JP4569181B2

JP4569181B2 - 真空浸炭方法

Info

Publication number: JP4569181B2
Application number: JP2004172827A
Authority: JP
Inventors: 仁一郎高橋; 清根橋; 健吾石毛
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP2005350729A

Description

本発明は、セメンタイトの発生・残存を低減する真空浸炭方法に関する。

浸炭（ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ）とは、鋼材の表面に炭素を拡散浸透させる処理をいう。通常、浸炭後、焼入れを行って表面を硬化させ、耐摩耗性の高い表面と靭性に富む心部からなる部品を作製する。
浸炭処理のうちガス浸炭は、天然ガス、プロパン、ブタンなどを変成してＣＯを主体とする浸炭性ガスを作り、これによって鋼材に浸炭を行うものである。さらに、ガス浸炭の一種として、浸炭処理を減圧下で行う真空浸炭が知られている。

ガス浸炭では、カーボンポテンシャルのフィードバック制御がなされているのにそこで真空浸炭において、浸炭ガス供給量を制御する手段として、例えば特許文献１が提案されている。
特許文献１の「真空浸炭法」は、浸炭開始時に所定量の炭化水素系ガスを一定時間送入し、その後の浸炭期における炭化水素系ガスの送入量を漸減させて浸炭するものである。具体的には、レーザー透過量に基づき送入量を変化させることが例示されている。

特開２００１−８１５４３号公報、「真空浸炭法」

浸炭処理での必要ガス量は、要求される浸炭深さと表面炭素濃度の条件より、材料の内部拡散に基づいた計算で算出することができる。

しかし、浸炭ガス供給量を計算で求めた理論計算値とすると、実際には浸炭に寄与しないガスがあるため、浸炭不足が生じる。また逆に過剰に供給すると、炉内のスーティングが避けられず煤の付着により被処理材の光沢が損なわれる問題がある。
さらに、通常の浸炭処理では、浸炭工程後に拡散処理が行われるが、拡散処理後に被処理材の突起部等にセメンタイトが残存しやすい問題点がある。かかるセメンタイトは、硬いが脆いため、被処理材の品質を損なう結果となる。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、浸炭ガス供給量を必要量に対して適正化して、浸炭ガスの無駄を減らし、処理コストを下げることができ、炉内のスーティングを防止して被処理材の光沢を保持でき、かつセメンタイトの発生・残存を低減して被処理材の品質を高めることができる真空浸炭方法を提供することにある。

本発明によれば、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）を、浸炭深さと表面炭素濃度より、材料の内部拡散に基づいて算出し、
浸炭工程の浸炭前期において、投入されたガスが浸炭に寄与するガス効率φを１．２〜２．０に設定し、前記理論流量Ｖよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量Ｖ１として前記理論流量Ｖにガス効率φを乗じたガス量を供給し、
浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記ガス効率φを０．５〜０．８に設定し、前記理論流量Ｖよりも少ない拡散時流量Ｖ２として前記理論流量Ｖにガス効率φを乗じたガス量を供給する、ことを特徴とする真空浸炭方法が提供される。

この構成によれば、浸炭工程の浸炭前期において、理論流量Ｖよりは十分多いが、スーティングの発生しない浸炭時流量Ｖ１を供給するので、浸炭ガス供給量を必要量に対して適正化して、浸炭ガスの無駄を減らし、処理コストを下げることができ、炉内のスーティングを防止して被処理材の光沢を保持できる。
また、浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記理論流量Ｖよりも少ない拡散時流量Ｖ２を供給するので、浸炭前期終了時に突起部等の炭素濃度が高い場合でも、表面からの炭素の供給を抑え、内部への拡散を促進できるので、セメンタイトの発生・残存を低減して被処理材の品質を高めることができる。

この構成によれば、浸炭工程の浸炭前期においてガス効率φを１．２以上にするので、浸炭不足を防止することができ、２．０以下にするので炉内のスーティングを避け、かつ浸炭ガスの無駄を減らすことができる。
また、浸炭後期においてガス効率φを０．５〜０．８に設定するので、表面からの炭素の供給を抑え、内部への拡散を促進できる。

上述したように、本発明の真空浸炭方法は、浸炭ガス供給量を必要量に対して適正化して、浸炭ガスの無駄を減らし、処理コストを下げることができ、炉内のスーティングを防止して被処理材の光沢を保持でき、かつセメンタイトの発生・残存を低減して被処理材の品質を高めることができる等の優れた効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の原理説明図である。この図において、（Ａ）は被処理材の平面部、（Ｂ）はコーナー部を模式的に示している。
図１（Ａ）に示すように、浸炭処理とは、鋼材表面から炭素を供給又は投入し、固体拡散により内部へ炭素を浸透・拡散させる処理である。特に真空浸炭では浸炭ガスと鋼とが直接反応することによって、表面に炭素が供給される。従って浸炭ガスの供給時間が長くなると、表面付近での炭素濃度が高くなり、次の拡散工程で処理品の形状による炭素濃度のばらつきが生じることがある。

すなわち図１（Ａ）に比較して図１（Ｂ）のコーナー部や凸部では、内部への拡散する面積（体積）が少なく、供給される炭素量に対して拡散速度が遅くなる。この結果コーナー部あるいは凸部は表面部の炭素濃度が平面部と比べて低下せず、炭化物（セメンタイト）すなわち炭化鉄（Ｆｅ_３Ｃ）が残留しやすい傾向がある。

後述するように浸炭工程の後期には表面からの炭素流入量が極端に減少する。従って、この時期にガス供給量を理論値以下としても、浸炭量にはほとんど影響しない。
一方、拡散速度は主として温度に依存するので、表面からの炭素供給量が減少することで、鋼材内部への炭素拡散を促進することができる。
従って、図１（Ｂ）のように、処理品表面に炭素濃度差が生じている箇所では、拡散工程においてガス供給量を理論値以下とすることにより、高濃度箇所から低濃度箇所への炭素拡散が進むことになる。これにより被処理品の各部位間の炭素濃度を平準化することができる。

次に、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）の求め方を説明する。
浸炭処理における被処理材の内部への拡散速度は、Ｆｉｃｋの第２法則から数１の式（１）で、炭素の拡散係数は式（２）で示される。ここで、Ｃは濃度、ｘは表面からの距離、Ｄは拡散係数[ｍ^２／ｓ]、Ｄ_０は頻度因子[ｍ^２／ｓ]、Ｑは活性化エネルギー[ｋＪ／ｍｏｌ]、Ｒはガス定数[ｋＪ／ｄｅｇｍｏｌｅ]、Ｔは温度[Ｋ]である。

初期条件をＣ＝Ｃ_０（Ｃ_０は母材炭素濃度）とし、浸炭時の表面においてＣ＝Ｃ_ｓ（Ｃ_ｓは表面炭素濃度）とすることにより、式（１）（２）から浸炭温度Ｔにおける距離ｘ、時間ｔと炭素濃度Ｃの関係を求めることができる。
これから必要な浸炭深さ及び炭素濃度と表面炭素濃度より、浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）を算出することができる。

図２は、本発明の方法を実施する浸炭処理装置の構成図である。この図において、１は被処理材、２は真空浸炭炉、３は浸炭ガス供給ライン、４は流量調節弁、６は真空浸炭制御装置である。
浸炭ガス供給ライン３は、図示しない浸炭ガス供給源から真空浸炭炉２内まで連通し、所定の浸炭ガス（例えばアセチレン）を供給する。
流量調節弁４は、真空浸炭制御装置６で制御され浸炭ガスの流量を調節する。流量調節弁４は、浸炭ガス量をコントロールする流量計（マスフローコントローラ）であってもよい。
真空浸炭制御装置６は、プログラム制御またはシーケンス制御が可能なＰＣ、プログラム調節計あるいは多点設定器である。

図３は、本発明の方法を示す流量特性図である。この図において、横軸は真空浸炭開始からの経過時間、縦軸は浸炭ガスの供給流量である。なおこの例は５０分間の浸炭工程を行う場合を示している。

図３における細い曲線は、浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）である。この関係は、本発明の方法では、炭素の拡散速度から、予め浸炭深さと表面炭素濃度より、材料の内部拡散に基づいて算出する。

次いで、図中に太い曲線で示すように、本発明の方法では、浸炭工程の浸炭前期において、理論流量Ｖよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量Ｖ１を供給する。具体的には、浸炭工程の浸炭前期において、供給されたガスが浸炭に寄与するガス効率φを、１．２以上、２．０以下に設定するのがよい。
なお、予備実験の結果、ガス効率φが１．０の場合には被処理材に部分的に浸炭不足が生じるが、ガス効率φを１．２以上にすれば浸炭不足を防止することができることが確認されている。
また従来はこのガス効率φは２〜３で使用されているが、２．０以下において炉内のスーティングを避けることができる。

次いで、浸炭前期に引続く浸炭後期において、本発明の方法では、理論流量Ｖよりも少ない拡散時流量Ｖ２を供給する。具体的には、浸炭後期において、ガス効率φを０．５〜０．８に設定するのがよい。
浸炭後期では、拡散速度よりも表面からの炭素の供給を小さくする必要がある。しかし、表面からの炭素の供給を完全の０とすると、表面の炭素濃度が拡散しすぎて不足するおそれがある。
そこで本発明では、浸炭後期においてガス効率φを０．５〜０．８に設定するので、表面からの炭素の供給を抑え、内部への拡散を促進できる。

図３において、破線の直線は、従来の真空浸炭処理における浸炭ガス供給量である。従来の浸炭ガス供給量は、操業実績に基づいた経験値をベースとしていた。この経験値は、浸炭品質の均一性、すなわち有効加熱ゾーン内での処理品の浸炭バラツキ（浸炭深さ、表面炭素濃度などの均一性）が、許容値以内となるように決定している。
図３に示すように、浸炭処理での必要ガス量は、要求される浸炭深さと表面炭素濃度の条件より、材料内部拡散に基づいた計算で算出することができる。この計算値（細線）と経験値に基づいたガス供給量（破線）とを比較すると、浸炭処理期間中では、開始直後は経験値は必要量に対して不足するが、終了前は経験値は必要量に対して過剰である。すなわち、浸炭処理時間のある時点から、必要量に対して過剰なガス量を供給・消費していることになる。
この経験値と計算値との逆転は処理開始後比較的短時間で発生し、処理時間の大半は過剰供給であることがわかる。この過剰供給は結果として浸炭ガスの無駄と高コスト、さらには環境への悪化要因（高負荷）をもたらしていた。

図４は、本発明と従来例とを比較する流量特性図である。この図において、横軸は真空浸炭開始からの経過時間、縦軸は浸炭ガスの供給総流量である。なおこの例は５０分間の浸炭工程を行う場合を示している。
この図から、経験値（破線）に比べ本発明では、浸炭ガスの供給総流量はほぼ半減できることがわかる。

従って、上述した本発明の方法により、従来大量に消費していた浸炭ガスを効率的に供給することにより、以下の効果が得られる。
（１）大幅な浸炭ガス消費量の削減
条件にもよるが、０．８ｍｍ以上の深い浸炭では使用ガス量を半減できる。
（２）浸炭終了時期は材料表面の炭素濃度が高くなっているため炭素侵入量が減る。この発明のガス供給方法はこの時期のガス量を減らすため、材料表面の過剰浸炭（これにより浸炭層に悪影響を及ぼすセメンタイトの生成）を防止することができる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、上述の実施例では５０分間の浸炭工程を例示したが、浸炭工程全体、浸炭前期、浸炭後期の処理時間は被処理材に応じて変えることができる。

本発明の原理説明図である。本発明の方法を実施する浸炭処理装置の構成図である。本発明の方法を示す流量特性図である。本発明と従来例とを比較する流量特性図である。

符号の説明

１被処理材、２真空浸炭炉、３浸炭ガス供給ライン、
４流量調節弁、６真空浸炭制御装置

Claims

浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Ｖと浸炭時間ｔとの関係Ｖ＝ｆ（ｔ）を、浸炭深さと表面炭素濃度より、材料の内部拡散に基づいて算出し、
浸炭工程の浸炭前期において、投入されたガスが浸炭に寄与するガス効率φを１．２〜２．０に設定し、前記理論流量Ｖよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量Ｖ１として前記理論流量Ｖにガス効率φを乗じたガス量を供給し、
浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記ガス効率φを０．５〜０．８に設定し、前記理論流量Ｖよりも少ない拡散時流量Ｖ２として前記理論流量Ｖにガス効率φを乗じたガス量を供給する、ことを特徴とする真空浸炭方法。