(57)【要約】【課題】炉内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することが可能な浸窒熱処理装置を提供すること。【解決手段】本発明は、アンモニアを供給する複数のインレットパイプ１１と、一方向に回転しアンモニアを自装置１０の炉１０ａ内に撹拌するファン１２と、ファン１２を動作させる動作電流Ｉが所定電流値Ｉｈ以下の場合、ファン１２の回転数ｋが所定回転数ｋｈ以下であると判断し、アンモニアの供給を停止する又は低減する制御部と、を備えることを特徴とする浸窒熱処理装置１０である。【選択図】図１
2019019380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを供給する複数のインレットパイプと、
一方向に回転し前記アンモニアを自装置の炉内に撹拌するファンと、
前記ファンを動作させる動作電流が所定電流値以下の場合、前記ファンの回転数が所定回転数以下であると判断し、前記アンモニアの供給を停止する又は低減する制御部と、
を備えることを特徴とする浸窒熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸窒熱処理装置に関するものであり、特に、炉内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することが可能な浸窒熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
浸窒熱処理装置においては、炉内を鉄系材料の対象物（被処理品）が焼入れ可能な高温にして炉内にアンモニアと窒素（アンモニアだけでも良い）を供給することで、炉内でアンモニアの熱分解反応が起こり、炉内が主に窒素と水素とアンモニア（残留アンモニア）の混合雰囲気で満たされる。そのような混合雰囲気中に対象物を搬入すると、対象物の表面から内部へ窒素が拡散（浸透拡散）する。その後、対象物に対して焼入れを行うことにより、対象物の表面が硬く、その内部がやわらかいものとすることができる。すなわち、対象物の表面を硬化させることができる。対象物の表面の硬度は、表面窒素濃度が高いほど高くなる。しかし、表面窒素濃度が高いほど、対象物の表面にボイド（空孔）が発生する可能性が高くなる。また、窒素を浸透拡散する時、炉内のアンモニア濃度のばらつきが大きいと、表面窒素濃度のばらつきも大きくなり、対象物毎の表面硬度や硬化深さ（窒素侵入量）を均一にすることが難しくなる。そして、炉内のアンモニア濃度のばらつきが大きいと、表面窒素濃度が高くなることがあり、対象物の表面にボイドが発生することがある。このため、炉内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物の表面硬度や窒素侵入量や表面窒素濃度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、炉内の雰囲気中のアンモニアガス分圧と、前記雰囲気中に置かれた対象物の窒素濃度との間の、前記雰囲気の温度に依存する相関関係を求め、実際の浸窒処理における雰囲気中のアンモニアガス分圧と、前記実際の雰囲気の温度と、を計測し、アンモニアガス分圧の前記計測値と、雰囲気の温度の前記計測値と、前記相関関係と、に基づいて、雰囲気が有する浸窒(窒化)能力（窒化ポテンシャル）を演算し、前記窒化ポテンシャルの演算値と対象物の窒素濃度の目標値とを比較して、対象物の窒素濃度が前記目標値となるように前記雰囲気中へのアンモニアガスの供給量を制御することが開示されている。すなわち、特許文献１には、アンモニアガスの供給量を制御することで、対象物の窒素濃度を適切にすることが開示されている。しかし、炉内に設けられたファンの回転数が低下して、ファンがアンモニアガスを充分に撹拌することができない場合については、開示されていない。
【０００４】
特許文献２には、ワーク（対象物）を炉内に搬入しワークの表面に窒素を浸透拡散させるとともに焼入れを施す熱処理装置（浸窒熱処理装置）において、炉内雰囲気を撹拌するファンを正転駆動（右回転）および逆転駆動（左回転）に交互に繰り返し切替え雰囲気の流れを乱すことで、アンモニア濃度のばらつきを低減することが開示されている。しかし、ファンは、右回転と左回転の切替時にその回転数が低下する。ファンの回転数が低下すると、ファンが炉内雰囲気を充分に撹拌することができず、対象物の表面窒素濃度が高くなり（過剰浸窒）、対象物の表面にボイドが発生して対象物が品質不良となることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３１９３３号公報
【特許文献２】特開２０１０−７１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
浸窒熱処理装置においては、メンテナンス等のために炉内の炉床のレンガや断熱材やヒーターなどを定期的に修理し交換し、又は、それらを部分的に修理し交換する。レンガや断熱材やヒーターなどを修理し交換した後、アンモニアが炉内構成物に接触することでアンモニアの熱分解率が変化する。アンモニアの熱分解率が低下してアンモニアが分解しにくくなると、熱分解反応後の残留アンモニアの量が増加する。
【０００７】
また、特許文献２に記載されているように、アンモニア濃度のばらつきを低減するため、ファンを右回転と左回転に交互に繰り返し切替え雰囲気の流れを乱す場合、ファンの右回転と左回転の切替時においてファンの回転数が低下する。この場合のファンの回転数の低下は、正常動作であるので異常動作とは検出されず、アンモニアの供給量は維持される。ファンの回転数は低下してもアンモニアの供給量は維持されるので、アンモニアが充分に撹拌されなくなる。
【０００８】
このように、熱分解反応後の残留アンモニアの量が増加する一方で、ファンの右回転と左回転の切替時におけるファンの回転数の低下により、アンモニアが充分に撹拌されなくなる。これにより、アンモニアを供給するインレットパイプの真下付近に搭載された対象物に、アンモニアが過剰に接触して対象物が過剰浸窒となる。その結果、該対象物の表面にボイドが発生する場合がある。
【０００９】
尚、熱分解率を、単に、分解率と称することもある。また、熱分解反応後の残留アンモニアを、単に、アンモニアと称することもある。また、空孔をボイドと称することもある。また、対象物をワークとしたり、部品と称することもある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、炉内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することが可能な浸窒熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、
アンモニアを供給する複数のインレットパイプと、
一方向に回転し前記アンモニアを自装置の炉内に撹拌するファンと、
前記ファンを動作させる動作電流が所定電流値以下の場合、前記ファンの回転数が所定回転数以下であると判断し、前記アンモニアの供給を停止する又は低減する制御部と、
を備えることを特徴とする浸窒熱処理装置。
このような浸窒熱処理装置によれば、ファンの回転数が低下した場合に、アンモニアの供給を停止する又は現在の供給量から低減することで、アンモニアの撹拌不足を少なくし、炉内のアンモニア濃度のばらつきを低減することができる。その結果、対象物が過剰浸窒になることを抑制し、対象物の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、炉内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することが可能な浸窒熱処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る浸窒熱処理装置を例示する斜視図である。
【図２】実施形態に係る浸窒熱処理装置を例示する平面図である。
【図３】実施形態に係る浸窒熱処理装置を例示する側面図である。
【図４】トレイ上の複数の位置を例示する模式図である。
【図５Ａ】実施形態に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニアの撹拌の様子を例示する模式図である。
【図５Ｂ】実施形態の比較例１に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニアの撹拌の様子を例示する模式図である。
【図５Ｃ】実施形態の比較例２に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニアの撹拌の様子を例示する模式図である。
【図６】トレイ上の複数の位置における表面窒素濃度を例示するグラフである。
【図７】トレイ上の複数の位置における窒素侵入量を例示するグラフである。
【図８】トレイ上の複数の位置における表面硬度を例示するグラフである。
【図９】対象物の表面付近に発生したボイドを例示する断面写真（図面代用写真）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。
【００１５】
［実施形態］
実施形態に係る浸窒熱処理装置の構成について説明する。
【００１６】
図１は、実施形態に係る浸窒熱処理装置を例示する斜視図である。
図２は、実施形態に係る浸窒熱処理装置を例示する平面図である。すなわち、図２は、図１に示す浸窒熱処理装置をＺ方向から見た図である。
図３は、実施形態に係る浸窒熱処理装置を例示する側面図である。すなわち、図３は、図１に示す浸窒熱処理装置をＹ方向から見た図である。
【００１７】
図１−図３に示すように、実施形態に係る浸窒熱処理装置１０は、インレットパイプ１１ａとインレットパイプ１１ｂを含む複数のインレットパイプ１１と、ファン１２と、制御部（図示せず）と、ヒーター１３と、スキッドレール１４と、レンガ１５と、断熱材１６と、を備える。
【００１８】
炉１０ａ内のスキッドレール１４上には、トレイ１８が配置される。トレイ１８には、数百個の表面を硬化させるべき対象物１７が搭載される。トレイ１８の大きさは、例えば、縦が６００ｍｍ（ミリメートル）、横が１２００ｍｍ（ミリメートル）、高さが６００ｍｍ（ミリメートル）である。インレットパイプ１１ａとインレットパイプ１１ｂは、炉１０ａ内にアンモニアを供給する。
【００１９】
尚、複数のインレットパイプ１１からは、アンモニアだけでなく、アンモニアと窒素を供給してもよい。また、トレイを熱処理治具と称することもある。
【００２０】
ファン１２は、一方向に回転し、インレットパイプ１１ａとインレットパイプ１１ｂから供給されたアンモニアを浸窒熱処理装置１０の炉１０ａ内に撹拌する。
【００２１】
浸窒熱処理装置１０は、ヒーター１３の熱で炉１０ａ内を高温にし、炉１０ａ内にアンモニアを供給する。そして、熱分解後の窒素と水素とアンモニアの混合雰囲気で満たされた炉１０ａ内に、トレイ１８に搭載された複数の対象物１７を搬入し、対象物１７の表面に窒素を浸透拡散させる。その後、対象物１７に焼入れを行い対象物１７の表面を硬化させる。
【００２２】
炉内のアンモニア濃度のばらつきを低減するため、例えば、ファンを右回転と左回転に切替えると、回転切替時にファンの回転数が低下してアンモニアが充分に撹拌されなくなる。また、炉内のレンガなどを修理交換後、アンモニアが炉内の構成物に接触して熱分解率が低下してアンモニアが分解しにくくなると、分解せずに残留する残留アンモニアの量が増加する。このように、回転切替時のファンの回転数の低下によりアンモニアが充分に撹拌されなくなる一方で、熱分解反応後の残留アンモニアの量が増加することがある。これにより、アンモニアが対象物に過剰に接触し、対象物が過剰浸窒となる。
【００２３】
また、ファンを右回転と左回転に切替えて動作させる場合、回転切替時のファンの回転数の低下は正常動作と判断され、異常動作とは判断されない。例えば、ファンを右回転から左回転に切替える場合、ファンは惰性で回転するので、直ぐには停止させて逆回転（左回転）にすることはできない。また、ファンを左回転させた後、直ぐにはその回転数を最高回転数にはできない。このように、右回転と左回転を繰返す場合、ファンの回転数の低下は必然的に起こることなので、回転数の低下は異常動作とは判断されない。
【００２４】
そこで、実施形態に係る浸窒熱処理装置１０では、ファン１２を、右回転と左回転に交互に繰返す切替えをせずに、一方向に回転させる。これにより、ファン１２は右回転と左回転に交互に繰返えさないので、正常動作中はファン１２の回転数ｋは低下しない。
【００２５】
また、制御部は、残留アンモニアの量が増加しないように、アンモニアの供給量を制御する。具体的には、制御部は、ファン１２の回転数ｋが低下して、所定回転数ｋｈ以下であると判断すると、アンモニアの供給を停止する又は低減する。これにより、供給されるアンモニアの量が低減して残留アンモニアの量が増加しないので、アンモニアの撹拌不足が少なくなり、炉内のアンモニア濃度のばらつきを低減することができる。そして、アンモニア濃度のばらつきを低減することができるので、対象物１７が過剰浸窒になることを抑制することができる。
【００２６】
ファン１２を動作させる動作電流Ｉをゼロにすると、ファン１２は惰性でしばらくの間、回転を続けた後、回転を停止して回転数ｋがゼロとなる。その時点で、ファン１２を左回転で動作するように動作電流Ｉを流すと、数十秒後に最大回転数に達する。このようにして、動作電流Ｉでファン１２の回転を制御することができる。
【００２７】
そこで、実施形態に係る浸窒熱処理装置１０では、ファン１２の動作電流Ｉに基づいて、アンモニアの供給量を制御する。すなわち、浸窒熱処理装置１０の制御部は、ファン１２の回転数ｋが所定回転数ｋｈ以下であると判断する際に、回転数ｋの低下をセンサなどで検出するのではなく、ファン１２を動作させる動作電流Ｉに基づいて判断する。具体的には、制御部は、ファン１２を動作させる動作電流Ｉが所定電流値Ｉｈ以下の場合、ファン１２の回転数ｋが所定回転数ｋｈ以下であると判断し、アンモニアの供給を停止する又は低減する。
【００２８】
次に、実施形態に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニア濃度と対象物の表面窒素濃度と窒素侵入量と表面硬度について説明する。
【００２９】
図４は、トレイ上の複数の位置を例示する模式図である。
図５Ａは、実施形態に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニアの撹拌の様子を例示する模式図である。
図５Ｂは、実施形態の比較例１に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニアの撹拌の様子を例示する模式図である。
図５Ｃは、実施形態の比較例２に係る浸窒熱処理装置の炉内のアンモニアの撹拌の様子を例示する模式図である。
【００３０】
図４に示すように、トレイ１８の複数の位置をそれぞれ位置Ｐ１−位置Ｐ１０とする。トレイ１８は、浸窒熱処理装置１０の炉１０ａ内に搬入されるので、位置Ｐ１−位置Ｐ１０は、炉１０ａ内の位置とも言える。位置Ｐ１−位置Ｐ８は、トレイ１８の８つの端である。位置Ｐ１、位置Ｐ３、位置Ｐ５、位置Ｐ７は、トレイ１８の８つの端のうち、Ｚ方向の端である。位置Ｐ２、位置Ｐ４、位置Ｐ６、位置Ｐ８は、トレイ１８の８つの端のうち、−Ｚ方向の端である。位置Ｐ９は、中央の位置である。位置Ｐ１０は、インレットパイプ１１ｂの直下の位置である。
【００３１】
図５Ａに示すように、実施形態に係る浸窒熱処理装置１０は、ファン１２を中心に対称に配置した２本のインレットパイプ１１であるインレットパイプ１１ａとインレットパイプ１１ｂからアンモニアを供給し、ファン１２の回転を停止させずに一方向に回転させ続けてアンモニアを撹拌する。
【００３２】
その結果、浸窒熱処理装置１０の炉１０ａ内に供給されたアンモニアは、図５Ａの矢印に示すように撹拌され、炉１０ａ内のアンモニア濃度は均一となる。これにより、炉１０ａ内のアンモニア濃度のばらつきを抑えることができ、インレットパイプ１１直下のボイドの発生を抑制することができる。
【００３３】
実施形態の比較例１に係る浸窒熱処理装置３０は、図５Ｂに示すように、１本のインレットパイプ３１ｂからアンモニアを供給し、ファン３２を右回転と左回転に交互に切替える。これにより、浸窒熱処理装置３０の炉３０ａ内に供給されたアンモニアは、図５Ｂの矢印に示すように撹拌される。しかし、浸窒熱処理装置３０は、ファン３２を右回転から左回転に切替えるタイミング及び左回転から右回転に切替えるタイミング、すなわち、回転方向を切替えるタイミングでファン３２の回転数が低下し、一時的に回転が停止する。
【００３４】
その結果、炉３０ａ内のアンモニア濃度は、ファン３２の回転停止中にインレットパイプ１１ｂの直下付近が高くなるので、浸窒熱処理装置１０と比べて均一とはならない。
【００３５】
実施形態の比較例２に係る浸窒熱処理装置４０は、図５Ｃに示すように、１本のインレットパイプ４１ｂからアンモニアを供給し、ファン４２の回転を停止させずに一方向に回転させ続ける。これにより、浸窒熱処理装置４０の炉４０ａ内に供給されたアンモニアは、図５Ｃの矢印に示すように撹拌される。
【００３６】
その結果、特に、炉４０ａ内の温度を、例えば、８００度以上のような高温にした場合、炉４０ａ内のアンモニア濃度のばらつきは大きくなり、位置Ｐ１付近に搭載された対象物１７が過剰浸窒になる。具体的には、炉４０ａ内のアンモニア濃度は、図５Ｃに示す部分Ｂ付近で低くなり、図５Ｃに示す部分Ｃ付近で高くなる。よって、浸窒熱処理装置４０のアンモニア濃度は、浸窒熱処理装置１０と比べて均一とはならない。
【００３７】
図６は、トレイ上の複数の位置における表面窒素濃度を例示するグラフである。
図６の横軸は、実施形態と比較例１と比較例２を示し、縦軸は、表面窒素濃度を示す。
図７は、トレイ上の複数の位置における窒素侵入量を例示するグラフである。
図７の横軸は、実施形態と比較例１と比較例２を示し、縦軸は、窒素侵入量を示す。
【００３８】
図８は、トレイ上の複数の位置における表面硬度を例示するグラフである。
図８の横軸は、実施形態と比較例１と比較例２を示し、縦軸は、表面硬度を示す。
図９は、対象物の表面付近に発生したボイドを例示する断面写真（図面代用写真）である。
【００３９】
図６に示すように、浸窒熱処理装置１０の各位置における表面窒素濃度は、浸窒熱処理装置３０及び浸窒熱処理装置４０と比べて、ばらつきは小さい。また、図７に示すように、浸窒熱処理装置１０の各位置における窒素侵入量は、浸窒熱処理装置３０及び浸窒熱処理装置４０と比べて、ばらつきは小さい。また、図８に示すように、浸窒熱処理装置１０の各位置における表面硬度は、浸窒熱処理装置３０及び浸窒熱処理装置４０と比べて、ばらつきは小さい。
【００４０】
浸窒熱処理装置１０の表面窒素濃度と窒素侵入量と表面硬度のばらつきが小さい理由は、２本のインレットパイプからアンモニアを供給し、ファン１２を一方向に回転させ続けてアンモニアを撹拌して炉１０ａ内のアンモニア濃度のばらつきを抑えるからである。そして、アンモニア濃度のばらつきを抑えることができるため、それに伴って、表面窒素濃度と窒素侵入量と表面硬度のばらつきも抑えることができる。
【００４１】
また、ファン１２の回転数ｋが低下した場合には、アンモニアの供給を停止する又は低減して供給するアンモニアの量を低減し、残留アンモニアの量が増加しないようにしている。
【００４２】
実施形態に係る浸窒熱処理装置１０においては、インレットパイプ１１ａ及びインレットパイプ１１ｂからアンモニアを供給し、ファン１２の回転を停止させずに一方向に回転させてアンモニアを撹拌する。そして、ファン１２を動作させる動作電流Ｉが所定電流値Ｉｈ以下の場合、ファン１２の回転数ｋが所定回転数ｋｈ以下であると判断し、アンモニアの供給を停止する又は低減する。これにより、ファン１２の回転数ｋが低下した場合において、供給されるアンモニアの量が低減して残留アンモニアの量が増加しないので、アンモニアの撹拌不足を少なくし、炉内のアンモニア濃度のばらつきを低減することができる。そして、対象物１７に対してアンモニアが過剰浸窒になることを抑制することができる。
【００４３】
その結果、炉１０ａ内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物１７の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することが可能な浸窒熱処理装置１０を提供することができる。
【００４４】
また、実施形態に係る浸窒熱処理装置１０おいては、トレイ１８に搭載された複数の対象物１７のそれぞれの表面硬度や窒素侵入量（硬化深さ）のばらつきを低減し、均一にすることができる。これにより、安価で安定した一定品質の製品（対象物）を提供することができる。
【００４５】
尚、比較例１に係る浸窒熱処理装置３０においては、図６及び図７に示すように、アンモニアを供給するインレットパイプ３１ｂ直下の位置Ｐ１０付近に搭載された対象物１７は、表面窒素濃度が高く、窒素侵入量も増加するので過剰浸窒となる。そのため、例えば、図９の部分Ｄに示すようなボイドが発生する。
【００４６】
また、比較例２に係る浸窒熱処理装置４０においては、図６及び図７に示すように、位置Ｐ１及び位置Ｐ３付近に搭載された対象物１７は、表面窒素濃度が高く、窒素侵入量も増加して過剰浸窒となる。そのため、例えば、図９の部分Ｄに示すようなボイドが発生する。位置Ｐ１及び位置Ｐ３付近が過剰浸窒になる理由は、インレットパイプ４１ｂからの供給された直後のアンモニア濃度は高く、時間の経過に従ってアンモニアの分解が進むが、炉４０ａの上部付近はアンモニアの分解が充分に進まず過剰浸窒となるからである。尚、対象物１７の表面から内部に行くほど表面窒素濃度が低下するため、ボイドは内部に行くほど、発生しにくくなる。
【００４７】
この様に、比較例１に係る浸窒熱処理装置３０及び比較例２に係る浸窒熱処理装置４０においては、炉内のアンモニア濃度のばらつきを抑え、対象物の表面硬度のばらつきを低減し、ボイドの発生を抑制することが可能な浸窒熱処理装置を提供することは難しい。
【００４８】
尚、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０、３０、４０…浸窒熱処理装置  １０ａ、３０ａ、４０ａ…炉  １１…複数のインレットパイプ  １１ａ、１１ｂ、３１ｂ、４１ｂ…インレットパイプ  １２、３２、４２…ファン  １３…ヒーター  １４…スキッドレール  １５…レンガ  １６…断熱材  １７…対象物  １８…トレイ  １９…樹脂  Ｂ、Ｃ、Ｄ…部分  ｋ…回転数  ｋｈ…所定回転数  Ｉ…動作電流  Ｉｈ…所定電流値  Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８、Ｐ９、Ｐ１０…位置
【図１】
2019019380.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2019019380.tif 000009
【図６】
2019019380.tif 000010
【図７】
2019019380.tif 000011
【図８】
2019019380.tif 000012
【図９】
2019019380.tif 000013