(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱型変成ガスを用いる鋼の浸炭焼入れにおいて、焼入れのための冷却に、固体微粒子からなる流動層中に前記吸熱型変成ガスを供給しつつ冷却を行うことを特徴とする鋼の冷却方法。
【請求項２】
吸熱型変成ガスを用いる鋼の浸炭焼入れにおいて、焼入れのための冷却に、固体微粒子からなる流動層中に浸炭炉から排出される雰囲気ガスを供給しつつ冷却を行うことを特徴とする鋼の冷却方法。
【請求項３】
固体微粒子がセラミック微粒子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼の冷却方法。
【請求項４】
セラミック微粒子がアルミナであることを特徴とする請求項３に記載の鋼の冷却方法。
【請求項５】
流動層でのガス流速が最小流動化流速の５倍以上３０倍以下であることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の鋼の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、鋼の雰囲気熱処理時における焼入れ等のための冷却方法に関し、詳しくは、流動層を用いた鋼の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記鋼の雰囲気熱処理においては、鋼を所定の温度に加熱及び保持して浸炭及び拡散を行った後に焼入れ、すなわち、冷却が行われている。従来、該冷却は、主に油やソルトにより行われている。
【０００３】
前記油やソルトによる冷却は、冷却能力が高く、焼入れ効果に優れており広く用いられている。しかしながら、前記油やソルトを用いた冷却は、鋼の投入冷却時の油煙発生による大気汚染や冷却処理完了後の脱脂工程における洗浄水処理、さらに使用済の油やソルトの廃棄処理等の環境問題を抱えるものであった。
【０００４】
前記問題を解決するため、容器内に充填した固体微粒子にガスを供給して流動層を形成し、該流動層中に鋼を投入することによって冷却処理することが行われている。
【０００５】
特開昭６３−１００１２４号公報には、窒素等の不活性ガスによって固体微粒子を流動化させ、鋼材を冷却等する熱処理装置が記載され、特開昭６３−８９６１５号公報、特開平１−２０１４１８号公報には、Ｈｅガス、Ｎ2 ガス、解離アンモニアガスを用いて固体微粒子を流動化させ、鋼合金物品等を冷却する方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
固体微粒子を流動化させるガスとしては、従来の油以上の冷却効果をもたらすＨ2 ガスが有効であるが、加熱された鋼の投入時に爆発の危険がある。また、Ｈｅガスを用いると不活性ガスのために爆発の危険はないが高価である。そこで、固体微粒子の流動化に用いたＨｅガスを回収して再使用することも行われるが、回収装置及び再生装置が必要であり、コスト的に必ずしも有利とは言えない。
【０００７】
さらに、安価で安全なＮ2 ガスを用いることも行われているが、該Ｎ2 ガスは冷却能力の点において他のガスに比べると劣るため、焼入れ性の悪い鋼には適用できない等の問題があった。
【０００８】
本発明は、前記事情に鑑み、為されたもので、冷却能力に優れ、環境に優しく、しかも経済的な鋼の冷却方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１は、吸熱型変成ガスを用いる鋼の浸炭焼入れにおいて、焼入れのための冷却に、固体微粒子からなる流動層中に前記吸熱型変成ガスを供給しつつ鋼の冷却を行う方法である。この方法によれば、熱処理装置に付属しているガス変成炉からの吸熱型変成ガスを前記固体粒子流動化に利用することができるため、固体微粒子流動化のためのガス発生、供給装置等を別に準備する必要がなく経済的である。
【００１０】
さらに、従来、熱処理操業時には、熱処理炉内の雰囲気ガスに不足が生じることがないように、熱処理炉内への必要供給分より多い吸熱型変成ガスを前記ガス変成炉において生成し、余剰分を不使用処分しており、本発明では該余剰吸熱型変成ガスを前記固体微粒子の流動化に利用することができ経済的である。
【００１１】
さらに、前記吸熱型変成ガスには、約４０％のＮ２ガスのほか、従来の油以上の冷却効果をもたらすＨ２ガスを約３５％含み、Ｎ２ガスのみの場合に比べて優れた冷却効果が得られ、また、Ｈｅガスを使用する場合に比べて安価である。
【００１２】
本願請求項２は、吸熱型変成ガスを用いる鋼の浸炭焼入れにおいて、焼入れのための冷却に、固体微粒子からなる流動層中に浸炭炉から排出される雰囲気ガスを供給しつつ冷却を行う方法である。この方法によれば、前記請求項１と同様に、固体微粒子流動化のためのガス発生、供給装置等を別に準備する必要がなく、さらに浸炭炉から排出される雰囲気ガスを有効利用できるため経済的である。なお、該浸炭炉から排出される雰囲気ガス成分も前記吸熱型変成ガスとほとんど同様である。
【００１３】
請求項３に示す本発明の好ましい実施の一形態は、前記固体微粒子として、セラミック微粒子を使用する方法である。該セラミック微粒子は、金属微粒子の場合のように高温の鋼の表面に固着等することがなく、多数回の鋼の冷却に使用でき経済的である。
【００１４】
請求項４に示す本発明の好ましい実施の一形態は、前記セラミック微粒子としてアルミナを使用する方法である。該アルミナは、化学的、物理的に安定で、硬く、熱に強いほか、高い比熱を有するため、極めて好ましい素材である。
【００１５】
請求項５に示す本発明の好ましい実施の一形態は、流動層でのガス流速が最小流動化流速の５倍以上３０以下であることを特徴とする。ここで、前記最小流動化流速について説明すると、固体微粒子を充填した流動層容器の下部から気体を流入させた時、該気体の流速がある一定の値以上になると、前記流動層内の上部と下部の圧力差が一定になることが確認される。前記圧力差が一定になる最小の流速を最小流動化流速と言い、１Ｕｍｆと表示される。
【００１６】
そして、前記最小流動化流速でガスが流動化層内を流れると固体微粒子が流動した状態になり、いわゆる流動層を形成する。なお、前記１Ｕｍｆが実際に流動化層内でどのような流速になっているかは、流動層容器の大きさや流動層内に配置された固体微粒子の粒径によって異なる。
【００１７】
本発明では、前記流入させる気体の流速は、流動層容器の大きさに関係なく、５Ｕｍｆから３０Ｕｍｆの範囲とされる。すなわち、該流入気体の流速が５Ｕｍｆ以下の場合には、流動層内の固体微粒子は流動しているが、冷却能が十分でなく、また、前記流入気体の流速が３０Ｕｍｆ以上になると、固体微粒子と鋼との間に空隙が増え、固体微粒子と鋼との接触が低下して、実質的には気体による冷却となり、冷却能が低下し、妥当でないためである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１９】
【実施例１】
供試材：ＳＭＣ４２０Ｈ
供試材寸法：Ф２５ｍｍＸ１００ｍｍ
（なお、中央部に温度測定用のФ１．７Ｘ５０ｍｍの穴を設けてある。）
流動層容器材料：ＳＳ４００
流動層容器寸法（ｍｍ）：Ф１００Ｘ６００ＨＸ２ｔ
固体微粒子：アルミナ  （＃１２０，平均粒径１１０μｍ）
前記アルミナ、３ｋｇを前記流動層容器内の分散板上に約２２０ｍｍの高さまで充填した。前記流動層における固体微粒子の流動化条件は、１Ｕｍｆ＝１．２Ｘ１０-2ｍ／sec であり、この時、流動層容器内には、約５．６リットル／ｍｉｎのガスが流入される。
【００２０】
まず、前記供試材を浸炭雰囲気中で、８７０℃、１時間保持して浸炭及び拡散処理を施す。得られた浸炭処理品の鋼を前記流動層容器の流動層内に供給して焼入れ、すなわち、冷却を行った。
【００２１】
前記冷却は、流動層容器の下部から、４５リットル／ｍｉｎの流量で吸熱型変成ガスを供給して行った。これは、ほぼ８Ｕｍｆに相当する。なお、流動層内のガスの流速は、９．５６Ｘ１０-2ｍ／sec である。また、吸熱型変成ガスの成分は、一般公知のＨ2 ：３５％、Ｎ2 ：４０％、ＣＯ：２５％である。
【００２２】
前記実施例における冷却温度曲線ａを図１に示す。同図に比較例として示した曲線ｂは、供試材、浸炭及び拡散処理及び供給ガス量等を全く同条件にして、流動層容器内に１００％のＮ2 ガスを供給した場合であり、同図によれば、Ｎ2 ガスに比べて本発明の冷却能が優れていることが確認されるものである。
【００２３】
【実施例２】
供試材、流動層容器材料及び固体微粒子のアルミナ粒子は、前記実施例１と同様にし、流動層容器寸法を、Ф３２０Ｘ６６０ＨＸ２ｔ（ｍｍ）、アルミナ重量を６０Ｋｇとして前記流動層容器内の分散板状に約３８０ｍｍの高さまで充填した。
【００２４】
その後、前記供試材Ｓを、図２に示す治具Ｔ（Ф２００Ｘ２８５Ｌ（ｍｍ））に９本▲１▼〜▲９▼をセットして、前記実施例１と同様の浸炭処理を施し、治具Ｔにセットしたまま、前記流動層容器の流動層に供給して焼入れ、すなわち、冷却を行った。
【００２５】
この時の固体微粒子の流動化条件は、１Ｕｍｆ＝１．３３Ｘ１０-2ｍ／sec であり、流動層容器の下部から、約６４リットル／ｍｉｎの吸熱型変成ガスが供給される。この実施例２では、９００リットル／ｍｉｎの吸熱型変成ガスを流し、これは、ほぼ１４Ｕｍｆに相当する。
【００２６】
下記表１に、前記浸炭処理及び冷却処理を施した９本▲１▼〜▲９▼の供試材Ｓの硬度測定結果を示す。硬度測定は、図３に示す供試材Ｓの長さ方向の半分位置Ｘを切断し、この切断面の中心の硬さ（ＨＲＣ）を測定したものである。
【００２７】
【表１】
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なお、比較例として示した油焼入れは、供試材及び浸炭及び拡散処理条件は前記実施例２と同様であり、油温１４０℃の焼入れ油（ハイテンプＡ）にて焼入れを行ったものである。両者の数値を比較検討しますと、その硬度にさほどの相違がなく実用性のあることが確認された。
【００２８】
【実施例３】
供試材、流動層容器材料、固体微粒子のアルミナ粒子、流動層容器寸法、アルミナ重量、アルミナ充填高さ、治具Ｔへのセット、浸炭処理条件、固体微粒子の流動化条件及び硬度測定方法を前記実施例２と同一にして、吸熱型変成ガスに変えて、浸炭炉から排出された雰囲気ガスを使用した。
【００２９】
前記表１に、本実施例、すなわち、前記浸炭炉から排出された雰囲気ガスを使用して冷却処理を施した９本▲１▼〜▲９▼のＳ供試材Ｓの硬度測定結果を示す。得られた硬度測定数値を比較検討しますと、前記実施例２における吸熱型変成ガスを使用した場合とほぼ同じであり、実用性のあることが確認された。
【００３０】
なお、表中のＨ値は、ジョミニ試験結果及びグロスマンチャ−トより算出した数値であり、その数値には大差がないことが確認された。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、吸熱型変成ガスを用いる鋼の浸炭焼入れにおいて、焼入れのための冷却に、固体微粒子流動化のためのガス発生、供給装置等を別に準備する必要がなく、さらに、Ｈｅガス使用を使用する場合よりも費用を安く抑えることができて、経済的であるとともに、Ｎ２ガス使用に比べて優れた冷却効果を得ることができ、さらに油焼入れとさほど相違しない硬度を得ることができ、実用性を有し、同時に油、ソルト焼入れ等に伴う環境問題の解決に役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷却曲線とＮ2 ガス使用の冷却曲線の比較線図である。
【図２】治具への供試材セット状態を示す斜視図である。
【図３】供試材の正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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