JP5976540B2 - ワークピースを硬化する方法及び装置、並びに該方法により硬化されたワークピース - Google Patents
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Description
(a)ワークピースを950から1200℃の温度に加熱する工程と、
(b)ワークピースを、950から1200℃の温度及び100mbar未満の圧力で、炭素含有ガス及び/又は窒素含有ガスに曝す工程と、
(c)ワークピースを、100mbar未満の圧力の雰囲気中で950から1200℃の温度に保つ工程と、
(d)適切ならば、工程(b)及び(c)を1回又は数回繰り返す工程と、
(e)ワークピースを冷却する工程と
を含む。
‐ 浸炭によりワークピースを硬化するために必要とされる温度が850℃を超え、通常45分を超える時間が加熱のために必要になる。ワークピースの満足な生産性又は高い処理量を達成するために、浸炭は、装荷ラック中で上下に重ねて積まれた複数の層に配置された多数のワークピースでバッチ方式により達成される。例として、10枚の網棚を有する装荷ラックには28Cr4合金(ASTM5130による)製の合計160個の中空ホイールが積み込まれ、10枚の各網棚の上に、16個の中空ホイールが互いに横に並べて配置される。典型的な装荷材料又は装荷ラックの寸法は、3空間方向の各々に400mmから2000mmまでの範囲内である。ここで及び以下の文において、この従来タイプの装荷を「3D装荷」という用語によっても表す。生産過程において、浸炭は実質的にひと続きの機械加工(いわゆるソフト機械加工)の後に行う。この目的で、準備は緩衝領域でなされ、ソフト機械加工されたワークピースは、そこで、浸炭のための3D装荷が完了するまで集められる。3D装荷の浸炭は、加熱炉及び緩衝領域両方のために相当の面積をとる。それに加えて、それは、機械加工の準連続的な流れを中断して、物流のための追加の費用をもたらす。したがって、この目的に適したロボットシステムは技術的及び経済的理由で使用できないので、3D装荷の緩衝はワークピースの人手による取り扱いが必要になる、
‐ 3D装荷の浸炭は、ワークピース及びさらに周囲の生産ラインも汚染し得る炭素含有残留物の生成の増加をもたらす、
‐ 3D装荷で浸炭したワークピースは、一般的に、複雑な再機械加工(いわゆるハード機械加工)が必要になる相当な熱的歪みを経験する、
‐ 3D装荷で浸炭したワークピースは、浸炭深さ、表面炭素含有率及びコア硬度などの特性に大きい変動を有し、したがって、それにより直接又は間接に影響される特徴的な品質価値、例えば浸炭した部品で構成される機械的ギヤ機構の滑り又は摩擦損失を改善することは不可能である
という不利点の1つ以上を有する。
(a)ワークピースを950から1200℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピースの表面の30から100%が、加熱装置の直接熱放射により加熱される工程と、
(b)ワークピースを、950から1200℃の温度及び100mbar未満の圧力で、炭素含有ガス及び/又は窒素含有ガスに曝す工程と、
(c)ワークピースを、100mbar未満の圧力の雰囲気中で950から1200℃の温度に保つ工程と、
(d)適切ならば、工程(b)及び(c)を1回又は数回繰り返す工程と、
(e)ワークピースを冷却する工程と
を含む方法により達成される。
‐ 工程(a)において、各々のワークピースを、2つ以上の空間方向から熱放射により加熱すること、
‐ 工程(a)において、各々のワークピースの表面付近の区域を、35から135℃/分、好ましくは50から110℃/分、特に50から75℃/分の速度で加熱すること、
‐ 工程(a)において、各々のワークピースのコアを、18から120℃/分の速度で加熱すること、
‐ 工程(e)において、ワークピースを、800から500℃の温度範囲で2から20kJ・kg−1・s−1という特定の冷却速度で冷却すること、
‐ 工程(b)において、ワークピースをアセチレン(C2H2)及び/又はアンモニア(NH3)に曝すこと、
‐ 工程(e)において、ワークピースを、ガス、好ましくは窒素で冷却すること、
‐ ワークピースを、2から20bar、好ましくは4から8bar、特に5から7barの圧力で窒素によって冷却すること、
‐ 工程(e)において、ワークピースの表面を、900から1200℃の範囲内の温度から300℃の温度に、40から100秒以内で冷却すること、及び
‐ 1個のワークピースを基準として、(a)から(e)の工程を実施するためのサイクル時間が、5から120秒、好ましくは5から60秒、特に5から40秒であること
を特徴とする。
(i)ワークピースをラック中/上に単層で配置する工程と、
(ii)ワークピースを載せたラックを冷却室に導入して、100mbar未満の圧力に排気する工程と、
(iii)ラックを浸炭室中に移動する工程であって、ラックを、適切ならば浸炭室中に導入する前に、一時置場に一時的に保管する工程と、
(iv)ワークピースを熱放射により950から1200℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピースの表面の30から100%が浸炭室の直接熱放射により加熱される工程と、
(v)ワークピースを、950から1200℃の温度及び100mbar未満の圧力で炭素含有ガス及び/又は窒素含有ガスに曝す工程と、
(vi)ワークピースを、100mbar未満の圧力の雰囲気中で950から1200℃の温度に保つ工程と、
(vii)適切ならば、工程(iv)及び(v)を1回又は数回繰り返す工程と、
(viii)ワークピースを載せたラックを冷却室中に移動する工程と、
(ix)ワークピースを、ガス、好ましくは窒素で冷却する工程と、
(x)ワークピースを載せたラックを冷却室から取り出す工程と
を含む方法により達成される。
‐ 断熱ゲートバルブが真空ゲートバルブの形態であり、
‐ 冷却室がワークピースを導入するため及び取り出すために2つの真空ゲートバルブを備え、
‐ 発熱体が表面エミッタの形態であり、
‐ 発熱体がグラファイト又は炭素繊維強化炭素(CFC)からなり、
‐ ラックが格子状の荷台の形態であり、
‐ ラックがグラファイト又は炭素繊維強化炭素(CFC)からなり、及び
‐ 移動システムが、上方及び下方のガイドの付いた垂直に配置されたチェーン駆動部及びチェーン並びにさらに荷台を受けるための水平可動伸縮自在フォークを備え、伸縮自在フォークはギヤ機構を通じてチェーンのうちの一つに連結している
ことを特徴とする。
‐ 表面硬化深さ(CHD)が、公称値の±0.05mm、好ましくは±0.04mm、特に±0.03mmの範囲内にあり、該公称値が0.3から1.4mmである、
‐ 表面炭素含有率が、公称値の±0.025重量%、好ましくは±0.015重量%、特に±0.01重量%の範囲内にあり、該公称値が0.6から0.85重量%である、及び
‐ コア硬度が、公称値の±30HV、好ましくは±20HVの範囲内にあり、該公称値が280から480HVである
という事実により区別される。
‐ 荷台の冷却室中への導入、
‐ 冷却室のポンプによる排気、
‐ 空の浸炭室中への移動、
場合により一時置場における一時保管、
‐ 浸炭及び拡散、
‐ 冷却室中への移動、
‐ 冷却、
‐ 冷却室から荷台の取り出し、
の個々の方法の工程の期間に応じて、図3及び4に示した4室でなく6室の浸炭室を使用することが適切であることが分かるだろう。それと反対に、要求される生産能力が低ければ、初期投資のコストを低減させるために2室又は3室の浸炭室だけ使用することも可能である。
当業者は、金属のワークピースの温度を測定する方法に精通している。本発明の関係では、ワークピース表面の温度は、熱電対、高温計及び熱撮像カメラにより測定した。各熱電対は、熱電対の全センサ面積がワークピース表面と接触するようにワークピースにワイヤで固定した。センサとワークピースとを良好に接触させるために、構成部品表面に小さい溝を作る。熱電対及びさらに固定ワイヤも、熱容量はワークピースに比較して無視し得る。
20MoCr4の材料で作製された、外径54mm、内径30mm及び高さ35mmの太陽歯車を使用して、各8個で5列、すなわち40個で全重量12.5kgの1層での本発明による2D装荷、及び各8個の各5列で8層、すなわち320個で全重量100kgの3D装荷にまとめた。1層用の装填ラックとして、CFC製で450mm×600mmの寸法を有する構造的に同一の網状格子を、2D装荷及び3D装荷両方のために使用した。
‐ 610HVの限界硬度を有する0.3から0.5mmの表面硬化深さ、
‐ 端面における670HVの表面硬度、及び
‐ 歯底円における歯の中心において280HV10を超えるコア硬度。
28Cr4の材料で作製した、外径140mm、高さ28mm及び98歯の中空ホイールを使用して、8個の1層で全重量6.5kgの本発明による2D装荷、及び各8個の10層、すなわち80個で全重量が65kgの3D装荷にまとめた。2D装荷及び3D装荷両方のために、1層のための装填ラックとして、CFC製の450mm×600mmの寸法を有する構造的に同一の網状格子を使用した。
Claims (26)
- ワークピース(6)を硬化する方法であって、以下の、
(a)前記ワークピース(6)を950から1200℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピース(6)の表面の30から100%が、加熱装置(110、120、130、140、210、220、230、240)の平均立体角0.5πから2πでの直接熱放射により加熱される工程と、
(b)前記ワークピース(6)を、950から1200℃の温度及び100mbar未満の圧力で、炭素含有ガス及び/又は窒素含有ガスに曝す工程と、
(c)前記ワークピース(6)を、100mbar未満の圧力の雰囲気中で950から1200℃の温度に保つ工程と、
(d)任意に、工程(b)及び(c)を1回又は数回繰り返す工程と、
(e)前記ワークピース(6)を冷却する工程と
を含む方法。 - 工程(a)において、各々の前記ワークピース(6)を、2つ以上の空間方向から熱放射により加熱することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(a)において、各々の前記ワークピース(6)の表面を、35から135℃/分の速度で加熱することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(a)において、各々の前記ワークピース(6)の表面を、50から110℃/分の速度で加熱することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(a)において、各々の前記ワークピース(6)の表面を、50から75℃/分の速度で加熱することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(a)において、各々の前記ワークピース(6)のコアを、18から120℃/分の速度で加熱することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(e)において、前記ワークピース(6)を、800から500℃の温度範囲で2から20kJ・kg−1・s−1という特定の冷却速度で冷却することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(b)において、前記ワークピース(6)をアセチレン及び/又はアンモニアに曝すことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(e)において、前記ワークピース(6)を、ガスで冷却することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(e)において、前記ワークピース(6)を、窒素で冷却することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記ワークピース(6)を、2から20barの圧力で窒素によって冷却することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記ワークピース(6)を、4から8barの圧力で窒素によって冷却することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記ワークピース(6)を、5から7barの圧力で窒素によって冷却することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 工程(e)において、前記ワークピース(6)の表面を、900から1200℃の範囲内の温度から300℃の温度に、40から100秒以内で冷却することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 1個のワークピース(6)を基準として、(a)から(e)の工程を実施するためのサイクル時間が、5から120秒であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 1個のワークピース(6)を基準として、(a)から(e)の工程を実施するためのサイクル時間が、5から60秒であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 1個のワークピース(6)を基準として、(a)から(e)の工程を実施するためのサイクル時間が、5から40秒であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- (i)前記ワークピース(6)をラック(5)の中又は上に単層で配置する工程と、
(ii)前記ワークピース(6)を載せた前記ラック(5)を冷却室(190、290)に導入して、100mbar未満の圧力に排気する工程と、
(iii)前記ラック(5)を浸炭室(110、120、130、140、210、220、230、240)中に移動する工程であって、任意に、前記ラックを浸炭室(110、120、130、140、210、220、230、240)中に導入する前に、一時置場に一時的に保管する工程と、
(iv)前記ワークピース(6)を熱放射により950から1200℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピース(6)の表面の30から100%が浸炭室(110、120、130、140、210、220、230、240)の平均立体角0.5πから2πでの直接熱放射により加熱される工程と、
(v)前記ワークピース(6)を、950から1200℃の温度及び100mbar未満の圧力で炭素含有ガス及び/又は窒素含有ガスに曝す工程と、
(vi)前記ワークピース(6)を、100mbar未満の圧力の雰囲気中で950から1200℃の温度に保つ工程と、
(vii)任意に、工程(iv)及び(v)を1回又は数回繰り返す工程と、
(viii)前記ワークピース(6)を載せた前記ラック(5)を前記冷却室(190、290)中に移動する工程と、
(ix)前記ワークピース(6)を、ガスで冷却する工程と、
(x)前記ワークピース(6)を載せた前記ラック(5)を冷却室(190、290)から取り出す工程と
によって特徴づけられる、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。 - 請求項1から18に記載した方法にしたがってワークピース(6)を硬化するための装置(100)であって、2つ以上の浸炭室(110、120、130、140)、少なくとも1つの冷却室(190、195)及びワークピース(6)のためのラック(5)を操作するための移動システム(160、153、154)を備え、前記冷却室(190、195)は各々の前記浸炭室(110、120、130、140)と1つ以上の真空ゲートバルブ(111、121、131、141、192、197)を通じて接続されており、各浸炭室(110、120、130、140)は、ラック(5)のための置場及び少なくとも2つの発熱体(21、22)を有し、前記発熱体から発せられた放射が各々の前記ワークピースの表面(6)の30から100%を平均立体角0.5πから2πで照射するような様式で前記発熱体が配置される、装置。
- 請求項1から18に記載の方法にしたがってワークピース(6)を硬化するための装置(200)であって、2つ以上の浸炭室(210、220、230、240)、少なくとも1つの冷却室(290)、前記浸炭室(210、220、230、240)および前記冷却室(290)の間に配置されたロック室(280)、及び前記ワークピース(6)のためのラック(5)を操作するための移動システム(260、253)を備え、前記冷却室(290)は真空ゲートバルブ(292)を通じて前記ロック室(280)に接続されており、各々の前記浸炭室(210、220、230、240)は断熱ゲートバルブ(211、221、231、241)を通じて前記ロック室(280)に接続されており、各々の前記浸炭室(210、220、230、240)は、ラック(5)のための置場及び少なくとも2つの発熱体(21、22)を有し、前記発熱体から発せられた放射が各々の前記ワークピース(6)の表面の30から100%を平均立体角0.5πから2πで照射するような様式で前記発熱体が配置される、装置。
- 前記断熱ゲートバルブ(211、221、231、241)が真空ゲートバルブであることを特徴とする、請求項20に記載の装置(200)。
- 前記冷却室(190、195、290)がワークピース(6)を導入するため及び取り出すために2つの真空ゲートバルブ(191、192、197、291、292)を備える、請求項19から21のいずれか一項に記載の装置(100、200)。
- 前記発熱体(21、22)がグラファイト又は炭素繊維強化炭素(CFC)からなることを特徴とする、請求項19から22のいずれか一項に記載の装置(100、200)。
- 前記ラック(5)が格子状の荷台であることを特徴とする、請求項19から23のいずれか一項に記載の装置(100、200)。
- 前記ラック(5)がグラファイト又は炭素繊維強化炭素(CFC)からなることを特徴とする、請求項19から24のいずれか一項に記載の装置(100、200)。
- 前記移動システム(260、253)が、上方及び下方のガイド(261、263、261’、263’)の付いた垂直に配置されたチェーン駆動部及びチェーン(262、262’)並びにさらに荷台(5)を受けるための水平可動伸縮自在フォーク(255、256)を備え、前記伸縮自在フォーク(255、256)はギヤ機構(251)を通じてチェーン(262)のうちの一つに連結していることを特徴とする、請求項20に記載の装置(200)。
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