JP5460263B2 - 浸炭処理方法 - Google Patents
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Description
この液中浸炭法は、ガス浸炭法と比較して浸炭速度、特に、短時間の処理での浸炭速度が高い点で有利である。
(1)ワークの表面を液状物質中で加熱するために、ワーク表面の熱が液状物質によって奪われる。このため、ワークの表面近傍の温度を、浸炭が起こる温度にまで上昇させるためには過大な出力(エネルギーコスト)を必要とする。
また、液中浸炭法においては、加熱された液状物質の相当量が、ワークの表面近傍組織に活性炭素を拡散(浸炭)させることなく、蒸発して系外に放出されてしまう。従って、エネルギーのみでなく、炭素供給源としての液状物質についても効率的に利用することができない。
なお、液状物質の系外への放出を防ぐために、蒸気の冷却回収機構を設けることも考えられるが、その場合には、設備が大掛かりになり、運転コストも増加する。また、ワークの処理装置への設置後に処理浴の密封などの手間の掛かる作業が必要となり、極めて作業効率が悪くなるという問題が生じる。
このような問題を回避するためには、浸炭させたい部分(ワークの一部)のみに液状物質が接触するように、ワークの(部分)形状に合わせた液状物質の収容容器を装着したり、浸炭させたくない部分(ワークの残部)を、液状物質と接触しないよう養生したりすることが考えられる。
しかし、前者の方法では、種々の形状を有するワークに対してシール性(液状物質の密封性)を確保しながら、液状物質の収容容器を装着することはきわめて困難である。
また、浸炭させたくない部分を、液状物質を接触させないように養生する後者の方法もきわめて煩雑である。
しかしながら、種々の形状を有するワークに対して、シール性(液状物質の密封性)を確保しながら、液状物質の収容容器を移動(摺動)させることはきわめて困難である。
本発明の第1の目的は、液中浸炭法と同等程度の浸炭速度が得られ、エネルギーコストが低く、炭素供給源として液状物質を効率的に利用することができ、簡素な設備で作業性良く実施可能な浸炭処理方法を提供することにある。
本発明の第2の目的は、ワークの一部であっても容易かつ確実に浸炭することができる浸炭処理方法を提供することにある。
本発明の第3の目的は、大型のワークであっても容易かつ確実に浸炭することができる浸炭処理方法を提供することにある。
ここに、ワークの被処理面の周囲には、分子密度の高い液体(耐熱性部材に含浸されている炭素含有化合物)が存在するので、液中浸炭法と同等程度の高い浸炭速度が得られる。
また、ワークの被処理面の周囲に存在している液体(耐熱性部材に含浸されている炭素含有化合物)の量は、液中浸炭法において被処理面の周囲に存在する液体(ワークを浸漬する液状物質)の量と比較して格段に少ない。従って、液中浸炭法と比較して十分に小さい出力で、同等程度の浸炭処理を行うことができる。
さらに、耐熱性部材に含浸されている炭素含有化合物は、蒸発によって系外に放出されにくいので、含浸させた炭素含有化合物の殆どを活性炭素の供給源として使用することができる。また、蒸発に伴う炭素含有化合物の損失がきわめて少ないので、例えば、耐熱性部材への炭素含有化合物の供給量を制御することにより、浸炭深さなどを調整することも可能となる。
これらの繊維材料から成形された耐熱性部材は、浸炭処理温度(被処理面の加熱温度)に対して十分な耐熱性を有し、かつ、液状の炭素含有化合物を確実に含浸することができる。
電磁誘導加熱によれば、当該被処理面を迅速に昇温することができるとともに、局所的な加熱を行うことができる。
また、ワークの一部であっても容易かつ確実に浸炭(部分浸炭)することができる。
また、ワークの被処理面に対して加熱手段を相対的に移動させて加熱することにより、大型のワークであっても容易かつ確実に浸炭することができる。
本発明の浸炭処理方法は、炭素含有化合物が含浸されている耐熱性部材を、ワークの被処理面に接触させた状態で、当該被処理面を加熱する工程を含む。
本発明の方法によって処理される「ワーク」としては、従来公知の方法により浸炭処理されている低炭素鋼などの金属を挙げることができる。
本発明で使用可能な「炭素含有化合物」としては、分子中に炭素原子を含み、使用温度(例えば0〜50℃、特に10〜40℃)で液体であれば特に限定されるものではなく、炭素、水素、酸素原子などからなる液状の有機化合物を使用することができる。
炭素含有化合物の具体例としては、容易に入手できることなどの観点から、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール、ガソリン、軽油、重油などの原油精製品、ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサンなどの石油化学製品などを例示することができる。
耐熱性部材を構成する「多孔質材料」としては、炭素多孔質体およびセラミック多孔質体などを挙げることができる。
耐熱性部材をワークの被処理面に接触させる好適な態様としては、当該耐熱性部材によって被処理面を被覆する態様を挙げることができる。
被処理面の加熱温度としては、通常700〜1100℃とされ、好ましくは800〜1100℃、更に好ましくは900〜1100℃とされる。
炭素含有化合物を耐熱性部材に含浸させる方法としては、定量ポンプを用いて炭素含有化合物を滴下したり、スプレー塗布したりする方法を挙げることができる。
耐熱性部材によって炭素含有化合物を含浸保持する本発明の浸炭処理方法では、液中浸炭法のように炭素含有化合物のシール性(収容容器の液密性)を考慮する必要がなく移動加熱を行うことができ、これにより、大型のワークであっても、容易かつ確実に浸炭することができる。
以下、本発明の浸炭処理方法の移動加熱による実施形態について図面を用いて説明する。
図1(1)〜(3)は、棒状ワークの周面を移動加熱により浸炭処理する一形態を模式的に示している。同図において、Wはワーク(被処理物)、Sは被処理面、11は、電磁誘導加熱装置を構成し、被処理面Sを局所的に加熱するリング状のコイル、21は、シート状の耐熱性部材(炭素繊維またはセラミック繊維から成形された不織布)、31は、耐熱性部材21に炭素含有化合物を供給するためのノズルである。
次いで、図1(1)に示すように、ワークWの被処理面Sを被覆している耐熱性部材21に対して、ノズル31から炭素含有化合物をスプレー塗布する。これにより、耐熱性部材21(コイル11に囲まれている部分)に炭素含有化合物が含浸され、この状態で、被処理面S(コイル11に囲まれている領域)を電磁誘導により加熱する。
ノズル31からの炭素含有化合物の塗布量としては、耐熱性部材21の含浸容量、浸炭に伴う炭素含有化合物の消費量などに応じて適宜調整することができる。
なお、加熱時において、耐熱性部材21に含浸された炭素含有化合物は、被処理面Sに到達せずに、耐熱性部材21の外表面側に遍在していてもよい。
さらに、耐熱性部材21に含浸保持されている炭素含有化合物は、蒸発によって系外に放出されにくいので、含浸させた炭素含有化合物の殆どを活性炭素の供給源として効率的に使用することができる。
また、蒸発に伴う炭素含有化合物の損失がきわめて少ないことから、例えば、耐熱性部材への炭素含有化合物の供給量(ノズル31からの塗布量)を制御することにより、浸炭深さなどを調整することも可能となる。
図2(1)〜(2)は、棒状ワークの周面を移動加熱により浸炭処理する他の形態を模式的に示している。同図において、12は、電磁誘導加熱装置を構成するリング状のコイル、22はリング状の耐熱性部材(炭素繊維またはセラミック繊維から成形された不織布)、32は、耐熱性部材22に炭素含有化合物を供給するノズルである。
図2(1)において、コイル12の内周面には、耐熱性部材22の外周面が固着されている。また、耐熱性部材22の内周面は、ワークWの被処理面Sに当接している。
これにより、ワークWの被処理面Sは、上側から下側に向かって、耐熱性部材が接触されている状態で誘導加熱され、この結果、上側から下側に向かって、順次、浸炭処理がなされる。
図3(1)〜(2)は、管状ワークの内周面を移動加熱により浸炭処理する一形態を模式的に示している。同図において、13は、電磁誘導加熱装置を構成し、被処理面Sを局所的に加熱するコイル、23は、シート状の耐熱性部材(炭素繊維またはセラミック繊維から成形された不織布)、33は、耐熱性部材23に炭素含有化合物を供給するためのノズルである。
次いで、図3(1)に示すように、ワークWの被処理面Sを被覆している耐熱性部材23に対して、ノズル33から炭素含有化合物をスプレー塗布する。これにより、耐熱性部材23(コイル13の周囲にある部分)に炭素含有化合物が含浸され、この状態で、被処理面S(コイル13の周囲にある領域)を電磁誘導により加熱する。
図4(1)〜(2)は、管状ワークの内周面を移動加熱により浸炭処理する他の形態を模式的に示している。同図において、14は、電磁誘導加熱装置を構成し、被処理面Sを局所的に加熱するコイル、24はリング状の耐熱性部材(炭素繊維またはセラミック繊維から成形された不織布)、34は、耐熱性部材24に炭素含有化合物を供給するノズルである。
これにより、ワークWの被処理面Sは、上側から下側に向かって、耐熱性部材が接触されている状態で誘導加熱され、この結果、上側から下側に向かって、順次、浸炭処理がなされる。
図5は、棒状ワークの周面を移動加熱により浸炭処理した後に冷却処理する形態を模式的に示している。同図において、41は、ワークWを被覆している耐熱性部材21を剥離するために用いるスクレーパ、42は、浸炭処理後の被処理面Sを冷却(焼入)するために冷水を塗布する冷却ノズルである。なお、同図において、第1の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を用いている。
そして、ワークWが下方に移動することに伴い、浸炭処理された被処理面Sにおいては、これを被覆していた耐熱性部材21がスクレーパ41によって順次剥離された後、冷却ノズル42から冷水が吹き付けられて順次冷却(焼入)される。
この実施形態によれば、浸炭処理後の被処理面Sを直ちに冷却することができるので、冷却速度の制御が容易で、所期の焼入れを確実に行うことができる。
<実施例1>
直径22mm、長さ20mmのクロムモリブデン鋼(SCM415)の表面をベルトサンダー(♯60)で研削したものをワークとして用い、図6に示すように、このワークWの全表面を、厚さ2.8mmの耐炎糸不織布「カーボンフェルト28CF」〔トラスコ中山(株)製〕からなる耐熱性部材26で被覆し、定量ポンプ36により、エタノールを滴下しながら(滴下量:10mL/min)、リング状のコイル16を用いた電磁誘導により30分間加熱する浸炭処理を実施した。加熱温度は、ワークの上面(図6のPで示す位置)にK熱電対を取り付け、この位置での温度が1050℃を維持するように制御した。この実施例の浸炭処理において、消費電力は3.5kWであった。30分間の加熱後、耐熱性部材26を取り去り、ワークWを水中に浸漬することによって焼入処理した。焼入処理後、ワークWを、上下面が半円状になるよう長さ方向に切断し、K熱電対を取り付けた位置Pにおいて、深さ(上面からの距離)と硬さ(マイクロビッカース硬度)との関係を測定した。結果を下記表1および図8に示す。
耐熱性部材として、セラミック繊維を成形してなる厚さ6mmのブランケット「イソウール(登録商標)1400ブランケット」〔イソライト工業(株)製〕を使用したこと以外は実施例1と同様にして加熱(浸炭処理)および焼入処理を行った。この実施例の浸炭処理において、消費電力は3.5kWであった。焼入処理後、ワークWを半円状に切断し、K熱電対を取り付けた位置において、深さ(上面からの距離)と硬さとの関係を測定した。結果を下記表1および図8に示す。
直径22mm、長さ20mmのクロムモリブデン鋼(SCM415)の表面をベルトサンダー(♯60)で研削したものをワークとして用い、図7に示すように、このワークWおよびリング状のコイル17を、ガラス容器27内に収容されているエタノールL(1リットル)中に浸漬し、コイル17を用いた電磁誘導により30分間加熱する浸炭処理を実施した。加熱温度は、図7に示すシース熱電対Qで測定される温度が1050℃を維持するように制御した。
なお、発生するエタノール蒸気は、図示は省略している収集・冷却機構にて液化回収し、ガラス容器27内に戻した。
この参考例の浸炭処理において、消費電力は7.2kWであった。30分間の加熱後、エタノール中にワークWを浸漬したままの状態で30℃まで冷却後、ワークWを取り出し、別途用意した誘導加熱装置により加熱し、1050℃で60秒間維持した後、水中に浸漬することによって焼入処理した。焼入処理後、ワークWを、上下面が半円状になるよう長さ方向に切断し、深さ(上面からの距離)と硬さとの関係を測定した。結果を下記表1および図8に示す。
1050℃での加熱(浸炭処理)時間を60秒間に変更したこと以外は実施例1と同様にして加熱(浸炭処理)および焼入処理を行った。この実施例の浸炭処理において、消費電力は3.5kWであった。焼入処理後、ワークWを半円状に切断し、K熱電対を取り付けた位置において、深さ(上面からの距離)と硬さとの関係を測定した。結果を下記表2および図9に示す。
1050℃での加熱(浸炭処理)時間を60秒間に変更したこと以外は実施例2と同様にして加熱(浸炭処理)および焼入処理を行った。この実施例の浸炭処理において、消費電力は3.5kWであった。焼入処理後、ワークWを半円状に切断し、K熱電対を取り付けた位置において、深さ(上面からの距離)と硬さとの関係を測定した。結果を下記表2および図9に示す。
1050℃での加熱(浸炭処理)時間を60秒間に変更したこと以外は参考例1と同様にして加熱(浸炭処理)および冷却を行った。この参考例の浸炭処理において、消費電力は7.2kWであった。冷却後、ワークWを半円状に切断し、K熱電対を取り付けた位置において、深さ(上面からの距離)と硬さとの関係を測定した。結果を下記表2および図9に示す。
21、22、23、24、26 耐熱性部材
31、32、33、34 ノズル
36 定量ポンプ
41 スクレーパ
42 冷却ノズル
W ワーク
S 被処理面
Claims (7)
- 炭素含有化合物が含浸されている耐熱性部材をワークの被処理面に接触させた状態で、当該被処理面を加熱する工程を含むことを特徴とする浸炭処理方法。
- 繊維または多孔質材料から成形され、炭素含有化合物が含浸されている耐熱性部材をワークの被処理面に接触させた状態で、当該被処理面を加熱する工程を含むことを特徴とする浸炭処理方法。
- 繊維または多孔質材料から成形され、炭素含有化合物が含浸されている耐熱性部材によって被覆されているワークの被処理面を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項2に記載の浸炭処理方法。
- 繊維または多孔質材料から成形されたシート状の耐熱性部材によってワークの被処理面を被覆する工程と、
ワークの被処理面を被覆した前記耐熱性部材に、液状の炭素含有化合物を含浸させるとともに、前記被処理面を加熱する工程とを含むことを特徴とする請求項3に記載の浸炭処理方法。 - 前記耐熱性部材は、炭素繊維またはセラミック繊維から成形されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の浸炭処理方法。
- ワークの被処理面を電磁誘導により加熱することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の浸炭処理方法。
- ワークの被処理面に対して誘導加熱手段を相対的に移動して加熱することを特徴とする請求項6に記載の浸炭処理方法。
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