JP3460075B2 - 金属の浸炭方法 - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
-
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- C23C8/20—Carburising
- C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces
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- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は金属の浸炭方法、特
に、熱処理炉内に炭化水素ガスと酸化性ガスとを導入す
る金属の浸炭方法において、析出炭化物の粗大化を防止
し、処理時間の短縮による生産性の向上と、スーティン
グ防止によるメンテナンス費削減等の経済効果を有する
鋼等の金属の浸炭方法に関するものである。
に、熱処理炉内に炭化水素ガスと酸化性ガスとを導入す
る金属の浸炭方法において、析出炭化物の粗大化を防止
し、処理時間の短縮による生産性の向上と、スーティン
グ防止によるメンテナンス費削減等の経済効果を有する
鋼等の金属の浸炭方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３はバッチ炉を示し、１は加熱室、２
は冷却室（焼入室）、３は加熱室１の入口扉、３ａは入
口扉３に設けられた開閉口、４は中間扉、４ａは中間扉
４に設けられた流出口、５は冷却室２の出口扉、６は冷
却油槽、７は排気エキセス、８は出口扉５の開扉時に着
火するカーテンフレーム、９，１０はガスの供給管、１
１，１２は該供給管９，１０に設けられた開閉弁、１９
は攪拌ファンである。
は冷却室（焼入室）、３は加熱室１の入口扉、３ａは入
口扉３に設けられた開閉口、４は中間扉、４ａは中間扉
４に設けられた流出口、５は冷却室２の出口扉、６は冷
却油槽、７は排気エキセス、８は出口扉５の開扉時に着
火するカーテンフレーム、９，１０はガスの供給管、１
１，１２は該供給管９，１０に設けられた開閉弁、１９
は攪拌ファンである。
【０００３】図４は、連続炉を示し、図３と同一部分に
は同一符号を付して示す。なお、１５は搬入室、１６は
搬入扉、１７はＣＯ2 の供給管、１８は該供給管１７に
設けた開閉弁、２０は原料ガス供給管である。
は同一符号を付して示す。なお、１５は搬入室、１６は
搬入扉、１７はＣＯ2 の供給管、１８は該供給管１７に
設けた開閉弁、２０は原料ガス供給管である。
【０００４】従来一般の浸炭方法は、変成炉で得られた
変成ガスをキャリアガスとして使用するものであるが、
近年、品質向上、処理時間の短縮及びライニングコスト
の低減等の要請から変成炉を使用せず、直接炉内に浸炭
ガスと酸化性ガスを導入し、炉内において変成、浸炭を
行なう方法が提案され、更に炉内雰囲気のカーボンポテ
ンシャルを高低と繰り返すことにより、処理時間を短縮
させる浸炭方法が、例えば特開昭５５−１２８５７７号
公報、特公平１−３８８７０号公報、特公平６−５１９
０４号公報、特開平６−４９６２１号公報等に示されて
いる。
変成ガスをキャリアガスとして使用するものであるが、
近年、品質向上、処理時間の短縮及びライニングコスト
の低減等の要請から変成炉を使用せず、直接炉内に浸炭
ガスと酸化性ガスを導入し、炉内において変成、浸炭を
行なう方法が提案され、更に炉内雰囲気のカーボンポテ
ンシャルを高低と繰り返すことにより、処理時間を短縮
させる浸炭方法が、例えば特開昭５５−１２８５７７号
公報、特公平１−３８８７０号公報、特公平６−５１９
０４号公報、特開平６−４９６２１号公報等に示されて
いる。
【０００５】図５は、上記従来の浸炭方法における加熱
温度曲線ａとカーボンポテンシャルの制御曲線ｂの一例
を示す。この例では炉内に挿入された被処理品は浸炭雰
囲気の中でオーステナイト領域温度例えば９３０℃に昇
温保持され、カーボンポテンシャル０．８％程度で所定
時間浸炭処理された後０．７％程度で拡散処理され、８
５０℃に降温し焼入れを行なっている。
温度曲線ａとカーボンポテンシャルの制御曲線ｂの一例
を示す。この例では炉内に挿入された被処理品は浸炭雰
囲気の中でオーステナイト領域温度例えば９３０℃に昇
温保持され、カーボンポテンシャル０．８％程度で所定
時間浸炭処理された後０．７％程度で拡散処理され、８
５０℃に降温し焼入れを行なっている。
【０００６】図６は、特開平６−４９６２１号公報にお
ける浸炭方法の一例を示す。この例では、浸炭処理中は
カーボンポテンシャルを１．１％程度と０．８％程度の
間を繰り返し移行させることにより浸炭時間の短縮と炉
内スーティングを防止している。
ける浸炭方法の一例を示す。この例では、浸炭処理中は
カーボンポテンシャルを１．１％程度と０．８％程度の
間を繰り返し移行させることにより浸炭時間の短縮と炉
内スーティングを防止している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、浸炭時間
を短縮しようとする場合には、雰囲気のカーボンポテン
シャルを高くして浸炭処理を行なえばよいが、被処理品
の化学成分には炭化物を析出しやす特殊元素が含まれて
いる場合が多く、炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを
安易に高くすると、被処理品の疲労強度を低下させる析
出炭化物の粗大化が起こり、浸炭時間が短縮できないと
いう欠点があった。
を短縮しようとする場合には、雰囲気のカーボンポテン
シャルを高くして浸炭処理を行なえばよいが、被処理品
の化学成分には炭化物を析出しやす特殊元素が含まれて
いる場合が多く、炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを
安易に高くすると、被処理品の疲労強度を低下させる析
出炭化物の粗大化が起こり、浸炭時間が短縮できないと
いう欠点があった。
【０００８】本発明は上記の欠点を除くようにしたもの
である。
である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の金属の浸炭方法
においては、熱処理炉内に炭化水素ガスと酸化性ガスと
を導入する金属の浸炭方法において、初期雰囲気形成の
ために、炭化水素ガスを中圧、少量導入する。
においては、熱処理炉内に炭化水素ガスと酸化性ガスと
を導入する金属の浸炭方法において、初期雰囲気形成の
ために、炭化水素ガスを中圧、少量導入する。
【００１０】本発明では、また、炭化水素ガスと酸化性
ガスの量を増減することにより、カーボンポテンシャル
の高低の移行時間と勾配を制御する。
ガスの量を増減することにより、カーボンポテンシャル
の高低の移行時間と勾配を制御する。
【００１１】本発明では、また、浸炭処理時、被処理品
に析出した炭化物が粗大化しない程度に高いカーボンポ
テンシャルにおいて保持時間を設け、析出した炭化物を
固溶させるために低いカーボンポテンシャルにおいて保
持時間を設ける。
に析出した炭化物が粗大化しない程度に高いカーボンポ
テンシャルにおいて保持時間を設け、析出した炭化物を
固溶させるために低いカーボンポテンシャルにおいて保
持時間を設ける。
【００１２】本発明では、また、ガス供給管に中圧の酸
化性ガスをフラッシュせしめ、ガス供給管のススによる
目詰まりを防止する。
化性ガスをフラッシュせしめ、ガス供給管のススによる
目詰まりを防止する。
【００１３】本発明では、また、予熱ゾーン中の変成管
内に中圧の炭化水素ガスと中圧の酸化性ガスとを加え、
扉開閉によって生ずる炉内成分の乱れを防ぐようにす
る。ここで中圧の炭化水素ガスとは低圧（０．０２５ｋ
ｇ／ｃｍ2 以下）と高圧（１０ｋｇ／ｃｍ2 以上）の中
間の圧力を意味する。
内に中圧の炭化水素ガスと中圧の酸化性ガスとを加え、
扉開閉によって生ずる炉内成分の乱れを防ぐようにす
る。ここで中圧の炭化水素ガスとは低圧（０．０２５ｋ
ｇ／ｃｍ2 以下）と高圧（１０ｋｇ／ｃｍ2 以上）の中
間の圧力を意味する。
【００１４】本発明では、また、ガス供給管の総てに各
サイクル毎に同時期に中圧ＣＯ2 を吹き込んでガス供給
管のスス払いを行なうと共に、炉内のＣＯの不足を防ぐ
ようにした。
サイクル毎に同時期に中圧ＣＯ2 を吹き込んでガス供給
管のスス払いを行なうと共に、炉内のＣＯの不足を防ぐ
ようにした。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下図面によって本発明の実施例
を説明する。
を説明する。
【００１６】本発明においてはバッチ炉使用の場合、加
熱室１の入口扉３を開き、外部からのエアの入り込みを
防ぐため加熱室１内の攪拌ファン１９を停止し、加熱室
１内に鋼等の被処理品を入れ、入口扉３を閉じ、加熱室
１内に中圧の酸化性ガス、例えばＣＯ2 を導入し、開閉
口３ａを開いて被処理品を炉内に入れたときに入り込ん
だエアを加熱室外に排出する。
熱室１の入口扉３を開き、外部からのエアの入り込みを
防ぐため加熱室１内の攪拌ファン１９を停止し、加熱室
１内に鋼等の被処理品を入れ、入口扉３を閉じ、加熱室
１内に中圧の酸化性ガス、例えばＣＯ2 を導入し、開閉
口３ａを開いて被処理品を炉内に入れたときに入り込ん
だエアを加熱室外に排出する。
【００１７】その後低圧の炭化水素ガス、例えばＣ4 Ｈ
10 を低圧（０．０２５ｋｇ／ｃｍ2〜０．１ｋｇ／ｃｍ
2 好ましくは０．０７ｋｇ／ｃｍ2 ）で、１０〜２００
リットル／分好ましくは４０リットル／分にて加熱室１
内に導入し、開閉口３ａを閉じ、攪拌ファン１９を作動
し、被処理品を触媒なしで約９３０℃に加熱し、浸炭及
び拡散処理せしめる。
10 を低圧（０．０２５ｋｇ／ｃｍ2〜０．１ｋｇ／ｃｍ
2 好ましくは０．０７ｋｇ／ｃｍ2 ）で、１０〜２００
リットル／分好ましくは４０リットル／分にて加熱室１
内に導入し、開閉口３ａを閉じ、攪拌ファン１９を作動
し、被処理品を触媒なしで約９３０℃に加熱し、浸炭及
び拡散処理せしめる。
【００１８】その後被処理品を焼入れ温度である約８５
０℃に降温させる。次に焼入動作として、中間扉４を開
き被処理品を冷却室に移してエレベーター（図示せず）
によって油槽６内に降ろして約１５分間焼入した後、エ
レベーターを上昇させて油切りを約１０分間行なった後
出口扉５を開いて取り出す。なお、中間扉４を開き、被
処理品を冷却室２に移す際には加熱室１の輻射熱及び加
熱された被処理品により冷却室２内の空気が膨張され、
中間扉４を閉じると加熱室１からの輻射熱が断たれ、さ
らにその後の冷却油への被処理品の浸漬により冷却室２
が負圧になる。この負圧を解消するため、開閉弁１２を
開き、供給管１０を介して中圧のＣＯ2を冷却室２に供
給し、負圧現象を防止せしめる。
０℃に降温させる。次に焼入動作として、中間扉４を開
き被処理品を冷却室に移してエレベーター（図示せず）
によって油槽６内に降ろして約１５分間焼入した後、エ
レベーターを上昇させて油切りを約１０分間行なった後
出口扉５を開いて取り出す。なお、中間扉４を開き、被
処理品を冷却室２に移す際には加熱室１の輻射熱及び加
熱された被処理品により冷却室２内の空気が膨張され、
中間扉４を閉じると加熱室１からの輻射熱が断たれ、さ
らにその後の冷却油への被処理品の浸漬により冷却室２
が負圧になる。この負圧を解消するため、開閉弁１２を
開き、供給管１０を介して中圧のＣＯ2を冷却室２に供
給し、負圧現象を防止せしめる。
【００１９】また、連続炉使用の場合には、一定量の酸
化性ガスを浸炭と拡散ゾーンに導入し、また、炭化水素
ガスを予熱、浸炭、拡散及び焼入れゾーンに導入する。
化性ガスを浸炭と拡散ゾーンに導入し、また、炭化水素
ガスを予熱、浸炭、拡散及び焼入れゾーンに導入する。
【００２０】本発明においては炭化水素ガスの導入量
は、各ゾーン内のＯ2 センサーの値、ＣＯ2 赤外分析計
の値、ＣＰコイルの値や露点の計算値等をみながら所定
のカーボンポテンシャル（活性度）となるように調節す
る。
は、各ゾーン内のＯ2 センサーの値、ＣＯ2 赤外分析計
の値、ＣＰコイルの値や露点の計算値等をみながら所定
のカーボンポテンシャル（活性度）となるように調節す
る。
【００２１】このようにエア量の制御ではなくガス量の
制御によればススの発生を抑えることができるようにな
る。
制御によればススの発生を抑えることができるようにな
る。
【００２２】即ち、図１及び図２に示すように、浸炭処
理中はカーボンポテンシャルが１．２％程度と０．８％
程度の間を繰り返し移行させ、この時、カーボンポテン
シャルの設定値における保持時間ｔ1 ｔ2 ｔ3 ・・・を
析出した炭化物が粗大化しないよう最適な時間に制御
し、更にカーボンポテンシャルの高低の移行の勾配Ｂ
Ｃ．ＤＥとその時間を析出した炭化物が粗大化しないよ
うに制御し、浸炭時間の短縮と炉内のスーティング防止
の効果を上げる。
理中はカーボンポテンシャルが１．２％程度と０．８％
程度の間を繰り返し移行させ、この時、カーボンポテン
シャルの設定値における保持時間ｔ1 ｔ2 ｔ3 ・・・を
析出した炭化物が粗大化しないよう最適な時間に制御
し、更にカーボンポテンシャルの高低の移行の勾配Ｂ
Ｃ．ＤＥとその時間を析出した炭化物が粗大化しないよ
うに制御し、浸炭時間の短縮と炉内のスーティング防止
の効果を上げる。
【００２３】表１にＳＣＭ４２０Ｈの（外径７５ｍｍ、
内径５７ｍｍの）アウターリングを図１の浸炭方法で処
理した場合の比較を示している。なお、この処理条件は
浸炭・拡散の温度を９３０℃とし、有効硬化層深さの目
標は１．４５〜１．９０ｍｍ（Ｈｖ５１３）としたもの
である。
内径５７ｍｍの）アウターリングを図１の浸炭方法で処
理した場合の比較を示している。なお、この処理条件は
浸炭・拡散の温度を９３０℃とし、有効硬化層深さの目
標は１．４５〜１．９０ｍｍ（Ｈｖ５１３）としたもの
である。
【００２４】
【表１】
【００２５】上記表１から明らかなように本発明のこの
実施例によれば図５に示す従来方法に比べ総処理時間に
おいて２３５分短縮、特開平６−４９６２１号公報の方
法に比べ総処理時間において３０分短縮が可能であっ
た。
実施例によれば図５に示す従来方法に比べ総処理時間に
おいて２３５分短縮、特開平６−４９６２１号公報の方
法に比べ総処理時間において３０分短縮が可能であっ
た。
【００２６】なお、被処理品をオーステナイト領域温度
まで加熱後、炉内雰囲気がその温度における炭素の固溶
限を越える高いカーボンポテンシャルに制御する状態を
継続すると析出した炭化物が粗大化する。そこで本発明
では、炭化物が粗大化しないよう、浸炭性ガスを増量制
御、あるいは酸化性ガスを減量制御することで、カーボ
ンポテンシャルの移行時間と勾配を制御し、なおかつ設
定した高いカーボンポテンシャルに到達後は、適当な保
持時間を設ける。その後は、析出した炭化物をオーステ
ナイト中に固溶させるために炉内雰囲気は低いカーボン
ポテンシャルに制御する。この時、必要以上にカーボン
ポテンシャルを低くすると浸炭時間の超過を招く。そこ
で浸炭性ガスを減量制御あるいは酸化性ガスを増量制御
することで、低いカーボンポテンシャルの移行時間と勾
配を制御し、なおかつ設定した低いカーボンポテンシャ
ルに到達後は、適当な保持時間を設ける。この工程を繰
り返し、さらに従来と同様に適当時間の拡散を行なうこ
とによって表面炭素濃度を調整する。被処理品中の炭素
の拡散は時間と共に滞るので、カーボンポテンシャルの
高低の移行時間と勾配及びカーボンポテンシャルの高低
で適切な保持時間は時間と共に最適な値に変更される場
合もある。
まで加熱後、炉内雰囲気がその温度における炭素の固溶
限を越える高いカーボンポテンシャルに制御する状態を
継続すると析出した炭化物が粗大化する。そこで本発明
では、炭化物が粗大化しないよう、浸炭性ガスを増量制
御、あるいは酸化性ガスを減量制御することで、カーボ
ンポテンシャルの移行時間と勾配を制御し、なおかつ設
定した高いカーボンポテンシャルに到達後は、適当な保
持時間を設ける。その後は、析出した炭化物をオーステ
ナイト中に固溶させるために炉内雰囲気は低いカーボン
ポテンシャルに制御する。この時、必要以上にカーボン
ポテンシャルを低くすると浸炭時間の超過を招く。そこ
で浸炭性ガスを減量制御あるいは酸化性ガスを増量制御
することで、低いカーボンポテンシャルの移行時間と勾
配を制御し、なおかつ設定した低いカーボンポテンシャ
ルに到達後は、適当な保持時間を設ける。この工程を繰
り返し、さらに従来と同様に適当時間の拡散を行なうこ
とによって表面炭素濃度を調整する。被処理品中の炭素
の拡散は時間と共に滞るので、カーボンポテンシャルの
高低の移行時間と勾配及びカーボンポテンシャルの高低
で適切な保持時間は時間と共に最適な値に変更される場
合もある。
【００２７】なお、炭化水素ガスのスーティングによる
ガス供給管の目詰まりを防止するためには適時中圧の酸
化性ガスを上記ガス供給管内に２〜１０ｋｇ／ｃｍ2 、
具体的には５ｋｇ／ｃｍ2 でフラッシュせしめる。
ガス供給管の目詰まりを防止するためには適時中圧の酸
化性ガスを上記ガス供給管内に２〜１０ｋｇ／ｃｍ2 、
具体的には５ｋｇ／ｃｍ2 でフラッシュせしめる。
【００２８】また、予熱ゾーン中の変成管内には低圧
（０．０２５ｋｇ／ｃｍ2 〜０．１ｋｇ／ｃｍ2 好まし
くは０．０７ｋｇ／ｃｍ2 ）の炭化水素ガスと中圧（２
〜１０ｋｇ／ｃｍ2 好ましくは５ｋｇ／ｃｍ2 ）の酸化
性ガスとを加え（スーパーチャージャー）、扉開閉によ
って炉内圧が変わり、炉内成分が乱れるのを防ぐように
する。
（０．０２５ｋｇ／ｃｍ2 〜０．１ｋｇ／ｃｍ2 好まし
くは０．０７ｋｇ／ｃｍ2 ）の炭化水素ガスと中圧（２
〜１０ｋｇ／ｃｍ2 好ましくは５ｋｇ／ｃｍ2 ）の酸化
性ガスとを加え（スーパーチャージャー）、扉開閉によ
って炉内圧が変わり、炉内成分が乱れるのを防ぐように
する。
【００２９】また、各ゾーンに対するガス供給管のスス
払いは、従来は一度ではなく各サイクル毎に順次ずらし
て一本づつに行なうようにしているが、本発明では各サ
イクル毎にこれら各ガス供給管に同時期に中圧ＣＯ2 を
吹き込んで行なうようにする。
払いは、従来は一度ではなく各サイクル毎に順次ずらし
て一本づつに行なうようにしているが、本発明では各サ
イクル毎にこれら各ガス供給管に同時期に中圧ＣＯ2 を
吹き込んで行なうようにする。
【００３０】このようにすれば炉内に入れるＣＯの不足
も解決され、浸炭に要する時間を大幅に短縮することが
できる。
も解決され、浸炭に要する時間を大幅に短縮することが
できる。
【００３１】
【発明の効果】上記のように本発明の金属の浸炭方法に
よれば、経済的であると共に浸炭等の処理時間の短い金
属の浸炭方法を容易に得ることができる大きな利益があ
る。
よれば、経済的であると共に浸炭等の処理時間の短い金
属の浸炭方法を容易に得ることができる大きな利益があ
る。
【図１】本発明の金属の浸炭方法の説明図である。
【図２】図１の一部の拡大図である。
【図３】従来のバッチ炉の縦断面図である。
【図４】従来の連続炉の縦断面図である。
【図５】従来の金属の浸炭方法の説明図である。
【図６】従来の金属の浸炭方法の説明図である。
１ 加熱室
２ 冷却室（焼入室）
３ 入口扉
３ａ 開閉口
４ 中間扉
４ａ 流出口
５ 出口扉
６ 冷却油槽
７ 排気エキセス
８ カーテンフレーム
９ 供給管
１０ 供給管
１１ 開閉弁
１２ 開閉弁
１５ 搬入室
１６ 搬入扉
１７ ＣＯ2 の供給管
１８ 開閉弁
１９ 攪拌ファン
２０ 原料ガス供給管
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−172960（ＪＰ，Ａ)
特開 昭53−15231（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−49621（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−126975（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−130271（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−156347（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−158267（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C23C 8/20,8/30
C21D 1/76
Claims (4)
- 【請求項１】 熱処理炉内に２ｋｇ／ｃｍ2 〜１０ｋｇ
／ｃｍ2 、好ましくは５ｋｇ／ｃｍ2 の圧力の酸化性ガ
スをガス供給管を介して導入し、また、０．０２５ｋｇ
／ｃｍ2 〜０．１ｋｇ／ｃｍ2 、好ましくは０．０７ｋ
ｇ／ｃｍ2 の圧力の炭化水素ガスを１０リットル／分〜
２００リットル／分、好ましくは４０リットル／分の速
度で導入し、カーボンポテンシャルを約１．２％に或る
時間維持した後約０．８％に或る時間維持することを繰
り返し移行せしめ、析出した炭化物を固溶したことを特
徴とする金属の浸炭方法。 - 【請求項２】 上記ガス供給管のススによる目詰まりを
防止するため上記酸化性ガスを上記ガス供給管にフラッ
シュせしめることを特徴とする請求項１記載の金属の浸
炭方法。 - 【請求項３】 酸化性ガスを予熱ゾーンの変成管内に供
給し、扉開閉によって生ずる炉内の成分の乱れを防止す
ることを特徴とする請求項１または２記載の金属の浸炭
方法。 - 【請求項４】 ガス供給管の総てに各サイクル毎に同時
期に２ｋｇ／ｃｍ2〜１０ｋｇ／ｃｍ2 好ましくは５ｋ
ｇ／ｃｍ2 の圧力の酸化性ガスを吹き込んで炉内のＣＯ
の不足を防ぐようにしたことを特徴とする請求項１、２
または３記載の金属の浸炭方法。
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| DE69608652T DE69608652T3 (de) | 1995-12-28 | 1996-12-23 | Verfahren zum Aufkohlen von Metallen |
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