DE10197283T5

DE10197283T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung

Info

Publication number: DE10197283T5
Application number: DE10197283T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Tenri Yamaguchi; Yasunori Tenri Tanaka
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: DE10197283B4; AU2002218508A1; WO2003048405A1; JP3852010B2; JPWO2003048405A1; CN1549871A; CN1291057C; US20040187966A1; US7357843B2

Abstract

Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung, welches durchgeführt wird während der Zufuhr eines gemischten Gases aus Ethylengas und Wasserstoffgas in einen evakuierten bzw. drucklosen Vakuumwärmebehandlungsofen, umfassend:
Detektieren einer Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen;
Berechnen einer äquivalenten Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der detektierten Menge Ethylengas und der an Wasserstoffgas; und
Vergleichen des berechneten Werts mit dem Zielwert, welcher auf der Basis der Materialspezifikation und der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität eines zu behandelnden Gegenstands angesetzt wurde, so daß die in den Vakuumwärmebehandlungsofen zugeführten Mengen an Ethylengas und Wasserstoffgas auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert reguliert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung, wie die Carburierung, Carbonitrierung, Hochtemperaturcarburierung, Hochkonzentrationscarburierung und ähnliches, welche während der Zufuhr eines gemischten Gases aus Ethylengas und Wasserstoffgas unter vermindertem Druck durchgeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Als ein Vakuumcarburierungsverfahren zum Durchführen der Carburierung von Stahlteilen für Automobile, wie dem Getriebe, Lager, Getriebeeinspritzdüsen und Doppelgelenken beispielsweise, ist ein Verfahren unter Verwendung von Ethylengas als Carburierungsgas zur Durchführung des Verfahrens unter vermindertem Druck von 1 bis 10 kPa in einem Vakuumwärmebehandlungsofen bekannt (siehe die Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 11-315363).
In dem herkömmlichen Verfahren tritt jedoch ein Problem auf, wenn die Vakuumcarburierung durchgeführt wird, während ein Korb, der eine Anzahl von zu behandelnden Gegenständen (Werkstücke) trägt, in einem wirksamen Erwärmungsraum, in dem die Einheitlichkeit der Temperatur gewährleistet ist, in den Vakuumwärmebehandlungsofen bewegt wird, nämlich dahingehend, daß es zu einer Ungleichmäßigkeit der Carburierung in den Werkstücken in Abhängigkeit von der Position in dem Korb kommt und eine Variation in der Carburierungsqualität, wie der effektiven Oberflächentiefe bzw. Effektivoberflächenschichttiefe (Carburierungstiefe) und der Oberflächenkohlenstoffkonzentration, innerhalb der Werkstücke an unterschiedlichen Positionen auftritt.
Somit hat die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung kürzlich als ein Vakuumcarburierungsverfahren, welches das oben beschriebene Problem löst, ein Verfahren unter Verwendung eines gemischten Gases aus Ethylengas und Wasserstoffgas als Carburierungsgas vorgeschlagen (siehe die Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2001-262313).
In dem kürzlich von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Vakuumcarburierungsverfahren ist es möglich, sogar wenn die Carburierung durchgeführt wird, während eine Anzahl von Werkstücken in einem effektiven Raum, in dem die Einheitlichkeit der Temperatur gewährleistet ist, in den Vakuumwärmebehandlungsofen bewegt wird, das Auftreten der Ungleichmäßigkeit der Carburierung in allen Werkstücken zu verhinden, so daß die Carburierungsqualität all dieser Werkstücke einheitlich gestaltet werden kann.
In diesem Verfahren konnte jedoch eine Technik, welche zum Erhalt des Mate rials (Norm bzw. Spezifikation) und der erforderlichen Carburierungsqualität des Werkstücks mit Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erhältlich ist, nicht etabliert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen momentanen Gegebenheit gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung sowie eine Vorrichtung dafür vorzusehen, welches) zum Erhalt einer Wärmebehandlungsqualität, welche für ein Werkstück erforderlich ist, mit Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in einem Verfahren, welches in der Japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 2001-262313 offenbart ist, in der Lage ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung vorzusehen, welche zum einfachen Einstellen der Wärmebehandlungsbedingungen gemäß dem Material, der Form des Werkstücks, der Ventilationsbedingung, wenn die Werkstücke in den Verarbeitungskorb bzw. Betriebskorb gelegt werden, und der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität in der Lage ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung gemäß Anspruch 1 ist ein Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung, welches durchgeführt wird, während ein gemischtes Gas aus Ethylengas und Wasserstoffgas in einem evakuierten bzw. drucklosen Vakuumwärmebehandlungsofen geführt wird, umfassend: das Detektieren der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen; Berechnung einer äquivalenten Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre (Kohlenstoffpotential) auf der Basis der detektierten Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas; und Vergleich des berechneten Werts mit dem Zielwert, welcher auf der Basis des Materials und der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität des Werkstücks bestimmt ist, zur Regulierung der Mengen an Ethylengas und Wasserstoffgas, welche in den Vakuumwärmebehandlungsofen geführt werden, auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert.
Gemäß dem Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 1 kann die Wärmebehandlungsqualität, welche für das Werkstück erforderlich ist, genau und reproduzierbar erhalten werden, da die Mengen an zugeführtem Ethylengas und Wasserstoffgas derartig reguliert werden, daß die äquivalente Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre in dem Vakuumwärmebehandlungsofen, welche den größten Einfluß auf die erforderliche Wärmebehandlungsqualität besitzt, konstant ist.
Ein Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 2 umfaßt: das Konstanthalten der Summe der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen in dem Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 1. In diesem Fall ist es möglicht, die für das Werkstück erforderliche Vakuumwärmebehandlungsqualität genauer einzustellen.
Das Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 3 umfaßt: das Konstanthalten des Drucks in dem Vakuumwärmebehandlungsofen in dem Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2. In diesem Fall ist es möglich, die für das Werkstück erforderliche Wärmebehandlungsqualität genauer einzustellen.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 4 umfaßt: einen Vakuumwärmebehandlungsofen; Evakuierungsmittel zur Evakuierung des Inneren des Vakuumwärmebehandlungsofens; Durchsatz- bzw. Fließgeschwindigkeits-Einstellmittel zum Einstellen der Menge von Ethylengas und Wasserstoffgas, welche in den Vakuumwärmebehandlungsofen eingeleitet werden sollen; Gasmengen-Detektionsmittel zum Detektieren der Menge an Ethylengas und an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen; Regulierungsmittel zum Berechnen der äquivalenten Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der Menge an Ethylengas und Wasserstoffgas, detektiert mittels der Gasmengen-Detektionsmittel, zum Vergleichen dieses berechneten Werts mit dem Zielwert, welcher auf der Basis des Materials und der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität des Werkstücks vorher bestimmt -wurde, und zum Regulieren der Mengen an Ethylengas und Wasserstoffgas, welche in den Vakuumwärmebehandlungsofen eingeführt werden, auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert mittels des Durchsatz-Einstellmittels.
Gemäß der Vorrichtung des Anspruchs 4 kann die Wärmebehandlungsqualität, welche für das Werkstück erforderlich ist, genau und reproduzierbar erhalten werden, da es möglich ist, die äquivalente Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre in dem Vakuumwärmebehandlungsofen, welche den größten Einfluß auf die erforderliche Wärmebehandlungsqualität besitzt, konstant zu halten.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 5 umfaßt: das Regulierungsmittel, welches das Durchsatz-Einstellmittel derartig reguliert, daß die Summe der Menge an Ethylengas und an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen in der Vorrichtung des Anspruchs 4 konstant gehalten wird. In diesem Fall kann die Vakuumwärmebehandlungsqualität, welche für das Werkstück erforderlich ist, genauer eingestellt werden, da die Summe der Menge an Ethylengas und an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen durch Regulieren des Durchsatz-Einstellmittels durch das Regulierungsmittel konstant gehalten wird.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 6 umfaßt weiterhin: ein Druckdetektierungsmittel zum Detektieren des Drucks in dem Vakuumwärmebehandlungsofen, worin das Regulierungsmittel den durch das Druckdetektionsmittel detektierten Detektionswert mit einem vorher bestimmten Zielwert vergleicht und das Evakuierungsmittel derartig reguliert, daß der Ofendruck in der Vorrichtung des Anspruchs 4 oder des Anspruchs 5 konstant ist. In diesem Fall kann eine Wärmebehandlungsqualität, welche für das Werkstück erforderlich ist, genauer erhalten werden, da der Druck in dem Wärmebehandlungsofen durch Regulieren des Evakuierungsmittels durch das Regulierungsmittel konstant gehalten wird.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 7 umfaßt eine Vielzahl von Verarbeitungsmustern und Durchwärmtemperaturen, entsprechend dem Material des Werkstücks, werden in dem Reguliermittel eingestellt, und die Verarbeitungsmuster und die Durchwärmtemperatur können ausgewählt und in das Reguliermittel gemäß dem Material des Werkstücks a die Vorrichtung des Anspruchs 4 oder Anspruchs 5 eingegeben werden. In diesem Fall wird die Einstellung der Verarbeitungsmuster und der Durchwärmtemperatur erleichtert.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 8 umfaßt: eine Vielzahl der Wärmebehandlungstemperaturen gemäß dem Material, der Form des Werkstücks und der Ventilationsbedingung, wenn ein oder mehrere Werkstücke in einen Verarbeitungskorb geladen sind, werden in dem Regulierungsmittel eingestellt, und die Wärmebehandlungstemperatur kann ausgewählt und in das Regulierungsmittel gemäß dem Material, der Form und der Ventilationsbedingung der in der Vorrichtung des Anspruchs 4 oder des Anspruchs 5 zu behandelnden Gegenstände eingegeben werden. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet "Form des Werkstücks" allgemeine Formen, wie eine einfache Form ohne Löcher und Aussparungen, eine Form mit einem Spalt, eine Form mit einem länglichen Loch und ähnliches, und nicht eine spezifische Form. Gemäß der Vorrichtung des Anspruchs 8 kann das Einstellen der Wärmebehandlungstemperatur leicht erfolgen.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 9 umfaßt: eine Vielzahl von Vorbehandlungszeiten, entsprechend der Wärmebehandlungstemperatur, werden in dem Regulierungsmittel eingestellt, und die Vorbehandlungszeit kann ausgewählt und in das Regulierungsmittel gemäß der Wärmebehandlungstemperatur in die Vorrichtung des Anspruchs 4 oder des Anspruchs 5 eingegeben werden. In diesem Fall kann das Einstellen der Wärmebehandlungszeit leichter erfolgen.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 10 umfaßt: die Dimension des Verarbeitungs/Bearbeitungsteils des Werkstücks kann in das Regulierungsmittel eingegeben werden, und unter der Voraussetzung, daß die eingegebene Dimension des Verarbeitungs/Bearbeitungsteils des Werkstücks einen vorher bestimmten Wert überschreitet, korrigiert das Regulierungsmittel die Vorerwärmungszeit auf der Basis des überschrittenen Wertes in der Vorrichtung des Anspruchs 9. In diesem Fall kann das Einstellen der Vorerwärmungszeit gemäß der Dimension des Verarbeitungs/Bearbeitungsteils des Werkstücks genau erfolgen.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 11 umfaßt: das Regulierungsmittel bestimmt den Carburierungskoeffizienten anhand der effektiven Oberflächentiefe auf der Basis der ausgewählten und eingegebenen Wärmebehandlungstemperatur in der Vorrichtung des. Anspruchs 4 oder des An spruchs 5.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 12 umfaßt: das Regulierungsmittel berechnet die Gesamtcarburierungszeit, welche zur Carburierung und Diffusion erforderlich ist, auf der Basis des Carburierungskoeffizienten anhand der effektiven Oberflächentiefe, berechnet das Verhältnis zwischen der Carburierungszeit und der Diffusionszeit auf der Basis der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität und bestimmt die Carburierungszeit sowie die Diffusionszeit auf der Basis dieser berechneten Werte in der Vorrichtung des Anspruchs 11. In diesem Fall werden die Carburierungszeit und die Diffusionszeit automatisch gemäß der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität eingestellt.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 13 umfaßt weiterhin: eine Zugabe/Entladungs- bzw. Entnahmekammer für ein oder mehrere Werkstücke, welche evakuiert werden kann; sowie eine Transferkammer, welche der Zugabe/Entladungskammer für ein oder mehrere Werkstücke benachbart angeordnet ist und welche Transfermittel aufweist, welche entlang der vertikalen Achse rotierbar sind, worin eine Vielzahl von Vakuumwärmebehandlungsöfen, die jeweils Evakuierungsmittel, Durchsatz-Einstellmittel, Gasmengen-Detektierungsmittel und Regulierungsmittel aufweisen, sowie eine Härtungskammer und ein Ausgleichsherd, welche beide evakuiert werden können, in Abständen in der Umfangsrichtung entlang der Transferkammer über eine vakuumdichte Tür an jeder Verbindung in der Vorrichtung des Anspruchs 4 oder des Anspruchs 5 vorgesehen sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13 ist geeignet für den Fall, in dem das Herstellungsvolumen relativ niedrig ist und es verschiedene Produktarten herzustellen gibt, da die Wärmebehandlungen der verschiedenen Verarbeitungsmuster gleichzeitig mittels der Vielzahl der Vakuumwärmebehandlungsöfen durchgeführt werden können. Auf der anderen Seite ist die Vorrichtung ebenso geeignet in dem Fall, in dem das Herstellungsvolumen groß ist und es nur eine geringe Anzahl von Produktarten herzustellen gibt, da die Wärmebehandlungen derselben Verarbeitungsmuster gleichzeitig mittels der Vielzahl der Vakuumwärmebehandlungsöfen durchgeführt werden können. Daher ist es möglich, auf die Variationen in der Art und dem Herstellungsvolumen der Werkstücke flexi bel zu reagieren. Zusätzlich können die Erhaltungsmaßnahmen leicht durchgeführt werden, da es möglich ist, die Erhaltung des Vakuumwärmebehandlungsofens, der Härtungskammer und des Ausgleichsherds individuell auszuführen.
Die Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung des Anspruchs 14 umfaßt: eine Gaskühlkammer, welche evakuiert werden kann, wird entlang der Transferkammer in Abständen von dem Vakuumwärmebehandlungsofen, der Härtungskammer und dem Ausgleichsherd in der Umfangsrichtung der Vorrichtung des Anspruchs 13 angeordnet. In diesem Fall ist es möglich, das Hochtemperaturcarburierungsverfahren, einschließlich des Gaskühlens in dem Verarbeitungsmuster, durchzuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, welche die gesamte Struktur der Vakuuumwärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur eines Teils zeigt, welcher die Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung reguliert.
3 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel eines Eingabebildschirms, dargestellt auf einem Display einer Input/Output-Vorrichtung, zeigt.
4 ist ein Diagramm, welches ein Verarbeitungsmuster eines Vakuumcarburierungsverfahrens zeigt.
5(a) und 5(b) sind Diagramme, welche Verarbeitungsmuster eines Vakuumcarbonitrierungsverfahrens zeigen.
6 ist ein Diagramm, welches ein Verarbeitungsmuster eines Hochtemperatur-Vakuumcarburierungsverfahrens zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches ein Verarbeitungsmuster eines Hochkonzentrations-Vakuumcarburierungsverfahrens zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches ein Verarbeitungsmuster eines Vakuumhärtungsverfahrens zeigt.
9 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Menge an zugeführtem Ethylengas und an zugeführtem Wasserstoffgas in einer Vakuumwärmebehandlung zeigt, welche durchgeführt wird, während Ethylengas und Wasserstoffgas zugeführt werden.
10 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Carburierungstemperatur und dem Carburierungskoeffizienten anhand der effektiven Oberflächentiefe zeigt, welche experimentell bestimmt wird.
11 ist eine schematische Aufbauansicht, welche eine weitere Ausführungsform der Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt schematisch einen gesamten Aufbau der Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und 2 zeigt den Aufbau eines Teils, welcher die Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung reguliert.
In 1 umfaßt die Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung: einen Vakuumwärmebehandlungsofen 1; eine Erwärmungsvorrichtung 2, vorgesehen in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1; eine Vakuumpumpe 4, welche mit dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 über ein Evakuierungsrohr 3, welches sich in der Mitte in zwei Wege teilt, verbunden ist; ein Ofendruck-Regulierventil 5A, welches an einem der verzweigten Wege des Evakuierungsrohrs 3 vorgesehen ist; ein Vakuum-EIN/AUS-Ventil 5B, welches an dem anderen der verzweigten Wege des Evakuierungsrohrs 3 vorgesehen ist; einen Wasserstoffgaszylinder 9, einen Ethylengaszylinder 10 und einen Ammoniakgaszylinder 11, verbunden mit dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 über die jeweiligen Zufuhrleitungen 6, 7 und 8; Massenstromregulierventile 12, welche an den jeweiligen Zufuhrlei tungen 6, 7 und 8 angebracht sind; einen Gasmengensensor 13, beispielsweise ein Quadrupol-Massenspektrometersensor zum Detektieren der Mengen an Wasserstoffgas und Ethylengas in dem Wärmebehandlungsofen 1; einen Drucksensor 14 zum Bestimmen des absoluten Drucks in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1; und einen Temperatursensor 15 zum Detektieren der Temperatur des effektiven Erwärmungsraums, worin die Einheitlichkeit der Temperatur sichergestellt ist, in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1. Die Zufuhrleitungen 6, 7 und 8 sind mit einem einzelnen Kopfstück bzw. Sammler 45 an dem Punkt verbunden, welcher näher an dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 ausgehend von den Massenstromregulierventilen 12 liegt und welcher sich erneut an Punkten verzweigt, welche näher an dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 ausgehend von dem Sammler bzw. Kopfstück 45 liegen. Die Durchsatzregulatoren 46 sind an den Punkten vorgesehen, an denen sich die Zufuhrleitungen 6, 7 und 8 erneut verzweigen. Wasserstoffgas, Ethylengas und Ammoniakgas, welche aus den Gaszylindern 9, 10 und 11 zugeführt werden, werden erneut getrennt, nachdem sie in dem Sammler 45 gemischt wurden, und werden in den Vakuumwärmebehandlungsofen 1 eingeleitet, so daß sie mittels der Wirkung der Durchsatzregulatoren 46 durch den Vakuumwärmebehandlungsofen 1 einheitlich versprüht werden.
Obwohl in der Figur nicht gezeigt, wird in der Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung, die in 1 angegeben ist, ein Abschrecköltank gelegentlich neben dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 vorgesehen.
Wie in 2 gezeigt ist, sind die Erwärmungsvorrichtung 2, das Ofendruckregulierventil 5A, das Massenstromregulierventil 12, der Gasmengensensor 13, der Drucksensor 14 und der Temperatursensor 15 an ein Bedienungspult 16 angeschlossen. Das Bedienungspult 16 wird mit einer Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung (Input/Output-Gerät) 17 mit einem Display und einem Leitgerät bzw. Steuergerät 18 versehen.
3 zeigt ein Beispiel eines Eingabebildschirms, welcher in dem Display des Input/Outputgeräts 17 gezeigt wird. In 3 umfaßt der Eingabebildschirm: einen Materialauswahl-/-eingabeteil 20 zum Eingeben eines Materials; einen Verarbeitungsmuster-Auswahl-/-Eingabeteil 21 zum Eingeben eines Verarbeitungsmusters; einen Vorerwärmungszeit-Auswahl-/-Eingabeteil 19 zum Einge ben einer Vorerwärmungszeit; einen Wärmebehandlungstemperatur-Auswahl-/-Eingabeteil 22 zum Eingeben einer Carburierungstemperatur; einen Durchwärmtemperatur-Auswahl-/-Eingabeteil 23 zum Eingeben einer Durchwärmtemperatur; einen zweiten Durchwärmtemperatur-Auswahl-/-Eingabeteil 24 zum Eingeben einer zweiten Durchwärmtemperatur in dem Fall eines Hochkonzentrationscarburierungsverfahrens; einen Wiederholungsanzahl-Eingabeteil 41 zur Eingabe der Anzahl der Wiederholungen in dem Fall eines Hochkonzentrationscarburierungsverfahrens; einen Form-des-Bearbeitungsteils-Auswahl-/-Eingabeteil 25 zur Eingabe der Form des Bearbeitungsteils, wenn eine gewünschte Wärmebehandlungsqualität für ein Werkstück erforderlich ist; einen Dimension-des-Bearbeitungsteils-Auswahl-/-Eingabeteil 26 zur Eingabe der Dimension des Verarbeitungsteils, wenn eine gewünschte Wärmebehandlungsqualität für das Werkstück erforderlich ist; ein effektive Oberflächentiefe-Eingabeteil 27 zur Eingabe der effektiven Oberflächentiefe; ein effektive Oberflächentiefe-Korrektur-/-Eingabeteil 28 zur Eingabe eines Korrekturwerts der effektiven Oberflächentiefe; einen Werkstück-Auswahl-/-Eingabeteil 29 zum Auswählen und Eingeben der Art des Werkstücks; einen Form-Auswahl-/-Eingabeteil 30 zum Eingeben der Form des Werkstücks; einen Ventilationsbedingungsauswahl-/-eingabeteil 31 zum Auswählen und Eingeben der Ventilationsbedingung, wenn die Werkstücke in den Verarbeitungskorb geladen sind; einen Beladungsgewicht-Eingabeteil 32 zum Eingeben des Gesamtgewichts der Werkstücke, welche in den Korb geladen sind, der in den effektiven Erwärmungsraum, in dem die Einheitlichkeit der Temperatur sichergestellt ist, in den Vakuumwärmebehandlungsofen 1 bewegt wird; einen Oberflächenkohlenstoffkonzentrationseingabeteil 33 zur Eingabe der erforderlichen Oberflächenkohlenstoffkonzentration; einen Oberflächenkohlenstoffkonzentrationskorrektur-/-Eingabeteil 34 zum Eingeben eines Korrekturwerts der Oberflächenkohlenstoffkonzentration; einen Äquivalenz-Kohlenstoffkonzentrationsauswahl/-eingabeteil 35 zur Auswahl und Eingabe einer Zieläquivalenz-Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre; einen Ethylenzufuhr-Mengenanzeigeteil 36 zur Anzeige der Menge an zugeführtem Ethylengas; einen Wasserstoffzufuhr-Mengenanzeigeteil 37 zur Anzeige der Menge an zugeführtem Wasserstoffgas; und einen Zifferntastenteil 40.
Das Leitgerät 18 speichert eine Vielzahl von Materialien des Werkstücks, Verarbeitungsmuster und Durchwärmtemperaturen, entsprechend den Materialien des Werkstücks, Wärmebehandlungstemperaturen (welche den Vorwärmtemperaturen und den Streu- bzw. Diffusionstemperaturen entsprechen) sowie Vorwärmzeiten, welche den Wärmebehandlungstemperaturen entsprechen. Durch Auswahl und Eingabe des Materials des Werkstücks aus dem Auswahl-/Eingabeteil 20 der Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 17 werden das Verarbeitungsmuster, die Durchwärmtemperatur, die Wärmebehandlungstemperatur, entsprechend dem Material des Werkstücks, sowie eine Vorwärmzeit, entsprechend der Wärmebehandlungstemperatur, automatisch ausgewählt und von den entsprechenden Auswahl/Eingabeteilen 21, 23, 22 und 19 in das Leitgerät 18 eingegeben. Das Verarbeitungsmuster, die Durchwärmtemperatur und die Wärmebehandlungstemperatur entsprechend dem Material des Werkstücks sowie die Vorwärmzeit entsprechend der Wärmebehandlungszeit können ebenso manuell ausgewählt und einzeln aus den jeweiligen Auswahl/Eingabeteilen 21, 23, 22 und 19 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 durch den Benutzer eingegeben werden. Die Sollwerte des Materialverarbeitungsmusters, der Durchwärmtemperatur und der Wärmebehandlungstemperatur sowie die Vorwärmzeit entsprechend der Wärmebehandlungstemperatur können einzeln durch den Benutzer mit der Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 17 festgesetzt werden.
Die in dem Leitgerät 18 festgesetzten Verarbeitungsmuster sind in den 4 bis 8 gezeigt.
Das in 4 gezeigte Verarbeitungsmuster ist für ein Vakuumcarburierungsverfahren, welches umfaßt: das Vorwärmen durch Erwärmen auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur unter vermindertem Druck; Carburieren bei einer Car- burierungstemperatur, welche der Vorwärmtemperatur entspricht, während Ethylengas und Wasserstoffgas eingeleitet werden; Durchführen von Diffusion bei einer Diffusionstemperatur, welche der Vorwärmtemperatur und der Carburierungstemperatur entspricht, gefolgt von Durchwärmen nach dem Vermindern der Temperatur; und schließlich Durchführen des Ölquenchens.
Das in 5(a) gezeigte Verarbeitungsmuster ist für ein Vakuumcarbonitrierungsverfahren, welches umfaßt: Vorerwärmen durch Erwärmen auf eine vorbestimmte Vorerwärmungstemperatur unter vermindertem Druck; Carburieren bei einer Carburierungstemperatur, welche der Vorerwärmungstemperatur entspricht, wobei Ethylengas und Wasserstoffgas eingeleitet werden; Durchführen der Diffusion bei einer Diffusionstemperatur, welche der Vorerwärmungstemperatur und der Carburierungstemperatur entspricht, gefolgt von Durchwärmen nach dem Vermindern der Temperatur sowie Durchführen der Nitrierung, wobei Ammoniakgas während des Durchwärmens eingeleitet wird; und schließlich Durchführen des Ölquenchens. Während der Nitrierung, welche während des Einleitens von Ammoniakgas durchgeführt wird, können ebenso Ethylengas und Wasserstoffgas eingeleitet werden.
Ein weiteres Verarbeitungsmuster für ein Vakuumcarbonitrierungsverfahren stellt das in 5(b) gezeigte Muster dar, welches keine Carburierung und Diffusion aufweist und umfaßt: das Vorerwärmen durch Erwärmen auf eine Durchwärmtemperatur der 5(a) unter vermindertem Druck; Durchführen der Carbonitrierung, während Ethylengas, Wasserstoffgas und Ammoniakgas eingeleitet werden, nach vollständiger Vorerwärmung; und schließlich Durchführen des Ölquenchens. In dem Fall dieses Verarbeitungsmusters ist die Durchwärmtemperatur gleich der Carbonitrierungstemperatur, da die Zeit für das Carburierungsverfahren in dem Carbonitrierungsverfahren Null ist und das Carburierungsverfahren nicht enthalten ist.
Das in 6 gezeigte Verarbeitungsmuster gilt für ein Hochtemperatur-Vakuumcarburierungsverfahren, welches umfaßt: Vorerwärmen durch Erwärmen auf eine vorbestimmte Vorerwärmungstemperatur unter vermindertem Druck; Durchführen der Carburierung bei einer Carburierungstemperatur, welche der Vorerwärmungstemperatur entspricht, wobei Ethylengas und Wasserstoffgas eingeleitet werden; Durchführen der Diffusion bei einer Diffusionstemperatur, welche der Carburierungstemperatur entspricht, gefolgt von Gaskühlung, anschließendes Durchführen des Durchwärmens unter erneuter Erwärmung auf die vorbestimmte Durchwärmetemperatur; und schließlich Durchführen des Ölquenchens. Das Hochtemperatur-Carburierungsverfahren umfaßt einen Verfahrensschritt zur Verfeinerung der Kristallkörner, welche während der Carburierung auf eine zu große Größe angewachsen sind bei solch einer hohen Temperatur.
Das in 7 gezeigte Verarbeitungsmuster gilt für ein Hochkonzentrationsvakuum-Carburierungsverfahren, welches umfaßt: Wiederholtes Durchführen eines Verfahrens der Vorerwärmung durch Erwärmen auf eine vorbestimmte Vor erwärmungstemperatur unter vermindertem Druck, Durchführen der Carburierung bei einer Carburierungstemperatur, welche der Vorerwärmungstemperatur entspricht, wobei Ethylengas und Wasserstoffgas eingeleitet wird, gefolgt von Gaskühlung, Vorerwärmen durch erneutes Erwärmen auf die Vorerwärmungstemperatur, welche der oben erwähnten Vorerwärmungstemperatur entspricht, und Durchführen der Carburierung bei einer Carburierungstemperatur, welche der Vorerwärmungstemperatur entspricht, wobei Ethylengas und Wasserstoffgas eingeleitet werden, gefolgt von Gaskühlung, in einer vorbestimmten Anzahl; Durchwärmen durch Erwärmen auf eine Durchwärmtemperatur, welche geringer ist als die Carburierungstemperatur, nach der letzten Gaskühlung; und schließlich Durchführen des Ölquenchens. Das Hochkonzentrations-Carburierungsverfahren ist ein Verfahren zum Erhalten von Carbidpräzipitaten durch Gaskühlung und Wachsenlassen der Carbide, während diese kugelförmig geglüht werden. In dem Fall des Hochkonzentrations-Vakuumcarburierungsverfahrens wird eine Anzahl von Wiederholungen in den Wiederholungsanzahl-Eingabeteil 41 der Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 17 eingegeben, und die Durchwärmtemperatur wird ausgewählt und von dem zweiten Durchwärmtemperatur-Auswahl-/-Eingabeteil 24 eingegeben.
Das in 8 gezeigte Verarbeitungsmuster gilt für ein Vakuumhärtungsverfahren, welches umfaßt: Vorerwärmen durch Erwärmen auf eine Vorwärmtemperatur, welche der Durchwärmtemperatur in den Verarbeitungsmustern der 4 bis 6 entspricht, unter vermindertem Druck; und anschließendes Durchführen des Ölquenchens.
Das Verarbeitungsmuster und die Durchwärmtemperatur können automatisch ausgewählt und durch Auswählen und Eingeben eines Materials eines Werkstücks aus dem Materialauswahl-/-eingabeteil 20 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 eingegeben werden. In dem Fall, in dem das Verarbeitungsmuster für ein Härtungsverfahren ist, entspricht die Durchwärmtemperatur der Vorwärmtemperatur, da ein Carburierungsverfahren nicht enthalten ist.
Die Wärmebehandlungstemperatur, d. h. die Carburierungstemperatur, wird auf der Basis der Form des Werkstücks, der Ventilations- bzw. Lüftungsbedingung, wenn die Werkstücke in den Verarbeitungskorb gegeben werden, und der geforderten Wärmebehandlungsqualität bestimmt.
Die Vorwärmzeit wird experimentell auf der Basis der Wärmebehandlungstemperatur bestimmt. Die Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Vorwärmzeit ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Wenn eine Dimension des Verarbeitungsteils eines Werkstücks, eingegeben von der Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 17, eine vorbestimmte Dimension überschreitet, korrigiert das Leitgerät 18 die Vorwärmzeit entsprechend einer Wärmebehandlungstemperatur auf der Basis des Überschußwertes. Beispielsweise in dem Fall, wenn das Verarbeitungsteil, für das eine bestimmte Wärmebehandlungsqualität erforderlich ist, in dem Werkstück einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, bei dem der Durchmesser T1 25 mm überschreitet, wird die Vorwärmzeit gemäß der in Tabelle 2 gezeigten Formel korrigiert. In dem Fall, wenn das Verarbeitungsteil, für das eine bestimmte Wärmebehandlungsqualität erforderlich ist, in dem Werkstück einen quadratischen Querschnitt aufweist, bei dem die Länge der einen Seite T2 25 mm überschreitet, wird die Vorwärmzeit gemäß der in Tabelle 2 gezeigten Formel korrigiert. In dem Fall, wenn das Verarbeitungsteil, welches eine bestimmte Wärmebehandlungsqualität erfordert, in dem Werkstück einen rechteckigen Querschnitt aufweist, bei dem die Länge der kurzen Seite T3 25 mm überschreitet, wird die Vorwärmzeit gemäß der in Tabelle 2 gezeigten Formel korrigiert. In dem Fall, wenn das Verarbeitungsteil, welches eine bestimmte Wärmebehandlungsqualität erfordert, in dem Werkstück einen zylindrischen Querschnitt aufweist, bei dem die Länge der kurzen Seite T4 25 mm überschreitet, wird die Vorwärmzeit gemäß der in Tabelle 2 gezeigten Formel korrigiert. Tabelle 2
In den Zeilen für die Form in Tabelle 2 bedeuten kreisförmig, quadratisch und rechteckig jeweils die Querschnittsformen.
Das Leitgerät 18 speichert eine Vielzahl von Einstellungen für die Form des Bearbeitungsteils, wenn eine gewünschte Wärmebehandlungsqualität in dem Werkstück erforderlich ist, der Art des Werkstücks, der Form des Werkstücks und der Lüftungsbedingung, wenn die Werkstücke in den Verarbeitungs-/Bearbeitungskorb gegeben werden, und akzeptiert die Auswahl und die Eingabe aus den entsprechenden Auswahl/Eingabeteilen 25, 29, 30 und 31.
Das Leitgerät 18 speichert eine Vielzahl von Einstellungen der Äquivalenzkohlenstoffkonzentration in der Verarbeitungsatmosphäre, welche experimentell für den Erhalt der erforderlichen Oberflächenkohlenstoffkonzentration und der Effektivoberflächenschichttiefe bestimmt werden, eine Vielzahl der Einstellungen der Äquivalenzkohlenstoffkonzentration gemäß der Materialien der Werkstücke, welche als Zielwerte verwendet werden. Durch Auswahl und Eingabe des Materials des Werkstücks aus dem Auswahl/Eingabeteil 20 der Eingabe/ Ausgabevorrichtung 17 und durch Eingabe der Oberflächenkohlenstoffkonzentration und der Effektivoberflächenschichttiefe aus den entsprechenden Eingabeteilen 34 und 27 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 wird eine korrespondierende Äquivalenzkohlenstoffkonzentration automatisch aus dem Äquivalenzkohlenstoffkonzentration-Auswahl-/-Eingabeteil 35 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 eingegeben. Es sei angemerkt, daß die Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre manuell ausgewählt und aus dem Auswahl/Eingabeteil 35 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 durch den Benutzer eingegeben werden kann. Darüber hinaus können die Sollwerte der Äquivalenzkohlenstoff konzentration der Atmosphäre einzeln durch den Benutzer mit der Eingabe/ Ausgabevorrichtung 17 bestimmt werden. Das Leitgerät 18 detektiert die Menge an Ethylengas und die an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 durch den Gasmengensensor 13, berechnet die Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der detektierten Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas, vergleicht den berechneten Wert mit dem oben genannten Zielwert und stellt den Öffnungsgrad des Massenstromregulierventils 12 auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert ein, wodurch die Mengen des in den Vakuumwärmebehandlungsofen 1 zugeführten Ethylengases und Wasserstoffgases reguliert werden. Gleichzeitig werden, wie es in 9 gezeigt ist, die Fließraten dieser Gase derartig reguliert, daß die Gesamtmenge der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas konstant ist.
Die Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre Ac (%) wird gemäß der folgenden Formel 1 berechnet:
worin
As: gesättigte Kohlenstoffkonzentration von Austenit (%),
X_H2: Verhältnis der Wasserstoffkonzentration (Molverhältnis),
X_C2H4: Verhältnis der Ethylenkonzentration (Molverhältnis),
P: Ofendruck,
P°: Standarddruck (101,32 kPa) und
Kp: Gleichgewichtskonstante
bedeuten.
Hierin werden die gesättigte Kohlenstoffkonzentration As von Austenit und die Gleichgewichtskonstante Kp jeweils durch die folgenden Formeln 2 und 3 dargestellt:
worin
T: Temperatur (°C)
worin
Tk: absolute Temperatur (K)
ist.
Die oben genannte Formel 1 bestimmt Ac auf der Basis der Gleichgewichtsformel in dem stationären Zustand, wobei angenommen wird, daß die Reaktion von C₂H₄ → 2C + 2H₂ in der Atmosphäre abläuft. In verschiedenen Studien zur Untersuchung, welche Art der Formel zur Bestimmung der Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre geeignet ist, gab die Formel 1 die experimentellen Ergebnisse am besten wieder, und daher wurde diese Formel 1 angewendet. Die Formel 2 berechnet As durch Polynomialnäherung auf der Basis der binären Legierung des Fe-C-Systems. Jedoch kann As durch Polynomialnäherung auf der Basis anderer Legierungen, wie ternärer Legierungen, oder durch Exponentialnäherung bestimmt werden. Die Formeln 1 bis 3 können sich auf verschiedene Weisen in Abhängigkeit der Eigenschaften des Vakuumwärmebehandlungsofens, d. h. der Struktur, der Größe und ähnliches des Vakuumwärmebehandlungsofens, ändern.
Die Tabelle 3 zeigt Berechnungsbeispiele der Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre.
In Tabelle 3 bedeutet beispielsweise 8,28E-01 8,28 × 10^–1, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Zusätzlich detektiert das Leitgerät 18 den Druck in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 mittels eines Drucksensors 14, vergleicht den auf diese Weise detektierten Wert mit einem vorher eingestellten Zielwert und reguliert den Öffnungsgrad des Ofendruckregulierventils 5A derartig. daß der Ofendruck konstant bleibt, um den Ofendruck (absoluten Druck) bei einem konstanten Druck von 4 bis 7 kPa zu halten.
Die Regulierung des Ethylengasdurchsatzes bzw. der Ethylengasfließgeschwindigkeit und des Wasserstoffdurchsatzes bzw. der -fließgeschwindigkeit und die Regulierung des Ofendrucks werden durch die Regelungstechnik gemäß PID durchgeführt.
Auf der Basis der eingegebenen Wärmebehandlungstemperatur bestimmt das Leitgerät 18 die Gesamtcarburierungszeit in der nachstehend beschriebenen Art und Weise. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Begriff "Gesamtcarburierungszeit" die Summe der Carburierungszeit und Diffusionszeit in den Verarbeitungsmustern, welche in den 4 bis 6 gezeigt sind.
K_ECD wird durch eine Effektivoberflächenschichttiefe, welche eine Oberflächenhärte von HV550 bei Behandlung bei der jeweiligen Carburierungstemperatur erreicht, vorher experimentell bestimmt, und dieser Wert wird in das Leitgerät 18 eingegeben. In der folgenden Beschreibung bezieht sich "Carburierungskoeffizient durch Effektivoberflächenschichttiefe" einfach auf den "Carburierungskoeffizienten". Das Experiment wurde unter Verwendung eines Teststücks, hergestellt beispielsweise aus JIS SCM415 mit einem Durchmesser von 24 mm und einer Dicke von 10 mm durchgeführt. Das Experiment umfaßt: das Durchführen eines Vakuumcarburierungsverfahrens unter den Bedingungen verschiedener Temperaturen in dem Bereich von 870 bis 1050°C, Drücken von 4 bis 7 kPa, Fließgeschwindigkeiten des Ethylengases von 10 bis 20 l/min und Fließgeschwindigkeiten des Wasserstoffgases von 5 bis 10 l/min, Gesamtcarburierungszeiten von 100 bis 270 Minuten und dem Verhältnis der Carburierungszeit und der Diffusionszeit von 0,05 bis 2,24; Durchführung des Durchwärmens bei 850°C innerhalb von 30 Minuten nach dem Erniedrigen der Tem peratur sowie Quenchen in einem heißen Quenchöl (HIGH TEMP A, hergestellt von IDEMITSU KOSAN Co., Ltd.) mit einer Öltemperatur von 110 bis 130°C und einem Ölniveaudruck von 80 kPa. Die Beziehung zwischen der Carburierungstemperatur und dem Carburierungskoeffizienten K_ECD, bestimmt gemäß solcher Experimente, ist in 10 gezeigt.
Anschließend berechnet das Leitgerät 18 die Gesamtcarburierungszeit tt (min) unter Verwendung der Effektivoberflächenschichttiefe DECD und des Carburierungskoeffizienten KECD gemäß der folgenden Formel 4: tt = (DECD + DECD'/KECD)2 × 60 Formel 4
In der obigen Formel repräsentiert D_ECD' einen Korrekturwert der Effektivoberflächenschichttiefe, welcher gewöhnlich Null ist, und wenn die Effektivoberflächenschichttiefe des Werkstücks, welches einer Wärmebehandlung eigentlich schon unterzogen wurde, von dem Zielwert abweicht, wird dieser Korrekturwert in das Leitgerät 18 von dem Effektivoberflächenschichttiefe-Korrektur-/-Eingabeteil 28 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 eingegeben.
Zusätzlich bestimmt das Leitgerät 18 das Verhältnis der Carburierungszeit und der Diffusionszeit (R_D/C) in der wie unten beschriebenen Weise auf der Basis der erforderlichen Oberflächenkohlenstoffkonzentration, welche eingegeben worden ist. Die Beziehung zwischen Oberflächenkohlenstoffkonzentration und dem Verhältnis (R_D/C) wird im voraus durch eine Reihe von Experimenten, welche bei unterschiedlichen Carburierungstemperaturen durchgeführt werden, bestimmt, und die Beziehung wird in das Leitgerät 18 eingegeben. Das Experiment wird unter Verwendung eines Teststücks durchgeführt, welches beispielsweise aus JIS SCM415 mit einem Durchmesser von 24 mm und einer Dicke von 10 mm hergestellt ist. Das Experiment umfaßt: das Durchführung eines Vakuumcarburierungsverfahrens bei den Bedingungen verschiedener Temperaturen in dem Bereich von 870 bis 1050°C, Drücken von 4 bis 7 kPa, einer Fließgeschwindigkeit von Ethylengas von 10 bis 20 l/min und von Fließgeschwindigkeiten von Wasserstoffgas von 5 bis 10 l/min, einer Gesamtcarburierungszeit von 100 bis 270 Minuten und dem Verhältnis der Carburierungszeit und Diffu sionszeit von 0,05 bis 2,24; das Durchführen des Durchwärmens bei 850°C innerhalb von 30 Minuten nach dem Erniedrigen der Temperatur; und das Härten in einem heißen Härtungsöl (HIGH TEMP A, hergestellt von IDEMITSU Kosan Co., Ltd.) mit einer Öltemperatur von 110 bis 130°C und einem Ölniveaudruck von 80 kPa. Die Beziehung zwischen der Oberflächenkohlenstoffkonzentration (CH) und dem Verhältnis (RD/C), welche auf diese Weise erhalten wird, ist in Tabelle 4 für jede Carburierungstemperatur gezeigt. Tabelle 4
Anschließend berechnet das Leitgerät 18 die Temperaturverminderungsgeschwindigkeit aus dem eingegebenen Beladungsgewicht des Werkstücks auf den Korb gemäß der folgenden Formel 5 und berechnet die Temperaturverminderungszeit auf der Basis der berechneten Temperaturverminderungsgeschwindigkeit und der Carburierungstemperatur sowie der eingegebenen Durchwärmtemperatur gemäß der folgenden Formel 6: Vm = – 0,0032 × W + 2,5743 Formel 5 tm = (Tc – Ts)/Vm Formel 6worin gilt
Vm: Temperaturverminderungsgeschwindigkeit (°C/min),
W: Beladungsgewicht (kg),
t_m: Temperaturverminderungszeit (min),
Tc: Carburierungstemperatur (°C) und
Ts: Durchwärmtemperatur (°C).
Da die Temperaturverminderungsgeschwindigkeit und die Temperaturverminderungszeit auf verschiedene Weise in Abhängigkeit der Eigenschaften des Vakuumwärmebehandlungsofens 1, dem Beladungsgewicht des Werkstücks und der Belüftungsbedingung, bei der die Werkstücke in den Verarbeitungskorb gelegt werden, varueren, wird die oben genannte Formel 5 experimentell bestimmt.
Hierin wird das Verhältnis (R_D/C) zwischen der Carburierungszeit und der Diffusionszeit durch die folgende Formel 7 in Anbetracht der Temperaturverminderungszeit ausgedrückt:
Das Leitgerät 18 berechnet die Carburierungszeit aus dem Verhältnis zwischen der Carburierungszeit und Diffusionszeit der Tabelle 4, der Gesamtcarburierungszeit und der Temperaturverminderungszeit gemäß der folgenden Formel 8 und berechnet die Diffusionszeit aus der berechneten Carburierungszeit und der Gesamtcarburierungszeit gemäß der folgenden Formel 9, wobei unter Verwendung der Ergebnisse eine Einstellung vorgenommen wird:
worin gilt
t_c: Carburierungszeit (min), t_t: Gesamtcarburierungszeit (min), t_m: Temperaturverminderungszeit (min), und t_d: Diffusionszeit (min).
Es sei angemerkt, daß die Formeln 7 und 8 in Abhängigkeit verschiedener Bedingungen geändert werden können.
In dem Leitgerät 18 wird die Durchwärmzeit anfangs beispielsweise auf 30 Minuten als Eingangswert eingestellt. Der Eingangswert der Durchwärmzeit kann geeignet geändert werden.
Nachstehend wird ein Vakuumwärmebehandlungsverfahren unter Verwendung der oben erwähnten Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung beschrieben.
Zuerst werden, wenn das Material des zu verarbeitenden Werkstücks ausgewählt und von dem Materialauswahl-/-eingabeteil 20 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 des Bedienfelds 16 eingegeben wurde, das Verarbeitungsmuster, die Wärmebehandlungstemperatur, die Durchwärmtemperatur, die Vorwärmzeit und die Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre, welche einen Zielwert darstellt, automatisch ausgewählt und von den jeweiligen Auswahl/ Eingabeteilen 21, 22, 23, 19 und 35 eingegeben. Zusätzlich werden die Art des Werkstücks, die Gesamtform, die Belüftungsbedingung beim Beladen in den Korb sowie die Form des Verarbeitungsteils, wo eine gewünschte Wärmebehandlungsqualität in dem Werkstück erforderlich ist, von den entsprechenden Auswahl/Eingabeteilen 29, 30, 31 und 25 ausgewählt/eingegeben, und das Beladungsgewicht der in den Verarbeitungskorb geladenen Werkstücke, die Effektivoberflächenschichttiefe und die Oberflächenkohlenstoffkonzentration werden von den jeweiligen Eingabeteilen 32, 27 und 33 eingegeben.
Anschließend, sofern die Dimension des Verarbeitungsteils, bei dem eine gewünschte Wärmebehandlungsqualität erforderlich ist in dem Werkstück, die von der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 eingegeben wurde, eine vorbestimmte Dimension überschreitet, korrigiert das Leitgerät 18 die Vorwärmzeit auf der Basis des Überschußwerts, wobei auf Tabelle 2 Bezug genommen wird. Ebenso berechnet das Leitgerät 18 die Gesamtcarburierungszeit und das Verhältnis zwischen der Carburierungszeit und der Diffusionszeit auf der Basis der Wärmebehandlungstemperatur, welche auf diese Weise eingegeben wurde, und dadurch wird die Carburierungszeit und die Diffusionszeit bestimmt. Auf diese Weise werden die Bedingungen der Wärmebehandlung bestimmt. Die Carbonitrierungszeit in dem Verarbeitungsmuster der 5(b) wird manuell eingegeben.
Wenn die Vakuumwärmebehandlung beginnt, öffnet das Leitgerät 18 das Vaku um-EIN/AUS-Ventil 5B zum Vermindern des Drucks des Vakuumwärmebehandlungsofens 1 auf einen vorbestimmten Druck und erwärmt anschließend das Innere des Ofens mittels der Wärmevorrichtung 2 derartig, daß die Vakuumwärmebehandlung in einem jeden der Verarbeitungsmuster, welche in den 4 bis 8 gezeigt sind, durchgeführt wird. Wenn der innere Druck des Vakuumwärmebehandlungsofens 1 auf einen vorbestimmten Druck vermindert ist, wird das Vakuum-EIN/AUS-Ventil 5B geschlossen.
In dem Fall der vier Verarbeitungsmuster, welche sich von dem in 8 gezeigten Vakuumhärten unterscheiden, d. h. in den Fällen, welche Carburierung oder Carbonitrierung umfassen, detektiert das Leitgerät 18 die Menge an Ethylengas und die an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 mittels des Gasmengensensors 13 zur Zeit der Carburierung, Nitrierung und Carbonitrierung, berechnet die Äquivalenzkohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der detektierten Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas, vergleicht den berechneten Wert mit dem Zielwert, stellt den Öffnungsgrad des Massenstromregulierventils 12 auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert zum Regulieren der Zufuhrmengen von Ethylengas und Wasserstoffgas in den Vakuumwärmebehandlungsofen 1 ein, wobei die Fließgeschwindigkeiten dieser Gase derartig reguliert werden, daß die Summe der Menge von Ethylengas und der von Wasserstoffgas konstant ist. Ebenso detektiert das Leitgerät 18 den inneren Druck des Vakuumwärmebehandlungsofens 1 mittels des Drucksensors 14, vergleicht den auf diese Weise detektierten Detektionswert mit dem Zielwert, welcher vorher bestimmt wurde, 4 bis 7 kPa in diesem Fall, und reguliert den Öffnungsgrad des Ofendruckregulierventils 5A derartig, daß, der Ofendruck konstant bleibt. In den Fällen der Nitrierung und Carbonitrierung stellt das Leitgerät 18 den Öffnungsgrad des Massenstromregulierventils 12 derartig ein, daß die Menge an in den Vakuumwärmebehandlungsofen 1 zugeführtem Ammoniakgas eine konstante Menge, beispielsweise 20 l/min, darstellt.
Auf diese Weise wird eine Vakuumwärmebehandlung in einem spezifischen Verarbeitungsmuster an den Werkstücken durchgeführt.
In dem Fall, da die Effektivoberflächenschichttiefe und die Oberflächenkohlenstoffkonzentration der Werkstücke, welche dem Verfahren unterzogen wurden, von den vorbestimmten Werten abweichen, wird die Wärmebehandlung, die beim nächsten Mal durchgeführt werden soll, unter den selben Bedingungen durchgeführt, während Eingabekorrekturwerte in das Effektivoberflächenschichttiefe-Korrektur-/-Eingabeteil 28 und das Oberflächenkohlenstoffkonzentrations-Korrektur-/-Eingabeteil 34 der Eingabe/Ausgabevorrichtung 17 eingegeben werden. Genauer gesagt, wenn die Effektivoberflächenschichttiefe und die Oberflächenkohlenstoffkonzentration größer als die vorbestimmten Werte sind, werden negative Werte eingegeben, wohingegen, wenn sie kleiner als die vorbestimmten Werte sind, positive Werte eingegeben werden.
Die 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 11 umfaßt die Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung: eine Transferkammer 50, druckvermindert mittels einer Vakuumpumpe 51; eine Transfereinrichtung 52, derartig in der Transferkammer 50 vorgesehen, daß sie in der Transferkammer 50 entlang der vertikalen Achse rotieren kann. Zusätzlich zu der Rotation kann die Transfervorrichtung 52 sich vertikal und linear auf einer horizontalen Oberfläche bewegen.
Um die Transferkammer 50 sind eine Werkstückzufuhr-/-entnahmekammer 54, deren Druck durch eine Vakuumpumpe 53 vermindert werden kann, eine Vielzahl von Vakuumwärmebehandlungsöfen 1, ein Ausgleichsherd 55, eine Gaskühlkammer 56 und eine Härtungskammer 57, druckvermindert mittels einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt), in Intervallen in der Umfangsrichtung vorgesehen. Ein jeder Vakuumwärmebehandlungsofen 1 weist dieselbe Struktur auf, wie sie in 1 gezeigt ist, und umfaßt, obwohl dies in der Figur nicht gezeigt ist, eine Erwärmungsvorrichtung, eine Vakuumpumpe, verbunden über ein Evakuierungsrohr, ein Ofendruckregulierventil und ein Vakuum-EIN/AUS-Ventil, vorgesehen in dem Evakuierungsrohr, einen Wasserstoffgaszylinder, einen Ethylengaszylinder und einen Ammoniakgaszylinder, jeweils angeschlossen über ein Zufuhrrohr, ein Massenstromregulierventil, vorgesehen an einem jeden Zufuhrrohr, einen Gasmengensensor, einen Drucksensor und einen Temperatursensor. Eine Erwärmungsvorrichtung, ein Ofendruckregulierventil und ein Vakuum-EIN/AUS-Ventil, ein Massenstromregulierventil, ein Gasmengensensor, ein Drucksensor und ein Temperatursensor eines jeden Vakuumwär mebehandlungsofens 1 sind jeweils an ein Bedienfeld angeschlossen, welches ähnlich dem in 2 gezeigten ist.
Zwischen der Transferkammer 50 und der Werkstückzufuhr-/-ausgabekammer 54, einem jeden Vakuumwärmebehandlungsofen 1, dem Ausgleichsherd 55, der Gaskühlkammer 56 und der Härtungskammer 57 sind Übertragungsanschlüsse (communication ports) vorgesehen, und die Übertragungsanschlüsse sind derartig angeordnet, daß sie durch vakuumdichte Türen geöffnet/geschlossen werden. Die Werkstücke, welche in die Werkstückzugabe-/-ausgabekammer gegeben werden, werden zwischen einer jeden Vakuumkammer und einem jeden Wärmebehandlungsofen 1 über die Übertragungsanschlüsse mittels der Transfervorrichtung 52 transferiert.
In einer Vakuumwärmebehandlung unter Verwendung der Vakuumwärmebehandlungsvorrichtung, wie oben beschrieben, werden Verfahren, anders als das Durchwärmen, das Gaskühlen und das Härten, d. h. das Vorwärmen, Carburierung und Diffusion gemäß den Verarbeitungsmustern der 4, der 5(a) und der 6, und Vorwärmen und Carbonitrieren gemäß den Verarbeitungsmustern der 5(b) sowie Vorwärmen und Carburierung gemäß den Verarbeitungsmustern der 7, in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 durchgeführt. Somit werden mittels des Leitgeräts 18 des Bedienfelds 16 die Menge des Ethylengases und des Wasserstoffgases, der Ofendruck, die Ofentemperatur in dem Vakuumwärmebehandlungsofen 1 während dieser Verfahren reguliert.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene andere Weisen durchgeführt werden, ohne deren Gegenstand zu verlassen. Daher dienen die oben genannten Ausführungsformen lediglich verdeutlichenden Zwecken in jeglicher Hinsicht und sollen nicht in einer beschränkenden Weise interpretiert werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben wurde, sind das Vakuumwärmebehandlungsverfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Durchführen von Vakuumwärmebehandlungen nützlich, wie der Carburierung, Carbonitrierung, Hochtemperaturcarburierung, Hochkonzentrationscarburierung und ähnli chem, welche während der Zufuhr eines gemischten Gases aus Ethylengas und Wasserstoffgas durchgeführt werden und welche besonders geeignet sind zum Erhalt einer für ein Werkstück erforderlichen Wärmebehandlungsqualität mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung, wie zur Carburierung, Carbonitrierung, Hochtemperaturcarburierung, Hochkonzentrationscarburierung und dergleichen zur Verfügung, welches während des Zuführens eines gemischten Gases aus Ethylengas und Wasserstoffgas unter vermindertem Druck durchgeführt wird. Das Verfahren umfaßt: das Detektieren der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in einem Vakuumwärmebehandlungsofen (1); die Berechnung der äquivalenten Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der detektierten Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas; und den Vergleich des berechneten Werts mit einem Zielwert, welcher auf der Basis der Materialspezifikation und der erforderlichen Wärmebehandlungsleistung eines zu behandelnden Gegenstands (ein Werkstück) bestimmt wird, um die Mengen an Ethylengas und Wasserstoffgas, die dem Vakuumwärmebehandlungsofen (1) zugeführt werden, auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert zu regulieren. Eine für ein Werkstück erforderliche Vakuumwärmebehandlungsqualität kann genau und reproduzierbar erhalten werden.

Claims

Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung, welches durchgeführt wird während der Zufuhr eines gemischten Gases aus Ethylengas und Wasserstoffgas in einen evakuierten bzw. drucklosen Vakuumwärmebehandlungsofen, umfassend: Detektieren einer Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen; Berechnen einer äquivalenten Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der detektierten Menge Ethylengas und der an Wasserstoffgas; und Vergleichen des berechneten Werts mit dem Zielwert, welcher auf der Basis der Materialspezifikation und der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität eines zu behandelnden Gegenstands angesetzt wurde, so daß die in den Vakuumwärmebehandlungsofen zugeführten Mengen an Ethylengas und Wasserstoffgas auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert reguliert werden.
Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 1, umfassend: das Konstanthalten der Summe der Menge von Ethylengas und der von Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen.
Verfahren zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend: das Konstanthalten des Drucks in dem Vakuumwärmebehandlungsofen.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung, umfassend: einen Vakuumwärmebehandlungsofen; Evakuierungsmittel zum Evakuieren des Inneren des Vakuumwärmebehandlungsofens; Durchsatz-Einstellmittel zum Justieren der in den Vakuumwärmebehandlungsofen einzuleitenden Mengen an Ethylengas und Wasserstoffgas; Gasmengen-Detektionsmittel zum Detektieren der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen; Regulierungsmittel zum Berechnen einer äquivalenten Kohlenstoffkonzentration der Atmosphäre auf der Basis der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas, welche mittels der Gasmengen-Detektionsmittel detektiert wurden, zum Vergleichen dieses berechneten Werts mit einem Zielwert, welcher auf der Basis der Materialspezifikation und der erforderlichen Wärmebehandlungsmenge eines zu behandelnden Gegenstands vorher festgesetzt wurde, und zum Regulieren der Mengen an in den Vakuumwärmebehandlungsofen einzuleitendem Ethylengas und Wasserstoffgas auf der Basis des Unterschieds zwischen dem berechneten Wert und dem Zielwert mittels der Durchsatz-Einstellmittel.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4, worin das Regulierungsmittel die Durchsatz-Einstellmittel derartig reguliert, daß die Summe der Menge an Ethylengas und der an Wasserstoffgas in dem Vakuumwärmebehandlungsofen konstant ist.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, weiterhin umfassend: Druckdetektierungsmittel zum Detektieren des Drucks in dem Vakuumwärmebehandlungsofen, worin das Regulierungsmittel einen durch das Druckdetektierungsmittel detektierten Detektionswert mit einem vorher festgesetzten Zielwert vergleicht und das Evakuierungsmittel derartig reguliert, daß der Ofendruck konstant ist.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, worin eine Vielzahl von Verarbeitungsmustern und Durchwärmtemperaturen, welche der Materialspezifikation des zu behandelnden Gegenstands entsprechen, in dem Regulierungsmittel angesetzt sind und die Verarbeitungsmuster und die Durchwärmtemperatur ausgewählt und in das Reguliermittel entsprechend der Materialspezifikation des zu behandelnden Gegenstands eingegeben sein können.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, worin eine Vielzahl der Wärmebehandlungstemperaturen, entsprechend der Materialspezifikation, Form des zu behandelnden Gegenstands und der Ventilationsbedingung, wenn ein oder mehrere zu behandelnde Gegenstände in einen Verarbeitungskorb gegeben werden, in dem Regulierungsmittel eingestellt sind, und die Wärmebehandlungstemperatur ausgewählt und in das Regulierungsmittel entsprechend der Materialspezifikation, Form und Ventilationsbedingung des zu behandelnden Gegenstands eingegeben sein kann.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, worin eine Vielzahl der Vorbehandlungszeiten, entsprechend der Wärmebehandlungstemperatur, in dem Regulierungsmittel eingestellt sind, und die Vorbehandlungszeit ausgewählt und in das Regulierungsmittel entsprechend der Wärmebehandlungstemperatur eingegeben sein kann.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 9, worin eine Dimension des Verarbeitungs/Bearbeitungsteils des zu behandelnden Gegenstands in das Regulierungsmittel eingegeben werden kann, und wenn die eingegebene Dimension des Teils des zu behandelnden Gegenstands einen vorher bestimmten Wert übersteigt, das Regulierungsmittel die Vorbehandlungszeit auf der Basis des überschüssigen Werts korrigiert.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, worin das Regulierungsmittel einen Carburierungskoeffizienten anhand der Effektivoberflächenschichttiefe auf der Basis der ausgewählten und angegebenen Wärmebehandlungstemperatur bestimmt.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 11, worin das Regulierungsmittel die Gesamt-Carburierungszeit, welche für die Carburierung und die Diffusion erforderlich ist, auf der Basis des Carburierungskoeffizienten anhand der Effektivoberflächenschichttiefe berechnet, das Verhältnis zwischen Carburierungszeit und Diffusionszeit auf der Basis der erforderlichen Wärmebehandlungsqualität berechnet und die Carburierungszeit und Diffusionszeit auf der Basis dieser berechneten Werte bestimmt.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, weiterhin umfassend: eine Zugabe/Entnahmekammer für einen zu behandelnden Gegenstand, welche evakuiert werden kann; und eine Transferkammer, welche der Zugabe/Entnahmekammer für einen oder mehrere zu behandelnde Gegenstände benachbart angeordnet ist, und welche Transfermittel, welche entlang ihrer vertikalen Achse rotierbar sind, aufweist, worin eine Vielzahl der Vakuumwärmebehandlungsöfen, welche jeweils die Evakuierungsmittel, die Durchsatz-Einstellmittel, die Gasmengen-Detektionsmittel und die Regulierungsmittel aufweisen, sowie die Härtungskammer und der Ausgleichsherd, welche evakuiert werden können, in Abständen in der Umfangsrichtung entlang der Transferkammer vorgesehen sind.
Vorrichtung zur Vakuumwärmebehandlung nach Anspruch 13, worin eine Gaskühlkammer, welche evakuiert werden kann, entlang der Transferkammer in Abständen von dem Vakuumwärmebehandlungsofen, der Härtungskammer und dem Ausgleichsherd in der Umfangsrichtung angeordnet ist.