JP3510877B2 - ガス窒化炉 - Google Patents
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
- B01J4/04—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices using osmotic pressure using membranes, porous plates
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
- B01J19/185—Stationary reactors having moving elements inside of the pulsating type
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/10—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、鋼部材や難窒化性素材
等のガス窒化において、窒化効率を飛躍的に向上させる
ためのガス窒化炉に関する。
等のガス窒化において、窒化効率を飛躍的に向上させる
ためのガス窒化炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、鋼部材の表面を硬化する方法
として窒化法が用いられている。窒化法は、浸炭法に比
して処理温度が低いため被窒化物の変形や歪の発生が少
なく、又、鋼表面に形成される窒化層が極めて硬い等の
特徴を有するので、耐磨耗性や耐蝕性に優れた表面処理
方法の一つとして広く使用されている。この窒化法の態
様としては、ガス窒化法、塩浴窒化法、イオン窒化法等
が知られている。
として窒化法が用いられている。窒化法は、浸炭法に比
して処理温度が低いため被窒化物の変形や歪の発生が少
なく、又、鋼表面に形成される窒化層が極めて硬い等の
特徴を有するので、耐磨耗性や耐蝕性に優れた表面処理
方法の一つとして広く使用されている。この窒化法の態
様としては、ガス窒化法、塩浴窒化法、イオン窒化法等
が知られている。
【０００３】一般に、塩浴窒化法は、シアン塩を使用す
るため作業環境が悪く、又、廃液処理のため多額の費用
を必要とする等の問題がある。イオン窒化法は、減圧下
での放電現象を利用するため、単純形状の被窒化物に対
しては好適であるが、複雑な形状、或いは細孔・深孔を
有する被窒化物に対しては均一な窒化が困難であるとい
う問題を有する。
るため作業環境が悪く、又、廃液処理のため多額の費用
を必要とする等の問題がある。イオン窒化法は、減圧下
での放電現象を利用するため、単純形状の被窒化物に対
しては好適であるが、複雑な形状、或いは細孔・深孔を
有する被窒化物に対しては均一な窒化が困難であるとい
う問題を有する。
【０００４】ガス窒化法は、アンモニアガスのような窒
素を含む窒化ガス中で被窒化部材を加熱し、窒化ガスの
分解により発生する窒素原子を鋼表面に含まれる鉄成分
と化学反応させることにより、鋼表面に窒化層を形成
し、硬化させるものである。このガス窒化法は、作業環
境が良く、又、複雑な形状の被窒化物に対しても対応で
きるので、塩浴窒化法及びイオン窒化法の有する問題点
を解決する。
素を含む窒化ガス中で被窒化部材を加熱し、窒化ガスの
分解により発生する窒素原子を鋼表面に含まれる鉄成分
と化学反応させることにより、鋼表面に窒化層を形成
し、硬化させるものである。このガス窒化法は、作業環
境が良く、又、複雑な形状の被窒化物に対しても対応で
きるので、塩浴窒化法及びイオン窒化法の有する問題点
を解決する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記ガ
ス窒化法は、オーステナイト系ステンレス鋼等の難窒化
性素材に対しては、窒化前に、窒化面の不動態膜を除去
する必要がある。又、複雑な形状の被窒化物に対して
は、窒化層の厚みにばらつきができたり、細孔・深孔に
対する窒化が不十分であるという問題を有する。
ス窒化法は、オーステナイト系ステンレス鋼等の難窒化
性素材に対しては、窒化前に、窒化面の不動態膜を除去
する必要がある。又、複雑な形状の被窒化物に対して
は、窒化層の厚みにばらつきができたり、細孔・深孔に
対する窒化が不十分であるという問題を有する。
【０００６】又、窒化の際、窒化ガスは、通常被窒化物
の表面を舐めるように通過するだけであるため、窒化の
進行に関与する化学反応が緩慢であり、厚い窒化層を形
成するためには、長時間処理（４０時間以上）、或いは
高温処理（５５０〜５８０℃以上）が必要となる。この
ような高温処理・長時間処理は、窒化層硬度の低下、脆
化層（白層）の増大、寸法変化の増加等を派生する外、
被窒化物の冶金的特性に悪影響等を生ずる恐れがある。
又、長時間処理による窒化ガス使用量の増大、窒化の生
産性の低下等、製品のコストパフォーマンスが悪くなる
という問題もある。
の表面を舐めるように通過するだけであるため、窒化の
進行に関与する化学反応が緩慢であり、厚い窒化層を形
成するためには、長時間処理（４０時間以上）、或いは
高温処理（５５０〜５８０℃以上）が必要となる。この
ような高温処理・長時間処理は、窒化層硬度の低下、脆
化層（白層）の増大、寸法変化の増加等を派生する外、
被窒化物の冶金的特性に悪影響等を生ずる恐れがある。
又、長時間処理による窒化ガス使用量の増大、窒化の生
産性の低下等、製品のコストパフォーマンスが悪くなる
という問題もある。
【０００７】
【発明の目的】本発明は、前記した問題点に鑑み、難窒
化性素材や複雑な形状の被窒化物に対しても効率良く窒
化でき、又、従来のガス窒化法に比して、低温且つ短時
間で優れた窒化層を形成することのできる新規且つ革新
的なガス窒化炉を提供するものである。
化性素材や複雑な形状の被窒化物に対しても効率良く窒
化でき、又、従来のガス窒化法に比して、低温且つ短時
間で優れた窒化層を形成することのできる新規且つ革新
的なガス窒化炉を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のガス窒化炉は、
ステンレス鋼を窒化するためのガス窒化炉であって、窒
化炉内への窒化ガスの出口部に毎分３５００回以上振動
する振動板を設け、窒化ガスを振動板に衝突して窒化炉
内に導入し、被窒化物に振動衝撃波を作用させることに
より、被窒化物の表面の不動態膜を除去しながらを窒化
することを特徴とする。
ステンレス鋼を窒化するためのガス窒化炉であって、窒
化炉内への窒化ガスの出口部に毎分３５００回以上振動
する振動板を設け、窒化ガスを振動板に衝突して窒化炉
内に導入し、被窒化物に振動衝撃波を作用させることに
より、被窒化物の表面の不動態膜を除去しながらを窒化
することを特徴とする。
【０００９】本発明のガス窒化炉は、ステンレス鋼を窒
化するためのガス窒化炉において、窒化ガス導入流路の
窒化炉外に設けたモータ及びカム機構と、窒化ガス導入
流路の窒化炉内への出口部に設けた振動体と、窒化ガス
導入流路内に設けたカム機構の運動を振動体に伝達する
支持棒とをそれぞれ備え、窒化炉内へ導入される窒化ガ
スに振動体を介して毎分３５００回以上の機械的振動を
付与するとともに、この振動が付加された窒化ガスを被
窒化物に衝突させ、その窒化面の不動態膜を除去しなが
ら窒化することを特徴とする。更に好ましくは、前記振
動体が、振動板との複合振動体であることを特徴とす
る。
化するためのガス窒化炉において、窒化ガス導入流路の
窒化炉外に設けたモータ及びカム機構と、窒化ガス導入
流路の窒化炉内への出口部に設けた振動体と、窒化ガス
導入流路内に設けたカム機構の運動を振動体に伝達する
支持棒とをそれぞれ備え、窒化炉内へ導入される窒化ガ
スに振動体を介して毎分３５００回以上の機械的振動を
付与するとともに、この振動が付加された窒化ガスを被
窒化物に衝突させ、その窒化面の不動態膜を除去しなが
ら窒化することを特徴とする。更に好ましくは、前記振
動体が、振動板との複合振動体であることを特徴とす
る。
【００１０】一般にガス窒化では、加熱された鋼の表面
に、窒化ガス、例えばアンモニアガスを接触させ、鋼表
面の触媒作用によってアンモニアガスを分解して活性な
原子状態の窒素を発生させ、これが鋼中の鉄成分と反応
することによって窒化層が生成される。
に、窒化ガス、例えばアンモニアガスを接触させ、鋼表
面の触媒作用によってアンモニアガスを分解して活性な
原子状態の窒素を発生させ、これが鋼中の鉄成分と反応
することによって窒化層が生成される。
【００１１】例えば、アンモニア（ＮＨ３）と鉄（Ｆ
ｅ）との窒化反応では、次の反応式（式１）で鋼の表面
に窒化層〔Ｆｅ〕Ｎが形成される。 ＮＨ３＋〔Ｆｅ〕→Ｈ２＋〔Ｆｅ〕Ｎ ・・・・（式
１） 鉄の窒化物としては、Ｆｅ２Ｎ、Ｆｅ４Ｎがある。
ｅ）との窒化反応では、次の反応式（式１）で鋼の表面
に窒化層〔Ｆｅ〕Ｎが形成される。 ＮＨ３＋〔Ｆｅ〕→Ｈ２＋〔Ｆｅ〕Ｎ ・・・・（式
１） 鉄の窒化物としては、Ｆｅ２Ｎ、Ｆｅ４Ｎがある。
【００１２】鋼中にアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃ
ｒ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）等の合金が添
加されている場合は、活性化された窒素原子がこれらの
添加元素と反応して、次の反応式（式２・式３）に示す
ように窒化アルミ（ＡｌＮ）・窒化クロム（Ｃｒ
２Ｎ３）が形成される。 ＮＨ３＋Ａｌ→Ｈ２＋ＡｌＮ ・・・・（式２） ＮＨ３＋Ｃｒ→Ｈ２＋Ｃｒ２Ｎ３ ・・・・（式３）
ｒ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）等の合金が添
加されている場合は、活性化された窒素原子がこれらの
添加元素と反応して、次の反応式（式２・式３）に示す
ように窒化アルミ（ＡｌＮ）・窒化クロム（Ｃｒ
２Ｎ３）が形成される。 ＮＨ３＋Ａｌ→Ｈ２＋ＡｌＮ ・・・・（式２） ＮＨ３＋Ｃｒ→Ｈ２＋Ｃｒ２Ｎ３ ・・・・（式３）
【００１３】これら窒化鉄（Ｆｅ２Ｎ、Ｆｅ４Ｎ）、窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化クロム（Ｃｒ２Ｎ３）
は、鉄に不溶性で硬く安定しており、鋼の表面の硬度を
高める機能をもつ。
化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化クロム（Ｃｒ２Ｎ３）
は、鉄に不溶性で硬く安定しており、鋼の表面の硬度を
高める機能をもつ。
【００１４】本発明者は、ガス窒化における窒化プロセ
スについて鋭意研究を進めた結果、窒化ガスが鋼の表面
に接触したときに発生する原子状態の窒素原子の活性状
態が窒化反応の進行に大きく影響することに気付き、窒
化ガスの活性化を促進する手法について種々実験を進め
た。この活性化を増進するのに窒化反応の温度を高める
方法等も考えられるが、前記のように鋼に脆化層が発生
したり、形状に歪が生ずる等の障害も起こる。
スについて鋭意研究を進めた結果、窒化ガスが鋼の表面
に接触したときに発生する原子状態の窒素原子の活性状
態が窒化反応の進行に大きく影響することに気付き、窒
化ガスの活性化を促進する手法について種々実験を進め
た。この活性化を増進するのに窒化反応の温度を高める
方法等も考えられるが、前記のように鋼に脆化層が発生
したり、形状に歪が生ずる等の障害も起こる。
【００１５】以上の実験考察の結果、本発明者は窒化ガ
スに振動を与えた状態で、鋼の表面に接触させることに
より、窒化ガスと鋼との接触反応における窒素の活性化
が飛躍的に高まり、鋼の窒化効率を向上させるもので、
特にこの振動強度を毎分３５００回程度以上にして衝撃
波として被窒化物に作用させることにより、ステンレス
鋼の窒化に際して隘路となる不動態膜の除去が可能とな
り、結果的に窒化効果が高まることを見出したものであ
る。
スに振動を与えた状態で、鋼の表面に接触させることに
より、窒化ガスと鋼との接触反応における窒素の活性化
が飛躍的に高まり、鋼の窒化効率を向上させるもので、
特にこの振動強度を毎分３５００回程度以上にして衝撃
波として被窒化物に作用させることにより、ステンレス
鋼の窒化に際して隘路となる不動態膜の除去が可能とな
り、結果的に窒化効果が高まることを見出したものであ
る。
【００１６】このガス窒化炉によって得られる窒化物
は、硬く安定しており、α鉄格子内に微細な形で分散し
て析出するので、α鉄格子に大きな歪を与える結果とな
り、鋼を著しく硬化させることも確認された。
は、硬く安定しており、α鉄格子内に微細な形で分散し
て析出するので、α鉄格子に大きな歪を与える結果とな
り、鋼を著しく硬化させることも確認された。
【００１７】窒化ガスに振動を付与する手段としては、
密閉窒化炉内へ窒化ガスを供給する際、この供給した窒
化ガスを炉内において振動板に衝突させ、炉内の窒化ガ
スを含む雰囲気ガスに衝撃波を発生させる手法が望まし
いが、要は窒化ガスと鋼との接触反応が、従来の流動接
触に加え、分子振動又は機械的な振動を伴った状態での
接触反応、即ちダイナミックな窒化反応を起こさせるこ
とが肝要である。
密閉窒化炉内へ窒化ガスを供給する際、この供給した窒
化ガスを炉内において振動板に衝突させ、炉内の窒化ガ
スを含む雰囲気ガスに衝撃波を発生させる手法が望まし
いが、要は窒化ガスと鋼との接触反応が、従来の流動接
触に加え、分子振動又は機械的な振動を伴った状態での
接触反応、即ちダイナミックな窒化反応を起こさせるこ
とが肝要である。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、添付
図面に基づいて詳細に説明する。
図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】図１は、本発明のガス窒化炉の一つの実施
例として、窒化ガスを窒化炉内へ供給する過程におい
て、この窒化ガスに振動を付与しながら導入することに
よって、炉内の雰囲気ガス（窒化ガスと不活性ガスとの
混合ガス）に衝撃振動を派生させながら窒化を進行させ
る例を示したものである。図において、１は密閉窒化炉
を示し、内部に被窒化物Ｗ、例えば鋼材が収容される。
その側方には、この窒化炉１に供給する窒化ガスの供給
量や圧力等を制御するガス制御装置３、窒化炉１の温度
を制御する温度制御装置４が配置される。２は本発明に
よって提供される振動付与手段で、詳細は後述する。
例として、窒化ガスを窒化炉内へ供給する過程におい
て、この窒化ガスに振動を付与しながら導入することに
よって、炉内の雰囲気ガス（窒化ガスと不活性ガスとの
混合ガス）に衝撃振動を派生させながら窒化を進行させ
る例を示したものである。図において、１は密閉窒化炉
を示し、内部に被窒化物Ｗ、例えば鋼材が収容される。
その側方には、この窒化炉１に供給する窒化ガスの供給
量や圧力等を制御するガス制御装置３、窒化炉１の温度
を制御する温度制御装置４が配置される。２は本発明に
よって提供される振動付与手段で、詳細は後述する。
【００２０】窒化炉１は、炉体１０と、この炉体１０内
に被窒化物Ｗを設置するためのレトルト１１、及びレト
ルト１１を加熱するためのヒータ１２を有し、上部に
は、レトルト１１を挿脱するための開口部１３が設けら
れる。そして、この窒化炉１の上部に、炉体１０内に窒
化ガスを供給する窒化ガス供給系路３０、及び炉体１０
内に窒化ガス以外の不活性ガス（例えば、Ｎ２ガス）を
供給する不活性ガス供給系路３１が設けられ（以下、窒
化ガス供給系路３０と不活性ガス供給系路３１とを総称
してガス供給系路３０・３１という）、窒化炉１の下部
に、炉体１０内の空気や雰囲気ガスを排出するガス排出
系路３２が設けられている。
に被窒化物Ｗを設置するためのレトルト１１、及びレト
ルト１１を加熱するためのヒータ１２を有し、上部に
は、レトルト１１を挿脱するための開口部１３が設けら
れる。そして、この窒化炉１の上部に、炉体１０内に窒
化ガスを供給する窒化ガス供給系路３０、及び炉体１０
内に窒化ガス以外の不活性ガス（例えば、Ｎ２ガス）を
供給する不活性ガス供給系路３１が設けられ（以下、窒
化ガス供給系路３０と不活性ガス供給系路３１とを総称
してガス供給系路３０・３１という）、窒化炉１の下部
に、炉体１０内の空気や雰囲気ガスを排出するガス排出
系路３２が設けられている。
【００２１】レトルト１１は、上部に開口フランジ１４
を有し、この開口フランジ１４は、その内部に蓋体１５
が着脱可能である。温度制御装置４は、炉体１０内に設
置した温度センサ４０からの検出温度に応じて、ヒータ
１２をコントロールする。ガス制御装置３は、ガスの導
入・排出、ガスの組合せ・切換え、ガスの流量・圧力等
をコントロールする。
を有し、この開口フランジ１４は、その内部に蓋体１５
が着脱可能である。温度制御装置４は、炉体１０内に設
置した温度センサ４０からの検出温度に応じて、ヒータ
１２をコントロールする。ガス制御装置３は、ガスの導
入・排出、ガスの組合せ・切換え、ガスの流量・圧力等
をコントロールする。
【００２２】被窒化物Ｗは、例えばオーステナイト系ス
テンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）、マルテンサイト系ステ
ンレス鋼材（ＳＵＳ４２０Ｊ２）、熱間工具鋼（ＳＫＤ
６１）等である。窒化する際は、被窒化物Ｗをレトルト
１１の内部に設けられた載置台１７に設置した後、レト
ルト１１に蓋体１５を装着し、レトルト１１を密閉す
る。
テンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）、マルテンサイト系ステ
ンレス鋼材（ＳＵＳ４２０Ｊ２）、熱間工具鋼（ＳＫＤ
６１）等である。窒化する際は、被窒化物Ｗをレトルト
１１の内部に設けられた載置台１７に設置した後、レト
ルト１１に蓋体１５を装着し、レトルト１１を密閉す
る。
【００２３】図２及び３は、振動付与手段２の概略図を
示す。図２は第１例を示し、図３は第２例を示す。
示す。図２は第１例を示し、図３は第２例を示す。
【００２４】先ず、図２Ａに基づいて振動付与手段２の
第１例を説明する。窒化炉１の上部に、流路パイプ２４
が取り付いており、流路パイプ２４の上端側２４ａに窒
化ガス供給系路３０である窒化ガス導入管３０が接続さ
れ、その下端側に流路パイプ２４の内側に滑動自在に嵌
入された円柱状の振動体２０が設けられている。振動体
２０は、炉１外の振動伝達プレート２７ｃから支持棒２
３によって吊持されており、振動体２０の炉内への出口
部には振動板２１が取り付けられている。２５は、振動
体２０に振動を付与するためのモータで、ケーシング１
６に固定されており、モータ２５の回転は、図２Ｂに示
すように、カム２７ａ及びカムフォロアー２７ｂを介し
て支持棒２３の上下動に変換され、振動体２０に振動を
伝達する。
第１例を説明する。窒化炉１の上部に、流路パイプ２４
が取り付いており、流路パイプ２４の上端側２４ａに窒
化ガス供給系路３０である窒化ガス導入管３０が接続さ
れ、その下端側に流路パイプ２４の内側に滑動自在に嵌
入された円柱状の振動体２０が設けられている。振動体
２０は、炉１外の振動伝達プレート２７ｃから支持棒２
３によって吊持されており、振動体２０の炉内への出口
部には振動板２１が取り付けられている。２５は、振動
体２０に振動を付与するためのモータで、ケーシング１
６に固定されており、モータ２５の回転は、図２Ｂに示
すように、カム２７ａ及びカムフォロアー２７ｂを介し
て支持棒２３の上下動に変換され、振動体２０に振動を
伝達する。
【００２５】窒化ガス導入管３０から供給された窒化ガ
スは、流路パイプ２４内の上端側２４ａから下端側に流
れ、上下に高速振動する振動体２０に衝突する。それに
よって窒化ガスに振動が付与され、この振動衝撃波を伴
った窒化ガスは、振動体２０に設けた導出孔２２を通じ
て炉内へ放出される。その際、更に高速振動する振動板
２１に衝突することによって、更なる機械的な振動が付
与された状態で窒化炉１内へ放出され、被窒化物Ｗと化
学反応する。そして、流路パイプ２４の上部には、流路
パイプ２４と支持棒２３との密閉性を確保するためフレ
キシブルシール機構（例えば、ベローズ機構）が、支持
棒２３の上部及び中央部には、振動による安定性・耐久
性を向上するため摺動軸受が設けられている。
スは、流路パイプ２４内の上端側２４ａから下端側に流
れ、上下に高速振動する振動体２０に衝突する。それに
よって窒化ガスに振動が付与され、この振動衝撃波を伴
った窒化ガスは、振動体２０に設けた導出孔２２を通じ
て炉内へ放出される。その際、更に高速振動する振動板
２１に衝突することによって、更なる機械的な振動が付
与された状態で窒化炉１内へ放出され、被窒化物Ｗと化
学反応する。そして、流路パイプ２４の上部には、流路
パイプ２４と支持棒２３との密閉性を確保するためフレ
キシブルシール機構（例えば、ベローズ機構）が、支持
棒２３の上部及び中央部には、振動による安定性・耐久
性を向上するため摺動軸受が設けられている。
【００２６】図２Ｂに基づいて、振動付与手段２の構成
を説明する。図において、２６は、モータ２５の出力軸
で、これが回転すると、この軸に取り付けられたカム２
７ａが矢印ａの方向に旋回し、プレート２７ｃ上に載置
された波形形状のカムフォロアー２７ｂに当接して、こ
れを矢印ｂに示すようにプレート２７ｃとともに上下に
振動させる。即ち、カムフォロアー２７ｂを載置したプ
レート２７ｃは、窒化炉１の筐体上部に植設固定された
複数の支持柱２８ｂに、コイルバネ２８ａを介して上下
動可能に保持されており、又このプレート２７ｃには振
動体２０を吊持する支持棒２３の上端が取り付けられて
いる。これにより、モータ軸２６の回転トルクは、カム
２７ａ及びカムフォロアー２７ｂを介してプレート２７
ｃの上下動として伝達され、支持棒２３を介して振動体
２０及び振動板２１に上下振動を与える。これらカム２
７ａ、カムフォロアー２７ｂ、及びプレート２７Ｃから
なる機構をカム機構２７と呼称する。
を説明する。図において、２６は、モータ２５の出力軸
で、これが回転すると、この軸に取り付けられたカム２
７ａが矢印ａの方向に旋回し、プレート２７ｃ上に載置
された波形形状のカムフォロアー２７ｂに当接して、こ
れを矢印ｂに示すようにプレート２７ｃとともに上下に
振動させる。即ち、カムフォロアー２７ｂを載置したプ
レート２７ｃは、窒化炉１の筐体上部に植設固定された
複数の支持柱２８ｂに、コイルバネ２８ａを介して上下
動可能に保持されており、又このプレート２７ｃには振
動体２０を吊持する支持棒２３の上端が取り付けられて
いる。これにより、モータ軸２６の回転トルクは、カム
２７ａ及びカムフォロアー２７ｂを介してプレート２７
ｃの上下動として伝達され、支持棒２３を介して振動体
２０及び振動板２１に上下振動を与える。これらカム２
７ａ、カムフォロアー２７ｂ、及びプレート２７Ｃから
なる機構をカム機構２７と呼称する。
【００２７】次に、図３に基づいて振動付与手段２の第
２例を説明する。この例の振動付与手段２において、モ
ータ２５、出力軸２６、カム機構２７、コイルバネ２８
ａ及び支持柱２８ｂの構成は、前記した第１例と同様で
あるため説明を省略する。
２例を説明する。この例の振動付与手段２において、モ
ータ２５、出力軸２６、カム機構２７、コイルバネ２８
ａ及び支持柱２８ｂの構成は、前記した第１例と同様で
あるため説明を省略する。
【００２８】異なる点は、上下動するプレート２７ｃに
直接流路パイプ２４が取り付けられており、その下端に
振動板２１が取り付けられ、窒化ガスが流通する流路パ
イプ２４自体が上下に振動して振動板２１を振動させる
ようにした点である。この場合は振動体２０は省略され
る。そして、流路パイプ２４の上部には、流路パイプ２
４と窒化炉１上面との密閉性を確保するためフレキシブ
ルシール機構が、支持棒２３の上部には、振動による安
定性・耐久性を向上するため摺動軸受が設けられてい
る。本実施例においては、この流路パイプ２４は、振幅
１〜１０ｍｍ程度、振動数毎分５０００回程度の範囲内
で振動させ、被窒化物の種類に応じて選定した。
直接流路パイプ２４が取り付けられており、その下端に
振動板２１が取り付けられ、窒化ガスが流通する流路パ
イプ２４自体が上下に振動して振動板２１を振動させる
ようにした点である。この場合は振動体２０は省略され
る。そして、流路パイプ２４の上部には、流路パイプ２
４と窒化炉１上面との密閉性を確保するためフレキシブ
ルシール機構が、支持棒２３の上部には、振動による安
定性・耐久性を向上するため摺動軸受が設けられてい
る。本実施例においては、この流路パイプ２４は、振幅
１〜１０ｍｍ程度、振動数毎分５０００回程度の範囲内
で振動させ、被窒化物の種類に応じて選定した。
【００２９】前記した第１例では、振動体２０に導出孔
２２が設けられているが、第２例では、その代わりに、
流路パイプ２４の下端側に複数の導出孔２４ｂが設けら
れており、流路パイプ２４内の窒化ガスが導出孔２４ｂ
から放出され、その窒化ガスが高速に振動する振動板２
１に衝突し、それによって窒化ガスに振動が付与され、
その振動を付与された窒化ガスが、レトルト１１内の雰
囲気ガスとともに振動衝撃波を伴って、被窒化物Ｗと反
応するようにしたものである。
２２が設けられているが、第２例では、その代わりに、
流路パイプ２４の下端側に複数の導出孔２４ｂが設けら
れており、流路パイプ２４内の窒化ガスが導出孔２４ｂ
から放出され、その窒化ガスが高速に振動する振動板２
１に衝突し、それによって窒化ガスに振動が付与され、
その振動を付与された窒化ガスが、レトルト１１内の雰
囲気ガスとともに振動衝撃波を伴って、被窒化物Ｗと反
応するようにしたものである。
【００３０】図４は、ガスフロー図を示す。図４に基づ
いて、被窒化物を窒化する際のガスフローを詳細に説明
をする。
いて、被窒化物を窒化する際のガスフローを詳細に説明
をする。
【００３１】先ず、レトルト１１内にガスを供給する供
給バルブＶ１、及びレトルト１１内からガスを排出する
排出バルブＶ２を閉じる。そして、排出バルブＶ３を開
き、真空ポンプＶＰを運転し、レトルト１１内の空気を
排除する。排気完了後、供給バルブＶ１を開いてレトル
ト１１内に窒化ガス（ＮＨ３）を導入する。場合によ
り、不活性ガス（Ｎ２等）を窒化ガスに先行して導入し
たり、或いは同時に導入する場合もある。
給バルブＶ１、及びレトルト１１内からガスを排出する
排出バルブＶ２を閉じる。そして、排出バルブＶ３を開
き、真空ポンプＶＰを運転し、レトルト１１内の空気を
排除する。排気完了後、供給バルブＶ１を開いてレトル
ト１１内に窒化ガス（ＮＨ３）を導入する。場合によ
り、不活性ガス（Ｎ２等）を窒化ガスに先行して導入し
たり、或いは同時に導入する場合もある。
【００３２】レトルト１１内に窒化ガスを含む雰囲気ガ
スを充満した後、排出バルブＶ４を開き、流量調整器Ｍ
Ｃ又は圧力調整器ＰＲでレトルト１１内の雰囲気ガス圧
力を制御する。雰囲気ガス圧力は、被窒化物Ｗの形状や
材料、或いは窒化層の要求硬度に応じて決める。
スを充満した後、排出バルブＶ４を開き、流量調整器Ｍ
Ｃ又は圧力調整器ＰＲでレトルト１１内の雰囲気ガス圧
力を制御する。雰囲気ガス圧力は、被窒化物Ｗの形状や
材料、或いは窒化層の要求硬度に応じて決める。
【００３３】レトルト１１内の雰囲気ガス圧力が安定し
た後、ヒータ１２で窒化炉１内を昇温する（図１参
照）。窒化炉１内の温度は３００〜６００℃（被窒化物
Ｗの形状や材料、窒化層の硬度に応じて決定する）であ
る。本実施例では、従来の窒化方法の温度（約５５０
℃）よりも低温（約３５０℃）で十分有効な結果が得ら
れた。
た後、ヒータ１２で窒化炉１内を昇温する（図１参
照）。窒化炉１内の温度は３００〜６００℃（被窒化物
Ｗの形状や材料、窒化層の硬度に応じて決定する）であ
る。本実施例では、従来の窒化方法の温度（約５５０
℃）よりも低温（約３５０℃）で十分有効な結果が得ら
れた。
【００３４】その後、振動付与手段２によって窒化ガス
に振動を付与しながら、レトルト１１内に引続き所定時
間、窒化ガスを導入する。窒化の終了後、ヒータ１２を
停止して被窒化物Ｗを冷却して取り出す。
に振動を付与しながら、レトルト１１内に引続き所定時
間、窒化ガスを導入する。窒化の終了後、ヒータ１２を
停止して被窒化物Ｗを冷却して取り出す。
【００３５】本実施例は、窒化炉１の上部に振動付与手
段２を設けた例であるが、これを下部に設けることもで
きる。又、被窒化物Ｗが、小物であって窒化炉１内に多
数存在する場合、窒化炉１の上下部両方に、振動付与手
段２を設けることにより、全ての被窒化物Ｗに対して効
果的に窒化することもできる。
段２を設けた例であるが、これを下部に設けることもで
きる。又、被窒化物Ｗが、小物であって窒化炉１内に多
数存在する場合、窒化炉１の上下部両方に、振動付与手
段２を設けることにより、全ての被窒化物Ｗに対して効
果的に窒化することもできる。
【００３６】更に、被窒化物Ｗを回転させながら、振動
を付与した窒化ガスを含む雰囲気ガスを窒化炉１に供給
すれば、被窒化物Ｗの窒化のむらが少なくなり、全面に
沿って均一に窒化ができる。
を付与した窒化ガスを含む雰囲気ガスを窒化炉１に供給
すれば、被窒化物Ｗの窒化のむらが少なくなり、全面に
沿って均一に窒化ができる。
【００３７】次に、本発明と従来例との窒化を同一条件
（温度・時間）下で実施し、そのデータに基づいて、本
発明の効果を検証する。
（温度・時間）下で実施し、そのデータに基づいて、本
発明の効果を検証する。
【００３８】図５乃至７は、被窒化物表面からの距離に
対する硬度を示し、Ａは本発明と従来例とのデータ比較
表、Ｂは本発明と従来例とのデータ比較グラフである。
対する硬度を示し、Ａは本発明と従来例とのデータ比較
表、Ｂは本発明と従来例とのデータ比較グラフである。
【００３９】先ず、図５に基づいて説明する。この実験
データによる被窒化物は、オーステナイト系ステンレス
鋼（ＳＵＳ３０４）であり、この図に示す通り、本発明
では、被窒化物表面に強固な窒化層が約１０μｍ形成さ
れているのに対し、従来例では、極弱な窒化層しか形成
されていないことがわかる。
データによる被窒化物は、オーステナイト系ステンレス
鋼（ＳＵＳ３０４）であり、この図に示す通り、本発明
では、被窒化物表面に強固な窒化層が約１０μｍ形成さ
れているのに対し、従来例では、極弱な窒化層しか形成
されていないことがわかる。
【００４０】次に、図６に基づいて説明する。この実験
データによる被窒化物は、マルテンサイト系ステンレス
鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）であり、この図に示す通り、本
発明では、被窒化物表面に強固な窒化層が１５〜２０μ
ｍ形成されているのに対し、従来例では、強固な窒化層
が５μｍ未満しか形成されていないことが確認できる。
データによる被窒化物は、マルテンサイト系ステンレス
鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）であり、この図に示す通り、本
発明では、被窒化物表面に強固な窒化層が１５〜２０μ
ｍ形成されているのに対し、従来例では、強固な窒化層
が５μｍ未満しか形成されていないことが確認できる。
【００４１】図７に示す実験データにおいては、被窒化
物が、熱間工具鋼（ＳＫＤ６１）であり、この図に示す
通り、本発明では、被窒化物表面に強固な窒化層が１０
〜１５μｍ形成されているのに対し、従来例では、極弱
な窒化層しか形成されていない。
物が、熱間工具鋼（ＳＫＤ６１）であり、この図に示す
通り、本発明では、被窒化物表面に強固な窒化層が１０
〜１５μｍ形成されているのに対し、従来例では、極弱
な窒化層しか形成されていない。
【００４２】図８は、本発明に係る被窒化物（マルテン
サイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２））表面側の
切断面の顕微鏡写真（４００倍）を示し、図９は、従来
例に係る被窒化物（マルテンサイト系ステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ４２０Ｊ２））表面側の切断面の顕微鏡写真（４０
０倍）を示す。各図に示す通り、本発明では、被窒化層
表面に約１７μｍの窒化層が形成されているのに対し、
従来例では、約４μｍの窒化層しか形成されていないこ
とが認識できる。
サイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２））表面側の
切断面の顕微鏡写真（４００倍）を示し、図９は、従来
例に係る被窒化物（マルテンサイト系ステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ４２０Ｊ２））表面側の切断面の顕微鏡写真（４０
０倍）を示す。各図に示す通り、本発明では、被窒化層
表面に約１７μｍの窒化層が形成されているのに対し、
従来例では、約４μｍの窒化層しか形成されていないこ
とが認識できる。
【００４３】以上の結果、同一温度条件において、従来
のガス窒化法に比し窒化時間の大幅な短縮が可能となる
ことが前記の実験データから確認できた。又、低温にお
いても、複雑な形状、又は細孔・深孔・非貫通孔を有す
る被窒化物に対しても十分な窒化効果が得られた。
のガス窒化法に比し窒化時間の大幅な短縮が可能となる
ことが前記の実験データから確認できた。又、低温にお
いても、複雑な形状、又は細孔・深孔・非貫通孔を有す
る被窒化物に対しても十分な窒化効果が得られた。
【００４４】尚、以上の実験例は、毎分１５００〜３５
００回程度の振動数で振動板２１を振動した例であり、
この程度の振動数で十分効果が確認できた。更に追随し
た実験結果によれば、振動板２１の振動数は毎分４００
〜５０００回の範囲で窒化効果が確認されている。
００回程度の振動数で振動板２１を振動した例であり、
この程度の振動数で十分効果が確認できた。更に追随し
た実験結果によれば、振動板２１の振動数は毎分４００
〜５０００回の範囲で窒化効果が確認されている。
【００４５】以上、本発明のガス窒化炉の実施例とし
て、窒化ガス供給系路３０内に振動付与手段２を設け、
窒化ガスに振動を付与した状態で窒化炉１内へ導入する
ことによって、炉１内の雰囲気ガスに振動を派生させつ
つ、被窒化物表面との流動接触反応を起こさせる例につ
いて説明し、又その具体的な被窒化物の実験データ及び
組織写真を例示したが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。
て、窒化ガス供給系路３０内に振動付与手段２を設け、
窒化ガスに振動を付与した状態で窒化炉１内へ導入する
ことによって、炉１内の雰囲気ガスに振動を派生させつ
つ、被窒化物表面との流動接触反応を起こさせる例につ
いて説明し、又その具体的な被窒化物の実験データ及び
組織写真を例示したが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。
【００４６】例えば、振動付与手段２を不活性ガス供給
系路３１内に設けることによって、炉１内の窒化ガスに
振動を派生させるようにしてもよく、又、この方法と前
記した方法とを併用することにより、窒化効果は更に向
上する。
系路３１内に設けることによって、炉１内の窒化ガスに
振動を派生させるようにしてもよく、又、この方法と前
記した方法とを併用することにより、窒化効果は更に向
上する。
【００４７】更に、振動付与手段２をガス供給系路３０
・３１に設ける代わりに、レトルト１１内のワーク（被
窒化物）Ｗの近傍に振動板２１等を配置し、これを電磁
式或いは機械的振動付与手段を介して振動させ、被窒化
物Ｗ近傍の窒化ガスに振動衝撃波を派生させるようにし
ても同等の効果が得られるし、当然これらを併用するこ
とも可能である。
・３１に設ける代わりに、レトルト１１内のワーク（被
窒化物）Ｗの近傍に振動板２１等を配置し、これを電磁
式或いは機械的振動付与手段を介して振動させ、被窒化
物Ｗ近傍の窒化ガスに振動衝撃波を派生させるようにし
ても同等の効果が得られるし、当然これらを併用するこ
とも可能である。
【００４８】一般的には、窒化ガスの原子状態の窒素原
子が窒化反応に大きく関与するので、窒化ガスに直接振
動衝撃波を付与して窒化するのが有効である。
子が窒化反応に大きく関与するので、窒化ガスに直接振
動衝撃波を付与して窒化するのが有効である。
【００４９】
【００５０】
【００５１】以上、ガスに機械的振動或いは衝撃波を付
与しながらステンレス鋼の窒化を行う装置を提供したも
ので、低温で高度な窒化が得られることが大きな特長で
ある。
与しながらステンレス鋼の窒化を行う装置を提供したも
ので、低温で高度な窒化が得られることが大きな特長で
ある。
【００５２】
【発明の効果】本発明は、窒化ガスをこれに強化な機械
的な衝撃波を付与しながら炉内に導入することにより窒
化ガスの熱分解反応が促進される。又、本装置では強い
衝撃波による鋼表面との衝突作用と相俟ってアンモニア
ガスからの窒化原子の解離が促進される結果、発生期の
水素も多く発生するので、その水素原子による還元作用
も強くなるので、不動態膜除去のための前処理をしなく
てもステンレス鋼に安定した窒化層を形成できる。
的な衝撃波を付与しながら炉内に導入することにより窒
化ガスの熱分解反応が促進される。又、本装置では強い
衝撃波による鋼表面との衝突作用と相俟ってアンモニア
ガスからの窒化原子の解離が促進される結果、発生期の
水素も多く発生するので、その水素原子による還元作用
も強くなるので、不動態膜除去のための前処理をしなく
てもステンレス鋼に安定した窒化層を形成できる。
【００５３】以上から、オーステナイト系ステンレス
鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等の難窒化性素材、
或いはエッジや細孔・深孔を有する複雑な形状の被窒化
物に対しても効果的に窒化できる。又、熱間工具鋼のよ
うな多用される材料については、従来のガス窒化法に比
して、低温且つ短時間に窒化ができ、脆化層（白層）の
生成が大幅に抑制できるとともに、被窒化物の内部組織
に与える影響も少ない等利用価値が高い。
鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等の難窒化性素材、
或いはエッジや細孔・深孔を有する複雑な形状の被窒化
物に対しても効果的に窒化できる。又、熱間工具鋼のよ
うな多用される材料については、従来のガス窒化法に比
して、低温且つ短時間に窒化ができ、脆化層（白層）の
生成が大幅に抑制できるとともに、被窒化物の内部組織
に与える影響も少ない等利用価値が高い。
【００５４】更に、低温・短時間処理のため、窒化ガス
使用量の減少、窒化炉加熱エネルギー量の減少、環境の
改善等、経済性及び環境性についても優れている。
使用量の減少、窒化炉加熱エネルギー量の減少、環境の
改善等、経済性及び環境性についても優れている。
【図１】ガス振動式窒化装置の動作説明用側面図を示
す。
す。
【図２】振動付与手段の第１例の概略図を示す。
【図３】振動付与手段の第２例の概略図を示す。
【図４】ガスフロー図を示す。
【図５】被窒化物（オーステナイト系ステンレス鋼）表
面からの距離に対する硬度を示す。
面からの距離に対する硬度を示す。
【図６】被窒化物（マルテンサイト系ステンレス鋼）表
面からの距離に対する硬度を示す。
面からの距離に対する硬度を示す。
【図７】被窒化物（熱間工具鋼）表面からの距離に対す
る硬度を示す。
る硬度を示す。
【図８】本発明に係る被窒化物（マルテンサイト系ステ
ンレス鋼）表面側の切断面の顕微鏡写真を示す。
ンレス鋼）表面側の切断面の顕微鏡写真を示す。
【図９】従来例に係る被窒化物（マルテンサイト系ステ
ンレス鋼）表面側の切断面の顕微鏡写真を示す。
ンレス鋼）表面側の切断面の顕微鏡写真を示す。
１ 窒化炉
２ 振動付与手段
２１ 振動板
３０ 窒化ガス供給系路
３１ 不活性ガス供給系路
３０・３１ ガス供給系路
Ｗ 被窒化物
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 小川 泰孝
大阪府東大阪市池島町３丁目13番４号
(56)参考文献 特開 平６−279844（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−161514（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−263929（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C23C 8/24
C21D 1/06
Claims (3)
- 【請求項１】ステンレス鋼を窒化するためのガス窒化炉
であって、窒化炉内への窒化ガスの出口部に毎分３５０
０回以上振動する振動板を設け、窒化ガスを前記振動板
に衝突させて窒化炉内に導入し、被窒化物に振動衝撃波
を作用させることにより、被窒化物の表面の不動態膜を
除去しながらを窒化することを特徴とするガス窒化炉。 - 【請求項２】ステンレス鋼を窒化するためのガス窒化炉
において、窒化ガス導入流路（２４）の窒化炉外に設け
たモータ（２５）及びカム機構（２７）と、前記窒化ガ
ス導入流路（２４）の窒化炉内への出口部に設けた振動
体（２０）と、前記窒化ガス導入流路（２４）内に設け
た前記カム機構（２７）の運動を振動体（２０）に伝達
する支持棒（２３）とをそれぞれ備え、窒化炉内へ導入
される窒化ガスに前記振動体を介して毎分３５００回以
上の機械的振動を付与するとともに、この振動が付加さ
れた窒化ガスを被窒化物に衝突させ、その窒化面の不動
態膜を除去しながら窒化することを特徴とするガス窒化
炉。 - 【請求項３】前記振動体（２０）が、振動板（２１）と
の複合振動体であることを特徴とする請求項２に記載の
ガス窒化炉。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002204961A JP3510877B2 (ja) | 2002-07-15 | 2002-07-15 | ガス窒化炉 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002204961A JP3510877B2 (ja) | 2002-07-15 | 2002-07-15 | ガス窒化炉 |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2004043914A JP2004043914A (ja) | 2004-02-12 |
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Family
ID=29774578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002204961A Expired - Lifetime JP3510877B2 (ja) | 2002-07-15 | 2002-07-15 | ガス窒化炉 |
Country Status (3)
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|---|---|
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| IL162449A (en) * | 2004-06-10 | 2010-05-17 | Bromine Compounds Ltd | Fire retardant formulations and styrene polymer compositions containing them |
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|---|---|---|---|---|
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- 2002-07-15 JP JP2002204961A patent/JP3510877B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2003
- 2003-03-21 US US10/394,804 patent/US20040007292A1/en not_active Abandoned
- 2003-04-15 FR FR0304717A patent/FR2842214A1/fr active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20040007292A1 (en) | 2004-01-15 |
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