JPH03291368A

JPH03291368A - 真空浸炭方法及び真空浸炭炉

Info

Publication number: JPH03291368A
Application number: JP9157490A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Muraoka; 村岡　智機
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-04-06
Publication date: 1991-12-20

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〕この発明は、真空浸炭方法及び真空浸炭炉に係り、特に
真空浸炭炉内での煤の発生及び付着を防止可能な真空浸
炭方法及び真空浸炭炉に関する。

〔従来の技術〕

従来、煤の発生及び付着を防止可能な真空浸炭方法及び
真空浸炭炉として、例えば、特開昭５２４７５３１号、
特公昭６２−４４６４号に記載されているものが存在す
る。

特開昭５２−４７５３１号の従来例は、浸炭性ガスを真
空浸炭炉内に導入し被浸炭材を浸炭した後、拡散する工
程で浸炭性ガスである炭化水素を窒素ガスで希釈しする
ことにより、真空浸炭炉内での煤の発生を防止するもの
である。

また、特公昭６２−４４６４号の従来例は、真空浸炭炉
の加熱室内に被浸炭剤を収容し減圧下で浸炭処理する際
、前記加熱室内に浸炭性ガスを導入する一方、真空浸炭
炉の内壁と加熱室の外壁とにより形成される空間部に窒
素ガスを供給するとともに、前記浸炭性ガスの導入及び
窒素ガスの供給量を、浸炭期の時間の経過につれて段階
的に減少させることで、真空浸炭炉内の煤を減少させ、
被浸炭材の浸炭むらを少なくするというものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記従来例では、浸炭性ガスとして用い
た炭化水素の熱分解反応で発生する煤を化学的な原理に
より除去するという配慮がなかった。

そのため、前記従来例では、浸炭性ガスが加熱炉内で昇
温される過程で浸炭性ガスである炭化水素が次のような
熱分解反応を起こす。

Ｃ，Ｈ，→　　ＣＨ４＋　　２Ｈｚ　＋　　２ＣｓＣ４
ＨＩｏ　→　ＣＨａ　＋３Ｈｚ　＋３０ｓ二の反応の結
果発生したＣｓ　　（煤で代表される固体炭素）により
大量の煤が発生するという課題があった。

ここで、加熱炉内の空間中及び炉壁等に付着して発生す
る煤は、活性炭素と異なり被浸炭品の製品表面には吸収
されない固体グラファイトであり、浸炭反応においては
活性を有しない。

さらに、浸炭性ガスが真空浸炭炉内で昇温する前に、直
接、被浸炭材に接触すると、その接触表面部においてグ
ラファイト膜を生成するため、浸炭を阻害し、浸炭むら
を生じる原因のひとつとなるという課題があった。

この煤の発生は、浸炭性ガスとして、−船釣に使用され
ているプロパン、ブタンを使用した場合に特に著しい。

本発明は、このような課題を解決するために、真空浸炭
炉内における煤の発生を化学的原理に基づいて減少させ
、もって被浸炭材の浸炭むらを防止可能な真空浸炭方法
及び真空浸炭炉を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために請求項（１）記載の真空浸炭
方法は、減圧下の加熱雰囲気内に浸炭性ガスを導入して
、被浸炭材の浸炭を行う方法において、前記加熱雰囲気
内に前記浸炭性ガスを導入する前に、当該浸炭性ガスを
予備加熱して該浸炭性ガスから煤を除去した後、その浸
炭性ガスを前記加熱雰囲気内に導入して浸炭を行うこと
を特徴とするものである。

ここで予備加熱温度は、６００〜９００℃であることが
好ましい。

また、請求項（３）記載の真空浸炭炉は、被浸炭材を加
熱する加熱炉と、該加熱炉に浸炭性ガスを供給する浸炭
性ガス供給管と、当該加熱炉を減圧排気する排気管とを
有する真空浸炭方法こおいて、当該加熱炉に前記浸炭性
ガスを導入する前に、該浸炭性ガスを予備加熱する加熱
装置と、当該浸炭性ガス、の予備加熱により発生した煤
を吸着する吸着材とを有することを特徴とするものであ
る。

そして請求項（４）記載の真空浸炭炉は、前記吸着材に
酸化性ガスを導入する導入手段を有し、吸着した煤と酸
化性ガスとを反応させることにより吸着材から煤を除去
することを特徴とするものである。

〔作用〕

この発明に係わる真空浸炭炉及び真空浸炭方法によれば
、真空下の加熱炉内に浸炭性ガスを導入する前に、該浸
炭性ガスを予備加熱することで下記の反応により該浸炭
性ガスを熱分解し、予め煤で代表される固体炭素（Ｃ３
）を発生させる。

Ｃ３Ｈ１ｌ　　→ＣＨａ　＋２Ｈｚ　＋２ＣｓＣ，Ｈ，
。→　ＣＨａ　＋３Ｈ２＋　　３Ｃ３この熱分解反応に
より発生した煤を本発明に係る真空浸炭炉のように吸着
材に吸着等することにより除去した後、浸炭性ガスを導
入して浸炭を行う。この熱分解反応により、煤の発生し
やすいプロパン、ブタンが煤の発生しにくいメタンに分
解され、メタンと水素が選択的に加熱炉内に導入される
ことにより、真空浸炭炉内での煤の発生を減少させるこ
とができる。

即ち、プロパン、ブタン等の煤の発生しやすい浸炭性ガ
スが直接被浸炭材に接触することが防止され、このため
煤が被浸炭材に付着することもないので、被浸炭材の浸
炭むらを防止することができる。

ここで、予備加熱温度としては、６００〜９００℃であ
ることが好ましい。この温度範囲において炭化水素を十
分分解して媒介を除去することができる。

吸着材に吸着された煤は、酸化性ガスと反応させて燃焼
することにより吸着材から分離することができ、この結
果吸着材を取り出すことなくそのまま再使用が可能にな
る。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について、図面に基づいて説明する
。

第１図は、本発明に係る真空浸炭炉の構成図であり、第
２図は、第１図の■−■部分の断面図、第３図は、炭化
水素を予備加熱する予備加熱装置の構造を示す断面図で
ある。

第１図に示されるように、本発明における真空浸炭炉は
、加熱室２を有する真空加熱炉１と焼入油４０が入って
いる焼入槽３を有するベスチブル４とを中間扉５を介し
て連設し、さらに、浸炭性ガス・窒素ガス供給管９を介
して予備加熱装置２７を有する構造からなる。

第２図に示されるように、前記加熱室２は炉殻１１内に
空間部１２を介して設けられている。加熱室２内には、
ヒータ６と循環ファン７及び上下可動炉床８が設けられ
ている。上下可動炉床８の下部には、上下可動炉床８の
上下運動を制御する上下可動炉床エレベータ１５Ｂが設
けられている。

浸炭性ガス・窒素ガス供給管９及び真空排気管１０はそ
れぞれ前記加熱室２内に連通されており、真空排気装置
２２が真空排気管１０を介して加熱室２内に連通してい
る。この真空排気装置２２はロータリポンプ１９、圧力
制御弁２０、フィルタ２１から構成されている。

第１図に示されるように、前記ベスチプル４内は、ベス
チブル４と加熱室２との間で、被浸炭材Ｗを搬送する処
理材搬送装置１３と浸炭後の被浸炭材Ｗを冷却する冷却
用ファン１４及び焼入のために被浸炭材Ｗを昇降する焼
入エレベータ１５Ａから構成されている。なお、１６は
装入抽出扉である。

一方、前記予備加熱装置２７の出側には、予備加熱装置
出側ガス供給管２８及び排気管２９が連通している。ガ
ス供給管２８は、窒素ガス供給管２３Ａと連結部３０で
結合し、浸炭性ガス・窒素ガス供給管９に続いている。

排気管２９の終端は、廃ガス出口３１になっている。窒
素ガス供給管２３Ａにはバルブ１８Ａが、予備加熱装置
出側ガス供給管２８、排気管２９にはそれぞれ、バルブ
１８Ｅ、バルブ１８Ｆが設けられている。

窒素ガス供給管２３Ａから分岐した窒素ガス供給管２３
Ｂ、炭化水素供給管２４及び空気供給管２５は、連結部
２６で連結されて予備加熱装置入側ガス供給管３２を構
成し、前記予備加熱装置２７の入側に連通されている。

窒素ガス供給管２３Ｂ、炭化水素供給管２４、空気供給
管２５にはそれぞれ、バルブ１　Ｂ　Ｂ、パル７”１８
Ｃ，バルブ１８Ｄが設けられている。また、窒素ガス供
給管２３Ａ、炭化水素供給管２４にはそれぞれ、流量計
１７Ａ、流量計１７Ｂが設けられている。

前記予備加熱装置２７の詳細な構造を、第３図に示す。

吸着材３４を充填した円筒管３３の回りには、ヒータ３
５を介して断熱材で構成された外筒３７が周設されてい
る。当該ヒーター３５に近接して、熱電対３６が設けら
れており、該ヒータの温度管理を行っている。該外筒３
７の上下端部分には、水冷却管３８が環状に設けられて
おり、管内に冷却水が循環されている。円筒管３３の出
側には、予備加熱装置出側ガス供給管２８、排気管２９
が連通されている。また、円筒管３３０人側には、予備
加熱装置入側ガス供給管３２が連通されている。

なお、予備加熱装置２７の内容積は、炭化水素の供給時
の通過時間が１秒以上になる大きさに作製する。前記炭
化水素の通過時間は、予備加熱装置２７の内容積を単位
時間当たりの炭化水素供給量で除した値とする。

次に本実施例の動作について、加熱室２に装入した被浸
炭材Ｗをそれぞれ処理する工程を工程順に説明する。

すなわち、加熱室２を真空にして浸炭温度まで昇温し均
一の温度にする均熱工程、浸炭性ガスを導入し被浸炭材
Ｗを浸炭する浸炭工程、被浸炭材Ｗの浸炭層を芯部に向
けて拡散する拡散工程、油中に焼入で硬化させる焼入工
程、予備加熱室２７にて吸着材３４に吸着された煤を酸
化させ、煤の除去をする煤の除去工程の５工程に大別し
、各工程ごとに順を追って説明する。

（均熱工程）バルブ１８Ｅを閉方向とし、加熱室２内を真空排気装置
２２にて真空状態、例えば、５Ｔｏ　ｒ　ｒ以下にする
。その後、浸炭温度（例えば９３０”ｃ　）まで被浸炭
剤Ｗを昇温し、被浸炭剤Ｗの表面と芯部及び各部位が均
一になるよう、所定時間保持する。この時、循環ファン
７により熱伝導を高め、均熱化を促進するため、窒素ガ
スを導入してもよい。

（浸炭工程）窒素ガス及び空気が連結部２６方向に行かないよう、バ
ルブ１８Ｂ１バルブ１８Ｄ及びバルブ１８Ｆを閉方向に
する。その後、浸炭性ガス及び窒素ガスを減圧された加
熱室２に導くため、バルブ１８Ａ、バルブ１８Ｃ及びバ
ルブ１８Ｅを開方向にする。炭化水素は炭化水素供給管
２４、連結部２６次いで、予備加熱装置入側ガス供給管
３２を順に通過する。その後、炭化水素が、ヒータ３５
により所定温度に加熱された予備加熱装置２７で熱分解
反応を起こし、該熱分解反応により生じたメタン及び水
素が予備加熱装置出側ガス供給管２３及び流量計１７Ａ
で供給量がコントロールされた窒素ガスが窒素ガス供給
管２３Ａから共に、浸炭性ガス・窒素ガス供給管９を通
じて加熱室２に導入される。この時、炭化水素の供給量
は、流量計１７Ｂにより、コントロールして予備加熱装
置２７に供給する。予備加熱装置２７内で起きた熱分解
反応により生じたメタン及び水素が予備加熱装置出側ガ
ス供給管２８から、及び流量計１７Ａで供給量がコント
ロールされた窒素ガスが窒素ガス供給管２３Ａから共に
、浸炭性ガス・窒素ガス供給管９を通じて加熱室２に導
入される。その後、加熱室２で所定時間浸炭する。この
時、加熱室２内の循環ファン７による浸炭性ガスの拡散
を促進するため、窒素ガスの流量を流量計１７Ａで制御
し、また、加熱室２内の圧力を高める（例えば、６５０
Ｔｏｒｒ）ため、圧力制御弁２０を調節して、加熱室２
内の圧力を所定圧に調整する。

このように、窒素ガスを加熱室２内に導入すると、好ま
しい浸炭状態が得られるが、必ずしも窒素ガスを供給し
なくても良い。

（拡散工程）バルブ１８Ｃを閉方向にした後、バルブ１８Ａ及びバル
ブ１８Ｅを閉方向にして、浸炭性ガス及び窒素ガスを加
熱室２へ導入することを停止する。

その後、真空排気装置２２により加熱室２を減圧（例え
ば、５ＴＯｒｒ以下）する。この工程により被浸炭材Ｗ
に浸炭した炭素を芯部に向けて拡散させる。

（焼入工程）浸炭及び拡散工程を終了した被浸炭材Ｗを油中焼入硬化
するため、バルブ１８Ａを開方向にし、加熱室２に窒素
を導入して所定圧（例えば、６５０Ｔｏｒｒ）に昇圧し
、同時にベスチブル４にも窒素ガスを導入し、加熱室２
とベスチブル４との内部圧力を無酸化、等圧状態とする
。その後、中間扉５を開け、処理材運搬装置１３により
被浸炭剤Ｗをベスチブル４に移動し、次いで、中間扉５
を閉じ、焼入エレベータ１５Ａを用いてを焼入層３にあ
る焼入油４０中にて焼入を行う。次いで、ベスチブル４
内の窒素ガスの圧力を大気圧とし、焼入エレベータ１５
を上昇させ、搬入抽出扉１６を開き被浸炭材Ｗを取り出
す。

（煤の除去工程）この工程は、例えば、バルブ１８Ａ、バルブ１８Ｂ、バ
ルブ１８Ｃ及びバルブ１８Ｅを閉方向とし、バルブ１８
Ｆ及びバルブ１８Ｄを開方向とした状態で行う。

すなわち、加熱室２にガスを供給する配管の流れを止め
、空気を予備加熱室２７に供給し、バルブ１８Ｆから排
気させる状態とする。予備加熱装置２７に空気が供給さ
れると、この空気により、吸着材３４に付着した煤を燃
焼させ、二酸化炭素として廃ガス出口３１より排出させ
る。その後、ガス検知器により、廃ガス出口３１より排
出されるガスが、二酸化炭素から空気になったことを確
認することで、吸着材３４に吸着していた煤が全て、燃
焼し除去されたことを確認する。

この煤の除去工程は、他の熱処理工程（前記均熱工程、
浸炭工程、拡散工程、焼入工程）とは独立して行っても
良い。また、浸炭が終了した後の拡散工程以後の処理工
程と併行して行うこともできる。

このような真空浸炭炉によれば、予備加熱により発生し
た煤を吸着する吸着材を有することで、発生した煤を吸
着材に固定することができる。

そして、前記吸着材に吸着した煤を除去する機構を有す
ることで、発生した煤を吸着材から脱着して吸着材の再
使用を可能にする。その結果、吸着材の寿命を長くし、
低コストとする。

このように、真空浸炭炉内での煤の発生が減少すること
で、真空浸炭炉内の煤を除去するメンテナンス作業を不
要にし、真空浸炭炉の稼働率を向上させる。

次に本実施例の浸炭条件を次の表１のようにして浸炭を
行った。

（以下余白）表１（実施例１）浸炭工程における予備加熱装置の温度、浸炭性ガスとし
て用いたプロパンの流量を、表２に示すようにして実験
を行い、煤発生の程度について評価を行った。この結果
を表２に示す。

（以下余白）表２実験Ｎｏ、　１では、炭化水素の予備加熱を行ってプロ
パンの分解を行うことなく浸炭を行った。

評価方法 ◎　良好（煤の付着、又は発生が極小）○　良好（煤の
付着、又は発生がかなり減少）Ｘ　不良（煤の付着、又
は発生がかなり多い）以上の結果から、予備加熱装置の
温度を６００〜９００　’Ｃにすると、被浸炭材への煤
付着が僅少で浸炭むらのない良好な浸炭品を得た。さら
に、真空浸炭炉内の煤発生もかなり減少していた。

（実施例２）実施例１と同条件及び同方法にて、浸炭性ガスとしてメ
タン（８０〜８５％）を含み残部プロパン、ブタンの天
然ガスを用いて、表３に示す条件で実験を行った。この
結果を表３に示す。

表３実験隘５では、炭化水素の予備加熱を行ってプロパンの
分解を行うことなく浸炭を行った。

評価方法 ◎　　煤の付着、又は発生が極小 Δ　　煤の付着、又は発生が多いこの実施例により浸炭性ガスがプロパンの場合の他、メ
タンを含むようなものであっても加熱室内での煤発生防
止効果を有することが確認された。

また、表２の実験Ｎ１１ｌと表３の実験ＮＱ、５とを比
較して、予備加熱を行わない際の煤の付着状態及び発生
状態は、メタンを含有する方がプロパン単体の場合より
も少ないことが確認された。このことは、予備加熱によ
る加熱室内での煤の発生防止効果は、プロパンの方が大
きく寄与していることになる。

本実施例では、浸炭工程において、炭化水素及び窒素ガ
スを加熱室２に供給したが、炭化水素のみを加熱室２に
供給しても良い。

浸炭工程において、加熱室２を６５０Ｔｏｒｒの一定圧
としたが、浸炭及び拡散を行う程度により、変更しても
差し支えない。

本実施例では、煤の除去工程において、吸着材３４に吸
着した煤を燃焼させて除去したが、吸着材が充填された
円筒管をカセット式にするか、充填材そのものを取り替
える方式にすることもできる。

また、前記実施例では煤と空気とを反応させて酸化燃焼
することにより、吸着材に吸着した煤を除去しているが
、吸着材を取り出し吸着した煤をミキサー等により機械
的に除去することも可能である。

吸着材３４に吸着していた煤が全て燃焼し除去されたこ
とを確認する方法としてガス検知器を用いたが、空気の
供給時間を管理することにより煤の除去終了を判断して
も良い。

本実施例では吸着材３４として、アルミナチップを用い
たが、この他に、煉瓦チップ等各種の吸着材を使用する
ことができる。また、吸着材の形状°はチップ状に限定
されるものではなく、繊維状のもの、編み目状のもの等
も用いてもよい。

浸炭性ガスとしてはプロパンの他ブタン等の炭化水素ガ
スも使用できる。

また、本実施例では吸着材に吸着した煤を当該吸着材か
ら分離するための酸化性ガスとして空気を用いたが、そ
の他の酸化性ガス例えば酸素を使用することも可能であ
る。

そして、本実施例では浸炭の場合について説明したが、
浸炭性ガスに例えばアンモニアを混入して浸炭窒化を行
う場合でも同様の効果を達成することができる。

被浸炭材としては、５ＣＲ４２０Ｈの他公知の肌焼鋼を
通用できることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係わる真空浸炭方法によれ
ば、浸炭性ガスを予備加熱して熱分解することにより、
当該浸炭性ガスから煤を予め発生させこれを除去するこ
とができるため、浸炭雰囲気中での煤発生を確実に防止
でき、この結果、被浸炭材への煤の付着を防ぎ、浸炭む
らの無い良好な浸炭を可能にする。

特に、予備加熱の温度を６００〜９００℃にすることに
より浸炭性ガスの熱分解が十分となり、浸炭雰囲気中で
の煤の発生を確実に防止できる。

そして、本発明に係る真空浸炭炉も浸炭性ガスの予備加
熱により加熱炉内での煤の発生及び煤の付着を確実に防
止でき、浸炭むらのない浸炭品を提供できる。

さらに、吸着材に酸化性ガスを導入する導入手段を有し
、吸着した煤と酸化性ガスとを反応させることにより吸
着材から煤を除去して吸着材の再使用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る真空浸炭炉の構成図であり、第
２図は、第１図の■−■部分の断面図、第３図は、予備
加熱する予備加熱装置の構造を示す断面図である。図中、ｌは真空加熱炉、２は加熱室、３は焼入槽、４は
ベスチブル、５は中間扉、９は浸炭性ガス・窒素ガス供
給管、２７は予備加熱装置、３４は吸着材である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）減圧下の加熱雰囲気内に浸炭性ガスを導入して、
被浸炭材の浸炭を行う方法において、前記加熱雰囲気内
に前記浸炭性ガスを導入する前に、当該浸炭性ガスを予
備加熱して該浸炭性ガスから煤を除去した後、その浸炭
性ガスを前記加熱雰囲気内に導入して浸炭を行うことを
特徴とする真空浸炭方法。
（２）前記予備加熱温度が６００〜９００℃であること
を特徴とする請求項（１）記載の真空浸炭方法。
（３）被浸炭材を加熱する加熱炉と、該加熱炉に浸炭性
ガスを供給する浸炭性ガス供給管と、当該加熱炉を減圧
排気する排気管とを有する真空浸炭炉において、当該加
熱炉に前記浸炭性ガスを導入する前に、該浸炭性ガスを
予備加熱する加熱装置と、当該浸炭性ガスの予備加熱に
より発生した煤を吸着する吸着材とを有することを特徴
とする真空浸炭炉。
（４）前記吸着材に酸化性ガスを導入する導入手段を有
し、吸着した煤と酸化性ガスとを反応させることにより
吸着材から煤を除去することを特徴とする請求項（３）
記載の真空浸炭炉。