表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法
【課題】処理炉内の雰囲気を参照して処理炉内の雰囲気を制御することが可能な、表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法を提供する。
【解決手段】処理炉２内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段４と、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する炉内ガス組成演算手段２４と、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への合計導入量を制御する、または、炉内導入ガス流量比率が変化するように複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御手段２６を備える。
【解決手段】処理炉２内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段４と、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する炉内ガス組成演算手段２４と、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への合計導入量を制御する、または、炉内導入ガス流量比率が変化するように複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御手段２６を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、窒化、軟窒化、浸炭、浸炭窒化等、金属製の被処理品に対する表面硬化処理を行う、表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属製の被処理品、特に、鋼部品や金型に対する表面硬化処理として、窒化処理や軟窒化処理が適用されている。この窒化処理や軟窒化処理は、後述する浸炭処理や浸炭窒化処理と比較して、処理温度が低く、また、歪みの少ない処理法である。
このような窒化処理や軟窒化処理の方法としては、ガス法、塩浴法、プラズマ法等がある。そして、これらの方法の中では、ガス法が、品質、環境性、量産性等を考慮した場合に、総合的に優れている。
【０００３】
ところで、ガス法による窒化処理（ガス窒化処理）は、被処理品に対し、窒素のみを浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。また、ガス窒化処理では、アンモニアガス、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガス、アンモニアガスとアンモニア分解ガス（７５％Ｈ２，２５％Ｎ２）との混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
一方、ガス法による軟窒化処理（ガス軟窒化処理）は、被処理品に対し、窒素とともに炭素を副次的に浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。また、ガス軟窒化処理では、アンモニアガスとＲＸガス（ＣＯ，Ｈ２，Ｎ２を主成分とする吸熱型変成ガス）との混合ガス、アンモニアガスと窒素ガスとＣＯ２との混合ガス等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
【０００４】
以上のようなガス窒化処理及びガス軟窒化処理では、内部に被処理品を配置した処理炉内の雰囲気を管理するために、例えば、非特許文献１に記載されているような測定方法を用いて、炉内ガスのアンモニア濃度や水素濃度を測定する場合がある。
具体的に、非特許文献１には、処理炉内に存在している炉内ガスのアンモニア濃度を測定する方法として、手動ガラス管アンモニア分析計を用いて、不連続に炉内ガスのアンモニア濃度を測定する方法と、赤外線アンモニア分析計を用いて、連続的に炉内ガスのアンモニア濃度を測定する方法が記載されている。
【０００５】
また、非特許文献１には、炉内ガスの水素濃度を測定する方法として、炉内ガスの熱伝導度を利用した熱伝導度センサを用いて、連続的に炉内ガスの水素濃度を測定する方法が記載されている。なお、上記の熱伝導度センサは、処理炉の炉体に直接装着することが可能な構成であり、炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出可能な構成である。
また、被処理品に対する表面硬化処理としては、上述した窒化処理や軟窒化処理の他に、浸炭処理や浸炭窒化処理がある。浸炭処理や浸炭窒化処理は、窒化処理や軟窒化処理と比較して、処理温度が高く、また、歪みが大きいものの、深い硬化層を形成可能な処理法である。
【０００６】
このような浸炭処理や浸炭窒化処理の方法としては、ガス法、塩浴法、プラズマ法、真空法（減圧法）等がある。そして、これらの方法の中では、真空法が、他の方法と比較して、環境性が良好である、浸炭速度が速い、表面異常層が発生しない等の利点を有している。
ところで、真空法による浸炭処理（真空浸炭処理）は、被処理品に対し、炭素のみを浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。また、真空浸炭処理では、アセチレンガス、プロパンガス、エチレンガス等の炭化水素を、単独または複数同時に処理炉内に導入する場合や、炭化水素と窒素ガスとを混合した混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
【０００７】
一方、真空法による浸炭窒化処理（真空浸炭窒化処理）は、被処理品に対し、炭素とともに窒素を副次的に浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。そして、真空浸炭窒化処理では、真空浸炭を行った後に、アンモニアガスを単独で、または、アンモニアガスと窒素ガスを混合した混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
以上のような浸炭処理や浸炭窒化処理では、処理炉内の雰囲気を管理するために、例えば、非特許文献２及び３に記載されているような熱伝導度センサを用いて、炉内ガスの水素濃度を測定する場合がある。なお、非特許文献２及び３に記載されている熱伝導度センサは、非特許文献１に記載されている熱伝導度センサと同様、炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】河田一喜、「窒化ポテンシャル制御システム付きガス軟窒化炉」、熱処理、４９巻２号、２００９、Ｐ．６４〜６８
【非特許文献２】河田一喜、「浸炭処理および窒化処理」、機械設計、５１巻７号、２００７、Ｐ．５４〜５９
【非特許文献３】河田一喜、「雰囲気制御付き真空浸炭炉の実用化」、熱処理、４４巻５号、２００４、Ｐ．２８９〜２９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載されている手動ガラス管アンモニア分析計は、手動操作により測定を行う構成であるため、炉内ガスのアンモニア濃度を連続的に測定することが不可能であり、処理炉内の雰囲気に対する、連続自動制御に適用できない。
また、特許文献１に記載されている赤外線アンモニア分析計は、炉内ガスのアンモニア濃度を連続的に測定可能であるため、処理炉内の雰囲気に対する連続自動制御に適用することは可能であるが、炉内ガスを、サンプリングポンプにより赤外線アンモニア分析計に導入する必要がある。このため、ガス軟窒化処理においては、炭酸アンモニウムの析出により、サンプリング経路の詰りが発生しやすく、定期的にフィルター清掃等のメンテナンスを行う必要があるため、表面硬化処理の作業効率が低下するという問題が発生するおそれがある。
【００１０】
また、特許文献１に記載されている赤外線アンモニア分析計は、手動ガラス管アンモニア分析計や熱伝導度センサと比較して高価であるため、コスト面等から採用が困難であるという問題がある。
これに対し、特許文献１から３に記載されている熱伝導度センサは、赤外線アンモニア分析計と異なり、低価格であり、且つ、処理炉の炉体に直接装着することが可能であり、また、炉内ガスの水素濃度を連続的に測定可能であるため、処理炉内の雰囲気に対する連続自動制御に適用可能である。
【００１１】
したがって、上述したガス窒化処理等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスを処理炉内に導入して行う表面硬化処理では、特許文献１から３に記載されているような熱伝導度センサを用いて、処理炉内の雰囲気制御を行うことが、コスト面等の観点から好適である。
また、熱伝導度センサは、赤外線アンモニア分析計と異なり、処理炉の炉体へ直接装着することが可能であり、さらに、処理炉内の水素濃度を連続的に測定可能であるため、処理炉内の雰囲気に対する連続自動制御に適用可能である。
【００１２】
しかしながら、熱伝導度センサには、以下に示すような問題点がある。
熱伝導度センサを、単に炉体へ装着しただけでは、炉内ガスが熱伝導度センサのセンサ部に流入するまでに時間を要するという問題が発生するおそれがある。また、熱伝導度センサの装着位置によっては、炉内ガスの偏った成分のみがセンサ部に流入し、炉内ガス全体の水素濃度を正確に反映することが困難となるという問題が発生するおそれがある。
【００１３】
また、熱伝導度センサを常に炉体へ装着している状態では、実際に被処理品を量産処理する場合、被処理品が処理炉内に配置し、昇温中において初期に発生する、被処理品に付着していた油分や汚れがガス化してセンサ部を汚染し、熱伝導度センサの精度維持が、早期に困難となるという問題が発生するおそれがある。
また、ガス軟窒化処理においては、センサ部と炉体とを連通する配管内に、炭酸アンモニウムの析出が発生するという問題が発生するおそれがある。また、処理炉内において塩化水素が発生するようなプロセスを有する場合、センサ部や配管内に、塩化アンモニウムの析出が発生することにより、熱伝導度センサの精度維持が困難となるという問題が発生するおそれがある。
【００１４】
また、真空浸炭や浸炭窒化処理においても、煤やタールがセンサ部に付着して、熱伝導度センサの精度維持が困難となるという問題が発生するおそれがある。
しかしながら、従来では、熱伝導度センサの精度を、長期間安定して維持することが可能な手段や対策が、開示されていない。
また、従来では、熱伝導度センサを用いた処理炉内の雰囲気制御に関して、具体的な制御方法が開示されていない。
【００１５】
このため、混合ガスを用いる表面硬化処理では、複数種類の炉内導入ガスの消費量を一定の比率とする等、処理炉内の雰囲気を参照せずに表面硬化処理を行うこととなる。これにより、炉内導入ガスの消費量が、表面硬化処理に適切な量よりも増加して、表面硬化処理に要するランニングコストが増加するという問題が発生するおそれがある。また、処理炉内の雰囲気を参照せずに表面硬化処理を行うと、表面硬化処理に使用されずに処理炉内から排気される炉内ガスの量が増加して、大気中へのガス排出量が増加し、環境に悪影響を与えるという問題が発生するおそれがある。
【００１６】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、炉内ガスの熱伝導度に基づいて処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して処理炉内の雰囲気を制御することが可能な、表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明のうち、請求項１に記載した発明は、処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理装置であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記水素濃度検出手段が検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する炉内ガス組成演算手段と、
前記炉内ガス組成演算手段が演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によると、水素濃度検出手段が、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。そして、この演算値に基づいて、炉内ガス組成演算手段が、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、ガス導入量制御手段が、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
なお、複数種類の炉内導入ガスを処理炉内へ導入する際には、例えば、複数種類の炉内導入ガスを混合した状態で処理炉内へ導入する、または、複数種類の炉内導入ガスを個別に処理炉内へ導入し、これらの導入した炉内導入ガスを処理炉内で混合する。
【００１９】
次に、本発明のうち、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明であって、
前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間に介装し、前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通させる連通状態と、前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間を閉鎖する閉鎖状態と、を切換可能な開閉弁と、
前記ガス導入量制御手段の動作状態に応じて前記開閉弁を前記連通状態または前記閉鎖状態に切り換える開閉弁切換え制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明によると、開閉弁切換え制御手段が、ガス導入量制御手段の動作状態に応じて、開閉弁を連通状態または閉鎖状態に切り換える。
このため、ガス導入量制御手段が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態において、炉内ガスが含む汚染成分が、水素濃度検出手段へ接触することを抑制可能となり、水素濃度検出手段の検出精度が低下することを、長期間に亘り抑制することが可能となる。
【００２１】
なお、開閉弁切換え制御手段が、開閉弁を連通状態または閉鎖状態に切り換える際には、例えば、ガス導入量制御手段が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、開閉弁を連通状態に切り換えて、処理炉と水素濃度検出手段とを連通させる。一方、開閉弁切換え制御手段が、ガス導入量制御手段が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、開閉弁を閉鎖状態に切り換えて、処理炉と水素濃度検出手段との間を閉鎖する。
また、処理炉と水素濃度検出手段とを連通させる経路は、例えば、配管により形成する。また、この配管は、処理炉と水素濃度検出手段とを直接連通させる単線の経路であってもよく、処理炉と水素濃度検出手段との間で複数の経路に分岐する複線の経路であってもよい。
【００２２】
次に、本発明のうち、請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した発明であって、前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通する水素濃度検出配管と、
前記水素濃度検出配管の温度を制御する配管温度制御手段と、を備え、
前記配管温度制御手段は、前記水素濃度検出配管内で前記炉内ガスが固体として析出しないように、前記炉内導入ガスの種類に応じて前記水素濃度検出配管の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明によると、配管温度制御手段が、炉内導入ガスの種類に応じて、水素濃度検出配管の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することにより、炉内ガスが水素濃度検出配管内で固体として析出することを抑制する。
このため、ガス窒化処理やガス軟窒化処理等、塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムが水素濃度検出配管内で析出するおそれのある表面硬化処理において、水素濃度検出配管内における塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムの析出を抑制することが可能となる。
【００２４】
なお、配管温度制御手段が水素濃度検出配管の温度を制御する際には、表面硬化処理が、処理炉内で塩化水素ガスが発生するようなガス窒化処理である場合は、水素濃度検出配管の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御することが好適である。また、表面硬化処理がガス軟窒化処理である場合は、水素濃度検出配管の温度を６０〜１００℃の範囲内に制御することが好適である。
【００２５】
次に、本発明のうち、請求項４に記載した発明は、処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理方法であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出し、
前記検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算し、
前記演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によると、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。そして、この演算値に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、炉内ガスの組成である炉内ガス組成と、予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、処理炉内の雰囲気を制御することが可能となる。
これにより、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させることが可能となる。また、大気中へのガス排出量を減少させることが可能となるため、環境の悪化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第一実施形態の表面硬化処理装置の構成を示す図である。
【図２】第一実施形態の変形例の構成を示す図である。
【図３】第二実施形態の表面硬化処理装置の構成を示す図である。
【図４】比較例の表面硬化処理装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態（以下、「本実施形態」と記載する）について、図面を参照しつつ説明する。
（表面硬化処理の基礎的事項）
本実施形態を説明する前に、説明の前提となる事項として、被処理品の表面硬化処理に関する基礎的な事項について説明する。
【００３０】
以下、表面硬化処理のうち、ガス窒化処理及びガス軟窒化処理について説明する。
ガス窒化処理及びガス軟窒化処理では、被処理品を配置する処理炉（ガス窒化炉）内において、以下の式（１）で表される窒化反応が発生する。この場合、窒化反応における窒化ポテンシャルＫＮは、以下の式（２）で表される。
ＮＨ３ → （Ｎ）＋３／２Ｈ２ … （１）
ＫＮ＝ＰＮＨ３／ＰＨ２３／２ … （２）
【００３１】
なお、上記の式（２）では、窒化ポテンシャルをＫＮで示し、ＮＨ３（アンモニアガス）の分圧をＰＮＨ３で示し、Ｈ２（水素ガス）の分圧をＰＨ２で示す。
ここで、窒化ポテンシャルＫＮは、公知の要素であり、上記の式（２）のように、アンモニアガスと水素ガスの分圧比率を表し、ガス窒化炉内の雰囲気が有する窒化強度または窒化能力を表す指標である。
【００３２】
次に、表面硬化処理のうち、真空浸炭処理及び真空浸炭窒化処理について説明する。
一例として、浸炭ガスとしてアセチレンガスを用いた真空浸炭処理及び真空浸炭窒化処理では、被処理品を配置する処理炉（真空浸炭炉）内において、以下の式（３）で表される浸炭反応が発生する。この場合、浸炭反応における浸炭ポテンシャルＫＣは、以下の式（４）で表される。
１／２Ｃ２Ｈ２ → （Ｃ）＋１／２Ｈ２ … （３）
ＫＣ＝ＰＣ２Ｈ２１／２／ＰＨ２１／２ … （４）
【００３３】
なお、上記の式（４）では、浸炭ポテンシャルをＫＣで示し、Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス）の分圧をＰＣ２Ｈ２で示し、Ｈ２（水素ガス）の分圧をＰＨ２で示す。
ここで、浸炭ポテンシャルＫＣは、公知の要素であり、上記の式（４）のように、分解前の浸炭ガス（アセチレンガス）と分解後に生成したガスとの分圧比率を表し、真空浸炭炉内の雰囲気が有する浸炭強度または浸炭能力を表す指標である。
【００３４】
（表面硬化処理の問題点）
次に、上述した各種の表面硬化処理に共通の問題点について説明する。
ガス窒化処理及びガス軟窒化処理のうち、ガス窒化処理において、アンモニアガスのみをガス窒化炉内に導入して表面硬化処理を行う場合、ガス窒化炉内の雰囲気を所望の窒化ポテンシャルとするためには、熱伝導度センサを用いて、ガス窒化炉内に存在している炉内ガスの水素濃度を検出する。そして、この検出した水素濃度に応じて、ガス窒化炉内へのアンモニアガスの導入量を制御する。
【００３５】
このように、一種類の炉内導入ガスのみをガス窒化炉内に導入して表面硬化処理を行う場合は、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度を検出することにより、検出した水素濃度を用いた計算によって、炉内ガスのアンモニア濃度を検出することが可能となる。したがって、上記の式（２）により窒化ポテンシャルを計算して、ガス窒化炉内の雰囲気を、所望の窒化ポテンシャルに制御することが可能となる。
【００３６】
しかしながら、例えば、アンモニアガスと窒素ガス等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスをガス窒化炉内へ導入して、表面硬化処理を行う場合、ガス窒化炉内へのアンモニアガスの導入量のみ、あるいは、ガス窒化炉内への窒素ガスの導入量のみを制御しても、ガス窒化炉内の雰囲気を所望の窒化ポテンシャルに制御することが不可能であるという問題を有する。
これは、表面硬化処理の状況等により、混合ガスの混合比率が変化すると、炉内ガスの組成である炉内ガス組成が把握できなくなるため、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度のみを検出しても、炉内ガスのアンモニア濃度を検出することが不可能となるためである。
【００３７】
ところで、真空浸炭処理及び真空浸炭窒化処理においても、上述したガス窒化処理及びガス軟窒化処理と同様、例えば、アセチレンガスと窒素ガス等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスをガス窒化炉内へ導入して、表面硬化処理を行う場合、真空浸炭炉内へのアセチレンガスの導入量のみ、あるいは、真空浸炭炉内への窒素ガスの導入量のみを制御しても、真空浸炭炉内の雰囲気を、所望の浸炭ポテンシャルに制御することが不可能であるという問題を有する。
【００３８】
これは、上述したガス窒化処理及びガス軟窒化処理と同様、混合ガスの混合比率が変化すると、炉内ガスの組成である炉内ガス組成が把握できなくなるため、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度のみを検出しても、炉内ガスのアセチレン濃度を検出することが不可能となるためである。
また、真空浸炭窒化処理や真空窒化処理においても、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスをガス窒化炉内へ導入して、表面硬化処理を行う場合、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度のみを検出しても、炉内ガスのアセチレンやアンモニアの濃度を検出することが不可能となるため、真空浸炭炉内の雰囲気を、所望の浸炭ポテンシャルや窒化ポテンシャルに制御することが不可能であるという問題を有する。
【００３９】
（構成）
次に、図１を用いて、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成を説明する。
図１は、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成を示す図である。
本実施形態の表面硬化処理装置１は、鋼部品や金型等、金属製の被処理品Ｓを配置した処理炉２内に、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスを導入して、被処理品Ｓの表面硬化処理を行う装置である。なお、複数種類の炉内導入ガスは、処理炉２内へ個別に導入し、処理炉２内で混合してもよい。
【００４０】
ここで、複数種類の炉内導入ガスのうち少なくとも一種類の炉内導入ガスは、アンモニアガス（ＮＨ３）等、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスとする。すなわち、複数種類の炉内導入ガスは、処理炉２内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む。
なお、本実施形態では、複数種類の炉内導入ガスを、アンモニアガス（ＮＨ３）と窒素ガス（Ｎ２）の、二種類の炉内導入ガスとした場合を例に挙げて説明する。また、本実施形態では、表面硬化処理を、ガス窒化処理とした場合を例に挙げて説明する。
【００４１】
また、本実施形態では、表面硬化処理を、ガス窒化処理とした場合を説明するため、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスを、アンモニアガス（ＮＨ３）とし、その他の炉内導入ガスを、窒素ガス（Ｎ２）とする。
また、本実施形態では、一例として、表面硬化処理を行う条件を、処理炉２内の温度（処理温度）を３００〜１１００℃の範囲内とし、処理炉２内の圧力（処理圧力）を１３〜１３３０００Ｐａの範囲内とする。
【００４２】
以下、表面硬化処理装置１の具体的な構成を説明する。
図１中に示すように、表面硬化処理装置１は、処理炉２と、水素濃度検出手段４と、調節計６と、記録計８と、開閉弁１０と、開閉弁切換え制御手段１２と、炉内導入ガス供給部１４を備えている。
処理炉２は、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）を導入可能であり、且つ被処理品Ｓを配置可能に形成されており、攪拌ファン１６と、攪拌ファン駆動モータ１８と、炉内温度計測手段２０を備えている。
【００４３】
攪拌ファン１６は、処理炉２内に配置されており、処理炉２内で回転することにより、処理炉２内の雰囲気を攪拌する。
攪拌ファン駆動モータ１８は、攪拌ファン１６に連結されており、攪拌ファン１６を任意の回転速度で回転させる。
炉内温度計測手段２０は、熱電対を備えており、処理炉２内に存在している炉内ガスの温度を計測可能に構成されている。
【００４４】
また、炉内温度計測手段２０は、炉内ガスの温度を計測すると、この計測した温度を含む情報信号（炉内温度信号）を、調節計６及び記録計８へ出力する。
水素濃度検出手段４は、炉内ガスの水素濃度を検出可能な構成の熱伝導度センサにより形成されており、水素濃度を検出するためのセンサ部は、水素濃度検出配管２２を介して処理炉２の内部と連通している。なお、炉内ガスの水素濃度は、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出する。
【００４５】
また、水素濃度検出手段４は、炉内ガスの水素濃度を検出すると、この検出した水素濃度を含む情報信号（水素濃度信号）を、調節計６及び記録計８へ出力する。
水素濃度検出配管２２は、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通する配管である。なお、本実施形態では、水素濃度検出配管２２を、処理炉２と水素濃度検出手段４とを直接連通させる単線の経路で形成する。
【００４６】
調節計６は、ＣＰＵ（ＣＥＮＴＲＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＵＮＩＴ）等を備えて構成されており、炉内ガス組成演算手段２４と、ガス導入量制御手段２６を備えている。
炉内ガス組成演算手段２４は、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。そして、この演算した炉内ガス組成を含む情報信号（炉内ガス組成信号）をガス導入量制御手段２６へ出力する。
具体的には、炉内ガス組成演算手段２４は、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。
【００４７】
そして、炉内ガス組成演算手段２４は、上記の測定及び演算による各ガス分圧に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。これにより、本実施形態のように、表面硬化処理を、ガス窒化処理とした場合では、炉内ガスの水素濃度に基づいて、炉内ガスのアンモニア濃度を演算して求める。この測定した炉内ガスの水素濃度及びアンモニア濃度は、処理炉２内の雰囲気を反映する要素であるため、炉内ガスの水素濃度及びアンモニア濃度に基づいて、処理炉２内の窒化ポテンシャルを検出することが可能となる。
【００４８】
なお、表面硬化処理が、真空浸炭処理や真空浸炭窒化処理である場合は、炉内ガスの水素濃度に基づいて、炉内ガスのアセチレン濃度を演算して求める。
ガス導入量制御手段２６は、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成と、予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御する。なお、設定炉内ガス混合比率は、表面硬化処理の種類及び複数種類の炉内導入ガスに応じて設定する値であり、予め、ガス導入量制御手段２６に記憶しておく。また、ガス導入量制御手段２６が行う制御については、後述する。
【００４９】
また、ガス導入量制御手段２６は、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御している状態では、その作動状態を示す情報信号（制御実施信号）を、開閉弁切換え制御手段１２及び炉内導入ガス供給部１４へ出力する。
記録計８は、ＣＰＵ等やメモリ等の記憶媒体を備えて形成されている。
また、記録計８は、炉内温度計測手段２０及び水素濃度検出手段４が出力した情報信号に基づいて、処理炉２内の温度と炉内ガスの水素濃度を、例えば、表面硬化処理を行った日時と対応させて記憶する。
開閉弁１０は、水素濃度検出配管２２に取り付けられて、処理炉２と水素濃度検出手段４との間に介装された弁である。
【００５０】
また、開閉弁１０は、開閉弁切換え制御手段１２が出力する制御信号（開閉制御信号）に応じて、連通状態と閉鎖状態を切換可能に形成されている。
ここで、連通状態とは、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通させる状態であり、閉鎖状態とは、処理炉２と水素濃度検出手段４との間を閉鎖する状態である。
開閉弁切換え制御手段１２は、ガス導入量制御手段２６の動作状態に応じて、開閉弁１０を連通状態または閉鎖状態に切り換える。なお、ガス導入量制御手段２６の動作状態は、ガス導入量制御手段２６が出力する情報信号（制御実施信号）に基づいて検出する。
【００５１】
なお、本実施形態では、具体例として、以下に示す条件により、開閉弁切換え制御手段１２が、開閉弁１０を連通状態または閉鎖状態に切り換える場合を説明する。
具体的に、開閉弁切換え制御手段１２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、開閉弁１０を連通状態に切り換える。一方、開閉弁切換え制御手段１２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、開閉弁１０を閉鎖状態に切り換える。
【００５２】
炉内導入ガス供給部１４は、第一炉内導入ガス供給部２８と、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と、第一供給弁３２と、第一炉内導入ガス流量計３４と、第二炉内導入ガス供給部３６と、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と、第二供給弁４０と、第二炉内導入ガス流量計４２と、炉内導入ガス導入配管４４を備えている。
第一炉内導入ガス供給部２８は、第一炉内導入ガスを充填したタンクにより形成されている。なお、本実施形態では、第一炉内導入ガスを、アンモニアガス（ＮＨ３）とした場合について説明する。
【００５３】
第一炉内導入ガス供給量制御部３０は、開度を変化可能なマスフローコントローラにより形成されており、第一炉内導入ガス供給部２８と第一供給弁３２との間に介装されている。なお、第一炉内導入ガス供給量制御部３０の開度は、ガス導入量制御手段２６が出力する制御信号（導入量制御信号）に応じて変化する。
また、第一炉内導入ガス供給量制御部３０は、第一炉内導入ガス供給部２８から第一供給弁３２への第一炉内導入ガスの供給量を検出し、この検出した第一炉内導入ガスの供給量を含む情報信号（第一炉内導入ガス供給量信号）を、ガス導入量制御手段２６へ出力する。この第一炉内導入ガス流量信号は、例えば、ガス導入量制御手段２６が行う制御の補正等に用いる。
【００５４】
第一供給弁３２は、ガス導入量制御手段２６が出力する情報信号（制御実施信号）に応じて開閉状態を切り換える電磁弁により形成されており、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と第一炉内導入ガス流量計３４との間に介装されている。
具体的には、第一供給弁３２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、第一供給弁３２の開閉状態を、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と第一炉内導入ガス流量計３４との間を連通させる開放状態に切り換える。一方、第一供給弁３２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、第一供給弁３２の開閉状態を、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と第一炉内導入ガス流量計３４との間を閉鎖する閉鎖状態に切り換える。
【００５５】
第一炉内導入ガス流量計３４は、例えば、フロー式流量計等の機械的な流量計で形成されており、第一供給弁３２と炉内導入ガス導入配管４４との間に介装されている。
また、第一炉内導入ガス流量計３４は、第一供給弁３２から炉内導入ガス導入配管４４を通じて処理炉２へ導入される第一炉内導入ガスの流量を検出する。なお、第一炉内導入ガス流量計３４が検出した第一炉内導入ガスの流量は、例えば、表面硬化処理を行う作業員の目視による、第一炉内導入ガスの流量の確認作業に用いる。
【００５６】
第二炉内導入ガス供給部３６は、第二炉内導入ガスを充填したタンクにより形成されている。なお、本実施形態では、第二炉内導入ガスを、窒素ガス（Ｎ２）とした場合について説明する。
第二炉内導入ガス供給量制御部３８は、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と同様、開度を変化可能なマスフローコントローラにより形成されており、第二炉内導入ガス供給部３６と第二供給弁４０との間に介装されている。なお、第二炉内導入ガス供給量制御部３８の開度は、ガス導入量制御手段２６が出力する制御信号（導入量制御信号）に応じて変化する。
【００５７】
また、第二炉内導入ガス供給量制御部３８は、第二炉内導入ガス供給部３６から第二供給弁４０への第二炉内導入ガスの供給量を検出し、この検出した第二炉内導入ガスの供給量を含む情報信号（第二炉内導入ガス供給量信号）を、ガス導入量制御手段２６へ出力する。この第二炉内導入ガス流量信号は、例えば、ガス導入量制御手段２６が行う制御の補正等に用いる。
【００５８】
第二供給弁４０は、第一供給弁３２と同様、ガス導入量制御手段２６が出力する情報信号（制御実施信号）に応じて開閉状態を切り換える電磁弁により形成されており、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と第二炉内導入ガス流量計４２との間に介装されている。
具体的には、第二供給弁４０は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、第二供給弁４０の開閉状態を、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と第二炉内導入ガス流量計４２との間を連通させる開放状態に切り換える。一方、第二供給弁４０は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、第二供給弁４０の開閉状態を、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と第二炉内導入ガス流量計４２との間を閉鎖する閉鎖状態に切り換える。
【００５９】
第二炉内導入ガス流量計４２は、第一炉内導入ガス流量計３４と同様、例えば、フロー式流量計等の機械的な流量計で形成されており、第二供給弁４０と炉内導入ガス導入配管４４との間に介装されている。
また、第二炉内導入ガス流量計４２は、第二供給弁４０から炉内導入ガス導入配管４４を通じて処理炉２へ導入される第二炉内導入ガスの流量を検出する。なお、第二炉内導入ガス流量計４２が検出した第二炉内導入ガスの流量は、例えば、表面硬化処理を行う作業員の目視による、第二炉内導入ガスの流量の確認作業に用いる。
【００６０】
炉内導入ガス導入配管４４は、第一炉内導入ガス流量計３４及び第二炉内導入ガス流量計４２と処理炉２とを連結する配管であり、第一炉内導入ガス及び第二炉内導入ガスの処理炉２への導入経路を形成している。
以下、上述した構成を前提として、ガス導入量制御手段２６が行う制御について、具体的な例を挙げて説明する。
【００６１】
ガス導入量制御手段２６は、上述した式（２）で表される窒化ポテンシャルＫＮが３．３となるように、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成を参照して、アンモニアガス（ＮＨ３）の導入量と窒素ガス（Ｎ２）の導入量との比が設定炉内ガス混合比率となるように、アンモニアガス（ＮＨ３）の導入量と窒素ガス（Ｎ２）の導入量を演算する。
【００６２】
そして、ガス導入量制御手段２６は、演算したそれぞれのガス（ＮＨ３，Ｎ２）の導入量に基づいて、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８へ、それぞれの導入量を制御する制御信号（導入量制御信号）を出力する。
なお、ガス導入量制御手段２６が、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）の導入量を制御する際は、以下の二通りの制御のうち、一方を行う。
第一の制御は、処理炉２内へ導入する混合ガス（アンモニアガス＋窒素ガス）の、処理炉２内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）の処理炉２内への合計導入量を制御するものである。
【００６３】
一方、第二の制御は、混合ガス（アンモニアガス＋窒素ガス）の炉内導入ガス流量比率が変化するように、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）について、それぞれの導入量を個別に変化させる制御である。
なお、表面硬化処理が、真空浸炭処理や真空浸炭窒化処理である場合は、ガス導入量制御手段２６は、上述した式（４）で表される浸炭ポテンシャルＫＣが所望の値となるように、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成を参照して、複数種類の炉内導入ガス（アセチレンガス等）の導入量を演算する。
【００６４】
（動作）
以下、図１を参照して、被処理品の表面硬化処理を行う際の、本実施形態の表面硬化処理装置１の動作について説明する。
まず、処理炉２内に被処理品Ｓを配置した後、炉内導入ガス供給部１４からアンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）を混合した混合ガスを処理炉２内へ導入し、攪拌ファン駆動モータ１８を駆動させて攪拌ファン１６を回転させ、処理炉２内の雰囲気を攪拌する。
【００６５】
このとき、開閉弁切換え制御手段１２は、開閉弁１０の状態を閉鎖状態に切り換え、処理炉２と水素濃度検出手段４との間を閉鎖する。これにより、炉内ガスが含む汚染成分が、センサ部を含む水素濃度検出手段４へ接触することを抑制する。なお、炉内ガスが含む汚染成分とは、例えば、被処理品Ｓに付着している油分や汚れが、処理炉２内で気化することにより、炉内ガスに含まれる。
【００６６】
ここで、本実施形態では、設定炉内ガス混合比率を、アンモニアガス（ＮＨ３）：窒素ガス（Ｎ２）＝８０：２０とする。このため、表面硬化処理を開始する際には、処理炉２内へのアンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）の導入量は、アンモニアガス（ＮＨ３）の導入量と窒素ガス（Ｎ２）の導入量との比が、８０：２０となるように、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８の開度を制御する。
【００６７】
これに加え、図外の加熱機等を用いて、処理炉２内の温度（処理温度）を３００〜１１００℃の範囲内とし、さらに、図外のポンプ等を用いて、処理炉２内の圧力（処理圧力）を１３〜１３３０００Ｐａの範囲内とする。
このとき、炉内温度計測手段２０が、炉内ガスの温度を計測し、この計測した温度を含む情報信号（炉内温度信号）を、調節計６及び記録計８へ出力する。
調節計６が炉内温度信号の入力を受けると、ガス導入量制御手段２６は、処理炉２内の状態が、加熱機等による昇温中ではなく、処理炉２内の温度が上記の条件で安定している状態であるか否かを判定する。
【００６８】
そして、処理炉２内の温度が上記の条件で安定している状態であると判定すると、ガス導入量制御手段２６は、複数種類の炉内導入ガスの導入量の制御を開始する。これに加え、ガス導入量制御手段２６は、作動状態を示す制御実施信号を、開閉弁切換え制御手段１２及び炉内導入ガス供給部１４へ出力する。
制御実施信号の入力を受けた開閉弁切換え制御手段１２は、開閉弁１０の状態を連通状態に切り換える。
【００６９】
開閉弁１０が連通状態に切り換わると、処理炉２と水素濃度検出手段４が連通し、炉内ガスが水素濃度検出配管２２内を移動して、水素濃度検出手段４のセンサ部に接触する。
炉内ガスが水素濃度検出手段４のセンサ部に接触すると、水素濃度検出手段４が炉内ガスの水素濃度を検出して、この検出した水素濃度を含む水素濃度信号を、調節計６及び記録計８へ出力する。
【００７０】
調節計６が水素濃度信号の入力を受けると、炉内ガス組成演算手段２４は、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算し、炉内ガス組成信号をガス導入量制御手段２６へ出力する。
炉内ガス組成信号の入力を受けたガス導入量制御手段２６は、炉内ガス組成と設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御する。これにより、処理炉２内の雰囲気を反映する炉内ガス組成を検出し、この検出した処理炉２内の雰囲気を参照して、処理炉２内の雰囲気を制御する。
【００７１】
複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御して、処理炉２内の雰囲気を制御した状態で、被処理品Ｓの材質や量等に応じて設定した所定の時間、被処理品Ｓの表面硬化処理を行う。
被処理品Ｓの表面硬化処理を行う間、ガス導入量制御手段２６が、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御しておらず、制御実施信号を出力していない状態では、開閉弁切換え制御手段１２が、開閉弁１０を閉鎖状態に切り換える。
【００７２】
以上説明したように、表面硬化処理装置１を用いた表面硬化処理方法は、複数種類の炉内導入ガスを処理炉２内へ導入して、処理炉２内に配置した被処理品Ｓの表面硬化処理を行う表面硬化処理方法である。ここで、複数種類の炉内導入ガスは、処理炉２内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む。
また、表面硬化処理方法は、処理炉２内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出し、検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算するステップを含む。
【００７３】
さらに、表面硬化処理方法は、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への合計導入量を制御するステップ、または、炉内導入ガス流量比率が変化するように複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するステップを含む。
【００７４】
（第一実施形態の効果）
以下、本実施形態の効果を列挙する。
（１）本実施形態の表面硬化処理装置１では、水素濃度検出手段４が、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。
【００７５】
そして、この測定した演算値に基づいて、炉内ガス組成演算手段２４が、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉２内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、ガス導入量制御手段２６が、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
【００７６】
その結果、炉内ガス組成と設定炉内ガス混合比率に応じて検出した処理炉２内の雰囲気を参照して、処理炉２内の雰囲気を制御することが可能となるため、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させることが可能となる。
また、大気中へのガス排出量を減少させることが可能となるため、環境の悪化を抑制することが可能となる。
【００７７】
（２）本実施形態の表面硬化処理装置１では、開閉弁切換え制御手段１２が、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、開閉弁１０を連通状態に切り換えて、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通させる。
一方、開閉弁切換え制御手段１２が、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、開閉弁１０を閉鎖状態に切り換えて、処理炉２と水素濃度検出手段４との間を閉鎖する。
このため、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態において、炉内ガスが含む汚染成分が、センサ部を含む水素濃度検出手段４へ接触することを抑制可能となる。
【００７８】
その結果、水素濃度検出手段４の検出精度が低下することを、長期間に亘り抑制することが可能となるため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
なお、表面硬化処理が、真空浸炭処理や真空浸炭窒化処理である場合は、処理炉２内で発生した煤やタールが熱伝導度センサに導入されることを抑制可能となり、水素濃度検出手段４の検出精度が低下することを、長期間に亘り抑制することが可能となる。
【００７９】
（３）本実施形態の表面硬化処理方法では、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。そして、この演算値に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉２内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
【００８０】
その結果、炉内ガス組成と設定炉内ガス混合比率に応じて検出した処理炉２内の雰囲気を参照して、処理炉２内の雰囲気を制御することが可能となるため、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させることが可能となる。
また、大気中へのガス排出量を減少させることが可能となるため、環境の悪化を抑制することが可能となる。
【００８１】
（応用例）
以下、本実施形態の応用例を列挙する。
（１）本実施形態の表面硬化処理装置１では、水素濃度検出配管２２を、処理炉２と水素濃度検出手段４とを直接連通させる単線の経路で形成したが、これに限定するものではない。すなわち、水素濃度検出配管２２を、図２中に示すように、処理炉２と水素濃度検出手段４との間で複数の経路に分岐する複線の経路で形成してもよい。なお、図２は、第一実施形態の変形例の構成を示す図である。また、図２中では、処理炉２、水素濃度検出手段４、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０以外の図示を省略している。
【００８２】
この場合、水素濃度検出配管２２は、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通する第一配管２２ａと、処理炉２と第一配管２２ａとを連通する第二配管２２ｂと、第一配管２２ａと連通する第三配管２２ｃから形成する。
そして、第一配管２２ａ、第二配管２２ｂ及び第三配管２２ｃが形成する経路に、それぞれ、開閉弁１０を介装する。この場合、図２中に示すように、第一配管２２ａに介装する開閉弁１０を第一開閉弁１０ａとし、第二配管２２ｂに介装する開閉弁１０を第二開閉弁１０ｂとし、第三配管２２ｃに介装する開閉弁１０を第三開閉弁１０ｃとする。
【００８３】
水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の構成を、図２中に示す構成とすると、水素濃度検出手段４の応答性を向上させることが可能となる。これに加え、水素濃度検出配管２２に残留しているガスの排気や、水素濃度検出手段４のチェックを行うことが容易となる。このため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
具体的には、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、第三開閉弁１０ｃを閉鎖状態とし、第一開閉弁１０ａ及び第二開閉弁１０ｂを連通状態とすることにより、炉内ガスの流れが良好となる。このため、炉内ガスのうち、偏った成分のみが水素濃度検出手段４へ導入されることを抑制して、処理炉２内の雰囲気全体の水素濃度を正確に反映することが可能となり、水素濃度検出手段４の検出精度を向上させることが可能となる。
【００８４】
また、炉内ガスの流れが良好となると、炉内ガスが水素濃度検出手段４へ導入されるまでの時間を短縮することが可能となるため、水素濃度検出手段４の応答性を向上させることが可能となる。
一方、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、第一開閉弁１０ａを閉鎖状態とし、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを連通状態とすることにより、第三開閉弁１０ｃから窒素ガス等の清浄なガスを導入し、その後、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを閉鎖状態とすることにより、第三配管２２ｃ内に残留している炉内ガスを排気することが可能となる。このため、次に行う表面硬化処理において、炉内ガスの水素濃度を検出するまでに、水素濃度検出配管２２内を清浄な状態に保持することが可能となるため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
【００８５】
また、表面硬化処理を行っていない状態では、第一開閉弁１０ａを閉鎖状態とし、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを連通状態とし、第三開閉弁１０ｃから窒素ガスなどの清浄なガスを導入することにより、水素濃度検出手段４のゼロ点調整を行うことが可能となる。また、水素濃度が明確なガス（標準水素ガス）を水素濃度検出手段４へ導入することにより、水素濃度検出手段４のスパン調整を行うことが可能となり、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
【００８６】
（２）本実施形態の表面硬化処理装置１では、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８を、マスフローコントローラにより形成したが、これに限定するものではない。すなわち、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８を、安価な手動式のフロー式流量計で形成するとともに、流量を予め設定した複数個のガス流量計をフロー式流量計及び自動開閉弁と組み合わせて、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８を形成してもよい。
【００８７】
（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態（以下、「本実施形態」と記載する）について、図面を参照しつつ説明する。
（構成）
図３は、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成を示す図である。
図３中に示すように、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成は、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の構成と、配管温度制御手段４６を備えている点を除き、上述した第一実施形態と同様であるため、以下の説明は、配管温度制御手段４６に関する部分を中心に記載する。なお、図３中では、処理炉２、水素濃度検出手段４、水素濃度検出配管２２、開閉弁１０及び配管温度制御手段４６以外の図示を省略している。
【００８８】
水素濃度検出配管２２は、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通する第一配管２２ａと、処理炉２と第一配管２２ａとを連通する第二配管２２ｂと、第一配管２２ａと連通する第三配管２２ｃから形成されている。
開閉弁１０は、第一配管２２ａに介装する第一開閉弁１０ａと、第二配管２２ｂに介装する第二開閉弁１０ｂと、第三配管２２ｃに介装する第三開閉弁１０ｃから形成されている。
配管温度制御手段４６は、線状のヒーターを用いて形成されており、水素濃度検出配管２２の温度を制御する。
【００８９】
具体的には、配管温度制御手段４６は、水素濃度検出配管２２内で炉内ガスが固体として析出しないように、炉内導入ガスの種類に応じて、水素濃度検出配管２２の温度を、２５〜４５０℃の範囲内に制御する。
具体的には、配管温度制御手段４６は、表面硬化処理がガス窒化処理であり、炉内導入ガスの種類が、処理炉２内で塩化水素ガスが発生するようなガスである場合は、水素濃度検出配管２２の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御する。
また、配管温度制御手段４６は、表面硬化処理がガス軟窒化処理である場合は、水素濃度検出配管２２の温度を６０〜１００℃の範囲内に制御する。
その他の構成は、上述した第一実施形態と同様である。
【００９０】
（動作）
以下、図３を参照して、被処理品の表面硬化処理を行う際の、本実施形態の表面硬化処理装置１の動作について説明する。なお、本実施形態の表面硬化処理装置１の動作は、配管温度制御手段４６が行う動作を除き、上述した第一実施形態と同様であるため、以下の説明は、配管温度制御手段４６が行う動作を中心に記載する。また、以下の説明は、表面硬化処理をガス窒化処理とした場合について記載する。
【００９１】
表面硬化処理を行う際には、処理炉２内に被処理品Ｓを配置した後、混合ガスを処理炉２内へ導入し、処理炉２内の雰囲気を攪拌する。
このとき、配管温度制御手段４６は、表面硬化処理がガス窒化処理であり、炉内導入ガスの種類が、処理炉２内で塩化水素ガスが発生するようなガスであるため、水素濃度検出配管２２の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御する。
【００９２】
配管温度制御手段４６が、水素濃度検出配管２２の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御すると、炉内ガスが水素濃度検出配管２２内で固体として析出することを抑制した状態で、表面硬化処理を行うことが可能となる。これにより、水素濃度検出手段４の検出精度の低下を抑制し、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持した状態で、表面硬化処理を行うことが可能となる。
【００９３】
（第二実施形態の効果）
以下、本実施形態の効果を記載する。
（１）本実施形態の表面硬化処理装置１では、配管温度制御手段４６が、炉内導入ガスの種類に応じて、水素濃度検出配管２２の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することにより、炉内ガスが水素濃度検出配管２２内で固体として析出することを抑制する。
【００９４】
このため、ガス窒化処理やガス軟窒化処理等、塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムが水素濃度検出配管２２内で析出するおそれのある表面硬化処理において、水素濃度検出配管２２内における塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムの析出を抑制することが可能となる。
その結果、炭酸アンモニウムの析出や処理炉２内における塩化水素の発生を抑制することが可能となるため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
【００９５】
（第一実施例）
上述した第一実施形態の表面硬化処理装置（以下、「第一発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第一実施形態の表面硬化処理装置とは構成が異なる装置（以下、「第一比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
なお、第一発明例及び第一比較例共に、処理炉として、ピット型ガス窒化炉（処理重量：５０ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、処理炉内の温度を５７０℃とし、アンモニアガスの処理炉への導入量を、マスフローコントローラにより、１．６ｍ３／ｈに制御し、また、窒素ガスの処理炉への導入量を、マスフローコントローラにより、０．４ｍ３／ｈに制御して、窒化ポテンシャルＫＮが３．３となるように、ガス窒化処理を行った。
【００９６】
ここで、第一発明例では、ＮＨ３：Ｎ２＝８０：２０という混合ガスの混合比率を基にして、ガス導入量制御手段により、窒化ポテンシャルＫＮが３．０となるための水素濃度の設定値と、水素濃度検出手段により検出した炉内ガスの水素濃度とを比較し、アンモニアガス及び窒素ガスのマスフローコントローラに対して、それぞれ、設定炉内ガス混合比率であるＮＨ３：Ｎ２＝８０：２０を保持した状態で、アンモニアガス及び窒素ガスの処理炉内への合計導入量を制御することにより、窒化ポテンシャルＫＮを制御した。
【００９７】
一方、第一比較例では、窒素ガスの処理炉内への導入量のみを制御することにより、窒化ポテンシャルＫＮを制御した。
以下、炉内ガスの水素濃度（炉内水素濃度）、炉内ガスのアンモニア濃度（炉内アンモニア濃度）、処理炉内の雰囲気の窒化ポテンシャル（窒化ポテンシャルＫＮ）を測定した結果を、表１に示す。
【００９８】
【表１】
【００９９】
表１中に示されているように、第一発明例では、窒化ポテンシャルＫＮを、３．３
と、精度良く制御することができた。また、炉内水素濃度を２７．４％、炉内アンモニア濃度を４７．２％に、それぞれ、制御することが可能であった。
これに対し、第一比較例では、窒化ポテンシャルＫＮの制御が不可能であった。また、炉内水素濃度を２７．４％に制御することが可能であったものの、炉内アンモニア濃度は計算不能であった。
これは、第一比較例では、水素濃度検出手段により炉内ガスの水素濃度のみを検出することは可能であったが、炉内ガス中における炉内ガス組成が不明であったため、検出した水素濃度からアンモニア濃度を求めることができず、窒化ポテンシャルＫＮの演算が不可能であったためである。
【０１００】
（第二実施例）
上述した第二実施形態の表面硬化処理装置（以下、「第二発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第二実施形態の表面硬化処理装置とは構成が異なる装置（以下、「第二比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１０１】
ここで、図４を参照して、第二比較例の表面硬化処理装置１の構成を説明する。
図４は、比較例の表面硬化処理装置１の構成を示す図である。
図４中に示すように、比較例の表面硬化処理装置１は、開閉弁を備えていない点を除き、第一発明例（図１参照）と同様の構成である。なお、図４中では、処理炉２及び水素濃度検出手段４以外の図示を省略している。
【０１０２】
なお、第二発明例及び第二比較例共に、処理炉として、バッチ型ガス軟窒化炉（処理重量：６００ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、処理炉内の温度を５８０℃とし、アンモニアガスの処理炉への導入量を８ｍ３／ｈ、窒素ガスの処理炉への導入量を５ｍ３／ｈ、二酸化炭素ガスの処理炉への導入量を０．４ｍ３／ｈに制御して、３時間のガス軟窒化処理を、５ロット／日で５日間／週の期間行った。
【０１０３】
ここで、第二発明例では、配管温度制御手段４６により、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の温度を６０℃に制御し、さらに、水素濃度検出手段４付近の温度を８０℃に制御した。これに加え、第二発明例では、被処理品の温度が５８０℃に到達してから冷却する前の、ガス軟窒化処理期間のみ、第一開閉弁１０ａ及び第二開閉弁１０ｂを連通状態として、水素濃度検出手段４により炉内ガスの水素濃度を検出した。また、被処理品の冷却中は、第一開閉弁１０ａを閉鎖状態とし、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを連通状態として、窒素ガスを５分間流すことにより、水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部をパージした。その後、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを閉鎖状態として、センサ部と、第一開閉弁１０ａ、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃにより囲まれた水素濃度検出配管２２内の空間を窒素ガスで封入しておき、この状態を、次に行う表面硬化処理における処理炉２内の昇温が完了するまで保持した。
【０１０４】
一方、第二比較例では、水素濃度検出手段４のセンサ部付近の温度を４０℃に制御した。
以下、水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部の汚染状況（接続配管及びセンサー部の汚染状況）と、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度の標準水素ガスによる誤差のチェック結果（熱伝導度センサー値の標準水素ガスによる誤差チェック結果）を測定した結果を、表２に示す。
【０１０５】
【表２】
【０１０６】
表２中に示されているように、第二比較例では、１ロット目から水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部に析出した炭酸アンモニウムと被処理品からの油分や汚れが付着し始めた。また、３ロットが終了した時点において、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して約１０％の誤差が生じていたことが確認された。
【０１０７】
これに対し、第二発明例では、１０ロットを処理した後においても、水素濃度検出配管２２、開閉弁１０及び水素濃度検出手段４のセンサ部に、炭酸アンモニウムの析出は発生していなかった。また、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが確認された。さらに、第二発明例では、４ヶ月経過した後に、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが確認された。
【０１０８】
（第三実施例）
上述した第一実施形態の表面硬化処理装置（以下、「第三発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第一実施形態の表面硬化処理装置とは構成が異なる装置（以下、「第三比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１０９】
なお、第三発明例及び第三比較例共に、処理炉として、バッチ型ガス軟窒化炉（処理重量：６００ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、処理炉内の温度を５８０℃とし、アンモニアガスの処理炉への導入量を８ｍ３／ｈ、窒素ガスの処理炉への導入量を５ｍ３／ｈ、二酸化炭素ガスの処理炉への導入量を０．４ｍ３／ｈに制御して、３時間のガス軟窒化処理を、被処理品（Ｓ４５Ｃ材及びＳＣＭ４４０材）に対して行った。
【０１１０】
ここで、第三発明例では、処理炉内の昇温が完了した後、３時間のガス軟窒化処理を行う間は、窒化ポテンシャルＫＮが３．１（Ｎ２：２３％，ＮＨ３：３５％）となるように、アンモニアガス及び窒素ガスの処理炉内への導入量を保持した状態で、アンモニアガス及び窒素ガスの処理炉内への合計導入量を制御することにより、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１１１】
一方、第三比較例では、処理炉内の昇温が完了した後、３時間のガス軟窒化処理を行う間は、処理炉内の雰囲気を制御せずに、アンモニアガス、窒素ガス及び二酸化炭素ガスの処理炉への導入量を、それぞれ、上記の値に保持した。
以下、炉内導入ガスの使用量（ガス使用量）、表面硬化処理装置の窒化性能（窒化性能）を測定した結果を、表３に示す。
【０１１２】
【表３】
【０１１３】
表３中に示されているように、第三発明例では、表面硬化処理装置の窒化性能を第三比較例と同様に保持した状態で、炉内導入ガスの使用量を大幅に削減することが可能となり、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させて、経済的効果を達成するとともに、大気中へのガス排出量を減少させて、環境の悪化を抑制することが可能となることが確認された。
【０１１４】
（第四実施例）
上述した第二実施形態の表面硬化処理装置と同様の各種センサ及び配管温度制御手段を備え、表面硬化処理として真空浸炭処理を行う構成の表面硬化処理装置（以下、「第四発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第二比較例と同様の構成を有する装置（以下、「第四比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１１５】
なお、第四発明例及び第四比較例共に、処理炉として、バッチ型真空浸炭炉（処理重量：６００ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、まず、処理炉内の温度を９５０℃として、１５ｍｉｎの浸炭、３０ｍｉｎの拡散、７ｍｉｎの浸炭、４５ｍｉｎの拡散を順に行い、その後、処理炉内の温度を８５０℃として、３０ｍｉｎの保持を行った後、６０℃の油中において、被処理品を焼入れした。さらに、処理炉内の圧力を１０６７Ｐａとして、２時間の間、プロパンガスの処理炉への導入量を３０Ｌ／ｍ、窒素ガスの処理炉への導入量を２０Ｌ／ｍに制御して、２ロット／日で５日間／週の期間、真空浸炭処理を行った。
ここで、第四発明例では、配管温度制御手段４６により、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の温度を６０℃に制御し、さらに、水素濃度検出手段４付近の温度を８０℃に制御した。
【０１１６】
一方、第四比較例では、水素濃度検出手段４のセンサ部付近の温度を４０℃に制御した。
以下、水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部の汚染状況（接続配管及びセンサー部の汚染状況）と、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度の標準水素ガスによる誤差のチェック結果（熱伝導度センサー値の標準水素ガスによる誤差チェック結果）を測定した結果を、表４に示す。
【０１１７】
【表４】
【０１１８】
表４中に示されているように、第四比較例では、１ロット目から水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部に、煤やタールが付着し始めた。また、１０ロットが終了した時点において、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して約２０％の誤差が生じていたことが確認された。
【０１１９】
これに対し、第四発明例では、１０ロットを処理した後においても、水素濃度検出配管２２、開閉弁１０及び水素濃度検出手段４のセンサ部に、煤やタールの付着は発生していなかった。また、１０ロットが終了した時点において、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが発見された。さらに、第四発明例では、３ヶ月経過した後に、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明に係る表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法は、金属材料からなる、自動車、建設機械、各種産業機械等の部品や金型に対する、窒化、軟窒化、浸炭、浸炭窒化等の表面硬化処理に利用することが可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 表面硬化処理装置
２ 処理炉
４ 水素濃度検出手段
６ 調節計
８ 記録計
１０ 開閉弁（第一開閉弁１０ａ、第二開閉弁１０ｂ、第三開閉弁１０ｃ）
１２ 開閉弁切換え制御手段
１４ 炉内導入ガス供給部
１６ 攪拌ファン
１８ 攪拌ファン駆動モータ
２０ 炉内温度計測手段
２２ 水素濃度検出配管（第一配管２２ａ、第二配管２２ｂ、第三配管２２ｃ）
２４ 炉内ガス組成演算手段
２６ ガス導入量制御手段
２８ 第一炉内導入ガス供給部
３０ 第一炉内導入ガス供給量制御部
３２ 第一供給弁
３４ 第一炉内導入ガス流量計
３６ 第二炉内導入ガス供給部
３８ 第二炉内導入ガス供給量制御部
４０ 第二供給弁
４２ 第二炉内導入ガス流量計
４４ 炉内導入ガス導入配管
４６ 配管温度制御手段
Ｓ 被処理品
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、窒化、軟窒化、浸炭、浸炭窒化等、金属製の被処理品に対する表面硬化処理を行う、表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属製の被処理品、特に、鋼部品や金型に対する表面硬化処理として、窒化処理や軟窒化処理が適用されている。この窒化処理や軟窒化処理は、後述する浸炭処理や浸炭窒化処理と比較して、処理温度が低く、また、歪みの少ない処理法である。
このような窒化処理や軟窒化処理の方法としては、ガス法、塩浴法、プラズマ法等がある。そして、これらの方法の中では、ガス法が、品質、環境性、量産性等を考慮した場合に、総合的に優れている。
【０００３】
ところで、ガス法による窒化処理（ガス窒化処理）は、被処理品に対し、窒素のみを浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。また、ガス窒化処理では、アンモニアガス、アンモニアガスと窒素ガスとの混合ガス、アンモニアガスとアンモニア分解ガス（７５％Ｈ２，２５％Ｎ２）との混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
一方、ガス法による軟窒化処理（ガス軟窒化処理）は、被処理品に対し、窒素とともに炭素を副次的に浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。また、ガス軟窒化処理では、アンモニアガスとＲＸガス（ＣＯ，Ｈ２，Ｎ２を主成分とする吸熱型変成ガス）との混合ガス、アンモニアガスと窒素ガスとＣＯ２との混合ガス等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
【０００４】
以上のようなガス窒化処理及びガス軟窒化処理では、内部に被処理品を配置した処理炉内の雰囲気を管理するために、例えば、非特許文献１に記載されているような測定方法を用いて、炉内ガスのアンモニア濃度や水素濃度を測定する場合がある。
具体的に、非特許文献１には、処理炉内に存在している炉内ガスのアンモニア濃度を測定する方法として、手動ガラス管アンモニア分析計を用いて、不連続に炉内ガスのアンモニア濃度を測定する方法と、赤外線アンモニア分析計を用いて、連続的に炉内ガスのアンモニア濃度を測定する方法が記載されている。
【０００５】
また、非特許文献１には、炉内ガスの水素濃度を測定する方法として、炉内ガスの熱伝導度を利用した熱伝導度センサを用いて、連続的に炉内ガスの水素濃度を測定する方法が記載されている。なお、上記の熱伝導度センサは、処理炉の炉体に直接装着することが可能な構成であり、炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出可能な構成である。
また、被処理品に対する表面硬化処理としては、上述した窒化処理や軟窒化処理の他に、浸炭処理や浸炭窒化処理がある。浸炭処理や浸炭窒化処理は、窒化処理や軟窒化処理と比較して、処理温度が高く、また、歪みが大きいものの、深い硬化層を形成可能な処理法である。
【０００６】
このような浸炭処理や浸炭窒化処理の方法としては、ガス法、塩浴法、プラズマ法、真空法（減圧法）等がある。そして、これらの方法の中では、真空法が、他の方法と比較して、環境性が良好である、浸炭速度が速い、表面異常層が発生しない等の利点を有している。
ところで、真空法による浸炭処理（真空浸炭処理）は、被処理品に対し、炭素のみを浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。また、真空浸炭処理では、アセチレンガス、プロパンガス、エチレンガス等の炭化水素を、単独または複数同時に処理炉内に導入する場合や、炭化水素と窒素ガスとを混合した混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
【０００７】
一方、真空法による浸炭窒化処理（真空浸炭窒化処理）は、被処理品に対し、炭素とともに窒素を副次的に浸透拡散させて、表面を硬化させるプロセスを有する。そして、真空浸炭窒化処理では、真空浸炭を行った後に、アンモニアガスを単独で、または、アンモニアガスと窒素ガスを混合した混合ガスを処理炉内へ導入して、表面硬化処理を行う。
以上のような浸炭処理や浸炭窒化処理では、処理炉内の雰囲気を管理するために、例えば、非特許文献２及び３に記載されているような熱伝導度センサを用いて、炉内ガスの水素濃度を測定する場合がある。なお、非特許文献２及び３に記載されている熱伝導度センサは、非特許文献１に記載されている熱伝導度センサと同様、炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】河田一喜、「窒化ポテンシャル制御システム付きガス軟窒化炉」、熱処理、４９巻２号、２００９、Ｐ．６４〜６８
【非特許文献２】河田一喜、「浸炭処理および窒化処理」、機械設計、５１巻７号、２００７、Ｐ．５４〜５９
【非特許文献３】河田一喜、「雰囲気制御付き真空浸炭炉の実用化」、熱処理、４４巻５号、２００４、Ｐ．２８９〜２９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載されている手動ガラス管アンモニア分析計は、手動操作により測定を行う構成であるため、炉内ガスのアンモニア濃度を連続的に測定することが不可能であり、処理炉内の雰囲気に対する、連続自動制御に適用できない。
また、特許文献１に記載されている赤外線アンモニア分析計は、炉内ガスのアンモニア濃度を連続的に測定可能であるため、処理炉内の雰囲気に対する連続自動制御に適用することは可能であるが、炉内ガスを、サンプリングポンプにより赤外線アンモニア分析計に導入する必要がある。このため、ガス軟窒化処理においては、炭酸アンモニウムの析出により、サンプリング経路の詰りが発生しやすく、定期的にフィルター清掃等のメンテナンスを行う必要があるため、表面硬化処理の作業効率が低下するという問題が発生するおそれがある。
【００１０】
また、特許文献１に記載されている赤外線アンモニア分析計は、手動ガラス管アンモニア分析計や熱伝導度センサと比較して高価であるため、コスト面等から採用が困難であるという問題がある。
これに対し、特許文献１から３に記載されている熱伝導度センサは、赤外線アンモニア分析計と異なり、低価格であり、且つ、処理炉の炉体に直接装着することが可能であり、また、炉内ガスの水素濃度を連続的に測定可能であるため、処理炉内の雰囲気に対する連続自動制御に適用可能である。
【００１１】
したがって、上述したガス窒化処理等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスを処理炉内に導入して行う表面硬化処理では、特許文献１から３に記載されているような熱伝導度センサを用いて、処理炉内の雰囲気制御を行うことが、コスト面等の観点から好適である。
また、熱伝導度センサは、赤外線アンモニア分析計と異なり、処理炉の炉体へ直接装着することが可能であり、さらに、処理炉内の水素濃度を連続的に測定可能であるため、処理炉内の雰囲気に対する連続自動制御に適用可能である。
【００１２】
しかしながら、熱伝導度センサには、以下に示すような問題点がある。
熱伝導度センサを、単に炉体へ装着しただけでは、炉内ガスが熱伝導度センサのセンサ部に流入するまでに時間を要するという問題が発生するおそれがある。また、熱伝導度センサの装着位置によっては、炉内ガスの偏った成分のみがセンサ部に流入し、炉内ガス全体の水素濃度を正確に反映することが困難となるという問題が発生するおそれがある。
【００１３】
また、熱伝導度センサを常に炉体へ装着している状態では、実際に被処理品を量産処理する場合、被処理品が処理炉内に配置し、昇温中において初期に発生する、被処理品に付着していた油分や汚れがガス化してセンサ部を汚染し、熱伝導度センサの精度維持が、早期に困難となるという問題が発生するおそれがある。
また、ガス軟窒化処理においては、センサ部と炉体とを連通する配管内に、炭酸アンモニウムの析出が発生するという問題が発生するおそれがある。また、処理炉内において塩化水素が発生するようなプロセスを有する場合、センサ部や配管内に、塩化アンモニウムの析出が発生することにより、熱伝導度センサの精度維持が困難となるという問題が発生するおそれがある。
【００１４】
また、真空浸炭や浸炭窒化処理においても、煤やタールがセンサ部に付着して、熱伝導度センサの精度維持が困難となるという問題が発生するおそれがある。
しかしながら、従来では、熱伝導度センサの精度を、長期間安定して維持することが可能な手段や対策が、開示されていない。
また、従来では、熱伝導度センサを用いた処理炉内の雰囲気制御に関して、具体的な制御方法が開示されていない。
【００１５】
このため、混合ガスを用いる表面硬化処理では、複数種類の炉内導入ガスの消費量を一定の比率とする等、処理炉内の雰囲気を参照せずに表面硬化処理を行うこととなる。これにより、炉内導入ガスの消費量が、表面硬化処理に適切な量よりも増加して、表面硬化処理に要するランニングコストが増加するという問題が発生するおそれがある。また、処理炉内の雰囲気を参照せずに表面硬化処理を行うと、表面硬化処理に使用されずに処理炉内から排気される炉内ガスの量が増加して、大気中へのガス排出量が増加し、環境に悪影響を与えるという問題が発生するおそれがある。
【００１６】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、炉内ガスの熱伝導度に基づいて処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して処理炉内の雰囲気を制御することが可能な、表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明のうち、請求項１に記載した発明は、処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理装置であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記水素濃度検出手段が検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する炉内ガス組成演算手段と、
前記炉内ガス組成演算手段が演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によると、水素濃度検出手段が、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。そして、この演算値に基づいて、炉内ガス組成演算手段が、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、ガス導入量制御手段が、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
なお、複数種類の炉内導入ガスを処理炉内へ導入する際には、例えば、複数種類の炉内導入ガスを混合した状態で処理炉内へ導入する、または、複数種類の炉内導入ガスを個別に処理炉内へ導入し、これらの導入した炉内導入ガスを処理炉内で混合する。
【００１９】
次に、本発明のうち、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明であって、
前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間に介装し、前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通させる連通状態と、前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間を閉鎖する閉鎖状態と、を切換可能な開閉弁と、
前記ガス導入量制御手段の動作状態に応じて前記開閉弁を前記連通状態または前記閉鎖状態に切り換える開閉弁切換え制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明によると、開閉弁切換え制御手段が、ガス導入量制御手段の動作状態に応じて、開閉弁を連通状態または閉鎖状態に切り換える。
このため、ガス導入量制御手段が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態において、炉内ガスが含む汚染成分が、水素濃度検出手段へ接触することを抑制可能となり、水素濃度検出手段の検出精度が低下することを、長期間に亘り抑制することが可能となる。
【００２１】
なお、開閉弁切換え制御手段が、開閉弁を連通状態または閉鎖状態に切り換える際には、例えば、ガス導入量制御手段が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、開閉弁を連通状態に切り換えて、処理炉と水素濃度検出手段とを連通させる。一方、開閉弁切換え制御手段が、ガス導入量制御手段が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、開閉弁を閉鎖状態に切り換えて、処理炉と水素濃度検出手段との間を閉鎖する。
また、処理炉と水素濃度検出手段とを連通させる経路は、例えば、配管により形成する。また、この配管は、処理炉と水素濃度検出手段とを直接連通させる単線の経路であってもよく、処理炉と水素濃度検出手段との間で複数の経路に分岐する複線の経路であってもよい。
【００２２】
次に、本発明のうち、請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した発明であって、前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通する水素濃度検出配管と、
前記水素濃度検出配管の温度を制御する配管温度制御手段と、を備え、
前記配管温度制御手段は、前記水素濃度検出配管内で前記炉内ガスが固体として析出しないように、前記炉内導入ガスの種類に応じて前記水素濃度検出配管の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明によると、配管温度制御手段が、炉内導入ガスの種類に応じて、水素濃度検出配管の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することにより、炉内ガスが水素濃度検出配管内で固体として析出することを抑制する。
このため、ガス窒化処理やガス軟窒化処理等、塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムが水素濃度検出配管内で析出するおそれのある表面硬化処理において、水素濃度検出配管内における塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムの析出を抑制することが可能となる。
【００２４】
なお、配管温度制御手段が水素濃度検出配管の温度を制御する際には、表面硬化処理が、処理炉内で塩化水素ガスが発生するようなガス窒化処理である場合は、水素濃度検出配管の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御することが好適である。また、表面硬化処理がガス軟窒化処理である場合は、水素濃度検出配管の温度を６０〜１００℃の範囲内に制御することが好適である。
【００２５】
次に、本発明のうち、請求項４に記載した発明は、処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理方法であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出し、
前記検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算し、
前記演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によると、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。そして、この演算値に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、炉内ガスの組成である炉内ガス組成と、予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、処理炉内の雰囲気を制御することが可能となる。
これにより、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させることが可能となる。また、大気中へのガス排出量を減少させることが可能となるため、環境の悪化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第一実施形態の表面硬化処理装置の構成を示す図である。
【図２】第一実施形態の変形例の構成を示す図である。
【図３】第二実施形態の表面硬化処理装置の構成を示す図である。
【図４】比較例の表面硬化処理装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態（以下、「本実施形態」と記載する）について、図面を参照しつつ説明する。
（表面硬化処理の基礎的事項）
本実施形態を説明する前に、説明の前提となる事項として、被処理品の表面硬化処理に関する基礎的な事項について説明する。
【００３０】
以下、表面硬化処理のうち、ガス窒化処理及びガス軟窒化処理について説明する。
ガス窒化処理及びガス軟窒化処理では、被処理品を配置する処理炉（ガス窒化炉）内において、以下の式（１）で表される窒化反応が発生する。この場合、窒化反応における窒化ポテンシャルＫＮは、以下の式（２）で表される。
ＮＨ３ → （Ｎ）＋３／２Ｈ２ … （１）
ＫＮ＝ＰＮＨ３／ＰＨ２３／２ … （２）
【００３１】
なお、上記の式（２）では、窒化ポテンシャルをＫＮで示し、ＮＨ３（アンモニアガス）の分圧をＰＮＨ３で示し、Ｈ２（水素ガス）の分圧をＰＨ２で示す。
ここで、窒化ポテンシャルＫＮは、公知の要素であり、上記の式（２）のように、アンモニアガスと水素ガスの分圧比率を表し、ガス窒化炉内の雰囲気が有する窒化強度または窒化能力を表す指標である。
【００３２】
次に、表面硬化処理のうち、真空浸炭処理及び真空浸炭窒化処理について説明する。
一例として、浸炭ガスとしてアセチレンガスを用いた真空浸炭処理及び真空浸炭窒化処理では、被処理品を配置する処理炉（真空浸炭炉）内において、以下の式（３）で表される浸炭反応が発生する。この場合、浸炭反応における浸炭ポテンシャルＫＣは、以下の式（４）で表される。
１／２Ｃ２Ｈ２ → （Ｃ）＋１／２Ｈ２ … （３）
ＫＣ＝ＰＣ２Ｈ２１／２／ＰＨ２１／２ … （４）
【００３３】
なお、上記の式（４）では、浸炭ポテンシャルをＫＣで示し、Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス）の分圧をＰＣ２Ｈ２で示し、Ｈ２（水素ガス）の分圧をＰＨ２で示す。
ここで、浸炭ポテンシャルＫＣは、公知の要素であり、上記の式（４）のように、分解前の浸炭ガス（アセチレンガス）と分解後に生成したガスとの分圧比率を表し、真空浸炭炉内の雰囲気が有する浸炭強度または浸炭能力を表す指標である。
【００３４】
（表面硬化処理の問題点）
次に、上述した各種の表面硬化処理に共通の問題点について説明する。
ガス窒化処理及びガス軟窒化処理のうち、ガス窒化処理において、アンモニアガスのみをガス窒化炉内に導入して表面硬化処理を行う場合、ガス窒化炉内の雰囲気を所望の窒化ポテンシャルとするためには、熱伝導度センサを用いて、ガス窒化炉内に存在している炉内ガスの水素濃度を検出する。そして、この検出した水素濃度に応じて、ガス窒化炉内へのアンモニアガスの導入量を制御する。
【００３５】
このように、一種類の炉内導入ガスのみをガス窒化炉内に導入して表面硬化処理を行う場合は、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度を検出することにより、検出した水素濃度を用いた計算によって、炉内ガスのアンモニア濃度を検出することが可能となる。したがって、上記の式（２）により窒化ポテンシャルを計算して、ガス窒化炉内の雰囲気を、所望の窒化ポテンシャルに制御することが可能となる。
【００３６】
しかしながら、例えば、アンモニアガスと窒素ガス等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスをガス窒化炉内へ導入して、表面硬化処理を行う場合、ガス窒化炉内へのアンモニアガスの導入量のみ、あるいは、ガス窒化炉内への窒素ガスの導入量のみを制御しても、ガス窒化炉内の雰囲気を所望の窒化ポテンシャルに制御することが不可能であるという問題を有する。
これは、表面硬化処理の状況等により、混合ガスの混合比率が変化すると、炉内ガスの組成である炉内ガス組成が把握できなくなるため、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度のみを検出しても、炉内ガスのアンモニア濃度を検出することが不可能となるためである。
【００３７】
ところで、真空浸炭処理及び真空浸炭窒化処理においても、上述したガス窒化処理及びガス軟窒化処理と同様、例えば、アセチレンガスと窒素ガス等、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスをガス窒化炉内へ導入して、表面硬化処理を行う場合、真空浸炭炉内へのアセチレンガスの導入量のみ、あるいは、真空浸炭炉内への窒素ガスの導入量のみを制御しても、真空浸炭炉内の雰囲気を、所望の浸炭ポテンシャルに制御することが不可能であるという問題を有する。
【００３８】
これは、上述したガス窒化処理及びガス軟窒化処理と同様、混合ガスの混合比率が変化すると、炉内ガスの組成である炉内ガス組成が把握できなくなるため、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度のみを検出しても、炉内ガスのアセチレン濃度を検出することが不可能となるためである。
また、真空浸炭窒化処理や真空窒化処理においても、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスをガス窒化炉内へ導入して、表面硬化処理を行う場合、熱伝導度センサを用いて炉内ガスの水素濃度のみを検出しても、炉内ガスのアセチレンやアンモニアの濃度を検出することが不可能となるため、真空浸炭炉内の雰囲気を、所望の浸炭ポテンシャルや窒化ポテンシャルに制御することが不可能であるという問題を有する。
【００３９】
（構成）
次に、図１を用いて、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成を説明する。
図１は、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成を示す図である。
本実施形態の表面硬化処理装置１は、鋼部品や金型等、金属製の被処理品Ｓを配置した処理炉２内に、複数種類の炉内導入ガスを混合した混合ガスを導入して、被処理品Ｓの表面硬化処理を行う装置である。なお、複数種類の炉内導入ガスは、処理炉２内へ個別に導入し、処理炉２内で混合してもよい。
【００４０】
ここで、複数種類の炉内導入ガスのうち少なくとも一種類の炉内導入ガスは、アンモニアガス（ＮＨ３）等、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスとする。すなわち、複数種類の炉内導入ガスは、処理炉２内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む。
なお、本実施形態では、複数種類の炉内導入ガスを、アンモニアガス（ＮＨ３）と窒素ガス（Ｎ２）の、二種類の炉内導入ガスとした場合を例に挙げて説明する。また、本実施形態では、表面硬化処理を、ガス窒化処理とした場合を例に挙げて説明する。
【００４１】
また、本実施形態では、表面硬化処理を、ガス窒化処理とした場合を説明するため、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスを、アンモニアガス（ＮＨ３）とし、その他の炉内導入ガスを、窒素ガス（Ｎ２）とする。
また、本実施形態では、一例として、表面硬化処理を行う条件を、処理炉２内の温度（処理温度）を３００〜１１００℃の範囲内とし、処理炉２内の圧力（処理圧力）を１３〜１３３０００Ｐａの範囲内とする。
【００４２】
以下、表面硬化処理装置１の具体的な構成を説明する。
図１中に示すように、表面硬化処理装置１は、処理炉２と、水素濃度検出手段４と、調節計６と、記録計８と、開閉弁１０と、開閉弁切換え制御手段１２と、炉内導入ガス供給部１４を備えている。
処理炉２は、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）を導入可能であり、且つ被処理品Ｓを配置可能に形成されており、攪拌ファン１６と、攪拌ファン駆動モータ１８と、炉内温度計測手段２０を備えている。
【００４３】
攪拌ファン１６は、処理炉２内に配置されており、処理炉２内で回転することにより、処理炉２内の雰囲気を攪拌する。
攪拌ファン駆動モータ１８は、攪拌ファン１６に連結されており、攪拌ファン１６を任意の回転速度で回転させる。
炉内温度計測手段２０は、熱電対を備えており、処理炉２内に存在している炉内ガスの温度を計測可能に構成されている。
【００４４】
また、炉内温度計測手段２０は、炉内ガスの温度を計測すると、この計測した温度を含む情報信号（炉内温度信号）を、調節計６及び記録計８へ出力する。
水素濃度検出手段４は、炉内ガスの水素濃度を検出可能な構成の熱伝導度センサにより形成されており、水素濃度を検出するためのセンサ部は、水素濃度検出配管２２を介して処理炉２の内部と連通している。なお、炉内ガスの水素濃度は、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出する。
【００４５】
また、水素濃度検出手段４は、炉内ガスの水素濃度を検出すると、この検出した水素濃度を含む情報信号（水素濃度信号）を、調節計６及び記録計８へ出力する。
水素濃度検出配管２２は、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通する配管である。なお、本実施形態では、水素濃度検出配管２２を、処理炉２と水素濃度検出手段４とを直接連通させる単線の経路で形成する。
【００４６】
調節計６は、ＣＰＵ（ＣＥＮＴＲＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＵＮＩＴ）等を備えて構成されており、炉内ガス組成演算手段２４と、ガス導入量制御手段２６を備えている。
炉内ガス組成演算手段２４は、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。そして、この演算した炉内ガス組成を含む情報信号（炉内ガス組成信号）をガス導入量制御手段２６へ出力する。
具体的には、炉内ガス組成演算手段２４は、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。
【００４７】
そして、炉内ガス組成演算手段２４は、上記の測定及び演算による各ガス分圧に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。これにより、本実施形態のように、表面硬化処理を、ガス窒化処理とした場合では、炉内ガスの水素濃度に基づいて、炉内ガスのアンモニア濃度を演算して求める。この測定した炉内ガスの水素濃度及びアンモニア濃度は、処理炉２内の雰囲気を反映する要素であるため、炉内ガスの水素濃度及びアンモニア濃度に基づいて、処理炉２内の窒化ポテンシャルを検出することが可能となる。
【００４８】
なお、表面硬化処理が、真空浸炭処理や真空浸炭窒化処理である場合は、炉内ガスの水素濃度に基づいて、炉内ガスのアセチレン濃度を演算して求める。
ガス導入量制御手段２６は、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成と、予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御する。なお、設定炉内ガス混合比率は、表面硬化処理の種類及び複数種類の炉内導入ガスに応じて設定する値であり、予め、ガス導入量制御手段２６に記憶しておく。また、ガス導入量制御手段２６が行う制御については、後述する。
【００４９】
また、ガス導入量制御手段２６は、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御している状態では、その作動状態を示す情報信号（制御実施信号）を、開閉弁切換え制御手段１２及び炉内導入ガス供給部１４へ出力する。
記録計８は、ＣＰＵ等やメモリ等の記憶媒体を備えて形成されている。
また、記録計８は、炉内温度計測手段２０及び水素濃度検出手段４が出力した情報信号に基づいて、処理炉２内の温度と炉内ガスの水素濃度を、例えば、表面硬化処理を行った日時と対応させて記憶する。
開閉弁１０は、水素濃度検出配管２２に取り付けられて、処理炉２と水素濃度検出手段４との間に介装された弁である。
【００５０】
また、開閉弁１０は、開閉弁切換え制御手段１２が出力する制御信号（開閉制御信号）に応じて、連通状態と閉鎖状態を切換可能に形成されている。
ここで、連通状態とは、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通させる状態であり、閉鎖状態とは、処理炉２と水素濃度検出手段４との間を閉鎖する状態である。
開閉弁切換え制御手段１２は、ガス導入量制御手段２６の動作状態に応じて、開閉弁１０を連通状態または閉鎖状態に切り換える。なお、ガス導入量制御手段２６の動作状態は、ガス導入量制御手段２６が出力する情報信号（制御実施信号）に基づいて検出する。
【００５１】
なお、本実施形態では、具体例として、以下に示す条件により、開閉弁切換え制御手段１２が、開閉弁１０を連通状態または閉鎖状態に切り換える場合を説明する。
具体的に、開閉弁切換え制御手段１２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、開閉弁１０を連通状態に切り換える。一方、開閉弁切換え制御手段１２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、開閉弁１０を閉鎖状態に切り換える。
【００５２】
炉内導入ガス供給部１４は、第一炉内導入ガス供給部２８と、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と、第一供給弁３２と、第一炉内導入ガス流量計３４と、第二炉内導入ガス供給部３６と、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と、第二供給弁４０と、第二炉内導入ガス流量計４２と、炉内導入ガス導入配管４４を備えている。
第一炉内導入ガス供給部２８は、第一炉内導入ガスを充填したタンクにより形成されている。なお、本実施形態では、第一炉内導入ガスを、アンモニアガス（ＮＨ３）とした場合について説明する。
【００５３】
第一炉内導入ガス供給量制御部３０は、開度を変化可能なマスフローコントローラにより形成されており、第一炉内導入ガス供給部２８と第一供給弁３２との間に介装されている。なお、第一炉内導入ガス供給量制御部３０の開度は、ガス導入量制御手段２６が出力する制御信号（導入量制御信号）に応じて変化する。
また、第一炉内導入ガス供給量制御部３０は、第一炉内導入ガス供給部２８から第一供給弁３２への第一炉内導入ガスの供給量を検出し、この検出した第一炉内導入ガスの供給量を含む情報信号（第一炉内導入ガス供給量信号）を、ガス導入量制御手段２６へ出力する。この第一炉内導入ガス流量信号は、例えば、ガス導入量制御手段２６が行う制御の補正等に用いる。
【００５４】
第一供給弁３２は、ガス導入量制御手段２６が出力する情報信号（制御実施信号）に応じて開閉状態を切り換える電磁弁により形成されており、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と第一炉内導入ガス流量計３４との間に介装されている。
具体的には、第一供給弁３２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、第一供給弁３２の開閉状態を、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と第一炉内導入ガス流量計３４との間を連通させる開放状態に切り換える。一方、第一供給弁３２は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、第一供給弁３２の開閉状態を、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と第一炉内導入ガス流量計３４との間を閉鎖する閉鎖状態に切り換える。
【００５５】
第一炉内導入ガス流量計３４は、例えば、フロー式流量計等の機械的な流量計で形成されており、第一供給弁３２と炉内導入ガス導入配管４４との間に介装されている。
また、第一炉内導入ガス流量計３４は、第一供給弁３２から炉内導入ガス導入配管４４を通じて処理炉２へ導入される第一炉内導入ガスの流量を検出する。なお、第一炉内導入ガス流量計３４が検出した第一炉内導入ガスの流量は、例えば、表面硬化処理を行う作業員の目視による、第一炉内導入ガスの流量の確認作業に用いる。
【００５６】
第二炉内導入ガス供給部３６は、第二炉内導入ガスを充填したタンクにより形成されている。なお、本実施形態では、第二炉内導入ガスを、窒素ガス（Ｎ２）とした場合について説明する。
第二炉内導入ガス供給量制御部３８は、第一炉内導入ガス供給量制御部３０と同様、開度を変化可能なマスフローコントローラにより形成されており、第二炉内導入ガス供給部３６と第二供給弁４０との間に介装されている。なお、第二炉内導入ガス供給量制御部３８の開度は、ガス導入量制御手段２６が出力する制御信号（導入量制御信号）に応じて変化する。
【００５７】
また、第二炉内導入ガス供給量制御部３８は、第二炉内導入ガス供給部３６から第二供給弁４０への第二炉内導入ガスの供給量を検出し、この検出した第二炉内導入ガスの供給量を含む情報信号（第二炉内導入ガス供給量信号）を、ガス導入量制御手段２６へ出力する。この第二炉内導入ガス流量信号は、例えば、ガス導入量制御手段２６が行う制御の補正等に用いる。
【００５８】
第二供給弁４０は、第一供給弁３２と同様、ガス導入量制御手段２６が出力する情報信号（制御実施信号）に応じて開閉状態を切り換える電磁弁により形成されており、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と第二炉内導入ガス流量計４２との間に介装されている。
具体的には、第二供給弁４０は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、第二供給弁４０の開閉状態を、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と第二炉内導入ガス流量計４２との間を連通させる開放状態に切り換える。一方、第二供給弁４０は、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、第二供給弁４０の開閉状態を、第二炉内導入ガス供給量制御部３８と第二炉内導入ガス流量計４２との間を閉鎖する閉鎖状態に切り換える。
【００５９】
第二炉内導入ガス流量計４２は、第一炉内導入ガス流量計３４と同様、例えば、フロー式流量計等の機械的な流量計で形成されており、第二供給弁４０と炉内導入ガス導入配管４４との間に介装されている。
また、第二炉内導入ガス流量計４２は、第二供給弁４０から炉内導入ガス導入配管４４を通じて処理炉２へ導入される第二炉内導入ガスの流量を検出する。なお、第二炉内導入ガス流量計４２が検出した第二炉内導入ガスの流量は、例えば、表面硬化処理を行う作業員の目視による、第二炉内導入ガスの流量の確認作業に用いる。
【００６０】
炉内導入ガス導入配管４４は、第一炉内導入ガス流量計３４及び第二炉内導入ガス流量計４２と処理炉２とを連結する配管であり、第一炉内導入ガス及び第二炉内導入ガスの処理炉２への導入経路を形成している。
以下、上述した構成を前提として、ガス導入量制御手段２６が行う制御について、具体的な例を挙げて説明する。
【００６１】
ガス導入量制御手段２６は、上述した式（２）で表される窒化ポテンシャルＫＮが３．３となるように、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成を参照して、アンモニアガス（ＮＨ３）の導入量と窒素ガス（Ｎ２）の導入量との比が設定炉内ガス混合比率となるように、アンモニアガス（ＮＨ３）の導入量と窒素ガス（Ｎ２）の導入量を演算する。
【００６２】
そして、ガス導入量制御手段２６は、演算したそれぞれのガス（ＮＨ３，Ｎ２）の導入量に基づいて、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８へ、それぞれの導入量を制御する制御信号（導入量制御信号）を出力する。
なお、ガス導入量制御手段２６が、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）の導入量を制御する際は、以下の二通りの制御のうち、一方を行う。
第一の制御は、処理炉２内へ導入する混合ガス（アンモニアガス＋窒素ガス）の、処理炉２内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）の処理炉２内への合計導入量を制御するものである。
【００６３】
一方、第二の制御は、混合ガス（アンモニアガス＋窒素ガス）の炉内導入ガス流量比率が変化するように、アンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）について、それぞれの導入量を個別に変化させる制御である。
なお、表面硬化処理が、真空浸炭処理や真空浸炭窒化処理である場合は、ガス導入量制御手段２６は、上述した式（４）で表される浸炭ポテンシャルＫＣが所望の値となるように、炉内ガス組成演算手段２４が演算した炉内ガス組成を参照して、複数種類の炉内導入ガス（アセチレンガス等）の導入量を演算する。
【００６４】
（動作）
以下、図１を参照して、被処理品の表面硬化処理を行う際の、本実施形態の表面硬化処理装置１の動作について説明する。
まず、処理炉２内に被処理品Ｓを配置した後、炉内導入ガス供給部１４からアンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）を混合した混合ガスを処理炉２内へ導入し、攪拌ファン駆動モータ１８を駆動させて攪拌ファン１６を回転させ、処理炉２内の雰囲気を攪拌する。
【００６５】
このとき、開閉弁切換え制御手段１２は、開閉弁１０の状態を閉鎖状態に切り換え、処理炉２と水素濃度検出手段４との間を閉鎖する。これにより、炉内ガスが含む汚染成分が、センサ部を含む水素濃度検出手段４へ接触することを抑制する。なお、炉内ガスが含む汚染成分とは、例えば、被処理品Ｓに付着している油分や汚れが、処理炉２内で気化することにより、炉内ガスに含まれる。
【００６６】
ここで、本実施形態では、設定炉内ガス混合比率を、アンモニアガス（ＮＨ３）：窒素ガス（Ｎ２）＝８０：２０とする。このため、表面硬化処理を開始する際には、処理炉２内へのアンモニアガス（ＮＨ３）及び窒素ガス（Ｎ２）の導入量は、アンモニアガス（ＮＨ３）の導入量と窒素ガス（Ｎ２）の導入量との比が、８０：２０となるように、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８の開度を制御する。
【００６７】
これに加え、図外の加熱機等を用いて、処理炉２内の温度（処理温度）を３００〜１１００℃の範囲内とし、さらに、図外のポンプ等を用いて、処理炉２内の圧力（処理圧力）を１３〜１３３０００Ｐａの範囲内とする。
このとき、炉内温度計測手段２０が、炉内ガスの温度を計測し、この計測した温度を含む情報信号（炉内温度信号）を、調節計６及び記録計８へ出力する。
調節計６が炉内温度信号の入力を受けると、ガス導入量制御手段２６は、処理炉２内の状態が、加熱機等による昇温中ではなく、処理炉２内の温度が上記の条件で安定している状態であるか否かを判定する。
【００６８】
そして、処理炉２内の温度が上記の条件で安定している状態であると判定すると、ガス導入量制御手段２６は、複数種類の炉内導入ガスの導入量の制御を開始する。これに加え、ガス導入量制御手段２６は、作動状態を示す制御実施信号を、開閉弁切換え制御手段１２及び炉内導入ガス供給部１４へ出力する。
制御実施信号の入力を受けた開閉弁切換え制御手段１２は、開閉弁１０の状態を連通状態に切り換える。
【００６９】
開閉弁１０が連通状態に切り換わると、処理炉２と水素濃度検出手段４が連通し、炉内ガスが水素濃度検出配管２２内を移動して、水素濃度検出手段４のセンサ部に接触する。
炉内ガスが水素濃度検出手段４のセンサ部に接触すると、水素濃度検出手段４が炉内ガスの水素濃度を検出して、この検出した水素濃度を含む水素濃度信号を、調節計６及び記録計８へ出力する。
【００７０】
調節計６が水素濃度信号の入力を受けると、炉内ガス組成演算手段２４は、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算し、炉内ガス組成信号をガス導入量制御手段２６へ出力する。
炉内ガス組成信号の入力を受けたガス導入量制御手段２６は、炉内ガス組成と設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御する。これにより、処理炉２内の雰囲気を反映する炉内ガス組成を検出し、この検出した処理炉２内の雰囲気を参照して、処理炉２内の雰囲気を制御する。
【００７１】
複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御して、処理炉２内の雰囲気を制御した状態で、被処理品Ｓの材質や量等に応じて設定した所定の時間、被処理品Ｓの表面硬化処理を行う。
被処理品Ｓの表面硬化処理を行う間、ガス導入量制御手段２６が、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量を制御しておらず、制御実施信号を出力していない状態では、開閉弁切換え制御手段１２が、開閉弁１０を閉鎖状態に切り換える。
【００７２】
以上説明したように、表面硬化処理装置１を用いた表面硬化処理方法は、複数種類の炉内導入ガスを処理炉２内へ導入して、処理炉２内に配置した被処理品Ｓの表面硬化処理を行う表面硬化処理方法である。ここで、複数種類の炉内導入ガスは、処理炉２内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む。
また、表面硬化処理方法は、処理炉２内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、炉内ガスの水素濃度を検出し、検出した水素濃度に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算するステップを含む。
【００７３】
さらに、表面硬化処理方法は、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の炉内導入ガスの処理炉２内への合計導入量を制御するステップ、または、炉内導入ガス流量比率が変化するように複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するステップを含む。
【００７４】
（第一実施形態の効果）
以下、本実施形態の効果を列挙する。
（１）本実施形態の表面硬化処理装置１では、水素濃度検出手段４が、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。
【００７５】
そして、この測定した演算値に基づいて、炉内ガス組成演算手段２４が、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉２内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、ガス導入量制御手段２６が、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
【００７６】
その結果、炉内ガス組成と設定炉内ガス混合比率に応じて検出した処理炉２内の雰囲気を参照して、処理炉２内の雰囲気を制御することが可能となるため、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させることが可能となる。
また、大気中へのガス排出量を減少させることが可能となるため、環境の悪化を抑制することが可能となる。
【００７７】
（２）本実施形態の表面硬化処理装置１では、開閉弁切換え制御手段１２が、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、開閉弁１０を連通状態に切り換えて、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通させる。
一方、開閉弁切換え制御手段１２が、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、開閉弁１０を閉鎖状態に切り換えて、処理炉２と水素濃度検出手段４との間を閉鎖する。
このため、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態において、炉内ガスが含む汚染成分が、センサ部を含む水素濃度検出手段４へ接触することを抑制可能となる。
【００７８】
その結果、水素濃度検出手段４の検出精度が低下することを、長期間に亘り抑制することが可能となるため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
なお、表面硬化処理が、真空浸炭処理や真空浸炭窒化処理である場合は、処理炉２内で発生した煤やタールが熱伝導度センサに導入されることを抑制可能となり、水素濃度検出手段４の検出精度が低下することを、長期間に亘り抑制することが可能となる。
【００７９】
（３）本実施形態の表面硬化処理方法では、炉内ガスの熱伝導度に基づいて検出した炉内ガスの水素濃度に応じて、処理炉２内で水素を発生する炉内導入ガスの炉内濃度を演算して求める。そして、この演算値に基づいて、炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する。
このため、演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、処理炉２内の雰囲気を検出し、この検出した雰囲気を参照して、炉内ガス組成が設定炉内ガス混合比率となるように、複数種類の炉内導入ガスの導入量を制御することが可能となる。
【００８０】
その結果、炉内ガス組成と設定炉内ガス混合比率に応じて検出した処理炉２内の雰囲気を参照して、処理炉２内の雰囲気を制御することが可能となるため、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させることが可能となる。
また、大気中へのガス排出量を減少させることが可能となるため、環境の悪化を抑制することが可能となる。
【００８１】
（応用例）
以下、本実施形態の応用例を列挙する。
（１）本実施形態の表面硬化処理装置１では、水素濃度検出配管２２を、処理炉２と水素濃度検出手段４とを直接連通させる単線の経路で形成したが、これに限定するものではない。すなわち、水素濃度検出配管２２を、図２中に示すように、処理炉２と水素濃度検出手段４との間で複数の経路に分岐する複線の経路で形成してもよい。なお、図２は、第一実施形態の変形例の構成を示す図である。また、図２中では、処理炉２、水素濃度検出手段４、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０以外の図示を省略している。
【００８２】
この場合、水素濃度検出配管２２は、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通する第一配管２２ａと、処理炉２と第一配管２２ａとを連通する第二配管２２ｂと、第一配管２２ａと連通する第三配管２２ｃから形成する。
そして、第一配管２２ａ、第二配管２２ｂ及び第三配管２２ｃが形成する経路に、それぞれ、開閉弁１０を介装する。この場合、図２中に示すように、第一配管２２ａに介装する開閉弁１０を第一開閉弁１０ａとし、第二配管２２ｂに介装する開閉弁１０を第二開閉弁１０ｂとし、第三配管２２ｃに介装する開閉弁１０を第三開閉弁１０ｃとする。
【００８３】
水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の構成を、図２中に示す構成とすると、水素濃度検出手段４の応答性を向上させることが可能となる。これに加え、水素濃度検出配管２２に残留しているガスの排気や、水素濃度検出手段４のチェックを行うことが容易となる。このため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
具体的には、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御している状態では、第三開閉弁１０ｃを閉鎖状態とし、第一開閉弁１０ａ及び第二開閉弁１０ｂを連通状態とすることにより、炉内ガスの流れが良好となる。このため、炉内ガスのうち、偏った成分のみが水素濃度検出手段４へ導入されることを抑制して、処理炉２内の雰囲気全体の水素濃度を正確に反映することが可能となり、水素濃度検出手段４の検出精度を向上させることが可能となる。
【００８４】
また、炉内ガスの流れが良好となると、炉内ガスが水素濃度検出手段４へ導入されるまでの時間を短縮することが可能となるため、水素濃度検出手段４の応答性を向上させることが可能となる。
一方、ガス導入量制御手段２６が炉内導入ガスの導入量を制御していない状態では、第一開閉弁１０ａを閉鎖状態とし、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを連通状態とすることにより、第三開閉弁１０ｃから窒素ガス等の清浄なガスを導入し、その後、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを閉鎖状態とすることにより、第三配管２２ｃ内に残留している炉内ガスを排気することが可能となる。このため、次に行う表面硬化処理において、炉内ガスの水素濃度を検出するまでに、水素濃度検出配管２２内を清浄な状態に保持することが可能となるため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
【００８５】
また、表面硬化処理を行っていない状態では、第一開閉弁１０ａを閉鎖状態とし、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを連通状態とし、第三開閉弁１０ｃから窒素ガスなどの清浄なガスを導入することにより、水素濃度検出手段４のゼロ点調整を行うことが可能となる。また、水素濃度が明確なガス（標準水素ガス）を水素濃度検出手段４へ導入することにより、水素濃度検出手段４のスパン調整を行うことが可能となり、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
【００８６】
（２）本実施形態の表面硬化処理装置１では、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８を、マスフローコントローラにより形成したが、これに限定するものではない。すなわち、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８を、安価な手動式のフロー式流量計で形成するとともに、流量を予め設定した複数個のガス流量計をフロー式流量計及び自動開閉弁と組み合わせて、第一炉内導入ガス供給量制御部３０及び第二炉内導入ガス供給量制御部３８を形成してもよい。
【００８７】
（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態（以下、「本実施形態」と記載する）について、図面を参照しつつ説明する。
（構成）
図３は、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成を示す図である。
図３中に示すように、本実施形態の表面硬化処理装置１の構成は、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の構成と、配管温度制御手段４６を備えている点を除き、上述した第一実施形態と同様であるため、以下の説明は、配管温度制御手段４６に関する部分を中心に記載する。なお、図３中では、処理炉２、水素濃度検出手段４、水素濃度検出配管２２、開閉弁１０及び配管温度制御手段４６以外の図示を省略している。
【００８８】
水素濃度検出配管２２は、処理炉２と水素濃度検出手段４とを連通する第一配管２２ａと、処理炉２と第一配管２２ａとを連通する第二配管２２ｂと、第一配管２２ａと連通する第三配管２２ｃから形成されている。
開閉弁１０は、第一配管２２ａに介装する第一開閉弁１０ａと、第二配管２２ｂに介装する第二開閉弁１０ｂと、第三配管２２ｃに介装する第三開閉弁１０ｃから形成されている。
配管温度制御手段４６は、線状のヒーターを用いて形成されており、水素濃度検出配管２２の温度を制御する。
【００８９】
具体的には、配管温度制御手段４６は、水素濃度検出配管２２内で炉内ガスが固体として析出しないように、炉内導入ガスの種類に応じて、水素濃度検出配管２２の温度を、２５〜４５０℃の範囲内に制御する。
具体的には、配管温度制御手段４６は、表面硬化処理がガス窒化処理であり、炉内導入ガスの種類が、処理炉２内で塩化水素ガスが発生するようなガスである場合は、水素濃度検出配管２２の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御する。
また、配管温度制御手段４６は、表面硬化処理がガス軟窒化処理である場合は、水素濃度検出配管２２の温度を６０〜１００℃の範囲内に制御する。
その他の構成は、上述した第一実施形態と同様である。
【００９０】
（動作）
以下、図３を参照して、被処理品の表面硬化処理を行う際の、本実施形態の表面硬化処理装置１の動作について説明する。なお、本実施形態の表面硬化処理装置１の動作は、配管温度制御手段４６が行う動作を除き、上述した第一実施形態と同様であるため、以下の説明は、配管温度制御手段４６が行う動作を中心に記載する。また、以下の説明は、表面硬化処理をガス窒化処理とした場合について記載する。
【００９１】
表面硬化処理を行う際には、処理炉２内に被処理品Ｓを配置した後、混合ガスを処理炉２内へ導入し、処理炉２内の雰囲気を攪拌する。
このとき、配管温度制御手段４６は、表面硬化処理がガス窒化処理であり、炉内導入ガスの種類が、処理炉２内で塩化水素ガスが発生するようなガスであるため、水素濃度検出配管２２の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御する。
【００９２】
配管温度制御手段４６が、水素濃度検出配管２２の温度を３４０〜４５０℃の範囲内に制御すると、炉内ガスが水素濃度検出配管２２内で固体として析出することを抑制した状態で、表面硬化処理を行うことが可能となる。これにより、水素濃度検出手段４の検出精度の低下を抑制し、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持した状態で、表面硬化処理を行うことが可能となる。
【００９３】
（第二実施形態の効果）
以下、本実施形態の効果を記載する。
（１）本実施形態の表面硬化処理装置１では、配管温度制御手段４６が、炉内導入ガスの種類に応じて、水素濃度検出配管２２の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することにより、炉内ガスが水素濃度検出配管２２内で固体として析出することを抑制する。
【００９４】
このため、ガス窒化処理やガス軟窒化処理等、塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムが水素濃度検出配管２２内で析出するおそれのある表面硬化処理において、水素濃度検出配管２２内における塩化アンモニウムや炭酸アンモニウムの析出を抑制することが可能となる。
その結果、炭酸アンモニウムの析出や処理炉２内における塩化水素の発生を抑制することが可能となるため、水素濃度検出手段４の検出精度を長期間に亘って維持することが可能となる。
【００９５】
（第一実施例）
上述した第一実施形態の表面硬化処理装置（以下、「第一発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第一実施形態の表面硬化処理装置とは構成が異なる装置（以下、「第一比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
なお、第一発明例及び第一比較例共に、処理炉として、ピット型ガス窒化炉（処理重量：５０ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、処理炉内の温度を５７０℃とし、アンモニアガスの処理炉への導入量を、マスフローコントローラにより、１．６ｍ３／ｈに制御し、また、窒素ガスの処理炉への導入量を、マスフローコントローラにより、０．４ｍ３／ｈに制御して、窒化ポテンシャルＫＮが３．３となるように、ガス窒化処理を行った。
【００９６】
ここで、第一発明例では、ＮＨ３：Ｎ２＝８０：２０という混合ガスの混合比率を基にして、ガス導入量制御手段により、窒化ポテンシャルＫＮが３．０となるための水素濃度の設定値と、水素濃度検出手段により検出した炉内ガスの水素濃度とを比較し、アンモニアガス及び窒素ガスのマスフローコントローラに対して、それぞれ、設定炉内ガス混合比率であるＮＨ３：Ｎ２＝８０：２０を保持した状態で、アンモニアガス及び窒素ガスの処理炉内への合計導入量を制御することにより、窒化ポテンシャルＫＮを制御した。
【００９７】
一方、第一比較例では、窒素ガスの処理炉内への導入量のみを制御することにより、窒化ポテンシャルＫＮを制御した。
以下、炉内ガスの水素濃度（炉内水素濃度）、炉内ガスのアンモニア濃度（炉内アンモニア濃度）、処理炉内の雰囲気の窒化ポテンシャル（窒化ポテンシャルＫＮ）を測定した結果を、表１に示す。
【００９８】
【表１】
【００９９】
表１中に示されているように、第一発明例では、窒化ポテンシャルＫＮを、３．３
と、精度良く制御することができた。また、炉内水素濃度を２７．４％、炉内アンモニア濃度を４７．２％に、それぞれ、制御することが可能であった。
これに対し、第一比較例では、窒化ポテンシャルＫＮの制御が不可能であった。また、炉内水素濃度を２７．４％に制御することが可能であったものの、炉内アンモニア濃度は計算不能であった。
これは、第一比較例では、水素濃度検出手段により炉内ガスの水素濃度のみを検出することは可能であったが、炉内ガス中における炉内ガス組成が不明であったため、検出した水素濃度からアンモニア濃度を求めることができず、窒化ポテンシャルＫＮの演算が不可能であったためである。
【０１００】
（第二実施例）
上述した第二実施形態の表面硬化処理装置（以下、「第二発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第二実施形態の表面硬化処理装置とは構成が異なる装置（以下、「第二比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１０１】
ここで、図４を参照して、第二比較例の表面硬化処理装置１の構成を説明する。
図４は、比較例の表面硬化処理装置１の構成を示す図である。
図４中に示すように、比較例の表面硬化処理装置１は、開閉弁を備えていない点を除き、第一発明例（図１参照）と同様の構成である。なお、図４中では、処理炉２及び水素濃度検出手段４以外の図示を省略している。
【０１０２】
なお、第二発明例及び第二比較例共に、処理炉として、バッチ型ガス軟窒化炉（処理重量：６００ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、処理炉内の温度を５８０℃とし、アンモニアガスの処理炉への導入量を８ｍ３／ｈ、窒素ガスの処理炉への導入量を５ｍ３／ｈ、二酸化炭素ガスの処理炉への導入量を０．４ｍ３／ｈに制御して、３時間のガス軟窒化処理を、５ロット／日で５日間／週の期間行った。
【０１０３】
ここで、第二発明例では、配管温度制御手段４６により、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の温度を６０℃に制御し、さらに、水素濃度検出手段４付近の温度を８０℃に制御した。これに加え、第二発明例では、被処理品の温度が５８０℃に到達してから冷却する前の、ガス軟窒化処理期間のみ、第一開閉弁１０ａ及び第二開閉弁１０ｂを連通状態として、水素濃度検出手段４により炉内ガスの水素濃度を検出した。また、被処理品の冷却中は、第一開閉弁１０ａを閉鎖状態とし、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを連通状態として、窒素ガスを５分間流すことにより、水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部をパージした。その後、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃを閉鎖状態として、センサ部と、第一開閉弁１０ａ、第二開閉弁１０ｂ及び第三開閉弁１０ｃにより囲まれた水素濃度検出配管２２内の空間を窒素ガスで封入しておき、この状態を、次に行う表面硬化処理における処理炉２内の昇温が完了するまで保持した。
【０１０４】
一方、第二比較例では、水素濃度検出手段４のセンサ部付近の温度を４０℃に制御した。
以下、水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部の汚染状況（接続配管及びセンサー部の汚染状況）と、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度の標準水素ガスによる誤差のチェック結果（熱伝導度センサー値の標準水素ガスによる誤差チェック結果）を測定した結果を、表２に示す。
【０１０５】
【表２】
【０１０６】
表２中に示されているように、第二比較例では、１ロット目から水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部に析出した炭酸アンモニウムと被処理品からの油分や汚れが付着し始めた。また、３ロットが終了した時点において、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して約１０％の誤差が生じていたことが確認された。
【０１０７】
これに対し、第二発明例では、１０ロットを処理した後においても、水素濃度検出配管２２、開閉弁１０及び水素濃度検出手段４のセンサ部に、炭酸アンモニウムの析出は発生していなかった。また、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが確認された。さらに、第二発明例では、４ヶ月経過した後に、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが確認された。
【０１０８】
（第三実施例）
上述した第一実施形態の表面硬化処理装置（以下、「第三発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第一実施形態の表面硬化処理装置とは構成が異なる装置（以下、「第三比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１０９】
なお、第三発明例及び第三比較例共に、処理炉として、バッチ型ガス軟窒化炉（処理重量：６００ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、処理炉内の温度を５８０℃とし、アンモニアガスの処理炉への導入量を８ｍ３／ｈ、窒素ガスの処理炉への導入量を５ｍ３／ｈ、二酸化炭素ガスの処理炉への導入量を０．４ｍ３／ｈに制御して、３時間のガス軟窒化処理を、被処理品（Ｓ４５Ｃ材及びＳＣＭ４４０材）に対して行った。
【０１１０】
ここで、第三発明例では、処理炉内の昇温が完了した後、３時間のガス軟窒化処理を行う間は、窒化ポテンシャルＫＮが３．１（Ｎ２：２３％，ＮＨ３：３５％）となるように、アンモニアガス及び窒素ガスの処理炉内への導入量を保持した状態で、アンモニアガス及び窒素ガスの処理炉内への合計導入量を制御することにより、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１１１】
一方、第三比較例では、処理炉内の昇温が完了した後、３時間のガス軟窒化処理を行う間は、処理炉内の雰囲気を制御せずに、アンモニアガス、窒素ガス及び二酸化炭素ガスの処理炉への導入量を、それぞれ、上記の値に保持した。
以下、炉内導入ガスの使用量（ガス使用量）、表面硬化処理装置の窒化性能（窒化性能）を測定した結果を、表３に示す。
【０１１２】
【表３】
【０１１３】
表３中に示されているように、第三発明例では、表面硬化処理装置の窒化性能を第三比較例と同様に保持した状態で、炉内導入ガスの使用量を大幅に削減することが可能となり、表面硬化処理に要するランニングコストを減少させて、経済的効果を達成するとともに、大気中へのガス排出量を減少させて、環境の悪化を抑制することが可能となることが確認された。
【０１１４】
（第四実施例）
上述した第二実施形態の表面硬化処理装置と同様の各種センサ及び配管温度制御手段を備え、表面硬化処理として真空浸炭処理を行う構成の表面硬化処理装置（以下、「第四発明例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合と、第二比較例と同様の構成を有する装置（以下、「第四比較例」と記載する）により表面硬化処理を行った場合に対し、処理炉内の雰囲気を制御した。
【０１１５】
なお、第四発明例及び第四比較例共に、処理炉として、バッチ型真空浸炭炉（処理重量：６００ｋｇ／ｇｒｏｓｓ）を備え、まず、処理炉内の温度を９５０℃として、１５ｍｉｎの浸炭、３０ｍｉｎの拡散、７ｍｉｎの浸炭、４５ｍｉｎの拡散を順に行い、その後、処理炉内の温度を８５０℃として、３０ｍｉｎの保持を行った後、６０℃の油中において、被処理品を焼入れした。さらに、処理炉内の圧力を１０６７Ｐａとして、２時間の間、プロパンガスの処理炉への導入量を３０Ｌ／ｍ、窒素ガスの処理炉への導入量を２０Ｌ／ｍに制御して、２ロット／日で５日間／週の期間、真空浸炭処理を行った。
ここで、第四発明例では、配管温度制御手段４６により、水素濃度検出配管２２及び開閉弁１０の温度を６０℃に制御し、さらに、水素濃度検出手段４付近の温度を８０℃に制御した。
【０１１６】
一方、第四比較例では、水素濃度検出手段４のセンサ部付近の温度を４０℃に制御した。
以下、水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部の汚染状況（接続配管及びセンサー部の汚染状況）と、水素濃度検出手段４が検出した水素濃度の標準水素ガスによる誤差のチェック結果（熱伝導度センサー値の標準水素ガスによる誤差チェック結果）を測定した結果を、表４に示す。
【０１１７】
【表４】
【０１１８】
表４中に示されているように、第四比較例では、１ロット目から水素濃度検出配管２２及び水素濃度検出手段４のセンサ部に、煤やタールが付着し始めた。また、１０ロットが終了した時点において、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して約２０％の誤差が生じていたことが確認された。
【０１１９】
これに対し、第四発明例では、１０ロットを処理した後においても、水素濃度検出配管２２、開閉弁１０及び水素濃度検出手段４のセンサ部に、煤やタールの付着は発生していなかった。また、１０ロットが終了した時点において、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが発見された。さらに、第四発明例では、３ヶ月経過した後に、標準水素ガスにより、水素濃度検出手段４の精度をチェックしたところ、フルスケールに対して０．５％以内の誤差しか生じていないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明に係る表面硬化処理装置及び表面硬化処理方法は、金属材料からなる、自動車、建設機械、各種産業機械等の部品や金型に対する、窒化、軟窒化、浸炭、浸炭窒化等の表面硬化処理に利用することが可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 表面硬化処理装置
２ 処理炉
４ 水素濃度検出手段
６ 調節計
８ 記録計
１０ 開閉弁（第一開閉弁１０ａ、第二開閉弁１０ｂ、第三開閉弁１０ｃ）
１２ 開閉弁切換え制御手段
１４ 炉内導入ガス供給部
１６ 攪拌ファン
１８ 攪拌ファン駆動モータ
２０ 炉内温度計測手段
２２ 水素濃度検出配管（第一配管２２ａ、第二配管２２ｂ、第三配管２２ｃ）
２４ 炉内ガス組成演算手段
２６ ガス導入量制御手段
２８ 第一炉内導入ガス供給部
３０ 第一炉内導入ガス供給量制御部
３２ 第一供給弁
３４ 第一炉内導入ガス流量計
３６ 第二炉内導入ガス供給部
３８ 第二炉内導入ガス供給量制御部
４０ 第二供給弁
４２ 第二炉内導入ガス流量計
４４ 炉内導入ガス導入配管
４６ 配管温度制御手段
Ｓ 被処理品
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理装置であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記水素濃度検出手段が検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する炉内ガス組成演算手段と、
前記炉内ガス組成演算手段が演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御手段と、を備えることを特徴とする表面硬化処理装置。
【請求項２】
前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間に介装し、前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通させる連通状態と、前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間を閉鎖する閉鎖状態と、を切換可能な開閉弁と、
前記ガス導入量制御手段の動作状態に応じて前記開閉弁を前記連通状態または前記閉鎖状態に切り換える開閉弁切換え制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載した表面硬化処理装置。
【請求項３】
前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通する水素濃度検出配管と、
前記水素濃度検出配管の温度を制御する配管温度制御手段と、を備え、
前記配管温度制御手段は、前記水素濃度検出配管内で前記炉内ガスが固体として析出しないように、前記炉内導入ガスの種類に応じて前記水素濃度検出配管の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することを特徴とする請求項１または２に記載した表面硬化処理装置。
【請求項４】
処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理方法であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出し、
前記検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算し、
前記演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御することを特徴とする表面硬化処理方法。
【請求項１】
処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理装置であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記水素濃度検出手段が検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算する炉内ガス組成演算手段と、
前記炉内ガス組成演算手段が演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御するガス導入量制御手段と、を備えることを特徴とする表面硬化処理装置。
【請求項２】
前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間に介装し、前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通させる連通状態と、前記処理炉と前記水素濃度検出手段との間を閉鎖する閉鎖状態と、を切換可能な開閉弁と、
前記ガス導入量制御手段の動作状態に応じて前記開閉弁を前記連通状態または前記閉鎖状態に切り換える開閉弁切換え制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載した表面硬化処理装置。
【請求項３】
前記処理炉と前記水素濃度検出手段とを連通する水素濃度検出配管と、
前記水素濃度検出配管の温度を制御する配管温度制御手段と、を備え、
前記配管温度制御手段は、前記水素濃度検出配管内で前記炉内ガスが固体として析出しないように、前記炉内導入ガスの種類に応じて前記水素濃度検出配管の温度を２５〜４５０℃の範囲内に制御することを特徴とする請求項１または２に記載した表面硬化処理装置。
【請求項４】
処理炉内で水素を発生する少なくとも一種類の炉内導入ガスを含む複数種類の炉内導入ガスを前記処理炉内へ導入して、前記処理炉内に配置した被処理品の表面硬化処理を行う表面硬化処理方法であって、
前記処理炉内の炉内ガスの熱伝導度に基づいて、前記炉内ガスの水素濃度を検出し、
前記検出した水素濃度に基づいて、前記炉内ガスの組成である炉内ガス組成を演算し、
前記演算した炉内ガス組成と予め設定した設定炉内ガス混合比率に応じて、前記炉内ガス組成が前記設定炉内ガス混合比率となるように、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への導入量の比率である炉内導入ガス流量比率を一定値に保持した状態で、前記複数種類の前記炉内導入ガスの前記処理炉内への合計導入量を制御する、または、前記炉内導入ガス流量比率が変化するように前記複数種類の炉内導入ガスの導入量を個別に制御することを特徴とする表面硬化処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２６６２７（Ｐ２０１１−２６６２７Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７０３４５（Ｐ２００９−１７０３４５）
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（３９１０２４２０５）オリエンタルエンヂニアリング株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（３９１０２４２０５）オリエンタルエンヂニアリング株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
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