JP2000303160A

JP2000303160A - 浸炭処理方法

Info

Publication number: JP2000303160A
Application number: JP11111306A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Noguchi; 口奉夫野
Original assignee: Nihon Techno KK
Current assignee: Nihon Techno KK
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2000-10-31
Anticipated expiration: 2019-04-19
Also published as: JP4169864B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理物表面の炭素濃度むらが少なく、ワー
ク表面におけるセメンタイトの析出を防止することがで
きる浸炭処理方法を提供する。【解決手段】加熱室内のワークを窒素雰囲気中で所定
の浸炭温度まで加熱したのち、加熱室内を０．１Ｔｏｒ
ｒ以下に減圧した状態で、浸炭用ガスとしての鎖状不飽
和炭化水素ガスを加熱室内の圧力が１Ｔｏｒｒ以上とな
るまで供給する操作と、０．１Ｔｏｒｒ以下に真空排気
する操作を繰り返すことによって、加熱室内の圧力を変
動させながら浸炭させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歯車やシャフト，
カムなどの鋼製機械部品の表面を硬化させ、耐摩耗性や
疲労強度を向上させるのに用いられる浸炭処理方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】真空浸炭法は、被処理物を真空炉中で所
定の浸炭温度になるまで加熱昇温して均熱保持したのち
に、浸炭ガスとして、メタンやプロパン，ブタンなどの
ようなガス状の飽和炭化水素を加熱室内に導入して、熱
分解させ、発生する活性炭素を被処理物である鋼製部品
の表面に侵入させるものであり、従来のガス浸炭に較べ
て、高温短時間処理が可能、変成炉が不要、雰囲気管理
が容易、高濃度浸炭が容易、粒界酸化がほとんどない、
間欠操業が可能、などの利点を備えている。

【０００３】一方、上記のような飽和炭化水素ガスを用
いた真空浸炭法の問題点である煤発生（スーティング）
による弊害を解消することを目的に、メタンやプロパン
などのような飽和炭化水素ガスに代えて、アセチレンや
エチレンなどの鎖状不飽和炭化水素ガスを使用する真空
浸炭方法が特開平８−３２５７０１号公報に提案されて
いる。

【０００４】すなわち、上記公報記載の真空浸炭方法に
おいては、加熱室内を１ｋＰａ以下の真空状態に保持し
ながら、加熱室内に連続的にアセチレンを供給すること
により、アセチレンの炉内の滞留時間を制限し、鋼製部
品の表面で反応分解するには十分であるが、熱分解によ
り加熱室内に煤を発生させるには不十分な時間の範囲で
炉外に排出することによって、スーティングのない真空
浸炭方法を実現しようとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載された真空浸炭方法においては、加熱室内の煤
発生については改善されているものの、被処理物の炭素
濃度の調節を従来と同様に飽和値調整法で行っており、
被処理物の表面付近にセメンタイトが析出して残留する
という品質上の問題点については改善されておらず、合
金鋼（例えばクロムモリブデン鋼ＳＭＣ４１５など）の
歯車の歯先部にセメンタイトが析出して問題を生じてお
り、このような問題の解決が上記した不飽和炭化水素ガ
スを使用する真空浸炭処理における課題となっていた。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、アセチレンやエチレンなどの
不飽和炭化水素ガスを浸炭ガスとして使用する真空浸炭
処理における上記課題に着目してなされたものであっ
て、被処理物表面の炭素濃度むらが少なく、ワーク表面
のセメンタイト析出を防止することができる浸炭処理方
法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
る浸炭処理方法は、加熱室内に収納したワークを窒素雰
囲気中で所定の浸炭温度まで加熱したのち、加熱室内を
減圧すると共に、鎖状不飽和炭化水素ガスを断続的に供
給して加熱室内の圧力を変動させながら浸炭させる構成
としたことを特徴としており、浸炭処理方法におけるこ
のような構成を前述した従来の課題を解決するための手
段としている。

【０００８】本発明の請求項２に係わる浸炭処理方法に
おいては、加熱室内を０．１Ｔｏｒｒ以下に減圧したの
ち、鎖状不飽和炭化水素ガスを供給して加熱室内の圧力
を１．０Ｔｏｒｒ以上に所定時間保持し、再度０．１Ｔ
ｏｒｒ以下に減圧する操作を繰り返す構成とし、請求項
３に係わる浸炭処理方法においては、鎖状不飽和炭化水
素ガスを２〜１０分の周期で断続的に供給する構成とし
たことを特徴としている。

【０００９】また、本発明の請求項４に係わる浸炭処理
方法においては、浸炭温度までの昇温を大気圧の窒素雰
囲気中で行う構成とし、請求項５に係わる浸炭処理方法
においては、浸炭後の拡散、焼入温度までの降温および
焼入温度での均熱保持を窒素雰囲気中で行う構成とし、
請求項６に係わる浸炭処理方法においてはこのときの窒
素雰囲気圧が大気圧である構成とし、さらに請求項７に
係わる浸炭処理方法においては、鎖状不飽和炭化水素ガ
スを窒素ガスと混合して供給する構成としたことを特徴
としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係わる浸炭処理方法は、
加熱室内のワーク（被処理物）を窒素雰囲気中で所定の
浸炭温度まで加熱したのち、加熱室内を減圧した状態
で、浸炭性ガスとしての鎖状不飽和炭化水素ガスを断続
的に供給し、加熱室内の圧力を比較的短いサイクルで変
動させながら浸炭させるものであって、このとき使用す
る鎖状不飽和炭化水素ガスとしては、エチレンやプロピ
レン，アセチレン，メチルアセチレンなどを用いること
ができる。なお、上記の鎖状不飽和炭化水素ガスのう
ち、入手が容易であることに加えて、３重結合を有し、
より活性で分解しやすいことから、とくにアセチレンを
使用することが望ましい。また、これらのガスは１種類
のみに限定されることはなく、２種類以上の混合ガスを
使用することも可能である。

【００１１】図１は、本発明に係わる浸炭処理方法にお
けるヒートパターンの一例を示すものであって、ワーク
を加熱室内に装入した状態で、加熱室内の空気をパージ
して窒素に置換したのち、浸炭処理温度Ｔ1 への昇温が
開始される。このときワークの加熱は圧力Ｐ1 の窒素雰
囲気中で行われるため、窒素の対流が生じると共に、炉
内ファンによる雰囲気の強制撹拌も可能になることか
ら、加熱室内のワークの装入量が多くても速やかな昇温
が可能になり、装入位置による温度むらも解消されるこ
とになる。なお、昇温工程における窒素雰囲気の圧力Ｐ
1 については、請求項４に記載しているように、大気圧
（７６０Ｔｏｒｒ）とすることが望ましく、これによっ
て雰囲気の対流やファンによる強制撹拌の効果を十分に
得ることができる。

【００１２】浸炭処理温度Ｔ1 については、これを高く
設定することにより浸炭時間を短くすることができる
が、一般に８５０℃から１０３０℃の範囲に設定され
る。

【００１３】炉内雰囲気温度およびワークの温度が所定
の浸炭処理温度Ｔ1 に到達すると、加熱室内の窒素を真
空排気して圧力Ｐ2 、例えば請求項２に記載しているよ
うに、０．１Ｔｏｒｒ以下の圧力Ｐ2 まで減圧させる。

【００１４】そして、浸炭用の鎖状不飽和炭化水素ガス
として、例えばアセチレンガスが、同じく請求項２に記
載しているように加熱室内の圧力が１．０Ｔｏｒｒ以上
の圧力Ｐ3 となるまで供給される。加熱室内の圧力がＰ
3 に達すると鎖状不飽和炭化水素ガスの供給が停止さ
れ、当該圧力Ｐ3 に所定時間、例えば数秒から５分程度
保持したのち、再度真空排気を行い、圧力Ｐ2 まで減圧
する。このような操作を１０回ないし数十回繰り返し、
加熱室内の圧力をＰ2 とＰ3 の間で変動させることによ
って、ワーク表面への炭素の侵入と、侵入した炭素のワ
ーク内部への拡散が交互に繰り返され、ワーク表面にお
ける急激な炭素濃度の富化に基づくセメンタイトの析出
が回避される。また、０．１Ｔｏｒｒ以下の真空下で浸
炭性ガスとしての鎖状不飽和炭化水素ガスが供給される
ので、ワークに細い穴やスリットのような複雑な形状部
分があったとしても、浸炭性ガスがワーク全面に十分に
行きわたり、むらのない浸炭処理が可能になる。

【００１５】このとき、浸炭期の圧力Ｐ3 を１．０Ｔｏ
ｒｒ以上とするのは、浸炭期の圧力Ｐ3 が１．０Ｔｏｒ
ｒに満たない場合には、加熱室内の浸炭性ガスが不足し
て、ワークの表面に十分に浸炭させることができず、浸
炭にばらつきが生じやすくなることによる。また、拡散
期の圧力Ｐ2 を０．１Ｔｏｒｒ以下とするのは、圧力Ｐ
2 が０．１Ｔｏｒｒを超えた場合には、加熱室内の雰囲
気ガス（窒素）および浸炭性ガスが十分に排除されてお
らず、浸炭性ガスを供給した時に浸炭性ガスをワークの
細部にまで十分に浸透させることができなくなる傾向が
あることによる。

【００１６】さらに、鎖状不飽和炭化水素ガスを断続的
に供給する周期、すなわち鎖状不飽和炭化水素ガスの供
給を開始したのち、加熱室内の圧力がＰ3 に達した時点
で供給をいったん停止し、再度ガスの供給を開始するま
での時間については、請求項３に記載しているように２
〜１０分の範囲とすることが望ましい。すなわち、鎖状
不飽和炭化水素ガスの供給周期が１０分を超えた場合に
は、浸炭性ガスが不足気味となって浸炭にばらつきが生
じやすく、逆に供給周期が２分に満たない場合には浸炭
性ガスが過剰気味となって、ワーク表面における急激な
炭素濃度の富化に基づくセメンタイトの析出や加熱室内
にスーティングが発生しやすくなる傾向がある。

【００１７】また、本発明に係わる浸炭処理方法におい
ては、加熱室内の浸炭性ガスの偏在を防ぎ、浸炭性ガス
をワークの細部にまで浸透させて均一な浸炭処理を達成
するには、浸炭期の圧力Ｐ3 を高く設定して、浸炭期の
圧力Ｐ3 と拡散期の圧力Ｐ2の差を大きくすることが望
ましい。しかし、浸炭性ガスとして鎖状不飽和炭化水素
ガスのみを供給して圧力Ｐ3 を高くした場合には、例え
ば１０Ｔｏｒｒ程度に達した時点でスーティングが発生
することが確認されている。したがって、鎖状不飽和炭
化水素ガスを不活性なガス、例えば請求項７に記載して
いるように窒素ガスと混合した状態で加熱室内に供給す
ることが、浸炭性ガス濃度を低く保持してスーティング
を防止しつつ浸炭期の圧力Ｐ3 を高くすることができ、
均一な浸炭処理が可能になることから望ましい。なお、
窒素ガスとの混合ガス中における鎖状不飽和炭化水素ガ
ス濃度としては、容積比で２０〜８０％程度の範囲が適
当である。

【００１８】浸炭時間ｔ1 については、目的とする浸炭
層深さに応じて適宜選択されるが、一般に１時間〜５時
間、とくに大きな浸炭層深さが必要な場合には１０時間
以上の処理時間が設定されることもある。

【００１９】なお、浸炭が終了すると、拡散工程、焼入
温度への降温および当該温度での温度保持工程に移行す
るが、拡散時間ｔ2 については、通常浸炭時間ｔ1 の２
分の１程度の時間に設定されるが、目的とする浸炭深さ
が浅い場合には、拡散工程を経ることなく焼入温度に降
温するようになすこともある。

【００２０】焼入温度Ｔ2 としては、ワーク素材の焼入
性を考慮して、通常８００〜９００℃の温度に設定され
る。

【００２１】浸炭が終了したのちの拡散および焼入温度
への降温、温度保持工程については、請求項５に記載し
ているように窒素雰囲気が望ましく、その圧力Ｐ4 につ
いては、請求項６に記載しているように昇温工程と同様
大気圧とすることが望ましい。

【００２２】焼入温度に保持されることによって、温度
が均一化されたワークは油中に焼入れられる。この焼入
時の雰囲気圧力Ｐ5 については、通常は大気圧で行われ
るが、大気圧より低い適当な圧力で焼入（減圧焼入）を
施すことにより、焼入油の冷却特性を変えることがで
き、これによって硬化層の硬度分布を調整したり、焼歪
みを軽減したりすることができる。なお、拡散および焼
入温度への降温、温度保持工程における窒素雰囲気圧力
Ｐ4 を焼入時の雰囲気圧力Ｐ5 と同じに設定することも
可能である。

【００２３】なお、本発明に係わる浸炭処理方法におい
ては、浸炭期における圧力Ｐ3 （窒素ガスとの混合ガス
を用いた場合には浸炭性ガス、すなわち鎖状不飽和炭化
水素ガスの分圧）と、この圧力Ｐ3 に保持された合計時
間によって、ワーク表面の炭素濃度が決定されるので、
加熱室に酸素センサーを設置したり、赤外線分析計を用
いて雰囲気ガスの成分分析を行ったりする必要がなく、
設備費や設備の維持コストが削減され、より低コストで
浸炭処理を行うことができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体
的に説明する。

【００２５】実施例１図２は、本発明に係わる浸炭処理方法の実施例に用いた
炉の構造を示すものであって、図に示す浸炭炉１は、炉
本体を形成する加熱室２と焼入用の油槽４を備えた前室
３から構成されており、前室３にはトレーに載置したワ
ークを前室３と加熱室２の間で移動させる炉内搬送装置
５と、浸炭を終えたワークを油槽４中の焼入油に浸漬す
るための昇降装置６を備えている。さらに、前室３に
は、油槽４中の焼入油を加熱するためのチューブヒータ
７と、焼入油を循環させるための撹拌ファン８が設けて
あると共に、図外には焼入油を冷却するための水冷装置
と、焼入油の温度を検出する熱電対などを備えている。

【００２６】一方、加熱室２は、この実施例では３ｍ³
の容量を有し、耐火物９によって内張された加熱室２の
内部に加熱源としてのラジアントチューブヒータ１０
と、炉内温度を検出するための熱電対１１と、炉内の雰
囲気（窒素）を強制撹拌するためのファン１２を備えて
おり、炉内の温度むらをなくしてワークの昇温を速やか
なものとすることができるようになっている。

【００２７】さらに、加熱室２および前室３は、図外に
それぞれ真空排気装置を備え、それぞれ独立して気圧制
御ができるようになっていると共に、図示しないガス制
御装置を介して、同じく図外の窒素源，アセチレン源に
連結されている。

【００２８】このような構造を備えた浸炭窒化炉１を用
いて、ＪＩＳＧ４１０５に規定されるクロムモリブ
デン鋼ＳＣＭ４１５からなる径１６ｍｍ，高さ３０ｍｍ
の円柱形試験片に浸炭処理を施し、その性能を調査し
た。

【００２９】まず、前室３の入口側真空扉３ａを開放
し、前記円柱形試験片をトレーに載置した状態で前室３
内に入れ、真空扉３ａを閉じ、真空排気装置を作動させ
て前室３および加熱室２内の空気をパージしたのち、図
示しないガス制御装置を介して窒素ガスを導入して大気
圧（Ｐ1 ＝７６０Ｔｏｒｒ）に復圧し、前室３および加
熱室２内を窒素ガスに置換した。

【００３０】次に、入口側真空扉３ａを閉じた状態で、
前室３の内側真空扉３ｂおよび加熱室２の耐熱扉２ａを
開放すると共に、炉内搬送装置５を作動させて前記円柱
形試験片をトレーと共に押し出し、加熱室２内に装入し
たのち、真空扉３ｂおよび耐熱扉２ａを閉じ、撹拌用の
ファン１２を回転させながら、加熱室２のラジアントチ
ューブヒータ１０に通電して昇温を開始した。

【００３１】加熱室２の温度が、この実施例における浸
炭温度９００℃（Ｔ1 ）に到達した時点で、加熱室２内
の窒素雰囲気を真空排気し、０．１Ｔｏｒｒ（Ｐ2 ）ま
で減圧したのち、加熱室２内の圧力Ｐ3 が２．０Ｔｏｒ
ｒとなるまでアセチレンと窒素との混合ガス（５０％）
を供給し、５秒間この圧力に保持したのち、真空排気を
開始して加熱室２内を０．１Ｔｏｒｒまで減圧し、再度
混合ガスを供給するという操作を４分ごとに都合２０回
繰り返した（浸炭時間ｔ1 ＝８０分）。

【００３２】次いで、加熱室２内に窒素ガスを導入し
て、雰囲気圧力Ｐ4 を大気圧に復圧し、さらに前記温度
９００℃（Ｔ1 ）に５０分間（ｔ2 ）保持したのち、こ
の実施例における焼入温度８５０℃（Ｔ2 ）に降温し、
この温度に２０分間（ｔ3 ）保持して試験片の温度が均
一になるのを待った。

【００３３】そして、内側真空扉３ｂおよび耐熱扉２ａ
を開放した状態で、炉内搬送装置５を作動させて前記試
験片をトレーと共に加熱室２から引き出し、前室３内の
雰囲気圧力を３００Ｔｏｒｒ（Ｐ5 ）に減圧したのち、
昇降装置６の下降作動によって前記試験片を油槽４内に
焼入れた。

【００３４】このような処理が施された試験片につい
て、マイクロビッカース硬度計を用いて０．３ｋｇ荷重
で硬度分布を測定した結果、図３に示すように、０．５
ｍｍの有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０以上）を備えた浸炭
層が形成されていることが確認された。

【００３５】さらに、上記試験片について、カントバッ
クによって試験片表面から内部に至る炭素含有量の変化
を測定した結果、図４に示すように表面付近の炭素含有
量が０．８３％程度であることが判明し、目標値０．８
０％に対して精度良く合致していることが確かめられ
た。

【００３６】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わる浸炭処理方法
においては、ワークを窒素雰囲気中で所定の浸炭温度ま
で加熱するようにしているので、雰囲気窒素の対流およ
び撹拌によってワークの昇温速度を速やかなものとし、
ワークの炉内装入密度が高い場合でもワークの温度むら
を解消することができ、昇温後加熱室内を減圧したの
ち、浸炭用ガスとしてアセチレンやエチレンガスのよう
な鎖状不飽和炭化水素ガスを断続的に供給して加熱室内
の圧力を変動させるようにしているので、複雑な形状の
ワークやワークの炉内装入密度が高い場合でも、ワーク
表面に浸炭用の鎖状不飽和炭化水素ガスを十分に供給す
ることができ、浸炭むらの防止が可能になるとと共に、
圧力変動に応じて浸炭と拡散とが交互に繰り返され、浸
炭量が一時的に高くなることによるセメンタイトの析出
を有効に防止することができるという極めて優れた効果
がもたらされる。なお、不飽和炭化水素ガスは活性であ
り、ワークに優先的に吸着してワーク表面において速や
かに反応することから、煤の発生が少ないものとなる。

【００３７】本発明の請求項２に係わる浸炭処理方法に
おいては、加熱室内の減圧と鎖状不飽和炭化水素ガスの
供給とを繰り返すことによって、加熱室内の圧力が０．
１Ｔｏｒｒ以下の真空状態と、鎖状不飽和炭化水素ガス
を含む１．０Ｔｏｒｒ以上の圧力との間で変動させ、浸
炭用ガスをワーク表面に十分に供給したのち、余剰の浸
炭用ガスが速やかに排除されることから、浸炭と拡散と
が交互に確実に繰り返されることになり、セメンタイト
の析出をより効果的に防止することができると共に、ワ
ークの装入密度の差による浸炭量の差を少なくすること
ができ、より均一な浸炭処理が可能になり、請求項３に
係わる浸炭処理方法においては、鎖状不飽和炭化水素ガ
スを２ないし１０分の周期で供給するようにしているの
で、浸炭と拡散とが比較的短時間で繰り返されることか
ら、ワーク表面の浸炭量が一時的に高くなることによる
セメンタイトの析出をさらに効果的に防止することがで
き、請求項４に係わる浸炭処理方法においては、昇温時
の窒素雰囲気圧を大気圧としているので、ワークの昇温
速度の向上および温度むらの解消という効果を確実なも
のとすることができ、さらに請求項５に係わる浸炭処理
方法においては、浸炭語の拡散、焼入温度までの降温お
よび焼入温度での均熱保持を窒素雰囲気で行うようにし
ているので、降温時間が短くなると共に、この間にアン
モニアガスを供給することによって浸炭窒化処理が可能
になり、請求項６に係わる浸炭処理方法においては、こ
のときの窒素雰囲気圧を大気圧としているので、対流や
強制撹拌による降温時間の短縮効果がより確実なものと
なり、請求項７に係わる浸炭処理方法においては、鎖状
不飽和炭化水素ガスを窒素ガスとの混合ガスの形態で供
給するようにしているので、鎖状不飽和炭化水素ガスの
濃度を増すことなく浸炭時の圧力を高めることができ、
加熱室内でのスーティングを防止し、浸炭のばらつきを
より少なくすることができ、さらに加熱室のガス供給管
の詰まりを解消して安定した連続操業が可能になるとい
う極めて優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる浸炭処理方法におけるヒートパ
ターンおよび鎖状不飽和炭化水素ガスの供給のタイミン
グの一例を示す説明図である。

【図２】（ａ）本発明に係わる浸炭および浸炭窒化処理
方法の実施例に用いた炉の構造を示す正面図である。
（ｂ）図２（ａ）に示した炉の側断面図である。

【図３】本発明に係わる浸炭処理を施した試験片の表
面近傍部における硬度分布を示すグラフである。

【図４】上記試験片の表面近傍部における炭素含有量
の分布を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱室内に収納したワークを窒素雰囲気
中で所定の浸炭温度まで加熱したのち、加熱室内を減圧
すると共に、鎖状不飽和炭化水素ガスを断続的に供給し
て加熱室内の圧力を変動させながら浸炭させることを特
徴とする浸炭処理方法。
【請求項２】加熱室内を０．１Ｔｏｒｒ以下に減圧し
たのち、鎖状不飽和炭化水素ガスを供給して加熱室内の
圧力を１．０Ｔｏｒｒ以上に所定時間保持し、再度０．
１Ｔｏｒｒ以下に減圧する操作を繰り返すことを特徴と
する請求項１記載の浸炭処理方法。
【請求項３】鎖状不飽和炭化水素ガスを２〜１０分の
周期で断続的に供給することを特徴とする請求項１また
は請求項２記載の浸炭処理方法。
【請求項４】浸炭温度までの昇温を大気圧の窒素雰囲
気中で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３の
いずれかに記載の浸炭処理方法。
【請求項５】浸炭後の拡散、焼入温度までの降温およ
び焼入温度での均熱保持を窒素雰囲気中で行うことを特
徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の浸
炭処理方法。
【請求項６】窒素雰囲気圧が大気圧であることを特徴
とする請求項５記載の浸炭処理方法。
【請求項７】鎖状不飽和炭化水素ガスを窒素ガスと混
合して供給することを特徴とする請求項１ないし請求項
６のいずれかに記載の浸炭処理方法。