JP2013249524A - ガス窒化及びガス軟窒化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単なシステムによって高精度の雰囲気制御ができ、使用ガス量の低減が可能なガス窒化方法及びガス軟窒化方法と、これら処理方法に好適に用いることができる装置を提供する。
【解決手段】ガス窒化炉２に実質的にアンモニアガスのみを供給してアンモニアガスとアンモニア分解ガス中で上記被処理品の表面に窒化層を形成するに際して、上記アンモニアガスを第１の経路６と第２の経路７からそれぞれ供給し、第１の経路６からは連続的に供給する一方、上記炉内の水素分圧Ｐ_Ｈ２を検出し、その検出値が炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを所望の値とすべく予め算出された水素分圧となるように第２の経路７からのアンモニアガス供給をオン−オフ制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、簡単なシステムによる高精度の雰囲気制御が可能で、設備コスト、操業コストの削減が可能なガス窒化方法、ガス軟窒化方法と、これら処理方法に好適に用いることができるガス窒化装置、ガス軟窒化装置に関するものである。

ガス窒化処理は、部品表面の拡散層に、ＡｌやＣｒ等の合金成分と窒素との化合物を生成させることによって、強度、耐摩耗性、耐摩擦性、耐かじり性の向上を図る表面硬化処理であって、アンモニアガスと窒素ガスの混合ガスや、アンモニアガスとアンモニア分解ガスの混合ガスを処理炉内に供給することによって処理がなされる。

一方、ガス軟窒化処理は、炭素鋼などの表面に、鉄と窒素の硬い化合物層を生成させることによって、同様に耐摩耗性、耐摩擦性、耐かじり性の向上を図る処理であって、アンモニアガスとＲＸガスの混合ガス、アンモニアガスと窒素ガスと炭酸ガスとの混合ガス等を処理炉内に導入することによって行われる。
これらガス窒化処理やガス軟窒化処理は、浸炭処理や浸炭窒化処理と比べて、処理温度が低く、急冷（焼入れ）処理が不要であることから、歪みの少ない表面硬化処理として種々の鋼製部品に適用されている。

このような混合ガスを用いる表面硬化処理において、炉内雰囲気を検知して、これを制御することは、使用するセンサーの特性や性能面から一般に難しく、炉内雰囲気を参照することなく、混合ガスを過剰に供給するようなことをしていたことから、過剰窒化の他、操業コストや環境面での問題が懸念されていた。
これに対して、特許文献１には、炉内ガスの熱伝導度に基づいて、水素濃度を検出して炉内ガス組成を演算し、この結果に基づいて炉内導入ガスの比率を決定することが提案されている。

特開２０１１−２６６２７号公報

すなわち、上記引用文献１に記載の表面硬化処理方法においては、処理炉内で水素を発生する少なくとも１種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを処理炉内へ導入して、処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行うに際して、処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出し、その水素濃度に基づいて、炉内ガス組成を演算し、当該炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉内への導入量の比率を一定値に保持した状態で、合計導入量を制御したり、炉内導入ガス流量比率が変化するように複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御したりするようにしている。

しかしながら、上記公報に記載の方法においては、アンモニアガスと窒素ガスの混合ガス（ガス窒化処理）や、アンモニアガスと窒素ガスと炭酸ガスとの混合ガス（ガス軟窒化）を使用していることから、窒素ガスや炭酸ガスの介在によってアンモニアガスの分解率が変化する。したがって、水素濃度を検出するだけでは、窒化ポテンシャルを正確に求めることができず、水素濃度をフィードバックしても、窒化ポテンシャルを一定に制御することは不可能であって、高精度、高品質な処理が難しいという問題があった。

本発明は、従来のガス窒化処理あるいはガス軟窒化処理における上記のような課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、簡単なシステムにも拘わらず高精度の雰囲気制御ができ、消費ガス量の低減が可能なガス窒化方法及びガス軟窒化方法と、これら処理方法に好適に用いることができる装置を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、炉内の被処理品が処理温度に均熱された後、すなわち窒化処理中における炉内供給ガスを実質的にアンモニアガスのみとし、炉内へアンモニアガスを大小２つの経路を介して供給するようにした。そして、第１の経路から比較的少量のアンモニアガスを炉内に連続的に供給する一方、炉内の水素分圧を検出し、この水素分圧を一定に保持するべく、第２の経路からのアンモニアガスの供給をオン−オフ制御することによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のガス窒化方法においては、気密性雰囲気炉中に収納した被処理品を不活性ガス中、又は不活性ガスとアンモニアガス中で所定の処理温度に昇温した後、処理温度に保持しながら、炉内にアンモニアガスを供給してアンモニアガスとアンモニア分解ガス中で上記被処理品の表面に窒化層を形成するに際して、上記アンモニアガスを第１の経路と第２の経路からそれぞれ供給し、第１の経路からは連続的に供給する一方、上記雰囲気炉内の水素分圧を検出し、その検出値が炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを所望の値とすべく予め算出された水素分圧となるように第２の経路からのアンモニアガス供給をオン−オフ制御することを特徴としている。

また、本発明のガス軟窒化方法においては、気密性雰囲気炉中に収納した被処理品を不活性ガス中、又は不活性ガスとアンモニアガス中で所定の処理温度に昇温した後、処理温度に保持しながら、炉内にアンモニアガス及び炭酸ガスを供給してアンモニアガスとアンモニア分解ガスと炭酸ガス中で上記被処理品の表面に窒化層を形成するに際して、上記アンモニアガス及び炭酸ガスを第１の経路と第２の経路からそれぞれ供給し、第１の経路からはそれぞれ連続的に供給する一方、上記雰囲気炉内の水素分圧を検出し、その検出値が炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを所望の値とすべく予め算出された水素分圧となるように第２の経路からのアンモニアガス及び炭酸ガスの供給をオン−オフ制御することを特徴とする。

そして、本発明のガス窒化装置は、上記ガス窒化方法に好適に用いることができ、被処理品を収納する気密性雰囲気炉と、上記炉内を加熱する加熱手段と、上記炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段と、上記炉内の気圧を大気圧以上に保持する炉内圧力制御手段と、上記炉内にアンモニアガスを連続的に供給する第１アンモニア供給手段と、上記炉内にアンモニアガスを断続的に供給する第２アンモニア供給手段と、上記炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、上記炉内の水素分圧を検出する水素センサーと、上記水素センサーによる炉内水素分圧の検出値に応じて、上記第２アンモニア供給手段からのアンモニア供給をオン−オフ制御する雰囲気制御手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明のガス軟窒化装置は、上記ガス軟窒化方法に好適に用いることができ、被処理品を収納する気密性雰囲気炉と、上記炉内を加熱する加熱手段と、上記炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段と、上記炉内の気圧を大気圧以上に保持する炉内圧力制御手段と、上記炉内にアンモニアガスを連続的に供給する第１アンモニア供給手段と、上記炉内にアンモニアガスを断続的に供給する第２アンモニア供給手段と、上記炉内に炭酸ガスを連続的に供給する第１炭酸ガス供給手段と、上記炉内に炭酸ガスを断続的に供給する第２炭酸ガス供給手段と、上記炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、上記炉内の水素分圧を検出する水素センサーと、上記水素センサーによる炉内水素分圧の検出値に応じて、上記第２アンモニア供給手段及び第２炭酸ガス供給手段からのガス供給をオン−オフ制御する雰囲気制御手段を備えたことを特徴としている。

また、上記第１アンモニア供給手段と第１炭酸ガス供給手段、及び第２アンモニア供給手段と第２炭酸ガス供給手段をそれぞれ一体化して、第１ガス供給手段、及び第２ガス供給手段とし、これら供給手段からアンモニアガスと炭酸ガスの混合ガスを供給するようになすこともできる。
すなわち、被処理品を収納する気密性雰囲気炉と、上記炉内を加熱する加熱手段と、上記炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段と、上記炉内の気圧を大気圧以上に保持する炉内圧力制御手段と、上記炉内にアンモニアガス及び炭酸ガスを連続的に供給する第１ガス供給手段と、上記炉内にアンモニアガス及び炭酸ガスを断続的に供給する第２ガス供給手段と、上記炉内に不活性ガスを断続的に供給する不活性ガス供給手段と、上記炉内の水素分圧を検出する水素センサーと、上記水素センサーによる炉内水素分圧の検出値に応じて、上記第２ガス供給手段からのガス供給をオン−オフ制御する雰囲気制御手段を備えたものとすることができる。

本発明によれば、処理時のガス供給を実質的にアンモニアガスのみとしたことから、炉内水素分圧を一定に制御することにより、炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを所望の値に保持することができ、処理精度が向上すると共に、供給ガスの無駄がなくなり、操業コストや排出ガスの処理コストが低減できる。また、窒化処理温度ではアンモニアガスの分解が極めて遅いので、この反応を制御するために、アンモニアガスの供給を炉内水素分圧に基づくオン−オフ制御とすると共に、これとは別経路からも連続的に供給するようにし、炉内水素濃度のハンチングや負圧化が防止され、制御性が向上して再現性に優れた処理が可能になる。

窒化生成相に及ぼす窒化ポテンシャルＫｎと処理温度の関係を示すレーラー状態図の一例である。 本発明によるガス窒化装置の構造を示す概略図である。 本発明のガス窒化方法における雰囲気制御の概略を示すタイムチャートである。 本発明によるガス軟窒化装置の構造を示す概略図である。 本発明のガス窒化方法における雰囲気制御の概略を示すタイムチャートである。 本発明によるガス窒化処理の実施例における温度と供給ガスの時間的関係を示すタイムチャートである。 本発明によるガス軟窒化処理の実施例における温度と供給ガスの時間的関係を示すタイムチャートである。

以下に、本発明のガス窒化方法及びガス軟窒化方法について、これらの用いる装置の構造と共に、図面を参照しながら、さらに具体的かつ詳細に説明する。

本発明のガス窒化あるいはガス軟窒化方法においては、上記したように、窒化ガスとして実質的にアンモニアガスのみを炉内に供給するようにしており、以下に説明するように、炉内の水素濃度（分圧）を検知することによって、炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを求めることができる。したがって、炉内の水素分圧を所望の窒化処理を施すのに必要な窒化ポテンシャルとなるような値に保持することによって、過不足のない目標どおりの窒化処理が可能となり、供給ガスの無駄も解消されることになる。

このとき、本発明においては、アンモニアガスの供給を２系統に分割し、第１の経路からはアンモニアガスを連続的に供給することにより、炉内が負圧とならないようにして大気の混入を防止する一方、第２の経路からのアンモニアガスの供給を上記水素分圧の検出値に応じてオン−オフ制御するようにしている。これによって、制御の遅れによる炉内水素濃度、言い換えると窒化ポテンシャルのハンチングが防止され、雰囲気制御の精度が向上し、ばらつきのない再現性に優れた処理が可能になる。

ここで、窒化ポテンシャルＫｎとは、炉内雰囲気の窒化力を示す指標であって、次式によって表される。
Ｋｎ＝Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２
（式中のＰ_ＮＨ３ はアンモニア（ＮＨ_３）の分圧、Ｐ_Ｈ２は水素（Ｈ_２）の分圧を示す）

次に、この窒化ポテンシャルＫｎと水素濃度の関係について説明する。
すなわち、炉内に供給されたアンモニアガス（ＮＨ_３）は次式に基づいて、窒素（Ｎ_２）と水素（Ｈ_２）とに熱分解する。
ＮＨ_３ → （１／２）Ｎ_２ ＋ （３／２）Ｈ_２

ここで、アンモニアガスの単位量を炉内に導入したとき、アンモニアガスの分解率をαとすれば、未分解アンモニア量は１−α、発生窒素量はα／２、発生水素量は３α／２となり、これらガスの総量は１＋αとなる。
したがって、アンモニア分圧Ｐ_ＮＨ３、窒素分圧Ｐ_Ｎ２、水素分圧Ｐ_Ｈ２は、次のようになる。
Ｐ_ＮＨ３＝（１−α）／（１＋α） ・・・ （１）
Ｐ_Ｎ２ ＝１／２・α／（１＋α） ・・・ （２）
Ｐ_Ｈ２ ＝３／２・α／（１＋α） ・・・ （３）

上記（１）〜（３）からαを消去して、Ｐ_ＮＨ３及びＰ_Ｎ２をそれぞれＰ_Ｈ２で表すと、
Ｐ_ＮＨ３＝（３−４Ｐ_Ｈ２）／３
Ｐ_Ｎ２ ＝Ｐ_Ｈ２／３
となることから、上記窒化ポテンシャルＫｎ＝Ｐ_ＮＨ３／Ｐ_Ｈ２ ^３／２は、
Ｋｎ＝（３−４Ｐ_Ｈ２）／３Ｐ_Ｈ２ ^３／２＝（１−４Ｐ_Ｈ２／３）／Ｐ_Ｈ２ ^３／２
と算出され、炉内の水素分圧Ｐ_Ｈ２を検出することによって、炉内雰囲気の窒化ポテンシャルＫｎが求められることになる。

表１及び２は、上記関係式から、水素分圧Ｐ_Ｈ２と窒化ポテンシャルＫｎの関係を表に纏めたものであって、所望の窒化層を形成するために必要な窒化ポテンシャルＫｎが定まれば、これらの表から、目的の窒化ポテンシャルＫｎとするための水素分圧Ｐ_Ｈ２を求めるこ
なお、本発明のガス軟窒化処理においては、アンモニアガスと共に炭酸ガスが供給されるが、その量はアンモニアガスに対して３〜５％程度と微量なので、ほとんど無視できることが確認されている。

図１は、レーラー状態図として知られた、窒化生成相に及ぼす窒化ポテンシャルＫｎと処理温度の関係を示した状態図であって、鋼部品にガス窒化（あるいは軟窒化）処理を施すに際して、目的とする相組成の窒化層を形成するために必要な窒化ポテンシャルＫｎを求めるのに利用することができる。

但し、上記したレーラー状態図は、純鉄から成るワーク表面の窒化ポテンシャルと炉内雰囲気の窒化ポテンシャルが一致する平衡状態をベースに作成されているので、非平衡状態となる実操業では、鋼種によって多少の誤差が生じることが考えられる。
したがって、このような場合、あるいは炭酸ガスの添加量が比較的多い軟窒化処理の場合などには、必要に応じて、若干の予備試験によって補正し、予め必要な窒化ポテンシャルを求めておくことが望ましい。

図２は、本発明のガス窒化方法に用いる装置の一例を示すものであって、図に示すガス窒化装置１は、ガス窒化炉（気密性雰囲気炉）２を備えている。
このガス窒化炉２の内部は、セラミックファイバーなどから成る断熱材によって内張りされており、図には省略されているが、この断熱材の内壁に沿ってヒーターなどの加熱手段が配置され、炉内に収納された被処理品を加熱するようにしてある。また、炉内の温度を検出する温度センサー（熱電対）と共に、当該センサーによる検出温度に基づいて、加熱手段への電力供給を調整して、炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段を備えている。さらには、炉内雰囲気を攪拌するためのファンも設置されている。なお、上記温度センサーからの温度情報は、後述する炉内雰囲気制御手段８にも入力されるようになっている。

ガス窒化炉２には、炉内の気圧を検出する圧力計３ａ、炉内のガスを排出するためのバルブ３ｂと共に、炉内圧力制御手段３を備え、圧力計３ａによる検出値に応じてバルブ３ｂの開度を調整し、炉内圧力が負圧にならないように保持して、炉内への大気流入を防止するようにしている。
上記バルブ３ｂは、Ｎｉ系の触媒を内蔵する分解炉４に連結されており、ガス窒化炉２内における処理で消費されなかった余剰のアンモニアガスは、ここで分解され、排出ガスに含まれる可燃性ガス成分と共に燃焼した上で、大気に放出される。

上記ガス窒化炉２には、炉内の水素分圧を検出するための水素センサー５が設置してある一方、窒化ガスとしてのアンモニアガス（ＮＨ_３）を供給するための第１アンモニア供給手段６と、第２アンモニア供給手段７とがそれぞれ連結されている。
そして、上記水素センサー５からの検出信号は、炉内雰囲気制御手段８に出力され、この炉内雰囲気制御手段８は、上記第１アンモニア供給手段６、第２アンモニア供給手段７及び後述する不活性ガス供給手段９にバルブ開閉信号を出力するようになっている。

上記水素センサーとしては、例えば、水素分子透過性を備えた測定管によるもの（例えば、独Ｉｐｓｏｎ社製：ＨｙｄｒｏＮｉｔ−ｓｏｎｄｅ）を用いることができるが、炉体に直接装着することができ、炉内の水素濃度を連続的に測定できる点から、熱伝導式センサー（例えば、独Ｓｔａｎｇｅ社製：ＳＥ：Ｈ２）を用いることが望ましい。

第１アンモニア供給手段６は、アンモニアガスの流量を調整する手動バルブ６ａと、この供給経路を開閉する電磁バルブ６ｂを備えており、ガス窒化処理中には、炉内雰囲気に拘わらず、手動バルブ６ａにより調整した比較的少量のアンモニアガスを常時、連続的に炉内に供給するようになっている。
一方、第２アンモニア供給手段７も、同様に手動バルブ７ａと電磁バルブ７ｂを備えており、上記手動バルブ７ａは比較的大きな開度に調整されている。そして、ガス窒化処理に際しては、上記水素センサー５による炉内水素分圧を参照して出力される炉内雰囲気制御手段８から信号に応じて電磁バルブ７ｂが開閉駆動されるようになっている。すなわち、当該第２供給手段７から炉内へのアンモニア供給をオン−オフ制御することにより、炉内の水素分圧を所定の値に保持することができる。

さらに、ガス窒化炉２には、処理の開始時と終了時に、炉内の反応性ガスを排除するための不活性ガスして、この実施例では不活性ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）の供給手段９が接続されている。
この不活性ガス供給手段９も、同様の手動バルブ９ａと電磁バルブ９ｂを備えており、炉内雰囲気制御手段８から信号に応じて電磁バルブ９ｂを開き、手動バルブ９ａにより調整された量の窒素ガスを炉内に供給するようになっている。

次に、上記装置を用いたガス窒化処理要領について、図３に基づいて説明する。

処理に先立って、第１アンモニア供給手段６、第２アンモニア供給手段７及び不活性ガス供給手段９の手動バルブ６ａ、７ａ及び９ａの開度をそれぞれ手動で調整し、それぞれのガス供給量を調整しておく。以後、これら供給手段からのガス供給は、炉内雰囲気制御手段８からの信号に基づく電磁バルブ６ｂ、７ｂ及び９ｂの開閉によって行われ、これら手動バルブ６ａ、７ａ及び９ａの開度は固定されることになる。
なお、上記第１アンモニア供給手段６、第２アンモニア供給手段７及び不活性ガス供給手段９からのガス供給量は、時間当たりの流量として、窒化炉２の炉内容積のそれぞれ２０〜６０％、５０〜１５０％及び４０〜１００％程度とすることが望ましい。

まず、処理済みワークの冷却や炉内からの取り出し、これに続く被処理品（ワーク）の炉内への装入に際しては、不活性ガス供給手段９の電磁バルブ９ｂが開放され、この例では窒素ガスを炉内に供給し、炉内の窒化性ガスが排出される。
そして、被処理品の炉内設置が完了したのち、加熱手段としてのヒーターへの通電が行われ、昇温が開始されるが、炉内温度が所定の処理温度に到達するまで、不活性ガス供給手段９からの窒素の供給が続けられる。

一方、昇温が開始されると共に、第１アンモニア供給手段６の電磁バルブ６ｂが開放駆動され、当該供給手段６からの比較的少量のアンモニアガス供給が開始される。このとき、アンモニアガスの供給量が多いと、温度むらのある昇温過程の被処理品の高温部分のみが不均一に窒化されてしまうことがあり得るので、上記したように、供給量を少なく抑えることが望ましい。
この第１アンモニア供給手段６からのアンモニア供給は、窒化処理が終了し、被処理品の降温が開始されるまで連続して行われる。

そして、炉内温度が所定の処理温度に到達すると、第２アンモニア供給手段７の電磁バルブ７ｂが開放駆動され、当該供給手段７からの比較的大量のアンモニアガスの供給が開始され、窒素ガスを多く含む炉内ガスが排出される。

炉内温度が所定温度に到達したのち、若干の時間が経過して被処理品の温度が窒化処理温度に到達すると、雰囲気制御、すなわち炉内の水素分圧を予め求めておいた値に保持するべく、水素センサー５による検出値に応じて、電磁バルブ７ｂを開閉させることによるアンモニア供給のオン−オフ制御が開始される。
これによって、炉内雰囲気が目的とする窒化処理に見合った窒化ポテンシャルに維持され、被処理品の表面に所望厚さ、硬度を備えた窒化層を形成することができる。

図４は、本発明のガス軟窒化方法に用いる装置の一例を示すものであって、図に示すガス軟窒化装置１０は、ガス軟窒化炉（気密性雰囲気炉）１１を備えている。
このガス軟窒化装置１０は、炭酸ガス供給手段１２，１３をさらに備えていることを除いて、雰囲気炉の構造をも含めて、基本的に前述のガス窒化装置１と変わるところはなく、同一部分については、同一符号を付すことによって説明を省略する。

すなわち、上記ガス軟窒化装置１０は、ガス供給系として、上記第１及び第２のアンモニア供給手段６及び２、不活性ガス供給手段９に加えて、炉内に炭酸ガスを供給するための第１及び第２の炭酸ガス供給手段１２及び１３を備えている。

第１炭酸ガス供給手段１２は、炉内に供給する炭酸ガスの流量を調整する手動バルブ１２ａと、この供給経路を開閉する電磁バルブ１２ｂを備えており、ガス軟窒化処理に際して、炉内雰囲気に拘わらず、手動バルブ１２ａにより調整した比較的少量の炭酸ガスを連続的に炉内に供給するものである。
これに対し、第２炭酸ガス供給手段１３も、同様に手動バルブ１３ａと電磁バルブ１３ｂを備えており、上記手動バルブ１３ａは比較的大きな開度に調整されている。そして、ガス軟窒化処理に際しては、上記水素センサー５による炉内水素分圧を参照して出力される炉内雰囲気制御手段８から信号に応じて電磁バルブ１３ｂが開閉駆動されるようになっている。すなわち、電磁バルブ１３ｂの開閉によって、当該第２供給手段１３から炉内への炭酸ガス供給がオン−オフ制御される。

次に、図５に基づいて、上記装置を用いたガス軟窒化処理要領について説明する。

処理に先立って、同様に、第１及び第２アンモニア供給手段６及び７、不活性ガス供給手段９の手動バルブ６ａ、７ａ及び９ａの開度をそれぞれ手動で調整し、それぞれのガス供給量を調整すると共に、第１及び第２炭酸ガス供給手段１２及び１３の手動バルブ１２ａ及び１２ａの開度をそれぞれ手動で調整しておく。
なお、第１炭酸ガス供給手段１２及び第２炭酸ガス供給手段１３からのガス供給量は、時間当たりの流量として、軟窒化炉１１の炉内容積のそれぞれ１〜３％及び３〜９％程度となるように、手動バルブ１２ａ及び１３ａの開度を調整しておくことが望ましい。

処理終了から、次の被処理品の昇温開始までの間、不活性ガス供給手段９の電磁バルブ９ｂを開放して窒素ガスを炉内に供給する。そして、被処理品の炉内設置が完了したのち、加熱手段としてのヒーターへの通電が開始されるが、炉内温度が所定の処理温度に到達するまで、不活性ガス供給手段９からの窒素の供給が続けられる。

昇温が開始されると共に、第１アンモニア供給手段６の電磁バルブ６ｂが開放駆動され、比較的少量のアンモニアガス供給が開始され、この第１アンモニア供給手段６からのアンモニア供給は、窒化処理が終了し、被処理品の降温が開始されるまで連続して行われる。

そして、炉内温度が所定の処理温度に到達すると、第２アンモニア供給手段７、第１炭酸ガス供給手段１２及び第２炭酸ガス供給手段１３の電磁バルブ７ｂ、１２ａ及び１２ｂがそれぞれ開放される。これによって、第２アンモニア供給手段７からの比較的大量のアンモニアガスと共に、第１炭酸ガス供給手段１２からの比較的少量の炭酸ガス、第２炭酸ガス供給手段１３からの比較的大量の炭酸ガスの供給がそれぞれ開始され、窒素ガスを多く含む炉内ガスが排出される。

炉内温度が所定温度に到達したのち、若干の時間が経過して被処理品の温度が窒化処理温度に到達すると、雰囲気制御、すなわち炉内の水素分圧を予め求めておいた値に保持するべく、水素センサー５による検出値に応じて、電磁バルブ７ｂを開閉させることによるアンモニア供給のオン−オフ制御が開始される。このとき、第２炭酸ガス供給手段１３からの炭酸ガス供給も、アンモニア供給と同様にオン−オフ制御される。
これによって、炉内雰囲気が目的とする窒化処理に見合った窒化ポテンシャルに維持され、被処理品の表面に所望厚さ、硬度を備えた窒化層を形成することができる。

なお、軟窒化処理の終了前に、電磁バルブ１２ａ及び１２ｂを閉じ、第１及び第２炭酸ガス供給手段１２及び１２からの炭酸ガス供給を遮断して、炉内の炭酸ガス濃度を減らすことにより、冷却中の炭酸アンモニウムの析出を抑えることができる。

上記したガス軟窒化処理装置においては、第１及び第２アンモニア供給手段６及び７と、第１及び第２炭酸ガス供給手段１２及び１３をそれぞれ独立に備えたものを例示した。しかし、第１アンモニア供給手段６と第１炭酸ガス供給手段１２を一体化して第１ガス供給手段（連続供給用）とする一方、第２アンモニア供給手段７と第２炭酸ガス供給手段１３を一体化して第２ガス供給手段（オン−オフ制御用）として、それぞれの供給手段からアンモニアガスと炭酸ガスの混合ガスを供給するようにしてもよい。

以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明するが、本発明はこのような実施例によって限定されるものではない。

〔実施例１（ガス窒化）〕
ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定される熱間工具鋼ＳＫＤ６１から成る試験片（直径１５ｍｍ、高さ３０ｍｍ）を用意した。
そして、このような試験片の表面に、硬化層厚さが５０μｍ、表面硬さがマイクロビッカース硬さで１０００程度の窒化層を形成することを目的として、図２に示したような構造を有し、１０００ｍｍ径×１５００ｍｍ高さの炉内有効寸法を備えたピット型ガス窒化炉中において、図６に示す処理サイクルによるガス窒化処理を施した。

図６に示すように、窒化処理温度を４９０℃に設定し、不活性ガス供給手段９からの窒素ガス供給量、第１アンモニア供給手段６からのアンモニアガス供給量（小）、及び第２アンモニア供給手段７からのアンモニアガス供給量（大）については、手動バルブ９ａ、６ａ、７ａによって、次のように調整した。
窒素ガス（Ｎ_２） ： ２Ｎｍ^３／時間
アンモニアガス（ＮＨ_３：小） ： １Ｎｍ^３／時間
アンモニアガス（ＮＨ_３：大） ： ２．４Ｎｍ^３／時間

すなわち、図６に示すように、試験片を炉内に収納した後、不活性ガス供給手段９から窒素ガスを供給して炉内雰囲気を窒素に置換した状態で、当該窒素ガスを供給しながら昇温を開始する。
昇温開始と同時に、あるいはある程度炉内温度が上昇した時点で、電磁バルブ６ｂを開放駆動することにより、第１アンモニア供給手段６からの少量のアンモニアガス供給を開始する。このアンモニアガスの少量供給は、処理が終了するまで継続される。

炉内雰囲気温度が４９０℃の処理温度に到達すると、電磁バルブ７ｂが開放駆動され、、第２アンモニア供給手段７からの大量のアンモニアガス供給が開始される。
そして、炉内温度が４９０℃に昇温した後、３０分程度経過して、試験片温度が４９０℃の処理温度に均一化し、アンモニアガスの分解が始まった時点で、炉内雰囲気制御が開始され、電磁バルブ７ｂの開閉によるアンモニアガスのオン−オフ制御が実行される。

この雰囲気制御に際しては、上記した厚さ、硬さの窒化層とするための窒化ポテンシャルＫｎが「５６」であることが予め求めてあるので、炉内雰囲気の窒化ポテンシャルＫｎを５６とするために、炉内水素分圧Ｐ_Ｈ２を表１から求めた０．０６５（６．５％）の値に維持する制御が行われる。
そして、このようなアンモニアガスのオン−オフ制御を２時間半継続させたのち、第２アンモニア供給手段７からのガス供給が停止され、ガス窒化処理が終了し、加熱手段であるヒーターへの通電停止により、炉内温度を低下させる。このとき、不活性ガス供給手段９からの窒素ガス供給が再開される。

上記ガス窒化処理を終えた試験片について、マイクロビッカース硬度計によってその硬度分布を測定し、窒化層の形成状況を確認した。
その結果は、表３に示すとおりであって、硬化層厚さが約５０μｍ、表面硬さ１０４６Ｈｖであって、ほぼ目標どおりの窒化層が形成されていることが確認された。

なお、当該ガス窒化処理に要したアンモニアガスの消費量は、約７．５ｍ^３であって、従来の方法によって、炉内水素分圧Ｐ_Ｈ２を制御することなく同様の窒化処理を行うために要したアンモニアガス量１０〜１５ｍ^３に較べて、４０％程度の削減が可能であることが判明した。

〔実施例２（ガス軟窒化）〕
ＪＩＳ Ｇ５７０２に規定される鋼黒芯可鍛鋳鉄ＦＣＤ４５０から成る試験片（直径１５ｍｍ、高さ３０ｍｍ）を用意し、その表面に、表面硬さが５００〜８００Ｈｖで、５〜２０μｍ程度の化合物層（白層）を形成すべく、図４に示したような構造を有し、７６０ｍｍ幅×１２００ｍｍ長さ×８００ｍｍ高さの炉内有効寸法を備えたガス軟窒化炉中において、図７に示す処理サイクルによるガス軟窒化処理を施した。

図７に示すように、処理温度を５７０℃に設定し、不活性ガス供給手段９からの窒素ガス供給量、第１アンモニア供給手段６からのアンモニアガス供給量（小）、及び第２アンモニア供給手段７からのアンモニアガス供給量（大）については、手動バルブ９ａ、６ａ、７ａによって、次のように調整した。また、第１炭酸ガス供給手段１２からの炭酸ガス供給量（小）、及び第２炭酸ガス供給手段１３からの炭酸ガス供給量（大）については、手動バルブ１２ａ及び１３ａによって、次のように調整した。
窒素ガス（Ｎ_２） ： １Ｎｍ^３／時間
アンモニアガス（ＮＨ_３：小） ： １Ｎｍ^３／時間
アンモニアガス（ＮＨ_３：大） ： ４Ｎｍ^３／時間
炭酸ガス（ＣＯ_２：小） ： １ＮＬ／時間
炭酸ガス（ＣＯ_２：大） ： ４ＮＬ／時

すなわち、図７に示すように、試験片を炉内に収納した後、不活性ガス供給手段９から窒素ガスを供給して炉内雰囲気を窒素に置換した状態で、当該窒素ガスを供給しながら昇温を開始する。
昇温開始と同時に、あるいはある程度炉内温度が上昇した時点で、電磁バルブ６ｂを開放駆動することにより、第１アンモニア供給手段６からの少量のアンモニアガス供給を開始する。このアンモニアガスの少量供給は、処理が終了するまで継続される。

炉内雰囲気温度が５７０℃の処理温度に到達すると、電磁バルブ７ｂが開放駆動され、、第２アンモニア供給手段７からの大量のアンモニアガス供給が開始される。これと同時に、電磁バルブ１２ｂ及び１３ｂが開放駆動され、第１炭酸ガス供給手段１２からの少量の炭酸ガスと、第２炭酸ガス供給手段１３からの大量の炭酸ガス供給が開始される。
そして、炉内温度が５７０℃に昇温した後、１時間程度経過して、試験片温度が５７０℃の処理温度に均一化し、窒素ガスがほとんど排出され、アンモニアガスの分解が始まった時点で、炉内雰囲気制御が開始され、電磁バルブ７ｂの開閉によるアンモニアガスのオン−オフ制御が実行される。そして、電磁バルブ７ｂの開閉駆動に連動して第２炭酸ガス供給手段１３の電磁バルブ１３ｂの開閉も開始される。

この雰囲気制御に際しては、上記した化合物厚さ、表面硬さの軟窒化層とするための窒化ポテンシャルＫｎが「３．７」であることが予め求めてあるので、炉内雰囲気の窒化ポテンシャルＫｎを３．７とするために、炉内水素分圧Ｐ_Ｈ２を表１から求めた０．３０（３０％）の値に維持する制御が行われる。
そして、このようなアンモニアガス及び炭酸ガス供給のオン−オフ制御を２時間続けた時点で、第１及び第２の炭酸ガス供給手段１２及び１３からの炭酸ガスの供給が、先ず停止される。一方、第１アンモニア供給手段６からのアンモニアガスの少量連続的な供給と、第２アンモニア供給手段７からのアンモニアガスのオン−オフ制御は、さらに１時間継続される。

炭酸ガスの供給停止から１時間経過した時点で、第１及び第２アンモニア供給手段６及び７からのアンモニアガスの供給が停止され、ガス軟窒化処理が終了する。そして、加熱手段であるヒーターへの通電停止により、炉内温度を低下させる。このとき、不活性ガス供給手段９からの窒素ガス供給が再開される。

上記処理を終えた試験片について、マイクロビッカース硬度計によってその硬度分布を測定し、軟窒化層の形成状況を確認した。
その結果は、化合物層の厚さについては９．２μｍ、表面硬さは７８６Ｈｖであって、ほぼ目標どおりの軟窒化層が形成されていることが確認された。

なお、以上のガス軟窒化処理に要したアンモニアガスの消費量は、約１５ｍ^３であって、従来の方法によって、炉内水素分圧Ｐ_Ｈ２を制御することなく同様の窒化処理を行うために要したアンモニアガス量２０〜３０ｍ^３に較べて、４０％程度の削減が可能であることが判明した。

１ ガス窒化装置
２ ガス窒化炉（気密性雰囲気炉）
３ 炉内圧力制御手段
５ 水素センサー
６ 第１アンモニア供給手段
７ 第２アンモニア供給手段
８ 炉内雰囲気制御手段
９ 不活性ガス供給手段
１０ ガス軟窒化装置
１１ ガス軟窒化炉（気密性雰囲気炉）
１２ 第１炭酸ガス供給手段
１３ 第２炭酸ガス供給手段

Claims (11)

1. 気密性雰囲気炉中に収納した被処理品を不活性ガス中、又は不活性ガスとアンモニアガス中で所定の処理温度に昇温した後、当該処理温度に保持しながら、上記炉内にアンモニアガスを供給してアンモニアガスとアンモニア分解ガス中で上記被処理品の表面に窒化層を形成するガス窒化方法において、
   上記アンモニアガスを第１の経路と第２の経路からそれぞれ供給し、第１の経路からは連続的に供給する一方、
   上記雰囲気炉内の水素分圧を検出し、その検出値が炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを所望の値とすべく予め算出された水素分圧となるように第２の経路からのアンモニアガス供給をオン−オフ制御することを特徴とするガス窒化方法。
2. 上記水素分圧が次式によって算出されることを特徴とする請求項１に記載のガス窒化方法。
   Ｋｎ＝（１−４Ｐ_Ｈ２／３）／Ｐ_Ｈ２ ^３／２
   （式中のＫｎは窒化ポテンシャル、Ｐ_Ｈ２は水素分圧を示す）
3. 上記水素分圧の検出を雰囲気炉に装着された熱伝導式センサーによって行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス窒化方法。
4. 気密性雰囲気炉中に収納した被処理品を不活性ガス中、又は不活性ガスとアンモニアガス中で所定の処理温度に昇温した後、当該処理温度に保持しながら、上記炉内にアンモニアガス及び炭酸ガスを供給してアンモニアガスとアンモニア分解ガスと炭酸ガス中で上記被処理品の表面に窒化層を形成するガス軟窒化方法において、
   上記アンモニアガス及び炭酸ガスを第１の経路と第２の経路からそれぞれ供給し、第１の経路からはそれぞれ連続的に供給する一方、
   上記雰囲気炉内の水素分圧を検出し、その検出値が炉内雰囲気の窒化ポテンシャルを所望の値とすべく予め算出された水素分圧となるように第２の経路からのアンモニアガス及び炭酸ガスの供給をオン−オフ制御することを特徴とするガス軟窒化方法。
5. 上記水素分圧が次式によって算出されることを特徴とする請求項４に記載のガス軟窒化方法。
   Ｋｎ＝（１−４Ｐ_Ｈ２／３）／Ｐ_Ｈ２ ^３／２
   （式中のＫｎは窒化ポテンシャル、Ｐ_Ｈ２は水素分圧を示す）
6. 上記水素分圧の検出を雰囲気炉に装着された熱伝導式センサーによって行うことを特徴とする請求項４又は５に記載のガス軟窒化方法。
7. 被処理品を収納する気密性雰囲気炉と、
   上記炉内を加熱する加熱手段と、
   上記炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段と、
   上記炉内の気圧を大気圧以上に保持する炉内圧力制御手段と、
   上記炉内にアンモニアガスを連続的に供給する第１アンモニア供給手段と、
   上記炉内にアンモニアガスを断続的に供給する第２アンモニア供給手段と、
   上記炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
   上記炉内の水素分圧を検出する水素センサーと、
   上記水素センサーによる炉内水素分圧の検出値に応じて、上記第２アンモニア供給手段からのアンモニア供給をオン−オフ制御する雰囲気制御手段を備えたことを特徴とするガス窒化装置。
8. 上記水素センサーが熱伝導式の直接装着型センサーであることを特徴とする請求項７に記載のガス窒化装置。
9. 被処理品を収納する気密性雰囲気炉と、
   上記炉内を加熱する加熱手段と、
   上記炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段と、
   上記炉内の気圧を大気圧以上に保持する炉内圧力制御手段と、
   上記炉内にアンモニアガスを連続的に供給する第１アンモニア供給手段と、
   上記炉内にアンモニアガスを断続的に供給する第２アンモニア供給手段と、
   上記炉内に炭酸ガスを連続的に供給する第１炭酸ガス供給手段と、
   上記炉内に炭酸ガスを断続的に供給する第２炭酸ガス供給手段と、
   上記炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
   上記炉内の水素分圧を検出する水素センサーと、
   上記水素センサーによる炉内水素分圧の検出値に応じて、上記第２アンモニア供給手段及び第２炭酸ガス供給手段からのガス供給をオン−オフ制御する雰囲気制御手段を備えたことを特徴とするガス軟窒化装置。
10. 被処理品を収納する気密性雰囲気炉と、
    上記炉内を加熱する加熱手段と、
    上記炉内を所定温度に保持する炉内温度制御手段と、
    上記炉内の気圧を大気圧以上に保持する炉内圧力制御手段と、
    上記炉内にアンモニアガス及び炭酸ガスを連続的に供給する第１ガス供給手段と、
    上記炉内にアンモニアガス及び炭酸ガスを断続的に供給する第２ガス供給手段と、
    上記炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
    上記炉内の水素分圧を検出する水素センサーと、
    上記水素センサーによる炉内水素分圧の検出値に応じて、上記第２ガス供給手段からのガス供給をオン−オフ制御する雰囲気制御手段を備えたことを特徴とするガス軟窒化装置。
11. 上記水素センサーが熱伝導式の直接装着型センサーであることを特徴とする請求項９又は１０に記載のガス軟窒化装置。

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