(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素と二酸化炭素と酸素との３成分を混合してなる原料混合ガスを熱変成せしめて浸炭性雰囲気ガスを得る方法であって、
前記原料混合ガスの混合組成が下記の通りであることを特徴とする浸炭性雰囲気ガスの製造方法。
炭化水素−二酸化炭素−酸素の３成分混合ガスの組成を示す三角座標において、Ｘ点を二酸化炭素が１００（％）、Ｙ点を炭化水素が１００（％）、Ｚ点を酸素が１００（％）であるとし、
Ｙ−Ｚ線上に、酸素と炭化水素との混合ガスにおける爆発下限組成濃度値Ａと、爆発上限組成濃度値Ｂを印し、
Ｘ−Ｚ線上に、空気の組成に相当する酸素濃度Ｐを印し、該Ｐ点とＹ点とを結び線イを得、
線イ上に、空気中での炭化水素の爆発下限組成濃度値Ｑと上限組成濃度値Ｒを印し、Ｙ−Ｚ線上の炭化水素の爆発下限組成濃度値Ａ、爆発上限組成濃度値Ｂを、線イ上の炭化水素の爆発下限組成濃度値Ｑ、爆発上限組成濃度値Ｒと、それぞれ下限組成濃度値同士Ａ−Ｑ、上限組成濃度値同士Ｂ−Ｒを線ロ及びハで結び、これらの線の延長上に交点Ｃを得、
前記点Ａ、Ｂ、Ｃを結んだ三角形ＡＢＣで囲まれた領域以外の混合組成であって、かつ、
二酸化炭素添加法の変成反応式に基づく炭化水素：二酸化炭素の組成比をＸ−Ｙ線上にＬ点で印し、
酸素添加法での変成反応式に基づく炭化水素：酸素の組成比をＹ−Ｚ線上にＭ点で印し、
前記点Ｌと点Ｍを線ニで結び、この線ニ上にある混合組成である。
【請求項２】
得られる浸炭性雰囲気ガス中の一酸化炭素の濃度が３５乃至６５容量％であることを特徴とする請求項１記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法。
【請求項３】
前記原料混合ガスの熱変成は、触媒の存在下及び高温環境下の条件の中の少なくとも１つの条件のもとで行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法。
【請求項４】
前記原料混合ガスの熱変成は、高温に保持された触媒の存在下で行うことであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法。
【請求項５】
原料混合ガスは、炭化水素に二酸化炭素を混合した後に酸素を混合することによって得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法。
【請求項６】
混合する酸素は、空気吸着分離法又は空気膜式分離法で得られる酸素であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載されている浸炭性雰囲気ガスの製造方法で得られる雰囲気ガスを用いて浸炭処理することを特徴とする浸炭方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属特に鋼材による加工物の浸炭に適した浸炭性雰囲気ガスの製造方法と、その製造方法で得られる雰囲気ガスを用いて、金属特に鋼材による加工物を浸炭処理する浸炭方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材のガスによる浸炭方法は、浸炭性の雰囲気ガスを用いて、鋼材の表面層の炭素濃度を増加せしめて硬化させる目的で、現在最も一般的に多く使用されている工業的な浸炭方法である。そしてこの浸炭処理に使用するのに適した雰囲気ガスは、一般にメタン（ＣＨ4）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）などの炭化水素類を原料として、これに空気を添加混合し、この混合ガスを約１０００℃の温度に加熱して、ニッケル（Ｎi）などの触媒を使用して変成せしめる、空気添加法と称せられる変成反応方法で製造されている。
【０００３】
そしてメタンを原料としてこれを空気添加法で変成すると、凡そ一酸化炭素（ＣＯ）２０容量％、水素（Ｈ2）４１容量％、窒素（Ｎ2）３９容量％の組成の浸炭性混合ガスが得られる。又、同様にプロパンを原料とすると、凡そ一酸化炭素２４容量％、水素３２容量％、窒素４４容量％の組成の浸炭性混合ガスが得られる。更に、ブタンを原料として使用すると、凡そ一酸化炭素２４容量％、水素３０容量％、窒素４６容量％の組成の浸炭性混合ガスが得られる（以下「容量％」を単に「％」と記す）。
これらの炭化水素の空気添加法による変成反応は、それぞれ以下の如き反応式で表される。
［空気添加法の変成反応式］
・メタン：  CH4+2.4（0.208O2+0.792N2）→ CO+2H2+1.90N2+86.8kJ
・プロパン：C3H8+7.21(0.208O2+0.792N2) → 3CO+4H2+5.71N2+387.4kJ
・ブタン：  C4H10+9.62(0.208O2+0.792N2) → 4CO+5H2+7.62N2+531.0kJ
【０００４】
浸炭反応は、鋼を（Ｆe）と記すと、（ＣＯ+Ｈ2）ガスの雰囲気下の添加反応でＣＯ+Ｈ2→ Ｃ（γＦe）+Ｈ2Ｏで示される。そしてこの浸炭反応の速度は、炭素源となる一酸化炭素（ＣＯ）の分圧（ＰCO）と、水素（Ｈ2）の分圧（ＰH2）との積［（ＰCO）×（ＰH2）］で表示される。しかるに、浸炭速度を速くして処理時間を短縮するには、組成をＣＯ＝５０％、Ｈ2＝５０％とすることが望ましいが、従来の前記空気添加法による変成反応では、空気を使用するため、この浸炭性雰囲気ガス中に窒素（Ｎ2）が含まれるので、前記した組成ＣＯ＝５０％、Ｈ2＝５０％にする雰囲気ガスが得られないという不都合があった。
【０００５】
そこで、上記不都合を改善する方法として、空気に代えて二酸化炭素（ＣＯ2）を炭化水素に添加して変成せしめる方法（以下「二酸化炭素添加法」という）が提案されている。この二酸化炭素添加法による炭化水素の変成反応は次式の通りである。
［二酸化炭素添加法の変成反応式］
・メタン：  CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 - 170.5kJ
・プロパン：C3H8 + 3CO2 → 6CO + 4H2 - 384.3kJ
・ブタン：  C4H10 + 4CO2 → 8CO + 5H2 - 497.8kJ
この反応式で明らかなように、この二酸化炭素添加法による変成反応は吸熱反応であるため、変成に必要なエネルギーが空気添加法よりも多量となる上に、プロパンやブタンを原料とした場合には、得られる浸炭性ガスの組成は一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ2）との混合ガスにはなるが、その組成比（ＣＯ）：（Ｈ2）は、前記した望ましい浸炭速度が得られる、５０：５０の組成比の値から、かけ離れる欠点がある。
【０００６】
炭化水素を原料とする空気添加法と二酸化炭素添加法による変成方式は上記した通りであり、これらの変成反応によって得られる理想発生浸炭性ガス（雰囲気ガス）の組成、分圧の積［（ＰCO）×（ＰH2）］、及びその浸炭性ガス１mol当りの反応エネルギー（Ｅ kJ／mol）を表１に示す。
【０００７】
【表１】
0004155658.tif 000002
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記した空気添加法と二酸化炭素添加法による２つの変成方式にもそれぞれ問題点が存在することから、これらを更に改善して、炭化水素を原料として、これを変成反応により高濃度の一酸化炭素と水素を含む浸炭性雰囲気ガスを得るため、発熱反応が期待できる酸素（Ｏ2）を使用することに着目したものである。即ち、炭化水素に酸素を添加して変成反応せしめる方法（以下「酸素添加法」という）は以下の通りの反応式を示す。
［酸素添加法の変成反応式］
・メタン：  CH4 + 0.5O2 → CO + 2H2 + 86.8kJ
・プロパン：C3H8 + 1.5O2 → 3CO + 4H2 + 384.3kJ
・ブタン：  C4H10 + 2O2 → 4CO + 5H2 + 531.0kJ
【０００９】
しかしながら、メタン、プロパン等の炭化水素に酸素を添加した原料混合ガスは、爆発誘発混合気になるので、安全性の点に問題が生じる。又メタンを酸素添加法で変成せしめると、生成した浸炭性ガス中の一酸化炭素濃度が低くなる不都合がある。そして、この炭化水素に酸素を添加した原料混合ガスとして変成せしめる酸素添加法による変成反応おける、原料混合ガス中の各炭化水素濃度（％）、得られる浸炭性ガスの組成、及び反応エネルギー（Ｅ kJ／mol）を各炭化水素の酸素ガス中での爆発濃度範囲（％）と共に、表２に表示する。
【００１０】
【表２】
0004155658.tif 000003
【００１１】
本発明は、上記した現状に鑑みなされたものであり、浸炭処理の時間を短縮して作業効率を向上せしめることが可能な高濃度の一酸化炭素と水素よりなる浸炭性雰囲気ガスを得ると共に、該浸炭性ガスを得るために多大のエネルギーを消費せず、しかもその上、製造にあたって爆発誘発混合気とならないような、安全な浸炭性雰囲気ガスの製造方法と、この浸炭性雰囲気ガスを使用した浸炭方法を提供することを本発明の課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、
請求項１に係る発明は、炭化水素と二酸化炭素と酸素との３成分を混合してなる原料混合ガスを熱変成せしめて浸炭性雰囲気ガスを得る方法であって、
前記原料混合ガスの混合組成が下記の通りであることを特徴とする浸炭性雰囲気ガスの製造方法としたものである。。
炭化水素−二酸化炭素−酸素の３成分混合ガスの組成を示す三角座標において、Ｘ点を二酸化炭素が１００（％）、Ｙ点を炭化水素が１００（％）、Ｚ点を酸素が１００（％）であるとし、
Ｙ−Ｚ線上に、酸素と炭化水素との混合ガスにおける爆発下限組成濃度値Ａと、爆発上限組成濃度値Ｂを印し、
Ｘ−Ｚ線上に、空気の組成に相当する酸素濃度Ｐを印し、該Ｐ点とＹ点とを結び線イを得、
線イ上に、空気中での炭化水素の爆発下限組成濃度値Ｑと上限組成濃度値Ｒを印し、  Ｙ−Ｚ線上の炭化水素の爆発下限組成濃度値Ａ、爆発上限組成濃度値Ｂを、線イ上の炭化水素の爆発下限組成濃度値Ｑ、爆発上限組成濃度値Ｒと、それぞれ下限組成濃度値同士Ａ−Ｑ、上限組成濃度値同士Ｂ−Ｒを線ロ及びハで結び、これらの線の延長上に交点Ｃを得、
前記点Ａ、Ｂ、Ｃを結んだ三角形ＡＢＣで囲まれた領域以外の混合組成であって、かつ、
二酸化炭素添加法の変性反応式に基づく炭化水素：二酸化炭素の組成比をＸ−Ｙ線上にＬ点で印し、
酸素添加法での変性反応式に基づく炭化水素：酸素の組成比をＹ−Ｚ線上にＭ点で印し、
前記点Ｌと点Ｍを線ニで結び、この線ニ上にある混合組成である。
請求項２に係る発明は、得られる浸炭性雰囲気ガス中の一酸化炭素の濃度が３５乃至６５容量％であることを特徴とする請求項１記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法としたものである。
請求項３に係る発明は、前記原料混合ガスの熱変成は、触媒の存在下及び高温環境下の条件の中の少なくとも１つの条件のもとで行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法としたものである。
請求項４に係る発明は、前記原料混合ガスの熱変成は、高温に保持された触媒の存在下で行うことであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法としたものである。
請求項５に係る発明は、原料混合ガスは、炭化水素に二酸化炭素を混合した後に酸素を混合することによって得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法としたものである。
請求項６に係る発明は、混合する酸素は、空気吸着分離法又は空気膜式分離法で得られる酸素であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の浸炭性雰囲気ガスの製造方法としたものである。
請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載されている浸炭性雰囲気ガスの製造方法で得られる雰囲気ガスを用いて浸炭処理することを特徴とする浸炭方法としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の浸炭性雰囲気ガスの製造方法は、発熱反応が期待できる酸素（Ｏ2）を用いることに着目したもので、炭化水素に二酸化炭素（ＣＯ2）と酸素（Ｏ2）を添加して原料混合ガスとし、これを熱による変成反応せしめて、浸炭性雰囲気ガスを得る製造方法である。なお、前記原料混合ガスの変成反応で得られる変成ガスはそのまま浸炭性雰囲気ガスとして使用されるものであって、本発明での「変成ガス」と「浸炭性雰囲気ガス」とは共通するガスを示すものである。
又、変成反応は、ニッケル触媒等の如き触媒の存在下で行なったり、高温度の環境下で行なうこともでき、更には、高温度環境下で触媒と接触せしめると更に効率良く反応が促進される。なお又、本発明で使用し得る炭化水素としては、すべての炭化水素が適用し得るが、その中でも、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ＬＰＧ（液化石油ガス）等が使い勝手良く好適に使用することができる。
【００１４】
上記炭化水素類のうちメタン、プロパン、ブタンを使用した場合の本発明の変成反応は、例えば以下の通りの反応式の変成反応を適用すると好適である。
［メタン（ＣＨ4）］
（1）CH4 + 0.75CO2 + 0.125O2  →  1.75CO + 2H2 - 106.2kJ/mol
(2) CH4 + 0.5CO2 + 0.25O2  →  1.5CO + 2H2 - 41.9kJ/mol
(3) CH4 + 0.33CO2 + 0.335O2  →  1.33CO + 2H2 - 1.0kJ/mol
［プロパン（Ｃ3Ｈ8）］
(4) C3H8 + CO2 + O2  →  4CO + 4H2 + 130.1kJ/mol
(5) C3H8 + 1.2CO2 + 0.9O2  →  4.2CO + 4H2 + 78.7kJ/mol
(6) C3H8 + 1.4CO2 + 0.8O2  →  4.4CO + 4H2 + 27.3kJ/mol
［ブタン（Ｃ4Ｈ10）］
(7) C4H10 + CO2 + 1.5O2  →  5CO + 5H2 + 273.8kJ/mol
(8) C4H10 + 1.4CO2 + 1.3O2  →  5.4CO + 5H2 + 170.9kJ/mol
(9) C4H10 + 1.8CO2 + 1.1O2  →  5.8CO + 5H2 + 68.0kJ/mol
【００１５】
そして、炭化水素類は酸素の存在で爆発混合気状態となって安全性において問題が生じるので、本発明の上記変成反応を生じせしめる原料混合ガスおいても、この爆発混合気状態を避けた組成濃度範囲の混合ガスを使用することが必要である。  この炭化水素と酸素を含む本発明の原料混合ガスの組成が、爆発混合気状態でないようにするには、例えば図１（メタン）、図２（プロパン）、図３（ブタン）の如き炭化水素ー二酸化炭素ー酸素の３成分混合ガスの組成図を使用して、爆発混合気状態でない爆発混合気外状態（以下「爆発混合気外状態」という）の組成範囲を以下の作業方法により決定して製造する。
【００１６】
（i）［メタン ー 二酸化炭素 ー 酸素］の爆発混合気外状態の組成の決定
図１はメタン（ＣＨ4）ー 二酸化炭素（ＣＯ2）ー 酸素（Ｏ2）の３成分混合ガスの組成図である。図中Ｘ点はＣＯ2が１００（％）、Ｙ点はＣＨ4が１００（％）、そしてＺ点はＯ2が１００（％）であることを示している。そして、ＸーＹ線はＣＯ2ーＣＨ4の２成分間の組成比を配分する組成線、ＹーＺ線はＣＨ4ーＯ2の２成分間の組成比を配分する組成線、更にＸーＺ線はＣＯ2ーＯ2の２成分間の組成比を配分する組成線をそれぞれ示している。
【００１７】
▲１▼この３成分混合ガスの爆発混合気状態の組成濃度範囲の特定
・ＹーＺ線（ＣＨ4ーＯ2の組成線）上に、酸素とメタンとの混合ガスにおける爆発下限組成濃度値Ａ（メタン：５.１％）と、爆発上限組成濃度値Ｂ（メタン：６１％）を前記表２に記した既知の数値より読み取り印す。
・ＸーＺ線（ＣＯ2ーＯ2の組成線）上に、空気の組成に相当する酸素濃度Ｐ（２０.８％）を印し、該Ｐ点とＹ点とを結び点線イを得る。該点線イは空気組成に相当する酸素濃度を有する（二酸化炭素＋酸素）の混合ガスとメタンとの組成比を配分する（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣＨ4の組成線を示すもので、Ｐ点は空気組成に相当する酸素濃度を有する（二酸化炭素＋酸素）の混合ガス１００（％）を示す。なお、窒素と二酸化炭素とは不活性なガスである点で共通し、酸素との共存での爆発範囲も共通するものとして、空気中の酸素濃度を二酸化炭素中の酸素濃度と置き換え可能として使用した。
・ＰーＹ線（点線イ）［（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣＨ4の組成線］上に、空気中でのメタンの爆発下限組成濃度値Ｑ（メタン：５.３％）と上限組成濃度値Ｒ（メタン：１４％）を前記表１に記した既知の数値より読み取り印す。
・前記ＹーＺ線（酸素ーメタン組成線）上のメタンの爆発下限組成濃度値Ａ（メタン：５.１％）、爆発上限組成濃度値Ｂ（メタン：６１％）を、ＰーＹ線（点線イ）［（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣＨ4の組成線］上のメタンの爆発下限組成濃度値Ｑ（メタン：５.３％）、爆発上限組成濃度値Ｒ（メタン：１４％）と、それぞれ下限組成濃度値同士Ａ−Ｑ、上限組成濃度値同士Ｂ−Ｒを線ロ及びハで結び、これらの線の延長上に交点Ｃを得る。
・上記作業で得られた線ロはメタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の３成分混合ガスの爆発下限組成線であり、線ハは爆発上限組成線である。従って、三角形ＡＢＣで囲まれた領域が（メタン ー 二酸化炭素 ー 酸素）の３成分混合ガスの爆発混合気状態の濃度領域である。従って本発明の浸炭性雰囲気ガスを得るための原料混合ガス（メタン ー 二酸化炭素 ー 酸素）の組成は、前記図１での三角形ＡＢＣ外の領域の組成を有する混合ガスを使用することが好ましい。
【００１８】
▲２▼好適なメタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の組成の算出
・従来のメタンー二酸化炭素を原料混合ガスとして変成反応せしめる二酸化炭素添加法による、変成反応で得られる浸炭性雰囲気ガスの組成ＣＯ：Ｈ2が５０：５０に近い値が好ましい。これを前記表１と二酸化炭素の添加法の反応式から読み取ると、原料混合ガスのＣＨ4：ＣＯ2＝５０：５０である。これを図１のＸーＹ線（ＣＯ2ーＣＨ4の組成線）上にＬ点で印す。
・次に同様にメタンー酸素を原料混合ガスとして変成反応せしめる酸素添加法による、変成反応で得られる理想発生浸炭性雰囲気ガスの組成ＣＯ：Ｈ2が５０：５０に近い値は、前記表２から読み取ると、ＣＯ：Ｈ2＝３３.３：６６.６であり、その時の原料混合ガスの組成は表２及び前記酸素添加法の反応式よりＣＨ4：Ｏ2＝６６.６：３３.３である。これを図１のＹーＺ線（Ｏ2ーＣＨ4の組成線）上にＭ点で印す。
・そして、前記点Ｌと点Ｍを一点鎖線ニで結ぶとこの線ニ上にある組成の原料混合ガスが、好適な組成の浸炭性雰囲気ガスとして得られるものであると共に、効率良く変成反応を行うことのできるメタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の３成分の理想的な原料混合ガスとなる。その上、図１での三角形ＡＢＣ外の領域であるので爆発混合気状態を形成せず好適に使用することができる。
なお、この領域はあくまで変成反応に好適な領域であって、本発明はこれに限定されるものでなく、図１中三角形ＡＢＣ外であればどこの領域の濃度範囲でも安全に使用可能であることは勿論である。
【００１９】
▲３▼具体的な好適なメタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の組成の算出
所望するメタン ー 二酸化炭素 ー 酸素原料混合ガスについて、前記メタンを用いた場合の本発明の変成反応式（１）〜（３）による反応を用いて説明する。
（ａ）変成反応式（１）の場合について
・変成反応で得られる浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝１.７５／（１.７５+２）＝４６.７（％）、Ｈ2＝２／（１.７５+２）＝５３.３（％）である。
【００２０】
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝０.７５／（０.７５＋０.１２５）＝８５.７（％）、Ｏ2＝０.１２５／（０.７５＋０.１２５）＝１４.３（％）である。これを図１のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝１４.３（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（あ）で印し、次いで該点（あ）と点Ｙを線（い）で結ぶ。この線（い）は［ＣＯ2(85.7) ＋ Ｏ2(14.3）］の混合ガスとメタン（ＣＨ4）との組成配分を示す組成線である。
・次に、式（１）でのメタン（ＣＨ4）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣＨ4＝１／（１＋０.８７５）＝５３.３（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝０.８７５／（１＋０.８７５）＝４６.７（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣＨ4の組成線である線（い）上に点（う）として印す。
【００２１】
・しかるに、上記点（う）は、図１中に、先にこの３成分原料混合ガスの理想的な組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニ上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。即ち変成反応式（１）の反応における原料混合ガスの組成比ＣＨ4：ＣＯ2：Ｏ2＝１：０.７５：０.１２５は変成反応として極めて好適である。
・そして、生成される浸炭性雰囲気ガスの組成も、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝１.７５：２と、これらの分圧が５０％に近い値を示していて、好適な反応速度でもって浸炭が行なえることを示している。
【００２２】
（ｂ）変成反応式（２）の場合について
・生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝１.５／（１.５+２）＝４２.９（％）、Ｈ2＝２／（１.５＋２）＝５７.１（％）である。
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝０.５／（０.５＋０.２５）＝６６.７（％）、Ｏ2＝０.２５／（０.５＋０.２５）＝３３.３（％）である。これを図１のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝３３.３（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（か）で印し、次いで該点（か）と点Ｙを線（き）で結ぶ。この線（き）は［ＣＯ2(66.7) ＋ Ｏ2(33.3）］の混合ガスとメタン（ＣＨ4）との組成配分を示す組成線である。
【００２３】
・次に、式（２）でのメタン（ＣＨ4）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣＨ4＝１／（１＋０.７５）＝５７.１４（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝０.７５／（１＋０.７５）＝４２.８６（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣＨ4の組成線である線（き）上に点（く）として印す。
・しかるに、上記点（く）は、図１中に、先にこの３成分原料混合ガスの理想的な組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニのほぼその線上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。即ち変成反応式（２）の反応における原料混合ガスの組成比ＣＨ4：ＣＯ2：Ｏ2＝１：０.５：０.２５は変成反応として極めて好適である。
・そして、生成される浸炭性雰囲気ガスの組成比も、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝１.５：２と、これらの分圧が５０％に近い４０〜６０％の範囲の値を示していて、好適な反応速度でもって浸炭が行なえることを示している。
【００２４】
（ｃ）変成反応式（３）の場合について
・生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝１.３３／（１.３３＋２）＝３９.９４（％）、Ｈ2＝２／（１.３３＋２）＝６０.０６（％）である。
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝０.３３／（０.３３＋０.３３５）＝４９.６（％）、Ｏ2＝０.３３５／（０.３３＋０.３３５）＝５０.４（％）である。これを図１におけるＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝５０.４（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（さ）で印し、次いで該点（さ）と点Ｙを線（し）で結ぶ。この線（し）は［ＣＯ2(49.6) ＋ Ｏ2(50.4）］の混合ガスとメタン（ＣＨ4）との組成配分を示す組成線である。
【００２５】
・次に、式（３）でのメタン（ＣＨ4）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣＨ4＝１／（１＋０.６６５）＝６０.０６（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝０.６６５／（１＋０.６６５）＝３９.９４（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣＨ4の組成線である線（し）上に点（す）として印す。
・しかるに、上記点（く）は、図１中に、先にこの３成分原料混合ガスの好適な組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニのほぼその線上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。即ち変成反応式（３）の反応における原料混合ガスの組成比ＣＨ4：ＣＯ2：Ｏ2＝１：０.３３：０.３３５は変成反応として極めて好適である。
・そして、生成される浸炭性雰囲気ガスの組成比は、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝１.３３：２と、これらの分圧が４０〜６０％の範囲の近い値を示してはいるが、前記した変成反応式（１）及び（２）の反応における分圧に比べて５０％よりかけ離れており、これら変成反応式（１）、（２）に比べて浸炭の反応速度が劣っていることを示している。
【００２６】
（ii）［プロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素］の爆発混合気外状態の組成の決定
図２はプロパン（Ｃ3Ｈ8）ー 二酸化炭素（ＣＯ2）ー 酸素（Ｏ2）の３成分混合ガスの組成図である。図中Ｘ点はＣＯ2が１００（％）、Ｙ点はＣ3Ｈ8が１００（％）、そしてＺ点はＯ2が１００（％）であることを示している。そして、ＸーＹ線はＣＯ2ーＣ3Ｈ8の２成分間の組成比を配分する組成線、ＹーＺ線はＣ3Ｈ8ーＯ2の２成分間の組成比を配分する組成線、更にＸーＺ線はＣＯ2ーＯ2の２成分間の組成比を配分する組成線をそれぞれ示している。
【００２７】
▲１▼この３成分混合ガスの爆発混合気状態の組成濃度範囲の特定
・ＹーＺ線（Ｃ3Ｈ8ーＯ2の組成線）上に、酸素とプロパンとの混合ガスにおける爆発下限組成濃度値Ａ（プロパン：２.３％）と、爆発上限組成濃度値Ｂ（プロパン：５５％）を前記表２に記した既知の数値より読み取り印す。
・ＸーＺ線（ＣＯ2ーＯ2の組成線）上に、空気の組成に相当する酸素濃度Ｐ（２０.８％）を印し、該Ｐ点とＹ点とを結び点線イを得る。該点線イは空気組成に相当する酸素濃度を有する（二酸化炭素＋酸素）の混合ガスとプロパンとの組成比を配分する（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ3Ｈ8の組成線を示すもので、Ｐ点は空気組成に相当する酸素濃度を有する（二酸化炭素＋酸素）の混合ガス１００（％）を示す。なお、窒素と二酸化炭素とは不活性なガスである点で共通し、酸素との共存での爆発範囲も共通するものとして、空気中の酸素濃度を二酸化炭素中の酸素濃度と置き換え可能として使用した。
・ＰーＹ線（点線イ）［（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ3Ｈ8の組成線］上に、空気中でのプロパンの爆発下限組成濃度値Ｑ（プロパン：２.２％）と爆発上限組成濃度値Ｒ（プロパン：９.５％）を前記表１に記した既知の数値より読み取って印す。
・前記ＹーＺ線（酸素ープロパン組成線）上のプロパンの爆発下限組成濃度値Ａ（プロパン：２.３％）、爆発上限組成濃度値Ｂ（プロパン：５５％）を、ＰーＹ線（点線イ）［（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ3Ｈ8の組成線］上のプロパンの爆発下限組成濃度値Ｑ（プロパン：２.２％）、爆発上限組成濃度値Ｒ（プロパン：９.５％）と、それぞれ下限組成濃度値同士Ａ−Ｑ、上限組成濃度値同士Ｂ−Ｒを線ロ及びハで結び、これらの線の延長上に交点Ｃを得る。
・上記作業で得られた、線ロはプロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素の３成分混合ガスの爆発下限組成線であり、又線ハは爆発上限組成線である。従って、三角形ＡＢＣで囲まれた領域が（プロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素）の３成分混合ガスの爆発混合気状態の濃度領域である。従って本発明の浸炭性雰囲気ガスを得るための原料混合ガス（プロパン ー二酸化炭素 ー 酸素）の組成は、前記図２での三角形ＡＢＣ外の領域の組成を有する混合ガスを使用することが好ましい。
【００２８】
▲２▼好適なプロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素の組成の算出
・従来のプロパンー二酸化炭素を原料混合ガスとして変成反応せしめる二酸化炭素添加法による、変成反応で得られる浸炭性雰囲気ガスの組成ＣＯ：Ｈ2が５０：５０に近い値が好ましい。これを前記表１と二酸化炭素の添加法の反応式から読み取ると、その理想発生浸炭性ガスの組成はＣＯ：Ｈ2＝６０：４０であり、その時の原料混合ガスの組成はＣ3Ｈ8：ＣＯ2＝２５：７５である。これを図２のＸーＹ線（ＣＯ2ーＣ3Ｈ8の組成線）上にＬ点で印す。
・次に同様にプロパンー酸素を原料混合ガスとして変成反応せしめる酸素添加法による、変成反応で得られる理想発生浸炭性雰囲気ガスの組成ＣＯ：Ｈ2が５０：５０に近い値は、表２から読み取ると、ＣＯ：Ｈ2＝４２.９：５７.１であり、その時の原料混合ガスの組成は表２及び前記酸素添加法の反応式よりＣ3Ｈ8：Ｏ2＝４０：６０である。これを図２のＹーＺ線上（Ｏ2ーＣ3Ｈ8の組成線）上にＭ点で印す。
・そして、前記点Ｌと点Ｍを一点鎖線ニで結ぶとこの線ニ上にある組成の原料混合ガスが、好適な組成の浸炭性雰囲気ガスとして得られるものであると共に、効率良く変成反応を行うことのできるプロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素の３成分の理想的な原料混合ガスとなる。ただし、図２での三角形ＡＢＣ内の領域の一点鎖線ニ上にある組成の原料ガスは、爆発混合気状態を形成するので、好ましくない。
なお、この領域はあくまで変成反応に好適な領域であって、本発明はこれに限定されるものでなく、図２中三角形ＡＢＣ外であれば、どこの領域の濃度範囲でも安全に使用可能であることは勿論である。
【００２９】
▲３▼具体的な好適なプロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素の組成の算出
所望するプロパン ー 二酸化炭素 ー 酸素原料混合ガスについて、前記プロパンを用いた場合の本発明の変成反応式（４）〜（６）による反応を用いて説明する。
（ｄ）変成反応式（４）の場合について
・変成反応で得られる浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝４／（４+４）＝５０.０（％）、Ｈ2＝４／（４＋４）＝５０.０（％）である。
【００３０】
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝１／（１＋１）＝５０.０（％）、Ｏ2＝１／（１＋１）＝５０.０（％）である。これを図２のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝５０.０（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（た）で印し、次いで該点（た）と点Ｙを線（ち）で結ぶ。この線（ち）は［ＣＯ2(50.0) ＋Ｏ2(50.0）］の混合ガスとプロパン（Ｃ3Ｈ8）との組成配分を示す組成線である。
・次に、式（４）でのプロパン（Ｃ3Ｈ8）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣ3Ｈ8＝１／（１＋２）＝３３.３（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝２／（１＋２）＝６６.７（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ3Ｈ8の組成線である線（ち）上に点（つ）として印す。
【００３１】
・しかるに、上記点（つ）は、図２中に、先にこの３成分の原料混合ガスの好適な理想的組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニ上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。しかし、この点（つ）は爆発混合気状態の組成領域に存在するので、使用することは好ましくない。
・即ち、変成応式（４）の反応における原料混合ガスの組成比Ｃ3Ｈ8：ＣＯ2：Ｏ2＝１：１：１は爆発混合気状態となるので、変成反応の原料混合ガスには適用し難いことを示している。
【００３２】
（ｅ）変成反応式（５）の場合について
・生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝４.２／（４.２+４）＝５１.２（％）、Ｈ2＝４／（４.２＋４）＝４８.８（％）である。
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの各組成は、ＣＯ2＝１.２／（１.２＋０.９）＝５７.１（％）、Ｏ2＝０.９／（１.２＋０.９）＝４２.９（％）である。これを図２のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝４２.９（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（な）で印し、次いで該点（な）と点Ｙを線（に）で結ぶ。この線（に）は［ＣＯ2(57.1) ＋ Ｏ2(42.9）］の混合ガスとプロパン（Ｃ3Ｈ8）との組成配分を示す組成線である。
【００３３】
・次に、式（５）でのプロパン（Ｃ3Ｈ8）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣ3Ｈ8＝１／（１＋２.１）＝３２.３（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝２.１／（１＋２.１）＝６７.７（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ3Ｈ8の組成線である線（に）上に点（ぬ）として印す。
・しかるに、上記点（ぬ）は、図２中に、先にこの３成分の原料混合ガスの好適な理想的組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニのほぼその線上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。即ち変成反応式（５）の反応における原料混合ガスの組成比Ｃ3Ｈ8：ＣＯ2：Ｏ2＝１：１.２：０.９は変成反応として極めて好適である。
・そして、生成される浸炭性雰囲気ガスの組成比は、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝４.２：４と、これらの分圧が５０％に近い４０〜６０％の範囲の値を示していて、好適な反応速度でもって浸炭が行なえることを示している。
その上、図２上の三角形ＡＢＣの領域外であるので、安全性についても問題はない。
【００３４】
（ｆ）変成反応式（６）の場合について
・生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝４.４／（４.４+４）＝５２.４（％）、Ｈ2＝４／（４.４＋４）＝４７.６（％）である。
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝１.４／（１.４＋０.８）＝６３.６（％）、Ｏ2＝０.８／（１.４＋０.８）＝３６.４（％）である。これを図２のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝３６.４（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（は）で印し、次いで該点（は）と点Ｙを線（ひ）で結ぶ。この線（ひ）は［ＣＯ2(63.6) ＋ Ｏ2(36.4）］の混合ガスとプロパン（Ｃ3Ｈ8）との組成配分を示す組成線である。
【００３５】
・次に、式（３）でのプロパン（Ｃ3Ｈ8）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣ3Ｈ8＝１／（１＋２.２）＝３１.３（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝２.２／（１＋２.２）＝６８.７（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ3Ｈ8の組成線である線（ひ）上に点（ふ）として印す。
・しかるに、上記点（ふ）は、図２中に、先にこの３成分の原料混合ガスの好適な理想的組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニのほぼその線上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。即ち変成反応式（６）の反応における原料混合ガスの組成比Ｃ3Ｈ8：ＣＯ2：Ｏ2＝１：１.４：０.８は変成反応として極めて好適である。
・そして、生成される浸炭性雰囲気ガスの組成比は、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝４.４：４と、これらの分圧が４０〜６０％の範囲の近い値を示していて、好適な反応速度でもって浸炭が行なえることを示している。
その上、図２上の三角形ＡＢＣの領域外であるので、安全性についても問題はない。
【００３６】
（iii）［プタン ー 二酸化炭素 ー 酸素］の爆発混合気外状態の組成の決定
図３はブタン（Ｃ4Ｈ10）ー 二酸化炭素（ＣＯ2）ー 酸素（Ｏ2）の３成分混合ガスの組成図である。図中Ｘ点はＣＯ2が１００（％）、Ｙ点はＣ4Ｈ10が１００（％）、そしてＺ点はＯ2が１００（％）であることを示している。そして、ＸーＹ線はＣＯ2ーＣ4Ｈ10の２成分間の組成比を配分する組成線、ＹーＺ線はＣ4Ｈ10ーＯ2の２成分間の組成比を配分する組成線、更にＸーＺ線はＣＯ2ーＯ2の２成分間の組成比を配分する組成線をそれぞれ示している。
【００３７】
▲１▼この３成分混合ガスの爆発混合気状態の組成濃度範囲の特定
・ＹーＺ線（Ｃ4Ｈ10ーＯ2の組成線）上に、酸素とブタンとの混合ガスにおける爆発下限組成濃度値Ａ（ブタン：１.８％）と、爆発上限組成濃度値Ｂ（ブタン：４９％）を前記表２に記した既知の数値より読み取って印す。
・ＸーＺ線（ＣＯ2ーＯ2の組成線）上に、空気の組成に相当する酸素濃度Ｐ（２０.８％）を印し、該Ｐ点とＹ点とを結び点線イを得る。該点線イは空気組成に相当する酸素濃度を有する（二酸化炭素＋酸素）の混合ガスとブタンとの組成比を配分する（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ4Ｈ10の組成線を示すもので、Ｐ点は空気組成に相当する酸素濃度を有する（二酸化炭素＋酸素）の混合ガス１００（％）を示す。なお、窒素と二酸化炭素とは不活性なガスである点で共通し、酸素との共存での爆発範囲も共通するものとして、空気中の酸素濃度を二酸化炭素中の酸素濃度と置き換え可能として使用した。
・ＰーＹ線（点線イ）［（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ4Ｈ10の組成線］上に、空気中でのブタンの爆発下限組成濃度値Ｑ（ブタン：１.９％）と上限組成濃度値Ｒ（ブタン：８.５％）を前記表１に記した既知の数値より読み取り印す。
・前記ＹーＺ線（酸素ーブタン組成線）上のブタンの爆発下限組成濃度値Ａ（ブタン：１.８％）、爆発上限組成濃度値Ｂ（ブタン：４９％）を、ＰーＹ線（点線イ）［（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ4Ｈ10の組成線］上のブタンの爆発下限組成濃度値Ｑ（ブタン：１.９％）、爆発上限組成濃度値Ｒ（ブタン：８.５％）と、それぞれ下限組成濃度値同士Ａ−Ｑ、上限組成濃度値同士Ｂ−Ｒを線ロ及びハで結び、これらの線の延長上に交点Ｃを得る。
・上記作業で得られた、線ロはブタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の３成分混合ガスの爆発下限組成線であり、又線ハは爆発上限組成線である。従って、三角形ＡＢＣで囲まれた領域が（ブタン ー 二酸化炭素 ー 酸素）の３成分混合ガスの爆発混合気状態の濃度領域である。従って本発明の浸炭性雰囲気ガスを得るための原料混合ガス（ブタンー 二酸化炭素 ー 酸素）の組成は、前記図３での三角形ＡＢＣ外の領域の組成を有する混合ガスを使用することが好ましい。
【００３８】
▲２▼好適なブタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の組成の算出
・従来のブタンー二酸化炭素を原料混合ガスとして変成反応せしめる二酸化炭素添加法における、変成反応で得られる浸炭性雰囲気ガスの組成ＣＯ：Ｈ2が５０：５０に近い値が好ましい。これを前記表１と二酸化炭素の添加法の反応式から読み取ると、その理想発生浸炭性ガスの組成はＣＯ：Ｈ2＝６１.５：３８.５であり、その時の原料混合ガスの組成はＣ4Ｈ10：ＣＯ2＝２０：８０である。これを図３のＸーＹ線（ＣＯ2ーＣ4Ｈ10の組成線）上にＬ点で印す。
・次に同様にブタンー酸素を原料混合ガスとして変成反応せしめる酸素添加法による、変成反応で得られる理想発生浸炭性雰囲気ガスの組成ＣＯ：Ｈ2が５０：５０に近い値は、前記表２から読み取ると、ＣＯ：Ｈ2＝４４.４：５５.６であり、その時の原料混合ガスの組成は表２及び前記酸素添加法の反応式よりＣ4Ｈ10：Ｏ2＝３３.３：６６.７である。これを図３のＹーＺ線上（Ｏ2ーＣ4Ｈ10の組成線）上にＭ点で印す。
・そして、前記点Ｌと点Ｍを一点鎖線ニで結ぶとこの線ニ上にある組成の原料混合ガスが、好適な組成の浸炭性雰囲気ガスとして得られるものであると共に、効率良く変成反応を行うことのできるブタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の３成分の理想的な原料混合ガスとなる。ただし、図３での三角形ＡＢＣ内の領域の一点鎖線ニ上にある組成の原料ガスは、爆発混合気状態を形成するので、好ましくない。
なお、この領域はあくまで変成反応に好適な領域であって、本発明はこれに限定されるものでなく、図３中三角形ＡＢＣ外であればどこの領域の濃度範囲でも安全に使用可能であることは勿論である。
【００３９】
▲３▼具体的な好適なブタン ー 二酸化炭素 ー 酸素の組成の算出
所望するブタン ー 二酸化炭素 ー 酸素原料混合ガスについて、前記ブタンを用いた場合の本発明の変成反応式（７）〜（９）による反応を用いて説明する。
（ｇ）変成反応式（７）の場合について
・変成反応で得られる浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝５／（５+５）＝５０.０（％）、Ｈ2＝５／（５＋５）＝５０.０（％）である。
【００４０】
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの各組成は、ＣＯ2＝１／（１＋１.５）＝４０.０（％）、Ｏ2＝１.５／（１＋１.５）＝６０.０（％）である。これを図３のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝６０.０（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（ま）で印し、次いで該点（ま）と点Ｙを線（み）で結ぶ。この線（み）は［ＣＯ2(40.0) ＋ Ｏ2(60.0）］の混合ガスとブタン（Ｃ4Ｈ10）との組成配分を示す組成線である。
・次に、式（７）でのブタン（Ｃ4Ｈ10）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣ4Ｈ10＝１／（１＋２.５）＝２８.６（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝２.５／（１＋２.５）＝７１.４（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ4Ｈ10の組成線である線（み）上に点（む）として印す。
【００４１】
・しかるに、上記点（む）は、図３中に、先にこの３成分の原料混合ガスの好適な理想的組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニ上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。しかしながら、この点（む）は爆発混合気状態の組成領域に存在するので、使用することは好ましくない。
・即ち、変成反応式（７）の反応によって生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝５：５と、これらの分圧が５０％の値を示していて、好適な反応速度でもって浸炭が行なえるが、変成反応式（７）の反応における原料混合ガスの組成比Ｃ4Ｈ10：ＣＯ2：Ｏ2＝１：１：１.５は爆発混合気状態になるので、変成反応の原料混合ガスには適用し難いことを示している。
【００４２】
（ｈ）変成反応式（８）の場合について
・生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝５.４／（５.４+５）＝５１.９（％）、Ｈ2＝５／（５.４＋５）＝４８.１（％）である。
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝１.４／（１.４＋１.３）＝５１.９（％）、Ｏ2＝１.３／（１.４＋１.３）＝４８.１（％）である。これを図３のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝４８.１（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（や）で印し、次いで該点（や）と点Ｙを線（ゆ）で結ぶ。この線（ゆ）は［ＣＯ2(51.9) ＋ Ｏ2(48.1）］の混合ガスとブタン（Ｃ4Ｈ10）との組成配分を示す組成線である。
【００４３】
・次に、式（８）でのブタン（Ｃ4Ｈ10）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣ4Ｈ10＝１／（１＋２.７）＝２７.０（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝２.７／（１＋２.７）＝７３.０（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ4Ｈ10の組成線である線（ゆ）上に点（よ）として印す。
・しかるに、上記点（よ）は、図３中に、先にこの３成分の原料混合ガスの好適な理想的組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニのほぼその線上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。しかし、この点（よ）は爆発混合気状態の組成領域に存在するので、使用することは好ましくない。
・即ち、変成反応式（８）の反応によって生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝５.４：５と、これらの分圧が５０％に近い値を示していて、好適な反応速度でもってを浸炭が行なえるが、変成反応式（８）の反応における原料混合ガスの組成比Ｃ4Ｈ10：ＣＯ2：Ｏ2＝１：１.４：１.３は爆発混合気状態になるので、変成反応の原料混合ガスには適用し難いことを示している。
【００４４】
（ｊ）変成反応式（９）の場合について
・生成される浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝５.８／（５.８+５）＝５３.７（％）、Ｈ2＝５／（５.８＋５）＝４６.３（％）である。
・変成反応せしめる原料混合ガスは、先ず（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスの組成はＣＯ2＝１.８／（１.８＋１.１）＝６２.１（％）、Ｏ2＝１.１／（１.８＋１.１）＝３７.９（％）である。これを図３のＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上にＯ2＝３７.９（％）として定め、これをＸーＺ線（ＣＯ2 ー Ｏ2の組成線）上に点（ら）で印し、次いで該点（ら）と点Ｙを線（り）で結ぶ。この線（り）は［ＣＯ2(62.1) ＋ Ｏ2(37.9）］の混合ガスとブタン（Ｃ4Ｈ10）との組成配分を示す組成線である。
【００４５】
・次に、式（９）でのブタン（Ｃ4Ｈ10）と（ＣＯ2＋Ｏ2）混合ガスとの組成はＣ4Ｈ10＝１／（１＋２.９）＝２５.６（％）、（ＣＯ2＋Ｏ2）＝２.９／（１＋２.９）＝７４.４（％）である。この値を前記（ＣＯ2＋Ｏ2）ーＣ4Ｈ10の組成線である線（り）上に点（る）として印す。
・しかるに、上記点（る）は、図３中に、先にこの３成分の原料混合ガスの好適な理想的組成線として線引きしたＬーＭを結ぶ線ニのほぼその線上に位置し、変成反応に使用するのに適した原料混合ガスであることを示している。即ち変成反応式（９）の反応における原料混合ガスの組成比Ｃ4Ｈ10：ＣＯ2：Ｏ2＝１：１.８：１.１は変成反応として極めて好適である。
・そして、生成される浸炭性雰囲気ガスの組成比は、前記した如くＣＯ：Ｈ2＝５.８：５と、これらの分圧は５０％の値に近い４０〜６０％の範囲の値を示していて、好適な反応速度でもって浸炭が行なえることを示している。
【００４６】
以上、本発明の浸炭性雰囲気ガスの製造に係る、前記炭化水素の変成反応式（１）乃至（９）の、・それぞれの原料混合ガス組成の図１乃至図３の図中の位置と爆発混合気状態有無、・変成反応により生成される浸炭性雰囲気ガスの理想的発生状態の組成、・組成の分圧積（ＰCO×ＰH2）、・反応エネルギー等について、表３にまとめて表示する。
【００４７】
【表３】
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【００４８】
上記した表３より、本発明の変成反応により生成される浸炭性雰囲気ガスは、その組成分圧の積（ＰCO×ＰH2）が最大の０．２５０に近い値となる高濃度な一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ2）とを含む組成よりなり、それ故浸炭処理の時間が短縮し得て、作業効率を向上せしむ得る浸炭性雰囲気ガスとして有効に活用することが出来る。そして、それを生成するための原料混合ガスが爆発混合気を状態を形成しないような原料混合ガス組成として適用できる変成反応は、変成反応式（３）、（５）、（６）、及び（９）に示された反応であることが容易に判断され理解することができる。
【００４９】
なお、炭化水素ー二酸化炭素ー酸素の原料混合ガスの製造にあたっては、最初から炭化水素と酸素とを混合することをせずに、先ず最初に二酸化炭素ー酸素、又は、二酸化炭素ー炭化水素の混合ガスを形成するようにして、最後に二酸化炭素の存在下で、炭化水素と酸素とを混合せしめることが、混合作業を安全に遂行するために必要である。
又、この原料混合ガスの形成に当って、使用する酸素としては、経済性と取扱いの簡便性から、空気の吸着分離法や膜式分離法による酸素発生装置よりの酸素を使用するとよい。これにより、炭化水素に高価な二酸化炭素のみを使用して原料混合ガスとする二酸化炭素添加法に比べて原料混合ガスの価格が安価となり、更には、浸炭処理費用も低減され安価となる。
【００５０】
更に、本発明の製造方法で得られる浸炭性雰囲気ガスは、前記した通り一酸化炭素と水素が略５０％づつの拮抗した高濃度であるので、従来の空気添加法で得られる浸炭性雰囲気ガスでの浸炭処理では、濃度が薄くてガスの置換が不充分で、浸炭が困難であった被処理品の溝や、穴部の内面でも、均一に浸炭処理が可能となる。
又、本発明の製造方法で得られた浸炭性雰囲気ガスを、処理温度を約１１００℃の高い温度の高温度浸炭に使用するとにより、尚一層浸炭処理時間を短縮せしめることが可能となったり、浸炭深さを深くすることもできる。
【００５１】
【実施例】
次に、実施例として本発明の浸炭性雰囲気ガスの製造と、これで得られた浸炭性雰囲気ガスをを使用して鋼を浸炭処理した場合の浸炭時間について、具体的な例を例示して説明する。又、本発明の浸炭性雰囲気ガスの浸炭効果を評価するため従来の空気添加法、二酸化炭素添加法、及び酸素添加のそれぞれで得られた浸炭性雰囲気ガスを使用した場合の同様な処理状態にするまでの浸炭時間について比較例として試験した。
なお、浸炭処理に供した鋼材はＳＣＭ４２０Ｈの棒状鋼材を使用し、浸炭温度９３０℃の浸炭性ガス雰囲気下で浸炭処理し、有効浸炭深さ１.２ｍｍに到るまでの時間を測定した。
【００５２】
［実施例１］
純メタンと二酸化炭素と酸素の混合ガス（ＣＨ4＝６０.０％、ＣＯ2＝２０.０％、Ｏ2＝２０.０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記反応式（３）に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝４０.０％、Ｈ2＝５９.７％、ＣＯ2＝０.１、Ｈ2Ｏ＝０.１４％、ＣＨ4＝０.０６％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに８５ｍｉｎの時間を要した。
【００５３】
［実施例２］
純プロパンと二酸化炭素と酸素の混合ガス（Ｃ3Ｈ8＝３１.０％、ＣＯ2＝４４.０％、Ｏ2＝２５.０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記反応式（６）に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝５２.３％、Ｈ2＝４７.２％、ＣＯ2＝０.１５％、Ｈ2Ｏ＝０.３％、ＣＨ4＝０.０５％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに８１ｍｉｎの時間を要した。
【００５４】
［実施例３］
純ブタンと二酸化炭素と酸素の混合ガス（Ｃ4Ｈ10＝２６.０％、ＣＯ2＝４６.０％、Ｏ2＝２８.０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記反応式（９）に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝５３.６％、Ｈ2＝４５.９％、ＣＯ2＝０.１５％、Ｈ2Ｏ＝０.３％、ＣＨ4＝０.０５％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに８１ｍｉｎの時間を要した。
【００５５】
［比較例１−１］
純メタンを従来の空気添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（ＣＨ4＝２９％、空気＝７１％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記空気添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝２０.４％、Ｈ2＝４０.７％、Ｎ2＝３８.８、Ｈ2Ｏ＝０.０５％、ＣＨ4＝０.０５％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに１９０ｍｉｎの時間を要した。
【００５６】
［比較例１−２］
純メタンを従来の二酸化炭素添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（ＣＨ4＝５０％、ＣＯ2＝５０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記二酸化炭素添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝５０.０％、Ｈ2＝４９.８％、Ｈ2Ｏ＝０.１％、ＣＨ4＝０.１％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに８０ｍｉｎの時間を要した。
【００５７】
［比較例１−３］
純メタンを従来の酸素添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（ＣＨ4＝６７.０％、Ｏ2＝３３.０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記酸素添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝３３.３％、Ｈ2＝６６.４％、Ｈ2Ｏ＝０.１５％、ＣＨ4＝０.１５％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに９０ｍｉｎの時間を要した。
【００５８】
［比較例２−１］
純プロパンを従来の空気添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（Ｃ3Ｈ8＝１２.０％、空気＝８８.０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記空気添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝２３.６％、Ｈ2＝３１.４％、Ｎ2＝４４.９、Ｈ2Ｏ＝０.０５％、ＣＨ4＝０.０５％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに１６０ｍｉｎの時間を要した。
【００５９】
［比較例２−２］
純プロパンを従来の二酸化炭素添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（Ｃ3Ｈ8＝２５％、ＣＯ2＝７５％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記二酸化炭素添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝６０.０％、Ｈ2＝３９.８％、Ｈ2Ｏ＝０.０９％、ＣＨ4＝０.０９％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに８５ｍｉｎの時間を要した。
【００６０】
［比較例３−１］
純ブタンを従来の空気添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（Ｃ4Ｈ10＝９.５％、空気＝９０.５％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記空気添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝２３.６％、Ｈ2＝２９.６％、Ｎ2＝４６.７％、Ｈ2Ｏ＝０.０４％、ＣＨ4＝０.０４％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに１６０ｍｉｎの時間を要した。
【００６１】
［比較例３−２］
純ブタンを従来の二酸化炭素添加法による変成反応式に基き、原料混合ガス（Ｃ4Ｈ10＝２０％、ＣＯ2＝８０％）を１１００℃の温度に加熱したニッケル触媒に通して前記二酸化炭素添加法の反応式に沿った変成反応を行なった。その結果生成された浸炭性雰囲気ガスの組成は、ＣＯ＝６２.０％、Ｈ2＝３７.８％、Ｈ2Ｏ＝０.０９％、ＣＨ4＝０.０９％になった。
この生成された浸炭性雰囲気ガス中で前記鋼材ＳＣＭ４２０Ｈを９３０℃の温度に加熱して浸炭処理したところ、１.２ｍｍの有効浸炭深さに達するのに８７ｍｉｎの時間を要した。
【００６２】
なお、プロパン、ブタンを使用する酸素添加法による変成反応は、プロパン＋酸素、ブタン＋酸素のそれぞれの混合ガスが爆発混合気状態を形成することにより、これによる実験を行なわなかった。
以上の実施例と比較例の結果を表４にまとめて表示する。
【００６３】
【表４】
0004155658.tif 000005
【００６４】
表４で明らかなように、本発明の製造方法により得られた浸炭性雰囲気ガスでの浸炭処理では、従来の空気添加法により製造される浸炭性ガスによる浸炭処理に比べて、約１／２以下の処理速度で浸炭処理を行なうことができ、作業効率が格段に改善される。その上、この浸炭性ガス生成のための反応が、メタンを除いては二酸化炭素添加法による反応で見られる吸熱反応ではなく、多くは発熱反応であるので、変成反応を促進するための熱量も、二酸化炭素添加法より大幅に低減することができる。
なお、上記実施例では炭化水素として、メタン、プロパン、ブタンを例示して説明したが、本発明はこれらの炭化水素のみに限定されるもので無く、その他のいかなる炭化水素をも適用することは勿論であり、そして同様に作用効果を奏するものである。なお又、上記実施例では変成反応を高温度下で触媒を使用して行なったが、単に、高温度の環境下でも変成反応を行なうこともできるし、触媒のみでの接触でも変成反応を行なわせることができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の浸炭性雰囲気ガスの製造方法では、炭化水素に二酸化炭素と酸素とを混合したガスを原料混合ガスとして変成反応せしめて浸炭性雰囲気ガスを得るので、高濃度、特に３５〜６５容量％の範囲の高い濃度の一酸化炭素と水素を含む変成ガス（浸炭性雰囲気ガス）が得られる。
【００６６】
そして、上記原料混合ガスは、爆発混合気状態範囲外の組成として混合すると共に、混合に当っては二酸化炭素存在下で炭化水素と酸素を共存せしめて混合するようすれば、安全性を確保して浸炭性雰囲気ガスを製造することが出来る。
また、この原料混合ガスの混合に当って、使用する酸素としては、空気の吸着分離法や膜式分離法による酸素発生装置よりの酸素を使用するものでは、経済的に有利となると共に、酸素不足を懸念することなく適時に製造・処理運転ができて浸炭処理作業が簡便となる。
【００６７】
又、この方法で得られた浸炭性雰囲気ガスを用いて浸炭処理すると、浸炭処理時間が大幅に短縮できて、作業効率を極めて著しく向上せしめると共に、微細な溝や孔等の隠蔽部をも均一に浸炭処理することができる。
更に、本発明の製造方法で得られた浸炭性雰囲気ガスを、処理温度を約１１００℃である高温度浸炭に使用するとにより、尚一層浸炭処理時間を短縮せしめることが可能となったり、浸炭深さを深くすることもできる。
【００６８】
しかも、本発明の製造方法では、変成反応を促進するのに要するエネルギーが、従来の二酸化炭素添加法による変成反応に比べて大幅に低減出来、しかも高価な二酸化炭素のみを使用することなく安価な酸素を一部代替使用することと相俟って、浸炭性雰囲気ガスの製造価格が安価になると共に、浸炭処理費用も低減することが出来、経済的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  メタン（ＣＨ4）ー 二酸化炭素（ＣＯ2）ー 酸素（Ｏ2）の３成分混合ガスの組成図である。
【図２】  プロパン（Ｃ3Ｈ8）ー 二酸化炭素（ＣＯ2）ー 酸素（Ｏ2）の３成分混合ガスの組成図である。
【図３】  ブタン（Ｃ4Ｈ10）ー 二酸化炭素（ＣＯ2）ー 酸素（Ｏ2）の３成分混合ガスの組成図である。
【符号の説明】
Ｘ…二酸化炭素１００％表示点、  Ｚ…酸素１００％表示点、
Ｙ…炭化水素（メタン、プロパン、ブタンのいずれか１つ）１００％表示点、
Ａ…炭化水素ー酸素混合ガスの爆発下限組成濃度値点、
Ｂ…炭化水素ー酸素混合ガスの爆発上限組成濃度値点、
Ｐ…二酸化炭素ー酸素混合ガスの空気中酸素組成相当値点、
Ｑ…炭化水素ー（二酸化炭素＋空気中酸素組成相当酸素）混合ガスの爆発下限組成濃度値点、
Ｒ…炭化水素ー（二酸化炭素＋空気中酸素組成相当酸素）混合ガスの爆発上限組成濃度値点、
Ｌ…炭化水素の二酸化炭素添加法による変成反応の炭化水素と二酸化炭素のモル濃度値点、
Ｍ…炭化水素の酸素添加法による変成反応の炭化水素と酸素のモル濃度値点、
イ…炭化水素ー（二酸化炭素＋空気中酸素組成相当酸素）混合ガスの組成線、
ロ…炭化水素ー二酸化炭素ー酸素３成分混合ガスの爆発下限組成線、
ハ…炭化水素ー二酸化炭素ー酸素３成分混合ガスの爆発上限組成線、
ニ…本発明の炭化水素ー二酸化炭素ー酸素３成分混合ガスの変成反応の理想的混合ガス組成線
【図１】
0004155658.tif 000006
【図２】
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【図３】
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