JP2015078416A - Heat treatment method of steel product - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve strength and durability of a steel product by preventing delayed fracture (hydrogen embrittlement) caused by hydrogen in a carburization heat treatment method using a gas.SOLUTION: A hydrogen-free carbon compound gas such as CO gas is used as a carbon source gas. The hydrogen-free carbon compound gas introduced in a furnace 1 by vacuuming is separated into C and O when contacting a steel product W at a high temperature and the C penetrates in a surface layer of a work piece to form a carburized layer. Because of no penetration of hydrogen, no vacancy is generated between grains of the work piece. Strength and durability of the work piece are thus improved. A catalyst 14 is preferably used to promote separation of CO. When a hydrocarbon gas is used as a carbon source, hydrogen is deactivated by a chemical action or physical action to prevent penetration of hydrogen to the work piece.

Description

本願発明は、炭素鋼や合金鋼を素材とした鋼製品(鋼製部材)の熱処理方法に関するものである。なお、合金鋼には、クロム鋼やモリブデン鋼、クロム−モリブデン鋼、ベアリング鋼、ステンレス鋼など、鉄(Fe)を主成分とする各種のものが含まれる。また、鋼製品には、ボルト類、タッピング類、打込み式ピン類等のファスナや、各種軸類、ギア類、シャフト類、ベアリング類などの多種多様のものが含まれる。   The present invention relates to a heat treatment method for steel products (steel members) made of carbon steel or alloy steel. The alloy steel includes various types mainly composed of iron (Fe) such as chromium steel, molybdenum steel, chromium-molybdenum steel, bearing steel, and stainless steel. Steel products include a wide variety of fasteners such as bolts, tappings, drive-in pins, various shafts, gears, shafts, bearings, and the like.

鋼製品の熱処理には焼入れ及び焼き戻し並びに調質などがあり、この熱処理方法として、大気圧ガス雰囲気炉(大気炉)や減圧(真空) ガス雰囲気炉(真空炉)を使用して、鋼製品を高温ガスに晒す方法(ガス処理法)が広く使用されている。これら炉とガスを使用した浸炭熱処理の場合は浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れなどがあるが、鋼製品の熱処理に使用されるガスに含有される炭素量は、素材の炭素鋼や合金鋼に含有されている炭素量に応じた「カーボンポテンシャル(平衡炭素濃度%)」によりコントロールされる。   Heat treatment of steel products includes quenching, tempering, and tempering. As this heat treatment method, an atmospheric gas atmosphere furnace (atmosphere furnace) or a reduced pressure (vacuum) gas atmosphere furnace (vacuum furnace) is used. A method (gas treatment method) of exposing a gas to a high-temperature gas is widely used. In the case of carburizing heat treatment using these furnaces and gas, there are carburizing quenching and carbonitriding quenching, but the amount of carbon contained in the gas used for heat treatment of steel products is contained in the raw material carbon steel and alloy steel It is controlled by the “carbon potential (equilibrium carbon concentration%)” corresponding to the amount of carbon present.

このカーボンポテンシャルの供給源(炭素源)として「プロパン(C38)」や「アセチレン(C22)」などが主流となっているが、処理行程で「水素(H2)」が発生する。水素は全ての元素の中で分子量が最も小さいため、鋼の粒界に容易に浸入できるという性質があり、これに起因する鋼製品破断の「遅れ破壊( 水素脆性) 」が問題となっている。 “Propane (C 3 H 8 )” and “acetylene (C 2 H 2 )” are mainly used as the carbon potential supply source (carbon source), but “hydrogen (H 2 )” is used in the process. Occur. Since hydrogen has the smallest molecular weight among all elements, it has the property that it can easily penetrate into the grain boundaries of steel, and this causes “delayed fracture (hydrogen embrittlement)” of steel product fracture. .

そこで、熱処理段階での水素吸蔵は不可避として、熱処理・焼入れの後で鋼製品から「水素」を除去することが提案され、或いは実施されている。例えば、焼戻しで水素を除去する(例えば特許文献1)、鋼製品を焼戻し温度以下の温度に保温して水素を除去する(例えば特許文献2)、と言った方法である。   Therefore, hydrogen storage in the heat treatment stage is unavoidable, and it has been proposed or practiced to remove “hydrogen” from the steel product after the heat treatment and quenching. For example, hydrogen is removed by tempering (for example, Patent Document 1), and the steel product is kept at a temperature equal to or lower than the tempering temperature to remove hydrogen (for example, Patent Document 2).

水素は大気中や潤滑剤などにも含まれているため、焼入れ後に外部から水素が鋼製品に浸入すると、やはり水素脆性の問題が現れる。そこで、焼入れ後の水素の浸入を防止するための手段として、鋼製品表面をショットピーニング加工することも行われている( 例えば特許文献3)。   Since hydrogen is also contained in the atmosphere and in lubricants, if hydrogen enters the steel product from the outside after quenching, the problem of hydrogen embrittlement will still appear. Therefore, shot peening is also performed on the surface of steel products as a means for preventing hydrogen from entering after quenching (for example, Patent Document 3).

特開平05−255733号公報JP 05-255733 A 特開平11−029820号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-029820 特開平07−292412号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-29212

水素に起因した鋼製品の遅れ破壊(水素脆性)は、水素自身によって引き起こされるというのが一般常識であり、また、熱処理工程時に水素吸蔵は発生せず、水素吸蔵は、熱処理後の表面処理時(特に、電気メッキ時) に発生すると言われていた。   It is common sense that delayed fracture (hydrogen embrittlement) of steel products caused by hydrogen is caused by hydrogen itself, and no hydrogen occlusion occurs during the heat treatment process, and hydrogen occlusion occurs during surface treatment after heat treatment. (Especially during electroplating).

水素脆性に起因した鋼製品の破断面には粒界破面が観察されるが、水素脆性が水素の存在によって引き起こされるとの一般常識が正しければ、熱処理工程における焼戻し等で水素を完全に除去すれば遅れ破壊の現象は生じないはずであるし、破断面は粒界破面ではなく延性破面を呈するはずである。   Grain boundary fractures are observed on the fracture surface of steel products due to hydrogen embrittlement, but if the general sense that hydrogen embrittlement is caused by the presence of hydrogen is correct, hydrogen can be completely removed by tempering in the heat treatment process. Thus, the phenomenon of delayed fracture should not occur, and the fracture surface should exhibit a ductile fracture surface rather than a grain boundary fracture surface.

しかるに、本願発明者たちが過共析、共析、亜共析の各カーボンポテンシャルで熱処理された炭素鋼及びクロム・モリブデン鋼の試験片(棒材)を引っ張り試験して破断面を仔細に観察したところ、熱処理工程での焼戻しによって水素が完全に除去されたはずにもかかわらず、いずれの試験片にも破断面に粒界破面(図12参照)が見出された((B)は(A)の部分拡大図である。)。   However, the inventors of the present application pull the test pieces (bars) of carbon steel and chrome / molybdenum steel heat-treated with hyper-eutectoid, eutectoid and hypoeutectoid carbon potentials, and observe the fracture surface in detail. As a result, despite the fact that hydrogen should have been completely removed by tempering in the heat treatment step, a grain boundary fracture surface (see FIG. 12) was found on the fracture surface in any specimen ((B) It is the elements on larger scale of (A).).

このような一般常識と異なる結果を目の当たりにして、本願発明者たちは熱処理工程時における水素吸蔵を疑い、焼入れ、および、焼戻し、それぞれの工程時における拡散性水素量の測定を行った。その結果、焼入れ時には多量の水素吸蔵が認められるが、焼戻し時には遅れ破壊を誘引させる量の水素は認められなかった。   Having witnessed the results different from the common general knowledge, the inventors of the present application suspected hydrogen storage during the heat treatment process, and measured the amount of diffusible hydrogen during each process of quenching and tempering. As a result, a large amount of hydrogen occlusion was observed during quenching, but an amount of hydrogen that caused delayed fracture was not observed during tempering.

しかし、この水素が放出されているはずの試験片の破断面に水素吸蔵の痕跡を示す脆性破面が観察されることから、試験片(炭素鋼(SWCH22A))試験片を研磨し、ナイタール液にて腐食し、これを電子顕微鏡で観察したところ、図13に表示しているように、鋼製品の浸炭硬化層深さまでに達する無数の空孔(隙間)Sが存在していることを見出した。水素吸蔵の痕跡を示す粒界破面と同じ箇所に空孔Sが存在していることから、この空孔Sは熱処理時に鋼中に浸入し放出された水素の痕跡だと信じるに至った。   However, since a brittle fracture surface showing traces of hydrogen storage is observed on the fracture surface of the test piece from which this hydrogen should have been released, the test piece (carbon steel (SWCH22A)) is polished and the nital solution When this was observed with an electron microscope, as shown in FIG. 13, it was found that there were innumerable pores (gap) S reaching the depth of the carburized hardened layer of the steel product. It was. Since vacancies S exist at the same locations as the grain boundary fracture surfaces showing traces of hydrogen occlusion, it came to be believed that these vacancies S were traces of hydrogen that entered and was released into the steel during heat treatment.

つまり、焼入れ時に鋼製品に表層部から浸入した水素は、焼戻しにより放出されたといえど、その放出時に形成された無数の空孔Sが粒界に存在し続けているため、粒子間の結合が低下したままになっており、結果として、製品強度の低下を招いていると推察される。また、大きな空孔Sが無数に存在することから、実際の使用に供された後に発生するであろう遅れ破壊現象の誘引となる可能性は高いと推測される。   In other words, even though the hydrogen that has entered the steel product from the surface layer during quenching is released by tempering, the infinite number of vacancies S formed during the release continue to exist at the grain boundary, so the bond between particles is reduced. As a result, it is assumed that the product strength is reduced. In addition, since there are an infinite number of large holes S, it is presumed that there is a high possibility of inducing a delayed fracture phenomenon that will occur after actual use.

このように、熱処理工程において水素が鋼中に侵入すると、鋼製品の表層部の破断面は水素吸蔵に起因した脆性破面を呈し、しかも、水素放出の痕跡を示す空孔Sが残留していて遅れ破壊の原因になっていると思われることから、焼入れ等の熱処理時に水素の侵入を防止することが重要となる。   Thus, when hydrogen penetrates into the steel in the heat treatment step, the fracture surface of the surface layer portion of the steel product exhibits a brittle fracture surface due to hydrogen occlusion, and vacancies S indicating traces of hydrogen release remain. Therefore, it is important to prevent hydrogen from entering during heat treatment such as quenching.

本願発明は、このような研究と分析に基づく知見を基礎にして成されたものであり、水素吸蔵に起因する遅れ破壊が生じ難い、或いは、生じない、高強度の鋼製品を供給することを主たる目的とするものである。   The present invention has been made on the basis of knowledge based on such research and analysis, and is intended to supply a high-strength steel product that hardly or does not cause delayed fracture due to hydrogen storage. This is the main purpose.

本願発明は多くの構成を有するが、請求項1〜8で典型例を特定している。このうち請求項1の発明は、高温雰囲気の炉内において鋼製品を高温の炭素含有ガスに晒すことにより、前記鋼製品の機械的性質を高める熱処理方法であって、水素が全く又は殆ど存在しない状態か、若しくは、存在しても前記鋼製品に浸透しないように不活性化された状態の下で処理が行われることを特徴としている。   Although the present invention has many configurations, typical examples are specified in claims 1 to 8. Of these, the invention of claim 1 is a heat treatment method for enhancing the mechanical properties of the steel product by exposing the steel product to a high-temperature carbon-containing gas in a furnace in a high-temperature atmosphere, and no or little hydrogen is present. It is characterized in that the treatment is performed in a state or in an inactivated state so as not to penetrate into the steel product even if it exists.

請求項2の発明では前記炉として真空炉が使用されており、請求項3の発明では、前記炉として大気炉が使用されている。請求項4の発明では、前記熱処理は、焼入れ及び焼き戻し若しくは調質のうちのいずれか1つ若しくは複数が行われる。請求項5の発明では、前記炭素含有ガスとして水素を含有しない炭素化合ガスが使用されている。   In the invention of claim 2, a vacuum furnace is used as the furnace, and in the invention of claim 3, an atmospheric furnace is used as the furnace. In the invention of claim 4, the heat treatment is performed by any one or more of quenching and tempering or tempering. In the invention of claim 5, a carbon compound gas not containing hydrogen is used as the carbon-containing gas.

請求項6の発明では、請求項5の炭素化合ガスとして、その全部又は大部分が一酸化炭素(CO)ガスになっている。請求項7の発明は、請求項1〜4のうちのいずれかにおいて、前記炉に水素を含んだガスが導入されており、前記水素は、前記炉に導入される前又は後に、前記鋼製品の内部に浸透しないように不活性化される。請求項8の発明は、請求項1〜7のうちのいずれかにおいて、前記炉の内部に、炭素含有ガスから炭素が分離することを助長する触媒が配置されている。   In the invention of claim 6, the carbon compound gas of claim 5 is entirely or mostly carbon monoxide (CO) gas. A seventh aspect of the present invention provides the steel product according to any one of the first to fourth aspects, wherein a gas containing hydrogen is introduced into the furnace before or after the hydrogen is introduced into the furnace. Inactivated not to penetrate inside. The invention of claim 8 is the method according to any one of claims 1 to 7, wherein a catalyst for promoting separation of carbon from the carbon-containing gas is disposed inside the furnace.

本願発明では、熱処理時に炉内において水素が鋼製品に侵入することはないため、鋼製品の表層に水素に起因した空孔が発生することはない。従って、使用中の鋼製品が突然破断する水素脆性(遅れ破壊)の問題は発生せず、鋼製品は高い強度と耐久性を確保することができる。また、水素を除去するための焼戻しや保温の工程は不要であるため、それだけ工数を抑制できると共に、高い硬度を維持できる。更に、水素吸蔵に起因した空孔の発生がないため、耐蝕性の向上にも貢献できる。   In the present invention, since hydrogen does not enter the steel product in the furnace during the heat treatment, voids due to hydrogen do not occur in the surface layer of the steel product. Therefore, the problem of hydrogen embrittlement (delayed fracture) in which the steel product in use suddenly breaks does not occur, and the steel product can ensure high strength and durability. In addition, since a tempering process and a heat retaining process for removing hydrogen are unnecessary, the number of steps can be reduced and high hardness can be maintained. Furthermore, since no voids are generated due to hydrogen storage, it can contribute to the improvement of corrosion resistance.

本願発明は請求項2のように真空炉に適用したり、請求項3のように大気炉に適用したりすることができるが、真空炉は鋼製品への炭素の浸透効率に優れているため、焼入れに好適である。また、他方、大気炉は大量の鋼製品を処理できる利点がある。   The present invention can be applied to a vacuum furnace as in claim 2 or to an atmospheric furnace as in claim 3 because the vacuum furnace is excellent in carbon penetration efficiency into steel products. Suitable for quenching. On the other hand, the atmospheric furnace has an advantage that a large amount of steel products can be processed.

本願発明は請求項4のように各種の熱処理に適用できるが、いずれにしても、鋼製品への水素吸蔵を防止して品質を向上できる。   The present invention can be applied to various heat treatments as in claim 4, but in any case, the quality can be improved by preventing hydrogen occlusion in the steel product.

請求項5のように水素を含有しないガスを使用すると、水素を分離する必要がないため、それだけ構造が簡素化できると共に、品質も安定化できる。水素を含まない炭素化合ガスには種々のものが使用可能であるが、炭素の分離性や入手の容易性等を考慮すると、請求項6で特定した一酸化炭素(CO)ガスが好適である。   When a gas not containing hydrogen is used as in claim 5, it is not necessary to separate hydrogen, so that the structure can be simplified and the quality can be stabilized. Various carbon compound gases containing no hydrogen can be used, but the carbon monoxide (CO) gas specified in claim 6 is preferable in view of carbon separability and availability. .

処理ガスとしてキャリアガスとエンリッチガスとを使用することがあるが、請求項5,6においてキャリアガスを使用する場合は、キャリアガスを鋼製品に対して不侵入(不拡散) のガスとすることで、鋼製品に吸蔵される水素を無くすか又は最小限とすることができる。鋼製品に対する不浸入(不拡散) ガスには「窒素(N2)」、「アルゴン(Ar)」、「ヘリウム(He)」などが好適である。「エンリッチガス」には前項と同じ非水素系炭素含有ガスを適量に添加する。 A carrier gas and an enriched gas may be used as the processing gas. When the carrier gas is used in claims 5 and 6, the carrier gas should be non-intrusive (non-diffusible) to the steel product. Thus, hydrogen stored in the steel product can be eliminated or minimized. As the non-infiltrating (non-diffusing) gas for the steel product, “nitrogen (N 2 )”, “argon (Ar)”, “helium (He)”, etc. are suitable. An appropriate amount of the same non-hydrogen-based carbon-containing gas as in the previous section is added to the “enriched gas”.

請求項5では、エンリッチガスは非水素系炭素含有ガスのみを添加することになる。このように、非水素系炭素含有ガスを一酸化炭素(CO)」とした場合、鋼製品の界面での化学反応は、Fe+2CO=[Fe−C]+CO2というブードワ反応となる。当然ながら、処理時に水素の発生はなく、従って、鋼製品への水素の吸蔵を考慮する必要はない。 In claim 5, only the non-hydrogen-based carbon-containing gas is added to the enriched gas. Thus, if a non-hydrogen based gas containing carbon and carbon monoxide (CO) ", a chemical reaction at the interface of the steel product is a Budowa reaction of Fe + 2CO = [Fe-C ] + CO 2. Of course, there is no generation of hydrogen during processing, so there is no need to consider the storage of hydrogen in the steel product.

そして、ブードワ反応により、鋼製品の界面に炭素Cが取り込まれて酸素Oが分離される。この酸素Oが一酸化炭素と結合するケースや、処理鋼製品の表面を酸化させるケース、更には、酸素(O2)となるケースも想定されるので、一酸化炭素の投入量は計算値よりも多い方が好ましい。浸炭により鋼中に炭素が取り込まれたのちの炉内雰囲気として、二酸化炭素(CO2)とするのが最適であろう。 Then, due to the Boudwa reaction, carbon C is taken into the interface of the steel product and oxygen O is separated. The case where oxygen O is combined with carbon monoxide, the case where the surface of the treated steel product is oxidized, and the case where oxygen (O 2 ) is assumed are also assumed. Is also preferable. It would be optimal to use carbon dioxide (CO 2 ) as the furnace atmosphere after carbon is taken into the steel by carburization.

請求項7のように熱処理のためのガスに水素が含まれているケースでも、例えば、キャリアガス(浸炭ガス)とエンリッチガスとを使用する場合がある。エンリッチガスとしては従来からプロパンガス(C38 )」や「アセチレン(C22)」が使用されているが、熱分解によって水素が発生する。この水素を不活性化するための手段として、例えば非水素系炭素含有ガスを添加することができる。 Even in the case where hydrogen is contained in the gas for heat treatment as in claim 7, for example, a carrier gas (carburizing gas) and an enriched gas may be used. Conventionally, propane gas (C 3 H 8 ) ”or“ acetylene (C 2 H 2 ) ”has been used as the enriched gas, but hydrogen is generated by thermal decomposition. As a means for inactivating this hydrogen, for example, a non-hydrogen-based carbon-containing gas can be added.

このように、不活性化のための炭素含有ガスを一酸化炭素(CO)とした場合、
3C22 →6(C)+3H2
2C22 +2CO→6(C)+2H2
となって、アセチレンガス量は2/3量となる。一酸化炭素(CO)と「アセチレン(C22)」の分解スピードを考慮すると、明らかにアセチレンガス(C22)が速く、熱分解により発生した「水素H2 」の鋼中への浸入が迅速に行われるので、一酸化炭素(CO)ガスを先ず添加し、その後にアセチレンガス(C22)を添加するのが好ましい。
Thus, when the carbon-containing gas for deactivation is carbon monoxide (CO),
3C 2 H 2 → 6 (C) + 3H 2
2C 2 H 2 + 2CO → 6 (C) + 2H 2 O
Thus, the amount of acetylene gas is 2/3. Considering the decomposition speed of carbon monoxide (CO) and “acetylene (C 2 H 2 )”, the acetylene gas (C 2 H 2 ) is clearly faster and into the steel of “hydrogen H 2 ” generated by thermal decomposition. Therefore, it is preferable that carbon monoxide (CO) gas is added first, and then acetylene gas (C 2 H 2 ) is added.

従来から、鋼製品の熱処理には、変成炉で変成されるキャリアガスや、有機液体を滴下することで生成されるキャリアガスが使用されており、これら各種のガスに不可避的に含まれる水素は、「圧力スイング吸着法PSA(Pressure Swing Adsorption)」または「気体膜(例えば特開平5-317708)」などの手段を使用して分離させることができる。また、エンリッチガスとしての炭化水素系ガスに含まれる水素は、非水素系炭素含有ガスを適量添加することで「水(H2O)」として不活性化できる。 Conventionally, for heat treatment of steel products, carrier gas transformed by a transformation furnace or carrier gas produced by dropping an organic liquid has been used, and hydrogen inevitably contained in these various gases is , “Pressure swing adsorption method PSA (Pressure Swing Adsorption)” or “gas film (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-317708)” can be used for separation. Further, hydrogen contained in the hydrocarbon-based gas as the enriched gas can be inactivated as “water (H 2 O)” by adding an appropriate amount of a non-hydrogen-based carbon-containing gas.

エンリッチガスとしてプロパンガス(C38)を使用して、非水素系炭素含有ガスとして一酸化炭素(CO)を使用した場合の化学反応式は、
38→3(C)+8(H)
38+4CO→7(C)+4H2
となり、従来の方法に比べて、プロパンガス量は3/7になる。炭化水素系ガスの水素を不活性化させるための非水素系炭素含有ガスとしては、一酸化炭素(CO)に代えて、酸素やオゾン、空気なども使用できる。
When propane gas (C 3 H 8 ) is used as the enriched gas and carbon monoxide (CO) is used as the non-hydrogen carbon-containing gas, the chemical reaction formula is
C 3 H 8 → 3 (C) +8 (H)
C 3 H 8 + 4CO → 7 (C) + 4H 2 O
Thus, the amount of propane gas is 3/7 compared to the conventional method. As the non-hydrogen-based carbon-containing gas for inactivating hydrogen of the hydrocarbon-based gas, oxygen, ozone, air, or the like can be used instead of carbon monoxide (CO).

さて、図14に示すのは、非特許文献である論文『デンソーテクニカルレビューVOL5 NO1 2000「アセチレンを用いた真空浸炭法」(株式会社デンソー)』にFig9,12として掲載されているグラフであり、図14(A)では、材料ガスとしてのC24,CHnが処理品(鋼製品)無しの炉でどのように反応するかを示すかを表示し、図14(B)では、材料ガスとしてのC2 4,CHn が処理品有りの炉でどのように反応するかを表示している(論文の図にはプロット点を表示しているかが、図14ではプロット点は捨象している。)。 FIG. 14 shows a graph published as FIGS. 9 and 12 in a non-patent document “Denso Technical Review VOL5 NO1 2000“ Vacuum Carburization Using Acetylene ”(DENSO Corporation). 14A shows how C 2 H 4 and CH n as material gases react in a furnace without a processed product (steel product), and FIG. 14B shows the material It shows how C 2 H 4 and CH n as gases react in a furnace with treated products (whether plot points are displayed in the figure of the paper, but the plot points are discarded in FIG. 14) doing.).

この図14における(A)(B)の比較から、炉に鋼製品(処理物)を入れると材料ガスが分離して水素ガス(H2)が大量に発生していることを読み取ることができるが、このことは、鋼製品自体が触媒の働きをして、材料ガスの分離を助長していることを証明していると推測される。真空炉や大気炉を使用した熱処理において、材料ガスの一部が熱分解していることは明らかであり、また、従来から、鋼製品が触媒の働きをしていると推測されてはいたが、デンソーテクニカルレビューVOL5 NO1 2000の論文は、従来の推測が正しかったことを証明していると云える。 From comparison of (A) and (B) in FIG. 14, it can be read that when a steel product (processed product) is put into a furnace, the material gas is separated and a large amount of hydrogen gas (H 2 ) is generated. However, this is presumed to prove that the steel product itself acts as a catalyst to promote the separation of the material gas. In heat treatment using a vacuum furnace or an atmospheric furnace, it is clear that a part of the material gas is thermally decomposed, and it was traditionally assumed that steel products act as a catalyst. It can be said that the paper of Denso Technical Review VOL5 NO1 2000 proves that the conventional guess was correct.

そして、本願発明においても、請求項8のように炉内に触媒を設けることにより、ガスの分離を促進して効率的かつ安定的な熱処理を実現できると期待される。触媒としてはニッケル、銅、チタン、金、銀、白金などの各種の金属を使用可能であり、また、触媒の配置なども種々考えられる。その例は実施形態で明らかにしている。   Also in the present invention, by providing a catalyst in the furnace as in claim 8, it is expected that efficient and stable heat treatment can be realized by promoting gas separation. As the catalyst, various metals such as nickel, copper, titanium, gold, silver and platinum can be used, and various arrangements of the catalyst are also conceivable. The example is clarified in the embodiment.

第1実施形態に係る装置の概念図で、(A)は縦断正面図、(B)は炉の側面図である。It is a conceptual diagram of the apparatus which concerns on 1st Embodiment, (A) is a longitudinal front view, (B) is a side view of a furnace. 第2〜4実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd-4th embodiment. 第5実施形態を示す図である。It is a figure which shows 5th Embodiment. 第6〜9実施形態を示す図である。It is a figure which shows 6-9 embodiment. 第10実施形態を示す図である。It is a figure which shows 10th Embodiment. 第11実施形態の模式図である。It is a schematic diagram of 11th Embodiment. 第12実施形態の概念図である。It is a conceptual diagram of 12th Embodiment. 第13実施形態の模式図である。It is a schematic diagram of 13th Embodiment. 第14実施形態の模式図である。It is a schematic diagram of 14th Embodiment. 第15実施形態の模式図である。It is a schematic diagram of 15th Embodiment. (A)は第16実施形態の部分的な概念図、(B)は第17実施形態の部分概念図である。(A) is a partial conceptual diagram of 16th Embodiment, (B) is a partial conceptual diagram of 17th Embodiment. 従来の鋼製品の破断状態を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the fracture state of the conventional steel product. 従来において水素が存在した痕跡を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the trace in which hydrogen existed conventionally. 非特許文献の一部を抜粋したグラフである。It is the graph which extracted a part of nonpatent literature.

(1).第1実施形態に使用する装置の概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図1に示す第1実施形態を説明する。この第1実施形態は真空炉を使用した熱処理(真空浸炭)に具体化したもので、炉1は一端を開口した有底円筒形の本体2を備えており、本体2の開口部には水平回動式の扉2aを取付けている。なお、本体2の両端を開口させて、両端に扉を設けてもよい。また、炉1は箱型であってもよい。
(1). Outline of Apparatus Used in First Embodiment Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. This first embodiment is embodied in a heat treatment (vacuum carburization) using a vacuum furnace, and the furnace 1 includes a bottomed cylindrical main body 2 having one end opened, and the main body 2 has an opening horizontally. A rotary door 2a is attached. Note that both ends of the main body 2 may be opened and doors may be provided at both ends. The furnace 1 may be box-shaped.

炉1の内部には多数のヒータ3を配置している。ヒータ3は棒状の形態を成して炉1の軸線方向に長く延びており、多数のヒータ3が周方向に離反した状態で多数並列配置されている。ヒータ3は、周方向に巻いた状態に配置するなど、形態や配置は任意に設定できる。なお、ヒータ3はニクロム系等の金属製であり、カーボンヒータではない。   A number of heaters 3 are arranged inside the furnace 1. The heater 3 has a rod-like shape and extends in the axial direction of the furnace 1, and a large number of heaters 3 are arranged in parallel in a state of being separated in the circumferential direction. The form and arrangement of the heater 3 can be arbitrarily set, such as being arranged in a state of being wound in the circumferential direction. The heater 3 is made of a metal such as nichrome and is not a carbon heater.

炉1の概ね中央部には、ワーク収納籠4が配置されている。ワーク収納籠4は上向きに開口した角形箱状であって金網やパンチングメタル等の多孔材からなっており、図示しない枠を介してフレーム5で支持されている。敢えて述べるまでもないが、ワーク収納籠4は炉1の外に取り外すことができる。   A workpiece storage trough 4 is arranged in the approximate center of the furnace 1. The work storage trough 4 has a rectangular box shape opened upward, and is made of a porous material such as a wire net or punching metal, and is supported by the frame 5 via a frame (not shown). Needless to say, the workpiece storage trough 4 can be removed from the furnace 1.

炉1の内部には1つ又は複数の排気口6が開口しており、排気口6に、真空ポンプ7で吸引される排出通路8が接続されており、排出通路8の中途部にフィルター等を備えた処理室9が介挿されている。可燃ガスが排出される場合は、真空ポンプ7の下流において燃焼処理される。なお、排気口6は炉1の胴部に設けているが、扉2aと反対側の底部に設けてもよい。   One or a plurality of exhaust ports 6 are opened inside the furnace 1, and a discharge passage 8 sucked by a vacuum pump 7 is connected to the exhaust port 6. A filter or the like is provided in the middle of the discharge passage 8. A processing chamber 9 provided with is inserted. When combustible gas is discharged, it is burned downstream of the vacuum pump 7. In addition, although the exhaust port 6 is provided in the trunk | drum of the furnace 1, you may provide in the bottom part on the opposite side to the door 2a.

炉1には、1つ又は複数のガス導入口10を設けており、ガス導入口10に、ガス導入通路11を介して一酸化炭素(以下、COと略す)ガスのボンベ13が接続されている。ガス導入通路11には、一定量のCOガスを導入するための定量タンク12を介挿している。   The furnace 1 is provided with one or a plurality of gas introduction ports 10, and a carbon monoxide (hereinafter abbreviated as CO) gas cylinder 13 is connected to the gas introduction port 10 via a gas introduction passage 11. Yes. A fixed amount tank 12 for introducing a certain amount of CO gas is inserted into the gas introduction passage 11.

更に、本願発明で使用する炉1の内部には、ワーク収納籠4を囲う触媒14が配置されている。触媒14は金網やパンチングメタルのような金属多孔材からなっており、ワーク収納籠4の全周を囲っている。従って、触媒14のうら扉2aの側に位置した部分は開閉式の蓋になっており、蓋を開くことでワーク収納籠4を出し入れできる。触媒14は円筒形を成しているが、ワーク収納籠4と相似形の角形としてもよい。   Furthermore, a catalyst 14 surrounding the work storage rod 4 is disposed inside the furnace 1 used in the present invention. The catalyst 14 is made of a metal porous material such as a wire mesh or punching metal, and surrounds the entire circumference of the work storage case 4. Accordingly, the portion of the catalyst 14 located on the back door 2a side is an openable lid, and the work storage rod 4 can be taken in and out by opening the lid. Although the catalyst 14 has a cylindrical shape, the catalyst 14 may have a square shape similar to the workpiece storage rod 4.

触媒14は鉄系素材でもよいが、炭素が浸透しない材料が好ましいと推測される。従って、非鉄金属が好ましい。例えば、ニッケル、銅、タングステン、チタンなどの単体又は合金が挙げられる。異なる材質からなる金網を使用したり、異なる材質の触媒14を並列配置したりすることも可能である。銅は浸炭防止材として使用されており、それ自体が炭素で犯されることはないため、触媒として好適であると云える。   The catalyst 14 may be an iron-based material, but it is presumed that a material that does not penetrate carbon is preferable. Therefore, nonferrous metals are preferred. For example, simple substance or alloy, such as nickel, copper, tungsten, titanium, is mentioned. It is also possible to use a wire mesh made of different materials, or to arrange the catalysts 14 of different materials in parallel. Since copper is used as a carburizing prevention material and itself is not violated by carbon, it can be said that it is suitable as a catalyst.

触媒14の材料としはて、他の金属、例えば、バナジウム、マンガン、コバルト、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、錫、タンタル、白金、金、鉛、ビスマスなどを使用できる。勿論、各種金属の複数種類からなる合金も使用できる。更に、触媒として機能するのは表面だけであるので、鉄等の基材にメッキを施すことで、メッキ層の金属と同じ触媒効果を得ることもできる。   As the material of the catalyst 14, other metals such as vanadium, manganese, cobalt, zinc, zirconium, niobium, molybdenum, palladium, silver, tin, tantalum, platinum, gold, lead, bismuth and the like can be used. Of course, an alloy composed of a plurality of types of various metals can also be used. Furthermore, since only the surface functions as a catalyst, the same catalytic effect as that of the metal of the plating layer can be obtained by plating a base material such as iron.

基材としてセラミックのような無機材を使用し、ドブ浸けによって金属層を形成し、その金属層又はメッキ層を触媒として機能させることも可能である。経済性の面からは、銅や鉄のような安価な金属に金や銀のような貴金属をメッキするのは有益である。   It is also possible to use an inorganic material such as ceramic as a base material, form a metal layer by dipping, and allow the metal layer or plating layer to function as a catalyst. From the economical point of view, it is beneficial to plate a precious metal such as gold or silver on an inexpensive metal such as copper or iron.

(2).第1実施形態の方法
本実施形態では、COガスをボンベ13から定量タンク12に充填し、次いで、このCOガスを、高温(例えば930〜1050℃程度)でかつ減圧された(真空化した)炉1の内部に一気に充填する。鋼製品Wは炉1の内部の雰囲気温度に加熱されている。すると、炉1の内部に充填された高温のCOが加熱された鋼製品Wの表層部と反応して、炭素(C)は鋼製品Wに浸炭層を形成する。
(2). Method of First Embodiment In this embodiment, CO gas is filled into the metering tank 12 from the cylinder 13 and then the CO gas is decompressed at a high temperature (for example, about 930 to 1050 ° C.) ( The inside of the furnace 1 evacuated) is filled at once. The steel product W is heated to the atmospheric temperature inside the furnace 1. Then, the high-temperature CO filled in the furnace 1 reacts with the surface layer portion of the heated steel product W, and carbon (C) forms a carburized layer in the steel product W.

COガスがどの段階でCとOとに分離するかは明確でないが、触媒14に接触したときと鋼製品W(及びワーク収納籠4)に接触したときとに大別されると推測される。COガスから分離した炭素分子は互いに結合してカーボン粒子化する性質が高いと思われるので、COガスからCを分離させるのは、できるだけ鋼製品Wに近い位置で行われるのが好ましいと云える。   It is not clear at what stage the CO gas is separated into C and O, but it is presumed that the CO gas is roughly divided into when it contacts the catalyst 14 and when it contacts the steel product W (and the work storage basket 4). . Since the carbon molecules separated from the CO gas are considered to have a high property of bonding to each other to form carbon particles, it is preferable that the C is separated from the CO gas as close to the steel product W as possible. .

従って、本実施形態では、能率向上策としては、a)触媒14によってCOをCとOとに分離しやすい状態に不安定化させることで、鋼製品Wへの接触によるCの分離性能を高める、b)触媒14をできるだけ鋼製品Wに近付けて、触媒14によって分離したCを速やかに鋼製品Wに接触させる、c)多くのワーク収納籠4にいわば小分けして鋼製品Wを収納すると共に、ワーク収納籠4を蓋付きの閉じた構造とすることで、ワーク収納籠4に触媒の機能を持たせてCの分離を促進する、といったことが考えられる。   Therefore, in this embodiment, as an efficiency improvement measure, a) The separation performance of C by the contact with the steel product W is enhanced by destabilizing CO into a state where it can be easily separated into C and O by the catalyst 14. B) Bring the catalyst 14 as close to the steel product W as possible, and immediately contact the C separated by the catalyst 14 with the steel product W. c) Subdivide the steel product W into a large number of workpiece storage rods 4 and store the steel product W. It is conceivable that the work storage trough 4 has a closed structure with a lid so that the work storage trough 4 has a catalyst function to promote the separation of C.

ワーク収納籠4が金属製であるために鋼製品WへのCの接触が抑制される場合は、ワーク収納籠4(の少なくとも表面)をセラミック製としたらよい。1回の処理では浸炭層の形成が不十分である場合は、COガスの充填・排出をごく短い時間間隔で繰り返したらよい。   In the case where the contact of C to the steel product W is suppressed because the workpiece storage basket 4 is made of metal, the workpiece storage basket 4 (at least the surface thereof) may be made of ceramic. If the formation of the carburized layer is insufficient in one treatment, the filling and discharging of CO gas may be repeated at very short time intervals.

COガスがCとOとに完全に分離せずにCOガスのままで排出されることは有り得るが、この場合は、液化・分離等の手段によって廃棄ガスの中からCOガスを取り出して再使用してもよい。また、所定の量の鋼製品Wの浸炭に必要なCOガスの量は計算によって求められるで、排出通路6にCOガスの濃度を測定するセンサを設けておいて、排出通路6におけるCOガスの濃度が所定値より低くなるまで、COガスを炉1に戻すことを繰り返してもよい(排出されたガスの炉1へのリターンは、炉1を減圧した状態で行われる。)。これにより、原料ガスを無駄にせずに、鋼製品Wに所望の深さの浸炭層を形成できる。   It is possible that the CO gas is not completely separated into C and O but is discharged as it is, but in this case, the CO gas is taken out of the waste gas by means of liquefaction / separation and reused. May be. Further, the amount of CO gas required for carburizing a predetermined amount of steel product W can be obtained by calculation. Therefore, a sensor for measuring the concentration of CO gas is provided in the discharge passage 6, and the amount of CO gas in the discharge passage 6 is The CO gas may be returned to the furnace 1 until the concentration becomes lower than a predetermined value (return of the exhausted gas to the furnace 1 is performed while the furnace 1 is decompressed). Thereby, a carburized layer having a desired depth can be formed on the steel product W without wasting the raw material gas.

本実施形態では、原料ガスはCOガスに代えて、他の炭素化合ガスを使用できる。例えばCO2 が使用可能である。CO2は化学的安定性が高くて通常の状態ではCを分離させ難いが、触媒14の素材を選択する等することで、Cを容易に分離させ得ると云える。 In the present embodiment, the raw material gas may be another carbon compound gas instead of the CO gas. For example, CO 2 can be used. Although CO 2 has high chemical stability and it is difficult to separate C in a normal state, it can be said that C can be easily separated by selecting the material of the catalyst 14 or the like.

(3).第2〜5実施形態
さて、ガスの分解は温度が高いほど進みやすいと推測される。他方、炉内の雰囲気温度を過剰に高くすると鋼製品の粒子が結合して粗粒化現象が発生して、鋼製品の強度を却って低下させてしまう。従って、炉内の雰囲気温度は適度の温度(例えば880〜950℃)に維持しつつ、炭素化合ガスを炉内温度以上にプレヒートしてから炉内に噴出させると、炭素の分離性も向上できると推測される。図2では、この水素非含有炭素化合ガスのプレヒート手段の例を示している。
(3). Second to Fifth Embodiments It is assumed that the decomposition of gas proceeds more easily as the temperature increases. On the other hand, if the atmospheric temperature in the furnace is excessively increased, the particles of the steel product are combined to cause a coarsening phenomenon, which lowers the strength of the steel product. Therefore, when the atmospheric temperature in the furnace is maintained at an appropriate temperature (for example, 880 to 950 ° C.), the carbon separation gas can be improved by preheating the carbon compound gas to a temperature higher than the furnace temperature and then ejecting it into the furnace. It is guessed. In FIG. 2, the example of the preheating means of this hydrogen-free carbon compound gas is shown.

図2のうち(A)に示す第2実施形態では、ガス導入通路11にガス加熱炉17を介挿することで、炭素化合ガス(COガス)を加熱炉1の内部より高い温度(例えば950〜1000℃)に加熱している。符号18で示すのはヒータである。   In the second embodiment shown in FIG. 2A, a gas heating furnace 17 is inserted in the gas introduction passage 11 so that the carbon compound gas (CO gas) is heated to a temperature higher than the inside of the heating furnace 1 (for example, 950). To 1000 ° C.). Reference numeral 18 denotes a heater.

このようにプレヒートすることにより、COガスを構成する炭素と酸素との結合力が弱まって、熱分解する割合が増えると共に、鋼製品に接触したときの分解能率も高くなると云える。熱分解してから時間が経過すると炭素同士が結合してカンーボン粒子に成長する懸念があるので、炭素化合ガスのプレヒートは噴出前になるべく短時間で行うのが好ましいと云える。   By preheating in this way, the binding force between carbon and oxygen constituting the CO gas is weakened, the rate of thermal decomposition increases, and the resolution rate when contacting with a steel product is increased. Since there is a concern that carbons bond to each other and grow into carbon particles over time after pyrolysis, it can be said that the preheating of the carbon compound gas is preferably performed in as short a time as possible before jetting.

図2(B)に示す第3実施形態では、炉1の内部に突出したガス噴出口19を適宜本数設けて、プレヒートしたCOガスをできるだけ鋼製品Wに近付けて噴出させている。この構成によると、ガスを鋼製品に集中的に当てることができるため、効率を向上できると云える。   In the third embodiment shown in FIG. 2B, an appropriate number of gas jets 19 projecting into the furnace 1 are provided, and the preheated CO gas is jetted as close to the steel product W as possible. According to this configuration, it can be said that the efficiency can be improved because the gas can be concentrated on the steel product.

図2(C)に示す第4実施形態では、炉1の内部に壁20で仕切られた環状のプレヒート空間21を形成し、プレヒート空間21にヒータ18を多数設けている。壁20は断熱性を有しており、ガス噴出口19を多数設けている。ガス噴出口19には弁(図示せず)を設けており、弁は、本体2の外面に設けたアクチェータ22によって開閉される。   In the fourth embodiment shown in FIG. 2C, an annular preheat space 21 partitioned by a wall 20 is formed inside the furnace 1, and many heaters 18 are provided in the preheat space 21. The wall 20 has a heat insulating property, and a number of gas outlets 19 are provided. The gas outlet 19 is provided with a valve (not shown), and the valve is opened and closed by an actuator 22 provided on the outer surface of the main body 2.

図3に示すのもプレヒート手段の例であり、この例では、ガス導入通路11に第1ガス加熱炉17aと第2ガス加熱炉17bとの2つのガス加熱炉を設けて、炭素化合ガス(CO)ガスを2段階で加熱している。また、この実施形態では、ガス加熱炉17a,17bの下流側にそれぞれ送気ポンプ23を設けて、COガスを予め高圧に加圧すると共に、炉の内部に高速で噴出させるようにしている。   FIG. 3 also shows an example of preheating means. In this example, two gas heating furnaces, a first gas heating furnace 17a and a second gas heating furnace 17b, are provided in the gas introduction passage 11, and a carbon compound gas ( CO) gas is heated in two stages. In this embodiment, an air supply pump 23 is provided on the downstream side of the gas heating furnaces 17a and 17b, respectively, so that the CO gas is pressurized to a high pressure in advance and jetted into the furnace at a high speed.

(4).第6〜9実施形態
図4では、触媒14の別例を示している。まず、図4(A)に示す第6実施形態では、ワーク収納籠4を触媒14に兼用して、浅いワーク収納籠4を多段に積み重ねることで、触媒14としてのワーク収納籠4の表面積の総和を大きくとっている。最上段のワーク収納籠4に収納された鋼製品Wは、触媒14としての金網製蓋25を被せている。
(4). Sixth to Ninth Embodiments FIG. 4 shows another example of the catalyst 14. First, in the sixth embodiment shown in FIG. 4A, the work storage trough 4 is also used as the catalyst 14 and the shallow work storage troughs 4 are stacked in multiple stages, so that the surface area of the work storage trough 4 as the catalyst 14 is increased. The sum is large. The steel product W stored in the uppermost work storage basket 4 is covered with a wire mesh lid 25 as the catalyst 14.

図4(B)に示す第7実施形態では、触媒14として機能するワーク収納籠4の内部に、鋼製品Wと仕切り網状触媒14とを交互に重ねている。この場合も、触媒14の面積野総和が非常に大きくなるため、触媒14の分離性能を向上できる。   In the seventh embodiment shown in FIG. 4B, the steel products W and the partition net-like catalyst 14 are alternately stacked inside the work storage basket 4 that functions as the catalyst 14. Also in this case, the total area of the catalyst 14 becomes very large, so that the separation performance of the catalyst 14 can be improved.

図4(C)に示す第8実施形態では、ワーク収納籠4に、棒状の触媒14を多数立設している(横向きに装架してもよい。)。この場合も、触媒14の存在によってガスがワーク収納籠4の内部で効率的に分解するため、鋼製品Wにまんべんなくかつ効率よく浸炭させることができる。   In the eighth embodiment shown in FIG. 4C, a large number of rod-shaped catalysts 14 are erected on the work storage trough 4 (may be mounted sideways). Also in this case, since the gas is efficiently decomposed inside the workpiece storage trough 4 due to the presence of the catalyst 14, the steel product W can be carburized evenly and efficiently.

図4(D)に示す第9実施形態では、触媒14はボール状の形態を成しており、その多数個が鋼製品Wの群に混ざった状態でワーク収納籠4に投入されている。ワーク収納籠4も孔空き構造で触媒14として機能が、外周は触媒14の外径よりも細かい目になっている一方、底は触媒14が通過し得る目の粗さであり、ワーク収納籠4の底に触媒14の外径よりも小さい目の粗さの受け網26を配置し、受け網26をスライドさせると触媒14がワーク収納籠4の下方に落下するようになっている。落下した触媒14は容器27に受けられる。従って、油冷等の行程は鋼製品Wのみを行うことができる。   In the ninth embodiment shown in FIG. 4 (D), the catalyst 14 has a ball shape, and a large number of the catalyst 14 is put into the workpiece storage case 4 in a state of being mixed with the group of steel products W. The work storage rod 4 also has a perforated structure and functions as a catalyst 14. The outer periphery is finer than the outer diameter of the catalyst 14, while the bottom is the roughness of the eyes through which the catalyst 14 can pass. When a receiving mesh 26 having a mesh size smaller than the outer diameter of the catalyst 14 is arranged on the bottom of the catalyst 4 and the receiving mesh 26 is slid, the catalyst 14 falls below the work storage rod 4. The dropped catalyst 14 is received in the container 27. Therefore, only the steel product W can be performed in a process such as oil cooling.

(5).第10実施形態
図5では第10実施形態を示している。この実施形態では、浸炭方法は従来と同様のパターンで行われるが、浸炭行程においてガスの噴出と排出とを繰り返すパルス浸炭を行っている。そして、この実施形態では、(B)に示すように、ガス導入通路11と排出通路8とをバイパス通路28で接続して、バイパス通路28に、内部にヒータ(図示せず)とカーボン源29とが配置された複成炉30を介挿している。
(5). Tenth Embodiment FIG. 5 shows a tenth embodiment. In this embodiment, the carburizing method is performed in the same pattern as in the prior art, but pulse carburizing is performed in which the ejection and discharge of gas are repeated in the carburizing process. In this embodiment, as shown in (B), the gas introduction passage 11 and the discharge passage 8 are connected by a bypass passage 28, and a heater (not shown) and a carbon source 29 are connected to the bypass passage 28. Are inserted in the combined reactor 30.

ガス導入通路11とバイパス通路28、及び、排出通路8とバイパス通路28とはそれぞれこ三方弁31を介して接続されている。また、バイパス通路28のうちガス導入通路11と複成炉30との間には真空ポンプ(或いは送風機)32を介在させている。   The gas introduction passage 11 and the bypass passage 28, and the discharge passage 8 and the bypass passage 28 are connected via a three-way valve 31, respectively. Further, a vacuum pump (or blower) 32 is interposed between the gas introduction passage 11 and the compound reactor 30 in the bypass passage 28.

そして、この実施形態では、炉内に噴出したCOガスは複成炉30を経由して再び炉内に還流するが、炉内で炭素から分離した酸素は複成炉30においてカーボン源29と接触することでCOになって、再び炉1に戻る。従って、COガスを、炭素濃度を低下させることなく(或いは低下量を抑制して)、何回も炉1に循環させることができる。従って、経済的である。パルス浸炭を行う場合は、(C)に示すように、真空引きを緩やかに行うことも可能である。   In this embodiment, the CO gas ejected into the furnace returns to the furnace again via the compound furnace 30, but oxygen separated from carbon in the furnace contacts the carbon source 29 in the compound furnace 30. As a result, it becomes CO and returns to the furnace 1 again. Therefore, the CO gas can be circulated through the furnace 1 many times without decreasing the carbon concentration (or suppressing the decrease amount). Therefore, it is economical. When performing pulse carburization, as shown in (C), it is possible to perform evacuation gradually.

(6).第11〜15実施形態
図6に示す第11実施形態はでは、炉1の周囲の複数箇所(4カ所)にガス導入口10を設けている。また、炉1の中心部に排気口6を開口させており、ワーク収納籠4は排気口6を囲うようにドーナツ状の形態を成している。触媒14は2層配置している。
(6). First to Fifteenth Embodiments In the eleventh embodiment shown in FIG. 6, gas inlets 10 are provided at a plurality of locations (four locations) around the furnace 1. In addition, an exhaust port 6 is opened at the center of the furnace 1, and the workpiece storage trough 4 has a donut shape so as to surround the exhaust port 6. Two layers of the catalyst 14 are arranged.

図7に示す第12実施形態では、網状の触媒14を外層14aと内層14bとの二層に構成して、両層14a,14bに直流電源15を接続することで、両層14a,14bの間に電位差を設けている。電位差により、COガスの分離促進が期待できる。   In the twelfth embodiment shown in FIG. 7, the reticulated catalyst 14 is configured in two layers of an outer layer 14a and an inner layer 14b, and a DC power supply 15 is connected to both the layers 14a and 14b. A potential difference is provided between them. The separation of CO gas can be expected to be accelerated by the potential difference.

(7).第13〜14実施形態
図8に示す第13実施形態は請求項7を具体化したものである。この実施形態では、原料ガスとしてアセチレンやプロパン等の炭化水素ガスが使用されており、炭化水素ガスの水素を不活性化するためのガスとして酸素が使用されている。従って、炭化水素ガスボンベ34と酸素ガスボンベ35とを有している。
(7). Thirteenth to Fourteenth Embodiments A thirteenth embodiment shown in FIG. 8 embodies claim 7. In this embodiment, a hydrocarbon gas such as acetylene or propane is used as a raw material gas, and oxygen is used as a gas for inactivating hydrogen of the hydrocarbon gas. Therefore, it has a hydrocarbon gas cylinder 34 and an oxygen gas cylinder 35.

炭化水素ガスと酸素ガスとは所定量ずつ混合されて定量タンク12に溜められ、これが減圧された炉1の内部に一気に導入される。そして、Cn2m+(1/2)m2→Cn+mH2Oの反応により、炭化水素ガスからCを分離(遊離)させると共に水素を不活性化させ、分離した(遊離した)Cを熱の作用で鋼製品Wの表層部に浸透させるのである。 A predetermined amount of hydrocarbon gas and oxygen gas are mixed and stored in the metering tank 12, and this is introduced into the furnace 1 at a reduced pressure. Then, by the reaction of C n H 2m + (1/2) m O 2 → C n + mH 2 O, C was separated (released) from the hydrocarbon gas and hydrogen was inactivated and separated (released). C is permeated into the surface layer portion of the steel product W by the action of heat.

第13実施形態では炭化水素ガスと酸素ガスとを定量タンク12で混合させたが、図9に示す第14実施形態では、炉1の内部に、別々のガス導入口10から炭化水素ガスと酸素ガスとを導入している。両実施形態とも、酸素ガスに代えてN2を充填してもよい。この場合は、水の代わりにアンモニアが生成される。 In the thirteenth embodiment, hydrocarbon gas and oxygen gas are mixed in the metering tank 12, but in the fourteenth embodiment shown in FIG. 9, hydrocarbon gas and oxygen are introduced into the furnace 1 from separate gas inlets 10. Introducing gas. In both embodiments, N 2 may be filled instead of oxygen gas. In this case, ammonia is generated instead of water.

図10に示す第15実施形態は、第13,14の実施形態の変形例であり、炉1の内部には炭化水素ガスと酸素ガスとが導入される(図8のように両ガスを混合させて導入してもよい。)。そして、この実施形態では、触媒14とワーク収納籠4との間に水素吸収材36を配置することにより、酸素と反応せずに単体に分離した水素が鋼製品Wに接触することを防止している。水素吸収材36としては、例えば水素吸蔵合金を使用できる。   The fifteenth embodiment shown in FIG. 10 is a modification of the thirteenth and fourteenth embodiments, and a hydrocarbon gas and an oxygen gas are introduced into the furnace 1 (both gases are mixed as shown in FIG. 8). May be introduced.) In this embodiment, the hydrogen absorbing material 36 is disposed between the catalyst 14 and the work storage case 4 to prevent hydrogen separated into a single substance without reacting with oxygen from coming into contact with the steel product W. ing. As the hydrogen absorber 36, for example, a hydrogen storage alloy can be used.

なお、この図10の実施形態は、炉1の内部に酸素ガスは導入せずに炭化水素ガスのみを導入して、触媒14によって分離した水素を水素吸収材36に吸収させることも可能である。この場合は、物理的作用によって水素を不活性化する構成の具体例になる。   In the embodiment of FIG. 10, it is possible to introduce only the hydrocarbon gas into the furnace 1 without introducing the oxygen gas and allow the hydrogen absorbent 36 to absorb the hydrogen separated by the catalyst 14. . In this case, it becomes a specific example of a configuration in which hydrogen is inactivated by a physical action.

(5).第16,17実施形態
図11に示す実施形態は、物理的作用によって水素を不活性化する方法の具体例である。このうち図11(A)に示す第16実施形態では、ガス導入通路11のうち定量タンク12と炉1との間の部分に前処理室37を配置して、前処理室37の内部に、触媒14とヒータ38とを交互に配置すると共に、前処理室37のうち出口側の部分に水素吸収材36を配置している。
(5). Sixteenth and Seventeenth Embodiments The embodiment shown in FIG. 11 is a specific example of a method for inactivating hydrogen by physical action. Among these, in 16th Embodiment shown to FIG. 11 (A), the pre-processing chamber 37 is arrange | positioned in the part between the fixed_quantity | quantitative_assay tank 12 and the furnace 1 among the gas introduction passages 11, inside the pre-processing chamber 37, The catalyst 14 and the heater 38 are alternately arranged, and the hydrogen absorbing material 36 is arranged in the exit side portion of the pretreatment chamber 37.

この実施形態では、原料ガスの主体はアセチレンやプロパン等の炭化水素ガスであり(都市ガスも使用できる)、炭化水素ガスは前処理室37においてCとH2とに分離し、H2 は水素吸収材36に補集されてCのみが炉1の内部に導入される。水素吸収材36に補集されたH2ガスは回収され、燃料等に有効利用される。 In this embodiment, the main source gas is a hydrocarbon gas such as acetylene or propane (city gas can also be used), and the hydrocarbon gas is separated into C and H 2 in the pretreatment chamber 37, and H 2 is hydrogen. Only C collected by the absorbent 36 is introduced into the furnace 1. The H 2 gas collected in the hydrogen absorbing material 36 is recovered and effectively used as fuel.

前処理室37での分離工程は、前処理室37と炉1とを連通させた状態で行うことも可能であるが、前処理室37を閉じた状態で分離工程を行って、それから、ガス状態のCを炉1に導入してもよい。この場合は、炉の内部の圧力を確保するため、N2ガスを炉1に導入することは差し支えない。 The separation step in the pretreatment chamber 37 can be performed in a state where the pretreatment chamber 37 and the furnace 1 are communicated with each other. However, the separation step is performed in a state where the pretreatment chamber 37 is closed, and then the gas is removed. C in a state may be introduced into the furnace 1. In this case, N 2 gas may be introduced into the furnace 1 in order to secure the pressure inside the furnace.

炭化水素ガスからのCの分離を前処理室37で行うと、Cが結合してカーボン粒子化が進展することも予想されるが、イオン化した炭素のままで鋼製品Wに到達させるキャリアガスを前処理室に封入することも有益である。キャリアガスとしては、N2、CO、CO2などが考えられる。他方、Cが粒子化してワークに到達した場合は、Cの粒子をいわば固体浸炭の原料として捉えて、いったんイオン化炭素をワークの表面に付着させてから、減圧を解除して所定の時間加温し続けることで浸炭させることも可能である。 When separation of C from hydrocarbon gas is performed in the pretreatment chamber 37, it is expected that carbon will be bound and carbon particle formation will progress. However, a carrier gas that reaches the steel product W with ionized carbon remains as it is. It is also beneficial to enclose it in a pretreatment chamber. As the carrier gas, N 2 , CO, CO 2 and the like can be considered. On the other hand, when C particles become a workpiece and reaches the workpiece, the C particles are regarded as a raw material for solid carburization, and once ionized carbon is attached to the surface of the workpiece, decompression is released and heating is performed for a predetermined time. It is possible to carburize by continuing to do so.

図11(B)に示す第17実施形態は、炭化水素ガスの分解処理手段の別例であり、前処理室37に、ヒータ38と高圧帯電材39とを交互に配置し、高圧帯電材39に、交流電源40の電圧を変圧器41にて高めた高電圧を印加している。水素吸収材36は前処理室37の下流側に別のケースとして配置している。高圧帯電材39は金網のような多孔材で構成されており、ガスは自由に通過できる。   The seventeenth embodiment shown in FIG. 11 (B) is another example of the hydrocarbon gas decomposition treatment means. In the pretreatment chamber 37, heaters 38 and high-voltage charging materials 39 are alternately arranged, and the high-voltage charging material 39. In addition, a high voltage obtained by increasing the voltage of the AC power supply 40 by the transformer 41 is applied. The hydrogen absorbing material 36 is arranged as another case on the downstream side of the pretreatment chamber 37. The high-voltage charging material 39 is composed of a porous material such as a wire mesh, and gas can pass freely.

この実施形態では、炭化水素ガスが高圧帯電材39を通過する過程で電子の供給を受けることで、いわばプラズマに晒されたような状態になって、炭化水素ガスがCとH2とに分離することが促進されると期待される。触媒14を併用することも可能である。図では表示していないが、鋼製品Wに帯電させてからCOガス等の炭素化合ガスに晒すことも可能である。 In this embodiment, the hydrocarbon gas is supplied with electrons in the process of passing through the high-voltage charging material 39, so that the hydrocarbon gas is exposed to plasma, and the hydrocarbon gas is separated into C and H 2. It is expected to be promoted. It is also possible to use the catalyst 14 in combination. Although not shown in the figure, the steel product W can be charged and then exposed to a carbon compound gas such as CO gas.

(6).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、請求項7の場合、水素の不活性化させるガスとして乾燥空気を使用し、炭化水素ガスから分離した水素と酸素とを反応させて水に変化させることも可能である。
(6). Others The present invention can be embodied in various ways other than the above embodiment. For example, in the case of claim 7, it is also possible to use dry air as a gas for inactivating hydrogen and react the hydrogen separated from the hydrocarbon gas with oxygen to change it into water.

本願発明は、実際に真空浸炭焼入れ方法に適用できる。従って、産業上利用できる。   The present invention is actually applicable to a vacuum carburizing and quenching method. Therefore, it can be used industrially.

W 鋼製品
1 真空浸炭焼入れ炉
2 炉の本体
3 ヒータ
4 ワーク収納籠
6 排気口
7 真空ポンプ
10 ガス導入口
12 定量タンク
13 COガスボンベ
14 触媒
34 炭化水素ガスボンベ
35 酸素ガスボンベ
W Steel product 1 Vacuum carburizing and quenching furnace 2 Furnace main body 3 Heater 4 Workpiece storage 6 Exhaust port 7 Vacuum pump 10 Gas inlet 12 Metering tank 13 CO gas cylinder 14 Catalyst 34 Hydrocarbon gas cylinder 35 Oxygen gas cylinder

このように、不活性化のための炭素含有ガスを一酸化炭素(CO)とした場合、
3C22 →6(C)+6(H)
2C22 +2CO→6(C)+2H2
となって、アセチレンガス量は2/3量となる。一酸化炭素(CO)と「アセチレン(C22)」の分解スピードを考慮すると、明らかにアセチレンガス(C22)が速く、熱分解
により発生した「水素H2 」の鋼中への浸入が迅速に行われるので、一酸化炭素(CO)ガスを先ず添加し、その後にアセチレンガス(C22)を添加するのが好ましい。
Thus, when the carbon-containing gas for deactivation is carbon monoxide (CO),
3C 2 H 2 → 6 (C) +6 (H)
2C 2 H 2 + 2CO → 6 (C) + 2H 2 O
Thus, the amount of acetylene gas is 2/3. Considering the decomposition speed of carbon monoxide (CO) and “acetylene (C 2 H 2 )”, the acetylene gas (C 2 H 2 ) is clearly faster and into the steel of “hydrogen H 2 ” generated by thermal decomposition. Therefore, it is preferable that carbon monoxide (CO) gas is added first, and then acetylene gas (C 2 H 2 ) is added.

Claims (8)

高温雰囲気の炉内において鋼製品を高温の炭素含有ガスに晒すことにより、前記鋼製品の機械的性質を高める熱処理方法であって、
水素が全く又は殆ど存在しない状態か、若しくは、存在しても前記鋼製品に浸透しないように不活性化された状態の下で処理が行われる、
鋼製品の熱処理方法。
A heat treatment method for enhancing the mechanical properties of the steel product by exposing the steel product to a high temperature carbon-containing gas in a furnace in a high temperature atmosphere,
The treatment is carried out in a state in which there is no or almost no hydrogen, or in a state of being deactivated so as not to penetrate into the steel product even if present.
Heat treatment method for steel products.
前記炉として真空炉が使用されている、
請求項1に記載した鋼製品の熱処理方法。
A vacuum furnace is used as the furnace,
A heat treatment method for a steel product according to claim 1.
前記炉として大気炉が使用されている、
請求項1に記載した鋼製品の熱処理方法。
An atmospheric furnace is used as the furnace,
A heat treatment method for a steel product according to claim 1.
前記熱処理は、焼入れ及び焼き戻し若しくは調質のうちのいずれか1つ若しくは複数である、
請求項1〜3のうちのいずれかに記載した鋼製品の熱処理方法。
The heat treatment is any one or more of quenching and tempering or tempering,
The heat processing method of the steel products in any one of Claims 1-3.
前記炭素含有ガスとして水素を含有しない炭素化合ガスが使用されている、
請求項1〜4のうちのいずれかに記載した鋼製品の熱処理方法。
Carbon compound gas not containing hydrogen is used as the carbon-containing gas,
The heat processing method of the steel products in any one of Claims 1-4.
前記炭素化合ガスはその全部又は大部分がCOガスである、
請求項に5に記載した鋼製品の熱処理方法。
The carbon compound gas is entirely or mostly CO gas.
A method for heat treating a steel product according to claim 5.
前記炉に水素を含んだガスが導入されており、前記水素は、前記炉に導入される前又は後に、前記鋼製品の内部に浸透しないように不活性化される、
請求項1〜4のうちのいずれかに記載した鋼製品の熱処理方法。
Gas containing hydrogen is introduced into the furnace, and the hydrogen is inactivated so as not to penetrate into the steel product before or after being introduced into the furnace.
The heat processing method of the steel products in any one of Claims 1-4.
前記炉の内部に、炭素含有ガスから炭素が分離することを助長する触媒が配置されている、
請求項1〜7のうちのいずれかに記載した鋼製品の熱処理方法。
Inside the furnace, a catalyst is arranged to help separate carbon from the carbon-containing gas,
The heat processing method of the steel products in any one of Claims 1-7.
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