專利名稱：氣體滲碳處理裝置和氣體滲碳方法
技術領域：
本發明涉及氣體滲碳處理裝置和氣體滲碳方法。
背景技術：
汽車、產業機械等部件所用的低碳鋼制或低碳合金鋼制材料，為了使部件的耐磨 損性、耐疲勞性等提高而被實施了表面硬化處理。所述表面硬化處理例如通過如下的氣體 滲碳方法進行，即將低碳鋼制或低碳合金鋼制工件放入由耐熱性構件所構成的加熱室內， 在含有由吸熱性氣體形成的滲碳氣體的氣氛中對該工件進行加熱從而進行工件的滲碳處 理和擴散處理，提高工件表面中的含碳量。在上述方法中，由加熱室內部的加熱所生成的一 氧化碳氣體與氫氣有助于滲碳反應。因此，在該方法中，氫氣被認為是不可避免的氣體。然而，在上述方法中，在進行工件的滲碳處理和擴散處理時，需要對加熱室內部整 體進行加熱。因此，在上述方法中，加熱至規定溫度等溫度控制和氣氛的穩定化等需要花費 時間，并且需要處理成本。此外，上述方法中，從加熱室的耐久性觀點考慮，難以進行溫度超 過950°C的高溫下的滲碳處理。因此，本申請人開發了如下方法將收納于容器內的工件的表面通過高頻感應加 熱而加熱至規定溫度后，向該容器內供給烴氣和惰性氣體從而進行滲碳處理(例如參考專 利文獻1)。專利文獻1中所記載的方法，在通過高頻感應加熱而被加熱了的工件表面與烴氣 接觸時，所述烴氣發生分解，同時產生向工件表面的滲碳。專利文獻1日本特開2004-360057號公報
發明內容
然而，在專利文獻1所記載的方法中，在進行滲碳處理時，由于一直以恒定流量向 容器內供給烴氣與氮氣的混合氣體，因此，例如在使用甲烷氣體作為烴氣的情況下，伴隨著 由CH4 — C+2H2所表示的滲碳反應，容器內的氫氣量增加(參考圖7的虛線部分)。因此，在專利文獻1所記載的方法中，作為滲碳氣體使用的甲烷氣體(上述甲烷氣 體含有稀釋用氮氣)被上述氫氣所稀釋，從而滲碳反應的速度降低，因此在進行滲碳處理 時，有時確保所希望的表面硬度所需要的時間將會增加。本發明是鑒于上述問題而做出的，其目的在于提供一種能夠以低處理成本、且更 短時間內進行工件的滲碳處理和擴散處理的氣體滲碳處理裝置和氣體滲碳方法。本發明的氣體滲碳處理裝置，是對金屬制工件實施滲碳處理和擴散處理的氣體滲 碳處理裝置，其特征在于，所述氣體滲碳處理裝包括將上述工件安裝于內部的處理室主體； 對上述工件的至少表面進行感應加熱的感應加熱裝置；向上述處理室主體內供給烴氣和惰 性氣體的氣體流路；以及氣體控制部，其在進行滲碳處理時，維持供給至上述處理室主體 內的兩種氣體的供給量的總量為恒定量，并且控制供給至上述處理室主體內的烴氣的供給 量，而使該處理室主體內的烴氣的濃度維持在恒定濃度。
如上所述構成的氣體滲碳處理裝置，能夠通過上述氣體控制部在進行滲碳處理時 進行控制，以使得將供給至處理室主體內的兩種氣體的供給量總量維持在恒定量，且將處 理室主體內的烴氣的濃度維持在恒定濃度。此外，根據本發明的氣體滲碳處理裝置，能夠在 如此進行了控制的氣氛中，通過上述感應加熱裝置對設置于處理室主體內的工件的至少表 面進行感應加熱，從而對該工件實施滲碳處理。由此，根據本發明的氣體滲碳處理裝置，能夠在滲碳處理期間，將處理室主體內的 氣氛保持為含有恒定濃度的烴氣的滲碳氣氛。因此，根據本發明的氣體滲碳處理裝置，即使 在伴隨著滲碳反應的進行而氫氣產生量增加了的情況下，或氫氣的產生量與工件表面積大 小成比例地增加的情況下，也能夠將滲碳反應速度維持在恒定速度。 因此，根據本發明的氣體滲碳處理裝置，與現有的方法相比，能夠謀求確保所期望 的表面硬度所需要的處理時間的縮短。此外，根據本發明的氣體滲碳處理裝置，能夠伴隨著 處理時間的縮短，降低滲碳處理中的烴氣和惰性氣體的使用量、感應加熱所需要的電量等 處理成本。進一步，根據本發明的氣體滲碳處理裝置，在進行滲碳處理時，由于能夠將處理 室主體內的烴氣的濃度維持在恒定濃度，因此不管工件的表面積大小如何，都能夠確保幾 乎相同的滲碳品質。本發明的氣體滲碳方法，是對金屬制的工件實施滲碳處理的氣體滲碳方法，其特 征在于，包括將上述工件安裝于對該工件實施滲碳處理的處理室主體內的安裝工序；在 惰性氣體中對上述工件進行感應加熱的加熱工序；以及滲碳處理工序，所述滲碳處理工序 在上述工件表面溫度達到了規定溫度時，將供給至上述處理室主體內的烴氣和惰性氣體的 供給量的總量設定為恒定量、將上述處理室主體內的烴氣濃度維持在恒定濃度，同時向上 述處理室主體內供給兩種氣體，同時感應加熱上述工件，并將該工件在規定溫度保持規定 時間。本發明的氣體滲碳方法，在滲碳處理工序中，將供給至上述處理室主體內的烴氣 和惰性氣體的供給量的總量為恒定量、將上述處理室主體內的烴氣濃度維持在恒定濃度， 同時上述處理室主體內供給兩種氣體。由此，本發明的氣體滲碳方法能夠在滲碳處理工序 期間將處理室主體內的氣氛保持為含有恒定濃度的烴氣的滲碳氣氛。因此，根據本發明的氣體滲碳方法，與上述氣體滲碳處理裝置的情況同樣地，即使 在伴隨著滲碳反應的進行而氫氣產生量增加了的情況下，或氫氣的產生量與工件表面積大 小成比例地增加的情況下，也能夠將滲碳反應速度維持在恒定速度，且不管工件的表面積 的大小如何，都能夠確保幾乎相同的滲碳品質。此外，根據本發明的氣體滲碳方法，能夠伴 隨著滲碳處理所需時間的縮短，降低滲碳處理中的烴氣和惰性氣體的使用量、感應加熱所 需要的電量，能夠以低處理成本進行處理。本發明的氣體滲碳方法，在上述加熱工序中，可以在處理室主體內真空排氣后，向 上述處理室主體內填充惰性氣體，對該工件進行感應加熱，也可以使上述處理室主體內充 滿惰性氣體，對該工件進行感應加熱。此外，本發明的氣體滲碳方法，優選包括在上述滲碳處理工序后停止供給烴氣、將 所述工件在規定溫度保持規定時間的擴散處理工序。由此，根據本發明的氣體滲碳方法，能夠增加有效硬化層。在此情況下，本發明的氣體滲碳方法，能夠在上述擴散處理工序中，使停止供給烴氣后的處理室主體內充滿惰性氣體，進而使該工件在規定溫度下保持規定的時間；或使上 述處理室主體內處于規定的減壓狀態，進而使該工件在規定溫度下保持規定時間。根據本發明的氣體滲碳處理裝置和氣體滲碳方法，能夠以低處理成本、且更短時 間進行工件的滲碳處理和擴散處理。
圖1是表示本發明一個實施方式的氣體滲碳處理裝置的要部結構的框圖。圖2是表示本發明一個實施方式的氣體滲碳方法的處理順序的流程圖。圖3是表示本發明的變形例的氣體滲碳方法的處理順序的流程圖。圖4是表示對試驗例中實施例1 3、比較例1和2各自試樣的滲碳系數K進行了 比較后的結果的圖。圖5是表示對比較試驗例中實施例1 3、比較例1和2采用各方法的處理時間 (滲碳時間與擴散時間的合計)進行了比較后的結果的圖。圖6是表示對試驗例中實施例1 3、比較例1以及比較例2采用各方法進行滲碳 處理與擴散處理時的電力成本進行了比較后的結果的圖。圖7是表示對本發明一個實施方式的氣體滲碳方法與現有氣體滲碳方法中在滲 碳處理時甲烷氣體和氮氣的量的變化進行了比較后的結果的圖。符號說明1氣體滲碳處理裝置10處理室主體11氣體流路12感應加熱裝置13a, 13b質量流量控制器(氣體控制部)W 工件
具體實施例方式(氣體滲碳處理裝置的結構)以下參考附圖并對本發明一個實施方式的氣體滲碳處理裝置進行詳細的說明。圖 1為表示本發明一個實施方式的氣體滲碳處理裝置的要部結構的框圖。氣體滲碳處理裝置1，如圖1所示，具有在其內部安裝工件W的處理室主體10 ；向 處理室主體10內供給甲烷氣體和氮氣的氣體流路11 ；感應加熱裝置12，其具有對工件W進 行感應加熱的加熱線圈12a和向該加熱線圈12a供給高頻電流的感應加熱電源12b ；質量 流量控制器13a，13b，分別作為控制甲烷氣體供給量的氣體控制部和控制氮氣供給量的氣 體控制部。進一步，在氣體滲碳處理裝置1還配置有收納有向處理室主體10內供給初始滲 碳氣氛氣體的氣氛氣罐15 ；檢測處理室主體10內甲烷氣體濃度的CH4氣體分析儀16 ；檢測 工件W表面溫度的IR傳感器17 ；定序器(Sequencer) 18，其作為控制感應加熱電源12b和 質量流量控制器13a、13b的工作的工作控制部。處理室主體10是可容易地交換甲烷氣體和氮氣的容器。作為該處理室主體10，可以舉出具有耐熱性的石英制或耐熱鋼制的容器。在處理室主體10的內部，設置有感應加熱裝置12的加熱線圈12a。在該加熱線圈 12a的內周側，設置有支持工件W的工件支持部21。處理室主體10，由于采用上述結構，因此能夠在該處理室主體10內，僅由加熱線 圈12a對由工件支持部22上所支持的工件W進行感應加熱。因此，處理室主體10也可不 由耐熱性構件構成。
因此，根據該氣體滲碳處理裝置1，可以簡化處理室主體1的結構，可以謀求降低 設備成本。以高頻電流從感應加熱電源12b供給至加熱線圈12a的方式構成感應加熱裝置 12。從感應加熱電源12b輸出的高頻電流的量被設定為可變的。進而，加熱線圈12a可以 根據所供給的高頻電流的量，將工件W表面感應加熱至所期望的溫度。本實施方式的氣體 滲碳處理裝置1，由于具備感應加熱裝置12，因此能夠通過感應加熱只對工件的局部進行 加熱，從而對該工件表面實施滲碳處理。因此，根據本實施方式的氣體滲碳處理裝置1，不需 要對加熱室內部整體進行加熱，能夠進行低功耗且短時間的處理。在處理室主體10的外側設置有IR傳感器17。IR傳感器17是通過檢測從工件W 所發出的紅外線，從而檢測工件W表面溫度的傳感器。該IR傳感器17，經由定序器18與感應加熱裝置12的感應加熱電源12b連接。因 此，氣體滲碳處理裝置1可以根據IR傳感器17所檢測到的工件W的表面溫度控制感應加 熱電源12b，從而控制從該感應加熱電源12b供給至加熱線圈12a的高頻電流的量。在處理室主體10的上游連接有上述氣體流路11。該氣體流路11經由質量流量控制器13a、13b分別連接在用于供給烴氣即甲烷氣 體的CH4儲氣瓶23和用于供給惰性氣體即氮氣的N2儲氣瓶24上。質量流量控制器13a控制從CH4儲氣瓶23供給至處理室主體10內的甲烷氣體的 供給量。此外，質量流量控制器13b控制從N2儲氣瓶24供給至處理室主體10內的氮氣的
供給量。通過該結構，質量流量控制器13a、13b在滲碳處理時將供給至處理室主體10內的 甲烷氣體的供給量和氮氣的供給量的總量維持在恒定量。同時，質量流量控制器13a控制 供給至處理室主體10內的烴氣的供給量、使該處理室主體內的烴氣的濃度維持在恒定濃 度。此外，質量流量控制器13a在擴散處理時，停止向處理室主體10內供給甲烷氣體，但質 量流量控制器13b維持氮氣的供給。另一方面，在處理室主體10的下游連接有從處理室主體10排出排氣的排氣流路 14。需要說明的是，為了從處理室主體10將氣體高速排出，在排氣流路14上也可以設
置真空泵和真空罐。氣氛氣罐15與處理室主體10連接，使得該氣氛氣罐15中的初始滲碳氣氛氣體被 供給至處理室主體10。在此，初始滲碳氣氛氣體，是為了使滲碳處理前的處理室主體10內 的氣氛為滲碳處理時具有目標甲烷氣體濃度的氣氛的氣體。排氣流路14的中途設置有CH4氣體分析儀16。此外，在該排氣流路14的下游，設 置有未圖示的排氣口。
CH4氣體分析儀16，伴隨時間推移而監視從處理室主體10所排出的經過排氣流路 14的排氣的一部分(樣品氣體)。并且，CH4氣體分析儀16，通過檢測輸送來的樣品氣體中 的甲烷氣體濃度從而檢測處理室主體10內的甲烷氣體濃度。
需要說明的是，本實施方式的氣體滲碳處理裝置1中，CH4氣體分析儀16也可以設 置在處理室主體10上。S卩，CH4氣體分析儀16也可以配置成從處理室主體10采集樣品氣 體。CH4氣體分析儀16經由定序器18而連接在質量流量控制器13上。因此，氣體滲 碳處理裝置1可以根據由CH4氣體分析儀16所檢測到的樣品氣體中的甲烷氣體濃度，控制 質量流量控制器13，從而單獨地控制通過氣體流路11的甲烷氣體和氮氣的流量，并控制供 給至處理室主體10內的甲烷氣體和氮氣各自的量。定序器18，根據含有由CH4氣體分析儀16所檢測到的處理室主體10內的甲烷氣 體濃度的信息的數據A，而生成指示質量流量控制器13a、13b中增減甲烷氣體和氮氣的流 量的工作的控制信號A1、A2，并且，根據含有由IR傳感器17所檢測到的工件W表面溫度的 信息的數據B，生成指示感應加熱電源12b中增減高頻電流輸出量的工作的控制信號B。需要說明的是，本實施方式中作為例子說明了使用甲烷氣體作為烴氣、使用氮氣 作為惰性氣體的氣體滲碳處理裝置，但烴氣和惰性氣體并不限定于上述這些氣體。作為烴 氣，可以舉出乙烯、乙炔等不飽和烴氣；乙烷、丙烷、丁烷等飽和烴氣等。作為惰性氣體，可以 舉出氬氣等。此外，本實施方式的氣體滲碳處理裝置也可以不設置收納有向處理室主體10 內供給初始滲碳氣氛氣體的氣氛氣罐15。(氣體滲碳方法的處理順序)以下參考附圖對使用了上述氣體滲碳處理裝置1的本發明的一個實施方式的氣 體滲碳方法的處理順序進行說明。圖2為表示本發明一個實施方式的氣體滲碳方法的處理 順序的流程圖。需要說明的是，在圖2中，為了說明各工序，除了氣體滲碳處理裝置1的加 熱線圈12a、工件支持部21以及工件W之外，進行了簡略化記載。以下，以使用齒輪作為工 件W(SCM420鋼制、直徑120mm、厚度60mm、3. 5kg)的情況為例進行說明。在本實施方式的氣體滲碳方法(氣體滲碳方法1)中，首先將工件W安裝于設置在 處理室主體10內的工件支持部21上〔圖2的(a) “設置工序”〕。處理室主體10內的優選 真空度為20Pa左右，這對應于殘留氧氣濃度為約50ppm以下的狀態。然而，在本實施方式 中，真空度不限于該值，能夠根據工件的種類、所要求的品質而適當地設定。接著，進行處理室主體10內的真空排氣〔圖2 (b)，排氣工序〕。此后，向處理室主體10內填充氮氣，直至處理室主體10內的壓力為1300Pa、或處 理室主體10內的狀態成為不產生由加熱線圈12a引起的放電的壓力以上的減壓狀態，對工 件W表面進行感應加熱直至該工件W的表面溫度達到滲碳溫度〔圖2的(c) “加熱工序”〕。在加熱工序中，減壓狀態的處理室主體10內存在有作為惰性氣體的氮氣，該處理 室主體10內的氣氛成為無氧化氣氛。此時，處理室主體10內的氣氛氣體維持在減壓狀態。 此外，在加熱工序中，由感應加熱裝置12的加熱線圈12a對該工件W進行感應加熱，直至該 工件W的表面溫度達到滲碳溫度(例如1200°C )。接著，在工件W的表面溫度達到滲碳溫度的時刻，對該工件W繼續進行加熱使上述 表面溫度維持在滲碳溫度，并向處理室主體10內不停歇地導入目標烴氣濃度的初始滲碳氣氛氣體，對處理室主體10內進行壓力恢復〔圖2的(d) “氣氛氣體恢復壓力工序”〕。此 時，例如將初始滲碳氣氛氣體從氣氛氣罐導入至減壓狀態的處理室主體10內。于是恢復壓 力結束時刻成為滲碳處理的開始時刻。
接著，在恢復壓力后，使供給至處理室主體10內的烴氣與惰性氣體的供給量的總 量為大致恒定量，且維持上述處理室主體10內的烴氣的濃度為大致恒定濃度(參考圖6實 線部分)，同時向該處理室主體10內供給上述兩種氣體。此時，繼續感應加熱工件W，將該 工件W在上述滲碳溫度保持規定的時間〔圖2的(e)「滲碳處理工序」〕。此時，處理室主體10內的烴氣的濃度大致保持為適于工件W的滲碳的濃度。另外， 滲碳處理工序中的感應加熱時間根據工件W的素材而設定。上述感應加熱時間，例如在有 效硬化層深度(維氏硬度HV513) 1. Omm的SCM420鋼的情況下被設定為17分左右。此后，一方面停止向處理室主體10內供給烴氣，另一方面繼續向該處理室主體10 內供給氮氣，對該工件W感應加熱規定時間(例如約9分鐘的時間)使工件W的表面溫度 維持在滲碳溫度〔圖2的(f)、“擴散處理工序”〕。需要說明的是，在上述擴散處理工序中，也 可以是，在停止向處理室主體10內供給烴氣后，使該處理室主體10內為規定的減壓狀態， 而對該工件W感應加熱規定時間以使工件W表面溫度維持在滲碳溫度。在現有的滲碳方法中，需要重復進行如下的工作，S卩在進行滲碳處理工序時，在 鋼的最表面部析出滲碳體的階段進行擴散工序，使滲碳體中的碳向鋼的內部固溶、擴散，在 鋼的表面部的滲碳體消失后再次進行滲碳工序。與此不同，本實施方式的氣體滲碳方法，由 于實施感應加熱，因此與現有的滲碳方法相比能夠提高處理溫度。因此，含碳氣體的擴散速 度快。因此，在本實施方式的氣體滲碳方法中，表面未析出滲碳體，含碳氣體向內部移動，因 此即便不重復進行上述滲碳處理工序與擴散處理工序，也可以抑制從工件W析出滲碳體和 炭黑(sooting)的生成。因此，與現有的使用吸熱性氣體的氣體滲碳方法或真空滲碳法相 比，能夠在短時間進行高品質的工件滲碳。如上所述，根據本實施方式的氣體滲碳方法，如圖7所示，在滲碳處理時，作為烴 氣的甲烷氣體的濃度，例如與專利文獻1所示的由本申請人開發的現有氣體滲碳法(虛線 部分)不同，由于維持在一定濃度(實線部分)，可以以低處理成本、且更短時間進行工件的 滲碳。需要說明的是，在圖7中，本發明中的氫氣濃度比現有的高，這表示使烴氣為恒定 的情況下會使滲碳反應進一步進行。此外，稀釋用氮氣的體積百分比更少。這是由于如下緣 故，即為了使處理室主體10內的甲烷氣體濃度恒定而增加了導入氣體的甲烷氣體濃度。 (氣體滲碳方法的變形例)進一步，參考附圖對使用上述氣體滲碳處理裝置1的本發明變形例的氣體滲碳方 法的處理順序進行說明。圖3為本發明變形例的氣體滲碳方法的處理順序的流程圖。需 要說明的是，圖3與圖2相同，除了氣體滲碳處理裝置1的加熱線圈12a、工件支持部21以 及工件W之外，進行簡略化記載。以下，以使用齒輪(SCM420鋼制、直徑120mm、厚度60mm、 3. 5kg)作為工件W的情況為例進行說明。變形例的氣體滲碳方法(氣體滲碳方法2)，在將工件W安裝在工件支持部21上 之后，不進行氣體滲碳方法1中的排氣工序，而進行加熱工序〔圖3的(b)〕；以及在加熱工 序〔圖3的(b)〕結束后，直接進入滲碳處理工序〔圖3的(c)〕，在這些方面，氣體滲碳方法2與上述氣體滲碳方法1不同。在氣體滲碳方法2中，安裝工序〔圖3的(a)〕可以通過與上述氣體滲碳方法1中 的安裝工序〔圖2的(a)〕相同的操作而進行。在加熱工序中，使處理室主體10內充滿氮氣，感應加熱工件W的表面使該工件W 的表面溫度達到滲碳溫度為止。在該加熱工序中，通過向處理室主體10內供給作為惰性氣 體的氮氣，使處理室主體10內為無氧氣氣氛。此時，處理室主體10內的氣氛氣體維持在大 氣壓。此外，在加熱工序中，通過感應加熱裝置12的加熱線圈12a感應加熱該工件W，直至 工件W的表面溫度達到滲碳溫度(例如1200°C )。以下，滲碳處理工序〔圖3的(C)〕和擴散處理工序〔圖3的(d)〕，能夠通過與上述 氣體滲碳方法1中的滲碳處理工序〔圖2的(e)〕和擴散處理工序〔圖2的(f)〕相同的操 作進行。根據上述氣體滲碳方法2，能夠得到與上述氣體滲碳方法1相同的作用效果。實施例
(實施例1)檢驗了將本發明的氣體滲碳處理方法應用于齒輪制造情況下的處理成本和處理 時間。使用圖1所示的氣體滲碳處理裝置1，如下所示，進行工件W的滲碳。需要說明的 是，本實施例所用的氣體滲碳處理裝置1的處理室主體10的內部體積為7.4X10_2m3。此 夕卜，作為工件W，使用由SCM420鋼構成的齒輪(直徑120mm、厚度60mm、3. 5kg)。將工件W安裝在設置于氣體滲碳處理裝置1的處理室主體10內的工件支持部21 上。接著，進行處理室主體10內的真空排氣、接下來，向處理室主體10內導入氮氣，使其為 1300Pa的減壓氮氣氣氛。此外，通過加熱線圈12a對工件W進行感應加熱。工件W的表面溫度達到1200°C時，一邊維持工件W的表面溫度為1200°C，一邊從 氣氛氣罐15向處理室主體10內導入初始滲碳氣氛氣體。此后，控制甲烷氣體和氮氣的各 自供給量，以使供給至處理室主體10內的甲烷氣體和氮氣的供給量總量維持在IOL/分鐘， 使處理室主體10內的甲烷氣體濃度達到12. 5體積％，從而使處理室主體10內的甲烷氣體 濃度維持在平均12. 5體積％。通過將工件W在滲碳氣氛中保持規定時間而對工件W進行 了滲碳處理。在滲碳處理后，在將工件W的表面溫度維持1200°C的同時，停止向處理室主體10 供給甲烷氣體，另一方面，使該處理室主體10內處于規定的減壓狀態，通過將工件W進行規 定時間的感應加熱，對工件W實施擴散處理。接著，將所得到的工件W在870°C的淬火溫度 下維持60分鐘后，在80°C的油中進行油冷。對于由此所得到的齒輪，測定維氏硬度和表面碳濃度，研究了制造滿足有效硬化 層深度(維氏硬度Hv513)為0. 9mm、表面碳濃度為0.8質量％的齒輪時的滲碳時間和擴散 時間。以滿足維氏硬度為Hv513、有效硬化層深度為0. 9mm、表面碳濃度為0. 8質量％的齒 輪作為實施例1的試樣。(實施例2)在進行滲碳處理時，控制并維持甲烷氣體和氮氣各自的供給量，以使供給至處理 室主體10內的甲烷氣體和氮氣的供給量總量維持在5L/分鐘，且使處理室主體10內的甲烷氣體濃度達到平均12. 5體積％，除了上述操作之外，進行與實施例1相同的操作，研究了 制造滿足有效硬化層深度(維氏硬度Hv513)為0. 9mm、表面碳濃度為0.8質量％的齒輪時 的滲碳時間和擴散時間。此外，上述齒輪作為實施例2的試樣。(實施例3)在進行滲碳處理時，控制并維持甲烷氣體和氮氣各自的供給量，以使供給至處理 室主體10內的甲烷氣體和氮氣的供給量總量維持在2L/分鐘，使處理室主體10內的甲烷 氣體濃度達到平均12. 5體積％，除了上述操作之外，進行與實施例1相同的操作，研究了制 造滿足有效硬化層深度(維氏硬度Hv513)為0. 9mm、表面碳濃度為0.8質量％的齒輪時的 滲碳時間和擴散時間。此外，將上述齒輪作為實施例3的試樣。(比較例1) 在處理室(內部體積7. 4X 10-2m3)安裝與實施例1所用的工件W相同的工件，向 處理室內部填充氮氣。接著，將處理室加熱至1200°C后，不停歇地導入目標甲烷氣體濃度的 氣氛。此后，向處理室內以流量0. 625L/分鐘供給甲烷氣體、以流量4. 375L/分鐘供給氮氣 (合計供給量5L/分鐘)，將該處理室在1200°C加熱25. 9分鐘，對工件W實施了滲碳處理。 在滲碳處理后，通過真空排氣將處理室內的甲烷氣體和氮氣排出。接著，一邊將處理室維持 在1200°C —邊向處理室的內部填充了氮氣后，將該處理室在1200°C加熱13. 7分鐘，對工件 W實施了擴散處理。所得到的工件W在870°C的淬火溫度下保持60分鐘后，在80°C的油中 進行了油冷。對于這樣得到的齒輪，研究了其維氏硬度和表面碳濃度。以下，將滿足有效硬化層 深度(維氏硬度Hv513)為0. 84mm、表面碳濃度為0. 8質量％的齒輪作為比較例1的試樣。(比較例2)在進行滲碳處理時，除了將甲烷氣體的供給量設定為0. 250L/分、將氮氣的供給 量設定為1. 750L/分、將滲碳處理的加熱時間(滲碳時間)設定為25. 9分和將擴散處理的 加熱時間(擴散時間)設定為13. 7分之外，以與比較例1相同的操作進行，從而得到了齒 輪。對于所得到的齒輪，研究了其維氏硬度和表面碳濃度。以下，將得到的滿足有效硬化層 深度(維氏硬度Hv513)為0. 68mm、表面碳濃度為0.6質量％的齒輪作為比較例2的試樣。(試驗例1)對于實施例1 3的試樣、比較例1以及比較例2的試樣，由滲碳處理時的滲碳時 間t與有效硬化層深度D，根據下述式(1)而計算出滲碳系數K。D = Kjt( J )上述的結果示于圖4。此外，使用由圖4所示的實施例1 3的試樣的滲碳系數 K，采用與實施例1 3相同的方法，計算出制造與比較例1的試樣具有相同的有效硬化層 深度(0.84mm)的齒輪時的推定處理時間。上述計算結果示于圖5。進一步，根據圖5所示 的結果，計算出在制造齒輪時滲碳處理和擴散處理所需要的電力的成本，將計算結果示于 圖6。需要說明的是，在圖4 6中，“供給量”表示甲烷氣體與氮氣的供給量的總量。由上述計算結果可知，處理時間(滲碳時間和擴散時間之和)的平均值，與在比較 例1和比較例2的情況下為約39. 7分鐘相比，在以實施例1 3的方法制造出與比較例1 和比較例2的試樣同樣的齒輪的情況下，時間約為24. 8分，可知能縮短約38%的時間。
此外，滲碳處理和擴散處理所需的平均電力成本，與在比較例1和比較例2的情況 下約52日元相比，在以實施例1 3的方法制造出與比較例1和比較例2的試樣同樣的齒 輪 的情況下，成本約為40日元，可知還能削減處理成本。
權利要求
一種氣體滲碳處理裝置，是用于對金屬制的工件實施滲碳處理，其特征在于，包括處理室主體，內部安裝有所述工件；感應加熱裝置，對所述工件進行加熱；氣體流路，向所述處理室主體內供給烴氣和惰性氣體；以及氣體控制部，在進行滲碳處理時，使供給至所述處理室主體內的兩種氣體的供給量的總量維持為恒定量，同時控制供給至所述處理室主體內的烴氣的供給量，使該處理室主體內的烴氣的濃度維持為恒定濃度。
2.一種氣體滲碳方法，是對金屬制的工件實施滲碳處理的氣體滲碳方法，其特征在于， 包括安裝工序，將所述工件安裝于對該工件實施滲碳處理的處理室主體內；加熱工序，在惰性氣體中對所述工件進行感應加熱；以及滲碳處理工序，在所述工件表面溫度達到了規定溫度時，將供給至所述處理室主體內 的烴氣和惰性氣體的供給量的總量設定為恒定量，將所述處理室主體內的烴氣濃度維持在 恒定濃度，同時向所述處理室主體內供給所述兩種氣體，同時感應加熱所述工件，將所述工 件在規定溫度保持規定時間。
3.如權利要求2所述的氣體滲碳方法，其中，在所述加熱工序中，將處理室主體內真空排氣后，向所述處理室主體內填充惰性氣體， 感應加熱所述工件。
4.如權利要求2所述的氣體滲碳方法，其中，在所述加熱工序中，使所述處理室主體內充滿惰性氣體，感應加熱所述工件。
5.如權利要求2所述的氣體滲碳方法，其中，還包括在所述滲碳處理工序后停止供給烴氣，將所述工件在規定溫度保持規定時間的 擴散處理工序。
6.如權利要求5所述的氣體滲碳方法，在所述擴散處理工序中，使停止供給烴氣后的處理室主體內充滿惰性氣體，將該工件 在規定溫度下保持規定時間；或者將所述處理室主體內形成規定的減壓狀態，將該工件在 規定溫度下保持規定時間。
全文摘要
本發明提供一種能夠以低處理成本、且更短的時間進行工件的滲碳的氣體滲碳方法和用于該方法的氣體滲碳處理裝置。在對金屬制的工件實施滲碳處理和擴散處理的氣體滲碳處理裝置上設置有感應加熱裝置(12)和作為氣體控制部的質量流量控制器(13)。并且，在進行滲碳處理時，將烴氣和惰性氣體各自的供給量的總量設定為恒定量、將處理室主體(10)內的烴氣的濃度維持在恒定濃度，同時向處理室本體(10)內供給上述兩種氣體，并且感應加熱工件W。由此能夠以低處理成本、且更短的時間進行工件的滲碳處理。
文檔編號C23C8/22GK101962745SQ20101019856
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月7日 優先權日2009年7月23日
發明者山本亮介, 辻莊平 申請人:光洋熱系統株式會社