真空渗碳处理方法和真空渗碳处理装置的制作方法

专利名称：真空渗碳处理方法和真空渗碳处理装置的制作方法
技术领域：
本发明要求基于2007年3月9日在日本申请的特愿2007-060498 号的优先权，在本说明书中引用其内容。本发明涉及真空渗碳处理方法和真空渗碳处理装置。
背景技术：
真空渗碳处理是通过在金属制的被处理物的表层部进行渗碳并淬 火，来提高表层部的硬度的渗碳处理的一种。真空渗碳处理有例如在特 开平8-325701号公报(下面简称为专利文献l)和特开2004-115893号 公报(下面简称为专利文献2)中所公开的。在专利文献l中公开的真空渗碳处理是在加热室中，在极低压力状 态下，将被处理物加热至规定温度，将乙炔等渗碳性气体装入加热室内， 对被处理物进行渗碳。之后，停止供给渗碳性气体，通过再次使加热室 内呈极低压力状态，使被处理物表面附近的碳向内部扩散，降温至淬火 温度后，进行油冷却。对于专利文献2中公开的真空渗碳处理，为了改善被处理物的表面 (特别是角部)的过剩的渗碳，在如专利文献1的真空渗碳处理中的扩 散的初期，将脱碳性气体引入炉(等同于专利文献1的加热室)内，减 少或除去被处理物的表面的渗碳体。图12、 13是表示在以往的真空渗碳处理中，处理汽车用内齿轮(！i 7/^7*)时各工序的处理时间和温度、气氛条件及装置形式实例的说 明图。该处理条件为以所谓母材碳浓度为0.2%的SCr420的钢材为处 理对象材料，使表面碳浓度目标为0.8%,图12中的有效渗碳深度为 0.8mm,图13中的有效渗碳深度为1.5mm,使该有效渗碳深度的碳浓度 目标为0.35%。在如上所述的以往的真空渗碳处理中，如图12、 13所示，在扩散 工序之后，在降温工序中，降温至淬火温度后，转移到淬火前的保持工 序。此时，通常在使渗碳处理的处理温度X'C为930'C左右进行，但处 理温度越高，渗碳和扩散进行得越迅速，因此可以缩短真空渗碳处理所需的时间。然而，在处理温度X'C例如约1050'C进行真空渗碳处理时，不能将 因高温处理而肥大化的被处理物W的结晶颗粒微细化，因此存在不能 获得具有规定的物性值的被处理物W这样的问题。另外还存在在被处 理物的表面和内部之间产生温度偏差从而结晶颗粒变得不均匀的问题。本发明是鉴于上述事实而提出的，目的在于即使在通过提高处理温 度迅速进行渗碳和扩散来缩短处理时间的场合，在谋求通过高温处理的 被处理物的表面和内部之间的温度均匀化的同时，改善结晶颗粒肥大 化，也可以得到具有规定的物性值的被处理物。发明内容为了解决上述课题，本申请的第1方面是真空渗碳处理方法，该方 法在预热工序中，使加热室内的被处理物的温度为第1温度，在渗碳工 序中，将上述加热室内减压至极低气压状态，由该状态将渗碳性气体提 供至上述加热室内，对上述被处理物渗碳。之后，在扩散工序中，停止 提供上述渗透性气体，使碳从上述被处理物的表面向内部扩散，在淬火 工序中，使上述被处理物的温度为第2温度，由该状态进行急冷，其中 在上述扩散工序和上述淬火工序之间进行如下工序正火工序，即对上 述被处理物的温度交替多次重复进行从上迷第1温度至规定温度的降温 处理和保温处理的逐步冷却，以使温度履历满足规定条件；正火后保持 工序，即上述正火工序之后，通过在规定时间保温以使上述被处理物整 体达到上述规定温度，使上述被处理物的结晶颗粒微细化；和再加热工 序，即在上迷正火后保持工序之后，使上述被处理物的温度上升至上述 第2温度。对于本申请的第2方面，在上迷第l发明的真空渗碳处理方法中， 对于上述正火工序中的各降温处理，也可以分别均等地设定降温温度。对于本申请的第3方面，在上述第1或第2方面的真空渗碳处理方 法中，也可以在上迷加热室内进行上述渗碳工序、上述扩散工序、上述 正火工序和上述再加热工序。对于本申请的第4方面，在上述1至3的方面的真空渗碳处理方法 中，也可以在与上述加热室分开设置并冷却上述被处理物的冷却室中进 行上述淬火工序。对于本申请的第5方面，在上述1至4的方面的真空渗碳处理方法 中，也可以在将上述加热室内减压至极低气压状态或将惰性气体装入上 述加热室内的状态下进行上述预热工序、上迷扩散工序和上迷再加热工序。进一步，本申请的第6方面是真空渗碳处理装置，该装置具有具备 加热器的加热室和具备第1冷却器的冷却室，通过上迷加热器加热，使 上述加热室内的被处理物的温度为第l温度，将上述加热室内减压至规 定气压以下的状态，由该状态向上述加热室内提供渗碳性气体，对上述 被处理物渗碳，停止提供上述渗碳性气体，使碳从上述被处理物的表面 向内部扩散，使上述被处理物的温度为第2温度的状态，由该状态在上 述冷却室中，通过上迷第1冷却器进行急冷，其中上述加热室具备用绝 热隔壁包围的炉、由至少在上述炉内配置的第1气体对流装置构成的第 2冷却器、和在开的位置使上述加热室内的气体循环的同时，在闭的位 置使上述炉内的气体对流的风路转换机构。另外，对于本申请的第7方面，在上述第6方面的真空渗碳处理装 置中，上述第2冷却器也可以由上述第1气体对流装置和设置在加热室 的热交换器构成。另外，对于本申请的第8方面，在上述第6或7方面的真空渗碳处 理装置中，上述第1气体对流装置是离心风扇，上述风路转换机构也可 以具备设置在上述离心风扇气体输出方向的上述炉的上迷绝热隔壁的 一部分上的第1门、和相对该第1门，隔着上述被处理物，在相反側的 上述绝热隔壁上设置的第2门。进一步，对于本申请的第9方面，在上述第6至8方面的真空渗碳 处理装置中，上述第1气体对流装置也可以通过把渗碳后的上述被处理 物的温度从上述第1温度降低至规定温度，以使温度履历满足规定条件， 进行规定时间的保温，以使上述被处理物整体达到上述规定温度，使上 述被处理物的结晶颗粒微细化。另外，本申请的第10方面是真空渗碳处理装置，该装置具有具备 加热器和冷却室的加热室，通过上述加热器加热，使上述加热室内的被 处理物的温度为第1温度，将上迷加热室内减压至规定气压以下的状态， 由该状态向上述加热室内提供渗碳性气体，对上迷被处理物渗碳，停止 提供上述渗碳性气体，使碳从上迷被处理物的表面向内部扩散,使上述被处理物的温度为第2温度的状态，由该状态通过上述冷却器进行急冷， 其中上述加热室具备用绝热隔壁包围的炉、在上迷炉内配置的第1气体 对流装置、和在开的位置使上述加热室内的气体循环来冷却上述被处理 物的同时，在闭的位置使上迷炉内的气体对流的风路转换机构。对于本申请的第11方面，在上述第6至IO方面的真空渗碳处理装 置中，上述加热器具有由耐受从高温状态开始的急冷的导电性材料形成 并配置在上述炉内的发热构件、和设置在上述炉的上述绝热隔壁上，相 对于上述炉的上述绝热隔壁位置固定地支撑上述发热构件的支撑构件， 在上述加热室外，配置测定上述发热构件的接地电流的电流测定机构， 可以从上述电流测定机构的测定值检测上述发热构件有无接地。对于本申请的第12方面，在上迷第6至11方面的真空渗碳处理装 置中，上述冷却器也可以使高压气体循环来冷却上述被处理物。对于本申请的第13方面，在上述第6至12方面的真空渗碳处理装 置中，上述加热室也可以具备第2气体对流装置。根据本发明的真空渗碳处理方法，因在扩散后进行正火和进行其后 的温度保持，所以为了缩短处理时间，即使在高温下进行渗碳和扩散， 使结晶颗粒粗大化，通过正火和其后的温度保持，也可以使被处理物的 结晶颗粒微细化。特别在扩散后的正火中，通过交替重复降温处理和保 温处理，进行降低被处理物的温度的逐步冷却，保温时每个被处理物的 整体的温度都被均匀化，可以抑制冷却时产生的被处理物的表面温度和 内部温度的温度(不均)。因此，可以进一步均匀地使被处理物的结晶 颗粒」微细化。为此，可以一边通过高温处理缩短处理时间， 一边改善高 温处理引起的被处理物的结晶颗粒的肥大化，从而可以得到具有规定的 物性值的被处理物，确保规定的品质。进一步，根据本发明，因正火后接着进行再加热和淬火，所以可以 有效地完成真空渗碳处理。另外，根据本发明的真空渗碳处理装置，在加热室的炉内设置了第 1气体对流装置，因此使用在炉内产生的辐射热和通过第1气体对流装 置产生的强制对流热，可以迅速且均匀地改变炉内的温度。因此，升温 时可以缩短处理时间。而且，在炉内开的位置使加热室内的气体循环来冷却被处理物的同 时，在关的位置设置使炉内的气体对流的风路转换机构，因此通过开闭操作该风路转换机构，可以容易地实行保持工序中的温度调节。特别是， 为了进行温度保持，需要加热器，因此正火后，为了接着进行温度保持， 有必要连续进行冷却和加热，通过在加热室的炉内设置第1气体对流装 置，可以容易地实行。为此，在正火工序中，通过进行逐步冷却，可以 精确度良好地且容易地进行冷却处理和保温处理的细微的温度调节。


图l是表示本发明的一实施方式的真空渗碳处理装置的结构的主视图。图2是图1的左视图。 图3是图1的右视图。图4是表示本发明的一实施方式的加热器形状的立体图。图5是表示本发明的一实施方式的加热器22相对于炉50的绝热隔 壁21的安装结构以及加热器22和电源部23的电连接的示意图。图6是表示本发明的一实施方式的真空渗碳处理的各工序的处理时 间和温度、气氛条件和装置形式实例的说明图。图7是显示图6的正火工序中的逐步冷却的处理时间和温度的说明图。图8是表示与图7相比较，所示正火工序的处理时间和温度的说明图。图9是表示本发明的一实施方式的真空渗碳处理的各工序的处理时 间和温度、气氛条件和装置形式实例的说明图。(和图6的有效渗碳深 度不同)图10是表示本发明的一实施方式的真空渗碳处理装置的形式的实 例的示意图。图11是表示本发明的其它实施方式的真空渗碳处理装置的结构的 截面图。图12是表示在处理汽车用内齿轮时，以往的真空渗碳处理的各工 序的处理时间和温度、气氛条件和装置形式实例的说明图。图13是表示在处理汽车用内齿轮时，以往的真空渗碳处理的各工 序的处理时间和温度、气氛条件和装置形式实例的说明图。(和图12 的有效渗碳深度不同)具体实施方式
下面参照附图，就本发明的真空渗碳处理装置和方法的一实施方式 进行说明。另外，在下面的附图中，为了使各构件为可辨认的大小，可 以适当改变各构件的比例。图1 ~3是表示本实施方式的真空渗碳处理装置的结构的截面图， 图1是主视图，图2是左视图，图3是右视图。如图1~3所示，本实 施方式的真空渗碳处理装置具备箱体1、加热室2和冷却室3,是在不 同的室中进行加热和冷却的双室型。箱体l大致为圆筒形，以轴线水平 设置，在轴线方向大致中央处分隔的一侧放置加热室2,另一侧为冷却 室3。另外，在箱体1的轴线方向大致中央部，通过使关闭冷却室3的 入口 3a的门11升降，设置开闭冷却室3的开闭机构12。加热室2具备炉50、加热器22、电源部23和载置台25。其中，图 4是表示加热器22的形状的立体图。另外，图5是表示加热器22相对 于炉50的安装结构和加热器22与后面所述的电源部23的电连接的示 意图。如图5所示，炉50是在金属制的外廓21a和石墨制的内廓21b之 间，将填充了绝热材料21c的绝热隔壁21形成为箱型形状而成的。如图4所示，加热器22包括同型的3个加热器HI ~H3。各加热器 H1~H3包括中空细轴部gl、实心细轴部g2、实心粗轴部g3、连接器 cl~c3、供电轴部m。中空细轴部gl、实心细轴部g2和实心粗轴部g3 是石墨制的。供电轴部m是金属制的。连接器cl是长方体，在长度方向2等分的各个区域具备每个相互 反向的连接部al、 bl，可以通电连接中空细轴部gl和实心细轴部g2。 连接器c2是L字型，即2个连接部a2、 b2相互以垂直方向设置，中空 细轴部gl彼此可以通电连接。连接器c3是2个朝着同方向的连接部a3、 b3间隔连接而成的，中空细轴部gl彼此可以通电连接。以4根中空细轴部gl配置成矩形，矩形的3个角由连接器c2连接。 形成上述矩形的剩下的1个角的2个中空细轴部gl的各端部中的一端 通过连接器cl与实心细轴部g2连接，另一端安装在连接器c3的连接部 a3、 b3的一端。安装在实心细轴部g2的连接器cl上的端部相反侧的端 部与实心粗轴部g3的一端部连接，在实心粗轴部g3的另一端部安装供电轴部m。包括如上所迷的4根中空细轴部gl、实心细轴部g2、实心粗轴部 g3、连接器cl、 3个连接器c2和供电轴部m的结构，成对并由连接器 c3连接，构成各加热器H1 H3。另外，中空细轴部gl、实心细轴部g2和实心粗轴部g3随各个截面 积的差异而改变发热难易程度，中空细轴部gl、实心细轴部g2、实心 粗轴部g3依次易于发热，实心粗轴部g3难于发热。如图5所示，供电轴部m是中空的，在内部放置冷却管t。在冷却 管t中循环抑制通电引起的温度上升的冷却水。加热器H1 H3由在炉50的绝热隔壁21的一部分上设置的加热器 支撑部26支撑。加热器支撑部26是陶瓷制的，形成内径比实心粗轴部 g3的直径大的大致圆筒形，以圆筒的轴方向与绝热隔壁21的厚度方向 平行地进行固定，以使各端部分别位于绝热隔壁21的内侧和外侧。位于绝热隔壁21的外侧的端部设置了直径和比圆筒的内径小的实 心粗轴部g3的直径相同的开口 26a，通过在该开口 26a上镶嵌安装实心 粗轴部g3,来支撑各加热器H1-H3。另外，供电轴部m从设置在箱体1上的开口 la向箱体l外导出。 在开口 la和供电轴部m的间隙，用密封材料lb堵塞而密闭。电源部 23与供电轴部m连接。电源部23具有电源23a、断路器23b、晶闸管23c、温度调节计23d、 变压器23e、电阻器23f和电流计23g。电源23a通过断路器23b、晶闸管23c和变压器23e与供电轴部m 连接，向供电轴部m提供电力。断路器23b在对电路的负荷超过允许值 时切断电力，防止电路遭受过负荷。晶闸管23c与温度调节计23d协同工作，使电路呈导通状态，直至 加热器HI ~H3的温度达到规定温度，当加热器HI ~H3的温度达到规 定温度，解除导通。变压器23e将由电源23a供电的电力的电压转换为 规定的值。电阻器23f和电流计23g配置在从变压器23e和供电轴部m之间的 电路分岔并接地的电路的中间。电流计23g测定接地电流。其中，如图1、 2所示，在加热室2的上部，朝着下方设置电动机 Ml。该电动冲几M1的轴51从炉50的上面穿插入路50内，在轴51的端部安装风扇Fl (第1气体对流装置)。该风扇F1是离心风扇，沿着炉50内的上面配置。 是在风扇Fl的气体输出侧，炉50上面的两侧部设置门53a、 54a (第l门)(参见图2)。另外，隔着被处理物W在炉50的下面设置 门55a (第2门)。各个门53a、 54a、 55a与各个圆筒53b、 54b、 55b 连接，构成可以开闭的风路转换机构。也就是说，这些门53a、 54a、 55a 在开的位置时，炉50和加热室2连通，通过使风扇F1工作，流动的气 体可以在整个加热室2内循环。另外，在真空状态下，依次从温度越高 蒸汽压越低的物质蒸发，因此暴露在炉50内高温下的风扇Fl也可以使 用由即使炉50内的温度上升至1300'C左右也不热变形的物质制造的风 扇。另外，在炉50外，沿着加热室2的内壁设置热交换器24。热交换 器24从在炉50内加热的气体夺取热来冷却(参见图2)。另外，除这种冷却器24之外，也可以例如设置空气冷却风扇，来 提高冷却效率，所述空气冷却风扇通过在箱体1内设置水路，在其中通 冷却水来冷却气体的水冷夹套，或者设置通过在箱体l外设置叶片，扩 大热放射面积来冷却气体。冷却加热室2内时，通过打开炉50的门53a、 54a、 55a， 一边用风 扇Fl循环炉50内和加热室2内的气体， 一边用热交换器24冷却，来 降低加热室2内的温度和炉50内被处理物W的温度。这样，冷却加热 室2内时，风扇Fl和热交换器24 —起构成第2冷却器40。栽置台25由矩形的框架和多个辊构成，各个辊以旋转轴线与框架 相对的2个边平行地并列，两端旋转自由地支撑在框架的其它2个边上。 设置这种栽置台25,以使各个辊的旋转轴线与运送方向垂直，从而可以 良好地移送被处理物W。通过被栽置在载置台25上，也可以从下面側 均匀地加热^皮处理物W。另外，上迷各部与风扇F1—样，是使用即使炉50内的温度升温至 1300'C左右也不热变形的物质制造的。如图3所示，冷却室3是用于冷却被处理物W的室，具备第1冷却 器31、整流板32和栽置台33。第1冷却器31具有热交换器31a和风扇31b。热交换器31a从冷却 室3内的气体夺取热来冷却。风扇31b在冷却器3内在高压下使气体循环。整流板32是间隔切割成栅格状的栅格箱，栽置在放置冷却室3内 的被处理物W的位置的上下，来调节冷却室3内的气体流动方向。栽 置台33和设置在加热室2内的载置台25的结构大致相同，且配置在和 栽置台25相同的高度。另夕卜，该栅格箱也可以是栅格箱和沖孔金属(Z 》f》夕'乂夕/k)的组合。接着，就在上迷结构的真空渗碳处理装置中进行的真空渗碳处理， 使用图6~图8进行说明。在真空渗碳处理中，依次进行预热工序、渗 碳前保持工序、渗碳工序、扩散工序、正火工序、再加热工序、淬火前 保持工序和淬火工序。图6是表示以所谓母材碳浓度为0.2%的SCr420的钢材为处理对象 材料，使表面碳浓度目标为0.8%，有效渗碳深度为0.8mm,有效渗碳深 度的碳浓度目标为0.35%时，各个工序的处理时间和温度、气氛条件和 装置形式实例的说明图。图7是图6的正火工序的放大图，是以纵轴为 温度，横轴为处理时间的说明图。图8是用于比较的图，和图7—样， 将正火工序放大表示，是以纵轴为温度，横轴为处理时间的说明图。上述说明图中的各工序的处理时间用根椐Fick的第2定律的扩散方 程式算出。在预热工序中，首先，将被处理物W载置在被设置在加热室2的 炉50内的加热器HI ~H3包围的位置。接着，从加热室2排气，使加热 室2内和炉50内减压使之呈真空状态。其中，在通常的真空渗碳处理 中，"真空"指大气压的1/10左右的10kPa以下左右，在本实施方式中， 把lPa以下作为"空"。另外，此时，关闭风路转换机构的门53a、 54a、 55a，将炉50内堵塞。然后，对加热器22通电，使炉50内的温度升温。即使在真空下进 行全部的预热工序，也可以进行真空渗碳处理，但在本实施方式中，即 使加热室2内的温度升溫至650。C，为了防止物质从纟皮处理物W的表面 蒸发，也向加热室2内装入惰性气体。此时加热室2内的气压为0.1kPa~ 低于大气压左右。另外，通过使风扇F1工作，使用使炉50内升温产生 的辐射热和通过风扇Fl产生的强制对流热这两者，可以有效地使炉50 内升温。此外，进一步继续升温，使加热室2内的温度升温至1050'C后， 向渗碳前保持工序转移。在渗碳前保持工序中，将加热室2内的温度保持在预热工序结束时 的温度。经过该渗碳前保持工序，可以将被处理物W的温度从表面至 内部均匀化为1050'C (第l温度)。在渗碳前保持工序的最后2分钟， 排出惰性气体使加热室2内减压，返回到真空状态。在渗碳工序中，向加热室2内装入渗碳性气体。渗碳性气体例如为 乙炔。此时加热室2内的气压为O.lkPa以下。在该渗碳工序中，通过把 加热室2内置于1050'C这样高温的渗碳性气体气氛下，对被处理物W 渗碳。在扩散工序中，排出加热室2内的渗碳性气体并装入惰性气体。此 时加热室2内的气压为0.1kPa 低于大气压左右。此外，保持加热室2 内的温度。经过该扩散工序，被处理物W表面附近的碳可以从表面向内部扩散。如果处理温度是相同条件，可以根据渗碳工序的处理时间和扩散工 序的处理时间，确定表面碳浓度、有效渗碳深度、有效渗碳深度的碳浓度。扩散工序之后进行正火工序。在正火工序之前，因被处理物W长 时间暴露在1050。C这样高温的下，因此结晶颗粒肥大化。正火工序是为 了消除被处理物W的应变，或者为了结晶颗粒微细化而进行的，在规 定的处理时间(例如5 ~ 15分钟)使炉50内的温度从105(TC冷却至600。C以下。其中，如图8所示，在正火工序中，在规定的处理时间(例如，Tl-T2 间)只进行冷却，通常连续降低炉50内的温度至600'C以下。然而，一 旦连续冷却，被处理物W的表面温度(图8中的Po)和内部温度(图8 中Qo)的温度变得不均匀，就会产生温度不均，因此与炉50的理想的 冷却梯度(图8中的实线)相比，与被处理物W的实际温度之间就会 产生大幅的误差。此外，在正火工序后的正火后保持工序的开始时间T2， 炉50内的温度、被处理物W的表面温度、内部温度的温度降低就会发 生延迟(例如，AP。、 AQo)。结果，在该状态下，在正火后保持工序， 即使在一定温度下保温，结晶颗粒也不能有效微细化。因此，如图6、 8所示，在正火工序中，从1050'C冷却至600。C以 下时，进行交替重复冷却和保温处理的逐步冷却。具体地说，连续使设置于炉50内的风扇Fl工作，冷却处理时，通过使风路转换机构的门53a、 54a、 55a在开的位置，打开炉50，通过热 交换器24循环加热室2内的气体，来冷却渗碳后的被处理物W的温度。 另一方面，保温处理时，通过使风路转换机枸的门53a、 54a、 55a在关 的位置，闭塞炉50,使气体在炉50内对流，进行保温，使整个被处理 物W的温度变得均匀。这样，通过把冷却处理和保温处理作为1个循环，在规定的处理时 间(例如Tl-T2间)内，多次(例如3.5循环)进行该循环，使炉50 内的温度冷却至600'C以下。由此，各冷却处理时产生的^t处理物W的 表面温度(图7中的P!)和内部温度(图7中Q,)的温度的不均在保 温处理时都被均匀化。因此，在抑制被处理物W的表面温度和内部温 度的温度不均的同时，在正火后保持工序的开始时T2,可以抑制炉50 内的温度、被处理物W的表面温度、内部温度的温度降低的延迟(例 如，AP、AQ!)。另外，为了精确度良好地防止被处理物W的表面温度和内部温度 的温度不均，优选均匀(例如，在图7中，各冷却循环的温度改变为 (1050-600 ) /4 ( 'C ))设定逐步冷却时的各循环的冷却温度。进一步 优选均匀设定各循环的冷却时间(例如，图7中的Ta)或保温时间(例 如，图7中的Tb)。另外，可以适当改变冷却处理和保温处理的循环数。接着，进行正火后保持工序。在该正火后保持工序中，通过在规定 时间(例如10分钟)保温，将被处理物整体的温度均匀化，可以进一 步使结晶颗粒微细化。在再加热工序中，再次提高在正火工序中下降的炉50内的温度。 在再加热工序中，升温至后面的淬火工序中的淬火温度850'C (第2温 度)。此外，在淬火前保持工序中将该温度保持规定时间。经过该淬火 前保持工序，将被处理物W的温度从表面直至内部均勻化为850'C。最后，将被处理物W转移到冷却室3中，进行淬火工序。在淬火 工序中，用第1冷却器31冷却被处理物W。此时的冷却对于如本实施 方式的处理对象材料即所谓的SCr420的钢材那样的难以淬火的材料， 为了进行淬火，需要在处理时的初期l分钟左右的时间内，冷却至冷却 的温度差的一半左右。第1冷却器31例如一边在从10倍至30倍左右 的大气压下循环冷却室3内部的气体， 一边冷却，来提高被处理物W的 冷却速度。相对于上述以往的真空渗碳处理，根据本发明的真空渗碳处理方 法，因扩散后进行正火和之后的温度保持，因此为了缩短处理时间，即 使在高温下进行渗碳和扩散而使结晶颗粒粗大化，也可以通过正火和之后的温度保持，使被处理物w的结晶颗粒微细化。特别在扩散后的正 火中，通过交替重复降温处理和保温处理进行使被处理物w的温度降 低的逐步冷却，保温时被处理物整体都被均匀化，可以抑制冷却时产生的被处理物w的表面温度和内部温度的温度不匀。因此，可以更均匀 地使被处理物w的结晶颗粒微细化。因此， 一边通过高温处理缩短处 理时间， 一边改善高温处理引起的被处理物w的结晶颗粒的肥大化， 可以得到具有规定的物性值的被处理物w，并可确保规定的品质。进一步，根据本发明，接着正火进行再加热和淬火，因此可以有效 地完成真空渗碳处理。另外，根据本发明的真空渗碳处理装置，因再加热室2的炉50内 设置了风扇Fl,因此使用在炉50内产生的辐射热和由风扇Fl产生的强 制对流热，可以迅速且均匀地改变炉50内的温度。因此，在升温时， 可以缩短处理时间。进一步，在炉50内以开的位置使加热室2内的气 体循环来冷却被处理物W，同时设置以闭的位置使炉50内的气体对流 的风路转换机构，因此通过开闭操作该风路转换机构的门53a、 54a、55a, 可以容易地实行保持工序中的温度调节。特别地，为了进行温度保持， 需要加热器22,因此正火后为了接着进行温度保持，需要连续进行冷却 和加热，通过在加热室2的炉50内设置风扇Fl作为第2冷却器40，同 时设置热交换器24，可以容易地使其进行。因此，在正火工序中，在进 行逐步冷却方面，可以精确度良好地且容易地进行冷却处理和保温处理 的细微的温度调节。进一步，因可在加热室2内进行正火，所以为了正火，不必从加热 室2取出被处理物W，因此不增加移动高温的被处理物W的次数，可 以通过在高温的状态下移动被处理物W来避免变形等危险。图9是表示以所谓母材碳浓度为0.2%的SCr420的钢材为处理对象 材料，使表面碳浓度目标为0.8%,有效渗碳深度为1.5mm，有效渗碳深 度的碳浓度目标为0.35%时，各个工序的处理时间和温度、气氛条件和 装置形式实例的说明图。也就是说，在图9所示的真空渗碳处理中，以 和图6所示的真空渗碳处理相同的钢材为处理对象材料，与图6所示的真空渗碳处理的不同点是使有效渗碳深度为1.5mm。和图6—样，上迷说明图中的各工序的处理时间用根据Fick的第2 定律的扩散方程式算出。在图9所示的真空渗碳处理中，设定的有效渗碳深度比图6的真空 渗碳处理深，所以渗碳工序和扩散工序的处理时间延长。图9的其它工 序的处理时间和图6 —样。这样，即使在设定的有效渗碳深度深的真空渗碳处理中，通过开闭 操作风扇Fl和风路转换机构的门53a、 54a、 55a,也可以有效地进行升 温和保温时的温度改变。此外，即使在设定的有效渗碳深度深的真空渗 碳处理中，即使为了缩短处理时间而在高温下进行渗碳和扩散而使结晶 颗粒粗大化，通过在正火工序中进行逐步冷却，也可以使结晶颗粒微细 化。因此， 一边通过高温处理缩短处理时间， 一边改善高温处理引起的 结晶颗粒的肥大化，可以得到规定的物性值的被处理物W。接着，就脱气工序进行说明。在本实施方式中，在加热器22中发 生接地时，进行脱气工序。脱气工序在用电流计23g测定的接地电流的 值超过阈值时，不把被处理物W放入炉50内，而是将炉50内的温度升 温至比处理温度(在本实施方式中为1050'C )高50~ 15(TC的温度，保 持规定时间后，冷却。经过该脱气工序，蒸发炉50内的煤烟。在脱气工序中，将加热室2的温度升温至1200'C左右，设置在炉 50内的各构件是用炉50内的温度即使升温至1300'C左右也不蒸发的物 质制造的，因此可以除去煤烟而不损害各构件。在实施上述脱气工序时，根据以往的结构改变加热器22的结构。 即，以往的加热器的结构是用陶资等绝缘体覆盖发热部分即通电部分以 免产生由煤烟附着造成的麻烦，通过绝缘体间接地将热传导到外部。但是，在加热室2的炉50内进行本实施方式的正火工序时，在上 述以往的结构中，覆盖通电部分的绝缘体的陶资因从加热的状态急剧冷 却而破裂。因此制成本实施方式的结构的炉50。本实施方式的结构的炉50的结构一般认为能够耐受从加热状态开 始的急剧冷却。但是，在图5所示的本实施方式的结构的加热器22中， 加热器支撑部26 —旦被煤烟覆盖，就会接地。与此相反，在本实施方 式中，监视接地电流，接地电流超过规定的阈值时，进行脱气工序从接 地状态恢复，从而防止接地引起的损害。在上述实施方式中，使用图1~3所示的双室型的真空渗碳处理装 置进行说明，但在其它方式的真空渗碳处理装置中，如上迷实施方式， 可以进行在扩散工序后进行正火工序和再加热工序的真空渗碳处理。图IO是表示真空渗碳处理装置的形式的实例的示意图。如图10所 示，真空渗碳处理装置的形式除上述实施方式的双室型之外，还包括单 室型、连续型、运送装置不同体型等。单室型是没有冷却专用室而只由加热室构成，在加热室内，具备相 当于上述实施方式中的第2冷却器40的冷却器的形式。对于单室型， 因冷却器在加热室内，温度降低速度慢，所以淬火性好的钢材为处理对 象材料时，可以利用。上述实施方式的处理对象材料即所谓的SCr420 的钢材因淬火性差，所以在淬火工序前不能在单室型中进行。连续型是在连续真空渗碳处理多个被处理物W时使用的形式，具 备预热室、第1加热室、第2加热室和冷却室。在第2加热室中具备冷 却器。这种连续型例如以下面的顺序进行真空渗碳在预热室进行预热 工序，在第l加热室进行渗碳前保持工序、渗碳工序和扩散工序，在第 2加热室进行正火工序、再加热工序和淬火前保持工序，在冷却室进行 淬火工序。随着工序的进行，被处理物W依次移动经过处理室，因此 可以依次进行多个被处理物W的真空渗碳处理。运送装置不同体型是上迷实施方式的加热室2和冷却室3不设置在 同一箱体l内，成为不同体，进一步设置在两个处理室间移动的被处理 物W的运送装置。真空渗碳处理的各工序和上述实施方式一样，在加 热室进行预热工序~淬火前保持工序，在冷却室进行淬火工序。其中，加热室也可以设置数台而不限于1台。在真空渗碳处理中， 需要加热室的时间比需要冷却室的时间长，因此如果加热室和冷却室的 台数为1:1,则冷却室的空置时间变长，但如果按照被处理物的数量增 设加热室，则通过从多台加热室向冷却室依次运送^^处理物，可以减少 冷却室的空置时间而有效利用冷却室，因此可以有效进行真空渗碳处 理。另外，设置多台加热室时，也可以使其中至少1台附带冷却器，其 它的加热器没有冷却器。作为运送装置不同体型的实例，除附图所示的之外，可以考虑进一 步具备主容器和准备室。主容器例如是圆筒形的密闭容器，1台至数台 加热室、冷却室和准备室以放射状与该圆筒形的主容器的外周面连接，18运送装置放置在主容器内。运送装置在与加热室、冷却室和准备室任意 一室连接的位置之间在主容器内旋转。在这种真空渗碳处理装置中，使用者一旦把被处理物放入准备室， 运送装置就从准备室向加热室运送被处理物，再从加热室向冷却室运送 被处理物，从冷却室向准备室运送被处理物。然后，使用者从准备室取 出被处理物。根据上述真空渗碳处理装置，被处理物在运送经过各室时，常常通 过主容器内，因此把被处理物放入准备室后，实施真空渗碳处理，在从 准备室取出之前，确实可以不与外部的空气接触。另外，在把被处理物 装入加热室或冷却室内之间，可以从准备室存取另外的处理物，因此在 多个被处理物的真空渗碳处理时，可以有效利用真空渗碳处理装置的各 个室。另外，上述主容器的形状是一个实例，主容器也可以在放置运送装 置的同时，与加热室、冷却室和准备室连接。进一步，通过使运送装置安装加热器和/或冷却器，在管理被处理物 的温度的同时，可以在加热室和冷却室之间运送。而且，在运送:f皮处理 物时，加热室或冷却室和运送装置连通时，通过运送装置的加热器(或 冷却器)，可以使加热室内的温度(或冷却室内的温度)和运送装置内 的温度为相同程度。此外，通过运送装置的冷却器，可以将真空渗碳处 理后的被处理物冷却至常温。接着，基于图U，说明本发明的其它实施方式中的真空渗碳处理装置。图ll是表示真空渗碳处理装置结构的截面图。本实施方式的不同点在于加热室2除了上述第1气体对流装置，还 具备第2气体对流装置。如图U所示，在炉50的侧面配置电动才几M1，从该电动才几M1，通 过没有图示出的轴，安装风扇Fl (第1气体对流装置)。进一步，在加热室2的上部配置电动机M2，通过没有图示出的轴， 安装风扇F2 (笫2气体对流装置)。该风扇F2设置在加热室2的炉50 外面，进行在加热室2内的气体循环。在炉50的上面设置门56a (第1 门)，圆筒56b、 55b与该门56a连接，可以形成开闭。即，在本实施 方式中，第2冷却器40，由风扇Fl、风扇F2和热交换器24构成。如上述实施方式，起到和只设置风扇Fl的实施 方式相同的效果，同时在打开炉50的门56a、 55a时，使风扇Fl和风扇 F2这两者工作，可以更有效地实行加热室2内的温度改变。另外，本发明的技术范围不受上述实施方式的限定，在不脱离本发 明宗旨的范围内，上述实施方式包括加入各种改变的实施方式。例如， 在上述方式中，是通过使高压气体循环来冷却被处理物W的第1冷却 器31,在实施时，冷却器也可通过油冷来冷却^t处理物W。进一步，本实施方式中的逐步冷却不只限于正火工序时，如图12、 13所示，在不进行正火而在降温工序中进行降温至淬火温度后，移至淬 火前保持工序的以往的真空渗碳处理的场合，也可以在该降温工序时进行逐步冷却。即使在这种真空渗碳处理中，也可以谋求因高温处理而肥 大化的被处理物的结晶颗粒的微细化。
权利要求
1.一种真空渗碳处理方法，该方法在预热工序中，使加热室内的被处理物的温度为第1温度，在渗碳工序中，将上述加热室内减压到极低气压状态，由该状态将渗碳性气体提供到上述加热室内，对上述被处理物渗碳，在扩散工序中，停止提供上述渗碳性气体，使碳从上述被处理物的表面向内部扩散，在淬火工序中，使上述被处理物的温度为第2温度，在该状态下进行急冷，其中，在上述扩散工序和上述淬火工序之间进行正火工序，即对上述被处理物的温度交替多次重复进行从上述第1温度至规定温度的降温处理和保温处理的逐步冷却，以使温度履历满足规定条件；正火后保持工序，即上述正火工序之后，通过在规定时间保温以使上述被处理物整体达到上述规定温度，使上述被处理物的结晶颗粒微细化；和再加热工序，即在上述正火后保持工序之后，将上述被处理物的温度上升至上述第2温度。
2. 权利要求1所迷的真空渗碳处理方法，其中，均等地设定上述正 火工序中的各降温处理降温温度。
3. 权利要求1或2所述的真空渗碳处理方法，其中，在上迷加热室 内进行上述渗碳工序、上述扩散工序、上述正火工序和上述再加热工序。
4. 权利要求1 ~3任一项所迷的真空渗碳处理方法，其中，在与上 迷加热室分开设置并冷却上述被处理物的冷却室中进行上述淬火工序。
5. 权利要求1~4任一项所述的真空渗碳处理方法，其中，在将上 述加热室内减压至极低气压状态或将惰性气体装入上述加热室内的状 态下进行上述预热工序、上述扩散工序和上述再加热工序。
6. —种真空渗碳处理装置，该装置具有具备加热器的加热室和具备 第1冷却器的冷却室，通过上述加热器加热，使上述加热室内的被处理物的温度为第l温 度，将上述加热室内减压至规定气压以下的状态，由该状态向上迷加热 室内提供渗碳性气体，对上述被处理物渗碳，停止提供上述渗碳性气体， 使碳从上述被处理物的表面向内部扩散，使上述被处理物的温度为第2 温度的状态，由该状态在上述冷却室中，通过上迷第1冷却器进行急冷，其中，上述加热室具备 用绝热隔壁包围的炉、由至少在上述炉内配置的第1气体对流装置构成的第2冷却器、和 在开的位置使上述加热室内的气体循环的同时，在闭的位置使上述 炉内的气体对流的风路转换机构。
7. 权利要求6所述的真空渗碳处理装置，其中，上述第2冷却器由 上述第1气体对流装置和设置在加热室的热交换器构成。
8. 权利要求6或7所述的真空渗碳处理装置，其中，上述第1气体 对流装置是离心风扇，上述风路转换机构具备设置在上述离心风扇气体输出方向的上述 炉的上述绝热隔壁的一部分上的第1门、和相对该第1门，隔着上述被处理物，在相反侧的上述绝热隔壁上设 置的第2门。
9. 权利要求6~8任一项所述的真空渗碳处理装置，其中，上述第 1气体对流装置通过把渗碳后的上述被处理物的温度从上述第1温度降 低至规定温度，以使温度履历满足规定条件，进行规定时间的保温，以 便上迷被处理物整体达到上述规定温度，使上述被处理物的结晶颗粒微细化。
10. —种真空渗碳处理装置，该装置具有具备加热器和冷却室的加热室，通过上述加热器加热，4吏上述加热室内的净皮处理物的温度为第l温 度，将上述加热室内减压至规定气压以下的状态，由该状态向上述加热 室内提供渗碳性气体，对上述被处理物渗碳，停止提供上述渗碳性气体， 使碳从上述被处理物的表面向内部扩散，使上述被处理物的温度为第2 温度的状态，通由该状态过上述冷却器进行急冷，其中，上述加热室具备用绝热隔壁包围的炉、在上迷炉内配置的第1气体对流装置、和在开的位置使上述加热室内的气体循环来冷却上述被处理物的同 时，在闭的位置使上述炉内的气体对流的风路转换机构。
11. 权利要求6~ IO任一项所述的真空渗碳处理装置，其中，上述 加热器具有由耐受从高温状态开始的急冷的导电性材料形成并配置在上述炉内的发热构件、和安装在上迷炉的上迷绝热隔壁上并相对于上述 炉的上迷绝热隔壁位置固定地支撑上述发热构件的支撑构件，在上述加热室外，配置测定上述发热构件的接地电流的电流测定机构，从上述电流测定机构的测定值检测上述发热构件有无接地。
12. 权利要求6~11任一项所述的真空渗碳处理装置，其中，上述 冷却器使高压气体循环来冷却上迷被处理物。
13. 权利要求6~ 12任一项所述的真空渗碳处理装置，其中，上述 加热室具备第2气体对流装置。
全文摘要
在扩散工序和淬火工序之间进行以下工序正火工序，即对被处理物的温度交替多次重复进行从第1温度至规定温度的降温处理和保温处理的逐步冷却，以使温度履历满足规定条件；正火后保持工序，即正火工序之后，通过在规定时间保温以便整个上述被处理物达到规定温度，使被处理物的结晶颗粒微细化；和再加热工序，即在正火后保持工序之后，使被处理物的温度上升至第2温度。根据本发明，即使在通过提高处理温度迅速进行渗碳和扩散来缩短处理时间的场合，也可以在谋求因高温处理引起的被处理物的表面和内部之间的温度均匀化的同时改善结晶颗粒的肥大化，得到具有规定的物性值的被处理物。
文档编号C21D1/06GK101260505SQ20081008340
公开日2008年9月10日 申请日期2008年3月5日 优先权日2007年3月9日
发明者胜俁和彦 申请人:株式会社Ihi