WO2004111293A1 - 窒化処理方法及び装置 - Google Patents

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WO2004111293A1
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temperature
nitriding
heat treatment
glow discharge
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Yutaka Takeuchi
Hitoshi Karasawa
Hideo Kojima
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Honda Motor Co., Ltd.
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    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for nitriding a workpiece in a heat treatment furnace.
  • the nitriding treatment is a treatment for nitrifying a surface of a work made of a steel material to form an iron nitride layer, thereby hardening the work surface, and is widely performed.
  • a plasma nitriding treatment in which plasma heating is performed by glow discharge.
  • a heating means such as an infrared heater or a graphite cloth heating element is arranged around the work, 2.
  • a prior art in which a workpiece is heated in combination with glow discharge (see, for example, JP-A-52-82641 and JP-A-53-23836).
  • the heat generated by the glow discharge is basically generated by the collision of nitrogen ions generated by the glow discharge with the surface of the work. If heated excessively, the surrounding work is heated by the radiant heat of the work itself, so that a temperature difference occurs between a part close to the heating means and a part separated from the heating means.
  • This problem can be solved by arranging a large number of heating means between the workpieces. However, for example, such as in the case of multi-product small-quantity production in which it is required to perform nitriding on workpieces having different shapes. In a production line, it is practically impossible to arrange a heating means at an appropriate position between works.
  • a general object of the present invention is to provide a nitriding method capable of quickly and uniformly heating a work to a temperature at which stable nitriding can be performed, and performing a good nitriding treatment in a state where there is little temperature variation of the work. And a device.
  • a main object of the present invention is to provide a nitriding method and an apparatus capable of performing extremely good nitriding on a large number of works having complicated shapes.
  • Another object of the present invention is to provide a nitriding method and apparatus which can be easily applied to various kinds of works.
  • Another object of the present invention is to provide a nitriding method and apparatus which can be applied to a horizontal heat treatment furnace to perform good nitriding.
  • the frequency of the noise voltage for generating the glow discharge is set to 1 kHz or more, the time during which the current is continuously supplied is set to lms or less, and the error can be detected with a short detection time.
  • the current is interrupted before the voltage at which the arc mark is generated is reached, preventing the arc mark from being generated, maintaining a stable glow discharge state, and damaging the work surface. It can be heated without. The shorter the detection time, the better. Therefore, for example, it is preferable to use a power supply for generating a pulse voltage of about 15 kHz.
  • the horizontal heat treatment furnace which tends to vary depending on the convection, the distance from the heating element, the number of workpieces, etc. Even with such a structure, the peak temperature in the heat treatment furnace can be uniformly increased.
  • the glow discharge and the heating by the heating element By using them together, the workpiece can be quickly heated while maintaining a uniform temperature distribution. As a result, the time required for all the workpieces to reach a certain temperature can be shortened, and the time required to maintain the workpieces at a certain temperature can be shortened.
  • the current density of the green discharge is reduced, so that excessive heat from the workpiece itself heated by the green discharge is obtained.
  • the generation of radiant heat can be avoided, the temperature distribution in the heat treatment furnace can be kept uniform, and a rapid rise in temperature can be avoided.
  • the workpiece can be heated to a desired nitriding temperature with high accuracy by further heating the workpiece from this temperature using a heating element disposed around the workpiece.
  • the temperature of the workpiece exceeds the desired nitriding temperature, an abnormal structure may be generated in the workpiece, but in the present invention, the heat generated by glow discharge is adjusted with high precision. Therefore, the temperature required for the nitriding treatment can be reduced by setting the temperature to a high temperature without overshooting the work.
  • the current density of the glow discharge is preferably set to 0.05 to 7 mA / cm 2 . If it is less than 0.05 mA / cm 2 , especially at low temperatures, the glow discharge is not stable and uniform heating cannot be performed. If the current density is set to a value higher than 7 mA / cm 2 , the operation shifts to arc discharge, which causes damage to the workpiece. If the current density is less than 0. ImA / cm 2 , it takes time to raise the temperature. If the current density is more than 4 mA / cm 2 , in the case of a work having a projection or the like, ion collision easily occurs on the projection or the like. Abnormal heating may occur. Therefore, the current density is preferably set in the range of 0.1 to 4 mA / cm 2 .
  • a dummy work is provided in the heat treatment furnace, and the contact temperature of the dummy work and the radiation temperature are measured. And the radiation temperature of the work is detected, and the temperature of the work itself is estimated by correcting the radiation temperature of the work from the temperature difference between the contact temperature and the radiation temperature of the dummy work.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a nitriding system including a nitriding apparatus of the present embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory view of a work to be subjected to a nitriding treatment and a magazine storing the work.
  • FIG. 3 is a configuration explanatory view of a horizontal heat treatment furnace and a control circuit thereof according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart of a nitriding treatment method of the present embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship among a work temperature, a current density, and a heater output in the nitriding treatment method of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a nitriding system 10 including the nitriding apparatus of the present embodiment. As shown in FIG. 2, a plurality of crankshafts 12 as workpieces are supplied to the nitriding system 10 as a magazine 16 positioned on a jig 14.
  • the nitriding system 10 is provided with a washing machine 20 for removing dust, oil, and the like attached to the crankshaft 12 conveyed by the conveyor 18, and receives the washed crankshaft 12 from the conveyor 18 and sends it to each work station.
  • FIG. 3 is an explanatory view of the configuration of the horizontal heat treatment furnace 24 arranged in each work station and the control circuit thereof.
  • the horizontal heat treatment furnace 24 is a heat treatment furnace for performing a plasma nitriding treatment on the crankshaft 12, and is configured as a horizontal type in which the magazine 16 in which the crankshaft 12 is positioned moves in and out in the horizontal direction.
  • an inner partition wall 28 and an outer partition wall 30 are provided on a base 26.
  • the inner partition wall 28 forms a nitriding chamber 32 made of a nitriding atmosphere for accommodating the crankshaft 12 together with the jig 14.
  • the space between the inner partition wall 28 and the outer partition wall 30 is provided with a coolant passage 33 for cooling the inner partition wall 28 to eliminate the influence of heat radiation and to facilitate control when the temperature of the nitriding chamber 32 rises.
  • a plurality of electric heaters 34 are arranged along the inner partition wall 28 and the base 26.
  • the nitriding chamber 32 has a physical property equivalent to that of the crankshaft 12.
  • One work 36 is provided. Note that the dummy work 36 may be the crankshaft 12 itself.
  • a negative electrode 38 electrically connected to the magazine 16 is disposed via an insulator 40, and a negative electrode 42 electrically connected to the dummy work 36 is provided on the base 26. It is arranged via 44. Further, an electrode plate 45 is provided inside the electric heater 34 in the nitriding chamber 32. The positive electrode 46 is connected to the electrode plate 45. Between these negative electrodes 38 and 42 and the positive electrode 46, a discharge power supply unit 48 (glow discharge generating means) for applying a pulse voltage having a frequency of 1 kHz or more is connected. A heater power supply unit 50 (heating means) is connected to the electric heater 34.
  • a radiation thermometer for work 52 for detecting the radiation temperature of the crankshaft 12
  • a radiation thermometer for dummy work 54 for detecting the radiation temperature of the dummy work 36
  • a dummy work contact thermometer 56 composed of a thermocouple for detecting the contact temperature of the dummy work 36.
  • the radiation thermometer for work 52, the radiation thermometer for dummy work 54, and the contact thermometer for dummy work 56 are connected to a temperature detection unit 58 (temperature detection means, temperature calculation means).
  • the temperature detection unit 58 estimates the temperature of the crankshaft 12 from each detected temperature data.
  • a vacuum suction pump 60 is connected to the nitridation chamber 32 via a valve 62 for sucking gas inside the nitridation chamber 32 to obtain a desired degree of vacuum.
  • a gas for performing a plasma nitriding process for example, a nitriding gas which is a mixed gas of a nitrogen gas, a hydrogen gas, an ammonia gas, an argon gas, etc., is supplied to the inside of the nitriding process chamber 32.
  • the nitriding gas supply unit 64 is connected via a valve 66.
  • a coolant supply unit 68 for supplying coolant is connected to the coolant passage 33 via a valve 70.
  • the coolant supplied to the coolant passage 33 is configured to be able to be discharged to the outside via the valve 72.
  • the discharge power supply unit 48, the heater power supply unit 50, the temperature detection unit 58, the vacuum suction pump 60, the nitriding gas supply unit 64, and the coolant supply unit 68 are controlled by a control unit 74 (control means). You.
  • the nitriding system 10 of the present embodiment is basically configured as described above. Yes, and its operation and effect will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • a magazine 16 in which a plurality of crankshafts 12 are positioned on a jig 14 is prepared, and the magazine 16 is carried into a washing machine 20 by a conveyor 18, and Remove adhering dust and oil (Step Sl).
  • Step S2 the magazine 16 whose crankshaft 12 has been cleaned is transported by the conveyor 22 and is loaded into the nitriding chamber 32 of each horizontal heat treatment furnace 24 (Step S2).
  • the horizontal heat treatment furnace 24 is a horizontal type
  • a plurality of magazines 16 holding the crankshaft 12 can be easily moved in and out of the nitriding chamber 32 as compared with a vertical type.
  • the layout of the processing system 10 can be simplified.
  • the number of processes of the crankshaft 12 that can be processed at one time can be easily increased.
  • the heat treatment chamber must be configured to be large at the top.
  • the bottom of the jig 14 is connected to the negative electrode 38 provided on the base 26.
  • a dummy work 36 having the same physical properties as the crankshaft 12 is provided in the nitriding chamber 32 in advance.
  • the magazine 16 is put into the nitriding chamber 32, and after closing the horizontal heat treatment furnace 24, the nitriding chamber 32 is set to a nitriding atmosphere (step S3).
  • the control unit 74 drives the vacuum suction pump 60 to suck the air inside the nitriding chamber 32 to a predetermined degree of vacuum, and then drives the nitriding gas supply unit 64 to switch the nitrogen gas, hydrogen gas, A nitriding gas composed of a mixed gas such as ammonia gas and argon gas is introduced into the nitriding chamber 32.
  • the coolant supply unit 68 is driven to introduce coolant into the coolant passage 33 between the inner partition wall 28 and the outer partition wall 30 to start cooling the wall surface of the inner partition wall 28 (step S4).
  • the control unit 74 sets a pulse voltage having a frequency of 15 kHz and a current density p of 2.5 mAZcm 2 to the discharge power supply unit 48 (step S5).
  • the control unit 74 sets the output H of the heater power supply unit 50 to 40% (step S6).
  • the output of the heater power supply unit 50 is 100% when the electric power (heat) per lkg of the crankshaft 12 to be supplied to the nitriding chamber 32 is 160 W. Therefore, the output H of 40% is 64 W / kg.
  • Step S7 After setting the processing conditions as described above, the heating of the nitriding atmosphere in the nitriding chamber 32 and the nitriding process are started (Step S7).
  • the crankshaft 12 when the crankshaft 12 is turned on, the setting of each processing condition is completed, and the discharge power supply unit 48 and the heater power supply unit 50 are driven (processing time tO), the negative electrode is turned on.
  • a glow discharge is generated by a panel voltage applied between the positive electrode 46 and the positive electrode 46, and the nitriding gas in the nitriding chamber 32 is ionized by the green discharge and collides with the surface of the crankshaft 12. As a result, the crankshaft 12 is heated.
  • the electric heater 34 disposed on the outer periphery of the magazine 16 holding the crankshaft 12 generates heat, and the nitriding atmosphere in the nitriding chamber 32 is heated by the radiant heat generated by the generated heat. Since the glow discharge also occurs on the surface of the dummy work 36, the dummy work 36 is similarly heated.
  • the nitriding atmosphere is sufficiently heated to a temperature at which stable nitriding treatment can be started. Even in a non-heated state, a stable glow discharge state without arc discharge is maintained. In other words, by preventing the continuation of arc discharge in the detection time, the current is interrupted before reaching the voltage at which the arc marks are generated, and the arc marks are not generated. And maintain a stable glow discharge state. Therefore, the situation where the surface of the crankshaft 12 is damaged by the arc discharge does not occur.
  • Heating by glow discharge is not due to radiant heat, but is caused by collision of nitrogen ions or nitrogen radicals generated by glow discharge with the crankshaft 12.
  • the influence of the radiant heat is small, and the position of the adjacent crankshaft 12 and the shape of the crankshaft 12 are not affected. Therefore, the crankshaft 12 is uniformly heated by the glow discharge.
  • the nitriding atmosphere in the nitriding chamber 32 is heated by the radiant heat from the electric heater 34 arranged along the inner partition wall 28 and having a low output, the crankshaft 12 has a uniform temperature distribution. It is quickly heated to the desired stable nitriding temperature while maintaining it.
  • the coolant is supplied to the coolant passage 33.
  • the coolant is supplied from the electric heater 34. It is possible to avoid a situation in which radiant heat is reflected by the inner partition wall 28 and the crankshaft 12 disposed inside is heated more than necessary. Therefore, the temperature of the crankshaft 12 can be raised more uniformly.
  • the temperature of the crankshaft 12 is estimated with high accuracy using the temperature of the dummy work 36 provided in the nitriding chamber 32 and the radiation temperature of the crankshaft 12 (steps S8 and S9).
  • the work radiation thermometer 52 disposed close to the crankshaft 12 detects the radiation temperature Trw, which is the temperature of the radiation heat radiated from the crankshaft 12.
  • the radiation thermometer 54 for the dummy work disposed close to the dummy work 36 detects the radiation temperature Trd, which is the temperature of the radiation heat radiated from the dummy work 36.
  • the contact thermometer 56 for the dummy work fixed to the dummy work 36 detects an accurate contact temperature Ted of the dummy work 36.
  • the temperature detection unit 58 calculates the radiation temperature Trd of the dummy work 36 detected by the radiation thermometer 54 for the dummy work and the contact temperature Ted of the dummy work 36 detected by the contact thermometer 56 for the dummy work. Is obtained as a temperature correction value ⁇ , and the temperature Tw of the crankshaft 12 is calculated using the temperature correction value ⁇ .
  • Tw Trw + ⁇
  • control unit 74 determines whether or not the temperature Tw force S400 ° C of the crankshaft 12 estimated by the temperature detection unit 58 is higher than or equal to the temperature during the heating of the nitriding atmosphere in the nitriding chamber 32. Is performed (step S10). In this case, when the temperature Tw force of the crankshaft 12 becomes 400 ° C or more, the influence of the heat radiation of the crankshaft 12 cannot be neglected. Temperature unevenness may occur.
  • step SI 1 the control unit 74 controls the discharge power supply unit 48, and the negative electrode 38 and the positive electrode Four 6 and the current density p of the glow discharge applied to the heater is reduced to 0.5 mA / cm 2 (step SI 1), and the output of the heater power supply unit 50 is reduced to 90% (144 kW / kg). Raise it (step S12).
  • the current density p is determined by the processing time according to the temperature Tw of the crankshaft 12 estimated by the temperature detection unit 58. It is preferable that the output of the heater power supply unit 50 is controlled to be gradually increased from the processing time tl to a desired nitriding temperature of the crankshaft 12 while the output is gradually decreased from tl to t2.
  • Step S13 the control unit 74 controls the heater power supply unit 50 to perform the nitriding process on the temperature Tw of the crankshaft 12. Maintain the temperature at 570 ° C (step S14). During this time, on the surface of the crankshaft 12, the nitriding treatment proceeds due to the reaction between nitrogen ions and iron ions.
  • step S15 When the nitriding treatment is completed after a predetermined time has elapsed (step S15, treatment time t3), the crankshaft 12 is discharged from the horizontal heat treatment furnace 24 together with the magazine 16 (step S16).
  • the magazine 16 discharged from the horizontal heat treatment furnace 24 is conveyed by the conveyor 22, carried into the cooling tank 25 and subjected to the cooling process (step S 17), and then discharged to the outside via the conveyor 27.

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Abstract

 放電用電源ユニット(48)から15kHzの周波数からなるパルス電圧を2.5mA/cm2の電流密度でクランクシャフト(12)と電極板(45)との間に印加してグロー放電を発生させるとともに、電気ヒータ(34)を出力40%(64kW/kg)で駆動することにより、400°Cまでクランクシャフト(12)を加熱した後、グロー放電の電流密度を0.5mA/cm2とし、電気ヒータ(34)の出力を90%(144kW/kg)として加熱を継続し、所望の窒化処理温度において窒化処理を行う。

Description

明 細 書
窒化処理方法及び装置
技術分野
[0001] 本発明は、熱処理炉内にてワークを窒化処理する窒化処理方法及び装置に関す る。
背景技術
[0002] 窒化処理は、鋼材からなるワークの表面を窒化させることによって窒化鉄層を形成 し、これによりワーク表面を硬化する処理であり、広汎に実施されている。窒化処理の 一方法としては、グロ一放電によってプラズマ加熱を行うプラズマ窒化処理が挙げら れる。
[0003] ところで、ワークが冷えているとグロ一放電が不安定となり、状況によってはアーク放 電が発生し、ワーク表面の一部が溶解したり、あるいは、均一な窒化処理を施すこと ができなくなる不具合が生じる。特に、ワークの温度分布が不均一であると、窒化の 進行度合いが場所によって異なってくるため、良好な製品を得ることができなくなって しまう。
[0004] そこで、安定した窒化処理が可能な所望の温度までワークを迅速且つ均一に加熱 することを目的として、ワークの周囲に赤外線ヒータ又はグラフアイトクロス発熱体等の 加熱手段を配設し、グロ一放電と併用してワークを加熱するように構成した従来技術 が知られている(例えば、特開昭 52—82641号公報、特開昭 53— 23836号公報参 照)。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力、しながら、例えば、複雑な形状からなる複数のワークを同時に熱処理炉内に投 入して加熱するような場合、上記の従来技術のように、単にグロ一放電と加熱手段と を併用しただけでは、ワークを均一な温度分布とすることはできない。
[0006] すなわち、グロ一放電による発熱は、基本的には、グロ一放電によって生成された 窒素イオンがワークの表面に衝突することにより生じるものである力 ワークがある温 度以上に加熱されると、ワーク自身の放射熱によって周囲のワークを加熱することに なるため、加熱手段に近接した部位と加熱手段から離間した部位との間に温度差が 生じてしまう。なお、ワーク間に多数の加熱手段を配設すれば、この問題を解消可能 となるが、例えば、異なる形状からなるワークに対して窒化処理を行うことが要求され る多品種少量生産のような生産ラインにおいて、ワーク間の適切な位置に加熱手段 を配設して構成することは、実質上不可能である。
[0007] 本発明の一般的な目的は、ワークを安定した窒化処理が可能な温度まで迅速且つ 均一に加熱し、ワークの温度ばらつきの少ない状態で良好な窒化処理を施すことが できる窒化処理方法及び装置を提供することにある。
[0008] 本発明の主たる目的は、複雑な形状からなる多数のワークに対して、極めて良好な 窒化処理を施すことができる窒化処理方法及び装置を提供することにある。
[0009] 本発明の他の目的は、異なる多種類のワークに容易に適用することができる窒化 処理方法及び装置を提供することにある。
[0010] 本発明の他の目的は、横型熱処理炉に適用して良好な窒化処理を施すことができ る窒化処理方法及び装置を提供することにある。
[0011] 本発明のさらに他の目的は、ワークの温度を高精度に管理して極めて良好な窒化 処理を施すことができる窒化処理方法及び装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明では、グロ一放電を発生させるためのノ^レス電圧の周波数を 1kHz以上とす ることにより、電流が連続的に通電される時間を lms以下とし、短い検知時間でァー ク放電の継続を阻止することで、アーク痕が発生する電圧に到達する以前に電流を 遮断するため、アーク痕の発生を防止して安定したグロ一放電状態を維持し、ワーク 表面を損傷させることなく加熱することができる。なお、検知時間は、より短いほうが好 ましぐ従って、例えば、パルス電圧を発生させる電源としては、 15kHz程度のものを 使用すると好適である。また、グロ一放電によってワークが直接加熱されるため、ヮー クの形状やワークの配置等によらず、特に、対流や発熱体からの距離、ワークの個数 等によりばらつきの生じ易い横型熱処理炉のような構造であっても、熱処理炉内のヮ ーク温度を均一に上昇させることができる。なお、グロ一放電と発熱体による加熱とを 併用することにより、均一な温度分布を維持した状態でワークを迅速に加熱すること ができる。この結果、全てのワークが一定温度に到達するまでの所要時間が短ぐま た、ワークを一定温度に保持する必要時間も短縮することができる。
[0013] また、加熱中におけるワークの温度を検出し、温度が 350°Cに到達した後、グロ一 放電の電流密度を減少させることにより、グロ一放電によって加熱されたワーク自体 からの過剰な放射熱の発生を回避し、熱処理炉内の温度分布を均一に維持すること ができるとともに、急激な温度上昇を回避することができる。次いで、この温度からヮ ークの周囲に配設した発熱体を用いてワークをさらに加熱することにより、ワークを所 望の窒化処理温度に高精度に設定することができる。
[0014] この場合、ワークの温度が所望の窒化処理温度を超過すると、ワークに異常組織が 生成されてしまうおそれがあるが、本発明では、グロ一放電による発熱を高精度に調 整することができるため、ワークをオーバーシュートすることのない高温度に設定して 窒化処理に要する時間を短縮することができる。
[0015] なお、グロ一放電の電流密度としては、 0. 05— 7mA/cm2に設定すると好適であ る。 0. 05mA/cm2未満であると、特に低温時において、グロ一放電が安定せず、 均一な加熱ができなレ、。また、電流密度を 7mA/cm2よりも大きく設定すると、アーク 放電に移行しワークの損傷が生じる。なお、電流密度が 0. ImA/cm2未満では、昇 温に時間がかかり、また、 4mA/cm2を超えると、突起部等を有するワークの場合、 突起部等にイオン衝突が起こり易ぐ異常加熱するおそれがある。従って、電流密度 は、 0. 1一 4mA/cm2の範囲に設定することが好ましい。
[0016] さらに、本発明では、ワークの温度を接触式の温度計を用いることなく高精度に検 出するため、熱処理炉内にダミーワークを配設し、ダミーワークの接触温度と放射温 度とを検出するとともに、ワークの放射温度を検出し、ダミーワークの接触温度及び放 射温度の温度差からワークの放射温度を補正してワーク自体の温度を推定する。こ のようにして推定したワークの温度に基づいて、グロ一放電や発熱体による加熱を制 御することにより、ワークの温度を高精度に管理して極めて良好な窒化処理を行うこと ができる。
図面の簡単な説明 [0017] [図 1]本実施形態の窒化処理装置を含む窒化処理システムの概略構成図である。
[図 2]窒化処理の対象であるワーク及びそれを収納したマガジンの説明図である。
[図 3]本実施形態の横型熱処理炉及びその制御回路の構成説明図である。
[図 4]本実施形態の窒化処理方法のフローチャートである。
[図 5]本実施形態の窒化処理方法におけるワーク温度、電流密度及びヒータ出力の 関係説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 図 1は、本実施形態の窒化処理装置を含む窒化処理システム 10の概略構成図で ある。この窒化処理システム 10には、図 2に示すように、ワークである複数のクランク シャフト 12が治具 14に位置決めされたマガジン 16として供給される。
[0019] 窒化処理システム 10は、コンベア 18によって搬送されるクランクシャフト 12に付着 した塵や油等を除去する洗浄機 20と、洗浄されたクランクシャフト 12をコンベア 18か ら受け取って各作業ステーションに搬送するコンベア 22と、コンベア 22に沿った複数 の作業ステーションに配置される横型熱処理炉 24と、コンベア 22の最終端に接続さ れるコンベア 27によって搬送されるクランクシャフト 12を冷却する冷却槽 25とを備え る。
[0020] 図 3は、各作業ステーションに配置される横型熱処理炉 24及びその制御回路の構 成説明図である。
[0021] 横型熱処理炉 24は、クランクシャフト 12に対してプラズマ窒化処理を施す熱処理 炉であり、クランクシャフト 12が位置決めされたマガジン 16を水平方向に出入する横 型として構成される。横型熱処理炉 24には、基台 26上に内側隔壁 28及び外側隔壁 30が配設される。
[0022] 内側隔壁 28は、治具 14とともにクランクシャフト 12を収納する窒化雰囲気からなる 窒化処理室 32を形成する。また、内側隔壁 28と外側隔壁 30との間の空間は、内側 隔壁 28を冷却して熱放射の影響をなくし、窒化処理室 32の温度上昇時の制御を容 易にする冷却液通路 33を形成する。
[0023] 窒化処理室 32には、内側隔壁 28及び基台 26に沿って複数の電気ヒータ 34 (発熱 体)が配設される。また、窒化処理室 32には、物性がクランクシャフト 12と同等のダミ 一ワーク 36が配設される。なお、ダミーワーク 36は、クランクシャフト 12そのものであ つてもよい。
[0024] 基台 26には、マガジン 16に電気的に接続される負電極 38が絶縁体 40を介して配 設されるとともに、ダミーワーク 36に電気的に接続される負電極 42が絶縁体 44を介 して配設される。また、窒化処理室 32の電気ヒータ 34の内側には、電極板 45が配設 される。この電極板 45には、正電極 46が接続される。これらの負電極 38、 42と正電 極 46との間には、 1kHz以上の周波数からなるパルス電圧を印加する放電用電源ュ ニット 48 (グロ一放電発生手段)が接続される。電気ヒータ 34には、ヒータ電源ュニッ ト 50 (加熱手段)が接続される。
[0025] また、窒化処理室 32には、クランクシャフト 12の放射温度を検出するワーク用放射 温度計 52と、ダミーワーク 36の放射温度を検出するダミーワーク用放射温度計 54と 、ダミーワーク 36に固定され、ダミーワーク 36の接触温度を検出する熱電対からなる ダミーワーク用接触温度計 56とが配設される。ワーク用放射温度計 52、ダミーワーク 用放射温度計 54及びダミーワーク用接触温度計 56は、温度検出ユニット 58 (温度 検出手段、温度算出手段)に接続される。温度検出ユニット 58は、検出された各温 度データからクランクシャフト 12の温度を推定する。
[0026] 窒化処理室 32には、窒化処理室 32の内部のガスを吸引して所望の真空度を得る ための真空吸引ポンプ 60がバルブ 62を介して接続される。また、窒化処理室 32に は、窒化処理室 32の内部にプラズマ窒化処理を行うためのガス、例えば、窒素ガス 、水素ガス、アンモニアガス、アルゴンガス等の混合ガスである窒化処理ガスを供給 する窒化処理ガス供給ユニット 64がバルブ 66を介して接続される。冷却液通路 33 には、冷却液を供給する冷却液供給ユニット 68がバルブ 70を介して接続される。な お、冷却液通路 33に供給された冷却液は、バルブ 72を介して外部に排出可能に構 成される。
[0027] 放電用電源ユニット 48、ヒータ電源ユニット 50、温度検出ユニット 58、真空吸引ポ ンプ 60、窒化処理ガス供給ユニット 64及び冷却液供給ユニット 68は、制御ユニット 7 4 (制御手段)によって制御される。
[0028] 本実施形態の窒化処理システム 10は、基本的には以上のように構成されるもので あり、次にその動作及び作用効果につき、図 4に示すフローチャートに従って説明す る。
[0029] 先ず、図 2に示すように、治具 14に複数のクランクシャフト 12を位置決めしたマガジ ン 16を準備し、このマガジン 16をコンベア 18によって洗浄機 20に搬入し、各クランク シャフト 12に付着している塵や油の除去を行う(ステップ Sl)。
[0030] 次いで、クランクシャフト 12が洗浄されたマガジン 16をコンベア 22によって搬送し、 各横型熱処理炉 24の窒化処理室 32に投入する(ステップ S2)。この場合、横型熱処 理炉 24は、横型であるため、縦型に比較すると、クランクシャフト 12を保持した複数 のマガジン 16を窒化処理室 32に対して容易に出入することができるとともに、窒化 処理システム 10のレイアウトを簡略化できる利点がある。また、一度に処理できるクラ ンクシャフト 12の処理数を容易に増加することができる。これに対して、縦型の場合、 熱処理室を上方に大型に構成しなければならない。
[0031] マガジン 16が窒化処理室 32に投入されると、治具 14の底部が基台 26に配設され た負電極 38と接続される。なお、窒化処理室 32には、クランクシャフト 12と物性が同 等のダミーワーク 36が予め配設されている。
[0032] マガジン 16が窒化処理室 32に投入され、横型熱処理炉 24を密閉した後、窒化処 理室 32を窒化雰囲気に設定する(ステップ S3)。この場合、制御ユニット 74は、真空 吸引ポンプ 60を駆動し、窒化処理室 32の内部の空気を所定の真空度まで吸引した 後、窒化処理ガス供給ユニット 64を駆動し、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、ァ ルゴンガス等の混合ガスからなる窒化処理ガスを窒化処理室 32に導入する。
[0033] 次いで、冷却液供給ユニット 68を駆動し、内側隔壁 28と外側隔壁 30との間の冷却 液通路 33に冷却液を導入し、内側隔壁 28の壁面の冷却を開始する(ステップ S4)。 また、制御ユニット 74は、放電用電源ユニット 48に対して、周波数が 15kHz、電流密 度 pが 2. 5mAZcm2からなるパルス電圧を設定する(ステップ S5)。さらに、制御ュ ニット 74は、ヒータ電源ユニット 50の出力 Hを 40%に設定する(ステップ S6)。なお、 ヒータ電源ユニット 50は、窒化処理室 32に投入するクランクシャフト 12の lkg当たり の電力量(熱量)が 160Wのときの出力を 100%とする。従って、 40%の出力 Hは、 6 4W/kgとなる。 [0034] 処理条件を前記のように設定した後、窒化処理室 32の窒化雰囲気の加熱及び窒 化処理が開始される(ステップ S7)。この場合、図 5に示すように、クランクシャフト 12 が投入され、各処理条件の設定が完了して放電用電源ユニット 48及びヒータ電源ュ ニット 50が駆動されると(処理時間 tO)、負電極 38と正電極 46との間に印加されるパ ノレス電圧によってグロ一放電が発生し、このグロ一放電によって窒化処理室 32の窒 化処理ガスがイオンィ匕してクランクシャフト 12の表面に衝突することにより、クランクシ ャフト 12が加熱される。また、クランクシャフト 12を保持するマガジン 16の外周部に配 設されてレ、る電気ヒータ 34が発熱し、その発熱による放射熱によって窒化処理室 32 の窒化雰囲気が加熱される。なお、グロ一放電は、ダミーワーク 36の表面においても 発生するため、ダミーワーク 36も同様にして加熱される。
[0035] ここで、負電極 38、 42と正電極 46との間には、パルス周波数が 15kHzの電圧が印 カロされているため、窒化雰囲気が安定した窒化処理を開始できる温度まで十分に昇 温されていない状態であっても、アーク放電が発生することのない安定したグロ一放 電状態が維持される。すなわち、電流が連続的に通電される時間が極めて短ぐ短 ぃ検知時間でアーク放電の継続を阻止することで、アーク痕が発生する電圧に到達 する以前に電流を遮断し、アーク痕の発生を防止して安定したグロ一放電状態を維 持すること力 Sできる。従って、クランクシャフト 12の表面がアーク放電によって損傷す る事態が生じることはない。また、グロ一放電による加熱は、放射熱によるものではな ぐグロ一放電によって生成された窒素イオン又は窒素ラジカルがクランクシャフト 12 に衝突することによるものであるため、 350°C未満では、クランクシャフト 12の放射熱 による影響が少なぐ隣接して配設されるクランクシャフト 12の位置関係やクランクシ ャフト 12の形状の影響を受けることがなレ、。従って、クランクシャフト 12は、グロ一放 電によってむらなく加熱される。さらに、内側隔壁 28に沿って配設され、出力が低く 設定された電気ヒータ 34からの放射熱により、窒化処理室 32の窒化雰囲気が加熱さ れるため、クランクシャフト 12は、温度分布を均一に維持した状態で安定した所望の 窒化処理温度まで迅速に加熱される。
[0036] なお、昇温中において、冷却液通路 33には、冷却液が供給されており、例えば、 内側隔壁 28を冷却液で 100°C以下に冷却維持することにより、電気ヒータ 34からの 放射熱が内側隔壁 28によって反射して内側に配設されたクランクシャフト 12を必要 以上に加熱してしまう事態を回避することができる。従って、クランクシャフト 12を一層 均一に昇温させることができる。
[0037] 一方、クランクシャフト 12の温度は、窒化処理室 32に配設したダミーワーク 36の温 度と、クランクシャフト 12の放射温度とを用いて高精度に推定される(ステップ S8、 S9
[0038] すなわち、クランクシャフト 12に近接して配設されたワーク用放射温度計 52は、クラ ンクシャフト 12から放射された放射熱の温度である放射温度 Trwを検出する。また、 ダミーワーク 36に近接して配設されたダミーワーク用放射温度計 54は、ダミーワーク 36から放射された放射熱の温度である放射温度 Trdを検出する。さらに、ダミーヮー ク 36に固定されたダミーワーク用接触温度計 56は、ダミーワーク 36の正確な接触温 度 Tedを検出する。
[0039] そこで、温度検出ユニット 58は、ダミーワーク用放射温度計 54によって検出された ダミーワーク 36の放射温度 Trdと、ダミーワーク用接触温度計 56によって検出された ダミーワーク 36の接触温度 Tedとの差を温度補正値 Δ Τとして求め、この温度補正 値 ΔΤを用いて、クランクシャフト 12の温度 Twを、
Tw=Trw+ ΔΤ
として算出する。このようにしてクランクシャフト 12の温度を算出することにより、クラン クシャフト 12に熱電対等の温度計を固定することなぐクランクシャフト 12の温度 Tw を非接触で高精度に推定することができる。
[0040] 次に、制御ユニット 74は、窒化処理室 32の窒化雰囲気の加熱中において、温度検 出ユニット 58によって推定したクランクシャフト 12の温度 Tw力 S400°C以上であるか否 かの判定処理を行う(ステップ S10)。この場合、クランクシャフト 12の温度 Tw力 S400 °C以上になると、クランクシャフト 12自身の熱放射の影響を無視することができなくな り、このままグロ一放電による加熱を継続すると、クランクシャフト 12に温度むらの発 生するおそれがある。
[0041] そこで、クランクシャフト 12の温度 Tw力 S400°Cに到達したことが判定されると(処理 時間 tl)、制御ユニット 74は、放電用電源ユニット 48を制御し、負電極 38と正電極 4 6との間に印加されるグロ一放電の電流密度 pを 0. 5mA/cm2まで降下させるとと もに(ステップ SI 1)、ヒータ電源ユニット 50の出力を 90% (144kW/kg)まで上昇さ せる(ステップ S 12)。
[0042] この場合、電流密度 pを 0. 5mAZ cm2まで降下させることにより、グロ一放電によ り加熱されたクランクシャフト 12から放射熱が放射される事態を抑制することができる とともに、クランクシャフト 12のグロ一放電による急激な加熱を抑制することができる。 また、ヒータ電源ユニット 50の出力を 90% (144kW/kg)まで上昇させることにより、 クランクシャフト 12の温度分布を均一に維持した状態で、電気ヒータ 34からの放射熱 によりオーバーシュートすることのない所望の窒化処理温度までクランクシャフト 12を カロ熱すること力 Sできる。なお、放電用電源ユニット 48及びヒータ電源ユニット 50による クランクシャフト 12の温度制御を行う場合、例えば、温度検出ユニット 58によって推 定したクランクシャフト 12の温度 Twに従レ、、電流密度 pを処理時間 tlから t2まで徐 々に降下させる一方、ヒータ電源ユニット 50の出力を処理時間 tlからクランクシャフト 12の所望の窒化処理温度となるまで徐々に上昇させるように制御すると好適である。
[0043] クランクシャフト 12の温度 Twが所望の窒化処理温度 570°Cに到達した後(ステップ S13)、制御ユニット 74は、ヒータ電源ユニット 50を制御してクランクシャフト 12の温 度 Twを窒化処理温度 570°Cに維持する(ステップ S14)。この間、クランクシャフト 12 の表面では、窒素イオンと鉄イオンとが反応することで窒化処理が進行する。
[0044] そして、所定の時間が経過して窒化処理が完了すると(ステップ S15、処理時間 t3 )、クランクシャフト 12がマガジン 16とともに横型熱処理炉 24から排出される(ステップ S16)。横型熱処理炉 24から排出されたマガジン 16は、コンベア 22によって搬送さ れ、冷却槽 25に搬入されて冷却処理された後(ステップ S17)、コンベア 27を介して 外部に排出される。

Claims

請求の範囲
[1] 熱処理炉(24)内にてワーク(12)を窒化処理する窒化処理方法であって、
前記熱処理炉(24)と前記ワーク(12)との間に 1kHz以上の周波数からなる所定の 電流密度のパルス電圧を印加し、発生するグロ一放電によって前記ワーク(12)をカロ 熱する第 1ステップと、
前記ワーク(12)の温度が少なくとも 350°Cに到達した後、前記パルス電圧の電流 密度を減少させる一方、前記ワーク(12)の周囲に配設した発熱体(34)により前記ヮ ーク(12)を所望の窒化処理温度まで加熱する第 2ステップと、
力 なり、前記グロ一放電で生成された窒素イオン又は窒素ラジカルにより窒化処 理を行うことを特徴とする窒化処理方法。
[2] 請求項 1記載の方法において、
前記第 1ステップでは、前記グロ一放電及び前記発熱体(34)により発生する熱に よって前記ワーク(12)を加熱し、
前記第 2ステップでは、前記発熱体(34)による発熱量を前記第 1ステップよりも高く 設定して加熱することを特徴とする窒化処理方法。
[3] 請求項 1記載の方法において、
前記第 2ステップでは、前記パルス電圧の電流密度を除々減少させる一方、前記ヮ ーク(12)の周囲に配設した発熱体(34)により前記ワーク(12)を所望の窒化処理温 度まで除々に加熱することを特徴とする窒化処理方法。
[4] 請求項 1記載の方法において、
前記第 2ステップでは、前記ワーク(12)が所望の窒化処理温度に到達した後、前 記窒化処理温度を維持させて窒化処理を遂行させることを特徴とする窒化処理方法
[5] 請求項 1記載の方法において、
前記パルス電圧の電流密度は、 0. 05— 7mA/cm2に設定することを特徴とする 窒化処理方法。
[6] 請求項 1記載の方法において、
前記パルス電圧の電流密度は、 0. 1一 4mA/cm2に設定することを特徴とする窒 化処理方法。
請求項 1記載の方法において、
前記ワーク(12)の温度は、前記熱処理炉(24)内に配設したダミーワーク(36)の 放射温度及び接触温度の温度差を検出するとともに、前記ワーク(12)の放射温度 を検出し、前記ワーク(12)の前記放射温度を前記温度差によって補正して求めるこ とを特徴とする窒化処理方法。
熱処理炉(24)内にてワーク(12)を窒化処理する窒化処理装置であって、 前記熱処理炉(24)と前記ワーク(12)との間に 1kHz以上の周波数からなる所定の 電流密度のパルス電圧を印加してグロ一放電を発生させるグロ一放電発生手段 (48 )と、
前記熱処理炉(24)内に配設される発熱体(34)により前記ワーク(12)を加熱する 加熱手段(50)と、
前記ワーク(12)の温度を検出する温度検出手段(58)と、
前記温度検出手段(58)によって検出された前記ワーク(12)の温度に基づき、前 記グロ一放電発生手段 (48)による前記グロ一放電の電流密度を制御するとともに、 前記加熱手段(50)を制御する制御手段(74)と、
を備えることを特徴とする窒化処理装置。
請求項 8記載の装置において、
前記熱処理炉(24)は、
前記ワーク(12)を収容し、前記ワーク(12)との間でグロ一放電を発生させる電極 板 (45)により囲繞される窒化処理室(32)と、
前記電極板 (45)の外周部に前記発熱体(34)が配設され、隔壁(28)によって囲 繞される加熱室と、
前記隔壁(28)の外周部に配設され、前記隔壁(28)を冷却する冷却液が供給され る冷却手段(33)と、
を備えることを特徴とする窒化処理装置。
請求項 8記載の装置において、
前記温度検出手段(58)は、 前記熱処理炉(24)内に配設したダミーワーク(36)の放射温度を検出するダミーヮ ーク用放射温度計(54)と、
前記ダミーワーク(36)の接触温度を検出するダミーワーク用接触温度計(56)と、 前記ワーク(12)の放射温度を検出するワーク用放射温度計(52)と、
前記ダミーワーク(36)の前記放射温度及び前記接触温度の温度差を算出し、前 記ワークの前記放射温度を前記温度差によって補正することで前記ワークの温度を 算出するワーク温度算出手段(58)と、
を備えることを特徴とする窒化処理装置。
[11] 請求項 8記載の装置において、
前記熱処理炉(24)は、横型熱処理炉であることを特徴とする窒化処理装置。
[12] 請求項 8記載の装置において、
前記ワーク(12)は、クランクシャフトであることを特徴とする窒化処理装置。
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