JP2020084219A - Atmosphere control method and atmosphere control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鋼の表面に非金属を浸透拡散させる表面処理の雰囲気制御方法、及び、該雰囲気制御方法を使用する雰囲気制御装置に関するものである。 The present invention relates to an atmosphere control method for surface treatment in which a nonmetal is permeated and diffused on the surface of steel, and an atmosphere control device using the atmosphere control method.
ガス窒化、ガス軟窒化、及び、真空浸炭窒化の窒化工程では、窒素供給源としてアンモニアガスを処理炉に導入して加熱することにより、下記(1)式の分解で生じた原子状窒素が鋼に浸透拡散する。これにより、窒素が固溶した拡散相(α相)、鉄−窒素化合物の化合物相(ε相、γ’相)が、鋼の表面に生成する。これらの相は特性が異なり、その生成は処理条件に依存する。そのため、被処理物の用途等に応じて要請される特性を得るためには、処理温度や処理時間に加えて、処理炉内の雰囲気を制御することが必要となる。
2NH3 →2N +3H2 (1)
In the nitriding steps of gas nitriding, gas soft nitriding, and vacuum carbonitriding, by introducing ammonia gas into a processing furnace as a nitrogen supply source and heating, the atomic nitrogen generated by the decomposition of the following formula (1) is converted into steel. Permeate and diffuse into. As a result, a diffusion phase (α phase) in which nitrogen is dissolved, and a compound phase of the iron-nitrogen compound (ε phase, γ′ phase) are generated on the surface of the steel. These phases have different properties and their formation depends on the processing conditions. Therefore, it is necessary to control the atmosphere in the processing furnace in addition to the processing temperature and the processing time in order to obtain the required characteristics depending on the intended use of the object.
2NH 3 → 2N +3H 2 (1)
一方、真空浸炭、及び、真空浸炭窒化の浸炭工程では、炭素供給源としてアセチレン、エチレンなどの炭化水素ガスを導入して加熱することにより、炭化水素の分解で生じた炭素が鋼の表面に浸透拡散する。例として、アセチレンから炭素が生成する場合を、下記(2)式に示す。このような炭素の浸透拡散により、鋼の表面に炭素濃度が高濃度である層が形成される。表面の炭素濃度や浸透深さは、処理条件に依存する。そのため、上記の窒化の場合と同様に、被処理物の用途等に応じて要請される特性を得るためには、処理温度や処理時間に加えて、処理炉内の雰囲気を制御することが必要となる。
C2H2 → 2C + H2 (2)
On the other hand, in the carburizing process of vacuum carburizing and vacuum carbonitriding, by introducing and heating a hydrocarbon gas such as acetylene or ethylene as a carbon supply source, the carbon generated by the decomposition of hydrocarbon permeates the surface of the steel. Spread. As an example, the case where carbon is produced from acetylene is shown in the following formula (2). By such infiltration and diffusion of carbon, a layer having a high carbon concentration is formed on the surface of the steel. The carbon concentration and the penetration depth of the surface depend on the treatment conditions. Therefore, as in the case of the above-mentioned nitriding, it is necessary to control the atmosphere in the processing furnace in addition to the processing temperature and the processing time in order to obtain the characteristics required depending on the application of the processing object. Becomes
C 2 H 2 → 2C + H 2 (2)
そこで、表面処理を行う処理炉内の雰囲気における水素ガスの濃度を、熱伝導度式水素センサで検出する表面硬化処理装置が提案されている(特許文献1)。この提案では、熱伝導度式水素センサで検出した水素ガス濃度から炉内ガス組成を演算し、演算した炉内ガス組成が予め設定した炉内ガス混合比率となるように、炉内へのガス導入量を制御する。この制御としては、炉内へ導入される複数種類のガスの流量比率を一定に保持した状態で、炉内への合計導入量を制御する第一の制御と、複数の導入ガスの流量比率が変化するように導入量を個別に制御する第二制御のうち、何れかを選択的に実行することが提案されている。 Therefore, a surface hardening treatment device has been proposed in which the concentration of hydrogen gas in the atmosphere in the treatment furnace that performs the surface treatment is detected by a thermal conductivity type hydrogen sensor (Patent Document 1). In this proposal, the in-furnace gas composition is calculated from the hydrogen gas concentration detected by the thermal conductivity type hydrogen sensor, and the gas in the furnace is adjusted so that the calculated in-reactor gas composition becomes a preset in-reactor gas mixing ratio. Control the amount introduced. As this control, the first control for controlling the total introduction amount into the furnace and the flow rate ratio of the plurality of introduction gases are maintained while the flow rate ratios of the plural kinds of gases introduced into the furnace are kept constant. It has been proposed to selectively execute any one of the second controls that individually control the introduction amount so as to change.
しかしながら、特許文献1の表面硬化処理装置で使用されている熱伝導度式水素センサは、次のようにいくつかの難点を有している。まず、熱伝導度式水素センサでは、ガスの熱伝導度に基づいて水素濃度が測定されるものであるが、ガスの熱伝導率はガスの種類によって相違する。そのため、検量線の作成のために使用されたガス以外の種類のガスが雰囲気内に存在すると、水素濃度を正確に測定することができない。例えば、ガス窒化処理では、処理炉内にはアンモニアの分解によって生じた窒素ガスと水素ガスに加えて、未分解のアンモニアガスが残留している。そのため、水素と窒素との組み合わせで作成した検量線に基づいて校正した熱伝導度式水素センサでは、水素濃度を正確に測定することができない。更に、ガス軟窒化処理を行う処理炉内の雰囲気には、窒素ガス、水素ガス、残留アンモニアガスに加えて、炭素の供給源ガスも含まれていることにより、少なくとも四種類のガスが存在するため、水素と他のガスという二つのガスの組み合わせで作成した検量線に基づいて校正した熱伝導度式水素センサでは、水素濃度を正確に測定することができない。
However, the thermal conductivity type hydrogen sensor used in the surface hardening treatment apparatus of
また、真空浸炭や真空浸炭窒化では、処理の進行に伴い炉内の圧力を変化させる。特に、真空浸炭窒化では浸炭工程と窒化工程とで適した圧力が大きく相違する。炉内の圧力が変化すれば、当然ながらガス密度も変動するため、熱の伝導も変化する。熱伝導度式水素センサについてある圧力範囲で校正を行えば、その圧力範囲内ではほぼ正確な測定ができるものの、圧力の変動がその範囲を超える場合に、その熱伝導度式水素センサを使用して水素濃度を正確に測定することは困難である。 In vacuum carburizing and vacuum carbonitriding, the pressure inside the furnace is changed as the process progresses. Particularly, in vacuum carbonitriding, the suitable pressure is largely different between the carburizing process and the nitriding process. When the pressure inside the furnace changes, the gas density naturally changes, so the heat conduction also changes. If the thermal conductivity type hydrogen sensor is calibrated in a certain pressure range, almost accurate measurement can be made within that pressure range, but if the pressure fluctuation exceeds that range, the thermal conductivity type hydrogen sensor is used. It is difficult to measure the hydrogen concentration accurately.
検出される水素濃度が、実際の水素濃度を正確に反映している値でなければ、検出結果に基づいて処理炉の雰囲気を適切に制御することも困難である。 Unless the detected hydrogen concentration is a value that accurately reflects the actual hydrogen concentration, it is difficult to appropriately control the atmosphere of the processing furnace based on the detection result.
更に、特許文献1では、熱伝導度式水素センサについて「炉体に直接装着される」と表現されているものの、センサ素子自体は表面処理を行う高い温度(窒化では500℃〜600℃、真空浸炭では900℃〜950℃)に耐えられないため、センサ素子を含めてセンサ本体は炉外に置き、センサ素子に至る配管を処理炉に接続している。炉内ガスは自然対流によって配管に流入しセンサ素子まで導かれるため、炉内ガスがセンサ素子に達するまでに時間を要する。実際に、熱伝導度式水素センサを使用して処理炉内の水素濃度を検出している現場によれば、この検出の遅れは数十秒に達する。炉内ガスにおける水素濃度の変化に対して検出に遅れが生じると、検出結果に基づく制御にも遅れが生じるという問題がある。
Further, in
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、鋼の表面に非金属を浸透拡散させる表面処理を行う雰囲気における水素濃度または水素分圧をより正確に検出することができ、検出に基づく雰囲気制御をより適切に行うことができる雰囲気制御方法、及び、該雰囲気制御方法を使用する雰囲気制御装置の提供を、課題とするものである。 Therefore, in view of the above situation, the present invention can more accurately detect the hydrogen concentration or the hydrogen partial pressure in the atmosphere in which the surface treatment for permeating and diffusing the nonmetal into the surface of the steel is performed, and the atmosphere control based on the detection can be performed. It is an object to provide an atmosphere control method that can be more appropriately performed and an atmosphere control device that uses the atmosphere control method.
上記の課題を解決するため、本発明にかかる雰囲気制御方法は、
「鋼の表面に非金属元素を浸透拡散させる表面処理を行う処理炉の雰囲気を制御する雰囲気制御方法であって、
前記処理炉に、少なくとも前記非金属元素の供給源ガスを含むガスを導入し、
前記処理炉の雰囲気における水素濃度または水素分圧を、プロトン伝導性を示す固体電解質をセンサ素子とする水素センサで検出し、
検出された水素濃度または水素分圧に基づいて、前記処理炉に導入されるべきガスにおける少なくとも前記供給源ガスの流量を変化させるフィードバック制御を行うものであり、
前記表面処理は、
窒素を供給する前記供給源ガスをアンモニアとするガス窒化、ガス軟窒化、及び、真空浸炭窒化における窒化工程の何れかである特定窒化処理、または、
炭素を供給する前記供給源ガスをアセチレンとする真空浸炭、及び、真空浸炭窒化における浸炭工程の何れかである特定浸炭処理、である」ものである。
In order to solve the above problems, the atmosphere control method according to the present invention,
"An atmosphere control method for controlling the atmosphere of a processing furnace for performing a surface treatment for permeating and diffusing a non-metallic element on the surface of steel,
Introducing a gas containing at least the non-metal element source gas into the processing furnace,
The hydrogen concentration or hydrogen partial pressure in the atmosphere of the processing furnace is detected by a hydrogen sensor having a proton conductive solid electrolyte as a sensor element,
Based on the detected hydrogen concentration or hydrogen partial pressure, to perform feedback control to change the flow rate of at least the source gas in the gas to be introduced into the processing furnace,
The surface treatment is
A specific nitriding treatment, which is one of the nitriding steps in gas nitriding, gas soft nitriding, and vacuum carbonitriding, in which the supply source gas for supplying nitrogen is ammonia, or
Vacuum carburizing using acetylene as the source gas for supplying carbon, and a specific carburizing process which is one of the carburizing steps in vacuum carbonitriding."
「特定窒化処理」は、鋼を窒化する処理のうち、本発明が対象とするガス窒化、ガス軟窒化、または、真空浸炭窒化における窒化工程を指している。また、「特定浸炭処理」は、鋼に浸炭する処理のうち、本発明が対象とする真空浸炭、または、真空浸炭窒化における浸炭工程を指している。 The "specific nitriding treatment" refers to a nitriding step in gas nitriding, gas soft nitriding, or vacuum carbonitriding, which is a target of the present invention among treatments for nitriding steel. Further, the "specific carburizing treatment" refers to a carburizing step in vacuum carburizing or vacuum carbonitriding which is a target of the present invention among the treatments for carburizing steel.
以下では、「窒素を供給する供給源ガス」を「窒素供給源ガス」と称することがあり、「炭素を供給する供給源ガス」を「炭素供給源ガス」と称することがある。 Hereinafter, the "supply source gas that supplies nitrogen" may be referred to as a "nitrogen supply source gas", and the "supply source gas that supplies carbon" may be referred to as a "carbon supply source gas".
「固体電解質」をセンサ素子とするセンサは、同一イオンの濃度差により電位差が生じる濃淡電池の原理を使用したものであり、固体電解質を挟んだ二つの空間で検出対象のガスの濃度(またはガス分圧)が異なる場合に、固体電解質に生じる起電力を測定する。二つの空間のうち、第一の空間において検出対象ガスの濃度(またはガス分圧)が既知であれば、ネルンストの式により、測定された起電力とセンサ素子の温度から、第二の空間におけるガス濃度(またはガス分圧)を知ることができる。或いは、第一の空間のガス濃度を一定とした状態で、第二の空間におけるガス濃度(またはガス分圧)を変化させて起電力を測定して予め検量線を作成しておくことにより、ガス濃度(またはガス分圧)が未知の場合の起電力の測定値から、第二の空間のガス濃度(またはガス分圧)を知ることができる。 A sensor that uses a "solid electrolyte" as a sensor element uses the principle of a concentration battery in which a potential difference occurs due to a difference in the concentration of the same ions, and the concentration of the gas to be detected (or gas) in two spaces sandwiching the solid electrolyte. When the partial pressure is different, the electromotive force generated in the solid electrolyte is measured. If the concentration (or gas partial pressure) of the gas to be detected is known in the first space of the two spaces, the measured electromotive force and the temperature of the sensor element are used in the second space according to the Nernst equation. The gas concentration (or gas partial pressure) can be known. Alternatively, while the gas concentration in the first space is kept constant, the gas concentration (or gas partial pressure) in the second space is changed to measure the electromotive force and create a calibration curve in advance, The gas concentration (or gas partial pressure) in the second space can be known from the measured value of the electromotive force when the gas concentration (or gas partial pressure) is unknown.
「プロトン伝導性を示す固体電解質をセンサ素子とする水素センサ」(以下、「固体電解質水素センサ」と称することがある)は、純粋に水素濃度(または水素分圧)のみに起因して起電力が変化する。そのため、測定対象の雰囲気中に、水素以外で水素原子を有するガスや、その他の種類のガスが存在したとしても、それらの影響を受けることなく正確に水素濃度(または水素分圧)を検出することができる。これにより、検出した水素濃度(または水素分圧)に基づく雰囲気制御を、正確に行うことが可能となる。 "Hydrogen sensor using a solid electrolyte having proton conductivity as a sensor element" (hereinafter sometimes referred to as "solid electrolyte hydrogen sensor") is an electromotive force caused purely by hydrogen concentration (or hydrogen partial pressure). Changes. Therefore, even if a gas containing hydrogen atoms other than hydrogen or another type of gas exists in the atmosphere to be measured, the hydrogen concentration (or hydrogen partial pressure) can be accurately detected without being affected by those gases. be able to. This makes it possible to accurately perform atmosphere control based on the detected hydrogen concentration (or hydrogen partial pressure).
なお、測定対象のガス雰囲気の全圧に基づいて、水素分圧及び水素濃度の一方が分かれば他方が分かるため、以下では「水素濃度または水素分圧」との記載に替えて、単に「水素濃度」と記載することがある。 It should be noted that, based on the total pressure of the gas atmosphere to be measured, the other can be known if one of the hydrogen partial pressure and the hydrogen concentration is known. Therefore, in the following, instead of the description of "hydrogen concentration or hydrogen partial pressure", simply "hydrogen Sometimes referred to as "concentration".
プロトン伝導性の固体電解質が、水素濃度と起電力との間に相関関係を示す温度範囲は400℃〜1000℃である。この温度範囲は、特定窒化処理または特定浸炭処理が行われる処理温度をカバーしている。従って、固体電解質水素センサは、処理炉の内部空間にセンサ素子を挿入することが可能である。従って、処理炉の雰囲気における水素濃度の変化に速やかに応答して水素濃度を検出することができ、その検出に基づいて速やかなフィードバック制御を行うことが可能である。加えて、固体電解質水素センサは、詳細は後述するように、雰囲気における水素濃度の変化を反映して変化する検出値が安定するまでの所要時間が、熱伝導度式水素センサより短い。この点からも、処理炉の雰囲気における水素濃度の変化に速やかに応答して水素濃度を検出することができ、その検出に基づいて速やかなフィードバック制御を行うことが可能である。 The temperature range in which the proton conductive solid electrolyte shows a correlation between the hydrogen concentration and the electromotive force is 400°C to 1000°C. This temperature range covers the processing temperature at which the specific nitriding treatment or the specific carburizing treatment is performed. Therefore, in the solid electrolyte hydrogen sensor, the sensor element can be inserted into the internal space of the processing furnace. Therefore, the hydrogen concentration can be detected promptly in response to the change of the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace, and the prompt feedback control can be performed based on the detection. In addition, as will be described later in detail, the solid electrolyte hydrogen sensor takes a shorter time than the thermal conductivity type hydrogen sensor until the detected value that changes reflecting the change in the hydrogen concentration in the atmosphere becomes stable. From this point as well, the hydrogen concentration can be detected promptly in response to the change in the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace, and the prompt feedback control can be performed based on the detection.
更に、固体電解質水素センサは、詳細は後述するように、測定対象の雰囲気が減圧されていても、水素濃度を正確に検出することができる。そのため、表面処理が真空浸炭や真空浸炭窒化である場合も、問題なく、正確に水素濃度を検出することができ、その検出に基づいて適切なフィードバック制御を行うことができる利点がある。 Further, as will be described later in detail, the solid electrolyte hydrogen sensor can accurately detect the hydrogen concentration even if the atmosphere to be measured is depressurized. Therefore, even when the surface treatment is vacuum carburization or vacuum carbonitriding, there is an advantage that the hydrogen concentration can be accurately detected without any problem, and appropriate feedback control can be performed based on the detection.
本発明にかかる雰囲気制御方法は、上記構成に加え、
「前記処理炉の雰囲気に、前記供給源ガスと水素ガスを含めて三種類以上のガスを含む」ものとすることができる。
The atmosphere control method according to the present invention, in addition to the above configuration,
The atmosphere of the processing furnace may include three or more kinds of gases including the supply source gas and the hydrogen gas.
上記のように、ガスの熱伝導率はガスの種類によって相違する。そのため、熱伝導度式水素センサで水素濃度を検出する場合に、測定対象の雰囲気が水素ガス以外のガスを含む混合ガスである場合は、そのガスの組み合わせで、ガス濃度と熱伝導度との関係を示す検量線を予め作成しておく必要がある。しかしながら、混合ガスが三種類以上のガスを含む場合、ガス濃度と熱伝導度との関係を示す検量線を作成することは極めて困難である。従って、処理炉の雰囲気に三種類以上のガスを含む場合、水素センサが熱伝導度式であると、処理炉の雰囲気における水素濃度を正確に検出することはできない。これに対し、固体電解質センサでは、上記のように、純粋に水素濃度のみに起因して起電力が変化するため、処理炉の雰囲気に水素ガスに加えて何種類のガスが存在していようと、問題なく、正確に水素濃度を検出することができ、その検出に基づいて適切なフィードバック制御を行うことができる。 As described above, the thermal conductivity of gas differs depending on the type of gas. Therefore, when detecting the hydrogen concentration with a thermal conductivity type hydrogen sensor, if the atmosphere to be measured is a mixed gas containing a gas other than hydrogen gas, the gas concentration and thermal conductivity are It is necessary to create a calibration curve indicating the relationship in advance. However, when the mixed gas contains three or more kinds of gases, it is extremely difficult to create a calibration curve showing the relationship between the gas concentration and the thermal conductivity. Therefore, when the atmosphere of the processing furnace contains three or more kinds of gases, if the hydrogen sensor is of the thermal conductivity type, the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace cannot be accurately detected. On the other hand, in the solid electrolyte sensor, as described above, the electromotive force changes purely due to only the hydrogen concentration, so no matter how many kinds of gas exist in the atmosphere of the processing furnace, in addition to hydrogen gas. The hydrogen concentration can be accurately detected without any problem, and appropriate feedback control can be performed based on the detection.
本発明にかかる雰囲気制御方法は、上記構成に加え、
「前記フィードバック制御は、前記水素センサによる水素濃度または水素分圧の検出に基づき算出される、前記処理炉の雰囲気を反映する指標値の目標値と、所定時間前の前記指標値である過去指標値との対比により行われるものであり、
前記過去指標値は、0.5秒〜10秒前の前記指標値である」ものとすることができる。
The atmosphere control method according to the present invention, in addition to the above configuration,
"The feedback control is a target value of an index value that reflects the atmosphere of the processing furnace calculated based on the detection of hydrogen concentration or hydrogen partial pressure by the hydrogen sensor, and a past index that is the index value before a predetermined time. It is done by comparing with the value,
The past index value is the index value 0.5 seconds to 10 seconds ago.”
窒素供給源ガスがアンモニアである特定窒化処理の場合、「処理炉の雰囲気を反映する指標値」は、上記の(1)式により、処理炉の雰囲気における水素濃度、処理炉の雰囲気におけるアンモニア濃度、または、処理炉の雰囲気の窒化ポテンシャルとすることができる。ここで、窒化ポテンシャルは、以下の(3)式によりKNとして定義されるものであり、その雰囲気の窒化能力を表す指標である。
KN = PNH3/PH2 3/2 (3)
KN:窒化ポテンシャル
PNH3:アンモニアガスの分圧
PH2:水素ガスの分圧
In the case of the specific nitriding treatment in which the nitrogen supply source gas is ammonia, the “index value reflecting the atmosphere of the processing furnace” is the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace and the ammonia concentration in the atmosphere of the processing furnace according to the above formula (1). Alternatively, the nitriding potential of the atmosphere of the processing furnace can be used. Here, the nitriding potential is defined as K N by the following equation (3) and is an index representing the nitriding ability of the atmosphere.
K N =P NH3 /P H2 3/2 (3)
K N : Nitriding potential P NH3 : Partial pressure of ammonia gas P H2 : Partial pressure of hydrogen gas
一方、炭素供給源ガスがアセチレンである特定浸炭処理の場合、「処理炉の雰囲気を反映する指標値」は、上記の(2)式により、処理炉の雰囲気における水素濃度、処理炉の雰囲気におけるアセチレン濃度、または、処理炉の雰囲気の浸炭ポテンシャルとすることができる。ここで、浸炭ポテンシャルは、以下の(4)式によりKcとして定義されるものであり、その雰囲気の浸炭能力を表す指標である。
KC =(PC2H2/PH2)1/2 (4)
KC:浸炭ポテンシャル
PC2H2:アセチレンガスの分圧
PH2:水素ガスの分圧
On the other hand, in the case of the specific carburizing process in which the carbon source gas is acetylene, the “index value reflecting the atmosphere of the processing furnace” is the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace and the atmosphere of the processing furnace according to the above formula (2). It can be the acetylene concentration or the carburizing potential of the atmosphere of the processing furnace. Here, the carburizing potential is defined as Kc by the following equation (4) and is an index showing the carburizing ability of the atmosphere.
K C =(P C2H2 /P H2 ) 1/2 (4)
K C : Carburizing potential P C2H2 : Partial pressure of acetylene gas P H2 : Partial pressure of hydrogen gas
上記のように、処理温度が数百度以上である処理炉の雰囲気における水素濃度を熱伝導度式水素センサで測定する場合、センサ素子を含めてセンサ本体は炉外に置かれ、炉内ガスは配管を介してセンサ素子まで導かれるため、炉内ガスがセンサ素子に達するまでに、一般的に数十秒を要する。そのため、所定時間前の指標値である過去指標値を指標値の目的地と対比してフィードバック制御を行う場合、参照できる過去指標値は数十秒以上前の値である。そのため、その数十秒の間にも処理炉の雰囲気は変化してしまい、適切な制御を行うことができない。 As described above, when measuring the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace where the processing temperature is several hundreds of degrees or more with the thermal conductivity type hydrogen sensor, the sensor body including the sensor element is placed outside the furnace, and the gas inside the furnace is Since it is guided to the sensor element through the pipe, it generally takes several tens of seconds until the gas in the furnace reaches the sensor element. Therefore, when performing feedback control by comparing the past index value that is the index value before the predetermined time with the destination of the index value, the past index value that can be referred to is a value that is several tens of seconds or more before. Therefore, the atmosphere of the processing furnace changes during the several tens of seconds, and proper control cannot be performed.
これに対し、固体電解質水素センサは、詳細は後述するように、水素濃度の変化に速やかに応答し、且つ、約0.5秒の短時間で起電力値が安定する。そのため、過去指標値として0.5秒秒〜10秒というごく短い時間だけ前の指標値を使用するフィードバック制御を行うことが可能である。従って、刻々と変化する処理炉の雰囲気変化を速やかに反映させた、適切なフィードバック制御を行うことができる。ここで、過去指標値は、0.5秒〜2秒前の指標値とすれば、同じ理由でより望ましく、0.5秒〜1秒前の指標値とすれば更に望ましい。 On the other hand, the solid electrolyte hydrogen sensor responds promptly to changes in the hydrogen concentration and stabilizes the electromotive force value in a short time of about 0.5 seconds, as will be described later in detail. Therefore, it is possible to perform feedback control using the previous index value for a very short time of 0.5 seconds to 10 seconds as the past index value. Therefore, it is possible to perform the appropriate feedback control that promptly reflects the ever-changing atmosphere change of the processing furnace. Here, if the past index value is an index value 0.5 seconds to 2 seconds ago, it is more desirable for the same reason, and it is even more desirable if it is an index value 0.5 seconds to 1 second ago.
なお、実際に表面処理を行っている現場では、被処理物(ワーク)の入れ替えの度に処理炉が開放されて炉内の雰囲気が一気に変化するが、ワークの入れ替えは数分という短い時間間隔で行われることもある。加えて、新しいワークは表面処理による反応の進行速度が速い。そのため、速やかにフィードバックを行う雰囲気制御が従前より要請されていたところ、このように0.5秒〜10秒というごく短い時間だけ前の指標値を参照して行う本構成の雰囲気制御は、水素センサとして固体電解質水素センサを使用することにより初めて可能となったものである。 At the site where surface treatment is actually performed, the atmosphere inside the furnace changes suddenly every time the object to be processed (workpiece) is replaced, but the replacement of the work piece takes a short time interval of several minutes. It is sometimes done in. In addition, the new work has a high reaction progress rate due to the surface treatment. Therefore, although the atmosphere control for prompt feedback has been conventionally requested, the atmosphere control of the present configuration, which refers to the previous index value for a very short time of 0.5 to 10 seconds, is It was possible for the first time by using a solid electrolyte hydrogen sensor as a sensor.
本発明にかかる雰囲気制御方法は、上記構成に加え、
「前記フィードバック制御は、前記水素センサによる水素濃度または水素分圧の検出に基づき算出される、前記処理炉の雰囲気を反映する指標値の目標値と、所定時間前の前記指標値である過去指標値との対比により行われるものであり、前記処理炉に導入されるべきガスにおける少なくとも前記供給源ガスの流量を変化させる際の変化率の大きさを、前記過去指標値と前記目標値との差の大きさに基づいて変化させる」ものとすることができる。
The atmosphere control method according to the present invention, in addition to the above configuration,
"The feedback control is a target value of an index value that reflects the atmosphere of the processing furnace calculated based on the detection of hydrogen concentration or hydrogen partial pressure by the hydrogen sensor, and a past index that is the index value before a predetermined time. It is performed by contrast with the value, the magnitude of the rate of change when changing the flow rate of at least the supply source gas in the gas to be introduced into the processing furnace, between the past index value and the target value. It can be changed based on the magnitude of the difference."
処理炉に導入するガスの流量を変化させるフィードバック制御において、ガス流量の変化率の大きさを、過去指標値と目標値との差の大きさに基づいて変化させることにより、詳細は後述するように、指標値を目標値により正確に一致させることができる。また、目標値と対比する過去指標値がより長時間前の指標値であっても、指標値を目標値に収束させる適切なフィードバック制御を行うことができる。 In the feedback control that changes the flow rate of the gas introduced into the processing furnace, by changing the magnitude of the rate of change of the gas flow rate based on the magnitude of the difference between the past index value and the target value, details will be described later. In addition, the index value can be more accurately matched to the target value. Further, even if the past index value to be compared with the target value is the index value before a longer time, it is possible to perform the appropriate feedback control that converges the index value to the target value.
本発明にかかる雰囲気制御方法は、上記構成に加え、
「前記水素センサによる前記処理炉の雰囲気における水素濃度または水素分圧の検出は、前記センサ素子を前記処理炉の内部空間に挿入した状態で行う」ものとすることができる。
The atmosphere control method according to the present invention, in addition to the above configuration,
The detection of the hydrogen concentration or hydrogen partial pressure in the atmosphere of the processing furnace by the hydrogen sensor is performed in a state where the sensor element is inserted in the internal space of the processing furnace.
上記のように、プロトン伝導性の固体電解質では、水素濃度と起電力との間に相関関係を示す温度範囲は400℃〜1000℃であり、表面処理が行われる雰囲気の温度範囲を含んでいるため、処理炉の内部空間にセンサ素子を挿入する本構成を実現することができる。従って、処理炉の雰囲気における水素濃度の変化に速やかに応答して水素濃度を検出することができ、その検出に基づいて速やかなフィードバック制御を行うことが可能である。 As described above, in the proton conductive solid electrolyte, the temperature range showing the correlation between the hydrogen concentration and the electromotive force is 400° C. to 1000° C., and includes the temperature range of the atmosphere in which the surface treatment is performed. Therefore, the present configuration in which the sensor element is inserted into the internal space of the processing furnace can be realized. Therefore, the hydrogen concentration can be detected promptly in response to the change of the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace, and the prompt feedback control can be performed based on the detection.
加えて、水素センサとして熱伝導度式水素センサを使用し、ガス軟窒化を行う処理炉の雰囲気における水素濃度を検出する従来技術では、炉内ガスをセンサ素子まで導く配管内でガス温度が低下することにより、炭酸アンモニウムが析出して配管詰まりを生じるという問題があった。これに対し、本構成では、固体電解質水素センサのセンサ素子は高温の処理炉の内部空間に挿入されているため、炉内ガスから炭酸アンモニウムが析出することが無いという利点を有している。なお、センサ素子が処理炉の内部空間に挿入されていると、供給源ガスがアセチレンの場合に、センサ素子にススが付着することがある。しかしながら、固体電解質のセンサ素子の表面にスス層が形成されたとしても、水素ガスはスス層を通過し、その濃度を正しく反映した起電力を生じることにより、問題なく、正確に水素濃度を検出することができることを確認している。 In addition, in the conventional technology that uses a thermal conductivity type hydrogen sensor as the hydrogen sensor and detects the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace that performs gas soft nitriding, the gas temperature decreases in the pipe that guides the furnace gas to the sensor element. By doing so, there was a problem that ammonium carbonate was deposited and a pipe was clogged. On the other hand, in this configuration, since the sensor element of the solid electrolyte hydrogen sensor is inserted into the internal space of the high temperature processing furnace, there is an advantage that ammonium carbonate does not precipitate from the gas in the furnace. If the sensor element is inserted into the internal space of the processing furnace, soot may adhere to the sensor element when the supply source gas is acetylene. However, even if a soot layer is formed on the surface of the solid electrolyte sensor element, the hydrogen gas passes through the soot layer and generates an electromotive force that accurately reflects the concentration, so that the hydrogen concentration can be detected accurately without any problem. Make sure you can.
次に、本発明にかかる雰囲気制御装置は、
「固体電解質のセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた基準電極、及び、該基準電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた測定電極を備えるセンサプローブ、前記基準電極と前記測定電極との間に生じる起電力に基づいて水素濃度または水素分圧を算出する手段を備える水素センサと、
鋼の表面に非金属元素を浸透拡散させる表面処理を行う処理炉に導入されるべきガスの制御を行う制御手段と、を具備し、
前記制御手段は、
前記水素センサによる前記処理炉の雰囲気における水素濃度または水素分圧の検出に基づいて、前記処理炉の雰囲気を反映する指標値を算出し、前記指標値の目標値を所定時間前の前記指標値である過去指標値と対比することにより、前記処理炉に導入されるべきガスにおける少なくとも前記非金属元素の供給源ガスの流量を制御するフィードバック制御を行う」ものである。
Next, the atmosphere control device according to the present invention,
"Solid electrolyte sensor element, reference electrode provided on the surface of the sensor element, and measurement provided on the surface of the sensor element in a second space partitioned from the first space in contact with the reference electrode A sensor probe provided with an electrode, a hydrogen sensor provided with means for calculating hydrogen concentration or hydrogen partial pressure based on an electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode,
A control means for controlling a gas to be introduced into a processing furnace for performing a surface treatment for permeating and diffusing a non-metallic element on the surface of the steel;
The control means is
Based on the detection of hydrogen concentration or hydrogen partial pressure in the atmosphere of the processing furnace by the hydrogen sensor, calculate an index value that reflects the atmosphere of the processing furnace, the target value of the index value a predetermined time before the index value By performing a feedback control for controlling the flow rate of at least the source gas of the non-metal element in the gas to be introduced into the processing furnace."
本構成の雰囲気制御装置は、上記の雰囲気制御方法を使用するものであり、上記の作用効果が発揮される。 The atmosphere control device of this configuration uses the above atmosphere control method, and exhibits the above-described effects.
以上のように、本発明によれば、鋼の表面に非金属を浸透拡散させる表面処理を行う雰囲気における水素濃度または水素分圧をより正確に検出することができ、検出に基づく雰囲気制御をより適切に行うことができる雰囲気制御方法、及び、該雰囲気制御方法を使用する雰囲気制御装置を、提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to more accurately detect the hydrogen concentration or the hydrogen partial pressure in the atmosphere in which the surface treatment for permeating and diffusing the nonmetal into the surface of the steel is performed, and the atmosphere control based on the detection can be performed more accurately. An atmosphere control method that can be appropriately performed, and an atmosphere control device that uses the atmosphere control method can be provided.
以下、本発明の具体的な実施形態である雰囲気制御方法、及び、その雰囲気制御方法を使用する雰囲気制御装置、及び、雰囲気制御装置によって雰囲気制御される表面処理装置について説明する。本実施形態の雰囲気制御方法は、鋼の表面に非金属元素を浸透拡散させる表面処理を行う処理炉30の雰囲気fを制御する雰囲気制御方法であって、処理炉30に、少なくとも非金属元素の供給源ガスを含むガスを導入し、処理炉30の雰囲気fにおける水素濃度または水素分圧を、プロトン伝導性を示す固体電解質をセンサ素子11とする固体電解質水素センサ1で検出し、検出された水素濃度または水素分圧に基づいて、処理炉30に導入されるべきガスにおける少なくとも供給源ガスの流量を変化させるフィードバック制御を行うものである。
Hereinafter, an atmosphere control method, an atmosphere control apparatus using the atmosphere control method, and a surface treatment apparatus controlled by the atmosphere control apparatus, which are specific embodiments of the present invention, will be described. The atmosphere control method of the present embodiment is an atmosphere control method for controlling the atmosphere f of the
この雰囲気制御方法が適用される表面処理は、アンモニアを窒素供給源ガスとするガス窒化、ガス軟窒化、及び、真空浸炭窒化における窒化工程の何れかであり、アセチレンを炭素供給源ガスとする真空浸炭、及び、真空浸炭窒化における浸炭工程の何れかである。 The surface treatment to which this atmosphere control method is applied is any of gas nitriding using ammonia as a nitrogen source gas, gas soft nitriding, and a nitriding step in vacuum carbonitriding, and a vacuum using acetylene as a carbon source gas. It is either a carburizing process or a carburizing process in vacuum carbonitriding.
まず、本実施形態の雰囲気制御方法を使用する雰囲気制御装置、雰囲気制御装置の構成である固体電解質水素センサ1、及び、雰囲気制御装置を具備する表面処理装置E1について、図1を用いて説明する。
First, an atmosphere control device that uses the atmosphere control method of the present embodiment, a solid
表面処理装置E1は、処理炉30、ガス導入管31、ガス排出管32、ガス導入装置25、及び雰囲気制御装置を具備している。また、雰囲気制御装置は、固体電解質水素センサ1と、雰囲気制御部21とを具備している。
The surface treatment apparatus E1 includes a
より詳細に説明すると、処理炉30は加熱炉であり、表面処理としてガス窒化またはガス軟窒化を行う場合は、処理炉30の雰囲気fを少なくとも500℃〜600℃の温度とすることができ、表面処理として真空浸炭または真空浸炭窒化を行う場合は、処理炉30の雰囲気fを少なくとも900℃〜950℃の温度とすることができるものを使用する。
More specifically, the
ガス導入管31は、処理炉30の内部に表面処理用のガスを導入するための管であり、一端は処理炉30の内部で開放しており、他端はガス導入装置25に接続されている。ガス排出管32は、処理炉30から外部にガスを排出するための管であり、一端は処理炉30の内部で開放しており、他端は処理炉30の外部で開放している。ここでは、表面処理装置E1を使用して行う表面処理が真空浸炭または真空浸炭窒化であり、ガス排出管32に接続された減圧装置41としての吸引ポンプと圧力計42を表面処理装置E1が備えている場合を例示しているが、表面処理がガス窒化またはガス軟窒化である場合は、減圧装置41及び圧力計42を省略すればよい。
The
固体電解質水素センサ1は、センサプローブ10とセンサ制御装置1Dとを具備している。センサプローブ10は、プロトン伝導性固体電解質のセンサ素子11、基準電極p1、測定電極p2、筒状のホルダ18を主要な構成としている。センサ素子11は有底筒状であり、ホルダ18の内部で開口させた状態で、その外周面とホルダ18の内周面とが封止部19によって気密に封止されている。これにより、ホルダ18の内部空間は、第一空間S1と第二空間S2とに気密に区画されている。そして、基準電極p1は第一空間S1においてセンサ素子11の表面に形成されており、測定電極p2は第二空間S2においてセンサ素子11の表面に形成されている。基準電極p1及び測定電極p2は、それぞれリード線L1,L2によって電圧計(図示を省略)に電気的に接続されており、基準電極p1と測定電極p2との間に生じた起電力が測定される。
The solid
センサプローブ10は、センサ素子11における測定電極p2側の端部が、処理炉30の内部空間に位置するように処理炉30に挿入されており、残部は処理炉30の外部にある。従って、処理炉30の雰囲気fが、センサプローブ10にとっての第二空間S2である。
The
また、センサプローブ10は、センサ素子11の温度を測定するための熱電対13と、第一空間S1に基準ガスを供給する基準ガス供給管14を更に備えており、共に処理炉30の外部からセンサプローブ10内に挿入されている。なお、固体電解質が基準ガスとして大気を使用できるタイプである場合は、基準ガス供給管14を備えることなく、第一空間S1を大気に開放させてもよい。
Further, the
センサ制御装置1Dは、主記憶装置、補助記憶装置、及びマイクロプロセッサを備えるマイクロコンピュータを具備しており、マイクロコンピュータをセンサ制御手段として機能させるセンサ制御プログラムが主記憶装置に記憶されている。センサ制御手段は、熱電対13の起電力をセンサ素子11の温度に変換する温度検出手段、基準電極p1及び測定電極p2の間に生じた起電力、基準ガスにおける水素濃度、及びセンサ素子11の温度に基づいて、処理炉30の雰囲気fにおける水素ガス濃度を算出する水素ガス濃度算出手段、算出された水素ガス濃度を雰囲気制御部21に送信する送信手段、水素ガス濃度やセンサ素子10の温度等の検出結果を補助記憶装置に記憶させる記憶手段を、主に備えている。
The
ガス導入装置25は、処理炉30に少なくとも供給源ガスを含むガスを導入するものであり、ガスが充填されたボンベと、ボンベと処理炉30の雰囲気fとを連通させる流路を開閉する開閉弁と、開閉弁の開閉及び開度を調整する開閉弁調整装置とを備えている。複数種類のガスを含む混合ガスを処理炉30に導入する場合は、各ガスについて、ボンベと、ボンベと雰囲気fとを連通させる流路を開閉する開閉弁と、開閉弁調整装置とが設けられる。
The
雰囲気制御部21は、主記憶装置、補助記憶装置、及びマイクロプロセッサを備えるマイクロコンピュータを具備しており、マイクロコンピュータを雰囲気制御手段として機能させる雰囲気制御プログラムが主記憶装置に記憶されている。雰囲気制御手段は、センサ制御装置1Dから送られた処理炉30の雰囲気fにおける水素濃度と、処理炉30に導入されたガスの流量に基づいて、処理炉30の雰囲気fを反映する指標値を算出する指標値算出手段と、所定時間前の指標値を目標値と対比し、その対比に基づいて処理炉30に導入すべきガスの流量を決定し、ガス導入装置25の開閉弁調整装置を制御する流量調整手段とを備えている。
The
処理炉30に導入されるガス(以下、「導入ガス」と称することがある)が、供給源ガスに加えて他の種類のガスを含む混合ガスである場合、流量調整手段によるガスの流量調整は、混合ガスにおける供給源ガスの流量のみを変化させるもの、複数種類のガスの流量比を一定に保持したまま混合ガス全体の流量を変化させるもの、或いは、複数種類のガスそれぞれの流量を変化させるもの、とすることができる。 When the gas introduced into the processing furnace 30 (hereinafter sometimes referred to as “introduced gas”) is a mixed gas containing a gas of another type in addition to the supply source gas, the flow rate adjusting means adjusts the flow rate of the gas. Is to change only the flow rate of the source gas in the mixed gas, to change the flow rate of the mixed gas as a whole while keeping the flow rate ratio of the plural kinds of gas constant, or to change the flow rate of each of the plural kinds of gas. It can be set to
例として、表面処理がガス窒化であり、処理炉に導入されるガスが窒素供給源ガスとしてのアンモニアガスに加え、窒素ガス、水素ガス、不活性ガス(アルゴン)を含む混合ガスである場合について、雰囲気制御をシミュレーションした結果を示す。ここでは、処理炉の雰囲気を反映する指標値は窒素ポテンシャルKNであり、指標値の目標値をKN=4.5と設定し、混合ガスの流量比をNH3:N2:H2:Ar=8:5:1:1に保持したまま、所定時間前のKNが目標値より小さいときは混合ガス全体の流量を1%減少させ、所定時間前のKNが目標値より大きいときは混合ガス全体の流量を1%増加させた。すなわち、処理炉の雰囲気における水素濃度の検知に基づいて導入ガスの流量を変化させる際の変化率を、1%とした例である。 As an example, the case where the surface treatment is gas nitriding and the gas introduced into the treatment furnace is a mixed gas containing nitrogen gas, hydrogen gas, and an inert gas (argon) in addition to ammonia gas as a nitrogen supply source gas , Shows the result of simulating the atmosphere control. Here, the index value reflecting the atmosphere of the processing furnace is nitrogen potential K N , the target value of the index value is set to K N =4.5, and the flow rate ratio of the mixed gas is NH 3 :N 2 :H 2 :Ar=8:5:1:1 is maintained, and when K N before the predetermined time is smaller than the target value, the flow rate of the entire mixed gas is reduced by 1%, and K N before the predetermined time is larger than the target value. At that time, the flow rate of the entire mixed gas was increased by 1%. That is, this is an example in which the rate of change when changing the flow rate of the introduced gas based on detection of the hydrogen concentration in the atmosphere of the processing furnace is 1%.
また、導入ガスにおける供給源ガスの流量が減少すると、処理炉内での供給源ガスの滞留時間が増加し分解が進行するため、混合ガス全体の流量を1%減少させたときは供給源ガス(ここでは、アンモニア)の分解率が1%増加するものとした。一方、導入ガスにおける供給源ガスの流量が増加すると、処理炉内での供給源ガスの滞留時間が減少し分解が進行しにくくなるため、混合ガス全体の流量を1%増加させたときは供給源ガスの分解率が1%減少するものとした。そして、処理開始時のアンモニアの分解率が20%であり、雰囲気における水素濃度に基づいて算出されたKNが4.15である時点から、シミュレーションを開始した。1秒前の指標値を目標値と対比して雰囲気制御した場合の指標値の変化を図2(a)に、2秒前の指標値を目標値と対比して雰囲気制御した場合の指標値の変化を図2(b)に、10秒前の指標値を目標値と対比して雰囲気制御した場合の指標値の変化を図2(c)に示す。
Further, when the flow rate of the source gas in the introduced gas decreases, the residence time of the source gas in the processing furnace increases and decomposition proceeds, so when the flow rate of the entire mixed gas is reduced by 1%, the source gas The decomposition rate of (here, ammonia) is assumed to increase by 1%. On the other hand, when the flow rate of the source gas in the introduced gas increases, the residence time of the source gas in the processing furnace decreases and it becomes difficult for decomposition to proceed. Therefore, when the flow rate of the entire mixed gas is increased by 1%, It is assumed that the decomposition rate of the source gas is reduced by 1%. Then, the simulation was started from the time when the decomposition rate of ammonia at the start of the treatment was 20% and the K N calculated based on the hydrogen concentration in the atmosphere was 4.15. Fig. 2(a) shows the change in the index value when the index value before 1 second is compared with the target value and the atmosphere is controlled. Fig. 2(a) shows the index value when the index value before 2 seconds is compared with the target value and the atmosphere is controlled. 2(b) shows the change in the index value when the atmosphere is controlled by comparing the
図2(a)から明らかなように、1秒前の指標値を目標値と対比して雰囲気制御した場合は、処理炉の雰囲気における窒化ポテンシャルKNは、約6秒という短時間で速やかに目標値である4.5に調整され、その後もごく僅かに小刻みに変動したものの(KN=4.5±0.03)、ほぼ一定に保持された。また、2秒前の指標値を目標値と対比して雰囲気制御した場合も、図2(b)に示すように、雰囲気における窒化ポテンシャルKNは、約7秒という短時間で速やかに目標値である4.5に調整された。その後は、1秒前の指標値を参照したときよりは変動幅がやや大きくなったものの(KN=4.5±0.1)、小刻みな変動にとどまり窒化ポテンシャルKNはほぼ一定に保持された。
As is clear from FIG. 2(a), when the index value one second before is compared with the target value and the atmosphere is controlled, the nitriding potential K N in the atmosphere of the processing furnace is quickly reduced to about 6 seconds. It was adjusted to the target value of 4.5, and after that it fluctuated very slightly (K N =4.5±0.03), but remained almost constant. Also, when the atmosphere is controlled by comparing the
これに対し、10秒前の指標値を目標値と対比して雰囲気制御した場合は、図2(c)に示すように、窒化ポテンシャルKNは初期値と目標値との差より大きな幅で変動し、目標値であるKN=4.5に収束させることはできなかった。固体電解質水素センサは、測定対象の雰囲気において水素濃度が変化したとき、速やかに応答し、検出される水素濃度も測定対象の雰囲気において水素濃度が変化した時点から0.5秒未満で安定するため(後述)、上記のように2秒、1秒という短時間前の指標値を、目標値と対比して雰囲気制御を行うことが可能である。すなわち、固体電解質水素センサを使用することにより、0.5秒〜2秒前の指標値を目標値と対比して処理炉の雰囲気制御を行うことができる。
On the other hand, when the atmosphere value is controlled by comparing the
ここで、水素濃度の検知に基づくフィードバック制御において、導入ガスの流量を変化させるに当たり、その変化率を上記の例の1%より小さく設定することにより、目標値に収束するまでの所要時間は長くなるものの、目標値と対比する指標値を、より長時間前の指標値(より過去に遡ったときの指標値)とすることができる。具体的に、処理炉に導入される混合ガスの組成、処理開始時のアンモニアの分解率、指標値としての窒素ポテンシャルKNの目標値、及び処理開始時のKNの値を上記の例と同様に設定し、所定時間前の指標値と目標値との対比により、処理炉に導入される混合ガス全体の流量をx%の変化率で変化させる(所定時間前の指標値が目標値より小さいときは混合ガスの流量をx%減少させ、所定時間前の指標値が目標値より大きいときは混合ガスの流量をx%増加させる)制御において、変化率x%を0.5%とするシミュレーションと、変化率x%を0.1%とするシミュレーションを行った。その結果を図3に示す。なお、アンモニアの分解率も、同じ変化率(0.5%または0.1%)とした。 Here, in the feedback control based on the detection of the hydrogen concentration, when changing the flow rate of the introduced gas, by setting the rate of change smaller than 1% in the above example, the time required to converge to the target value is long. However, the index value in comparison with the target value can be used as the index value for a longer time (the index value when going back to the past). Specifically, the composition of the mixed gas introduced into the processing furnace, the decomposition rate of ammonia at the start of the treatment, the target value of the nitrogen potential K N as an index value, and the value of K N at the start of the treatment are set as in the above example. The same setting is performed, and the flow rate of the entire mixed gas introduced into the processing furnace is changed at a rate of change of x% by comparing the index value before the predetermined time with the target value (the index value before the predetermined time is less than the target value. When it is small, the flow rate of the mixed gas is reduced by x%, and when the index value before the predetermined time is larger than the target value, the flow rate of the mixed gas is increased by x%). In the control, the change rate x% is set to 0.5%. A simulation and a simulation with a change rate x% of 0.1% were performed. The result is shown in FIG. The decomposition rate of ammonia was also set to the same change rate (0.5% or 0.1%).
図3(a)に示すように、導入ガスの流量の変化率が0.5%の場合は、変化率が1%であった場合と同様に、10秒前の指標値を参照する制御において指標値は初期値と目標値との差より大きな幅で変動し、目標値に収束させることはできなかった。これに対し、導入ガスの流量の変化率を0.1%という小さい値とした場合は、図3(b),(c)に示すように、目標値と対比する指標値を10秒前の指標値とした場合も、30秒前の指標値とした場合も、指標値をほぼ目標値に調整することが可能であった。より具体的には、10秒前の指標値を参照した場合はKN=4.5±0.07に調整され、30秒前の指標値を参照した場合はKN=4.5±0.17であった。
As shown in FIG. 3A, when the rate of change of the flow rate of the introduced gas is 0.5%, as in the case where the rate of change is 1%, in the control in which the
水素濃度の検知に基づいて処理炉に導入する混合ガスの流量を変化させる際の変化率をx%とする上記の雰囲気制御において、変化率x%の大きさを、処理の進行に伴い変化する目標値と指標値との差の大きさに基づいて変化させると、目標値と対比する指標値として、更に長時間前の指標値(より過去に遡ったときの指標値)を使用できると共に、指標値を目標値と一致した値に正確に調整することができる。具体的に、処理炉に導入される混合ガスの組成、処理開始時のアンモニアの分解率、指標値としての窒素ポテンシャルKNの目標値、及び処理開始時のKNの値を上記と同様に設定し、導入ガスの流量の変化率x%を次のように変化させた。すなわち、変化率x%=2%で制御を開始し、所定時間前の指標値と目標値との差が0.1より大きいときは、変化率x%を維持する一方で(x%=x%)、所定時間前の指標値と目標値との差が0.1以下のときは、x%=(1/10)x%と変化させた。従って、検出される指標値が目標値に近付くほど、変化率は2%、0.2%、0.02%、0.002%・・と変化する。また、アンモニアの分解率も同じ割合で変化するものとした。 In the above atmosphere control in which the rate of change when changing the flow rate of the mixed gas introduced into the processing furnace based on the detection of the hydrogen concentration is x%, the magnitude of the rate of change x% changes as the process progresses. If you change it based on the size of the difference between the target value and the index value, you can use the index value for a longer time (the index value when going back in the past) as the index value to compare with the target value. The index value can be accurately adjusted to a value that matches the target value. Specifically, the composition of the mixed gas introduced into the processing furnace, the decomposition rate of ammonia at the start of processing, the target value of the nitrogen potential K N as an index value, and the value of K N at the start of processing are the same as above. The rate of change x% of the flow rate of the introduced gas was set and changed as follows. That is, the control is started at the change rate x%=2%, and when the difference between the index value and the target value before the predetermined time is larger than 0.1, the change rate x% is maintained while (x%=x %), when the difference between the index value before the predetermined time and the target value is 0.1 or less, x%=(1/10)x% was changed. Therefore, as the detected index value gets closer to the target value, the rate of change changes to 2%, 0.2%, 0.02%, 0.002%. Also, the decomposition rate of ammonia is assumed to change at the same rate.
このシミュレーションの結果から、目標値と対比する過去の指標値が1秒前の指標値である場合を図4(a)に、10秒前の指標値である場合を図4(b)に、30秒前の指標値である場合を図4(c)に、60秒前の指標値である場合を図4(d)に示す。これらの図から明らかなように、過去の指標値がより長時間前の指標値であるほど、当然ながら、制御を開始してから指標値が目標値に近付くように変化し始めるまでの所要時間は長くなっているが、何れの場合も指標値が変化し始めてから3秒〜6秒という極めて短時間で目標値と一致している。そして、指標値が目標値と一致した後、図2及び図3を用いて示した例とは異なり、目標値を挟んで増減する小刻みな変動は見られなかった。
From the results of this simulation, the case where the past index value to be compared with the target value is the
このように、処理炉の雰囲気を反映する指標値である窒化ポテンシャルKNを目標値に調整する雰囲気制御により、処理後の鋼の表面に生成する相を、所望の相とすることができる。具体的には、窒化により生成する相には、窒素が固溶した拡散相(α相)、鉄−窒素化合物の化合物相であるε相(Fe2−3−N)、及びγ’相(Fe4−N)があるが、ε相は脆くポーラスな相であるのに対し、γ’相は緻密な相であり、α相は化合物相より深い部分に形成される硬度の高い相である。このように各生成相は性質が大きく相違するため、被処理物の用途等により要請される特性に応じて、所望の相を生成させることが望ましい。これらの生成相(α相、ε相、γ’相)、窒化ポテンシャルKN、及び処理温度との関係を示す状態図(Lehrer状態図)を用いれば、所望の相を生成させるために目標値とすべき窒化ポテンシャルKNと処理温度とを、予め設定することができる。 In this way, by controlling the atmosphere in which the nitriding potential K N , which is an index value that reflects the atmosphere of the processing furnace, is adjusted to the target value, the phase generated on the surface of the steel after the processing can be made the desired phase. Specifically, the phase generated by nitriding includes a diffusion phase (α phase) in which nitrogen is dissolved, an ε phase (Fe 2-3 —N) that is a compound phase of an iron-nitrogen compound, and a γ′ phase ( Fe 4 -N), the ε phase is a brittle and porous phase, whereas the γ′ phase is a dense phase, and the α phase is a high hardness phase formed in a deeper portion than the compound phase. .. As described above, the properties of the generated phases differ greatly, so it is desirable to generate a desired phase according to the properties required by the application of the object to be treated and the like. Using a state diagram (Lehrer state diagram) showing the relationship between these generated phases (α phase, ε phase, γ′ phase), nitriding potential K N , and processing temperature, the target value for generating the desired phase is obtained. The nitriding potential K N and the processing temperature to be set can be set in advance.
プロトン伝導性の固定電解質は、純粋に水素ガス濃度を反映した起電力を生じるため、水素センサとして固体電解質水素センサを使用することにより、上記のように処理炉の雰囲気に供給源ガス(NH3)と水素ガスを含めて三種類以上のガス(上記では、N2及びArを含む四種類)が存在しても、正確に水素ガス濃度を検出することができる。具体的に説明すると、図5に示すように、何れも水素ガスと他の種類のガスを含み、水素濃度が1%の混合ガスであるが、ガスの組み合わせの異なる四種類の混合ガス、すなわち、水素1%・窒素99%のガスA、水素1%・アルゴン99%のガスB、水素1%・プロパン5%・アルゴン94%のガスC、及び、水素1%・アンモニア1%・アルゴン98%のガスDを使用し、測定対象の雰囲気のガスをガスA、B、C、D、Aの順に切り替えて、固体電解質水素センサで水素濃度を検出した。その結果、図5から明らかなように、ガスを切り替えても、検出された水素濃度は1%でほぼ一定であった。 Since the proton conductive fixed electrolyte produces an electromotive force that purely reflects the hydrogen gas concentration, by using the solid electrolyte hydrogen sensor as the hydrogen sensor, the source gas (NH 3 ) And hydrogen gas, three or more types of gas (in the above, four types including N 2 and Ar) are present, the hydrogen gas concentration can be accurately detected. More specifically, as shown in FIG. 5, each is a mixed gas containing hydrogen gas and another kind of gas and having a hydrogen concentration of 1%. However, four kinds of mixed gas having different gas combinations, that is, , 1% hydrogen/99% nitrogen gas A, 1% hydrogen/99% argon gas B, 1% hydrogen/5% propane/94% argon gas C, and 1% hydrogen/1% ammonia/98 argon % Gas D was used, the gas in the atmosphere to be measured was switched to gases A, B, C, D, and A in this order, and the hydrogen concentration was detected by the solid electrolyte hydrogen sensor. As a result, as is clear from FIG. 5, the detected hydrogen concentration was almost constant at 1% even when the gas was switched.
一方、水素センサとして熱伝導度式水素センサを使用し、同様に測定対象の雰囲気のガスをガスA、B、C、D、Aの順に切り替えた場合に、検出された水素濃度を図5に合わせて示す。この熱伝導度式水素センサによる検出値の水素濃度への変換は、水素−窒素の組み合わせで作成した検量線を用いて行った。図5から明らかなように、検量線を作成したガスの組み合わせであるガスAについては、ほぼ正確に水素濃度が検出されたものの、その他の種類のガスを含むガスB、C、Dについては、水素濃度を正確に検出することはできなかった。 On the other hand, when a thermal conductivity type hydrogen sensor is used as the hydrogen sensor and the gases in the atmosphere to be measured are switched to gases A, B, C, D, and A in this order, the detected hydrogen concentration is shown in FIG. Shown together. The conversion of the detected value by this thermal conductivity type hydrogen sensor into hydrogen concentration was performed using a calibration curve prepared by a combination of hydrogen-nitrogen. As is clear from FIG. 5, for gas A, which is a combination of gases for which a calibration curve was created, the hydrogen concentration was detected almost accurately, but for gases B, C, and D containing other types of gas, The hydrogen concentration could not be detected accurately.
これは、表1に示すように、ガスの種類によって熱伝導率が相違するためである。そして、混合ガスが三種類以上のガスを含む場合、そのガスの組み合わせで検量線を作成することは、不可能であるか、扱いを単純にするために何らかの仮定をしたとしても極めて困難である。従って、水素センサとして固体電解質水素センサを使用する雰囲気制御方法は、多種類のガスの混合ガスが処理炉に導入される場合であって、水素センサとして熱伝導度式水素センサを使用したとしたら正確な水素濃度の検出ができないために適切なフィードバック制御を行うことができない場合であっても、問題なく、正確な水素濃度の検出に基づく適切なフィードバック制御を行うことができる利点を有している。 This is because, as shown in Table 1, the thermal conductivity differs depending on the type of gas. When the mixed gas contains three or more kinds of gases, it is impossible to create a calibration curve with the combination of the gases, or it is extremely difficult to make some assumptions to simplify the handling. .. Therefore, the atmosphere control method using the solid electrolyte hydrogen sensor as the hydrogen sensor is a case where a mixed gas of many kinds of gases is introduced into the processing furnace, and if the thermal conductivity type hydrogen sensor is used as the hydrogen sensor. Even if proper feedback control cannot be performed because accurate hydrogen concentration cannot be detected, there is no problem and it is possible to perform appropriate feedback control based on accurate hydrogen concentration detection. There is.
上記では、表面処理がガス窒化である場合を例示したが、窒素供給源ガスをアンモニアとするガス軟窒化にも、本実施形態の雰囲気制御方法を適用することができる。ガス軟窒化では、処理炉に導入される混合ガスとして、NH3と吸熱型変性ガスRX(CO、N2、H2)の混合ガス、NH3、N2、及びCO2の混合ガス、或いは、NH3、N2、CO2、及びH2の混合ガスを使用することができる。ガス軟窒化では、処理炉の雰囲気は、窒素供給源ガスであるアンモニアと水素ガスを含めて四種類以上のガスを含むため、ガスが三種類以上となると正確に水素濃度を検出できない熱伝導度式水素センサを使用する雰囲気制御方法に対する、本実施形態の雰囲気制御方法の優位性が、より明らかである。 Although the case where the surface treatment is gas nitriding has been described above, the atmosphere control method of the present embodiment can be applied to gas soft nitriding in which the nitrogen supply source gas is ammonia. In the gas soft nitriding, a mixed gas of NH 3 and an endothermic modification gas RX (CO, N 2 , H 2 ), a mixed gas of NH 3 , N 2 and CO 2 or a mixed gas introduced into the processing furnace is used. , A mixed gas of NH 3 , N 2 , CO 2 , and H 2 can be used. In gas soft nitriding, the atmosphere in the processing furnace contains four or more types of gas, including ammonia and hydrogen gas, which are nitrogen supply source gases, so if the number of gases is three or more, the hydrogen concentration cannot be accurately detected. The superiority of the atmosphere control method of the present embodiment over the atmosphere control method using the hydrogen sensor is more apparent.
また、処理炉の雰囲気が減圧される真空浸炭、及び、真空浸炭窒化を表面処理とする場合にも、本実施形態の雰囲気制御方法を好適に適用することができる。固体電解質水素センサは、測定対象の雰囲気が大気圧であっても減圧されていても、同一の固体電解質水素センサによって、図7に示すように、正確に水素濃度を検出することができる。ここで、図7は、センサ素子がプロトン伝導性の固体電解質であるSrZr0.95Yb0.05O3−αで形成された固体電解質水素センサ1を備える上記構成の表面処理装置E1を使用し、処理炉30内に導入するガスにおける水素濃度を変化させると共に、処理炉30の雰囲気fの全圧が大気圧(101325Pa)、5000Pa、1000Pa、200Paであるとき、それぞれ導入ガスにおける水素濃度を100%、80%、50%、30%と変化させ、そのときの起電力に基づいて水素濃度を算出した結果である。処理炉30の内部空間に挿入されたセンサ素子の温度は、600℃であった。
The atmosphere control method of the present embodiment can also be suitably applied to the case where vacuum carburization in which the atmosphere in the processing furnace is depressurized and vacuum carbonitriding are used as the surface treatment. The solid electrolyte hydrogen sensor can accurately detect the hydrogen concentration as shown in FIG. 7 by the same solid electrolyte hydrogen sensor regardless of whether the atmosphere to be measured is atmospheric pressure or reduced pressure. Here, FIG. 7 uses the surface treatment apparatus E1 having the above-described configuration, in which the sensor element includes the solid
比較のために、固体電解質水素センサ1に替えて熱伝導度式水素センサを使用する他は、表面処理装置E1と同様の構成である比較例の表面処理装置Rを使用し、同様に雰囲気fの圧力を変化させると共に導入ガスにおける水素濃度を変化させて、水素濃度を検出した。その結果を、図7に合わせて示す。
For comparison, a solid-
図7から、固体電解質水素センサ1を使用している表面処理装置E1では、何れの圧力においても導入した水素ガスの濃度が正確に検出されていることが明らかである。これに対し、熱伝導度式水素センサを使用している比較例の表面処理装置Rでは、導入ガスにおける水素濃度と算出された水素濃度に差があり、その差は、圧力が200Paと小さい場合に非常に大きなものであった。これらのことから、固体電解質水素センサを使用している本実施形態の雰囲気制御方法は、減圧下で行われ、且つ、処理に伴い圧力が変化する真空浸炭及び真空浸炭窒化に適していると考えられた。
From FIG. 7, it is clear that in the surface treatment apparatus E1 using the solid
次に、他の形態の固体電解質水素センサ2を構成とする雰囲気制御装置を備える表面処理装置E2について、図8を用いて説明する。表面処理装置E2が表面処理装置E1と相違する点は、ガス排出管32の途中に管状部材35が接続されており、センサプローブ10bが管状部材35に配設される点、センサプローブ10bがセンサプローブ10と同一の構成に加えて、センサ素子11を加熱するヒータ15を更に備えている点、及び、センサ制御装置2Dのセンサ制御手段が、センサ制御装置1Dのセンサ制御手段と同一の温度検出手段、水素濃度算出手段、送信手段、及び記憶手段に加えて、更に温度調整手段を備えている点である。温度調整手段は、熱電対13によって検出されたセンサ素子11の温度に基づいてヒータ15に出力する電流を調整し、センサ素子11の温度を調整する。
Next, a surface treatment device E2 including an atmosphere control device that is a solid
より詳細には、管状部材35は処理炉30から離隔した常温の空間内にある。センサプローブ10bは、センサ素子11における測定電極p2側の端部が、管状部材35の内部空間に位置するように、管状部材35に取り付けられている。すなわち、管状部材35の内部空間が固体電解質水素センサ2の測定対象の雰囲気であると共に、センサプローブ10bにとっての第二空間S2である。なお、図8では、管状部材35より下流のガス排出管32に減圧装置41としての吸引ポンプが接続され、管状部材35に圧力計42が取り付けられている場合を例示しており、表面処理として真空浸炭または真空浸炭窒化を行う場合の構成であるが、表面処理がガス窒化またはガス軟窒化である場合は、減圧装置41及び圧力計42を省略すればよい。
More specifically, the
このような構成の固体電解質水素センサ2及び表面処理装置E2は、センサプローブ10bを挿入する孔部を処理炉30が有していない場合や、処理炉30が回転炉である場合など、センサプローブ10bを処理炉30の内部空間に挿入できない場合に採用される。このような構成では、炉内ガスがガス排出管32を通過して管状部材35の内部空間に流入してセンサ素子11まで到達しなければ、炉内ガスにおける水素濃度の変化を検出できない点で、熱伝導度式水素センサを使用している特許文献1の表面処理装置、すなわち、炉内ガスが配管を介してセンサ素子に達するまで時間を要する表面処理装置と、同じ事情となる。しかしながら、図6に示すように、固体電解質水素センサは、水素濃度の変化に応答して出力する値が安定するまでの時間が、熱伝導度式水素センサより短い。そのため、熱伝導度式水素センサによる水素濃度の検出に基づくフィードバック制御より、短い時間間隔でフィードバックすることにより、より適切な雰囲気制御を行うことが可能である。
The solid
ここで、図6は、表面処理装置E2において処理炉30の雰囲気fにおける水素濃度を50%から80%に切り替えたときの固体電解質水素センサ2による水素濃度の検出と、固体電解質水素センサ2に替えて熱伝導度式水素センサを使用した場合の水素濃度の検出とを、対比して示したものである。
Here, FIG. 6 shows the detection of the hydrogen concentration by the solid
水素センサが固体電解質水素センサ2の場合は、検出された水素濃度がある時点で50%から急激に上昇しており、この時点で炉内ガスがセンサ素子11に達したと考えられた。この時点を起点(ゼロ秒)とすると、固体電解質水素センサ2により検出された水素濃度は、0.5秒未満という極めて短い時間で80%まで上昇し、速やかに安定化している。これに対し、水素センサが熱伝導度式水素センサである場合は、水素濃度が80%に変化した炉内ガスが管路を介してセンサ素子に達したと考えられる上記の時点(起点)から、少し遅れて水素濃度が上昇し始め、水素濃度は緩やかに増加した後で80%に達している。熱伝導度式水素センサによる水素濃度の検出値が安定した時点は、固体電解質水素センサ2の場合より1秒以上遅れている。従って、センサプローブ10bを処理炉30の内部空間に挿入しない本構成においても、固体電解質水素センサ2を使用する雰囲気制御方法は、熱伝導度式水素センサを使用する雰囲気制御方法より有利である。
In the case where the hydrogen sensor is the solid
なお、起点に至るまでの時間Tは、炉内ガスがガス排出管32を通過して管状部材35の内部空間に流入し、センサ素子に達するまでの時間である。このように炉内ガスがセンサ素子に達するまでに時間を要すると、その分だけフィードバック制御に遅れが生じることとなるが、図4を用いて上述したように、導入ガスの流量の変化率の大きさを指標値と目標値との差の大きさに基づいて変化させることにより、指標値を目標値に一致させる雰囲気制御を適切に行うことができる。
The time T to reach the starting point is the time until the gas in the furnace passes through the
ここで、プロトン伝導性の固体電解質が、水素濃度と起電力との間にきれいな相関関係を有する温度範囲は400℃〜1000℃である。従って、表面処理装置E2が備える固体電解質水素センサ2では、ヒータ15で加熱することにより、センサ素子11の温度を少なくとも400℃とする。また、表面処理装置E2では、ガス排出管32及び管状部材35の材質を、熱伝導率の高い金属とする。これにより、ヒータ15によって加熱され、センサ素子11の温度が少なくとも400℃となったセンサプローブ10bから、金属製の管状部材35を介して金属製のガス排出管32に熱が伝わるため、これらの管は直接加熱しなくても高温となる。これにより、処理炉30のガスがセンサ素子11に達するまでに、ガスの温度が低下して炭酸アンモニウム等が析出することが防止される。なお、ガス排出管32及び管状部材35を直接的に加熱することまでは要さないが、これらの外周面を断熱材で被覆すればより望ましい。
Here, the temperature range in which the proton conductive solid electrolyte has a clean correlation between the hydrogen concentration and the electromotive force is 400°C to 1000°C. Therefore, in the solid
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 Although the present invention has been described above with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements are made within the scope not departing from the gist of the present invention as shown below. And the design can be changed.
例えば、上記では、固体電解質水素センサ1,2のセンサプローブ10,10bとして、形状が有底筒状であるセンサ素子11が筒状のホルダ18の内部空間を閉塞している態様を例示したが、基準電極が接する第一空間と測定電極が接する第二空間とが区画されるようにセンサ素子がホルダに保持されるものであれば、センサ素子の形状及びホルダによる保持の態様は限定されない。例えば、有底筒状のセンサ素子が、その開口をホルダの内部または外部に向けた状態で、ホルダの一端を閉塞している態様、柱状または平板状のセンサ素子がホルダの内部空間を閉塞している態様、或いは、柱状または平板状のセンサ素子がホルダの一端を閉塞している態様とすることができる。
For example, in the above, as the sensor probes 10 and 10b of the solid
1,2 固体電解質水素センサ(水素センサ)
1D,2D センサ制御装置
10,10b センサプローブ
11 センサ素子
21 雰囲気制御部
25 ガス導入装置
30 処理炉
31 ガス導入管
32 ガス排出管
f 雰囲気(処理炉の雰囲気)
p1 基準電極
p2 測定電極
S1 第一空間
S2 第二空間
1, 2 Solid electrolyte hydrogen sensor (hydrogen sensor)
1D, 2D
p1 reference electrode p2 measurement electrode S1 first space S2 second space
Claims (6)
前記処理炉に、少なくとも前記非金属元素の供給源ガスを含むガスを導入し、
前記処理炉の雰囲気における水素濃度または水素分圧を、プロトン伝導性を示す固体電解質をセンサ素子とする水素センサで検出し、
検出された水素濃度または水素分圧に基づいて、前記処理炉に導入されるべきガスにおける少なくとも前記供給源ガスの流量を変化させるフィードバック制御を行うものであり、
前記表面処理は、
窒素を供給する前記供給源ガスをアンモニアとするガス窒化、ガス軟窒化、及び、真空浸炭窒化における窒化工程の何れかである特定窒化処理、または、
炭素を供給する前記供給源ガスをアセチレンとする真空浸炭、及び、真空浸炭窒化における浸炭工程の何れかである特定浸炭処理、である
ことを特徴とする雰囲気制御方法。 An atmosphere control method for controlling the atmosphere of a processing furnace for performing a surface treatment for permeating and diffusing a nonmetallic element on the surface of steel,
Introducing a gas containing at least the non-metal element source gas into the processing furnace,
The hydrogen concentration or hydrogen partial pressure in the atmosphere of the processing furnace is detected by a hydrogen sensor having a proton conductive solid electrolyte as a sensor element,
Based on the detected hydrogen concentration or hydrogen partial pressure, to perform feedback control to change the flow rate of at least the source gas in the gas to be introduced into the processing furnace,
The surface treatment is
A specific nitriding treatment, which is one of the nitriding steps in gas nitriding, gas soft nitriding, and vacuum carbonitriding, in which the supply source gas for supplying nitrogen is ammonia, or
A method for controlling atmosphere, comprising vacuum carburizing using acetylene as the source gas for supplying carbon, and specific carburizing treatment which is one of carburizing steps in vacuum carbonitriding.
ことを特徴とする請求項1に記載の雰囲気制御方法。 The atmosphere control method according to claim 1, wherein the atmosphere of the processing furnace contains three or more kinds of gases including the supply source gas and the hydrogen gas.
前記過去指標値は、0.5秒〜10秒前の前記指標値である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の雰囲気制御方法。 The feedback control is a target value of an index value reflecting the atmosphere of the processing furnace, which is calculated based on detection of hydrogen concentration or hydrogen partial pressure by the hydrogen sensor, and a past index value which is the index value before a predetermined time. It is done by contrasting with
The atmosphere control method according to claim 1 or 2, wherein the past index value is the index value 0.5 seconds to 10 seconds ago.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の雰囲気制御方法。 The feedback control is a target value of an index value reflecting the atmosphere of the processing furnace, which is calculated based on detection of hydrogen concentration or hydrogen partial pressure by the hydrogen sensor, and a past index value which is the index value before a predetermined time. And the magnitude of the rate of change when changing the flow rate of at least the source gas in the gas to be introduced into the processing furnace, the difference between the past index value and the target value. The atmosphere control method according to claim 1 or 2, wherein the method is changed based on the size of the.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一つに記載の雰囲気制御方法。 5. The detection of the hydrogen concentration or hydrogen partial pressure in the atmosphere of the processing furnace by the hydrogen sensor is performed in a state where the sensor element is inserted into the internal space of the processing furnace. Atmosphere control method described in one.
鋼の表面に非金属元素を浸透拡散させる表面処理を行う処理炉に導入されるべきガスの制御を行う制御手段と、を具備し、
前記制御手段は、
前記水素センサによる前記処理炉の雰囲気における水素濃度または水素分圧の検出に基づいて、前記処理炉の雰囲気を反映する指標値を算出し、前記指標値の目標値を所定時間前の前記指標値である過去指標値と対比することにより、前記処理炉に導入されるべきガスにおける少なくとも前記非金属元素の供給源ガスの流量を制御するフィードバック制御を行う
ことを特徴とする雰囲気制御装置。 A solid electrolyte sensor element, a reference electrode provided on the surface of the sensor element, and a measurement electrode provided on the surface of the sensor element in a second space partitioned from a first space in contact with the reference electrode. A sensor probe comprising: a hydrogen sensor comprising means for calculating hydrogen concentration or hydrogen partial pressure based on an electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode;
A control means for controlling a gas to be introduced into a processing furnace for performing a surface treatment for permeating and diffusing a non-metallic element on the surface of the steel;
The control means is
Based on the detection of hydrogen concentration or hydrogen partial pressure in the atmosphere of the processing furnace by the hydrogen sensor, calculate an index value that reflects the atmosphere of the processing furnace, the target value of the index value a predetermined time before the index value By performing a feedback control for controlling the flow rate of at least the source gas of the non-metallic element in the gas to be introduced into the processing furnace, the atmosphere control device is compared with the past index value.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113684485A (en) * | 2021-08-11 | 2021-11-23 | 电子科技大学 | Preparation method of vanadium dioxide film based on nitrogen-hydrogen mixed gas generation device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002173759A (en) * | 2000-12-05 | 2002-06-21 | Toho Gas Co Ltd | Vacuum carburizing atmospheric gas control system and vacuum carburizing treatment apparatus used in the system |
JP2004332075A (en) * | 2003-05-09 | 2004-11-25 | Toho Gas Co Ltd | Carburization control method and carburizing device using the method |
JP2013249524A (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-12 | Nippon Techno:Kk | Gas nitriding and gas nitrocarburizing method |
JP2014236830A (en) * | 2013-06-07 | 2014-12-18 | 株式会社日立メディコ | Mobile x-ray device |
JP2018095963A (en) * | 2017-12-07 | 2018-06-21 | 國友熱工株式会社 | Vacuum hardening method for metal work and manufacturing method for metal work using the same |
-
2018
- 2018-11-16 JP JP2018215655A patent/JP6979936B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002173759A (en) * | 2000-12-05 | 2002-06-21 | Toho Gas Co Ltd | Vacuum carburizing atmospheric gas control system and vacuum carburizing treatment apparatus used in the system |
JP2004332075A (en) * | 2003-05-09 | 2004-11-25 | Toho Gas Co Ltd | Carburization control method and carburizing device using the method |
JP2013249524A (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-12 | Nippon Techno:Kk | Gas nitriding and gas nitrocarburizing method |
JP2014236830A (en) * | 2013-06-07 | 2014-12-18 | 株式会社日立メディコ | Mobile x-ray device |
JP2018095963A (en) * | 2017-12-07 | 2018-06-21 | 國友熱工株式会社 | Vacuum hardening method for metal work and manufacturing method for metal work using the same |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113684485A (en) * | 2021-08-11 | 2021-11-23 | 电子科技大学 | Preparation method of vanadium dioxide film based on nitrogen-hydrogen mixed gas generation device |
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