УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАУГЛЕРОЖИВАНИЯ
DEVICE AND PROCEURE OF CARBONISATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству науглероживания и способу науглероживания.
Приоритет испрашивает по Патентной заявке Японии № 2007-43973, поданной 23 февраля 2007 г., содержание которой включено в настоящее описание посредством данной ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Вакуумное науглероживание, которое выполняется при пониженном давлении, хорошо известно как одна из обработок науглероживанием, используемая для поверхностной обработки стали.
Следующие Патентные документы раскрывают часть примеров методик, относящихся к вакуумному науглероживанию.
Патентный Документ 1: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2001-081543
Патентный Документ 2: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2001-240954
Патентный Документ 3: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2001-262313
Патентный Документ 4: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2002-173759
Патентный Документ 5: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2002-212702
Патентный Документ 6: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2004-053507
Патентный Документ 7: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2004-059959
Патентный Документ 8: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2004-332075
Патентный Документ 9: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2005-350729
Патентный Документ 10: японская нерассмотренная Патентная заявка, первая публикация № 2005-351761
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМА, РЕШАЕМАЯ ПОСРЕДСТВОМ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один из традиционных способов подтверждения воспроизводимости обработки вакуумным науглероживанием заключается в выборочном осмотре обрабатываемых предметов (сталь), после их обработки вакуумным науглероживанием. В частности, обработка вакуумным науглероживанием обрабатываемых предметов выполнялась при контроле, например, за различными условиями науглероживания (время науглероживания, температура науглероживания, количество подаваемого для науглероживания газа, или подобное). Обработка сопровождалась контролем качества науглероживания (плотность поверхностного науглероживания, распределение плотности науглероживания, твердость науглероженного слоя, эффективная глубина науглероженного слоя после науглероживания, или подобное) посредством отбора обрабатываемых предметов после обработки вакуумным науглероживанием. Затем, вслед за обработкой определялось, действительно ли было получено желаемое качество науглероживания, или следует отрегулировать условия науглероживания, чтобы получить желаемое качество науглероживания.
Однако, чтобы получить желаемое качество науглероживания в соответствие с вышеописанным способом, необходим сложный процесс, при котором в каждом случае необходимо в реальном времени сопоставлять полученные результаты науглероживания обрабатываемых предметов с требуемым науглероживанием. Кроме того, в случае когда количество газа для науглероживания не соответствует размеру обрабатываемых науглероживанием предметов, возникают следующие проблемы. Например, в случае когда количество газа для науглероживания слишком мало относительно размера предметов, обрабатываемых науглероживанием, качество науглероживания колеблется, поскольку количество газа для науглероживания, который подается к поверхностям обрабатываемых науглероживанием предметов, колеблется. И, напротив, в случае когда количество газа для науглероживания слишком велико относительно размера обрабатываемых с науглероживанием предметов, в печи науглероживания образуется сажа из-за чрезмерного количества газа, который не вносит вклад в науглероживание и, соответственно, часто бывает необходимо обслуживание для избавления от сажи.
Для выполнения обработки вакуумным науглероживанием с хорошей воспроизводимостью предпочтительно контролировать состав печного газа в печи науглероживания. Соответственно, необходимо непосредственно и точно рассчитывать состав печного газа, использовать результаты расчета и выполнять соответствующие корректировки, чтобы иметь желаемый состав печного газа. Однако до сих пор не был установлен эффективный способ для того, чтобы рассчитывать состав печного газа непосредственно и точно. Соответственно, требуется эффективный способ для того, чтобы рассчитывать состав печного газа непосредственно и точно.
Настоящее изобретение было получено ввиду вышеупомянутых обстоятельств и имеет целью предоставление устройства науглероживания и способа науглероживания, в которых возможно рассчитать состав печного газа непосредственно и точно, и предпочтительно выполнить обработку вакуумным науглероживанием с высокой воспроизводимостью.
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, настоящее изобретение использует следующие структуры.
Первый объект настоящего изобретения - устройство науглероживания, которое выполняет обработку предмета вакуумным науглероживанием. Устройство науглероживания включает в себя: печь науглероживания, которая содержит обрабатываемый предмет; аппарат подачи газа, который подает газ для науглероживания в печь науглероживания; устройство светового излучения, которое излучает световое излучение посредством использования печного газа внутри печи науглероживания, которая снабжается газом для науглероживания; устройство приема светового излучения, которое принимает свет, излучаемый устройством светового излучения; и устройство обработки, которое рассчитывает состав печного газа исходя из результата приема светового излучения устройством приема светового излучения.
В соответствии с первым объектом настоящего изобретения, поскольку предусмотрены устройство светового излучения, которое излучает свет посредством использования печного газа, и устройство приема светового излучения, которое принимает свет, излучаемый устройством светового излучения, оказывается возможным оптически рассчитать состав печного газа непосредственно и точно исходя из результата приема света устройством приема светового излучения. Соответственно, посредством использования расчетного результата, оказывается возможным выполнить соответствующие корректировки, чтобы достичь желаемого состава печного газа и предпочтительно выполнять обработку вакуумным науглероживанием с высокой воспроизводимостью.
В устройстве науглероживания по вышеупомянутому объекту может использоваться конструкция, в которой устройство светового излучения излучает свет посредством использования печного газа, введенного в пространство детектирования, которое связано с внутренним пространством печи науглероживания.
В соответствии с вышеупомянутой конструкцией предоставляется специальное пространство детектирования, отличное от внутреннего пространства печи науглероживания, для того, чтобы излучать свет посредством устройства светового излучения. Соответственно, возможно беспрепятственно выполнить операцию светового излучения, используя устройство светового излучения, и операцию приема света, используя устройство приема светового излучения. Поскольку пространство детектирования связано с внутренним пространством печи науглероживания, окружающая среда пространства детектирования соответствует внутреннему пространству печи науглероживания. Соответственно, в окружающей среде, соответствующей внутреннему пространству печи науглероживания, оказывается возможным излучать свет посредством использования печного газа.
В устройстве науглероживания по вышеупомянутому объекту может использоваться конструкция, в которой устройство светового излучения излучает свет, передавая энергию печному газу.
В соответствии с вышеупомянутой конструкцией устройство светового излучения может излучать свет посредством формирования возбужденного состояния печного газа.
В устройстве науглероживания по вышеупомянутому объекту может использоваться конструкция, в которой устройство светового излучения создает плазму в пространстве, которое включает в себя печной газ.
В соответствии с вышеупомянутой конструкцией устройство светового излучения может излучать свет посредством формирования возбужденного состояния печного газа.
В устройстве науглероживания по вышеупомянутому объекту может использоваться конструкция, в которой устройство светового излучения излучает лазерный свет в печной газ.
В соответствии с вышеупомянутой конструкцией устройство светового излучения может излучать свет посредством формирования возбужденного состояния печного газа.
В устройстве науглероживания по вышеупомянутому объекту может использоваться конструкция, в которой устройство приема светового излучения детектирует интенсивность света, излучаемого устройством светового излучения.
В соответствии с вышеупомянутой конструкцией, поскольку устройство светового излучения излучает свет, имеющий заданную длину волны и интенсивность, соответствующую составу печного газа, оказывается возможным точно рассчитать состав печного газа исходя из результата приема света устройством приема светового излучения.
В устройстве науглероживания по вышеупомянутому объекту может использоваться конструкция, в которой предоставлено устройство управления, которое управляет, по меньшей мере, количеством газа для науглероживания, подаваемого в единицу времени аппаратом подачи газа, или временем науглероживания исходя из состава печного газа, рассчитанного устройством обработки.
В соответствии с вышеупомянутой конструкцией устройство управления может обеспечивать желаемый состав печного газа и предпочтительно выполнять обработку вакуумным науглероживанием с высокой воспроизводимостью посредством управления количеством газа для науглероживания в единицу времени, подаваемого от аппарата подачи газа, или посредством управления временем науглероживания исходя из рассчитанного состава печного газа.
Второй объект настоящего изобретения - способ науглероживания, который обеспечивает обработку предмета вакуумным науглероживанием. Способ науглероживания включает в себя: подачу газа для науглероживания в печь науглероживания, которая содержит обрабатываемый предмет; вынуждение светового излучения печным газом, имеющимся в печи науглероживания, которая снабжается газом для науглероживания; прием светового излучения; и расчет состава печного газа исходя из результата приема светового излучения.
В соответствии со вторым объектом настоящего изобретения, поскольку выполняются операция, которая вынуждает печной газ излучать световое излучение, и операция, при которой принимается световое излучение, оказывается возможным непосредственно и точно оптически рассчитать состав печного газа исходя из результата приема светового излучения. Соответственно, посредством использования результата расчета, оказывается возможным выполнить соответствующие корректировки, чтобы иметь желаемый состав печного газа и предпочтительно выполнять обработку вакуумным науглероживанием с высокой воспроизводимостью.
В способе науглероживания может использоваться конструкция, при которой операция, при которой принимается световое излучение, включает в себя операцию, при которой детектируется интенсивность принятого светового излучения, и дополнительно включает в себя операцию, при которой заранее рассчитывается соотношение между составом печного газа и интенсивностью излучения печного газа. Соответственно, оказывается возможным рассчитать состав печного газа исходя из соотношения и интенсивности продетектированного светового излучения.
В соответствии с вышеупомянутым способом, посредством заблаговременного расчета соотношения между составом печного газа и интенсивностью излучения печного газа, оказывается возможным точно рассчитать состав печного газа исходя из соотношения и интенсивности продетектированного светового излучения.
ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением оказывается возможным непосредственно и точно рассчитать состояние печного газа в печи науглероживания. Соответственно, оказывается возможным предпочтительно выполнить обработку вакуумным науглероживанием с высокой воспроизводимостью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает структурную блок-схему устройства науглероживания в соответствии с вариантом реализации.
Фиг.2 - увеличенный вид устройства светового излучения и устройства приема светового излучения.
Фиг.3A - схема, поясняющая соотношение между режимом науглероживания и печным газом.
Фиг.3B - схема, поясняющая соотношение между режимом науглероживания и печным газом.
Фиг.4 - вид примерного спектра эмиссии, полученного исходя из результата приема излучения устройством приема светового излучения.
Фиг.5 - иллюстрация соотношения между отношением парциального давления и нормированным значением интенсивности излучения, соответствующей отношению парциального давления.
Фиг.6 - схема альтернативного примера устройства светового излучения.
Фиг.7 - схема альтернативного примера устройства светового излучения.
Фиг.8 - схема альтернативного примера устройства светового излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Устройство науглероживания
2 Печь науглероживания
3 Аппарат подачи газа
4 Аппарат эмиссии газа
5 Устройство светового излучения
6 Устройство приема светового излучения
7 Устройство обработки
8 Устройство управления
12 Камера обработки (внутреннее пространство)
15 Разрядная камера (пространство детектирования)
ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описываются варианты реализации настоящего изобретения в связи с приложенными чертежами. Настоящее изобретение не ограничивается следующими вариантами реализации, и структурные элементы вариантов реализации могут быть, например, произвольно объединены.
На Фиг.1 показана структурная блок-схема устройства науглероживания в соответствии с вариантом реализации. Вариант реализации описывается на примере устройства вакуумного науглероживания, в котором устройство науглероживания выполняет обработку предмета, например стали, науглероживанием при пониженном давлении (ниже атмосферного давления).
На Фиг.1 устройство науглероживания 1 содержит: печь 2 науглероживания, которая содержит обрабатываемый предмет S, например сталь, которую необходимо обработать вакуумным науглероживанием; механизм 3 подачи газа, который подает газ G1 для науглероживания в печь 2 науглероживания; аппарат 4 эмиссии газа, который выпускает наружу печной газ G2, который существует внутри печи 2 науглероживания и поддерживается газом G1 науглероживания; устройство 5 светового излучения, которое излучает свет посредством использования печного газа G2, имеющегося внутри печи 2 науглероживания, которая снабжается газом G1 для науглероживания; устройство 6 приема светового излучения, которое принимает излучение устройства 5 светового излучения; устройство 7 обработки, которое рассчитывает состав печного газа G2 исходя из результата приема светового излучения устройством 6 приема; и устройство 8 управления, которое управляет всей работой устройства 1 науглероживания. К устройству 8 управления предусмотрено присоединение устройства 9 памяти, которое сохраняет каждый элемент информации об обработке науглероживанием; устройства 10 вывода, которое пригодно для вывода информации об обработке науглероживанием; и устройства 11 ввода, которое пригодно для ввода эксплуатационных сигналов на устройство 8 управления, также присоединено. Устройство 10 вывода может быть дисплеем, принтером или подобным устройством. Устройство 11 ввода может быть клавиатурой, мышью или подобным устройством.
Печь 2 науглероживания имеет внутреннее пространство (камера обработки) 12, где располагается обрабатываемый предмет S. Печь 2 науглероживания имеет стенку печи и адиабатическую стенку 2B. Камера 12 обработки сформирована внутри адиабатической стенки 2B.
Аппарат 3 подачи газа подает газ G1 для науглероживания в камеру 12 обработки печи 2 науглероживания. Аппарат 3 подачи газа включает в себя: устройство 3A подачи газа, которое пригодно для поставки газа G1 для науглероживания; отверстие 3M для подачи воздуха, которое сформировано в части камеры 12 обработки; и трубку 3L подачи воздуха, которая соединяет устройство 3A подачи газа и отверстие 3M подачи воздуха. Аппарат 3 подачи газа снабжен механизмом 3B регулировки для регулирования количества газа G1 для науглероживания, подаваемого в единицу времени в камеру 12 обработки. Механизм 3B регулировки включает в себя механизм балластного резервуара и соединяется с устройством управления 8. Устройство 8 управления может регулировать количество газа G1 для науглероживания, подаваемого аппаратом 3 подачи газа в единицу времени в камеру 12 обработки посредством управления механизмом 3B регулировки.
2
2
Газ G1 для науглероживания, который включает в себя заданный газ системы углеводородов, является газом, который подается в камеру 12 обработки, чтобы выполнить обработку вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S. В настоящем варианте реализации аппарат 3 подачи газа подает ацетилен (CH) в камеру 12 обработки в качестве газа G1 для науглероживания.
Аппарат 4 эмиссии газа выпускает печной газ G2, существующий внутри камеры 12 обработки в печи 2 науглероживания, куда подается газ G1, на внешнюю сторону камеры 12 обработки. Аппарат 4 эмиссии газа включает в себя вакуумную систему, например вакуумный насос или что-то подобное, и снабжен: устройством 4A всасывания газа, которое может всасывать газ; выпускным отверстием 4M, которое сформировано в части камеры 12 обработки; и выпускной трубкой 4L, которая соединяет устройство 4A всасывания газа с выпускным отверстием 4M.
Печной газ G2 является газом, образуемым при подаче в камеру 12 газа посредством аппарата 3 подачи газа. Печной газ G2 включает в себя, по меньшей мере, один из следующих газов: газ (газ реакции), который остается после того, как газ G1 для науглероживания химически прореагирует (реакция науглероживания) в камере 12 обработки при обработке науглероживанием, или газ (непрореагировавший газ), который является газом науглероживания, который не используется для обработки науглероживанием и не участвует в реакции науглероживания. Например, в соответствии с режимом науглероживания, может быть ситуация, когда не весь газ G1 для науглероживания, подаваемый камеру 12 обработки, используется для реакции науглероживания. В этом случае имеется и газ (газ реакции), используемый для обработки науглероживания, и газ (непрореагировавший газ), не используемый для обработки науглероживанием в камере 12 обработки. Газ, который выпускается из камеры 12 обработки, включает в себя оба газа: газ реакции и непрореагировавший газ.
2
2
2
2
2
Как описано выше, в настоящем варианте реализации, ацетилен (CH) подается в камеру 12 обработки как газ G1 для науглероживания. Часть ацетилена, подаваемого в камеру 12 обработки, которая инициирует реакцию науглероживания с обрабатываемым предметом S, образует углеродный компонент и водородный компонент. Таким образом, реакция науглероживания в настоящем варианте реализации представляется как CH→H+2C. Углеродный компонент для реакции науглероживания проникает в поверхность (науглероживает) обрабатываемого предмета S, и водород выпускается из камеры 12 обработки. Таким образом, в настоящем варианте реализации, главный компонент газа реакции, после участия газа G1 для науглероживания, в реакции науглероживания - это газообразный водород. Кроме того, в настоящем варианте реализации, главный компонент непрореагировавшего газа, который не используется для обработки науглероживанием и не инициирует химическую реакцию, - это ацетилен.
Устройство 5 светового излучения излучает свет посредством использования печного газа G2. Устройство 5 светового излучения излучает свет посредством использования печного газа G2, который вводится в пространство 15 детектирования, соединенное с камерой 12 обработки в печи 2 науглероживания. Устройство 5 светового излучения снабжено разрядным элементом 5A, который имеет внутреннее пространство (пространство детектирования, разрядная камера) 15, которое соединено со средней частью выпускной трубки 4L, и электродом, который расположен в разрядной камере 15 разрядного элемента 5A, который создает плазму в разрядной камере 15. Разрядный элемент 5A может быть выполнен как разрядная трубка (например, гейслерова трубка). Выпускная трубка 4L и разрядная камера 15 соединены, и камера 12 обработки и разрядная камера 15 соединены через выпускную трубку 4L. По меньшей мере, часть печного газа G2, который выпускается из камеры 12 обработки и протекает в выпускной трубке 4L, вводится в разрядную камеру 15. Устройство 5 светового излучения создает плазму в разрядной камере 15, куда вводится печной газ G2. Устройство светового излучения вынуждает печной газ G2 излучать свет посредством создания плазмы. Как описано выше, в настоящем варианте реализации устройство 5 светового излучения может излучать свет посредством использования печного газа G2, который вводится в разрядную камеру 15, которая соединена с камерой 12 обработки в печи 2 науглероживания.
Устройство 6 приема светового излучения принимает излучение устройства 5 светового излучения. Устройство 6 приема светового излучения включает в себя спектроскоп, расположенный вблизи разрядного элемента 5A устройства 5 светового излучения. Устройство 6 приема светового излучения, включающее в себя спектроскоп, может продетектировать интенсивность света и спектр светового излучения, излучаемого от разрядного элемента 5A устройства 5 светового излучения. Устройство 6 приема светового излучения соединено с устройством 7 обработки (устройство 8 управления) и результат детектирования (результат приема светового излучения) устройством 6 приема светового излучения выводится на устройство 7 обработки (устройство 8 управления).
Устройство 7 обработки снабжено центральным процессором или подобным и способно выполнять заданную математическую обработку, различную обработку информации или подобное. Результат приема излучения устройством 6 приема светового излучения выводится на устройство 7 обработки. Устройство 7 обработки может рассчитать состав печного газа G2 исходя из результата приема излучения устройством 6 приема светового излучения.
Устройство 1 науглероживания снабжен устройством 13 регулировки температуры, которое может регулировать, по меньшей мере, или температуру камеры 12 обработки, или температуру обрабатываемого предмета S, который содержится в камере 12 обработки. По меньшей мере, часть устройства 13 регулировки температуры расположена в камере 12 обработки. Устройство 13 регулировки температуры включает в себя нагревающее устройство (нагреватель). Устройство 8 управления может управлять температурой (нагревать) камеры 12 обработки и обрабатываемого предмета S, который содержится в камере 12 обработки, до заданной температуры посредством управления устройством 13 регулировки температуры, включающим в себя нагревающее устройство. Кроме того, устройство 1 науглероживания снабжено температурным датчиком 16, который может определять температуру в камере 12 обработки. По меньшей мере, часть температурного датчика 16 (чувствительный элемент или подобное) расположена в камере 12 обработки. Температурный датчик 16 соединен с устройством 8 управления, и результат определения температурного датчика 16 поступает на устройство 8 управления. Устройство 8 управления может отрегулировать температуру камеры 12 обработки до заданной температуры посредством управления устройством 13 регулировки температуры, включающим в себя нагревающее устройство, исходя из результата определения температуры температурным датчиком 16.
Устройство 8 управления может регулировать (снижать) давление камеры 12 обработки посредством управления устройством 4A всасывания газа, включающим в себя вакуумную систему. Устройство 1 науглероживания снабжено датчиком 17 давления, который может определять давление в камере 12 обработки. По меньшей мере, часть датчика давления 17 (чувствительный элемент или подобное) расположена в камере 12 обработки. Датчик 17 давления соединен с устройством 8 управления, и результат определения давления датчиком 17 давления подается на устройство 8 управления. Устройство 8 управления может регулировать давление в камере 12 обработки до желаемого давления посредством управления устройством 4A всасывания газа, включающим в себя вакуумную систему, исходя из результата определения давления датчика 17 давления.
Ниже описывается работа устройства 1 науглероживания, имеющего вышеописанную конструкцию. Чтобы выполнять обработку вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S, устройство 8 управления нагревает камеру обработки 12 в печи 2 науглероживания, которая содержит обрабатываемый предмет S, посредством использования устройства 13 регулирования температуры. В то же самое время, устройство 8 управления снижает давление (увеличение вакуума) в камере 12 обработки посредством отвода газа из камеры 12 обработки посредством использования аппарата 4 эмиссии газа. После того как камера 12 обработки установлена в заданное состояние нагрева и состояние сниженного давления, устройство 8 управления подает заданное количество газа G1 для науглероживания в единицу времени аппаратом 3 подачи газа в камеру 12 обработки в печи науглероживания 2, которая содержит обрабатываемый предмет S. Устройство 8 управления обеспечивает обработку вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S в течение заданного времени, при этом устройство управления подает заданное количество газа G1 для науглероживания в единицу времени аппаратом 3 подачи газа в камеру 12 обработки, выпускает газ из камеры 12 обработки аппаратом 4 эмиссии газа и поддерживает заданное состояние нагрева и состояние сниженного давления в камере 12 обработки.
Печной газ G2 из камеры 12 обработки выпускается через выпускное отверстие 4M и течет в выпускной трубке 4L. Часть печного газа G2, текущего в выпускной трубке 4L, течет на устройство 4A всасывания газа и другая часть печного газа G2 в разрядную камеру 15 устройства 5 светового излучения. Устройство 8 управления вынуждает печной газ G2 излучать свет посредством использования устройства 5 светового излучения.
На Фиг.2 показан увеличенный вид устройства 5 светового излучения и устройства 6 приема светового излучения. Как видно из Фиг.2, устройство 5 светового излучения снабжено разрядным элементом 5A, имеющим разрядную камеру 15 и электроды 5B, которые расположены в разрядной камере 15 разрядного элемента 5A и производят плазму в разрядной камере 15. Устройство 5 светового излучения производит плазму в разрядной камере 15. Печной газ G2, эмитируемый из камеры 12 обработки, вводится в разрядную камеру 15 и подается в область PU генерации плазмы, в которой создается плазма, в разрядной камере 15. Устройство светового излучения 5 вынуждает печной газ G2 излучать свет посредством генерации плазмы.
Устройство 6 приема светового излучения принимает излучение от печного газа G2, находящегося в устройстве 5 светового излучения. Результат детектирования (результат приема) устройством 6 приема светового излучения выводится на устройство 7 обработки. Устройство 7 обработки рассчитывает состав печного газа G2 исходя из результата приема устройством 6 приема светового излучения. В настоящем варианте реализации обработка вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S в камере 12 обработки, операция светового излучения устройством 5 светового излучения и операция приема излучения устройством 6 приема светового излучения выполняются параллельно. Таким образом, в то время как выполняется обработка вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S, операция приема устройством 6 приема светового излучения и операция обработки устройством 7 обработки (операция, при которой рассчитывается состав печного газа G2) исходя из результата приема светового излучения выполняются в режиме реального времени.
Устройство 8 управления управляет, посредством использования механизма 3B регулировки, количеством газа G1 для науглероживания, подаваемого в единицу времени в камеру 12 обработки посредством аппарата 3 подачи газа, исходя из состава печного газа G2, который рассчитывается устройством 7 обработки. Таким образом, в настоящем варианте реализации устройство 8 управления управляет в режиме реального времени операцией подачи газа G1 для науглероживания в камеру 12 обработки (управляет механизмом 3B регулировки) посредством аппарата 3 подачи газа исходя из состава печного газа G2, который рассчитывается устройством 7 обработки, в то время как выполняется обработка вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S.
Ниже описывается операция, в которой устройство 7 обработки рассчитывает состав печного газа G2 исходя из результата приема устройством 6 светового излучения.
Как описано выше, печной газ G2 включает в себя газ реакции, который остается после участия газа G1 для науглероживания в реакции науглероживания в камере 12 обработки, и непрореагировавший газ, который не используется для обработки науглероживанием и не участвует в реакции науглероживания. В настоящем варианте реализации печной газ G2 включает в себя водород как газ реакции и ацетилен как непрореагировавший газ.
В настоящем варианте реализации аппарат 3 подачи газа подает заданное количество газа G1 для науглероживания в единицу времени в камеру 12 обработки. Однако в соответствии с различными условиями науглероживания, например временем науглероживания, температурой науглероживания, подаваемым количеством газа для науглероживания, или подобным, количество углеродного компонента, проникающего в обрабатываемый предмет S, иначе говоря, скорость реакции науглероживания, может изменяться. Когда количество углеродного компонента, проникающего в обрабатываемый предмет S, изменяется, количество газа реакции (газообразный водород) в камере 12 обработки изменяется соответственно.
В данном случае время науглероживания означает протекшее время с момента начала обработки науглероживанием. Температура науглероживания означает температуру в камере 12 обработки, в которой выполняется обработка науглероживанием. Количество подаваемого газа науглероживания означает количество газа G1 науглероживания, подаваемого в единицу времени в камеру 12 обработки.
Например, как показано схематично на Фиг.3A, в случае когда время науглероживания мало и количество углеродного компонента на поверхности обрабатываемого предмета S (количество углерода, уже проникшего через поверхность обрабатываемого предмета S) мало, имеется достаточное пространство, чтобы углеродный компонент проникал через поверхность обрабатываемого предмета S. В этом случае большая часть ацетилена, подаваемого в камеру 12 обработки, используется для реакции науглероживания, и количество углеродного компонента, который проникает в обрабатываемый предмет S (скорость реакции науглероживания) увеличивается. В этом случае газ в камере 12 обработки и печной газ G2, эмитируемый из камеры 12 обработки, включают в себя много газа реакции (водородный газ).
о
С другой стороны, как показано схематично на Фиг.3B, в случае когда время науглероживания велико и количество углеродного компонента на поверхности обрабатываемого предмета S (количество углерода, уже проникшего через поверхность обрабатываемого предмета S) велико, иначе говоря, количество углеродного компонента, способного к просачиванию через поверхность обрабатываемого предмета S, почти достигло уровня насыщения, то недостаточно условий, чтобы углеродный компонент проник через поверхность обрабатываемого предмета S. В этом случае бльшая часть ацетилена, подаваемого в камеру 12 обработки, не используется для реакции науглероживания, и количество углеродного компонента, который проникает в обрабатываемый предмет S (скорость реакции науглероживания), уменьшается. В этом случае газ в камере 12 обработки и печной газ G2, эмитируемый из камеры 12 обработки, включают в себя много непрореагировавшего газа (ацетилен).
Как описано выше, в соответствии со временем науглероживания, состав печного газа G2 также изменяется. В соответствии не только со временем науглероживания, но также и с условиями науглероживания, например температурой науглероживания, количеством газа науглероживания, подаваемого в единицу времени в камеру 12 обработки, или подобным, состав печного газа G2 изменяется. Таким образом, в соответствии с условиями науглероживания, например временем науглероживания, температурой науглероживания, количеством газа для науглероживания, подаваемого в единицу времени, или подобным, состав печного газа G2 изменяется.
В соответствии с составом печного газа G2 структура светового излучения изменяется в тот момент времени, когда печной газ G2 внутри устройства 5 светового излучения излучает. В частности, в соответствии с составом печного газа G2, изменяются интенсивность света и спектр излучения в тот момент времени, когда печной газ G2 излучает в устройстве 5 светового излучения. Например, когда печной газ G2, имеющий состав, показанный на Фиг.3A (состав с большим количеством водорода), в устройстве 5 светового излучения излучает, спектр излучения имеет пик интенсивности, соответствующий водороду. Кроме того, когда печной газ G2, имеющий состав, показанный на Фиг.3B (состав с большим количеством ацетилена), излучает свет внутри устройства 5 светового излучения, спектр излучения имеет пик интенсивности, соответствующий ацетилену.
На Фиг.4 показан вид спектра излучения, полученный исходя из результата приема излучения устройством 6 приема светового излучения. На Фиг.4 горизонтальная ось показывает длину волны и вертикальная ось показывает интенсивность излучения. На Фиг.4 линия L1 показывает спектр излучения, когда отношение парциального давления водорода к полному давлению печного газа G2 (полное давление в камере 12 обработки) составляет 1. Таким образом, линия L1 показывает спектр излучения, когда в случае ацетилена, подаваемого в камеру 12 обработки, весь ацетилен используется для реакции науглероживания и весь печной газ G2 (печной газ G2, эмитируемый из камеры 12 обработки) в камере 12 обработки представляет собой газообразный водород.
Кроме того, на Фиг.4 линия 2 показывает спектр излучения, когда отношение парциального давления водорода к полному давлению печного газа G2 (полное давление в камере 12 обработки) составляет 0.56. Таким образом, линия L2 показывает спектр излучения, когда в случае ацетилена, подаваемого в камеру 12 обработки, приблизительно половина ацетилена используется для реакции науглероживания, и приблизительно половина печного газа G2 (печной газ G2, эмитируемый из камеры 12 обработки) в камере 12 обработки представляет собой газообразный водород.
Кроме того, на Фиг.4 линия L3 показывает спектр излучения, когда отношение парциального давления водорода к полному давлению печного газа G2 (полное давление в камере 12 обработки) составляет 0. Таким образом, линия L3 показывает спектр излучения, когда в случае ацетилена, подаваемого в камеру 12 обработки, весь ацетилен не используется для реакции науглероживания и весь печной газ G2 (печной газ G2, эмитируемый из камеры 12 обработки) в камере 12 обработки представляет собой ацетилен.
Как описано выше, в соответствии с составом печного газа G2, результат приема излучения устройством 6 приема светового излучения, которое принимает излучение от устройства 5 светового излучения, которое излучает световое излучение посредством использования печного газа G2, изменяется.
Соответственно, устройство 7 обработки может рассчитать отношение парциального давления водорода к полному давлению печного газа G2 исходя из результата приема излучения устройством 6 приема светового излучения. Поскольку отношение парциального давления водорода к полному давлению печного газа G2 соответствует составу печного газа G2, устройство 7 обработки может рассчитать состав печного газа G2 исходя из результата приема излучения устройством 6 приема светового излучения.
На Фиг.5 горизонтальная ось отражает отношение парциального давления водорода к полному давлению печного газа G2 и вертикальная ось отображает результат приема светового излучения (пиковая интенсивность углеводорода, полученного из ацетилена, относительно пиковой интенсивности, полученной из водорода). Соответственно, ясно, что состав печного газа G2 и результат приема светового излучения коррелируют.
В настоящем варианте реализации, соотношение между составом печного газа G2 и интенсивностью светового излучения, когда печной газ G2 излучает свет, заранее сохраняется в устройстве 9 памяти. В данном случае это соотношение может быть получено из, например, по меньшей мере, одного из предварительных экспериментов или моделированием и может быть сохранено в устройстве 9 памяти. В настоящем варианте реализации соотношение между отношением парциального давления водорода (или состав печного газа G2) к полному давлению печного газа G2 и нормированное значение интенсивности излучения, соответствующей отношению парциального давления (состав), как показано на Фиг.5, заранее сохраняется в устройстве 9 памяти. В данном случае для интенсивности излучения предпочтительно используется отношение между пиком интенсивности, полученным от водорода, и пиком интенсивности углеводорода, полученным от ацетилена. Для упрощенного случая может быть использован пик интенсивности, полученный от водорода.
Устройство 8 управления управляет, посредством использования механизма 3B регулировки, количеством газа G1 для науглероживания, подаваемого в единицу времени аппаратом 3 подачи газа, исходя из состава печного газа G2, который рассчитывается устройством 7 обработки.
Считается, что качество науглероживания обрабатываемого предмета S (поверхностная плотность науглероживания, распределение плотности науглероживания, твердость науглероженного слоя, эффективная глубина науглероженного слоя после науглероживания (глубина науглероживания) или подобное) изменяется в соответствии с составом печного газа G2 (атмосфера в камере 12 обработки). Иначе говоря, поскольку считается, что качество науглероживания обрабатываемого предмета S и состав печного газа G2 коррелируют, устройство 8 управления регулирует количество газа G1 для науглероживания, подаваемого в единицу времени аппаратом 3 подачи газа. В данном случае регулировка выполняется исходя из состава печного газа G2, рассчитанного устройством 7 обработки на основании результата приема излучения устройством 6 приема светового излучения, чтобы оптимизировать состав (например, плотность ацетилена) печного газа G2, иначе говоря, чтобы получить состав печного газа G2, в котором получается желаемое качество науглероживания. Соответственно, оказывается возможным получить желаемое состояние в составе печного газа G2 и предпочтительно выполнять обработку вакуумным науглероживанием с высокой воспроизводимостью.
Кроме того, как описано выше, условие науглероживания включает в себя не только количество газа G1 науглероживания, подаваемого в единицу времени механизмом 3 подачи газа, но также и время науглероживания, температуру науглероживания или подобное. Соответственно, устройство 8 управления может обеспечить желаемое состояние и качество науглероживания обрабатываемого предмета S также посредством регулировки времени науглероживания, температуры науглероживания или подобного, как условие науглероживания, исходя из рассчитанного состава печного газа G2. Кроме того, устройство 8 управления может регулировать состав газа G1 для науглероживания, который подается в камеру 12 обработки аппаратом 3 подачи газа исходя из рассчитанного состава печного газа G2.
Как описано выше, оказывается возможным рассчитать состав печного газа G2 непосредственно и точно в режиме реального времени, поскольку состав печного газа G2 в печи 2 науглероживания рассчитывается оптическим методом.
В настоящем варианте реализации оказывается возможным рассчитать состав печного газа G2 оптически и быстро (с хорошим откликом). Поскольку конструкция настоящего варианта реализации может быть выполнена с относительно более низкой стоимостью по сравнению с обычным датчиком, пригодным для определения, например, водородной плотности, и предоставляется с хорошей чувствительностью, она подходит для управления с обратной связью, и оказывается возможным улучшить ее управляемость.
В настоящем варианте реализации устройство науглероживания представляет собой вакуумное устройство науглероживания и камеру 12 обработки в печи 2 науглероживания, пригодную для создания вакуума. Соответственно, оказывается возможным создать пространство 15 детектирования, которое соединено с камерой 12 обработки, с высоким вакуумом, не предоставляя новую (другую) вакуумную систему для увеличения вакуума в пространстве 15 детектирования (разрядная камера). Поэтому предпочтительно создать плазму в пространстве 15 детектирования, имеющем высокий вакуум.
Пространство 15 детектирования и камера 12 обработки в печи 2 науглероживания соединены; соответственно, возможно сделать пространство 15 детектирования и камеру 12 обработки в печи 2 науглероживания, имеющими по существу ту же самую окружающую среду (атмосфера). Поэтому оказывается возможным рассчитать состав печного газа G2 точно, поскольку возможно излучать свет посредством использования печного газа G2 в пространстве 15 детектирования, которое имеет по существу ту же самую окружающую среду, что и камера 12 обработки.
Исходя из рассчитанного состава печного газа G2, при условиях науглероживания, посредством регулировки, в частности, количества газа G1 науглероживания, подаваемого в единицу времени в камеру 12 обработки, оказывается возможным получить желаемый состав печного газа G2. Таким образом, в настоящем варианте реализации рассчитывают состав печного газа G2 в режиме реального времени посредством использования устройства 5 светового излучения, устройства 6 приема светового излучения, устройства 7 обработки и подобное. Исходя из расчетного результата, оказывается возможным осуществить управление с обратной связью для регулирования количества газа G1 для науглероживания, подаваемого в единицу времени в камеру 12 обработки для оптимизации условия науглероживания, чтобы получить желаемое качество науглероживания. Соответственно, предпочтительно выполнить обработку вакуумным науглероживанием обрабатываемого предмета S с высокой воспроизводимостью. Поэтому оказывается возможным получить обрабатываемый предмет S с желаемым качеством науглероживания.
В настоящем варианте реализации, предпочтительно управлять режимом науглероживания для получения желаемого качества науглероживания и, таким образом, оказывается возможным выполнить обработку обрабатываемого предмета S с желаемым качеством науглероживания. Кроме того, в настоящем варианте реализации оказывается возможным предотвратить такие проблемы, как образование сажи в печи науглероживания или подобные сопутствующие эффекты, и, таким образом, оказывается возможным упростить обслуживание печи науглероживания.
В настоящем варианте реализации устройство 5 светового излучения вынуждает печной газ G2 излучать свет посредством создания плазмы в пространстве 15 детектирования (разрядная камера), которое заключает печной газ G2, передавая энергию печному газу G2 и формируя печной газ G2 в возбужденном состоянии. Однако устройство 5 светового излучения может быть снабжено лазерным устройством 5L излучения, которое способно излучать лазерный луч в камеру 15' детектирования, в которую вводится печной газ G2, как показано схематично на Фиг.6. Камера 15' детектирования соединена с камерой 12 обработки через выпускную трубку 4L. Печной газ G2 вводится в камеру 15' детектирования. Камера 15' детектирования выполнена из прозрачного материала, который пропускает лазерный луч. Устройство 5 светового излучения может заставить печной газ G2 излучать свет посредством лазерного луча в печной газ G2 от лазерного устройства 5L излучения и предоставления энергии печному газу G2. Таким образом, поскольку печной газ G2 приобретает возбужденное состояние и излучает свет, будучи облученным лазером, устройство 5 светового излучения может излучать свет посредством использования печного газа G2 посредством также излучения лазерного луча, направленного в печной газ G2.
Устройство 5 светового излучения может излучать посредством использования других способов, например посредством сжигания печного газа G2 или подобного, если только возможно излучать свет, передавая энергию печному газу G2.
В вышеописанном варианте реализации пространство 15 (15') ответвляется от средней части выпускной трубки 4L. Однако, как показано на Фиг.7, электроды 5B для создания плазмы могут быть расположены в средней части выпускной трубки 4L, и излучение, произведенное плазмой, может быть принято устройством 6 приема светового излучения через пропускающее окно, которое расположено в заданном положении выпускной трубки 4L. Кроме того, пропускающее окно может быть расположено в середине выпускной трубки 4L, и лазерный луч может излучаться в печной газ G2 через пропускающее окно.
В настоящем варианте реализации устройство 5 светового излучения излучает посредством использования печного газа G2, текущего в выпускной трубке 4L. Однако, как показано на Фиг.8, может быть предоставлен, например, элемент 5A' детектирования, образующий ограничивающее пространство 115 детектирования, которое соединено с камерой 12 обработки в печи 2 науглероживания и, таким образом, устройство 5 светового излучения может излучать посредством использования печного газа G2, который вводится в пространство 115 детектирования.