(57)【要約】【課題】雰囲気熱処理中にリアルタイムに異常層を検出することにより、処理効率を向上させることができる雰囲気熱処理方法、及び、雰囲気熱処理装置を提供する。【解決手段】本発明に係る雰囲気熱処理方法は、熱処理炉１１の内部に設置されたワークＷを加熱して行うものであって、前記熱処理炉１１内に雰囲気ガスを導入することで、ワークＷの表面から内部に元素を侵入させる侵入工程と、前記侵入工程中に、放射温度計２１で前記ワークＷ表面の放射率を測定し、異常層検出器２２でワークＷ表面における異常層の生成を検出する検出工程と、前記検出工程で異常層の生成を検出した場合は、前記熱処理炉１１内に不活性ガスを導入し、熱処理炉１１内から前記雰囲気ガスを排出することで、ワークＷ内部に前記元素を拡散させる拡散工程と、を繰り返すことで雰囲気熱処理を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉の内部に設置されたワークを加熱して処理する雰囲気熱処理方法であって、
前記熱処理炉内のワークを加熱するとともに、前記熱処理炉内に雰囲気ガスを導入することで、ワークの表面から内部に元素を侵入させる侵入工程と、
前記侵入工程中に、放射温度計を用いて前記ワーク表面の放射率を測定し、測定した前記放射率に基づいてワーク表面における異常層の生成を検出する検出工程と、
前記検出工程での異常層生成の検出結果に基づいて、雰囲気熱処理の処理条件を変更する制御工程と、を備える、
ことを特徴とする、雰囲気熱処理方法。
【請求項２】
前記制御工程は、前記検出工程で異常層の生成を検出した場合に、前記熱処理炉内に不活性ガスを導入し、熱処理炉内から前記雰囲気ガスを排出することで、ワーク内部に前記元素を拡散させる拡散工程であり、
前記侵入工程と、前記検出工程と、前記拡散工程と、を繰り返すことで雰囲気熱処理を行う、
ことを特徴とする、請求項１に記載の雰囲気熱処理方法。
【請求項３】
前記雰囲気熱処理方法は、浸炭焼入れ方法であって、
前記侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素には炭化水素ガス、及び、炭素がそれぞれ用いられ、
前記検出工程における異常層としてセメンタイトを検出する、
ことを特徴とする、請求項２に記載の雰囲気熱処理方法。
【請求項４】
前記雰囲気熱処理方法は、窒化処理方法であって、
前記侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、
前記検出工程における異常層として窒化鉄を検出する、
ことを特徴とする、請求項２に記載の雰囲気熱処理方法。
【請求項５】
前記雰囲気熱処理方法は、窒化焼入れ方法であって、
前記侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、
前記検出工程における異常層としてボイドを検出する、
ことを特徴とする、請求項２に記載の雰囲気熱処理方法。
【請求項６】
内部に設置されたワークを加熱し、内部に雰囲気ガスを導入することで、ワークの表面から内部に元素を侵入させる雰囲気熱処理を行う熱処理炉と、
前記雰囲気熱処理中に前記ワーク表面の放射率を測定する放射温度計と、
前記放射温度計で測定された前記放射率に基づいてワーク表面における異常層の生成を検出する異常層検出器と、
前記異常層検出器により検出した異常層の生成情報に基づいて雰囲気熱処理の処理条件を変更する制御システムと、を備える、
ことを特徴とする、雰囲気熱処理装置。
【請求項７】
前記制御システムは、前記異常層の生成情報に基づいて前記熱処理炉内に不活性ガスを導入し、熱処理炉内から前記雰囲気ガスを排出することで、ワーク内部に前記元素を拡散させるように制御する、
ことを特徴とする、雰囲気熱処理装置。
【請求項８】
前記雰囲気熱処理装置は、浸炭焼入れ装置であって、
前記雰囲気ガス、及び、元素には炭化水素ガス、及び、炭素がそれぞれ用いられ、
前記異常層としてセメンタイトが検出される、
ことを特徴とする、請求項７に記載の雰囲気熱処理装置。
【請求項９】
前記雰囲気熱処理装置は、窒化処理装置であって、
前記雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、
前記異常層として窒化鉄が検出される、
ことを特徴とする、請求項７に記載の雰囲気熱処理装置。
【請求項１０】
前記雰囲気熱処理装置は、窒化焼入れ装置であって、
前記雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、
前記異常層としてボイドが検出される、
ことを特徴とする、請求項７に記載の雰囲気熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雰囲気熱処理方法、及び、雰囲気熱処理装置に関し、より詳しくは、熱処理炉内のワークにおける異常層を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼材に対する浸炭処理等の熱処理方法において、強度低下の原因となるセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）のような異常層の生成を防止する技術が公知となっている。
例えば、ワークの表面温度や浸炭時間等の浸炭条件に応じて雰囲気ガスの条件を制御し、セメンタイトの生成を防止する方法が公知となっており、以下に示す特許文献１等において開示されている。
【特許文献１】特開平７−４１９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記に示す従来技術においては、前記表面温度は最適な雰囲気ガスの条件を設定するための材料として用いられているに過ぎず、セメンタイト等の異常層をリアルタイムに検出する構成ではなかった。このため、効率的に異常層の生成を検出することができないことから、余分に浸炭・拡散のための時間を確保する必要等があり、雰囲気熱処理効率の向上が阻害されていた。
一方、浸炭処理以外の熱処理方法、例えば、窒化処理方法や窒化焼入れ方法においても、異常層である窒化鉄（Ｆｅ３Ｎ）やボイド（空隙）の生成を効率的に検出し、雰囲気熱処理の効率を向上させることが求められていた。
【０００４】
そこで本発明では、上記に鑑み、浸炭処理や窒化処理方法や窒化焼入れ等が行われる雰囲気熱処理中にリアルタイムに異常層を検出することにより、雰囲気熱処理効率を向上させることができる雰囲気熱処理方法、及び、雰囲気熱処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００６】
即ち、請求項１においては、熱処理炉の内部に設置されたワークを加熱して処理する雰囲気熱処理方法であって、前記熱処理炉内のワークを加熱するとともに、前記熱処理炉内に雰囲気ガスを導入することで、ワークの表面から内部に元素を侵入させる侵入工程と、前記侵入工程中に、放射温度計を用いて前記ワーク表面の放射率を測定し、測定した前記放射率に基づいてワーク表面における異常層の生成を検出する検出工程と、前記検出工程での異常層生成の検出結果に基づいて、雰囲気熱処理の処理条件を変更する制御工程と、を備えるものである。
【０００７】
請求項２においては、前記制御工程は、前記検出工程で異常層の生成を検出した場合に、前記熱処理炉内に不活性ガスを導入し、熱処理炉内から前記雰囲気ガスを排出することで、ワーク内部に前記元素を拡散させる拡散工程であり、前記侵入工程と、前記検出工程と、前記拡散工程と、を繰り返すことで雰囲気熱処理を行うものである。
【０００８】
請求項３においては、前記雰囲気熱処理方法は、浸炭焼入れ方法であって、前記侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素には炭化水素ガス、及び、炭素がそれぞれ用いられ、前記検出工程における異常層としてセメンタイトを検出するものである。
【０００９】
請求項４においては、前記雰囲気熱処理方法は、窒化処理方法であって、前記侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、前記検出工程における異常層として窒化鉄を検出するものである。
【００１０】
請求項５においては、前記雰囲気熱処理方法は、窒化焼入れ方法であって、前記侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、前記検出工程における異常層としてボイドを検出するものである。
【００１１】
請求項６においては、内部に設置されたワークを加熱し、内部に雰囲気ガスを導入することで、ワークの表面から内部に元素を侵入させる雰囲気熱処理を行う熱処理炉と、前記雰囲気熱処理中に前記ワーク表面の放射率を測定する放射温度計と、前記放射温度計で測定された前記放射率に基づいてワーク表面における異常層の生成を検出する異常層検出器と、前記異常層検出器により検出した異常層の生成情報に基づいて雰囲気熱処理の処理条件を変更する制御システムと、を備えるものである。
【００１２】
請求項７においては、前記制御システムは、前記異常層の生成情報に基づいて前記熱処理炉内に不活性ガスを導入し、熱処理炉内から前記雰囲気ガスを排出することで、ワーク内部に前記元素を拡散させるように制御するものである。
【００１３】
請求項８においては、前記雰囲気熱処理装置は、浸炭焼入れ装置であって、前記雰囲気ガス、及び、元素には炭化水素ガス、及び、炭素がそれぞれ用いられ、前記異常層としてセメンタイトが検出されるものである。
【００１４】
請求項９においては、前記雰囲気熱処理装置は、窒化処理装置であって、前記雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、前記異常層として窒化鉄が検出されるものである。
【００１５】
請求項１０においては、前記雰囲気熱処理装置は、窒化焼入れ装置であって、前記雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、前記異常層としてボイドが検出されるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
本発明により、浸炭処理や窒化処理方法や窒化焼入れなどが行われる雰囲気熱処理中にリアルタイムに異常層を検出することにより、雰囲気熱処理効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ装置の概要を示す模式図である。
図２は本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ処理の加熱サイクルを示した図である。
図３は本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ方法における温度変化を示した図である。
図４は本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ方法における処理フロー図である。
【００１９】
［雰囲気熱処理装置の概要・第一実施形態］
まず始めに、本発明に係る雰囲気熱処理装置の第一実施形態として、浸炭（真空浸炭）焼入れ装置１０について説明する。図１は浸炭焼入れ装置１０の概要を示す模式図である。
前記浸炭焼入れ装置１０は、内部に設置されたワークＷを加熱し、内部に雰囲気ガスを導入することで、ワーク表面から内部に元素を侵入させる雰囲気熱処理（本実施形態においては、浸炭焼入れ処理）を行う熱処理炉１１と、前記浸炭焼入れ処理中に前記ワークＷの表面の放射率を測定する放射温度計２１と、測定された前記放射率に基づいてワークＷの表面における異常層の生成を検出する異常層検出器２２と、検出された異常層の生成情報に基づいて前記熱処理炉１１内に雰囲気ガス、又は、不活性ガスの導入・排出を制御する制御システム３１と、を備える。
【００２０】
なお、本実施形態においては、前記雰囲気ガスとして、例えば、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレン等の炭化水素ガスが用いられ、前記元素としては炭素が用いられる。また、前記異常層としてセメンタイトが検出され、前記不活性ガスとして窒素ガス等が用いられる。
【００２１】
前記熱処理炉１１は、前記雰囲気ガスなどを熱処理炉１１内に導入するガス導入口１１ａ、前記雰囲気ガスなどを熱処理炉１１内から排出するガス排出口１１ｂ、及び、透光可能なガラス窓１１ｃを備え、熱処理炉１１内を加熱するヒータ１２が付設される。
また、制御システム３１は、ＲＡＭ、ＲＯＭを有する図示しない記憶部、及び、ＣＰＵを有する図示しない制御部を主に備える。記憶部は、この浸炭焼入れ処理を行うための初期条件等が入力されている。
また制御部は、前記初期条件、及び、異常層検出器２２からフィードバックされる異常層の生成情報等に基づいて、熱処理炉１１内の温度、及び、ガス導入口１１ａ・ガス排出口１１ｂからの炭化水素ガス・窒素ガスの導入量及び排出量、等を演算する。
【００２２】
そして、前記演算結果に基づいて、ヒータ１２や図示しないガス流量制御手段を制御することにより、熱処理炉１１内に炭化水素ガス及び窒素ガスを導入・排出してワークＷの浸炭焼入れ処理を行う構成となっている。詳細には、炭素をワークＷの表面から内部に侵入させる侵入工程においては、前記炭化水素ガスを熱処理炉１１内に導入するのであり、炭素をワークＷの内部に拡散させる拡散工程においては、前記窒素ガスを熱処理炉１１内に導入するのである。この侵入工程・拡散工程を繰り返すことにより、ワークＷの浸炭焼入れ処理が行われるのである。
【００２３】
このように構成された浸炭焼入れ装置１０においては、図２に示す加熱サイクルで浸炭焼入れ処理が行われる。即ち、熱処理炉１１内にワークＷを設置した後、ヒータ１２により熱処理炉１１内が昇温される。そして、前記制御部からの制御信号に基づいて、前記炭化水素ガス・窒素ガスの導入及び排出が繰り返されてワークＷに対する炭素の浸炭・拡散が行われ、その後熱処理炉１１内が冷却されるのである。
【００２４】
［放射温度計２１による温度検知］
次に、放射温度計２１による温度検知、及び、ワークＷの表面に析出するセメンタイトの検出についての実験結果を、図３を用いて説明する。
本発明の出願人は、浸炭焼入れ装置１０において、浸炭焼入れ処理中のワークＷ表面の放射率（温度）を放射温度計で測定した。その結果、図３に示すように、浸炭工程の途中において、放射温度計２１の検知温度が、本来ヒータ１２の加熱によって得られるべき真空加熱のみの場合における温度に比べて低下し、温度低下の開始後以降でワークＷの表面全体にセメンタイトが析出した。また、その後、炭化水素ガスを排出し、窒素ガスを導入して拡散工程に入ると、析出したセメンタイトが分解して減少するにつれて放射率は上昇し、セメンタイトが完全に分解した段階で真空加熱のみの場合における温度にまで戻ったのである。
即ち、この実験結果により、熱処理中のワークＷの温度を放射温度計２１で測定すると、ワークＷの表面にセメンタイト（異常層）が生成した際は放射率が低下し、放射温度計の検知温度が低下することが判明したのである。
【００２５】
なお、セメンタイト等の異常層の析出によって放射率が低下する理由としては、ワークＷの表面に析出したセメンタイトが黒鉛化することが一因として考えられる。また、放射率は測定対象物の形状に影響を受けるため、その低下はセメンタイト等に限られず、ボイドの生成によっても発生すると考えられる。
【００２６】
本実施形態に係る浸炭焼入れ装置１０においては、上記の結果を利用することにより、生成するセメンタイトを熱処理中に検出する構成としている。即ち、検出結果を前記制御システム３１にリアルタイムでフィードバックすることで、セメンタイトの生成を抑制しているのである。
具体的には図１に示すように、浸炭焼入れ装置１０は、前記浸炭焼入れ処理中に前記ワークＷの表面の放射率を測定する放射温度計２１と、測定された前記放射率に基づいてワークＷの表面におけるセメンタイトの生成を検出する異常層検出器２２と、セメンタイトの生成情報に基づいて前記熱処理炉１１内に炭化水素ガス、又は、窒素ガスの導入・排出を制御する制御システム３１と、を備え、異常層検出器２２による検出結果を前記制御システム３１にリアルタイムでフィードバックしているのである。即ち、前記放射温度計２１における検知温度が低下すると、異常層が生成されたと異常層検出器２２にて判断することにより、セメンタイトを検出するのである。そして、この場合は制御システム３１の制御により熱処理炉１１内に窒素ガスを導入し、ワークＷの内部における炭素の拡散を行うことにより、析出したセメンタイトを分解させているのである。
【００２７】
［浸炭焼入れ方法］
本実施形態における浸炭焼入れ方法のフローを、図４を用いて説明する。
まず、ヒータ１２により熱処理炉１１内が昇温される（ステップＳ１）。
次に、記憶部に入力された初期条件に基づき、制御部が熱処理炉１１内の温度、及び、ガス導入口１１ａからの炭化水素ガスの導入量等を演算し、該演算結果に基づいて、ヒータ１２や図示しないガス流量制御手段を制御することにより、熱処理炉１１内に炭化水素ガスを導入してワークＷの浸炭処理を行う（ステップＳ２・侵入工程）。
【００２８】
次に、ワークＷにおいて、目的とするカーボンプロファイルが生成したか否かを判断する（ステップＳ３）。ステップＳ３で、目的とするカーボンプロファイルが生成していないと判断した場合はステップＳ４に進む。目的とするカーボンプロファイルが生成したと判断した場合はステップＳ８に進み、熱処理炉１１内が冷却され、処理を終了する。
【００２９】
ステップＳ４では、前記放射温度計２１で前記ワークＷの表面の放射率（温度）を測定する（ステップＳ４・検出工程）。
次に、異常層検出器２２にて、ワークＷの表面で温度低下が発生しているか、即ち、ワークＷ表面におけるセメンタイト（異常層）が生成しているか否かを判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５で、セメンタイトが生成していないと判断した場合はステップＳ２に進み、ステップＳ２〜ステップＳ５の処理を繰り返す。セメンタイトが生成していると判断した場合はステップＳ６に進む。
【００３０】
ステップＳ６では、制御システム３１が、異常層検出器２２からフィードバックされる異常層検出情報に基づいて、熱処理炉１１内の温度、及び、ガス導入口１１ａ・ガス排出口１１ｂからの炭化水素ガス・窒素ガスの導入量及び排出量、等を演算し、該演算結果に基づいて、ヒータ１２や図示しないガス流量制御手段を制御することにより、熱処理炉１１内に窒素ガスを導入してワークＷの拡散処理を行う（ステップＳ６・拡散工程）。
【００３１】
次に、ステップＳ６における拡散工程が、記憶部に入力された所定時間を経過したか否かを判断する（ステップＳ７）。ここで、拡散工程におけるセメンタイトの分解速度は炭化水素ガスの濃度や雰囲気温度によって定まるため、セメンタイトが分解されるまでの時間を予測し、前記所定時間として予め設定しておくことができるのである。即ち、前記所定時間だけ拡散工程を継続したか否かを判断することにより、セメンタイトが分解したか否かを判断することができるのである。
前記ステップＳ７で、所定時間を経過していない、即ちセメンタイトが分解していない、と判断した場合はステップＳ６に進み、ステップＳ６〜ステップＳ７の処理を繰り返す。所定時間を経過した、即ちセメンタイトが分解した、と判断した場合はステップＳ２に進み、ステップＳ２〜ステップＳ７の処理を繰り返すのである。
【００３２】
上記のように、本発明に係る、熱処理炉１１の内部に設置されたワークＷを加熱して行う雰囲気熱処理方法（本実施形態においては、浸炭焼入れ方法）は、前記熱処理炉１１内に炭化水素ガスを導入することで、ワークＷの表面から内部に炭素を侵入させる侵入工程と、前記侵入工程中に、放射温度計２１で前記ワークＷの表面の放射率を測定し、異常層検出器２２にてワークＷ表面におけるセメンタイトの生成を検出する検出工程と、前記検出工程でセメンタイトの生成を検出した場合は、前記熱処理炉１１内に窒素ガスを導入し、熱処理炉１１内から前記雰囲気ガスを排出することで、ワークＷの内部に炭素を拡散させる拡散工程と、を繰り返すことで行っているのである。
【００３３】
本実施形態に係る浸炭焼入れ装置１０においては、上記のように、生成するセメンタイトを浸炭焼入れ処理中に検出する構成としているため、検出結果を前記制御システム３１にリアルタイムでフィードバックすることが可能となり、セメンタイトの生成を抑制し、雰囲気熱処理の効率を向上させることができるのである。換言すれば、セメンタイトが生成した段階で拡散工程に処理を切替えることで効率的にセメンタイトを分解することができ、そして、セメンタイトが分解した段階で侵入工程に処理を切替えることができるため、余分な拡散時間を取る必要がなくなるのである。
【００３４】
［第二・第三実施形態］
次に、本発明に係る雰囲気熱処理装置の第二・第三実施形態について説明する。なお本実施形態においては、第一実施形態と共通する部分についてはその説明を省略する。
第二実施形態は、雰囲気熱処理方法として窒化処理方法が適用される。即ち、第一実施形態の侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、検出工程における異常層として窒化鉄が検出されるのである。
本実施形態に係る窒化処理装置においては、第一実施形態における浸炭焼入れ装置と略同様に構成され、生成する窒化鉄を窒化処理中に検出する構成としているため、第一実施形態と同様に、検出結果を前記制御システムにリアルタイムでフィードバックすることが可能となり、窒化鉄の生成を抑制し、雰囲気熱処理の効率を向上させることができるのである。
【００３５】
第三実施形態は、雰囲気熱処理方法として窒化焼入れ方法が適用される。即ち、第一実施形態の侵入工程における雰囲気ガス、及び、元素にはアンモニアガス、及び、アンモニアがそれぞれ用いられ、検出工程における異常層としてボイドが検出されるのである。
本実施形態に係る窒化焼入れ装置においては、第一実施形態における浸炭焼入れ装置と略同様に構成され、生成するボイドを窒化焼入れ処理中に検出する構成としているため、第一実施形態と同様に、検出結果を前記制御システムにリアルタイムでフィードバックすることが可能となり、ボイドの生成を抑制し、雰囲気熱処理の効率を向上させることができるのである。
なお、先述の通り、放射温度計等で計測される放射率の低下はボイドの生成によっても発生すると考えられるため、本実施形態のように、異常層としてボイドを検出する構成にすることが可能となるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ装置の概要を示す模式図。
【図２】本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ処理の加熱サイクルを示した図。
【図３】本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ方法における温度変化を示した図。
【図４】本発明の第一実施形態に係る浸炭焼入れ方法における処理フロー図。
【符号の説明】
【００３７】
１０    浸炭焼入れ装置
１１    熱処理炉
１２    ヒータ
２１    放射温度計
２２    異常層検出器
３１    制御システム
Ｗ    ワーク
【図１】
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【図２】
2010065256.tif 000004
【図３】
2010065256.tif 000005
【図４】
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