JPH0127148B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は鉄金属を浸炭する方法特に窒素および
エタノールを別々にまたは混合物として炉内に射
出させて炉雰囲気をつくる方法に関する。炉雰囲
気の平衡炭素濃度は浸炭サイクル中の供給成分の
全体の流れを制御することによつておよび供給混
合物中の水を制御および／または添加することに
よつてならびに供給組成物中に富化剤または浸炭
剤を添加することによつて確立および維持するこ
とができる。 浸炭は鉄金属例えば鋼の肌焼きに対する慣用の
方法である。ガス浸炭では、鋼は炭素を金属の表
面に移行させそれから炭素が部品の本体へ拡散す
ることのできる成分を含有する雰囲気にさらされ
る。適当量の炭素が移行された後、鋼を炉から取
り出しそしてすぐに急冷すると炭素濃度が高めら
れた領域は硬くかつ耐摩耗性になる。 鉄金属の浸炭にあたつて、種々の炉雰囲気が採
用されているが、下記の要件を満足しなければな
らない。第１に、鋼と反応して酸化物またはその
他の望ましくない化合物を生成してはいけない。
この要件は酸素および少量より多い水または二酸
化炭素の存在を排除する。第２に、それらは鋼の
表面への炭素供与体として作用することのできる
物質を含有していなければならない。最も普通に
は、これは一酸化炭素であるが、時には炭化水素
または酸素化有機物質が用いられる。第３に、雰
囲気は炭素供与体との反応が許容し得る速度で進
行するように鋼の表面を活性化しなければならな
い。この際、水素は活性化剤として非常に有効で
あつて、実際の浸炭雰囲気中に常に存在する。
種々の供給源から誘導される雰囲気が用いられて
いるが、最も普通に使用されるものは空気中の天
然ガスの部分焼燃によつて発生するいわゆる吸熱
性ガスである。それは本質的には窒素40％、水素
40％および一酸化炭素20％からなる。その平衡炭
素濃度を高めるためには少量の別の成分、普通に
は天然ガスを加えることが通常必要である。 しかしながら、吸熱雰囲気の使用は下記の点で
不利である。連続維持およびオペレータの注意を
必要とする高価で精巧な吸熱ガス発生器が必要と
される。さらに、ガス発生器の操業を自由に開始
したり中断することができない。いつたん操業を
開始したら、雰囲気の要求が最高から０に変化し
ても操業し続けることが必要である。吸熱ガスお
よびそれを生成させるために必要な天然ガスは需
要が低い期間に浪費される。さらに、天然ガスは
組成が一定でなく、主成分のメタンの他に種々の
量のエタン、プロパンおよび高級炭化水素を含有
する。天然ガスの組成が一定でなければ生成され
る吸熱ガスが実質的に変化しそして制御の問題を
惹起する。最後に、燃焼を次第に小さくすること
と雰囲気を生成させるための高価な天然ガスは本
来的にはエネルギーの浪費である。 浸炭雰囲気の生成にあたつての最近の開発には
メタノールと一緒に浸炭炉の中に導入される安価
な副生窒素の使用がある。メタノールは熱的に分
解して浸炭雰囲気として役立つ水素および一酸化
炭素の混合物を生成する。かかる雰囲気の平衡炭
素濃度を高めるために別の成分、多くの場合天然
ガスを添加することが通常必要である。しかしな
がら、メタノールは天然ガスまたは石油から製造
されるのが普通であり、そして化石燃料は次第に
不足しそしてさらに高価になつてきているので、
この方策は再び価値あるエネルギーの浪費とな
る。 そこで、浸炭雰囲気の生成に再生可能な農産物
から製造できるエタノールを使用する試みがなさ
れてきた。例えば、アメリカ特許第2673821号明
細書にはエタノールと水との混合物から炉雰囲気
をつくることが記載されている。平衡炭素濃度の
制御および大量の炭素沈積（すすの発生）の防止
は水の添加によつて行なわれる。しかしながら、
すす発生の前兆を示す硬化片についての青黒表面
が文献に報告されている。さらに、雰囲気の生成
には比較的少量の水を含有するエタノール以外に
は一切の成分が用いられないので、余分な費用と
浪費が経験される。 イギリス特許第816051号明細書には窒素を揮発
性有機物質で飽和させそして熱処理炉を通過させ
て浸炭に適した雰囲気を生成させる方法が漠然と
記載されている。詳細は不明であるが、この方法
にはエタノールを使用できることが述べられてき
ている。しかしながら、トレイトメント・サーミ
ツク（Traitement Thermique）第62巻（1971）
第35〜45頁、トレイトメント・サーミツク発行
（フランス、パリ）には、メタノールとアセトン
だけがこの方法に適していることが述べられてい
る。エタノールは炉の出口にガムを生成させそし
て弱くかつ不規則な浸炭しか生起させないことが
報告されている。 上述したように、従来技術においては炉の平衡
炭素濃度を調整するために、空気中の天然ガスの
部分燃焼によつて発生するいわゆる吸熱性ガス、
メタノールと窒素、エタノールの使用が提案され
ているが、以下の欠点があつた。まず、吸熱性ガ
スの使用は連続維持およびオペレータの注意を必
要とする高価で精巧な吸熱ガス発生器を必要と
し、また天然ガスの組成が一定でないため生成さ
れる吸熱ガスが実質的に変化し制御の問題を生じ
る。また、メタノールと窒素の使用はメタノール
が熱分解して水素と一酸化炭素との混合物を生成
することから、平衡炭素濃度を高めるためにさら
に別の成分すなわち天然ガスの添加を必要とし資
源不足の問題を生じる。また、エタノールの使用
は炉の出口にガムを生成させ、弱くかつ不規則な
浸炭しか生じないという欠点がある。 本発明は上記従来技術の欠点に鑑みてなされた
ものであつて、その目的は制御量の水を含有する
窒素−エタノール混合物を浸炭ガスと共に使用し
て炉雰囲気の制御を容易にし、作業費を軽減しか
つ浸炭を有効に行うことにある。 すなわち、本発明によれば、816℃（1500〓）
を越える温度に維持された浸炭しようとする鉄金
属物品を含む炉内に射出された窒素およびエタノ
ールで鉄金属物品を浸炭するにあたつて、窒素、
エタノールおよび水の供給物中のエタノールおよ
び水が１：１のモル比になるように水を添加して
全供給物を調整しそして炉の寸法および配置、炉
装填、浸炭される物品の組成、測定炉温、所望の
硬化深度、富化剤の組成および浸炭サイクル中の
炉雰囲気の分析によつて決定される所望の平衡炭
素濃度を達成するのに有効な量の富化剤を添加し
て前記炉雰囲気の平衡炭素濃度を制御することか
らなる、鉄金属物品の浸炭法が提供される。 本発明の方法では、窒素、エタノールおよび水
の供給中のエタノールおよび水が１：１のモル比
になるように水を添加することが必要であるが、
この際エタノール対水の比率が１：１を越えると
作業費が増大しかつすすの発生が大きくなるおそ
れがあるので避けなければならない。また、その
比率が１：１より低くなると銅の脱炭および／ま
たは酸化を招来するおそれがあるので避けなけれ
ばならない。 鉄金属物品は浸炭炉の中に別々の流れとしてま
たは混合物として同時に導入される窒素およびエ
タノールの混合物を利用して効果的に浸炭するこ
とができる。本発明の態様は制御された量の水お
よび炭化水素富化剤または浸炭剤の添加によつて
補充される窒素−エタノール基本混合物を利用す
る方法にある。供給組成および炉を通る全体の流
れを制御することによつて炉雰囲気の平衡炭素濃
度を制御することは包含される。 本発明の態様では、窒素とメタノールから誘導
されるものと組成が類似する適当な基本炉雰囲気
はエタノールと水を１：１のモル比で添加した窒
素の流れを炉に通過させて生成することができ
る。約1500〓〜約1900〓（816℃〜1038℃）の炉
温では、エタノールと水とが反応して少量のメタ
ン、二酸化炭素および水と一緒に一酸化炭素と水
素を約１：２の比で含有するガスを生成する。得
られた炉雰囲気は低炭素鋼の中立焼入のために使
用することができる。浸炭させることが望まれる
ならば、雰囲気の平衡炭素濃度は実質的にメタ
ン、プロパン、ブタン、エタンおよびその混合物
を含有する天然ガスのような富化ガスによつて高
めることができる。雰囲気の平衡炭素濃度は鉄線
センサーのような適当な手段によつて連続的に測
定される。別法として、雰囲気はガスクロマトグ
ラフまたは赤外分析によつて一酸化炭素および二
酸化炭素の濃度に対して連続的に分析してもよ
い。平衡炭素濃度はこれらのガス分析値から計算
しそして富化ガスの添加量を変化させて上方また
は下方で調整することができる。富化ガスの量を
増加すると平衡炭素濃度が高められるが、富化ガ
スの流れが減少すると平衡炭素濃度が低下する。
富化ガス流の制御は手動で行つてもよいしあるい
はよく知られかつ普通に入手できる装置を用いて
自動的に行うことができる。 以下の実施例は本発明を実施する方法を説明す
るものである。 実施例 １ 放射管加熱器および循環フアンを有する7.5立
方フイートのバツチ式炉を用いて典型的な炉雰囲
気の発生とこれらが鋼部品の浸炭に効果的に使用
できることを説明する。一連の実験では、装填な
しで炉を運転したがプロパンの添加量はかなりの
範囲にわたつて変化させた。エタノールと水は気
体窒素の導入にも使用される口を通して炉内に液
体として別々に噴霧した。炉内に入る前に窒素流
にプロパンを導入した。炉雰囲気の試料を連続的
に取り出しそしてガスクロマトグラフによつてひ
んぱんに分析した。厚さ0.005cm（0.002インチ）
の鋼片を炉内につるして平衡炭素濃度の測定を行
つた。実験が終了したら、試験片を急いで取り出
し、冷却しそして炭素を分析した。 結果を表に示す。表中の「％Ｃ理論値」は二
酸化炭素および一酸化炭素に対する個々の分析値
から計算した理論平衡炭素濃度である。表中の
「％Ｃ試験片」は試料の炭素の実際の分析値であ
る。平衡炭素濃度の計算値と測定値は一致するこ
とが明らかである。

【表】

【表】 イートを示す略号である。
実施例 ２ 実施例１に記載した炉および手順を用いて
AISIタイプ1010リベツトの15ポンドを浸炭した。
供給流および炉のガス分析値を以下の表に示
す。

【表】

【表】 フイートを示す略号である。
各試験において所定の温度に2.5時間置いた後
リベツトを炉から取り出し、冷却しそして金属組
織学的検査に付して全硬化深度と有効硬化深度を
測定した。これらの測定結果を表に示す。

【表】 これらの結果はまつたく満足のいくものであり
そして1700〓で試験２を行つた場合の結果はメタ
ノール、窒素および天然ガスから誘導された雰囲
気を用いて同じ温度で得られたものと実質的に同
じである。 炉に供給された基本のガス生成成分は約０％窒
素、約50％エタノールおよび約50％水から約85％
窒素、7.5％エタノールおよび7.5％水までの範囲
であつてもよい。供給ガス中の窒素の好適な最大
量は約80％であり、残りは約10％エタノールおよ
び約10％水である。窒素含量をさらに高くしても
浸炭率は低く不十分である。最低窒素含量は特定
な適用に依存している。いくつかの状況では、エ
タノールおよび水から完全に誘導された基本のガ
スは炭素の移行量を最高かつ均一にすることによ
つて浸炭処理の初めに有利になる。しかしなが
ら、かかる雰囲気は費用がかかり、高い炭素移行
量を最早維持できない場合は希釈を窒素で始める
のが望ましい。 エタノール対水の比率は約１：１が好ましい
が、さらに高い比率を用いて幾分高い平衡炭素濃
度を得ることができる。１：１より有意に低い比
率は鋼の脱炭および／または酸化を招来するおそ
れがあるので避けるべきである。富化ガス対エタ
ノールの比率は０から炉内に所望の平衡炭素濃度
を生じる値まで変化してもよい。この上限値は所
望の平衡炭素濃度のみならず炉温、ガス循環量お
よび浸炭される部分の表面積を含めての多くのフ
アクターに依存するので上限に対する一般的な説
明をくわしくすることができない。実施例２に記
載された値は富化ガスとしてプロパンを使用した
場合に経験し得るもののうちの典型的なものであ
る。１分子当り低い炭素を含有する物質がプロパ
ンより大量に必要となることが明らかである。温
度は約1500〓（816℃）から約1900〓（約1038℃）
までの範囲にあつてもよい。 水とエタノールは液体または蒸気として別々に
あるいは一緒の流れで導入することができる。一
般に、最も簡単な操作は液体を十分に混合し次に
スプレーノズルを介してあるいは炉全体を通じて
蒸気の迅速かつ安全な気化と分散を保証する他の
適当な装置を介して液体として炉内にポンプで供
給する場合に得られる。 本発明による方法はバツチ式炉における現存の
ガス浸炭法の代りにかつ連続炉における適当な炉
制御と共に使用することができる。現存の平衡炭
素濃度測定装置を変更する必要なしに現存の炉を
本発明の方法に容易に適合させることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 816℃（1500〓）を越える温度に維持された
   浸炭しようとする鉄金属物品を含む炉内に射出さ
   れた窒素およびエタノールで鉄金属物品を浸炭す
   るにあたつて、窒素、エタノールおよび水の供給
   物中のエタノールおよび水が１：１のモル比にな
   るように水を添加して全供給物を調整しそして炉
   の寸法および配置、炉装填、浸炭される物品の組
   成、測定炉温、所望の硬化深度、富化剤の組成お
   よび浸炭サイクル中の炉雰囲気の分析によつて決
   定される所望の平衡炭素濃度を達成するのに有効
   な量の富化剤を添加して前記炉雰囲気の平衡炭素
   濃度を制御することからなる、鉄金属物品の浸炭
   法。 ２ 前記炉温が1550〓（843℃）と1900〓（1038
   ℃）との間にある、前記特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ３ 前記供給物が容量で7.5〜50％エタノール、
   7.5〜50％水および残り最高85％までの窒素から
   本質的になる、前記特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 ４ 前記供給物が容量で10％エタノール、10％水
   および残り窒素および富化ガスから本質的にな
   る、前記特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ 前記富化ガスがメタン、プロパン、ブタン、
   エタンおよびその混合物を実質的に含有する天然
   ガスからなる群から選択される、前記特許請求の
   範囲第１項記載の方法。