JP6436000B2 - 浸炭装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに浸炭処理を施すための浸炭装置に関する。

鋼材からなるワークの表面に炭素を含浸拡散させてワーク表面層の炭素量を増加させる浸炭処理は知られており、大気雰囲気中でワークに浸炭処理を施すことができる方法および装置も提案されている。

特許文献１には、その一例が記載されており、この浸炭装置は、ワークを加熱する加熱部と、浸炭ガスを噴射するガス噴射口が形成されるガス供給部とを備え、加熱部によって加熱されるワークに、爆発限界未満の濃度の浸炭ガスを、ガス供給部より直接吹き付けることで、浸炭処理を行うようにしている。さらに、前記特許文献１には、そのような浸炭装置において、ワークと加熱部との間に、ワークの周囲を覆う囲い部を設け、その囲い部に孔を形成して、該孔にガス供給部のガスノズルを連結し、そこからワークに浸炭ガスを直接吹き付けるようにした装置も記載されている（特許文献１の段落００９８〜００９９参照）。

特開２０１１−０２６６５１号公報

特許文献１に記載のような、大気雰囲気中でワークに浸炭処理を施す装置において、ワークと加熱部との間にワークの周囲を覆う囲いを設け、その囲い内でワークに浸炭ガスを直接吹き付けるようにした装置では、浸炭ガスはワークと囲いに挟まれる範囲に存在することからワークから離れにくくなり、ワークからの放射熱を受けやすくなって浸炭ガスの温度が安定する等の利点がある。

図３は、上記した浸炭装置を説明するための図であり、図３（ａ）は平面図を、図３（ｂ）図は、図３（ａ）のｂ−ｂ線での断面図を示している。浸炭装置Ｂは、ワークＷを支持するための支持部材１と、該支持部材１によって支持されているワークＷを所要の間隔を置いて囲うようにした囲い部２と、囲い部２の外側に配置された加熱部３とを備えている。囲い部２には孔４が形成されており、該孔４には浸炭ガスを供給するガスノズル５が取り付けられている。ガスノズル５の先端はワークＷに対向しており、ガスノズル５から噴出する浸炭ガスは、ワークＷに直接吹き付けられる。

浸炭処理時には、ワークＷは加熱部３により所要温度に加熱されており、ガスノズル５から導入される浸炭ガスは、ガスノズル５の付近では、熱分解時間が少ないため浸炭ガス濃度が高く、一方、ガスノズル５から遠い場所では、浸炭ガスの熱分解時間が長いため、浸炭ガス濃度が低くなるのを避けられない。そのために、浸炭処理時にワークＷに回転を与えないと、ワークＷの周方向に浸炭ムラ（硬さムラ）が生じやすい。

ワークＷが表面に突出部のない滑らかな円筒状あるいは円盤状のものである場合には、ワークＷに回転を与えることで、上記の浸炭ムラが生じるのを回避できる。しかし、図示される歯車のように、表面に多数の突出部を形成しているワークＷの場合には、浸炭処理時にワークＷに一方向の回転を与えるだけでは、突出部の回転方向側の面と反回転方向側の面とで浸炭ムラが生じるのを避けられず、全体に均一な浸炭処理を施すためには、ワークＷを両方向（時計方向と反時計方向）に回転させる必要がある。そのために、設備費が高騰するとともに、浸炭処理時での操作も困難となる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ワークと加熱部との間にワークの周囲を囲う円筒状の囲い部を備えた形態の浸炭装置において、浸炭処理時にワークに回転を与えなくても、ワークの周方向に浸炭ムラが生じるのを回避できるようにした浸炭装置を開示することを課題とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく、ワークと加熱部との間にワークの周囲を囲う円筒状の囲い部を備えた形態の浸炭装置において、その囲い部の中に浸炭ガスを供給する態様について、多くの実験と研究を行うことにより、浸炭ガスを直接ワークに向けて吹き付けるのではなく、円筒状の囲い部の内周面に沿うようにして吹き出させることにより、ワークに回転を与えなくても、周方向に浸炭ムラのない浸炭処理品が得られることを知見した。

本発明は、上記知見に基づくものであり、本発明による浸炭装置は、ワークを加熱する加熱部と浸炭ガスを供給するガス供給部とを具備する浸炭装置であって、前記ワークと前記加熱部との間において前記ワークの周囲を囲うように位置する円筒状の囲い部を備え、前記ガス供給部は前記囲い部の内周面に沿うようにして浸炭ガスを供給できるようになっていることを特徴とする。

本発明による浸炭装置を用いることにより、浸炭処理時にワークに回転を与えなくても、周方向に浸炭ムラのない浸炭処理品を得ることができる。

本発明による浸炭装置を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）でのｂ−ｂ線に沿う断面図。 図２（ａ）は本発明による浸炭装置で浸炭処理された処理品の一例である歯車の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す歯車のＸ、Ｙ、Ｚ位置での表面深さと硬さとの関係を示すグラフ、図２（ｃ）は同じ歯車を従来の浸炭装置で浸炭処理した場合の平面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）に示す歯車のＸ、Ｙ位置での表面深さと硬さとの関係を示すグラフ。 従来の浸炭装置を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）でのｂ−ｂ線に沿う断面図。

以下、本発明にかかる浸炭装置の一実施の形態である浸炭装置Ａについて、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明による浸炭装置Ａは、浸炭ガスの供給部であるガスノズル５の囲い部２に対する取り付け方を除き、基本的に、図３に示した従来の浸炭装置Ｂと同じであってよく、同じ部材には同じ符号を付している。図１において、１はワークＷを支持するための支持部材であり、中心軸心線Ｌを備えている。ワークＷは、適宜の手段により支持部材１に着脱自在に固定される。支持部材１はワークＷとともに、中心軸心線Ｌの方向に移動可能であってもよい。支持部材１は中心軸心線Ｌを回転軸心として回動自在であってもよいが、後記するように、本発明による浸炭装置Ａでは、浸炭処理時にワークＷに回転を与えることを要しないので、支持部材１は回転不可あるいは回転非回転自在とされていてもよい。

支持部材１の中心軸心線Ｌと同じ中心軸心線を持つ円筒状の囲い部２が、支持部材１に固定されたワークＷを内包できる位置に備えられる。なお、囲い部２は少なくとも内周面が円筒面であればよく、外周側の形状は任意であってよい。また、囲い部２の内径寸法は、浸炭処理しようとする部材の最大外寸よりも大きくされる。囲い部２は中心軸線方向に移動可能であってもよく、固定されたものであってもよい。いずれの場合も、浸炭処理時には、囲い部２の軸心方向幅のほぼ中央位置にワークＷが位置できるようにされる。囲い部２は、石英のような材料で作られる。

前記囲い部２には１個または１個以上の孔４が形成される。図示の例では２個の孔４が形成されている。２個以上の孔４を形成する場合には、各孔４は前記中心軸心線Ｌに直交する同一の仮想平面Ｈ（好ましくは前記囲い部２の軸心方向幅のほぼ中央位置に通る仮想平面Ｈ）内に位置するようにして設けられる。各孔４には、適宜の浸炭ガス供給源（不図示）に接続するガスノズル５０が取り付けられる。各ガスノズル５０は、浸炭ガスの吹き出し方向が前記囲い部２の内周面に沿う方向であり、かつ好ましくは前記仮想平面Ｈに沿う方向となるように、前記各孔４に対して取り付けられる。なお、浸炭ガスの吹き出し方向は前記仮想平面Ｈに対してわずかに傾斜した方向であっても差支えない。このガスノズル５０が本発明でいう「ガス供給部」に相当する。

前記囲い部２の外側に、囲い部２を取り囲むようにして加熱部３が設けられる。加熱部３は従来知られた浸炭装置で用いられている適宜の加熱部であってよく、一例として円環状に形成された高周波加熱コイルが挙げられる。加熱部３は、限定されないが、加熱効率を高めるために、前記した中心軸心線Ｌに沿う方向の幅の中央部が前記仮想平面Ｈ内に含まれるように位置していることが好ましい。また、加熱部３は、固定されていてもよく、前記中心軸心線Ｌに沿う方向に移動自在であってもよい。

浸炭処理に当たっては、前記支持部材１に適宜の手段でワークＷを取り付ける。図示の例ではワークとして歯車Ｗを例示しており、該歯車Ｗはその回転中心軸が前記中心軸心線Ｌと一致するようにして支持部材１に固定されている。次に、必要な場合には、前記支持部材１に固定された歯車Ｗの厚み方向の中央部が前記仮想平面Ｈ内に位置するように、前記歯車Ｗと前記囲い部２の位置決めを行う。

位置決め後に、加熱部３を駆動して歯車Ｗを所定温度にまで加熱する。この昇温工程では、支持部材１を操作してワークである歯車Ｗに、前記仮想平面Ｈ内での回転を与えてもよいが、固定されたままであってもよい。歯車Ｗが所要温度に加熱された後、前記ガスノズル５０から浸炭ガスを噴出させる。浸炭ガスに制限はなく、従来の浸炭処理で用いられるガスをそのまま用いることができる。例として、アセチレンガス、プロパンガス、イソブタンガス、などが挙げられる。

噴出する浸炭ガスは、歯車Ｗを含む前記仮想平面Ｈに沿うようにして、かつ、図１（ａ）に示すように、前記囲い部２の内周面に沿うようにして、囲い部２の内面を乱流のない状態で流れていく。噴出する浸炭ガスが歯車Ｗに直接的に吹き付けられることはない。図示の例では２個のガスノズル５０、５０を１８０度の位置に設けており、囲い部２の内周面に沿う３６０度の範囲で、浸炭ガスが直接が歯車Ｗに吹き付けられる場合と比較して、浸炭ガスの濃度をほぼ一定に維持することができる。そのために、本発明による浸炭装置Ａを用いて浸炭処理する場合には、処理品（ワークＷ）が例えば歯車のように表面に多くの突出部を持つ部材であっても、ワークＷに積極的に回転を与えることなく、周方向に浸炭ムラのない処理品を得ることができる。ワークＷに積極的に回転を与えなくてもよいことから、浸炭装置Ａの構成の簡素化と浸炭処理の容易化が可能となり、設備費等の高騰を抑制することができる。

所要の簡単処理が終わった後、従来の浸炭装置と同様に、加熱部３内に冷却水や不活性ガスを流すような手段で冷却処理を行い、冷却後に処理品を取り出すことで、図２（ａ）に示すように、周方向に浸炭ムラのない硬さの均一な浸炭処理品（歯車）が得られる。なお、図示の例では１８０度の対向する位置に２個のガスノズル（ガス供給部）５０を備えるようにしたが、浸炭ガスの噴出速度を大きくすることで、１個のガスノズル（ガス供給部）５０であっても所期の目的を達成することが可能である。また、３個以上のガスノズル５０を周方向に好ましくは等間隔で配置することで、より一層浸炭ムラのない処理品を得ることができる。浸炭処理時に、ワーク（歯車）Ｗに正方向、逆方向、正逆両方向の回転を与えるようにしてもよい。

次に、実施例と比較例により、本発明による浸炭装置の優位性を説明する。

［実施例］
図１に示す浸炭装置Ａを用い、ワークＷとしての平歯車（直径φ８０ｍｍ、モジュール２０）に対して、次の条件で浸炭処理を施した。浸炭温度：１１００℃、浸炭ガス：アセチレン、浸炭ガス流量：２．０Ｌ／ｍｉｎ、浸炭時間：５ｍｉｎ、冷却ガス：Ｎ_２（１０ｂａｒ）、浸炭時に平歯車を回転させない。

浸炭処理後の歯車を図２（ａ）に示した。浸炭処理後の歯車について、１８０度に対向する２点（点ＸとＹ）および点ＸとＹの中間点Ｚにおける表面からの硬さ（ＨＶ）をビッカース硬度計で測定した。その結果を図２（ｂ）に示した。３点Ｘ、Ｙ、Ｚでの硬さ（ＨＶ）はほぼ同じであり、深さが違っても大きなばらつきはなかった。このことは、歯車の周方向に浸炭ムラがほとんど生じていないことを示しており、周方向全域での硬さがほぼ均一であることがわかる。

［比較例］
図１に示す浸炭装置Ａを改変した浸炭装置を用いて、同じ平歯車に対して、同じ条件で浸炭処理を行った。図１に示す浸炭装置Ａに対して行った改変は、ガスノズル５０を１個のみとし、ガスノズル５０を取り外した側の孔４は閉鎖したことである。さらに、ガスノズル５０の向きを変え、ガス噴出口が歯車に直接対向するようにした。

浸炭処理後の歯車を図２（ｃ）に示した。なお、図２（ｃ）において、点Ｘは、ガスノズルの噴射口に対向して位置する点であり、点Ｙは点Ｘに１８０度で対向する点である。図２（ｃ）に示すように、浸炭処理後の歯車では周方向での浸炭ムラが大きくなっているのがわかる。実施例と同様にして、１８０度に対向する２点（点ＸとＹ）での表面からの硬さ（ＨＶ）を測定した。その結果を図２（ｄ）に示した。点Ｘと点Ｙとの間で、表面からの深さとともに、硬さ（ＨＶ）の違いが大きくなっており、歯車の周方向に大きな浸炭ムラが生じていることがわかる。

［評価］
図２（ｂ）と図２（ｄ）のグラフを比較すれば明らかなように、本発明による浸炭装置を用いることで、周方向に浸炭ムラのない処理品が得られることがわかる。さらに、浸炭処理時に歯車を回転する処理を行わなくても、周方向に浸炭ムラのない処理品が得られており、従来の装置と比較して、浸炭装置の簡素化と処理の容易性も確保できることがわかる。

Ａ…本発明による浸炭装置、
Ｗ…ワーク（歯車）、
Ｌ…中心軸心線、
Ｈ…中心軸心線Ｌに直交する仮想平面、
１…ワークＷを支持するための支持部材、
２…中心軸心線Ｌと同じ中心軸心線を持つ円筒状の囲い部、
３…加熱部、
４…囲い部に形成した孔、
５０…ガスノズル（ガス供給部）。

Claims (1)

1. ワークを加熱する加熱部と、ワークに浸炭ガスを供給するガス供給部とを具備する浸炭装置であって、
   前記浸炭装置は、前記ワークと前記加熱部との間において前記ワークの周囲を囲うように位置する円筒状の囲い部を備え、前記囲い部には、前記ガス供給部が設けられており、前記ガス供給部は、前記囲い部の周方向の内周面に沿って前記浸炭ガスが流れるように、配置されていることを特徴とする浸炭装置。

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