(57)【要約】【課題】従来の浸炭処理で用いられていた浸炭性ガスとしての炭化水素ガスでは、浸炭速度が遅かった。また、浸炭性ガスとしてアセチレンを用いると浸炭速度が速いが、高周波加熱コイルの構成材と反応して爆発性物質を生成するため、高周波浸炭処理における浸炭性ガスとしてアセチレンを用いることは好ましくない。【解決手段】鋼材にて構成されるワーク１１を、炭化水素ガスを含む雰囲気下で高周誘導波加熱により加熱して、前記ワーク１１表面に浸炭処理を行う浸炭処理方法であって、前記炭化水素雰囲気を構成する炭化水素ガスとしてイソブタンガスを用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材にて構成されるワークを、炭化水素ガスを含む雰囲気下で高周波誘導加熱により加熱して、前記ワーク表面に浸炭処理を行う浸炭処理方法であって、
前記炭化水素雰囲気を構成する炭化水素ガスとしてイソブタンガスを用いる、
ことを特徴とする浸炭処理方法。
【請求項２】
前記炭化水素ガスを含む雰囲気が含有するイソブタンガスの濃度は１％である、
ことを特徴とする請求項１に記載の浸炭処理方法。
【請求項３】
鋼材にて構成されるワークを、炭化水素ガスを含む雰囲気の加熱炉内に収納するとともに高周波誘導加熱により加熱して、前記ワーク表面に浸炭処理を行う浸炭処理装置であって、
ワークを収納し、炭化水素ガスが供給される加熱炉と、
加熱炉内に配置される高周波加熱コイルとを備え、
前記加熱炉に供給される炭化水素ガスがイソブタンガスである、
ことを特徴とする浸炭処理装置。
【請求項４】
前記加熱炉内の炭化水素ガスを含む雰囲気が含有するイソブタンガスの濃度が１％である、
ことを特徴とする請求項３に記載の浸炭処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材にて構成されるワークを炭化水素雰囲気下で高周波誘導加熱により加熱して、前記ワーク表面に浸炭処理を行う浸炭処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鋼材にて構成されるワークの表面に炭素を浸透拡散させて、ワーク表面層の炭素量を増加させる浸炭処理が行われている。
浸炭処理としては、例えば炭化水素ガスを含んだ雰囲気下でワークを９００℃程度以上の高温に加熱し、浸炭処理を行うガス浸炭処理が知られている。
また、真空に減圧された加熱炉内にやや減圧された炭化水素ガスを送入して浸炭処理を行う真空浸炭処理が知られている。
さらに、浸炭処理を行う際に、高周波加熱装置を用いた高周波誘導加熱によりワークの加熱を行う高周波浸炭処理が知られている。
【０００３】
特許文献１には、ガス浸炭処理には炭化水素ガスとしてプロパンやブタン等を用いること、および浸炭処理として高周波浸炭法があることが開示されている。
さらに、特許文献２には、高周波発振機から高周波加熱コイルに対して高周波電流を流し、ワークを加熱することが開示されている。
また、前述のガス浸炭処理や真空浸炭処理に用いられる炭化水素ガスとしては、前述のプロパンやブタンに加えて、メタンやエチレンやアセチレンが用いられることがある。
【特許文献１】特開平９−５９７５６号公報
【特許文献２】特公平４−４２４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、ガス浸炭処理や真空浸炭処理には、浸炭性ガスとして、メタン、エチレン、プロパン、およびアセチレン等の炭化水素ガスが用いられているが、メタンやエチレンやプロパンでは浸炭速度が遅く、迅速で効率的な浸炭処理を行うことができなかった。
また、浸炭性ガスとしてアセチレンを用いると、浸炭速度が速いため迅速で効率的な浸炭処理を行うことができるが、高周波誘導加熱にてワークを加熱する際にアセチレンを用いると、アセチレンが高周波加熱コイルを構成している銅材などの金属と反応して爆発性物質（金属アセチリド）を生成するため、高周波浸炭処理における浸炭性ガスとしてアセチレンを用いることは好ましくない。
【０００５】
そこで、本発明では、高周波誘導加熱により加熱したワークに浸炭性ガスを付与して浸炭処理を行う際に、爆発性物質を生成せずに迅速で効率的な浸炭処理を行うことができる浸炭処理方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する浸炭処理方法および装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、鋼材にて構成されるワークを、炭化水素ガスを含む雰囲気下で高周波誘導加熱により加熱して、前記ワーク表面に浸炭処理を行う浸炭処理方法であって、前記炭化水素雰囲気を構成する炭化水素ガスとしてイソブタンガスを用いる。
これにより、他の炭化水素ガスを用いた場合に比べて、単位時間あたりの浸炭量を多くすることができ、迅速で効率的な浸炭処理を行うことが可能となる。
また、イソブタンガスは、アセチレンなどとは異なり、高周波加熱コイルを構成する銅材などの金属材と爆発性物質を生成することがなく、安定して浸炭処理を行うことが可能である。
【０００７】
また、請求項２記載の如く、前記炭化水素ガスを含む雰囲気が含有するイソブタンガスの濃度は１％である。
これにより、イソブタンガスの濃度を１％という低濃度で用いても、充分な浸炭量を得ることができるので、低コストで浸炭処理を行うことが可能となる。
【０００８】
また、請求項３記載の如く、鋼材にて構成されるワークを、炭化水素ガスを含む雰囲気の加熱炉内に収納するとともに高周波誘導加熱により加熱して、前記ワーク表面に浸炭処理を行う浸炭処理装置であって、ワークを収納し、炭化水素ガスが供給される加熱炉と、加熱炉内に配置される高周波加熱コイルとを備え、前記加熱炉に供給される炭化水素ガスがイソブタンガスである。
これにより、他の炭化水素ガスを用いた場合に比べて、単位時間あたりの浸炭量を多くすることができ、迅速で効率的な浸炭処理を行うことが可能となる。
また、イソブタンガスは、アセチレンなどとは異なり、高周波加熱コイルを構成する銅材などの金属材と爆発性物質を生成することがなく、安定して浸炭処理を行うことが可能である。
【０００９】
また、請求項４記載の如く、前記加熱炉内の炭化水素ガスを含む雰囲気が含有するイソブタンガスの濃度が１％である。
これにより、イソブタンガスの濃度を１％という低濃度で用いても、充分な浸炭量を得ることができるので、低コストで浸炭処理を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、他の炭化水素ガスを用いた場合に比べて、迅速で効率的な浸炭処理を安定して行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
【００１２】
図１に示す加熱炉１は、鋼材にて構成されるワーク１１を高周波誘導加熱により加熱するとともに、該ワーク１１の表面に炭素を浸透拡散させる浸炭処理を行うためのものである。
前記加熱炉１内には、高周波加熱装置を構成する高周波加熱コイル２が設けられており、交流電源５に接続された高周波加熱コイル２内にワーク１１を配置することにより、ワーク１１が所定の温度に高周波誘導加熱されるように構成している。
前記高周波加熱コイル２は、例えば銅材などの金属材にて構成されている。
【００１３】
また、前記加熱炉１には、該加熱炉１内に浸炭性ガスなどのガスを供給するためのガス供給管３が接続されており、ワーク１１の浸炭処理を行うときには、前記ガス供給管３を通じて加熱炉１内に所定の流量の浸炭性ガスなどが供給されるように構成されている。
【００１４】
本例の場合、ワーク１１に対する浸炭処理を行う際には、前記ガス供給管３を通じて所定量の浸炭性ガスおよび窒素ガスを加熱炉１内に供給するようにしている。
つまり、加熱炉１によるワーク１１への浸炭処理は、浸炭性ガスおよび窒素ガスの混合ガス雰囲気下で行われる。
具体的には、本例の場合、浸炭性ガスとなる炭化水素ガスとして、イソブタンガス（Ｃ４Ｈ１０）を用いており、前記炭化水素ガスを含む混合ガス雰囲気におけるイソブタンガスの濃度は１％に設定されている。
【００１５】
このように、前記加熱炉１および高周波加熱コイル２を備えた浸炭処理装置を用い、ワーク１１を高周波誘導加熱にて加熱して行う、ワーク１１に対する浸炭処理の方法について、以下に説明する。
【００１６】
ワーク１１に浸炭処理を行う場合、まずワーク１１を加熱炉１内に設置する。この場合、ワーク１１は、例えば空芯状に巻回された高周波加熱コイル２内に挿入するように設置する。
次に、前記ガス供給管３を通じて、所定の流量のイソブタンガスと窒素ガスとの混合ガスを、加熱炉１内に供給するとともに、前記高周波加熱コイル２に通電してワーク１１を加熱する。この場合、例えば、混合ガス中におけるイソブタンガスの濃度は１％に設定されている。
【００１７】
図２に示すように、イソブタンガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気下（当該ガス雰囲気は常圧）の加熱炉１内に設置されたワーク１１は、加熱工程において、加熱開始から所定の時間ｔ１をかけて所定の温度Ｔａに加熱される。
ワーク１１が温度Ｔａまで加熱された後は、その温度Ｔａが所定の時間ｔ２だけ保持され浸炭工程が行われる。
つまり、ワーク１１が温度Ｔａに保持される時間ｔ２の間に加熱炉１内の雰囲気のイソブタンガスによりワーク１１の表面が浸炭される。
【００１８】
さらに、ワーク１１は所定の時間ｔ３だけ温度Ｔａに保持され拡散工程が行われる。
つまり、ワーク１１が温度Ｔａに保持される時間ｔ３の間にワーク１１の表面に侵入した炭素がワーク１１内部へ拡散する。
その後、ワーク１１は例えば空冷処理により冷却されてワーク１１に対する浸炭処理が終了する。
【００１９】
なお、実際には、ワーク１１の表面に炭素を侵入させる浸炭工程においてもワーク１１表面に侵入した炭素の拡散は進行し、ワーク１１表面に侵入した炭素を拡散させる拡散工程においてもワーク１１表面への炭素の侵入は進行する。
また、前記時間ｔ１、ｔ２、ｔ３は、例えばそれぞれ１２０秒に設定され、前記温度Ｔａは例えば１１００℃に設定されるが、これらの時間および温度に限るものではなく、所望の時間および温度に設定することができる。
【００２０】
次に、前述のように実施される浸炭処理を実際に行った場合の、浸炭性ガスとして用いられる炭化水素ガスの種類による、ワーク１１に対する浸炭量の違いを試験により確認したので説明する。
【００２１】
まず、試験条件について説明する。
図３に示すように、試験に用いたワーク１１としては、φ１８×４０ｍｍの形状に形成されたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）を用いた。
また、加熱工程の時間ｔ１、浸炭工程の時間ｔ２、および拡散工程の時間ｔ３は、それぞれ１２０秒に設定し、ワーク１１の加熱温度Ｔａは１１００℃に設定した。
【００２２】
さらに、浸炭性ガスとなる炭化水素ガスとしては、本例の１％濃度のイソブタンガス（イソブタン（Ｃ４Ｈ１０）１％＋窒素（Ｎ２））に加えて、比較例として、１％濃度のメタンガス（メタン（ＣＨ４）１％＋窒素（Ｎ２））、１％濃度のエチレンガス（エチレン（Ｃ２Ｈ４）１％＋窒素（Ｎ２））、１％濃度のプロパンガス（プロパン（Ｃ３Ｈ８）１％＋窒素（Ｎ２））、および１％濃度のｎ−ブタンガス（ｎ−ブタン（Ｃ４Ｈ１０）１％＋窒素（Ｎ２））を用いた。
【００２３】
前記各炭化水素ガスを用いてワーク１１に対する浸炭処理を行った結果を図４に示す。
なお、図４においては、ワーク１１への浸炭量は、浸炭処理前後でのワーク１１の重量変化量にて表している。
すなわち、浸炭処理前から浸炭処理後にかけて増加したワーク１１の重量を、該ワーク１１の浸炭量としている。
【００２４】
図４によれば、ワーク１１の重量変化量は、１％濃度のメタンガスでは１．５ｍｇであり、１％濃度のエチレンガスでは５ｍｇであり、１％濃度のプロパンガスでは１４ｍｇであり、１％濃度のｎ−ブタンガスでは８ｍｇであって、１％濃度のイソブタンガスでの３６ｍｇに対して何れの炭化水素ガスにおいても少なくなっている。
【００２５】
特に、１％濃度のイソブタンガス以外の炭化水素ガスの中で最も重量変化量が多い１％濃度のプロパンガスの場合でも重量変化量は１４ｍｇであり、１％濃度のイソブタンガスの場合の重量変化量はその約２．６倍となる３６ｍｇであって、１％濃度のイソブタンガスの場合の重量変化量とその他の炭化水素ガスの場合の重量変化量との間には大きな差がある。
また、イソブタンガスの構造異性体である１％濃度のｎ−ブタンガスの場合の重量変化量は８ｍｇであるのに対して、１％濃度のイソブタンガスの場合の重量変化量（３６ｍｇ）はその４．５倍であり、その差は非常に大きくなっている。
【００２６】
このように、高周波誘導加熱によりワーク１１を加熱して浸炭処理を行う場合に、浸炭性ガスとなる炭化水素ガスとしてイソブタンガスを用いることで、他の炭化水素ガスを用いた場合と比較して単位時間あたりの浸炭量を多くすることができ、迅速で効率的な浸炭処理を行うことが可能となる。
また、イソブタンガスは、アセチレンなどとは異なり、高周波加熱コイル２を構成する銅材などの金属材と爆発性物質を生成することがなく、安定して浸炭処理を行うことが可能である。
【００２７】
また、浸炭性ガスとなる炭化水素ガスにイソブタンガスを用いる場合、イソブタンガスの濃度を１％という低濃度で用いても、充分な浸炭量を得ることができるので、低コストで浸炭処理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】加熱炉を示す概略図である。
【図２】加熱炉により浸炭処理を行う際の温度プロファイルを示す図である。
【図３】炭化水素ガスの種類によるワークに対する浸炭量の違いを比較するための試験条件を示す図である。
【図４】炭化水素ガスの種類による、ワークに対する浸炭量の違いを示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    加熱炉
２    高周波加熱コイル
３    ガス供給管
５    交流電源
１１    ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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