JP2011231379A

JP2011231379A - 連続浸炭炉の雰囲気制御方法及び雰囲気制御装置

Info

Publication number: JP2011231379A
Application number: JP2010104005A
Authority: JP
Inventors: Koichi Fukuda; 耕一福田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】Ｏ_２センサを用いてＣＰ値を求めることなく、連続浸炭炉の浸炭室に供給する、被処理品を浸炭するための浸炭性ガスの最適流量を決定する。
【解決手段】事前に、被処理品判別部３１によって、被処理品Ｓ全体の重量、表面積を測定し、重量順位、表面積順位と個数の対応表を作成し、対応表から順位数と対応個数の積を求め、各順位の総和数を求めて、総和数が昇順になるように範囲分けした表項目を作成し、さらに各範囲分けした被処理品Ｓに浸炭性ガスを供給して好適流量を事前調査し、総和数と好適流量とを対応付けた対応表を作成し、記憶・制御部３２に記憶させる。浸炭処理前に、浸炭処理すべき総和数を被処理品判別部３１で得、総和数を記憶・制御部３２に入力し、対応表に沿って浸炭処理に好適な浸炭性ガス流量の信号を流量制御部３３に送り、流量制御部３３が適量の浸炭性ガスを連続浸炭炉１に含まれる浸炭室３に供給するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続浸炭炉内で被処理品に浸炭処理する際の、浸炭性ガスに係る雰囲気制御方法及び雰囲気制御装置に関する。

特許文献１は、連続浸炭炉内の浸炭室のＯ_２分圧、ＣＯ分圧及び温度から、カーボンポテンシャル値（以下「ＣＰ値」と略す）を算出し、そのＣＰ値を補正し、当初のＣＰ値と補正後のＣＰ値との偏差を利用して出力値を算出し、この出力値に応じ原料ガス量と空気量を制御して、浸炭室内に原料ガスと、空気（キャリアガス）とが混合された浸炭性ガスを流入し、被処理品（代表的には鉄鋼品。以下同様）に浸炭処理を施す方法を開示する（特許文献１の第１図及び第２図参照）。

また、特許文献１は、浸炭室内でCP値に係る炭素濃度を直接かつ連続的に測れないため、ジルコニアが高温下で酸素イオンを移動する固体電解質になることを利用したＯ_２センサ（以下「ジルコニア式Ｏ_２分析計」と称する）を浸炭室内に設置している。すなわち、同方法では、ジルコニア式Ｏ_２分析計から出力される起電力によってＯ_２濃度を算出し、このＯ_２濃度から平衡反応（１/２Ｏ_２＋<Ｃ>⇔ＣＯ）に基づきＣＰ値を算出し、このＣＰ値から流量を決定して浸炭性ガスを浸炭室に流して、被処理品に浸炭処理を施している（特許文献１の第２図参照）。

特開平３−１９３８６３号公報

しかし、特許文献１に開示された方法によれば、浸炭室内の被処理品の重量、表面積によっては、浸炭性ガスが必ずしも適量でないことがある。その結果、連続浸炭炉の浸炭室に入って浸炭されることになる一定量の被処理品の浸炭深さにバラツキが大きくなることがある。この不具合は、主に以下の理由による。

第１に、浸炭炉内のＯ_２の分圧は１０^-20オーダであり極めて低い、一方、ジルコニア式Ｏ_２分析計は、測定時間経過に伴い電極の煤付着や劣化等により起電力に誤差が生じ易く、その結果、同分析計によって得られるＯ_２分圧の測定値に誤差が生じ易いためである。第２に、浸炭炉内の雰囲気が必ずしも平衡状態でないにもかかわらず、平衡反応を利用してＣＰ値を求めているため、ＣＰ値を正確に求めることができないためである。

なお、この値を補正器によって補正することもできるが、連続的に補正することは困難である。
したがって、同方法は、ジルコニア式Ｏ_２分析計を用いて自動制御を行おうとするものであるが、ＣＰ値の誤差が発生し易く、最適に制御され決定された量の、原料ガスと空気とからなる浸炭性ガスが使用できないため、浸炭深さにバラツキが生じがちであった。

そこで、発明者は、鋭意検討の結果、ジルコニア式Ｏ_２分析計や、その他の測定器、分析器等を付加することなく、一定量の被処理品に関し、重量と表面積に対応した浸炭性ガス量を決定する手段を見出すに至った。

本発明は、以上を鑑み、連続浸炭炉の浸炭室に、被処理品の重量と表面積に応じ、適性な流量の浸炭性ガスを供給し、被処理品の浸炭処理をバラツキを抑制し、ひいては被処理品の浸炭処理による表面硬さを安定化させることを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、連続浸炭炉の雰囲気制御方法であって、浸炭処理する被処理品を、事前に重量と表面積により選別すると共に、前記重量の係数と、前記表面積の係数との和で被処理品を選別し、その選別された被処理品に応じて設定された浸炭性ガス量に制御することを特徴とするものである。

本項の発明に係る方法では、被処理品に浸炭処理によって施される浸炭深さが、一定品種の被処理品の重量と表面積に適した流量の浸炭性ガスを浸炭室に流せば、浸炭深さのバラツキが抑制される点に着目している。被処理品の重量と表面積に適した浸炭性ガスの流量は、事前にパイロット的に条件を定める必要があるが、係る条件に従えば、常に被処理品の重量と表面積に適した浸炭性ガスの流量が一意に選択され、所望の浸炭深さの被処理品を得ることができる。

特に、本項の発明によれば、量産的に浸炭処理する製造ラインで一定品種の被処理品に対して一意に決まる適量の浸炭性ガスを供給するため、従来のように誤差が出易いジルコニア式Ｏ_２分析計やその他の測定器、付帯装置等の設備コストもかからずに、浸炭深さのバラツキが抑制できる点において、従来の方法に比して優位である。

また、上記課題を解決するために、請求項２の発明は、連続浸炭炉の雰囲気制御装置であって、浸炭処理する被処理品を、事前に重量と表面積により選別すると共に、前記重量の係数と、前記表面積の係数との和で被処理品を選別し、選別された前記被処理品を前記連続浸炭炉前で判別する被処理品判別部と、前記連続浸炭炉内の浸炭ゾーンにある複数のトレーに搭載された被処理品の係数の総和を算出する記憶・制御部と、該記憶・制御装置からの係数の総和の信号に基づき浸炭性ガス流量を決定する流量制御部と、を含むことを特徴とするものである。

本項の発明によれば、従来用いられていたジルコニア式Ｏ_２分析計やその他の測定器、付帯装置等を付加することなく、一定量の被処理品の、重量と表面積に対応した浸炭性ガス量を決定することができ、浸炭深さのバラツキが抑制され、安定した浸炭処理量産品を得ることができる。

請求項２の発明において、浸炭性ガス流量に関し、前記浸炭ゾーンの流量を１とすると、前記浸炭ゾーン直前の昇温ゾーンの流量は０．５の比率と、前記浸炭ゾーン直後の拡散ゾーンの流量は０．７の比率とすることが好ましい。
このようにすると、請求項２の発明によって、浸炭ゾーンの最適浸炭性ガス流量が、後述する係数の総和-流量表を用いて決定された後、浸炭ゾーン前後の昇温ゾーン及び拡散ゾーンに供給すべき浸炭性ガス流量を一意に決めることができる。

本発明によれば、従来のようにＣＰ値を求めることなく、連続浸炭炉の浸炭室に供給する浸炭性ガスの最適流量を制御することによって、浸炭深さのバラツキを抑制でき、ひいては浸炭処理によって被処理品の表面硬さを安定化させることができる。

連続浸炭炉の概略構成を示す断面図である。被処理品の重量-係数表の一例である。被処理品の表面積-係数表の一例である。被処理品の、図２、図３の係数の総和-流量表の一例である。連続浸炭炉に備わる浸炭性ガス流量の制御装置の概略構成を示す断面図である。実施例と比較例で得られた、浸炭深さのバラツキの結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態（「本実施形態」という）を、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る連続浸炭炉１の概略的に示す断面図である。図１に示されるように、連続浸炭炉１は、被処理品導入室２、浸炭室３及び焼入れ油室４（被処理品Ｓを焼入れするための油浴４を備える）を含む。被処理品導入室２と連続浸炭炉１の炉外、被処理品導入室２と浸炭室３、浸炭室３と焼入れ油室４、及び焼入れ油室４と連続浸炭炉１の炉外は、トレーＳの搬送に同期し、可動扉５、Ｗ１からＷ４によって隣室の仕切りが適宜開閉される。

また、浸炭室３は、左側から昇温ゾーン３Ａ、浸炭ゾーン３Ｂ及び拡散ゾーン３Ｃを含む。各ゾーン３Ａ、３Ｂ及び３Ｃに供給される浸炭性ガス流量は、流量制御部３３からの信号によって制御される。
そのため、流量制御部３３が、キャリアガス供給源２９Ｂ及び原料ガス供給源８Ｂを備えている（図５参照）。
なお、図５には、浸炭ゾーン３Ｂに接続されるキャリアガス供給源２９Ｂと原料ガス供給源８Ｂだけを図示しているが、昇温ゾーン３Ａ，拡散ゾーンにも、それぞれ図示を省略したキャリアガス供給源２９Ａ、２９Ｃと原料ガス供給源８Ａ、８Ｃが接続されている。そして、図１に示すように、キャリアガス供給源２９Ａ、２９Ｂ及び２９Ｃ、並びに、原料ガス供給源８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、それぞれ、導管１０Ａ、１ＯＡ、１０Ｃ、導管１１Ａ、１１Ｂ、導管１１Ｃを介して、連続浸炭炉１の炉壁に接続された混合ガス供給管１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃに接続されている。また、連続浸炭炉１は、被処理品判別部３１、記憶・制御部３２及び流量制御部３３からなる雰囲気制御装置１００を備えており、流量制御部３３は、各導管１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｃ、各導管１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃに供給するキャリアガス量と原料ガス量を制御する。

次に、各ゾーン３Ａ、３Ｂ、３Ｃの原料ガス濃度について説明する。
浸炭ゾーン３Ｂは、原料ガスの濃度が高めに設定されており、拡散ゾーン３Ｃは、それより低めに原料ガスの濃度が設定されている。昇温ゾーン３Ａは、浸炭処理の準備として被処理品の温度を例えば８００℃まで上げるためのゾーンであるため原料ガスの濃度は０％としてもよいが、一般には、昇温しながらも徐々に浸炭を進行させる必要のため、拡散ゾーン３Ｃの原料ガスの濃度よりも低い濃度の原料ガスが供給されている。例えば、浸炭ゾーン３Ｂの原料ガスの濃度を「１」とすると、昇温ゾーン３Ａは「０．５」程度、拡散ゾーン３Ｃは「０．７」程度とすることが好ましい。
連続浸炭炉１に備わる、被処理品判別部３１、記憶・制御部３２及び流量制御部３３からなる雰囲気制御装置１００の動作については以下の＜浸炭処理＞の欄で後述する。

本実施形態では、上述した不具合を解決するために、図１に示した連続浸炭炉１は、ジルコニア式Ｏ_２分析計を用いる従来装置とは異なる手段・装置を備えている。以下、各段階（各ステップ）を追って、係る手段・装置について説明する。

＜事前調査段階＞
本実施形態の連続浸炭炉１は、被処理品（代表的には鉄鋼品）に浸炭処理を施す量産装置である。量産装置では、ある一定の範囲の重量及び表面積の被処理品を搬送処理して量産するのが一般的である。
そこで、まず連続浸炭炉１で処理される被処理品がどのような範囲の重量及び表面積であるか事前調査を行う必要がある。
本実施形態では、事前調査の結果、被処理品の重量及び表面積が０KGから２００KGの範囲に分布しており、そして、０M²から５M²の範囲に分布しているものを対象とする。

まず、図２に示すように、重量については、０KGは「無し」順位（又はランク。以下同様）、０〜１００KGの範囲のものを「軽」順位、１００〜１６０KGの範囲のものを「中」順位、１６０〜２００KGの範囲のものを「重」順位とし、順に各順位に０、１、２、３の係数（順位数）を付け、軽い順から重い順（昇順）に順位付けした重量-係数表（表１）を作成する。

また、図３に示すように、表面積については、０M^２は「無し」順位、０〜１M^２の範囲のものを「少」順位、１〜３m^２の範囲のものを「中」順位、３〜５M^２の範囲のものを「多」順位とし、同様に順に各順位に０、１、２、３の係数（順位数）をつけ、表面積が小さい順から大きい順（昇順）に順位付けした表面積-係数表（表２）を作成する。
表１及び表２は、後述の浸炭用ガスの流量を制御するためのデータベースとして、後述する記憶・制御部３２（図１、図５参照）に格納させておく。

＜表作成段階＞
次に、被処理品導入室２に被処理品Ｓを導入する前に、被処理品判別部３１で、一定量の被処理品Ｓの個々の重量(KG）と表面積（m^２）とを公知の測定方法によって測り、記憶・制御部３２の記憶部に格納されている表１及び表２に従って、各被処理品に係数（順位数又はランク数）を付けていく。すべての被処理品について係数付け（順位付け）が完了したら、連続浸炭炉１に搬送されるトレー（ロット単位となる被処理品を搭載する耐熱性筐体）に被処理品を適量搭載していく。ここでいう「適量」とは、浸炭処理をする際に、被処理品が互いにトレー内で重ならないように搭載した量をいう。被処理品が重なるとその浸炭処理にバラツキが生じ好ましくないからである。トレー内に重なり防止の治具を設定するようにしてもよい。

そして、各トレー内の被処理品の係数の総和を、表１及び表２を用いて演算する。例えば、トレー内の被処理品が、計５個あり、その内、１個が軽順位重量、２個が中順位重量および２個が重順位重量であったとする。一方、１個が小順位表面積、３個が中順位表面積、１個が多順位表面積とする。

このときの係数の総和を求めるための演算は、記憶・制御部３２にて行われ、
（１×１＋２×２＋２×３）＋（１×１＋３×２＋３×１）＝２１
の解を得る。
図４の表３を参照すると、係数の総和が「２１」に対応する浸炭性ガス流量は、５Ｌ/ｍｉｎと一意に決定される。このようにして、量産すべき被処理品が定まっている場合には、事前に事前調査によって定めた表（データベース）に従い、浸炭性ガスの適正量を明確に決定して浸炭処理をする。結果として、かかる場合においては、従来の課題であったジルコニア式Ｏ_２分析計やその他の測定器、装置による測定・制御によるものに比較して、浸炭バラツキを好適に抑制することができる。

本実施形態では、係数の総和を６順位（６ランク）に分けたが、６順位に限られず、より細かく分けてもよいし又はより粗く分けて各順位に対応する浸炭性ガス流量を少なく又はやや多めに制御するようにしてもよいことはいうまでもない。

＜浸炭性ガス用流量条件決め段階＞
上記の６順位に分けられた被処理品を搭載したトレーについて、量産の通常条件は一定にし、変数は、浸炭室３に供給する浸炭性ガスの流量とし、各順位の被処理品をトレー毎に流し、浸炭深さが被処理品の表面に対して好適な深さ（０．６０mmから０．７Omm程度を目標深さとする）に均一に形成されているかどうかを検証する。このときの条件決めのＮ数は多いほど好ましいが、例えば、Ｎ＝５程度処理し、浸炭深さの統計を採る。このようにして、各順位に対応させた適正な浸炭性ガス流量（Ｌ／min）が決定したら、係数の総和と適正な浸炭性ガス流量（Ｌ／min）とを対応づけた表３を作成する。表３も、データベースとして記憶・制御部３２(図１、図５)の記憶部に格納させておく。

表３は、係数の総和が、０〜５、６〜１０、１１〜１５、１６〜２０、２１〜２５及び２５〜３０のそれぞれに、好適な浸炭性ガス流量１、２、３、４、５及び６（Ｌ／ｍｉｎ）を対応付けたデータベースである。この対応付けは、表３のような態様に限られるものではない。すなわち、浸炭処理すべき被処理品の重量、表面積、材質が変われば、条件が変わるため、再度＜事前調査＞を行い、改めて表１、２、３のデータベースを作成し、記憶・制御部３２の記憶内容を更新する。

＜浸炭処理段階＞
以下、浸炭処理段階を、図５に示す雰囲気制御装置１００を参照しながら、以下説明する。
図５に示された雰囲気制御装置１００は、被処理品判別部３１と、記憶・制御部３２と、流量制御部３３とを含む。そして、流量制御部３３は、原料ガス供給源８Ｂ（原料ガスは炭素Ｃを含む）と、キャリアガス供給源２９Ｂとを含み、さらに、原料ガス供給源８Ｂ及びキャリアガス供給源２９Ｂのそれぞれに、流量制御バルブ２１及びキャリアガス用の流量計３０が、導管を介して接続されている。さらに、流量制御バルブ２１及びキャリアガス用の流量計３０のそれぞれに、原料ガス導管１１Ｂ及びキャリアガス導管１０Ｂが接続され、さらに、原料ガスとキャリアガスが混合されるように原料ガス導管１１Ｂ及びキャリアガス導管１０Ｂに混合ガス導入管１２Ｂが接続されている。そして、混合ガス導入管１２Ｂは、混合ガス（浸炭性ガス）が浸炭ゾーン３Ｂに供給されるように浸炭ゾーン３Ｂの外壁に接続されている。

オペレータは、トレーに搭載された被処理品Ｓを、被処理品判別部３１の台に載置する。そうすると、被処理品判別部３１に備わる図示しない重量計、表面積計によって被処理品Ｓの重量と表面積が測定される。測定結果から、記憶・制御部３２に格納されている表１、２及び３によって、重量の係数（重量順位数）、表面積の係数（表面積順位数）が決定され、最終的に係数の総和が決まる。表３の対応表に従い、この係数の総和に対応した浸炭性ガス流量を示す信号が流量制御部３３から出力されて、流量制御バルブ２１が、原料ガス供給源８Ｂから適量の浸炭性ガスが供給されるように制御される。

一方、キャリアガス供給源２９Ｂからキャリアガス導管１０Ｂを通じキャリアガスが流れ、原料ガスとキャリアガスとが混合され、混合ガス導入管１２Ｂを通じ、浸炭室３（浸炭ゾーン３Ｂ）に、好適に浸炭処理が行われるよう炭素比率になるように、表１から３のデータベースに基づいた適量流量の浸炭性ガスが供給される。この浸炭性ガスは一意に決定・制御することができ、浸炭の深さのバラツキが抑制された浸炭処理が行われる。

さらに、浸炭ゾーン３Ｂで被処理品Ｓの浸炭処理が施された後、拡散ゾーン３Ｃで浸炭ゾーン３Ｂよりも低い温度で拡散処理がなされる。その後、焼入れ油室４の油浴４´で焼入れ処理が施される。最後に可動扉５が開放されて被処理品Ｓが取り出されて、浸炭処理された被処理品Ｓが得られる。

なお、昇温ゾーン３Ａ、拡散ゾーン３Ｃには、それぞれ、表３で決定された拡散ゾーン３Ｂの浸炭性ガスに対して、５０％と７０％の量の浸炭性ガスがそれぞれ、雰囲気制御装置１００（図５）によって、キャリアガス供給源２９ａ、２９ｃから導管１０ａ、１０ｃを通じキャリアガスが、原料ガス供給源８Ｂ、８Ｃから原料ガス導管１１Ｂ、１１Ｃを介して供給された原料ガスと混合され、混合ガス導入管１２ａ、１２ｃを通じ、昇温ゾーン３Ａ、拡散ゾーン３Ｃに供給されることで、昇温ゾーン３Ａ及び拡散ゾーン３Ｃは、浸炭ゾーン３Ｂの浸炭処理を好適に補完している。このように、当該浸炭処理は、昇温ゾーン３ａ、浸炭ゾーン３ｂ、拡散ゾーン３ｃが協働して行われる。

以下、図６を参照しながら、本発明に係る実施例と、併せて比較例について説明する。
[実施例]
・浸炭処理装置：図１で示したものを使用。
・被処理品種：鉄鋼加工品
・昇温ゾーン温度：８００℃
・浸炭ゾーンの浸炭性ガスの炭素濃度：１．０％
・浸炭ゾーン３Ｂの浸炭性ガスの流量：図４（表３）に従った。
・昇温ゾーン３Ａの浸炭性ガスの流量：表４に列挙されているものの流量５０％とした。
・拡散ゾーン３Ｃの浸炭性ガスの流量：表４に列挙されているものの流量７０％とした。

一方、比較例で用いた連続浸炭処理炉は、特許文献１の第１図のものであり、浸炭性ガス制御装置は、特許文献１の第２図に示されたものである。すなわち、昇温ゾーン（特許文献１の第１図の３Ａ。以下同様）、浸炭ゾーン（３Ｂ）及び拡散ゾーン（３Ｃ）のそれぞれに、ジルコニア式Ｏ_２分析計を具備させて、浸炭性ガスの流量制御を行いつつ、被処理品について浸炭処理を行ったものである。その他の条件は以下の通りである。
[比較例]
・被処理品種：実施例のものと同様のものを使用。
・昇温ゾーン温度：８００℃
・浸炭ゾーンの浸炭性ガスの炭素濃度：１．０％
・浸炭ゾーンの浸炭性ガスの流量：３〜６（Ｌ／ｍｉｎ）
・昇温ゾーンの浸炭性ガスの流量：浸炭ゾーンの流量５０％とした。
・拡散ゾーンの浸炭性ガスの流量：浸炭ゾーンの流量７０％とした。

図６は、実施例と比較例の結果である。５日間連続して行った実施例と比較例の結果を示す。
より詳細には、実施例と比較例を行った後、各日について、浸炭処理後の被処理品（鉄鋼品）を抜き取り、その断面を金属顕微鏡で撮像し、金属表面から浸炭処理に係る組織ができている箇所までを浸炭処理部とみなし、浸炭深さ（ｍｍ）を求めてグラフにまとめた。図６に示されるグラフから明らかなように、浸炭深さのバラツキが、比較例の０．１５に比べ、実施例では０．０６（５０％未満に減少）に抑制された。このことから、本実施例によれば、一定の被処理品を連続浸炭炉で浸炭処理をする際、従来より浸炭深さのバラツキが抑制されることが分かった。

尚、本発明は、上記の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｓ：被処理品、１：連続浸炭炉、３：浸炭室、３１：被処理品判別部、３２：記憶・制御部、３３：流量制御部、１００：雰囲気制御装置

Claims

連続浸炭炉の雰囲気制御方法であって、
浸炭処理する被処理品を、事前に重量と表面積により選別すると共に、前記重量の係数と前記表面積の係数との和で被処理品を選別し、その選別された被処理品に応じて設定された浸炭性ガス量に制御することを特徴とする連続浸炭炉の雰囲気制御方法。
連続浸炭炉の雰囲気制御装置であって、
浸炭処理する被処理品を、事前に重量と表面積により選別すると共に、前記重量の係数と、前記表面積の係数との和で被処理品を選別し、選別された前記被処理品を前記連続浸炭炉前で判別する被処理品判別部と、
前記連続浸炭炉内の浸炭ゾーンにある複数のトレーに搭載された被処理品の係数の総和を算出する記憶・制御部と、
該記憶・制御装置からの係数の総和の信号に基づき浸炭性ガス流量を決定する流量制御部と、を含むことを特徴とする連続浸炭炉の雰囲気制御装置。