JP2002173759A - 真空浸炭雰囲気ガス制御システム及びそのシステムに用いられる真空浸炭処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空浸炭炉への炭化水素系浸炭ガスの供給量
をリアルタイムでコントロールできることにより高品質
の浸炭鋼を安定して生産することのできる真空浸炭雰囲
気ガス制御システム及びその装置を提供すること。 【解決手段】 被浸炭処理材Ｗがセットされる真空浸炭
炉１２に炭化水素系浸炭ガス供給経路１４と、炉内ガス
排気経路１８と、炉内及び被浸炭処理材Ｗの加熱手段２
２とを備え、前記浸炭ガス供給経路１４に該経路を流れ
る浸炭ガス流量を調整する流量調整器１６が設けられる
と共に、炉１２内に炉内ガス圧を検知する圧力計２４
と、浸炭ガスの熱分解により生じる水素分圧を検知する
水素センサ２６とが設けられ、圧力計２４により検知さ
れる炉内ガス圧と水素センサ２６により検知される水素
分圧に基づいてカーボンポテンシャル（Ｐ_Ｃ）演算器２
８により炉内のＰ_Ｃを求め、このＰ_Ｃに基づいて流量調
整器１６のガス流量が調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空浸炭雰囲気ガ
ス制御システムに関し、更に詳しくは、鋼表面の浸炭処
理にメタンやプロパン等の炭化水素系ガスを浸炭ガスと
して使用する真空浸炭プロセスにおいて、その使用され
る炭化水素系ガスの供給量をリアルタイムで制御するの
に好適に用いられる真空浸炭雰囲気ガス制御システム及
びそのシステムに用いられる真空浸炭処理装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼表面の硬化技術として古くから知られ
ている「浸炭」は、低炭素鋼を浸炭ガス中で加熱し、鋼
表面からカーボン（炭素）を拡散させ、その鋼表面付近
のカーボン濃度を高める方法である。この浸炭処理によ
り鋼表面は高温度のオーステナイト状態からの急冷によ
りマルテンサイト化されて硬化層が形成され、鋼内部は
低炭素のままで靭性を保持した浸炭鋼製品が得られる。

【０００３】この浸炭処理技術として従来から知られて
いる方法の１つに、常圧でのガス浸炭法があるが、この
ガス浸炭プロセスでは、例えば、浸炭ガスとして一酸化
炭素（ＣＯ）を用いる場合、常圧高温ガス雰囲気下にお
いて一酸化炭素と被浸炭処理材との反応によりカーボン
（Ｃ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成し、生成したカー
ボンが鋼表面中に固溶し、さらに固溶したカーボンが鋼
表面から内部へと拡散することにより浸炭処理が行われ
る。

【０００４】このガス浸炭のメカニズムとしては、高
温雰囲気における浸炭ガスの鋼表面への接触、鋼表面
での浸炭ガスの熱分解反応及び鋼中へのカーボンの固
溶、固溶したカーボンの鋼表面から内部への拡散、と
いう浸炭挙動が生じることにより鋼表面に浸炭層が形成
されるものである。

【０００５】このガス浸炭プロセスでは、炉内雰囲気ガ
ス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）分圧や酸素（Ｏ_２）分圧を
二酸化炭素センサ、酸素センサにより測定し、あるいは
炉内雰囲気ガス中の水蒸気圧を露点計により測定し、こ
れら測定値に基づいて所定の演算式によりカーボンポテ
ンシャル（Ｐ_Ｃ）を算出する方法を用いて浸炭雰囲気を
コントロールすることが一般的に行われている。

【０００６】

【数１】常圧ガス浸炭（ＣＯガスによる浸炭）の場合 反応式 ２ＣＯ（ｇ）＝[Ｃ]＋ＣＯ_２（ｇ） （ｇ）：気体状態を表す。 [Ｃ]：被浸炭処理材中に固溶するカーボン 上記反応式の平衡定数Ｋ_１は、 Ｋ_１＝ａ_Ｃ・Ｐ_ＣＯ２／（Ｐ_ＣＯ）^２ ＝（Ｐ_Ｃ／ａ_Ｓ）・Ｐ_ＣＯ２／（Ｐ_ＣＯ）^２ これより、カーボンポテンシャルＰ_Ｃは、 Ｐ_Ｃ＝ａ_Ｓ・（Ｐ_ＣＯ）^２・Ｋ_１／Ｐ_ＣＯ２ ここで、ａ_Ｃ：カーボン活量（＝Ｐ_Ｃ／ａ_Ｓ） Ｐ_Ｃ：カーボンポテンシャル （平衡カーボン濃度、鋼の表面カーボン量）（％） ａ_Ｓ：オーステナイトの飽和カーボン濃度（％） Ｐ_ＣＯ、Ｐ_ＣＯ２：ＣＯ、ＣＯ_２の分圧（ａｔｍ）

【０００７】平衡定数Ｋ_１は温度によって決まる定数で
文献等で既知であり、オーステナイトの飽和カーボン濃
度ａ_Ｓも既知であり、また、Ｐ_ＣＯは供給する浸炭ガス
によって決まり、一定であるから、Ｐ_ＣＯ２を測定すれ
ばカーボンポテンシャルＰ_Ｃを算出できる。

【０００８】しかし、近年、環境問題や資源問題に対す
る関心の高まりを背景として、省エネルギー、省資源や
公害防止に極めて有効な浸炭法として真空浸炭プロセス
が注目を浴びている。

【０００９】このプロセスは、メタン（ＣＨ_４）、エタ
ン（Ｃ_２Ｈ_６）等の炭化水素系ガスを浸炭ガスとして使
用し、真空（減圧）雰囲気下で鋼表面の浸炭処理を行う
ものである。例えば、メタンによる浸炭処理の場合に
は、高温度の真空雰囲気下においてメタンが被浸炭処理
材表面でカーボン（Ｃ）と水素ガス（Ｈ_２）に分解し、
生成したカーボンが鋼中へと固溶し、鋼表面から内部へ
と拡散することにより浸炭処理を行うものである。

【００１０】この真空浸炭プロセスによれば、高温度で
の熱処理により高品質の浸炭処理品が得られ、また浸炭
処理の熱エネルギーの無駄がなくなり、ガス消費量も常
圧浸炭処理プロセスに比べて少なくて済む上、二酸化炭
素の排出がないため環境特性にも優れるという利点を有
する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この真
空浸炭プロセスでは、常圧によるガス浸炭法のように浸
炭雰囲気ガス中に一酸化炭素ガスや二酸化炭素ガスは存
在せず、雰囲気ガスとして存在するのはメタン等の炭化
水素系ガスあるいは水素ガスである。従って、炭化水素
系ガスを直接注入するこの真空浸炭プロセスでは、常圧
でのガス浸炭プロセスのように二酸化炭素センサや酸素
センサを用いての雰囲気ガス成分のセンシング手法が適
用できない。

【００１２】この真空浸炭プロセスでは浸炭雰囲気ガス
のセンシング、コントロール技術が未だ確立されておら
ず、この現状においては、製品の出来（浸炭の程度）を
みて、試行錯誤により浸炭ガスの供給量を決定せざるを
得ないのが実状であった。

【００１３】したがって、現状では真空浸炭プロセスに
おいて適正な処理条件を見つけるのは大変難しい。真空
浸炭炉の形状や大きさ、あるいは処理品（ワーク、鋼
材）の材質や炉内への投入量などによって浸炭ガスの適
正供給量が異なってくる。またフィードバック制御され
ていないため、ガス供給量が過剰になると煤が発生し、
少なすぎると十分に浸炭されない。その結果、製品の品
質にばらつきが生じ、歩留まりが悪くなるという問題が
あった。

【００１４】そこで本発明者らは、真空浸炭炉内の雰囲
気ガスのガス分析を行う方法として、真空ポンプから排
気されるガスをガスクロマトグラフで分析する方法も検
討したが、連続して測定ができない上、サンプリングガ
スへ真空ポンプ中のオイル（油）が混入したり、炉内が
減圧されているためにサンプル量が極めて少なくなるこ
とから分析精度が十分に得られなかった。

【００１５】そして、本発明者らは種々検討を重ねた結
果、ＣＨ_４→Ｃ＋２Ｈ_２のように、炭化水素系ガスの熱
分解反応により発生する水素ガスを検知できれば炉内雰
囲気のコントロールが可能と考えた。この場合、高温・
減圧下で他の可燃性ガスの影響を受けずに低濃度の水素
ガスを検知できるガスセンサは実用化されていないが、
プロトン導電性セラミックスを用いて水素センサを構成
すれば真空浸炭条件下の微量な水素ガスが計測できるの
ではないか、そしてこの水素センサの信号を用いて供給
する炭化水素系ガスの流量をコントロールすれば、真空
浸炭炉内の炉内雰囲気を適切に保て、煤の発生を抑えな
がら、迅速に高品質の浸炭ができるとの考えに至ったも
のである。

【００１６】本発明の解決しようとする課題は、真空浸
炭炉内の炉内の水素濃度（あるいは分圧）をセンシング
することにより炉内に供給される浸炭ガス量を適正量に
調整コントロールするようにした真空浸炭雰囲気ガス制
御システムを提供することにある。これにより高品質の
浸炭処理品の安定生産を可能とし、また更には処理時間
の短縮化、歩留まりの改善による生産性の向上、更には
浸炭ガス消費量の抑制などによる経済的メリットを達成
しようとするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
の本発明の真空浸炭雰囲気ガス制御システムは、請求項
１に記載のように、被浸炭処理材がセットされる真空浸
炭炉内にその被浸炭処理材を浸炭処理すべく炭化水素系
の浸炭ガスを供給し、この浸炭ガスの熱分解反応によっ
て生じるカーボンが被浸炭処理材中へ固溶・拡散するこ
とにより被浸炭処理材の浸炭処理を行うに際し、この熱
分解反応により発生する水素ガスの分圧を浸炭処理中常
時計測し、その計測値に基づいて炉内に供給される浸炭
ガス量をリアルタイムで調整制御するようにしたことを
要旨とするものである。

【００１８】また本発明の真空浸炭処理装置は、請求項
２に記載のように、被浸炭処理材がセットされる真空浸
炭炉に炭化水素系の浸炭ガスの供給経路と、炉内ガスの
排気経路と、炉内雰囲気及び炉内にセットされる被浸炭
処理材の加熱手段とを備え、前記浸炭ガス供給経路に該
経路を流れる浸炭ガスの流量を調整する浸炭ガス流量調
整器が設けられると共に、前記真空浸炭炉に炉内雰囲気
ガス圧を検知する圧力計と、炉内に供給された浸炭ガス
が熱分解することにより生じる水素分圧を検知する水素
センサとが設けられ、前記圧力計により検知される炉内
雰囲気ガス圧と前記水素センサにより検知される水素分
圧の値に基づいて炉内のカーボンポテンシャルを演算に
より求めるカーボンポテンシャル演算器と、該カーボン
ポテンシャル演算器により算出されたカーボンポテンシ
ャルに基づいて前記浸炭ガス流量調整器のガス流量を調
整する浸炭ガス流量制御手段とが備えられていることを
要旨とするものである。

【００１９】この真空浸炭処理装置によれば、真空浸炭
炉に被浸炭処理材である鋼材をセットし、炉内を真空
（減圧）にすると共に、炉内雰囲気及び炉内にセットさ
れる鋼材を加熱状態とし、この状態でメタンやプロパン
などの炭化水素系の浸炭ガスを炉内に供給することによ
りその浸炭ガスは鋼表面でカーボン（Ｃ）と水素
（Ｈ_２）ガスとに熱分解され、カーボンは鋼中に固溶し
て表面から内部へと拡散していくことにより浸炭処理が
行われる。一方、水素ガスを含む炉内雰囲気ガスは炉外
へ排気されるが、その浸炭処理中、炉内雰囲気ガス圧
（全圧）は圧力計で検知され、浸炭ガスの熱分解によっ
て生じる炉内の水素分圧は水素センサにより検知され、
これらの検知信号がカーボンポテンシャル（Ｐ_Ｃ）演算
器に入力されて所定の演算式により炉内のカーボンポテ
ンシャル（Ｐ_Ｃ）が求められる。そしてこのカーボンポ
テンシャル（Ｐ_Ｃ）の算出値に基づいて浸炭ガス供給経
路に設けられる流量調整器のガス流量開度が自動的に調
整制御されることによりＰ_Ｃ値が一定の値を超えないよ
うに浸炭ガスの供給流量がコントロールされる。

【００２０】この制御システムは、炉内のカーボン濃度
分布をリアルタイムで制御することになるから、品質の
安定した浸炭処理品が得られることになり、また過不足
のない浸炭ガスの安定供給が行われることにより鋼表面
の煤の発生も回避され、さらに浸炭ガスの消費も必要最
小限にとどめることが可能となる。

【００２１】水素センサは、請求項３に記載のように、
プロトン導電性セラミックスを用いることにより炉内雰
囲気ガス中の水素分圧のみを検知することが可能であ
り、またこれにより炉内の雰囲気ガスのコントロールが
精度のよいものとなる。尚、ここに適用される浸炭ガス
は、メタン、プロパンなどの飽和炭化水素系ガスのほ
か、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）な
どの不飽和炭化水素系ガスが適用され、特にメタン系の
都市ガス１３Ａを使用することによりその実用化はより
一層高いものと期待される。

【００２２】また、プロトン導電性セラミックスを用い
た水素センサとしては、請求項４に記載のように、プロ
トン導電性セラミックス管の炉内挿入端内外面に白金電
極を設け、プロトン導電性セラミックス管内の基準水素
と、炉内雰囲気ガス中の水素との濃度差によって生じる
水素イオンのプロトン導電性セラミックス管内の拡散に
伴う両白金電極間の電位差を測定することにより炉内水
素分圧を測定するものが挙げられる。この方法ではプロ
トン導電性セラミックスを介して、基準水素ガスと炉内
雰囲気中の水素ガスとの濃度差を検知することにより炉
内水素分圧を測定するものであるが、基準水素ガスを用
いない、例えば、固体電解質型のプロトン導電性セラミ
ックス水素センサであってもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】図１は、本発明の真空浸炭制御システムが
適用される一実施例としての真空浸炭処理装置の概略構
成を示している。この図１に示した真空浸炭処理装置
は、被浸炭処理材である鋼材（ワーク）Ｗがセットされ
る真空浸炭炉１２の炉壁に、炉内にメタン、プロパン、
アセチレンなどの炭化水素系ガス（浸炭ガス）を導入す
るための浸炭ガス供給管１４が継がれ、この浸炭ガス供
給管１４にはこの管路を流れる浸炭ガスの流量を増減さ
せる自動電磁弁タイプの流量調整機能を備えた流量調整
器１６が設けられている。

【００２５】また、真空浸炭炉１２の炉壁の他の部位に
は、炉内ガスを吸引排気し炉内を真空あるいは減圧状態
に保持するための排気管１８には真空ポンプ２０が設け
られ、排気管１８の途中には真空ポンプ２０による炉内
の吸引排気のオン・オフを切り替える真空バルブ２１が
設けられている。さらに、この浸炭炉１２の周囲には炉
内雰囲気及び炉内にセットされるワークＷを高温度に加
熱保持するためのヒータ２２若しくはこれと同等の加熱
手段であるガスバーナが配設されている。

【００２６】そして、この真空浸炭炉１２の炉壁には、
炉内雰囲気ガスのガス圧（全圧）を計測するための圧力
計２４と、この炉内に導入される炭化水素系浸炭ガスの
熱分解によって生じる水素ガスの分圧を検知する水素セ
ンサ２６が備え付けられている。

【００２７】これらの圧力計２４及び水素センサ２６
は、この真空浸炭炉１２を運転制御するコントローラに
設けられるカーボンポテンシャル（Ｐ_Ｃ）演算器２８に
電気信号的に接続される。またこのＰ_Ｃ演算器２８と前
記浸炭ガス供給管１４に設けられる流量調整器１６との
間も電気信号的に接続され、Ｐ_Ｃ演算器２８からの指令
信号により流量調整器１６の自動電磁弁の開度が自動的
に調整されるようになっている。

【００２８】図２は、この真空浸炭炉１２の炉壁に設け
られる前記水素センサ２６の概略構成を拡大して示した
ものである。この水素センサ２６は、プロトン導電性セ
ラミックス材料ＣａＺｒ_０．９Ｉｎ_０．１Ｏ_３−αによ
る一端が閉塞されたプロトン導電性セラミックス管３２
（以下、「プロトン導電管」と称する）の筒底部分の内
外壁面に白金電極Ｅｉ、Ｅｓを設けたセンサプローブを
形成し、これを基準水素ガスが装填されるセラミックス
チューブ３４の先端にシール剤３６を介して接合し、こ
のセンサプローブのプロトン導電管３２をセラミックス
製の保護管３８に挿通してこの保護管３８内にこのプロ
トン導電管３２の導体部を無機接着剤４０により接合し
てなるもので、この保護管３８の導体部分を前記した真
空浸炭炉１２の炉壁に挿通装着することによりこの水素
センサ２６はプロトン導電管３２の先端部分が炉１２内
に挿入された状態で炉壁に備え付けられている。

【００２９】真空浸炭炉１２内の雰囲気ガス中の水素分
圧をこの水素センサ２６を用いて測定する測定原理を図
３に示して説明する。真空浸炭炉１２に備えられる水素
センサ２６のプロトン導電管３２内に基準用水素ガスと
して１％濃度水素（Ｈ_２）−ヘリウム（Ｈｅ）混合ガス
を装填しておき、炉内真空雰囲気下に浸炭ガスを導入し
浸炭処理を開始すると、浸炭処理中の真空浸炭炉１２内
の水素ガス濃度（分圧）はプロトン導電管３２内の基準
用水素ガス（１％濃度）よりも低いために、プロトン導
電管３２内の高水素濃度（分圧）側では、 Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ の反応が起こり、プロトン導電管３２内の水素ガスが水
素イオンとなってプロトン導電管３２の管壁内を炉内側
に向けて透過し、炉内の低水素濃度（分圧）側では、 ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２ の反応が起ころうとする。

【００３０】そのためにプロトン導電管３２の内外壁面
白金電極Ｅｉ、Ｅｓ間に炉内側とセラミックス管３２内
側の水素ガスの濃度（分圧）差に対応した電圧が発生す
ることとなり、この電位差を測定することにより真空浸
炭炉１２内の水素分圧が測定されるものである。ちなみ
に、真空浸炭炉１２の炉内水素ガス分圧Ｐ_Ｈ２は、次の
Ｎｅｒｎｓｔの式（数２）を用いて求められる。

【００３１】

【数２】 Ｐ_Ｈ２＝Ｐ_Ｈ２（Ｓ）・ｅｘｐ（２ＦＥ／ＲＴ） ここに Ｐ_Ｈ２：炉内の水素分圧（ａｔｍ） Ｐ_Ｈ２（Ｓ）：基準側水素分圧（ａｔｍ） Ｅ：起電力（Ｖ） Ｆ：ファラデー定数：９６５００（Ｃ／ｍｏｌ） Ｒ：気体定数：８．３１４（Ｊ・ｍｏｌ^−１・Ｋ^−１） Ｔ：絶対温度（Ｋ）

【００３２】次の数３は、この真空浸炭プロセスにおけ
るカーボンポテンシャル（Ｐ_Ｃ）の演算手法を示したも
のである。上述の数２の演算式により炉内の水素ガス濃
度（分圧）が求められると、この数３の演算手法を用い
て炉内のカーボンポテンシャル（Ｐ_Ｃ）が算出されるこ
ととなる。

【００３３】

【数３】真空浸炭（ＣＨ_４ガスによる浸炭）の場合 反応式 ＣＨ_４（ｇ）＝[Ｃ]＋２Ｈ_２（ｇ） （ｇ）：気体状態を表す。 [Ｃ]：被浸炭処理材中に固溶するカーボン 上記反応式の平衡定数Ｋ_１は、 Ｋ_１＝ａ_Ｃ・（Ｐ_Ｈ２）^２／Ｐ_ＣＨ４ ＝（Ｐ_Ｃ／ａ_Ｓ）・（Ｐ_Ｈ２）^２／Ｐ_ＣＨ４ これより、カーボンポテンシャルＰ_Ｃは、 Ｐ_Ｃ＝ａ_Ｓ・Ｐ_ＣＨ４・Ｋ_１／（Ｐ_Ｈ２）^２ ここで、ａ_Ｃ：カーボン活量（＝Ｐ_Ｃ／ａ_Ｓ） Ｐ_Ｃ：カーボンポテンシャル（鋼の表面カーボン量）
（％） ａ_Ｓ：オーステナイトの飽和カーボン濃度（％） Ｐ_ＣＨ４、Ｐ_Ｈ２：ＣＨ_４、Ｈ_２の分圧（ａｔｍ）

【００３４】平衡定数Ｋ_１は温度によって決まる定数で
文献等で既知であり、オーステナイトの飽和カーボン濃
度ａ_Ｓも既知である。したがって、水素センサにより水
素（Ｈ_２）分圧（Ｐ_Ｈ２）を測定し、圧力計２４から炉
内雰囲気ガス圧（全圧）を求めれば、メタン（ＣＨ_４）
分圧（Ｐ_ＣＨ４）は全圧から水素分圧（Ｐ_Ｈ２）を差し
引いたものと近似できるためカーボンポテンシャルＰ_Ｃ
が算出できる。

【００３５】そこで、炉内での浸炭処理中に水素センサ
２６により炉内雰囲気ガス中の水素分圧を常時センシン
グしておき、その測定値と圧力計２４により検知される
炉内雰囲気ガス圧力（全圧）の測定値とをＰ_Ｃ演算器２
８へ送信することにより炉内のカーボンポテンシャル
（Ｐ_Ｃ）が算出されることとなり、この算出されたＰ_Ｃ
値が変動すれば、コントローラからの指令信号により浸
炭ガス供給管１４の流量調整器１６に設けられる電磁弁
の開度が自動的に調整される。このために炉内のＰ_Ｃ値
が一定に保持されるように浸炭ガスの炉内への導入量が
リアルタイムで調整制御されることとなる。

【００３６】図４は、この実施例において適用された真
空浸炭処理プロセスの浸炭処理サイクルを経時的に示し
たものである。真空浸炭炉１２内に被浸炭処理材である
ワーク（低炭素鋼）Ｗをセットした後、この炉を密閉状
態とし、炉内に不活性ガスである窒素（Ｎ_２）ガスを導
入しながら真空ポンプ２０により炉内空気を吸引・炉外
へ排出し炉内を真空状態とする。この時、真空度（減圧
度）は６０Ｐａ程度とする。

【００３７】次いで、この真空状態を保持したまま炉内
雰囲気及び炉内にセットされるワークＷをヒータ２２に
より加熱し、およそ１時間で９３０℃程度まで昇温す
る。そして、所定温度（９３０℃）となったところで浸
炭処理を開始する。この実施例では、メタン系の都市ガ
ス１３Ａを浸炭ガスとして用いたパルス方式の浸炭処理
を行っている。すなわち、都市ガス１３Ａの浸炭ガスを
一定のタイミングでパルス的（間歇的）に炉内へ導入す
るもので、同図にそのパルス浸炭のタイミングチャート
を拡大して示したように、浸炭ガスの炉内への導入時に
は排気管に設けられた真空バルブ２１を開から閉に切り
替えておき、炉内に浸炭ガスが導入された時点で浸炭ガ
スの導入を一旦停止し、その浸炭ガスが炉内雰囲気中に
拡散して浸炭ガスの熱分解によって生じるカーボン
（Ｃ）が鋼中に取り込まれたころを見計らって真空バル
ブ２１を閉から開に戻し炉内ガスを排気するように制御
している。

【００３８】こうした制御により炉内に導入された浸炭
ガスは、鋼表面でＣＨ_４→[Ｃ]＋２Ｈ_２に熱分解され、
カーボンが鋼中に充分に固溶し、カーボンをほとんど含
まない水素ガスのみが排気されることとなる。パルス浸
炭における炉内雰囲気ガス圧力は、浸炭ガス導入時で３
０００Ｐａ、水素ガス排気時で１０Ｐａ程度の範囲で
（１０〜３０００Ｐａの範囲）でコントロールされるよ
うになっている。

【００３９】こうして１時間ほどパルス浸炭処理を繰り
返した後、浸炭ガスの導入を停止し、炉内に不活性のＮ
_２ガスを導入しながら高温度（９３０℃）に保持した状
態で１時間程度鋼材Ｗ表面のカーボンの鋼内部への拡散
処理を行う。これにより鋼表面から鋼内部へカーボンが
拡散し、カーボン濃度が均一となる。

【００４０】鋼材Ｗ表面の拡散処理が済んだら、この鋼
材Ｗを真空浸炭炉１２より取り出し、８０℃の温度で油
焼き入れを行う。これにより鋼表面にはオーステナイト
相の急冷によりマルテンサイト相に相変態した硬化層が
形成され、また鋼内部のカーボンは低濃度のオーステナ
イト相のままであることにより靭性を保持した状態の浸
炭鋼製品が得られるものである。

【００４１】図５は、このパルス浸炭処理プロセスにお
ける炉内雰囲気ガス中の水素分圧を前述の水素センサ２
６を用いてセンシングした経時的変化を示している。図
示されるように、浸炭ガスである都市ガス１３Ａの炉内
への導入時点では炉内圧力の上昇により水素分圧が一旦
上昇し、その後この１３Ａガスの熱分解により水素ガス
が発生するたびに再び水素分圧が上昇する傾向を示して
いる。

【００４２】次の表１には実際に行った試験の条件、及
びその時の被浸炭材Ｗの表面性状を記したものである。
また図６には、その試験により得られた被浸炭材の表面
硬化層のビッカース硬さ測定試験を行った結果を示して
いる。ビッカース硬さ試験はＪＩＳ Ｇ ０５５７に準
拠して行い、圧入荷重は４．９０３Ｎとした。

【００４３】

【表１】

【００４４】図６のビッカース高さ測定試験の結果より
明らかなように、最大硬さはＨ_Ｖ＝８５０であり、最表
面からの深さ（距離）０．６ｍｍまでは５５０以上のビ
ッカース硬さ値を示しており、製品目標値を十分に満た
すことが確認された。

【００４５】本発明は上記した実施の形態に何ら限定さ
れるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種
々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、浸炭
ガスとしてメタン系の都市ガス（１３Ａ）を用いて説明
したが、これは既存の都市ガスの配管経路を利用すれ
ば、浸炭処理工場へ簡単に浸炭ガスを供給できるから
で、ガスボンベを用いたメタン、プロパン、アセチレ
ン、エチレン＋水素などの炭化水素系ガス若しくはこれ
らの混合ガスを用いても同様の効果が得られることは言
うまでもない。

【００４６】また、上記の実施の形態では、水素センサ
としては、一端が閉塞された筒状のプロトン導電性セラ
ミックス管を用い、管内側に基準水素ガスを充填し、こ
の基準水素ガス中と真空浸炭炉内の水素ガスの濃度（分
圧）差に対応して発生する電圧を測定することにより改
質触媒層内の水素濃度（分圧）を検知するものを用いて
説明した。しかし、使用する水素センサはこれに限定さ
れるものではなく、種々のタイプのものを用いることが
でいきる。例えば、基準水素ガスを用いない、固体電解
質型のプロトン導電性セラミックス水素センサであって
もよい。

【００４７】更にまた、この真空浸炭処理プロセスにお
いて用いられる水素センサのプロトン導電性セラミック
ス材料としては、現在幾つかのものが知られており、例
えば、ＳｒＣｅ_０．９５Ｙｂ_０．０５Ｏ_３−α、ＢａＣ
ｅ_０．９Ｎｄ_０．１Ｏ_３−α、ＳｒＺｒ_０．９５Ｙｂ
_０．０５Ｏ_３−α、ＣａＺｒ_０．９６Ｉｎ_０．０４Ｏ_３
−α等もプロトン導電性を有するものとして適用できる
ものである。

【００４８】更にこの実施例では、パルス浸炭法を用い
たが、これは炉内雰囲気ガスが効率よく新しい浸炭ガス
で置換されるからで、勿論、これ以外の方法で浸炭ガス
を導入しても構わない。要は炉内の水素分圧のセンシン
グにより浸炭ガス供給量をコントロールできれば良いの
である。

【００４９】

【発明の効果】本発明の真空浸炭雰囲気ガス制御システ
ム並びにこのシステムに用いられる真空浸炭処理装置に
よれば、真空浸炭プロセスにより高温度での浸炭処理が
行えるばかりでなく、炉内雰囲気ガス中の浸炭ガスの熱
分解によって生じる水素分圧の測定により、浸炭ガス供
給量をリアルタイムでコントロールできることによりワ
ーク（鋼材）中に固溶されるカーボン量を適正に保つこ
とができ、煤の発生等もなく、高品質の浸炭製品が迅速
に生産できる。また、浸炭処理の最適条件の決定も確認
程度の実験で充分にでき、ワーク（鋼材）の材質や大き
さ、形状等の使用条件が変わっても浸炭品質が均質とな
るため製品歩留まりも向上する。さらに不必要に浸炭ガ
スを供給することがないため、原料ガスの消費量が少な
くて済むなどの利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての真空処理装置の概
略構成図である。

【図２】図１の真空浸炭処理装置に備えられる水素セン
サの概略構成図である。

【図３】図２に示した水素センサを用いて炉内雰囲気ガ
ス中の水素ガス濃度を測定する原理を説明するために示
した図である。

【図４】本実施例における真空浸炭処理プロセスの浸炭
処理サイクルを示した図である。

【図５】図４に示したパルス浸炭処理プロセスにおける
炉内雰囲気ガス中の水素分圧の変化状態を示した図であ
る。

【図６】本実施例における浸炭試験品のビッカース硬さ
測定結果を示した図である。

【符号の説明】

Ｗ 被浸炭処理材（ワーク、鋼材） １２ 真空浸炭炉 １４ 浸炭ガス供給管 １６ 流量調整器 １８ 排気室 ２０ 真空ポンプ ２１ 真空バルブ ２２ ヒータ ２４ 圧力計 ２６ 水素センサ ２８ カーボンポテンシャル演算器 ３２ プロトン導電性セラミックス管 Ｅｉ、Ｅｓ 白金電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被浸炭処理材がセットされる真空浸炭炉
   内にその被浸炭処理材を浸炭処理すべく炭化水素系の浸
   炭ガスを供給し、この浸炭ガスの熱分解反応によって生
   じるカーボンが被浸炭処理材中へ固溶・拡散することに
   より被浸炭処理材の浸炭処理を行うに際し、この熱分解
   反応により発生する水素ガスの分圧を浸炭処理中常時計
   測し、その計測値に基づいて炉内に供給される浸炭ガス
   量をリアルタイムで調整制御するようにしたことを特徴
   とする真空浸炭雰囲気ガス制御システム。
2. 【請求項２】 被浸炭処理材がセットされる真空浸炭炉
   に炭化水素系の浸炭ガスの供給経路と、炉内ガスの排気
   経路と、炉内雰囲気及び炉内にセットされる被浸炭処理
   材の加熱手段とを備え、前記浸炭ガス供給経路に該経路
   を流れる浸炭ガスの流量を調整する浸炭ガス流量調整器
   が設けられると共に、前記真空浸炭炉に炉内雰囲気ガス
   圧を検知する圧力計と、炉内に供給された浸炭ガスが熱
   分解することにより生じる水素分圧を検知する水素セン
   サとが設けられ、前記圧力計により検知される炉内雰囲
   気ガス圧と前記水素センサにより検知される水素分圧の
   値に基づいて炉内のカーボンポテンシャルを演算により
   求めるカーボンポテンシャル演算器と、該カーボンポテ
   ンシャル演算器により算出されたカーボンポテンシャル
   に基づいて前記浸炭ガス流量調整器のガス流量を調整す
   る浸炭ガス流量制御手段とが備えられていることを特徴
   とする真空浸炭処理装置。
3. 【請求項３】 前記水素センサには、高温での水素分圧
   のみを測定する手段として、プロトン導電性セラミック
   スが用いられていることを特徴とする請求項２に記載の
   真空浸炭処理装置。
4. 【請求項４】 前記プロトン導電性セラミックスを用い
   た水素センサは、プロトン導電性セラミックス管の炉内
   挿入端内外面に白金電極を設け、プロトン導電性セラミ
   ックス管内の基準水素と、炉内雰囲気ガス中の水素との
   濃度差によって生じる水素イオンのプロトン導電性セラ
   ミックス管内の拡散に伴う両白金電極間の電位差を測定
   することにより炉内水素分圧を測定するものであること
   を特徴とする請求項２又は３に記載の真空浸炭処理装
   置。