JP4257157B2 - 窒化処理方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化処理は、鋼材からなるワークの表面を窒化させることによって窒化鉄層を形成し、これによりワーク表面を硬化する処理であり、広汎に実施されている。窒化処理の一方法としては、グロー放電によってプラズマ加熱を行うプラズマ窒化処理が挙げられる。
【０００３】
ところで、ワークが冷えているとグロー放電が不安定となり、状況によってはアーク放電が発生し、ワーク表面の一部が溶解したり、あるいは、均一な窒化処理を施すことができなくなる不具合が生じる。特に、ワークの温度分布が不均一であると、窒化の進行度合いが場所によって異なってくるため、良好な製品を得ることができなくなってしまう。
【０００４】
そこで、安定した窒化処理が可能な所望の温度までワークを迅速且つ均一に加熱することを目的として、ワークの周囲に赤外線ヒータ又はグラファイトクロス発熱体等の加熱手段を配設し、グロー放電と併用してワークを加熱するように構成した従来技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５２−８２６４１号公報（第２頁左上欄第８行〜第１３行）
【特許文献２】
特開昭５３−２３８３６号公報（第２頁第右上欄１３行〜左下欄第３行）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、複雑な形状からなる複数のワークを同時に熱処理炉内に投入して加熱するような場合、上記の従来技術のように、単にグロー放電と加熱手段とを併用しただけでは、ワークを均一な温度分布とすることはできない。
【０００７】
すなわち、グロー放電による発熱は、基本的には、グロー放電によって生成された窒素イオンがワークの表面に衝突することにより生じるものであるが、ワークがある温度以上に加熱されると、ワーク自身の放射熱によって周囲のワークを加熱することになるため、加熱手段に近接した部位と加熱手段から離間した部位との間に温度差が生じてしまう。なお、ワーク間に多数の加熱手段を配設すれば、この問題を解消可能となるが、例えば、異なる形状からなるワークに対して窒化処理を行うことが要求される多品種少量生産のような生産ラインにおいて、ワーク間の適切な位置に加熱手段を配設して構成することは、実質上不可能である。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ワークを安定して窒化処理が可能な温度まで迅速且つ均一に加熱し、ワークの温度ばらつきの少ない状態で良好な窒化処理を施すことができる窒化処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理方法であって、
前記熱処理炉と前記ワークとの間に１ｋＨｚ以上の周波数からなる所定の電流密度のパルス電圧を印加し、発生するグロー放電によって前記ワークを加熱する第１ステップと、
前記ワークの温度が少なくとも３５０℃に到達した後、前記パルス電圧の電流密度を減少させる一方、前記ワークの周囲に配設した発熱体により前記ワークを所望の窒化処理温度まで加熱する第２ステップと、
からなり、前記グロー放電で生成された窒素イオン又は窒素ラジカルにより窒化処理を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理装置であって、
前記熱処理炉と前記ワークとの間に１ｋＨｚ以上の周波数からなる所定の電流密度のパルス電圧を印加してグロー放電を発生させるグロー放電発生手段と、
前記熱処理炉内に配設される発熱体により前記ワークを加熱する加熱手段と、
前記ワークの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された前記ワークの温度に基づき、前記グロー放電発生手段による前記グロー放電の電流密度を制御するとともに、前記加熱手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記温度検出手段は、
前記熱処理炉内に配設したダミーワークの放射温度を検出するダミーワーク用放射温度計と、
前記ダミーワークの接触温度を検出するダミーワーク用接触温度計と、
前記ワークの放射温度を検出するワーク用放射温度計と、
前記ダミーワークの前記放射温度及び前記接触温度の温度差を算出し、前記ワークの前記放射温度を前記温度差によって補正することで前記ワークの温度を算出するワーク温度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
この場合、グロー放電を発生させるためのパルス電圧の周波数を１ｋＨｚ以上とすることにより、電流が連続的に通電される時間を１ｍｓ以下とし、短い検知時間でアーク放電の継続を阻止することで、アーク痕が発生する電圧に到達する以前に電流を遮断するため、アーク痕の発生を防止して安定したグロー放電状態を維持し、ワーク表面を損傷させることなく加熱することができる。なお、検知時間は、より短いほうが好ましく、従って、例えば、パルス電圧を発生させる電源としては、１５ｋＨｚ程度のものを使用すると好適である。また、グロー放電によってワークが直接加熱されるため、ワークの形状やワークの配置等によらず、特に、対流や発熱体からの距離、ワークの個数等によりばらつきの生じ易い横型熱処理炉のような構造であっても、熱処理炉内のワーク温度を均一に上昇させることができる。なお、グロー放電と発熱体による加熱とを併用することにより、均一な温度分布を維持した状態でワークを迅速に加熱することができる。この結果、全てのワークが一定温度に到達するまでの所要時間が短く、また、ワークを一定温度に保持する必要時間も短縮することができる。
【００１２】
また、加熱中におけるワークの温度を検出し、温度が３５０℃に到達した後、グロー放電の電流密度を減少させることにより、グロー放電によって加熱されたワーク自体からの過剰な放射熱の発生を回避し、熱処理炉内の温度分布を均一に維持することができるとともに、急激な温度上昇を回避することができる。次いで、この温度からワークの周囲に配設した発熱体を用いてワークをさらに加熱することにより、ワークを所望の窒化処理温度に高精度に設定することができる。
【００１３】
この場合、ワークの温度が所望の窒化処理温度を超過すると、ワークに異常組織が生成されてしまうおそれがあるが、本発明では、グロー放電による発熱を高精度に調整することができるため、ワークをオーバーシュートすることのない高温度に設定して窒化処理に要する時間を短縮することができる。
【００１４】
なお、グロー放電の電流密度としては、０．０５〜７ｍＡ／ｃｍ2に設定すると好適である。０．０５ｍＡ／ｃｍ2未満であると、特に低温時において、グロー放電が安定せず、均一な加熱ができない。また、電流密度を７ｍＡ／ｃｍ2よりも大きく設定すると、アーク放電に移行しワークの損傷が生じる。なお、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ2未満では、昇温に時間がかかり、また、４ｍＡ／ｃｍ2を超えると、突起部等を有するワークの場合、突起部等にイオン衝突が起こり易く、異常加熱するおそれがある。従って、電流密度は、０．１〜４ｍＡ／ｃｍ2の範囲に設定することが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明では、ワークの温度を接触式の温度計を用いることなく高精度に検出するため、熱処理炉内にダミーワークを配設し、ダミーワークの接触温度と放射温度とを検出するとともに、ワークの放射温度を検出し、ダミーワークの接触温度及び放射温度の温度差からワークの放射温度を補正してワーク自体の温度を推定する。このようにして推定したワークの温度に基づいて、グロー放電や発熱体による加熱を制御することにより、ワークの温度を高精度に管理して極めて良好な窒化処理を行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の窒化処理装置を含む窒化処理システム１０の概略構成図である。この窒化処理システム１０には、図２に示すように、ワークである複数のクランクシャフト１２が治具１４に位置決めされたマガジン１６として供給される。
【００１７】
窒化処理システム１０は、コンベア１８によって搬送されるクランクシャフト１２に付着した塵や油等を除去する洗浄機２０と、洗浄されたクランクシャフト１２をコンベア１８から受け取って各作業ステーションに搬送するコンベア２２と、コンベア２２に沿った複数の作業ステーションに配置される横型熱処理炉２４と、コンベア２２の最終端に接続されるコンベア２７によって搬送されるクランクシャフト１２を冷却する冷却槽２５とを備える。
【００１８】
図３は、各作業ステーションに配置される横型熱処理炉２４及びその制御回路の構成説明図である。
【００１９】
横型熱処理炉２４は、クランクシャフト１２に対してプラズマ窒化処理を施す熱処理炉であり、クランクシャフト１２が位置決めされたマガジン１６を水平方向に出入する横型として構成される。横型熱処理炉２４には、基台２６上に内側隔壁２８及び外側隔壁３０が配設される。
【００２０】
内側隔壁２８は、治具１４とともにクランクシャフト１２を収納する窒化雰囲気からなる窒化処理室３２を形成する。また、内側隔壁２８と外側隔壁３０との間の空間は、内側隔壁２８を冷却して熱放射の影響をなくし、窒化処理室３２の温度上昇時の制御を容易にする冷却液通路３３を形成する。
【００２１】
窒化処理室３２には、内側隔壁２８及び基台２６に沿って複数の電気ヒータ３４（発熱体）が配設される。また、窒化処理室３２には、物性がクランクシャフト１２と同等のダミーワーク３６が配設される。なお、ダミーワーク３６は、クランクシャフト１２そのものであってもよい。
【００２２】
基台２６には、マガジン１６に電気的に接続される負電極３８が絶縁体４０を介して配設されるとともに、ダミーワーク３６に電気的に接続される負電極４２が絶縁体４４を介して配設される。また、窒化処理室３２の電気ヒータ３４の内側には、電極板４５が配設される。この電極板４５には、正電極４６が接続される。これらの負電極３８、４２と正電極４６との間には、１ｋＨｚ以上の周波数からなるパルス電圧を印加する放電用電源ユニット４８（グロー放電発生手段）が接続される。電気ヒータ３４には、ヒータ電源ユニット５０（加熱手段）が接続される。
【００２３】
また、窒化処理室３２には、クランクシャフト１２の放射温度を検出するワーク用放射温度計５２と、ダミーワーク３６の放射温度を検出するダミーワーク用放射温度計５４と、ダミーワーク３６に固定され、ダミーワーク３６の接触温度を検出する熱電対からなるダミーワーク用接触温度計５６とが配設される。ワーク用放射温度計５２、ダミーワーク用放射温度計５４及びダミーワーク用接触温度計５６は、温度検出ユニット５８（温度検出手段）に接続される。温度検出ユニット５８は、検出された各温度データからクランクシャフト１２の温度を推定する。
【００２４】
窒化処理室３２には、窒化処理室３２の内部のガスを吸引して所望の真空度を得るための真空吸引ポンプ６０がバルブ６２を介して接続される。また、窒化処理室３２には、窒化処理室３２の内部にプラズマ窒化処理を行うためのガス、例えば、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス等の混合ガスである窒化処理ガスを供給する窒化処理ガス供給ユニット６４がバルブ６６を介して接続される。冷却液通路３３には、冷却液を供給する冷却液供給ユニット６８がバルブ７０を介して接続される。なお、冷却液通路３３に供給された冷却液は、バルブ７２を介して外部に排出可能に構成される。
【００２５】
放電用電源ユニット４８、ヒータ電源ユニット５０、温度検出ユニット５８、真空吸引ポンプ６０、窒化処理ガス供給ユニット６４及び冷却液供給ユニット６８は、制御ユニット７４（制御手段）によって制御される。
【００２６】
本実施形態の窒化処理システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作及び作用効果につき、図４に示すフローチャートに従って説明する。
【００２７】
先ず、図２に示すように、治具１４に複数のクランクシャフト１２を位置決めしたマガジン１６を準備し、このマガジン１６をコンベア１８によって洗浄機２０に搬入し、各クランクシャフト１２に付着している塵や油の除去を行う（ステップＳ１）。
【００２８】
次いで、クランクシャフト１２が洗浄されたマガジン１６をコンベア２２によって搬送し、各横型熱処理炉２４の窒化処理室３２に投入する（ステップＳ２）。この場合、横型熱処理炉２４は、横型であるため、縦型に比較すると、クランクシャフト１２を保持した複数のマガジン１６を窒化処理室３２に対して容易に出入することができるとともに、窒化処理システム１０のレイアウトを簡略化できる利点がある。また、一度に処理できるクランクシャフト１２の処理数を容易に増加することができる。これに対して、縦型の場合、熱処理室を上方に大型に構成しなければならない。
【００２９】
マガジン１６が窒化処理室３２に投入されると、治具１４の底部が基台２６に配設された負電極３８と接続される。なお、窒化処理室３２には、クランクシャフト１２と物性が同等のダミーワーク３６が予め配設されている。
【００３０】
マガジン１６が窒化処理室３２に投入され、横型熱処理炉２４を密閉した後、窒化処理室３２を窒化雰囲気に設定する（ステップＳ３）。この場合、制御ユニット７４は、真空吸引ポンプ６０を駆動し、窒化処理室３２の内部の空気を所定の真空度まで吸引した後、窒化処理ガス供給ユニット６４を駆動し、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス等の混合ガスからなる窒化処理ガスを窒化処理室３２に導入する。
【００３１】
次いで、冷却液供給ユニット６８を駆動し、内側隔壁２８と外側隔壁３０との間の冷却液通路３３に冷却液を導入し、内側隔壁２８の壁面の冷却を開始する（ステップＳ４）。また、制御ユニット７４は、放電用電源ユニット４８に対して、周波数が１５ｋＨｚ、電流密度ρが２．５ｍＡ／ｃｍ2からなるパルス電圧を設定する（ステップＳ５）。さらに、制御ユニット７４は、ヒータ電源ユニット５０の出力Ｈを４０％に設定する（ステップＳ６）。
【００３２】
処理条件を前記のように設定した後、窒化処理室３２の窒化雰囲気の加熱及び窒化処理が開始される（ステップＳ７）。この場合、図５に示すように、クランクシャフト１２が投入され、各処理条件の設定が完了して放電用電源ユニット４８及びヒータ電源ユニット５０が駆動されると（処理時間ｔ０）、負電極３８と正電極４６との間に印加されるパルス電圧によってグロー放電が発生し、このグロー放電によって窒化処理室３２の窒化処理ガスがイオン化してクランクシャフト１２の表面に衝突することにより、クランクシャフト１２が加熱される。また、クランクシャフト１２を保持するマガジン１６の外周部に配設されている電気ヒータ３４が発熱し、その発熱による放射熱によって窒化処理室３２の窒化雰囲気が加熱される。なお、グロー放電は、ダミーワーク３６の表面においても発生するため、ダミーワーク３６も同様にして加熱される。
【００３３】
ここで、負電極３８、４２と正電極４６との間には、パルス周波数が１５ｋＨｚの電圧が印加されているため、窒化雰囲気が安定した窒化処理を開始できる温度まで十分に昇温されていない状態であっても、アーク放電が発生することのない安定したグロー放電状態が維持される。すなわち、電流が連続的に通電される時間が極めて短く、短い検知時間でアーク放電の継続を阻止することで、アーク痕が発生する電圧に到達する以前に電流を遮断し、アーク痕の発生を防止して安定したグロー放電状態を維持することができる。従って、クランクシャフト１２の表面がアーク放電によって損傷する事態が生じることはない。また、グロー放電による加熱は、放射熱によるものではなく、グロー放電によって生成された窒素イオン又は窒素ラジカルがクランクシャフト１２に衝突することによるものであるため、３５０℃未満では、クランクシャフト１２の放射熱による影響が少なく、隣接して配設されるクランクシャフト１２の位置関係やクランクシャフト１２の形状の影響を受けることがない。従って、クランクシャフト１２は、グロー放電によってむらなく加熱される。さらに、内側隔壁２８に沿って配設され、出力が低く設定された電気ヒータ３４からの放射熱により、窒化処理室３２の窒化雰囲気が加熱されるため、クランクシャフト１２は、温度分布を均一に維持した状態で安定した所望の窒化処理温度まで迅速に加熱される。
【００３４】
なお、昇温中において、冷却液通路３３には、冷却液が供給されており、例えば、内側隔壁２８を冷却液で１００℃以下に冷却維持することにより、電気ヒータ３４からの放射熱が内側隔壁２８によって反射して内側に配設されたクランクシャフト１２を必要以上に加熱してしまう事態を回避することができる。従って、クランクシャフト１２を一層均一に昇温させることができる。
【００３５】
一方、クランクシャフト１２の温度は、窒化処理室３２に配設したダミーワーク３６の温度と、クランクシャフト１２の放射温度とを用いて高精度に推定される（ステップＳ８、Ｓ９）。
【００３６】
すなわち、クランクシャフト１２に近接して配設されたワーク用放射温度計５２は、クランクシャフト１２から放射された放射熱の温度である放射温度Ｔｒｗを検出する。また、ダミーワーク３６に近接して配設されたダミーワーク用放射温度計５４は、ダミーワーク３６から放射された放射熱の温度である放射温度Ｔｒｄを検出する。さらに、ダミーワーク３６に固定されたダミーワーク用接触温度計５６は、ダミーワーク３６の正確な接触温度Ｔｃｄを検出する。
【００３７】
そこで、温度検出ユニット５８は、ダミーワーク用放射温度計５４によって検出されたダミーワーク３６の放射温度Ｔｒｄと、ダミーワーク用接触温度計５６によって検出されたダミーワーク３６の接触温度Ｔｃｄとの差を温度補正値ΔＴとして求め、この温度補正値ΔＴを用いて、クランクシャフト１２の温度Ｔｗを、
Ｔｗ＝Ｔｒｗ＋ΔＴ
として算出する。このようにしてクランクシャフト１２の温度を算出することにより、クランクシャフト１２に熱電対等の温度計を固定することなく、クランクシャフト１２の温度Ｔｗを非接触で高精度に推定することができる。
【００３８】
次に、制御ユニット７４は、窒化処理室３２の窒化雰囲気の加熱中において、温度検出ユニット５８によって推定したクランクシャフト１２の温度Ｔｗが４００℃以上であるか否かの判定処理を行う（ステップＳ１０）。この場合、クランクシャフト１２の温度Ｔｗが４００℃以上になると、クランクシャフト１２自身の熱放射の影響を無視することができなくなり、このままグロー放電による加熱を継続すると、クランクシャフト１２に温度むらの発生するおそれがある。
【００３９】
そこで、クランクシャフト１２の温度Ｔｗが４００℃に到達したことが判定されると（処理時間ｔ１）、制御ユニット７４は、放電用電源ユニット４８を制御し、負電極３８と正電極４６との間に印加されるグロー放電の電流密度ρを０．５ｍＡ／ｃｍ2まで降下させるとともに（ステップＳ１１）、ヒータ電源ユニット５０の出力を９０％まで上昇させる（ステップＳ１２）。
【００４０】
この場合、電流密度ρを０．５ｍＡ／ｃｍ2まで降下させることにより、グロー放電により加熱されたクランクシャフト１２から放射熱が放射される事態を抑制することができるとともに、クランクシャフト１２のグロー放電による急激な加熱を抑制することができる。また、ヒータ電源ユニット５０の出力を９０％まで上昇させることにより、クランクシャフト１２の温度分布を均一に維持した状態で、電気ヒータ３４からの放射熱によりオーバーシュートすることのない所望の窒化処理温度までクランクシャフト１２を加熱することができる。なお、放電用電源ユニット４８及びヒータ電源ユニット５０によるクランクシャフト１２の温度制御を行う場合、例えば、温度検出ユニット５８によって推定したクランクシャフト１２の温度Ｔｗに従い、電流密度ρを処理時間ｔ１からｔ２まで徐々に降下させる一方、ヒータ電源ユニット５０の出力を処理時間ｔ１からクランクシャフト１２の所望の窒化処理温度となるまで徐々に上昇させるように制御すると好適である。
【００４１】
クランクシャフト１２の温度Ｔｗが所望の窒化処理温度５７０℃に到達した後（ステップＳ１３）、制御ユニット７４は、ヒータ電源ユニット５０を制御してクランクシャフト１２の温度Ｔｗを窒化処理温度５７０℃に維持する（ステップＳ１４）。この間、クランクシャフト１２の表面では、窒素イオンと鉄イオンとが反応することで窒化処理が進行する。
【００４２】
そして、所定の時間が経過して窒化処理が完了すると（ステップＳ１５、処理時間ｔ３）、クランクシャフト１２がマガジン１６とともに横型熱処理炉２４から排出される（ステップＳ１６）。横型熱処理炉２４から排出されたマガジン１６は、コンベア２２によって搬送され、冷却槽２５に搬入されて冷却処理された後（ステップＳ１７）、コンベア２７を介して外部に排出される。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る窒化処理方法及び装置によれば、ワークを均一な温度に加熱して処理できるため、昇温時間の短縮、設定温度の高温化による処理時間の短縮が可能である。従って、ワークの品質を均一化することができるとともに、短時間で窒化処理を遂行することができる。
【００４４】
また、グロー放電によりワークを加熱する際、ワークの温度が少なくとも３５０℃以上となった時点でグロー放電の電流密度を低減させ、発熱体による加熱を主体として加熱することにより、ワークの温度分布を均一に維持した状態で所望の窒化処理温度まで加熱することができる。これにより、一層良好な窒化処理を遂行することができる。
【００４５】
さらに、グロー放電を行う際、１ｋＨｚ以上の周波数からなるパルス電圧をワークに印加することにより、アーク放電が生じることのない安定したグロー放電状態を継続することができるため、損傷のない良好な処理面を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の窒化処理装置を含む窒化処理システムの概略構成図である。
【図２】窒化処理の対象であるワーク及びそれを収納したマガジンの説明図である。
【図３】本実施形態の横型熱処理炉及びその制御回路の構成説明図である。
【図４】本実施形態の窒化処理方法のフローチャートである。
【図５】本実施形態の窒化処理方法におけるワーク温度、電流密度及びヒータ出力の関係説明図である。
【符号の説明】
１０…窒化処理システム １２…クランクシャフト
１４…治具 １６…マガジン
２０…洗浄機 ２４…横型熱処理炉
２５…冷却槽 ２８…内側隔壁
３０…外側隔壁 ３２…窒化処理室
３３…冷却液通路 ３４…電気ヒータ
３６…ダミーワーク ４８…放電用電源ユニット
５０…ヒータ電源ユニット ５２…ワーク用放射温度計
５４…ダミーワーク用放射温度計 ５６…ダミーワーク用接触温度計
５８…温度検出ユニット ６０…真空吸引ポンプ
６４…窒化処理ガス供給ユニット ６８…冷却液供給ユニット
７４…制御ユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化処理は、鋼材からなるワークの表面を窒化させることによって窒化鉄層を形成し、これによりワーク表面を硬化する処理であり、広汎に実施されている。窒化処理の一方法としては、グロー放電によってプラズマ加熱を行うプラズマ窒化処理が挙げられる。
【０００３】
ところで、ワークが冷えているとグロー放電が不安定となり、状況によってはアーク放電が発生し、ワーク表面の一部が溶解したり、あるいは、均一な窒化処理を施すことができなくなる不具合が生じる。特に、ワークの温度分布が不均一であると、窒化の進行度合いが場所によって異なってくるため、良好な製品を得ることができなくなってしまう。
【０００４】
そこで、安定した窒化処理が可能な所望の温度までワークを迅速且つ均一に加熱することを目的として、ワークの周囲に赤外線ヒータ又はグラファイトクロス発熱体等の加熱手段を配設し、グロー放電と併用してワークを加熱するように構成した従来技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５２−８２６４１号公報（第２頁左上欄第８行〜第１３行）
【特許文献２】
特開昭５３−２３８３６号公報（第２頁第右上欄１３行〜左下欄第３行）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、複雑な形状からなる複数のワークを同時に熱処理炉内に投入して加熱するような場合、上記の従来技術のように、単にグロー放電と加熱手段とを併用しただけでは、ワークを均一な温度分布とすることはできない。
【０００７】
すなわち、グロー放電による発熱は、基本的には、グロー放電によって生成された窒素イオンがワークの表面に衝突することにより生じるものであるが、ワークがある温度以上に加熱されると、ワーク自身の放射熱によって周囲のワークを加熱することになるため、加熱手段に近接した部位と加熱手段から離間した部位との間に温度差が生じてしまう。なお、ワーク間に多数の加熱手段を配設すれば、この問題を解消可能となるが、例えば、異なる形状からなるワークに対して窒化処理を行うことが要求される多品種少量生産のような生産ラインにおいて、ワーク間の適切な位置に加熱手段を配設して構成することは、実質上不可能である。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ワークを安定して窒化処理が可能な温度まで迅速且つ均一に加熱し、ワークの温度ばらつきの少ない状態で良好な窒化処理を施すことができる窒化処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理方法であって、
前記熱処理炉と前記ワークとの間に１ｋＨｚ以上の周波数からなる所定の電流密度のパルス電圧を印加し、発生するグロー放電によって前記ワークを加熱する第１ステップと、
前記ワークの温度が少なくとも３５０℃に到達した後、前記パルス電圧の電流密度を減少させる一方、前記ワークの周囲に配設した発熱体により前記ワークを所望の窒化処理温度まで加熱する第２ステップと、
からなり、前記グロー放電で生成された窒素イオン又は窒素ラジカルにより窒化処理を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理装置であって、
前記熱処理炉と前記ワークとの間に１ｋＨｚ以上の周波数からなる所定の電流密度のパルス電圧を印加してグロー放電を発生させるグロー放電発生手段と、
前記熱処理炉内に配設される発熱体により前記ワークを加熱する加熱手段と、
前記ワークの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された前記ワークの温度に基づき、前記グロー放電発生手段による前記グロー放電の電流密度を制御するとともに、前記加熱手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記温度検出手段は、
前記熱処理炉内に配設したダミーワークの放射温度を検出するダミーワーク用放射温度計と、
前記ダミーワークの接触温度を検出するダミーワーク用接触温度計と、
前記ワークの放射温度を検出するワーク用放射温度計と、
前記ダミーワークの前記放射温度及び前記接触温度の温度差を算出し、前記ワークの前記放射温度を前記温度差によって補正することで前記ワークの温度を算出するワーク温度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
この場合、グロー放電を発生させるためのパルス電圧の周波数を１ｋＨｚ以上とすることにより、電流が連続的に通電される時間を１ｍｓ以下とし、短い検知時間でアーク放電の継続を阻止することで、アーク痕が発生する電圧に到達する以前に電流を遮断するため、アーク痕の発生を防止して安定したグロー放電状態を維持し、ワーク表面を損傷させることなく加熱することができる。なお、検知時間は、より短いほうが好ましく、従って、例えば、パルス電圧を発生させる電源としては、１５ｋＨｚ程度のものを使用すると好適である。また、グロー放電によってワークが直接加熱されるため、ワークの形状やワークの配置等によらず、特に、対流や発熱体からの距離、ワークの個数等によりばらつきの生じ易い横型熱処理炉のような構造であっても、熱処理炉内のワーク温度を均一に上昇させることができる。なお、グロー放電と発熱体による加熱とを併用することにより、均一な温度分布を維持した状態でワークを迅速に加熱することができる。この結果、全てのワークが一定温度に到達するまでの所要時間が短く、また、ワークを一定温度に保持する必要時間も短縮することができる。
【００１２】
また、加熱中におけるワークの温度を検出し、温度が３５０℃に到達した後、グロー放電の電流密度を減少させることにより、グロー放電によって加熱されたワーク自体からの過剰な放射熱の発生を回避し、熱処理炉内の温度分布を均一に維持することができるとともに、急激な温度上昇を回避することができる。次いで、この温度からワークの周囲に配設した発熱体を用いてワークをさらに加熱することにより、ワークを所望の窒化処理温度に高精度に設定することができる。
【００１３】
この場合、ワークの温度が所望の窒化処理温度を超過すると、ワークに異常組織が生成されてしまうおそれがあるが、本発明では、グロー放電による発熱を高精度に調整することができるため、ワークをオーバーシュートすることのない高温度に設定して窒化処理に要する時間を短縮することができる。
【００１４】
なお、グロー放電の電流密度としては、０．０５〜７ｍＡ／ｃｍ2に設定すると好適である。０．０５ｍＡ／ｃｍ2未満であると、特に低温時において、グロー放電が安定せず、均一な加熱ができない。また、電流密度を７ｍＡ／ｃｍ2よりも大きく設定すると、アーク放電に移行しワークの損傷が生じる。なお、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ2未満では、昇温に時間がかかり、また、４ｍＡ／ｃｍ2を超えると、突起部等を有するワークの場合、突起部等にイオン衝突が起こり易く、異常加熱するおそれがある。従って、電流密度は、０．１〜４ｍＡ／ｃｍ2の範囲に設定することが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明では、ワークの温度を接触式の温度計を用いることなく高精度に検出するため、熱処理炉内にダミーワークを配設し、ダミーワークの接触温度と放射温度とを検出するとともに、ワークの放射温度を検出し、ダミーワークの接触温度及び放射温度の温度差からワークの放射温度を補正してワーク自体の温度を推定する。このようにして推定したワークの温度に基づいて、グロー放電や発熱体による加熱を制御することにより、ワークの温度を高精度に管理して極めて良好な窒化処理を行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の窒化処理装置を含む窒化処理システム１０の概略構成図である。この窒化処理システム１０には、図２に示すように、ワークである複数のクランクシャフト１２が治具１４に位置決めされたマガジン１６として供給される。
【００１７】
窒化処理システム１０は、コンベア１８によって搬送されるクランクシャフト１２に付着した塵や油等を除去する洗浄機２０と、洗浄されたクランクシャフト１２をコンベア１８から受け取って各作業ステーションに搬送するコンベア２２と、コンベア２２に沿った複数の作業ステーションに配置される横型熱処理炉２４と、コンベア２２の最終端に接続されるコンベア２７によって搬送されるクランクシャフト１２を冷却する冷却槽２５とを備える。
【００１８】
図３は、各作業ステーションに配置される横型熱処理炉２４及びその制御回路の構成説明図である。
【００１９】
横型熱処理炉２４は、クランクシャフト１２に対してプラズマ窒化処理を施す熱処理炉であり、クランクシャフト１２が位置決めされたマガジン１６を水平方向に出入する横型として構成される。横型熱処理炉２４には、基台２６上に内側隔壁２８及び外側隔壁３０が配設される。
【００２０】
内側隔壁２８は、治具１４とともにクランクシャフト１２を収納する窒化雰囲気からなる窒化処理室３２を形成する。また、内側隔壁２８と外側隔壁３０との間の空間は、内側隔壁２８を冷却して熱放射の影響をなくし、窒化処理室３２の温度上昇時の制御を容易にする冷却液通路３３を形成する。
【００２１】
窒化処理室３２には、内側隔壁２８及び基台２６に沿って複数の電気ヒータ３４（発熱体）が配設される。また、窒化処理室３２には、物性がクランクシャフト１２と同等のダミーワーク３６が配設される。なお、ダミーワーク３６は、クランクシャフト１２そのものであってもよい。
【００２２】
基台２６には、マガジン１６に電気的に接続される負電極３８が絶縁体４０を介して配設されるとともに、ダミーワーク３６に電気的に接続される負電極４２が絶縁体４４を介して配設される。また、窒化処理室３２の電気ヒータ３４の内側には、電極板４５が配設される。この電極板４５には、正電極４６が接続される。これらの負電極３８、４２と正電極４６との間には、１ｋＨｚ以上の周波数からなるパルス電圧を印加する放電用電源ユニット４８（グロー放電発生手段）が接続される。電気ヒータ３４には、ヒータ電源ユニット５０（加熱手段）が接続される。
【００２３】
また、窒化処理室３２には、クランクシャフト１２の放射温度を検出するワーク用放射温度計５２と、ダミーワーク３６の放射温度を検出するダミーワーク用放射温度計５４と、ダミーワーク３６に固定され、ダミーワーク３６の接触温度を検出する熱電対からなるダミーワーク用接触温度計５６とが配設される。ワーク用放射温度計５２、ダミーワーク用放射温度計５４及びダミーワーク用接触温度計５６は、温度検出ユニット５８（温度検出手段）に接続される。温度検出ユニット５８は、検出された各温度データからクランクシャフト１２の温度を推定する。
【００２４】
窒化処理室３２には、窒化処理室３２の内部のガスを吸引して所望の真空度を得るための真空吸引ポンプ６０がバルブ６２を介して接続される。また、窒化処理室３２には、窒化処理室３２の内部にプラズマ窒化処理を行うためのガス、例えば、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス等の混合ガスである窒化処理ガスを供給する窒化処理ガス供給ユニット６４がバルブ６６を介して接続される。冷却液通路３３には、冷却液を供給する冷却液供給ユニット６８がバルブ７０を介して接続される。なお、冷却液通路３３に供給された冷却液は、バルブ７２を介して外部に排出可能に構成される。
【００２５】
放電用電源ユニット４８、ヒータ電源ユニット５０、温度検出ユニット５８、真空吸引ポンプ６０、窒化処理ガス供給ユニット６４及び冷却液供給ユニット６８は、制御ユニット７４（制御手段）によって制御される。
【００２６】
本実施形態の窒化処理システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作及び作用効果につき、図４に示すフローチャートに従って説明する。
【００２７】
先ず、図２に示すように、治具１４に複数のクランクシャフト１２を位置決めしたマガジン１６を準備し、このマガジン１６をコンベア１８によって洗浄機２０に搬入し、各クランクシャフト１２に付着している塵や油の除去を行う（ステップＳ１）。
【００２８】
次いで、クランクシャフト１２が洗浄されたマガジン１６をコンベア２２によって搬送し、各横型熱処理炉２４の窒化処理室３２に投入する（ステップＳ２）。この場合、横型熱処理炉２４は、横型であるため、縦型に比較すると、クランクシャフト１２を保持した複数のマガジン１６を窒化処理室３２に対して容易に出入することができるとともに、窒化処理システム１０のレイアウトを簡略化できる利点がある。また、一度に処理できるクランクシャフト１２の処理数を容易に増加することができる。これに対して、縦型の場合、熱処理室を上方に大型に構成しなければならない。
【００２９】
マガジン１６が窒化処理室３２に投入されると、治具１４の底部が基台２６に配設された負電極３８と接続される。なお、窒化処理室３２には、クランクシャフト１２と物性が同等のダミーワーク３６が予め配設されている。
【００３０】
マガジン１６が窒化処理室３２に投入され、横型熱処理炉２４を密閉した後、窒化処理室３２を窒化雰囲気に設定する（ステップＳ３）。この場合、制御ユニット７４は、真空吸引ポンプ６０を駆動し、窒化処理室３２の内部の空気を所定の真空度まで吸引した後、窒化処理ガス供給ユニット６４を駆動し、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス等の混合ガスからなる窒化処理ガスを窒化処理室３２に導入する。
【００３１】
次いで、冷却液供給ユニット６８を駆動し、内側隔壁２８と外側隔壁３０との間の冷却液通路３３に冷却液を導入し、内側隔壁２８の壁面の冷却を開始する（ステップＳ４）。また、制御ユニット７４は、放電用電源ユニット４８に対して、周波数が１５ｋＨｚ、電流密度ρが２．５ｍＡ／ｃｍ2からなるパルス電圧を設定する（ステップＳ５）。さらに、制御ユニット７４は、ヒータ電源ユニット５０の出力Ｈを４０％に設定する（ステップＳ６）。
【００３２】
処理条件を前記のように設定した後、窒化処理室３２の窒化雰囲気の加熱及び窒化処理が開始される（ステップＳ７）。この場合、図５に示すように、クランクシャフト１２が投入され、各処理条件の設定が完了して放電用電源ユニット４８及びヒータ電源ユニット５０が駆動されると（処理時間ｔ０）、負電極３８と正電極４６との間に印加されるパルス電圧によってグロー放電が発生し、このグロー放電によって窒化処理室３２の窒化処理ガスがイオン化してクランクシャフト１２の表面に衝突することにより、クランクシャフト１２が加熱される。また、クランクシャフト１２を保持するマガジン１６の外周部に配設されている電気ヒータ３４が発熱し、その発熱による放射熱によって窒化処理室３２の窒化雰囲気が加熱される。なお、グロー放電は、ダミーワーク３６の表面においても発生するため、ダミーワーク３６も同様にして加熱される。
【００３３】
ここで、負電極３８、４２と正電極４６との間には、パルス周波数が１５ｋＨｚの電圧が印加されているため、窒化雰囲気が安定した窒化処理を開始できる温度まで十分に昇温されていない状態であっても、アーク放電が発生することのない安定したグロー放電状態が維持される。すなわち、電流が連続的に通電される時間が極めて短く、短い検知時間でアーク放電の継続を阻止することで、アーク痕が発生する電圧に到達する以前に電流を遮断し、アーク痕の発生を防止して安定したグロー放電状態を維持することができる。従って、クランクシャフト１２の表面がアーク放電によって損傷する事態が生じることはない。また、グロー放電による加熱は、放射熱によるものではなく、グロー放電によって生成された窒素イオン又は窒素ラジカルがクランクシャフト１２に衝突することによるものであるため、３５０℃未満では、クランクシャフト１２の放射熱による影響が少なく、隣接して配設されるクランクシャフト１２の位置関係やクランクシャフト１２の形状の影響を受けることがない。従って、クランクシャフト１２は、グロー放電によってむらなく加熱される。さらに、内側隔壁２８に沿って配設され、出力が低く設定された電気ヒータ３４からの放射熱により、窒化処理室３２の窒化雰囲気が加熱されるため、クランクシャフト１２は、温度分布を均一に維持した状態で安定した所望の窒化処理温度まで迅速に加熱される。
【００３４】
なお、昇温中において、冷却液通路３３には、冷却液が供給されており、例えば、内側隔壁２８を冷却液で１００℃以下に冷却維持することにより、電気ヒータ３４からの放射熱が内側隔壁２８によって反射して内側に配設されたクランクシャフト１２を必要以上に加熱してしまう事態を回避することができる。従って、クランクシャフト１２を一層均一に昇温させることができる。
【００３５】
一方、クランクシャフト１２の温度は、窒化処理室３２に配設したダミーワーク３６の温度と、クランクシャフト１２の放射温度とを用いて高精度に推定される（ステップＳ８、Ｓ９）。
【００３６】
すなわち、クランクシャフト１２に近接して配設されたワーク用放射温度計５２は、クランクシャフト１２から放射された放射熱の温度である放射温度Ｔｒｗを検出する。また、ダミーワーク３６に近接して配設されたダミーワーク用放射温度計５４は、ダミーワーク３６から放射された放射熱の温度である放射温度Ｔｒｄを検出する。さらに、ダミーワーク３６に固定されたダミーワーク用接触温度計５６は、ダミーワーク３６の正確な接触温度Ｔｃｄを検出する。
【００３７】
そこで、温度検出ユニット５８は、ダミーワーク用放射温度計５４によって検出されたダミーワーク３６の放射温度Ｔｒｄと、ダミーワーク用接触温度計５６によって検出されたダミーワーク３６の接触温度Ｔｃｄとの差を温度補正値ΔＴとして求め、この温度補正値ΔＴを用いて、クランクシャフト１２の温度Ｔｗを、
Ｔｗ＝Ｔｒｗ＋ΔＴ
として算出する。このようにしてクランクシャフト１２の温度を算出することにより、クランクシャフト１２に熱電対等の温度計を固定することなく、クランクシャフト１２の温度Ｔｗを非接触で高精度に推定することができる。
【００３８】
次に、制御ユニット７４は、窒化処理室３２の窒化雰囲気の加熱中において、温度検出ユニット５８によって推定したクランクシャフト１２の温度Ｔｗが４００℃以上であるか否かの判定処理を行う（ステップＳ１０）。この場合、クランクシャフト１２の温度Ｔｗが４００℃以上になると、クランクシャフト１２自身の熱放射の影響を無視することができなくなり、このままグロー放電による加熱を継続すると、クランクシャフト１２に温度むらの発生するおそれがある。
【００３９】
そこで、クランクシャフト１２の温度Ｔｗが４００℃に到達したことが判定されると（処理時間ｔ１）、制御ユニット７４は、放電用電源ユニット４８を制御し、負電極３８と正電極４６との間に印加されるグロー放電の電流密度ρを０．５ｍＡ／ｃｍ2まで降下させるとともに（ステップＳ１１）、ヒータ電源ユニット５０の出力を９０％まで上昇させる（ステップＳ１２）。
【００４０】
この場合、電流密度ρを０．５ｍＡ／ｃｍ2まで降下させることにより、グロー放電により加熱されたクランクシャフト１２から放射熱が放射される事態を抑制することができるとともに、クランクシャフト１２のグロー放電による急激な加熱を抑制することができる。また、ヒータ電源ユニット５０の出力を９０％まで上昇させることにより、クランクシャフト１２の温度分布を均一に維持した状態で、電気ヒータ３４からの放射熱によりオーバーシュートすることのない所望の窒化処理温度までクランクシャフト１２を加熱することができる。なお、放電用電源ユニット４８及びヒータ電源ユニット５０によるクランクシャフト１２の温度制御を行う場合、例えば、温度検出ユニット５８によって推定したクランクシャフト１２の温度Ｔｗに従い、電流密度ρを処理時間ｔ１からｔ２まで徐々に降下させる一方、ヒータ電源ユニット５０の出力を処理時間ｔ１からクランクシャフト１２の所望の窒化処理温度となるまで徐々に上昇させるように制御すると好適である。
【００４１】
クランクシャフト１２の温度Ｔｗが所望の窒化処理温度５７０℃に到達した後（ステップＳ１３）、制御ユニット７４は、ヒータ電源ユニット５０を制御してクランクシャフト１２の温度Ｔｗを窒化処理温度５７０℃に維持する（ステップＳ１４）。この間、クランクシャフト１２の表面では、窒素イオンと鉄イオンとが反応することで窒化処理が進行する。
【００４２】
そして、所定の時間が経過して窒化処理が完了すると（ステップＳ１５、処理時間ｔ３）、クランクシャフト１２がマガジン１６とともに横型熱処理炉２４から排出される（ステップＳ１６）。横型熱処理炉２４から排出されたマガジン１６は、コンベア２２によって搬送され、冷却槽２５に搬入されて冷却処理された後（ステップＳ１７）、コンベア２７を介して外部に排出される。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る窒化処理方法及び装置によれば、ワークを均一な温度に加熱して処理できるため、昇温時間の短縮、設定温度の高温化による処理時間の短縮が可能である。従って、ワークの品質を均一化することができるとともに、短時間で窒化処理を遂行することができる。
【００４４】
また、グロー放電によりワークを加熱する際、ワークの温度が少なくとも３５０℃以上となった時点でグロー放電の電流密度を低減させ、発熱体による加熱を主体として加熱することにより、ワークの温度分布を均一に維持した状態で所望の窒化処理温度まで加熱することができる。これにより、一層良好な窒化処理を遂行することができる。
【００４５】
さらに、グロー放電を行う際、１ｋＨｚ以上の周波数からなるパルス電圧をワークに印加することにより、アーク放電が生じることのない安定したグロー放電状態を継続することができるため、損傷のない良好な処理面を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の窒化処理装置を含む窒化処理システムの概略構成図である。
【図２】窒化処理の対象であるワーク及びそれを収納したマガジンの説明図である。
【図３】本実施形態の横型熱処理炉及びその制御回路の構成説明図である。
【図４】本実施形態の窒化処理方法のフローチャートである。
【図５】本実施形態の窒化処理方法におけるワーク温度、電流密度及びヒータ出力の関係説明図である。
【符号の説明】
１０…窒化処理システム １２…クランクシャフト
１４…治具 １６…マガジン
２０…洗浄機 ２４…横型熱処理炉
２５…冷却槽 ２８…内側隔壁
３０…外側隔壁 ３２…窒化処理室
３３…冷却液通路 ３４…電気ヒータ
３６…ダミーワーク ４８…放電用電源ユニット
５０…ヒータ電源ユニット ５２…ワーク用放射温度計
５４…ダミーワーク用放射温度計 ５６…ダミーワーク用接触温度計
５８…温度検出ユニット ６０…真空吸引ポンプ
６４…窒化処理ガス供給ユニット ６８…冷却液供給ユニット
７４…制御ユニット
Claims (6)
- 熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理方法であって、
前記熱処理炉と前記ワークとの間に１ｋＨｚ以上の周波数からなる所定の電流密度のパルス電圧を印加し、発生するグロー放電によって前記ワークを加熱する第１ステップと、
前記ワークの温度が少なくとも３５０℃に到達した後、前記パルス電圧の電流密度を減少させる一方、前記ワークの周囲に配設した発熱体により前記ワークを所望の窒化処理温度まで加熱する第２ステップと、
からなり、前記グロー放電で生成された窒素イオン又は窒素ラジカルにより窒化処理を行うことを特徴とする窒化処理方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記第１ステップでは、前記グロー放電及び前記発熱体により発生する熱によって前記ワークを加熱することを特徴とする窒化処理方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記パルス電圧の電流密度は、０．０５〜７ｍＡ／ｃｍ2に設定することを特徴とする窒化処理方法。 - 請求項１記載の方法において、
前記ワークの温度は、前記熱処理炉内に配設したダミーワークの放射温度及び接触温度の温度差を検出するとともに、前記ワークの放射温度を検出し、前記ワークの前記放射温度を前記温度差によって補正して求めることを特徴とする窒化処理方法。 - 熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理装置であって、
前記熱処理炉と前記ワークとの間に１ｋＨｚ以上の周波数からなる所定の電流密度のパルス電圧を印加してグロー放電を発生させるグロー放電発生手段と、
前記熱処理炉内に配設される発熱体により前記ワークを加熱する加熱手段と、
前記ワークの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された前記ワークの温度に基づき、前記グロー放電発生手段による前記グロー放電の電流密度を制御するとともに、前記加熱手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記温度検出手段は、
前記熱処理炉内に配設したダミーワークの放射温度を検出するダミーワーク用放射温度計と、
前記ダミーワークの接触温度を検出するダミーワーク用接触温度計と、
前記ワークの放射温度を検出するワーク用放射温度計と、
前記ダミーワークの前記放射温度及び前記接触温度の温度差を算出し、前記ワークの前記放射温度を前記温度差によって補正することで前記ワークの温度を算出するワーク温度算出手段と、
を備えることを特徴とする窒化処理装置。 - 請求項５記載の装置において、
前記熱処理炉は、横型熱処理炉であることを特徴とする窒化処理装置。
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