JP2017226862A - 表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招くことなく、被処理物の表面に処理ガスの元素を固溶拡散することができる表面処理方法を提供する。
【解決手段】処理室１０の室内１１に処理ガスＧを流しながら、処理室１０の室内１１で加熱された鋼製の被処理物Ｐの表面から、処理ガスとしてアンモニアガスの窒素を固溶させる固溶工程と、固溶工程の後に、処理室１０の室内１１に流すアンモニアの流量を低下させ、被処理物Ｐの表面に固溶した窒素を被処理物Ｐの内部に拡散させる拡散工程と、を含む。表面処理方法では、固溶工程の開始のタイミングから、拡散工程の少なくとも途中まで、被処理物Ｐの温度が連続的に上昇するように、被処理物Ｐを加熱する。
【選択図】図３

Description

本発明は、処理室内に処理ガスを流しながら、処理室内で加熱された鋼製の被処理物の表面から、処理ガスの元素を固溶し、固溶した元素を処理ガスの内部に拡散させる表面処理方法に関する。

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、処理室内に処理ガスとしてアンモニアガスを流しながら、処理室内で加熱された鋼製の被処理物の表面から、アンモニアガスの窒素を固溶させる固溶工程（浸窒工程）を行っている。固溶工程後には、処理室内に流すアンモニアガスの流量を低下させ、加熱された状態の被処理物の表面に固溶した窒素を被処理物の内部に拡散させる拡散工程を行っている。

ここで、固溶工程では、被処理物の温度を一定の処理温度に保持するよう、かつ、拡散工程の開始のタイミングでは、被処理物の温度が上昇し、一定の拡散温度に保持するように、被処理物を加熱している。これにより、固溶工程において、被処理物に窒素が過剰に固溶することを抑制するとともに、拡散工程において、固溶した窒素を短時間で被処理物に拡散させることができる。

特開平１１−１００６５５号公報

しかしながら、特許文献１に係る表面処理方法では、固溶工程で保持される被処理物の処理温度と、拡散工程において保持される被処理物の拡散温度と、の温度差を大きくすることもある。この場合、拡散工程の開始のタイミングで瞬間的に被処理物の温度を上昇するように加熱しなければならず、このような加熱を行うには、被処理物を加熱する加熱部を含めた装置の大型化を招くおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置の大型化を招くことなく、被処理物の表面に処理ガスの元素を固溶拡散することができる表面処理方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る表面処理方法は、処理室内に処理ガスを流しながら、前記処理室内で加熱された鋼製の被処理物の表面から、前記処理ガスの元素を固溶させる固溶工程と、前記固溶工程の後に、前記処理室内に流す処理ガスの流量を低下させ、前記被処理物の表面に固溶した前記元素を前記被処理物の内部に拡散させる拡散工程と、を含む表面処理方法であって、前記固溶工程の開始のタイミングから、前記拡散工程の少なくとも途中まで、前記被処理物の温度が連続的に上昇するように、前記被処理物を加熱することを特徴とする。

本発明によれば、固溶工程の開始のタイミングから、拡散工程の少なくとも途中まで、被処理物の温度が連続的に上昇するように、被処理物を加熱している。このような加熱を行うことにより、装置の大型化を招くことなく、被処理物の表面に処理ガスの元素を固溶拡散することができる。

また、本発明では、拡散工程では、処理室内に流す処理ガスの流量を低下させ、固溶工程における被処理物の表面の温度よりも、高い表面の温度となるように、被処理物を加熱している。これにより、固溶工程において、被処理物の表面に元素を過剰に固溶させず、拡散工程において、被処理物に固溶した元素を短時間に拡散させることができる。

本発明の実施形態に係る表面処理方法を行うための表面処理装置の模式図である。 本発明の実施形態に係る表面処理方法における処理ガスの流量と、被処理物の温度との関係を示した図である。 （ａ）図２の時点Ａにおける被処理物の表面からの深さと窒素の濃度の関係を示した模式図、（ｂ）図２の時点Ｂにおける被処理物の表面からの深さと窒素の濃度の関係を示した模式図。

以下に、図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係る表面処理方法を説明する。
なお、以下に示す本実施形態では、表面処理方法の一例として、処理ガスにアンモニアガスを用いた浸窒処理方法を説明する。しかしながら、本発明に係る表面処理方法は、浸窒処理方法に限定されるものではなく、処理ガスに後述する炭化水素系ガスを用いた浸炭処理方法であってもよく、処理ガスに硫化水素ガスを用いた浸硫処理方法であってもよい。

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方法を行うための表面処理装置１の模式図である。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、被処理物Ｐに処理ガスＧの元素を固溶拡散する装置である。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を配置する処理室１０と、処理室１０の室内１１に処理ガスとして処理ガスＧを供給するガス供給部２０と、被処理物Ｐに赤外線を照射することにより、被処理物Ｐを加熱する加熱部３０と、を備えている。

処理室１０は、その室内１１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１１には、複数の被処理物Ｐを載置する載置網１４が配置されている。載置網１４を用いることにより、載置網１４に配置された被処理物Ｐの下方からも、加熱部３０の赤外線を照射することができる。

室内１１を形成する壁部は、石英ガラスからなる壁部１５を有している。より具体的には、処理室１０は、壁部１５に相当する石英ガラスからなる石英管１６と、その両側を封止する側壁部１７により形成されている。

処理室１０の一方側の側壁部１７には、ガス供給部２０からの処理ガスＧが室内１１に供給されるように、導入口１２が形成されている。導入口１２は、室内１１に処理ガスＧが供給可能なように、ガス供給部２０に連通している。さらに、処理室１０の他方側の側壁部１７には、室内１１に供給された処理ガスＧを排出する排出口１３が形成されており、排出口１３は、吸引ポンプ５０に接続されている。

本実施形態では、ガス供給部２０は、処理ガスＧが充填されたガス供給源２１と、ガス供給源２１から室内１１に送られる処理ガスＧの流量を調整する調整弁２２、とを備えている。さらに、ガス供給部２０は、室内１１への処理ガスＧの供給および供給停止を行う電磁弁２３を備えている。

処理ガスＧは、被処理物Ｐの表面処理を行うガスであり、本実施形態では、浸窒処理を行うので、処理ガスＧは、アンモニアガスである。なお、表面処理として浸炭処理を行う場合には、処理ガスＧに、アセチレンガス、メタンガス、またはプロパンガスなどの炭化水素系ガスを用いる。表面処理として浸硫処理を行う場合には、処理ガスＧに、硫化水素ガスを挙げることができる。これらの処理ガスＧには、窒素ガス等の不活性ガスがさらに混合していてもよい。

加熱部３０は、処理室１０の室外に配置されている。加熱部３０は、石英ガラスからなる壁部１５を介して室内１１の被処理物Ｐに光線を照射することにより、被処理物Ｐを直接的に加熱する赤外線ランプ（ハロゲンランプ）である。この他にも、加熱部３０は、高周波により被処理物Ｐの表面を加熱する誘導加熱装置であってもよい。

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。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。

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く、たとえば、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。

３．表面処理方法（浸窒処理方法）について
以下に、図１とともに、図２および図３を参照しながら、本実施形態に係る表面処理方法の一例として、浸窒処理方法を説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る表面処理方法における処理ガスの流量と、被処理物の温度との関係を示した図である。図３（ａ）は、図２の時点Ａにおける被処理物の表面からの深さと窒素の濃度の関係を示した模式図であり、図３（ｂ）は、図２の時点Ｂにおける被処理物の表面からの深さと窒素の濃度の関係を示した模式図である。

まず、図１に示すように、処理室１０内において、被処理物Ｐを載置網１４に載置する。次に、加熱部３０を用いて、昇温された状態の被処理物Ｐに赤外線を照射する。これにより、被処理物Ｐの表面が加熱され、被処理物Ｐの表面の温度が上昇する。なお、処理室１０の室内１１に配置する前の被処理物Ｐを、予めヒータ等により雰囲気を加熱することで予熱してもよい。

次に、図２に示すように、被処理物Ｐの表面温度が、９００℃〜１０００℃の範囲に到達した時点で、浸窒工程（固溶工程）を行う。具体的には、電磁弁２３を開弁することにより、ガス供給源２１から、調整弁２２で流量が調整された処理ガスＧを０．１〜５分間供給しつつ、吸引ポンプ５０を用いて、処理室１０の室内１１から処理ガスＧを排出する。これにより、被処理物Ｐの表面に処理ガスＧであるアンモニアガスを接触させて、被処理物Ｐの表面に、アンモニアの窒素を固溶させ、被処理物Ｐの浸窒処理を行う。

本実施形態では、被処理物Ｐに赤外線を照射することにより、被処理物Ｐの表面を直接的に加熱しているので、被処理物Ｐの雰囲気を加熱する場合に比べて、室内１１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１１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１１で分解することを抑制し、被処理物Ｐの表面に、これまでにない高い温度条件で、アンモニアガスの窒素を短時間で固溶させることができる。このようにして、図３（ａ）に示すように、被処理物Ｐの内部から表面に進むに従って、窒素の濃度が高い被処理物Ｐを短時間で得ることができる。

次に、浸窒工程（固溶工程）後に、続けて拡散工程を行う。拡散工程では、処理室１０の室内１１に流す処理ガスＧの流量を低下させ、加熱された被処理物Ｐの表面に、固溶した窒素を被処理物Ｐの内部に拡散させる。

具体的には、電磁弁２３を閉弁することにより、室内１１への処理ガスの供給を停止する。この状態で、処理室１０の室内１１から吸引ポンプ５０により、処理ガスＧが排出される。本実施形態では、図２に示すように、固溶工程の開始のタイミングから引き続いて、拡散工程の少なくとも途中まで、被処理物Ｐの温度が連続的に上昇する（すなわち、その温度が単調増加する）ように、被処理物Ｐを加熱する。

具体的には、拡散工程において、１１００℃〜溶融限界温度までの範囲を上限温度として、加熱部３０を用いて、被処理物Ｐを引き続き加熱する。その後、加熱部３０による、被処理物Ｐへの赤外線の照射を中断し、被処理物Ｐの表面が９００〜１１００℃の範囲になるように、被処理物Ｐの表面を降温させる。室内１１への処理ガスの供給の停止時間は、１〜１０分間であり、これが拡散工程の拡散時間に相当する。なお、被処理物Ｐの表面の温度を降温させる際に、例えば、窒素ガスまたはアルゴンガスなどの不活性ガスを被処理物Ｐに吹き付けて、降温をさらに促進してもよい。

このようにして、被処理物Ｐの表面の窒素を内部に拡散させることができ、図３（ｂ）に示すように、被処理物Ｐの表面の窒素の濃度を下げることができる。これにより、再び、浸窒工程を行っても、被処理物Ｐの表面に窒素が過剰に固溶することはない。この結果、被処理物Ｐの表面に、窒素が過剰に固溶することに起因したボイドの発生を回避することができる。

さらに、被処理物Ｐの表面の温度低下により、被処理物Ｐの表面の温度が９００〜１０００℃の範囲に到達した時点で、上述した浸窒工程を行い、その後、拡散工程を行い、これらの工程を交互に繰り返す。

さらに、本実施形態では、赤外線の照射により被処理物Ｐを加熱しているので、この赤外線の照射を中断すれば（すなわち赤外線ランプの電源を落とせば）、被処理物Ｐの表面の温度を速やかに低下させることができる。これにより、上述した被処理物Ｐの表面の温度条件で被処理物Ｐを加熱しつつ、後述する浸窒工程と拡散工程とを短い期間で繰り返し行うことができる。

最後に、表面処理を行った被処理物Ｐを、処理室１０の室内１１から取り出し、冷却室で被処理物Ｐを急冷し、被処理物Ｐの焼き入れを行う。このようにして、被処理物Ｐの表面から内部に窒素を固溶した被処理物Ｐを得ることができる。

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。

本実施形態では、固溶工程（浸窒工程）と拡散工程とを、これらの順で繰り返し行ったが、例えば、固溶工程と拡散工程とを１回のみ行う場合には、固溶工程の開始のタイミングから拡散工程の終了のタイミングまで、被処理物の温度が連続的に上昇するように、被処理物を加熱してもよい。

１：表面処理装置、１０：処理室、１１：室内、１２：導入口、排出口、１４：載置網、１５：壁部、１６：石英管、１７：側壁部、２０：ガス供給部、２１：ガス供給源、２２：調整弁、２３：電磁弁、３０：加熱部、５０：吸引ポンプ、Ｇ：処理ガス、Ｐ：被処理物。

Claims (1)

1. 処理室内に処理ガスを流しながら、前記処理室内で加熱された鋼製の被処理物の表面から、前記処理ガスの元素を固溶させる固溶工程と、
   前記固溶工程の後に、前記処理室内に流す処理ガスの流量を低下させ、前記被処理物の表面に固溶した前記元素を前記被処理物の内部に拡散させる拡散工程と、を含む表面処理方法であって、
   前記固溶工程の開始のタイミングから、前記拡散工程の少なくとも途中まで、前記被処理物の温度が連続的に上昇するように、前記被処理物を加熱することを特徴とする表面処理方法。

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