JP6552209B2 - 金属製ばねの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
特に、弁ばね等の繰り返し荷重を受ける部材が処理対象金属体とされる場合には、耐久性の観点で問題となる。
前記制御モードは、被処理体である金属製ばね本体が前記炉内に配置された状態で前記温度センサによって検出される炉内温度が事前試験に応じて予め設定された所定窒化処理温度まで上昇するように前記加熱手段を制御する昇温工程と、前記温度センサによって検出される炉内温度が前記所定窒化処理温度に保持されるように前記加熱手段を制御しつつ、前記窒化ポテンシャルセンサに基づく前記炉内の窒化ポテンシャルが事前試験に応じて予め設定された所定の高レベル値となるように前記アンモニアガス供給手段を制御する第1窒化工程と、前記温度センサによって検出される炉内温度が前記所定窒化処理温度に保持されるように前記加熱手段を制御しつつ、前記窒化ポテンシャルセンサに基づく前記炉内の窒化ポテンシャルが事前試験に応じて予め設定された所定の低レベル値まで低下するように、前記アンモニアガス供給手段を停止制御させて前記炉内へのアンモニアガスの供給を停止させ且つ前記水素ガス供給手段及び前記窒素ガス供給手段を供給制御させて前記炉内に水素ガス及び窒素ガスを3:1の割合で供給させる窒化ポテンシャル低下工程と、前記温度センサによって検出される炉内温度が前記所定窒化処理温度に保持されるように前記加熱手段を制御しつつ、前記窒化ポテンシャルセンサに基づく前記炉内の窒化ポテンシャルが前記低レベル値に保持されるように、前記アンモニアガス供給手段、前記水素ガス供給手段及び前記窒素ガス供給手段の作動制御を行う第2窒化工程とを含むものとされる。
この場合、前記制御装置は、前記圧力センサの検出信号に基づき前記炉内の圧力が負圧とならないように前記ガス排出手段の作動制御を行うものとされる。
図1に、前記製造装置100の模式図を示す。
当然ながら、前記アンモニアガス供給ライン31が流量の異なる3本以上のアンモニアガス供給ラインを有するように構成することも可能である。
この場合には、前記アンモニアガス供給手段30は、大流量のアンモニアガスが供給される単一のアンモニアガス供給ラインと、前記アンモニアガス供給ラインに介挿されるアンモニアガス電動弁とを有するものとなる。
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=PNH3/PH2 3/2
(式中のPNH3 はアンモニア(NH3)の分圧、PH2は水素(H2)の分圧を示す)
即ち、炉内に供給されたアンモニアガス(NH3)は次式に基づいて、窒素(N2)と水素(H2)とに熱分解する。
NH3 → (1/2)N2 + (3/2)H2
PNH3=(1−α)/(1+α) ・・・ (1)
PN2 =(α/2)/(1+α) ・・・ (2)
PH2 =(3α/2)/(1+α) ・・・ (3)
PNH3=(3−4PH2)/3
PN2 =PH2/3
となり、前述の窒化ポテンシャルKnは、
Kn=PNH3/PH2 3/2
=(3−4PH2)/3PH2 3/2
=(1−4PH2/3)/PH2 3/2
となる。
前記水素センサとしては、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)が好適に利用され得る。
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、前記関係式又は図2及び図3に示す表から、前記雰囲気炉内において制御目標値とすべき水素分圧PH2を求めることができる。
図4に、本実施の形態に係る金属製ばね製造方法における炉内雰囲気制御のタイムチャートを示す。
なお、後続する前記第1窒化工程、前記窒化ポテンシャル低下工程及び前記第2窒化工程では炉内温度は前記所定窒化処理温度に維持される。
即ち、前記第1窒化工程における窒化条件、つまり、窒化ポテンシャルKnが前記高レベル値で且つ炉内温度が前記窒化処理温度とされた窒化条件での窒化処理において、前記金属製ばね本体の表面に化合物層が生じ始める所定時間を、予め、事前試験によって確認する。
好ましくは、前記第1窒化工程の処理時間は、前記所定時間の60%以上、より好ましくは前記所定時間の80%以上とされる。
即ち、窒化処理前の金属製ばね本体の表面は、汚れ状態や酸化状態に関し均一とは言えない。
従って、このような状態の処理対象物(金属製ばね本体)に対して低濃度の窒化ポテンシャルで窒化処理を行うと、金属製ばね本体の表面に窒化のばらつきが生じ、結果として、金属製ばねの耐久性を十分には向上できない。
従って、高レベル値の窒化ポテンシャルで窒化処理を行うことによって金属製ばね本体に深い窒化層を有効に形成しつつ、金属製ばね本体に化合物層が生成することを、簡単な制御で且つ確実に防止することができる。
従って、高レベル値の窒化ポテンシャルで窒化処理を行うことによって深い窒化層を形成しつつ、化合物層の生成を簡単な制御で確実に防止することができる。
斯かる構成によれば、第1窒化工程の処理時間を可及的に短縮化させることができる。
アイドリング工程は、前記金属製ばね本体を炉内の雰囲気に慣らす為の処理である。
前記前処理工程を備えることにより、後続する前記第1及び第2窒化工程での窒化処理の安定化を図ることができる。
前記後処理工程を備えることにより、金属製ばねの耐久性を向上させることができる。
20 加熱手段
30 アンモニアガス供給手段
40 水素ガス供給手段
50 窒素ガス供給手段
60 窒化ポテンシャルセンサ
61 温度センサ
62 圧力センサ
70 ガス排出手段
90 制御装置
100 金属製ばね製造装置
Claims (7)
- 表面に窒化層が形成された金属製ばねの製造方法であって、
所定のばね形状に形成された金属製ばね本体を気密性雰囲気炉内に配置させた状態で炉内温度を所定窒化処理温度まで上昇させる昇温工程と、
炉内温度を前記所定窒化処理温度に保持しつつ、前記炉内の窒化ポテンシャルが所定の高レベル値となるようにアンモニアガスを供給する第1窒化工程と、
炉内温度を前記所定窒化処理温度に保持しつつ、前記炉内へのアンモニアガスの供給を停止し且つ前記炉内に水素ガス及び窒素ガスを3:1の割合で供給して、前記炉内の窒化ポテンシャルを前記金属製ばね本体に化合物層が生成しない低レベル値まで低下させる窒化ポテンシャル低下工程と、
炉内温度を前記所定窒化処理温度に保持し且つ前記炉内の窒化ポテンシャルを前記低レベル値に保持する第2窒化工程とを含み、
前記第1窒化工程における窒化ポテンシャルの前記高レベル値は、当該第1窒化工程を所定時間以上に亘って継続すると前記金属製ばね本体に化合物層の生成を招く濃度とされており、前記第1窒化工程の処理時間は化合物層の生成を招く前記所定時間より短く且つ前記所定時間の60%以上の時間とされていることを特徴とする金属製ばねの製造方法。 - 前記第1窒化工程の処理時間は、化合物層の生成を招く前記所定時間より短く且つ前記所定時間の80%以上の時間とされていることを特徴とする請求項1に記載の金属製ばねの製造方法。
- 前記昇温工程は、前記炉内にアンモニアガスを供給しつつ行われることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属製ばねの製造方法。
- 前記昇温工程の前に、前記金属製ばね本体に対してショットブラストを行う前処理工程を含むことを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の金属製ばねの製造方法。
- 前記第2窒化工程の後に、前記金属製ばね本体に対してショットブラスト又はショットピーニングを行う後処理工程を含むことを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の金属製ばねの製造方法。
- 気密性雰囲気炉と、前記雰囲気炉内を加熱する加熱手段と、前記雰囲気炉へのアンモニアガスの供給及び供給停止を切り換えることができ、さらに供給時には供給量を調整可能なアンモニアガス供給手段と、前記雰囲気炉への水素ガスの供給及び供給停止を切り換えることができ、さらに供給時には供給量を調整可能な水素ガス供給手段と、前記雰囲気炉への窒素ガスの供給及び供給停止を切り換えることができ、さらに供給時には供給量を調整可能な窒素ガス供給手段と、前記雰囲気炉内の窒化ポテンシャルを検出する窒化ポテンシャルセンサと、前記雰囲気炉内の温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、
前記制御装置には、事前試験に基づき予め設定された制御モードが記憶されており、
前記制御モードは、被処理体である金属製ばね本体が前記炉内に配置された状態で前記温度センサによって検出される炉内温度が事前試験に応じて予め設定された所定窒化処理温度まで上昇するように前記加熱手段を制御する昇温工程と、前記温度センサによって検出される炉内温度が前記所定窒化処理温度に保持されるように前記加熱手段を制御しつつ、前記窒化ポテンシャルセンサに基づく前記炉内の窒化ポテンシャルが事前試験に応じて予め設定された所定の高レベル値となるように前記アンモニアガス供給手段を制御する第1窒化工程と、前記温度センサによって検出される炉内温度が前記所定窒化処理温度に保持されるように前記加熱手段を制御しつつ、前記窒化ポテンシャルセンサに基づく前記炉内の窒化ポテンシャルが事前試験に応じて予め設定された所定の低レベル値まで低下するように、前記アンモニアガス供給手段を停止制御させて前記炉内へのアンモニアガスの供給を停止させ且つ前記水素ガス供給手段及び前記窒素ガス供給手段を供給制御させて前記炉内に水素ガス及び窒素ガスを3:1の割合で供給させる窒化ポテンシャル低下工程と、前記温度センサによって検出される炉内温度が前記所定窒化処理温度に保持されるように前記加熱手段を制御しつつ、前記窒化ポテンシャルセンサに基づく前記炉内の窒化ポテンシャルが前記低レベル値に保持されるように、前記アンモニアガス供給手段、前記水素ガス供給手段及び前記窒素ガス供給手段の作動制御を行う第2窒化工程とを含み、
窒化ポテンシャルの前記高レベル値は、前記所定窒化処理温度での窒化処理を所定時間以上に亘って継続すると前記金属製ばね本体に化合物層の生成を招くものとされており、
前記第1窒化工程の処理時間は化合物層の生成を招く前記所定時間より短く且つ前記所定時間の60%以上の時間とされ、
窒化ポテンシャルの前記低レベル値は、前記所定窒化処理温度での窒化処理を行っても前記金属製ばね本体に化合物層を生成させないものとされていることを特徴とする金属製ばねの製造装置。 - 前記雰囲気炉のガスの排出及び排出停止を切り換えるガス排出手段と、
前記炉内の圧力を検出する圧力センサとを備え、
前記制御装置は、前記圧力センサの検出信号に基づき前記炉内の圧力が負圧とならないように前記ガス排出手段の作動制御を行うことを特徴とする請求項6に記載の金属製ばねの製造装置。
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