JP2004519556A - 低圧浸炭方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中性ガスの存在下で、低圧エンリッチステップと拡散ステップとを交互に行なうことを含む低圧浸炭方法を提供する。
【解決手段】エンリッチステップ中に、エンリッチガス及び中性ガスの混合気を使用し、中性ガスの比率はエンリッチガスの５乃至５０容積％の間である。エンリッチガスは例えばアセチレン（Ｃ_２ Ｈ_２ ）とすることができる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属部品の処理に関し、より詳細には、浸炭、即ち部品の所与の深さにまで炭素を導入することにより、それらの機械的特性を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定の低圧浸炭方法は、既に本願出願人（発明者：Ｊｅａｎ Ｎａｕｄｏｔ）の特許文献１に記載されている。この特許は、エンリッチステップと拡散ステップとを交互に行なうことを提案している。この特許は、作業温度で解離して被処理部品に浸炭することのできる任意の炭化水素を浸炭ガスとすることができることを明記している。しかし、この方法は、より詳細には、プロパンを浸炭ガスとして、及び窒素を浸炭段階の間の中性ガスとして使用することを提案している。
【０００３】
更に、Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ誌の第１３Ｂ巻（１９８２年６月）に発表されたＪｅｌｌｅ Ｈ． Ｋａｓｐｅｒｓｍａ及びＲｏｂｅｒｔ Ｈ． Ｓｈａｙによる論文において、種々のエンリッチガスの使用と煤塵形成の問題とに関連する浸炭速度が研究されている。この論文では、アセチレンが浸炭を最速に可能にするガスではあるが、処理室内において最も多くの煤塵を発生させる欠点を有することを指摘している。
【０００４】
煤塵及びタールの発生の問題を解決すると共に、アセチレンの使用を可能にするような種々の試みがなされてきた。
【０００５】
１９７７年６月２日に出願された特許文献２は、圧力を１時間当たり ０．００１乃至１気圧の圧力変化率で０．０１から０．９５気圧（１乃至９５ｋＰａ）まで圧力を変化させると共に、 ８５０から１０００℃までの温度で浸炭室にアセチレンを注入することを提案している。この特許では、圧力増加率が非常に小さい場合に煤塵の量が特に低減すると説明している。しかし、この方法は複雑である。本願出願人が知る限り、このロシア特許に記載された方法は産業的に活用されておらず、提案された解決策の結果を検証することができていない。
【０００６】
他の解決策として、特許文献３（クボタ）に、アセチレンを１ｋＰａ よりも小さい圧力で使用することが提案されている。この特許は、約 ０．７ｋＰａ から目立った煤塵痕跡が現われること、及び１ｋＰａ 未満でかなりの量の煤塵が現われることを指摘している。更に、この特許出願の記載では、圧力が ０．３ｋＰａ を越えた直後から浸炭特性が部品の外側と内側の間で劣化することを指摘している。本願出願人が行なった実験は、圧力がおおよそ ０．５ｋＰａ の値を越えると直ちに煤塵の発生を確認した一方、キャビティの内側に十分な浸炭を得るためには、または浸炭リアクタの負荷が非常に高い場合には、圧力を増加しなければならないことを示した。従って、上述の特許で提案された解決策では、アセチレンの満足な使用が可能であるとは考えられない。
【０００７】
【特許文献１】
仏国特許第 ２６７８２８７号
【特許文献２】
ロシア特許第 ６６７８９７８号
【特許文献３】
米国特許第 ５７０２５４０号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、アセチレン、より一般的には、煤塵及びタールを発生させる可能性のある任意の浸炭ガスの効率的な使用を可能にする新規な方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、低圧エンリッチステップと、中性ガスの存在下での拡散のステップとを交互に使用することからなる低圧浸炭方法であって、エンリッチステップ中に、エンリッチガスとキャリアガスとの混合気を使用し、キャリアガスをエンリッチガスに対して５乃至５０％の容積比とする低圧浸炭方法を提供する。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、エンリッチガスはアセチレン（Ｃ_２ Ｈ_２ ）である。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、キャリアガスは窒素である。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、キャリアガスは水素である。
【００１３】
本発明の一実施形態によれば、キャリアガスは窒素及び水素を５乃至６０％の比率で含む。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、浸炭室の圧力は１ｋＰａ よりも高い。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、浸炭室の圧力範囲は１ｋＰａ 及び２ｋＰａ の間である。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、拡散とエンリッチステップとを実質的に同一圧力で行なう。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、処理温度はおおよそ ８５０から１２００℃までである。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、各エンリッチステップは、 ０．５分よりも短く、好ましくは数十秒程度の持続期間の拡散サブステップによって分離される１分よりも短い持続期間のサブステップに分割される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の上記の目的、特徴、及び利点を、添付の図面に関連して特定の実施形態の以下の非限定的説明で詳細に説明する。
【００２０】
本願出願人は、盲穴を設けた鋼製筒状体から形成された図１に示すタイプのテストピースに対して種々の浸炭実験を行ない、テストピースの外側の浸炭深さｄ_ｅｘｔ 、及びテストピースに形成された穴の内側の浸炭深さｄ_ｉｎｔ に関して測定を行なった。
【００２１】
図２は、特許文献１に記載され、本発明に使用されたタイプの浸炭−拡散サイクルを示す。浸炭−拡散動作は、初期温度及び圧力設定段階後に一定温度及び一定圧力で実施される。図１に示したタイプの少なくとも１つのテストピースをその中に含む装填物を収容した浸炭室に浸炭ガスが注入されるエンリッチ段階Ｅと、室内に中性ガスが挿入される拡散ステップとが時間に沿って次々に実施される。浸炭深さを変化させるために、それぞれのエンリッチステップ及び拡散ステップの持続期間及び回数が変更される。典型的には、温度範囲は ８５０乃至１２００℃の間であり、各エンリッチ及び／又は拡散段階の持続期間は数分程度である。
【００２２】
最初に、本願出願人は純アセチレン（Ｃ_２ Ｈ_２ ）を浸炭ガスとして図１のタイプのテストピースに対して一連の実験を行なった。図３、図４及び図５の曲線は、浸炭−拡散段階で維持された３種類の特定の圧力、即ち、それぞれ図３の場合の ０．３ｋＰａ 、図４の場合の ０．７ｋＰａ 、及び図５の場合の １．２ｋＰａ に対応する。各曲線は、テストピースの外側（Ｅｘｔ）に取った点、及びテストピースの内側（Ｉｎｔ）に取った点の浸炭深さによる硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ） を示す。各曲線の異なる点は、異なる処理期間に対して提供された異なるテストピースの試験から結果的に生じたものである。
【００２３】
図３に示すように、 ０．３ｋＰａ 程度の圧力の場合、テストピースの内側とテストピースの外側との浸炭深さの間に大きな差を認めることができる。即ち、テストピースの内側の浸炭が不十分であるため、得られた結果には満足できない。例えば、１ｍｍの浸炭深さを目標とする場合、外側でこの深さが得られる場合に、内側の浸炭深さはわずかに ０．４ｍｍになるようである。
【００２４】
圧力が ０．７ｋＰａ である図４の場合にも、不十分な結果が得られている。外側の浸炭深さが１ｍｍの場合に、内側の浸炭深さは ０．６ｍｍにすぎない。
【００２５】
しかし、圧力が１ｋＰａ を越えるときから、浸炭に関して満足できる結果が得られ始める。例えば、図５は １．２ｋＰａ の圧力の場合に得られる結果を示している。テストピースの外側の浸炭深さが１ｍｍに達する場合に、内側の浸炭深さは ０．８ｍｍに達しており、これは一般的に認められる標準に匹敵する。
【００２６】
更に、テストピースの内側の浸炭深さがテストピースの頂部近くとテストピースの底部近くとで区別される場合、圧力が０．５ｋＰａ を越える時点からようやく、テストピースの内側で浸炭の均質性が現われるようである。
【００２７】
煤塵及びタールの発生について試験が行なわれたが、圧力が ０．３ｋＰａ の場合には煤塵及びタールの生成は無視できるほど小さいが、 ０．７ｋＰａ からは顕著になるようであった。
【００２８】
本発明は、図２に示すタイプのサイクルを使用し、もはや純粋な浸炭ガスではなく、浸炭ガスとキャリアガスとの混合気を注入することを提供する。キャリアガスの比率は、エンリッチガスの量の２５乃至５０％程度となるように選択することが好ましい。
【００２９】
図６は、例えば全圧 １．５ｋＰａ のアセチレン（Ｃ_２ Ｈ_２ ）と窒素（Ｎ_２ ）との混合気に対して窒素の割合が約３０％である場合に、図５に示したものと実質的に同様の満足な浸炭が得られることを示す。しかし、この場合、煤塵及びタール形成の問題は解消される。
【００３０】
図７は、連続エンリッチサイクルの最後に観察されたベンゼン（Ｃ_６ Ｃ_６ ）の濃度を示す。実際、タールの形成は、ベンゼン及びフェニルエチレンのような芳香族化合物の発生段階を暗示している。従って、ベンゼンの発生は煤塵及びタールの形成の良好な指標である。図７において、それぞれＣ_２ Ｈ_２ 及びＣ_２ Ｈ_２ ＋Ｎ_２ とマークされた曲線は、図５及び図６に関連して説明した事例に対応する。先行技術に係る純アセチレンを使用することによって、各エンリッチサイクルの最後にベンゼン濃度が著しく増加することが確認されるが、それは事実上、著しいタールの形成に対応する。しかし、本発明に係るアセチレン（Ｃ_２ Ｈ_２ ）と窒素（Ｎ_２ ）との混合気の場合、ベンゼン濃度は実質的に一定のままに維持され、それは無視できるほどのタールの形成に対応する。
【００３１】
より一般的に、本発明は、煤塵及びタール発生の問題が引き起こされる条件で脂肪族炭化水素の存在下で浸炭が実施される全ての場合において、中性ガスを添加することを提供する。中性ガスの比率は、エンリッチガス量に対して５から５０％程度までとなるように選択することが好ましい。煤塵及びタール発生の問題は、本発明が特に有用であるアセチレンの場合に非常に強く生じるが、他の炭化水素、例えばプロパン（Ｃ_３ Ｈ_８ ）の場合でも生じる。
【００３２】
中性ガスは必ずしも窒素である必要はなく、浸炭反応に関与しない任意の他の種類のガス、例えばアルゴンまたは混合気とすることができる。窒素はその低コストのため選択することが好ましい。しかし、特定の要求のために、または例えばガスのコストが低下した場合、任意の他の中性ガスまたはキャリアガスを、煤塵及びタール発生問題の解決のために選択してもよい。
【００３３】
本願出願人はまた、浸炭段階で水素を添加することに利点があり得ることも示した。５から４０％までの容積比の水素を含む中性ガスを添加した場合、（アセチレンのみを使用した場合の図４の曲線と比較して）図６の曲線のように完全に満足できる特性曲線が得られる。
【００３４】
エンリッチ段階におけるキャリアガスによる水素の解離がアセチレン及びその誘導体の重合反応を低減し、炉の内部及び場合によってはポンプ排気グループレベルに形成されるタールの量の確認された著しい減少を引き起こすものと考えることができる。
【００３５】
水素化窒素の混合気の使用は、アセチレンの分解動力学または熱分解に有利であるという追加的な利点を有し、それがキャビティ内へのより優れた浸透及び規則正しい浸炭をもたらす。実際に、低圧の場合においても、キャビティの壁の深い均一な浸炭が得られる。この解決策の利点は、浸炭ガスの量、延いては汚染及びガス流出が低減するということである。
【００３６】
本発明の他の代替例によれば、本願出願人は、図２に関連して説明したエンリッチ（Ｅ）及び拡散（Ｄ）サイクルの相対持続期間を変更することによって、タール形成を更に低減できることを示した。従来、下記表に示す程度の持続期間（秒単位）を有する例えば６回のエンリッチ及び拡散サイクルが提供される。
【００３７】
【表１】

【００３８】
本願出願人は、各エンリッチサイクルをその後に短い拡散時間が続く短いステップに分割することを提供する。例えば、５０秒の最大持続期間を有するエンリッチステップの後に１０秒程度の持続期間の拡散ステップを続けることを提供することができる。その場合、第１エンリッチサイクルＥ１は１０回または１１回のエンリッチステップを含み、その各々の後に数十秒の拡散ステップが続き、最終拡散ステップＤ１は上記表に示されたその初期持続期間に実質的に維持される。第２エンリッチサイクルＥ２は４回のエンリッチステップを含み、その各々の後に数十秒の拡散ステップが続き、最終拡散ステップＤ２は上記表に示されたその初期持続期間に実質的に維持される。以下同様である。このパルス動作モードの場合における各エンリッチサイクルの終了時のベンゼン濃度を、図７にＣ_２ Ｈ_２ ＋Ｎ_２ 曲線（ｐｕｌｓｅ）によって示す。ベンゼン濃度が、従来同様に非割り込みサイクルを使用する場合に対して、実質的に２分の１になることが見てとれる。
【００３９】
サイクルのその他の変更、例えば所与の圧力に対する可変流量の選択により、追加の改善をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
浸炭方法が適用される鋼製テストピースを示す図である。
【図２】
浸炭−拡散方法の連続する段階を示す圧力対時間の曲線のグラフである。
【図３】
浸炭ガスがＣ_２ Ｈ_２ であり、圧力が ０．３ｋＰａ である場合の浸炭実験の結果を示すグラフである。
【図４】
浸炭ガスがＣ_２ Ｈ_２ であり、圧力が ０．７ｋＰａ である場合の浸炭実験の結果を示すグラフである。
【図５】
浸炭ガスがＣ_２ Ｈ_２ であり、圧力が １．２ｋＰａ である場合の浸炭実験の結果を示すグラフである。
【図６】
本発明に従って浸炭段階で注入されるガスがＣ_２ Ｈ_２ 及び窒素の混合気であり、圧力が １．５ｋＰａ である場合の浸炭実験の結果を示すグラフである。
【図７】
連続浸炭サイクルにおけるタールの形成を特徴付ける実験結果を示すグラフである。

Claims (10)

1. 低圧エンリッチステップと、中性ガスの存在下での拡散のステップとを交互に使用することからなる低圧浸炭方法であって、エンリッチステップ中に、エンリッチガスとキャリアガスとの混合気を使用し、キャリアガスをエンリッチガスに対して５乃至５０％の容積比とすることを特徴とする低圧浸炭方法。
2. エンリッチガスがアセチレン（Ｃ_２ Ｈ_２ ）であることを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
3. キャリアガスが窒素であることを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
4. キャリアガスが水素であることを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
5. キャリアガスが窒素及び水素を５乃至６０％の比率で含むことを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
6. 浸炭室の圧力が１ｋＰａ よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
7. 浸炭室の圧力範囲が１及び２ｋＰａ の間であることを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
8. 拡散ステップとエンリッチステップとを実質的に同一圧力で行なうことを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
9. 処理温度がおおよそ ８５０から１２００℃までであることを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。
10. 各エンリッチステップが、０．５ 分よりも短く、好ましくは数十秒程度の持続期間の拡散サブステップによって分離される１分よりも短い持続期間のサブステップに分割されることを特徴とする請求項１に記載の低圧浸炭方法。