ワークピースを硬化する方法及び装置、並びに該方法により硬化されたワークピース
本発明は、ワークピースを熱処理するための方法及び装置に関し、該装置は、冷却室及び、ワークピースが加熱装置の直接熱放射により９５０から１２００℃に加熱される２つ以上の浸炭室を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースを硬化する方法、該方法を実施するための装置及び該方法により硬化されたワークピースに関する。本発明による方法は、以下の、
（ａ）ワークピースを９５０から１２００℃の温度に加熱する工程と、
（ｂ）ワークピースを、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で、炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｃ）ワークピースを、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｄ）適切ならば、工程（ｂ）及び（ｃ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｅ）ワークピースを冷却する工程と
を含む。
【０００２】
本発明による装置は、２つ以上の浸炭室、少なくとも１つの冷却室及びワークピースのためのラックを操作するための移動システムを備え、各々の浸炭室は１つ以上の真空ゲートバルブ又は断熱ゲートバルブを通じて冷却室に接続されることができ、各浸炭室はラックの置場及びそれに加えて発熱体も有する。
【０００３】
ワークピースは、２８Ｃｒ４（ＡＳＴＭ５１３０による）、１６ＭｎＣｒ５、１８ＣｒＮｉ８及び１８ＣｒＮｉＭｏ７−６などの合金鋼製の、主として金属材料製の機械部品及びギヤ機構、例えば中空ホイール（ｈｏｌｌｏｗ ｗｈｅｅｌ）、ギヤホイール、シャフト又は噴射構成部品である。
【背景技術】
【０００４】
浸炭することによりワークピースを硬化する方法及び装置は、先行技術において知られている。
【０００５】
ＤＥ１０３２２２５５Ａ１は、排気することができる処理室内で、炭素供与体ガスを用いて９３０℃を超える温度で鋼部品を浸炭する方法であって、加熱段階中及び拡散段階中の両方で、アンモニアなどの窒素放出ガスが、処理室中に供給される方法を開示している。
【０００６】
ＤＥ１０３５９５５４Ｂ４には、真空炉中で金属のワークピースを浸炭する方法が記載されている。該方法においては、炉雰囲気は浸炭工程の条件下で開裂して純炭素を放出する炭素キャリアを含む。炭素キャリアはパルス方式で供給され、各浸炭はパルスに次いで拡散のために一時中断される。浸炭パルス中に供給されるべき炭化水素の量は、材料のそのときの容量に適合するように変えられる。その目的で、各浸炭パルスの開始時におけるアセチレンの体積流速は高くしておき、炉雰囲気又はオフガス中の主成分である水素及び／又はアセチレン及び／又は合計炭素の濃度を測定し、それによりアセチレンの体積流速を適切に低下させる。
【０００７】
ＤＥ１０２００６０４８４３４Ａ１は、熱処理炉中の保護ガス又は処理雰囲気中で実施される浸炭方法に関し、該方法においては、アルコール及び二酸化炭素が熱処理炉中に導入されて化学的に反応する。エタノール及び二酸化炭素は、熱処理炉中に導入され、その際、導入されるエタノールと導入される二酸化炭素との比は、好ましくは１：０．９６である。そのような様式で作られる熱処理雰囲気は、金属材料、例えば鉄材料の浸炭する及び浸炭しないアニーリングに特に適している。
【０００８】
ＤＥ１０２００７０３８９９１Ａ１は、ワークピースの熱処理のための、特に金属のワークピースのガス浸炭のための回転炉床炉であって、炉室、炉室と底部で境界をつける回転炉床、炉室を側面で囲む外壁及び炉室と頂部で境界をつける覆い板を備え、炉室が回転板の回転軸に対して放射状に伸びた内壁で少なくとも２つの処理区域にさらに分割されている炉を記載している。ワークピースを処理するために、回転板の回転軸に対して放射状に配向し、ワークピース又はワークピースの搬送体を受け取るように意図された、複数の放射状に装填できるラックが回転板上に配置しており、各内壁はラックに相補形の様式に形成された通路を有し、それを通じてラックは、回転板が円周方向に回転するときに、それぞれの内壁を通じて導かれ得る。
【０００９】
ＤＥ１０２００７０４７０７４Ａ１には、ワークピースが８５０から１０５０℃の範囲内の温度でガス状炭化水素を含む雰囲気中に保たれる、鋼のワークピース、特に外部表面及び内部表面を有するワークピースを浸炭する方法が開示されている。少なくとも２種の異なったガス状炭化水素が使用され、及び／又はワークピースは、浸炭パルスの間は、ガス状炭化水素を含む雰囲気中に、拡散段階の間は炭化水素を含まない雰囲気中に、交互に保たれる。
【００１０】
先行技術で知られている方法は、以下の、
‐ 浸炭によりワークピースを硬化するために必要とされる温度が８５０℃を超え、通常４５分を超える時間が加熱のために必要になる。ワークピースの満足な生産性又は高い処理量を達成するために、浸炭は、装荷ラック中で上下に重ねて積まれた複数の層に配置された多数のワークピースでバッチ方式により達成される。例として、１０枚の網棚を有する装荷ラックには２８Ｃｒ４合金（ＡＳＴＭ５１３０による）製の合計１６０個の中空ホイールが積み込まれ、１０枚の各網棚の上に、１６個の中空ホイールが互いに横に並べて配置される。典型的な装荷材料又は装荷ラックの寸法は、３空間方向の各々に４００ｍｍから２０００ｍｍまでの範囲内である。ここで及び以下の文において、この従来タイプの装荷を「３Ｄ装荷」という用語によっても表す。生産過程において、浸炭は実質的にひと続きの機械加工（いわゆるソフト機械加工）の後に行う。この目的で、準備は緩衝領域でなされ、ソフト機械加工されたワークピースは、そこで、浸炭のための３Ｄ装荷が完了するまで集められる。３Ｄ装荷の浸炭は、加熱炉及び緩衝領域両方のために相当の面積をとる。それに加えて、それは、機械加工の準連続的な流れを中断して、物流のための追加の費用をもたらす。したがって、この目的に適したロボットシステムは技術的及び経済的理由で使用できないので、３Ｄ装荷の緩衝はワークピースの人手による取り扱いが必要になる、
‐ ３Ｄ装荷の浸炭は、ワークピース及びさらに周囲の生産ラインも汚染し得る炭素含有残留物の生成の増加をもたらす、
‐ ３Ｄ装荷で浸炭したワークピースは、一般的に、複雑な再機械加工（いわゆるハード機械加工）が必要になる相当な熱的歪みを経験する、
‐ ３Ｄ装荷で浸炭したワークピースは、浸炭深さ、表面炭素含有率及びコア硬度などの特性に大きい変動を有し、したがって、それにより直接又は間接に影響される特徴的な品質価値、例えば浸炭した部品で構成される機械的ギヤ機構の滑り又は摩擦損失を改善することは不可能である
という不利点の１つ以上を有する。
【発明の概要】
【００１１】
上記の不利点が大きく回避される、ワークピースを硬化する生産性の高い方法を提供することが本発明の目的である。
【００１２】
この目的は、以下の、
（ａ）ワークピースを９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピースの表面の３０から１００％が、加熱装置の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｂ）ワークピースを、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で、炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｃ）ワークピースを、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｄ）適切ならば、工程（ｂ）及び（ｃ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｅ）ワークピースを冷却する工程と
を含む方法により達成される。
【００１３】
本発明による方法の工程（ａ）においては、ワークピースを装置中の１つの層又は１つの列において互いに並べて配置することによりワークピースを加熱する。このタイプの配置は、ここで及び以下の文中で、「２Ｄ装荷」という用語により表される。
【００１４】
さらに、本発明による方法の構成は：
‐ 工程（ａ）において、各々のワークピースを、２つ以上の空間方向から熱放射により加熱すること、
‐ 工程（ａ）において、各々のワークピースの表面付近の区域を、３５から１３５℃／分、好ましくは５０から１１０℃／分、特に５０から７５℃／分の速度で加熱すること、
‐ 工程（ａ）において、各々のワークピースのコアを、１８から１２０℃／分の速度で加熱すること、
‐ 工程（ｅ）において、ワークピースを、８００から５００℃の温度範囲で２から２０ｋＪ・ｋｇ−１・ｓ−１という特定の冷却速度で冷却すること、
‐ 工程（ｂ）において、ワークピースをアセチレン（Ｃ２Ｈ２）及び／又はアンモニア（ＮＨ３）に曝すこと、
‐ 工程（ｅ）において、ワークピースを、ガス、好ましくは窒素で冷却すること、
‐ ワークピースを、２から２０ｂａｒ、好ましくは４から８ｂａｒ、特に５から７ｂａｒの圧力で窒素によって冷却すること、
‐ 工程（ｅ）において、ワークピースの表面を、９００から１２００℃の範囲内の温度から３００℃の温度に、４０から１００秒以内で冷却すること、及び
‐ １個のワークピースを基準として、（ａ）から（ｅ）の工程を実施するためのサイクル時間が、５から１２０秒、好ましくは５から６０秒、特に５から４０秒であること
を特徴とする。
【００１５】
内燃機関用の噴射ノズル又は質量が５０から３００ｇのネジボルトのような小さいワークピース又は構成部品を本発明による方法により硬化するために、約５０から４００個の構成部品を、バスケットとして形成されたラック、又は構成部品を整然と配置するための特製のラック中で１から３層の台の形態で配置する。バスケット中に多数のワークピースが置かれた結果として、各ワークピースについて工程（ａ）から（ｅ）を実施するのに、２０から５秒の範囲内の短いサイクル時間を達成することが可能である。ワークピースのかさ密度は、この場合、各ワークピースの表面の少なくとも３０％が加熱装置の直接熱放射により加熱されるように選択する。
【００１６】
特に、本発明による方法は、以下の、
（ｉ）ワークピースをラック中／上に単層で配置する工程と、
（ｉｉ）ワークピースを載せたラックを冷却室に導入して、１００ｍｂａｒ未満の圧力に排気する工程と、
（ｉｉｉ）ラックを浸炭室中に移動する工程であって、ラックを、適切ならば浸炭室中に導入する前に、一時置場に一時的に保管する工程と、
（ｉｖ）ワークピースを熱放射により９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピースの表面の３０から１００％が浸炭室の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｖ）ワークピースを、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｖｉ）ワークピースを、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｖｉｉ）適切ならば、工程（ｉｖ）及び（ｖ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｖｉｉｉ）ワークピースを載せたラックを冷却室中に移動する工程と、
（ｉｘ）ワークピースを、ガス、好ましくは窒素で冷却する工程と、
（ｘ）ワークピースを載せたラックを冷却室から取り出す工程と
を含む方法により達成される。
【００１７】
上記の方法にしたがってワークピースを硬化する装置を提供することが、本発明のさらなる目的である。
【００１８】
この目的は、２つ以上の浸炭室、少なくとも１つの冷却室及びワークピースのためのラックを操作するための移動システムを備え、冷却室は各浸炭室と１つ以上の真空ゲートバルブを通じて接続することができ、各浸炭室は、ラックのための置場及び少なくとも２つの発熱体を有し、発熱体から発せられた放射が各々のワークピースの表面を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で発熱体が配置される装置、によって達成される。
【００１９】
別の実施形態において、本発明による装置は、２つ以上の浸炭室、少なくとも１つの冷却室、浸炭室および冷却室の間に配置されたロック室、及びワークピースのためのラックを操作するための移動システムを備え、冷却室は真空ゲートバルブを通じてロック室に接続することができ、各浸炭室は断熱ゲートバルブを通じてロック室に接続することができ、各浸炭室は、ラックのための置場及び少なくとも２つの発熱体を有し、発熱体から発せられた放射が各々のワークピースの表面を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で発熱体が配置される装置、を含む。
【００２０】
本発明による装置の発展は、
‐ 断熱ゲートバルブが真空ゲートバルブの形態であり、
‐ 冷却室がワークピースを導入するため及び取り出すために２つの真空ゲートバルブを備え、
‐ 発熱体が表面エミッタの形態であり、
‐ 発熱体がグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、
‐ ラックが格子状の荷台の形態であり、
‐ ラックがグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、及び
‐ 移動システムが、上方及び下方のガイドの付いた垂直に配置されたチェーン駆動部及びチェーン並びにさらに荷台を受けるための水平可動伸縮自在フォークを備え、伸縮自在フォークはギヤ機構を通じてチェーンのうちの一つに連結している
ことを特徴とする。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、改善された性質を有する、特に熱的歪みが減少した硬化されたワークピースを提供することである。歪みが減少するので、再機械加工（いわゆるハード機械加工）のための費用はかなり減少する。
【００２２】
この目的は、上記の方法の１つにより硬化された金属材料製のワークピースにより達成される。
【００２３】
本発明によるワークピースは、
‐ 表面硬化深さ（ＣＨＤ）が、公称値の±０．０５ｍｍ、好ましくは±０．０４ｍｍ、特に±０．０３ｍｍの範囲内にあり、該公称値が０．３から１．４ｍｍである、
‐ 表面炭素含有率が、公称値の±０．０２５重量％、好ましくは±０．０１５重量％、特に±０．０１重量％の範囲内にあり、該公称値が０．６から０．８５重量％である、及び
‐ コア硬度が、公称値の±３０ＨＶ、好ましくは±２０ＨＶの範囲内にあり、該公称値が２８０から４８０ＨＶである
という事実により区別される。
【００２４】
表面硬化深さ（ＣＨＤ）、表面炭素含有率及びコア硬度の公称値からの偏差又は変動の範囲（すなわち、最大測定値と最小測定値との間の差）は、装荷している１から５個のワークピースについての測定により決定される。
【００２５】
ワークピースは、主として、金属材料製の機械部品及びギヤ機構、例えば、２８Ｃｒ４（ＡＳＴＭ５１３０による）、１６ＭｎＣｒ５、１８ＣｒＮｉ８及び１８ＣｒＮｉＭｏ７−６などの合金鋼製の中空ホイール、ギヤホイール、シャフト又は噴射構成部品である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
ここで本発明を、図を参照して、以下により詳細に説明する。
【図１ａ】２つの発熱体とワークピースの配置を示す図である。
【図１ｂ】ワークピースの放射加熱を示す図である。
【図２】ワークピースを置いた荷台を示す図である。
【図３】垂直可動冷却室を有する硬化装置を示す図である。
【図３Ａ】移動室を有する装置を示す図である。
【図４】固定冷却室及び中央ロック室を有する硬化装置を示す図である。
【図５Ａ】中央ロック室を有する装置のための移動システムを示す図である。
【図５Ｂ】中央ロック室を有する装置のための移動システムを示す図である。
【図６】垂直に配置した２つの発熱体の間にある複数のワークピースを示す図である。
【図７】ワークピースの加熱に関する測定データを示す図である。
【図８】ワークピースの硬度プロファイルに関する測定データを示す図である。
【図９】ワークピースのコア硬度に関する測定データを示す図である。
【図１０】ワークピースの表面炭素に関する測定データを示す図である。
【図１１】ワークピースの楕円率に関する測定データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１ａは、２つの発熱体（２１、２２）を有する、ワークピース６を加熱するための配置を示す。ワークピース６は格子状の荷台の形態にあるラック５上に置かれる。発熱体（２１、２２）は、荷台５又はワークピース６に対して、発熱体（２１、２２）が発する放射（図１中で矢印８により表される）が、種々の空間方向からワークピース６の表面上に投射される様式で配置される。発熱体（２１、２２）は、荷台５の両側に、互いに向かい合うように配置されることが好ましい。発熱体（２１、２２）の配置は、各ワークピース６の表面の３０から１００％が直接熱放射８に曝されるように、すなわち、発熱体（２１、２２）の表面と視覚的に直接接するように選択される。本発明の適切な発展において、発熱体（２１、２２）は、ワークピース６に対して、ワークピース６の表面の一点（９、９’）に投射される熱放射８により照らされる平均の立体角が０．５πから２πであるように、形成されて配置される。各ワークピース６の表面の３０から１００％が熱放射８により平均立体角０．５πから２πで照らされるこの構成により、ワークピース６を急速に加熱することが可能になる。図１ｂは、ワークピース６の表面上の点９を照射する２πの大きさの最大立体角Ωを示す斜視図である。図１ａから、ワークピース６の表面の一部の領域が荷台５により覆い隠されて、発熱体（２１、２２）と視覚的な直接接触を有しないことがわかる。ワークピース６の表面が凹面の形態を有する領域にも同じことがいえる。上記の表面領域はワークピース６内の熱伝導により間接的に加熱される。本発明により、各ワークピースの表面の少なくとも３０％が発熱体（２１、２２）の１つと視覚的に直接接触していれば、ワークピース６の急速な加熱が保証される。
【００２８】
発熱体（２１、２２）は、電力で作動する「能動的放射ヒータ」であることが好ましい。しかしながら、本発明は、「受動的放射ヒータ」、例えば、浸炭室内に配置された放射ヒータにより１０００℃を超える、特に１４００℃を超える高温に加熱された浸炭室壁も備える。浸炭室壁は、硬化すべきワークピースの熱容量の数倍の熱容量を有することが好ましい。これは、ワークピースの装填と除去の間に浸炭室の温度が僅かしか低下しないことを保証する。本発明による効果は、放射電熱器によっても、放射ヒータにより加熱された浸炭室壁と同様に達成される。
【００２９】
図２は、格子状の荷台５の上にある、例えばギヤホイールであるワークピース６の本発明による単層配置を示す斜視図である。荷台５の対称横断面７において、及び対称横断面７に対して垂直な面法線７’に関して測定された、格子に対する開放面積の比は、ここで及び以下の文中において開放比と称し、本発明によれば６０％を超え、好ましくは７０％を超え、特に８０％を超える。好都合には、荷台５は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、その結果、高い機械的及び熱的安定性を有する。
【００３０】
図３に模式的に示した本発明による装置１００は、垂直可動冷却室１９０及び互いに上下に垂直に配置した４つの浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）を備える。冷却室１９０及び各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、真空ポンプ又は真空ポンプスタンド（図３には示していない）に接続している。真空ポンプにより、各室（１９０、１１０、１２０、１３０、１４０）は、他室と独立に、１００ｍｂａｒ未満、好ましくは２０ｍｂａｒ未満の圧力に排気することができる。
【００３１】
それに加えて、冷却室１９０は、ヘリウム又は窒素などの冷却ガスのための圧力容器（図３には示していない）に、ガス配管を通して接続している。冷却ガスは、圧力容器中で２から２５ｂａｒの圧力に保たれる。圧力を発生させるために、圧力容器は、コンプレッサ又は高圧ガス供給源に既知の様式で接続している。圧力容器からの冷却室１９０へのガス配管は、調節弁を備える。冷却室１９０に通気又はそれを排気するために、調節弁を閉じる位置に動かして、冷却ガスが圧力容器から冷却室１９０中に流れ込まないようにする。
【００３２】
各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、アセチレンなどの炭素含有ガスのための容器（図３には示していない）に、専用のガス配管を通して接続している。場合により、各々の浸炭室は、窒素含有ガスのためのさらなる容器に接続している。単数又は複数の該容器から浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）へのガス配管は、それぞれの浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に供給されるガス流を精密に制御するために、調節弁、好ましくは質量流量制御器（ＭＦＣ）を備える。
【００３３】
さらに、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、２つの発熱体（２１、２２）及び荷台５のための置場又は支え（図３には示していない）も備える。発熱体（２１、２２）は、電気的に作動し、好ましくは広大な形態を有し、グラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）などの材料からなる。特に、発熱体（２１、２２）は、曲がりくねった大面積のヒータの形態にある（図６参照）。
【００３４】
冷却室１９０は、２つの対向する端に第１及び第２の真空ゲートバルブ１９１及び１９２を備える。真空ゲートバルブ１９１及び／又は１９２が開いているときは、ワークピース６を載せた荷台５を、冷却室１９０中に導入し又はそこから取り出すことができる。荷台５を移動又は操作するために、冷却室１９０は、特にプログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）と連結した、自動化された移動システム１５３を備える。冷却室１９０は、垂直リフト装置１６０の支持台上に取り付けられる。リフト装置１６０により、冷却室１９０は、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の前に位置することができる。各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、真空ゲートバルブ（１１１、１２１、１３１、１４１）を備える。冷却室１９０及び浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、冷却室１９０が浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）のうちの１つの前に位置するときに、それらが、真空気密様式で互いに接続し得る様式で設計されている。そのような連結に適した真空構成部品（図３には示していない）は、当業者に知られており、市販もされている。図３は、例として、冷却室１９０と浸炭室１２０との間の真空気密連結を示す。この場合、冷却室１９０及び浸炭室１２０の真空ゲートバルブ１９２及び１２１を、これらの室のうちの１つの真空が破られることなく、同時に開くことができる。それ故、本発明による真空技法を用いる室（１９０、１１０、１２０、１３０、１４０）の構成により、ワークピース６を載せた荷台５を、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）と冷却室１９０との間で、真空を破らずに、後方及び前方へ移動することが可能になる。
【００３５】
図３Ａは、冷却室１９５及び移動室１９６を備える、本発明による装置の有利な態様１００Ａを示す。移動室１９６は、冷却室１９５の、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に向かい合う側に取り付けられており、水平移動システム１５４を受け取る役目を果たす。移動室１９６中に配置されているので、移動システム１５４は、冷却室１９５が作動状態であるかにかかわりなく、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の１つに、ワークピース６を載せた荷台５を装荷するのに利用できる。移動システム１５４は、両方向に水平移動可能であり、それ故、荷台５は、冷却室１９５と各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）との間を移動することができる。それに加えて、「新しい（fresh）」ワークピース６、すなわち硬化すべきワークピース６、を載せた荷台５を待機させるための置場（図３Ａには示していない）が、装置１００Ａにおいて一番上の浸炭室１４０の上に設けられる。真空気密分離のために、真空ゲートバルブ１９７が、冷却室１９５と移動室１９６との間に配置されている。移動室１９６は、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に向かい合う端部に開口部を有し、その端部は、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に真空気密様式で接続することができる。そのために、開口部の縁は円周の真空シール１９８を備える。例えばゴムからなる真空シール１９８は、移動室１９６を浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の１つにドッキングする役目を果たす。移動室１９６は、冷却室１９５及び各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）と同様に、専用の真空ポンプ（図３Ａには示していない）又は真空ポンプスタンドに接続している。したがって、移動室１９６は、冷却室１９５と浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）との間の真空封止として使用することができる。リフト装置１６０により、移動室１９６は、冷却室１９５と一緒に垂直方向に移動して、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の前に位置することができる。浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）にドッキングするために、移動室１９６及び冷却室１９５は、水平に配置した直線駆動機構（図３Ａには示していない）上に取り付けられている。水平直線駆動機構は、垂直リフト装置１６０の支持台上にその一部が取り付けられている。移動室１９６を備える上記の態様１００Ａは、ＡＬＤ Ｖａｃｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＧからのＭｏｄｕｌＴｈｅｒｍタイプの設備の概念に対応する。
【００３６】
各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、電気的に加熱できる。加熱は、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の底面側及び上面側にいずれの場合にも互いに向かい合うように配置された、広大な形態を有する２つの電気的に作動する発熱体（２１、２２）によりもたらされることが好ましい。浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の壁は金属材料、特に鋼からなり、適切ならば二重壁形態を有し、水などの冷却流体のための配管を備える。浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の壁の室の内部に面する側には、グラファイトフェルトなどの断熱材料が張られている（図３には示していない）。本発明の特に好ましい態様において、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の壁は、内側に、鋼又はグラファイトなどの蓄熱材料をさらに装備している。断熱材料に対する蓄熱材料の厚さの比又は質量比（例えば、グラファイトフェルトの質量占有率（ｋｇ／ｍ２）に対するグラファイトの質量占有率（ｋｇ／ｍ２））を適当に選択することにより、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の熱容量及び熱エネルギー損失を指定した値に適合させることができる。その結果、熱容量の大きい厚いグラファイト板を使用することにより、ワークピース６を浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に導入したりそこから取り出したりする間の温度低下を減少させることが可能である。これにより、加熱時間を短縮して装置の処理能力又は生産性を増加させることが可能になる。そのように蓄熱内張りを備えた浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、ワークピース６及び／又は周囲環境に放射された「エネルギー損失」が、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）中で任意の望ましい位置に配置された電熱器により供給される、空洞熱放射体の様式で作動することができる。この態様において、ワークピース６は、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の「受動的」内張りが発する放射により加熱される。
【００３７】
図４は、互いに垂直に配置する４つの浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）に、ロック室２８０を通じて接続する固定冷却室２９０を備える特に好ましい装置２００を示す。冷却室２９０は、ワークピース６を載せた荷台５を導入し、取り出すための第１及び第２のロック２９１及び２９２を備える。垂直可動支持台２５０の付いたリフト装置２６０がロック室２９０中に備えられる。水平の両方向に移動可能な自動移動システム２５３が支持台２５０に取り付けられている。移動システム２５３と連結している垂直リフト装置２６０は、ワークピース６を載せた荷台５を、冷却室２９０と浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）との間で移動する役目を果たす。
【００３８】
ロック室２８０及び冷却室２９０は、真空ポンプ又は真空ポンプスタンド（図４に示していない）に接続していて、互いに独立に１００ｍｂａｒ未満の圧力に排気することができる。場合により、それに加えて、各々の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、真空ポンプ又は真空ポンプスタンドに接続していて、他室と独立に排気することができる。図３に示した装置１００に類似して、冷却室２９０は、冷却ガス、例えばヘリウム又は窒素のための圧力容器に接続しており、各々の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、アセチレンなどの炭素含有ガスのための容器及び／又は窒素含有ガスのための容器に接続している。
【００３９】
各々の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、可動ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）を備え、それは、主として、熱の閉じ込めのため、及び浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）中の熱エネルギー保存のために役立つ。断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）は、ワークピースを浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）中に導入し及びそこから取り出すためにのみ開かれる。場合により、断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）は、浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）をロック室２８０に対して真空気密様式で閉鎖することができるように、真空ゲートバルブの形態にすることもできる。
【００４０】
図３に示した装置１００に類似して、装置２００の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、グラファイトなどの蓄熱材料、及びグラファイトフェルトなどの断熱材料の多層張りを備える。
【００４１】
装置２００の適切な発展においては、ロック室２８０は荷台５のための置場を備え、それにより、ワークピース６を載せた荷台５を、浸炭室が空になり開放されたら直ぐにそれを浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）のうちの一つに装填するべく用意しておくために、「待機」させることが可能になる。この「一時置場」は、浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）の垂直上方に配置することが好ましい。この一時置場により、荷台を浸炭するためのサイクル時間を減少させることができ、それ故、装置２００で達成し得る処理能力又は生産性を向上することができる。
【００４２】
図３及び４に示した装置１００及び２００は、組み立てユニットの設計を有し、それ故、生産性を向上させるために、さらに浸炭室を追加することが可能である。下に挙げたリスト：
‐ 荷台の冷却室中への導入、
‐ 冷却室のポンプによる排気、
‐ 空の浸炭室中への移動、
場合により一時置場における一時保管、
‐ 浸炭及び拡散、
‐ 冷却室中への移動、
‐ 冷却、
‐ 冷却室から荷台の取り出し、
の個々の方法の工程の期間に応じて、図３及び４に示した４室でなく６室の浸炭室を使用することが適切であることが分かるだろう。それと反対に、要求される生産能力が低ければ、初期投資のコストを低減させるために２室又は３室の浸炭室だけ使用することも可能である。
【００４３】
図５Ａ〜５Ｂに、図４に描いたロック室２８０を備える装置２００のための、本発明による好ましい移動装置（２６０、２５３）の模式的正面図及び側面図を示す。
【００４４】
移動システム（２６０、２５３）は、上方及び下方のガイド（２６１、２６３、２６１’、２６３’）及びチェーン（２６２、２６２’）の付いた２つの垂直に配置したチェーン駆動部を備える。チェーン２６２’は、水平なプラットホーム２５４に接続している。プラットホーム２５４は、１つ又は２つの垂直な支え２６５に沿って動かされる。荷台５を受け取るための水平可動伸縮自在フォーク（２５５、２５６）は、プラットホーム２５４の上に取り付けられている。伸縮自在フォーク（２５５、２５６）は、チェーン２６２に連結しているギヤ機構２５１により駆動される。チェーン２６２とギヤ機構２５１との間の連結は、複数のガイドによりもたらされる。
【００４５】
好ましくは、ギヤホイールであるガイド２６３及び２６３’は、シャフト２６４を通じてロック室２８０の外側に配置されたモータ（図５Ａ〜５Ｂに示していない）に連結している。シャフト２６４を通すために、ロック室２８０の壁には真空気密回転貫通部が設けられている。プラットホーム２５４を垂直に動かすために、チェーン駆動部（２６１、２６２、２６３）及び（２６１’、２６２’、２６３’）を同期させて作動し、その結果、チェーン２６２とギヤ機構２５１との間の設定は不変のままであり且つ伸縮自在フォーク（２５５、２５６）はその水平な姿勢を維持する。これで伸縮自在フォーク（２５５、２５６）と浸炭室などの装置２００の他の部品との衝突が防止される。プラットホーム２５４が固定された垂直な位置にあれば、チェーン２６２はギヤホイール２６３を通じて駆動し、シャフト２６４はロック室２８０の外側に配置されたモータにより作動するので、伸縮自在フォーク（２５５、２５６）は水平に動く。
【００４６】
図６は、ワークピース６１、例えばギヤシャフトが、垂直な層又列で浸炭室中の発熱体２１と２２との間に配置されている、本発明のさらなる態様の部分斜視図を示す。ワークピース６１は、それらの位置にラック（図６に示していない）により保たれる。この場合、ラックは、支持ブラケットを有する枠の形態又はラックに載せるためのスパイク若しくはシャフトを押し込むための穴などの機械的保持装置を有する支持板の形態にある。図６による垂直な配置をしている、ワークピースを硬化するための本発明による装置は、図３及び４に示した装置に類似して設計され、それらとは、浸炭室が垂直に上下ではなくて互いに水平な方向に並んで配置されているという点でのみ異なる。このことにより、冷却室は、水平に可動であるように配置され、ロック室及び移動装置は水平に配置される。本発明は、図３及び４に示したような、ワークピースの水平な取り付け（例えば、荷台上で）、及び図６に示したような垂直な取り付け又は懸垂を両方とも包含する。これらの態様は両方とも、ワークピースが１層又は１列に、すなわち加熱装置中に２Ｄ装荷様式で配置され、その結果各ワークピースの表面の３０から１００％が加熱装置により発せられる熱放射に直接曝されるという、本発明に必須の共通の特徴を有する。
【００４７】
図６に示した発熱体（２１、２２）は、グラファイト又はＣＦＣ製の曲がりくねった大面積のヒータの形態である。このタイプの大面積ヒータ（２１、２２）は、先行技術において知られており、種々のメーカーから市販されている。
【００４８】
本発明の発展において、冷却室は、機械的な固定装置及び／又は冷却ガスのためのフローガイド（flow guide）機構を備える。固定装置は、ワークピースの形状に適合して、本発明によるこの場合には、冷却室中で冷却すべきワークピースの上に配置されている。ガス導入の開始前に、ワークピースを載せた荷台を固定装置に対して下から決められた力で押すか、又はガス導入の開始前に固定装置をワークピースに対して上から決められた力で押すかのいずれかを行う。固定装置の助けで、冷却後のワークピースの平面性はかなり改善され、それ故、ワークピースの歪みはかなり減少する。
【００４９】
それに加えて、冷却室は、ワークピースを低歪みで冷却するために、フローガイド機構を備えることができる。この場合、このガイド機構は、冷却室中で、冷却すべきワークピースの上に配置されて、ガスが構成部品上に高い局所速度で投射され、それに加えて、冷却が非常に均一にもたらされるような様式で形成される。可能な最も均一な冷却をもたらすために、この場合は、構成部品の壁厚の大きい区域を高い流速に曝し、構成部品の壁厚の小さい区域を低い流速に曝す。さらに、ワークピースに冷却ガスを上と横の両方から系統的に当てるように、ガイド機構を「３次元的に」設計することが可能である。この目的のためには、ガス導入の開始前に、ワークピースを下から持ち上げてガイド機構中に入れなければならいか、又はガイド機構を上からワークピース上に降ろさなければならないかのいずれかである。
【００５０】
フローガイド機構の助けで、ワークピースの冷却速度はかなり増加する。これで、合金化不十分な材料で作製されたワークピースを硬化することが可能になる。それに加えて、急冷をより低いガス圧で実施することができるので、ガス消費コストが減少する。さらに、冷却がより均一にもたらされる結果、ワークピースに生じる応力が小さくなるため、ワークピースの歪みがかなり減少する。
【００５１】
本発明による単層熱処理（２Ｄ装荷）であるという理由だけで、固定装置及び／又はフローガイド機構を使用することが可能になる。多層３Ｄ装荷を用いる先行技術では、これらの選択肢を使用することは可能でない。
【００５２】
温度及び炭素含有率を測定する方法
当業者は、金属のワークピースの温度を測定する方法に精通している。本発明の関係では、ワークピース表面の温度は、熱電対、高温計及び熱撮像カメラにより測定した。各熱電対は、熱電対の全センサ面積がワークピース表面と接触するようにワークピースにワイヤで固定した。センサとワークピースとを良好に接触させるために、構成部品表面に小さい溝を作る。熱電対及びさらに固定ワイヤも、熱容量はワークピースに比較して無視し得る。
【００５３】
ワークピースのコアの温度も熱電対によって同様に測定した。この目的で、０．５から１．５ｍｍの直径を有する盲穴を、測定すべきワークピースの位置に穿孔して、熱電対を盲穴に挿入した。ワークピースのコアの温度を使用して、具体的な冷却速度を［ｋＪ・ｋｇ−１・ｓ−１］の単位で決定する。この目的で、ワークピースの測定温度Ｔと比熱容量Ｃ（単位ｋＪ・ｋｇ−１・Ｋ−１）との積を、８００から５００℃の範囲で、以下の関係式、
【数１】
により積分し、冷却するのに要する時間で除す。鋼の場合、比熱容量は、８００℃の温度において約０．８ｋＪ・ｋｇ−１・Ｋ−１であり、７３５℃付近の狭い温度範囲においてこの値の倍に増大する。
【００５４】
ワークピースと一緒に硬化装置中に、すなわち冷却室中及び浸炭室中の両方に導入した熱電対からのシグナルを、可搬式の断熱電子測定値検出器（「Ｆｕｒｎａｃｅ Ｔｒａｃｋｅｒ」）により記録した。
【００５５】
該熱電対を、浸炭室中におけるワークピースの加熱中及びさらに冷却室中における冷却中の温度プロファイルを決定するために使用した。
【００５６】
表面炭素含有率を決定するために、ワークピース表面を１０°という小さい角度で約１０００μｍの深さまで研削し、研削した表面を、注意深く清浄化した後、光学的分光分析、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、さらに電子プローブミクロ分析（ＥＰＭＡ）により、１０μｍ未満の位置分解能、すなわち３．５μｍ（＝１０μｍ×ｓｉｎ（１０°））未満の深さ分解能で測定した。ＳＩＭＳにより炭素について達成される化学的検出限界は、１ｐｐｍ未満の領域内である。
【実施例】
【００５７】
例１：
２０ＭｏＣｒ４の材料で作製された、外径５４ｍｍ、内径３０ｍｍ及び高さ３５ｍｍの太陽歯車を使用して、各８個で５列、すなわち４０個で全重量１２．５ｋｇの１層での本発明による２Ｄ装荷、及び各８個の各５列で８層、すなわち３２０個で全重量１００ｋｇの３Ｄ装荷にまとめた。１層用の装填ラックとして、ＣＦＣ製で４５０ｍｍ×６００ｍｍの寸法を有する構造的に同一の網状格子を、２Ｄ装荷及び３Ｄ装荷両方のために使用した。
【００５８】
硬化工程の結果について、以下の目標値を予め規定した：
‐ ６１０ＨＶの限界硬度を有する０．３から０．５ｍｍの表面硬化深さ、
‐ 端面における６７０ＨＶの表面硬度、及び
‐ 歯底円における歯の中心において２８０ＨＶ１０を超えるコア硬度。
【００５９】
図７は、本発明（２Ｄ装荷、単層）及び従来法（３Ｄ装荷、多層）により硬化したワークピースの温度プロファイルの比較を示す。温度は、両方の場合ともに、それぞれの装荷の中央及び端部に位置したワークピースに取り付けた複数の熱電対により測定する。熱電対により測定したデータは、Ｆｕｒｎａｃｅ Ｔｒａｃｋｅｒにより記録した。本発明による２Ｄ装荷の場合、温度は急速に上昇し、装荷の中央に位置するワークピースと装荷の端部に位置するワークピースとの間で、温度プロファイルにおける識別できる差はない。それと対照的に、３Ｄ装荷の場合には、装荷の中央に位置するワークピースの温度プロファイルは、装荷の端部に位置するワークピースの温度プロファイルとかなり異なる。それに加えて、２Ｄ装荷におけるワークピースの温度は、３Ｄ装荷の端部におけるワークピースの温度より急速に上昇する。この差は、３Ｄ装荷の外側に置かれたワークピースが内側に置かれたワークピースに対して、放出し又は取られた放射エネルギーの結果である。３Ｄ装荷における全てのワークピース、特に内側に置かれたワークピースを１０５０℃という温度に加熱するためには、約１３０分という時間が必要になる。対照的に、２Ｄ装荷の場合に要する加熱は約１５分である。
【００６０】
図８は、ワークピースの表面からの距離の関数としての硬度のプロファイルを示す。測定曲線を参照して、表面硬化深さ（ＣＨＤ）を見ることが可能である。ＣＨＤは、ＤＩＮ ＩＳＯ２６３９（２００２）にしたがって決定される。この目的のために、試験すべき構成部品を、熱の発生を避けて、表面と垂直に切断して分離する。表面からの距離が増したところで、次にビッカース硬度ＨＶ１を、一般的に９．８Ｎの試験負荷で測定する。表面から硬度が限界硬度（Ｈｓ、この場合には６１０ＨＶ１）に相当する点までの距離をＣＨＤと称する。
【００６１】
ＣＨＤ値の変動（最大測定値と最小測定値との間の差）は２Ｄ装荷において約０．０６ｍｍであり、３Ｄ装荷の変動である約０．１２ｍｍよりも有意に小さいことが、図８からわかる。
【００６２】
図９は、コア硬度についての測定値の比較を示す。コア硬度を決定するために、硬化されたワークピース（ここでは、上記の太陽歯車）を、熱の発生を避けて、対称軸に対して垂直に切断分離する。分離された表面を研磨して磨く。次に、ビッカース硬度［ＨＶ１０］は歯根（＝歯元隅肉部間の中央）のコアで決定される。この測定は、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１（金属材料−ビッカース硬度試験−第１部：試験方法ＩＳＯ６５０７−１：２００５、ドイツ版ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１：２００５）にしたがって行う。図９から、２Ｄ装荷におけるコア硬度の変動は、３Ｄ装荷におけるよりも有意に小さいことを見ることができる。
【００６３】
図１０は、本発明による２Ｄ装荷と従来法で浸炭した３Ｄ装荷の表面炭素含有率の変動の比較を示す。表面炭素含有率は、研磨した表面で、上記のように、分光分析、ＳＩＭＳ及びＥＰＭＡによる炭素シグナルを、深さ範囲０から１００μｍにわたって積分することにより決定した。
【００６４】
例２：
２８Ｃｒ４の材料で作製した、外径１４０ｍｍ、高さ２８ｍｍ及び９８歯の中空ホイールを使用して、８個の１層で全重量６．５ｋｇの本発明による２Ｄ装荷、及び各８個の１０層、すなわち８０個で全重量が６５ｋｇの３Ｄ装荷にまとめた。２Ｄ装荷及び３Ｄ装荷両方のために、１層のための装填ラックとして、ＣＦＣ製の４５０ｍｍ×６００ｍｍの寸法を有する構造的に同一の網状格子を使用した。
【００６５】
図１１は、２Ｄ装荷による８個の中空ホイール及び３Ｄ装荷による８個の中空ホイールの熱的歪み又は楕円率における変化についての測定結果を示す。この点において、２Ｄ装荷の８個の中空ホイール及び３Ｄ装荷の８個の中空ホイールの位置は、２Ｄ装荷及び３Ｄ装荷の面積又は体積全体にわたって均一に分布させた。楕円率は、浸炭の前及び後に、中空ホイールの外円周で３Ｄ座標測定系により測定し、浸炭の前と後で楕円率の値における差が生じた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースを硬化する方法、該方法を実施するための装置及び該方法により硬化されたワークピースに関する。本発明による方法は、以下の、
（ａ）ワークピースを９５０から１２００℃の温度に加熱する工程と、
（ｂ）ワークピースを、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で、炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｃ）ワークピースを、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｄ）適切ならば、工程（ｂ）及び（ｃ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｅ）ワークピースを冷却する工程と
を含む。
【０００２】
本発明による装置は、２つ以上の浸炭室、少なくとも１つの冷却室及びワークピースのためのラックを操作するための移動システムを備え、各々の浸炭室は１つ以上の真空ゲートバルブ又は断熱ゲートバルブを通じて冷却室に接続されることができ、各浸炭室はラックの置場及びそれに加えて発熱体も有する。
【０００３】
ワークピースは、２８Ｃｒ４（ＡＳＴＭ５１３０による）、１６ＭｎＣｒ５、１８ＣｒＮｉ８及び１８ＣｒＮｉＭｏ７−６などの合金鋼製の、主として金属材料製の機械部品及びギヤ機構、例えば中空ホイール（ｈｏｌｌｏｗ ｗｈｅｅｌ）、ギヤホイール、シャフト又は噴射構成部品である。
【背景技術】
【０００４】
浸炭することによりワークピースを硬化する方法及び装置は、先行技術において知られている。
【０００５】
ＤＥ１０３２２２５５Ａ１は、排気することができる処理室内で、炭素供与体ガスを用いて９３０℃を超える温度で鋼部品を浸炭する方法であって、加熱段階中及び拡散段階中の両方で、アンモニアなどの窒素放出ガスが、処理室中に供給される方法を開示している。
【０００６】
ＤＥ１０３５９５５４Ｂ４には、真空炉中で金属のワークピースを浸炭する方法が記載されている。該方法においては、炉雰囲気は浸炭工程の条件下で開裂して純炭素を放出する炭素キャリアを含む。炭素キャリアはパルス方式で供給され、各浸炭はパルスに次いで拡散のために一時中断される。浸炭パルス中に供給されるべき炭化水素の量は、材料のそのときの容量に適合するように変えられる。その目的で、各浸炭パルスの開始時におけるアセチレンの体積流速は高くしておき、炉雰囲気又はオフガス中の主成分である水素及び／又はアセチレン及び／又は合計炭素の濃度を測定し、それによりアセチレンの体積流速を適切に低下させる。
【０００７】
ＤＥ１０２００６０４８４３４Ａ１は、熱処理炉中の保護ガス又は処理雰囲気中で実施される浸炭方法に関し、該方法においては、アルコール及び二酸化炭素が熱処理炉中に導入されて化学的に反応する。エタノール及び二酸化炭素は、熱処理炉中に導入され、その際、導入されるエタノールと導入される二酸化炭素との比は、好ましくは１：０．９６である。そのような様式で作られる熱処理雰囲気は、金属材料、例えば鉄材料の浸炭する及び浸炭しないアニーリングに特に適している。
【０００８】
ＤＥ１０２００７０３８９９１Ａ１は、ワークピースの熱処理のための、特に金属のワークピースのガス浸炭のための回転炉床炉であって、炉室、炉室と底部で境界をつける回転炉床、炉室を側面で囲む外壁及び炉室と頂部で境界をつける覆い板を備え、炉室が回転板の回転軸に対して放射状に伸びた内壁で少なくとも２つの処理区域にさらに分割されている炉を記載している。ワークピースを処理するために、回転板の回転軸に対して放射状に配向し、ワークピース又はワークピースの搬送体を受け取るように意図された、複数の放射状に装填できるラックが回転板上に配置しており、各内壁はラックに相補形の様式に形成された通路を有し、それを通じてラックは、回転板が円周方向に回転するときに、それぞれの内壁を通じて導かれ得る。
【０００９】
ＤＥ１０２００７０４７０７４Ａ１には、ワークピースが８５０から１０５０℃の範囲内の温度でガス状炭化水素を含む雰囲気中に保たれる、鋼のワークピース、特に外部表面及び内部表面を有するワークピースを浸炭する方法が開示されている。少なくとも２種の異なったガス状炭化水素が使用され、及び／又はワークピースは、浸炭パルスの間は、ガス状炭化水素を含む雰囲気中に、拡散段階の間は炭化水素を含まない雰囲気中に、交互に保たれる。
【００１０】
先行技術で知られている方法は、以下の、
‐ 浸炭によりワークピースを硬化するために必要とされる温度が８５０℃を超え、通常４５分を超える時間が加熱のために必要になる。ワークピースの満足な生産性又は高い処理量を達成するために、浸炭は、装荷ラック中で上下に重ねて積まれた複数の層に配置された多数のワークピースでバッチ方式により達成される。例として、１０枚の網棚を有する装荷ラックには２８Ｃｒ４合金（ＡＳＴＭ５１３０による）製の合計１６０個の中空ホイールが積み込まれ、１０枚の各網棚の上に、１６個の中空ホイールが互いに横に並べて配置される。典型的な装荷材料又は装荷ラックの寸法は、３空間方向の各々に４００ｍｍから２０００ｍｍまでの範囲内である。ここで及び以下の文において、この従来タイプの装荷を「３Ｄ装荷」という用語によっても表す。生産過程において、浸炭は実質的にひと続きの機械加工（いわゆるソフト機械加工）の後に行う。この目的で、準備は緩衝領域でなされ、ソフト機械加工されたワークピースは、そこで、浸炭のための３Ｄ装荷が完了するまで集められる。３Ｄ装荷の浸炭は、加熱炉及び緩衝領域両方のために相当の面積をとる。それに加えて、それは、機械加工の準連続的な流れを中断して、物流のための追加の費用をもたらす。したがって、この目的に適したロボットシステムは技術的及び経済的理由で使用できないので、３Ｄ装荷の緩衝はワークピースの人手による取り扱いが必要になる、
‐ ３Ｄ装荷の浸炭は、ワークピース及びさらに周囲の生産ラインも汚染し得る炭素含有残留物の生成の増加をもたらす、
‐ ３Ｄ装荷で浸炭したワークピースは、一般的に、複雑な再機械加工（いわゆるハード機械加工）が必要になる相当な熱的歪みを経験する、
‐ ３Ｄ装荷で浸炭したワークピースは、浸炭深さ、表面炭素含有率及びコア硬度などの特性に大きい変動を有し、したがって、それにより直接又は間接に影響される特徴的な品質価値、例えば浸炭した部品で構成される機械的ギヤ機構の滑り又は摩擦損失を改善することは不可能である
という不利点の１つ以上を有する。
【発明の概要】
【００１１】
上記の不利点が大きく回避される、ワークピースを硬化する生産性の高い方法を提供することが本発明の目的である。
【００１２】
この目的は、以下の、
（ａ）ワークピースを９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピースの表面の３０から１００％が、加熱装置の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｂ）ワークピースを、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で、炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｃ）ワークピースを、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｄ）適切ならば、工程（ｂ）及び（ｃ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｅ）ワークピースを冷却する工程と
を含む方法により達成される。
【００１３】
本発明による方法の工程（ａ）においては、ワークピースを装置中の１つの層又は１つの列において互いに並べて配置することによりワークピースを加熱する。このタイプの配置は、ここで及び以下の文中で、「２Ｄ装荷」という用語により表される。
【００１４】
さらに、本発明による方法の構成は：
‐ 工程（ａ）において、各々のワークピースを、２つ以上の空間方向から熱放射により加熱すること、
‐ 工程（ａ）において、各々のワークピースの表面付近の区域を、３５から１３５℃／分、好ましくは５０から１１０℃／分、特に５０から７５℃／分の速度で加熱すること、
‐ 工程（ａ）において、各々のワークピースのコアを、１８から１２０℃／分の速度で加熱すること、
‐ 工程（ｅ）において、ワークピースを、８００から５００℃の温度範囲で２から２０ｋＪ・ｋｇ−１・ｓ−１という特定の冷却速度で冷却すること、
‐ 工程（ｂ）において、ワークピースをアセチレン（Ｃ２Ｈ２）及び／又はアンモニア（ＮＨ３）に曝すこと、
‐ 工程（ｅ）において、ワークピースを、ガス、好ましくは窒素で冷却すること、
‐ ワークピースを、２から２０ｂａｒ、好ましくは４から８ｂａｒ、特に５から７ｂａｒの圧力で窒素によって冷却すること、
‐ 工程（ｅ）において、ワークピースの表面を、９００から１２００℃の範囲内の温度から３００℃の温度に、４０から１００秒以内で冷却すること、及び
‐ １個のワークピースを基準として、（ａ）から（ｅ）の工程を実施するためのサイクル時間が、５から１２０秒、好ましくは５から６０秒、特に５から４０秒であること
を特徴とする。
【００１５】
内燃機関用の噴射ノズル又は質量が５０から３００ｇのネジボルトのような小さいワークピース又は構成部品を本発明による方法により硬化するために、約５０から４００個の構成部品を、バスケットとして形成されたラック、又は構成部品を整然と配置するための特製のラック中で１から３層の台の形態で配置する。バスケット中に多数のワークピースが置かれた結果として、各ワークピースについて工程（ａ）から（ｅ）を実施するのに、２０から５秒の範囲内の短いサイクル時間を達成することが可能である。ワークピースのかさ密度は、この場合、各ワークピースの表面の少なくとも３０％が加熱装置の直接熱放射により加熱されるように選択する。
【００１６】
特に、本発明による方法は、以下の、
（ｉ）ワークピースをラック中／上に単層で配置する工程と、
（ｉｉ）ワークピースを載せたラックを冷却室に導入して、１００ｍｂａｒ未満の圧力に排気する工程と、
（ｉｉｉ）ラックを浸炭室中に移動する工程であって、ラックを、適切ならば浸炭室中に導入する前に、一時置場に一時的に保管する工程と、
（ｉｖ）ワークピースを熱放射により９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピースの表面の３０から１００％が浸炭室の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｖ）ワークピースを、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｖｉ）ワークピースを、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｖｉｉ）適切ならば、工程（ｉｖ）及び（ｖ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｖｉｉｉ）ワークピースを載せたラックを冷却室中に移動する工程と、
（ｉｘ）ワークピースを、ガス、好ましくは窒素で冷却する工程と、
（ｘ）ワークピースを載せたラックを冷却室から取り出す工程と
を含む方法により達成される。
【００１７】
上記の方法にしたがってワークピースを硬化する装置を提供することが、本発明のさらなる目的である。
【００１８】
この目的は、２つ以上の浸炭室、少なくとも１つの冷却室及びワークピースのためのラックを操作するための移動システムを備え、冷却室は各浸炭室と１つ以上の真空ゲートバルブを通じて接続することができ、各浸炭室は、ラックのための置場及び少なくとも２つの発熱体を有し、発熱体から発せられた放射が各々のワークピースの表面を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で発熱体が配置される装置、によって達成される。
【００１９】
別の実施形態において、本発明による装置は、２つ以上の浸炭室、少なくとも１つの冷却室、浸炭室および冷却室の間に配置されたロック室、及びワークピースのためのラックを操作するための移動システムを備え、冷却室は真空ゲートバルブを通じてロック室に接続することができ、各浸炭室は断熱ゲートバルブを通じてロック室に接続することができ、各浸炭室は、ラックのための置場及び少なくとも２つの発熱体を有し、発熱体から発せられた放射が各々のワークピースの表面を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で発熱体が配置される装置、を含む。
【００２０】
本発明による装置の発展は、
‐ 断熱ゲートバルブが真空ゲートバルブの形態であり、
‐ 冷却室がワークピースを導入するため及び取り出すために２つの真空ゲートバルブを備え、
‐ 発熱体が表面エミッタの形態であり、
‐ 発熱体がグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、
‐ ラックが格子状の荷台の形態であり、
‐ ラックがグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、及び
‐ 移動システムが、上方及び下方のガイドの付いた垂直に配置されたチェーン駆動部及びチェーン並びにさらに荷台を受けるための水平可動伸縮自在フォークを備え、伸縮自在フォークはギヤ機構を通じてチェーンのうちの一つに連結している
ことを特徴とする。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、改善された性質を有する、特に熱的歪みが減少した硬化されたワークピースを提供することである。歪みが減少するので、再機械加工（いわゆるハード機械加工）のための費用はかなり減少する。
【００２２】
この目的は、上記の方法の１つにより硬化された金属材料製のワークピースにより達成される。
【００２３】
本発明によるワークピースは、
‐ 表面硬化深さ（ＣＨＤ）が、公称値の±０．０５ｍｍ、好ましくは±０．０４ｍｍ、特に±０．０３ｍｍの範囲内にあり、該公称値が０．３から１．４ｍｍである、
‐ 表面炭素含有率が、公称値の±０．０２５重量％、好ましくは±０．０１５重量％、特に±０．０１重量％の範囲内にあり、該公称値が０．６から０．８５重量％である、及び
‐ コア硬度が、公称値の±３０ＨＶ、好ましくは±２０ＨＶの範囲内にあり、該公称値が２８０から４８０ＨＶである
という事実により区別される。
【００２４】
表面硬化深さ（ＣＨＤ）、表面炭素含有率及びコア硬度の公称値からの偏差又は変動の範囲（すなわち、最大測定値と最小測定値との間の差）は、装荷している１から５個のワークピースについての測定により決定される。
【００２５】
ワークピースは、主として、金属材料製の機械部品及びギヤ機構、例えば、２８Ｃｒ４（ＡＳＴＭ５１３０による）、１６ＭｎＣｒ５、１８ＣｒＮｉ８及び１８ＣｒＮｉＭｏ７−６などの合金鋼製の中空ホイール、ギヤホイール、シャフト又は噴射構成部品である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
ここで本発明を、図を参照して、以下により詳細に説明する。
【図１ａ】２つの発熱体とワークピースの配置を示す図である。
【図１ｂ】ワークピースの放射加熱を示す図である。
【図２】ワークピースを置いた荷台を示す図である。
【図３】垂直可動冷却室を有する硬化装置を示す図である。
【図３Ａ】移動室を有する装置を示す図である。
【図４】固定冷却室及び中央ロック室を有する硬化装置を示す図である。
【図５Ａ】中央ロック室を有する装置のための移動システムを示す図である。
【図５Ｂ】中央ロック室を有する装置のための移動システムを示す図である。
【図６】垂直に配置した２つの発熱体の間にある複数のワークピースを示す図である。
【図７】ワークピースの加熱に関する測定データを示す図である。
【図８】ワークピースの硬度プロファイルに関する測定データを示す図である。
【図９】ワークピースのコア硬度に関する測定データを示す図である。
【図１０】ワークピースの表面炭素に関する測定データを示す図である。
【図１１】ワークピースの楕円率に関する測定データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１ａは、２つの発熱体（２１、２２）を有する、ワークピース６を加熱するための配置を示す。ワークピース６は格子状の荷台の形態にあるラック５上に置かれる。発熱体（２１、２２）は、荷台５又はワークピース６に対して、発熱体（２１、２２）が発する放射（図１中で矢印８により表される）が、種々の空間方向からワークピース６の表面上に投射される様式で配置される。発熱体（２１、２２）は、荷台５の両側に、互いに向かい合うように配置されることが好ましい。発熱体（２１、２２）の配置は、各ワークピース６の表面の３０から１００％が直接熱放射８に曝されるように、すなわち、発熱体（２１、２２）の表面と視覚的に直接接するように選択される。本発明の適切な発展において、発熱体（２１、２２）は、ワークピース６に対して、ワークピース６の表面の一点（９、９’）に投射される熱放射８により照らされる平均の立体角が０．５πから２πであるように、形成されて配置される。各ワークピース６の表面の３０から１００％が熱放射８により平均立体角０．５πから２πで照らされるこの構成により、ワークピース６を急速に加熱することが可能になる。図１ｂは、ワークピース６の表面上の点９を照射する２πの大きさの最大立体角Ωを示す斜視図である。図１ａから、ワークピース６の表面の一部の領域が荷台５により覆い隠されて、発熱体（２１、２２）と視覚的な直接接触を有しないことがわかる。ワークピース６の表面が凹面の形態を有する領域にも同じことがいえる。上記の表面領域はワークピース６内の熱伝導により間接的に加熱される。本発明により、各ワークピースの表面の少なくとも３０％が発熱体（２１、２２）の１つと視覚的に直接接触していれば、ワークピース６の急速な加熱が保証される。
【００２８】
発熱体（２１、２２）は、電力で作動する「能動的放射ヒータ」であることが好ましい。しかしながら、本発明は、「受動的放射ヒータ」、例えば、浸炭室内に配置された放射ヒータにより１０００℃を超える、特に１４００℃を超える高温に加熱された浸炭室壁も備える。浸炭室壁は、硬化すべきワークピースの熱容量の数倍の熱容量を有することが好ましい。これは、ワークピースの装填と除去の間に浸炭室の温度が僅かしか低下しないことを保証する。本発明による効果は、放射電熱器によっても、放射ヒータにより加熱された浸炭室壁と同様に達成される。
【００２９】
図２は、格子状の荷台５の上にある、例えばギヤホイールであるワークピース６の本発明による単層配置を示す斜視図である。荷台５の対称横断面７において、及び対称横断面７に対して垂直な面法線７’に関して測定された、格子に対する開放面積の比は、ここで及び以下の文中において開放比と称し、本発明によれば６０％を超え、好ましくは７０％を超え、特に８０％を超える。好都合には、荷台５は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなり、その結果、高い機械的及び熱的安定性を有する。
【００３０】
図３に模式的に示した本発明による装置１００は、垂直可動冷却室１９０及び互いに上下に垂直に配置した４つの浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）を備える。冷却室１９０及び各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、真空ポンプ又は真空ポンプスタンド（図３には示していない）に接続している。真空ポンプにより、各室（１９０、１１０、１２０、１３０、１４０）は、他室と独立に、１００ｍｂａｒ未満、好ましくは２０ｍｂａｒ未満の圧力に排気することができる。
【００３１】
それに加えて、冷却室１９０は、ヘリウム又は窒素などの冷却ガスのための圧力容器（図３には示していない）に、ガス配管を通して接続している。冷却ガスは、圧力容器中で２から２５ｂａｒの圧力に保たれる。圧力を発生させるために、圧力容器は、コンプレッサ又は高圧ガス供給源に既知の様式で接続している。圧力容器からの冷却室１９０へのガス配管は、調節弁を備える。冷却室１９０に通気又はそれを排気するために、調節弁を閉じる位置に動かして、冷却ガスが圧力容器から冷却室１９０中に流れ込まないようにする。
【００３２】
各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、アセチレンなどの炭素含有ガスのための容器（図３には示していない）に、専用のガス配管を通して接続している。場合により、各々の浸炭室は、窒素含有ガスのためのさらなる容器に接続している。単数又は複数の該容器から浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）へのガス配管は、それぞれの浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に供給されるガス流を精密に制御するために、調節弁、好ましくは質量流量制御器（ＭＦＣ）を備える。
【００３３】
さらに、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、２つの発熱体（２１、２２）及び荷台５のための置場又は支え（図３には示していない）も備える。発熱体（２１、２２）は、電気的に作動し、好ましくは広大な形態を有し、グラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）などの材料からなる。特に、発熱体（２１、２２）は、曲がりくねった大面積のヒータの形態にある（図６参照）。
【００３４】
冷却室１９０は、２つの対向する端に第１及び第２の真空ゲートバルブ１９１及び１９２を備える。真空ゲートバルブ１９１及び／又は１９２が開いているときは、ワークピース６を載せた荷台５を、冷却室１９０中に導入し又はそこから取り出すことができる。荷台５を移動又は操作するために、冷却室１９０は、特にプログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）と連結した、自動化された移動システム１５３を備える。冷却室１９０は、垂直リフト装置１６０の支持台上に取り付けられる。リフト装置１６０により、冷却室１９０は、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の前に位置することができる。各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、真空ゲートバルブ（１１１、１２１、１３１、１４１）を備える。冷却室１９０及び浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、冷却室１９０が浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）のうちの１つの前に位置するときに、それらが、真空気密様式で互いに接続し得る様式で設計されている。そのような連結に適した真空構成部品（図３には示していない）は、当業者に知られており、市販もされている。図３は、例として、冷却室１９０と浸炭室１２０との間の真空気密連結を示す。この場合、冷却室１９０及び浸炭室１２０の真空ゲートバルブ１９２及び１２１を、これらの室のうちの１つの真空が破られることなく、同時に開くことができる。それ故、本発明による真空技法を用いる室（１９０、１１０、１２０、１３０、１４０）の構成により、ワークピース６を載せた荷台５を、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）と冷却室１９０との間で、真空を破らずに、後方及び前方へ移動することが可能になる。
【００３５】
図３Ａは、冷却室１９５及び移動室１９６を備える、本発明による装置の有利な態様１００Ａを示す。移動室１９６は、冷却室１９５の、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に向かい合う側に取り付けられており、水平移動システム１５４を受け取る役目を果たす。移動室１９６中に配置されているので、移動システム１５４は、冷却室１９５が作動状態であるかにかかわりなく、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の１つに、ワークピース６を載せた荷台５を装荷するのに利用できる。移動システム１５４は、両方向に水平移動可能であり、それ故、荷台５は、冷却室１９５と各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）との間を移動することができる。それに加えて、「新しい（fresh）」ワークピース６、すなわち硬化すべきワークピース６、を載せた荷台５を待機させるための置場（図３Ａには示していない）が、装置１００Ａにおいて一番上の浸炭室１４０の上に設けられる。真空気密分離のために、真空ゲートバルブ１９７が、冷却室１９５と移動室１９６との間に配置されている。移動室１９６は、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に向かい合う端部に開口部を有し、その端部は、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に真空気密様式で接続することができる。そのために、開口部の縁は円周の真空シール１９８を備える。例えばゴムからなる真空シール１９８は、移動室１９６を浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の１つにドッキングする役目を果たす。移動室１９６は、冷却室１９５及び各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）と同様に、専用の真空ポンプ（図３Ａには示していない）又は真空ポンプスタンドに接続している。したがって、移動室１９６は、冷却室１９５と浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）との間の真空封止として使用することができる。リフト装置１６０により、移動室１９６は、冷却室１９５と一緒に垂直方向に移動して、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の前に位置することができる。浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）にドッキングするために、移動室１９６及び冷却室１９５は、水平に配置した直線駆動機構（図３Ａには示していない）上に取り付けられている。水平直線駆動機構は、垂直リフト装置１６０の支持台上にその一部が取り付けられている。移動室１９６を備える上記の態様１００Ａは、ＡＬＤ Ｖａｃｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＧからのＭｏｄｕｌＴｈｅｒｍタイプの設備の概念に対応する。
【００３６】
各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、電気的に加熱できる。加熱は、各々の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の底面側及び上面側にいずれの場合にも互いに向かい合うように配置された、広大な形態を有する２つの電気的に作動する発熱体（２１、２２）によりもたらされることが好ましい。浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の壁は金属材料、特に鋼からなり、適切ならば二重壁形態を有し、水などの冷却流体のための配管を備える。浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の壁の室の内部に面する側には、グラファイトフェルトなどの断熱材料が張られている（図３には示していない）。本発明の特に好ましい態様において、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の壁は、内側に、鋼又はグラファイトなどの蓄熱材料をさらに装備している。断熱材料に対する蓄熱材料の厚さの比又は質量比（例えば、グラファイトフェルトの質量占有率（ｋｇ／ｍ２）に対するグラファイトの質量占有率（ｋｇ／ｍ２））を適当に選択することにより、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の熱容量及び熱エネルギー損失を指定した値に適合させることができる。その結果、熱容量の大きい厚いグラファイト板を使用することにより、ワークピース６を浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）に導入したりそこから取り出したりする間の温度低下を減少させることが可能である。これにより、加熱時間を短縮して装置の処理能力又は生産性を増加させることが可能になる。そのように蓄熱内張りを備えた浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、ワークピース６及び／又は周囲環境に放射された「エネルギー損失」が、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）中で任意の望ましい位置に配置された電熱器により供給される、空洞熱放射体の様式で作動することができる。この態様において、ワークピース６は、浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）の「受動的」内張りが発する放射により加熱される。
【００３７】
図４は、互いに垂直に配置する４つの浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）に、ロック室２８０を通じて接続する固定冷却室２９０を備える特に好ましい装置２００を示す。冷却室２９０は、ワークピース６を載せた荷台５を導入し、取り出すための第１及び第２のロック２９１及び２９２を備える。垂直可動支持台２５０の付いたリフト装置２６０がロック室２９０中に備えられる。水平の両方向に移動可能な自動移動システム２５３が支持台２５０に取り付けられている。移動システム２５３と連結している垂直リフト装置２６０は、ワークピース６を載せた荷台５を、冷却室２９０と浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）との間で移動する役目を果たす。
【００３８】
ロック室２８０及び冷却室２９０は、真空ポンプ又は真空ポンプスタンド（図４に示していない）に接続していて、互いに独立に１００ｍｂａｒ未満の圧力に排気することができる。場合により、それに加えて、各々の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、真空ポンプ又は真空ポンプスタンドに接続していて、他室と独立に排気することができる。図３に示した装置１００に類似して、冷却室２９０は、冷却ガス、例えばヘリウム又は窒素のための圧力容器に接続しており、各々の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、アセチレンなどの炭素含有ガスのための容器及び／又は窒素含有ガスのための容器に接続している。
【００３９】
各々の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、可動ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）を備え、それは、主として、熱の閉じ込めのため、及び浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）中の熱エネルギー保存のために役立つ。断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）は、ワークピースを浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）中に導入し及びそこから取り出すためにのみ開かれる。場合により、断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）は、浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）をロック室２８０に対して真空気密様式で閉鎖することができるように、真空ゲートバルブの形態にすることもできる。
【００４０】
図３に示した装置１００に類似して、装置２００の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、グラファイトなどの蓄熱材料、及びグラファイトフェルトなどの断熱材料の多層張りを備える。
【００４１】
装置２００の適切な発展においては、ロック室２８０は荷台５のための置場を備え、それにより、ワークピース６を載せた荷台５を、浸炭室が空になり開放されたら直ぐにそれを浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）のうちの一つに装填するべく用意しておくために、「待機」させることが可能になる。この「一時置場」は、浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）の垂直上方に配置することが好ましい。この一時置場により、荷台を浸炭するためのサイクル時間を減少させることができ、それ故、装置２００で達成し得る処理能力又は生産性を向上することができる。
【００４２】
図３及び４に示した装置１００及び２００は、組み立てユニットの設計を有し、それ故、生産性を向上させるために、さらに浸炭室を追加することが可能である。下に挙げたリスト：
‐ 荷台の冷却室中への導入、
‐ 冷却室のポンプによる排気、
‐ 空の浸炭室中への移動、
場合により一時置場における一時保管、
‐ 浸炭及び拡散、
‐ 冷却室中への移動、
‐ 冷却、
‐ 冷却室から荷台の取り出し、
の個々の方法の工程の期間に応じて、図３及び４に示した４室でなく６室の浸炭室を使用することが適切であることが分かるだろう。それと反対に、要求される生産能力が低ければ、初期投資のコストを低減させるために２室又は３室の浸炭室だけ使用することも可能である。
【００４３】
図５Ａ〜５Ｂに、図４に描いたロック室２８０を備える装置２００のための、本発明による好ましい移動装置（２６０、２５３）の模式的正面図及び側面図を示す。
【００４４】
移動システム（２６０、２５３）は、上方及び下方のガイド（２６１、２６３、２６１’、２６３’）及びチェーン（２６２、２６２’）の付いた２つの垂直に配置したチェーン駆動部を備える。チェーン２６２’は、水平なプラットホーム２５４に接続している。プラットホーム２５４は、１つ又は２つの垂直な支え２６５に沿って動かされる。荷台５を受け取るための水平可動伸縮自在フォーク（２５５、２５６）は、プラットホーム２５４の上に取り付けられている。伸縮自在フォーク（２５５、２５６）は、チェーン２６２に連結しているギヤ機構２５１により駆動される。チェーン２６２とギヤ機構２５１との間の連結は、複数のガイドによりもたらされる。
【００４５】
好ましくは、ギヤホイールであるガイド２６３及び２６３’は、シャフト２６４を通じてロック室２８０の外側に配置されたモータ（図５Ａ〜５Ｂに示していない）に連結している。シャフト２６４を通すために、ロック室２８０の壁には真空気密回転貫通部が設けられている。プラットホーム２５４を垂直に動かすために、チェーン駆動部（２６１、２６２、２６３）及び（２６１’、２６２’、２６３’）を同期させて作動し、その結果、チェーン２６２とギヤ機構２５１との間の設定は不変のままであり且つ伸縮自在フォーク（２５５、２５６）はその水平な姿勢を維持する。これで伸縮自在フォーク（２５５、２５６）と浸炭室などの装置２００の他の部品との衝突が防止される。プラットホーム２５４が固定された垂直な位置にあれば、チェーン２６２はギヤホイール２６３を通じて駆動し、シャフト２６４はロック室２８０の外側に配置されたモータにより作動するので、伸縮自在フォーク（２５５、２５６）は水平に動く。
【００４６】
図６は、ワークピース６１、例えばギヤシャフトが、垂直な層又列で浸炭室中の発熱体２１と２２との間に配置されている、本発明のさらなる態様の部分斜視図を示す。ワークピース６１は、それらの位置にラック（図６に示していない）により保たれる。この場合、ラックは、支持ブラケットを有する枠の形態又はラックに載せるためのスパイク若しくはシャフトを押し込むための穴などの機械的保持装置を有する支持板の形態にある。図６による垂直な配置をしている、ワークピースを硬化するための本発明による装置は、図３及び４に示した装置に類似して設計され、それらとは、浸炭室が垂直に上下ではなくて互いに水平な方向に並んで配置されているという点でのみ異なる。このことにより、冷却室は、水平に可動であるように配置され、ロック室及び移動装置は水平に配置される。本発明は、図３及び４に示したような、ワークピースの水平な取り付け（例えば、荷台上で）、及び図６に示したような垂直な取り付け又は懸垂を両方とも包含する。これらの態様は両方とも、ワークピースが１層又は１列に、すなわち加熱装置中に２Ｄ装荷様式で配置され、その結果各ワークピースの表面の３０から１００％が加熱装置により発せられる熱放射に直接曝されるという、本発明に必須の共通の特徴を有する。
【００４７】
図６に示した発熱体（２１、２２）は、グラファイト又はＣＦＣ製の曲がりくねった大面積のヒータの形態である。このタイプの大面積ヒータ（２１、２２）は、先行技術において知られており、種々のメーカーから市販されている。
【００４８】
本発明の発展において、冷却室は、機械的な固定装置及び／又は冷却ガスのためのフローガイド（flow guide）機構を備える。固定装置は、ワークピースの形状に適合して、本発明によるこの場合には、冷却室中で冷却すべきワークピースの上に配置されている。ガス導入の開始前に、ワークピースを載せた荷台を固定装置に対して下から決められた力で押すか、又はガス導入の開始前に固定装置をワークピースに対して上から決められた力で押すかのいずれかを行う。固定装置の助けで、冷却後のワークピースの平面性はかなり改善され、それ故、ワークピースの歪みはかなり減少する。
【００４９】
それに加えて、冷却室は、ワークピースを低歪みで冷却するために、フローガイド機構を備えることができる。この場合、このガイド機構は、冷却室中で、冷却すべきワークピースの上に配置されて、ガスが構成部品上に高い局所速度で投射され、それに加えて、冷却が非常に均一にもたらされるような様式で形成される。可能な最も均一な冷却をもたらすために、この場合は、構成部品の壁厚の大きい区域を高い流速に曝し、構成部品の壁厚の小さい区域を低い流速に曝す。さらに、ワークピースに冷却ガスを上と横の両方から系統的に当てるように、ガイド機構を「３次元的に」設計することが可能である。この目的のためには、ガス導入の開始前に、ワークピースを下から持ち上げてガイド機構中に入れなければならいか、又はガイド機構を上からワークピース上に降ろさなければならないかのいずれかである。
【００５０】
フローガイド機構の助けで、ワークピースの冷却速度はかなり増加する。これで、合金化不十分な材料で作製されたワークピースを硬化することが可能になる。それに加えて、急冷をより低いガス圧で実施することができるので、ガス消費コストが減少する。さらに、冷却がより均一にもたらされる結果、ワークピースに生じる応力が小さくなるため、ワークピースの歪みがかなり減少する。
【００５１】
本発明による単層熱処理（２Ｄ装荷）であるという理由だけで、固定装置及び／又はフローガイド機構を使用することが可能になる。多層３Ｄ装荷を用いる先行技術では、これらの選択肢を使用することは可能でない。
【００５２】
温度及び炭素含有率を測定する方法
当業者は、金属のワークピースの温度を測定する方法に精通している。本発明の関係では、ワークピース表面の温度は、熱電対、高温計及び熱撮像カメラにより測定した。各熱電対は、熱電対の全センサ面積がワークピース表面と接触するようにワークピースにワイヤで固定した。センサとワークピースとを良好に接触させるために、構成部品表面に小さい溝を作る。熱電対及びさらに固定ワイヤも、熱容量はワークピースに比較して無視し得る。
【００５３】
ワークピースのコアの温度も熱電対によって同様に測定した。この目的で、０．５から１．５ｍｍの直径を有する盲穴を、測定すべきワークピースの位置に穿孔して、熱電対を盲穴に挿入した。ワークピースのコアの温度を使用して、具体的な冷却速度を［ｋＪ・ｋｇ−１・ｓ−１］の単位で決定する。この目的で、ワークピースの測定温度Ｔと比熱容量Ｃ（単位ｋＪ・ｋｇ−１・Ｋ−１）との積を、８００から５００℃の範囲で、以下の関係式、
【数１】
により積分し、冷却するのに要する時間で除す。鋼の場合、比熱容量は、８００℃の温度において約０．８ｋＪ・ｋｇ−１・Ｋ−１であり、７３５℃付近の狭い温度範囲においてこの値の倍に増大する。
【００５４】
ワークピースと一緒に硬化装置中に、すなわち冷却室中及び浸炭室中の両方に導入した熱電対からのシグナルを、可搬式の断熱電子測定値検出器（「Ｆｕｒｎａｃｅ Ｔｒａｃｋｅｒ」）により記録した。
【００５５】
該熱電対を、浸炭室中におけるワークピースの加熱中及びさらに冷却室中における冷却中の温度プロファイルを決定するために使用した。
【００５６】
表面炭素含有率を決定するために、ワークピース表面を１０°という小さい角度で約１０００μｍの深さまで研削し、研削した表面を、注意深く清浄化した後、光学的分光分析、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、さらに電子プローブミクロ分析（ＥＰＭＡ）により、１０μｍ未満の位置分解能、すなわち３．５μｍ（＝１０μｍ×ｓｉｎ（１０°））未満の深さ分解能で測定した。ＳＩＭＳにより炭素について達成される化学的検出限界は、１ｐｐｍ未満の領域内である。
【実施例】
【００５７】
例１：
２０ＭｏＣｒ４の材料で作製された、外径５４ｍｍ、内径３０ｍｍ及び高さ３５ｍｍの太陽歯車を使用して、各８個で５列、すなわち４０個で全重量１２．５ｋｇの１層での本発明による２Ｄ装荷、及び各８個の各５列で８層、すなわち３２０個で全重量１００ｋｇの３Ｄ装荷にまとめた。１層用の装填ラックとして、ＣＦＣ製で４５０ｍｍ×６００ｍｍの寸法を有する構造的に同一の網状格子を、２Ｄ装荷及び３Ｄ装荷両方のために使用した。
【００５８】
硬化工程の結果について、以下の目標値を予め規定した：
‐ ６１０ＨＶの限界硬度を有する０．３から０．５ｍｍの表面硬化深さ、
‐ 端面における６７０ＨＶの表面硬度、及び
‐ 歯底円における歯の中心において２８０ＨＶ１０を超えるコア硬度。
【００５９】
図７は、本発明（２Ｄ装荷、単層）及び従来法（３Ｄ装荷、多層）により硬化したワークピースの温度プロファイルの比較を示す。温度は、両方の場合ともに、それぞれの装荷の中央及び端部に位置したワークピースに取り付けた複数の熱電対により測定する。熱電対により測定したデータは、Ｆｕｒｎａｃｅ Ｔｒａｃｋｅｒにより記録した。本発明による２Ｄ装荷の場合、温度は急速に上昇し、装荷の中央に位置するワークピースと装荷の端部に位置するワークピースとの間で、温度プロファイルにおける識別できる差はない。それと対照的に、３Ｄ装荷の場合には、装荷の中央に位置するワークピースの温度プロファイルは、装荷の端部に位置するワークピースの温度プロファイルとかなり異なる。それに加えて、２Ｄ装荷におけるワークピースの温度は、３Ｄ装荷の端部におけるワークピースの温度より急速に上昇する。この差は、３Ｄ装荷の外側に置かれたワークピースが内側に置かれたワークピースに対して、放出し又は取られた放射エネルギーの結果である。３Ｄ装荷における全てのワークピース、特に内側に置かれたワークピースを１０５０℃という温度に加熱するためには、約１３０分という時間が必要になる。対照的に、２Ｄ装荷の場合に要する加熱は約１５分である。
【００６０】
図８は、ワークピースの表面からの距離の関数としての硬度のプロファイルを示す。測定曲線を参照して、表面硬化深さ（ＣＨＤ）を見ることが可能である。ＣＨＤは、ＤＩＮ ＩＳＯ２６３９（２００２）にしたがって決定される。この目的のために、試験すべき構成部品を、熱の発生を避けて、表面と垂直に切断して分離する。表面からの距離が増したところで、次にビッカース硬度ＨＶ１を、一般的に９．８Ｎの試験負荷で測定する。表面から硬度が限界硬度（Ｈｓ、この場合には６１０ＨＶ１）に相当する点までの距離をＣＨＤと称する。
【００６１】
ＣＨＤ値の変動（最大測定値と最小測定値との間の差）は２Ｄ装荷において約０．０６ｍｍであり、３Ｄ装荷の変動である約０．１２ｍｍよりも有意に小さいことが、図８からわかる。
【００６２】
図９は、コア硬度についての測定値の比較を示す。コア硬度を決定するために、硬化されたワークピース（ここでは、上記の太陽歯車）を、熱の発生を避けて、対称軸に対して垂直に切断分離する。分離された表面を研磨して磨く。次に、ビッカース硬度［ＨＶ１０］は歯根（＝歯元隅肉部間の中央）のコアで決定される。この測定は、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１（金属材料−ビッカース硬度試験−第１部：試験方法ＩＳＯ６５０７−１：２００５、ドイツ版ＥＮ ＩＳＯ６５０７−１：２００５）にしたがって行う。図９から、２Ｄ装荷におけるコア硬度の変動は、３Ｄ装荷におけるよりも有意に小さいことを見ることができる。
【００６３】
図１０は、本発明による２Ｄ装荷と従来法で浸炭した３Ｄ装荷の表面炭素含有率の変動の比較を示す。表面炭素含有率は、研磨した表面で、上記のように、分光分析、ＳＩＭＳ及びＥＰＭＡによる炭素シグナルを、深さ範囲０から１００μｍにわたって積分することにより決定した。
【００６４】
例２：
２８Ｃｒ４の材料で作製した、外径１４０ｍｍ、高さ２８ｍｍ及び９８歯の中空ホイールを使用して、８個の１層で全重量６．５ｋｇの本発明による２Ｄ装荷、及び各８個の１０層、すなわち８０個で全重量が６５ｋｇの３Ｄ装荷にまとめた。２Ｄ装荷及び３Ｄ装荷両方のために、１層のための装填ラックとして、ＣＦＣ製の４５０ｍｍ×６００ｍｍの寸法を有する構造的に同一の網状格子を使用した。
【００６５】
図１１は、２Ｄ装荷による８個の中空ホイール及び３Ｄ装荷による８個の中空ホイールの熱的歪み又は楕円率における変化についての測定結果を示す。この点において、２Ｄ装荷の８個の中空ホイール及び３Ｄ装荷の８個の中空ホイールの位置は、２Ｄ装荷及び３Ｄ装荷の面積又は体積全体にわたって均一に分布させた。楕円率は、浸炭の前及び後に、中空ホイールの外円周で３Ｄ座標測定系により測定し、浸炭の前と後で楕円率の値における差が生じた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（６）を硬化する方法であって、以下の、
（ａ）前記ワークピース（６）を９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピース（６）の表面の３０から１００％が、加熱装置（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｂ）前記ワークピース（６）を、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で、炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｃ）前記ワークピース（６）を、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｄ）適切ならば、工程（ｂ）及び（ｃ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｅ）前記ワークピース（６）を冷却する工程と
を含む方法。
【請求項２】
工程（ａ）において、各々の前記ワークピース（６）を、２つ以上の空間方向から熱放射により加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ａ）において、各々の前記ワークピース（６）の表面付近の区域を、３５から１３５℃／分、好ましくは５０から１１０℃／分、特に５０から７５℃／分の速度で加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
工程（ａ）において、各々の前記ワークピース（６）のコアを、１８から１２０℃／分の速度で加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｅ）において、前記ワークピース（６）を、８００から５００℃の温度範囲で２から２０ｋＪ・ｋｇ−１・ｓ−１という特定の冷却速度で冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）において、前記ワークピース（６）をアセチレン及び／又はアンモニアに曝すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｅ）において、前記ワークピース（６）を、ガス、好ましくは窒素で冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ワークピース（６）を、２から２０ｂａｒ、好ましくは４から８ｂａｒ、特に５から７ｂａｒの圧力で窒素によって冷却することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
工程（ｅ）において、前記ワークピース（６）の表面を、９００から１２００℃の範囲内の温度から３００℃の温度に、４０から１００秒以内で冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
１個のワークピース（６）を基準として、（ａ）から（ｅ）の工程を実施するためのサイクル時間が、５から１２０秒、好ましくは５から６０秒、特に５から４０秒であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
（ｉ）前記ワークピース（６）をラック（５）中／上に単層で配置する工程と、
（ｉｉ）前記ワークピース（６）を載せた前記ラック（５）を冷却室（１９０、２９０）に導入して、１００ｍｂａｒ未満の圧力に排気する工程と、
（ｉｉｉ）前記ラック（５）を浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）中に移動する工程であって、前記ラックを、適切ならば浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）中に導入する前に、一時置場に一時的に保管する工程と、
（ｉｖ）前記ワークピース（６）を熱放射により９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピース（６）の表面の３０から１００％が浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｖ）前記ワークピース（６）を、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｖｉ）前記ワークピース（６）を、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｖｉｉ）適切ならば、工程（ｉｖ）及び（ｖ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｖｉｉｉ）前記ワークピース（６）を載せた前記ラック（５）を前記冷却室（１９０、２９０）中に移動する工程と、
（ｉｘ）前記ワークピース（６）を、ガス、好ましくは窒素で冷却する工程と、
（ｘ）前記ワークピース（６）を載せた前記ラック（５）を冷却室（１９０、２９０）から取り出す工程と
によって特徴づけられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１に記載した方法にしたがってワークピース（６）を硬化するための装置（１００）であって、２つ以上の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）、少なくとも１つの冷却室（１９０、１９５）及びワークピース（６）のためのラック（５）を操作するための移動システム（１６０、１５３、１５４）を備え、前記冷却室（１９０、１９５）は各々の前記浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）と１つ以上の真空ゲートバルブ（１１１、１２１、１３１、１４１、１９２、１９７）を通じて接続することができ、各浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、ラック（５）のための置場及び少なくとも２つの発熱体（２１、２２）を有し、前記発熱体から発せられた放射が各々の前記ワークピースの表面（６）を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で前記発熱体が配置される、装置。
【請求項１３】
請求項１から１１に記載の方法にしたがってワークピース（６）を硬化するための装置（２００）であって、２つ以上の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）、少なくとも１つの冷却室（２９０）、前記浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）および前記冷却室（２９０）の間に配置されたロック室（２８０）、及び前記ワークピース（６）のためのラック（５）を操作するための移動システム（２６０、２５３）を備え、前記冷却室（２９０）は真空ゲートバルブ（２９２）を通じて前記ロック室（２８０）に接続することができ、各々の前記浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）を通じて前記ロック室（２８０）に接続することができ、各々の前記浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、ラック（５）のための置場及び少なくとも２つの発熱体（２１、２２）を有し、前記発熱体から発せられた放射が各々の前記ワークピース（６）の表面を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で前記発熱体が配置される、装置。
【請求項１４】
前記断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）が真空ゲートバルブの形態であることを特徴とする、請求項１３に記載の装置（２００）。
【請求項１５】
前記冷却室（１９０、１９５、２９０）がワークピース（６）を導入するため及び取り出すために２つの真空ゲートバルブ（１９１、１９２、１９７、２９１、２９２）を備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１６】
前記発熱体（２１、２２）が表面エミッタの形態であることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１７】
前記発熱体（２１、２２）がグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなることを特徴とする、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１８】
前記ラック（５）が格子状の荷台の形態であることを特徴とする、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１９】
前記ラック（５）がグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなることを特徴とする、請求項１２から１８のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項２０】
前記移動システム（２６０、２５３）が、上方及び下方のガイド（２６１、２６３、２６１’、２６３’）の付いた垂直に配置されたチェーン駆動部及びチェーン（２６２、２６２’）並びにさらに荷台（５）を受けるための水平可動伸縮自在フォーク（２５５、２５６）を備え、前記伸縮自在フォーク（２５５、２５６）はギヤ機構（２５１）を通じてチェーン（２６２）のうちの一つに連結していることを特徴とする、請求項１３に記載の装置（２００）。
【請求項２１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法にしたがって硬化された金属材料製のワークピース（６）。
【請求項２２】
表面硬化深さ（ＣＨＤ）が、公称値の±０．０５ｍｍ、好ましくは±０．０４ｍｍ、特に±０．０３ｍｍの範囲内にあり、前記公称値が０．３から１．４ｍｍであることを特徴とする、請求項２１に記載のワークピース（６）。
【請求項２３】
表面炭素含有率が、公称値の±０．０２５重量％、好ましくは±０．０１５重量％、特に±０．０１重量％の範囲内にあり、前記公称値が０．６から０．８５重量％であることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載のワークピース（６）。
【請求項２４】
コア硬度が、公称値の±３０ＨＶ、好ましくは±２０ＨＶの範囲内にあり、前記公称値が２８０から４８０ＨＶであることを特徴とする、請求項２１から２３のいずれか一項に記載のワークピース（６）。
【請求項１】
ワークピース（６）を硬化する方法であって、以下の、
（ａ）前記ワークピース（６）を９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピース（６）の表面の３０から１００％が、加熱装置（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｂ）前記ワークピース（６）を、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で、炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｃ）前記ワークピース（６）を、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｄ）適切ならば、工程（ｂ）及び（ｃ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｅ）前記ワークピース（６）を冷却する工程と
を含む方法。
【請求項２】
工程（ａ）において、各々の前記ワークピース（６）を、２つ以上の空間方向から熱放射により加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ａ）において、各々の前記ワークピース（６）の表面付近の区域を、３５から１３５℃／分、好ましくは５０から１１０℃／分、特に５０から７５℃／分の速度で加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
工程（ａ）において、各々の前記ワークピース（６）のコアを、１８から１２０℃／分の速度で加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｅ）において、前記ワークピース（６）を、８００から５００℃の温度範囲で２から２０ｋＪ・ｋｇ−１・ｓ−１という特定の冷却速度で冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）において、前記ワークピース（６）をアセチレン及び／又はアンモニアに曝すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｅ）において、前記ワークピース（６）を、ガス、好ましくは窒素で冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ワークピース（６）を、２から２０ｂａｒ、好ましくは４から８ｂａｒ、特に５から７ｂａｒの圧力で窒素によって冷却することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
工程（ｅ）において、前記ワークピース（６）の表面を、９００から１２００℃の範囲内の温度から３００℃の温度に、４０から１００秒以内で冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
１個のワークピース（６）を基準として、（ａ）から（ｅ）の工程を実施するためのサイクル時間が、５から１２０秒、好ましくは５から６０秒、特に５から４０秒であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
（ｉ）前記ワークピース（６）をラック（５）中／上に単層で配置する工程と、
（ｉｉ）前記ワークピース（６）を載せた前記ラック（５）を冷却室（１９０、２９０）に導入して、１００ｍｂａｒ未満の圧力に排気する工程と、
（ｉｉｉ）前記ラック（５）を浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）中に移動する工程であって、前記ラックを、適切ならば浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）中に導入する前に、一時置場に一時的に保管する工程と、
（ｉｖ）前記ワークピース（６）を熱放射により９５０から１２００℃の温度に加熱する工程であって、各ワークピース（６）の表面の３０から１００％が浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０、２３０、２４０）の直接熱放射により加熱される工程と、
（ｖ）前記ワークピース（６）を、９５０から１２００℃の温度及び１００ｍｂａｒ未満の圧力で炭素含有ガス及び／又は窒素含有ガスに曝す工程と、
（ｖｉ）前記ワークピース（６）を、１００ｍｂａｒ未満の圧力の雰囲気中で９５０から１２００℃の温度に保つ工程と、
（ｖｉｉ）適切ならば、工程（ｉｖ）及び（ｖ）を１回又は数回繰り返す工程と、
（ｖｉｉｉ）前記ワークピース（６）を載せた前記ラック（５）を前記冷却室（１９０、２９０）中に移動する工程と、
（ｉｘ）前記ワークピース（６）を、ガス、好ましくは窒素で冷却する工程と、
（ｘ）前記ワークピース（６）を載せた前記ラック（５）を冷却室（１９０、２９０）から取り出す工程と
によって特徴づけられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１に記載した方法にしたがってワークピース（６）を硬化するための装置（１００）であって、２つ以上の浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）、少なくとも１つの冷却室（１９０、１９５）及びワークピース（６）のためのラック（５）を操作するための移動システム（１６０、１５３、１５４）を備え、前記冷却室（１９０、１９５）は各々の前記浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）と１つ以上の真空ゲートバルブ（１１１、１２１、１３１、１４１、１９２、１９７）を通じて接続することができ、各浸炭室（１１０、１２０、１３０、１４０）は、ラック（５）のための置場及び少なくとも２つの発熱体（２１、２２）を有し、前記発熱体から発せられた放射が各々の前記ワークピースの表面（６）を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で前記発熱体が配置される、装置。
【請求項１３】
請求項１から１１に記載の方法にしたがってワークピース（６）を硬化するための装置（２００）であって、２つ以上の浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）、少なくとも１つの冷却室（２９０）、前記浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）および前記冷却室（２９０）の間に配置されたロック室（２８０）、及び前記ワークピース（６）のためのラック（５）を操作するための移動システム（２６０、２５３）を備え、前記冷却室（２９０）は真空ゲートバルブ（２９２）を通じて前記ロック室（２８０）に接続することができ、各々の前記浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）を通じて前記ロック室（２８０）に接続することができ、各々の前記浸炭室（２１０、２２０、２３０、２４０）は、ラック（５）のための置場及び少なくとも２つの発熱体（２１、２２）を有し、前記発熱体から発せられた放射が各々の前記ワークピース（６）の表面を平均立体角０．５πから２πで照射するような様式で前記発熱体が配置される、装置。
【請求項１４】
前記断熱ゲートバルブ（２１１、２２１、２３１、２４１）が真空ゲートバルブの形態であることを特徴とする、請求項１３に記載の装置（２００）。
【請求項１５】
前記冷却室（１９０、１９５、２９０）がワークピース（６）を導入するため及び取り出すために２つの真空ゲートバルブ（１９１、１９２、１９７、２９１、２９２）を備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１６】
前記発熱体（２１、２２）が表面エミッタの形態であることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１７】
前記発熱体（２１、２２）がグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなることを特徴とする、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１８】
前記ラック（５）が格子状の荷台の形態であることを特徴とする、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項１９】
前記ラック（５）がグラファイト又は炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）からなることを特徴とする、請求項１２から１８のいずれか一項に記載の装置（１００、２００）。
【請求項２０】
前記移動システム（２６０、２５３）が、上方及び下方のガイド（２６１、２６３、２６１’、２６３’）の付いた垂直に配置されたチェーン駆動部及びチェーン（２６２、２６２’）並びにさらに荷台（５）を受けるための水平可動伸縮自在フォーク（２５５、２５６）を備え、前記伸縮自在フォーク（２５５、２５６）はギヤ機構（２５１）を通じてチェーン（２６２）のうちの一つに連結していることを特徴とする、請求項１３に記載の装置（２００）。
【請求項２１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法にしたがって硬化された金属材料製のワークピース（６）。
【請求項２２】
表面硬化深さ（ＣＨＤ）が、公称値の±０．０５ｍｍ、好ましくは±０．０４ｍｍ、特に±０．０３ｍｍの範囲内にあり、前記公称値が０．３から１．４ｍｍであることを特徴とする、請求項２１に記載のワークピース（６）。
【請求項２３】
表面炭素含有率が、公称値の±０．０２５重量％、好ましくは±０．０１５重量％、特に±０．０１重量％の範囲内にあり、前記公称値が０．６から０．８５重量％であることを特徴とする、請求項２１又は２２に記載のワークピース（６）。
【請求項２４】
コア硬度が、公称値の±３０ＨＶ、好ましくは±２０ＨＶの範囲内にあり、前記公称値が２８０から４８０ＨＶであることを特徴とする、請求項２１から２３のいずれか一項に記載のワークピース（６）。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１３−５０４６８６（Ｐ２０１３−５０４６８６Ａ）
【公表日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２８２６０（Ｐ２０１２−５２８２６０）
【出願日】平成２２年９月６日（２０１０．９．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００５４５６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２９５６５
【国際公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（５０９０６０１９８）エーエルデー・バキューム・テクノロジーズ・ゲーエムベーハー (6)
【氏名又は名称原語表記】ＡＬＤ Ｖａｃｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｌｈｅｌｍ−Ｒｏｈｎ−Ｓｔｒａｓｓｅ ３５， ６３４５０ Ｈａｎａｕ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月６日（２０１０．９．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００５４５６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２９５６５
【国際公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（５０９０６０１９８）エーエルデー・バキューム・テクノロジーズ・ゲーエムベーハー (6)
【氏名又は名称原語表記】ＡＬＤ Ｖａｃｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｌｈｅｌｍ−Ｒｏｈｎ−Ｓｔｒａｓｓｅ ３５， ６３４５０ Ｈａｎａｕ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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