JP5550276B2 - ガス浸炭処理装置およびガス浸炭方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の方法では、高周波誘導加熱により加熱されたワークの表面に、炭化水素ガスが接触した際に、当該炭化水素ガスが分解すると同時にワークの表面への浸炭が生じると考えられている。
したがって、浸炭ガスとして用いられるメタンガス(希釈用窒素ガスを含む)が前記水素ガスにより希釈され、浸炭反応の速度が低下するため、浸炭処理に際して、所望の表面硬さを確保するのに要する時間が増加することがある。
前記ワークを内部にセットする処理室本体と、
前記ワークを加熱する誘導加熱装置と、
前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を検知するガス分析計と
前記処理室本体内に炭化水素ガスおよび不活性ガスを供給するガス流路と、
浸炭処理時に、前記ガス分析計により検知した炭化水素ガスの濃度に基づき前記処理室本体内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持するガス制御部と
を備えていることを特徴としている。
これにより、本発明のガス浸炭処理装置によれば、浸炭処理の間、処理室本体内の雰囲気を一定濃度の炭化水素ガスを含む浸炭雰囲気に保つことができるため、浸炭反応の進行に伴って水素ガスの発生量が増加した場合や、ワークの表面積の大きさに比例して水素ガスの発生量が増加した場合でも、浸炭反応の速度を一定速度に維持することができる。
ワークに浸炭処理を施す処理室本体内に前記ワークをセットするセット工程、
前記ワークを不活性ガス中で誘導加熱する加熱工程
前記処理室本体内の炭化水素ガスを検知して炭化水素ガスの濃度を求める工程、および
前記ワークの表面の温度が所定温度になった時、前記求められた炭化水素ガスの濃度に基づき、前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定に維持しながら当該処理室本体内に両ガスを供給するとともに、前記ワークを誘導加熱して、当該ワークを所定温度で所定時間保持する浸炭処理工程
を含むことを特徴としている。
したがって、前述したガス浸炭処理装置と同様に、浸炭反応の進行に伴って水素ガスの発生量が増加した場合や、ワークの表面積の大きさに比例して水素ガスの発生量が増加した場合でも、浸炭反応の速度を一定速度に維持することができ、かつワークの表面積の大小にかかわらず、ほぼ同じ浸炭品質を確保することができる。また、本発明のガス浸炭方法では、浸炭処理に要する時間の短縮化に伴い、浸炭処理における炭化水素ガスおよび不活性ガスの使用量や誘導加熱に要する電力量を低減させることができ、低処理コストでの処理が可能になる。
本発明のガス浸炭方法では、前記加熱工程において、処理室本体内を真空排気した後、不活性ガスを前記処理室本体内に充填して、当該ワークを誘導加熱してもよく、不活性ガスを前記処理室本体内に充満させ、当該ワークを誘導加熱してもよい。
また、本発明のガス浸炭方法では、前記浸炭処理工程後に、炭化水素ガスの供給を停止し、前記ワークを所定温度で所定時間保持する拡散処理工程をさらに含むことが好ましい。
これにより、本発明のガス浸炭方法によれば、有効硬化層を増加させることができる。
この場合、本発明のガス浸炭方法では、前記拡散処理工程において、炭化水素ガスの供給を停止した後の処理室本体内に不活性ガスを充満させ、当該ワークを所定温度で所定時間保持するか、または前記処理室本体内を所定の減圧状態にし、当該ワークを所定温度で所定時間保持することができる。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るガス浸炭処理装置を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るガス浸炭処理装置の要部構成を示すブロック図である。
さらに、ガス浸炭処理装置1には、処理室本体10内に供給する初期浸炭雰囲気ガスを収容している雰囲気ガスタンク15と、処理室本体10内のメタンガス濃度を検知するCH4ガス分析計16と、ワークWの表面温度を検知するIRセンサ17と、誘導加熱電源12bおよびマスフローコントローラ13a,13bの動作を制御する動作制御部としてのシーケンサ18とが設けられている。
これにより、処理室本体10内において、ワーク支持部22上に支持されたワークWのみを加熱コイル12aで誘導加熱することができるため、処理室本体10は、耐熱性部材により構成されていなくてもよい。
したがって、このガス浸炭処理装置1によれば、処理室本体10の構造を簡略化でき、設備コストの低減化を図ることができる。
このIRセンサ17は、シーケンサ18を介して誘導加熱装置12の誘導加熱電源12bに接続されている。これにより、ガス浸炭処理装置1では、IRセンサ17で検知されたワークWの表面温度に基づいて、誘導加熱電源12bを制御することによって、この誘導加熱電源12bから加熱コイル12aに供給される高周波電流の量を制御することができる。
このガス流路11には、炭化水素ガスであるメタンガスを供給するためのCH4ボンベ23および不活性ガスである窒素ガスを供給するためのN2ボンベ24が、それぞれ、マスフローコントローラ13a,13bを介して接続されている。
これにより、マスフローコントローラ13a,13bは、浸炭処理時に、処理室本体10内へのメタンガスの供給量および窒素ガスの供給量の総量を一定量に維持する。同時に、マスフローコントローラ13aは、処理室本体10内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持する。また、マスフローコントローラ13aは、拡散処理時に、処理室本体10内へのメタンガスの供給を停止するが、マスフローコントローラ13bは、窒素ガスの供給を維持する。
なお、排ガス流路14には、処理室本体10からガスを高速に排出するために、真空ポンプおよび真空タンクを設けてもよい。
CH4ガス分析計16では、処理室本体10から排出され、排ガス流路14を通る排ガスの一部(サンプリングガス)が経時的にモニターされる。そして、CH4ガス分析計16では、搬送されたサンプリングガス中のメタンガス濃度を検知することにより、処理室本体10内におけるメタンガス濃度を検知する。
なお、本実施形態のガス浸炭処理装置1においては、CH4ガス分析計16は、処理室本体10に設けられていてもよい。すなわち、CH4ガス分析計16は、処理室本体10からサンプリングガスを採取するように配置されていてもよい。
つぎに、添付図面を参照しつつ、前記ガス浸炭処理装置1を用いた本発明の一実施形態に係るガス浸炭方法の処理手順を説明する。図2は、本発明の一実施形態に係るガス浸炭方法の処理手順を示す工程図である。なお、図2では、各工程を説明するために、ガス浸炭処理装置1の加熱コイル12a、ワーク支持部21およびワークW以外は、簡略化して記載している。以下、ワークWとして、歯車(SCM420鋼製、直径:120mm、厚さ:60mm、3.5kg)を用いた場合を例として挙げて、説明する。
その後、処理室本体10内に窒素ガスを1300Paまたは加熱コイル12aによる放電が発生しなくなる圧力以上の減圧状態まで充填し、このワークWの表面の温度が浸炭温度になるまで、ワークWの表面を誘導加熱する〔図2(c)、「加熱工程」〕。
加熱工程では、減圧処理室本体10内に不活性ガスである窒素ガスが存在しており、当該処理室本体10内が無酸化雰囲気となっている。このとき、処理室本体10内の雰囲気ガスは、減圧状態に維持される。また、加熱工程では、ワークWの表面温度が浸炭温度(例えば、1200℃)になるまで、当該ワークWを誘導加熱装置12の加熱コイル12aで誘導加熱する。
このとき、処理室本体10内の炭化水素ガスの濃度は、ワークWの浸炭に適した濃度にほぼ保たれる。また、浸炭処理工程における誘導加熱時間は、ワークWの素材に応じて設定され、例えば、有効硬化層深さ(ビッカース硬さ:HV513)1.0mmのSCM420鋼の場合には、17分程度に設定される。
なお、図7において、本発明における水素ガス濃度が従来よりも多くなっているが、これは、炭化水素ガスを一定にした場合のほうが、より浸炭反応が進んでいることを示している。希釈用窒素ガスの体積%が少なくなるが、これは、処理室本体10内のメタンガス濃度を一定にすべく、導入ガスのメタンガス濃度を増やすためである。
さらに、添付図面を参照しつつ、前記ガス浸炭処理装置1を用いた本発明の変形例に係るガス浸炭方法の処理手順を説明する。図3は、本発明の変形例に係るガス浸炭方法の処理手順を示す工程図である。なお、図3では、図2と同様に、ガス浸炭処理装置1の加熱コイル12a、ワーク支持部21およびワークW以外は、簡略化して記載している。以下、ワークWとして、歯車(SCM420鋼製、直径:120mm、厚さ:60mm、3.5kg)を用いた場合を例として挙げて、説明する。
ガス浸炭方法2において、セット工程〔図3(a)〕は、前記ガス浸炭方法1におけるセット工程〔図2(a)〕と同様の操作により行なうことができる。
以下、浸炭処理工程〔図3(c)〕および拡散処理工程〔図3(d)〕は、前記ガス浸炭方法1における浸炭処理工程〔図2(e)〕及び拡散処理工程〔図2(f)〕と同様の操作により行なうことができる。
かかるガス浸炭方法2によっても、前記ガス浸炭方法1と同様の作用効果を得ることができる。
本発明のガス浸炭方法を歯車の製造に適用した場合の処理コストおよび処理時間について検証した。
図1に示されるガス浸炭処理装置1を用いて、以下のように、ワークWの浸炭を行なった。なお、本実施例で用いられるガス浸炭処理装置1の処理室本体10の内部体積は、7.4×10-2m3である。また、ワークWとして、SCM420鋼からなる歯車(直径:120mm、厚さ:60mm、3.5kg)を用いた。
浸炭処理に際して、処理室本体10内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を5L/分に維持し、かつ処理室本体10内のメタンガス濃度が平均12.5体積%となるようにメタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御して維持したことを除き、実施例1と同様の操作を行ない、有効硬化層深さ(ビッカース硬さ:Hv513)が0.9mmであり、表面炭素濃度:0.8質量%を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。また、かかる歯車を実施例2の試料とした。
浸炭処理に際して、処理室本体10内へのメタンガスおよび窒素ガスの供給量の総量を2L/分に維持し、かつ処理室本体10内のメタンガス濃度が平均12.5体積%となるようにメタンガスおよび窒素ガスそれぞれの供給量を制御したことを除き、実施例1と同様の操作を行ない、有効硬化層深さ(ビッカース硬さ:Hv513)が0.9mmであり、表面炭素濃度:0.8質量%を満たす歯車の製造の際の浸炭時間および拡散時間を調べた。また、かかる歯車を実施例3の試料とした。
処理室(内部体積:7.4×10-2m3)に実施例1で用いたワークWと同じワークをセットし、処理室の内部を窒素ガスで充填した。つぎに、処理室を1200℃に加熱した後、目的のメタンガス濃度の雰囲気を一気に導入した。その後、処理室内に、メタンガスを流量:0.625L/分、窒素ガスを流量:4.375L/分で供給しながら(合計供給量:5L/分)、当該処理室を1200℃で25.9分間加熱し、ワークWに浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理室内のメタンガスおよび窒素ガスを真空排気により排出した。つぎに、処理室を1200℃に維持しながら、処理室の内部を窒素ガスで充填した後、当該処理室を1200℃で13.7分間加熱し、ワークWに拡散処理を施した。得られたワークWを焼入温度:870℃で60分間保持した後、80℃の油中で油冷した。
浸炭処理に際して、メタンガスの供給量を0.250L/分、窒素ガスの供給量を1.750L/分としたことおよび浸炭処理での加熱時間(浸炭時間)を25.9分とし、拡散処理での加熱時間(拡散時間)を13.7分としたことを除き、比較例1と同様の操作を行ない、歯車を得た。得られた歯車について、ビッカース硬さおよび表面炭素濃度を調べた。以下、有効硬化層深さ(ビッカース硬さ:Hv513)が0.68mmであり、表面炭素濃度:0.6質量%を満たす歯車を、比較例2の試料を得た。
実施例1〜3の試料、比較例1および2の試料について、浸炭処理の際の浸炭時間Tと、有効硬化層深さDとから、式(1):
また、浸炭処理および拡散処理に要する電気のコストの平均は、比較例1および比較例2の場合、約52円であるのに対して、実施例1〜3の方法で比較例1および比較例2の試料と同等のものを製造した場合には、約40円であり、処理コストも削減できることがわかる。
10 処理室本体
11 ガス流路
12 誘導加熱装置
13a,13b マスフローコントローラ(ガス制御部)
W ワーク
Claims (8)
- 金属製のワークに浸炭処理を施すガス浸炭処理装置であって、
前記ワークを内部にセットする処理室本体と、
前記ワークを加熱する誘導加熱装置と、
前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を検知するガス分析計と
前記処理室本体内に炭化水素ガスおよび不活性ガスを供給するガス流路と、
浸炭処理時に、前記ガス分析計により検知した炭化水素ガスの濃度に基づき前記処理室本体内への炭化水素ガスの供給量を制御して、当該処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定濃度に維持するガス制御部と
を備えていることを特徴とするガス浸炭処理装置。 - 前記処理室本体内への炭化水素ガスの濃度および不活性ガスの供給量の総量を一定量に維持する請求項1記載のガス浸炭処理装置。
- 金属製のワークに浸炭処理を施すガス浸炭方法であって、
ワークに浸炭処理を施す処理室本体内に前記ワークをセットするセット工程、
前記ワークを不活性ガス中で誘導加熱する加熱工程
前記処理室本体内の炭化水素ガスを検知して炭化水素ガスの濃度を求める工程、および
前記ワークの表面の温度が所定温度になった時、前記求められた炭化水素ガスの濃度に基づき、前記処理室本体内の炭化水素ガスの濃度を一定に維持しながら当該処理室本体内に両ガスを供給するとともに、前記ワークを誘導加熱して、当該ワークを所定温度で所定時間保持する浸炭処理工程
を含むことを特徴とする、ガス浸炭方法。 - 前記処理室本体内への炭化水素ガスおよび不活性ガスの供給量の総量を一定量に維持する請求項3記載のガス浸炭処理方法。
- 前記加熱工程において、処理室本体内を真空排気した後、不活性ガスを前記処理室本体内に充填して、当該ワークを誘導加熱する請求項3又は4に記載のガス浸炭方法。
- 前記加熱工程において、不活性ガスを前記処理室本体内に充満させ、当該ワークを誘導加熱する請求項3〜5のいずれかに記載のガス浸炭方法。
- 前記浸炭処理工程後に、炭化水素ガスの供給を停止し、前記ワークを所定温度で所定時間保持する拡散処理工程をさらに含む請求項3〜6のいずれかに記載のガス浸炭方法。
- 前記拡散処理工程において、炭化水素ガスの供給を停止した後の処理室本体内に不活性ガスを充満させ、当該ワークを所定温度で所定時間保持するか、または前記処理室本体内を所定の減圧状態にし、当該ワークを所定温度で所定時間保持する請求項7に記載のガス浸炭方法。
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