(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記のカロライジング処理を施すことにより、表面に、最表面のＡｌ濃度が１０〜５０重量％、硬さが３５０〜１０００ｍＨｖ、そして厚さが５０〜７００μｍのＡｌ拡散浸透層を設けてなることを特徴とする金属製のガス浸炭炉用部品及び治具。
カロライジング処理：アルミニウム濃度１０〜６０重量％の鉄アルミニウム合金粉５〜９５重量％、アルミナ粉５〜９５重量％および浸透促進剤たる塩化アンモニウム粉０．１〜２重量％を混合してなる浸透剤と被処理物を半密閉容器内に充填し、容器内を不活性あるいは還元性雰囲気に維持したまま、加熱炉内にて６００〜１１００℃の温度に５〜２０時間加熱保持することによって行われるカロライジング処理。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は新規なガス浸炭炉用部品及び治具に関するものである。
【０００２】
【従来技術と解決しようとする課題】
従来、金属の表面硬化処理の一つとして特に低炭素鋼の表面に炭素を侵入、拡散させる処理として浸炭処理がある。浸炭後、焼入れ、焼戻しを行なえば表面層だけ硬化し、耐摩耗性のある表面層とじん性に富む心部からなる浸炭部品が得られる。このような浸炭と焼入れ、焼戻しは低炭素鋼のみならず、鋼の表面を硬くし、耐摩耗性をあげるための熱処理としてあらゆる分野のあらゆる部品乃至材料に適用されている。
【０００３】
浸炭処理にはＣＯを送り込むものにより、ガス、液体、固体浸炭があるが、一般にはガス浸炭法が多く行なわれる。このガス浸炭法は通常ガス浸炭炉内で行なわれるが、その際、１回の装入原料毎に行なうバッチ式と２４時間連続的に行なう連続式とあるがその原理はいずれも同じである。又、浸炭炉で浸炭のみ行う場合、浸炭、焼入れを行う場合と、浸炭、焼入れ、焼戻しを行う場合の３通りあるが、本発明で広義にガス浸炭炉という時は、この３通りの場合を含む。
【０００４】
今、説明のためこのようなガス浸炭炉の一例の概略的断面図を図１０に示す。耐火物１と鉄皮２で構成される炉３内にバスケット等に収容された被処理材がメッシュベルトやハースローラー等で送られてくる部分を４で示す。この炉内には後述のような浸炭用ガスが送られてきており、これはヒーターチューブ５内に収容された電気ヒーターエレメント６により加熱され、ファン７により撹拌されて、被処理材にガス浸炭が行なわれる。
【０００５】
このようにガス浸炭炉又はガス浸炭焼入れ炉、ガス浸炭焼入れ、焼戻し炉には各種の金属製部品、例えば、ラジアントチューブ、電気ヒーターチューブ、炉内ファン、メッシュベルト、ハースローラー、プッシャー、レトルト、マッフル、チェーンガイドレール、スキッドレール、コロ、熱電対保護管、ヒーター、ガスサンプリング管、スタッドボルトナット等が用いられ、又ガス浸炭、焼入れする被処理材を載せて、炉内へ入れるために各種金属製治具、例えば、トレイ、バスケット、ホルダー、グリッド、金網、立棒、横掛け棒、振れ止め等が用いられている。
【０００６】
前述のようなガス浸炭炉又はガス浸炭焼入れ炉、ガス浸炭焼入れ、焼戻し炉の部品及び治具はＣＯ、Ｈ2 、Ｎ2 、ガスを主体とした浸炭性ガス（ＲＸガス）雰囲気内にて８００〜１０００℃の高温に長時間晒され、且つ加熱、急冷の頻度の高い、極めて厳しい環境で使用するため、一般的に材料としては、高温強度、耐浸炭性、耐高温酸化性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼あるいは耐熱鋳鋼が使用されているが、かかる材料を使用しても、以下の通り、割れ、変形、減肉を起こし易く、短寿命によるメンテナンスコスト増、設備トラブルによる生産効率低下の問題を抱えており、有効な対策が何ら講じられていないのが実情である。
【０００７】
（１）割れ
浸炭の進行に伴い、硬く脆い浸炭層が深く形成されるため、加熱、急冷に伴う、熱膨脹、収縮応力によって容易にクラックが発生し、さらには破断に至り、使用不能となる。炉の部品、治具共に溶接構造のものが多く、溶接構造物の場合、特に溶接部のＨＡＺ（熱影響部）から破断し易く、破断がさらに変形を助長し、様々なトラブルを引き起こす。
【０００８】
（２）変形
（ａ）浸炭が進行してくると、深くなった浸炭層全般に渡ってクロムカーバイドあるいはセメンタイトが形成され、これが体積膨脹するため、著しい変形を起こす。
（ｂ）炉の部品及び治具が、製作時において、溶接あるいは塑性加工等により、内部歪エネルギーを保有するため、使用時の加熱によって容易に変形を起こす。
（ｃ）治具の場合、積載する製品による荷重あるいは治具の積み重ねによる荷重のため、炉内で変形を起こす。
（ｄ）加熱、急冷による熱膨脹収縮応力のため、変形を起こす。変形が進んでくると、（１）製品の治具へのセット、治具の組立て、及び搬送がスムーズに行かなくなり、作業効率を低下させる。さらに変形がひどくなると使用不能となる。（２）変形を矯正しようとすれば、浸炭によって脆化しているため、破断してしまう。等の問題が生じてくる。
【０００９】
（３）減肉
（ａ）電気ヒーターチューブ及びラジアントチューブの場合、チューブ内面は酸化による減肉、外面は浸炭による脆化のため、短寿命となっている。特に内面に関しては、１０００℃以上の酸化雰囲気に晒されるため、酸化減肉が速く、短寿命であるばかりではなく、酸化スケールが脱落し、チューブ内に溜まるため、電気ヒーターチューブの場合、ヒーターとチューブがスケールを介して導通し焼損のトラブルが、ラジアントチューブの場合、燃焼ガスの流れが悪くなり、異常燃焼による局部加熱が起き、チューブ破裂のトラブルが発生する。又、これらのトラブルを防止するために、度々設備を停止し、チューブ内のスケール除去作業を実施しなければならず、生産性の低下、メンテナンスコスト増を招いている。
【００１０】
（ｂ）浸炭、焼入れ、焼戻しの後、製品を治具にセットしたままの状態でショットブラストする事があり、かかる工程においては、治具が摩耗、変形し易く、短寿命の原因となっている。
【００１１】
以上、現状、抱える問題に対し、何らかの方法で（１）浸炭、酸化を抑える。
（２）溶接の熱影響部を無くす。（３）使用前の炉の部品治具自体が持っている歪エネルギーを除去する。（４）耐摩耗性を向上させる。（５）高温強度を向上させる。等の対策を講じれば、大幅に寿命延長できる可能性を知見した訳である。耐浸炭性、耐酸化性に優れた耐熱合金としては、例えば特開平７−１６６２９０、あるいは特開平２−２５９０３７記載の材料等多くあるが、これらの材料には耐浸炭性、耐酸化性の向上に最も有効な元素の１つであるＡｌが僅かしか（３ｗｔ％以下）、添加されておらず、多量に添加すれば、かかる性能は向上するが、反面、脆くなるため、塑性加工が困難、使用中、熱衝撃により割れ易い等の問題、あるいは鋳造時の湯流れが悪くなる。さらには、溶接不能等の問題が有り、従って成分としてＡｌを多量に添加することはできない。一方、材料は一般的なオーステナイト系ステンレス鋼又は耐熱鋳鋼を使い、これらに何らかの表面処理を施し、表面にのみ保護性の被膜を形成させ、かかる性能を向上させる方法があるが、一般的な表面処理、例えばメッキ、溶射、蒸着等の方法で形成される保護被膜ではガス浸炭炉のように熱衝撃の厳しい環境においては、直ちに剥離し、到底、寿命延長は期待できない。
【００１２】
かくて、本発明は熱衝撃の厳しい環境下にあるガス浸炭炉に長期間安定に用いうる部品乃至治具を提供することを目的とするものである。
【００１３】
本発明者らはかかる目的を達成するべく鋭意努力するに当って従来から耐高温腐食処理として知られているカロライジング処理に着目した。このカロライジング処理と呼ばれるアルミニウム拡散浸透処理には次のような特性がある。即ち、
（１）耐浸炭性、耐酸化性に優れていること。
（２）酸化雰囲気において、表面に形成されるＡｌ2 Ｏ3 保護被膜が極めて安定で剥離し難いこと。
（３）表面硬度が母材の数倍となり、従って、耐摩耗性に優れていること。
（４）表面から拡散浸透するＡｌが母材の主成分と合金化することによってＡｌ拡散浸透層が形成されているため、熱衝撃に強く剥離し難いこと。
（５）カロライジング処理工程において、高温に加熱保持し徐冷されるために溶接のＨＡＺ（熱影響部）が消失し、溶接ビードと母材が均一な組成となり、且つ連続的にＡｌ拡散浸透層で覆われるため、溶接部からの劣化が起きないこと。
（６）カロライジング処理工程において、被処理物自体が持っている歪エネルギーが殆んど除去されるため、使用時の加熱によって変形し難いこと。
【００１４】
かくて、本発明者らは上記の如き特性を有するカロライジング処理をガス浸炭炉の部品又は治具に施して表面にのみ、剥離しない高Ａｌ濃度のＡｌ拡散浸透層を形成させることにより、母材の機械的性質、溶接性を損ねることなく、耐浸炭性、耐酸化性、耐摩耗性を向上せしめ、かかるガス浸炭炉の部品及び治具の大幅な寿命延長が可能であることを見出して本発明をなすに至ったのである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明はカロライジング処理を施すことにより、表面に、最表面のＡｌ濃度で１０〜５０ｗｔ％の剥離し難い、堅固なＡｌ拡散浸透層を形成してなる金属製のガス浸炭炉又はガス浸炭焼入れ炉、ガス浸炭焼入れ、焼戻し炉の部品及び治具に関するものである。
【００１６】
本発明では上述のように最表面にＡｌ濃度１０〜５０％のＡｌ拡散浸透層を設けるのであるが、ここでＡｌ濃度を１０〜５０ｗｔ％に限定したのは、Ａｌ濃度が１０ｗｔ％以下の場合、炉内で使用中、Ａｌが徐々に内部へ拡散するにつれて、層厚が厚くなると同時にＡｌ濃度が下がってくるため、性能低下が速く、充分な耐久性が得られなくなってくる。一方、５０ｗｔ％を越えると、前述の観点からは問題ないが、硬くなり過ぎ、且つ脆くなるため、割れ、剥離が起き易く、実用に耐え得ないからである。かかるＡｌ拡散浸透層の最表面の硬度は３５０〜１０００ｍＨｖの範囲であり、５０〜７００μｍの範囲の厚みに形成するのが好ましい。Ａｌ拡散浸透層のＡｌ濃度、層厚及び硬度はカロライジング処理温度、処理時間及び浸透剤中のＡｌ濃度を変えることによって、調整することができる。
【００１７】
カロライジング処理は通常アルミニウム濃度１０〜６０重量％の鉄アルミニウム合金粉５〜９５重量％とアルミナ粉５〜９５重量％及び浸透促進剤たる塩化アンモニウム粉０．１〜２重量％を混合してなる浸透剤と被処理物を半密閉容器内に充填し、容器内をアルゴン、窒素、水素等の不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気に維持したまま、加熱炉内にて６００〜１１００℃の温度に５〜２０時間加熱保持することによって行なわれる。
【００１８】
このようにしてカロライジング処理を受けた部品又は治具は耐浸炭性が向上し、厳しい環境下にあるガス浸炭炉に長期間用いても殆ど浸炭することなく安定であり、その寿命を著しく延長することができる。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例及び参考例をあげて本発明をさらに詳しく説明する。
＜実施例１＞
ガス浸炭炉又はガス浸炭焼入れ炉、ガス浸炭焼入れ焼戻し炉の部品及び治具に一般的に使用されているＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＣＨ１３、ＳＣＨ２１の縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み３ｍｍの試料をアルミニウム濃度４５重量％の鉄アルミニウム合金粉６０ｗｔ％、アルミナ粉３９．５ｗｔ％及び塩化アンモニウム粉０．５ｗｔ％を混合してなる浸透剤と共に鋼製ケース内に充填し、電気炉内に入れ、９５０℃の温度に１０時間加熱保持し、カロライジング処理を実施した。用いた各試料の化学成分を表１に、カロライジング処理結果を表２に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
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参考例１
（耐浸炭試験例）
実施例１で得られた各材質のカロライジング処理済試料及び無処理の試料を固形浸炭剤（デュルフェリット固形浸炭剤）と共に鋼製ケース内に充填し、ケースを電気炉内に入れ９３０℃に１２時間加熱保持する浸炭操作を１０回繰返し実施した後、浸炭量の測定及びＸ線によるＣ分布の写真撮影を行った。浸炭量の測定結果を図１、２に、５材質のうち３材質即ちＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０ＳとＳＣＨ１３のＸ線による断面のＣ分布写真を順に図３、４、５に示す。
【００２２】
これらのデータから、いずれの材質においても、無処理材が深く、多量に浸炭しているのに対して、カロライジング処理材は殆んど浸炭しておらず、その優れた耐浸炭性が実証された。
参考例２
（耐酸化試験例）
実施例１で得られた各材質のカロライジング処理済試料及び無処理の試料を、電気炉内に入れ、大気中で１０５０℃に１５時間加熱保持後、常温まで空冷する操作、いわゆるサイクル酸化試験を２０回実施し、酸化増減量を測定した。その結果を図６、７に示す。いずれの材質においても、無処理材が大きく減量しているのに対し、カロライジング処理材は殆んど減量しておらず、その優れた耐酸化性が実証された。
【００２３】
＜実施例２＞
図８に示すバスケットをアルミニウム濃度４８重量％の鉄アルミニウム合金粉５５ｗｔ％、アルミナ粉４４．５ｗｔ％、塩化アンモニウム粉０．５ｗｔ％を混合してなる浸透剤と共に鋼製ケース内に充填し、カロライジング加熱炉内に入れ９８０℃に１２時間加熱保持することによりカロライジング処理を施したものと、現行の無処理のものをバッチ式ガス浸炭炉で同時に使用し、寿命を比較した。
【００２４】
バスケットは浸炭する製品と共に９００〜９３０℃でガス浸炭された後、８００〜８６０℃の温度から油浴に焼入れされる。無処理品が約１００チャージ目から、溶接部の至るところでクラックが発生、そして変形が大きくなり始め、その後補修しながら使用して１８０チャージ目で、破断、変形共にひどく、寿命となったのに対し、カロライジング処理品は３７０チャージ目においても、クラックが全く無く、変形も小さく、まだ寿命に至っておらず、無処理品の２倍以上の寿命であることが実証された。
【００２５】
なお、使用したバスケットは溶接構造物で、溶接部が約２５０ケ所あるが、無処理品は溶接部の大半が破断しているのに対し、カロライジング処理品は、全く破断しておらず、クラックすら確認されないという驚くべき結果となっており、カロライジング処理が溶接部の劣化防止に極めて有効であることも実証された。図８に示すバスケット８において、９は丸棒、１０は金網、１１はチューブを示す。
【００２６】
＜実施例３＞
図９に示す寸法のＳＵＳ３１０Ｓ製ヒーターチューブ及びＳＵＳ３０４製ヒーターチューブを、アルミニウム濃度３８重量％の鉄アルミニウム合金粉７０ｗｔ％、アルミナ粉２９．５ｗｔ％、塩化アンモニウム粉０．５ｗｔ％を混合してなる浸透剤と共に鋼製ケース内に充填し、カロライジング加熱炉内に入れ１，０００℃に８時間加熱保持することによりカロライジング処理を施したものと、現行のＳＵＳ３１０Ｓ無処理のものを図１０に示す連続式ガス浸炭焼入れ炉に取付け、約２，５００時間実機使用後、取外し、外観及び断面の検査を実施した。その結果を表３に示す。
チューブ内面雰囲気    ：大気
チューブ内面雰囲気温度：１，０００〜１，０５０℃
チューブ外面雰囲気    ：浸炭性ガス（ＲＸガス）
チューブ外面雰囲気温度：９５０℃
【００２７】
【表３】
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チューブ内面の酸化減肉量に関してはＳＵＳ３１０Ｓカロライジング処理品、ＳＵＳ３０４カロライジング処理品いずれも現行のＳＵＳ３１０Ｓ無処理品の１／９〜１／１０、チューブ外面の浸炭深さに関しては、ＳＵＳ３１０Ｓ無処理品が０．８５〜０．９２ｍｍであったのに対し、カロライジング処理品はいずれも０となっており、その優れた耐酸化性、耐浸炭性が実証された。寿命は３倍以上と推定される。又、使用途中、チューブ内に多量に堆積した酸化スケールを介してヒーターとチューブが導通し、焼損を起こした無処理品と比較して、カロライジング処理品はかかる焼損トラブルは皆無であった。，
【００２８】
【発明の効果】
（１）大幅な寿命延長が可能となり、炉の部品及び治具コスト及びメンテナンスコストが削減できる。
（２）取替え頻度及び設備トラブル減少により、生産性が向上する。
（３）カロライジング処理を施すことによって、溶接部からの劣化が起きなくなるので、炉の部品及び治具を高価な鋳造品から安価な製缶溶接構造物カロライジング処理品に切換えることが可能となり、これにより製作コストを大幅に削減することができる。
（４）高価な耐熱鋳鋼（ＳＣＨ１３、ＳＣＨ２１等）及びＳＵＳ３１０Ｓより数倍安価なＳＵＳ３０４のカロライジング処理品の方が、はるかに耐浸炭性、耐酸化性に優れていることから、現行材質をグレードダウンし、カロライジング処理を施して使用することにより、製作コストを大幅に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた一部の試料の浸炭テストの後の浸炭量測定結果を示すグラフ。
【図２】実施例１で得られた他の試料の浸炭テストの後の浸炭量測定結果を示すグラフ。
【図３】図１で用いられた試料のうち（ａ）無処理、（ｂ）カロライジング処理済のＳＵＳ３０４試料の断面のＣ分布を示すＸ線写真。
【図４】図１で用いられた試料のうち（ａ）無処理、（ｂ）カロライジング処理済のＳＵＳ３１０Ｓ試料の断面のＣ分布を示すＸ線写真。
【図５】図２で用いられた試料のうち（ａ）無処理、（ｂ）カロライジング処理済のＳＣＨ１３試料の断面のＣ分布を示すＸ線写真。
【図６】実施例１で得られた一部の試料のサイクル酸化テスト後の酸化減少量測定結果を示すグラフ。
【図７】実施例１で得られた他の試料のサイクル酸化テスト後の酸化減少量測定結果を示すグラフ。
【図８】実施例２で用いられたガス浸炭炉のバスケットの（ａ）平面図と（ｂ）側面図。
【図９】実施例３で用いられたガス浸炭炉のヒーターチューブの側面図。
【図１０】ガス浸炭炉の一例の断面説明図。
【符号の説明】
１  耐火物
２  鉄皮
３  炉
４  製品治具
５  ヒーターチューブ
６  電気ヒーターエレメント
７  ファン
８  バスケット
９  丸棒
１０  金網
１１  チューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003667477.tif 000009
【図６】
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【図７】
0003667477.tif 000011
【図８】
0003667477.tif 000012
【図９】
0003667477.tif 000013
【図１０】
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