CN1291057C - 真空热处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一边在减压下供给乙烯气体与氢气的混合气体一边进行的渗碳、碳氮共渗、高温渗碳、高浓度渗碳等真空热处理方法。该真空热处理方法的特征在于，检测真空热处理炉(1)内的乙烯气体量和氢气量，根据测得的乙烯气体量和氢气量计算气氛中的等效碳浓度，以及，将该计算值与基于被处理工件的材质和所要求的热处理性能设定的目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差控制供给真空热处理炉(1)内的乙烯气体和氢气的供给量。采用本发明的方法，可以准确并且再现性良好地获得被处理工件所要求的热处理品质。

Description

真空热处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种真空热处理方法以及用于实施该方法的装置，该方法是一边在减压下供给乙烯气体与氢气的混合气体，一边进行渗碳、碳氮共渗、高温渗碳、高浓度渗碳等。
背景技术
作为对例如齿轮、轴承、燃料喷嘴、等速接头等钢制汽车部件进行渗碳处理的真空渗碳方法，目前已经知道使用乙烯气体作为渗碳气体，将真空热处理炉内减压至1-10kPa进行渗碳的方法(参见日本特开平11-315363号公报)。
但是，在以往的方法中，在将装载了许多被处理工件的料筐放置在真空热处理炉内的可以保证温度均一性的有效加热空间中进行真空渗碳时，由于在料筐中装载的位置不同，被处理工件上产生渗碳不均匀，装载位置不同的被处理工件的有效硬化层深度(渗碳深度)和表面碳浓度等渗碳的质量出现不均一的问题。
作为解决这个问题的真空渗碳方法，本申请人以前曾提出过使用乙烯气体与氢气的混合气体作为渗碳气体的方法(参见日本特开2001-262313号公报)。
采用上述本申请人以前提出的真空渗碳方法，即使在真空热处理炉内的可以保证温度均一性的有效加热空间中配置许多被处理工件进行渗碳的情况下，也可以防止在所有的被处理工件上产生渗碳不均一的情况发生，从而可以使所有的被处理工件的渗碳品质保持均一。
但是，在该方法中，目前还不能准确并且再现性良好地获得被处理工件的材质和所要求的渗碳品质。
本发明是鉴于上述实际问题而完成的。本发明的目的是，提供在日本特开2001-262313号公报记载的方法中能够准确并且再现性良好地获得对于被处理工件所要求的热处理品质的真空热处理方法及装置。
另外，本发明的目的是，提供可以简便地设定与被处理工件的材质、形状和将被处理工件装载到处理用的料筐中时的通风性及所要求的热处理品质相对应的热处理条件的真空热处理装置。
发明内容
本发明第1项发明的真空热处理方法，是一边向减压的真空热处理炉中供给乙烯气体与氢气的混合气体一边进行的真空热处理方法，其特征在于：检测真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量；根据检测到的乙烯气体浓度和氢气浓度计算气氛的等效碳浓度(碳势)；以及将该计算值与根据被处理工件的材质和所要求的热处理品质设定的目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差控制向真空热处理炉内供给的乙烯气体和氢气的供给量。
采用上述第1项发明的真空热处理方法，通过控制乙烯气体和氢气的供给量，使得对于所要求的热处理品质最具有影响的真空热处理炉内的等效碳浓度保持一定，因而，可以准确并且再现性良好地获得被处理工件所要求的热处理品质。
第2项发明的真空热处理方法是，在上述第1项发明的方法中，使真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的合计量保持一定。这样，可以更准确地获得被处理工件所要求的热处理品质。
第3项发明的真空热处理方法是，在上述第1或2项发明的方法中，使真空热处理炉内的压力保持一定。这样，可以更准确地获得被处理工件所要求的热处理品质。
第4项发明的真空热处理装置，配备有下列部分：
真空热处理炉；将真空热处理炉内减压排气的真空排气装置；调整供给真空热处理炉内的乙烯气体和氢气的量的流量调节装置；检测真空热处理内的乙烯气体量和氢气量的气体量检测装置；检测真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的气体量检测装置；根据气体量检测装置检测到的乙烯气体量和氢气量计算气氛的等效碳浓度，将该计算值与根据被处理工件的材质和所要求的热处理品质预先设定的目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差、利用流量调节装置控制向真空热处理炉内供给的乙烯气体和氢气的供给量的控制装置。
使用第4项发明的装置，可以使对于所要求的热处理品质最具有影响的真空热处理炉内的气氛的等效碳浓度保持一定，从而可以准确并且再现性良好地获得被处理工件所要求的热处理品质。
第5项发明的真空热处理装置是，在上述第4项发明的装置中，由控制装置控制流量调节装置，使真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的合计量保持一定。这样，利用控制装置控制流量调节装置，使真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的合计量保持一定，因而可以更准确地获得被处理工件所要求的热处理品质。
第6项发明的真空热处理装置是，在上述第4或5项发明的装置中，配备检测真空热处理炉内的压力的压力检测装置，由控制装置将用压力检测装置测得的检测与预先设定的目标值进行比较，控制真空排气装置，使炉内压力保持一定。这样，通过用控制装置控制真空排气装置，将真空热处理炉内的压力保持一定，可以更准确地获得被处理工件所要求的热处理品质。
第7项发明的真空热处理装置是，在上述第4或5项发明的装置中，在控制装置上分别设置与被处理工件的材质对应的多个处理工艺和均热温度，可以根据被处理工件的材质在控制装置上选择输入处理工艺和均热温度。这样，可以简便地进行处理工艺和均热温度的设定。
第8项发明的真空热处理装置是，在上述第4或5项发明的装置中，在控制装置上设置与被处理工件的材质、形状、装载在处理用料筐中时的通风性对应的热处理温度，根据被处理工件的材质、形状和通风性可以在控制装置上选择输入热处理温度。在本说明书中，所述的“被处理工件的形状”不是指特定的形状，而是指没有孔或凹部的简单形状、具有长孔的形状、具有细长孔的形状等一般的形状。使用第8项发明的装置，可以简便地进行热处理温度的设定。
第9项发明的真空热处理装置是，在上述第4或5项发明的装置中，在控制装置上设置多个与热处理温度对应的预热时间，根据热处理温度可以在控制装置上选择输入预热时间。这样，可以简便进行预热时间的设定。
第10项发明的真空热处理装置是，在上述第9项发明的装置中，在控制装置上可以输入被处理工件的处理部的尺寸，在输入的被处理工件的处理部的尺寸超过规定值的情况下，由控制装置根据该超出的值来修正预热时间。这样，可以根据被处理工件的处理部的尺寸设定正确的预热时间。
第11项发明的真空热处理装置是，在上述第4或5项发明的装置中，由控制装置根据选择输入的热处理温度确定与有效硬化层深度有关的渗碳系数。
第12项发明的真空热处理装置是，在上述第11项发明的装置中，由控制装置根据与有效硬化层深度有关的渗碳系数计算渗碳和扩散所需要的总渗碳时间，同时，根据所要求的热处理品质计算渗碳时间与扩散时间的比值，基于这些计算值确定渗碳时间和扩散时间。这样，可以根据所要求的热处理品质自动地设定渗碳时间和扩散时间。
第13项发明的真空热处理装置是，在上述第4或5项发明的装置中，配备可以减压的被处理工件进料/出料室以及设在被处理工件进料/出料室中并且可以围绕垂直轴旋转的输送装置的送料室，在送料室的四周沿圆周方向以一定间隔通过气密门设置具有真空排气装置、流量调节装置、气体量检测装置和控制装置的多个真空热处理炉以及可以减压的淬火室和均热室。
使用第13项发明的装置，可以利用多个真空热处理炉同时进行不同工艺的热处理，因而适合于多品种、少批量的生产。另一方面，还可以利用多个真空热处理炉同时进行相同工艺的热处理，因而适合于少品种、大批量的生产。因此，可以灵活地适应被处理工件的种类和生产量的变化。另外，由于可以单独地维修真空热处理炉、淬火室和室，因而作业变得十分容易。
第14项发明的真空热处理装置是，在上述第13项发明的装置中，在送料室的周围在圆周方向上与真空热处理炉、淬火室和均热室间隔开设置可以减压的气体冷却室。这样，可以进行在处理工艺中包括气体冷却的高温渗碳处理。
附图说明
图1是简略表示本发明真空热处理装置总体结构的剖面图。
图2是表示本发明真空热处理装置控制部分构成的方框图。
图3是表示输入输出装置的显示器上显示的输入用画面之一例的图示。
图4是表示真空渗碳处理的工艺的图示。
图5(a)和(b)是表示真空碳氮共渗处理的工艺的图示。
图6是表示真空高温渗碳处理的工艺的图示。
图7是表示高浓度真空渗碳处理的工艺的图示。
图8是表示真空淬火处理的工艺的图示。
图9是表示一边供给乙烯气体和氢气一边进行真空热处理时的乙烯气体和氢气供给量关系的曲线图。
图10是表示根据实验求出的渗碳温度与取决于有效硬化层深度的渗碳系数关系的曲线图。
图11是表示本发明真空热处理装置的其它实施方式的简略结构图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
图1简略地表示本发明真空热处理装置的总体结构，图2表示该真空热处理装置控制部分的构成。
在图1中，真空热处理装置配备有：
真空热处理炉(1)；配置在真空热处理(1)内的加热装置(2)；通过在中途分成2个支路的真空排气管(3)与真空热处理炉(1)连接的真空泵(4)；设在真空排气管(3)的一个支路上的炉内压力控制阀(5A)；设在真空排气管(3)的另一个支路上的真空开关阀(5B)；分别通过导入管路(6)、(7)、(8)与真空热处理炉(1)连接的氢气高压储气瓶(9)、乙烯气体高压储气瓶(10)以及氨气高压储气瓶(11)；在各导入管路(6)、(7)和(8)上设置的质量流量控制阀(12)；用于检测真空热处理炉(1)内的氢气量和乙烯气体量的、例如由4极质量分析传感器等构成的气体量传感器(13)；检测真空热处理炉(1)内的绝对压力的压力传感器(14)；检测真空热处理炉(1)内温度保持均一性的有效加热空间温度的温度传感器(15)。导入管路(6)、(7)和(8)在比质量流量控制阀(12)更靠近真空热处理炉(1)的一侧与一个集管(45)连接，在比集管(45)更靠近真空热处理炉(1)的一侧再次分成支路。在导入管路(6)、(7)和(8)上的再次分成支路的部分上设置流量调节器(46)。由高压储气瓶(9)、(10)、(11)送出的氢气、乙烯气体和氨气，在集管(45)中混合，然后再次分流，通过流量调节器(46)的作用使其在导入真空热处理炉(1)内时均一地遍布真空热处理炉(1)内的整个空间。
另外，虽然图中没有示出，但有的时候，在图1所示的真空热处理装置中与真空热处理炉(1)相连地设置淬火油槽。
如图2所示，加热装置(2)、炉内压力控制阀(5A)、质量流量控制阀(12)、气体量传感器(13)、压力传感器(14)和温度传感器(15)分别与控制板(16)连接。在控制板(16)上，设置了配备有显示器的输入输出装置(17)和控制装置(18)。
图3表示输入输出装置(17)的显示器上显示的输入用画面的一个例子。在图3中，输入用的画面包括：输入材质的材质选择输入部(20)；输入处理工艺的处理工艺选择输入部(21)；输入预热时间的预热时间选择输入部(19)；输入渗碳温度的热处理温度选择输入部(22)；输入均热温度的均热温度选择输入部(23)；在高浓度渗碳处理的情况下输入第2均热温度的第2均热温度选择输入部(24)；在高浓度渗碳处理的情况下输入重复次数的重复次数输入部(41)；输入被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位的形状的处理部形状选择输入部(25)；输入被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位尺寸的处理部尺寸选择输入部(26)；输入有效硬化层深度的有效硬化层深度输入部(27)；输入有效硬化层深度的修正值的有效硬化层深度修正输入部(28)；输入被处理工件种类的被处理工件选择输入部(29)；输入被处理工件形状的形状选择输入部(30)；输入将被处理工件装载在处理用的料筐中时的通风性的通风性选择输入部(31)；输入在真空热处理炉(1)内温度保持均一性的有效加热空间中配置的料筐内装载的被处理工件合计重量的装载重量输入部(32)；输入所要求的表面碳浓度的表面碳浓度输入部(33)；输入表面碳浓度修正值的表面碳浓度修正输入部(34)；选择输入目标气氛的等效碳浓度的等效碳浓度选择输入部(35)；显示乙烯气体供给量的乙烯供给量显示部(36)；显示氢气供给量的氢气供给量显示部(37)；以及0-9数字键部(40)。
在控制装置(18)中分别存储下列项目：被处理工件的材质，与被处理工件的材质对应的处理工艺、均热温度和热处理温度(该温度与预热温度和扩散温度相等)，以及与热处理温度对应的预热时间等，每一个项目各进行多个设定记忆，通过在输入输出装置(17)的选择输入部(20)选择输入被处理工件的材质，可以自动地由各选择输入部(21)、(23)、(22)、(19)中选择输入与被处理工件的材质对应的处理工艺、均热温度、热处理温度以及与热处理温度对应的预热时间等，另外，也可以由使用者在输入输出装置(17)的各选择输入部(21)、(23)、(22)、(19)上个别地进行手动选择输入与被处理工件的材质对应的处理工艺、均热温度、热处理温度以及与热处理温度对应的预热时间等。此外，还可以由使用人员使用输入输出装置(17)独自设定材质、处理工艺、均热温度、热处理温度以及与热处理温度对应的预热时间的设定值。
图4-8中示出在控制装置(18)中设定的处理工艺。
图4所示的处理工艺是真空渗碳处理，在减压下加热至规定的预热温度进行预热处理，接着在与预热温度相等的渗碳温度下一边导入乙烯气体和氢气、一边进行渗碳，再在与预热温度和渗碳温度相等的扩散温度下进行扩散，然后降低温度进行均热，最后进行油淬火。
图5(a)所示的处理工艺是真空碳氮共渗处理，在减压下加热至规定的预热温度进行预热处理，接着在与预热温度相等的渗碳温度下一边导入乙烯气体和氢气、一边进行渗碳，再在与预热温度和渗碳温度相等的扩散温度下进行扩散，然后降低温度进行均热，在均热的同时，一边导入氨气一边进行氮化，最后进行油淬火。另外，在一边导入氨气一边进行氮化时，也可以导入乙烯气体和氢气。
还有一种真空碳氮共渗处理工艺，如图5(b)所示，在真空碳氮共渗处理时，不进行渗碳和扩散，在减压下加热至图5(a)的均热温度进行预热，预热结束后一边导入乙烯气体、氢气和氨气、一边进行碳氮共渗，最后进行油淬火。在这种处理工艺的情况下，碳氮共渗处理中渗碳过程的时间是0，由于没有渗碳过程，均热温度与碳氮共渗温度相等。
图6所示的处理工艺是高温真空渗碳处理，在减压下加热至规定的预热温度进行预热，接着在与预热温度相等的渗碳温度下一边导入乙烯气体和氢气、一边进行渗碳，再在与预热温度和渗碳温度相等的扩散温度下进行扩散，然后进行气体冷却，再次加热至规定的预热温度进行均热，最后进行油淬火。高温渗碳处理包括在高温下渗碳时使粗大的晶粒细化的处理工序。
图7所示的处理工艺是高浓度真空渗碳处理，在减压下加热至规定的预热温度进行预热，接着在与预热温度相等的渗碳温度下一边导入乙烯气体和氢气、一边进行渗碳，然后进行气体冷却，再次加热至与上述预热温度相等的预热温度进行预热，接着在与预热温度相等的渗碳温度下一边导入乙烯气体和氢气、一边进行渗碳，然后进行气体冷却，上述处理反复进行规定的次数，在最后一次气体冷却之后，加热至比渗碳温度低的均热温度进行均热，最后进行油淬火。高浓度渗碳处理是通过气体冷却使碳化物析出，一边使该碳化物球形化一边使其长大的处理。在高浓度真空渗碳处理的情况下，在输入输出装置(17)的重复次数输入部(14)输入重复次数，同时，由第2均热温度选择输入部(24)选择输入均热温度。
图8所示的处理工艺是真空淬火处理，在减压下加热至与图4-图6的处理工艺中的均热温度相等的预热温度进行预热，然后进行油淬火。
处理工艺和均热温度也可以通过由输入输出装置(17)的材质选择输入部(20)选择输入被处理工件的材质而自动地进行选择输入。另外，在真空淬火处理的情况下，处理工艺中没有渗碳过程，因此，均热温度与预热温度相等。
热处理温度即渗碳温度是根据被处理工件的形状、装载在处理料筐中的状态下的通风性以及所要求的热处理品质确定的。
预热时间是根据热处理温度通过实验求出的。表1中示出热处理温度与预热时间的关系。
【表1】
  热处理温度(℃)   最低预热时间(分)
  850   75
  870   65
  930   40
  950   35
  1050   30
在由输入输出装置(17)输入的被处理工件的处理部的尺寸超过规定尺寸的情况下，控制装置(18)基于该超出的值，根据热处理温度修正预热时间。例如，在被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位横断面形状是圆形的情况下，当其直径T1超过25mm时，按照表2中所示的公式来修正预热时间。在被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位横断面形状是正方形的情况下，当其一边的长度T2超过25mm时，按照表2中所示的公式来修正预热时间。在被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位横断面形状是长方形的情况下，当其短边的长度T3超过25mm时，按照表2中所示的公式来修正预热时间。在被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位是圆筒状的情况下，当其短边的长度T4超过25mm时，按照表2中所示的公式来修正预热时间。
【表2】
  热处理温度(℃)                                      形状
  圆形   正方形   长方形   圆筒形
  850-870   (T1-25)×1.5   (T2-25)×1.8   (T3-25)×2.1   (T4-25)×3.0
  930   (T1-25)×0.8   (T2-25)×1.0   (T3-25)×1.1   (T4-25)×1.6
  950   (T1-25)×0.7   (T2-25)×0.9   (T3-25)×1.0   (T4-25)×1.4
  1050   (T1-25)×0.6   (T2-25)×0.7   (T3-25)×0.8   (T4-25)×1.2
在表2的形状一栏中，圆形、正方形和长方形分别表示横断面的形状。
在控制装置(18)中，分别设定被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部位的形状、被处理工件的种类、被处理工件的形状以及装裁在处理用料筐中的状态下的通风性等，每一个项目各设置多个，由各选择输入部(25)、(29)、(30)、(31)进行选择输入。
在控制装置(18)中，根据被处理工件的材质，设定和存贮在用来获得所要求的表面碳浓度和有效硬化层深度的试验中求出的处理气氛中的等效碳浓度的多个数值作为目标值，通过由输入输出装置(17)的选择输入部(20)选择输入被处理工件的材质，同时，由输入输出装置(17)的各输入部(34)、(27)输入表面碳浓度和有效硬化层深度，就可以自动地由输入输出装置(17)的等效碳浓度选择输入部(35)选择输入相应的数值。气氛中的等效碳浓度也可以由使用人员由输入输出装置(17)的选择输入部(35)进行手动选择输入，另外，气氛中的等效碳浓度的设定值也可以由使用人员使用输入输出装置(17)独自设定。在热处理过程中，控制装置(18)通过气体量传感器(13)检测真空热处理炉(1)内的乙烯气体量和氢气量，根据测得的乙烯气体量的氢气量计算气氛中的等效碳浓度，将该计算值与上述目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差调整质量流量控制阀(12)的开度，控制向真空热处理炉(1)内供给乙烯气体和氢气的量。此时，如图9中所示控制这些气体的流量，使乙烯气体量和氢气量的合计量保持一定。
气氛中的等效碳浓度Ac(％)的计算按下列公式①进行。
A C = A S × X C 2 H 4 I 2 × K P I 2 X H 2 × ( P P 0 ) I 2 - - - ( 1 )
式中，As：奥氏体的饱和碳浓度(％)
XH2：氢浓度比(摩尔比)
XC2H4：乙烯浓度比(摩尔比)
P：炉内压力
Po：标准压力(101.32kPa)
Kp：平衡常数
其中，奥氏体的饱和碳浓度As和平衡常数Kp分别由公式②和③表示。
As＝1.382-4.5847×10-3×T+6.1437×10-6×T2-1.396×10-9×T3…②
式中，T：温度(℃)
K P = 10 ( 2273 T K + 4.011 ) - - - ( 3 )
式中，Tk：绝对温度(K)
上述的公式①，是假定在气氛中发生 的反应，根据稳定状态下的平衡式求出Ac。作为求出气氛中的等效碳浓度的公式，究竟哪一个公式更适合，曾经进行了各种分析和探讨，结果，公式①与试验结果最接近，因而采用了公式①。另外，公式②是基于Fe-C系的二元合金、通过多项式逼近求出As的，不过，As也可以基于其它的合金例如三元合金、通过多项式逼近求出或者通过指数函数逼近等求出。根据真空热处理炉的特性即真空热处理炉的结构和尺寸大小等的不同，公式①-③有时会有所不同。
表3中示出气氛中等效碳浓度的计算例。
【表3】
  计算例   温度(℃)   绝对温度(K)   XH2摩尔比   XC2H4摩尔比   As(％)   Kp   P(Pa)   PO(Pa)   Ac(％)
  1   950   1223   8.28E-01   9.76E-02   1.37   740533.2   5985   1.01E+05   108.52
  2   870   1143   5.15E-01   3.71E-01   1.12   999140.2   4655   1.01E+05   284.74
  3   1040   1313   4.30E-01   1.66E-01   1.69   552268.2   8000   1.01E+05   334.04
  4   930   1203   3.96E-01   2.64E-01   1.31   795139   1800   1.01E+05   201.9
  5   870   1143   7.62E-01   1.36E-01   1.12   999140.2   7000   1.01E+05   143.05
  6   930   1203   8.73E-01   6.81E-02   1.31   795139   5000   1.01E+05   77.54
  7   950   1223   8.68E-01   6.44E-02   1.37   740533.2   5000   1.01E+05   76.84
在表3中，众所周知，例如8.28E-01是表示8.28×10-1。
另外，为了将炉内压力(绝对压力)保持在4-7kPa的恒定压力，控制装置(18)通过压力传感器(14)测定真空热处理炉(1)内的压力，将测得的值与预先设定的目标值进行比较，控制炉内压力控制阀(5A)的开度，使炉内压力保持一定。
乙烯气体流量和氢气流量的控制以及炉内压力的控制可以通过使用PID的反馈控制来进行。
控制装置(18)根据输入的热处理温度按以下所述来确定总的渗碳时间。在本说明书中，所述的“总的渗碳时间”是指图4-6中所示的处理工艺中的渗碳时间和扩散时间的合计量。
预先通过实验求出在各渗碳温度下进行处理的情况下与表面硬度为HV550的有效硬化层深度(effective case depth)有关的KECD，将其输入控制装置(18)中。在下面的说明中，将“与有效硬化层深度有关的渗碳系数”简称为“渗碳系数”。该实验例如是使用JIS SCM415规定的直径24mm、厚10mm的试验片，在870-1050℃范围内的各种温度下和4-7kPa的压力下，将乙烯气体的流量设定为10-20升/分、氢气流量设定为5-10升/分、总的渗碳时间设定为100-270分钟、渗碳时间与扩散时间之比设定为0.05-2.24，进行真空渗碳处理，然后降温，在850℃下均热30分钟，然后在油温110-130℃、油面压力80kPa的热淬火油(出光兴产制造的Hightemp(ハイテンプ)A)中淬火。图10中示出通过上述实验求出的渗碳温度与渗碳系数KECD的关系。
然后，控制装置(18)利用有效硬化层深度DECD和渗碳系数KECD按下面的公式④计算总的渗碳时间tt(分)。
tt＝(DECD+DECD’/KECD)2×60…④
式中，DECD’是有效硬化层深度的修正值，通常是0，在实际经过热处理的被处理工件的有效硬化层深度与目标值不吻合时，由输入输出装置(17)的有效硬化层深度修正输入部(28)将该修正值输入控制装置(18)中。
另外，控制装置(18)根据输入的所要求的表面碳浓度按以下所述来确定渗碳时间与扩散时间之比(RD/C)。
预先通过实验求出在各渗碳温度下进行处理时表面碳浓度与比值(RD/C)的关系，将其设定在控制装置(18)中。该实验例如是使用JISSCM415规定的直径24mm、厚10mm的试验片，在870-1050℃范围内的各种温度和4-7kPa的压力下，将乙烯气体的流量设定为10-20升/分、氢气流量设定为5-10升/分、总的渗碳时间设定为100-270分钟、渗碳时间与扩散时间之比设定为0.05-2.24，进行真空渗碳处理，然后降温，在850℃下均热30分钟，最后在油温110-130℃、油面压力80kPa的热淬火油(出光兴产制造的Hightemp(ハイテンプ)A)中淬火。表4中给出通过上述实验求出的各渗碳温度下的表面碳浓度(CH)与比值(RD/C)之间的关系。
【表4】
  处理温度(℃)   CH与RD/C间的关系   适用范围(CH)
  870   RD/C＝-2.0367CH+2.628   0.9～1.2wt％
  900   RD/C＝-1.6667CH+2.2167   0.8～1.2wt％
  930   RD/C＝0.6643×(CH)-3.3049   0.6～1.0wt％
  950   RD/C＝0.8146×(CH)-3.2135   0.6～1.3wt％
  1000   RD/C＝-1.4729CH+2.8181   0.7～1.6wt％
  1050   RD/C＝0.6792(CH)2-3.1065CH+3.5507   0.7～2.3wt％
控制装置(18)根据输入的料筐中的被处理工件的装载重量按下面的公式⑤计算降温速度，再根据计算的降温速度、渗碳温度和输入的均热温度，按下列公式⑥计算降温时间。
Vm＝0.0032×W+2.5743  …⑤
tm＝(Tc-Ts)/Vm  …⑥
式中，Vm：降温速度(℃/分)，W：装载重量(kg)，tm：降温时间(分)，
      Tc：渗碳温度(℃)，Ts：均热温度(℃)
降温速度和降温时间取决于真空热处理炉(1)的特性以及被处理工件的装载重量、装载在处理用料筐中时的通风性等因素而有所不同，因此上述公式⑤是通过实验确定的。
这里所说的渗碳时间与扩散时间之比(RD/C)是考虑到降温时间由下列公式⑦表示的。
R D / C = td + tm 2 tc - - - ( 7 )
控制装置(18)根据表4的渗碳时间与扩散时间之比、总的渗碳时间和降温时间按下列公式⑧计算渗碳时间，再根据计算得到的渗碳时间和总的渗碳时间按下列公式⑨计算出扩散时间，然后设定这些时间。
tc = t t + tm 2 1 + R D / C - - - ( 8 )
td＝tt-tc  …⑨
式中，tc：渗碳时间(分)、tt：总的渗碳时间(分)、
      tm：降温时间(分)、td：扩散时间(分)
公式⑦和⑧有时因条件不同而有所不同。
另外，在控制装置(18)中例如设定30分钟作为均热时间的初始值。均热时间的初始值可以适当变更。
下面说明使用上述真空热处理装置的真空热处理方法。
首先，由控制板(16)上的输入输出装置(17)的材质选择输入部(20)选择输入被处理工件的材质，此时，处理工艺、热处理温度、均热温度、预热时间和作为目标值的气氛的等效碳浓度分别由选择输入部(21)、(22)、(23)、(19)、(35)自动地被选择输入。另外，分别由选择输入部(29)、(30)、(31)、(25)选择输入被处理工件的种类、整体形状、装载在料筐中的状态下的通风性以及在被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部的形状，同时，分别由输入部(32)、(27)、(33)输入装载在处理用料筐中的被处理工件的装载重量、有效硬化层深度和表面碳浓度。
这样，在由输入输出装置(17)输入的被处理工件中要求所需要的热处理品质的处理部的尺寸超过规定尺寸的情况下，控制装置(18)根据该超过的数值，基于表2中来修正预热时间。另外，控制装置(18)根据输入的热处理温度求出总的渗碳时间以及渗碳时间与扩散时间之比，由此确定渗碳时间和扩散时间。这样，热处理条件就被设定完成。图5(b)的处理工艺中的碳氮共渗时间是手动输入的。
当开始进行真空热处理时，控制装置(18)打开真空开关阀(5B)，将真空热处理炉(1)内减压至规定的压力，然后利用加热装置(2)将炉内加热，按照图4-图8中的任一种处理工艺进行真空热处理。当真空热处理炉(1)内减压至规定的压力时，真空开关阀(5B)被关闭。
除了图8中所示的真空淬火之外，在其它的4种处理工艺的情况下，即在包含渗碳或碳氮共渗的情况下，控制装置(18)在渗碳时、氮化时以及碳氮共渗时通过气体量传感器(13)检测真空热处理炉(1)内的乙烯气体量和氢气量，根据测定的乙烯气体量和氢气量计算气氛中的等效碳浓度，将该计算值与目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差调整质量流量控制阀(12)的开度，控制向真空热处理炉(1)内供给乙烯气体和氢气的量，同时控制这些气体的流量，使乙烯气体量与氢气量的合计量保持一定，另外，控制装置(18)利用压力传感器(14)检测真空热处理炉(1)内的压力，将测得的值与预先设定的目标值(这里是4-7kPa)进行比较，控制炉内压力控制阀(5A)的开度，使炉内压力保持一定。在氮化时和碳氮共渗时，控制装置(18)调整质量流量控制阀(12)的开度，使供给真空热处理炉(1)的氨气供给量保持一定，例如20升/分。
这样，按照规定的处理工艺对被处理工件进行真空热处理。
在经过处理的被处理工件的有效硬化层深度和表面碳浓度偏离规定值的情况下，在下一次同样条件下进行热处理时，在输入输出装置(17)的有效硬化层深度修正输入部(28)和表面碳浓度修正输入部(34)中输入修正值。即，在有效硬化层深度和表面碳浓度比规定值大时，输入负值，反之，比规定值小时，输入正值。
图11表示本发明的真空热处理装置的另一实施方式。
在图11中，真空热处理装置配备了利用真空泵(51)减压的运送室(50)以及在运送室(50)内可以围绕垂直轴转动地设置的运送装置(52)。运送装置(52)除了转动外还可以上下移动和在水平面内直线移动。
在运送室(50)的周围，沿着圆周方向以一定间隔设置可以用真空泵(53)减压的被处理工件进料/出料室(54)、多个真空热处理炉(1)、以及用真空泵(图中未示出)减压的均热室(55)、气体冷却室(56)和淬火室(57)。各真空热处理炉(1)，与图1中所示的炉具有相同的结构，因而略去图示，这些真空热处理炉配备有：加热装置、通过真空排气管连接的真空泵、在真空排气管上设置的炉内压力控制阀和真空开关阀、通过导入管连接的氢气高压储气瓶、乙烯气体高压储气瓶和氨气高压储气瓶、设在各导入管上的质量流量控制阀、气体量传感器、压力传感器以及温度传感器。各真空热处理炉(1)的加热装置、炉内压力控制阀和真空开关阀、质量流量控制阀、气体量传感器、压力传感器和温度传感器分别连接到与图2所示同样的控制板上。
在运送室(50)与被处理工件进料/出料室(54)、各真空热处理炉(1)、均热室(55)、气体冷却室(56)和淬火室(57)之间形成连通口，这些连通口通过气密门打开或关闭。这样，送入被处理工件进料/出料室的被处理工件借助于传送装置(52)通过连通口在各室和各真空热处理炉(1)之间被运送。
用这样的真空热处理装置进行真空热处理时，在真空热处理炉(1)内进行除了均热、气体冷却和淬火之外的处理，即，进行图4、图5(a)和图6的处理工艺中的预热、渗碳和扩散，图5(b)的处理工艺中的预热和碳氮共渗，以及图7的处理工艺中的预热和渗碳。因此，通过控制板(16)的控制装置(18)，可以控制进行这些处理时的真空热处理炉(1)内的乙烯气体量和氢气量、炉内压力以及炉内温度。
本发明在不偏离其主要特征的情况下可以以其它的各种方式实施。因此，上述的实施方式仅仅是例示，不应解释为对本发明的限定。
如上所述，本发明的真空热处理方法和装置可以用于一边在减压下供给乙烯气体与氢气的混合气体一边进行的渗碳、碳氮共渗、高温渗碳、高浓度渗碳等真空热处理，特别适合于准确和再现性良好地获得对于被处理工件所要求的热处理品质。

Claims (14)

1.真空热处理方法，该方法是一边向减压的真空热处理炉中供给乙烯气体与氢气的混合气体一边进行的真空热处理方法，其特征在于：根据被处理工件的材质，设定多个为了获得所要求的热处理品质而预先求出的处理气氛的等效碳浓度作为目标值；检测真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量；根据测得的乙烯气体量和氢气量计算气氛的等效碳浓度；以及将该计算值与根据预先输入的被处理工件的材质和所要求的热处理品质设定的目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差控制向真空热处理炉内供给的乙烯气体和氢气的供给量。
2.权利要求1所述的真空热处理方法，其中，使真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的合计量保持一定。
3.权利要求1或2所述的真空热处理方法方法，其中，使真空热处理炉内的压力保持一定。
4.真空热处理装置，其特征在于，该装置配备有下列部分：
真空热处理炉；将真空热处理炉内减压的真空排气装置；调整供给真空热处理炉内的乙烯气体和氢气的量的流量调节装置；检测真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的气体量检测装置；连接真空排气装置、流量调节装置及气体量检测装置的控制板；
在控制板上设置输入输出装置及控制装置，在控制板的控制装置中根据被处理工件的材质设定并记忆多个为了获得所要求的热处理品质而预先求出的处理气氛的等效碳浓度作为目标值；
控制装置根据气体量检测装置测得的乙烯气体量和氢气量计算气氛的等效碳浓度，将该计算值与根据从输入输出装置输入的被处理工件的材质和所要求的热处理品质自动设定记忆的目标值进行比较，根据计算值与目标值的偏差，利用流量调节装置控制向真空热处理炉内供给的乙烯气体和氢气的供给量。
5.权利要求4所述的真空热处理装置，其中，由控制装置控制流量调节装置，使真空热处理炉内的乙烯气体量和氢气量的合计量保持一定。
6.权利要求4或5所述的真空热处理装置，其中，配备检测真空热处理炉内的压力的压力检测装置，由控制装置对用压力检测装置测得的检测值和预先设定的目标值进行比较，控制真空排气装置，使炉内压力保持一定。
7.权利要求4或5所述的真空热处理装置，其中，在控制装置上分别设置与被处理工件的材质对应的多个处理工艺和均热温度，根据被处理工件的材质在输入输出装置中选择输入处理工艺和均热温度。
8.权利要求4或5所述的真空热处理装置，其中，在控制装置上设置与被处理工件的材质、形状、装载在处理用料筐中时的通风性对应的多个热处理温度，从而可以根据被处理工件的材质、形状和通风性在输入输出装置中选择输入热处理温度。
9.权利要求4或5所述的真空热处理装置，其中，在控制装置上设置与热处理温度对应的多个预热时间，从而可以根据热处理温度在输入输出装置中选择输入预热时间。
10.权利要求9所述的真空热处理装置，其中，在控制装置上能够输入被处理工件的处理部的尺寸，在输入的被处理工件的处理部的尺寸超过规定值的情况下，由控制装置根据该超出的值来修正预热时间。
11.权利要求4或5所述的真空热处理装置，其中，由控制装置根据选择输入的热处理温度确定取决于有效硬化层深度的渗碳系数。
12.权利要求11所述的真空热处理装置，其中，由控制装置根据取决于有效硬化层深度的渗碳系数计算渗碳和扩散所需要的总渗碳时间，同时，根据所要求的热处理品质计算渗碳时间与扩散时间的比值，基于这些计算值确定渗碳时间和扩散时间。
13.权利要求4或5所述的真空热处理装置，其中，配备有能够减压的被处理工件进料/出料室以及设置在被处理工件进料/出料室中并且能够围绕垂直轴旋转的送料装置的送料室，在送料室的四周沿圆周方向以一定间隔设置具有真空排气装置、流量调节装置、气体量检测装置和控制装置的多个真空热处理炉以及能够减压的淬火室和均热室。
14.权利要求13所述的真空热处理装置，其中，在送料室的周围，在圆周方向上与真空热处理炉、淬火室和均热室间隔开设置能够减压的气体冷却室。
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