JP6345320B1 - 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)
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、前記複数種類の炉内導入ガスの合計導入量を一定に保ちながら前記複数種類の炉内導入ガスの流量比率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べく前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御す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である。
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、前記複数種類の炉内導入ガスの合計導入量を一定に保ちながら前記複数種類の炉内導入ガスの流量比率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べく前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御す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である。
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、(1)アンモニアガスのみ、(2)アンモニア分解ガスのみ、または、(3)アンモニアガスとアンモニア分解ガスとの2種類のみ、を含む複数種類の炉内導入ガスを選択的に処理炉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、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。その後、炉内導入ガス供給部20からアンモニアガスとアンモニア分解ガスとの混合ガスが設定初期流量で処理炉2内へ導入される。この設定初期流量も、パラメータ設定装置15において設定入力可能であり、第1供給量制御装置22及び第2供給量制御装置26(共にマスフローコントローラ)によって制御される。また、攪拌ファン駆動モータ9が駆動されて攪拌ファン8が回転し、処理炉2内の雰囲気を攪拌する。
前述した本実施形態の表面硬化処理装置1によって、実際に表面硬化処理が行われた(実施例)。また、比較のため、従来の制御方法による表面硬化処理も行われた(比較例)。
次に、図4は、時間帯に応じて目標窒化ポテンシャルを変更する制御例の各種設定値を示す表である。本例では、目標窒化ポテンシャルの値が0.2→1.5→0.3と連続的に変更されている。すなわち、本例では、目標窒化ポテンシャルの値が、同一の被処理品に対して、時間帯に応じて3つの異なる値として設定されている。
前述した本実施形態の表面硬化処理装置1によって、実際に表面硬化処理が行われた(実施例)。また、比較のため、従来の制御方法による表面硬化処理も行われた(比較例)。
2 処理炉
3 雰囲気ガス濃度検出装置
4 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 ガス導入量制御装置
15 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
26 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 ガス流量出力調整装置
31 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 (6)
- 処理炉内で水素を発生するガスとしては、(1)アンモニアガスのみ、(2)アンモニア分解ガスのみ、または、(3)アンモニアガスとアンモニア分解ガスとの2種類のみ、を含む複数種類の炉内導入ガスを前記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またはガス軟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、前記複数種類の炉内導入ガスの合計導入量を一定に保ちながら前記複数種類の炉内導入ガスの流量比率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べく前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御装置と、
を備え、
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と共に同一時間帯内では一定の値として設定されるようになっており、
前記ガス導入量制御装置は、前記複数種類の炉内導入ガスの各々の導入量を入力値とし、前記炉内窒化ポテンシャル演算手段によって演算される前記処理炉内の窒化ポテンシャルを出力値とし、前記目標窒化ポテンシャルを目標値としたPID制御を実施するようになっており、
前記PID制御における比例ゲインと、積分ゲインまたは積分時間と、微分ゲインまたは微分時間とが、パイロット処理を実施して予め入手しておいた候補の値の中から、前記目標窒化ポテンシャルの異なる値毎に設定できるようになっている
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、各時間帯に応じて0.05〜1.3の範囲内で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。 - 前記目標窒化ポテンシャルは、同一の被処理品に対して3以上の時間帯に応じて3以上の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または2に記載の表面硬化処理装置。 - 処理炉内で水素を発生するガスとしては、(1)アンモニアガスのみ、(2)アンモニア分解ガスのみ、または、(3)アンモニアガスとアンモニア分解ガスとの2種類のみ、を含む複数種類の炉内導入ガスを前記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またはガス軟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、前記複数種類の炉内導入ガスの合計導入量を一定に保ちながら前記複数種類の炉内導入ガスの流量比率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べく前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御工程と、
を備え、
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と共に同一時間帯内では一定の値として設定されるようになっており、
前記ガス導入量制御工程では、前記複数種類の炉内導入ガスの各々の導入量を入力値とし、前記炉内窒化ポテンシャル演算手段によって演算される前記処理炉内の窒化ポテンシャルを出力値とし、前記目標窒化ポテンシャルを目標値としたPID制御が実施されるようになっており、
前記PID制御における比例ゲインと、積分ゲインまたは積分時間と、微分ゲインまたは微分時間とが、パイロット処理を実施して予め入手しておいた候補の値の中から、前記目標窒化ポテンシャルの異なる値毎に設定される
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、各時間帯に応じて0.05〜1.3の範囲内で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。 - 前記目標窒化ポテンシャルは、同一の被処理品に対して3以上の時間帯に応じて3以上の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または5に記載の表面硬化処理方法。
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