(57)【要約】【課題】ワークに浸窒処理を施した際にワークの表面に窒素濃度のムラが発生することを抑制することが可能な浸窒処理方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる浸窒処理方法は、アンモニアガスを含む浸窒ガスが供給口２１から供給されると共に、浸窒ガスが排出口２２から排出される加熱炉１０の内部において、ワークＷ１に浸窒処理を施す浸窒処理方法であって、ワークＷ１の表面Ｓ１には凹凸１３が形成されており、ワークＷ１の表面Ｓ１を流れる浸窒ガスを凹凸１３を用いて攪拌しながらワークＷ１に浸窒処理を施す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアガスを含む浸窒ガスが供給口から供給されると共に、前記浸窒ガスが排出口から排出される加熱炉の内部において、ワークに浸窒処理を施す浸窒処理方法であって、
前記ワークの表面には凹凸が形成されており、前記ワークの表面を流れる浸窒ガスを前記凹凸を用いて攪拌しながら前記ワークに前記浸窒処理を施す、
浸窒処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は浸窒処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料の表面を強化するための処理の一つとして、ワークの表面に窒化処理を施すことにより、ワークの表面に硬化層を形成する浸窒処理が従来から行われている。
【０００３】
特許文献１には、複数のワークが載置され、アンモニアガスが供給されるとともにヒーターにより内部雰囲気が加熱される熱処理炉を用いた熱処理装置に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−００７１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワークの表面に浸窒処理を施す際は、加熱炉の内部に浸窒ガスを導入し、窒化雰囲気でワークの表面に熱処理を施すことで、ワークの表面から内部に窒素を拡散させる。ここで、浸窒ガスは加熱炉の供給口から供給され排出口から排出されるので、加熱炉の内部では浸窒ガスの流れが発生している。このため、ワークの表面においても浸窒ガスの流れが発生するため、浸窒ガスが流れる方向に沿って、ワークの表面に窒素濃度のムラ（浸窒処理ムラ）が発生するという問題がある。
【０００６】
図４を用いて、本発明の課題について詳細に説明する。図４は、ワークＷ１００へ浸窒処理を施している最中の図である。加熱炉内に配置されたワークＷ１００の表面Ｓ１００では、ワークＷ１００の上側から下側に向かって浸窒ガス（アンモニアガス）が流れている。浸窒処理は、ワークＷ１００の表面Ｓ１００にアンモニアガスが到達し、アンモニアガスが分解して窒素原子がワークに取り込まれることによって行われるが、アンモニアガスが分解する際に副生成物として水素ガスが発生する（２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２）。
【０００７】
図４右下の拡大図に示すように、アンモニアの分解によって発生した水素ガスは、ワークＷ１００の表面Ｓ１００において水素ガス層を形成する。この水素ガス層は、ワークＷ１００の下側に行くほど厚くなり、アンモニアガスがワークＷ１００の表面Ｓ１００に到達することを阻害してしまう。つまり、ワークＷ１００の下側、換言するとアンモニアガスの下流側に行くほどワークＷ１００の表面Ｓ１００におけるアンモニアガスの濃度が低くなり、これにより浸窒処理が阻害される。このため、アンモニアガスが流れる方向に沿って、ワークＷ１００の表面Ｓ１００に窒素濃度のムラが発生する。
【０００８】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、ワークに浸窒処理を施す際にワークの表面に窒素濃度のムラが発生することを抑制することが可能な浸窒処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる浸窒処理方法は、アンモニアガスを含む浸窒ガスが供給口から供給されると共に、前記浸窒ガスが排出口から排出される加熱炉の内部において、ワークに浸窒処理を施す浸窒処理方法であって、前記ワークの表面には凹凸が形成されており、前記ワークの表面を流れる浸窒ガスを前記凹凸を用いて攪拌しながら前記ワークに前記浸窒処理を施す。
【００１０】
本発明にかかる浸窒処理方法では、ワークの表面に凹凸を形成しているので、浸窒処理を実施した際に、ワークの表面を流れる浸窒ガスを攪拌することができる。よって、浸窒処理時にアンモニアの分解によって発生した水素ガスが、ワークの表面に水素ガス層を形成することを抑制することができるため、ワークに浸窒処理を施した際にワークの表面に窒素濃度のムラが発生することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、ワークに浸窒処理を施した際にワークの表面に窒素濃度のムラが発生することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態にかかる浸窒処理方法を実施する熱処理装置の断面図およびワークの拡大断面図である。
【図２】実施例にかかるワークの表面における凹凸のサイズを示す拡大断面図である。
【図３】実施例および比較例にかかるワークの表面における表面窒素濃度の対比を示すグラフである。
【図４】本発明の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、図面は適宜、簡略化されている。
なお、当然のことながら、図１、図２及び図４に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１４】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態にかかる浸窒処理方法を実施する熱処理装置１の断面図およびワークＷ１の拡大断面図である。図１に示すように、加熱炉１０の内部にワークＷ１が配置されている。例えば、ワークＷ１は、加熱炉１０の内部に設けられた載置台（不図示）に載置されている。ワークＷ１は、例えば鉄や鉄合金等の鉄系の材料である。加熱炉１０の供給口２１からワークＷ１に対し浸窒ガスを供給し、ワークＷ１をヒーター１１を用いて加熱することによって、加熱炉１０内に供給された浸窒ガスが熱分解され、ワークＷ１に対して浸窒処理が施される。
【００１５】
図１において、加熱炉１０の上部には供給口２１が設けられている。また、加熱炉１０の下部には排出口２２が設けられている。加熱炉１０の供給口２１は、浸窒ガスの供給源（不図示）と接続されている。また、加熱炉１０の排出口２２は、真空ポンプ１２に接続されている。よって、真空ポンプ１２を作動させて加熱炉１０の内部を真空引きすることにより、アンモニアガスを含む浸窒ガスが供給口２１から供給されると共に、浸窒ガスが排出口２２から排出される。図１では、浸窒ガスの流れの概略を黒矢印によって示す。図１に示すように、浸窒ガスは、ワークＷ１の表面Ｓ１上を沿うように下方向（ｚ軸負方向）に向かって流れる。
【００１６】
図１の拡大図に示すように、ワークＷ１の表面Ｓ１には凹凸１３が形成されている。ワークＷ１の表面Ｓ１に凹凸１３を形成することで、ワークＷ１の表面Ｓ１を流れる浸窒ガスの気流が乱れ、浸窒ガスが撹拌される（図１の拡大図の矢印参照）。このように、ワークＷ１の表面Ｓ１に形成された凹凸１３により浸窒ガスが撹拌されることで、浸窒処理時にアンモニアの分解によって発生した水素ガスが、ワークの表面に水素ガス層を形成することを抑制することができる。水素ガス層の形成が抑制されることによって、ワークＷ１の下側であっても、アンモニアガスを含む浸窒ガスがワーク表面に到達することができるので、浸窒処理を施した際にワークの表面に窒素濃度のムラが発生することを抑制することができる。
【００１７】
次に、ワークＷ１の表面Ｓ１に形成されている凹凸１３の詳細について説明する。ワークＷ１の表面Ｓ１の凹凸１３は、ワークＷ１の表面Ｓ１全体に形成されていてもよいし、水素ガス層が比較的形成されやすいワークＷ１の下側に主に形成されていてもよい。凹凸１３の種類としては、例えば旋盤を用いて作成した旋盤目などが挙げられるが、これに限定されるものではない。また、凹凸のサイズは、凸部の頂端と凹部の底部との差が０．１〜０．４ｍｍ程度であることが好ましく、凸部の頂端と凸部の頂端との間隔が０．１〜０．５ｍｍ程度であることが好ましいが、浸窒ガスを撹拌できる程度の凹凸であればこれらのサイズに限定されることはない。
【００１８】
次に、浸窒ガスの反応メカニズムについて説明する。浸窒ガスに含まれるアンモニアが熱分解される温度は３５０℃以上である。しかし、浸窒処理では、ワークＷ１の温度をヒーター１１によって８５０〜１０５０℃程度まで加熱する必要があり、ワークＷ１の表面Ｓ１はアンモニアが熱分解される温度よりも高温条件となる。このような高温条件下では、ワークＷ１の表面Ｓ１上を流れるアンモニアは、加熱された高温のワークＷ１の上側に触れた時点でその多くが分解されてしまい、ワークＷ１の下側まで到達することが困難である。すなわち、ワークＷ１の表面Ｓ１に沿うように流れる浸窒ガスは、ワークＷ１の表面Ｓ１において水素ガスに分解されて、水素ガス層を形成してしまう場合がある。この水素ガス層は、アンモニアガスがワークＷ１の表面Ｓ１に到達することを阻害するため、ワークの表面に窒素濃度のムラが発生する。
【００１９】
特に、図４右下の拡大図に示したように、ワークＷ１００の表面Ｓ１００に形成される水素ガス層は、ワークＷ１００の下側に行くほど厚くなる傾向にある。このため、特にワークの下側において浸窒処理が阻害されてしまい、ワークの表面に窒素濃度のムラが発生する。
【００２０】
本実施の形態では、ワークＷ１の表面Ｓ１に凹凸１３を形成することにより、ワークＷ１の表面Ｓ１において浸窒ガスが撹拌される。したがって、ワークＷ１の表面Ｓ１における水素ガス層の形成を抑制することができる。さらに、ワークＷ１の表面Ｓ１において浸窒ガスが撹拌されることで、ワークＷ１の表面Ｓ１にアンモニアガスを到達させることができる。よって、ワークＷ１の下側であっても、アンモニアガスを含む浸窒ガスをワーク表面に到達させることができるので、ワークに浸窒処理を施した際にワークの表面に窒素濃度のムラが発生することを抑制することができる。
【実施例】
【００２１】
次に、本発明の実施例について説明する。
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２２】
＜実施例１＞
図２は、実施例にかかるワークＷ１の表面Ｓ１における凹凸のサイズを示す拡大断面図である。本実施例において、ワークＷ１の表面Ｓ１における凹凸１３の凸部の頂端部から凹部の底部にかけての深さｄは０．２ｍｍであり、凸部の頂端部と凸部の頂端部との間の幅ｗは０．３ｍｍである。ワークＷ１はクロム・モリブデン鋼であるＳＣＭ２０を用いた。浸窒ガスとしてアンモニアガスを用いて、浸窒処理を行い、ワークＷ１の表面Ｓ１における表面窒素濃度を測定した。表面窒素濃度は、電子線プローブマイクロアナライザー（Electron Probe Micro Analyzer,ＥＰＭＡ）を用いて測定した。表面窒素濃度の測定結果は、ワークＷ１０の上側では０．３１ｗｔ％、下側では０．２３ｗｔ％であった。なお、実施例１に用いたワークＷ１の長さは５０ｍｍであり、ワークＷ１の上側とはワークＷ１の上面から１ｍｍの位置、ワークＷ１の下側とはワークＷ１の底面から１ｍｍの位置である。
【００２３】
＜比較例１＞
比較例として、ワークの表面における表面粗さ（Ｒａ）が０．２μｍであるワークＷ２０（不図示）を用いた。表面粗さ以外の他の条件は、実施例１と同条件で浸窒処理を行い、ワークＷ２０の表面における表面窒素濃度を測定した。表面窒素濃度は、電子線プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて測定した。表面窒素濃度の測定結果は、ワークＷ２０の上側では０．２９ｗｔ％、下側では０．０５ｗｔ％であった。なお、比較例１に用いたワークＷ１の長さは５０ｍｍであり、ワークＷ１の上側とはワークＷ１の上面から１ｍｍの位置、ワークＷ１の下側とはワークＷ１の底面から１ｍｍの位置である。
【００２４】
図３は、実施例１および比較例１にかかるワークの表面における表面窒素濃度の対比を示すグラフである。図３のグラフに示すように、表面粗さが大きい実施例１のワークＷ１では、ワークＷ１の下側においても表面窒素濃度が比較的高い濃度を示している。つまり、実施例１ではワークＷ１の表面Ｓ１において浸窒ガスが撹拌されることにより、ワークＷ１の下側における水素ガス層の形成が抑制され、アンモニアガスが到達することができ、浸窒処理されている。すなわち、ワークＷ１の表面Ｓ１における窒素濃度のムラを抑制することができた。
【００２５】
これに対して、表面粗さが小さい比較例１のワークＷ２０では、ワークＷ２０の下側において表面窒素濃度が著しく減少している。つまり、比較例１ではワークＷ２０の下側に水素ガス層が形成されてしまい、アンモニアガスによる窒化が阻害されたものと考えられる。すなわち、ワークＷ２０の表面における窒素濃度のムラが生じてしまっている。
【００２６】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００２７】
１、１００  熱処理装置
１０  加熱炉
１１  ヒーター
１２  真空ポンプ
１３  凹凸
２１  供給口
２２  排出口
Ｗ１、Ｗ１０、Ｗ１００  ワーク
Ｓ１、Ｓ１０、Ｓ１００  ワークの表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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