JP3189507B2 - 表面処理装置 - Google Patents
表面処理装置Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
- B01J8/24—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique
- B01J8/32—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique with introduction into the fluidised bed of more than one kind of moving particles
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
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- C23C16/442—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using fluidised bed process
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S118/00—Coating apparatus
- Y10S118/05—Fluidized bed
Description
面処理装置、特に流動層を構成する粉末の流動化の均一
性を損なう流動層粉末の固化を防止すると同時に、反応
性の高い流動層粉末や雰囲気からガス分散板を保護する
表面処理装置に関するものである。
物、窒化物等の表面処理層を形成させる技術として、本
発明者等が先になした流動層を利用した表面処理方法
(特開昭63-14856)がある。
下、流動剤と記す)と、炭化物や窒化物等の形成元素を
含む金属および/またはそれらの合金粉末(以下、層形
成剤と記す)との混合粉末(以下、流動層粉末と記す)
を流動層式炉中に配置し、アルゴンガス等の流動化ガス
を導入して流動層粉末を流動化させ、流動層を形成し、
この流動層中に被処理材を配置するとともに、該流動層
中にハロゲン化物を随時供給することにより、加熱下に
おいて、被処理材表面に表面処理層を形成させることを
特徴とするものである。
ン化物と、層形成剤粉末との反応によって生成した炭化
物形成元素のハロゲン化物のガスと、被処理材中の炭素
または窒素との反応によって形成される。このような層
形成の過程において、前記ハロゲン化物のガスの量や流
動化ガスの流量等、処理条件によつては、流動層粉末が
凝集し、しばしば流動層中に流動層粉末の固まりが形成
されることがあった。このような固まりが流動層内に形
成されると、固まりが形成された周囲の粉末の流動化の
不良や、流動層内の温度の不均一等のため、表面処理層
を均一に形成できる範囲が減少する問題が生じた。ま
た、被処理材を保持する治具が前記流動層粉末の固まり
によってじやまをされ、セッテイングにくるいを生じる
等の問題が発生し、固まりの除去のために処理が中断さ
れることが頻繁に起こった。流動層粉末の固化の量は、
流動化ガスの流量を増して流動化を激しくしたり、ハロ
ゲン化物の添加量を少量に抑えることで少なくすること
ができるが、実際の処理に適用すると、流動化ガスの消
費量が増してランニングコストが高くなったり、流動層
内の反応ガス濃度等の処理条件が変化して形成される表
面処理層の厚さが薄くなったり、あるいは厚さが不均一
になったりする等の問題があった。
分散板が、直接流動層と接触しているため、ガス分散板
が流動層内のハロゲン化物のガスに曝され、腐食した
り、反応生成物がガス分散板の細孔に詰まって、ガス分
散板の流動化ガスを分散させる作用が低下する等の問題
があった。
を利用して、流動層内に浸漬した被処理材を表面処理す
る際に問題となる流動層粉末の固化について詳細に研究
を行った。その結果、流動化ガスの流れが不均一となっ
て、層形成剤粉末のほとんど動かない部分が存在した場
合に、層形成剤粉末間の同一部分における接触が長期に
わたるため、直接金属等の粉末間の反応が進行して互い
に結合し、固まりが生成すること、また、この固まりの
生成の際に流動剤を構成するアルミナ等の粉末をも巻き
込んで成長すること、さらに,ガス分散板の上に流動化
ガスによって流動化しない程度の重量の粉末からなる粗
粒層を設けると、流動化ガスの流れを常に均一にでき、
流動層粉末の局部的停滞を無くすことができ、前記固ま
りの生成を防止できるることをつきとめ、本発明をなす
に至ったものである。本発明は、流動化ガスの流量等の
処理条件を変化させることなく流動層粉末の固化を防止
すると同時に、ガス分散板が反応性の高い流動層粉末や
雰囲気に直接曝されないようにして、ガス分散板の腐食
等を防止することが可能な表面処理装置を提供するもの
である。
は、流動化ガス導入口と、該流動化ガス導入口と連通し
たガス分散板と、ガス排出口とを有する炉本体と、該炉
本体内部の、前記ガス分散板上部に配置されたアルミナ
等の耐火物粉末と被処理材表面に表面処理層を形成する
ための金属および/または合金粉末との混合粉末から構
成される流動層粉末と、該炉本体を加熱する加熱手段と
からなり、流動化ガスによって前記流動層粉末を流動化
させて、流動層を形成し、該流動層内において、加熱
下、ハロゲン化物の存在のもとに被処理材の表面に表面
処理層を形成する表面処理装置であって、前記流動層と
ガス分散板との間に、以下の関係式を満足する平均粒径
D(m)を有する粉末からなり、流動化ガスによって流動
化しない粗粒層が配置されてなる。 (1650Vμ/PG)1/2<D<6.5d V 流動化ガスの流速(m/s) μ 流動化ガスの粘性係数(kg/m・s) P 粗粒層を構成する粉末の平均密度(kg/m3) G 重力加速度(9.8m/s2) d 金属および/または合金粉末の平均粒径(m)
層の間に、上記関係式(1)を満足する平均粒径の粉末
からなる粗粒層を設けることによって、流動化ガスの流
れを均一化し、ガス分散板直上に流動層粉末の動かない
領域である局部停滞部を無くすことが出来る。前記関係
式を満足する平均粒径を有する粗粒層を設けたことによ
り、流動化ガスの流れを均一化し、流動層粉末の停滞部
を無くすことができる理由は、今のところ明確ではない
が、次のようであると推定される。(1)式の平均粒径
Dの最小値を規定する項、すなわち(1650Vμ/P
G)1/2 は、所定の流動化ガスの流速で流動化する粉末
の最大径を定めるもの(流動層の反応工学(1984)
培風館)である。したがって、この項で与えられるD値
よりも大きな径の粉末は流動化せず、粗粒層を形成でき
る。したがって、粗粒の粒径を、前記D値よりも小さく
すると、粗粒が流動化してしまい、粗粒層を形成できず
流動層粉末と分散板との隔離ができなくなる。また、
(1)式のDの最大値を規定する項、すなわち6.5d
は、層形成剤粉末の平均粒径がdの場合、この粉末を通
過させる粗粒層の平均粒径Dを与えるものである。した
がって、この項で与えられるD値よりも小さな径の粉末
からなる粗粒層は、通過する層形成剤粉末の数を少なく
できる。この6.5dより粗流層の径を大きくすると、
粗粒間の隙間も大きくなり、この隙間に入り込む層形成
剤粉末の数が多くなり、粗粒間の隙間に入り込んで固定
される粉末が存在するようになるとその部分でそれらの
粉末の固化が進行し、この固化した粉末が、流動化ガス
の流れを阻害し、さらに、その直上に流動層粉末の局部
停滞部を生成させることになり、固化領域が拡大してい
く。そこで粗粒層を構成する粉末の径を(1)式の右項
より小さくするのである。該粉末の平均粒径Dが、前記
(1)式の範囲内にあると粉末間の隙間が小さくなっ
て、その数が多くなるため、ガスの分散が良くなり流動
層粉末を均一に流動化できる。このように、流動層粉末
の停滞を無くすことができるため、流動層粉末間の同一
部分における接触が長期にわたることがなく、直接金属
等の粉末間の反応が進行しにくくなり固化を防止でき
る。また、前記粗粒層を設けたことにより流動層粉末と
ガス分散板の接触がなくなり、また、粗粒層と流動層粉
末との間に圧力差が生じるので、流動化ガスやハロゲン
化物のガスが逆流することがなく、流動層の雰囲気にガ
ス分散板が曝されることがない。
散板と流動層との間に粗粒層を配置したので、流動層粉
末の局部停滞部がなくなり、流動層粉末の固化を防止す
ることが出来る。したがって、本装置を用いて品物を表
面処理する場合に、流動層粉末の固化による流動化不良
および流動化不良による流動層内の温度の不均一、流動
層の固化領域の増大による有効処理領域の減少、処理治
具の流動層内のセッティングのくるい等の問題がなく、
固まりの除去のために処理を中断することもなく、効率
的に処理を実施することができる。また、前記粗粒によ
って反応性の高い流動層の粉末や雰囲気からガス分散板
を保護することが可能となる。
説明する。本具体化した発明において用いる表面処理装
置は、一般に乾燥、焼却、還元等の目的で通常使用され
ている流動層式炉を利用すればよい。例えば、図1に示
すように炉本体1の下部にアルゴン等の流動化ガスの導
入口11が開口し、炉内の導入口側にガス分散板12が
設けられており、また、炉本体周囲には流動層を加熱す
るための加熱器2が設けられる。本表面処理装置は、炉
本体上部にガス排出口51を有する蓋5を装着し、被処
理材3の出し入れはこの扉を開閉して行う。また、炉本
体の流動化ガス分散板上には粗粒層7および流動層4が
配置される。また、炉本体下部にハロゲン化物供給手段
6を設ける。また、表面処理層として、窒化物層等を形
成する場合には、窒素含有ガス等を、炉外から炉本体内
部に供給するためのガス供給用の管等を設けてもよい。
に,粗粒層を、さらに該粗粒層の上に流動粉末層を設置
する。流動層粉末は耐火物粉末(流動剤)と、表面処理
層を形成するための金属および/または合金粉末(層形
成剤)とからなる。流動剤は、被処理材を構成する元素
ならびに層形成剤を構成する粉末と反応しない不活性な
ものであれば限定はない。例えば、アルミナ(Al2 O
3 )、酸化ケイ素(SiO2 )、酸化チタン(Ti
O2 )、ジルコニア(ZrO2 )等の1種以上を用い
る。
物、固溶体、金属間化合物等を形成可能な金属および/
または合金粉末をいう。例えば、炭化物または窒化物形
成金属等としては、クロム、バナジウムやチタン等のよ
うに炭素や窒素と結合して炭化物や窒化物を形成しやす
い金属、その合金としては、Fe−Cr、Fe−Vまた
はFe−Ti等の合金鉄等がある。これらの金属または
合金は1種以上で用いる。
成剤の粒径dは、0.5〜1.2×10-4m(80〜3
50メッシユ)の範囲のものが望ましい。また、該層形
成剤の平均粒径dも0.5〜1.2×10-4mの範囲内
になるようにするのが望ましい。
厚さ等によって適宜決定されるが、通常、層形成剤の量
は、流動剤の重量に対し2から80%の範囲で用いる。
また、流動剤を構成する粉末の平均粒径d´は、層形成
剤の平均粒径d、平均密度ρに対し、(d´)3 ×ρ´
=d3 ×ρ(ρ´は流動剤を構成する粉末の平均密度)
の関係が成立するように選択される。
は、流動層粉末ならびに流動層内の雰囲気と反応をしな
い不活性なものであれば、特に限定はない。望ましく
は、アルミナ(Al2 03 )、酸化ケイ素(Si
O2 )、酸化チタン(TiO2 )、ジルコニア(ZrO
2 )等の耐火物粉末等1種以上を用いるとよい。粗粒の
平均粒径Dは、前記関係式(1)を満足することが必要
である。なお、粗粒は流動層の上下方向に大きく動かな
ければ、配置された位置に届まっている必要はなく、む
しろ、2次元的には動き回った方が流動化ガスの流れの
均一化等に好影響を及ぼす。
等、粗粒の一部を粗粒より大きな粒径の粉末に置き換え
てもよい。こうすれば、圧力損失をさらに小さくするこ
とができる。
5mmより薄いと、ガス分散板を出た流動化ガスを均一
に分散させるのに不十分となり、一方、300mmより
厚くしても、固化防止能が向上するわけではなく、逆に
粗粒層による圧力損失が大きくなり、同じ流動化状態を
得るためにガス消費量が多くなる。
常は、図1のように流動層を含む炉本体1を電気炉等の
外部加熱器2内に装入して、外部から流動層を加熱す
る。流動化ガスとしては、通常、アルゴン等の不活性ガ
スを用いる。表面処理層として窒化物や炭窒化物等の層
を形成する場合には、流動化ガスに、窒素を含有するア
ンモニア等の反応性ガスを添加してもよい。流動化ガス
の流動層内での流量および流速は良好な流動化に十分な
範囲であればよい。流速等が小さすぎると流動化が不十
分で流動層内の温度分布が不良となる。逆に、大きすぎ
るとガスの使用量が多くなり、また、著しいバブリング
が生じ処理操作が困難になる。また、流動化ガスの粘性
係数は、例えば、1000℃において、アルゴンでは
6.3×10-5kg/m・s、ヘリウムでは5.1×1
0-5kg/m・sである。
表面処理層の種類によって、適宜選択して用いればよ
く、通常は鉄鋼、ニッケル、等の金属材料や超硬合金、
炭素材料等の非金属を用いる。
応して表面層形成に寄与するハロゲン化物のガスを発生
させるものであれば特に限定はなく、例えば、ハロゲン
化アンモニウム塩、金属ハロゲン化物、アルカリ金属ま
たはアルカリ土類金属のハロゲン化物、ハロゲン化水素
等のうちの1種以上を用いればよい。また、ハロゲン化
物は、粉末状、ペレット状および/またはガス状で用い
る。ハロゲン化物の添加は流動層式炉加熱前に流動層粉
末中に混合して行ってもよいが、通常は、前記した図1
に示すようにペレット状とし、ハロゲン化物供給用管6
を通して流動層中に供給する。また、ハロゲン化物の添
加量は、表面処理層の種類や厚さ等を考慮して適宜決定
される。
0℃に、1〜100時間加熱して行う。
て、以下のようにして表面処理を行う。すなはち、流動
化ガスによって流動層粉末を流動化させて流動層を形成
し、流動層中に、被処理材を、埋没させ、加熱下、ハロ
ゲン化物の存在のもとに前記被処理材の表面に表面処理
層を形成させるものである。
に炭化物被覆処理を行った。まず、内径50mmの炉本
体1下部のガス分散板12の上にアルミナ粉末からなる
粗粒層7を約100mmの厚さで設け、その上に流動層
粉末を1000g挿入した。粗粒層表面から流動層表面
までの厚さは約260mmである。流動層粉末には、平
均粒径1.8×10-4mのアルミナと平均粒径1.2×
10-4mのフェロバナジウムの混合粉末を用いた。つい
で、流動化ガスとしてアルゴンガスを毎分12リットル
の流量でガス供給通路11よりガス分散板12を介して
炉本体1内に送入した。これにより、流動層粉末は流動
化し、流動層4が形成された。
条件に基づき(1)式によって計算し決めた。(1)式
の左項の計算にあたって、流動化ガスの流速Vは0.1
0m/s、流動化ガスであるアルゴンの粘性係数μは
6.3×10-5kg/m・s、粗粒層を構成するアルミ
ナの平均密度Pは4.08×103 kg/m3 、重力加
速度Gは9.8m/s2 とした。その結果、左項の値は
5 .1 ×10-4m、また、右項の値は7.8×10-4m
である。
した排ガス排出口51を有する蓋5によって炉本体を密
閉した後、流動層を加熱器2によって加熱した。流動層
の流動化の程度は、流動化ガスの流量を一定にして供給
すると、温度の上昇とともに激しくなるので、流動化ガ
スの流量を温度の上昇とともに徐々に少なくし、100
0℃に達したとき毎分2.6リットルとした。したがっ
て、この状態における流動の程度は室温の場合とほぼ同
様である。次に、被処理材3である冷間工具鋼(SKD
11)を、流動層中に埋没した。
塩化アンモニウムペレット10を活性剤供給用ホッパー
8の上部から挿入し、棒9によって活性剤供給管6内
に、1時間に、流動層粉末に対し平均0.8重量%の割
合でプッシュして落下させた。2時間の処理を行った
後、蓋を外して被処理材を炉外へ取り出し室温まで空冷
した。
ま流動化ガスを流しながら炉本体を室温まで冷却した
後、速やかに流動層粉末を炉本体から取り出し、14メ
ッシュのふるいにかけて、ふるいの上に残った粉末の固
まりの重量で固化の量を測定した。
囲内にある6×10-4m、ならびに(1)式の範囲外に
ある2.1、10および20×10-4mの4種類に変化
させて行った結果は、表1の通りであった。いずれの場
合でも被処理材表面には、5〜6μmの均一な厚さのバ
ナジウム炭化物層が形成されていた。しかし、固化した
流動層粉末の重量には大きな違いがみられた。すなわ
ち、層形成剤粉末の粒径d(1.3×10-4m)に対す
る(1)式の範囲より大きな粒径となる10および20
×10-4mの粗粒の場合には、ふるいの上に数cmの粉
末の固まりが見られたが,前記範囲に相当する粒径6×
10-4m、およびこの範囲より小さな粒径2.1×10
-4mの粗粒を用いた場合には、固化した粉末はなかっ
た。しかし、粒径2.1×10-4mの粗粒の場合は、そ
れ自身が流動化し、分散板が流動層粉末や雰囲気に曝さ
れてしまった。
粗粒層の厚さを100mm、流動層粉末の厚さを600
mm、塩化アンモニウムペレットの添加量を1時間に、
流動層粉末に対し平均0.01重量%、1000℃にお
ける流動化ガスの流量を40リットルとした以外は実施
例1と同一の条件で,炭化物被覆処理を行った。炉本体
の内径および流動化ガスの流量を変えたことにより
(1)式の左項の値は4.9×10-4mである。
に変化させて炭化物被覆処理を行った。該処理によって
生成した固化粉末の重量は、表2の通りである。(1)
式の範囲より大きな粒径20×10-4mの粉末の場合で
は固化が多かったが、(1)式の範囲に相当する粒径6
×10-4mおよびこの範囲より小さな粒径2.1×10
-4mの粉末を設置した場合には、粉末は固化しなかっ
た。しかし、粒径2.1×10-4mの粗粒の場合は、実
施例1と同様に、それ自身が流動化し、分散板が流動層
粉末や雰囲気に曝されてしまった。このように、粗粒層
を流動層粉末とガス分散板との間に設けることによっ
て、流動層粉末の固化を防止し得ると同時にガス分散板
を流動層粉末および流動層内の雰囲気から保護すること
ができる。
Claims (1)
- 【請求項1】流動化ガス導入口と、該流動化ガス導入口
と連通したガス分散板と、ガス排出口とを有する炉本体
と、該炉本体内部の、前記ガス分散板上部に配置された
アルミナ等の耐火物粉末と被処理材表面に表面処理層を
形成するための金属および/または合金粉末との混合粉
末から構成される流動層粉末と、該炉本体を加熱する加
熱手段とからなり、流動化ガスによって前記流動層粉末
を流動化させて、流動層を形成し、該流動層内におい
て、加熱下、ハロゲン化物の存在のもとに被処理材の表
面に表面処理層を形成する表面処理装置であって、前記
流動層とガス分散板との間に、以下の関係式を満足する
平均粒径D(m)を有する粉末からなり、流動化ガスによ
って流動化しない粗粒層が配置されてなることを特徴と
する表面処理装置。 (1650Vμ/PG)1/2<D<6.5d V 流動化ガスの流速(m/s) μ 流動化ガスの粘性係数(kg/m・s) P 粗粒層を構成する粉末の平均密度(kg/m3) G 重力加速度(9.8m/s2) d 金属および/または合金粉末の平均粒径(m)
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