JP2015129324A - ガス浸炭方法およびガス浸炭装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常圧下でスーティングせずに迅速、且つ、高精度の浸炭を行うことが可能なガス浸炭方法およびガス浸炭装置を提供する。【解決手段】ガス浸炭方法は、常圧下の熱処理炉１０内に収容したワーク１００を加熱すると共に、熱処理炉１０内にキャリアガスと、エンリッチガスまたはレデュースガスを供給して熱処理炉１０内の雰囲気を制御するガス浸炭方法であって、エンリッチガスとして鎖式不飽和炭化水素を使用し、レデュースガスとして二酸化炭素または空気を使用する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスにより鋼の表面層に炭素を侵入、固溶させる表面硬化法であるガス浸炭方法およびガス浸炭装置に関し、特に常圧下で浸炭を行うものに関する。

従来、ガスにより浸炭を行う方法としては、常圧（略大気圧）下で浸炭を行う方法と、減圧（真空）下で浸炭を行う比較的新しい方法の２種類があり、一般に前者をガス浸炭、後者を真空浸炭と呼んでいる。このうち、ガス浸炭は、ワークが配置された常圧下の炉内に、炭素濃度の低いキャリアガス（担体ガス）を供給すると共に、浸炭を促進させるための炭素濃度の高いエンリッチガス（加炭ガス）をキャリアガスの数パーセント添加することにより浸炭を行う。

ガス浸炭におけるエンリッチガスとしては、一般にメタン（ＣＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）またはブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等が使用される。また、ガス浸炭は、キャリアガスの違いにより大きく２種類に分類され、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）をキャリアガスとして使用する変成炉方式と、例えばメタノール等のアルコール類の熱分解ガスをキャリアガスとして使用する滴注方式とに分けられる。

ガス浸炭における炉内の雰囲気制御では、雰囲気中の炭素濃度（カーボンポテンシャル）が予め設定した目標値と一致するようにエンリッチガスの供給量を調節するが、実際には炭素濃度を直接測定することは困難であるため、炭素濃度と相関性のある酸素（Ｏ_２）濃度、二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度および水分（Ｈ_２Ｏ）量のいずれかを測定し、これに基づいてエンリッチガスの供給量を調節している。また、本願発明者による発明として、エンリッチガスに加え、二酸化炭素または空気を主体とするガスを炉内に供給することで、より高精度に炉内雰囲気を制御する方法も存在している（例えば、特許文献１参照）。

ガス浸炭は、炉内を減圧する必要がないため、真空浸炭と比較して低コストであるという利点を有している。また、炉内の雰囲気制御が可能であり、長い実績を有することから、安定した品質で再現性の高い浸炭を行うことが可能であり、品質保証も容易であるため、様々な分野で広く使用されている。

真空浸炭は、ガス浸炭に代わる方法として１９７０年代に開発されたものである。真空浸炭では、ガス浸炭におけるキャリアガスの代わりに減圧（真空）状態を利用し、ワークが配置された減圧下の炉内に、エンリッチガスに相当する浸炭ガスを供給することにより浸炭を行う。真空浸炭では、低圧であることから炉内の雰囲気制御が難しく、浸炭温度、浸炭時間、炉内圧力、浸炭ガス供給量および拡散時間等の処理条件を管理することで、目標炭素濃度を維持するようにしている。

真空浸炭における浸炭ガスとしては、従来、メタン、プロパンまたはブタン等が使用されていたが、これらのガスは、供給量が少ない場合には浸炭むらが発生し、供給量が多い場合には熱分解により炉内に煤が大量に生じる（いわゆるスーティング（Ｓｏｏｔｉｎｇ）が発生する）ことから制御が難しく、近年では反応性に富むアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）が、これらのガスに代えて使用されるようになってきている（例えば、特許文献２参照）。

真空浸炭は、高温処理によりガス浸炭と比較して処理時間が短いという利点を有している。また、浸炭ガスとしてアセチレンを使用することにより、浸炭むらおよび煤の問題が略解消されたことから、真空浸炭は徐々に普及してきている。

特公平１−３８８４６号公報 特許第２９６３８６９号公報

しかしながら、真空浸炭は、真空炉を必要とすることからガス浸炭と比較して設備が高価であるだけでなく、上記特許文献２に示されるように、炉内を極低圧に維持する必要があるため、操業費が上昇するという問題があった。

また、上述のように真空浸炭では、炉内の雰囲気を直接制御することが困難であるため、雰囲気の直接制御（管理）が求められる分野においては真空浸炭を採用することは難しく、スーティングせずに迅速、且つ、高精度に浸炭を行う常圧下のガス浸炭法が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、常圧下でスーティングせずに迅速、且つ、高精度の浸炭を行うことが可能なガス浸炭方法およびガス浸炭装置を提供しようとするものである。

（１）本発明は、常圧下の熱処理炉内に収容したワークを加熱すると共に、前記熱処理炉内にキャリアガスと、エンリッチガスまたはレデュースガスを供給して前記熱処理炉内の雰囲気を制御するガス浸炭方法であって、前記エンリッチガスとして鎖式不飽和炭化水素を使用し、前記レデュースガスとして二酸化炭素または空気を使用することを特徴とする、ガス浸炭方法である。

（２）本発明はまた、前記エンリッチガスとしてアセチレンを含むガスを使用することを特徴とする、上記（１）に記載のガス浸炭方法である。

（３）本発明はまた、前記熱処理炉内の雰囲気の炭素濃度を上昇させて目標値に保持する場合に、最初はメインのエンリッチガス供給系統およびサブのエンリッチガス供給系統から前記エンリッチガスを供給し、その後前記メインのエンリッチガス供給系統のみから前記エンリッチガスを供給することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のガス浸炭方法である。

（４）本発明はまた、前記熱処理炉内の雰囲気の炭素濃度を低下させて目標値に保持する場合に、最初はメインのレデュースガス供給系統およびサブのレデュースガス供給系統から前記レデュースガスを供給し、その後前記メインのレデュースガス供給系統のみから前記レデュースガスを供給することを特徴とする、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のガス浸炭方法である。

（５）本発明はまた、常圧下でワークを収容する熱処理炉と、前記熱処理炉内を加熱する加熱装置と、前記熱処理炉内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給系統と、前記熱処理炉内にエンリッチガスを供給するエンリッチガス供給系統と、前記熱処理炉内にレデュースガスを供給するレデュースガス供給系統と、を備え、前記エンリッチガス供給系統は、鎖式不飽和炭化水素を前記エンリッチガスとして供給し、前記レデュースガス供給系統は、二酸化炭素または空気を前記レデュースガスとして供給することを特徴とする、ガス浸炭装置である。

（６）本発明はまた、前記エンリッチガス供給系統は、前記エンリッチガスとしてアセチレンを供給することを特徴とする、上記（５）に記載のガス浸炭装置である。

本発明に係るガス浸炭方法およびガス浸炭装置によれば、常圧下でスーティングせずに迅速、且つ、高精度の浸炭を行うことが可能という優れた効果を奏し得る。

本発明の実施形態に係るガス浸炭装置の構成を示した概略図である。 ガス浸炭装置による浸炭のタイムチャートの一例を示した図である。 本発明の実施例の炉内におけるテストピースの配置を示した図である。 硬さ試験の結果を示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るガス浸炭装置１の構成を示した概略図である。同図に示されるように、ガス浸炭装置１は、ワーク１００を収容する熱処理炉１０と、熱処理炉１０内に各種ガスを供給するガス供給装置２０と、熱処理炉１０内の温度および雰囲気を制御する制御装置３０と、を備えている。

熱処理炉１０は、炉内１０ａに被処理材であるワーク１００を収容して加熱すると共に、炉内１０ａの雰囲気ガスによって浸炭を行うものである。熱処理炉１０は、炉内１０ａの雰囲気ガスが、ガス供給装置２０からのガスの供給に伴って適宜に外部に排出されるように構成されており、処理中は炉内１０ａが常圧（略大気圧）に維持されるようになっている。また、炉内１０ａは、適宜の治具１１等に載置された状態で複数のワーク１００を収容可能に構成されている。

熱処理炉１０には、炉内１０ａを加熱する加熱装置１２と、炉内１０ａの温度を測定する温度計１３と、炉内１０ａの酸素（Ｏ_２）濃度を測定する酸素濃度計１４と、炉内１０ａの雰囲気ガスを撹拌するファン１５と、が設けられている。なお、酸素濃度計１４は、ジルコニアエレメント両端の酸素濃度差により生じる起電力に基づいて炉内１０ａの酸素濃度を検出している。このため、酸素濃度計１４には、ジルコニアエレメントの一端側に参照エア（空気）を供給するエアユニット１６が接続されている。

ガス供給装置２０は、複数種類のガスを複数の供給系統から炉内１０ａに供給するものである。ガス供給装置２０は、キャリアガスを供給するキャリアガス供給系統２１と、エンリッチガスを供給する第１のエンリッチガス供給系統２２および第２のエンリッチガス供給系統２３と、レデュースガスを供給する第１のレデュースガス供給系統２４および第２のレデュースガス供給系統２５と、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給するアンモニアガス供給系統２６と、各供給系統２１〜２６を炉内１０ａに接続する接続配管２７と、を備えている。

キャリアガスは、炉内１０ａの雰囲気のベースガスとなるものであり、大気中の酸素の混入を防止し、炉内１０ａが酸化性雰囲気とならないようするために供給される。キャリアガスとしては、従来、変成炉によって生成される吸熱型変成ガス（ＲＸガス）、または液体のアルコール類を炉内に滴注して熱分解させた熱分解ガスが一般に使用されているが、本実施形態では、メタノールを炉内に滴注して気化および分解させたメタノール分解ガスをキャリアガスとして使用している。なお、キャリアガスの主な組成は、吸熱型変成ガスでは、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）となり、アルコール類の熱分解ガスでは、一酸化炭素および水素となる。

キャリアガス供給系統２１は、メタノールを供給する滴注盤２１ａと、滴注盤２１ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２１ｂと、制御装置３０に制御されて開閉するバルブ２１ｃと、メタノールの流量を測定する流量計２１ｄと、を備えている。

エンリッチガスは、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度（カーボンポテンシャル）を上げるためにキャリアガスに添加されるものである。すなわち、エンリッチガスを供給することにより、炉内１０ａの雰囲気ガスによる浸炭が可能となる。従来、常圧下のガス浸炭においては、エンリッチガスとして、メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）またはブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の鎖式飽和炭化水素が使用されてきたが、本実施形態では鎖式不飽和炭化水素であるアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を使用している。

第１のエンリッチガス供給系統２２は、エンリッチガスのメインの供給系統であり、エンリッチガスを収容したガスボンベ等から構成されるエンリッチガス供給源２２ａと、エンリッチガス供給源２２ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２２ｂと、制御装置３０に制御されて開閉するバルブ２２ｃと、エンリッチガスの流量を測定する流量計２２ｄと、を備えている。

また、第２のエンリッチガス供給系統２３は、エンリッチガスのサブの供給系統であり、エンリッチガス供給源２２ａから分岐するようにして設けられている。第２のエンリッチガス供給系統２３は、エンリッチガス供給源２２ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２３ｂと、制御装置３０に制御されて開閉するバルブ２３ｃと、エンリッチガスの流量を測定する流量計２３ｄと、を備えている。

レデュースガスは、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度を下げるためにキャリアガスに添加されるものである。レデュースガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ_２）または空気を使用することができるが、本実施形態では二酸化炭素を使用している。レデュースガスとして二酸化炭素を供給することにより、炉内１０ａの雰囲気ガスの二酸化炭素分圧が上昇して浸炭反応の平衡状態が移動するため、炉内１０ａの炭素濃度を積極的に低下させることが可能となる。また、レデュースガスとして空気を供給した場合にも浸炭反応の平衡状態が移動するため、炉内１０ａの炭素濃度を積極的に低下させることが可能となるが、空気中の窒素分圧の影響により、二酸化炭素の場合と比較して制御性が落ちることとなる。

第１のレデュースガス供給系統２４は、レデュースガスのメインの供給系統であり、レデュースガスを収容したガスボンベ等から構成されるレデュースガス供給源２４ａと、レデュースガス供給源２４ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２４ｂと、制御装置３０に制御されて開閉するバルブ２４ｃと、レデュースガスの流量を測定する流量計２４ｄと、を備えている。

また、第２のレデュースガス供給系統２５は、レデュースガスのサブの供給系統であり、レデュースガス供給源２４ａから分岐するようにして設けられている。第２のレデュースガス供給系統は、レデュースガス供給源２４ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２５ｂと、制御装置３０に制御されて開閉するバルブ２５ｃと、レデュースガスの流量を測定する流量計２５ｄと、を備えている。

本実施形態では、このように、第１および第２のエンリッチガス供給系統２２、２３および第１および第２のレデュースガス供給系統２４、２５を設けることにより、常圧下のガス浸炭では、従来エンリッチガスとしての使用は困難とされていたアセチレン等の鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスとして使用することを可能としている。

具体的には、二重結合または三重結合を有する鎖式不飽和炭化水素は、鎖式飽和炭化水素と比較して反応性に富むことから、エンリッチガスとして供給過剰な状態となりやすく、この結果、大量の煤を生成するスーティング（Ｓｏｏｔｉｎｇ）を発生させやすいが、本実施形態では、レデュースガスの供給によって炭素濃度を積極的に下げることにより、スーティングの発生を効果的に防止することが可能となった。

また、本実施形態では、メインの供給系統である第１のエンリッチガス供給系統２２に加えて、サブの供給系統である第２のエンリッチガス供給系統２３を設けることにより、メインの供給系統からの供給量を絞って炭素濃度の制御を高精度化し、エンリッチガスが供給過剰な状態となりにくいようにしながらも、必要な場合にはサブの供給系統を同時に使用することで、炭素濃度を急速に上昇させることができるため、処理時間の短縮が可能となっている。

さらに、本実施形態では、レデュースガスについても、メインの第１のレデュースガス供給系統２４およびサブの第２のレデュースガス供給系統２５を設けることで、メインの供給系統からのレデュースガスによる炭素濃度の制御を高精度化しながらも、必要な場合にはメインとサブの供給系統を併用することで、スーティングの発生を確実に防止することが可能となっている。

すなわち、本実施形態のガス供給装置２０は、処理時間を延長することなく、炉内１０ａの炭素濃度を高精度に制御すると共に、スーティングの発生を確実に防止することが可能な構成となっており、この結果、十分な量の鎖式不飽和炭化水素を炉内１０ａに供給し、浸炭に寄与するエンリッチガスとして実用的に使用することが可能となっている。

アセチレン等の鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスとして使用した場合、その高い反応性により、プロパン等の鎖式飽和炭化水素を使用した場合よりも炉内１０ａの炭素濃度を短時間で上昇させることができるため、処理時間を短縮することが可能となる。また、高い反応性により制御の応答性を高めることが可能となるだけでなく、同じ炭素数の鎖式飽和炭化水素よりも水素数が少ないことから炉内１０ａにおける水素分圧の上昇を抑えることができるため、炉内１０ａの炭素濃度をより高精度に制御することが可能となる。

また、高い反応性によって浸炭バラツキを低減することができるため、より均一、且つ、高精度の浸炭を行うことが可能となる。また、高い反応性により、プロパン等の鎖式飽和炭化水素を使用した場合よりも低温で浸炭を行うことができるため、より多くの条件下で浸炭を行うことが可能となる。さらに、スーティングの発生を効果的に防止することで、反応性の高いエンリッチガスであっても、必要十分な量を炉内１０ａに供給することができるため、高濃度浸炭であっても容易に行うことが可能となる。

従来、常圧下のガス浸炭においては、アセチレン等の鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスとして使用する試みは殆ど行われていなかったが、本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、自らの特許発明（特許第１６１２７６４号）に係るキャリアガスと共にエンリッチガスとレデュースガスを供給する炉内雰囲気の制御方法を適用することで、鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスとして浸炭に寄与させることが可能であることを見出したのである。

なお、エンリッチガスとしては、アセチレン以外にも、例えばエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）やブタジエン（Ｃ_４Ｈ_６）等、その他の鎖式不飽和炭化水素を使用することができる。また、複数種類の鎖式不飽和炭化水素を混合したガスや、鎖式飽和炭化水素や窒素等のその他のガスを鎖式不飽和炭化水素に混合したガスをエンリッチガスとして使用するようにしてもよい。但し、分子量が増すと安定性が減少して煤が発生しやすくなる点、三重結合を有する方が反応性に富む点、および入手の容易さ等を考慮すると、エンリッチガスとしてアセチレン単体を使用する、またはエンリッチガスにアセチレンを含ませることが好ましい。

アンモニアガスは、浸炭窒化を行う場合に、エンリッチガスと共にキャリアガスに添加されるものである。キャリアガスにエンリッチガスと共にアンモニアを少量添加することで、スーティングを発生させることなく、高品質な浸炭窒化を行うことができる。すなわち、本実施形態のガス浸炭装置１は、浸炭窒化も行うことが可能となっている。

アンモニアガス供給系統２６は、アンモニアガスを収容したガスボンベ等から構成されるアンモニアガス供給源２６ａと、アンモニアガス供給源２６ａと炉内１０ａを繋ぐ供給配管２６ｂと、制御装置３０に制御されて開閉するバルブ２６ｃと、アンモニアガスの流量を測定する流量計２６ｄと、を備えている。

制御装置３０は、適宜のマイコンから構成されている。制御装置３０は、温度計１３の信号出力に基づき、炉内１０ａが予め設定された温度になるように加熱装置１２を制御する。制御装置３０はまた、ガス供給装置２０の各バルブ２１ｃ〜２６ｃを制御して、所定のタイミングで炉内１０ａに必要なガスを供給する。

さらに、制御装置３０は、温度計１３および酸素濃度計１４の信号出力から炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度を演算する。そして、演算した炭素濃度に基づき、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が予め設定された目標値となるように、第１および第２のエンリッチガス供給系統２２、２３のバルブ２２ｃ、２３ｃ、ならびに第１および第２のレデュースガス供給系統２４、２５のバルブ２４ｃ、２５ｃの開閉を制御する。なお、測定した炉内１０ａの温度、および演算した炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度は、必要に応じて外部の機器に出力され記録される。

次に、浸炭の具体的な手順について説明する。

図２は、ガス浸炭装置１による浸炭のタイムチャートの一例を示した図である。なお、同図において、「エンリッチガス」とは、メインの第１のエンリッチガス供給系統２２から供給されるエンリッチガスを示しており、「スーパーエンリッチガス」とは、サブの第２のエンリッチガス供給系統２３から供給されるエンリッチガスを示している。また、同図において、「レデュースガス」とは、メインの第１のレデュースガス供給系統２４から供給されるレデュースガスを示しており、「スーパーレデュースガス」とは、サブの第２のレデュースガス供給系統２５から供給されるレデュースガスを示している。

浸炭では、まず制御装置３０がキャリアガス供給系統２１のバルブ２１ｃを開いて炉内１０ａに一定流量のキャリアガスを供給し、炉内１０ａの雰囲気がキャリアガスに置き換わった状態で炉内１０ａにワーク１００を配置する。制御装置３０はまた、加熱装置１２を制御して、予め設定された浸炭温度Ｔ_１まで炉内１０ａを昇温する。

炉内１０ａが浸炭温度Ｔ_１となったならば、制御装置３０は、炉内１０ａを浸炭温度Ｔ_１に保持するように加熱装置１２を制御し、予め設定された第１の保持時間ｔ_１の経過後に第１および第２のエンリッチガス供給系統２２、２３のバルブ２２ｃ、２３ｃを開いて、炉内１０ａにエンリッチガスおよびスーパーエンリッチガスを供給する。その後、制御装置３０は、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が予め設定された第１の目標値ＣＰ_１、またはその近傍に到達したならば、第２のエンリッチガス供給系統２３のバルブ２３ｃを閉じてスーパーエンリッチガスの供給を停止する。

スーパーエンリッチガスの供給を停止した後、制御装置３０は、第１のエンリッチガス供給系統２２のバルブ２２ｃを制御し、エンリッチガスの供給量を徐々に減少させる等して炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が第１の目標値ＣＰ_１に維持されるようにする。また、制御装置３０は、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が上がりすぎたような場合には、第２のレデュースガス供給系統２５のバルブ２５ｃを開いてレデュースガスを供給し、炭素濃度が第１の目標値ＣＰ_１まで下がるようにする。

予め設定された浸炭（拡散含む）時間ｔ_２が経過したならば、制御装置３０は、第１のエンリッチガス供給系統２２のバルブ２２ｃを閉じてエンリッチガスの供給を停止すると共に、第１および第２のレデュースガス供給系統２４、２５のバルブ２４ｃ、２５ｃを開いて炉内１０ａにレデュースガスおよびスーパーレデュースガスを供給する。

その後、制御装置３０は、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が予め設定された第２の目標値ＣＰ_２、またはその近傍に到達したならば、第２のレデュースガス供給系統２５のバルブ２５ｃを閉じてスーパーレデュースガスの供給を停止し、第１のレデュースガス供給系統２４のバルブ２４ｃを制御し、レデュースガスの供給量を徐々に減少させる等して炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が第２の目標値ＣＰ_２に維持されるようにする。

制御装置３０はまた、浸炭（拡散含む）時間ｔ_２の経過後、加熱装置１２を制御して、浸炭温度Ｔ_１から予め設定された保持温度Ｔ_２まで炉内１０ａを降温する。そして、予め設定された第２の保持時間ｔ_３の間、炉内１０ａの温度を保持温度Ｔ_２に維持するように、加熱装置１２を制御する。

制御装置３０は、第２の保持時間ｔ_３が経過したならば、第１のレデュースガス供給系統２４のバルブ２４ｃを閉じてレデュースガスの供給を停止する。そして、ワーク１００は、適宜の搬送装置等によって油槽内に浸漬され、急冷（焼入）される。制御装置３０はまた、所定のタイミングでキャリアガス供給系統２１のバルブ２１ｃを閉じてキャリアガスの供給を停止する。

以上の手順により、浸炭が行われる。上述のように、アセチレン等の反応性に富む鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスおよびスーパーエンリッチガスとして使用することで、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度が第１の目標値ＣＰ_１に到達するまでの時間ｔ_ａを、短縮することができる。また、短時間でより多くの炭素をワーク１００内に侵入・拡散させることができるため、プロパン等の鎖式飽和炭化水素をエンリッチガスおよびスーパーエンリッチガスとした場合よりも短時間で十分な表面炭素濃度および浸炭深さの浸炭を行うことが可能となっている。

以上説明したように、本実施形態に係るガス浸炭方法は、常圧下の熱処理炉１０内（炉内１０ａ）に収容したワーク１００を加熱すると共に、熱処理炉１０内にキャリアガスと、エンリッチガスまたはレデュースガスを供給して熱処理炉１０内の雰囲気を制御するガス浸炭方法であって、エンリッチガスとして鎖式不飽和炭化水素を使用し、レデュースガスとして二酸化炭素または空気を使用する。

また、本実施形態に係るガス浸炭装置１は、常圧下でワークを収容する熱処理炉１０と、熱処理炉１０内（炉内１０ａ）を加熱する加熱装置１２と、熱処理炉１０内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給系統２１と、熱処理炉１０内にエンリッチガスを供給するエンリッチガス供給系統（第１および第２のエンリッチガス供給系統２２、２３）と、熱処理炉１０内にレデュースガスを供給するレデュースガス供給系統（第１および第２のレデュースガス供給系統２４、２５）と、を備え、エンリッチガス供給系統は、鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスとして供給し、レデュースガス供給系統は、二酸化炭素または空気をレデュースガスとして供給する。

このような構成とすることで、常圧下でスーティングせずに迅速、且つ、高精度の浸炭を行うことができる。すなわち、エンリッチガスだけでなく、レデュースガスを炉内１０ａに供給することで、炉内１０ａの炭素濃度を積極的に下げることが可能となるため、スーティングの発生を効果的に防止することができる。この結果、真空浸炭と同様にアセチレン等の鎖式不飽和炭化水素をエンリッチガスとして使用することが可能となり、その高い反応性により、炉内１０ａの炭素濃度を短時間で上昇させて処理時間を短縮することができる。また、高い反応性によって制御の応答性を高めるだけでなく、水素数が少ないことによって炉内１０ａの水素分圧の上昇を抑えられるため、炉内１０ａの炭素濃度をより高精度に制御することができる。

また、本実施形態に係るガス浸炭方法およびガス浸炭装置１では、エンリッチガスとしてアセチレンを含むガスを使用することが好ましい。三重結合を有し、分子量の少ないアセチレンをエンリッチガスとして使用することで、処理時間を短縮すると共に、炉内１０ａの炭素濃度をより高精度に制御することができる。また、入手が比較的容易であるため、スーティングせずに迅速、且つ、高精度の浸炭を簡便に実現することができる。

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、熱処理炉１０内（炉内１０ａ）の雰囲気の炭素濃度を上昇させて目標値に保持する場合に、最初はメインのエンリッチガス供給系統（第１のエンリッチガス供給系統２２）およびサブのエンリッチガス供給系統（第２のエンリッチガス供給系統２３）からエンリッチガスを供給し、その後メインのエンリッチガス供給系統（第１のエンリッチガス供給系統２２）のみからエンリッチガスを供給する。このようにすることで、メインの供給系統からの供給量を絞って炭素濃度の制御を高精度化しながらも、必要な場合にはメインとサブの供給系統を同時に使用することで、処理時間を短縮することができる。

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、熱処理炉１０内（炉内１０ａ）の雰囲気の炭素濃度を低下させて目標値に保持する場合に、最初はメインのレデュースガス供給系統第１のレデュースガス供給系統２４）およびサブのレデュースガス供給系統（第２のレデュースガス供給系統２５）からレデュースガスを供給し、その後メインのレデュースガス供給系統（第１のレデュースガス供給系統２４）のみからレデュースガスを供給する。このようにすることで、炭素濃度を低下させる場合においても、炭素濃度の制御を高精度化しつつ、処理時間を短縮することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のガス浸炭方法およびガス浸炭装置は、上記した実施の形態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。

例えば、上記実施形態では、酸素濃度計１４によって測定した炉内１０ａの酸素濃度に基づいて炭素濃度を演算する場合の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤外線吸収式センサ等により炉内１０ａの二酸化炭素濃度、または露点計等により測定した炉内１０ａの水分量から炭素濃度を演算するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、メタノール滴注分解ガスをキャリアガスとして使用する場合の例を示したが、メタノール以外のアルコール類の熱分解ガスをキャリアガスとして使用するようにしてもよい。また、滴注方式の滴注盤２１ａに代えて変成炉を設け、吸熱型変成ガスをキャリアガスとして使用するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、レデュースガスとして二酸化炭素を使用する場合の例を示したが、二酸化炭素に代えて空気をレデュースガスとして使用するようにしてもよい。また、アンモニアガス供給系統２６は必要でなければ省略してもよいし、アンモニア以外のガスを供給する供給系統を必要に応じて追加するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、第１および第２のエンリッチガス供給系統２２、２３は、エンリッチガス供給源２２ａを共用しているが、エンリッチガス供給源を個別に設けるようにしてもよい。同様に、第１および第２のレデュースガス供給系統２４、２５についても、レデュースガス供給源を個別に設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、エンリッチガス供給系統およびレデュースガス供給系統をそれぞれ２系統ずつ設けるようにした場合の例を示したが、エンリッチガス供給系統およびレデュースガス供給系統の数はこれに限定されるものではなく、必要な供給量や制御精度、バルブの性能等に応じた適宜の数のエンリッチガス供給系統およびレデュースガス供給系統を設けるようにすればよい。すなわち、エンリッチガス供給系統およびレデュースガス供給系統は、それぞれ１系統設けてもよいし、それぞれ３系統以上設けてもよい。

また、例えばエンリッチガス供給系統を２系統設け、レデュースガス供給系統を１系統設ける等、異なる個数のエンリッチガス供給系統およびレデュースガス供給系統を設けるようにしてもよい。また、エンリッチガス供給系統またはレデュースガス供給系統を３系統以上設ける場合は、メインの供給系統の個数およびサブの供給系統の個数は、同数であってもよいし、異なる数であってもよい。

また、上記実施形態において示した作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したものに過ぎず、本発明による作用および効果は、これらに限定されるものではない。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、本実施例に何ら限定されるものではない。

本実施例では、上記実施形態のガス浸炭装置１を使用し、図２に示すタイムチャートに沿って浸炭を行った。テストピースには、ＳＣＭ４１５材を使用し、表面硬度ＨＶ６５０以上、有効硬化深さ０．３ｍｍ以上を目標とした。キャリアガスには、メタノールを２５００ｃｃ／ｈｒの流量で使用した。エンリッチガスおよびスーパーエンリッチガスには、アセチレン単体を使用し、それぞれ３ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。また、レデュースガスおよびスーパーレデュースガスは、二酸化炭素を使用し、それぞれ４ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。

図２のタイムチャートにおける浸炭温度Ｔ_１は９００℃に、保持温度Ｔ_２は８５０℃に設定した。浸炭前の第１の保持時間ｔ_１は２０分に、浸炭（拡散含む）時間ｔ_２は８０分に、焼入前の第２の保持時間ｔ_３は２０分に設定した。雰囲気ガスの炭素濃度の目標値は、浸炭時の第１の目標値ＣＰ_１を０．９ｗｔ％に、浸炭後の第２の目標値ＣＰ_２を０．８ｗｔ％に設定した。また、焼入用の油槽の温度は、１４０℃に設定した。

図３は、炉内１０ａにおけるテストピースの配置を示した図である。テストピースは、
炉内有効処理寸法：幅６００ｍｍ×奥行き１２００ｍｍ×高さ６００ｍｍ、処理重量：最大６００ｋｇ／ｌｏｔの炉内に、治具１１を使用して複数配置した。処理後、複数のテストピースのうち、配置範囲の上下四隅の８箇所（１）〜（８）、ならびに配置範囲の中央部（９）および中央部近傍（１０）から採取した１０個のテストピースについて硬さ試験を実施すると共に、光学顕微鏡による組織観察を行った。

硬さ試験は、荷重３００ｇのマイクロビッカース硬度計で、表面から深さ１ｍｍまでの硬さを測定した。図４は、硬さ試験の結果を示したグラフであり、（１）〜（１０）の番号は採取位置を示している。同図に示されるように、異なる場所から採取した１０個のテストピースのいずれについても、表面硬度がＨＶ７００以上となり、目標の表面硬度を達成することができた。また、表面からの距離０．３ｍｍにおける硬度は、いずれのテストピースについてもＨＶ５５０以上となり、目標の有効硬化深さを達成することができた。また、光学顕微鏡による観察では、１０個のテストピースのいずれについても、表面近傍に良好なマルテンサイト組織が形成されていることが確認された。

すなわち、上記実施形態のガス浸炭方法およびガス浸炭装置１によれば、良好な品質の浸炭を短時間で処理可能であることが確認された。

本発明に係るガス浸炭方法およびガス浸炭装置は、鋼の表面硬化の分野において利用することができる。

１ ガス浸炭装置
１０ 熱処理炉
１０ａ 炉内
１２ 加熱装置
２１ キャリアガス供給系統
２２ 第１のエンリッチガス供給系統
２３ 第２のエンリッチガス供給系統
２４ 第１のレデュースガス供給系統
２５ 第２のレデュースガス供給系統
１００ ワーク

Claims (6)

1. 常圧下の熱処理炉内に収容したワークを加熱すると共に、前記熱処理炉内にキャリアガスと、エンリッチガスまたはレデュースガスを供給して前記熱処理炉内の雰囲気を制御するガス浸炭方法であって、
   前記エンリッチガスとして鎖式不飽和炭化水素を使用し、
   前記レデュースガスとして二酸化炭素または空気を使用することを特徴とする、
   ガス浸炭方法。
2. 前記エンリッチガスとしてアセチレンを含むガスを使用することを特徴とする、
   請求項１に記載のガス浸炭方法。
3. 前記熱処理炉内の雰囲気の炭素濃度を上昇させて目標値に保持する場合に、最初はメインのエンリッチガス供給系統およびサブのエンリッチガス供給系統から前記エンリッチガスを供給し、その後前記メインのエンリッチガス供給系統のみから前記エンリッチガスを供給することを特徴とする、
   請求項１または２に記載のガス浸炭方法。
4. 前記熱処理炉内の雰囲気の炭素濃度を低下させて目標値に保持する場合に、最初はメインのレデュースガス供給系統およびサブのエンリッチガス供給系統から前記レデュースガスを供給し、その後前記メインのレデュースガス供給系統のみから前記レデュースガスを供給することを特徴とする、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のガス浸炭方法。
5. 常圧下でワークを収容する熱処理炉と、
   前記熱処理炉内を加熱する加熱装置と、
   前記熱処理炉内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給系統と、
   前記熱処理炉内にエンリッチガスを供給するエンリッチガス供給系統と、
   前記熱処理炉内にレデュースガスを供給するレデュースガス供給系統と、を備え、
   前記エンリッチガス供給系統は、鎖式不飽和炭化水素を前記エンリッチガスとして供給し、
   前記レデュースガス供給系統は、二酸化炭素または空気を前記レデュースガスとして供給することを特徴とする、
   ガス浸炭装置。
6. 前記エンリッチガス供給系統は、前記エンリッチガスとしてアセチレンを供給することを特徴とする、
   請求項５に記載のガス浸炭装置。

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