JP2021088748A - ガス浸炭方法およびガス浸炭装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理炉内のワークへ浸炭ガスをより均一に接触させ、安定した品質を確保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】常圧下の熱処理炉の炉内１０ａにワーク１００を配置する工程と、炉内１０ａにキャリアガスを供給する工程と、ワーク１００が配置された炉内１０ａを加熱する工程と、加熱後の炉内１０ａに浸炭ガスを供給してワーク１００に対して浸炭を行う工程と、を含み、上記の浸炭を行う工程では、キャリアガスおよび浸炭ガスの少なくとも一方のガスにより、炉内１０ａの内壁近傍に沿って下方に流れる内壁流Ｑを形成すると共に、炉内１０ａの中央近傍において、上方に流れる中央流Ｕを形成する。【選択図】図２

Description

本発明はガス浸炭方法およびガス浸炭装置に関する。

従来、鋼等の金属の表面層の硬化を目的として浸炭が行われている。特許文献１には浸炭方法の一例として、キャリアガス（担体ガス）およびエンリッチガス（浸炭ガス）を炉内のワークへ供給することで浸炭を行うガス浸炭方法が開示されている。

ここでガス浸炭以外に真空浸炭という浸炭方法が知られている。真空浸炭は、ガス浸炭にくらべて処理時間が短いというメリットがある一方で、真空浸炭では炉内を減圧しなければならないためガス浸炭にくらべて設備費が高価となる。したがって真空浸炭と比較するとガス浸炭はコスト上のメリットを有することに加え、常圧（略大気圧）下で浸炭を行うことで炉内の雰囲気制御が容易であるとのメリットも有するため、現在ではガス浸炭が一般に広く用いられている。

特開２０１７−１６６０３５号公報

ガス浸炭では浸炭ガスを炉内に配置されたワークに接触させることでワークの表面層の浸炭を行う。このため、もし浸炭ガスがワークの表面層の全体に均一に接触しないと、浸炭の度合いにムラが生じてしまう。

本発明は、このような実情に鑑み、熱処理炉内のワークへ浸炭ガスをより均一に接触させ、安定した品質を確保可能なガス浸炭方法、およびガス浸炭装置を提供する。

（１）本発明の一態様に係るガス浸炭方法は、常圧下の熱処理炉内にワークを配置する工程と、前記熱処理炉内にキャリアガスを供給する工程と、前記ワークが配置された前記熱処理炉内を加熱する工程と、加熱後の前記熱処理炉内に浸炭ガスを供給して前記ワークに対して浸炭を行う工程と、を含み、前記浸炭を行う工程では、前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスにより、前記熱処理炉内の内壁近傍に沿って第一の方向の一方に流れる内壁流を形成すると共に、前記熱処理炉内の中央近傍において、前記第一の方向の他方に流れる中央流を形成する。

（２）また、上記（１）に記載のガス浸炭方法では、前記浸炭を行う工程では、前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを、前記熱処理炉内における天井面または床面において、前記第一の方向としての上下方向に交差する面方向放射状に拡散させることで、前記内壁流を形成してもよい。

（３）また、上記（１）または（２）に記載のガス浸炭方法では、前記熱処理炉内には、前記内壁流に対して前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを供給する第一供給口、及び、前記中央流に対して前記少なくとも一方のガスを供給する第二供給口が形成されており、前記浸炭を行う工程では、前記第一供給口から供給されるガスの体積流量が、前記第二供給口から供給されるガスの体積流量よりも大きくともよい。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のガス浸炭方法では、前記キャリアガスとして、窒素および酸素を含む窒素含有ガス、または、前記窒素含有ガスと鎖式不飽和炭化水素とを混合した混合ガスを使用してもよい。

（５）また、上記（４）に記載のガス浸炭方法では、前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素ガス中の前記窒素の体積パーセントを、９９．００％以上９９．９９％以下としてもよい。

（６）また、上記（４）に記載のガス浸炭方法では、前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素含有ガス中の前記酸素の体積パーセントを、０．０１０％以上１．００％以下としてもよい。

（７）また、上記（５）または（６）に記載のガス浸炭方法では、前記窒素含有ガスを、圧力スイング吸着法により空気から分離することで生成してもよい。

（８）また、上記（１）〜（７）のいずれかに記載のガス浸炭方法では、前記熱処理炉内に前記ワークを配置した後であって、前記キャリアガスを供給する前に、前記熱処理炉内のガスをパージする工程をさらに含んでもよい。

（９）また、上記（１）〜（８）のいずれかに記載のガス浸炭方法では、前記熱処理炉内を前記常圧より大きい圧力下で、前記ワークに対して浸炭を行ってもよい。

（１０）本発明の一態様に係るガス浸炭装置は、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、キャリアガスおよび浸炭ガスを前記熱処理炉内に供給するガス供給装置と、前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスにより、前記熱処理炉内の内壁近傍に沿って第一の方向の一方に流れる内壁流を形成する第一撹拌部と、前記少なくとも一方のガスにより、前記熱処理炉内の中央近傍において、前記第一の方向の他方に流れる中央流を形成する第二撹拌部と、を備えている。

（１１）また、上記（１０）に記載のガス浸炭装置では、前記第一撹拌部は、前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを、前記熱処理炉内における天井面または床面において、前記第一の方向としての上下方向に交差する面方向放射状に拡散させるファンを有してもよい。

（１２）また、上記（１０）または（１１）に記載のガス浸炭装置では、前記ガス供給装置は、前記熱処理炉に設けられ、前記熱処理炉内の前記内壁流に対して前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを供給する第一供給口をさらに有してもよい。

（１３）また、上記（１０）〜（１２）のいずれかに記載のガス浸炭装置では、前記第二撹拌部は、前記ガス供給装置に設けられ、前記熱処理炉内の前記中央流に対して前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを供給する第二供給口を有してもよい。

（１４）また、上記（１０）〜（１３）のいずれかに記載のガス浸炭装置では、前記ガス供給装置は、前記キャリアガスとして、窒素および酸素を含む窒素含有ガスを、前記熱処理炉内に供給可能とする窒素供給源を有していてもよい。

（１５）また、上記（１１）〜（１３）のいずれかに記載のガス浸炭装置では、前記ガス供給装置は、鎖式不飽和炭化水素を供給する炭化水素供給源と、窒素および酸素を含む窒素含有ガスを供給する窒素供給源と、前記鎖式不飽和炭化水素と前記窒素含有ガスとを混合することで生成した混合ガスを前記キャリアガスとして、前記熱処理炉内に供給可能とするガス混合器と、を有していてもよい。

（１６）また、上記（１４）または（１５）に記載のガス浸炭装置では、前記窒素供給源は、前記窒素含有ガスとして、前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素含有ガス中の前記窒素の体積パーセントが９９．００％以上９９．９９％以下のガスを、前記熱処理炉内に供給可能としてもよい。

（１７）また、上記（１４）または（１５）に記載のガス浸炭装置では、前記窒素供給源は、前記窒素含有ガスとして、前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素含有ガス中の前記酸素の体積パーセントが０．０１０％以上１．００％以下のガスを、前記熱処理炉内に供給可能としてもよい。

（１８）また、上記（１６）または（１７）に記載のガス浸炭装置では、前記窒素供給源は、圧力スイング吸着法により空気から前記窒素含有ガスを分離して、前記窒素含有ガスを前記熱処理炉内に供給可能とするガス分離装置を有していてもよい。

上記態様に係るガス浸炭方法およびガス浸炭装置によれば、熱処理炉内のワークへ浸炭ガスをより均一に接触させ、安定した品質を確保可能である。

本発明の実施形態に係るガス浸炭装置の全体概略図である。 上記ガス浸炭装置を用いて浸炭を行っている様子を示す模式図である。 仮に下方のみに向けて浸炭ガスを供給して浸炭を行っている様子を示す模式図である。 本発明の実施形態の変形例に係るガス浸炭装置の全体概略図である。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。図１〜図２は本発明を実施する形態の一例である。

図１に示すようにガス浸炭装置１は、熱処理炉１０と、熱処理炉１０の炉内１０ａのワーク１００を加熱する加熱装置１２と、炉内１０ａに各種のガスを供給するガス供給装置２０と、炉内１０ａに設けられた第一撹拌部１６と、加熱装置１２およびガス供給装置２０を制御する制御装置３０とを備えている。ガス浸炭装置１は、炉内１０ａへガスを供給して炉内１０ａのワーク１００に対して浸炭を行うものである。

（熱処理炉）
熱処理炉１０は、炉内１０ａに被処理材であるワーク１００を収容可能となっている。ワーク１００は、例えば炉内１０ａに設置された架台１１上に上下方向（第一の方向）および水平方向に並んで複数が配置される。ワーク１００は低炭素鋼等の金属である。炉内１０ａには炉内１０ａの温度を保つように不図示の断熱材が設けられている。さらに熱処理炉１０には、炉内１０ａの雰囲気ガスを炉外に排出する不図示の排出口が設けられており、浸炭中には、炉内１０ａは常圧（略大気圧：１０１〔ｋＰａ〕程度）に維持されるようになっている。

また熱処理炉１０には、炉内１０ａの温度を測定する温度計１３（例えば熱電対）と、炉内１０ａの酸素濃度を測定する酸素濃度計１４と、炉内１０ａの水素濃度を測定する水素濃度計１５とが設けられている。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１７が接続されている。また水素濃度計１５は、連続的な測定を可能とすべく、測定ガスと標準ガスの熱伝導率の差に基づいて水素濃度を検出する熱伝導式のものを使用している。温度計１３、酸素濃度計１４、および水素濃度計１５は、熱処理炉１０の上部に設けられているが、これら温度計１３、酸素濃度計１４、および水素濃度計１５の設置位置は特に限定されるものではない

（加熱装置）
加熱装置１２は、炉内１０ａを加熱するヒータ１２ａを有している。ヒータ１２ａは、水平方向に間隔をあけて一対が炉内１０ａの上部に配置されている。ヒータ１２ａとしては例えばラジアントチューブヒーター等が用いられるが、これに限定されるものではない。

（ガス供給装置）
ガス供給装置２０は、浸炭ガスが流通する浸炭ガス系統２１と、キャリアガスが流通するキャリアガス系統２２と、アンモニアガスが流通するアンモニアガス系統２３と、これらの系統２１、２２、２３を流通する各ガスを炉内１０ａに供給する供給系統２４とを有している。さらにガス供給装置２０は、浸炭ガス系統２１に接続された炭化水素供給源２５と、キャリアガス系統２２に接続された窒素供給源２６およびガス混合器２７と、アンモニアガス系統２３に接続されたアンモニア供給源２８とを有している。ここで本実施形態では真空浸炭と同様にダイレクトな浸炭を常圧下で行うため、「エンリッチガス」ではなく「浸炭ガス」との用語を用いている。

（炭化水素供給源）
炭化水素供給源２５は、浸炭ガスとして、鎖式不飽和炭化水素を含む炭化水含有ガスを発生する。炭化水含有ガス中の鎖式不飽和炭化水素としてはアセチレンが例示される。アセチレン以外にも、プロピン（ＣＨ３Ｃ≡ＣＨ）や１−ブチン（ＣＨ３ＣＨ２Ｃ≡ＣＨ）等の三重結合を有するその他の鎖式不飽和炭化水素を使用するようにしてもよいし、例えばエチレン（Ｈ２Ｃ＝ＣＨ２）やブタジエン（ＣＨ２＝ＣＨ−ＣＨ＝ＣＨ２）等の二重結合を有するその他の鎖式不飽和炭化水素を使用するようにしてもよい。複数種類の鎖式不飽和炭化水素を混合してもよい。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、鎖式不飽和炭化水素としてアセチレンを使用することが好ましい。炭化水素含有ガスには、鎖式不飽和炭化水素以外の不純物が含まれていてもよいが、この不純物は少ない方が好ましい。したがって例えば鎖式不飽和炭化水素がアセチレンである場合、炭化水素供給源２５ではアセトンやジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等の溶剤を使用して炭化水素含有ガスを生成するものではないことが好ましい。

（浸炭ガス系統）
図１に示すように浸炭ガス系統２１は、炭化水素供給源２５に接続された供給配管２１ａと、供給配管２１ａに設けられた開閉弁２１ｂおよび流量計２１ｃとを有している。供給配管２１ａには炭化水素供給源２５に接続されて炭化水素供給源２５からの浸炭ガスが流通する。開閉弁２１ｂは電磁弁であって、供給配管２１ａの途中に設けられている。開閉弁２１ｂによって流路の開閉とともに浸炭ガスの流量の調整が行なわれる。流量計２１ｃは開閉弁２１ｂの下流側で供給配管２１ａに設けられて供給配管２１ａを流通する浸炭ガスの流量を計測する。なお開閉弁２１ｂは流路の開閉のみを行い、開閉弁２１ｂとは別に浸炭ガスの流量を調整する流量調整弁（不図示）を設け、流量計２１ｃの数値を確認しながら手動で浸炭ガスの流量調整を行ってもよい。

（供給系統）
供給系統２４は、浸炭ガス系統２１における供給配管２１ａに接続された接続部４０と、接続部４０から二俣に分岐する第一分岐部４１と第二分岐部４２とを有している。接続部４０には、第一分岐部４１および第二分岐部４２が接続部４０から分岐する手前（上流側）でミキサー５０が設けられている。ミキサー５０は、上流から流れてきた各種ガスを混合する機能を有する。第一分岐部４１の先端には第一ガス供給ノズル４３が、第二分岐部４２の先端には第二ガス供給ノズル４４が設けられている。第一ガス供給ノズル４３は熱処理炉１０の上部に設けられている。本実施形態では炉内１０ａの幅方向（図１の紙面に向かって左右方向）の中央から一方側に寄った位置に第一ガス供給ノズルが設けられている。第一ガス供給ノズル４３は熱処理炉１０の炉内１０ａに開口する第一供給口４３ａを有している。第二ガス供給ノズル４４は熱処理炉１０の下部に設けられている。本実施形態では炉内１０ａの幅方向の中央の位置に第二ガス供給ノズル４４が設けられている。この第二ガス供給ノズル４４は熱処理炉１０ａの炉内１０ａに開口する第二供給口（第二撹拌部）４４ａを有している。第一供給口４３ａからは、浸炭ガス系統２１からの浸炭ガスが上下方向（第一の方向）に下方に向けて噴出（または流出）させられる。また第二噴出口４４ａからは、浸炭ガス系統２１からの浸炭ガスが上方に向けて噴出（または流出）させられる。

第一分岐部４１および第二分岐部４２には、それぞれ開閉弁４１ａ、４２ａおよび流量計４１ｂ、４２ｂが設けられている。これら開閉弁４１ａ、４２ａは電磁弁であって、第一分岐部４１および第二分岐部４２を流通するガスの流量を調整することで、第一分岐部４１と第二分岐部４２とを流れるガスの流量の比率を調整可能となっている。第一分岐部４１と第二分岐部４２とのうちのいずれか一方のみに開閉弁４１ａ、４２ａを設けてもよい。また、開閉弁４１ａ、４２ａでは流路の開閉のみを行い、開閉弁４１ａ、４２ａとは別に第一分岐部４１および第二分岐部４２を流通するガスの流量を調整する流量調整弁（不図示）を設け、流量計４１ｂ、４２ｂの数値を確認しながら手動で第一分岐部４１および第二分岐部４２を流通するガスの流量調整を行ってもよい。

（窒素供給源）
窒素供給源２６は、窒素（不活性ガス）を含有する窒素含有ガスを生成する。窒素供給源２６は、本実施形態ではＰＳＡ方式の窒素ガス発生装置であるガス分離装置２６ａを有している。ガス分離装置２６ａは圧力スイング吸着法（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ＰＳＡ）により空気中から窒素を分離して窒素含有ガスを生成する。このため、窒素含有ガスは窒素に加えて窒素以外の不純物として酸素を含んでいる。

（ガス混合器）
ガス混合器２７は、炭化水素供給源２５および窒素供給源２６に接続されて炭化水素供給源２５からの炭化水素含有ガス（鎖式不飽和炭化水素）と、窒素供給源２６からの窒素含有ガスとを混合することでキャリアガスを生成する。キャリアガスは、炉内１０ａの雰囲気のベースガスとなる。キャリアガス中の鎖式不飽和炭化水素の体積は、例えばキャリアガス中の窒素含有ガスの体積に比べて十分小さく、例えばキャリアガス中の鎖式不飽和炭化水素の体積は、キャリアガス全体の体積に対して０．１％以上３．０％以下であるとよい。

ここで水（水蒸気）は、炉内１０ａで分解して水素と共に酸素を生成し得るが、鎖式不飽和炭化水素としてアセチレンをキャリアガスに混合することで、次の（１）式のようにアセチレンと水を反応させることによって炉内１０ａの水分濃度を減少させるようになっている。
Ｃ_２Ｈ_２＋２Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）

また、炉内１０ａの酸素はワーク１００の表面に優先的に吸着するため、酸素過多が浸炭を阻害する要因となるが、次の（２）式のようにアセチレンを酸素と反応させて一酸化炭素および水素を生成する。よってキャリアガスへのアセチレンの混合量を調整することで、炉内１０ａの酸素濃度をコントロールするようになっている。
Ｃ_２Ｈ_２＋Ｏ_２→２ＣＯ＋Ｈ_２ ・・・（２）

（キャリアガス系統）
キャリアガス系統２２は、第一端がガス混合器２７に接続されて第二端が供給系統２４の接続部４０にミキサー５０の上流側で接続された供給配管２２ａと、供給配管２２ａに設けられた開閉弁２２ｂおよび流量計２２ｃとを有している。供給配管２２ａにはガス混合器２７で生成されたキャリアガスが流通する。キャリアガスは供給系統２４の接続部４０から第一分岐部４１および第二分岐部４２を通じて炉内１０ａに供給される。開閉弁２２ｂは電磁弁であって、供給配管２２ａの途中に設けられている。開閉弁２２ｂによって流路の開閉とともにキャリアガスの流量の調整が行なわれる。流量計２２ｃは開閉弁２２ｂの下流側で供給配管２２ａに設けられて供給配管２２ａを流通するキャリアガスの流量を計測する。なお開閉弁２２ｂは流路の開閉のみを行い、開閉弁２２ｂとは別にキャリアガスの流量を調整する流量調整弁（不図示）を設け、流量計２２ｃの数値を確認しながら手動でキャリアガスの流量調整を行ってもよい。

（アンモニア供給源）
アンモニア供給源２８は、アンモニアを収容した容器（不図示）を有し、アンモニアを炉内１０ａに供給可能とする。

（アンモニアガス系統）
アンモニアガス系統２３は、第一端がアンモニア供給源２８に接続されて第二端が供給系統２４の接続部４０にミキサー５０の上流側で接続された供給配管２３ａと、供給配管２３ａに設けられた開閉弁２３ｂおよび流量計２３ｃとを有している。供給配管２３ａにはアンモニア供給源２８からのアンモニアガスが流通する。アンモニアガスは供給系統２４の接続部４０から第一分岐部４１および第二分岐部４２を通じて炉内１０ａに供給される。開閉弁２３ｂは電磁弁であって、供給配管２３ａの途中に設けられている。開閉弁２３ｂによってアンモニアガスの流量の調整が行われる。流量計２３ｃは開閉弁２３ｂの下流側で供給配管２３ａに設けられて供給配管２３ａを流通するアンモニアガスの流量を計測する。なお、開閉弁２３ｂは流路の開閉のみを行い、開閉弁２３ｂとは別にアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁（不図示）を設け、流量計２３ｃの数値を確認しながら手動でアンモニアガスの流量調整を行ってもよい。

アンモニアガス系統２３およびアンモニア供給源２８は必ずしも設けられなくともよいが、アンモニアガス系統２３からのアンモニアガスが浸炭ガスに少量添加されることで炉内１０ａに煤が発生する「スーティング」を抑制することが可能となっている。

ここで図示は省略するが、浸硫浸炭および浸硫浸炭窒化を行うため、ガス供給装置２０はさらに、炉内１０ａに硫化水素ガスを供給する硫化水素供給源および硫化水素ガス供給系統を有していてもよい。

（第一撹拌部）
図２に示すように第一撹拌部１６は、炉内１０の天井面１０ｘ（図１参照）に設けられ、炉内１０ａの雰囲気ガスを撹拌する例えば遠心ファン等を有する。第一撹拌部１６は、本実施形態では炉内１０ａの上部であって炉内１０ａにおける水平方向の中央部に配置されている。第一撹拌部１６は、炉心側（炉内１０ａにおける水平方向の中央側）から炉内１０ａのガスを吸引し、その炉内１０ａのガスが炉内１０ａの内周壁の面方向に沿って下方へ流れるように、炉内１０ａのガスを炉内１０ａの天井面において、水平方向となる面方向に放射状に拡散させる。なお、第一撹拌部１６の設置位置は特に限定されるものではなく、例えば炉内１０ａの床面１０ｙ（図１参照）に設けられ、床面１０ｙの面方向に放射状にガスを拡散させてもよい。第一撹拌部１６が床面１０ｙに設けられる場合、第一供給口４３ａからはガスが上方に向けて噴出（または流出）させられ、第二供給口４４ａからはガスが下方に向けて噴出（または流出）させられる。
（制御装置）
制御装置３０は、プロセッサ等を有するコンピュータである。制御装置３０は、浸炭ガス系統２１、キャリアガス系統２２、アンモニアガス系統２３、および供給系統２４に設けられた各開閉弁２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、４１ａ、４２ａの制御を行うことで所定のタイミングで炉内１０ａへ各種ガスを供給するとともに、炉内１０ａへ供給する各種ガスの流量を調整する。さらに制御装置３０は酸素濃度計１４の信号出力に基づき、ガス混合器２７においてキャリアガスに混合する鎖式不飽和炭化水素の量を調整する。また制御装置３０は、水素濃度計１５の信号出力に基づき、浸炭ガス系統２１の開閉弁２１ｂを制御して炉内１０ａへの浸炭ガスの供給量を調整する。測定した炉内１０ａの温度、酸素濃度、および水素濃度は、必要に応じて外部の機器に出力され記録される。

さらに制御装置３０は、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。

また制御装置３０は、窒素供給源２６で生成される窒素含有ガス全体に対する窒素含有ガス中の窒素の体積パーセントが９９．００％以上９９．９９％以下となるように窒素供給源２６を制御する。窒素供給源２６で生成される窒素含有ガス中の窒素の体積パーセントは不図示のセンサで検知され、制御装置３０で制御されるようになっている。もしくは、制御装置３０は、窒素供給源２６で生成される窒素含有ガス全体に対する窒素含有ガス中の酸素の体積パーセントが０．０１０％以上１．００％以下となるように窒素供給源２６を制御する。窒素供給源２６で生成される窒素含有ガス中の酸素の体積パーセントは不図示のセンサで検知され、制御装置３０で制御されるようになっている。
（ガス浸炭方法）

次に、本実施形態におけるガス浸炭方法の手順について説明する。まず、ワーク１００を炉内１０ａに搬入して配置する工程を実行する。ワーク１００は、熱処理炉１０に隣接して設けられた不図示の前室内に予め収容されており、不図示の搬送装置によって炉内１０ａに搬送される。ワーク１００が炉内１０ａに配置されたら、炉内１０ａ内に存在する空気等のガスをパージする工程を実行する。この工程では、炉内１０ａのガスを吸い出すことで炉内１０ａを減圧して真空状態とする。ここでいう「真空状態」とは必ずしも完全に真空な状態を示すものではなく、圧力が１００〔Ｐａ〕以上の真空度が「低真空」程度の状態であってもよい。酸素濃度計１４の数値を確認することで真空状態の確認を行ってもよいし、不図示の圧力計で炉内１０ａの圧力を確認することで真空状態の確認を行ってもよい。

その後、炉内１０ａにキャリアガスを供給する工程を実行する。すなわち、制御装置３０によってキャリアガス系統２２の開閉弁２２ｂを開放し、第一分岐部４１の開閉弁４１ａおよび第二分岐部４２の開閉弁４２ａを開放し、他の開閉弁２１ｂ、２３ｂは閉塞することで、第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａから炉内１０ａにキャリアガスを供給する。キャリアガスの供給流量は、特に限定されるものではなく、炉内１０ａの容積やワーク１００の表面積、ワーク１００に必要な硬化深さ等に応じて適宜に設定すればよい。キャリアガスの供給が開始されると、炉内１０ａは真空状態から常圧下の状態となる。

炉内１０ａにキャリアガスを供給する際、制御装置３０は、第一分岐部４１を流通するガスの体積流量の方が第二分岐部４２を流通するガスの体積流量よりも大きくなるように第一分岐部４１の開閉弁４１ａ、および第二分岐部４２の開閉弁４２ａを制御する。よって第一供給口４３ａから下方に向かって炉内１０ａに噴出（または流出）させられるキャリアガスの体積流量の方が、第二供給口４４ａから上方に向かって炉内１０ａに（または流出）させられるキャリアガスの体積流量よりも大きくなる。本実施形態では第一分岐部４１を流通するキャリアガスと、第二分岐部４２を流通するキャリアガスの体積流量の比は例えば７：３となるように開閉弁４１ａ、４２ａが制御されるとよいが、この数値に限定されるものではない。

キャリアガスの炉内１０ａへの供給によって、炉内１０ａにキャリアガスが充填されると、酸素濃度計１４の検出する炉内１０ａの酸素濃度の変化が止まる。炉内１０ａの酸素濃度が所定値よりも高い場合、制御装置３０によって窒素含有ガスへ混合する鎖式不飽和炭化水素の量を増加させることで炉内１０ａの酸素濃度を所定値となるように調整する。または、炉内１０ａの酸素濃度が所定値よりも低い場合、制御装置３０によって窒素含有ガスへ混合する鎖式不飽和炭化水素の量を減少させることで炉内１０ａの酸素濃度を所定値となるように調整する。

炉内１０ａの酸素濃度が一定となったら、炉内１０ａを加熱する工程を実行する。すなわち制御装置３０が加熱装置１２を制御して、予め設定された浸炭温度までヒータ１２ａによって炉内１０ａを昇温する。その後炉内１０ａが浸炭温度（浸炭に適した温度）となったら、制御装置３０は炉内１０ａを浸炭温度に保持するように加熱装置１２を制御する。炉内１０ａを加熱中にも、キャリアガスは継続して炉内１０ａに供給される。

そして炉内１０ａの温度が一定となった後に予め設定された時間が経過したならば、浸炭ガスを供給する工程を実行する。この工程では浸炭ガス系統２１の開閉弁２１ｂを制御して炉内１０ａへの浸炭ガスの供給を開始する。キャリアガスが炉内１０ａに供給されている状態で、浸炭ガスはキャリアガスとともに炉内１０ａへ供給される。

制御装置３０によって浸炭ガス系統２１の開閉弁２１ｂを開放する。第一分岐部４１の開閉弁４１ａおよび第二分岐部４２の開閉弁４２ａの開度はキャリアガスが供給されている状態のまま維持される。これにより、浸炭ガスをキャリアガスと同じ体積比率で第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａの両方から常圧下の炉内１０ａに供給される。すなわち本実施形態では、第一噴出口４３ａから下方に向かって炉内１０ａに供給される浸炭ガスの体積流量の方が、第二噴出口４４ａから上方に向かって炉内１０ａに供給される浸炭ガスの体積流量よりも大きくなる。浸炭ガスを炉内１０ａに供給している間に、制御装置３０によってアンモニアガス系統２３の開閉弁２３ａを開放し、アンモニアガスを浸炭ガスとともに炉内１０ａに供給してもよい。

（作用効果）
以上説明した本実施形態のガス浸炭装置１およびガス浸炭方法によれば、まずキャリアガスが第一供給口４３ａから上下方向の下方に向けて炉内１０ａのワーク１００へ向かって供給されるとともに、第一撹拌部１６によって、炉内１０ａの天井面１０ｘの面方向に沿って、放射状（図２における幅方向外側）に向かって案内される（矢印Ｐ参照）。天井面１０ｘに沿って拡散するキャリアガスは、その後、炉内１０ａの側壁（内壁）にぶつかり、側壁に沿って下方へ流通する（矢印Ｑ参照）。本実施形態では、この側壁に沿って形成される環状の下降流を「内壁流Ｑ」と定義する。炉内１０ａの側壁に沿って下側へ流通するキャリアガスは、炉内１０ａの床面１０ｙにぶつかって、床面１０ｙの面方向の中央側（図２における幅方向中央側）に向かって案内される（矢印Ｒ参照）。これと同時に、本実施形態では、炉内１０ａの床面１０ｙの中央近傍において、第二供給口４４ａからキャリアガスが上方に向けて炉内１０ａのワーク１００に向かって供給されるので、炉内１０ａにおいて、床面１０ｙの中央近傍から、新たなキャリアガスによる上昇流が形成される（矢印Ｕ参照）。この上昇流は、幅方向外側の内壁流Ｑの間（内部）に形成される逆方向の流れであり、本実施形態では、これを「中央流Ｕ」と定義する。この結果、内壁流Ｑを経て、床面１０ｙの周縁付近から中央に向かって移動するキャリアガス（矢印Ｒ参照）も、この上昇流である中央流Ｕにつられるようにして、上方へ押し戻される（矢印Ｔ参照）。この結果、炉内１０ａ全体としては、キャリアガスを対流させることができる。なお、ここでは特に図示しないが、炉内１０ａの床面１０ｙの中央に、第二撹拌部が第二供給口４４ａに加えて上昇気流を形成する軸流ファンを有することで、第二供給口４４ａからキャリアガスを、強制的に上昇させることも好ましい。ここで上記の通り周壁側を下降流（矢印Ｑ）、中央側を上昇流（矢印Ｕ）としたが、周壁側を上昇流、中央側を下降流としても良い。また、図２の状態を右回りに９０度回転させて、水平方向を基準とし、上下方向の中央において、左から右に向かって中央流、右から左に向かって周辺流を形成するように、対流させることができる。

ここで仮に、図３に示すように第二供給口４４ａを設けず、単に第一供給口４３ａから下方のみに向けてワーク１００に向かってキャリアガスを供給して第一撹拌部１６によってガスを対流させようとした場合には、炉内１０ａの床面１０ｙにおいて、キャリアガスを幅方向中央で滞留させるだけであり、上方に向けて押し戻すことができない。結果、炉内１０ａの中心領域Ｃのワーク１００に、キャリアガスを十分に行き届かせることが難しい。

またワーク１００の上方および下方へ向けて同じ体積流量でキャリアガスを供給する場合には炉内１０ａの、周壁に沿って下降するキャリアガスの内壁流Ｑと、中央を上昇するキャリアガスの中央流Ｕとが直接衝突してガスの流れを淀ませる可能性があるが、本実施形態では、キャリアガスの上昇気流側の流量（第二供給口４４ａから供給されるガスの流量）を小さくしているので、このような状態となることを回避でき、炉内１０ａでキャリアガスが渦を巻くように対流させることが可能となる。

同様に浸炭ガスが上下方向の下方に向けて炉内１０ａのワーク１００へ向かって供給されるとともに、上方に向けて炉内１０ａのワーク１００に向かって供給される。このため、キャリアガスの流れと同様に、図２に示すように下方に向けて供給される浸炭ガスの流れを上方に向けて押し戻すことができる。この結果、炉内１０ａで浸炭ガスも対流させることができる。そしてワーク１００の下面側にも浸炭ガスが回り込み易くなり、ワーク１００の下面側にも浸炭ガスを十分にいきわたらせることができる。したがってワーク１００へ浸炭ガスをより均一に接触させ、ワーク１００の表面全体に対して浸炭を行うことができ、安定した品質を確保することができる。

またキャリアガスと同様に、仮にワーク１００の上方、および下方から同じ体積流量で浸炭ガスを供給した場合、図３に示すように炉内１０ａで浸炭ガスの流れが淀んでしまい、炉内１０ａでの浸炭ガスの対流が不十分となる可能性がある。しかし本実施形態では第一供給口４３ａから下方に向けて供給される浸炭ガスの体積流量の方が、第二供給口４４ａから上方に向けて供給される浸炭ガスの体積流量よりも大きいことで、炉内１０ａで浸炭ガスが渦を巻くように対流させることが可能となり、ワーク１００の下面にも確実に浸炭ガスをいきわたらせることが可能となる。

そして本実施形態では、まずキャリアガスが炉内１０ａで対流している雰囲気下でさらに浸炭ガスを炉内１０ａに供給する。このため、浸炭ガスを炉内１０ａで対流させ易くなり、ワーク１００へ浸炭ガスをさらに均一に接触させることができる。

またキャリアガスに使用する窒素含有ガスが窒素と酸素とを含んでおり、窒素含有ガス中の窒素の体積パーセントが９９．００％以上９９．９９％以下となるように窒素供給源２６が制御される。もしくは、窒素含有ガス中の酸素の体積パーセントが０．１０％以上１．００％以下となるように窒素供給源２６が制御される。このため炉内１０ａに浸炭ガスが供給されると、炉内１０ａでキャリアガス中の酸素と浸炭ガス中の炭素とが反応し、炉内１０ａの炭素が過多とならないようにできる。したがって浸炭を行う際に、炭素過多に起因する煤が炉内１０ａやワーク１００に付着する「スーティング」の発生を抑制できる。特に本実施形態では浸炭ガス中の窒素含有ガスがＰＳＡ方式の窒素ガス発生装置を用いて生成されるため、窒素含有ガス中の窒素の純度、すなわち窒素含有ガス中の酸素濃度の制御が容易である。

さらに、ワーク１００を炉内１０ａに設置した後に、炉内１０ａをパージする工程を実行するため、ワーク１００を炉内１０ａに設置する際に混入したり、炉内１０ａに残留していたりするガスが浸炭に悪影響を及ぼしてしまうことを回避できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば上記の実施形態では浸炭ガスは第一分岐部４１と第二分岐部４２とから炉内１０ａに供給される。しかし、少なくとも互いに対向する二か所から浸炭ガスが炉内１０ａに供給されればよく、例えば水平方向の両側（図１の紙面の奥行方向の両側、または図１の紙面に向かって左右方向の両側）から浸炭ガスを供給するように第一分岐部４１および第二分岐部４２を設けてもよい。また上記の場合とは逆に第一供給口４３ａから下方に向けて供給するガスの体積流量よりも、第二供給口４４ａから上方に向けて供給するガスの体積流量を大きくしてもよい。

また、キャリアガスおよび浸炭ガスのうちの一方のガスを、第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａの両方から炉内１０ａへ供給するようにしてもよい。例えば、キャリアガスのみを第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａの両方から炉内１０ａへ供給する場合、第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａとは別の浸炭ガス用の供給口（不図示）を設けておく。そして第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａからキャリアガスを炉内１０ａへ供給することであらかじめ炉内１０ａでキャリアガスが対流している状態で、上記の浸炭ガス用の供給口から炉内１０ａへ浸炭ガスを供給する。これにより浸炭ガスは、対流するキャリアガスの流れに乗って炉内１０ａで対流し、ワーク１００へ浸炭ガスを均一に接触させることができる。また、浸炭ガスのみを第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａの両方から炉内１０ａへ供給する場合、第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａとは別のキャリアガス用の供給口（不図示）を設けておく。そしてキャリアガス用の供給口を通じてキャリアガスを炉内１０ａへ供給することであらかじめ炉内１０ａをキャリアガスで満たした状態で、第一供給口４３ａおよび第二供給口４４ａから炉内１０ａへ浸炭ガスを供給する。これにより浸炭ガスは炉内１０ａで対流し、ワーク１００へ浸炭ガスを均一に接触させることができる。

炉内１０ａ内に存在する空気等のガスをパージする工程は必ずしも実行しなくともよく、キャリアガスを炉内１０ａに供給することで、炉内１０ａの残留ガス（不純物）を追い出すようにしてもよい。

ここでワーク１００を炉内１０ａに配置する前に、キャリアガスを炉内１０ａへ供給し始めてもよい。この場合、炉内１０ａ内に存在する空気等のガスをパージする工程は実行しなくともよい。

第二撹拌部は第二供給口４４ａを有さず、上記の軸流ファンのみを有していてもよい。

また炉内１０ａが負圧となって外気（空気）が炉内に吸い込まれないように、炉内１０ａの圧力を常圧（大気圧）よりも若干高い圧力として浸炭を行うようにしてもよい。常圧よりも若干高い圧力とは、常圧の＋１０％の圧力であるとよく、常圧の＋５％の圧力であるとより好ましく、常圧の＋１％の圧力であるとさらに好ましい。

また、ガス混合器２７は必ずしも設けられなくともよい。すなわちキャリアガスとして窒素供給源２６からの窒素含有ガスをそのまま用いてもよい。

また、窒素供給源２６では圧力スイング吸着法ではない方法を用いて窒素含有ガスを供給してもよい。例えば窒素ガスボンベと酸素ガスボンベとを用いて窒素含有ガスを生成して、供給してもよい。

また図４に示すようにガス浸炭装置１Ａでは、第一ガス供給ノズル４３は、炉内１０ａの上部において炉内１０ａの幅方向に間隔をあけて炉内１０ａの幅方向の中央を基準にして対称な位置に一対が設けられていてもよい。この場合、よりスムーズに炉内１０ａでガスの対流を生じさせることができ、ワーク１００へ浸炭ガスを均一に接触させ、ワーク１００の表面全体に対して浸炭を行うことができ、安定した品質を確保することができる。

本発明のガス浸炭方法およびガス浸炭装置によれば、熱処理炉内のワークへ浸炭ガスをより均一に接触させ、安定した品質を確保可能である。

１、１Ａ ガス浸炭装置
１０ 熱処理炉
１２ 加熱装置
１６ 第一撹拌部
２０ ガス供給装置
２１ 浸炭ガス系統
２２ キャリアガス系統
２３ アンモニアガス系統
２４ 供給系統
２５ 炭化水素供給源
２６ 窒素供給源
２７ ガス混合器
３０ 制御装置
４３ａ 第一供給口
４４ａ 第二供給口（第二撹拌部）
１００ ワーク

Claims (18)

1. 常圧下の熱処理炉内にワークを配置する工程と
   前記熱処理炉内にキャリアガスを供給する工程と、
   前記ワークが配置された前記熱処理炉内を加熱する工程と、
   加熱後の前記熱処理炉内に浸炭ガスを供給して前記ワークに対して浸炭を行う工程と、
   を含み、
   前記浸炭を行う工程では、
   前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスにより、
   前記熱処理炉内の内壁近傍に沿って第一の方向の一方に流れる内壁流を形成すると共に、前記熱処理炉内の中央近傍において、前記第一の方向の他方に流れる中央流を形成するガス浸炭方法。
2. 前記浸炭を行う工程では、前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを、前記熱処理炉内における天井面または床面において、前記第一の方向としての上下方向に交差する面方向放射状に拡散させることで、前記内壁流を形成する請求項１に記載のガス浸炭方法。
3. 前記熱処理炉内には、
   前記内壁流に対して前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを供給する第一供給口、及び、前記中央流に対して前記少なくとも一方のガスを供給する第二供給口が形成されており、
   前記浸炭を行う工程では、前記第一供給口から供給されるガスの体積流量が、前記第二供給口から供給されるガスの体積流量よりも大きい請求項１または２に記載のガス浸炭方法。
4. 前記キャリアガスとして、窒素および酸素を含む窒素含有ガス、または、前記窒素含有ガスと鎖式不飽和炭化水素とを混合した混合ガスを使用する請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
5. 前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素ガス中の前記窒素の体積パーセントを、９９．００％以上９９．９９％以下とする請求項４に記載のガス浸炭方法。
6. 前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素含有ガス中の前記酸素の体積パーセントを、０．０１０％以上１．００％以下とする請求項４に記載のガス浸炭方法。
7. 前記窒素含有ガスを、圧力スイング吸着法により空気から分離することで生成する請求項５または６に記載のガス浸炭方法。
8. 前記熱処理炉内に前記ワークを配置した後であって、前記キャリアガスを供給する前に、前記熱処理炉内のガスをパージする工程をさらに含む請求項１〜７のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
9. 前記熱処理炉内を前記常圧より大きい圧力下で、前記ワークに対して浸炭を行う請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
10. 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、
    キャリアガスおよび浸炭ガスを前記熱処理炉内に供給するガス供給装置と、
    前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスにより、前記熱処理炉内の内壁近傍に沿って第一の方向の一方に流れる内壁流を形成する第一撹拌部と、
    前記少なくとも一方のガスにより、前記熱処理炉内の中央近傍において、前記第一の方向の他方に流れる中央流を形成する第二撹拌部と、
    を備えるガス浸炭装置。
11. 前記第一撹拌部は、前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを、前記熱処理炉内における天井面または床面において、前記第一の方向としての上下方向に交差する面方向放射状に拡散させるファンを有する請求項１０に記載のガス浸炭装置。
12. 前記ガス供給装置は、
    前記熱処理炉に設けられ、前記熱処理炉内の前記内壁流に対して前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを供給する第一供給口をさらに有する請求項１０または１１に記載のガス浸炭装置。
13. 前記第二撹拌部は、前記ガス供給装置に設けられ、前記熱処理炉内の前記中央流に対して前記キャリアガスおよび前記浸炭ガスの少なくとも一方のガスを供給する第二供給口を有する請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のガス浸炭装置。
14. 前記ガス供給装置は、前記キャリアガスとして、窒素および酸素を含む窒素含有ガスを、前記熱処理炉内に供給可能とする窒素供給源を有する請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のガス浸炭装置。
15. 前記ガス供給装置は、
    鎖式不飽和炭化水素を供給する炭化水素供給源と、
    窒素および酸素を含む窒素含有ガスを供給する窒素供給源と、
    前記鎖式不飽和炭化水素と前記窒素含有ガスとを混合することで生成した混合ガスを前記キャリアガスとして、前記熱処理炉内に供給可能とするガス混合器と、
    を有する請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のガス浸炭装置。
16. 前記窒素供給源は、前記窒素含有ガスとして、前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素含有ガス中の前記窒素の体積パーセントが９９．００％以上９９．９９％以下のガスを、前記熱処理炉内に供給可能とする請求項１４または１５に記載のガス浸炭装置。
17. 前記窒素供給源は、前記窒素含有ガスとして、前記窒素含有ガス全体に対する前記窒素含有ガス中の前記酸素の体積パーセントが０．０１０％以上１．００％以下のガスを、前記熱処理炉内に供給可能とする請求項１４または１５に記載のガス浸炭装置。
18. 前記窒素供給源は、圧力スイング吸着法により空気から前記窒素含有ガスを分離して、前記窒素含有ガスを前記熱処理炉内に供給可能とするガス分離装置を有する請求項１６または１７に記載のガス浸炭装置。

Images