JP2012092424A - Method and device of gas carburizing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス浸炭方法と、その方法の実施に用いて好適なガス浸炭装置に関する。 The present invention relates to a gas carburizing method and a gas carburizing apparatus suitable for use in carrying out the method.
従来のガス浸炭方法として、変成炉で生成された吸熱型の変成ガスを用いるものがあり、前記変成ガスの浸炭力の弱さを補うために、変成ガスに加えてエンリッチガスを炉内に供給して浸炭を行うことで、所定の表面浸炭濃度を確保している。そして、例えば特許文献1に開示されているように、変成ガス、エンリッチガス、空気等の流量を調整することにより、炉内雰囲気のカーボンポテンシャル(以下、CPと表記する)を制御していた。
As a conventional gas carburizing method, there is one using an endothermic shift gas generated in a shift furnace. In order to compensate for the weak carburizing power of the shift gas, an enriched gas is supplied into the furnace in addition to the shift gas. By performing carburizing, a predetermined surface carburizing concentration is secured. For example, as disclosed in
これに対し、炉内において、予熱、浸炭、冷却、焼入等の各工程ごとに、それぞれ所定のCPに生成された変成ガスのみを供給して前記炉内の雰囲気を調整する方法も提案されている(特許文献2)。 On the other hand, a method for adjusting the atmosphere in the furnace by supplying only the modified gas generated in a predetermined CP for each process such as preheating, carburizing, cooling, quenching and the like in the furnace is also proposed. (Patent Document 2).
さらに、炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入して変成ガスを生成し、この変成ガスを冷却した後に水分及び二酸化炭素を吸着分離してなるガスを、それ単独で、又は前記変成ガスと混合して、浸炭用雰囲気ガスとして用いる方法も提案されている(特許文献3)。 Furthermore, a raw material mixed gas, which is a mixture of hydrocarbons and source gases such as carbon dioxide and oxygen, is introduced into a shift furnace having a catalyst layer to generate a shift gas, and after cooling the shift gas, moisture and carbon dioxide are adsorbed. There has also been proposed a method in which the separated gas is used alone or mixed with the modified gas as a carburizing atmosphere gas (Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1に記載のもののように、変成ガスに加えてエンリッチガスや空気等を炉内に供給すると、雰囲気がばらつきやすいため、浸炭の品質にばらつきが発生するおそれがある。また、空気を加えた場合には、被処理体が酸化することもあるため、浸炭処理の効率及び被処理体の品質が低下する。さらに、CP制御のために各種の分析計や演算機、センサー、流量計等、さまざまな精密機器が必要であるため、設備コストの増大にもつながる。
However, when enriched gas, air, or the like is supplied into the furnace in addition to the metamorphic gas as described in
特許文献2のもののように、処理の工程ごとに異なるCPの変成ガスを供給するには、複数のガス変成炉が必要となり、設備コストの増大が避けられない。また、浸炭工程用に高CPの変成ガスを変成炉で生成させると、変成炉がスーティングするおそれがある。
As in the case of
特許文献3のものは、源ガスとして、炭化水素、二酸化炭素、酸素、必要に応じて窒素と、単独ガスを供給するので、コストアップが避けられず、実用性に欠ける。
Since the thing of
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、安定した雰囲気で熱処理ができ、且つ、設備コストも低減できるガス浸炭方法及びガス浸炭装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a gas carburizing method and a gas carburizing apparatus that can perform heat treatment in a stable atmosphere and can reduce equipment costs.
前記課題を解決するため、本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しCO2濃度が小さい低CO2変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低CO2変成ガス、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いることを特徴とする(請求項1)。 In order to solve the above problems, the gas carburizing method according to the present invention generates a modified gas using a hydrocarbon-based gas, air, and a catalyst, and has a higher carbon potential than the modified gas and a low CO 2 concentration. generates a low CO 2 converted gas, the reformed gas, the low CO 2 converted gas, one of the mixed gas of the said converted gas low CO 2 converted gas, as the atmosphere gas in a series of heat treatment processes for carburizing (Claim 1).
本発明によれば、浸炭のための一連の熱処理工程のそれぞれにおいて、前記変成ガス、前記低CO2変成ガス、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの混合ガスの中から、処理品に求められる品質に応じて最適なガスを選んで熱処理を行うことができる。前記低CO2変成ガスは、前記変成ガスよりCP値が高いので、より大きな浸炭力を発揮する。よって、従来のようにエンリッチガスを添加する必要がなく、またエンリッチガスのように炭化水素ガスの分解を伴わないので、常に安定した雰囲気で熱処理を行うことができる。複数の変成炉が必要なわけでもないし、CP制御のために多数の精密機器が必要なわけでもないので、設備コスト上も有利である。 According to the present invention, in each of a series of heat treatment processes for carburizing, the reformed gas, the low CO 2 converted gas, from a gas mixture of the converted gas and the low CO 2 converted gas, calculated to the treated product Heat treatment can be performed by selecting an optimal gas according to the quality to be obtained. Since the low CO 2 modified gas has a higher CP value than the modified gas, it exhibits a greater carburizing power. Therefore, it is not necessary to add the enriched gas as in the conventional case, and the hydrocarbon gas is not decomposed unlike the enriched gas, so that the heat treatment can always be performed in a stable atmosphere. There is no need for a plurality of transformation furnaces, and a large number of precision instruments are not necessary for CP control, which is advantageous in terms of equipment cost.
なお、本発明に係るガス浸炭方法において、浸炭のための一連の熱処理工程とは、複数の熱処理室間で被処理体を移動させながら行うものであっても良いし、単一の熱処理室で一連の熱処理工程を順次行うものであっても良い。 In the gas carburizing method according to the present invention, the series of heat treatment steps for carburizing may be performed while moving an object to be processed between a plurality of heat treatment chambers, or in a single heat treatment chamber. A series of heat treatment steps may be sequentially performed.
好適な実施の一形態として、前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第1の熱処理工程と、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記低CO2変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いる第2の熱処理工程と、を備える態様を例示する(請求項2)。 As a preferred embodiment, the first modification process using the modification gas alone as the atmosphere gas, or using both the modification gas and the low CO 2 modification gas as the atmosphere gas, and the modification gas, A mode in which both the low CO 2 modified gas is used as an atmospheric gas or a second heat treatment step in which the low CO 2 modified gas is used alone as an atmospheric gas is exemplified (Claim 2).
さらに、前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第3及び第4の熱処理工程を備える態様とすることもできる(請求項3)。 Further, whether to use the converted gas alone as the atmosphere gas, or may be a mode comprising a third and fourth heat treatment step of using both the said reformed gas low CO 2 converted gas as the atmosphere gas ( Claim 3).
具体例としては、前記第1の熱処理工程が昇温工程であり、前記第2の熱処理工程が浸炭工程であり、前記第3の熱処理工程が拡散工程であり、前記第4の熱処理工程が降温工程である(請求項4)。 As a specific example, the first heat treatment step is a temperature raising step, the second heat treatment step is a carburizing step, the third heat treatment step is a diffusion step, and the fourth heat treatment step is a temperature drop. It is a process (claim 4).
好適な実施の一形態として、前記低CO2変成ガスは、前記変成ガスからその中に含まれるCO2を分離することで生成できる(請求項5)。 As a preferred embodiment, the low CO 2 modified gas can be generated by separating CO 2 contained therein from the modified gas (Claim 5).
好適な実施の一形態として、前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流速が1.5m/s以上の流速である態様(請求項6)や、前記雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数29回/h以上となる流量である態様(請求項7)を採用することもできる。これらの態様によれば、有効硬化層深さを確実に目標値に到達させることができるとともに、浸炭時間も短縮できる。 As a preferred embodiment, in the carburizing step included in the series of heat treatment steps, an aspect (Claim 6) in which the flow velocity in the furnace of the atmospheric gas is a flow velocity of 1.5 m / s or more, A mode (Claim 7) in which the flow rate in the furnace is a flow rate at which the number of atmosphere replacements in the furnace is 29 times / h or more can be adopted. According to these aspects, the effective hardened layer depth can surely reach the target value, and the carburizing time can be shortened.
一方、本発明に係るガス浸炭装置は、炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成する変成炉と、該変成炉と浸炭のための一連の処理を行う熱処理室とを連結する変成ガス管路と、前記変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しCO2濃度が小さい低CO2変成ガスを生成する低CO2変成ガス生成装置と、該低CO2変成ガス生成装置の低CO2変成ガス出口と前記熱処理室とを連結する低CO2変成ガス管路と、前記変成ガス管路と前記低CO2変成ガス管路上に配設され、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低CO2変成ガス、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるバルブと、を備えたものである(請求項8)。 On the other hand, a gas carburizing apparatus according to the present invention connects a shift furnace that generates a shift gas using a hydrocarbon gas, air, and a catalyst, and a heat treatment chamber that performs a series of processes for the carburization and the shift furnace. a reformed gas conduit to a low CO 2 converted gas generator for generating a CO 2 concentration is less low CO 2 reformed gas has a higher carbon potential than the converted gas, low CO of the low CO 2 converted gas generator A low CO 2 metamorphic gas line connecting the two metamorphic gas outlets and the heat treatment chamber, the metamorphic gas line and the low CO 2 metamorphic gas line disposed on the heat treatment chamber, low CO 2 converted gas, in which and a valve for switching between whether to introduce any of a gas mixture of the low CO 2 converted gas and the reformed gas (claim 8).
前記ガス浸炭装置によれば、前記バルブの切り替えで、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低CO2変成ガス、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの混合ガスの中から、処理品に求められる品質に応じて最適なガスを選んで供給することができる。前記低CO2変成ガスは、前記変成ガスよりCP値が高いので、より大きな浸炭力を発揮する。よって、従来のようにエンリッチガスを添加する必要がなく、したがって、常に安定した雰囲気で熱処理を行うことができる。従来例のように複数の変成炉が必要なわけでもないし、CP制御のために多数の精密機器が必要なわけでもないので、コスト上も有利である。 According to the gas carburization apparatus, by switching of the valve, in the heat treatment chamber, the reformed gas, the low CO 2 converted gas, from a gas mixture of the said converted gas low CO 2 converted gas, the treated product The optimum gas can be selected and supplied according to the required quality. Since the low CO 2 modified gas has a higher CP value than the modified gas, it exhibits a greater carburizing power. Therefore, it is not necessary to add an enriched gas as in the prior art, and therefore heat treatment can be performed in a stable atmosphere at all times. Since a plurality of transformation furnaces are not required as in the conventional example, and a large number of precision instruments are not required for CP control, this is advantageous in terms of cost.
なお、本発明に係るガス浸炭装置において、前記熱処理室は、浸炭のための一連の処理を行う複数の熱処理室であっても良いし、浸炭のための一連の処理を行う単一の熱処理室であっても良い。 In the gas carburizing apparatus according to the present invention, the heat treatment chamber may be a plurality of heat treatment chambers that perform a series of processes for carburization, or a single heat treatment chamber that performs a series of processes for carburization. It may be.
好適な実施の一形態として、前記低CO2変成ガス生成装置が、前記変成ガスからその中に含まれるCO2を吸着分離するCO2吸着器である態様を例示する(請求項9)。 As a preferred embodiment, a mode in which the low CO 2 shift gas generating device is a CO 2 adsorber that adsorbs and separates CO 2 contained therein from the shift gas is exemplified (claim 9).
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法及びガス浸炭装置について説明する。 Hereinafter, a gas carburizing method and a gas carburizing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気を原料ガスとして変成炉で変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しCO2濃度が小さい低CO2変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低CO2変成ガス、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いるものである。 Gas carburizing method according to the present invention is to produce a reformed gas by reforming furnace as the hydrocarbon gas and air feed gas, the CO 2 concentration is less low CO 2 reformed gas has a higher carbon potential than the reformed gas One of the generated modified gas, the low CO 2 modified gas, and the mixed gas of the modified gas and the low CO 2 modified gas is used as an atmospheric gas in a series of heat treatment steps for carburizing.
なお、本発明において、浸炭のための一連の熱処理工程とは、複数の熱処理室間で被処理体を移動させながら行うものであっても良いし、単一の熱処理室で一連の熱処理工程を順次行うものであっても良い。 In the present invention, the series of heat treatment steps for carburizing may be performed while moving an object to be processed between a plurality of heat treatment chambers, or a series of heat treatment steps in a single heat treatment chamber. It may be performed sequentially.
前記変成ガスは、従来公知の変成炉を用いて生成できる。変成炉で生成される変成ガスは、炭化水素系ガス(例えば、13Aガス、天然ガス、プロパン、ブタン等)と空気の混合比や、また目的とするガス組成、CP値によって様々であるが、概ね、CO:18〜25体積%、H2:30〜41体積%、N2:35〜50体積%、CO2:0.12〜0.25体積%、H2O:0.6体積%以下、CH4:0.04体積%以下であることが好ましい。炭化水素系ガスとして13A(都市ガス)を用いた場合、さらに変成ガス組成の一例を挙げると次の通りである(850℃、CP値0.8のとき)。 The shift gas can be generated using a conventionally known shift furnace. The shift gas generated in the shift furnace varies depending on the mixing ratio of hydrocarbon gas (for example, 13A gas, natural gas, propane, butane, etc.) and air, the target gas composition, and the CP value. generally, CO: 18 to 25 vol%, H 2: 30-41 vol%, N 2: 35 to 50 vol%, CO 2: 0.12~0.25 vol%, H 2 O: 0.6% by volume hereinafter, CH 4: is preferably 0.04 vol% or less. When 13A (city gas) is used as the hydrocarbon-based gas, an example of the modified gas composition is as follows (when 850 ° C. and CP value is 0.8).
N2(窒素): 約39.85体積%
H2(水素): 約36体積%
CO(一酸化炭素): 約24体積%
CO2(二酸化炭素):約0.15体積%
前記低CO2変成ガスは、前記変成炉で生成された変成ガスから、従来公知のCO2吸着器を用いてCO2を吸着分離することによって生成できる。したがって、前記低CO2変成ガスは、CO2の割合が前記変成ガスよりも小さくなる。具体的には、CO2が0.15体積%未満、さらには0.1体積%以下、0.05体積%以下であることが好ましい。
N 2 (nitrogen): about 39.85% by volume
H 2 (hydrogen): about 36% by volume
CO (carbon monoxide): about 24% by volume
CO 2 (carbon dioxide): about 0.15% by volume
The low CO 2 converted gas from reformed gas generated in the reforming furnace can be generated by adsorptive separation of CO 2 using a conventionally known CO 2 adsorber. Therefore, the low CO 2 modified gas has a smaller CO 2 ratio than the modified gas. Specifically, CO 2 is preferably less than 0.15% by volume, more preferably 0.1% by volume or less, and 0.05% by volume or less.
本発明において低CO2変成ガスの生成方法は前記方法には限定されず、N2,H2,CO,CO2等の複数のガスを混合して前記低CO2変成ガスと同様の組成のガスとしたものでも良く、便宜上これも低CO2変成ガスと称する。 In the present invention, the method for producing the low CO 2 modified gas is not limited to the above method, and a mixture of a plurality of gases such as N 2 , H 2 , CO, CO 2 and the like has the same composition as the low CO 2 modified gas. It may be a gas, which is also referred to as a low CO 2 modified gas for convenience.
なお、本発明において、低CO2変成ガスとは、CO2がゼロの場合も含む。 In the present invention, the low CO 2 modified gas includes a case where CO 2 is zero.
低CO2変成ガスのCP(カーボンポテンシャル)は、前記変成ガスよりもCO2が低減されたことで、前記変成ガスのCPよりも高くなり、これを浸炭雰囲気ガスとして用いることで浸炭力が高まる。また、変成ガスの浸炭力の弱さを補うために従来添加されていたエンリッチガスを使用する必要がなくなり、炭化水素系ガスの分解がなく、安定した浸炭雰囲気ガス中で浸炭が行われるので、浸炭むらやスーティングが生じにくい。この利点は、前記低CO2変成ガスのみを雰囲気ガスとして浸炭を行う場合だけでなく、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスとの混合ガスを雰囲気ガスとして用いて浸炭を行う場合にも得られる。 The CP (carbon potential) of the low CO 2 shift gas is higher than the CP of the shift gas due to the reduction of CO 2 compared to the shift gas, and the carburizing power is increased by using this as the carburizing atmosphere gas. . In addition, it is no longer necessary to use the enriched gas that has been added in the past to compensate for the weak carburizing power of the metamorphic gas, there is no decomposition of hydrocarbon gases, and carburizing is performed in a stable carburizing atmosphere gas. Carburizing unevenness and sooting are less likely to occur. This advantage is obtained wherein only the low CO 2 converted gas not only when performing carburizing as the atmospheric gas, even when performing carburizing with a mixed gas of the low CO 2 converted gas and the reformed gas as the atmosphere gas It is done.
本発明の発明者等は、COとCO2とH2とN2の4種のガスを混合して、変成ガスと、それよりCO2濃度の小さい低CO2変成ガスを生成し、SCr420の被処理体(ワーク)に対してガス浸炭処理を行った。試験炉はゴールドファーネス、浸炭実施時間は2時間である。その浸炭条件と浸炭雰囲気ガス組成を表1に、浸炭結果を表2及び表3に示す。
これらの表において、従来例1は、変成ガスで浸炭処理を行ったものであり、実施例2〜4が低CO2変成ガスで浸炭処理を行ったものである。実施例の雰囲気ガス(低CO2変成ガス)のCPは、CO2濃度が小さい分だけ従来例の雰囲気ガス(変成ガス)のCPより高くなっている。 In these tables, Conventional Example 1 is obtained by carburizing with a modified gas, and Examples 2 to 4 are those obtained by carburizing with a low CO 2 modified gas. The CP of the atmospheric gas (low CO 2 modified gas) of the example is higher than the CP of the atmospheric gas (modified gas) of the conventional example by a small amount of CO 2 concentration.
表1において、CP値は、「(CO濃度)2/(CO2濃度)×Kp(平衡定数)×飽和炭素量(浸炭温度での鋼の飽和炭素量)」の計算式で求めた。 In Table 1, the CP value was determined by a calculation formula of “(CO concentration) 2 / (CO 2 concentration) × Kp (equilibrium constant) × saturated carbon amount (saturated carbon amount of steel at carburizing temperature)”.
表1において、CH4は、反応により微量生成されたものと考えられる。 In Table 1, CH 4 is considered to be produced in a trace amount by the reaction.
表3に示すように、従来例、実施例ともに、表面組織に炭化物の析出はなく、良好な浸炭が行えた。また、表2に示すように、従来例に比べて実施例のものは、浸炭能力が高くワークの表面炭素濃度も高く、良好な結果が得られた。いずれの実施例でもスーティングの発生はなかった。 As shown in Table 3, in both the conventional examples and the examples, there was no precipitation of carbides in the surface structure, and good carburization could be performed. Further, as shown in Table 2, the examples had higher carburizing ability and higher surface carbon concentration of the workpiece than the conventional examples, and good results were obtained. There was no sooting in any of the examples.
なお、変成炉において950℃においてCPが1.2になるような変成ガスを生成すると、変成炉にスーティングが発生した。 When a shift gas having a CP of 1.2 at 950 ° C. was generated in the shift furnace, sooting occurred in the shift furnace.
前記試験により、変成ガスによるガス浸炭に対する低CO2変成ガスによるガス浸炭の優位性が実証された。 By the test, the superiority of gas carburizing according to the low CO 2 converted gas to the gas carburizing according converted gas was demonstrated.
次に、本発明方法を実施するのに用いて好適なガス浸炭装置について説明する。 Next, a gas carburizing apparatus suitable for use in carrying out the method of the present invention will be described.
図1に示すように、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭装置100は、昇温室(予熱室)1、浸炭室2、拡散室3、降温室4からなる一連の熱処理室を有する熱処理部5と、前記熱処理室1,2,3,4で使用する雰囲気ガスを生成する変成炉6と、低CO2変成ガス生成装置7,7と、を備える。前記変成炉6と前記各熱処理室1,2,3,4は、変成ガス管路8で連結される。また、前記低CO2変成ガス生成装置7,7の低CO2変成ガス出口9,9と前記各熱理室1,2,3,4は、低CO2変成ガス管路10で連結される。
As shown in FIG. 1, a
前記変成炉6は従来公知のものと同一であり、ニッケル触媒等の触媒(図示せず)を内蔵する。メタン、プロパン、ブタン、13A(都市ガス)等の炭化水素系ガスと空気が前記変成炉6に導入され、例えば1080℃に加熱された触媒層を通過する。この際の触媒反応(変成反応)により変成ガスが生成される。
The
前記変成炉6には、冷却装置11が付属している。生成された1080℃の変成ガスは、前記冷却装置11により常温まで冷却された後に、前記変成ガス管路8へと導出される。前記変成炉6に冷却装置11が付属していない場合には、前記変成炉6と前記低CO2変成ガス生成装置7,7との間の前記変成ガス管路8上に冷却装置を配設しておけばよい。
A cooling device 11 is attached to the
前記低CO2変成ガス生成装置7は、前記変成炉6で生成される変成ガスよりもCO2濃度が小さい低CO2変成ガスを生成する。前記低CO2変成ガス生成装置7としては、従来公知のCO2吸着剤を充填したCO2吸着器を用いることができる。この場合、前記変成炉6で生成される変成ガスを分岐管路12,12で前記CO2吸着器7,7に導入し、CO2吸着剤で変成ガス中のCO2を吸着分離する。CO2が吸着分離されることで、前記変成ガスは前記低CO2変成ガスとなる。該低CO2変成ガスは、前記低CO2変成ガス管路10を通って前記昇温室1、浸炭室2、拡散室3及び降温室4の方向へと導出される。なお、前記CO2吸着器7を用いることにより、CO2と同時に変成ガス中の水分(H2O)も効率的に除去され、変成ガスより高CPの低CO2変成ガスを得ることができる。
The low CO 2 converted
前記低CO2変成ガス生成装置7の他の例として、前記変成ガスを利用することなく、N2,H2,CO,CO2等の複数のガスを混合して低CO2変成ガスを生成する、図示しないガス混合装置を採用することもできる。
As another example of the low CO 2 modified
図1の例では、前記変成ガス管路8に対して二つのCO2吸着器7,7が切換え可能に接続されている。これは、CO2の吸着とCO2の脱着とを二つのCO2吸着器7,7間で交互に行わせ、連続運転を支障なく行わせるためである。分離されたCO2は、排出管路13を通してCO2吸着器7,7から外部へ排出される。
In the example of FIG. 1, two CO 2 adsorbers 7 and 7 are connected to the
前記排出管路13と前記低CO2変成ガス管路10にはCO2分析計14が配設され、両管路を流れるガス中のCO2濃度が常時監視され測定される。
A CO 2 analyzer 14 is disposed in the
前記変成ガス管路8及び前記低CO2変成ガス管路10上には、多数のバルブ1a〜4a、1b〜4bが配設されている。これらのバルブは、前記一連の熱処理室1,2,3,4のそれぞれに、前記変成ガス、前記低CO2変成ガス、前記変成ガスと前記低CO2変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるためのバルブである。前記各バルブの下流側にはガス混合部15が配設される。このガス混合部15において、前記変成ガス管路8を通して供給される変成ガスと、前記低CO2変成ガス管路10を通して供給される低CO2変成ガスとがミキシングされ所定の組成となる。
A large number of valves 1 a to 4 a and 1 b to 4 b are disposed on the
前記バルブ1a〜4a、1b〜4bの操作により、昇温工程として、前記昇温室1には、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記浸炭室2には、浸炭工程として、前記低CO2変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記拡散室3には、拡散工程として、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記降温室4にも、降温工程として、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記各熱処理室1,2,3,4の雰囲気ガスは、前記低CO2変成ガスの割合が大きいほど浸炭力が大きくなる。
By the operation of the valves 1a to 4a and 1b to 4b, the modified gas is introduced alone or the mixed gas is introduced into the
前記各工程で前記各熱処理室にどのガスをどれだけ導入するかは、処理品に要求される品質に応じて適宜に決定する。但し、浸炭室2に変成ガスを単独供給することはない。変成ガス単独ではCP値が低くて所望の浸炭が得られないからである。
Which gas is introduced into each heat treatment chamber in each process and how much gas is appropriately determined according to the quality required for the processed product. However, the metamorphic gas is not supplied to the
また、昇温室1、拡散室3、降温室4に低CO2変成ガスが単独供給されることもない。昇温室1と降温室4に低CO2変成ガスを単独供給すると、昇温途中及び降温途中の低温時にワーク表面に炭化物が析出するおそれがあるからである。拡散室3に低CO2変成ガスを単独供給すると、ワークの表面炭素濃度が上がりすぎてしまい、その後の油焼入工程で残留オーステナイトの析出量が増えることが予想されるからである。
In addition, the low CO 2 metamorphic gas is not supplied alone to the
好ましくは、降温室4に使用される変成ガスのCPを狙って変成炉で変成ガスを生成させ、この変成ガスを降温室4に単独供給し、浸炭室2には低CO2変成ガスを単独供給し、昇温室7、拡散室3には変成ガスと低CO2変成ガスの混合ガスを供給する。
Preferably, the shift gas is generated in a shift furnace aiming at the CP of the shift gas used in the descending
前記各熱処理室1,2,3,4で熱処理に関与した雰囲気ガスは、一部が排気管路16により排ガスとして燃焼・排出され、他の一部はCO2脱着用管路17により前記CO2吸着器7,7に向けて送られ、該CO2吸着器7においてCO2脱着時の加熱手段として用いられる。
A part of the atmospheric gas involved in the heat treatment in each of the
前記ガス浸炭装置100によれば、前記バルブ1a〜4a、1b〜4bの操作により、前記各熱処理室1,2,3,4において常に最適な雰囲気ガスでワークに対して熱処理を行うことができる。従来の装置のように、設備費がかさむ問題もない。また、エンリッチガスを使う必要がないので、安定した雰囲気で処理ができ、処理品の品質も向上する利点がある。
According to the
なお、図示例は、前記熱処理部5が、浸炭のための一連の処理を行う複数の熱処理室を備える例であるが、本発明に係るガス浸炭装置はこれには限定されず、浸炭のための一連の処理を単一の熱処理室において行う態様も含む。
The illustrated example is an example in which the
さらに、本発明の発明者は、本発明の方法を実施する際の、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速及び流量について探求した。 Furthermore, the inventors of the present invention have sought for preferred flow rates and flow rates of carburizing atmosphere gases when carrying out the method of the present invention.
まず、実験用の装置として、既存のゴールドファーネス炉に内管を取替え挿入できるものを作製し、該内管内を炉として用いる。前記内管として、様々な内径を有するものを準備し、前記内管を取り替えて管内径を変更することで、前記内管内を流れる浸炭雰囲気ガスの流速や流量が変わるようにする。 First, as an experimental apparatus, an apparatus capable of replacing and inserting an inner pipe into an existing gold furnace furnace is prepared, and the inside of the inner pipe is used as a furnace. As the inner pipe, pipes having various inner diameters are prepared, and the inner pipe is changed to change the inner diameter of the pipe so that the flow rate and flow rate of the carburizing atmosphere gas flowing in the inner pipe are changed.
図2は、この実験における処理工程図である。図2に示すように、まず、窒素ガスを炉内(内管内)に供給し、10分で950℃まで昇温した。昇温後10分間保持した後CO2ガスを供給し、N2+CO2の雰囲気でさらに5分間保持した。次に低CO2変成ガス(ガス組成は表4参照)を炉内に供給し、雰囲気を安定させるために30分間保持した。その後、試験片TP(テストピース:SCr420)を炉内に挿入して70分間保持し、前記低CO2変成ガスを連続的に供給しながら浸炭処理を実施した。浸炭処理後には、拡散処理14分、降温処理14分を実施し、その後焼入れ処理を実施した。様々な内径を有する内管(表5の管内径を参照)を用いることで、浸炭処理中における低CO2変成ガスの流速と流量を様々な値に変えることができる。
前記実験の結果を表5に示す。
表5のうち、上から三つの例、すなわち、比較例1と実施例1,2が、流速を変更した場合(流量一定)の実験結果である。それ以下の例、すなわち、実施例3と比較例2〜4が、流量を変更した場合(流速一定)の実験結果である。 In Table 5, three examples from the top, that is, Comparative Example 1 and Examples 1 and 2, are the experimental results when the flow velocity is changed (the flow rate is constant). The following examples, that is, Example 3 and Comparative Examples 2 to 4, are experimental results when the flow rate is changed (the flow rate is constant).
表5を参照して、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速と流量について考察する。 With reference to Table 5, the preferred flow rate and flow rate of the carburizing atmosphere gas will be considered.
<流速について>
CP値の高い前記低CO2変成ガスで浸炭しても、比較例1のように流速が小さいと本実験の目標としたカーボン濃度が0.3wt%である試験片表面からの深さ(位置)0.75mm以上に達しないことが分かる。これに対し、実施例1,2より、流速が3.04m/s、5.98m/sの場合には目標とする十分な浸炭深さを得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流速とカーボン濃度が0.3wt%である試験片表面からの深さ(位置)との関係をグラフにしたものが図3である。図3より、目標とする深さ(0.75mm)を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流速を1.5m/s以上にすればよいことが分かる。
<About flow velocity>
Even when carburizing with the low CO 2 gas having a high CP value, if the flow rate is small as in Comparative Example 1, the depth (position) from the specimen surface where the carbon concentration targeted in this experiment is 0.3 wt% It can be seen that it does not reach 0.75 mm or more. On the other hand, from Examples 1 and 2, when the flow velocity is 3.04 m / s and 5.98 m / s, a target sufficient carburization depth can be obtained, and carburization can be performed faster than before. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow velocity and the depth (position) from the surface of the test piece having a carbon concentration of 0.3 wt% using this test result. FIG. 3 shows that the flow rate of the carburizing atmosphere gas should be 1.5 m / s or more in order to obtain the target depth (0.75 mm).
なお、浸炭炉の浸炭室或いは拡散室内のワーク設置範囲内において浸炭雰囲気ガスの流速を1.5m/s以上とするために、浸炭室或いは拡散室にガス攪拌用のファンを上下、左右に必要に応じて設置して流速のバラツキを抑制することが好ましく、これにより安定した浸炭処理を実現することができる。 In order to make the flow rate of the carburizing atmosphere gas 1.5 m / s or more within the work installation range of the carburizing furnace or diffusion chamber of the carburizing furnace, fans for gas agitation are required vertically and horizontally in the carburizing chamber or diffusion chamber. Therefore, it is preferable to suppress the variation in the flow rate, and a stable carburizing process can be realized.
ガス流速(風速)は風速計で測定することができる。また、流速を上げることで炭素移行係数(β値)が増加し、流速増加は流量(物質供給量)増加との関係はない。 The gas flow velocity (wind velocity) can be measured with an anemometer. In addition, increasing the flow rate increases the carbon transfer coefficient (β value), and the increase in flow rate is not related to the increase in flow rate (substance supply amount).
<流量について>
比較例2〜4より、浸炭雰囲気ガスの流量が小さい場合、すなわち、炉内ガス置換回数が1時間当たり5.1〜19回、流速約0.1m/sのときは、前記目標とする浸炭深さが得られないことが分かる。これに対し、実施例3のように流量が大きい場合は、目標とする浸炭深さが得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流量とカーボン濃度が0.3wt%である試験片表面からの深さ(位置)との関係をグラフにしたものが図4である。図4より、目標とする深さ(0.75mm)を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流量を炉内雰囲気置換回数29回/h以上となる流量にすればよいことが分かる。
<About flow rate>
From Comparative Examples 2 to 4, when the flow rate of the carburizing atmosphere gas is small, that is, when the number of gas replacements in the furnace is 5.1 to 19 times per hour and the flow rate is about 0.1 m / s, the target carburizing is performed. It can be seen that the depth cannot be obtained. On the other hand, when the flow rate is large as in Example 3, the target carburizing depth is obtained, and carburizing can be performed earlier than in the past. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the flow rate and the depth (position) from the surface of the test piece having a carbon concentration of 0.3 wt% using this test result. FIG. 4 shows that in order to obtain the target depth (0.75 mm), the flow rate of the carburizing atmosphere gas may be set to a flow rate that is 29 times / h or more in the furnace atmosphere replacement.
なお、炉内雰囲気置換回数は、炉内に供給する1時間あたりのガス流量を炉内体積で割った値である。炉内雰囲気置換回数を大きくするために、炉内に連続的に新しいガスを供給しても良いが、炉内ガスを循環させて炉内に供給することがコスト面から好ましい。また、流量(置換回数)を増加させると炭素移行係数(β値)が低下することがわかり、浸炭効率を向上させるためにはガス流量よりもガス流速を増加させる方が好ましい。 The number of atmosphere replacements in the furnace is a value obtained by dividing the gas flow rate per hour supplied into the furnace by the furnace volume. In order to increase the number of times the atmosphere in the furnace is replaced, new gas may be continuously supplied into the furnace, but it is preferable from the viewpoint of cost that the furnace gas is circulated and supplied into the furnace. Moreover, it turns out that a carbon transfer coefficient ((beta value)) will fall when a flow rate (number of substitutions) is increased, and in order to improve carburizing efficiency, it is more preferable to increase a gas flow rate than a gas flow rate.
1 昇温室
2 浸炭室
3 拡散室
4 降温室
6 変成炉
7 低CO2変成ガス生成装置
8 変成ガス管路
9 低CO2変成ガス出口
10 低CO2変成ガス管路
1a〜4a,1b〜4b バルブ
1
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