JP2017226860A - 表面処理方法および表面処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被処理物の表面をより均一に加熱した状態で、効率的に表面処理を行うことができる表面処理方法および装置を提供する。【解決手段】加熱された鋼製の被処理物Ｐに処理ガスＧ２を接触させて、処理ガスＧ２の元素を固溶することにより被処理物Ｐの表面処理を行う表面処理方法である。被処理物Ｐが配置された雰囲気を加熱することにより、表面処理を行う処理温度Ｔ３近傍の昇温温度Ｔ１まで、被処理物Ｐを昇温する。昇温された状態の被処理物Ｐを処理温度Ｔ３に直接加熱しつつ、被処理物Ｐの表面に処理ガスを接触させることにより、表面処理を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、加熱された鋼製の被処理物に処理ガスを接触させて、処理ガスの元素を固溶することにより被処理物の表面処理を行う表面処理方法および表面処理装置に関する。
従来から、鋼製の被処理物を、表面処理する際には、被処理物を加熱するとともに、処理ガスを被処理物に接触させて、処理ガスの元素を被処理物の表面に固溶させている。このような技術として、たとえば特許文献１には、以下の表面処理方法が提案されている。この表面処理方法では、誘導加熱、レーザ照射による加熱、または赤外線照射による加熱により、被処理物を加熱し、この加熱された被処理物の表面に窒化処理ガスなどの処理ガスを接触させることにより、被処理物の表面処理を行っている。
また、特許文献２には、以下の表面処理方法が提案されている。この表面処理方法では、まず、昇温部において、被処理物を高周波誘導加熱で加熱する。次に、被処理物を浸炭処理部に搬送し、浸炭処理ガスの雰囲気下において、その雰囲気を加熱することにより、被処理物の浸炭処理を行う。次に、浸炭処理された被処理物を、浸窒処理部に搬送し、浸炭処理における被処理物の余熱を利用して、アンモニアガスを接触させることにより、被処理物の浸窒処理を行っている。
特開２００４−２１７９５８号公報 特開２０１４−１１８６０６号公報
特許文献１に係る表面処理方法では、被処理物の雰囲気を加熱せずに、被処理物を直接加熱するので、被処理物の加熱された表面において、処理ガスが分解または反応し、表面処理を行うことができると考えられる。
しかしながら、たとえば、被処理物を誘導加熱した場合には、被処理物のすべての処理表面と誘導加熱用コイルと隙間を一定に保つことができないので、被処理物を均一に加熱することは難しい。一方、レーザまたは赤外線などの光線の照射により、被処理物を加熱した場合であっても、被処理物のすべての処理表面に、光線を均一に照射することは難しい。特に、複雑な形状の被処理物に対して表面処理を行う場合、被処理物の表面を均一に加熱することは難しい。このような結果、被処理物の表面に均一な表面処理を行うことが難しいと考えられる。
この点を考えると、特許文献２に示す如く、被処理物の雰囲気を加熱すれば、被処理物の表面を均一に加熱することができる。しかしながら、この場合、処理ガスが被処理物の表面に到達する前に、分解または反応するおそれがあり、効率的な表面処理を行うことができないおそれがある。さらに、表面が均一に加熱された状態の被処理物の余熱を利用して、被処理物に処理ガスを接触させたとしても、時間経過とともに、被処理物の表面温度は、低下するため、効率的な表面処理を行うことができない。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、被処理物の表面をより均一に加熱した状態で、効率的に表面処理を行うことができる表面処理方法および表面処理装置を提供するものである。
前記課題を鑑みて、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、被処理物を処理ガスで表面処理する前に、被処理物が配置された雰囲気を加熱することにより、予め被処理物の表面を均一に昇温することができると考えた。次に、この均一に昇温された状態の被処理物を直接加熱しつつ、被処理物に処理ガスを接触させれば、被処理物の表面を略均一な温度に維持しつつ、処理ガスの元素を被処理物の表面に均一に固溶することができると考えた。
本発明はこのような点を鑑みてなされたものであり、本発明に係る表面処理方法は、加熱された鋼製の被処理物に処理ガスを接触させて、前記処理ガスの元素を固溶することにより前記被処理物の表面処理を行う表面処理方法であって、前記被処理物が配置された雰囲気を加熱することにより、前記表面処理を行う処理温度近傍の昇温温度まで、前記被処理物を昇温する昇温工程と、前記昇温された状態の被処理物を前記処理温度に直接加熱しつつ、前記被処理物の表面に前記処理ガスを接触させることにより、前記表面処理を行う表面処理工程と、を含むことを特徴とする。
本発明に係る表面処理装置は、被処理物を昇温する昇温部と、前記昇温部で昇温された前記被処理物に処理ガスを接触させて、前記処理ガスの元素を固溶することにより表面処理する処理部と、を少なくとも備えた表面処理装置であって、前記昇温部は、前記被処理物を配置する昇温室と、前記昇温室の室内の前記被処理物が配置された雰囲気を加熱することにより、前記被処理物を昇温する第１加熱部と、を備えており、前記処理部は、前記被処理物を配置する処理室と、前記処理室の室内に処理ガスを供給するガス供給部と、前記処理室の室内の前記被処理物を直接加熱する第２加熱部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、その雰囲気を加熱することにより、被処理物の表面をより均一に昇温することができる。昇温した被処理物を直接加熱することにより、被処理物を略均一な温度に維持しつつ、処理ガスで効率的に被処理物の表面処理を行うことができる。
本発明の実施形態に係る表面処理装置の模式図である。 図１に示す表面処理装置の処理部の壁部の拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る表面処理方法を説明するための被処理物の表面の温度プロフィールを示した図である。 実施例１に係る試験片の断面における表層の写真である。 比較例３に係る試験片の断面における表層の写真である。 実施例２に係る被処理物の温度プロフィールの解析結果である。 比較例５に係る被処理物の温度プロフィールの解析結果である。
以下に、図１および図２を参照して、本発明の実施形態に係る表面処理装置および表面処理方法を説明する。
１．表面処理装置１について
図１は、本発明の実施形態に係る表面処理装置１の模式図である。
本実施形態に係る表面処理装置１は、加熱された被処理物Ｐに処理ガスを接触させて、処理ガスＧ２により被処理物Ｐの表面処理を行う装置である。後述するように、被処理物Ｐは、鋼製の被処理物であり、本実施形態では、被処理物Ｐは、一例として、歯車である。
図１に示すように、表面処理装置１は、被処理物Ｐを昇温する昇温部２０と、昇温部２０で昇温された被処理物Ｐを処理ガスＧ２により表面処理する処理部３０と、昇温部２０から処理部３０に被処理物Ｐを搬送する搬送部４０と、を少なくとも備えている。
表面処理装置１は、処理部３０で表面処理された被処理物Ｐを、冷却する冷却室（図示せず）と、処理部３０から冷却室に被処理物Ｐを搬送する他の搬送部（図示せず）と、をさらに備えている。なお、処理部３０で処理された被処理物Ｐを取り出して、空冷、油冷、または水冷等により冷却することができるのであれば、上述した冷却室および他の搬送部を省略してもよい。
１−１．昇温部２０について
図１に示すように、昇温部２０は、被処理物Ｐを配置する昇温室２１と、昇温室２１の室内２１１に不活性ガスＧ１を供給する不活性ガス供給部２２と、室内２１１の雰囲気を加熱することにより、被処理物Ｐを昇温する第１加熱部２３と、を備えている。
昇温室２１は、その室内２１１に複数の被処理物Ｐを配置するための空間を有しており、室内２１１を形成する壁部２１３は、例えば、通常の電気式の加熱炉などで用いられる断熱性および耐火性を有した材料からなる。なお、図１では、紙面に対して、手前側および奥側の壁部は、説明のために省略している。また、室内２１１には、被処理物Ｐを設置する設置台（図示せず）が設けられている。
昇温室２１には、不活性ガス供給部２２からの不活性ガスＧ１が室内２１１に供給されるように、導入口２１２が形成されている。導入口２１２は、室内２１１に不活性ガスＧ１が供給可能なように、不活性ガス供給部２２に連通している。
不活性ガス供給部２２は、不活性ガスＧ１が充填された不活性ガス供給源２２１と、不活性ガス供給源２２１から室内２１１に送られる不活性ガスＧ１の流量を調整する調整弁２２２と、を備えている。この他にも、不活性ガス供給部２２は、室内２１１への不活性ガスＧ１の供給および供給停止を行う電磁弁２２３を備えている。不活性ガスＧ１は、被処理物Ｐの材料に対して、活性を有しないガスであり、たとえば、窒素ガス、ヘリウムガス、またはアルゴンガスなどを挙げることができる。
昇温室２１には、室内２１１に供給された不活性ガスＧ１を排出する排出口２１４が形成されており、排出口２１４は、吸引ポンプ２４に接続されている。室内２１１の不活性ガスＧ１を排出口２１４を介して室内２１１から排出することができるのであれば、吸引ポンプ２４を省略してもよい。また、被処理物Ｐを昇温する際に、吸引ポンプ２４により、室内２１１を減圧状態、好ましくは真空に近い減圧状態にし、昇温部２０の不活性ガス供給部２２を省略してもよい。
本実施形態では、第１加熱部２３は、室内２１１の雰囲気を加熱する電気式のヒータであり、ヒータの加熱により、被処理物Ｐが配置された室内２１１の雰囲気（具体的には、不活性ガスＧ１）を加熱し、被処理物Ｐを昇温する。本実施形態では、第１加熱部２３は、ヒータであったが、その物自体が発熱することにより、室内２１１の雰囲気を加熱することができるのであれば、例えばバーナーなど特に限定されるものではない。
１−２．処理部３０について
図１に示すように、処理部３０は、被処理物Ｐを配置する処理室３１と、処理室３１の室内３１１に処理ガスＧ２を供給する処理ガス供給部３２と、処理室３１の室内３１１の被処理物Ｐを直接加熱する第２加熱部３３と、を備えている。本実施形態では、その好ましい態様として、第２加熱部３３は、被処理物Ｐに光線を照射することにより、被処理物Ｐを加熱する装置である。
処理室３１は、その室内３１１に複数の被処理物Ｐを配置するための空間を有している。室内３１１には、複数の被処理物Ｐを載置する載置網３６が配置されている。載置網３６を用いることにより、載置網３６に配置された被処理物Ｐの下方から、後述する第２加熱部３３の光線を照射することができる。
室内３１１を形成する壁部の少なくとも一部は、光透過性を有した光透過性壁部３４を有している。ここで、光透過性壁部３４の材料としては、例えば、光透過性を有したセラミックスまたは耐熱性を有した樹脂等を挙げることができる。セラミックスとしては、例えば、石英（水晶）、石英ガラス、または、単結晶サファイアなどのアルミナなどを挙げることができ、後述する第２加熱部３３からの光線を透過することができるのであれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、安価かつ加工性が高いことから、光透過性壁部３４に石英ガラスを用いている。また、光透過性壁部３４は、第２加熱部３３の光線が室内３１１に透過する部分に形成されていればよく、室内３１１を形成する壁部全体が、光透過性壁部３４からなってもよい。
本実施形態では、より好ましい態様として、光透過性壁部３４は、図２に示すように、室外に面した第１壁部３４１と、室内３１１に面した第２壁部３４２とを備えている。第１壁部３４１と第２壁部３４２とは、いずれも光透過性を有した材料からなり、これらは離間して配置されている。これにより、第１壁部３４１と第２壁部３４２との間には空間Ｓが形成される。
光透過性壁部３４に空間Ｓを設けることにより、後述する第２加熱部３３自体が発熱する熱を空間Ｓで断熱し、この熱による第１壁部３４１から第２壁部３４２への加熱を抑えることができる。このような結果、室内３１１に面した第２壁部３４２の表面およびその近傍で、処理ガスＧ２が分解または反応することを抑えることができる。
空間Ｓには、空気（大気）が存在していてもよいが、より好ましくは、空間Ｓは、例えば、処理室３１の室外よりも、真空に近い状態の減圧状態であることが好ましい。これにより、後述するように、第１壁部３４１と第２壁部３４２との断熱性を高めることができる。この他にも、空間Ｓに気体または液体などの流体が充填されていてもよく、流体を空間Ｓ内に連続的に流してもよい。第２加熱部３３自体が発熱する熱を空間Ｓの流体で吸熱し、この熱による第１壁部３４１から第２壁部３４２への加熱を抑えることができる。
処理室３１には、処理ガス供給部３２からの処理ガスＧ２が室内３１１に供給されるように、導入口３１２が形成されている。導入口３１２は、室内３１１に処理ガスＧ２が供給可能なように、処理ガス供給部３２に連通している。
本実施形態では、処理ガス供給部３２は、処理ガスＧ２が充填された処理ガス供給源３２１と、処理ガス供給源３２１から室内３１１に送られる処理ガスＧ２の流量を調整する調整弁３２２とを備えている。この他にも、処理ガス供給部３２は、室内３１１への処理ガスＧ２の供給および供給停止を行う電磁弁３２３を備えている。
処理ガスＧ２は、被処理物Ｐの表面処理を行うガスである。例えば、表面処理として浸炭処理を行う場合には、浸炭処理ガスを用いる。浸炭処理ガスとしては、例えば炭化水素系ガスを挙げることができ、炭化水素系ガスとしては、例えば、アセチレンガス、メタンガス、またはプロパンガスなどを挙げることができる。また、表面処理として浸窒処理を行う場合には、浸窒処理ガスを用いる。浸窒処理ガスとしては、アンモニアガスを挙げることができる。さらに、表面処理として、浸硫処理を行う場合には、硫化水素ガスを含む処理ガスを挙げることができる。これらの処理ガスには、たとえば、窒素ガス等の不活性ガスがさらに混合していてもよい。
なお、本実施形態では、後述するように、表面処理の一例として、浸炭処理後に浸窒処理を行うので、処理ガス供給源３２１は、浸炭処理ガスを供給する供給源３２４と、浸窒処理ガスを供給する供給源３２５と、を備えている。供給源３２４，３２５は、切換弁３２６により、浸炭処理ガスおよび浸窒処理ガスを室内３１１に選択的に供給可能となっている。
処理室３１には、室内３１１に供給された処理ガスＧ２を排出する排出口３１４が形成されており、排出口３１４は、吸引ポンプ３５に接続されている。室内３１１の処理ガスＧ２等を排出口３１４を介して室内３１１から排出することができるのであれば、吸引ポンプ３５を省略してもよい。
第２加熱部３３は、処理室３１の室外に配置され、光透過性壁部３４を介して室内３１１の被処理物Ｐに光線を照射することにより、被処理物Ｐを直接加熱する装置である。具体的には、本実施形態では、第２加熱部３３は、光線として赤外線を被処理物Ｐに照射することにより、被処理物Ｐを直接加熱する、赤外線ランプ（ハロゲンランプ）などの加熱ランプである。第２加熱部３３は、光線を被処理物Ｐに照射することにより、被処理物Ｐを直接加熱することができるので、光線が照射される被処理物Ｐの表面領域に対して、略均一な加熱をすることができる。光線を被処理物Ｐに照射することにより、被処理物Ｐを直接加熱することができるのであれば、例えば、光線としてレーザを被処理物Ｐに照射するレーザ照射装置であってもよい。また、第２加熱部３３が、赤外線ランプである場合には、第２加熱部３３に対して、処理室３１と反対側の位置に、赤外線を反射する反射部材を設けてもよい。これにより、処理室３１側に赤外線を反射させることができる。
ここで、第２加熱部３３は、処理室３１の室内の被処理物Ｐを直接加熱する装置であれば特に限定されない。本明細書でいう「直接加熱」とは、被処理物Ｐが配置された雰囲気からの熱伝達ではない加熱、すなわち、被処理物Ｐに熱以外のエネルギを付与することにより、被処理物を加熱することをいう。したがって、光線を照射することにより被処理物Ｐを加熱する装置の他に、第２加熱部３３として、処理室３１の室外または室内に配置され、被処理物Ｐを高周波誘導加熱する誘導加熱装置であってもよい。この他にも、被処理物Ｐに電流を通電することにより、被処理物Ｐを通電加熱する通電加熱装置であってもよい。
１−３．搬送部４０について
搬送部４０は、昇温部２０から処理部３０に被処理物Ｐを搬送する装置である。搬送部４０は、昇温室２１から処理室３１まで、被処理物Ｐを搬送する通路４１が形成されており、その通路４１には、昇温室２１から処理室３１まで被処理物Ｐを搬送するコンベア（図示せず）が配置されている。なお、昇温室２１から処理室３１まで、迅速に被処理物Ｐを搬送することができるのであれば、搬送部４０を省略してもよい。
通路４１はその通路内に密閉空間を形成することが可能であり、通路内４１の空気を吸引する吸引ポンプ４３が接続されている。この吸引ポンプ４３を駆動することにより、通路４１内の空気を脱気し、通路４１内を減圧状態、好ましくは真空に近い減圧状態にすることができる。
これにより、昇温部２０から取り出した被処理物Ｐの表面を酸化させ難くすることができるとともに、昇温部２０で加熱された被処理物Ｐの熱を断熱した状態で、被処理物Ｐを処理部３０に搬送することができる。
２．被処理物Ｐについて
本実施形態に係る表面方法を実施する被処理物Ｐは、鋼製の被処理物であり、被処理物Ｐは、フェライト組織およびパーライト組織からなる鋼であることが好ましい。このような鋼としては、たとえば、Ｃ：０．１〜０．３質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．５５〜０．９５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部が不可避不純物およびＦｅからなる鋼などを挙げることができる。
ここで、Ｃは、被処理物Ｐの強度および硬さを確保するための元素であり、Ｃが０．１質量％未満である場合には、被処理物Ｐの母材そのものの硬さが不足してしまうことがある。一方、Ｃが０．３質量％を超えた場合には、処理前の被処理物Ｐの被削性および冷鍛性が低下してしまい、焼入れ後の母材全体がマルテンサイト変態し、母材そのものの硬さが向上することにより、歯車自体の靱性が低下してしまうことがある。
Ｓｉは、焼入れ性を向上させるための元素であり、Ｓｉが０．１５質量％未満である場合には、被処理物Ｐの焼入れ性が低下してしまうことがある。一方、Ｓｉが０．３５質量％を超えた場合には、被処理物Ｐの被削性および靱性が低下してしまうことがある。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に焼入れ性を向上させるための元素であり、Ｍｎが０．５５質量％未満である場合には、被処理物Ｐの焼入れ性が低下してしまうおそれがある。一方、Ｍｎが０．９５質量％を超えた場合には、被処理物Ｐの被削性が低下してしまうことがある。
ＰおよびＳの添加量はより少ない方が望ましく、Ｐが０．０３質量％を超えた場合には、偏析を起こしやすく、被処理物Ｐの耐衝撃性が低下することがある。Ｓが０．０３質量％を超えた場合には、熱間加工性が低下することがある。
さらに、必要に応じて、上述した成分に、Ｎｉ：０．２５質量％以下、Ｃｒ：０．８〜１．３質量％、Ｍｏ：０．１〜０．４質量％の範囲で、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも１種がさらに添加されていてもよい。
Ｎｉが０．２５質量％を超えた場合には、被処理物Ｐの硬さが上昇し、歯車の靱性が低下することがある。Ｃｒは、焼入れ性を向上させるとともに、耐摩耗性および耐食性を向上させるための元素であり、Ｃｒが０．８質量％未満である場合には、被処理物Ｐの焼入れ性が低下することがある。一方、Ｃｒが１．３質量％を超えた場合には、被処理物Ｐの硬さが上昇し、被処理物Ｐの靱性が低下することがある。
Ｍｏは、焼入れ性を向上させる元素ための元素であり、Ｍｏが０．１質量％未満である場合には、焼入れ性が低下することがある。一方、Ｍｏが０．４質量％を超えた場合には、被処理物Ｐの硬さが上昇し、被処理物Ｐの靱性が低下することがある。
さらに、被処理物Ｐは、ブロック状、円柱状など特に限定されるものではないが、通常の赤外線などの光加熱により表面が均一に加熱され難い、表面に凹凸の形状を有した被処理物であることが好ましい。本実施形態では、その一例として、被処理物Ｐは歯車であり、外歯または内歯の平歯車、はすば歯車、やまば歯車、かさ歯車、またはウォームギアなどの歯車を挙げることができる。歯先と歯底を有する歯車であれば、特にその歯車の形状は限定されるものではない。
３．表面処理方法について
以下に、図１および図２の表面処理装置１とともに、図３を参照しながら、本実施形態に係る表面処理方法を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る表面処理方法を説明するための被処理物Ｐの表面の温度プロフィールを示した図である。
３−１．昇温工程について
まず、本実施形態では、まず、昇温室２１の室内２１１に、複数の被処理物Ｐを配置する。この状態で、不活性ガス供給源２２１から昇温室２１の室内２１１へ、調整弁２２２で流量を調整した不活性ガスＧ１を供給する。これにより、室内２１１を不活性ガスＧ１の雰囲気にする。
次に、室内２１１の不活性ガスＧ１の雰囲気下において、第１加熱部２３で、この雰囲気を加熱することにより、表面処理を行う処理温度Ｔ３近傍の昇温温度Ｔ１まで、被処理物Ｐを昇温する。これにより、後述する処理部３０において、光線を照射することで被処理物Ｐを加熱しても、被処理物Ｐは予め処理温度Ｔ３の近傍まで加熱されているので、被処理物Ｐの表面の温度にばらつきが生じ難く、被処理物Ｐに均一な表面処理を行うことができる。
ここで、昇温温度Ｔ１は、処理温度Ｔ３よりも１００℃低い温度から処理温度Ｔ３よりも１２０℃高い温度までの範囲、すなわち、（処理温度Ｔ３−１００℃）〜（処理温度Ｔ３＋１２０℃）までの範囲にあることが好ましい。特に、この温度範囲のなかでも、昇温温度Ｔ１を処理温度Ｔ３よりも高い温度にすることが好ましい。これにより、昇温部２０から処理部３０まで被処理物Ｐを搬送する際に、被処理物Ｐの表面の温度が低下しても、処理部３０において、被処理物Ｐの表面を処理温度Ｔ３に加熱して保持し易い。
昇温温度Ｔ１の具体的な温度として、昇温温度Ｔ１は、被処理物Ｐの融点未満の温度であることを前提として、８５０℃以上であることが好ましい。これにより、鋼製の被処理物Ｐの表面に対して、上述した、浸炭処理、浸窒処理、または浸硫処理などの表面処理を行う際に、処理部３０の室内３１１において被処理物Ｐの表面をより均一に加熱することができる。より好ましくは、被処理物Ｐの昇温温度Ｔ１は、被処理物Ｐの鋼のＡ３変態点以上である。これにより、被処理物Ｐの組織をオーステナイト組織に変態させ、後述する表面処理をより迅速に行うことができる。さらに好ましくは、被処理物Ｐを昇温する温度は、１１２０℃以上であり、１２００℃以下である。
３−２．搬送工程について
次に、昇温部２０から処理部３０まで、被処理物Ｐを搬送する。本実施形態では、昇温室２１の室内２１１の不活性ガスＧ１を吸引ポンプ２４で脱気し、室内２１１を減圧状態、好ましくは真空に近い減圧状態にするとともに、搬送部４０の通路４１内の空気も、吸引ポンプ４３で脱気し、通路４１内を減圧状態、好ましくは真空に近い減圧状態にする。同様に、処理室３１の室内３１１の空気を吸引ポンプ３５で脱気し、室内３１１を減圧状態、好ましくは真空に近い減圧状態にする。この状態で、搬送部４０を介して、昇温部２０から処理部３０まで、被処理物Ｐを搬送する。被処理物Ｐは、減圧状態、好ましくは真空状態で搬送されるので、被処理物Ｐの表面の酸化を抑え、昇温部２０で昇温された被処理物Ｐの温度低下を低減し、被処理物Ｐを処理部３０に搬送することができる。なお、昇温工程と後述する表面処理工程とを１つの室内で行うことができるのであれば、被処理物Ｐを搬送する工程を省略してもよい。
なお、本実施形態では、搬送部４０により、短時間で、昇温部２０から処理部３０まで、被処理物Ｐを搬送し、搬送中に、被処理物Ｐの表面の温度Ｔ２の低下を抑えることができるのであれば、減圧状態とせずに搬送してもよい。好ましくは、搬送時における、被処理物Ｐの表面の温度Ｔ２は、８５０℃以上、１２００℃以下であることが好ましい。
３−３．表面処理工程について
処理部３０内において、被処理物Ｐを載置網３６に載置する。次に、第２加熱部３３を用いて、昇温された状態の被処理物Ｐに光線（赤外線）を照射することにより、被処理物Ｐの表面を処理温度Ｔ３に加熱する。これに合わせて、供給源３２４から、調整弁３２２で流量が調整された浸炭処理ガスを供給する。これにより、被処理物Ｐの表面に処理ガスである浸炭処理ガスを接触させることにより、被処理物Ｐの浸炭処理を行う。
具体的には、処理温度Ｔ３は、被処理物Ｐの浸炭処理を行うことが可能な温度であり、被処理物Ｐの融点未満の温度であることを前提として、８５０℃以上であることが好ましく、より好ましくはＡ３変態点以上である。さら好ましくは、処理温度Ｔ３は、１０８０℃以上、１１２０℃以下である。これにより、被処理物Ｐの表面処理として、浸炭処理を行うことができる。
本実施形態では、昇温された状態の被処理物Ｐに赤外線を照射することにより、被処理物Ｐの表面を直接加熱しているので、被処理物Ｐの雰囲気を加熱する場合に比べて、室内３１１を形成する壁面の温度上昇を抑えることができる。この結果、浸炭処理ガスである炭化水素系ガスが炭化し、室内３１１を形成する壁面等にススなどの炭化物が付着することを低減することができる。
さらに、本実施形態では、昇温部２０で被処理物Ｐの表面を処理温度Ｔ３の近傍まで均一に昇温しているので、第２加熱部３３で被処理物Ｐの表面を処理温度Ｔ３まで直接加熱しても、赤外線が照射される被処理物Ｐの領域に対しては、略均一な加熱が可能となる。この結果、被処理物Ｐの表面の温度を略均一に保温することができる。
このような結果、たとえ、被処理物Ｐが歯車のように複雑な形状であっても、表面の温度が略均一な状態で、表面に浸炭処理ガスを接触させることができるので、表面に均一な浸炭処理を行うことができる。
次に、切換弁３２６により、室内３１１に供給する処理ガスＧ２を浸炭処理ガスから浸窒処理ガスに切り替え、被処理物Ｐの表面に浸窒処理を行う。具体的には、浸炭処理と同様に、第２加熱部３３を用いて、昇温された状態の被処理物Ｐに光線（赤外線）を照射することにより、被処理物Ｐの表面を処理温度Ｔ３に加熱し、処理温度Ｔ３の温度を維持する。
これに合わせて、供給源３２５から、調整弁３２２で流量が調整された浸窒処理ガスを供給する。これにより、被処理物Ｐの表面に処理ガスである浸窒処理ガスを接触させて、被処理物Ｐの浸窒処理を行うことができる。
具体的には、処理温度Ｔ３は、浸炭処理と同様に、被処理物Ｐの浸窒処理を行うことが可能な温度であり、被処理物Ｐの融点未満の温度であることを前提として、８５０℃以上であることが好ましく、より好ましくはＡ３変態点以上である。さら好ましくは、処理温度Ｔ３は、１０８０℃以上、１１２０℃以下である。
本実施形態では、浸炭処理と同様に、被処理物Ｐに赤外線を照射することにより、被処理物Ｐの表面を直接加熱しているので、被処理物Ｐの雰囲気を加熱する場合に比べて、室内３１１を形成する壁面の温度上昇を抑えることができる。この結果、室内３１１において、被処理物Ｐの表面以外で、アンモニアガスが室内３１１で分解することを抑制し、被処理物Ｐの表面に、アンモニアガスの窒素を効率的に固溶させることができる。したがって、雰囲気を加熱して浸窒処理を行う場合に比べて、被処理物Ｐの表面の温度をより高温にすることができるため、窒素の固溶を促進させ、より短時間で浸窒処理を行うことができる。
さらに、本実施形態では、浸炭処理と同様に、予め昇温部２０で被処理物Ｐの表面が処理温度Ｔ３の近傍まで均一に昇温されているので、浸窒処理においても、被処理物Ｐの表面の温度を略均一に保温することができる。このような結果、歯車の如き形状の被処理物Ｐであっても、表面の温度が略均一な状態で、表面に浸窒処理ガスを接触させることができるので、表面に均一な浸窒処理を行うことができる。これにより、表面処理後の歯車の歯先と歯元の品質差を抑制し、歯車への歪発生も抑えることができる。
次に、処理温度Ｔ３を維持しつつ、室内３１１の浸窒処理ガスを吸引ポンプ３５で脱気し、室内３１１を減圧状態、好ましくは真空に近い減圧状態にして、浸炭処理および浸窒処理で固溶した炭素および窒素を被処理物Ｐの内部に拡散させる。
なお、本実施形態では、後述する浸窒処理後に拡散処理を行うことから、室内３１１への浸炭処理ガスの供給および浸窒ガスの供給を、電磁弁３２３により連続的に行っている。しかしながら、たとえば、室内３１１への浸窒処理ガスまたは浸窒処理ガスの供給を、電磁弁３２３により断続的に行ってもよい。これにより、浸炭処理ガスまたは浸窒処理ガスの供給停止の間に、被処理物Ｐの表面に固溶した炭素または窒素を、被処理物Ｐの内部に拡散することができる。
また、本実施形態では、処理室３１の室内の被処理物Ｐを直接加熱する方法として、被処理物Ｐに光線を照射することにより加熱した。しかしながら、例えば、「直接加熱」は、被処理物Ｐが配置された雰囲気からの熱伝達ではない加熱、すなわち、被処理物Ｐに熱以外のエネルギを付与することにより、被処理物を加熱することであるので、被処理物Ｐを高周波誘導加熱または通電加熱により直接的に加熱してもよい。
３−４．搬送工程および冷却工程について
表面処理を行った被処理物を、処理部３０の室内３１１から取り出し、搬送部（図示せず）により、冷却室（図示せず）に搬送する。冷却室では加熱された状態の被処理物Ｐを冷却する。被処理物Ｐの冷却は、空冷、水冷、油冷、または放冷のいずれかの冷却により行う。
なお、本実施形態では、被処理物Ｐを処理部３０の室内３１１から冷却室に搬送した後、冷却したが、被処理物Ｐを処理部３０の室内３１１から取り出して、これを冷却することができるのであれば、上述した如く、搬送部および冷却室を省略してもよい。
本実施形態では、表面処理として、浸炭処理と浸窒処理を行ったが、浸炭処理または浸窒処理のいずれか一方の表面処理のみを行ってもよく、これらの表面処理の代わりに、浸硫処理を行ってもよい。
以下の本発明を実施例により説明する。
＜実施例１＞
被処理物として、直径２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状の鋼材（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ２０）の試験片を準備した。次に、これを昇温室内に配置し、昇温室内の圧力を減圧し、１０００Ｌ／ｈの流量で窒素ガスを流しながら、試験片の雰囲気を第１加熱部であるヒータで昇温温度１１２０℃に昇温し、この昇温温度で加熱時間を５０分間として、被処理物を加熱した。
次に、昇温された試験片を真空に近い減圧雰囲気下にして、搬送部で昇温部から処理部まで搬送し、処理室内の圧力を５００Ｐａにし、５００Ｌ／ｈの流量でアンモニアガスを流しながら、試験片を第２加熱部で赤外線により処理温度１１００℃を維持し、この処理温度で１０分間加熱した。
その後、処理室から試験片を取り出して、圧力１０ｂａｒで窒素ガスを１０分間、試験片に吹き付けることにより、試験片をガス冷却した。得られた試験片の表面に浸窒層が形成されているかを確認した。
Figure 2017226860
＜比較例１＞
実施例１と同じようにして、試験片に浸窒処理を行った。実施例１と相違する点は、表１に示すように、昇温工程で、昇温温度を１０５０℃にした点である。さらに相違する点は、表面処理工程で、試験片を加熱せずに、昇温時の余熱を利用した点である。得られた試験片の表面に浸窒層が形成されているかを確認した。
＜比較例２＞
実施例１と同じようにして、試験片に浸窒処理を行った。実施例１と相違する点は、表１に示すように、昇温工程で、昇温温度を１０５０℃にした点である。さらに相違する点は、表面処理工程で、試験片を加熱せずに、昇温時の余熱を利用して、処理室内の圧力を１４００Ｐａにしてアンモニアガスを１０分間流した点である。得られた試験片の表面に浸窒層が形成されているかを確認した。
＜比較例３＞
実施例１と同じようにして、試験片に浸窒処理を行った。実施例１と相違する点は、表１に示すように、昇温工程で、真空に近い減圧雰囲気下において昇温温度を１０５０℃にした点である。さらに相違する点は、表面処理工程で、試験片を加熱せずに、昇温時の余熱を利用して、処理室内の圧力を７００Ｐａにし、６００Ｌ／ｈの流量でアンモニアガスを３０分間流した点である。得られた試験片の表面に浸窒層が形成されているかを確認した。
＜比較例４＞
実施例１と同じようにして、試験片に浸窒処理を行った。実施例１と相違する点は、表１に示すように、昇温工程で、真空に近い減圧雰囲気下において昇温温度を１０５０℃にした点である。さらに相違する点は、表面処理工程で、処理室内の雰囲気をヒータで７００℃に加熱した状態で、処理室内の圧力を７００Ｐａにしてアンモニアガスを流した点である。得られた試験片の表面に浸窒層が形成されているかを確認した。
［顕微観察］
実施例１および比較例３の試験片を切断し、その断面における試験片の表層を観察した。図４Ａは、実施例１に係る試験片の断面における表層の写真であり、図４Ｂは、比較例３に係る試験片の断面における表層の写真である。
〔結果１〕
実施例１の試験片の表面には、図４Ａに示すように浸窒層が形成されていたが、比較例３の試験片の表面には、図４Ｂに示すように浸窒層が形成されておらず、比較例１、２、および４の試験片の表面も、比較例３と同様に、浸窒層が形成されていなかった。
〔考察１〕
比較例１では、表面処理工程において、試験片の温度は降下するため、アンモニアガスの窒素が、試験片に殆ど固溶しなかったと考えられる。また、比較例１に対して、比較例２の如くアンモニアガスの圧力を増加させても、比較例３の如く、アンモニアガスの圧力および流量を増加させても、試験片の温度は降下するため、アンモニアガスの窒素が、試験片に殆ど固溶しなかったと考えられる。一方、比較例４では、表面処理工程において、ヒータで室内の雰囲気を加熱したが、アンモニアガスが、試験片の表面に接触する前に室内で分解してしまったと考えられ、アンモニアガスの窒素が、試験片に殆ど固溶しなかったと考えられる。
しかしながら、実施例１の場合には、表面処理工程において、試験片の表面を赤外線で直接加熱しているので、アンモニアガスの窒素を、加熱された状態の試験片の表面に固溶することができたと考えられる。
＜実施例２＞
熱解析ソフト（ＳＦＴＣ社 ＤＥＦＯＲＭ ＨＴ）を用いて、モジュール２．５５ｍｍ、歯数３１個、歯幅１５ｍｍの平歯車からなる鋼材製の被処理物のモデルを作成し、これに対して熱解析を行った。具体的には、表２に示すように、昇温工程の条件として、昇温室内の圧力を減圧状態とし、被処理物の加熱方式をその雰囲気を加熱するヒータ加熱とし、昇温温度１１００℃とし、加熱時間を２０分間とした。
次に、表面処理工程の条件として、処理室内の圧力を５００Ｐａとし、アンモニアガスの流量を１２０Ｌ／ｈとし、被処理物の加熱を、赤外線によるランプ加熱とし、処理温度１１００℃とし、処理時間を１０分間とした。冷却工程の条件として、冷却方式を水冷とし、冷却時間を１０秒とした。
＜比較例５＞
実施例２と同じモデルを作成し、これに対して熱解析を行った。実施例２と相違する点は、昇温工程の条件として、被処理物の加熱方式を、赤外線によるランプ加熱とした点である。
図５Ａは実施例２に係る被処理物の温度プロフィールの解析結果であり、図５Ｂは比較例５に係る被処理物の温度プロフィールの解析結果である。図５Ａおよび図５Ｂでは、各図に示す歯先および歯底における温度プロフィールを示している。
Figure 2017226860
〔結果２〕
図５Ａに示すように、実施例２では、昇温工程および浸窒工程における歯先Ａおよび歯底Ｂの温度は、略同じであった。一方、図５Ｂに示すように、比較例５では、昇温工程および浸窒工程における歯先Ａの温度は、歯底Ｂの温度よりも高くなっており、実施例２に比べて、歯先Ａと歯底Ｂとの温度差は、大きかった。
〔考察２〕
実施例２の被処理物の歯先Ａおよび歯底Ｂの温度が、略同じであったのは、昇温工程において、ヒータにより被処理物を予め均一に加熱したので、表面処理工程で、赤外線によるランプの加熱で被処理物の温度差が生じ難くなったからであると考えられる。
一方、比較例５の被処理物では、昇温工程および表面処理工程において、被処理物を、赤外線によるランプ加熱を行っているので、歯先Ａよりも赤外線が照射され難い歯底Ｂの方が、温度が低くなったと考えられる。以上のことから、実施例２の場合には、比較例５に比べて、被処理物の表面に均一に浸窒処理を行うことができると考えられる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
さらに、本実施形態では、昇温工程を不活性ガスの雰囲気を加熱することにより行ったが、例えば、昇温室の室内を減圧状態または真空に近い減圧状態にし、その雰囲気を加熱することで、被処理物の表面を昇温してもよい。
１：表面処理装置、２０：昇温部、２１：昇温室、２２：不活性ガス供給部、２３：第１加熱部、２４：吸引ポンプ、３０：処理部、３１：処理室、３２：処理ガス供給部、３３：第２加熱部、３４：壁部、３５：吸引ポンプ、４０：搬送部、４１：通路、４３：吸引ポンプ、Ｇ１：不活性ガス、Ｇ２：処理ガス、Ｐ：被処理物。

Claims (8)

  1. 加熱された鋼製の被処理物に処理ガスを接触させて、前記処理ガスの元素を固溶することにより前記被処理物の表面処理を行う表面処理方法であって、
    前記被処理物が配置された雰囲気を加熱することにより、前記表面処理を行う処理温度近傍の昇温温度まで、前記被処理物を昇温する昇温工程と、
    前記昇温された状態の被処理物を前記処理温度に直接加熱しつつ、前記被処理物の表面に前記処理ガスを接触させることにより、前記表面処理を行う表面処理工程と、を含むことを特徴とする表面処理方法。
  2. 前記処理ガスに、アンモニアガスを用い、前記表面処理として浸窒処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
  3. 前記表面処理工程において、前記被処理物への直接加熱を、前記被処理物に光線を照射することにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理方法。
  4. 前記被処理物は、歯車であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
  5. 被処理物を昇温する昇温部と、前記昇温部で昇温された前記被処理物に処理ガスを接触させて、前記処理ガスの元素を固溶することにより表面処理する処理部と、を少なくとも備えた表面処理装置であって、
    前記昇温部は、前記被処理物を配置する昇温室と、
    前記昇温室の室内の前記被処理物が配置された雰囲気を加熱することにより、前記被処理物を昇温する第１加熱部と、を備えており、
    前記処理部は、前記被処理物を配置する処理室と、
    前記処理室の室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理室の室内の前記被処理物を直接加熱する第２加熱部と、を備えることを特徴とする表面処理装置。
  6. 前記ガス供給部は、前記処理ガスとして、アンモニアガスを供給することを特徴とする請求項５に記載の表面処理装置。
  7. 前記処理室は、前記処理室の室内を形成する壁部の少なくとも一部に、光透過性を有した光透過性壁部を有しており、
    前記第２加熱部は、前記処理室の室外に配置され、前記光透過性壁部を介して、前記室の室内の前記被処理物に光線を照射することにより、前記被処理物を加熱することを特徴とする請求項５または６に記載の表面処理装置。
  8. 前記光透過性壁部は、前記処理室の室外に面した第１壁部と、前記処理室の室内に面した第２壁部とを備えており、前記第１壁部と前記第２壁部との間には空間が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の表面処理装置。
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