JP2016065263A - 鉄鋼部材の表面硬化処理方法及び表面硬化処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
2NH3→N2+3H2…(1)
供給アンモニアガス→H2+N2+残留アンモニアガス…(2)
残留アンモニアガス→[N]+3/2H2…(3)
窒化ポテンシャルKn=炉内アンモニア濃度/(炉内水素濃度)3/2…(4)
次に、上記のように構成される第1実施形態に係る表面硬化処理装置による鉄鋼部材Wの処理について説明する。図5は、第1実施形態に係る表面硬化処理装置における表面硬化処理装置の手順を示すフローチャートであって、矢印の方向にステップが進行する。
2NH3→N2+3H2…(1)
供給アンモニアガス→H2+N2+残留アンモニアガス…(2)
残留アンモニアガス→[N]+3/2H2…(3)
窒化ポテンシャルKn=炉内アンモニア濃度/(炉内水素濃度)3/2…(4)
上記第1実施形態では、脱窒処理工程S5後に急冷工程S6を実行したが、急冷工程S6を行わず、そのまま徐冷を継続する構成であってもよい。
上記第1実施形態では、脱窒処理工程S5後に急冷工程S6を実行したが、脱窒処理工程S5を施した鉄鋼部材Wを金属表面処理液により処理し、窒素化合物層の直上に化成処理皮膜を形成してもよい。
次に、上記のように構成される第3実施形態に係る表面硬化処理装置による鉄鋼部材Wの処理について説明する。この場合、表面硬化処理を施す鉄鋼部材Wは、直径25mm、長さ30mmのS45C調質材であって鉄鋼部材Wの表面を脱脂洗浄したものを使用する。
上記第3実施形態では、一連の表面硬化処理を炉体1内で行ったが、コーティング処理工程H2bについて別の処理室にて行う構成であっても良い。
上記第1実施形態では、脱窒処理工程S5において、鉄鋼部材Wを不活性ガス等雰囲気中で鉄鋼部材Wを100秒の時間をかけて570℃の温度から520℃の温度まで降温する徐冷を行ったが、本発明において脱窒処理工程は、不活性ガス等雰囲気中に、500〜650℃の温度域内にある窒化処理工程を施した鉄鋼部材を所定の時間晒せばよく、例えば鉄鋼部材Wの温度は一定に保持するものであってもよい。
上記第1〜5実施形態では、脱窒処理工程について、不活性ガス等雰囲気中に、500〜650℃の温度域内にある窒化処理工程を施した鉄鋼部材を所定の時間晒したが、真空中に晒してもよい。
上記第6実施形態では、脱窒処理工程F5後に急冷工程F6を実行したが、脱窒処理工程F5を施し表面に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相又は窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層が形成された鉄鋼部材Wを酸化性ガス雰囲気中に暴露し、窒素化合物層の直上に酸化鉄層を形成してもよい。
次に、上記のように構成される第7実施形態に係る表面硬化処理装置による鉄鋼部材Wの処理について説明する。この場合、表面硬化処理を施す鉄鋼部材Wは、直径25mm、長さ30mmのSCM440調質材であって鉄鋼部材Wの表面を脱脂洗浄したものを使用する。
上記第1実施形態では、脱窒処理工程S5について、窒化処理工程H1を施した鉄鋼部材Wを不活性ガス等雰囲気中に500〜650℃の温度で所定の時間晒したが、鉄鋼部材Wを酸化性ガス雰囲気中に500〜650℃の温度で所定の時間暴露し、鉄鋼部材Wの表面に酸化鉄層を形成すると共に酸化鉄層の直下に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相、又は、窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層を形成することができる。
上述した第1〜4,6〜8実施形態では、脱窒処理工程S5,S5a,P5,P5a,F5,G5及び酸化脱窒処理工程J5開始時の鉄鋼部材Wの温度は500℃以上に保持されていたが、脱窒処理工程S5,S5a,P5,P5a,F5,G5及び酸化脱窒処理工程J5開始時の鉄鋼部材Wの温度が500℃を下回る場合は、脱窒処理工程S5,S5a,P5,P5a,F5,G5及び酸化脱窒処理工程J5に鉄鋼部材Wを高周波誘導加熱により例えば570℃に加熱する工程を備えればよい。この場合、制御部100は加熱部20を制御して、脱窒処理工程S5,S5a,P5,P5a,F5,G5及び酸化脱窒処理工程J5開始と同時に鉄鋼部材Wを570℃に加熱する。次いで、鉄鋼部材Wは徐冷される。
L 金属表面処理液
H1,H1a,H1b,H1c,H1d,H1d,H1e,H1f,H1g 窒化処理工程
H2b,H2c コーティング処理工程
S1,S1a,P1,P1a,E1,F1,G1,J1 真空工程
S2,S2a,P2,P2a,E2,F2,G2,J2 窒化処理ガス供給工程
S3,S3a,P3,P3a,E3,F3,G3,J3 加熱工程
S4,S4a,P4,P4a,E4,J4 置換工程
S5,S5a,P5,P5a,E5,F5,G5 脱窒処理工程
J5 酸化脱窒処理工程
S6,E6,F6,J6 急冷工程
F4,G4 第2の真空工程
P7,P7a 塗布工程
1,1A 炉体
10 窒化処理ガス供給部
20 加熱部
30 排気部
40 冷却部
50,50A 不活性ガス等供給部
60 送風部
70,70A 塗布部
90 搬送部
100 制御部
110 処理室A(一の処理室)
111 処理室B(他の処理室)
140,140A 酸化性ガス供給部
Claims (31)
- アンモニアガス含有率20体積%〜100体積%の窒化処理ガス雰囲気中で鉄鋼部材を高周波誘導加熱により592〜650℃の温度で加熱して、上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が9wt%を超える窒素化合物層を一部又は全部に含む窒素化合物層を形成する窒化処理工程と、
上記窒化処理工程を施した上記鉄鋼部材を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気中又は真空中に500〜650℃の温度で所定の時間晒し、上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相、又は、窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層を形成する脱窒処理工程と、を備え、
上記窒化処理工程を施した上記鉄鋼部材の温度を上記脱窒処理工程を開始するまでの間中350℃以上に保持して、上記脱窒処理工程を開始する、
ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程を施した上記鉄鋼部材を酸化性ガス雰囲気中に400〜650℃の温度で所定の時間暴露し、窒素化合物層の直上に酸化鉄層を形成する酸化処理工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - アンモニアガス含有率20体積%〜100体積%の窒化処理ガス雰囲気中で鉄鋼部材を高周波誘導加熱により592〜650℃の温度で加熱して、上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が9wt%を超える窒素化合物層を一部又は全部に含む窒素化合物層を形成する窒化処理工程と、
上記窒化処理工程を施した上記鉄鋼部材を酸化性ガス雰囲気中に500〜650℃の温度で所定の時間暴露し、上記鉄鋼部材の表面に酸化鉄層を形成すると共に酸化鉄層の直下に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相、又は、窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層を形成する酸化脱窒処理工程と、を備え、
上記窒化処理工程を施した上記鉄鋼部材の温度を上記酸化脱窒処理工程を開始するまでの間中350℃以上に保持して、上記酸化脱窒処理工程を開始する、
ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程、上記酸化処理工程又は上記酸化脱窒処理工程を施した上記鉄鋼部材を急冷する急冷工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程、上記酸化処理工程又は上記酸化脱窒処理工程を施した上記鉄鋼部材を金属表面処理液により処理し、窒素化合物層又は酸化鉄層の直上に化成処理皮膜を形成するコーティング処理工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項5記載の表面硬化処理方法において、
上記コーティング処理工程は、上記脱窒処理工程、上記酸化処理工程又は上記酸化脱窒処理工程を施した後、50℃〜300℃の温度まで冷却された上記鉄鋼部材に上記金属表面処理液を塗布する工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程又は上記酸化脱窒処理工程は、上記鉄鋼部材を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気中又は真空中又は酸化性ガス雰囲気中に10秒以上晒す、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程又は上記酸化脱窒処理工程は、上記鉄鋼部材を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気中又は真空中又は酸化性ガス雰囲気中で徐冷する、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程又は上記酸化脱窒処理工程開始前に、上記窒化処理工程を施した上記鉄鋼部材の温度を上記脱窒処理工程又は上記酸化脱窒処理工程を開始するまでの間中350℃以上に保持しつつ、処理雰囲気の上記窒化処理ガスを排出して処理雰囲気を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気又は真空又は酸化性ガス雰囲気に形成する工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項9記載の表面硬化処理方法において、
上記工程は、上記窒化処理工程を施した上記鉄鋼部材の温度を上記脱窒処理工程又は上記酸化脱窒処理工程を開始するまでの間中500℃以上に保持する、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし10のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記脱窒処理工程又は上記酸化脱窒処理工程は、上記鉄鋼部材を高周波誘導加熱により500〜650℃の温度に加熱する工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし11のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記窒化処理工程は、処理雰囲気を窒化処理ガス雰囲気に形成する窒化処理ガス供給工程と、次いで、上記窒化処理ガス雰囲気中で上記鉄鋼部材を高周波誘導加熱により加熱する加熱工程を備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項12記載の表面硬化処理方法において、
上記窒化処理工程は、上記窒化処理ガス供給工程の前に、処理雰囲気を真空にする真空工程を更に備える、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項13記載の表面硬化処理方法において、
上記真空工程は処理雰囲気を0.01〜10.0Torrの真空下に形成し、上記窒化処理ガス供給工程後の処理雰囲気は100〜760Torrに形成される、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項12ないし14のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記加熱工程は、処理雰囲気に流速を付与しながら上記鉄鋼部材を加熱する、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 請求項1ないし15のいずれかに記載の表面硬化処理方法において、
上記窒化処理工程は、上記鉄鋼部材の高周波誘導加熱による加熱時間が1200秒以下であり、かつ、その最高到達温度が600〜650℃である、ことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 鉄鋼部材に窒化処理と脱窒処理を行う表面硬化処理装置であって、
上記鉄鋼部材を収容する炉体と、
上記炉体内にアンモニアガス含有率20体積%〜100体積%の窒化処理ガスを供給する窒化処理ガス供給部と、
上記炉体内に収容された上記鉄鋼部材を高周波誘導加熱により所定の温度に加熱する加熱部と、
上記炉体内に不活性ガス,還元性ガス若しくはそれらの組み合わせガスを供給する不活性ガス等供給部と、
上記炉体内のガスを排出する排気部と、
上記窒化処理ガス供給部と上記加熱部を制御して、上記鉄鋼部材を592〜650℃の温度に加熱して上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が9wt%を超える窒素化合物層を一部又は全部に含む窒素化合物層を形成する上記窒化処理を行い、次いで上記不活性ガス等供給部と上記排気部を制御して、上記窒化処理を施した上記鉄鋼部材の温度を上記脱窒処理を開始するまでの間中350℃以上に保持しつつ炉体内を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気にし、次いで上記鉄鋼部材を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気中に500〜650℃の温度で所定の時間晒し、上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相、又は、窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層を形成する上記脱窒処理を行う制御部と、を備える、
ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 鉄鋼部材に窒化処理と脱窒処理を行う表面硬化処理装置であって、
上記鉄鋼部材を収容する炉体と、
上記炉体内にアンモニアガス含有率20体積%〜100体積%の窒化処理ガスを供給する窒化処理ガス供給部と、
上記炉体内に収容された上記鉄鋼部材を高周波誘導加熱により所定の温度に加熱する加熱部と、
上記炉体内のガスを排出する排気部と、
上記窒化処理ガス供給部と上記加熱部を制御して、上記鉄鋼部材を592〜650℃の温度に加熱して上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が9wt%を超える窒素化合物層を一部又は全部に含む窒素化合物層を形成する上記窒化処理を行い、次いで上記排気部を制御して、上記窒化処理を施した上記鉄鋼部材の温度を上記脱窒処理を開始するまでの間中350℃以上に保持しつつ炉体内を真空にし、次いで上記鉄鋼部材を真空中に500〜650℃の温度で所定の時間晒し、上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相、又は、窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層を形成する上記脱窒処理を行う制御部と、を備える、
ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17又は18記載の表面硬化処理装置において、
上記炉体内に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部を備え、上記制御部は上記酸化性ガス供給部を制御して、上記脱窒処理を施した上記鉄鋼部材を酸化性ガス雰囲気中に400〜650℃の温度で所定の時間暴露し、窒素化合物層の直上に酸化鉄層を形成する酸化処理を行う、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 鉄鋼部材に窒化処理と酸化脱窒処理を行う表面硬化処理装置であって、
上記鉄鋼部材を収容する炉体と、
上記炉体内にアンモニアガス含有率20体積%〜100体積%の窒化処理ガスを供給する窒化処理ガス供給部と、
上記炉体内に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
上記炉体内のガスを排出する排気部と、
上記窒化処理ガス供給部と上記加熱部を制御して、上記鉄鋼部材を592〜650℃の温度に加熱して上記鉄鋼部材の表面に窒素濃度が9wt%を超える窒素化合物層を一部又は全部に含む窒素化合物層を形成する上記窒化処理を行い、次いで上記酸化性ガス供給部と上記排気部を制御して、上記窒化処理を施した上記鉄鋼部材の温度を上記酸化脱窒処理を開始するまでの間中350℃以上に保持しつつ炉体内を酸化性ガス雰囲気にし、次いで上記鉄鋼部材を酸化性ガス雰囲気中に500〜650℃の温度で所定の時間暴露し、上記鉄鋼部材の表面に酸化鉄層を形成すると共に酸化鉄層の直下に窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相、又は、窒素濃度が6〜9wt%の範囲のε相及びγ´相からなる窒素化合物層を形成する上記酸化脱窒処理を行う制御部と、を備える、
ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし20のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記炉体内の上記鉄鋼部材を冷却する冷却部を備え、上記制御部は上記冷却部を制御して、上記脱窒処理、上記酸化処理又は上記酸化脱窒処理を施した上記鉄鋼部材を急冷する、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし21のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記鉄鋼部材に形成された窒素化合物層の直上に化成処理皮膜を形成可能な金属表面処理液を塗布する塗布部を備え、上記制御部は上記塗布部を制御して、上記脱窒処理、上記酸化処理又は上記酸化脱窒処理を施した上記鉄鋼部材に上記金属表面処理液を塗布し、窒素化合物層又は酸化鉄層の直上に化成処理皮膜を形成するコーティング処理を行う、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項22記載の表面硬化処理装置において、
上記炉体は、上記窒化処理ガス供給部と、上記加熱部と、上記排気部とが少なくとも配置され、上記窒化処理と上記脱窒処理、上記窒化処理と上記脱窒処理と上記酸化処理又は上記窒化処理と上記酸化脱窒処理を施す際に上記鉄鋼部材を収容する一の処理室と、上記塗布部が配置され、上記コーティング処理を施す際に上記鉄鋼部材を収容する他の処理室と、上記鉄鋼部材を上記一の処理室から上記他の処理室に搬送する搬送部と、を備え、上記制御部は、上記搬送部を制御して、上記一の処理室内で上記窒化処理と上記脱窒処理、上記窒化処理と上記脱窒処理と上記酸化処理又は上記窒化処理と上記酸化脱窒処理を施した上記鉄鋼部材を上記他の処理室内に搬送する、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし23のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記脱窒処理又は上記酸化脱窒処理は、上記鉄鋼部材を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気中又は真空中又は酸化性ガス雰囲気中に10秒以上晒す、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし24のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記脱窒処理又は上記酸化脱窒処理は、上記鉄鋼部材を不活性ガス雰囲気,還元性ガス雰囲気若しくはそれらの組み合わせガス雰囲気中又は真空中又は酸化性ガス雰囲気中で徐冷する、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし25のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記制御部は、上記窒化処理を施した上記鉄鋼部材の温度を上記脱窒処理又は上記酸化脱窒処理を開始するまでの間中500℃以上に保持する、ことを特徴とする表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし26のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記脱窒処理又は上記酸化脱窒処理の際、上記制御部は上記加熱部を制御して、上記鉄鋼部材を500〜650℃の温度に加熱する、ことを特徴する表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし27のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記制御部は上記排気部を制御して、上記窒化処理の際、上記窒化処理ガス供給部が上記窒化処理ガスを供給する前に処理雰囲気を真空にする、ことを特徴とする表面硬化処理装置。 - 請求項28記載の表面硬化処理装置において、
上記制御部は上記排気部を制御して、上記窒化処理ガス供給部が上記窒化処理ガスを供給する前に処理雰囲気を0.01〜10.0Torrの真空下に形成し、上記窒化処理ガス供給部が上記窒化処理ガスを供給した後の処理雰囲気は100〜760Torrに形成される、ことを特徴とする表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし29のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記炉体内において上記鉄鋼部材の方向へ気流を発生させる送風部と、を備え、上記窒化処理の際、上記制御部は上記送風部を制御して、処理雰囲気に流速を付与する、ことを特徴とする表面硬化処理装置。 - 請求項17ないし30のいずれかに記載の表面硬化処理装置において、
上記制御部は上記加熱部を制御して、上記窒化処理の際に、上記鉄鋼部材を加熱時間が1200秒以下であり、かつ、その最高到達温度が600〜650℃で加熱する、ことを特徴とする表面硬化処理装置。
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