(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＰの計測値と実際値の乖離を緩和するとともに、エンリッチに要するコストを節減する浸炭方法を提供する。【解決手段】雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行うガス浸炭方法であって、上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。これにより、雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが速やかに上昇し、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げ、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。また、エンリッチガスの無駄な消費をせず、エンリッチに要するコストを節減することができる。【選択図】図４
2020196943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行うガス浸炭方法であって、
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する
ことを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項２】
上記第１の設定値および第２の設定値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する
請求項１記載のガス浸炭方法。
【請求項３】
上記第１の設定値から第２の設定値への変更は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う
請求項１または２記載のガス浸炭方法。
【請求項４】
上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用する
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項５】
上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項６】
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行うガス浸炭方法であって、
上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用し、
上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する
ことを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項７】
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する
請求項６記載のガス浸炭方法。
【請求項８】
上記第１の設定値および第２の設定値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する
請求項７記載のガス浸炭方法。
【請求項９】
上記第１の設定値から第２の設定値への変更は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う
請求項７または８記載のガス浸炭方法。
【請求項１０】
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う１または２以上の処理室と、
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する設定変更手段を備えた
ことを特徴とするガス浸炭装置。
【請求項１１】
上記雰囲気中のＯ２濃度から第１算出カーボンポテンシャルを算出する第１算出手段をさらに備え、
上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する
請求項１０記載のガス浸炭装置。
【請求項１２】
上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出カーボンポテンシャルを算出する第２算出手段をさらに備え、
上記設定変更手段は、上記第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する
請求項１０または１１記載のガス浸炭装置。
【請求項１３】
上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室に導入するエチレン導入手段をさらに備えている
請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のガス浸炭装置。
【請求項１４】
上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室に導入する炭化水素導入手段をさらに備えている
請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のガス浸炭装置。
【請求項１５】
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う１または２以上の処理室と、
上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室に導入するエチレン導入手段と、
上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室に導入する炭化水素導入手段とを備えている
ことを特徴とするガス浸炭装置。
【請求項１６】
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する設定変更手段をさらに備えている
請求項１５記載のガス浸炭装置。
【請求項１７】
上記雰囲気中のＯ２濃度から第１カーボンポテンシャルを算出する第１算出手段をさらに備え、
上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１カーボンポテンシャルを基準として設定する
請求項１６記載のガス浸炭装置。
【請求項１８】
上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出カーボンポテンシャルを算出する第２算出手段をさらに備え、
上記設定変更手段は、上記第２カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する
請求項１６または１７記載のガス浸炭装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス浸炭方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス浸炭処理では一般に、浸炭性の雰囲気とした処理室に処理品を装入して加熱保持する。上記雰囲気は一般に、ＣＯガスを含む変成ガスを上記処理室に満たすことにより形成する。浸炭処理を行う場合、上記変性ガスだけでは、カーボンポテンシャル（以後「ＣＰ」という）が不足する。つまり、得られる浸炭層の炭素濃度が十分に上がらず、十分な焼入れ硬度や硬化層の深さが得られない。このため、上記変成ガスのＣＰを調整するために、エンリッチガスを炉内に導入する。
【０００３】
エンリッチガスを使用したガス浸炭方法に関する先行技術文献として、本出願人は下記の特許文献１〜２を把握している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２６００１３号公報
【特許文献２】特開２０１５−１２９３２４号公報
【０００５】
上記特許文献１には、つぎの記載がある。なお、「熱処理路」は誤記であるが、そのまま引用した。
［公報第３頁左下欄第１９行目〜右下欄第２０行目］
この実施例においては、被処理材として、ニッケルクロム鋼（ＳＮＣ  ４１５）を素材としたものを選択し、熱処理の操業を開始した。この操業においては、添付図面に示すように、熱処理路内に、キャリアガスを生成する有機液体として工業用メタノールを２０００ｍｌ／ｈｒの流量で送給した。そして、熱処理炉内温度を９２０℃に保持し、保持後３０分経過したところで、エンリッチガスとしてプロパンガス（１００％）を３ｌ／ｍｉｎの流量で熱処理炉内に送給すると同時に、スーパーエンリッチガスとして同じくプロパンガス（１００％）を５ｌ／ｍｉｎの流量で熱処理炉内に送給した。そこで、送給後約１５分経過したところで雰囲気ガス成分濃度が所定値に到達し（カーボンセンサーで測定）たので、スーパーエンリッチガスの送給を停止するとともに、エンリッチガスの送給量を次第に減らすことによって、雰囲気ガス成分濃度が所定値に維持されるようにした。これによって、従来よりもかなり短時間のうちに炉内雰囲気を所定のガス成分濃度に設定することができると共に、当該ガス成分濃度を安定して維持することができた。
［公報第３頁右上欄第２行目〜第６行目］
ところで、上記したエンリッチガス用の有機気体としては、パラフィン系の炭化水素ガスが望ましく、これらのうちでも熱分解が容易であって比較的廉価なメタンガス，プロパンガス，ブタンガスなどが適している。
【０００６】
上記特許文献２には、つぎの記載がある。
［００２８］
エンリッチガスは、炉内１０ａの雰囲気ガスの炭素濃度（カーボンポテンシャル）を上げるためにキャリアガスに添加されるものである。すなわち、エンリッチガスを供給することにより、炉内１０ａの雰囲気ガスによる浸炭が可能となる。従来、常圧下のガス浸炭においては、エンリッチガスとして、メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）またはブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の鎖式飽和炭化水素が使用されてきたが、本実施形態では鎖式不飽和炭化水素であるアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を使用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガス浸炭処理では一般に、浸炭工程において、相対的に高いＣＰの雰囲気で処理品の表面から炭素を鋼表面に浸透させ内部に拡散させる。その後の拡散工程において、相対的に低いＣＰの雰囲気で、浸透させた炭素を深さ方向に拡散させると同時に、鋼表面の炭素濃度を所定の濃度に調整する。上記雰囲気のＣＰを調整するために導入するエンリッチガスとして一般には、天然ガスやプロパン、ブタン等の飽和炭化水素ガスが使用される。
【０００８】
雰囲気のＣＰを計測するには一般に、Ｏ２センサーにより上記雰囲気中のＯ２濃度を測定し、上記Ｏ２濃度と炉内温度からＣＰを算出することが行われる。両者は相関しており、Ｏ２濃度が下がればＣＰは上昇し、Ｏ２濃度が上がればＣＰは下降する。
【０００９】
一方、ガス浸炭処理におけるＣＰの制御は、目標とする設定値を定め、Ｏ２濃度から算出した計測値が上記設定値に近づくよう、エンリッチガスの導入量を制御することにより行う。ＣＰを高い値で制御するときはエンリッチガスの導入量を増やし、ＣＰを低い値で制御するときはエンリッチガスの導入量を減らす。
【００１０】
ところが、上記Ｏ２センサーは、エンリッチガスに由来するメタンの影響によって、Ｏ２濃度の計測精度が不安定になる。すなわち、Ｏ２センサーの白金電極が触媒となって、センサー近傍でメタンが分解する。この分解によりＨ２が生成し、センサー近傍でＨ２濃度が局所的に上昇する。そのＨ２が周囲のＯ２と反応し、センサー近傍だけ局所的にＯ２濃度が低下する。
【００１１】
そうすると、そのＯ２濃度と炉内温度に基づいて算出されたＣＰは、雰囲気がもつ実際のＣＰよりも高い値になってしまう。したがって、Ｏ２センサーを用いて制御しているＣＰは、センサー近傍だけの局所値となり、実際の雰囲気は設定値に到達していないことになる。
【００１２】
上記のようなメタンは、エンリッチガスとして使用する炭化水素ガスに由来して雰囲気中に混入する。つまり、エンリッチガスとして天然ガスを使用すれば、主成分としてメタンが含まれる。また、エンリッチガスとしてプロパンやブタンを使用すれば、それらが分解することによってメタンが生成する。
【００１３】
また、一般にガス浸炭処理では、浸炭工程と拡散工程で、ＣＰを異なる値に設定して制御する。浸炭工程では相対的に高い設定値でＣＰを制御し、処理品の表面に多くの炭素を浸透させ内部に拡散させる。拡散工程では相対的に低い設定値でＣＰを制御し、処理品の表面炭素濃度を最適にすると同時に、処理品に浸透した炭素を深さ方向に拡散させる。
【００１４】
上述したように、雰囲気内にメタンが混入すると、Ｏ２濃度に基づいて制御するＣＰが目標とする設定値に達しても、実際の雰囲気のＣＰはそれに達しない。浸炭工程において、高い設定値でＣＰを制御すると、エンリッチガスの導入量が多くなり、それに伴い、メタンの混入量も多くなる。メタンの混入量が多くなると、Ｏ２濃度に基づいて制御するＣＰと、実際の雰囲気のＣＰとの乖離が大きくなる。
【００１５】
したがって、制御するＣＰと実際のＣＰが乖離すると、Ｏ２濃度に基づいたＣＰの計測値に従って浸炭処理を行っても、その雰囲気がもつ浸炭能力は十分ではない。とくに浸炭工程の初期段階では、実際の雰囲気のＣＰが十分上昇しない段階で、計測によるＣＰが上昇してしまうため、そこでエンリッチの導入を制限してしまうことになる。このため、処理時間が長くなったり、浸炭深さがばらついたりする問題が生じてしまう。
【００１６】
一方、ＣＰの計測方法として、雰囲気中のＣＯ２濃度から算出する方法もある。しかしながら、目標とする設定値にＣＰを制御するためのセンサーとしては、Ｏ２センサーが適しており、用いられることが多い。ＣＯ２センサーよりもＯ２センサーのほうが取扱いやすく、メンテナンス性や反応速度などの特性が目的に合っているからである。
【００１７】
このため、上述したような、メタンの混入により、ＣＰの計測値と実際値が乖離するという問題は放置されているのが実情である。
【００１８】
上記特許文献１には、浸炭初期にエンリッチ量を一時的に一定時間増量し（スーパーエンリッチ）、ＣＰを短時間で上昇させる技術を開示する。
しかしながら、特許文献１に記載のように、スーパーエンリッチによりプロパンガスの流量を増加させると、その分解によってメタンも大量に発生する。したがって、上述したメタンの混入によってＣＰの計測値と実際値が乖離する問題は、より大きくなる。
【００１９】
上記特許文献２には、分解によるメタンの発生を抑えるエンリッチガスとしてアセチレンが使用される。
しかしながら、アセチレンガスは取扱いが難しく、また、著しくコスト高となる。ガス容器での運搬性にも難がある。したがって、汎用処理には向いておらず、普及もしていない。
【００２０】
本発明の目的はつぎに示すとおりであり、上記課題を解決することにある。
Ｏ２濃度に基づくＣＰの計測値と実際値の乖離を緩和するとともに、エンリッチに要するコストを節減する浸炭方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１記載のガス浸炭方法は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行うガス浸炭方法であって、
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。
【００２２】
請求項２記載のガス浸炭方法は、請求項１記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記第１の設定値および第２の設定値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
【００２３】
請求項３記載のガス浸炭方法は、請求項１または２記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記第１の設定値から第２の設定値への変更は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う。
【００２４】
請求項４記載のガス浸炭方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用する。
【００２５】
請求項５記載のガス浸炭方法は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
【００２６】
請求項６記載のガス浸炭方法は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行うガス浸炭方法であって、
上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用し、
上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
【００２７】
請求項７記載のガス浸炭方法は、請求項６記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。
【００２８】
請求項８記載のガス浸炭方法は、請求項７記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記第１の設定値および第２の設定値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
【００２９】
請求項９記載のガス浸炭方法は、請求項７または８記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記第１の設定値から第２の設定値への変更は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う。
【００３０】
請求項１０記載のガス浸炭装置は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う１または２以上の処理室と、
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する設定変更手段を備えた。
【００３１】
請求項１１記載のガス浸炭装置は、請求項１０記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記雰囲気中のＯ２濃度から第１算出カーボンポテンシャルを算出する第１算出手段をさらに備え、
上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
【００３２】
請求項１２記載のガス浸炭装置は、請求項１０または１１記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出カーボンポテンシャルを算出する第２算出手段をさらに備え、
上記設定変更手段は、上記第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する。
【００３３】
請求項１３記載のガス浸炭装置は、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室に導入するエチレン導入手段をさらに備えている。
【００３４】
請求項１４記載のガス浸炭装置は、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室に導入する炭化水素導入手段をさらに備えている。
【００３５】
請求項１５記載のガス浸炭装置は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う１または２以上の処理室と、
上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室に導入するエチレン導入手段と、
上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室に導入する炭化水素導入手段とを備えている。
【００３６】
請求項１６記載のガス浸炭装置は、請求項１５記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する設定変更手段をさらに備えている。
【００３７】
請求項１７記載のガス浸炭装置は、請求項１６記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記雰囲気中のＯ２濃度から第１カーボンポテンシャルを算出する第１算出手段をさらに備え、
上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１カーボンポテンシャルを基準として設定する。
【００３８】
請求項１８記載のガス浸炭装置は、請求項１６または１７記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出カーボンポテンシャルを算出する第２算出手段をさらに備え、
上記設定変更手段は、上記第２カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する。
【発明の効果】
【００３９】
請求項１記載のガス浸炭方法は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う。上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。
このように、エンリッチガスに由来するメタンの影響により、カーボンポテンシャルの計測値が上昇してしまう浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とする。これにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが上昇しないうちにエンリッチの導入を制限してしまうことが防止される。上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが速やかに上昇し、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。また、カーボンポテンシャルを速やかに上昇させる必要がある浸炭工程の初期において、第１の設定値に基づく制御でエンリッチガスの導入量が増えることになる。第２の設定値に変更してからは、エンリッチガスの導入量が絞られる。このため、エンリッチガスの無駄な消費をせず、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００４０】
請求項２記載のガス浸炭方法は、上記第１の設定値および第２の設定値を、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
上記第１の設定値および第２の設定値は、Ｏ２センサーで検知したＯ２濃度に基づくことになる。このため、上記第１算出カーボンポテンシャルは、エンリッチガスに由来するメタンの影響により計測値が上昇する傾向にある。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００４１】
請求項３記載のガス浸炭方法は、上記第１の設定値から第２の設定値への変更を、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う。
上記第２算出カーボンポテンシャルはＣＯ２濃度から算出するため、メタンの影響で計測値が変動せず、実際のカーボンポテンシャルを示す。したがって、実際のカーボンポテンシャルが第２の設定値に近づいたタイミングで、第１の設定値から第２の設定値に変更することにより、以後は、上昇した実際のカーボンポテンシャルを第２の設定値を目標に制御できる。したがって、雰囲気のカーボンポテンシャルを精度よく目標値に制御できる。
【００４２】
請求項４記載のガス浸炭方法は、上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用する。
エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００４３】
請求項５記載のガス浸炭方法は、上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
炭化水素ガスは上記エチレンガスに比べると安価である。また、拡散工程は、エンリッチガスの導入量が少量となるため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値と実際値が乖離することのマイナスが少ない。またエチレンガスは浸炭促進剤として機能し、浸炭層の炭素濃度が必要以上に増加するおそれもある。このため、拡散工程には、拡散に適して安価なエンリッチガスを使用し、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００４４】
請求項６記載のガス浸炭方法は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う。上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用し、上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
上記エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させ、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。
また、炭化水素ガスは上記エチレンガスに比べると安価である。また、拡散工程は、エンリッチガスの導入量が少量となるため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値と実際値が乖離することのマイナスが少ない。またエチレンガスは浸炭促進剤として機能し、浸炭層の炭素濃度が必要以上に増加するおそれもある。このため、拡散工程には、拡散に適して安価なエンリッチガスを使用し、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００４５】
請求項７記載のガス浸炭方法は、上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。
このように、エンリッチガスに由来するメタンの影響により、カーボンポテンシャルの計測値が上昇してしまう浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とする。これにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが上昇しないうちにエンリッチの導入を制限してしまうことが防止される。上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが速やかに上昇し、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。また、カーボンポテンシャルを速やかに上昇させる必要がある浸炭工程の初期において、第１の設定値に基づく制御でエンリッチガスの導入量が増えることになる。第２の設定値に変更してからは、エンリッチガスの導入量が絞られる。このため、エンリッチガスの無駄な消費をせず、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００４６】
請求項８記載のガス浸炭方法は、上記第１の設定値および第２の設定値を、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
上記第１の設定値および第２の設定値は、Ｏ２センサーで検知したＯ２濃度に基づくことになる。このため、上記第１算出カーボンポテンシャルは、エンリッチガスに由来するメタンの影響により計測値が上昇する傾向にある。したがって、浸炭工程のエンリッチガスとしてエチレンガスを用いることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。また、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００４７】
請求項９記載のガス浸炭方法は、上記第１の設定値から第２の設定値への変更は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う。
上記第２算出カーボンポテンシャルはＣＯ２濃度から算出するため、メタンの影響で計測値が変動せず、実際のカーボンポテンシャルを示す。したがって、実際のカーボンポテンシャルが第２の設定値に近づいたタイミングで、第１の設定値から第２の設定値に変更することにより、以後は、上昇した実際のカーボンポテンシャルを第２の設定値を目標に制御できる。したがって、雰囲気のカーボンポテンシャルを精度よく目標値に制御できる。
【００４８】
請求項１０記載のガス浸炭装置は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う１または２以上の処理室を備える。また、設定変更手段が、上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。
このように、エンリッチガスに由来するメタンの影響により、カーボンポテンシャルの計測値が上昇してしまう浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とする。これにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが上昇しないうちにエンリッチの導入を制限してしまうことが防止される。上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが速やかに上昇し、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。また、カーボンポテンシャルを速やかに上昇させる必要がある浸炭工程の初期において、第１の設定値に基づく制御でエンリッチガスの導入量が増えることになる。第２の設定値に変更してからは、エンリッチガスの導入量が絞られる。このため、エンリッチガスの無駄な消費をせず、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００４９】
請求項１１記載のガス浸炭装置は、上記雰囲気中のＯ２濃度から第１算出カーボンポテンシャルを算出する第１算出手段を備える。上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
上記第１の設定値および第２の設定値は、Ｏ２センサーで検知したＯ２濃度に基づくことになる。このため、上記第１算出カーボンポテンシャルは、エンリッチガスに由来するメタンの影響により計測値が上昇する傾向にある。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００５０】
請求項１２記載のガス浸炭装置は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出カーボンポテンシャルを算出する第２算出手段を備える。上記設定変更手段は、上記第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する。
上記第２算出カーボンポテンシャルはＣＯ２濃度から算出するため、メタンの影響で計測値が変動せず、実際のカーボンポテンシャルを示す。したがって、実際のカーボンポテンシャルが第２の設定値に近づいたタイミングで、第１の設定値から第２の設定値に変更することにより、以後は、上昇した実際のカーボンポテンシャルを第２の設定値を目標に制御できる。したがって、雰囲気のカーボンポテンシャルを精度よく目標値に制御できる。
【００５１】
請求項１３記載のガス浸炭装置は、上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室に導入するエチレン導入手段を備える。
エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００５２】
請求項１４記載のガス浸炭装置は、上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室に導入する炭化水素導入手段を備える。
炭化水素ガスは上記エチレンガスに比べると安価である。また、拡散工程は、エンリッチガスの導入量が少量となるため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値と実際値が乖離することのマイナスが少ない。またエチレンガスは浸炭促進剤として機能し、浸炭層の炭素濃度が必要以上に増加するおそれもある。このため、拡散工程には、拡散に適して安価なエンリッチガスを使用し、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００５３】
請求項１５記載のガス浸炭装置は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う１または２以上の処理室を備える。エチレン導入手段が、上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室に導入する。炭化水素導入手段が、上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室に導入する。
上記エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させ、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。
また、炭化水素ガスは上記エチレンガスに比べると安価である。また、拡散工程は、エンリッチガスの導入量が少量となるため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値と実際値が乖離することのマイナスが少ない。またエチレンガスは浸炭促進剤として機能し、浸炭層の炭素濃度が必要以上に増加するおそれもある。このため、拡散工程には、拡散に適して安価なエンリッチガスを使用し、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００５４】
請求項１６記載のガス浸炭装置は、上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する設定変更手段を備える。
このように、エンリッチガスに由来するメタンの影響により、カーボンポテンシャルの計測値が上昇してしまう浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とする。これにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが上昇しないうちにエンリッチの導入を制限してしまうことが防止される。上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが速やかに上昇し、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。また、カーボンポテンシャルを速やかに上昇させる必要がある浸炭工程の初期において、第１の設定値に基づく制御でエンリッチガスの導入量が増えることになる。第２の設定値に変更してからは、エンリッチガスの導入量が絞られる。このため、エンリッチガスの無駄な消費をせず、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【００５５】
請求項１７記載のガス浸炭装置は、上記雰囲気中のＯ２濃度から第１カーボンポテンシャルを算出する第１算出手段を備える。上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１カーボンポテンシャルを基準として設定する。
上記第１の設定値および第２の設定値は、Ｏ２センサーで検知したＯ２濃度に基づくことになる。このため、上記第１算出カーボンポテンシャルは、エンリッチガスに由来するメタンの影響により計測値が上昇する傾向にある。したがって、浸炭工程のエンリッチガスとしてエチレンガスを用いることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。また、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００５６】
請求項１８記載のガス浸炭装置は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出カーボンポテンシャルを算出する第２算出手段を備える。上記設定変更手段は、上記第２カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する。
上記第２算出カーボンポテンシャルはＣＯ２濃度から算出するため、メタンの影響で計測値が変動せず、実際のカーボンポテンシャルを示す。したがって、実際のカーボンポテンシャルが第２の設定値に近づいたタイミングで、第１の設定値から第２の設定値に変更することにより、以後は、上昇した実際のカーボンポテンシャルを第２の設定値を目標に制御できる。したがって、雰囲気のカーボンポテンシャルを精度よく目標値に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明が適用された一実施形態のガス浸炭装置を示す構成図である。
【図２】比較例１のＣＰ挙動を示す線図である。
【図３】比較例２のＣＰ挙動を示す線図である。
【図４】実施例のＣＰ挙動を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。
【００５９】
◆ガス浸炭方法
本実施形態のガス浸炭方法は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う。
【００６０】
〔処理品〕
本実施形態のガス浸炭方法が対象とする処理品は鋼である。一般的に低炭素鋼または中炭素鋼が対象となり、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に記載されている機械構造用炭素鋼材や、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５２，４０５３に記載されている機械構造用合金鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５に記載されている高炭素クロム軸受鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４４０１等に記載されている工具鋼等を使用することができる。具体的には、たとえばＳ０９Ｃ，Ｓ１５Ｃ，Ｓ２０Ｃ等をあげることができる。また、合金鋼としてＳＭｎ，ＳＣｒ，ＳＣＭ材などの合金鋼を用いることができる。
【００６１】
〔浸炭装置〕
本実施形態のガス浸炭方法は、雰囲気と温度の制御が可能な浸炭装置を用いて実施することができる。上記浸炭装置は、キャリアガスやエンリッチガス、酸化性ガスの導入口を有する処理室を有する。上記処理室には、処理品の装入や取出しを行うための開閉扉やコンベヤ装置等の搬入搬出手段を有している。上記浸炭装置には、必要に応じて焼入槽を付設することができる。
本発明の実施形態としての浸炭装置の詳細については後述する。
【００６２】
〔工程概略〕
上述したように、浸炭工程とその後の拡散工程を行う。上記浸炭工程に先立って、ガス置換工程や昇温工程を行うことができる。上記昇温工程が終了して浸炭工程を行うまえに、必要に応じて前均熱工程を行うことができる。上記拡散工程のあとに、必要に応じて後均熱工程を行うことができる。また、上記拡散工程もしくは後均熱工程のあとに、必要に応じて焼入工程を行うことができる。
【００６３】
上記ガス置換工程，昇温工程，前均熱工程，浸炭工程，拡散工程，後均熱工程は、所定の雰囲気で満たした処理室内に、処理品を装入して行う。上記雰囲気は、必要な雰囲気形成用のガスを処理室内に導入して大気圧以上に保つことにより、形成することができる。
【００６４】
〔雰囲気用のガス〕
上記雰囲気形成用のガスとしては、処理室内にＣＯガスを含んだ浸炭性の変成ガス，置換や希釈を行うためのＮ２ガス，カーボンポテンシャル（以下「ＣＰ」という）を制御するためのエンリッチガスや酸化性ガス等が用いられる。
【００６５】
上記変成ガスは、たとえば、通称ＲＸガスと呼ばれる吸熱型変性ガスを用いることができる。上記吸熱型変性ガスは、プロパンなどの炭化水素ガスと空気を、１０５０℃に加熱したニッケル触媒に通過させて反応生成したガスである。上記吸熱型変性ガスの組成は、たとえば、ＣＯ：２０．９〜２３．９％＋ＣＯ２：０．１８％＋Ｈ２：３０．４〜３８．９％＋残部Ｎ２である。
【００６６】
上記エンリッチガスは、本実施形態では、特に浸炭工程においてエチレンガスを用いることができる。上記浸炭工程のエンリッチガスとして、上記エチレンガスと炭化水素ガスを併用することもできる。また、拡散工程では、エンリッチガスとして炭化水素ガスを用いることができる。上記炭化水素ガスとしては、たとえば、メタン，エタン，プロパン，ブタン等を用いることができる。上記エンリッチガスを導入することにより、炉内雰囲気の酸化性ガスであるＣＯ２やＨ２Ｏを減少させてＣＰを上げることができる。
【００６７】
上記酸化性ガスは、炉内雰囲気内の酸化性ガスを増やしてＣＰを下げることができる。たとえば、浸炭工程で長時間にわたって高ＣＰを保持すると、つぎの拡散工程においてエンリッチガスの導入を停止しても炉内雰囲気のＣＰが所望の値まで下がらないことがある。このようなときに、酸化性ガスを炉内に少量供給してＣＰを速やかに所望の値まで下げることができる。上記酸化性ガスとしては、たとえば、ＣＯ２，空気，水中でバブリングして水分を含ませた窒素ガス等を用いることができる。
【００６８】
〔各工程の説明〕
上記ガス置換工程は、開閉扉を開放して処理室に処理品を装入することにより、処理室内に大量に侵入した大気を排出して雰囲気ガスと置換する。具体的には、処理室内にＣＯガスを含んだ浸炭性の変成ガスを導入して大気圧以上に保ち、大気を排出することが行われる。また、上記変成ガスの代わりに、Ｎ２ガスで置換することもできる。
【００６９】
上記昇温工程は、処理品を装入することにより冷却された処理室内の温度が、所定の浸炭温度に達するまで、所定の時間で昇温させる工程である。上記昇温工程の雰囲気は、上記変成ガスをキャリアガスとして導入し、必要に応じてエンリッチガスや酸化性ガスを導入してＣＰを制御することができる。
【００７０】
上記前均熱工程は、上記処理室内が所定の浸炭温度まで昇温したのち、装入された処理品の全体が均一に上記浸炭温度に達するまでの時間、上記処理室内を上記浸炭温度に維持する工程である。上記前均熱工程の雰囲気は、上記変成ガスをキャリアガスとして導入し、必要に応じてエンリッチガスや酸化性ガスを導入してＣＰを制御することができる。
【００７１】
上記浸炭工程は、上記処理品の全体が均一に上記浸炭温度に達したのち、浸炭性の雰囲気下の処理室内に所定時間保持し、処理品の表面から炭素を浸透、拡散させる。上記浸炭工程の雰囲気は、上記変成ガスをキャリアガスとして導入し、必要に応じてエンリッチガスや酸化性ガスを導入してＣＰを制御することができる。
上記浸炭工程中のエンリッチとＣＰ制御については、後に詳述する。
【００７２】
上記拡散工程は、上記浸炭工程の終了後、所定時間処理品を加熱保持して処理品の表層に侵入した炭素の濃度を所定濃度に調整し、また、内部へ拡散させる。上記拡散工程の雰囲気は、上記変成ガスをキャリアガスとして導入し、必要に応じてエンリッチガスや酸化性ガスを導入してＣＰを制御することができる。
上記拡散工程のエンリッチとＣＰ制御については、後に詳述する。
【００７３】
上記後均熱工程は、上記拡散工程の終了後、たとえば焼入れを行う前に、処理品の全体が均一に、所定の焼入れ温度になるまでの時間、保持する。上記後均熱工程の雰囲気は、キャリアガスおよびエンリッチガスや酸化性ガスの供給を停止し、処理室内の雰囲気を不活性ガスに置換する。
【００７４】
上記焼入れ工程は、所定の焼入れ温度に保った処理品を焼入れ油中に投入して急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる。
【００７５】
〔浸炭工程のエンリッチとＣＰ制御〕
上記浸炭工程では上述したように、上記変成ガスをキャリアガスとして導入し、必要に応じてエンリッチガスや酸化性ガスを導入することにより、浸炭性の雰囲気を形成する。
【００７６】
上記雰囲気のＣＰの制御は、エンリッチガスの導入量を増減することにより行うことができる。つまり、エンリッチガスの導入量を増やせばＣＰが高くなり、エンリッチガスの導入量を減らせばＣＰが低くなる。さらにＣＰを低くする場合は、酸化性ガスを導入する。
【００７７】
ここで、ＣＰとは、所定の浸炭性の雰囲気で浸炭処理を行ったときの、処理品表面の平衡炭素濃度をいう。ＣＰが１％雰囲気とは、その雰囲気で平衡に達するまで浸炭したときの処理品表面の炭素濃度が１重量％ということである。
【００７８】
上記ＣＰの制御は、目標とするＣＰの設定値と、雰囲気のＣＰを計測した計測値との差に基づいて、エンリッチガスの導入量を増減することにより行う。上記設定値は、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを設定した値である。上記計測値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した計測値を用いる。
【００７９】
したがって、上記計測値が上記設定値より低ければ、エンリッチガスの導入量を増やしてＣＰを上げる。上記計測値が上記設定値より高ければ、エンリッチガスの導入量を減らしてＣＰを下げる。さらにＣＰを低くする場合は、酸化性ガスを導入する。
【００８０】
本実施形態では、上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標ＣＰを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。とくに上記第２の設定値は、上記浸炭工程において照準とする表面炭素濃度とすることができる。したがって、上記第１の設定値は、上記浸炭工程において照準とする表面炭素濃度よりも高い値とすることができる。たとえば一例として、上記第１の設定値を１．５％とし、上記第２の設定を１．１％とすることができる。
【００８１】
本実施形態では、上記第１の設定値および第２の設定値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出ＣＰを基準として設定する。上記Ｏ２濃度の計測には、ジルコニア式Ｏ２センサーが用いられる。これらのＯ２センサーは、炉内の酸素分圧と炉外の大気中の酸素分圧の違いにより発生する起電力を利用し、上記雰囲気中のＯ２濃度を計測する。上記雰囲気中のＯ２濃度とＣＰは相関し、Ｏ２濃度が下がればＣＰは上昇し、Ｏ２濃度が上がればＣＰは下降する。
【００８２】
上述したように、上記Ｏ２センサーは、エンリッチガスに由来するメタンの影響によってＯ２濃度の計測精度が悪くなる。その結果、第１算出ＣＰの計測値が、実際のＣＰよりも高い値をとってしまう。したがって、ＣＰの設定値が、浸炭工程で照準とする表面炭素濃度と同等であれば、実際のＣＰが設定値よりも低いにもかかわらず、設定値まで上がったとみなしてエンリッチガスの導入量を減らすような誤制御をしてしまう。
【００８３】
本実施形態では、上記浸炭工程の初期を、第２の設定値よりも高い第１の設定値にすることで、上述したようなエンリッチガス導入量の誤制御をまねかず、エンリッチガスの導入量を適正に制御できる。上記浸炭工程の初期を、第２の設定値よりも高い第１の設定値とし、その後の所定のタイミングで、第１の設定値を第２の設定値に変更する。
【００８４】
上記第１の設定値から第２の設定値への変更は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出ＣＰが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う。たとえば一例として、上記第１の設定値を１．５％とし、上記第２の設定を１．１％とした場合、上記トリガーとする所定値を１％とすることができる。
【００８５】
上記ＣＯ２濃度は、たとえば、ＮＤＩＲ方式の赤外線ＣＯ２分析計により測定することができる。また、上記ＣＯ２濃度は、赤外線ＣＯ／ＣＯ２分析計により測定することもできる。上記雰囲気中のＣＯ２濃度とＣＰは相関し、ＣＯ２濃度が下がればＣＰは上昇し、ＣＯ２濃度が上がればＣＰは下降する。上記ＣＯ２濃度に基づいて計測した第２算出ＣＰは、第１算出ＣＰのように、メタンの影響で精度が悪化することはない。
【００８６】
本実施形態では、上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用する。エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でＣＰの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標ＣＰを上記第１の設定値とし、実際のＣＰを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【００８７】
〔拡散工程のエンリッチとＣＰ制御〕
本実施形態では、上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。つまり、上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用し、上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
【００８８】
上記拡散工程のＣＰ制御は、たとえば、上記第２の設定値よりも低い第３の設定値を目標ＣＰとして行うことができる。例えば一例として、上記浸炭工程において上記第１の設定値を１．５％とし、上記第２の設定を１．１％とした場合、拡散工程の目標ＣＰを０．８％とすることができる。
【００８９】
上記拡散工程のＣＰ制御における上記第３の設定値は、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出ＣＰを基準として設定する。
【００９０】
◆ガス浸炭装置
図１は、本発明を適用したガス浸炭装置の一実施形態を示す。このガス浸炭装置は、上述したガス浸炭方法を実現するものである。
【００９１】
本実施形態のガス浸炭装置は、処理室１、第１算出手段１０、第２算出手段２０、設定変更手段３０、エチレン導入手段４０、炭化水素導入手段５０、キャリアガス導入手段６０、エンリッチ制御手段７０、酸化性ガス導入手段８０を備えている。この例では、上記酸化性ガスとして空気を導入している。
【００９２】
上記処理室１は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う。図示したものは、１つの処理室１で浸炭工程と拡散工程を行うものを例示している。たとえば浸炭工程と拡散工程を別々の処理室１で行うなど、２以上の処理室１を設けることもできる。上記処理室１は、雰囲気を攪拌するための攪拌装置２、内部の装入空間を加熱する加熱装置（図示していない）を備えている。
【００９３】
上記第１算出手段１０は、上記雰囲気中のＯ２濃度と温度からＣＰ（第１算出ＣＰである）を算出する。上記Ｏ２濃度は、Ｏ２センサー１１によって検知する。上記Ｏ２センサー１１としては、上述したようにジルコニア式センサーを用いることができる。浸炭工程中のＣＰ制御の目標値として用いる上記第１の設定値および第２の設定値は、上記第１算出ＣＰを基準として設定する。
【００９４】
上記第２算出手段２０は、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から第２算出ＣＰを算出する。上記ＣＯ２濃度は、ＣＯ２分析計２１により検知することができる。上記第２算出手段２０は、上記ＣＯ２分析計２１で検知したＣＯ２濃度と、温度計２２で検知した炉温に基づいて、処理室１内のＣＰ（上記第２算出ＣＰである）を算出する。
【００９５】
上記キャリアガス導入手段６０は、キャリアガス流量計６１およびキャリアガス開閉弁６２により、所定の導入流量で上記処理室１に対してキャリアガスを導入する。
【００９６】
上記エチレン導入手段４０は、エチレン開閉弁４１およびエチレン導入路４２を通して、上記浸炭工程中のエンリッチガスとしてエチレンガスを上記処理室１に導入する。
【００９７】
上記炭化水素導入手段５０は、炭化水素開閉弁５１および炭化水素導入路５２を通して、上記拡散工程中のエンリッチガスとして炭化水素ガスを上記処理室１に導入する。
【００９８】
上記エンリッチ制御手段７０は、エンリッチガス流量計７１、エンリッチガス開閉弁７２、エンリッチガス調節弁７３を含んで構成される。上記エンリッチガス調節弁７３の弁を開閉調整することにより、処理室１へのエンリッチガスの導入量を制御する。
【００９９】
上記酸化性ガス導入手段８０は、酸化性ガス流量計８１、酸化性ガス開閉弁８３、酸化性ガス調節弁８２を含んで構成される。上記酸化性ガス開閉弁８３を開閉調整することにより、処理室１への酸化性ガスの導入量を制御する。
【０１００】
上記設定変更手段３０は、上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標ＣＰを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。上述したように、上記設定変更手段３０は、上記第１の設定値および第２の設定値を、上記第１算出ＣＰを基準として設定する。また、上記設定変更手段３０は、上記第２算出ＣＰが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして上記設定値を変更する。設定値の変更は、具体的にはたとえば、エンリッチ制御手段７０の上記エンリッチガス開閉弁７３に弁開度信号を送信し、処理室１へのエンリッチガスの導入量を制御することにより行う。また、必要に応じて、酸化性ガス導入手段８０に弁開度信号を送信し、処理室１への酸化性ガスの導入量を制御することにより設定値の変更を行う。
【０１０１】
また、上記設定変更手段３０は、エチレン開閉弁４１および炭化水素開閉弁５１に対してエンリッチ切換信号を送信する、これにより、上記浸炭工程中にはエンリッチガスとして上記処理室１にエチレンガスを導入し、上記拡散工程中にはエンリッチガスとして上記処理室１に炭化水素ガスを導入する。
【０１０２】
本実施形態のガス浸炭装置は、以上の構成により、上述したガス浸炭方法を実現することができる。
【０１０３】
◆実施形態の効果
本実施形態のガス浸炭方法は、つぎの効果を奏する。本実施形態のガス浸炭装置も同様の効果を奏する。
【０１０４】
本実施形態は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う。上記浸炭工程において目標とする上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを、上記浸炭工程中に、相対的に高い第１の設定値から相対的に低い第２の設定値に変更する。
このように、エンリッチガスに由来するメタンの影響により、カーボンポテンシャルの計測値が上昇してしまう浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とする。これにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが上昇しないうちにエンリッチの導入を制限してしまうことが防止される。上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルが速やかに上昇し、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。また、カーボンポテンシャルを速やかに上昇させる必要がある浸炭工程の初期において、第１の設定値に基づく制御でエンリッチガスの導入量が増えることになる。第２の設定値に変更してからは、エンリッチガスの導入量が絞られる。このため、エンリッチガスの無駄な消費をせず、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【０１０５】
本実施形態は、上記第１の設定値および第２の設定値を、上記雰囲気中のＯ２濃度から算出した第１算出カーボンポテンシャルを基準として設定する。
上記第１の設定値および第２の設定値は、Ｏ２センサーで検知したＯ２濃度に基づくことになる。このため、上記第１算出カーボンポテンシャルは、エンリッチガスに由来するメタンの影響により計測値が上昇する傾向にある。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【０１０６】
本実施形態は、上記第１の設定値から第２の設定値への変更を、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出カーボンポテンシャルが、上記第２の設定値より相対的に低い所定値になったことをトリガーとして行う。
上記第２算出カーボンポテンシャルはＣＯ２濃度から算出するため、メタンの影響で計測値が変動せず、実際のカーボンポテンシャルを示す。したがって、実際のカーボンポテンシャルが第２の設定値に近づいたタイミングで、第１の設定値から第２の設定値に変更することにより、以後は、上昇した実際のカーボンポテンシャルを第２の設定値を目標に制御できる。したがって、雰囲気のカーボンポテンシャルを精度よく目標値に制御できる。
【０１０７】
本実施形態は、上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用する。
エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、浸炭工程の初期段階において、上記雰囲気の目標カーボンポテンシャルを相対的に高い第１の設定値とすることにより、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させる効果を、顕著に得ることができる。
【０１０８】
本実施形態は、上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
炭化水素ガスは上記エチレンガスに比べると安価である。また、拡散工程は、エンリッチガスの導入量が少量となるため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値と実際値が乖離することのマイナスが少ない。またエチレンガスは浸炭促進剤として機能し、浸炭層の炭素濃度が必要以上に増加するおそれもある。このため、拡散工程には、拡散に適して安価なエンリッチガスを使用し、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【０１０９】
本実施形態は、雰囲気中に処理品を存在させた状態で浸炭工程と拡散工程を行う。上記浸炭工程中に導入するエンリッチガスとしてエチレンガスを使用し、上記拡散工程中に導入するエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。
上記エチレンガスは、炭化水素ガスに比べて分解によるメタンの生成が少ない。このため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値が上昇する傾向も少ない。したがって、上記雰囲気の実際のカーボンポテンシャルを速やかに上昇させ、上記雰囲気の浸炭能力を引き上げる。したがって、浸炭処理時間の短縮や、浸炭深さの均一化を実現できる。
また、炭化水素ガスは上記エチレンガスに比べると安価である。また、拡散工程は、エンリッチガスの導入量が少量となるため、メタンの影響でカーボンポテンシャルの計測値と実際値が乖離することのマイナスが少ない。またエチレンガスは浸炭促進剤として機能し、浸炭層の炭素濃度が必要以上に増加するおそれもある。このため、拡散工程には、拡散に適して安価なエンリッチガスを使用し、エンリッチに要するコストを節減することができる。
【実施例】
【０１１０】
つぎに、比較例と併せて実施例を説明する。
【０１１１】
図１に示すガス浸炭装置を使用し、つぎの処理条件でガス浸炭を行った。
〔処理条件〕
キャリアガス  ：炭素源としてＣＯを含む浸炭性ガス（流量：１０Ｌ／分）
処理品        ：ＳＣＭ４１５Ｈ  丸棒
エンリッチガス：エチレンガス、プロパンガス（最大流量は３％）
ＣＰ制御      ：Ｏ２プローブセンサー使用、
エアー、エンリッチＯＮ−ＯＦＦ制御
雰囲気分析計  ：富士電機製ＺＳＶ
ＣＯ％、ＣＯ２％、メタン％を検知
ＣＰを演算（第２算出ＣＰ）
処理パターン  ：前均熱  ９３０℃×２０分（ＣＰ設定値は０．３％）
浸炭    ９３０℃×９０分
（比較例；ＣＰ設定値１.１％）
（実施例；第１の設定値１．５％→第２の設定値１.１％）
拡散    ９３０℃×１２０分（ＣＰ設定値は０．８％）
焼入れ  ８３０℃×３０分（油温１００℃）
【０１１２】
〔比較例１〕
図２は、比較例１におけるＣＰの挙動を示す。横軸が経過時間、縦軸がＣＰである。
エンリッチガスは、浸炭工程と拡散工程を通じてプロパンガスを使用した。
浸炭工程のＣＰ設定値は１．１％、拡散工程のＣＰ設定値は０．８％である。
【０１１３】
実線が、Ｏ２濃度に基づいた第１算出ＣＰの挙動である。上述した設定値に従って推移している。
【０１１４】
点線は、雰囲気中のメタン濃度の挙動である。浸炭の開始初期に大きく濃度があがり（約１．６％）、以下浸炭中に順次減少し、拡散工程では横ばいである。
【０１１５】
一点鎖線が、ＣＯ２濃度に基づいた第２算出ＣＰの挙動である。メタン濃度の高い浸炭の開始初期には、第２算出ＣＰ（雰囲気の実際のＣＰである）が十分に上昇しておらず、上記第１算出ＣＰとの乖離がおおきい。メタン濃度が下がるに従い、徐々に第２算出ＣＰは上昇するが、浸炭工程中には目標値である１．１％には到達していない。拡散工程では、ＣＰの設定値がさがるためにエンリッチ量が減少し、それに伴いメタン濃度も減少し、第２算出ＣＰと第１算出ＣＰの乖離は極めて少なくなっている。
【０１１６】
〔比較例２〕
図３は、比較例２におけるＣＰの挙動を示す。横軸が経過時間、縦軸がＣＰである。
エンリッチガスは、浸炭工程と拡散工程を通じてエチレンガスを使用した。
浸炭工程のＣＰ設定値は１．１％、拡散工程のＣＰ設定値は０．８％である。
【０１１７】
実線が、Ｏ２濃度に基づいた第１算出ＣＰの挙動である。上述した設定値に従って推移している。
【０１１８】
点線は、雰囲気中のメタン濃度の挙動である。浸炭の開始初期に濃度があがり（約０．５％）、以下浸炭中に順次減少し、拡散工程では横ばいである。
【０１１９】
一点鎖線が、ＣＯ２濃度に基づいた第２算出ＣＰの挙動である。メタン濃度の高い浸炭の開始初期には、第２算出ＣＰ（雰囲気の実際のＣＰである）が十分に上昇しておらず、上記第１算出ＣＰとの乖離がおおきい。メタン濃度が下がるに従い、徐々に第２算出ＣＰは上昇し、浸炭工程の終了間際にようやく目標値である１．１％に到達する。拡散工程では、ＣＰの設定値がさがるためにエンリッチ量が減少し、それに伴いメタン濃度も減少し、第２算出ＣＰと第１算出ＣＰの乖離は極めて少ない。
【０１２０】
〔実施例〕
図４は、実施例におけるＣＰの挙動を示す。横軸が経過時間、縦軸がＣＰである。
浸炭工程はエチレンガスでエンリッチを行った。浸炭初期の第１の設定値をＣＰ１．５％とし、３５００秒後に第２の設定値であるＣＰ１．１％に変更した。
拡散工程はプロパンガスでエンリッチを行った。拡散工程ＣＰ設定値は０．８％である。
【０１２１】
実線が、Ｏ２濃度に基づいた第１算出ＣＰの挙動である。浸炭工程中に第１の設定値１．５％から第２の設定値ＣＰ１．１％に変更され、拡散工程において０．８％に設定されたことを示している。
【０１２２】
点線は、雰囲気中のメタン濃度の挙動である。浸炭の開始初期に発生するメタンの濃度は約０．８％程度に抑えられ、上記第１の設定値１．５％で制御するあいだに順次減少する。上記第２の設定値１．１％で制御するあいだと拡散工程では、ほぼ横ばいである。エンリッチガスの導入量が増加することにより、メタンは０．８％程度まで上昇するものの、プロパンよりもはるかに少ない。
【０１２３】
一点鎖線が、ＣＯ２濃度に基づいた第２算出ＣＰの挙動である。エチレンガスをエンリッチに使用して第１の設定値を１．５％と高くしていることから、メタン濃度が高い浸炭の開始初期にも第２算出ＣＰが上昇し、メタン濃度が下降しはじめると、本来に目標値とすべき１．１％近くまで上昇する。その後第２の設定値である１．１％に変更したのちは、１．１％近辺を維持している。拡散工程では、エンリッチガスをプロパンに切換え、第２算出ＣＰと第１算出ＣＰの乖離は極めて少ない。
【０１２４】
浸炭初期の雰囲気のＣＰが比較例より高くなることにより、浸炭効率が向上する。エチレンガスからのメタンの生成が少ないことから、浸炭工程の初期に第１設定値として高いＣＰを目標値として制御しても、そのあいだにスーチングが生じることもなかった。
【０１２５】
〔浸炭深さ〕
処理品の断面硬度より有効浸炭深さを測定した。表面からの深さ方向の硬度分布を測定し、Ｈｖ５５０以上となる深さを有効浸炭深さとした。その結果はつぎのとおりである。
実施例  ：０．７４７ｍｍ
比較例１：０．６６１ｍｍ
比較例２：０．６８３ｍｍ
【０１２６】
実施例が、比較例１および２に比べて深い有効浸炭深さが得られた。上記の有効浸炭深さを浸炭時間の相違に換算すると、比較例１に比べて実施例は、約２０％程度の浸炭時間の短縮が見込める。
【０１２７】
◆まとめ
本実施例は、浸炭工程のエンリッチガスにエチレンガスを使用し、拡散工程のエンリッチガスにプロパンガスを使用した。また、浸炭工程において、ＣＯ２分析計のフィードバック制御を利用し、Ｏ２濃度に基づくＣＰの設定値を１．５％⇒１．１％へ、切り替え制御を行った。これにより、Ｏ２濃度に基づくＣＰと、実際の雰囲気のＣＰとの乖離が少なくなり、正確にＣＰを制御でき、浸炭効率が向上する。
【０１２８】
本実施例は、浸炭工程のエンリッチガスとして高価なアセチレンガスを使用しない。また、拡散工程では安価な炭化水素ガスをエンリッチガスに使用した。このような浸炭雰囲気の制御を向上することにより、表面炭素濃度の安定した浸炭品質と、安価なコストを実現した。
【０１２９】
拡散工程では、エンリッチガスとして、エチレンガスでなく炭化水素ガスを使用する。エチレンガスは、メタンの発生は抑制されるが、浸炭促進剤として機能する（真空浸炭では浸炭性ガスとして使用される）。このため、拡散工程でエンリッチに使用すると、鋼の表面炭素濃度が必要以上に増加するおそれがある。したがって、本実施例では、拡散工程においてエンリッチガスとして炭化水素ガスを使用する。拡散工程では浸炭工程よりもＣＰの設定値が低いため、エンリッチガスの導入量が少なく、メタンの生成に起因するＣＰの設定値と実際値の乖離は少ない。
【０１３０】
最後に、冒頭であげた特許文献１および２と本実施例の相違について説明する。
【０１３１】
〔特許文献１と本実施例の相違〕
特許文献１において、炉内雰囲気のＣＰを早く上昇させるために、エンリッチの制御をスーパーエンリッチと通常エンリッチに分けて、浸炭初期にはスーパーと通常でプロパンエンリッチを供給している。ＣＰ計測にはカーボンセンサー（Ｏ２センサー）を使用している。このため、浸炭初期にはメタンの影響を受け、Ｏ２濃度に基づくＣＰ値と炉内雰囲気のＣＰ値は、大きく乖離しているはずである。
【０１３２】
これに対し本実施例は、メタンの影響を受けにくいＣＯ／ＣＯ２分析に基づくＣＰの演算を並行して実施し、エンリッチガスの導入量を増加させて浸炭初期の炉内雰囲気のＣＰ値を早く上昇させるため、Ｏ２濃度に基づくＣＰの設定値を１．５％程度に設定した。炉内雰囲気のＣＰ値（ＣＯ／ＣＯ２分析でのＣＰ演算値）が１．０％に達したことをトリガーとして、Ｏ２濃度に基づくＣＰ設定値を１．１％に変更した（ＣＯ／ＣＯ２分析の替わりに、一定時間を経過することをトリガーとしてもよい）。また、浸炭工程のエンリッチガスをエチレンガスとしたことでメタンの発生が少ないため、Ｏ２濃度に基づくＣＰの計測値と実際の雰囲気のＣＰとの乖離は少ない。
【０１３３】
また、特許文献１においては、エンリッチガスの種類を多くあげているが、浸炭工程と拡散工程でエンリッチガスを変更することは開示していない。
【０１３４】
〔特許文献２と本実施例の相違〕
特許文献２においても、炉内雰囲気のＣＰを早く上昇させるため、エンリッチの制御をスーパーエンリッチと通常エンリッチに分けて、浸炭初期にはスーパーと通常でアセチレンエンリッチや、エチレンエンリッチを供給している。特許文献２［００４２］ＣＰ計測にはカーボンセンサー（Ｏ２センサー）を使用している。
【０１３５】
特許文献２では、浸炭時のＣＰ設定は１点のみ（実施例ではＣＰ＝０．９％）としている。つまり、スーパーエンリッチと通常エンリッチでエンリッチ流量を増加させても、目標がＣＰ＝０．９％程度では、浸炭初期の炉内雰囲気ＣＰ値はゆっくりとした上昇となるはずである。
【０１３６】
これに対し本実施例は、メタンの影響を受けにくいＣＯ／ＣＯ２分析での演算を並行して実施し、浸炭初期の炉内雰囲気のＣＰを早く上昇させるためにエンリッチ導入量を増加させる。つまり、Ｏ２濃度に基づくＣＰ設定値を１．５％に設定し、ＣＯ／ＣＯ２分析でのＣＰ演算値が１．０％に達したことをトリガーとして、Ｏ２濃度に基づくＣＰ設定値を１．１％に変更する。なお、ＣＯ／ＣＯ２分析の替わりに、一定時間が経過することをトリガーとすることもできる。浸炭工程のエンリッチガスはエチレンガスとする。メタンの発生が少ないため、Ｏ２濃度に基づくＣＰ値と雰囲気の実際のＣＰの乖離が少ない。
【０１３７】
特許文献２においては、エンリッチガスの種類はアセチレンやエチレンを例に上げているが、浸炭工程と拡散工程でエンリッチガスを変更することは開示していない。
本実施例では、浸炭時はエンリッチガスとしてメタンの発生が抑えられるエチレンガスを使用し、拡散（ＣＰ＝０．８％設定）時は、一般的に使用されているプロパンガスに切替える。
【０１３８】
◆変形例
以上は本発明の特に好ましい実施形態について説明したが、本発明は示した実施形態に限定する趣旨ではなく、各種の態様に変形して実施することができ、本発明は各種の変形例を包含する趣旨である。
【０１３９】
たとえば、浸炭工程において、エンリッチガスとしてエチレンガスとプロパンガスの混合ガスを使用してもよい。
【０１４０】
上記実施形態では、第１の設定値から第２の設定値への変更を、上記雰囲気中のＣＯ２濃度から算出した第２算出ＣＰが所定値になったことをトリガーとして行うようにしたが、所定時間の経過をトリガーとして行うようにすることもできる。
【符号の説明】
【０１４１】
１：処理室
２：攪拌装置
１０：第１算出手段
１１：Ｏ２センサー
２０：第２算出手段
２１：ＣＯ２分析計
２２：温度計
３０：設定変更手段
４０：エチレン導入手段
４１：エチレン開閉弁
４２：エチレン導入路
５０：炭化水素導入手段
５１：炭化水素開閉弁
５２：炭化水素導入路
６０：キャリアガス導入手段
６１：キャリアガス流量計
６２：キャリアガス開閉弁
７０：エンリッチ制御手段
７１：エンリッチガス流量計
７２：エンリッチガス開閉弁
７３：エンリッチガス調節弁
８０：酸化性ガス導入手段
８１：酸化性ガス流量計
８２：酸化性ガス調節弁
８３：酸化性ガス開閉弁
【図１】
2020196943.tif 000003
【図２】
2020196943.tif 000004
【図３】
2020196943.tif 000005
【図４】
2020196943.tif 000006