JPS585259B2 - ガス浸炭方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鋼製部品の内部の靭性を保持しつつ表面を硬
化せしめる表面処理法たるガス浸炭方法及びこれを実施
するガス浸炭装置に関する。

更に詳細には、吸着剤を使用した窒素ガス発生装置によ
り一定割合からなる窒素と酸素の混合ガスを精製し、こ
れをキャリアーガスとして用い、このキャリアーガスに
プロパン等の炭化水素をエンリッチガスとして添加した
ものを雰囲気ガスとして用いるガス浸炭方法及びこれを
実施するための装置、具体的には浸炭炉を開閉自在な扉
で複数の室に区画し、この区画された室のうちの浸炭室
に吸着剤を使用した窒素ガス発生装置により精製される
一定割合から成る窒素と酸素の混合ガスにプロパン等を
添加したものを供給する如くしスーテイングの発生防止
及び経済性に優れた連続式ガス浸炭装置に関する。

従来、ガス浸炭法においては処理過程における酸化等を
防止すべく吸熱型変成ガスをキャリアーガスとして用い
、更に浸炭に必要なカーボンポテンシャルを得るべくプ
ロパン等の炭化水素をエンリッチガスとしてこのキャリ
アーガスに添加し、これを８５０〜９５０℃の浸炭炉に
導入して浸炭を行なう如くしている。

而して、この吸熱型変成ガスは変成炉内において以下の
如き反応により生成される。

つまりメタン（ＣＨ４）を出発原料とする場合には ２ＣＨ４＋Ｏ２＋３．７６Ｎ２＝２ＣＯ＋４Ｈ２＋３．
７６Ｎ２ ＣＨ４＋２Ｏ２＋７．５２Ｎ２＝ＣＯ２＋１２Ｈ２Ｏ＋
７．５２Ｎ２ プロパン（Ｃ３Ｈ８）を出発原料とする場合には２Ｃ３
Ｈ８＋３Ｏ２＋３×３．７６Ｎ２＝６ＣＯ＋８Ｈ２＋１
１．２８Ｎ２ Ｃ３Ｈ８＋５Ｏ２＋５×３．７６Ｎ２＝３ＣＯ２＋４Ｈ
２Ｏ＋１８．８Ｎ２ このようにして、体積比で例えばＣＯ２が０．２６％、
ＣＯが２４．５％、Ｈ２が３１．２％、Ｈ２Ｏが０．４
％、残りがＮ２の如きＯ２を含まないキャリアーガスが
生成される。

この生成には、例えばプロパンを用いる場合にはプロパ
ンと空気を混合し、１０００〜１１００℃に加熱したニ
ッケル触媒中を通過せしめることにより行なう。

またキャリアーガスのみでは浸炭に必要なカーボンポテ
ンシャルが得られない。

例えば浸炭温度が９３０℃の場合のキャリアーガス中の
カーボンポテンシャルは０．４〜０．５％であり、浸炭
を行なうには低すぎる。

したがってキャリアーガスにプロパン等の炭化水素をエ
ンリッチガスとして添加するのであるが、添加した場合
の炉内反応は以下の如くである。

まずプロパン（Ｃ３Ｈ８）とキャリアーガス中のＣＯ２
とが炉内で以下の如く反応する。

Ｃ３Ｈ８＋Ｃ０２＝２ＣＯ＋２ＣＨ４ ＣＨ４＋Ｃ０２＝２ＣＯ＋２Ｈ２ このようにＣＯ２が減少し、ＣＯが増加するので以下の
如き浸炭の基本反応が進行して、鋼製品表面に侵入する
活性炭素〔Ｃ〕を生成する。

２ＣＯ＝〔Ｃ〕＋ＣＯ２・・・・・・（１）ちなみに、
上記反応はその反応速度が遅いのでＣＯの分圧が浸炭温
度における平衡値のよいものより大きくても雰囲気ガス
全体が〔Ｃ〕を析出することなく、被処理物表面におい
てのみ当人面が触媒作用を行ない（１）式の反応が部分
的に生じる。

したがってスーテイングが発生することは少ない。

以上の如く、従来の浸炭法では変成炉が不可欠の要素で
あり、この変成炉は高温に耐え且つ大型のものが要求さ
れ、更に変成炉の運転を常時管理しなければならないと
いう問題があり、更に浸炭法を行なうには吸熱型変成ガ
スの原料及びエンリッチガスとしてプロパン等の高価な
炭化水素を多量に用いなければならないという不利があ
る。

又、従来の連続式ガス浸炭装置においては、被処理物を
連続的に処理する手段として浸炭炉の内部を被処理物で
充填し、この被処理物を載置したトレーの１つをプッシ
ャーで押圧し、被処理物を前パージ室から昇温室に搬入
せしめると共に、降温室にある被処理物を載置したトレ
ーを他のプッシャーで押圧し、この被処理物を焼入室に
搬入せしめるようにし、浸炭炉内の被処理物が連続して
順次搬送される如きトレープッシャー型装置が用いられ
ている。

このようなトレープッシャー型装置では夫々の被処理物
を載置したトレーが連接しているので、前パージ室と浸
炭炉との境界部を開閉扉で区切ることができない。

したがって空気と吸熱型変成ガスとが混合した場合の爆
発の危険を回避すべく、前パージ室のガス置換に少くと
もパージ室容積の５倍、通常７〜８倍の多量のガスを必
要とする。

また前記した構造では昇温、浸炭及び降温の各ゾーン間
に中間扉を設けることも出来ない。

したがって昇温ゾーン或は降温ゾーンでスーテイングが
発生する れがある。

更に被処理物を連続的に搬送するので、浸炭深さ等の処
理条件の変更が困難である等の不利がある。

本発明者等は上述した問題点に鑑み、これを有効に解決
すべく本発明を成したものである。

本発明の目的はキャリアーガス生成の為の変成炉を必要
とせず、昇温ゾーン及び降温ゾーンにおけるスーテイン
グを防止でき、浸炭の処理条件を容易に変更し得るとと
もにプロパン等の炭化水素の使用量が最小で済む経済的
に有利な浸炭方法及びその装置を提供するにある。

斯る目的を達成すべく、本発明は吸着剤を使用して大気
中から窒素ガスを分離精製する窒素ガス発生装置により
窒素と酸素との混合ガスを精製し、これをキャリアーガ
スとして用い、このキャリアーガスにプロパン等の炭化
水素を添加したものを雰囲気ガスとして使用することを
特徴とし、又浸炭炉内に複数の開閉扉を設け、この開閉
扉によって浸炭炉を真空パージ室、昇温室、浸炭室及び
降温室に区画し、少くとも浸炭室を上記雰囲気ガスで充
填する如き構成としたことを特徴としている。

以下に本発明の好適一実施例について詳述する。

先ず浸炭方法の発明について説明すると、吸着剤を用い
た窒素ガス発生方式によれば常に少量の酸素が残留する
ので、容易に窒素と酸素との混合ガスを得ることができ
る。

したがって体積比で窒素９５〜９９％、酸素１〜５％の
キャリアーガスを精製するには、吸着剤を使用して大気
中から窒素ガスを分離精製する窒素ガス発生装置を用い
る３このようにキャリアーガスに酸素を含有せしめるの
は以下の理由による。

つまり浸炭の基本反応は前記（１）式の如く２Ｃ＝〔Ｃ
〕＋ＣＯ２で示され、浸炭が十分性なわれるには活性炭
素〔Ｃ〕の量、換言すればカーボンポテンシャルの値が
一定以上でなければならない。

したがって前記（１）式の反応を進ませる必要があるが
、これには炉内のＣＯ濃度を増せば良い。

而るに、Ｃ３Ｈ８とＯ２との反応は非常に速く以下の如
きである。

２Ｃ３Ｈ８＋３Ｏ２＝６ＣＯ＋８Ｈ２・・・・・・（２
）このようにして、キャリアーガスにＯ２を含有せしめ
れば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）と酸素（Ｏ２）とが炉内で
速やかに反応し、炉内のＣＯ濃度が増加し、カーボンポ
テンシャルが上昇して浸炭が十分性なわれる。

ちなみに、キャリアーガス中にＯ２を全く含まずＮ２の
みの場合には下記の如き反応となる。

Ｃ３Ｈ８→Ｃ２Ｈ４＋ＣＨ４→〔Ｃ〕＋２ＣＨ４→３〔
Ｃ〕＋４Ｈ２ 上記のプロパン（Ｃ３Ｈ８）の熱分解反応はその反応速
度が極めて速く、被処理分に接触する以前に活性炭素〔
Ｃ〕が生成されスーテイングが発生する。

したがってキャリアーガス成分をＮ２単独とするのは不
適当である。

また、キャリアーガス中のＯ２量を増大し、この増大し
た当量分に応じてＣ３Ｈ８も増量すると、炉内残留Ｏ２
量が増加し被処理物に結晶粒界酸化を生じる虞れがあり
、更に浸炭に必要なＣＯ量の増加も限界に達し、残留メ
タン量が増加してスーテイング発生の虞れもある。

したがって、キャリアーガス中のＯ２量は５％以内に留
めるのが良い。

逆に含有Ｏ２量をあまり少なくすると、前記したＮ２単
独の場合の不利つまりＣ３Ｈ８の熱分解によるスーテイ
ングの問題が生じたり、或はスーテイングを防止すべく
Ｏ２の減少に応じてＣ３Ｈ８の添加量を少なくすると、
浸炭に必要なＣＯ量の絶対濃度が不足して浸炭バラツキ
を生じる。

したがって含有酸素量は１％以上とするのが適当である
。

以上から、窒素ガス発生装置により精製せしめるキャリ
アーガスの成分割合は体積比で窒素９５〜９９％、酸素
１〜５％とするのが好ましい。

更に、このキャリアーガスに添加するプロパンガスの量
はキャリアーガスに含まれるＯ２量に規制され、通常は
Ｃ３Ｈ８を２〜６％添加するのが適当である。

以上の如くして構成された炉内雰囲気ガスは例えば９３
０℃においては、ＣＯが４〜６％、Ｎ２が１０〜１２％
、ＣＯ２が０．０５〜０．１％、Ｈ２Ｏが０．０５〜０
．１％残りがＮ２となる。

そしてこのような雰囲気ガス中に一定時間被処理物を放
置することにより被処理物表面に浸炭がなされる。

以下に本発明の浸炭方法を具体的装置について適用した
場合を添付図面に従って詳述する。

第１図は連続式ガス浸炭装置の概略縦断面を示し、第２
図は各処理工程ゾーンと被処理物の温度との関％を経時
的に説明したグラフである。

１は浸炭炉であり、この浸炭炉１の上流には開閉自在な
扉２を介して前記浸炭炉１の入口と連通し、且つ気密に
区画される如く前部パージ室３が隣接されている。

この前部パージ室３の入口は開閉自在な扉４を介して図
示しない前処理工程エリアと連通している。

前記浸炭炉１内には上下方向に開閉自在な断熱扉４ａ、
４ｂ、４ｃ、４ｄが設けられ、この断熱扉４ａ、４ｂ、
４ｃ、４ｄによって浸炭炉１は上流から順に被処理物を
加熱せしめる昇温室５、浸炭処理を行なう浸炭室６及び
焼入保持のための降温室７に区画される。

また、これら昇温室５、浸炭室６及び降温室７の夫々の
天井には炉内の雰囲気ガスを撹拌するためのファン８・
・・が取付けられている。

前記降温室７の下流には開閉自在な扉９を介して焼入室
１０が隣設されている。

この焼入室１０の下部には冷却して焼入を行なう為の油
槽１２が設けられている。

前記焼入室１０の下流には後部パージ室１４が開閉自在
な扉１５を介して焼入室１０と連通し、且つ気密に区画
される如く隣設されている。

そしてこの後部パージ室１４の出口は開閉自在な扉１６
を介して図示しない後処理工程エリアに連通している。

以上の前部パージ室３、昇温室５、浸炭室６、降温室７
、焼入室１０及び後部パージ室１４内には被処理物１１
を載置したトレーを搬送するための自走ハースローラ１
７・・・がその軸を被処理物の搬送方向と直角になる如
く夫々平行に且つ同一平面上に配置されている。

そしてこのハースローラ１７・・・は図示しない駆動手
段により回動せしめられる。

次に連続式ガス浸炭炉による浸炭焼入作業について述べ
る。

まず洗浄工程を終えた被処理物を前部パージ室３の扉４
を開けて前部パージ室３内に搬入すると同時に該扉４を
閉じ、前部パージ室３と前処理工程エリアとを絶縁する
。

次いで真空ポンプにより前部パージ室内を減圧（０，１
〜２．０Ｔｏｒｒ）せしめた後、窒素ガス発生装置で精
製された体積比で９９〜９９．９９％の窒素ガスをガス
供給回路を通じて前部パージ室３内に導入充填する。

この操作により被処理物１１の搬入と同時に前部パージ
室に持ち込まれた空気は完全に窒素ガスによって置換さ
れる。

尚、前部パージ室における滞留時間と被処理物の温度と
の関係は第２図の線分ａで表わされる。

次いで扉２と断熱扉４ａを開け、前部パージ室３と昇温
室５とを連通せしめ、トレー上に載置された被処理物１
１をハースローラ１７・・・の回動により昇温室５に搬
入し前記扉２及び断熱扉４ａを閉じ、昇温室５と前部パ
ージ室３及び浸炭炉６とを絶縁する。

ここにおいて、昇温室５は前記窒素ガス発生装置で精製
された体積比で９９〜９９．９９％の窒素ガスに微量の
プロパン等の炭化水素を添加したもので充填する如くし
ているので昇温室５内における被処理物１１の酸化、脱
炭及びスーテイングが防止される。

昇温室５内における被処理物１１の滞留時間と温度との
関％は第２図の線分すに示す如くである。

次いで一定時間経過後昇温室５と浸炭室６とを区切る断
熱扉４ｂを開け、昇温室５で加熱した被処理物１１をハ
ースローラ１γの回動により浸炭室に搬入し、同時に断
熱扉４ｂを閉じ浸炭室６と昇温室５及び降温室７とを絶
縁する。

そしてこの密閉された浸炭室６に前記窒素ガス発生装置
で精製された体積比で窒素９５〜９９％、酸素１〜５％
の混合ガスに体積比で２〜６％プロパンガスを添加した
ガスを充填し、前記（２）式の反応を浸炭室内で進行せ
しめ、浸炭を行なう。

この浸炭時間と被処理物の温度との関％は第２図の線分
ｃに示す如きである。

浸炭処理を行なった後断熱扉４ｃを開はハースローラ１
７を回動せしめて被処理物１１を降温室７に搬入し、同
時に前記断熱扉４ｃを閉じ、降温室７と浸炭室６及び焼
入室１０とを絶縁する。

この昇温室７の温度をある程度、例えば８７０℃まで温
度を下げることによって焼入保持室の役目を果たすこと
になる。

更にこの降温室７に前記した昇温室５の場合と同様に窒
素ガス発生装置で精製された体積比で窒素９９〜９９．
９９％のガスに微量のプロパンを添加したガスを充填す
る。

この操作により降温室７内での被処理物１１の酸化、脱
炭、浸炭及びスーテイングが防止される。

尚、降温室７内での滞留時間と被処理物の温度との関％
は第２図の線分ｄで示す如くである。

次いで前記と同様な操作により被処理物を焼入室１０に
搬入し、焼入室１０と降温室７及び後部パージ室１４と
を絶縁する。

次いで被処理物１１をエレベータ−等で油槽１２に下降
浸漬して油冷する。

更に焼入室１０内を前記した昇温室５と同様に体積比で
９９〜９９．９９％の窒素ガスで充填し爆発の危険を回
避する。

この焼入室１０内での滞留時間と被処理物１１の温度と
の関％は第２図の線分ｅで示す通りである。

前記油槽１２に一定時間浸漬した後、被処理物１１を上
昇せしめ油切りを行ない、次いで扉１５を開きハースロ
ーラを回動して被処理物１１を後部パージ室１４に搬入
し、扉１５を閉じて後部パージ室１４を気密にする。

次いで真空ポンプを作動して後部パージ室１４内の圧を
０．１〜２．０Ｔｏｒｒまで減圧し、この後前記窒素ガ
ス発生装置で精製された体積比で９９〜９９．９９％の
窒素ガスを導入し、焼入室１０から持ち込まれたガスを
完全に置換すると共に圧を大気圧まで戻す。

尚、窒素ガスの代りに空気を導入して圧を戻してもよい
。

以上の如くガス浸炭炉により表面硬化処理された被処理
物を後工程へ搬出する。

以下に本発明の更に具体的な実施例を述べる。

まず浸炭炉を前もって９２０℃に昇温し、この浸炭炉に
窒素ガス発生装置で精製された窒素９７．５％、酸素２
．５％の混合ガスにプロパンガス１％を添加したものを
導入して、浸炭炉内を無酸化雰囲気に調整した。

次いでこの浸炭炉に被処理物であるＳＣＭ２２材からな
る部品を投入し、これを９２０℃に加熱した後プロパン
ガスを３％に増加し、２時間浸炭処理を行なった。

この後プロパンガス濃度を１％に下げ３０分間拡散処理
を実施し、次いで濾温を８３０℃まで降下させた。

更にその後被処理物を油槽に浸漬し焼入れを行なった。

上記の処理によって得られた製品の浸炭深さは０．９５
ｍｍ、表面硬度はＨＲＣ６４を得た。

これは従来の浸炭処理を施した場合と全く同じである。

以上の説明から明らかな如く本発明によれば吸着剤を使
用した窒素ガス発生装置を用いて窒素と酸素との混合ガ
スを精製し、これをキャリアーガスとして用い、更にこ
のキャリアーガスにプロパン等の炭化水素を添加する如
くしたので、従来の如く炭化水素から吸熱型変成ガスを
生成する工程及び変成炉を省略することができ、更には
プロパン或はメタン等の炭化水素の使用量を大幅に減少
せしめることができるので、処理工程の簡単化、製品コ
ストの低減更には省資源の面においても顕著な効果を奏
する。

更に浸炭炉内部を断熱扉によって複数の室に区画する如
き構成としたので各室の雰囲気ガス及び温度を個別的且
つ正確に制御することが可能となりスーテイング、浸炭
バラツキ或は炭素濃度の異常上昇を有効に防止できると
共に、自走のハースローラを使用したのでトレーへの荷
重を軽減することができトレー自体を軽量化せしめ得る
等の効果をも奏する。

【図面の簡単な説明】 図面は本発明の好適一実施例を示すものであり、第１図
は本発明に％る連続式ガス浸炭装置の概略縦断側面図、
第２図は各処理ゾーンと被処理物の温度との関％を経時
的に説明したグラフである。 尚、図面中１は浸炭炉、２，４，９，１５゜１６は扉、
３は前部パージ室、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは断熱扉、
５は昇温室、６は浸炭室、７は降温室、１０は焼入室、
１４は後部パージ室、１７はハースローラである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 吸着剤を使用して大気中から窒素ガスを分離精製す
   る窒素ガス発生装置から精製される体積比で窒素９５〜
   ９９％、酸素１〜５％の成分からなるガスを浸炭炉に導
   入し、これにプロパンガス等の炭化水素系ガスを体積比
   で２〜６％添加してガス浸炭を行うようにしたことを特
   徴とするガス浸炭方法。 ２ 前記ガス浸炭後に焼入工程を付加したことを特徴と
   する特許 浸炭方法。 ３ 浸炭炉を前後に開閉扉を備えて各室が区画され且つ
   扉の開放で連通する真空パージ室、昇温室、浸炭室、降
   温室で構成し、少くとも浸炭室に吸着剤を使用して大気
   中から窒素ガスを分離精製する窒素ガス発生装置から精
   製される体積比で窒素９５〜９９％、酸素１〜５％の成
   分からなるガスとプロパンガス等の炭化水素系ガスを体
   積比で２〜６％添加するようにしたことを特徴とするガ
   ス浸炭装置。 ４ 前記降温室に開閉扉を介して連通する焼入室を設け
   たことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のガス浸
   炭装置。