JP3852010B2 - 真空熱処理方法および装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、減圧下においてエチレンガスと水素ガスとの混合ガスを供給しながら行う浸炭、浸炭窒化、高温浸炭、高濃度浸炭などの真空熱処理方法およびこの方法を実施するための装置に関する。
背景技術
たとえば、歯車、軸受 燃料噴射ノズル、等速ジョイントなどの鋼製自動車部品に浸炭処理を施す真空浸炭方法として、浸炭ガスとしてエチレンガスを使用し、真空熱処理炉内を１〜１０ｋＰａに減圧して行う方法が知られている（日本国特開平１１−３１５３６３号公報参照）。
しかしながら、従来の方法では、真空熱処理炉内における温度均一性の保証された有効加熱空間に、多くの被処理品を積載したバスケットを配して真空浸炭を行った場合、バスケットへの積載位置によって被処理品に浸炭むらが生じ、積載位置の異なる被処理品の有効硬化層深さ（浸炭深さ）や、表面炭素濃度などの浸炭品質にばらつきが発生するという問題があった。
そこで、このような問題を解決した真空浸炭方法として、本出願人は、先に、浸炭ガスとしてエチレンガスと水素ガスとの混合ガスを使用する方法を提案した（日本国特開２００１−２６２３１３号公報参照）。
本出願人が先に提案した真空浸炭法では、真空熱処理炉内における温度均一性の保証された有効空間内に多くの被処理品を配して浸炭を行った場合にも、すべての被処理品に浸炭むらが発生するのを防止することができ、その結果すべての被処理品の浸炭品質を均一にすることが可能になる。
しかしながら、この方法において、被処理品の材質や、要求される浸炭品質を正確にかつ再現性良く得ることができる方法は確立されていないのが現状である。
この発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、日本国特開２００１−２６２３１３号公報記載の方法において、被処理品に要求される熱処理品質を正確にかつ再現性良く得ることができる真空熱処理方法および装置を提供することを目的とする。
また、この発明の目的は、被処理品の材質、形状および被処理品が処理用バスケットに積載されたさいの通風性や、要求される熱処理品質に応じた熱処理条件の設定を簡単に行える真空熱処理装置を提供することを目的とする。
発明の開示
請求項１の真空熱処理方法は、減圧された真空熱処理炉内にエチレンガスと水素ガスとの混合ガスを供給しながら行う真空熱処理方法であって、真空熱処理炉内のエチレンガス量および水素ガス量を検出すること、検出したエチレンガス濃度および水素ガス濃度に基づいて雰囲気の等価炭素濃度（カーボンポテンシャル）を演算すること、ならびにこの演算値を、被処理品の材質や要求される熱処理品質に基づいて設定されている目標値と比較し、演算値と目標値との偏差に基づいて真空熱処理炉内へのエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御することを特徴とするものである。
請求項１の真空熱処理方法によれば、要求される熱処理品質に最も影響がある真空熱処理炉内の雰囲気の等価炭素濃度が一定となるようにエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御しているので、被処理品に要求される熱処理品質を正確にかつ再現性良く得ることができる。
請求項２の真空熱処理方法は、請求項１の方法において、真空熱処理炉内のエチレンガス量と水素ガス量の合計を一定に維持するものである。この場合、被処理品に要求される熱処理品質をより正確に得ることができる。
請求項３の真空熱処理方法は、請求項１または２の方法において、真空熱処理炉内の圧力を一定に維持するものである。この場合、被処理品に要求される熱処理品質をより正確に得ることができる。
請求項４の真空熱処理装置は、真空熱処理炉と、真空熱処理炉内を減圧排気する真空排気手段と、真空熱処理炉内へ供給するエチレンガスおよび水素ガスの量を調整する流量調整手段と、真空熱処理炉内のエチレンガス量および水素ガス量を検出するガス量検出手段と、ガス量検出手段により検出されたエチレンガス量および水素ガス量に基づいて雰囲気の等価炭素濃度を演算し、この演算値を、被処理品の材質や要求される熱処理品質に基づいて予め設定されている目標値と比較し、演算値と目標値との偏差に基づいて流量調整手段により真空熱処理炉内へのエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御する制御手段とを備えているものである。
請求項４の装置によれば、要求される熱処理品質に最も影響がある真空熱処理炉内の雰囲気の等価炭素濃度を一定にすることができるので、被処理品に要求される熱処理品質を正確にかつ再現性良く得ることができる。
請求項５の真空熱処理装置は、請求項４の装置において、制御手段が、真空熱処理炉内のエチレンガス量と水素ガス量の合計が一定となるように流量調整手段を制御するものである。この場合、制御手段により流量調整手段を制御することによって、真空熱処理炉内のエチレンガス量と水素ガス量の合計が一定に維持されるので、被処理品に要求される熱処理品質をより正確に得ることができる。
請求項６の真空熱処理装置は、請求項４または５の装置において、真空熱処理炉内の圧力を検出する圧力検出手段を備えており、制御手段が、圧力検出手段により検出された検出値と予め設定されている目標値とを比較し、炉内圧力が一定となるように真空排気手段を制御するものである。この場合、制御手段により真空排気手段が制御されることによって、真空熱処理炉内の圧力が一定とされるので、被処理品に要求される熱処理品質をより正確に得ることができる。
請求項７の真空熱処理装置は、請求項４または５の装置において、制御手段に被処理品の材質に応じた処理パターンおよび均熱温度がそれぞれ複数設定されており、被処理品の材質に応じて、制御手段に処理パターンおよび均熱温度を選択入力しうるようになされているものである。この場合、処理パターンおよび均熱温度の設定を簡単に行うことができる。
請求項８の真空熱処理装置は、請求項４または５の装置において、制御手段に被処理品の材質、形状、処理用バスケットに積載されたさいの通風性に応じた熱処理温度が複数設定されており、被処理品の材質、形状、通風性に応じて、制御手段に熱処理温度を選択入力しうるようになされているものである。なお、この明細書において、「被処理品の形状」とは特定の形をいうものではなく、穴や凹所のない単純な形状、長穴を有する形状、細長い穴を有する形状等の一般的な形状を意味するものとする。請求項８の装置によれば、熱処理温度の設定を簡単に行うことができる。
請求項９の真空熱処理装置は、請求項４または５の装置において、制御手段に熱処理温度に応じた予熱時間が複数設定されており、熱処理温度に応じて、制御手段に予熱時間を選択入力しうるようになされているものである。この場合、予熱時間の設定を簡単に行うことができる。
請求項１０の真空熱処理装置は、請求項９の装置において、制御手段に被処理品の処理部の寸法を入力しうるようになされており、入力された被処理品の処理部の寸法が所定値を越えた場合に、制御手段がこの越えた値に基づいて予熱時間を補正するようになされているものである。この場合、被処理品の処理部の寸法に応じて正確な予熱時間を設定することができる。
請求項１１の真空熱処理装置は、請求項４または５の装置において、制御手段が、選択入力された熱処理温度に基づいて有効硬化層深さによる浸炭係数を決定するようになされているものである。
請求項１２の真空熱処理装置は、請求項１１の装置において、制御手段が、有効硬化層深さによる浸炭係数に基づいて浸炭および拡散に要する全浸炭時間を演算するとともに、要求される熱処理品質に基づいて浸炭時間と拡散時間との比を演算し、これらの演算値に基づいて浸炭時間および拡散時間を決定するようになされているものである。この場合、浸炭時間および拡散時間が、要求される熱処理品質に応じて自動的に設定される。
請求項１３の真空熱処理装置は、請求項４または５の装置において、減圧可能な被処理品搬入出室と、被処理品搬入出室に設けられかつ垂直軸回りに回転可能な搬送手段を有する搬送室とを備えており、搬送室の周囲に、真空排気手段、流量調整手段、ガス量検出手段および制御手段を有する複数の真空熱処理炉と、減圧可能な焼入室および均熱室とが、周方向に間隔をおきかつ気密扉を介して設けられているものである。
請求項１３の装置によれば、複数の真空熱処理炉により同時に異なる処理パターンの熱処理を行うことができるので、多品種少量生産に適したものとなる。一方、複数の真空熱処理炉により同時に同じ処理パターンの熱処理を行うことができるので、少品種大量生産にも適したものになる。したがって、被処理品の種類や生産量の変動にフレキシブルに対応することができる。また、真空熱処理炉、焼入室および均熱室を個別にメンテナンスすることができるので、メンテナンス作業が容易になる。
請求項１４の真空熱処理装置は、請求項１３の装置において、搬送室の周囲に、真空熱処理炉、焼入室および均熱室と周方向に間隔をおいて減圧可能なガス冷却室が設けられているものである。この場合、処理パターンにガス冷却を含む高温浸炭処理を行うことができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
図１はこの発明による真空熱処理装置の全体構成を概略的に示し、図２は真空熱処理装置を制御する部分の構成を示す。
図１において、真空熱処理装置は、真空熱処理炉（１）と、真空熱処理炉（１）内に配された加熱装置（２）と、真空熱処理炉（１）に、途中で２経路に分岐した真空排気管（３）を介して接続された真空ポンプ（４）と、真空排気管（３）の一方の分岐経路に設けられた炉内圧コントロールバルブ（５Ａ）と、真空排気管（３）の他方の分岐経路に設けられた真空オン／オフバルブ（５Ｂ）と、真空熱処理炉（１）にそれぞれ導入経路（６）（７）（８）を介して接続された水素ガスボンベ（９）、エチレンガスボンベ（１０）およびアンモニアガスボンベ（１１）と、各導入経路（６）（７）（８）に設けられたマスフローコントロールバルブ（１２）と、真空熱処理炉（１）内の水素ガス量およびエチレンガス量を検出する、たとえば４重極質量分析センサ等からなるガス量センサ（１３）と、真空熱処理炉（１）内の絶対圧を検出する圧力センサ（１４）と、真空熱処理炉（１）内の温度均一性が保証された有効加熱空間の温度を検出する温度センサ（１５）とを備えている。導入経路（６）（７）（８）は、マスフローコントロールバルブ（１２）よりも真空熱処理炉（１）側において１つのヘッダ（４５）に接続され、ヘッダ（４５）よりも真空熱処理炉（１）側において再度分岐させられている。導入経路（６）（７）（８）における再度分岐させられた部分に流量調節器（４６）が設けられている。ガスボンベ（９）（１０）（１１）から送り出された水素ガス、エチレンガスおよびアンモニアガスは、ヘッダ（４５）において混合させられた後再度分流させられ、流量調節器（４６）の働きにより真空熱処理炉（１）内全体に均一に行き渡るように真空熱処理炉（１）内に導入されるようになっている。
なお、図示は省略したが、図１に示す真空熱処理装置においては、真空熱処理炉（１）に連続して焼入油槽が設けられる場合がある。
図２に示すように、加熱装置（２）、炉内圧コントロールバルブ（５Ａ）、マスフローコントロールバルブ（１２）、ガス量センサ（１３）、圧力センサ（１４）および温度センサ（１５）は、制御盤（１６）に接続されている。制御盤（１６）には、ディスプレイを備えた入出力装置（１７）および制御装置（１８）が設けられている。
図３は、入出力装置（１７）のディスプレイに表示される入力用画面の一例を示す。図３において、入力用画面は、材質を入力する材質選択入力部（２０）、処理パターンを入力する処理パターン選択入力部（２１）、予熱時間を入力する予熱時間選択入力部（１９）、浸炭温度を入力する熱処理温度選択入力部（２２）、均熱温度を入力する均熱温度選択入力部（２３）、高濃度浸炭処理の場合の第２の均熱温度を入力する第２均熱温度選択入力部（２４）、同じく高濃度浸炭処理の場合の繰り返し数を入力する繰り返し数入力部（４１）、被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の形状を入力する処理部形状選択入力部（２５）、被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の寸法を入力する処理部寸法選択入力部（２６）、有効硬化層深さを入力する有効硬化層深さ入力部（２７）、有効硬化層深さの補正値を入力する有効硬化層深さ補正入力部（２８）、被処理品の種類を選択入力する被処理品選択入力部（２９）、被処理品の形状を入力する形状選択入力部（３０）、被処理品が処理用バスケットに積載されたさいの通風性を選択入力する通風性選択入力部（３１）、真空熱処理炉（１）の温度均一性が保証された有効加熱空間に配されるバスケット内に積載される被処理品の合計重量を入力する積載重量入力部（３２）、要求される表面炭素濃度を入力する表面炭素濃度入力部（３３）、表面炭素濃度の補正値を入力する表面炭素濃度補正入力部（３４）、目標とする雰囲気の等価炭素濃度を選択入力する等価炭素濃度選択入力部（３５）、エチレンガス供給量が表示されるエチレン供給量表示部（３６）、水素ガス供給量が表示される水素供給量表示部（３７）、ならびにテンキー部（４０）を備えている。
制御装置（１８）には、被処理品の材質、被処理品の材質に応じた処理パターンおよび均熱温度、熱処理温度（これは予熱温度および拡散温度と等しい）、ならびに熱処理温度に応じた予熱時間が、それぞれ複数ずつ設定記憶されており、被処理品の材質を入出力装置（１７）の選択入力部（２０）から選択入力することにより、被処理品の材質に応じた処理パターンおよび均熱温度、熱処理温度、ならびに熱処理温度に応じた予熱時間が、それぞれの選択入力部（２１）（２３）（２２）（１９）から自動的に選択入力されるようになっている。また、被処理品の材質に応じた処理パターンおよび均熱温度、熱処理温度、ならびに熱処理温度に応じた予熱時間は、使用者が入出力装置（１７）のそれぞれの選択入力部（２１）（２３）（２２）（１９）から手動で個別に選択入力することも可能である。なお、材質、処理パターン、均熱温度、熱処理温度、および熱処理温度に応じた予熱時間の設定値は、入出力装置（１７）を用いて使用者が独自に設定することも可能である。
制御装置（１８）に設定されている処理パターンが図４〜図８に示されている。
図４に示す処理パターンは真空浸炭処理であり、減圧下において、所定の予熱温度に加熱して予熱を行い、ついで予熱温度と等しい浸炭温度でエチレンガスおよび水素ガスを導入しつつ浸炭を行い、さらに予熱温度および浸炭温度と等しい拡散温度で拡散を行った後温度を下げて均熱し、最後に油焼入を行うものである。
図５（ａ）に示す処理パターンは真空浸炭窒化処理であり、減圧下において、所定の予熱温度に加熱して予熱を行い、ついで予熱温度と等しい浸炭温度でエチレンガスと水素ガスを導入しつつ浸炭を行い、さらに予熱温度および浸炭温度と等しい拡散温度で拡散を行った後、温度を下げて均熱を行うとともに、この均熱時にアンモニアガスを導入しつつ窒化を行い、最後に油焼入を行うものである。なお、アンモニアガスを導入しつつ行う窒化のさいに、エチレンガスおよび水素ガスも導入できるようになっている。
なお、真空浸炭窒化処理には、図５（ｂ）に示すように、浸炭および拡散を行わず、減圧下において、図５（ａ）の均熱温度に加熱して予熱を行い、予熱終了後エチレンガス、水素ガスおよびアンモニアガスを導入しつつ浸炭窒化を行い、最後に油焼入を行う処理パターンもある。この処理パターンの場合、浸炭窒化処理で浸炭プロセスの時間が０で浸炭のプロセスがないため、均熱温度は浸炭窒化温度と等しくなる。
図６に示す処理パターンは高温真空浸炭処理であり、減圧下において、所定の予熱温度に加熱して予熱を行い、ついで予熱温度と等しい浸炭温度でエチレンガスおよび水素ガスを導入しつつ浸炭を行い、ついで予熱温度および浸炭温度と等しい拡散温度で拡散を行った後ガス冷却を行い、さらに所定の均熱温度に再加熱して均熱を行い、最後に油焼入を行うものである。高温浸炭処理は、高温で浸炭したさいに粗大化した結晶粒を微細化するための処理工程を含む。
図７に示す処理パターンは高濃度真空浸炭処理であり、減圧下において、所定の予熱温度に加熱して予熱を行い、ついで予熱温度と等しい浸炭温度でエチレンガスおよび水素ガスを導入しつつ浸炭を行った後ガス冷却を行い、さらに上記予熱温度と等しい予熱温度に再加熱して予熱を行い、ついで予熱温度と等しい浸炭温度でエチレンガスおよび水素ガスを導入しつつ浸炭を行った後ガス冷却を行うという処理を所定回数繰り返して行い、最後のガス冷却の後に浸炭温度よりも低い均熱温度に加熱して均熱を行い、最後に油焼入を行うものである。高濃度浸炭処理は、ガス冷却によって炭化物を析出させ、この炭化物を球状化させながら成長させる処理である。高濃度真空浸炭処理の場合、入出力装置（１７）の繰り返し数入力部（４１）に繰り返し数が入力されるとともに、第２均熱温度選択入力部（２４）から均熱温度が選択入力される。
図８に示す処理パターンは真空焼入処理であり、減圧下において、図４〜図６の処理パターンにおける均熱温度と等しい予熱温度に加熱して予熱を行った後、油焼入を行うものである。
処理パターンおよび均熱温度は、入出力装置（１７）の材質選択入力部（２０）から被処理品の材質を選択入力することにより、自動的に選択入力されるようになっていてもよい。なお、処理パターンが真空焼入処理の場合、浸炭のプロセスがないため、均熱温度は予熱温度と等しくなる。
熱処理温度、すなわち浸炭温度は、被処理品の形状、処理用バスケットへ積載した状態での通風性、要求される熱処理品質に基づいて決められている。
予熱時間は、熱処理温度に基づいて実験的に求められている。熱処理温度と予熱時間との関係を表１に示す。
【表１】

制御装置（１８）は、入出力装置（１７）から入力された被処理品の処理部の寸法が所定の寸法を越えた場合に、この越えた値に基づき、熱処理温度に応じて予熱時間を補正する。たとえば被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の横断面形状が円形であるときには、その直径Ｔ１が２５ｍｍを越えた場合に、表２に示す式により予熱時間が補正される。被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の横断面形状が正方形であるときには、その１辺の長さＴ２が２５ｍｍを越えた場合に、表２に示す式により予熱時間が補正される。被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の横断面形状が長方形であるときには、その短辺の長さＴ３が２５ｍｍを越えた場合に、表２に示す式により予熱時間が補正される。被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部が円筒状であるときには、その短辺の長さＴ４が２５ｍｍを越えた場合に、表２に示す式により予熱時間が補正される。
【表２】

表２の形状の欄において、円形、正方形および長方形はそれぞれ横断面形状を示す。
制御装置（１８）には、被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の形状、被処理品の種類、被処理品の形状、および処理用バスケットに積載した状態での通風性が、それぞれ複数設定されており、それぞれの選択入力部（２５）（２９）（３０）（３１）から選択入力されるようになっている。
制御装置（１８）には、要求される表面炭素濃度および有効硬化層深さを得るための実験的に求められた処理雰囲気中の等価炭素濃度が、被処理品の材質に応じて、目標値として複数設定記憶されており、被処理品の材質を入出力装置（１７）の選択入力部（２０）から選択入力するとともに、表面炭素濃度および有効硬化層深さを入出力装置（１７）のそれぞれの入力部（３４）（２７）から入力することにより、入出力装置（１７）の等価炭素濃度選択入力部（３５）から自動的に選択入力されるようになっている。なお、雰囲気の等価炭素濃度は、使用者が入出力装置（１７）の選択入力部（３５）から手動で選択入力することも可能であり、さらに雰囲気の等価炭素濃度の設定値は、入出力装置（１７）を用いて使用者が独自に設定することも可能である。そして、制御装置（１８）は、熱処理中において、ガス量センサ（１３）により真空熱処理炉（１）内のエチレンガス量および水素ガス量を検出し、検出されたエチレンガス量および水素ガス量に基づいて雰囲気の等価炭素濃度を演算し、この演算値を上記目標値と比較し、演算値と目標値との偏差に基づいてマスフローコントロールバルブ（１２）の開度を調整して真空熱処理炉（１）内へのエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御する。このとき、図９に示すように、エチレンガス量と水素ガス量との合計量が一定になるように、これらのガスの流量が制御される。
雰囲気の等価炭素濃度Ａ_Ｃ（％）の演算は、次の式▲１▼により行われる。

但し、Ａ_Ｓ：オーステナイトの飽和炭素濃度（％）
Ｘ_Ｈ２：水素濃度比（モル比）
Ｘ_Ｃ２Ｈ４：エチレン濃度比（モル比）
Ｐ：炉内圧力
Ｐ_Ｏ：標準圧力（１０１．３２ｋＰａ）
Ｋ_Ｐ：平衡定数
である。ここで、オーステナイトの飽和炭素濃度Ａ_Ｓおよび平衡定数Ｋ_Ｐは、それぞれ次の式▲２▼および▲３▼により表される。

但し、Ｔ：温度（℃）

但し、Ｔ_Ｋ：絶対温度（Ｋ）
上記式▲１▼は、雰囲気中においてＣ_２Ｈ_４→２Ｃ＋２Ｈ_２という反応が起きると仮定し、定常状態における平衡の式に基づいてＡ_Ｃを求めたものである。雰囲気の等価炭素濃度を求める式としてどのようなものが適切であるかを種々検討した結果、式▲１▼が最も実験結果に近似したものであったので、この式▲１▼を採用することにした。また、式▲２▼はＦｅ−Ｃ系の２元系合金を基準にして多項式近似によりＡ_Ｓを求めたものであるが、Ａ_Ｓは、他の合金、たとえば３元系合金を基準にして多項式近似により求めてもよく、あるいは指数関数近似等により求めてもよい。なお、式▲１▼〜▲３▼は、真空熱処理炉の特性、すなわち真空熱処理炉の構造、大きさ等により、種々異なったものになることがある。
表３に、雰囲気の等価炭素濃度の計算例を示す。
【表３】

なお、表３中において、たとえば８．２８Ｅ−０１とは、公知の通り、８．２８×１０^−１を意味するものである。
また、制御装置（１８）は、炉内圧力（絶対圧）を４〜７ｋＰａの一定圧力に維持するために、圧力センサ（１４）により真空熱処理炉（１）内の圧力を検出し、検出された検出値と予め設定されている目標値とを比較し、炉内圧力が一定となるように炉内圧コントロールバルブ（５Ａ）の開度を制御する。
エチレンガス流量と水素ガス流量の制御、および炉内圧力の制御はＰＩＤによるフィードバック制御によって行われる。
制御装置（１８）は、入力された熱処理温度に基づき、以下に述べるようにして、全浸炭時間を決定する。なお、この明細書において、「全浸炭時間」とは、図４〜図６に示す処理パターンにおける浸炭時間と拡散時間との合計を意味するものとする。
予め、各浸炭温度で処理を施した場合の表面硬さがＨＶ５５０である有効硬化層深さ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃａｓｅ ｄｅｐｔｈ）によるＫ_ＥＣＤを実験により求めておき、これを制御装置（１８）に入力しておく。なお、以下の説明において、「有効硬化層深さによる浸炭係数」を単に「浸炭係数」と称するものとする。その実験は、たとえばＪＩＳ ＳＣＭ４１５からなる直径２４ｍｍ、厚さ１０ｍｍのテストピースを使用し、８７０〜１０５０℃の範囲内の種々の温度で、４〜７ｋＰａの圧力下においてエチレンガスの流量を１０〜２０ｌ／ｍｉｎ、水素ガス流量５〜１０ｌ／ｍｉｎとし、全浸炭時間を１００〜２７０分、浸炭時間と拡散時間との比を０．０５〜２．２４として真空浸炭処理を行った後、降温して８５０℃で３０分間均熱を行い、油温１１０〜１３０℃、油面圧８０ｋＰａのホット焼入油（出光興産製ハイテンプＡ）中に焼入するものである。上記のような実験により求められた浸炭温度と浸炭係数Ｋ_ＥＣＤとの関係は図１０に示すとおりである。
そして、制御装置（１８）は、有効硬化層深さＤ_ＥＣＤと浸炭係数Ｋ_ＥＣＤを用いて次の式▲４▼により全浸炭時間ｔ_ｔ（分）を演算する。

なお、Ｄ_ＥＣＤ’は有効硬化層深さの補正値であり、通常は０であるが、実際に熱処理が施された被処理品の有効硬化層深さが目標値からずれていた場合に、この補正値を入出力装置（１７）の有効硬化層深さ補正入力部（２８）から制御装置（１８）に入力する。
また、制御装置（１８）は、入力された要求される表面炭素濃度に基づき、以下に述べるようにして、浸炭時間と拡散時間との比（Ｒ_Ｄ／Ｃ）を決定する。
予め、各浸炭温度で処理を施した場合の表面炭素濃度と比（Ｒ_Ｄ／Ｃ）との関係を実験により求めておき、これを制御装置（１８）に設定しておく。この実験は、たとえばＪＩＳ ＳＣＭ４１５からなる直径２４ｍｍ、厚さ１０ｍｍのテストピースを使用し、８７０〜１０５０℃の範囲内の種々の温度で、４〜７ｋＰａの圧力下においてエチレンガスの流量を１０〜２０ｌ／ｍｉｎ、水素ガス流量５〜１０ｌ／ｍｉｎとし、全浸炭時間を１００〜２７０分、浸炭時間と拡散時間との比を０．０５〜２．２４として真空浸炭処理を行った後、降温して８５０℃で３０分間均熱を行い、油温１１０〜１３０℃、油面圧８０ｋＰａのホット焼入油（出光興産製ハイテンプＡ）中に焼入するものである。上記のような実験により求められた各浸炭温度における表面炭素濃度（Ｃ_Ｈ）と比（Ｒ_Ｄ／Ｃ）との関係を表４に示す。
【表４】

そして、制御装置（１８）は、入力された被処理品のバスケットへの積載重量から次の式▲５▼により降温速度を演算し、さらに演算された降温速度と浸炭温度と入力された均熱温度とに基づいて次の式▲６▼により降温時間を演算する。

但し、Ｖ_ｍ：降温速度（℃／分）、Ｗ：積載重量（ｋｇ）、ｔ_ｍ：降温時間（分）、
Ｔ_Ｃ：浸炭温度（℃）、Ｔ_Ｓ：均熱温度（℃）
なお、降温速度および降温時間は、真空熱処理炉（１）の特性や、被処理品の積載重量、処理用バスケットに積載したさいの通風性などにより種々異なるので、上記式▲５▼は実験的に決定される。
ここで、浸炭時間と拡散時間との比（Ｒ_Ｄ／Ｃ）は、降温時間を考慮して次の式▲７▼で表されるものとする。

制御装置（１８）は、表４の浸炭時間と拡散時間との比と、全浸炭時間と、降温時間とから次の式▲８▼により浸炭時間を演算し、さらに演算された浸炭時間と全浸炭時間とから次の式▲９▼により拡散時間を演算し、これらを設定する。

但し、ｔ_ｃ：浸炭時間（分）、ｔ_ｔ：全浸炭時間（分）、
ｔ_ｍ：降温時間（分）、ｔ_ｄ：拡散時間（分）
なお、式▲７▼および▲８▼も、諸条件により異なったものになることがある。
また、制御装置（１８）には、均熱時間は、たとえば３０分が初期値として設定されている。なお、均熱時間の初期値は適宜変更可能である。
以下、上述した真空熱処理装置を用いた真空熱処理方法について説明する。
まず、制御盤（１６）の入出力装置（１７）の材質選択入力部（２０）から被処理品の材質を選択入力すると、処理パターン、熱処理温度、均熱温度、予熱時間および目標値となる雰囲気の等価炭素濃度が、それぞれ選択入力部（２１）（２２）（２３）（１９）（３５）から自動的に選択入力される。また、被処理品の種類、全体形状、バスケットに積載した状態の通風性、被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の形状を、それぞれ選択入力部（２９）（３０）（３１）（２５）から選択入力するとともに、処理用バスケットに積載される被処理品の積載重量、有効硬化層深さ、表面炭素濃度を、それぞれ入力部（３２）（２７）（３３）から入力する。
すると、制御装置（１８）は、入出力装置（１７）から入力された被処理品における所要の熱処理品質が要求される処理部の寸法が所定の寸法を越えた場合に、この越えた値に基づき、表２に基づいて予熱時間を補正する。また、制御装置（１８）は、入力された熱処理温度に基づいて全浸炭時間および浸炭時間と拡散時間との比を求め、これにより浸炭時間と拡散時間とを決定する。こうして、熱処理条件が設定される。図５（ｂ）の処理パターンにおける浸炭窒化時間は、マニュアルで入力する。
真空熱処理がスタートすると、制御装置（１８）は、真空オン／オフバルブ（５Ｂ）を開いて真空熱処理炉（１）内を所定の圧力まで減圧した後、加熱装置（２）によって炉内を加熱し、図４〜図８のうちのいずれかの処理パターンで真空熱処理を行う。真空熱処理炉（１）内が所定の圧力まで減圧されると、真空オン／オフバルブ（５Ｂ）は閉じられる。
図８に示す真空焼入を除いた他の４つの処理パターンの場合、すなわち浸炭または浸炭窒化を含む場合には、制御装置（１８）は、浸炭時、窒化時および浸炭窒化時に、ガス量センサ（１３）により真空熱処理炉（１）内のエチレンガス量および水素ガス量を検出し、検出されたエチレンガス量および水素ガス量に基づいて雰囲気の等価炭素濃度を演算し、この演算値を目標値と比較し、演算値と目標値との偏差に基づいてマスフローコントロールバルブ（１２）の開度を調整して真空熱処理炉（１）内へのエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御するとともに、エチレンガス量と水素ガス量との合計量が一定になるように、これらのガスの流量を制御する。また、制御装置（１８）は、圧力センサ（１４）により真空熱処理炉（１）内の圧力を検出し、検出された検出値と予め設定されている目標値、ここでは４〜７ｋＰａとを比較し、炉内圧力が一定となるように炉内圧コントロールバルブ（５Ａ）の開度を制御する。なお、窒化時および浸炭窒化時には、制御装置（１８）は、真空熱処理炉（１）へのアンモニアガスの供給量が一定量、たとえば２０ｌ／分となるようにマスフローコントロールバルブ（１２）の開度を調整する。
こうして、被処理品に所定の処理パターンの真空熱処理が施される。
なお、処理が施された被処理品の有効硬化層深さおよび表面炭素濃度が所定の値からずれている場合、次回これと同じ条件で熱処理を行うときに、入出力装置（１７）の有効硬化層深さ補正入力部（２８）および表面炭素濃度補正入力部（３４）に補正値を入力して行う。すなわち、有効硬化層深さおよび表面炭素濃度が所定値よりも大きい場合にはマイナス値を入力し、逆に小さい場合にはプラス値を入力する。
図１１は本発明による真空熱処理装置の他の実施形態を示す。
図１１において、真空熱処理装置は、真空ポンプ（５１）により減圧される搬送室（５０）と、搬送室（５０）内に垂直軸周りに回転可能に設けられた搬送装置（５２）とを備えている。搬送装置（５２）は、回転の他に上下動および水平面内での直線移動が可能である。
搬送室（５０）の周囲に、真空ポンプ（５３）により減圧可能な被処理品搬入出室（５４）と、複数の真空熱処理炉（１）と、真空ポンプ（図示略）により減圧される均熱室（５５）、ガス冷却室（５６）および焼入室（５７）とが、周方向に間隔をおいて設けられている。各真空熱処理炉（１）は図１に示すものと同一の構成であり、図示は省略したが、加熱装置、真空排気管を介して接続された真空ポンプと、真空排気管に設けられた炉内圧コントロールバルブおよび真空オン／オフバルブと、導入管を介して接続された水素ガスボンベ、エチレンガスボンベおよびアンモニアガスボンベと、各導入管に設けられたマスフローコントロールバルブと、ガス量センサと、圧力センサと、温度センサとを備えている。各真空熱処理炉（１）の加熱装置、炉内圧コントロールバルブおよび真空オン／オフバルブ、マスフローコントロールバルブ、ガス量センサ、圧力センサおよび温度センサは、それぞれ図２と同様の制御盤に接続されている。
搬送室（５０）と、被処理品搬入出室（５４）、各真空熱処理炉（１）、均熱室（５５）、ガス冷却室（５６）および焼入室（５７）との間には連通口が形成されており、連通口は気密扉により開閉されるようになっている。そして、被処理品搬入出室に搬入された被処理品は、搬送装置（５２）により、連通口を通して各室と各真空熱処理炉（１）との間で搬送される。
このような真空熱処理装置による真空熱処理時には、真空熱処理炉（１）内では均熱、ガス冷却および焼入を除いた処理、すなわち図４、図５（ａ）および図６の処理パターンの予熱、浸炭および拡散、図５（ｂ）の処理パターンの予熱および浸炭窒化、ならびに図７の処理パターンの予熱および浸炭が行われるようになっている。したがって、制御盤（１６）の制御装置（１８）により、これらの処理時の真空熱処理炉（１）内のエチレンガス量および水素ガス量、炉内圧力ならびに炉内温度が制御される。
本発明は、その主要な特徴から逸脱することなく、他の種々の形式で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるものではない。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる真空熱処理方法および装置は、減圧下においてエチレンガスと水素ガスとの混合ガスを供給しながら行う浸炭、浸炭窒化、高温浸炭、高濃度浸炭などの真空熱処理の実施に有用であり、特に被処理品に要求される熱処理品質を正確にかつ再現性良く得るのに適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明による真空熱処理装置の全体構成を概略的に示す断面図である。図２は、この発明による真空熱処理装置を制御する部分の構成を示すブロック図である。図３は、入出力装置のディスプレイに表示される入力用画面の一例を示す図である。図４は、真空浸炭処理の処理パターンを示す図である。図５（ａ）（ｂ）は、真空浸炭窒化処理の処理パターンを示す図である。図６は、真空高温浸炭処理の処理パターンを示す図である。図７は、高濃度真空浸炭処理の処理パターンを示す図である。図８は、真空焼入処理の処理パターンを示す図である。図９は、エチレンガスと水素ガスを供給しつつ行う真空熱処理のさいのエチレンガスと水素ガスの供給量の関係を表すグラフである。図１０は、実験により求められた浸炭温度と有効硬化層深さによる浸炭係数との関係を表すグラフである。図１１は、この発明による真空熱処理装置の他の実施形態を示す概略構成図である。

Claims (14)

1. 減圧された真空熱処理炉内にエチレンガスと水素ガスとの混合ガスを供給しながら行う真空熱処理方法であって、
   真空熱処理炉内のエチレンガス量および水素ガス量を検出すること、検出したエチレンガス量および水素ガス量に基づいて雰囲気の等価炭素濃度を演算すること、ならびにこの演算値を、被処理品の材質や要求される熱処理品質に基づいて設定されている目標値と比較し、演算値と目標値との偏差に基づいて真空熱処理炉内へのエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御することを特徴とする真空熱処理方法。
2. 真空熱処理炉内のエチレンガス量と水素ガス量の合計を一定に維持する請求項１記載の真空熱処理方法。
3. 真空熱処理炉内の圧力を一定に維持する請求項１または２記載の真空熱処理方法。
4. 真空熱処理炉と、真空熱処理炉内を減圧する真空排気手段と、真空熱処理炉内へ供給するエチレンガスおよび水素ガスの量を調整する流量調整手段と、真空熱処理炉内のエチレンガス量および水素ガス量を検出するガス量検出手段と、ガス量検出手段により検出されたエチレンガス量および水素ガス量に基づいて雰囲気の等価炭素濃度を演算し、この演算値を、被処理品の材質や要求される熱処理品質に基づいて予め設定されている目標値と比較し、演算値と目標値との偏差に基づいて流量調整手段により真空熱処理炉内へのエチレンガスおよび水素ガスの供給量を制御する制御手段とを備えている真空熱処理装置。
5. 制御手段が、真空熱処理炉内のエチレンガス量と水素ガス量の合計が一定となるように流量調整手段を制御する請求項４記載の真空熱処理装置。
6. 真空熱処理炉内の圧力を検出する圧力検出手段を備えており、制御手段が、圧力検出手段により検出された検出値と予め設定されている目標値とを比較し、炉内圧力が一定となるように真空排気手段を制御する請求項４または５記載の真空熱処理装置。
7. 制御手段に被処理品の材質に応じた処理パターンおよび均熱温度がそれぞれ複数設定されており、被処理品の材質に応じて、制御手段に処理パターンおよび均熱温度を選択入力しうるようになされている請求項４または５記載の真空熱処理装置。
8. 制御手段に被処理品の材質、形状、処理用バスケットに積載されたさいの通風性に応じた熱処理温度が複数設定されており、被処理品の材質、形状、通風性に応じて、制御手段に熱処理温度を選択入力しうるようになされている請求項４または５記載の真空熱処理装置。
9. 制御手段に熱処理温度に応じた予熱時間が複数設定されており、熱処理温度に応じて、制御手段に予熱時間を選択入力しうるようになされている請求項４または５記載の真空熱処理装置。
10. 制御手段に被処理品の処理部の寸法を入力しうるようになされており、入力された被処理品の処理部の寸法が所定値を越えた場合に、制御手段がこの越えた値に基づいて予熱時間を補正するようになされている請求項９記載の真空熱処理装置。
11. 制御手段が、選択入力された熱処理温度に基づいて有効硬化層深さによる浸炭係数を決定するようになされている請求項４または５記載の真空熱処理装置。
12. 制御手段が、有効硬化層深さによる浸炭係数に基づいて浸炭および拡散に要する全浸炭時間を演算するとともに、要求される熱処理品質に基づいて浸炭時間と拡散時間との比を演算し、これらの演算値に基づいて浸炭時間および拡散時間を決定するようになされている請求項１１記載の真空熱処理装置。
13. 減圧可能な被処理品搬入出室と、被処理品搬入出室に設けられかつ垂直軸回りに回転可能な搬送手段を有する搬送室とを備えており、搬送室の周囲に、真空排気手段、流量調整手段、ガス量検出手段および制御手段を有する複数の真空熱処理炉と、減圧可能な焼入室および均熱室とが、周方向に間隔をおいて設けられている請求項４または５記載の真空熱処理装置。
14. 搬送室の周囲に、真空熱処理炉、焼入室および均熱室と周方向に間隔をおいて減圧可能なガス冷却室が設けられている請求項１３記載の真空熱処理装置。

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