WO2023190205A1 - 真空浸炭炉および真空浸炭処理方法 - Google Patents

真空浸炭炉および真空浸炭処理方法 Download PDF

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WO2023190205A1
WO2023190205A1 PCT/JP2023/011935 JP2023011935W WO2023190205A1 WO 2023190205 A1 WO2023190205 A1 WO 2023190205A1 JP 2023011935 W JP2023011935 W JP 2023011935W WO 2023190205 A1 WO2023190205 A1 WO 2023190205A1
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WO
WIPO (PCT)
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heating chamber
vacuum carburizing
workpiece
charging port
pressure
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/011935
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English (en)
French (fr)
Inventor
大樹 柴田
稔 藤原
正男 金山
Original Assignee
Ｄｏｗａサーモテック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum carburizing furnace and a vacuum carburizing method.
  • Carburizing treatment has traditionally been used as a heat treatment to harden the surface of workpieces such as automobile parts and mechanical parts made of various steel materials.
  • vacuum carburizing technology has been developed that directly adds carburizing gas under reduced pressure and impregnates the surface of the workpiece with carbon generated by decomposition of the added carburizing gas. is widespread.
  • a vacuum carburizing furnace that performs such a vacuum carburizing process is disclosed in Patent Document 1, which has two chambers, a heating chamber and a cooling chamber, separated by an intermediate vacuum door, and a workpiece charging furnace in the front part of the heating chamber.
  • a vacuum carburizing furnace is disclosed which is provided with a charging door for carrying out workpieces and a carrying-out door for carrying out works at the rear of the cooling chamber.
  • the inside of the heating chamber is normally at a high temperature of 800 to 900°C, so if outside air flows into the heating chamber when loading a workpiece, the structures inside the heating chamber are likely to be oxidized. Therefore, it is necessary to use an oxidation-resistant material as the material for the structure inside the heating chamber.
  • evacuation is performed before raising the temperature in the heating chamber to the carburizing temperature.
  • the greater the amount of outside air flowing into the heating chamber when charging the workpiece the greater the amount of oxygen in the heating chamber, and it takes time to reduce the oxygen partial pressure in the heating chamber until the workpiece becomes an atmosphere that is difficult to oxidize. It takes. That is, the greater the amount of outside air flowing into the heating chamber, the longer the evacuation time becomes, and the longer it takes to start the carburizing process.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to suppress the inflow of outside air into the heating chamber during charging of a workpiece in a vacuum carburizing furnace.
  • a vacuum carburizing furnace which includes a heating chamber in which a vacuum carburizing process is performed on a workpiece charged from outside the furnace, and a heating chamber provided at the bottom of the heating chamber for vacuum carburizing the workpiece. It is characterized by having a charging port.
  • One aspect of the present invention is a vacuum carburizing method, in which an inert gas is supplied into a heating chamber in which a workpiece is carburized, and after the pressure in the heating chamber is set to a pressure equal to or higher than atmospheric pressure. , a charging port for the workpiece provided at the bottom of the heating chamber is opened, the workpiece is charged through the charging port, the temperature inside the heating chamber is raised to a temperature at which vacuum carburizing treatment is performed, and vacuum evacuation is performed.
  • the method is characterized in that a carburizing gas is supplied to the heating chamber in which the workpiece is carburized under vacuum.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a vacuum carburizing furnace according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view for explaining a heating chamber.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the size of a charging port when the heating chamber is viewed from below. It is an explanatory view for explaining an opening/closing detection mechanism of a loading port.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the pressure history and temperature history in the heating chamber from the step of charging the workpiece into the heating chamber to the step of transporting the workpiece to the cooling chamber.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a process of loading a workpiece into a heating chamber and a process of transporting a workpiece to a cooling chamber.
  • FIG. 3 is a diagram showing an analytical model of simulation. It is a figure showing a simulation result.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a vacuum carburizing furnace according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view for explaining the heating chamber.
  • the X direction shown in the drawings is the width direction of the vacuum carburizing furnace 1
  • the Y direction is the depth direction of the vacuum carburizing furnace 1
  • the Z direction is the height direction of the vacuum carburizing furnace 1.
  • the vacuum carburizing furnace 1 includes a heating chamber 10 in which a vacuum carburizing process is performed on a workpiece W such as an automobile part or a mechanical part made of various steel materials charged from outside the furnace, and a cooling chamber disposed adjacent to the heating chamber 10. It has 40 rooms.
  • the heating chamber 10 is a substantially cylindrical container with an axial direction facing the X direction, and a heat insulating material 11 is provided on the inner surface of the heating chamber 10. Inside the heating chamber 10, a plurality of heaters 12 are installed that extend downward in the Z direction from the ceiling, and each heater 12 is arranged at intervals in the X direction.
  • a known heating device such as a ceramic heater such as a SiC heater, an electric burner, or a gas burner can be applied, but from the viewpoint of suppressing heater deterioration due to oxidation at high temperatures, it is preferable to use a ceramic heater.
  • a stirring fan 13 for stirring the atmosphere within the heating chamber 10 is attached to the center of the ceiling of the heating chamber 10 .
  • a transport port 14 for transporting the workpiece W from the heating chamber 10 to the cooling chamber 40 is formed in the side wall of the heating chamber 10 on the cooling chamber 40 side. Further, an elevating door 15 is provided between the heating chamber 10 and the cooling chamber 40, and the transport port 14 is opened or closed by the door 15.
  • a pusher 16 for pushing the workpiece W from the heating chamber 10 to the cooling chamber 40 is provided on the side wall opposite to the side wall of the heating chamber 10 in which the above-mentioned transfer port 14 is formed.
  • the pusher 16 has a linear movement mechanism (not shown) such as a linear guide, for example, and is configured to be movable in the X direction.
  • an opening 17 for the pusher 16 is formed in the side wall of the heating chamber 10, and when the pusher 16 pushes out the workpiece W, the pusher 16 passes through the opening 17.
  • the pusher 16 is surrounded by a housing 18.
  • This housing 18 is fixed to the side wall of the heating chamber 10 so as to cover the opening 17 shown in FIG. 2 (the housing 18 is not shown in FIG. 2).
  • the housing 18 has a sealed structure so that outside air does not flow into the heating chamber 10 during vacuum carburizing of the workpiece W.
  • An exhaust pipe 19 is provided above the housing 18 to exhaust the atmosphere inside the heating chamber 10.
  • the exhaust pipe 19 is connected to a vacuum pump 20.
  • a pressure gauge 21 is attached to the exhaust pipe 19, and the pressure inside the heating chamber 10 is measured by this pressure gauge 21. Note that the installation position of the pressure gauge 21 is not particularly limited as long as the pressure inside the heating chamber 10 can be measured. Further, from the viewpoint of suppressing carbon dioxide emissions, a carbon dioxide recovery device (not shown) may be attached to the exhaust pipe 19.
  • a gas inlet 22 as a gas supply port is provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the heating chamber 10.
  • This gas inlet 22 can be used to inject carburizing gas (e.g. acetylene gas, ethylene gas, propane gas, butane gas, or a mixture of these gases), inert gas (e.g. nitrogen gas, argon gas), or oxidizing gas (e.g. air , oxygen, carbon dioxide) is supplied into the heating chamber 10 .
  • carburizing gas e.g. acetylene gas, ethylene gas, propane gas, butane gas, or a mixture of these gases
  • inert gas e.g. nitrogen gas, argon gas
  • oxidizing gas e.g. air , oxygen, carbon dioxide
  • a plurality of gas inlets 22 are provided along the X direction and the Y direction, and each gas inlet 22 is arranged at intervals from each other.
  • a similar gas inlet is also located on the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the heating chamber 10 at a position facing the gas inlet 22 shown in FIG. It is provided. That is, in the heating chamber 10, a pair of gas inlets 22 are provided to sandwich the heating chamber 10, and gas is supplied to the heating chamber 10 from two sides of the heating chamber 10.
  • a gas supply pipe (not shown) is connected to each gas inlet 22.
  • these multiple gas supply pipes for example, some of the gas supply pipes are connected to a cylinder (not shown) storing carburizing gas, and some of the other gas supply pipes are connected to an inert gas.
  • the remaining gas supply pipes are connected to a cylinder (not shown) in which the oxidizing gas is stored and an air compressor (not shown).
  • the gas supplied into the heating chamber 10 can be switched, and the atmosphere inside the heating chamber 10 can be changed to a carburizing gas atmosphere, an inert gas atmosphere, an oxidizing gas atmosphere, or each of these. It is possible to switch to a mixed gas atmosphere.
  • the gas inlet 22 does not need to be installed in plurality, and for example, a configuration may be adopted in which each gas of the carburizing gas, the inert gas, and the oxidizing gas is supplied in a mixed state as appropriate from one gas inlet 22. There may be.
  • the exhaust pipe 19 is provided on the side wall of the heating chamber 10 opposite to the side wall on the side of the cooling chamber 40, and the gas inlet 22 is provided on the side wall of the heating chamber 10 on the side opposite to the cooling chamber 40 side. 19 is provided on a different side wall from the side wall on which it is installed.
  • the exhaust pipe 19 and the gas inlet 22 are provided so that the extending direction of the exhaust pipe 19 (in the present embodiment, the X direction) and the extending direction of the gas inlet 22 (in the present embodiment, the Y direction) intersect.
  • the positional relationship between the exhaust pipe 19 and the gas inlet 22 is not particularly limited, it is preferable to arrange them as in this embodiment for the following reasons.
  • the charging port for the workpiece W is provided with the opening 17 and the exhaust pipe 19 of this embodiment. It was necessary to form it on the side wall. That is, in the conventional vacuum carburizing furnace, the mounting position of the exhaust pipe cannot be the same as the mounting position of the exhaust pipe 19 of this embodiment, and the positional relationship between the exhaust pipe 19 and the gas inlet 22 cannot be changed to the mounting position of the exhaust pipe 19 of this embodiment. It was not possible to establish such a positional relationship.
  • the distance between the gas supply position and the exhaust position of the gas supplied into the heating chamber 10 can be made shorter than that of the conventional vacuum carburizing furnace. It is also possible to keep it away. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of a phenomenon in which the gas supplied to the heating chamber 10 is exhausted before being diffused into the heating chamber 10 (so-called short path). Therefore, for example, during vacuum carburizing, the carburizing gas supplied to the heating chamber 10 can be sufficiently diffused in the heating chamber 10 to perform the vacuum carburizing, thereby suppressing carburizing variations. becomes possible.
  • the inert gas is supplied as necessary during the process of vacuum carburizing the workpiece W.
  • the inert gas is supplied in the process of charging the workpiece W into the heating chamber 10, the process of transporting the workpiece W from the heating chamber 10 to the cooling chamber 40, and the carburizing diffusion process.
  • the oxidizing gas is supplied as needed during the process of vacuum carburizing the workpiece W or during periodic maintenance work after the vacuum carburizing process.
  • the oxidizing gas is supplied when performing burnout to burn and remove soot deposited in the heating chamber 10 as a periodic maintenance work.
  • the vacuum carburizing furnace 1 according to the present embodiment has a structure that prevents outside air from entering the heating chamber 10, so burnout can be effectively prevented by supplying oxidizing gas from the gas inlet 22. This makes it possible to do so.
  • a charging port 23 for charging the workpiece W is formed in the bottom 10a of the heating chamber 10. Therefore, when the workpiece W is loaded into the heating chamber 10, the workpiece W is loaded from below the heating chamber 10. As shown in the embodiment described later, when the workpiece W is charged from below into the heating chamber 10, it is possible to suppress the outside air from flowing into the heating chamber 10 when the workpiece W is charged.
  • FIG. 3 is a diagram of the heating chamber 10 viewed from below.
  • the charging port 23 has a size sufficiently large relative to the size of the workpiece W.
  • the size of the charging port 23 for the workpiece W is not too large.
  • the vertical width ratio (a 1 /b 1 ) is preferably 1.80 or less. More preferably, it is 1.70 or less, still more preferably 1.60 or less, or 1.50 or less.
  • the vertical width ratio (a 1 /b 1 ) is preferably 1.01 or more. , more preferably 1.02 or more.
  • the width ratio (a 2 /b 2 ) is the height ratio described above.
  • the width ratio (a 2 /b 2 ) is preferably 1.01 or more, more preferably 1.02 or more. It is.
  • the charging port 23 has a rectangular shape, but the shape of the charging port 23 is not particularly limited as long as the workpiece W can be charged therein, and may be circular or oval, for example. There may be.
  • a scissor lifter 30 is provided below the heating chamber 10 as an elevator for loading the workpiece W into the heating chamber 10 from the loading port 23.
  • a support stand 31 for supporting the workpiece W
  • a heat insulator 32 provided under the support stand 31
  • a lid 33 arranged under the heat insulator 32.
  • the upper end of the scissor lifter 30 is connected to the lower surface of the lid 33, and the lid 33 is configured to move up and down in conjunction with the up and down movement of the scissor lifter 30.
  • the lid body 33 is a member that closes the charging port 23 and also functions as a bottom wall portion of the heating chamber 10, and has a shape that covers the entire charging port 23.
  • the lid 33 is raised by the scissor lifter 30 and comes into close contact with the bottom 10a of the heating chamber 10, thereby closing the charging port 23.
  • an opening/closing detection mechanism for the charging port 23.
  • An example of this opening/closing detection mechanism will be described with reference to FIG. 4.
  • a substantially trapezoidal contact member 34 is provided below the peripheral edge of the lid 33.
  • the contact member 34 is directly or indirectly connected to the lid 33 so as to move up and down in conjunction with the up and down movement of the lid 33.
  • a limit switch 35 is provided on the side of the contact member 34 as a sensor for detecting opening/closing of the charging port 23.
  • the limit switch 35 has a detection section 36 extending in the horizontal direction, and the detection section 36 is rotatable about the Y direction as a rotation axis.
  • the limit switch 35 outputs an ON signal to a control device 100, which will be described later, when the rotation angle of the detection unit 36 from the initial position reaches a predetermined angle.
  • the installation height of the detection unit 36 is such that the limit switch 35 is in the OFF state before the charging port 23 is closed by the lid 33, and the limit switch 35 is turned OFF when the charging port 23 is closed by the lid 33. It is set to a height that turns it on.
  • the detection part 36 is located above the contact member 34 before the charging port 23 is closed by the lid 33, as shown in FIG.
  • the contact member 34 and the detection unit 36 are in a non-contact state.
  • the detection section 36 is in the initial position and the limit switch 35 is in the OFF state.
  • the limit switch 35 by switching the limit switch 35 between the OFF state and the ON state, the open/closed state of the lid body 33 can be automatically detected.
  • the limit switch 35 closes the loading port. It is possible to detect that 23 is opened.
  • a lift signal is output from the control device 100 (to be described later) to the scissor lifter 30, and the lid body 33 is raised until the limit switch 35, which is in the ON state, is turned OFF again. can be done. Thereby, the vacuum carburizing process on the workpiece W can be continued without stopping the operation of the vacuum carburizing furnace 1.
  • the above-mentioned "unspecified timing” means a timing when the charging port 23 should not originally be opened, and the specific timing is for those skilled in the art to appropriately determine in consideration of actual operations. .
  • the non-predetermined timing is a timing other than the time of charging the work.
  • the above-mentioned opening/closing detection mechanism is not limited to a mechanism using the limit switch 35, but a mechanism using a proximity sensor, a photoelectric sensor, a laser sensor, etc. can be applied.
  • the elevator is not limited to the scissor lifter 30, and may be an elevator that uses other mechanisms, such as a mechanism that utilizes the telescoping action of a hydraulic cylinder.
  • a configuration is adopted in which the scissor lifter 30 and the lid body 33 are connected to each other to be integrated, but the scissor lifter 30 and the lid body 33 are always connected It doesn't have to be a configuration. For example, after the lid 33 is raised by the scissor lifter 30 to close the loading port 23, the position of the lid 33 is fixed using another support means for supporting the lid 33, and the scissor lifter 30 is lowered. Any possible configuration may be adopted.
  • the configuration for realizing charging of the workpiece W and closing of the charging port 23 is not limited to a configuration in which the lid body 33 is raised and lowered as long as the workpiece W can be loaded from the charging port 23 and the charging port 23 can be closed. .
  • the cooling chamber 40 In the cooling chamber 40 disposed adjacent to the heating chamber 10, the workpiece W subjected to the vacuum carburizing process is cooled.
  • the cooling chamber 40 shown in FIG. 1 is an oil-cooled cooling chamber, and the cooling chamber 40 includes an oil tank 41 in which oil for quenching is stored.
  • the transport space is provided with an elevator rack 42 that raises and lowers the workpiece W between the transport space and the oil tank 41.
  • a transfer port 43 for transferring the workpiece W to the cooling chamber 40 is formed in the side wall of the cooling chamber 40 on the heating chamber 10 side, and a side wall opposite to the side wall in which the transfer port 43 is formed has a transfer port 43 formed therein.
  • an exit port 44 for transporting the workpiece W from the cooling chamber 40 is formed.
  • a lift-type door 45 that closes the exit port 44 is provided.
  • the cooling method of the cooling chamber 40 is not limited to the oil cooling method, and may be other cooling methods such as a gas cooling method. Moreover, the cooling chamber 40 does not have to be arranged adjacent to the heating chamber 10, and the workpiece W carried out from the heating chamber 10 is charged into the cooling chamber 40 arranged at a distance from the heating chamber 10. You may also do so.
  • the vacuum carburizing furnace 1 described above includes a control device 100.
  • the control device 100 is, for example, a computer equipped with a CPU, a memory, etc., and has a program storage section (not shown).
  • the program storage section stores various programs for controlling a series of processes in the vacuum carburizing furnace 1.
  • the program storage section stores a program for controlling the supply and exhaust of gas in the heating chamber 10, a program for controlling the operation of the scissor lifter 30, and the like.
  • the program may be one that has been recorded on a computer-readable storage medium, and may have been installed in the control device 100 from the storage medium.
  • the vacuum carburizing furnace 1 is configured as described above. Although the description is omitted in this specification, the vacuum carburizing furnace 1 also has configurations required in a general vacuum carburizing furnace, such as a temperature sensor that measures the temperature inside the heating chamber 10. .
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the pressure history and temperature history in the heating chamber 10 from the process of charging the workpiece W into the heating chamber 10 to the process of transporting the workpiece W to the cooling chamber 40.
  • each operation of the vacuum carburizing furnace 1 described below is controlled by the control device 100, so that the vacuum carburizing process of the workpiece W is automatically performed according to the process flow shown in FIG. Note that some operations of the vacuum carburizing furnace 1 described below may be performed manually by an operator.
  • pressure in the following description is absolute pressure.
  • nitrogen gas which is an example of an inert gas
  • the atmosphere is a nitrogen gas atmosphere, which is an example of the atmosphere. That is, the atmosphere in the heating chamber 10 is an atmosphere in which oxidation of the workpiece W is suppressed. It is preferable to create a nitrogen gas atmosphere in the heating chamber 10 with a light gas specific gravity because it is possible to further suppress air inflow into the heating chamber 10.
  • the pressure inside the heating chamber 10 at this time is set to, for example, 1 ⁇ 10 4 to 1.5 ⁇ 10 5 Pa, but preferably the pressure is higher than atmospheric pressure.
  • the pressure inside the heating chamber 10 is higher than the pressure outside the heating chamber 10
  • the pressure difference is preferably 5 ⁇ 10 4 Pa or less.
  • the lid 33 is lowered, thereby opening the charging port 23 provided at the bottom 10a of the heating chamber 10, and the work W transported from outside the furnace by a transport means such as a roller conveyor (not shown) is loaded. It is supported on a support stand 31.
  • the control device 100 outputs a signal instructing the scissor lifter 30 to raise, and the lid 33 is raised.
  • the bottom 10a of the heating chamber 10 and the lid 33 come into close contact with each other, the charging port 23 is closed, and the workpiece W is charged into the heating chamber 10 from the charging port 23. .
  • the pressure inside the heating chamber 10 can be reduced by adjusting the supply amount of nitrogen gas from when the charging port 23 is opened until it is closed again. is preferably maintained at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
  • the temperature in the heating chamber 10 when the work W is charged is not particularly limited, but may be the temperature in the heating chamber 10 when the work W of one lot before is transferred from the heating chamber 10 to the cooling chamber 40.
  • the temperature is preferably between -100°C and +100°C. For example, if the temperature inside the heating chamber 10 is 870° C. when the work W of the previous lot is transferred to the cooling chamber 40, the temperature inside the heating chamber 10 when the work W of the next lot is charged is 870°C. , 770 to 970°C.
  • the inside of the heating chamber 10 is evacuated.
  • the air remaining in the heating chamber 10 is discharged by this evacuation, thereby suppressing oxidation of the workpiece W while the temperature of the heating chamber 10 is rising.
  • the pressure inside the heating chamber 10 is set to 1 ⁇ 10 3 Pa or less by this evacuation. More preferably, it is 5 ⁇ 10 2 Pa or less.
  • the evacuation time is preferably set to 50% or less of the time of the temperature raising step.
  • the inside of the heating chamber 10 in the temperature raising step is maintained at an inert gas atmosphere and a pressure of 1 ⁇ 10 2 Pa or more and less than atmospheric pressure for 50% or more of the time of the temperature raising step.
  • the evacuation time is preferably set to 30% or less of the time of the temperature raising step. Control to maintain such an atmosphere is preferably performed using the control device 100 described above.
  • the time of the temperature raising process is the time from when the charging port 23 is closed in the charging process until the evacuation of the soaking process, which will be described later, is started.
  • the evacuation is stopped and nitrogen gas is supplied into the heating chamber 10. Then, after the pressure inside the heating chamber 10 reaches a predetermined pressure (for example, 3 ⁇ 10 4 Pa), the supply of nitrogen gas is stopped.
  • a predetermined pressure for example, 3 ⁇ 10 4 Pa
  • the pressure within the heating chamber 10 is less than atmospheric pressure. More preferably, it is 1.0 ⁇ 10 5 Pa or less. As a result, the pressure inside the heating chamber 10 becomes lower than the pressure outside the heating chamber 10, and a force that presses the lid 33 against the bottom 10a of the heating chamber 10 acts. As a result, even if an unexpected impact is applied to the heating chamber 10 or the scissor lifter 30, for example, the close contact between the bottom 10a of the heating chamber 10 and the lid 33 can be easily maintained.
  • the weight of heavy objects such as the workpiece W and the lid 33 acts on the scissor lifter 30 as an elevator. That is, a load is applied to the scissor lifter 30 in the direction of releasing the close contact between the bottom 10a of the heating chamber 10 and the lid 33. Therefore, pressing the lid 33 against the bottom 10a of the heating chamber 10 by the above-described control is useful from the viewpoint of maintaining the degree of airtightness within the heating chamber 10.
  • the pressure difference is preferably less than 1.0 ⁇ 10 5 Pa. More preferably, it is 1.0 ⁇ 10 4 Pa to 9.5 ⁇ 10 4 Pa.
  • the heater 12 and stirring fan 13 are operated to raise the temperature inside the heating chamber 10 to a predetermined carburizing temperature (930° C.).
  • a predetermined carburizing temperature 930° C.
  • the carburizing temperature is appropriately set depending on the steel type of the workpiece W and the structure in the furnace, and in the case of vacuum carburizing treatment, it is set at, for example, 730 to 1200°C.
  • the soaking step may be omitted.
  • evacuation is started during the temperature raising process described above.
  • the above-mentioned "temperature raising step time” is the time from when the charging port 23 is closed in the charging step until the supply of carburizing gas, which will be described later, is started.
  • a carburizing gas for example, acetylene gas
  • acetylene gas for example, acetylene gas
  • the pressure in the heating chamber 10 is maintained at 1 ⁇ 10 5 Pa or less, and vacuum carburization of the workpiece W is started in this state.
  • the supply of carburizing gas is stopped, and the workpiece W is subjected to a diffusion process.
  • the pressure inside the heating chamber 10 is lower than atmospheric pressure, the pressure inside the heating chamber 10 becomes lower than the pressure outside the heating chamber 10, and the lid body 33 is heated. A pressing force acts against the bottom 10a of the chamber 10. Note that when the pressure inside the heating chamber 10 is lower than the pressure outside the heating chamber 10, the pressure difference is preferably 5 ⁇ 10 4 Pa or less.
  • the pressure within the heating chamber 10 is maintained below atmospheric pressure.
  • the pressure inside the heating chamber 10 becomes lower than the pressure outside the heating chamber 10, and a force that presses the lid 33 against the bottom 10a of the heating chamber 10 acts.
  • the pressure difference is preferably 5 ⁇ 10 4 Pa or less.
  • the vacuum carburizing treatment of one lot of workpieces W is completed. Then, when the next lot of workpieces W is loaded into the heating chamber 10, the above-described loading process is performed again. That is, nitrogen gas is supplied into the heating chamber 10, and the charging port 23 is opened in a state where the pressure inside the heating chamber 10 becomes equal to or higher than atmospheric pressure. As a result, when there is no pressure difference between the inside and outside of the heating chamber 10, or when the pressure inside the heating chamber 10 becomes higher than the pressure outside the heating chamber 10, and when the charging port 23 is opened, outside air flows into the heating chamber 10. becomes difficult to flow into.
  • the lid 33 is lowered to the initial position, and the next workpiece W to be carburized is placed on the support stand 31. Thereafter, a vacuum carburizing process is performed on the workpiece W according to the process flow shown in FIG. By repeating such a process, the vacuum carburizing process is sequentially performed on subsequent works W as well.
  • the vacuum carburizing method using the vacuum carburizing furnace 1 according to the present embodiment has been described above.
  • the vacuum carburizing furnace 1 when charging the workpiece W into the heating chamber 10, the workpiece W is charged from the bottom 10a of the heating chamber 10. This makes it possible to suppress the inflow of outside air into the heating chamber 10 when the workpiece W is charged, as shown in the embodiment described later.
  • the structure in the heating chamber 10 is less likely to be oxidized, so materials other than oxidation-resistant materials can be used as the material for the structure.
  • materials other than oxidation-resistant materials can be used as the material for the structure.
  • carbon composite materials have been avoided as a material for the stirring fan 13 due to concerns about oxidation resistance, but according to the vacuum carburizing furnace 1 according to the present embodiment, the inside of the heating chamber 10 Since oxidation of the structure is suppressed, carbon composite materials can be used. This makes it possible to reduce the weight of the stirring fan 13.
  • the model of the comparative example shown in FIG. 7 has a workpiece charging port formed on the side of the heating chamber, and the model of the example has a workpiece charging port formed at the bottom of the heating chamber.
  • the analysis conditions for the simulation are as follows. In this simulation, we distinguished the air inside the heating chamber and the air outside the heating chamber in the initial state, and focused on changes in the air concentration of each over time.
  • ⁇ Analysis type Fluid concentration analysis in unsteady flow
  • ⁇ Analysis time 30 seconds
  • Boundary conditions Boundary between heating chamber and fluid: Stationary wall Boundary between area outside the heating chamber and area outside analysis range: Stationary wall
  • Heat transfer Fluid and Fluid with heat transfer Fluid and solid: insulation Fluid and area outside the analysis range: insulation
  • Atmosphere in heating chamber Air at 930°C
  • Atmosphere outside heating room Air at 25°C
  • Heating chamber material Carbon steel for mechanical structure
  • FIG. 8 is a diagram showing the simulation results. As shown in Figure 8, in the comparative example model in which the charging port is provided on the side of the heating chamber, outside air flows into the heating chamber immediately after the start of the simulation, and 5 seconds after the start of the simulation, the atmosphere inside the heating chamber changes. Most of the air was replaced with fresh air.
  • FIG. 8 only shows the results for 5 seconds after the start of the simulation, even in the results 30 seconds after the simulation was completed, no inflow of outside air into the heating chamber was confirmed in the model of the example. .
  • a vacuum carburizing furnace with a structure in which the workpiece is charged from the bottom of the heating chamber has a structure in which the workpiece is charged from the side of the heating chamber, and a vacuum carburizing furnace with a structure in which the workpiece is charged from the side of the heating chamber. It can be seen that it has a remarkable effect in terms of suppression.
  • the present invention can be applied to a vacuum carburizing furnace that carburizes a workpiece.
  • Vacuum carburizing furnace Heating chamber 10a Bottom of heating chamber 11 Heat insulating material 12 Heater 13 Stirring fan 14 Transfer port 15 Door 16 Pusher 17 Opening 18 Housing 19 Exhaust pipe 20 Vacuum pump 21 Pressure gauge 22 Gas inlet 23 Charging port 30 Scissor lifter 31 Support stand 32 Heat insulating material 33 Lid body 34 Contact member 35 Limit switch 36 Detection unit 40 Cooling chamber 41 Oil tank 42 Elevator rack 43 Transport port 44 Export port 45 Door 100 Control device

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Abstract

炉外から装入されるワークの真空浸炭処理が行われる加熱室と、加熱室の底部に設けられたワークの装入口と、を備える、真空浸炭炉。

Description

真空浸炭炉および真空浸炭処理方法
　本発明は、真空浸炭炉および真空浸炭処理方法に関する。
　各種鋼材料からなる自動車部品や機械部品等のワークの表面を硬化させるための熱処理として、従前より浸炭処理が行われている。近年においては、浸炭処理におけるＣＯ２排出削減の観点から、減圧下において、直接、浸炭性ガスを添加し、添加した浸炭性ガスの分解により生じた炭素を、ワーク表面に含侵させる真空浸炭処理技術が普及している。従来、そのような真空浸炭処理を行う真空浸炭炉として、特許文献１には、中間真空扉で区画された加熱室と冷却室との２室を備えるとともに、加熱室の前部にワーク装入用の装入扉が設けられ、冷却室の後部にワーク搬出用の搬出扉が設けられた真空浸炭炉が開示されている。
日本国特許出願公開Ｓ６３－２６２４５５
　特許文献１に記載の真空浸炭炉においては、加熱室にワークを装入する際に、予め加熱室内を大気圧状態、かつ、所定の温度に加熱しておき、その状態の加熱室の前部から水平方向にワークを装入している。
　しかしながら、本発明者らによって行われたシミュレーションの結果によれば、加熱室に対して水平方向にワークを装入する構造の真空浸炭炉では、ワーク装入用の装入扉を開放した際に、加熱室内に短時間で外気が流入することが判明した。
　加熱室内は、通常、８００～９００℃の高温状態にあるため、ワーク装入時に加熱室内に外気が流入した場合には、加熱室内の構造物の酸化が生じ易い。このため、加熱室内の構造物の材料には、耐酸化性材料を適用する必要がある。
　また、ワークが装入されて装入扉を閉じた後の加熱室内に空気が残存していると、ワーク表面の酸化が生じ易いため、加熱室内の温度を浸炭温度まで昇温させる前に真空排気を行うことが好ましい。
　しかしながら、ワーク装入時の加熱室内への外気の流入量が多いほど、加熱室内の酸素量も多くなり、ワークが酸化し難い雰囲気となるまで加熱室内の酸素分圧を低下させるには時間がかかる。すなわち、加熱室内への外気の流入量が多いほど、真空排気時間が長くなり、浸炭処理の開始までに時間を要する。
　以上のように、加熱室に対して水平方向にワークを装入する構造の真空浸炭炉では、ワーク装入時に加熱室内に空気が流入するために、加熱室内の構造物に適用可能な材料が制限されると共に、浸炭処理を開始するまでの時間が増加する。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、真空浸炭炉において、ワーク装入時における加熱室内への外気の流入を抑制することを目的とする。
　上記課題を解決する本発明の一態様は、真空浸炭炉であって、炉外から装入されるワークの真空浸炭処理が行われる加熱室と、前記加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口と、を有することを特徴としている。
　別の観点による本発明の一態様は、真空浸炭処理方法であって、ワークの浸炭処理が行われる加熱室内に不活性ガスを供給し、該加熱室の圧力を大気圧以上の圧力とした後に、該加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口を開放し、前記装入口から前記ワークを装入し、前記加熱室内の温度を、真空浸炭処理を行う温度まで昇温させ、真空排気された前記加熱室に浸炭性ガスを供給して前記ワークの真空浸炭処理を行うことを特徴としている。
　本発明によれば、真空浸炭炉において、ワーク装入時における加熱室内への外気の流入を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る真空浸炭炉の概略構成を示す説明図である。 加熱室を説明するための斜視図である。 加熱室を下から見た、装入口の大きさを説明するための説明図である。 装入口の開閉検知機構を説明するための説明図である。 加熱室へのワークの装入工程から冷却室へのワークの搬送工程までの加熱室内の圧力履歴および温度履歴を示す説明図である。 加熱室へのワークの装入工程と、冷却室へのワークの搬送工程を説明するための説明図である。 シミュレーションの解析モデルを示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　図１は、本実施形態に係る真空浸炭炉の概略構成を示す説明図である。図２は、加熱室を説明するための斜視図である。本実施形態においては、図面に示されるＸ方向が真空浸炭炉１の幅方向、Ｙ方向が真空浸炭炉１の奥行方向、Ｚ方向が真空浸炭炉１の高さ方向である。
＜真空浸炭炉＞
　真空浸炭炉１は、炉外から装入される各種鋼材料からなる自動車部品や機械部品等のワークＷの真空浸炭処理が行われる加熱室１０と、加熱室１０に隣接して配置された冷却室４０を備えている。
（加熱室）
　加熱室１０は、軸方向がＸ方向を向いた略円筒状の容器であり、この加熱室１０の内面には、断熱材１１が設けられている。加熱室１０の内部には、天井部からＺ方向下方に延びたヒータ１２が複数設置され、各ヒータ１２は、Ｘ方向に間隔をおいて配置されている。ヒータ１２は、ＳｉＣヒータなどのセラミックヒータや電気バーナー、ガスバーナー等の公知の加熱装置を適用できるが、高温時の酸化によるヒータ劣化を抑制する観点からは、セラミックヒータを用いることが好ましい。加熱室１０の天井部中央には、加熱室１０内の雰囲気を攪拌する攪拌ファン１３が取り付けられている。
　加熱室１０の冷却室４０側の側壁には、加熱室１０から冷却室４０にワークＷを搬送するための搬送口１４が形成されている。また、加熱室１０と冷却室４０との間には、昇降式の扉１５が設けられており、搬送口１４は、その扉１５によって開放または閉塞される。
　上記の搬送口１４が形成された加熱室１０の側壁とは反対側の側壁には、ワークＷを加熱室１０から冷却室４０に押し出すプッシャー１６が設けられている。プッシャー１６は、例えばリニアガイドなどの直線移動機構（図示せず）を有し、Ｘ方向に移動自在に構成されている。
　図２に示すように、加熱室１０の側壁には、プッシャー１６用の開口部１７が形成されており、プッシャー１６でワークＷを押し出す際には、その開口部１７をプッシャー１６が通過する。
　図１に示すように、プッシャー１６の周囲は、ハウジング１８で囲まれている。このハウジング１８は、図２に示す開口部１７（図２ではハウジング１８は図示せず）を覆うようにして加熱室１０の側壁に固定されている。ハウジング１８は、ワークＷの真空浸炭処理の際に、加熱室１０内に外気が流入しないように密閉された構造となっている。
　ハウジング１８の上方には、加熱室１０内の雰囲気を排気する排気管１９が設けられている。排気管１９は、真空ポンプ２０に接続されている。また、排気管１９には、圧力計２１が取り付けられており、この圧力計２１によって加熱室１０内の圧力が測定される。なお、加熱室１０内の圧力測定が可能であれば、圧力計２１の設置位置は特に限定されない。また、二酸化炭素排出抑制の観点から、排気管１９に二酸化炭素回収装置（図示せず）を取り付けてもよい。
　図２に示すように、加熱室１０の円筒部の外周面には、ガス供給口としてのガスインレット２２が設けられている。このガスインレット２２は、浸炭性ガス（例えばアセチレンガス、エチレンガス、プロパンガス、ブタンガスやこれらのガスが混合されたガス）や不活性ガス（例えば窒素ガス、アルゴンガス）、酸化性ガス（例えば空気、酸素、二酸化炭素）などのガスを加熱室１０内に供給する。
　ガスインレット２２は、Ｘ方向およびＹ方向に沿って複数設けられており、各々のガスインレット２２は、互いに間隔をおいて配置されている。なお、図２では加熱室１０に隠れて図示されていないが、加熱室１０の円筒部の外周面においては、図２に示されたガスインレット２２と対向する位置にも、同様のガスインレットが設けられている。すなわち、加熱室１０においては、一対のガスインレット２２が当該加熱室１０を挟むようにして設けられており、加熱室１０に供給されるガスは、加熱室１０の側方の２方向から供給される。
　各々のガスインレット２２には、それぞれガス供給管（図示せず）が接続されている。それらの複数のガス供給管のうち、例えば一部のガス供給管は、浸炭性ガスが貯蔵されたボンベ（図示せず）に接続され、他の一部のガス供給管は、不活性ガスが貯蔵されたボンベ（図示せず）に接続され、残りのガス供給管は、酸化性ガスが貯蔵されたボンベ（図示せず）やエアーコンプレッサー（図示せず）に接続されている。このようなガス供給系によれば、加熱室１０内に供給するガスを切り替えることができ、加熱室１０内の雰囲気を、浸炭性ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気、酸化性ガス雰囲気、またはそれら各ガスの混合雰囲気に切り替えることができる。
　なお、ガスインレット２２は、複数設置されてなくてもよく、例えば１つのガスインレット２２から、浸炭性ガス、不活性ガスおよび酸化性ガスの各ガスが適宜混合された状態で供給される構成であってもよい。
　排気管１９とガスインレット２２の位置関係に関し、本実施形態においては、排気管１９が、加熱室１０における冷却室４０側の側壁とは反対側の側壁に設けられ、ガスインレット２２は、排気管１９が設置された側壁とは異なる側壁に設けられている。換言すると、排気管１９とガスインレット２２は、排気管１９の延伸方向（本実施形態ではＸ方向）とガスインレット２２の延伸方向（本実施形態ではＹ方向）が交差するように設けられている。排気管１９とガスインレット２２の位置関係は特に限定されないが、以下の理由によって、本実施形態のような配置とすることが好ましい。
　従前の真空浸炭炉のように、加熱室に対して水平方向にワークＷを装入する構造の炉においては、ワークＷの装入口を、本実施形態の開口部１７や排気管１９が設けられた側壁に形成する必要があった。すなわち、従前の真空浸炭炉においては、排気管の取付位置を、本実施形態の排気管１９の取付位置にすることができず、排気管１９とガスインレット２２の位置関係を、本実施形態のような位置関係とすることはできなかった。
　これに対して、本実施形態のような排気管１９とガスインレット２２の位置関係によれば、加熱室１０内に供給されるガスの供給位置と排気位置との距離を従前の真空浸炭炉よりも遠ざけることが可能となる。これにより、加熱室１０に供給されたガスが、加熱室１０内に拡散する前に排気される現象（いわゆるショートパス）の発生を抑制することができる。このため、例えば真空浸炭処理の際には、加熱室１０に供給された浸炭性ガスが、加熱室１０内に十分に拡散した状態で真空浸炭処理を行うことができ、浸炭ばらつきを抑制することが可能となる。
　ガスインレット２２から供給される各ガスのうち、不活性ガスは、ワークＷに対する真空浸炭処理を行う過程で必要に応じて供給される。例えば不活性ガスは、加熱室１０へのワークＷの装入工程や、加熱室１０から冷却室４０へのワークＷの搬送工程、浸炭拡散工程において供給される。
　一方、酸化性ガスは、ワークＷに対する真空浸炭処理を行う過程や、真空浸炭処理後の定期的なメンテナンス作業の際に必要に応じて供給される。例えば酸化性ガスは、定期的なメンテナンス作業として、加熱室１０内に堆積する煤を燃焼させて除去するバーンアウトを行う際に供給される。後述するように、本実施形態に係る真空浸炭炉１は、加熱室１０への外気の流入が発生し難い構造であるため、ガスインレット２２から酸化性ガスを供給することによって、バーンアウトを効果的に行うことが可能となる。
　図１に示すように、加熱室１０の底部１０ａには、ワークＷを装入するための装入口２３が形成されている。このため、加熱室１０にワークＷが装入される際には、加熱室１０の下方からワークＷが装入される。後述の実施例で示すように、加熱室１０の下方からワークＷを装入する場合には、ワークＷの装入時における加熱室１０への外気の流入を抑制することができる。
　図３は、加熱室１０を下から見た図である。この図３に示されるように、装入口２３は、ワークＷのサイズに対して十分に大きなサイズを有している。一方、ワークＷの装入時における加熱室１０内への外気の流入を抑える観点では、ワークＷに対する装入口２３のサイズは過大でないことが好ましい。
　具体的には、装入口２３の縦幅（Ｙ方向長さ）をａ1、ワークＷの縦幅（Ｙ方向長さ）をｂ1としたとき、縦幅比（ａ1／ｂ1）は、１．８０以下であることが好ましい。より好ましくは、１．７０以下であり、さらに好ましくは、１．６０以下または１．５０以下である。一方、装入口２３と、ワークＷを昇降させるための周辺部品との干渉をより確実に回避するためには、縦幅比（ａ1／ｂ1）は、１．０１以上であることが好ましく、より好ましくは、１．０２以上である。
　また、装入口２３の横幅（Ｘ方向長さ）をａ2、ワークＷの横幅（Ｘ方向長さ）をｂ2としたときの横幅比（ａ2／ｂ2）は、上述した縦幅比の好ましい上限値を規定する理由と同様の理由によって、１．８０以下であることが好ましい。より好ましくは、１．７０以下であり、さらに好ましくは、１．６０以下または１．５０以下である。また、上述した縦幅比の好ましい下限値を規定する理由と同様の理由によって、横幅比（ａ2／ｂ2）は、１．０１以上であることが好ましく、より好ましくは、１．０２以上である。
　なお、図３に示す例では、装入口２３は、矩形状であるが、装入口２３の形状は、ワークＷを装入可能な形状であれば特に限定されず、例えば円形や楕円形などであってもよい。
（昇降機）
　図１に示すように、加熱室１０の下方には、装入口２３から加熱室１０内にワークＷを装入するための昇降機としてのシザーリフター３０が設けられている。シザーリフター３０の上方には、ワークＷを支持する支持台３１と、支持台３１の下に設けられた断熱材３２と、断熱材３２の下に配置された蓋体３３が設けられている。シザーリフター３０の上端部は、蓋体３３の下面と接続されていて、蓋体３３は、シザーリフター３０の昇降動作に連動して昇降するように構成されている。
　蓋体３３は、装入口２３を閉塞し、加熱室１０の底壁部としても機能する部材であり、装入口２３全体を覆う形状を有している。蓋体３３は、シザーリフター３０によって上昇し、加熱室１０の底部１０ａに密接することによって、装入口２３が閉塞される。
　真空浸炭炉１においては、装入口２３の開閉検知機構を設けることが好ましい。この開閉検知機構の一例について図４を参照して説明する。
　図４（Ａ）に示す例では、蓋体３３の周縁部の下方に略台形状の接触部材３４が設けられている。この接触部材３４は、蓋体３３の昇降動作に連動して昇降するように蓋体３３に直接または間接的に接続されている。
　接触部材３４の側方には、装入口２３の開閉検知センサとしてのリミットスイッチ３５が設けられている。リミットスイッチ３５は、水平方向に延びた検知部３６を有し、検知部３６は、Ｙ方向を回転軸として回転可能である。リミットスイッチ３５は、検知部３６の初期位置からの回転角度が所定の角度に達した際に、後述の制御装置１００に向けてＯＮ信号を出力する。
　検知部３６の設置高さは、蓋体３３で装入口２３が閉塞される前の段階でリミットスイッチ３５がＯＦＦ状態となり、かつ、蓋体３３で装入口２３が閉塞された時にリミットスイッチ３５がＯＮ状態となる高さに設定される。
　このようにリミットスイッチ３５が設置されている場合、図４（Ａ）に示すように、蓋体３３で装入口２３が閉塞される前においては、接触部材３４の上方に検知部３６が位置しており、接触部材３４と検知部３６が非接触状態にある。この段階では、検知部３６が初期位置にあり、リミットスイッチ３５はＯＦＦ状態である。
　一方、図４（Ｂ）に示すように、蓋体３３で装入口２３が閉塞された際には、接触部材３４が検知部３６に接触し、検知部３６の初期位置からの回転角度が所定の角度に達した状態となる。これにより、リミットスイッチ３５がＯＮ状態となり、制御装置１００においては、装入口２３が閉塞したと判断される。
　すなわち、リミットスイッチ３５のＯＦＦ状態とＯＮ状態が切り替わることによって、蓋体３３の開閉状態を自動的に検知することができる。このような開閉検知機構によれば、ワークＷの装入後において、例えばワークＷや蓋体３３等の自重によって、蓋体３３が所定外のタイミングで下降した場合に、リミットスイッチ３５によって装入口２３が開放されたことを検知することができる。
　そして、装入口２３の開放が検知された場合には、後述の制御装置１００からシザーリフター３０に上昇信号が出力され、ＯＮ状態にあるリミットスイッチ３５が再度ＯＦＦ状態となるまで蓋体３３を上昇させることができる。これにより、真空浸炭炉１の運転を停止せずに、ワークＷに対する真空浸炭処理を継続することができる。
　なお、上述の「所定外のタイミング」とは、装入口２３が本来開放されるべきでないタイミングを意味し、具体的なタイミングは、当業者が実際の操業を考慮して適宜決定することである。例えば、装入口２３の開放予定のタイミングが、加熱室１０へのワーク装入時に設定されている場合には、所定外のタイミングは、そのワーク装入時以外のタイミングである。
　また、上述の開閉検知機構は、リミットスイッチ３５を用いた機構に限定されず、近接センサや光電センサ、レーザーセンサ等を用いた機構を適用することができる。
　以上、蓋体３３を昇降させる昇降機について説明したが、昇降機は、シザーリフター３０に限定されず、例えば油圧シリンダの伸縮動作を利用した機構などの他の機構を用いた昇降機であってもよい。
　また、本実施形態における真空浸炭炉１では、シザーリフター３０と蓋体３３とを互いに接続することで一体化させる構成が採用されているが、シザーリフター３０と蓋体３３は、常時接続された構成でなくてもよい。例えば、シザーリフター３０で蓋体３３を上昇させて装入口２３を閉塞した後、蓋体３３を支持する他の支持手段で蓋体３３の位置を固定し、シザーリフター３０については下降させることが可能な構成が採用されてもよい。
　また、ワークＷの装入と装入口２３の閉塞を実現する構成は、装入口２３からワークＷを装入し、装入口２３を閉塞することができれば、蓋体３３を昇降させる構成に限定されない。
（冷却室）
　加熱室１０に隣接して配置される冷却室４０では、真空浸炭処理されたワークＷの冷却が行われる。図１に示す冷却室４０は、油冷式の冷却室であり、冷却室４０は、焼入れ用の油が貯留する油槽４１を備えている。
　この油槽４１の上方には、ワークＷの搬送空間がある。搬送空間には、ワークＷを当該搬送空間と油槽４１との間で昇降させるエレベータラック４２が設けられている。冷却室４０の加熱室１０側の側壁には、冷却室４０にワークＷを搬送するための搬送口４３が形成されており、その搬送口４３が形成された側壁とは反対側の側壁には、冷却室４０からワークＷを搬出するための搬出口４４が形成されている。また、搬出口４４が形成された側壁の外側には、搬出口４４を閉塞する昇降式の扉４５が設けられている。
　なお、冷却室４０の冷却方式は、油冷式に限定されず、ガス冷式などの他の冷却方式であってもよい。また、冷却室４０は、加熱室１０に隣接して配置されなくてもよく、加熱室１０から搬出したワークＷを、加熱室１０に対して間隔をおいて配置された冷却室４０に装入するようにしてもよい。
（制御装置）
　上記の真空浸炭炉１は、制御装置１００を備えている。制御装置１００は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、真空浸炭炉１における一連の処理を制御する各種のプログラムが格納されている。例えばプログラム格納部には、加熱室１０内のガスの供給と排気を制御するプログラムや、シザーリフター３０の動作を制御するプログラム等が格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御装置１００にインストールされたものであってもよい。
　本実施形態に係る真空浸炭炉１は、以上のように構成されている。なお、本明細書では説明を省略しているが、真空浸炭炉１は、加熱室１０内の温度を測定する温度センサなどの一般的な真空浸炭炉で必要とされる構成も有している。
＜真空浸炭処理方法＞
　次に、この真空浸炭炉１におけるワークＷの真空浸炭処理の一例について説明する。
　図５は、加熱室１０へのワークＷの装入工程から冷却室４０へのワークＷの搬送工程までの加熱室１０内の圧力履歴および温度履歴を示す説明図である。本実施形態では、以下に説明する真空浸炭炉１の各動作が制御装置１００で制御されることによって、ワークＷの真空浸炭処理が図５に示す処理フローに沿って自動的に実行される。なお、以下で説明する真空浸炭炉１の一部の動作については、オペレータによる手動操作によって実行されてもよい。また、以下の説明における「圧力」は絶対圧である。
（装入工程）
　まず、装入口２３が開放される前の段階では、ガスインレット２２から加熱室１０内に不活性ガスの一例である窒素ガスが供給されることによって、加熱室１０内の雰囲気は、不活性ガス雰囲気の一例である窒素ガス雰囲気となっている。すなわち、加熱室１０内の雰囲気は、ワークＷの酸化が抑制される雰囲気である。加熱室１０内をガス比重が軽い窒素ガス雰囲気とすることで、加熱室内１０への空気流入をより抑制することができるため好ましい。
　このときの加熱室１０内の圧力は、例えば１×１０4～１．５×１０5Ｐａに設定されるが、大気圧以上の圧力であることが好ましい。これにより、加熱室１０の内外の圧力差が存在しないか、または加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも高い状態となり、装入口２３が開放された際に、加熱室１０内に外気が流入し難くなる。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より高くする場合、その圧力差は、５×１０4Ｐａ以下であることが好ましい。
　次に、蓋体３３が下降し、これによって加熱室１０の底部１０ａに設けられた装入口２３が開放され、ローラーコンベア（図示せず）などの搬送手段によって炉外から搬送されたワークＷが支持台３１の上に支持される。続いて、制御装置１００からシザーリフター３０に対して上昇を指示する信号が出力され、蓋体３３が上昇する。これにより、図６（Ａ）に示すように、加熱室１０の底部１０ａと蓋体３３が密接し、装入口２３が閉塞され、装入口２３からワークＷが加熱室１０内に装入される。
　なお、加熱室１０内への外気の流入を抑制する観点では、装入口２３が開放されてから再度閉塞されるまでの間、窒素ガスの供給量を調節することによって、加熱室１０内の圧力が、大気圧以上の圧力で維持されることが好ましい。
　また、ワークＷの装入時における加熱室１０内の温度は、特に限定されないが、１ロット前のワークＷが加熱室１０から冷却室４０に搬送された時の加熱室１０内の温度、に対して－１００℃～＋１００℃の温度であることが好ましい。例えば、１ロット前のワークＷが冷却室４０に搬送された時の加熱室１０内の温度が８７０℃である場合には、次ロットのワークＷの装入時における加熱室１０内の温度は、７７０～９７０℃であることが好ましい。
　このような温度管理を行うことによって、加熱室１０内における過度の降温を抑えることができ、次ロットのワークＷが装入されてから、浸炭温度に昇温させるまでの時間を短縮することができる。
（昇温工程）
　加熱室１０にワークＷが装入された後、加熱室１０内の真空排気が行われる。この真空排気によって加熱室１０内に残存する空気が排出されることで、加熱室１０の昇温中におけるワークＷの酸化が抑制される。なお、この真空排気により加熱室１０内の圧力を１×１０3Ｐａ以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、５×１０2Ｐａ以下である。
　真空排気時間は、図５に示すように、昇温工程の時間の５０％以下に設定されることが好ましい。換言すると、昇温工程における加熱室１０内は、昇温工程の時間の５０％以上の時間、不活性ガス雰囲気、かつ、１×１０2Ｐａ以上、大気圧未満の圧力となるように維持されることが好ましい。なお、真空排気時間は、昇温工程の時間の３０％以下に設定されることが好ましい。このような雰囲気を維持する制御は、上述の制御装置１００を用いて実行されることが好ましい。昇温工程の時間とは、装入工程において装入口２３が閉塞されてから、後述する均熱工程の真空排気が開始されるまでの時間である。
　なお、上述の真空排気は、ワークＷの鋼種が酸化し難い鋼種である場合や、要求される浸炭品質の水準等に応じて省略されてもよい。
　上述の真空排気によって加熱室１０内が真空雰囲気となった後に、真空排気が停止し、加熱室１０内に窒素ガスが供給される。そして、加熱室１０内の圧力が所定の圧力（例えば３×１０4Ｐａ）に達した後に、窒素ガスの供給が停止する。
　昇温工程においては、加熱室１０内の圧力が大気圧未満であることが好ましい。より好ましくは、１.０×１０5Ｐａ以下である。これにより、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも低くなり、蓋体３３が加熱室１０の底部１０ａに押し付けられる力が作用する。その結果、例えば加熱室１０またはシザーリフター３０に予期せぬ衝撃が加わった場合などにおいても、加熱室１０の底部１０ａと蓋体３３の密接状態が維持され易くなる。
　特に、加熱室１０の下方からワークＷを装入する構造の真空浸炭炉１においては、昇降機としてのシザーリフター３０に対し、ワークＷや蓋体３３といった重量物の自重が作用する。すなわち、シザーリフター３０には、加熱室１０の底部１０ａと蓋体３３の密接状態が解除される方向の荷重がかかる。したがって、上述した制御により、蓋体３３を加熱室１０の底部１０ａに押し付けることは、加熱室１０内の密閉度を維持する観点において有用である。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より低くする場合、その圧力差は、１．０×１０5Ｐａ未満であることが好ましい。さらに好ましくは、１．０×１０4Ｐａ～９．５×１０4Ｐａである。
　また、上記の窒素ガスの供給と共に、ヒータ１２と攪拌ファン１３を作動させ、加熱室１０内の温度を所定の浸炭温度（９３０℃）まで昇温させる。この昇温工程においては、加熱室１０内が真空雰囲気ではなく、窒素ガス雰囲気であるために、加熱室１０内の温度が上昇し易くなり、昇温時間を短縮することができる。なお、浸炭温度は、ワークＷの鋼種や炉内の構造物によって適宜設定されるものであり、真空浸炭処理の場合には、例えば７３０～１２００℃に設定される。
（均熱工程）
　加熱室１０内の温度が所定の浸炭温度に達した後に、再度真空排気を行う。この真空排気により、ワークＷの浸炭処理が開始される前に、ワークＷの均熱が行われる。なお、この真空排気により加熱室１０内の圧力を１×１０3Ｐａ以下にすることが好ましい。さらに好ましくは、５×１０2Ｐａ以下である。
　なお、均熱工程は省略されてもよい。均熱工程が省略される場合、前述の昇温工程の途中から真空排気が開始される。その場合における前述の「昇温工程の時間」とは、装入工程において装入口２３が閉塞されてから、後述する浸炭性ガスの供給が開始されるまでの時間である。
　一方、均熱工程が省略されて、昇温工程の途中から真空排気が開始された場合、加熱室１０内が真空雰囲気となった後は対流熱伝達が生じない。そのような対流熱伝達が生じない環境下では、昇温工程におけるワークＷの温度ばらつきが生じ易くなる。このため、ワークＷの温度ばらつきを抑制し、浸炭品質を高めるためには、不活性ガス雰囲気下でワークＷを十分に加熱した後に、均熱工程を行うことが好ましい。
（浸炭拡散工程）
　加熱室１０内が真空雰囲気となった後に、真空排気を継続しながら、浸炭温度に達した加熱室１０内に浸炭性ガス（例えばアセチレンガス）を供給する。このとき、加熱室１０内の圧力は１×１０5Ｐａ以下となるように維持され、この状態でワークＷの真空浸炭が開始される。そして、その状態を一定時間維持した後、浸炭性ガスの供給を停止し、ワークＷの拡散処理を行う。
（降温・二次均熱工程）
　拡散処理が完了した後、真空排気を停止し、攪拌ファン１３により加熱室１０雰囲気を攪拌しながら、加熱室１０に窒素ガスを供給する。そして、加熱室１０内の圧力が所定の圧力（例えば５×１０4Ｐａ）に達した後に窒素ガスの供給を停止する。その状態を一定時間維持し、ワークＷの降温と二次均熱処理を行う。加熱室１０内の圧力は、１×１０3Ｐａを超え、大気圧未満の圧力となるように維持されることが好ましい。加熱室１０内の圧力を１×１０3Ｐａ超、大気圧未満の圧力とすることで、攪拌ファン１３による対流熱伝達によりワークＷの温度ばらつきを抑制することができる。
　また、降温・二次均熱工程において、加熱室１０内の圧力が大気圧未満である場合には、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも低くなり、蓋体３３が加熱室１０の底部１０ａに押し付けられる力が作用する。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より低くする場合、その圧力差は、５×１０4Ｐａ以下であることが好ましい。
（搬送工程）
　ワークＷの降温と二次均熱処理が完了した後、図６（Ｂ）に示すように、加熱室１０の側壁に設置された扉１５を開き、加熱室１０から冷却室４０にワークＷを搬送する。その後、扉１５を閉じる。冷却室４０に搬送されたワークＷは、油槽４１内で焼入れされた後に冷却室４０から搬出される。
　なお、冷却室４０にワークＷが搬送された後に、加熱室１０内に次ロットのワークＷが装入されない状態が続くと、加熱室１０内の圧力が上昇し、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力より大きくなる。これによって、蓋体３３には下向きの力が作用するため、蓋体３３を下降させないためには、シザーリフター３０の稼働が必要となる。
　このため、冷却室４０にワークＷが搬送された後は、加熱室１０内の圧力が大気圧未満で維持されることが好ましい。これにより、加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも低くなり、蓋体３３が加熱室１０の底部１０ａに押し付けられる力が作用する。
　この結果、蓋体３３の下降を防ぐことを目的としたシザーリフター３０の稼働が不要となり、シザーリフター３０のモータの負荷を軽減することができる。なお、加熱室１０内の圧力を加熱室１０外の圧力より低くする場合、その圧力差は、５×１０4Ｐａ以下であることが好ましい。
　以上の工程により、１ロット分のワークＷの真空浸炭処理が完了する。そして、次ロットのワークＷが加熱室１０に装入される際には、前述した装入工程が再度実施される。すなわち、加熱室１０内に窒素ガスが供給され、加熱室１０内の圧力が大気圧以上の圧力となった状態で、装入口２３が開放される。これにより、加熱室１０の内外の圧力差が存在しないか、または加熱室１０内の圧力が加熱室１０外の圧力よりも高くなり、装入口２３が開放された際に、加熱室１０に外気が流入し難くなる。
　装入口２３が開放された後は、蓋体３３が初期位置まで下降し、支持台３１の上に次の浸炭処理対象のワークＷが載せられる。その後、図５に示す処理フローに沿って、ワークＷに対する真空浸炭処理が行われる。このような処理が繰り返し行われることによって、後続のワークＷに対しても順々に真空浸炭処理が行われる。
　以上、本実施形態に係る真空浸炭炉１による真空浸炭処理方法について説明した。真空浸炭炉１によれば、加熱室１０にワークＷを装入する際に、加熱室１０の底部１０ａからワークＷが装入される。これにより、後述の実施例で示すように、ワークＷの装入時における加熱室１０への外気の流入を抑制することが可能となる。
　その結果、加熱室１０内の構造物の酸化が生じ難くなるため、構造物の材料として耐酸化性材料以外の材料を採用することができる。例えば従前の真空浸炭炉では、攪拌ファン１３の材料として、耐酸化性の懸念からカーボンコンポジット材の採用は避けられてきたが、本実施形態に係る真空浸炭炉１によれば、加熱室１０内の構造物の酸化が抑制されるため、カーボンコンポジット材を採用できる。これにより、攪拌ファン１３の軽量化を図ることが可能となる。
　以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　図７に示す加熱室の解析モデルを用いて、加熱室への外気の流入を評価するためのシミュレーションを実施した。図７に示す比較例のモデルは、加熱室の側方にワークの装入口が形成されており、実施例のモデルは、加熱室の底部にワークの装入口が形成されている。
　シミュレーションの解析条件は以下の通りである。本シミュレーションにおいては、初期状態における加熱室内と加熱室外の空気を区別し、それぞれの空気濃度の経時変化に着目した。
　・解析タイプ：非定常流れにおける流体濃度解析
　・解析時間：３０秒間
　・境界条件
　　　加熱室と流体との境界：静止壁
　　　加熱室外領域と解析範囲外領域との境界：静止壁
　・熱移動条件
　　　流体と流体：熱移動あり
　　　流体と固体：断熱
　　　流体と解析範囲外領域：断熱
　・物性
　　　加熱室内雰囲気：９３０℃の空気
　　　加熱室外雰囲気：２５℃の空気
　　　加熱室材料：機械構造用炭素鋼
　図８は、シミュレーション結果を示す図である。図８に示されるように、加熱室の側方に装入口が設けられた比較例のモデルでは、シミュレーションの開始直後から加熱室内に外気が流入し、開始５秒後には、加熱室内の雰囲気の大半が外気に置換された。
　一方、加熱室の底部に装入口が設けられた実施例のモデルでは、加熱室内への外気の流入がなく、加熱室内の雰囲気は、初期状態の雰囲気のまま維持されていた。なお、図８では、シミュレーション開始後の５秒間の結果しか示されていないが、シミュレーションが完了する３０秒後の結果においても、実施例のモデルでは加熱室への外気の流入は確認されなかった。
　本実施例の結果によれば、加熱室の底部からワークを装入する構造の真空浸炭炉においては、加熱室の側方からワークを装入する構造の真空浸炭炉に対して、外気流入を抑制する観点で顕著な効果を奏することがわかる。
　本発明は、ワークの浸炭処理を行う真空浸炭炉に適用することができる。
１　　　　真空浸炭炉
１０　　　加熱室
１０ａ　　加熱室の底部
１１　　　断熱材
１２　　　ヒータ
１３　　　攪拌ファン
１４　　　搬送口
１５　　　扉
１６　　　プッシャー
１７　　　開口部
１８　　　ハウジング
１９　　　排気管
２０　　　真空ポンプ
２１　　　圧力計
２２　　　ガスインレット
２３　　　装入口
３０　　　シザーリフター
３１　　　支持台
３２　　　断熱材
３３　　　蓋体
３４　　　接触部材
３５　　　リミットスイッチ
３６　　　検知部
４０　　　冷却室
４１　　　油槽
４２　　　エレベータラック
４３　　　搬送口
４４　　　搬出口
４５　　　扉
１００　　制御装置

Claims (10)

  1. 　真空浸炭炉であって、
    　炉外から装入されるワークの真空浸炭処理が行われる加熱室と、
    　前記加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口と、を有する、真空浸炭炉。
  2. 　前記加熱室の下方に配置された、前記装入口から前記加熱室内に前記ワークを装入する昇降機を有する、請求項１に記載の真空浸炭炉。
  3. 　前記ワークを支持する支持台と、
    　前記支持台の下に設けられた前記装入口を覆う蓋体と、を有し、
    　前記昇降機は、前記蓋体を昇降させる構成を有し、
    　前記蓋体は、上昇時に前記加熱室の底部に密接して前記装入口を閉塞する形状を有する、請求項２に記載の真空浸炭炉。
  4. 　前記装入口の開閉を検知する開閉検知機構と、
    　前記昇降機を制御する制御装置と、を有し、
    　前記制御装置は、前記開閉検知機構によって、前記装入口が所定外のタイミングで開放されたことが検知された際に、前記昇降機を上昇させて前記蓋体を上昇させる制御を実行するように構成されている、請求項３に記載の真空浸炭炉。
  5. 　前記装入口の開閉を制御する制御装置を有し、
    　前記制御装置は、前記装入口を開放する際に、前記加熱室に不活性ガスが供給されて、前記加熱室内の圧力が大気圧以上の圧力となった後に、前記装入口を開放する制御を実行するように構成されている、請求項１に記載の真空浸炭炉。
  6. 　前記加熱室内の雰囲気を制御する制御装置を有し、
    　前記制御装置は、前記装入口が閉塞されてから前記加熱室内の温度が前記真空浸炭処理を行う温度に昇温するまでの時間の５０％以上の時間、前記加熱室内を、不活性ガス雰囲気、かつ、１×１０2Ｐａ以上、大気圧未満の圧力で維持する制御を実行するように構成されている、請求項１に記載の真空浸炭炉。
  7. 　前記加熱室は、該加熱室内をバーンアウトする際に酸化性ガスを供給するガス供給口を有する、請求項１に記載の真空浸炭炉。
  8. 　前記加熱室に隣接し、真空雰囲気下で浸炭処理が行われた前記ワークが装入される冷却室を有する、請求項１に記載の真空浸炭炉。
  9. 　真空浸炭処理方法であって、
    　ワークの浸炭処理が行われる加熱室内に不活性ガスを供給し、該加熱室の圧力を大気圧以上の圧力とした後に、該加熱室の底部に設けられた前記ワークの装入口を開放し、
    　前記装入口から前記ワークを装入し、
    　前記加熱室内の温度を、真空浸炭処理を行う温度まで昇温させ、
    　真空排気された前記加熱室に浸炭性ガスを供給して前記ワークの真空浸炭処理を行う、真空浸炭処理方法。
  10. 前記装入口が閉塞されてから前記加熱室内の温度が前記真空浸炭処理を行う温度に昇温するまでの時間の５０％以上の時間、前記加熱室内を、不活性ガス雰囲気、かつ、１×１０2Ｐａ以上、大気圧未満の圧力で維持する、請求項９に記載の真空浸炭処理方法。
     
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