JPS648073B2 - - Google Patents

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JPS648073B2
JPS648073B2 JP10563779A JP10563779A JPS648073B2 JP S648073 B2 JPS648073 B2 JP S648073B2 JP 10563779 A JP10563779 A JP 10563779A JP 10563779 A JP10563779 A JP 10563779A JP S648073 B2 JPS648073 B2 JP S648073B2
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JP
Japan
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amount
gas
carbon concentration
target
carburizing
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JP10563779A
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English (en)
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JPS5629668A (en
Inventor
Kunio Kobayashi
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Oriental Engineering Co Ltd
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Oriental Engineering Co Ltd
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20Carburising
    • C23C8/22Carburising of ferrous surfaces

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、浸炭雰囲気の炭素濃度制御方法に
関し、特に、雰囲気ガス中のCO量と炉内温度と
鋼材表面の目標炭素濃度とから所望の平衡炭素濃
度に相応するCO2量を演算してCO2量の目標値を
設定し、この目標CO2量と雰囲気ガス中のCO2
との偏差に基づいて炉内に供給されるエンリツチ
ガス量を制御することにより、雰囲気ガス中の
CO量が変動するような場合においても、浸炭雰
囲気の平衡炭素濃度を所望値に保持させるように
したものである。
一般に、鋼材を浸炭雰囲気中で熱処理する場合
の浸炭機構は、たとえば雰囲気ガスとしてCO+
CO2混合ガスを例にとると、次の反応式によつて
与えられる。
2CO〔C〕+CO2 ……(1) 上式から浸炭雰囲気の炭素濃度は、雰囲気ガス
成分の中のCO2の分圧を測定することによつて制
御する方法が、従来から行なわれている。しかし
ながら、この制御方法はCO量が一定であること
を前提とするものであるため、必ずしも精密な制
御を望み得ないという難点がある。すなわち、変
成炉方式による雰囲気ガスでは、変成に用いられ
る炭化水素ガスの種類および炭化水素ガスと空気
との混合比によつて、それぞれガス組成が変動
し、また、省資源を目的として、真空炉のような
完全密閉容器に被処理鋼材とともに雰囲気ガスを
パツクして行なう浸炭方式では、エンリツチガス
の供給量に応じてガス組成が変動するため、これ
によるCOの分圧の変動を免れず、したがつて、
CO2のみを測定して行なう従来の制御方法では、
鋼材表面の炭素濃度を所望値に制御するのは、き
わめて困難なこととされていた。
そこで、このような難点を排除する技術として
CO2以外の組成ガスを計測する方法も提案される
に至り、たとえば、特開昭51−149135号および特
開昭51−149136号各公報では、CO,CO2,CH4
およびH2を、特開昭52−14539号および特開昭52
−14540号公報では、CO,H2およびH2Oをそれ
ぞれ計測し、これらの分析値で算出した雰囲気中
の炭素濃度を所望の平衡炭素濃度設定値と比較し
て、その偏差に応じてエンリツチガスの添加量を
制御するようにしている。これらの方法は従来よ
りも高精度の制御が可能となる点において効果を
有するものの、分析される組成ガスが少くとも3
種類を必要とするため、却つて分析装置や演算装
置の構造と配置が大型かつ複雑となり、その管理
も容易ではないという難点がある。
この発明は、かかる観点に鑑み、従来の制御方
法の欠点を解消するためになされたものであり、
この発明の目的は、CO2とCOの2種類の組成ガ
スを測定することによつて浸炭雰囲気の炭素濃度
を簡易に、かつ精密に制御し得る方法を提供する
ことにあり、また、この発明の目的は、雰囲気ガ
スの組成とくにCOの変動や炉内温度の変化に応
じて所望の平衡炭素濃度に相応するCO2量を修正
することによつて浸炭雰囲気の平衡炭素濃度を一
定に制御する方法を提供することにあり、さら
に、この発明の目的は、熱処理炉の種類、および
浸炭方式の種別を問わず、鋼材の品質を均一かつ
高精度にすることにあり、さらにまた、この発明
の目的はガス浸炭におけるキヤリアガスおよびエ
ンリツチガスの消費量を節減して省資源化を実現
することにある。
すなわち、この発明に係る浸炭雰囲気の炭素濃
度制御方法は、下記の実施例において詳述するよ
うに、熱処理炉内の雰囲気組成ガスからCO2量と
CO量分析値Pcpと炉内温度と鋼材表面の目標炭素
濃度CPeqとにより雰囲気ガスの平衡炭素濃度に
相応する目標CO2量 (S×Pcp 2/CPeq)を演算して設定し、 ただし、S(温度係数)=CPsat(飽和炭素濃度)/
K(平衡恒数) この目標CO2量と雰囲気ガス中のCO2量分析値
との偏差に基づいて炉内に供給されるエンリツチ
ガス量を増減し、前記偏差値が零となるように制
御することを特徴とするものである。
この発明の制御方法は、次に述べる演算式を用
いて行なわれる。すなわち、前掲の浸炭機構の反
応式(1)における平衡恒数をKとすると、次の平衡
式が成立する。
K=Pco2/ac・Pco2 ……(2) ここに、ac;飽和度 Pco、Pco2;それぞれCO、CO2の分圧 ac=平衡炭素濃度CPeq/飽和炭素濃度CPsat……(3) いま、式(3)を式(2)に代入して変形すると、 Pco2=S×Pcp 2/CPeq ……(4) ここに、S=CPsat/K Sは処理温度によつて定まる定数(温度係数)
である。
式(4)から、Pcpの変化分で目標とするPcp2を修
正すればよいことが判る。
以下、この発明の制御方法を図示した実施例に
ついて説明する。第1図は、この発明に用いる制
御装置の実施例を示すブロツク図であり、一定の
処理温度に保持されている熱処理炉1には、鋼材
(図示せず)を装入して浸炭処理が行なわれる。
この熱処理炉1内には、浸炭ガスを発生させる滴
注剤を図示しない供給源から管路2によつて供給
し、また同様にエンリツチガスを図示しない供給
源から制御弁4を介して管路3によつて供給して
所定の平衡炭素濃度の雰囲気ガスを生成させるよ
うになつている。この雰囲気ガスは管路5から該
管路5に接続されたCO分析計6に送られる。該
CO分析計6によつて分析されたCO量はCO分析
信号として演算装置10に入力する。また、炉内
温度を、熱電対7により測定して温度信号とし
て、同様に演算装置10に入力する。一方、所望
する鋼材の表面炭素濃度を炭素濃度設定器8に設
定して、これを目標炭素濃度設定信号として同様
に演算装置10に入力する。
演算装置10には、前掲式(4)の演算回路が組み
込まれており、これに入力されたCO分析信号、
温度信号および目標炭素濃度設定信号による演算
を行なつて、雰囲気ガスの平衡炭素濃度に相当す
る目標CO2量を算出する。この目標CO2量はCO2
調節計9の設定値として入力する。
また、炉内の雰囲気ガスは管路5に接続された
CO2分析計11によつてCO2量が分析され、CO2
分析信号としてCO2調節計9にフイードバツクさ
れる。CO2調節計9は前記演算装置10から設定
値として入力された目標CO2量の信号とCO2分析
計11から測定値として入力されたCO2分析信号
とを比較して、これにより生じた偏差信号で管路
3に接続された制御弁4を作動させ、偏差信号の
大小に応じて該制御弁4の開度を調節する。以上
の様子を、炉内雰囲気の化学反応面から考察する
と次のようになる。
第1図で、管路2から供給されるキヤリアガス
として、たとえば滴注式では、メタノールが使用
されるので、これが分解してCOとH2が生成され
る。
CH3OHCO+2H2 ……(5) このうち、浸炭反応にはCOガスが関与する。
2COCr+CO2 ……(6) (6)式で、浸炭が進行するにつれ、反応は右に移
行し、COが減少する反面、CO2が増大する。そ
の結果、外部からCOの供給がなければ、(4)式よ
り雰囲気のカーボンポテンシヤルは低下してい
く。
一方、制御弁4から供給されるエンリツチガス
として、プロパンガスを使用すると、(6)式のCO2
ガスと反応して、 C3H3+3CO26CO+4H4 ……(7) (7)式により、雰囲気中の脱炭成分であるCO2ガス
が還元成分であるCOとH2ガスにリホーミングさ
れ、再び浸炭能力が高められる。
したがつて、CO2調節計9の偏差信号に応じた
出力により、制御弁4のプロパンガス量を増減し
て偏差値を零にすることにより、所定の平衡炭素
濃度に制御される。
なお、CO2調節計は、一般にフイードバツク制
御では、PID調節計が適している。
前記実施例における雰囲気ガス中のCO2量およ
びCO量の分析方法としては、たとえば赤外線吸
収法またはガスクロマトグラフ法その他適宜の方
法を採用するものとする。またCO2調節計として
は、サーボ設定形式のものが好適である。演算装
置はアナログ式デジタル式の何れでも採用するこ
とができる。第2図は、第1図の実施例において
アナログ式演算装置を用いた場合の目標CO2量の
演算工程を示すブロツク図である。CO分析計6
(第1図)からのCO分析信号Pcpは2乗演算器1
2に入力されて2乗演算が施され、Pcp 2として次
の乗算器13に送られる。一方、熱電対7からの
温度信号は、関数発生器14により炉内温度に対
応した温度係数S(=CPsat/K)に変換されて乗算 器13に送られる。乗算器13では、Pcp 2とSと
の信号の乗算が行なわれ、Pcp 2・Sとして次の除
算器15に入力される。除算器15はこのPcp 2
Sを炭素濃度設定器8からの目標炭素濃度設定信
号CPeqで除して、目標値としてのCO2量である
Pcp 2・S/CPeqとしてCO2調節計9に出力する。この ようにして、CO2調節計9には雰囲気ガスの平衡
炭素濃度に相当する目標CO2量が設定値として入
力される。
なお、温度係数S=CPsat/Kにおいて、CPsat
は鉄−炭素系平衡状態図より、 CPsat2.8×10-3t−1.3(ただし、723≦t<850℃) 3.0×10-3t−1.47(ただし、850≦t<950℃) 3.4×10-3t−1.85(ただし、950≦t<1000℃) ただし、tは温度℃ また、Kはハリスの式より、 logK=−15966/T+9.06 ただし、Tは絶対温度(〓+460)として計算
される。
この発明の制御方法を用いて、浸炭処理を行な
つて得た被処理鋼材の表面炭素濃度の分析結果を
従来の赤外線式CO2分析法による分析結果と対比
してみると第3図に示すとおりである。同図の浸
炭時間は、炉内が浸炭温度(930℃)に達し、雰
囲気制御を開始してから後の経過時間である。同
図におけるこの発明の方法を用いた浸炭処理は、
次の工程にしたがつて行なつたものである。ま
ず、被処理鋼材を炉内に装入したのち、真空ポン
プにて炉内の空気を排出する。その後、大気圧付
近までキヤリアガスを封入して密閉する。次いで
昇温し炉内温度が回復したところで、この発明の
制御方法によつてエンリツチガスを供給し、雰囲
気ガスの平衡炭素濃度を所定値に保持しながら所
定時間浸炭処理を行なう。ここでキヤリアガスに
ついては、RXガスやメタノールあるいはメタノ
ールとN2ガスとの混合ガスが適当である。
この発明は、前述したとおり雰囲気ガス中の
CO量と炉内温度と鋼材表面の目標炭素濃度とか
ら所望の平衡炭素濃度に相応する目標CO2量を設
定し、この設定値と雰囲気ガス中のCO2量との偏
差に基づいてエンリツチガスの供給量を制御する
ように構成したものである。したがつて、この発
明によれば雰囲気ガス中のCO量がどのように変
動しても雰囲気ガスの平衡炭素濃度を一定に制御
することが可能となる。しかも、雰囲気ガスのう
ち、CO量とCO2量の2種類の組成ガスを分析し
て、目標CO2量をCO量の変動に応じて修正する
ものであるから、きわめて簡易な手段によつて雰
囲気ガスの精密制御が可能となるだけでなく、熱
処理炉の種類、浸炭方式の種別を問わず適用でき
ることと相まつて、均一かつ高精度のすぐれた品
質の鋼材を得ることができる。また、この発明に
よれば、エンリツチガスはもちろん、キヤリアガ
スの大幅な節減が可能となり、省資源化の要請に
充分応えることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明に用いる制御装置の実施例
を示すブロツク図、第2図は演算工程の実施例を
示すブロツク図、第3図は被処理鋼材の表面炭素
濃度と浸炭時間との関係を示す線図である。 図中、1は熱処理炉、4は制御弁、6はCO分
析計、8は炭素濃度設定器、9はCO2調節計、1
0は演算装置、11はCO2分析計である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 熱処理炉内の雰囲気組成ガスからCO2量と
    CO量とを分析し、CO量分析値Pcpと炉内温度と
    鋼材表面の目標炭素濃度CPeqとにより雰囲気ガ
    スの平衡炭素濃度に相当する目標CO2量 (S×Pcp 2/CPeq)を演算して設定し、 ただし、S(温度係数)=CPsat(飽和炭素濃度)/
    K(平衡恒数) この目標CO2量と雰囲気ガス中のCO2量分析値
    との偏差に基づいて炉内に供給されるエンリツチ
    ガス量を増減し、前記偏差値が零となるように制
    御することを特徴とする浸炭雰囲気の炭素濃度制
    御方法。
JP10563779A 1979-08-20 1979-08-20 Carbon concn. controlling method of carburizing atmosphere Granted JPS5629668A (en)

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JPS6029461A (ja) * 1983-07-29 1985-02-14 Tokyo Netsu Shiyori Kogyo Kk バツチ型浸炭炉の浸炭雰囲気の制御方法
US5139584A (en) * 1989-07-13 1992-08-18 Solo Fours Industriels Sa Carburization process
CN104790006A (zh) * 2015-04-22 2015-07-22 江汉石油钻头股份有限公司 一种螺杆钻具转子表面强化复合层及其加工工艺

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