(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉殻と、炉内加熱用ヒーターと、炉内のＣＯ分圧測定手段と、炉内のカーボンポテンシャル演算手段と、炉内にブタンガス及び酸化性ガスを導入する手段と、これらブタンガス及び酸化性ガスの炉内に対する導入量を制御する手段とより成り、上記酸化性ガスの制御する手段が、炉内のＣＯ分圧が３０％に達したとき上記酸化性ガスの供給を停止する手段であることを特徴とする熱処理炉の雰囲気制御装置。
【請求項２】
炉殻と、炉内加熱用ヒーターと、炉内のＣＯ分圧測定手段と、炉内のカーボンポテンシャル演算手段と、炉内にブタンガス及び酸化性ガスを導入する手段と、これらブタンガス及び酸化性ガスの炉内に対する導入量を制御する手段とより成り、上記酸化性ガスの制御する手段が、炉内のＣＯ分圧が２８．５〜３１．５％の範囲の設定値に達したとき上記酸化性ガスの供給を停止する手段であることを特徴とする熱処理炉の雰囲気制御装置。
【請求項３】
上記酸化性ガスの制御する手段が、上記酸化性ガスの供給を停止した後に、炉内のカーボンポテンシャルが設定値に達するように、上記ブタンガスの供給量を制御する手段であることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理炉の雰囲気制御装置。
【請求項４】
更に、炉内の酸素分圧及び、ＣＨ4 分圧測定手段を有することを特徴とする請求項１、２または３記載の熱処理炉の雰囲気制御装置。
【請求項５】
上記酸化性ガスが空気或いはＣＯ2 ガスであることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の熱処理炉の雰囲気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理炉の雰囲気制御方法及び装置特に、ガス浸炭、ガス浸炭窒化、光輝雰囲気熱処理等を行なう熱処理炉の雰囲気制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガス浸炭等の熱処理方法としては炭化水素系ガスと空気とを混合させ吸熱型変成ガス発生炉を用いて変成したガス（以下、エンドサーミックガスという。）を炉内に供給し、所定のカーボンポテンシャルを得るために炭化水素系ガス（以下、エンリッチガスという。）を添加する方法が多く採用されてきた。しかしながら近年、省エネルギーの観点から、特開昭６１−１５９５６７号公報ならびに特開平４−６３２６０号公報等に示されているごとく、炉内に炭化水素系ガスと酸化性ガスとを直接導入することにより変成ガス発生炉を必要とせずに、浸炭を行なう直接浸炭法が除々に採用される傾向にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６１−１５９５６７号公報による方法においては炉内に添加する酸化性ガスは酸素であり、ＣＯ分圧は炭化水素系ガスにＣＨ4 を用いた場合２９％程度、Ｃ4 Ｈ10の場合３８％程度、特開平４−６３２６０号公報ではＣＯ2 を用い炭化水素系ガスとしてブタンを用いた場合雰囲気のＣＯ分圧を４０％前後と従来法に比較して高くしているので、浸炭時間を従来法に比較して大きく短縮することはできるが、ＣＯ分圧が従来法に比較して高いことにより、処理物の粒界酸化が増大する。
【０００４】
また、一般に処理物の装入装出の際に炉内に多量の空気が混入することにより炉内雰囲気のＣＯ分圧は変動する。特開平４−６３２６０号公報の方法ではそれにもかかわらず、雰囲気のカーボンポテンシャルの値が一定となるように炭化水素系ガスの供給量の調節を行なっているが実際の作業においては荷姿（処理重量や表面積）の変化により、雰囲気の変動が大きく、カーボンポテンシャルの変動も大きくなり、鋼の表面炭素濃度のバラツキが大きくなる。
【０００５】
また、直接浸炭法での浸炭速度は、浸炭期と拡散期の影響を強く受ける。前者は、炭化水素系ガス等（原料ガス）の直接分解が浸炭への主効果であり、後者はＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応が主体となる。従って、前者の炭化水素系ガス等の炉内への直接導入では、添加量と雰囲気の温度とによって（勿論装入された処理物の荷姿によっても）、その分解程度が異なる。その結果、炭化水素系ガス等が浸炭に必要とする以上に添加されススとなって炉内に推積したり、処理物がスーティングするという不具合があった。
【０００６】
また、上述したスーティング範囲に入っていることを知らずに操業した場合には、酸素センサーの寿命を短くするという不具合もあった。
【０００７】
本発明の目的は上記従来の欠点を除くようにしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱処理炉の雰囲気制御装置は、炉殻と、炉内加熱用ヒーターと、炉内のＣＯ分圧測定手段と、炉内のカーボンポテンシャル演算手段と、炉内にブタンガス及び酸化性ガスを導入する手段と、これらブタンガス及び酸化性ガスの炉内に対する導入量を制御する手段とより成り、上記酸化性ガスの制御する手段が、炉内のＣＯ分圧が３０％、または２８．５〜３１．５％の範囲の設定値に達したとき上記酸化性ガスの供給を停止する手段であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の熱処理炉の雰囲気制御装置において、上記酸化性ガスの制御する手段が、上記酸化性ガスの供給を停止した後に、炉内のカーボンポテンシャルが設定値に達するように、上記ブタンガスの供給量を制御する手段であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の熱処理炉の雰囲気制御装置においては、更に、炉内の酸素分圧及び、ＣＨ4 分圧測定手段を有することを特徴とする。
【００１３】
上記酸化性ガスは、空気或いはＣＯ2 ガスである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００１５】
図１は本発明の熱処理炉の雰囲気制御装置の説明図を示す。
【００１６】
図１において、１は炉殻、２はこの炉殻１を形成する耐熱レンガ、３は雰囲気攪拌用ファン、４は加熱用ヒーター、５は炉内温度制御のための熱電対、６は例えば炉内直接挿入型ジルコニア式固体電解質酸素分圧測定用センサー、７はＣＯ2 分圧測定用管、８はＣＨ4 分圧測定用管、９はＣＯ分圧分析装置、１０はＣＨ4 分圧分析装置、１１は炉内に導入される炭化水素系ガスの供給パイプ、１２はその調節バルブ、１３は炉内に導入酸化性ガスの供給パイプ、１４はその調節バルブ、１５はカーボンポテンシャル演算装置、１６は上記調節バルブ１２、１４に調節信号を送る調節計である。
【００１７】
図２はカーボンポテンシャルの相違による浸炭時間と浸炭深さとの関係を示したもので、浸炭中のカーボンポテンシャルが高いと、低い場合に比較して、短い時間で浸炭を終了させることができることは既に知られているが、Ｆｅ−Ｃ系平衡状態図においては、図２中に斜線で示したようにスーティング域に入ると実操業に適さないことも知られている。
【００１８】
カーボンポテンシャルを高くするためには、エンリッチガス（炭化水素系ガス）を多量に添加するとよい。エンリッチガス添加後の時間経過を見ると、図３に示す様に装入重量を１５０Ｋｇ一定として、Ｃ4 Ｈ10ガス使用の場合、Ａ（流量２．５リットル／ｍｉｎ）、Ｂ（１．４リットル／ｍｉｎ）、Ｃ（１．０リットル／ｍｉｎ）の何れも浸炭時間ｔの経過につれて残留ＣＨ4 量は減少の後増加に転じ、処理物はスーティングを発生する。一方、Ｄ（０．５リットル／ｍｉｎ）の場合ほぼ一定の残留ＣＨ4 量になり、スーティングは発生しない。この相違は、Ａ（２．５リットル／ｍｉｎ）、Ｂ（１．４リットル／ｍｉｎ）、Ｃ（１．０リットル／ｍｉｎ）の場合は添加量が多いことにより、鋼が炭素を吸収し切れずに、未分解のＣＨ4 が増加するためであり、一方、Ｄ（０．５リットル／ｍｉｎ）は鋼が炭素を吸収することができるためである。従って残留ＣＨ4 量を分析し、その値を制御することは即ちスーティングを防止することになる。
【００１９】
また、Ｆｅ−Ｃ系平衡状態図において、温度が決まれば最大炭素固溶量は一定であるためその値に相当する酸素分圧を測定することによってスーティングを防止することができる。
【００２０】
図４に示されるように浸炭速度は炭素移行係数βに応じて変化し、浸炭炉気中のＣＯ分圧が５０％の場合に炭素移行係数βは最大となる。一方ＣＯ分圧の増大は、炉中のＯ2 分圧を増大させることにもなる。また表面よりの粒界酸化層深さとＣＯ分圧（ＣＯ分圧はＯ2 分圧に比例する）との関係は図５に示す通りとなる。
【００２１】
材料強度に及ぼす粒界酸化層の深さの影響は、一般に１３．５μｍが限界であることが知られている。したがって、粒界酸化層１３．５μｍとＣＯ分圧との交点より最適ＣＯ分圧が決定される。その値は炭化水素系ガスがブタンの場合約３０％ＣＯであり、本発明においては炉内のＣＯ分圧が約３０％に達したときこれをＣＯ分析装置９の分析結果より判断し上記酸化性ガスの調節バルブ１４を閉じるようにする。
【００２２】
なお図６の実験結果より明らかなようにＣＨ4 およびＣＯ2 は化学量論的に１：１で反応するため、バルブ１４の開度は、炭化水素系ガスがブタンの場合約３０％ＣＯを中心に変化出来るように調節するが、実際は処理物が持ち込むＯ2 量あるいは炉体の機密性からくる漏洩空気量もあり、必ずしもＣＯ2 ／ＣＨ4 の比が１：１とはならない。従って各バルブ１２および１４はＣＯ分圧測定結果により開閉制御せしめる。また、酸化性ガスの流量を一定にし、炭化水素系ガスの流量を制御しても同様の効果が得られる。
【００２３】
上記のようにＣＯを約３０％一定に制御した場合カーボンポテンシャル方程式は、〈Ｃ〉＋Ｏ2 ／２→ＣＯより平衡恒数をＫｐ、カーボンポテンシャル（活量）をａc 、酸素分圧をＰＯ2 とすれば、式（１）
【００２４】
ａc ＝ＣＯ／Ｋｐ・ＰＯ2 1/2 −−−（１）
【００２５】
と示され、温度一定、ＣＯ一定であればＫｐも一定であり、カーボンポテンシャルａc は酸素分圧をＰＯ2 とすればＰＯ2 1/2 の関数で表される。目標のカーボンポテンシャルを得るためには、酸素起電力の値が目標の値未満の場合は炭化水素系ガスのバルブ１２を開くようにする。また、目標の値を越える場合はバルブ１２を閉じるようにする。
【００２６】
上記式（１）にＣＯ分析結果を代入してＣＯおよびＯ2 を演算すればカーボンポテンシャルを知ることもできる。
【００２７】
温度が変動した場合は、温度調節であるＫｐ（例えば、ｌｏｇＫｐ＝５８４０．６／Ｔ＋４．５８３により計算される）の変化を自動的に計算して、式（１）に代入して演算を行なう。
【００２８】
（実施例１）
【００２９】
バッチ型炉を用い、１５０Ｋｇの処理物を装入し、炭化水素系ガスとしてＣ4 Ｈ10ガスを、酸化性ガスとしてＣＯ2 ガスを用いて９３０℃で４時間の浸炭作業を行なった。操業中のＣＯ分圧、処理物の表面炭素量ならびに浸炭深さについて、従来の特開昭６１−１５９５６７号公報ならびに特開平４−６３２６０号公報等の方法と本発明との相違を調査した。その結果は図７に示す通りである。即ち、従来方法では炭化水素系ガスがブタンの場合ＣＯ％に対応するＣＯ変動は２３〜４０％であるのに対して本発明によれば炭化水素系ガスがブタンの場合３０％の目標に対して２８．５〜３１．５％（３０％±１．５％）に制御することができる。また、従来方法では表面炭素量の変動は目標設定の表面炭素量１．２０％に対し０．７〜１．７０％であるのに対して本発明によれば１．１０から１．３０％の範囲に制御することができ、そのバラツキが少なくなる。
【００３０】
同じく、浸炭深さの目標値０．７ｍｍに対する深さの変動を０．５５〜０．８５ｍｍから０．６〜０．８ｍｍに改良するこができる。
【００３１】
上記結果を得るに至った、添加ガスの時間経過による変化とＣＯ分圧の時間経過とを示すと図８の通りとなる。なおバルブ１２および１４を通過するＣ4 Ｈ10ガスとＣＯ2 ガスの最大流量はそれぞれ２．５リットル／ｍｉｎとした。昇温近辺においてはＣ4 Ｈ10およびＣＯ2 は、この場合に設置された最大量を流すことになるが、ＣＯの分析結果によりただちにバルブ１２および１４を閉じる方向に作動し、その結果、ＣＯも３０％±１．５０％の精度で制御されたことが理解できる。
【００３２】
なお、図３に示した様に、１．０リットル／ｍｉｎ以上の炭化水素系ガスとしてのブタンの添加の場合は時間の経過につれて、ＣＨ4 量が増大し、これは、残留ＣＨ4 が未分解として炉内に蓄積されることであり、スーティングが増大することになる。
【００３３】
従って、図８から明らかなように９３０℃に達した時、炭化水素系ガスとしてのブタンの場合の添加量が２．５リットル／ｍｉｎの場合にはスーティングが生じてしまう量であるが、本発明方法によれば次第に添加量が減少しスーティングが防止される。
【００３４】
本発明においては装入重量を（１５０Ｋｇ÷２）〜（１５０Ｋｇ×２）まで変動させ、かつ、重量一定とし、表面積を１／２に減少させた場合、および６倍に増加させた場合についてテストしたが、炭化水素系ガスとしてブタンの場合で雰囲気のＣＯ変動は図８に示す様に３０±１．５０％ＣＯに制御することができた。
【００３５】
（実施例２）
【００３６】
図９は、炭化水素系ガスとしてブタンの場合で従来一般的に行なわれているエンドサーミックガス（ＣＯ：約２３％）を用いた浸炭と本発明による（ＣＯ：約３０％）浸炭の断面における顕微鏡組織を示し、写真左側はエンドサーミックガスによるものであり、右は本発明によるものである。いずれの写真においても左側は表面を示し、粒界酸化のあることを示している。しかし、二者の比較において、いずれも粒界酸化１０μｍ程度であり、両者に大差はない。即ち、ＣＯが約３０％に制御されたことにより、粒界酸化はあまり増大しない。
【００３７】
（実施例３）
【００３８】
図１０は、１５０Ｋｇの処理物を９３０℃にて浸炭した場合の浸炭深さに及ぼす従来方法と本発明方法との相違を示す。これより、エンドサーミックガスの場合に比較して、本発明のものは一定時間の浸炭において約１９％深く浸炭されることがわかる。従って一定深さの浸炭の場合は、浸炭時間を従来方法と比較して短縮することができる。
【００３９】
（実施例４）
【００４０】
図１１はＣ4 Ｈ10ガスとＣＯ2 ガスとを使用した本発明によるものと、エンドサーミックガスの原料ガスとエンリッチガスとしてＣ4 Ｈ10ガスを使用した従来のエンドサーミック法により、処理温度９３０℃、カーボンポテンシャルを１．０％一定として、有効硬化層深さ（０．４％Ｃに相当）１ｍｍの浸炭処理を行なった場合の使用ガス量の比較を示す。この結果、本発明による方法にて浸炭処理を行なった場合従来のエンドサーミックガス法にて浸炭処理を行なった場合に比較して、有効硬化層深さ１ｍｍを得るために使用するＣ4 Ｈ10ガス量は６９％削減できた。
【００４１】
上記炭化水素系ガスとしては、炭素原子を含む液体、例えばアルコールや、気体、例えばアセチレン、メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素を主成分とするガス好ましくは、メタン、プロパン或いはブタンガスを用いる。
【００４２】
また、酸化性ガスとしては、空気或いはＣＯ2 ガスを用いる。
【００４３】
なお、本発明においては更にＣＨ4 分析装置１０の分析結果より、ＣＨ4 の値が下降から上昇に転じたとき調節バルブ１２を閉じ、炭化水素系ガスＣX ＨY の流入を止め、残留ＣＨ4 量が増加しない様に制御することによってスーティングを防止することができる。
【００４４】
また、本発明においては、酸素分圧測定用センサー６の起電力を測定することによって酸素分圧を測定し、酸素分圧が設定値に達したとき調節バルブ１２を閉じることによってもスーティングを防止できる。
【００４５】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、ガス浸炭、ガス浸炭窒化、光輝熱処理等の雰囲気熱処理において、雰囲気のＣＯ分圧を一定にするための炭化水素系ガス等と酸化性ガスとの添加量を制御することによって、処理物の荷姿（重量・表面積）の変化や空炉保持時間変化の影響をなくし、カーボンポテンシャルを一定として処理物の品質の安定化を計ることができる。
【００４６】
また、雰囲気のＣＨ4 分圧および酸素分圧に対応して炭化水素系ガス等の添加量を制御することにより、スーティングを未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明熱処理炉の雰囲気制御装置の説明図である。
【図２】  カーボンポテンシャルの相違による浸炭深さに及ぼす浸炭時間の影響を示す線図である。
【図３】  エンリッチガス添加量の相違による残留ＣＨ4 量と浸炭時間との関係を示す線図である。
【図４】  炭素移行係数に及ぼすＣＯ＋Ｈ2 ガス成分の影響を示す線図である。
【図５】  粒界酸化層深さに及ぼすＣＯ％の影響を示す線図である。
【図６】  ＣＯ％とＣＯ2 ／ＣＨ4 との関係を示す線図である。
【図７】  ＣＯ％の変動、表面炭素量の変動、浸炭深さの変動について、従来法と本発明との比較を示す線図である。
【図８】  ９３０℃における浸炭経過によるＣＯ％、残留ＣＨ4 量、添加されたＣ4 Ｈ10、ＣＯ2 流量の変化を示す線図である。
【図９】  粒界酸化を示す顕微鏡組織写真の比較図である。
【図１０】  有効浸炭深さと浸炭時間との関係の従来法と本発明との相違を示す線図である。
【図１１】  従来法と本発明とのガス消費量の比較説明図である。
【符号の説明】
１    炉殻
２    耐熱レンガ
３    雰囲気攪拌用ファン
４    加熱用ヒーター
５    熱電対
６    酸素分圧測定用センサー
７    ＣＯ2 分圧測定用管
８    ＣＨ4 分圧測定用管
９    ＣＯ分圧分析装置
１０  ＣＨ4 分圧分析装置
１１  炭化水素系ガス供給パイプ
１２  調節バルブ
１３  酸化性ガスの供給パイプ
１４  調節バルブ
１５  カーボンポテンシャル演算装置
１６  調節計
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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