JPS6372821A - 金属処理方法 - 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】 本発明は鋼製品の熱処理によって、所望な処理済鋼製品
が得られるような熱処理雰囲気を形成する方法に関する
。

鉄は生き物と言われている。すなわち鉄すなわち鋼中に
存在する炭素量忙よって鋼の性質は非常に異なる。例え
ば、浸炭、脱炭、焼入れおよび焼なまし忙おいて、これ
らの熱処理を行なう際の炭素雰囲気（カーボンポテンシ
ャル）が極めて重要である。本発明はこれらの熱処理に
おけるカーボンポテンシャルの調節方法に関する。

焼入れや焼なましのプロセスは通常簡単なプロセスと考
えられている。カーボンポテンシャルはＣＯｚ又はカー
ボンセンサー等でコントロールされる。こ＼で一定のカ
ーボンポテンシャルを得るために現在使用されているＲ
Ｘガスについて記述する。ＲＸガスは通常浸炭、焼入れ
、焼なまし等の熱処理に使用される雰囲気ガスで、これ
はプロパン、ブタン、メタン又はその混合物等の炭化水
素ガスを変成炉に入れることにより作られている。

ＲＸガス中のＣ０％はプロパン、ブタンの場合は２３％
前后である。

上記の焼入れや焼なまし等に使用されるＲＸガスのカー
ボンコントロールは変成炉を出た時点で、およそ０．２
％Ｃの低いカーボンポテンシャルしかナイ為、このガス
に炭化水素ガス、ブタン、プロパン又はメタンの添刀口
によりカーボンポテンシャルを高める事により、カーボ
ンコントロールが達成される。この添加ガスはしばしば
炉内の雰囲気のｃｏｓｔ下げ、その結果カーボンポテン
シャルに影響を与える。

通常ＲＸガス使用時にカーボンコントロールを調整する
場合、ＣＯチは一定と仮定している。しかし、ＲＸガス
を作り出す場合に使用する空気の密度や湿度（多くの国
では季節により大きな差がある）、炭化水素の成分の不
拘−及び変成炉の触媒性能の異なりによりＣｏチに可成
りの影響をもたらし、厳密にカーボンコントロール’ｔ
することかむつかしい。

又、焼入れや焼なましに使用される雰囲気ガスのもう一
つの方法は、一般に中性で、良い結果をもたらすと考え
られている窒素−炭化水素混合物（炭化水素の童はごく
僅か）を使用する事である。

しかしながらこれらの混合物は、実際には、焼入れの短
いサイクルタイムと有効なカーボン量が少ない事から金
属表面に与えるカーボン量は限られている。とは云え、
ミクロレベルでは僅かな表面浸炭がある。これは、はと
んどの場合、許容できるもので、しばしば有益なもので
ある。

しかし、パーツの表面カーボンに正確さが要求されるケ
ースも中にはあり、例えば、長い疲労寿命を必要とする
（高張力鋼）ボルトの焼入れがそうである。この場合、
いかなる表面カーボンのピックアップもボルトの疲労寿
命を縮める事がわかっており、実際コントロールされた
深さまで、ごく僅かな脱炭を必要とする。

本明細書で使用される炭素ポテンシャルは次の式より算
出される。

ｌ゛ Ｔ　：　ＲａｎｋｉＴＬ すなわちカーボンポテンシャルは、雰囲気中の二酸化炭
素と一酸化炭素の分圧の関数である。

鋼製品の熱処理において所望の炭素含有量を持った処理
済鋼製品を得るために、所望のカーボンポテンシャルの
もとで熱処理を行なわなければならない。

ＲＸガスは変成時のカーボンポテンシャルが低く、これ
を高くするために炭化水素全添刀口するが、その量が多
く一定したカーボンコントロール’ｔするのがむつかし
い。炉内のカーボンポテンシャルを高める為にはＰ５の
式からもある様に即ち炉内のＣＯがほぼ一定と仮定すれ
ばＣＯ２のチを落せばよい。これは炉内に炭化水素を添
加することにより容易に行える。

炉内に炭化水素を添刀口すると ｗ　ＣＯ２＋　２　Ｃ７７１’ＨＲ→ｙ　ＣＯ＋　ｚ　
Ｈ２となりＣＯ２が減少する。

ＣＯ２が減少すればカーボンポテンシャルが高くなる。

本発明は鋼製品の浸炭、脱炭、焼入れ又は焼なましにお
いて雰囲気中にメタノール、エタノール、ケトン類、ア
ルデヒド類又はこれらの混合物から選ばれた酸素含有炭
化水素および窒素を導入し、窒素中のメタノール等の濃
度の調節によって特定温度における概略の所望のカーボ
ンポテンシャルを達成し、さらに空気、ＣＯ２、Ｎ２Ｏ
．０２　　やこれらの混合物から選ばれた酸化性ガス、
又はプロパン、ブタンあるいはその混合物を導入し、カ
ーボンポテンシャルの微調整を行なうことからなる鋼製
品の熱処理におけるカーボンポテンシャルの調節方法に
関する。

今回本発明において雰囲気ガスを作り出す方法は従来の
変成炉を使用する方法でなく（従来はＲＸガス）、すで
に説明法の窒素ガスとメタノール等の酸素含有炭化水素
を直接炉内に投入する方法である。炉内にこれらを投入
する場合、使用される窒素ガスとメタノール等の酸素含
有炭化水素の割合を色々変えることが容易である上、あ
る一定の割合を決定すれば、その割合に応じて、炉内で
一定のカーボンポテンシャルが得られる。それ故、熱処
理する場合、あらかじめ望むべきカーボンポテンシャル
を得る為に窒素ガスとメタノール等の酸素含有炭化水素
の比率を決定し炉内に導入すればよい。

炉内の雰囲気ガスは上記通りすることにより、はとんど
望むべきカーボンポテンシャルｔもったものとなるが、
もしこの雰囲気ガスのカーボンポテンシャルのわずかな
高低（大きな高低も可能である）が必要な時には、次の
様にすれば容易に行える。即ちより低いカーボンポテン
シャルを得るにはＣ０２等の酸化性ガスを添刀口すれば
いいし、又より高いカーボンポテンシャルを得よウトス
ればプロパン等の炭化水素類を添加すればよい。

もともとの雰囲気ガスがほとんど望むべきカーボンポテ
ンシャルをもっている為、このカーボンポテンシャルの
高低は微調整となり、よって添加する酸化性ガスや炭化
水素も少量となる。

第１図は、各々の温度でのＮ２中のメタノール蒸気の割
合に対するカーボンポテンシャルヲ示ス。

このＮ２ガスとメタノール等の混合物を使用することに
より容易に炉内のカーボンポテンシャルをコントロール
することができる。このことはこの雰囲気ガス中の鋼合
金部品の表面のカーボンが正確にコントロールできるこ
とになる。これは具体的には以下の方法で実施できる。

例としてバッチ式シールクエンチ炉を使用する。

パーツは鉄中０．３５％のカーボンを含み、８６０℃で
０．２５％の表面カーボンと共に焼入れを行う。

第２図が示すのは、このようなパーツを焼入れする為の
一般的な方法で、炉を８６０℃に別熱し、炉がシーズニ
ングされた時（これはガス成分から決定されるが、よく
知られているテクニックです。）Ｎ２とメタノールのペ
ース混合物ｔ　ｆＡ　７１０し、パーツを積率的な投入
方法で投入し、ドアを閉め、パーツを８６０℃に加熱す
る。この加熱は普通、体積８４％Ｎ２＋１６％メタノー
ル（標準状態で蒸気状）の混合物によって作られた雰囲
気のもとで行なう。パーツが８６０℃に達した時、混合
物を９１％Ｎ２＋９％メタノール蒸気に変える。新しい
雰囲気混合物が安定すれば（１０〜１５分後）カーボン
ポテンシャルがコントロールされる。サイクルの最後に
、パーツをペスチビュールへ移し、焼入れをする為にク
エンチ冷却する。

１、窒素のベース流量を設定し、様々な量のメタノール
を加える。カーボンポテンシャルはからコントロールさ
れる。別の方法として、酸素ポテンシャルを測る事もで
きる。Ｎ２とメタノールの混合物はメタノール流量をコ
ントロールしながら、電動パルプへのフィードバックに
よって変えられる。この混合物はＰＦ値がコントロール
ポイント以上のカーボンポテンシャルを与えるように（
この場合は５００）選ばれる。

コントロールポイントを例えば４５０に設定すると、パ
ーツの表面カーボンと同等のカーボンポテンシャルを持
つ雰囲気が得られる。メタノールの流量は希望の表示度
数が得られるまで、コントローラーを使って減らして調
整する。典型的な流量を第２図に示す。

下記の表は第１図における各熱処理工程での炉気分析値
を示す。

２．１．０かわりに、時によっては、より易しい方法と
して、メタノールの流量を一定に保ち、窒素を増やす場
合もある。

３、更に別の方法として、炉に挿入する流量を一定にす
る為、窒素とメタノールの両方の流量を変える事もある
。

４、　もう一つの方法は、サイクルのコントロール期間
中、Ｃ０％が一定の、安定した雰囲気を得る為に、窒素
とメタノールの一定した流量を使用する。それから、ご
く少量の酸化ガスｔ７ＪＯえる事により、雰囲気のカー
ボンポテンシャルを下げる。酸化ガスは普通空気、Ｎ２
Ｏ　、ＣＯ２゜Ｎ２Ｏ．０２　の中から選ぶが、その他
のガスでも可能である。

この酸化ガスの量は、ごく少量なので、雰囲気中ＯＣＯ
チを大きく変える事はない０ この方法はＣＯ及びＣＯ２ガス分析計を必要とするＰＦ
値を使うよりも易しく、既存のＣＯ２又はジルコニアタ
イプ０２グローブセンサーを使う事ができる点で優れて
いる０ 以上の結果を図に示します（第３図：ＳＣＭ４３５、第
４図：５Ｃｒ４４０）ｏより高いカーボンポテンシャル
が必要な時にはエタノールの様な炭化水素量の多いもの
を使うと良いが、前例で説明したようにカーボンポテン
シャルヲ減うしながら行うコントロールと同じ原理が使
える。このプロセスに使用するシステムのフローシート
ラ第５図に示す。

ボルトＳＣＭ４３５を８６０℃で焼入れ要求される表面
カーボンは中心カーボンの０．３５俤よりも０．１％低
い事、つまり表面の５０μｍ下の硬度が中心硬度よりＨ
ｖ：２Ｏ低い。

く手　順〉 グラフｌから８６０℃でおよそ０．３　％　Ｃのカーボ
ンポテンシャルが得られるよりなＮ２：メタノール混合
物を選ぶ。

短時間では、パーツは雰囲気と均熱にはならないので（
均熱時間６０〜８０分）、希望する数値より、およそ０
．２％Ｃはど低いカーボンポテンシャルが必要です。こ
のカーボンポテンシャルに必要なＣＯ２チを計算する。

この場合は０．１４８俤、つまりＰＦ＝３８０である。

炉内雰囲気のＮ２とメタノールのペース混合物の実際の
Ｃ０２％は炉のコンディションによって各々僅かに異な
るが、設定値よりも必ず低くする。パーツを予熱した炉
に入れ、７．５１ＣＯの雰囲気が１ＯＮｍ３／ｈｒ　　
流れるように炉内に適切なＮ２＋メタノールの混合物を
入れて８６０℃に加熱する。約６０分後、温度と雰囲気
が安定した時少量の００２（酸化ガス）を添加する。（
２Ｏ〜３０１／ｈｒ） Ｃｏ　　ｃｏ、。

ＣＯ２添加なしの雰囲気成分＝７．５　０．１０５ＣＯ
２添加時の雰囲気成分　＝７．５　０．１４８炉内に希
望するＣ０２％を得る為にＣＯ２流量をコントロールせ
ねばならない。結果は図２と３の炉雰囲気のＣＯ２示度
とパーツ（ボルト〕の硬度分布に表されているが、希望
レベルまで表面硬度が僅かに下がっているのが見られ、
表面に僅かの部分脱炭を示している。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種の温度におけるＮ２中のメタノール蒸気の
割合に対するカーボンポテンシャルヲ示すグラフ、 第２図は炭素Ｍ（０，３５１Ｃ）の典型的な熱処理サイ
クルを示すグラフ、 第３図はポル）ＳＣＭ４３５の断面硬度分布図、第４図
は、ボルト５Ｃｒ４４０の断面硬度分布図、 第５図は、本発明を実施するシステムのフローシートで
ある。 特許出願人　　大阪酸素工業株式会社 （外５名） 奏ｌ凹 ｎ−ｆ＞、ｆ′号ンシイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鋼製品の浸炭、脱炭、焼入れ又は焼なましにおいて
   雰囲気中にメタノール、エタノール、ケトン類、アルデ
   ヒド類又はこれらの混合物から選ばれた酸素含有炭化水
   素および窒素を導入し、窒素中のメタノール等の濃度の
   調節によつて特定温度における概略の所望のカーボンポ
   テンシャルを達成し、さらに空気、ＣＯ＿２、Ｎ＿２Ｏ
   、Ｏ＿２これらの混合物から選ばれた酸化性ガス、又は
   プロパン、ブタンあるいはその混合物を導入することか
   らなる鋼製品におけるカーボンポテンシャルの微調整方
   法。 ２、不活性ガスと酸素含有炭化水素化合物（ＯＢＨＦ）
   の混合物を使用し、雰囲気のＰＦ＝［Ｐ（ＣＯ）＾２］
   ／［Ｐ（ＣＯ＿２）］又はカーボンポテンシャルの測定
   により、ＯＢＨＦの流量を自動又は手動で変化させて、
   加熱された炉内の雰囲気中のカーボンポテンシャルを非
   常に正確にコントロールすることからなる特許請求の範
   囲第１項記載の方法。３、ＯＢＨＦの流量を一定にし、
   不活性ガスの流量を変化させる特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ４、ＯＢＨＦと不活性ガス両方の流量を変化させる特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ５、不活性ガスが窒素である特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ６、不活性ガスがアルゴン又はヘリウムである特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ７、ＯＢＨＦがメタノールである特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ８、ＯＢＨＦがエタノールである特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ９、酸化ガスがＣＯ＿２である特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 １０、酸化ガスがＨ＿２Ｏである特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 １１、酸化性ガスがＮ＿２Ｏである特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 １２、酸化ガスが空気である特許請求の範囲第１項記載
   の方法。