JP5560013B2

JP5560013B2 - Carburizing furnace and carburizing method

Info

Publication number: JP5560013B2
Application number: JP2009226142A
Authority: JP
Inventors: 俊明大橋; 文隆虻川
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011074435A

Description

本発明は、鋼材料の浸炭処理炉及び浸炭方法に関する。 The present invention relates to a carburizing treatment furnace and a carburizing method for steel materials.

鋼材料の浸炭処理方法としては、炭化水素系ガスと空気との混合ガスを原料として吸熱型変成ガス発生炉を用いて変成することで得られる変成ガス（エンドサーミックガス）をキャリアガスとし、このキャリアガスと共に所定のカーボンポテンシャルを得るためのエンリッチガスとして炭化水素系ガスを浸炭室内に供給して浸炭処理する方法（キャリアガスを用いたガス浸炭処理方法）が広く普及している。このガス浸炭処理方法では、浸炭室内雰囲気を構成するガス成分の濃度もしくは分圧を測定することにより、間接的に炭素ポテンシャルを算出し、その結果を元にエンリッチガスの供給量を調節することにより浸炭の制御が可能である。 As a carburizing method for steel materials, a modified gas (endthermic gas) obtained by using a mixed gas of hydrocarbon gas and air as a raw material and using an endothermic modified gas generator is used as a carrier gas. A method of carburizing by supplying a hydrocarbon-based gas as an enriched gas for obtaining a predetermined carbon potential together with a carrier gas into a carburizing chamber (a gas carburizing method using a carrier gas) has been widely used. In this gas carburizing treatment method, the carbon potential is indirectly calculated by measuring the concentration or partial pressure of the gas component constituting the atmosphere of the carburizing chamber, and the supply amount of the enriched gas is adjusted based on the result. Carburization can be controlled.

通常、このようなキャリアガスを用いたガス浸炭処理方法では、目標とする表面炭素濃度よりも高い雰囲気炭素ポテンシャルに設定することで、単位時間当たりの炭素侵入量を高めて処理時間の短縮を図っている。そして、続く拡散工程で炭素の拡散を行い、表面炭素濃度と浸炭深さの調整を行う。しかし、浸炭中の炭素ポテンシャルを高くするためにエンリッチガス（炭化水素ガス）を浸炭室内に供給しすぎるとスーティング発生（煤の発生）の危険性を生じるので、処理時間の短縮には限界がある。現在では、キャリアガスを用いたガス浸炭処理方法は、数ある浸炭方法の中で比較的確立された技術であるといえるが、エネルギーや地球環境の観点からはまだ十分であるとの言い難く、更なる改善が望まれている。その取り組みの一つとして、処理時間短縮が挙げられる。そして、処理時間短縮は、使用ガス量やエネルギーの低減にもつがなる。 Usually, in such a gas carburizing method using a carrier gas, the carbon intrusion amount per unit time is increased to shorten the processing time by setting the atmospheric carbon potential higher than the target surface carbon concentration. ing. In the subsequent diffusion step, carbon is diffused to adjust the surface carbon concentration and the carburization depth. However, if too much enriched gas (hydrocarbon gas) is supplied into the carburizing chamber to increase the carbon potential during carburizing, there is a risk of sooting (generation of soot), so there is a limit to shortening the processing time. is there. At present, it can be said that the gas carburizing method using carrier gas is a relatively established technology among the many carburizing methods, but it is difficult to say that it is still sufficient from the viewpoint of energy and the global environment. Further improvements are desired. One approach is to reduce processing time. The shortening of the processing time leads to a reduction in the amount of gas used and energy.

浸炭処理における炭素の挙動は、炭素が鋼表面に侵入する過程と、鋼表面の炭素が鋼内部に拡散する過程とからなる。このうち炭素が鋼表面に侵入する過程において、単位面積単位時間当たりの炭素浸入量Ｊ（ｇ／ｃｍ^２ｓ）は、鋼表面近傍の雰囲気中の炭素濃度をＣｇ（ｇ／ｃｍ^３）、鋼表面の炭素濃度をＣｓ（ｇ／ｃｍ^３）とした場合、Ｊ＝β（Ｃｇ−Ｃｓ）と表される。ここでβは炭素移行係数（ｃｍ／ｓ）であり、雰囲気により値が変化することが知られている。式からわかるように、同じ時間浸炭したとしても、炭素移行係数βの値が大きいほど炭素浸入量が多くなる。すなわち、特定の深さまで炭素を浸入させる場合、βの値が大きいほど浸炭処理が短時間で終わる。
この炭素移行係数を大きくするために、６６体積％以上７４体積％以下の濃度の一酸化炭素を含有する雰囲気で鋼を浸炭する浸炭工程が提案されている。（特許文献１） The behavior of carbon in the carburizing process includes a process in which carbon enters the steel surface and a process in which carbon on the steel surface diffuses into the steel. Among these, in the process of carbon entering the steel surface, the carbon intrusion amount J (g / cm ² s) per unit area unit time is the carbon concentration in the atmosphere near the steel surface Cg (g / cm ³ ), steel When the surface carbon concentration is Cs (g / cm ³ ), J = β (Cg−Cs). Here, β is a carbon transfer coefficient (cm / s), and it is known that the value varies depending on the atmosphere. As can be seen from the equation, even when carburizing for the same time, the carbon infiltration amount increases as the value of the carbon transfer coefficient β increases. That is, when carbon is infiltrated to a specific depth, the carburizing process is completed in a shorter time as the value of β is larger.
In order to increase this carbon transfer coefficient, a carburizing process has been proposed in which steel is carburized in an atmosphere containing carbon monoxide at a concentration of 66 volume% or more and 74 volume% or less. (Patent Document 1)

また、雰囲気ガス中のＣＯガス濃度を高くすれば、浸炭時間が短縮されてコストを削減することができるので、３５体積％以上の高ＣＯ濃度の変成ガスを長時間にわたって安定して効率的に発生することのできる浸炭雰囲気ガスの発生方法および装置が開示されている。（特許文献２） In addition, if the CO gas concentration in the atmospheric gas is increased, the carburizing time can be shortened and the cost can be reduced, so that a high CO concentration metamorphic gas of 35% by volume or more can be stably and efficiently added over a long period of time. A method and apparatus for generating carburized atmosphere gas that can be generated is disclosed. (Patent Document 2)

特開２００８−０５７０３９号公報JP 2008-057039 A 特開２００４−３３２０８０号公報JP 2004-332080 A

しかしながら、本発明者らは浸炭処理において、被処理品の浸炭状態のバラツキがロット内（バッチ内）あるいはロット間でまだまだ大きいといった事実を知見した。そこで、本発明の目的は、このバラツキを改善し、安定した被処理品が得られる浸炭処理炉および浸炭方法を提供することにある。 However, the present inventors have found the fact that in the carburizing process, the variation in the carburized state of the products to be processed is still large within a lot (within a batch) or between lots. Accordingly, an object of the present invention is to provide a carburizing treatment furnace and a carburizing method capable of improving this variation and obtaining a stable product.

本発明者らは様々な検討の結果、炭素移行係数βを所定値以上とすること、具体的には炉内雰囲気を従来にないレベルで強力に攪拌することで、能力の高い浸炭状態に制御でき、ロット内、ロット間のバラツキも抑えることができることを知見した。 As a result of various studies, the inventors have set the carbon transfer coefficient β to a predetermined value or more, specifically, by vigorously stirring the furnace atmosphere at an unprecedented level, thereby controlling the carburized state with high ability. It was found that variations within and between lots can be suppressed.

上記知見に基づき、本発明によれば、浸炭処理炉内の鋼材を浸炭処理する浸炭方法であって、前記浸炭処理炉内の雰囲気を９００〜１０００℃の浸炭雰囲気とし、当該浸炭雰囲気内においてファンを１５００ｒｐｍ以上の回転数で回転させて撹拌を行い、前記浸炭処理炉内雰囲気から鋼材表面への炭素の侵入に関し炭素移行係数βが２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上であって、前記浸炭処理炉内のＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以下の雰囲気で浸炭処理することを特徴とする、鋼材の浸炭方法が提供される。
Based on the above knowledge, according to the present invention, there is provided a carburizing method for carburizing a steel material in a carburizing furnace , wherein the carburizing furnace has an atmosphere in the carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C. The carbon transfer coefficient β is 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more with respect to carbon intrusion from the atmosphere in the carburizing furnace to the steel surface , and the mixture is stirred at a rotational speed of 1500 rpm or more, A carburizing method for steel is provided, characterized by performing carburizing treatment in an atmosphere having a CO concentration of 35 vol% or less in a carburizing furnace.

前記炭素移行係数βが３．０×１０^−５ｃｍ／ｓ以上であってもよく、前記ＣＯ濃度が３０ｖｏｌ％以下であってもよい。
The carbon migration coefficient β may be 3.0 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, and the CO concentration may be 30 vol% or less .

また、別な観点からの本発明によれば、鋼材を浸炭する浸炭処理炉であって、炉殻と、炉内加熱用ヒーターと、炉内のＣＯ分圧測定手段と、炉内に変成ガスを導入する手段と、炉内を攪拌するファンを有し、９００〜１０００℃の浸炭雰囲気中において前記ファンが１５００ｒｐｍ以上の回転数で回転可能である、浸炭処理炉が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a carburizing furnace for carburizing a steel material, a furnace shell, a heater for heating in the furnace, a CO partial pressure measuring means in the furnace, and a metamorphic gas in the furnace. There is provided a carburizing treatment furnace having a means for introducing the gas and a fan for stirring the inside of the furnace, wherein the fan can rotate at a rotation speed of 1500 rpm or more in a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C.

上記浸炭処理炉において、９００〜１０００℃の浸炭雰囲気中において前記ファンが１８００ｒｐｍを超える回転で回転可能としてもよい。また、上記浸炭処理炉において、前記ファンが回転することにより炭素移行係数βを２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上とすることが可能であるとしてもよい。また、前記炭素移行係数βが３．０×１０^−５ｃｍ／ｓ以上であってもよい。さらにまた、前記ファンの回転数がインバータ制御されていてもよく、前記ファンが除振台を介して炉殻に取り付けられていてもよく、前記ファンがラジアルファンであって、該ラジアルファンのブレードが３枚以上、ブレードの長さが１５０ｍｍ以上、幅５０ｍｍ以上であってもよく、前記ラジアルファンのブレードの長さが２００ｍｍ以上、幅１００ｍｍ以上であってもよい。 In the carburizing furnace, the fan may be capable of rotating at a rotation exceeding 1800 rpm in a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C. In the carburizing furnace, the carbon transfer coefficient β may be 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more by rotating the fan. Further, the carbon transfer coefficient β may be 3.0 × 10 ⁻⁵ cm / s or more. Furthermore, the rotational speed of the fan may be inverter controlled, the fan may be attached to the furnace shell via a vibration isolation table, the fan is a radial fan, and the blade of the radial fan 3 or more, the length of the blade may be 150 mm or more and the width may be 50 mm or more, and the blade length of the radial fan may be 200 mm or more and the width of 100 mm or more.

本願発明の浸炭処理炉および浸炭方法によって、浸炭室内雰囲気の炭素ポテンシャル制御を高いレベルで、また、炭素移行係数を高いレベルにすることが可能になり、浸炭処理の状態が安定し、被処理品のロット内、ロット間バラツキを抑えることができる。さらに、浸炭処理時間も短縮され、処理コストも低減することができる。 By the carburizing treatment furnace and carburizing method of the present invention, it becomes possible to control the carbon potential of the carburizing room atmosphere at a high level and to set the carbon transfer coefficient to a high level. Variations between lots and between lots can be suppressed. Furthermore, the carburizing time can be shortened, and the processing cost can be reduced.

β値（炭素移行係数）と表面のＣ質量％（炭素質量％）の関係について概念図である。It is a conceptual diagram about the relationship between (beta) value (carbon transfer coefficient) and C mass% (carbon mass%) of the surface. 本発明を実施するに適した雰囲気熱処理炉（浸炭処理炉）の説明図である。It is explanatory drawing of the atmospheric heat treatment furnace (carburizing treatment furnace) suitable for implementing this invention.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

鋼材料（鋼材）の浸炭処理において、被処理品（鋼材）の浸炭状態のバラツキがロット内（バッチ内）あるいはロット間でまだまだ大きいといった事実がある。発明者らは浸炭のばらつきの因子を鋭意研究した結果、以下のことを見いだした。
まず浸炭ばらつきは炭素分布（Ｃ分布）の計算方法から、Ｃ分布に影響を及ぼす因子を抽出した。これらの因子がばらつくことで浸炭のばらつきが発生すると考えた。
Ｃ分布の計算は、以下のようにＦｉｃｋの第２法則を適当な境界条件の下で解くことである。
（Ｆｉｃｋの第２法則・・・式１）
∂Ｃ／∂ｔ＝Ｄ・∂^２Ｃ／∂Ｘ^２・・・式１
ただし、各記号の意味は以下の通りである。
Ｃ：炭素濃度（ｇ／ｃｍ^３）
Ｄ：拡散定数（ｃｍ^２／ｓ）
Ｘ：表面からの距離（ｃｍ）
ｔ：時間（ｓ）
（境界条件・・・式２）
浸炭処理において、雰囲気から鋼表面への炭素（Ｃ）侵入量を、式２とする。
Ｊ＝β（Ｃｇ−Ｃｓ）・・・式２
ただし、各記号の意味は以下の通りである。
Ｊ：炭素流速（ｇ／ｃｍ^２ｓ）・・・単位面積、単位時間あたりの炭素侵入量
β：炭素移行係数（ｃｍ／ｓ）
Ｃｇ：雰囲気の炭素濃度（ｇ／ｃｍ^３）
Ｃｓ：鋼表面の炭素濃度（ｇ／ｃｍ^３）
上記式１、式２より、炭素分布に影響を与えるものはＤ、β、Ｃｇの３つの因子であり、これらの因子は温度、炭素質量％（Ｃ質量％）、雰囲気組成（各ガス成分の分圧）、“その他”に依存すると考えられる。前記因子のうち温度、Ｃ質量％、雰囲気組成については、一般的に制御に利用されている条件（要因）である。すなわち浸炭処理の条件は主にワークの浸炭深さに応じて定められ、実操業においては温度、カーボンポテンシャル、雰囲気組成、時間を適当に定めて浸炭深さを調整する。 In carburizing treatment of steel material (steel material), there is a fact that the variation in the carburized state of the product to be treated (steel material) is still large within a lot (within a batch) or between lots. As a result of intensive studies on the factors of variation in carburization, the inventors have found the following.
First, factors affecting the C distribution were extracted from the carbon distribution (C distribution) calculation method for carburization variation. It was thought that the variation of carburization occurred due to the variation of these factors.
The calculation of the C distribution is to solve Fick's second law under an appropriate boundary condition as follows.
(Fick's second law: Equation 1)
∂C / ∂t = D · ∂ ² C / ∂X ² Formula 1
However, the meaning of each symbol is as follows.
C: Carbon concentration (g / cm ³ )
D: Diffusion constant (cm ² / s)
X: Distance from surface (cm)
t: Time (s)
(Boundary condition ... Equation 2)
In the carburizing process, the amount of carbon (C) penetration from the atmosphere into the steel surface is represented by Formula 2.
J = β (Cg−Cs) Equation 2
However, the meaning of each symbol is as follows.
J: Carbon flow velocity (g / cm ² s)... Carbon intrusion amount per unit area, unit time β: carbon transfer coefficient (cm / s)
Cg: carbon concentration in the atmosphere (g / cm ³ )
Cs: Carbon concentration on the steel surface (g / cm ³ )
From the above formulas 1 and 2, the factors that affect the carbon distribution are the three factors D, β, and Cg. These factors are temperature, carbon mass% (C mass%), and atmospheric composition (of each gas component). (Partial pressure) and “others”. Among the above factors, temperature, C mass%, and atmospheric composition are generally used conditions (factors) for control. That is, the carburizing conditions are mainly determined according to the carburizing depth of the workpiece. In actual operation, the carburizing depth is adjusted by appropriately determining the temperature, carbon potential, atmosphere composition, and time.

ここで発明者らは式１、式２を鋭意検討した結果、炭素移行係数βが２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上、好ましくは３．０×１０^−５ｃｍ／ｓ以上、さらに好ましくは３．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上の範囲であれば、炭素移行係数βが実際の操業でばらついても、そのばらつきは浸炭深さにほとんど影響しないことが判明した。また、従来の炉内のＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以下の浸炭炉において炭素移行係数βが２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上のものがなく、大きくとも２×１０^−５ｃｍ／ｓ以下であることを現行の浸炭炉を調査によりつきとめた。
特許文献１には炭素移行係数βに着目し、それを大きくするために、雰囲気組成（各ガス成分の分圧）を変更、すなわちＣＯ濃度を６６〜７４ｖｏｌ％に上げ、浸炭時間が短縮される浸炭方法を提供している。しかしながら、ＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以下の例（比較例）をみると、炭素移行係数βは最も大きいものでも１．８×１０^−５ｃｍ／ｓであり、すなわち本発明者らの調査と同様前記２×１０^−５ｃｍ／ｓ以下であり、本発明である３５ｖｏｌ％で２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上とならない。
本発明者らは炭素移行係数βを浸炭ガスとして比較的扱いやすく経済的なＣＯが３５ｖｏｌ％以下の雰囲気ガスで、すなわちＣＯ濃度が低くてもβ値を向上させる前記式では表されない“その他”の要因を鋭意検討した結果、炉内雰囲気の強攪拌が炭素移行係数β値を大きくするのに効果があることを見いだした。すなわち従来では不可能であったＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以下で炭素移行係数βを２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上とすることが可能になった。
なお、炭素移行係数βは前記式２と下記式３から実験により求めた。実験により、Ｍ（ｔ）曲線を作成し下式で回帰すればβを求めることができる。
（式３）
ｔ：浸炭開始からの時間（ｓ）
Ｍ：浸炭開始から単位面積あたりのＣ増加量（ｇ／ｃｍ^２）
τ：鋼の厚さ（ｃｍ）、非常に薄く内部にＣ濃度勾配がないと仮定する
これにより炭素浸入量Ｊの式２を整理すると
∫Ｊ・ｄｔ＝Ｍ
Ｊ＝ｄＭ／ｄｔ＝β・（Ｃｇ−Ｃｓ）
Ｍ＝Ｍ（ｔ）＝τ・Ｃｇ（１−ｅｘｐ^{（−２β・ｔ／τ）}）／２・・・式３
以上、本発明は浸炭炉（浸炭部、浸炭室）の炉内のＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以下で、且つ炭素移行係数βを２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上とした状態で、浸炭処理する鋼材の浸炭方法である。 Here, as a result of intensive studies on the formulas 1 and 2, the inventors have found that the carbon transfer coefficient β is 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, preferably 3.0 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, and more preferably In the range of 3.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, it was found that even if the carbon transfer coefficient β varies in actual operation, the variation hardly affects the carburization depth. Further, in a conventional carburizing furnace with a CO concentration of 35 vol% or less, there is no carbon transfer coefficient β of 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, and at most 2 × 10 ⁻⁵ cm / s or less. I found out that there was an investigation of the current carburizing furnace.
Patent Document 1 focuses on the carbon transfer coefficient β, and in order to increase it, the atmosphere composition (partial pressure of each gas component) is changed, that is, the CO concentration is increased to 66 to 74 vol%, and the carburizing time is shortened. Provides carburizing methods. However, when an example (comparative example) in which the CO concentration is 35 vol% or less is seen, the carbon transfer coefficient β is 1.8 × 10 ⁻⁵ cm / s even at the largest, that is, similar to the above-described investigation by the present inventors. It is 2 × 10 ⁻⁵ cm / s or less, and does not become 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more at 35 vol% according to the present invention.
The present inventors are relatively easy to handle carbon transfer coefficient β as a carburizing gas, and economical CO is an atmosphere gas having a volume of 35 vol% or less, that is, “others” not represented by the above formula that improves the β value even when the CO concentration is low. As a result of intensive studies on the above factors, it was found that strong stirring in the furnace atmosphere is effective in increasing the carbon transfer coefficient β. That is, it has become possible to set the carbon transfer coefficient β to 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more when the CO concentration is 35 vol% or less, which was impossible in the past.
The carbon transfer coefficient β was obtained from the above formula 2 and the following formula 3 by experiments. By experiment, if M (t) curve is created and regressed by the following equation, β can be obtained.
(Formula 3)
t: Time from the start of carburization (s)
M: C increase per unit area from the start of carburization (g / cm ² )
τ: It is assumed that the steel thickness (cm) is very thin and there is no C concentration gradient inside.
J = dM / dt = β · (Cg−Cs)
M = M (t) = τ · Cg (1-exp ^{(−2β · t / τ)} ) / 2 Equation 3
As described above, the present invention is a carburizing treatment in a state where the CO concentration in the furnace of the carburizing furnace (carburizing section, carburizing chamber) is 35 vol% or less and the carbon transfer coefficient β is 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more. This is a carburizing method for steel.

ＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％より高くなると変成ガスの製造が煤などの発生で困難になり、それを解決するためには変成ガス発生装置（変成炉）及び製造コストが高くなり好ましくない。また、ＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％より高くなると、浸炭炉中に特にスーティングが発生しやすく設備の保全に手間がかかり、被処理材表面にスーティングすると浸炭のばらつきが大きくなる。よって、ＣＯ濃度は３５ｖｏｌ％以下、好ましくは３０ｖｏｌ％以下とする必要がある。
炭素移行係数βは２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ未満であると、操業におけるβ値の多少の変化（ばらつき）で表面のＣ％が大きく変化する。よって前述の通り、本発明では炭素移行係数βは２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上、好ましくはβは３．０×１０^−５ｃｍ／ｓ以上、さらに好ましくはβは３．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上とすることにより、実際の操業において場所やワークによりβ値が多少ばらついても表面のＣ％の変化の少なくすることができる。図１にβ値と表面のＣ質量％の関係について概念図を示す。図１に示す概念図（グラフ）からは、炭素移行係数βが大きいほど、そのばらつきによる鋼材の表面Ｃ質量％の変化が少ないことが分かる。 If the CO concentration is higher than 35 vol%, the production of the shift gas becomes difficult due to generation of soot and the like, and in order to solve it, the shift gas generator (shift furnace) and the manufacturing cost increase, which is not preferable. Further, when the CO concentration is higher than 35 vol%, sooting is particularly likely to occur in the carburizing furnace, and it takes time to maintain the equipment. When sooting is performed on the surface of the material to be treated, the variation in carburizing increases. Therefore, the CO concentration needs to be 35 vol% or less, preferably 30 vol% or less.
When the carbon transfer coefficient β is less than 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s, the C% of the surface changes greatly due to a slight change (variation) in the β value during operation. Therefore, as described above, in the present invention, the carbon migration coefficient β is 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, preferably β is 3.0 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, more preferably β is 3.5 ×. By setting it to 10 ⁻⁵ cm / s or more, it is possible to reduce the change in C% of the surface even if the β value varies somewhat depending on the place and work in actual operation. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the relationship between β value and C mass% on the surface. From the conceptual diagram (graph) shown in FIG. 1, it can be seen that the larger the carbon transfer coefficient β, the smaller the change in the surface C mass% of the steel material due to the variation.

図２は、一例として本発明を実施するに適した雰囲気熱処理炉（浸炭処理炉）の説明図である。
雰囲気熱処理炉は図１に示すように、被処理品（鋼材）の搬入部１と、予熱部８と、浸炭部９と、降温均熱部１１と、焼入油槽部３と、搬出部４とをこの順で並設し、搬入部１と予熱部８間、この予熱部８と浸炭部９間、この浸炭部９と降温均熱部１１間、この降温均熱部１１と焼入油槽部３間を夫々扉１２〜１５により開閉自在ならしめると共に、上記予熱部８及び降温均熱部１１内は少くとも１個の被処理品７を装入できるスペースとし、上記浸炭部９内は複数の、例えば３個の被処理品７を装入できるスペースとする。
また、雰囲気熱処理においては、上記浸炭部９内を浸炭可能な一定温度、例えば９３０℃に加熱し、浸炭処理を行う。 FIG. 2 is an explanatory view of an atmosphere heat treatment furnace (carburizing furnace) suitable for carrying out the present invention as an example.
As shown in FIG. 1, the atmosphere heat treatment furnace includes a carry-in part 1 for a product (steel material), a preheating part 8, a carburizing part 9, a temperature-decreasing and soaking part 11, a quenching oil tank part 3, and a carry-out part 4. Are arranged side by side in this order, between the carry-in part 1 and the preheating part 8, between the preheating part 8 and the carburizing part 9, between the carburizing part 9 and the temperature-decreasing soaking part 11, this temperature-decreasing and soaking part 11 and the quenching oil tank. The parts 3 can be freely opened and closed by doors 12 to 15, respectively, and the preheating part 8 and the temperature lowering / heating part 11 are provided with a space in which at least one article to be treated 7 can be loaded. A space in which a plurality of, for example, three objects to be processed 7 can be loaded is used.
In the atmosphere heat treatment, the inside of the carburized portion 9 is heated to a constant temperature capable of carburizing, for example, 930 ° C., and carburizing is performed.

雰囲気熱処理においては、扉１２を開いて被処理品７を予熱部８に搬入部１を介して装入して予熱し、その後扉１３を開いて浸炭部９内に予熱された被処理品７を１個づつ順次に装入し、浸炭を行う。 In the atmosphere heat treatment, the article 12 to be treated is preheated by opening the door 12 and charging the pretreatment part 8 into the preheating part 8 via the carry-in part 1 and then preheating in the carburizing part 9 by opening the door 13. Are sequentially charged and carburized.

このようにして上記浸炭部９内にそのスペースに見合う、例えば３個の被処理品７が装入された場合は所定の浸炭時間経過後、扉１４を開いて上記浸炭部９から１個の被処理品７を上記降温均熱部１１内に送ると共に、タイミングを等しくして上記予熱部８から１個の予熱された被処理品７を上記浸炭部９内に装入し、また、上記降温均熱部１１から焼入油槽部３へ１個の降温された被処理品７を送るようにし、以下この操作を繰り返して従来の雰囲気熱処理方法と同様の処理を行うようにする。 In this way, when, for example, three articles to be processed 7 are charged in the carburizing portion 9, the door 14 is opened after the predetermined carburizing time has passed, and one piece from the carburizing portion 9 is opened. While sending the article 7 to be processed into the temperature-decreasing and soaking part 11, the preheated part 8 is charged with one preheated article 7 from the preheating part 8 at the same timing, One temperature-treated article 7 is sent from the temperature-decreasing / equalizing section 11 to the quenching oil tank section 3, and thereafter, this operation is repeated to perform the same processing as the conventional atmospheric heat treatment method.

本発明は浸炭炉（浸炭部９）内の雰囲気を攪拌するファン１６と、炉殻１７と炉内加熱用ヒーター（図示しない）と、炉内のＣＯ分圧測定手段（図示しない）と、炉内に変成ガスを導入する手段（図示しない）とを有し、前記攪拌ファン１６は９００〜１０００℃の浸炭雰囲気中において１５００ｒｐｍ以上の回転数で回転することができる浸炭処理炉である。さらに前記攪拌ファン１６は９００〜１０００℃の浸炭雰囲気中において、１８００ｒｐｍを超える回転数で回転することができるのが好ましい。 The present invention includes a fan 16 for stirring the atmosphere in the carburizing furnace (carburizing section 9), a furnace shell 17, a heater for heating in the furnace (not shown), a CO partial pressure measuring means (not shown) in the furnace, The stirring fan 16 is a carburizing furnace capable of rotating at a rotational speed of 1500 rpm or more in a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C. Furthermore, it is preferable that the stirring fan 16 can rotate at a rotational speed exceeding 1800 rpm in a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C.

浸炭炉（浸炭部９）において、ファン１６はモーター１８の駆動により回転させられ、通常１２００ｒｐｍ以下の定格で回転するものがほとんどである。それよりも早い回転数で回転させると、モーター１８の振動で炉殻１７やファン１６とモーターの接続部、炉内のファン１６そのものなどの接合部が破壊する恐れがあり、１５００ｒｐｍ以上で定常的に回転させることは困難である。さらに、交流モーターを使用する上では通常１８００ｒｐｍが最大であり、それ以上はインバータによって交流電流の周波数を変える必要があり、且つそのような強力なモーター１８を浸炭炉上に設置すると、浸炭炉やファン１６がこわれる恐れがある。よって従来は上記のような回転数でファン１６を回転することは考えられなかった。 In the carburizing furnace (carburizing section 9), the fan 16 is rotated by driving the motor 18, and most of them normally rotate at a rating of 1200 rpm or less. If it is rotated at a faster rotational speed, the vibration of the motor 18 may destroy the connection between the furnace shell 17, the fan 16 and the motor, and the joint 16 such as the fan 16 in the furnace. It is difficult to rotate it. Further, in the case of using an AC motor, 1800 rpm is usually the maximum, and it is necessary to change the frequency of the AC current by an inverter, and when such a powerful motor 18 is installed on the carburizing furnace, The fan 16 may be broken. Therefore, conventionally, it has not been considered to rotate the fan 16 at the above rotational speed.

浸炭炉（浸炭部９）においては、攪拌により浸炭のばらつきを小さくするという考えはあるが、そのレベルは従来の装置に関し、最大限出力（回転数）をあげるという処置にとどまっていた。すなわち、強大なモーターを取り付けると炉がこわれる恐れがあり、また攪拌が炭素移行係数β値に関連し、且つ所定のβ値以上になると浸炭ばらつきを著しく小さくすることが知られていなかったのである。よって通常の装置で考えられる範囲での強攪拌にとどまっていた。
しかしながら、本発明では炭素移行係数βの値が２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上、好ましくは３．０×１０^−５ｃｍ／ｓ以上、さらに好ましくは３．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上とする前述の理論的な予想（目的）があるために、９００〜１０００℃の高温での浸炭処理温度において、ファン１６や炉殻１７がこわれないような材質や構造を設計上もたせることにより、上記炭素移行係数βを達成できる能力を有するファン１６を浸炭炉に取り付けることができた。例えば、耐熱鋼の使用、図２に示すように除振台１９の上にファン１６の駆動用のモーター１８を設置するなどして、炉やファン１６がこわれるのを防止し、また、ファンの回転数を１８００ｒｐｍ以上とするためにインバータ制御で電源の周波数を変えたファン１６を駆動するモーター１８を設計し、使用した。 In the carburizing furnace (carburizing section 9), there is an idea of reducing the variation in carburizing by stirring, but the level of the conventional apparatus is limited to the maximum output (rotation speed). That is, if a strong motor is attached, the furnace may be broken, and it has not been known that the agitation is related to the carbon transfer coefficient β value, and that the carburization variation is remarkably reduced when the predetermined β value is exceeded. . Therefore, the stirring was limited to the range considered by a normal apparatus.
However, in the present invention, the carbon migration coefficient β is 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, preferably 3.0 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, more preferably 3.5 × 10 ⁻⁵ cm / s. Since there is the above-mentioned theoretical expectation (objective) of s or more, the material and structure should be designed so that the fan 16 and the furnace shell 17 do not break at the carburizing temperature of 900 to 1000 ° C. Thus, the fan 16 having the ability to achieve the carbon transfer coefficient β could be attached to the carburizing furnace. For example, the use of heat-resistant steel, the installation of a motor 18 for driving the fan 16 on the anti-vibration table 19 as shown in FIG. 2 prevents the furnace and the fan 16 from being broken, In order to set the rotational speed to 1800 rpm or more, a motor 18 for driving the fan 16 whose power source frequency was changed by inverter control was designed and used.

また、前記ファン１６がラジアルファンであって、該ラジアルファンのブレードが３枚以上、ブレードの長さが１５０ｍｍ以上、幅５０ｍｍ以上、さらに好ましくはブレードの長さが２００ｍｍ以上、幅１００ｍｍ以上であることが好ましい。
さらに、前記浸炭炉（浸炭部９）が炭化水素系ガス供給部、酸化性ガス供給部有することが好ましい。また、前記浸炭炉（浸炭部９）が炉内減圧用の真空ポンプを有しても良い。 The fan 16 is a radial fan, and the radial fan has three or more blades, the blade length is 150 mm or more, the width is 50 mm or more, more preferably the blade length is 200 mm or more and the width is 100 mm or more. It is preferable.
Furthermore, it is preferable that the carburizing furnace (carburizing section 9) has a hydrocarbon gas supply section and an oxidizing gas supply section. The carburizing furnace (carburizing section 9) may have a vacuum pump for reducing the pressure in the furnace.

即ち従来と比べ非常に攪拌能力の強力な出力のファン１６（例えば従来の１．３〜２．０倍程度）を所定範囲内の実効容積の炉に設置することにより、炉内の雰囲気攪拌が強力に実施可能となり、炭素移行係数βを本発明に示す所定値以上にすることができる。
これにより、被処理品７を浸炭処理した場合に、ロット内のばらつきが大幅に低減できると共に、その浸炭速度も向上する。さらには、減圧下で処理する場合にも有効である。また、予熱部８と降温均熱部１１のない、単純なバッチ炉（浸炭焼入れ炉）や減圧浸炭炉その他の形式の炉にも適用できる。 In other words, by installing a fan 16 (for example, about 1.3 to 2.0 times that of the conventional one) having a powerful stirring ability compared with the conventional one in a furnace having an effective volume within a predetermined range, the atmosphere in the furnace can be stirred. Therefore, the carbon transfer coefficient β can be set to a predetermined value or more shown in the present invention.
Thereby, when the to-be-processed goods 7 are carburized, the variation in a lot can be reduced significantly and the carburizing speed is also improved. Furthermore, it is also effective when processing under reduced pressure. Further, the present invention can be applied to a simple batch furnace (carburizing and quenching furnace), a reduced pressure carburizing furnace, and other types of furnaces that do not have the preheating unit 8 and the temperature lowering and soaking unit 11.

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although an example of embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the form of illustration. It is obvious for those skilled in the art that various modifications or modifications can be conceived within the scope of the idea described in the claims, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. It is understood.

（実施例）
浸炭処理の条件を以下の通りとし、ファンの回転数およびファンの直径は以下の表１に示す条件で、鋼材の浸炭処理を実施した。なお、浸炭炉としてはバッチ式（予熱、浸炭、拡散、冷却を１つの部屋で行う）の炉を用いた。
（条件）
１．温度９３０℃×３ｈ
２．ＲＸガス２３ｖｏｌ％ＣＯ、流量３ｍ³／ｈ
３．挿入量８０ｋｇ／グロス（フルチャージ）
４．ファンラジアルファン、ブレードの幅７０ｍｍ、長さ２００ｍｍ
５．処理室３００×６００×３００ｍｍ（０．０５４ｍ³、有効加熱容積）
６．モーターファンを駆動（回転）するインバータ制御のモーター
最大回転数３０００ｒｐｍ
７．その他除振台にモーターを載せ、炉体にモーターの振動が伝わるのを抑制。
（評価）
浸炭しやすさを炭素移行係数β値、浸炭のバラツキを処理バッチにおいて浸炭深さの最大値と最小値との差（レンジ）で評価した。なお、β値は実験により前述の方法で求めた。 (Example)
The carburizing treatment was performed as follows, and the carburizing treatment of the steel material was performed under the conditions shown in Table 1 below for the fan rotation speed and the fan diameter. As a carburizing furnace, a batch type furnace (preheating, carburizing, diffusion, and cooling are performed in one room) was used.
(conditions)
1. Temperature 930 ℃ × 3h
2. RX gas 23vol% CO, flow rate 3m ³ / h
3. Insertion amount 80kg / gross (full charge)
4). Fan Radial fan, blade width 70mm, length 200mm
5. Processing chamber 300 × 600 × 300mm (0.054m ³ , effective heating volume)
6). Motor Inverter-controlled motor that drives (rotates) the maximum motor speed 3000rpm
7). Others A motor is mounted on the vibration isolation table to suppress the transmission of motor vibration to the furnace body.
(Evaluation)
The ease of carburization was evaluated by the carbon transfer coefficient β value, and the variation in carburization was evaluated by the difference (range) between the maximum value and the minimum value of the carburization depth in the treatment batch. The β value was determined by the above-described method through experiments.

（比較例）
ファンの回転数はモーターの制限により最大１８００ｒｐｍ（定常運転としては１０００ｒｐｍ仕様）およびファンのブレードの幅４０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、直径を表１に示す条件で行った以外は、実施例と同条件で鋼材の浸炭処理を実施し、比較例とした。評価も実施例と同様とした。 (Comparative example)
The number of rotations of the fan was the same as in the example except that the maximum rotation was 1800 rpm (1000 rpm specification for steady operation) and the fan blade width was 40 mm, length was 100 mm, and the diameter was as shown in Table 1. Carburizing treatment of steel was carried out and used as a comparative example. Evaluation was also the same as in the examples.

結果を以下の表１に示す。
表１に示すように、実施例１、２はファンの直径の大きい４００ｍｍ（ブレードの長さは約２００ｍｍ）の大きさのものを、またモーターは前述の強力な駆動力を有するものを使用した。この結果、炭素移行係数β値はそれぞれ２．７０、４．０であり、従来の装置では得られない大きいものであった。また、浸炭深さのレンジも１バッチ中で０．１２ｍｍ以下に低減することができた。なお、実施例１のファンの出力（消費電力）は０．２５ｋＷであった。 The results are shown in Table 1 below.
As shown in Table 1, Examples 1 and 2 used a fan having a large diameter of 400 mm (blade length of about 200 mm), and a motor having the above-mentioned powerful driving force. . As a result, the carbon transfer coefficient β values were 2.70 and 4.0, respectively, which were large that could not be obtained with the conventional apparatus. In addition, the carburization depth range could be reduced to 0.12 mm or less in one batch. Note that the output (power consumption) of the fan of Example 1 was 0.25 kW.

表１に示すように、比較例１〜４は、ファンの直径が２００ｍｍ（ブレードの長さは約１００ｍｍ）の大きさのものを使用した。そして、回転数を変更したものである。本試験では回転数が大きくなるほど、β値は上昇したが、最大でも１．９９であった。さらに、ファンの回転数を上げ過ぎた比較例４は、その回転の振動等のため故障し試験不能となった。また、最もβ値の大きい比較例３でも浸炭深さのレンジは０．１５ｍｍであり、実施例１、２に劣った。
したがって、実施例の被処理品はバラツキは小さく抑えられることがわかった。また、浸炭速度も比較例と比べ１５％以上向上していた。

As shown in Table 1, in Comparative Examples 1 to 4, a fan with a diameter of 200 mm (the blade length was about 100 mm) was used. And the rotation speed is changed. In this test, the β value increased as the rotational speed increased, but was 1.99 at the maximum. Further, Comparative Example 4 in which the rotational speed of the fan was increased too much failed due to vibration of the rotational speed and became untestable. Further, even in Comparative Example 3 having the largest β value, the carburized depth range was 0.15 mm, which was inferior to Examples 1 and 2.
Therefore, it was found that the product to be treated in the example can be kept small in variation. Further, the carburization rate was improved by 15% or more compared to the comparative example.

本発明は、鋼材料の浸炭処理炉及び浸炭方法に適用できる。 The present invention can be applied to a steel material carburizing furnace and a carburizing method.

１…搬入部
３…焼入油槽部
４…搬出部
７…被処理品
８…予熱部
９…浸炭部
１１…降温均熱部
１２〜１５…扉
１６…ファン
１７…炉殻
１８…モーター
１９…除振台 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Carry-in part 3 ... Quenching oil tank part 4 ... Carry-out part 7 ... To-be-processed part 8 ... Preheating part 9 ... Carburizing part 11 ... Cooling-temperature soaking part 12-15 ... Door 16 ... Fan 17 ... Furnace shell 18 ... Motor 19 ... Vibration isolation table

Claims

浸炭処理炉内の鋼材を浸炭処理する浸炭方法であって、
前記浸炭処理炉内の雰囲気を９００〜１０００℃の浸炭雰囲気とし、
当該浸炭雰囲気内においてファンを１５００ｒｐｍ以上の回転数で回転させて撹拌を行い、
前記浸炭処理炉内雰囲気から鋼材表面への炭素の侵入に関し炭素移行係数βが２．５×１０^−５ｃｍ／ｓ以上であって、前記浸炭処理炉内のＣＯ濃度が３５ｖｏｌ％以下の雰囲気で浸炭処理することを特徴とする、鋼材の浸炭方法。 A carburizing method for carburizing steel in a carburizing furnace,
The atmosphere in the carburizing furnace is a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C.,
In the carburizing atmosphere, stirring is performed by rotating the fan at a rotation speed of 1500 rpm or more,
With respect to carbon intrusion from the atmosphere in the carburizing furnace to the steel surface, the carbon transfer coefficient β is 2.5 × 10 ⁻⁵ cm / s or more, and the CO concentration in the carburizing furnace is 35 vol% or less. A carburizing method for steel, characterized by performing a carburizing process.

前記炭素移行係数βが３．０×１０^−５ｃｍ／ｓ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼材の浸炭方法。 The said carbon transfer coefficient (beta) is 3.0 * 10 < ^-5 > cm / s or more, The carburizing method of the steel materials of Claim 1 characterized by the above-mentioned.

前記ＣＯ濃度が３０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼材の浸炭方法。 3. The carburizing method for steel as set forth in claim 1, wherein the CO concentration is 30 vol% or less.

鋼材を浸炭する浸炭処理炉であって、炉殻と、炉内加熱用ヒーターと、炉内のＣＯ分圧測定手段と、炉内に変成ガスを導入する手段と、炉内を攪拌するファンを有し、９００〜１０００℃の浸炭雰囲気中において前記ファンが１５００ｒｐｍ以上の回転数で回転可能である、浸炭処理炉。A carburizing treatment furnace for carburizing steel materials, comprising a furnace shell, a heater for heating in the furnace, a CO partial pressure measuring means in the furnace, a means for introducing a metamorphic gas into the furnace, and a fan for stirring the inside of the furnace And a carburizing furnace in which the fan can rotate at a rotational speed of 1500 rpm or more in a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C.

９００〜１０００℃の浸炭雰囲気中において前記ファンが１８００ｒｐｍを超える回転で回転可能である、請求項４に記載の浸炭処理炉。The carburizing furnace according to claim 4, wherein the fan can rotate at a rotation exceeding 1800 rpm in a carburizing atmosphere of 900 to 1000 ° C. 6.

前記ファンが回転することにより炭素移行係数βを２．５×１０When the fan rotates, the carbon transfer coefficient β is 2.5 × 10 ^−５-5 ｃｍ／ｓ以上とすることが可能である、請求項４または５に記載の浸炭処理炉。The carburizing furnace according to claim 4 or 5, which can be set to be cm / s or more.

前記炭素移行係数βが３．０×１０The carbon transfer coefficient β is 3.0 × 10 ^−５-5 ｃｍ／ｓ以上であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載の浸炭処理炉。The carburizing furnace according to any one of claims 4 to 6, wherein the carburizing furnace is cm / s or more.

前記ファンの回転数がインバータ制御されていることを特徴とする、請求項４〜７のいずれかに記載の浸炭処理炉。The carburizing furnace according to any one of claims 4 to 7, wherein the rotation speed of the fan is controlled by an inverter.

前記ファンが除振台を介して炉殻に取り付けられていることを特徴とする、請求項４〜８のいずれかに記載の浸炭処理炉。The carburizing furnace according to any one of claims 4 to 8, wherein the fan is attached to the furnace shell via a vibration isolation table.

前記ファンがラジアルファンであって、該ラジアルファンのブレードが３枚以上、ブレードの長さが１５０ｍｍ以上、幅５０ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項４〜９のいずれかに記載の浸炭処理炉。The carburization according to any one of claims 4 to 9, wherein the fan is a radial fan, and the blades of the radial fan are three or more, the blade length is 150 mm or more, and the width is 50 mm or more. Processing furnace.

前記ラジアルファンのブレードの長さが２００ｍｍ以上、幅１００ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１０に記載の浸炭処理炉。The carburizing furnace according to claim 10, wherein the radial fan has a blade length of 200 mm or more and a width of 100 mm or more.