(57)【要約】  本発明は、窒化処理後の排ガスに含まれるアンモニアガスを燃焼や吸着剤による吸着等をすることなく安価に処理することを特徴とする。本開示の真空浸炭処理装置（Ａ）は、被処理物（Ｗ）を加熱する加熱炉（１）と、被処理物（Ｗ）を窒化処理するためのアンモニアガスを加熱炉（１）に供給するアンモニアガス供給装置（２）と、窒化処理後、加熱炉（１）から排出されるアンモニアガスを熱分解する熱分解炉（３）と、を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を加熱する加熱炉と、  前記被処理物を窒化処理するためのアンモニアガスを前記加熱炉に供給するアンモニアガス供給装置と、  前記窒化処理後、前記加熱炉から排出される前記アンモニアガスを熱分解する熱分解炉と、を有する熱処理装置。
【請求項２】
前記熱分解炉は、  前記アンモニアガスの熱分解反応を促進させる反応物と、  前記反応物を収容し、加熱する加熱室と、  前記加熱室に前記アンモニアガスを導入する導入管と、  前記加熱室を囲う真空容器と、  前記真空容器内を真空排気する真空ポンプと、を有する請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記反応物は、前記導入管の先端を囲う凹状に形成されている請求項２に記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記反応物は、内部に流路を有し、  前記導入管の先端は、前記流路に接続されている請求項２に記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記流路は、渦巻き状に形成されている請求項４に記載の熱処理装置。
【請求項６】
前記流路は、つづら折り状に形成されている請求項４に記載の熱処理装置。
【請求項７】
前記真空ポンプの下流側に設けられた排気管と、  前記排気管に窒素ガスを供給する窒素ガス供給装置と、を有する請求項２〜６のいずれか一項に記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、熱処理装置に関する。本願は、２０１５年５月１日に、日本に出願された特願２０１５−０９４１６７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】  被処理物の表面に硬度が必要とされる場合、浸炭処理等が一般的である。また、それ以上の硬度が必要とされる場合には、表面の窒化処理が行われることがある。このような窒化処理を行う熱処理装置として、例えば、下記特許文献１に記載の真空浸炭処理装置が知られている。この真空浸炭処理装置では、アセチレン等の浸炭用ガスを供給する浸炭処理と、浸炭用ガスの炭素を被処理物の表面に拡散させる拡散処理とが行われ、その拡散処理において窒化ガスが供給され、被処理物の表面に窒化層が形成され、被処理物の表面硬度や耐摩耗性を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特許第５５７７５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  ところで、窒化処理の窒化ガスとしては、アンモニアガスがよく使用される。アンモニアガスは、刺激性が強い劇物であり、窒化処理後、加熱炉から排出されるアンモニアガスを適切に処理する必要がある。アンモニアの処理方法としては、アンモニアガスを燃焼させる燃焼法が古くから行われている。燃焼法では、燃焼廃ガスの規制の問題等があるため、近年では、燃焼させたアンモニアガスを水に溶け込ませたり、吸着材で吸着する等の処理が行われている。しかしながら、これらの処理を行う設備のランニングコストは、非常に高価である。【０００５】  本開示は、上記問題点に鑑みてなされ、窒化処理用に使用するアンモニアガスを安価に処理することができる熱処理装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記の課題を解決するために、本開示の第１の態様に係る熱処理装置は、被処理物を加熱する加熱炉と、被処理物を窒化処理するためのアンモニアガスを加熱炉に供給するアンモニアガス供給装置と、窒化処理後、加熱炉から排出されるアンモニアガスを熱分解する熱分解炉と、を有する。
【発明の効果】
【０００７】  本開示では、窒化処理を行う加熱炉に熱分解炉を並設し、窒化処理後、加熱炉から排出されるアンモニアガスを熱分解炉で熱分解する。熱分解炉は、アンモニアガスを加熱により分解するため、燃焼廃ガスが出ず、また、アンモニアガスを処理する水や吸着材等の入換えや補充の必要もない。  したがって、本開示によれば、安価にアンモニアガスの処理を行うことができる熱処理装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の第１実施形態に係る真空浸炭処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本開示の第１実施形態に係る真空浸炭処理と窒化処理の処理時間と処理温度のプロファイルを示す図である。
【図３】本開示の第１実施形態に係る熱分解炉の構成を示す縦断面図である。
【図４Ａ】本開示の第２実施形態に係る反応物の縦断面図である。
【図４Ｂ】本開示の第２実施形態に係る反応物の底面図である。
【図５Ａ】本開示の第３実施形態に係る反応物の縦断面図である。
【図５Ｂ】本開示の第３実施形態に係る反応物の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本開示の熱処理装置として、真空浸炭処理装置を例示する。
【００１０】  （第１実施形態）  図１は、本開示の第１実施形態に係る真空浸炭処理装置Ａの概略構成を示すブロック図である。  図１に示すように、本実施形態の真空浸炭処理装置Ａは、加熱炉１と、アンモニアガス供給装置２と、熱分解炉３と、窒素ガス供給装置４とを備えている。
【００１１】  加熱炉１は、被処理物Ｗを加熱する。本実施形態の加熱炉１は、真空ポンプ１１が接続された真空浸炭炉であり、鋼材からなる被処理物Ｗの真空浸炭処理・窒化処理を行う。加熱炉１の内部には、不図示のヒーター等が配置されている。また、加熱炉１には、不図示の浸炭用ガス供給装置が接続されており、浸炭用ガスとして例えばアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）が供給される。アンモニアガス供給装置２は、被処理物Ｗを窒化処理するためのアンモニアガス（ＮＨ３）を加熱炉１に供給する。
【００１２】  図２は、本開示の第１実施形態に係る真空浸炭処理と窒化処理の処理時間と処理温度のプロファイルを示す図である。  本実施形態の被処理物Ｗの熱処理は、図２に示すように、ａ：昇温・昇温保持工程、ｂ：浸炭工程、ｃ：拡散工程、ｄ：降温・降温保持工程、の順に行われ、最後に油冷が行われる。
【００１３】  本実施形態の熱処理では、先ず、被処理物Ｗを、加熱炉１内に載置する。次に、加熱炉１内を真空排気し、加熱炉１内を減圧して真空状態（極低圧雰囲気）とする。ここで、一般的な真空浸炭処理において、「真空」とは大気圧の１／１０程度以下を指す。本実施形態では、加熱炉１内を１ｋＰａ以下、好ましくは、１Ｐａ以下の真空状態とする。
【００１４】  次に、昇温・昇温保持工程では、加熱炉１のヒーターに通電して、加熱炉１内を目標とする温度（本実施形態では９３０℃）まで昇温させる。続いて、加熱炉１内を上記の目標温度にした状態で所定時間保持する。この保持時間を設けることにより、被処理物Ｗの温度が加熱炉１内の温度に十分に追従しやすくなる。その結果、次の浸炭工程へ移行する際の温度を正確に制御できる。
【００１５】  次に、浸炭工程では、加熱炉１内に浸炭用ガスとしてアセチレンガスを供給する。このとき、加熱炉１内の圧力は、真空状態から所定の圧力にまで上昇する。この浸炭工程において、被処理物Ｗは、加熱炉１内の９３０℃という高温の浸炭用ガス雰囲気に所定時間晒されることにより、浸炭処理される。
【００１６】  次に、拡散工程では、加熱炉１内から浸炭用ガスを排気して、浸炭工程前の圧力と略同等の真空状態とする。次に、降温・降温保持工程では、加熱炉１のヒーターを制御して、加熱炉１内を目標とする温度（本実施形態では８５０℃）まで降温させる。続いて、加熱炉１内を上記の目標温度にした状態で所定時間保持する。その際に、先ず、窒素ガス（Ｎ２）を加熱炉１に供給し、目標とする圧力まで昇圧した後に、加熱炉１内にアンモニアガスを供給する。アンモニアガスを供給したら、加熱炉１の圧力が一定圧でコントロールを行えるよう真空排気回路のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。その際、加熱炉１内の雰囲気を撹拌するための不図示のファンを作動させる。
【００１７】  これにより、被処理物Ｗの表面近傍に浸入した炭素が被処理物Ｗの表面から内部へと拡散される。また、加熱炉１内で高温雰囲気に所定時間晒されたアンモニアガスの一部は熱分解し、窒素ガス（Ｎ２）と水素ガス（Ｈ２）が発生する。拡散工程及び降温・降温保持工程における処理は、窒素ガス（水素ガス及びアンモニアガスを含む）雰囲気下で行われるため、被処理物Ｗの表面に窒化層（例えばＦｅ４Ｎ等）が形成され、被処理物Ｗの表面硬度や耐摩耗性が向上する。つまり、この拡散工程及び降温・降温保持工程が窒化処理工程に相当する。
【００１８】  その後、被処理物Ｗを不図示の冷却槽に移送して、被処理物Ｗを８５０℃の高温から常温まで油冷する。以上の工程で、本実施形態の真空浸炭処理・窒化処理は完了する。本実施形態の熱処理によれば、拡散工程及び降温・降温保持工程における窒化ガスの添加により、焼入れ性の改善が見込める。
【００１９】  図１に戻り、熱分解炉３は、真空浸炭処理・窒化処理後、加熱炉１から排出されるアンモニアガスを熱分解する。なお、加熱炉１から排出されるアンモニアガスは、一部熱分解されており、窒素ガス（Ｎ２）と水素ガス（Ｈ２）とを含む。  図３は、本開示の第１実施形態に係る熱分解炉３の構成を示す縦断面図である。  図３に示すように、本実施形態の熱分解炉３は、反応物３１と、加熱室３２と、導入管３３と、真空容器３４と、真空ポンプ３５とを備えている。
【００２０】  反応物３１は、アンモニアガスの熱分解反応を促進させる触媒として機能する。本実施形態では、反応物３１として鉄を使用する。鉄は、Ｆｅ４Ｎ等となり、窒素を奪うことで、アンモニアガスの熱分解反応を促進させる。反応物３１は、例えば鉄鋼材から形成されている。  この反応物３１は、導入管３３の先端３３ａを囲う凹状に形成されている。本実施形態の反応物３１は、略枡状に形成されており、その開口底部が、導入管３３の先端３３ａと対向するように設けられている。
【００２１】  加熱室３２は、反応物３１を収容し、加熱する。加熱室３２は、壁部が断熱材から形成されており、その壁部の内側に反応物３１を収容している。また、加熱室３２の壁部の内側には、ヒーター３２ａと、熱電対３２ｂの先端とが配置されている。加熱室３２の壁部には、ヒーター３２ａと、熱電対３２ｂとが貫通して配置される貫通孔３２ｃが複数形成されている。ヒーター３２ａ及び熱電対３２ｂは、加熱室３２の温度を制御する。
【００２２】  導入管３３は、加熱室３２にアンモニアガスを導入する。導入管３３は、図１に示すように、真空ポンプ１１と接続されており、その先端３３ａが加熱室３２の壁部を貫通して加熱室３２の内側まで挿入されている。導入管３３の先端３３ａからは、加熱炉１から搬送されてきたアンモニアガスが吐出される。
【００２３】  真空容器３４は、加熱室３２を囲う。真空容器３４は、圧力耐性の高い形状つまり丸みを帯びた略円筒形状に形成されている。真空容器３４は、水冷ジャケット３４ａで覆われている。  真空ポンプ３５は、真空容器３４内を真空排気する。真空ポンプ３５が駆動すると、加熱室３２内のガスは、貫通孔３２ｃを通って加熱室３２外に出て、真空容器３４の外部に排出される。
【００２４】  図１に戻り、真空ポンプ３５の下流側には、排気管３６が設けられている。  窒素ガス供給装置４は、排気管３６に窒素ガスを供給する。窒素ガス供給装置４は、排気管３６に窒素ガスを供給することで、真空ポンプ３５よりも下流側から、真空ポンプ３５の上流側へガスが逆拡散することを防止するために設けられている。
【００２５】  次に、上記構成を有する熱分解炉３の動作について説明する。
【００２６】  熱分解炉３では、予め真空容器３４内を真空排気し、加熱室３２内を減圧して真空状態（極低圧雰囲気）とする。ここで、「真空」とは大気圧の１／１０程度以下を指す。本実施形態では、１ｋＰａ以下、好ましくは、１Ｐａ以下の真空状態とする。次に、ヒーター３２ａに通電して、加熱室３２内をアンモニアガスの熱分解反応に適した温度まで昇温させる。本実施形態では、反応物３１として鉄を使用するため、加熱室３２内の温度を例えば８５０℃程度まで昇温させる。
【００２７】  上述した真空浸炭処理・窒化処理の後、図１に示す加熱炉１からアンモニアガス（窒素ガス、水素ガスを含む）が排出される。排出されたアンモニアガスは、図３に示すように、導入管３３の先端３３ａから加熱室３２内に吐出される。アンモニアガスは、加熱室３２内の８５０℃という高温雰囲気に晒され、また、反応物３１の作用により、最終的に下記反応式（１）のように熱分解される。  ２ＮＨ３  →  Ｎ２  ＋  ３Ｈ２  …（１）
【００２８】  ここで、本実施形態の反応物３１は、導入管３３の先端３３ａを囲う凹状に形成されている。この構成によれば、導入管３３の先端３３ａから吐出されたアンモニアガスは、反応物３１の凹部分の底面に衝突した後、凹部分の側面に沿って流れるため、アンモニアガスと反応物３１との接触距離を長く確保することができる。このため、アンモニアガスと反応物３１とが触れる時間が長くなり、アンモニアガスの熱分解を確実に行うことができる。
【００２９】  アンモニアガスの分解ガスである窒素ガス及び水素ガスは、加熱室３２で所定時間滞留した後、貫通孔３２ｃを通って加熱室３２外に出て、真空容器３４の外部に排出される。  この窒素ガス及び水素ガスは、真空ポンプ３５を介して下流側の排気管３６に排出される。ここで、アンモニアガスの分解ガスは、上記反応式（１）から明らかなように、窒素ガスよりも水素ガスの濃度が高くなる傾向にある。このため、図１に示す窒素ガス供給装置４は、燃焼性を有する水素ガスが真空ポンプ３５より上流側へ逆拡散することを防止するために、排気管３６に窒素ガスを供給する。これにより、安全性を向上させることができる。
【００３０】  以上のように、本実施形態では、真空浸炭処理・窒化処理を行う加熱炉１に熱分解炉３を並設し、真空浸炭処理・窒化処理後、加熱炉１から排出されるアンモニアガスを熱分解炉３に導入し、真空状態で加熱（８５０℃程度）し、熱分解する。熱分解炉３は、アンモニアガスを加熱により分解するため、燃焼廃ガスが出ず、また、アンモニアガスを処理する水や吸着材等の入換えや補充の必要もない。したがって、本実施形態では、安価にアンモニアガスの処理を行うことができる。
【００３１】  このように、上述の本実施形態の真空浸炭処理装置Ａによれば、被処理物Ｗを加熱する加熱炉１と、被処理物Ｗを窒化処理するためのアンモニアガスを加熱炉１に供給するアンモニアガス供給装置２と、窒化処理後、加熱炉１から排出されるアンモニアガスを熱分解する熱分解炉３と、を有することで、安価にアンモニアガスの処理を行うことができる。
【００３２】  （第２実施形態）  次に、本開示の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００３３】  図４Ａ及びＢは、本開示の第２実施形態に係る反応物３１Ａの構成を示す図である。図４Ａは、反応物３１Ａの縦断面図であり、図４Ｂは、反応物３１Ａの底面図である。  第２実施形態の反応物３１Ａは、図４Ａ及びＢに示すように、内部に流路３１ａを有する点で、上記実施形態と異なる。
【００３４】  反応物３１Ａは、ブロック状に形成されており、流路３１ａの第１端３１ａ１はブロック底面３１Ａ１に開口し、流路３１ａの第２端３１ａ２は反応物３１Ａのブロック背面３１Ａ２に開口している。流路３１ａは、第１端３１ａ１から第２端３１ａ２に向かって渦巻き状に形成されている。流路３１ａの第１端３１ａ１には、導入管３３の先端３３ａが接続されている。
【００３５】  上記構成の第２実施形態によれば、導入管３３の先端３３ａから吐出されたアンモニアガスが、流路３１ａの第１端３１ａ１から第２端３１ａ２に向かって流れる。流路３１ａを形成する壁面は、反応物３１Ａからなり、流路３１ａは渦巻き状に形成されているため、アンモニアガスと反応物３１との接触距離を長く取ることができる。このように第２実施形態では、アンモニアガスと反応物３１とが触れる時間が長くなり、アンモニアガスの熱分解をより確実に行うことができる。
【００３６】  （第３実施形態）  次に、本開示の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００３７】  図５Ａ及びＢは、本開示の第３実施形態に係る反応物３１Ｂの構成を示す図である。図５Ａは、反応物３１Ｂの縦断面図であり、図５Ｂは、反応物３１Ｂの底面図である。  第３実施形態の反応物３１Ｂは、図５Ａ及びＢに示すように、内部に流路３１ｂを有する点で、上記実施形態と異なる。
【００３８】  反応物３１Ｂは、ブロック状に形成されており、流路３１ｂの第１端３１ｂ１はブロック底面３１Ｂ１に開口し、流路３１ｂの第２端３１ｂ２は反応物３１Ｂのブロック側面３１Ｂ２に開口している。流路３１ｂは、第１端３１ｂ１から第２端３１ｂ２に向かってつづら折り状に形成されている。流路３１ｂの第１端３１ｂ１には、導入管３３の先端３３ａが接続されている。
【００３９】  上記構成の第３実施形態によれば、導入管３３の先端３３ａから吐出されたアンモニアガスが、流路３１ｂの第１端３１ｂ１から第２端３１ｂ２に向かって流れる。流路３１ｂを形成する壁面は、反応物３１Ｂからなり、流路３１ｂはつづら折り状に形成されているため、アンモニアガスと反応物３１との接触距離を長く取ることができる。このように第３実施形態では、アンモニアガスと反応物３１とが触れる時間が長くなり、アンモニアガスの熱分解をより確実に行うことができる。
【００４０】  なお、本開示の内容は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。（１）上記第２実施形態、第３実施形態では、反応物が渦巻状やつづら折り状の流路を有する構成について説明したが、本開示の内容はこれに限定されない。例えば、流路の製作の困難性を除けば、他の複雑なラビリンス構造を用いてもよい。また、反応物は流路の複雑さに応じて適宜、構造を分割してもよい。
【００４１】（２）また、上記実施形態では、加熱炉において真空浸炭処理・窒化処理を行うと説明したが、本開示の内容はこれに限定されない。例えば、加熱炉において窒化処理のみを行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】  本開示によれば、窒化処理用に使用するアンモニアガスを安価に処理することが可能な真空浸炭処理装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】Ａ  真空浸炭処理装置（熱処理装置）Ｗ  被処理物１  加熱炉２  アンモニアガス供給装置３  熱分解炉４  窒素ガス供給装置３１，３１Ａ，３１Ｂ  反応物３１ａ，３１ｂ  流路３２  加熱室３３  導入管３３ａ  先端３４  真空容器３５  真空ポンプ３６  排気管
【図１】
2016178334.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016178334.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2016178334.tif 000007
【図５Ａ】
2016178334.tif 000008
【図５Ｂ】
2016178334.tif 000009
【国際調査報告】
2016178334.tif 000010
2016178334.tif 000011
2016178334.tif 000012
2016178334.tif 000013