JP5291354B2

JP5291354B2 - ガス窒化炉およびガス軟窒化炉

Info

Publication number: JP5291354B2
Application number: JP2008029018A
Authority: JP
Inventors: 保男大竹
Original assignee: オリエンタルエンヂニアリング株式会社
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP2009186140A

Description

本発明は、鋼製機械部品などの被処理物をバッチ式にガス窒化処理するためのガス窒化炉およびガス軟窒化炉に関するものである。

従来、機械金属部品などの表面硬化処理法の１つである窒化処理のうち、窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気中にアンモニア（ＮＨ_３）ガスと炭酸（ＣＯ_２）ガスを所定の割合で添加したガスを原料ガスとして用いたガス軟窒化処理は、炭素の存在によって窒素の拡散が促進されることから、ＮＨ_３のみによる窒化などに比べて優れた耐摩耗性・耐焼付性・耐疲労性などを発揮することが知られている。

このようなガス軟窒化処理などを行うための熱処理装置（炉）としては、従来から様々な構成のものが提案されている。例えば、以下の特許文献１には、被熱物を加熱処理するための加熱室に冷却室とパージ室を付設し、この被熱物を昇降台によってこれら冷却室とパージ室間を移動させることでバッチ式に処理するようにしたものが開示されている。また、以下の特許文献２には、加熱室間と冷却室間に搬送機構を備えることで効率的な処理を行うようにしたものなどが開示されている。
特開平７−９０３６１号公報特開２００３−１８３７２８号公報

ところで、前述したように処理ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）にアンモニア（ＮＨ_３）ガスと炭酸（ＣＯ_２）ガスを混合したガスなどを用いた場合、これらのガスが反応して炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）などのアンモニア化合物のガスが生成する。
また、被処理物の表面を活性化させるなどの目的で適宜硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）や塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）などを上述のガスに加えて処理する場合もこれらアンモニア化合物ガスを生ずる。
そして、これが加熱室から搬出入室などに流れ出て冷却されることで固化（気体→固体）し、搬出入室などに粉状となって堆積する。
そのため、このような現象が発生した場合には、堆積した固化物を除去するために炉を一旦停止してその除去作業や清掃作業を行わなければならず、処理炉全体の処理効率の低下を招くといった問題がある。
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その目的は、処理ガスの流出による固化物の発生を未然に防止できる新規なガス窒化炉およびガス軟窒化炉を提供するものである。

前記課題を解決するために請求項１の発明は、
被処理物を窒化処理する加熱室と前記被処理物の前後処理を行う前後処理室との間に、前記被処理物を待機させる待機室を備えたガス窒化炉であって、前記待機室に、当該待機室内の前後処理室側の底部付近に設けられ、前記待機室内をアンモニア化合物の固化温度よりも高い温度以上に加熱し、前記加熱室から前記待機室内に流れ出てきたアンモニア化合物のガスを加熱する加熱手段と、前記待機室内のガスを排気する排気手段とを備えたことを特徴とするガス窒化炉である。
また、請求項２のガス窒化炉は、
請求項１に記載のガス窒化炉において、前記待機室は垂直方向に昇降動可能な昇降台を備え、前記昇降台は被処理物を搬送可能に構成された底部及び上部を有するとともに、当該昇降台の底部及び上部のそれぞれが、前記加熱室と前記前後処理室とを水平に接続するように構成されたことを特徴とするガス窒化炉である。
また、請求項３のガス軟窒化炉は、
被処理物を窒化処理する加熱室と前記被処理物の前後処理を行う前後処理室との間に、前記被処理物を通過および待機させる待機室を備えたガス軟窒化炉であって、前記待機室に、当該待機室内の前後処理室側の底部付近に設けられ、前記待機室内を炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）ガスの固化温度以上に加熱し、前記加熱室から前記待機室内に流れ出てきた炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）ガスを加熱する加熱手段と、前記待機室内の炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）ガスを排気する排気手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明のガス窒化炉およびガス軟窒化炉によれば、加熱室に隣接する待機室に加熱手段を設けたことから、その待機室内を所定温度、具体的には、少なくとも炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）などのアンモニア化合物の固化温度よりも高い温度以上に加熱することができる。
これによって、加熱室から待機室に炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）などのアンモニア化合物のガスが流出してきてもこのガスが固化して固化物となって待機室内に堆積するようなことがなくなるため、処理炉全体の処理効率の低下を未然に防止できる。
また、さらにこの待機室に排気手段を備えたことから、待機室に流出してきたガスをこの排気手段によって安全に排気することができるため、有害なガスがこの待機室から外部に漏れ出すようなこともない。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しながら詳述する。
（構成）
図１は本発明に係るガス軟窒化炉１００の実施の一形態を示したものである。
図示するように、このガス軟窒化炉１００は、機械金属部品などの被処理物Ｓをガス軟窒化処理する加熱室１０と、被処理物Ｓの前後処理を行う真空パージ兼冷却室（前後処理室）２０と、これら加熱室１０と真空パージ兼冷却室２０との間に位置する待機室３０と、これら加熱室１０、真空パージ兼冷却室２０、待機室３０における一連の処理を制御する制御部４０とから主に構成されている。

先ず、真空パージ兼冷却室２０は、密閉可能な出入口２２，２３を備えた処理室本体２１に、被処理物Ｓを水平搬送するローラコンベア２４と、このハウジング２１内を冷却する熱交換器２５と、この処理室本体２１内の雰囲気を攪拌する攪拌ファン２６と、この処理室本体１内を真空パージする真空パージラインＬ１などを主に備えたものであり、被処理物Ｓを加熱室１０側に搬出入すると共に、この被処理物Ｓの搬出入に際して必要な前後処理を実施するようになっている。

具体的に説明すると、被処理物Ｓを加熱室１０で処理する前には、この被処理物Ｓを一旦この真空パージ兼冷却室２０に収容した後、その出入口２２，２３を昇降式の開閉蓋２２ａ、２３ａによって密閉した状態で真空パージラインＬ１によって所定時間真空パージして酸素などの不純物を除去するようになっている。
この真空パージラインＬ１には、真空ポンプＰ１とサージタンク５０と分解炉６０などが順に付設されており、真空ポンプＰ１によって真空パージ兼冷却室２０内のガス（空気やアンモニアガスなど）を強制的に抜き出してサージタンク５０に一旦貯めると共に、このサージタンク５０に貯められた有害なアンモニアガスを分解炉６０によって窒素と水素に分解して燃焼排気するようになっている。なお、この分解炉６０にはＮｉ触媒が充填されており、比較的低温でもアンモニアを効率良く分解処理できる構造となっている。

一方、この被処理物Ｓを加熱室１０で処理した後は、再びこの被処理物Ｓを真空パージ兼冷却室２０に戻し、同じく昇降式の開閉蓋２２ａ、２３ａによって密閉した状態で熱交換器２５に冷却水などの冷媒を流しながら攪拌ファン２６を駆動してその雰囲気を攪拌させることで、この被処理物Ｓを例えば約１００℃乃至室温付近まで冷却するようになっている。

なお、この真空パージ兼冷却室２０の出入口２２，２３を開閉する開閉蓋２２ａ、２３ａは、それぞれエアーシリンダ機構２２ｂ、２３ｂによって昇降動すると共に、リンク機構２２ｃ、２３ｃによって出入口２２，２３を密閉できるようになっている。また、このローラコンベア２４には、図示しない駆動モータが備えられており、被処理物Ｓを出入口２２，２３方向に搬送できるようになっている。
また、この被処理物Ｓは、通常、例えばギヤーやシャフト、リング、プレートなどといった小さな機械金属部品（バラ物）が殆どであるため、サイズなどが規格化された搬送用のトレー（図示せず）上に複数上下多段に載置されてトレー単位で各室間を搬送されてバッチ式に各処理がなされるようになっている。

次に、加熱室１０は、耐火物で構成された加熱室本体１１に、被処理物Ｓを搬出入する搬出入口１２と、被処理物Ｓを水平搬送するローラコンベア１３と、ラジアントヒータなどからなる複数の加熱器１４と、この加熱室１０内の雰囲気を攪拌する攪拌ファン１５と、原料ガスを供給する原料ガス供給ラインＬ２などを備えたものである。

そして、加熱室本体１１内に被処理物Ｓを搬入した後、その搬出入口１２を開閉蓋１２ａによって閉じてからその内部に原料ガス供給ラインＬ２からＮ_２とＮＨ_３とＣＯ_２の混合ガスなどの原料ガスを供給すると共にその雰囲気を攪拌ファン１５によって攪拌しながら加熱器１４によってその雰囲気を例えば４００〜６００℃×１．５〜２時間程度均一に加熱にすることで被処理物Ｓをガス軟窒化処理するようになっている。

なお、加熱室本体１１の搬出入口１２の開閉蓋１２ａも耐火物で構成されていると共に、エアーシリンダ機構１２ｂによって昇降動して搬出入口１２を開閉するようになっている。
次に、待機室３０は、この加熱室１０と真空パージ兼冷却室２０間を連通するように位置する待機室本体３１と、この待機室本体３１内を昇降する昇降機構３２と、この待機室本体３１内を加熱すべく電熱線などからなる加熱手段３８と、この待機室本体３１内のガスを排気する排気ライン（排気手段）Ｌ３とを主に備えた構成となっている。

この昇降機構３２は、被処理物Ｓを搬送する矩形状の昇降台３３と、この矩形状の昇降台３３を垂直方向に昇降動する昇降用シリンダ３４およびシリンダロッド３５とから構成されている。
この昇降台３３の底部および上部は、それぞれローラコンベア３６、３７で構成されており、図示するようにこの昇降台３３が昇降することで加熱室１０側のローラコンベア１３と真空パージ兼冷却室２０側のローラコンベア２４に対してそれぞれ同じ高さに位置し、これらいずれか一方のローラコンベア３６、３７によってローラコンベア１３とローラコンベア２４間を同じレベルで接続するようになっている。

すなわち、図中実線に示すようにこの昇降台３３が降下したときは、その上部のローラコンベア３６がローラコンベア１３とローラコンベア２４間に位置してこれらを水平に接続し、また、図中破線に示すようにこの昇降台３３が上昇したときは、その下部のローラコンベア３７がローラコンベア１３とローラコンベア２４間に位置してこれらを水平に接続するようになっている。

一方、加熱手段３８は、通常運転時において待機室本体３１内で最も温度が低くなる部分、すなわち図示するように真空パージ兼冷却室２０側に近い待機室本体３１内底部付近に設けられており、その待機室３０内を常時所定温度以上、具体的には、窒素ガス、アンモニアガス、炭酸ガスのみによる場合は、炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）の固化温度である約６０℃よりも高い温度（８０〜９０℃程度）に、また、硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）や塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）などを添加した場合にはさらに高い温度（１５０〜２５０℃程度）に加熱するようになっている。

他方、排気ライン（排気手段）Ｌ３は、分解炉６０に接続し、待機室本体３１内に流れ込んだアンモニアやアンモニア化合物のガスを分解し燃焼して排気するようになっている。
次に、制御部４０は、図示しない制御パネルを備えた制御盤内に所定の制御回路や制御用シーケンサなどを収容した制御機構であり、オペレータによる被処理物Ｓの処理温度や処理時間の調整、および前述した各室１０，２０，３０の各部の機能や動作を所定のシーケンスなどに沿って制御するようになっている。

（作用および効果）
このような構成をした本発明のガス軟窒化炉１００にあっては、加熱室１０での被処理物Ｓのガス軟窒化処理が終了したならば、この加熱室１０の搬出入口１２を開いて待機室３０に取り出し、さらにこの待機室３０を通過させて真空パージ兼冷却室２０側に搬送し、ここで冷却処理されることになる。
この加熱室１０に窒素ガス、アンモニアガス、炭酸ガスおよび必要に応じて硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）などが供給されると、加熱室１０内で発生した炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）や硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）などのアンモニア化合物のガスが待機室３０内に流れ出てくることになる。
しかしながら、前述したようにこの待機室３０内は、加熱手段３８によって常時これらのアンモニア化合物の固化温度よりも高い温度に加熱しているため、これらアンモニア化合物がこの待機室３０内で固化するようなことはない。

図２は、この待機室３０内の各部の温度分布（上下箇所平均値）を示したものである。
図示するように、本発明のような加熱手段３８を備えていない従来例（図中破線）にあっては、加熱室１０側の温度が最も高く、真空パージ兼冷却室２０側にいくにしたがってその温度が低くなっている。これは、前述したように加熱室１０側では高温でのガス軟窒化処理が行われるのに対し、真空パージ兼冷却室２０側では熱交換器２５による冷却処理が行われるからである。

従って、従来例ではその待機室３０の中央部あたりから真空パージ兼冷却室２０側の温度がアンモニア化合物の固化温度（約６０℃）を下回ってしまい、流出してきたアンモニア化合物が固化してこの待機室３０内に堆積してしまう結果となっていた。
これに対し、本発明では、待機室３０内で最も温度が低くなる箇所（パージ兼冷却室２０）を電熱線などの加熱手段３８によって常時加熱するようにしたことから、図中実線に示すようにその待機室３０内の温度がいずれの箇所でもアンモニア化合物の固化温度を超えることになる。

これによって、この待機室３０内に流出してきたアンモニア化合物が固化して昇降台３３に付着したり、待機室３０の底部に堆積するといった不都合を未然に防止することができる。
また、さらに本発明はこの待機室３０に排気手段（排気ラインＬ３）を備えたことから、固化せず待機室３０に滞留しているアンモニア化合物のガスを排気ラインＬ３から迅速に排気して分解炉６０に送って分解処理することができ、有害がガスがこの待機室３０から外部に漏れ出すこともない。

このように本発明のガス軟窒化炉１００にあっては、待機室３０に流出してきたガスの固化を未然に防止できることから、固化物による不都合や固化物の除去・清掃作業が不要となり、ガス軟窒化炉の信頼性および稼働効率を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、ガス軟窒化処理を実施するガス軟窒化炉１００を例に説明したが、その他の各種ガス窒化炉などにも同様に適用できることは勿論である。

本発明に係るガス（軟）窒化炉１００の実施一形態を示す断面図である。待機室内の各部の温度分布を示す図である。

符号の説明

１００…ガス（軟）窒化炉
１０…加熱室
２０…真空パージ兼冷却室（前後処理室）
３０…待機室
３８…加熱手段
４０…制御部
Ｌ１…真空パージライン
Ｌ２…原料ガス供給ライン
Ｌ３…排気ライン（排気手段）
Ｓ…被処理物

Claims

被処理物を窒化処理する加熱室と前記被処理物の前後処理を行う前後処理室との間に、前記被処理物を通過および待機させる待機室を備えたガス窒化炉であって、
前記待機室に、当該待機室内の前後処理室側の底部付近に設けられ、前記待機室内をアンモニア化合物の固化温度よりも高い温度以上に加熱し、前記加熱室から前記待機室内に流れ出てきたアンモニア化合物のガスを加熱する加熱手段と、前記待機室内のガスを排気する排気手段とを備えたことを特徴とするガス窒化炉。
請求項１に記載のガス窒化炉において、
前記待機室は垂直方向に昇降動可能な昇降台を備え、
前記昇降台は被処理物を搬送可能に構成された底部及び上部を有するとともに、当該昇降台の底部及び上部のそれぞれが、前記加熱室と前記前後処理室とを水平に接続するように構成されたことを特徴とするガス窒化炉。
被処理物を窒化処理する加熱室と前記被処理物の前後処理を行う前後処理室との間に、前記被処理物を通過および待機させる待機室を備えたガス軟窒化炉であって、
前記待機室に、当該待機室内の前後処理室側の底部付近に設けられ、前記待機室内を炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）ガスの固化温度以上に加熱し、前記加熱室から前記待機室内に流れ出てきた炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）ガスを加熱する加熱手段と、前記待機室内の炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）ガスを排気する排気手段とを備えたことを特徴とするガス軟窒化炉。