(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化させる鋼材表面の硬化処理方法であって、
前記鋼材を、高周波による加熱手段、赤外線による加熱手段、および、通電による加熱手段のうち、いずれか１つの第１の加熱手段により、加熱するとともに加熱した前記鋼材を高温状態に保持し、高温状態に保持した前記鋼材に対して、前記鋼材の表面に処理ガスを吹き付けるとともに、吹き付けられる処理ガスに接することで生じる前記鋼材の表面の温度低下を防止するように前記鋼材を高温状態に保持するための、前記第１の加熱手段とは別の第２の加熱手段によって、前記鋼材のうち処理ガスが吹き付けられる部位を補助加熱しながら硬化処理を行うことを特徴とする鋼材表面の硬化処理方法。
【請求項２】
前記処理ガスが吹き付けられる部位での鋼材の表面温度を測定し、前記表面温度が所定の温度になるように前記第２の加熱手段による加熱量を制御しながら硬化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼材表面の硬化処理方法。
【請求項３】
前記第２の加熱手段としてレーザを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材表面の硬化処理方法。
【請求項４】
鋼材表面の硬化処理が浸炭処理または浸窒処理のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼材表面の硬化処理方法。
【請求項５】
高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化させる鋼材表面の硬化処理を行う装置であって、前記装置は、
前記鋼材を加熱する、高周波による加熱手段、赤外線による加熱手段、および、通電による加熱手段のうち、いずれか１つの第１の加熱手段と、
前記第１の加熱手段により加熱された前記鋼材に対して処理ガスを吹き付けるノズルと、
前記鋼材における前記ノズルからの処理ガスが吹き付けられる部位を、前記第１の加熱手段の加熱に対して補助加熱する第２の加熱手段と、
を少なくとも備えることを特徴とする鋼材表面の硬化処理を行う装置。
【請求項６】
前記鋼材における前記ノズルからの処理ガスが吹き付けられる部位の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段の測定結果に基づき前記第２の加熱手段の加熱量を制御する加熱制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の鋼材表面の硬化処理を行う装置。
【請求項７】
前記第２の加熱手段がレーザであることを特徴とする請求項５または６に記載の鋼材表面の硬化処理を行う装置。
【請求項８】
前記装置が、浸炭処理装置または浸窒処理装置のいずれかであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の鋼材表面の硬化処理を行う装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の表面を硬化処理する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン等の駆動部品には、所要の動力伝達機能を果たすために、耐摩耗性や面圧疲労強度といった品質が必要であり、これらの品質確保のために、部品である鋼材の表面に炭素あるいは窒素を含浸拡散させて表面層の炭素量あるいは窒素量を増加させる浸炭処理あるいは浸窒処理が行われる。大気雰囲気中で鋼材表面に浸炭処理あるいは浸窒処理を施す方法および装置も提案されており、特許文献１には、浸炭装置としてのその一例が記載されている。
【０００３】
この浸炭装置は、図７に示すように、鋼材であるワークＷを加熱する加熱手段１０と、前記ワークＷに対して浸炭ガスを吹き付けるノズル２０とを備え、加熱手段１０によって加熱されたワークＷの浸炭必要部位Ｗ１に、爆発限界未満の濃度の浸炭ガスを、ノズル２０から直接吹き付けることで、浸炭処理を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０２６６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載される形態の大気雰囲気中で鋼材表面に浸炭処理施す方法および装置において、処理時に、処理ガスである浸炭ガスが加熱されたワークＷの浸炭必要部位Ｗ１に吹き付けられるが、浸炭ガスの吹き付けによりワークＷの表面温度が低下するのを避けられない。ワークＷの表面温度が設定温度より低下すると浸炭能力が低下し、浸炭ができなくなるか、浸炭深さが不十分となる恐れがある。それを解決するために、ガス吹き付けにより温度低下する分、ワークＷの温度を予め高くしておくことが考えられるが、所望処理温度以上に鋼材であるワークＷを加熱すると、結晶粒が粗大化して強度が低下する恐れがある。また、ワークＷの周辺で処理ガスが分解し、ワークＷの表面に辿りつく浸炭ガス量が少なくなる恐れもある。浸炭ガスを予め温めておくことも考えられるが、鋼材であるワークＷの処理温度程度にまで浸炭ガスを加熱することはできない。それらのことから、実際の処理においては、処理時間を長くすることで、表面の温度低下によって生じる不都合をカバーするようにしている。
【０００６】
本発明は、処理ガスの吹き付けによって鋼材であるワークの表面に硬化処理を施す方法および装置において、処理ガスの吹き付けによりワーク表面の温度が低下することによって生じる上記のような不都合を解消することのできる、より改良された鋼材表面の硬化処理方法および装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による鋼材表面の硬化処理方法は、高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化させる鋼材表面の硬化処理方法であって、吹き付けられる処理ガスに接することで生じる鋼材表面の温度低下を当該鋼材を高温状態に保持するための加熱手段とは別の第２の加熱手段によって補助加熱しながら硬化処理を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明による鋼材表面の硬化処理方法によれば、処理ガスの吹き付けによって生じる鋼材の表面の温度低下は第２の加熱手段による加熱によって補填されるので、処理時にワークの表面温度は所要の温度に維持されることとなり、処理時間を長くすることなく、所要の硬化処理を終了することができる。また、鋼材であるワークの温度を処理に適した温度以上に高温化することも要しないので、結晶粒が粗大化して強度が低下するのも回避できるとともに、処理ガスが不要に分解してしまうのも回避できる。
【０００９】
本発明による鋼材表面の硬化処理方法の一態様では、前記処理ガスが吹き付けられる部位での鋼材（ワーク）の表面温度を測定し、前記表面温度が所定の温度になるように前記第２の加熱手段による加熱量を制御しながら硬化処理を行うことを特徴とする。この方法によれば、ワーク個間の処理バラつきを低減でき、また、個内のバラつきを低減できる。
【００１０】
本発明による鋼材表面の硬化処理方法において、第２の加熱手段は所望の位置を局所的に加熱できる手段であれば適宜の加熱手段を用いることができる。好ましくはレーザであるが、他に、赤外線ヒータ(ランプ)のような加熱手段であってもよい。
【００１１】
本発明による鋼材表面の硬化処理方法は、従来知られた、高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化させる硬化処理方法のいずれにも適用することができる。例として、処理ガスの吹き付けによる、浸炭処理または浸窒処理を挙げることができる。
【００１２】
本発明は、さらに、高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化させる鋼材表面の硬化処理を行う装置であって、前記装置は、処理対象物である前記鋼材を加熱する第１の加熱手段と、前記鋼材に対して処理ガスを吹き付けるノズルと、前記鋼材における前記ノズルからの処理ガスが吹き付けられる部位を加熱する第２の加熱手段と、を少なくとも備えることを特徴とする鋼材表面の硬化処理を行う装置をも開示する。
【００１３】
本発明による鋼材表面の硬化処理を行う装置において、前記鋼材における前記ノズルからの処理ガスが吹き付けられる部位の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段の測定結果に基づき前記第２の加熱手段の加熱量を制御する加熱制御手段と、をさらに備えることは、好ましい態様である。
【００１４】
また、本発明による鋼材表面の硬化処理を行う装置において、第２の加熱手段は所望の位置を局所的に加熱できる手段であれば適宜の加熱手段を用いることができる。好ましくはレーザであるが、他に、赤外線ヒータ(ランプ)のような加熱手段であってもよい。
【００１５】
本発明による鋼材表面の硬化処理を行う装置は、従来知られた、高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化させる硬化処理装置のいずれにも適用することができる。例として、処理ガスの吹き付けによる、浸炭処理装置または浸窒処理装置を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温状態にある鋼材の表面に処理ガスを吹き付けることで当該鋼材の表面を硬化する鋼材表面の硬化処理方法および装置において、処理ガスの吹き付けによって生じる鋼材の表面に生じる温度低下を第２の加熱手段による加熱によって補填することで、処理時に鋼材であるワークの表面温度を所要の温度に維持することが可能となり、結果として、処理時間を長くすることなく、所要の硬化処理を終了することができる。また、鋼材であるワークの温度も処理に適した温度以上に高温化することを要しないので、結晶粒が粗大化して強度が低下するのも回避できる。また、処理ガスが不要に分解してしまうのも抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による鋼材表面の硬化処理方法を実施することのできる装置の一例を示す模式的図。
【図２】浸炭温度と単位時間単位面積あたりの浸炭量との関係を示すグラフ。
【図３】本発明を浸炭処理に適用した実施例におけるワーク表面の温度と時間の関係を示すグラフ（図３（ａ））と、処理後の状態を示す断面写真（図３（ｂ））。
【図４】浸炭処理における比較例でのワーク表面の温度と時間の関係を示すグラフ（図４（ａ））と、処理後の状態を示す断面写真（図４（ｂ））。
【図５】本発明を浸窒処理に適用した実施例におけるワーク表面の温度と時間の関係を示すグラフ（図５（ａ））と、処理後の状態を示す断面写真（図５（ｂ））。
【図６】浸窒処理における比較例でのワーク表面の温度と時間の関係を示すグラフ（図６（ａ））と、処理後の状態を示す断面写真（図６（ｂ））。
【図７】大気雰囲気中で鋼材表面に浸炭処理を施す従来の装置を説明する模式的図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明による鋼材表面の硬化処理方法および装置の実施の一形態を、浸炭方法および浸炭装置を例として、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１に示すように、浸炭装置Ａは、鋼材であるワークＷを支持するための適宜の冶具１を備え、ワークＷは、該冶具１に対して、回転自在に支持されている。ワークＷを囲むようにして円環状の第１の加熱手段１０が位置しており、この例では高周波加熱装置を用いている。第１の加熱手段１０には、少なくともワークＷに求められる浸炭必要部位Ｗ１を所要の温度にまで加熱できる加熱手段であれば適宜用いることができ、赤外線ヒータ（ランプ）なども使用できる。また、通電による加熱であってもよい。
【００２０】
浸炭装置Ａは、ワークＷにおける浸炭必要部位Ｗ１の軸方向のほぼ中心部に向けて浸炭ガスを吹き付けることのできる位置にノズル２０を備える。該ノズル２０には、圧力調整装置を備えたガスボンベ２１からの浸炭ガスが、マスフローコントローラ２２を介して送給される。送給された浸炭ガスは、ノズル２０から、ワークＷにおける浸炭必要部位Ｗ１に向けて吹き付けられる。
【００２１】
浸炭装置Ａは、浸炭ガスが吹き付けられる部位のワークＷの表面温度を測定できる温度測定手段として、放射温度計２３を備える。温度測定手段は放射温度計２３が好ましいが、これに限らない。温度測定手段が温度を測定する領域は浸炭必要部位Ｗ１の全領域であることが好ましく、その平均温度を出力することのできる温度測定手段であることが望ましいが、浸炭必要部位Ｗ１の軸方向の中央位置近傍を測温して、その値を出力するようにしても、所期の目的は達成可能である。放射温度計２３の温度情報は制御部２４に送られる。
【００２２】
浸炭装置Ａには、前記ノズル２０から浸炭ガスが吹き付けられることで温度が低下するワークＷの部位Ｗ２を加熱することのできる第２の加熱手段として、レーザ発振手段２５を備える。レーザ発振手段２５は従来知られたものであってよい。レーザ発振手段２５からのレーザのエネルギーにより、前記した温度が低下した部位Ｗ２が加熱される。第２の加熱手段によって加熱される領域は、ワークＷにおける浸炭ガスが吹き付けによって温度が低下する領域のすべてであることが好ましく、そのために、レーザ発振手段２５はレーザの照射領域をワークＷの軸方向に調整できるものであるか、または、レーザのビーム径を可変にして面として加熱できるものが好ましい。鋼材であるワークＷは熱伝導性を有しているので、局所的な加熱であっても差支えない。なお、図１で３０はケーシングであるが、省略可能である。
【００２３】
一つの態様では、放射温度計２３による温度監視部位と、レーザ発振手段２５のレーザノズルからのレーザ照射部位とが同一部位となるように、放射温度計２３とレーザ発振手段２５とを位置制御する。その際に、前記「同一部位」は、ワークＷにおける浸炭必要部位Ｗ１の軸方向のほぼ中心部とすることが望ましい。それにより、浸炭処理中に、放射温度計２３とレーザ発振手段２５に対して格別の位置制御を行うことなく、温度低下部位を確実に加熱することが可能となる。
【００２４】
レーザ発振手段２５からのレーザ出力は、前記した制御部２４からの信号により制御される。一つの態様は、制御部２４が、前記放射温度計２３からの温度情報に基づき、ワークＷの浸炭必要部位Ｗ１の温度が、当初の温度、すなわち浸炭ガス吹き付け前の温度から浸炭ガスの吹き付けによってどの程度だけ温度低下したかを継続的に判断し、その温度低下を補填できるだけのエネルギーをレーザ出力するように、制御部２４がレーザ発振手段２５を制御する態様である。このようにレーザ発振手段２５の出力制御を行うことで、ワークＷの浸炭必要部位Ｗ１の温度を所要の温度に継続して維持することが可能となり、所期通りの浸炭処理が進行し、所望の浸炭深さを得るための浸炭処理時間を短縮化することができる。
【００２５】
実機の運転実績から、または演算により、浸炭処理時において浸炭ガスの吹き付けによってワーク表面がどの程度温度低下するかを予測することができる。その場合には、放射温度計２３からの温度情報によることなく、制御部２４に予め予測される温度低下に関する情報を持たせておき、その情報に基づいてレーザ発振手段２５の出力を制御するようにしてもよい。その場合には、温度測定手段としての放射温度計２３を省略することが可能である。
【００２６】
「第２の加熱手段」は１つであってもよく、ワークＷにおける浸炭必要部位Ｗ１の軸方向に２個以上配列するようにしてもよい。また、加熱の必要な部位を面として加熱できるような加熱手段、例えば赤外線ヒータ(ランプ)のような加熱手段を用いることもできる。
【００２７】
浸炭処理において、浸炭量は温度に依存して変化する。図２はその一例を示しており、浸炭ガスとしてＣ３Ｈ８（１％）（その他Ｎ２）を用い、浸炭ガス分圧７４０Ｐａ、浸炭時間３３分で浸炭処理したときの、浸炭温度とＦ値（単位時間単位面積当たりの浸炭量）の関係の一例を示している。グラフが示すように、浸炭温度の増加と共にＦ値が増加しており、実際の浸炭処理において、浸炭ガスの吹き付けによってワークＷに温度低下が生じると、それに伴い浸炭量が低下する。そのような温度低下が生じると、所望の浸炭量を確保するためには、処理時間を長くすることが必要となる。本発明による場合には、吹き付けられる処理ガスに接することで鋼材（ワークＷ）の表面に生じる温度低下を、当該鋼材（ワークＷ）を高温状態に保持するための加熱手段とは別の第２の加熱手段（レーザ発振手段２５からの出力）による補助加熱によって補填しながら硬化処理を行うので、上記した温度低下をなくすことができ、処理時間を長くすることなく、所望の浸炭量を確保することができる。
【００２８】
なお、上記では、浸炭処理を例として説明したが、本発明による方法および装置は、ワークの表面に処理ガスを吹き付けることで当該ワークの表面の硬化処理を行う他の形態、例えば、浸窒処理にもそのまま適用することができる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例と比較例とにより本発明の優位性を説明する。
【００３０】
［実施例１：浸炭処理］
図１に基づき説明した装置を用いた。ワークＷとして、直径１８ｍｍ、高さ４０ｍｍの円筒体である鋼材（Ｓ２５Ｃ）を用いた。ワークＷを回転自在な冶具１に取り付け、ワークＷに１００ｒｐｍの回転を与えた。第１の加熱手段１０として高周波誘導加熱手段を用いた。温度測定手段として放射温度計２３を用い、ワークＷの浸炭必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置を測温できるようにした。第２の加熱手段としてノズルを備えたレーザ発振手段２５を用い、レーザ照射部位を浸炭必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置となるようにセットした。
【００３１】
ワークＷを高周波誘導加熱にて加熱し、所定の温度（９５０℃）となったところで、ノズル２０からワークＷの浸炭必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置に向けて浸炭ガスを吹き付けた。
実験条件は表１に示すとおりである。
【００３２】
【表１】
0006387916.tif 000002
【００３３】
実験開始からの経過時間（ｓ）と放射温度計２３が計測した温度（ワークＷの浸炭必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置の温度）との関係を図３（ａ）に示した。実験では、高周波誘導加熱によってワークＷの表面温度が９５０℃になった時点で、ノズル２０から処理ガスの吹き出しを開始すると同時に、レーザ発振手段２５を作動させた。そして、放射温度計２３からの温度情報に基づき、測定温度が継続して９５０℃を維持できるように、レーザ発振手段２５の出力を制御した。その結果、吹き付け開始以降も、ワークＷの表面温度をほぼ９５０℃に保持することができた。
【００３４】
吹き付けを１０分間行った後のワークＷの組織を観察した。図３（ｂ）は処理後の状態を示す断面写真である。写真に示されるように、ワークＷの表面には、所望の深さ（１００μｍ程度）の浸炭層が形成されていた。
【００３５】
［比較例１］
実施例１と同様にして浸炭処理を行った。ただし、ノズル２０から処理ガスの吹き出しを開始しても、レーザ発振手段２５を作動させなかった。実験開始からの経過時間（ｓ）と放射温度計２３が計測した温度（ワークＷの浸炭必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置の温度）との関係を図４（ａ）に示した。また、吹き付けを１０分間行った後のワークＷの断面写真を図４（ｂ）に示した。
【００３６】
吹き付け後にレーザ発振手段２５を作動させなかったことで、ワークＷの表面温度はほぼ６０７℃まで低下した。その結果、１０分経過後にも、ワークＷの表面には、図４（ｂ）に示すように、浸炭層は形成されなかった。
【００３７】
なお、処理ガスの流量を調整することで、ワークＷの温度低下を小さくすることができ、レーザ発振手段２５を作動させなくても、例えば、ワークＷの表面温度を７２３℃以上に維持することができる。しかし、この場合には、同じ厚みの浸炭層を形成するのに、より長い処理時間が必要となる。
【００３８】
［実施例２：浸窒処理］
実施例１と同様にして、浸窒処理を行った。用いた装置およびワークＷは実施例１のものと同じである。実験条件は表２に示した。
実験条件は表２に示すとおりである。
【００３９】
【表２】
0006387916.tif 000003
【００４０】
実験開始からの経過時間（ｓ）と放射温度計２３が計測した温度（ワークＷの浸窒必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置の温度）との関係を図５（ａ）に示した。実験では、高周波誘導加熱によってワークＷの表面温度が７８０℃になった時点で、ノズル２０から処理ガスの吹き出しを開始すると同時に、レーザ発振手段２５を作動させた。実施例１と同様に、放射温度計２３からの温度情報に基づき、測定温度が継続して７８０℃を維持できるように、レーザ発振手段２５の出力を制御した。その結果、吹き付け開始以降も、ワークＷの表面温度をほぼ７８０℃に保持することができた。
【００４１】
吹き付けを１０分間行った後のワークＷの組織を観察した。図５（ｂ）は処理後の状態を示す断面写真である。写真に示されるように、ワークＷの表面には、所望の深さ（１５０μｍ程度）の浸窒層が形成されていた。
【００４２】
［比較例２］
実施例２と同様にして浸窒処理を行った。ただし、ノズル２０から処理ガスの吹き出しを開始しても、レーザ発振手段２５を作動させなかった。実験開始からの経過時間（ｓ）と放射温度計２３が計測した温度（ワークＷの浸炭必要部位Ｗ１における軸方向の中央位置の温度）との関係を図５（ａ）に示した。また、吹き付けを１０分間行った後のワークＷの断面写真を図５（ｂ）に示した。
【００４３】
吹き付け後にレーザ発振手段２５を作動させなかったことで、ワークＷの表面温度はほぼ５１０℃まで低下した。その結果、１０分経過後にも、ワークＷの表面には、図５（ｂ）に示すように、浸窒層は形成されなかった。
【００４４】
なお、浸窒処理おいても、処理ガスの流量を調整することで、ワークＷの温度低下を小さくすることができ、レーザ発振手段２５を作動させなくても、例えば、ワークＷの表面温度を７２３℃以上に維持することができる。しかし、この場合には、同じ厚みの浸窒層を形成するのに、より長い処理時間が必要となる。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ…浸炭装置、
Ｗ…ワーク（鋼材）、
Ｗ１…ワークＷに求められる浸炭必要部位、
Ｗ２…浸炭ガスの吹き付けによって温度が低下する領域、
１…冶具、
１０…第１の加熱手段、
２０…浸炭ガスを吹き付けるノズル、
２１…ガスボンベ、
２２…マスフローコントローラ、
２３…温度測定手段としての放射温度計、
２４…制御部、
２５…第２の加熱手段としてのレーザ発振手段、
３０…ケーシング。
【図１】
0006387916.tif 000004
【図２】
0006387916.tif 000005
【図３】
0006387916.tif 000006
【図４】
0006387916.tif 000007
【図５】
0006387916.tif 000008
【図６】
0006387916.tif 000009
【図７】
0006387916.tif 000010