JPS61276916A - 鉄金属を焼なましおよび／または焼入れするための保護雰囲気方法 - 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】 本発明は熱冶金処理特に制御された雰囲気下での鉄金属
の焼な甘しまたは焼入れに関する。

炭素を含む鉄金楠は米国鉄銅協会（ＡＩ８Ｉ）の命名に
よって呼称される普通の等級の銅と定義され特に普通炭
素鋼、合金銅および合金エル鋼として普通に表示される
鋼である。これらの等級の鋼は空気、水素、水蒸気、二
酸化炭素および他の化学化合物を含む周囲炉雰囲気下で
焼々壕しおよび／または焼入れのための温度量で昇温さ
れるので、鋼の表面が反応性になることがよく知られて
いる。さらに、炉雰囲気中に水蒸気、水素および二酸化
炭素が存在すると鋼の表面の炭素が反応しそして表面か
ら除去される。

表面からの炭素の除去は化学および結晶学の変化による
断面の不均質性を促進しかくして鉄金楓から成形される
物品の表面硬度や強度のような物理的性質を変化させる
。雰゛囲気法では炭素の添加も表面からの除去も必ずし
も必要でないが、焼なましおよび／捷たはニュートラル
焼入れのだめの加熱を受ける金植物品の表ｒｆｆｉへの
炭素添加（再浸炭）または炭素除去（脱炭）のいずれか
を最小限にするためにすべての雰囲気法が利用される。

過剰な脱炭または再浸炭は被処理部分を必要ノリ上に大
きくしてから機械加工、研磨、酸洗いなどのような窩価
な仕上は作業によって前記部分を仕上げることを必要と
する。

鉄金楓の焼な捷しおよび、／捷たは焼入れのための炉雰
囲気を生成する既知の方法を用いると、通常、雰囲気の
組成が一致しなく々り脱炭、再浸炭、煤煙発生、酸化゛
または被処理金塊のこれら表面現象の組合せを伴なう可
能性があることがわかっている。

上記問題は炭化水素特にメタンより炭素数の多いものを
炭素調節添加剤として用いる置素イース雰囲気を用いて
かなり軽減されている。煤煙発生は潜在的な間順であっ
て、望ましい炭素１、！１節剤すなわち一酸化炭素は炉
への空気漏れまたは酸化物の還元からだけ生成される。

煤煙発生は雰囲気中の平衡炭素濃度が過剰になって被処
理物品の表面に炭素沈着を生じる場合に起る現象である
。メタノールは炭化水素より改良を与えるが周囲温度で
液体であり蒸発や解離に必要な炉エネルギーとして普通
計量し注入し々ければならない。ベル型焼なまし炉のよ
うないくつかの炉では、メタノールを炉に注入すること
は困難でありそして望ましくない濃度の脱炭剤および酸
化剤、水蒸気および二酸化炭素が約７６０℃（約１４０
０°Ｆ）以下の温度で生成される。

米国特許第４，３５９，３５１号明細書にはメタノール
と仝素との混合物を炉に射出して得られた雰囲気下で鉄
金楓物品を焼なましする方法が開示されている。この特
許明細書はここに参考としてあけられる。

米国特許第４，３０６．９１８号明細書には浸炭法用の
可能な炭素調節剤としてジメチルエーテル（ＤＭＥ）、
ＣＨ３０ＣＨ５が記載されている。

米ｒ＠特許第２，６７３，８２１号明細■には浸炭雰囲
気を形成するのに適した化合物としてジメチルエーテル
を使用することが開示されている。

この特許明細書にはジメチルエーテルを水で希釈して、
プロパン、天然ガスなどのよう々直鎖炭化水素によって
形成された従来の炭化水素雰囲気では普通の問題であっ
た煤煙発生を防止できることが記載されている。しかし
ながら、浸炭プロセス中の炭素効率の損失を防止するた
めには水分を厳密に制御しなければならない。

米国特許第２，０５６，１７５号明細書には、浸炭プロ
セス中にメタン、エタン、フロパン、ブタン捷たはそれ
らの誘導体により見出される煤煙発生の問題を生じない
雰囲気を形成する炭化水素化合物について記載されてい
る。浸炭法について研党が続けられさらに米国特許第２
，１６１，１６２号および同第２，３２９，８９６号明
細書に開示されている。

米国特許ｍ　３，２０１．２９１１号明細書には、アル
コールのような流体を用いて浸炭奪回りを形成すること
のできる滴下浸炭炉を制御する方法が開示されている。

米国特許第１，８１７，４０７号明細書には、水蒸気−
炭化水素によシ形成された雰囲気を用いる浸炭法が開示
されている。

炉を６４９℃（１２００ν）ないし８９９℃（１６５０
°Ｆ）の温度に維持して鉄金属物品を加熱して焼な１し
または焼入れしようとする場合、表面脱炭を最小限にし
かつ被処理物品の表面の再浸炭を防止するためには０．
１〜約５％（答１）のりメチルエーテルと残りが窒素で
ある混合物を炉の中に注入して得られた雰囲気が有効で
あることが見出された。

ジメチルエーテルおよび鋼索キャリヤーガスの解離から
生成される炉雰囲気は炉中と被処理部分の煤煙生成を最
小限にするかまたは排除すると同時に表面脱炭を最小限
にしかつ被処理部分の表面が再浸炭される傾向を排除す
る。

ニュートラルな焼入れのために鉄金属物品を加熱する間
中豊素をベースにした雰囲気を採用するこれまでの発展
過程では、慣用の吸熱的な発生剤が、炉雰囲気を該物品
が脱炭されるまで加熱されるのを防止するような状態に
保つために採用されてきた。慣用の吸熱的な方法におい
ては、キャリヤーガスは、炭化水素（例えば天然ガス）
を、触媒を用いて部分的に分解して主に一酸化炭素２０
チ、水素４０％および窒素４０チからなる混合物とする
ことによって得られている。もし該雰囲気が浸炭のため
に採用されるならば、炭化水素（例えば過剰の天然ガス
）が必要′とされる炭素を供給するために通常加えられ
る。浸炭の割合を決定する平衡炭素濃度は、雰囲気ガス
中における二酸化炭素または水蒸気のいずれか一方の濃
度を監視することによって制御される。

理論的には、低平衡炭素濃度においては、炉雰囲気はニ
ュートラルであり、このことは、浸炭も脱炭もないこと
を意味している。しかし彦から、炭化水素をベースにし
た系では、煤煙発生が生じないように制御することおよ
び／またはニュートラルな雰囲気を与えるように制御す
ることはむつかしい。

保護雰囲気を造る他の慣用の方法は、燃料ガス／空気混
合物の部分的なまたは完全な燃焼によって発熱的な雰囲
気を造ることである。発熱をベースとする雰囲気組成物
では、炉雰囲気に望みの露点を生じさせるために水蒸気
を除去することもある。

窒素ガスと酸素処理された炭化水素との混合によって造
られた混合像素算囲気は、発熱または吸熱方法において
めざましい改良である。酸素処理さ汎た炭化水素は、好
ましい一酸化炭素と水素類を生成するが、更に大抵炭素
−炭素結合を有しておシ、液体として取扱わなければな
らない。炭素−炭素結合は、高温において容易に脱水素
化して１合し、それによって表面炭素の分解または通常
煤煙発生が生ずることが知られている。メタノールは炭
素−炭素結合を持たないが、それは液体であり、−酸化
炭素と水素がその約７６０℃（１４００°Ｆ）以上の分
解の主生成物ではあっても、この温度板）では多重の二
酸化炭素と水蒸気が生成する。これらの後者の成分の両
者とも、イのような雰囲気下において加熱されている金
属の表向の過剰な脱炭および／−１０＝ または酸化をもたらす。メタノールのような液体炭化水
素の使用は、気化器の使用および／捷たは気化して分解
する液体を炉中に注入することを必要とする。

本発明によると、通常の加圧されたガス貯蔵装置中に加
圧下でガスとして貯蔵されることができるジメチルエー
テルが、炉内に注入するために標準的な流量制御板中で
混合されることができる。・ 該混合物は、変態点以下での焼ガまし、例えば金輌のよ
り低い変態温度以下で行われる焼な甘し、を行う６４９
℃（、１２００°Ｆ）と７２７℃（１３４０ν）の間の
温度に保たれた炉、変態焼々ましが行われる７２７℃（
１３４０ν）から８７１℃（１６００°Ｆ）の温度に保
たれた炉およびニュートラルな焼入れが行われる７８８
℃（１４５０°Ｆ）と８９９℃（１６５０°Ｆ）の間の
温度に保たれた炉で用いられることかできる。

ジメチルエーテルと９素の正確で一定した混合物が炉内
に注入され、そこでジメチルエーテルは分解して水素、
−酸化炭素およびメタンから本質的になる雰囲気を形成
する。ジメチルエーテルの適切な濃度が決定されると、
生成された雰囲気で生じがち々変化が起シ得ないので、
雰囲気のこの％質が維持されて、鋼を還元し溶解炭素に
対してニュートラルな雰囲気が形成される。よシ確実で
、処理される物質の脱炭、再浸炭、煤煙発生および酸化
を防止する制御を維持するための工程の間中、多分、導
入混合物の変更はほんのわずかでよい。

留素−炭化水素系を採用した時の煤煙発生と厳密な制御
範囲の問題は、ジメチルエーテルが　−炭素−炭素結合
を持たないので、ジメチルエーテル−皇素混合物を使用
した時には、明確に減少する。炭素−炭素結合を有する
物質は、より容易に炭素重合（煤煙発生）してしまうこ
とが示されてきた。これに反して、ジメチルエーテルは
、好ましい炭素調節剤である一酸化炭素および水素を高
水準で生成する。

ニュートラルな雰囲気中でジメチルエーテルが炭化水素
よりも秀れている大きな効果は、ジメチルエーテルが炭
素−炭素結合を持たず、そして焼なましまたは焼入れ温
度（６５０℃から９００℃＋　１２００°Ｆから１６５
０°Ｆ）でメタンよりも容易に分解するので、プロパン
またけプロピレンよりも煤煙発生傾向がよりずっと低い
ことである。ジメチルエーテルは、又、この系における
炭素調節にとって好ましい成分である一酸化炭素および
水素を主に生成する。メタノールも一酸化炭素と水素を
供給することができるが、７６０℃（１４００°Ｆ）の
温度以下ではジメチルエーテルよりはずっと容易ではな
い。その上、メタノールは、又、脱炭および酸化剤であ
る水蒸気および二酸化を、ジメチルエーテルよりもより
多音に生成する。加えて、残りの（分解してい々い）メ
タノールを含有している雰囲気中では露点（水分含りを
測定するのが困難であることが見出された。ミラータイ
プ分析器ではメタノールは鏡を曇らせてし甘うし、誘電
系においてはメタノールは指針の読みを誤まらせてしま
う。ジメチルエーテルを用いるとこれらの状態のいずれ
もがないので、ジメチルエーテル−９素混合物が用いら
れている炉内では、残存している水蒸気または露点の正
確な測定ができる。

７６０℃（１４００°Ｆ）またはそれ以上の炉温度で試
鹸を行った結果、ジメチルエーテルがほぼ完全に分解し
、加熱処理の間中炉内にはジメチー１４＝ ルエーテルが残らないことが示された。

ＡＴＳＩ　１０１８鋼およびＡＴＳＩ　１０４５鋼につ
いて６９０℃（１２７５°Ｆ）で３時間焼なましを行う
一連の試験が行われた。これらの試験の結果は、下記の
表１に示されている。

前記した表から、２．１容ｆｔ％のジメチルエーテルを
含有する雰囲気中で加熱された１０１８および１０４５
鋼は深芒わずかからおよそ０．００５インチまでの部分
的な表面脱炭を生ずるこ去が判りうる。大抵の熱処理者
は深さｏ、ｏｉｏインチまでの１の部分的脱炭は受容し
うると見なしている。

操作≠２の結果は４．５容ｌ・優のジメチルエーテルで
は光学的検査では何ら教訓となる脱炭または再浸炭は存
在しなかったことを示している。

入Ｉ８Ｉ　１０２２鋼を種々の雰囲気の下１４１０″Ｐ
Ｃ７６６℃）で６時間加熱するもう一つの試験系列がチ
ューブ炉中で行われた。それらの試験結果を上記第■表
に示す。

１７一 Ｏロ ｄｄ 十　　＋ ロ　Ｃ 東 コＬＣ） コ　　　Ｏへ１′ ｊｃｌ　　　　　　禾　　　宰 ※ 前記した表において、操作４Ｐ１はジメチルエーテルを
添加すＺ）こと々〈１００％窒素雰囲気中で行われ、操
作≠２Ｆ′ｆ水蒸気が添加された９素中で基本的に行わ
わ、操作５．４および５けジメチルニーデル−９素混合
物を用いて行わｔｌ、操作６けジメチルエーテル、水、
９素混合雰囲気中で行われ、そして操作７および８けプ
ロ、＜ンー窒素雰囲気中であった。Ｍ記の表から操作す
６はわずかな脱炭および何らの煤煙も生じないが、一方
操作す４およびす５は非常にわずかな諭し何らの煤煙も
伴わない非常にわずかのｐ＋浸炭を生じた。操作＋１ｉ
’：ｊ：ｔた低い価の脱炭をも生ずるが、しかしながら
試料上に強い酸化物被膜が餡められ、これは脱炭の欠如
ｋｆｆｌ明していよう。勿論、操作す２およびす６は脱
炭の割合を増大させる添加された水の作用を示し試料≠
６は商業的見地から全体的に受容できない。操作７およ
び８は窒素への少ｈ（の炭化水素添加を用いろことがよ
り大＾い１り浸炭を生ずるでを、ろうのへならず、受Ｗ
しλないレベル捷での煤煙を生成することを示しており
、従って炭化水素添加を用いる場合の１枚の制御の困難
さを示している。

伊素−ジメチルエーテル雰囲気を商業的な炉の中で用い
もう一つの系列の試験が行われた。

この物素−ジメチルエーテル試験を発熱性発生器中で発
生された雰囲気を用いる、窒素１００％からなる雰囲気
、および０．３３　賓ｆｍ　’１６のプロピレンが添加
された窒素からなる雰囲気中における試験と比較した。

試験は内側寸法的径７フイート、高さ７フイートを南す
るベルレトルト炉中で行われた。用いられた物質はステ
アレート表血清剤が存在する直径１／８〜１／４インチ
のＡ丁５Ｔ１０１８ｔｌｌｌｆワイヤーコイルであった
。すべての鋼を加熱ザイクルにかける、それには炉を２
時間パージし、炉を９００°Ｆ（４８２℃）に１７２時
間加熱し、９００°Ｆ（４８２℃）に３時間保持し、６
時間１６００°Ｆ（７０４℃）に加熱および保持し、２
時間冷却して９００°Ｆ（４８２℃）となしそこでベル
レトルトをと抄出して物質を空気中で冷却させることが
包含される。これらの試験結果を下記第ｍ表にす２　Ｎ
２１００チ　　　　　　　　　　　〉α０２０＃　　　
な　し０．００７５′Ｌ　　　中程度 φ３　　Ｎ２＋プロピレン（Ｃ５Ｈ６）　Ｑ、３ｓ　ｑ
’　　　ｏ、　０１０　ｒｒｏ、ｏ　０５−　　中程度 ＋ｓ＊（’）Ｎ２＋ゾロピＬ’ン（ＣＨＨ４）　Ｏ−３
３％　　　ｏ、　ｏ　Ｏ７ｔｔす４（２）Ｎ２＋ＤＭＥ
（ＣＨ，０ＣＲ３）２．５１　　　０−α００４“非常
にわずか（り焼なましに先立ち滑剤を除去するためにワ
イヤーを清潔にした （２）炉雰囲気の分析結果は次のとおりである。

Ｎ２２．６％　　ＣＯ２０，７５％　　Ｃｏ　３．０％
　　Ｎ２００．０８５％ＣＨ４２，１係 前記の表から窒素−ジメチルエーテル雰囲気は試験され
た物質に対し最小ｌ°の表面脱炭しか生じなかったこと
が明らかである。窒素へのプロピレンの添加は比較的高
いレベルの脱炭を生じこれは物質を焼きな捷し前に清潔
にすることによりこれらの試験で幾分減少された。発熱
性雰囲気は受容しえないレベルの脱炭を生じた。

窒素／メタノール（Ｎ２−　ＭＥＯＨ）雰囲気に比較し
た窒素／：）メチルエーテル（Ｎ２−　ＤＭＥ）雰囲気
の下の鉄金楓物品の焼きなましを比較するために炉床長
さ２０フイートを有する６インチ巾のベルト炉中で一連
の試験を行った。用いられた試料は以−トのとおりであ
る。

Ａｌ８１　１０１８棒鋼　１／２“Ｄ×６“ｔＡＴ８Ｉ
　　１０４５棒ｍ　　１／２“ＤＸ６“をＡｌ８１　１
０２２ワイヤー　１／４”Ｄ×６”ｔＡＩ８Ｉ　　ＩＤ
ｔＳ５ワイヤー　１／４”ｏ　ｘ　、ｓ　／／　ｔＤは
試料の直径、ｔは試料の長さを示すすべての試料を炉に
入れそして０．５時間加熱、温度で４時間均熱、および
室温に１時間冷却なる加熱サイクルにかけた。試験の結
果を第■表に示す。

ど　１ 七謝ｄ 砺、＜１に 三〇 種 葺 スト Ｑく ÷Ｐ 襄宕 冥塚 セ冒 璧勾 ′＃ＩＩ表 妊 第■表に示きれる結果はジメチルエーテルが試験された
温度範囲において９素に基づく焼きな１し奪回訪中で炭
素制御性添加剤としてメタノールをしのぐことを示す。

脱炭／再浸炭の結果はメタノールとよりもジメチルエー
テルとより一致する、すなわちジメチルエーテル中で操
作された鋼試料の表面はメタノール中で操作されたそれ
らより均一な炭素含閂を示した。

メタノール処理された試料と比較してジメチルエーテル
では煤煙発生特性における改良も存在する。ジメチルエ
ーテルを用いて操作されたすべての試料は炉を出る際に
は非常に清潔であるが、一方メタノールを用いて操作さ
れた部分は炭素煤煙で被われていた。

メタノールは製造状況におけるであろうよりも実験室炉
においてより良好な性能を示しそしてなおジメチルエー
テルと同じほど良好には機能しなかった。実験室ベルト
炉はマツフル張りされており、清潔で、そして非常に乾
燥しており０２含妬は低い（すなわち０２４　ｐｌ）ｍ
　）。このことがメタノールを用いる作業を改善するの
を助けているのであろう。しかしながら、製造状況にお
いては、鋼上の酸化物の高いレベル、炉中における空気
侵入および高い水分しはルのような因子がメタノールの
炭素制御特性を低下させるのであろう。

焼きなましまたは焼き入れのための鉄金用物品の加熱に
用いられる炉に注入されるジメチルエーテル−蒙素雰囲
気混合物を用いる本発明方法により生成した雰囲気の不
統一性が除かれそしてさらにジメチルエーテルを炉に注
入する前に適当なレベルで窒素と混合するために標準的
な流れ調整パネルの使用が可能になるという利点が提供
される。その上、ジメチルエーテルに対する貯蔵要件は
メタノールに対するそれよりはるかに厳格でない。

これまで記載したように、本発明方法は脱炭を最小限に
抑え、再浸炭、煤煙発生および加熱された部分の酸化を
除去しかくして焼きなましおよび／または焼き入れ彼に
より良好な製品が得られる。

特許出願人　　エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ
・インコーホレイテッド 一２’７− 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和６１年特許願第８０２８’３号 ２、発明の名称 鉄金属を焼なましおよび／または焼入れするための保護
雰囲気方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　アメリカ合衆国ペンシルバニア州（１８０８７）
　）レックスラータウン、ルートナンバー２２２ 名称　エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ・インコ
ーホレイテッド ５、代理人 ５、補正命令の日付 昭和６１年６月４日　（発送日　昭６１．６．２４　）
６補正の対象 願書の発明者および特許出願人の欄、代！権ブマン１、
７、補正の内容 別紙のとおり下記の書面を提出ｊ７まず。

ｌ）発明者の住所および、特許出願人の代表者氏名を記
載した願書 ２）委任状およびその訳文 ３）願書に最初に添付した明細書の浄書（内容に変更な
し） 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）鉄金属物品を焼なまし、変態点下焼なましまたは焼
   入れするために前記物品を制御された炉雰囲気下高めら
   れた温度で加熱するにあたり、０．１〜約５容量％のジ
   メチルエーテルと残りが窒素である混合物を生成させそ
   して該混合物を炉に導入して得られた雰囲気下で鉄金属
   物品を加熱して前記物品の表面の不可避的な脱炭または
   再浸炭を防止することからなる方法。 ２）加熱が前記物品を焼なましを目的としそして前記炉
   を７２７℃（１３４０°Ｆ）ないし８７１℃（１６００
   °Ｆ）の温度に維持する特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ３）加熱が変態点下焼なましを目的としそして前記炉を
   ７８８℃（１２００°Ｆ）ないし７２７℃（１３４０°
   Ｆ）の温度に維持する特許請求の範囲第１項記載の方法
   。 ４）加熱が焼入れを目的としそして前記炉を７８８℃（
   １４５０°Ｆ）ないし８９９℃（１６５０°Ｆ）の温度
   に維持する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５）前記ジメチルエーテルが０．１〜４．３容量％の量
   で混合物中に存在する特許請求の範囲第１項記載の方法
   。