(57)【要約】【課題】  真空浸炭処理に伴う被処理品の浸炭状況をリアルタイムで直接把握することができ、履歴の影響を回避でき、フィードバック制御（操業）ができ、最終被処理品の品質を安定化することができ、２室炉や連続炉にも対応可能である真空浸炭センサとこれを用いた真空浸炭処理方法を提供する。【解決手段】  真空浸炭センサ１０が、被処理材１と同一又は類似の組成と一定の断面形状と長さを有し、真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理されるセンサピース１２と、センサピースの両端に接続された１対のリード線１４と、真空処理炉の外部に設置され１対のリード線間の抵抗値を検出する抵抗検出手段１６と、からなる。この真空浸炭センサ１０を被処理品１の近傍に設置し、真空処理炉２内で被処理材と同時に浸炭処理し、検出された抵抗値から被処理品の浸炭量を把握する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理材と同一又は類似の組成と一定の断面形状と長さを有し、真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理されるセンサピースと、該センサピースの両端に接続された１対のリード線と、真空処理炉の外部に設置され１対のリード線間の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、からなることを特徴とする真空浸炭センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の真空浸炭センサを被処理品の近傍に設置し、真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理し、検出された抵抗値から被処理品の浸炭量を把握する、ことを特徴とする真空浸炭処理方法。
【請求項３】
前記真空浸炭センサの抵抗値と浸炭量の関係を、材料の物性値毎に予め予備試験で求めてそのデータベースを作成し、真空処理に検出された抵抗値から前記データベースを参照してリアルタイムに被処理品の浸炭量を推定する、ことを特徴とする請求項２に記載の真空浸炭処理方法。
【請求項４】
前記被処理品の近傍は、被処理材を積載したトレーあるいはバスケットの所定位置であり、被処理材と同時に浸炭処理及び拡散処理し、その全工程で連続的に抵抗値を測定する、ことを特徴とする請求項２に記載の真空浸炭処理方法。
【請求項５】
前記真空浸炭センサの各リード線の中間に、該リード線を炉内で着脱可能なリード線着脱機構を備え、浸炭処理前に炉内で接続する、ことを特徴とする請求項２に記載の真空浸炭処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空浸炭センサとこれを用いた真空浸炭処理方法に関する。
【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。
浸炭処理のうちガス浸炭は、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。さらに、ガス浸炭の一種として、浸炭処理を減圧下で行う真空浸炭が知られている。
【０００３】
しかし、ガス浸炭では、カーボンポテンシャルのフィードバック制御がなされているのに対し、真空浸炭は雰囲気の制御を行っていないため、浸炭処理の再現性が低い、等の問題点があった。
【０００４】
そこで真空浸炭において、浸炭過程を制御する手段として、非特許文献１、特許文献１、２等が提案されている。
非特許文献１と特許文献１は、浸炭時の雰囲気ガスの組成を分析し、その分析結果に応じて、温度、圧力、および雰囲気ガスの組成のうち少なくとも１つを調整しながら浸炭を行うものである。具体的には、ガス分析手段として、酸素センサと熱伝導度を測定する計器、水素センサが例示されている。
【０００５】
特許文献２の「減圧雰囲気の炭素濃度測定方法及び装置」は、図５に示すように、熱処理炉における処理室５３内と炉殻５１外との間を連通する炭素濃度測定体挿入ポート５４の炉殻内部分と炉殻外部分とを仕切弁５５で仕切り、ポートの炉殻外部分を真空ポンプ５８で排気し、気密に維持せしめ、ポートを介して炭素濃度測定体６０をポートの炉殻外部分から処理室内に搬送手段６１によって搬送可能とし、炭素濃度測定体の炭素量を測定するものである。炭素濃度測定体６０は、炭素濃度測定用の鋼線、鋼箔または被浸炭処理体のテストピースである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２１２７０２号公報、「浸炭方法及び浸炭装置」
【特許文献２】特開２００２−３６５２７６号公報、
【０００７】
【非特許文献１】河田一喜、「雰囲気制御システムを搭載した真空浸炭炉」、工業加熱、Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１，Ｐ３７-４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、真空浸炭では品質管理に関連したプロセス手段がなく、操業は専ら温度と時間（浸炭時間、拡散時間）のみで管理されていた。このため浸炭品質に対する保証手段が無く、温度での管理では炉内の状況変化によって、処理品の浸炭品質が変動する問題点があった。
【０００９】
一方、上述したように非特許文献１と特許文献１に、真空浸炭のプロセス管理手段として、雰囲気管理センサが実用化されている。しかしこのセンサは炉内の雰囲気ガス組成を把握することが目的であり、処理品における浸炭状態を把握・管理する手段ではない。
また特許文献２に、鋼線や鋼箔の炭素濃度測定体の電気抵抗値で雰囲気炭素濃度を測定する方法も提案されているが、これも炉内雰囲気確認を目的としたセンサであり、かつ測定時に炉内に挿入した測定体を一定時間経過後に炉外に取り出し測定するもので、連続的な測定はできない問題点があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、真空浸炭処理に伴う被処理品の浸炭状況をリアルタイムで直接把握することができ、履歴の影響を回避でき、フィードバック制御（操業）ができ、最終被処理品の品質を安定化することができ、２室炉や連続炉にも対応可能である真空浸炭センサとこれを用いた真空浸炭処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、被処理材と同一又は類似の組成と一定の断面形状と長さを有し、真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理されるセンサピースと、該センサピースの両端に接続された１対のリード線と、真空処理炉の外部に設置され１対のリード線間の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、からなることを特徴とする真空浸炭センサが提供される。
【００１２】
この構成によれば、センサピースが真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理されると、その浸炭量にほぼ比例してリード線間の抵抗値が上昇するので、これを抵抗検出手段で検出することにより、被処理材の浸炭状況がリアルタイムで把握でき、処理バッチごとの浸炭品質が安定する。また、真空浸炭センサとして真空処理毎に未浸炭品を使用することで、浸炭処理の履歴の影響を回避することができる。
【００１３】
また本発明によれば、請求項１に記載の真空浸炭センサを被処理品の近傍に設置し、真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理し、検出された抵抗値から被処理品の浸炭量を把握する、ことを特徴とする真空浸炭処理方法が提供される。
【００１４】
この方法によれば、真空浸炭センサが真空処理炉内で被処理材と同時に浸炭処理されると、その浸炭量にほぼ比例した抵抗値が検出できるので、被処理材の浸炭状況がリアルタイムで把握でき、処理バッチごとの浸炭品質が安定する。また、真空浸炭センサとして真空処理毎に未浸炭品を使用することで、浸炭処理の履歴の影響を回避することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記真空浸炭センサの抵抗値と浸炭量の関係を、材料の物性値毎に予め予備試験で求めてそのデータベースを作成し、真空処理に検出された抵抗値から前記データベースを参照してリアルタイムに被処理品の浸炭量を推定する。
【００１６】
この方法によれば、浸炭開始後、測定値と作成済みのデータベースにより、その時点の浸炭状況を把握し、最終的な浸炭目標値に到達した時点で、浸炭処理を終了することができる。
また浸炭センサでの検出値に基づき、浸炭ガスの供給量あるいは炉内圧力などの浸炭品質に影響するパラメータを制御する操作も可能となり、フィードバック制御（操業）ができる。
【００１７】
前記被処理品の近傍は、被処理材を積載したトレーあるいはバスケットの所定位置であり、被処理材と同時に浸炭処理及び拡散処理し、その全工程で連続的に抵抗値を測定する。
【００１８】
この方法によれば、拡散処理を含む浸炭処理の全工程で連続的に抵抗値を測定するので、最終被処理品の品質を安定化することができる。また、全工程の終了後に浸炭センサを検査することで被処理品の品質を非破壊で把握することができる。
【００１９】
前記真空浸炭センサの各リード線の中間に、該リード線を炉内で着脱可能なリード線着脱機構を備え、浸炭処理前に炉内で接続することが好ましい。
かかるリード線着脱機構を炉内に設けることで、２室炉や連続炉にも対応可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明の真空浸炭センサとこれを用いた真空浸炭処理方法は、真空浸炭処理に伴う被処理品の浸炭状況をリアルタイムで直接把握することができ、履歴の影響を回避でき、フィードバック制御（操業）ができ、最終被処理品の品質を安定化することができ、２室炉や連続炉にも対応可能である、等の優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。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。
【００２２】
図１は、本発明の真空浸炭センサの構成図である。この図において、本発明の真空浸炭センサ１０は、センサピース１２、１対のリード線１４、及び抵抗検出手段１６からなる。
【００２３】
１対のリード線１４は、それぞれの一端がセンサピース１２の長さ方向両端に接続し、他端は炉外に位置する抵抗検出手段１６に接続する。リード線１４は電気抵抗の少ない導電線であり、外面は絶縁材で被覆されているのがよい。
【００２４】
抵抗検出手段１６は、真空処理炉の外部に設置され、１対のリード線１４間の抵抗値を検出する。この抵抗検出手段１６は、例えば一定の電流（例えば１Ａ）をリード線間に流し、その間の電圧降下を測定し、抵抗値を演算し、抵抗値データを出力する周知の抵抗測定装置である。
【００２５】
図１において、本発明の真空浸炭センサ１０は、更に各リード線１４の中間に、リード線を炉内で遠隔操作又は自動で着脱可能なリード線着脱機構１８を備える。このリード線着脱機構１８は、単室炉では必須ではないが、２室炉や連続炉では必須である。
【００２６】
図２は、本発明の真空浸炭センサの実施形態図である。この図において、（Ａ）はセンサピース１２の断面形状が円形、（Ｂ）は矩形の例であり、（Ｃ）は細い線材を螺旋又はジグザグに成形した例である。
【００２７】
図３は、本発明の真空浸炭センサを用いた真空浸炭処理設備の構成図である。この真空浸炭処理設備は、上述した真空浸炭センサ１０の他に、浸炭ガス供給装置２０と真空浸炭制御装置２２を備える。
浸炭ガス供給装置２０は、被処理材１を真空浸炭処理するための真空浸炭炉２に連結された浸炭ガス供給配管２１を有し、この配管２１を介して炉内へ浸炭ガスを供給するようになっている。
真空浸炭制御装置２２は、抵抗検出手段１６から出力される抵抗値データを基に浸炭ガス供給装置２０を制御するようになっている。
【００２８】
上述した真空浸炭処理設備を用いた真空浸炭処理方法を以下に説明する。
本発明の方法では、上述した真空浸炭センサ１０を被処理品１の近傍に絶縁状態で設置し、真空処理炉２内で被処理材１と同時に浸炭処理し、検出された抵抗値から被処理品の浸炭量を把握する。
【００２９】
被処理品１の近傍とは、被処理材を積載したトレーあるいはバスケットの所定位置であり、セラッミクス材等で炉体や被処理材自体と接触しないように絶縁する。また、被処理材と同時に浸炭処理及び拡散処理し、その全工程で連続的に抵抗値を測定する。
【００３０】
また、真空浸炭センサ１０の抵抗値と浸炭量の関係を、材料の物性値毎に予め予備試験で求めてそのデータベースを作成し、真空処理に検出された抵抗値からこのデータベースを参照してリアルタイムに被処理品の浸炭量を推定する。
【００３１】
すなわち、実際の真空浸炭工程において以下の順序で、予め設定した抵抗値に到達した時点で、浸炭工程あるいは拡散工程を終了する。
（１）各鋼種に対して、浸炭温度ごとの浸炭深さとセンサ測定抵抗値との関係を予めデータベース化する。
（２）このデータベースに基づいて、操業で要求される浸炭時の浸炭深さ、および拡散処理時の浸炭深さ、それぞれの抵抗値を制御装置に入力する。
（３）処理開始後、浸炭・拡散の各工程で前述の各設定値に到達時点で、その工程を終了し、次の工程へ移行する。すなわち浸炭工程では、設定値に到達時に、浸炭ガスの供給を停止し、拡散工程に移行する。また拡散工程では、設定値に到達時に、拡散工程を終了し、焼入れ工程に移行する。
【実施例１】
【００３２】
図４はこの実施例における抵抗値の計測データである。この図において、横軸は経過時間、縦軸は計測されたセンサの抵抗値である。なお図中の実線はセンサ板厚が１．５ｍｍの場合、一点鎖線は１．０ｍｍの場合である。
この試験は、浸炭ガスとしてアセチレンガスを用い、炉内温度を温度９００℃に一定に保持した。また、図中に示す浸炭開始時点から浸炭ガス（アセチレン）を供給し、拡散開始時点から浸炭ガスの供給を停止し温度をそのまま保持し拡散工程に移行した。なお、浸炭時間は８０分間とした。
この図から、センサ板厚によって特性は異なるが、浸炭開始直後より抵抗値は上昇し、浸炭終了時点では抵抗値はほぼ安定し、次いで、拡散工程で、抵抗値が再度上昇することがわかる。このことから、センサ板厚を一定に保持した場合、浸炭工程と拡散工程とでは抵抗値変化の挙動が異なることがわかる。
従って、浸炭時と拡散時の抵抗値変化の違いを組み合わせることで、被処理品の浸炭深さを浸炭工程と拡散工程とに分け、より正確に把握することができる。
【００３３】
なお、上述した真空浸炭処理設備を用いて、浸炭中に抵抗変化曲線に合わせたガス供給制御を組み合わせてもよい。この場合、真空浸炭処理方法は、以下の順序で行う。
（１）各鋼種に対して、浸炭温度ごとの浸炭深さとセンサ測定抵抗値との関係をデータベース化する。
（２）浸炭中および拡散中に浸炭センサで検出された抵抗値が、前述の抵抗変化曲線に合うように浸炭ガス供給量を調整する。
すなわち、計測抵抗値が大きい場合：「浸炭深さ過剰」と判断し、ガス供給量を減少する。逆に計測抵抗値が小さい場合：「浸炭深さ不足」と判断し、ガス供給量を増加する。
（３）処理開始後、浸炭・拡散の各工程で前述の各設定値到達時点で、目標とする浸炭深さが得られたとし、その工程を終了し、次の工程へ移行する。すなわち浸炭工程では、設定値に到達時に、浸炭ガスの供給を停止し、拡散工程に移行する。また拡散工程では、設定値に到達時に、拡散工程を終了し、焼入れ工程に移行する。
【００３４】
この方法により、（２）においてフィードバック制御（操業）が可能となり、より正確に浸炭処理を行うことができる。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施例及び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】
【００３６】
【図１】本発明の真空浸炭センサの構成図である。
【図２】本発明の真空浸炭センサの実施形態図である。
【図３】本発明の真空浸炭センサを用いた真空浸炭処理設備の構成図である。
【図４】本発明の実施例における抵抗値の計測データである。
【図５】特許文献２の「減圧雰囲気の炭素濃度測定方法及び装置」の模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  被処理材、２  真空浸炭炉、
１０  真空浸炭センサ、１２  センサピース、１４  リード線、
１６  抵抗検出手段、１８  リード線着脱機構、
２０  浸炭ガス供給装置、２１  浸炭ガス供給配管、２２  真空浸炭制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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