JPS644583B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は炉内で装入物を迅速かつ均質に滲炭―
拡散する方法に関する。

従来の技術 滲炭操作中における滲炭炉の雰囲気は一般に下
記の諸成分からなるものである（米国特許第
4145232号参照）： CO ４―30％ H₂ 10―60％ N₂ 10―85％ CO₂ ０―４％ H₂O ０―５％ 炭化水素 ０―10％ 滲炭加工装入物の滲炭処理コストを減ずるため
に、当業者は炉内に導入されるガスの流れを減ず
ることを切望している。

過去に、ガス発生機、通称吸熱ガス発生機が必
要な滲炭雰囲気を作り出すのに用いられている。
従つて、天然ガスを用いるガス発生機は主として
約20％CO、40％H₂及び40N₂をガス流に一定比率
で含有する雰囲気を生成する。

更に最近では、吸熱ガス発生機がメタノールと
窒素の混合物の噴射により代えられて、前記限度
内の雰囲気の組成に変えることが可能である。メ
タノールは750℃の温度を超えると、本質的に下
式のように一酸化炭素と水素に分解されることが
よく知られている： CH₃OH→CO＋2H₂ 一定の流率におけるガス源によるガス発生機の
単なる代用は後者の減少と節約となり、同時に全
く同品質の装入物を提供する。この種の方法の一
例は米国特許第4519853号に明記してある。

現在では、更にこれらガス流の減少が考案され
て、より一層好ましい経済的バランスが得られて
いる。

このガス流は種々の問題に遭遇するので最低限
以下に減少することができないことは当業者に公
知である。

炉の扉を閉じた時、かつ噴射したガスの流率が
最低限度（該炉と処理諸条件により実験的に決定
された）より低い場合、熱処理炉の流体密封性が
ないことにより空気が侵入することになる。酸化
性成分のこれらの侵入を補償するために、当業者
は炭化水素の付加的噴射をして所望値以上に平衡
炭素濃度を保持している。現に、炭化水素類のこ
の付加的噴射は煤析着のリスクを増加し、更に所
望に反して一酸化炭素と水素の濃度の希釈とな
る、何故ならば、これらの濃度は秀れた滲炭には
できる限り高く保持しなければならないからであ
る：即ち、滲炭雰囲気中の炭素の被滲炭加工物へ
の移行率が生成物PH₂×pCO（炉内におけるH₂及
びCOの分圧）によるものであることはよく知ら
れていることである（例えばJ.Heat Treating―
14―Vol.1.No.13―「滲炭用ガスの消費を減ずるた
めの基本的要請」U.Wss―Ｒ Hoffmann及びP.
Neurnann、更にR.J.Fruchen「CO―H₂雰囲気に
おける鉄の滲炭率」―Part1―温度の影響及びCO
及びH₂圧力―冶金的処理―Vol.4―Sept、1972―
2123〜2127頁参照）。

発明が解決しようとする課題 更に、炉内の低いガス流率は元の条件に戻すの
に相応してより長いものとなる。炉の扉を装入物
を装入するために開くと、室温の大量の空気が導
入される。従つてこの雰囲気は不適切な条件であ
り、酸化性成分（CO₂、O₂、H₂O）の濃度は滲炭
工程を正確に続行させうるには余りにも高いもの
となる。更に、通常850℃〜1050℃である炉の温
度は室温の装入物の装入によつて降下する。炉温
のこの降下は該雰囲気が爆発する温度以下の安全
な温度より低い温度に推移することを伴うもので
ある。このリスクを減らすためには、該雰囲気を
希釈しかつ安全な規準以内とするために水素を炉
中に噴射する。このことは雰囲気の一酸化炭素及
び水素の濃度を減少することになる。従つて、炉
内の流率を最低限にかつ“通常の”即ち、最低の
流率より高くする（装入物の品質によつては、加
工品表面の視認外観、所定期間の滲炭により得ら
れる滲炭深さ及び装入物におけるこれら２種のパ
ラメーターの均一性を意味する）双方の維持が不
可能である。

本発明はこれらの諸欠点を避けるものである。

課題を解決するための手段 驚くべきことに、処理した加工品の所定の品質
のためには、拡散工程中ガスの流率を減じうるこ
とを知見した。ガスの流率は滲炭及び拡散工程中
同一としなければならないことはこの種技術で既
に考案されていたので、このことは驚くべきこと
である。

本発明は、扉を有するバツチ炉における滲炭―
拡散法において、該バツチ炉を滲炭温度に予じめ
加熱し、該炉の扉を開いて被加工品を装入し、該
炉の扉を閉じ、10〜85％の窒素と残部メタノール
の混合物からなる滲炭雰囲気をD₁の流率で噴射
し、該被加工品に第一滲炭工程を受けさせ、該第
一工程中該炉雰囲気から被加工品の表面への炭素
の移行割合が該被加工品の表面からその内部への
炭素の拡散率に対して優勢な関係にあり、前記滲
炭雰囲気からなる混合物と異なる10〜85％窒素と
残部メタノールの混合物からなる拡散雰囲気を流
率D₂で噴射し、該被加工品に第２の拡散工程を
受けさせ、該第二工程中の拡散率が前記移行割合
に対して優勢な関係にあり、前記滲炭及び拡散工
程中850℃〜1050℃の温度に保持し、前記流率D₁
およびD₂は次の関係式からなり： 1.5D₂≦D₁≦2D₂ 前記流率D₂は前記バツチ炉の最低安全流率に
少なくとも等しいものであることを特徴とするバ
ツチ炉内における被加工品の迅速かつ均質な滲炭
―拡散法に関する。

処理炉は装入物用の入口扉を具備し、この扉は
炉内の制御した雰囲気を維持しかつ空気の侵入を
避けるように全処理期間を通じて閉じられてい
る。

本発明方法では、滲炭工程中の雰囲気ガスの流
率D₁は次式のように拡散工程中の雰囲気ガスの
流率D₂に関連するものである。

1.5D₂≦D₁≦２×D₂ 前記流率D₂は使用される炉の最低限安全度よ
り高いかまた等しいものである。

炉の扉の開放から閉鎖、即ち、該炉内で被滲炭
装入物の導入に当り、種々の選択的変形が可能で
ある。できる限り迅速に秀れた品質の加工品を得
ることを望む場合には、このガス流率は値D₁に
等しいものとする。他方、できる限りガスの経済
性と同時に滲炭サイクルを僅かに延ばすことを望
む場合には、このガス流率はD₂に等しいものと
する。

最後に、滲炭サイクルの継続期間を最高に減少
することを望む場合には、このガス流率をD₃＞
D₁に等しく、かつ好ましくは1.2D₁より高いが２
×D₁より低くする。この流率D₃は、装入された
装入物の滲炭温度Ｔに戻るまで、温度の函数とし
てガス流の自動的調整に関連して維持しうる。

一般に、雰囲気ガスの流率D₂は“慣用の”流
率より低いものであり、流率D₁は“慣用の”流
率より高いものである。こゝで言う“慣用の”流
率とは同一品質の処理済加工品を得るための滲炭
―拡散の際において、この種技術で通常用いられ
る一定の流率を意味する。本発明による方法は慣
用方法で得られるものと等しいか又はよりよい処
理済加工品の品質を達成すると共に、雰囲気ガス
の消費を減少させるものである。実際に高い流率
D₁の工程（滲炭）では次のことが知見された： ―この高い流率D₁は対流により装入物の加熱を
助長する： ―炭化水素の過剰の添加なしに高い平衡炭素濃度
を保持することが可能である。何故ならば、こ
の付加的炭化水素類は常に部分的に分解かれか
つ煤を生成する（平衡外の制御不可能な反応）。
この少ない炭化水素の噴射は炉内における煤の
析着が少ない： ―雰囲気の炭素の加工品への移行率によつては、
雰囲気中のCO含有量が急速に増加され、滲炭
サイクル期間を減ずることができる。

拡散工程に当つては、加工品の表面における炭
素の所望最終濃度に実質的に等しい雰囲気の平衡
炭素濃度を保持するのに通常充分である。

従つて、滲炭工程中の流率に関連する1.5：２
の要因により拡散工程中の雰囲気ガスの流率を減
ずることが可能であり、それによつて活性の少な
い雰囲気とし、平均平衡炭素濃度を約0.6〜0.8に
減じ、従つて、加工品のより小さいスエーピング
を達成しかつ操作の安全限度内の空気の侵入を許
容する。

従つて、所望の雰囲気は加工品表面に対して中
性である保護雰囲気と言われる雰囲気に類似のも
のとしうる（滲炭でも脱炭の何れでもない）。

本発明の他の実施態様によれば、米国特許第
4519853号及び米国特許第4306918号に記述してあ
る雰囲気組成に変更することもできる。

しかしながら、窒素の補助としてスプレー状で
メタノールを噴入して生成された雰囲気を選ぶこ
とが好ましい。本発明方法の第一の工程では、少
なくとも20％窒素と補充するメタノールが通常用
いられる。実際には、本発明方法の確実な操作に
当つて、メタノールを圧縮空気で噴霧するのが適
切であることを知見し、この際窒素の最低量は10
％であるが、20％が好適である。この方法では、
米国特許第4306918号に明記してある如く、メタ
ノールのみを含有する雰囲気での炉内の煤とメタ
ノール噴射オリフイスの早期の目詰り等の重大な
危険が避けられる。例えば米国特許第4279406号
に明記されているような噴射管がこの操作に好適
である。メタノール（又は他の同等のアルコー
ル）により生成された雰囲気の使用が本質的に一
定の比率pCO／pH₂を維持し得る。本発明方法の
第二工程では、約70％の窒素と30％のメタノール
からなる混合物を用いることが好ましく、滲炭工
程中に炉中に噴射されるガスの流率は、拡散工程
中に噴射されるガスの流率より約1.5高いもので
ある。しかしながら、この拡散工程における窒素
によるメタノールの希釈は正確に言えば米国特許
第4519853号に明記されている限界内で実質的に
変更しうる。

本発明のよりよい理解のために、添付図面に基
づきかつ非限定的実施例の記述により以下に詳述
する： 比較例 １ 品質20MC5（組成：Ｃ：0.17〜1.22％、Mn：
1.10〜1.40％、Si：0.10〜0.40％、Cr：１〜1.3％、
残部Fe）の鋼加工品の35Kgの装入物を急冷浴を
組み込んだ処理炉中に装入した。一定した組成の
雰囲気ガスの流率は滲炭及び拡散の期間を通じて
一定（８m²／ｈ）である。雰囲気ガスの組成は下
記のとおりであり、以下の例も同一組成の雰囲気
ガスを用いた： 60％メタノール（CH₃OH） 40％窒素（N₂） メタノールが炉内で分解後、雰囲気ガスは約20
％のCO、約40％のH₂及び40％のN₂となる。

滲炭温度T₁は920℃であり、拡散温度は第１図
図示の温度グラフによつて値T₂870℃に急速に推
移する。図面において横軸は時間を示し、第２，
３図も同様である。

全装入加工品に得られた結果は下記の通りであ
る： 550VH1（１Kg荷重下におけるビツカース硬度）
における滲炭厚さ＝0.95〜1.05mm、 淡灰色外観、 僅かな残留オーステナイト。

この比較例は雰囲気ガスの“慣用の”流率によ
る公知技術を示す。装入物の品質は良好である。

比較例 ２ 前述と同じ諸条件下で（第２図）あるが雰囲気
ガスは５m³／ｈの低い一定の流率（安全限度）で
ある。下記の結果が得られる。

550VH1における滲炭厚さ＝0.80〜1.00mm、 暗灰色外観、 一部分に煤析着。

装入物品質は普通であり、得られた滲炭厚さは
同等の期間及び温度では減少し、不均質性は明白
に増加しかつ表面外観は悪い。

実施例 ３ 実施例１と同一諸条件であるが、滲炭工程中は
８m³／ｈの雰囲気ガスの流率（“慣用流率”）で、
拡散工程中は５m³／ｈであり（第３図）、下記の
結果が得られた： 550VH1における滲炭厚さ＝0.95〜1.05mm、 明灰色外観、 残留オーステナイトは観察されない。

装入物の品質は秀れておりかつ実施例１のもの
より高いものである。

一般に、実施例３は秀れた品質の処理を得るこ
とが可能であり（実施例１と同等か又はより高い
もの）、同時にガス消費総計は最低である。

前記した３個の例において、滲炭工程中に噴射
される雰囲気ガスは80％メタノール及び20％窒素
からなり、一方拡散工程で噴射される雰囲気ガス
は約30％のメタノールと70％の窒素とからなり、
同時にこれら雰囲気の平衡炭素濃度は、３個の例
で同様である、滲炭及び拡散両工程の限度内に保
持された。

通常の滲炭及び拡散温度で一酸化炭素と水素を
生成し得る公知物質（特にアルコール類）でメタ
ノールを置換しうることは理解しうるところであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は公知技術の雰囲気ガス流率
と温度の関係を示すグラフ、第３図は本発明方法
の同様のグラフを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 扉を有するバツチ炉における滲炭―拡散法に
   おいて、該バツチ炉を滲炭温度に予じめ加熱し、
   該炉の扉を開いて被加工品を装入し、該炉の扉を
   閉じ、10〜85％の窒素と残部メタノールの混合物
   からなる滲炭雰囲気をD₁の流率で噴射し、該被
   加工品に第一滲炭工程を受けさせ、該第一工程中
   該炉雰囲気から被加工品の表面への炭素の移行割
   合が該被加工品の表面からその内部への炭素の拡
   散率に対して優勢な関係にあり、前記滲炭雰囲気
   からなる混合物と異なる10〜85％窒素と残部メタ
   ノールの混合物からなる拡散雰囲気を流率D₂で
   噴射し、該被加工品に第２の拡散工程を受けさ
   せ、該第二工程中の拡散率が前記移行割合に対し
   て優勢な関係にあり、前記滲炭及び拡散工程中
   850℃〜1050℃の温度に保持し、前記流率D₁およ
   びD₂は次の関係式からなり： 1.5D₂≦D₁≦2D₂ 前記流率D₂は前記バツチ炉の最低安全流率に
   少なくとも等しいものであることを特徴とするバ
   ツチ炉内における被加工品の迅速かつ均質な滲炭
   ―拡散法。 ２ 前記滲炭雰囲気をD₁に等しい流率で前記扉
   の開放から閉鎖までの間の時間バツチ炉中に噴射
   する特許請求の範囲第１項記載の滲炭―拡散法。 ３ 前記滲炭雰囲気をD₂に等しい流率で前記扉
   の開放から閉鎖までの間の時間バツチ炉中に噴射
   する特許請求の範囲第１項記載の滲炭―拡散法。 ４ 前記滲炭雰囲気を流率D₁より大である流率
   D₃で前記扉の開放から閉鎖までの間の時間バツ
   チ炉中に噴射する特許請求の範囲第１項記載の滲
   炭―拡散法。 ５ 前記滲炭工程を温度T₁で開始し、該炉中に
   噴射される、滲炭雰囲気の流率D₃を前記扉の開
   閉后該炉が温度T₁に戻るまで滲炭工程中滲炭雰
   囲気の流率D₁より大きく存続する特許請求の範
   囲第４項記載の滲炭―拡散法。 ６ 前記流率D₁及びD₃が下記の関係式： 1.2×D₁≦D₃≦２×D₁ である特許請求の範囲第４項記載の滲炭―拡散
   法。 ７ 前記拡散工程の温度が前記滲炭工程の温度よ
   り低い特許請求の範囲第１項記載の滲炭―拡散
   法。 ８ 前記加工品をバツチ炉から取り出す前に冷却
   することからなる特許請求の範囲第１項記載の滲
   炭―拡散法。 ９ 前記滲炭及び拡散工程における炭化水素の噴
   射工程を滲炭及び拡散雰囲気の平衡炭素濃度を調
   節することからなる特許請求の範囲第１項記載の
   滲炭―拡散法。 １０ 約80％のメタノールを滲炭工程で噴射しか
   つ約30％のメタノールを拡散工程で噴射し、残余
   は両工程ともに窒素である特許請求の範囲第９項
   記載の滲炭―拡散法。 １１ 前記滲炭工程中に炉内に噴射されるガスの
   流率は拡散工程中に炉内に噴射されるガスの流率
   より約1.5高い特許請求の範囲第１０項記載の滲
   炭―拡散法。 １２ 前記拡散工程中の炉内雰囲気の平衡炭素濃
   度を約0.6〜0.8％に減少する特許請求の範囲第９
   項記載の滲炭―拡散法。