JP2005105396A

JP2005105396A - 浸炭処理方法

Info

Publication number: JP2005105396A
Application number: JP2003344099A
Authority: JP
Inventors: Shogo Narita; 匠吾成田; Hisashi Ebihara; 寿海老原
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】処理時間を短縮し生産性を高め，かつエネルギーコストを低減できる浸炭処理方法を提供する。
【解決手段】鋼材品を浸炭処理するに際し，減圧下の浸炭室内において，鋼材品の昇温を開始後，遅くとも鋼材品の昇温を終了する前に，浸炭室内に浸炭ガスを供給することにより，鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させる。鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させることにより，昇温中にも鋼材品に対して浸炭を施すことができ，昇温工程に要する時間を短縮し生産性を高めることができる。従来排気していたＮ_２ガスが不要となるので，コスト削減になる。
【選択図】図１

Description

本発明は，鋼材品の浸炭処理方法に関するものである。

鋼材品の表面を硬化する方法として，浸炭処理方法が広く利用されている。浸炭処理方法に関しては，従来，浸炭ガスとしてアセチレン等の飽和炭化水素系ガスを用いて真空浸炭処理する方法が，特開平８−３２５７０１号公報に開示されている。また，特開２０００−１７６５号公報には，エチレンガス等の浸炭ガスを用い，圧力を１〜１０ｋＰａの範囲で調整する真空浸炭処理が開示されている。更に，本出願人は，浸炭室内の圧力を０．１〜１０１ｋＰａとし，炭化水素系ガスに加え炭酸ガスなどの酸化性ガスを浸炭室内に供給することで，炭化水素系ガスの直接分解による炭素の鋼への侵入を制限し，鋼表面の炭素濃度を制御する浸炭処理方法を，特開２００２−３６３７２７号公報に開示している。

特開平８−３２５７０１号公報特開２０００−１７６５号公報特開２００２−３６３７２７号公報

一般に，真空浸炭処理方法では，８５０〜１０５０℃に加熱された浸炭室に，トレーに積載した鋼材品を真空（減圧）雰囲気下で挿入する。その後，処理品を浸炭処理温度まで昇温する。その際，例えばＮ_２ガスなどの鋼材品に対して不活性なガスを浸炭室内に導入し，更に浸炭室内に設けられたファンにより浸炭室内の雰囲気を攪拌させることで，鋼材品への熱伝達効率を上げ，鋼材品が浸炭処理温度に到達するまでに要する時間を短縮させるようにしている。

図７は，従来法に係る処理工程の一例を示す説明図である。先ず，８５０℃，圧力０．１ｋＰａ以下に保持された浸炭室に被処理品である鋼材品を挿入し浸炭温度９５０℃までの昇温を開始する。最初の１５分間は浸炭室内を真空排気しながら昇温し，その後，浸炭室にＮ_２ガスを導入することで浸炭室内圧力をほぼ大気圧にする。圧力が大気圧に達した時点でＮ_２ガスの導入を停止し，その状態で６５分間保持する。その間，浸炭室内に設けられたファンにより雰囲気を撹拌しながら，鋼材品の浸炭処理温度までの昇温と均熱を行う。鋼材品の昇温を開始してから８０分経過した後，浸炭室を１０分間真空排気することで圧力を０．１ｋＰａ以下にする。その後，炭化水素系ガス(例えばＣ_３Ｈ_８ガス)と酸化性ガス(例えばＣＯ_２ガス)を浸炭室内に供給しながら所定圧力および所定時間で浸炭処理を行う。

しかしながら，鋼材品を早く昇温させるためにＮ_２などの不活性ガスを用いた場合，昇温工程を終了した後，浸炭工程に移る前に，再度浸炭室内を真空排気する操作が必要となる。このため，昇温工程を終了後，すぐに浸炭工程に移行できず，処理時間が長くなってしまう。また，真空排気に要するエネルギーも必要となる。

従って本発明の目的は，処理時間を短縮し生産性を高め，かつエネルギーコストを低減できる浸炭処理方法を提供することにある。

この目的を達成するために，本発明にあっては，鋼材品を浸炭処理する方法であって，減圧下の浸炭室内において，鋼材品の昇温を開始後，遅くとも鋼材品の昇温を終了する前に，浸炭室内に浸炭ガスを供給することにより，鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させることを特徴としている。

前記浸炭ガスとしては，例えば炭化水素系ガスまたは炭化水素系ガスと酸化性ガスの混合ガスを炉内に供給する。その場合，前記炭化水素系ガスは，例えば，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_３Ｈ_６，Ｃ_４Ｈ_１０，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，ＣＨ_４のうちの１又は２種以上である。また，前記酸化性ガスは，例えば，空気，Ｏ_２，ＣＯ_２のうちの１又は２種以上である。

また，前記鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させるにあたり，浸炭室内の圧力を１０ｋＰａ〜１０１ｋＰａとしても良い。

本発明によれば，鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させることにより，昇温中にも鋼材品に対して浸炭を施すことができる。昇温中に，例えば，浸炭室内に炭化水素系ガスとＣＯ_２のような酸化性ガスを供給した場合，浸炭室内雰囲気は主にＣＯ及びＨ_２で構成されることになる。非常に熱伝達率の高いＨ_２の存在により，鋼材品に対してＮ_２大気圧雰囲気で昇温させる場合と同等もしくはそれ以上の熱伝達効率が得られ，昇温工程を開始するに要する時間を短縮し生産性を高めることができる。加えて，従来排気していたＮ_２ガスが不要となるので，コスト削減になる。

また，本発明によれば，浸炭工程を開始するにあたり，浸炭室から浸炭に不要な窒素ガスを排気することなく，引続き所定の温度で浸炭を継続できるため，全体の処理時間（リードタイム）が短縮され生産性が向上する。また，真空排気に要するエネルギーも要らなくなる。

以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は，浸炭焼処理装置１の概略的な配置図である。図２は，浸炭室１１の説明図である。

図１に示すように，浸炭焼処理装置１にあっては，搬送室１０の左右に，浸炭室１１と油焼入れ室１２が設けてあり，搬送室１０の背部にガス冷却室１３が設けてある。浸炭室１１は，鋼材品Ｗの表面に浸炭処理を施す熱処理設備である。搬送室１０の前面には，開閉自在な挿入扉１５が設けてある。搬送室１０と浸炭室１１との間，搬送室１０と油焼入れ室１２との間，及び，搬送室１０とガス冷却室１３との間には，それぞれ開閉自在な仕切り扉１６，１７，１８が設けてある。また，油焼入れ室１２において，仕切り扉１７と対向する側面には，開閉自在な取出し扉２０が設けてある。

図２に示すように，浸炭室１１のケーシングとなる炉殻２５の内部には，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２６で囲まれた加熱ヒータ２７が配置されている。このヒータ２７の内方に，浸炭処理の対象となる鋼材品Ｗが挿入されるようになっている。こうして，ヒータ２７の内方に挿入された鋼材品Ｗの上方には，浸炭室１１の内部雰囲気を攪拌するためのファン２８が装置してある。

炉殻２５の内部には，炭化水素系ガス供給部３０から送られた炭化水素系ガスが，マスフローコントローラ３１で供給量を制御されながら，管路３２を介して供給される。炭化水素系ガスとしては，例えば，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_３Ｈ_６，Ｃ_４Ｈ_１０，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，ＣＨ_４のうちの１又は２種以上が用いられる。また同様に，炉殻２５の内部には，酸化性ガス供給部３３から送られた酸化性ガスが，マスフローコントローラ３４で供給量を制御されながら，管路３５を介して供給される。酸化性ガスとしては，例えば，空気，Ｏ_２，ＣＯ_２のうちの１又は２種以上が用いられる。

炉殻２５（浸炭室１１）の内部は，管路３６を通じて，真空ポンプ３７によって，所望の圧力に減圧される。この場合，炉殻２５の内部は，例えば，１０ｋＰａ〜１０１ｋＰａに減圧される。浸炭室１１の内部を１０ｋＰａ未満に減圧した場合には本発明による効果は充分得られず，また，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。

浸炭室１１の内部雰囲気の温度は，熱電対４０で検出され，コントローラ４１に入力される。また，浸炭室１１の内部雰囲気の圧力は，真空ポンプ３７の減圧度に基き，圧力計４２で検出され，コントローラ４１に入力される。

浸炭室１１の内部雰囲気は，管路４３を通じてサンプリング装置４４にサンプリングされる。サンプリング装置４４でサンプリングされた浸炭室１１の内部雰囲気は，２つの雰囲気分析装置４５，４６でそれぞれ分析される。一方の雰囲気分析装置４５は，ＣＯガス分圧計あるいはＣＯガス濃度計であり，この雰囲気分析装置４５で検出されたＣＯガス分圧あるいはＣＯガス濃度が，コントローラ４１に入力される。他方の雰囲気分析装置４６は，ＣＯ_２ガス分圧計あるいはＣＯ_２ガス濃度計であり，同様に，この雰囲気分析装置４６で検出されたＣＯ_２ガス分圧あるいはＣＯ_２ガス濃度が，コントローラ４１に入力される。また，浸炭室１１の内部雰囲気は，管路５０を通じて雰囲気分析装置５１にサンプリングされる。雰囲気分析装置５１は，Ｏ_２ガス分圧計あるいはＯ_２ガス濃度計であり，同様に，この雰囲気分析装置５１で検出されたＯ_２ガス分圧あるいはＯ_２ガス濃度が，コントローラ４１に入力される。

コントローラ４１は，このように，入力された温度，圧力（分圧），濃度によって，浸炭室１１の内部雰囲気の炭素ポテンシャルを演算する。そして，その演算値に基づいて，各マスフローコントローラ３１，３４，ヒータ２７及び真空ポンプ３７を制御し，浸炭室１１の内部雰囲気の炭素ポテンシャルを所望の値に保つようになっている。

以上のように構成された浸炭焼処理装置１においては，最初は，挿入扉１５，各仕切り扉１６，１７，１８及び取出し扉２０が，いずれも閉じられている。また，浸炭室１１の内部雰囲気の温度は，ヒータ２７により，所定の温度（好ましくは８５０℃〜１０５０℃）に加熱保持しておき，浸炭室１１の内部雰囲気の圧力は，真空ポンプ３７により，０．１ｋＰａ以下に減圧しておく。また，焼入れ室１２に配置される焼入れ油の温度は，後述する焼入れ時に所定の温度になる温度まで加熱しておく。一方，搬送室１０の内部雰囲気の圧力は，大気圧としておく。

そして先ず，搬送室１０前面の挿入扉１５を開き，鋼材品Ｗを搬送室１０内に挿入する。そして，挿入扉１５を閉じ，搬送室１０内を０．１ｋＰａ以下にまで減圧する。その後，搬送室１０と浸炭室１１の間の仕切り扉１６を開き，鋼材品Ｗを浸炭炉１１に搬入し，仕切り扉１６を閉じる。なお，このような搬送室１０と浸炭室１１の間における鋼材品Ｗの移動，及び，後述する搬送室１０と焼入れ室１２の間における鋼材品Ｗの移動は，図示しないが，モーター駆動のチェーン搬送装置，ローラーハースなどの搬送装置によって行われる。

仕切り扉１６を閉じて浸炭室１１を密封した後，浸炭室１１内において，ヒータ２７により，所定の時間（例えば１分間），減圧下で鋼材品Ｗを加熱する。そして，引続きヒータ２７によって鋼材品Ｗを昇温させながら，遅くとも鋼材品Ｗの昇温を終了する前に，マスフローコントローラ３１，３４をそれぞれ開き，例えばＣ_３Ｈ_８などの炭化水素系ガスと例えばＣＯ_２などの酸化性ガスの混合ガスからなる浸炭ガスを，所定の流量（例えばＣ_３Ｈ_８を５リットル／ｍｉｎ，ＣＯ_２を１７リットル／ｍｉｎ）で，浸炭室１１内に供給する。こうして，遅くとも鋼材品Ｗの昇温を終了する前に，浸炭ガスを浸炭室１１内に供給することにより，鋼材品Ｗを浸炭性雰囲気中で昇温させる。

そして，浸炭室１１の内部雰囲気を所望の浸炭温度（好ましくは８５０℃〜１０５０℃）に昇温させた後は，浸炭室１１の内部雰囲気を浸炭温度に維持し，鋼材品Ｗの昇温および均熱を図る。一方で，浸炭室１１の内部雰囲気の圧力を，２０ｋＰａ〜１０１ｋＰａ（例えば４０ｋＰａ）に復圧したら，マスフローコントローラ３１，３４をそれぞれ閉め，浸炭室１１内への浸炭ガスの導入を一端停止する。その後，所定時間（例えば，浸炭室１１内においてヒータ２７により鋼材品Ｗを加熱開始してから６０分）が経過したら，昇温・均熱工程を終了し，その後，浸炭工程を開始する。この浸炭工程では，マスフローコントローラ３１，３４，ヒータ２７及び真空ポンプ３７が制御され，所定の浸炭圧力を維持しつつ浸炭室１１の内部雰囲気の炭素ポテンシャルを所望の値で制御することが可能である。

そして，浸炭工程を終了した後，浸炭後の拡散工程として，炭化水素系ガスと酸化性ガスの供給を止めて，浸炭室１１内を真空ポンプ３７により再び真空排気し，鋼材品Ｗを減圧下に保持して表面炭素濃度を調整しても良いし，あるいは，浸炭室１１内を真空排気せずに，炭化水素系ガスと酸化性ガスの供給量を調節し，浸炭室１１の内部雰囲気の炭素ポテンシャルを変えることで，鋼材品Ｗの表面炭素濃度を調節しても良い。

そして，焼入れ温度まで浸炭室１１の内部雰囲気の温度を下げた後，搬送室１０と浸炭室１１の間の仕切り扉１６を開き，更に，搬送室１０と焼入れ室１２の仕切り扉１７も開き，減圧下において，鋼材品Ｗが，浸炭室１１から搬送室１０を経由して焼入れ室に１２に搬送され，油焼き入れが行なわれる。焼入れ終了後，取出し扉２０が開かれ，焼入れ室に１２から鋼材品Ｗ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。

（実施例１）
鋼材品として，材質ＳＣＭ４２０Ｈ，直径φ２０ｍｍ，長さ４０ｍｍの棒状試片を用い，その鋼材品を，浸炭室内の各箇所における浸炭結果を観るために，浸炭室内の９箇所（直方体形状の浸炭室内の各コーナー部と浸炭室の中央部）に配置した。鋼材品のグロス重量は炉（浸炭室）の最大積載量とした。浸炭室内に直接Ｃ_３Ｈ_８とＣＯ_２を導入して作成した浸炭性雰囲気中で鋼材品を９５０℃まで昇温させた。

図３は，実施例１にかかる処理工程（昇温・均熱工程）を経過時間に従って示した説明図である。先ず，鋼材品を搬送室へ挿入し，挿入扉を閉めた後，搬送室内を減圧した。圧力が０．１ｋＰａ以下になった後，仕切り扉を開けて，温度８５０℃，圧力０．１ｋＰａ以下に保持されている浸炭室に鋼材品を搬入した。その後，仕切り扉を閉め，浸炭室内にて鋼材品を昇温させた。昇温開始から１分後，Ｃ_３Ｈ_８ガスを５リットル／ｍｉｎ，ＣＯ_２ガスを１７リットル／ｍｉｎの流量で浸炭室に供給し，浸炭室内の圧力が４０ｋＰａに到達した時点でガス供給を停止した。また，浸炭室温度が９５０℃に到達した時点で昇温を停止し，その温度で鋼材品の昇温および均熱を行った。ガス供給を停止してから４９分，つまり浸炭室へ処理品を挿入してから６０分経過するまでその状態で保持し，その後，浸炭室内を真空排気し鋼材品の焼入れを行った。なお，本実施例における処理条件（ガス量，温度，圧力および時間）は一例である。通常，被処理品とその狙いとする浸炭特性に合わせた処理条件を任意に設定することが可能である。

焼入れ後の鋼材品の外観を調べたところ，煤の発生は確認されなかった。浸炭室内９箇所に配置した各鋼材品の表面の平均炭素濃度分布を図４と表１に示す。表面炭素濃度は０．４７ｗｔ％となり，炭素濃度が０．３６ｗｔ％となる表面の距離（深さ）は０．２ｍｍとなった。この結果は，従来法（特開２００２−３６３７２７号公報）において炭素ポテンシャル１．３％で１３分の浸炭処理に相当する。つまり，鋼材品の昇温・均熱工程に浸炭室内へ浸炭ガスを供給することにより，浸炭に寄与しないＮ_２雰囲気で昇温を行う従来法よりも浸炭処理時間を短縮できることが分かる。炭化水素系ガスと酸化性ガスの導入量によっては，昇温・均熱の浸炭室内雰囲気の炭素ポテンシャルを被処理品である鋼材品以上に設定することが可能であり，昇温・均熱工程の初期の段階から浸炭を施すことが可能である。その結果，浸炭工程に要する時間を短くし，リードタイムを短縮できる。

（実施例２）
実施例１と同様の鋼材品を，浸炭室内の９箇所（直方体形状の浸炭室内の各コーナー部と浸炭室の中央部）に配置し，同様に，浸炭室内に直接Ｃ_３Ｈ_８とＣＯ_２を導入して作成した浸炭性雰囲気中で鋼材品を９５０℃まで昇温させた。図５は，実施例２にかかる処理工程（昇温・均熱工程，浸炭工程，降温工程）を示す説明図である。先ず，鋼材品を搬送室へ挿入し，挿入扉を閉めた後，搬送室内を真空に排気した。圧力が０．１ｋＰａ以下になった後，仕切り扉を開けて，温度８５０℃，圧力０．１ｋＰａ以下に保持されている浸炭室に鋼材品を搬入した。その後，仕切り扉を閉め，鋼材品を昇温させた。昇温開始から１分後，Ｃ_３Ｈ_８ガスを５リットル／ｍｉｎ，ＣＯ_２ガスを１７リットル／ｍｉｎの流量で浸炭室に供給し，浸炭室内の圧力が４０ｋＰａに到達した時点でガス供給を停止した。また，浸炭室温度が９５０℃に到達した時点で昇温を停止し，その温度で鋼材品の昇温および均熱を行った。ガス供給を停止してから４９分，つまり浸炭室へ処理品を挿入してから６０分経過するまでその状態で保持した（昇温・均熱工程）。その後，浸炭室内の雰囲気の圧力を４０ｋＰａに保ちつつ，Ｃ_３Ｈ_８及びＣＯ_２の添加流量を調節することで，実施例２では浸炭室内の雰囲気の炭素ポテンシャルを１．２％に制御し，浸炭工程を行った。鋼材品の昇温を開始してから１６８分経過した時点つまり１０８分の浸炭工程を完了後，浸炭室内を真空排気し降温工程を開始した。降温工程開始から８２分後，つまり浸炭室内の雰囲気温度が８５０℃になった時点で鋼材品の焼入れを行った。

焼入れ後の鋼材品の外観を調べたところ，煤の発生は確認されなかった。浸炭室内９箇所に配置した各鋼材品の表面の平均炭素濃度分布を図６と表２に示す。平均表面炭素濃度は０．６１ｗｔ％となり，このときの表面炭素濃度ばらつき範囲は０．０５３ｗｔ％となった。また，炭素濃度が０．３６ｗｔ％となる最表面からの距離（深さ）の平均は０．６６ｍｍとなり，このときの深さのばらつき範囲は０．０７１ｍｍであった。なお，実施例２において，鋼材品の昇温開始から焼入までに要した時間は２５０分である。

（比較例）
次に，実施例２に対する比較例（従来法）について述べる。実施例１および２と同様の鋼材品を，浸炭室内の９箇所（直方体形状の浸炭室内の各コーナー部と浸炭室中央部）に配置し浸炭させた。昇温・均熱工程は図７に示した通りに実施し，続く浸炭工程は１２２分とした。なお，浸炭工程では，炭素ポテンシャルを１．２％で制御した。降温工程は実施例２と同じ時間つまり８２分とした。処理後の鋼材品を調べたところ，各鋼材品の表面の平均炭素濃度は０．６１ｗｔ％，炭素濃度が０．３６ｗｔ％となる最表面からの距離（深さ）は０．６９ｍｍとなり，実施例２とほぼ同等の浸炭結果が得られた。本比較例において鋼材品の昇温開始から焼入までに要した時間は２９４分である。つまり，本発明により，実施例２は本比較例(従来法)と比べ４４分の処理時間短縮がなされたといえる。

浸炭焼処理装置の概略的な配置図である。浸炭室の説明図である。実施例１にかかる処理工程（昇温・均熱工程）を経過時間に従って示した説明図である。実施例１の鋼材品の表面の平均炭素濃度分布を示すグラフである。実施例２にかかる処理工程（昇温・均熱工程，浸炭工程，降温工程）を示す説明図である。実施例２の鋼材品の表面の平均炭素濃度分布を示すグラフである。従来法に係る処理工程の一例を示す説明図である。

符号の説明

Ｗ鋼材品
１浸炭焼処理装置
１０搬送室
１１浸炭室
１２油焼入れ室
１３ガス冷却室１３
２５炉殻
２７加熱ヒータ
３０炭化水素系ガス供給部
３３酸化性ガス供給部
３７真空ポンプ
４０熱電対
４１コントローラ
４２圧力計
４４サンプリング装置
４５，４６，５１雰囲気分析装置

Claims

鋼材品を浸炭処理する方法であって，
減圧下の浸炭室内において，鋼材品の昇温を開始後，遅くとも鋼材品の昇温を終了する前に，浸炭室内に浸炭ガスを供給することにより，鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させることを特徴とする，浸炭処理方法。
前記浸炭ガスとして，炭化水素系ガスまたは炭化水素系ガスと酸化性ガスの混合ガスを炉内に供給することを特徴とする，請求項１に記載の浸炭処理方法。
前記炭化水素系ガスが，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_３Ｈ_６，Ｃ_４Ｈ_１０，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，ＣＨ_４のうちの１又は２種以上であることを特徴とする，請求項２に記載の浸炭処理方法。
前記酸化性ガスが，空気，Ｏ_２，ＣＯ_２のうちの１又は２種以上であることを特徴とする，請求項２又は３に記載の浸炭処理方法。
前記鋼材品を浸炭性雰囲気中で昇温させるにあたり，浸炭室内の圧力を１０ｋＰａ〜１０１ｋＰａとすることを特徴とする，請求項１，２，３又は４に記載の浸炭処理方法。