熱処理設備

タイトル

  加熱用設備(熱処理炉)

  加熱雰囲気と変質

  設備の大型化の流れとソルトバス

  冷却について


   

加熱用設備(熱処理炉)

熱処理の加熱設備について、簡単に説明します。
熱処理のための設備として、加熱炉、熱処理炉などの「炉」があります。以下は、当社の熱処理設備の一例です。
加熱設備・炉

◎加熱炉

加熱するための熱源は、電気、ガス(都市ガス・プロパンガス、LNG)、灯油、重油などが広く用いられます。 電気によるものは、雰囲気調整や温度コントロールが他に比べて比較的容易なことで、自動化された炉では、電気による加熱が多く用いられます。しかし大容量の炉では加熱コストや総熱量の問題から、都市ガスや燃料油のものが多くなります。 これらは、電気炉に比べて保守、保安面の配慮や法に対する対応が必要になる場合が出てきます。

昭和年代には、大型炉は、燃料費の安い重油や灯油の炉が優位でしたが、消防法や危険物対策、公害防止対策もあって、それらを都市ガスや電気に変える傾向で推移してきましたが、 都市ガス・電気などのエネルギー費用上昇が熱処理業を取り巻く喫緊の課題となってきています。

一般熱処理での電気加熱は、もっぱら、商用周波数での抵抗加熱で、ニクロム線などの抵抗体に電流を流し、電流の熱作用で加熱します。

全体加熱以外では、電気の誘導加熱を利用して表面焼入れをする「高周波焼入れ」も広く行われていますが、ここでは、全体加熱を中心に説明していますので、 誘導加熱等の説明は省略します。

一般熱処理の、焼入れ用途での炉の設備規模は、耐熱性や耐久性、ランニングコストの面から 、900℃以下(構造用鋼・低合金鋼)~1100℃程度以下(工具鋼)~ それ以上の約1300℃以下(高速度鋼) の温度で用いる場合に区別されることが多く、 高温用になるほど燃料費、炉材等の設備費、 メンテナンス費用などが上昇しますので、熱処理価格もそれらの費用に連動して高額になります。

加熱炉のタイプとしては、一定量の品物を加熱炉に入れて処理する「バッチ炉」、連続的に品物を入れて、品物が炉内を連続的に移動して熱処理する 「連続炉」に分類されます。

「バッチ炉」は品物を横に出し入れするタイプの呼び方で、炉床が固定式のものや台車で出し入れするものがあり、それに対して 、 品物を上下に出し入れする竪型の 「ピット炉」と呼ばれる形式の加熱設備も多く使用されています。これらの名称は、特に決まったものではありません。

これらに加えて、加熱雰囲気によって分類することもあり、空気雰囲気の「大気炉」、チッソや水素などの「雰囲気炉」、脱気して使用する 「真空炉」などと表示されることもあります。

一般熱処理における真空炉は、宇宙レベルの高真空のものは少なく、むしろ、熱効率を上げるために、窒素ガスなどを少量流すことで 品物が仕上がった時の高輝度を高めるタイプが主流です。

炉の容量・大きさは、炉内に品物が入る範囲を示す「有効寸法」が表示される場合や、一定の温度精度を保証した「有効加熱帯」 寸法が示されます。 有効加熱帯の温度精度(加熱中の温度の正確さ)は、熱処理の種類と使用温度帯によってJISなどで定められており、熱処理工場 では、定期的に温度の検査をして、焼入れ炉に 対しては±10℃、焼戻し炉は±5℃などのように、目的温度に対して、規定された温度精度以内に管理されています。


◎温度調節

温度調節や温度計測は、熱電対と熱電温度計によるものが主流です。
熱電対の種類は、1000℃まではK熱電対、それ以上はR熱電対が多く使用されています。
温度の正確さについては国家標準に沿って保証される「トレーサビリティー」が要求されますので、社内用の標準計測器や熱電対類などの測温機器は定期的に管理されていますが、 そのために、近年では、これらの目に見えない管理費用は増す傾向にあります。

熱電対(サーモカップル)は、ある種の異種金属をつなぎ合わせて一端(熱接点といいます)が加熱されるとその反対側で起電力(直流電圧 )が発生する性質を利用したもので、 それを保護管に組み込んだものを炉の中に入れて各部の温度を検出し、温度計についた調節機能で温度をコントロールします。

当社で用いる熱電対には「K熱電対」と呼ばれる Ni,Cr,Alからなるアルメル-クロメル合金や「R熱電対」と呼ばれる 白金とロジウムの合金のものが多く用いられています。

熱電対を高温の環境で使用すると劣化しますので、温度に対して、常用限度や使用限度が決められており、それに沿って使用します。しかし、使っているうちに、熱電対とともに保護管も劣化しますので、一般的には、定期的に総合的な温度検査をして確認したり、使用期間を定めて取り換えることで精度を維持しています。

熱電対以外には、「測温体」「輻射(放射)温度計」、バイメタルや膨張を利用した「機械式温度計」、アルコールなどを用いた 「棒状温度計」、 色温度から温度を測定する「光高温計」など、多種の温度計があり、それぞれの特徴もありますが、設備に取り付けられているのは、熱電対式が主流です。


◎温度測定機器

熱電対で発生した電圧を温度に変換し、表示や温度調節をするのに使用されているのが「熱電温度計」で、炉の温度 を調節する「調節計」の機能をあわせもっているものや、 その温度を記録したり、それを表示したりする機能を持たせているものなどがあり、種類は広範囲にわたります。
現在は、デジタル化された機器が主流になりましたが、温度記録については、時間経過に沿って温度推移がわかりやすいように、現在でもアナログ的に表示するものが多いようです。

近年ではパソコンなどと連携して多機能化しており、ネットワークを使うことで、かなり便利で精度の高いものになってきています。

その他の温度測定用に、光高温計、輻射(放射)温度計などもありますが、精度や安定性の面で熱処理設備に使用しているものは少ないようです。
サブゼロ槽などの低温測定用には熱電対式ではなく、白金測温抵抗体による測温が多いようです。

制御はPID式の調節が主に行われていますが、最近ではセンサーやAI,デジタル技術が進んでいますので、今後はさらに改良されて、新しい考え方が取り入れられていくでしょう。


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加熱雰囲気と変質

鋼を大気中で加熱しますと、着色や表面の変質が生じます。空気雰囲気では、200℃ぐらいから品物表面の酸化が始まります。さらに温度が高くなり、約500℃をこえると、 表面の酸化物が被膜となって固着し、およそ800℃を超えると、スケールとなって表面を覆い、表面正常の劣化とともに、鋼中の炭素分を下げてしまう「脱炭」が発生します。

「脱炭」は、硬さ不良や焼き割れの原因にもなるため、対策として、①「酸化・脱炭」の原因となる酸素を脱気して加熱する「真空炉」、②大気を窒素ガスなどの不活性ガスに置換するか、 雰囲気調節用のガスを流入する、雰囲気調整タイプ加熱炉、③加熱中に空気と触れないように塩化バリウムや塩化ナトリウムなどの混合塩類を溶融させた中で加熱する「ソルトバス」などで表面の変質を防ぐ方法がとられます。それらを総称して、無酸化熱処理設備と呼ばれます。

このうち、近年の一般熱処理に広く用いられる「真空炉」は、高温加熱中に鋼の成分が飛散しないように、適度な脱気で空気を排除した後、加熱効率を増すために窒素ガスなどの不活性ガスを炉中に入れることで、 加熱速度の上昇や温度の均一性を保つ・・・などの工夫がされています。

真空炉やガス雰囲気炉では、焼入れ時に早い冷却速度が望まれるために、製品の仕上がりの美しさを保ち、素早い冷却に、 大量の窒素ガスを加圧状態で炉内に流入させて品物を冷却をしているものが主流です。この方法を「加圧冷却」と呼んでいます。

一般熱処理で使用される真空炉においては、「油冷」設備を備えたものはあまり見受けられません。油冷は、冷却性能に優れ、特に大型品に対しては、 冷却速度が製品品質を左右しますので、急冷するためにはいい冷却方法ですが、製品についた油の処理や真空ポンプなどでの排気処理が大変なことから、窒素ガス冷却に比べると、あまり普及していないのが現状です。

無酸化雰囲気+窒素ガスの冷却によって、熱処理品は、白鼠色のきれいな金属光沢の状態で仕上がりますので、このタイプの炉は、金型や精密部品などの熱処理の主流になっています。

さらに、近年では、このタイプの真空炉で油焼入れと同等の冷却能力を持っている・・・とPRされる設備も多いのですが、現実的には、大量の気体(多くは窒素ガス)を循環 させるために、品物の曲りや風圧の影響で品物が変形しますので、それを避けるために、あえて、冷却時には風量を押さえることもあって、このようなこともあって、一般的には、油冷するほどには冷却速度は速くないと考えたほうがよいでしょう。

また、真空炉による熱処理は「ひずみが少ない」「最高の熱処理」などとPRされている熱処理屋さんもあります。しかし、「ひずみ(熱処理変形 )量」の多少については、 設備的なものだけによるものではなく、熱処理技術によるものやコストが関連します。例えば、窒素ガス量を押さえて歪発生を抑える冷却方法をとる方法などでは、冷却速度が小さくなり、 工具性能を重視する品物などでは、品質が劣化する恐れがあるので、単純に、歪まないのが最良とは考えてはいけません。

今後に期待される、炉の設備技術としては、たとえば、油の温度をコントロールして鋼材特性に合わせた油冷をしたり、焼入れ歪みを冷却過程のガス流量制御で押さえることで、 油冷と同等の冷却が出来るようになったり、冷却過程の温度を幅広くコントロールする技術によって、オーステンパーなどの恒温処理のように、今まで、 バッチ炉ではできなかった熱処理ができるようになっていくこと・・・などが期待されます。
しかし、このように、熱処理品質の確保に対しては、設備面の改良も重要ですが、設備の操作技術や熱処理技術を含めたトータル技術力が重要だということは言うまでもありません。


設備の大型化の流れとソルトバス

熱処理コストや効率を考えると、同じ熱処理仕様のものを多くして、大型化や連続炉化することが有利ですが、材質・形状・鋼種などが雑多なものを取り扱う 「一般熱処理屋さん」では、この傾向は、さまざまな熱処理仕様に対応するのが難しくなっていくことにつながります。このために、業者ごとに熱処理価格や納期も当然異なるでしょうし、場合によっては、熱処理を受けてもらえない場合も今後は増えていく可能性があります。

このような設備面の問題は、鋼材の開発などにも波及します。たとえば、雑多なものを同時に熱処理できるように、焼入れ温度が同じ範囲になるように成分設計したり、 似たような鋼種は統合していく傾向は強まるでしょう。しかしこれは、ある面では、性能の優れる鋼種が生まれにくい背景を作り出すなど、マイナス要素もおおく、問題も残されています。

このため、当社では、このような小ロット(少量)製品の熱処理品やさまざまな熱処理条件をテストできるように、古い設備ですが、「ソルトバス」を温存しています。
「ソルトバス」(このページの上部写真の右側を参照ください)は、ポット(槽)の中に、融点に合わせた混合塩を加熱して溶解して、その中に品物を入れて熱処理する加熱設備で、無酸化状態でさまざまな温度条件を比較的簡単に作ることができます。「塩浴(えんよく)」ともよばれます。

当社では、160℃~1250℃程度の温度処理が常時できるように、200℃、550℃、900℃、1200℃程度の焼入れ・焼戻しに適した温度に合わせたソルトバスを用意しています。

ソルトバスでは、通常の焼入れ焼戻しのほかに、恒温変態を利用した熱処理ができるという、大きな特徴があります。これは、冷却用ソルトバスの温度を加減して、 そこに品物を保持することで「マルクエンチ」「マルテンパー」「オーステンパー」などと呼ばれる熱処理をします。

このソルトバス設備は、小規模で、簡単に設定温度が変えられるために、小回りが利くのが特徴ですが、ほとんどの作業が手作業です。個々にソルトバスから取り出して、油冷や水冷などもできますし、品物の一部だけを加熱冷却することもできますので、いろいろな熱処理条件を簡単につくりだせるできるという長所があります。
さらに、真空炉のように密閉されていないので、熱電対などを品物につけて、熱処理過程の温度推移をとるなどを、比較的簡単にできるために、 色々な加熱試験や実験用熱処理設備として利用しています。

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冷却について

先にもふれましたが、真空炉や雰囲気炉の冷却設備には、炉内に大量のガスを流入させて冷却をしたり、油冷装置を内蔵するなどによって品物を冷却するものが主流です。 近年は、バッチタイプでセットした品物を自動搬入し、焼入れ加熱、冷却(焼入れ)、焼戻しまでを一貫して自動的に行う設備も多くなっています。

一般的な焼入れ時の冷却方法としては、①水冷槽や油槽のような液体に浸漬する、②液化窒素ガスなどの大量のガスで冷却する、③ソルトバスに浸漬する、 ④大気中で放冷する・・・などの方法があり、自動化設備では、装置内に冷却装置を配置しているものが多くなっています。

流量や流速を変えるためには、ファン、扇風機、攪拌機などを用いて冷却速度を変えて冷却します。
ゆっくり冷却する場合には、大気中に放出したり(空冷)、炉内でゆっくりと冷却させる方法(炉冷)がとられます。

冷却について、どれだけ熱量を奪うのかという「熱伝達」の指標でとらえると、空中に品物を放出したと きの冷え方を1とすると、扇風機で冷やすと10、 油冷では60、水冷では400という冷え方という感じになりますが、液体による冷却は、気体の冷却に比べて非常に早いというイメージになります。

近年、金型等の熱処理炉の主流となっている真空炉では、多くが、炉内で大量の窒素ガスを流して品物を冷却するタイプが多くなっています。 6気圧以上の窒素ガスで冷却する能力があるものもあって、油冷に近い冷却能力を備える炉もあって、この冷却方法は「加圧冷却」と呼ばれます。

別のところでも書きましたが、高速の風が炉内に循環しますので、品物のあたり方などによっては、小さな品物の固定や、冷却歪みの発生の懸念を避けるために、流速を抑える場合もあります。

品物の冷却中は、表面や角部から熱が奪われ、それが内部に伝達して、 次第に品物の温度が低下します。急速に冷やそうとすると、部分的な熱偏差のために、 品物が曲がってしまいます。反対に、冷却が不十分だと硬化しないということになりますので、冷却速度のコントロールは重要なポイントです。

冷却速度の操作は、焼入れの場合でいうと、ガス冷却ではガス流量をコントロールして調整すること以外に、油槽と水槽を併用して冷却したり、 冷却途中で引き上げたり再浸漬するなどで冷却速度や時間を加減する操作をすることがあります。

その他の冷却速度の調整は、油温やソルトバスの温度など、冷媒温度をコントロールすることや攪拌力で調節します。
冷却材の品質(たとえば油の劣化など)や冷却性能を管理して、焼入れ性能を維持することも重要です。

その他の冷却剤では、水溶性ポリマー溶液(ソリブルなどと言われることもあります)を焼入れ油の代わりに用いる方法や、 いろんな冷却液を噴霧して品物の冷却速度をコントロールする場合もあります。

当社でも、過去には、消防法対策のために水溶性ポリマーを使用したこともあります。しかし、濃度や性状の管理が大変で、少しの違いで、冷却性能が大きく変わるので、 結局は、管理が簡単で冷却能が安定している「焼入油」に戻ってしまった経緯があります。油脂類(焼入れ油)の性能や使い勝手を超える製品の出現を期待しています。

近年は焼入性の良い高級工具鋼が多くなったために、「水冷」は、溶体化処理など、特定の場合以外はやらなくなりました。特に、水焼入れが必要な鋼種は、 炉から出して水冷するまで時間がかかると、焼が入りませんので、機械化された装置では、それを考慮しなければいけませんので、当社では、 手作業で行うソルトバス以外は水冷ができなくなっています。

この例でもわかるように、最近の熱処理は「標準化」「自動化」が必至の傾向で、これもあって、多くの熱処理業者では、焼入性の低い水焼入れする鋼種は、 扱ってもらえない状況になってきています。
「熱処理の基本は水焼入れ」と教えられた私もそうですが、焼入れ時の水温が高ければ焼が入らないこと、 汲み置きの水でないといけないこと、 塩を加えると焼きがよく入るとか・・・ということが、過去には熱処理の教科書には必須でしたが、切れ味のよい炭素鋼や低合金鋼の熱処理は、 一般の委託熱処理業者の範疇ではなく、趣味の域か、日本刀の焼入れにみられるような、神の住む領域のものになっていくのでしょうか?


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