JP2016148091A - 真空浸炭方法及び真空浸炭装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる真空浸炭方法を提供する。【解決手段】減圧した雰囲気の浸炭室に浸炭ガスを噴射することで、浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法であって、浸炭室へ噴射する浸炭ガスのガス噴射量を、被処理物の浸炭室における荷姿状態での容積と、浸炭室の体積と、被処理物の総表面積と、浸炭ガスの種類に基づき設定される定数と、に基づいて算出し、算出されたガス噴射量の浸炭ガスを、浸炭室に噴射する。【選択図】図３

Description

本発明は、減圧した雰囲気の浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法及び装置に関する。

減圧した雰囲気の浸炭室にプロパンガス等の浸炭ガスを噴射することで、同室に配置した被処理物（例えば鋼性の部材）を浸炭する真空浸炭が知られている（特許文献１参照）。

このような真空浸炭において、浸炭ガスが過剰となり、スポット状過剰浸炭が発生するという問題があった。この問題に対して、本出願人は、ガス噴射量Ｖを、被処理物の物理特性に依存するフラックス値Ｆを用いて求め、被処理物の表面炭素濃度がスポット状過剰浸炭の発生を抑止可能な濃度上限値より小さい状態を維持するように、浸炭ガスを噴射するガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する真空浸炭方法（特許文献２参照）を出願した。

特開２００２−２１２７０２号公報 特開２０１１−０５２２６２号公報

しかしながら、特許文献２に開示された真空浸炭方法では、フラックス値Ｆを実験により求める必要があった。そのため、実験時における被処理物の形状と実際のワークの荷姿状態を一致させることが難しく、適切なフラックス値を求めることは難しいという問題があった。

本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、適切なガス噴射量を求めることで、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる真空浸炭方法を提供することを目的とする。

本発明は、減圧した雰囲気の浸炭室に浸炭ガスを噴射することで、浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法であって、浸炭室へ噴射する浸炭ガスのガス噴射量を、被処理物の浸炭室における荷姿状態での容積と、浸炭室の体積と、被処理物の総表面積と、浸炭ガスの種類に基づき設定される定数と、に基づいて算出し、算出されたガス噴射量の浸炭ガスを、浸炭室に噴射することを特徴とする。

本発明によれば、被処理物の浸炭室における荷姿状態での容積と、浸炭室の体積と、被処理物の総表面積と、浸炭ガスの種類に基づき設定される定数と、に基づいてガス噴射量を決定するので、実験によりフラックス値を求めることなくガス噴射量を決定することができる。これにより、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる。

本発明の実施形態の真空浸炭装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施形態の被処理物の荷姿状態の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態の真空浸炭装置にて行なわれる制御のフローチャートである。 本発明の実施形態の被処理物の総表面積Ａと占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙとの相関関係の一例を説明する説明図である。 本発明の実施形態の被処理物の総表面積Ａと占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙとの相関関係の他の一例を説明する図である。 本発明の実施形態のガス噴射時間及びガス噴射停止時間の一例の説明図である。 本発明の実施形態の浸炭処理全体の過程を示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の真空浸炭装置１の構成を示す説明図である。図１に示す真空浸炭装置１は、被処理物２、真空浸炭室３、浸炭ガス流路４、流量調整弁５、制御装置６を有する。

被処理物２は、浸炭対象の鋼性の部材である。被処理物２は、例えば、変速機に用いられるギヤ（材質ＪＩＳ−ＳＣｒ４２０Ｈ）の材料となる。

真空浸炭室３は、内部に被処理物２を配置し、被処理物２に対して減圧した雰囲気で真空浸炭を実行する真空浸炭炉である。真空浸炭室３には、真空浸炭室３の内部の温度を検出する温度センサ３１が備えられる。

浸炭ガス流路４は、浸炭ガス供給源１４から真空浸炭室３まで連通する浸炭ガスのガス流路である。流量調整弁５は、浸炭ガス流路４に介装され、浸炭ガス流路４を通流する浸炭ガスのガス流量、すなわち真空浸炭室３に噴射するガス噴射量を調整する開閉弁である。流量調整弁５の開閉動作は制御装置６によって制御される。制御装置６は、流量調整弁５の開閉動作を制御するマイクロコントローラである。制御装置６の制御は後述する。

以上に示す構成により、本実施形態の真空浸炭装置１は、制御装置６が流量調整弁５の開閉動作を制御することで、真空浸炭室３に噴射するガス噴射量を調整し、真空浸炭室３に配置した被処理物２を浸炭する。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態における被処理物２の荷姿状態の一例を示す説明図である。

図２（Ａ）に示すように、被処理物２は、治具１０に積載されて真空浸炭室３に配置される。被処理物２は、一例として中央に孔を有する円盤形状のギヤである。治具１０に複数の柱部１１が備えられ、柱部１１に被処理物２の孔が嵌装されて、複数の被処理物２が治具１０に固定される。

図２（Ｂ）に示すように、治具１０は、複数の被処理物２を固定した状態で段積み状態（積層状態）とすることも可能な形状に構成されている。複数の被処理物２を固定した治具１０を積層状態として真空浸炭室３に配置することで、多数の被処理物２を一度に浸炭させることができる。

このように配置された被処理物２は、次のような制御により浸炭が行なわれる。

図３は、本実施形態の真空浸炭装置１にて行なわれる制御のフローチャートである。制御装置６は、浸炭時に図３に示す制御を実行する。

制御装置６は、ステップＳ１において、浸炭処理温度を設定する。真空浸炭室３には図示しないヒータ等の加熱装置が備えられ、制御装置６は、真空浸炭室３に備えられる温度センサ３１による測定値又はユーザによる設定値等に基づいて、真空浸炭室３の温度を設定する。

制御装置６は、真空浸炭室３の温度を１２０３Ｋから１２５３Ｋの範囲の任意の温度に設定する。これは、本実施形態の真空浸炭装置１は、この範囲内の浸炭温度に対して有効だからである。

次に、ステップＳ２に移行し、制御装置６は、真空浸炭室３の体積を設定する。真空浸炭室３の体積は予めユーザによって制御装置６に入力され、制御装置６は、入力された値を真空浸炭室３の体積Ｙとして設定する。

次に、ステップＳ３に移行し、制御装置６は、被処理物２の荷姿状態での容積を設定する。被処理物２の荷姿状態の容積の値がユーザによって制御装置６に入力され、制御装置６は入力された値に基づいて、被処理物２の荷姿状態での容積Ｚを算出する。制御装置６は、算出された被処理物２の荷姿状態での容積Ｚを設定する。

被処理物２の荷姿状態での容積Ｚは、図２（Ｂ）に示すように、複数の被処理物２が治具１０に固定され積層された状態に基づき、次の数式１のように算出される。

荷姿状態の容積Ｚ＝ａ＊ｂ＊ｃ ・・・ 数１
ただし、ａ：治具１０の幅、ｂ：治具１０の奥行き、ｃ：治具１０の積層高さ。

次に、ステップＳ４に移行し、制御装置６は、被処理物２の総表面積を設定する。ユーザは、真空浸炭室３に配置する全ての被処理物２の表面積の値の合計を算出して制御装置６に入力する。総表面積の値は、被処理物２の個数や形状に応じて可変な値である。制御装置６は入力された値を被処理物２の総表面積Ａとして設定する。

次に、ステップＳ５に移行し、制御装置６は、浸炭ガスごとに設定される定数を設定する。浸炭ガスの定数は、予めユーザによって使用される浸炭ガスの種類に応じて制御装置６に入力されており、制御装置６は入力された値を浸炭ガスの定数Ｃとして設定する。定数Ｃの設定については後述する。

次に、ステップＳ６に移行し、制御装置６は、ガス噴射量Ｖを算出する。ここでは、制御装置６は、ステップＳ２で設定された真空浸炭室３の体積Ｙと、被処理物２の荷姿状態の容積Ｖと、総表面積Ａと、浸炭ガスの定数Ｃとに基づいて、次の数式２に基づいて、ガス噴射量を決定する。

Ｖ＝Ｃ＊Ｙ＊Ａ／Ｚ ・・・ 数２

次に、ステップＳ７に移行し、制御装置６は、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する。ステップＳ７の処理の詳細は後述する。ユーザによって計算されたガス噴射時間及びガス噴射停止時間の各々の値が制御装置６に入力され、制御装置６が、入力された値をガス噴射時間及びガス噴射停止時間として決定してもよい。

次に、ステップＳ８に移行し、制御装置６は、決定したガス噴射量Ｖ及びガス噴射時間に基づいて、流量調整弁５の開閉動作を制御する。制御装置６は、ステップＳ６で決定されたガス噴射量Ｖと、ステップＳ７で決定されたガス噴射時間及びガス噴射停止時間と、に基づいて流量調整弁５の開閉動作を制御する。ステップＳ８の処理の詳細は後述する。

以上のような制御によって、制御装置６は、ガス噴射量Ｖ、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を設定し、これらに基づいて流量調整弁５の開閉動作を制御する。このような制御により、真空浸炭室３に噴射する浸炭ガスが調整される。

次に、ステップＳ５における定数Ｃを決定するための、被処理物２の総表面積Ａと占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙとの相関関係について説明する。

本実施形態において、被処理物２の総表面積Ａ［ｍ²］と、標準状態での時間当たりの占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙ［ＮＬ／ｈｒ／ｍ³］との間には、図４に示すような相関関係がある。

図４は、本実施形態の被処理物２の総表面積Ａと占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙとの相関関係の一例を説明する説明図である。図４では、浸炭ガスにプロパンガスを用いた例を示し、横軸に総表面積Ａが、縦軸に占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙが、それぞれ示される。

本願発明者は、図３上の各点におけるスポット状過剰浸炭の発生状況を検査した。その結果、「△」でプロットされた各点では、真空浸炭室３に必要以上の浸炭ガスが供給されてスポット状過剰浸炭が発生する、または、真空浸炭室３に必要分の浸炭ガスが供給されずに浸炭不足が発生することが分かった。「◇」でプロットされた各点では、適切量の浸炭ガスが供給されて適切な浸炭が行われることが分かった。

図４に示す直線Ｌ１及びＬ２は、これら「◇」、「△」の境界を示している。直線Ｌ１はＣ＝１２０を示す直線である。一方、直線Ｌ２はＣ＝８０を示す直線である。すなわち、８０＜Ｃ＜１２０を満たす総表面積Ａ及び占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙの関係であるときには図４の「◇」に該当し、適切な浸炭を行なうことができる。

従って、前述のステップＳ５において、図４に示す相関関係に基づいて定数Ｃを設定しておくことにより、適切なガス噴射量Ｖを設定することができる。

図５は、本実施形態の被処理物２の総表面積Ａと占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙとの相関関係の他の一例を説明する図である。図５では、浸炭ガスにアセチレンを用いた例を示し、横軸に総表面積Ａが、縦軸に占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙが、それぞれ示される。

浸炭ガスにアセチレンを用いた場合は、アセチレンの活性炭素が次のようにプロパンよりも多いため、浸炭ガスにプロパンガスを用いた場合のガス噴射量の６０％に設定する。具体的には、次のようにアセチレンにおける定数Ｃが求められる。

アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）の分子量２６のうち炭素の量は２４であり、浸炭に寄与する炭素量の割合を示す活性炭素比率は２４／２６＝９２．３％である。

一方、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）の分子量４４のうちの炭素は３６であるが、プロパンは１／３が不活性のメタン（ＣＨ₄）へと変換され反応しない。このため、プロパンの活性炭素比率は（３６−１２）／４４＝５４．５％である。

これらにより、プロパンの活性炭素比率とアセチレンの活性炭素比率との比は５４．５／９２．３＝５９％であるので、誤差を考慮してプロパンの６０％となるようにアセチレンのガス噴射量を設定する。

従って、図５において、直線Ｌ１はＣ＝１２０＊６０％＝７２を示す直線となる。直線Ｌ２はＣ＝８０＊６０％＝４８を示す直線となる。すなわち、４８＜Ｃ＜７２を満たす総表面積Ａ及び占有容積当たりガス噴射量Ｖ＊Ｚ／Ｙの関係であるときに、適切な浸炭を行なうことができる。

次に、ステップＳ７におけるガス噴射時間及びガス噴射停止時間について説明する。

図６は、本実施形態におけるガス噴射時間及びガス噴射停止時間の一例の説明図である。図６において、ガス噴射量Ｖによるガス噴射が行なわれている状態がハッチングで示され、被処理物２の表面炭素濃度Ｄの経時変化が実線で示される。

制御装置６は、流量調整弁５の開閉を制御してガス噴射の開始及び停止を制御する。図６に示すように、時刻０においてガス噴射を開始してから時間ｔ０経過後に表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達したときに、ガス噴射を停止する。その後、一定時間ｔｓが経過して表面炭素濃度Ｄが直線状に低下した後に、再度ガス噴射を開始する。

以降は、一定時間ｔｐ経過して表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達したところで、再びガス噴射を停止する。その後一定時間ｔｓ経過して表面炭素濃度Ｄが直線状に低下したところで、再度ガスを噴射する。すなわち、制御装置６は、表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達するときを上限として、断続的に噴射と噴射停止を繰り返す間欠噴射を実行する。なお、限界濃度はスポット状過剰浸炭の発生及び不発生の境界となる表面炭素濃度であり、予め実験等により求めておく。

制御装置６は、ステップＳ８において、ステップＳ６で決定されたガス噴射量Ｖと、ステップＳ７で決定されたガス噴射時間及びガス噴射停止時間と、に基づいて、図６に示すように流量調整弁５の開閉動作を制御する。

このように、制御装置６は、表面炭素濃度Ｄの経時変化を考慮した上で、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するように、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する。これにより、表面炭素濃度Ｄを限界濃度以下に保つことが可能になるとともに、スポット状過剰浸炭の発生を抑止することができる。

図７は、本実施形態における浸炭処理全体の過程を示す説明図である。図７において、真空浸炭室３の温度の時間経過が実線で示される。

本実施形態の真空浸炭装置１を用いた真空浸炭の処理過程は、昇温期、浸炭期、拡散期、及び、焼き入れ期に分けられる。昇温期、拡散期、及び、焼き入れ期については従来の処理方法と同様であるためここでは説明を省略する。図７に示す浸炭期において、図６で説明したガス噴射パターンに応じて、制御装置６が、流量調整弁５の開閉動作を制御する。

以上のように、本実施形態によれば、減圧した雰囲気の真空浸炭室３（浸炭室）に浸炭ガスを噴射することで、真空浸炭室３に配置した被処理物２を浸炭する真空浸炭方法に適用される。真空浸炭室３へ噴射する浸炭ガスのガス噴射量Ｖは、被処理物２の真空浸炭室３における荷姿状態での容積Ｚと、真空浸炭室３の体積Ｙと、被処理物２の総表面積Ａと、浸炭ガスの種類に基づき設定される定数Ｃと、に基づいて算出し、算出されたガス噴射量Ｖにより、浸炭ガスを真空浸炭室３に噴射する。

従来の浸炭方法においては、被処理物２の物理特性に依存するフラックス値を実験により求めていた。しかし、実験時における被処理物２の形状と実際のワークの荷姿状態を一致させることが難しく、適切なフラックス値を求めることは難しかった。

本実施形態では、フラックス値によらず、被処理物２の荷姿状態の容積Ｚ、真空浸炭室３の体積Ｙと、被処理物２の総表面積Ａとに基づいてガス噴射量を決定するので、被処理物２に対するフラックス値を求めることなくガス噴射量を決定することができる。これにより、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる。この効果は請求項１及び４に対応する。

なお、被処理物２の表面積が同一である場合は、被処理物２の荷姿状態の容積Ｚの大小は、被処理物２がどのくらい密集しているかを示す値である。すなわち、荷姿状態の容積Ｚが小さい場合は被処理物２の密集度が大きい。また、荷姿状態の容積Ｚが大きい場合は被処理物２の密集度が小さく、浸炭ガスがより流れやすくなる。このような理由により、荷姿状態の容積Ｚが大きいほど、浸炭ガスのガス噴射量Ｖは小さくて済む。

また、本実施形態によれば、浸炭ガスにプロパンを用い、標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（ＮＬ／ｈ）、被処理物２の真空浸炭室３における荷姿状態での容積をＺ（ｍ³）、真空浸炭室３の体積をＹ（ｍ³）、被処理物２の総表面積をＡ（ｍ²）、浸炭ガスごとに設定する定数をＣとしたとき、ガス噴射量Ｖを前述の数式２（ただし８０＜Ｃ＜１２０）のように算出する。

本実施形態では、フラックス値によらず、被処理物２の荷姿状態の容積Ｚ、真空浸炭室３の体積Ｙと、被処理物２の総表面積Ａと、プロパンを用いた場合の定数Ｃに基づいて、ガス噴射量を決定するので、被処理物２に対するフラックス値を求めることなくガス噴射量を決定することができる。これにより、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる。この効果は請求項２に対応する。

さらに、本実施形態によれば、浸炭ガスにアセチレンを用い、標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（ＮＬ／ｈ）、被処理物２の真空浸炭室３における荷姿状態での容積をＺ（ｍ³）、真空浸炭室３の体積をＹ（ｍ³）、被処理物２の総表面積をＡ（ｍ²）、浸炭ガスごとに設定する定数をＣとしたとき、ガス噴射量Ｖを前述の数式２（ただし４８＜Ｃ＜７２）のように算出する。

本実施形態では、フラックス値によらず、被処理物２の荷姿状態の容積Ｚ、真空浸炭室３の体積Ｙと、被処理物２の総表面積Ａと、アセチレンを用いた場合の定数Ｃに基づいて、ガス噴射量を決定するので、被処理物２に対するフラックス値を求めることなくガス噴射量を決定することができる。これにより、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる。この効果は請求項３に対応する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、例えば制御装置６にユーザが入力した値に基づいてガス噴射量を決定するものだけでなく、制御装置６とは別の演算装置にてガス噴射量を決定し制御装置６にガス噴射量を入力するものなどであってもよく、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本実施形態では、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するようにガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定すると前述した。しかしながら、ここでいう限界濃度の値は真空浸炭室３の浸炭処理温度に応じて変化する。そこで、予め実験計測等により浸炭処理温度を変えたときの限界濃度を温度毎に取得しておき、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するようなガス噴射時間及びガス噴射停止時間を温度毎に求めておいてもよい。この場合、設定される浸炭処理温度に応じて最適なガス噴射時間及びガス噴射停止時間を設定してもよい。

また、制御装置６は、ガス噴射量を決定した後にガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定しているが、この場合には限らない。被処理物２の表面炭素濃度Ｄがスポット状過剰浸炭の発生を抑止可能な濃度上限値より小さい状態を維持するように、ガス噴射量、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定するのであれば、前述のステップＳ６及びＳ７の処理は前後逆であってもよいし、同時であってもよい。

１ 真空浸炭装置
２ 被処理物
３ 真空浸炭室（浸炭室）
４ 浸炭ガス供給路
５ 流量調整弁
６ 制御装置
１０ 治具

Claims (4)

1. 減圧した雰囲気の浸炭室に浸炭ガスを噴射することで、前記浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法であって、
   前記浸炭室へ噴射する前記浸炭ガスのガス噴射量を、
   前記被処理物の前記浸炭室における荷姿状態での容積と、
   前記浸炭室の体積と、
   前記被処理物の総表面積と、
   前記浸炭ガスの種類に基づき設定される定数と、
   に基づいて算出し、
   算出された前記ガス噴射量の浸炭ガスを、前記浸炭室に噴射することを特徴とする真空浸炭方法。
2. 請求項１に記載の真空浸炭方法であって、
   前記浸炭ガスはプロパンであり、
   標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（ＮＬ／ｈ）、前記被処理物の前記浸炭室における荷姿状態での容積をＺ（ｍ³）、前記浸炭室の体積をＹ（ｍ³）、前記被処理物の総表面積をＡ（ｍ²）、前記浸炭ガスごとに設定される定数をＣとしたとき、
   Ｖ＝Ｃ＊Ｙ＊Ａ／Ｚ
   ただし、８０＜Ｃ＜１２０
   を満たすように前記ガス噴射量Ｖを決定することを特徴とする真空浸炭方法。
3. 請求項１に記載の真空浸炭方法であって、
   前記浸炭ガスはアセチレンであり、
   標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（ＮＬ／ｈ）、前記被処理物の前記浸炭室における荷姿状態での容積をＺ（ｍ³）、前記浸炭室の体積をＹ（ｍ³）、前記被処理物の総表面積をＡ（ｍ²）、前記浸炭ガスごとに設定される定数をＣとしたとき、
   Ｖ＝Ｃ＊Ｙ＊Ａ／Ｚ
   ただし、４８＜Ｃ＜７２
   を満たすように前記ガス噴射量Ｖを決定することを特徴とする真空浸炭方法。
4. 前記浸炭室に浸炭ガスを供給する流量制御弁と、前記ガス噴射量を算出し、算出津されたガス噴射量に基づいて前記流量制御弁の開閉を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置が、請求項１から３に記載の真空浸炭方法を実行する真空浸炭装置。

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