(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素からなる浸炭ガスにより減圧及び加熱状態で被処理品に浸炭処理を行う真空浸炭の品質管理方法であって、
浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化と、それ以前の浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定する、ことを特徴とする真空浸炭の品質管理方法。
【請求項２】
被処理品を収容し減圧及び加熱状態で前記被処理品を浸炭処理する処理室を有する炉体と、該処理室に炭化水素からなる浸炭ガスを導入する浸炭ガス導入手段と、前記処理室内のガスを排気し所定の減圧状態に保持するガス排気手段とを備えた真空浸炭炉における品質管理装置であって、
浸炭処理時における前記処理室内の全圧力に対する水素分圧比を検知する水素分圧比検知手段と、
前記水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化と、それ以前の異なる操業バッチの浸炭処理時における水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、前記処理室内に導入する浸炭ガスの量を制御する制御手段を備える、ことを特徴とする真空浸炭の品質管理装置。
【請求項３】
被処理品を収容し減圧及び加熱状態で前記被処理品を浸炭処理する処理室を有する炉体と、該処理室に炭化水素からなる浸炭ガスを導入する浸炭ガス導入手段と、前記処理室内のガスを排気し所定の減圧状態に保持するガス排気手段とを備えた真空浸炭炉において、
浸炭処理時における前記処理室内の全圧力に対する水素分圧比を検知する水素分圧比検知手段と、
該水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化を表示する出力手段と、
前記浸炭ガス導入手段による浸炭ガスの導入量を調節するガス導入量調節手段と、
前記水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化と、それ以前の異なる操業バッチの浸炭処理時における水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて前記ガス導入量調節手段を制御する制御手段と、を備える、ことを特徴とする真空浸炭炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空浸炭処理において、同一操業バッチ内又は各操業バッチ間における浸炭品質のバラつき度合を判定する真空浸炭の品質管理方法と装置、及び浸炭品質のバラつきを少なくする真空浸炭炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
浸炭（ｃａｒｂuｒｉｚｉｎｇ）とは、鋼材の表面に炭素を拡散浸透させる処理をいう。通常、浸炭後、焼入れを行って表面を硬化させ、耐摩耗性の高い表面と靭性に富む心部からなる部品を作製する。
【０００３】
浸炭処理としては、ガス浸炭法、プラズマ浸炭法、真空浸炭法等がある。この中でガス浸炭法は、天然ガス、プロパン、ブタンなどを変成してＣＯを主体とする浸炭性ガスを作り、これによって鋼材に浸炭を行うものである。ガス浸炭法は、カーボンポテンシャルに基づいて雰囲気を制御しながら浸炭を行うため、被処理品の表面炭素濃度を安定して制御することができる。このため、ガス浸炭法は、被処理品に対する浸炭品質の再現性が良好であるという利点を有する。しかしながら、ガス浸炭法は、浸炭ガスの使用量が多い、排気ガスを燃焼させる際に危険性がある、被処理品の表面に粒界酸化が生じる、等の問題がある。
【０００４】
一方、真空浸炭法は、ガス浸炭法の一種であり、浸炭処理を減圧下で行うガス浸炭法である（例えば、下記特許文献１〜３参照）。以下、本明細書において、「ガス浸炭」とは大気圧下で行われるガス浸炭法を意味し、「真空浸炭」とは減圧下で行われるガス浸炭法を意味するものとする。
【０００５】
真空浸炭では、表面炭素濃度が浸炭開始直後に炭素固溶限（Ａｃｍ）に達した後、浸炭ガス投入時間（浸炭時間）と拡散時間を管理することで所望の表面炭素濃度及び炭素濃度分布を得ている。被処理品内の炭素流入深さ（拡散深さ）については、ガス浸炭、真空浸炭ともに拡散時間により管理を行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−８１５４３号公報
【特許文献２】特開２００１−２４０９５４号公報
【特許文献３】特開２００２−２１２７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガス浸炭では、カーボンポテンシャルに基づく雰囲気の制御を行っていたことは上述の通りであるが、ガス浸炭と真空浸炭では反応形態が異なるため、ガス浸炭におけるカーボンポテンシャルに基づく雰囲気の制御を真空浸炭に適用することは不可能である。このため、真空浸炭では、浸炭・拡散温度、浸炭時間、ガス投入量などの条件管理により被処理品に対する浸炭品質（表面浸炭濃度、浸炭濃度分布）の均一性確保を図ってきた。
【０００８】
しかしながら、従来技術による真空浸炭では、上記のような条件管理によっても各操業バッチ間における浸炭品質にある程度のバラつきが生じることは避けられず、さらに、同一操業バッチ内における浸炭品質にもバラつきを生じていた。このため、真空浸炭では、被処理品の浸炭品質のバラつき度合を管理することが必要となる。ところが、上記のような条件管理項目では、処理中に浸炭品質を管理する手法が無いため、従来では、浸炭処理後に被処理品の抜取り試験により浸炭品質の検証が必要であった。
このように、従来技術では、浸炭品質のバラつき度合の判定が煩雑であるという問題があった。また、浸炭処理の雰囲気の制御を行っていなかったため、浸炭品質の再現性が悪いという問題があった。
【０００９】
本発明は、上述した問題点に鑑み、浸炭品質のバラつき度合の判定を容易にして浸炭品質の管理を容易に行うことができる真空浸炭の品質管理方法及び真空浸炭炉を提供することを目的とする。また、本発明は、浸炭品質の再現性を向上させ、浸炭品質のバラつきを少なくしてその均一性を確保できる真空浸炭炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために創案された第１の参考例によれば、炭化水素からなる浸炭ガスにより減圧及び加熱状態で被処理品に浸炭処理を行う真空浸炭の品質管理方法であって、被処理品に要求される有効硬化層深さ（浸炭深さ）と表面炭素濃度に応じて、被処理品内部への炭素の拡散に基づいて、浸炭処理に必要な炭素量を元に浸炭ガスの理論流量の時間変化を求め、該理論流量の時間変化に基づいて、該理論流量における浸炭反応により生じる水素の処理室内の全圧力に対する分圧比を理論水素分圧比とし、この理論水素分圧比の時間変化を求め、該理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を判定する、ことを特徴とする真空浸炭の品質管理方法である。
【００１１】
上記目的を達成するために創案された第１の発明は、炭化水素からなる浸炭ガスにより減圧及び加熱状態で被処理品に浸炭処理を行う真空浸炭の品質管理方法であって、浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化と、それ以前の浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定する、ことを特徴とする真空浸炭の品質管理方法である。
【００１２】
また、第２の参考例は、被処理品を収容し減圧及び加熱状態で前記被処理品を浸炭処理する処理室を有する炉体と、該処理室に炭化水素からなる浸炭ガスを導入する浸炭ガス導入手段と、前記処理室内のガスを排気し所定の減圧状態に保持するガス排気手段とを備えた真空浸炭炉において、浸炭処理時における前記処理室内の全圧力に対する水素分圧比を検知する水素分圧比検知手段と、被処理品に要求される浸炭深さと表面炭素濃度に応じて、材料の内部拡散に基づいて、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量の時間変化を求める処理と、該理論流量の時間変化に基づいて、該理論流量における浸炭反応により生じる水素の処理室内における全圧力に対する分圧比を理論水素分圧比とし、この理論水素分圧比の時間変化を求める処理と、を行う演算処理手段と、前記理論水素分圧比の時間変化と、前記水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化を表示する出力手段と、を備える、ことを特徴とする真空浸炭炉である。
【００１３】
第３の参考例は、上記第２の参考例において、前記浸炭ガス導入手段による浸炭ガスの導入量を調節するガス導入量調節手段と、前記演算処理手段により求めた理論水素分圧比の時間変化と、前記水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて前記ガス導入量調節手段を制御する制御手段と、を更に備える、ことを特徴とするものである。
【００１４】
上記目的を達成するために創案された第２の発明は、被処理品を収容し減圧及び加熱状態で前記被処理品を浸炭処理する処理室を有する炉体と、該処理室に炭化水素からなる浸炭ガスを導入する浸炭ガス導入手段と、前記処理室内のガスを排気し所定の減圧状態に保持するガス排気手段とを備えた真空浸炭炉において、浸炭処理時における前記処理室内の全圧力に対する水素分圧比を検知する水素分圧比検知手段と、該水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化を表示する出力手段と、を備える、ことを特徴とする真空浸炭炉である。
【００１５】
第３の発明は、上記第２の発明において、前記浸炭ガス導入手段による浸炭ガスの導入量を調節するガス導入量調節手段と、前記水素分圧検知手段により検知した水素分圧比の時間変化と、それ以前の浸炭処理時における水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて前記ガス導入量調節手段を制御する制御手段と、を更に備える、ことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明において、「浸炭品質」とは、浸炭処理を施した被処理品の表面炭素濃度や炭素濃度分布のように、被処理品中の炭素の割合、範囲、深さ等の状態を示す概念である。
【００１７】
「表示」とは、外部に目的の情報を表し示すことをいい、モニターのように電磁的・磁気的手法により表示することや、プリンターのように印刷により有形的手法により表示することも含む概念である。
【００１８】
「水素分圧比検知手段」とは、浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比を検知するための機能を有するものをいい、複数の機器の組み合わせによりそのような機能を達成するものも含む概念である。実施形態では、水素センサ、真空計及び演算処理装置のもつ複数の機能のうちの一部の機能の組み合せがこれに該当する。
【００１９】
「演算処理手段」とは、理論流量の時間変化を求める処理と、理論水素分圧比の時間変化を求める処理とを行う機能を有するものをいい、電子計算機の一部の機能を使用することによりそのような機能を達成するものも含む概念である。実施形態では、演算処理装置がこれに該当する。
【００２０】
他の用語の意義については、本明細書の以下の説明により明らかになろう。
【発明の効果】
【００２１】
上記第１の参考例によれば、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量の時間変化を求め、この時間変化に基づいて、浸炭ガスの理論流量に対応する理論水素分圧比を求め、この理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を判定するので、従来技術のように浸炭処理後に抜取り試験を実施する必要が無く、浸炭品質の再現性の確認を容易に行うことができる。後に詳述するように、本願発明者は、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化が、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量に対応する理論水素分圧比（浸炭ガスの理論流量における浸炭反応により生じる理論上の水素の処理室内の全圧力に対する水素分圧比）の時間変化に近似するほど、浸炭品質のバラつき度合が少ないという新規な知見を得た。本発明は、かかる新規な知見を利用したものである。すなわち、理論水素分圧比の時間変化と、実際の水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を判定することができる。
【００２２】
上記第１の発明によれば、各操業バッチでの浸炭処理時の水素分圧比の時間変化を比較し、その近似度合いに基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定するので、従来技術のように浸炭処理後に抜取り試験を実施する必要が無く、浸炭品質の再現性の確認を容易に行うことができる。後に詳述するように、本願発明者は、浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化と、浸炭品質とに相関関係があるという新規な知見を得た。本発明は、かかる新規な知見を利用したものである。すなわち、各操業バッチでの浸炭処理時の水素分圧比の時間変化を比較し、その近似度合いに基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定することができる。したがって、例えば、浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化が、それ以前に行われた浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化と同等であるか、又は同等ではないがその差異が許容範囲内であるときは、浸炭品質の再現性が良好であると判定できる。
【００２３】
上記第２の参考例によれば、演算処理手段により上述した理論水素分圧比を求め、出力手段により、この理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における水素分圧比の時間変化を表示等するので、この理論水素分圧比と、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比とを比較することができる。このため、上述したように、その近似度合に基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を判定することができる。したがって、従来技術のように浸炭処理後に抜取り試験を実施する必要が無く、浸炭品質の再現性の確認を容易に行うことができる。
【００２４】
上記第３の参考例によれば、ガス導入量調節手段と、上記近似度合に基づいてガス導入手段を制御する制御手段とを備えるので、真空浸炭炉の操業中に、処理室内の水素分圧比の時間変化が、理論水素分圧比の時間変化に近づくように、ガス導入量調節手段を制御し、処理室への浸炭ガスの導入量を調節することができる。上述したように、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化が、理論水素分圧比の時間変化に近似するほど、浸炭品質のバラつき度合が少ないため、処理室内の水素分圧比の時間変化を、理論水素分圧比の時間変化に近づけることにより、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を少なくし、均一性を確保することができる。
【００２５】
上記第２の発明によれば、真空浸炭炉において、浸炭処理時における水素分圧比を検知する水素分圧比検知手段と、この水素分圧比の時間変化を表示又は記録する出力手段とを備えるので、各操業バッチでの浸炭処理時における水素分圧比の時間変化を比較することができる。このため、上述したように、その近似度合いに基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定することができる。したがって、従来技術のように浸炭処理後に抜取り試験を実施する必要が無く、浸炭品質の再現性の確認を容易に行うことができる。
【００２６】
上記第３の発明によれば、ガス導入量調節手段と、上記近似度合に基づいてガス導入手段を制御する制御手段とを備えるので、真空浸炭炉の操業中に、処理室内の水素分圧比の時間変化が、以前の操業バッチと同一又は許容範囲内の変化となるように、ガス導入量調節手段を制御し、処理室への浸炭ガスの導入量を調節することができる。上述したように、浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化と、浸炭品質とに相関関係があるため、浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化を、それ以前の操業バッチにおける水素分圧比の時間変化と同等なものとすることにより、操業バッチ間における浸炭品質のバラつき度合を少なくし、均一性を確保することができる。
【００２７】
このように、上記本発明によれば、浸炭品質のバラつき度合の判定を容易にして浸炭品質の管理を容易に行うことができるとともに、浸炭品質の再現性を向上させ、浸炭品質のバラつきを少なくしてその均一性を確保できる、という優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の具体的な実施形態について説明する前に、まず、本発明の理解を容易にするために、本発明の課題解決原理を理解するための種々の事項について説明する。
【００２９】
まず、「浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量」について説明する。真空浸炭処理においては、所定の真空状態の処理室内に浸炭ガス（例えばアセチレン）を導入し、導入された浸炭ガスと処理室内の被処理品の表面とで浸炭反応を生じる。このときの浸炭反応は、浸炭ガスがアセチレンの場合、Ｈ２Ｃ２→２Ｃ＋Ｈ２の反応が行われる。
【００３０】
すなわち、被処理品の表面における浸炭反応では、炭素が被処理品の表面に投入され、水素が放出される。通常の場合、処理室内に導入された浸炭ガスには、浸炭反応に寄与しない分も含まれている。これに対し、処理室内に導入された浸炭ガスが１００％浸炭反応に寄与するとした場合に、要求される表面浸炭濃度と炭素濃度分布を得るために理論上必要な浸炭ガスの流量を「浸炭ガスの理論流量」と定義する。
【００３１】
浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）、つまり浸炭ガスの理論流量の時間変化の求め方は次の通りである。浸炭処理における被処理材の内部への拡散速度は、Ｆｉｃｋの第２法則から数１の式（１）で、炭素の拡散係数は式（２）で示される。ここで、Ｃは濃度、ｘは表面からの距離、Ｄは拡散係数[ｍ２／ｓ]、Ｄ０は頻度因子[ｍ２／ｓ]、Ｑは活性化エネルギー[ｋＪ／ｍｏｌ]、Ｒはガス定数[ｋＪ／Ｋ・ｍｏｌ]、Ｔは温度[Ｋ]である。
【００３２】
【数１】
0005429500.tif 000002
【００３３】
初期条件をＣ＝Ｃ０（Ｃ０は母材炭素濃度）とし、浸炭時の表面においてＣ＝ＣＳ（ＣＳは表面炭素濃度）とすることにより、式（１）（２）から浸炭温度Ｔにおける距離ｘ、時間ｔと炭素濃度Ｃの関係を求めることができる。これから必要な浸炭深さ及び炭素濃度と表面炭素濃度より、浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）を算出することができる。このようにして求めた関係式に基づいて、図１に例示するように、浸炭ガスの理論流量Ｖの時間変化を表すことができる。
【００３４】
次に、「理論水素分圧比」について説明する。通常の真空浸炭処理では、処理室内に実際に導入する浸炭ガスの流量は、上述した理論流量Ｖとは一致せず、その比率は、処理室内に導入する実際の浸炭ガス流量を実流量ＶＲとした場合、下記（３）式で表される。
理論流量Ｖ／実流量ＶＲ・・・・（３）
【００３５】
そして、この場合において、理想的な浸炭処理が行われたと仮定した場合、理論流量に対応する量の浸炭ガスにより浸炭反応が行われたときに発生する水素量は、その浸炭反応を行った浸炭ガスと同モル数となる。このことは、浸炭ガスがアセチレンの場合、Ｈ２Ｃ２→２Ｃ＋Ｈ２の反応が行われることから理解できる。そうすると、理論流量の導入による（理想的な）浸炭反応によって生じる理論水素量ＶＴＨは、理論的には、浸炭ガスの理論流量Ｖと同じであるということができる。つまり、下記（４）の関係が成立する。
理論流量Ｖ＝理論水素量ＶＴＨ・・・・（４）
【００３６】
上記（３）、（４）式から、理論流量Ｖを理論水素量ＶＴＨに置き換えると、下記（５）式が導かれる。
理論水素量ＶＴＨ／実流量ＶＲ・・・・（５）
【００３７】
そして、上記（５）式で表されたものは、浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の理論値である。つまり、この水素分圧比の理論値は、（３）、（４）式より、理論流量Ｖ、実流量ＶＲから求めることができる。本発明では、上記（５）式で表される水素分圧比の理論値を「理論水素分圧比」と定義する。
【００３８】
次に、理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化との関係について、図２を参照して説明する。図２において、横軸は浸炭経過時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は水素の分圧比（％）を示している。また図中、Ａ、Ｂ、Ｃは、理論水素分圧比の時間変化を示し、そのときの浸炭ガスの実投入量（実流量）は、それぞれ、１０Ｌ／ｍ、２０Ｌ／ｍ、３０Ｌ／ｍである。また図中、ａ、ｂ、ｃは、実際の浸炭処理時における処理室内の全圧力に対する水素分圧比の時間変化を示し、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃに対応している。また、ａ、ｂ、ｃに付記したΔＣ％は、それぞれの浸炭工程及び拡散工程終了後の浸炭品質のバラつき度合を示している。
【００３９】
図２から、実際の水素分圧比が早期に低下するほど、浸炭品質のバラつきが少ないことが分かる。また、実際の水素分圧比が、これに対応する理論水素分圧比に近いほど、浸炭品質のバラつきが少ないことが分かる。このことを、図３を参照して説明する。
【００４０】
浸炭処理時における被処理品への炭素の流入を、バラつきの有無を条件として考えた場合、以下のように説明できる。
（１）被処理品が均一に浸炭されている場合（図３Ａの場合）
表層付近の炭素濃度の位置による差はなく、炭素流入にも差は無い。
（２）被処理品に不均一な浸炭が発生している場合（図３Ｂの場合）
表層の炭素濃度に位置による差が生じていることになり、炭素濃度が高い箇所は炭素流入量が少なくなるが、低濃度の箇所では、炭素流入量が高濃度の箇所よりも大きくなる。
（３）以上の２つの状態において、水素分圧比の時間変化（低下率）は、均一な浸炭では理想状態に近づく（図２のｂ、ｃ）のに対し、不均一な場合（バラつきがある場合）では炭素流入が継続するため、理想状態より遅れる（図２のａ）ことになる。
【００４１】
以上の事実に基づき、本願発明者は、以下の新規な知見を得た。
（１）実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化が、理論水素分圧比の時間変化に近似するほど、浸炭品質のバラつき度合が少ない。これを利用し、理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を判定する。
（２）浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化と、浸炭品質とに相関関係があるという上記（１）の知見から、水素分圧比の時間変化が同じであれば、浸炭品質も同じであると推定できる。これを利用し、各操業バッチでの浸炭処理時の水素分圧比の時間変化を比較し、その近似度合いに基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定する。
【００４２】
本発明は、上記新規な知見に基づくものであり、以下、参考例と本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００４３】
図４は、第１参考例による真空浸炭炉１０の概略構成を示す図である。図４に示すように、真空浸炭炉１０は、内部に処理室１７を有する炉体１２と、ガス導入ライン２０と、ガス排気ライン２２とを備えている。炉体１２の炉壁１６の内部には断熱壁１４が設けられており、この断熱壁１４の内部に、被処理品１を収容し減圧及び加熱状態で被処理品１を浸炭処理する処理室１７が形成されている。また、処理室１７内には、ヒータ１９が設置され、加熱室１７内及び被処理品１を所定温度に加熱するようになっている。
【００４４】
ガス導入ライン２０は、断熱壁１４に接続され、処理室１７内に炭化水素（例えばアセチレン）からなる浸炭ガスを導入する「浸炭ガス導入手段」として機能する。ガス排気ライン２２は、断熱壁１４に接続され、処理室１７内のガスを排気するようになっている。また、ガス排気ライン２２は真空ポンプ２４に接続されており、このガス排気ライン２２及び真空ポンプ２４は、処理室１７内のガスを排気し所定の減圧状態に保持する「ガス排気手段」として機能する。
【００４５】
さらに、真空浸炭炉１０は、浸炭処理時における処理室１７内の水素圧力を検出する水素センサ３０、浸炭処理時における処理室１７内の全圧力を検出する真空計３２、各種の演算・制御を行う演算処理装置３４、この演算処理装置３４からの出力を画像表示するディスプレー３６及び演算処理装置３４からの出力を印刷するプリンター３８を備えている。また、演算処理装置３４には、入力手段としてのキーボード４０及びマウス４２が接続されている。
【００４６】
水素センサ３０は、例えば四重極質量分析器で構成することができ、真空計３２は、例えばバラトロン真空計で構成することができる。水素センサ３０及び真空計３２は演算処理装置３４に接続され、検出した処理室１７内の水素分圧及び全圧を出力し、その出力信号は演算処理装置３４に入力されるようになっている。
【００４７】
演算処理装置３４は、少なくともＣＰＵ、記憶部を備えて各種情報処理・演算・制御を実行可能であり、パーソナルコンピュータ又は専用の電子計算機により構成することができる。第１参考例における演算処理装置３４は、水素センサ３０からの水素分圧及び真空計３２からの全圧に基づいて、浸炭処理時における処理室１７内の全圧力に対する水素分圧比を演算し、求める処理を行う。このように、第１参考例では、水素センサ３０、真空計３２及び演算処理装置３４により、浸炭処理時における処理室１７内の全圧力に対する水素分圧比を検知する「水素分圧比検知手段」としての機能を達成している。
【００４８】
また、演算処理装置３４は、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量の時間変化を求める処理と、理論水素分圧比の時間変化を求める処理を行う。この「浸炭ガスの理論流量」及び「理論水素分圧比」の意味は、上述した通りである。具体的には、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量は、被処理品１に要求される浸炭深さと表面炭素濃度に応じて、材料の内部拡散に基づいて、求めることができる。また、理論水素分圧比の時間変化は、上記の浸炭ガスの理論流量の時間変化に基づいて、該理論流量における浸炭反応により生じる水素の処理室内における全圧力に対する分圧比により、求めることができる。
【００４９】
このように、第１参考例では、演算処理装置３４により、被処理品１に要求される浸炭深さと表面炭素濃度に応じて、材料の内部拡散に基づいて、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量の時間変化を求める処理と、理論流量の時間変化に基づいて、当該理論流量における浸炭反応により生じる水素の処理室１７内における全圧力に対する分圧比を理論水素分圧比とし、この理論水素分圧比の時間変化を求める処理と、を行う「演算処理手段」としての機能を達成している。
【００５０】
ディスプレー３６は、演算処理装置３４により求めた理論水素分圧比の時間変化と、実際の水素分圧比の時間変化を画像表示により出力するようになっている。また、プリンター３８は、演算処理装置３４により求めた理論水素分圧比の時間変化と、実際の水素分圧比の時間変化を印刷により出力するようになっている。このように、第１参考例において、ディスプレー３６又はプリンター３８は、理論水素分圧比の時間変化と、水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化を表示する「出力手段」として機能する。
【００５１】
このように構成された真空浸炭炉１０によれば、水素分圧検知手段として機能する水素センサ３０、真空計３２及び演算処理装置３４により実際の浸炭処理時における処理室１７内の全圧力に対する水素分圧比を検知し、演算処理手段として機能する演算処理装置３４により理論水素分圧比を求め、出力手段として機能するディスプレー３６又はプリンター３８により、この理論水素分圧比の時間変化と、実際の浸炭処理時における水素分圧比の時間変化を表示するので、この理論水素分圧比と、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比とを比較することができる。上述したように、実際の浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化が、理論水素分圧比の時間変化に近似するほど、浸炭品質のバラつき度合が少ない。このため、その近似度合に基づいて、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を判定することができる。したがって、従来技術のように浸炭処理後に抜取り試験を実施する必要が無く、浸炭品質の再現性の確認を容易に行うことができる。
【００５２】
次に、第２参考例について説明する。図５は、第２参考例による真空浸炭炉１０の概略構成を示す図である。本実施形態による真空浸炭炉１０は、上述した第１参考例による真空浸炭炉１０に、ガス流量調節弁２６を加えたものである。このガス流量調節弁２６は、浸炭ガス導入手段（ガス導入ライン２０）による浸炭ガスの導入量を調節する「ガス導入量調節手段」として機能する。その他の、機器構成は、上述した第１参考例と同様である。
【００５３】
また、この第２参考例における演算処理装置３４は、求めた理論水素分圧比の時間変化と、実際の水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいてガス流量調節弁２６を制御するようになっている。具体的には、真空浸炭炉１０の操業中に、処理室１７内の水素分圧比の時間変化が、理論水素分圧比の時間変化に近づくように、ガス流量調節弁２６を制御し、処理室１７への浸炭ガスの導入量を調節する。
【００５４】
このように、第２参考例では、演算処理装置３４により、演算処理手段により求めた理論水素分圧比の時間変化と、水素分圧比検知手段により検知した水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいてガス導入手段を制御する「制御手段」としての機能を達成している。
【００５５】
上述したように、実際の浸炭処理時における処理室１７内の水素分圧比の時間変化が、理論水素分圧比の時間変化に近似するほど、浸炭品質のバラつき度合が少ない。このため、第２参考例による真空浸炭炉によれば、処理室１７内の水素分圧比の時間変化を、理論水素分圧比の時間変化に近づけることにより、同一操業バッチ内における浸炭品質のバラつき度合を少なくし、均一性を確保することができる。
【００５６】
次に、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態による真空浸炭炉は、図４に示した第１参考例による真空浸炭炉１０の機器構成と基本的に同様であるので、第１実施形態についても、図４を参照して説明する。
【００５７】
この第１実施形態における演算処理装置３４は、浸炭処理時における水素分圧比の時間変化を記憶部に記憶させておくことができ、ディスプレー３６又はプリンター３８により、異なる操業バッチでの浸炭処理時における水素分圧比の時間変化を同時又は順次に画像表示又は印刷により出力することができる。
【００５８】
したがって、第１実施形態による真空浸炭炉１０によれば、各操業バッチでの浸炭処理時における水素分圧比の時間変化を比較することができる。上述したように、浸炭処理時における処理室内の水素分圧比の時間変化と、浸炭品質とに相関関係があるという知見から、水素分圧比の時間変化が同じであれば、浸炭品質も同じであると推定できる。このため、その近似度合いに基づいて、各操業バッチ間の浸炭品質のバラつき度合を判定することができる。したがって、従来技術のように浸炭処理後に抜取り試験を実施する必要が無く、浸炭品質の再現性の確認を容易に行うことができる。
【００５９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態による真空浸炭炉は、図５に示した第２参考例による真空浸炭炉１０の機器構成と基本的に同様であるので、第２実施形態についても、図５を参照して説明する。
【００６０】
この第２実施形態は、上述した第１実施形態による真空浸炭炉１０に、更にガス流量調節弁２６を加えた点と、演算処理装置３４の動作内容の点で、第１実施形態と異なる。すなわち、第２実施形態における演算処理装置３４は、水素分圧比の時間変化と、それ以前に行われた操業バッチの浸炭処理時における水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいてガス流量調節弁２６を制御するようになっている。具体的には、真空浸炭炉１０の操業中に、処理室１７内の水素分圧比の時間変化が、以前の操業バッチと同一又は許容範囲内の変化となるように、ガス流量調節弁２６を制御し、処理室１７への浸炭ガスの導入量を調節する。
【００６１】
このように、第２実施形態では、演算処理装置３４により、水素分圧検知手段により検知した水素分圧比の時間変化と、それ以前の浸炭処理時における水素分圧比の時間変化とを比較し、その近似度合に基づいてガス導入量調節手段を制御する「制御手段」としての機能を達成している。
【００６２】
上述したように、浸炭処理時における処理室１７内の水素分圧比の時間変化と、浸炭品質とに相関関係がある。このため、第２実施形態による真空浸炭炉１０によれば、浸炭処理時における処理室１７内の水素分圧比の時間変化を、それ以前の操業バッチにおける水素分圧比の時間変化と同等なものとすることにより、操業バッチ間における浸炭品質のバラつき度合を少なくし、均一性を確保することができる。
【００６３】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、浸炭品質のバラつき度合の判定を容易にして浸炭品質の管理を容易に行うことができるとともに、浸炭品質の再現性を向上させ、浸炭品質のバラつきを少なくしてその均一性を確保できる、という優れた効果が得られる。
【００６４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】浸炭ガスの理論流量と浸炭時間との関係を示す図である。
【図２】理論水素分圧比と実際の水素分圧比との関係を示す図である。
【図３】浸炭バラつき発生状況と炭素流入との関係を示す図である。
【図４】第１参考例又は本発明の第１実施形態による真空浸炭炉の概略構成を示す図である。
【図５】第２参考例又は本発明の第２実施形態による真空浸炭炉の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  被処理品
１０  真空浸炭炉
１２  炉体
１４  断熱壁
１６  炉壁
１７  被処理室
２０  ガス導入ライン
２２  ガス排気ライン
２４  真空ポンプ
２６  ガス流量調節弁
３０  水素センサ
３２  真空計
３４  演算処理装置
３６  ディスプレー
３８  プリンター
４０  キーボード
４２  マウス
【図１】
0005429500.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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