JP5233131B2 - 浸炭装置及び浸炭方法 - Google Patents

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Description

本発明は、浸炭装置及び浸炭方法に関する。
鋼材の表面処理に用いられる浸炭処理の一つとして、従来より、減圧下で行う真空浸炭が知られている。下記特許文献には、真空浸炭に関する技術の一例が開示されている。
特開２００１−０８１５４３号公報 特開２００１−２４０９５４号公報 特開２００１−２６２３１３号公報 特開２００２−１７３７５９号公報 特開２００２−２１２７０２号公報 特開２００４−０５３５０７号公報 特開２００４−０５９９５９号公報 特開２００４−３３２０７５号公報 特開２００５−３５０７２９号公報 特開２００５−３５１７６１号公報
従来において、真空浸炭処理の再現性を得るための手法の一つとして、真空浸炭処理後の被処理材（鋼材）を抜き取り調査することが行われていた。具体的には、例えば各種浸炭条件（浸炭時間、浸炭温度、浸炭ガス供給量等）を管理しつつ被処理材を真空浸炭処理し、その真空浸炭処理後に被処理材を適宜抜き取って、被処理材の浸炭品質（表面浸炭濃度、浸炭濃度分布、表面硬度、有効硬化層深さ等）を調査し、その抜き取った被処理材の調査結果に基づいて、所望の浸炭品質が得られたことを確認する、または、得られるように上述の浸炭条件を再調整する、といったことが行われていた。
しかしながら、このような手法では、所望の浸炭品質を得るため浸炭処理品の品質確認結果をその都度フィードバックするという煩雑な作業を要する。また、浸炭処理品の量に対して供給する浸炭ガス量が不適切な場合、次のような不具合が発生する。例えば、浸炭処理品の量に対して浸炭ガス量が不足している場合、処理品の表面に供給される浸炭ガス量にバラツキが生じるために、浸炭品質にバラツキが生じる。これに対して、浸炭処理品の量に対して浸炭ガス量が過剰な場合、浸炭に寄与しない余剰ガスが原因で浸炭炉内においてすすが発生し、そのすすを除去するためのメンテナンス作業を頻繁に行う必要が生じるという不具合が生じる可能もある。
真空浸炭処理を再現性良く良好に行うために、浸炭炉の内部の炉内ガスの組成を良好に管理することが考えられる。そのため、炉内ガスの組成を迅速且つ精確に求め、その求めた結果を用いて、炉内ガスを所望の組成にするための適切な処置を講じる必要がある。従来において、炉内ガスの組成を迅速且つ精確に求める有効な手法が十分に確立されていないのが現状である。そのため、炉内ガスの組成を迅速且つ精確に求めることができる有効な手法の案出が要望される。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、浸炭炉の内部の炉内ガスの組成を迅速且つ精確に求め、真空浸炭処理を再現性良く良好に行うことができる浸炭装置及び浸炭方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用する。
本発明の第１の態様によると、物体を真空浸炭処理する浸炭装置であって、前記物体を収容する浸炭炉と、前記浸炭炉に浸炭ガスを供給するガス供給装置と、前記浸炭ガスが供給された前記浸炭炉の内部の炉内ガスを用いて発光する発光装置と、前記発光装置からの光を受光する受光装置と、前記受光装置の受光結果に基づいて、前記炉内ガスの組成を求める処理装置と、を備えた浸炭装置が提供される。
本発明の第１の態様によれば、炉内ガスを用いて発光する発光装置と、発光装置からの光を受光する受光装置とを設けたので、その受光装置の受光結果に基づいて、炉内ガスの組成を光学的に迅速且つ精確に求めることができる。したがって、その求めた結果を用いて、炉内ガスを所望の組成にするための適切な処置を講じることができ、真空浸炭処理を再現性良く良好に行うことができる。
上記態様の浸炭装置において、前記発光装置は、前記浸炭炉の内部空間と接続された検出空間に導入された前記炉内ガスを用いて発光する構成を採用することができる。
これによれば、浸炭炉の内部空間とは別の、発光装置で発光させるための専用の検出空間を設けたので、発光装置による発光動作及び受光装置による受光動作を円滑に実行することができる。また、検出空間は、浸炭炉の内部空間と接続されているので、検出空間は、浸炭炉の内部空間に応じた環境となる。したがって、その浸炭炉の内部空間に応じた環境下において、炉内ガスを用いて発光させることができる。
上記態様の浸炭装置において、前記発光装置は、前記炉内ガスにエネルギーを与えることによって発光する構成を採用することができる。
これによれば、発光装置は炉内ガスを励起状態にして発光することができる。
上記態様の浸炭装置において、前記発光装置は、前記炉内ガスを含む空間でプラズマを発生させる構成を採用することができる。
これによれば、発光装置は炉内ガスを励起状態にして発光することができる。
上記態様の浸炭装置において、前記発光装置は、前記炉内ガスにレーザ光を照射する構成を採用することができる。
これによれば、発光装置は炉内ガスを励起状態にして発光することができる。
上記態様の浸炭装置において、前記受光装置は、前記発光装置からの光の強度を検出する構成を採用することができる。
これによれば、発光装置は炉内ガスの組成に応じた所定の波長及び強度を有する光を発光するので、受光装置の受光結果に基づいて、炉内ガスの組成を精確に求めることができる。
上記態様の浸炭装置において、前記処理装置によって求めた前記炉内ガスの組成に基づいて、前記ガス供給装置による単位時間当たりの浸炭ガス供給量、及び浸炭時間の少なくとも一方を制御する制御装置を備えた構成を採用することができる。
これによれば、求めた炉内ガスの組成に基づいて、ガス供給装置による単位時間当たりの浸炭ガス供給量、あるいは浸炭時間を制御することで、制御装置は、炉内ガスを所望の組成にすることができ、真空浸炭処理を再現性良く良好に行うことができる。
本発明の第２の態様によると、物体を真空浸炭処理する浸炭方法であって、前記物体が収容された浸炭炉に浸炭ガスを供給する動作と、前記浸炭ガスが供給された前記浸炭炉の内部の炉内ガスを発光させる動作と、前記発光させた光を受光する動作と、前記受光した結果に基づいて、前記炉内ガスの組成を求める動作と、を含む浸炭方法が提供される。
本発明の第２の態様によれば、炉内ガスを発光させる動作と、発光された光を受光する動作とを行うので、その受光結果に基づいて、炉内ガスの組成を光学的に迅速且つ精確に求めることができる。したがって、その求めた結果を用いて、炉内ガスを所望の組成にするための適切な処置を講じることができ、真空浸炭処理を再現性良く良好に行うことができる。
上記態様の浸炭方法において、前記光を受光する動作は、前記受光した光の強度を検出する動作を含み、さらに、炉内ガスの組成と該炉内ガスを発光させた光の強度との関係を予め求める動作を有し、前記関係と前記検出した光の強度とに基づいて、前記炉内ガスの組成を求める構成を採用することができる。
これによれば、炉内ガスの組成とその炉内ガスを発光させたときの光の強度との関係を予め求めておくことによって、その関係と検出した光の強度とに基づいて、炉内ガスの組成を精確に求めることができる。
本発明によれば、浸炭炉の内部の炉内ガスの状態を迅速且つ精確に求めることができる。したがって、真空浸炭処理を再現性良く良好に行うことができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る浸炭装置を示す概略構成図である。本実施形態においては、浸炭装置が、鋼材等の被処理材を、減圧下（大気圧以下）で浸炭処理する、真空浸炭装置である場合を例にして説明する。
図１において、浸炭装置１は、真空浸炭処理される鋼材等の被処理材Ｓを収容する浸炭炉２と、浸炭炉２に浸炭ガスＧ１を供給するガス供給機構３と、浸炭ガスＧ１が供給された浸炭炉２の内部の炉内ガスＧ２を外部に排出するガス排出機構４と、浸炭ガスＧ１が供給された浸炭炉２の内部の炉内ガスＧ２を用いて発光する発光装置５と、発光装置５からの光を受光する受光装置６と、受光装置６の受光結果に基づいて、炉内ガスＧ２の組成を求める処理装置７と、浸炭装置１全体の動作を制御する制御装置８とを備えている。制御装置８には、浸炭処理に関する各情報を記憶した記憶装置９と、浸炭処理に関する情報を出力可能な出力装置１０と、制御装置８に対して操作信号を入力可能な入力装置１１とが接続されている。出力装置１０は、例えばディスプレイ、プリンタ等を含む。入力装置１１は、例えばキーボード、マウス等を含む。
浸炭炉２は、被処理材Ｓが配置される内部空間（処理室）１２を有する。浸炭炉２は、炉壁２Ａ及び断熱壁２Ｂを有し、処理室１２は、断熱壁２Ｂの内側に形成されている。
ガス供給機構３は、浸炭炉２の処理室１２に浸炭ガスＧ１を供給する。ガス供給機構３は、浸炭ガスＧ１を送出可能なガス供給装置３Ａと、処理室１２の一部に形成された給気口３Ｍと、ガス供給装置３Ａと給気口３Ｍとを接続する給気管３Ｌとを備えている。また、ガス供給機構３は、処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を調整する調整機構３Ｂを備えている。調整機構３Ｂは、バルブ機構を含み、制御装置８に接続されている。制御装置８は、調整機構３Ｂを制御して、ガス供給機構３による処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を調整可能である。
浸炭ガスＧ１は、被処理材Ｓを真空浸炭処理するために処理室１２に供給されるガスであって、所定の炭化水素系ガスを含む。本実施形態においては、ガス供給機構３は、浸炭ガスＧ１として、処理室１２に、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）を供給する。
ガス排出機構４は、浸炭ガスＧ１が供給された浸炭炉２の処理室１２の炉内ガスＧ２を、処理室１２の外部に排出する。ガス排出機構４は、真空ポンプ等の真空システムを含み、ガスを吸引可能なガス吸引装置４Ａと、処理室１２の一部に形成された排気口４Ｍと、ガス吸引装置４Ａと排気口４Ｍとを接続する排気管４Ｌとを備えている。
炉内ガスＧ２は、ガス供給機構３より処理室１２に供給された後のガスであって、浸炭処理により処理室１２において浸炭ガスＧ１が化学反応（浸炭反応）した後のガス（反応ガス）、及び浸炭処理に供されず浸炭反応を起こさなかった浸炭ガス（未反応ガス）の少なくとも一方を含む。例えば浸炭条件に応じて、処理室１２に供給された浸炭ガスＧ１の全部が浸炭反応に供されるとは限られず、その場合、処理室１２には、浸炭処理に供されたガス（反応ガス）、及び浸炭処理に供されなかったガス（未反応ガス）の両方が存在し、その処理室１２から排出されるガスも、反応ガス及び未反応ガスの両方を含む。
上述のように、本実施形態においては、処理室１２には、浸炭ガスＧ１としてアセチレン（Ｃ２Ｈ２）が供給される。処理室１２に供給されたアセチレンのうち、被処理材Ｓとの間で浸炭反応を起こした一部のアセチレンは、炭素成分と水素成分とを生成する。すなわち、本実施形態における浸炭反応は、Ｃ２Ｈ２→Ｈ２＋２Ｃ で表される反応である。浸炭反応によって生成された炭素成分は、被処理材Ｓの表面に浸透（浸炭）し、水素成分は、処理室１２から排出される。すなわち、本実施形態においては、浸炭ガスＧ１が浸炭反応した後の反応ガスの主成分は、水素ガスである。また、本実施形態においては、浸炭処理に供されず、化学反応を起こさなかった未反応ガスの主成分は、アセチレンである。
発光装置５は、炉内ガスＧ２を用いて発光する。発光装置５は、浸炭炉２の処理室１２と接続された検出空間１５に導入された炉内ガスＧ２を用いて発光する。発光装置５は、排気管４Ｌの途中に接続された内部空間（検出空間、放電室）１５を有する放電部材５Ａと、放電部材５Ａの放電室１５に配置され、放電室１５においてプラズマを発生させる電極とを有する。放電部材５Ａは、放電管（例えばガイスラー管）によって形成可能である。排気管４Ｌと放電室１５とは接続されており、処理室１２と放電室１５とは排気管４Ｌを介して接続されている。処理室１２から排出され、排気管４Ｌを流れる炉内ガスＧ２の少なくとも一部は、放電室１５に導入される。発光装置５は、炉内ガスＧ２が導入される放電室１５でプラズマを発生させる。発光装置５は、プラズマを発生させることによって、炉内ガスＧ２を発光させる。このように、本実施形態においては、発光装置５は、浸炭炉２の処理室１２と接続された放電室１５に導入された炉内ガスＧ２を用いて発光可能である。
受光装置６は、発光装置５からの光を受光する。受光装置６は、発光装置５の放電部材５Ａの近傍に配置された分光器を有する。分光器を含む受光装置６は、発光装置５の放電部材５Ａからの光の強度、及び発光スペクトルを検出可能である。受光装置６は処理装置７（制御装置８）と接続されており、受光装置６の検出結果（受光結果）は、処理装置７（制御装置８）に出力される。
処理装置７は、例えばＣＰＵ等を備えており、所定の演算処理、各種情報処理等を実行可能である。処理装置７には、受光装置６の受光結果が出力される。処理装置７は、受光装置６の受光結果に基づいて、炉内ガスＧ２の組成を求めることができる。
また、浸炭装置１は、処理室１２の温度、及び処理室１２に収容されている被処理材Ｓの温度の少なくとも一方を調整可能な温度調整装置１３を備えている。温度調整装置１３の少なくとも一部は、処理室１２に配置されている。温度調整装置１３は、加熱装置（ヒータ）を含む。制御装置８は、加熱装置を含む温度調整装置１３を制御して、処理室１３、及び処理室１２に収容されている被処理材Ｓを所定の温度に調整可能（加熱可能）である。また、浸炭装置１は、処理室１２の温度を検出可能な温度センサ１６を備えている。温度センサ１６の少なくとも一部（プローブ等）は処理室１２に配置されている。温度センサ１６は制御装置８に接続されており、温度センサ１６の検出結果は制御装置８に出力される。制御装置８は、温度センサ１６の検出結果に基づいて、加熱装置を含む温度調整装置１３を制御して、処理室１２を所望の温度に調整可能である。
また、制御装置８は、真空システムを含むガス吸引装置４Ａを制御して、処理室１２の圧力を調整可能（減圧可能）である。また、浸炭装置１は、処理室１２の圧力を検出可能な圧力センサ１７を備えている。圧力センサ１７の少なくとも一部（プローブ等）は処理室１２に配置されている。圧力センサ１７は制御装置８に接続されており、圧力センサ１７の検出結果は制御装置８に出力される。制御装置８は、圧力センサ１７の検出結果に基づいて、真空システムを含むガス吸引装置４Ａを制御して、処理室１２を所望の圧力に調整可能である。
次に、上述の構成を有する浸炭装置１の動作について説明する。被処理材Ｓを真空浸炭処理するために、制御装置８は、温度調整装置１３を用いて、被処理材Ｓが収容された浸炭炉２の処理室１２を加熱するとともに、ガス排出機構４を用いて、処理室１２のガスを吸引して、処理室１２を減圧する（真空度を高める）。そして、処理室１２が所定の加熱状態及び減圧状態に設定された後、制御装置８は、被処理材Ｓが収容された浸炭炉２の処理室１２に対して、ガス供給機構３より単位時間当たり所定量の浸炭ガスＧ１を供給する。そして、制御装置８は、処理室１２に対してガス供給機構３より浸炭ガスＧ１を単位時間当たり所定量で供給しつつ、ガス排出機構４により処理室１２のガスを排出して、処理室１２における所定の加熱状態及び減圧状態を維持しつつ、所定時間、被処理材Ｓを真空浸炭処理する。
処理室１２の炉内ガスＧ２は、排気口４Ｍを介して排出され、排気管４Ｌを流れる。排気管４Ｌを流れる炉内ガスＧ２の一部は、ガス吸引装置４Ａに向かって流れ、別の一部は、発光装置５の放電室１５に流入する。制御装置８は、発光装置５を用いて、炉内ガスＧ２を発光させる。
図２は、発光装置５及び受光装置６の近傍を示す拡大図である。図２に示すように、発光装置５は、放電室１５を有する放電部材５Ａと、放電部材５Ａの放電室１５に配置され、放電室１５においてプラズマを発生させる電極５Ｂとを有する。発光装置５は、放電室１５においてプラズマを発生させる。処理室１２から排出された炉内ガスＧ２は、放電室１５に導入され、放電室１５においてプラズマが発生しているプラズマ発生領域ＰＵに供給される。発光装置５は、プラズマによって、炉内ガスＧ２を発光させる。
受光装置６は、炉内ガスＧ２に基づいて発光された発光装置５からの光を受光する。受光装置６の検出結果（受光結果）は、処理装置７に出力される。処理装置７は、受光装置６の受光結果に基づいて、炉内ガスＧ２の組成を求める。本実施形態においては、処理室１２における被処理材Ｓに対する真空浸炭処理と、発光装置５による発光動作及び受光装置６による受光動作とが並行して行われる。すなわち、被処理材Ｓに対する真空浸炭処理中、受光装置６による受光動作及びその受光結果に基づく処理装置７の処理動作（炉内ガスＧ２の組成を求める動作）がリアルタイムで実行される。
制御装置８は、処理装置７によって求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいて、ガス供給機構３による処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を、調整機構３Ｂを用いて制御する。すなわち、本実施形態においては、制御装置８は、被処理材Ｓに対する真空浸炭処理中、ガス供給機構３による処理室１２に対する浸炭ガスＧ１の供給動作の制御（調整機構３Ｂの制御）を、処理装置７で求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいてリアルタイムで実行する。
次に、受光装置６の受光結果に基づいて処理装置７が炉内ガスＧ２の組成を求める動作について説明する。
上述のように、炉内ガスＧ２は、処理室１２において浸炭ガスＧ１が浸炭反応した後の反応ガス、及び浸炭処理に供されず浸炭反応を起こさなかった未反応ガスを含む。本実施形態においては、炉内ガスＧ２は、反応ガスとしての水素と、未反応ガスとしてのアセチレンとを含む。
本実施形態においては、ガス供給機構３は、単位時間当たり所定量の浸炭ガスＧ１を処理室１２に供給しているが、浸炭時間、浸炭温度、及び浸炭ガス供給量等、各種浸炭条件に応じて、被処理材Ｓに浸透する炭素成分の量、換言すれば、浸炭反応の反応速度が変化する可能性がある。被処理材Ｓに浸透する炭素成分の量が変化すると、その変化に伴って、処理室１２における反応ガス（水素ガス）量も変化する。
ここで、浸炭時間は、浸炭処理を開始してからの経過時間を意味する。浸炭温度は、浸炭処理する処理室１２の温度を意味する。浸炭ガス供給量は、処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を意味する。
例えば、図３（Ａ）の模式図に示すように、浸炭時間が短く、被処理材Ｓの表面における炭素成分の量（被処理材Ｓの表面に既に浸透している炭素の量）が少ない場合には、被処理材Ｓの表面には炭素成分が浸透する余地が十分に残されている。その場合、処理室１２に供給されたアセチレンのうち、大部分のアセチレンが浸炭反応に供され、被処理材Ｓに浸透する炭素成分の量（浸炭反応の反応速度）は上昇する。この場合、処理室１２のガス及び処理室１２から排出される炉内ガスＧ２は、反応ガス（水素ガス）を多く含む。
一方、図３（Ｂ）の模式図に示すように、浸炭時間が長く、被処理材Ｓの表面における炭素成分の量（被処理材Ｓの表面に既に浸透している炭素の量）が多い場合、換言すれば、被処理材Ｓの表面に浸透可能な炭素成分の量がほぼ飽和状態に達した場合、被処理材Ｓの表面における炭素成分が浸透する余地は少ない。その場合、処理室１２に供給されたアセチレンのうち、大部分のアセチレンが浸炭反応に供されず、被処理材Ｓに浸透する炭素成分の量（浸炭反応の反応速度）は低下する。この場合、処理室１２のガス及び処理室１２から排出される炉内ガスＧ２は、未反応ガス（アセチレン）を多く含む。
このように、浸炭時間に応じて、炉内ガスＧ２の組成が変化する。また、浸炭時間に限られず、浸炭温度、処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガス供給量等の浸炭条件に応じても、炉内ガスＧ２の組成は変化する。すなわち、浸炭時間、浸炭温度、及び単位時間当たりの浸炭ガス供給量等の浸炭条件等に応じて、炉内ガスＧ２の組成は変化する。
炉内ガスＧ２の組成に応じて、その炉内ガスＧ２を発光装置５で発光させたときの光の状態は変化する。具体的には、炉内ガスＧ２の組成に応じて、その炉内ガスＧ２を発光装置５で発光させたときの光の強度、発光スペクトルが変化する。例えば、図３（Ａ）に示した組成（水素を多く含む組成）を有する炉内ガスＧ２を発光装置５で発光させた場合、水素に由来するピーク強度を有する発光スペクトルが得られる。また、図３（Ｂ）に示した組成（アセチレンを多く含む組成）を有する炉内ガスＧ２を発光装置５で発光させた場合、アセチレンに由来するピーク強度を有する発光スペクトルが得られる。
図４は、受光装置６の受光結果に基づいて導出した発光スペクトルを示す図である。図４において、横軸は波長、縦軸は、発光強度である。図４中、ラインＬ１は、炉内ガスＧ２の全圧（処理室１２の全圧）に対する水素の分圧比が１の場合の発光スペクトルを示す。すなわち、ラインＬ１は、処理室１２に供給されたアセチレンのうち、全部のアセチレンが浸炭反応に供され、処理室１２の炉内ガスＧ２（処理室１２から排出される炉内ガスＧ２）の全てが、水素ガスである場合の発光スペクトルを示す。
また、図４中、ラインＬ２は、炉内ガスＧ２の全圧（処理室１２の全圧）に対する水素の分圧比が０．５６の場合の発光スペクトルを示す。すなわち、ラインＬ２は、処理室１２に供給されたアセチレンのうち、約半分のアセチレンが浸炭反応に供され、処理室１２の炉内ガスＧ２（処理室１２から排出される炉内ガスＧ２）の約半分が、水素ガスである場合の発光スペクトルを示す。
また、図４中、ラインＬ３は、炉内ガスＧ２の全圧（処理室１２の全圧）に対する水素の分圧比が０の場合の発光スペクトルを示す。すなわち、ラインＬ３は、処理室１２に供給されたアセチレンのうち、全部のアセチレンが浸炭反応に供されず、処理室１２の炉内ガスＧ２（処理室１２から排出される炉内ガス）Ｇ２の全てが、アセチレンである場合の発光スペクトルを示す。
このように、炉内ガスＧ２の組成に応じて、その炉内ガスＧ２を用いて発光する発光装置５からの光を受光した受光装置６の受光結果が変化する。
したがって、処理装置７は、受光装置６の受光結果に基づいて、炉内ガスＧ２の全圧に対する水素の分圧比を求めることができる。そして、炉内ガスＧ２の全圧に対する水素の分圧比は、炉内ガスＧ２の組成と対応関係にあるため、処理装置７は、受光装置６の受光結果に基づいて、炉内ガスＧ２の組成を求めることができる。
図５は、炉内ガスＧ２の全圧に対する水素の分圧比を横軸とし、受光結果（水素に由来するピークの強度に対するアセチレンに由来する炭化水素のピークの強度）を縦軸にプロットしたものである。このように、炉内ガスの組成と受光結果は相関があることがわかる。
本実施形態においては、記憶装置９には、炉内ガスＧ２の組成とその炉内ガスＧ２を発光させたときの光の強度との関係が予め記憶されている。なお、この関係は、例えば予備実験及びシミュレーションの少なくとも一方を用いて予め求めることができ、記憶装置９に記憶することができる。本実施形態においては、記憶装置９には、図５に示すような、炉内ガスＧ２の全圧に対する水素の分圧比（ひいては炉内ガスＧ２の組成）と、その分圧比（組成）に対応する発光強度を正規化した値との関係が予め記憶されている。ここで、発光強度とは水素に由来するピークの強度とアセチレンに由来する炭化水素のピーク強度との比率を用いることが望ましいが、簡易的には水素に由来するピークの強度を用いても良い。
そして、制御装置８は、処理装置７によって求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいて、ガス供給機構３による単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を、調整機構３Ｂを用いて制御する。
被処理材Ｓの浸炭品質（表面浸炭濃度、浸炭濃度分布、表面硬度、有効硬化層深さ（浸炭深さ）等）は、炉内ガスＧ２の組成（処理室１２の雰囲気）に応じて変化すると考えられる。換言すれば、被処理材Ｓの浸炭品質と炉内ガスＧ２の組成との間には相関があると考えられるため、制御装置８は、受光装置６の受光結果より処理装置７によって求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいて、炉内ガスＧ２の組成（アセチレンの濃度など）が最適な状態となるように、換言すれば、所望の浸炭品質が得られるような炉内ガスＧ２の組成となるように、ガス供給機構３による単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を調整する。これにより、炉内ガスＧ２の組成を所望状態にすることができ、真空浸炭処理を良好に再現性良く行うことができる。
また、上述のように、浸炭条件には、ガス供給機構３による単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量のみならず、浸炭時間、浸炭温度等も含まれる。したがって、制御装置８は、求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいて、浸炭条件として、浸炭時間、浸炭温度等を調整することによっても、被処理材Ｓの浸炭品質を所望状態にすることができる。また、制御装置８は、求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいて、ガス供給機構３から処理室１２に供給する浸炭ガスＧ１の組成を調整するようにしてもよい。
以上説明したように、浸炭炉２の内部の炉内ガスＧ２の組成を光学的に求めるようにしたので、その炉内ガスＧ２の組成をリアルタイムで迅速且つ精確に求めることができる。
また、本実施形態においては、炉内ガスＧ２の組成を光学的に求めることができ、炉内ガスＧ２の組成を高速に（応答性良く）求めることができる。また、本実施形態の構成は、例えば従来のような水素濃度を検出可能なセンサに比べて、比較的安価であり、感度もよいので、フィードバック制御に適しており、制御性を向上することができる。
また、本実施形態においては、浸炭装置１は、真空浸炭装置であって、浸炭炉２の処理室１２は高い真空度を有する。したがって、検出空間（放電室）１５の真空度を高めるための新たな（別の）真空システムを設けることなく、その処理室１２に接続された検出空間１５を高い真空度にすることができる。したがって、その真空度が高い検出空間１５において、プラズマを良好に発生させることができる。
また、検出空間１５と浸炭炉２の処理室１２とは接続されており、検出空間１５と浸炭炉２の処理室１２とをほぼ同じ環境（雰囲気）にすることができる。したがって、その処理室１２とほぼ同じ環境の検出空間１５において、炉内ガスＧ２を用いて発光させることができ、炉内ガスＧ２の組成を正確に求めることができる。
そして、その求めた炉内ガスＧ２の組成に基づいて、浸炭条件のうち、特に、処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を調整することによって、炉内ガスＧ２の組成を所望の組成にすることができる。すなわち、本実施形態においては、発光装置５、受光装置６、及び処理装置７等を用いて炉内ガスＧ２の組成をリアルタイムで求め、その求めた結果に基づいて、所望の浸炭品質を得るために浸炭条件を最適化するために、処理室１２に対する単位時間当たりの浸炭ガスＧ１の供給量を調整する、といったフィードバック制御を実行することができ被処理材Ｓの真空浸炭処理を再現性良く良好に実行することができる。したがって、所望の浸炭品質の被処理材Ｓを得ることができる。
また、本実施形態においては、所望の浸炭品質を得るための浸炭条件を良好に管理することができ、被処理材を所望の浸炭品質で処理できるとともに、浸炭炉内におけるすすの発生等の不具合の発生を抑制することができ、浸炭炉のメンテナンス作業を簡略化することができる。
なお、本実施形態においては、発光装置５は、炉内ガスＧ２を含む検出空間（放電室）１５でプラズマを発生させることによって、その炉内ガスＧ２にエネルギーを与え、その炉内ガスＧ２の分子を励起状態にすることによって、炉内ガスＧ２を発光させているが、発光装置５は、例えば図６の模式図に示すような、炉内ガスＧ２が導入される検出室１５’にレーザ光を照射可能なレーザ光照射装置５Ｌを備えていてもよい。検出室１５’は、処理室１２と排気管４Ｌを介して接続されており、炉内ガスＧ２が導入される。また、検出室１５’は、レーザ光が透過可能な透明な部材によって形成されている。発光装置５は、レーザ光照射装置５Ｌより炉内ガスＧ２にレーザ光を照射して、その炉内ガスＧ２にエネルギーを与えることによって、その炉内ガスＧ２を発光可能である。すなわち、レーザ光が照射されることによって、炉内ガスＧ２は励起状態となり、発光するので、発光装置５は、レーザ光を炉内ガスＧ２に照射することによっても、炉内ガスＧ２を用いて発光することができる。
なお、発光装置５は、炉内ガスＧ２にエネルギーを与えることによって発光可能であれば、例えば炉内ガスＧ２を燃焼させるなど、他の方法を用いて発光させてもよい。
なお、上述の実施形態においては、空間１５（１５’）は、排気管４Ｌの途中から分岐しているが、図７に示すように、排気管４Ｌの途中にプラズマを発生させるための電極５Ｂを配置し、そのプラズマにより発生した光を、排気管４Ｌの所定位置に設けられた透過窓を介して受光装置６で受光してもよい。また、排気管４Ｌの途中に透過窓を設け、その透過窓を介して、炉内ガスＧ２にレーザ光を照射してもよい。
また、上述の実施形態においては、発光装置５は、排気管４Ｌを流れる炉内ガスＧ２を用いて発光しているが、例えば図８に示すように、浸炭炉２の処理室１２に接続された専用の検出空間１１５を形成する検出用部材５Ａ’を設け、その検出空間１１５に導入された炉内ガスＧ２を用いて発光してもよい。
本実施形態に係る浸炭装置を示す概略構成図である。 発光装置及び受光装置の近傍を示す拡大図である。 浸炭条件と炉内ガスとの関係を説明するための模式図である。 受光装置の受光結果に基づいて導出した発光スペクトルの一例を示す図である。 水素の分圧比と、その分圧比に対応する発光強度を正規化した値との関係を示す図である。 発光装置の別の例を示す模式図である。 発光装置の別の例を示す模式図である。 発光装置の別の例を示す模式図である。
符号の説明
１…浸炭装置、２…浸炭炉、３…ガス供給機構、４…ガス排出機構、５…発光装置、６…受光装置、７…処理装置、８…制御装置、１２…処理室（内部空間）、１５…放電室（検出空間）

Claims (8)

  1. 物体を真空浸炭処理する浸炭装置であって、
    前記物体を収容する浸炭炉と、
    前記浸炭炉に浸炭ガスを供給するガス供給装置と、
    前記浸炭炉の内部の炉内ガスを外部に排出するガス排出機構と、
    前記浸炭炉の内部空間と接続され、かつ前記ガス排出機構に接続される検出空間と、
    前記浸炭ガスが供給された前記浸炭炉の内部の炉内ガスを用いて発光する発光装置と、
    前記発光装置からの光を受光する受光装置と、
    前記受光装置の受光結果に基づいて、前記炉内ガスの組成を求める処理装置と、を備え、
    前記発光装置は、前記ガス排出機構によって前記検出空間に導入された前記炉内ガスを用いて発光することを特徴とする浸炭装置。
  2. 前記発光装置は、前記炉内ガスにエネルギーを与えることによって発光する請求項１記載の浸炭装置。
  3. 前記発光装置は、前記炉内ガスを含む空間でプラズマを発生させる請求項２記載の浸炭装置。
  4. 前記発光装置は、前記炉内ガスにレーザ光を照射する請求項２記載の浸炭装置。
  5. 前記受光装置は、前記発光装置からの光の強度を検出する請求項１〜４のいずれか一項記載の浸炭装置。
  6. 前記処理装置によって求めた前記炉内ガスの組成に基づいて、前記ガス供給装置による単位時間当たりの浸炭ガス供給量、及び浸炭時間の少なくとも一方を制御する制御装置を備えた請求項１〜５のいずれか一項記載の浸炭装置。
  7. 物体を真空浸炭処理する浸炭方法であって、
    前記物体が収容された浸炭炉に浸炭ガスを供給する動作と、
    前記浸炭炉の内部の炉内ガスをガス排出機構によって外部に排出する動作と、
    前記浸炭ガスが供給された前記浸炭炉の内部の炉内ガスを、前記ガス排出機構によって前記浸炭炉の内部空間と接続された検出空間に導入して発光させる動作と、
    前記発光させた光を受光する動作と、
    前記受光した結果に基づいて、前記炉内ガスの組成を求める動作と、を含む浸炭方法。
  8. 前記光を受光する動作は、前記受光した光の強度を検出する動作を含み、
    さらに、炉内ガスの組成と該炉内ガスを発光させた光の強度との関係を予め求める動作を有し、
    前記関係と前記検出した光の強度とに基づいて、前記炉内ガスの組成を求める請求項７記載の浸炭方法。
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