(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭炉の炉内に被処理材を送入し，次いで，炉内温度を浸炭温度まで昇温すると共にエンリッチガスを炉内に導入してカーボンポテンシャルを上昇させて上記被処理材に浸炭を施すガス浸炭方法において，
上記浸炭炉には，炉内雰囲気ガスをサンプリングして炉外において該炉内雰囲気ガス中のＣＯ2濃度を検出するＣＯ2センサと，炉内において上記炉内雰囲気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを設けておき，
上記エンリッチガスの導入は上記炉内温度の昇温中に開始し，かつ，上記エンリッチガスの導入量を制御するに当たっては，上記ＣＯ2センサにより測定したＣＯ2濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ1と，上記酸素センサにより測定した酸素濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ2との差（ＣＰ2−ＣＰ1）を求め，差（ＣＰ2−ＣＰ1）が所定値に近づくように上記エンリッチガスの流量を調整するに当たり，
上記所定値は，炉内においてススの発生を抑制しうる最大値よりも小さい値を採用し，該所定値を制御目標値としてオン・オフ制御又はＰＩＤ制御することによって，上記差（ＣＰ2−ＣＰ1）が上記所定値に近づくまでは上記エンリッチガスの導入流量を最大のまま維持することを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項２】
請求項１において，上記ＣＯ2センサは，赤外線吸収法によりＣＯ2濃度を測定するよう構成されていることを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記酸素センサは，炉内雰囲気ガス中の酸素分圧と標準ガス中の酸素分圧との差により発生する起電力を利用して測定するよう構成されていることを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において，上記エンリッチガスの導入は，上記浸炭炉の炉内温度が所定温度を越えたときに開始することを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において，上記ＣＰ1及びＣＰ2は，下記の関係式，
ＣＰ1＝（Ａs・Ｐco2）／Ｐco2・Ｋ1，
ＣＰ2＝（Ａs・Ｐco）／Ｐo21/2・Ｋ2，
Ａs：処理温度におけるオーステナイト中の飽和炭素濃度（mass％），
Ｐco：一酸化炭素の分圧，
Ｐco2：測定された二酸化炭素の分圧，
Ｐo2：測定された酸素の分圧，
Ｋ1：＜Ｃ＞＋ＣＯ2＝２ＣＯの平衡定数，
Ｋ2：＜Ｃ＞＋（１／２）Ｏ2＝ＣＯの平衡定数，
＜Ｃ＞：被処理材中に固溶したＣ，
により表されることを特徴とするガス浸炭方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいすれか１項において，上記エンリッチガスは天然ガスであることを特徴とするガス浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，高い処理能率が得られる浸炭方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
鋼部品の耐ピッチング性，耐摩耗性等の機械的性質を向上させる手段として，浸炭が広く行われている。浸炭法としては，浸炭剤として炭化水素系ガスを用いたガス浸炭方法がある。
従来のガス浸炭方法を，図４を用いて簡単に説明する。同図は，横軸に時間，縦軸に温度をとり，炉内温度Ｔおよびエンリッチガス導入タイミングＣ等を示したものである。
【０００３】
同図より知られるごとく，従来のガス浸炭方法においては，まず予め処理温度Ｔ0まで昇温しておいた浸炭炉の炉内に被処理材を送入する（Ａ）。この被処理材の送入時に炉扉が開かれるので，炉内温度が低下する。次いで，炉内温度が処理温度Ｔ0に回復した時点（Ｂ）に，エンリッチガスの導入を開始（Ｃ）する。これにより，炉内のカーボンポテンシャルが上昇し，上記被処理材に浸炭が施される。なお，通常，炉内には，酸化防止のための吸熱型雰囲気ガスが常時導入される。また，浸炭終了時（Ｄ）には，通常は焼入れ処理がなされる。
【０００４】
【解決しようとする課題】
ところで，上記従来のガス浸炭方法においては，次の問題がある。
即ち，上記エンリッチガスの導入開始は，炉内温度が処理温度Ｔ0に復帰した後に行う。これは，炉内温度が低い段階でエンリッチガスを導入すると煤が発生し易くなり，被処理材の品質に影響を与えるためである。
【０００５】
上記被処理材の送入から炉内温度回復までの間は，エンリッチガスが炉内に存在しないので浸炭が進行しない。そのため，図４におけるＡ点からＢ点の間，即ち，被処理材送入時点から炉内温度の処理温度Ｔ0への回復までの間は，浸炭に寄与しない時間帯となる。
【０００６】
一方，浸炭自体は，上記処理温度Ｔ0に達していない状態であっても，炉内のカーボンポテンシャルさえ適正な状態となれば進行させることができる場合がある。しかしながら，炉内温度Ｔの昇温中においては，上記のごとく，エンリッチガスの導入が煤の発生につながりやすいので，煤の発生を抑えつつ適量のエンリッチガスを導入して炉内のカーボンポテンシャルを適度に向上させることは非常に困難であった。
【０００７】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，炉内温度が処理温度よりも低い状態であっても煤を発生させることなく適量のエンリッチガスを導入することができ，効率よく浸炭を行うことができるガス浸炭方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，浸炭炉の炉内に被処理材を送入し，次いで，炉内温度を浸炭温度まで昇温すると共にエンリッチガスを炉内に導入してカーボンポテンシャルを上昇させて上記被処理材に浸炭を施すガス浸炭方法において，
上記浸炭炉には，炉内雰囲気ガスをサンプリングして炉外において該炉内雰囲気ガス中のＣＯ2濃度を検出するＣＯ2センサと，炉内において上記炉内雰囲気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを設けておき，
上記エンリッチガスの導入は上記炉内温度の昇温中に開始し，かつ，上記エンリッチガスの導入量を制御するに当たっては，上記ＣＯ2センサにより測定したＣＯ2濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ1と，上記酸素センサにより測定した酸素濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ2との差（ＣＰ2−ＣＰ1）を求め，差（ＣＰ2−ＣＰ1）が所定値に近づくように上記エンリッチガスの流量を調整するに当たり，
上記所定値は，炉内においてススの発生を抑制しうる最大値よりも小さい値を採用し，該所定値を制御目標値としてオン・オフ制御又はＰＩＤ制御することによって，上記差（ＣＰ2−ＣＰ1）が上記所定値に近づくまでは上記エンリッチガスの導入流量を最大のまま維持することを特徴とするガス浸炭方法にある。
【０００９】
本発明において最も注目すべきことは，上記エンリッチガスの導入を炉内温度が浸炭温度まで達していない昇温途中において開始し，かつ，上記２つの異なるセンサの検出値から２つの見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ1，ＣＰ2を求め，これらの差（ＣＰ2−ＣＰ1）を用いて上記エンリッチガスの流量を制御することである。
【００１０】
上記ＣＯ2センサは，上記のごとく，炉内雰囲気ガスをサンプリングして炉外においてＣＯ2濃度を測定するように構成されている。これにより，上記ＣＯ2センサは，炉内の煤発生傾向等に左右されることなく，比較的精度良くＣＯ2濃度を測定することができる。そのため，上記ＣＯ2濃度から算出したカーボンポテンシャルＣＰ1の値は，炉内の煤発生傾向等にあまり影響されない値として得られる。
【００１１】
一方，上記酸素センサは，上記のごとく，炉内に設置され，炉内雰囲気ガスに直接触れた状態でその中の酸素濃度を測定する。そのため，上記酸素センサは，炉内の煤発生傾向等により比較的大きな影響を受ける。したがって，上記酸素濃度から算出したカーボンポテンシャルＣＰ2の値は，炉内の煤発生傾向等の影響を受けた値となる。
【００１２】
このように，上記２種類のカーボンポテンシャルＣＰ1，ＣＰ2は，計算の基礎となるデータの対象が異なるだけでなく，炉内状態から受ける影響度が異なる。そのため，上記浸炭炉内における煤発生傾向等が変化した場合には，上記ＣＰ1とＣＰ2との間に大きな差が生ずる。
【００１３】
具体的には，炉内において煤が発生しやすい状態となると，上記酸素濃度から求めたカーボンポテンシャルＣＰ2が上記ＣＯ2濃度から求めたカーボンポテンシャルＣＰ1よりも大きくなる傾向がある。即ち，炉内における煤発生傾向が高まった場合には，上記２つのカーボンポテンシャルの差（ＣＰ2−ＣＰ1）が大きくなる傾向がある。
【００１４】
この特性を利用して，上記２つのカーボンポテンシャルの差（ＣＰ2−ＣＰ1）が煤の発生を抑制しうる所定値に近づくようにエンリッチガスの導入量を制御すれば，炉内での煤発生を抑制することができる。
ここで，上記所定値は，炉内において煤の発生を抑制しうる値である。例えば，炉内において煤の発生を抑制しうる最大値よりも若干小さい値等を採用することができる。
【００１５】
また，上記エンリッチガスの導入量の制御方法としては，種々の方法がある。例えば，差（ＣＰ2−ＣＰ1）の上記所定値を制御目標値とし，いわゆるオン・オフ制御，あるいはＰＩＤ制御等によりエンリッチガスの流量を調整する方法等がある。
【００１６】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては，上記のごとく，２つの異なるセンサの検出値から２つの見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ1，ＣＰ2を求め，これらの差（ＣＰ2−ＣＰ1）が上記所定値に近づくように上記エンリッチガスの流量を制御する。そのため，炉内において煤を発生させることなく適量のエンリッチガスを導入することができる。
【００１７】
そして，この制御方法は，炉内温度が低い昇温中においても適用することができる。そのため，炉内温度の昇温中においても，煤が発生しない程度の適量のエンリッチガスを炉内に導入することができ，カーボンポテンシャルを適度に高めることができる。それ故，従来浸炭ができなかった炉内温度の昇温中において浸炭を開始することができ，浸炭完了時間を従来よりも早めることができる。
【００１８】
したがって，本発明によれば，炉内温度が処理温度よりも低い状態であっても煤を発生させることなく適量のエンリッチガスを導入することができ，効率よく浸炭を行うことができるガス浸炭方法を提供することができる。
【００１９】
次に，請求項２の発明のように，上記ＣＯ2センサは，赤外線吸収法によりＣＯ2濃度を測定するよう構成することができる。赤外線吸収法は，分子の固有振動よりある特定の波長の赤外線が吸収されることを利用しているので，定量分析及びその自動化が容易である。そのため，上記ＣＯ2濃度の測定を精度良くかつ容易に行うことができる。
【００２０】
また，請求項３の発明のように，上記酸素センサは，炉内雰囲気ガス中の酸素分圧と標準ガス中の酸素分圧との差により発生する起電力を利用して測定するよう構成することができる。この起電力を利用する原理は，公知のネルンストの式により示される。
また，上記方式の酸素センサとしては，例えば固体電解質としてジルコニアを用いたジルコニア式センサ等がある。
【００２１】
また，請求項４の発明のように，上記エンリッチガスの導入は，上記浸炭炉の炉内温度が所定温度を越えたときに開始することが好ましい。上記所定温度としては，例えば浸炭の進行を速めることができる温度に設定することができる。具体的には７００℃以上の温度とすることが好ましい。これにより，浸炭の進行の効率を向上することができる。
【００２２】
また，請求項５の発明のように，上記ＣＰ1及びＣＰ2は，下記の関係式（Ｉ）（II）により表すことができる。
ＣＰ1＝（Ａs・Ｐco2）／Ｐco2・Ｋ1．．．．．．．（Ｉ），
ＣＰ2＝（Ａs・Ｐco）／Ｐo21/2・Ｋ2．．．．．．．（II），
Ａs：処理温度におけるオーステナイト中の飽和炭素濃度（mass％），
Ｐco：一酸化炭素の分圧，
Ｐco2：測定された二酸化炭素の分圧，
Ｐo2：測定された酸素の分圧，
Ｋ1：＜Ｃ＞＋ＣＯ2＝２ＣＯの平衡定数，
Ｋ2：＜Ｃ＞＋（１／２）Ｏ2＝ＣＯの平衡定数，
＜Ｃ＞：被処理材中に固溶したＣ，
【００２３】
上記（Ｉ）（II）の関係式を用いることにより，カーボンポテンシャルの算出精度を向上させることができる。
なお，上記（Ｉ）（II）の関係式中における上記Ａs，Ｋ1，Ｋ2は，下記の関係式により表すことができる。
Ａs＝0.23290−5.6957×１０-4（Ｔ−273）＋1.8830×１０-6（Ｔ−273）2，
Ｋ1＝exp｛（170707−174.473Ｔ）／（−8.3144Ｔ）｝，
Ｋ2＝exp｛（111713＋87.6548Ｔ）／8.3144Ｔ｝，
ここでＴは処理温度である。
【００２４】
また，請求項６の発明のように，上記エンリッチガスは天然ガスであることが好ましい。天然ガスは，一般にエンリッチガスとして利用されているブタンガスよりも煤が出にくい性質があり，さらに煤発生抑制効果を高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本発明の実施形態例にかかるガス浸炭方法につき，図１〜図３を用いて説明する。
本例のガス浸炭方法は，浸炭炉１の炉内に被処理材８を送入し，次いで，炉内温度を浸炭温度（約９３０℃）まで昇温すると共にエンリッチガス７を炉内に導入してカーボンポテンシャルを上昇させて上記被処理材８に浸炭を施す方法である。
【００２６】
上記浸炭炉１には，図１に示すごとく，炉内雰囲気ガスをサンプリングして炉外において該炉内雰囲気ガス中のＣＯ2濃度を検出するＣＯ2センサ２と，炉内において上記炉内雰囲気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ３とを設けておく。
そしてエンリッチガス７の導入は上記炉内温度の昇温中に開始し，かつ，上記エンリッチガス７の導入量を制御するに当たっては，上記ＣＯ2センサ２により測定したＣＯ2濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ1と，上記酸素センサ３により測定した酸素濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ2との差（ＣＰ2−ＣＰ1）を求め，差（ＣＰ2−ＣＰ1）が所定値Ｍに近づくように上記エンリッチガス７の流量を調整する。
【００２７】
以下，これを詳説する。
図１には，本例の浸炭炉１及びこれが有する設備等を示す。浸炭炉１には，上記ＣＯ2センサ２及び酸素センサ３を配設した。
ＣＯ2センサ２は，上記のごとく炉外に設置してあり，配管２１を介して炉内雰囲気ガスを定期的にサンプリングするよう構成されている。また，このＣＯ2センサ２は，赤外線吸収法を利用したセンサである。
【００２８】
酸素センサ３は，図１に示すごとく，固体電解質としてのジルコニア３１を利用して，炉内雰囲気ガス中の酸素分圧と大気中の酸素分圧との差により起電力を発生させ，この起電力から上記炉内雰囲気ガス中の酸素分圧を算出するよう構成されている。この算出は，後述の制御部５において行う。
また，上記浸炭炉１には，温度センサ４が配設されている。この温度センサ４は，炉内雰囲気ガスの温度（炉内温度）を定期的に測定する。
【００２９】
また，上記浸炭炉１は，エンリッチガスとしての天然ガス（ＬＮＧ）７を入れたボンベ７０に配管６１及び流量コントローラ６を介して接続されている。流量コントローラ６は，後述の制御部５の指示に従って天然ガス７の流量を調整するよう構成されている。
そして，図１に示すごとく，上記ＣＯ2センサ２，酸素センサ３，温度センサ４，流量コントローラ６は，すべて制御部５に電気的に接続されている。
【００３０】
本例では，エンリッチガスの導入量を次のように制御する。
図２のフローチャートに示すように，まず，ステップＳ１において炉内に被処理材８が送入された後，ステップＳ２において炉内温度Ｔが低下した後に８００℃以上となったか否かを判断する。ここでの８００℃は，浸炭の進行を早めることができる温度の一例であって，浸炭炉の特徴などによって他の温度に変更することも勿論可能である。
【００３１】
炉内温度Ｔが８００℃以上となった場合には，ステップＳ３においてエンリッチガスの導入を開始する。即ち，上記制御部５は，流量コントローラ６を制御して，エンリッチガス（天然ガス）７の導入量を最大とする。
【００３２】
次いで，ステップＳ４においては，上記ＣＯ2センサ２からのＣＯ2濃度（Ｐco2），酸素センサからの酸素濃度（Ｐo2），温度センサからの炉内雰囲気ガスの温度（Ｔ）を制御部５が定期的に受け取り，これらの値を基にして定期的にカーボンポテンシャルＣＰ1，ＣＰ2を算出する。
【００３３】
このときの算出は，次の関係式（Ｉ）（II）により行った。
ＣＰ1＝（Ａs・Ｐco2）／Ｐco2・Ｋ1．．．．．．．（Ｉ），
ＣＰ2＝（Ａs・Ｐco）／Ｐo21/2・Ｋ2．．．．．．．（II），
Ａs：処理温度におけるオーステナイト中の飽和炭素濃度（mass％），
（Ａs＝0.23290−5.6957×１０-4（Ｔ−273）＋1.8830×１０-6（Ｔ−273）2），
Ｐco：一酸化炭素の分圧，
Ｐco2：測定された二酸化炭素の分圧，
Ｐo2：測定された酸素の分圧，
Ｋ1：＜Ｃ＞＋ＣＯ2＝２ＣＯの平衡定数，
（Ｋ1＝exp｛（170707−174.473Ｔ）／（−8.3144Ｔ）｝），
Ｋ2：＜Ｃ＞＋（１／２）Ｏ2＝ＣＯの平衡定数，
（Ｋ2＝exp｛（111713＋87.6548Ｔ）／8.3144Ｔ｝），
＜Ｃ＞：被処理材中に固溶したＣ，
Ｔ：炉内温度。
【００３４】
次に，ステップＳ５においては，上記ＣＰ1，ＣＰ2の差（ＣＰ2−ＣＰ1）を求め，これが所定値Ｍ以下であるか否かを判断する。本例では，この所定値Ｍを０．２とした。なお，この所定値Ｍの値は，浸炭炉の種類，被処理材の種類等により最適値が異なる。
【００３５】
上記差（ＣＰ2−ＣＰ1）が所定値Ｍを越える場合には，ステップＳ６においてエンリッチガスの流量を減らす。具体的には，制御部５によって流量コントローラ６を制御してエンリッチガスの流量を絞る。
流量の絞り方としては，種々の方法があるが，本例では，完全に流量を０とした。いわゆるオン・オフ制御である。
一方，ステップＳ５において差（ＣＰ2−ＣＰ1）が所定値Ｍ以下である場合には，ステップＳ７においてエンリッチガスの導入量を最大のまま維持する。
【００３６】
本例では，このようなエンリッチガスの流量制御を行うことにより，上記２つの見掛け上のカーボンポテンシャルの差（ＣＰ2−ＣＰ1）が所定値Ｍに近づき，炉内における煤の発生を確実に抑制することができる。また，そのため，従来煤の発生しやすかった炉内温度の昇温中においても，エンリッチガスの導入を行うことができる。
【００３７】
それ故，従来浸炭ができなかった炉内温度の昇温中を浸炭時間として有効に利用することができ，浸炭完了時間を従来よりも早めることができる。
これを図３を用いて説明する。同図は，図４と同様に横軸に時間，縦軸に温度をとり，炉内温度Ｔの推移を示すと共に被処理材送入タイミングＡ，炉内温度が浸炭温度Ｔ0に回復したタイミングＢ，エンリッチガスの導入を開始したタイミングＣ等を示したものである。
【００３８】
図３と図４との比較からわかるように，本例の場合（図３）には，従来の場合（図４）よりもエンリッチガス導入開始タイミングＣが早い。そのため，トータルの浸炭時間（Ａ〜Ｄ）は，本例の方が従来よりも短い。それ故，本例では，浸炭の能率を従来よりも向上させることができる。
一方，上記制御方法を用いることにより，昇温中にエンリッチガスを導入しても炉内での煤発生を抑制することができる。それ故，被処理材の品質も十分に良好な状態に維持することができる。
【００３９】
なお，本例では，上記エンリッチガスの流量制御を上記所定値Ｍを制御目標値としてオン・オフ制御により行った。これに代えて，いわゆるＰＩＤ制御等により行うことも勿論できる。
【００４０】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，炉内温度が処理温度よりも低い状態であっても煤を発生させることなく適量のエンリッチガスを導入することができ，効率よく浸炭を行うことができるガス浸炭方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例における，浸炭炉の構成を示す説明図。
【図２】実施形態例における，エンリッチガスの流量制御方法を示すフローチャート。
【図３】実施形態例における，エンリッチガスの導入開始タイミングを示す説明図。
【図４】従来例における，エンリッチガスの導入開始タイミングを示す説明図。
【符号の説明】
１．．．浸炭炉，
２．．．ＣＯ2センサ，
３．．．酸素センサ，
４．．．温度センサ，
５．．．制御部，
６．．．流量コントローラ，
７．．．エンリッチガス（天然ガス），
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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