化温度で浸炭窒化処理される場合、被処理物が占める領域からの距離が１５０ｍｍ以下である領域の雰囲気が採取されるように、熱処理炉の雰囲気採取部材を設置することは、特に有効である。ここで、高炭素鋼とは、０．８質量％以上の炭素を含有する鋼、すなわち共析鋼および過共析鋼であって、たとえば軸受鋼であるＪＩＳＳＵＪ２およびこれに相当するＳＡＥ５２１００、ＤＩＮ規格１００Ｃｒ６の他、ＪＩＳＳＵＪ３、ばね鋼であるＪＩＳＳＵＰ３、ＳＵＰ４、工具鋼であるＪＩＳＳＫ２、ＳＫ３などが挙げられる。

以上のように、鋼の熱処理（浸炭窒化処理）において、被処理物の近傍において雰囲気を採取して分析し、これに基づいて熱処理炉内の雰囲気を制御することにより、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することができる。そして、雰囲気採取部材の開口と被処理物を保持する保持部との距離が変更可能に設置されている本発明の熱処理炉によれば、被処理物の形状や量が変更された場合でも、これに応じて雰囲気採取部材の開口の位置を変更することが可能であり、熱処理炉内の雰囲気を精度よく制御することができる。

なお、上記実施の形態および実施例においては、熱処理として浸炭窒化処理が実施される場合について説明したが、本発明の熱処理炉において実施可能な熱処理はこれに限られない。本発明の熱処理炉は、たとえば浸炭処理など、被処理物の近傍において雰囲気が採取されることが好ましい熱処理に、有効に適用することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の熱処理炉は、熱処理炉内の雰囲気が精度よく制御されることが求められる熱処理炉に、特に有利に適用され得る。

実施の形態１における熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品を備えた深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。実施の形態１の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品を備えたスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。実施の形態１の熱処理炉において浸炭窒化処理された機械部品を備えた等速ジョイントの構成を示す概略部分断面図である。図３の線分ＩＶ−ＩＶに沿う概略断面図である。図３の等速ジョイントが角度をなした状態を示す概略部分断面図である。実施の形態１における機械部品および当該機械部品を備えた機械要素の製造方法の概略を示す図である。実施の形態１における熱処理炉の構成を示す概略図である。図７の線分ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿う概略部分断面図である。図７および図８における雰囲気採取パイプの周辺を拡大して示す概略部分断面図である。雰囲気採取パイプの開口の位置を調整するための具体的手順を説明するためのフローチャートである。実施の形態１における機械部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程を説明するための図である。図１１の雰囲気制御工程の詳細を説明するための図である。図１１の加熱パターン制御工程における加熱パターン（被処理物に与えられる温度履歴）の一例を示す図である。図７および図８における雰囲気採取パイプの周辺を拡大して示す概略部分断面図である。図７および図８における雰囲気採取パイプの周辺を拡大して示す概略部分断面図である。実施例Ａのサンプルにおける内部（表層付近）の窒素濃度の分布を示す図である。参考例Ｅのサンプルにおける内部（表層付近）の窒素濃度の分布を示す図である。雰囲気採取パイプの開口と被処理物通過領域との距離ｄと窒素侵入量との関係を示す図である。測定された未分解アンモニアの体積分率の逆数と経過時間との関係を示す図である。図７の線分ＸＸ−ＸＸに沿う断面におけるＣＦＤ解析の結果を示す図である。図７の線分ＸＸＩ−ＸＸＩに沿う断面におけるＣＦＤ解析の結果を示す図である。図７の線分ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩに沿う断面におけるＣＦＤ解析の結果を示す図である。実施例２のＣＦＤ解析により得られた上記実施例１および２における熱処理炉内の雰囲気の流速分布を示す図である。

符号の説明

１深溝玉軸受、２スラストニードルころ軸受、３等速ジョイント、５熱処理炉、１１外輪、１１Ａ外輪転走面、１２内輪、１２Ａ内輪転走面、１３玉、１３Ａ玉転走面、１４，２４保持器、２１軌道輪、２１Ａ軌道輪転走面、２３ニードルころ、２３Ａころ転走面、３１インナーレース、３１Ａインナーレースボール溝、３２アウターレース、３２Ａアウターレースボール溝、３３ボール、３４ケージ、３５，３６軸、５１本体部、５１Ａ予熱ゾーン、５１Ｂ第１加熱ゾーン、５１Ｃ第２加熱ゾーン、５１Ｃ１上壁、５１Ｃ２底壁、５１Ｄ第３加熱ゾーン、５２隔壁、５３床面ベルト、５４投入口、５５排出口、５６雰囲気採取パイプ、５６Ａ開口、５７雰囲気分析部、５８雰囲気制御部、５９ファン、６１雰囲気ガス供給部、９１被処理物、９２被処理物通過領域、９３被処理物近傍領域、５１１保護管、５１１Ａ内壁、５１１Ｂ外壁、５１１Ｃ流入口、５１１Ｄ排出口、５１１Ｅ冷却媒体流路、５１１Ｆ内径拡大部、５１９シール保持部材、５６１パイプ部、５６１Ａ大径部、５６２円筒部材、５６３リング部材、５６３Ａ溝部、６２１円筒シール、６２２円盤シール、６２３Ｕパッキン、６２３Ａ支持リング、６２３Ｃ溝部、６２４円環シール、６３１支持部材、６３２ナット。

Claims

鋼の熱処理を実施するための熱処理炉であって、
被処理物を保持する保持部を有する反応室と、
前記反応室内に開口を有し、前記開口から前記反応室内の雰囲気を採取する雰囲気採取部材とを備え、
前記雰囲気採取部材は、前記開口と前記保持部との距離が変更可能に設置されている、熱処理炉。
前記雰囲気採取部材の外周面を取り囲むシール部材と、
前記シール部材の外周面を取り囲み、前記反応室の外壁に接続された外方壁部とをさらに備え、
前記雰囲気採取部材は、前記外方壁部に対して相対的に移動可能に設置されている、請求項１に記載の熱処理炉。
前記雰囲気採取部材は、筒状の形状を有する筒状部を含み、
前記シール部材は、前記筒状部の外周面を取り囲むように配置され、
前記雰囲気採取部材は、前記筒状部の軸方向に、前記外方壁部に対して相対的に移動可能に設置されている、請求項２に記載の熱処理炉。
前記シール部材を冷却する冷却部をさらに備えた、請求項２または３に記載の熱処理炉。
前記熱処理は、浸炭窒化処理であり、
前記雰囲気採取部材に接続され、前記雰囲気採取部材により採取された前記雰囲気中の未分解アンモニアの体積分率を算出する雰囲気分析部と、
前記雰囲気分析部に接続され、算出された前記未分解アンモニアの体積分率に基づいて、前記反応室内の前記雰囲気を制御する雰囲気制御部とをさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理炉。