JP2014122367A

JP2014122367A - 真空浸窒処理方法

Info

Publication number: JP2014122367A
Application number: JP2012277534A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Ando; 知洋安東; Toshiyuki Morita; 敏之森田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03

Abstract

【課題】低濃度の浸窒処理を炉内の鋼材の位置に無関係に一様に行うことが可能な真空浸窒処理方法を提供する
【解決手段】真空雰囲気下での浸窒処理に際して、必要量の浸窒ガスを不活性ガスと混合させた処理用ガスを使用する。浸窒ガスを、その容量の２倍〜１０倍の不活性ガスと混合するのが好適である。
【選択図】なし

Description

本発明は真空浸窒処理方法に関し、特に、鋼材表面窒素濃度が０．５％以下の低濃度の浸窒処理を行うのに適した真空浸窒処理方法に関するものである。

特許文献１には、真空浸炭浸窒処理の工程が示されており、ここでは、炉圧を０．３〜１．７ｋＰａの真空雰囲気に維持しつつ、炉温９００〜９５０℃で浸炭処理と拡散処理を行った後、炉温７９０〜８９０℃で浸窒処理を行なっている。

特開２０１１−１５７５９８

ところで、浸窒処理を低濃度で行う場合には炉内へのアンモニア等の浸窒ガスの供給量を絞ることになる。一方、浸窒処理の対象となる歯車等の鋼材は多数を積層した状態で炉内へ搬入される。この状態で炉内への浸窒ガスの供給量を絞ると、浸窒ガスは外部の鋼材に接触し分解して、内部の鋼材まで至らないために、外部と内部とで鋼材の浸窒処理に大きなバラツキが生じるという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、低濃度の浸窒処理を炉内の鋼材の位置に無関係に一様に行うことが可能な真空浸窒処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、真空雰囲気下での浸窒処理に際して、必要量の浸窒ガスを不活性ガスと混合させた処理用ガスを使用することを特徴とする。

本第１発明においては、浸窒処理を低濃度で行うために浸窒ガスの供給量を絞っても、これは不活性ガスと混合されて全体が十分な容量になり、積層された内部の鋼材まで浸窒ガスが供給される結果、外部と内部の鋼材の浸窒処理に大きなバラツキが生じるのが抑えられ、低濃度の浸窒処理が炉内の鋼材の位置に無関係に一様に行われる。

本第２発明では、前記浸窒ガスを、その容量の２倍〜１０倍の不活性ガスと混合する。本第２発明においては浸窒ガスの搬送が良好になされる。

以上のように、本発明の真空浸窒処理方法によれば、低濃度の浸窒処理を炉内の鋼材の位置に無関係に一様に行うことができる。

本発明方法を適用する真空浸炭浸窒処理工程の温度変化を示す図である。全ガス導入量に対する表面窒素（Ｎ）濃度の変化を示す図である。全ガス導入量に対する浸窒処理品質の変化を示す図である。炉の概略断面図である。トレー内に配置された鋼材の平面図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。
図１には本発明方法を適用する真空浸炭浸窒処理の工程を示す。炉圧を１５００Ｐａの真空に保ち、炉温をＡ３点（７５０℃）以上の９３０℃まで上昇させて所定時間の浸炭と拡散を行った後（図１のＸ領域）、炉温を８５０℃まで低下させて所定時間の窒化（浸窒）処理を行う（図１のＹ領域）。

表１は、炉圧１５００Ｐａ、炉温８５０℃で、浸窒ガスとしてのアンモニア（ＮＨ3）ガスと不活性ガスとしての窒素（Ｎ2）ガスの単位炉容積当たりの導入流量、および単位炉容積当たりの全ガス導入流量とこの時のＮＨ3ガスの導入割合（添加割合）を変化させて、鋼材表面の窒素（Ｎ）濃度の最大値と最小値の差（品質）等を調べたものである。なお、表１のＡ領域はＮＨ3ガスの添加割合を１００％とし、Ｂ領域はＮＨ3ガスの添加割合を５０％、Ｃ領域はＮＨ3ガスの添加割合を１０％としてある。

なお、この場合の炉容積は４００Ｌであり、炉内には歯車等の鋼材Ｗを例えば図４に示すように各トレー１内に縦横５個で２５個収容し、このトレー１を図５に示すように５段重ねで炉２内に収容する。なお、図５（１）は炉２の正面概略断面であり、図５(２)は炉２の側面概略断面である。図５より明らかなように、Ｎ2ガスとＮＨ3ガスを混合したガスのガス導入ノズル２１が、積層されたトレー１の左右方向中央の上方で前後二箇所に設けられるとともに、上記トレー１の中心下方に排気口２が設けられている。

図４中の三桁の括弧つき数字は、トレー１に収納された鋼材Ｗの位置を示すもので、最初の桁は上方からのトレー１の段順を、続く二桁が各段のトレー平面内での前後左右の行列順を示す。例えば［１３１］は最上段のトレー１の、第３行第１列の位置にある鋼材Ｗであることを示す。本実施形態では、第１段、第３段、第５段の各トレー１につき、鋼材表面のＮ濃度が最大になると予想される［１１］［１３］［３１］の行列位置にある鋼材Ｗと、鋼材表面のＮ濃度が最小になると予想される［３３］の行列位置にある鋼材Ｗのそれぞれ上記Ｎ濃度を測定する。表２には測定された鋼材表面のＮ濃度の一例を示し、これは表１の後述するｄ欄の測定値に対応するものである。

図２には、表１における単位炉容積当たりの全ガス導入流量（Ｌ／ｓ／Ｌ）を横軸に、鋼材の表面窒素（Ｎ）濃度を縦軸にとって、パラメータとしてＮＨ3の添加割合を１００％、５０％、１０％の三種で変更した場合のグラフを示す。図２中、黒塗りの各点は既述のように積層された状態で浸窒処理される多数の鋼材のうち、表面への窒素の浸透割合（表面窒素（Ｎ）濃度）が最大であった鋼材の濃度値を示し、また白塗りの各点は表面窒素（Ｎ）濃度が最小であった鋼材の濃度値を示す。したがって、全ガス導入流量を同一としてＮＨ3の添加割合を上記三種で変化させた時の表面窒素（Ｎ）濃度の最大値と最小値の差が、これら三種の添加割合で浸窒処理した場合の処理のバラツキ、すなわち品質ということになる。

ここで、浸窒処理における鋼材の表面窒素（Ｎ）濃度値はほぼＮＨ3ガスの単位炉容積当たりの導入流量（以下、単に導入流量という）で決まる。例えば表１でＮＨ3の導入流量が１．４１×１０-3（Ｌ／ｓ／Ｌ）であるのは、ＮＨ3添加割合が１００％のときは表１中のａ欄、５０％のときはｂ欄、１０％のときはｃ欄である。これを図２で見ると、上記表１中の各欄の値は図２中のａ、ｂ、ｃのライン上にある。

また、表１でＮＨ3の導入流量が３．５４×１０-3（Ｌ／ｓ／Ｌ）であるのは、ＮＨ3添加割合が１００％のときは表１中のｄ欄、５０％のときはｅ欄、１０％のときはｆ欄である。これを図２で見ると、上記表１中の各欄の値は図２中のｄ、ｅ、ｆのライン上にある。

さらに、表１でＮＨ3の導入流量が７．０７×１０-3（Ｌ／ｓ／Ｌ）であるのは、ＮＨ3添加割合が１００％のときは表１中のｇ欄、５０％のときはｈ欄、１０％のときはｉ欄である。これを図２で見ると、上記表１中の各欄の値は図２中のｇ、ｈ、ｉのライン上にある。

そこで、図３には、ＮＨ3ガスの全ガス導入流量（Ｌ／ｓ／Ｌ）を横軸に、表面窒素（Ｎ）濃度のバラツキの規格値（表１の最右欄）を縦軸にとって、パラメータとしてＮＨ3の添加割合を１００％、５０％、１０％の三種で変更した場合のグラフを示す。なお、上記規格値とは表面窒素（Ｎ）濃度の最大値と最小値の差を当該濃度の平均で除した値であり、浸窒処理の品質を示している。なお、図３中のａ〜ｉの各点は、表１中のａ〜ｉ欄、および図２中のラインａ〜ｉ上の各点に対応している。

図３より明らかなように、図３中のa点に対するｂ，ｃ点、あるいはｄ点に対するｅ,ｆ点、ｇ点に対するｈ，ｉ点のように、必要量のＮＨ3ガスを供給しつつこれを窒素ガスで５０％（ｂ点、ｅ点、ｈ点）あるいは１０％（ｃ点、ｆ点、ｉ点）に希釈した、つまりＮＨ3ガスを２倍あるいは１０倍の窒素ガスと混合させた処理用ガスを使用すると、浸窒処理における鋼材の表面窒素（Ｎ）濃度を０．５％以下の低い値に維持しつつそのバラツキ規格値（品質）を小さくすることができる。

なお、浸窒ガスとしてはアンモニアに限られず、不活性ガスも窒素ガスに限られないことはもちろんである。また、必要量の浸窒ガスを何倍の不活性ガスと混合させるかは、設計的に決定されるが、浸窒ガス容量の２倍〜１０倍程度とするのが良い。混合させる方法は、混合した状態のガスを炉内に供給しても、あるいは浸窒ガスと不活性ガスを個別に炉内へ供給して炉内で混合させても、そのいずれでも良い。なお、浸窒ガスを導入するタイミングは図１のＹ領域に限らず、浸炭後の拡散期も含め、必ずしも連続していなくても良い。また上記実施形態では真空浸炭浸窒処理工程について説明したが、本発明の対象は浸窒処理工程のみを行うものであってももちろん良い。

Claims

真空雰囲気下での浸窒処理に際して、必要量の浸窒ガスを不活性ガスと混合させた処理用ガスを使用することを特徴とする真空浸窒処理方法。
前記浸窒ガスを、その容量の２倍〜１０倍の不活性ガスと混合する請求項１に記載の真空浸窒処理方法。