JP6543208B2 - Gas carburizing method and gas carburizing apparatus - 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 is a surface hardening method in which carbon is infiltrated into a surface layer of steel by a gas to form a solid solution, and in particular relates to performing carburizing 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、キャリアガス(炭素濃度の低い担体ガス)と共にエンリッチガス(炭素濃度の高い加炭ガス)を供給し、鋼中への炭素の侵入をエンリッチガスによって促進させ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 (approximately atmospheric pressure) and a method of carburizing under reduced pressure (vacuum). Generally, the former is gas carburized, the latter is It is called vacuum carburization. Among these, gas carburizing supplies an enrichment gas (carburizing gas with a high carbon concentration) together with a carrier gas (a carrier gas with a low carbon concentration) in a furnace under normal pressure in which a work is arranged, Carburizing is promoted by promoting the penetration of hydrogen by enriched gas.

ガス浸炭におけるキャリアガスとしては、一般に吸熱型変成ガス(RXガス)や、アルコール類の熱分解ガスが使用されている。また、エンリッチガスとしては、メタン(CH)、プロパン(C)またはブタン(C10)等が使用されている。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。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)。 As a carrier gas in gas carburization, an endothermic conversion gas (RX gas) and a thermal decomposition gas of alcohols are generally used. Further, as the enrichment gas, methane (CH 4 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ) or the like is used. In the atmosphere control in the furnace in gas carburizing, the amount of supply of the enrichment gas is adjusted so that the carbon concentration (carbon potential) in the atmosphere matches the preset target value. Further, as an invention by the inventor of the present invention, there is also a method of controlling the atmosphere in the furnace with higher accuracy by supplying a gas mainly composed of carbon dioxide or air to the furnace in addition to the enriched gas (for example, , 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設備費が安価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ると共に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 of low installation cost as compared with vacuum carburizing because there is no need to depressurize the inside of the furnace. In addition, because it is possible to control the atmosphere in the furnace and has a long track record, it is possible to perform carburization with stable quality and high reproducibility, and because quality assurance is easy, it is widely used in various fields. It is done.

真空浸炭は、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。   In vacuum carburization, a reduced pressure (vacuum) state is used instead of a carrier gas in gas carburization, and carburizing is performed by supplying a carburizing gas corresponding to an enriched gas in a furnace under reduced pressure in which a work is disposed. In vacuum carburization, it is difficult to control the atmosphere in the furnace because of the low pressure, and the target carbon concentration is maintained by managing process conditions such as carburizing temperature, carburizing time, furnace pressure, carburizing gas supply amount and diffusion time. It is like that.

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ムラが発生し、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いという問題があった。このため、近年では反応性に富むアセチレン(C)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, butane, etc. were used as carburizing gases in vacuum carburizing, but these gases generate uneven carburization when the amount supplied is small, and thermal decomposition when the amount supplied is large. There is a problem that control is difficult because a large amount of soot is generated in the furnace (so-called sooting occurs). For this reason, in recent years, highly reactive acetylene (C 2 H 2 ) has come to be 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、浸炭ムラ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 having a short processing time as compared to gas carburizing due to high temperature processing. In addition, vacuum carburization has gradually become widespread because the use of acetylene as the carburizing gas substantially eliminated the problems of carburization unevenness and wrinkles.

特公平1−38846号公報Japanese Examined Patent Publication 1-38846 特許第2963869号公報Patent No. 2963869 gazette

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費が高いだけでなく、上記特許文献2にも示されるように、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。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、製品の仕様として炉内雰囲気の管理が求められる分野において真空浸炭を採用することは難しく、常圧下で迅速、且つ、高精度に浸炭を行うことが可能なガス浸炭法が望まれていた。   However, vacuum carburization requires not only a vacuum furnace, but also has a high facility cost compared to gas carburizing, and as shown in Patent Document 2, it is necessary to maintain the inside of the furnace at an extremely low pressure. As a result, there has been the problem that the operating costs have risen. Further, as described above, in vacuum carburization, it is difficult to directly control the atmosphere in the furnace, so it is difficult to adopt vacuum carburization in a field where management of the furnace atmosphere is required as a product specification. There has been a demand for a gas carburizing method capable of performing carburization quickly and with high precision.

本発明は、斯かる実情に鑑み、常圧下で迅速、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。   An object of the present invention is to provide a gas carburizing method and a gas carburizing apparatus capable of performing carburization with high accuracy and high speed 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および浸炭ガスを供給するガス浸炭方法であって、前記キャリアガスとして窒素または窒素と鎖式不飽和炭化水素の混合ガスを使用し、前記浸炭ガスとして鎖式不飽和炭化水素または鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガス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 is a gas carburizing method of heating a work accommodated in a heat treatment furnace under normal pressure and supplying a carrier gas and a carburizing gas into the heat treatment furnace, wherein nitrogen or nitrogen is used as the carrier gas It is a gas carburizing method characterized in that a mixed gas of chain unsaturated hydrocarbon is used, and a chain unsaturated hydrocarbon or a mixed gas of chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen is used as the carburizing gas.

(2)本発明はまた、前記熱処理炉内を所定の浸炭温度に保持した状態で、前記浸炭ガスを前記熱処理炉内に断続的に供給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 characterized in that the carburizing gas is intermittently supplied into the heat treatment furnace while maintaining the inside of the heat treatment furnace at a predetermined carburizing temperature. It is a gas carburizing method.

(3)本発明はまた、前記キャリアガスとして前記浸炭ガスと同一の鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを使用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 gas according to the above (1) or (2), characterized in that the present invention uses a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen identical to the carburizing gas as the carrier gas. It is a carburizing method.

(4)本発明はまた、前記浸炭ガスとしてアセチレンまたはアセチレンと窒素の混合ガスを使用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) The present invention is also the gas carburizing method according to any one of the above (1) to (3), characterized in that acetylene or a mixed gas of acetylene and nitrogen is used as the carburizing gas.

(5)本発明はまた、前記浸炭ガスとして純度が99容量%以上のアセチレンを使用することを特徴とする、上記(1)乃至(4)のいずれかに記載のガス浸炭方法である。   (5) The present invention is also the gas carburizing method according to any one of the above (1) to (4), characterized in that acetylene having a purity of 99% by volume or more is used as the carburizing gas.

(6)本発明はまた、前記キャリアガスとして使用する窒素を圧力スイング吸着法により空気から分離することを特徴とする、上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のガス浸炭方法である。   (6) The present invention is also the gas carburizing method according to any one of the above (1) to (5), characterized in that nitrogen used as the carrier gas is separated from air by pressure swing adsorption. .

(7)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、前記熱処理炉内に浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給系統と、を備え、前記キャリアガス供給系統は、窒素または窒素と鎖式不飽和炭化水素の混合ガスを前記キャリアガスとして供給し、前記浸炭ガス供給系統は、鎖式不飽和炭化水素または鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを前記浸炭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。   (7) The present invention also relates to a heat treatment furnace for accommodating a work under normal pressure, a heating device for heating the inside of the heat treatment furnace, a carrier gas supply system for supplying a carrier gas into the heat treatment furnace, and the inside of the heat treatment furnace. A carburizing gas supply system for supplying a carburizing gas to the carrier gas supply system, wherein the carrier gas supply system supplies nitrogen or a mixed gas of nitrogen and a chain unsaturated hydrocarbon as the carrier gas, and the carburizing gas supply system It is a gas carburizing apparatus characterized in that a chain unsaturated hydrocarbon or a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen is supplied as the carburizing gas.

(8)本発明はまた、前記浸炭ガスを前記熱処理炉内に断続的に供給するように、前記浸炭ガス供給系統を制御する制御装置を備えることを特徴とする、上記(7)に記載のガス浸炭装置である。   (8) The present invention also includes a control device for controlling the carburizing gas supply system to intermittently supply the carburizing gas into the heat treatment furnace. It is a gas carburizing device.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the gas carburizing method and gas carburizing apparatus which concern on this invention The outstanding effect that it is possible to perform carburization of high speed and high precision under normal pressure can be show | played.

本発明の実施の形態に係るガス浸炭装置の構成を示した概略図である。It is the schematic which showed the structure of the gas carburizing apparatus which concerns on embodiment of this invention. ガス浸炭方法のタイムチャートの一例を示した図である。It is a figure showing an example of the time chart of the gas carburizing method. 本発明の実施例における硬さ試験の結果を示したグラフである。It is the graph which showed the result of the hardness test in the example of the present invention. (a)テストピースの表面近傍における断面の顕微鏡写真である。(b)テストピースの内部における断面の顕微鏡写真である。(A) It is a microscope picture of the cross section in the surface vicinity of a test piece. (B) It is a microscope picture of the cross section in the inside of a test piece. (a)テストピースの表面近傍における断面の顕微鏡写真である。(b)テストピースの内部における断面の顕微鏡写真である。(A) It is a microscope picture of the cross section in the surface vicinity of a test piece. (B) It is a microscope picture of the cross section in the inside of a test piece. (a)テストピースの表面近傍における断面の顕微鏡写真である。(b)テストピースの内部における断面の顕微鏡写真である。(A) It is a microscope picture of the cross section in the surface vicinity of a test piece. (B) It is a microscope picture of the cross section in the inside of a test piece.

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 attached 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 the configuration of a gas carburizing apparatus 1 according to the present embodiment. As shown in the figure, the gas carburizing apparatus 1 controls the temperature and atmosphere in the heat treatment furnace 10, the gas supply apparatus 20 for supplying various gases into the heat treatment furnace 10, and the heat treatment furnace 10 that accommodates the workpiece 100. And a control unit 30.

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、適宜の断熱材によって炉内10aが保温されるように構成されている。また、熱処理炉10は、ガス供給装置20からのガス供給に伴って炉内10aの雰囲気ガスが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、複数のワーク100を適宜の治具11等に載置された状態で収容可能に構成されている。   The heat treatment furnace 10 accommodates and heats the workpiece 100, which is a material to be treated, in the furnace 10a, and performs carburization with the atmosphere gas in the furnace 10a. The heat treatment furnace 10 is configured such that the furnace interior 10a is kept warm by a suitable heat insulating material. In addition, the heat treatment furnace 10 is configured such that the atmosphere gas in the furnace 10a is appropriately discharged to the outside along with the gas supply from the gas supply device 20, and the furnace 10a has a normal pressure (approximately pressure) during processing. It is supposed to be maintained at atmospheric pressure). Further, the furnace interior 10a is configured to be able to accommodate a plurality of workpieces 100 in a state of being placed on an appropriate jig 11 or the like.

熱処理炉10には、炉内10aを加熱する加熱装置(例えばラジアントチューブヒータ)12と、炉内10aの温度を測定する温度計(例えば熱電対)13と、炉内10aの酸素(O)濃度を測定する酸素濃度計14と、炉10aの水素(H)濃度を測定する水素濃度計15と、炉内10aの雰囲気ガスを撹拌する撹拌装置(例えばファン)16と、が設けられている。 The heat treatment furnace 10 includes a heating device (for example, a radiant tube heater) 12 for heating the furnace interior 10a, a thermometer (for example, a thermocouple) 13 for measuring the temperature of the furnace interior 10a, and oxygen (O 2 ) in the furnace 10a. An oxygen concentration meter 14 for measuring the concentration, a hydrogen concentration meter 15 for measuring the hydrogen (H 2 ) concentration of the furnace 10 a, and a stirring device (for example, fan) 16 for stirring the atmosphere gas in the furnace 10 a There is.

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。   The oximeter 14 detects the oxygen concentration in the furnace 10 a based on the electromotive force generated by the oxygen concentration difference between both ends of the zirconia element. For this reason, an air unit 17 for supplying reference air (air) is connected to one end of the zirconia element to the oximeter 14. Also, the hydrogen concentration meter 15 uses a heat conduction type that detects the hydrogen concentration based on the difference in the thermal conductivity of the measurement gas and the standard gas in order to enable continuous measurement.

ガス供給装置20は、炉内10aの雰囲気のベースガスとなるキャリアガスと、ワーク100中に侵入させる炭素(C)を供給する浸炭ガスと、浸炭窒化のためのアンモニア(NH)ガスと、を炉内10aに供給するものである。従って、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、浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給系統22と、アンモニアガスを供給するアンモニアガス供給系統23と、各供給系統21〜23を炉内10aに接続する接続配管24と、を備えている。 The gas supply device 20 includes a carrier gas as a base gas of the atmosphere in the furnace 10a, a carburizing gas for supplying carbon (C) to be intruded into the work 100, and an ammonia (NH 3 ) gas for carbonitriding. Is supplied to the furnace 10a. Therefore, the gas supply apparatus 20 includes a carrier gas supply system 21 for supplying a carrier gas, a carburizing gas supply system 22 for supplying a carburizing gas, an ammonia gas supply system 23 for supplying an ammonia gas, and supply systems 21 to 23. And a connecting pipe 24 for connecting the inside of the furnace 10a.

また、ガス供給装置20は、キャリアガス供給系統21に窒素(N)を供給する窒素供給源25と、キャリアガス供給系統21および浸炭ガス供給系統22にアセチレン(C)を供給するアセチレン供給源26と、アンモニアガス供給系統23にアンモニアを供給するアンモニア供給源27と、を備えている。なお、詳細は後述するが、本実施形態では真空浸炭と同様のダイレクトな浸炭を常圧下で行うことを可能としているため、エンリッチガスに代えて浸炭ガスとの用語を使用している。 Further, the gas supply device 20 supplies nitrogen (N 2 ) to the carrier gas supply system 21, and supplies acetylene (C 2 H 2 ) to the carrier gas supply system 21 and the carburizing gas supply system 22. An acetylene supply source 26 and an ammonia supply source 27 for supplying ammonia to the ammonia gas supply system 23 are provided. Although details will be described later, in the present embodiment, direct carburization similar to vacuum carburization can be performed under normal pressure, so the term "carburizing gas" is used instead of the enriched gas.

キャリアガス供給系統21は、窒素供給源25からの窒素とアセチレン供給源26からのアセチレンを混合するガス混合器21aと、ガス混合器21aと接続配管24を繋ぐ供給配管21bと、供給配管21bの途中に設けられる電磁弁21cと、キャリアガスの流量を測定する流量計21dと、を備えている。   The carrier gas supply system 21 includes a gas mixer 21a for mixing nitrogen from the nitrogen supply source 25 and acetylene from the acetylene supply source 26, a supply piping 21b for connecting the gas mixer 21a and the connection piping 24, and a supply piping 21b. A solenoid valve 21c provided in the middle and a flow meter 21d for measuring the flow rate of the carrier gas are provided.

キャリアガスは、上述のように炉内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。本実施形態では、従来の吸熱型変成ガス(RXガス)やアルコール類の熱分解ガスに代えて、不活性ガスである窒素にアセチレンを少量混合したガスをキャリアガスとして使用している。   The carrier gas is the base gas of the atmosphere in the furnace 10a as described above, and is supplied to prevent the mixing of oxygen in the atmosphere and to prevent the furnace 10a from becoming an oxidizing atmosphere. In the present embodiment, a gas obtained by mixing a small amount of acetylene with nitrogen, which is an inert gas, is used as a carrier gas, instead of the conventional endothermic shift gas (RX gas) and the thermal decomposition gas of alcohols.

ガス混合器21aは、制御装置30に制御されて窒素供給源25からの窒素にアセチレン供給源26からのアセチレンを所定の量だけ添加混合し、キャリアガスを生成する。三重結合を有する鎖式不飽和炭化水素であり、反応性に富むアセチレン(HC≡CH)を適宜に混合することで、窒素供給源25からの窒素に酸素や水(HO)が混入している場合にも、これらが浸炭に及ぼす影響を打ち消すことが可能となる。 The gas mixer 21a is controlled by the control device 30 to add and mix a predetermined amount of acetylene from the acetylene source 26 with nitrogen from the nitrogen source 25 to generate a carrier gas. It is a chain unsaturated hydrocarbon having a triple bond, and oxygen and water (H 2 O) are mixed in the nitrogen from the nitrogen source 25 by mixing appropriately reactive acetylene (HC≡CH) Also, it is possible to cancel the influence of these on carburization.

具体的には、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、浸炭を阻害する要因となるが、次の(a)式のようにアセチレンを酸素と反応させて一酸化炭素(CO)および水素を生成することで、炉内10aの酸素濃度を下げることができる。
+O→2CO+H ・・・(a)
Specifically, oxygen in the furnace 10a is a factor that inhibits carburization because it is preferentially adsorbed on the surface of the workpiece 100, but acetylene is reacted with oxygen as shown in the following formula (a). By producing carbon monoxide (CO) and hydrogen, the oxygen concentration in the furnace 10a can be reduced.
C 2 H 2 + O 2 → 2CO + H 2 (a)

また、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、次の(b)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ことができる。
+2HO→2CO+3H ・・・(b)
Also, water (steam) can be decomposed in the furnace 10a to form oxygen together with hydrogen, but the water concentration in the furnace 10a is reduced by reacting acetylene with water as in the following equation (b) be able to.
C 2 H 2 + 2H 2 O → 2CO + 3H 2 (b)

制御装置30は、酸素濃度計14の測定結果に基づいて、ガス混合器1aにおけるキャリアガスへのアセチレンの混合量を制御する。すなわち、炉内10aの酸素濃度が高い場合にはアセチレンの混合量を増やし、炉内10aの酸素濃度が低い場合にはアセチレンの混合量を減らす。なお、酸素や水と反応しなかったアセチレンは、浸炭ガスとして浸炭に寄与することとなる。   The controller 30 controls the mixing amount of acetylene to the carrier gas in the gas mixer 1 a based on the measurement result of the oximeter 14. That is, when the oxygen concentration in the furnace 10a is high, the mixing amount of acetylene is increased, and when the oxygen concentration in the furnace 10a is low, the mixing amount of acetylene is reduced. In addition, acetylene which did not react with oxygen or water will contribute to carburization as a carburizing gas.

キャリアガスへのアセチレンの混合量は、窒素供給源25からの窒素に混入している酸素および水の量にもよるが、キャリアガス全体に対して0.1〜3.0容量%の範囲内であることが好ましい。また、酸素および水の混入量が少ない場合には、アセチレンを混合せずに窒素単体をキャリアガスとしてもよい。   The mixing amount of acetylene in the carrier gas depends on the amount of oxygen and water mixed in the nitrogen from the nitrogen source 25 but is in the range of 0.1 to 3.0% by volume with respect to the whole carrier gas. Is preferred. In the case where the amount of oxygen and water mixed is small, it is possible to use nitrogen alone as the carrier gas without mixing acetylene.

浸炭ガス供給系統22は、アセチレン供給源26と接続配管24を繋ぐ供給配管22bと、供給配管22bの途中に設けられる電磁弁22cと、浸炭ガスの流量を測定する流量計22dと、を備えている。浸炭ガスは、上述のように浸炭に必要な炭素を供給するものである。本実施形態では、キャリアガスに混合するガスと同様に、浸炭ガスとして鎖式不飽和炭化水素であるアセチレンを使用している。   The carburizing gas supply system 22 includes a supply pipe 22b connecting the acetylene supply source 26 and the connection pipe 24, a solenoid valve 22c provided in the middle of the supply pipe 22b, and a flowmeter 22d for measuring the flow rate of the carburizing gas. There is. The carburizing gas supplies the carbon necessary for carburizing as described above. In the present embodiment, acetylene, which is a chain unsaturated hydrocarbon, is used as a carburizing gas, similarly to the gas mixed with the carrier gas.

アセチレン等の鎖式不飽和炭化水素を浸炭ガスとして使用した場合、その高い反応性(ワーク100表面への高い吸着性)により、プロパン(C)等の鎖式飽和炭化水素を使用した場合よりも処理時間を短縮することが可能となる。さらに、本実施形態では、キャリアガスを窒素とアセチレンの混合ガスから構成することで、炭素の供給源を略アセチレンのみとしているため、浸炭量を高精度に制御することが可能となっている。 When a chain unsaturated hydrocarbon such as acetylene is used as a carburizing gas, a chain saturated hydrocarbon such as propane (C 3 H 8 ) is used because of its high reactivity (high adsorption on the surface of the work 100) Processing time can be reduced more than in the case. Furthermore, in the present embodiment, by forming the carrier gas from a mixed gas of nitrogen and acetylene, since the carbon supply source is substantially acetylene only, it is possible to control the carburizing amount with high accuracy.

なお、アセチレンの高い反応性は過剰浸炭の原因となる場合があるが、本実施形態では、浸炭ガスを断続的(パルス的)に炉内10aに供給することで、過剰浸炭の発生を防止するようにしている。具体的に制御装置30は、所定の間隔(例えば、300秒)で、所定の開放時間(例えば、120秒)だけ電磁弁22cを開くことで、断続的に浸炭ガスを炉内10aに供給する。このように浸炭ガスを断続的に供給することで、炭素の供給過剰を抑制すると共に、ワーク100内での炭素の拡散を促進することができるため、局部的な浸炭ムラの発生を防止することが可能となる。また、スーティングの発生も防止することができる。   In addition, although the high reactivity of acetylene may cause excess carburization, in the present embodiment, generation of excess carburization is prevented by intermittently (pulsively) supplying carburizing gas to the furnace interior 10a. It is like that. Specifically, the controller 30 intermittently supplies the carburizing gas to the furnace 10a by opening the solenoid valve 22c for a predetermined opening time (for example, 120 seconds) at a predetermined interval (for example, 300 seconds). . By intermittently supplying the carburizing gas in this manner, excessive supply of carbon can be suppressed, and diffusion of carbon in the work 100 can be promoted, so that occurrence of local carburization unevenness can be prevented. Is possible. Also, the occurrence of sooting can be prevented.

浸炭ガスとしてのアセチレンの純度は、特に限定されるものではないが、炉内10aの雰囲気制御の精度および応答性を高めるためには、窒素以外の不純物(特に、酸素、水および炭化水素)が少ないことが好ましい。具体的には、浸炭ガス中の窒素以外の不純物の含有量は、1容量%以下であることが好ましく、0.5容量%以下であればより好ましく、0.01容量%以上であることが最も好ましい。   The purity of acetylene as a carburizing gas is not particularly limited, but in order to enhance the accuracy and responsiveness of atmosphere control in the furnace 10a, impurities other than nitrogen (especially oxygen, water and hydrocarbons) It is preferable that the amount be small. Specifically, the content of impurities other than nitrogen in the carburizing gas is preferably 1% by volume or less, more preferably 0.5% by volume or less, and more preferably 0.01% by volume or more Most preferred.

アンモニアガス供給系統23は、アンモニア供給源27と接続配管24を繋ぐ供給配管23bと、供給配管23bの途中に設けられる電磁弁23cと、アンモニアガスの流量を測定する流量計23dと、を備えている。アンモニアガスは、浸炭窒化を行う場合に、浸炭ガスと共に炉内10aに供給されるものである。キャリアガスに浸炭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。   The ammonia gas supply system 23 includes a supply pipe 23 b connecting the ammonia supply source 27 and the connection pipe 24, a solenoid valve 23 c provided in the middle of the supply pipe 23 b, and a flow meter 23 d measuring the flow rate of ammonia gas. There is. Ammonia gas is supplied to the furnace 10a together with the carburizing gas when performing carbonitriding. By adding a small amount of ammonia together with the carburizing gas to the carrier gas, high quality carbonitriding can be performed without generating sooting. That is, the gas carburizing apparatus 1 of the present embodiment can also perform carbonitriding.

接続配管24は、各供給配管21b〜23bと炉内10aを接続する配管である。接続配管24は、各供給配管21b〜23bをまとめて炉内10aに接続するものであってもよいし、個別に炉内10aに接続するものであってもよい。   The connection piping 24 is piping which connects each supply piping 21b-23b and the furnace interior 10a. The connection piping 24 may connect each supply piping 21b-23b to the furnace interior 10a collectively, and may connect to the furnace interior 10a separately.

窒素供給源25は、PSA方式の窒素ガス発生装置から構成されており、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キャリアガス供給系統21に供給する。なお、窒素供給源25は、窒素ガスや液体窒素を収容した容器から構成されるものであってもよいが、比較的低コストで安定的に窒素を供給するためには、PSA方式の窒素ガス発生装置から窒素供給源25を構成することが好ましい。   The nitrogen supply source 25 is composed of a nitrogen gas generator of PSA type, and nitrogen is separated from the air by pressure swing adsorption (PSA) and supplied to the carrier gas supply system 21. The nitrogen supply source 25 may be configured of a container containing nitrogen gas or liquid nitrogen, but in order to stably supply nitrogen at a relatively low cost, nitrogen gas of the PSA system is used. It is preferred to construct the nitrogen source 25 from the generator.

PSA方式の窒素ガス発生装置は、液体窒素と比較して酸素や水の混入が多くなるが、本実施形態では、上述のように予めアセチレンを混合することで、これらの不純物による影響を排除するようにしている。   The nitrogen gas generator of the PSA type has more mixing of oxygen and water compared to liquid nitrogen, but in the present embodiment, the influence of these impurities is eliminated by mixing acetylene in advance as described above. It is like that.

アセチレン供給源26は、アセチレンを収容した容器から構成されている。上述のように、浸炭ガスとしてのアセチレンは窒素以外の不純物が少ない方が好ましい。従って、アセチレン供給源26は、高純度アセチレンを供給するものであることが好ましく、アセトンやジメチルホルムアミド(DMF)等の溶剤を使用しないものであることがより好ましい。具体的にアセチレン供給源26は、純度が99%以上のアセチレンを供給するものであることが好ましく、純度が99.5%以上のアセチレンを供給するものであればより好ましく、純度が99.9%以上のアセチレンを供給するものであることが最も好ましい。   The acetylene source 26 is composed of a container containing acetylene. As described above, it is preferable that acetylene as the carburizing gas has a smaller amount of impurities other than nitrogen. Therefore, it is preferable that the acetylene source 26 supply high purity acetylene, and it is more preferable not to use a solvent such as acetone or dimethylformamide (DMF). Specifically, it is preferable that the acetylene supply source 26 supply acetylene having a purity of 99% or more, and it is more preferable if acetylene having a purity of 99.5% or more is supplied, and the purity is 99.9 It is most preferable to supply at least% of acetylene.

なお、本実施形態では、1つのアセチレン供給源26からキャリアガス供給系統21および浸炭ガス供給系統22の両方にアセチレンを供給するようにしているが、キャリアガス供給系統21および浸炭ガス供給系統22にそれぞれ個別にアセチレン供給源26を設けるようにしてもよい。キャリアガスに混合するアセチレンは、高純度であることが好ましいが、使用量が少ないことから浸炭ガス程の純度は必要なく、例えば溶接用のアセチレンであってもよい。   In the present embodiment, although acetylene is supplied from one acetylene supply source 26 to both the carrier gas supply system 21 and the carburizing gas supply system 22, the carrier gas supply system 21 and the carburizing gas supply system 22 are both supplied. An acetylene source 26 may be provided separately for each. The acetylene to be mixed with the carrier gas is preferably of high purity, but it is not necessary to be as pure as carburizing gas due to the small amount used, and may be, for example, acetylene for welding.

アンモニア供給源27は、アンモニアを収容した容器から構成されている。なお、図示は省略するが、ガス供給装置20はさらに、炉内10aに硫化水素(HS)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備え、浸硫浸炭および浸硫浸炭窒化を行うことが可能に構成されるものであってもよい。 The ammonia supply source 27 is composed of a container containing ammonia. Although not shown, the gas supply device 20 further includes a hydrogen sulfide supply source for supplying hydrogen sulfide (H 2 S) gas to the furnace 10 a and a hydrogen sulfide gas supply system, and the sulfurized carburization and the sulfurized carburization are performed. It may be configured to be capable of performing nitriding.

制御装置30は、適宜のマイコンまたはPC等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の各電磁弁21c〜23c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 control device 30 is composed of an appropriate microcomputer or PC. The control device 30 controls the heating device 12 based on the signal output of the thermometer 13 so that the temperature in the furnace 10 a becomes a preset temperature. The control device 30 also controls each of the solenoid valves 21c to 23c of the gas supply device 20 to supply necessary gas to the furnace interior 10a at a predetermined timing.

さらに、制御装置30は、酸素濃度計14の信号出力に基づき、上述のようにガス混合器21aを制御してキャリアガスに混合するアセチレンの量を調整する。また、制御装置30は、水素濃度計15の信号出力に基づき、電磁弁22cを制御して炉内10aへの浸炭ガスの供給量を調整する。なお、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。   Furthermore, the control device 30 controls the gas mixer 21a as described above based on the signal output of the oximeter 14 to adjust the amount of acetylene to be mixed with the carrier gas. Further, the control device 30 controls the solenoid valve 22 c based on the signal output of the hydrogen concentration meter 15 to adjust the amount of carburized gas supplied to the furnace 10 a. The measured temperature, oxygen concentration and hydrogen concentration in the furnace 10a are output to an external device and recorded as necessary.

本実施形態では、キャリアガスとして窒素とアセチレンの混合ガスを使用し、浸炭ガスとしてアセチレンを使用しているため、酸素原子は不純物としてしか炉内10aに供給されない。従って、炉内10aの雰囲気中には一酸化炭素はごく僅かにしか存在せず、ワーク100への炭素の供給(すなわち、浸炭)は、次の(c)式に基づいてアセチレンからダイレクトに行われることとなる。
→2C+H ・・・(c)
In this embodiment, since a mixed gas of nitrogen and acetylene is used as the carrier gas and acetylene is used as the carburizing gas, oxygen atoms are only supplied as impurities to the furnace interior 10a. Therefore, carbon monoxide is only slightly present in the atmosphere of the furnace 10a, and the supply of carbon to the work 100 (ie, carburization) is performed directly from acetylene based on the following equation (c): It will be
C 2 H 2 → 2 C + H 2 (c)

キャリアガスは不純物としてしか水素原子を含まないため、水素濃度計15の検出する水素濃度は、浸炭ガスであるアセチレンから生成された水素の濃度と略等しくなる。そして、この水素濃度は、炭素の供給量に略比例することとなる。すなわち、本実施形態では、炉内10aの水素濃度に基づいて、高精度にワーク100に対する浸炭量を制御することが可能となっている。また、炉内10aの水素濃度に基づいて、スーティングの発生を防止することが可能となっている。   Since the carrier gas contains hydrogen atoms only as impurities, the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration meter 15 is substantially equal to the concentration of hydrogen generated from acetylene which is a carburizing gas. And this hydrogen concentration will be approximately proportional to the amount of supply of carbon. That is, in the present embodiment, it is possible to control the carburizing amount for the workpiece 100 with high accuracy based on the hydrogen concentration in the furnace 10a. In addition, it is possible to prevent the occurrence of sooting based on the hydrogen concentration in the furnace 10a.

なお、浸炭ガスとしては、アセチレン以外にも、例えばプロピン(CHC≡CH)や1−ブチン(CHCHC≡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(HC=CH)やブタジエン(CH=CH−CH=CH)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。また、複数種類の鎖式不飽和炭化水素を混合したガスや、鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを浸炭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、浸炭ガスとしてアセチレン単体またはアセチレンと窒素の混合ガスを使用することが好ましい。 As the carburizing gas, in addition to acetylene, other chained unsaturated hydrocarbons having a triple bond such as propyne (CH 3 C≡CH) or 1-butyne (CH 3 CH 2 C≡CH) are used, for example. To use other chain unsaturated hydrocarbons having a double bond such as ethylene (H 2 C CCH 2 ) and butadiene (CH 2 CHCH—CH = CH 2 ), for example. You may In addition, a mixed gas of a plurality of chain unsaturated hydrocarbons, or a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen may be used as a carburizing gas. However, considering the point that stability decreases as the molecular weight increases and wrinkles are more likely to occur, the point with the triple bond is more reactive, and availability, etc., it is possible to use acetylene alone or acetylene as the carburizing gas. It is preferred to use a mixed gas of nitrogen.

同様に、キャリアガスにアセチレン以外の鎖式不飽和炭化水素を混合するようにしてもよいが、上述の理由からアセチレンを混合することが好ましい。また、浸炭ガスとは異なる鎖式不飽和炭化水素をキャリアガスに混合するようにしてもよいが、供給源を統一する等、装置の簡素化の観点からは、キャリアガスに混合するガスと浸炭ガスは同一の鎖式不飽和炭化水素であることが好ましい。   Similarly, although chain unsaturated hydrocarbons other than acetylene may be mixed with the carrier gas, it is preferable to mix acetylene for the reasons described above. In addition, although a chain-type unsaturated hydrocarbon different from the carburizing gas may be mixed with the carrier gas, from the viewpoint of simplification of the apparatus such as unifying the supply source, the gas mixed with the carrier gas and the carburizing may be mixed. It is preferred that the gases be identical chain unsaturated hydrocarbons.

次に、本実施形態のガス浸炭方法の具体的な手順について説明する。   Next, a specific procedure of the gas carburizing method of the present embodiment will be described.

図2は、本実施形態のガス浸炭方法のタイムチャートの一例を示した図である。浸炭に際しては、予め流量計21d〜23dを確認しながら流調弁等(図示省略)の開度を調整し、キャリアガスおよび浸炭ガスの供給流量を設定しておく。各ガスの供給流量は、特に限定されるものではなく、熱処理炉10内の容積やワーク100の表面積、必要な硬化深さ等に応じて適宜に設定すればよい。   FIG. 2 is a diagram showing an example of a time chart of the gas carburizing method of the present embodiment. In carburizing, while checking the flow meters 21d to 23d in advance, the opening degree of the flow control valve etc. (not shown) is adjusted, and the supply flow rate of the carrier gas and the carburizing gas is set. The supply flow rate of each gas is not particularly limited, and may be appropriately set according to the volume in the heat treatment furnace 10, the surface area of the work 100, the required curing depth, and the like.

各ガスの供給流量が適切に設定されているならば、浸炭処理を開始する。まず、制御装置30がキャリアガス供給系統21の電磁弁21cを開いて炉内10aに一定流量のキャリアガスを供給する。酸素濃度計14の検出する炉内10aの酸素濃度の低下が止まり、炉内10aの雰囲気がキャリアガスに置き換わったならば、制御装置30は、炉内10aの酸素濃度に基づいてガス混合器21aを制御し、キャリアガスに混合するアセチレンの量を調整する。以後、制御装置30は、キャリアガスの供給および炉内10aの酸素濃度に基づくガス混合器21aの制御を継続し、これにより炉内10aの酸素濃度が略最低限に保たれる。   If the supply flow rate of each gas is properly set, the carburizing process is started. First, the controller 30 opens the solenoid valve 21c of the carrier gas supply system 21 to supply the carrier gas of a constant flow rate to the furnace interior 10a. If the decrease in the oxygen concentration in the furnace 10a detected by the oximeter 14 stops and the atmosphere in the furnace 10a is replaced by the carrier gas, the control device 30 controls the gas mixer 21a based on the oxygen concentration in the furnace 10a. Control the amount of acetylene to be mixed with the carrier gas. Thereafter, the control device 30 continues the control of the gas mixer 21a based on the carrier gas supply and the oxygen concentration in the furnace 10a, whereby the oxygen concentration in the furnace 10a is kept substantially at the minimum.

炉内10aの酸素濃度が略最低限となったならば、炉内10aにワーク100を配置する。ワーク100は、熱処理炉10に隣接して設けられた前室(図示省略)内に予め収容されており、専用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に配置されたならば、制御装置30は、加熱装置12を制御して、予め設定された浸炭温度Tまで炉内10aを昇温する(昇温時間t)。 When the oxygen concentration in the furnace 10a becomes substantially minimum, the work 100 is placed in the furnace 10a. The workpiece 100 is accommodated in advance in a front chamber (not shown) provided adjacent to the heat treatment furnace 10, and conveyed to the furnace interior 10a by a dedicated conveyance device. If the workpiece 100 is placed in the furnace 10a, the controller 30 controls the heating unit 12 is heated a predetermined carburizing temperatures T 1 to the furnace 10a (Atsushi Nobori time t 1).

炉内10aが浸炭温度T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を制御する。そして、予め設定された均熱時間tが経過したならば、浸炭ガス供給系統22の電磁弁22cを制御して炉内10aへの浸炭ガスの供給を開始する。 If the furnace 10a becomes carburization temperature T 1, the control unit 30 controls the heating unit 12 so as to hold the furnace 10a to the carburization temperature T1. Then, if the soaking time t 2 set in advance has elapsed, it starts supplying the carburizing gas by controlling the solenoid valve 22c of the carburizing gas supply system 22 into the furnace 10a.

浸炭ガスの供給は、予め設定された浸炭時間t中に断続的に行われる。具体的に制御装置30は、予め設定された開放時間tの電磁弁22cの開放を、予め設定された供給間隔Iで、予め設定された繰り返し回数nだけ繰り返す。なお、ここで供給間隔Ioとは、電磁弁22cを開くタイミングの間隔のことであり、開放時間tの経過後に電磁弁22cを閉じてから次に開くまでの間隔(電磁弁22cが閉じている時間)のことではない。制御装置30はまた、浸炭時間t中に炉内10aの水素濃度を監視し、水素濃度が高すぎると判定した場合は次回の開放時間tを短縮し、水素濃度が低すぎると判定した場合は次回の開放時間tを延長する。 The supply of the carburizing gas is intermittently performed during carburization time t 3 when set in advance. Specifically, the control device 30, the opening of the electromagnetic valve 22c of a predetermined opening time t o, at a preset supplied intervals I o, repeated by the number of repetitions n set in advance. Here, the supply intervals Io and is that interval timing of opening the solenoid valve 22c, interval after the opening time t o to close the electromagnetic valve 22c until opening the next (solenoid valve 22c is closed Is not about time). Controller 30 also hydrogen concentration in the furnace 10a during carburization time t 3 monitors, if it is determined that the hydrogen concentration is too high to shorten the next opening time t o, is determined that the hydrogen concentration is too low If the next open time t o is extended.

浸炭ガスを断続的に供給することにより、反応性に富むアセチレンを使用しながらもワーク100への炭素の供給が過剰とならないようにすることができるため、浸炭ムラおよびスーティングの発生を防止しつつ浸炭量を高精度に制御することが可能となる。なお、浸炭ガスの1回の供給量は浸炭ガスの供給流量に開放時間tを乗じた量となり、これにnを乗じた値が浸炭ガスの総供給量となる。 By intermittently supplying the carburizing gas, it is possible to prevent excessive carbon supply to the work 100 while using reactive acetylene, thus preventing the occurrence of uneven carburization and sooting. At the same time, it is possible to control the carburizing amount with high accuracy. Incidentally, one of the supply amount of the carburizing gas becomes the amount obtained by multiplying the open time t o to the supply flow rate of the carburizing gas, the value obtained by multiplying n to which the total supply of the carburizing gas.

浸炭ガスの供給をn回行ったならば、制御装置30は、予め設定された拡散時間tの間、キャリアガスのみを供給する状態で炉内10aを浸炭温度Tに保持する。この間、ワーク100中に侵入した炭素が適宜に拡散し、所望の厚み(深さ)の硬化層が形成されることとなる。 If the supply of the carburizing gas was carried out n times, the controller 30 holds between the diffusion time t 4 when preset, the furnace 10a only the carrier gas in the state supplied to the carburization temperature T 1. During this time, carbon which has penetrated into the work 100 is appropriately diffused, and a hardened layer having a desired thickness (depth) is formed.

拡散時間tが経過したならば、制御装置30は、加熱装置12を制御して予め設定された焼入保持温度Tまで炉内10aを降温する(降温時間t)。そして、予め設定された焼入保持時間tの間、炉内10aの温度を焼入保持温度Tに維持するように、加熱装置12を制御する。焼入保持時間tの経過後、ワーク100は搬送装置によって前室内に搬送され、前室内に設けられた油槽(図示省略)内に油焼入時間tの間浸漬される。これにより、焼入れが行われる。なお、油槽内は、予め設定された焼入温度Tに保持されている。 If diffusion time t 4 has passed, the control device 30, the temperature is decreased quenching holding temperature T 2 to the furnace 10a that is set in advance by controlling the heating device 12 (temperature lowering time t 5). Then, during the quenching retention time t 6, which is set in advance, so as to maintain the temperature of the furnace 10a hardenability holding temperature T 2, which controls the heating device 12. After quenching retention time t 6, the workpiece 100 is conveyed before the chamber by conveying device, it is immersed for Aburasho input time t 7 before the oil tank provided on the chamber (not shown). Thereby, hardening is performed. Incidentally, oil tank in is held in quenching temperature T 3 which is set in advance.

以上の手順により、1ロットのワーク100に対するガス浸炭が完了する。制御装置30は、次のロットのワーク100を処理する場合は、キャリアガスの供給および加熱装置12による加熱を継続し、上記手順を繰り返す。ガス浸炭装置1を停止する場合は、キャリアガス供給系統21の電磁弁21cを閉じてキャリアガスの供給を停止すると共に、加熱装置12による加熱を停止する。   By the above procedure, gas carburization for one lot of works 100 is completed. When processing the work 100 of the next lot, the control device 30 continues the supply of the carrier gas and the heating by the heating device 12 and repeats the above procedure. When the gas carburizing apparatus 1 is stopped, the electromagnetic valve 21c of the carrier gas supply system 21 is closed to stop the supply of the carrier gas, and the heating by the heating device 12 is stopped.

本実施形態では、キャリアガスとして窒素とアセチレンの混合ガスを使用し、浸炭ガスとしてアセチレンを使用することで、炉内雰囲気のガス成分をシンプル化している。これにより、炉内10aを常圧下としながらも、真空浸炭と同様の手順によるアセチレンからのダイレクトな浸炭を行うことが可能となっている。さらに、浸炭ガスの供給を断続的に行うことにより、浸炭ムラおよび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ている。また、炉内10aを減圧する必要がないため、真空浸炭と比較して設備費および操業費を低減することが可能となっている。   In the present embodiment, the mixed gas of nitrogen and acetylene is used as the carrier gas, and acetylene is used as the carburizing gas, thereby simplifying the gas component of the atmosphere in the furnace. Thereby, it is possible to carry out direct carburization from acetylene by the same procedure as vacuum carburization while keeping the inside of the furnace 10a at normal pressure. Furthermore, by intermittently supplying the carburizing gas, it is possible to effectively prevent the occurrence of carburization unevenness and sooting. Moreover, since it is not necessary to decompress the furnace interior 10a, it is possible to reduce the equipment cost and the operation cost compared to vacuum carburization.

なお、上述のように本実施形態では、浸炭ガスの供給流量と電磁弁22cの開放時間tの設定によって、炉内10aへの浸炭ガスの1回の供給量を設定しているが、浸炭ガス供給系統22に浸炭ガスを一旦貯留する適宜のレシーバタンクを設け、レシーバタンクの容積および圧力によって炉内10aへの浸炭ガスの1回の供給量を設定するようにしてもよい。この場合、炉内10aへ浸炭ガスを短時間で一気に供給することができるため、処理時間をさらに短縮することが可能となる。また、浸炭ガス供給系統22および接続配管24は、炉内10aのワーク100に向けて複数のノズルから浸炭ガスを吹き出すように構成されるものであってもよい。 In the present embodiment as described above, by setting the opening time t o of the feed flow and the solenoid valve 22c of the carburizing gas, it is set once the supply amount of the carburizing gas into the furnace 10a, carburizing A suitable receiver tank for temporarily storing carburizing gas may be provided in the gas supply system 22, and a single supply amount of carburizing gas to the furnace 10a may be set by the volume and pressure of the receiver tank. In this case, the carburizing gas can be supplied at once in a short time to the furnace 10a, so that the processing time can be further shortened. Further, the carburizing gas supply system 22 and the connection pipe 24 may be configured to blow out the carburizing gas from the plurality of nozzles toward the work 100 in the furnace 10a.

また、本実施形態では、キャリアガスの供給中に炉内10aの酸素濃度に基づいて制御装置30がキャリアガスに混合するアセチレンの量を調整するようにしているが、窒素中の不純物の量が大きく変動しないような場合にはアセチレンの混合量を固定し、このようなフィードバック制御を省略するようにしてもよい。同様に本実施形態では、浸炭ガスを供給する際に炉内10aの水素濃度に基づいて制御装置30が電磁弁22cの開放時間tを調整するようにしているが、開放時間tを固定してこのようなフィードバック制御を省略するようにしてもよい。すなわち、それまでの処理実績における水素濃度値等に基づいて予め設定した供給量の浸炭ガスを炉内10aに供給するようにし、炉内10aの水素濃度は後の確認のために監視および記録するだけとしてもよい。さらに、浸炭条件等によっては、浸炭ガスを炉内10aに断続的に供給するのではなく、キャリアガスおよび浸炭ガスを所定の流量比で連続的に供給するようにしてもよい。 Further, in the present embodiment, the control device 30 adjusts the amount of acetylene to be mixed with the carrier gas based on the oxygen concentration in the furnace 10a during the supply of the carrier gas, but the amount of impurities in nitrogen is In the case where the fluctuation does not largely change, the mixing amount of acetylene may be fixed, and such feedback control may be omitted. Similarly, in the present embodiment, when the carburizing gas is supplied, the control device 30 adjusts the opening time t o of the solenoid valve 22 c based on the hydrogen concentration in the furnace 10 a, but the opening time t o is fixed. Such feedback control may be omitted. That is, the carburizing gas of the supply amount set in advance based on the hydrogen concentration value etc. in the processing results up to that time is supplied to the furnace 10a, and the hydrogen concentration in the furnace 10a is monitored and recorded for later confirmation. May be alone. Furthermore, depending on the carburizing condition, the carburizing gas may not be intermittently supplied to the furnace 10a, but the carrier gas and the carburizing gas may be continuously supplied at a predetermined flow ratio.

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内にキャリアガスおよび浸炭ガスを供給するガス浸炭方法であって、キャリアガスとして窒素または窒素と鎖式不飽和炭化水素の混合ガスを使用し、浸炭ガスとして鎖式不飽和炭化水素または鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを使用する。   As described above, the gas carburizing method according to the present embodiment is a gas carburizing method of heating the workpiece 100 accommodated in the heat treatment furnace 10 under normal pressure and supplying the carrier gas and the carburizing gas into the heat treatment furnace 10. The carrier gas is nitrogen or a mixed gas of nitrogen and a chain unsaturated hydrocarbon, and the carburizing gas is a chain unsaturated hydrocarbon or a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen.

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100を収容する熱処理炉10と、熱処理炉10内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内に浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給系統22と、を備え、キャリアガス供給系統21は、窒素または窒素と鎖式不飽和炭化水素の混合ガスをキャリアガスとして供給し、浸炭ガス供給系統22は、鎖式不飽和炭化水素または鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを浸炭ガスとして供給する。   Further, the gas carburizing apparatus 1 according to the present embodiment includes a heat treatment furnace 10 for housing the work 100 under normal pressure, a heating device 12 for heating the inside of the heat treatment furnace 10, and a carrier gas for supplying a carrier gas into the heat treatment furnace 10. The carrier system is provided with a supply system 21 and a carburizing gas supply system 22 for supplying a carburizing gas into the heat treatment furnace 10. The carrier gas supply system 21 supplies nitrogen or a mixed gas of nitrogen and chain unsaturated hydrocarbon as a carrier gas. The carburizing gas supply system 22 supplies a chain unsaturated hydrocarbon or a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen as a carburizing gas.

このような構成とすることで、炉内10aを常圧下としながらも、真空浸炭と同様にアセチレンからのダイレクトな浸炭を行うことが可能となるため、常圧下で迅速、且つ、高精度の浸炭を行うことができる。   With such a configuration, it is possible to carry out direct carburization from acetylene as in vacuum carburization while maintaining the inside of the furnace 10a at normal pressure, so that quick and high-precision carburization under normal pressure is possible. It can be performed.

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、熱処理炉10内を所定の浸炭温度Tに保持した状態で、浸炭ガスを熱処理炉10内に断続的に供給する。また、ガス浸炭装置1は、浸炭ガスを熱処理炉10内に断続的に供給するように、浸炭ガス供給系統22を制御する制御装置30を備えている。このようにすることで、アセチレンによる迅速な浸炭を可能としながらも、ワーク100への炭素の供給を適宜に抑制することが可能となるため、浸炭ムラおよびスーティングの発生を防止すると共に、浸炭量を高精度に制御することができる。 Further, a gas carburizing method according to the present embodiment, while holding the heat treatment furnace 10 to a predetermined carburizing temperature T 1, intermittently supplying carburizing gas into the heat treatment furnace 10. In addition, the gas carburizing apparatus 1 includes a control device 30 that controls the carburizing gas supply system 22 so as to intermittently supply the carburizing gas into the heat treatment furnace 10. In this way, it is possible to appropriately suppress the supply of carbon to the work 100 while enabling rapid carburization with acetylene, so that the occurrence of uneven carburization and sooting can be prevented, and carburization can be prevented. The amount can be controlled with high precision.

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、キャリアガスとして浸炭ガスと同一の鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを使用することが好ましい。このようにすることで、ガス供給装置20を簡素化し、設備費を低減することができる。   Further, in the gas carburizing method according to the present embodiment, it is preferable to use, as a carrier gas, a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen which is the same as the carburizing gas. By doing this, the gas supply device 20 can be simplified and equipment cost can be reduced.

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、浸炭ガスとしてアセチレンまたはアセチレンと窒素の混合ガスを使用することが好ましい。高い反応性と安定性を兼ね備え、さらに入手の容易なアセチレンを浸炭ガスとして使用することで、処理時間の短縮および浸炭量の高精度な制御を低コストで容易に実現することができる。   Moreover, in the gas carburizing method according to the present embodiment, it is preferable to use acetylene or a mixed gas of acetylene and nitrogen as a carburizing gas. By using acetylene, which has both high reactivity and stability, and is easily available as a carburizing gas, shortening of the treatment time and high-precision control of the carburizing amount can be easily realized at low cost.

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、浸炭ガスとして純度が99容量%以上のアセチレンを使用することが好ましい。このようにすることで、浸炭ガス中に含まれる不純物の影響を排除し、高精度の浸炭を迅速に行うことができる。また、一般に流通している高純度アセチレンをそのまま浸炭ガスとして使用することができる。   Moreover, in the gas carburizing method according to the present embodiment, it is preferable to use acetylene having a purity of 99% by volume or more as the carburizing gas. In this way, the effects of impurities contained in the carburizing gas can be eliminated, and high precision carburization can be performed quickly. In addition, high purity acetylene generally in circulation can be used as it is as a carburizing gas.

また、本実施形態に係るガス浸炭方法では、キャリアガスとして使用する窒素を圧力スイング吸着法により空気から分離している。このようにすることで、低コストで安定的に窒素を供給することができる。   In the gas carburizing method according to the present embodiment, nitrogen used as a carrier gas is separated from air by pressure swing adsorption. By doing this, nitrogen can be stably supplied at low cost.

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 the embodiment of the present invention was described, the gas carburizing method and gas carburizing apparatus of the present invention are not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention. Of course it is possible to add

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 actions and effects described in the above embodiment are only listing of the most preferable actions and effects resulting from the present invention, and the actions and effects according to 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。   Hereinafter, examples of the present invention will be described. The present invention is not limited to the present embodiment.

本実施例では、上記実施形態のガス浸炭装置1を使用し、4種類のテストピースTP1〜TP4に対して図2に示すタイムチャートに沿って浸炭を行った。そして、浸炭後の各テストピースTP1〜TP4についてマイクロビッカース硬度計による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。   In the present example, carburizing was performed along the time chart shown in FIG. 2 with respect to four types of test pieces TP1 to TP4 using the gas carburizing apparatus 1 of the above embodiment. And while carrying out the hardness test by a micro Vickers hardness tester about each test piece TP1-TP4 after carburizing, the structure | tissue observation by an optical microscope was performed.

テストピースTP1は外径30mm、高さ30mmの円柱状のSCM415材とし、テストピースTP2は外径15mm、高さ30mmの円柱状のSCM415材とし、テストピースTP3は外径30mm、内径10mm、高さ30mmの円筒状のSCM415材とし、テストピースTP4は外径24mm、内径10mm、高さ30mmの円筒状のSNCM420材とした。   The test piece TP1 is a cylindrical SCM 415 material with an outer diameter of 30 mm and a height of 30 mm, the test piece TP2 is a cylindrical SCM 415 material with an outer diameter of 15 mm and a height of 30 mm, and the test piece TP3 with an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 10 mm and a height The test piece TP4 was a cylindrical SCM 415 material having an outer diameter of 24 mm, an inner diameter of 10 mm, and a height of 30 mm.

図2のタイムチャートにおける浸炭温度Tは930℃に、焼入保持温度Tは870℃に、油焼入温度Tは65℃に設定した。また、昇温時間t1は60分に、均熱時間t2は30分に、浸炭時間t3は90分に、拡散時間t4は120分に、降温時間t5は30分に、焼入保持時間t6は30分に、油焼入時間t7は15分に設定した。 The carburizing temperature T 1 of the 930 ° C. in the time chart of FIG. 2, the quenching holding temperature T 2 is 870 ° C., an oil quenching temperature T 3 was set to 65 ° C.. The heating time t1 is 60 minutes, the soaking time t2 is 30 minutes, the carburizing time t3 is 90 minutes, the diffusion time t4 is 120 minutes, the cooling time t5 is 30 minutes, and the quenching holding time t6 is The oil quenching time t7 was set to 15 minutes at 30 minutes.

キャリアガスには窒素に純度99容量%のアセチレンを混合したガスを使用し、浸炭ガスには純度99容量%のアセチレンを使用した。キャリアガスの供給流量は1m/時間とし、浸炭ガスの供給流量は2リットル/分とした。浸炭ガスの供給間隔Iは300秒とし、繰り返し回数nは20回に設定した。また、電磁弁22cの開放時間tは120秒とし、1回の供給ごとに4リットルの浸炭ガスが供給されるように設定した。 As a carrier gas, a mixed gas of nitrogen and acetylene having a purity of 99% by volume was used, and as the carburizing gas, acetylene having a purity of 99% by volume was used. The supply flow rate of the carrier gas was 1 m 3 / hour, and the supply flow rate of the carburizing gas was 2 liters / minute. The carburizing gas supply interval Io was set to 300 seconds, and the number of repetitions n was set to 20 times. Further, the open time t o of the solenoid valve 22 c was set to 120 seconds, and 4 liters of carburized gas was set to be supplied for each supply.

硬さ試験の測定荷重は0.1kgfとし、表面からの距離が0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.5mmおよび2.0mmとなる9箇所について測定を行った。組織観察では、浸炭された表面近傍の断面と、浸炭されていない内部の断面を観察し、写真を撮影した。   The measurement load of hardness test is 0.1kgf, the distance from the surface is 0.05mm, 0.1mm, 0.2mm, 0.5mm, 0.7mm, 1.0mm, 1.2mm, 1.5mm and 2 The measurement was carried out at nine points of .0 mm. In the tissue observation, a cross section near the carburized surface and a cross section inside the non-carburized surface were observed and photographed.

図3は、硬さ試験の結果を示したグラフである。同図に示されるように、テストピースTP1〜TP4のいずれにおいても表面近傍の硬度が略HV800となり、HV500以上の有効硬化深さが1mm以上となることが確認された。また、深さ方向の硬さの低下度合も緩やかであり、鋼材中に炭素が適切に拡散し、略理想的な硬さ分布が得られることが確認された。   FIG. 3 is a graph showing the results of the hardness test. As shown in the figure, in any of the test pieces TP1 to TP4, it was confirmed that the hardness in the vicinity of the surface is approximately HV 800, and the effective curing depth of HV 500 or more is 1 mm or more. In addition, it was also confirmed that the degree of decrease in hardness in the depth direction was moderate, and carbon was properly diffused in the steel material, and a substantially ideal hardness distribution could be obtained.

図4(a)はテストピースTP1の表面近傍における断面の顕微鏡写真であり、同図(b)はテストピースTP1の内部における断面の顕微鏡写真である。また、図5(a)はテストピースTP2の表面近傍における断面の顕微鏡写真であり、同図(b)はテストピースTP2の内部における断面の顕微鏡写真である。また、図6(a)はテストピースTP4の表面近傍における断面の顕微鏡写真であり、同図(b)はテストピースTP4の内部における断面の顕微鏡写真である。これらの図に示されるように、表面近傍および内部のいずれにおいて良好な組織が得られることが確認された。   FIG. 4 (a) is a micrograph of a cross section in the vicinity of the surface of the test piece TP1, and FIG. 4 (b) is a micrograph of a cross section in the inside of the test piece TP1. 5 (a) is a photomicrograph of a cross section in the vicinity of the surface of the test piece TP2, and FIG. 5 (b) is a photomicrograph of a cross section in the inside of the test piece TP2. 6 (a) is a micrograph of a cross section in the vicinity of the surface of the test piece TP4, and FIG. 6 (b) is a micrograph of a cross section in the inside of the test piece TP4. As shown in these figures, it was confirmed that good tissue could be obtained either near or inside the surface.

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 gas carburizing apparatus 1 of the above embodiment, it has been confirmed that carburizing of good quality can be processed in a short time.

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 utilized in the field of surface hardening of steel.

1 ガス浸炭装置
10 熱処理炉
12 加熱装置
21 キャリアガス供給系統
22 浸炭ガス供給系統
30 制御装置
100 ワーク
浸炭温度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 gas carburizing apparatus 10 heat treatment furnace 12 heating apparatus 21 carrier gas supply system 22 carburizing gas supply system 30 control apparatus 100 work T 1 carburizing temperature

Claims (7)

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および浸炭ガスを供給するガス浸炭方法であって
前記浸炭ガスとして鎖式不飽和炭化水素または鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを使用し、
前記キャリアガスとして前記浸炭ガスと同一の鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを使用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 supplying a carrier gas and a carburizing gas into the heat treatment furnace ,
As the carburizing gas, a chain unsaturated hydrocarbon or a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen is used ,
A mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen, which is the same as the carburizing gas, is used as the carrier gas .
Gas carburizing method.
前記熱処理炉内を所定の浸炭温度に保持した状態で、前記浸炭ガスを前記熱処理炉内に断続的に供給することを特徴とする、
請求項1に記載のガス浸炭方法。
The carburizing gas is intermittently supplied into the heat treatment furnace while keeping the inside of the heat treatment furnace at a predetermined carburizing temperature.
The gas carburizing method according to claim 1.
前記浸炭ガスとしてアセチレンまたはアセチレンと窒素の混合ガスを使用することを特徴とする、
請求項1又は2に記載のガス浸炭方法。
Acetylene or a mixed gas of acetylene and nitrogen is used as the carburizing gas,
A gas carburizing method according to claim 1 or 2 .
前記浸炭ガスとして純度が99容量%以上のアセチレンを使用することを特徴とする、
請求項1乃至のいずれかに記載のガス浸炭方法。
Acetylene having a purity of 99% by volume or more is used as the carburizing gas,
The gas carburizing method according to any one of claims 1 to 3 .
前記キャリアガスとして使用する窒素を圧力スイング吸着法により空気から分離することを特徴とする、
請求項1乃至のいずれかに記載のガス浸炭方法。
The nitrogen used as the carrier gas is separated from air by pressure swing adsorption.
The gas carburizing method according to any one of claims 1 to 4 .
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、
前記熱処理炉内に浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給系統と、を備え
前記浸炭ガス供給系統は、鎖式不飽和炭化水素または鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを前記浸炭ガスとして供給し、
前記キャリアガス供給系統は、前記浸炭ガスと同一の鎖式不飽和炭化水素と窒素の混合ガスを前記キャリアガスとして供給することを特徴とする、
ガス浸炭装置。
A heat treatment furnace that holds the work under normal pressure;
A heating device for heating the inside of the heat treatment furnace;
A carrier gas supply system for supplying a carrier gas into the heat treatment furnace;
A carburizing gas supply system for supplying carburizing gas into the heat treatment furnace ;
The carburizing gas supply system supplies a chain unsaturated hydrocarbon or a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen as the carburizing gas ,
The carrier gas supply system supplies, as the carrier gas, a mixed gas of a chain unsaturated hydrocarbon and nitrogen which is the same as the carburizing gas .
Gas carburizing equipment.
前記浸炭ガスを前記熱処理炉内に断続的に供給するように、前記浸炭ガス供給系統を制御する制御装置を備えることを特徴とする、
請求項に記載のガス浸炭装置。
A controller is provided to control the carburizing gas supply system so as to intermittently supply the carburizing gas into the heat treatment furnace.
The gas carburizing apparatus according to claim 6 .
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