JP2002363727A - 浸炭処理方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
ーの削減を図った経済的な浸炭処理方法を提供する。 【解決手段】 炉内雰囲気を炭素固溶限直下の高炭素ポ
テンシャルに維持して浸炭を行う、好ましくは、炉内を
減圧し、該炉内に炭化水素系ガスと酸化性ガスを直接供
給して炉内雰囲気を前記炭素固溶限直下の高炭素ポテン
シャルに維持して浸炭を行う浸炭処理方法。
Description
方法及びその装置に関する。
炉で得たエンドサーミックガスをキャリアガスとし、こ
れに炭化水素系ガスをエンリッチガスとして添加し、炭
素ポテンシャルを調整しながら処理するガス浸炭法、前
記変成炉を使用せず、浸炭炉に直接炭化水素系ガスと酸
化性ガスを供給する(直接)ガス浸炭法、その他、真空
浸炭法、プラズマ浸炭法等が提供されている。
生、爆発の危険性、鋼材料表面の粒界酸化等の問題を抱
え、また、エンドサーミックガスを用いたガス浸炭法で
は、変成炉を必要とし、設備コストがかかると言う問題
が残されていた。
使用することなく、減圧下に直接メタンガスやプロパン
ガスを添加し、該添加したメタンガスやプロパンガスの
直接分解により生じた炭素が鋼材料に侵入するものと考
えられているが、該鋼材料表面の炭素濃度が固溶限まで
増加し、煤が多く発生し、また、炉内メンテナンスに時
間及び費用がかかり、特殊用途以外には使用できず、汎
用性に欠け、さらに、前記ガス浸炭法に比べて炉内雰囲
気の炭素ポテンシャル制御が困難であると言う問題が残
されている。また、プラズマ浸炭法は、生産性に問題が
残されていた。
ードタイムの短縮とトータルエネルギーの削減を図った
経済的な浸炭処理方法及びその装置を提供することを目
的とする。
め、請求項1に示す浸炭処理方法は、炉内雰囲気を炭素
固溶限直下の高炭素ポテンシャルに維持して浸炭処理を
行うことを特徴とする。この請求項1に示す方法の発明
によれば、浸炭リードタイムの短縮及びトータルエネル
ギーを削減することができる。
気を炭素固溶限直下の高炭素ポテンシャルに維持及び炉
内を減圧して浸炭を行うことを特徴とする。
浸炭リードタイムの短縮及びトータルエネルギーの削減
とともに、炉内の減圧により高炭素ポテンシャル雰囲気
を安定して得ることができ、さらにメンテナンスを要す
る煤の発生を防止できる。
は、請求項1又は2の炭処理方法において、炉内圧力が
0.1〜101kPaであることを特徴とする。すなわ
ち、0.1kPa未満に減圧した場合には浸炭能力が失
われ、101kPaより大きい場合は大気圧に近く従来
のガス浸炭法と同様の問題を抱えることになるためであ
る。
は、炭素固溶限直下の高炭素ポテンシャル雰囲気の維持
を、炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性ガスの炉内へ
の直接供給により行うことを特徴とする請求項1又は2
に記載の浸炭処理方法である。
ば、前記従来真空浸炭法と異なり、炭化水素系ガスの他
に酸化性ガスを供給するため、炉内雰囲気の制御が可能
であり、炉内雰囲気を炭素固溶限直下の高炭素ポテンシ
ャルに維持することが容易である。また、従来のガス浸
炭法のように排ガスを燃焼処理することなく、減圧のた
め、真空ポンプにより大気中に排出することになるた
め、CO2 ガスの発生もなく、爆発の危険もない。さ
らに、さらに変成炉も不要であり、必要ガス量も少なく
てすみ、経済的である。
スとして、C3 H8 、C3 H6、C4 H10、C2
H2 、C2 H4 、C2 H6 、CH4 ガス等の一
種又は2種以上が使用され(請求項5)、酸化性ガスと
して、空気、O2 、あるいはCO2 ガス等の酸化性ガ
ス(請求項6)が使用される。
炭素ポテンシャルの制御が、炭化水素系ガス及び/ある
いは酸化性ガスの供給量の制御によって行われ、該炭化
水素系ガス及び/あるいは酸化性ガスの供給量の制御
が、炉内雰囲気の各種成分の測定により行われる(請求
項7及び8)。
系ガス供給部、酸化性ガス供給部及び炉内減圧用の真空
ポンプを有することを特徴とする。この請求項9に示す
装置の発明によれば、前記方法の発明を効率よく実施で
きる。なお、従来のガス浸炭炉には真空ポンプは用いら
れることがなく、また、真空浸炭炉には、酸化性ガス供
給部が不要かつ存在しない。
態は、請求項9に示す浸炭処理装置が、炉内雰囲気分析
装置及び圧力計を有することを特徴とする。この請求項
10によれば、炉内雰囲気制御及び炉内減圧制御を正確
に行うことができ、前記方法の発明を有効に実施でき
る。
態は、請求項10に示す浸炭処理装置に、さらに炉内雰
囲気分析装置の分析値に基づいて炭素ポテンシャルを演
算する演算装置、該演算装置の演算値に基づいて炭化水
素系ガス及び/あるいは酸化性ガスの供給量を調節する
調節計及び熱電対を加えたことを特徴とする。この請求
項11によれば、炉内に供給する炭化水素系ガス及び/
あるいは酸化性ガスの自動供給が可能であり、また、炉
内温度制御が可能である。
析装置として各種のガス濃度計(請求項12)が用いら
れる。
図面に基づいて説明する。図1は、本発明の方法を実施
するに適した浸炭炉の説明図である。図中、1は炉殻、
2は低放散熱量かつ低蓄熱量のセラミックファイバ等か
らなる断熱材、3は雰囲気攪拌用ファン、4は加熱ヒー
ター、5は炉内温度制御のための熱電対、6は炉内減圧
制御用の圧力計、7は炉内雰囲気サンプリング装置、8
は炉内雰囲気分析装置、例えば、COガス分圧あるいは
COガス濃度計、9も炉内雰囲気分析装置、例えば、C
O2ガス分圧あるいはCO2 ガス濃度計、30も炉内
雰囲気分析装置、例えば、O2 ガス分圧あるいはO2
ガス濃度計、10は炭化水素系ガス供給部10aに設け
られ、炭化水素系ガスの炉内供給量を制御するマスフロ
ーコントローラー、11は酸化性ガス供給部11aに設
けられ、酸化性ガスの炉内供給量を制御するマスフロー
コントローラー、12は炉内減圧用の真空ポンプ、13
は炭素ポテンシャル演算装置、14は、前記演算装置1
3からの演算値に基づいて前記マスフローコントローラ
ー10,11に、それぞれ調節信号を送る調節計であ
る。
整(請求項2)は、前記圧力計6及び真空ポンプ12に
よる炉内雰囲気の排気制御により行なわれる。また、炉
内雰囲気の炭素固溶限直下の高炭素ポテンシャルの制御
(請求項4)は、炉内雰囲気分析装置の一例の、例え
ば、前記COガス分圧あるいはCOガス濃度計8、CO
2ガス分圧あるいはCO2 ガス濃度計9及びO2 ガス
分圧あるいはO2 ガス濃度計30の分析値を、前記炭
素ポテンシャル演算装置13に導入し、得られた演算値
に基づいて、調節信号を発する前記調節計14によっ
て、前記炭化水素系ガスの供給量を制御する前記マスフ
ローコントローラー10及び酸化性ガスの供給量を制御
する前記マスフローコントローラー11が制御され、前
記炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性ガスの炉内供給
量が調整されて行なわれる。
下の高炭素ポテンシャルに維持するために炉内に直接供
給する炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性ガスの供給
量を制御するための炉内雰囲気分析は、その他、H2
ガス分圧あるいはH2 ガス濃度計、H2 O分圧あるい
は露点の測定、CH4 ガス分圧あるいはCH4 ガス濃
度計等により行ってもよい(請求項7,8,12)。
浸炭焼入れ装置の平面配置図である。図中、15は装入
扉、16は搬送室、17は浸炭室、18はガス冷却室、
19は油焼入れ室、20は取出し扉、21a,21b及
び21cはそれぞれ仕切り扉である。
は、前記装入扉15、取出し扉20及び前記仕切り扉2
1a,21b及び21cは、それぞれ閉じられている。
また、浸炭室17は、焼入れ温度に加熱保持され、圧力
は0.1kPa以下に制御されている。同様に、焼入れ
室19も0.1kPa以下の圧力に制御され、該焼入れ
室19内の焼入れ油は鋼材料の焼入れ時の温度に加熱さ
れている。また、前記搬送室16は大気圧となってい
る。
前記搬送室16内に装入され、前記装入扉15を閉じ
て、前記搬送室16内が0.1kPa以下に減圧され
る。その後、前記搬送室16と前記浸炭室17間の仕切
り扉21aが開かれ、鋼材料が前記浸炭炉17に搬送さ
れて前記仕切り扉21aが閉じられる。なお、前記鋼材
料の搬送装置は、図示しないが、前記搬送室16と前記
油焼入れ室19はモーター駆動のチェーン、前記浸炭室
17はローラーハースとされた。
室17がN2 ガスにより、所定圧力、例えば、100
kPaに復圧され、同時に浸炭温度に昇温され、該浸炭
温度に昇温後30分保持した後、前記N2 ガスを排出
し、前記浸炭室17内が0.1kPa以下に減圧され
る。
と酸化性ガスをパージラインを用いて所定量供給して浸
炭圧力まで復圧させる。浸炭圧力に到達後は、制御ライ
ンを用いてCO2 分圧あるいはCO2 濃度の測定デー
タをもとに演算した結果により炭化水素系ガス及び/あ
るいは酸化性ガスの供給量が制御される。なお、この際
の炭素ポテンシャルは、浸炭温度で決まる炭素固溶限を
参考にして煤が発生しない範囲で設定される。
の炭化水素系ガスと酸化性ガスの供給を止め、さらに浸
炭室17内の排気を行ない、鋼材料を減圧中に保持して
表面炭素濃度を調整する。そして、焼入れ温度に前記浸
炭室17の温度が下げられ、前記仕切り扉21aが開か
れ、さらに前記搬送室16と焼入れ室19間の仕切り扉
21cが開かれて、減圧下、鋼材料が前記搬送室16を
経由して前記焼入れ室に19に搬送され、油焼き入れが
行なわれ、焼入れ終了後、前記取出し扉20から鋼材料
が取り出される。なお、表面炭素濃度の調整と焼入れ温
度への温度制御は同時に行うことも可能である。
(1050℃)の場合には、浸炭処理後の表面炭素濃度
調整後に、前記搬送室16及び前記仕切り扉21bを経
由して前記ガス冷却室18に鋼材料を搬送し、N2 ガ
スで所定圧力(例えば100kPa)に復圧後、冷却
し、その後、N2 ガスを排出、圧力を1kPa以下に
減圧して、減圧下、前記搬送室16を経由して、再び前
記浸炭室17に戻して再加熱温度に昇温加熱する。
に昇温及び30分間保持し、N2ガスを排出、圧力を1
kPa以下に減圧して、減圧下、前記搬送室16を経由
して前記焼入れ室19に鋼材料を搬送し、油焼入れが行
なわれ、焼入れ終了後、前記取出し扉20から鋼材料が
取り出される。
m、長さ40mmの試片を、温度:950℃、圧力:
0.1kPa以下に制御した前記浸炭室17内の9地点
(炉内コーナー部上下及び炉中央部)に配置し、その
後、N2 ガスにて室内を100kPaに復圧、950
℃に昇温加熱した。
記室内温度950℃に30分保持した後、浸炭室17内
の圧力を排気により0.1kPa以下とし、さらにC3
H 8 ガスとCO2 ガスをそれぞれ3.5L/min
供給して室内圧力を1.7kPaとした。
しつつ、前記C3 H8 ガス及び/あるいはCO2 ガ
スの供給量を変化させて炭素ポテンシャルを1.25%
に制御して950℃に57分間保持した。
供給を止め、排気により室内圧力を0.1kPa以下と
し、37分間保持し、続く30分間で温度を870℃ま
で下げて前記鋼材料を前記搬送室16を経由して前記焼
入れ室19に搬送して油焼入れを行なった。
地点に配置された鋼材料表面部の平均炭素濃度分布を図
3に示す。その結果は、有効浸炭深さ(0.36%C)
が0.7mmであり、適正な値であった。また、前記鋼
材料の組織写真を図4に示す。
材料の表面には、何ら異常層の発生は認められなかっ
た。
ミックガスを用いたガス浸炭との浸炭リードタイムを比
較したところ、前記本発明実施例1が94分であるのに
対し、従来のエンドサーミックガスを用いたガス浸炭の
場合は118分となり、約20%の時間短縮となった。
ドサーミックガスを用いたガス浸炭に比べ、短時間で必
要とする深さの浸炭処理層を得ることができ、トータル
エネルギーも削減でき、経済的である。さらに煤の発生
もなく、しかも鋼材料の炉内配置位置の制約も受けず、
ばらつきの小さい浸炭処理層を得ることが確認された。
料の材質、形状及び重量を前記実施例1と同じにして、
温度:1050℃、圧力:0.1kPa以下に制御した
前記浸炭室17内の9地点に配置し、その後、N2 ガ
スにて室内を100kPaに復圧、1050℃に昇温加
熱した。
内温度1050℃に30分保持した後、浸炭室17の室
内圧力を排気により0.1kPa以下とし、さらにC3
H 8 ガスとCO2 ガスをそれぞれ14L/min供
給して室内圧力を1.7kPaとした。
持しつつ、CO2 ガスの供給量を定量の10L/mi
nとし、C3 H8 ガスの供給量を変えて炭素ポテンシ
ャルを1.4%に制御して1050℃に16分間保持し
た。
供給を止め、排気により室内圧力を0.1kPa以下と
し、16分間保持し、鋼材料の結晶粒の粗大化を調整す
るため、該鋼材料の冷却、再加熱を行なった。
17から搬送室16を経由して前記ガス冷却室18に前
記鋼材料を搬送し、N2 ガスで前記ガス冷却室18内
を100kPaに復圧して15分間冷却し、その後、N
2 ガスを排気して前記ガス冷却室内圧力を0.1kP
a以下として前記搬送室16を経由して再び前記浸炭室
17に搬送し、N2 ガス、100kPaのもとで昇温
加熱し、30分保持した後、排気により浸炭室17の室
内圧力を0.1kPa以下とし、前記搬送室16を経由
して前記焼入れ室19に搬送して油焼入れを行なった。
地点に配置された鋼材料表面の平均炭素濃度分布を図5
に示す.その結果は、有効浸炭深さ(0.36%C)が
0.73mmであり適正な値であった。また、前記鋼材
料の組織写真を図6に示す。該図6に示した写真を観察
すると、前記鋼材料の表面には、何ら異常層の発生は認
められなかった。なお、結晶粒写真の一例を図7に示
す。結晶粒度は#9で適正な値であった。
は、処理温度を高温の1050℃としたこと及び炭素ポ
テンシャルを1.4%にしたことにより、大幅に短縮さ
れ、従来のエンドサーミックガスを用いたガス浸炭と比
較すると、約73%の時間短縮となった。
ドサーミックガスを用いたガス浸炭に比べ、きわめて短
時間に必要とする深さの浸炭処理層を得ることができ、
トータルエネルギーも削減でき、さらに煤の発生もな
く、しかも鋼材料の炉内配置位置の制約をも受けず、ば
らつきの小さい浸炭処理層を得ることが確認された。
である。すなわち、鋼材料の材質、形状及び重量を前記
実施例1と同じにして、室内温度:950℃、室内圧
力:0.1kPa以下に制御した前記浸炭室17内の9
地点に配置し、その後、N2ガスにて100kPaに復
圧、950℃に昇温加熱した。
記室内温度950℃に30分保持した後、浸炭室17の
室内圧力を排気により0.1kPa以下とし、さらにC
3H8ガスとCO2 ガスをそれぞれ15L/min供
給して室内圧力を100kPaとした。
しつつ、前記C3 H8 ガス及び/あるいはCO2 ガ
スの供給量を変化させ、炭素ポテンシャルを1.25%
に制御して950℃に57分間保持した。
供給を止め、排気により室内圧力を0.1kPa以下と
し、37分間保持し、続く30分間で温度を870℃ま
で下げて前記鋼材料を前記搬送室16を介して前記焼入
れ室19に搬送して油焼入れを行なった。
の有効浸炭深さ(0.36%C)が0.72%であり、
適正な値であり、また、煤の発生もなかった。
クガスを用いたガス浸炭に比べて、浸炭リードタイムを
短縮でき、トータルエネルギーも削減でき、経済的であ
り、また、減圧下における炉内雰囲気の炭素ポテンシャ
ル制御が可能であり、したがって、炭化水素系ガスの直
接分解による炭素の鋼材料への侵入を制限することがで
き、煤の発生もなく、適正な値の浸炭処理層を得ること
ができる。
図である。
置の平面配置図である。
である。
である。
コントローラー 10a 炭化水素系ガス供給部 11 (酸化性ガスの供給量制御用)マスフローコン
トローラー 11a 酸化性ガス供給部 12 真空ポンプ 13 炭素ポテンシャル演算装置 14 調節計 17 浸炭室
Claims (12)
- 【請求項1】 炉内雰囲気を炭素固溶限直下の高炭素ポ
テンシャルに維持して浸炭を行うことを特徴とする浸炭
処理方法。 - 【請求項2】 炉内雰囲気を炭素固溶限直下の高炭素ポ
テンシャルに維持及び炉内を減圧して浸炭を行うことを
特徴とする浸炭処理方法。 - 【請求項3】 炉内圧力が0.1〜101kPaである
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の浸炭処理方
法。 - 【請求項4】 炭素固溶限直下の高炭素ポテンシャル雰
囲気の維持を、炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性ガ
スの炉内への直接供給により行うことを特徴とする請求
項1又は2に記載の浸炭処理方法。 - 【請求項5】 炭化水素系ガスが、C3 H8 、C3
H6 、C4 H10、C2 H2 、C2 H4 、C2
H6 、CH4 ガスのうちの1種又は2種以上であるこ
とを特徴とする請求項4に記載の浸炭処理方法。 - 【請求項6】 酸化性ガスが、空気、O2 ガス、ある
いはCO2 ガスであることを特徴とする請求項4に記
載の浸炭処理方法。 - 【請求項7】 炭素固溶限直下の高炭素ポテンシャル雰
囲気を維持する炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性ガ
スの供給量の制御を、炉内雰囲気のCOガス、CO2
ガス、O2 ガス、H2 ガス、H2 O又はCH4 ガス
のうちの少なくとも1種のガス分圧の測定により行なう
ことを特徴とする請求項4に記載の浸炭処理方法。 - 【請求項8】 炭素固溶限直下の高炭素ポテンシャル雰
囲気を維持する炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性ガ
スの供給量の制御を、炉内雰囲気のCOガス、CO2
ガス、O2 ガス、H2 ガス、H2 O又はCH4 ガス
のうちの少なくとも1種のガス濃度の測定により行なう
ことを特徴とする請求項4に記載の浸炭処理方法。 - 【請求項9】 炭化水素系ガス供給部、酸化性ガス供給
部及び炉内減圧用の真空ポンプを有することを特徴とす
る浸炭処理装置。 - 【請求項10】 炉内雰囲気分析装置及び圧力計を有す
ることを特徴とする請求項9に記載の浸炭処理装置。 - 【請求項11】 炉内雰囲気分析装置の分析値に基づい
て炭素ポテンシャルを演算する演算装置、該演算装置の
演算値に基づいて炭化水素系ガス及び/あるいは酸化性
ガスの供給量を調節する調節計及び熱電対を有すること
を特徴とする請求項10に記載の浸炭処理装置。 - 【請求項12】 炉内雰囲気分析装置が、COガス濃度
計、CO2 ガス濃度計、O2 ガス濃度計、H2 ガス
濃度計、露点計又はCH4 ガス濃度計のうちの少なく
とも1種であることを特徴とする請求項10又は11に
記載の浸炭処理装置。
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EP10007118.2A EP2233601B1 (en) | 2001-06-05 | 2002-05-31 | Carburization treatment method |
EP02253876A EP1264914B1 (en) | 2001-06-05 | 2002-05-31 | A carburising method and an apparatus therefor |
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KR1020020031353A KR100871241B1 (ko) | 2001-06-05 | 2002-06-04 | 침탄 처리 방법 |
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