JP6863238B2 - ガス浸炭装置及びガス浸炭方法 - Google Patents

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Description

本発明は、回転させるワークにガス浸炭を行うガス浸炭装置及びガス浸炭方法に関する。
鋼材であるワークの表面に炭素等を固溶させるガス浸炭法においては、雰囲気ガスを生成する変成炉、雰囲気ガスが供給される浸炭炉等を備えた大型の浸炭設備を用いることが多い。そして、浸炭炉内の雰囲気ガス中にワークを配置するとともにこのワークを加熱し、ワークの表面に炭素等を拡散・浸透させている。また、例えば、特許文献１に記載されたガス浸透熱処理装置においては、小型の加熱炉を用い、加熱炉内のワークに向けて浸炭ガスを供給することが行われている。より具体的には、特許文献１においては、２本のシャフトに載置された円盤形状のワークを、２本のシャフトの回転によって回転させるとともに誘導加熱コイルによって加熱し、かつ加熱炉内に配置された円盤形状のワークへ上側から浸炭ガスを供給して、ガス浸炭を行っている。
特開２０１５−１６０９９０号公報
しかしながら、小型の加熱炉を用いて、円筒形状部を有するワークにガス浸炭を行う場合には、更なる工夫が必要とされる。円筒形状部を有するワークに、特許文献１のガス浸透熱処理装置を用いてガス浸炭を行う場合には、次の課題が想定される。すなわち、円筒形状部の外周面には、浸炭ガスが十分に供給される一方、円筒形状部の内周面には、浸炭ガスが十分に供給されず、この内周面のガス浸炭が不十分になると考えられる。
また、特許文献１のガス浸透熱処理装置においては、浸炭ガスは、供給流路に設けられた供給孔を介して加熱炉の内部へ流れ、排出流路に設けられた排出口を介して加熱炉の外部へ流れる。つまり、このガス浸透熱処理装置においては、ワークの必要な箇所に浸炭ガスを衝突させることは考慮されていない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、ワークの円筒形状部の内周面及び外周面に極力均一にガス浸炭を行うことができるガス浸炭装置及びガス浸炭方法を提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、円筒形状部（７１）を有するワーク（７）が収容される浸炭容器（２）と、
前記円筒形状部の中心軸線（Ｏ１）を中心に前記ワークを回転させるための回転支持部材（３）と、
前記ワークを誘導加熱するための誘導加熱コイル（４）と、
前記浸炭容器内に配置され、前記円筒形状部の内周面（７１１）へ浸炭ガス（Ｇ）を噴射して衝突させる内周噴射ノズル（５１，５１Ａ）と、
前記浸炭容器内に配置され、前記円筒形状部の外周面（７１２）へ浸炭ガスを噴射して衝突させる外周噴射ノズル（５２）と、を備え、
前記内周噴射ノズルは、前記円筒形状部の軸線方向（Ｌ）の一方側（Ｌ１）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第１内周噴射ノズル（５１Ａ）と、前記軸線方向の他方側（Ｌ２）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第２内周噴射ノズル（５１Ｂ）とからなり、
前記ワークは、前記円筒形状部の他に、前記円筒形状部の前記軸線方向の他方側端部の内周側に繋がる交差部（７２）と、前記交差部から前記軸線方向の他方側へ突出する凸部（７３）とを有しており、
前記ワークの前記軸線方向に沿った切断面において、前記円筒形状部と前記交差部との内周側に位置する境界部である第１凹状角部（７４Ａ）は、前記第１内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれており、かつ、前記交差部と前記凸部との内周側に位置する境界部である第２凹状角部（７４Ｂ）は、前記第２内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれている、ガス浸炭装置（１）にある。
本発明の他の態様は、円筒形状部（７１）を有するワーク（７）を、回転支持部材（３）によって前記円筒形状部の中心軸線（Ｏ１）を中心に回転させるとともに、前記ワークを誘導加熱コイル（４）によって誘導加熱し、
かつ、前記円筒形状部の内周面（７１１）へ内周噴射ノズル（５１，５１Ａ）から噴射される浸炭ガス（Ｇ）を衝突させて、前記内周面にガス浸炭を行うとともに、前記円筒形状部の外周面（７１２）へ外周噴射ノズル（５２）から噴射される浸炭ガスを衝突させて、前記外周面にガス浸炭を行う、ガス浸炭方法であって、
前記内周噴射ノズルは、前記円筒形状部の軸線方向（Ｌ）の一方側（Ｌ１）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第１内周噴射ノズル（５１Ａ）と、前記軸線方向の他方側（Ｌ２）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第２内周噴射ノズル（５１Ｂ）とからなり、
前記ワークは、前記円筒形状部の他に、前記円筒形状部の前記軸線方向の他方側端部の内周側に繋がる交差部（７２）と、前記交差部から前記軸線方向の他方側へ突出する凸部（７３）とを有しており、
前記ワークの前記軸線方向に沿った切断面において、前記円筒形状部と前記交差部との内周側に位置する境界部である第１凹状角部（７４Ａ）は、前記第１内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれており、かつ、前記交差部と前記凸部との内周側に位置する境界部である第２凹状角部（７４Ｂ）は、前記第２内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれている、ガス浸炭方法にある。
前記一態様のガス浸炭装置は、円筒形状部を有するワークのガス浸炭を行うために特化した特殊なノズルを備える。具体的には、ガス浸炭装置は、浸炭容器内に、円筒形状部の内周面へ浸炭ガスを噴射して衝突させる内周噴射ノズルと、円筒形状部の外周面へ浸炭ガスを噴射して衝突させる外周噴射ノズルとを備える。そして、円筒形状部の内周面には、主に内周噴射ノズルから噴射された浸炭ガスにおける炭素等の浸炭成分を浸透させ、円筒形状部の外周面には、主に外周噴射ノズルから噴射された浸炭ガスにおける炭素等の浸炭成分を浸透させる。
また、ガス浸炭を行う際には、回転支持部材によってワークを回転させるとともに誘導加熱コイルによってワークを加熱する。そして、回転するワークの円筒形状部の内周面の全周に、内周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスが衝突し、回転するワークの円筒形状部の外周面の全周に、外周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスが衝突する。これにより、円筒形状部の内周面の全周及び円筒形状部の外周面の全周に、適切な噴射流量で衝突する浸炭ガスにおける浸炭成分を、適切に拡散・浸透させることができる。
それ故、前記一態様のガス浸炭装置によれば、ワークの円筒形状部の内周面及び外周面に極力均一にガス浸炭を行うことができる。
前記他の態様のガス浸炭方法においても、ガス浸炭装置において説明した効果を同様に得ることができる。それ故、前記他の態様のガス浸炭方法によれば、ワークの円筒形状部の内周面及び外周面に極力均一にガス浸炭を行うことができる。
なお、本発明の一態様及び他の態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
実施形態１にかかる、ガス浸炭装置を示す断面説明図。 実施形態１にかかる、ガス浸炭装置を軸線方向の一方側から見た状態で示す断面説明図。 実施形態１にかかる、ガス浸炭装置を軸線方向の他方側から見た状態で示す断面説明図。 実施形態１にかかる、ワークを示す断面説明図。 実施形態１にかかる、ワークを軸線方向の一方側から見た状態で示す説明図。 実施形態１にかかる、ワークを軸線方向の他方側から見た状態で示す説明図。 実施形態１にかかる、ガス浸炭を行ったワークの表面の炭素濃度を測定した結果を示すグラフ。 実施形態１にかかる、各噴射ノズルからの噴射流量と固溶限表面積との関係を示すグラフ。 実施形態２にかかる、ワークを示す断面説明図。 実施形態２にかかる、ワークを軸線方向の一方側から見た状態で示す説明図。 実施形態２にかかる、ワークを軸線方向の他方側から見た状態で示す説明図。 実施形態３にかかる、ワークを示す断面説明図。 実施形態３にかかる、ワークを軸線方向の一方側から見た状態で示す説明図。 実施形態３にかかる、ワークを軸線方向の他方側から見た状態で示す説明図。 その他の実施形態にかかる、ガス浸炭装置を示す断面説明図。 確認試験にかかる、従来のガス浸炭装置（比較品）を示す断面説明図。 確認試験にかかる、実施形態１のガス浸炭装置（実施品）によってガス浸炭を行ったワークの表面の硬度を測定した結果を示すグラフ。 確認試験にかかる、従来のガス浸炭装置（比較品）によってガス浸炭を行ったワークの表面の硬度を測定した結果を示すグラフ。
前述したガス浸炭装置及びガス浸炭方法にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガス浸炭装置１は、図１〜図３に示すように、浸炭容器２、回転支持部材３、誘導加熱コイル４、内周噴射ノズル５１Ａ及び外周噴射ノズル５２を備える。浸炭容器２は、ガス浸炭を行うための、円筒形状部７１を有するワーク７を収容するものである。回転支持部材３は、円筒形状部７１の中心軸線Ｏ１を中心にワーク７を回転させるためのものである。誘導加熱コイル４は、ワーク７の外周側に螺旋状に配置され、ワーク７を誘導加熱するためのものである。内周噴射ノズル５１Ａは、浸炭容器２内に配置されており、円筒形状部７１の内周面７１１へ浸炭ガスＧを噴射して衝突させるものである。外周噴射ノズル５２は、浸炭容器２内に配置されており、円筒形状部７１の外周面７１２へ浸炭ガスＧを噴射して衝突させるものである。
本形態のガス浸炭方法においては、円筒形状部７１を有するワーク７を、回転支持部材３によって円筒形状部７１の中心軸線Ｏ１を中心に回転させるとともに、ワーク７を誘導加熱コイル４によって誘導加熱する。また、この際には、円筒形状部７１の内周面７１１へ内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧを衝突させて、内周面７１１にガス浸炭を行うとともに、円筒形状部７１の外周面７１２へ外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧを衝突させて、外周面７１２にガス浸炭を行う。
以下に、本形態のガス浸炭装置１及びガス浸炭方法について詳説する。
（ガス浸炭装置１）
ガス浸炭装置１及びガス浸炭方法は、種々の鋼材であるワーク７の表面に、所定の硬度を有する浸炭硬化層を形成することを目的として、ワーク７の表面に炭素を拡散・浸透させるものである。また、この際には、ワーク７が加熱処理され、ワーク７が浸炭焼入れされる。
ガス浸炭装置１及びガス浸炭方法においてガス浸炭を行う際には、浸炭工程、拡散工程及び冷却工程が行われる。浸炭工程においては、ワーク７の金属組織がオーステナイト組織になる熱処理温度にワーク７が加熱され、浸炭ガスＧとワーク７の表面とにおいて化学反応が行われる。拡散工程においては、浸炭ガスＧ中の浸炭成分としての炭素がワーク７の表面から内部へ拡散する。冷却工程においては、加熱されたワーク７が急冷されて、ワーク７の金属組織がマルテンサイト組織になり、ガス浸炭が完了する。ガス浸炭が行われた後には、ワーク７の表面付近の炭素濃度が、ワーク７の内部の炭素濃度に比べて高くなる。
なお、本形態においては、ガス浸炭は、ワーク７の表面に炭素を拡散・浸透させることを示す。これ以外にも、ガス浸炭は、ガス浸炭窒化として、ワーク７の表面に炭素及び窒素を拡散・浸透させる構成としてもよい。
（ワーク７）
図４〜図６に示すように、本形態のワーク７は、有底の円筒形状を有するものである。ワーク７は、円筒形状部７１と、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの他方側端部の内周側に繋がる底部としての交差部７２と、交差部７２から軸線方向Ｌの他方側Ｌ２へ突出する凸部７３とを有する。交差部７２の中心位置には貫通穴７２０が形成されており、凸部７３は、円筒形状部７１の中心軸線Ｏ１の周りに等間隔に複数（本形態においては４つ）形成されている。また、凸部７３は、円柱形状を有するものである。また、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの他方側端部には、軸線方向Ｌの他方側Ｌ２に向かうに連れて縮径するテーパ状の縮径部７１３が形成されている。
（浸炭容器２，回転支持部材３，誘導加熱コイル４）
図１に示すように、ガス浸炭装置１の浸炭容器２は、円筒形状に形成されており、円筒形状の浸炭容器２の中心軸線Ｏ１は水平方向に向けられている。浸炭容器２内には、ワーク７が収容される収容室２１が形成されている。収容室２１における水平方向の一方側には、ワーク７の入口２１１が形成されており、収容室２１における水平方向の他方側には、ワーク７の出口２１２が形成されている。
図２及び図３に示すように、回転支持部材３は、ワーク７を載置可能である互いに平行な一対の回転軸部材３１によって構成されている。一対の回転軸部材３１は、浸炭容器２の収容室２１の下側の位置に配置されている。回転軸部材３１の少なくとも一方には、回転軸部材３１に回転力を与えるモータ等の駆動源が接続されている。一対の回転軸部材３１が同じ方向に回転することにより、一対の回転軸部材３１の上に載置されたワーク７が一方向へ回転する。
一対の回転軸部材３１は、円筒形状部７１の外周面７１２に下方から回転接触することによって、ワーク７を回転させる。ワーク７は、円筒形状部７１が回転軸部材３１と転がり接触して回転する。また、一対の回転軸部材３１は、収容室２１へワーク７を搬入するとともに収容室２１からワーク７を搬出することができるよう、その軸線方向Ｌにスライド可能である。一対の回転軸部材３１によって回転支持部材３を構成することにより、ワーク７の回転及び搬送を、簡単な装置構成によって行うことができる。
ここで、軸線方向Ｌは、ワーク７の円筒形状部７１の軸線方向Ｌのことだけでなく、ガス浸炭装置１における浸炭容器２、一対の回転軸部材３１、誘導加熱コイル４等における軸線方向Ｌも示す文言として用いる。
誘導加熱コイル４は、螺旋状の導体を用いて構成されており、螺旋状の導体に通電を行う際に、螺旋状の導体に囲まれた内側位置に磁束を生じさせるものである。また、ワーク７は、誘導加熱コイル４による磁束がワーク７を貫通するときに生じる渦電流によって加熱される。誘導加熱コイル４は、浸炭容器２を内周側に配置するよう、浸炭容器２の外周面７１２に対向する状態で配置されている。
（内周噴射ノズル５１，外周噴射ノズル５２）
図１〜図３に示すように、本形態の内周噴射ノズル５１及び外周噴射ノズル５２は、浸炭容器２の収容室２１内の上側位置に配置されており、下方又は斜め下方に向けて浸炭ガスＧを噴射するよう構成されている。外周噴射ノズル５２は、浸炭ガスＧを下方へ噴射し、ワーク７の円筒形状部７１の外周面７１２の上側位置に浸炭ガスＧを衝突させるよう構成されている。また、本形態においては、外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧは、ワーク７の円筒形状部７１の縮径部７１３における外周面７１２の上側位置に衝突する。
内周噴射ノズル５１は、ワーク７における内周側の異なる部位に浸炭ガスＧを噴射するために、第１内周噴射ノズル５１Ａと第２内周噴射ノズル５１Ｂとから構成されている。第１内周噴射ノズル５１Ａは、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの一方側Ｌ１から中心側へ、傾斜する状態で浸炭ガスＧを噴射するものである。第１内周噴射ノズル５１Ａは、ワーク７の軸線方向Ｌの一方側Ｌ１の上方に配置されており、ワーク７に向けた斜め下方へ浸炭ガスＧを噴射するものである。言い換えれば、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧの噴射中心軸線Ｏ２は、ワーク７に向かって軸線方向Ｌの中心側へ傾斜している。そして、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧは、回転するワーク７における下側に配置された、後述する第１凹状角部７４Ａに衝突する。
第２内周噴射ノズル５１Ｂは、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの他方側Ｌ２から中心側へ、傾斜する状態で浸炭ガスＧを噴射するものである。第２内周噴射ノズル５１Ｂは、ワーク７の軸線方向Ｌの他方側Ｌ２の上方に配置されており、ワーク７に向けた斜め下方へ浸炭ガスＧを噴射するものである。言い換えれば、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧの噴射中心軸線Ｏ２は、ワーク７に向かって軸線方向Ｌの中心側に傾斜している。そして、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧは、回転するワーク７における下側に配置された、後述する第２凹状角部７４Ｂに衝突する。
図１〜図３に示すように、外周噴射ノズル５２、第１内周噴射ノズル５１Ａ及び第２内周噴射ノズル５１Ｂは、噴射流量を別々に設定することができるよう、収容室２１内の上側位置に配置された別々の配管６１Ａ，６１Ｂ，６２に設けられている。外周噴射ノズル５２は、外周配管６２から下方に分岐して設けられている。第１内周噴射ノズル５１Ａは、第１内周配管６１Ａから分岐して軸線方向Ｌの他方側Ｌ２へ下方傾斜して設けられている。第２内周噴射ノズル５１Ｂは、第２内周配管６１Ｂから分岐して軸線方向Ｌの一方側Ｌ１へ下方傾斜して設けられている。外周配管６２、第１内周配管６１Ａ及び第２内周配管６１Ｂは、浸炭容器２の軸線方向Ｌに沿って収容室２１内に配置されている。
外周配管６２及び外周噴射ノズル５２は、収容室２１内の上側位置に配置されている。第１内周配管６１Ａ及び第１内周噴射ノズル５１Ａは、収容室２１内の上側位置からワーク７の周方向Ｃの一方側にずれた位置に配置されている。第２内周配管６１Ｂ及び第２内周噴射ノズル５１Ｂは、収容室２１内の上側位置からワーク７の周方向Ｃの他方側にずれた位置に配置されている。外周配管６２及び各内周配管６１Ａ，６２Ｂは、収容室２１内の上側半分の範囲内に配置することができる。
収容室２１内の下側半分の範囲には、回転支持部材３が配置されている。そのため、各配管６１Ａ，６１Ｂ，６２を収容室２１内の上側半分の範囲に配置することにより、収容室２１内のスペースを有効に活用することができる。
外周噴射ノズル５２及び各内周噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂの配置方向及び噴射流量は、ワーク７の形状に応じて、ワーク７の表面の全体に固溶限濃度の浸炭ガスＧが浸炭されるよう設定されている。固溶限濃度とは、浸炭ガスＧがワーク７の表面に接触する際に、ワーク７の表面に浸炭ガスＧ中の炭素が拡散・浸透することができる濃度の限界のことをいう。固溶限濃度は、浸炭ガスＧがワーク７の表面に十分に接触したときに、ワーク７の表面における炭素濃度が、ほぼ一定となる濃度範囲内に納まることによって表される。
固溶限濃度は、ガス浸炭時の熱処理温度等を考慮し、ワーク７の表面における所望の硬度を得るためのワーク７の表面の炭素濃度よりも大きな値となるようにする。各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射開口部は円形状を有しており、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射開口部からは、円錐状に広がって浸炭ガスＧが噴射される。そして、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２からワークの表面に垂直に浸炭ガスＧが噴射されるときには、ワーク７における、固溶限濃度を有する浸炭表面（浸炭範囲）は、固溶限表面積を有する円形状の表面として形成される。
固溶限表面積は、ワーク７の表面における、固溶限濃度にある表面積として表される。固溶限表面積は、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射された浸炭ガスＧの全てがワーク７の表面に衝突するとした場合に、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２からの浸炭ガスＧの噴射流量が大きくなるほど大きくなる関係を有する。各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射される浸炭ガスＧの流速は、そのほぼ全てがワーク７の表面に衝突する流速とする。
固溶限濃度となる浸炭範囲には、ワーク７の表面に浸炭ガスＧが直接衝突した範囲だけでなく、ワーク７の表面に衝突した後の浸炭ガスＧがワーク７の表面において広がった範囲も含まれる。固溶限濃度となる浸炭範囲は、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２からワーク７の表面までの距離が短いほど、浸炭ガスＧがワーク７の表面において広がった範囲を多く含むことになる。
図７には、実験用の噴射ノズルから、実験用のワーク７の表面に浸炭ガスＧを噴射して、ワーク７の表面にガス浸炭を行った後、このワーク７の表面の炭素濃度を測定した結果を示す。同図においては、ワーク７の表面に浸炭ガスＧが衝突した中心位置の断面において、浸炭される炭素濃度の限界としての固溶限濃度を有する浸炭範囲が形成された状態を示す。ワーク７の表面の位置は、断面における幅を示し、浸炭範囲は、固溶限濃度にある浸炭範囲の直径として表される。
同図に示すように、浸炭ガスＧが接触したワーク７の表面においては、ワーク７の表面の位置において、炭素濃度が所定の変動幅を有する濃度範囲内にある長さの範囲がある。この長さの範囲を、固溶限濃度を有する浸炭範囲とした。なお、測定誤差等により、固溶限濃度を有する浸炭範囲内においても、炭素濃度が所定の変動幅を有する濃度範囲から外れた位置も存在する。
図８には、実験用の噴射ノズルから実験用のワーク７の表面へ噴射させる浸炭ガスＧの噴射流量を適宜変更したときにおいて、固溶限濃度にある浸炭範囲としての固溶限表面積がどれだけ変化したかを示す。また、同図においては、噴射ノズルの先端（噴射開口部）からワーク７の表面までの距離である噴射距離も適宜変更したときの固溶限表面積の変化も示す。この実験を行った結果、噴射流量が大きくなるほど固溶限表面積が大きくなり、噴射距離が小さくなるほど固溶限表面積が大きくなることが分かった。この実験結果に基づき、噴射流量と固溶限表面積との関係は、噴射流量が大きくなるほど固溶限表面積が大きくなる比例関係にあるとした。同図においては、実験結果は省略して示す。
本形態においては、噴射距離をパラメータとした噴射流量と固溶限表面積との関係を、ガス浸炭装置１及びガス浸炭方法における各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射流量を設定する際の指標として用いる。ガス浸炭装置１においては、第１内周噴射ノズル５１Ａの先端からワーク７の表面（第１凹状角部７４Ａ）までの噴射距離Ｄ１、第２内周噴射ノズル５１Ｂの先端からワーク７の表面（第２凹状角部７４Ｂ）までの噴射距離Ｄ２、及び外周噴射ノズル５２の先端からワーク７の表面（第３凹状角部７４Ｃ又は縮径部７１３の外周面７１２）までの噴射距離Ｄ３のそれぞれが決められている。各噴射距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の先端から、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射中心軸線Ｏ２がワーク７の表面に接触するまでの距離としている。
第１内周噴射ノズル５１Ａによる浸炭ガスＧの噴射流量、第２内周噴射ノズル５１Ｂによる浸炭ガスＧの噴射流量、及び外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射流量は、それぞれ第１内周配管６１Ａ、第２内周配管６１Ｂ又は外周配管６２に配置された流量調整弁の開度を調整することによって変更可能である。各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２による噴射流量は、個別に設定可能である。これにより、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射される浸炭ガスＧの濃度を適切に調整して、ワーク７の表面のほぼ全体に、固溶限濃度となる炭素を含浸させることができる。
本形態の各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射流量を決定する際には、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射流量と固溶限表面積との関係を利用する。具体的には、ガス浸炭装置１においては、第１内周噴射ノズル５１Ａによる浸炭ガスＧの噴射流量と、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射された浸炭ガスＧにおける炭素がワーク７に固溶限濃度まで固溶可能な第１内周固溶限表面積との第１内周側関係が定められている。
また、ガス浸炭装置１においては、第２内周噴射ノズル５１Ｂによる浸炭ガスＧの噴射流量と、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射された浸炭ガスＧにおける炭素がワーク７に固溶限濃度まで固溶可能な第２内周固溶限表面積との第２内周側関係が定められている。また、ガス浸炭装置１においては、外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射流量と、外周噴射ノズル５２から噴射された浸炭ガスＧにおける炭素がワーク７に固溶限濃度まで固溶可能な外周固溶限表面積との外周側関係が定められている。
第１内周側関係、第２内周側関係及び外周側関係は、いずれも各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射される浸炭ガスＧの全てがワーク７に衝突するとした場合の関係として定められている。そして、ガス浸炭装置１においては、ワーク７の全表面積が、第１内周固溶限表面積、第２内周固溶限表面積及び外周固溶限表面積の合計以下になるよう、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２による浸炭ガスＧの噴射流量が設定されている。
これにより、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射される浸炭ガスＧ中の炭素を、ワーク７の表面における各部位に固溶限濃度まで拡散・浸透させることができる。そして、ワーク７の表面の各部位における炭素濃度に極力ばらつきが生じないようにすることができる。
図４に示すように、各内周噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ及び外周噴射ノズル５２の配置箇所、配置方向及び噴射流量は、円筒形状部７１、交差部（底部）７２及び凸部７３を有するワーク７の形状に合わせて、ワーク７の内周側及び外周側の各部位に浸炭ガスＧが接触することを目的として設定されている。円筒形状部７１を有するワーク７においては、内周側に位置する部位に浸炭ガスＧが到達しにくい。また、円筒形状部７１、交差部（底部）７２及び凸部７３を有するワーク７においては、円筒形状部７１と交差部７２との内周側に位置する角部（境界部）である第１凹状角部７４Ａ、交差部７２と凸部７３との内周側に位置する角部（境界部）である第２凹状角部７４Ｂ、及び交差部７２と凸部７３との外周側に位置する角部（境界部）である第３凹状角部７４Ｃに浸炭ガスＧが到達しにくいことが分かっている。
そこで、各凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃへ浸炭ガスＧが浸透しやすくするために、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２による浸炭ガスＧの噴射方向を決定している。図１に示すように、ワーク７の軸線方向Ｌに沿った切断面において、第１凹状角部７４Ａは、第１内周噴射ノズル５１Ａによる浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれており、第２凹状角部７４Ｂは、第２内周噴射ノズル５１Ｂによる浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれており、第３凹状角部７４Ｃは、外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれている。
各凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃが各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射範囲Ｒ内に含まれることにより、各凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃへのガス浸炭を効果的に行うことができる。
図６に示すように、第２凹状角部７４Ｂとは、交差部７２と、各凸部７３における内周側に位置する内周側面７３１（ワーク７の中心軸線Ｏ１に近い１８０°の範囲の側面）との間に形成された角部のことをいう。また、第３凹状角部７４Ｃとは、交差部７２と、各凸部７３における外周側に位置する外周側面７３２（ワーク７の中心軸線Ｏ１から遠い１８０°の範囲の側面）との間に形成された角部のことをいう。
図２に示すように、第１内周噴射ノズル５１Ａの配置方向は、ワーク７における第１凹状角部７４Ａの下側に位置する部分へ浸炭ガスＧが衝突できる方向として設定されている。ワーク７は回転支持部材３によって一定速度で回転しているため、ワーク７が１回転するときに、第１凹状角部７４Ａの全周が第１内周噴射ノズル５１Ａによる浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれることになる。
図３に示すように、第２内周噴射ノズル５１Ｂの配置方向は、ワーク７における、下側に配置された第２凹状角部７４Ｂに浸炭ガスＧが衝突できる方向として設定されている。ワーク７は回転支持部材３によって一定速度で回転しているため、ワーク７が１回転するときに、全ての第２凹状角部７４Ｂが第２内周噴射ノズル５１Ｂによる浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれることになる。
図３に示すように、外周噴射ノズル５２の配置方向は、ワーク７における、上側に配置された縮径部７１３及び第３凹状角部７４Ｃに浸炭ガスＧが衝突できる方向として設定されている。ワーク７は回転支持部材３によって一定速度で回転しているため、ワーク７が１回転するときに、第３凹状角部７４Ｃの全周が外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれることになる。
ガス浸炭装置１及びガス浸炭方法においては、ワーク７の表面の全体について、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２によって浸炭ガスＧが到達すると考える表面の領域を区分けする。具体的には、図４〜図６に示すように、ワーク７において、円筒形状部７１の内周面７１１と、交差部７２の軸線方向Ｌの一方側端面７２１とを合わせて、第１内側面８１Ａとする。第１内側面８１Ａは、第１凹状角部７４Ａを含む表面である。また、各凸部７３の内周側面７３１と、交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２の内側半分７２２Ａとを合わせて、第２内側面８１Ｂとする。第２内側面８１Ｂは、第２凹状角部７４Ｂを含む表面である。さらに、円筒形状部７１の外周面７１２と、各凸部７３の外周側面７３２と、交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２の外側半分７２２Ｂとを合わせて、外側面８２とする。外側面８２は、第３凹状角部７４Ｃを含む表面である。
ここで、図６に示すように、各凸部７３の内周側面７３１とは、各凸部７３における、中心軸線Ｏ１に近い内周側の１８０°の範囲における側面のことをいう。交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２の内側半分７２２Ａとは、この他方側端面７２２において、各凸部７３の内周側面７３１と外周側面７３２との境界位置を通る仮想円Ｃ１よりも内周側に位置する部分のことをいう。
また、同図に示すように、各凸部７３の外周側面７３２とは、各凸部７３における、中心軸線Ｏ１から遠い外周側の１８０°の範囲における側面のことをいう。交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２の外側半分７２２Ｂとは、内側半分７２２Ａを除く他方側端面７２２の残部のことであって、この他方側端面７２２において、仮想円Ｃ１よりも外周側に位置する部分のことをいう。
本形態のガス浸炭装置１及びガス浸炭方法においては、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧによって第１内側面８１Ａをガス浸炭すると仮定する。また、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧによって第２内側面８１Ｂをガス浸炭すると仮定する。また、外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧによって外側面８２をガス浸炭すると仮定する。これらの仮定は、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２によってガス浸炭する表面積を特定し、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射させる浸炭ガスＧの噴射流量を決定するために行う。
図４に示すように、ワーク７の表面の全体においては、第１内側面８１Ａ、第２内側面８１Ｂ及び外側面８２の他に、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの一方側端面７１４、交差部７２の貫通穴７２０の側壁面７２３、及び複数の凸部７３の軸線方向Ｌの他方側端面７３３がある。一方側端面７１４は、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧ又は外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧのいずれによってガス浸炭されてもよい。また、貫通穴７２０の側壁面７２３は、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧ又は第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧのいずれによってガス浸炭されてもよい。また、他方側端面７３３は、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧ又は外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧのいずれによってガス浸炭されてもよい。
また、図６に示すように、第２内側面８１Ｂにおける、交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２の内側半分７２２Ａと、外側面８２における、交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２の外側半分７２２Ｂとの境界部付近（仮想円Ｃ１の付近）は、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧと、外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧとのいずれによってガス浸炭されてもよい。また、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射される浸炭ガスＧは、ワーク７の表面に衝突した後にワーク７の表面に広がる。そのため、第１内側面８１Ａ、第２内側面８１Ｂ及び外側面８２のワーク７の表面の各部位は、複数の噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から噴射された浸炭ガスＧが混ざり合った状態でガス浸炭されることがある。
また、図４に示すように、第１内側面８１Ａの表面積を第１内側表面積Ａ１、第２内側面８１Ｂの表面積を第２内側表面積Ａ２、及び外側面８２の表面積を外側表面積Ａ３とする。そして、第１内周噴射ノズル５１Ａによる浸炭ガスＧの噴射流量Ｑ１、第２内周噴射ノズル５１Ｂによる浸炭ガスＧの噴射流量Ｑ２、及び外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射流量Ｑ３は、第１内側表面積Ａ１、第２内側表面積Ａ２及び外側表面積Ａ３のうちの表面積が大きなものに対応する噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から順に、大きく設定する。
本形態においては、外側表面積Ａ３、第１内側表面積Ａ１、第２内側表面積Ａ２の順に表面積が大きい。そして、外周噴射ノズル５２、第１内周噴射ノズル５１Ａ、第２内周噴射ノズル５１Ｂの順に噴射流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が大きい。
各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２によってガス浸炭を行うワーク７の各部の表面積Ａ１，Ａ２，Ａ３に応じて、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を設定することにより、必要な箇所に必要な流量の浸炭ガスＧを供給することができる。そのため、ワーク７の表面における各部位の炭素濃度をより均一にすることができる。
また、固溶限表面積は、噴射流量との関係の他に、噴射距離との関係によっても変化する。噴射距離が大きくなるほど、ワーク７の表面における固溶限表面積は小さくなる。そのため、噴射距離が大きくなるほど、噴射流量を大きくして、必要とする固溶限表面積を確保する必要がある。
各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の各噴射流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を決定する際には、固溶限表面積と噴射距離とに基づいて決定する。ただし、各噴射流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の設定を容易にするために、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の先端からワーク７の表面までの噴射距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を先に決定し、決められた噴射距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３における、噴射流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と固溶限表面積との関係を測定している。
より具体的には、図１〜図３に示すように、第１内周噴射ノズル５１Ａの先端から第１凹状角部７４Ａまでの噴射中心軸線Ｏ２の距離を第１内周噴射距離Ｄ１として決定する。また、第２内周噴射ノズル５１Ｂの先端から第２凹状角部７４Ｂまでの噴射中心軸線Ｏ２の距離を第２内周噴射距離Ｄ２として決定する。また、外周噴射ノズル５２の先端から第３凹状角部７４Ｃまでの噴射中心軸線Ｏ２の距離を外周噴射距離Ｄ３として決定する。本形態においては、噴射距離の大きさは、外周噴射距離Ｄ３、第２内周噴射距離Ｄ２、第１内周噴射距離Ｄ１の順に小さい。
そして、図８に示すように、実験用の噴射ノズル及び実験用のワーク７を用いた測定実験において、噴射距離を第１内周噴射距離Ｄ１に設定し、噴射流量を変化させたときの固溶限表面積を求めて得られた、噴射流量−固溶限表面積の関係式（関係グラフ）に第１内側表面積Ａ１を代入して、第１内周噴射ノズル５１Ａの噴射流量Ｑ１を決定する。
また、同図に示すように、実験用の噴射ノズル及び実験用のワーク７を用いた測定実験において、噴射距離を第２内周噴射距離Ｄ２に設定し、噴射流量を変化させたときの固溶限表面積を求めて得られた、噴射流量−固溶限表面積の関係式（関係グラフ）に第２内側表面積Ａ２を代入して、第２内周噴射ノズル５１Ｂの噴射流量Ｑ２を決定する。
また、同図に示すように、実験用の噴射ノズル及び実験用のワーク７を用いた測定実験において、噴射距離を外周噴射距離Ｄ３に設定し、噴射流量を変化させたときの固溶限表面積を求めて得られた、噴射流量−固溶限表面積の関係式（関係グラフ）に外側表面積Ａ３を代入して、外周噴射ノズル５２の噴射流量Ｑ３を決定する。
（製造方法）
次に、ガス浸炭装置１を用いてガス浸炭する方法について説明する。
まず、回転支持部材３における、浸炭容器２の外部に位置する部分に、ワーク７を載置する。このとき、回転支持部材３における一対の回転軸部材３１に跨って、ワーク７の円筒形状部７１が載置される。次いで、アクチュエータによって一対の回転軸部材３１が軸線方向Ｌにスライドし、一対の回転軸部材３１に載置された状態のワーク７が、浸炭容器２の入口２１１から収容室２１内に配置される。そして、ワーク７の軸線方向Ｌの一方側Ｌ１には、第１内周噴射ノズル５１Ａが斜め上方から対向し、ワーク７の軸線方向Ｌの他方側Ｌ２には、第２内周噴射ノズル５１Ｂが斜め上方から対向し、さらに、ワーク７の円筒形状部７１の外周面７１２には、外周噴射ノズル５２が上方から対向する。
次いで、モータによって一対の回転軸部材３１が回転し、この回転を受けてワーク７がその中心軸線Ｏ１の回りに回転する。また、ワーク７を回転させるときには、誘導加熱コイル４に通電してワーク７を加熱するとともに、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から浸炭ガスＧを噴射させる。このとき、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧが、回転するワーク７の円筒形状部７１の下側に位置する第１凹状角部７４Ａに衝突する。また、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧが、回転するワーク７の下側に位置する第２凹状角部７４Ｂ又は交差部７２の他方側端面に衝突する。さらに、外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧが、回転するワーク７の円筒形状部７１の上側に位置する外周面７１２に衝突する。
そして、一対の回転軸部材３１によってワーク７を複数回回転させて、ワーク７の周方向Ｃの各部にできるだけ均一に浸炭ガスＧが接触するようにする。次いで、各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から浸炭ガスＧを噴射させた後、所定時間が経過したときには、一対の回転軸部材３１によるワーク７の回転、誘導加熱コイル４によるワーク７の加熱、及び各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２による浸炭ガスＧの噴射を停止させる。
次いで、アクチュエータによって一対の回転軸部材３１が軸線方向Ｌにスライドし、一対の回転軸部材３１に載置された状態のワーク７が、浸炭容器２の出口２１２から収容室２１の外部に出されるとともに、冷却室内に配置される。そして、冷却室においては、ワーク７を油中に浸漬させて急冷し、ワーク７に浸炭焼入れを行う。その後、ワーク７を冷却室から取り出して、ワーク７に対するガス浸炭が終了する。こうして、ワーク７の表面の全体に浸炭が行われた鋼材製品が製造される。
（作用効果）
本形態のガス浸炭装置１は、円筒形状部７１及び複数の凸部７３を有するワーク７のガス浸炭を行うために特化した特殊な噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２を備える。具体的には、ガス浸炭装置１は、ワーク７の円筒形状部７１の内周側に浸炭ガスＧを噴射する第１内周噴射ノズル５１Ａ、ワーク７の複数の凸部７３の内周側に浸炭ガスＧを噴射する第２内周噴射ノズル５１Ｂ、及びワーク７の円筒形状部７１の外周側及び複数の凸部７３の外周側に浸炭ガスＧを噴射する外周噴射ノズル５２を備える。
そして、円筒形状部７１と交差部７２との第１凹状角部７４Ａには、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射された浸炭ガスＧを衝突させることができる。また、回転するワーク７に対して浸炭ガスＧが衝突することにより、第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧ中の炭素は、ワーク７の周方向Ｃの全周に位置する第１凹状角部７４Ａに浸炭される。
また、交差部７２と凸部７３の第２凹状角部７４Ｂには、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射された浸炭ガスＧを衝突させることができる。また、回転するワーク７に対して浸炭ガスＧが衝突することにより、第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧ中の炭素は、ワーク７の周方向Ｃに並ぶ複数の凸部７３による第２凹状角部７４Ｂに浸炭される。
さらに、交差部７２と凸部７３の第３凹状角部７４Ｃには、外周噴射ノズル５２から噴射された浸炭ガスＧを衝突させることができる。また、回転するワーク７に対して浸炭ガスＧが衝突することにより、外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧ中の炭素は、ワーク７の周方向Ｃの全周に位置する外周面７１２及びワーク７の周方向Ｃに並ぶ複数の凸部７３による第３凹状角部７４Ｃに浸炭される。
これにより、特に、浸炭ガスＧが接触しにくく、浸炭されにくい箇所である第１〜第３凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃに、適切な噴射流量で浸炭ガスＧを衝突させることができる。そして、浸炭ガスＧ中の炭素を第１〜第３凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃに適切に拡散・浸透させることができる。
それ故、本形態のガス浸炭装置１及びガス浸炭方法によれば、ワーク７の表面の全体に、極力均一にガス浸炭を行うことができる。
＜実施形態２＞
本形態においては、ワーク７の形状が実施形態１と異なる場合について、ガス浸炭装置１における各内周噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ及び外周噴射ノズル５２の配置について示す。
本形態のワーク７は、図９〜図１１に示すように、円筒形状部７１と、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの中間部の内周側に設けられた交差部（節部）７２とを有する。交差部７２は、円筒形状部７１の内周面７１１の全周に繋がる状態で設けられている。交差部７２の中心位置には、貫通穴７２０が形成されている。円筒形状部７１の内周面７１１は、交差部７２が形成されたことにより、軸線方向Ｌの一方側部分７１１Ａと他方側部分７１１Ｂとに分かれている。
本形態の第１凹状角部７４Ａは、円筒形状部７１と交差部７２との間であって、軸線方向Ｌの一方側Ｌ１に位置する内周側の境界部（角部）として形成されている。また、本形態の第２凹状角部７４Ｂは、円筒形状部７１と交差部７２との間であって、軸線方向Ｌの他方側Ｌ２に位置する内周側の境界部（角部）として形成されている。また、本形態の第３凹状角部７４Ｃは、円筒形状部７１の外周面７１２における段差部として形成されている。
図９に示すように、本形態の内周噴射ノズル５１は、実施形態１の場合と同様の、第１内周噴射ノズル５１Ａと第２内周噴射ノズル５１Ｂとからなる。また、外周噴射ノズル５２は、実施形態１の場合と同様である。ワーク７の軸線方向Ｌに沿った切断面において、第１凹状角部７４Ａは、第１内周噴射ノズル５１Ａによる浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれており、第２凹状角部７４Ｂは、第２内周噴射ノズル５１Ｂによる浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれており、第３凹状角部７４Ｃは、外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれている。
本形態においては、円筒形状部７１の内周面７１１における軸線方向Ｌの一方側部分７１１Ａ、及び交差部７２の軸線方向Ｌの一方側端面７２１は、主に第１内周噴射ノズル５１Ａから噴射される浸炭ガスＧによって浸炭される。また、円筒形状部７１の内周面７１１における軸線方向Ｌの他方側部分７１１Ｂ、及び交差部７２の軸線方向Ｌの他方側端面７２２は、主に第２内周噴射ノズル５１Ｂから噴射される浸炭ガスＧによって浸炭される。また、円筒形状部７１の外周面７１２は、主に外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧによって浸炭される。
本形態においても、特に、浸炭ガスＧが接触しにくく、浸炭されにくい箇所である第１〜第３凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃに、適切な噴射流量で浸炭ガスＧを衝突させ、浸炭ガスＧ中の炭素を適切に拡散・浸透させることができる。それ故、本形態においても、ワーク７の表面の全体に、極力均一にガス浸炭を行うことができる。
本形態のガス浸炭装置１及びガス浸炭方法におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
＜実施形態３＞
本形態においては、ワーク７の形状が実施形態１，２と異なる場合について、ガス浸炭装置１における内周噴射ノズル５１及び外周噴射ノズル５２の配置について示す。
本形態のワーク７は、図１２〜図１４に示すように、円筒形状部７１と、円筒形状部７１の軸線方向Ｌの端部の内周側に繋がる交差部（底部）７２とを有する。本形態のワーク７は有底円筒形状を有する。交差部７２は、円筒形状部７１の内周面７１１の全周に繋がる状態で設けられている。交差部７２の中心位置には、貫通穴７２０が形成されている。
図１２に示すように、本形態のワーク７においては、円筒形状部７１と交差部７２との間の内周側に位置する境界部（角部）に凹状角部７４Ａが形成されている。本形態の内周噴射ノズル５１は、凹状角部７４Ａに向けて浸炭ガスＧを噴射するよう構成されており、本形態の外周噴射ノズル５２は、円筒形状部７１と交差部７２との外角部７１５に向けて浸炭ガスＧを噴射するよう構成されている。
ワーク７の軸線方向Ｌに沿った切断面において、凹状角部７４Ａは、内周噴射ノズル５１による浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれており、外角部７１５は、外周噴射ノズル５２による浸炭ガスＧの噴射範囲Ｒ内に含まれている。
本形態においては、円筒形状部７１の内周面７１１及び交差部７２の内側の端面７２１は、主に内周噴射ノズル５１から噴射される浸炭ガスＧによって浸炭される。また、円筒形状部７１の外周面７１２及び交差部７２の外側の端面７２２は、主に外周噴射ノズル５２から噴射される浸炭ガスＧによって浸炭される。
本形態においては、特に、浸炭ガスＧが接触しにくく、浸炭されにくい箇所である凹状角部７４Ａに、適切な噴射流量で浸炭ガスＧを衝突させ、浸炭ガスＧ中の炭素を適切に拡散・浸透させることができる。それ故、本形態においても、ワーク７の表面の全体に、極力均一にガス浸炭を行うことができる。
本形態のガス浸炭装置１及びガス浸炭方法におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
＜その他の実施形態＞
実施形態１のガス浸炭装置１においては、外周噴射ノズル５２の噴射範囲Ｒ内に縮径部７１３が含まれる一方、外周噴射ノズル５２の噴射範囲Ｒ内に第３凹状角部７４Ｃは含まれないようにしてもよい。この場合にも、第３凹状角部７４Ｃが外周噴射ノズル５２の噴射範囲Ｒの近傍に位置することにより、第３凹状角部７４Ｃに浸炭ガスＧ中の炭素を適切に拡散・浸透させることができる。
また、回転支持部材３は、ワーク７の中心位置を支持し、ワーク７を直接回転させる構成としてもよい。この場合にも、回転支持部材３が軸線方向Ｌにスライドすることによってワーク７の搬送を行うことができる。
また、ガス浸炭装置１は、図１５に示すように、複数のワーク７に対して同時にガス浸炭を行うよう構成することができる。この場合には、浸炭容器２内には、第１内周噴射ノズル５１Ａ、第２内周噴射ノズル５１Ｂ及び外周噴射ノズル５２のそれぞれを複数配置する。複数の第１内周噴射ノズル５１Ａは、第１内周配管６１Ａの軸線方向Ｌの複数箇所から分岐させて形成することができる。複数の第２内周噴射ノズル５１Ｂは、第２内周配管６１Ｂの軸線方向Ｌの複数箇所から分岐させて形成することができる。複数の外周噴射ノズル５２は、外周配管６２の軸線方向Ｌの複数箇所から分岐させて形成することができる。
そして、回転支持部材３における一対の回転軸部材３１によって複数のワーク７を同時に回転させながら、各ワーク７に対して３つの噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２から浸炭ガスＧを噴射する。この場合には、ワーク７の表面の全体に浸炭が行われた鋼材製品の生産性を高めることができる。
本形態のガス浸炭装置１及びガス浸炭方法におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
＜確認試験＞
本確認試験においては、実施形態１に示したガス浸炭装置１（実施品）による、ワーク７の表面への浸炭状態を確認した。実施品における各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２による浸炭ガスＧの噴射流量は、実施形態１に示したそれぞれの噴射距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３における噴射流量−固溶限表面積の関係式に基づいて決定した。また、比較のために、図１６に示すように、噴射ノズル５２Ｚから噴射される浸炭ガスＧを、ワーク７の円筒形状部７１の外周面７１２に衝突させるガス浸炭装置（比較品）による、ワーク７の表面への浸炭状態も確認した。比較品の噴射ノズル５２Ｚによる浸炭ガスＧの噴射流量は、実施品における各噴射ノズル５１Ａ，５１Ｂ，５２の噴射流量の合計とほぼ同じとした。
実施品及び比較品について、ワーク７にガス浸炭を行い、ワーク７の表面における浸炭状態を確認した。ワーク７の表面における浸炭状態は、ワーク７の表面の硬度を測定することによって確認した。ワーク７の表面における炭素濃度が高いほど、ワーク７の表面の硬度は高くなる。
実施品について、ワーク７にガス浸炭を行い、ワーク７の表面における硬度を測定した結果を図１７のグラフに示す。また、比較品について、ワーク７にガス浸炭を行い、ワーク７の表面における硬度を測定した結果を図１８のグラフに示す。各グラフにおける横軸は、ワーク７の表面からの距離（深さ）（ｍｍ）を示し、縦軸は、ワーク７の表面における硬度としてのビッカース硬さＨＶ０．１（ｋｇｆ／ｍｍ2）を示す。ビッカース硬さＨＶ０．１は、試験力を０．１ｋｇｆとしたときの値として示す。
ワーク７の表面における硬度は、ワーク７の各部位として、凸部７３と交差部７２との第２凹状角部７４Ｂを部位Ｐ１、凸部７３と交差部７２との第３凹状角部７４Ｃを部位Ｐ２、円筒形状部７１と交差部７２との第１凹状角部７４Ａを部位Ｐ３、円筒形状部７１の外周面７１２を部位Ｐ４、円筒形状部７１の内周面７１１を部位Ｐ５、凸部７３の外周側面７３２を部位Ｐ６、及び交差部７２の軸線方向Ｌの一方側端面７２１を部位Ｐ７について測定した。
図１８の比較品においては、円筒形状部７１の外周面７１２を示す部位Ｐ４及び凸部７３の外周側面７３２を示す部位Ｐ６についての表面の硬度は高くなったものの、それ以外の部位Ｐ１〜Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７についての表面の硬度はほとんど高くならなかった。このことより、噴射ノズル５２Ｚのみによっては、ワーク７の円筒形状部７１の内周側及び各凹状角部７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃにガス浸炭を行うことは不可能であることが分かった。
図１７の実施品においては、ワーク７の各部位Ｐ１〜Ｐ７についての表面の硬度が高くなり、ワーク７の表面の全体にガス浸炭を極力均一に行うことが可能であることが分かった。以上の結果より、実施形態１に示したガス浸炭装置１及びガス浸炭方法によれば、ワーク７の表面の全体に極力均一にガス浸炭を行う効果が得られることが確認できた。
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。
１ ガス浸炭装置
２ 浸炭容器
２１ 収容室
３ 回転支持部材
４ 誘導加熱コイル
５１，５１Ａ，５１Ｂ 内周噴射ノズル
５２ 外周噴射ノズル
７ ワーク
７１ 円筒形状部

Claims (9)

  1. 円筒形状部（７１）を有するワーク（７）が収容される浸炭容器（２）と、
    前記円筒形状部の中心軸線（Ｏ１）を中心に前記ワークを回転させるための回転支持部材（３）と、
    前記ワークを誘導加熱するための誘導加熱コイル（４）と、
    前記浸炭容器内に配置され、前記円筒形状部の内周面（７１１）へ浸炭ガス（Ｇ）を噴射して衝突させる内周噴射ノズル（５１，５１Ａ）と、
    前記浸炭容器内に配置され、前記円筒形状部の外周面（７１２）へ浸炭ガスを噴射して衝突させる外周噴射ノズル（５２）と、を備え、
    前記内周噴射ノズルは、前記円筒形状部の軸線方向（Ｌ）の一方側（Ｌ１）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第１内周噴射ノズル（５１Ａ）と、前記軸線方向の他方側（Ｌ２）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第２内周噴射ノズル（５１Ｂ）とからなり、
    前記ワークは、前記円筒形状部の他に、前記円筒形状部の前記軸線方向の他方側端部の内周側に繋がる交差部（７２）と、前記交差部から前記軸線方向の他方側へ突出する凸部（７３）とを有しており、
    前記ワークの前記軸線方向に沿った切断面において、前記円筒形状部と前記交差部との内周側に位置する境界部である第１凹状角部（７４Ａ）は、前記第１内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれており、かつ、前記交差部と前記凸部との内周側に位置する境界部である第２凹状角部（７４Ｂ）は、前記第２内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれている、ガス浸炭装置（１）。
  2. 前記内周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスの全て及び前記外周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスの全てが前記ワークに衝突するとした場合に、前記内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量と、前記内周噴射ノズルから噴射された浸炭ガスにおける炭素が前記ワークに固溶限濃度まで固溶可能な内周固溶限表面積との関係、及び前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量と、前記外周噴射ノズルから噴射された浸炭ガスにおける炭素が前記ワークに固溶限濃度まで固溶可能な外周固溶限表面積との関係に基づき、
    前記ワークの全表面積が、前記内周固溶限表面積と前記外周固溶限表面積との合計以下になるよう、前記内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量及び前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量が設定されている、請求項１に記載のガス浸炭装置。
  3. 前記ワークの前記軸線方向に沿った切断面において、前記交差部と前記凸部との外周側に位置する境界部である第３凹状角部（７４Ｃ）は、前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれている、請求項１又は２に記載のガス浸炭装置。
  4. 前記回転支持部材は、前記ワークを載置可能である互いに平行な一対の回転軸部材（３１）によって構成され、一対の前記回転軸部材が前記円筒形状部の前記外周面に下方から回転接触することによって前記ワークを回転させるよう構成されており、
    前記内周噴射ノズル及び前記外周噴射ノズルは、下方又は斜め下方に向けて浸炭ガスを噴射するよう構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス浸炭装置。
  5. 円筒形状部（７１）を有するワーク（７）を、回転支持部材（３）によって前記円筒形状部の中心軸線（Ｏ１）を中心に回転させるとともに、前記ワークを誘導加熱コイル（４）によって誘導加熱し、
    かつ、前記円筒形状部の内周面（７１１）へ内周噴射ノズル（５１，５１Ａ）から噴射される浸炭ガス（Ｇ）を衝突させて、前記内周面にガス浸炭を行うとともに、前記円筒形状部の外周面（７１２）へ外周噴射ノズル（５２）から噴射される浸炭ガスを衝突させて、前記外周面にガス浸炭を行う、ガス浸炭方法であって、
    前記内周噴射ノズルは、前記円筒形状部の軸線方向（Ｌ）の一方側（Ｌ１）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第１内周噴射ノズル（５１Ａ）と、前記軸線方向の他方側（Ｌ２）から中心側へ傾斜する状態で浸炭ガスを噴射する第２内周噴射ノズル（５１Ｂ）とからなり、
    前記ワークは、前記円筒形状部の他に、前記円筒形状部の前記軸線方向の他方側端部の内周側に繋がる交差部（７２）と、前記交差部から前記軸線方向の他方側へ突出する凸部（７３）とを有しており、
    前記ワークの前記軸線方向に沿った切断面において、前記円筒形状部と前記交差部との内周側に位置する境界部である第１凹状角部（７４Ａ）は、前記第１内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれており、かつ、前記交差部と前記凸部との内周側に位置する境界部である第２凹状角部（７４Ｂ）は、前記第２内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれている、ガス浸炭方法。
  6. 前記内周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスの全て及び前記外周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスの全てが前記ワークに衝突するとした場合に、前記内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量と、前記内周噴射ノズルから噴射された浸炭ガスにおける炭素が前記ワークに固溶限濃度まで固溶可能な内周固溶限表面積との関係、及び前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量と、前記外周噴射ノズルから噴射された浸炭ガスにおける炭素が前記ワークに固溶限濃度まで固溶可能な外周固溶限表面積との関係に基づき、
    前記ワークの全表面積が、前記内周固溶限表面積と前記外周固溶限表面積との合計以下になるよう、前記内周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量及び前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量を設定する、請求項５に記載のガス浸炭方法。
  7. 前記ワークの前記軸線方向に沿った切断面において、前記交差部と前記凸部との外周側に位置する境界部である第３凹状角部（７４Ｃ）は、前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射範囲（Ｒ）内に含まれている、請求項５又は６に記載のガス浸炭方法。
  8. 前記円筒形状部の前記内周面と前記交差部の前記軸線方向の一方側端面（７２１）とが合わさった第１内側面（８１Ａ）を、前記第１内周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスによってガス浸炭すると仮定し、
    前記凸部の内周側面（７３１）と前記交差部の前記軸線方向の他方側端面（７２２）の内側半分（７２２Ａ）とが合わさった第２内側面（８１Ｂ）を、前記第２内周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスによってガス浸炭すると仮定し、
    前記円筒形状部の前記外周面と前記凸部の外周側面（７３２）と前記交差部の前記軸線方向の他方側端面の外側半分（７２２Ｂ）とが合わさった外側面（８２）を、前記外周噴射ノズルから噴射される浸炭ガスによってガス浸炭すると仮定し、
    かつ、前記第１内側面の表面積を第１内側表面積（Ａ１）、前記第２内側面の表面積を第２内側表面積（Ａ２）、及び前記外側面の表面積を外側表面積（Ａ３）としたとき、
    前記第１内周噴射ノズル、前記第２内周噴射ノズル及び前記外周噴射ノズルによる浸炭ガスの噴射流量（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）は、第１内側表面積、第２内側表面積及び前記外側表面積のうちの表面積が大きなものに対応する噴射ノズルから順に、大きく設定する、請求項５〜７のいずれか１項に記載のガス浸炭方法。
  9. 前記回転支持部材は、前記ワークを載置可能である互いに平行な一対の回転軸部材（３１）によって構成し、一対の前記回転軸部材が前記円筒形状部の前記外周面に下方から回転接触することによって前記ワークを回転させ、
    前記内周噴射ノズル及び前記外周噴射ノズルは、下方又は斜め下方に向けて浸炭ガスを噴射する、請求項５〜８のいずれか１項に記載のガス浸炭方法。
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