(57)【要約】【課題】熱処理炉内をより均一かつより短い期間でシーズニング処理することができる熱処理炉を提供する。【解決手段】熱処理炉１は、アンモニアガス雰囲気下で、加熱された鋼製の被処理物Ｗを浸窒処理する熱処理炉である。熱処理炉１は、シーズニング処理に用いるアンモニアガスを熱処理炉１の炉内に供給する供給口２１を備えており、供給口２１は、熱処理炉１の炉内の天井部１１ａよりも、熱処理炉１の炉内の床部１２ａに近い位置に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアガス雰囲気下で、加熱された鋼製の被処理物を浸窒処理する熱処理炉であって、
前記熱処理炉は、シーズニング処理に用いるアンモニアガスを前記熱処理炉内に供給する供給口を備えており、
前記供給口は、前記熱処理炉内の天井部よりも、前記熱処理炉内の床部に近い位置に形成されていることを特徴とする熱処理炉。
【請求項２】
前記シーズニング処理の進行度合を検査するため検査手段が、前記天井部よりも、前記床部に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニアガス雰囲気下で、加熱された鋼製の被処理物を浸窒処理する熱処理炉であって、シーズニング処理を好適に行うことができる熱処理炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鋼製の被処理物を浸窒処理する際には、熱処理炉内をアンモニアガス雰囲気下にしつつ、被処理物を７００℃以上で加熱している。ここで、新設の熱処理炉または部分的に補修した熱処理炉では、熱処理炉を構成する炉内構成物が被処理物よりも先にアンモニアにより還元されてしまうため、被処理物に対して、十分かつ均一に浸窒処理することができないことがある。
【０００３】
このような点を鑑みて、例えば特許文献１では、新設の熱処理炉または部分的に補修した熱処理炉に対して、アンモニアガスを導入し、熱処理炉を加熱することにより、炉内構成物をアンモニアで還元するシーズニング処理が行われている。このシーズニング処理を行うことにより、浸窒処理時には、炉内構成物がアンモニアにより還元されることを低減し、被処理物を浸窒処理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−６４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る熱処理炉に対してシーズニング処理を行う際、炉内の床部のアンモニアガスの濃度よりも、炉内の天井部のアンモニアガスの濃度の方が高くなるため、床部のシーズニング処理の進行度合は、天井部よりも遅くなる。
【０００６】
これにより、床部のシーズニング処理が不完全であるにも拘わらず、熱処理炉全体としては、シーズニング処理が完了したと判断されてしまうことがある。このような熱処理炉を用いても、被処理物を均一に浸窒処理することが難しい。
【０００７】
また、シーズニング処理は、高温環境下で行うため、大半のアンモニアガスが熱分解してしまい、アンモニアガスの濃度は低下する。この結果、天井部よりもアンモニアガスの濃度がさらに低い床部はアンモニアにより還元され難い。このため、床部を含めた熱処理炉内のシーズニング処理を完了するには、たとえば２〜４か月間程度の多大な時間がかかってしまう。
【０００８】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱処理炉内をより均一かつより短い期間でシーズニング処理ができる熱処理炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を鑑みて、本発明に係る熱処理炉は、アンモニアガス雰囲気下で、加熱された鋼製の被処理物を浸窒処理する熱処理炉であって、前記熱処理炉は、シーズニング処理に用いるアンモニアガスを前記熱処理炉内に供給する供給口を備えており、前記供給口は、前記熱処理炉内の天井部よりも、前記熱処理炉内の床部に近い位置に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、シーズニング処理用のアンモニアガスの供給口が、熱処理炉内の天井部よりも、熱処理炉内の床部に近い位置に形成されているので、これまでに比べて、床部のアンモニアガスの濃度を上げて、床部のシーズニング処理を促進することができる。これにより、熱処理炉内をより均一かつ迅速にシーズニング処理できるため、シーズニング処理後の熱処理炉を用いて、被処理物を均一に浸窒処理することができる。
【００１１】
より好ましい態様としては、前記シーズニング処理の進行度合を検査するため検査手段が、前記天井部よりも、前記床部に近い位置に配置されている。この態様によれば、熱処理炉内の天井部よりも、シーズニング処理が十分でない床部に近い位置に検査手段を配置するので、熱処理炉内が均一にシーズニング処理されたことを精度良く確認することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱処理炉内をより均一かつより短い期間でシーズニング処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る熱処理炉の模式的断面図である。
【図２】浸窒処理された被処理物の表面からその内部の窒素濃度の変化と被処理物の硬さを説明するためのグラフである。
【図３】シーズニング処理の確認時における炉内のアンモニアガスの濃度の時間変化を説明するためのグラフである。
【図４】（ａ）は、実施例に係る試験片の表面からその内部の窒素濃度を示したグラフであり、（ｂ）は比較例に係る試験片の表面からその内部の窒素濃度を示したグラフである。
【図５】実施例および比較例の試験片の軸径の増加量を示したグラフである。
【図６】比較例で用いた熱処理炉の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態に係る熱処理炉を説明する。
【００１５】
１．熱処理炉１について
図１は、本発明の実施形態に係る熱処理炉１の模式的断面図である。図１に示すように、本発明に係る熱処理炉１は、アンモニアガス雰囲気下で、加熱された鋼製の被処理物Ｗを浸窒処理する熱処理炉である。
【００１６】
熱処理炉１は、セラミックファイバー等の断熱材を含む炉壁上部１１と、耐火レンガ等からなる炉壁下部１２と、を備えている。炉壁上部１１は、熱処理炉１の炉内の天井部１１ａを形成しており、天井部１１ａには、ファン１９が取り付けられている。
【００１７】
炉壁下部１２は、熱処理炉１の炉内の床部１２ａの一部を形成しており、床部１２ａには、被処理物Ｗを搬送するためのスキッドレール１７とチェーンガイド１８が設けられている。
【００１８】
熱処理炉１の炉内には、複数の電気式のヒータ１３が配置されており、ヒータ１３は電源（図示せず）に接続されている。本実施形態では、電源からの電流でヒータ１３を通電することにより、炉内の雰囲気を加熱することができる。
【００１９】
ここで、熱処理炉１には、炉内に浸窒処理用のアンモニアガスを供給する第１供給管１４が、天井部１１ａに配置されている。なお、第１供給管１４から炉内に、窒素ガスが選択的に供給可能であってもよい。炉壁上部１１の側壁には、サンプリングチューブ１５が配置されている。
【００２０】
サンプリングチューブ１５は、炉内のアンモニアガスの濃度を測定する測定部（図示せず）に連通されている。これにより、測定部で測定された炉内のアンモニアガスの濃度に基づいて、第１供給管１４からのアンモニアガスの供給量を調整または制御することができる。
【００２１】
さらに本実施形態では、熱処理炉１は、シーズニング処理に用いるアンモニアガスを熱処理炉１内に供給する供給口２１が形成された第２供給管２０を備えている。第２供給管２０の供給口２１は、熱処理炉１の炉内の天井部１１ａよりも、熱処理炉１内の床部１２ａに近い位置に形成されている。さらに、熱処理炉１には、シーズニング処理の進行度合を検査するための検査手段３０が、天井部１１ａよりも、床部１２ａに近い位置に配置されている。
【００２２】
検査手段３０は、床部１２ａおよびその近傍のシーズニング処理の進行度合を検査するセンサ３１を備えており、センサ３１としては、例えば、アンモニアガスの濃度を測定する濃度センサを挙げることができる。センサ３１は、サンプリングチューブ３２を介して熱処理炉１の炉内に連通している。
【００２３】
ここで、シーズニング処理が完了していない場合、加熱された環境下で、アンモニアガスを炉内に供給すると、床部１２ａおよびその近傍の酸化物がアンモニアにより還元される。このときに、炉内に酸性ガスまたは水等が発生する。したがって、炉内の酸素濃度または水分濃度に基づいて、シーズニング処理の完了を判断することができる。このような点から、上述したセンサ３１に、酸素濃度を測定する酸素センサ、または水分濃度を測定する露点センサなどを挙げることができる。
【００２４】
２．浸窒処理について
まず、図１に示す熱処理炉１を用いた被処理物Ｗの浸窒処理を説明する。まず、図１に示す熱処理炉１の炉内に、鋼製の被処理物Ｗを投入する。次に、浸窒された被処理物Ｗの表面が焼き入れ可能な温度に加熱する。本実施形態では、具体的には、被処理物Ｗの表面の温度を７００℃以上（好ましくは７５０℃〜８５０℃）に加熱する。
【００２５】
この状態で、熱処理炉１内に、第１供給管１４からアンモニアガスを炉内に供給する。ここで、アンモニアガスの代わりに、アンモニアガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを炉内に供給してもよい。熱処理炉１の炉内では、アンモニアの熱分解反応が起こり、熱処理炉１の炉内では、窒素ガス、水素ガス、およびアンモニアガスが混合した混合ガス雰囲気になる。
【００２６】
これにより、熱処理炉１の炉内に投入された被処理物Ｗの表面から、アンモニアガスの窒素が固溶拡散する。具体的には、被処理物Ｗの表面から窒素の固溶が進むと、被処理物Ｗの表面近傍の窒素濃度が上昇する。この固溶した窒素が、被処理物Ｗの内部に拡散していくと、図２に示すような窒素濃度のパターンとなる。なお、図２は、浸窒処理された被処理物の表面からその内部の窒素濃度の変化と被処理物の硬さを説明するためのグラフであり、縦軸の値は、被処理物Ｗに含有する窒素濃度を所定の値で除算することにより無次元化した値である。
【００２７】
その後、被処理物Ｗを炉内から取り出し、これを冷却することにより、被処理物Ｗの焼き入れを行う。このような結果、窒素濃度が高い被処理物Ｗの表面の硬度が上昇し（例えば図２ではＨｖ７００）、その表面から内部に進むに従って、その硬さが低くなる。
【００２８】
ここで、被処理物Ｗの表面から所定の深さにおける被処理物Ｗの硬さが、予め設定された基準範囲以内にあるかどうかを管理することにより、被処理物Ｗの浸窒処理が達成したかどうか、すなわち浸窒処理された被処理物が正常品であるかを判断する。たとえば、図２では、表面から０．２ｍｍの深さにおける被処理物Ｗの硬さがＨｖ５００であり、この硬さが基準範囲内であれば、正常品と判断することができる。なお、被処理物Ｗの表面から異なる２つの深さにおける被処理物硬さから、上述した管理を行ってもよい。
【００２９】
ところで、被処理物Ｗへの窒素の固溶拡散のし易さの指標として、ＰＮ（浸窒ポテンシャル）を用いることがある。ＰＮは、ＰＮＨ３をアンモニアガスの分圧、ＰＨ２を水素ガスの分圧を用いて、以下の式で表すことができる。
【００３０】
ＰＮ＝ＰＮＨ３／ＰＨ２３／２
【００３１】
この式から、被処理物Ｗに窒素を固溶し易くするためには、アンモニアガスの分圧を上げ、水素ガスの分圧を下げることを有効であることが分かる。また、この他にも、一般的に、被処理物Ｗの処理温度が高いほど、また、浸窒処理の時間が長いほど、ＰＮ（浸窒ポテンシャル）を上げることができる。
【００３２】
ここで、上述した如く、浸窒処理は、例えば、７５０〜８５０℃の炉内温度において、窒素ガス等の無酸素ガスにアンモニアガスを混合し、被処理物Ｗの表面からアンモニアガスの窒素を固溶拡散させ、被処理物Ｗの表面の硬さを高める処理である。
【００３３】
ここで、熱処理炉１の炉内に導入したアンモニアガスは、上述した炉内温度でほとんどが分解してしまう。このため、浸窒処理に寄与する活性を有したアンモニアガスは、導入したアンモニアガスに対して５体積％程度である。
【００３４】
したがって、浸窒処理に寄与するアンモニアガスが僅かであるため、新設した熱処理炉１に対して浸窒処理を行っても、アンモニアガスが、被処理物Ｗの浸窒処理に消費され難く、熱処理炉１の炉内構成物の還元に消費されてしまう。
【００３５】
ここで、炉内構成物は、炉内を形成する部材および炉内に配置される部材である。具体的には、炉内構成物には、上述した、天井部１１ａを含む炉壁上部１１、床部１２ａを含む炉壁下部１２、ヒータ１３、サンプリングチューブ１５、スキッドレール１７、チェーンガイド１８、ファン１９等を挙げることができる。
【００３６】
このように、浸窒処理時に、熱処理炉１の炉内構成物がアンモニアで還元されると、浸窒処理の効率が低下する。このため、炉内構成物を還元させることにより、熱処理炉１のシーズニング処理を行っている。以下に、図１に示す熱処理炉１によるシーズニング処理を説明する。
【００３７】
３．シーズニング処理について
シーズニング処理を早期に完了させるために、例えば、炭化水素系のガスを熱処理炉１の炉内に導入し、炉内を加熱することにより、シーズニング処理を行うことも考えられる。しかしながら、炭化水素系のガスが炭化し、炉内にススが堆積する。このため、炉内に堆積したススが、被処理物への浸窒処理に影響を与えるおそれがあるため、好ましくない。このような理由から、本実施形態では、シーズニング処理において、第２供給管２０からアンモニアガスを炉内に導入し、炉内を加熱することにより、炉内構成物をアンモニアで還元している。
【００３８】
シーズニング処理の完了を確認する方法を以下に説明する。まず、熱処理炉１の炉内を、ヒータ１３で８００℃に加熱しつつ、炉内を真空引きする。第１供給管１４または第２供給管２０から一定流量（ｍ３／ｈ）の窒素ガスを導入して、炉内を無酸素雰囲気にする。次に、炉内に一定流量（ｍ３／ｈ）のアンモニアガスを導入したのち、検査手段３０で時刻Ｔまでのアンモニアガスの濃度変化を確認する。なお、図３は、シーズニング処理の確認時における炉内のアンモニアガスの濃度の時間変化を説明するためのグラフであり、縦軸の値は、アンモニアガスの濃度を所定の値で除算することにより無次元化した値である。
【００３９】
ここで、炉内の酸化還元雰囲気が適正状態であれば、炉内のアンモニアガスの濃度は、図３に示すように管理範囲に到達する。しかしながら、炉内のシーズニング処理が十分でない場合は、アンモニアが分解し、炉内構成物に窒素が吸収されてしまうため、アンモニアガスの濃度が時間経過とともに上昇しない。この場合には、上述したシーズニング処理を再び行う。
【００４０】
本実施形態では、シーズニング処理用のアンモニアガスの供給口２１が、熱処理炉１の炉内の天井部１１ａよりも、熱処理炉１の炉内の床部１２ａに近い位置に形成されている。したがって、これまでは、床部１２ａの近傍ではアンモニアガスの濃度が低くなるところ、本実施形態では、熱処理炉１の炉内１１ａの床部の濃度を上げて、床部１２ａのシーズニング処理を促進することができる。
【００４１】
これにより、熱処理炉１の炉内をより均一かつ短い期間でシーズニング処理することができる。このため、シーズニング処理後の熱処理炉１を用いて、被処理物Ｗを均一に浸窒処理することができる。
【００４２】
さらに、熱処理炉１の炉内の天井部１１ａよりも、シーズニング処理が十分でない床部１２ａに近い位置に検査手段３０を配置しているので、熱処理炉１の炉内が均一にシーズニング処理されたことを精度良く確認することができる。
【実施例】
【００４３】
＜実施例＞
図１に示す熱処理炉１を用いて、シーズニング処理を行うとともに、その後、鋼製の試験片に浸窒処理を行った。具体的には、炉壁上部１１の一部に、セラミックファイバーを用い、炉壁下部１２には耐火レンガを用いた。第１供給管１４、第２供給管２０、およびサンプリングチューブ１５、３２には、ステンレス鋼を用いた。さらに、ヒータ１３にはインコネルを用い、ファン１９は、耐熱鋳鋼を用いた。
【００４４】
第２供給管２０から、炉内の床部１２ａの近傍にアンモニアガスを導入し、炉内を加熱することにより、所定の期間、シーズニング処理を行った。次に、円柱状の試験片を６体準備し、シーズニング処理後の熱処理炉１の炉内に試験片（被処理物Ｗ）を投入し、第２供給管２０からアンモニアガスを供給し、６体の試験片に対して浸窒処理を行った。
【００４５】
＜比較例＞
比較例では、図６に示す熱処理炉９を用いた。比較例の熱処理炉９が、実施例の熱処理炉１（図１参照）と相違する点は、第２供給管２０および検査手段３０を備えていない点である。図６に示す熱処理炉９では、図１に示す熱処理炉１と同じ部材に図１と同じ符号を付している。
【００４６】
比較例では、実施例と同じ条件で、第１供給管１４からアンモニアガスを供給することによりシーズニング処理を行った。そして、実施例と同様の試験片（被処理物Ｗ）を、７体準備し、これらの試験片に対して、実施例と同様の条件で浸窒処理を行った。
【００４７】
［窒素濃度の測定］
実施例および比較例に係る試験片を切断し、試験片の表面からその内部の試験片に含有する窒素濃度を測定した。この結果を図４（ａ），（ｂ）に示す。図４（ａ）は、実施例に係る試験片の表面からその内部の窒素濃度を示したグラフであり、図４（ｂ）は比較例に係る試験片の表面からその内部の窒素濃度を示したグラフである。図４（ａ），（ｂ）の縦軸の値は、被処理物Ｗに含有する窒素濃度を所定の値で除算することにより無次元化した値である。
【００４８】
［軸径の増加量］
実施例および比較例に係る試験片の浸窒処理前後の軸径の増加量を測定した。図５は、実施例および比較例の試験片の軸径の増加量を示したグラフである。図５の縦軸の値は、試験片の軸径の増加量を所定の値で除算することにより無次元化した値である。
【００４９】
＜結果＞
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例に係る試験片の表面の窒素濃度は、比較例のものよりも高かった。比較例の試験片の表面は、酸化していることが確認された。さらに、図５に示すように、比較例の試験片の軸径の増加量は、実施例のものよりも大きかった。
【００５０】
＜考察＞
このことから、比較例の試験片は、実施例のものに比べて、表面が酸化しているため、浸窒処理後の試験片の軸径が実施例のものよりも大きくなったと考えられる。比較例の試験片は、浸窒処理時に酸化したと考えられ、これは、比較例で用いた熱処理炉では、シーズニング処理が不十分であるからであると考えられる。
【００５１】
すなわち、実施例では、シーズニング処理時に、炉壁下部１２の床部１２ａのアンモニアガスの濃度が高いため、耐火レンガに含まれる酸化鉄がアンモニアで十分に還元されたと考えられる。一方、比較例では、この酸化鉄の還元が不十分であり、この酸化鉄の酸素により試験片の表面が酸化したと考えられる。なお、発明者が測定したところ、実施例の熱処理炉では、シーズニング処理中の床部（炉床）近傍のアンモニアガスの濃度は２体積％程度であり、これは比較例のものの４倍のアンモニアガスの濃度であることがわかった。そして、これらの点から、発明者らの知見によれば、実施例の熱処理炉を用いれば、比較例のものに比べて、１／１０以下の短い期間で、シーズニング処理を完了することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００５３】
本実施形態では、シーズニング処理を、熱処理炉の炉内にアンモニアガスを供給することにより行ったが、例えば、部分的に熱処理炉の炉内の部品を交換する際には、この部品を予めシーズニング処理を行ったのち、熱処理炉内に取付けてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１：熱処理炉、１１：炉壁上部、１１ａ：天井部、１２：炉壁下部、１２ａ：床部、１３：ヒータ、１４：第１供給管、１５：サンプリングチューブ、１７：スキッドレール、１８：チェーンガイド、１９：ファン、２０：第２供給管、３０：検査手段、３１：センサ、３２：サンプリングチューブ、Ｗ：被処理物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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