JP6400905B2 - Gas carburizing method - Google Patents
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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。 The present invention relates to a gas carburizing method and a gas carburizing apparatus, which are surface hardening methods in which carbon penetrates into a steel surface layer and dissolves with gas, and particularly relates to a carburizing apparatus under normal pressure.
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。 Conventionally, there are two methods of carburizing with gas: a method of carburizing under normal pressure (substantially atmospheric pressure) and a relatively new method of carburizing under reduced pressure (vacuum). The latter is called vacuum carburizing. Among these, gas carburizing supplies a low carbon concentration carrier gas (carrier gas) into a furnace under normal pressure in which a workpiece is placed, and at the same time an enriched gas (carburizing gas) for promoting carburization. ) Is carburized by adding a few percent of the carrier gas.
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(CH4)、プロパン(C3H8)またはブタン(C4H10)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。 As the enriched gas in gas carburizing, methane (CH 4 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), or the like is generally used. In addition, gas carburizing is roughly classified into two types depending on the carrier gas, and a shift furnace system that uses an endothermic shift gas (RX gas) as a carrier gas, and a pyrolysis gas of alcohols such as methanol as the carrier gas. It is divided into the instillation method used as.
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(O2)濃度、二酸化炭素(CO2)濃度および水分(H2O)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)。 In the control of the atmosphere in the furnace in gas carburizing, the amount of enriched gas supplied is adjusted so that the carbon concentration in the atmosphere (carbon potential) matches the preset target value, but in practice the carbon concentration should be measured directly. Since it is difficult to measure the concentration of oxygen (O 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O), which are correlated with the carbon concentration, the enrichment gas is supplied based on this. The amount is adjusted. Further, as an invention by the present inventor, there is a method for controlling the atmosphere in the furnace with higher accuracy by supplying a gas mainly composed of carbon dioxide or air into the furnace in addition to the enriched gas (for example, , See Patent Document 1).
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。 Gas carburizing has the advantage that it is less expensive than vacuum carburizing because there is no need to depressurize the furnace. In addition, the atmosphere inside the furnace can be controlled, and since it has a long track record, it is possible to perform carburization with stable quality and high reproducibility, and quality assurance is easy, so it is widely used in various fields. Has been.
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。 Vacuum carburizing was developed in the 1970s as an alternative to gas carburizing. In vacuum carburizing, carburizing is performed by using a reduced pressure (vacuum) state instead of a carrier gas in gas carburizing and supplying a carburizing gas corresponding to an enriched gas into a furnace under reduced pressure where a work is disposed. In vacuum carburizing, it is difficult to control the atmosphere in the furnace due to low pressure, and the target carbon concentration is maintained by managing the processing conditions such as carburizing temperature, carburizing time, furnace pressure, carburizing gas supply amount and diffusion time. I am doing so.
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(C2H2)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)。 Conventionally, methane, propane, or butane has been used as the carburizing gas in vacuum carburizing, but these gases cause uneven carburizing when the supply amount is small, and thermal decomposition occurs when the supply amount is large. As a result, a large amount of soot is generated in the furnace (so-called sooting is generated), which is difficult to control, and in recent years, highly reactive acetylene (C 2 H 2 ) is used in place of these gases. (See, for example, Patent Document 2).
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。 Vacuum carburizing has the advantage of a shorter processing time compared to gas carburizing due to high temperature processing. Moreover, the use of acetylene as the carburizing gas has substantially solved the problems of uneven carburization and soot, and vacuum carburizing has gradually become widespread.
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。 However, since vacuum carburizing requires a vacuum furnace, not only is the equipment expensive compared to gas carburizing, but it is necessary to maintain the inside of the furnace at an extremely low pressure as shown in Patent Document 2 above. Therefore, there was a problem that the operating cost increased.
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。 In addition, as described above, it is difficult to directly control the atmosphere in the furnace by vacuum carburizing. Therefore, it is difficult to employ vacuum carburizing in fields where direct control (management) of the atmosphere is required. Therefore, there has been a demand for a gas carburizing method under normal pressure that performs carburizing quickly and with high accuracy.
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。 In view of such a situation, the present invention intends to provide a gas carburizing method and a gas carburizing apparatus capable of performing carburizing quickly and accurately without sooting under normal pressure.
(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。 (1) The present invention heats a workpiece housed in a heat treatment furnace under normal pressure, and supplies a carrier gas and an enrich gas or a reduce gas into the heat treatment furnace to control the atmosphere in the heat treatment furnace. It is a carburizing method, wherein chain unsaturated hydrocarbon is used as the enriched gas, and carbon dioxide or air is used as the reducing gas.
(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。 (2) The present invention is also the gas carburizing method according to (1) above, wherein a gas containing acetylene is used as the enriched gas.
(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。 (3) The present invention also supplies the enriched gas from the main enriched gas supply system and the sub-enriched gas supply system first when the carbon concentration in the atmosphere in the heat treatment furnace is raised and maintained at the target value. Then, the enriched gas is supplied only from the main enriched gas supply system, and then the gas carburizing method according to (1) or (2) above.
(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。 (4) In the present invention, when the carbon concentration of the atmosphere in the heat treatment furnace is reduced and maintained at the target value, the reduced gas is first supplied from the main reduced gas supply system and the sub-reduced gas supply system. Then, the gas carburizing method according to any one of (1) to (3) above, wherein the reduced gas is supplied only from the main reduced gas supply system.
(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。 (5) The present invention also includes a heat treatment furnace that accommodates a workpiece under normal pressure, a heating device that heats the inside of the heat treatment furnace, a carrier gas supply system that supplies a carrier gas into the heat treatment furnace, and the heat treatment furnace. An enrich gas supply system for supplying an enrich gas to the heat treatment furnace and a reduce gas supply system for supplying a reduce gas into the heat treatment furnace, wherein the enrich gas supply system supplies chain unsaturated hydrocarbons as the enrich gas. The reduced gas supply system is a gas carburizing apparatus that supplies carbon dioxide or air as the reduced gas.
(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。 (6) The gas carburizing apparatus according to (5), wherein the enriched gas supply system supplies acetylene as the enriched gas.
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。 According to the gas carburizing method and the gas carburizing apparatus according to the present invention, it is possible to achieve an excellent effect that it is possible to perform carburizing quickly and accurately without sooting under normal pressure.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
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。
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a
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。
The
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(O2)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。
The
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(NH3)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。
The gas supply device 20 supplies a plurality of types of gases from a plurality of supply systems to the
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(H2)および窒素(N2)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。
The carrier gas serves as a base gas for the atmosphere in the
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。
The carrier
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(C2H2)を使用している。
The enriched gas is added to the carrier gas in order to increase the carbon concentration (carbon potential) of the atmospheric gas in the
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。
The first enrich
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。
The second enrich
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(CO2)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。
The reduced gas is added to the carrier gas in order to reduce the carbon concentration of the atmospheric gas in the
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。
The first reduced
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。
The second reduce
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。
In the present embodiment, by providing the first and second enriched
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。 Specifically, a chain unsaturated hydrocarbon having a double bond or a triple bond is more reactive than a chain saturated hydrocarbon, and thus tends to be excessively supplied as an enriched gas. Although it is easy to generate soot that generates a large amount of soot, in this embodiment, it is possible to effectively prevent sooting by actively reducing the carbon concentration by supplying reduced gas. It became.
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。
In the present embodiment, in addition to the first enriched
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。
Further, in the present embodiment, the reduced gas is also provided with the main first reduced
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。
That is, the gas supply device 20 of the present embodiment has a configuration capable of controlling the carbon concentration in the
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。
When chain unsaturated hydrocarbons such as acetylene are used as an enriched gas, the carbon concentration in the
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。
Moreover, since carburization variation can be reduced by high reactivity, it becomes possible to perform carburization more uniformly and with high accuracy. In addition, because of high reactivity, carburization can be performed at a lower temperature than when chain saturated hydrocarbons such as propane are used, so that carburization can be performed under more conditions. Furthermore, by effectively preventing the occurrence of sooting, even a highly reactive enriched gas can be supplied to the
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。 Conventionally, in gas carburization under normal pressure, there have been almost no attempts to use chain unsaturated hydrocarbons such as acetylene as an enriched gas, but the present inventor has made his own patent as a result of earnest research. By applying the method for controlling the atmosphere in the furnace that supplies the enriched gas and the reduce gas together with the carrier gas according to the invention (Japanese Patent No. 1612764), it is possible to contribute to carburization using the chain unsaturated hydrocarbon as the enriched gas. I found out.
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(C2H4)やブタジエン(C4H6)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。 As the enriched gas, in addition to acetylene, other chain unsaturated hydrocarbons such as ethylene (C 2 H 4 ) and butadiene (C 4 H 6 ) can be used. Further, a gas in which a plurality of types of chain unsaturated hydrocarbons are mixed, or a gas in which other gases such as chain saturated hydrocarbons or nitrogen are mixed with chain unsaturated hydrocarbons may be used as the enriched gas. Good. However, acetylene alone is used as an enriched gas in consideration of the fact that as the molecular weight increases, stability decreases and soot tends to occur, the triple bond is more reactive, and availability is easy. Alternatively, it is preferable to include acetylene in the enriched gas.
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。
Ammonia gas is added to the carrier gas together with the enriched gas when carbonitriding. By adding a small amount of ammonia together with the enriched gas to the carrier gas, high-quality carbonitriding can be performed without generating sooting. That is, the
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。
The ammonia
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。
The
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。
Furthermore, the
次に、浸炭の具体的な手順について説明する。 Next, a specific procedure for carburizing will be described.
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。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a time chart for carburizing by the
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T1まで炉内10aを昇温する。
In carburizing, first, the
炉内10aが浸炭温度T1となったならば、制御装置30は、炉内10aを浸炭温度T1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t1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CP1、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。
If the
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CP1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CP1まで下がるようにする。
After stopping the supply of the super enriched gas, the
予め設定された浸炭(拡散含む)時間t2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。
If preset carburizing (including diffusion) time t 2 has elapsed, the
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CP2、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CP2に維持されるようにする。
Thereafter, when the carbon concentration of the atmospheric gas in the
制御装置30はまた、浸炭(拡散含む)時間t2の経過後、加熱装置12を制御して、浸炭温度T1から予め設定された保持温度T2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t3の間、炉内10aの温度を保持温度T2に維持するように、加熱装置12を制御する。
The
制御装置30は、第2の保持時間t3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。
The
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CP1に到達するまでの時間ta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。
Carburization is performed by the above procedure. As described above, the use of chain unsaturated hydrocarbons having high reactivity such as acetylene as the enriched gas and the super enriched gas allows the carbon concentration of the atmospheric gas in the
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。
As described above, the gas carburizing method according to the present embodiment heats the
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。
Further, the
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。
By adopting such a configuration, it is possible to perform carburization quickly and accurately without sooting under normal pressure. That is, by supplying not only the enriched gas but also the reduced gas to the
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。
In the gas carburizing method and the
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。
Further, in the gas carburizing method according to the present embodiment, when the carbon concentration of the atmosphere in the heat treatment furnace 10 (
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。
Further, in the gas carburizing method according to the present embodiment, when the carbon concentration of the atmosphere in the heat treatment furnace 10 (
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。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the gas carburizing method and gas carburizing apparatus of this invention are not limited to above-described embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it changes variously. Of course, can be added.
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。
For example, in the above-described embodiment, the carbon concentration is calculated based on the oxygen concentration in the
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。
Moreover, although the example in the case of using methanol dripping decomposition gas as carrier gas was shown in the said embodiment, you may make it use thermal decomposition gas of alcohols other than methanol as carrier gas. In addition, a shift furnace may be provided in place of the drip-
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。
Moreover, although the example in the case of using a carbon dioxide as reducing gas was shown in the said embodiment, you may make it use air instead of a carbon dioxide as reducing gas. The ammonia
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。
Moreover, in the said embodiment, although the 1st and 2nd enriched
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。 In the above embodiment, an example in which two enrich gas supply systems and two reduce gas supply systems are provided has been described. However, the number of enrich gas supply systems and reduce gas supply systems is limited to this. Instead, an appropriate number of enrich gas supply systems and reduce gas supply systems may be provided according to the required supply amount, control accuracy, valve performance, and the like. That is, one enrich gas supply system and one reduce gas supply system may be provided, or three or more systems may be provided.
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。 In addition, for example, two enrich gas supply systems and one reduce gas supply system may be provided, and a different number of enrich gas supply systems and reduce gas supply systems may be provided. When three or more enrich gas supply systems or reduce gas supply systems are provided, the number of main supply systems and the number of sub supply systems may be the same or different.
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。 In addition, the functions and effects shown in the above embodiment are merely a list of the most preferable functions and effects resulting from the present invention, and the functions and effects of the present invention are not limited to these.
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。 Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to a present Example at all.
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。
In this example, carburizing was performed according to the time chart shown in FIG. 2 using the
図2のタイムチャートにおける浸炭温度T1は900℃に、保持温度T2は850℃に設定した。浸炭前の第1の保持時間t1は20分に、浸炭(拡散含む)時間t2は80分に、焼入前の第2の保持時間t3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CP1を0.9wt%に、浸炭後の第2の目標値CP2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。 The carburizing temperature T 1 in the time chart of FIG. 2 was set to 900 ° C., and the holding temperature T 2 was set to 850 ° C. First holding time t 1 before carburization is 20 minutes, carburizing (including diffusion) time t 2 to 80 minutes, the second holding time t 3 of quenching before was set to 20 minutes. Target value of the carbon concentration in the atmosphere gas, the first target value CP 1 during carburization to 0.9 wt%, and sets the second target value CP 2 after carburization to 0.8 wt%. The temperature of the quenching oil tank was set to 140 ° C.
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。
FIG. 3 is a view showing the arrangement of the test pieces in the
In-furnace effective treatment dimensions:
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。 The hardness test was a micro Vickers hardness meter with a load of 300 g, and the hardness from the surface to a depth of 1 mm was measured. FIG. 4 is a graph showing the results of the hardness test, and the numbers (1) to (10) indicate the sampling positions. As shown in the figure, the surface hardness of all 10 test pieces collected from different locations was HV700 or higher, and the target surface hardness could be achieved. Further, the hardness at a distance of 0.3 mm from the surface was HV550 or more for any test piece, and the target effective curing depth could be achieved. In addition, observation with an optical microscope confirmed that a good martensite structure was formed in the vicinity of the surface of all 10 test pieces.
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。
That is, according to the gas carburizing method and the
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。 The gas carburizing method and the gas carburizing apparatus according to the present invention can be used in the field of surface hardening of steel.
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
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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し、
前記熱処理炉によって前記ワークを焼入れ可能温度まで加熱した後、
前記ワークを焼入れすることを特徴とする、
ガス浸炭方法。 A gas carburizing method for heating a work housed in a heat treatment furnace under normal pressure and controlling the atmosphere in the heat treatment furnace by supplying a carrier gas, an enrich gas and a reduce gas into the heat treatment furnace,
Using a gas containing acetylene as the enriched gas,
Using carbon dioxide or air as the reducing gas,
After heating the workpiece to a quenchable temperature by the heat treatment furnace,
Quenching the workpiece,
Gas carburizing method.
請求項1に記載のガス浸炭方法。 When the carbon concentration of the atmosphere in the heat treatment furnace is raised and maintained at the target value, the enrich gas is first supplied from the main enrich gas supply system and the sub enrich gas supply system, and then the main enrich gas is supplied. The enriched gas is supplied only from a supply system,
The gas carburizing method according to claim 1.
請求項1乃至2のいずれかに記載のガス浸炭方法。 When the carbon concentration of the atmosphere in the heat treatment furnace is lowered and held at the target value, the reduced gas is first supplied from the main reduced gas supply system and the sub-enriched gas supply system, and then the main reduced gas is supplied. The reduced gas is supplied only from a supply system,
The gas carburizing method according to claim 1.
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