JP4851569B2 - 真空浸炭方法 - Google Patents

Description

本発明は、減圧した雰囲気の浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法に関する。

減圧した雰囲気の浸炭室にプロパンガス等の浸炭ガスを噴射することで、同室に配置した被処理物（例えば鋼性の部材）を浸炭する真空浸炭が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１には、このような真空浸炭に関して、浸炭室内に設けた酸素センサ等の雰囲気センサを用いて雰囲気中の浸炭ガスの組成を分析するとともに、この分析結果に応じて以降噴射する浸炭ガスの組成等をフィードバック制御する技術が開示されている。この技術によれば、雰囲気中の浸炭ガスの組成を監視してフィードバック制御しているので、高品質の浸炭を再現性良く且つ経済的に行うことができる。

特開２００２−２１２７０２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたような方法では、被処理物の表面においてスポット状過剰浸炭が発生してしまう問題があった。スポット状過剰浸炭とは、必要以上の浸炭ガスが浸炭室内に供給されて、浸炭ガス中の余剰な炭素が被処理物の表面に堆積して黒シミ状になることである。なお、黒シミ状になった部位は表面硬度が低下してしまう欠点がある。

上記方法においてこのような問題が生じる理由を説明する。上記方法によれば、雰囲気センサを用いることで浸炭室に供給する浸炭ガスの組成等を適正な値にフィードバック制御できることが示されている。しかしながら、実際には、雰囲気センサが浸炭ガスから生じる煤やタールによって適切に機能しなくなったり、雰囲気センサを用いて測定される浸炭ガス中の炭素の量と被処理物に供給される炭素の量が一致しなくなりフィードバック制御に係る精度が低下したりしていた。その結果、浸炭室内に必要以上の浸炭ガスが供給される事態が生じていたからである。

また、必要以上の浸炭ガスが供給されると、上記問題に加えて、浸炭に係るサイクルタイムの延長を招く問題があった。さらには、適切に機能しなくなった雰囲気センサの交換等のメンテナンスに係るコストの増加の問題にもつながっていた。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる真空浸炭方法を提供することを目的とする。

本発明は、減圧した雰囲気の浸炭室に浸炭ガスを噴射することで、前記浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法であって、前記浸炭室へ噴射する前記浸炭ガスのガス噴射量に対する前記被処理物の浸炭に現に寄与するガス消費量の割合（以下、浸炭ガス利用率、という）をＥ（％）、前記被処理物の総表面積をＡ（m2）、フラックス値をＦ（g/m2）、浸炭ガス噴射時間をＴ(hr)、前記浸炭ガスの炭素原子のモル数をｎ(mol)、炭素原子質量をＣ(=12.01g/mol)、標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（NL/hr）とすると、次の式

を満たすように前記浸炭ガスを間欠噴射し、前記浸炭ガス噴射時間及びガス噴射停止時間は前記被処理物の表面炭素濃度が最大固溶濃度より小さい状態を維持するように決定され、前記浸炭ガス利用率は、次の式
15≦Ｅ≦25
を満たすように決定されることを特徴とする。

本発明によれば、浸炭ガス利用率に基づいてガス噴射量を決定するとともに、被処理物の表面炭素濃度に基づいてガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定している。また、これらガス噴射量、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間の各設定値を、スポット状過剰浸炭の発生を抑止可能になるように決定している。そのため、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物を浸炭できる。

本実施形態に係る真空浸炭装置の装置構成を示す図である。 本実施形態に係る真空浸炭装置の制御ロジックを示すフローチャートである。 被処理物の総表面積Ａとガス噴射量Ｖとの相関関係を示す図である。 浸炭ガス利用率Ｅの上下限値を説明する図である。 ガス噴射回数Ｔと被処理物の表面炭素濃度Ｄとの相関関係を示す図である。 本実施形態に係るガス噴射時間及びガス噴射停止時間の決定方法を説明する図である。 本実施形態に係る浸炭処理の温度プロファイルを示す図である。 本実施形態に係る浸炭処理の効果を説明する図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（装置の構成）
図１は、本実施形態に係る真空浸炭装置１の概略構成を示す図である。図１に示す真空浸炭装置１は、被処理物２、真空浸炭室３、浸炭ガス流路４、流量調整弁５、制御装置６を有する構成である。

被処理物２は、浸炭対象の鋼性の部材である。例えば、自動車用無段変速機に用いられるプーリ（材質JIS-SCr420H）である。真空浸炭室３は、内部に被処理物２を配置し、この被処理物２に対して減圧した雰囲気で真空浸炭を実行する真空浸炭炉である。浸炭ガス流路４は、浸炭ガス供給源（不図示）から真空浸炭室３まで連通する浸炭ガスのガス流路である。流量調整弁５は、浸炭ガス流路４に介装され、同流路４を通流する浸炭ガスのガス流量、すなわち真空浸炭室３に噴射するガス噴射量を調整する開閉弁である。この流量調整弁５の開閉動作は制御装置６によって制御される。制御装置６は、流量調整弁５の開閉動作を制御するマイクロコントローラである。制御内容については後述する。

以上に示す構成により、本実施形態に係る真空浸炭装置１では、制御装置６が流量調整弁５の開閉動作を制御することで、真空浸炭室３に噴射するガス噴射量を調整し、同室３に配置した被処理物２を浸炭する。

（制御ロジック）
図２は、本実施形態に係る真空浸炭装置１の制御ロジックを示すフローチャートである。図１の制御装置６は、浸炭時に図２に示す制御ロジックを実行する。

まず、ステップＳ１において制御装置６は、浸炭処理温度を設定する（Ｓ１）。ここでは、制御装置６は、真空浸炭室３に設けた温度センサ（不図示）による測定値又はユーザによる設定値等に基づき、真空浸炭室３の温度を設定する。詳細については後述する。

次に、ステップＳ２に進んで制御装置６は、被処理物２の総表面積を設定する（Ｓ２）。ここでは、被処理物２の総表面積の値がユーザによって制御装置６に入力され、制御装置６はこの入力された値を被処理物２の総表面積として設定する。詳細については後述する。

続いて、ステップＳ３に進んで制御装置６は、ガス噴射量を決定する（Ｓ３）。ここでは、制御装置６はステップＳ２で設定された被処理物２の総表面積に基づいてガス噴射量を決定する。詳細については後述する。なお、被処理物２の総表面積を基にユーザによって計算されたガス噴射量の値が制御装置６に入力され、制御装置６はこの入力された値をガス噴射量として決定してもよい。また、決定されたガス噴射量に応じてユーザは流量調整弁５の開度を調整する。

続いて、ステップＳ４に進んで制御装置６は、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する（Ｓ４）。ここでは、制御装置６は、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する。詳細については後述する。なお、ユーザによって計算されたガス噴射時間及びガス噴射停止時間の各々の値が制御装置６に入力され、制御装置６はこの入力された値をガス噴射時間及びガス噴射停止時間として決定してもよい。

続いて、ステップＳ５において制御装置６は、ガス噴射量及びガス噴射時間に基づいて流量調整弁５の開閉動作を制御する（Ｓ５）。ここでは、ステップＳ３で決定されたガス噴射量と、ステップＳ４で決定されたガス噴射時間及びガス噴射停止時間と、に基づいて流量調整弁５の開閉動作を制御する。詳細については後述する。

以上に示す制御ロジックにより、図１に示す制御装置６は、特にステップＳ３及びステップＳ４によって決定されたガス噴射量、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間に基づいて流量調整弁５の開閉動作を制御する。これにより、真空浸炭室３に噴射する浸炭ガスを調整する。以下、各ステップについて詳細に説明する。

（ステップＳ１について）
ステップＳ１を詳細に説明する。ステップＳ１では、真空浸炭室３の温度を1203Ｋから1253Ｋの範囲の任意の温度に設定する。これは、本実施形態に係る真空浸炭装置１は、この範囲内の浸炭温度に対して有効だからである。

（ステップＳ２について）
ステップＳ２を詳細に説明する。ステップＳ２では、ユーザは真空浸炭室３に配置した全ての被処理物２の総表面積の値を算出して制御装置６に入力する。この総表面積の値は、被処理物２の個数や形状に応じて可変な値である。

（ステップＳ３について）
ステップＳ３を詳細に説明する。ステップＳ３では、ステップＳ２で設定された被処理物２の総表面積に基づいてガス噴射量を決定すると前述した。そこでまず、被処理物２の総表面積とガス噴射量との相関関係について説明する。

（被処理物２の総表面積とガス噴射量との相関関係）
本願発明者は、被処理物２の総表面積(単位： m2)をＡ、標準状態での時間当たりガス噴射量（単位：NL/hr）をＶとすると、これら被処理物２の総表面積Ａ及びガス噴射量の間に図３に示すような相関関係があることを発見した。

図３は、被処理物２の総表面積Ａとガス噴射量Ｖとの相関関係を説明する図である。図３では、横軸に総表面積Ａを縦軸にガス噴射量Ｖを示している。また、図３上にプロットされた各点の数値は、各点における総表面積Ａ及びガス噴射量Ｖを基に次の式（１）で算出した浸炭ガス利用率Ｅ（単位：％）の数値を示している。ここでいう浸炭ガス利用率Ｅとは、真空浸炭室３へ噴射する浸炭ガスの総炭素量（又はガス噴射量）に対する被処理物２の浸炭に現に寄与した総炭素量（又はガス消費量）の割合(単位：％)である。

なお、式（１）において、Ｆは被処理物２のフラックス値(単位：g/m2)を、Ｔは浸炭ガス噴射時間(単位：hr)を、nはモル数(単位：mol)を、Ｃは炭素原子質量（単位：12.01g/mol）をそれぞれ示す。

本願発明者は、図３上の各点におけるスポット状過剰浸炭の発生状況を検査した。その結果、「×」でプロットされた各点（Ｅ＝4.6％、6.7％、11.3％、12.1％）では、真空浸炭室３に必要以上の浸炭ガスが供給されてスポット状過剰浸炭が発生することが分かった。一方、「△」でプロットされた各点（Ｅ＝25.4％、32.3％）では、真空浸炭室３に必要分の浸炭ガスが供給されずに浸炭不足が発生することが分かった。なお、「○」でプロットされた各点（Ｅ＝16.4％、16.6％、17.0％、17.1％）では、適切量の浸炭ガスが供給されて適切な浸炭が行われることが分かった。

図３に示す直線Ｌ１及びＬ２は、これら「×」、「○」、「△」の境界を示している。直線Ｌ１はＥ＝15％を示す直線である。一方、直線Ｌ２はＥ＝25％を示す直線である。すなわち、15％≦Ｅ≦25％を満たす総表面積Ａ及びガス噴射量Ｖであるときには図３の「○」に該当し、適切に浸炭できる。この浸炭ガス利用率Ｅの下限値15％及び上限値25％について図４を用いて具体的に説明する。図４は、浸炭ガス利用率Ｅの上下限値を説明する図である。

（浸炭ガス利用率Ｅの下限値15％について）
図４（ａ）は、浸炭ガス利用率Ｅの下限値15％を説明する図である。図４（ａ）では横軸に浸炭ガス利用率Ｅを縦軸にスポット状過剰浸炭発生レベルを示す。ここでいうスポット状過剰浸炭発生レベルとは、スポット状過剰浸炭の発生度合いを示す指標である。本実施形態では、スポット状過剰浸炭発生レベルが１以上のときにはスポット状過剰浸炭が発生したことを示し、スポット状過剰浸炭発生レベルが０のときにはスポット状過剰浸炭が不発生で適切な浸炭がなされたことを示すものと定義している。

特に、図４（ａ）の縦軸に示すスポット状過剰浸炭発生レベル（３）は、５箇所以上の部位でスポット状過剰浸炭が発生し、それぞれの発生部位が濃い黒色であることを示す。また、スポット状過剰浸炭発生レベル（２）は、１箇所以上５箇所未満の部位でスポット状過剰浸炭が発生し、それぞれの発生部位が濃い黒色であることを示す。さらに、スポット状過剰浸炭発生レベル（１）は、１箇所以上５箇所未満の部位でスポット状過剰浸炭が発生し、それぞれの発生部位が薄い黒色（灰色）であることを示す。さらには、スポット状過剰浸炭発生レベル（０）は、スポット状過剰浸炭が不発生で適切な浸炭がなされていることを示す。

そうすると、この図４（ａ）からは、浸炭ガス利用率Ｅが15％より小さい範囲ではスポット状過剰浸炭発生レベルが段階的に低減し、浸炭ガス利用率Ｅが15％よりも大きい範囲ではスポット状過剰浸炭発生レベルが０になる傾向が生じることが分かる。このように浸炭ガス利用率Ｅが15％より小さい範囲でスポット状過剰浸炭が発生するのは、かかる範囲では、利用されない浸炭ガスが多く（85％より大きく）存在するためである。

以上のことから、適切に浸炭できる浸炭ガス利用率Ｅの下限値は15％ということができる。なお、図４（ａ）において浸炭ガス利用率Ｅが15％より小さい範囲の浸炭ガス利用率Ｅとスポット状過剰浸炭発生レベルとの関係を示す波線は、最小２乗法等により得ることができる。

（浸炭ガス利用率Ｅの上限値25％について）
図４（ｂ）は、浸炭ガス利用率Ｅの上限値25％を説明する図である。図４（ｂ）では横軸に浸炭ガス利用率Ｅを縦軸に浸炭深さバラつきを示す。ここでいう浸炭深さバラつきとは、被処理物２における浸炭深さのバラつきの度合いを示す指標（例えば単位mm）である。

本願発明者は、浸炭ガス利用率Ｅと浸炭深さバラつきとの間に、図４（ｂ）に示す相関関係、すなわち浸炭ガス利用率Ｅが25％よりも小さいときには浸炭深さバラつきが一定値（ここでは0.03）になり、浸炭ガス利用率Ｅが25％よりも大きいときには浸炭ガス利用率Ｅに比例して浸炭深さバラつきが大きくなる関係があることを発見した。

具体的に説明する。浸炭ガス利用率Ｅが25％よりも小さいときには、真空浸炭室３の内部全体を十分に満たす量だけの浸炭ガスが供給されている。そのため、被処理物２における浸炭深さのバラつきが生じず、浸炭深さバラつきは一定値になる。他方、浸炭ガス利用率Ｅが25％よりも大きいときには、真空浸炭室３の内部全体を十分に満たす量だけの浸炭ガスが供給されなくなる。そのため、被処理物２において適切に浸炭される部分と浸炭されない部分が現れる等により、浸炭深さバラつきが生じる。このような浸炭深さバラつきの発生及び不発生の境界を示す浸炭ガス利用率Ｅが25％であることが本願発明者より発見された。

以上のことから、適切に浸炭できる浸炭ガス利用率Ｅの上限値は25％ということができる。なお、図４（ｂ）に示す波線は、浸炭深さバラつきが一定値（ここでは0.03）になる線と、浸炭深さバラつきが浸炭ガス利用率Ｅに比例して大きくなる線とを組み合わせて得ることができる。

（ステップＳ３におけるガス噴射量の決定方法）
以上、被処理物２の表面積Ａとガス噴射量Ｖとの相関関係及び浸炭ガス利用率Ｅの上下限値について説明してきた。以上の点に鑑みて、ステップＳ３において制御装置６は、ステップＳ２で設定された被処理物２の表面積Ａに基づいてガス噴射量Ｖを以下の式（２）及び式（３）により算出された値に決定する。なお、式（２）は式（１）から導き出される。

このように浸炭ガス利用率Ｅが式（３）に示す範囲内に含まれるようにガス噴射量Ｖを決定することで、真空浸炭室３に必要以上の浸炭ガスが供給されてスポット状過剰浸炭が発生するのを抑止できる。これに伴い、浸炭に係るサイクルタイムを短縮化することもできる。さらには、余剰の浸炭ガスが熱分解して煤やタールが生成することを抑止して、煤やタールの生成によるメンテナンスコストの低減を図ることができる。

（ステップＳ４について）
ステップＳ４を詳細に説明する。ステップＳ４では、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定すると前述した。本実施形態によれば厳密には、これらガス噴射時間及びガス噴射停止時間と被処理物２の表面炭素濃度との相関関係を考慮して両要素の値の決定している。そこでまず、この相関関係について説明する。

（ガス噴射時間及びガス噴射停止時間と被処理物２の表面炭素濃度との関係）
本願発明者は、数十秒間のガス噴射時間及び数十秒間の噴射停止時間を一対にしたものを１回の噴射回数と定義したときのガス噴射回数（単位：回数）をＴ、被処理物２の表面炭素濃度（単位％）をＤとすると、これらガス噴射回数Ｔ及び表面炭素濃度Ｄの間には図５に示すような相関関係があることを発見した。

図５は、ガス噴射回数Ｔと被処理物２の表面炭素濃度Ｄとの相関関係を示す図である。図５では、横軸にガス噴射回数Ｔを縦軸に被処理物２の表面炭素濃度Ｄを示している。また、図５上にプロットされた各点の記号は、各点においてスポット状過剰浸炭が発生したか否かを示すものである。なお、この図５に示す相関関係は、真空浸炭室３の浸炭処理温度を1223Ｋ、内部圧力を950Paとしてガス噴射回数Ｔを変更して焼入れを行ったときの計測値から得られたものである。

本願発明者は、図５上の各点におけるスポット状過剰浸炭の発生状況を検査した。その結果、「×」でプロットされた各点（Ｄ＞1.40％）では、スポット状過剰浸炭が発生することが分かった。一方、「△」でプロットされた各点（Ｄ＜1.40％）では、スポット状過剰浸炭が発生しないことが分かった。また、表面炭素濃度ＤがＤ＝1.40％に達するまでの間はガス噴射回数Ｔが増加するほど表面炭素濃度Ｄは直線的に上昇し、Ｄ＝1.40％を超えると表面炭素濃度Ｄが飽和してスポット状過剰浸炭が発生することが分かった。

このようなスポット状過剰浸炭の発生及び不発生の境界となる表面炭素濃度Ｄ（ここではＤ＝1.40％）を炭素の限界濃度と定義する。この限界濃度は、実験的に最大固溶濃度と一致している。また、この限界濃度の値は、真空浸炭室３の浸炭処理温度に応じて変化する。

図５に示す例では、表面炭素濃度Ｄをこの限界濃度（ここでは1.40％）より小さい状態を維持するように制御することで、スポット状過剰浸炭を阻止できる。つまり、この限界濃度とは、スポット状過剰浸炭の発生を抑止可能な表面炭素濃度Ｄの上限値であるということができる。

（ステップＳ４におけるガス噴射時間及びガス噴射停止時間の決定方法）
以上の点に鑑み、ステップＳ４において制御装置６は、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するように、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する。図６を用いて具体的に説明する。図６は、本実施形態に係るガス噴射時間及びガス噴射停止時間の決定方法を説明する図である。

図６（ａ）は、本実施形態に係るガス噴射パターンを説明するための図である。図６（ａ）の実線Ｌ３は、ガス噴射を開始してから表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達したときにガス噴射を停止したときの表面炭素濃度Ｄの一般的な経時変化を示している。一方、図６（ａ）の波線Ｌ４は、本実施形態に係るガス噴射パターンによる表面炭素濃度Ｄの経時変化を示している。

図６（ａ）の実線Ｌ３のように、時刻Ｔ０においてガス噴射を開始してから表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達した時刻Ｔ１において、ガス噴射を停止する。そうすると、その後は時刻Ｔ２に至るまで表面炭素濃度Ｄは直線状に低下する。これは、被処理物２の表面に堆積した炭素が被処理物２の内部に拡散するためである。その後、この時刻Ｔ２を変化点として時間の経過に対する表面炭素濃度Ｄの低下の度合いが小さくなる。これは、被処理物２の表面から内部への炭素の拡散が鈍化するためである。

本実施形態に係る真空浸炭装置１では、このような表面炭素濃度Ｄの一般的な経時変化に係る傾向に鑑み、図６（ａ）の波線Ｌ４のように、時刻Ｔ０においてガス噴射を開始してから表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達した時刻Ｔ１において、ガス噴射を停止する。その後、変化点である時刻Ｔ２に至ったところで、再度ガスを噴射する。以降、表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達した時刻Ｔ３において、再びガス噴射を停止する。その後、変化点である時刻Ｔ４に至ったところで、再びガスを噴射する。以上のように、表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達するときを上限として、断続的に噴射と噴射停止を繰り返す間欠噴射を実行する。

図６（ｂ）は、本実施形態に係るガス噴射パターンの具体例を示す図である。図６（ｂ）では、ガス噴射量Ｖの経時変化、及び、表面炭素濃度Ｄの経時変化を示している。

図６（ｂ）に示すように、時刻０においてガス噴射を開始してから時間t0経過後に表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達したところで、ガス噴射を停止する（図６（ａ）の時刻Ｔ０からＴ１に相当）。その後、一定時間ts経過して表面炭素濃度Ｄが直線状に低下したところで、再度ガスを噴射する（図６（ａ）の時刻Ｔ１からＴ２に相当）。以降、一定時間tp経過して表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達したところで、再びガス噴射を停止する（図６（ａ）の時刻Ｔ２からＴ３に相当）。その後一定時間ts経過して表面炭素濃度Ｄが直線状に低下したところで、再度ガスを噴射する（図６（ａ）の時刻Ｔ３からＴ４に相当）。すなわち、表面炭素濃度Ｄが限界濃度に達するときを上限として、断続的に噴射と噴射停止を繰り返す間欠噴射を実行している。なお、図６（ｂ）に示すガス噴射量ＶとはステップＳ３で決定されるガス噴射量である。

以上のように、ステップＳ４において制御装置６は、表面炭素濃度Ｄの経時変化を考慮した上で、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するように、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定する。これにより、表面炭素濃度Ｄを限界濃度以下に保つことが可能になるとともに、スポット状過剰浸炭の発生を抑止することができる。

なお、図６（ｂ）に示す時間t0、ts、tpは、図６（ａ）に示す表面炭素濃度Ｄの経時変化に係る傾向のうちの時刻Ｔ０からＴ１の時間、時刻Ｔ１からＴ２の時間、時刻Ｔ２からＴ３の時間を実験計測することにより決定することが可能である。本具体例のように真空浸炭室３の浸炭処理温度が1223Ｋ、内部圧力が950Pa、限界濃度が1.40％の条件下では、t0≦180s、ts≦300s、tp≦120s（単位：秒、ts）で示される。また、（ts+tp）の繰り返し回数は、被処理物２の有効硬化層（ＥＣＤ）に応じて可変とすることができる。

（ステップＳ５について）
ステップＳ５を詳細に説明する。ステップＳ５では、ステップＳ３で決定されたガス噴射量と、ステップＳ４で決定されたガス噴射時間及びガス噴射停止時間と、に基づいて流量調整弁５の開閉動作を制御する。

図７は、本実施形態に係る浸炭処理の温度プロファイルを示す図である。図７に示すように、本実施形態に係る真空浸炭装置１を用いた真空浸炭の処理過程は、昇温期、浸炭期、拡散期、及び、焼き入れ期に分けられる。ここで、昇温期、拡散期、及び、焼き入れ期については従来の処理方法と同様であるためここでは説明を省略する。図７に示す浸炭期においては、図６（ｂ）で説明してきたガス噴射パターンに応じて流量調整弁５の開閉動作を制御する。

（本実施形態に係る浸炭処理による効果）
図８は、本実施形態に係る真空浸炭装置１による浸炭処理の効果を説明する図である。図８（ａ）では、本実施形態に係る真空浸炭装置１による真空浸炭方法を採用したときの表面炭素濃度Ｄの経時変化を示している。一方、図８（ｂ）では、従来の真空浸炭装置による真空浸炭方法を採用したときの表面炭素濃度Ｄの経時変化を示している。

図８（ａ）に示すように、本実施形態に係る真空浸炭装置１による真空浸炭方法を採用したときには、表面炭素濃度Ｄが限界濃度（ここでは1.40％）より小さい状態を維持することができる。そのため、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物２を浸炭できる。

（まとめ）
以上のように、本実施形態によれば、浸炭ガス利用率Ｅに基づいてガス噴射量Ｖを決定するとともに、被処理物の表面炭素濃度Ｄに基づいてガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定している。また、これらガス噴射量、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間の各設定値を、スポット状過剰浸炭の発生を抑止可能になるように決定している。そのため、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物２を浸炭できる（請求項１に記載の発明の効果）。

また、本実施形態によれば、浸炭ガス利用率をＥ（％）、被処理物２の総表面積をＡ（m2）、フラックス値をＦ（g/m2）、浸炭ガス噴射時間をＴ(hr)、モル数をｎ(mol)、炭素原子質量をＣ(=12.01g/mol)、標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（NL/hr）とすると、前述の式（２）を満たすようにガス噴射量Ｖを決定している。そのため、被処理物２の総表面積Ａとガス噴射量Ｖとの相関関係を考慮した上で、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物２を浸炭できる（請求項２に記載の発明の効果）。

また、本実施形態によれば、浸炭ガス利用率Ｅが式（３）に示す範囲内に含まれるようにガス噴射量Ｖを決定している。そのため、浸炭ガス利用率Ｅと、スポット状過剰浸炭又は浸炭深さバラつきの発生と、の相関関係を考慮した上で、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物２を浸炭できる（請求項３に記載の発明の効果）。

また、本実施形態によれば、ガス噴射周期決定工程（図２のステップＳ４）では、表面炭素濃度Ｄが最大固溶濃度より小さい状態を維持するように、浸炭ガスのガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定している。そのため、最大固溶濃度とスポット状過剰浸炭の発生との相関関係を考慮した上で、スポット状過剰浸炭の発生を防ぎつつ高品質に被処理物２を浸炭できる（請求項４に記載の発明の効果）。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記ステップＳ３の説明においては、15％≦Ｅ≦25％を満たす総表面積Ａ及びガス噴射量Ｖであるときには適切に浸炭できると説明したが、この場合には限らない。例えば±2％程度の誤差を許容するようにしてもよい。これは、流量調整弁５、制御装置６の性能等により、真空浸炭室３に実際に噴射される浸炭ガスのガス噴射量が必ずしも設定値通り一定にはならない場合が生じるためである。

また、上記ステップＳ４の説明においては、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するようにガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定すると前述した。しかしながら、ここでいう限界濃度の値は真空浸炭室３の浸炭処理温度に応じて変化する。そこで、予め実験計測等により浸炭処理温度を変えたときの限界濃度を温度毎に取得しておき、表面炭素濃度Ｄが限界濃度より小さい状態を維持するようなガス噴射時間及びガス噴射停止時間を温度毎に求めておいてもよい。この場合、ステップＳ４では、ステップＳ１で設定される浸炭処理温度に応じて最適なガス噴射時間及びガス噴射停止時間を設定することができる。

また、上記ステップＳ３及びＳ４の説明においては、制御装置６は、ガス噴射量を決定したあとにガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定しているが、この場合には限らない。浸炭ガス利用率Ｅがスポット状過剰浸炭の発生を抑止可能な範囲に含まれるように、且つ、被処理物２の表面炭素濃度Ｄがスポット状過剰浸炭の発生を抑止可能な濃度上限値より小さい状態を維持するように、ガス噴射量、ガス噴射時間及びガス噴射停止時間を決定するのであれば、これらステップＳ３及びＳ４の処理は前後逆であってもよいし、同時であってもよい。

１ 真空浸炭装置
２ 被処理物
３ 真空浸炭室（浸炭室）
４ 浸炭ガス供給路
５ 流量調整弁
６ 制御装置
ステップＳ３ ガス噴射量決定工程
ステップＳ４ ガス噴射周期決定工程
ステップＳ５ ガス噴射工程

Claims (1)

1. 減圧した雰囲気の浸炭室に浸炭ガスを噴射することで、前記浸炭室に配置した被処理物を浸炭する真空浸炭方法であって、
   前記浸炭室へ噴射する前記浸炭ガスのガス噴射量に対する前記被処理物の浸炭に現に寄与するガス消費量の割合（以下、浸炭ガス利用率、という）をＥ（％）、前記被処理物の総表面積をＡ（m2）、フラックス値をＦ（g/m2）、浸炭ガス噴射時間をＴ(hr)、前記浸炭ガスの炭素原子のモル数をｎ(mol)、炭素原子質量をＣ(=12.01g/mol)、標準状態での時間当たりガス噴射量をＶ（NL/hr）とすると、次の式
   

   

   を満たすように前記浸炭ガスを間欠噴射し、
   前記浸炭ガス噴射時間及びガス噴射停止時間は前記被処理物の表面炭素濃度が最大固溶濃度より小さい状態を維持するように決定され、
   前記浸炭ガス利用率は、次の式
   15≦Ｅ≦25
   を満たすように決定されることを特徴とする真空浸炭方法。

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