JP6543213B2 - 表面硬化処理方法および表面硬化処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスにより鋼の表面層に窒素を侵入させて表面を硬化させる表面硬化処理方法および表面硬化処理装置に関する。

従来、ガスにより鋼の表面層に窒素（Ｎ）を侵入させて表面を硬化させる手法として、ガス窒化（純窒化）およびガス軟窒化が知られている。このうち、ガス窒化は、窒化鋼や合金鋼等の比較的高級な鋼材を対象としたものであり、窒素を侵入させることによって鋼中に含まれるアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）およびモリブデン（Ｍｏ）等の窒化物を主に生成し、これらの窒化物を含んだ拡散層を形成することで表面を硬化させる手法である。一方、ガス軟窒化は、炭素鋼等の比較的低級な鋼材を対象としたものであり、窒素を侵入させることによってＦｅ_２−３ＮやＦｅ_４Ｎ等の窒化鉄を生成し、これらの窒化鉄を含んだ化合物層を形成することで表面を硬化させる手法である。また、ガス軟窒化では鋼中に窒素が拡散して固溶した拡散層が化合物層の下に形成される。

窒化に使用される雰囲気ガスとしては、ガス窒化では一般にアンモニアガス（ＮＨ_３）が使用されており、次の（ａ）式の反応によって鋼中に窒素が供給される。
２ＮＨ_３ → ２Ｎ＋３Ｈ_２ ・・・（ａ）

一方、ガス軟窒化においては、ガス窒化よりも鋼中への窒素の侵入を促進する必要があることから、鋼の表面にアンモニアの分解の触媒となる炭化物や酸化物を生成すべく、アンモニアガスにＲＸガス（吸熱変性ガス）や炭酸ガス（ＣＯ_２）を加えたものが雰囲気ガスとして使用される。一般的には、アンモニアガスとＲＸガスを略１：１で混合したガス、アンモニアガスと窒素ガスを略１：１で混合したベースガスに炭酸ガスを３〜５％程度添加したガス、およびアンモニアガスに炭酸ガスを３〜５％程度添加したガス等が、ガス軟窒化における雰囲気ガスとして使用されている（例えば、特許文献１参照）。

ＲＸガス中には一酸化炭素（ＣＯ）が含まれており、この一酸化炭素は次の（ｂ）式に示されるブードア反応によって炭素を供給し、触媒となる炭化物の生成に寄与する。
２ＣＯ → ＣＯ_２＋Ｃ ・・・（ｂ）

また、ブードア反応によって生じた二酸化炭素または雰囲気ガス中に添加された二酸化炭素は、ＲＸガス中に含まれる水素（Ｈ_２）または上記（ａ）式によって生じた水素と次の（ｃ）式のように反応し、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）および一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。
Ｈ_２＋ＣＯ_２ → Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ ・・・（ｃ）

そして、上記（ｃ）式の反応により生成された水蒸気は触媒となる酸化物の生成に寄与し、一酸化炭素は上記（ｂ）式のブードア反応により、触媒となる炭化物の生成に寄与することとなる。

また、ガス窒化およびガス軟窒化における雰囲気ガスの窒化力を示す窒化ポテンシャルＫ_ｎは、雰囲気ガスのアンモニア分圧（アンモニア濃度）Ｐ_ＮＨ３および水素分圧（水素濃度）Ｐ_Ｈ２から、次の（ｄ）式によって求められる。
Ｋ_ｎ＝Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２ ・・・（ｄ）

特開２００２−３０２７５６号公報

しかしながら、従来のガス窒化およびガス軟窒化では、一般に昇温中の雰囲気ガスを窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスとし、昇温後、それまでの雰囲気ガスにアンモニアガスを追加していきながら窒化を行うことから、雰囲気ガスの窒化ポテンシャルＫ_ｎが必要な値まで上昇するのに時間を要すると共に、必要な窒化ポテンシャルＫ_ｎを維持するのに大量のアンモニアガスを必要とするという問題があった。また、昇温時の雰囲気ガス中の不要な成分や処理対象の鋼材表面における付着物等がアンモニアガスの供給開始後も残存しやすいため、高精度の処理を行うことが困難となる場合があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、迅速、且つ、高精度のガス窒化およびガス軟窒化を安価に行うことが可能な表面硬化処理方法および表面硬化処理装置を提供しようとするものである。

（１）本発明は、ワークを収容した熱処理炉内を所定の処理温度に保持した状態で、アンモニアを含むベースガスを前記熱処理炉内に供給する、または前記ベースガスを二酸化炭素もしくは鎖式不飽和炭化水素を含む添加ガスと共に前記熱処理炉内に供給する窒化工程と、前記熱処理炉内を前記処理温度に昇温後、前記窒化工程の前に前記熱処理炉内の雰囲気ガスを排出して前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給するパージ工程と、を有することを特徴とする、表面硬化処理方法である。

（２）本発明はまた、前記パージ工程では、前記熱処理炉内を大気圧以下に減圧後、前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給することを特徴とする、上記（１）に記載の表面硬化処理方法である。

（３）本発明はまた、前記パージ工程では、予めタンク内に貯留した所定量の前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の表面硬化処理方法である。

（４）本発明はまた、前記熱処理炉内を前記処理温度に昇温後、所定の均熱時間が経過した後に、前記パージ工程を行うことを特徴とする、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面硬化処理方法である。

（５）本発明はまた、気密状態でワークを収容する熱処理炉と、前記熱処理炉内を加熱する加熱装置と、アンモニアを含むベースガスを前記熱処理炉内に供給する、または前記ベースガスを二酸化炭素もしくは鎖式不飽和炭化水素を含む添加ガスと共に前記熱処理炉内に供給する処理ガス供給装置と、前記熱処理炉内の雰囲気ガスを排出して前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給するパージ装置と、前記熱処理炉内を所定の処理温度に昇温後、前記処理ガス供給装置からの前記ベースガスまたは前記ベースガスおよび前記添加ガスの供給を開始する前に、前記熱処理炉内の雰囲気ガスを排出して前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給するように前記パージ装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする、表面硬化処理装置である。

（６）本発明はまた、前記パージ装置は、前記熱処理炉内の雰囲気ガスを吸引して前記熱処理炉内を大気圧以下に減圧するポンプを備えることを特徴とする、上記（５）に記載の表面硬化処理装置である。

（７）本発明はまた、前記パージ装置は、前記熱処理炉内に供給する所定量の前記ベースガスを貯留するタンクを備えることを特徴とする、上記（５）または（６）に記載の表面硬化処理装置である。

本発明に係る表面硬化処理方法および表面硬化処理装置によれば、迅速、且つ、高精度のガス窒化およびガス軟窒化を安価に行うことが可能という優れた効果を奏し得る。

本発明の実施の形態に係る表面硬化処理装置の構成を示した概略図である。 表面硬化処理方法のタイムチャートの一例を示した図である。 （ａ）ＳＣＭ４３５の硬さ試験の結果を示したグラフである。（ｂ）ＳＣＭ４３５の断面の顕微鏡写真である。 （ａ）ＦＣＤ６００の硬さ試験の結果を示したグラフである。（ｂ）ＦＣＤ６００の断面の顕微鏡写真である。 （ａ）ＦＣＤ７００の硬さ試験の結果を示したグラフである。（ｂ）ＦＣＤ７００の断面の顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る表面硬化処理装置１の構成を示した概略図である。本実施形態の表面硬化処理装置１は、ガス窒化およびガス軟窒化のいずれも行うことが可能に構成されている。図１に示されるように、表面硬化処理装置１は、熱処理炉１０と、熱処理炉１０に各種ガスを供給するガス供給装置２０と、熱処理炉１０内の雰囲気ガスを排出する排気装置３０と、表面硬化処理装置１の各部を制御する制御装置４０とを備えている。

熱処理炉１０は、被処理材であるワーク１００を収容して加熱すると共に、炉内１０ａの雰囲気ガスによってガス軟窒化を行うものである。熱処理炉１０は、炉内１０ａが外部から気密状態に保たれると共に、適宜の断熱材によって保温されるように構成されている。また、炉内１０ａは、適宜の治具１１等に載置された状態で複数のワーク１００を収容可能に構成されている。

熱処理炉１０には、炉内１０ａを加熱する加熱装置（例えば電熱線ヒータ）１２と、炉内１０ａの温度を測定する温度計（例えば熱電対）１３と、炉内１０ａの圧力を測定する圧力計１４と、炉内１０ａの水素（Ｈ_２）濃度を測定する水素濃度計１５と、炉内１０ａの雰囲気ガスを攪拌する攪拌装置（例えばファン）１６とが設けられている。なお、水素濃度計１５は、測定ガスと標準ガスの熱伝導率の差に基づいて水素濃度を検出する熱伝導式のものであり、水素濃度の連続的な測定が可能となっている。

ガス供給装置２０は、炉内１０ａを最初にパージするための不活性ガスと、ワーク１００表面の酸化や窒化を防止するための還元性ガスと、ワーク１００中に侵入させる窒素（Ｎ）を供給するためのベースガスと、ガス軟窒化においてワーク１００の表面に触媒を生成するための添加ガスとを炉内１０ａに供給するものである。ガス供給装置２０は、不活性ガスを供給する不活性ガス供給系統２１と、還元性ガスを供給する還元性ガス供給系統２２と、ベースガスを供給する第１のベースガス供給系統２３および第２のベースガス供給系統２４と、添加ガスを供給する添加ガス供給系統２５とを備えている。

不活性ガス供給系統２１は、所定の供給流量で炉内１０ａに不活性ガスを供給するものである。不活性ガス供給系統２１は、不活性ガスを収容したガスボンベ等からなる不活性ガス供給源２１ａと、不活性ガス供給源２１ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２１ｂとを備えている。そして、供給配管２１ｂの途中には、不活性ガスの流量を調整するための流調弁２１ｃと、制御装置４０に制御されて開閉する電磁弁２１ｄと、不活性ガスの流量を測定する流量計２１ｅとが設けられている。

還元性ガス供給系統２２は、所定の供給流量で炉内１０ａに還元性ガスを供給するものである。還元性ガス供給系統２２は、還元性ガスを収容したガスボンベ等からなる還元性ガス供給源２２ａと、還元性ガス供給源２２ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２２ｂとを備えている。また、供給配管２２ｂの途中には、還元性ガスの流量を調整するための流調弁２２ｃと、制御装置４０に制御されて開閉する電磁弁２２ｄと、還元性ガスの流量を測定する流量計２２ｅとが設けられている。

第１のベースガス供給系統２３は、所定の供給流量で炉内１０ａにベースガスを供給するものである。第１のベースガス供給系統２３は、ベースガスを収容したガスボンベ等からなるベースガス供給源２３ａと、ベースガス供給源２３ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２３ｂとを備えている。また、供給配管２３ｂの途中には、ベースガスの流量を調整するための流調弁２３ｃと、制御装置４０に制御されて開閉する電磁弁２３ｄと、ベースガスの流量を測定する流量計２３ｅとが設けられている。

第２のベースガス供給系統２４は、レシーバタンク２４ａを備え、このレシーバタンク２４ａ内に貯留した所定量のベースガスを減圧した炉内１０ａに供給することで真空パージを行うものである。第２のベースガス供給系統２４は、ベースガス供給源２３ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２４ｂを備えており、レシーバタンク２４ａは供給配管２４ｂの途中に設けられている。レシーバタンク２４ａの上流側および下流側の供給配管２４ｂには、御装置４０に制御されて開閉する電磁弁２４ｃおよび電磁弁２４ｄがそれぞれ設けられている。また、レシーバタンク２４ａには、レシーバタンク２４ａ内の圧力を測定する圧力計２４ｅが設けられている。

添加ガス供給系統２５は、所定の供給流量で炉内１０ａに添加ガスを供給するものである。添加ガス供給系統２５は、添加ガスを収容したガスボンベ等からなる添加ガス供給源２５ａと、添加ガス供給源２５ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２５ｂとを備えている。また、供給配管２５ｂの途中には、添加ガスの流量を調整するための流調弁２５ｃと、制御装置４０に制御されて開閉する電磁弁２５ｄと、添加ガスの流量を測定する流量計２５ｅとが設けられている。

不活性ガスは、不活性ガス供給系統２１から炉内１０ａに供給されることで窒化を行う前に炉内の雰囲気ガスを排出して置換するためのガスである。本実施形態では、不活性ガスとして窒素（Ｎ_２）を使用しているが、例えばアルゴン等のその他の不活性ガスを使用するようにしてもよい。また、不活性ガス供給源２１ａは、例えば圧力スイング吸着法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ＰＳＡ）により空気中から窒素を分離する窒素ガス発生装置であってもよい。

還元性ガスは、不活性ガスと共に炉内１０ａに供給されることで昇温時および均熱時のワーク１００表面における酸化や窒化を防止し、その後ベースガスを炉内１０ａに供給して窒化を行う際の窒化のバラツキを低減するためのものである。すなわち、窒化の前に不活性ガスと共に還元性ガスを炉内１０ａ供給することで、炉内１０ａに残存する酸素（Ｏ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）、不活性ガス中に混入した不純物等と反応させて除去することができるため、昇温時および均熱時のワーク１００表面における不要な化合物の生成を防止し、ベースガスによる窒化を効率的且つ高精度に行うことが可能となる。

本実施形態では、還元性ガスとして、アンモニア（ＮＨ_３）を使用しているが、例えば水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）等のその他の還元性ガスや、水素および一酸化炭素を含むＲＸガス（吸熱変成ガス）等を還元性ガスとして使用してもよい。但し、後述するベースガスとの統一化による装置等の簡素化およびコストの低減等を考慮すると、還元性ガスはアンモニアであることが好ましい。

ベースガスは、ワーク１００の表面で分解して活性な窒素原子を生成し、ワーク１００中へ侵入させるためのものである。従来、ガス窒化およびガス軟窒化においてはアンモニアがベースガスとして一般に使用されており、本実施形態でもアンモニアを単体でベースガスとして使用している。なお、アンモニアと窒素やアルゴン等の不活性ガスの混合ガスをベースガスとしてもよい。また、還元性ガス供給源２２ａとベースガス供給源２３ａを共通化してもよい。

添加ガスは、ガス軟窒化においてベースガスに添加されるガスであり、アンモニアの分解を促進する触媒となる酸化物や炭化物をワーク１００の表面に生成するためのガスである。本実施形態では、二酸化炭素を単体で添加ガスとして使用しているが、二酸化炭素と窒素やアルゴン等の不活性ガスの混合ガスを添加ガスとしてもよい。ＲＸガスを添加ガスとして使用する場合、ベースガスと略同量の添加ガスを炉内１０ａに供給する必要があるが、二酸化炭素または二酸化炭素と不活性ガスの混合ガスを添加ガスとすることで、ベースガスに対する添加ガスの供給量をきわめて少量とすることができるため、炉内１０ａの水素濃度に基づく窒化ポテンシャルＫ_ｎの制御を高精度に行うことが可能となる。

また、例えばアセチレン（ＣＨ≡ＣＨ）、プロピン（ＣＨ_３Ｃ≡ＣＨ）、１−ブチン（ＣＨ_３ＣＨ_２Ｃ≡ＣＨ）、エチレン（Ｈ_２Ｃ＝ＣＨ_２）およびブタジエン（ＣＨ_２＝ＣＨ−ＣＨ＝ＣＨ_２）等の鎖式不飽和炭化水素を添加ガスとして使用してもよい。二重結合または三重結合を有する鎖式不飽和炭化水素は、鋼に吸着しやすく反応性に富み、さらに分子中に酸素原子を含まないことから、鎖式不飽和炭化水素を添加ガスとして使用することで、低露点雰囲気での処理が可能となる。

従って、添加ガスとして鎖式不飽和炭化水素を使用することで、触媒となる炭化物を効率的に生成しつつ、窒化を阻害する過剰な酸化物の生成を防止することが可能となる。また、鎖式不飽和炭化水素は、その高い吸着性により二酸化炭素を使用した場合よりも添加ガスの供給量を１／１０程度まで減少させることができるため、炉内１０ａの水素濃度に基づく窒化ポテンシャルＫ_ｎの制御をより高精度に行うことが可能となる。

なお、分子量が増すと安定性が減少して煤を発生しやすくなる点、三重結合を有する方が吸着性に富む点、および入手の容易さ等を考慮すると、鎖式不飽和炭化水素の中でも特にアセチレンが添加ガスとして好ましい。

排気装置３０は、炉内１０ａの雰囲気ガスを排出することで、炉内１０ａの圧力を調整するものである。排気装置３０は、ガス供給装置２０からの各ガスの供給中に雰囲気ガスを排出して炉内１０ａを大気圧以上の所定の圧力に保持する第１の排気系統３１と、真空パージを行う際に雰囲気ガスを吸引して炉内１０ａを大気圧以下の所定の圧力に減圧する第２の排気系統３２と、第１の排気系統３１または第２の排気系統３２から排出された雰囲気ガス中に残留するアンモニアを分解する分解炉３３と、分解炉３３から排出された可燃性ガスを燃焼させる燃焼塔３４とを備えている。

第１の排気系統３１は、炉内１０ａと分解炉３３を繋ぐ排気配管３１ａを備えており、排気配管３１ａの途中には、制御装置４０に制御されて開閉する電磁弁３１ｂが設けられている。第２の排気系統３２は、炉内１０ａと分解炉３３を繋ぐ排気配管３２ａを備えており、排気配管３２ａの途中には、制御装置４０に制御されて開閉する電磁弁３２ｂが設けられている。また、電磁弁３２ｂと分解炉３３の間の排気配管３２ａには、制御装置４０に制御されて動作する真空ポンプ３２ｃが設けられている。

制御装置４０は、適宜のマイコンまたはＰＣ等から構成され、表面硬化処理装置１全体を制御するものである。制御装置４０は、温度計１３の信号出力に基づいて加熱装置１２を制御し、熱処理炉１０内を予め設定された処理温度Ｔに昇温し、保持する。制御装置４０はまた、ガス供給装置２０の各電磁弁２１ｄ〜２５ｄを制御し、不活性ガス、還元性ガス、ベースガスおよび添加ガスの炉内１０ａへの供給を所定のタイミングで開始または停止する。

制御装置４０はまた、水素濃度計１５の信号出力に基づいて第１のベースガス供給系統２３の電磁弁２３ｄおよび添加ガス供給系統２５の電磁弁２５ｄを制御し、炉内１０ａの窒化ポテンシャルＫ_ｎを所定の範囲内に保持する。制御装置４０はまた、圧力計１４の信号出力に基づいて第１の排気系統３１の電磁弁３１ｂを制御し、炉内１０ａを予め設定された圧力に保持する。

制御装置４０はまた、第２のベースガス供給系統２４の圧力計２４ｅの信号出力に基づいて電磁弁２４ｃを制御し、真空パージ用のベースガスをレシーバタンク２４ａに貯留する。そして、制御装置４０は、所定のタイミングで第２の排気系統３２の電磁弁３２ｂおよび真空ポンプ３２ｃ、ならびに第２のベースガス供給系統２４の電磁弁２４ｄを制御して、炉内１０ａの真空パージを行う。

なお、上述の構成により本実施形態では、第１のベースガス供給系統２３および添加ガス供給系統２５が本発明の処理ガス供給装置を構成している。また、本実施形態では、第２のベースガス供給系統２４および第２の排気系統３２が、本発明のパージ装置を構成している。

次に、本実施形態の表面硬化処理方法の具体的な手順について説明する。

図２は、本実施形態の表面硬化処理方法のタイムチャートの一例を示した図である。なお、図２における「ベースガス」とは、第１のベースガス供給系統２３から供給されるベースガスを示しており、「真空パージ用ベースガス」とは、第２のベースガス供給系統２４から供給されるベースガスを示している。

本実施形態の表面硬化処理方法には、ガス窒化およびガス軟窒化の両方が含まれるが、ガス窒化とガス軟窒化の違いは、窒化工程においてベースガスのみを炉内１０ａに供給するか、ベースガスおよび添加ガスを炉内１０ａに供給するかの違いのみである。従って、以下、ガス軟窒化を行う場合の例について説明する。

ガス軟窒化に際しては、予め流調弁２１ｃ〜２３ｃ、２５ｃの開度を調整して不活性ガス、還元性ガス、ベースガスおよび添加ガスの供給流量を設定しておく。各ガスの供給流量は、特に限定されるものではなく、炉内１０ａの容積やワーク１００の表面積、必要な化合物層の厚み等に応じて適宜に設定すればよい。

各ガスの供給流量が適切に設定されているならば、ガス軟窒化を開始する。制御装置４０は、まず不活性ガス供給系統２１の電磁弁２１ｄおよび還元性ガス供給系統２２の電磁弁２２ｄを開いて炉内１０ａに不活性ガスおよび還元性ガスを供給すると共に、第１の排気系統３１の電磁弁３１ｂを適宜に開閉して炉内１０ａの雰囲気ガスを不活性ガスと還元性ガスの混合ガスに置換する。炉内１０ａの雰囲気ガスが不活性ガスと還元性ガスの混合ガスに略置き換わったならば、炉内１０ａにワーク１００を配置する。ワーク１００の配置は、図示を省略した搬送装置によって行われる。

熱処理炉１０内にワーク１００が配置されたならば、昇温工程を行う。昇温工程では、制御装置４０は加熱装置１２を制御し、予め設定された昇温時間ｔ_１をかけて予め設定された処理温度Ｔまで炉内１０ａを昇温する。この間、制御装置４０は、不活性ガス供給系統２１および還元性ガス供給系統２２からの不活性ガスおよび還元性ガスの供給を継続すると共に、第１の排気系統３１の電磁弁３１ｂを制御して炉内１０ａを所定の圧力に保持する。

制御装置４０はまた、昇温工程中の適宜のタイミングで第２のベースガス供給系統２４の電磁弁２４ｃを開いてレシーバタンク２４ａ内にベースガスを供給する。そして、レシーバタンク２４ａ内が所定の圧力に到達したならば、制御装置４０は電磁弁２４ｃを閉じる。これにより、所定量のベースガスがレシーバタンク２４ａ内に貯留される。

炉内１０ａが処理温度Ｔとなったならば、均熱工程を行う。均熱工程では、制御装置４０は加熱装置１２を制御して炉内１０ａを処理温度Ｔに保持する。また、制御装置４０は、不活性ガス供給系統２１および還元性ガス供給系統２２からの不活性ガスおよび還元性ガスの供給を継続すると共に、第１の排気系統３１による炉内１０ａの圧力制御を継続する。均熱工程は予め設定された均熱時間ｔ_２の間、継続される。

このように、均熱工程を所定時間設けることで、ワーク１００の温度ムラを低減し、パージ工程後の窒化工程における窒化バラツキを抑えることが可能となる。なお、均熱時間ｔ_２の長さは特に限定されるものではなく、炉内１０ａの容積やワーク１００の表面積等に応じて適宜に設定すればよい。

均熱時間ｔ_２が経過したならば、パージ工程を行う。パージ工程では、制御装置４０はまず不活性ガス供給系統２１の電磁弁２１ｄおよび還元性ガス供給系統２２の電磁弁２２ｄを閉じて炉内１０ａへの不活性ガスおよび還元性ガスの供給を停止する。そして、これと略同時に、第１の排気系統３１の電磁弁３１ｂを閉じると共に第２の排気系統３２の電磁弁３２ｂを開き、真空ポンプ３２ｃを起動して炉内１０ａの雰囲気ガスを吸引する。

炉内１０ａの圧力が予め設定された圧力まで低下し、雰囲気ガスが十分に排出されたならば、制御装置４０は第２の排気系統３２の電磁弁３２ｂを閉じて真空ポンプ３２ｃを停止する。そしてこれと略同時に、第２のベースガス供給系統２４の電磁弁２４ｄを開いてレシーバタンク２４ａ内のベースガスを炉内１０ａに供給すると共に、第１の排気系統３１による炉内１０ａの圧力制御を再開する。これにより、炉内１０ａの雰囲気ガスがベースガスに置換され、炉内１０ａが予め設定された圧力まで復圧する。すなわち、真空パージが行われる。

なお、制御装置４０は、パージ工程中も加熱装置１２による加熱を継続する。また、パージ工程に要する時間であるパージ工程時間ｔ_３は、炉内１０ａの容積および真空ポンプ３２ｃの能力によって決定される。本実施形態では、パージ工程におけるベースガスの供給をレシーバタンク２４ａから行うことで、炉内１０ａの迅速な復圧を可能とし、処理時間を短縮するようにしている。

このように、パージ工程を設けることで、次の窒化工程における窒化を効率的且つ高精度に行うことが可能となる。すなわち、雰囲気ガス中の不要な成分やワーク１００表面の不要な付着物等を排出し、炉内１０ａおよびワーク１００表面をクリーニングすることで、窒化工程における窒化ポテンシャルＫ_ｎの制御を高精度化すると共に、ワーク１００表面における炭化物の生成および窒素の侵入を効率化することが可能となる。

また、第２のベースガス供給系統２４からのベースガスの供給によって炉内１０ａを復圧することで、炉内１０ａの雰囲気ガスの窒化ポテンシャルＫ_ｎを急速に上昇させることができるため、窒化工程中に第１のベースガス供給系統２３から供給されるベースガスの使用量を大幅に低減すると共に、窒化工程に要する時間（窒化時間ｔ_４）を短縮することが可能となる。

さらに、炉内１０ａを処理温度Ｔまで昇温した後にパージ工程を行うことで、炉内１０ａを復圧させるのに必要なベースガスの量を低減することが可能となる。すなわち、パージ工程において第２のベースガス供給系統２４から供給されるベースガスを炉内１０ａの熱により膨張させることができるため、例えば処理温度Ｔが５７０℃の場合には炉内容積の１／３程度（標準状態）のベースガスで炉内を大気圧以上の所定の圧力まで復圧させることができる。これにより、本実施形態では、迅速、且つ高精度のガス軟窒化を可能としながらも、ベースガスの総使用量を従来の１／２以下まで低減することが可能となっている。

本実施形態ではまた、炉内１０ａを一旦大気圧以下まで減圧することで、雰囲気ガスの排出を確実にし、上述のクリーニング効果を高めるようにしている。また、第２のベースガス供給系統２４にレシーバタンク２４ａを設け、減圧後の炉内１０ａにこのレシーバタンク２４ａ内からベースガスを供給することで、炉内１０ａの復圧を迅速に行うことを可能としている。

なお、必要な窒化ポテンシャルＫ_ｎによっては、パージ工程における復圧をベースガスおよび不活性ガスで行うようにしてもよい。この場合、第２のベースガス供給系統２４のレシーバタンク２４ａ内にベースガスと共に不活性ガスを貯留するようにしてもよいし、第２のベースガス供給系統２４と同様の構成の第２の不活性ガス供給系統を設け、ベースガスおよび不活性ガスを個別に供給するようにしてもよい。また、パージ工程においてベースガスと共に添加ガスを供給するようにしてもよいことはいうまでもない。

炉内１０ａの雰囲気ガスがベースガスに略置き換わり、炉内１０ａが復圧したならば、窒化工程を行う。窒化工程では、制御装置４０はまず、第２のベースガス供給系統２４の電磁弁２４ｄを閉じると共に、第１のベースガス供給系統２３の電磁弁２３ｄおよび添加ガス供給系統２５の電磁弁２５ｄの開閉制御を開始する。すなわち、ベースガスおよび添加ガスの炉内１０ａへの供給のオン−オフ制御を開始する。制御装置４０はまた、第１の排気系統３１による炉内１０ａの圧力制御を継続して炉内１０ａを予め設定された圧力に保持すると共に、加熱装置１２を制御して炉内１０ａを処理温度Ｔに保持する。

上述のように炉内１０ａはベースガスによって復圧されているため、窒化工程開始時における雰囲気ガスの窒化ポテンシャルＫ_ｎは高く、水素濃度は十分に低いものとなっている。従って、制御装置４０は、まず炉内１０ａの水素濃度が予め設定された上限値に到達するのを待ち、ワーク１００中への窒素の侵入に伴って炉内１０ａの水素濃度が予め設定された上限値に達したならば、第１のベースガス供給系統２３の電磁弁２３ｄおよび添加ガス供給系統２５の電磁弁２５ｄを開いて、所定の供給流量でベースガスおよび添加ガスの供給を開始する。その後、ベースガスおよび添加ガスの供給により、炉内１０ａの水素濃度が予め設定された下限値に達したならば、制御装置４０は電磁弁２３ｄ、２５ｄを閉じて、ベースガスおよび添加ガスの供給を停止する。また、ワーク１００中への窒素の侵入に伴い、炉内１０ａの水素濃度が予め設定された上限値に達したならば、制御装置４０は電磁弁２３ｄ、２５ｄを開いて、ベースガスおよび添加ガスの供給を再開する。

窒化工程中は、このように制御装置４０がベースガスおよび添加ガスの供給をオン−オフ制御することで、炉内１０ａの雰囲気ガスの窒化ポテンシャルＫ_ｎを予め設定された範囲内に保持する。なお、窒化ポテンシャルＫ_ｎは、炉内１０ａの水素濃度（水素分圧）Ｐ_Ｈ２から、次の（ｅ）式によって求められる。
Ｋ_ｎ＝（３−４Ｐ_Ｈ２）／３Ｐ_Ｈ２ ^３／２ ・・・（ｅ）

上述のように、還元性ガスから生じた水素はパージ工程において炉内１０ａから排出されているため、窒化工程中は水素濃度計１５の検出した水素濃度から窒化ポテンシャルＫ_ｎを高精度に求めることが可能となっている。すなわち、本実施形態では、還元性ガスによって窒化前のワーク１００表面における酸化や窒化を防止することで窒化のバラツキを低減し、窒化ポテンシャルＫ_ｎの制御に影響を及ぼさないようにしている。

なお、炉内１０ａの水素濃度の上限値および下限値は、特に限定されるものではなく、炉内１０ａの容積やワーク１００の表面積、必要な化合物層の厚み等に応じて適宜に設定すればよい。また、ベースガスおよび添加ガスの供給をオン−オフ制御するのではなく、ベースガスのみをオン−オフ制御するようにしてもよい。また、水素濃度計１５に代えてアンモニア濃度計を設け、炉内１０ａのアンモニア濃度（アンモニア分圧）に基づいて窒化ポテンシャルＫｎを制御するようにしてもよい。

窒化工程は、予め設定された窒化時間ｔ_４の間、継続される。窒化時間ｔ_４の長さは、特に限定されるものではなく、炉内１０ａの容積やワーク１００の表面積、必要な化合物層の厚み等に応じて設定される。

窒化時間ｔ_４が経過したならば、冷却工程を行う。冷却工程では、制御装置４０はまず、第１のベースガス供給系統２３の電磁弁２３ｄおよび添加ガス供給系統２５の電磁弁２５ｄを閉じると共に、不活性ガス供給系統２１の電磁弁２１ｄおよび還元性ガス供給系統２２の電磁弁２２ｄを開く。これにより、ベースガスおよび添加ガスの供給が停止され、不活性ガスおよび還元性ガスの供給が開始される。なお、冷却工程で不活性ガス供給系統２１の電磁弁１２ｄのみを開き、炉内１０ａに不活性ガスのみを供給して処理することも可能である。

制御装置４０はまた、第１の排気系統３１による炉内１０ａの圧力制御を継続して炉内１０ａを予め設定された圧力に保持する。制御装置４０はまた、窒化時間ｔ_４が経過したタイミングで加熱装置１２による加熱を停止し、予め設定された冷却時間ｔ_５をかけて炉内１０ａを予め設定された温度まで降温させる。炉内１０ａを予め設定された温度まで降温させたならば、炉内１０ａからワーク１００を取り出す。

以上の手順により、１ロットのワーク１００に対するガス軟窒化が完了する。制御装置４０は、次のロットのワーク１００を処理する場合は、不活性ガスおよび還元性ガスの供給を継続し、上記手順を繰り返す。表面硬化処理装置１を停止する場合には、制御装置４０は不活性ガスおよび還元性ガスの供給を停止する。

なお、不活性ガスの供給流量に対する還元性ガスの供給流量の割合は、特に限定されるものではないが、ワーク１００表面における酸化や窒化を効果的に防止するためには、還元性ガスの供給流量は、標準状態における体積流量で不活性ガスの供給流量の３％以上２０％以下の範囲内であることが好ましく、５％以上１５％以下の範囲内であればより好ましい。

また、ガス軟窒化において第１のベースガス供給系統２３からのベースガスの供給流量に対する添加ガスの供給流量の割合は、特に限定されるものではないが、添加ガスが少なすぎる場合は触媒となる酸化物や炭化物が適切に生成されず、多すぎる場合には炉内１０ａに大量の煤が発生するスーティング（Ｓｏｏｔｉｎｇ）が生じることとなる。

従って、添加ガスの供給による触媒の効果とスーティングの発生防止のバランスを考慮すると、添加ガスの供給流量は、添加ガスが二酸化炭素である場合には、標準状態における体積流量でベースガスの供給流量の２．０％以上７．０％以下の範囲内であることが好ましく、２．５％以上６．０％以下の範囲内であればより好ましい。また、添加ガスがアセチレンである場合には、添加ガスの供給流量は、標準状態における体積流量でベースガスの供給流量の０．２％以上０．７％以下の範囲内であることが好ましく、０．２５％以上０．６％以下の範囲内であればより好ましい。

ガス窒化を行う場合の具体的な手順は、上述の手順において添加ガス供給系統２５の制御を省略したものとなる。すなわち、ガス窒化を行う場合、制御装置４０は窒化工程において第１のベースガス供給系統２３からベースガスのみを炉内１０ａに供給すると共にベースガスの供給のみをオン−オフ制御し、それ以外の手順はガス軟窒化を行う場合と同一である。また、この結果、ガス窒化を行う場合においても、ガス軟窒化を行う場合と同様の効果を奏することとなる。

以上説明したように、本実施形態の表面硬化処理方法は、ワーク１００を収容した熱処理炉１０内（炉内１０ａ）を所定の処理温度Ｔに保持した状態で、アンモニアを含むベースガスを熱処理炉１０内に供給する、またはベースガスを二酸化炭素もしくは鎖式不飽和炭化水素を含む添加ガスと共に熱処理炉１０内に供給する窒化工程と、熱処理炉１０内を処理温度Ｔに昇温後、窒化工程の前に熱処理炉１０内の雰囲気ガスを排出してベースガスを熱処理炉１０内に供給するパージ工程と、を有している。

また、本実施形態の表面硬化処理装置は、気密状態でワークを収容する熱処理炉１０と、熱処理炉１０内を加熱する加熱装置１２と、アンモニアを含むベースガスを熱処理炉１０内に供給する、またはベースガスを二酸化炭素もしくは鎖式不飽和炭化水素を含む添加ガスと共に熱処理炉１０内に供給する処理ガス供給装置（第１のベースガス供給系統２３および添加ガス供給系統２５）と、熱処理炉１０内の雰囲気ガスを排出してベースガスを熱処理炉１０内に供給するパージ装置（第２のベースガス供給系統２５および第２の排気系統３２）と、熱処理炉１０内を所定の処理温度Ｔに昇温後、処理ガス供給装置からのベースガスまたはベースガスおよび添加ガスの供給を開始する前に、熱処理炉１０内の雰囲気ガスを排出してベースガスを熱処理炉１０内に供給するようにパージ装置を制御する制御装置４０と、を備えている。

このような構成とすることで、窒化工程の前に炉内１０ａおよびワーク１００表面をクリーニングすると共に窒化ポテンシャルＫｎを急速に上昇させることが可能となるため、ガス窒化およびガス軟窒化を迅速、且つ高精度に行うことができる。また、ベースガスの使用量を従来よりも低減することが可能となるため、ガス窒化およびガス軟窒化を安価に行うことができる。

また、パージ工程では、熱処理炉１０内を大気圧以下に減圧後、ベースガスを熱処理炉１０内に供給する。また、パージ装置（第２のベースガス供給系統２５および第２の排気系統３２）は、熱処理炉１０内の雰囲気ガスを吸引して熱処理炉１０内を大気圧以下に減圧するポンプ（真空ポンプ３２ｃ）を備えている。このようにすることで、パージ工程において雰囲気ガスを確実に排出することが可能となるため、炉内１０ａおよびワーク１００表面のクリーニング効果を高め、次の窒化工程における窒化を効率的且つ高精度に行うことができる。

また、パージ工程では、予めタンク（レシーバタンク２４ａ）内に貯留した所定量のベースガスを熱処理炉１０内に供給する。また、パージ装置（第２のベースガス供給系統２５および第２の排気系統３２）は、熱処理炉１０内に供給する所定量のベースガスを貯留するタンク（レシーバタンク２４ａ）を備えている。このようにすることで、パージ工程において炉内１０ａを迅速に復圧することが可能となるため、処理時間を短縮することができる。

また、本実施形態の表面硬化処理方法では、熱処理炉１０内を処理温度Ｔに昇温後、所定の均熱時間ｔ_２が経過した後に、パージ工程を行う。このようにすることで、ワーク１００の温度ムラを低減し、次の窒化工程における窒化を効率的且つ高精度に行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の表面硬化処理方法および表面硬化処理装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

また、上記実施形態において示した作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したものに過ぎず、本発明による作用および効果は、これらに限定されるものではない。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、本実施例に何ら限定されるものではない。

本実施例では、上記実施形態の表面硬化処理装置１を使用し、図２に示すタイムチャートに沿ってガス軟窒化を行った。テストピースには、ＳＣＭ４３５、ＦＣＤ６００およびＦＣＤ７００の三種類の材質を使用した。各テストピースについて、窒化工程における窒化ポテンシャルＫ_ｎの目標値を０．９４、１．９７、２．９５、３．９３および４．９３に設定したガス軟窒化をそれぞれ行った後、マイクロビッカース硬度計による硬さ試験、および光学顕微鏡による組織観察を行った。

不活性ガスには窒素ガスを使用し、還元性ガスおよびベースガスにはアンモニアを単体で使用し、添加ガスには二酸化炭素を単体で使用した。不活性ガスの供給流量は２．４ｍ^３／時間に設定し、還元性ガスの供給流量は、０．３ｍ^３／時間に設定した。ベースガスの供給流量は２．４ｍ^３／時間に設定した。添加ガスの供給流量は、窒化ポテンシャルＫ_ｎの目標値を２．９５に設定した処理では４．５リットル／分に、それ以外の処理では８．３リットル／分に設定した。処理温度（軟窒化温度）は、５７０℃に設定し、均熱時間ｔ_２は３０分に、窒化時間ｔ_４は１２０分に設定した。パージ工程時間ｔ_３は、約３０分であった。

硬さ試験の測定荷重は０．１ｋｇｆとし、表面からの距離が０．０２５ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍおよび０．５ｍｍとなる７箇所について測定を行った。組織観察では、表面近傍の断面を観察し、写真を撮影した。

図３（ａ）はＳＣＭ４３５の硬さ試験の結果を示したグラフであり、図３（ｂ）はＳＣＭ４３５の断面の顕微鏡写真である。図４（ａ）はＦＣＤ６００の硬さ試験の結果を示したグラフであり、図４（ｂ）はＦＣＤ６００の断面の顕微鏡写真である。図５（ａ）はＦＣＤ７００の硬さ試験の結果を示したグラフであり、図５（ｂ）はＦＣＤ７００の断面の顕微鏡写真である。

硬さ試験の結果、表面近傍の硬さがＳＣＭ４３５ではＨＶ６５０程度となり、ＦＣＤ６００ではＨＶ４８０程度となり、ＦＣＤ７００ではＨＶ５００程度となることが確認された。また、いずれの材質においても良好な硬さ分布が得られることが確認された。また、組織観察の結果、いずれの材質においても表面近傍に白い化合物層が良好に形成されていることが確認された。また、いずれの材質においても窒化ポテンシャルＫ_ｎの目標値が大きい程、化合物層の厚みが大きくなっており、炉内１０ａの水素濃度に基づく窒化ポテンシャルＫ_ｎの制御によって、化合物層の厚みを調整可能であることが確認された。

すなわち、本発明の表面硬化処理方法および表面硬化処理装置によれば、高精度のガス軟窒化を短時間で効率的に行うことが可能であることが確認された。

本発明に係る表面硬化処理方法および表面硬化処理装置は、鋼の表面硬化の分野において利用することができる。

１ 表面硬化処理装置
１０ 熱処理炉
２３ 第１のベースガス供給系統
２４ 第２のベースガス供給系統
２４ａ レシーバタンク
２５ 添加ガス供給系統
３２ 第２の排気系統
３２ｃ 真空ポンプ
１００ ワーク
Ｔ 処理温度
ｔ_２ 均熱時間

Claims (5)

1. ワークを収容した熱処理炉内を所定の処理温度に保持した状態で、アンモニアを含むベースガスを前記熱処理炉内に供給する、または前記ベースガスを二酸化炭素もしくは鎖式不飽和炭化水素を含む添加ガスと共に前記熱処理炉内に供給する窒化工程と、
   前記熱処理炉内を前記処理温度に昇温後、前記窒化工程の前に前記熱処理炉内の雰囲気ガスを排出して前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給するパージ工程と、を有し、
   前記パージ工程では、予めタンク内に貯留した所定量の前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給することを特徴とする、
   表面硬化処理方法。
2. 前記パージ工程では、前記熱処理炉内を大気圧以下に減圧後、前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給することを特徴とする、
   請求項１に記載の表面硬化処理方法。
3. 前記熱処理炉内を前記処理温度に昇温後、所定の均熱時間が経過した後に、前記パージ工程を行うことを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の表面硬化処理方法。
4. 気密状態でワークを収容する熱処理炉と、
   前記熱処理炉内を加熱する加熱装置と、
   アンモニアを含むベースガスを前記熱処理炉内に供給する、または前記ベースガスを二酸化炭素もしくは鎖式不飽和炭化水素を含む添加ガスと共に前記熱処理炉内に供給する処理ガス供給装置と、
   前記熱処理炉内の雰囲気ガスを排出して前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給するパージ装置と、
   前記熱処理炉内を所定の処理温度に昇温後、前記処理ガス供給装置からの前記ベースガスまたは前記ベースガスおよび前記添加ガスの供給を開始する前に、前記熱処理炉内の雰囲気ガスを排出して前記ベースガスを前記熱処理炉内に供給するように前記パージ装置を制御する制御装置と、を備え、
   前記パージ装置は、前記熱処理炉内に供給する所定量の前記ベースガスを貯留するタンクを備えることを特徴とする、
   表面硬化処理装置。
5. 前記パージ装置は、前記熱処理炉内の雰囲気ガスを吸引して前記熱処理炉内を大気圧以下に減圧するポンプを備えることを特徴とする、
   請求項４に記載の表面硬化処理装置。