JP2005163056A - ガス浸炭方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理部品２を、浸炭室１内に装填し、この浸炭炉内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にし、この状態で、前記被処理部品を、当該被処理部品における温度を放射温度計にて測定しながら所定の浸炭温度に加熱し、この浸炭温度に適宜時間維持して浸炭処理する場合に、前記浸炭処理を所定の通りに正確に制御する。
【解決手段】 前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱するまでの昇温過程の間、前記浸炭室内の圧力を、前記浸炭温度に加熱してからの浸炭処理過程のときにおける圧力よりも、当該昇温過程の間における浸炭を抑制するように低くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼製の被処理部品を直接加熱し、高温で短時間に浸炭処理を施すためのガス浸炭方法に関するものである。

従来、この種のガス浸炭法は、例えば、特許文献１に記載されているように、被処理部品を、浸炭室内に装填し、この浸炭室内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にし、この状態で、前記被処理部品を高周波等にて、例えば、約１１００〜１２００℃等のような比較的高い浸炭温度に直接加熱することによって行われる。

また、前記の加熱に際しては、前記浸炭室内に装填した被処理部品における温度を測定して、この温度が所定の浸炭温度になるまで加熱するように温度制御することが行われる。

そして、この温度制御に際して、被処理部品の温度測定に、熱電対温度計等のような接触型の温度計を使用した場合、正確な温度を測定するためには、この温度計の要部を、被処理部品に穿設した孔に挿入する等のように、被処理部品に埋め込むようにしなければならないから、多量生産方式には適用することができない。

そこで、従来は、例えば、特許文献２に記載されているように、被処理部品から発する熱放射を利用した放射温度計を使用し、非接触の状態で、測定するようにしている。
特開昭６０−３６６５７号公報 特開２００２−２５２０７６号公報

しかし、前記したように、被処理部品を、浸炭室内に装填し、この浸炭室内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にし、この状態で、前記被処理部品を所定の浸炭温度に直接加熱するというガス浸炭方法に、前記放射温度計による温度制御を適用した場合には、以下に述べるような問題があった。

すなわち、従来は、前記浸炭室内を、昇温過程から浸炭処理の全体にわたって同じ浸炭雰囲気にするとともに、同じ圧力にしていることにより、前記被処理部品に対する浸炭が、前記昇温過程の途中からも始まることになるから、被処理部品に対する浸炭処理を、所定の通りに正確に制御することができないという問題がある。

この問題を解消するには、換言すると、前記昇温過程での浸炭の進行を抑制するには、前記浸炭室内を、前記昇温過程の間だけ浸炭ガスを含まない、例えば、不活性ガス等によるガス雰囲気にすれば良い。

しかし、このようにすることは、前記昇温過程の間において、被処理部品の表面に、炭素が逃げるという脱炭反応が発生し、この脱炭反応のために、表面が、当該表面からの熱放射が変化するように変色することにより、前記放射温度計にて測定した温度と、前記被処理部品における実際の温度との間の差が、温度の上昇につれて大きくなるから、前記放射温度計による温度制御が正確に行うことができないという問題を招来する。

特に、これらの問題は、浸炭時間を短縮を図るために、その浸炭温度を、１２００〜１４００℃に高くした場合に顕著に発生するのであった。

本発明は、これらの問題を解消したガス浸炭方法を提供することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は、
「鋼製の被処理部品を、浸炭室内に装填し、この浸炭室内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にし、この状態で、前記被処理部品を、当該被処理部品における温度を放射温度計にて測定しながら所定の浸炭温度に加熱し、この浸炭温度に適宜時間維持して浸炭処理するにおいて、前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱するまでの昇温過程の間、前記浸炭室内の圧力を、前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱してからの浸炭処理過程のときにおける圧力よりも、当該昇温過程の間における浸炭を抑制するように低くする。」
ことを特徴としている。

また、本発明の請求項２は、
「前記請求項１の記載において、前記浸炭室内を、前記昇温過程の前に一旦高い真空にし、次いで、浸炭雰囲気にする。」
ことを特徴としている。

前記したように、前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱するまでの昇温過程の間、前記浸炭室内の圧力を、前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱してからの浸炭処理過程のときにおける圧力よりも、当該昇温過程の間における浸炭を抑制するように低くすることにより、前記昇温過程の間における浸炭の進行を少ない状態にとどめることができて、浸炭処理を、専ら前記浸炭処理過程において行うことになるから、被処理部品に対する浸炭処理を、所定の通りに正確に制御できる。特に浸炭温度が１２００℃を越えると本発明の効果が顕著である。

しかも、前記浸炭室内は、昇温過程の間において、浸炭雰囲気であることにより、この昇温過程の間において被処理部品に脱炭反応が発生することを抑制できるから、前記放射温度計による温度制御の精度を確実に向上できるから、前記浸炭処理の制御の正確性を更に向上できる。

また、請求項２に記載したように、前記浸炭室内を、前記昇温過程の前に一旦高い真空にし、次いで、浸炭雰囲気にすることにより、浸炭室内を浸炭雰囲気にすることが、残存酸素を少なくした状態にして短時間で確実にできるから、残存酸素による表面の酸化や浸炭室内での煤の発生を確実に抑制できるとともに、浸炭処理のサイクルタイムを大幅に短縮できる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、ガス浸炭装置を示す縦断正面図である。

この図において、符号１は、密閉型の浸炭室を示し、この浸炭室１の内部には、これに装填される被処理部品２を載せておくための載置台３と、前記被処理部品２を高周波加熱するための高周波誘導加熱コイル４とが設けられている。

また、前記浸炭室１には、前記被処理部品２の温度を、当該被処理部品２から発する熱放射を利用して測定するための放射温度計５が設けられ、この放射温度計５からの出力を制御回路６に入力して、この制御回路６にて前記高周波誘導加熱コイル４に対する電源回路７を制御することにより、前記被処理部品２を、所定の浸炭温度（例えば、約１２００〜１４００℃等）に高周波加熱するように構成されている。

なお、前記放射温度計５は、被処理部品２からの熱放射が少ないときには温度の測定を行うことができないので、前記放射温度計５による温度制御は、実際には、被処理部品２の温度が、当該被処理部品２からの熱放射が多くなる例えば７００〜９００℃になってから行うように構成している。

更にまた、前記浸炭室１には、流量制御弁８を備えた窒素又はアルゴン等の不活性ガス供給通路９が接続されているとともに、当該浸炭炉１からの排出弁１０付き排出通路１１が接続され、これに加えて、当該浸炭室１内を高い真空にするための真空ポンプ１２が接続されている。

一方、前記不活性ガス供給通路９のうち流量制御弁８より下流側の部位には、流量制御弁１３を備えたメタン又はプロパン等の浸炭ガス供給通路１４が接続されている。

そして、実際のガス浸炭は次の順序で行う。

先ず、前記浸炭室１内に、被処理部品２を装填し、次いで、前記浸炭室１内を、当該浸炭室１からの排気通路１１における排気弁１０を閉じた状態で、真空ポンプ１２にて、例えば、２６Ｐａの高い真空の状態にする。

そして、前記浸炭室１内に、前記不活性ガス供給通路９及び前記浸炭ガス供給通路１４から、例えば、窒素ガス等の不活性ガスに適宜量の浸炭ガス（例えば、４．２％程度のメタンガス）を混合した混合ガスを、前記浸炭室１内が、例えば、１３００Ｐａの圧力になるまで充満することにより、前記浸炭室１内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にするとともに、１３００Ｐａの圧力に維持する。

この状態で、前記被処理部品２を、高周波誘導加熱コイル４にて、約１分間で、所定の浸炭温度（例えば、約１２００〜１４００℃等）に高周波加熱する。

すなわち、前記浸炭室１内における被処理部品２を前記浸炭温度に加熱するまでの昇温過程の間は、前記浸炭室１内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にするとともに、例えば、１３００Ｐａの低い圧力の状態にする。

次いで、前記被処理部品２の温度が前記浸炭温度になったとき、前記浸炭室１内への混合ガスの供給量を増して、浸炭室１内の圧力を、大気圧と同じ程度、例えば、１０００〜１０５０ｈＰａにまで上昇するとともに、排気通路１１における排気弁１０を開いて混合ガスの一部を排気して、前記浸炭室１内を、流動する浸炭雰囲気にして、この状態を、約５分間にわたって維持することにより、前記被処理部品２に対して所定の浸炭処理を行うのである。

ところで、本発明者達は、前記浸炭室１内に装填した被処理部品２を、圧力を１３００Ｐａにし、且つ、浸炭ガスを含まない窒素ガスのみの雰囲気にした状態で高い温度に高周波加熱する第１の実験と、前記浸炭室１内に装填した被処理部品２を、圧力を同じく１３００Ｐａにし、且つ、前記窒素ガスに４．２％のメタンガスを含む浸炭雰囲気にした状態で高い温度に高周波加熱する第２の実験との両方について、前記被処理部品２の温度を、当該被処理部品２に埋め込んだ熱電対温度計と、前記放射温度計５との両方で測定した結果は次の通りであった。

すなわち、図２は、前者の第１の実験の場合（１３００Ｐａの圧力で、浸炭雰囲気にしないとき）を示し、この場合、放射温度計５にて測定した温度は、曲線Ｂで示すように、熱電対温度計にて測定した温度（曲線Ａで示す）に対して、加熱時間の経過に比例して次第に高くなるという現象が認められた。

これに対して、図３は、後者の第２の実験の場合（１３００Ｐａの圧力で、浸炭雰囲気にしたとき）を示し、この場合、放射温度計５にて測定した温度曲線Ｂ′は、熱電対温度計にて測定した温度曲線Ａ′に対して略平行になり、放射温度計５にて測定した温度が、熱電対温度計にて測定した温度に対して加熱時間の経過に比例して変化することを回避できるのであった。

そこで、前記したように、前記浸炭室１内に装填した被処理部品２を所定の浸炭温度にまで加熱するまでの昇温過程の間、前記浸炭室１内を、浸炭雰囲気で、且つ、圧力が１３００Ｐａの状態にすることにより、前記被処理部品２の温度を放射温度計５にて正確に測定できるから、前記昇温過程及びその後における浸炭処理過程に際しての温度制御を前記放射温度計５にて高い精度で確実に行うことができるのである。

更に、本発明者達の実験によると、浸炭温度が１２００〜１４００℃である場合、前記浸炭室１内の圧力は、浸炭処理過程において１０００〜１０５０ｈＰａにする一方、昇温過程において１０００〜１５００Ｐａにすることが、前記した効果を達成する上で好ましく、また、前記浸炭室１内を前記した昇温過程に先立って真空するときには、１００Ｐａ以下にすることが前記した効果を達成する上で好ましかった。

本発明において、被処理部品を加熱する方法としては、前記した高周波加熱に限らず、レーザ光線の照射による加熱等のその他の加熱方法を採用できることはいうまでもなく、また、本発明は、被処理部品の全体に対して浸炭を施す場合に限らず、被処理部品の一部を加熱することでその部分のみに浸炭する場合にも適用できる。

本発明の実施形態を示す縦断正面図である。 浸炭ガスの雰囲気にしない状態で高周波加熱したときにおける温度曲線を示す図。 浸炭ガスの雰囲気にした状態で高周波加熱したときにおける温度曲線を示す図。

符号の説明

１ 浸炭室
２ 被処理部品
３ 載置台
４ 高周波誘導加熱コイル
５ 放射温度計
６ 制御回路
７ 高周波誘導加熱コイルの電源回路
９ 不活性ガス供給通路
１０ 排気弁
１１ 排気通路
１２ 真空ポンプ
１４ 浸炭ガス供給通路
８，１３ 流量制御弁

Claims (4)

1. 鋼製の被処理部品を、浸炭室内に装填し、この浸炭室内を、浸炭ガスを含む浸炭雰囲気にし、この状態で、前記被処理部品を、当該被処理部品における温度を放射温度計にて測定しながら所定の浸炭温度に加熱し、この浸炭温度に適宜時間維持して浸炭処理するにおいて、前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱するまでの昇温過程の間、前記浸炭室内の圧力を、前記被処理部品を前記浸炭温度に加熱してからの浸炭処理過程のときにおける圧力よりも、当該昇温過程の間における浸炭を抑制するように低くすることを特徴とするガス浸炭方法。
2. 前記請求項１の記載において、前記浸炭室内を、前記昇温過程の前に一旦高い真空にし、次いで、浸炭雰囲気にすることを特徴とするガス浸炭方法。
3. 前記請求項１又は２の記載において、前記浸炭温度が１２００〜１４００℃で、前記浸炭処理過程のときにおける前記浸炭室内の圧力が１０００〜１０５０ｈＰａである一方、前記昇温過程のときにおける前記浸炭室内の圧力が１０００〜１５００Ｐａであることを特徴とするガス浸炭方法。
4. 前記請求項１又は２の記載において、前記浸炭室内を、前記昇温過程の前に一旦高い真空にするときにおける圧力が１００Ｐａ以下であることを特徴とするガス浸炭方法。

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