ガス浸炭方法及びガス浸炭装置
【課題】安定した雰囲気で熱処理ができ、且つ、設備コストも低減できるガス浸炭方法を提供する。
【解決手段】炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いる。
【解決手段】炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス浸炭方法と、その方法の実施に用いて好適なガス浸炭装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス浸炭方法として、変成炉で生成された吸熱型の変成ガスを用いるものがあり、前記変成ガスの浸炭力の弱さを補うために、変成ガスに加えてエンリッチガスを炉内に供給して浸炭を行うことで、所定の表面浸炭濃度を確保している。そして、例えば特許文献１に開示されているように、変成ガス、エンリッチガス、空気等の流量を調整することにより、炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（以下、ＣＰと表記する）を制御していた。
【０００３】
これに対し、炉内において、予熱、浸炭、冷却、焼入等の各工程ごとに、それぞれ所定のＣＰに生成された変成ガスのみを供給して前記炉内の雰囲気を調整する方法も提案されている（特許文献２）。
【０００４】
さらに、炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入して変成ガスを生成し、この変成ガスを冷却した後に水分及び二酸化炭素を吸着分離してなるガスを、それ単独で、又は前記変成ガスと混合して、浸炭用雰囲気ガスとして用いる方法も提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８３１１６号公報
【特許文献２】特開２００９−９１６３２号公報
【特許文献３】特開２００４−１０９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のもののように、変成ガスに加えてエンリッチガスや空気等を炉内に供給すると、雰囲気がばらつきやすいため、浸炭の品質にばらつきが発生するおそれがある。また、空気を加えた場合には、被処理体が酸化することもあるため、浸炭処理の効率及び被処理体の品質が低下する。さらに、ＣＰ制御のために各種の分析計や演算機、センサー、流量計等、さまざまな精密機器が必要であるため、設備コストの増大にもつながる。
【０００７】
特許文献２のもののように、処理の工程ごとに異なるＣＰの変成ガスを供給するには、複数のガス変成炉が必要となり、設備コストの増大が避けられない。また、浸炭工程用に高ＣＰの変成ガスを変成炉で生成させると、変成炉がスーティングするおそれがある。
【０００８】
特許文献３のものは、源ガスとして、炭化水素、二酸化炭素、酸素、必要に応じて窒素と、単独ガスを供給するので、コストアップが避けられず、実用性に欠ける。
【０００９】
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、安定した雰囲気で熱処理ができ、且つ、設備コストも低減できるガス浸炭方法及びガス浸炭装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いることを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
本発明によれば、浸炭のための一連の熱処理工程のそれぞれにおいて、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスの中から、処理品に求められる品質に応じて最適なガスを選んで熱処理を行うことができる。前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスよりＣＰ値が高いので、より大きな浸炭力を発揮する。よって、従来のようにエンリッチガスを添加する必要がなく、またエンリッチガスのように炭化水素ガスの分解を伴わないので、常に安定した雰囲気で熱処理を行うことができる。複数の変成炉が必要なわけでもないし、ＣＰ制御のために多数の精密機器が必要なわけでもないので、設備コスト上も有利である。
【００１２】
なお、本発明に係るガス浸炭方法において、浸炭のための一連の熱処理工程とは、複数の熱処理室間で被処理体を移動させながら行うものであっても良いし、単一の熱処理室で一連の熱処理工程を順次行うものであっても良い。
【００１３】
好適な実施の一形態として、前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第１の熱処理工程と、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記低ＣＯ２変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いる第２の熱処理工程と、を備える態様を例示する（請求項２）。
【００１４】
さらに、前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第３及び第４の熱処理工程を備える態様とすることもできる（請求項３）。
【００１５】
具体例としては、前記第１の熱処理工程が昇温工程であり、前記第２の熱処理工程が浸炭工程であり、前記第３の熱処理工程が拡散工程であり、前記第４の熱処理工程が降温工程である（請求項４）。
【００１６】
好適な実施の一形態として、前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を分離することで生成できる（請求項５）。
【００１７】
好適な実施の一形態として、前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流速が１．５ｍ／ｓ以上の流速である態様（請求項６）や、前記雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量である態様（請求項７）を採用することもできる。これらの態様によれば、有効硬化層深さを確実に目標値に到達させることができるとともに、浸炭時間も短縮できる。
【００１８】
一方、本発明に係るガス浸炭装置は、炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成する変成炉と、該変成炉と浸炭のための一連の処理を行う熱処理室とを連結する変成ガス管路と、前記変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成する低ＣＯ２変成ガス生成装置と、該低ＣＯ２変成ガス生成装置の低ＣＯ２変成ガス出口と前記熱処理室とを連結する低ＣＯ２変成ガス管路と、前記変成ガス管路と前記低ＣＯ２変成ガス管路上に配設され、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるバルブと、を備えたものである（請求項８）。
【００１９】
前記ガス浸炭装置によれば、前記バルブの切り替えで、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスの中から、処理品に求められる品質に応じて最適なガスを選んで供給することができる。前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスよりＣＰ値が高いので、より大きな浸炭力を発揮する。よって、従来のようにエンリッチガスを添加する必要がなく、したがって、常に安定した雰囲気で熱処理を行うことができる。従来例のように複数の変成炉が必要なわけでもないし、ＣＰ制御のために多数の精密機器が必要なわけでもないので、コスト上も有利である。
【００２０】
なお、本発明に係るガス浸炭装置において、前記熱処理室は、浸炭のための一連の処理を行う複数の熱処理室であっても良いし、浸炭のための一連の処理を行う単一の熱処理室であっても良い。
【００２１】
好適な実施の一形態として、前記低ＣＯ２変成ガス生成装置が、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を吸着分離するＣＯ２吸着器である態様を例示する（請求項９）。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガス浸炭装置の配管系を示す系統図である。
【図２】本発明の一実施例における処理工程図である。
【図３】本発明の一実施例に係る流速とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例に係る流量とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法及びガス浸炭装置について説明する。
【００２４】
本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気を原料ガスとして変成炉で変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いるものである。
【００２５】
なお、本発明において、浸炭のための一連の熱処理工程とは、複数の熱処理室間で被処理体を移動させながら行うものであっても良いし、単一の熱処理室で一連の熱処理工程を順次行うものであっても良い。
【００２６】
前記変成ガスは、従来公知の変成炉を用いて生成できる。変成炉で生成される変成ガスは、炭化水素系ガス（例えば、１３Ａガス、天然ガス、プロパン、ブタン等）と空気の混合比や、また目的とするガス組成、ＣＰ値によって様々であるが、概ね、ＣＯ：１８〜２５体積％、Ｈ２：３０〜４１体積％、Ｎ２：３５〜５０体積％、ＣＯ２：０．１２〜０．２５体積％、Ｈ２Ｏ：０．６体積％以下、ＣＨ４：０．０４体積％以下であることが好ましい。炭化水素系ガスとして１３Ａ（都市ガス）を用いた場合、さらに変成ガス組成の一例を挙げると次の通りである（８５０℃、ＣＰ値０．８のとき）。
【００２７】
Ｎ２（窒素）： 約３９．８５体積％
Ｈ２（水素）： 約３６体積％
ＣＯ（一酸化炭素）： 約２４体積％
ＣＯ２（二酸化炭素）：約０．１５体積％
前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成炉で生成された変成ガスから、従来公知のＣＯ２吸着器を用いてＣＯ２を吸着分離することによって生成できる。したがって、前記低ＣＯ２変成ガスは、ＣＯ２の割合が前記変成ガスよりも小さくなる。具体的には、ＣＯ２が０．１５体積％未満、さらには０．１体積％以下、０．０５体積％以下であることが好ましい。
【００２８】
本発明において低ＣＯ２変成ガスの生成方法は前記方法には限定されず、Ｎ２，Ｈ２，ＣＯ，ＣＯ２等の複数のガスを混合して前記低ＣＯ２変成ガスと同様の組成のガスとしたものでも良く、便宜上これも低ＣＯ２変成ガスと称する。
【００２９】
なお、本発明において、低ＣＯ２変成ガスとは、ＣＯ２がゼロの場合も含む。
【００３０】
低ＣＯ２変成ガスのＣＰ（カーボンポテンシャル）は、前記変成ガスよりもＣＯ２が低減されたことで、前記変成ガスのＣＰよりも高くなり、これを浸炭雰囲気ガスとして用いることで浸炭力が高まる。また、変成ガスの浸炭力の弱さを補うために従来添加されていたエンリッチガスを使用する必要がなくなり、炭化水素系ガスの分解がなく、安定した浸炭雰囲気ガス中で浸炭が行われるので、浸炭むらやスーティングが生じにくい。この利点は、前記低ＣＯ２変成ガスのみを雰囲気ガスとして浸炭を行う場合だけでなく、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスを雰囲気ガスとして用いて浸炭を行う場合にも得られる。
【００３１】
本発明の発明者等は、ＣＯとＣＯ２とＨ２とＮ２の４種のガスを混合して、変成ガスと、それよりＣＯ２濃度の小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、ＳＣｒ４２０の被処理体（ワーク）に対してガス浸炭処理を行った。試験炉はゴールドファーネス、浸炭実施時間は２時間である。その浸炭条件と浸炭雰囲気ガス組成を表１に、浸炭結果を表２及び表３に示す。
【表１】
【表２】
【表３】
【００３２】
これらの表において、従来例１は、変成ガスで浸炭処理を行ったものであり、実施例２〜４が低ＣＯ２変成ガスで浸炭処理を行ったものである。実施例の雰囲気ガス（低ＣＯ２変成ガス）のＣＰは、ＣＯ２濃度が小さい分だけ従来例の雰囲気ガス（変成ガス）のＣＰより高くなっている。
【００３３】
表１において、ＣＰ値は、「（ＣＯ濃度）２／（ＣＯ２濃度）×Ｋｐ（平衡定数）×飽和炭素量（浸炭温度での鋼の飽和炭素量）」の計算式で求めた。
【００３４】
表１において、ＣＨ４は、反応により微量生成されたものと考えられる。
【００３５】
表３に示すように、従来例、実施例ともに、表面組織に炭化物の析出はなく、良好な浸炭が行えた。また、表２に示すように、従来例に比べて実施例のものは、浸炭能力が高くワークの表面炭素濃度も高く、良好な結果が得られた。いずれの実施例でもスーティングの発生はなかった。
【００３６】
なお、変成炉において９５０℃においてＣＰが１．２になるような変成ガスを生成すると、変成炉にスーティングが発生した。
【００３７】
前記試験により、変成ガスによるガス浸炭に対する低ＣＯ２変成ガスによるガス浸炭の優位性が実証された。
【００３８】
次に、本発明方法を実施するのに用いて好適なガス浸炭装置について説明する。
【００３９】
図１に示すように、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭装置１００は、昇温室（予熱室）１、浸炭室２、拡散室３、降温室４からなる一連の熱処理室を有する熱処理部５と、前記熱処理室１，２，３，４で使用する雰囲気ガスを生成する変成炉６と、低ＣＯ２変成ガス生成装置７，７と、を備える。前記変成炉６と前記各熱処理室１，２，３，４は、変成ガス管路８で連結される。また、前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７，７の低ＣＯ２変成ガス出口９，９と前記各熱理室１，２，３，４は、低ＣＯ２変成ガス管路１０で連結される。
【００４０】
前記変成炉６は従来公知のものと同一であり、ニッケル触媒等の触媒（図示せず）を内蔵する。メタン、プロパン、ブタン、１３Ａ（都市ガス）等の炭化水素系ガスと空気が前記変成炉６に導入され、例えば１０８０℃に加熱された触媒層を通過する。この際の触媒反応（変成反応）により変成ガスが生成される。
【００４１】
前記変成炉６には、冷却装置１１が付属している。生成された１０８０℃の変成ガスは、前記冷却装置１１により常温まで冷却された後に、前記変成ガス管路８へと導出される。前記変成炉６に冷却装置１１が付属していない場合には、前記変成炉６と前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７，７との間の前記変成ガス管路８上に冷却装置を配設しておけばよい。
【００４２】
前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７は、前記変成炉６で生成される変成ガスよりもＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成する。前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７としては、従来公知のＣＯ２吸着剤を充填したＣＯ２吸着器を用いることができる。この場合、前記変成炉６で生成される変成ガスを分岐管路１２，１２で前記ＣＯ２吸着器７，７に導入し、ＣＯ２吸着剤で変成ガス中のＣＯ２を吸着分離する。ＣＯ２が吸着分離されることで、前記変成ガスは前記低ＣＯ２変成ガスとなる。該低ＣＯ２変成ガスは、前記低ＣＯ２変成ガス管路１０を通って前記昇温室１、浸炭室２、拡散室３及び降温室４の方向へと導出される。なお、前記ＣＯ２吸着器７を用いることにより、ＣＯ２と同時に変成ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）も効率的に除去され、変成ガスより高ＣＰの低ＣＯ２変成ガスを得ることができる。
【００４３】
前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７の他の例として、前記変成ガスを利用することなく、Ｎ２，Ｈ２，ＣＯ，ＣＯ２等の複数のガスを混合して低ＣＯ２変成ガスを生成する、図示しないガス混合装置を採用することもできる。
【００４４】
図１の例では、前記変成ガス管路８に対して二つのＣＯ２吸着器７，７が切換え可能に接続されている。これは、ＣＯ２の吸着とＣＯ２の脱着とを二つのＣＯ２吸着器７，７間で交互に行わせ、連続運転を支障なく行わせるためである。分離されたＣＯ２は、排出管路１３を通してＣＯ２吸着器７，７から外部へ排出される。
【００４５】
前記排出管路１３と前記低ＣＯ２変成ガス管路１０にはＣＯ２分析計１４が配設され、両管路を流れるガス中のＣＯ２濃度が常時監視され測定される。
【００４６】
前記変成ガス管路８及び前記低ＣＯ２変成ガス管路１０上には、多数のバルブ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂが配設されている。これらのバルブは、前記一連の熱処理室１，２，３，４のそれぞれに、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるためのバルブである。前記各バルブの下流側にはガス混合部１５が配設される。このガス混合部１５において、前記変成ガス管路８を通して供給される変成ガスと、前記低ＣＯ２変成ガス管路１０を通して供給される低ＣＯ２変成ガスとがミキシングされ所定の組成となる。
【００４７】
前記バルブ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂの操作により、昇温工程として、前記昇温室１には、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記浸炭室２には、浸炭工程として、前記低ＣＯ２変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記拡散室３には、拡散工程として、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記降温室４にも、降温工程として、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記各熱処理室１，２，３，４の雰囲気ガスは、前記低ＣＯ２変成ガスの割合が大きいほど浸炭力が大きくなる。
【００４８】
前記各工程で前記各熱処理室にどのガスをどれだけ導入するかは、処理品に要求される品質に応じて適宜に決定する。但し、浸炭室２に変成ガスを単独供給することはない。変成ガス単独ではＣＰ値が低くて所望の浸炭が得られないからである。
【００４９】
また、昇温室１、拡散室３、降温室４に低ＣＯ２変成ガスが単独供給されることもない。昇温室１と降温室４に低ＣＯ２変成ガスを単独供給すると、昇温途中及び降温途中の低温時にワーク表面に炭化物が析出するおそれがあるからである。拡散室３に低ＣＯ２変成ガスを単独供給すると、ワークの表面炭素濃度が上がりすぎてしまい、その後の油焼入工程で残留オーステナイトの析出量が増えることが予想されるからである。
【００５０】
好ましくは、降温室４に使用される変成ガスのＣＰを狙って変成炉で変成ガスを生成させ、この変成ガスを降温室４に単独供給し、浸炭室２には低ＣＯ２変成ガスを単独供給し、昇温室７、拡散室３には変成ガスと低ＣＯ２変成ガスの混合ガスを供給する。
【００５１】
前記各熱処理室１，２，３，４で熱処理に関与した雰囲気ガスは、一部が排気管路１６により排ガスとして燃焼・排出され、他の一部はＣＯ２脱着用管路１７により前記ＣＯ２吸着器７，７に向けて送られ、該ＣＯ２吸着器７においてＣＯ２脱着時の加熱手段として用いられる。
【００５２】
前記ガス浸炭装置１００によれば、前記バルブ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂの操作により、前記各熱処理室１，２，３，４において常に最適な雰囲気ガスでワークに対して熱処理を行うことができる。従来の装置のように、設備費がかさむ問題もない。また、エンリッチガスを使う必要がないので、安定した雰囲気で処理ができ、処理品の品質も向上する利点がある。
【００５３】
なお、図示例は、前記熱処理部５が、浸炭のための一連の処理を行う複数の熱処理室を備える例であるが、本発明に係るガス浸炭装置はこれには限定されず、浸炭のための一連の処理を単一の熱処理室において行う態様も含む。
【００５４】
さらに、本発明の発明者は、本発明の方法を実施する際の、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速及び流量について探求した。
【００５５】
まず、実験用の装置として、既存のゴールドファーネス炉に内管を取替え挿入できるものを作製し、該内管内を炉として用いる。前記内管として、様々な内径を有するものを準備し、前記内管を取り替えて管内径を変更することで、前記内管内を流れる浸炭雰囲気ガスの流速や流量が変わるようにする。
【００５６】
図２は、この実験における処理工程図である。図２に示すように、まず、窒素ガスを炉内（内管内）に供給し、１０分で９５０℃まで昇温した。昇温後１０分間保持した後ＣＯ２ガスを供給し、Ｎ２＋ＣＯ２の雰囲気でさらに５分間保持した。次に低ＣＯ２変成ガス（ガス組成は表４参照）を炉内に供給し、雰囲気を安定させるために３０分間保持した。その後、試験片ＴＰ（テストピース：ＳＣｒ４２０）を炉内に挿入して７０分間保持し、前記低ＣＯ２変成ガスを連続的に供給しながら浸炭処理を実施した。浸炭処理後には、拡散処理１４分、降温処理１４分を実施し、その後焼入れ処理を実施した。様々な内径を有する内管（表５の管内径を参照）を用いることで、浸炭処理中における低ＣＯ２変成ガスの流速と流量を様々な値に変えることができる。
【表４】
【００５７】
前記実験の結果を表５に示す。
【表５】
【００５８】
表５のうち、上から三つの例、すなわち、比較例１と実施例１，２が、流速を変更した場合（流量一定）の実験結果である。それ以下の例、すなわち、実施例３と比較例２〜４が、流量を変更した場合（流速一定）の実験結果である。
【００５９】
表５を参照して、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速と流量について考察する。
【００６０】
＜流速について＞
ＣＰ値の高い前記低ＣＯ２変成ガスで浸炭しても、比較例１のように流速が小さいと本実験の目標としたカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）０．７５ｍｍ以上に達しないことが分かる。これに対し、実施例１，２より、流速が３．０４ｍ／ｓ、５．９８ｍ／ｓの場合には目標とする十分な浸炭深さを得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流速とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）との関係をグラフにしたものが図３である。図３より、目標とする深さ（０．７５ｍｍ）を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流速を１．５ｍ／ｓ以上にすればよいことが分かる。
【００６１】
なお、浸炭炉の浸炭室或いは拡散室内のワーク設置範囲内において浸炭雰囲気ガスの流速を１．５ｍ／ｓ以上とするために、浸炭室或いは拡散室にガス攪拌用のファンを上下、左右に必要に応じて設置して流速のバラツキを抑制することが好ましく、これにより安定した浸炭処理を実現することができる。
【００６２】
ガス流速（風速）は風速計で測定することができる。また、流速を上げることで炭素移行係数（β値）が増加し、流速増加は流量（物質供給量）増加との関係はない。
【００６３】
＜流量について＞
比較例２〜４より、浸炭雰囲気ガスの流量が小さい場合、すなわち、炉内ガス置換回数が１時間当たり５．１〜１９回、流速約０．１ｍ／ｓのときは、前記目標とする浸炭深さが得られないことが分かる。これに対し、実施例３のように流量が大きい場合は、目標とする浸炭深さが得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流量とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）との関係をグラフにしたものが図４である。図４より、目標とする深さ（０．７５ｍｍ）を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流量を炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量にすればよいことが分かる。
【００６４】
なお、炉内雰囲気置換回数は、炉内に供給する１時間あたりのガス流量を炉内体積で割った値である。炉内雰囲気置換回数を大きくするために、炉内に連続的に新しいガスを供給しても良いが、炉内ガスを循環させて炉内に供給することがコスト面から好ましい。また、流量（置換回数）を増加させると炭素移行係数（β値）が低下することがわかり、浸炭効率を向上させるためにはガス流量よりもガス流速を増加させる方が好ましい。
【符号の説明】
【００６５】
１ 昇温室
２ 浸炭室
３ 拡散室
４ 降温室
６ 変成炉
７ 低ＣＯ２変成ガス生成装置
８ 変成ガス管路
９ 低ＣＯ２変成ガス出口
１０ 低ＣＯ２変成ガス管路
１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス浸炭方法と、その方法の実施に用いて好適なガス浸炭装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス浸炭方法として、変成炉で生成された吸熱型の変成ガスを用いるものがあり、前記変成ガスの浸炭力の弱さを補うために、変成ガスに加えてエンリッチガスを炉内に供給して浸炭を行うことで、所定の表面浸炭濃度を確保している。そして、例えば特許文献１に開示されているように、変成ガス、エンリッチガス、空気等の流量を調整することにより、炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（以下、ＣＰと表記する）を制御していた。
【０００３】
これに対し、炉内において、予熱、浸炭、冷却、焼入等の各工程ごとに、それぞれ所定のＣＰに生成された変成ガスのみを供給して前記炉内の雰囲気を調整する方法も提案されている（特許文献２）。
【０００４】
さらに、炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入して変成ガスを生成し、この変成ガスを冷却した後に水分及び二酸化炭素を吸着分離してなるガスを、それ単独で、又は前記変成ガスと混合して、浸炭用雰囲気ガスとして用いる方法も提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８３１１６号公報
【特許文献２】特開２００９−９１６３２号公報
【特許文献３】特開２００４−１０９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のもののように、変成ガスに加えてエンリッチガスや空気等を炉内に供給すると、雰囲気がばらつきやすいため、浸炭の品質にばらつきが発生するおそれがある。また、空気を加えた場合には、被処理体が酸化することもあるため、浸炭処理の効率及び被処理体の品質が低下する。さらに、ＣＰ制御のために各種の分析計や演算機、センサー、流量計等、さまざまな精密機器が必要であるため、設備コストの増大にもつながる。
【０００７】
特許文献２のもののように、処理の工程ごとに異なるＣＰの変成ガスを供給するには、複数のガス変成炉が必要となり、設備コストの増大が避けられない。また、浸炭工程用に高ＣＰの変成ガスを変成炉で生成させると、変成炉がスーティングするおそれがある。
【０００８】
特許文献３のものは、源ガスとして、炭化水素、二酸化炭素、酸素、必要に応じて窒素と、単独ガスを供給するので、コストアップが避けられず、実用性に欠ける。
【０００９】
本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたものであり、安定した雰囲気で熱処理ができ、且つ、設備コストも低減できるガス浸炭方法及びガス浸炭装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いることを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
本発明によれば、浸炭のための一連の熱処理工程のそれぞれにおいて、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスの中から、処理品に求められる品質に応じて最適なガスを選んで熱処理を行うことができる。前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスよりＣＰ値が高いので、より大きな浸炭力を発揮する。よって、従来のようにエンリッチガスを添加する必要がなく、またエンリッチガスのように炭化水素ガスの分解を伴わないので、常に安定した雰囲気で熱処理を行うことができる。複数の変成炉が必要なわけでもないし、ＣＰ制御のために多数の精密機器が必要なわけでもないので、設備コスト上も有利である。
【００１２】
なお、本発明に係るガス浸炭方法において、浸炭のための一連の熱処理工程とは、複数の熱処理室間で被処理体を移動させながら行うものであっても良いし、単一の熱処理室で一連の熱処理工程を順次行うものであっても良い。
【００１３】
好適な実施の一形態として、前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第１の熱処理工程と、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記低ＣＯ２変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いる第２の熱処理工程と、を備える態様を例示する（請求項２）。
【００１４】
さらに、前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第３及び第４の熱処理工程を備える態様とすることもできる（請求項３）。
【００１５】
具体例としては、前記第１の熱処理工程が昇温工程であり、前記第２の熱処理工程が浸炭工程であり、前記第３の熱処理工程が拡散工程であり、前記第４の熱処理工程が降温工程である（請求項４）。
【００１６】
好適な実施の一形態として、前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を分離することで生成できる（請求項５）。
【００１７】
好適な実施の一形態として、前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流速が１．５ｍ／ｓ以上の流速である態様（請求項６）や、前記雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量である態様（請求項７）を採用することもできる。これらの態様によれば、有効硬化層深さを確実に目標値に到達させることができるとともに、浸炭時間も短縮できる。
【００１８】
一方、本発明に係るガス浸炭装置は、炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成する変成炉と、該変成炉と浸炭のための一連の処理を行う熱処理室とを連結する変成ガス管路と、前記変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成する低ＣＯ２変成ガス生成装置と、該低ＣＯ２変成ガス生成装置の低ＣＯ２変成ガス出口と前記熱処理室とを連結する低ＣＯ２変成ガス管路と、前記変成ガス管路と前記低ＣＯ２変成ガス管路上に配設され、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるバルブと、を備えたものである（請求項８）。
【００１９】
前記ガス浸炭装置によれば、前記バルブの切り替えで、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスの中から、処理品に求められる品質に応じて最適なガスを選んで供給することができる。前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスよりＣＰ値が高いので、より大きな浸炭力を発揮する。よって、従来のようにエンリッチガスを添加する必要がなく、したがって、常に安定した雰囲気で熱処理を行うことができる。従来例のように複数の変成炉が必要なわけでもないし、ＣＰ制御のために多数の精密機器が必要なわけでもないので、コスト上も有利である。
【００２０】
なお、本発明に係るガス浸炭装置において、前記熱処理室は、浸炭のための一連の処理を行う複数の熱処理室であっても良いし、浸炭のための一連の処理を行う単一の熱処理室であっても良い。
【００２１】
好適な実施の一形態として、前記低ＣＯ２変成ガス生成装置が、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を吸着分離するＣＯ２吸着器である態様を例示する（請求項９）。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガス浸炭装置の配管系を示す系統図である。
【図２】本発明の一実施例における処理工程図である。
【図３】本発明の一実施例に係る流速とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例に係る流量とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭方法及びガス浸炭装置について説明する。
【００２４】
本発明に係るガス浸炭方法は、炭化水素系ガスと空気を原料ガスとして変成炉で変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いるものである。
【００２５】
なお、本発明において、浸炭のための一連の熱処理工程とは、複数の熱処理室間で被処理体を移動させながら行うものであっても良いし、単一の熱処理室で一連の熱処理工程を順次行うものであっても良い。
【００２６】
前記変成ガスは、従来公知の変成炉を用いて生成できる。変成炉で生成される変成ガスは、炭化水素系ガス（例えば、１３Ａガス、天然ガス、プロパン、ブタン等）と空気の混合比や、また目的とするガス組成、ＣＰ値によって様々であるが、概ね、ＣＯ：１８〜２５体積％、Ｈ２：３０〜４１体積％、Ｎ２：３５〜５０体積％、ＣＯ２：０．１２〜０．２５体積％、Ｈ２Ｏ：０．６体積％以下、ＣＨ４：０．０４体積％以下であることが好ましい。炭化水素系ガスとして１３Ａ（都市ガス）を用いた場合、さらに変成ガス組成の一例を挙げると次の通りである（８５０℃、ＣＰ値０．８のとき）。
【００２７】
Ｎ２（窒素）： 約３９．８５体積％
Ｈ２（水素）： 約３６体積％
ＣＯ（一酸化炭素）： 約２４体積％
ＣＯ２（二酸化炭素）：約０．１５体積％
前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成炉で生成された変成ガスから、従来公知のＣＯ２吸着器を用いてＣＯ２を吸着分離することによって生成できる。したがって、前記低ＣＯ２変成ガスは、ＣＯ２の割合が前記変成ガスよりも小さくなる。具体的には、ＣＯ２が０．１５体積％未満、さらには０．１体積％以下、０．０５体積％以下であることが好ましい。
【００２８】
本発明において低ＣＯ２変成ガスの生成方法は前記方法には限定されず、Ｎ２，Ｈ２，ＣＯ，ＣＯ２等の複数のガスを混合して前記低ＣＯ２変成ガスと同様の組成のガスとしたものでも良く、便宜上これも低ＣＯ２変成ガスと称する。
【００２９】
なお、本発明において、低ＣＯ２変成ガスとは、ＣＯ２がゼロの場合も含む。
【００３０】
低ＣＯ２変成ガスのＣＰ（カーボンポテンシャル）は、前記変成ガスよりもＣＯ２が低減されたことで、前記変成ガスのＣＰよりも高くなり、これを浸炭雰囲気ガスとして用いることで浸炭力が高まる。また、変成ガスの浸炭力の弱さを補うために従来添加されていたエンリッチガスを使用する必要がなくなり、炭化水素系ガスの分解がなく、安定した浸炭雰囲気ガス中で浸炭が行われるので、浸炭むらやスーティングが生じにくい。この利点は、前記低ＣＯ２変成ガスのみを雰囲気ガスとして浸炭を行う場合だけでなく、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスを雰囲気ガスとして用いて浸炭を行う場合にも得られる。
【００３１】
本発明の発明者等は、ＣＯとＣＯ２とＨ２とＮ２の４種のガスを混合して、変成ガスと、それよりＣＯ２濃度の小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、ＳＣｒ４２０の被処理体（ワーク）に対してガス浸炭処理を行った。試験炉はゴールドファーネス、浸炭実施時間は２時間である。その浸炭条件と浸炭雰囲気ガス組成を表１に、浸炭結果を表２及び表３に示す。
【表１】
【表２】
【表３】
【００３２】
これらの表において、従来例１は、変成ガスで浸炭処理を行ったものであり、実施例２〜４が低ＣＯ２変成ガスで浸炭処理を行ったものである。実施例の雰囲気ガス（低ＣＯ２変成ガス）のＣＰは、ＣＯ２濃度が小さい分だけ従来例の雰囲気ガス（変成ガス）のＣＰより高くなっている。
【００３３】
表１において、ＣＰ値は、「（ＣＯ濃度）２／（ＣＯ２濃度）×Ｋｐ（平衡定数）×飽和炭素量（浸炭温度での鋼の飽和炭素量）」の計算式で求めた。
【００３４】
表１において、ＣＨ４は、反応により微量生成されたものと考えられる。
【００３５】
表３に示すように、従来例、実施例ともに、表面組織に炭化物の析出はなく、良好な浸炭が行えた。また、表２に示すように、従来例に比べて実施例のものは、浸炭能力が高くワークの表面炭素濃度も高く、良好な結果が得られた。いずれの実施例でもスーティングの発生はなかった。
【００３６】
なお、変成炉において９５０℃においてＣＰが１．２になるような変成ガスを生成すると、変成炉にスーティングが発生した。
【００３７】
前記試験により、変成ガスによるガス浸炭に対する低ＣＯ２変成ガスによるガス浸炭の優位性が実証された。
【００３８】
次に、本発明方法を実施するのに用いて好適なガス浸炭装置について説明する。
【００３９】
図１に示すように、本発明の実施の一形態に係るガス浸炭装置１００は、昇温室（予熱室）１、浸炭室２、拡散室３、降温室４からなる一連の熱処理室を有する熱処理部５と、前記熱処理室１，２，３，４で使用する雰囲気ガスを生成する変成炉６と、低ＣＯ２変成ガス生成装置７，７と、を備える。前記変成炉６と前記各熱処理室１，２，３，４は、変成ガス管路８で連結される。また、前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７，７の低ＣＯ２変成ガス出口９，９と前記各熱理室１，２，３，４は、低ＣＯ２変成ガス管路１０で連結される。
【００４０】
前記変成炉６は従来公知のものと同一であり、ニッケル触媒等の触媒（図示せず）を内蔵する。メタン、プロパン、ブタン、１３Ａ（都市ガス）等の炭化水素系ガスと空気が前記変成炉６に導入され、例えば１０８０℃に加熱された触媒層を通過する。この際の触媒反応（変成反応）により変成ガスが生成される。
【００４１】
前記変成炉６には、冷却装置１１が付属している。生成された１０８０℃の変成ガスは、前記冷却装置１１により常温まで冷却された後に、前記変成ガス管路８へと導出される。前記変成炉６に冷却装置１１が付属していない場合には、前記変成炉６と前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７，７との間の前記変成ガス管路８上に冷却装置を配設しておけばよい。
【００４２】
前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７は、前記変成炉６で生成される変成ガスよりもＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成する。前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７としては、従来公知のＣＯ２吸着剤を充填したＣＯ２吸着器を用いることができる。この場合、前記変成炉６で生成される変成ガスを分岐管路１２，１２で前記ＣＯ２吸着器７，７に導入し、ＣＯ２吸着剤で変成ガス中のＣＯ２を吸着分離する。ＣＯ２が吸着分離されることで、前記変成ガスは前記低ＣＯ２変成ガスとなる。該低ＣＯ２変成ガスは、前記低ＣＯ２変成ガス管路１０を通って前記昇温室１、浸炭室２、拡散室３及び降温室４の方向へと導出される。なお、前記ＣＯ２吸着器７を用いることにより、ＣＯ２と同時に変成ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）も効率的に除去され、変成ガスより高ＣＰの低ＣＯ２変成ガスを得ることができる。
【００４３】
前記低ＣＯ２変成ガス生成装置７の他の例として、前記変成ガスを利用することなく、Ｎ２，Ｈ２，ＣＯ，ＣＯ２等の複数のガスを混合して低ＣＯ２変成ガスを生成する、図示しないガス混合装置を採用することもできる。
【００４４】
図１の例では、前記変成ガス管路８に対して二つのＣＯ２吸着器７，７が切換え可能に接続されている。これは、ＣＯ２の吸着とＣＯ２の脱着とを二つのＣＯ２吸着器７，７間で交互に行わせ、連続運転を支障なく行わせるためである。分離されたＣＯ２は、排出管路１３を通してＣＯ２吸着器７，７から外部へ排出される。
【００４５】
前記排出管路１３と前記低ＣＯ２変成ガス管路１０にはＣＯ２分析計１４が配設され、両管路を流れるガス中のＣＯ２濃度が常時監視され測定される。
【００４６】
前記変成ガス管路８及び前記低ＣＯ２変成ガス管路１０上には、多数のバルブ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂが配設されている。これらのバルブは、前記一連の熱処理室１，２，３，４のそれぞれに、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるためのバルブである。前記各バルブの下流側にはガス混合部１５が配設される。このガス混合部１５において、前記変成ガス管路８を通して供給される変成ガスと、前記低ＣＯ２変成ガス管路１０を通して供給される低ＣＯ２変成ガスとがミキシングされ所定の組成となる。
【００４７】
前記バルブ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂの操作により、昇温工程として、前記昇温室１には、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記浸炭室２には、浸炭工程として、前記低ＣＯ２変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記拡散室３には、拡散工程として、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記降温室４にも、降温工程として、前記変成ガスが単独で導入されるか、あるいは、前記混合ガスが導入される。前記各熱処理室１，２，３，４の雰囲気ガスは、前記低ＣＯ２変成ガスの割合が大きいほど浸炭力が大きくなる。
【００４８】
前記各工程で前記各熱処理室にどのガスをどれだけ導入するかは、処理品に要求される品質に応じて適宜に決定する。但し、浸炭室２に変成ガスを単独供給することはない。変成ガス単独ではＣＰ値が低くて所望の浸炭が得られないからである。
【００４９】
また、昇温室１、拡散室３、降温室４に低ＣＯ２変成ガスが単独供給されることもない。昇温室１と降温室４に低ＣＯ２変成ガスを単独供給すると、昇温途中及び降温途中の低温時にワーク表面に炭化物が析出するおそれがあるからである。拡散室３に低ＣＯ２変成ガスを単独供給すると、ワークの表面炭素濃度が上がりすぎてしまい、その後の油焼入工程で残留オーステナイトの析出量が増えることが予想されるからである。
【００５０】
好ましくは、降温室４に使用される変成ガスのＣＰを狙って変成炉で変成ガスを生成させ、この変成ガスを降温室４に単独供給し、浸炭室２には低ＣＯ２変成ガスを単独供給し、昇温室７、拡散室３には変成ガスと低ＣＯ２変成ガスの混合ガスを供給する。
【００５１】
前記各熱処理室１，２，３，４で熱処理に関与した雰囲気ガスは、一部が排気管路１６により排ガスとして燃焼・排出され、他の一部はＣＯ２脱着用管路１７により前記ＣＯ２吸着器７，７に向けて送られ、該ＣＯ２吸着器７においてＣＯ２脱着時の加熱手段として用いられる。
【００５２】
前記ガス浸炭装置１００によれば、前記バルブ１ａ〜４ａ、１ｂ〜４ｂの操作により、前記各熱処理室１，２，３，４において常に最適な雰囲気ガスでワークに対して熱処理を行うことができる。従来の装置のように、設備費がかさむ問題もない。また、エンリッチガスを使う必要がないので、安定した雰囲気で処理ができ、処理品の品質も向上する利点がある。
【００５３】
なお、図示例は、前記熱処理部５が、浸炭のための一連の処理を行う複数の熱処理室を備える例であるが、本発明に係るガス浸炭装置はこれには限定されず、浸炭のための一連の処理を単一の熱処理室において行う態様も含む。
【００５４】
さらに、本発明の発明者は、本発明の方法を実施する際の、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速及び流量について探求した。
【００５５】
まず、実験用の装置として、既存のゴールドファーネス炉に内管を取替え挿入できるものを作製し、該内管内を炉として用いる。前記内管として、様々な内径を有するものを準備し、前記内管を取り替えて管内径を変更することで、前記内管内を流れる浸炭雰囲気ガスの流速や流量が変わるようにする。
【００５６】
図２は、この実験における処理工程図である。図２に示すように、まず、窒素ガスを炉内（内管内）に供給し、１０分で９５０℃まで昇温した。昇温後１０分間保持した後ＣＯ２ガスを供給し、Ｎ２＋ＣＯ２の雰囲気でさらに５分間保持した。次に低ＣＯ２変成ガス（ガス組成は表４参照）を炉内に供給し、雰囲気を安定させるために３０分間保持した。その後、試験片ＴＰ（テストピース：ＳＣｒ４２０）を炉内に挿入して７０分間保持し、前記低ＣＯ２変成ガスを連続的に供給しながら浸炭処理を実施した。浸炭処理後には、拡散処理１４分、降温処理１４分を実施し、その後焼入れ処理を実施した。様々な内径を有する内管（表５の管内径を参照）を用いることで、浸炭処理中における低ＣＯ２変成ガスの流速と流量を様々な値に変えることができる。
【表４】
【００５７】
前記実験の結果を表５に示す。
【表５】
【００５８】
表５のうち、上から三つの例、すなわち、比較例１と実施例１，２が、流速を変更した場合（流量一定）の実験結果である。それ以下の例、すなわち、実施例３と比較例２〜４が、流量を変更した場合（流速一定）の実験結果である。
【００５９】
表５を参照して、浸炭雰囲気ガスの好ましい流速と流量について考察する。
【００６０】
＜流速について＞
ＣＰ値の高い前記低ＣＯ２変成ガスで浸炭しても、比較例１のように流速が小さいと本実験の目標としたカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）０．７５ｍｍ以上に達しないことが分かる。これに対し、実施例１，２より、流速が３．０４ｍ／ｓ、５．９８ｍ／ｓの場合には目標とする十分な浸炭深さを得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流速とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）との関係をグラフにしたものが図３である。図３より、目標とする深さ（０．７５ｍｍ）を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流速を１．５ｍ／ｓ以上にすればよいことが分かる。
【００６１】
なお、浸炭炉の浸炭室或いは拡散室内のワーク設置範囲内において浸炭雰囲気ガスの流速を１．５ｍ／ｓ以上とするために、浸炭室或いは拡散室にガス攪拌用のファンを上下、左右に必要に応じて設置して流速のバラツキを抑制することが好ましく、これにより安定した浸炭処理を実現することができる。
【００６２】
ガス流速（風速）は風速計で測定することができる。また、流速を上げることで炭素移行係数（β値）が増加し、流速増加は流量（物質供給量）増加との関係はない。
【００６３】
＜流量について＞
比較例２〜４より、浸炭雰囲気ガスの流量が小さい場合、すなわち、炉内ガス置換回数が１時間当たり５．１〜１９回、流速約０．１ｍ／ｓのときは、前記目標とする浸炭深さが得られないことが分かる。これに対し、実施例３のように流量が大きい場合は、目標とする浸炭深さが得られ、従来よりも早く浸炭できる。この試験結果を用いて流量とカーボン濃度が０．３ｗｔ％である試験片表面からの深さ（位置）との関係をグラフにしたものが図４である。図４より、目標とする深さ（０．７５ｍｍ）を得るためには、浸炭雰囲気ガスの流量を炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量にすればよいことが分かる。
【００６４】
なお、炉内雰囲気置換回数は、炉内に供給する１時間あたりのガス流量を炉内体積で割った値である。炉内雰囲気置換回数を大きくするために、炉内に連続的に新しいガスを供給しても良いが、炉内ガスを循環させて炉内に供給することがコスト面から好ましい。また、流量（置換回数）を増加させると炭素移行係数（β値）が低下することがわかり、浸炭効率を向上させるためにはガス流量よりもガス流速を増加させる方が好ましい。
【符号の説明】
【００６５】
１ 昇温室
２ 浸炭室
３ 拡散室
４ 降温室
６ 変成炉
７ 低ＣＯ２変成ガス生成装置
８ 変成ガス管路
９ 低ＣＯ２変成ガス出口
１０ 低ＣＯ２変成ガス管路
１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いる、ガス浸炭方法。
【請求項２】
前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第１の熱処理工程と、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記低ＣＯ２変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いる第２の熱処理工程と、を備える、請求項１に記載のガス浸炭方法。
【請求項３】
前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第３及び第４の熱処理工程を備える、請求項１又は２に記載のガス浸炭方法。
【請求項４】
前記第１の熱処理工程が昇温工程であり、前記第２の熱処理工程が浸炭工程であり、前記第３の熱処理工程が拡散工程であり、前記第４の熱処理工程が降温工程である、請求項３に記載のガス浸炭方法。
【請求項５】
前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を分離することで生成される、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス浸炭方法。
【請求項６】
前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流速が１．５ｍ／ｓ以上の流速である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項７】
前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項８】
炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成する変成炉と、該変成炉と浸炭のための一連の処理を行う熱処理室とを連結する変成ガス管路と、前記変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成する低ＣＯ２変成ガス生成装置と、該低ＣＯ２変成ガス生成装置の低ＣＯ２変成ガス出口と前記熱処理室とを連結する低ＣＯ２変成ガス管路と、前記変成ガス管路と前記低ＣＯ２変成ガス管路上に配設され、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるバルブと、を備える、ガス浸炭装置。
【請求項９】
前記低ＣＯ２変成ガス生成装置が、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を吸着分離するＣＯ２吸着器である、請求項８に記載のガス浸炭装置。
【請求項１】
炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成するとともに、この変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成し、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの混合ガスのいずれかを、浸炭のための一連の熱処理工程で雰囲気ガスとして用いる、ガス浸炭方法。
【請求項２】
前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第１の熱処理工程と、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記低ＣＯ２変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いる第２の熱処理工程と、を備える、請求項１に記載のガス浸炭方法。
【請求項３】
前記変成ガスを単独で雰囲気ガスとして用いるか、あるいは、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスの両方を雰囲気ガスとして用いる第３及び第４の熱処理工程を備える、請求項１又は２に記載のガス浸炭方法。
【請求項４】
前記第１の熱処理工程が昇温工程であり、前記第２の熱処理工程が浸炭工程であり、前記第３の熱処理工程が拡散工程であり、前記第４の熱処理工程が降温工程である、請求項３に記載のガス浸炭方法。
【請求項５】
前記低ＣＯ２変成ガスは、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を分離することで生成される、請求項１乃至４のいずれかに記載のガス浸炭方法。
【請求項６】
前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流速が１．５ｍ／ｓ以上の流速である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項７】
前記一連の熱処理工程に含まれる浸炭工程において、前記雰囲気ガスの炉内流量が炉内雰囲気置換回数２９回／ｈ以上となる流量である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス浸炭方法。
【請求項８】
炭化水素系ガスと空気と触媒とを用いて変成ガスを生成する変成炉と、該変成炉と浸炭のための一連の処理を行う熱処理室とを連結する変成ガス管路と、前記変成ガスより高いカーボンポテンシャルを有しＣＯ２濃度が小さい低ＣＯ２変成ガスを生成する低ＣＯ２変成ガス生成装置と、該低ＣＯ２変成ガス生成装置の低ＣＯ２変成ガス出口と前記熱処理室とを連結する低ＣＯ２変成ガス管路と、前記変成ガス管路と前記低ＣＯ２変成ガス管路上に配設され、前記熱処理室に、前記変成ガス、前記低ＣＯ２変成ガス、前記変成ガスと前記低ＣＯ２変成ガスとの混合ガスのいずれを導入するかを切り替えるバルブと、を備える、ガス浸炭装置。
【請求項９】
前記低ＣＯ２変成ガス生成装置が、前記変成ガスからその中に含まれるＣＯ２を吸着分離するＣＯ２吸着器である、請求項８に記載のガス浸炭装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−９２４２４（Ｐ２０１２−９２４２４Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７６３９（Ｐ２０１１−６７６３９）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
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