JP5799483B2 - 浸炭方法および浸炭装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに浸炭処理を行う技術に関する。

従来から、鋼材にて構成されるワークの表面に炭素を浸透拡散させて、ワークの表面層の炭素量を増加させる浸炭処理が行われている。
このような浸炭処理を行うために、例えば、図１１に示すような浸炭装置１００が用いられる。浸炭装置１００は、図１１に示すように、熱処理炉１５０を具備する。熱処理炉１５０には、加熱コイル１１０が収容される。ワークＷは、加熱コイル１１０の内側に配置される。熱処理炉１５０には、熱処理炉１５０内に浸炭ガス１３０を供給するガス供給管１５１および熱処理炉１５０内から浸炭ガス１３０を排出するガス排出管１５２が連結される。浸炭ガス１３０としては、例えば、プロパンが用いられる。
このような熱処理炉１５０は、ワークＷに浸炭処理を行うに際して、所定の混合ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気に調整される。

このように構成される浸炭装置１００は、ワークＷを加熱コイル１１０によって加熱するとともに、ガス供給管１５１より熱処理炉１５０内に浸炭ガス１３０を供給する（図１１に示す矢印Ｇ１参照）。これにより、熱処理炉１５０内は、浸炭ガス雰囲気となる。
浸炭装置１００は、熱処理炉１５０内に所定の間浸炭ガス１３０を保持した後で、ガス排出管１５２を通じて浸炭ガス１３０を外部へ排出する（図１１に示す矢印Ｇ２参照）。
そして、浸炭装置１００は、ワークＷを窒素ガス等で冷却する。

これにより、ワークＷの表面には炭素が浸透拡散される。しかし、浸炭装置１００では、浸炭ガス雰囲気下でワークＷに浸炭処理を行うため、浸炭ガス１３０を保持する熱処理炉１５０が必要となる。
ここで、熱処理炉１５０は高価な設備である。従って、浸炭装置１００が高価な設備となり、ひいてはワークＷに浸炭処理を行うために要するコストが上昇してしまう。
また、ワークＷは、熱処理炉１５０に収容する必要がある。
このため、ワークＷは、熱処理炉１５０に収容可能な形状である必要があった。従って、比較的大きな形状を有するワークＷに浸炭処理を行う場合には、ワークＷの形状に制約を受ける、あるいはかかるワークＷを収容可能な大きな熱処理炉１５０を用いる必要があった。このため、熱処理炉１５０を用いることなく浸炭処理を行う技術が求められている。

特許文献１に開示された浸炭方法は、大気雰囲気下でワークに浸炭処理を行う技術である。
特許文献１に開示された浸炭方法では、ワーク（鋼板）の片面に塗布型浸炭組成物を塗布した後で浸炭処理を行う。塗布型浸炭組成物としては、オレフィン系重合体（例えばポリエチレンおよびポリプロピレン等）と浸炭剤（例えば木炭粉等）とを配合したもの等が用いられる。
ワークは、塗布型浸炭組成物を塗布した後で焼き付けられる。これにより、ワークの表面に塗布型浸炭組成物が皮膜化する。かかるワークは、複数枚積層された状態で、カバー用鋼板がさらに積層される。そして、積層されるワークおよびカバー用鋼板は、大気雰囲気下でマッフル炉等の所定の加熱機構によって加熱される。

これによれば、積層されるワークは、それぞれワークおよびカバー用鋼板のいずれかに挟まれた状態で加熱される。従って、塗布型浸炭組成物より発生する浸炭ガスは、鋼板の表面上で発生する。かかる浸炭ガスは、ワークより放散することを抑制できる、換言すれば、ワークの周辺に浸炭ガスを保持できるため、十分にワークの表面に浸炭ガスを接触できる。これにより、熱処理炉を用いることなく浸炭処理を行うことが可能となる。
しかし、特許文献１に開示された浸炭方法では、塗布型浸炭組成物を塗布する工程および複数のワークを積層させる工程等、ワークの周辺に浸炭ガスを保持するための工程を別途行う必要があった。

特開２００１−１０７２１７号公報

本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、ワークの周辺に浸炭ガスを保持することなくワークに浸炭処理を行うことが可能な浸炭方法および浸炭装置を提供するものである。

請求項１においては、
大気雰囲気下に配置されるワークを加熱する加熱機構と、浸炭ガスを噴射するガス噴射口が形成されるガス供給機構とを具備する構成により、ワークに浸炭処理を行う浸炭方法であって、
前記加熱機構によって加熱される前記ワークに、爆発限界未満の濃度の浸炭ガスを、大気雰囲気中にて前記ガス噴射口より直接吹き付ける浸炭工程を行い、
前記浸炭工程では、前記加熱機構およびガス供給機構は、前記ワークの軸心方向または板面に沿って、前記ワークの所定の範囲内で移動するものである。

請求項２においては、
前記ガス噴射口と前記ワークとの距離をＬ（ｍｍ）とし、
前記ワークに直接吹き付けられる前記浸炭ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）と前記ガス噴射口の断面積（ｍｍ²）との商をＶとしたとき、
前記浸炭工程は、次式を満たす条件にて行われるものである。
Ｌ＜Ｖ×３．４４＋１．６３

請求項３においては、
前記浸炭工程では、
前記浸炭ガスを予熱した後で、前記ガス噴射口より前記ワークに前記浸炭ガスを直接吹き付けるものである。

請求項４においては、
前記浸炭工程では、
前記ガス供給機構により供給される前記浸炭ガスを、前記加熱機構を通過させた後で、前記ガス噴射口より前記ワークに直接吹き付けるものである。

請求項５においては、
大気雰囲気下に配置されるワークを加熱する加熱手段と、浸炭ガスを噴射するガス噴射口が形成されるガス供給手段とを具備する構成により、ワークに浸炭処理を行う浸炭装置であって、
前記ガス供給手段は、
前記加熱手段によって加熱される前記ワークに、爆発限界未満の濃度の浸炭ガスを、大気雰囲気中にて前記ガス噴射口より直接吹き付け、
前記加熱手段およびガス供給手段は、
前記浸炭ガスを前記ワークに吹き付けている間、前記ワークの軸心方向または板面に沿って、前記ワークの所定の範囲内で移動可能であるものである。

請求項６においては、
前記ガス噴射口と前記ワークとの距離をＬ（ｍｍ）とし、
前記ワークに直接吹き付けられる前記浸炭ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）と前記ガス噴射口の断面積（ｍｍ²）との商をＶとしたとき、
前記ガス供給手段は、次式を満たす条件にて、前記ガス噴射口より前記ワークに前記浸炭ガスを直接吹き付けるものである。
Ｌ＜Ｖ×３．４４＋１．６３

請求項７においては、
前記ガス噴射口より前記ワークに前記浸炭ガスを直接吹き付ける前に、前記浸炭ガスを予熱するガス予熱手段を具備するものである。

請求項８においては、
前記ガス予熱手段は、
前記加熱手段に前記ガス供給手段と連通する内部通路を形成し、
前記加熱手段に前記内部通路と連通するとともに前記ガス噴射口に対応する連通孔を形成することにより構成されるものである。

本発明は、ワークの周辺に浸炭ガスを保持することなくワークに浸炭処理を行うことができる、という効果を奏する。

浸炭装置の構成を示す端面図。 浸炭装置によって浸炭工程が行われている状態を示す端面図。 浸炭方法の処理サイクルおよびワークの温度の相関を示す図。 浸炭装置によって板状のワークに浸炭工程が行われている状態を示す図。 浸炭方法の実験のために用いた浸炭装置の構成を示す図。（ａ）浸炭装置の全体的な構成を示す説明図。（ｂ）ガスノズルの形状を示す断面図。 流量を所定の値に設定した場合におけるガス噴射口とワークとの距離およびワークの表硬の相関を示す図。（ａ）流量が０．１７Ｌ／ｍｉｎである場合の図。（ｂ）流量が２．００Ｌ／ｍｉｎである場合の図。 流量とガス噴射口の断面積との商およびガス噴射口とワークとの距離の相関を示す図。 ガス予熱機構を具備する浸炭装置によって浸炭工程が行われている状態を示す端面図。 加熱コイルにガスノズルを連結した浸炭装置を示す斜視図。 加熱コイルにガスノズルを連結した浸炭装置によって浸炭工程が行われている状態を示す端面図。 従来の浸炭装置の構成を示す端面図。

以下に、本発明に係る浸炭装置の実施の一形態である浸炭装置１について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、浸炭装置１は、ワークＷに浸炭処理を行うものである。具体的には、浸炭装置１は、ワークＷの表面に炭素を浸透拡散させて、ワークＷの表面層の炭素量を増加させるものである。

ワークＷは、鋼材等によって構成され、略円柱形状（棒形状）に形成される。
このようなワークＷは、所定の支持装置等によって支持される。このとき、ワークＷは、その軸心を中心として回転可能に支持される。また、ワークＷは、大気雰囲気下に配置される。

浸炭装置１は、加熱コイル１０およびガスノズル２０を具備する。

加熱コイル１０は、ワークＷを加熱するものであり、略円環状に形成される。加熱コイル１０の軸心に沿う方向の断面形状は、略四角状に形成される。また、加熱コイル１０には、内部通路１１が形成される。内部通路１１は、加熱コイル１０の形状に沿って連続して形成される。加熱コイル１０の内径は、ワークＷの外径よりやや大きい。このような加熱コイル１０は、電流が流れやすい導体（金属材料）によって構成される。本実施形態の加熱コイル１０は、銅材によって構成される。

加熱コイル１０は、ケーブル等を介して所定の電源に接続される。加熱コイル１０には、かかる電源より交流電流が流される。
また、加熱コイル１０は、配管等を介して冷却水を貯溜するタンクに連結される。加熱コイル１０の内部通路１１には、前記タンクから冷却水が供給可能に構成される。

加熱コイル１０は、ワークＷの外側に配置される。より詳細には、加熱コイル１０は、その軸心位置とワークＷの軸心位置とが重なるように配置される。従って、加熱コイル１０は、ワークＷの径方向外側の延長線上に配置される。つまり、加熱コイル１０の径方向外側より見た場合、加熱コイル１０は、ワークＷの一部と重なった状態となる。

ガスノズル２０は、ワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付けるものである（図２参照）。ガスノズル２０は、チューブ状部材の軸心位置より軸心方向に沿って浸炭ガス３０の流通経路が貫通して構成されている。ガスノズル２０は、ワークＷとの間に所定の間隔を空けた状態、かつ加熱コイル１０に接触しないように加熱コイル１０の径方向に対して所定の角度傾斜した姿勢で配置されている。
このとき、ガスノズル２０の一端部、すなわち本実施形態では右端部が、加熱コイル１０の内側に配置される。このようなガスノズル２０は、その軸心方向がワークＷの軸心方向と交差するように配置される。言い換えれば、ガスノズル２０は、その一端部がワークＷに向けられた状態で配置される。

ガスノズル２０のワークＷに接近する側の端部（本実施形態における右端部）には、浸炭ガス３０を噴射するガス噴射口２１が形成される。
従って、ガスノズル２０は、ガス噴射口２１がワークＷに向けられた状態で配置される。

また、ガスノズル２０は、その他端部、すなわち本実施形態では左端部が配管等を介して所定のガス供給源に連結される。図２に示すように、ガス供給源からの浸炭ガス３０は、配管等を介してガスノズル２０の他端部に供給される（図２に示す矢印Ｇ参照）。かかる浸炭ガス３０は、ガス噴射口２１より噴射される。このとき、ガス噴射口２１は、ワークＷの軸心方向における略中心に向けられている。つまり、ガス噴射口２１より噴射される浸炭ガス３０は、ワークＷに直接吹き付けられることとなる。言い換えれば、ガスノズル２０は、ガス噴射口２１よりワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付ける。

浸炭ガス３０は、炭化水素ガス等の炭素を含有する所定のガスが用いられる。浸炭ガス３０は、ワークＷへ吹き付けられる際には希釈ガスによって爆発限界未満の濃度まで希釈される。つまり、ワークＷには爆発限界未満の濃度の浸炭ガス３０が吹き付けられる。
本実施形態の浸炭ガス３０には、イソブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）が用いられる。また、本実施形態の希釈ガスには、窒素ガス（Ｎ₂）が用いられる。従って、本実施形態の浸炭ガス３０は、窒素ガスによって爆発限界未満の濃度、すなわち、イソブタンの爆発限界の濃度である１．８％未満となるように希釈される。

このような浸炭装置１は、モータ等の所定の駆動源によってワークＷの軸心方向に沿って往復移動可能に構成される。

以上のように構成される浸炭装置１を用いて行われる浸炭方法について説明する。図３に示すように、本浸炭方法により行われる浸炭処理は、昇温工程、浸炭工程、冷却工程を順に実施することにより行われる。

図２および図３に示すように、昇温工程では、加熱コイル１０に交流電流が流される。これにより、ワークＷ、より詳細には、加熱コイル１０の径方向内側にあるワークＷの一部が誘導加熱される（図２に示す符号Ｗ１参照）。
また、昇温工程の間、加熱コイル１０およびガスノズル２０は、ワークＷの軸心方向に沿って所定の範囲内（例えばワークＷの軸心方向における長さの範囲内）で往復移動する。これにより、ワークＷの温度はｔａ℃まで上昇する。このような昇温工程は、時間ｔ１の間行われる。

なお、以下では、ワークＷの加熱コイル１０によって加熱される部位を「浸炭必要部位Ｗ１」と称する。

昇温工程が行われた後で、浸炭工程が行われる。浸炭工程では、ガス供給源よりガスノズル２０に浸炭ガス３０が供給される（図２に示す矢印Ｇ参照）。かかる浸炭ガス３０は、ガス噴射口２１より浸炭必要部位Ｗ１に向けて直接吹き付けられる。つまり、浸炭ガス３０は、大気雰囲気中にて吹き付けられることとなる。
また、浸炭工程の間、加熱コイル１０およびガスノズル２０は、ワークＷの軸心方向に沿って所定の範囲内（例えばワークＷの軸心方向における長さの範囲内）で往復移動する。これにともなって、浸炭必要部位Ｗ１もワークＷの軸心方向に沿って往復移動することとなる。また、ワークＷは、その軸心を中心に回転する。これにより、ワークＷは、その温度がｔａ℃で維持されるとともに、ワークＷ全体に浸炭ガス３０が直接吹き付けられることとなる。

このように、加熱コイル１０は、ワークＷを加熱する加熱機構（加熱手段）として機能する。また、ガスノズル２０は、加熱コイル１０によって加熱されるワークＷに浸炭ガス３０をガス噴射口２１より直接吹き付けるガス供給機構（ガス供給手段）として機能する。

これによれば、浸炭ガス３０は、ガス噴射口２１からワークＷの表面まで移動する間、加熱された状態のワークＷより放射熱（輻射熱）を受ける。また、浸炭ガス３０は、ワークＷの表面まで移動したとき、加熱された状態のワークＷの表面と接触する。これにより、ワークＷに直接吹き付けられる浸炭ガス３０の温度は上昇する。

そして、浸炭ガス３０、すなわち本実施形態ではイソブタンが熱分解する。従って、浸炭ガス３０は、炭素（カーボン）と水素とに分解される。かかる炭素がワークＷ、より詳細には浸炭必要部位Ｗ１の表面に接触することによって、ワークＷには、炭素が固溶される。

また、浸炭工程では、加熱コイル１０の内部通路１１に冷却水が供給される。これにより、加熱コイル１０は、交流電流が流されることによる自己発熱およびワークＷの放射熱を受けることによる温度の上昇を低減できる。つまり、加熱コイル１０を冷却できる。このような浸炭工程は、時間ｔ２の間行われる。

浸炭工程が行われた後で、冷却工程が行われる。冷却工程では、加熱された状態のワークＷを窒素ガスによって冷却する。

これによれば、ワークＷの表面に炭素が浸透拡散されて、ワークＷの表面層の炭素量を増加させることが可能となる。つまり、大気雰囲気下で、換言すれば、開かれた空間でワークＷに浸炭処理を行うことができる。従って、浸炭ガス３０を保持する熱処理炉（図１１参照）を用いることなく、ワークＷに浸炭処理を行うことができる。また、浸炭ガス３０を保持するための工程等を別途行うことなくワークＷに浸炭処理を行うことができる。つまり、ワークＷの周辺に浸炭ガス３０を保持することなくワークＷに浸炭処理を行うことができる。
これによれば、ワークＷに浸炭処理を行うために要するコストを低減できる。

次に、浸炭ガス３０としてアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を用いて浸炭工程を行った場合の浸炭装置１の動作について説明する。

図２に示すように、ガスノズル２０より吹き付けられる浸炭ガス３０は、ワークＷの表面に接触した後で、加熱コイル１０に接触する。このとき、浸炭ガス３０の一部が炭素と水素とに熱分解されていない場合、加熱コイル１０は、浸炭ガス３０、すなわちアセチレンと接触する。

このとき、浸炭ガス３０、すなわちアセチレンは、加熱コイル１０を構成する銅と反応して、金属アセチリド（銅アセチリド）を生成する。金属アセチリドは、衝撃を受けることによって爆発する可能性がある。言い換えれば、金属アセチリドが生成された場合、浸炭工程において浸炭装置１が爆発する可能性がある。
また、浸炭ガス３０、すなわちアセチレンは、大気（空気）と混合して爆発性ガスを生成する。従って、浸炭工程において浸炭装置１が爆発する可能性がある。

つまり、浸炭ガス３０としてアセチレンを用いた場合、浸炭工程で浸炭装置１が爆発する可能性がある。このため、浸炭ガス３０として、アセチレンを用いることは好ましくない。

以上のように、本実施形態の浸炭ガス３０としては、ワークＷに浸炭処理を行うことが可能なガス、換言すれば、炭素を含有するガスであるとともに、大気と混合することおよび加熱コイル１０等と接触すること等によって爆発しないガスであることが好ましい。このようなガスとしては、例えば、イソブタンおよびプロパン等がある。

次に、板状のワークＷに浸炭処理を行う場合の浸炭装置１の構成および浸炭装置１の動作について説明する。
ガスノズル２０は、図４に示すように、ワークＷの板面に沿って配置される。また、加熱コイル１０は、ワークＷより所定の間隔を空けた状態で配置される。浸炭装置１は、ワークＷの板面に沿って往復移動可能に構成される。

このように構成される浸炭装置１を用いて板状のワークＷに対する浸炭処理が行われる。従って、浸炭装置１は、前述したような、昇温工程、浸炭工程、および冷却工程を行う。

これにより、浸炭工程において浸炭ガス３０が熱分解されて、かかる浸炭ガス３０に含有される炭素がワークＷの表面に固溶される。
従って、従来技術にあるような熱処理炉を用いることなく板状のワークＷに浸炭処理を行うことができる（図１１参照）。
ここで、板状のワークＷは、比較的大きな形状を有する場合がある。つまり、浸炭装置１は、熱処理炉に収容できないような大きさのワークＷに浸炭処理を行うことができる。

次に、ワークＷの一部だけを浸炭させる場合の浸炭装置１の動作について説明する。

浸炭装置１は、浸炭工程において、往復移動しない、あるいはワークＷの一部の範囲内だけを往復移動する。これにより、浸炭ガス３０は、ワークＷにおける、ガス噴射口２１がワークＷに向けられている部分だけ、あるいは浸炭装置１が往復移動した範囲の部分だけに直接吹き付けられる。

これにより、浸炭装置１は、ワークＷに浸炭ガス３０が直接吹き付けられた部分だけに浸炭処理を行うことができる。言い換えれば、ワークＷの一部だけに浸炭処理を行うことができる。例えば、図２に示す浸炭装置１が浸炭工程において、往復移動しない場合には、浸炭ガス３０が直接吹き付けられるワークＷの一部、すなわち浸炭必要部位Ｗ１だけを浸炭できる。

ここで、従来技術にあるような熱処理炉を具備する浸炭装置を用いてワークの一部だけを浸炭させる場合には、例えば、ワークの一部だけを加熱した状態で熱処理炉内に浸炭ガスを保持することとなる（図１１参照）。この場合、熱処理炉内、換言すれば閉じられた空間のワークおよび加熱コイルの位置を調整することとなる。
一方、本実施形態の浸炭装置１では、大気雰囲気下で浸炭処理を行うことができる。このため、ワークＷの一部だけに浸炭処理を行う場合には、開かれた空間でワークＷ、および浸炭装置１の位置を調整できる。
このため、本実施形態の浸炭装置１は、従来技術にあるような熱処理炉を具備する浸炭装置を用いた場合と比較して、簡単にワークＷの一部だけを浸炭できる。

また、熱処理炉内に浸炭ガス３０を保持した場合、ワークＷ全体に浸炭ガス３０に含有される炭素が接触する。一方、ワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付ける場合、ワークＷの一部だけに浸炭ガス３０が吹き付けられる。つまり、本実施形態の浸炭装置１では、ワークＷのうち浸炭させない部分に浸炭ガス３０に含有される炭素が接触しにくくなる。つまり、従来技術にあるような熱処理炉を具備する浸炭装置を用いた場合と比較して、より確実にワークＷの一部だけを浸炭できる。

なお、昇温工程、浸炭工程、および冷却工程に要する時間は、ワークＷに求められる浸炭深さ（硬化深さ）およびワークＷの形状等に応じて適宜設定される。
従って、ワークＷに求められる浸炭深さが深いときおよびワークＷの形状が大きいとき等には、昇温工程、浸炭工程、および冷却工程に要する時間を長く設定すればよい。一方、ワークＷに求められる浸炭深さが浅いときおよびワークＷの形状が小さいとき等には、昇温工程、浸炭工程、および冷却工程に要する時間を短く設定すればよい。

また、本実施形態の浸炭方法では、ワークＷに求められる浸炭深さ等に応じて拡散工程を行っても構わない。
拡散工程は、昇温工程の後で行われる。拡散工程では、ワークＷの温度が加熱コイル１０によって加熱された状態で保持される。一方、浸炭ガス３０の吹付は行われない。これによれば、ワークＷの表面に固溶された炭素をワークＷの内部に拡散させることができる。

また、本実施形態では、ワークＷを加熱する手段として加熱コイル１０を用いたが、これに限定されるものでない。すなわち、加熱手段は、ワークＷを浸炭させるために必要な温度をｔａ℃まで加熱できればよく、例えば、ヒーターおよび赤外線ランプ等であっても構わない。

また、本実施形態の浸炭装置１は、ガスノズル２０を複数具備する構成であっても、一つ具備する構成であっても構わない。ガスノズル２０を複数具備する構成の場合、ガスノズル２０は、加熱コイル１０の外周面における周方向に等間隔に配置される。また、ガスノズル２０は、それぞれワークＷに向けられる。

次に、本実施形態の浸炭装置１および浸炭方法を用いた浸炭処理の実験結果について説明する。

まず、実験の条件について説明する。
図５（ａ）に示すように、実験に用いたワーク（試料）Ｗとしては、Φ１８×４０の形状に形成されたクロム鋼（ＳＣＲ４２０）を用いた。

また、浸炭装置１は、加熱コイル１０、およびガスノズル２０に加えて、ワークＷの温度を測定するための放射温度計５０を具備した。
図５（ｂ）に示すように、ガスノズル２０は、チューブ状部材の軸心位置を中心に等間隔を空けて軸心方向に沿って貫通する二箇所の流通経路を有している。また、貫通した流通経路は、それぞれΦ１の形状に形成した。ガス噴射口２１は、かかる貫通した二箇所の流通経路がチューブ状部材の外部に開口した部分であり、浸炭ガス３０を噴射するための開口部である。

実験に用いた浸炭ガス３０としてはイソブタンを用いた。また、希釈ガスとしては、窒素ガスを用いた。浸炭ガス３０は、窒素ガスによってその濃度を１．７％まで希釈した。

図３に示す浸炭方法における昇温工程の時間ｔ１は７秒に設定した。また、図３に示す昇温工程で加熱されるワークＷの温度ｔａは１１００℃に設定した。
そして、図３に示す浸炭方法における浸炭工程の時間ｔ２は５秒に設定した。
また、実験は大気雰囲気下で行った。

なお、以下において、図５（ａ）に示すように、ガス噴射口２１とワークＷとの距離、より詳細にはガス噴射口２１とワークＷの表面との距離を「距離Ｌ（ｍｍ）」とする（図５（ａ）に示す矢印Ｌ参照）。
また、ワークＷに直接吹き付けられる浸炭ガス３０の流量を「流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）」とする。
そして、ガス噴射口２１の断面積を「断面積Ａ（ｍｍ²）」とする。

以上のような条件で浸炭処理の実験を行った結果、図６に示すような結果が得られた。ここで、図６に示すガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌを示す符号ａ１からａ５までの大きさの関係は、ａ１＜ａ２＜ａ３＜ａ４＜ａ５となる。また、ａ１からａ５までは、それぞれ等間隔である。

図６（ａ）に示すように、浸炭ガス３０の流量Ｑを０．１７Ｌ／ｍｉｎに設定して実験を行った結果、以下のことがわかった。

ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌが０からａ１までの間である場合、より詳細には、０とａ１との中間地点より０に近い距離である場合、浸炭処理後のワークＷの表面硬度（図６（ａ）では「表硬」と記載している）は高かった。従って、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌが０とａ１との中間地点より０に近い距離で行った実験結果である点Ｐ１および点Ｐ２では、ワークＷは浸炭したことがわかる。

一方、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌがａ１まで離れるにつれてワークＷの表面硬度が低くなっていった。ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌをａ１まで離して行った実験結果である点Ｐ３では浸炭処理後のワークＷの表面硬度が低く、ワークＷは浸炭しなかったことがわかる。これは、熱分解された浸炭ガス３０に大気が混ざることにより、ワークＷに炭素が固溶しなかったことに起因する。

このように、ワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付けて浸炭させる場合には、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌに相関性があることがわかった。

また、図６（ｂ）に示すように、浸炭ガス３０の流量Ｑを２．００Ｌ／ｍｉｎに設定して実験を行った結果、以下のことがわかった。

ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌがａ１からａ２までの間である場合、ワークＷの表面硬度（図６（ｂ）では「表硬」と記載している）は高かった。従って、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌがａ１である点Ｐ４およびガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌがａ２である点Ｐ５では、ワークＷは浸炭したことがわかる。

一方、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌがａ２からａ３まで離れるにつれてワークＷの表面硬度が低くなっていった。ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌをａ３まで離して行った実験結果である点Ｐ６では浸炭処理後のワークＷの表面硬度が低く、ワークＷは浸炭しなかったことがわかる。これは、熱分解された浸炭ガス３０に大気が混ざることにより、ワークＷに炭素が固溶しなかったことに起因する。

ここで、図６に示すように、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌがａ１である場合において、浸炭ガス３０の流量Ｑを０．１７Ｌ／ｍｉｎに設定したとき、ワークＷは浸炭しなかった（図６（ａ）に示す点Ｐ３参照）。一方、浸炭ガス３０の流量Ｑを２．００Ｌ／ｍｉｎに設定したとき、ワークＷは浸炭した（図６（ｂ）に示す点Ｐ４参照）。
従って、ワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付けて浸炭させる場合には、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌおよび浸炭ガス３０の流量Ｑに相関性があることがわかった。

ここで、浸炭ガス３０の流量Ｑを一定の値に設定したとき、浸炭ガス３０の勢いは、ガス噴射口２１の断面積Ａによって変動する。
例えば、ガス噴射口２１の断面積Ａを狭くして浸炭ガス３０を噴射した場合、ガス噴射口２１から噴射される浸炭ガス３０の勢いは増加する。具体的には、ガス噴射口２１の断面積Ａを半分にすると、浸炭ガス３０の勢いは二倍となる。
また、ガス噴射口２１の断面積Ａを広くして浸炭ガス３０を噴射した場合、ガス噴射口２１から噴射される浸炭ガス３０の勢いは減少する。具体的には、ガス噴射口２１の断面積Ａを二倍にすると、浸炭ガス３０の勢いは半分となる。

このように、浸炭ガス３０の流量Ｑは、ガス噴射口２１の断面積Ａと相関性がある。このため、ワークＷに浸炭ガス３０を吹き付けて浸炭させる場合には、ワークＷに対する浸炭の有無は、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌおよび浸炭ガス３０の流量Ｑをガス噴射口２１の断面積Ａにて除して得られた商（勢い）との間に相関性があることとなる。
なお、以下において、浸炭ガス３０の流量Ｑをガス噴射口２１の断面積Ａにて除して得られた商を「商Ｖ」と称する。

以上のような実験結果に基づいて、ワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付けて浸炭処理を行う場合における、ワークＷに対する浸炭の有無と、ガス噴射口２１とワークＷとの距離Ｌおよび浸炭ガス３０の流量Ｑをガス噴射口２１の断面積Ａにて除して得られた商Ｖとの相関性を示す式として、ワークＷへの浸炭が可能な条件として次式が導かれた（図７参照）。
Ｌ＜Ｖ×３．４４＋１．６３・・・（１）

このように、浸炭処理は、上記式（１）を満たす条件にて行われる。
また、ガスノズル２０は、上記式（１）を満たす条件の範囲内で、ガス噴射口２１よりワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付ける。
これによれば、ワークＷの周辺に浸炭ガス３０を保持することなくワークＷに浸炭処理を行うことができる。

次に、図８に示すように、ヒーター４０を具備した場合の浸炭装置１について説明する。
ヒーター４０は、ガスノズル２０のガス噴射口２１が形成される側の端部に取り付けられる。

このように構成されるヒーター４０は、浸炭工程において、ガス噴射口２１よりワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付ける前に、浸炭ガス３０を予熱する。

これにより、浸炭ガス３０の温度は上昇する。従って、浸炭ガス３０は、ある程度温度が上昇した状態で、ワークＷに直接吹き付けられる。そして、浸炭ガス３０は、ガス噴射口２１からワークＷの表面まで移動する間、ワークＷの放射熱を受ける。また、浸炭ガス３０は、ワークＷの表面まで移動したとき、ワークＷの表面に接触する。これにより浸炭ガス３０の温度は、さらに上昇して炭素と水素とに熱分解される。

つまり、浸炭ガス３０は、ヒーター４０によって熱分解され易い状態でワークＷに直接吹き付けられる。言い換えれば、ワークＷの表面により多くの炭素を接触できる。このため、ヒーター４０を具備する浸炭装置１は、ワークＷに常温の浸炭ガス３０を直接吹き付ける場合と比較して、浸炭ばらつき（浸炭ムラ）を抑制できる。

このように、ヒーター４０は、ガス噴射口２１よりワークＷに直接吹き付けられる前に浸炭ガス３０を予熱するガス予熱手段として機能する。
また、浸炭工程では、ヒーター４０によって浸炭ガス３０を予熱した後で、ガス噴射口２１よりワークＷに浸炭ガス３０を直接吹き付ける。

なお、ヒーター４０によって浸炭ガス３０を予熱する温度は特に限定されるものでない。すなわち、ヒーター４０は、浸炭ガス３０がワークＷに直接吹き付けられる前に少し（例えば１℃）でも予熱することができれば、常温の浸炭ガス３０をワークＷに直接吹き付けた場合と比較して、浸炭ばらつきを抑制できる。
ヒーター４０は、浸炭ガス３０が熱分解し易くなるという観点より、浸炭ガス３０をより高い温度、例えば、ワークＷの温度に近い温度まで予熱することが好ましい。

なお、ガス予熱手段は、ヒーター４０に限定されるものでない。すなわち、ガス予熱手段は、ワークＷに直接吹き付けられる前に浸炭ガス３０を予熱することができればよく、例えば、熱交換器等であっても構わない。

次に、図９に示すように、加熱コイル１０にガスノズル２０を連結した場合の浸炭装置１について説明する。
具体的には、本例における浸炭装置１は、図９および図１０に示すように、ガスノズル２０・２０・・・を加熱コイル１０の外周面に連結する。ガスノズル２０・２０・・・は、内部通路１１と連通される。

また、加熱コイル１０の内周面には、複数の連通孔１２・１２・・・が形成される。複数の連通孔１２・１２・・・は、それぞれ加熱コイル１０の内周面における周方向に等間隔に配置される。複数の連通孔１２・１２・・・は、内部通路１１と連通するとともに外部に開口する。また、複数の連通孔１２・１２・・・は、ワークＷに向けられた状態で形成される。

加熱コイル１０は、所定の電源に接続される接続部１３・１３を有する。接続部１３・１３の間には、所定の間隔が空けられる。
加熱コイル１０には、接続部１３・１３の間および加熱コイル１０の円環状に形成される部分の一部に形成される絶縁部１４を有する。絶縁部１４は、電流が流れない（遮断する）所定の絶縁体によって構成される。
これにより接続部１３・１３のいずれか一方より交流電流が流されたとき、かかる交流電流は、加熱コイルの円環状に形成された部分に流された後で、接続部１３・１３のいずれか他方に流される。

このように構成される浸炭装置１でワークＷに浸炭処理を行う場合の動作態様について説明する。

昇温工程では、前述のように加熱コイル１０によってワークＷが加熱される。

昇温工程の後で、浸炭工程が行われる。浸炭工程では、ガスノズル２０・２０・・・に連結されるガス供給源より浸炭ガス３０が供給される（図９に示す矢印Ｇ参照）。かかる浸炭ガス３０は、ガスノズル２０・２０・・・を通じて加熱コイル１０の内部通路１１に供給される。そして、浸炭ガス３０は、内部通路１１を通過した後で、複数の連通孔１２・１２・・・より内部通路１１の外部へ噴射される。つまり、複数の連通孔１２・１２・・・よりワークＷに、より詳細には浸炭必要部位Ｗ１に直接吹き付けられる。

このように、複数の連通孔１２・１２・・・は、図１、図２等に示した浸炭装置１におけるガス噴射口２１に対応する。また、浸炭工程では、浸炭ガス３０をガスノズル２０・２０・・・、加熱コイル１０の順に通過させた後で、ワークＷにガス噴射口２１に対応する複数の連通孔１２・１２・・・より直接吹き付ける。

浸炭工程において、加熱コイル１０は、ワークＷの放射熱を受けて加熱される。また、加熱コイル１０に交流電流が流されることによって、加熱コイル１０が自己発熱する。従って、加熱コイル１０の温度が上昇した状態となる。
つまり、浸炭工程では、加熱コイル１０の温度の上昇によって、加熱コイル１０に、より詳細には、加熱コイル１０の接合部位（例えば加熱コイル１０と接続部１３・１３との連結部分等）に負荷がかかる。

浸炭工程において、浸炭ガス３０は、加熱コイル１０の内部通路１１を通過した後で、複数の連通孔１２・１２・・・よりワークＷに直接吹き付けられる。従って、浸炭ガス３０には、加熱コイル１０の熱が伝導される。つまり、浸炭ガス３０の温度は上昇する、換言すれば、浸炭ガス３０は、加熱コイル１０によって予熱される。
一方、加熱コイル１０は、その熱が浸炭ガス３０に伝導される。従って、加熱コイル１０の温度は低下する、換言すれば、加熱コイル１０は、浸炭ガス３０によって冷却される。

このように浸炭装置１は、浸炭ガス３０を予熱するための予熱手段として、加熱コイル１０を用いることとなる。また、浸炭装置１は、加熱コイル１０を冷却するための冷媒として浸炭ガス３０を用いることとなる。
つまり、浸炭装置１は、図８に示すようなヒーター４０等を具備することなく浸炭ガス３０を予熱できる。また、浸炭装置１は、前述したような冷却水を貯溜するタンクを具備することなく加熱コイル１０を冷却できる。
このように、ガス予熱手段は、加熱コイル１０にガスノズル２０・２０・・・と連通する内部通路１１を形成し、加熱コイル１０に内部通路１１と連通するとともに外部に開口する複数の連通孔１２・１２・・・を形成することにより構成される。

浸炭工程の後で、冷却工程が行われる。冷却工程では、前述したように、加熱された状態のワークＷを窒素ガスによって冷却する。

これにより浸炭装置１は、ワークＷの表面に炭素を浸透拡散させて、ワークＷの表面層の炭素量を増加できる。つまり、ワークＷに浸炭処理を行うことができる。

このため、浸炭装置１は、別途浸炭ガス３０を予熱するための機構を具備することなく浸炭ガス３０を予熱できる。つまり、ワークＷに浸炭処理を行うために要するコストを低減できる。
また、浸炭装置１は、浸炭ばらつきを抑制できるとともに温度の上昇によって受ける加熱コイル１０の負荷を低減できる。

なお、浸炭装置１は、連通孔１２を加熱コイル１０に一つ形成する構成であっても、複数形成する構成であっても構わない。また、浸炭装置１は、ガスノズル２０を加熱コイル１０に一つ連結する構成であっても、複数連結する構成であっても構わない。

なお、浸炭装置１は、ワークＷの周囲を覆う囲いを具備する構成であっても構わない。前記囲いには、孔部が形成される。前記孔部には、ガスノズル２０が連結される。
このように構成される浸炭装置１でワークＷに浸炭処理を行うとき、ワークＷに直接吹き付けられる浸炭ガス３０は、ワークＷおよび前記囲いの間に挟まれる範囲に存在する。従って、浸炭ガス３０は、ワークＷより離れにくくなる。つまり、ワークＷの放射熱を受けやすくなる。このため、浸炭ガス３０の温度が安定する。

これによれば、浸炭ガス３０は、熱分解しやすくなる。このため、浸炭装置１は、ワークＷの表面により多くの炭素を接触させることができる。つまり、浸炭ばらつきを抑制できる。

また、前記囲いに複数の孔部を形成して、かかる孔部にそれぞれガスノズル２０を連結する構成であっても構わない。

なお、本実施形態の浸炭装置１は、ワークＷの軸心方向に沿って往復移動可能な構成としたが、これに限定されるものでない。すなわち、ワークＷの一部だけを浸炭させる場合、および移動することなくワークＷ全体を加熱するとともに浸炭ガス３０を直接吹き付けることができる場合等においては、浸炭装置１は移動不能な構成であっても構わない。また、ワークＷをその軸心方向に沿って往復移動可能な構成とした場合、浸炭装置１は移動不能な構成であっても構わない。

また、ワークＷは、所定の支持装置によって回転可能となる構成としたが、これに限定されるものでない。すなわち、ワークＷの一部だけを浸炭させる場合、およびガスノズル２０がワークＷの周方向に沿って回転可能な構成とした場合等においては、ワークＷは回転不能であっても構わない。

１ 浸炭装置
１０ 加熱コイル（加熱機構、加熱手段）
１１ 内部通路
２０ ガスノズル（ガス供給機構、ガス供給手段）
２１ ガス噴射口
３０ 浸炭ガス
Ｌ ガス噴射口とワークとの距離
Ｗ ワーク

Claims (8)

1. 大気雰囲気下に配置されるワークを加熱する加熱機構と、浸炭ガスを噴射するガス噴射口が形成されるガス供給機構とを具備する構成により、ワークに浸炭処理を行う浸炭方法であって、
   前記加熱機構によって加熱される前記ワークに、爆発限界未満の濃度の浸炭ガスを、大気雰囲気中にて前記ガス噴射口より直接吹き付ける浸炭工程を行い、
   前記浸炭工程では、前記加熱機構およびガス供給機構は、前記ワークの軸心方向または板面に沿って、前記ワークの所定の範囲内で移動する、浸炭方法。
2. 前記ガス噴射口と前記ワークとの距離をＬ（ｍｍ）とし、
   前記ワークに直接吹き付けられる前記浸炭ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）と前記ガス噴射口の断面積（ｍｍ²）との商をＶとしたとき、
   前記浸炭工程は、次式を満たす条件にて行われる請求項１に記載の浸炭方法。
   Ｌ＜Ｖ×３．４４＋１．６３
3. 前記浸炭工程では、
   前記浸炭ガスを予熱した後で、前記ガス噴射口より前記ワークに前記浸炭ガスを直接吹き付ける請求項１または請求項２に記載の浸炭方法。
4. 前記浸炭工程では、
   前記ガス供給機構により供給される前記浸炭ガスを、前記加熱機構を通過させた後で、前記ガス噴射口より前記ワークに直接吹き付ける請求項３に記載の浸炭方法。
5. 大気雰囲気下に配置されるワークを加熱する加熱手段と、浸炭ガスを噴射するガス噴射口が形成されるガス供給手段とを具備する構成により、ワークに浸炭処理を行う浸炭装置であって、
   前記ガス供給手段は、
   前記加熱手段によって加熱される前記ワークに、爆発限界未満の濃度の浸炭ガスを、大気雰囲気中にて前記ガス噴射口より直接吹き付け、
   前記加熱手段およびガス供給手段は、
   前記浸炭ガスを前記ワークに吹き付けている間、前記ワークの軸心方向または板面に沿って、前記ワークの所定の範囲内で移動可能である、浸炭装置。
6. 前記ガス噴射口と前記ワークとの距離をＬ（ｍｍ）とし、
   前記ワークに直接吹き付けられる前記浸炭ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）と前記ガス噴射口の断面積（ｍｍ²）との商をＶとしたとき、
   前記ガス供給手段は、次式を満たす条件にて、前記ガス噴射口より前記ワークに前記浸炭ガスを直接吹き付ける請求項５に記載の浸炭装置。
   Ｌ＜Ｖ×３．４４＋１．６３
7. 前記ガス噴射口より前記ワークに前記浸炭ガスを直接吹き付ける前に、前記浸炭ガスを予熱するガス予熱手段を具備する請求項５または請求項６に記載の浸炭装置。
8. 前記ガス予熱手段は、
   前記加熱手段に前記ガス供給手段と連通する内部通路を形成し、
   前記加熱手段に前記内部通路と連通するとともに前記ガス噴射口に対応する連通孔を形成することにより構成される請求項７に記載の浸炭装置。

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