特開 2022-32014 窒化装置、窒化方法および分子エネルギー放射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022032014

(43)【公開日】2022-02-24

(54)【発明の名称】窒化装置、窒化方法および分子エネルギー放射装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 8/24 20060101AFI20220216BHJP

【ＦＩ】

C23C8/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020135474

(22)【出願日】2020-08-10

(71)【出願人】

【識別番号】520302305

【氏名又は名称】株式会社原隆雄分子エネルギー研究所

(71)【出願人】

【識別番号】597015081

【氏名又は名称】原 隆雄

(71)【出願人】

【識別番号】520301238

【氏名又は名称】石川 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100144886

【弁理士】

【氏名又は名称】大坪 賢吾

(72)【発明者】

【氏名】原 隆雄

【テーマコード（参考）】

4K028

【Ｆターム（参考）】

4K028AA02

4K028AC07

4K028AC08

(57)【要約】      （修正有）

【課題】従来の装置とは異なる構成で被処理体を窒化する窒化装置および窒化方法、さらには、この窒化装置および窒化方法に好適に用いられる分子エネルギー放射装置を提供する。
【解決手段】窒化装置１は、窒素含有ガスＧが導入される螺旋状管と、被処理体Ｑが収容される収容部４１１と、を有し、螺旋状管内で窒素含有ガスＧに含まれる窒素を振動回転させてエネルギーを放射させ、当該エネルギーによって被処理体を加熱し、振動回転した窒素が加熱された被処理体に衝突することにより、被処理体に前記窒素が浸透して被処理体が窒化される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素含有ガスが導入される螺旋状管と、
被処理体が収容される収容部と、を有し、
前記螺旋状管内で前記窒素含有ガスに含まれる窒素を振動回転させてエネルギーを放射させ、前記エネルギーによって前記被処理体を加熱し、前記振動回転した前記窒素が加熱された前記被処理体に衝突することにより、前記被処理体に前記窒素が浸透して前記被処理体が窒化されることを特徴とする窒化装置。

【請求項2】

前記螺旋状管は、第１螺旋状管と、前記第１螺旋状管よりも小径で、前記第１螺旋状管の内側に配置された第２螺旋状管とを有する請求項１に記載の窒化装置。

【請求項3】

前記螺旋状管内のエネルギー放射の温度を制御する温度制御部を有する請求項１または２に記載の窒化装置。

【請求項4】

前記温度制御部は、ヒーターを有する請求項３に記載の窒化装置。

【請求項5】

前記窒素含有ガスを前記螺旋状管に循環させる循環部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化装置。

【請求項6】

窒素含有ガスを螺旋状管に導入し、
被処理体を収容部に収容し、
前記螺旋状管内で前記窒素含有ガスに含まれる窒素を振動回転させてエネルギーを放射させ、前記エネルギーによって前記被処理体を加熱し、前記振動回転した前記窒素を加熱された前記被処理体に衝突させることにより、前記被処理体に前記窒素を浸透させて前記被処理体を窒化することを特徴とする窒化方法。

【請求項7】

窒素含有ガスが導入される螺旋状管を有し、
前記螺旋状管内で前記窒素含有ガスに含まれる窒素を振動回転させてエネルギーを放射させることを特徴とするエネルギー放射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化装置、窒化方法および分子エネルギー放射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、非処理体表面の耐摩耗性を向上させる表面処理の１つとして、硬度の高い窒化化合物の層を表面に形成する窒化処理が知られている。また、その方法として、ガス窒化処理とプラズマ窒化処理とが知られている。このうち、ガス窒化処理では、被処理体の周囲にアンモニアガスなどの窒素含有ガスを供給し、被処理体を加熱することで表面に窒素含有ガス由来の窒素を拡散させる。拡散した窒素は表面原子と結合し、窒化化合物の層が形成される。一方、プラズマ窒化処理では、陰極としての被処理体と陽極との間に窒素含有ガスを供給し、被処理体と陽極との間にプラズマを発生させる。すると、プラズマ中の窒素イオンを被処理体の表面が衝突し、衝突した窒素イオンが表面原子と結合することにより、被処理体の表面に窒化化合物の層が形成される（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－０８４７９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このように、窒化処理の方法として複数の方法が既に知られているが、本発明は、このような従来の方法とは異なる方法で窒化処理を行うことのできる窒化装置および窒化方法、さらには、この窒化装置および窒化方法に好適に用いられる分子エネルギー放射装置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】

【0005】

このような目的は、以下（１）～（７）の本発明により達成される。

【0006】

（１） 窒素含有ガスが導入される螺旋状管と、
被処理体が収容される収容部と、を有し、
前記螺旋状管内で前記窒素含有ガスに含まれる窒素を振動回転させて分子エネルギーを放射させ、前記分子エネルギーによって前記被処理体を加熱し、前記振動回転した前記窒素が加熱された前記被処理体に衝突することにより、前記被処理体に前記窒素が浸透して前記被処理体が窒化されることを特徴とする窒化装置。

【0007】

（２） 前記螺旋状管は、第１螺旋状管と、前記第１螺旋状管よりも小径で、前記第１螺旋状管の内側に配置された第２螺旋状管とを有する上記（１）に記載の窒化装置。

【0008】

（３） 前記螺旋状管内の前記分子エネルギー放射物質の温度を制御する温度制御部を有する上記（１）または（２）に記載の窒化装置。

【0009】

（４） 前記温度制御部は、ヒーターを有する上記（３）に記載の窒化装置。

【0010】

（５） 前記窒素含有ガスを前記螺旋状管に循環させる循環部を有する上記（１）から（４）のいずれかに記載の窒化装置。

【0011】

（６） 窒素含有ガスを螺旋状管に導入し、
被処理体を収容部に収容し、
前記螺旋状管内で前記窒素含有ガスに含まれる窒素を振動回転させて分子エネルギーを放射させ、前記分子エネルギーによって前記被処理体を加熱し、前記振動回転した前記窒素を加熱された前記被処理体に衝突させることにより、前記被処理体に前記窒素を浸透させて前記被処理体を窒化することを特徴とする窒化方法。

【0012】

（７） 窒素含有ガスが導入される螺旋状管を有し、
前記螺旋状管内で前記窒素含有ガスに含まれる窒素を振動回転させて分子エネルギーを放射させることを特徴とする分子エネルギー放射装置。

【発明の効果】

【0013】

このような本発明によれば、従来とは全く異なる構成で被処理体の窒化処理を行うことができる。さらに、分子の振動回転によるエネルギー放射を利用して窒化処理を行うため、ガス窒化処理における被処理体の加熱（外部から与えられる熱による加熱）や、プラズマ窒化処理におけるプラズマの発生等の煩雑な作業が不要であり、より簡単かつ効率的に窒化処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、窒化装置を示す全体図である。

【図2】図２は、処理部を示す平面図である。

【図3】図３は、処理部を示す断面図である。

【図4】図４は、循環部を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１に示す窒化装置１は、内部に収容した被処理体Ｑを窒化する装置である。窒化装置１は、４つの管を四角環状に繋げた構成であり、その内部を窒素含有ガスＧが矢印Ａの方向に循環する。このような窒化装置１は、窒化装置１内に窒素含有ガスＧを循環させる循環部３と、窒素含有ガスＧに含まれる窒素分子Ｎ_２を振動回転させて窒素分子Ｎ_２からエネルギー（分子エネルギー）を放射させるエネルギー放射部２（エネルギー放射装置）と、エネルギー放射部２の下流側端部と循環部３の上流側端部とを接続する第１接続部４１と、循環部３の下流側端部とエネルギー放射部２の上流側端部とを接続する第２接続部４２と、を有する。また、第１接続部４１の途中には被処理体Ｑを収容する収容部４１１が設けられている。

【0016】

エネルギー放射部２および循環部３は、Ｙ軸方向に並んで配置され、それぞれ、Ｘ軸方向に延在する。また、エネルギー放射部２の下流側端部と循環部３の上流側端部とがＹ軸方向に対向し、循環部３の下流側端部とエネルギー放射部２の上流側端部とがＹ軸方向に対向している。第１接続部４１および第２接続部４２は、Ｘ軸方向に並んで配置され、それぞれ、Ｙ軸方向に延在する。このような構成によれば、第１接続部４１および第２接続部４２の全長を短くでき、窒化装置１内で窒素含有ガスＧを効率的に循環させることができる。そのため、窒化装置１の処理効率が向上する。なお、図中のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、本実施形態ではＺ軸方向が鉛直方向に沿っている。

【0017】

ただし、窒化装置１の構成は、特に限定されない。例えば、エネルギー放射部２、第１接続部４１および循環部３を一列に並べて配置し、循環部３の下流側端部とエネルギー放射部２の上流側端部を繋ぐために第２接続部４２を湾曲、屈曲させた構成であってもよい。また、第１接続部４１および第２接続部４２の少なくとも一方を省略し、エネルギー放射部２と循環部３とを直に繋げてもよい。

【0018】

また、図２および図３に示すように、エネルギー放射部２は、螺旋状管Ｒを有する。特に、本実施形態のエネルギー放射部２は、２本の螺旋状管Ｒを有する。具体的には、エネルギー放射部２は、第１螺旋状管Ｒ１と、第１螺旋状管Ｒ１よりも小径で、第１螺旋状管Ｒ１の内側に第１螺旋状管Ｒ１と同心的に配置された第２螺旋状管Ｒ２と、を有する。

【0019】

第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ、Ｘ軸まわりに回転しながらＸ軸方向に延びる螺旋状をなす。これら第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内に窒素含有ガスＧが導入されると、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内で窒素含有ガスＧ中の窒素分子Ｎ_２に振動回転が生じ、この振動回転によって高温高圧となった窒素分子Ｎ_２からエネルギーが放射される。そして、窒素分子Ｎ_２がエネルギーを放射しながら収容部４１１に到達し、当該エネルギーを収容部４１１内の被処理体Ｑが吸収することによって被処理体Ｑが高温に加熱される。

【0020】

ただし、螺旋状管Ｒの構成は、特に限定されない。例えば、第１螺旋状管Ｒ１および第２螺旋状管Ｒ２のいずれか一方を省略してもよい。また、第１螺旋状管Ｒ１および第２螺旋状管Ｒ２に加えて、１つまたは複数の螺旋菅を追加してもよい。この場合、追加した螺旋状管を第１螺旋状管Ｒ１の外側に同心的に配置してもよいし、第２螺旋状管の内側に同心的に配置してもよいし、別の場所に配置してもよい。

【0021】

また、エネルギー放射部２は、エネルギー放射の温度、具体的には、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内の窒素含有ガスＧの温度、特にこれに含まれる窒素の温度を制御する温度制御部２９を有する。温度制御部２９は、少なくとも１つのヒーターを有する。本実施形態では、温度制御部２９は、第１螺旋状管Ｒ１と第２螺旋状管Ｒ２との間に配置された複数（６本）の第１ヒーター２９１と、第１螺旋状管Ｒ１の内側に配置された１本の第２ヒーター２９２と、を有する。複数の第１ヒーター２９１は、それぞれ、Ｘ軸方向に延びた棒状であり、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２の周方向に沿ってほぼ等間隔に配置されている。また、第２ヒーター２９２は、Ｘ軸方向に延びた棒状であり、第１螺旋状管Ｒ１と同心的に配置されている。

【0022】

なお、温度制御部２９の構成は、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内の窒素含有ガスＧの温度を制御することができれば、特に限定されない。例えば、第１ヒーター２９１および第２ヒーター２９２の数や配置は、特に限定されない。また、例えば、第１ヒーター２９１および第２ヒーター２９２の少なくとも一方を省略してもよい。また、第１ヒーター２９１および第２ヒーター２９２に加えて、これらとは別の位置に、第３ヒーターを追加してもよい。また、温度制御部２９は、窒素含有ガスＧを加熱する上述のようなヒーターに加えて窒素含有ガスＧを冷却する冷却機構を備えていてもよい。これにより、窒素含有ガスＧの温度制御が容易となり、窒素含有ガスＧの温度をより安定させることができる。また、温度制御部２９を省略することもできる。

【0023】

図２および図３に示すように、エネルギー放射部２は、円筒状の第１筒２１と、第１筒２１の内側に配置され、第１筒２１よりも小径な円筒状の第２筒２２と、第２筒２２の内側に配置され、第２筒２２よりも小径な円筒状の第３筒２３と、第３筒２３の内側に配置され、第３筒２３よりも小径な円筒状の第４筒２４とを備え、第１筒２１、第２筒２２、第３筒２３および第４筒２４が互いに同心的に配置された四重菅２０を有する。そして、第２筒２２と第３筒２３との間の空間Ｓ２内に第１ヒーター２９１が配置され、第４筒２４の内側に第２ヒーター２９２が配置されている。

【0024】

また、エネルギー放射部２は、第１筒２１と第２筒２２との間の空間Ｓ１内に配置された第１螺旋状板２５を有する。第１螺旋状板２５は、Ｘ軸まわりに回転しながらＸ軸方向に延びた螺旋状をなし、その内周部が第２筒２２の外周面に接し、その外周部が第１筒２１の内周面に接している。そのため、第１螺旋状板２５によって空間Ｓ１が螺旋状に仕切られ、これにより、第１螺旋状管Ｒ１が形成される。つまり、第１螺旋状管Ｒ１は、第１筒２１、第２筒２２および第１螺旋状板２５によって形成されている。このような構成によれば、第１螺旋状管Ｒ１を比較的簡単に形成することができる。ただし、第１螺旋状管Ｒ１の構成は、特に限定されない。例えば、第１螺旋状板２５の内周部と第２筒２２の外周面との間に隙間が形成されていてもよいし、その外周部と第１筒２１の内周面との間に隙間が形成されていてもよい。また、例えば、長尺な管を螺旋状に巻いて第１螺旋状管Ｒ１を形成してもよい。

【0025】

また、エネルギー放射部２は、第３筒２３と第４筒２４との間の空間Ｓ３内に配置された第２螺旋状板２６を有する。第２螺旋状板２６は、第１螺旋状板２５と同様に、Ｘ軸まわりに回転しながらＸ軸方向に延びた螺旋状をなし、その内周部が第４筒２４の外周面に接合し、その外周部が第３筒２３の内周面に接している。そのため、第２螺旋状板２６によって空間Ｓ３が螺旋状に仕切られ、これにより、第２螺旋状管Ｒ２が形成される。つまり、第２螺旋状管Ｒ２は、第３筒２３、第４筒２４および第２螺旋状板２６によって形成されている。このような構成によれば、第２螺旋状管Ｒ２を比較的簡単に形成することができる。ただし、第２螺旋状管Ｒ２の構成は、特に限定されない。例えば、第２螺旋状板２６の内周部と第４筒２４の外周面との間に隙間が形成されていてもよいし、その外周部と第３筒２３の内周面との間に隙間が形成されていてもよい。また、例えば、長尺な管を螺旋状に巻いて第２螺旋状管Ｒ２を形成してもよい。

【0026】

また、第１螺旋状板２５は、外周側が上流側に傾斜している。つまり、第１螺旋状板２５は、外周端が内周端よりも上流側に位置するように傾斜している。そのため、第１螺旋状管Ｒ１内を流れる窒素含有ガスＧは、図３中の矢印Ｂ１で示すように、第１螺旋状板２５によって第１螺旋状管Ｒ１の内周側に誘導され、第１螺旋状管Ｒ１の内周側に偏りながら第１螺旋状管Ｒ１内を流れる。一方、第２螺旋状板２６は、第１螺旋状板２５とは逆に、外周側が下流側に傾斜している。つまり、第２螺旋状板２６は、外周端が内周端よりも下流側に位置するように傾斜している。そのため、第２螺旋状管Ｒ２内を流れる窒素含有ガスＧは、図３中の矢印Ｂ２で示すように、第２螺旋状板２６によって第２螺旋状管Ｒ２の外周側に誘導され、第２螺旋状管Ｒ２の外周側に偏りながら第２螺旋状管Ｒ２内を流れる。これにより、窒素含有ガスＧが第１ヒーター２９１の近くを流れ、第１ヒーター２９１によって窒素含有ガスＧの温度を精度よく制御することができると共に、窒素含有ガスＧの温度が安定する。

【0027】

ただし、これに限定されず、第１螺旋状板２５は、外周側が下流側に傾斜していてもよい。また、第２螺旋状板２６は、外周側が上流側に傾斜していてもよい。また、第１螺旋状板２５と第２螺旋状板２６の傾きの方向が同じであってもよい。すなわち、第１螺旋状板２５および第２螺旋状板２６が共に、外周側が上流側に傾斜していてもよし、この逆であってもよい。

【0028】

また、第２螺旋状板２６のピッチＰ２は、第１螺旋状板２５のピッチＰ１よりも小さい。つまり、Ｐ２＜Ｐ１である。そのため、第２螺旋状管Ｒ２の巻き数が第１螺旋状管Ｒ１の巻き数よりも多い。このように、第１螺旋状管Ｒ１よりも小径な第２螺旋状管Ｒ２の巻き数を第１螺旋状管Ｒ１よりも多くすることにより、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２の全長差を小さくすることができ、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内の窒素分子Ｎ_２から同等のエネルギーを放射させることができる。そのため、被処理体Ｑを効率的に加熱することができる。ただし、これに限定されず、Ｐ２≧Ｐ１であってもよい。

【0029】

なお、第１螺旋状板２５の傾きθ１は、第２螺旋状板２６の傾きθ２よりも大きい。つまり、θ１＞θ２である。第１螺旋状管Ｒ１の方が、第２螺旋状管Ｒ２よりも大径であるため、その内部を窒素含有ガスＧが流れやすく、流速も出やすい。したがって、θ１＞θ２とすることにより、より効果的に、第１螺旋状管Ｒ１内を流れる窒素含有ガスＧを第１螺旋状管Ｒ１の内周側に誘導することができる。

【0030】

また、第１螺旋状板２５および第２螺旋状板２６は、互いに逆巻きの螺旋である。すなわち、第１螺旋状板２５および第２螺旋状板２６の一方が右回りの螺旋であり、他方が左回りの螺旋である。これにより、エネルギー放射部２内を窒素含有ガスＧがバランスよく流れるようになり、窒化処置の効率が向上する。ただし、これに限定されず、第１螺旋状板２５および第２螺旋状板２６は、互いに同じ向きに巻かれた螺旋であってもよい。

【0031】

このような四重菅２０、第１螺旋状板２５および第２螺旋状板２６は、例えば、ステンレス鋼で構成されている。また、第１螺旋状板２５および第２螺旋状板２６のＸ軸方向の長さは、例えば、８００ｍｍ～１５００ｍｍ程度であることが好ましく、１１００ｍｍ～１３００ｍｍ程度であることがより好ましい。

【0032】

また、第１螺旋状板２５の内径は、例えば、８０ｍｍ～１２０ｍｍ程度であることが好ましく、９０ｍｍ～１１０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、第１螺旋状板２５の外径は、例えば、１９０ｍｍ～２３０ｍｍ程度であることが好ましく、２１０～２２０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、第１螺旋状板２５のピッチＰ１は、例えば、６０ｍｍ～１００ｍｍ程度であることが好ましく、７０ｍｍ～９０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、第１螺旋状板２５の傾きθ１は、例えば、４０°～７０°程度であること好ましく、５０°～６０°程度であることがより好ましい。

【0033】

また、第２螺旋状板２６の内径は、例えば、５ｍｍ～４０ｍｍ程度であることが好ましく、１０ｍｍ～３０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、第２螺旋状板２６の外径は、例えば、４０ｍｍ～８０ｍｍ程度であることが好ましく、５０ｍｍ～７０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、第２螺旋状板２６のピッチＰ２は、例えば、３０ｍｍ～７０ｍｍ程度であることが好ましく、４０ｍｍ～６０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、第２螺旋状板２６の傾きθ２は、例えば、２０°～５０°程度であること好ましく、３０°～４０°程度であることがより好ましい。

【0034】

各部をこのようなサイズとすることにより、窒化装置１の窒化処理効率が向上する。ただし、各部のサイズは、上述した数値範囲に限定されず、適宜設定することができる。

【0035】

また、図４に示すように、循環部３は、円筒状の外筒３１と、外筒３１の内側に回転自在に配置されたスクリュー３２と、スクリュー３２を回転させる図示しないモーターと、を有する。このような循環部３によれば、スクリュー３２を回転させることにより、窒素含有ガスＧを矢印Ａの方向に流動させることができる。

【0036】

また、スクリュー３２は、外筒３１と同心的に配置され、外筒３１に対して回転可能に軸受けされた回転軸３２１と、回転軸３２１に固定されたスクリュー羽根３２２と、を有する。スクリュー羽根３２２は、Ｘ軸まわりに回転しながらＸ軸方向に延びた螺旋形状をなす。また、スクリュー羽根３２２のピッチＰは、窒素含有ガスＧの流動方向の上流側から下流側に向けて漸減している。つまり、上流側から下流側に向けてスクリュー羽根３２２のピッチＰが徐々に狭くなっている。

【0037】

なお、特に限定されないが、下流端部のピッチＰは、上流端部のピッチＰの３／４以下であることが好ましく、１／２以下であることがより好ましい。これにより、上述の効果がより顕著となる。また、スクリュー羽根３２２の傾きθは、窒素含有ガスＧの流動方向の上流側から下流側に向けて漸増している。つまり、上流側から下流側に向けてスクリュー羽根３２２の傾きθが徐々に大きくなっている。

【0038】

ここで、窒化装置１内を循環する窒素含有ガスＧの流速としては、エネルギー放射部２において窒素分子Ｎ_２の振動回転によるエネルギー放射が生じる限りなるべく遅い方が好ましい。これにより、窒素分子Ｎ_２のエネルギー放射が緩やかとなり、窒素分子Ｎ_２がエネルギー放射したまま、エネルギー放射部２の下流側に配置された被処理体Ｑに到達しやすくなる。そのため、被処理体Ｑの窒化処理が安定する。なお、窒素含有ガスＧの流速を高めすぎると、循環部３内で窒素含有ガスＧの過度な乱流回転が生じ、窒素含有ガスＧが過度に冷却されてしまい、窒化装置１内を循環する窒素含有ガスＧの温度が不安定となりやすい。そのため、流速を抑えることにより、このような問題が生じ難くなり、窒素含有ガスＧの温度を安定させることができる。

【0039】

なお、本実施形態では、スクリュー羽根３２２の外径を外筒３１の内径に対して若干小さくし、スクリュー羽根３２２と外筒３１の内周面との接触・干渉を防止しつつ、これらの間の隙間を極力小さくしている。これにより、外筒３１やスクリュー羽根３２２の損傷、スクリュー３２の回転抵抗の増大等を抑制しつつ、効率的に、窒素含有ガスＧを循環させることができる。ただし、これに限定されず、例えば、スクリュー羽根３２２の外径を外筒３１の内径と等しくし、スクリュー羽根３２２と外筒３１の内周面とを接触させ、これらの間の隙間をなくしてもよい。

【0040】

このような外筒３１およびスクリュー３２は、例えば、ステンレス鋼で構成されている。また、スクリュー羽根３２２のＸ軸方向の長さは、例えば、８００ｍｍ～１５００ｍｍ程度であることが好ましく、１１００ｍｍ～１３００ｍｍ程度であることがより好ましい。また、スクリュー羽根３２２の内径は、例えば、１０ｍｍ～６０ｍｍ程度であることが好ましく、２０ｍｍ～４０ｍｍ程度であることがより好ましい。また、スクリュー羽根３２２の外径は、例えば、１８０ｍｍ～２３０ｍｍ程度であること好ましく、１９０ｍｍ～２１０ｍｍ程度であることがより好ましい。

【0041】

また、スクリュー羽根３２２の上流端部のピッチＰは、例えば、８ｍｍ～１２ｍｍ程度であることが好ましく、９ｍｍ～１１ｍｍ程度であることがより好ましい。また、スクリュー羽根３２２の下流端部のピッチＰは、例えば、３ｍｍ～７ｍｍ程度であることが好ましく、４ｍｍ～６ｍｍ程度であることがより好ましい。また、スクリュー羽根３２２の上流端部の傾きθは、例えば、４０°～８０°程度であることが好ましく、５０°～７０°程度であることがより好ましい。また、スクリュー羽根３２２の下流端部の傾きθは、例えば、４５°～８５°程度であることが好ましく、５５°～７５°程度であることがより好ましい。

【0042】

このようなサイズとすることにより、循環部３の循環性能が向上し、窒素含有ガスＧをより安定して窒化装置１内で循環させることができる。ただし、各部のサイズは、上述した数値範囲に限定されず、適宜設定することができる。また、循環部３の構成は、窒化装置１内で窒素含有ガスＧを循環させることができれば、特に限定されない。

【0043】

第１接続部４１は、管状をなし、エネルギー放射部２の下流側端部と循環部３の上流側端部とを接続する。また、第１接続部４１の途中には、被処理体Ｑを収容する収容部４１１が設けられている。エネルギー放射部２を通過した窒素分子Ｎ_２は、エネルギーを放射しながら収容部４１１に到達し、窒素分子Ｎ_２から放射されたエネルギーは、収容部４１１内の被処理体Ｑに吸収され、被処理体Ｑが高温に加熱される。そして、高温に加熱された被処理体Ｑに振動回転する窒素分子Ｎ_２が衝突すると、窒素が分子状のまま或いは被処理体Ｑの表面において原子状に解離した後、被処理体Ｑに浸透（侵入）し、溶解する。これにより、被処理体Ｑの表面部分或いは全域が窒素と反応して窒化される。

【0044】

収容部４１１を第１接続部４１の途中に配置することにより、被処理体Ｑをエネルギー放射部２のすぐ下流側に配置することができ、窒素分子Ｎ_２がエネルギーを放射しながら被処理体Ｑに到達しやすくなる。そのため、上述した窒化処理がより効率的に行われる。ただし、収容部４１１の配置としては、上述の窒化処理を行うことができれば、特に限定されない。例えば、エネルギー放射部２の螺旋状菅Ｒの下流側に配置してもよい。

【0045】

第２接続部４２は、管状をなし、循環部３の下流側端部とエネルギー放射部２の上流側端部とを接続する。

【0046】

以上、窒化装置１の構成について説明した。次に、窒化装置１を用いた窒化方法について説明する。まず、収容部４１１に被処理体Ｑを配置する。被処理体Ｑとしては、特に限定されず、例えば、各種ガラス材料、各種金属材料等、如何なる材料であってもよい。

【0047】

次に、窒化装置１内に窒素含有ガスＧを充填する。窒素含有ガスＧには、少なくとも窒素が含まれている。窒素の含有率としては、特に限定されないが、高い程好ましく、１００％であることがより好ましい。これにより、窒化装置１内の窒素量が高まるし、窒素含有ガスＧに含まれる窒素以外のガス（例えば、水素Ｈ_２、酸素Ｏ_２等）による前記エネルギーの吸収のおそれが少なくなる。そのため、窒化処理の効率が向上する。また、窒素以外のガスが被処理体Ｑに浸透、溶解するおそれも少なくなる。そのため、窒化処理の純度も高まる。

【0048】

このような窒素含有ガスＧとしては、窒素ガスを用いることが最も好ましい。これにより、より効率的に、かつ、より高純度な窒化処理が可能となる。また、空気には窒素が約７８．０８Ｖｏｌ％含まれているため、空気を窒素含有ガスＧとして用いることもできる。これにより、窒化処理のコストを削減することができる。

【0049】

なお、窒化装置１内の気圧は、特に限定されないが、４気圧～１０気圧程度であることが好ましい。これにより、窒化装置１内が過度な高圧となるのを防ぎつつ、窒化装置１内により多くの窒素を導入することができる。そのため、窒化装置１の故障や損傷を防止しつつ、窒化処理の効率を高めることができる。

【0050】

窒化装置１内に窒素含有ガスＧを導入した後、スクリュー３２を回転させ、窒素含有ガスＧを窒化装置１内において矢印Ａ方向に循環させる。これにより、窒素含有ガスＧが第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内に導入される。

【0051】

窒素含有ガスＧが第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２に導入されると、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内において窒素分子Ｎ_２が振動回転し、窒素分子Ｎ_２が高温高圧となり、窒素分子Ｎ_２からエネルギーが放射される。この現象について、一部推測を交えて簡単に説明すると、窒素含有ガスＧが第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内に導入されると、窒素含有ガスＧが圧縮され、窒素含有ガスＧに圧力がかかる。すると、窒素含有ガスＧ中の窒素分子Ｎ_２同士に摩擦が生じ、分子同士がぶつかったり離れたりを繰り返して分子が振動および回転する。そして、振動および回転した窒素分子Ｎ_２に遠心力が加わり、この遠心力が一定以上の大きさになった時点で窒素分子Ｎ_２からエネルギーが放射される。

【0052】

そして、窒素分子Ｎ_２は、エネルギーを放射しながら第１接続部４１の収容部４１１に到達し、窒素分子Ｎ_２から放射されたエネルギーは、収容部４１１内の被処理体Ｑに吸収され、被処理体Ｑが高温に加熱される。そして、高温に加熱された被処理体Ｑに振動回転する窒素分子Ｎ_２が衝突すると、窒素が分子状のまま或いは被処理体Ｑの表面において原子状に解離した後、被処理体Ｑに浸透（侵入）し、溶解する。これにより、被処理体Ｑの表面部分或いは全域が窒素と反応して窒化され、当該部分に窒化化合物が生成される。

【0053】

なお、窒素は、約３５℃以上で動きが活発となり、上述のエネルギー放射が生じやすくなる。そこで、窒化装置１では、第１ヒーター２９１および第２ヒーター２９２を発熱させて、第１、第２螺旋状管Ｒ１、Ｒ２内を流れる窒素含有ガスＧの温度を３５℃以上、好ましくは６０℃以上に維持する。これにより、より確実に、窒素分子Ｎ_２からのエネルギー放射を生じさせ、被処理体Ｑを窒化することができる。

【0054】

ここで、前述したように、第１螺旋状管Ｒ１を形成する第１螺旋状板２５は、外周側が上流側に傾斜している。そのため、第１螺旋状管Ｒ１内を流れる窒素含有ガスＧは、第１螺旋状板２５によって第１螺旋状管Ｒ１の内周側に誘導され、第１螺旋状管Ｒ１の内周側に偏りながら第１螺旋状管Ｒ１内を流れる。したがって、窒素含有ガスＧが第１ヒーター２９１の近くを流れることとなり、第１ヒーター２９１によって窒素含有ガスＧの温度を精度よく制御することができ、窒素含有ガスＧの温度が安定する。これにより、窒素分子Ｎ_２から安定したエネルギー放射が生じる。第１螺旋状管Ｒ１の外周側にはヒーターが設置されておらず、窒素含有ガスＧが第１螺旋状管Ｒ１の外周側に偏ってしまうと、窒素含有ガスＧの温度が変動しやすく、窒素分子Ｎ_２からの安定したエネルギー放射が阻害されるおそれがある。

【0055】

また、前述したように、第２螺旋状管Ｒ２を形成する第２螺旋状板２６は、第１螺旋状板２５とは逆に、外周側が下流側に傾斜している。そのため、第２螺旋状管Ｒ２内を流れる窒素含有ガスＧは、矢印Ｂ２で示すように、第２螺旋状板２６によって第２螺旋状管Ｒ２の外周側に誘導され、第２螺旋状管Ｒ２の外周側に偏りながら第２螺旋状管Ｒ２内を流れる。したがって、窒素含有ガスＧが第１ヒーター２９１の近くを流れることとなり、第１ヒーター２９１によって窒素含有ガスＧの温度を精度よく制御することができ、窒素含有ガスＧの温度が安定する。これにより、窒素分子Ｎ_２から安定したエネルギー放射が生じる。

【0056】

このように、第１螺旋状板２５と第２螺旋状板２６との傾きを逆にし、第１螺旋状管Ｒ１内で窒素含有ガスＧを内周側に偏らせ、第２螺旋状管Ｒ２内で窒素含有ガスＧを外周側に偏らせることにより、エネルギー放射部２を流れる窒素含有ガスＧを第１ヒーター２９１の周囲に集めることができる。したがって、エネルギー放射部２を流れる窒素含有ガスＧの温度を精度よく制御することができ、窒素含有ガスＧの温度が安定する。

【0057】

以上のように、窒化装置１および窒化方法は、窒素分子Ｎ_２の振動回転により放射されるエネルギーを利用して被処理体Ｑを高温に加熱して窒化させるのであり、従来とは全く異なる構成および方法である。したがって、当該分野のさらなる発展に大きく寄与するものである。また、アンモニア等のガスの導入や、プラズマを発生させる必要ないため、従来よりも簡単かつ効率的に窒化処理を行うことができる。

【0058】

以上、本発明の窒化装置、窒化方法およびエネルギー放射装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、前記実施形態には他の任意の構成物が付加されていてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0059】

以上のように、本発明に係る窒化装置１は、窒素含有ガスＧが導入される螺旋状管Ｒと、被処理体Ｑが収容される収容部４１１と、を有し、螺旋状管Ｒ内で窒素含有ガスＧに含まれる窒素を振動回転させてエネルギーを放射させ、当該エネルギーによって被処理体Ｑを加熱し、振動回転した窒素が加熱された被処理体Ｑに衝突することにより、被処理体Ｑに前記窒素が浸透して被処理体Ｑが窒化される。このように、窒化装置１は、従来とは全く異なる構成および方法で被処理体Ｑを窒化する。また、窒化装置１によれば、簡単かつ効率的に窒化処理を行うことができる。したがって、その産業上の利用可能性は大きい。

【符号の説明】

【0060】

１ 窒化装置
２ エネルギー放射部
２０ 四重菅
２１ 第１筒
２２ 第２筒
２３ 第３筒
２４ 第４筒
２５ 第１螺旋状板
２６ 第２螺旋状板
２９ 温度制御部
２９１ 第１ヒーター
２９２ 第２ヒーター
３ 循環部
３１ 外筒
３２ スクリュー
３２１ 回転軸
３２２ スクリュー羽根
４１ 第１接続部
４１１ 収容部
４２ 第２接続部
Ａ 矢印
Ｂ１ 矢印
Ｂ２ 矢印
Ｇ 窒素含有ガス
Ｐ ピッチ
Ｐ１ ピッチ
Ｐ２ ピッチ
Ｑ 被処理体
Ｒ 螺旋状管
Ｒ１ 第１螺旋状管
Ｒ２ 第２螺旋状管
Ｓ１ 空間
Ｓ２ 空間
Ｓ３ 空間
θ 傾き
θ１ 傾き
θ２ 傾き

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】