JP2005350729A - 真空浸炭方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Vと浸炭時間tとの関係V=f(t)を、浸炭深さと表面炭素濃度より、材料の内部拡散に基づいて算出し、浸炭工程の浸炭前期において、前記理論流量Vよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量V1を供給し、浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記理論流量Vよりも少ない拡散時流量V2を供給する。
【選択図】 図3
Description
浸炭処理のうちガス浸炭は、天然ガス、プロパン、ブタンなどを変成してCOを主体とする浸炭性ガスを作り、これによって鋼材に浸炭を行うものである。さらに、ガス浸炭の一種として、浸炭処理を減圧下で行う真空浸炭が知られている。
特許文献1の「真空浸炭法」は、浸炭開始時に所定量の炭化水素系ガスを一定時間送入し、その後の浸炭期における炭化水素系ガスの送入量を漸減させて浸炭するものである。具体的には、レーザー透過量に基づき送入量を変化させることが例示されている。
さらに、通常の浸炭処理では、浸炭工程後に拡散処理が行われるが、拡散処理後に被処理材の突起部等にセメンタイトが残存しやすい問題点がある。かかるセメンタイトは、硬いが脆いため、被処理材の品質を損なう結果となる。
浸炭工程の浸炭前期において、前記理論流量Vよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量V1を供給し、
浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記理論流量Vよりも少ない拡散時流量V2を供給する、ことを特徴とする真空浸炭方法が提供される。
また、浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記理論流量Vよりも少ない拡散時流量V2を供給するので、浸炭前期終了時に突起部等の炭素濃度が高い場合でも、表面からの炭素の供給を抑え、内部への拡散を促進できるので、セメンタイトの発生・残存を低減して被処理材の品質を高めることができる。
また、浸炭後期においてガス効率φを0.5〜0.8に設定するので、表面からの炭素の供給を抑え、内部への拡散を促進できる。
図1(A)に示すように、浸炭処理とは、鋼材表面から炭素を供給又は投入し、固体拡散により内部へ炭素を浸透・拡散させる処理である。特に真空浸炭では浸炭ガスと鋼とが直接反応することによって、表面に炭素が供給される。従って浸炭ガスの供給時間が長くなると、表面付近での炭素濃度が高くなり、次の拡散工程で処理品の形状による炭素濃度のばらつきが生じることがある。
一方、拡散速度は主として温度に依存するので、表面からの炭素供給量が減少することで、鋼材内部への炭素拡散を促進することができる。
従って、図1(B)のように、処理品表面に炭素濃度差が生じている箇所では、拡散工程においてガス供給量を理論値以下とすることにより、高濃度箇所から低濃度箇所への炭素拡散が進むことになる。これにより被処理品の各部位間の炭素濃度を平準化することができる。
浸炭処理における被処理材の内部への拡散速度は、Fickの第2法則から数1の式(1)で、炭素の拡散係数は式(2)で示される。ここで、Cは濃度、xは表面からの距離、Dは拡散係数[m2/s]、D0は頻度因子[m2/s]、Qは活性化エネルギー[kJ/mol]、Rはガス定数[kJ/deg mole]、Tは温度[K]である。
これから必要な浸炭深さ及び炭素濃度と表面炭素濃度より、浸炭ガスの理論流量Vと浸炭時間tとの関係V=f(t)を算出することができる。
浸炭ガス供給ライン3は、図示しない浸炭ガス供給源から真空浸炭炉2内まで連通し、所定の浸炭ガス(例えばアセチレン)を供給する。
流量調節弁4は、真空浸炭制御装置6で制御され浸炭ガスの流量を調節する。流量調節弁4は、浸炭ガス量をコントロールする流量計(マスフローコントローラ)であってもよい。
真空浸炭制御装置6は、プログラム制御またはシーケンス制御が可能なPC、プログラム調節計あるいは多点設定器である。
なお、予備実験の結果、ガス効率φが1.0の場合には被処理材に部分的に浸炭不足が生じるが、ガス効率φを1.2以上にすれば浸炭不足を防止することができることが確認されている。
また従来はこのガス効率φは2〜3で使用されているが、2.0以下において炉内のスーティングを避けることができる。
浸炭後期では、拡散速度よりも表面からの炭素の供給を小さくする必要がある。しかし、表面からの炭素の供給を完全の0とすると、表面の炭素濃度が拡散しすぎて不足するおそれがある。
そこで本発明では、浸炭後期においてガス効率φを0.5〜0.8に設定するので、表面からの炭素の供給を抑え、内部への拡散を促進できる。
図3に示すように、浸炭処理での必要ガス量は、要求される浸炭深さと表面炭素濃度の条件より、材料内部拡散に基づいた計算で算出することができる。この計算値(細線)と経験値に基づいたガス供給量(破線)とを比較すると、浸炭処理期間中では、開始直後は経験値は必要量に対して不足するが、終了前は経験値は必要量に対して過剰である。すなわち、浸炭処理時間のある時点から、必要量に対して過剰なガス量を供給・消費していることになる。
この経験値と計算値との逆転は処理開始後比較的短時間で発生し、処理時間の大半は過剰供給であることがわかる。この過剰供給は結果として浸炭ガスの無駄と高コスト、さらには環境への悪化要因(高負荷)をもたらしていた。
この図から、経験値(破線)に比べ本発明では、浸炭ガスの供給総流量はほぼ半減できることがわかる。
(1)大幅な浸炭ガス消費量の削減
条件にもよるが、0.8mm以上の深い浸炭では使用ガス量を半減できる。
(2)浸炭終了時期は材料表面の炭素濃度が高くなっているため炭素侵入量が減る。この発明のガス供給方法はこの時期のガス量を減らすため、材料表面の過剰浸炭(これにより浸炭層に悪影響を及ぼすセメンタイトの生成)を防止することができる。
4 流量調節弁、6真空浸炭制御装置
Claims (2)
- 浸炭処理に必要な浸炭ガスの理論流量Vと浸炭時間tとの関係V=f(t)を、浸炭深さと表面炭素濃度より、材料の内部拡散に基づいて算出し、
浸炭工程の浸炭前期において、前記理論流量Vよりも十分多くかつスーティングの発生しない浸炭時流量V1を供給し、
浸炭前期に引続く浸炭後期において、前記理論流量Vよりも少ない拡散時流量V2を供給する、ことを特徴とする真空浸炭方法。 - 投入されたガスが浸炭に寄与するガス効率φを、浸炭工程の浸炭前期において1.2〜2.0、浸炭後期において0.5〜0.8に設定し、前記理論流量Vにガス効率φを乗じたガス量を供給する、ことを特徴とする請求項1に記載の真空浸炭方法。
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