專利名稱：真空熱處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空熱處理方法以及用于實施該方法的裝置，該方法是一邊在減壓下供給乙烯氣體與氫氣的混合氣體，一邊進行滲碳、碳氮共滲、高溫滲碳、高濃度滲碳等。
背景技術(shù)：
作為對例如齒輪、軸承、燃料噴嘴、等速接頭等鋼制汽車部件進行滲碳處理的真空滲碳方法，目前已經(jīng)知道使用乙烯氣體作為滲碳氣體，將真空熱處理爐內(nèi)減壓至1-10kPa進行滲碳的方法(參見日本特開平11-315363號公報)。
但是，在以往的方法中，在將裝載了許多被處理工件的料筐放置在真空熱處理爐內(nèi)的可以保證溫度均一性的有效加熱空間中進行真空滲碳時，由于在料筐中裝載的位置不同，被處理工件上產(chǎn)生滲碳不均勻，裝載位置不同的被處理工件的有效硬化層深度(滲碳深度)和表面碳濃度等滲碳的質(zhì)量出現(xiàn)不均一的問題。
作為解決這個問題的真空滲碳方法，本申請人以前曾提出過使用乙烯氣體與氫氣的混合氣體作為滲碳氣體的方法(參見日本特開2001-262313號公報)。
采用上述本申請人以前提出的真空滲碳方法，即使在真空熱處理爐內(nèi)的可以保證溫度均一性的有效加熱空間中配置許多被處理工件進行滲碳的情況下，也可以防止在所有的被處理工件上產(chǎn)生滲碳不均一的情況發(fā)生，從而可以使所有的被處理工件的滲碳品質(zhì)保持均一。
但是，在該方法中，目前還不能準確并且再現(xiàn)性良好地獲得被處理工件的材質(zhì)和所要求的滲碳品質(zhì)。
本發(fā)明是鑒于上述實際問題而完成的。本發(fā)明的目的是，提供在日本特開2001-262313號公報記載的方法中能夠準確并且再現(xiàn)性良好地獲得對于被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)的真空熱處理方法及裝置。
另外，本發(fā)明的目的是，提供可以簡便地設(shè)定與被處理工件的材質(zhì)、形狀和將被處理工件裝載到處理用的料筐中時的通風(fēng)性及所要求的熱處理品質(zhì)相對應(yīng)的熱處理條件的真空熱處理裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明第1項發(fā)明的真空熱處理方法，是一邊向減壓的真空熱處理爐中供給乙烯氣體與氫氣的混合氣體一邊進行的真空熱處理方法，其特征在于檢測真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量；根據(jù)檢測到的乙烯氣體濃度和氫氣濃度計算氣氛的等效碳濃度(碳勢)；以及將該計算值與根據(jù)被處理工件的材質(zhì)和所要求的熱處理品質(zhì)設(shè)定的目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差控制向真空熱處理爐內(nèi)供給的乙烯氣體和氫氣的供給量。
采用上述第1項發(fā)明的真空熱處理方法，通過控制乙烯氣體和氫氣的供給量，使得對于所要求的熱處理品質(zhì)最具有影響的真空熱處理爐內(nèi)的等效碳濃度保持一定，因而，可以準確并且再現(xiàn)性良好地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
第2項發(fā)明的真空熱處理方法是，在上述第1項發(fā)明的方法中，使真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的合計量保持一定。這樣，可以更準確地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
第3項發(fā)明的真空熱處理方法是，在上述第1或2項發(fā)明的方法中，使真空熱處理爐內(nèi)的壓力保持一定。這樣，可以更準確地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
第4項發(fā)明的真空熱處理裝置，配備有下列部分真空熱處理爐；將真空熱處理爐內(nèi)減壓排氣的真空排氣裝置；調(diào)整供給真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體和氫氣的量的流量調(diào)節(jié)裝置；檢測真空熱處理內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的氣體量檢測裝置；檢測真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的氣體量檢測裝置；根據(jù)氣體量檢測裝置檢測到的乙烯氣體量和氫氣量計算氣氛的等效碳濃度，將該計算值與根據(jù)被處理工件的材質(zhì)和所要求的熱處理品質(zhì)預(yù)先設(shè)定的目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差、利用流量調(diào)節(jié)裝置控制向真空熱處理爐內(nèi)供給的乙烯氣體和氫氣的供給量的控制裝置。
使用第4項發(fā)明的裝置，可以使對于所要求的熱處理品質(zhì)最具有影響的真空熱處理爐內(nèi)的氣氛的等效碳濃度保持一定，從而可以準確并且再現(xiàn)性良好地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
第5項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4項發(fā)明的裝置中，由控制裝置控制流量調(diào)節(jié)裝置，使真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的合計量保持一定。這樣，利用控制裝置控制流量調(diào)節(jié)裝置，使真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的合計量保持一定，因而可以更準確地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
第6項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4或5項發(fā)明的裝置中，配備檢測真空熱處理爐內(nèi)的壓力的壓力檢測裝置，由控制裝置將用壓力檢測裝置測得的檢測與預(yù)先設(shè)定的目標值進行比較，控制真空排氣裝置，使爐內(nèi)壓力保持一定。這樣，通過用控制裝置控制真空排氣裝置，將真空熱處理爐內(nèi)的壓力保持一定，可以更準確地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
第7項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4或5項發(fā)明的裝置中，在控制裝置上分別設(shè)置與被處理工件的材質(zhì)對應(yīng)的多個處理工藝和均熱溫度，可以根據(jù)被處理工件的材質(zhì)在控制裝置上選擇輸入處理工藝和均熱溫度。這樣，可以簡便地進行處理工藝和均熱溫度的設(shè)定。
第8項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4或5項發(fā)明的裝置中，在控制裝置上設(shè)置與被處理工件的材質(zhì)、形狀、裝載在處理用料筐中時的通風(fēng)性對應(yīng)的熱處理溫度，根據(jù)被處理工件的材質(zhì)、形狀和通風(fēng)性可以在控制裝置上選擇輸入熱處理溫度。在本說明書中，所述的“被處理工件的形狀”不是指特定的形狀，而是指沒有孔或凹部的簡單形狀、具有長孔的形狀、具有細長孔的形狀等一般的形狀。使用第8項發(fā)明的裝置，可以簡便地進行熱處理溫度的設(shè)定。
第9項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4或5項發(fā)明的裝置中，在控制裝置上設(shè)置多個與熱處理溫度對應(yīng)的預(yù)熱時間，根據(jù)熱處理溫度可以在控制裝置上選擇輸入預(yù)熱時間。這樣，可以簡便進行預(yù)熱時間的設(shè)定。
第10項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第9項發(fā)明的裝置中，在控制裝置上可以輸入被處理工件的處理部的尺寸，在輸入的被處理工件的處理部的尺寸超過規(guī)定值的情況下，由控制裝置根據(jù)該超出的值來修正預(yù)熱時間。這樣，可以根據(jù)被處理工件的處理部的尺寸設(shè)定正確的預(yù)熱時間。
第11項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4或5項發(fā)明的裝置中，由控制裝置根據(jù)選擇輸入的熱處理溫度確定與有效硬化層深度有關(guān)的滲碳系數(shù)。
第12項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第11項發(fā)明的裝置中，由控制裝置根據(jù)與有效硬化層深度有關(guān)的滲碳系數(shù)計算滲碳和擴散所需要的總滲碳時間，同時，根據(jù)所要求的熱處理品質(zhì)計算滲碳時間與擴散時間的比值，基于這些計算值確定滲碳時間和擴散時間。這樣，可以根據(jù)所要求的熱處理品質(zhì)自動地設(shè)定滲碳時間和擴散時間。
第13項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第4或5項發(fā)明的裝置中，配備可以減壓的被處理工件進料/出料室以及設(shè)在被處理工件進料/出料室中并且可以圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的輸送裝置的送料室，在送料室的四周沿圓周方向以一定間隔通過氣密門設(shè)置具有真空排氣裝置、流量調(diào)節(jié)裝置、氣體量檢測裝置和控制裝置的多個真空熱處理爐以及可以減壓的淬火室和均熱室。
使用第13項發(fā)明的裝置，可以利用多個真空熱處理爐同時進行不同工藝的熱處理，因而適合于多品種、少批量的生產(chǎn)。另一方面，還可以利用多個真空熱處理爐同時進行相同工藝的熱處理，因而適合于少品種、大批量的生產(chǎn)。因此，可以靈活地適應(yīng)被處理工件的種類和生產(chǎn)量的變化。另外，由于可以單獨地維修真空熱處理爐、淬火室和室，因而作業(yè)變得十分容易。
第14項發(fā)明的真空熱處理裝置是，在上述第13項發(fā)明的裝置中，在送料室的周圍在圓周方向上與真空熱處理爐、淬火室和均熱室間隔開設(shè)置可以減壓的氣體冷卻室。這樣，可以進行在處理工藝中包括氣體冷卻的高溫滲碳處理。


圖1是簡略表示本發(fā)明真空熱處理裝置總體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是表示本發(fā)明真空熱處理裝置控制部分構(gòu)成的方框圖。
圖3是表示輸入輸出裝置的顯示器上顯示的輸入用畫面之一例的圖示。
圖4是表示真空滲碳處理的工藝的圖示。
圖5(a)和(b)是表示真空碳氮共滲處理的工藝的圖示。
圖6是表示真空高溫滲碳處理的工藝的圖示。
圖7是表示高濃度真空滲碳處理的工藝的圖示。
圖8是表示真空淬火處理的工藝的圖示。
圖9是表示一邊供給乙烯氣體和氫氣一邊進行真空熱處理時的乙烯氣體和氫氣供給量關(guān)系的曲線圖。
圖10是表示根據(jù)實驗求出的滲碳溫度與取決于有效硬化層深度的滲碳系數(shù)關(guān)系的曲線圖。
圖11是表示本發(fā)明真空熱處理裝置的其它實施方式的簡略結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的實施方式。
圖1簡略地表示本發(fā)明真空熱處理裝置的總體結(jié)構(gòu)，圖2表示該真空熱處理裝置控制部分的構(gòu)成。
在圖1中，真空熱處理裝置配備有真空熱處理爐(1)；配置在真空熱處理(1)內(nèi)的加熱裝置(2)；通過在中途分成2個支路的真空排氣管(3)與真空熱處理爐(1)連接的真空泵(4)；設(shè)在真空排氣管(3)的一個支路上的爐內(nèi)壓力控制閥(5A)；設(shè)在真空排氣管(3)的另一個支路上的真空開關(guān)閥(5B)；分別通過導(dǎo)入管路(6)、(7)、(8)與真空熱處理爐(1)連接的氫氣高壓儲氣瓶(9)、乙烯氣體高壓儲氣瓶(10)以及氨氣高壓儲氣瓶(11)；在各導(dǎo)入管路(6)、(7)和(8)上設(shè)置的質(zhì)量流量控制閥(12)；用于檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)的氫氣量和乙烯氣體量的、例如由4極質(zhì)量分析傳感器等構(gòu)成的氣體量傳感器(13)；檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)的絕對壓力的壓力傳感器(14)；檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)溫度保持均一性的有效加熱空間溫度的溫度傳感器(15)。導(dǎo)入管路(6)、(7)和(8)在比質(zhì)量流量控制閥(12)更靠近真空熱處理爐(1)的一側(cè)與一個集管(45)連接，在比集管(45)更靠近真空熱處理爐(1)的一側(cè)再次分成支路。在導(dǎo)入管路(6)、(7)和(8)上的再次分成支路的部分上設(shè)置流量調(diào)節(jié)器(46)。由高壓儲氣瓶(9)、(10)、(11)送出的氫氣、乙烯氣體和氨氣，在集管(45)中混合，然后再次分流，通過流量調(diào)節(jié)器(46)的作用使其在導(dǎo)入真空熱處理爐(1)內(nèi)時均一地遍布真空熱處理爐(1)內(nèi)的整個空間。
另外，雖然圖中沒有示出，但有的時候，在圖1所示的真空熱處理裝置中與真空熱處理爐(1)相連地設(shè)置淬火油槽。
如圖2所示，加熱裝置(2)、爐內(nèi)壓力控制閥(5A)、質(zhì)量流量控制閥(12)、氣體量傳感器(13)、壓力傳感器(14)和溫度傳感器(15)分別與控制板(16)連接。在控制板(16)上，設(shè)置了配備有顯示器的輸入輸出裝置(17)和控制裝置(18)。
圖3表示輸入輸出裝置(17)的顯示器上顯示的輸入用畫面的一個例子。在圖3中，輸入用的畫面包括輸入材質(zhì)的材質(zhì)選擇輸入部(20)；輸入處理工藝的處理工藝選擇輸入部(21)；輸入預(yù)熱時間的預(yù)熱時間選擇輸入部(19)；輸入滲碳溫度的熱處理溫度選擇輸入部(22)；輸入均熱溫度的均熱溫度選擇輸入部(23)；在高濃度滲碳處理的情況下輸入第2均熱溫度的第2均熱溫度選擇輸入部(24)；在高濃度滲碳處理的情況下輸入重復(fù)次數(shù)的重復(fù)次數(shù)輸入部(41)；輸入被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位的形狀的處理部形狀選擇輸入部(25)；輸入被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位尺寸的處理部尺寸選擇輸入部(26)；輸入有效硬化層深度的有效硬化層深度輸入部(27)；輸入有效硬化層深度的修正值的有效硬化層深度修正輸入部(28)；輸入被處理工件種類的被處理工件選擇輸入部(29)；輸入被處理工件形狀的形狀選擇輸入部(30)；輸入將被處理工件裝載在處理用的料筐中時的通風(fēng)性的通風(fēng)性選擇輸入部(31)；輸入在真空熱處理爐(1)內(nèi)溫度保持均一性的有效加熱空間中配置的料筐內(nèi)裝載的被處理工件合計重量的裝載重量輸入部(32)；輸入所要求的表面碳濃度的表面碳濃度輸入部(33)；輸入表面碳濃度修正值的表面碳濃度修正輸入部(34)；選擇輸入目標氣氛的等效碳濃度的等效碳濃度選擇輸入部(35)；顯示乙烯氣體供給量的乙烯供給量顯示部(36)；顯示氫氣供給量的氫氣供給量顯示部(37)；以及0-9數(shù)字鍵部(40)。
在控制裝置(18)中分別存儲下列項目被處理工件的材質(zhì)，與被處理工件的材質(zhì)對應(yīng)的處理工藝、均熱溫度和熱處理溫度(該溫度與預(yù)熱溫度和擴散溫度相等)，以及與熱處理溫度對應(yīng)的預(yù)熱時間等，每一個項目各進行多個設(shè)定記憶，通過在輸入輸出裝置(17)的選擇輸入部(20)選擇輸入被處理工件的材質(zhì)，可以自動地由各選擇輸入部(21)、(23)、(22)、(19)中選擇輸入與被處理工件的材質(zhì)對應(yīng)的處理工藝、均熱溫度、熱處理溫度以及與熱處理溫度對應(yīng)的預(yù)熱時間等，另外，也可以由使用者在輸入輸出裝置(17)的各選擇輸入部(21)、(23)、(22)、(19)上個別地進行手動選擇輸入與被處理工件的材質(zhì)對應(yīng)的處理工藝、均熱溫度、熱處理溫度以及與熱處理溫度對應(yīng)的預(yù)熱時間等。此外，還可以由使用人員使用輸入輸出裝置(17)獨自設(shè)定材質(zhì)、處理工藝、均熱溫度、熱處理溫度以及與熱處理溫度對應(yīng)的預(yù)熱時間的設(shè)定值。
圖4-8中示出在控制裝置(18)中設(shè)定的處理工藝。
圖4所示的處理工藝是真空滲碳處理，在減壓下加熱至規(guī)定的預(yù)熱溫度進行預(yù)熱處理，接著在與預(yù)熱溫度相等的滲碳溫度下一邊導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣、一邊進行滲碳，再在與預(yù)熱溫度和滲碳溫度相等的擴散溫度下進行擴散，然后降低溫度進行均熱，最后進行油淬火。
圖5(a)所示的處理工藝是真空碳氮共滲處理，在減壓下加熱至規(guī)定的預(yù)熱溫度進行預(yù)熱處理，接著在與預(yù)熱溫度相等的滲碳溫度下一邊導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣、一邊進行滲碳，再在與預(yù)熱溫度和滲碳溫度相等的擴散溫度下進行擴散，然后降低溫度進行均熱，在均熱的同時，一邊導(dǎo)入氨氣一邊進行氮化，最后進行油淬火。另外，在一邊導(dǎo)入氨氣一邊進行氮化時，也可以導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣。
還有一種真空碳氮共滲處理工藝，如圖5(b)所示，在真空碳氮共滲處理時，不進行滲碳和擴散，在減壓下加熱至圖5(a)的均熱溫度進行預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后一邊導(dǎo)入乙烯氣體、氫氣和氨氣、一邊進行碳氮共滲，最后進行油淬火。在這種處理工藝的情況下，碳氮共滲處理中滲碳過程的時間是0，由于沒有滲碳過程，均熱溫度與碳氮共滲溫度相等。
圖6所示的處理工藝是高溫真空滲碳處理，在減壓下加熱至規(guī)定的預(yù)熱溫度進行預(yù)熱，接著在與預(yù)熱溫度相等的滲碳溫度下一邊導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣、一邊進行滲碳，再在與預(yù)熱溫度和滲碳溫度相等的擴散溫度下進行擴散，然后進行氣體冷卻，再次加熱至規(guī)定的預(yù)熱溫度進行均熱，最后進行油淬火。高溫滲碳處理包括在高溫下滲碳時使粗大的晶粒細化的處理工序。
圖7所示的處理工藝是高濃度真空滲碳處理，在減壓下加熱至規(guī)定的預(yù)熱溫度進行預(yù)熱，接著在與預(yù)熱溫度相等的滲碳溫度下一邊導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣、一邊進行滲碳，然后進行氣體冷卻，再次加熱至與上述預(yù)熱溫度相等的預(yù)熱溫度進行預(yù)熱，接著在與預(yù)熱溫度相等的滲碳溫度下一邊導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣、一邊進行滲碳，然后進行氣體冷卻，上述處理反復(fù)進行規(guī)定的次數(shù)，在最后一次氣體冷卻之后，加熱至比滲碳溫度低的均熱溫度進行均熱，最后進行油淬火。高濃度滲碳處理是通過氣體冷卻使碳化物析出，一邊使該碳化物球形化一邊使其長大的處理。在高濃度真空滲碳處理的情況下，在輸入輸出裝置(17)的重復(fù)次數(shù)輸入部(14)輸入重復(fù)次數(shù)，同時，由第2均熱溫度選擇輸入部(24)選擇輸入均熱溫度。
圖8所示的處理工藝是真空淬火處理，在減壓下加熱至與圖4-圖6的處理工藝中的均熱溫度相等的預(yù)熱溫度進行預(yù)熱，然后進行油淬火。
處理工藝和均熱溫度也可以通過由輸入輸出裝置(17)的材質(zhì)選擇輸入部(20)選擇輸入被處理工件的材質(zhì)而自動地進行選擇輸入。另外，在真空淬火處理的情況下，處理工藝中沒有滲碳過程，因此，均熱溫度與預(yù)熱溫度相等。
熱處理溫度即滲碳溫度是根據(jù)被處理工件的形狀、裝載在處理料筐中的狀態(tài)下的通風(fēng)性以及所要求的熱處理品質(zhì)確定的。
預(yù)熱時間是根據(jù)熱處理溫度通過實驗求出的。表1中示出熱處理溫度與預(yù)熱時間的關(guān)系。
表1


在由輸入輸出裝置(17)輸入的被處理工件的處理部的尺寸超過規(guī)定尺寸的情況下，控制裝置(18)基于該超出的值，根據(jù)熱處理溫度修正預(yù)熱時間。例如，在被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位橫斷面形狀是圓形的情況下，當其直徑T1超過25mm時，按照表2中所示的公式來修正預(yù)熱時間。在被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位橫斷面形狀是正方形的情況下，當其一邊的長度T2超過25mm時，按照表2中所示的公式來修正預(yù)熱時間。在被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位橫斷面形狀是長方形的情況下，當其短邊的長度T3超過25mm時，按照表2中所示的公式來修正預(yù)熱時間。在被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位是圓筒狀的情況下，當其短邊的長度T4超過25mm時，按照表2中所示的公式來修正預(yù)熱時間。
表2


在表2的形狀一欄中，圓形、正方形和長方形分別表示橫斷面的形狀。
在控制裝置(18)中，分別設(shè)定被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部位的形狀、被處理工件的種類、被處理工件的形狀以及裝裁在處理用料筐中的狀態(tài)下的通風(fēng)性等，每一個項目各設(shè)置多個，由各選擇輸入部(25)、(29)、(30)、(31)進行選擇輸入。
在控制裝置(18)中，根據(jù)被處理工件的材質(zhì)，設(shè)定和存貯在用來獲得所要求的表面碳濃度和有效硬化層深度的試驗中求出的處理氣氛中的等效碳濃度的多個數(shù)值作為目標值，通過由輸入輸出裝置(17)的選擇輸入部(20)選擇輸入被處理工件的材質(zhì)，同時，由輸入輸出裝置(17)的各輸入部(34)、(27)輸入表面碳濃度和有效硬化層深度，就可以自動地由輸入輸出裝置(17)的等效碳濃度選擇輸入部(35)選擇輸入相應(yīng)的數(shù)值。氣氛中的等效碳濃度也可以由使用人員由輸入輸出裝置(17)的選擇輸入部(35)進行手動選擇輸入，另外，氣氛中的等效碳濃度的設(shè)定值也可以由使用人員使用輸入輸出裝置(17)獨自設(shè)定。在熱處理過程中，控制裝置(18)通過氣體量傳感器(13)檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量，根據(jù)測得的乙烯氣體量的氫氣量計算氣氛中的等效碳濃度，將該計算值與上述目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差調(diào)整質(zhì)量流量控制閥(12)的開度，控制向真空熱處理爐(1)內(nèi)供給乙烯氣體和氫氣的量。此時，如圖9中所示控制這些氣體的流量，使乙烯氣體量和氫氣量的合計量保持一定。
氣氛中的等效碳濃度Ac(％)的計算按下列公式①進行。
AC=As×XC2H412×KP12XH2×(PP0)12...(1)]]>式中，As奧氏體的飽和碳濃度(％)XH2氫濃度比(摩爾比)XC2H4乙烯濃度比(摩爾比)P爐內(nèi)壓力Po標準壓力(101.32kPa)Kp平衡常數(shù)其中，奧氏體的飽和碳濃度As和平衡常數(shù)Kp分別由公式②和③表示。
As＝1.382-4.5847×10-3×T+6.1437×10-6×T2-1.396×10-9×T3…②式中，T溫度(℃)KP=10(2273TK+4.011)...(3)]]>式中，Tk絕對溫度(K)上述的公式①，是假定在氣氛中發(fā)生的反應(yīng)，根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)下的平衡式求出Ac。作為求出氣氛中的等效碳濃度的公式，究竟哪一個公式更適合，曾經(jīng)進行了各種分析和探討，結(jié)果，公式①與試驗結(jié)果最接近，因而采用了公式①。另外，公式②是基于Fe-C系的二元合金、通過多項式逼近求出As的，不過，As也可以基于其它的合金例如三元合金、通過多項式逼近求出或者通過指數(shù)函數(shù)逼近等求出。根據(jù)真空熱處理爐的特性即真空熱處理爐的結(jié)構(gòu)和尺寸大小等的不同，公式①-③有時會有所不同。
表3中示出氣氛中等效碳濃度的計算例。
表3


在表3中，眾所周知，例如8.28E-01是表示8.28×10-1。
另外，為了將爐內(nèi)壓力(絕對壓力)保持在4-7kPa的恒定壓力，控制裝置(18)通過壓力傳感器(14)測定真空熱處理爐(1)內(nèi)的壓力，將測得的值與預(yù)先設(shè)定的目標值進行比較，控制爐內(nèi)壓力控制閥(5A)的開度，使爐內(nèi)壓力保持一定。
乙烯氣體流量和氫氣流量的控制以及爐內(nèi)壓力的控制可以通過使用PID的反饋控制來進行。
控制裝置(18)根據(jù)輸入的熱處理溫度按以下所述來確定總的滲碳時間。在本說明書中，所述的“總的滲碳時間”是指圖4-6中所示的處理工藝中的滲碳時間和擴散時間的合計量。
預(yù)先通過實驗求出在各滲碳溫度下進行處理的情況下與表面硬度為HV550的有效硬化層深度(effective case depth)有關(guān)的KECD，將其輸入控制裝置(18)中。在下面的說明中，將“與有效硬化層深度有關(guān)的滲碳系數(shù)”簡稱為“滲碳系數(shù)”。該實驗例如是使用JIS SCM415規(guī)定的直徑24mm、厚10mm的試驗片，在870-1050℃范圍內(nèi)的各種溫度下和4-7kPa的壓力下，將乙烯氣體的流量設(shè)定為10-20升/分、氫氣流量設(shè)定為5-10升/分、總的滲碳時間設(shè)定為100-270分鐘、滲碳時間與擴散時間之比設(shè)定為0.05-2.24，進行真空滲碳處理，然后降溫，在850℃下均熱30分鐘，然后在油溫110-130℃、油面壓力80kPa的熱淬火油(出光興產(chǎn)制造的Hightemp(ハイテンプ)A)中淬火。圖10中示出通過上述實驗求出的滲碳溫度與滲碳系數(shù)KECD的關(guān)系。
然后，控制裝置(18)利用有效硬化層深度DECD和滲碳系數(shù)KECD按下面的公式④計算總的滲碳時間tt(分)。
tt＝(DECD+DECD’/KECD)2×60…④式中，DECD’是有效硬化層深度的修正值，通常是0，在實際經(jīng)過熱處理的被處理工件的有效硬化層深度與目標值不吻合時，由輸入輸出裝置(17)的有效硬化層深度修正輸入部(28)將該修正值輸入控制裝置(18)中。
另外，控制裝置(18)根據(jù)輸入的所要求的表面碳濃度按以下所述來確定滲碳時間與擴散時間之比(RD/C)。
預(yù)先通過實驗求出在各滲碳溫度下進行處理時表面碳濃度與比值(RD/C)的關(guān)系，將其設(shè)定在控制裝置(18)中。該實驗例如是使用JISSCM415規(guī)定的直徑24mm、厚10mm的試驗片，在870-1050℃范圍內(nèi)的各種溫度和4-7kPa的壓力下，將乙烯氣體的流量設(shè)定為10-20升/分、氫氣流量設(shè)定為5-10升/分、總的滲碳時間設(shè)定為100-270分鐘、滲碳時間與擴散時間之比設(shè)定為0.05-2.24，進行真空滲碳處理，然后降溫，在850℃下均熱30分鐘，最后在油溫110-130℃、油面壓力80kPa的熱淬火油(出光興產(chǎn)制造的Hightemp(ハイテンプ)A)中淬火。表4中給出通過上述實驗求出的各滲碳溫度下的表面碳濃度(CH)與比值(RD/C)之間的關(guān)系。
表4


控制裝置(18)根據(jù)輸入的料筐中的被處理工件的裝載重量按下面的公式⑤計算降溫速度，再根據(jù)計算的降溫速度、滲碳溫度和輸入的均熱溫度，按下列公式⑥計算降溫時間。
Vm＝0.0032×W+2.5743…⑤tm＝(Tc-Ts)/Vm…⑥式中，Vm降溫速度(℃/分)，W裝載重量(kg)，tm降溫時間(分)，Tc滲碳溫度(℃)，Ts均熱溫度(℃)降溫速度和降溫時間取決于真空熱處理爐(1)的特性以及被處理工件的裝載重量、裝載在處理用料筐中時的通風(fēng)性等因素而有所不同，因此上述公式⑤是通過實驗確定的。
這里所說的滲碳時間與擴散時間之比(RD/C)是考慮到降溫時間由下列公式⑦表示的。
RD/C=td+tm2tc...(7)]]>控制裝置(18)根據(jù)表4的滲碳時間與擴散時間之比、總的滲碳時間和降溫時間按下列公式⑧計算滲碳時間，再根據(jù)計算得到的滲碳時間和總的滲碳時間按下列公式⑨計算出擴散時間，然后設(shè)定這些時間。
tc=tt+tm21+RD/C...(8)]]>
td＝tt-tc…⑨式中，tc滲碳時間(分)、tt總的滲碳時間(分)、tm降溫時間(分)、td擴散時間(分)公式⑦和⑧有時因條件不同而有所不同。
另外，在控制裝置(18)中例如設(shè)定30分鐘作為均熱時間的初始值。均熱時間的初始值可以適當變更。
下面說明使用上述真空熱處理裝置的真空熱處理方法。
首先，由控制板(16)上的輸入輸出裝置(17)的材質(zhì)選擇輸入部(20)選擇輸入被處理工件的材質(zhì)，此時，處理工藝、熱處理溫度、均熱溫度、預(yù)熱時間和作為目標值的氣氛的等效碳濃度分別由選擇輸入部(21)、(22)、(23)、(19)、(35)自動地被選擇輸入。另外，分別由選擇輸入部(29)、(30)、(31)、(25)選擇輸入被處理工件的種類、整體形狀、裝載在料筐中的狀態(tài)下的通風(fēng)性以及在被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部的形狀，同時，分別由輸入部(32)、(27)、(33)輸入裝載在處理用料筐中的被處理工件的裝載重量、有效硬化層深度和表面碳濃度。
這樣，在由輸入輸出裝置(17)輸入的被處理工件中要求所需要的熱處理品質(zhì)的處理部的尺寸超過規(guī)定尺寸的情況下，控制裝置(18)根據(jù)該超過的數(shù)值，基于表2中來修正預(yù)熱時間。另外，控制裝置(18)根據(jù)輸入的熱處理溫度求出總的滲碳時間以及滲碳時間與擴散時間之比，由此確定滲碳時間和擴散時間。這樣，熱處理條件就被設(shè)定完成。圖5(b)的處理工藝中的碳氮共滲時間是手動輸入的。
當開始進行真空熱處理時，控制裝置(18)打開真空開關(guān)閥(5B)，將真空熱處理爐(1)內(nèi)減壓至規(guī)定的壓力，然后利用加熱裝置(2)將爐內(nèi)加熱，按照圖4-圖8中的任一種處理工藝進行真空熱處理。當真空熱處理爐(1)內(nèi)減壓至規(guī)定的壓力時，真空開關(guān)閥(5B)被關(guān)閉。
除了圖8中所示的真空淬火之外，在其它的4種處理工藝的情況下，即在包含滲碳或碳氮共滲的情況下，控制裝置(18)在滲碳時、氮化時以及碳氮共滲時通過氣體量傳感器(13)檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量，根據(jù)測定的乙烯氣體量和氫氣量計算氣氛中的等效碳濃度，將該計算值與目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差調(diào)整質(zhì)量流量控制閥(12)的開度，控制向真空熱處理爐(1)內(nèi)供給乙烯氣體和氫氣的量，同時控制這些氣體的流量，使乙烯氣體量與氫氣量的合計量保持一定，另外，控制裝置(18)利用壓力傳感器(14)檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)的壓力，將測得的值與預(yù)先設(shè)定的目標值(這里是4-7kPa)進行比較，控制爐內(nèi)壓力控制閥(5A)的開度，使爐內(nèi)壓力保持一定。在氮化時和碳氮共滲時，控制裝置(18)調(diào)整質(zhì)量流量控制閥(12)的開度，使供給真空熱處理爐(1)的氨氣供給量保持一定，例如20升/分。
這樣，按照規(guī)定的處理工藝對被處理工件進行真空熱處理。
在經(jīng)過處理的被處理工件的有效硬化層深度和表面碳濃度偏離規(guī)定值的情況下，在下一次同樣條件下進行熱處理時，在輸入輸出裝置(17)的有效硬化層深度修正輸入部(28)和表面碳濃度修正輸入部(34)中輸入修正值。即，在有效硬化層深度和表面碳濃度比規(guī)定值大時，輸入負值，反之，比規(guī)定值小時，輸入正值。
圖11表示本發(fā)明的真空熱處理裝置的另一實施方式。
在圖11中，真空熱處理裝置配備了利用真空泵(51)減壓的運送室(50)以及在運送室(50)內(nèi)可以圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動地設(shè)置的運送裝置(52)。運送裝置(52)除了轉(zhuǎn)動外還可以上下移動和在水平面內(nèi)直線移動。
在運送室(50)的周圍，沿著圓周方向以一定間隔設(shè)置可以用真空泵(53)減壓的被處理工件進料/出料室(54)、多個真空熱處理爐(1)、以及用真空泵(圖中未示出)減壓的均熱室(55)、氣體冷卻室(56)和淬火室(57)。各真空熱處理爐(1)，與圖1中所示的爐具有相同的結(jié)構(gòu)，因而略去圖示，這些真空熱處理爐配備有加熱裝置、通過真空排氣管連接的真空泵、在真空排氣管上設(shè)置的爐內(nèi)壓力控制閥和真空開關(guān)閥、通過導(dǎo)入管連接的氫氣高壓儲氣瓶、乙烯氣體高壓儲氣瓶和氨氣高壓儲氣瓶、設(shè)在各導(dǎo)入管上的質(zhì)量流量控制閥、氣體量傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器。各真空熱處理爐(1)的加熱裝置、爐內(nèi)壓力控制閥和真空開關(guān)閥、質(zhì)量流量控制閥、氣體量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器分別連接到與圖2所示同樣的控制板上。
在運送室(50)與被處理工件進料/出料室(54)、各真空熱處理爐(1)、均熱室(55)、氣體冷卻室(56)和淬火室(57)之間形成連通口，這些連通口通過氣密門打開或關(guān)閉。這樣，送入被處理工件進料/出料室的被處理工件借助于傳送裝置(52)通過連通口在各室和各真空熱處理爐(1)之間被運送。
用這樣的真空熱處理裝置進行真空熱處理時，在真空熱處理爐(1)內(nèi)進行除了均熱、氣體冷卻和淬火之外的處理，即，進行圖4、圖5(a)和圖6的處理工藝中的預(yù)熱、滲碳和擴散，圖5(b)的處理工藝中的預(yù)熱和碳氮共滲，以及圖7的處理工藝中的預(yù)熱和滲碳。因此，通過控制板(16)的控制裝置(18)，可以控制進行這些處理時的真空熱處理爐(1)內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量、爐內(nèi)壓力以及爐內(nèi)溫度。
本發(fā)明在不偏離其主要特征的情況下可以以其它的各種方式實施。因此，上述的實施方式僅僅是例示，不應(yīng)解釋為對本發(fā)明的限定。
如上所述，本發(fā)明的真空熱處理方法和裝置可以用于一邊在減壓下供給乙烯氣體與氫氣的混合氣體一邊進行的滲碳、碳氮共滲、高溫滲碳、高濃度滲碳等真空熱處理，特別適合于準確和再現(xiàn)性良好地獲得對于被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
權(quán)利要求
1.真空熱處理方法，該方法是一邊向減壓的真空熱處理爐中供給乙烯氣體與氫氣的混合氣體一邊進行的真空熱處理方法，其特征在于檢測真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量；根據(jù)測得的乙烯氣體量和氫氣量計算氣氛的等效碳濃度；以及將該計算值與根據(jù)被處理工件的材質(zhì)和所要求的熱處理品質(zhì)設(shè)定的目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差控制向真空熱處理爐內(nèi)供給的乙烯氣體和氫氣的供給量。
2.權(quán)利要求1所述的真空熱處理方法，其中，使真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的合計量保持一定。
3.權(quán)利要求1或2所述的真空熱處理方法方法，其中，使真空熱處理爐內(nèi)的壓力保持一定。
4.真空熱處理裝置，其特征在于，該裝置配備有下列部分真空熱處理爐；將真空熱處理爐內(nèi)減壓的真空排氣裝置；調(diào)整供給真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體和氫氣的量的流量調(diào)節(jié)裝置；檢測真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的氣體量檢測裝置；根據(jù)氣體量檢測裝置測得的乙烯氣體量和氫氣量計算氣氛的等效碳濃度，將該計算值與根據(jù)被處理工件的材質(zhì)和所要求的熱處理品質(zhì)預(yù)先設(shè)定的目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差、利用流量調(diào)節(jié)裝置控制向真空熱處理爐內(nèi)供給的乙烯氣體和氫氣的供給量的控制裝置。
5.權(quán)利要求4所述的真空熱處理裝置，其中，由控制裝置控制流量調(diào)節(jié)裝置，使真空熱處理爐內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量的合計量保持一定。
6.權(quán)利要求4或5所述的真空熱處理裝置，其中，配備檢測真空熱處理爐內(nèi)的壓力的壓力檢測裝置，由控制裝置對用壓力檢測裝置測得的檢測值和預(yù)先設(shè)定的目標值進行比較，控制真空排氣裝置，使爐內(nèi)壓力保持一定。
7.權(quán)利要求4或5所述的真空熱處理裝置，其中，在控制裝置上分別設(shè)置與被處理工件的材質(zhì)對應(yīng)的多個處理工藝和均熱溫度，根據(jù)被處理工件的材質(zhì)在控制裝置上選擇輸入處理工藝和均熱溫度。
8.權(quán)利要求4或5所述的真空熱處理裝置，其中，在控制裝置上設(shè)置與被處理工件的材質(zhì)、形狀、裝載在處理用料筐中時的通風(fēng)性對應(yīng)的多個熱處理溫度，從而可以根據(jù)被處理工件的材質(zhì)、形狀和通風(fēng)性在控制裝置上選擇輸入熱處理溫度。
9.權(quán)利要求4或5所述的真空熱處理裝置，其中，在控制裝置上設(shè)置與熱處理溫度對應(yīng)的多個預(yù)熱時間，從而可以根據(jù)熱處理溫度在控制裝置上選擇輸入預(yù)熱時間。
10.權(quán)利要求9所述的真空熱處理裝置，其中，在控制裝置上可以輸入被處理工件的處理部的尺寸，在輸入的被處理工件的處理部的尺寸超過規(guī)定值的情況下，由控制裝置根據(jù)該超出的值來修正預(yù)熱時間。
11.權(quán)利要求4或5所述的真空熱處理裝置，其中，由控制裝置根據(jù)選擇輸入的熱處理溫度確定取決于有效硬化層深度的滲碳系數(shù)。
12.權(quán)利要求11所述的真空熱處理裝置，其中，由控制裝置根據(jù)取決于有效硬化層深度的滲碳系數(shù)計算滲碳和擴散所需要的總滲碳時間，同時，根據(jù)所要求的熱處理品質(zhì)計算滲碳時間與擴散時間的比值，基于這些計算值確定滲碳時間和擴散時間。
13.權(quán)利要求4或5所述的真空熱處理裝置，其中，配備有可以減壓的被處理工件進料/出料室以及設(shè)置在被處理工件進料/出料室中并且可以圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的送料裝置的送料室，在送料室的四周沿圓周方向以一定間隔設(shè)置具有真空排氣裝置、流量調(diào)節(jié)裝置、氣體量檢測裝置和控制裝置的多個真空熱處理爐以及可以減壓的淬火室和均熱室。
14.權(quán)利要求13所述的真空熱處理裝置，其中，在送料室的周圍，在圓周方向上與真空熱處理爐、淬火室和均熱室間隔開設(shè)置可以減壓的氣體冷卻室。
全文摘要
本發(fā)明是一邊在減壓下供給乙烯氣體與氫氣的混合氣體一邊進行的滲碳、碳氮共滲、高溫滲碳、高濃度滲碳等真空熱處理方法。該真空熱處理方法的特征在于，檢測真空熱處理爐(1)內(nèi)的乙烯氣體量和氫氣量，根據(jù)測得的乙烯氣體量和氫氣量計算氣氛中的等效碳濃度，以及，將該計算值與基于被處理工件的材質(zhì)和所要求的熱處理性能設(shè)定的目標值進行比較，根據(jù)計算值與目標值的偏差控制供給真空熱處理爐(1)內(nèi)的乙烯氣體和氫氣的供給量。采用本發(fā)明的方法，可以準確并且再現(xiàn)性良好地獲得被處理工件所要求的熱處理品質(zhì)。
文檔編號C23C8/06GK1549871SQ0182366
公開日2004年11月24日 申請日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者山口和嘉, 田中康規(guī), 規(guī) 申請人:光洋熱系統(tǒng)株式會社