(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系ガスと空気とを用いて変成ガスを生成する工程と、この工程で得られた変成ガスにエンリッチガスを混合することなくＣＯ２の含有量を全体の０．１体積％以下に低減させる工程と、を経ることで、浸炭処理温度において鋼の平衡状態図におけるγ相の飽和炭素量を超える１．３％以上のカーボンポテンシャルを有する浸炭雰囲気ガスを生成し、この浸炭雰囲気ガスを用いて、処理品表面にセメンタイトが析出することがない温度領域で浸炭を行う、ガス浸炭方法。
【請求項２】
前記温度領域が９００〜１０６０℃である、請求項１に記載のガス浸炭方法。
【請求項３】
前記温度領域が９２０〜９７０℃である、請求項１に記載のガス浸炭方法。
【請求項４】
前記浸炭雰囲気ガスの炉内流速が１．５ｍ／ｓ以上の流速である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項５】
前記浸炭雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス浸炭方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス浸炭方法として、変成炉で生成された吸熱型の変成ガスを用いるものがあり、前記変成ガスの浸炭力の弱さを補うために、変成ガスに加えてエンリッチガスを炉内に供給して浸炭を行うことで、所定の表面浸炭濃度を確保している（特許文献１参照）。
【０００３】
前記方法には、浸炭雰囲気ガスのカーボンポテンシャルが平衡状態図における浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量を超えると、スーティングが発生したり、処理品表面にセメンタイト等の異常組織が生成したりする等の問題がある。
【０００４】
そこで従来、浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量以下のできるだけ高いカーボンポテンシャルを有する雰囲気ガスで浸炭処理を行うのが効率の良い浸炭条件であると考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の方法では、浸炭雰囲気ガスのカーボンポテンシャルの上限に制約があるので、浸炭時間を短縮しようとしても限界がある。
【０００７】
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、スーティングや異常組織の発生を抑制でき、浸炭時間も短縮できるガス浸炭方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明の発明者等は鋭意研究を重ね、その結果として、炭化水素系ガスと空気とを用いて生成された変成ガスからＣＯ２を低減させた組成に相当する組成を有するガスは、前記変成ガスよりもカーボンポテンシャル（ＣＰ値）が高く、且つ、処理品表面に炭素が浸入する速度が従来のエンリッチガスを用いた浸炭雰囲気ガスよりも遅いことを発見した。本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、次の点に特徴を有する。
【０００９】
すなわち、本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気とを用いて変成ガスを生成する工程と、この工程で得られた変成ガスにエンリッチガスを混合することなくＣＯ２の含有量を全体の０．１体積％以下に低減させる工程と、を経ることで、浸炭処理温度において鋼の平衡状態図におけるγ相の飽和炭素量を超える１．３％以上のカーボンポテンシャルを有する浸炭雰囲気ガスを生成し、この浸炭雰囲気ガスを用いて、処理品表面にセメンタイトが析出することがない温度領域で浸炭を行うことを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
本発明によれば、浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量を超えるカーボンポテンシャルを有する浸炭雰囲気ガスを用いて浸炭を行うので、浸炭の効率が良く、浸炭時間が短縮される。
【００１１】
また、本発明で用いる浸炭雰囲気ガスは、カーボンポテンシャルが１．３％以上と高くても、処理品表面に炭素が浸入する速度が遅く、且つ、比較的高温域において処理することで処理品内部に炭素が拡散する速度が速くなる。本発明の発明者等は、処理品表面にセメンタイトを析出させず、且つ処理品内部に炭素を拡散させ得る温度領域があることを見出した。
【００１２】
さらに本発明では、処理品表面にセメンタイトが析出することがない温度領域で浸炭を行うので、処理品の品質も良い。エンリッチガスを用いないので、スーティングも起こりにくい。
【００１３】
好適な実施の一形態として、前記温度領域が９００〜１０６０℃である態様を例示する（請求項２）。さらに好ましい前記温度領域として、９２０〜９７０℃を例示する（請求項３）。
【００１６】
好適な実施の一形態として、前記浸炭雰囲気ガスの炉内流速が１．５ｍ／ｓ以上の流速である態様（請求項４）、及び、前記浸炭雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量である態様（請求項５）を採用することもできる。これらの態様によれば、有効硬化層深さを確実に目標値に到達させることができるとともに、浸炭時間も短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１、２及び比較例１、２の各処理品において、処理品表面からの距離と炭素濃度との関係を示したグラフである。
【図２】比較例３の処理品において、処理品表面からの距離と炭素濃度との関係を示したグラフである。
【図３】実施例３の処理品において、処理品表面からの距離と炭素濃度との関係を示したグラフである。
【図４】本発明の実施例１〜３及び比較例１〜３において、浸炭処理温度と表面炭素濃度のピーク値との関係、及び、浸炭処理温度とγ相の飽和炭素量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例における処理工程図である。
【図６】本発明の一実施例に係る流速とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施例に係る流量とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法について説明する。
【００１９】
本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気とを用いて生成された変成ガスからＣＯ２を低減させた組成に相当する組成を有する低ＣＯ２変成ガスを雰囲気ガスとして使用する。
【００２０】
前記変成ガスは、従来公知の変成炉を用いて生成できる。変成炉で生成される変成ガスは、炭化水素系ガス（例えば、１３Ａガス、天然ガス、プロパン、ブタン等）と空気の混合比や、また目的とするガス組成、ＣＰ値によって様々であるが、概ね、ＣＯ：１８〜２５体積％、Ｈ２：３０〜４１体積％、Ｎ２：３５〜５０体積％、ＣＯ２：０．１２〜０．２５体積％、Ｈ２Ｏ：０．６体積％以下、ＣＨ４：０．０４体積％以下であることが好ましい。さらに、炭化水素系ガスとして１３Ａ（都市ガス）を用いた場合の変成ガス組成の一例を挙げると次の通りである（８５０℃、ＣＰ値０．８のとき）。
【００２１】
Ｎ２（窒素）：        約３９．８５体積％
Ｈ２（水素）：        約３６体積％
ＣＯ（一酸化炭素）：  約２４体積％
ＣＯ２（二酸化炭素）：約０．１５体積％
前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成炉で生成された変成ガスから、従来公知のＣＯ２吸着器を用いてＣＯ２を吸着分離することによって生成できる。したがって、前記低ＣＯ２変成ガスは、ＣＯ２の割合が前記変成ガスよりも小さくなる。具体的には、ＣＯ２が０．１５体積％未満、さらには０．１体積％以下、０．０５体積％以下であることが好ましい。
【００２３】
なお、本発明において、低ＣＯ２変成ガスとは、ＣＯ２がゼロの場合も含む。
【００２４】
低ＣＯ２変成ガスのＣＰ（カーボンポテンシャル）は、前記変成ガスよりもＣＯ２が低減されたことで、前記変成ガスのＣＰよりも高くなり、これを浸炭雰囲気ガスとして用いることで浸炭力が高まる。また、変成ガスの浸炭力の弱さを補うために従来添加されていたエンリッチガスを使用する必要がなくなり、炭化水素系ガスの分解がなく、安定した浸炭雰囲気ガス中で浸炭が行われるので、浸炭むらやスーティングが生じにくい。この利点は、前記低ＣＯ２変成ガスのみを雰囲気ガスとして浸炭を行う場合だけでなく、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスを雰囲気ガスとして用いて浸炭を行う場合にも得られる。
【００２５】
本発明の実施の一形態では、前記低ＣＯ２変成ガスであって、浸炭処理温度において鋼の平衡状態図（Ｆｅ−Ｃ系平衡状態図）におけるγ相の飽和炭素量を超えるカーボンポテンシャルを有するものを浸炭雰囲気ガスとする。そして、この浸炭雰囲気ガスを用いて、処理品表面にセメンタイトが析出することなく処理品内部に炭素が拡散する温度領域で浸炭・拡散処理を行う。
【００２６】
本発明の発明者等は、ＣＯとＨ２とＮ２の３種のガスを所定の割合（ＣＯ：２４体積％、Ｈ２：３６体積％、Ｎ２：約４０体積％）で混合して、前記低ＣＯ２変成ガスに相当する組成のガスを生成し、ＳＣｒ４２０の被処理体（ワーク）に対してガス浸炭処理を行った。試験炉はゴールドファーネス、浸炭実施時間は２時間である。その浸炭条件（浸炭温度、ＣＰ値）と浸炭雰囲気ガス組成を表１に、浸炭結果を表２及び表３に示す。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【００２７】
表１〜３において、ＣＰ値は、「（ＣＯ濃度）２／（ＣＯ２濃度）×Ｋｐ（平衡定数）×飽和炭素量（浸炭温度での鋼の飽和炭素量）」の計算式で求めた。ＣＰ値は、１．６％、６．５％である。
【００２８】
表１において、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４は、反応により微量生成されたものと考えられる。
【００２９】
表２に示すように、比較例１〜３、実施例１〜３ともに、使用した浸炭雰囲気ガスは、浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量を超えるカーボンポテンシャルを有する。
【００３０】
表２，３に示すように、比較例１〜３では、ワークの表面炭素濃度のピーク値が高くなりすぎ、処理品表面にセメンタイトが析出した。これに対し、実施例１〜３では、ワークの表面炭素濃度のピーク値が適正値に抑制され、処理品表面にセメンタイトの析出はなく、良好な浸炭が行えた。いずれの例でもスーティングの発生はなかった。
【００３１】
図１は、前記比較例１、２、前記実施例１、２の各処理品において、処理品表面からの距離（深さ）と炭素濃度との関係を示したグラフである。同様に、図２は、前記比較例３の処理品において、処理品表面からの距離（深さ）と炭素濃度との関係を示したグラフ、図３は、前記実施例３の処理品において、処理品表面からの距離（深さ）と炭素濃度との関係を示したグラフである。
【００３２】
これらの図を参照すれば、前記比較例と前記実施例における処理品表面の炭素濃度のピーク値の違いがより一層明らかとなる。
【００３３】
また、図１〜図３より明らかなように、処理品内部への炭素の拡散の深さが、比較例１〜３のものよりも実施例１〜３のものの方が深くなっている。よって、実施例１〜３のものは、比較例１〜３のものよりも、処理品の内部にまで良好な浸炭が行われたといえる。
【００３４】
図４は、前記比較例１〜３、前記実施例１〜３において、浸炭処理温度と表面炭素濃度のピーク値との関係、及び、浸炭処理温度とγ相の飽和炭素量との関係を示すグラフである。
【００３５】
図４から分かるように、ＣＰ値１．６％の雰囲気ガスで処理を行う場合（比較例３、実施例３の場合）、浸炭処理温度を約９２０℃以上とすれば、処理品表面にセメンタイトが発生せず、浸炭深さも十分な処理品が得られる。同様に、ＣＰ値６．５％の雰囲気ガスで処理を行う場合（比較例１，２、実施例１，２の場合）、浸炭処理温度を約９３０℃以上とすれば、処理品表面にセメンタイトが発生せず、浸炭深さも十分な処理品が得られる。いずれの場合も、浸炭処理温度を高くしすぎると、粒界酸化の発生や処理品の軟化が起こるおそれがあるので、浸炭処理温度の上限は１０６０℃前後とする。
【００３６】
ＣＰ値が１．６％より低い場合（例えば１．３％の場合等）には、浸炭処理温度は約９００℃以上であればよいと考えられる。ＣＰ値が低すぎると浸炭能力が低いため、本願発明においては１．３％以上が好ましく１．４％以上がより好ましい。
【００３７】
なお、エンリッチガスを変成ガスに添加して行う従来の浸炭では、浸炭雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量より低く、且つ浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量に近い値にするのが、浸炭速度を上げるための常識であった。そうしなければ処理品表面にセメンタイトが発生してしまうからである。
【００３８】
これに対し、本実施の形態では、低ＣＯ２変成ガスの計算上のＣＰ値は例えば１．６〜６．５％と高い値であり、浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量を大きく上回っている。にもかかわらず、浸炭温度を９００℃以上や９２０℃以上、さらに好ましくは９３０〜９７０℃前後と、比較的高い温度領域で浸炭処理を行うことで、セメンタイト等の異常組織が生成せず、且つ、処理品の内部にまで適正な浸炭が行われる。
【００３９】
本発明の発明者等は、連続浸炭炉を使用して、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法と、エンリッチガスを添加する従来のガス浸炭方法とをシミュレーションにより検討し、その結果を比較した。浸炭条件とその結果を表４に示す。
【表４】
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【００４０】
表４において、比較例４，５が、従来のエンリッチ浸炭の例であり、実施例４が、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法の例である。
【００４１】
表４に示すように、実施例４では、比較例４，５と比べて浸炭時間が大幅に短縮（約２０％短縮）される。処理品の品質は実施例、比較例とも同等である。
【００４２】
以上述べたところから明らかように、本発明の実施の形態によれば、浸炭処理温度でのγ相の飽和炭素量を超えるカーボンポテンシャルを有する浸炭雰囲気ガスを用いて浸炭を行うので、浸炭の効率が良く、浸炭時間が短縮される。また、本発明で用いる浸炭雰囲気ガスは、カーボンポテンシャルが高くても、処理品表面に炭素が浸入する速度が遅いので、処理品表面にセメンタイトが析出しにくい。さらに、処理品表面にセメンタイトが析出することなく処理品内部に炭素が拡散する温度領域で浸炭・拡散処理を行うので、処理品の品質も良い。エンリッチガスを用いないので、スーティングも起こりにくい。
【００４３】
さらに、本発明の発明者は、本発明の方法を実施する際の、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速及び流量について探求した。
【００４４】
まず、実験用の装置として、既存のゴールドファーネス炉に内管を取替え挿入できるものを作製し、該内管内を炉として用いる。前記内管として、様々な内径を有するものを準備し、前記内管を取り替えて管内径を変更することで、前記内管内を流れる浸炭雰囲気ガスの流速や流量が変わるようにする。
【００４５】
図５は、この実験における処理工程図である。図５に示すように、まず、窒素ガスを炉内（内管内）に供給し、１０分で９５０℃まで昇温した。昇温後１０分間保持した後ＣＯ２ガスを供給し、Ｎ２＋ＣＯ２の雰囲気でさらに５分間保持した。次に低ＣＯ２変成ガス（ガス組成は表５参照）を炉内に供給し、雰囲気を安定させるために３０分間保持した。その後、試験片ＴＰ（テストピース：ＳＣｒ４２０）を炉内に挿入して７０分間保持し、前記低ＣＯ２変成ガスを連続的に供給しながら浸炭処理を実施した。浸炭処理後には、拡散処理１４分、降温処理１４分を実施し、その後焼入れ処理を実施した。様々な内径を有する内管（表６の管内径を参照）を用いることで、浸炭処理中における低ＣＯ２変成ガスの流速と流量を様々な値に変えることができる。
【表５】
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【００４６】
前記実験の結果を表６に示す。
【表６】
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【００４７】
表６のうち、上から三つの例、すなわち、比較例１と実施例１，２が、流速を変更した場合（流量一定）の実験結果である。それ以下の例、すなわち、実施例３と比較例２〜４が、流量を変更した場合（流速一定）の実験結果である。
【００４８】
表６を参照して、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速と流量について考察する。
【００４９】
＜流速について＞
ＣＰ値の高い前記低ＣＯ２変成ガスで浸炭しても、比較例１のように流速が小さいと本実験の目標としたカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）０．７５ｍｍ以上に達しないことが分かる。これに対し、実施例１，２より、流速が３．０４ｍ／ｓ、５．９８ｍ／ｓの場合には目標とする十分な浸炭深さを得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流速とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）との関係をグラフにしたものが図６である。図６より、目標とする深さ（０．７５ｍｍ）を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流速を１．５ｍ／ｓ以上にすればよいことが分かる。
【００５０】
なお、浸炭炉の浸炭室或いは拡散室内のワーク設置範囲内において浸炭雰囲気ガスの流速を１．５ｍ／ｓ以上とするために、浸炭室或いは拡散室にガス攪拌用のファンを上下、左右に必要に応じて設置して流速のバラツキを抑制することが好ましく、これにより安定した浸炭処理を実現することができる。
【００５１】
ガス流速（風速）は風速計で測定することができる。また、流速を上げることで炭素移行係数（β値）が増加し、流速増加は流量（物質供給量）増加との関係はない。
【００５２】
＜流量について＞
比較例２〜４より、浸炭雰囲気ガスの流量が小さい場合、すなわち、炉内ガス置換回数が１時間当たり５．１〜１９回、流速約０．１ｍ／ｓのときは、前記目標とする浸炭深さが得られないことが分かる。これに対し、実施例３のように流量が大きい場合は、目標とする浸炭深さが得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流量とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）との関係をグラフにしたものが図７である。図７より、目標とする深さ（０．７５ｍｍ）を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流量を炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量にすればよいことが分かる。
【００５３】
なお、炉内雰囲気置換回数は、炉内に供給する１時間あたりのガス流量を炉内体積で割った値である。炉内雰囲気置換回数を大きくするために、炉内に連続的に新しいガスを供給しても良いが、炉内ガスを循環させて炉内に供給することがコスト面から好ましい。また、流量（置換回数）を増加させると炭素移行係数（β値）が低下することがわかり、浸炭効率を向上させるためにはガス流量よりもガス流速を増加させる方が好ましい。
【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】
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【図６】
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【図７】
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