JPH03180459A - 超低流量雰囲気ガス浸炭焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は各種金属の浸炭、焼入等の熱処理を行なう方法
において、定常運転時は通常の炉において導入される量
（推奨流量）に比べて相当に少ないｆｉ量（好ましくは
推奨流量の１／４〜１１５で窒素及びメタノールを導入
し、各々のドアーの開閉時又は開閉前に空気の混入によ
る爆発を防ぐためにアルコールの導入を増加させること
を特徴とする金属の熱処理方法に関する。

（従来技術とその問題点） 近年変成炉を使用することなく窒素とメタノールを直接
炉内へ導入し熱処理を行う方法（例えば特開昭５７−１
６１６３）や空気と炭化水素系のガスを直接炉内に導入
して熱処理を行う方法（例えば特開昭６２−３３７５３
）が提供されている。これらの方法において特に窒素−
メタノール法では、その安全性を維持する為に、雰囲気
ガスが時間当りに炉内容積の４〜５倍程度の流量が必要
となりランニングコストにおいて経済性に問題があった
。又空気炭化水素系ガス法ではその性質上炉の内容積の
１倍程度にしないと十分な浸炭反応が成立しない。

しかしながらこの様な低流量雰囲気では例えば、密閉式
バッチ炉について言えば、加工品の搬入出の為のドアの
開閉時や浸炭後の焼入れ時での急激な温度降下による外
部からの空気の侵入により爆発性雰囲気が生成する原因
となる。

一般に爆発とは燃焼性雰囲気においである温度において
酸素濃度がある範囲内に入ると起る。

般に炉の内容積４〜５倍／ｈｒ程度の流量と窒素及びメ
タノールを導入していれば、酸素濃度が爆発限界外なの
で爆発が起らない、しかしながら窒素及びメタノールの
導入量を炉の内容積の１倍／ｈｒ程度に減少させる時、
そのような状態でドアーを開放すると、空気の混入する
危険性が増し、酸素濃度が爆発限界内に入り、爆発が起
る可能性がある。従って、安全性を高めるには熱処理室
はもとより、前室内でも「０□濃度が常に爆発範囲外に
ある事が必要条件となる。

（問題を解決する為の手段） 本発明の方法はこれらの欠点を回避するものである。す
なわち本発明の方法は炉に注入する窒素−アルコール雰
囲気（キャリヤーガス）中のアルコール流量を、ドアー
の開放前又は開放中増大させることにより、該雰囲気中
の可燃性ガスである一酸化炭素及び水素ガス量をドアが
開いた時に、通常の操業ｆＬ量以上に増大させ、ドアを
閉鎖したときは、その通常の操業流量迄減少させそれに
よって炉内に入ってくる空気中の酸素分と反応（燃焼）
させるものである。

本発明は、密閉型炉を使用してバッチ式により各種金属
の浸炭、焼入等の熱処理を行なう方法において、その炉
は前室及び熱処理室を含み、その炉の熱処理室は金属の
処理に必要な温度に加熱されており、前室と外部との間
及び前室と熱処理室との間にドアーが設置されており、
その熱処理室には定常運転中、通常の炉において導入さ
れる量（推奨流量）に比べて相当に減少した流量、好ま
しくは推奨流量の１／４〜１１５の流量で窒素及びメタ
ノール等のアルコールを導入し、各々のドアー開放時又
は開放前にアルコールの導入を増加させ、炉操業の安全
性の維持又はドアー開閉時の炉気の乱れを防ぎかつ立上
りを早くすることを特徴とする金属熱処理方法に関する
。

一般に推奨流量とは炉の内容積の５倍／ｈｒの量である
から、本発明では炉の内容積の１倍／ｈｒ程度の流量で
窒素およびメタノール等のアルコールを導入することが
好ましい。

又長期的連続使用に耐える様に、前室より酸素濃度を連
続的に検出し、好ましくは浸炭室より正圧と負圧が測定
できる圧力検出器にて炉内圧力を監視する。これにより
長期的運転によるドアシール材の摩耗からによる空気の
侵入や、焼入れ時の前室内での異常圧力低下を検知し、
自動的にアルコール２ｉｔ量を増加させるか又は任意に
前室に窒素を導入して空気の侵入防止又は燃焼させかく
して低流量雰囲気下で加工品の浸炭を行う期間を通じて
炉の浸炭性雰囲気の安全性を十分に維持できることとな
る。この場合検出する酸素分の警報設定値は１％以下、
炉内圧力は正圧にすることが好ましい０本発明の好まし
い実施態様によれば炉のドアを開放する少し前から高濃
度の一酸化炭素を発生スるアルコールを注入する。この
アルコールの注入は少なくともドア閉鎖後タイマー設定
により行われる。この様にする事によりドアの開放に合
わせてキャリヤーガスの過剰供給を予め開始することが
でき、更にドアを閉じた後から通常のキャリヤーガス流
量に戻すタイミングを容易に設定することができる。

本発明を更によく理解して頂くため以下添付図面に関し
て本発明の代表的実施例を説明する。まず第１図及び第
２図について説明する。これらの図は本発明により鯛部
品を浸炭することができる密閉式バッチ炉の代表的実施
例である。炉には内部中間ドアｌで仕切られている前室
２と浸炭室３とがあり、中間ドア１は好ましくはケーブ
ル４、滑車５によって案内またはチャンネル６内の開放
位置と閉鎖位置との間で作動される。前室２の人口は入
口ドア７で構成されこの入口ドア７も案内８と炉の外面
とによって構成される傾斜面に沿って摺動するようにな
っている０人口ドア７もやはり滑車９およびケーブル９
などによって駆動される。入口ドア７および１の作動機
構として滑車とケーブルの装置を図には示したが、かか
るドアを選択的に開放位置と閉鎖位置との間で選択的に
並進運動させるための通常のどんな手段を利用してもよ
いことは言うまでもない、好ましくは入口ドア７には開
口部ｌＯがあり開口部ｌＯの外側の開口近くにはパイロ
７）炎１１がついている。複数の駆動および遊動ロール
からなり、その上を鋼加工品１２を入れた加工トレー１
３が通る適当なコンベア手段１４が公知の方法で設けら
れている。前室２の下には通常焼入れ用油槽１５がある
。

以上明らかな様に、浸炭室３から取出された浸炭済み加
工品には、−Ｍに油浴中または雰囲気中で急冷された後
炉から取出される。加工トレー１３を上下してかかる油
槽に入れたり出したりする為の適当な手段（図には示し
ていない）が設けである。

次に本発明の方法、従って第１図および第２図に示した
装置の操作について説明する。

初め所望の温度にされ窒素で十分置換された炉の浸炭室
３へ推奨流量の１７４〜１１５に相当する窒素流量を１
８より導入するこの時炉内圧力計２４にて正圧好ましく
は５ａｗＨｔＯ程度になる様に排気弁１６の開度を調整
する０次に通常の浸炭操作に必要な一酸化炭素を有する
キャリヤーガスとして、好ましくは容量比：　ｎｔ／メ
タノールが３７７〜１である窒素−メタノール混合物を
導入管１７．１８より上述の窒素流量と同一となる様に
配分し供給する。炉内雰囲気が十分に均一化した時点で
炉の外側のコンベア１４上のトレー１３に鋼加工品１２
を入れ前室２の入口ドア７を開ける。この入口ドア７が
開く際案内８に取付けられたリミットスイッチ１９によ
り信号がｆｉ！制御パネル２０に送られこれにより操動
弁２９が開きメタノールが増量され雰囲気ガスの流量が
推奨ｆｉ、量と同じとなり浸炭室３へ供給される。

又入口ドア７が開いた際に炭化水素ガスをバーナー２］
へ送り炎のカーテンを入口ドア７のすぐ外側で燃焼させ
る。前室２の入口のすぐ近くで燃料を燃焼させる。この
ことにより、前室中へ入る大気酸素量が減少し、炎のカ
ーテン２１を通過する酸素は更に前述の増量したメタノ
ール分解による可燃性ガス増量によって燃焼除去される
。これにより前室の残存酸素量は無くなり、またこれを
確認すべく入口ドア７付近に設置されたサンプリング管
より酸素計２２にて測定し１％以下である事を監視する
。

メタノールの増量時間は入口ドア７が閉後もタイマー設
定により好ましくは２〜３分間保持される。又前述の酸
素濃度が規定容量（例えば１％）に低下しない場合は、
信号により制御パネル２０にて継続してメタノール増量
が残存０□分が規定値以下になるまで行なわれる。

次に第１図に示す様に中間ドアｌを閉したままトレー１
３を前室２内へ運び入口ドア７を閉しる。

この時前述の如くメタノールは規定時間増量される為前
室内は正圧が維持されかつ外部大気からの侵入が阻止さ
れる。

この時点で中間ドア１を開は加工トレー１３を浸炭室３
へ送り込む。中間ドア１を開いて浸炭室３ヘトレー１３
を送り込む時リミットスイッチ２５により信号が制御パ
ネル２０に送られ、これにより操動弁２９が開き’ｔｌ
　ｉｔ計３０を通してメタノールが推奨流量と同しにな
る量迄メタノール配管１７より注入される。

中間ドアｌを開いて加工トレー１３を浸炭室３へ送り込
むとき、これらのドアの密閉度合は不完全でありかつ浸
炭室が比較的気密である為幾らかの空気が前室２内へ実
際に引き込まれ中間ドアｌの下を通って浸炭室３内へ引
き込まれる可能性がある。勿論空気は酸素、ＣＣ＋ｚ　
、不純物および水分を含有する為、この結果浸炭室３内
の炭素ポテンシャルが下がる事になる。しかしながら本
発明では前述の如く中間ドアＩが開と同時にメタノール
を増量する為はとんど浸炭室内での炉気の乱れはなくな
る。加工トレー１３が浸炭室３へ装入後炉温度が下がり
再び所望の炉温度に達した時加工品１２の浸炭を所望の
速度で開始し、浸炭室内の炭素ボテンシャルを０！プロ
ーブ又はＣＯｔ計の制？３ｆ／記録計２７で調節する。

この間浸炭室３０所要な攪拌を循環ファン２６で与える
０次に加工品１２の浸炭・拡散・降温を行い、終了後中
間ドアｌが開きトレーを前室へ移動させる。この操作に
より浸炭雰囲気が幾らか浸炭室３から前室２へ流れるが
、前室内の酸素は、酸素計２２により爆発限界以下の濃
度に６１　ＬＴ！。

されており爆発および火災の危険性がないことがほぼ保
証されている。この時点で加工品が入っているトレーを
焼入用油槽１５へ引下げて油浴中に浸漬するとき、人口
ドアを通しであるいは人口ドアのまわりから前室へ多量
の激しい大気空気の吸い込みが生じる。しかしこの浸炭
済み加工品の急冷中、メタノールが中間ドア１の開信号
をリミットスイッチを通して′ｆＬ量制御パネル２０に
送られ、それにより一定時間増量されており、結果とし
て前室へ吸い込まれる空気中の酸素はこれらメタノール
分解による十分な可燃性ガスにより燃焼除去される。更
に大気空気の吸い込みが生しる前室内の負圧状態が続く
様であれば、炉内圧力計２４により一定時間負圧確認後
制御パネル２０によりメタノール増量時間を延長する。

結局、本発明の方法は、極度に少流量の雰囲気ガスで加
工品の浸炭を可能にするだけでなく、極めて重要なこと
は、本発明の方法が生産炉において連続的運転に対して
メタノール増量、酸素濃度の管理システム等により安全
な操業が可能となりかつ従来の雰囲気ガス使用の場合と
比べてその極度の２ＡＩ低減の故に経済的メリットが生
しるものである。

以下に請求項２〜７の態様を説明する。

証末蛋ｌ皇息様 定常運転中に炉内圧力が低下した場合 第１図−２の炉内圧カスインチ２４に規定圧力以下にな
った場合 第２図−２の作動弁３２及び２９が開きＮ２が前室２ヘ
メタノールが加熱室３へ導入され正圧になる迄供給さる
。

請は」１目り数種 定常運転中に炉内圧力が低下した場合 第１図−１の炉内圧力スイッチ２４に規定圧力以下にな
った場合 第２図−１の作動弁２９が開きメタノールが加熱室３へ
導入され正圧になる迄供給さる。

１む恕Ｌ（α腹様 定常運転中に炉内酸素濃度が上昇した場合第１図−２の
酸素分析計２２にて規定濃度以上になった場合。

第２図−２の作動弁３２及び２９が開きＮ２が前室２ヘ
メタノールが加熱室３へ各々導入され規定酸素濃度以下
になる迄供給される。

証宋星ｉ生凰捲 定常運転中に炉内酸素濃度が上昇した場合第１図−１の
酸素分析計２２にて規定濃度以上になった場合 第２図−１の作動弁２９が開きメタノールが加熱室３へ
導入され規定酸素濃度以下になる迄供給される。

証未１１■列匪縁 定常運転中に炉内圧力が低下し、炉内酸素濃度が上昇し
た場合クレーム２及び４と同じ動作証宋曵１坐鳳録 定常運転中に炉内圧力が低下し、炉内酸素濃度が上昇し
た場合クレーム３及び５と同じ動作以下本発明の実施例
を示す０本発明の浸炭及び焼入れ中に行なわれる実際の
試験結果は、本発明の方法が安全であり、即ち爆発の危
険性がなく浸炭・拡散中の雰囲気ガスが推奨キャリヤガ
スｆｉｔの１／４〜１１５に設定させることを示してい
る。

（実施例） 炉の仕様は下記の通り ・炉の型式　オールケース炉 ・浸炭室の内容積　３ｄ ・Ｒｘガス推奨流１　４５０ＳｔｌＦ（１２，７ｒｄ／
Ｈ）材質ＳＣＭ　４１５のギヤを２００個を０，６〜０
．９ａｍの有効浸炭深さ（ｌＩＶ５１３）に浸炭する。

トレー内にギヤをセットし前述のシステムにより浸炭処
理を実施した。

温度条件は表−１の通りで目標とする炭素ポテンシャル
は０．８χとし浸炭室内のｃｏ、　４度をブタンガスに
て制御弁を通してコントロールした。ここでコントロー
ルすべきＣｏｗ　１１１度の目標値は、下式より導いた ここでＰｃｏｔ＋Ｐｃｏ　：　Ｃｏｔ及びＣ０分圧（濃
度）ＡＳ二鋼の飽和炭素！（％） Ａｃ：同容炭素量（％） Ｋ、：平衡定数 雰囲気ガス流量はＲｘガス流量の１７４で行いＮｄ、Ｉ
Ｎポ／Ｈメタノール１．２ｆｆｉ／Ｈで分解時のｃｏｄ
度は２０％を目標とした。メタノールは、入口ドア及び
中間ドアが開のとき７ｆｆｉ／Ｈに増量させ、このメタ
ノールの分解により総流量は推奨流量と同等になる様に
した。また排気弁開度を調整し１／４の開度にて炉内圧
力が５〜１０　ｗｒ　Ｈｔ　Ｏとなる事を確認した０表
−２及び第６ｖ！Ｊにガス流量及び流量パターンを示す
、また処理中の各熱処理条件下での雰囲気中ＣＯ。

ｃｏ、、　ＣＨ，の値を表−３に示す、特に低流Ｗ雰囲
気での安全性を確認する為焼入れ時の炉内酸素圧力、ｃ
ｏ、　ｃｏ□Ｃ１１４ｆＡ度の挙動をチエツクする為、
第３図、第４図にまとめた。

第３〜４図に示す様に入口ドア付近内の酸素濃度は人ロ
ドア開→中間ドア開に従って上昇し、ＭＡＸ、　１％迄
上昇し、焼入れ時の急激な大気の吸い込みが確認できる
。又炉内圧力は焼入れ開始と共に低下し一３００ｍｍ１
ｌｉＯ以下となる。このとき制御パネルよりメタノール
が増量されており酸素濃度は１％以下に制御され又炉内
圧力も一３００閣ｈＯから正圧へ回復していく、又Ｃ０
４度は第５に示す様に中間ドア開時に低下するがメタノ
ール増量により１６％〜１７％迄しか低下せず２０％に
復帰するのにも約２分程度であり、浸炭室内での炉気の
乱れが少ない、その他ＣＯオも中間ドア間抜ＭＡＸ、０
．８Ｋに増加後減少し約６分でドアが開く前の状態とな
った。

表−４に品質結果を示す本実施例の結果、ギヤの歯先、
歯底共に十分な浸炭深さ及び硬度が認められた。

表−１ 浸炭処理条件 表 ３ 本発明の実施の！Ｌｉ様は次の通りである。

１、密閉型炉を使用してバッチ式により各種金属の浸炭
焼入等の熱処理を行なう方法において、その炉は前室及
び熱処理室を含み、その炉の熱処理室は金属の処理に必
要な温度に加熱されており、前室と外部との間及び前室
と熱処理室との間にドアーが設置されており、その熱処
理室には定常運転中、通常の炉において導入される量に
比べて相当に減少した流量で窒素及びメタノール等のア
ルコールを導入し、各々のドアー開放時又は開放前にア
ルコールの導入を増加させ、炉操業の安全性の維持又は
ドアー開閉時の炉気の乱れを防ぎかつ立上りを早くする
ことを特徴とする金属熱処理方法。

２、定常運転中に炉内圧力をモニターし、圧力が減少し
た時、前室に窒素を導入し熱処理室へのアルコールの流
量を増させる工程をさらに含む上記ｌの方法。

３、定常運転中に炉内圧力をモニターし、圧力が減少し
た時、熱処理室へのアルコールの流量を増加させる工程
をさらに含む上記１の方法。

４、定常運転中に炉内の酸素濃度をモニターし、酸素濃
度が増加した時、前室に窒素を導入し、熱処理室へのア
ルコールの流量を増加させる工程をさらに含む上記１の
方法。

５、定常運転中に炉内の酸素濃度をモニターし、酸素濃
度が増加した時、熱処理室へのアルコールの２ｉｔ量を
増加させる工程をさらに含む上記ｌの方法。

６、定常運転中に炉内の炉内圧力ガス及び酸素濃度をモ
ニターし、圧力が減少し、かつ酸素濃度が増加した時、
前室に窒素を導入し、熱処理室へのアルコールのｉｔを
増加させる工程をさらに含む上記１の方法。

７、定常運転中の炉内の炉圧力及び酸素濃度をモニター
し、圧力が減少し、かつ酸素濃度が増加した時、熱処理
室へのアルコールの流量を増加させる工程をさらに含む
上記ｌの方法。

【図面の簡単な説明】

第１図−１及び第１図−２は本発明装置の概略図、第２
図−１及び第２図−２はＮ、−メタノ−ルミｔ制系の概
略図、第３図は炉の運転中のＯＶａ度と時間との関係を
示すグラフ、第４図は運転中の炉内圧力と時間との関係
を示すグラフ、第５図は運転中のＣＯ□及びＣＬ　ｅｔ
度と時間との関係を示すグラフ、第６図は、水素−空気
の発火限界を示すグラフである。第７図は、通常運転中
のＮ２およびメタノールの流量変化を示す。Ｎ！液流量
加工品の搬出穴又は浸炭操業中を通して一定であり、メ
タノールは前ドアおよび中間ドアの開閉時に増量される
。 又削減される流量を示す。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．密閉型炉を使用してバッチ式により各種金属の浸炭
   焼入等の熱処理を行なう方法において、その炉は前室及
   び熱処理室を含み、その炉の熱処理室は金属の処理に必
   要な温度に加熱されており、前室と外部との間及び前室
   と熱処理室との間にドアーが設置されており、その熱処
   理室には定常運転中、通常の炉において導入される量に
   比べて相当に減少した流量で窒素及びメタノール等のア
   ルコールを導入し、各々のドアー開放時又は開放前にア
   ルコールの導入を増加させ、炉操業の安全性の維持又は
   ドアー開閉時の炉気の乱れを防ぎかつ立上りを早くする
   ことを特徴とする金属熱処理方法。
2. ２．定常運転中に炉内圧力をモニターし、圧力が減少し
   た時、前室に窒素を導入し熱処理室へのアルコールの流
   量を増加させる工程をさらに含む請求項１の方法。
3. ３．定常運転中に炉内圧力をモニターし、圧力が減少し
   た時、熱処理室へのアルコールの流量を増加させる工程
   をさらに含む請求項１の方法。
4. ４．定常運転中に炉内の酸素濃度をモニターし、酸素濃
   度が増加した時、前室に窒素を導入し、熱処理室のアル
   コールの流量を増加させる工程をさらに含む請求項１の
   方法。
5. ５．定常運転中に炉内の酸素濃度をモニターし、酸素濃
   度が増加した時、熱処理室へのアルコールの流量を増加
   させる工程をさらに含む請求項１の方法。
6. ６．定常運転中に炉内の炉内圧力及び酸素濃度をモニタ
   ーし、圧力が減少し、かつ酸素濃度が増加した時、前室
   に窒素を導入し、熱処理室へのアルコールの流量を増加
   させる工程をさらに含む請求項１の方法。
7. ７．定常運転中の炉内の炉圧力及び酸素濃度をモニター
   し、圧力が減少し、かつ酸素濃度が増加した時、熱処理
   室へのアルコールの流量を増加させる工程をさらに含む
   請求項１の方法。