JP5550276B2 - ガス浸炭処理装置およびガス浸炭方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガス浸炭処理装置およびガス浸炭方法に関する。
自動車、産業機械などの部品に用いられる低炭素鋼製または低炭素合金綱製の材料は、部品の耐摩耗性、耐疲労性などを向上させるために、表面硬化処理が施されている。この表面硬化処理は、例えば、低炭素鋼製または低炭素合金鋼製のワークを耐熱性部材で構成された加熱室内に収納し、吸熱型ガスからなる浸炭ガスを含む雰囲気中で加熱し、ワークの浸炭処理および拡散処理を行ない、ワークの表面における炭素含有量を向上させるガス浸炭方法により行なわれている。前記方法では、加熱室内部の加熱により発生する一酸化炭素ガスと水素ガスとが浸炭反応に寄与しており、かかる方法では、水素ガスは、不可避ガスであると考えられている。
しかしながら、前記方法では、ワークの浸炭処理および拡散処理を行なう際に、加熱室内部全体の加熱が必要となる。そのため、前記方法では、所定温度までの加熱などの温度制御や雰囲気の安定化などに時間がかかるとともに、処理コストがかかる。また、前記方法では、加熱室の耐久性の観点から、９５０℃を超える高温での浸炭処理を行なうことが困難である。
そこで、容器内に収納されたワークの表面を高周波誘導加熱により所定温度まで加熱した後、この容器内に炭化水素ガスおよび不活性ガスを供給して、浸炭処理を行なう方法が本出願人により開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に記載の方法では、高周波誘導加熱により加熱されたワークの表面に、炭化水素ガスが接触した際に、当該炭化水素ガスが分解すると同時にワークの表面への浸炭が生じると考えられている。
特許文献１に記載の方法では、高周波誘導加熱により加熱されたワークの表面に、炭化水素ガスが接触した際に、当該炭化水素ガスが分解すると同時にワークの表面への浸炭が生じると考えられている。
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、浸炭処理時には、常に一定流量で炭化水素ガスと窒素ガスとの混合ガスが容器内に供給されるため、例えば、炭化水素ガスとして、メタンガスを用いた場合には、式（１）：ＣＨ4→Ｃ＋２Ｈ2で表される浸炭反応に伴って、容器内における水素ガスの量が増加する（図７の破線部を参照）。
したがって、浸炭ガスとして用いられるメタンガス（希釈用窒素ガスを含む）が前記水素ガスにより希釈され、浸炭反応の速度が低下するため、浸炭処理に際して、所望の表面硬さを確保するのに要する時間が増加することがある。
したがって、浸炭ガスとして用いられるメタンガス（希釈用窒素ガスを含む）が前記水素ガスにより希釈され、浸炭反応の速度が低下するため、浸炭処理に際して、所望の表面硬さを確保するのに要する時間が増加することがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低処理コストで、かつより短時間でワークの浸炭処理および拡散処理を行なうことができるガス浸炭処理装置およびガス浸炭方法を提供することを目的とする。
本発明のガス浸炭処理装置は、金属製のワークに浸炭処理を施すガス浸炭処理装置であって、
前記ワークを内部にセットする処理室本体と、
前記ワークを加熱する誘導加熱装置と、
前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を検知するガス分析計と
前記処理室本体内に炭化水素ガスおよび不活性ガスを供給するガス流路と、
浸炭処理時に、前記ガス分析計により検知した炭化水素ガスの濃度に基づき前記処理室本体内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持するガス制御部と
を備えていることを特徴としている。
前記ワークを内部にセットする処理室本体と、
前記ワークを加熱する誘導加熱装置と、
前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を検知するガス分析計と
前記処理室本体内に炭化水素ガスおよび不活性ガスを供給するガス流路と、
浸炭処理時に、前記ガス分析計により検知した炭化水素ガスの濃度に基づき前記処理室本体内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持するガス制御部と
を備えていることを特徴としている。
前記のように構成されたガス浸炭処理装置では、前記ガス制御部によって、浸炭処理時において、処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持するように制御することができる。また、このように制御された雰囲気中で、前記誘導加熱装置によって、処理室本体内にセットされたワークの少なくとも表面を誘導加熱することにより、当該ワークに浸炭処理を施すことができる。
これにより、本発明のガス浸炭処理装置によれば、浸炭処理の間、処理室本体内の雰囲気を一定濃度の炭化水素ガスを含む浸炭雰囲気に保つことができるため、浸炭反応の進行に伴って水素ガスの発生量が増加した場合や、ワークの表面積の大きさに比例して水素ガスの発生量が増加した場合でも、浸炭反応の速度を一定速度に維持することができる。
これにより、本発明のガス浸炭処理装置によれば、浸炭処理の間、処理室本体内の雰囲気を一定濃度の炭化水素ガスを含む浸炭雰囲気に保つことができるため、浸炭反応の進行に伴って水素ガスの発生量が増加した場合や、ワークの表面積の大きさに比例して水素ガスの発生量が増加した場合でも、浸炭反応の速度を一定速度に維持することができる。
したがって、本発明のガス浸炭処理装置によれば、従来の方法に比べて、所望の表面硬さを確保するのに要する処理時間の短縮化を図ることができる。また、本発明のガス浸炭処理装置によれば、処理時間の短縮化に伴い、浸炭処理における炭化水素ガスおよび不活性ガスの使用量や誘導加熱に要する電力量などの処理コストを低減させることができる。さらに、本発明のガス浸炭処理装置によれば、浸炭処理時に、処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持することができるため、ワークの表面積の大小にかかわらず、ほぼ同じ浸炭品質を確保することができる。
本発明のガス浸炭方法は、金属製のワークに浸炭処理を施すガス浸炭方法であって、
ワークに浸炭処理を施す処理室本体内に前記ワークをセットするセット工程、
前記ワークを不活性ガス中で誘導加熱する加熱工程
前記処理室本体内の炭化水素ガスを検知して炭化水素ガスの濃度を求める工程、および
前記ワークの表面の温度が所定温度になった時、前記求められた炭化水素ガスの濃度に基づき、前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定に維持しながら当該処理室本体内に両ガスを供給するとともに、前記ワークを誘導加熱して、当該ワークを所定温度で所定時間保持する浸炭処理工程
を含むことを特徴としている。
ワークに浸炭処理を施す処理室本体内に前記ワークをセットするセット工程、
前記ワークを不活性ガス中で誘導加熱する加熱工程
前記処理室本体内の炭化水素ガスを検知して炭化水素ガスの濃度を求める工程、および
前記ワークの表面の温度が所定温度になった時、前記求められた炭化水素ガスの濃度に基づき、前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定に維持しながら当該処理室本体内に両ガスを供給するとともに、前記ワークを誘導加熱して、当該ワークを所定温度で所定時間保持する浸炭処理工程
を含むことを特徴としている。
本発明のガス浸炭方法では、浸炭処理工程において、前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持しながら当該処理室本体内に両ガスを供給する。これにより、本発明のガス浸炭方法では、浸炭処理工程の間、処理室本体内の雰囲気を、一定濃度の炭化水素ガスを含む浸炭雰囲気に保つことができる。
したがって、前述したガス浸炭処理装置と同様に、浸炭反応の進行に伴って水素ガスの発生量が増加した場合や、ワークの表面積の大きさに比例して水素ガスの発生量が増加した場合でも、浸炭反応の速度を一定速度に維持することができ、かつワークの表面積の大小にかかわらず、ほぼ同じ浸炭品質を確保することができる。また、本発明のガス浸炭方法では、浸炭処理に要する時間の短縮化に伴い、浸炭処理における炭化水素ガスおよび不活性ガスの使用量や誘導加熱に要する電力量を低減させることができ、低処理コストでの処理が可能になる。
したがって、前述したガス浸炭処理装置と同様に、浸炭反応の進行に伴って水素ガスの発生量が増加した場合や、ワークの表面積の大きさに比例して水素ガスの発生量が増加した場合でも、浸炭反応の速度を一定速度に維持することができ、かつワークの表面積の大小にかかわらず、ほぼ同じ浸炭品質を確保することができる。また、本発明のガス浸炭方法では、浸炭処理に要する時間の短縮化に伴い、浸炭処理における炭化水素ガスおよび不活性ガスの使用量や誘導加熱に要する電力量を低減させることができ、低処理コストでの処理が可能になる。
本発明のガス浸炭処理装置およびガス浸炭方法では、前記処理室本体内への炭化水素ガスの濃度および不活性ガスの供給量の総量を一定量に維持するのが好ましい。
本発明のガス浸炭方法では、前記加熱工程において、処理室本体内を真空排気した後、不活性ガスを前記処理室本体内に充填して、当該ワークを誘導加熱してもよく、不活性ガスを前記処理室本体内に充満させ、当該ワークを誘導加熱してもよい。
また、本発明のガス浸炭方法では、前記浸炭処理工程後に、炭化水素ガスの供給を停止し、前記ワークを所定温度で所定時間保持する拡散処理工程をさらに含むことが好ましい。
これにより、本発明のガス浸炭方法によれば、有効硬化層を増加させることができる。
この場合、本発明のガス浸炭方法では、前記拡散処理工程において、炭化水素ガスの供給を停止した後の処理室本体内に不活性ガスを充満させ、当該ワークを所定温度で所定時間保持するか、または前記処理室本体内を所定の減圧状態にし、当該ワークを所定温度で所定時間保持することができる。
本発明のガス浸炭方法では、前記加熱工程において、処理室本体内を真空排気した後、不活性ガスを前記処理室本体内に充填して、当該ワークを誘導加熱してもよく、不活性ガスを前記処理室本体内に充満させ、当該ワークを誘導加熱してもよい。
また、本発明のガス浸炭方法では、前記浸炭処理工程後に、炭化水素ガスの供給を停止し、前記ワークを所定温度で所定時間保持する拡散処理工程をさらに含むことが好ましい。
これにより、本発明のガス浸炭方法によれば、有効硬化層を増加させることができる。
この場合、本発明のガス浸炭方法では、前記拡散処理工程において、炭化水素ガスの供給を停止した後の処理室本体内に不活性ガスを充満させ、当該ワークを所定温度で所定時間保持するか、または前記処理室本体内を所定の減圧状態にし、当該ワークを所定温度で所定時間保持することができる。
本発明のガス浸炭処理装置およびガス浸炭方法によれば、低処理コストで、かつより短時間でワークの浸炭処理および拡散処理を行なうことができる。
（ガス浸炭処理装置の構成）
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るガス浸炭処理装置を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガス浸炭処理装置の要部構成を示すブロック図である。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るガス浸炭処理装置を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガス浸炭処理装置の要部構成を示すブロック図である。
ガス浸炭処理装置１は、図１に示すように、内部にワークＷをセットする処理室本体１０と、処理室本体１０内にメタンガスおよび窒素ガスを供給するガス流路１１と、ワークＷを誘導加熱する加熱コイル１２ａおよびこの加熱コイル１２ａに高周波電流を供給する誘導加熱電源１２ｂを有する誘導加熱装置１２と、メタンガスの供給量を制御するガス制御部および窒素ガスの供給量を制御するガス制御部としてのマスフローコントローラ１３ａ，１３ｂとを備えている。
さらに、ガス浸炭処理装置１には、処理室本体１０内に供給する初期浸炭雰囲気ガスを収容している雰囲気ガスタンク１５と、処理室本体１０内のメタンガス濃度を検知するＣＨ4ガス分析計１６と、ワークＷの表面温度を検知するＩＲセンサ１７と、誘導加熱電源１２ｂおよびマスフローコントローラ１３ａ，１３ｂの動作を制御する動作制御部としてのシーケンサ１８とが設けられている。
さらに、ガス浸炭処理装置１には、処理室本体１０内に供給する初期浸炭雰囲気ガスを収容している雰囲気ガスタンク１５と、処理室本体１０内のメタンガス濃度を検知するＣＨ4ガス分析計１６と、ワークＷの表面温度を検知するＩＲセンサ１７と、誘導加熱電源１２ｂおよびマスフローコントローラ１３ａ，１３ｂの動作を制御する動作制御部としてのシーケンサ１８とが設けられている。
処理室本体１０は、メタンガスおよび窒素ガスの置換が容易な容器である。かかる処理室本体１０としては、耐熱性を有する石英製または耐熱鋼製の容器などが挙げられる。 処理室本体１０の内部には、誘導加熱装置１２の加熱コイル１２ａが設置されている。この加熱コイル１２ａの内周側には、ワークＷを支持するワーク支持部２１が設けられている。
これにより、処理室本体１０内において、ワーク支持部２２上に支持されたワークＷのみを加熱コイル１２ａで誘導加熱することができるため、処理室本体１０は、耐熱性部材により構成されていなくてもよい。
したがって、このガス浸炭処理装置１によれば、処理室本体１０の構造を簡略化でき、設備コストの低減化を図ることができる。
これにより、処理室本体１０内において、ワーク支持部２２上に支持されたワークＷのみを加熱コイル１２ａで誘導加熱することができるため、処理室本体１０は、耐熱性部材により構成されていなくてもよい。
したがって、このガス浸炭処理装置１によれば、処理室本体１０の構造を簡略化でき、設備コストの低減化を図ることができる。
誘導加熱装置１２は、高周波電流が誘導加熱電源１２ｂから加熱コイル１２ａに供給されるように構成されている。誘導加熱電源１２ｂから出力される高周波電流の量は、可変とされている。そして、加熱コイル１２ａは、供給される高周波電流の量に応じて、ワークＷの表面を所望の温度に誘導加熱することができる。本実施形態のガス浸炭処理装置１は、誘導加熱装置１２を備えているため、誘導加熱によりワークのみを局所的に加熱して、当該ワークの表面に浸炭処理を施すことができる。したがって、本実施形態のガス浸炭処理装置１によれば、加熱室内部全体の加熱が不要であり、低電力で、かつ短時間での処理が可能になる。
処理室本体１０の外側には、ＩＲセンサ１７が設けられている。ＩＲセンサ１７は、ワークＷから発せられた赤外線を検出することによって、ワークＷの表面の温度を検知するセンサである。
このＩＲセンサ１７は、シーケンサ１８を介して誘導加熱装置１２の誘導加熱電源１２ｂに接続されている。これにより、ガス浸炭処理装置１では、ＩＲセンサ１７で検知されたワークＷの表面温度に基づいて、誘導加熱電源１２ｂを制御することによって、この誘導加熱電源１２ｂから加熱コイル１２ａに供給される高周波電流の量を制御することができる。
このＩＲセンサ１７は、シーケンサ１８を介して誘導加熱装置１２の誘導加熱電源１２ｂに接続されている。これにより、ガス浸炭処理装置１では、ＩＲセンサ１７で検知されたワークＷの表面温度に基づいて、誘導加熱電源１２ｂを制御することによって、この誘導加熱電源１２ｂから加熱コイル１２ａに供給される高周波電流の量を制御することができる。
処理室本体１０の上流には、前記ガス流路１１が接続されている。
このガス流路１１には、炭化水素ガスであるメタンガスを供給するためのＣＨ4ボンベ２３および不活性ガスである窒素ガスを供給するためのＮ2ボンベ２４が、それぞれ、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂを介して接続されている。
このガス流路１１には、炭化水素ガスであるメタンガスを供給するためのＣＨ4ボンベ２３および不活性ガスである窒素ガスを供給するためのＮ2ボンベ２４が、それぞれ、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂを介して接続されている。
マスフローコントローラ１３ａは、ＣＨ4ボンベ２３から処理室本体１０内に供給されるメタンガスの供給量を制御し、マスフローコントローラ１３ｂは、Ｎ2ボンベ２４から処理室本体１０内に供給される窒素ガスの供給量を制御する。
これにより、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂは、浸炭処理時に、処理室本体１０内へのメタンガスの供給量および窒素ガスの供給量の総量を一定量に維持する。同時に、マスフローコントローラ１３ａは、処理室本体１０内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持する。また、マスフローコントローラ１３ａは、拡散処理時に、処理室本体１０内へのメタンガスの供給を停止するが、マスフローコントローラ１３ｂは、窒素ガスの供給を維持する。
これにより、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂは、浸炭処理時に、処理室本体１０内へのメタンガスの供給量および窒素ガスの供給量の総量を一定量に維持する。同時に、マスフローコントローラ１３ａは、処理室本体１０内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持する。また、マスフローコントローラ１３ａは、拡散処理時に、処理室本体１０内へのメタンガスの供給を停止するが、マスフローコントローラ１３ｂは、窒素ガスの供給を維持する。
一方、処理室本体１０の下流には、処理室本体１０から排ガスを排出する排ガス流路１４が接続されている。
なお、排ガス流路１４には、処理室本体１０からガスを高速に排出するために、真空ポンプおよび真空タンクを設けてもよい。
なお、排ガス流路１４には、処理室本体１０からガスを高速に排出するために、真空ポンプおよび真空タンクを設けてもよい。
雰囲気ガスタンク１５は、当該雰囲気ガスタンク１５中の初期浸炭雰囲気ガスが処理室本体１０に供給されるように、処理室本体１０に接続されている。ここで、初期浸炭雰囲気ガスは、浸炭処理前の処理室本体１０内の雰囲気を、浸炭処理時における目的のメタンガス濃度を有する雰囲気にするためのガスである。
排ガス流路１４の途中には、ＣＨ4ガス分析計１６が設けられている。また、この排ガス流路１４の下流には、図示されない排気口が設けられている。
ＣＨ4ガス分析計１６では、処理室本体１０から排出され、排ガス流路１４を通る排ガスの一部（サンプリングガス）が経時的にモニターされる。そして、ＣＨ4ガス分析計１６では、搬送されたサンプリングガス中のメタンガス濃度を検知することにより、処理室本体１０内におけるメタンガス濃度を検知する。
なお、本実施形態のガス浸炭処理装置１においては、ＣＨ4ガス分析計１６は、処理室本体１０に設けられていてもよい。すなわち、ＣＨ4ガス分析計１６は、処理室本体１０からサンプリングガスを採取するように配置されていてもよい。
ＣＨ4ガス分析計１６では、処理室本体１０から排出され、排ガス流路１４を通る排ガスの一部（サンプリングガス）が経時的にモニターされる。そして、ＣＨ4ガス分析計１６では、搬送されたサンプリングガス中のメタンガス濃度を検知することにより、処理室本体１０内におけるメタンガス濃度を検知する。
なお、本実施形態のガス浸炭処理装置１においては、ＣＨ4ガス分析計１６は、処理室本体１０に設けられていてもよい。すなわち、ＣＨ4ガス分析計１６は、処理室本体１０からサンプリングガスを採取するように配置されていてもよい。
ＣＨ4ガス分析計１６は、シーケンサ１８を介して、マスフローコントローラ１３に接続されている。これにより、ガス浸炭処理装置１では、ＣＨ4ガス分析計１６で検知されたサンプリングガス中のメタンガス濃度に基づいて、マスフローコントローラ１３を制御することによって、ガス流路１１を通るメタンガスおよび窒素ガスの流量を個別に制御し、処理室本体１０内に供給されるメタンガスおよび窒素ガスのそれぞれの量を制御することができる。
シーケンサ１８は、ＣＨ4ガス分析計１６で検知された処理室本体１０内のメタンガス濃度の情報を含むデータＡに基づいて、マスフローコントローラ１３ａ，１３ｂにおけるメタンガスおよび窒素ガスの流量を増減する動作を指示する制御信号Ａ１，Ａ２を生成するとともに、ＩＲセンサ１７で検知されたワークＷの表面温度の情報を含むデータＢに基づいて、誘導加熱電源１２ｂにおける高周波電流の出力量を増減する動作を指示する制御信号Ｂを生成する。
なお、本実施形態では、炭化水素ガスとして、メタンガスを用い、不活性ガスとして、窒素ガスを用いるためのガス浸炭処理装置を例として説明したが、炭化水素ガスおよび不活性ガスは、これらに限定されるものではない。炭化水素ガスとしては、エチレン、アセチレンなどの不飽和炭化水素ガス、エタン、プロパン、ブタンなどの飽和炭化水素ガスなどが挙げられる。不活性ガスとしては、アルゴンガスなどが挙げられる。また、本実施形態のガス浸炭処理装置では、処理室本体１０内に供給する初期浸炭雰囲気ガスを収容した雰囲気ガスタンク１５を設けなくてもよい。
（ガス浸炭方法の処理手順）
つぎに、添付図面を参照しつつ、前記ガス浸炭処理装置１を用いた本発明の一実施形態に係るガス浸炭方法の処理手順を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るガス浸炭方法の処理手順を示す工程図である。なお、図２では、各工程を説明するために、ガス浸炭処理装置１の加熱コイル１２ａ、ワーク支持部２１およびワークＷ以外は、簡略化して記載している。以下、ワークＷとして、歯車（ＳＣＭ４２０鋼製、直径：１２０ｍｍ、厚さ：６０ｍｍ、３．５ｋｇ）を用いた場合を例として挙げて、説明する。
つぎに、添付図面を参照しつつ、前記ガス浸炭処理装置１を用いた本発明の一実施形態に係るガス浸炭方法の処理手順を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るガス浸炭方法の処理手順を示す工程図である。なお、図２では、各工程を説明するために、ガス浸炭処理装置１の加熱コイル１２ａ、ワーク支持部２１およびワークＷ以外は、簡略化して記載している。以下、ワークＷとして、歯車（ＳＣＭ４２０鋼製、直径：１２０ｍｍ、厚さ：６０ｍｍ、３．５ｋｇ）を用いた場合を例として挙げて、説明する。
本実施形態のガス浸炭方法（ガス浸炭方法１）では、まず、ワークＷを処理室本体１０内に設けられたワーク支持部２１上にセットする〔図２（ａ）、「セット工程」〕。好ましい真空到達度は、２０Ｐａ程度であり、これは、残存酸素濃度約５０ｐｐｍ以下に対応している。しかしながら、本実施形態では、真空到達度は、かかる値に限定されるものではなく、ワークの種類や要求品質に応じて適宜設定することができる。
つぎに、処理室本体１０内の真空排気を行なう〔図２（ｂ）、「排気工程」〕。
その後、処理室本体１０内に窒素ガスを１３００Ｐａまたは加熱コイル１２ａによる放電が発生しなくなる圧力以上の減圧状態まで充填し、このワークＷの表面の温度が浸炭温度になるまで、ワークＷの表面を誘導加熱する〔図２（ｃ）、「加熱工程」〕。
加熱工程では、減圧処理室本体１０内に不活性ガスである窒素ガスが存在しており、当該処理室本体１０内が無酸化雰囲気となっている。このとき、処理室本体１０内の雰囲気ガスは、減圧状態に維持される。また、加熱工程では、ワークＷの表面温度が浸炭温度（例えば、１２００℃）になるまで、当該ワークＷを誘導加熱装置１２の加熱コイル１２ａで誘導加熱する。
その後、処理室本体１０内に窒素ガスを１３００Ｐａまたは加熱コイル１２ａによる放電が発生しなくなる圧力以上の減圧状態まで充填し、このワークＷの表面の温度が浸炭温度になるまで、ワークＷの表面を誘導加熱する〔図２（ｃ）、「加熱工程」〕。
加熱工程では、減圧処理室本体１０内に不活性ガスである窒素ガスが存在しており、当該処理室本体１０内が無酸化雰囲気となっている。このとき、処理室本体１０内の雰囲気ガスは、減圧状態に維持される。また、加熱工程では、ワークＷの表面温度が浸炭温度（例えば、１２００℃）になるまで、当該ワークＷを誘導加熱装置１２の加熱コイル１２ａで誘導加熱する。
つぎに、ワークＷの表面温度が浸炭温度になった時点で、かかる表面温度を浸炭温度に維持するように当該ワークＷを引き続き誘導加熱しつつ、目的の炭化水素ガス濃度の初期浸炭雰囲気ガスを一気に導入し、復圧する〔図２（ｄ）、「雰囲気ガス復圧工程」〕。このとき、例えば、雰囲気ガスタンクから初期浸炭雰囲気ガスを、減圧状態の処理室本体１０内に導入する。そして、復圧完了時点が浸炭処理の開始時点となる。
つぎに、復圧後、処理室本体１０内への炭化水素ガスおよび不活性ガスの供給量の総量をほぼ一定量とし、かつ前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度をほぼ一定濃度に維持（図６実線参照）しながら当該処理室本体内に両ガスを供給する。この際、ワークＷを引き続き誘導加熱して、当該ワークＷを前記浸炭温度で所定時間保持する〔図２（ｅ）、「浸炭処理工程」〕。
このとき、処理室本体１０内の炭化水素ガスの濃度は、ワークＷの浸炭に適した濃度にほぼ保たれる。また、浸炭処理工程における誘導加熱時間は、ワークＷの素材に応じて設定され、例えば、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：ＨＶ５１３）１．０ｍｍのＳＣＭ４２０鋼の場合には、１７分程度に設定される。
このとき、処理室本体１０内の炭化水素ガスの濃度は、ワークＷの浸炭に適した濃度にほぼ保たれる。また、浸炭処理工程における誘導加熱時間は、ワークＷの素材に応じて設定され、例えば、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：ＨＶ５１３）１．０ｍｍのＳＣＭ４２０鋼の場合には、１７分程度に設定される。
その後、処理室本体１０内への炭化水素ガスの供給を停止する一方、この処理室本体１０内への窒素ガスの供給を続行し、ワークＷの表面温度を浸炭温度に維持するように当該ワークＷを所定時間（例えば、約９分間）誘導加熱する〔図２（ｆ）、「拡散処理工程」〕。なお、前記拡散処理工程では、処理室本体１０内への炭化水素ガスの供給を停止した後、この処理室本体１０内を所定の減圧状態にし、ワークＷの表面温度を浸炭温度に維持するように当該ワークＷを所定時間誘導加熱してもよい。
従来の浸炭方法では、浸炭処理工程の際に、鋼の最表面部にセメンタイトが析出された段階で、拡散工程を行なって、セメンタイト中の炭素を鋼の内部へと固溶・拡散させ、鋼の表面部のセメンタイトが消滅した後、再度、浸炭工程を行なうという繰り返しが必要であった。これに対して、本実施形態のガス浸炭方法は、誘導加熱を行なっているので、従来の浸炭方法より処理温度を高くすることができる。したがって、窒素ガスの拡散速度が速い。よって、本実施形態のガス浸炭方法では、表面にセメンタイトを析出させることなく、内部へ移動するため、前記浸炭処理工程と拡散処理工程とを繰り返し行なわなくても、ワークＷからのセメンタイトの析出やステーティングの発生が抑制される。したがって、従来の吸熱型ガスを用いるガス浸炭方法や真空浸炭法に比べて、短時間でかつ高品質なワークの浸炭を行なうことができる。
以上のように、本実施形態のガス浸炭方法によれば、図７に示されるように、浸炭処理時において、炭化水素ガスであるメタンガスの濃度が、例えば、特許文献１に示されるような本出願人が開発した従来のガス浸炭方法（破線部）とは異なり、一定濃度に維持されているため（実線部）、低処理コストで、かつより短時間でワークの浸炭を行なうことができる。
なお、図７において、本発明における水素ガス濃度が従来よりも多くなっているが、これは、炭化水素ガスを一定にした場合のほうが、より浸炭反応が進んでいることを示している。希釈用窒素ガスの体積％が少なくなるが、これは、処理室本体１０内のメタンガス濃度を一定にすべく、導入ガスのメタンガス濃度を増やすためである。
なお、図７において、本発明における水素ガス濃度が従来よりも多くなっているが、これは、炭化水素ガスを一定にした場合のほうが、より浸炭反応が進んでいることを示している。希釈用窒素ガスの体積％が少なくなるが、これは、処理室本体１０内のメタンガス濃度を一定にすべく、導入ガスのメタンガス濃度を増やすためである。
（ガス浸炭方法の変形例）
さらに、添付図面を参照しつつ、前記ガス浸炭処理装置１を用いた本発明の変形例に係るガス浸炭方法の処理手順を説明する。図３は、本発明の変形例に係るガス浸炭方法の処理手順を示す工程図である。なお、図３では、図２と同様に、ガス浸炭処理装置１の加熱コイル１２ａ、ワーク支持部２１およびワークＷ以外は、簡略化して記載している。以下、ワークＷとして、歯車（ＳＣＭ４２０鋼製、直径：１２０ｍｍ、厚さ：６０ｍｍ、３．５ｋｇ）を用いた場合を例として挙げて、説明する。
さらに、添付図面を参照しつつ、前記ガス浸炭処理装置１を用いた本発明の変形例に係るガス浸炭方法の処理手順を説明する。図３は、本発明の変形例に係るガス浸炭方法の処理手順を示す工程図である。なお、図３では、図２と同様に、ガス浸炭処理装置１の加熱コイル１２ａ、ワーク支持部２１およびワークＷ以外は、簡略化して記載している。以下、ワークＷとして、歯車（ＳＣＭ４２０鋼製、直径：１２０ｍｍ、厚さ：６０ｍｍ、３．５ｋｇ）を用いた場合を例として挙げて、説明する。
変形例に係るガス浸炭方法（ガス浸炭方法２）は、ワークＷをセットした後、ガス浸炭方法１における排気工程を行なわずに、加熱工程〔図３（ｂ）〕を行なうこと、および加熱工程〔図３（ｂ）〕終了後、直ちに浸炭処理工程〔図３（ｃ）〕に移行することが、前記ガス浸炭方法１と異なっている。
ガス浸炭方法２において、セット工程〔図３（ａ）〕は、前記ガス浸炭方法１におけるセット工程〔図２（ａ）〕と同様の操作により行なうことができる。
ガス浸炭方法２において、セット工程〔図３（ａ）〕は、前記ガス浸炭方法１におけるセット工程〔図２（ａ）〕と同様の操作により行なうことができる。
加熱工程では、処理室本体１０内に窒素ガスを充満させ、このワークＷの表面の温度が浸炭温度になるまで、ワークＷの表面を誘導加熱する。この加熱工程では、処理室本体１０内に不活性ガスである窒素ガスを供給することにより、処理室本体１０内を無酸化雰囲気とする。このとき、処理室本体１０内の雰囲気ガスは、大気圧に維持される。また、加熱工程では、ワークＷの表面温度が浸炭温度（例えば、１２００℃）になるまで、当該ワークＷを誘導加熱装置１２の加熱コイル１２ａで誘導加熱する。
以下、浸炭処理工程〔図３（ｃ）〕および拡散処理工程〔図３（ｄ）〕は、前記ガス浸炭方法１における浸炭処理工程〔図２（ｅ）〕及び拡散処理工程〔図２（ｆ）〕と同様の操作により行なうことができる。
かかるガス浸炭方法２によっても、前記ガス浸炭方法１と同様の作用効果を得ることができる。
以下、浸炭処理工程〔図３（ｃ）〕および拡散処理工程〔図３（ｄ）〕は、前記ガス浸炭方法１における浸炭処理工程〔図２（ｅ）〕及び拡散処理工程〔図２（ｆ）〕と同様の操作により行なうことができる。
かかるガス浸炭方法２によっても、前記ガス浸炭方法１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施例１）
本発明のガス浸炭方法を歯車の製造に適用した場合の処理コストおよび処理時間について検証した。
図１に示されるガス浸炭処理装置１を用いて、以下のように、ワークＷの浸炭を行なった。なお、本実施例で用いられるガス浸炭処理装置１の処理室本体１０の内部体積は、７．４×１０-2ｍ3である。また、ワークＷとして、ＳＣＭ４２０鋼からなる歯車（直径：１２０ｍｍ、厚さ：６０ｍｍ、３．５ｋｇ）を用いた。
本発明のガス浸炭方法を歯車の製造に適用した場合の処理コストおよび処理時間について検証した。
図１に示されるガス浸炭処理装置１を用いて、以下のように、ワークＷの浸炭を行なった。なお、本実施例で用いられるガス浸炭処理装置１の処理室本体１０の内部体積は、７．４×１０-2ｍ3である。また、ワークＷとして、ＳＣＭ４２０鋼からなる歯車（直径：１２０ｍｍ、厚さ：６０ｍｍ、３．５ｋｇ）を用いた。
ガス浸炭処理装置１の処理室本体１０内に設けられたワーク支持部２１上にワークＷをセットした。つぎに、真空排気を行ない、引き続いて、処理室本体１０内に窒素ガスを導入し、１３００Ｐａの減圧窒素ガス雰囲気にした。また、ワークＷを加熱コイル１２ａによって誘導加熱した。
ワークＷの表面温度が１２００℃になったとき、ワークＷの表面温度を１２００℃に維持しながら、雰囲気ガスタンク１５から処理室本体１０内へ初期浸炭雰囲気ガスを導入した。その後、処理室本体１０内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を１０Ｌ／分に維持し、かつ処理室本体１０内のメタンガス濃度が１２．５％になるように、メタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御することによって、処理室本体１０内のメタンガス濃度を平均１２．５体積％となるように維持した。ワークＷを、浸炭雰囲気中で所定時間保持することにより、ワークＷに浸炭処理を施した。
浸炭処理後、ワークＷの表面温度を１２００℃に維持しながら、処理室本体１０へのメタンガスの供給を停止する一方、この処理室本体１０内を所定の減圧状態にし、ワークＷを所定時間誘導加熱することにより、ワークＷに拡散処理を施した。つぎに、得られたワークＷを焼入温度：８７０℃で６０分間維持した後、８０℃の油中で油冷した。
このようにして得られた歯車について、ビッカース硬さおよび表面炭素濃度を測定し、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．９ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３の有効硬化層深さが０．９ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車を実施例１の試料とした。
（実施例２）
浸炭処理に際して、処理室本体１０内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を５Ｌ／分に維持し、かつ処理室本体１０内のメタンガス濃度が平均１２．５体積％となるようにメタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御して維持したことを除き、実施例１と同様の操作を行ない、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．９ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。また、かかる歯車を実施例２の試料とした。
浸炭処理に際して、処理室本体１０内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を５Ｌ／分に維持し、かつ処理室本体１０内のメタンガス濃度が平均１２．５体積％となるようにメタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御して維持したことを除き、実施例１と同様の操作を行ない、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．９ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。また、かかる歯車を実施例２の試料とした。
（実施例３）
浸炭処理に際して、処理室本体１０内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を２Ｌ／分に維持し、かつ処理室本体１０内のメタンガス濃度が平均１２．５体積％となるようにメタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御したことを除き、実施例１と同様の操作を行ない、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．９ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。また、かかる歯車を実施例３の試料とした。
浸炭処理に際して、処理室本体１０内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を２Ｌ／分に維持し、かつ処理室本体１０内のメタンガス濃度が平均１２．５体積％となるようにメタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御したことを除き、実施例１と同様の操作を行ない、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．９ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。また、かかる歯車を実施例３の試料とした。
（比較例１）
処理室（内部体積：７．４×１０-2ｍ3）に実施例１で用いたワークＷと同じワークをセットし、処理室の内部を窒素ガスで充填した。つぎに、処理室を１２００℃に加熱した後、目的のメタンガス濃度の雰囲気を一気に導入した。その後、処理室内に、メタンガスを流量：０．６２５Ｌ／分、窒素ガスを流量：４．３７５Ｌ／分で供給しながら（合計供給量：５Ｌ／分）、当該処理室を１２００℃で２５．９分間加熱し、ワークＷに浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理室内のメタンガスおよび窒素ガスを真空排気により排出した。つぎに、処理室を１２００℃に維持しながら、処理室の内部を窒素ガスで充填した後、当該処理室を１２００℃で１３．７分間加熱し、ワークＷに拡散処理を施した。得られたワークＷを焼入温度：８７０℃で６０分間保持した後、８０℃の油中で油冷した。
処理室（内部体積：７．４×１０-2ｍ3）に実施例１で用いたワークＷと同じワークをセットし、処理室の内部を窒素ガスで充填した。つぎに、処理室を１２００℃に加熱した後、目的のメタンガス濃度の雰囲気を一気に導入した。その後、処理室内に、メタンガスを流量：０．６２５Ｌ／分、窒素ガスを流量：４．３７５Ｌ／分で供給しながら（合計供給量：５Ｌ／分）、当該処理室を１２００℃で２５．９分間加熱し、ワークＷに浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理室内のメタンガスおよび窒素ガスを真空排気により排出した。つぎに、処理室を１２００℃に維持しながら、処理室の内部を窒素ガスで充填した後、当該処理室を１２００℃で１３．７分間加熱し、ワークＷに拡散処理を施した。得られたワークＷを焼入温度：８７０℃で６０分間保持した後、８０℃の油中で油冷した。
このようにして得られた歯車について、ビッカース硬さおよび表面炭素濃度を調べた。以下、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．８４ｍｍであり、表面炭素濃度：０．８質量％を満たす歯車を比較例１の試料とした。
（比較例２）
浸炭処理に際して、メタンガスの供給量を０．２５０Ｌ／分、窒素ガスの供給量を１．７５０Ｌ／分としたことおよび浸炭処理での加熱時間（浸炭時間）を２５．９分とし、拡散処理での加熱時間（拡散時間）を１３．７分としたことを除き、比較例１と同様の操作を行ない、歯車を得た。得られた歯車について、ビッカース硬さおよび表面炭素濃度を調べた。以下、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．６８ｍｍであり、表面炭素濃度：０．６質量％を満たす歯車を、比較例２の試料を得た。
浸炭処理に際して、メタンガスの供給量を０．２５０Ｌ／分、窒素ガスの供給量を１．７５０Ｌ／分としたことおよび浸炭処理での加熱時間（浸炭時間）を２５．９分とし、拡散処理での加熱時間（拡散時間）を１３．７分としたことを除き、比較例１と同様の操作を行ない、歯車を得た。得られた歯車について、ビッカース硬さおよび表面炭素濃度を調べた。以下、有効硬化層深さ（ビッカース硬さ：Ｈｖ５１３）が０．６８ｍｍであり、表面炭素濃度：０．６質量％を満たす歯車を、比較例２の試料を得た。
（試験例１）
実施例１〜３の試料、比較例１および２の試料について、浸炭処理の際の浸炭時間Ｔと、有効硬化層深さＤとから、式（１）：
実施例１〜３の試料、比較例１および２の試料について、浸炭処理の際の浸炭時間Ｔと、有効硬化層深さＤとから、式（１）：
に基づいて、浸炭係数Ｋを算出した。これらの結果を図４に示す。また、図４に示される実施例１〜３の試料の浸炭係数Ｋを用いて、実施例１〜３と同様の方法により、比較例１の試料と同等の有効硬化層深さ（０．８４ｍｍ）を有する歯車を製造した場合の推定処理時間を算出した。これらの結果を図５に示す。さらに、図５に示される結果に基づいて、歯車の製造に際して、浸炭処理および拡散処理に要する電気のコストを算出した、その結果を図６に示す。なお、図４〜６中、「供給量」は、メタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を示す。
これらの結果から、処理時間（浸炭時間および拡散時間の合計）の平均は、比較例１および比較例２の場合、約３９．７分であるのに対して、実施例１〜３の方法で比較例１および比較例２の試料と同等のものを製造した場合には、約２４．８分であり、約３８％短縮できることがわかる。
また、浸炭処理および拡散処理に要する電気のコストの平均は、比較例１および比較例２の場合、約５２円であるのに対して、実施例１〜３の方法で比較例１および比較例２の試料と同等のものを製造した場合には、約４０円であり、処理コストも削減できることがわかる。
また、浸炭処理および拡散処理に要する電気のコストの平均は、比較例１および比較例２の場合、約５２円であるのに対して、実施例１〜３の方法で比較例１および比較例２の試料と同等のものを製造した場合には、約４０円であり、処理コストも削減できることがわかる。
１ ガス浸炭処理装置
１０ 処理室本体
１１ ガス流路
１２ 誘導加熱装置
１３ａ，１３ｂ マスフローコントローラ（ガス制御部）
Ｗ ワーク
１０ 処理室本体
１１ ガス流路
１２ 誘導加熱装置
１３ａ，１３ｂ マスフローコントローラ（ガス制御部）
Ｗ ワーク
Claims (8)
- 金属製のワークに浸炭処理を施すガス浸炭処理装置であって、
前記ワークを内部にセットする処理室本体と、
前記ワークを加熱する誘導加熱装置と、
前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を検知するガス分析計と
前記処理室本体内に炭化水素ガスおよび不活性ガスを供給するガス流路と、
浸炭処理時に、前記ガス分析計により検知した炭化水素ガスの濃度に基づき前記処理室本体内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持するガス制御部と
を備えていることを特徴とするガス浸炭処理装置。 - 前記処理室本体内への炭化水素ガスの濃度および不活性ガスの供給量の総量を一定量に維持する請求項１記載のガス浸炭処理装置。
- 金属製のワークに浸炭処理を施すガス浸炭方法であって、
ワークに浸炭処理を施す処理室本体内に前記ワークをセットするセット工程、
前記ワークを不活性ガス中で誘導加熱する加熱工程
前記処理室本体内の炭化水素ガスを検知して炭化水素ガスの濃度を求める工程、および
前記ワークの表面の温度が所定温度になった時、前記求められた炭化水素ガスの濃度に基づき、前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定に維持しながら当該処理室本体内に両ガスを供給するとともに、前記ワークを誘導加熱して、当該ワークを所定温度で所定時間保持する浸炭処理工程
を含むことを特徴とする、ガス浸炭方法。 - 前記処理室本体内への炭化水素ガスおよび不活性ガスの供給量の総量を一定量に維持する請求項３記載のガス浸炭処理方法。
- 前記加熱工程において、処理室本体内を真空排気した後、不活性ガスを前記処理室本体内に充填して、当該ワークを誘導加熱する請求項３又は４に記載のガス浸炭方法。
- 前記加熱工程において、不活性ガスを前記処理室本体内に充満させ、当該ワークを誘導加熱する請求項３〜５のいずれかに記載のガス浸炭方法。
- 前記浸炭処理工程後に、炭化水素ガスの供給を停止し、前記ワークを所定温度で所定時間保持する拡散処理工程をさらに含む請求項３〜６のいずれかに記載のガス浸炭方法。
- 前記拡散処理工程において、炭化水素ガスの供給を停止した後の処理室本体内に不活性ガスを充満させ、当該ワークを所定温度で所定時間保持するか、または前記処理室本体内を所定の減圧状態にし、当該ワークを所定温度で所定時間保持する請求項７に記載のガス浸炭方法。
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