JP7557708B2

JP7557708B2 - 熱処理設備及び熱処理方法

Info

Publication number: JP7557708B2
Application number: JP2020118013A
Authority: JP
Inventors: 和之田村; 洋介森; 貴大藤本
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2024-09-30
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: JP2022015288A

Description

この発明は被処理品に浸炭窒化処理を行う熱処理設備及びこれを用いた熱処理方法に関する。

鋼材等の金属材において、表面の硬化等、特性の向上を図る表面処理として、金属材の表層部にＣ原子を導入する浸炭処理が実施されている。従来、浸炭処理の手法としてガス浸炭が用いられていたが、浸炭時間が長い等の問題があり、近年ではガス浸炭に比べて省エネルギー及び省人化の点で有利な真空浸炭が広く採用されている。

また、表層部にＣ原子とともにＮ原子を導入する浸炭窒化処理が行われる場合もある。浸炭窒化処理では、先ず表層部にＣ原子を導入する浸炭処理が実施され、続いて表層部にＮ原子を導入する窒化処理が実施される。このような浸炭窒化処理は、耐摩耗性等の特性を向上されるのに有効とされている。例えば、真空浸炭に続いて窒化を行う熱処理設備としては、下記特許文献に記載されたものが開示されている。

浸炭処理に続いて行われる窒化処理では、雰囲気中に含まれるアンモニアが、鋼材表面において、下記式（１）のように分解して、Ｎ原子が金属材の表層部に導入される。ここで、［Ｎ］は、金属材に取り込まれたＮ原子を意味する。
ＮＨ₃→［Ｎ］＋３／２Ｈ₂ ・・・式（１）

そして窒化の制御は、下記式（２）で示す炉内の窒化ポテンシャルＫ_Nを制御することによって主に行われる。ここでＰ_NH3は炉内のアンモニア分圧を意味し、Ｐ_H2は炉内の水素分圧を意味する。
Ｋ_N＝Ｐ_NH3／Ｐ_H2 ^3/2 ・・・式（２）

しかしながら真空浸炭処理を行う熱処理設備では、浸炭に続いて行う窒化の制御を安定させることが難しい問題があった。

特開平６－１７４３７７号公報特開２０１５－１７７９０号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、真空浸炭しその後に窒化する一連の熱処理を被処理品に施すことが可能で、且つ窒化の制御がばらつく問題を解決することができる熱処理設備及び熱処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは真空浸炭に続いて行われる窒化の制御にばらつきが生じる原因を究明するなかで、以下のような知見を得た。
（１）同一の炉内で浸炭処理に続いて窒化処理を実施した場合、残留アセチレンの影響で窒化制御が不安定化する。
（２）窒化ガスに含まれるアンモニアは、炉壁や治具の表面といった被処理品以外の様々な物質の表面で分解する（特に７００℃以上の高温時において顕著である）。このため、ＮＨ₃とＨ₂のいずれか一方の分圧のみに基づく制御では、被処理品表層部のＮ原子の濃度を十分な精度で制御できない場合がある。
（３）表層部に導入されるＮ原子の濃度は圧力に影響され、圧力が低い程Ｎ原子の吸収量が低下する。このため浸炭処理を真空下で行った場合でも、その後の窒化処理については大気圧付近で行うことが有効である。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

而して本発明の熱処理設備は、
（Ａ）搬送軌道に沿って配置されたバッチ式の浸炭チャンバ及び窒化チャンバと、
（Ｂ）被処理品を収容しヒータにて保温する保温チャンバと、前記浸炭チャンバ若しくは窒化チャンバと前記保温チャンバとの間で前記被処理品を受渡しする受渡しチャンバとを備え、前記浸炭チャンバ及び窒化チャンバとは分離して独立に構成された搬送ユニットと、
を有し、前記浸炭チャンバで前記被処理品を浸炭処理するとともに、前記搬送ユニットを走行させて、前記浸炭チャンバから受け取った浸炭処理後の前記被処理品を前記保温チャンバで保温して前記窒化チャンバまで搬送し、前記窒化チャンバで窒化処理を行う熱処理設備であって、
前記窒化チャンバにおける雰囲気制御手段が、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと前記雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサとを含んで構成されていることを特徴とする。

このように構成された本発明の熱処理設備によれば、浸炭処理を行う処理室と窒化処理を行う処理室が完全に分離されるため、残留アセチレンによる影響を回避しつつ、浸炭と窒化を一連の処理として行うことができる。

また本発明の熱処理設備によれば、窒化チャンバにおける雰囲気制御手段が、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと、前記雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサとを含んで構成されているため、窒化温度が高い場合であっても窒化制御の精度を高めることができる。
上記式（１）のように、ＮＨ₃の分解を経て金属材の表面にＮ原子が導入される場合に、金属材表層部におけるＮ原子の濃度は、ＮＨ₃とＨ₂の両方の分圧に影響を受けるはずである。雰囲気の構成成分やそれらの分圧、熱処理温度、処理対象の金属材の成分組成、使用する熱処理炉の形態等、窒化処理にかかる条件が狭い範囲に限られている場合には、ＮＨ₃とＨ₂のいずれか一方の分圧のみに基づいて雰囲気制御を行う形態でも、十分な精度で、金属材表面のＮ濃度の制御を行える可能性がある。

しかしながら、窒化処理が７００℃以上の高温で行われる場合には、式（１）のような反応が被処理品以外の炉壁や治具の表面でも起こるため、ＮＨ₃とＨ₂のいずれか一方の分圧のみに基づく制御では、金属材表層部のＮ濃度を十分に制御できない可能性がある。このため本発明では、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと前記雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサとを含んで雰囲気制御手段を構成し、ＮＨ₃とＨ₂の両方の分圧に基づく制御を可能としている。

ここで、アンモニアセンサ及び水素センサを直接窒化チャンバ内に差し込んで雰囲気ガス中のアンモニア濃度及び水素濃度を検出することも可能であるが、この場合にはセンサが常時高温に晒されることからセンサ寿命が短くなってしまう。このため本発明の熱処理設備では、窒化チャンバ内の雰囲気ガスを取り出し排ガス管路に導くガス抽出ラインを設け、このガス抽出ライン上に前記アンモニアセンサ及び水素センサを設けておくことが好ましい。

本発明の熱処理設備は、窒化チャンバを複数設けておくことが可能である。このような場合、窒化チャンバ毎に前記ガス抽出ライン、前記アンモニアセンサ及び水素センサを設けておくことができる。

また本発明の熱処理設備では、前記浸炭チャンバに接続され、炉内の雰囲気ガスを真空ポンプにより炉外に排気する排気ラインと、前記窒化チャンバに接続され、炉内の圧力を大気圧近傍に維持する圧力調整ラインと、を備えておくことができる。ここで大気圧近傍の圧力とは、表層部におけるＮ原子濃度向上の観点から、０．１ａｔｍ以上、好ましくは０．８ａｔｍ以上で、１．２ａｔｍ以下の範囲である。

また本発明の熱処理方法は、
（Ａ）搬送軌道に沿って配置されたバッチ式の浸炭チャンバ及び窒化チャンバと、
（Ｂ）被処理品を収容しヒータにて保温する保温チャンバと、前記浸炭チャンバ若しくは窒化チャンバと前記保温チャンバとの間で前記被処理品を受渡しする受渡しチャンバとを備え、前記浸炭チャンバ及び窒化チャンバとは分離して独立に構成された搬送ユニットと、
を有し、前記窒化チャンバにおける雰囲気制御手段が、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと前記雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサとを含んで構成された熱処理設備を用い、
前記浸炭チャンバで減圧下、浸炭ガスを供給して前記被処理品を真空浸炭処理する工程と、
前記搬送ユニットを走行させて、前記浸炭チャンバから受け取った浸炭処理後の前記被処理品を前記保温チャンバで保温して前記窒化チャンバまで搬送する工程と、
前記窒化チャンバで大気圧近傍の圧力下、窒化ガスを供給して前記被処理品を窒化処理する工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態の熱処理設備の全体構成を示した図である。同実施形態における浸炭チャンバ及び搬送ユニットの内部構造を示した断面図である。同浸炭チャンバ及び搬送ユニットの平面図である。浸炭チャンバ及び窒化チャンバに接続されている各種ガスの供給ライン及び排気ラインを示した図である。図２のＶ-Ｖ断面図である。同実施形態における受渡し機構の動作説明図である。同実施形態における熱処理の各工程を被処理品に対するヒートパターン及び圧力パターンとともに示した図である。

次に本発明の実施形態を以下に詳しく説明する。
図７は、本実施形態における熱処理の各工程を被処理品Ｗに対するヒートパターン及び圧力パターンとともに示したものである。
同図に示しているように、ここでは被処理品Ｗに対し浸炭処理し、更に窒化処理と焼入れ処理とを行う。具体的には、工程Ｋ１で被処理品Ｗを浸炭温度である９３０℃まで昇温して均熱し、９３０℃の温度の下で被処理品Ｗに対する真空浸炭処理、詳しくは減圧下での浸炭とその後の拡散とを行う。その後、工程Ｋ２では被処理品Ｗを８５０℃まで冷却し、８５０℃で保温する。

次の工程Ｋ３では圧力を大気圧近傍に戻し８５０℃の温度の下で窒化処理を行う。温度８５０℃はこの実施形態では焼入れ温度でもあり、工程Ｋ４で被処理品Ｗの温度を８５０℃に維持した後、工程Ｋ５で被処理品Ｗを焼入れ温度から急冷し焼入れを行う。

図１は本実施形態の熱処理設備１の概略全体構成を示している。同図において、１０は図中左右方向に直線状に延設された搬送軌道たるレールで、このレール１０に沿って複数のバッチ式の処理チャンバ（ここでは浸炭チャンバ１２-１，１２-２、窒化チャンバ１３及び焼入れチャンバ１４）が、後述の開口部４４（図２参照）を同方向である図中上方に向けた状態で直線状に一列に配置されている。

この実施形態において、浸炭チャンバ１２-１，１２-２は被処理品Ｗに対し所定の温度（例えば９３０℃）の下で浸炭処理を行う。また窒化チャンバ１３は、その後において被処理品Ｗに対し所定の温度（例えば８５０℃）の下で窒化処理を行う。

図１中右端側には装入テーブル１６が設けられており、上流工程からの被処理品Ｗが先ずこの装入テーブル１６上に載置される。装入テーブル１６上に載置された被処理品Ｗは、浸炭チャンバ１２-１，１２-２によって浸炭処理され、その後に窒化チャンバ１３によって窒化処理される。更にその後に焼入れチャンバ１４にて焼入れ処理され、その後に図中左端側且つ焼入れチャンバ１４の図中下側位置の抽出テーブル１８へと排出され、引続いて下流工程へと抽出される。

この実施形態の熱処理設備１は、上記の浸炭チャンバ１２-１，１２-２，窒化チャンバ１３，焼入れチャンバ１４に加えて、レール１０上を走行する搬送ユニット２０を有している。搬送ユニット２０は、装入テーブル１６上の被処理品Ｗを受け取ってレール１０上を走行し、浸炭チャンバ１２-１，１２-２の何れかに被処理品Ｗを装入する。
或いはこれら浸炭チャンバ１２-１，１２-２において浸炭処理された後の被処理品Ｗを、それら浸炭チャンバ１２-１，１２-２から受け取ってレール１０上を走行し、窒化チャンバ１３に装入してそこで窒化処理せしめる。
また搬送ユニット２０は、窒化チャンバ１３から窒化処理後の被処理品Ｗを受け取ってレール１０上を走行し、これを焼入れチャンバ１４へと渡してそこで焼入れ処理せしめる。

図２に、浸炭チャンバ１２-１及び搬送ユニット２０の内部構造が示してある。
同図に示しているように浸炭チャンバ１２-１は、有底の円筒状の炉殻２２と、その内部に配置された断熱材２４とを有している。断熱材２４は有底の円筒状の断熱壁２５を構成している。そしてその断熱壁２５は内側に処理室２６を形成している。
この浸炭チャンバ１２-１には吸引口３２，３３が設けられている。吸引口３２には後述する第１排気ライン１６２が接続され、吸引口３３には第２排気ライン１６６が接続されている（図４参照）。

浸炭チャンバ１２-１にはまた、その内部に浸炭ガスを供給するための供給口３４が設けられている。供給口３４から供給された浸炭ガスは、一旦ヘッダー３６へと導かれ、更にこのヘッダー３６に続く分岐管３７及び分岐管３７に設けられたノズル３８から浸炭チャンバ１２-１内部、詳しくは断熱壁２５内側の処理室２６へと導入される。尚ここでは分岐管３７に１つのノズル３８が設けられているが、複数のノズル３８を設けておいても良い。尚、供給口３４からは浸炭ガスが供給される外、窒素ガスが供給されるようになっている。

断熱壁２５には、処理室２６内で供給された窒素ガスを撹拌させて対流させ、被処理品Ｗの昇温期においてその昇温を促進する対流加熱用のファン３９と、これを回転させるモータ４０とが設けられている。また断熱壁２５には、モータ４０を熱から保護するための水冷パネル４１がモータ４０近傍に設けられている。

浸炭チャンバ１２-１には、開口部４４を開閉する引戸式の扉４２が設けられている。扉４２はシリンダ４６によってフランジ４８内面を摺動し、閉状態で開口部４４をゴムパッキンを介して気密にシールする。この扉４２には板状の断熱材５５が一体移動する状態に設けられており、この断熱材５５によって円筒状の断熱壁２５の開口部５２が閉鎖される。
浸炭チャンバ１２-１においては、扉４２の内面側にも、開口部４４を気密にシールするゴムパッキンを熱から保護するための水冷パネル５１が設けられている。

以上浸炭チャンバ１２-１についての構造を説明したが、他の浸炭チャンバ１２-２や窒化チャンバ１３も基本的に同様の構造である。このため浸炭チャンバ１２-２や窒化チャンバ１３の内部構造において、浸炭チャンバ１２-１と同様の部分については符号のみを示して詳しい説明は省略する。

但し、窒化チャンバ１３は、炉内（チャンバ内）と連通する排出口１７０及び取出口１７６を更に備えている（図４参照）。窒化チャンバ１３の排出口１７０には後述する圧力調整ライン１７２が接続され、また取出口１７６にはサンプリングライン１７７が接続されている。

図４は、浸炭チャンバ１２-１，１２-２及び窒化チャンバ１３に接続されている各種ガスの供給ライン及び排気ラインを示した図である。
同図に示すように、浸炭チャンバ１２-１，１２-２の各供給口３４には、それぞれ窒素ガスと浸炭ガスとしてのアセチレンガスをチャンバ内に供給するための第１供給ライン１４９が接続されている。第１供給ライン１４９は、ガス流量を制御するマスフローコントローラ１５０と開閉弁１５１，１５２を含んで構成されている。第１供給ライン１４９は上流側が分岐管１４９ａと１４９ｂとに分かれており、分岐管１４９ａが窒素ガス供給源１５３から延びる配管１５３ａに接続され、分岐管１４９ｂがアセチレンガス供給源１５４から延びる配管１５４ａに接続されている。このように構成された第１供給ライン１４９により、浸炭チャンバ１２-１，１２-２においては、窒素ガスとアセチレンガスとを択一的にチャンバ内に供給可能とされている。

一方、窒化チャンバ１３の供給口３４には、窒化ガスとしてのアンモニアガスを供給するための第２供給ライン１５６が接続されている。第２供給ライン１５６は、ガス流量を制御するマスフローコントローラ１５７と開閉弁１５８を含んで構成され、第２供給ライン１５６の上流側はアンモニアガス供給源１６０から延びる配管１６０ａに接続されている。また窒化チャンバ１３の供給口３４には、配管１５９を介して窒素ガスも供給可能とされている。

浸炭チャンバ１２-１，１２-２及び窒化チャンバ１３の各吸引口３２は、それぞれチャンバ内部のガスを排出するための第１排気ライン１６２に接続されている。第１排気ライン１６２は、真空ポンプ１６３と各チャンバに対応する開閉弁１６４とを含んで構成されており、開閉弁１６４の開閉によって、各処理チャンバと真空ポンプ１６３とが連通及び連通遮断されるようになっている。本例においては、処理チャンバと真空ポンプ１６７と連通させることで、チャンバの内部が所定の減圧状態（例えば１５００Ｐａ）に維持される。

更に浸炭チャンバ１２-１，１２-２及び窒化チャンバ１３の各吸引口３３は、それぞれチャンバ内部のガスを排出するための第２排気ライン１６６に接続されている。第２排気ライン１６６は、真空ポンプ１６７と各チャンバに対応する開閉弁１６８とを含んで構成されており、開閉弁１６８の開閉によって、各処理チャンバと真空ポンプ１６７とが連通及び連通遮断されるようになっている。本例においては、処理チャンバと真空ポンプ１６７と連通させることで、チャンバの内部が大気圧から所定の減圧状態にまで一気に減圧される。

窒化チャンバ１３においては、窒化処理中のチャンバ内の圧力を大気圧近傍に維持するための圧力調整ライン１７２が排出口１７０に接続されている。圧力調整ライン１７２は圧力調整弁１７３と開閉弁１７４を含んで構成されており、圧力調整弁１７３にてチャンバ内が大気圧近傍、詳しくは大気圧よりも僅かに高い圧力（例えば１０５ｋＰａ）に調整される。

また窒化チャンバ１３の取出口１７６には、チャンバ内の雰囲気ガスを炉外に取り出すためのサンプリングライン１７７の一端が接続されている。サンプリングライン１７７はポンプ１７８と開閉弁１７９を含んで構成されている。サンプリングライン１７７の他端側には分析計１８０が設けられており、ポンプ１７８によって窒化チャンバ１３内から取り出された雰囲気ガスは分析計１８０に供給される。

分析計１８０はサンプリングライン１７７を通じて供給された雰囲気ガス中の元素濃度を分析する。分析計１８０はアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ１８２と、水素濃度を検出する水素センサ１８４とを備え、サンプリングライン１７７を通じて取り出された雰囲気ガス中のアンモニア濃度及び水素濃度が検出される。そしてそれぞれ検出濃度に対応した信号が制御部１８６へ出力される。
ここでアンモニアセンサ１８２としては、たとえば、ＮＤＩＲ（非分散型赤外線式ガスセンサ）などを用いることができる。また、水素センサ１８４としては、たとえば、気体熱伝導式センサなどを用いることができる。
本例では、これらセンサの寿命を考慮して、サンプリングライン１７７を通じて供給されるガスが室温（２５℃）程度となる位置に、分析計１８０が設けられている。

なお、サンプリングライン１７７を通じて取り出された雰囲気ガスは、分析計１８０の下流側に延びる分析計排気ライン１９０を通じて排ガス管路１９２に送られる。この実施形態では、サンプリングライン１７７及び分析計排気ライン１９０がガス抽出ラインを成している。
排ガス管路１９２ではこのガス抽出ラインを通じて取り出された雰囲気ガスのほか、第１排気ライン１６２、第２排気ライン１６６及び圧力調整ライン１７２から送られてきたガスが合流し、それらが燃焼排気される。

制御部１８６は、演算部１８７と出力部１８８とを有し、分析計１８０から送られてきたアンモニア濃度に対応した信号、及び、水素濃度に対応した信号に基づいて、窒化チャンバ１３に供給する窒化ガス（ここではアンモニアガス）の流量を制御する。
演算部１８７では、アンモニア濃度に対応する分圧Ｐ_NH3と、水素濃度に対応する分圧Ｐ_H2とに基づいて、上記式（１）で定義された炉内の窒化ポテンシャルＫ_Nを演算する。
出力部１８８では、演算された窒化ポテンシャルと目標の窒化ポテンシャルとの差分に基づいてマスフローコントローラ１５７に信号を送信して、炉内の窒化ポテンシャルが目標の窒化ポテンシャルに近づくようにアンモニアガスの供給量を調整する。

以上のようにこの実施形態では、サンプリングライン１７７、分析計１８０（アンモニアセンサ１８２、水素センサ１８４を含む）、制御部１８６、及びマスフローコントローラ１５７が窒化チャンバ１３における雰囲気制御手段を成しており、実際に検出されたアンモニア濃度及び水素濃度を用いたフィードバック制御が実現されている。

一方、図１に示す焼入れチャンバ１４は、内部に油冷槽を有し、搬送ユニット２０にて装入された窒化処理後の被処理品Ｗを油冷槽に浸漬して急冷し、焼入れを行う。
この焼入れチャンバ１４は、浸炭チャンバ１２-１，１２-２、窒化チャンバ１３と同じ側、即ち図１中上側に開口部４４を有するとともに、その反対側（図中下側）にも開口部４４を有し、それら開口部４４が引戸式の扉４２にて開閉されるようになっている。図１中４６は、その扉４２を開閉動作させるシリンダである。

図２において、搬送ユニット２０は、レール１０上を走行する走行台車９０を有しており、更に走行台車９０上において、後述の保温チャンバ５６を受渡しチャンバ５４とともにレール１０と直交方向である図２中左右方向に進退移動し、受渡しチャンバ５４及び保温チャンバ５６を浸炭チャンバ１２-１，１２-２及び窒化チャンバ１３に対して連結及び連結解除させる連結台車９２を有している。
９４は、その連結台車９２を図２中左右方向に微小ストローク進退移動させるシリンダで、保温チャンバ５６及び受渡しチャンバ５４は、このシリンダ９４によりローラ９６の転動を伴って図２中左右方向に進退移動せしめられる。
この実施形態では、これら連結台車９２，ローラ９６，シリンダ９４等が進退移動手段を成している。

搬送ユニット２０は、浸炭チャンバ１２-１，１２-２，窒化チャンバ１３側の前部に受渡しチャンバ５４を、反対側の後部に、図７の工程Ｋ２、Ｋ４で被処理品Ｗを保温するための保温チャンバ５６を有している。

受渡しチャンバ５４は、耐圧性の角筒状の筒壁５８を有しており、その内部に被処理品Ｗを収容する収容室６０を形成している。この収容室６０には受渡し機構６２が設けられている。
受渡し機構６２は、浸炭チャンバ１２-１、１２-２と後部の保温チャンバ５６との間で被処理品Ｗを受渡しするもので、図６に示しているようにフォーク部６２Ａと水平スライド部材６２Ｂ，６２Ｃとを有しており、それらを水平方向にスライドさせることによりフォーク部６２Ａにて被処理品Ｗを受渡しする。

この受渡しチャンバ５４には吸引口６３が設けられており、この吸引口６３が、図３に示す真空ポンプ６４に対して吸引管６６Ａを通じて接続され、受渡しチャンバ５４の内部が真空ポンプ６４により真空吸引されるようになっている。
吸引管６６上には電磁弁から成る開閉弁６８Ａが設けられており、開閉弁６８Ａの開閉によって、吸引口６３と真空ポンプ６４とが連通及び連通遮断されるようになっている。

受渡しチャンバ５４にはまた、図３に示しているように供給口７０が設けられており、この供給口７０を通じて窒素ガスが受渡しチャンバ５４内に供給されるようになっている。
受渡しチャンバ５４は、その前端即ち図２中左端が扉を有しない開口部７２とされている。受渡しチャンバ５４にはこの開口部７２周りに偏平な枠状パッキン７４が設けられている。
受渡しチャンバ５４は、この枠状パッキン７４を浸炭チャンバ１２-１，１２-２及び窒化チャンバ１３の外面に気密に接触させる状態に、浸炭チャンバ１２-１，１２-２，窒化チャンバ１３側への前進移動により、それら浸炭チャンバ１２-１，１２-２，窒化チャンバ１３にドッキングされる。

他方、後者の保温チャンバ５６は有底円筒状をなす炉殻７６の内部に断熱材７８を有しており、その断熱材７８が断熱壁８０を構成している。
断熱壁８０は内側に収容室８２を形成しており、そこに被処理品Ｗを収容するようになっている。
収容室８２には架台８４が設けられている。収容室８２内の被処理品Ｗは、その架台８４上に載置されて支持される。

この保温チャンバ５６には、図５に示しているようにその内部を真空吸引するための吸引口８６が設けられており、この吸引口８６が、図３に示すように上記の真空ポンプ６４に対して吸引管６６Ｂを通じ接続されている。
この吸引管６６Ｂ上には電磁バルブから成る開閉弁６８Ｂが設けられており、開閉弁６８Ｂの開閉動作によって吸引口８６と真空ポンプ６４とが連通及び連通遮断されるようになっている。

保温チャンバ５６は、断熱壁８０の内部に、被処理品Ｗを保温するためのヒータ１２０が設けられている。そして保温チャンバ５６には、断熱壁８０の上部の開口１０４及び下部の開口１０６を開閉する断熱材製の扉１１０，１１２が設けられており、それらがシリンダ１１４，１１６にて開閉動作せしめられる。

保温チャンバ５６にはまた、冷却ガスとして窒素ガスを内部に供給する供給口８８が炉殻７６に設けられている。
またその内部には、供給された窒素ガスを水冷パイプ間に通すことで、熱交換により温度低下させる熱交換器９８と、これにより冷却された窒素ガスを撹拌し、保温チャンバ５６内で循環させる冷却ファン１００と、これを回転させるモータ１０２とを有しており、それらが被処理品Ｗに対するガス冷却装置を構成している。

このガス冷却装置では、冷却ファン１００の回転により、温度低下した窒素ガスが断熱壁８０の下部の開口１０６を通じ上向きに流れて被処理品Ｗに当り、これを冷却した後断熱壁８０の上部の開口１０４より流出し、再び熱交換器９８を通過してそこで温度低下せしめられる。そしてそのような循環流れを生じつつ被処理品Ｗを冷却処理する。

即ちこの実施形態では、保温チャンバ５６に、被処理品Ｗを保温する保温機能と併せて冷却機能も備えられている。

図２に示しているように、保温チャンバ５６と受渡しチャンバ５４との間、詳しくは保温チャンバ５６の受渡しチャンバ５４側の端部には開口部１２２が設けられており、この開口部１２２が、シリンダ１２４によってフランジ１２６内面を摺動する扉１２８によって開閉されるようになっている。

前記の浸炭チャンバ１２-１におけるのと同様、この保温チャンバ５６の扉１２８にもまた、断熱壁８０の開口部１２９を開閉する板状の断熱材１３０が一体移動する状態に設けられており、また開口部１２２を気密にシールするゴムパッキンを熱から保護するための水冷パネル１３２が扉１２８に設けられている。

次に本実施形態における一連の熱処理について説明する。図１の装入テーブル１６上の被処理品Ｗを搬送ユニット２０が受け取って搬送し、これを浸炭チャンバ１２-１，１２-２の何れかに装入する。
被処理品Ｗを受け取った浸炭チャンバ１２-１，１２-２の何れかは、その内部で被処理品Ｗに対する浸炭処理を行う。
搬送ユニット２０は、その後浸炭処理された被処理品Ｗを浸炭チャンバ１２-１，１２-２の何れかから取り出して、これを保温チャンバ５６で保温した上で、被処理品Ｗを窒化チャンバ１３に装入する。
これを受けた窒化チャンバ１３は、その被処理品Ｗに対し窒化処理を行う。

その窒化処理が終ると、搬送ユニット２０が窒化チャンバ１３から窒化後の被処理品Ｗを取り出して、これを焼入れチャンバ１４へと渡す。
窒化後の被処理品Ｗを受けた焼入れチャンバ１４は、これを内部の油冷槽に浸漬して急冷し、焼入れを施す。
そして焼入れ後の被処理品Ｗが、焼入れチャンバ１４から抽出テーブル１８上へと排出される。

以下に上記の一連の熱処理の要部の詳細を具体的に説明する。尚、以下の説明では浸炭処理を浸炭チャンバ１２-１で行うものとする。
先ず搬送ユニット２０は、受渡しチャンバ５４において受渡し機構６２により装入テーブル１６上の被処理品Ｗを受け取り、これを受渡しチャンバ５４内に収容する。
その後搬送ユニット２０は何れかの浸炭チャンバ、ここでは例えば浸炭チャンバ１２-１の位置まで移動し、被処理品Ｗを搬送する。

その後搬送ユニット２０は、シリンダ９４により受渡しチャンバ５４を後部の保温チャンバ５６とともに浸炭チャンバ１２-２側に微小距離前進移動させて、受渡しチャンバ５４の先端の枠状パッキン７４を浸炭チャンバ１２-１の外面に密着させる状態に、浸炭チャンバ１２-１に対しドッキングさせる。

そして保温チャンバ５６との間の扉１２８を閉鎖した状態で、真空ポンプ６４により吸引口６３を通じて受渡しチャンバ５４内部が真空吸引され、受渡しチャンバ５４内部が浸炭チャンバ１２-１と同程度の真空圧まで減圧される。

受渡しチャンバ５４内の圧力が浸炭チャンバ１２-１内の圧力と同程度の真空圧となったところで、浸炭チャンバ１２-１の扉４２を開いて、受渡しチャンバ５４内の被処理品Ｗを受渡し機構６２により浸炭チャンバ１２-１内の処理室２６に装入し、架台３０上にセットする。

被処理品Ｗが浸炭チャンバ１２-１内に装入されると、被処理品Ｗの加熱が開始され、浸炭温度である９３０℃まで昇温せしめられる。

その際に昇温を促進するため、浸炭チャンバ１２-１内に窒素ガスが供給口３４から供給されるとともに、対流加熱ファン３９が回転せしめられて、その対流加熱ファン３９による対流加熱とヒータ２８による輻射熱とによって、被処理品Ｗが速やかに浸炭温度の９３０℃まで昇温せしめられる。

被処理品Ｗが浸炭温度の９３０℃まで昇温したところで、浸炭チャンバ１２-１内部の窒素ガスが吸引口３３を通じて真空排気され、浸炭チャンバ１２-１内部が設定された真空圧（１５００Ｐａ）に減圧される。
その後、供給口３４を通じこの浸炭チャンバ１２-１への導入ガスが窒素ガスから浸炭ガスへと切り替えられ、被処理品Ｗに対する浸炭が行われる。この際浸炭チャンバ１２-１に導入される浸炭ガス（アセチレンガス）は、予めシミュレーションによって決定されたガス量で、決められた時間通りに導入される。
その後に浸炭ガスの供給を停止した状態で引続き被処理品Ｗが９３０℃の温度に保持され、被処理品Ｗに侵入したＣ原子の拡散処理が行われる。

このようにして被処理品Ｗに対する浸炭処理を終えたところで、一旦浸炭チャンバ１２-１から離れていた搬送ユニット２０を再び浸炭チャンバ１２-１に向けて前進移動させ、受渡しチャンバ５４を浸炭チャンバ１２-１に対しドッキングさせる。
そして受渡しチャンバ５４と保温チャンバ５６との間の扉１２８を開いた状態で、受渡しチャンバ５４の内部と保温チャンバ５６の内部とを真空ポンプ６４により真空吸引し、それらを真空圧とする。

その後に浸炭チャンバ１２-１の扉４２を開いて、浸炭チャンバ１２-１内の浸炭処理後の被処理品Ｗを受渡しチャンバ５４内に移動させ、引続いてこれを受渡しチャンバ５４から保温チャンバ５６へと移動させて、被処理品Ｗを保温チャンバ５６内に収容する。

被処理品Ｗを保温チャンバ５６内に収容したところで、扉１２８を閉じ、その後保温チャンバ５６内においてヒータ１２０にて被処理品Ｗを目的の温度（８５０℃）で保温する。尚、目的の温度（８５０℃）にまで被処理品Ｗの温度を低下させるためにガス冷却装置を働かせて強制的に冷却することも可能である。

搬送ユニット２０は、被処理品Ｗに対する保温を、浸炭チャンバ１２-１から離れて移動する間も行い、受け渡しチャンバ５４内の圧力と窒化チャンバ１３内の圧力が同程度の真空圧となったところで、目的とする温度で保温した被処理品Ｗを、今度は窒化チャンバ１３に受渡しチャンバ５４を通じて装入する。

窒化チャンバ１３に装入された被処理品Ｗは、その後窒化温度である８５０℃に保持されながら窒化チャンバ１３内部で窒化処理される。
詳しくは、窒化チャンバ１３における扉４２（図２参照）を閉じた状態で、被処理品Ｗが、ヒータ２８による加熱にて窒化温度８５０℃に保温され、また供給口３４を通じて供給された窒化ガス（アンモニアガス）がノズル３８から処理室２６内に導入されて、被処理品Ｗに対する窒化処理が行われる。

その際、窒化チャンバ１３内は窒素ガス導入による復圧後に、アンモニアガスが導入され、以降は圧力調整ライン１７２によって所定の圧力（ここでは大気圧より僅かに高い１０５ｋＰａ）に維持される。

窒化処理中はマスフローコントローラ１５７によりアンモニアガスの流量が調整され、雰囲気制御が行われる。詳しくはサンプリングライン１７７を通じて雰囲気ガスの一部が分析計１８０に送られ、分析計１８０中のアンモニアセンサ１８２及び水素センサ１８４にて雰囲気ガス中のアンモニア濃度及び水素濃度が検出される。そして実際に検出されたアンモニア濃度及び水素濃度に基づく窒化ポテンシャルが制御部１８６にて演算され、演算された窒化ポテンシャルと目標の窒化ポテンシャルとの差分に基づいてマスフローコントローラ１５７がアンモニアガスの流量を調整する。

窒化処理が終了したところで、窒化チャンバ１３内部のガスが吸引口３３を通じて真空排気され、窒化チャンバ１３内部が受渡しチャンバ５４内の圧力と同程度の真空圧になったところで、受渡しチャンバ５４を窒化チャンバ１３にドッキングさせる。そして窒化処理された被処理品Ｗを、窒化チャンバ１３から取り出し、保温チャンバ５６内に収容し、目的の温度（８５０℃）で保温する。

次に搬送ユニット２０は図１中左方向に移動して、窒化処理した被処理品Ｗを焼入れチャンバ１４の前まで持ち来し、続いてこれを焼入れチャンバ１４へと装入する。

このとき搬送ユニット２０においては、受渡しチャンバ５４を焼入れチャンバ１４に対してドッキングさせた後、扉１２８を閉じた状態の下で先ず受渡しチャンバ５４内を真空吸引し、続いて受渡しチャンバ５４内に供給口７０を通じ窒素ガスを供給し、内部を大気圧状態とする。

続いて保温チャンバ５６内部の真空吸引を停止した上で、その内部に供給口８８を通じ窒素ガスを供給し、その内部を大気圧状態とする。その状態で扉１２８及び焼入れチャンバ１４側の扉４２を開いて、保温チャンバ５６内の浸炭窒化後の被処理品Ｗを受渡しチャンバ５４を経由して焼入れチャンバ１４内に装入する。
尚、ここでは保温チャンバ５６から焼入れチャンバ１４への被処理品Ｗの受渡しを、大気圧下で行う場合を示したが、これ以外の所定圧力下（例えば真空状態のまま）で被処理品Ｗの受渡しを実施することも可能である。

被処理品Ｗを受け取った焼入れチャンバ１４は、これを内部に備えてある油冷槽に浸漬させて急冷し、焼入れを行う。
焼入れされた被処理品Ｗは、その後焼入れチャンバ１４の、レール１０とは反対側の開口部４４を通じて図１中下側の抽出テーブル１８へと排出される。
そして抽出テーブル１８上に排出された被処理品Ｗが、続いて下流工程へと引き取られて行く。

このように構成された本実施形態の熱処理設備１によれば、浸炭処理を行う浸炭チャンバ１２-１，１２-２と窒化処理を行う窒化チャンバ１３が完全に分離されるため、残留アセチレンによる影響を回避しつつ、浸炭と窒化を一連の処理として行うことができる。

また本実施形態の熱処理設備１では、窒化処理における雰囲気制御手段が、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサ１８２と、雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサ１８４とを含んで構成されているため、窒化温度が高い場合であっても、実際に測定されたアンモニア濃度および水素濃度に基づく雰囲気制御を行なうことで窒化制御の精度を高めることができる。

また本実施形態の熱処理設備１は、窒化チャンバ１３内の雰囲気ガスを取り出し排ガス管路１９２に導くガス抽出ライン（サンプリングライン１７７、分析計排気ライン１９０）を設けて、ガス抽出ライン上にアンモニアセンサ１８２及び水素センサ１８４を設けることで、これらセンサが常時高温に晒されるのを防止してセンサ寿命を高めることができる。

本実施形態の熱処理設備１は、浸炭チャンバ１２-１，１２-２に内部の雰囲気ガスを炉外に排気する排気ライン１６２，１６６が接続され、窒化チャンバ１３に炉内の圧力を大気圧近傍に維持する圧力調整ライン１７２が接続されている。このため、浸炭チャンバ１２-１，１２-２にて真空浸炭が、また窒化チャンバ１３にて大気圧付近での窒化が実施可能であり、これら真空浸炭及び窒化をそれぞれの処理チャンバにて同時に行うことができる。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。例えば、浸炭ガスはアセチレンガスに代えて、エチレンガス等の他のアセチレン系ガスを使用しても良い。また窒化ガスはアンモニアを含む混合ガスを使用しても良い。また本発明の熱処理設備が備える浸炭チャンバ及び窒化チャンバの数は適宜変更可能であり、窒化チャンバを複数設けておくことも可能である。この場合は、窒化チャンバ毎にガス抽出ライン、アンモニアセンサ及び水素センサを設けておけば良い。

１熱処理装置
１０レール
１２-１，１２-２浸炭チャンバ
１３窒化チャンバ
１４焼入れチャンバ
２０搬送ユニット
２８ヒータ
５４受渡しチャンバ
５６保温チャンバ
１６２第１排気ライン
１６３，１６６真空ポンプ
１６６第２排気ライン
１７２圧力調整ライン
１７７サンプリングライン（ガス抽出ライン）
１８２アンモニアセンサ
１８４水素センサ
１９０分析計排気ライン（ガス抽出ライン）
１９２排ガス管路
Ｗ被処理品

Claims

（Ａ）搬送軌道に沿って配置されたバッチ式の浸炭チャンバ及び窒化チャンバと、
（Ｂ）被処理品を収容しヒータにて保温する保温チャンバと、前記浸炭チャンバ若しくは窒化チャンバと前記保温チャンバとの間で前記被処理品を受渡しする受渡しチャンバとを備え、前記浸炭チャンバ及び窒化チャンバとは分離して独立に構成された搬送ユニットと、
を有し、前記浸炭チャンバで前記被処理品を浸炭処理するとともに、前記搬送ユニットを走行させて、前記浸炭チャンバから受け取った浸炭処理後の前記被処理品を前記保温チャンバで保温して前記窒化チャンバまで搬送し、前記窒化チャンバで窒化処理を行う熱処理設備であって、
前記窒化チャンバにおける雰囲気制御手段が、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと前記雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサとを含んで構成されていることを特徴とする熱処理設備。
前記窒化チャンバに接続され、チャンバ内の雰囲気ガスを取り出し排ガス管路に導くガス抽出ラインを有し、
前記ガス抽出ライン上に前記アンモニアセンサ及び水素センサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理設備。
前記浸炭チャンバに接続され、炉内の雰囲気ガスを真空ポンプにより炉外に排気する排気ラインと、
前記窒化チャンバに接続され、炉内の圧力を０．１ａｔｍ以上、１．２ａｔｍ以下に維持する圧力調整ラインと、
を備えていることを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の熱処理設備。
前記窒化チャンバを複数備え、前記窒化チャンバ毎に前記ガス抽出ライン、前記アンモニアセンサ及び水素センサが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱処理設備。
（Ａ）搬送軌道に沿って配置されたバッチ式の浸炭チャンバ及び窒化チャンバと、
（Ｂ）被処理品を収容しヒータにて保温する保温チャンバと、前記浸炭チャンバ若しくは窒化チャンバと前記保温チャンバとの間で前記被処理品を受渡しする受渡しチャンバとを備え、前記浸炭チャンバ及び窒化チャンバとは分離して独立に構成された搬送ユニットと、
を有し、前記窒化チャンバにおける雰囲気制御手段が、雰囲気ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサと前記雰囲気ガス中の水素濃度を検出する水素センサとを含んで構成された熱処理設備を用い、
前記浸炭チャンバで減圧下、浸炭ガスを供給して前記被処理品を真空浸炭処理する工程と、
前記搬送ユニットを走行させて、前記浸炭チャンバから受け取った浸炭処理後の前記被処理品を前記保温チャンバで保温して前記窒化チャンバまで搬送する工程と、
前記窒化チャンバで０．１ａｔｍ以上、１．２ａｔｍ以下の圧力下、窒化ガスを供給して前記被処理品を窒化処理する工程と、
を含むことを特徴とする熱処理方法。