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JP7044307B2 - Vacuum curing method of metal work and manufacturing method of metal work using this - Google Patents
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Vacuum curing method of metal work and manufacturing method of metal work using this Download PDF

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Description

本願発明は、真空浸炭方法や真空窒化方法、或いは真空浸炭窒化方法のような真空硬化方法、並びに、これを使用した金属ワーク(処理物)の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a vacuum carburizing method, a vacuum nitriding method, a vacuum curing method such as a vacuum carburizing nitriding method, and a method for manufacturing a metal work (processed product) using the vacuum hardening method.

ここで、金属ワークには、鋼製品やチタン又はその合金、或いは、アルミニウム又はその合金のような浸炭又は浸窒が可能なものが広く含まれる。また、金属ワークは、全体が浸炭又は浸窒可能な素材で構成されている場合と、少なくとも一部が浸炭又は浸窒可能な素材で構成されている場合との両方が含まれる。金属ワークの全体が浸炭又は浸窒可能であっても、硬化不要な部分に硬化防止手段を施して、一部だけに浸炭層又は浸窒層を形成することもある。 Here, the metal work broadly includes steel products, titanium or its alloys, or aluminum or its alloys that can be carburized or nitrided. Further, the metal work includes both a case where the metal work is entirely made of a carburized or nitridable material and a case where at least a part thereof is made of a carburizing or nitridable material. Even if the entire metal work can be carburized or nitrided, a carburized layer or a nitriding layer may be formed only on a part of the metal work by applying a hardening preventing means to a part that does not need to be hardened.

鋼製の金属ワークの表面層を硬化処理する手段として、例えば真空浸炭法が広く行われている。真空浸炭法は、高温真空雰囲気下の処理炉に炭化水素ガスを導入し、炭化水素ガスから分離した炭素を金属ワークの表面層に取り込むものであり、大気圧下で行われるガス浸炭に比べて、炭化水素ガスの使用量を抑制できる利点や、浸炭時間を短縮できる利点、或いは、炭化水素ガスの拡散がないため安全性が高い等の利点がある。 As a means for hardening the surface layer of a steel metal work, for example, a vacuum carburizing method is widely used. The vacuum carburizing method introduces a hydrocarbon gas into a processing furnace in a high-temperature vacuum atmosphere and incorporates carbon separated from the hydrocarbon gas into the surface layer of the metal work, compared to gas carburizing performed under atmospheric pressure. There are advantages such as the advantage that the amount of hydrocarbon gas used can be suppressed, the advantage that the carburizing time can be shortened, and the high safety because there is no diffusion of hydrocarbon gas.

この真空浸炭法において、浸炭量や浸炭深さ等の浸炭効果は、炭化水素ガスの導入量や種類、真空度、炉内温度(金属ワークの表面温度)などの種々の要因によって左右されるが、特に、炭化水素ガスの導入量(正確には、単位時間及び単位体積当たりの導入量)は重要な要因である。 In this vacuum carburizing method, the carburizing effect such as carburizing amount and carburizing depth depends on various factors such as the amount and type of carburizing gas introduced, the degree of vacuum, and the temperature inside the furnace (surface temperature of the metal work). In particular, the amount of carbide gas introduced (to be exact, the amount introduced per unit time and unit volume) is an important factor.

さて、炭化水素ガスは、処理炉内において金属ワーク等に接触して炭素と水素に分離するが、浸炭の程度は、金属ワークの単位表面積当たりに浸入する(接触する)炭素量に依存していることから、従来は、十分な炭素量が維持されるように、炭化水素ガスを過剰に導入している。つまり、従来は、炭化水素ガスを処理炉内に押し込むことにより、浸炭の確実化を図っていたと云える。 The hydrocarbon gas comes into contact with a metal work or the like and separates into carbon and hydrogen in the processing furnace, but the degree of carburization depends on the amount of carbon infiltrated (contacted) per unit surface surface of the metal work. Therefore, conventionally, hydrocarbon gas is excessively introduced so as to maintain a sufficient carbon content. That is, it can be said that conventionally, the hydrocarbon gas is pushed into the processing furnace to ensure the carburizing.

そして、炭化水素ガスが分解すると処理炉内での水素の濃度は上昇するため、炭化水素ガスの分離の度合いを水素濃度から把握することが可能になる。特許文献1はこの点に着目し、処理炉内の雰囲気ガスの熱伝導度から例えば水素濃度を検知し、この水素濃度に基づいて、処理炉内における雰囲気ガスの組成(炭化水素ガスの分離の度合い)を分析し、この分析結果に基づいて炭化水素ガスの導入量を制御することが開示されている。 When the hydrocarbon gas is decomposed, the concentration of hydrogen in the processing furnace increases, so that the degree of separation of the hydrocarbon gas can be grasped from the hydrogen concentration. Patent Document 1 pays attention to this point, detects, for example, a hydrogen concentration from the thermal conductivity of the atmospheric gas in the processing furnace, and based on this hydrogen concentration, the composition of the atmospheric gas in the processing furnace (separation of hydrocarbon gas). It is disclosed that the degree) is analyzed and the amount of hydrocarbon gas introduced is controlled based on the analysis result.

つまり、炭化水素ガスは鋼製部材の表面に接触して炭素と水素とに分解するが、炭化水素ガスの分解の程度は、金属ワークの表面積や酸化の程度、鋼製炉壁のスーティングの程度、炭化水素ガスの種類や導入量、真空度などの様々な条件に依存しており、そこで、特許文献1では、水素濃度が設定値(通常の浸炭が行われる状態での水素濃度)になるように、炭化水素ガスの導入量をフィードバック制御することにより、炉内条件が変化しても十分な炭素量が確保されるようにしている。 In other words, the hydrocarbon gas comes into contact with the surface of the steel member and decomposes into carbon and hydrogen, but the degree of decomposition of the hydrocarbon gas is the surface surface of the metal work, the degree of oxidation, and the sooting of the steel furnace wall. It depends on various conditions such as the degree, type and amount of hydrocarbon gas introduced, and degree of vacuum. Therefore, in Patent Document 1, the hydrogen concentration is set to a set value (hydrogen concentration in a state where normal decarburization is performed). By feedback-controlling the amount of hydrocarbon gas introduced, a sufficient amount of carbon is ensured even if the conditions inside the furnace change.

さて、処理炉内は完全な真空ではなくて、微量な空気が残っているが、空気を構成する酸素の分圧は炭化水素ガスから分離した水素の量に応じて変化する。そこで、特許文献1には、処理炉内での酸素濃度を検出して、酸素濃度が一定になるように炭化水素ガスの導入量等を制御することも開示されている。 By the way, the inside of the processing furnace is not a complete vacuum, and a small amount of air remains, but the partial pressure of oxygen constituting the air changes according to the amount of hydrogen separated from the hydrocarbon gas. Therefore, Patent Document 1 also discloses that the oxygen concentration in the processing furnace is detected and the amount of hydrocarbon gas introduced is controlled so that the oxygen concentration becomes constant.

なお、炭化水素ガスとしては、アセチレンやプロパン、メタンなどが使用されているが、アセチレンは1段階で炭素と水素とに分解するのに対して、プロパンのような分子量が大きい炭化水素ガスは、一部は第1段階で炭素と水素とに直接分解し、残りは分子量が小さい炭化水素ガスに分解してから、第2段階で炭素と水素とに分解する。いずれにしても、炭化水素ガスの全体が金属ワークに接触する訳ではないので、炭素と水素とに分解されずに処理炉外に排出されるガスも相当割合存在している。 As the hydrocarbon gas, acetylene, propane, methane, etc. are used. While acetylene decomposes into carbon and hydrogen in one step, a hydrocarbon gas having a large molecular weight such as propane is used. Some are directly decomposed into carbon and hydrogen in the first stage, and the rest are decomposed into hydrocarbon gas having a small molecular weight, and then decomposed into carbon and hydrogen in the second stage. In any case, since the entire hydrocarbon gas does not come into contact with the metal work, there is a considerable proportion of the gas discharged to the outside of the processing furnace without being decomposed into carbon and hydrogen.

浸炭は焼入れ(及び焼き戻し)とセットになっているのが通常であり、焼入れによる硬化によって金属ワークに圧縮残留応力が付与されて、金属ワークの機械的性質が向上する。そして、炭化水素ガスを使用して浸炭された金属ワークに関する問題の一つに、水素脆性が挙げられる。水素脆性の原因とメカニズムは殆ど未解明と云えるが、対策は多く提案されている。 Carburizing is usually combined with quenching (and tempering), and hardening by quenching imparts compressive residual stress to the metal work, improving the mechanical properties of the metal work. And one of the problems with metal workpieces carburized using hydrocarbon gas is hydrogen embrittlement. It can be said that the cause and mechanism of hydrogen embrittlement are almost unclear, but many countermeasures have been proposed.

水素脆性対策のアプローチの大半は、脆性の原因は水素の存在にあるとして、水素の除去によって脆性を解消しようするものである。その例として特許文献2には、水素を除去したことにより、高い効果(機械的性質の向上)が得られた旨が記載されている。 Most of the hydrogen embrittlement countermeasure approaches try to eliminate the brittleness by removing hydrogen, assuming that the cause of the brittleness is the presence of hydrogen. As an example, Patent Document 2 describes that a high effect (improvement of mechanical properties) was obtained by removing hydrogen.

他方、水素脆性の主因は水素自体にあるのではなくて、水素の浸入によって鋼材の結晶格子間に空隙(空孔)が形成されることにあるという考え方があり、特許文献3には、水素が発生しない状態で真空浸炭を行う方法が開示されている。 On the other hand, there is an idea that the main cause of hydrogen embrittlement is not the hydrogen itself but the formation of voids (vacuums) between the crystal lattices of the steel material due to the infiltration of hydrogen. A method of performing vacuum carburizing in a state where the above is not generated is disclosed.

また、水素脆性の原因とメカニズムに関する学術的な研究論文として、非特許文献1がある。この非特許文献1には、水素が金属組織での空孔生成を助長して、水素が除去されても空孔は除去されないために亀裂進展抵抗が小さくなり、破壊過程が促進されるという「水素助長塑性誘起空孔理論」が提起されている。 In addition, there is Non-Patent Document 1 as an academic research paper on the cause and mechanism of hydrogen embrittlement. According to Non-Patent Document 1, hydrogen promotes the formation of pores in a metal structure, and even if hydrogen is removed, the pores are not removed, so that the crack growth resistance is reduced and the fracture process is promoted. "Hydrogen-enhanced plastic-induced vacancy theory" has been proposed.

なお、真空浸炭法における炭化水素ガスの導入量の制御例として、特許文献4には、炉内の水素とメタンの量を分析することによってカーボン・ポテンシャル値(C・P値)を測定し、C・P値が所望の値となるように炭化水素ガスの導入量を制御することが開示されている。また、特許文献5には、「理論水素分圧比」というパラメータを使用して、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、実際の水素分圧比の変化が理論水素分圧比の変化に近づくように制御することが開示されている。 As an example of controlling the amount of hydrocarbon gas introduced in the vacuum carburizing method, Patent Document 4 measures the carbon potential value (CP value) by analyzing the amounts of hydrogen and methane in the furnace. It is disclosed that the amount of hydrocarbon gas introduced is controlled so that the C / P value becomes a desired value. Further, in Patent Document 5, a parameter called "theoretical hydrogen partial pressure ratio" is used to compare the time change of the theoretical hydrogen partial pressure ratio with the time change of the actual hydrogen partial pressure ratio, and the actual change of the hydrogen partial pressure ratio is obtained. It is disclosed to control so as to approach the change of the theoretical hydrogen partial pressure ratio.

特許第3531736号公報Japanese Patent No. 3531736 特開2002-339045号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-339045 特開2015-78416号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-78416 特開昭53-15232号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 53-15232 特開2012-7240号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-7240

社団法人日本高圧力技術協会発行「圧力技術」第46巻4号190~199頁、南雲道彦執筆「破壊現象としての水素脆性~水素脆性機構~」"Pressure Technology", Vol. 46, No. 4, pp. 190-199, published by Japan High Pressure Technology Association, written by Michihiko Nagumo, "Hydrogen Embrittlement as a Fracture Phenomenon-Hydrogen Embrittlement Mechanism-"

上記のとおり、真空浸炭法では、処理炉内での炭素量は浸炭の程度を左右する重要な要素であり、特許文献1の制御も、目標は必要な炭素量の確保にあると云える。つまり、必要とする炭素量を確保するために炭化水素ガスの導入量を制御するものであり、炭素量を維持するための手段として水素濃度や酸素濃度を使用しているのである。この点は、特許文献4,5も同様と云える。 As described above, in the vacuum carburizing method, the amount of carbon in the processing furnace is an important factor that influences the degree of carburizing, and it can be said that the control of Patent Document 1 is also to secure the required amount of carbon. That is, the introduction amount of the hydrocarbon gas is controlled in order to secure the required carbon amount, and the hydrogen concentration and the oxygen concentration are used as a means for maintaining the carbon amount. This point can be said to be the same in Patent Documents 4 and 5.

そして、従来は、浸炭量の確保を至上命題としており、浸炭に必要な理論値よりも多い量の炭化水素ガスを処理炉内に押し込んでおり、その結果として鋼中に浸入した水素の除去手段として、特許文献2のように後処理が施されていたと云える。他方、特許文献3は、水素脆性の主因を鋼中に生じた空隙(空孔)に求めるもので、特許文献3の考え方は、非特許文献1によって理論的にサポートされていると云える。 In the past, securing the amount of carburizing was the highest priority, and a larger amount of hydrocarbon gas than the theoretical value required for carburizing was pushed into the processing furnace, and as a result, means for removing hydrogen that had penetrated into the steel. Therefore, it can be said that the post-treatment was performed as in Patent Document 2. On the other hand, Patent Document 3 seeks the main cause of hydrogen embrittlement in voids (pores) formed in steel, and it can be said that the idea of Patent Document 3 is theoretically supported by Non-Patent Document 1.

結局、浸炭時に水素が鋼中に浸入することは極力抑制すべきであり、水素の浸入自体を抑制することにより、水素に起因した脆性(特に遅れ破壊)を解消又は著しく抑制できると思料される。真空窒化法では、窒素含有ガスとして一般にアンモニアガスが使用されているが、アンモニアの分解によって水素が発生するため、真空窒化法でも、真空浸炭法と同様に水素脆性は深刻な問題として表れる。 After all, the infiltration of hydrogen into steel during carburizing should be suppressed as much as possible, and it is thought that by suppressing the infiltration of hydrogen itself, brittleness (particularly delayed fracture) caused by hydrogen can be eliminated or significantly suppressed. .. In the vacuum nitriding method, ammonia gas is generally used as the nitrogen-containing gas, but since hydrogen is generated by the decomposition of ammonia, hydrogen brittleness appears as a serious problem in the vacuum nitriding method as well as in the vacuum carburizing method.

そして、特許文献3は水素を含まないガスを使用せずに浸炭するので、水素脆性の防止という目的は確実に達成できる。従って、特許文献3は、関連産業に大きな貢献をできると云えるが、非水素含有ガスの浸炭性向上などにまだ研究が必要である。更に、真空浸炭設備(或いは、真空浸炭窒化設備)は現実に広く使用されているが、既存の設備や従来と同じ炭化水素ガスを使用して特許文献3と同様の効果を得ることができれば、産業界が受ける利益は極めて大きいと云える。 Since Patent Document 3 carburizes without using a gas containing no hydrogen, the purpose of preventing hydrogen embrittlement can be surely achieved. Therefore, it can be said that Patent Document 3 can make a great contribution to related industries, but research is still required to improve the carburizing property of non-hydrogen-containing gas. Further, although the vacuum carburizing equipment (or the vacuum carburizing nitriding equipment) is widely used in practice, if the same effect as that of Patent Document 3 can be obtained by using the existing equipment or the same hydrocarbon gas as the conventional one. It can be said that the profits received by the industry are extremely large.

本願発明はこのような認識や知見を基礎にして成されたものであり、水素の浸入を抑制するという点は特許文献3と軌を一にしつつ、既存の設備や原料を有効利用するという視点に立って、水素脆性対策が採られた金属ワークを容易に提供せんとするものである。 The invention of the present application was made on the basis of such recognition and knowledge, and the point of suppressing the infiltration of hydrogen is in line with Patent Document 3, from the viewpoint of effectively utilizing existing equipment and raw materials. Therefore, it is intended to easily provide a metal work with measures against hydrogen embrittlement.

既述のように、炭化水素ガスは、金属ワークの表面に接触して炭素と水素とに分解する。従って、浸炭ガスとして炭化水素ガスを使用しても、分解した水素が金属ワークに浸入しないか、浸入量が少なければ、水素脆性の問題を大幅に改善できる。本願発明者たちはこのような視点に立って思索と研究と実験を重ね、本願発明を完成させるに至った。なお、本願発明でいう「金属ワーク」は、硬化処理対象として処理炉に配置されたものをいい、単一の部材である場合と、複数の部材である場合との両方を含んでいる。 As described above, the hydrocarbon gas comes into contact with the surface of the metal work and decomposes into carbon and hydrogen. Therefore, even if a hydrocarbon gas is used as the carburizing gas, the problem of hydrogen embrittlement can be significantly improved if the decomposed hydrogen does not infiltrate into the metal work or the infiltration amount is small. From this point of view, the inventors of the present application repeated thoughts, research and experiments, and came to complete the invention of the present application. The term "metal work" as used in the present invention refers to a work placed in a processing furnace as a curing treatment target, and includes both a single member and a plurality of members.

本願発明は、金属ワークの真空硬化方法と、金属ワークの製造方法とを含んでいる。このうち金属ワークの真空硬化方法は、
金属ワークを処理炉内に配置する準備工程と、
前記金属ワークが配置された処理炉内に高温真空雰囲気下で硬化用ガスを導入して前記金属ワークの表面に硬化層を形成する硬化処理工程とを備えており、
前記硬化用ガスとして、炭素と水素とが結合したガス又は窒素と水素とが結合したガスが使用されており、前記硬化処理工程で前記処理炉に導入された硬化用ガスは、前記金属ワークに接触して分解する部分と、前記金属ワークに接触せずに排出される部分とに分かれており、前記金属ワークに接触して分離した炭素又は窒素が前記金属ワークの表面に入り込んで前記硬化層としての浸炭層又は浸窒層が形成される
という構成において、
前記硬化処理工程において、前記金属ワークに接触する硬化用ガスの量が過剰にならないように前記硬化用ガスの単位時間当たりの導入量を制御することにより、前記硬化用ガスから分離した水素が前記金属ワークに侵入することを防止又は抑制する
という方法が付加されている点を基本構成としている(本願発明の「高温」とは、硬化用ガスが分解する温度を意味しており、ガスの種類や金属ワークの種類などで相違するが、概ね、700~1100℃程度の範囲である。この点は、当業者とって自明である。)。
The present invention includes a method for vacuum curing a metal work and a method for manufacturing the metal work. Of these, the vacuum curing method for metal workpieces is
"The preparatory process for arranging the metal work in the processing furnace and
It is provided with a curing treatment step of introducing a curing gas into a processing furnace in which the metal work is arranged under a high temperature vacuum atmosphere to form a cured layer on the surface of the metal work.
As the curing gas, a gas in which carbon and hydrogen are bonded or a gas in which nitrogen and hydrogen are bonded is used, and the curing gas introduced into the processing furnace in the curing treatment step is used in the metal work. It is divided into a portion that is contacted and decomposed and a portion that is discharged without contacting the metal work, and carbon or nitrogen separated by contacting the metal work enters the surface of the metal work and the cured layer is formed. A carburized layer or a nitriding layer is formed. "
In the configuration
" In the curing treatment step, hydrogen separated from the curing gas is produced by controlling the introduction amount of the curing gas per unit time so that the amount of the curing gas in contact with the metal work does not become excessive. Preventing or suppressing invasion of the metal work "
(The "high temperature" of the present invention means the temperature at which the curing gas decomposes, and it differs depending on the type of gas and the type of metal work, etc. Generally, it is in the range of about 700 to 1100 ° C. This point is obvious to those skilled in the art).

そして、第1の発明では、上記基本構成において、
前記硬化処理工程における硬化用ガスの単位時間当たりの導入量の制御として、未処理状態の前記金属ワークの表面全体に対して水素の侵入を防止した状態で炭素又は窒素をまんべんなく付着させるために前記処理炉に導入すべき量として予め設定した基準ガス量に基づいて、
i)前記基準ガス量よりも少ない量を導入する、
ii)前記基準ガス量と同量を導入する、
iii)予め設定した許容範囲内で前記基準ガス量よりも多い量を導入する、
という3つの制御のうちのいずれか1つ継続的に行われるか、又は、複数の制御組み合わせて行われる」
という構成になっている。
Then, in the first invention, in the above basic configuration,
" As a control of the amount of curing gas introduced per unit time in the curing treatment step, in order to evenly adhere carbon or nitrogen to the entire surface of the untreated metal work in a state where hydrogen is prevented from entering. Based on the reference gas amount preset as the amount to be introduced into the processing furnace ,
i) Introduce an amount smaller than the standard gas amount,
ii) Introduce the same amount as the standard gas amount,
iii) Introduce an amount larger than the reference gas amount within the preset allowable range.
One of the three controls is continuously performed , or a plurality of controls are combined . "
It is configured as.

第1の発明は様々に展開できる。その例として第2の発明では、
前記硬化処理工程では、前記基準ガス量よりも少ない量の硬化用ガスが継続的に導入されている」
という構成になっている。
The first invention can be developed in various ways. As an example, in the second invention,
" In the curing treatment step, an amount of curing gas smaller than the reference gas amount is continuously introduced."
It is configured as.

また、第1の発明の他の展開例として、第3の発明では、
前記硬化処理工程の少なくとも一部において、硬化用ガスから分離した水素が前記金属ワークに浸入することを抑制できる許容範囲内で前記基準ガス量以上となるように前記硬化用ガスの導入量が制御される
という構成になっている。
Further, as another development example of the first invention, in the third invention,
" In at least a part of the curing treatment step, the amount of the curing gas introduced is such that the amount of the curing gas is equal to or more than the reference gas amount within an allowable range in which hydrogen separated from the curing gas can be suppressed from entering the metal work. Be controlled "
It is configured as.

本願発明は、硬化用ガスから分離した水素が金属ワークに侵入することを防止又は抑制することを基本的な特徴にしており、このために、基準ガス量に基づいて硬化用ガスの導入量を制御するものであるが、基準ガス量は、処理炉に配置された金属ワークの全表面積によって変化する。従って、金属ワークを処理炉に入れて処理するごとに、基準ガス量を設定する必要がある。第4の発明はかかる要請に応えるものである。 The basic feature of the present invention is to prevent or suppress the invasion of hydrogen separated from the curing gas into the metal work, and for this purpose, the amount of the curing gas introduced is determined based on the reference gas amount. Although controlled, the reference gas amount varies depending on the total surface area of the metal work placed in the processing furnace. Therefore, it is necessary to set the reference gas amount each time the metal work is put into the processing furnace and processed. The fourth invention responds to such a request.

すなわち第4の発明は、第1~第3の発明のうちのいずれかにおいて、
前記硬化処理工程は、前記基準ガス量の検出を兼ねる初期工程と、前記基準ガス量に基づいて導入ガス量の制御が行われる継続工程とを備えており、
表面積が判っているサンプルを使用して、検知用導入量として設定した単位時間当たりの量の硬化用ガスを導入したときの前記硬化用ガスの分解割合を直接に又は間接的に検知してサンプル値として設定しておき、
前記初期工程では、前記硬化用ガスを前記検知用導入量だけ導入して前記硬化用ガスの分解割合を直接に又は間接的に検知し、前記分解割合に関する現実の値と前記サンプル値とを比較することにより、前記金属ワークの表面積を設定し、前記設定された表面積に基づいて前記基準ガス量を設定している
という構成になっている。
That is, the fourth invention is described in any one of the first to third inventions.
"The curing treatment step includes an initial step that also serves as detection of the reference gas amount, and a continuous step in which the introduced gas amount is controlled based on the reference gas amount.
Using a sample whose surface area is known, the sample is directly or indirectly detected by the decomposition rate of the curing gas when the curing gas is introduced in an amount set as the detection introduction amount per unit time. Set it as a value,
In the initial step, the curing gas is introduced by the amount introduced for detection to directly or indirectly detect the decomposition ratio of the curing gas, and the actual value regarding the decomposition ratio is compared with the sample value. By doing so, the surface area of the metal work is set, and the reference gas amount is set based on the set surface area. "
It is configured as.

第4の発明の反対解釈として理解できるように、硬化処理工程は、基準ガス量を検知する初期工程を備えていない構成も採用可能である。すなわち、硬化処理工程の全部に亙って、基準ガス量に基づく硬化用ガス導入量制御を行うことが可能である。例えば、同一金属ワークに関する工程が複数回連続していて、先行した作業によって既に基準ガス量が求められている場合は、初期工程を省略することが可能である。 As can be understood as the opposite interpretation of the fourth invention, the curing treatment step can adopt a configuration that does not include an initial step of detecting the reference gas amount. That is, it is possible to control the amount of curing gas introduced based on the reference gas amount throughout the entire curing treatment process. For example, if the steps related to the same metal work are continuous a plurality of times and the reference gas amount has already been obtained by the preceding work, the initial step can be omitted.

製造方法は、第5の発明として特定できる。この第5の発明は、
第1~第4の発明のうちのいずれかに記載した真空硬化方法によって表面に硬化層を形成し、その後に焼入れが行われる
という構成になっている。
The manufacturing method can be specified as the fifth invention. This fifth invention is
" A cured layer is formed on the surface by the vacuum curing method according to any one of the first to fourth inventions, and then quenching is performed. "
It is configured as.

本願発明において、浸炭処理の対象品である金属ワークの種類に限定はなく、処理炉に入れることができるものなら何でも対象になる。ごく僅かながら、次のものを例示できる。すなわち、ドリルねじやタッピンねじや木ねじのような棒状ねじ(或いは棒状ファスナ)、ギア、プーリ、チェーンスプロケット、チェーンのような動力伝動装置の構成部材、各種の回転軸やアーム、各種のケーシング(ハウジング)、ベアリングを構成するボール・コロ・インナーレース・アウターレース・リテーナ、油圧シリンダや空圧シリンダのロッドやピストン、ソレノイドバルブの駆動軸などを挙げることができる。回転軸には、エンジンのカム軸やクランク軸、無段変速機の入力軸や出力軸、内燃機関用ウォータポンプの回転軸、各種モータの主軸など、多種多様のものが含まれる。 In the present invention, the type of metal work to be carburized is not limited, and anything that can be put into a processing furnace is targeted. The following can be illustrated, albeit very little. That is, rod-shaped screws (or rod-shaped fasteners) such as drill screws, tapping screws and wood screws, gears, pulleys, chain sprocket, components of power transmission devices such as chains, various rotating shafts and arms, and various casings (housings). ), Balls, rollers, inner races, outer races, retainers, rods and pistons of hydraulic cylinders and pneumatic cylinders, drive shafts of solenoid valves, etc. that make up the bearings. The rotating shafts include a wide variety of shafts such as engine cam shafts and crank shafts, input shafts and output shafts of stepless transmissions, rotating shafts of water pumps for internal combustion engines, and spindles of various motors.

さて、特許文献1には、処理炉内の水素濃度が「通常の浸炭条件」での水素濃度になるように制御することが記載されている。このことは、通常の浸炭条件を維持したら、条件が相違しても所望の浸炭が行われることを意味していると云える。ここで問題は、第1に、「通常の浸炭条件」において水素脆性が発生していたことであり、第2に、いかなる状態でも必要な炭素量を確保するという点についてのみ着目し、大量に炭化水素ガスを導入していたことである。この点を、図1(A)に基づいて説明する。 By the way, Patent Document 1 describes that the hydrogen concentration in the processing furnace is controlled to be the hydrogen concentration under "normal carburizing conditions". This can be said to mean that if the normal carburizing conditions are maintained, the desired carburizing will be performed even if the conditions are different. The problem here is that, firstly, hydrogen embrittlement occurred under "normal carburizing conditions", and secondly, a large amount of attention was paid only to securing the required carbon amount in any state. It was the introduction of hydrocarbon gas. This point will be described with reference to FIG. 1 (A).

図1(A)は、ガス導入口2とガス排出口3とを有する処理炉1にアセチレン(C2 2 )を導入して、アセチレンを金属ワークWの表面に接触させて浸炭する状態を模式的に表示している。この状態では、十分な炭素が分離して所望の炭素量が得られるように、理論値よりも多くの量のアセチレンが導入されている(処理炉1の内部で、アセチレンの量がリッチ状態になっているが、どの程度リッチになっているかは、把握できていない。)。FIG. 1A shows a state in which acetylene (C 2 H 2 ) is introduced into a processing furnace 1 having a gas inlet 2 and a gas discharge port 3 and acetylene is brought into contact with the surface of the metal work W to carburize. It is displayed schematically. In this state, a larger amount of acetylene than the theoretical value is introduced so that sufficient carbon can be separated and a desired amount of carbon can be obtained (the amount of acetylene becomes rich inside the processing furnace 1). However, it is not known how rich it is.)

そして、水素は物質のうちで最も質量が小さい気体であるため、金属ワークWの表面で分離した水素は、基本的には、処理炉1の内部に拡散してガス排出口3から排出されるが、炭素量の維持を目的にしてアセチレンの導入量を高い値に設定していると、水素の分圧が高くなって処理炉1からのガスの排出が滞る傾向を呈することにより、水素の拡散(排出)が不十分になって、水素が金属ワークWの表面個所に滞留したり、水素の飛散速度が著しく低下して金属ワークWの表面に捕捉されやすい環境が発生し、その結果、水素が、金属ワークWを構成する鋼の結晶格子間に取り込まれてしまうことになる(水素分子は最も小さいため、鋼の結晶格子を構成する原子と原子との間に取り込まれやすい。)。 Since hydrogen is the gas having the smallest mass among the substances, the hydrogen separated on the surface of the metal work W basically diffuses into the inside of the processing furnace 1 and is discharged from the gas discharge port 3. However, if the amount of acetylene introduced is set to a high value for the purpose of maintaining the amount of carbon, the partial pressure of hydrogen becomes high and the emission of gas from the processing furnace 1 tends to be delayed. Insufficient diffusion (emission) creates an environment in which hydrogen stays on the surface of the metal work W, or the rate of hydrogen scattering is significantly reduced, creating an environment in which hydrogen is easily captured on the surface of the metal work W. Hydrogen is taken in between the crystal lattices of the steel constituting the metal work W (because the hydrogen molecule is the smallest, it is easily taken in between the atoms constituting the crystal lattice of the steel).

そして、金属ワークWの表層に取り込まれた水素は、時間の経過と共に(或いは焼き戻しにより)大気中に放散されてしまうのが大半であり、金属ワークWの組織に残ったままになっている量は僅かであるが、水素の浸入によって発生した空隙(空孔)は組織中にそのまま残っており、空隙が塞がって組織が修復されることはないため、鋼を構成する結晶格子間の分子間引力を低下させ、その結果、繰り返し荷重や持続的負荷によって塑性変形が徐々に進行していき、やがて破断に至ると推測される。 Most of the hydrogen taken into the surface layer of the metal work W is released into the atmosphere with the passage of time (or by tempering), and remains in the structure of the metal work W. Although the amount is small, the voids (pores) generated by the infiltration of hydrogen remain in the structure as they are, and the voids are not closed and the structure is not repaired. It is presumed that the thinning force is reduced, and as a result, plastic deformation gradually progresses due to repeated loading and continuous loading, eventually leading to fracture.

他方、本願発明では、図1(B)に模式的に示すように、アセチレン導入量が制御されて水素の発生量が許容限度に納まっている状態になっている。このため、水素は、金属ワークWの表面近くに全く又は殆ど滞留することなくガス排出口3から排出される。正確には、水素が発生しても金属ワークWに浸入することなく速やかに排除される状態が維持されるように、アセチレンの導入量が制御される。これにより、鋼中への水素の浸入を防止又は著しく抑制できる。この点を、更に説明する。 On the other hand, in the present invention, as schematically shown in FIG. 1 (B), the amount of acetylene introduced is controlled so that the amount of hydrogen generated is within the permissible limit. Therefore, hydrogen is discharged from the gas discharge port 3 with no or almost no retention near the surface of the metal work W. To be precise, the amount of acetylene introduced is controlled so that even if hydrogen is generated, it is not infiltrated into the metal work W and is quickly eliminated. This makes it possible to prevent or remarkably suppress the infiltration of hydrogen into the steel. This point will be further described.

さて、単位時間当たりの水素の発生量は、大まかには、炭化水素ガスの種類(組成)、炭化水素ガスの単位時間当たりの導入量、処理炉1の真空度、金属ワークWの総表面積によって定まるものであり、炭化水素ガスの種類と真空度とが一定であると、炭素と水素の分離量(すなわち、単位時間当たりの炭素及び水素の発生量)、炭化水素ガスの単位時間当たりの導入量に応じて変動する(正比例する。)。 The amount of hydrogen generated per unit time is roughly determined by the type (composition) of the hydrocarbon gas, the amount of the hydrocarbon gas introduced per unit time, the degree of vacuum of the processing furnace 1, and the total surface area of the metal work W. If the type of hydrocarbon gas and the degree of vacuum are constant, the amount of separation between carbon and hydrogen (that is, the amount of carbon and hydrogen generated per unit time) and the introduction of hydrocarbon gas per unit time are fixed. It fluctuates according to the amount (directly proportional).

また、処理炉1に導入された炭化水素ガスの全量が金属ワークWに接触する訳ではなく、金属ワークWに接触することなく処理炉から排出する炭化水素ガスもあり、かつ、炭化水素ガスが金属ワークWに接触して炭素が分離しても、浸炭に供されずに処理炉外に排出される炭素もある程度存在する。つまり、浸炭に供される炭化水素ガスには、分解せずに排出されるロスと、分解しても浸炭に寄与せずに排出されるロスとがある。 Further, not all of the hydrocarbon gas introduced into the processing furnace 1 comes into contact with the metal work W, and some hydrocarbon gas is discharged from the processing furnace without coming into contact with the metal work W, and the hydrocarbon gas is emitted. Even if carbon is separated by contact with the metal work W, some carbon is discharged to the outside of the processing furnace without being subjected to hydrocarbon engraving. That is, the hydrocarbon gas used for carburizing includes a loss discharged without being decomposed and a loss discharged without contributing to carburizing even if decomposed.

更に、真空浸炭法においては、(C)に示すように、まず、炭化水素ガスから分離した炭素原子が金属ワークWの表面にまんべんなく付着し、次いで、炭素原子が時間をかけて内部に浸入(拡散)していくというメカニズムを取っており、そこで、炭素原子が金属ワークWの表面にまんべんなく付着する状態を実現するために必要最小限度(必要にして十分な)炭化水素ガスの導入量(正確には、時間×導入量)を基準ガス量として定義できる(上記のロスを見越した導入量である。)。 Further, in the vacuum carburizing method, as shown in (C), first, the carbon atoms separated from the hydrocarbon gas adhere evenly to the surface of the metal work W, and then the carbon atoms infiltrate into the inside over time (. The mechanism of diffusion) is adopted, and the minimum (necessary and sufficient) amount of hydrocarbon gas introduced (accurately) to realize a state in which carbon atoms adhere evenly to the surface of the metal work W. (Time x introduction amount) can be defined as the reference gas amount (the introduction amount in anticipation of the above loss).

そして、基準ガス量の検知手段として、例えば、基準ガス量のときに発生する水素の濃度を基準水素濃度として定義可能であり、基準水素濃度では、理論的には、水素は全て処理炉1の外に排出されるので、金属ワークWへの水素の浸入はないと云える。 Then, as a means for detecting the amount of the reference gas, for example, the concentration of hydrogen generated when the amount of the reference gas can be defined as the reference hydrogen concentration. Since it is discharged to the outside, it can be said that hydrogen does not infiltrate into the metal work W.

しかるに、従来は、基準水素濃度のようなツールが無くて基準ガス量の把握がなされていないため、基準ガス量を大幅に越える(何倍もの)量の炭化水素ガスを処理炉内に導入していたのが実情であり、その結果、水素も基準水素濃度を越える濃度で過剰に発生しており、その結果、大量の水素が金属ワークWの表面近くに滞留する現象が生じて、滞留した水素が金属ワークWの組織内に大量に浸入していたといえる。 However, in the past, since there was no tool such as the standard hydrogen concentration and the standard gas amount was not grasped, the amount of hydrocarbon gas that greatly exceeded the standard gas amount (many times) was introduced into the processing furnace. As a result, hydrogen was also excessively generated at a concentration exceeding the reference hydrogen concentration, and as a result, a large amount of hydrogen stayed near the surface of the metal work W and stayed. It can be said that a large amount of hydrogen had infiltrated into the structure of the metal work W.

これに対して本願発明では、基準水素濃度のような検知手段を利用して基準ガス量を把握することにより、水素の発生量が許容範囲に納まるように炭化水素ガスの導入量を制御できる。その結果、炭化水素ガスが分解して発生した水素を、金属ワークの表面近くに滞留させることなく処理炉外に速やかに排除できる。従って、水素の浸入に起因した脆性の発生を、防止又は著しく抑制できるのである。また、硬化処理のバラツキも抑制できる。 On the other hand, in the present invention, by grasping the reference gas amount by using a detection means such as the reference hydrogen concentration, the introduction amount of the hydrocarbon gas can be controlled so that the hydrogen generation amount is within the allowable range. As a result, hydrogen generated by decomposing the hydrocarbon gas can be quickly discharged to the outside of the processing furnace without staying near the surface of the metal work. Therefore, the generation of brittleness due to the infiltration of hydrogen can be prevented or remarkably suppressed. In addition, variations in the curing process can be suppressed.

本願の第2の発明では、処理炉への硬化用ガスの導入量は基準ガス量よりも低く設定されているため、真空硬化処理に起因して金属ワークに水素が侵入することを阻止して、金属ワークに水素脆性が発生することを防止できる。 In the second invention of the present application, the amount of the curing gas introduced into the processing furnace is set to be lower than the reference gas amount, so that hydrogen is prevented from entering the metal work due to the vacuum curing process. , It is possible to prevent hydrogen embrittlement from occurring in the metal work.

さて、金属ワークWに求められる機械的性質は様々であり、水素浸入が許容される程度も、金属ワークWの種類や等級によって大きく相違する。従って、炭化水素ガスの導入量を基準ガス量より低く設定する必要がない場合も有り得る。第3の発明ではこの点に着目して、基準ガス量以上の硬化用ガスを処理炉に導入している。具体的には、基準ガス量の1.5倍程度までなら、水素の侵入量は従来よりも相当に減少できると推測される。 By the way, the mechanical properties required for the metal work W are various, and the degree to which hydrogen infiltration is allowed also greatly differs depending on the type and grade of the metal work W. Therefore, it may not be necessary to set the introduction amount of the hydrocarbon gas lower than the reference gas amount. In the third invention, paying attention to this point, a curing gas having a reference gas amount or more is introduced into the processing furnace. Specifically, it is estimated that the amount of hydrogen invaded can be significantly reduced as long as it is up to about 1.5 times the standard gas amount.

以上の説明は、炭化水素ガスを使用する浸炭方法についてであったが、アンモニアのように窒化水素ガスを使用した真空浸窒についても、上記の説明が概ね妥当する。また、真空浸炭法と真空窒化法とを組み合わせた真空浸炭窒化法があるが、この場合も同様である。窒化について述べると、まず、分離した窒素が金属ワークの表面の鉄と化合して、金属ワークの表面に窒化鉄の層が形成され、次いで、窒化鉄から窒素が分離して内部に浸入していくと推測される。そして、真空窒化でもアンモニア等のガスの分解率に比例して水素が発生するため、水素濃度を利用してガス導入量等を制御できる。 The above description has been about a carburizing method using a hydrocarbon gas, but the above description is generally valid for vacuum nitriding using a hydrogen nitride gas such as ammonia. Further, there is a vacuum carburizing nitriding method in which a vacuum carburizing method and a vacuum nitriding method are combined, and the same applies to this case. Regarding nitriding, first, the separated nitrogen is combined with the iron on the surface of the metal work to form a layer of iron nitride on the surface of the metal work, and then the nitrogen is separated from the iron nitride and penetrates into the inside. It is presumed to go. Since hydrogen is generated in proportion to the decomposition rate of gas such as ammonia even in vacuum nitriding, the amount of gas introduced can be controlled by using the hydrogen concentration.

金属ワークへの浸炭が進行すると、処理炉に導入される単位時間当たりの硬化用ガスのうち浸炭に供される割合は変化していく。そこで、実施形態のように、酸素分圧等の指標に基づいて、硬化用ガスの導入量を補正することが可能である。 As the carburizing of the metal work progresses, the ratio of the hardening gas introduced into the processing furnace to the carburizing per unit time changes. Therefore, as in the embodiment, it is possible to correct the amount of the curing gas introduced based on an index such as oxygen partial pressure.

なお、基準ガス量に基づく硬化用ガス導入量の制御は、具体的には、硬化用ガスの導入量に応じて変化する数値を利用して行われる。例えば、炉内の水素濃度(水素分圧)を検知して、実際の水素濃度(水素分圧)が基準水素濃度(分圧)以上になるように制御することができる。 The control of the amount of the curing gas introduced based on the reference gas amount is specifically performed by using a numerical value that changes according to the amount of the curing gas introduced. For example, it is possible to detect the hydrogen concentration (hydrogen partial pressure) in the furnace and control the actual hydrogen concentration (hydrogen partial pressure) to be equal to or higher than the reference hydrogen concentration (partial pressure).

金属ワークWの浸炭又は浸窒にどれだけの硬化用ガスが必要であるかは、金属ワークの総表面積に大きく依存している。総表面積が小さければ硬化用ガスの量は少なくてよいし、総表面積が大きいと硬化用ガスの必要量も多くなる。また、炉の容積によっても、金属ワークに対する硬化用ガスの接触性は変化する。 How much hardening gas is required for carburizing or nitrification of the metal work W largely depends on the total surface area of the metal work. If the total surface area is small, the amount of curing gas may be small, and if the total surface area is large, the required amount of curing gas is also large. In addition, the contact property of the curing gas with respect to the metal work changes depending on the volume of the furnace.

そこで問題は、金属ワークの総表面積の検出方法である。金属ワークが単純な平板である場合は、計算によって求めることも可能であるが、例えば、ねじやギアのような複雑な形状の金属ワークWの場合は、総表面積を計算で求めることは面倒であることが多い。形状や寸法が異なる金属ワークが混在している場合は、計算で総表面積を求めることは更に面倒になる。また、単純な平板であっても、多数個をまとめて浸炭処理する場合は、一々個数を計算せねばならないため、総表面積を計算で求めることは非常に厄介である。 Therefore, the problem is how to detect the total surface area of the metal work. If the metal work is a simple flat plate, it can be calculated, but in the case of a metal work W with a complicated shape such as a screw or gear, it is troublesome to calculate the total surface area. Often there are. When metal works with different shapes and dimensions are mixed, it becomes more troublesome to calculate the total surface area. Further, even if it is a simple flat plate, when carburizing a large number of pieces at once, the number must be calculated one by one, so it is very troublesome to calculate the total surface area.

これに対して、請求項4の構成では、初期工程において、分解割合を表す数値(例えば水素濃度)を制御指標として検出して、現実の値をサンプル値と比較して金属ワークの総表面積を把握できるため、個々の処理好適での金属ワークの基準ガス量も把握できる。 On the other hand, in the configuration of claim 4, in the initial step, a numerical value representing the decomposition rate (for example, hydrogen concentration) is detected as a control index, and the actual value is compared with the sample value to determine the total surface area of the metal work. Since it can be grasped, the reference gas amount of the metal work suitable for each treatment can also be grasped.

従って、金属ワークの形状や個数などに関係なく、適切な量の硬化用ガスを導入して、水素の侵入を防止又は抑制した状態に硬化処理することができる。そして、ここで重要なことは、硬化処理を施しながら基準ガス量を検知できるということであり、このため、能率に優れている。 Therefore, regardless of the shape and number of metal workpieces, an appropriate amount of curing gas can be introduced and the curing treatment can be performed in a state where the invasion of hydrogen is prevented or suppressed. What is important here is that the reference gas amount can be detected while performing the curing treatment, and therefore, it is excellent in efficiency.

なお、金属ワークの総表面積は、必ずしも実際の数値を検出する必要はない。例えば、硬化用ガスの分解の程度を知る指標として水素濃度を使用する場合は、初期工程において現れる水素濃度(平均水素濃度)の数値を幾つかにグループ化して、各グループに対応した基準ガス量を設定しておくことも可能である。この場合は、多少のバラツキはあるが、現実的である。 The total surface area of the metal work does not necessarily have to be detected as an actual value. For example, when the hydrogen concentration is used as an index to know the degree of decomposition of the curing gas, the numerical value of the hydrogen concentration (average hydrogen concentration) that appears in the initial process is grouped into several groups, and the reference gas amount corresponding to each group is used. It is also possible to set. In this case, there are some variations, but it is realistic.

(A)は従来例の模式図、(B)(C)は本願発明の模式図である。(A) is a schematic diagram of a conventional example, and (B) and (C) are schematic views of the present invention. 真空浸炭設備の概念図である。It is a conceptual diagram of a vacuum carburizing facility. 実施形態を示す図で、(A)は工程の流れを示す図、(B)は炭化水素ガス導入量を示す図、(C)は水素濃度の変化を示す図、(D)は酸素分圧の変化を示す図である。In the figure which shows embodiment, (A) is a figure which shows the flow of a process, (B) is a figure which shows the amount of hydrocarbon gas introduced, (C) is a figure which shows the change of hydrogen concentration, (D) is oxygen partial pressure. It is a figure which shows the change of. (A)は水素濃度と炭化水素ガス導入量との単純な関係を示す図、(B)は水素濃度と炭化水素ガス導入量との関係が酸素分圧によって補正されている状態を示す図である。(A) is a diagram showing a simple relationship between the hydrogen concentration and the amount of hydrocarbon gas introduced, and (B) is a diagram showing a state in which the relationship between the hydrogen concentration and the amount of hydrocarbon gas introduced is corrected by the oxygen partial pressure. be. 参考例の実験結果を示す図で、(A)は材料を説明したグラフ、(B)は応力範囲と破断繰り返し数との関係を示すグラフ、(C)はテストピースの側面図である。It is a figure which shows the experimental result of a reference example, (A) is a graph explaining a material, (B) is a graph which shows the relationship between a stress range and the number of fracture repetitions, (C) is a side view of a test piece.

(1).設備の概要
次に、本願発明を図面に基づいて説明する。まず、図2に示す真空浸炭設備の概要を説明する。本設備は従来と同様のものであり、主要要素として、ガス導入口2及びガス排出口3が内部に開口した処理炉(浸炭室)1と、処理炉1に扉4を介して隣り合った冷却室5と、冷却室5の下方に配置した焼入れ室6とを有している。焼入れ室6には、冷却液(水系又はオイル)を溜めた焼入れ槽7が配置されている。図示していないが、処理炉1や冷却室5には金属ワークWを出し入れするための扉を設けている。
(1). Outline of equipment Next, the invention of the present application will be described with reference to the drawings. First, the outline of the vacuum carburizing equipment shown in FIG. 2 will be described. This equipment is the same as the conventional one, and as the main elements, the processing furnace (carburizing chamber) 1 in which the gas introduction port 2 and the gas discharge port 3 are opened inside and the processing furnace 1 are adjacent to each other through the door 4. It has a cooling chamber 5 and a quenching chamber 6 arranged below the cooling chamber 5. In the quenching chamber 6, a quenching tank 7 in which a cooling liquid (water system or oil) is stored is arranged. Although not shown, the processing furnace 1 and the cooling chamber 5 are provided with doors for taking in and out the metal work W.

ガス導入口2とガス排出口3はそれぞれ1つずつしか表示していないが、それぞれ複数個設けることが可能である。一般には、ガス導入口2は4個以上設けて、ガス排出口3は2個程度設けていることが多い。 Although only one gas introduction port 2 and one gas discharge port 3 are displayed, it is possible to provide a plurality of each. In general, four or more gas introduction ports 2 are provided, and about two gas discharge ports 3 are often provided.

ガス導入口2には、ボンベ8がガス導入管9を介して接続されており、ガス導入管9の中途部には第1バルブ10を配置している。ボンベ8には炭素源となる炭化水素ガスが充填されている。本実施形態では、炭化水素ガスとしてアセチレンを使用している。ガス排出口3は、第1排出管11を介して真空ポンプ12と接続されており、第1排出管11の中途部には第2バルブ13を介在させている。第1排出管11は、第2排出管14を介して冷却室5にも接続されており、第2排出管14の中途部には第3バルブ15を配置している。 A cylinder 8 is connected to the gas introduction port 2 via a gas introduction pipe 9, and a first valve 10 is arranged in the middle of the gas introduction pipe 9. The cylinder 8 is filled with a hydrocarbon gas as a carbon source. In this embodiment, acetylene is used as the hydrocarbon gas. The gas discharge port 3 is connected to the vacuum pump 12 via the first discharge pipe 11, and a second valve 13 is interposed in the middle of the first discharge pipe 11. The first discharge pipe 11 is also connected to the cooling chamber 5 via the second discharge pipe 14, and the third valve 15 is arranged in the middle of the second discharge pipe 14.

処理炉1の内部には多数の伝熱式ヒータ16が配置されており、各ヒータ16は電源17に接続されている。また、浸炭設備には、水素濃度を直接的に検知する手段として、水素濃度センサ18を設けている。 A large number of heat transfer heaters 16 are arranged inside the processing furnace 1, and each heater 16 is connected to a power source 17. Further, the carburizing equipment is provided with a hydrogen concentration sensor 18 as a means for directly detecting the hydrogen concentration.

水素濃度センサ18は、特許文献1に開示されているように、処理炉1内のガスの熱伝導率を検知するものであり、第1排出管11に設けたバイパス管19に設けている。なお、熱伝導率は最終的には電気信号に変換されて、制御に供される。性能等の条件が許せば、水素濃度センサ18を処理炉1の内部に露出させることも可能である。処理炉1には、酸素センサ20を臨ませている。酸素センサ20は、微量非水素ガスの分圧検知手段の例である。 As disclosed in Patent Document 1, the hydrogen concentration sensor 18 detects the thermal conductivity of the gas in the processing furnace 1, and is provided in the bypass pipe 19 provided in the first discharge pipe 11. The thermal conductivity is finally converted into an electric signal and used for control. If conditions such as performance allow, the hydrogen concentration sensor 18 can be exposed inside the processing furnace 1. An oxygen sensor 20 faces the processing furnace 1. The oxygen sensor 20 is an example of a partial pressure detecting means for a trace amount of non-hydrogen gas.

真空浸炭設備は、制御装置(制御手段)21を有している。制御装置21は、真空浸炭設備とセットになっていてもよいし、パソコンで代替することも可能である。いずれにしても、メモリーやモニター、入力手段などを有している。各バルブ10,13,15、ヒータ電源17,水素濃度センサ18、酸素センサ20は、制御装置21に電気的に接続されている。図示していないが、処理設備には、デジタル式の温度センサや真空計を設けており、これらも制御装置21に接続されている。 The vacuum carburizing equipment has a control device (control means) 21. The control device 21 may be a set with the vacuum carburizing equipment, or may be replaced with a personal computer. In any case, it has a memory, a monitor, an input means, and the like. The valves 10, 13, 15, the heater power supply 17, the hydrogen concentration sensor 18, and the oxygen sensor 20 are electrically connected to the control device 21. Although not shown, the processing equipment is provided with a digital temperature sensor and a vacuum gauge, which are also connected to the control device 21.

(2).処理パターンの基本態様
次に、真空浸炭処理パターンの例を、図3,4に基づいて説明する。真空浸炭処理の基本的なパターンは従来と同様であり、これを図3(A)に示している。
(2). Basic mode of treatment pattern Next, an example of the vacuum carburizing treatment pattern will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The basic pattern of the vacuum carburizing treatment is the same as the conventional one, which is shown in FIG. 3 (A).

すなわち、真空浸炭処理は、加熱された金属ワークWを処理炉1に入れて炉内温度を上げる昇温工程、設定温度を維持して金属ワークWをむらなく加熱する均熱工程、処理炉1に真空雰囲気下でアセチレンを導入して分解した炭素を金属ワークWに浸入させる浸炭工程、アセチレンの導入を停止して金属ワークWの表面層内で炭素を拡散させる拡散工程、炉内温度をある程度まで徐々に低下させる降温工程、ある程度の温度を維持して金属ワークWの温度を安定させる均熱工程を備えている。更に、冷却室5に移行させて窒素ガスで冷却するガス冷却、又は、焼入れ液に投入して急冷する焼入れ工程、のいずれかの各工程を有している。 That is, the vacuum carburizing treatment includes a heating step of putting the heated metal work W into the processing furnace 1 to raise the temperature inside the furnace, a soaking step of maintaining the set temperature and heating the metal work W evenly, and the treatment furnace 1. A carburizing step in which acetylene is introduced into the metal work W to infiltrate the decomposed carbon into the metal work W in a vacuum atmosphere, a diffusion step in which the introduction of acetylene is stopped and carbon is diffused in the surface layer of the metal work W, and the temperature inside the furnace is adjusted to some extent. It is provided with a temperature lowering step of gradually lowering the temperature and a soaking step of maintaining a certain temperature to stabilize the temperature of the metal work W. Further, it has either a gas cooling step of moving to the cooling chamber 5 and cooling with nitrogen gas, or a quenching step of charging the quenching liquid into a quenching liquid for quenching.

浸炭温度は従来と同様である。金属ワークWの材質等によって相違するが、例えば、750~1100℃程度である。処理炉1の真空度も従来と大きく相違するものではなくて、例えば4~10Torr程度に維持されるように、第2バルブ13の開度が自動制御されている。 The carburizing temperature is the same as before. It depends on the material of the metal work W, but is, for example, about 750 to 1100 ° C. The degree of vacuum of the processing furnace 1 is not significantly different from that of the conventional one, and the opening degree of the second valve 13 is automatically controlled so as to be maintained at, for example, about 4 to 10 Torr.

本例では、浸炭工程は、最初にアセチレンを導入する初期工程と、その後にある程度の時間間隔をおいて行われる継続工程とから成っており、継続工程は、アセチレンの導入を複数の浸炭ブロックI ~IVに分けて行うパルス制御方式になっている。本例では、継続工程は、4回の浸炭ブロックI ~IVで構成されているが、浸炭ブロックの回数や間隔は任意に設定できる。 In this example, the carburizing step consists of an initial step of first introducing acetylene and a continuing step of introducing acetylene at a certain time interval thereafter, and the continuing step consists of introducing acetylene into a plurality of carburizing blocks I. It is a pulse control method that is divided into ~ IV. In this example, the continuation process is composed of four carburizing blocks I to IV, but the number and intervals of the carburizing blocks can be set arbitrarily.

初期工程では、単位時間当たり一定量のアセチレンが、所定時間だけ処理炉1に連続して導入される。他方、継続工程を構成する各ブロックI ~IVでは、アセチレンの導入量Qは、基本的には水素濃度ρを変数として制御され、かつ、酸素分圧Pによっても補正される。また、本実施形態では、図4に示すように、継続工程を構成する各浸炭ブロックI ~IVは、アセチレンの導入のON・OFFが短い時間間隔で繰り返されている。従って、各浸炭ブロックI ~IVも、短い時間間隔でアセチレンの導入をON・OFFするパルス制御が成されている。 In the initial step, a certain amount of acetylene per unit time is continuously introduced into the processing furnace 1 for a predetermined time. On the other hand, in each of the blocks I to IV constituting the continuation step, the introduction amount Q of acetylene is basically controlled with the hydrogen concentration ρ as a variable, and is also corrected by the oxygen partial pressure P. Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, ON / OFF of the introduction of acetylene is repeated at short time intervals in each of the carburizing blocks I to IV constituting the continuation process. Therefore, each of the carburized blocks I to IV is also pulse-controlled to turn on / off the introduction of acetylene at short time intervals.

初期工程から継続工程に移行するとき、及び、継続工程においてアセチレンの導入がカットされている状態では、処理炉の内部にはアセチレンが存在しない無ガス状態になっており、この無ガス状態でも、処理炉1は所定の真空雰囲気に維持されている(アセチレンが導入されている場合よりも真空度は高くなっている。)。 When shifting from the initial process to the continuation process, and when the introduction of acetylene is cut in the continuation process, the inside of the processing furnace is in a gas-free state in which acetylene does not exist, and even in this gas-free state, The processing furnace 1 is maintained in a predetermined vacuum atmosphere (the degree of vacuum is higher than when acetylene is introduced).

(3).総表面積の設定(算定)
図3(C)に示すように、初期工程では、所定量のアセチレンの導入により、水素濃度ρはゼロから急激に立ち上がって、増加率が急激に低下する。そこで、増加率が著しく低下した範囲を安定化状態として、安定化状態での平均値を、初期工程での基準水素濃度ρ0として設定する。例えば、初期工程が全体でn分間あると仮定すると、アセチレン導入経過後1~n分の間の(n-1)分間を安定時間T0として、T0における水素濃度ρの平均値を基準水素濃度ρ0として設定する。なお、平均値は、単位時間ごとにプロットして、それらの加重平均を求めたらよい。
(3). Setting (calculation) of total surface area
As shown in FIG. 3C, in the initial step, the hydrogen concentration ρ rapidly rises from zero due to the introduction of a predetermined amount of acetylene, and the rate of increase sharply decreases. Therefore, the range in which the rate of increase is significantly reduced is set as the stabilized state, and the average value in the stabilized state is set as the reference hydrogen concentration ρ0 in the initial step. For example, assuming that the initial step is n minutes in total, the stable time T0 is (n-1) minutes between 1 and n minutes after the introduction of acetylene, and the average value of the hydrogen concentration ρ at T0 is the reference hydrogen concentration ρ0. Set as. The average value may be plotted for each unit time and their weighted average may be obtained.

基準水素濃度ρ0から金属ワークWの表面積(総表面積)を算定するが、このための準備として、予め面積が判っているサンプルを複数種類製造し、各サンプルを炭化水素ガスに晒して水素濃度を検知し、これにより、金属ワークWの表面積の絶対値と水素濃度との関係を、マップ(対応表)として作成している。 The surface area (total surface area) of the metal work W is calculated from the reference hydrogen concentration ρ0. As a preparation for this, multiple types of samples whose areas are known in advance are produced, and each sample is exposed to a hydrocarbon gas to determine the hydrogen concentration. By detecting this, the relationship between the absolute value of the surface area of the metal work W and the hydrogen concentration is created as a map (correspondence table).

概念的に説明すると、例えば、1m2 のサンプル、2m2 のサンプル、3m2 のサンプル、4m2 のサンプル、5m2 のサンプルというように多数のサンプルを製造しておき、それぞれについて、初期工程と同じ条件で浸炭した場合に発生する水素濃度(ρ1,ρ2,ρ3・・・)を記録しておき、表面積と水素濃度との関係式(マップ)を作成しておく。Conceptually speaking, a large number of samples such as 1 m 2 sample, 2 m 2 sample, 3 m 2 sample, 4 m 2 sample, 5 m 2 sample, etc. are manufactured, and each of them is used as an initial step. Record the hydrogen concentration (ρ1, ρ2, ρ3 ...) Generated when carburized under the same conditions, and create a relational expression (map) between the surface area and the hydrogen concentration.

そして、実際の金属ワークWから検知された水素濃度の平均値ρ0と、各サンプルの基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・とを比較して、実際の平均値ρ0が最も近い基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・を選択して、この基準水素濃度が属するサンプルの総表面積を金属ワークWの総表面積に設定し(擬似的に設定し)、設定された総表面積を基準として、その総表面積の場合に設定されている飽和水素濃度を、実際の金属ワークWの飽和水素濃度として設定する。 Then, the average value ρ0 of the hydrogen concentration detected from the actual metal work W is compared with the reference hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ... Of each sample, and the actual average value ρ0 is the closest reference hydrogen concentration. Select ρ1, ρ2, ρ3 ..., set the total surface area of the sample to which this reference hydrogen concentration belongs to the total surface area of the metal work W (pseudo setting), and use the set total surface area as a reference. The saturated hydrogen concentration set in the case of the total surface area is set as the saturated hydrogen concentration of the actual metal work W.

例えば、金属ワークWが3m2 の総表面積として設定(擬制)されたら、3m2 の総表面積の場合の基準水素濃度ρ3から安全率を見込んだ目標水素濃度ρ3′を設定し、この目標水素濃度ρ3′を水素濃度ρの上限値とする。安全率は、水素の許容侵入量によって相違する。基本的に水素の侵入を防止する場合(水素侵入ゼロを目指す場合)は、安全率は、例えば0.8~0.95程度でよいと云える。For example, if the metal work W is set (simulated) as the total surface area of 3 m 2 , the target hydrogen concentration ρ3'that allows for a safety factor is set from the standard hydrogen concentration ρ3 in the case of the total surface area of 3 m 2 , and this target hydrogen concentration is set. Let ρ3'be the upper limit of the hydrogen concentration ρ. The safety factor depends on the permissible amount of hydrogen intrusion. Basically, when preventing the intrusion of hydrogen (when aiming for zero hydrogen intrusion), it can be said that the safety factor may be, for example, about 0.8 to 0.95.

他方、ある程度の侵入は許容する場合は、1.0以上とする。実際の水素濃度が基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・の2倍までなると、水素の発生量が過剰になって(従来と同じになって)、金属ワークへの水素の侵入を抑制できるとは言い難いと推測される。従って、現実的には、安全率は2.0より小さいのが普通で、好適には1.5程度以下と推測される。目標水素濃度ρ3′を基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・に設定すること(安全率を1.0とすること)も可能である。 On the other hand, if some intrusion is allowed, it should be 1.0 or more. When the actual hydrogen concentration becomes twice the standard hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ..., the amount of hydrogen generated becomes excessive (same as before), and the invasion of hydrogen into the metal work can be suppressed. It is presumed that it is hard to say. Therefore, in reality, the safety factor is usually smaller than 2.0, and is preferably estimated to be about 1.5 or less. It is also possible to set the target hydrogen concentration ρ3'to the reference hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ... (The safety factor is 1.0).

また、水素濃度ρの下限値も設定しており、便宜的に、3m2 の総表面積の場合の下限値をρ3″として表示する。下限値は、基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・より高くてもよいし、基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・と同じでもよいし、基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・より低くてもよい。基本的に水素の侵入を防止する場合は、制御上限値である目標水素濃度ρ3′を基準水素濃度ρ1,ρ2,ρ3・・・の0.9倍、下限値を0.85倍とすることができる。目標水素濃度(上限値)や下限値を、金属ワークWの材質や形状等によって異ならせることも可能である。なお、基準水素濃度は、飽和水素濃度と呼ぶことも可能である。Further, the lower limit value of the hydrogen concentration ρ is also set, and for convenience, the lower limit value in the case of the total surface area of 3 m 2 is displayed as ρ3 ″. The lower limit value is the reference hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ... It may be higher, may be the same as the reference hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ..., Or may be lower than the reference hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ... In this case, the target hydrogen concentration ρ3', which is the control upper limit value, can be 0.9 times the reference hydrogen concentration ρ1, ρ2, ρ3 ..., And the lower limit value can be 0.85 times the target hydrogen concentration (upper limit value). ) And the lower limit value can be made different depending on the material and shape of the metal work W. The reference hydrogen concentration can also be called a saturated hydrogen concentration.

初期工程でアセチレンを所定時間に所定量だけ導入すると、アセチレンのうち金属ワークに接触した部分が分解して水素が発生するが、水素の発生量は金属ワークWの表面積に正比例している。また、処理炉1の内部が真空雰囲気であることから、初期工程としてある程度を保持しておけば、アセチレンは金属ワークWの表面にまんべんなく接触する。従って、初期工程において、金属ワークWの表面には、分離した炭素がまんべんなく付着する。 When a predetermined amount of acetylene is introduced in a predetermined time in the initial step, the portion of acetylene in contact with the metal work is decomposed to generate hydrogen, but the amount of hydrogen generated is directly proportional to the surface area of the metal work W. Further, since the inside of the processing furnace 1 has a vacuum atmosphere, acetylene comes into contact with the surface of the metal work W evenly if a certain amount is maintained as an initial process. Therefore, in the initial step, the separated carbon is evenly adhered to the surface of the metal work W.

従って、初期工程において、金属ワークWの表面積の大きさに関係なく、金属ワークWの表面全体に炭素をまんべんなく付着させるために必要最小限度のアセチレンの量(基準ガス量)と、基準ガス量に対応した水素濃度とを検出できる。正確には、水素濃度を利用して、金属ワークの基準ガス量を検出できる。また、初期工程でも浸炭は行われている。 Therefore, in the initial process, regardless of the size of the surface area of the metal work W, the minimum amount of acetylene (reference gas amount) necessary for evenly adhering carbon to the entire surface of the metal work W and the reference gas amount are used. The corresponding hydrogen concentration can be detected. To be precise, the hydrogen concentration can be used to detect the reference gas amount of the metal work. Carburizing is also performed in the initial process.

(4).アセチレンの導入量制御
図4(A)に示すように、実際の水素濃度ρは時々刻々と変化していくが、ρがρ3′とρ3″との間に維持されるように、アセチレンの導入量Qが制御される。つまり、実際の水素濃度ρが飽和水素濃度(上限値ρ3′)に近づくとアセチレンの導入量を減らし、実際の水素濃度ρが下限値ρ3″に近づくとアセチレンの導入量を増やすことにより、実際の水素濃度ρを所定の範囲(レベル)に維持する。
(4). Control of acetylene introduction amount As shown in Fig. 4 (A), the actual hydrogen concentration ρ changes from moment to moment, but ρ is maintained between ρ3'and ρ3 ″. , The amount of acetylene introduced Q is controlled. That is, when the actual hydrogen concentration ρ approaches the saturated hydrogen concentration (upper limit value ρ3'), the amount of acetylene introduced is reduced, and the actual hydrogen concentration ρ approaches the lower limit value ρ3 ″. By increasing the amount of acetylene introduced, the actual hydrogen concentration ρ is maintained within a predetermined range (level).

これにより、処理炉1内に水素が過剰に発生することを防止して、水素が金属ワークWに浸入することを防止又は著しく抑制することができる。すなわち、水素の害を無くした状態又は抑制した状態で、アセチレン(炭化水素ガス)を使用して浸炭を行うことができる。アセチレンの導入量Qには、飽和水素濃度に対応した上限値Q3′と下限値Q3″とが設定されている。 As a result, it is possible to prevent excessive generation of hydrogen in the processing furnace 1 and prevent or significantly suppress the infiltration of hydrogen into the metal work W. That is, carburizing can be performed using acetylene (hydrocarbon gas) in a state where the harm of hydrogen is eliminated or suppressed. The upper limit value Q3 ′ and the lower limit value Q3 ″ corresponding to the saturated hydrogen concentration are set for the acetylene introduction amount Q.

上記の実施形態は、総表面積が相違してもある範囲のものは一律に扱うグループ管理(ゾーン管理)であるが、金属ワークWの総表面積と水素濃度との間には比例関係があるので、例えば、1m2 ,2m2 ,3m2 ,4m2 ,5m2 の5つのサンプルの水素濃度計結果に基づいて、1.5m2 の基準水素濃度、2.5m2 の基準水素濃度、3.5m2 の基準水素濃度、4.5m2 の基準水素濃度を作成しておくことが可能であり、このようにして多くのゾーンを用意しておくことにより、誤差を少なくしてきめ細かく制御できる。In the above embodiment, even if the total surface area is different, those in a certain range are treated uniformly in group management (zone management), but since there is a proportional relationship between the total surface area of the metal work W and the hydrogen concentration. For example, based on the hydrogen concentration meter results of 5 samples of 1 m 2 , 2 m 2 , 3 m 2 , 4 m 2 , 5 m 2 , 1.5 m 2 reference hydrogen concentration, 2.5 m 2 reference hydrogen concentration, 3. It is possible to create a reference hydrogen concentration of 5 m 2 and a reference hydrogen concentration of 4.5 m 2 , and by preparing many zones in this way, errors can be reduced and fine control can be performed.

さて、既述のように、本実施形態の継続工程では、各浸炭ブロックI ~IVは、短い時間間隔でガス導入口の開閉を行うパルス制御が成されており、従って、短い時間のガス導入を単位として、多数のガス導入単位が間欠的に行われる。従って、各ガス導入単位での水素濃度の変化を見ると、水素濃度はゼロから立ち上がって安定化しており、安定化してからの濃度が既述の上限値(飽和水素濃度)と下限値との間に納まるように、アセチレンの導入量Qが制御される。 By the way, as described above, in the continuation step of the present embodiment, each of the carburized blocks I to IV is pulse-controlled to open and close the gas introduction port at short time intervals, and therefore, gas introduction for a short time. A large number of gas introduction units are performed intermittently. Therefore, looking at the change in hydrogen concentration in each gas introduction unit, the hydrogen concentration rises from zero and stabilizes, and the concentration after stabilization is the above-mentioned upper limit value (saturated hydrogen concentration) and lower limit value. The introduction amount Q of acetylene is controlled so as to be within the interval.

図4では、パルスの各単位ごとに水素濃度とガス導入量とが変動する状態に描いているが、これは、理解を容易にするための便宜的な表示であり、実際には、各ガス導入単位においても、水素濃度ρとアセチレン導入量Qとは高低変化している。但し、各ガス導入単位の時間が短い場合は、1つ前のガス導入単位での水素濃度に基づいて次のガス導入単位のアセチレン導入量を制御する、といったことは可能である。 In FIG. 4, the hydrogen concentration and the amount of gas introduced fluctuate for each unit of the pulse, but this is a convenient display for easy understanding, and in reality, each gas is displayed. Even in the introduction unit, the hydrogen concentration ρ and the acetylene introduction amount Q change in high and low. However, when the time of each gas introduction unit is short, it is possible to control the amount of acetylene introduced in the next gas introduction unit based on the hydrogen concentration in the previous gas introduction unit.

本願発明の実施形態として、アセチレンの導入量Qを、許容範囲内で基準ガス量よりも多くすることができる。そのパターンは種々有り得る。第1に、導入量Qが常に基準ガス量よりも多い態様がある(水素濃度で制御する場合は、実際の水素濃度が常に基準水素濃度を越えている場合である。)。第2に、導入量Qが、基準ガス量と同じになったり、基準ガス量を超えたりする態様がある。 As an embodiment of the present invention, the introduction amount Q of acetylene can be made larger than the reference gas amount within an allowable range. The pattern can vary. First, there is an embodiment in which the introduced amount Q is always larger than the reference gas amount (when the hydrogen concentration is controlled, the actual hydrogen concentration always exceeds the reference hydrogen concentration). Secondly, there is an embodiment in which the introduced amount Q becomes the same as the reference gas amount or exceeds the reference gas amount.

第3に、導入量Qが、基準ガス量よりも少ない量と多い量との間で変動する態様がある。第3の態様は、基準ガス量をターゲットにして、その上下にある程度の変動幅を持たせた場合であるが、この場合は、金属ワークへの水素の侵入は殆どないと推測される。第4に、基本的には基準ガス量より少ない導入量であるものの、一時的に、導入量を基準ガス量以上に増大させる態様がある。 Thirdly, there is an embodiment in which the introduced amount Q varies between an amount smaller than the reference gas amount and an amount larger than the reference gas amount. The third aspect is a case where the reference gas amount is targeted and a certain fluctuation range is provided above and below the reference gas amount, but in this case, it is presumed that hydrogen hardly invades the metal work. Fourth, although the introduction amount is basically smaller than the reference gas amount, there is an embodiment in which the introduction amount is temporarily increased to the reference gas amount or more.

(5).酸素分圧を利用した補正制御
図3(D)では、処理炉1内での酸素の分圧の変化を表示している。初期工程について見ると、酸素の分圧Pは浸炭ガス導入前の酸素分圧から急激に低下して安定化した領域に移行し、かつ、安定領域では、金属ワークWの浸炭に応じて僅かに上昇傾向を呈する。また、各浸炭ブロックI ~IVについて見ると、各浸炭ブロックI ~IVの前の状態では、処理炉1内にはアセチレンが導入されていないので、真空度に対応した上限値から低下して安定領域に移行し、各安定領域では、金属ワークWの浸炭の進行に応じて僅かに上昇する傾向を呈する。
(5). Correction control using oxygen partial pressure In FIG. 3 (D), the change in oxygen partial pressure in the processing furnace 1 is displayed. Looking at the initial process, the partial pressure P of oxygen drops sharply from the partial pressure of oxygen before the introduction of the carburized gas and shifts to a stabilized region, and in the stable region, it is slightly increased according to the carburizing of the metal work W. Shows an upward trend. Looking at each carburizing blocks I to IV, in the state before each carburizing blocks I to IV, acetylene is not introduced in the processing furnace 1, so that the value decreases from the upper limit corresponding to the degree of vacuum and is stable. It shifts to the region, and in each stable region, it tends to increase slightly as the carburizing of the metal work W progresses.

浸炭の継続工程においては、時間の経過と共に浸炭も進行していくので、酸素分圧Pの安定領域での平均値は、後ろの浸炭ブロックに行くほど高くなる傾向を呈する。また、各浸炭ブロックI ~IVは、多数のガス導入単位が間欠的に繰り返されるパルス制御が成されているので、酸素分圧Pは、各ガス導入単位ごとに急激に下降してから安定化するように変化しており、各ガス導入単位で見ても、酸素分圧Pの平均値は経時的に上昇する傾向を呈する。従って、図3(D)の表示は、各ガス導入単位の酸素分圧Pの平均値の推移を表示したものに相当する。 In the continuous step of carburizing, carburizing also progresses with the passage of time, so that the average value of the oxygen partial pressure P in the stable region tends to increase toward the rear carburizing block. In addition, since each carburizing block I to IV is pulse-controlled in which a large number of gas introduction units are intermittently repeated, the oxygen partial pressure P is stabilized after abruptly decreasing for each gas introduction unit. The average value of the oxygen partial pressure P tends to increase with time even when viewed in each gas introduction unit. Therefore, the display in FIG. 3D corresponds to the display of the transition of the average value of the oxygen partial pressure P of each gas introduction unit.

金属ワークWの浸炭が進行すると、金属ワークWの表面でのアセチレンの分解性能は低下していき、単位時間・単位アセチレン量当たりの炭素及び水素の発生量は低下する傾向を呈する。これに伴い、酸素分圧Pは上昇する傾向を呈する。従って、酸素分圧Pは、浸炭の進行度合いを把握する指標になる。 As the carburization of the metal work W progresses, the decomposition performance of acetylene on the surface of the metal work W decreases, and the amount of carbon and hydrogen generated per unit time and unit amount of acetylene tends to decrease. Along with this, the oxygen partial pressure P tends to increase. Therefore, the oxygen partial pressure P is an index for grasping the progress of carburizing.

そして、浸炭の進行度合い等の様々な要因により、水素濃度ρが予め設定した範囲に納まっていても、浸炭に必要な炭素が不足している場合(アセチレンが過少な場合)や、炭素が過剰な場合(アセチレン過剰な場合)があり得る。すなわち、水素濃度ρの制御のみでは炭素量が過不足なく分離するようなアセチレン量に設定しにくい場合がある。 Then, due to various factors such as the progress of carburizing, even if the hydrogen concentration ρ is within the preset range, if the carbon required for carburizing is insufficient (the amount of acetylene is insufficient) or the carbon is excessive. (In excess of acetylene). That is, it may be difficult to set the amount of acetylene so that the amount of carbon can be separated without excess or deficiency only by controlling the hydrogen concentration ρ.

そこで、図4(B)に示すように、酸素分圧Pに上限値P3′と下限値P3″とを設定して、酸素分圧Pが上限値P3′を越えると、水素濃度ρが設定範囲内でもアセチレンの導入量を増加させて、酸素分圧Pが下限値P3″を下回ると、水素濃度ρが設定範囲内でもアセチレンの導入量を減少させるように制御している。従って、酸素分圧Pで補正した後のアセチレンの導入量は、図4(B)の点線で示すように推移している。これにより、金属ワークWへの水素の浸入を阻止しつつ、金属ワークWに炭素を適量供給している。 Therefore, as shown in FIG. 4B, the upper limit value P3'and the lower limit value P3'are set for the oxygen partial pressure P, and when the oxygen partial pressure P exceeds the upper limit value P3', the hydrogen concentration ρ is set. The amount of acetylene introduced is increased even within the range, and when the oxygen partial pressure P is below the lower limit value P3 ″, the hydrogen concentration ρ is controlled to decrease the amount of acetylene introduced even within the set range. Therefore, the amount of acetylene introduced after being corrected by the oxygen partial pressure P has changed as shown by the dotted line in FIG. 4 (B). As a result, an appropriate amount of carbon is supplied to the metal work W while preventing hydrogen from entering the metal work W.

なお、P3′とP3″は、金属ワークWの表面積が3m2 である場合を示しており、図4(A)と整合させたものである。(B)の水素濃度とガス導入量とは(A)のグラフをそのまま利用しており、ガス導入量のグラフに、実際のアセチレンの導入量が棒グラフ状に表示されている。また、図4(B)では、制御単位時間をtとしてフィードバック制御しており、酸素分圧Pに基づくアセチレン導入量Qの制御は、tの時間だけタイミングが遅れている。Note that P3'and P3 "indicate the case where the surface area of the metal work W is 3 m 2 , which is consistent with FIG. 4 (A). The hydrogen concentration and the amount of gas introduced in (B) are the same. The graph of (A) is used as it is, and the actual amount of acetylene introduced is displayed in a bar graph on the graph of the amount of gas introduced. In FIG. 4 (B), the control unit time is used as t for feedback. The timing of the control of the acetylene introduction amount Q based on the oxygen partial pressure P is delayed by the time of t.

このように、酸素分圧Pの上昇に応じてアセチレンの導入量を増大させることにより、水素の浸入は阻止しながら、金属ワークWに接触する炭素の量を必要量確保して浸炭を的確に行うことができる。なお、アセチレンの導入量は、上限値Q3′を越えないように制御されるが、図4(B)のQ3′を図4(A)のQ3′より高い値に設定することは可能である。 In this way, by increasing the amount of acetylene introduced in response to an increase in the oxygen partial pressure P, while preventing the infiltration of hydrogen, the required amount of carbon in contact with the metal work W is secured to accurately perform carburizing. It can be carried out. Although the amount of acetylene introduced is controlled so as not to exceed the upper limit value Q3', it is possible to set Q3' in FIG. 4 (B) to a value higher than Q3' in FIG. 4 (A). ..

真空浸炭浸窒法の場合は、図3(A)に表示するように、浸炭後の均熱工程で処理炉1にアンモニアを導入して窒化処理される。この場合も、浸炭工程での処理と同様に、初期工程と継続工程とがセットになって窒化処理が行われる。制御手順は浸炭の場合と本質的な違いはない。アンモニアはアセチレンに比べて分子中の水素の割合が多いので、アンモニアの導入量はアセチレンに比べて抑え気味が好ましいと云える。 In the case of the vacuum carburizing and nitriding method, as shown in FIG. 3A, ammonia is introduced into the processing furnace 1 in the heat equalizing step after carburizing and nitriding is performed. In this case as well, the nitriding process is performed by combining the initial process and the continuous process as in the process in the carburizing process. The control procedure is not essentially different from that of carburizing. Since ammonia has a higher proportion of hydrogen in the molecule than acetylene, it can be said that the amount of ammonia introduced is preferably suppressed as compared with acetylene.

浸窒のみを行う場合は、上記した説明において、アセチレンをアンモニアに置き換えたらよい。当然ながら、浸炭と浸窒とでは、金属ワークWの表面積が同じでも基準水素濃度や目標水素濃度は相違する。 When only immersion is performed, acetylene may be replaced with ammonia in the above description. As a matter of course, the reference hydrogen concentration and the target hydrogen concentration are different between carburizing and nitrification even if the surface area of the metal work W is the same.

(6).参考実験例
次に、参考実験例と比較例を説明する。本例では、テストピースとしてボロン鋼(JISの10B21)の丸棒を使用した。図5(C)に示すように、試料は、基準径Dが7.15mm、全長が100mm、試験機での掴み部となる雄ねじ部SがM8で長さは15mmずつであり、中間位置に、破断予想部として開き角度60度のノッチを形成した。ノッチの外径は、約4.6mmであった。実施例及び比較例とも、7本ずつ作成した。
(6). Reference experiment example Next, a reference experiment example and a comparative example will be described. In this example, a round bar made of boron steel (JIS 10B21) was used as the test piece. As shown in FIG. 5C, the sample has a reference diameter D of 7.15 mm, a total length of 100 mm, a male threaded portion S serving as a gripping portion in the testing machine of M8, and a length of 15 mm each, at an intermediate position. A notch with an opening angle of 60 degrees was formed as a fracture prediction portion. The outer diameter of the notch was about 4.6 mm. Seven examples and seven comparative examples were prepared.

参考例は、通常のボロン鋼に適用される条件下で、約14分かけてパルス浸炭を行い、890℃で焼入れした。冷却液には油を使用した。比較例は、大気圧下で行われるガス浸炭法で浸炭処理されたものであり、従来と同様に浸炭ガス(プロパン)を過剰に供給している。このため、比較例の拡散性水素量は、浸炭直後の状態で2.1ppmであった。他方、実施例は目標水素濃度が基準水素濃度の90%程度となるようにアセチレンガスをリーン状態に設定して浸炭しており、拡散性水素濃度は0.05ppmであった。浸炭直後の拡散性水素量Aは、室温から300℃までの計測値であり、焼き戻し後の拡散性水素量Bは、360℃で焼き戻し後の計測値である。 In the reference example, pulse carburizing was performed for about 14 minutes under the conditions applied to ordinary boron steel, and the mixture was quenched at 890 ° C. Oil was used as the coolant. The comparative example is carburized by the gas carburizing method performed under atmospheric pressure, and the carburized gas (propane) is excessively supplied as in the conventional case. Therefore, the amount of diffusible hydrogen in the comparative example was 2.1 ppm immediately after carburizing. On the other hand, in the examples, the acetylene gas was set to a lean state and carburized so that the target hydrogen concentration was about 90% of the reference hydrogen concentration, and the diffusible hydrogen concentration was 0.05 ppm. The diffusible hydrogen amount A immediately after carburizing is a measured value from room temperature to 300 ° C., and the diffusible hydrogen amount B after tempering is a measured value after tempering at 360 ° C.

金属ワークWに浸入した水素は、焼き戻し工程で大半が排出される。比較例も同様であり、焼き戻し後の拡散性水素量を測定したら、0.04ppmであった。他方、実施例は0.03ppmであった。従って、見かけ上の残留水素量は、実施例も比較例も大差ない。 Most of the hydrogen that has penetrated into the metal work W is discharged in the tempering process. The same applies to the comparative example, and the amount of diffusible hydrogen after tempering was measured and found to be 0.04 ppm. On the other hand, the example was 0.03 ppm. Therefore, the apparent amount of residual hydrogen does not differ much between the examples and the comparative examples.

そして、参考例と比較例との疲労試験を行った。疲労試験機にセットして、破断するまで軸方向に繰り返し負荷をかけて、応力範囲と繰り返しサイクルとの関係(SN曲線)を得た。制御波形はsin波、応力比は0.1、周波数は30Hz、最大繰り返し数は5.0×10であった。その結果を示したのが図5(B)のグラフであり、実施品は、鋼製品で特に問題となる300~400MPaの応力範囲で高い耐久性を有していることが判る。Then, a fatigue test was conducted between the reference example and the comparative example. It was set in a fatigue tester, and a load was repeatedly applied in the axial direction until it broke, and the relationship between the stress range and the repeating cycle (SN curve) was obtained. The control waveform was a sine wave, the stress ratio was 0.1, the frequency was 30 Hz, and the maximum number of repetitions was 5.0 × 106 . The graph shown in FIG. 5B shows the results, and it can be seen that the implemented product has high durability in the stress range of 300 to 400 MPa, which is a particular problem for steel products.

また、例えば、アセチレンガスの導入量が基準ガス量と同じであったり僅かに多かったりしても、金属ワークへの水素の侵入は大幅に抑制されると推測されるため、参考例と実験例から、本願発明の実施品が高い耐久性を有することを容易に推測できる。 Further, for example, even if the amount of acetylene gas introduced is the same as or slightly larger than the reference gas amount, it is presumed that the invasion of hydrogen into the metal work is significantly suppressed. From this, it can be easily inferred that the product of the present invention has high durability.

本願発明は、様々に具体化できる。例えば、基準ガス量の設定手段として、水素濃度センサに代えて質量分析計を使用することが可能である。すなわち、分解して発生した水素ガス濃度を質量分析計で計測し、その数値に基づいて基準ガス量を設定することが可能である。質量分析計の検知部は、処理炉の内部に配置することもできるし、ガス排出経路に配置することもできる。質量分析計は、酸素分圧の検知手段として使用することも可能である。 The invention of the present application can be embodied in various ways. For example, a mass spectrometer can be used instead of the hydrogen concentration sensor as a means for setting the reference gas amount. That is, it is possible to measure the concentration of hydrogen gas generated by decomposition with a mass spectrometer and set the reference gas amount based on the numerical value. The detection unit of the mass spectrometer can be arranged inside the processing furnace or can be arranged in the gas discharge path. The mass spectrometer can also be used as a means for detecting the partial pressure of oxygen.

金属ワークの総表面積を計算して、その表面積に基づいて基準ガス量を決定することも可能である。特定の部材を大量に硬化処理する場合は、このような方法によって能率を向上できるといえる。また、過去に処理した金属ワークと同じものを処理する場合は、過去のデータを使用して基準ガス量を設定することが可能であり、この場合も、基準ガス量を設定するための手順を省略することが可能である。 It is also possible to calculate the total surface area of the metal work and determine the reference gas amount based on that surface area. When a specific member is hardened in a large amount, it can be said that the efficiency can be improved by such a method. In addition, when processing the same metal work that has been processed in the past, it is possible to set the reference gas amount using the past data, and in this case as well, the procedure for setting the reference gas amount is performed. It can be omitted.

本願発明は、実際に金属ワークの硬化処理に適用できる。従って、産業上利用できる。 The invention of the present application can actually be applied to a curing treatment of a metal work. Therefore, it can be used industrially.

W 金属ワーク
1 処理炉
2 ガス導入口
3 ガス排出口
5 冷却室
6 焼入れ室
8 炭化水素ガスボンベ(アセチレンボンベ)
10,13,15 バルブ
12 真空ポンプ(真空源)
18 水素濃度センサ
20 酸素センサ
21 制御装置
W Metal work 1 Processing furnace 2 Gas introduction port 3 Gas discharge port 5 Cooling room 6 Quenching room 8 Hydrocarbon gas cylinder (acetylene cylinder)
10, 13, 15 Valve 12 Vacuum pump (vacuum source)
18 Hydrogen concentration sensor 20 Oxygen sensor 21 Control device

Claims (5)

金属ワークを処理炉内に配置する準備工程と、
前記金属ワークが配置された処理炉内に高温真空雰囲気下で硬化用ガスを導入して前記金属ワークの表面に硬化層を形成する硬化処理工程とを備えており、
前記硬化用ガスとして、炭素と水素とが結合したガス又は窒素と水素とが結合したガスが使用されており、前記硬化処理工程で前記処理炉に導入された硬化用ガスは、前記金属ワークに接触して分解する部分と、前記金属ワークに接触せずに排出される部分とに分かれており、前記金属ワークに接触して分離した炭素又は窒素が前記金属ワークの表面に入り込んで前記硬化層としての浸炭層又は浸窒層が形成される、
という構成であり、
更に、前記硬化処理工程において、前記金属ワークに接触する硬化用ガスの量が過剰にならないように前記硬化用ガスの単位時間当たりの導入量を制御することにより、前記硬化用ガスから分離した水素が前記金属ワークに侵入することを防止又は抑制する方法であって、
前記硬化処理工程における硬化用ガスの単位時間当たりの導入量の制御として、未処理状態の前記金属ワークの表面全体に対して水素の侵入を防止した状態で炭素又は窒素をまんべんなく付着させるために前記処理炉に導入すべき量として予め設定した基準ガス量に基づいて、
i)前記基準ガス量よりも少ない量を導入する、
ii)前記基準ガス量と同量を導入する、
iii)予め設定した許容範囲内で前記基準ガス量よりも多い量を導入する、
という3つの制御のうちのいずれか1つ継続的に行われるか、又は、複数の制御組み合わせて行われる
金属ワークの真空硬化方法。
The preparatory process for arranging the metal work in the processing furnace and
It is provided with a curing treatment step of introducing a curing gas into a processing furnace in which the metal work is arranged in a high temperature vacuum atmosphere to form a cured layer on the surface of the metal work.
As the curing gas, a gas in which carbon and hydrogen are bonded or a gas in which nitrogen and hydrogen are bonded is used, and the curing gas introduced into the processing furnace in the curing treatment step is used in the metal work. It is divided into a portion that is contacted and decomposed and a portion that is discharged without contacting the metal work, and carbon or nitrogen separated by contacting the metal work enters the surface of the metal work and the cured layer is formed. As a carburized layer or a nitriding layer is formed,
It is a composition called
Further, in the curing treatment step, hydrogen separated from the curing gas is separated by controlling the introduction amount of the curing gas per unit time so that the amount of the curing gas in contact with the metal work does not become excessive. Is a method of preventing or suppressing the invasion of the metal work.
In order to control the amount of the curing gas introduced per unit time in the curing treatment step , carbon or nitrogen is evenly adhered to the entire surface of the untreated metal work in a state where hydrogen is prevented from entering. Based on the standard gas amount preset as the amount to be introduced into the processing furnace ,
i) Introduce an amount smaller than the standard gas amount,
ii) Introduce the same amount as the standard gas amount,
iii) Introduce an amount larger than the reference gas amount within the preset allowable range.
One of the three controls is continuously performed , or a plurality of controls are combined .
Vacuum curing method for metal workpieces.
前記硬化処理工程では、前記基準ガス量よりも少ない量の硬化用ガスが継続的に導入されている、
請求項1に記載した金属ワークの真空硬化方法。
In the curing treatment step, an amount of curing gas smaller than the reference gas amount is continuously introduced.
The vacuum curing method for a metal work according to claim 1.
前記硬化処理工程の少なくとも一部において、硬化用ガスから分離した水素が前記金属ワークに浸入することを抑制できる許容範囲内で前記基準ガス量以上となるように前記硬化用ガスの導入量が制御される、
請求項1に記載した金属ワークの真空硬化方法。
In at least a part of the curing treatment step, the introduction amount of the curing gas is controlled so as to be equal to or more than the reference gas amount within an allowable range in which hydrogen separated from the curing gas can be suppressed from entering the metal work. Be done,
The vacuum curing method for a metal work according to claim 1.
前記硬化処理工程は、前記基準ガス量の検出を兼ねる初期工程と、前記基準ガス量に基づいて導入ガス量の制御が行われる継続工程とを備えており、
表面積が判っているサンプルを使用して、検知用導入量として設定した単位時間当たりの量の硬化用ガスを導入したときの前記硬化用ガスの分解割合を直接に又は間接的に検知してサンプル値として設定しておき、
前記初期工程では、前記硬化用ガスを前記検知用導入量だけ導入して前記硬化用ガスの分解割合を直接に又は間接的に検知し、前記分解割合に関する現実の値と前記サンプル値とを比較することにより、前記金属ワークの表面積を設定し、前記設定された表面積に基づいて前記基準ガス量を設定している、
請求項1~3のうちのいずれかに記載した金属ワークの真空硬化方法。
The curing treatment step includes an initial step that also serves as detection of the reference gas amount, and a continuous step in which the introduced gas amount is controlled based on the reference gas amount.
Using a sample whose surface area is known, the sample is directly or indirectly detected by the decomposition rate of the curing gas when the curing gas is introduced in an amount set as the detection introduction amount per unit time. Set it as a value,
In the initial step, the curing gas is introduced by the amount introduced for detection to directly or indirectly detect the decomposition ratio of the curing gas, and the actual value regarding the decomposition ratio is compared with the sample value. By doing so, the surface area of the metal work is set, and the reference gas amount is set based on the set surface area.
The vacuum curing method for a metal work according to any one of claims 1 to 3.
請求項1~4のうちのいずれかに記載した真空硬化方法によって表面に硬化層を形成し、その後に焼入れが行われる、
金属ワークの製造方法。
A cured layer is formed on the surface by the vacuum curing method according to any one of claims 1 to 4, and then quenching is performed.
Manufacturing method of metal work.
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