(57)【要約】【課題】ワークへの煤などの付着および当該ワークの黒色化を抑制することができ、かつ従来よりも低ランニングコストでワークの焼入れを行なうことができる、焼入れ方法を提供する。【解決手段】窒素ガスおよびメタノールを炉本体２１内に供給し、メタノールを熱分解して、３．５〜６体積％一酸化炭素ガスと０．０２〜０．１体積％二酸化炭素ガスとを含み、カーボンポテンシャルが０．４〜０．５％である雰囲気ガスを生成する。  また、炉本体２１内へのワーク４１が入ったバスケット４２の装入時から、炉本体２１内の温度が７００℃を超えるまでの間、炉本体２１内へのメタノールの供給を停止して、メタノールから生成される一酸化炭素ガスのブードア反応による煤および二酸化炭素ガスの発生を抑制する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特殊鋼からなるワークの焼入れ方法であって、
（Ａ）  内部に撹拌ファンを有する焼入炉の所定温度以上に加熱された炉本体内に、窒素ガスおよびメタノールを供給し、前記撹拌ファンにより撹拌しながら、前記炉本体内で前記メタノールを熱分解して、３．５〜６体積％一酸化炭素ガスと０．０２〜０．１体積％二酸化炭素ガスとを含み、カーボンポテンシャルが０．４〜０．５％である雰囲気ガスを生成する工程、
（Ｂ）  前記工程（Ａ）で生成した雰囲気ガスを含む前記炉本体内への前記メタノールの供給を停止するとともに、前記ワークを入れたバスケットを前記炉本体内に装入する工程、
（Ｃ）  バスケットを装入した前記炉本体内を加熱し、炉本体内の温度が７００℃を超えたとき、この炉本体内へのメタノールの供給を再開し、前記雰囲気ガスを生成する工程、および
（Ｄ）  前記炉本体内に生成した前記雰囲気ガスを前記撹拌ファンで撹拌して炉本体内で循環させながら前記ワークを焼入温度に加熱保持して、前記ワークに均熱処理を施した後、前記ワークを冷却媒体中で急冷する工程
を含むことを特徴とする特殊鋼からなるワークの焼入れ方法。
【請求項２】
前記工程（Ａ）における撹拌ファンによる撹拌により生じる雰囲気ガスの循環流の速度に対して、前記工程（Ｂ）における雰囲気ガスの循環流の速度を速くする請求項１に記載の特殊鋼からなるワークの焼入れ方法。
【請求項３】
前記工程（Ｂ）において、前記ワークを入れたバスケットを前記炉本体内に複数個重ねて配置し、かつこの炉本体内の雰囲気ガスの循環流の下流側に位置するバスケット内の中心部において、前記雰囲気ガスの循環用の間隙を設けてワークを配置する請求項１または２に記載の特殊鋼からなるワークの焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品、建設機械部品等の製造に用いられる鋼材は、その物理的性質を改変して、所定の強度を確保するために、焼入れ処理などの種々の熱処理が施されている。この焼入れ処理は、例えば、ワークを所定温度に加熱保持して均熱処理を行なった後、この加熱したワークを急冷することにより行なわれている。
【０００３】
前記焼入れ処理では、均熱処理に際して、焼入炉において、還元性金属保護雰囲気ガス中でワークを所定温度に加熱保持することによって、脱炭による焼割れや表面強度の低下を防止している。
前記焼入れ処理では、通常、前記雰囲気ガスとして、液化石油ガス（ＬＰＧ）、プロパン、ブタンなどの原料ガスや空気などを変成することにより製造された変成ガスを用いている。
かかる焼入れ処理は、例えば、図８に示される焼入装置１００により行なわれる。焼入装置１００は、混合ガス生成流路１０１と、変成ガス生成流路１０２と、焼入炉１０３と、焼入槽１０４とを備えている。混合ガス生成流路１０１は、ＬＰＧ槽１１１と、空気供給源１１２と、キャブレタ１１３とを備えている。また、変成ガス生成流路１０２は、混合ガス生成流路１０１の下流側に接続された変成炉１２１を備えている。
【０００４】
混合ガス生成流路１０１では、ＬＰＧ槽１１１から供給されたＬＰＧと、空気供給源１１２から供給された空気とがキャブレタ１１３で混合されことにより、混合ガスが生成される。そして、変成ガス生成流路１０２では、混合ガス生成流路１０１で生成した混合ガスが変成炉１２１に供給され、変成されることにより、変成ガスが生成される。つぎに、変成ガス生成流路１０２の下流側に接続された焼入炉１０３内に、変成炉１２１で生成した変成ガスが供給されるとともに、ワークを入れたバスケットが装入され、前記変成ガス中で前記ワークが所定温度に加熱保持される。その後、加熱された前記ワークが、焼入炉１０３から焼入槽１０４に搬送され、油中で急冷される。
しかしながら、前記焼入れ装置１００は、変成ガスの原料となるＬＰＧおよび空気それぞれの供給設備であるＬＰＧ槽１１１および空気供給源１１２や、当該ＬＰＧおよび空気を変成する変成炉１２１を備えているため、広い設置スペースが必要である。しかも、前記焼入れ装置１０によれば、空気およびＬＰＧを変成して、変成ガスを製造する際に、多量のエネルギーを消費する。
【０００５】
そこで、省エネルギーや省スペースの観点から、雰囲気ガスとして、浸炭焼入れ処理で行なわれている手法と同様に、窒素ガスとメタノールとを原料ガスとして用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、メタノールおよび窒素ガスを焼入炉に供給し、この焼入炉内で前記メタノールと窒素ガスとを含む気液混合物を熱分解することにより雰囲気ガスを生成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−７２８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記方法では、通常、浸炭焼入れ処理を行なうときに用いられる雰囲気ガスと同様に、雰囲気ガスの一酸化炭素ガス濃度を２０〜３３体積％に設定した場合、一酸化炭素ガスのブードア反応により煤および二酸化炭素ガスが発生し、ワークに煤が付着するとともに、二酸化炭素ガスに起因する酸化によりワークが黒色化することがある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ワークへの煤などの付着および当該ワークの黒色化を抑制することができ、かつ従来よりも低ランニングコストでワークの焼入れを行なうことができる、焼入れ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の焼入れ方法は、特殊鋼からなるワークの焼入れ方法であって、（Ａ）  内部に撹拌ファンを有する焼入炉の所定温度以上に加熱された炉本体内に、窒素ガスおよびメタノールを供給し、前記撹拌ファンにより撹拌しながら、前記炉本体内で前記メタノールを熱分解して、３．５〜６体積％一酸化炭素ガスと０．０２〜０．１体積％二酸化炭素ガスとを含み、カーボンポテンシャルが０．４〜０．５％である雰囲気ガスを生成する工程、（Ｂ）  前記工程（Ａ）で生成した雰囲気ガスを含む前記炉本体内への前記メタノールの供給を停止するとともに、前記ワークを入れたバスケットを前記炉本体内に装入する工程、（Ｃ）  バスケットを装入した前記炉本体内を加熱し、炉本体内の温度が７００℃を超えたとき、この炉本体内へのメタノールの供給を再開し、前記雰囲気ガスを生成する工程、および（Ｄ）  前記炉本体内に生成した前記雰囲気ガスを前記撹拌ファンで撹拌して炉本体内で循環させながら前記ワークを焼入温度に加熱保持して、前記ワークに均熱処理を施した後、前記ワークを冷却媒体中で急冷する工程を含むことを特徴としている。
【００１０】
本発明の焼入れ方法では、３．５〜６体積％一酸化炭素ガスと０．０２〜０．１体積％二酸化炭素ガスとを含み、カーボンポテンシャルが０．４〜０．５％である雰囲気ガスを生成している。したがって、プロパンガスやブタンガスを変成させることにより得られる変成ガスを用いる場合に比べ、省エネルギーで、かつ省スペースで焼入れを行なうことができる。
これに加えて、本発明の焼入れ方法では、雰囲気ガスの一酸化炭素濃度を３．５〜６体積％に設定しているため、一酸化炭素ガスのブードア反応による煤および二酸化炭素ガスの発生を抑制するとともに、消費するメタノールの量を削減することができる。
さらに、本発明の焼入れ方法では、炉本体内に前記バスケットを装入する時から、炉本体内の温度が７００℃を超えるまでの間、炉本体内へのメタノールの供給を停止している。そのため、前記バスケットの装入により焼入温度からブードア反応が起こりやすい７００℃以下の温度に低下した炉本体内において、一酸化炭素ガスの原料であるメタノールの供給を停止することによって、前記一酸化炭素ガスのブードア反応による煤および二酸化炭素ガスの発生を抑制するとともに、消費するメタノールの量を削減することができる。
したがって、本発明の焼入れ方法によれば、ワークへの煤の付着および二酸化炭素ガスに起因する酸化によるワークの黒色化を抑制することができ、かつ従来よりも低ランニングコストでワークの焼入れを行なうことができる。
【００１１】
本発明の焼入れ方法では、前記工程（Ａ）における撹拌ファンによる撹拌により生じる雰囲気ガスの循環流の速度に対して、前記工程（Ｂ）における雰囲気ガスの循環流の速度を速くすることが好ましい。
かかる焼入れ方法によれば、前記ワークの炉本体への装入に際して、この炉本体内の雰囲気ガスの循環を速やかに行なうことによって、ワークの近傍での煤および二酸化炭素ガスの滞留を抑制することができるため、ワークへの煤の付着および前記ワークの黒色化をより確実に抑制することができる。
【００１２】
本発明の焼入れ方法では、前記工程（Ｂ）において、前記ワークを入れたバスケットを前記炉本体内に複数個重ねて配置し、かつこの炉本体内の雰囲気ガスの循環流の下流側に位置するバスケット内の中心部において、前記雰囲気ガスの循環用の間隙を設けてワークを配置することが好ましい。
かかる焼入れ方法によれば、前記ワークの均熱処理に際して、前記炉本体内の雰囲気ガスを効率よく循環することができるため、ワークへの煤の付着および前記ワークの黒色化をより確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の焼入れ方法によれば、ワークへの煤などの付着および当該ワークの黒色化を抑制することができ、かつ従来よりも低ランニングコストでワークの焼入れを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る焼入れ方法に用いられる焼入装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示される焼入装置の流体導入管を示す部分断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る焼入れ方法に用いられるワークが入ったバスケットを示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る焼入れ方法の工程図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る焼入れ方法において、炉本体内の温度の変動を示す線図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る焼入れ方法における焼入れ処理の熱処理条件を示す線図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る焼入れ方法における雰囲気ガスの循環流の速度の条件を示す線図である。
【図８】従来の焼入装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔焼入装置の構成〕
まず、添付図面を参照しつつ、本発明の焼入れ方法に用いられる焼入装置を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る焼入れ方法に用いられる焼入装置を示すブロック図である。
図１に示すように、焼入装置１は、流体流路１０と、焼入炉２０と、焼入槽３０とを備えている。
【００１６】
流体流路１０は、窒素ガス槽１１と、メタノール槽１２と、窒素ガス槽１１およびメタノール槽１２それぞれの下流側に設けられている流体導入管１４とを備えている。
メタノール槽１２と流体導入管１４との間には、ポンプ１３が設けられている。そして、メタノール槽１２からのメタノールの供給および供給停止は、ポンプ１３により制御される。
流体導入管１４は、図２に示されるように、窒素ガスを焼入炉２０に供給する外管１４ａとメタノールを焼入炉２０に供給する内管１４ｂとからなる二重管構造となっている。
【００１７】
焼入炉２０は、ワークを加熱する炉本体２１と、この炉本体２１内に設けられた撹拌ファン２２とを備えている。炉本体２１内には、流体流路１０から、窒素ガスおよびメタノールの両方または窒素ガスのみが供給される。
そして、この焼入炉２０の炉本体２１内では、メタノールが熱分解され、一酸化炭素ガスと水素ガスとを含む雰囲気ガスが生成される。
焼入炉２０の炉本体２１内では、撹拌ファン２２による撹拌により、雰囲気ガスが循環している。
これにより、炉本体内の雰囲気ガスは、当該炉本体内において、効率よく循環する。その結果、ワーク付近における煤や二酸化炭素ガスの滞留を抑制することができ、ワークへの煤の付着および前記ワークの黒色化を抑制することができる。
炉本体２１は、ワーク４１が入ったバスケット４２（図３を参照）を、当該炉本体２１の内部に複数個重ねて配置することができるように構成されている。
【００１８】
焼入槽３０は、図示しない断熱扉を介して、バスケットを搬送可能に焼入炉２０と連結されている。焼入槽３０内には、冷却媒体である焼入れ油が入った図示しない油槽が設けられている。焼入槽３０では、焼入炉２０から搬送された加熱したワークが、油槽に浸漬されて急冷される。
【００１９】
〔焼入れ方法の処理手順〕
つぎに、添付図面を参照しつつ、前記焼入装置１を用いた本発明の一実施形態に係る焼入れ方法の処理手順を説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る焼入れ方法の工程図である。
【００２０】
本実施形態の焼入れ方法では、まず、窒素ガスおよびメタノールを、焼入炉２０の炉本体２１内に供給して、撹拌ファン２２により撹拌しながら加熱する（加熱工程）。
かかる加熱工程では、炉本体２１内の温度は、所定温度（例えば、８４０℃）まで昇温し、その後、前記温度に維持される（図５参照）。
これにより、炉本体２１内において、前記メタノールが熱分解して、雰囲気ガスを生成する。
【００２１】
前記雰囲気ガスにおける一酸化炭素ガスの濃度は、酸化を防止する観点から、３．５体積％以上であり、煤発生を防止する観点から、６体積％以下である。
【００２２】
また、前記雰囲気ガスにおける二酸化炭素ガス濃度は、煤発生および酸化を防止する観点から、０．０２〜０．１体積％である。
【００２３】
前記雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、脱炭を防止する観点から、０．４％以上であり、煤発生を抑制する観点から、０．５％以下である。
【００２４】
窒素ガスの供給量は、炉圧を維持し、爆発を防止し、雰囲気への外乱を防ぐ観点から、炉本体２１の内部容積１．３６ｍ3に対して、好ましくは３ｍ3／時間以上であり、窒素ガスを節約する観点から、好ましくは３．４ｍ3／時間以下である。
【００２５】
メタノールの供給量は、酸化および脱炭を防止する観点から、炉本体２１の内部容積１．３６ｍ3に対して、好ましくは５．０×１０-4ｍ3／時間以上であり、煤発生を防止する観点から、好ましくは５．８×１０-4ｍ3／時間以下である。
【００２６】
焼入炉２０の炉本体２１内に供給した窒素ガスおよびメタノールの加熱温度は、メタノールが分解して生じる一酸化炭素のブードア反応による煤および二酸化炭素ガスの発生を抑制する観点から、７００℃以上である。
【００２７】
つぎに、生成した雰囲気ガスを含む炉本体２１内に窒素ガスを供給し、かつメタノールの供給を停止するとともに、ワーク４１を入れたバスケット４２を前記炉本体２１内に装入する（ワーク装入工程）。
かかるワーク装入工程では、前記加熱工程において、炉本体２１内の温度が、炉本体２１内へのワーク４１を入れたバスケット４２の装入によって低下する（図５参照）。
【００２８】
本工程では、炉本体２１内への窒素ガスの供給を続けつつ、メタノールの供給を停止しているため、前記バスケットの装入によりブードア反応が起こりやすい温度に低下した炉本体内において、前記メタノールから生成する一酸化炭素ガスの量を減少させることができ、ひいては、前記一酸化炭素ガスのブードア反応による煤および二酸化炭素ガスの発生を抑制することができる。
したがって、本実施形態の焼入れ方法によれば、ワークへの煤の付着および二酸化炭素ガスによる酸化によるワークの黒色化を抑制することができる。また、本実施形態の焼入れ方法によれば、焼入れ処理に際して消費されるメタノールの量を従来よりも削減することができるので、従来よりも低ランニングコストでワークの焼入れを行なうことができる。
本工程における窒素ガスの供給量は、前記加熱工程の場合と同様である。
【００２９】
炉本体２１内には、通常、ワーク４１が入った複数個のバスケット４２が重ねて配置される。バスケット４２の中心部には、当該バスケット４２を搬送可能に支持するための図示しない支軸が挿入される孔部４３が設けられている。前記複数個のバスケット４２のうち炉本体内の雰囲気ガスの循環流の下流側に位置するバスケット４２には、前記孔部４３の周りに、雰囲気ガスの循環用の間隙Ｓを設けてワーク４１が配置される。
【００３０】
つぎに、バスケット４２を装入した前記炉本体２１内を加熱し、炉本体２１内の温度が７００℃を超えたとき、この炉本体２１内へのメタノールの供給を再開し、前記雰囲気ガスを生成する（再加熱工程）。
本工程では、炉本体２１内の温度は、昇温する（図５参照）。
【００３１】
また、本工程では、炉本体２１内の温度が７００℃以下であるときには、窒素ガスのみが炉本体２１内に供給され、炉本体２１内の温度が７００℃を超えたとき、窒素ガスおよびメタノールが炉本体２１内に供給される。
このように、一酸化炭素のブードア反応が起こりやすい７００℃以下の温度では、炉本体２１内のメタノールの量が少なくなるため、前記メタノールから生成される一酸化炭素ガスのブードア反応による煤および二酸化炭素ガスの発生を抑制することができる。また、７００℃を超えたときには、前記メタノールから一酸化炭素ガスが生成されるようになるため、ワークの酸化を抑制して、良好な光輝性を確保することができる。
本工程における窒素ガスの供給量およびメタノールの供給の再開時のメタノールの供給量は、前記加熱工程の場合と同様である。
【００３２】
つぎに、図６に示されるように、炉本体２１内に生成した前記雰囲気ガスを撹拌ファン２２で撹拌して炉本体２１内で循環させながらワーク４１を焼入温度に加熱保持して、ワーク４１に均熱処理（均熱処理工程）を施した後、ワーク４１を冷却媒体である焼入れ油に浸漬して急冷する〔急冷（油冷）工程〕。
均熱処理工程では、炉本体２１内への窒素ガスおよびメタノールの供給が行なわれる（図５参照）。本工程における窒素ガスおよびメタノールの供給量は、前記加熱工程の場合と同様である（図５参照）。
【００３３】
焼入温度は、良好なマルテンサイト変態を行なうために金属組織をより均質なオーステナイト相にするという観点から、８００℃以上であり、ワーク中における結晶粒の粗大化を抑制して、適度な硬さを確保するとともに、ワークの脆化を抑制する観点から、８５０℃以下である。
また、均熱処理時間は、より均質なオーステナイト相を得るという観点から、０．３時間〜１．５時間である。
【００３４】
急冷工程において、急冷の際に用いる焼入れ油の温度は、ワーク全体における歪みの発生を抑制し、良好なマルテンサイト変態を行なう観点から、６０℃以上であり、歪を防止する観点から、１２０℃以下である。
焼入れ油中へのワークの浸漬時間は、マルテンサイト変態を十分に行なう観点から、１０〜２０分である。
【００３５】
なお、本実施形態の焼入れ方法では、図７に示されるように、前記加熱工程に比べて、ワーク装入工程において、撹拌ファン２２の回転速度を大きくすることにより、加熱工程における雰囲気ガスの循環流の速度に対して、ワーク装入工程における雰囲気ガスの循環流の速度を高くする。
これにより、炉本体２１内における雰囲気ガスの循環を速やかに行ない、煤や二酸化炭素ガスの滞留を抑制し、ワーク４１への煤の付着および二酸化炭素ガスに起因する酸化によるワークの黒色化をより確実に抑制することができる。
【００３６】
前記加熱工程における撹拌ファン２２の回転速度に対する前記ワーク装入工程における撹拌ファン２２の回転速度の増加割合は、煤や二酸化炭素ガスの滞留を抑制する観点から、２５％以上、好ましくは３３％以上であり、ワークの寿命を十分なものとする観点から、４２％以下である。
【実施例】
【００３７】
（実施例）
図１に示される焼入装置１を用いて、以下のように、軸受綱からなるワーク４１の焼入れ処理を行なった。なお、本実施例で用いられる焼入装置１の焼入炉２０において、内部体積は、１．３６ｍ3であり、撹拌ファン２２は、翼数：４、翼径：４５ｃｍである遠心ファンである。また、ワーク４１として、ＳＵＪ２からなるワークを用いた。
【００３８】
撹拌ファン２２を回転速度６３５ｒｐｍで回転させながら、８４０℃に保たれた炉本体２１内に、窒素ガスを流速３ｍ3／時間で供給するとともに、メタノールを流速５．０×１０-4ｍ3／時間で供給し、メタノールを熱分解することにより、炉本体２１内において、一酸化炭素濃度が５体積％であり、二酸化炭素濃度が０．０５体積％でありカーボンポテンシャルが０．４５％である雰囲気ガスを生成した（図７参照）。
【００３９】
一方、ワーク４１を、中心部に支軸を挿入するための孔部４３を有するバスケット４２内に入れた。
そして、炉本体２１へのメタノールの供給を停止するとともに、撹拌ファン２２の回転速度を８８３ｒｐｍに設定した後、ワーク４１が入ったバスケット４２を炉本体２１内に３段に重ねて配置した（図７参照）。なお、最上段に位置するバスケット４２においては、当該バスケット４２の孔部４３の周りに、５０ｍｍの間隙を設けてワーク４１を配置した。
【００４０】
その後、炉本体２１内の温度が７００℃になるまで加熱した。炉本体２１内の温度が７００℃を超えたとき、炉本体２１内へのメタノールの供給を再開した。
そして、ワーク４１を８４０℃で４０分間加熱保持することにより、均熱処理を行なった後、８０℃に保たれた焼入油に１５分間浸漬することにより、油冷を行なった（図６参照）。
その結果、煤が付着しておらず、かつ黒色化しておらず、光輝性に優れた製品が得られた。
なお、鋼材として、軸受綱を用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、合金鋼などの一般的な特殊鋼にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
２０    焼入炉
２１    炉本体
２２    撹拌ファン
４０    バスケット
４１    ワーク
【図１】
2010159452.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010159452.tif 000005
【図４】
2010159452.tif 000006
【図５】
2010159452.tif 000007
【図６】
2010159452.tif 000008
【図７】
2010159452.tif 000009
【図８】
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