JP6477532B2 - 浸窒処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、浸窒処理方法に関する。

従来、アンモニアを含む窒化ガス雰囲気において、鉄鋼材料からなるワークを誘導加熱する浸窒焼入れ方法（浸窒処理方法）が知られている。具体的には、ワークを高周波誘導加熱コイルで加熱し、加熱によりワークの表面で分解したアンモニアガスの窒素をワークの表面からワークの内部に浸透させて拡散させる。一例として、例えば下記特許文献に記載の浸窒処理方法は、アンモニアガスを含む窒化ガス雰囲気でワークを誘導加熱する窒化処理工程と、ワークを冷却する冷却工程とを備える。そして、冷却工程において、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）の到達前にワークを拘束しながら冷却することにより、熱処理効率の向上及び熱変形の抑制が図られている。

特開２０１５−２５４６８号公報

しかしながら、上述した浸窒処理方法では、以下の問題が生じている。すなわち、通常ではワークの表面と内部で温度差はないと考えられている。そして、図２に示すように、窒素のワーク内部への拡散速度は温度に比例しているため、拡散速度を上げるためにはワークの温度を高くする必要がある。しかし、ワークの温度を高くすると、ワーク内部よりもワーク表面の温度上昇が最も速いので、アンモニアガスがワーク表面に到達する前に既に分解してしまう。従って、このような場合には、アンモニアガスの分解が促進されるので、浸窒処理の時間が却って長くなる問題があった。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、浸窒処理の時間を短縮することができる浸窒処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係る浸窒処理方法は、鉄鋼材料からなるワークに窒素を浸透拡散させる浸窒処理方法であって、前記ワークに対し電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数で誘導加熱を行うことと、前記ワークの表面に窒化ガスを吹き付けることと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数でワークを誘導加熱するので、ワークの加熱部位を内部にシフトさせることができる。加えて、ワークの表面に窒化ガスを吹き付けることにより、ワーク表面の温度をワーク内部の温度より低くすることができる。このため、窒化ガスから分解した窒素におけるワーク内部への拡散速度を維持しつつ、ワーク表面での窒化ガスの分解を抑制することができる。その結果、浸窒処理時間を短縮することが可能になる。

実施形態に係る浸窒処理設備の構成を示す概略図である。 内部拡散速度と温度との関係を示すグラフである。 うず電流密度分布と表面からの深さとの関係を示すグラフである。 電流浸透深さと周波数との関係を示すグラフである。 温度と表面からの深さとの関係について本発明と従来との比較グラフである。 窒素濃度と表面からの距離との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係る浸窒処理方法の実施形態について説明する。図１は実施形態に係る浸窒処理設備の構成を示す概略図である。浸窒処理設備１は、主に、ワーク（例えばギヤ）２を加熱するための高周波誘導加熱コイル３と、ワーク２に窒化ガス（ここでは、アンモニアガス）を吹き付けるための吹付ノズル４とを有する。

ワーク２は、鉄鋼材料によって形成されたものである。鉄鋼材料としては、炭素鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼等が挙げられる。高周波誘導加熱コイル３は、ワーク２の周囲に配置されている。吹付ノズル４は、配管を介してアンモニアガスを供給するガスボンベ（図示せず）に接続されており、ワーク２の形状に合わせて吹き付け角度を調整自在に設置されている。

本実施形態の浸窒処理方法は、高周波誘導加熱と、アンモニアガス吹き付けとを含む。高周波誘導加熱では、高周波誘導加熱コイル３を用いてワーク２を誘導加熱する。このとき、電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数でワーク２への誘導加熱が行われている。電流浸透深さとは、うず電流が表面における電流密度の０．３６８倍に減少した点までの表面からの深さを意味している。一方、アンモニアガス吹き付けでは、吹付ノズル４を介してワーク２の表面にアンモニアガスを吹き付ける。そして、浸窒処理の際に、上述の高周波誘導加熱とアンモニアガス吹き付けとを同時に行ってもよく、又は高周波誘導加熱をＯＮ／ＯＦＦしながらアンモニアガス吹き付けを行ってもよい。

以下、図３〜５を基に本実施形態の作用効果を説明する。図３はうず電流密度分布と表面からの深さとの関係を示すグラフである。図３に示すように、高周波誘導加熱コイル３で発生したうず電流の密度分布（すなわち、発熱量）は、表皮効果によってワーク表面に近いほど大きくなっている。換言すれば、周波数が同じである場合に、ワークの表面よりも内部の方は発熱量が少ない。

そして、高い周波数（実線で示す部分）と低い周波数（破線で示す部分）とを比較すると、発熱量が同じである場合に、周波数が低い方はよりワークの内部に深く入り込むことが分かる。従って、高周波誘導加熱コイル３の周波数を低周波数側に設定すれば、加熱深さをよりワークの内部に移動させることができる。

図４は電流浸透深さと周波数との関係を示すグラフである。図４から分かるように、材料が同じである場合に、周波数が低くなると電流浸透深さが深くなる。従って、高周波誘導加熱コイル３の周波数を低周波数側に設定すれば、電流浸透深さが深くなるので、加熱深さをよりワークの内部に移動させることができる。

そして、本実施形態の浸窒処理方法では、電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数でワーク２を誘導加熱することで、ワーク２の加熱部位を内部にシフトさせることができる。ここで、電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数は、ワークの多くがγ鉄により形成されること、及び高周波誘導加熱コイル３の周波数をできるだけ低周波数側に設定すること等を考慮しつつ、図４に示す電流浸透深さと周波数との関係を参照して決定されたものである。

また、電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数でワーク２を誘導加熱すると共に、ワーク２の表面に更にアンモニアガスを吹き付けることにより、ワーク２の表面温度を内部温度より低くすることができる。図５は温度と表面からの深さとの関係について本発明と従来との比較グラフである。図５中破線で示すように、従来ではワークの表面と内部で温度差はないと考えられるので、表面からの深さが変化してもワークの温度は常に一定である。これに対し、上述した本実施形態の浸窒処理方法によれば、ワーク２の表面温度を内部温度より低くすることができるので、図５中実線で示すように、ワークの表面から所定の範囲においてワークの表面と内部とで温度差を持たせることが可能である。

このため、アンモニアガスから分解した窒素におけるワーク２内部への拡散速度を維持できると共に、ワーク２表面でのアンモニアガスの分解を抑制することができるので、浸窒処理時間を短縮することが可能になる。

以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。

＜実施例＞
実施例では、上述の浸窒処理設備１を利用し、ワークに対して上述の浸窒処理方法に従って処理を行い、その処理時間を測定した。ワーク２の処理温度、高周波誘導加熱コイル３の周波数及び出力、アンモニアガスの流量及び温度は表１に記載の通りである。また、ワーク２としては外径が１００ｍｍのギヤを用い、ギヤの材料は加熱によりγ鉄になり、その重さは約１ｋｇであった。図６は窒素濃度と表面からの距離との関係を示すグラフであり、図６に示す窒素濃度と表面からの距離との関係を基づき、実施例のワーク内部をワーク表面からの深さが０．１〜０．５ｍｍの場所とした。

＜比較例＞
また、実施例と同じ浸窒処理設備及び浸窒処理方法を用いて、実施例と異なる処理温度、異なる周波数及び出力（表１参照）で比較例１及び比較例２を行った。比較例１ではワーク全体の処理温度が１１２０℃均一、比較例２ではワーク全体の処理温度が１１００℃均一であった。なお、これらの比較例に用いられたワークは、実施例と同じであった。

図７は実施例及び比較例の結果を示すグラフであり、表２は実施例及び比較例１、２の結果を示すものである。比較例１の場合は浸窒処理時間が２０５秒、比較例２の場合は浸窒処理時間が２００秒であった。一方、実施例の場合は浸窒処理時間が１８０秒の結果であり、比較例１に対して処理時間を１２％、比較例２に対して処理時間を１０％短縮できたことが示された。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、本発明の浸窒処理方法は、上述の高周波誘導加熱及びアンモニアガス吹付のほか、冷却等を更に含んでもよい。

１ 浸窒処理設備
２ ワーク
３ 高周波誘導加熱コイル
４ 吹付ノズル

Claims (1)

1. 鉄鋼材料からなるワークに窒素を浸透拡散させる浸窒処理方法であって、
   γ鉄により形成される前記ワークに対し、電流浸透深さが２ｍｍ以上になる周波数で誘導加熱を行うことと、
   前記ワークの表面と前記ワークの表面から０．１〜０．５ｍｍ深さのワーク内部とで温度差を持たせ、且つ前記ワークの表面の温度を前記ワーク内部の温度よりも低くするように、前記ワークの表面に窒化ガスを吹き付けることと、
   を含むことを特徴とする浸窒処理方法。

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