JP4807660B2

JP4807660B2 - 真空浸炭装置

Info

Publication number: JP4807660B2
Application number: JP2006058173A
Authority: JP
Inventors: 健二郎佐藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: US7722801B2; US20080006346A1; JP2007231406A

Description

この発明は、鉄鋼材料の浸炭装置に関し、さらに詳しくは鉄鋼材料にパルス浸炭処理を施す浸炭装置に関する。

鉄鋼材料の真空浸炭処理において、高温度に加熱した処理材を収容した浸炭室内に、浸炭ガスを供給して所定の低真空度に維持する浸炭期と、浸炭ガスを排気して高真空度下で処理物表面から炭素を内部に拡散させる拡散期とを、交互に繰返して処理するパルス浸炭と称される処理方法は、浸炭ガスが浸透しにくい細孔や深い穴の内部まで浸炭でき、また凹凸のある処理材に対しても均一に浸炭できる方法として、これらの処理材に好適な浸炭方法として採用されている（たとえば、特許文献１，２参照。）。
特開２０００−１７６５号公報特開２００２−１９４５２６号公報

ところが上記各特許文献に記載の真空浸炭装置では、炉の排気口と真空排気装置とを結ぶガス排出管に、圧力調整用の可変バルブ（可動オリフィス機構を含む）を設け、この可変バルブによる排気ガス流量調整により浸炭室内の浸炭期および拡散期の圧力調整をおこなうようにしているので、ガス排出管内を流通する排ガス中の煤やタールなどの異物が付着堆積して可変バルブの作動不良をひきおこしやすく、装置の信頼性および耐久性が劣るとともに、ガス排出管は大径であるため可変バルブも大サイズでコストがかさむ、等の問題点を有するものである。

また上記特許文献１（その段落［００１６］）にも記載されているように、上記の可変バルブを用いずに排気口に真空排気装置を直接接続した装置も、従来使用されていた。しかしこの場合は、一般に真空ポンプを回転速度制御してもその吸気側到達圧力の制御可能範囲は狭いため、真空排気装置として排気速度の大きい真空ポンプを用いた場合は図４に曲線Ａで示すように、浸炭ガス導入後の浸炭期圧力Ｐ_１から拡散期圧力Ｐ_０への移行（減圧）は迅速におこなわれるが、浸炭期圧力Ｐ_１は拡散期圧力Ｐ_０に近い高真空度の圧力となり、浸炭期における細孔内等への浸炭ガスの侵入が不十分となる。また真空排気装置として排気速度の小さい真空ポンプを用いると、図４に曲線Ｂで示すように、浸炭期圧力Ｐ_１は所望の低真空度の圧力とすることができるが、浸炭ガス導入後に拡散期圧力Ｐ_０に減圧されるまでの時間が長くかかり、パルス回数が制限され、浸炭むらの発生や浸炭処理時間の延長などの問題が生じる。

この発明は上記従来の問題点を解決しようとするもので、パルス浸炭時における所望の低真空度の浸炭期圧力と、浸炭期圧力から拡散期圧力への迅速な移行特性が得られ、低コストで信頼性および耐久性にすぐれた真空浸炭装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の真空浸炭装置は、処理材を収容する浸炭室と、前記浸炭室内を真空排気する真空ポンプと、前記浸炭室内に浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給装置とをそなえ、前記浸炭室内に前記浸炭ガスをパルス状に導入して処理材の真空浸炭をおこなう真空浸炭装置において、前記真空ポンプの吸気側と排気側とを、開閉弁をそなえた還流管路でバイパス状に接続し、前記浸炭室内へパルス状に導入される前記浸炭ガスの導入開始時に前記開閉弁を開放し導入終了時に該開閉弁を閉鎖する制御手段を具備したことを特徴とする。

上記構成の真空浸炭装置によれば、浸炭室への浸炭ガスの導入時に還流管路の開閉弁を開くことにより、真空ポンプの排ガスの一部が真空ポンプの吸気側に還流されるので、浸炭室からの排気量が減少して真空浸炭炉の炉内圧力（詳しくは浸炭室内圧力）が低真空度側（大気圧側）に上昇する。そこで真空ポンプの排気速度によって決まる上記開閉弁閉鎖状態における拡散期圧力に対して、上記還流管路による排ガス還流量の選定により得られる所望の低真空度の浸炭期圧力を組合わせて、パルス浸炭をおこなうことができる。また真空ポンプは、上記のようにして決まる浸炭期圧力とは無関係にその排気速度を選定できるので、浸炭期圧力から拡散期圧力への迅速な移行特性も得られる。

そして上記還流管路を流通するガスは、浸炭室からの排ガス中の煤やタールなどの異物が真空ポンプ通過により除去されたものなので、開閉弁はこれら異物の付着・堆積がなく長期にわたって故障などをおこすことなく使用できる。また上記のように排ガスの一部が流通する還流管路は、真空ポンプの接続された真空浸炭炉の排気管路（ガス排出管）よりは小口径のものでよく、この還流管路の開閉弁も小サイズのものでよいので、上記排気管路に可変バルブを設ける場合に比べて、構成部材が小型で低コストのもので済む。

以上説明したようにこの発明によれば、パルス浸炭時における所望の低真空度の浸炭期圧力と、浸炭期圧力から拡散期圧力への迅速な移行特性が得られ、低コストで信頼性および耐久性にすぐれた真空浸炭装置を得ることができる。

以下、図１〜図３に示す一例により、この発明の実施の形態を説明する。図１は真空浸炭装置１の全体を示し、２は真空浸炭炉で、２ａはその炉体、３は処理材を収容する浸炭室で、図示しない加熱装置をそなえている。４はこの浸炭室３内に浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給装置で、５は開閉弁である。６は真空浸炭炉２の炉体２ａに接続した排気管路で、この排気管路６には排気用の真空ポンプとして、油回転ポンプ７とその前段側に設けたメカニカルブースタポンプ８とを接続してある。９は開閉弁、１０はメカニカルブースタポンプ８の回転速度制御用のインバータである。

１５は、メカニカルブースタポンプ８の吸気側の排気管路６と油回転ポンプ７の排気管１１とを、バイパス状に接続する還流管路で、１６はこの還流管路１５の中間部に設けた開閉弁、１７は同じく流量調節弁である。

また２０は制御装置で、該装置に格納された制御プログラムに従って、浸炭全工程開始時および終了時に開閉弁９に開・閉弁信号を出力し、パルス浸炭の浸炭期開始時に浸炭ガス供給装置４の開閉弁５および還流管路１５の開閉弁１６に開弁信号を出力し、浸炭期終了時に両弁に閉弁信号を出力する。また制御装置２０はこれらの弁の開閉操作の他に、真空計１２による真空浸炭炉２の炉内圧力（以下、単に炉内圧力という）の検出値と、浸炭期および拡散期の炉内圧力設定値Ｐnとに基いて、インバータ１０に速度制御信号を出力し、炉内圧力の制御をおこなう。

上記のような真空排気系統を有する真空浸炭装置１においては、開閉弁９を開放し、還流管路１５の開閉弁１６の閉鎖状態において油回転ポンプ７およびメカニカルブースタポンプ８を運転して、メカニカルブースタポンプ８の回転速度をその最低速度と最高速度の間で変化させたときの炉内圧力Ｐは、図２に曲線Ｍ（直線で近似）で示すように高真空度域で範囲ｍにわたって変化するだけである。

これに対して開閉弁１６を開放した状態では、図１に示すように油回転ポンプ７から排出される排ガス中の一部のガスＧがメカニカルブースタポンプ８の吸気側に還流されるため、その分だけ真空浸炭炉２の炉体２ａからの排気量が減少し、この結果炉内圧力は図２に曲線Ｎで示すように低真空度（大気圧寄りの圧力）域で範囲ｎにわたって変化することになる。またこの例では還流管路１５に流量調節弁１７を設けてあるので、上記曲線Ｎおよび範囲ｎは、流量調節弁１７による流量調節により、上下に変化させることができる。

そこでパルス浸炭の拡散期圧力Ｐ_０を上記の範囲ｍ内で選定し、浸炭期圧力Ｐ_１を上記の範囲ｎ内で選定する（詳しくは浸炭期には浸炭ガスの導入により上記曲線Ｎ、従って範囲ｎは上記とは多少変動する）ことにより、真空加熱後の処理材に対して開閉弁５，１６を開放して図３（ａ）に示すように、所定の低真空度の浸炭期圧力Ｐ_１での浸炭、および開閉弁５，１６を閉じて所定の高真空度の拡散期圧力Ｐ_０での拡散を、所定の間隔で繰返すパルス浸炭をおこなうことができるのである。なお、図中カッコ書きした数値については、後述する。また、真空ポンプ（油回転ポンプ７およびメカニカルブースタポンプ８）として浸炭期圧力の選定とは無関係に、適切な大排気速度のものを選定することにより、図４の曲線Ｃに示すように、浸炭期圧力Ｐ_１から拡散期圧力Ｐ_０への迅速な移行特性も得られるのである。

そして開閉弁１６は上記のように浸炭ガスの供給と同期して開閉駆動されるが、還流管路１５を流れるガスＧは、浸炭室３から流出する排ガス中の煤やタールなどの異物が真空ポンプ内を通過することにより除去された、水素，窒素，メタンなどから成る比較的清浄な混合ガスであるので、上記異物が開閉弁１６に付着堆積することもなく、長期にわたって支障なく使用できるのである。また還流管路１５は排気管路６より小口径のものでよく、開閉弁１６も小サイズのものでよいので、還流管路１５部構成部材は小型低コストのもので済む。

また図３（ｂ）に示す線図は、比較のために開閉弁１６を閉じた状態でパルス浸炭をおこなった場合の炉内圧力線図で、浸炭期圧力Ｐ_１が前記範囲ｍ内に限定される高真空度の圧力となることを示しており、この炉内圧力線図は前述の図４の曲線Ａ、すなわち上記還流管路１５のない従来装置による場合の炉内圧力線図に相当するものである。

次に上記構成の真空浸炭装置１（浸炭室３の容積＝５ｍ^３，真空ポンプの排気速度＝４ｍ^３／ｍｉｎ，浸炭ガス供給装置４の浸炭ガス供給量＝１Ｎｍ^３／ｈ）を用いたパルス浸炭の具体例を挙げると、上記の開閉弁１６の開閉弁５との同期開閉操作により、上記図３（ａ）における拡散期圧力Ｐ_０＝１０Ｐａに対して、浸炭効率や煤・タールの発生防止などの点で好適な浸炭期圧力Ｐ_１＝１５００Ｐａで、所望のサイクルタイム（例：浸炭期＝１分，拡散期＝１０分）で処理材のパルス浸炭処理をおこなうことができた。これに対して開閉弁１６を常時閉とした従来装置相当の条件では、図３（ｂ）における拡散期圧力Ｐ_０＝１０Ｐａに対して浸炭期圧力Ｐ_１＝５００Ｐａという高真空度の浸炭期圧力しか得られなかった。

この発明は上記の例に限定されるものではなく、たとえば真空ポンプとしては、上記以外の機種の真空ポンプを、１機種あるいは複数機種組合わせて使用してもよく、また複数機種用いる場合には両者を同時に回転速度制御するようにしてもよい。また流量調節弁１７は、省略したり固定絞りとしてもよい。

この発明の実施の形態の一例を示す真空浸炭装置の機器系統図である。図１の装置におけるポンプ回転数に対する炉内圧の変化を示す線図である。図１の装置を用いたパルス浸炭時の炉内圧力線図である。従来装置および本発明装置によるパルス浸炭時の炉内圧力の比較線図である。

符号の説明

１…真空浸炭装置、２…真空浸炭炉、３…浸炭室、４…浸炭ガス供給装置、６…排気管路、７…油回転ポンプ、８…メカニカルブースタポンプ、１５…還流管路、１６…開閉弁、２０…制御装置。

Claims

処理材を収容する浸炭室と、前記浸炭室内を真空排気する真空ポンプと、前記浸炭室内に浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給装置とをそなえ、前記浸炭室内に前記浸炭ガスをパルス状に導入して処理材の真空浸炭をおこなう真空浸炭装置において、前記真空ポンプの吸気側と排気側とを、開閉弁をそなえた還流管路でバイパス状に接続し、前記浸炭室内へパルス状に導入される前記浸炭ガスの導入開始時に前記開閉弁を開放し導入終了時に該開閉弁を閉鎖する制御手段を具備したことを特徴とする真空浸炭装置。