JP5798463B2 - 浸炭処理方法及び浸炭処理装置 - Google Patents
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Description
本件出願に係る鋼製ワークの浸炭処理方法は、当該鋼製ワークを浸炭用溶液中に浸漬し、当該鋼製ワークを高周波誘導加熱し、当該鋼製ワークの表面の結晶組織に浸炭処理を行う浸炭処理方法である。そして、本件出願に係る鋼製ワークの浸炭処理方法は、当該鋼製ワークを浸炭用溶液中に浸漬し、当該鋼製ワークを高周波誘導加熱し、当該鋼製ワークの表面の結晶組織に浸炭処理を行う浸炭処理方法において、当該浸炭用溶液が含有する浸炭成分濃度を、濃度50質量%以上の範囲で変更することにより、当該鋼製ワークの表面に形成する浸炭層の表面炭素濃度を0.8mass%〜1.4mass%の範囲に制御することを特徴としている。ここで、「浸炭用溶液が含有する浸炭成分濃度を、濃度50質量%以上の範囲で変更」としているように、浸炭用溶液が含有する浸炭成分濃度が濃度50質量%未満であれば、濃度変更をしても、鋼製ワークの表面に形成する浸炭層の表面炭素濃度を大きく変化させることが出来ないからである。また、当該浸炭用溶液を用いると、結果として、鋼製ワークの表面に形成する浸炭層の表面炭素濃度は0.8mass%〜1.4mass%の範囲で制御することが出来る。
本件出願に係る鋼製ワークの浸炭処理装置は、上述に記載の鋼製ワークの浸炭処理方法を実施するためのものである。この浸炭処理装置1の概念図を示したのが図1である。従って、この浸炭処理装置1は、「アルコール系浸炭用溶液Sが入る浸炭処理槽2」と、この浸炭処理槽2の内部に収容する状態で配する、「鋼製ワークの保持手段3」、「鋼製ワークの周囲に配する高周波誘導加熱手段4」、「浸炭用溶液攪拌手段5」、「不活性ガスバブリング手段6」とを、必須の構成要素として備えている。
ここでは、実施試料を用いて、浸炭処理中での不活性ガスバブリングの必要性に関して述べる。この実施例では、不活性ガス(N2)を、試料の下方よりバブリングして浸炭処理を行っている。そして、不活性ガスバブリング無しで浸炭処理した場合とを比較した。不活性ガスバブリングを行う場合の不活性ガス流量は、5L/min(試料の浸炭対象表面の面積1cm2あたり0.099L/分に相当)と10L/min(試料の浸炭対象表面の面積1cm2あたり0.200L/分に相当)の2条件の流量を採用した。このときの不活性ガスバブリングは、図1に示すように、ボンベ内に圧縮して収容した不活性ガス(N2)を、試料10の下方に配置した不活性ガスバブリング手段6のガス排出口7より不活性ガスバブル20として排出し、この不活性ガスバブル20を試料10に衝突させた。この不活性ガスバブリングの影響を調べるための浸炭処理においては、炭素供給源として濃度が80質量%のメタノール水溶液を用い、処理温度1030℃で20分間浸炭処理を行った。
本件発明に係る浸炭処理方法を適用した実施試料は、純メタノール中にワークを浸漬し、処理温度を1030℃、処理時間を21分間として浸炭処理を行った。そして、従来のガス浸炭処理を行った時の浸炭深さに関する炭素濃度分布のシミュレーション結果との比較を行った。なお、ガス浸炭処理においては、ガス浸炭の処理温度を、通常行われる930℃と、実施試料と同じ条件の1030℃とのシミュレーション結果を用いた。ここで、ガス浸炭処理における浸炭層の深さ方向の炭素濃度プロフィールのシミュレーションは、解析ソフトウェアを用いて算出したものである。なお、この解析ソフトウェアは、Fickの第二法則から拡散方程式を求め、各温度における拡散係数を代入することによって計算を行った。なお、拡散係数は、「日本金属学会誌,50,982(1986)」に記載の値を用いた。
上述のことから、本件発明に係る浸炭処理方法を採用すれば、ガス浸炭処理法を用いた場合と、浸炭層の深さ方向において、同等レベルの炭素濃度分布を得ることが出来ることが分かる。そこで、以下に本件発明の浸炭処理法を用いた場合における表面炭素濃度の飽和に要する時間について、浸炭処理時間に対する炭素侵入量の変化より確認する。
ここでは、アルコール系浸炭用溶液として、「メタノール濃度が100質量%の純メタノール」、「濃度70質量%のメタノール水溶液」、「濃度50質量%のメタノール水溶液」を用いた場合の、実施試料の表面から深さ方向の炭素濃度プロフィールを対比してみる。このときの浸炭を行う際の処理温度は、930℃とし、浸炭処理の処理時間は20分を採用した。その結果を図5に示す。
以上のことから理解できるように、本件発明に係る浸炭処理方法における、不活性ガスバブリングは、鋼製ワークに形成する浸炭層中の侵入炭素量を制御することが出来る。そして、不活性ガスバブリングと組みあわせて、「アルコール系浸炭用溶液の濃度」、「浸炭処理に用いる鋼製ワークの加熱温度」、「浸炭処理時間」を適宜調整することで、目的とする品質に合わせた炭素侵入量を備える浸炭層を備える鋼材ワークの提供が可能となる。
2 浸炭処理槽
3 保持手段
4 高周波誘導加熱手段
5 浸炭用溶液攪拌手段
6 不活性ガスバブリング手段
7 ガス排出口
10 鋼製ワーク(試料)
15 攪拌翼
20 不活性ガスバブル
30 溶液冷却手段
31 冷却体
50 熱電対
S アルコール系浸炭用溶液
M モータ
Claims (11)
- 鋼製ワークを浸炭用溶液中に浸漬し、当該鋼製ワークを高周波誘導加熱し、当該鋼製ワークの表面の結晶組織に浸炭処理を行う浸炭処理方法において、
当該浸炭用溶液は、アルコール系浸炭用溶液であり、
当該アルコール系浸炭用溶液が含有する浸炭成分濃度を変更することにより、当該鋼製ワークの表面に形成する浸炭層の表面炭素濃度を制御することを特徴とする鋼製ワークの浸炭処理方法。 - 高周波誘導加熱で前記鋼製ワークの浸炭対象表面を前記アルコール系浸炭用溶液の沸点以上の温度に急速加熱し、当該アルコール系浸炭用溶液の浸炭成分が熱分解して活性炭素を含む状態でガス化した浸炭用ガスが、薄い浸炭用ガス層となり当該鋼製ワークの表面を覆う状態とし、
不活性ガスバブリングを用いて、当該浸炭用ガス層を破壊して、その浸炭用ガス層内の活性炭素濃度を変化させ、当該鋼製ワークの表面に形成する浸炭層の炭素侵入量の制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の鋼製ワークの浸炭処理方法。 - 前記アルコール系浸炭用溶液中に浸漬した前記鋼製ワークの浸炭対象表面の面積1cm2あたり、0.050L/分〜0.300L/分の流量の不活性ガスを衝突させ前記浸炭用ガス層を破壊して、当該浸炭用ガス層内の活性炭素濃度を安定化させる請求項2に記載の鋼製ワークの浸炭処理方法。
- 前記鋼製ワークを高周波誘導加熱する間、当該鋼製ワークの近傍の前記アルコール系浸炭用溶液を除き、当該アルコール系浸炭用溶液の全体を15℃〜30℃に冷却する請求項1〜請求項3のいずれかに記載の鋼製ワークの浸炭処理方法。
- 前記アルコール系浸炭用溶液は、濃度70質量%以上のメタノール溶液を用いる請求項1〜請求項4のいずれかに記載の鋼製ワークの浸炭処理方法。
- 前記高周波誘導加熱により前記鋼製ワークを加熱し、浸炭処理する際の当該鋼製ワーク表面の温度は、930℃〜1150℃とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の鋼製ワークの浸炭処理方法。
- 前記不活性ガスとして、窒素ガスを用いる請求項2〜請求項6のいずれかに記載の鋼製ワークの浸炭処理方法。
- 請求項1〜請求項7のいずれかに記載の鋼製ワークの浸炭処理方法を行うための浸炭処理装置であり、
前記アルコール系浸炭用溶液が入る浸炭処理槽と、
この浸炭処理槽内に配する、当該鋼製ワークの保持手段、当該鋼製ワークの周囲に配する高周波誘導加熱手段、浸炭用溶液攪拌手段、不活性ガスバブリング手段とを備え、
不活性ガスバブリングを用いて、当該鋼製ワークの周囲を覆う浸炭用ガス層を破壊して、その層内に対する浸炭用ガスの供給を促進することで当該浸炭用ガス層内の活性炭素濃度を安定化させ、当該鋼製ワークの表面に形成する浸炭層の炭素侵入量の制御を行うことを特徴とする鋼製ワークの浸炭処理装置。 - 前記不活性ガスバブリング手段のガス排出口を、前記鋼製ワークの保持手段で保持した鋼製ワークの下部に配して、当該ガス排出口より排出される不活性ガスバブルを、当該鋼製ワークの周囲を覆う浸炭用ガス層に衝突させるものとした請求項8に記載の鋼製ワークの浸炭処理装置。
- 前記浸炭処理槽内に、前記鋼製ワークの近傍の前記アルコール系浸炭用溶液を除き、当該アルコール系浸炭用溶液の全体を冷却するための溶液冷却手段を設けた請求項8又は請求項9に記載の鋼製ワークの浸炭処理装置。
- 前記鋼製ワークの保持手段は、高周波誘導加熱して浸炭処理を行っている間、当該鋼製ワークを回転させ、当該鋼製ワークの周囲を覆う浸炭用ガス層と、前記不活性ガスバブリング手段のガス排出口より排出される不活性ガスバブルとが、均一に接触するようにした請求項8〜請求項10のいずれかに記載の鋼製ワークの浸炭処理装置。
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