JP2014237868A

JP2014237868A - 浸炭方法およびそれに用いる浸炭処理用ガス

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Publication number: JP2014237868A
Application number: JP2013120086A
Authority: JP
Inventors: 吉野　明; Akira Yoshino; 明吉野
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: JP6234711B2

Abstract

【課題】浸炭速度を速めることができる浸炭方法およびそれに用いる浸炭処理用ガスを提供する。
【解決手段】天然ガスを加熱する第１ヒータ１と、酸素ガスを加熱する第２ヒータ３と、それら第１ヒータ１および第２ヒータ３を経た上記天然ガスと上記酸素ガスとをさらに混合して改質し、一酸化炭素ガスと水素ガスとを生成する改質器４と、この改質器４により得られた上記一酸化炭素ガスと水素ガスとを濃縮する圧力スイング吸着装置９とを備えた浸炭処理用ガス製造設備により、水素ガスと３０〜６０モル％の範囲内の一酸化炭素ガスとを含む浸炭処理用ガスを得、それを用いて鋼製部材を浸炭処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼製部材に対する浸炭方法およびそれに用いる浸炭処理用ガスに関するものである。

鋼製部材の表面硬化方法の一つとして、ＲＸガス（浸炭処理用ガス）を用いた浸炭方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この浸炭方法におけるＲＸガス供給装置は、少量の酸素が含まれた窒素ガスを供給する窒素発生装置と、炭化水素ガスを供給する炭化水素供給装置と、所定の供給量に調整された窒素ガスと炭化水素ガスとが導入されて１次処理される低温反応槽と、１次処理ガスと所定の供給量に調整された炭化水素ガスとが導入されて混合される２次混合器とを有している。そして、その２次混合器でＲＸガスがつくられる。ここで、上記炭化水素供給装置としては、所定の容積を有する高圧容器に充填された液化高純度炭化水素を、気化して所望の供給圧に調整されて供給できる装置が用いられる。上記炭化水素の具体例としては、メタン，エタン，プロパン，ブタン等のパラフィン系の炭化水素があげられる。そして、ＲＸガスの原料には、上記のように、メタン（天然ガス）等が使用されることから、ＲＸガスの組成は、一酸化炭素ガス（ＣＯ）：２０〜２５モル％、水素ガス（Ｈ₂）：３０〜４０モル％、残りが窒素ガス（Ｎ₂）となっている。

ところで、上記ＲＸガスを用いた浸炭方法は、ガス浸炭法であり、真空浸炭法に比べ、浸炭速度が遅く、単位時間当たりの処理個数が少ない。

特開２０１２−３２１１３号公報

ガス浸炭法を用いた浸炭方法は、先に述べたように、浸炭速度が遅いことから、生産性向上のため、浸炭速度の向上が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、浸炭速度を速めることができる浸炭方法およびそれに用いる浸炭処理用ガスの提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、少なくとも一酸化炭素ガスと水素ガスとを含む浸炭処理用ガスを用いる浸炭方法であって、その浸炭処理用ガスにおける一酸化炭素ガスの濃度を、３０〜６０モル％の範囲内に設定する浸炭方法を第１の要旨とする。

また、本発明は、上記第１の要旨の浸炭方法に用いる浸炭処理用ガスであって、少なくとも一酸化炭素ガスと水素ガスとを含み、その一酸化炭素ガスの濃度が３０〜６０モル％の範囲内に設定されている浸炭処理用ガスを第２の要旨とする。

本発明者は、浸炭速度を速くすべく、浸炭処理用ガスの組成について、研究を重ねた。その過程で、一酸化炭素ガスの濃度が高くなるにつれて浸炭速度が速くなることを突き止めた。また、水素ガスの濃度が浸炭速度に影響を及ぼし、水素ガスの濃度をある程度まで高くすると浸炭速度が速くなるが、それよりも高くすると逆に浸炭速度が遅くなることも突き止めた。そして、さらに研究を重ねた結果、一酸化炭素ガスの濃度を、従来よりも高く３０〜６０モル％の範囲内に設定すると、それに伴い、水素ガスも適度（３５〜５５モル％）に存在するようになり、浸炭速度が向上することを見出し、本発明に到達した。

本発明の浸炭方法は、浸炭処理用ガスにおける一酸化炭素ガスの濃度を、３０〜６０モル％の比較的高濃度の範囲内に設定するため、従来の浸炭方法よりも一酸化炭素ガスの濃度が高く、浸炭速度を速くすることができる。

上記浸炭処理用ガスにおける一酸化炭素ガスと水素ガスとの濃度比を、１：１に設定する場合には、一酸化炭素ガスと水素ガスの濃度がより適正化され、浸炭速度をより速めることができる。

なお、上記「１：１」は、ガスの濃度比であるため、正確な「１：１」だけではなく、±５％の誤差の範囲〔「（０．９５〜１．０５）：１」または「１：（０．９５〜１．０５）」〕も含む意味である。

また、本発明の浸炭処理用ガスは、少なくとも一酸化炭素ガスと水素ガスとを含み、その一酸化炭素ガスの濃度が３０〜６０モル％の範囲内に設定されているため、従来の浸炭処理用ガスよりも一酸化炭素ガスの濃度が高く、浸炭速度を速くすることができる。

本発明の浸炭方法に用いる浸炭処理用ガスの製造設備の第１の実施の形態を模式的に示す構成図である。浸炭処理用ガス製造設備の第２の実施の形態を模式的に示す構成図である。浸炭処理用ガス製造設備の第３の実施の形態を模式的に示す構成図である。浸炭処理用ガス製造設備の第４の実施の形態を模式的に示す構成図である。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は、本発明の浸炭方法に用いる浸炭処理用ガスの製造設備の第１の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態では、その浸炭処理用ガス製造設備は、得られる浸炭処理用ガスが、一酸化炭素ガスの濃度も水素ガスの濃度も略５０モル％となるようにするものである。

すなわち、上記浸炭処理用ガス製造設備は、天然ガス（多量のメタンガスと少量のエタンガス，プロパンガス，硫黄等からなる）を第１ヒータ１で加熱してから、脱硫器２に通し、管路Ａに送るようになっている。そして、酸素ガスを第２ヒータ３で加熱し管路Ｂに送るようになっている。この管路Ｂは、管路Ａと連結され、上記天然ガスと上記酸素ガスとが混合した状態になる。ついで、その混合ガスを改質器４に通し、高濃度の一酸化炭素ガスと水素ガスとを生成させ、管路Ｃに通すようになっている。このとき、同時に、二酸化炭素ガスおよび水蒸気も生成される。つづいて、それらを冷却器５に通した後、気液分離器６で気液分離し、気液分離された後の液体を排水管路から外部に排水し、気体を圧縮機吸込ホルダ７に通してから圧縮機８で圧縮し、管路Ｄに通すようになっている。その後、その圧縮機８で圧縮された気体を、圧力スイング吸着装置９に通し、上記一酸化炭素ガスと水素ガスの濃度を、いずれも略５０モル％に高め、管路Ｅを経由し、ＲＸガスとして、図示していない従来公知の浸炭炉に供給するようになっている。そして、圧力スイング吸着装置９に吸着させた二酸化炭素ガスを、真空ポンプ１０を利用して脱着させ、フレアスタック１３で焼却するようになっている。なお、図において、符号Ｖは弁を示す。

ここで、上記圧力スイング吸着装置９で得られた略５０モル％の一酸化炭素ガスと水素ガスとが、先に述べたように、浸炭処理用ガスとして浸炭炉で用いられる。このような浸炭処理用ガスを用いることにより、浸炭速度を速めることができる。

図２は、上記浸炭処理用ガス製造設備の第２の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態の浸炭処理用ガス製造設備は、上記第１の実施の形態（図１参照）において、水素ガスの管路と二酸化炭素ガスの管路を追加している。すなわち、天然ガスの管路に水素ガスの管路を連結し、天然ガスと水素ガスとを混合した後、第１ヒータ１で加熱してから、脱硫器２に通し、管路Ａに送るようになっている。そして、酸素ガスの管路に二酸化炭素ガスの管路を連結し、酸素ガスと二酸化炭素ガスとを混合してから第２ヒータ３で加熱し管路Ｂに送るようになっている。この管路Ｂでは、上記天然ガスを含む混合ガスと、上記酸素ガスを含む混合ガスとが混合した状態になる。また、この実施の形態の浸炭処理用ガス製造設備は、上記第１の実施の形態（図１参照）において、真空ポンプ１０とフレアスタック１３との間に分岐する管路Ｆを追加している。すなわち、圧力スイング吸着装置９に吸着させた二酸化炭素ガスを、真空ポンプ１０を利用して脱着させ、その大部分を管路Ｆに送り、圧縮機吸込ホルダ１１に通してから圧縮機１２で圧縮し、原料の一部として再利用し、残部をフレアスタック１３で焼却するようになっている。

図３は、上記浸炭処理用ガス製造設備の第３の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態の浸炭処理用ガス製造設備は、上記第２の実施の形態（図２参照）において、液体窒素タンク２０を追加し、その液体窒素を気化させた窒素ガスを、上記圧力スイング吸着装置９で得られた略５０モル％の一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスに混合するようにしたものである。それ以外の部分は、上記第２の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

この実施の形態では、上記液体窒素タンク２０からの窒素ガスを混合することにより、浸炭処理用ガスの一酸化炭素ガスの濃度を、処理対象物に応じて、上記略５０モル％から薄めるように調整することができる。なお、一酸化炭素ガスの濃度の下限値は３０モル％である。このような浸炭処理用ガスを用いることにより、浸炭対象品の材質や厚み等に応じて一酸化炭素ガスの濃度を調節し、最適な浸炭を行うことができる。

図４は、上記浸炭処理用ガス製造設備の第４の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態の浸炭処理用ガス製造設備は、従来のＲＸガス製造設備３０または図２に示す浸炭処理用ガス製造設備に、一酸化炭素ガス容器３１を追加し、その一酸化炭素ガスを、従来のＲＸガス（一酸化炭素ガス：２０〜２５モル％）または図２に示す浸炭処理用ガス製造設備で得られたＲＸガスに混合し、一酸化炭素ガスの高濃度化を可能にしたものである。

この実施の形態では、上記一酸化炭素ガスを混合することにより、先に述べたように、ＲＸガスにおける一酸化炭素ガスの濃度を高めて改質ＲＸガスとし、浸炭対象品の材質や厚み等に応じて、３０〜６０モル％の範囲内で調整することができる。このような浸炭処理用ガスを用いることにより、浸炭速度を速めることができる。また、図２に示す浸炭処理用ガス製造設備で得られたＲＸガスが濃度不足だったり、浸炭対象品が変わってより高濃度のものが求められる場合等に、迅速に対応することができるようになる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるわけではない。

〔実施例１〜３および比較例１，２〕
日本工業規格（ＪＩＳ）で規定されるＳＵＳ３１６（Ｃｒ含有１８重量％，Ｎｉ含有１２重量％，Ｍｏ含有２．５重量％，残部Ｆｅ）の２．５ｍｍ厚板片を準備し、それを浸炭炉に入れ、４５０℃まで加熱し、下記の表１に示す組成のＲＸガスを用いて浸炭処理した。その浸炭処理は、表面硬度が８７０〜８９０Ｈｖ、浸炭層の深さが２０μｍになるように行った。そして、その浸炭処理に要した時間を測定した。その結果を下記の表１に示した。

上記の結果から、ＲＸガスの一酸化炭素ガスの濃度が３０〜６０モル％である実施例１〜３は、一酸化炭素ガスの濃度が２５モル％と低い比較例１と比較して、浸炭速度が速いことがわかる。なかでも、一酸化炭素ガスの濃度も水素ガスの濃度も５０モル％である実施例２が最も速いことがわかる。また、比較例２のように、一酸化炭素ガスの濃度を６５モル％と高くし過ぎても、水素ガスの濃度が３５モル％と低くなるため、浸炭速度が遅くなることがわかる。

本発明は、浸炭速度を速めることに利用することができる。

１第１ヒータ
３第２ヒータ
４改質器
９圧力スイング吸着装置

Claims

少なくとも一酸化炭素ガスと水素ガスとを含む浸炭処理用ガスを用いる浸炭方法であって、その浸炭処理用ガスにおける一酸化炭素ガスの濃度を、３０〜６０モル％の範囲内に設定することを特徴とする浸炭方法。
上記浸炭処理用ガスにおける一酸化炭素ガスと水素ガスとの濃度比を、１：１に設定する請求項１記載の浸炭方法。
上記請求項１または２記載の浸炭方法に用いる浸炭処理用ガスであって、少なくとも一酸化炭素ガスと水素ガスとを含み、その一酸化炭素ガスの濃度が３０〜６０モル％の範囲内に設定されていることを特徴とする浸炭処理用ガス。