JP7438645B2 - 浸炭システム、および、金属部品の製造方法 - Google Patents

浸炭システム、および、金属部品の製造方法 Download PDF

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本発明は、浸炭システム、および、金属部品の製造方法に関する。
従来、一酸化炭素と水素との混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして、金属からなるワークを浸炭処理する浸炭方法が知られている。混合ガスは、炭化水素を燃焼させることにより得られる。(下記特許文献1参照)。
特開2015-4110号公報
上記した特許文献1に記載されるような浸炭方法では、浸炭炉から排出される排出ガス中の一酸化炭素を燃焼させて、二酸化炭素を大気に排出している。
そのため、二酸化炭素の排出量を低減することが困難である。
そこで、本発明の目的は、二酸化炭素の排出量を低減できる浸炭システム、および、金属部品の製造方法を提供することにある。
本発明[1]は、金属からなるワークを収容可能な収容部を有し、一酸化炭素を含有する浸炭用ガスによって前記収容部内の前記ワークを浸炭処理する浸炭炉と、炭素源を収容可能な加熱炉を有し、前記収容部から排出された排出ガス中の二酸化炭素を前記炭素源と反応させて一酸化炭素を生成する生成装置とを備える、浸炭システムを含む。
このような構成によれば、生成装置によって、排出ガス中の二酸化炭素を消費して一酸化炭素を生成することができる。
そのため、二酸化炭素の排出量を低減できる。
また、生成した一酸化炭素は、浸炭用ガスとして利用できる。
そのため、生成した一酸化炭素を浸炭用ガスとして利用すれば、浸炭処理のコストの低減を図ることもできる。
本発明[2]は、前記浸炭炉と前記生成装置との間で前記排出ガスを循環させる循環経路と、前記排出ガス中の水蒸気を除去する除湿装置とをさらに備える、上記[1]の浸炭システムを含む。
このような構成によれば、浸炭炉と生成装置との間で排出ガスを循環させることにより、生成装置の加熱炉内を排出ガスの熱を利用して加熱することができ、省エネルギー化を図ることができる。
また、生成装置で生成された一酸化炭素を浸炭炉ですぐに消費できる。
また、浸炭炉内で二酸化炭素と水素とが反応することによって生成した水を、除湿装置で除去することができ、浸炭用ガスのカーボンポテンシャルの低下を抑制できる。
本発明[3]は、一酸化炭素を含有する浸炭用ガスによって金属からなるワークを浸炭処理する浸炭工程と、前記浸炭工程において排出された排出ガス中の二酸化炭素を炭素源と反応させて一酸化炭素を生成する生成工程とを含む、金属部品の製造方法を含む。
このような方法によれば、生成工程において、排出ガス中の二酸化炭素を消費して一酸化炭素を生成することができる。
そのため、二酸化炭素の排出量を低減できる。
また、生成した一酸化炭素は、浸炭用ガスとして利用できる。
そのため、生成した一酸化炭素を浸炭用ガスとして利用すれば、金属部品の製造コストの低減を図ることができる。
本発明の浸炭システム、および、金属部品の製造方法によれば、二酸化炭素の排出量を低減できる。
図1Aは、金属部品の製造方法を説明するためのフロー図である。図1Bは、図1Aのガス浸炭工程を説明するためのフロー図である。 図2は、浸炭システムの構成図である。
1.金属部品の製造方法
図1Aおよび図1Bを参照して、金属部品の製造方法の一実施形態について説明する。なお、製造された金属部品の用途は、限定されない。
図1Aに示すように、本実施形態では、金属部品の製造方法は、成形工程(S1)と、洗浄工程(S2)と、ガス浸炭工程(S3)と、焼入れ工程(S4)と、洗浄工程(S5)と、焼戻し工程(S6)とを含む。
(1)成形工程
金属部品の製造方法では、まず、成形工程(S1)を実行する。成形工程(S1)では、金属材料を所定の形状に成形する。
金属材料としては、例えば、炭素鋼、好ましくは、低炭素鋼が挙げられる。
(2)洗浄工程
次に、洗浄工程(S2)を実行する。
洗浄工程(S2)では、ガス浸炭工程(S3)の前に、成形工程(S1)によって得られた成形体(金属からなるワーク)の表面を、洗浄する。これにより、成形工程(S1)においてワーク表面に付着した切削油などを、除去する。
(3)ガス浸炭工程
次に、ガス浸炭工程(S3)を実行する。
ガス浸炭工程(S3)では、洗浄工程(S2)によって洗浄されたワークを、ガス浸炭処理する。
詳しくは、図1Bに示すように、ガス浸炭工程(S3)は、浸炭工程(S31)と、生成工程(S32)とを含む。言い換えると、金属部品の製造方法は、浸炭工程(S31)と、生成工程(S32)とを含む。
(3-1)浸炭工程
浸炭工程(S31)では、浸炭用ガスによって、ワークを浸炭処理する。具体的には、浸炭工程(S31)では、浸炭用ガスで満たされた浸炭炉内でワークを加熱する。すると、浸炭炉内の浸炭用ガスによって、ワークが浸炭処理される。つまり、浸炭用ガスは、浸炭炉内の雰囲気ガスである。
浸炭用ガスは、必須成分として、一酸化炭素を含有する。本実施形態では、浸炭用ガスは、変成炉で生成された変成ガスと、エンリッチガスとの混合物である。
変成ガスは、一酸化炭素を含有する。変成ガスは、二酸化炭素、水素、水蒸気、および、窒素を含有してもよい。変成ガスを得るには、例えば、プロパンなどの炭化水素ガスと空気との混合物を、加熱されたニッケル触媒(例えば、1000℃)に作用させる。すると、炭化水素ガスと空気とが反応して、変成ガスが生成される。
エンリッチガスは、浸炭用ガスのカーボンポテンシャルを増加させるために、変成ガスとともに浸炭炉に導入される。エンリッチガスとして、例えば、プロパンなどの炭化水素ガスが挙げられる。
浸炭工程(S31)では、浸炭用ガス中の一酸化炭素と、加熱されたワーク表面の金属との反応により、二酸化炭素が生成する(2CO→[C]+CO2)。そのため、浸炭炉から排出される排出ガスは、二酸化炭素を含有する。なお、排出ガス中の二酸化炭素の割合は、変成ガス中の二酸化炭素の割合よりも多い。
浸炭工程(S31)における浸炭炉内の温度は、例えば、800℃以上であり、例えば、930℃以下である。
(3-2)生成工程
生成工程(S32)では、浸炭工程(S31)において排出された排出ガス中の二酸化炭素を炭素源と反応させて、一酸化炭素を生成する。生成工程(S32)では、例えば、加熱された炭素源(例えば、1000℃)に、排出ガスを作用させる。すると、排出ガス中の二酸化炭素が炭素源と反応して、一酸化炭素が生成される(CO2+[C]→2CO)。
炭素源は、二酸化炭素との反応によって一酸化炭素を生成できれば、限定されない。炭素源として、例えば、炭素棒、炭素粒子などが挙げられる。
生成工程(S32)において排出ガス中の二酸化炭素を消費することにより、二酸化炭素の排出量の低減を図ることができる。
また、生成工程(S32)において生成した一酸化炭素を浸炭用ガスとして再利用すれば、炭化水素ガスの使用量の低減を図ることができ、ひいては、金属部品の製造コストの低減を図ることができる。
(4)焼入れ工程
次に、図1Aに示すように、焼入れ工程(S4)を実行する。焼入れ工程(S4)では、ガス浸炭工程(S3)で浸炭処理されたワークを急冷する。
(5)洗浄工程
次に、洗浄工程(S5)を実行する。洗浄工程(S5)では、焼入れ工程(S4)の後に、ワークの表面を洗浄する。これにより、焼入れ工程(S4)においてワーク表面に付着した焼入れ油を除去する。
(6)焼戻し工程
次に、焼戻し工程(S6)を実行する。焼戻し工程(S6)では、焼入れ工程(S4)で急冷されたワークを、再度加熱する。
2.作用効果
上記した金属部品の製造方法によれば、生成工程(S32)において、排出ガス中の二酸化炭素を消費して一酸化炭素を生成することができる。
そのため、二酸化炭素の排出量を低減できる。
また、生成した一酸化炭素は、浸炭用ガスとして利用できる。
そのため、生成した一酸化炭素を浸炭用ガスとして利用すれば、金属部品の製造コストの低減を図ることができる。
3.浸炭システム
次に、図2を参照して、浸炭システムの一実施形態について説明する。
図2に示す浸炭システム1は、上記した金属部品の製造方法を実施可能なシステムの一例である。浸炭システム1は、連続式の浸炭システムである。浸炭システム1は、上記した洗浄工程(S2)、ガス浸炭工程(S3)、焼入れ工程(S4)、洗浄工程(S5)および焼戻し工程(S6)を連続して実施可能である。浸炭システム1は、変性炉2と、浸炭炉3と、循環経路4と、生成装置5と、除湿装置6と、焼入れ槽7と、焼戻し炉8と、複数の洗浄装置9A,9Bとを備える。
(1)変成炉
変成炉2は、上記した変成ガスを製造する。変成炉2は、浸炭炉3と接続される。本実施形態では、変成炉2は、ワークWの搬送方向において、浸炭炉3の上流側端部と接続される。変成炉2によって製造された変成ガスは、浸炭炉3の収容部31に供給される。また、変成ガスとともに、エンリッチガスが浸炭炉3の収容部31に供給される。
(2)浸炭炉
浸炭炉3は、上記した浸炭工程(S21、図1B参照)を実行可能である。すなわち、浸炭炉3は、浸炭用ガスによって、収容部31内のワークWを浸炭処理する。
浸炭炉3は、ワークWの搬送方向に延びる。浸炭炉3は、収容部31と、コンベア32とを有する。収容部31は、ワークWを収容可能である。コンベア32は、収容部31内のワークWを、搬送方向に搬送する。
(3)循環経路
循環経路4には、収容部31から排出された排出ガスが流入する。循環経路4は、浸炭炉3と生成装置5との間で排出ガスを循環させる。詳しくは、循環経路4は、浸炭炉3の収容部31と生成装置5の加熱炉51との間で排出ガスを循環させる。加熱炉51については、後で説明する。
浸炭炉3と生成装置5との間で排出ガスを循環させることにより、加熱炉51内を排出ガスの熱を利用して加熱することができ、生成工程の省エネルギー化を図ることができる。また、生成装置5で生成された一酸化炭素を浸炭炉3ですぐに消費できる。
循環経路4は、一端部4Aと、他端部4Bとを有する。一端部4Aは、ワークWの搬送方向において、浸炭炉3の下流側端部と接続される。他端部4Bは、ワークWの搬送方向において、浸炭炉3の上流側端部と接続される。収容部31から排出された排出ガスは、一端部4Aから循環経路4内に入る。循環経路4内の排出ガスは、他端部4Bに向かって流れる。
(4)生成装置
生成装置5は、上記した生成工程(S22、図1B参照)を実行可能である。すなわち、生成装置5は、排出ガス中の二酸化炭素を炭素源と反応させて、一酸化炭素を生成する。生成装置5は、循環経路4の途中に配置される。生成装置5は、加熱炉51を有する。
加熱炉51は、上記した炭素源を収容可能である。加熱炉51は、炭素源を加熱する。循環経路4内に入った排出ガスは、加熱炉51を通るときに、加熱炉51内の炭素源に作用する。すると、上記したように、排出ガス中の二酸化炭素が炭素源と反応して、一酸化炭素が生成される。これにより、加熱炉51を通った排出ガスは、一酸化炭素を含有する。
加熱炉51を通った排出ガス中の一酸化炭素の割合は、収容部31から排出された排出ガス中の一酸化炭素の割合よりも高い。
また、加熱炉51を通った排出ガス中の二酸化炭素の割合は、収容部31から排出された排出ガス中の二酸化炭素の割合よりも低い。
加熱炉51を通った排出ガスは、循環経路4の他端部4Bを通って、浸炭炉3の収容部31に供給される。
(5)除湿装置
除湿装置6は、排出ガス中の水蒸気を除去する。除湿装置6は、循環経路4の途中に配置される。本実施形態では、除湿装置6は、循環経路4の一端部4Aと生成装置5との間に配置される。
ここで、浸炭炉3では、上記したように、浸炭用ガス中の一酸化炭素と、加熱されたワークW表面の金属との反応により、二酸化炭素が生成する(2CO→[C]+CO2)。浸炭炉3内で二酸化炭素が増加すると、二酸化炭素と水素との反応により、水が生成する(H2+CO2→CO+H2O)。
なお、水素は、変成ガスに含まれている他、エンリッチガスと加熱されたワークW表面の金属との反応(C38→2[C]+H2+CH4)、メタンと二酸化炭素との反応(CH4+CO2→2CO+2H2)、および、メタンと水との反応(CH4+H2O→CO+3H2)によっても生成する。
そのため、本実施形態のように、浸炭炉3と生成装置5との間で排出ガスを循環させると、生成した水によって、浸炭用ガス中の一酸化炭素の濃度が相対的に低下する可能性がある。つまり、浸炭用ガスのカーボンポテンシャルが低下する。
この点、本実施形態では、排出ガス中の水蒸気を除湿装置6で除去しているので、浸炭炉3と生成装置5との間で排出ガスを循環させたとしても、浸炭用ガスのカーボンポテンシャルの低下を抑制できる。
(6)焼入れ槽
焼入れ槽7は、上記した焼入れ工程(S3、図1A参照)を実行可能である。焼入れ槽7は、ワークWの搬送方向において、浸炭炉3の下流側に配置される。焼入れ槽7は、浸炭炉3を通ったワークWを急冷する。
(7)焼戻し炉
焼戻し炉8は、上記した焼戻し工程(S4、図1A参照)を実行可能である。焼戻し炉8は、ワークWの搬送方向において、焼入れ槽7の下流側に配置される。焼戻し炉8は、焼入れ槽7で急冷されたワークWを加熱する。
(8)洗浄装置
洗浄装置9Aは、上記した洗浄工程(S2、図1A参照)を実行可能である。洗浄装置9Aは、ワークWの搬送方向において、浸炭炉3の上流側に配置される。洗浄装置9Aは、浸炭炉3内に入る前のワークWを洗浄する。
洗浄装置9Bは、上記した洗浄工程(S5、図1A参照)を実行可能である。洗浄装置9Bは、ワークWの搬送方向において、焼入れ槽7と焼戻し炉8との間に配置される。洗浄装置9Bは、焼入れ槽7から取り出され、焼戻し炉8内に入る前のワークWを洗浄する。
4.作用効果
(1)浸炭システム1によれば、図2に示すように、生成装置5によって、排出ガス中の二酸化炭素を消費して一酸化炭素を生成することができる。
そのため、二酸化炭素の排出量を低減できる。
また、生成した一酸化炭素は、浸炭用ガスとして利用できる。
そのため、生成した一酸化炭素を浸炭用ガスとして利用すれば、浸炭処理のコストの低減を図ることもできる。
(2)図2に示すように、浸炭システム1は、循環経路4を備える。
そのため、浸炭炉3と生成装置5との間で排出ガスを循環させることにより、生成装置5の加熱炉51内を排出ガスの熱を利用して加熱することができ、省エネルギー化を図ることができる。
また、生成装置5で生成された一酸化炭素を浸炭炉3ですぐに消費できる。
また、浸炭システム1は、除湿装置6を備える。
そのため、浸炭炉3内で二酸化炭素と水素とが反応することによって生成した水を、除湿装置6で除去することができ、浸炭用ガスのカーボンポテンシャルの低下を抑制できる。
4.変形例
以下、変形例について説明する。変形例において、上記した実施形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
(1)ガス浸炭工程(S3)において、変成ガスを用いなくてもよい。変成ガスの代わりに、分解ガスを用いてもよい。分解ガスは、メタノールなどの有機溶媒を浸炭炉内で分解することにより得られる。この場合、浸炭システム1は、変成炉2を備えなくてもよい。
(2)上記した金属部品の製造方法を適用可能な浸炭方法は、ガス浸炭法に限らない。浸炭用ガスが一酸化炭素を含有する浸炭方法であれば、上記した金属部品の製造方法を適用可能である。上記した金属部品の製造方法は、例えば、ガス浸炭窒化法に適用されてもよい。
(3)浸炭システムは、循環経路4および除湿装置6を備えていなくてもよい。例えば、生成装置5を通った排出ガスを浸炭炉3に戻さず、ボンベに溜めて保管しておき、必要により変成ガスの代わりに使用してもよい。
(4)金属部品の製造方法において、浸炭工程と生成工程とを連続して実行しなくてもよい。例えば、浸炭炉3から排出された排出ガスをボンベに溜めて保管しておき、浸炭システムとは別の生成装置を使って、排出ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素を生成してもよい。
(5)循環経路4の他端部4Bは、変成炉2と浸炭炉3とを接続する経路の途中に接続されてもよい。
(6)除湿装置6は、生成装置5と、循環経路4の他端部4Bとの間に配置されていてもよい。この場合、変成炉2からの変成ガスを除湿装置6に通してもよい。
(7)変形例(1)から(6)でも、上記した実施形態と同様に、二酸化炭素の排出量を抑制できる。
1 浸炭システム
3 浸炭炉
31 収容部
4 循環経路
5 生成装置
51 加熱炉
6 除湿装置
W ワーク

Claims (3)

  1. 金属からなるワークを収容可能な収容部を有し、一酸化炭素を含有する浸炭用ガスによって前記収容部内の前記ワークを浸炭処理する浸炭炉と、
    炭素源を収容可能な加熱炉を有し、前記収容部から排出された排出ガス中の二酸化炭素を前記炭素源と反応させて一酸化炭素を生成する生成装置と
    を備え、
    前記炭素源は、炭素棒および炭素粒子の少なくとも一方である、浸炭システム。
  2. 前記浸炭炉と前記生成装置との間で前記排出ガスを循環させる循環経路と、
    前記排出ガス中の水蒸気を除去する除湿装置と
    をさらに備える、請求項1に記載の浸炭システム。
  3. 一酸化炭素を含有する浸炭用ガスによって金属からなるワークを浸炭処理する浸炭工程と、
    前記浸炭工程において排出された排出ガス中の二酸化炭素を炭素源と反応させて一酸化炭素を生成する生成工程と
    を含み、
    前記炭素源は、炭素棒および炭素粒子の少なくとも一方である、金属部品の製造方法。
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