KR20170142906A - 표면 처리 방법 및 표면 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

가열된 강제의 피처리물(P)에 처리 가스(G2)를 접촉시켜, 처리 가스(G2)의 원소를 고용시킴으로써 피처리물(P)의 표면 처리를 행하는 표면 처리 방법이다. 피처리물(P)이 배치된 분위기를 가열함으로써, 표면 처리를 행하는 처리 온도(T3) 근방의 승온 온도(T1)까지, 피처리물(P)을 승온시킨다. 승온된 상태의 피처리물(P)을 처리 온도(T3)로 직접 가열하면서, 피처리물(P)의 표면에 처리 가스를 접촉시킴으로써, 표면 처리를 행한다.

Description

표면 처리 방법 및 표면 처리 장치{SURFACE TREATMENT METHOD AND SURFACE TREATMENT DEVICE}
본 발명은, 가열된 강제의 피처리물에 처리 가스를 접촉시켜, 처리 가스에 포함되는 원소를 고용시킴으로써 피처리물의 표면 처리를 행하는 표면 처리 방법 및 표면 처리 장치에 관한 것이다.
강제의 피처리물을, 표면 처리할 때에는, 피처리물을 가열하는 동시에, 처리 가스를 피처리물에 접촉시켜, 처리 가스에 포함되는 원소를 피처리물의 표면에 고용시키고 있다. 이러한 기술로서, 예를 들어 일본 특허 공개 제2004-217958에는, 이하의 표면 처리 방법이 제안되어 있다. 이 표면 처리 방법에서는, 유도 가열, 레이저 조사에 의한 가열, 또는 적외선 조사에 의한 가열에 의해, 피처리물을 가열하고, 이 가열된 피처리물의 표면에 질화 처리 가스 등의 처리 가스를 접촉시킴으로써, 피처리물의 표면 처리를 행하고 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2014-118606에는, 이하의 표면 처리 방법이 제안되어 있다. 이 표면 처리 방법에서는, 먼저, 승온부에 있어서, 피처리물을 고주파 유도 가열로 가열한다. 이어서, 피처리물을 침탄 처리부로 반송하고, 침탄 처리 가스의 분위기 하에서, 그 분위기를 가열함으로써, 피처리물의 침탄 처리를 행한다. 이어서, 침탄 처리된 피처리물을, 침질 처리부로 반송하고, 침탄 처리에 있어서의 피처리물의 여열을 이용하여, 암모니아 가스를 접촉시킴으로써, 피처리물의 침질 처리를 행하고 있다.
일본 특허 공개 제2004-217958에 관한 표면 처리 방법에서는, 피처리물의 분위기를 가열하지 않고, 피처리물을 직접 가열하므로, 피처리물의 가열된 표면에 있어서, 처리 가스가 분해 또는 반응하여, 표면 처리를 행할 수 있다고 생각된다.
그러나, 예를 들어 피처리물을 유도 가열한 경우에는, 피처리물의 모든 처리 표면과 유도 가열용 코일과의 간극을 일정하게 유지할 수 없으므로, 피처리물을 균일하게 가열하기는 어렵다. 한편, 레이저 또는 적외선 등의 광선의 조사에 의해, 피처리물을 가열한 경우에도, 피처리물의 모든 처리 표면에, 광선을 균일하게 조사하는 것은 어렵다. 특히, 복잡한 형상의 피처리물에 대하여 표면 처리를 행하는 경우, 피처리물의 표면을 균일하게 가열하기는 어렵다. 이 결과, 피처리물의 표면에 균일한 표면 처리를 행하는 것이 어렵다고 생각된다.
이 점을 생각하면, 일본 특허 공개 제2014-118606에 나타낸 바와 같이, 피처리물의 분위기를 가열하면, 피처리물의 표면을 균일하게 가열할 수 있다. 그러나, 이 경우, 처리 가스가 피처리물의 표면에 도달하기 전에, 처리 가스가 분해 또는 반응될 우려가 있어, 효율적인 표면 처리를 행할 수 없을 가능성이 있다. 또한, 표면이 균일하게 가열된 상태의 피처리물의 여열을 이용하여, 피처리물에 처리 가스를 접촉시켰다고 해도, 시간 경과와 함께, 피처리물의 표면 온도는, 저하되기 때문에, 효율적인 표면 처리를 행할 수 없다.
본 발명은, 피처리물의 표면을 보다 균일하게 가열한 상태에서, 효율적으로 표면 처리를 행할 수 있는 표면 처리 방법 및 표면 처리 장치를 제공한다.
상기 과제를 감안하여, 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 피처리물을 처리 가스로 표면 처리하기 전에, 피처리물이 배치된 분위기를 가열함으로써, 미리 피처리물의 표면을 균일하게 승온할 수 있다고 생각하였다. 이어서, 이 균일하게 승온된 상태의 피처리물을 직접 가열하면서, 피처리물에 처리 가스를 접촉시키면, 피처리물의 표면을 대략 균일한 온도로 유지하면서, 처리 가스에 포함되는 원소를 피처리물의 표면에 균일하게 고용시킬 수 있다고 생각하였다.
본 발명의 제1 형태는, 가열된 강제의 피처리물에 처리 가스를 접촉시켜, 상기 처리 가스에 포함되는 원소를 고용시킴으로써 상기 피처리물의 표면 처리를 행하는 표면 처리 방법이며, 상기 피처리물이 배치된 분위기를 가열함으로써, 상기 표면 처리를 행하는 처리 온도 근방의 승온 온도까지, 상기 피처리물을 승온시키는 것과, 승온된 상기 피처리물을 상기 처리 온도로 직접 가열하면서, 상기 피처리물의 표면에 상기 처리 가스를 접촉시킴으로써, 상기 표면 처리를 행하는 것을 포함한다.
상기 제1 형태에 있어서, 상기 처리 가스에, 암모니아 가스를 사용하고, 상기 표면 처리로서 침질 처리를 행해도 된다. 상기 암모니아 가스가 상기 피처리물의 표면에 접촉하기 전에 분해되는 것을 억제하여, 상기 피처리물의 표면에, 암모니아 가스의 질소를 효율적으로 고용시킬 수 있다. 또한, 승온시의 분위기 가스로서 질소 가스등의 불활성 가스를 사용하는 것도 좋다.
상기 제1 형태에 있어서, 상기 표면 처리를 행할 때에, 상기 피처리물은, 상기 피처리물에 광선을 조사함으로써 직접 가열되어도 된다. 또한, 상기 피처리물로의 상기 광선의 조사는, 적외선 램프를 사용하여 행해져도 된다.
상기 제1 형태에 있어서, 상기 피처리물은, 기어여도 된다. 상기 피처리물이 기어와 같이 복잡한 형상이어도, 상기 피처리물의 표면 온도가 대략 균일한 상태에서, 상기 피처리물의 표면에 상기 처리 가스를 접촉시킬 수 있게 된다.
상기 제1 형태에 있어서, 상기 승온 온도는, 상기 처리 온도보다도 100℃ 낮은 온도로부터 상기 처리 온도보다도 120℃ 높은 온도여도 된다. 또한, 상기 승온 온도는, 850℃ 이상 1200℃ 이하여도 된다.
상기 제1 형태에 있어서, 승온실에 있어서 상기 피처리물이 상기 승온 온도까지 승온되고, 처리실에 있어서 상기 피처리물의 표면 처리가 행해져도 된다. 상기 표면 처리 방법은, 상기 피처리물을 상기 승온 온도까지 승온시킨 후, 상기 승온실로부터 상기 처리실에 상기 피처리물을 반송하는 것을 추가로 구비해도 된다.
본 발명의 제2 형태는, 표면 처리 장치이며, 피처리물을 승온시키는 승온부와, 상기 승온부에서 승온된 상기 피처리물에 처리 가스를 접촉시켜, 상기 처리 가스에 포함되는 원소를 고용시킴으로써 표면 처리하는 처리부를 구비하고, 상기 승온부는, 상기 피처리물을 배치하는 승온실과, 상기 승온실 내의 상기 피처리물이 배치된 분위기를 가열함으로써, 상기 피처리물을 승온시키는 제1 가열부를 구비하고 있으며, 상기 처리부는, 상기 피처리물을 배치하는 처리실과, 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 처리실 내의 상기 피처리물을 직접 가열하는 제2 가열부를 구비한다.
상기 제2 형태에 있어서, 상기 가스 공급부는, 상기 처리 가스로서, 암모니아 가스를 공급해도 된다. 상기 암모니아 가스가 상기 피처리물의 표면에 접촉하기 전에 분해되는 것을 억제하여, 상기 피처리물의 표면에, 암모니아 가스의 질소를 효율적으로 고용시킬 수 있다.
상기 제2 형태에 있어서, 상기 처리실은, 상기 처리실을 구성하는 벽부의 적어도 일부에, 광투과성을 갖는 광투과성 벽부를 갖고 있으며, 상기 제2 가열부는, 상기 처리실의 실외에 배치되고, 상기 광투과성 벽부를 통해, 상기 처리실 내의 상기 피처리물에 광선을 조사함으로써, 상기 피처리물을 가열해도 된다. 상기 광투과성 벽부를 통해 상기 피처리물에 광선을 조사함으로써, 상기 피처리물을 직접 가열할 수 있다.
상기 제2 형태에 있어서, 상기 광투과성 벽부는, 상기 처리실의 실외에 면한 제1 벽부와, 상기 처리실의 실내에 면한 제2 벽부를 구비하고 있고, 상기 제1 벽부와 상기 제2 벽부의 사이에는 공간이 있어도 된다. 상기 광투과성 벽부에 상기 공간을 설치함으로써, 상기 제2 가열부 자체가 발열하는 열을 상기 공간에서 단열하고, 이 열에 의한 상기 제1 벽부로부터 상기 제2 벽부로의 가열을 억제할 수 있다. 이에 의해, 상기 제2 벽부의 표면 및 그 근방에서, 상기 처리 가스가 분해 또는 반응하는 것을 억제할 수 있다.
상기 제2 형태에 있어서, 상기 처리실에는 상기 피처리물을 적재하는 적재망이 배치되어 있어도 된다.
상기 제2 형태에 있어서, 상기 승온부로부터 상기 처리부로 상기 피처리물을 반송하는 반송부를 추가로 구비하고 있어도 된다. 또한, 상기 반송부는, 밀폐 가능하게 구성되는 통로와, 상기 통로 내의 공기를 탈기하는 흡인 펌프를 구비하고 있어도 된다. 이에 의해, 상기 피처리물은, 감압 상태, 또는 진공 상태에서 반송되므로, 상기 피처리물의 표면의 산화를 억제하고, 상기 승온부에서 승온된 상기 피처리물의 온도 저하를 저감하며, 상기 피처리물을 상기 처리부로 반송시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 그 분위기를 가열함으로써, 피처리물의 표면을 더욱 균일하게 승온시킬 수 있다. 승온된 피처리물을 직접 가열함으로써, 피처리물을 대략 균일한 온도로 유지하면서, 처리 가스로 효율적으로 피처리물의 표면 처리를 행할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 설명되며, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다:
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 표면 처리 장치의 모식도이다.
도 2는, 도 1에 나타낸 표면 처리 장치의 처리부의 벽부의 확대 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 따른 표면 처리 방법을 설명하기 위한 피처리물의 표면의 온도 프로필을 도시한 도면이다.
도 4a는, 실시예 1에 관한 시험편의 단면에 있어서의 표층의 사진이다.
도 4b는, 비교예 3에 관한 시험편의 단면에 있어서의 표층의 사진이다.
도 5a는, 실시예 2에 관한 피처리물의 온도 프로필의 해석 결과이다.
도 5b는, 비교예 5에 관한 피처리물의 온도 프로필의 해석 결과이다.
이하에, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 표면 처리 장치 및 표면 처리 방법을 설명한다.
1. 표면 처리 장치(1)에 대해서
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 표면 처리 장치(1)의 모식도이다. 본 실시 형태에 따른 표면 처리 장치(1)는 가열된 피처리물(P)에 처리 가스를 접촉시켜, 처리 가스(G2)에 의해 피처리물(P)의 표면 처리를 행하는 장치이다. 후술하는 바와 같이, 피처리물(P)은, 강제의 피처리물이며, 본 실시 형태에서는, 피처리물(P)은, 일례로서, 기어이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 표면 처리 장치(1)는, 피처리물(P)을 승온시키는 승온부(20)와, 승온부(20)로 승온된 피처리물(P)을 처리 가스(G2)에 의해 표면 처리하는 처리부(30)를 구비한다. 표면 처리 장치(1)는, 승온부(20)로부터 처리부(30)로 피처리물(P)을 반송하는 반송부(40)를 구비하고 있어도 된다.
표면 처리 장치(1)는, 처리부(30)에서 표면 처리된 피처리물(P)을, 냉각하는 냉각실(도시하지 않음)과, 처리부(30)로부터 냉각실로 피처리물(P)을 반송하는 다른 반송부(도시하지 않음)를 추가로 구비하고 있다. 또한, 처리부(30)에서 처리된 피처리물(P)을 꺼내어, 공랭, 유랭 또는 수랭 등에 의해 냉각시킬 수 있는 것이면, 상술한 냉각실 및 다른 반송부를 생략해도 된다.
1-1. 승온부(20)에 대해서
도 1에 나타낸 바와 같이, 승온부(20)는, 피처리물(P)을 배치하는 승온실(21)과, 승온실(21)의 실내(211)에 불활성 가스(G1)를 공급하는 불활성 가스 공급부(22)와, 실내(211)의 분위기를 가열함으로써, 피처리물(P)을 승온시키는 제1 가열부(23)를 구비하고 있다.
승온실(21)은, 그 실내(211)에 복수의 피처리물(P)을 배치하기 위한 공간을 갖고 있으며, 실내(211)를 형성하는 벽부(213)는, 예를 들어 통상의 전기식 가열로 등에서 사용되는 단열성 및 내화성을 갖는 재료를 포함한다. 또한, 도 1에서는, 지면에 대하여 전방측 및 안측의 벽부는, 설명을 위해 생략되어 있다. 또한, 실내(211)에는, 피처리물(P)을 설치하는 설치대(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
승온실(21)에는, 불활성 가스 공급부(22)로부터의 불활성 가스(G1)가 실내(211)로 공급되도록, 도입구(212)가 형성되어 있다. 도입구(212)는, 실내(211)에 불활성 가스(G1)가 공급 가능하도록, 불활성 가스 공급부(22)에 연통되어 있다.
불활성 가스 공급부(22)는, 불활성 가스(G1)가 충전된 불활성 가스 공급원(221)과, 불활성 가스 공급원(221)으로부터 실내(211)로 보내지는 불활성 가스(G1)의 유량을 조정하는 조정 밸브(222)를 구비하고 있다. 이 밖에도, 불활성 가스 공급부(22)는, 실내(211)로의 불활성 가스(G1)의 공급 및 공급 정지를 행하는 전자(電磁) 밸브(223)를 구비하고 있다. 불활성 가스(G1)는, 피처리물(P)의 재료에 대하여 활성을 갖지 않는 가스이며, 예를 들어 질소 가스, 헬륨 가스 또는 아르곤 가스 등을 들 수 있다.
승온실(21)에는, 실내(211)에 공급된 불활성 가스(G1)를 배출하는 배출구(214)가 형성되어 있고, 배출구(214)는, 흡인 펌프(24)에 접속되어 있다. 실내(211)의 불활성 가스(G1)를 배출구(214)를 통해 실내(211)로부터 배출할 수 있는 것이라면, 흡인 펌프(24)를 생략해도 된다. 또한, 피처리물(P)을 승온시킬 때에, 흡인 펌프(24)에 의해, 실내(211)를 감압 상태, 또는 진공에 가까운 감압 상태로 하고, 승온부(20)의 불활성 가스 공급부(22)를 생략해도 된다.
본 실시 형태에서는, 제1 가열부(23)는, 실내(211)의 분위기를 가열하는 전기식 히터이며, 히터의 가열에 의해, 피처리물(P)이 배치된 실내(211)의 분위기(구체적으로는, 불활성 가스(G1))를 가열하여, 피처리물(P)을 승온시킨다. 본 실시 형태에서는, 제1 가열부(23)는 히터였지만, 바로 그 자체가 발열함으로써, 실내(211)의 분위기를 가열할 수 있는 것이면, 예를 들어 버너 등 특별히 한정되는 것은 아니다.
1-2. 처리부(30)에 대해서
도 1에 나타낸 바와 같이, 처리부(30)는, 피처리물(P)을 배치하는 처리실(31)과, 처리실(31)의 실내(311)에 처리 가스(G2)를 공급하는 처리 가스 공급부(32)와, 처리실(31)의 실내(311)의 피처리물(P)을 직접 가열하는 제2 가열부(33)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 제2 가열부(33)는, 피처리물(P)에 광선을 조사함으로써, 피처리물(P)을 가열하는 장치이다.
처리실(31)은, 그 실내(311)에 복수의 피처리물(P)을 배치하기 위한 공간을 갖고 있다. 실내(311)에는, 복수의 피처리물(P)을 적재하는 적재망(36)이 배치되어 있다. 적재망(36)을 사용함으로써, 적재망(36)에 배치된 피처리물(P)의 하방으로부터, 후술하는 제2 가열부(33)의 광선을 조사할 수 있다.
실내(311)를 형성하는 벽부의 적어도 일부는, 광투과성을 갖는 광투과성 벽부(34)를 갖고 있다. 여기서, 광투과성 벽부(34)의 재료로서는, 예를 들어 광투과성을 갖는 세라믹스 또는 내열성을 갖는 수지 등을 들 수 있다. 세라믹스로서는, 예를 들어 석영(수정), 석영 유리, 또는 단결정 사파이어 등의 알루미나 등을 들 수 있고, 후술하는 제2 가열부(33)로부터의 광선을 투과할 수 있는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 본 실시 형태에서는, 저렴하면서 가공성이 높은 점에서, 광투과성 벽부(34)에 석영 유리를 사용하고 있다. 또한, 광투과성 벽부(34)는, 제2 가열부(33)의 광선이 실내(311)로 투과하는 부분에 형성되어 있으면 되고, 실내(311)를 형성하는 벽부 전체가, 광투과성 벽부(34)로 이루어져도 된다.
본 실시 형태에서는, 광투과성 벽부(34)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 실외에 면한 제1 벽부(341)와, 실내(311)에 면한 제2 벽부(342)를 구비하고 있다. 제1 벽부(341)와 제2 벽부(342)는, 모두 광투과성을 갖는 재료를 포함하고, 이들은 이격시켜 배치되어 있다. 이에 의해, 제1 벽부(341)와 제2 벽부(342)의 사이에는 공간(S)이 형성된다.
광투과성 벽부(34)에 공간(S)을 설치함으로써, 후술하는 제2 가열부(33) 자체가 발열하는 열을 공간(S)에서 단열시키고, 이 열에 의한 제1 벽부(341)로부터 제2 벽부(342)로의 가열을 억제할 수 있다. 이러한 결과, 실내(311)에 면한 제2 벽부(342)의 표면 및 그 근방에서, 처리 가스(G2)가 분해 또는 반응하는 것을 억제할 수 있다.
공간(S)에는, 공기(대기)가 존재하고 있어도 되지만, 공간(S)은, 예를 들어 처리실(31)의 실외보다도, 진공에 가까운 상태의 감압 상태여도 된다. 이에 의해, 후술하는 바와 같이, 제1 벽부(341)와 제2 벽부(342)의 단열성을 높일 수 있다. 이 밖에도, 공간(S)에 기체 또는 액체 등의 유체가 충전되어 있어도 되고, 유체를 공간(S) 내에 연속적으로 흐르게 하여도 된다. 제2 가열부(33) 자체가 발열하는 열을 공간(S)의 유체에서 흡열하여, 이 열에 의한 제1 벽부(341)로부터 제2 벽부(342)로의 가열을 억제할 수 있다.
처리실(31)에는, 처리 가스 공급부(32)로부터의 처리 가스(G2)가 실내(311)로 공급되도록, 도입구(312)가 형성되어 있다. 도입구(312)는, 실내(311)에 처리 가스(G2)가 공급 가능하도록, 처리 가스 공급부(32)에 연통되어 있다.
본 실시 형태에서는, 처리 가스 공급부(32)는, 처리 가스(G2)가 충전된 처리 가스 공급원(321)과, 처리 가스 공급원(321)으로부터 실내(311)에 보내지는 처리 가스(G2)의 유량을 조정하는 조정 밸브(322)를 구비하고 있다. 이 밖에도, 처리 가스 공급부(32)는, 실내(311)로의 처리 가스(G2)의 공급 및 공급 정지를 행하는 전자 밸브(323)를 구비하고 있다.
처리 가스(G2)는, 피처리물(P)의 표면 처리를 행하는 가스이다. 예를 들어, 표면 처리로서 침탄 처리를 행하는 경우에는, 침탄 처리 가스를 사용한다. 침탄 처리 가스로서는, 예를 들어 탄화수소계 가스를 들 수 있고, 탄화수소계 가스로서는, 예를 들어 아세틸렌 가스, 메탄가스 또는 프로판 가스 등을 들 수 있다. 또한, 표면 처리로서 침질 처리를 행하는 경우에는, 침질 처리 가스를 사용한다. 침질 처리 가스로서는, 암모니아 가스를 들 수 있다. 또한, 표면 처리로서, 침류 처리를 행하는 경우에는, 황화수소 가스를 포함하는 처리 가스를 들 수 있다. 이들 처리 가스에는, 예를 들어 질소 가스 등의 불활성 가스가 더 혼합되어 있어도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 표면 처리의 일례로서, 침탄 처리 후에 침질 처리를 행하므로, 처리 가스 공급원(321)은, 침탄 처리 가스를 공급하는 공급원(324)과, 침질 처리 가스를 공급하는 공급원(325)을 구비하고 있다. 공급원(324), (325)은, 전환 밸브(326)에 의해, 침탄 처리 가스 및 침질 처리 가스를 실내(311)에 선택적으로 공급 가능하도록 되어 있다.
처리실(31)에는, 실내(311)에 공급된 처리 가스(G2)를 배출하는 배출구(314)가 형성되어 있고, 배출구(314)는 흡인 펌프(35)에 접속되어 있다. 실내(311)의 처리 가스(G2) 등을 배출구(314)를 통해 실내(311)로부터 배출할 수 있는 것이면, 흡인 펌프(35)를 생략해도 된다.
제2 가열부(33)는, 처리실(31)의 실외에 배치되고, 광투과성 벽부(34)를 통해 실내(311)의 피처리물(P)에 광선을 조사함으로써, 피처리물(P)을 직접 가열하는 장치이다. 구체적으로는, 본 실시 형태에서는, 제2 가열부(33)는, 광선으로서 적외선을 피처리물(P)에 조사함으로써, 피처리물(P)을 직접 가열하는, 적외선 램프(할로겐 램프) 등의 가열 램프이다. 제2 가열부(33)는, 광선을 피처리물(P)에 조사함으로써, 피처리물(P)을 직접 가열할 수 있으므로, 광선이 조사되는 피처리물(P)의 표면 영역에 대하여 대략 균일한 가열을 행할 수 있다. 광선을 피처리물(P)에 조사함으로써, 피처리물(P)을 직접 가열할 수 있는 것이라면, 예를 들어 광선으로서 레이저를 피처리물(P)에 조사하는 레이저 조사 장치여도 된다. 또한, 제2 가열부(33)가, 적외선 램프일 경우에는, 제2 가열부(33)에 대하여 처리실(31)과 반대측 위치에, 적외선을 반사하는 반사 부재를 설치해도 된다. 이에 의해, 처리실(31)측에 적외선을 반사시킬 수 있다.
여기서, 제2 가열부(33)는, 처리실(31)의 실내의 피처리물(P)을 직접 가열하는 장치라면 특별히 한정되지 않는다. 본 명세서에서 말하는 「직접 가열」이란, 피처리물(P)이 배치된 분위기로부터의 열 전달이 아닌 가열, 즉, 피처리물(P)에 열 이외의 에너지를 부여함으로써, 피처리물을 가열하는 것을 말한다. 따라서, 광선을 조사함으로써 피처리물(P)을 가열하는 장치 이외에도, 제2 가열부(33)로서, 처리실(31)의 실외 또는 실내에 배치되어, 피처리물(P)을 고주파 유도 가열하는 유도 가열 장치여도 된다. 이 밖에도, 피처리물(P)에 전류를 통전시킴으로써, 피처리물(P)을 통전 가열시키는 통전 가열 장치여도 된다.
1-3. 반송부(40)에 대해서
반송부(40)는, 승온부(20)로부터 처리부(30)로 피처리물(P)을 반송하는 장치이다. 반송부(40)는, 승온실(21)로부터 처리실(31)까지, 피처리물(P)을 반송하는 통로(41)가 형성되어 있고, 그 통로(41)에는, 승온실(21)로부터 처리실(31)까지 피처리물(P)을 반송하는 컨베이어(도시하지 않음)가 배치되어 있다. 또한, 승온실(21)로부터 처리실(31)까지, 신속히 피처리물(P)을 반송할 수 있는 것이면, 반송부(40)를 생략해도 된다.
통로(41)는, 그 통로 내에 밀폐 공간을 형성하는 것이 가능하고, 통로(41) 내의 공기를 흡인하는 흡인 펌프(43)가 접속되어 있다. 이 흡인 펌프(43)를 구동시킴으로써, 통로(41) 내의 공기를 탈기시켜, 통로(41) 내를 감압 상태, 또는 진공에 가까운 감압 상태로 할 수 있다.
이에 의해, 승온부(20)로부터 꺼낸 피처리물(P)의 표면을 산화시키기 어렵게 할 수 있음과 동시에, 승온부(20)에서 가열된 피처리물(P)의 열을 단열시킨 상태에서, 피처리물(P)을 처리부(30)로 반송할 수 있다.
2. 피처리물(P)에 대해서
본 실시 형태에 따른 표면 처리를 실시하는 피처리물(P)은, 강제의 피처리물이며, 피처리물(P)은, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직을 포함하는 강이어도 된다. 이러한 강으로서는, 예를 들어 C: 0.1 내지 0.3질량％, Si: 0.15 내지 0.35질량％, Mn: 0.55 내지 0.95질량％, P: 0.03질량％ 이하, S: 0.03질량％ 이하, 잔부가 불가피 불순물 및 Fe를 포함하는 강 등을 들 수 있다.
여기서, C는, 피처리물(P)의 강도 및 경도를 확보하기 위한 원소이며, C가 0.1질량％ 미만인 경우에는, 피처리물(P)의 모재 그 자체의 경도가 부족되어 버리는 경우가 있다. 한편, C가 0.3질량％를 초과한 경우에는, 처리 전의 피처리물(P)의 피삭성 및 냉단성이 저하되어 버려, ??칭 후의 모재 전체가 마르텐사이트 변태되고, 모재 그 자체의 경도가 향상됨으로써, 기어 자체의 인성이 저하되어 버리는 경우가 있다.
Si는, ??칭성을 향상시키기 위한 원소이며, Si가 0.15질량％ 미만인 경우에는, 피처리물(P)의 ??칭성이 저하되어 버리는 경우가 있다. 한편, Si가 0.35질량％를 초과한 경우에는, 피처리물(P)의 피삭성 및 인성이 저하되어 버리는 경우가 있다.
Mn은, Si와 동일하게 ??칭성을 향상시키기 위한 원소이며, Mn이 0.55질량％ 미만인 경우에는, 피처리물(P)의 ??칭성이 저하되어 버릴 우려가 있다. 한편, Mn이 0.95질량％를 초과한 경우에는, 피처리물(P)의 피삭성이 저하되어 버리는 경우가 있다.
P 및 S의 첨가량은 보다 적은 것이 바람직하고, P가 0.03질량％를 초과한 경우에는, 편석을 일으키기 쉽고, 피처리물(P)의 내충격성이 저하되는 경우가 있다. S가 0.03질량％를 초과한 경우에는, 열간 가공성이 저하되는 경우가 있다.
또한, 필요에 따라서, 상술한 성분에, Ni: 0.25질량％ 이하, Cr: 0.8 내지 1.3질량％, Mo: 0.1 내지 0.4질량％의 범위에서, Ni, Cr, Mo 중 적어도 1종이 더 첨가되어 있어도 된다.
Ni가 0.25질량％를 초과한 경우에는, 피처리물(P)의 경도가 상승하고, 기어의 인성이 저하되는 경우가 있다. Cr은, ??칭성을 향상시킴과 동시에, 내마모성 및 내식성을 향상시키기 위한 원소이며, Cr이 0.8질량％ 미만인 경우에는, 피처리물(P)의 ??칭성이 저하되는 경우가 있다. 한편, Cr이 1.3질량％를 초과한 경우에는, 피처리물(P)의 경도가 상승하고, 피처리물(P)의 인성이 저하되는 경우가 있다.
Mo는, ??칭성을 향상시키기 위한 원소이며, Mo가 0.1질량％ 미만인 경우에는, ??칭성이 저하되는 경우가 있다. 한편, Mo가 0.4질량％를 초과한 경우에는, 피처리물(P)의 경도가 상승하고, 피처리물(P)의 인성이 저하되는 경우가 있다.
또한, 피처리물(P)은, 블록상, 원기둥상 등 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상의 적외선 등의 광 가열에 의해 표면이 균일하게 가열되기 어려운, 표면에 요철의 형상을 갖는 피처리물이어도 된다. 본 실시 형태에서는, 그 일례로서, 피처리물(P)은 기어이며, 외치 또는 내치의 평 기어, 헬리컬 기어, 이중 헬리컬 기어, 베벨 기어 또는 웜 기어 등의 기어를 들 수 있다. 치선과 치저를 갖는 기어라면, 특히 그 기어의 형상은 한정되는 것은 아니다.
3. 표면 처리 방법에 대해서
이하에, 도 1 및 도 2의 표면 처리 장치(1)와 함께, 도 3을 참조하면서, 본 실시 형태에 따른 표면 처리 방법을 설명한다. 도 3은, 본 발명의 실시 형태에 따른 표면 처리 방법을 설명하기 위한 피처리물(P)의 표면의 온도 프로필을 도시한 도면이다.
3-1. 승온 공정에 대해서
먼저, 본 실시 형태에서는, 먼저, 승온실(21)의 실내(211)에, 복수의 피처리물(P)을 배치한다. 이 상태에서, 불활성 가스 공급원(221)으로부터 승온실(21)의 실내(211)로, 조정 밸브(222)로 유량을 조정한 불활성 가스(G1)를 공급한다. 이에 의해, 실내(211)를 불활성 가스(G1)의 분위기로 한다.
이어서, 실내(211)의 불활성 가스(G1)의 분위기 하에서, 제1 가열부(23)로, 이 분위기를 가열함으로써, 표면 처리를 행하는 처리 온도 T3 근방의 승온 온도 T1까지, 피처리물(P)을 승온시킨다. 이에 의해, 후술하는 처리부(30)에 있어서, 광선을 조사함으로써 피처리물(P)을 가열해도, 피처리물(P)은 미리 처리 온도 T3의 근방까지 가열되어 있으므로, 피처리물(P)의 표면의 온도에 변동이 발생하기 어렵고, 피처리물(P)에 균일한 표면 처리를 행할 수 있다.
여기서, 승온 온도 T1은, 처리 온도 T3보다도 100℃ 낮은 온도로부터 처리 온도 T3보다도 120℃ 높은 온도까지의 범위, 즉, (처리 온도 T3-100℃) 내지 (처리 온도 T3+120℃)까지의 범위에 있어도 된다. 특히, 이 온도 범위 중에서도, 승온 온도 T1을 처리 온도 T3보다도 높은 온도로 해도 된다. 이에 의해, 승온부(20)로부터 처리부(30)까지 피처리물(P)을 반송시킬 때에, 피처리물(P)의 표면의 온도가 저하되어도, 처리부(30)에 있어서, 피처리물(P)의 표면의 온도를 처리 온도 T3까지 빨리 가열할 수 있다.
승온 온도 T1의 구체적인 온도로서, 승온 온도 T1은, 피처리물(P)의 융점 미만의 온도인 것을 전제로 하여, 850℃ 이상이어도 된다. 이에 의해, 강제의 피처리물(P)의 표면에 대하여 상술한, 침탄 처리, 침질 처리 또는 침류 처리 등의 표면 처리를 행할 때에, 처리부(30)의 실내(311)에 있어서 피처리물(P)의 표면을 보다 균일하게 가열할 수 있다. 피처리물(P)의 승온 온도 T1은, 피처리물(P)의 강의 A3 변태점 이상이어도 된다. 이에 의해, 피처리물(P)의 조직을 오스테나이트 조직으로 변태시켜, 후술하는 표면 처리를 보다 신속하게 행할 수 있다. 또한 피처리물(P)을 승온시키는 온도는, 1120℃ 이상이고, 1200℃ 이하여도 된다.
3-2. 반송 공정에 대해서
이어서, 승온부(20)로부터 처리부(30)까지, 피처리물(P)을 반송한다. 본 실시 형태에서는, 승온실(21)의 실내(211)의 불활성 가스(G1)를 흡인 펌프(24)로 탈기시켜, 실내(211)를 감압 상태, 또는 진공에 가까운 감압 상태로 함과 동시에, 반송부(40)의 통로(41) 내의 공기도, 흡인 펌프(43)로 탈기시켜, 통로(41) 내를 감압 상태, 또는 진공에 가까운 감압 상태로 한다. 동일하게, 처리실(31)의 실내(311)의 공기를 흡인 펌프(35)로 탈기시켜, 실내(311)를 감압 상태, 또는 진공에 가까운 감압 상태로 한다. 이 상태에서, 반송부(40)를 통해, 승온부(20)로부터 처리부(30)까지, 피처리물(P)을 반송시킨다. 피처리물(P)은, 감압 상태, 또는 진공 상태에서 반송되므로, 피처리물(P)의 표면의 산화를 억제하고, 승온부(20)로 승온된 피처리물(P)의 온도 저하를 저감하며, 피처리물(P)을 처리부(30)로 반송시킬 수 있다. 또한, 승온 공정과 후술하는 표면 처리 공정을 1개의 실내에서 행할 수 있는 것이라면, 피처리물(P)을 반송하는 공정을 생략해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 반송부(40)에 의해, 단시간에, 승온부(20)로부터 처리부(30)까지, 피처리물(P)을 반송하고, 반송 중에, 피처리물(P)의 표면의 온도 T2의 저하를 억제할 수 있는 것이면, 감압 상태로 하지 않고 반송해도 된다. 반송 시에 있어서의, 피처리물(P)의 표면의 온도 T2는, 850℃ 이상, 1200℃ 이하여도 된다.
3-3. 표면 처리 공정에 대해서
처리부(30) 내에서, 피처리물(P)을 적재망(36)에 적재한다. 이어서, 제2 가열부(33)를 사용하여, 승온된 상태의 피처리물(P)에 광선(적외선)을 조사함으로써, 피처리물(P)의 표면을 처리 온도 T3으로 가열한다. 이와 함께, 공급원(324)으로부터, 조정 밸브(322)로 유량이 조정된 침탄 처리 가스를 공급한다. 이에 의해, 피처리물(P)의 표면에 처리 가스인 침탄 처리 가스를 접촉시킴으로써, 피처리물(P)의 침탄 처리를 행한다.
구체적으로는, 처리 온도 T3은, 피처리물(P)의 침탄 처리를 행하는 것이 가능한 온도이며, 피처리물(P)의 융점 미만의 온도인 것을 전제로 하여, 850℃ 이상이어도 되고, A3 변태점 이상이어도 된다. 또한, 처리 온도 T3은, 1080℃ 이상, 1120℃ 이하여도 된다. 이에 의해, 피처리물(P)의 표면 처리로서, 침탄 처리를 행할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 승온된 상태의 피처리물(P)에 적외선을 조사함으로써, 피처리물(P)의 표면을 직접 가열하고 있으므로, 피처리물(P)의 분위기를 가열하는 경우에 비해, 실내(311)를 형성하는 벽면의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이 결과, 침탄 처리 가스인 탄화수소계 가스가 탄화되고, 실내(311)를 형성하는 벽면 등에 그을음 등의 탄화물이 부착되는 것을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 승온부(20)에서 피처리물(P)의 표면을 처리 온도 T3의 근방까지 균일하게 승온시키고 있으므로, 제2 가열부(33)에서 피처리물(P)의 표면을 처리 온도 T3까지 직접 가열해도, 적외선이 조사되는 피처리물(P)의 영역에 대해서는, 대략 균일한 가열이 가능해진다. 이 결과, 피처리물(P)의 표면의 온도를 대략 균일하게 보온할 수 있다.
이러한 결과, 설령 피처리물(P)이 기어와 같이 복잡한 형상이어도, 표면 온도가 대략 균일한 상태에서, 표면에 침탄 처리 가스를 접촉시킬 수 있으므로, 표면에 균일한 침탄 처리를 행할 수 있다.
이어서, 전환 밸브(326)에 의해, 실내(311)에 공급하는 처리 가스(G2)를 침탄 처리 가스로부터 침질 처리 가스로 전환하여, 피처리물(P)의 표면에 침질 처리를 행한다. 구체적으로는, 침탄 처리와 동일하게, 제2 가열부(33)를 사용하여, 승온된 상태의 피처리물(P)에 광선(적외선)을 조사함으로써, 피처리물(P)의 표면을 처리 온도 T3로 가열하여, 처리 온도 T3의 온도를 유지한다.
이와 함께, 공급원(325)으로부터, 조정 밸브(322)로 유량이 조정된 침질 처리 가스를 공급한다. 이에 의해, 피처리물(P)의 표면에 처리 가스인 침질 처리 가스를 접촉시켜, 피처리물(P)의 침질 처리를 행할 수 있다.
구체적으로는, 처리 온도 T3은, 침탄 처리와 동일하게, 피처리물(P)의 침질 처리를 행하는 것이 가능한 온도이며, 피처리물(P)의 융점 미만의 온도인 것을 전제로 하여, 850℃ 이상이어도 되고, A3 변태점 이상이어도 된다. 처리 온도 T3은, 1080℃ 이상, 1120℃ 이하여도 된다.
본 실시 형태에서는, 침탄 처리와 동일하게, 피처리물(P)에 적외선을 조사함으로써, 피처리물(P)의 표면을 직접 가열하고 있으므로, 피처리물(P)의 분위기를 가열하는 경우에 비해, 실내(311)를 형성하는 벽면의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이 결과, 실내(311)에 있어서, 피처리물(P)의 표면 이외에서, 암모니아 가스가 실내(311)에서 분해되는 것을 억제하여, 피처리물(P)의 표면에, 암모니아 가스의 질소를 효율적으로 고용시킬 수 있다. 따라서, 분위기를 가열하여 침질 처리를 행하는 경우에 비해, 피처리물(P)의 표면의 온도를 보다 고온이 되도록 할 수 있기 때문에, 질소의 고용을 촉진시켜, 보다 단시간에 침질 처리를 행할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 침탄 처리와 동일하게, 미리 승온부(20)에서 피처리물(P)의 표면이 처리 온도 T3의 근방까지 균일하게 승온되고 있으므로, 침질 처리에 있어서도, 피처리물(P)의 표면의 온도를 대략 균일하게 보온할 수 있다. 이 결과, 기어와 같은 형상의 피처리물(P)이어도, 표면의 온도가 대략 균일한 상태에서, 표면에 침질 처리 가스를 접촉시킬 수 있으므로, 표면에 균일한 침질 처리를 행할 수 있다. 이에 의해, 표면 처리 후의 기어의 치선과 치원의 품질차를 억제하고, 기어에 대한 변형 발생도 억제할 수 있다.
이어서, 처리 온도 T3을 유지하면서, 실내(311)의 침질 처리 가스를 흡인 펌프(35)로 탈기시켜, 실내(311)를 감압 상태, 또는 진공에 가까운 감압 상태로 하고, 침탄 처리 및 침질 처리에서 고용된 탄소 및 질소를 피처리물(P)의 내부로 확산시킨다.
또한, 본 실시 형태에서는, 후술하는 침질 처리 후에 확산 처리를 행하는 점에서, 실내(311)로의 침탄 처리 가스의 공급 및 침질 가스의 공급을, 전자 밸브(323)에 의해 연속적으로 행하고 있다. 그러나, 예를 들어 실내(311)로의 침탄 처리 가스 또는 침질 처리 가스의 공급을, 전자 밸브(323)에 의해 단속적으로 행해도 된다. 이에 의해, 침탄 처리 가스 또는 침질 처리 가스의 공급 정지의 사이에, 피처리물(P)의 표면에 고용된 탄소 또는 질소를, 피처리물(P)의 내부로 확산시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 처리실(31)의 실내 피처리물(P)을 직접 가열하는 방법으로서, 피처리물(P)에 광선을 조사함으로써 가열하였다. 그러나, 예를 들어 「직접 가열」은, 피처리물(P)이 배치된 분위기로부터의 열 전달이 아닌 가열, 즉, 피처리물(P)에 열 이외의 에너지를 부여함으로써, 피처리물을 가열하는 것이므로, 피처리물(P)을 고주파 유도 가열 또는 통전 가열에 의해 직접적으로 가열해도 된다.
3-4. 반송 공정 및 냉각 공정에 대해서
표면 처리를 행한 피처리물을, 처리부(30)의 실내(311)로부터 꺼내어, 반송부(도시하지 않음)에 의해, 냉각실(도시하지 않음)로 반송한다. 냉각실에서는 가열된 상태의 피처리물(P)을 냉각시킨다. 피처리물(P)의 냉각은, 공랭, 수랭, 유랭 또는 방랭 중 어느 냉각에 의해 행한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 피처리물(P)을 처리부(30)의 실내(311)로부터 냉각실로 반송한 후, 냉각시켰지만, 피처리물(P)을 처리부(30)의 실내(311)로부터 꺼내어, 이것을 냉각시킬 수 있는 것이면, 상술하는 것과 같이, 반송부 및 냉각실을 생략해도 된다.
본 실시 형태에서는, 표면 처리로서, 침탄 처리와 침질 처리를 행하였지만, 침탄 처리 또는 침질 처리 중 어느 한쪽의 표면 처리만을 행해도 되고, 이들 표면 처리 대신에 침류 처리를 행해도 된다.
이하의 본 발명을 실시예에 의해 설명한다.
<실시예 1>
피처리물로서, 직경 20mm, 길이 50mm의 원주상 강재(JIS 규격: SCr20)의 시험편을 준비하였다. 이어서, 이것을 승온실 내에 배치하여, 승온실 내의 압력을 감압시키고, 1000L/h의 유량으로 질소 가스를 흘리면서, 시험편의 분위기를 제1 가열부인 히터로써 승온 온도 1120℃로 승온시키고, 이 승온 온도에서 가열 시간을 50분간으로 하여, 피처리물을 가열하였다.
이어서, 승온된 시험편을 진공에 가까운 감압 분위기 하로 하여, 반송부에서 승온부로부터 처리부까지 반송하고, 처리실 내의 압력을 500Pa로 하며, 500L/h의 유량으로 암모니아 가스를 흐르게 하면서, 시험편을 제2 가열부로 적외선에 의해 처리 온도 1100℃를 유지하고, 이 처리 온도에서 10분간 가열하였다.
그 후, 처리실로부터 시험편을 꺼내어, 압력 10bar에서 질소 가스를 10분간, 시험편에 분사함으로써, 시험편을 가스 냉각시켰다. 얻어진 시험편의 표면에 침질층이 형성되어 있는 지를 확인하였다.
Figure pat00001
<비교예 1>
실시예 1과 동일하게 하여, 시험편에 침질 처리를 행하였다. 실시예 1과 서로 다른 점은, 표 1에 나타낸 바와 같이, 승온 공정에서, 승온 온도를 1050℃로 한 점이다. 추가로 서로 다른 점은, 표면 처리 공정에서, 시험편을 가열하지 않고, 승온시의 여열을 이용한 점이다. 얻어진 시험편의 표면에 침질층이 형성되어 있는 지를 확인하였다.
<비교예 2>
실시예 1과 동일하게 하여, 시험편에 침질 처리를 행하였다. 실시예 1과 서로 다른 점은, 표 1에 나타낸 바와 같이, 승온 공정에서, 승온 온도를 1050℃로 한 점이다. 추가로 서로 다른 점은, 표면 처리 공정에서, 시험편을 가열하지 않고, 승온시의 여열을 이용하고, 처리실 내의 압력을 1400Pa로 하여 암모니아 가스를 10분간 흐르게 한 점이다. 얻어진 시험편의 표면에 침질층이 형성되어 있는 지를 확인하였다.
<비교예 3>
실시예 1과 동일하게 하여, 시험편에 침질 처리를 행하였다. 실시예 1과 서로 다른 점은, 표 1에 나타낸 바와 같이, 승온 공정에서, 진공에 가까운 감압 분위기 하에 있어서 승온 온도를 1050℃로 한 점이다. 추가로 서로 다른 점은, 표면 처리 공정에서, 시험편을 가열하지 않고, 승온시의 여열을 이용하여, 처리실 내의 압력을 700Pa로 하며, 600L/h의 유량으로 암모니아 가스를 30분간 흐르게 한 점이다. 얻어진 시험편의 표면에 침질층이 형성되어 있는 지를 확인하였다.
<비교예 4>
실시예 1과 동일하게 하여, 시험편에 침질 처리를 행하였다. 실시예 1과 서로 다른 점은, 표 1에 나타낸 바와 같이, 승온 공정에서, 진공에 가까운 감압 분위기 하에 있어서 승온 온도를 1050℃로 한 점이다. 추가로 서로 다른 점은, 표면 처리 공정에서, 처리실 내의 분위기를 히터로 700℃로 가열한 상태에서, 처리실 내의 압력을 700Pa로 하여 암모니아 가스를 흐르게 한 점이다. 얻어진 시험편의 표면에 침질층이 형성되어 있는 지를 확인하였다.
[현미 관찰]
실시예 1 및 비교예 3의 시험편을 절단하고, 그 단면에 있어서의 시험편의 표층을 관찰하였다. 도 4a는, 실시예 1에 관한 시험편의 단면에 있어서의 표층의 사진이며, 도 4b는, 비교예 3에 관한 시험편의 단면에 있어서의 표층의 사진이다.
[결과 1]
실시예 1의 시험편 표면에는, 도 4a에 나타낸 바와 같이 침질층이 형성되어 있었지만, 비교예 3의 시험편 표면에는, 도 4b에 나타낸 바와 같이 침질층이 형성되어 있지 않으며, 비교예 1, 2 및 4의 시험편 표면도, 비교예 3과 동일하게, 침질층이 형성되어 있지 않았다.
[고찰 1]
비교예 1에서는, 표면 처리 공정에 있어서, 시험편의 온도는 강하되기 때문에, 암모니아 가스의 질소가, 시험편에 거의 고용되지 않았다고 생각된다. 또한, 비교예 1에 대하여, 비교예 2와 같이 암모니아 가스의 압력을 증가시켜도, 비교예 3과 같이, 암모니아 가스의 압력 및 유량을 증가시켜도, 시험편의 온도는 강하되기 때문에, 암모니아 가스의 질소가, 시험편에 거의 고용되지 않았다고 생각된다. 한편, 비교예 4에서는, 표면 처리 공정에 있어서, 히터로 실내의 분위기를 가열하였지만, 암모니아 가스가, 시험편의 표면에 접촉되기 전에 실내에서 분해되어 버렸다고 생각되어, 암모니아 가스의 질소가, 시험편에 거의 고용되지 않았다고 생각된다.
그러나, 실시예 1의 경우에는, 표면 처리 공정에 있어서, 시험편의 표면을 적외선으로 직접 가열하고 있으므로, 암모니아 가스의 질소를, 가열된 상태의 시험편 표면에 고용시킬 수 있었다고 생각된다.
<실시예 2>
열 해석 소프트웨어(SFTC사 DEFORMHT)를 사용하여, 모듈 2.55mm, 치수 31개, 치폭 15mm의 평 기어를 포함하는 강재제 피처리물의 모델을 제작하고, 이에 대하여 열 해석을 행하였다. 구체적으로는, 표 2에 나타낸 바와 같이, 승온 공정의 조건으로서, 승온실 내의 압력을 감압 상태로 하고, 피처리물의 가열 방식을 그 분위기를 가열하는 히터 가열로 하며, 승온 온도 1100℃로 하고, 가열 시간을 20분간으로 하였다.
이어서, 표면 처리 공정의 조건으로서, 처리실 내의 압력을 500Pa로 하고, 암모니아 가스의 유량을 120L/h로 하며, 피처리물의 가열을, 적외선에 의한 램프 가열로 하고, 처리 온도 1100℃로 하며, 처리 시간을 10분간으로 하였다. 냉각 공정의 조건으로서, 냉각 방식을 수랭으로 하고, 냉각 시간을 10초로 하였다.
<비교예 5>
실시예 2와 동일한 모델을 제작하고, 이에 대하여 열 해석을 행하였다. 실시예 2와 서로 다른 점은, 승온 공정의 조건으로서, 피처리물의 가열 방식을, 적외선에 의한 램프 가열로 한 점이다.
도 5a는, 실시예 2에 관한 피처리물의 온도 프로필의 해석 결과이며, 도 5b는, 비교예 5에 관한 피처리물의 온도 프로필의 해석 결과이다. 도 5a 및 도 5b에서는, 각 도면에 나타내는 치선 및 치저에 있어서의 온도 프로필을 나타내고 있다.
Figure pat00002
[결과 2]
도 5a에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서는, 승온 공정 및 침질 공정에서의 치선 A 및 치저 B의 온도는, 대략 동일하였다. 한편, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 비교예 5에서는, 승온 공정 및 침질 공정에 있어서의 치선 A의 온도는, 치저 B의 온도보다도 높게 되어 있고, 실시예 2에 비해, 치선 A와 치저 B의 온도차는 컸다.
[고찰 2]
실시예 2의 피처리물의 치선 A 및 치저 B의 온도가, 대략 동일한 것은, 승온 공정에 있어서, 히터에 의해 피처리물을 미리 균일하게 가열하였으므로, 표면 처리 공정에서, 적외선에 의한 램프의 가열로 피처리물의 온도차가 발생하기 어려워졌기 때문이라고 생각된다.
한편, 비교예 5의 피처리물에서는, 승온 공정 및 표면 처리 공정에 있어서, 피처리물을, 적외선에 의한 램프 가열을 행하고 있으므로, 치선 A보다도 적외선이 조사되기 어려운 치저 B의 경우가, 온도가 낮아졌다고 생각된다. 이상으로부터, 실시예 2의 경우에는, 비교예 5에 비해, 피처리물의 표면에 균일하게 침질 처리를 행할 수 있다고 생각된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 설계 변경을 행할 수 있는 것이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 승온 공정을 불활성 가스의 분위기를 가열함으로써 행하였지만, 예를 들어 승온실의 실내를 감압 상태 또는 진공에 가까운 감압 상태로 하여, 그 분위기를 가열함으로써, 피처리물의 표면을 승온해도 된다.

Claims (15)

  1. 가열된 강제의 피처리물(P)에 처리 가스(G2)를 접촉시켜, 상기 처리 가스(G2)에 포함되는 원소를 고용시킴으로써 상기 피처리물(P)의 표면 처리를 행하는 표면 처리 방법이며,
    상기 피처리물(P)이 배치된 분위기를 가열함으로써, 상기 표면 처리를 행하는 처리 온도(T3) 근방의 승온 온도(T1)까지, 상기 피처리물(P)을 승온시키는 것과,
    승온된 상기 피처리물(P)을 상기 처리 온도(T3)로 직접 가열하면서, 상기 피처리물(P)의 표면에 상기 처리 가스(G2)를 접촉시킴으로써, 상기 표면 처리를 행하는 것을
    포함하는, 표면 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리 가스(G2)에, 암모니아 가스를 사용하고, 상기 표면 처리로서 침질 처리를 행하는, 표면 처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 표면 처리를 행할 때에, 상기 피처리물(P)은, 상기 피처리물(P)에 광선을 조사함으로써 직접 가열되는 표면 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피처리물(P)로의 상기 광선의 조사는, 적외선 램프를 사용하여 행해지는, 표면 처리 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피처리물(P)은 기어인, 표면 처리 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승온 온도(T1)는, 상기 처리 온도(T3)보다도 100℃ 낮은 온도로부터 상기 처리 온도(T3)보다도 120℃ 높은 온도인, 표면 처리 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승온 온도(T1)는 850℃ 이상 1200℃ 이하인, 표면 처리 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    승온실(21)에 있어서 상기 피처리물(P)이 상기 승온 온도(T1)까지 승온되고,
    처리실(31)에 있어서 상기 피처리물(P)의 표면 처리가 행해지고,
    상기 표면 처리 방법은,
    상기 피처리물(P)을 상기 승온 온도(T1)까지 승온시킨 후, 상기 승온실(21)로부터 상기 처리실(31)로 상기 피처리물(P)을 반송하는 것을 더 포함하는, 표면 처리 방법.
  9. 피처리물(P)을 승온시키는 승온부(20)와,
    상기 승온부(20)로 승온된 상기 피처리물(P)에 처리 가스(G2)를 접촉시켜, 상기 처리 가스(G2)에 포함되는 원소를 고용시킴으로써 표면 처리하는 처리부(30)를 포함하고,
    상기 승온부(20)는, 상기 피처리물(P)을 배치하는 승온실(21)과, 상기 승온실(21) 내의 상기 피처리물(P)이 배치된 분위기를 가열함으로써, 상기 피처리물(P)을 승온시키는 제1 가열부(23)를 구비하고 있고,
    상기 처리부(30)는, 상기 피처리물(P)을 배치하는 처리실(31)과, 상기 처리실(31) 내에 처리 가스(G2)를 공급하는 가스 공급부(32)와, 상기 처리실(31) 내의 상기 피처리물(P)을 직접 가열하는 제2 가열부(33)를 구비하는,
    표면 처리 장치,
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가스 공급부(32)는, 상기 처리 가스(G2)로서 암모니아 가스를 공급하는, 표면 처리 장치,
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 처리실(31)은, 상기 처리실(31)을 구성하는 벽부의 적어도 일부에, 광투과성을 갖는 광투과성 벽부(34)를 갖고 있으며,
    상기 제2 가열부(33)는 상기 처리실(31)의 실외에 배치되고, 상기 광투과성 벽부(34)를 통해, 상기 처리실(31) 내의 상기 피처리물(P)에 광선을 조사함으로써, 상기 피처리물(P)을 가열하는, 표면 처리 장치,
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광투과성 벽부(34)는, 상기 처리실(31)의 실외에 면한 제1 벽부(341)와, 상기 처리실의 실내에 면한 제2 벽부(342)를 구비하고 있고, 상기 제1 벽부(341)와 상기 제2 벽부(342)의 사이에는 공간(S)이 있는, 표면 처리 장치,
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 처리실(31)에는 상기 피처리물(P)을 적재하는 적재망(36)이 배치되어 있는, 표면 처리 장치,
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승온실(21)로부터 상기 처리실(31)로 상기 피처리물(P)을 반송하는 반송부(40)를 더 포함하는, 표면 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 반송부(40)는,
    밀폐 가능하게 구성되는 통로(41)와,
    상기 통로 내의 공기를 탈기하는 흡인 펌프(43)를 구비하는, 표면 처리 장치.
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