熱処理炉の使用方法および熱処理方法ならびに熱処理炉
【課題】長期間にわたって安定した窒化品質を維持することができる熱処理炉を提供する。
【解決手段】鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉であって、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用されている。これにより、上記炉内構造物の表面が窒化反応を起こしづらくなり、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となり、難窒化鋼種を含めたあらゆる鋼材に目的に応じた窒化層を安定的に形成させることが可能となる。
【解決手段】鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉であって、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用されている。これにより、上記炉内構造物の表面が窒化反応を起こしづらくなり、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となり、難窒化鋼種を含めたあらゆる鋼材に目的に応じた窒化層を安定的に形成させることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材にハロゲン化処理を伴う窒化処理を実施する熱処理炉および熱処理方法ならびに熱処理炉の使用方法に開するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種鋼材の耐摩耗性や耐久性を向上させるため、その表面部にＮやＣを侵入させ、表面硬度や表面圧縮応力を向上させる方法として、ガス窒化処理、塩浴窒化処理、イオンおよびプラズマ窒化処理等、各種の窒化処理が実施されてきている。その中でも生産性に優れ、かつ被処理品表面の窒化を阻害する酸化皮膜をハロゲンやハロゲン化物を用いて除去し、難窒化材の窒化処理や目的に応じた窒化層を形成させるガス窒化処理（ガス難窒化処理を含む）方法が開示され実施されている。（例えば特許文献１、２、３、４）
【０００３】
これらの処理によって、例えば被処理品がステンレス鋼等のように強固な酸化皮膜を有するものであっても、均一な窒化層を形成させることが可能となる。
【０００４】
一方、これらの処理を実施することによって、炉内に配置される治具や炉壁等を含む炉内構造物も同様に窒化されやすい状態となる。すなわち、窒化処理に使用されるＮＨ３ガスは、被処理品や治具および炉壁等の表面における触媒作用によって分解され、そのとき発生するＮが被処理品表面から内部へ侵入することによって窒化反応が進行する。この際、炉内温度を上昇させるための加熱源に近い炉壁や炉内構造物の表面は、炉内のガス温度よりも温度が高くなるため、より窒化されやすい状態となる。
【０００５】
そのため、ハロゲンやハロゲン化物を使用して窒化処理を行う場合には、炉内構造物を耐熱性はもちろんのこと耐食性も有する材料で構成するのが望ましく、例えば参考文献５の実施例のようにニッケル基の耐熱合金を使用する方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２８８１１１１号
【特許文献２】特開平６−２９９３１７
【特許文献３】特開平９−１３１６２
【特許文献４】特許第３６４３８８２号
【特許文献５】特許第３４２８８４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような耐食性および耐熱性のある材料を使用した場合であっても、窒化処理を繰返し行った場合には、被処理品の硬度や窒化層厚さ等の品質が維持できない状態が発生してくることが明らかになった。
【０００８】
詳細な調査の結果、被処理品の品質が維持できない原因は、被処理品を炉内に配置するための治具だけではなく、被処理品から離れた炉壁表面等においても窒化反応が徐々に進行することによっても引き起こされることが分かった。すなわち、炉壁表面等の窒化反応によって表面荒れが発生し、さらに窒化が進行すると表面の脆化が起こる。そして、温度の上昇下降が繰返し行なわれると、結晶粒界を中心に多くの割れが発生することにより、水分等のガスを吸着しやすい状態となり、触媒作用も低下してくることによって、被処理品の硬度や窒化層厚さ等に影響すると考えられる。
【０００９】
このように、ハロゲンやハロゲン化物を使用して窒化処理を行う熱処理炉において、炉壁等の表面状態を管理し、長期に渡って安定した窒化品質を維持する方法は、現在のところ開示されていない。特に、炉壁材は容易に交換できないことから、その長寿命化は熱処理炉自体の寿命向上に直接的につながるため、その開発は長年の重要課題であった。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、長期間にわたって安定した窒化品質を維持することができる熱処理炉および熱処理方法ならびに熱処理炉の使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の熱処理炉は、鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉であって、
上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用されたことを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の熱処理方法は、鋼材を所定の雰囲気で加熱処理してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理方法であって、
上記窒化処理を行う処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金を使用することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の熱処理炉の使用方法は、鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉の使用方法であって、
上記熱処理炉は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用され、
ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱処理炉および熱処理方法は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用される。これにより、上記炉内構造物の表面が窒化反応を起こしづらくなり、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となり、難窒化鋼種を含めたあらゆる鋼材に目的に応じた窒化層を安定的に形成させることが可能となる。
【００１５】
本発明の熱処理炉および熱処理方法において、上記炉内構造物の表面の表面粗さがＲａで１．６μｍ以下である場合には、上記炉内構造物の表面の面粗度を小さくすることにより窒化反応が起こりづらくなり、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となる。
【００１６】
本発明の熱処理炉および熱処理方法において、上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質とした試験片を処理空間内に配置した場合には、上記炉内構造物に形成される窒化層の厚さ等を試験片により正確に把握し、窒化不良等の被処理品の性能上の問題が発生する以前に対処することが可能となり、さらに長期に渡って安定的なハロゲン化処理および窒化処理が実施できる。
【００１７】
本発明の熱処理炉の使用方法は、上記熱処理炉は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用され、ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用する。このため、その表面の結晶粒界割れ等に起因する大きな品質上の問題の発生を防止でき、その表面に窒化層が形成されていても安定的なハロゲン化処理および窒化処理を行うことが可能である。これにより、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となる。
【００１８】
本発明の熱処理炉の使用方法において、上記窒化層の少なくとも一部を除去することにより、その表面の表面粗さをＲａで１．６μｍ以下とする場合には、上記炉内構造物の表面の面粗度を小さくすることにより窒化反応を起こしづらくし、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となる。
【００１９】
本発明の熱処理炉の使用方法において、上記窒化層の厚さが２５μｍを超えた場合に、その窒化層の少なくとも一部を除去して２５μｍ以下とするとともに、表面に発生したクラックを実質的に除去する場合には、水分等のガスが吸着しやすくなり触媒作用が低下した表面を回復し、被処理品に対するハロゲン化処理および窒化処理への影響を排除して、安定的なハロゲン化処理および窒化処理を回復することが可能である。
【００２０】
本発明の熱処理炉の使用方法において、上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質で同様の表面粗さとした試験片を処理空間内に配置し、上記ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行った際に炉内構造物の表面に形成される窒化層の厚さを上記試験片の状態によって推定する場合には、上記炉内構造物に形成される窒化層の厚さ等を試験片により正確に把握し、窒化不良等の被処理品の性能上の問題が発生する以前に対処することが可能となり、さらに長期に渡って安定的なハロゲン化処理および窒化処理が実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
つぎに本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２２】
本発明の熱処理炉で行うハロゲン化処理および窒化処理の対象となる鋼材は、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、構造用圧延鋼、高張力鋼、機械構造用鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼、軸受鋼、ばね鋼、肌焼鋼、窒化鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼等、各種の鋼材に対して適用でき、いずれの鋼種に対しても均一な窒化層を長期間、安定的に形成することができる。
【００２３】
これらの鋼材に対して、まずハロゲン化処理を行って被処理物の表面の酸化皮膜を除去するとともにハロゲン化物を形成し、さらに窒化処理を行うことにより上記ハロゲン化物を分解して被処理物の表面から窒素を拡散浸透させ、窒化層を形成する。
【００２４】
上記ハロゲン化処理としては、フッ化処理、塩化処理、臭素化処理、ヨウ化処理等をあげることができるが、処理ガスが扱いやすく、工業的に利用しやすいフッ化処理を好適に行うことができる。
【００２５】
上記フッ化処理は、例えばＮＦ３ガス等のフッ素およびもしくはフッ素化合物を含む雰囲気中で２００〜６００℃に所定時間加熱保持して、鋼材表面の酸化皮膜を除去し、ハロゲン化物であるフッ化物に置換する。
【００２６】
次に、ハロゲン化処理を実施した鋼材を３５０〜６５０℃に加熱してＮＨ３ガスを含む雰囲気で所定時間保持する窒化処理を実施し、鋼材表面のフッ化物を分解して活性な表面から窒素原子を拡散浸透させて窒化層を形成する。
【００２７】
上記ハロゲン化処理と窒化処理は、ハロゲン化処理に続けて窒化処理を同一の処理室内で行なうことも可能であるし、ハロゲン化処理と窒化処理を別の処理室で行うことも可能である。ハロゲン化処理と窒化処理を別の処理室で行う場合、例えば連続炉のように共通の炉体にハロゲン化処理室と窒化処理室を設けた装置とすることもできるし、ハロゲン化処理室を設けた炉体と窒化処理室を設けた炉体を備えた装置とすることもできる。
【００２８】
上記ハロゲン化処理に引き続き窒化処理を行う際に、鋼材表面のフッ化物等のハロゲン化物が、ＮＨ３の分解によって発生するＨによって還元され、フッ化水素ガスのようなハロゲン化水素が発生する。これらのガスは最終的には炉内から排出され除害装置で除害化されるが、例えばハロゲン化処理と窒化処理を同一の処理室内で実施する場合には、ハロゲン化処理時に、窒化処理が行われる処理空間に露出する炉壁表面のような炉内構造物の表面もハロゲン化される。このため、ハロゲン化処理後の窒化処理の際に、ハロゲン化物が分解されて生じた高濃度のハロゲン化合物ガスに炉内構造物の表面も繰返し曝されることになり、より窒化されやすい状態となる。
【００２９】
一方、ハロゲン化処理室と窒化処理室を別に設けた装置や別の炉体にした装置であっても、被処理品や治具等の表面に形成されたハロゲン化合物が窒化処理室内に持ち込まれ、それらが窒化処理時に還元されて発生するハロゲン化合物ガスに炉壁等の炉内構造物の表面が繰返し曝されるため、窒化反応の進行を全く抑止することはできない。
【００３０】
このため、本実施形態では、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、好ましくは６０質量％以上８０質量％以下含有し、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下好ましくは０質量％以上１０質量％以下の合金である耐食耐熱合金を使用し、その劣化を抑制する。
【００３１】
炉壁等の処理空間に露出する炉内構造物は、窒化処理の際にＮＨ３分解の触媒作用の一部もしくは大部分を担っていることから、上記合金を使用することにより、安定した窒化処理を行うための触媒作用の劣化を防止する。
【００３２】
ここで、Ｎｉは、特に高温で形成される酸化皮膜がハロゲンおよび／またはハロゲン化合物ガスに対しても破壊されづらい。仮に破壊されたとしても窒化処理時に窒化処理用ガスに含まれる微量の酸素や水分によって再酸化されることによって窒化反応の進行が抑制される。このため、その含有量は多い方が有利であり、５０質量％以上好ましくは６０質量％以上とする。
【００３３】
ただし、８０質量％を超えると強度等の機械的特性が低下し構造材として使用しづらくなる上、純ニッケルに近づくほど炉内にＣ源を添加したときに結晶粒界割れを起こしやすくなるため、その上限は８０質量％とする。
【００３４】
また、Ｆｅは、窒素を固溶するため窒化物を形成しやすく、鋼材深部への窒素の拡散経路として機能し、ハロゲン化処理に引き続く窒化処理の際に窒化層厚さの成長を助長するため、その含有量は少ない方が有利であることから、０質量％以上２０質量％以下、好ましくは０質量％以上１０質量％以下とする。
【００３５】
本発明に適用可能な耐食耐熱合金としては、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１、ＮＣＦ６２５、ＮＣＦ６９０、ＮＣＦ７１８、ＮＣＦ７５０、ＮＣＦ７５１、ＮＣＦ８０Ａ、ニッケル−銅合金、ニッケル−銅−アルミニウム−チタン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−モリブデン−クロム合金等が例示され、インコネル（６００、６０１、６０４、６０６、６１３、６１７、６２２、６２５、６７２、６８６、６９０、６９１、６９３、７０２、７１８、７２１、７２２、７２５、７５１、Ｃ−２７６、ＭＡ７５４、ＭＡ７５８、ＭＡ６０００、Ｘ−７５０）合金、ナイモニック合金、モネル合金等の各種開発合金も適用可能である。
【００３６】
これらのうち加工性、難窒化性、耐フッ化性等の面から、ＮＣＦ６００合金、ＮＣＦ６０１合金、インコネル６００合金、インコネル６０１合金がより好適に利用できる。
【００３７】
通常、上記のような耐食耐熱合金を炉壁材料等の炉内構造物に利用する場合には、圧延されたままの状態で使用されるため、その表面粗さは比較的粗く、通常Ｒａで３前後である。このままの状態でも窒化処理自体は実施可能であるが、さらにその表面を研磨等の手段によってＲａで１．６μｍ以下とすることにより、その表面に形成される酸化皮膜が均一化して強固なものとなり、例えばフッ化水素ガス等のハロゲン化合物ガスによる腐食作用や窒化反応の発生を遅らせることができるのである。
【００３８】
すなわち、これらの反応の進行を極力防止する、もしくは進行速度を極力抑制する方法として、その表面を研磨しできるだけ面粗さを向上させておくことが非常に効果的である。炉内構造物の表面粗さは、少なくとも最初のハロゲン化処理および窒化処理を行う際に、当該炉内構造物の表面の表面粗さをＲａで１．６μｍ以下としておくことが望ましい。
【００３９】
上述したように、炉壁等の表面の粗さを低下させてＲａで１．６μｍ以下とすることにより、熱処理炉を使用した際の炉内構造物の寿命延長を図ることができる。一方、たとえ研磨を実施した場合であっても、その表面の酸化皮膜はフッ素およびもしくはフッ素化合物ガスに繰返し曝されることによって破壊されることは完全に防止できないため、徐々に窒化が進行することは避けられない。
【００４０】
このとき、ハロゲン化処理と窒化処理を同じ処理室で行なう装置であれば、ハロゲン化処理条件の温度やハロゲンおよびもしくはハロゲン化合物ガスの濃度が高いほど、窒化は加速して進行する。また、ハロゲン化処理と窒化処理を別の処理室で行う場合であれば、窒化処理室に持ち込まれるフッ素化合物の量が多いほど、窒化は加速して進行する。さらに、どちらの場合であっても、窒化温度が高く窒化時間が長いほど窒化は加速して進行する。
【００４１】
窒化処理を繰り返し行うことにより上記窒化反応が進行した場合であっても、その窒化層厚さが２５μｍ以下、かつその表面硬度が９００Ｈｖ以下の範囲であれば、面荒れや微小クラックは発生するものの、被処理物の窒化品質には大きく影響を与えない。一方、その厚さが２５μｍを越えると、表面硬度も９００Ｈｖを超えて上昇し、表面部の靭性が大きく低下して結晶粒界割れ等を引き起こし、被処理物の窒化品質に悪影響を及ぼすようになる。
【００４２】
すなわち、炉内構造物の表面が結晶粒界割れ等を引き起こすと、ＮＨ３ガス等の分解率が変化し、安定的な処理状態が維持できなくなるものと考えられる。この理由については必ずしも明らかではないが、炉内構造物の表面に発生したクラックが例えば水分等のガス吸着を助長するかその脱着が起こりづらくなることにより、表面での触媒効果が低下するためと考えられる。
【００４３】
そこで、本実施形態では、ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用することが行われる。
【００４４】
具体的には、上記窒化層の厚さが２５μｍを超えた場合に、その窒化層の少なくとも一部を除去して２５μｍ以下とするとともに、表面に発生したクラックを実質的に除去することが行われる。例えば、２５μｍを超える窒化層が形成され、表面クラックが多数発生した場合には、その表面を研磨やショットブラスト等によって除去し、安定的な窒化処理品質を維持することが行われる。
【００４５】
表面研磨やショットブラスト等による窒化層の除去により、窒化層厚さを２５μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下とし、表面に発生したクラックを実質的に除去した状態にする。好ましくは、上記窒化層の全てを除去する。このようにすることにより、その表面の触媒効果が回復し、安定的な処理が実施できる状態に回復させることが可能となる。
【００４６】
この場合、炉内構造物表面に形成した窒化層厚さが厚くなるほどその表面部の硬度が上昇し、研磨等による除去が実施しづらくなるため、その厚さが２０μｍ以下、かつその表面硬度が８００Ｈｖ以下であるうちに研磨等による除去を実施することがより好ましい。
【００４７】
上記表面研磨やショットブラスト等により、上記窒化層の少なくとも一部を除去することにより、除去後の表面粗さがＲａで１．６μｍ以下とすることにより、再びフッ素およびもしくはフッ素化合物ガスによる腐食作用や、窒化反応の発生およびもしくは進行を遅らせることができるため、さらに好ましい。
【００４８】
ここで、上記表面研磨やショットブラスト等により窒化層の少なくとも一部を除去するにあたって、そのタイミングを決定するためには、炉内構造物の表面の窒化層の厚さを的確に把握して除去を実行する必要が生じる。このため、上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質とした試験片を処理空間内に配置し、上記ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行った際に炉内構造物の表面に形成される窒化層の厚さを上記試験片の状態によって推定することが行われる。
【００４９】
例えば、上記炉内構造物に使用した材料と同材質かつ同等の材質かつ表面状態とした試験片を準備し、窒化層厚さ確認用として予め炉壁等に脱着可能に配置する。そして、繰り返し窒化処理を行ったときに所定のタイミングで試験片を取り外して一部を切断して採取し、顕微鏡観察等の手法により窒化層の厚みおよび表面硬度を測定する。
【００５０】
窒化層厚さ２５μｍ好ましくは２０μｍ、表面硬度９００Ｈｖ好ましくは８００Ｈｖの限界値に近づいていれば、上記炉内構造物表面および残りの試験片表面に上述した表面研磨やショットブラストによる窒化層の除去を施すとともに、窒化層の除去を行った上記試験片を炉内に取り付ける。一方、上記限界値までまだ余裕があれば、残りの試験片を再び炉内に取り付けて再び窒化処理を繰り返すことが行われる。このようにすることにより、窒化不良が発生する前に研磨のタイミングをほぼ正確に把握することができる。
【実施例１】
【００５１】
つぎに本発明の実施例について説明する。
【００５２】
図１に本発明の熱処理炉の断面図の一例を示す。この例は、フッ化処理と窒化処理を共通の処理空間内で処理するものである。
【００５３】
この熱処理炉は、炉体１の内面部にヒーター２が取付けられ、その内側に配置された炉内構造物としての炉壁３の内部が処理空間であり、上記ヒーター２によって処理空間内の温度制御が可能となっている。上記処理空間に露出する炉壁３の内面には、炉壁３と同じ材質で炉壁３の内側表面と同様の表面仕上げにより同等の表面粗さとした炉壁状態確認用の試験片４が着脱可能に取付けられている。
【００５４】
図１において、符号７は、フッ化処理および窒化処理の際の雰囲気ガスを処理空間内に導入するガス導入配管７、符号８は、処理空間内の雰囲気ガスを排出するガス排出配管８、符号９は、処理空間内の雰囲気ガスを攪拌する炉内ガス攪拌ファン９、符号１０は、炉内ガス攪拌ファン９を駆動する攪拌ファン用モーター１０である。
【００５５】
この例では、処理空間内に被処理物を装入し、処理空間を所定のフッ化温度に上昇させたのち、ＮＦ３を含むフッ化処理用の雰囲気ガスを導入して加熱保持することによりフッ化処理を行い、フッ化処理用の雰囲気ガスを排出、パージした後、処理空間を所定の窒化温度に変更制御し、ＮＨ３を含む窒化処理用の雰囲気ガスを導入して加熱保持することにより窒化処理を行う。
【００５６】
これにより、試験片４の表面は炉壁３の内側表面と同等のガス雰囲気に晒されるとともに同等の温度状態となることから、試験片４の表面状態を確認することによって、炉壁３の内側表面の状態をほぼ正確に把握することができる。
【００５７】
また、本実施例では、治具の劣化の影響を無視できるように治具６は非窒化性材料であるアルミナ製とし、そこに窒化処理を繰り返したときの経時的な窒化処理の安定度合を確認するため、窒化層厚さの経時変化確認用の試験片として、３０×３０×５ｍｍのＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５を配置した。
【００５８】
上記の炉壁３の材料および試験片４の材料としては、ＮＣＦ６００材を使用した。実施例（ａ）としてその炉壁３の内側表面および試験片４を、その表面粗さがＲａで０．８〜１．５μｍの範囲になるように研磨し、図１に示したように、上記試験片４が炉壁３の内側表面に接触する状態で取付けられた熱処理炉を用意した。
【００５９】
また実施例（ｂ）として炉壁３の内側表面および試験片４の表面が、通常の熱間圧延後の状態である表面粗さがＲａで２．５〜３．５μｍであるものを使用し、図１に示したように試験片４が炉壁３の内側表面に接触する状態で取付けられた処理炉を用意した。また実施例（ｂ）の炉壁３の内側表面には実施例（ｂ）’としてその表面粗さがＲａで２．５〜３．５μｍであるＮＣＦ６０１の試験片４も上記と同様に取付けた。
【００６０】
また、炉壁３の材料および試験片４の材料として、耐食耐熱合金の一つであるＮＣＦ８００材を使用し、比較例（ｃ）としてその炉壁３の内側表面および試験片４を、その表面粗さがＲａで０．８〜１．５μｍの範囲となるように研磨した処理炉および試験片を用意し、その試験片４を炉壁３の内面に取付けた。
【００６１】
実施例および比較例に用いた上記のＮＣＦ６００材、ＮＣＦ６０１材、ＮＣＦ８００材の主な化学成分（質量％）を下記の表１に示す。
【表１】
【００６２】
これらの処理炉を用いて、その処理炉内に図１に示したようにアルミナ製の治具６にＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５を載せた状態で配置し、３５０℃までＮ２雰囲気中で昇温した後、３容量％のＮＦ３ガスを炉内に導入して３０分間保持した。その後５９０℃までＮ２雰囲気中で昇温した後、ＮＨ３ガスが７０容量％、ＲＸガスが３０容量％となる雰囲気で２時間保持した後、Ｎ２ガス雰囲気中で１００℃以下まで冷却する窒化処理を実施した。なおＲＸガスとはメタンガス、プロパンガスやブタンガスの変成ガスで、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、ＣＯガスを主成分とする混合ガスである。
【００６３】
上記の処理を１０００回繰返し実施した場合のＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５の各処理炉での窒化層厚さ（平均的な部分の厚さ）を１０回おきに測定した結果を図２に示す。
【００６４】
図２より、上記窒化処理を１０００回実施した段階でも、実施例（ａ）、（ｂ）ではＳＵＳ３０４の窒化テストピース５の窒化層厚さはほぼ変化しておらず、炉内のＮＨ３ガス等の分解状態も良好であることが分かる。
【００６５】
一方、比較例（ｃ）では、処理の実施前に炉壁表面の研磨を行なったにもかかわらず、早い段階から窒化層厚さの減少が起こり始めており、１０００回繰返した時点では初期の約１／３程度の厚さとなっており、その断面写真を図３に示すが、窒化層厚さが非常に不均一となっていることからも、ＮＦ３ガスやＮＨ３ガス等の分解状態が悪化していることを示している。
【００６６】
また表２に、１０００回繰返し時点での各耐食耐熱合金試験片４の窒化層厚さと表面硬度を、また図４に、上記各耐食耐熱合金試験片４の表面部の断面写真を示す。比較例（ｃ）では、窒化層の脆化が原因と考えられるクラックが激しく入っており、炉壁３の内側表面も同様の状態となっていると推測できることから、この現象が比較例（ｃ）の窒化不良を引き起こしていると考えられた。
【表２】
【００６７】
一方、実施例（ｂ）および（ｂ）’では、表面に複数のクラックは形成し始めているものの、図２のＳＵＳ３０４製試験片の窒化層厚さの結果に示されているように、１０００回窒化繰返し後であっても当初からのバラツキの範囲内で安定的に窒化処理が実施できていることが分かる。また、図４の実施例（ｂ）および（ｂ）’の結果から、炉壁材料等の化学成分がＮｉは５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下の範囲の場合、窒化層厚さが２５μｍ前後までであれば窒化処理性能に問題は発生しないことも分かる。
【００６８】
さらに、処理を実施する前にその表面を研磨し、表面粗さをＲａで１．６μｍ以下とした実施例（ａ）の場合には、安定的に窒化処理が実施できているのはもちろんのこと、１０００回窒化繰返し後であっても非常に薄い窒化層しか形成しておらず、クラックもほとんど発生していないことが分かる。
【００６９】
また、以上の結果から、炉壁３の内側表面に、炉壁３の内側表面と同材質、同様の表面仕上げを行なった炉壁状態確認用の試験片４を取付けることにより、その表面状態を確認することによって炉壁３の内側表面の状態をほぼ正確に把握することができている。
【実施例２】
【００７０】
実施例（ｄ）として、１０００回繰返し窒化を行った実施例（ｂ）の炉壁３の内側表面および耐食耐熱合金試験片の表面を、ペーパーディスクグラインダーを用いて、表面のクラックがほぼ消失し、かつその表面粗さがＲａで０．８〜１．５μｍの範囲となるように研磨した。このとき、耐食耐熱合金試験片４表面の窒化層厚さは約１０μｍであった。この処理炉を用いてさらに１０００回、実施例１と同条件のフッ化処理および窒化処理を実施した。
【００７１】
また比較例（ｅ）として、実施例（ｂ）と同様の炉壁３の内側表面および耐食耐熱合金試験片４の表面を有する処理炉を用意し、実施例１と同条件のフッ化処理および窒化処理を２０００回実施した。
【００７２】
なお、実施例（ｄ）および比較例（ｅ）とも、実施例１と同様にＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５を炉内に配置した。このときのＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５の各処理炉での窒化層厚さ（平均的な部分の厚さ）を１０回おきに測定した結果（１０００回繰返し窒化以降）の推移を図５に示す。
【００７３】
図５の結果から、比較例（ｅ）では窒化処理繰返し数が１３００回を超えるあたりから窒化層厚さが減少し始め、２０００回終了時では当初の約１／２程度まで窒化層厚さが減少している。
【００７４】
これに対し１０００回窒化処理繰返し後に研磨処理を施した実施例（ｄ）では、さらに１０００回上記の窒化処理を実施した場合であっても、当初からのバラツキの範囲内で安定的に窒化処理が実施できていることが分かる。
【００７５】
また図６に、２０００回窒化処理繰返し後、炉壁３に接触配置した耐食耐熱合金の試験片４の表面部の断面写真を示すが、比較例（ｅ）が約３４μｍの窒化層を形成するとともに多数のクラックが発生しているのに対し、実施例（ｄ）では窒化層厚さが約１６μｍであり、表面に発生しているクラックの深さも浅いものとなっている。この差が図５のＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５の窒化層厚さの差となって現れていると考えられる。
【００７６】
また実施例（ｄ）では、１０００回窒化処理繰返し後に研磨処理を施したときの窒化層厚さが約１０μｍであったのに対し、さらに１０００回窒化処理を実施した場合の窒化層厚さが約１６μｍと窒化層厚さの増加量が比較的少ないことから、上記表面研磨処理をＲａで１．６μｍ以下となるように実施したことの効果が現れていると考えられる。したがって使用前だけではなく、窒化層が形成された後もＲａが１．６μｍ以下となるように研磨することによって、より長い期間安定した処理が実施できることが分かる。
【００７７】
また、窒化層厚さが厚くなるにしたがって硬度が高くなること、および硬度の高い部分の厚さが厚くなることから容易に研磨等による窒化層の除去がしづらくなるため、窒化層厚さが２０μｍ以内であるうちに研磨等を実施することが望ましく、その際に窒化層全てを除去することがより望ましいのはもちろんのこと、かつその表面粗さをＲａが１．６μｍ以下となるように研磨することがさらに望ましいといえる。
【００７８】
以上の結果から、少なくとも窒化炉の炉壁表面材料にその化学成分が、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である耐食耐熱合金を使用することで長期間安定した処理が実施でき、かつその表面粗さを小さくすることによってさらに長期間安定的に使用可能な窒化炉とすることができる。なお本実施例１および２では窒化炉の安定性をＳＵＳ３０４製試験片で確認したが、他のあらゆる鋼種を窒化処理する場合にも長期間安定的に使用できる窒化炉となる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の鋼材の窒化処理を行う熱処理炉を用いることによって、例えば難窒化鋼種や管理値の厳しい処理品の処理を行なう場合であっても、安定したフツ化処理および窒化処理が長期に渡って安定的に実施できることから、機械部品や金型等をはじめとした各種処理品の窒化処理に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明例の処理炉の断面構造を示した複式図である。
【図２】ＳＵＳ３０４製の窒化テストピースの窒化層厚さの推移を示した図である。
【図３】比較例のＳＵＳ３０４製の窒化テストピースの断面組織である。
【図４】１０００回窒化処理実施後の炉壁材試験片の断面組織である。
【図５】ＳＵＳ３０４製の窒化テストピースの窒化層厚さの推移を示した図である。
【図６】２０００回窒化処理実施後の炉壁材試験片の断面組織である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 炉体
２ ヒーター
３ 炉壁
４ 試験片
５ 窒化テストピース
６ 治具
７ ガス導入配管
８ ガス排出配管
９ 炉内ガス攪拌ファン
１０ 攪拌ファン用モーター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材にハロゲン化処理を伴う窒化処理を実施する熱処理炉および熱処理方法ならびに熱処理炉の使用方法に開するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種鋼材の耐摩耗性や耐久性を向上させるため、その表面部にＮやＣを侵入させ、表面硬度や表面圧縮応力を向上させる方法として、ガス窒化処理、塩浴窒化処理、イオンおよびプラズマ窒化処理等、各種の窒化処理が実施されてきている。その中でも生産性に優れ、かつ被処理品表面の窒化を阻害する酸化皮膜をハロゲンやハロゲン化物を用いて除去し、難窒化材の窒化処理や目的に応じた窒化層を形成させるガス窒化処理（ガス難窒化処理を含む）方法が開示され実施されている。（例えば特許文献１、２、３、４）
【０００３】
これらの処理によって、例えば被処理品がステンレス鋼等のように強固な酸化皮膜を有するものであっても、均一な窒化層を形成させることが可能となる。
【０００４】
一方、これらの処理を実施することによって、炉内に配置される治具や炉壁等を含む炉内構造物も同様に窒化されやすい状態となる。すなわち、窒化処理に使用されるＮＨ３ガスは、被処理品や治具および炉壁等の表面における触媒作用によって分解され、そのとき発生するＮが被処理品表面から内部へ侵入することによって窒化反応が進行する。この際、炉内温度を上昇させるための加熱源に近い炉壁や炉内構造物の表面は、炉内のガス温度よりも温度が高くなるため、より窒化されやすい状態となる。
【０００５】
そのため、ハロゲンやハロゲン化物を使用して窒化処理を行う場合には、炉内構造物を耐熱性はもちろんのこと耐食性も有する材料で構成するのが望ましく、例えば参考文献５の実施例のようにニッケル基の耐熱合金を使用する方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２８８１１１１号
【特許文献２】特開平６−２９９３１７
【特許文献３】特開平９−１３１６２
【特許文献４】特許第３６４３８８２号
【特許文献５】特許第３４２８８４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような耐食性および耐熱性のある材料を使用した場合であっても、窒化処理を繰返し行った場合には、被処理品の硬度や窒化層厚さ等の品質が維持できない状態が発生してくることが明らかになった。
【０００８】
詳細な調査の結果、被処理品の品質が維持できない原因は、被処理品を炉内に配置するための治具だけではなく、被処理品から離れた炉壁表面等においても窒化反応が徐々に進行することによっても引き起こされることが分かった。すなわち、炉壁表面等の窒化反応によって表面荒れが発生し、さらに窒化が進行すると表面の脆化が起こる。そして、温度の上昇下降が繰返し行なわれると、結晶粒界を中心に多くの割れが発生することにより、水分等のガスを吸着しやすい状態となり、触媒作用も低下してくることによって、被処理品の硬度や窒化層厚さ等に影響すると考えられる。
【０００９】
このように、ハロゲンやハロゲン化物を使用して窒化処理を行う熱処理炉において、炉壁等の表面状態を管理し、長期に渡って安定した窒化品質を維持する方法は、現在のところ開示されていない。特に、炉壁材は容易に交換できないことから、その長寿命化は熱処理炉自体の寿命向上に直接的につながるため、その開発は長年の重要課題であった。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、長期間にわたって安定した窒化品質を維持することができる熱処理炉および熱処理方法ならびに熱処理炉の使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の熱処理炉は、鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉であって、
上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用されたことを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の熱処理方法は、鋼材を所定の雰囲気で加熱処理してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理方法であって、
上記窒化処理を行う処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金を使用することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の熱処理炉の使用方法は、鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉の使用方法であって、
上記熱処理炉は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用され、
ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱処理炉および熱処理方法は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用される。これにより、上記炉内構造物の表面が窒化反応を起こしづらくなり、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となり、難窒化鋼種を含めたあらゆる鋼材に目的に応じた窒化層を安定的に形成させることが可能となる。
【００１５】
本発明の熱処理炉および熱処理方法において、上記炉内構造物の表面の表面粗さがＲａで１．６μｍ以下である場合には、上記炉内構造物の表面の面粗度を小さくすることにより窒化反応が起こりづらくなり、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となる。
【００１６】
本発明の熱処理炉および熱処理方法において、上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質とした試験片を処理空間内に配置した場合には、上記炉内構造物に形成される窒化層の厚さ等を試験片により正確に把握し、窒化不良等の被処理品の性能上の問題が発生する以前に対処することが可能となり、さらに長期に渡って安定的なハロゲン化処理および窒化処理が実施できる。
【００１７】
本発明の熱処理炉の使用方法は、上記熱処理炉は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用され、ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用する。このため、その表面の結晶粒界割れ等に起因する大きな品質上の問題の発生を防止でき、その表面に窒化層が形成されていても安定的なハロゲン化処理および窒化処理を行うことが可能である。これにより、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となる。
【００１８】
本発明の熱処理炉の使用方法において、上記窒化層の少なくとも一部を除去することにより、その表面の表面粗さをＲａで１．６μｍ以下とする場合には、上記炉内構造物の表面の面粗度を小さくすることにより窒化反応を起こしづらくし、被処理物に対するハロゲン化処理および窒化処理を長期間にわたって安定的に実施することが可能となる。
【００１９】
本発明の熱処理炉の使用方法において、上記窒化層の厚さが２５μｍを超えた場合に、その窒化層の少なくとも一部を除去して２５μｍ以下とするとともに、表面に発生したクラックを実質的に除去する場合には、水分等のガスが吸着しやすくなり触媒作用が低下した表面を回復し、被処理品に対するハロゲン化処理および窒化処理への影響を排除して、安定的なハロゲン化処理および窒化処理を回復することが可能である。
【００２０】
本発明の熱処理炉の使用方法において、上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質で同様の表面粗さとした試験片を処理空間内に配置し、上記ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行った際に炉内構造物の表面に形成される窒化層の厚さを上記試験片の状態によって推定する場合には、上記炉内構造物に形成される窒化層の厚さ等を試験片により正確に把握し、窒化不良等の被処理品の性能上の問題が発生する以前に対処することが可能となり、さらに長期に渡って安定的なハロゲン化処理および窒化処理が実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
つぎに本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２２】
本発明の熱処理炉で行うハロゲン化処理および窒化処理の対象となる鋼材は、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、構造用圧延鋼、高張力鋼、機械構造用鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼、軸受鋼、ばね鋼、肌焼鋼、窒化鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼等、各種の鋼材に対して適用でき、いずれの鋼種に対しても均一な窒化層を長期間、安定的に形成することができる。
【００２３】
これらの鋼材に対して、まずハロゲン化処理を行って被処理物の表面の酸化皮膜を除去するとともにハロゲン化物を形成し、さらに窒化処理を行うことにより上記ハロゲン化物を分解して被処理物の表面から窒素を拡散浸透させ、窒化層を形成する。
【００２４】
上記ハロゲン化処理としては、フッ化処理、塩化処理、臭素化処理、ヨウ化処理等をあげることができるが、処理ガスが扱いやすく、工業的に利用しやすいフッ化処理を好適に行うことができる。
【００２５】
上記フッ化処理は、例えばＮＦ３ガス等のフッ素およびもしくはフッ素化合物を含む雰囲気中で２００〜６００℃に所定時間加熱保持して、鋼材表面の酸化皮膜を除去し、ハロゲン化物であるフッ化物に置換する。
【００２６】
次に、ハロゲン化処理を実施した鋼材を３５０〜６５０℃に加熱してＮＨ３ガスを含む雰囲気で所定時間保持する窒化処理を実施し、鋼材表面のフッ化物を分解して活性な表面から窒素原子を拡散浸透させて窒化層を形成する。
【００２７】
上記ハロゲン化処理と窒化処理は、ハロゲン化処理に続けて窒化処理を同一の処理室内で行なうことも可能であるし、ハロゲン化処理と窒化処理を別の処理室で行うことも可能である。ハロゲン化処理と窒化処理を別の処理室で行う場合、例えば連続炉のように共通の炉体にハロゲン化処理室と窒化処理室を設けた装置とすることもできるし、ハロゲン化処理室を設けた炉体と窒化処理室を設けた炉体を備えた装置とすることもできる。
【００２８】
上記ハロゲン化処理に引き続き窒化処理を行う際に、鋼材表面のフッ化物等のハロゲン化物が、ＮＨ３の分解によって発生するＨによって還元され、フッ化水素ガスのようなハロゲン化水素が発生する。これらのガスは最終的には炉内から排出され除害装置で除害化されるが、例えばハロゲン化処理と窒化処理を同一の処理室内で実施する場合には、ハロゲン化処理時に、窒化処理が行われる処理空間に露出する炉壁表面のような炉内構造物の表面もハロゲン化される。このため、ハロゲン化処理後の窒化処理の際に、ハロゲン化物が分解されて生じた高濃度のハロゲン化合物ガスに炉内構造物の表面も繰返し曝されることになり、より窒化されやすい状態となる。
【００２９】
一方、ハロゲン化処理室と窒化処理室を別に設けた装置や別の炉体にした装置であっても、被処理品や治具等の表面に形成されたハロゲン化合物が窒化処理室内に持ち込まれ、それらが窒化処理時に還元されて発生するハロゲン化合物ガスに炉壁等の炉内構造物の表面が繰返し曝されるため、窒化反応の進行を全く抑止することはできない。
【００３０】
このため、本実施形態では、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、好ましくは６０質量％以上８０質量％以下含有し、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下好ましくは０質量％以上１０質量％以下の合金である耐食耐熱合金を使用し、その劣化を抑制する。
【００３１】
炉壁等の処理空間に露出する炉内構造物は、窒化処理の際にＮＨ３分解の触媒作用の一部もしくは大部分を担っていることから、上記合金を使用することにより、安定した窒化処理を行うための触媒作用の劣化を防止する。
【００３２】
ここで、Ｎｉは、特に高温で形成される酸化皮膜がハロゲンおよび／またはハロゲン化合物ガスに対しても破壊されづらい。仮に破壊されたとしても窒化処理時に窒化処理用ガスに含まれる微量の酸素や水分によって再酸化されることによって窒化反応の進行が抑制される。このため、その含有量は多い方が有利であり、５０質量％以上好ましくは６０質量％以上とする。
【００３３】
ただし、８０質量％を超えると強度等の機械的特性が低下し構造材として使用しづらくなる上、純ニッケルに近づくほど炉内にＣ源を添加したときに結晶粒界割れを起こしやすくなるため、その上限は８０質量％とする。
【００３４】
また、Ｆｅは、窒素を固溶するため窒化物を形成しやすく、鋼材深部への窒素の拡散経路として機能し、ハロゲン化処理に引き続く窒化処理の際に窒化層厚さの成長を助長するため、その含有量は少ない方が有利であることから、０質量％以上２０質量％以下、好ましくは０質量％以上１０質量％以下とする。
【００３５】
本発明に適用可能な耐食耐熱合金としては、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１、ＮＣＦ６２５、ＮＣＦ６９０、ＮＣＦ７１８、ＮＣＦ７５０、ＮＣＦ７５１、ＮＣＦ８０Ａ、ニッケル−銅合金、ニッケル−銅−アルミニウム−チタン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−モリブデン−クロム合金等が例示され、インコネル（６００、６０１、６０４、６０６、６１３、６１７、６２２、６２５、６７２、６８６、６９０、６９１、６９３、７０２、７１８、７２１、７２２、７２５、７５１、Ｃ−２７６、ＭＡ７５４、ＭＡ７５８、ＭＡ６０００、Ｘ−７５０）合金、ナイモニック合金、モネル合金等の各種開発合金も適用可能である。
【００３６】
これらのうち加工性、難窒化性、耐フッ化性等の面から、ＮＣＦ６００合金、ＮＣＦ６０１合金、インコネル６００合金、インコネル６０１合金がより好適に利用できる。
【００３７】
通常、上記のような耐食耐熱合金を炉壁材料等の炉内構造物に利用する場合には、圧延されたままの状態で使用されるため、その表面粗さは比較的粗く、通常Ｒａで３前後である。このままの状態でも窒化処理自体は実施可能であるが、さらにその表面を研磨等の手段によってＲａで１．６μｍ以下とすることにより、その表面に形成される酸化皮膜が均一化して強固なものとなり、例えばフッ化水素ガス等のハロゲン化合物ガスによる腐食作用や窒化反応の発生を遅らせることができるのである。
【００３８】
すなわち、これらの反応の進行を極力防止する、もしくは進行速度を極力抑制する方法として、その表面を研磨しできるだけ面粗さを向上させておくことが非常に効果的である。炉内構造物の表面粗さは、少なくとも最初のハロゲン化処理および窒化処理を行う際に、当該炉内構造物の表面の表面粗さをＲａで１．６μｍ以下としておくことが望ましい。
【００３９】
上述したように、炉壁等の表面の粗さを低下させてＲａで１．６μｍ以下とすることにより、熱処理炉を使用した際の炉内構造物の寿命延長を図ることができる。一方、たとえ研磨を実施した場合であっても、その表面の酸化皮膜はフッ素およびもしくはフッ素化合物ガスに繰返し曝されることによって破壊されることは完全に防止できないため、徐々に窒化が進行することは避けられない。
【００４０】
このとき、ハロゲン化処理と窒化処理を同じ処理室で行なう装置であれば、ハロゲン化処理条件の温度やハロゲンおよびもしくはハロゲン化合物ガスの濃度が高いほど、窒化は加速して進行する。また、ハロゲン化処理と窒化処理を別の処理室で行う場合であれば、窒化処理室に持ち込まれるフッ素化合物の量が多いほど、窒化は加速して進行する。さらに、どちらの場合であっても、窒化温度が高く窒化時間が長いほど窒化は加速して進行する。
【００４１】
窒化処理を繰り返し行うことにより上記窒化反応が進行した場合であっても、その窒化層厚さが２５μｍ以下、かつその表面硬度が９００Ｈｖ以下の範囲であれば、面荒れや微小クラックは発生するものの、被処理物の窒化品質には大きく影響を与えない。一方、その厚さが２５μｍを越えると、表面硬度も９００Ｈｖを超えて上昇し、表面部の靭性が大きく低下して結晶粒界割れ等を引き起こし、被処理物の窒化品質に悪影響を及ぼすようになる。
【００４２】
すなわち、炉内構造物の表面が結晶粒界割れ等を引き起こすと、ＮＨ３ガス等の分解率が変化し、安定的な処理状態が維持できなくなるものと考えられる。この理由については必ずしも明らかではないが、炉内構造物の表面に発生したクラックが例えば水分等のガス吸着を助長するかその脱着が起こりづらくなることにより、表面での触媒効果が低下するためと考えられる。
【００４３】
そこで、本実施形態では、ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用することが行われる。
【００４４】
具体的には、上記窒化層の厚さが２５μｍを超えた場合に、その窒化層の少なくとも一部を除去して２５μｍ以下とするとともに、表面に発生したクラックを実質的に除去することが行われる。例えば、２５μｍを超える窒化層が形成され、表面クラックが多数発生した場合には、その表面を研磨やショットブラスト等によって除去し、安定的な窒化処理品質を維持することが行われる。
【００４５】
表面研磨やショットブラスト等による窒化層の除去により、窒化層厚さを２５μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下とし、表面に発生したクラックを実質的に除去した状態にする。好ましくは、上記窒化層の全てを除去する。このようにすることにより、その表面の触媒効果が回復し、安定的な処理が実施できる状態に回復させることが可能となる。
【００４６】
この場合、炉内構造物表面に形成した窒化層厚さが厚くなるほどその表面部の硬度が上昇し、研磨等による除去が実施しづらくなるため、その厚さが２０μｍ以下、かつその表面硬度が８００Ｈｖ以下であるうちに研磨等による除去を実施することがより好ましい。
【００４７】
上記表面研磨やショットブラスト等により、上記窒化層の少なくとも一部を除去することにより、除去後の表面粗さがＲａで１．６μｍ以下とすることにより、再びフッ素およびもしくはフッ素化合物ガスによる腐食作用や、窒化反応の発生およびもしくは進行を遅らせることができるため、さらに好ましい。
【００４８】
ここで、上記表面研磨やショットブラスト等により窒化層の少なくとも一部を除去するにあたって、そのタイミングを決定するためには、炉内構造物の表面の窒化層の厚さを的確に把握して除去を実行する必要が生じる。このため、上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質とした試験片を処理空間内に配置し、上記ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行った際に炉内構造物の表面に形成される窒化層の厚さを上記試験片の状態によって推定することが行われる。
【００４９】
例えば、上記炉内構造物に使用した材料と同材質かつ同等の材質かつ表面状態とした試験片を準備し、窒化層厚さ確認用として予め炉壁等に脱着可能に配置する。そして、繰り返し窒化処理を行ったときに所定のタイミングで試験片を取り外して一部を切断して採取し、顕微鏡観察等の手法により窒化層の厚みおよび表面硬度を測定する。
【００５０】
窒化層厚さ２５μｍ好ましくは２０μｍ、表面硬度９００Ｈｖ好ましくは８００Ｈｖの限界値に近づいていれば、上記炉内構造物表面および残りの試験片表面に上述した表面研磨やショットブラストによる窒化層の除去を施すとともに、窒化層の除去を行った上記試験片を炉内に取り付ける。一方、上記限界値までまだ余裕があれば、残りの試験片を再び炉内に取り付けて再び窒化処理を繰り返すことが行われる。このようにすることにより、窒化不良が発生する前に研磨のタイミングをほぼ正確に把握することができる。
【実施例１】
【００５１】
つぎに本発明の実施例について説明する。
【００５２】
図１に本発明の熱処理炉の断面図の一例を示す。この例は、フッ化処理と窒化処理を共通の処理空間内で処理するものである。
【００５３】
この熱処理炉は、炉体１の内面部にヒーター２が取付けられ、その内側に配置された炉内構造物としての炉壁３の内部が処理空間であり、上記ヒーター２によって処理空間内の温度制御が可能となっている。上記処理空間に露出する炉壁３の内面には、炉壁３と同じ材質で炉壁３の内側表面と同様の表面仕上げにより同等の表面粗さとした炉壁状態確認用の試験片４が着脱可能に取付けられている。
【００５４】
図１において、符号７は、フッ化処理および窒化処理の際の雰囲気ガスを処理空間内に導入するガス導入配管７、符号８は、処理空間内の雰囲気ガスを排出するガス排出配管８、符号９は、処理空間内の雰囲気ガスを攪拌する炉内ガス攪拌ファン９、符号１０は、炉内ガス攪拌ファン９を駆動する攪拌ファン用モーター１０である。
【００５５】
この例では、処理空間内に被処理物を装入し、処理空間を所定のフッ化温度に上昇させたのち、ＮＦ３を含むフッ化処理用の雰囲気ガスを導入して加熱保持することによりフッ化処理を行い、フッ化処理用の雰囲気ガスを排出、パージした後、処理空間を所定の窒化温度に変更制御し、ＮＨ３を含む窒化処理用の雰囲気ガスを導入して加熱保持することにより窒化処理を行う。
【００５６】
これにより、試験片４の表面は炉壁３の内側表面と同等のガス雰囲気に晒されるとともに同等の温度状態となることから、試験片４の表面状態を確認することによって、炉壁３の内側表面の状態をほぼ正確に把握することができる。
【００５７】
また、本実施例では、治具の劣化の影響を無視できるように治具６は非窒化性材料であるアルミナ製とし、そこに窒化処理を繰り返したときの経時的な窒化処理の安定度合を確認するため、窒化層厚さの経時変化確認用の試験片として、３０×３０×５ｍｍのＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５を配置した。
【００５８】
上記の炉壁３の材料および試験片４の材料としては、ＮＣＦ６００材を使用した。実施例（ａ）としてその炉壁３の内側表面および試験片４を、その表面粗さがＲａで０．８〜１．５μｍの範囲になるように研磨し、図１に示したように、上記試験片４が炉壁３の内側表面に接触する状態で取付けられた熱処理炉を用意した。
【００５９】
また実施例（ｂ）として炉壁３の内側表面および試験片４の表面が、通常の熱間圧延後の状態である表面粗さがＲａで２．５〜３．５μｍであるものを使用し、図１に示したように試験片４が炉壁３の内側表面に接触する状態で取付けられた処理炉を用意した。また実施例（ｂ）の炉壁３の内側表面には実施例（ｂ）’としてその表面粗さがＲａで２．５〜３．５μｍであるＮＣＦ６０１の試験片４も上記と同様に取付けた。
【００６０】
また、炉壁３の材料および試験片４の材料として、耐食耐熱合金の一つであるＮＣＦ８００材を使用し、比較例（ｃ）としてその炉壁３の内側表面および試験片４を、その表面粗さがＲａで０．８〜１．５μｍの範囲となるように研磨した処理炉および試験片を用意し、その試験片４を炉壁３の内面に取付けた。
【００６１】
実施例および比較例に用いた上記のＮＣＦ６００材、ＮＣＦ６０１材、ＮＣＦ８００材の主な化学成分（質量％）を下記の表１に示す。
【表１】
【００６２】
これらの処理炉を用いて、その処理炉内に図１に示したようにアルミナ製の治具６にＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５を載せた状態で配置し、３５０℃までＮ２雰囲気中で昇温した後、３容量％のＮＦ３ガスを炉内に導入して３０分間保持した。その後５９０℃までＮ２雰囲気中で昇温した後、ＮＨ３ガスが７０容量％、ＲＸガスが３０容量％となる雰囲気で２時間保持した後、Ｎ２ガス雰囲気中で１００℃以下まで冷却する窒化処理を実施した。なおＲＸガスとはメタンガス、プロパンガスやブタンガスの変成ガスで、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、ＣＯガスを主成分とする混合ガスである。
【００６３】
上記の処理を１０００回繰返し実施した場合のＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５の各処理炉での窒化層厚さ（平均的な部分の厚さ）を１０回おきに測定した結果を図２に示す。
【００６４】
図２より、上記窒化処理を１０００回実施した段階でも、実施例（ａ）、（ｂ）ではＳＵＳ３０４の窒化テストピース５の窒化層厚さはほぼ変化しておらず、炉内のＮＨ３ガス等の分解状態も良好であることが分かる。
【００６５】
一方、比較例（ｃ）では、処理の実施前に炉壁表面の研磨を行なったにもかかわらず、早い段階から窒化層厚さの減少が起こり始めており、１０００回繰返した時点では初期の約１／３程度の厚さとなっており、その断面写真を図３に示すが、窒化層厚さが非常に不均一となっていることからも、ＮＦ３ガスやＮＨ３ガス等の分解状態が悪化していることを示している。
【００６６】
また表２に、１０００回繰返し時点での各耐食耐熱合金試験片４の窒化層厚さと表面硬度を、また図４に、上記各耐食耐熱合金試験片４の表面部の断面写真を示す。比較例（ｃ）では、窒化層の脆化が原因と考えられるクラックが激しく入っており、炉壁３の内側表面も同様の状態となっていると推測できることから、この現象が比較例（ｃ）の窒化不良を引き起こしていると考えられた。
【表２】
【００６７】
一方、実施例（ｂ）および（ｂ）’では、表面に複数のクラックは形成し始めているものの、図２のＳＵＳ３０４製試験片の窒化層厚さの結果に示されているように、１０００回窒化繰返し後であっても当初からのバラツキの範囲内で安定的に窒化処理が実施できていることが分かる。また、図４の実施例（ｂ）および（ｂ）’の結果から、炉壁材料等の化学成分がＮｉは５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下の範囲の場合、窒化層厚さが２５μｍ前後までであれば窒化処理性能に問題は発生しないことも分かる。
【００６８】
さらに、処理を実施する前にその表面を研磨し、表面粗さをＲａで１．６μｍ以下とした実施例（ａ）の場合には、安定的に窒化処理が実施できているのはもちろんのこと、１０００回窒化繰返し後であっても非常に薄い窒化層しか形成しておらず、クラックもほとんど発生していないことが分かる。
【００６９】
また、以上の結果から、炉壁３の内側表面に、炉壁３の内側表面と同材質、同様の表面仕上げを行なった炉壁状態確認用の試験片４を取付けることにより、その表面状態を確認することによって炉壁３の内側表面の状態をほぼ正確に把握することができている。
【実施例２】
【００７０】
実施例（ｄ）として、１０００回繰返し窒化を行った実施例（ｂ）の炉壁３の内側表面および耐食耐熱合金試験片の表面を、ペーパーディスクグラインダーを用いて、表面のクラックがほぼ消失し、かつその表面粗さがＲａで０．８〜１．５μｍの範囲となるように研磨した。このとき、耐食耐熱合金試験片４表面の窒化層厚さは約１０μｍであった。この処理炉を用いてさらに１０００回、実施例１と同条件のフッ化処理および窒化処理を実施した。
【００７１】
また比較例（ｅ）として、実施例（ｂ）と同様の炉壁３の内側表面および耐食耐熱合金試験片４の表面を有する処理炉を用意し、実施例１と同条件のフッ化処理および窒化処理を２０００回実施した。
【００７２】
なお、実施例（ｄ）および比較例（ｅ）とも、実施例１と同様にＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５を炉内に配置した。このときのＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５の各処理炉での窒化層厚さ（平均的な部分の厚さ）を１０回おきに測定した結果（１０００回繰返し窒化以降）の推移を図５に示す。
【００７３】
図５の結果から、比較例（ｅ）では窒化処理繰返し数が１３００回を超えるあたりから窒化層厚さが減少し始め、２０００回終了時では当初の約１／２程度まで窒化層厚さが減少している。
【００７４】
これに対し１０００回窒化処理繰返し後に研磨処理を施した実施例（ｄ）では、さらに１０００回上記の窒化処理を実施した場合であっても、当初からのバラツキの範囲内で安定的に窒化処理が実施できていることが分かる。
【００７５】
また図６に、２０００回窒化処理繰返し後、炉壁３に接触配置した耐食耐熱合金の試験片４の表面部の断面写真を示すが、比較例（ｅ）が約３４μｍの窒化層を形成するとともに多数のクラックが発生しているのに対し、実施例（ｄ）では窒化層厚さが約１６μｍであり、表面に発生しているクラックの深さも浅いものとなっている。この差が図５のＳＵＳ３０４製の窒化テストピース５の窒化層厚さの差となって現れていると考えられる。
【００７６】
また実施例（ｄ）では、１０００回窒化処理繰返し後に研磨処理を施したときの窒化層厚さが約１０μｍであったのに対し、さらに１０００回窒化処理を実施した場合の窒化層厚さが約１６μｍと窒化層厚さの増加量が比較的少ないことから、上記表面研磨処理をＲａで１．６μｍ以下となるように実施したことの効果が現れていると考えられる。したがって使用前だけではなく、窒化層が形成された後もＲａが１．６μｍ以下となるように研磨することによって、より長い期間安定した処理が実施できることが分かる。
【００７７】
また、窒化層厚さが厚くなるにしたがって硬度が高くなること、および硬度の高い部分の厚さが厚くなることから容易に研磨等による窒化層の除去がしづらくなるため、窒化層厚さが２０μｍ以内であるうちに研磨等を実施することが望ましく、その際に窒化層全てを除去することがより望ましいのはもちろんのこと、かつその表面粗さをＲａが１．６μｍ以下となるように研磨することがさらに望ましいといえる。
【００７８】
以上の結果から、少なくとも窒化炉の炉壁表面材料にその化学成分が、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である耐食耐熱合金を使用することで長期間安定した処理が実施でき、かつその表面粗さを小さくすることによってさらに長期間安定的に使用可能な窒化炉とすることができる。なお本実施例１および２では窒化炉の安定性をＳＵＳ３０４製試験片で確認したが、他のあらゆる鋼種を窒化処理する場合にも長期間安定的に使用できる窒化炉となる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の鋼材の窒化処理を行う熱処理炉を用いることによって、例えば難窒化鋼種や管理値の厳しい処理品の処理を行なう場合であっても、安定したフツ化処理および窒化処理が長期に渡って安定的に実施できることから、機械部品や金型等をはじめとした各種処理品の窒化処理に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明例の処理炉の断面構造を示した複式図である。
【図２】ＳＵＳ３０４製の窒化テストピースの窒化層厚さの推移を示した図である。
【図３】比較例のＳＵＳ３０４製の窒化テストピースの断面組織である。
【図４】１０００回窒化処理実施後の炉壁材試験片の断面組織である。
【図５】ＳＵＳ３０４製の窒化テストピースの窒化層厚さの推移を示した図である。
【図６】２０００回窒化処理実施後の炉壁材試験片の断面組織である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 炉体
２ ヒーター
３ 炉壁
４ 試験片
５ 窒化テストピース
６ 治具
７ ガス導入配管
８ ガス排出配管
９ 炉内ガス攪拌ファン
１０ 攪拌ファン用モーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉であって、
上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用されたことを特徴とする熱処理炉。
【請求項２】
上記炉内構造物の表面の表面粗さがＲａで１．６μｍ以下である請求項１記載の熱処理炉。
【請求項３】
上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質とした試験片を処理空間内に配置した請求項１または２記載の熱処理炉。
【請求項４】
鋼材を所定の雰囲気で加熱処理してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理方法であって、
少なくとも窒化処理を行う処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金を使用することを特徴とする熱処理方法。
【請求項５】
鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉の使用方法であって、
上記熱処理炉は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用され、
ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用することを特徴とする熱処理炉の使用方法。
【請求項６】
上記窒化層の少なくとも一部を除去することにより、その表面の表面粗さをＲａで１．６μｍ以下とする請求項５記載の熱処理炉の使用方法。
【請求項７】
上記窒化層の厚さが２５μｍを超えた場合に、その窒化層の少なくとも一部を除去して２５μｍ以下とするとともに、表面に発生したクラックを実質的に除去する請求項５または６記載の熱処理炉。
【請求項８】
上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質で同様の表面粗さとした試験片を処理空間内に配置し、上記ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行った際に炉内構造物の表面に形成される窒化層の厚さを上記試験片の状態によって推定する請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱処理炉の使用方法。
【請求項１】
鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉であって、
上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用されたことを特徴とする熱処理炉。
【請求項２】
上記炉内構造物の表面の表面粗さがＲａで１．６μｍ以下である請求項１記載の熱処理炉。
【請求項３】
上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質とした試験片を処理空間内に配置した請求項１または２記載の熱処理炉。
【請求項４】
鋼材を所定の雰囲気で加熱処理してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理方法であって、
少なくとも窒化処理を行う処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金を使用することを特徴とする熱処理方法。
【請求項５】
鋼材を所定の雰囲気で加熱してハロゲン化処理および窒化処理を行う熱処理炉の使用方法であって、
上記熱処理炉は、上記窒化処理が行われる処理空間に露出する炉内構造物の表面を構成する材料として、Ｎｉが５０質量％以上８０質量％以下、かつＦｅが０質量％以上２０質量％以下である合金が使用され、
ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行う際に、上記炉内構造物の表面に形成される窒化層を、厚さ２５μｍ以下かつ表面硬度９００Ｈｖ以下の範囲で使用することを特徴とする熱処理炉の使用方法。
【請求項６】
上記窒化層の少なくとも一部を除去することにより、その表面の表面粗さをＲａで１．６μｍ以下とする請求項５記載の熱処理炉の使用方法。
【請求項７】
上記窒化層の厚さが２５μｍを超えた場合に、その窒化層の少なくとも一部を除去して２５μｍ以下とするとともに、表面に発生したクラックを実質的に除去する請求項５または６記載の熱処理炉。
【請求項８】
上記炉内構造物の表面を構成する材料と同材質で同様の表面粗さとした試験片を処理空間内に配置し、上記ハロゲン化処理および窒化処理を繰り返し行った際に炉内構造物の表面に形成される窒化層の厚さを上記試験片の状態によって推定する請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱処理炉の使用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−７０７９１（Ｐ２０１０−７０７９１Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３８１７４（Ｐ２００８−２３８１７４）
【出願日】平成２０年９月１７日（２００８．９．１７）
【特許番号】特許第４２９５３５０号（Ｐ４２９５３５０）
【特許公報発行日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００１２６１１５）エア・ウォーター株式会社 (254)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１７日（２００８．９．１７）
【特許番号】特許第４２９５３５０号（Ｐ４２９５３５０）
【特許公報発行日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００１２６１１５）エア・ウォーター株式会社 (254)
【Ｆターム（参考）】
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