JPH04107256A

JPH04107256A - 浸炭炉

Info

Publication number: JPH04107256A
Application number: JP2225545A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Muraoka; 村岡　智機
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1992-04-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は浸炭炉に係り、特に、浸炭炉内での煤の発生及
び被浸炭材表面への煤の付着を防止可能な真空浸炭炉に
関する。

〔従来の技術〕

従来、被浸炭材を真空浸炭する方法として、Ｈｅａｔ　
　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　　ｏｆ　　ＭｅｔａｌＳ；ヒー
ト　トリートメント　オブ　メタルズ、１９８９年４月
発行のｐ９３〜９４に記載されているパルス法のように
、加熱炉内の気圧を任意に設定し、当該加熱炉内が設定
した気圧になるまで浸炭性ガスを当該加熱炉内に供給し
、該加熱炉内が設定気圧に達した後は、当該浸炭性ガス
を排気し、前記加熱炉内が設定気圧まで下がった後は、
該浸炭性ガスの排気を中止し、再び当該加熱炉内が設定
した気圧になるまで浸炭性ガスを当該加熱炉内に供給す
るというサイクルを連続的に繰り返す方法が存在する。

この従来例では、加熱炉内の気圧と浸炭性ガス流量を管
理することで、真空浸炭炉内での煤の発生及び被浸炭材
表面への煤の付着を防止することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記従来例は、直接加熱炉内に浸炭性ガス、例えば、主
としてメタンを８０〜８５％含有している天然ガス又は
プロパン等を供給して浸炭を行っている。前記浸炭性ガ
スは、前記加熱炉内で熱分解するが、この熱分解反応は
最も安定なメタンの熱分解ＣＨ，→２Ｈｚ＋Ｃｓ　　　・・−・−（１）により律
速される。

ここで、被浸炭材が装入されていない真空浸炭炉を基準
にすると、前記（１）式の熱分解の進行は温度及び時間
により決定する。即ち、温度が高い程熱分解の進行が速
く、時間が長い程熱分解率は高くなる。さらにここで、
浸炭温度を一定にすると、前記（１）式の熱分解の進行
は時間のみに律速される。

これより、真空浸炭における浸炭性を決定するパラメー
タは、浸炭性ガスの加熱炉内滞留時間であることがわか
る。

いま、加熱炉内容積をｖＢ）、加熱炉内で熱膨張、熱分
解した後の出側ガス流量をＦ　Ｃ１／Ｓ）、加熱炉内気
圧をＰ（Ｔｏｒｒ）とすると、浸炭性ガスの平均加熱炉
内滞留時間（１）は、Ｔ−＝　（Ｖ／Ｆ）Ｘ　（Ｐ／７
６０）　　　（ｓｅｃ）−−−一〜−（２）で表される。

前記（２）式において、出側ガス流量Ｆと加熱炉内気圧
Ｐとを固定すると、加熱炉内容積■は一定であることか
ら、真空浸炭における浸炭性を決定するパラメータであ
る前記（２）式の平均加熱炉内滞留時間（１）が定まる
ことがわかる。即ち、ガス流量Ｆと加熱炉内気圧Ｐを管
理することで、真空浸炭における浸炭性を決定すること
ができる。

しかしながら、加熱炉内に被浸炭材、例えば、鉄を装入
した場合、当該鉄表面はメタンが熱分解する際に触媒と
して働くため、鉄の装入量によりメタンの熱分解の進行
が変動する。このため、当該熱分解の進行を、前記のよ
うに温度及び時間により決定することは極めて困難であ
り、ガス流量Ｆと加熱炉内気圧Ｐを管理することで、真
空浸炭における浸炭性を決定することはできないという
課題があった。

一方、被浸炭材の装入量が一定の場合でも、鉄の表面炭
素濃度が固溶限に達すると触媒としての働きが低下する
ため、やはりメタンの熱分解の進行が変動し、前記と同
様、ガス流量Ｆと加熱炉内気圧Ｐを管理することで、真
空浸炭における浸炭性を決定することはできないという
課題があった。

そして、前記従来例は、被浸炭材の装入量の増減に伴い
炭素を吸収する被浸炭材の表面積が増減し、被浸炭材表
面への炭素流入量が変化する、或いは、浸炭時に被浸炭
材の表面炭素濃度が固溶限に達すると、被浸炭材表面へ
の炭素流入速度は著しく低下しく石神等；日本金属学会
誌、第５０巻第９号、１９８６年発行、Ｐ８４５〜８５
１）、被浸炭材表面への炭素流入量が変化しても、これ
に対応して浸炭性ガスの供給量を調節していないため、
例えば、被浸炭材表面への炭素流入量が少なくなると、
加熱炉内に浸炭性ガスが過剰に供給され、余った浸炭性
ガスは多量の煤を発生し、被浸炭材を汚す、浸炭むらが
発生する原因となる等の課題が生じていた。

さらに、前記（２）式において、加熱炉内容積■は一定
であるが、加熱炉内に存在している各成分ガスの分圧、
例えば、メタン分圧（ＰＣｌ３　）とメタン・水素分圧
比（Ｐ　ＣＨ４／　Ｐ　）Ｉｔ）は、浸炭状態により常
に変化しているにもかかわらず、これを考慮していない
ため、加熱炉内に浸炭性ガスが過剰に存在しているのか
不足しているのかを把握することができないという課題
もあった。

そこで、このような課題を解決するため本発明は、加熱
炉内の状況に応して浸炭性ガスの供給量を制御すること
で、常に被浸炭材に対して最適な量の浸炭性ガスを供給
し、浸炭炉内での煤の発生及び被浸炭材表面への煤の付
着を防止可能な浸炭炉を掃供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために本発明は、被浸炭材を加熱す
る加熱炉と、前記加熱炉に浸炭性ガスを供給する浸炭性
ガス供給管と、当該加熱炉を減圧排気する排気管と、を
有する浸炭炉において、前記被浸炭材の浸炭期に、当該
加熱炉内の浸炭性ガス濃度を計測する計測手段と、この
計測値に基づいて前記加熱炉内へ供給する浸炭性ガス供
給量を制御する制御手段、とを備えた浸炭炉であること
を特徴とするものである。

〔作用〕

二の発明に係わる浸炭炉によれば、被浸炭材の浸炭期に
、加熱炉内の浸炭性ガス濃度を直接計測することで、常
に正確に加熱炉内の浸炭性ガスの濃度を把握することが
できる。そして、前記浸炭性ガス濃度に応じて、加熱炉
内に供給する浸炭性ガスの供給量を制御することにより
、被浸炭材の装入量、被浸炭材表面への炭素流入速度の
変化にかかわらず、被浸炭材に対して常に最適な量の浸
炭性ガスを供給することができる。

このため、加熱炉内に浸炭性ガスが過剰に供給されるこ
とがなく、煤の発生を防ぐことができる。

この結果、被浸炭材の表面に煤が付着し、被浸炭材を汚
す、或いは浸炭むらの発生を防ぐことができ、且つ、最
適な浸炭時間で所望の浸炭品を得ることができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について、図面に基づいて説明する
。

第１図は、本発明に係る真空浸炭炉の構成図であり、第
２図は、第１図における■−■断面図、第３図は、加熱
炉内の浸炭性ガス濃度を直接計測する浸炭性ガス濃度分
析装置及び計測結果に応じて浸炭性ガスの供給量を制御
する調節計の構成図を示す。

第１図に示されるように、本発明における真空浸炭炉は
、加熱室２を有する真空加熱炉１と焼入油が入っている
焼入槽３を有するベスチプル４とを中間扉５を介して連
設し、さらに、浸炭性ガス・窒素ガス供給管９より浸炭
性ガス及び窒素ガスが加熱室２に供給される。そして、
この加熱室２には、サンプルガス吸引口２２を介して浸
炭性ガス濃度分析装置７０と調節計３３とが連設する構
造からなる。

前記ベスチブル４内は、ベスチプル４と加熱室２との間
で、被浸炭材Ｗを搬送する処理材搬送装置１３と浸炭後
の被浸炭材Ｗを冷却する冷却用ファン１４及び焼入のた
めに被浸炭材Ｗを昇降する焼入エレベータ１５Ａから構
成されている。尚、１６は装入抽出扉である。

一方、第２図に示されるように、前記加熱室２は炉殻１
１内に空間部１２を介して設けられている。加熱室２内
には、ヒータ６と循環ファン７及び上下可動炉床８が設
けられている。上下可動炉床８の下部には、上下可動炉
床８の上下運動を制御する上下可動炉床エレベータ１５
Ｂが設けられている。浸炭性ガス・窒素ガス供給管９及
び真空排気管１０はそれぞれ前記加熱室２内に連通され
ており、真空排気装置４２が真空排気管１０を介して加
熱室２内に連通している。この真空排気装置４２はロー
クリポンプ４９、圧力制御弁４０、フィルタ４１から構
成されている。

また、第３図に示されるように、サンプルガス吸引口２
２には電磁弁２３を介してダイヤフラム型ドライ真空ポ
ンプ２４が連設している。この真空ポンプ２４は２つに
分岐してサンプルガス排気管５１Ａ及び５１Ｂに連通し
ており、サンプルガス排気管５１Ａにはガスクーラ２５
が連通され、サンプルガス排気管５１Ｂには分岐弁３１
が設けられている。一方、ガスクーラ２５は２つに分岐
してドレン２６及び流量調節弁２７に連設しており、流
量調節弁２７は流量計２８及びメンプレンフルタ２９を
介して赤外線メタン分析計３０に連設している。このメ
タン分析計３０にはサンプルガス排気管５１Ｃが連通し
ており、連結部３２でサンプルガス排気管５１Ｂと連結
し、その終端はサンプルガス出口６０に続いている。ま
た、メタン分析計３０は調節計３３に連設しており、メ
タン分析計３０で分析した値（信号）を調節計３３に伝
達する。そして、調節計３３は電磁弁１８に連設してい
る。

次に、浸炭性ガス濃度分析装置７０及び調節計３３の動
作について説明する。

加熱室２に被浸炭材Ｗを装入し浸炭する際、被浸炭材Ｗ
の浸炭期に、加熱室２内の気圧が予め設定しておいた設
定値を越えると電磁弁２３が開き、真空ポンプ２４によ
り加熱室２内の浸炭性ガスが吸引される。前記ａｍ弁２
３は所定時間の浸炭期が完了すると閉じるように設定し
である。吸引された浸炭性ガスはガスクーラ２５で下部
され、流量調節弁２７．流量計２８により所定の流量に
調節され、次いで、メンブレンフィルタ２９を通過して
赤外線メタン分析計３０に送られる。このメタン分析計
３０により、浸炭性ガス濃度を計測する。この濃度値が
調節計３３に送られ、予め設定された浸炭性ガス濃度と
浸炭性ガス供給量との関係についての記憶テーブルに基
づいて、電磁弁１８に０Ｎ１０ＦＦの信号を送り、電磁
弁１８を閉関し、加熱室２内に供給する浸炭性ガス供給
量を調整する。この結果、加熱室２内の浸炭性ガス濃度
を常に一定に保つことができる。即ち、前記濃度値が予
め設定した濃度を越えると、電磁弁１８にＯＦＦ信号が
送られ電磁弁１８は閉じ、加熱室２に浸炭性ガスが供給
されなくなる。尚、濃度の計測が終了した浸炭性ガスは
、サンプルガス排気管５１Ｃを通過し、サンプルガス出
口６０より廃棄される。また、浸炭期が完了し電磁弁２
３が閉じた後は、分岐弁３１を開は不必要な浸炭性ガス
を廃棄する。

本発明で用いる浸炭性ガスとしては、メタン。

プロパン、ブタン等の炭化水素ガス、或いはＣ０が好適
である。メタンは、前記（１）式のように加熱室内で熱
分解する。プロパン、ブタンは、それぞれ加熱室内でＣｓ　Ｈｓ→ＣＨａ　＋２　Ｈｚ　＋　２　ＣｓＣ，Ｈ
，、→ＣＨａ　＋　３　Ｈｚ　＋　３　Ｃｓのように熱
分解し、さらに両者共ＣＨ，→２Ｈｚ　＋Ｃｓのように熱分解する。そして、炭化水素の分解は、メタ
ンの分解反応に律速される。これより、浸炭性ガスとし
てメタン、プロパン及びブタンを用いる場合は、加熱室
内のメタン濃度を計測することが、浸炭性ガス供給量を
制御する上で望ましい。

また、プロパン、ブタンは、Ｎｉ触媒を用いて、１００
０〜１１００°Ｃに加熱すると、２　Ｃ３Ｈ８＋３０ｈ
　＋　１１．２８　Ｎｚ　＝６　ＣＯ＋８　Ｈｚ　＋　
１１．２８　ＮｚＣ，Ｈ，。＋２０□＋７．５２　Ｎｚ　＝　４　ＣＯ＋
　５　Ｈｚ＋　７．５２　Ｎ　ｔのように変成される。これより、浸炭性ガスとしてプロ
パン及びブタンを用い、変成して使用する場合は、加熱
室内のｃｏ濃度を計測することで、浸炭性ガス供給量を
制御することが可能である。

そして、浸炭性ガスとして、ｃｏ２を用いる場合は、加
熱室内のｃｏ２１度を計測することで、浸炭性ガス供給
量を制御することが可能である。

次に、本発明の具体的な実施例を説明する。

被浸炭材Ｗの浸炭を第１表に示す浸炭条件で行った。こ
れを、各工程毎に説明する。尚、第４図は、浸炭サイク
ル及びメタン濃度の制御図である。

（以下、余白）第　　１　　表（昇温・均熱工程）加熱室２内に被浸炭材Ｗを装入する。次いで、加熱室２
内圧力を真空排気装置２２にて、大気圧（７６０Ｔｏｒ
ｒ）から５Ｔｏ　ｒ　ｒ以下に減圧する。その後、９３
０°Ｃまで被浸炭材Ｗを昇温し、被浸炭材Ｗの表面と芯
部及び各部位が均一になるよう、所定時間保持する。こ
の時、循環ファン７により熱伝導を高め、均熱化を促進
するため、窒素ガスを供給してもよい、尚、窒素ガスを
供給した際の加熱室２内圧力は、第４図に示す破線のよ
うに変化する。

（浸炭工程）電磁弁１７及び１８を開いて、プロパン、及び窒素ガス
を減圧された加熱室２に浸炭性ガス・窒素ガス供給管９
を通じて供給する。この時、プロパンの供給量は電磁弁
１８を開閉することにより調節する。また、窒素ガスの
供給量は電磁弁１７を開閉することにより調節する。そ
して、圧力制御弁４０を調節し加熱室２内の圧力を６５
０Ｔ。

ｒｒに調節し、加熱室２で被浸炭材Ｗを所定時間浸炭す
る。浸炭期のメタン濃度の計測は、加熱室２内の圧力が
６００Ｔｏｒｒに達すると開始するように設定した。即
ち、加熱室２内の圧力が、６００Ｔｏ　ｒ　ｒを越える
と、加熱室２内のメタンがサンプルガス吸引口２２より
浸炭性ガス分析装置に導入され、メタンガスが赤外線メ
タン分析計３０に到達する。ここで、メタン濃度を計測
し、その値により電磁弁１８を開閉して加熱室２に供給
するプロパンの供給量を制御する。このようにして、加
熱室２内の浸炭性ガス濃度（メタン濃度）は、第４図に
示すように一定に保たれる。

尚、浸炭期に窒素ガスを供給すると浸炭性ガスの拡散を
促進し、好ましい浸炭状態が得られるが、必ずしも窒素
ガスを供給しなくても良い。

（拡散工程）電磁弁１７及び１８を閉じ、プロパン及び窒素ガスを加
熱室２へ供給することを停止する。その後、真空排気装
置Ｉ４２により加熱室２内の圧力を６５０Ｔｏｒｒから
５Ｔｏ　ｒ　ｒ以下に減圧する。

この工程により被浸炭材Ｗに浸炭した炭素を芯部に向け
て拡散させる。

（焼入工程）浸炭及び拡散工程を終了した被浸炭材Ｗを油中焼入硬化
するため、バルブ１７を開き、加熱室２に窒素ガスを供
給して６５０Ｔｏｒｒに昇圧し、同時にベスチブル４に
も窒素ガスを供給し、加熱室２とベスチブル４との内部
圧力を無酸化、等圧状態とする。その後、中間扉５を開
け、処理材運搬装置１３により被浸炭材Ｗをベスチブル
４に移動し、次いで、中間扉５を閉じ、焼入エレベータ
１５Ａを用いてを焼入層３にある焼入油中にて焼入を行
う。次いで、焼入エレベータ１５を上昇させ、搬入抽出
扉１６を開き被浸炭材Ｗを取り出す。

尚、第４図のＰｌは、加熱室２内を圧力制御することに
より浸炭性ガス流量を管理する従来例における設定圧力
を示している。

このようにして得た被浸炭品（発明品）の評価を第２表
に示す。

次に、比較例として、浸炭期のプロパンの供給を制御せ
ず固定し、その他の浸炭条件は前記実施例と同様にして
浸炭を行った。このようにして得た被浸炭品（比較品）
の評価を第２表に示す。

（以下、余白）第２表尚、評価方法は、 ○　良好（煤の発生、又は付着がかなり減少）Ｘ　不良
（煤の発生、又は付着がかなり多い）として行った。

以上の結果から、浸炭期の加熱炉内のメタン濃度を計測
し、その値により加熱炉内へ供給する浸炭性ガス供給量
を制御し、常に被浸炭材に対して最適な供給を行うこと
で、浸炭炉内の煤の発生を激減することができ、被浸炭
材への煤の付着、汚れ、浸炭むらのない良好な被浸炭品
を得ることができた。

尚、本実施例では、真空浸炭炉について説明したが、連
続炉等、他の浸炭炉についても同様の効果が得られる。

そして、本実施例では、浸炭の場合について説明したが
、浸炭性ガスに例えばアンモニアを混入して浸炭窒化を
行う場合でも同様の効果を得ることができる。

また、浸炭性ガスとしてプロパンを使用したが、これに
限らず、メタン、ブタン２　ＣＯ等、浸炭効果を有する
ガスであれば良い。そして、浸炭期の加熱炉内の浸炭性
ガス濃度の設定値は、使用する浸炭性ガスの種類、浸炭
温度、窒素ガスの希釈率等により任意に設定することが
でき、浸炭温度。

窒素ガスの希釈率等も浸炭及び拡散を行う程度により任
意に決めて良い。

本実施例では、浸炭工程において、加熱室の圧力を６５
０Ｔｏｒｒ、浸炭温度を９３０°Ｃ１拡散時の温度を９
３０　’Ｃとしたが、浸炭及び拡散を行う程度により、
変更しても良い。

また、被浸炭材としては、５ＣＲ４２０Ｈの他公知の肌
焼鋼を適用できることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る浸炭炉によれば、被浸
炭材の浸炭期に、加熱炉内の浸炭性ガス濃度を直接計測
し、この計測値に基づいて加熱炉内に供給する浸炭性ガ
スの供給量を制御することにより、被浸炭材の装入量、
被浸炭材表面への炭素流入速度の変化にかかわらず、被
浸炭材に対して常に最適な量の浸炭性ガスを供給するこ
とができる。

このため、加熱炉内に浸炭性ガスが過剰に供給されるこ
とがないため、浸炭炉内に煤が発生することを防ぐこと
ができる。この結果、煤による被浸炭材の汚れ、或いは
浸炭むらのない高品質な浸炭品を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る真空浸炭炉の構成図、第２図は
、第１図における■−■断面図、第３図は、浸炭性ガス
濃度分析装置及び調節計の構成図、第４図は、浸炭サイ
クル及びメタン濃度の制御図を示す。図中、１は真空加熱炉、２は加熱室、３は焼入層、４は
ベスチブル、９は浸炭性ガス・窒素ガス供給管、１８は
電磁弁、２２はサンプルガス吸引口、３０は赤外線メタ
ン分析計、３３は調節計、７０は浸炭性ガス濃度分析装
置を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被浸炭材を加熱する加熱炉と、前記加熱炉に浸炭
性ガスを供給する浸炭性ガス供給管と、当該加熱炉を減
圧排気する排気管と、を有する浸炭炉において、前記被
浸炭材の浸炭期に、当該加熱炉内の浸炭性ガス濃度を計
測する計測手段と、この計測値に基づいて前記加熱炉内
へ供給する浸炭性ガス供給量を制御する制御手段、とを
備えたことを特徴とする浸炭炉。