(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体（Ｗ）をプラズマ窒化処理するプラズマ窒化処理装置であって、窒化室（２）内の被処理体（Ｗ）を加熱する窒化室ヒータ（２６）を備え、該窒化室ヒータ（２６）が前記窒化室（２）内の被処理体（Ｗ）の搬送方向の左右両側に配設され、該窒化室ヒータ（２６）は前記搬送方向の前後及び上下に複数に分割された分割ヒータ（２９）を有し、さらに、前記被処理体（Ｗ）の温度を測定する熱電対（３３）と、前記各分割ヒータ（２９）の発熱量を個別に制御する制御部（３６）と、を備え、前記窒化室（２）が冷却液通路（２８）を有する炉壁によって画成され、前記各分割ヒータ（２９）の前記炉壁側に断熱材（３１）が配設され、前記各分割ヒータ（２９）と前記各断熱材（３１）が共通の熱伝導ケース（３２）で覆われている、プラズマ窒化処置装置。
【請求項２】
前記被処理体（Ｗ）を加熱室（１）、前記窒化室（２）、冷却室（３）の順に搬送して前記窒化室（２）でプラズマ窒化処理する、請求項１に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項３】
前記窒化室ヒータ（２６）において、左側ヒータ（２６Ｌ）と右側ヒータ（２６Ｒ）のそれぞれが前記搬送方向の前後及び上下に複数に分割された分割ヒータ（２９）を有する、請求項１又は２に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項４】
前記熱電対（３３）が、前記各分割ヒータ（２９）に対応する領域の被処理体（W）の温度を測定する複数の熱電対（３３）である、請求項１，２又は３に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項５】
前記熱電対（３３）が炉壁から絶縁され、前記被処理体（Ｗ）との放電の影響がない最小距離まで前記熱電対（３３）を前記被処理体（Ｗ）に近接させて配置し、該被処理体（Ｗ）近傍の温度を測定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ窒化処理装置。
【請求項６】
被処理体（Ｗ）を連続的に窒化室（２）へと搬送してプラズマ窒化処理を行う連続式プラズマ窒化処理方法であって、前記窒化室（２）において前記被処理体（Ｗ）の搬送方向の左右両側に設けられた窒化室ヒータ（２６）を搬送方向の前後及び上下に複数に分割し、前記被処理体（Ｗ）において各分割ヒータ（２９）に対応する領域の温度を測定し、前記被処理体（Ｗ）の前記領域のすべてが目標温度となるように前記各分割ヒータ（２９）の発熱量を個別に制御し、前記窒化室（２）を冷却液通路（２８）を有する炉壁によって画成し、前記各分割ヒータ（２９）の前記炉壁側に断熱材（３１）を配設し、前記各分割ヒータ（２９）と前記各断熱材（３１）を共通の熱伝導ケース（３２）で覆って窒化処理を行う、連続式プラズマ窒化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材等の被処理体を窒化処理するプラズマ窒化処理装置に関する。本発明はまた、連続式プラズマ窒化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材等の被処理体を連続的に窒化処理するプラズマ窒化処理装置として、加熱室、窒化室（グロー放電処理室）、冷却室等の各室を水平直列に配設し、前記各室には被処理体の移送装置を、前記各室間には中間扉を配設したものが知られている（特許文献１の従来技術の項参照）。
【０００３】
また、冷却液通路を有する炉壁によって画成されたプラズマ窒化室内に被処理体を加熱するヒータを備えるプラズマ窒化処理装置も知られている（特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、プラズマ窒化室内の被処理体を加熱するヒータを備え、該ヒータが上中下に分割され、各分割ヒータを個別制御可能とした装置も公知となっている（特許文献３の従来技術の項参照）。
【０００５】
前記被処理体の典型例としては、特許文献２の図２にも示されているように、鋼製クランクシャフト等の被処理単体が枠体やトレー等の支持部材に複数支持されてなる、被処理単体の集合体が挙げられる。
【特許文献１】特開昭５９−９６２５９号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４４号公報
【特許文献３】特開２００４−２３８７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、プラズマ窒化処理においては、グロー放電による被処理体の加熱が進行すると、被処理体の自己発熱により、被処理体の周辺部よりも被処理体の中央部の温度が上がり易いので、被処理体の全体を均一に加熱することが難しい。例えば、前記の如く、被処理単体の集合体を被処理体とする場合には、集合体において中央部に近い被処理単体ほど回りの被処理単体からの自己発熱の影響を受け易いので、炉壁に近い周辺部の被処理単体との間に大きな温度差が生じてしまう。
【０００７】
特許文献３では、被処理体を放熱により加熱するヒータを上中下に分割し、各分割ヒータを個別制御可能として被処理体の温度の均一化を図っているが、これはバッチ炉に関するものであるから、前記ヒータは、被処理体の横回りの全てを取り囲むように環状に配設されていると推測される。よって、被処理体の通過を必要とする連続式のプラズマ窒化処理装置にそのまま適用することはできない。
【０００８】
また、特許文献３のものは、被処理体を収容する密閉室を備え、この密閉室の外側の温度を前記各分割ヒータに対応させて設けた熱電対で計測するようになっているので、被処理体自体の温度を正確に制御するには不向きである。
【０００９】
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたもので、被処理体の温度制御を可及的に正確に行うことができ、被処理体の全体に対して均一な窒化処理を効率的に施すことができる、連続式のプラズマ窒化処理装置及び方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明に係るプラズマ窒化処理装置は、被処理体をプラズマ窒化処理するプラズマ窒化処理装置であって、窒化室内の被処理体を加熱する窒化室ヒータを備え、該窒化室ヒータが前記窒化室内の被処理体の搬送方向の左右両側に配設され、該窒化室ヒータは前記搬送方向の前後及び上下に複数に分割された分割ヒータを有し、さらに、前記被処理体の温度を測定する熱電対と、前記各分割ヒータの発熱量を個別に制御する制御部と、を備え、前記窒化室が冷却液通路を有する炉壁によって画成され、前記各分割ヒータの前記炉壁側に断熱材が配設され、前記各分割ヒータと前記各断熱材が共通の熱伝導ケースで覆われていることを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
本発明によれば、被処理体は、前記窒化室において、プラズマを発生させるグロー放電により加熱（自己発熱）されるとともに、搬送方向の左右両側から前記窒化室ヒータによっても加熱される。ここで、本発明では、前記窒化室ヒータが搬送方向の前後及び上下に複数に分割されており、さらに、前記被処理体の温度が前記熱電対で測定される。そして、前記各制御部が前記各分割ヒータの発熱量を個別に制御する。これにより、窒化処理時に被処理体の全体が目標温度又はそれに近い温度に制御可能となる。よって、被処理体の全体に対して均一な窒化処理を効率的に施すことができる。
【００１２】
前記窒化室ヒータは、前記窒化室内の被処理体の搬送方向の左右両側に配設されるので、被処理体の搬送の邪魔になることもない。
【００１４】
本発明においては、前記分割ヒータの発熱は、前記熱伝導ケースにより輻射熱となって被処理体を加熱する。よって、各分割ヒータにより、被処理体が広範囲に渡って均等に加熱される。
【００１５】
また、前記分割ヒータの前記炉壁側には前記断熱材が配設されているので、分割ヒータからの発熱が前記炉壁に奪われてしまうことが抑制される。加えて、被処理体の或る領域において温度が上がりすぎた場合には、その領域に対応する分割ヒータの発熱量が降下制御されるが、このとき、熱伝導ケースを通じて前記炉壁側への放熱が促進されるので、被処理体の温度降下の速度が速い。よって、被処理体の温度制御が迅速に行える。
【００１６】
プラズマ窒化処理では一定の真空状態においてグロー放電を降下・上昇させるためにグロー電圧上昇時に異常放電が発生しやすいが、このような場合やその他の理由により異常な加熱が起こった場合も、前記熱伝導ケースを通じて速やかに熱を水冷された炉壁に逃がすことができる。従来のヒータ構造では速やかに熱を逃がすことは困難であった。
【００１７】
好適な実施の一形態として、前記被処理体を加熱室、前記窒化室、冷却室の順に搬送して前記窒化室でプラズマ窒化処理する態様を例示する（請求項２）。
【００１８】
上記構成により、複数の被処理体を加熱室、窒化室、冷却室に順次移動させ、各室での処理を連続且つ並列に行うことできるので、高い量産性を有する。
【００１９】
他の好適な実施の一形態として、前記窒化室ヒータにおいて、左側ヒータと右側ヒータのそれぞれが前記搬送方向の前後及び上下に複数に分割された分割ヒータを有する態様を例示する（請求項３）。
【００２０】
他の好適な実施の一形態として、前記熱電対が、前記各分割ヒータに対応する領域の被処理体の温度を測定する複数の熱電対である態様を例示する（請求項４）。
【００２１】
上記請求項３、請求項４の構成により、より細かな温度制御が可能となり好ましい。
【００２２】
他の好適な実施の一形態として、前記熱電対が炉壁から絶縁され、前記被処理体との放電の影響がない最小距離まで前記熱電対を前記被処理体に近接させて配置し、該被処理体近傍の温度を測定する態様を例示する（請求項５）。
【００２３】
熱電対は放電による影響を受け、損傷するおそれがあり、また正確な測温ができなくなることが考えられる。また、従来、放電の影響を受けないように、例えば炉体に耐熱窓を開け、外部から放射温度計で被処理体を測定することも行われているが、放射温度計そのものの精度の問題と、構造上測定場所が限られるため、正確な温度の測定が困難である。本実施の形態では、熱電対を炉壁から絶縁し、且つ、前記被処理体との放電の影響がない最小距離（たとえば５〜２０ｍｍ程度）まで前記熱電対を前記被処理体に近接させて配置し、該被処理体近傍の温度を測定することで、十分に精度の高い温度測定をすることができ、被処理物の温度管理が正確に行える。
【００２４】
一方、前記課題を解決するための本発明の方法は、被処理体を連続的に窒化室へと搬送してプラズマ窒化処理を行う連続式プラズマ窒化処理方法であって、前記窒化室において前記被処理体の搬送方向の左右両側にのみ設けられた放熱式の窒化室ヒータを搬送方向の前後及び上下に複数に分割し、前記被処理体において各分割ヒータに対応する領域の温度を測定し、前記被処理体の前記領域のすべてが予め設定した目標温度となるように前記各分割ヒータの発熱量を個別に制御し、前記窒化室を冷却液通路を有する炉壁によって画成し、前記各分割ヒータの前記炉壁側に断熱材を配設し、前記各分割ヒータと前記各断熱材を共通の熱伝導ケースで覆って窒化処理を行うものである（請求項６）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の一形態に係るプラズマ窒化処理装置の、一部を水平断面とした概略平面図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図、図３は、分割ヒータの正面図、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施の一形態に係るプラズマ窒化処理装置は、被処理体Ｗを加熱処理（予熱処理）する加熱室１と、該加熱室１において加熱処理された被処理体Ｗをプラズマを発生することにより窒化処理する窒化室２と、該窒化室２において窒化処理された被処理体Ｗを冷却処理する冷却室３と、を備えている。これら各室は、被処理体Ｗの搬送方向に沿って一列に、前記の順に並べて設けられている。前記加熱室１と前記窒化室２との間には、第一のシャッター室４が設けられ、同様に、前記窒化室２と前記冷却室３との間には、第二のシャッター室５が設けられている。
【００２８】
前記被処理体Ｗは、例えば、被処理単体を枠体やトレー等の支持部材に複数支持させてなる被処理単体の集合体である。前記被処理単体としては、クランクシャフト又はカムシャフト等の金属製品が挙げられる。被処理単体の材質は、クランクシャフトの場合は例えば炭素鋼あるいは合金鋼等の鋼材であり、カムシャフトの場合は例えば鋳鉄等である。
【００２９】
前記加熱室１について説明する。該加熱室１は、加熱炉６の内部に画成されている。該加熱炉６の入口側には、被処理体Ｗの搬入口７と、該搬入口７を開閉する搬入口シャッター８が設けられている。前記加熱炉６の出口側には、被処理体Ｗの搬出口９と、該搬出口９を開閉する搬出口シャッター１０が設けられている。該搬出口シャッター１０は、前記第一のシャッター室４内を上下動する。
【００３０】
前記加熱室１には、被処理体Ｗを搬送するチェーンコンベア１１と、加熱室１内の被処理体Ｗを放射熱によって加熱する加熱室ヒータ１２が設けられている。また、前記加熱室１には、前記加熱室ヒータ１２の発熱が炉壁側へ拡散することを抑制する熱遮蔽体１３と、加熱室１内の雰囲気を攪拌する送風機構（送風ファン）１４が設けられ、前記加熱炉６の炉壁には、冷却液を流通させる冷却液通路１５が内蔵され、該冷却液通路１５は、冷却液源１５ａに連通している。
【００３１】
前記加熱室１には、加熱室１を減圧（真空引き）する加熱室減圧路１６が接続され、該加熱室減圧路１６は、真空ポンプ等を含む減圧機構１７に接続されている。さらに、前記加熱室１には、加熱室１に加熱用ガス又はパージ用ガスとして例えば窒素ガスを供給する加熱室ガス供給路１８が接続され、該加熱室ガス供給路１８は、加熱用ガス供給源１９に接続されている。
【００３２】
次に、図１及び図２を参照して、前記窒化室２について説明する。該窒化室２は、横型円筒状の窒化炉２０の内部に画成されている（いわゆる横型プラズマ窒化炉）。該窒化炉２０は、金属（導体）によって構成されている。前記窒化炉２０の入口側には、被処理体Ｗの搬入口２１と、該搬入口２１を開閉する搬入口シャッター２２が設けられている。該搬入口シャッター２２は、前記第一のシャッター室４内を上下動する。前記窒化炉２０の出口側には、被処理体Ｗの搬出口２３と、該搬出口２３を開閉する搬出口シャッター２４が設けられている。該搬出口シャッター２４は、前記第二のシャッター室５内を上下動する。
【００３３】
前記窒化室２には、被処理体Ｗを搬送するチェーンコンベア２５と、窒化室２内の被処理体Ｗを放射熱によって加熱する窒化室ヒータ２６と、被処理体Ｗを前記チェーンコンベア２５上の所定の位置でリフトアップする被処理体昇降機構２７（図２参照）と、が設けられている。前記窒化炉２０の炉壁には、冷却液を流通させる冷却液通路２８が内蔵され、該冷却液通路２８は冷却液源２８ａに連通している。
【００３４】
前記窒化室ヒータ２６は、前記窒化室１内の被処理体Ｗの搬送方向の左右両側にのみ配設され、左側ヒータ２６Ｌと右側ヒータ２６Ｒのそれぞれが搬送方向の前後及び上下に複数に分割されている。各分割ヒータ２９は、図３及び図４に示すように、ヒータユニット３０の構成要素とされている。
【００３５】
該各ヒータユニット３０は、前記分割ヒータ２９と、該分割ヒータ２９の前記炉壁側に配設される断熱材３１と、前記分割ヒータ２９と前記断熱材３１を共に覆う熱伝導ケース３２と、を備えている。前記分割ヒータ２９としては、帯状又はコイル状等の電熱要素を用いることができる。前記熱伝導ケース３２は、良好な熱伝導性を有し、且つ、窒化温度に対する耐熱性を有する、例えばステンレス等の金属で形成する。前記各ヒータユニット３０の中央部には、後述する熱電対３３を挿通するための熱電対挿通孔３０ａが貫通形成されている。
【００３６】
前記分割ヒータ２９からの発熱は、前記熱伝導ケース３２により輻射熱となって被処理体Ｗを加熱する。また、前記断熱材３１は、被処理体Ｗの加熱時に前記分割ヒータ２９からの発熱が前記炉壁に奪われてしまうことを抑制する。前記熱伝導ケース３２は、被処理体Ｗ側の熱を前記炉壁側へと放散させて、被処理体Ｗの温度の降下制御を効率的にする作用も奏する。
【００３７】
前記各ヒータユニット３０は、前記窒化室２内において、被処理体Ｗの左側に被処理体の搬送方向に対して前後及び上下に並べて複数配設され、同様に、被処理体Ｗの右側にも前後及び上下に並べて複数配設されている。本実施の形態では、図３及び図４に示す直方体の前記各ヒータユニット３０が、図１及び図２に示すように、被処理体Ｗの左右両側に、前後方向に三つ、上下方向に二つ、相互間に大きな間隔をおかないで整然と並べて配設されている。左側の各ヒータユニット３０と右側の各ヒータユニット３０は、被処理体Ｗを挟んで略平行に正対している。
【００３８】
図２に示すように、前記窒化室２には、前記被処理体Ｗにおいて前記各分割ヒータ２９（前記各ヒータユニット３０）に対応する領域の温度を測定する熱電対３３が、前記各分割ヒータ２９に対応して配設されている。前記各熱電対３３は、前記炉壁から絶縁させて配設する。また、前記各熱電対３３は、被処理体Ｗの各部の温度を可及的に正確に測定できるように、放電の影響が及ばない最小距離（たとえば５〜２０ｍｍ程度）まで被処理体に近接させて配置する。これにより、被処理体Ｗの各部について十分に精度の高い温度測定をすることができ、被処理物の温度管理が正確に行える。
【００３９】
前記各熱電対３３は、温度調節器３４を介して、サイリスタやトランジスタ等を含む電力制御器３５に接続され、該各電力制御器３５は前記各分割ヒータ２９に接続されている。前記各温度調節器３４と前記各電力制御器３５は、前記各熱電対３３の測定温度が予め設定した目標温度となるように前記各分割ヒータ２９の発熱量を個別に制御する制御部３６として機能する。すなわち、前記各熱電対３３の測定温度を予め設定した目標温度に制御するために、前記各温度調節器３４が前記各電力制御器３５に制御信号を供給し、該各電力制御器３５が前記各分割ヒータ２９に供給する電力を調整する。
【００４０】
なお、前記左右のヒータ２６Ｌ，２６Ｒにおいて、被処理体Ｗを挟んで対向する各一対の分割ヒータは、回路上互いに並列なものとして制御されるようにしてもよい。
【００４１】
図２に示すように、前記左側ヒータ２６Ｌ（左側の６つのヒータユニットの集合体）と前記右側ヒータ（右側の６つのヒータユニットの集合体）の上端部間は、上部断熱材３７で閉じられている。該上部断熱材３７の中央部には開口３８が設けられ、該開口３８の上方には、該開口３８を開閉する蓋体３９が設けられている。該蓋体３９は、窒化炉２０の天井部に取り付けられた蓋体昇降機構４０に連結されており、該蓋体昇降機構４０の作動により上下動する。これにより、前記開口３８の開度が調節され、前記被処理体Ｗ（特に、被処理体Ｗの上面中央部）の温度制御が行われる。但し、本発明においては、前記各分割ヒータ２９の発熱量が個別に制御可能であるので、前記開口３８による温度制御なしでも十分に被処理体の温度制御が可能である。
【００４２】
図１に示すように、窒化処理時には、前記左側ヒータ２６Ｌと前記右側ヒータ２６Ｒの入口側端部間が、入口側断熱扉４１で閉じられる。該入口側断熱扉４１は、図示しない入口側扉昇降機構の作動により上下動する。前記入口側断熱扉４１が下降位置にある時には、前記左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒ間の入口が閉塞され、前記入口側断熱扉４１が上昇位置にある時には、前記左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒ間の入口が開放される。
【００４３】
同様に、窒化処理時には、前記左側ヒータ２６Ｌと前記右側ヒータ２６Ｒの出口側端部間も、出口側断熱扉４２で閉じられる。該出口側断熱扉４２は、図示しない出口側扉昇降機構の作動により上下動する。前記出口側断熱扉４２が下降位置にある時には、前記左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒ間の出口が閉塞され、前記出口側断熱扉４２が上昇位置にある時には、前記左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒ間の出口が開放される。
【００４４】
なお、図２に示すように、前記窒化炉２０の上部には、前記入口側断熱扉４１と前記出口側断熱扉４２の上昇を許容する扉収容部４３ａ，４３ｂがそれぞれ上方へ突出して形成されている。
【００４５】
図２に示すように、前記被処理体昇降機構２７は、被処理体Ｗの下面を支持して該被処理体Ｗに電圧を印加するための電極体４４と、該電極体４４を窒化室２内において昇降させる昇降機４５と、前記電極体４４を前記昇降機４５から絶縁させる絶縁体４６とを備えている。
【００４６】
前記電極体４４は、窒化室２内において前記チェーンベルト２５間に配設され、且つ、平面視（上から見たとき）において前記入口側断熱扉４１と前記出口側断熱扉４２の間に配設されている。前記電極体４４は、前記被処理体Ｗの下部にも処理ガスが円滑に供給されるように、枠状又は格子状に形成されている。
【００４７】
前記電極体４４には、前記窒化室１の外部に設けられているプラズマ用直流電源４７の陰極が接続されている。一方、該プラズマ用直流電源４７の陽極は、例えば窒化炉２０の炉壁に対して接続される。前記陰極と前記陽極は前記絶縁体４６によって絶縁されており、短絡による電圧低下やアーク放電等の異常放電の発生が防止される。前記電極体４４によって導電体である被処理体Ｗを支持し、前記昇降機４５によって前記絶縁体４６及び前記電極体４４を上昇させると、被処理体Ｗが前記チェーンコンベア２５から持ち上げられ、前記電極体４４以外の部分から絶縁した状態となる。
【００４８】
前記昇降機４５は、前記窒化炉２０の下方に設けられた昇降駆動部４８と、炉体の底部を貫通するように設けられた昇降支持棒４９と、該昇降支持棒４９の上端部に支持された昇降板５０と、を備えている。該昇降支持板５０上には、前記絶縁体４６を介して前記電極体４４が支持されている。
【００４９】
図１に示すように、前記窒化室２には、窒化室２内を減圧（真空引き）する窒化室減圧路５１が接続されている。該窒化室減圧路５１は、窒化室１の外部において、例えば真空ポンプ等を含む減圧機構５２に接続されている。さらに、前記窒化室２には、例えば窒素ガス、水素ガス、プロパンガス等の炭化水素系のガス、アンモニアガス等を処理ガス又はパージ用ガスとして窒化室２内に供給する窒化室ガス供給路５３が接続され、該窒化室ガス供給路５３は、窒化室ガス供給源５４に接続されている。前記窒化室ガス供給路５３には、前記窒化室ガス供給路を開閉する開閉弁５５と、窒化室ガスの供給量を調節する流量調節部（マスフローコントローラ）５６が介装されている。なお、図１においては、簡略化のために窒化室ガス供給源５４を一つだけ図示しているが、実際は、前記複数種類のガスに対応して、互いに並列状態の複数のガス供給源が前記窒素ガス供給路５３に連通されている。
【００５０】
次に、図１を参照して、前記冷却室３について説明する。該冷却室３は、冷却庫５７の内部に画成されている。該冷却庫５７の入口側には、被処理体Ｗの搬入口５８と、該搬入口５８を開閉する搬入口シャッター５９が設けられている。該搬入口シャッター５９は、前記第二のシャッター室５内を上下動する。前記冷却庫５７の出口側には、被処理体Ｗの搬出口６０と、該搬出口６０を開閉する搬出口シャッター６１が設けられている。
【００５１】
前記冷却室３には、被処理体Ｗを搬送するチェーンコンベア６２と、冷却室３内の雰囲気を攪拌する送風機構（送風ファン）６３が設けられている。また、前記冷却室３の内壁には、熱交換を促進するための多数の冷却フィン６４が設けられている。前記冷却庫５７の炉壁には、冷却液を流通させる冷却液通路６５が内蔵され、該冷却液通路６５は冷却液源６５ａに連通している。
【００５２】
前記冷却室３には、冷却室３を減圧（真空引き）する冷却室減圧路６６が接続され、該冷却室減圧路６６は、真空ポンプ等を含む減圧機構６７に接続されている。さらに、前記冷却室３には、冷却室３に冷却用ガス又はパージ用ガスとして例えば窒素ガスを供給する冷却室ガス供給路６８が接続され、該冷却室ガス供給路６８は、冷却用ガス供給源６９に接続されている。
【００５３】
前記第一のシャッター室４と前記第二のシャッター室５には、ローラコンベア７０が配設されている。これらのローラコンベア７０は、前記加熱室１のチェーンコンベア１１、前記窒化室２のチェーンコンベア２５、前記冷却室３のチェーンコンベア６２とともに、一連の被処理体搬送機構を構成する。
【００５４】
前記プラズマ窒化処理装置は、図示しない制御部の命令によって自動制御される。該制御部は、例えば汎用コンピュータ等を備え、図示しない各種の検出センサの検出値に基づいて、所定の処理プログラムにしたがって被処理体を自動的に処理する制御を行う。
【００５５】
次に、前記プラズマ窒化処理装置による処理方法について説明する。
【００５６】
前記加熱室１の搬入口シャッター８が開き、加熱室１に被処理体Ｗが搬入された後、前記搬入口シャッター８が閉じる。これにより、前記加熱室１が密閉状態となる。被処理体Ｗは、前記チェーンコンベア１１で搬送されて、加熱室１内の所定の加熱位置に静止される。
【００５７】
前記加熱室１が密閉状態になると、前記減圧機構１７の作動により、前記加熱室１内が略真空状態まで減圧される。その後、前記加熱室ガス供給路１８を通じて加熱室１内に窒素ガスが供給される。これにより、加熱室１内から酸化性雰囲気が排出されるとともに、加熱室１内の圧力が略真空状態よりも高くなる。
【００５８】
この状態の加熱室１において、加熱室ヒータ１２の発熱によって被処理体Ｗが加熱される。前記のように加熱室１内の圧力が略真空状態よりも高くなっているので、被処理体Ｗに対して加熱室ヒータ１２からの熱が処理雰囲気を介して伝達されやすくなり、被処理体Ｗの加熱が効率的に行える。加熱室１の温度は、加熱室ヒータ１２の発熱量を調節することで、所定の処理温度（例えば５００℃程度）に制御される。また、前記送風機構１４によって加熱室１内の雰囲気が攪拌され、加熱室１内の温度分布が均一化される。このような処理によって、被処理体Ｗは、例えば５００℃程度まで加熱される。
【００５９】
一方、窒化室２は、搬入口２１、搬出口２３がそれぞれ前記シャッター２２，２４で閉じられて密閉され、窒化室１の減圧機構５２の作動により減圧状態（例えば１３３．３Ｐａ程度）とされる。また、窒化室ガス供給路５３を通じて窒化室１内が窒素ガスによりパージされる。窒化室１の温度は、前記窒化室ヒータ２６の発熱によって所定の温度（例えば５００〜５５０℃程度）に昇温される。窒化室１内の温度制御は、窒化室ヒータ２６の発熱量と冷却液通路２８の冷却水の流量とを調節することによって行われる。
【００６０】
加熱室１における加熱処理が終了すると、再び加熱室１の減圧機構１７が作動させられ、加熱室１内が窒化室２の圧力と同程度に減圧される。その後、加熱室１の搬出口９と窒化室２の搬入口２１がそれぞれ開かれ、加熱室１と窒化室２が第一のシャッター室４を介して互いに連通させられる。窒化室２内では、前記入口側断熱扉４１が上方へ移動させられ、前記左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒ間の入口が開放される。なお、このとき、電極体４４は、昇降駆動部４８の作動により、窒化室２のチェーンコンベア２５の上面よりも低い位置に下降させられている。プラズマ用直流電源４７による電圧の供給は停止されており、放電が発生しない状態になっている。
【００６１】
このような状態において、被処理体Ｗは、加熱室１から前記第一のシャッター室４を介して前記窒化室２へと搬送され、窒化室２のチェーンコンベア２５により、前記電極体４４の真上の位置で静止させられる。被処理体Ｗが窒化室２に搬入されると、窒化室２の搬入口２１が閉じられ、窒化室２内は再び密閉状態にされる。
【００６２】
その後、窒化室ガス供給路５３を通じて窒化室２内に窒素ガスを含む処理ガス（例えば、窒素ガス、水素ガス、プロパンガス、アンモニアガス等の混合流体）が供給される。これにより、窒化室２内の圧力が所定の処理圧力（例えば、４００〜１０６７Ｐａ程度）に昇圧される。
【００６３】
また、窒化室２内では、入口側断熱扉４１が閉じられ、前記チェーンコンベア２５上の被処理体Ｗは、前記左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒ、上部断熱材３７、入口側断熱扉４１、出口側断熱扉４２によって囲まれた状態になる。この状態で、昇降駆動部４８の駆動により昇降支持棒４９が上昇させられ、昇降板５０、絶縁体４６、電極体４４が一体的に上昇させられる。これにより、被処理体Ｗが電極板４４に支持された状態でチェーンコンベア２５から押し上げられ、図２に実線で示す所定の窒化処理高さ位置に保持される。
【００６４】
その後、プラズマ用直流電源４７によって電圧が印加され、窒化処理が行われる。すなわち、電極体４４及び被処理体Ｗが陰極となり、炉体が陽極となって、両極間にグロー放電が起こり、プラズマが発生する。窒化室２内の処理ガスがイオン化され、このイオン化した処理ガス（窒素イオン）は、被処理体Ｗに衝突してその表面に浸入する。これにより、被処理体Ｗの表面に窒化鉄層が形成される。
【００６５】
窒化処理が行われている間、窒化室２内の処理温度は、前記窒化室ヒータ２６の発熱、グロー放電による加熱（イオン化した処理ガスが被処理体Ｗに衝突することによる発熱）、冷却液通路２８の冷却水の流量や温度等を制御することで、例えば、５００〜５５０℃程度の所定の温度に維持される。
【００６６】
また、本実施の形態では、前記左側ヒータ２６Ｌ、右側ヒータ２６Ｒのそれぞれが搬送方向の前後及び上下に複数に分割されており、さらに、前記被処理体Ｗにおいて各分割ヒータ２９（各ヒータユニット３０）に対応する領域の温度が前記熱電対３３で測定される。そして、その測定温度が予め設定した目標温度となるように、前記各制御部３６が前記各分割ヒータ２９の発熱量を個別に制御する。これにより、窒化処理時に被処理体Ｗの全体が目標温度又はそれに近い温度に維持される。よって、被処理体Ｗの全体に対して均一な窒化処理を効率的に施すことができる。
【００６７】
一般に、プラズマ窒化処理においては、グロー放電による被処理体の加熱が進行すると、被処理体の自己発熱により、被処理体の周辺部よりも被処理体の中央部や上部の温度が上がり易い。これに対し、本実施の形態では、被処理体Ｗの周辺部領域に対応する分割ヒータ２９（ヒータユニット３０）からの発熱量が相対的に大きくなるように制御され、逆に、被処理体Ｗの中央部領域（前後方向における中央部領域及び左右方向における中央部領域）に対応する分割ヒータ２９（ヒータユニット）からの発熱量は相対的に小さくなるように制御する。また、被処理体Ｗの上部の分割ヒータを下部の分割ヒータに比べて発熱量を小さくなるように制御する。その結果、被処理体Ｗの全体が予め設定した目標温度に収束することになる。被処理体Ｗの前後にはヒータが存在しないので、これらの領域は、左右両側のヒータ２６Ｌ，２６Ｒの前部及び後部の分割ヒータ２９（ヒータユニット）で加熱される。よって、左右のヒータ２６Ｌ，２６Ｒの前後方向の分割数は、いずれも少なくとも前中後の３つ以上とするのが好ましい。また、上下方向のヒータの分割数は２以上とするのが好ましい。
【００６８】
なお、図示例では、左右のヒータ２６Ｌ，２６Ｒをそれぞれ６つの分割ヒータ２９（ヒータユニット３０）で構成しているが、ヒータの分割数をこれより多くすれば、より細かな制御が可能となる。以上、前述のようにヒータが分割されていないと、プラズマ窒化処理において十分な温度制御ができない。
【００６９】
本実施の形態では、前記窒化室ヒータ２６は、前記窒化室２内の被処理体Ｗの搬送方向の左右両側にのみ配設されているので、被処理体Ｗの搬送の邪魔にはならない。
【００７０】
また、本実施の形態では、前記窒化室２が冷却液通路２８を有する炉壁によって画成され、前記各分割ヒータ２９の前記炉壁側に断熱材３１が配設され、前記各分割ヒータ２９と前記各断熱材３１が共通の熱伝導ケース３２で覆われてヒータユニット３０をなしている。この構成により、前記分割ヒータ２９からの発熱は、前記熱伝導ケース３２により輻射熱となって被処理体Ｗを加熱する。よって、各分割ヒータ２９により、被処理体Ｗが広範囲に渡って均等に加熱される。
【００７１】
前記分割ヒータ２９と炉壁との間には前記断熱材３１が配設されているので、分割ヒータ２９からの発熱が炉壁に奪われてしまうことも抑制され、加熱効率が高い。加えて、被処理体Ｗの或る領域において温度が上がりすぎた場合には、その領域に対応する分割ヒータ２９の発熱量が自動的に降下制御されるが、このとき、熱伝導ケース３２を通じて前記炉壁側への放熱が促進されるので、被処理体Ｗの温度降下の速度が速い。よって、被処理体Ｗの温度制御が迅速に行える。
【００７２】
さらに、温度が上がりやすい被処理体Ｗの上部の中央部は、前記蓋体昇降機構４０を作動させて前記上部断熱材３７の前記開口３８の開度を調節することで温度制御を行うことができる。
【００７３】
プラズマ窒化処理は前述のように、５００℃程度の温度で且つ減圧下で行うため、ヒータの輻射熱による加熱も、またガスによる熱伝導も大きくない、すなわち被処理体に熱が伝わりにくく、一般的には非常に制御の難しい状態にある。また、グロー放電によって被処理体は自己発熱するが、それも温度制御の困難さに加わる。よって、従来は被処理体の被処理単体の場所による温度ばらつきを抑制すること、温度管理を正確にすることは困難であったが、本実施の形態の構成により飛躍的に温度制御の精度が向上し、且つ温度ばらつきも著しく小さくすることが可能となった。
【００７４】
また、プラズマ窒化処理法においては、被処理体の表面にイオン化したガスが衝突することで発熱が行われるので、被処理体がある程度以上の量を有しないと、被処理体の温度が上昇しない。しかし、被処理単体の集合を大きくして被処理体を大型にすると、被処理体の中央部付近と周辺部との温度差がますます大きくなってしまう。これに対し、窒化室ヒータ２６を併用し、該窒化室ヒータ２６として多数の分割ヒータ２９を用い、各分割ヒータ２９ごとに発熱量を制御する本方式によれば、被処理体Ｗの大きさや荷姿にも左右されることなく、常に被処理体の全体を均一な温度で、即ち被処理単体間の温度のばらつきを極力小さくして窒化処理することができ、被処理物の窒化の品質のばらつきを抑制することができた。
【００７５】
なお、本発明の発明者等の試験によれば、前記窒化室２における窒化処理時の被処理体Ｗの様々な領域（例えば、温度測定箇所は９箇所）の温度は、被処理体Ｗの目標温度を５２０℃に設定した場合、窒化処理開始当初に目標温度より上下それぞれ１５℃程度（合計３０℃程度）のばらつき範囲内にあり、窒化時間の経過にしたがい、目標温度より上下それぞれ約７〜８℃程度（合計１５℃程度）のばらつき範囲内へと収束した。文献（「イオン窒化法」山中久彦箸、日刊工業新聞社発行）によれば、イオン窒化の際の被処理体の各部の温度差は、被処理体自体が発熱することから、炉の中央部付近と炉壁に近い部分とで、１００℃前後に及ぶ場合がある。これと比較すれば、本実施の形態による被処理体Ｗの温度の均一化効果が顕著なものであることが理解されるであろう。
【００７６】
また、市販されている炉についても温度ばらつきを調査したが、最も温度ばらつきの良いもので、且つ窒化時間が経過して安定した状態でも目標温度に対して２５℃程度（合計５０℃）であり、本願の約７〜８℃程度（合計１５℃）程度とは大きく異なる。なお、この炉はたて型でヒータ付であり、構造が特許文献２と同様な構造のものである。
【００７７】
また、本発明の温度制御によれば、従来困難であったプラズマ窒化の量産化、あるいは自動化が可能となり、安定した製品を大量に供給することが可能になった。
【００７８】
以上のようにして窒化室２における窒化処理が終了すると、プラズマ用直流電源４７による電圧の供給が停止され、グロー放電が停止される。また、昇降駆動部４８の駆動により被処理体Ｗがチェーンコンベア２５上に戻される。その後、出口側断熱壁４２が上昇させられ、前記左右のヒータ２６Ｌ，２６Ｒの出口側が開かれる。さらに、窒化室２の搬出口２３が開き、被処理体Ｗは、窒化室２から前記第二のシャッター室５を介して前記冷却室３へと搬送される。
【００７９】
窒化室２と冷却室３を連通させる際には、冷却室３内を窒素ガスによってパージしておくのが好ましい。これにより、冷却室３から窒化室２へと酸化性雰囲気が流入するのを防止できる。冷却室３のパージは、減圧機構６７の作動により冷却室３を減圧し、冷却室ガス供給路６８を通じて窒素ガスを供給することで行うことができる。
【００８０】
冷却室３では、冷却液通路６５に供給される冷却水によって、室内の雰囲気が冷却され、冷却フィン６４によって被処理体Ｗの冷却が促進される。また、前記送風機構６３によって冷却室３内の雰囲気が攪拌され、冷却室３内の温度分布が均一化され、また速やかに冷却することができる。このような冷却処理によって、被処理体は、例えば５００〜５５０℃程度から１００〜１５０℃程度まで下げられる。
【００８１】
冷却処理が完了すると、搬出口６０が開かれ、冷却室３から被処理体Ｗが搬出される。以上のようにして、プラズマ窒化処理システムにおける一連の処理工程が終了する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の一形態に係るプラズマ窒化処理装置の、一部を水平断面とした概略平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】分割ヒータの正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１    加熱室
２    窒化室
３    冷却室
２６  窒化室ヒータ
２６Ｌ  左側ヒータ
２６Ｒ  右側ヒータ
２８  冷却液通路
２９  分割ヒータ
３１  断熱材
３２  熱伝導ケース
３３  熱電対（温度計）
３６  制御部（発熱制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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