JP2014070254A - 浸炭処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッチ炉式の処理炉において、変成ガスの供給量を削減しつつ、炉内のＣＰを安定させることができる浸炭処理方法を提供する。
【解決手段】バッチ式の処理炉（加熱室１１）に変成ガスおよびエンリッチガスを供給し、処理炉内に搬入した被処理体を浸炭処理する浸炭処理方法であって、昇温工程、浸炭工程、降温工程、２次加熱工程、焼き入れ工程からなり、昇温工程、浸炭工程、降温工程において、処理炉内に被処理体が収容され処理炉が閉じた状態で所定温度以上を保持している間は、処理炉内に供給される前記変成ガスの置換回数を１．０回／ｈｒ〜４．０回／ｈｒとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼材の浸炭処理方法に関するものである。

鋼材の浸炭処理方法として、一酸化炭素ガス（ＣＯ）を含む吸熱式変成ガスを雰囲気ガスとし、さらに所定のカーボンポテンシャル（ＣＰ）を得るためのエンリッチガスとして炭化水素系ガスを浸炭処理室内に供給して浸炭処理するガス浸炭処理方法が、広く普及している。このガス浸炭処理方法では、浸炭処理室内雰囲気を構成するガス成分の濃度もしくは分圧を測定することにより、その測定値からカーボンポテンシャルを算出し、その結果を元にエンリッチガスの供給量を調節することにより浸炭の制御を行っている。

鋼材の浸炭処理に関し、例えば特許文献１には、連続炉において、炉内ＣＰを安定させるために、変成ガスおよびエンリッチガスの供給流量を調整する熱処理方法が記載されている。

一方、バッチ式の浸炭処理炉では、従来、炉内が負圧になるのを防止するために、常時、同量の処理ガスを供給している。すなわち、図５に示すように、
（１）炉内に被処理体が無い空炉時
（２）被処理体の炉内への搬入時に炉の入口扉を開閉し、一旦温度が下がった後昇温する間
（３）浸炭処理温度の９３０℃で浸炭処理している間
（４）浸炭処理が終了し降温する間
（５）２次設定温度の８５０℃で２次加熱する間
（６）被処理体を油槽へ搬出する際に炉の出口扉を開閉して被処理体を焼入する間
の工程（１）〜（６）において、変成ガスを、常時、例えば置換回数５回／ｈｒ〜１５回／ｈｒで供給している。

ところが、浸炭処理時に炉内に供給される変成ガスに含まれるＣＯの多くは、未反応のまま燃焼され、ＣＯ_２となって炉外に排出される。そのため、無駄なコストを要するうえ、多くのＣＯ_２を排出するという問題があった。

そこで、特許文献２に、所望の品質を付与しつつ、浸炭処理または浸炭窒化処理における変成ガスの流量を低減することによりＣＯ_２の排出量を抑制することを可能とする鋼の熱処理方法が記載されている。

特開２０１１−４２８７８号公報 特開２０１０−２８５６４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている連続炉では、処理室毎に扉の開閉が頻繁に行われるため、ＣＰを保つためには、処理ガスの量を減らすことが困難である。また、特許文献２に記載された方法は、処理ガスの供給量が極めて少なく、現在のＣＰ（Ｏ_２センサ）とＣＯ_２制御では、種々の製品について浸炭処理をばらつきなく行うことは厳しいと考えられる。

本発明の目的は、バッチ式の処理炉において、変成ガスの供給量を削減しつつ、炉内のＣＰを安定させることができる浸炭処理方法を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、バッチ式の処理炉（加熱室）に変成ガスおよびエンリッチガスを供給し、前記処理炉内に搬入した被処理体を浸炭処理する浸炭処理方法であって、昇温工程、浸炭工程、降温工程、２次加熱工程、焼き入れ工程からなり、前記昇温工程、前記浸炭工程、前記降温工程において、前記処理炉内に前記被処理体が収容され前記処理炉が閉じた状態で所定温度以上を保持している間は、前記処理炉内に供給される前記変成ガスの置換回数を１．０回／ｈｒ〜４．０回／ｈｒとすることを特徴とする、浸炭処理方法を提供する。

この浸炭処理方法において、前記所定温度は８００℃以上で設定されることが好ましい。

なお、変成ガスの置換回数とは、バッチ式の処理炉において、１時間当たりに供給した変成ガス量を、浸炭処理を行う加熱室の容積と比べて表した数値であり、例えば１時間あたり加熱室の容積の４倍の量（体積）の変成ガスを供給したときは４．０回／ｈｒとなる。

本発明によれば、扉の開閉や温度低下により負圧が発生するとき以外は、変成ガスの供給量を低減することにより、ＣＯ_２削減およびコストを低減して、浸炭処理を行うことができる。

熱処理装置の概略を示す構成図である。 本発明の浸炭処理方法の説明図である。 ガス置換回数毎の、浸炭処理開始からの経過時間とＣＯ_２濃度との関係を示すグラフである。 ガス置換回数毎の、浸炭処理開始からの経過時間とＣＯ濃度との関係を示すグラフである。 従来の浸炭処理方法の説明図である。 実施例における鋼材サンプルの測定（処理）位置を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、本発明にかかる鋼材の浸炭焼き入れ処理を行う熱処理装置の例を示す。熱処理装置１は、搬入部１０、浸炭処理炉としての加熱室１１、冷却室１２、搬出コンベア１３を有している。搬入部１０に置かれたケース２０内には、被処理体としての鋼材が収納される。加熱室１１の入口側（図１において左側）には、開閉自在な扉２１を備えた入口フード２２が取り付けられている。

加熱室１１内には、ヒータ２５が設けられている。加熱室１１内には、雰囲気ガスを構成する変成ガスとカーボンポテンシャルを調整するためのエンリッチガスが供給され、加熱室１１内に供給されたこれらの処理ガスがヒータ２５で所定の温度に加熱されて、加熱室１１内に搬入された鋼材の浸炭処理が行われる。加熱室１１の天井には、加熱室１１内の処理ガスを攪拌し、鋼材の加熱温度を均一化させ、また鋼材に当たる処理ガスの風速を制御するファン２６が設けられている。加熱室１１の出口側（図１において右側）には、開閉自在な中間扉２７が取り付けられている。

冷却室１２には、鋼材が収納されたケース２０を昇降させるエレベータ３０が設けられている。冷却室１２の下部には、冷却用の油３１を溜めた油槽３２が設けられている。冷却室１２の出口側（図１において右側）には、開閉自在な扉３５を備えた出口フード３６が取り付けられている。

かかる熱処理装置１において、鋼材が収納されたケース２０が、プッシャー等により、搬入部１０から加熱室１１内に搬入される。その後、加熱室１１内に処理ガスが供給される。さらに、加熱室１１内に供給された処理ガスがヒータ２５で所定の温度にされて、ファン２６で攪拌しながら、加熱室１１内に搬入された鋼材の浸炭処理が行われる。次いで、降温、２次加熱処理を加熱室１１内で施した後、焼き入れの行われる冷却室１２に鋼材が収納されたケース２０を移動し、焼き入れ処理が行われる。

以上のように、本発明にかかる浸炭処理は、バッチ炉である加熱室１１を用いて行われる。図２は、本発明の熱処理方法の実施形態の一例を示す模式図であり、縦軸は加熱室１１内の温度変化、横軸は処理工程（時間軸）を表す。

本発明では、浸炭処理炉（加熱室１１）の扉の開閉時や負圧が発生するときを除いた期間、すなわち、図２の工程において、雰囲気温度が所定温度以上を保つ昇温時〜浸炭処理時〜降温時の雰囲気温度が所定温度に下がるまでの間における変成ガスの供給量を、扉の開閉時や負圧が発生する期間よりも低減させるのが好ましく、ガス置換回数１．０回／ｈｒ〜４．０回／ｈｒとする。所定温度は、例えば８００℃以上浸炭処理温度以下、好ましくは８５０℃以上浸炭処理温度以下とし、図２の例では８５０℃である。低減時の変成ガスの供給量は、置換回数４．０回／ｈｒを超えると、ＣＯ_２排出量やコストを低減する効果が低く、１．０回／ｈｒを下回ると、ＣＯ、ＣＯ_２が不足し、浸炭処理後の被処理体の品質が低下する。１．５回／ｈｒ〜３．０回／ｈｒであることが、より好ましい。

本発明者は、昇温工程、浸炭処理工程および降温工程において、所定の温度以上を保っていれば、ガス置換回数を上記の範囲としても被処理体の浸炭品質は従来と同等であり、且つ、浸炭処理中に浸炭雰囲気の特別な制御や制御機器は不要であることを見出し、本発明の完成に至った。なお、図２の被処理体を加熱室に搬入する前の空炉時においても、焼入れ処理の影響での雰囲気の乱れから加熱室の雰囲気が回復・安定していれば、ガス置換回数を上記の範囲に減らしてもよい。

以下、図２にしたがって、本発明の熱処理方法の手順の一例を説明する。

（１）空炉
雰囲気温度が８５０℃に加熱された加熱室１１内に被処理体が搬送される前の空炉の状態では、変成ガスは、置換回数１．５回／ｈｒで加熱室１１内に供給される。また、加熱室１１内のＣＯ_２の濃度を所定の範囲とするために、ＣＯ_２制御が行われる。

（２）昇温工程
加熱室１１に被処理体を搬入する際、加熱室１１の入口である扉２１を開けると、加熱室１１の雰囲気温度が下がり、加熱室１１内に負圧が発生する。そのため、扉２１を開けるときに、変成ガスの供給量を、置換回数５回／ｈｒに増やす。その後扉２１を閉じてから、ヒータ２５で浸炭処理温度の９３０℃まで加熱する途中、加熱室１１の雰囲気温度が８５０℃（所定温度）に戻るまでの間、この置換回数５回／ｈｒの供給量を維持する。なお、扉２１を開けるとき、扉２１を閉じて所定温度に戻るまでの変成ガスの供給量は炉内が大気圧より負圧にならなければよく、負圧にならないのであれば変成ガスの置換回数は５回／ｈｒより少なくてもよい。８５０℃を超えると、変成ガスの供給量を置換回数１．５回／ｈｒに低減する。扉２１を開けてから浸炭処理温度になるまでの間、ＣＯ_２制御は切っておく。

（３）浸炭処理工程
浸炭処理温度である９３０℃で被処理体を浸炭処理する間、変成ガスの供給量を置換回数１．５回／ｈｒに維持するとともに、ＣＯ_２制御、また、エンリッチガスの供給量を調整することなどによりＣＰ制御を行う。

（４）降温工程
被処理体の浸炭処理が終了すると、加熱室１１内の雰囲気温度が８５０℃まで降温される。この間も、変成ガスの供給量を置換回数１．５回／ｈｒとし、ＣＯ_２制御、ＣＰ制御が行われる。

（５）２次加熱工程
加熱室１１内の雰囲気温度が、２次設定温度の８５０℃に達すると、変成ガスの供給量を置換回数５回／ｈｒに増やし、ＣＯ_２制御、ＣＰ制御を継続する。８５０℃で所定時間の２次加熱を行った後、加熱室１１の出口である中間扉２７を開く。

（６）焼き入れ工程
被処理体が収納されたケース２０が加熱室１１から冷却室１２に搬送され、冷却室１２では、エレベータ３０によりケース２０が油槽３２に沈められて、被処理体の冷却（焼き入れ）が例えば１５分間行われる。焼き入れ工程が終了すると、被処理体が収納されたケース２０が搬出コンベア１３で搬出される。こうして、熱処理装置１における一連の処理が終了する。焼き入れ工程の間、加熱室１１の雰囲気温度が下がって負圧が発生するので、加熱室１１に供給される変成ガスは、置換回数５回／ｈｒを保持し、ＣＯ_２制御が行われる。なお、焼き入れ工程における冷却方法は、油冷である必要はなく、空冷、ガス冷、水冷などの方法で行ってもよい。

従来は、浸炭処理中に常時一定量、例えば置換回数５回〜１０回／ｈｒ程度で変成ガスを流していたが、本発明の実施形態の例として、上記のように、空炉時、及び、８５０℃以上の昇温時〜浸炭処理時〜８５０℃までの降温時の間の変成ガスの供給量を、置換回数１．５回／ｈｒに低減した。これにより、加熱室１１の炉内容積が１．６ｍ^３の場合、表１に示すように、変成ガス量を約７０％低減することができる。すなわち、本発明によれば、浸炭処理において、扉の開閉や温度低下によって負圧が発生するときを除いて、変成ガスの供給量を低減することで、ＣＯ_２排出量を削減するとともに、コストを低減することができる。

なお、本発明の方法によりＣＯ_２制御を行う浸炭〜降温〜２次加熱の工程において、ＣＯ_２制御開始の浸炭工程より、浸炭処理炉に備えられている一般的な赤外分析計を用いてＣＯおよびＣＯ_２のガス分析を行い、推移確認を実施したところ、従来と差異ないことが確認された。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

図２に示す工程のうち、８５０℃以上の昇温時〜９３０℃保持時（浸炭処理、２時間保持）〜８５０℃までの降温時の間において、エンリッチガスを適宜供給することによりＣＯ_２制御、ＣＰ制御を行いながら、供給する変成ガスの置換回数を変化させ、雰囲気中のＣＯ_２およびＣＯ濃度を測定した。加熱室に相当するバッチ炉の容積は１．６ｍ^３であり、８５０℃以上の間の変成ガスの置換回数を、１回／ｈｒ（１．６ｍ^３／ｈｒ）、２回／ｈｒ（３．２ｍ^３／ｈｒ）、５回／ｈｒ（８．０ｍ^３／ｈｒ）、８回／ｈｒ（１２．８ｍ^３／ｈｒ）の４通りとし、それぞれの条件で被処理体を浸炭処理した。なお、８５０℃よりも低い温度域では、変成ガスの供給量を、本試験における浸炭処理（昇温工程〜焼き入れ工程）において加熱室が大気圧よりも負圧にならなかった６ｍ^３／ｈｒ（置換回数３．７５回／ｈｒ）とした。また、いずれも、エンリッチガスを最大で１Ｌ／ｍｉｎ供給した。

このときの加熱室内のＣＯ_２濃度とＣＯ濃度を測定した。図３は、浸炭処理開始からの経過時間と炉内（加熱室）のＣＯ_２濃度との関係を示し、図４は、浸炭処理開始からの経過時間と炉内のＣＯ濃度との関係を示す。また、それぞれの置換回数について、初期（０分後）と１２０分後のＣＯ_２およびＣＯ濃度を表２に示す。

浸炭処理開始時（０分）では、置換回数の少ない方がＣＯ_２濃度が高いが、５０分経過した頃からＣＯ_２濃度は置換回数によらずほぼ同等になり、置換回数に関係なくＣＯ_２濃度の設定値（約０．２５ｖｏｌ％）に到達する時間は１２０分経過後であり、同等であった。また、ＣＯ濃度については、置換回数により最大で１ｖｏｌ％程度の差があるが、これは、許容されるばらつきの範囲であり、いずれもほぼ同等であった。

図３、図４において１２０分よりも後は、図２の（４）〜（５）の工程である８５０℃までの降温および２時加熱（焼き入れ前の均熱、拡散処理）であり、この間は浸炭処理に比べるとＣＰ値の制御は精密でなくてもよく、ＣＯ_２、ＣＯ濃度ともに、十分な範囲で制御できている。

また、上記と同様に８５０℃以上の間の変成ガスの置換回数を、１回／ｈｒ（１．６ｍ^３／ｈｒ）、２回／ｈｒ（３．２ｍ^３／ｈｒ）、５回／ｈｒ（８。０ｍ^３／ｈｒ）、８回／ｈｒ（１２．８ｍ^３／ｈｒ）の４通りとし、且つケース２０の図６に示されるそれぞれの位置にＳＣＭ４２０材からなる被処理体を配置して浸炭処理した鋼材サンプルを切断し、断面（深さ）方向のビッカース硬さＨＶを測定した。そして、表面から深さ方向にビッカース硬さＨＶを測定したとき、ＨＶが５１３のときの表面からの深さを有効硬化深さ（浸炭深さ：ｍｍ）とし、この有効硬化深さのガス置換回数による影響を比較した。ビッカース硬さの試験荷重は３００ｇとした。鋼材サンプルの測定（処理）位置を図６に示し、有効硬化深さの測定結果を表３に示す。

表３に示すように、ガス置換回数によって有効硬化深さに違いは認められないことが確認された。

本発明は、ＣＯを含む吸熱式変成ガスを雰囲気ガスとする熱処理に適用できる。

１ 熱処理装置
１０ 搬入部
１１ 加熱室
１２ 冷却室
１３ 搬出コンベア
２０ ケース
２１ 扉
２２ 入口フード
２５ ヒータ
２６ ファン
２７ 中間扉
３０ エレベータ
３１ 油
３２ 油槽
３５ 扉
３６ 出口フード

Claims (2)

1. バッチ式の処理炉に変成ガスおよびエンリッチガスを供給し、前記処理炉内に搬入した被処理体を浸炭処理する浸炭処理方法であって、
   昇温工程、浸炭工程、降温工程、２次加熱工程、焼き入れ工程からなり、
   前記昇温工程、前記浸炭工程、前記降温工程において、前記処理炉内に前記被処理体が収容され前記処理炉が閉じた状態で所定温度以上を保持している間は、前記処理炉内に供給される前記変成ガスの置換回数を１．０回／ｈｒ〜４．０回／ｈｒとすることを特徴とする、浸炭処理方法。
2. 前記所定温度は８００℃以上で設定されることを特徴とする、請求項１に記載の浸炭処理方法。

Images