-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Es
wird Priorität bezüglich der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr.
2007-060498 , eingereicht am 09. März 2007, beansprucht,
deren Inhalt hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumkarburierungsverfahren
und eine Vakuumkarburierungsvorrichtung.
-
Beschreibung des Standes der
Technik
-
Vakuumkarburierung
ist eine Karburierungstechnik, in der eine Oberflächenschicht
eines metallischen Werkstücks karburiert und abgeschreckt
wird, um die Härte der Oberflächenschicht zu steigern. Eine
solche Vakuumkarburierung ist in der
japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-325701 (im Folgenden als
Patentdokument 1 bezeichnet) und in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-115893 (im
Folgenden als Patentdokument 2 bezeichnet) beschrieben.
-
In
der Vakuumkarburierung, die in Patentdokument 1 beschrieben ist,
wird ein Werkstück in einer Heizkammer auf eine vorgegebene
Temperatur im Vakuum erhitzt, Karburierungsgas, wie z. B. Acetylen,
in die Heizkammer geleitet, und das Werkstück karburiert.
Anschließend wird die Zufuhr des Karburierungsgases gestoppt,
das Innere der Heizkammer erneut in den Vakuumzustand versetzt,
der Kohlenstoff auf der Oberfläche des Werkstücks
in dieses diffundiert, die Temperatur auf eine Abschrecktemperatur
gesenkt, und anschließend eine Ölkühlung
durchgeführt.
-
Um
in der Vakuumkarburierung, die im Patentdokument 2 beschrieben ist,
die übermäßige Karburierung einer Oberfläche
(insbesondere einer Ecke) eines Werkstücks in der Anfangsphase
der Diffusion in der im Patentdokument 1 beschriebenen Vakuumkarburierung
zu beheben, wird ein Dekarburierungsgas in einen Ofen (äquivalent
zu der im Patentdokument 1 beschriebenen Heizkammer) geleitet, so
dass das Zementit in der Oberflächenschicht des Werkstücks
reduziert oder beseitigt wird.
-
Die 12 und 13 sind
Diagramme, die eine Behandlungszeit und eine Temperatur jedes Prozesses
der herkömmlichen Vakuumkarburierung, eine Atmosphärenbedingung,
sowie Beispiele von Vorrichtungstypen zeigen, wenn ein Hohlrad für
ein Kraftfahrzeug verarbeitet wird. Bei dieser Verarbeitung wird
ein Stahlmaterial, wie z. B. SCr420 mit einer Basismaterialkohlenstoffkonzentration
von 0,2%, als Werkstück verwendet, wobei eine Soll-Oberflächen-Kohlenstoffkonzentration
gleich 0,8% ist, eine effektive Karburierungstiefe gleich 0,8 mm
in 12 und 1,5 mm in 13 ist,
und eine Soll-Kohlenstoffkonzentration bei der effektiven Karburierungstiefe gleich
0,35% ist.
-
In
der obenbeschriebenen herkömmlichen Vakuumkarburierung,
wie in den 12 und 13 gezeigt
ist, wird nach dem Diffusionsprozess die Temperatur auf die Abschrecktemperatur
im Temperaturabsenkungsprozess gesenkt, woraufhin der Prozess zu
einem Aufrechterhaltungsprozess vor dem Abschrecken übergeht.
In diesem Fall beträgt im Allgemeinen die Karburierungstemperatur
X°C etwa 930°C. Da die Rate der Karburierung und
der Diffusion höher wird, wenn die Behandlungstemperatur steigt,
ist es möglich, die Zeit für die Vakuumkarburierung
zu verkürzen.
-
Wenn
jedoch die Vakuumkarburierung z. B. bei der Behandlungstemperatur
X°C von 1.050°C durchgeführt wird, ist
es aufgrund einer Blasenbildung, die durch die Hochtemperaturbehandlung
hervorgerufen wird, schwierig, feine Kristallkörner im Werkstück
W auszubilden. Dementsprechend ist es schwierig, ein Werkstück
W zu erhalten, das einen vorgegebenen Eigenschaftswert aufweist.
Außerdem tritt eine Ungleichmäßigkeit
der Temperatur zwischen der Oberfläche und dem Inneren
des Werkstücks auf, wodurch die Kristallkörner
ungleichmäßig werden.
-
Die
Erfindung wurde gemacht, um die obenerwähnten Probleme
zu lösen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, die
Behandlungstemperatur anzuheben, um einen schnellen Fortschritt
der Karburierung und der Diffusion zu erlauben, eine gleichmäßige
Temperatur zwischen der Oberfläche und dem Inneren des
Werkstücks zu erreichen, selbst wenn die Behandlungszeit
verkürzt ist, und das Problem der aufgeblähten
Kristallkörner zu lösen, um somit ein Werkstück
zu erhalten, das einen vorgegebenen Eigenschaftswert aufweist.
-
ÜBERBLICK ÜBER
DIE ERFINDUNG
-
Um
die obenerwähnten Probleme zu lösen, wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ein Vakuumkarburierungsverfahren geschaffen,
umfassend: einen Vorheizprozess zur Aufheizung eines Werkstücks
in einer Heizkammer auf eine erste Temperatur; einen Karburierungsprozess
zur Zuführung von Karburierungsgas in die Heizkammer, um
das Werkstück in einem Zustand zu karburieren, in dem das
Innere der Heizkammer auf einen extrem niedrigen Druck evakuiert
ist; einen Diffusionsprozess zum Stoppen der Zufuhr des Karburierungsgases,
um Kohlenstoff von der Oberfläche des Werkstücks
in das Innere desselben zu diffundieren; und einen Abschreckprozess
zur Abschreckung des Werkstücks ausgehend von einem Zustand,
in dem das Werkstück auf eine zweite Temperatur gebracht
worden ist, wobei das Verfahren ferner zwischen dem Diffusionsprozess
und dem Abschreckprozess umfasst: einen Normalisierungsprozess zur
Durchführung einer Stufenabkühlung, in der eine
Temperaturabsenkungsbehandlung und eine Temperaturaufrechterhaltungsbehandlung
mehrmals alternierend wiederholt werden, so dass eine Temperaturhistorie
von der ersten Temperatur zu einer vorgegebenen Temperatur eine
vorgegebene Bedingung erfüllt; einen Nach-Normalisierung-Aufrechterhaltungsprozess
zur Aufrechterhaltung der Temperatur des gesamten Werkstücks
für eine vorgegebene Zeitspanne nach dem Normalisierungsprozess,
so dass das gesamte Werkstück die vorgegebene Temperatur
erreicht, um somit feine Kristallkörner im Werkstück
zu erzeugen; und einen Wiederaufheizprozess zum Anheben der Temperatur
des Werkstücks auf die zweite Temperatur nach dem Nach-Normalisierung-Aufrecherhaltungsprozess.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung können im Vakuumkarburierungsverfahren
gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Absenkungstemperaturen
in den Temperaturabsenkungsbehandlungen des Normalisierungsprozesses gleichwertig festgelegt
sein.
-
Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung können im Vakuumkarburierungsverfahren
gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der Erfindung der
Karburierungsprozess, der Diffusionsprozess, der Normalisierungsprozess
und der Wiederaufheizprozess in der Heizkammer durchgeführt
werden.
-
Gemäß einem
vierten Aspekt der Erfindung kann in Vakuumkarburierungsverfahren
gemäß irgendeinem der ersten bis dritten Aspekte
der Erfindung der Abschreckprozess in einer Kühlkammer zum
Kühlen des Werkstücks, die separat von der Heizkammer
vorgesehen ist, durchgeführt werden.
-
Gemäß einem
fünften Aspekt der Erfindung können im Vakuumkarburierungsverfahren
gemäß irgendeinem der ersten bis vierten Aspekte
der Erfindung der Vorheizprozess, der Diffusionsprozess und der
Wiederaufheizprozess in einem Zustand, in dem die Heizkammer in
einen Zustand mit extrem niedrigen Druck versetzt ist, oder in einem
Zustand, in dem die Heizkammer mit einem Schutzgas gefüllt
ist, durchgeführt werden.
-
Gemäß einem
sechsten Aspekt der Erfindung wird eine Vakuumkarburierungsvorrichtung
geschaffen, umfassend: eine Heizkammer mit einer Heizvorrichtung;
und eine Kühlkammer mit einem ersten Kühler, wobei
die Heizvorrichtung ein Werkstück in der Heizkammer auf
eine erste Temperatur aufheizt, Karburierungsgas in die Heizkammer
geleitet wird, um das Werkstück in einem Zustand zu karburieren,
in dem das Innere der Heizkammer bis unter einen vorgegebenen Druck
evakuiert ist, die Zufuhr des Karburierungsgases gestoppt wird,
um Kohlenstoff von der Oberfläche in das Innere des Werkstücks
zu diffundieren, und das Werkstück in der Kühlkammer
mittels des ersten Kühlers in einem Zustand abgeschreckt
wird, in dem das Werkstück auf eine zweite Temperatur gebracht
worden ist, wobei die Heizkammer enthält: einen Ofen, der
von einer Wärmeisolationstrennwand umgeben ist; einen zweiten
Kühler, der eine wenigstens im Ofen angeordnete erste Gaskonvektionsvorrichtung
aufweist; und einen Windwegumschaltmechanismus zum Umwälzen
des Gas in der Heizkammer in einer geöffneten Stellung, und
zum Umwälzen des Gases im Ofen in einer geschlossenen Stellung.
-
Gemäß einem
siebten Aspekt der Erfindung kann in der Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung der zweite
Kühler die erste Gaskonvektionsvorrichtung und einen in der
Heizkammer vorgesehenen Wärmetauscher enthalten.
-
Gemäß einem
achten Aspekt der Erfindung kann in der Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß dem sechsten oder dem siebten Aspekt der
Erfindung die erste Gaskonvektionsvorrichtung ein Zentrifugalgebläse
sein, wobei der Windwegumschaltmechanismus eine erste Tür,
die in einem Abschnitt der Wärmeisolationstrennwand des
Ofens in einer Gasauslassrichtung des Zentrifugalgebläses
vorgesehen ist, und eine zweite Tür, die in der Wärmeisolationstrennwand
gegenüberliegend der ersten Tür mit dazwischen
angeordnetem Werkstück vorgesehen ist, aufweisen kann.
-
Gemäß einem
neunten Aspekt der Erfindung kann in der Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß irgendeinem der sechsten bis achten Aspekte
der Erfindung die erste Gaskonvektionsvorrichtung die Temperatur
des karburierten Werkstücks von einer ersten Temperatur
auf eine vorgegebene Temperatur absenken, so dass eine Temperaturhistorie
desselben eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wobei die Temperatur
des Werkstücks gehalten wird, so dass die Temperatur des
gesamten Werkstücks die vorgegebene Temperatur erreicht,
wodurch feine Kristallkörner im Werkstück erzeugt
werden.
-
Gemäß einem
zehnten Aspekt der Erfindung wird eine Vakuumkarburierungsvorrichtung
geschaffen, umfassend: eine Heizkammer mit einer Heizvorrichtung
und einem Kühler, wobei die Heizvorrichtung ein Werkstück
in der Heizkammer auf eine erste Temperatur aufheizt, Karburierungsgas
in die Heizkammer geleitet wird, um das Werkstück in einem
Zustand zu karburieren, in dem das Innere der Heizkammer bis unter
einen vorgegebenen Druck evakuiert ist, die Zufuhr des Karburierungsgases
gestoppt wird, um den Kohlenstoff von der Oberfläche in
das Innere des Werkstücks zu diffundieren, und das Werkstück
mittels des Kühlers in einem Zustand abgeschreckt wird,
in dem das Werkstück auf eine zweite Temperatur gebracht
worden ist, wobei die Heizkammer enthält: einen Ofen, der
von einer Wärmeisolationstrennwand umgeben ist; eine erste
Gaskonvektionsvorrichtung, die im Ofen angeordnet ist; einen Windwegumschaltmechanismus
zum Umwälzen des Gases in der Heizkammer in einer geöffneten Stellung,
um das Werkstück zu kühlen, und zum Umwälzen
des Gases im Ofen in einer geschlossenen Stellung.
-
Gemäß einem
elften Aspekt der Erfindung kann in der Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß irgendeinem der sechsten bis zehnten Aspekte
der Erfindung die Heizvorrichtung ein Heizelement aufweisen, das
aus leitenden Materialien gefertigt ist, um ein Abschrecken ausgehend
von einem Hochtemperaturzustand zu überstehen, und im Ofen
angeordnet ist, wobei ein Trägerelement an der Wärmeisolationstrennwand
des Ofens angebracht ist, um das Heizelement an der Wärmeisolationstrennwand des
Ofens zu unterstützen und zu fixieren, wobei eine Strommesseinrichtung
vorgesehen sein kann, um einen Erdungsfehlerstrom des Heizelements
außerhalb der Heizkammer zu messen, wobei anhand des von
der Strommesseinrichtung gemessenen Wertes erfasst werden kann,
ob ein Erdungsfehler des Heizelements vorliegt, oder nicht.
-
Gemäß einem
zwölften Aspekt der Erfindung kann in der Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß irgendeinem der sechsten bis elften Aspekte
der Erfindung der Kühler Hochdruckgas umwälzen,
um das Werkstück zu kühlen.
-
Gemäß einem
dreizehnten Aspekt der Erfindung kann in der Vakuumkarburierungsvorrichtung gemäß irgendeinem
der sechsten bis zwölften Aspekte der Erfindung die Heizkammer
eine zweite Gaskonvektionsvorrichtung aufweisen.
-
Da
gemäß Vakuumkarburierungsverfahren der Erfindung
die Temperaturaufrechterhaltung in einem Nach-Diffusion-Normalisierungsprozess
durchgeführt wird, ist es anschließend möglich,
feine Kristallkörner im Werkstück durch die Temperaturaufrechterhaltung
im Normalisierungsprozess und die anschließende Temperaturaufrechterhaltung
zu erzeugen, selbst wenn die Kristallkörner durch Ausführen
der Karburierung und der Diffusion mit einer hohen Temperatur zum
Verkürzen der Prozesszeit grobkörnig gemacht werden.
Genauer wird in der Normalisierung nach der Diffusion der Stufenabkühlungsprozess
ausgeführt, in welchem der Temperaturabsenkungsprozess
und der Temperaturaufrechterhaltungsprozess alternierend wiederholt
werden, um die Temperatur des Werkstücks zu senken, wobei die
Temperatur des gesamten Werkstücks gleichmäßig
wird, so dass es möglich ist, die Ungleichmäßigkeit
zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur
des Werkstücks, die zum Zeitpunkt der Ab kühlung
erzeugt wird, zu unterdrücken. Dementsprechend ist es möglich,
gleichmäßiger feine Körner im Werkstück
zu erzeugen. Aus diesem Grund werden bei Verkürzung der
Prozesszeit durch den Hochtemperaturprozess die Kristallkörner
des Werkstücks davor bewahrt, aufgrund des Hochtemperaturprozesses
grobkörnig zu werden. Es ist somit möglich, ein
Werkstück zu erhalten, das einen vorgegebenen Eigenschaftswert
aufweist, um somit eine vorgegebene Qualität sicherzustellen.
-
Da
gemäß der Erfindung das Wiederaufheizen und das
Abschrecken nach der Normalisierung durchgeführt werden,
ist es möglich, die Vakuumkarburierung effizient abzuschließen.
-
Da
gemäß der Vakuumkarburierungsvorrichtung der Erfindung
die erste Gaskonvektionsvorrichtung im Ofen der Heizkammer vorgesehen
ist, ist es möglich, die Temperatur im Ofen plötzlich
und gleichmäßig zu ändern, wobei die
Strahlungswärme genutzt wird, die im Ofen erzeugt wird,
sowie die Zwangskonvektionswärme, die von der ersten Gaskonvektionsvorrichtung
erzeugt wird. Aus diesem Grund ist es möglich, die Prozesszeit
bei der Temperaturanhebung zu verkürzen.
-
Außerdem
ist der Ofen mit einem Windwegumschaltmechanismus versehen, der
in der offenen Position das Gas in der Heizkammer umwälzt,
um das Werkstück zu kühlen, und in der geschlossenen Position
das Gas im Ofen umwälzt. Dementsprechend ist es möglich,
die Temperatur im Aufrechterhaltungsprozess leicht zu steuern, indem
der Windwegumschaltmechanismus geöffnet und geschlossen
wird. Da insbesondere die Heizvorrichtung notwendig ist, um die
Temperatur aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, das Kühlen
und das Heizen kontinuierlich durchzuführen, um die Temperatur
nach der Normalisierung aufrechtzuerhalten. Die erste Gaskonvektionsvorrichtung
ist im Ofen der Heizkammer vorgesehen, um somit das kontinuierliche
Kühlen und Heizen leicht durchzuführen. Aus diesem
Grund ist es nach Durchführung der Stufenabkühlung
im Normalisierungsprozess möglich, die genaue Temperatursteuerung
im Abkühlungsprozess und im Temperaturaufrechterhaltungsprozess
mit hoher Genauigkeit leicht durchzuführen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Vorderansicht, die die Konfiguration einer Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt.
-
2 ist
eine linke Seitenansicht der 1.
-
3 ist
eine reche Seitenansicht der 1.
-
4 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine Form einer Heizvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt.
-
5 ist
eine schematische Ansicht, die eine Struktur einer Verbindung einer
Heizvorrichtung 22 eines Ofens 50 mit einer Wärmeisolationstrennwand 21 zeigt
und eine elektrische Verbindung zwischen der Heizvorrichtung 22 und
einem Stromversorgungsabschnitt 23 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
6 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur im jeweiligen
Prozess der Vakuumkarburierung, eine Atmosphärenbedingung,
sowie Beispiele von Vorrichtungstypen gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
7 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur einer
Stufenabkühlung in einem in 6 gezeigten
Normalisierungsprozess zeigt.
-
8 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur in einem
Normalisierungsprozess verglichen mit 7 zeigt.
-
9 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur im jeweiligen
Prozess der Vakuumkarburierung, eine Atmosphärenbedingung,
sowie Beispiele von Vorrichtungstypen gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung zeigt. (Unterschiedlich in
einer effektiven Karburierungstiefe gegenüber 6)
-
10 ist
eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt.
-
11 ist
eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Vakuumkarburie rungsvorrichtung
gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
-
12 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur im jeweiligen
Prozess der herkömmlichen Vakuumkarburierung, eine Atmosphärenbedingung,
sowie Beispiele von Vorrichtungstypen zeigt, wenn ein Hohlrad für
ein Kraftfahrzeug verarbeitet wird.
-
13 ist
ein Diagramm, das Behandlungszeit und eine Temperatur im jeweiligen
Prozess der herkömmlichen Vakuumkarburierung, eine Atmosphärenbedingung,
sowie Beispiele von Vorrichtungstypen zeigt, wenn ein Hohlrad für
ein Kraftfahrzeug verarbeitet wird. (Unterschiedlich in einer effektiven
Karburierungstiefe gegenüber 12)
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Im
Folgenden wird eine Ausführungsform einer Vakuumkarburierungsvorrichtung
und eines Vakuumkarburierungsverfahrens gemäß der
Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen
ist der Maßstab eines jeden Elements für eine
einfachere Darstellung geeignet modifiziert.
-
Die 1 bis 3 sind
Schnittansichten, die eine Konfiguration einer Vakuumkarburierungsvorrichtung
gemäß der Erfindung zeigen, wobei 1 eine
Vorderansicht ist, 2 eine linke Seitenansicht ist
und 3 eine rechte Seitenansicht ist. Wie in den 1 bis 3 gezeigt
ist, enthält die Vakuumkarburierungsvorrichtung gemäß der
Ausführungsform ein Gehäuse 1, eine Heizkammer 2 und eine
Kühlkammer 3. Die Vakuumkarburierungsvorrichtung
ist ein Zwei-Kammer-Typ, bei dem Heiz- und Kühlprozesse
jeweils in getrennten Kammern durchgeführt werden. Das
Gehäuse 1 weist eine im Wesentlichen zylindrische
Form auf, wobei das Gehäuse 1 so installiert ist,
dass dessen Achse horizontal verläuft. Das Gehäuse 1 ist
in Axialrichtung im Wesentlichen in seiner Mitte unterteilt, wobei
die Heizkammer 2 in einer Seite des Gehäuses 1 aufgenommen
ist und die andere Seite die Kühlkammer 3 darstellt.
Im Wesentlichen in der Mitte in Axialrichtung des Gehäuses 1 ist
ein Öffnungs- und Schließmechanismus 12 zum Öffnen
und Verschließen der Kühlkammer 3 durch
Aufwärtsbewegen und Abwärtsbewegen einer Tür 11,
die einen Einlass 3a der Kühlkammer 3 verschließt,
vorgesehen.
-
Die
Heizkammer 2 enthält einen Ofen 50, eine
Heizvorrichtung 22, einen Stromversorgungsabschnitt 23 und
eine Basis 25. 4 ist eine perspektivische Ansicht,
die eine Form der Heizvorrichtung 22 zeigt. 5 ist
eine schematische Ansicht, die eine Struktur des Anbringens der
Heizvorrichtung 22 am Ofen 50 zeigt und eine elektrische
Verbindung zwischen der Heizvorrichtung 22 und dem Stromversorgungsabschnitt 23 zeigt.
-
Wie
in 5 gezeigt ist, ist der Ofen 50 aus einer
kastenförmigen Wärmeisolationstrennwand 21 gebildet,
die mit einem Wärmeisolationsmaterial 21c zwischen
einer metallischen Außenhülle 21a und
einer Graphit-Innenhülle 21b gefüllt
ist.
-
Wie
in 4 gezeigt ist, enthält die Heizvorrichtung 22 drei
gleich geformte Heizvorrichtungen H1 bis H3. Jede der Heizvorrichtungen
H1 bis H3 enthält hohle dünne Schäfte
g1, massive dünne Schäfte g2 und massive dicke
Schäfte g3, Verbinder c1 bis c3 und Zuführungsschäfte
m. Der hohle dünne Schaft g1, der massive dünne
Schaft g2 und der massive dicke Schaft g3 sind aus Graphit gefertigt.
Der Zuführungsschaft m ist aus Metall gefertigt.
-
Der
Verbinder c1 ist ein Quader und enthält Verbindungsabschnitte
a1 und b1 mit voneinander verschiedenen Richtungen in jedem der
Bereiche, die in zwei gleiche Teile in Längsrichtung unterteilt sind.
Der hohle dünne Schaft g1 und der massive dünne
Schaft g2 sind über den Verbinder c1 elektrisch miteinander
verbunden. Der Verbinder c2 weist eine L-Form auf, in der die zwei
Verbindungsabschnitte a2 und b2 senkrecht zueinander stehen. Die hohlen
dünnen Schäfte g1 sind über den Verbinder c2
elektrisch miteinander verbunden. Der Verbinder c3 ist durch separates
Verbinden von zwei Verbindungsabschnitten a3 und b3 mit derselben
Richtung gebildet. Die hohlen dünnen Schäfte g1
sind über den Verbinder c3 elektrisch miteinander verbunden.
-
Die
vier hohlen dünnen Schäfte g1 sind so angeordnet,
dass sie ein Rechteck bilden, wobei drei Ecken des Rechtecks mit
den Verbindern c2 verbunden sind. Eines der Enden der zwei hohlen
dünnen Schäfte g1, die das andere Eck c2 des Rechtecks
bilden, ist über den Verbinder c1 mit dem massiven dünnen
Schaft g2 verbunden, wobei das andere an irgendeinem der Verbindungsabschnitte
a3 und b3 des Verbinders c3 angebracht ist. Das Ende, das dem Ende
des massiven dünnen Schafts g2 gegenüberliegt,
der mit dem Verbinder c1 verbunden ist, ist bis zu einem Ende des
massiven dicken Schafts g3 fortgesetzt, wobei der Zuführungsschaft
m am anderen Ende des massiven dicken Schafts 3 angebracht ist.
-
Die
Konfiguration bestehend aus den vier hohlen dünnen Schäften
g1, dem massiven dünnen Schaft g2 und dem massiven dicken
Schaft g3, dem Verbinder c1 und den drei Verbindern c2 sowie dem Zuführungsschaft
m bildet ein Paar, wobei das Paar mit dem anderen Paar über
den Verbinder c3 verbunden ist, um jeweils die Heizvorrichtungen
H1 bis H3 zu bilden.
-
Der
hohle dünne Schaft g1, der massive dünne Schaft
g2 und der massive dicke Schaft g3 sind so konfiguriert, dass sie
in Abhängigkeit von einer Differenz der Querschnittsflächen
unterschiedliche Heizeigenschaften aufweisen. Die Heizeigenschaften sind
gut in der Reihenfolge vom hohlen dünnen Schaft g1, zum
massiven dünnen Schaft g2 und zum massiven dicken Schaft
g3, wobei der massive dicke Schaft g3 kaum Wärme erzeugt.
-
Wie
in 5 gezeigt ist, ist der Zuführungsschaft
m hohl, wobei ein Kühlrohr t darin aufgenommen ist. Im
Kühlrohr t zirkuliert Kühlwasser, um einen Temperaturanstieg
aufgrund der Beaufschlagung mit elektrischem Strom zu verhindern.
-
Die
Heizvorrichtungen H1 bis H3 sind durch einen Heizvorrichtungsträger 26 unterstützt,
der an einem Abschnitt der Wärmeisolationstrennwand 21 des
Ofens 50 vorgesehen ist. Der Heizvorrichtungsträger 26 ist
aus Keramik gefertigt und weist eine im Wesentlichen zylindrische
Form auf, in der sein Innendurchmesser größer
ist als ein Durchmesser des massiven dicken Schafts g3. Der Heizvorrichtungsträger 26 ist
so befestigt, dass eine Axialrichtung der zylindrischen Form parallel
zu einer Dickenrichtung der Wärmeisolationstrennwand 21 verläuft,
wobei dessen Enden innerhalb und außerhalb der Wärmeisolationstrennwand 21 angeordnet
sind.
-
Das
außerhalb der Wärmeisolationstrennwand 21 angeordnete
Ende weist eine Öffnung 26a auf, die einen Durchmesser
gleich dem Durchmesser des massiven dicken Schafts g3, und kleiner
als der Innendurchmesser der zylindrischen Form aufweist, wobei
der massive dicke Schaft g3 in die Öffnung 26a eingesetzt
ist, um die Heizvorrichtungen H1 bis H3 zu unterstützen.
-
Der
Zuführungsschaft m ist aus einer Öffnung 1a des
Gehäuses 1 bis außerhalb des Gehäuses 1 herausgezogen.
Ein Spalt zwischen der Öffnung 1a und dem Zuführungsschaft
m ist aufgefüllt und mittels eines Dichtungselements 1b abgedichtet. Der
Zuführungsschaft m ist mit dem Stromversorgungsabschnitt 23 verbunden.
-
Der
Stromversorgungsabschnitt 23 enthält eine Stromversorgung 23a,
einen Unterbrecher 23b, einen Thyristor 23c, eine
Temperatursteuervorrichtung 23d, einen Transformator 23e,
einen Widerstand 23f und ein Amperemeter 23g.
-
Die
Stromversorgung 23a ist mit dem Zuführungsschaft
m über den Unterbrecher 23b, den Thyristor 23c und
den Transformator 23e verbunden und führt den
Zuführungsschaft m elektrischen Strom zu. Wenn eine Last
an einer Schaltung einen zulässigen Bereich überschreitet,
unterbricht der Unterbrecher 23b den elektrischen Strom,
um eine Überlastung der Schaltung zu verhindern.
-
Der
Thyristor 23c erlaubt der Schaltung, in Kooperation mit
der Temperatursteuervorrichtung 23d in einem aktiven Zustand
zu sein, bis die Temperatur der Heizvorrichtungen H1 bis H3 eine
vorgegebene Temperatur erreicht, wobei der Thyristor 23c der
Schaltung erlaubt, in einem inaktiven Zustand zu sein, wenn die
Temperatur der Heizvorrichtungen H1 bis H3 die vorgegebene Temperatur
erreicht hat. Der Transformator 23e transformiert die Spannung
des von der Stromversorgung 23a gelieferten elektrischen
Stroms auf einen vorgegebenen Wert.
-
Der
Widerstand 23f und das Amperemeter 23g sind von
der Schaltung zwischen dem Transformator 23e und dem Zuführungsschaft
m getrennt, wobei der Widerstand 23f und das Amperemeter 23g im
Verlauf der geerdeten Schaltung angeordnet sind. Das Amperemeter 23g misst
einen Erdungsfehlerstrom.
-
Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, ist ein Motor
M1 nach unten gerichtet über der Heizkammer 2 vorgesehen.
Eine Welle 51 des Motors M1 erstreckt sich von der oberen
Oberfläche des Ofens 50 in den Ofen 50.
Ein Gebläse F1 (erste Gaskonvektionsvorrichtung) ist an
einem Ende des Schafts 51 angebracht.
-
Das
Gebläse F1 ist ein Zentrifugalgebläse und längs
der oberen Oberfläche im Ofen 50 angeordnet.
-
Die
Türen 53a und 54a (erste Tür)
sind an beiden Seiten der oberen Oberfläche des Ofens 50 vorgesehen,
die eine Gasauslassseite des Gebläses F1 ist (siehe 2 als
Referenz). Eine Tür 55a (zweite Tür)
ist an der unteren Oberfläche des Ofens 50 vorgesehen,
wobei das Werkstück W dazwischen angeordnet ist. Die Türen 53a, 54a und 55a sind
jeweils mit Zylindern 53b, 54b und 55b verbunden
und bilden einen zu öffnenden und zu schließenden
Windwegumschaltmechanismus. Das heißt, wenn sich die Türen 53a, 54a und 55a in
der offenen Stellung befinden, stehen der Ofen 50 und die
Heizkammer 2 miteinander in Verbindung und das Gebläse
F1 wird angetrieben, um somit strömendes Gas in der gesamten
Heizkammer 2 umzuwälzen. In einem Vakuumzustand,
wenn die Temperatur ansteigt, verdampft ein Material mit einem geringen
Dampfdruck zuerst. Dementsprechend wird für das Gebläse
F1, das einer hohen Temperatur im Ofen 50 ausgesetzt ist,
ein Gebläse verwendet, das aus Materialien gefertigt ist,
die thermisch nicht verformt werden, selbst wenn die Temperatur
im Ofen 50 auf etwa 1.300°C angehoben wird.
-
Ein
Wärmetauscher 24 ist außerhalb des Ofens 50 längs
der Innenwand der Heizkammer 2 vorgesehen. Der Wärmetauscher 24 entnimmt
Wärme von dem im Ofen 50 aufgeheizten Gas, um
eine Kühlung durchzuführen (siehe 2 als
Referenz).
-
Um
eine Kühleffizienz zu verbessern, kann zusätzlich
zu einem solchen Kühler 24 z. B. ein Wasserkühlungsmantel
vorgesehen sein, um Gas zu kühlen, indem Kühlwasser
erlaubt wird, durch einen im Gehäuse 1 vorgesehenen
Wasserdurchlass zu strömen, oder eine Luftkühlrippe
zum Kühlen von Gas kann außerhalb des Gehäuses
unter Verwendung eines erweiterten Heizbereiches desselben vorgesehen
sein.
-
Wenn
das Innere der Heizkammer 2 gekühlt wird, sind
die Türen 53a, 54a und 55a des
Ofens 50 geöffnet; das Gas im Ofen 50 und
in der Heizkammer 2 wird durch das Gebläse F1
umgewälzt und mittels des Wärmetauschers 24 gekühlt,
um die Temperatur in der Heizkammer 2 und die Temperatur
des Werkstücks W im Ofen 50 zu senken. Wenn wie
oben beschrieben das Innere der Heizkammer 2 gekühlt
wird, ist das Gebläse F1 zusammen mit dem Wärmetauscher 24 als
zweiter Kühler 40 konfiguriert.
-
Die
Basis 25 enthält einen rechteckigen Rahmen und
mehrere Rollen. Jede der Rollen weist eine Rotationsachse auf, die
parallel zu den zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens
angeordnet ist, wobei ihre beiden Enden an den anderen zwei Seiten des
Rahmens drehbar unterstützt sind. Die Basis 25 ist
so installiert, dass die Rotationsachse der Rolle senkrecht zu einer
Beförderungsrichtung ist, wodurch das Werkstück
W zuverlässig befördert wird. Das Werkstück
W wird auf der Basis 25 platziert, um das Werkstück
W von seiner unteren Oberfläche her gleichmäßig
zu erhitzen.
-
Die
obenerwähnten Abschnitte sind aus Materialien gefertigt,
die selbst dann nicht thermisch verformt werden, wenn die Temperatur
im Ofen 50 auf etwa 1.300°C angehoben wird, ebenso
wie das Gebläse F1.
-
Wie
in 3 gezeigt ist, ist die Kühlkammer 3 eine
Kammer zum Kühlen des Werkstücks W, wobei die
Kühlkammer 3 einen ersten Kühler 31,
eine Anordnungsplatte 32 und eine Basis 33 umfasst.
-
Der
erste Kühler 31 enthält einen Wärmetauscher 31a und
ein Gebläse 31b. Der Wärmetauscher 31a entnimmt
Wärme vom Gas in der Kühlkammer 3, um
eine Kühlung durchzuführen. Das Gebläse 31b wälzt
Gas bei einem hohen Druck in der Kühlkammer 3 um.
-
Die
Anordnungsplatte 32 ist ein Gitterkasten, der in Gitterform
unterteilt ist und oberhalb und unterhalb einer Position angeordnet
ist, an der das Werkstück W in der Kühlkammer 3 zu
platzieren ist, um eine Strömungsrichtung des Gases in
der Kühlkammer 3 anzupassen. Die Basis 33 weist
im Wesentlichen dieselbe Struktur auf wie die Basis 25,
die in der Heizkammer 2 installiert ist. Die Basis 33 ist
in derselben Höhe angeordnet wie die Basis 25.
Der Gitterkasten kann aus einer Kombination aus Gitterkasten und
einem Lochmetallblech gebildet sein.
-
Als
Nächstes wird eine Vakuumkarburierung unter Verwendung
der Vakuumkarburierungsvorrichtung mit einer solchen Konfiguration
mit Bezug auf die 6 bis 8 beschrieben.
In der Vakuumkarburierung werden ein Vorheizprozess, ein Vor-Karburierung-Aufrechterhaltungsprozess,
ein Karburierungsprozess, ein Diffusionsprozess, ein Normalisierungsprozess,
ein Wiederaufheizprozess, ein Vor- Abschreckung-Aufrechterhaltungsprozess
und ein Abschreckprozess der Reihe nach in dieser Reihenfolge ausgeführt.
-
6 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur in jedem
Prozess, eine Atmosphärenbedingung, sowie Beispiele von Vorrichtungstypen
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt, wobei ein Stahlmaterial, wie z. B. SCr420 mit einer Basismaterial-Kohlenstoffkonzentration
von 0,2% als Werkstückmaterial verwendet wird; eine Soll-Oberflächen-Kohlenstoffkonzentration 0,8%
beträgt; eine effektive Karburierungstiefe 0,8 mm beträgt;
und eine Soll-Kohlenstoffkonzentration in der effektiven Karburierungstiefe
0,35% beträgt. 7 ist ein vergrößertes
Diagramm, das den in 6 gezeigten Normalisierungsprozess
darstellt, wobei eine vertikale Achse eine Temperatur repräsentiert
und eine horizontale Achse eine Prozesszeit repräsentiert. 8 ist
ein vergrößertes Diagramm für einen Vergleich,
das den Normalisierungsprozess ähnlich 7 darstellt,
wobei eine vertikale Achse eine Temperatur repräsentiert
und eine horizontale Achse eine Prozesszeit repräsentiert.
-
Die
Prozesszeit jedes im obigen Diagramm beschriebenen Prozesses wird
mittels der Diffusionsgleichung unter Verwendung des zweiten Fickschen Gesetzes
berechnet.
-
Im
Vorheizprozess wird das Werkstück W zuerst an einer Position
platziert, die von den im Ofen 50 der Heizkammer 2 vorgesehenen
Heizvorrichtungen H1 bis H3 umgeben ist. Anschließend wird
Gas aus der Heizkammer 2 abgeleitet, um das Innere der Heizkammer 2 und
das Innere des Ofens 50 zu evakuieren, um somit einen Vakuumzustand
auszubilden. In der allgemeinen Vakuumkarburierung bedeutet "Vakuum"
einen Zustand mit etwa 10 kPa oder weniger, d. h. 1/10 des Atmosphärendrucks.
In der Ausführungsform wird jedoch ein Zustand von 1 Pa
oder weniger als "Vakuum" betrachtet. Zu diesem Zeitpunkt sind die
Türen 53a, 54a und 55a des Windwegumschaltmechanismus
geschlossen, um das Innere des Ofens 50 abzuriegeln.
-
Als
Nächstes wird ein elektrischer Strom der Heizvorrichtung 22 zugeführt,
um die Temperatur im Ofen 50 anzuheben. Es ist möglich,
den Vakuumkarburierungsprozess selbst dann durchzuführen,
wenn der gesamte Vorheizprozess im Vakuumzustand durchgeführt
wird. In der Ausführungsform wird jedoch die Tem peratur
in der Heizkammer 2 auf 650°C angehoben, wobei
die Heizkammer 2 mit Schutzgas gefüllt wird, um
zu verhindern, dass Materialien von der Oberfläche des
Werkstücks W verdampfen. Zu diesem Zeitpunkt liegt der
Luftdruck in der Heizkammer 2 im Bereich von etwa 0,1 kPa
bis Atmosphärendruck oder darunter. Das Gebläse
F1 wird angetrieben, um die Temperatur im Ofen 50 effizient
anzuheben, indem sowohl die durch das Anheben der Temperatur im
Ofen 50 erzeugte Strahlungswärme als auch die
vom Gebläse 1 erzeugte Zwangskonvektionswärme
verwendet werden. Wenn die Temperatur in der Heizkammer 2 durch
kontinuierliches Anheben der Temperatur 1.050°C erreicht,
geht der Prozess zum Vor-Karburierung-Aufrechterhaltungsprozess über.
-
Im
Vor-Karburierung-Aufrechterhaltungsprozess wird die Temperatur in
der Heizkammer 2 auf der Endtemperatur des Vorheizprozesses
gehalten. Gemäß dem Vor-Karburierung-Aufrechterhaltungsprozess
wird die Temperatur des Werkstücks W von der Oberfläche
bis zu seinem Inneren gleichmäßig gleich 1.050°C
(erste Temperatur). Für die letzten zwei Minuten im Vor-Karburierung-Aufrechterhaltungsprozess
wird das Schutzgas ausgeleitet, um das Innere der Heizkammer 2 zu
evakuieren und somit in den Vakuumzustand zurückzuführen.
-
Im
Karburierungsprozess wird die Heizkammer 2 mit Karburierungsgas
gefüllt. Das Karburierungsgas ist z. B. Acetylen. Zu diesem
Zeitpunkt ist der Luftdruck in der Heizkammer 2 gleich
0,1 kPa oder weniger. Im Karburierungsprozess wird das Werkstück
W unter der Atmosphäre eines Hochtemperaturkarburierungsgases
von z. B. 1.050°C platziert, um das Werkstück
W in der Heizkammer 2 zu karburieren.
-
Im
Diffusionsprozess wird das Karburierungsgas in der Heizkammer 2 ausgeleitet
und die Heizkammer 2 mit Schutzgas gefüllt. Zu
diesem Zeitpunkt liegt ein Luftdruck in der Heizkammer 2 im
Bereich von 0,1 kPa bis Atmosphärendruck oder darunter.
Anschließend wird die Temperatur in der Heizkammer 2 aufrechterhalten.
Gemäß dem Diffusionsprozess diffundiert der Kohlenstoff
nahe der Oberfläche des Werkstücks W von der Oberfläche
in das Innere des Werkstücks W.
-
Wenn
die Prozesstemperatur unter derselben Bedingung gehalten wird, werden
eine Oberflächen-Kohlenstoffkonzentration, eine effektive
Karburierungstiefe und eine Kohlenstoffkonzentration in der effektiven
Karburierungstiefe auf der Grund lage einer Prozesszeit des Karburierungsprozesses
und einer Prozesszeit des Diffusionsprozesses bestimmt.
-
Nach
dem Diffusionsprozess wird der Normalisierungsprozess ausgeführt.
Vor dem Normalisierungsprozess wird das Werkstück W einer
hohen Temperatur von z. B. 1.050°C ausgesetzt. Dementsprechend
werden die Kristallkörner groß. Der Normalisierungsprozess
wird durchgeführt, um feine Kristallkörner zu
erzeugen, wobei eine Abkühlung für eine vorgegebene
Zeit (z. B. 5 bis 15 Minuten) durchgeführt wird, so dass
die Temperatur im Ofen 50 von 1.050°C auf 600°C
oder weniger sinkt.
-
In
dem in 8 gezeigten Normalisierungsprozess wird im Allgemeinen
nur eine Abkühlung für eine vorgegebene Zeitspanne
(z. B. zwischen T1 bis T2) durchgeführt, so dass die Temperatur
im Ofen 50 kontinuierlich auf 600°C oder weniger
fällt. Wenn jedoch das Abkühlen kontinuierlich
durchgeführt wird, werden die Oberflächentemperatur
(P0 in 8) des Werkstücks
W und die Innentemperatur (Q0 in 8) nicht
gleich, wobei eine Ungleichmäßigkeit auftritt.
Es tritt daher ein signifikant großer Fehler zwischen den realen
Temperaturen des Werkstücks W im Vergleich zu einem idealen
Temperaturgefälle (durchgezogene Linie in 8)
des Ofens 50 auf. Zum Startzeitpunkt T2 des Nach-Normalisierung-Aufrechterhaltungsprozesses
nach dem Normalisierungsprozess tritt eine Verzögerung
des Temperaturabfalls der Temperatur im Ofen 50, der Oberflächentemperatur
des Werkstücks W und der Innentemperatur desselben (z.
B. ☐P0 und ☐Q0)
auf. Selbst wenn ein Temperaturaufrechterhaltungsprozess im Nach-Normalisierung-Aufrechterhaltungsprozess
unverändert durchgeführt wird, werden folglich
die Kristallkörner nicht ausreichend verfeinert.
-
Wie
in den 6 und 8 gezeigt ist, wird aus diesem
Grund im Normalisierungsprozess ein Stufenabkühlungsprozess
durchgeführt, in welchem ein Abkühlungsprozess
und ein Aufrechterhaltungsprozess während der Abkühlung
von 1.050°C auf 600°C oder weniger alternierend
ausgeführt werden.
-
Genauer
wird das im Ofen 50 vorgesehene Gebläse F1 kontinuierlich
angetrieben, wobei die Türen 53a, 54a und 55a des
Windwegumschaltmechanismus auf die geöffneten Stellung
eingestellt werden, um den Ofen 50 während der
Abkühlung zu öffnen und somit dem in der Heizkammer 2 befindlichem
Gas zu erlau ben, durch den Wärmetauscher 24 zu
strömen und umgewälzt zu werden und das karburierte
Werkstück W zu kühlen. Indessen werden die Türen 53a, 54a und 55a des
Windwegumschaltmechanismus auf die geschlossene Stellung eingestellt,
um den Ofen 50 während der Temperaturaufrechterhaltung
zu schließen und somit dem Gas zu erlauben, im Ofen 50 umgewälzt
zu werden. Dementsprechend weist das gesamte Werkstück
W eine gleichmäßige Temperatur auf.
-
Wie
oben beschrieben worden ist, sind die Abkühlung und die
Temperaturaufrechterhaltung als ein Zyklus festgelegt, wobei die
Zyklen mehrmals (z. B. 3,5 Zyklen) für eine vorgegebene
Prozesszeit (z. B. zwischen T1 bis T2) wiederholt werden, so dass das
Innere des Ofens 50 auf 600°C oder weniger abgekühlt
wird. Somit verschwindet die Ungleichmäßigkeit
zwischen der Oberflächentemperatur (P1 in 7)
und der Innentemperatur (Q1 in 7)
des Werkstücks W zu jedem Zeitpunkt der Temperaturaufrechterhaltung.
Aus diesem Grund ist es möglich, die Ungleichmäßigkeit
zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur
des Werkstücks W zu beseitigen. Außerdem ist es
zum Startzeitpunkt T2 des Nach-Normalisierung-Aufrechterhaltungsprozesses
möglich, die Verzögerung des Temperaturabfalls
der Temperatur im Ofen 50, der Oberflächentemperatur
des Werkstücks W und der Innentemperatur desselben (z.
B. ☐P1 und ☐Q1)
zu beseitigen.
-
Um
die Ungleichmäßigkeit zwischen der Oberflächentemperatur
und der Innentemperatur des Werkstücks W mit hoher Präzision
zu verhindern, wird vorzugsweise die Kühltemperatur jedes
Zyklus bei der Stufenkühlung gleichmäßig
festgelegt (z. B. wird in 7 eine Temperaturänderung
jedes Kühlzyklus auf (1.050 – 600)/4 (°C)
festgelegt). Ferner wird vorzugsweise die Kühlzeit (z.
B. Ta in 7) oder die Temperaturaufrechterhaltungszeit
(z. B. Tb in 7) jedes Zyklus gleichmäßig
festgelegt. Die Anzahl der Zyklen der Abkühlung und der
Temperaturaufrechterhaltung können in geeigneter Weise
modifiziert werden.
-
Anschließend
wird der Nach-Normalisierung-Aufrechterhaltungsprozess durchgeführt.
Im Nach-Normalisierung-Aufrechterhaltungsprozess wird die Temperatur
für eine vorgegebene Zeitspanne (z. B. 10 Minuten) aufrechterhalten,
um die Temperatur des gesamten Werkstücks W gleichmäßig
zu machen und somit die Kristallkörner weiter zu verfeinern.
-
Im
Wiederaufheizprozess wird die Temperatur des Ofens 50,
die im Normalisierungsprozess gesenkt worden ist, erneut angehoben.
Im Wiederaufheizprozess wird die Temperatur auf 850°C (zweite Temperatur)
angehoben, die eine Abschrecktemperatur im anschließenden
Abschreckprozess ist. Diese Temperatur wird im Vor-Abschreckung-Aufrechterhaltungsprozess
für eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten. Gemäß dem
Vor-Abschreckung-Aufrechterhaltungsprozess wird die Temperatur des
Werkstücks W von der Oberfläche zu seinem Inneren
gleichmäßig gleich 850°C.
-
Schließlich
wird das Werkstück W zur Kühlkammer 3 verbracht
und anschließend der Abschreckprozess durchgeführt.
Im Abschreckprozess wird das Werkstück W mittels des ersten
Kühlers 31 gekühlt. Um das Werkstück
abzukühlen, d. h. ein schwierig abzuschreckendes Material,
wie z. B. ein Stahlmaterial aus SCr420, ist es notwendig, dass das Abkühlen
mittels einer halben Temperaturdifferenz beim Abkühlen
innerhalb der ersten Minute der Prozesszeit durchgeführt
wird. Der erste Kühler 31 führt das Abkühlen
durch, während das Gas in der Kühlkammer 3 z.
B. mit einem Druck zirkuliert, der um das 10 bis 30-fache höher
ist als der Atmosphärendruck, um somit eine Abkühlungsrate
des Werkstücks W zu verbessern.
-
Da
gemäß der Vakuumkarburierung der Erfindung im
Vergleich zur herkömmlichen Vakuumkarburierung die Temperaturaufrechterhaltung
in einem Nach-Diffusion-Normalisierungsprozess und danach durchgeführt
wird, ist es möglich, feine Kristallkörner im
Werkstück W mittels der Temperaturaufrechterhaltung im
Normalisierungsprozess und der Temperaturaufrechterhaltung danach
zu erzeugen, selbst wenn die Kristallkörner durch Ausführen
der Karburierung und der Diffusion mit einer hohen Temperatur zur
Verkürzung der Prozesszeit grobkörnig gemacht werden.
Genauer wird in der Normalisierung nach der Diffusion die Stufenabkühlung
durchgeführt, in der der Temperaturabsenkungsprozess und
der Temperaturaufrechterhaltungsprozess alternierend wiederholt
werden, um die Temperatur des Werkstücks W zu senken, wobei
die Temperatur des gesamten Werkstücks W gleichmäßig
wird und somit ermöglicht wird, die Ungleichmäßigkeit
zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur
des Werkstücks W, die zum Zeitpunkt der Abkühlung
erzeugt wird, zu unterdrücken. Dementsprechend ist es möglich,
noch gleichmäßiger feine Kristallkörner
des Werkstücks W zu erzeugen. Während die Prozesszeit
durch den Hochtemperaturpro zess verkürzt wird, wird aus
diesem Grund verhindert, dass die Kristallkörner des Werkstücks
W aufgrund des Hochtemperaturprozesses grobkörnig werden.
Es ist somit möglich, das Werkstück W mit einem
vorgegebenen Eigenschaftswert zu erhalten, um somit eine vorgegebene
Qualität sicherzustellen.
-
Da
gemäß der Erfindung das Wiederaufheizen und das
Abschrecken nach dem Normalisieren durchgeführt werden,
ist es möglich, die Vakuumkarburierung effizient abzuschließen.
-
Da
gemäß der Vakuumkarburierungsvorrichtung der Erfindung
in das Gebläse 1 im Ofen 50 der Heizkammer 2 vorgesehen
ist, ist es möglich, die Temperatur im Ofen 50 plötzlich
und gleichmäßig zu ändern, indem die
im Ofen 50 erzeugte Strahlungswärme und die vom
Gebläse 50 erzeugte Zwangskonvektionswärme
genutzt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, die Prozesszeit
bei der Temperaturanhebung zu verkürzen. Außerdem
ist der Ofen 50 mit dem Windwegumschaltmechanismus versehen,
der in der offenen Stellung das Gas in der Heizkammer 2 umwälzt,
um das Werkstück W zu kühlen, und in der geschlossenen
Stellung das Gas im Ofen 50 umwälzt. Dementsprechend
ist es möglich, die Temperatur im Aufrechterhaltungsprozess
leicht zu steuern, indem die Türen 53a, 54a und 55a des Windwegumschaltmechanismus
geöffnet und geschlossen werden. Da insbesondere die Heizvorrichtung 22 notwendig
ist, um die Temperatur aufrecht zu erhalten, ist es notwendig, das
Kühlen und das Heizen kontinuierlich durchzuführen,
um die Temperatur nach der Normalisierung aufrechtzuerhalten. Das Gebläse
F1 als zweiter Kühler 40 ist im Ofen 50 der Heizkammer 2 vorgesehen,
wobei der Wärmetauscher 24 vorgesehen ist, um
somit das kontinuierliche Abkühlen und Aufheizen leicht
durchzuführen. Aus diesem Grund ist es nach Durchführung
der Stufenabkühlung im Normalisierungsprozess möglich, die
genaue Temperatursteuerung im Abkühlungsprozess und im
Temperaturaufrechterhaltungsprozess mit hoher Genauigkeit leicht
durchzuführen.
-
Da
es ferner möglich ist, die Normalisierung in der Heizkammer 2 durchzuführen,
ist es nicht notwendig, das Werkstück W aus der Heizkammer 2 für die
Normalisierung zu entnehmen. Dementsprechend nimmt die Häufigkeit
der Bewegung des Hochtemperaturwerkstücks W nicht zu, wobei
es möglich ist, Mängel, wie z. B. eine Verformung,
die durch Bewegung des Hochtemperaturwerkstücks W hervorgerufen
wird, zu vermeiden.
-
9 ist
ein Diagramm, das eine Behandlungszeit und eine Temperatur in jedem
Prozess, eine Atmosphärenbedingung, sowie Beispiele von Vorrichtungstypen
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt, wobei ein Stahlmaterial, wie z. B. SCr420, mit einer Basismaterial-Kohlenstoffkonzentration
von 0,2% als Werkstückmaterial verwendet wird; eine Soll-Oberflächen-Kohlenstoffkonzentration 0,8%
beträgt; eine effektive Karburierungstiefe 1,5 mm beträgt;
und eine Sol-Kohlenstoffkonzentration in der effektiven Karburierungstiefe
0,35% beträgt. Das heißt, in der in 9 gezeigten
Vakuumkarburierung wird dasselbe Stahlmaterial wie bei der in 6 gezeigten
Vakuumkarburierung als Behandlungszielwerkstück verwendet,
wobei ein Unterschied zu der in 6 gezeigten
Vakuumkarburierung darin besteht, dass die effektive Karburierungstiefe
1,5 mm beträgt.
-
Ähnlich 6 wird
die Prozesszeit der Prozesse im Diagramm mittels der Diffusionsgleichung unter
Verwendung des zweiten Fickschen Gesetzes berechnet.
-
Da
in der in 9 gezeigten Vakuumkarburierung
die effektive Karburierungstiefe größer festgelegt
ist als die der Vakuumkarburierung, ist die Prozesszeit des Karburierungsprozesses
und des Diffusionsprozesses länger festgelegt. Die Prozesszeit der
anderen in 9 gezeigten Prozesse ist dieselbe wie
in 6.
-
Wie
oben beschrieben worden ist, ist es selbst in der Vakuumkarburierung,
in der die effektive Karburierungstiefe groß festgelegt
ist, möglich, die Temperatur während der Temperaturanhebung
und der Temperaturaufrechterhaltung effizient zu ändern, indem
das Gebläse F1 angetrieben wird und die Türen 53a, 54a und 55a des
Windwegumschaltmechanismus geöffnet und geschlossen werden.
Außerdem ist es selbst bei der Vakuumkarburierung, in der
die effektive Karburierungstiefe groß festgelegt ist, möglich,
feine Kristallkörner des Werkstücks W zu erzeugen,
indem die Stufenabkühlung des Normalisierungsprozesses
durchgeführt wird, selbst wenn die Kristallkörner
durch Ausführen der Karburierung und der Diffusion mit
einer hohen Temperatur zur Verkürzung der Prozesszeit grobkörnig
gemacht werden. Obwohl die Prozesszeit durch den Hochtemperaturprozess
verkürzt wird, werden aus diesem Grund die Kristallkörner
daran gehindert, aufgrund des Hochtemperaturprozesses grobkörnig
zu werden. Es ist somit möglich, das Werkstück
W mit einem vorgegebenen Eigenschaftswert zu erhal ten.
-
Als
Nächstes wird ein Entgasungsprozess beschrieben. Wenn in
der Ausführungsform ein Erdungsfehler in der Heizvorrichtung 22 auftritt,
wird der Entgasungsprozess ausgeführt. Im Entgasungsprozess
wird dann, wenn ein Wert des vom Amperemeter 23g gemessenen
Erdungsfehlerstroms über einem Schwellenwert liegt, das
Werkstück W nicht im Ofen 50 platziert; die Temperatur
im Ofen 50 wird um 50°C bis 150°C höher
als eine Prozesstemperatur (in der Ausführungsform 1.050°C)
angehoben; die Temperatur wird aufrechterhalten; und anschließend
wird das Werkstück W abgekühlt. Gemäß dem
Entgasungsprozess wird unverbrannter Kohlenstoff im Ofen 50 verdampft.
-
Im
Entgasungsprozess wird die Temperatur in der Heizkammer 2 auf
etwa 1.200°C angehoben. Jedes Element, das im Ofen 50 vorgesehen
ist, ist jedoch aus Materialien gefertigt, die nicht verdampfen, selbst
wenn die Temperatur im Ofen 50 auf etwa 1.300°C
angehoben wird. Ohne Beschädigung des Elements ist es möglich,
den Ruß zu beseitigen.
-
Bei
der Durchführung des obenerwähnten Entgasungsprozesses
wird die Struktur der Heizvorrichtung 22 gegenüber
der herkömmlichen Struktur modifiziert. Das heißt,
um ein Problem zu verhindern, das durch das Anhaften von Ruß hervorgerufen
wird, weist die herkömmliche Heizvorrichtung eine Struktur auf,
in der ein Heizabschnitt, wie z. B. ein mit Strom beaufschlagter
Abschnitt, mit einem Isolationselement, wie z. B. Keramik, abgedeckt
ist und Wärme indirekt durch das Isolationselement nach
außen geleitet wird.
-
Wenn
jedoch der Normalisierungsprozess gemäß der Ausführungsform
im Ofen 50 der Heizvorrichtung 2 durchgeführt
wird, wird in der herkömmlichen Struktur die isolierende
Keramik, die den mit Strom beaufschlagten Abschnitt abdeckt, weggebrochen,
da die Keramik aus dem aufgeheizten Zustand schnell abgekühlt
wird. Daher wird der Ofen 50 mit der Struktur gemäß der
Ausführungsform verwendet.
-
Der
Ofen 50 mit der Struktur gemäß der Ausführungsform
kann einem schnellen Abkühlen aus dem aufgeheizten Zustand
standhalten. In der Heizvorrichtung 22 mit der Struktur
gemäß der in 5 gezeigten
Ausführungsform tritt jedoch ein Erdungsfehler auf, wenn
der Heizvorrichtungsträger 26 mit Ruß bedeckt
ist. Im Gegensatz hierzu wird in der vorliegenden Ausführungsform
ein Erdungsfehlerstrom überwacht. Wenn der Erdungsfehlerstrom über
einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, wird ein Entgasungsprozess
durchgeführt, um den Erdungsfehlerzustand zu beheben und
somit eine Beschädigung, die durch den Erdungsfehler hervorgerufen
wird, zu verhindern.
-
Die
obige Ausführungsform ist unter Verwendung der Vakuumkarburierungsvorrichtung
des in den 1 bis 3 gezeigten
Zwei-Kammer-Typs beschrieben worden, jedoch kann im anderen Typ von
Vakuumkarburierungsvorrichtung die Vakuumkarburierung der Durchführung
des Normalisierungsprozesses und des Wiederaufheizprozesses nach dem
Diffusionsprozess durchgeführt werden, wie in der obigen
Ausführungsform beschrieben worden ist.
-
10 ist
eine schematische Ansicht, die Bespiele von Typen der Vakuumkarburierungsvorrichtung
zeigt. Wie in 10 gezeigt ist, gibt es hinsichtlich
der Typen der Vakuumkarburierungsvorrichtung einen Einzel-Kammer-Typ,
einen seriellen Typ, einen Getrennte-Fördermittel-Typ und
dergleichen, zusätzlich zu dem Zwei-Kammer-Typ gemäß der
obigen Ausführungsform.
-
Der
Einzel-Kammer-Typ ist aus nur einer Heizkammer gebildet, ohne eine
Kammer nur zum Abkühlen, wobei ein Kühler entsprechend
dem zweiten Kühler 40 in der Heizkammer vorgesehen
ist. Da im Einzel-Kammer-Typ der Kühler in der Heizkammer vorgesehen
ist, ist eine Temperaturabsenkungsrate niedrig. Dementsprechend
kann der Einzel-Kammer-Typ in einem Fall verwendet werden, in dem
ein Stahlmaterial mit einer guten Abschreckeigenschaft das Werkstück
ist. Das Stahlmaterial, wie z. B. SCr420, das das Werkstück
in der obigen Ausführungsform ist, weist eine schlechte
Abschreckeigenschaft auf. Somit ist es schwierig, den Abschreckprozess
im Einzel-Kammer-Typ durchzuführen.
-
Der
serielle Typ wird in einem Fall verwendet, in dem mehrere Werkstücke
W in Serie vakuumkarburiert werden, und enthält eine Vorheizkammer, eine
erste Heizkammer, eine zweite Heizkammer und eine Kühlkammer.
Die zweite Heizkammer ist mit einem Kühler versehen. Bei
einem solchen seriellen Typ wird z. B. der Vorheizprozess in der
Vorheizkammer durchgeführt; der Vor-Karburierung-Aufrechterhaltungsprozess,
der Karburierungsprozess und der Dif fusionsprozess werden in der
ersten Heizkammer durchgeführt; der Normalisierungsprozess,
der Wiederaufheizprozess und der Vor-Abschreckung-Aufrechterhaltungsprozess
werden in der zweiten Heizkammer durchgeführt; und der
Abschreckprozess wird in der Kühlkammer durchgeführt,
wodurch die Vakuumkarburierung in dieser Reihenfolge durchgeführt
wird. Da das Werkstück W sich sequentiell durch jede Prozesskammer
gemäß den Prozessen bewegt, ist es möglich,
die Vakuumkarburierung mehrerer Werkstücke W sequentiell
durchzuführen.
-
Beim
Getrennte-Fördermittel-Typ sind die Heizkammer 2 und
die Kühlkammer 3 gemäß der obigen
Ausführungsform nicht im selben Gehäuse 1 vorgesehen
und sind voneinander getrennt, wobei ein Fördermittel zum
Befördern des Werkstücks W zwischen den beiden
Kammern zusätzlich vorgesehen ist. Ähnlich der
obigen Ausführungsform werden in den Prozessen der Vakuumkarburierung
der Vorheizprozess bis zum Vor-Abschreckung-Aufrechterhaltungsprozess
in der Heizkammer durchgeführt, während der Abschreckprozess
in der Kühlkammer durchgeführt wird.
-
In
diesem Fall ist die Vorheizkammer nicht auf eine beschränkt,
sondern es können mehrere Heizkammern vorgesehen sein.
In der Vakuumkarburierung ist die in der Vorheizkammer benötigte
Zeit länger als die in der Kühlkammer benötigte
Zeit. Wenn dementsprechend ein Verhältnis der Anzahl der
Heizkammern und der Anzahl der Kühlkammern gleich 1:1 ist,
wird eine Zeitspanne, in der die Kühlkammer leer ist, lang.
Wenn jedoch die Heizkammer auf der Grundlager der Anzahl der Werkstücke
zusätzlich vorgesehen ist, werden die Werkstücke
sequenziell von den mehreren Heizkammern zur Kühlkammer
transportiert, so dass die Leerzeit der Kühlkammer reduziert
wird, um die Kühlkammer effizient zu nutzen. Es somit möglich,
die Vakuumkarburierung effizient durchzuführen. Wenn die
mehreren Heizkammern vorgesehen sind, enthält wenigstens eine
der Heizkammern einen Kühler, wobei die anderen Heizkammern
keinen Kühler enthalten müssen.
-
Als
Beispiel für den Getrennte-Fördermittel-Typ zusätzlich
zu dem gezeigten Typ kann ferner ein Typ vorhanden sein, der einen
Hauptbehälter und eine Vorbereitungskammer enthält.
Zum Beispiel kann der Hauptbehälter ein zylindrischer luftdichter Behälter
sein. Eine oder mehrere Heizkammern, Kühlkammern und Vor bereitungskammern
sind in einer radialen Form mit einer Umfangseite des zylindrischen
Hauptbehälters verbunden. Ein Fördermittel ist
im Hauptbehälter enthalten. Das Fördermittel rotiert
an einer Position, die mit irgendeiner Heizkammer, Kühlkammer
und Vorbereitungskammer im Hauptbehälter verbunden ist.
-
Wenn
in einer solchen Vakuumkarburierungsvorrichtung ein Benutzer ein
Werkstück in die Vorbereitungskammer einsetzt, befördert
das Fördermittel das Werkstück von der Vorbereitungskammer zur
Heizkammer; sie befördert das Werkstück von der
Heizkammer zur Kühlkammer; und sie befördert das
Werkstück von der Kühlkammer zur Vorbereitungskammer.
Anschließend entnimmt der Benutzer das Werkstück
aus der Vorbereitungskammer.
-
Gemäß der
Vakuumkarburierungsprozess-Vorrichtung läuft das Werkstück
jedes mal dann durch den Hauptbehälter, wenn das Werkstück
zwischen den Kammern transportiert wird. Das Werkstück
kann daher sicher nicht mit der Außenluft in Kontakt kommen,
bis das Werkstück in die Vorbereitungskammer eingesetzt
ist, die Vakuumkarburierung durchgeführt ist und das Werkstück
aus der Vorbereitungskammer entnommen wird. Während das Werkstück
in der Heizkammer oder der Kühlkammer angeordnet ist, kann
ein anderes Werkstück in die Vorbereitungskammer eingelegt
werden. Dementsprechend ist es in der Vakuumkarburierung der mehreren
Werkstücke möglich, die Kammern der Vakuumkarburierungsvorrichtung
effektiv zu nutzen.
-
Die
Form des Behälters ist ein Beispiel. Es kann ein Behälter
verwendet werden, in welchem das Fördermittel enthalten
ist und mit dem Heizkammer, Kühlkammer und Vorbereitungskammer
verbunden sind.
-
Außerdem
kann das Fördermittel die Heizkammer und/oder die Kühlkammer
enthalten. in diesem Fall ist es möglicht, das Werkstück
zwischen der Heizkammer und der Kühlkammer zu befördern, während
die Temperatur des Werkstücks kontrolliert wird. Wenn ferner
das Fördermittel mit der Heizkammer oder der Kühlkammer
in Verbindung steht, können die Temperatur in der Heizkammer
(oder die Temperatur in der Kühlkammer) und die Temperatur im
Fördermittel mittels einer Heizvorrichtung (oder Kühlvorrichtung)
des Fördermittels aneinander angeglichen werden. Das Werkstück
nach der Vakuumkarburierung kann mittels des Kühlers des
Fördermittels auf eine Normaltemperatur abgekühlt
werden.
-
Als
nächstes wird eine Vakuumkarburierungsvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 11 beschrieben.
-
11 ist
eine Schnittansicht, die eine Konfiguration der Vakuumkarburierungsvorrichtung
zeigt.
-
Die
vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der
anderen Ausführungsform dadurch, dass die Heizvorrichtung 2 mit
einer zweiten Gaskonvektionsvorrichtung zusätzlich zu der
obenerwähnten ersten Gaskonvektionsvorrichtung versehen
ist.
-
Wie
in 11 gezeigt ist, ist ein Motor M1 an einer Seitenoberfläche
des Ofens 50 angeordnet, wobei ein Gebläse F1
(erste Gaskonvektionsvorrichtung) über eine (nicht gezeigte)
Welle am Motor M1 angebracht ist.
-
Außerdem
ist ein Motor M2 über der Heizkammer 2 angeordnet,
wobei ein Gebläse F2 (zweite Gaskonvektionsvorrichtung) über
eine (nicht gezeigte) Welle am Motor M2 angebracht ist. Das Gebläse F2
ist außerhalb des Ofens 50 der Heizkammer 2 vorgesehen
und wälzt das Gas in der Heizkammer um. Eine Tür 56a (erste
Tür) ist öffnungsfähig und schließfähig
an der oberen Oberfläche des Ofens 50 vorgesehen,
wobei Zylinder 56b und 55b mit der Tür 56a verbunden
sind. Das heißt, in der Ausführungsform enthält
ein zweiter Kühler 40' das Gebläse F1, das
Gebläse F2 und den Wärmetauscher 24.
-
Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform ergibt sich der gleiche Vorteil
wie in dem Fall, in dem nur das Gebläse F1 vorgesehen ist,
wie in der obigen Ausführungsform beschrieben worden ist.
Außerdem ist es möglich, die Temperatur in der
Heizkammer 2 noch effizienter zu ändern, indem
sowohl das Gebläse F1 als auch das Gebläse F2
während der Öffnung der Türen 56a und 55a des
Ofens 50 angetrieben werden.
-
Der
technische Umfang der Erfindung ist nicht auf die obenerwähnten
Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können
die obenerwähnten Ausführungsformen innerhalb
des Umfangs, von dem die Konzeption der Erfindung nicht abweicht,
verschieden modifiziert werden. In der obigen Ausführungsform
wird der erste Kühler 31 verwendet, der Hochdruckgas
umwälzt, um das Werkstück W zu kühlen, jedoch
kann z. B. das Werkstück W durch ein Ölkühlsystem
gekühlt werden.
-
Die
Stufenkühlung gemäß der Ausführungsform
ist nicht auf den Normalisierungsprozess beschränkt. Wie
in den 12 und 13 gezeigt
ist, kann im Fall der herkömmlichen Vakuumkarburierung,
in der die Temperatur in einem Temperaturabsenkungsprozess auf die
Abschrecktemperatur abgesenkt wird, ohne den Normalisierungsprozess durchzuführen,
und anschließend der Prozess zum Vor-Abschreckung-Aufrechterhaltungsprozess übergeht,
die Stufenabkühlung im Temperaturabsenkungsprozess durchgeführt
werden. Selbst bei einer solchen Vakuumkarburierung ist es möglich,
feine Kristallkörner im Werkstück zu erzeugen,
die durch den Hochtemperaturprozess grobkörnig gemacht worden
sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2007-060498 [0001]
- - JP 8-325701 [0003]
- - JP 2004-115893 [0003]