JP2000074324A

JP2000074324A - 浸炭防止表面加工

Info

Publication number: JP2000074324A
Application number: JP24405198A
Authority: JP
Inventors: Tomio Inoue; 富美夫井上; Hiroyuki Maehane; 博行前羽; Toshimichi Kitaoka; 利道北岡; Susumu Ohira; 晋大平; Terutoshi Yamaguchi; 照年山口
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】表面粗さが、中心線平均平均粗さが２５μｍ以下、最大
高さが１００μｍ以下又は十点平均粗さが１００μｍ以
下であることを特徴とするラジアントチューブ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、浸炭防止表面加工
を施した浸炭炉用部品に関する。

【０００２】

【従来技術】浸炭とは、金属を浸炭剤中で加熱し、炭素
を表面に拡散させて高炭素鋼とし、次いで焼き入れ焼き
戻しをする表面硬化処理法である。これにより、金属内
部の靭性を残したまま、表面のみを硬化することができ
る。浸炭は、近年、低炭素鋼だけでなく、あらゆる分野
のあらゆる部品及び材料に対して適用されている。

【０００３】浸炭の種類としては、浸炭剤の種類によ
り、浸炭性ガスを用いるガス浸炭、木炭を主剤とする固
体浸炭、ＮａやＫ等の青酸塩を主成分とする溶融塩を用
いる液体浸炭に分類される。現在は、ガス浸炭法が主流
である。

【０００４】ガス浸炭法においては、雰囲気ガスとして
ＲＸガス及びエンリッチガスを用いる。ＲＸガスは、ベ
ースガス又はキャリアガスと呼ばれるもので、一般に、
ＣＯ；２０．９〜２３．９％、ＣＯ₂；０．１８％、
Ｈ₂；３０．４〜３８．９％、残部がＮ₂である組成を有
する。エンリッチガスは、雰囲気ガスの炭素の割合を増
加させるために浸炭時のみに流すガスである。エンリッ
チガスとしては、通常プロパン、ブタン等の生ガスが用
いられる。

【０００５】ここで、一般的なガスを熱源とするガス浸
炭炉の一例を図１に示す。耐火物１と鉄皮２で構成され
る炉３内にバスケットなどに収容された被処理材がメッ
シュベルトやハースローラー等で送られてくる入口を４
で示す。この炉内には、上記のような浸炭用ガスが送ら
れてきており、Ｗ字型ラジアントチューブ５により加熱
され、ファンにより撹拌されて、被処理材にガス浸炭が
行われる。

【０００６】このように浸炭炉には、各種の金属製品、
例えば、ラジアントチューブ、電気ヒーターチューブ、
炉内ファン、メッシュベルト、ハースローラー、プレッ
シャー、レトルト、マッフル、チェーンガイドレール、
スキッドレール、コロ、熱電対保護管、ヒーター、ガス
サンプリング管、スタッドボルトナット等が用いられ、
またガス浸炭被処理材を載せて、炉内へ入れるための各
種器具、例えば、トレイ、バスケット、ホルダー、グリ
ッド、金網、立棒、横掛け棒、振れ止め等が用いられ
る。

【０００７】以上のようなガス浸炭炉の部品及び治具
は、浸炭性ガスに高温で長時間曝されることになり、そ
の内部にまで浸炭がおよぶ。浸炭を表面のみに施した部
材は、内部の靭性を残したまま耐磨耗性が得られるが、
浸炭が内部にまでおよぶと、硬いが脆い部材となり損傷
を受けやすくなる。

【０００８】従来は、これら部品の母材自身の耐浸炭性
及び耐酸化性を高めることにより、その耐久性を向上さ
せてきた。

【０００９】例えば、特開平７−１６６２９０号には、
合金製品の最も外側表面部に形成されるクロム酸化物皮
膜の密着性を高めることにより、優れた耐酸化性及び耐
浸炭性を発揮する合金が記載されている。

【００１０】しかし、クロム酸化物は、浸炭によりクロ
ム炭化物へと化学変化する。クロム炭化物は、耐浸炭性
及び耐酸化性が低いため、一旦浸炭が進行すると、部品
の耐久性は加速度的に減少する。また、この様な母材は
一般に高価である。

【００１１】また、特願平１０−１６８５５５号には、
耐浸炭性及び耐酸化性の向上にＡｌが有効であるとし
て、耐高温腐食処理として知られているカロライジング
処理と呼ばれるアルミニウム拡散浸透処理を施したガス
浸炭炉用部品が記載されている。

【００１２】しかしながら、カロライジング処理を行う
には、アルミニウム源等からなる浸透剤と被処理物を半
密閉容器に充填し、容器内をアルゴン等の不活性ガス又
は還元性ガス雰囲気に維持したまま、加熱炉内において
高温で長時間保持しなければならず、煩雑な手順が必要
である。

【００１３】この様な部材を使用することにより、ある
程度の耐久性は得られるが、メンテナンスコスト増、設
備トラブルによる生産効率低下を解消するために、更に
耐久性を向上することが望まれている。

【００１４】また、運転コストを低下させるために、浸
炭炉を加熱する熱源についても、検討されている。従
来、浸炭炉の熱源としては、電気が用いられてきたが、
近年ガスを用いる割合が増加している。電気を熱源とす
る場合には、電気を熱エネルギーへと変換し、その輻射
熱を利用するため、ある程度熱効率が低下する。これに
対して、ガスを熱源とする場合には、ガスを燃焼させる
ことにより熱エネルギーを得ることから、より熱効率が
よい。

【００１５】熱源の違いにより、浸炭炉の構造は大きく
換わらないが、ヒーターチューブの形状が異なる。電気
の場合には、直線形が一般的であったが、ガスの場合に
は、ガスを燃焼させた炎を導入する入口と排気出口が必
要なために、Ｕ字又はＷ字型のラジアントチューブを使
用するのが一般的である（図１）。Ｗ字型チューブで
は、炉内での表面積が、Ｕ字型よりも大きいため、更に
効率よく炉内を加熱することが可能である。

【００１６】ヒーターチューブは、炉内で最も高温とな
る箇所であることから、損傷の激しい箇所である。なか
でもＵ字又はＷ字型のラジアントチューブのベント部分
の消耗は激しく、最悪の場合には、穴あきが生じる場合
がある。

【００１７】このように、熱効率のよいガスへ熱源を変
更するためにも、浸炭炉用部品、特にラジアントチュー
ブの耐久性の向上が望まれている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】このように、長期間浸
炭剤に曝される条件下で優れた耐久性を有するガス浸炭
炉用部品、特にヒーターチューブの開発が要請されてい
る。

【００１９】従って、本発明の目的は、安価な金属母材
を用いた場合でも、平易な表面処理を施すことにより、
優れた耐久性を有するガス浸炭炉用部品を提供すること
にある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】浸炭炉の各種金属製部品
の中でも、特に加熱部分であるヒーターチューブは、最
も厳しい条件に曝される。例えば、浸炭を行う際、炉の
内部温度は、一般に９３０〜９５０℃前後であるが、ラ
ジアントチューブの場合、その内部温度は、１１００〜
１１５０度前後である。従って、ヒーターチューブは、
内部は高温酸化雰囲気、外面は浸炭剤に曝されるため、
特に消耗が激しい。

【００２１】チューブ内部では、高温酸化のため徐々に
減肉が進行し、同時に外部から浸炭が進行する。減肉が
浸炭部にまで及ぶと、減肉速度が加速度的に増加する
(図２)。

【００２２】ヒーターチューブであるラジアントチュー
ブは、Ｕ字又はＷ字型であることが多い。このベント部
分に減肉により生じたスケールが堆積し、チューブの内
部温度を過度に上昇させる。浸炭及び減肉は、ともに温
度による影響が大きく、この温度上昇によっても加速度
的に進行する。

【００２３】従って、浸炭を防止することにより、１）浸炭によるチューブ内部の減肉の加速度的な進行、２）減肉により生じた堆積スケールによるチューブ内部
の温度上昇、更に３）温度上昇による更なる浸炭及び減肉の加速度的進行をも防止することができる。結果、ヒーターチューブの
耐久性を飛躍的に向上させることができる。

【００２４】この効果は、浸炭炉を単に高温炉として使
用した場合には、最も損傷を受けやすいラジアントチュ
ーブのベント部分の寿命が、約５倍長くなることからも
明らかである。

【００２５】そこで、本発明者は、鋭意検討を重ねた結
果、従来使用されている浸炭炉用部品の表面を滑らかに
することにより、その耐浸炭性を向上させることに成功
し、結果耐久性が飛躍的に向上することを見出した。

【００２６】即ち、本発明は、以下ような表面粗さを有
するラジアントチューブ、該ラジアントチューブを用い
た浸炭炉、及び以下のような表面粗さにすることを特徴
とする浸炭防止方法を提供することを目的とする。

【００２７】１．外側の表面粗さが、中心線平均粗さが
２５μｍ以下、最大高さが１００μｍ以下又は十点平均
粗さが１００μｍ以下であることを特徴とするラジアン
トチューブ。

【００２８】２．外側の表面粗さが、中心線平均粗さが
６．３μｍ以下、最大高さが２５μｍ以下又は十点平均
粗さが２５μｍ以下であることを特徴とする上記１に記
載のラジアントチューブ。

【００２９】３．外側の表面粗さが、中心線平均粗さが
１．６μｍ以下、最大高さが６．３μｍ以下又は十点平
均粗さが６．３μｍ以下であることを特徴とする上記１
に記載のラジアントチューブ。

【００３０】４．少なくともベント部分において、上記
１〜３のいずれかに記載の表面粗さを有することを特徴
とするラジアントチューブ。

【００３１】５．上記１〜４のいずれかに記載のラジア
ントチューブを用いた浸炭炉。

【００３２】６．部材の表面を、上記１〜３のいずれか
に記載の表面粗さに表面加工することを特徴とする浸炭
防止方法。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明における浸炭法とは、ガス
浸炭法、固体浸炭法及び液体浸炭法を指し、本願発明の
浸炭炉用部品は、ガス浸炭炉に好ましく使用される。

【００３４】本発明における浸炭炉では、浸炭をはじめ
として、焼入れ及び／又は焼戻しを行ってもよい。

【００３５】ガス浸炭炉は、主にバッチ式浸炭炉と連続
浸炭炉に分けることができる。更に、バッチ式は、横形
浸炭炉、縦形浸炭炉に、連続式は、プッシャ形、ロータ
リハース形、ロータリレトルト形、リンクコンベア形、
シェーカハース形等に分けられるが、本発明の浸炭炉は
これらのうちいずれでもよい。

【００３６】本発明で用いるラジアントチューブの母材
は、特に制限されず、一般に使用されている耐熱金属で
よい。また、耐浸炭性を有する特殊な金属を用いてもよ
く、この場合には、更なる耐浸炭性の向上が見られる。

【００３７】本発明の浸炭防止方法を施す部材も、部材
の特徴や組成等によって特に制限されず、耐浸炭性を付
与又は向上させたい部材に対して表面加工を施せばよ
い。

【００３８】本発明におけるラジアントチューブの形状
としては、直線型、及びベント部分を有するもの、例え
ばＵ字やＷ字型のものがある。

【００３９】本発明では、表面粗さを示すために、中心
線平均粗さ（Ｒ_a）、最大高さ（Ｒ_max）及び十点平均粗
さ（Ｒ_z）の三つのパラメーターを使用する。これら
は、ＪＩＳＢ０６０１−１９８２で規定されるパラメ
ーターである。

【００４０】中心線平均粗さ（Ｒ_a）は、２５μｍ以
下、好ましくは６．３μｍ以下、より好ましくは１．６
μｍ以下である。

【００４１】最大高さ（Ｒ_max）は、１００μｍ以下、
好ましくは２５μｍ以下、より好ましくは６．３μｍ以
下である。

【００４２】十点平均粗さ（Ｒ_z）は、１００μｍ以
下、好ましくは２５μｍ以下、より好ましくは６．３μ
ｍ以下である。

【００４３】本願発明の部品の表面粗さは、以上三つの
パラメータのうち少なくとも一つを満足すればよく、好
ましくは全てを満足する。この様な表面粗さを有する金
属部品は、耐浸炭性に優れ、結果浸炭炉における部品と
しての寿命が飛躍的に長くなるからである。

【００４４】また上記の表面粗さのパラメーターの組み
合わせは、表１のようにも表記される。

【００４５】

【表１】

【００４６】上記のような表面粗さを得るための表面加
工方法は、特に制限されず、例えば、機械研磨、電解研
磨、化学研磨及びそれらに準ずる方法が挙げられる。

【００４７】本発明の表面加工は、部品全体に施しても
良いが、浸炭剤に直接曝される部分や特に高温になりや
すく浸炭が起こりやすい部分にのみ、部分的に施しても
その効果は十分発揮される。この様な部分としては、例
えば、ラジアントチューブのチューブ表面、及びラジア
ントチューブがＷ型やＵ字型の場合に、そのベント部が
挙げられる。この様に、必要な部分にのみ表面加工を施
せば良いので、コストを抑えることができ、また加工を
簡略化できる。

【００４８】本願発明の表面加工法は、ラジアントチュ
ーブに限らず、他の浸炭炉の部品、例えば、電気ヒータ
ーチューブ、炉内ファン、メッシュベルト、ハースロー
ラー、プレッシャー、レトルト、マッフル、チェーンガ
イドレール、スキッドレール、コロ、熱電対保護管、ヒ
ーター、ガスサンプリング管並びにスタッドボルトナッ
ト等、及びガス浸炭被処理材を載せて炉内へ入れるため
の各種治具、例えば、トレイ、バスケット、ホルダー、
グリッド、金網、立棒、横掛け棒並びに振れ止め等、及
び浸炭炉内と同様の条件下において耐浸炭性及び耐久性
が要求される部品、例えばエチレン製造用クラッキング
チューブ並びにリフォーミングチューブ等に施すことが
できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明では、浸炭炉部品の表面を滑らか
にすることにより、浸炭を長期にわたって防止する。例
えば、最も消耗の激しい部品であるラジアントチューブ
では、浸炭を防止することにより、１）浸炭によるチューブ内部の減肉の加速度的な進行、２）減肉により生じた堆積スケールによるチューブ内部
の温度上昇、更に３）温度上昇による更なる浸炭及び減肉の加速度的進行をも防止でき、その寿命が飛躍的に延びた。また、ラジ
アントチューブ以外の浸炭炉用部品についても、耐久性
が向上した。

【００５０】このような平易な表面加工を施すことによ
り、安価な母材に耐浸炭性を付加することができた。更
に、耐浸炭性を特に要求される部分にのみ、表面加工を
施せばよいことから、コストに応じた加工が可能であ
り、加工を簡略化できる。

【００５１】

【実施例】以下、本発明を更に詳しく説明するため種々
の実験を行った。本発明はこれら実施例に限定されるも
のではない。表２に実施例及び比較例で用いた金属の組
成を示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】実施例１耐熱性金属ＨＫ４０からなる遠鋳管に、中心線平均粗さ
（Ｒ_a）が６．３μｍ、最大高さ（Ｒ_max）が２５μｍ及
び十点平均粗さ（Ｒ_z）が２５μｍとなるよう機械研磨
を行った。浸炭は、１２００℃で５０時間、パーカー熱
処理工業（株）製の弱浸炭剤ＫＧ６を用いて、固体浸炭
を行った。浸炭後の遠鋳管の表面の炭素含有量を、様々
な表面距離において分析した。

【００５４】実施例２〜５表３に示すような、形状を有する材質に対して、表面加
工を行った後、浸炭を行い、浸炭後の材質の炭素含有量
を、様々な表面距離において分析した。

【００５５】表３中、▽▽は、Ｒ_aが６．３μｍ、Ｒ_max
が２５μｍ及びＲ_zが２５μｍとなるようフライス盤を
用いて機械研磨したことを示し、▽▽▽は、Ｒ_aが１．
６μｍ、Ｒ_maxが６．３μｍ及びＲ_zが６．３μｍとなる
ようペーパー４００を用いて機械研磨したことを示す。

【００５６】比較例１〜４表３に示すような形状を有する材質を、鋳込みのまま表
面加工を行わずに使用し、浸炭後、その表面の炭素含有
量を分析した。

【００５７】表３に、実施例及び比較例の実験条件を示
す。

【００５８】

【表３】

【００５９】＜結果＞それぞれの実験条件における浸炭
前後の炭素の増加量を、様々な表面距離に対して示した
（図３〜６）。

【００６０】全ての実施例において、同条件で表面加工
を行わなかった比較例と比較すると、明らかに耐浸炭性
が向上していた。

【００６１】板材は、遠鋳材に比べると鋳込みのままで
も比較的表面が滑らかである。表面粗さをよりきめ細か
くすることで、顕著な効果が得られた。

【００６２】表面加工を行わなかった比較例３及び４で
は、表面から１ｍｍの地点での炭素増加量は、最初の２
００時間では約０．６％であるのに対して（比較例
３）、次の１００時間で約１．４％まで（比較例４）加
速度的に増加した。

【００６３】これに対して、表面加工を行い、上記比較
例と同一条件で浸炭を行った場合には、表面から１ｍｍ
の地点での炭素分析値を比較すると、最初の２００時間
で約０．３％（実施例４）、次の１００時間で約０．４
５％（実施例５）までしか増加しなかった。浸炭時間が
長時間に及んでも、表面加工の効果は継続し、長時間に
なるほど浸炭防止効果が、顕著となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】浸炭炉の一例の概略的断面図である。

【図２】ヒーターチューブにおける浸炭進行と減肉の加
速度的進行の関係を示す穴あき寿命指定線図である。

【図３】実施例１及び比較例１の表面加工効果の比較図
である（材質：ＨＫ４０、１２００℃ｘ５０時間）。

【図４】実施例２並びに３及び比較例２の表面加工効果
の比較図である（材質：ＨＫ４０、１２００℃ｘ５０時
間）。

【図５】実施例４及び比較例３における表面加工効果の
比較図である（材質：ＭＯＲＥ１Ｂ、１２００℃ｘ２０
０時間）。

【図６】実施例５及び比較例４における表面加工効果の
比較図である（材質：ＭＯＲＥ１Ｂ、１２００℃ｘ３０
０時間）。

【符号の説明】

１耐火物２鉄皮３炉４入口５Ｗ字型ラジアントチューブ６熱交換器７バーナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北岡利道大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者大平晋大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者山口照年兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属テクノロジー株式会社内Ｆターム(参考） 3K017 BA10 BB06 BC01 BE13 4K028 AA01 AB01 AB02 AB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外側の表面粗さが、中心線平均粗さが２５
μｍ以下、最大高さが１００μｍ以下又は十点平均粗さ
が１００μｍ以下であることを特徴とするラジアントチ
ューブ。
【請求項２】外側の表面粗さが、中心線平均粗さが６．
３μｍ以下、最大高さが２５μｍ以下又は十点平均粗さ
が２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載
のラジアントチューブ。
【請求項３】外側の表面粗さが、中心線平均粗さが１．
６μｍ以下、最大高さが６．３μｍ以下又は十点平均粗
さが６．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に
記載のラジアントチューブ。
【請求項４】少なくともベント部分において、請求項１
〜３のいずれかに記載の表面粗さを有することを特徴と
するラジアントチューブ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載のラジアン
トチューブを用いた浸炭炉。
【請求項６】部材の表面を、請求項１〜３のいずれかに
記載の表面粗さに表面加工することを特徴とする浸炭防
止方法。