JP2020026569A - 表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ガス窒化処理の基本的事項について化学的に説明すれば、ガス窒化処理では、被処理品が配置される処理炉(ガス窒化炉)内において、以下の式(1)で表される窒化反応が発生する。
NH3→[N]+3/2H2 ・・・(1)
KN=PNH3/PH2 3/2 ・・・(2)
ここで、PNH3は炉内アンモニア分圧であり、PH2は炉内水素分圧である。窒化ポテンシャルKNは、ガス窒化炉内の雰囲気が有する窒化能力を表す指標として周知である。
NH3→1/2N2+3/2H2 ・・・(3)
次に、流量制御の基本的事項について、まずは炉内導入ガスをアンモニアガスのみとする場合について説明する。炉内に導入されるアンモニアガスの分解度をs(0<s<1)とした場合,炉内におけるガス反応は、以下の式(4)で表される。
NH3→(1-s)/(1+s)NH3+0.5s/(1+s)N2+1.5s/(1+s)H2 ・・・(4)
ここで、左辺は炉内導入ガス(アンモニアガスのみ)、右辺は炉内ガス組成であり、未分解のアンモニアガスと、アンモニアガスの分解によって1:3の比率で発生した窒素及び水素と、が存在する。したがって、炉内水素濃度を水素センサで測定する場合、右辺の1.5s/(1+s) が水素センサによる測定値に対応し、当該測定値から炉内に導入されたアンモニアガスの分解度sが演算できる。これにより、右辺の (1-s)/(1+s) に相当する炉内アンモニア濃度も演算できる。つまり、水素センサの測定値のみから炉内水素濃度と炉内アンモニア濃度とを知ることができる。このため、窒化ポテンシャルを演算できる。
xNH3+(1-x)N2→x(1-s)/(1+sx)NH3+(0.5sx+1-x)/(1+sx)N2+1.5sx/(1+sx)H2・・・(5)
(25/(25+10))/(7.5/(25+10))3/2=7.2
となる。この値が、目標窒化ポテンシャルの値よりも大きければ、仮決めした値を採用することができる。もっとも、実際には、アンモニアガスの熱分解度は使用する炉の炉内環境等にも影響されるため、操業前に予備実験を行って、一定に維持されるアンモニア分解ガスの導入量と変動されるアンモニアガスの導入量の初期値とを決定することが望ましい。
図1は、本発明の一実施形態による表面硬化処理装置を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態の表面硬化処理装置1は、処理炉2内で水素を発生するガスとして、アンモニアガスとアンモニア分解ガスとの2種類のみ、を処理炉2内へ導入して、処理炉2内に配置される被処理品Sの表面硬化処理としてガス窒化処理を行う表面硬化処理装置である。
次に、図2を参照して、本実施形態の表面硬化処理装置1の作用について説明する。まず、処理炉2内に被処理品Sが投入され、処理炉2の加熱が開始される。図2に示す例では、処理炉2として、φ700×1000のサイズのピット炉が用いられ、加熱温度は570℃とされ、被処理品Sとして、4m2の表面積を有する鋼材が用いられた。
図3は、特許文献3の発明による表面硬化処理装置を示す概略図である。
次に、図4を参照して、図3の表面硬化処理装置の作用について説明する。まず、処理炉2内に被処理品Sが投入され、処理炉2の加熱が開始される。図4に示す例でも、処理炉2として、φ700×1000のサイズのピット炉が用いられ、加熱温度は570℃とされ、被処理品Sとして、4m2の表面積を有する鋼材が用いられた。
図2及び図4のグラフから明らかなように、570℃の温度条件で目標窒化ポテンシャルを0.7とした場合において、図1の装置(本発明の一実施形態)は、図3の装置(特許文献3)と同程度の制御精度を実現することができる。
2 処理炉
3 雰囲気ガス濃度検出装置
4、104 窒化ポテンシャル調節計
5 温度調節計
6 記録計
8 攪拌ファン
9 攪拌ファン駆動モータ
10 炉内温度計測装置
11 炉内加熱装置
13 窒化ポテンシャル演算装置
14、114 ガス導入量制御装置
15、115 パラメータ設定装置(タッチパネル)
16 開閉弁制御装置
17 開閉弁
20 炉内ガス供給部
21 第1炉内導入ガス供給部
22 第1炉内ガス供給制御装置
23 第1供給弁
24 第1流量計
25 第2炉内導入ガス供給部
126 第2炉内ガス供給制御装置
27 第2供給弁
28 第2流量計
29 炉内導入ガス導入配管
30、130 ガス流量出力調整装置
31、131 プログラマブルロジックコントローラ
40 炉内ガス廃棄配管
41 排ガス燃焼分解装置
Claims (5)
- アンモニアガスとアンモニア分解ガスとを処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置される被処理品の表面硬化処理としてガス窒化処理を行う表面硬化処理装置であって、
前記処理炉内の水素濃度またはアンモニア濃度を検出する炉内雰囲気ガス濃度検出装置と、
前記炉内雰囲気ガス濃度検出装置によって検出される水素濃度またはアンモニア濃度に基づいて前記処理炉内の窒化ポテンシャルを演算する炉内窒化ポテンシャル演算装置と、
前記炉内窒化ポテンシャル演算装置によって演算される前記処理炉内の窒化ポテンシャルと目標窒化ポテンシャルとに応じて、前記アンモニア分解ガスの導入量を一定に保ちながら前記アンモニアガスの導入量を変化させることによって前記処理炉内の窒化ポテンシャルを前記目標窒化ポテンシャルに近づけるガス導入量制御装置と、
を備えたことを特徴とする表面硬化処理装置。 - 前記目標窒化ポテンシャルは、同一の被処理品に対して時間帯に応じて異なる値として設定されるようになっている
ことを特徴とする請求項1に記載の表面硬化処理装置。 - 前記アンモニアガスの導入量は、マスフローコントローラによって変化されるようになっており、
前記アンモニア分解ガスの導入量は、手動流量計によって変化されるようになっている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の表面硬化処理装置。 - アンモニアガスとアンモニア分解ガスとを処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置される被処理品の表面硬化処理としてガス窒化処理を行う表面硬化処理方法であって、
前記処理炉内の水素濃度またはアンモニア濃度を検出する炉内雰囲気ガス濃度検出工程と、
前記炉内雰囲気ガス濃度検出工程によって検出される水素濃度またはアンモニア濃度に基づいて前記処理炉内の窒化ポテンシャルを演算する炉内窒化ポテンシャル演算工程と、
前記炉内窒化ポテンシャル演算工程によって演算される前記処理炉内の窒化ポテンシャルと目標窒化ポテンシャルとに応じて、前記アンモニア分解ガスの導入量を一定に保ちながら前記アンモニアガスの導入量を変化させることによって前記処理炉内の窒化ポテンシャルを前記目標窒化ポテンシャルに近づけるガス導入量制御工程と、
を備えたことを特徴とする表面硬化処理方法。 - 前記目標窒化ポテンシャルは、同一の被処理品に対して時間帯に応じて異なる値として設定されるようになっている
ことを特徴とする請求項4に記載の表面硬化処理方法。
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