JP5810588B2 - 浸炭雰囲気炉用熱反射板及び浸炭処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、浸炭雰囲気炉用熱反射板及び浸炭処理方法に関する。
従来、省エネルギーを目的として加熱炉、熱処理炉などに熱反射板を使用することが提案されている。例えば、セラミック粒子の粒子径及びそれぞれの並べ方を制御して積層することにより、特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備える加熱炉が提案されている（特許文献１参照）。
その他、高温電気炉内に設けられる反射板及び通常用いられる金属耐熱反射板の材質として、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、及びこれらの合金としては例えばステンレス系のものが用いられることが記載されている（特許文献２参照）。
さらに、ガラス基板上に銅をコーティングし、その上に保護膜として低屈折材をコーティングしてなる熱反射板を有する加熱炉が提案されている（特許文献３参照）。その他、アルミニウムからなる熱反射板を用いた断熱カバー及び熱処理炉が提案されている（特許文献４参照）。
ところで、浸炭炉に熱反射板を使用した場合には、該熱反射板は９００℃以上の極めて高温に加熱されること及び浸炭雰囲気あるいは酸化雰囲気に長時間さらされることになる。
前記のような環境下で、アルミニウム、銀、銅、ステンレス、クロムなどからなる熱反射板を使用した場合は、浸炭や酸化によって熱反射率が低下して目的とする省エネルギー効果を期待できないことが考えられる。また、金やロジウム、タングステン、モリブデン、ニオブなどからなる熱反射板は、高価であり熱処理炉内で使用することは現実的ではない。
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、浸炭雰囲気あるいは酸化雰囲気及び高温に加熱される浸炭雰囲気炉で長時間使用した場合にも熱反射率が低下することがなく省エネルギーに寄与し、しかも比較的低コストの熱反射板を提供することを目的とする。
前記目的を達成する本発明の浸炭雰囲気炉用熱反射板は、ニッケル基超耐熱合金よりなる供試材を、カーボンポテンシャルが０．８で温度が９３０℃の浸炭ガス雰囲気の炉内に配置して１週間後に取り出し、大気中で２００℃、５００℃の各温度に加熱して測定した熱反射率がいずれも５０％以上である前記ニッケル基合金超耐熱合金よりなることを特徴とする（請求項１）。また、ニッケル基超耐熱合金よりなる供試材を、カーボンポテンシャルが０．８で温度が９３０℃の浸炭ガス雰囲気の炉内に配置して１週間後に取り出し、大気中で２００℃、５００℃、９５０℃の各温度に加熱して測定した熱反射率がいずれも５０％以上である前記ニッケル基超耐熱合金よりなることを特徴とする（請求項２）。
前記本発明の浸炭雰囲気炉用熱反射板は、浸炭雰囲気に対する耐食性、耐酸化性及び耐高温性に優れているとともに、試験を重ねた結果、長時間にわたり熱反射率の低下が少なく、省エネルギーに寄与することが確認されたものである。
好適な実施の一形態として、前記ニッケル基超耐熱合金がクロムとアルミニウムを含有することを特徴とする（請求項３）。この実施の一形態によれば、従来提供されている各種の超耐熱合金の中にあって、耐食性、耐酸化性及び耐高温性に優れ、長時間にわたり当初の熱反射率が維持され、浸炭雰囲気炉用熱反射板として最適であることが確認されたものである。
本発明はまた、前記浸炭雰囲気炉用熱反射板を用いた浸炭処理方法に関する（請求項４）。本発明の浸炭処理方法は、断面が矩形の炉内の側面壁と上下壁に、前記浸炭雰囲気炉用熱反射板を設置し、浸炭雰囲気で加熱し浸炭処理を行うことを特徴とする浸炭処理方法である。該浸炭処理方法によれば、電力消費量と雰囲気の昇温時間を２５〜３５％低減できることが確認されたものである。
本発明者は、熱反射板（以下単に「反射板」という。）を使用して熱処理炉および浸炭雰囲気炉の放射エネルギーを低減することについて鋭意検討と試験を繰り返した。該検討と試験は、放射エネルギーを反射・遮断することによる放射熱量の低減効果の検討のみにかかわらず、反射板を浸炭雰囲気炉内の被処理物の均一加熱に利用できないか、についても行われた。
その結果、浸炭処理炉内で使用される反射板には、炉内雰囲気に対する耐食性、空気に対する耐酸化性及び処理温度に対する耐高温性、その他、加工容易性、価格などの諸問題をクリアしなければならないことを確認したものである。以下に発明者が行った検討と試験結果を説明する。
（１） 反射板の効果検証（大気加熱）
試験方法：大気中で供試材の下面を加熱し、上面温度を接触式温度計（熱電対）により求め、同時測定の放射温度計による測定値と一致するように、放射率を補正し、「１−（放射率）」により反射率を求めた。
試験方法：大気中で供試材の下面を加熱し、上面温度を接触式温度計（熱電対）により求め、同時測定の放射温度計による測定値と一致するように、放射率を補正し、「１−（放射率）」により反射率を求めた。
表１は、それぞれの供試材の昇温段階における反射率を測定した結果である。表１によれば、Ｃｕ基板にＡｇメッキ施した供試材は、１００℃の反射率０．８４がその後も維持され、３５０℃に至ると大きく低下した。また、再加熱時の反射率が極めて低いことが確認された。
つぎに、Ｃｕ基板にＮｉメッキを施した供試材は、１００℃の反射率０．８３がその後も維持され、３５０℃に至ってもほとんど低下することがなく、また、再加熱時の反射率も大幅に低下することもなく均一化していることが確認された。
ＳＵＳ基板にＡｇ＋Ｎｉメッキを施した供試材及びＳＵＳ基板のみの供試材の反射率は、昇温時及び再加熱時ともに温度上昇により反射率が増加する傾向が見られ、再加熱時の反射率も大幅に低下することがないことが確認された。特に、前記ＳＵＳ基板のメッキなしの供試材は高温時も光沢を維持して外観上安定していた。前記の大気加熱試験では、Nｉメッキ及びＳＵＳ基板が昇温時にも反射率が低下しないことが判明した。
（２）反射板の効果検証（大気加熱炉）
試験方法は、箱型の加熱炉の内壁に反射板として厚さ１０μｍｍのアルミ箔を貼り、該反射板を設けた場合及び反射板を設けない場合の、昇温に必要な電力、温度保持中の炉表面の温度の差をみて前記反射板の熱反射効果、放射熱遮断効果及び被処理物の均一加熱の検証を行った。
試験方法は、箱型の加熱炉の内壁に反射板として厚さ１０μｍｍのアルミ箔を貼り、該反射板を設けた場合及び反射板を設けない場合の、昇温に必要な電力、温度保持中の炉表面の温度の差をみて前記反射板の熱反射効果、放射熱遮断効果及び被処理物の均一加熱の検証を行った。
使用された加熱炉は、断面矩形であり、その上下壁及び４つの側面壁を断熱材で構成し、前記一つの側面壁に断熱材付きヒーター面を配置した構造であり、比較する加熱炉は、前記断熱材付きヒーター面以外の前記上下壁および３つ側面壁のそれぞれの内側面にアルミ箔を貼り付けた構造である。
前記アルミ箔として「光沢面」と「つや消し面」を有する場合の放射率から算出した反射率は、表２に示す通り、前記各種メッキ品とほぼ同等の０．７０〜０．８５であった。
つぎに、前記反射板の有無における昇温に必要な電力について、昇温の各段階における電力消費量（Ｗｈ）を測定した。その結果は表３に示す通りであり、反射板を炉壁の内側面に設けることにより反射板のない場合の電力消費量と雰囲気の昇温時間を約２５〜３５％低減させることが確認された。
また、被処理物の均一加熱の検証は、前記加熱炉内に被処理物を装入し、炉内に反射板を設けた場合と反射板がない場合について、前記被処理物の前記ヒーター側の温度と被処理物の反対側の温度とを測定することにより行われた。
前記温度測定において、反射板を設けた場合が反射板を設けない場合に比べて温度差が少なく均一加熱効果を有することが確認された。なお、温度保持中の消費電力及び加熱炉の表面温度は反射板の有無にかかわらずほとんど変化が認められなかった。
（３）反射板の効果検証（浸炭雰囲気炉）
発明者は前記反射板の効果検証に基づき、浸炭炉への反射板の使用について試験を行った。浸炭炉に使用する反射板には、浸炭雰囲気に対する耐食性、空気に対する耐酸化性及び処理温度に対する耐高温性などが要求される。本発明者は超耐熱合金に注目した。
発明者は前記反射板の効果検証に基づき、浸炭炉への反射板の使用について試験を行った。浸炭炉に使用する反射板には、浸炭雰囲気に対する耐食性、空気に対する耐酸化性及び処理温度に対する耐高温性などが要求される。本発明者は超耐熱合金に注目した。
供試材は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｓ、いずれもニッケル基超耐熱合金であるインコネル６００（登録商標）及びヘインズアロイ２１４（登録商標）を選択した（化学組成は表４の通り。）。
前記供試材を浸炭雰囲気炉内に設置し、その後、定期的に取り出して外観を観察及び反射率を測定する。
試験目標；耐高温性：９００℃以上、耐酸化性：炉立ち上げ時の高温空気、耐浸炭ガス性：混合ガス（ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４、Ｈ２、Ｎ２）
試験条件；カーボンポテンシャルが０．８、温度９３０℃の浸炭ガス雰囲気の炉内に供試材を配置（暴露）し、１週間後、２週間後にそれぞれ前記供試材を取り出しての反射率を測定した。
試験条件；カーボンポテンシャルが０．８、温度９３０℃の浸炭ガス雰囲気の炉内に供試材を配置（暴露）し、１週間後、２週間後にそれぞれ前記供試材を取り出しての反射率を測定した。
反射率測定方法；まず、浸炭雰囲気に配置（暴露）する前に、大気中において、２００℃、５００℃、９５０℃の各温度に加熱した状態で供試材の反射率を測定した。（表５の初回測定時）。⇒表面温度と放射温度が一致するように放射温度計の放射率を調整し、「１−（放射率）＝（反射率）」の関係から、反射率を求めた。
さらに、浸炭ガス雰囲気の炉から１週間後、２週間後に取り出した供試材についても同様に、大気中で、２００℃、５００℃、９５０℃の各温度に加熱した状態で供試材の反射率を測定した。
比較例１：供試材ＳＵＳ３０４。
測定温度２００℃で０．８３の反射率が、１週間後には０．４９に低下し、２週間後には０．３８に低下した。また、測定温度５００℃で０．８９の反射率が、１週間後には０．３８に低下し、２週間後には０．２４に低下した。
比較例２：供試材ＳＵＳ３１０Ｓ。
測定温度２００℃で０．８３の反射率が、１週間後には０．４３に低下し、２週間後には０．３５に低下した。また、測定温度５００℃で０．８９の反射率が、１週間後には０．３５に低下し、２週間後には０．２８に低下した。
比較例３：供試材インコネル６００。
測定温度２００℃で、１週間後の反射率は０．４４であり、測定温度５００℃、１週間後の反射率は０．３２であった。
実施例１：供試材超耐熱合金（へインズアロイ２１４（登録商標：研磨なし））。
測定温度２００℃で０．６８の反射率が、１週間後に０．６２に低下し、３週間後には０．５９に低下した。また、測定温度５００℃で０．６６の反射率が、１週間後には０．５７に低下し、３週間後には０．５０に低下した。さらに、測定温度９５０℃で０．７０の反射率が、１週間後に０．６２に低下し、３週間後には０．６０に低下した。
実施例２：供試材超耐熱合金（へインズアロイ２１４（登録商標：＃２０００ペーパー研磨）。
測定温度２００℃で０．７０の反射率が、１週間後に０．６０に低下し、３週間後には０．５９に低下した。また、測定温度５００℃で０．６７の反射率が、１週間後に０．６３に低下し、３週間後には０．５０に低下した。さらに、測定温度９５０℃で０．７０の反射率が、１週間後に０．６２に低下し、３週間後には０．６０に低下した。
前記試験の結果では、前記比較例１〜３の供試材は、空気及び浸炭雰囲気下で加熱する時間の増加とともに反射率が５０％以下に低下することが判明した。
該反射率の低下の原因は、表面観察により、炉立ち上げ時の高温空気及び浸炭雰囲気加熱による高温酸化⇒表面荒れおよび表面黒色化によるものと思われる。したがって、前記比較例１〜３の供試材は空気及び浸炭雰囲気の加熱条件下では不適切であることが確認された。
一方、前記実施例１〜２の供試材は、空気及び浸炭雰囲気下で加熱する時間が増加しても反射率が５０％以上を保持し反射率の低下も僅かであることが確認された。
よって、前記反射板の効果検証の結果より、浸炭雰囲気炉において昇温時のエネルギーを１９％以上削減することができ、ニッケル基合金超耐熱合金の価格を考慮しても投資回収の可能性が確認された。
なお、ヘインズアロイ２１４と同じくニッケル基超耐熱合金であるインコネル６００においては反射率が５０％より低く、また高温空気及び浸炭雰囲気では反射率が低下することがわかった。本実施の形態の反射板は、インコネル６００と異なりアルミニウムを含有しており、クロムの含有とともに反射率の低下を抑制する効果を有すると推察される。
Claims (4)
- ニッケル基超耐熱合金よりなる供試材を、カーボンポテンシャルが０．８で温度が９３０℃の浸炭ガス雰囲気の炉内に配置して１週間後に取り出し、大気中で２００℃、５００℃の各温度に加熱して測定した熱反射率がいずれも５０％以上である前記ニッケル基超耐熱合金よりなる浸炭雰囲気炉用熱反射板。
- ニッケル基超耐熱合金よりなる供試材を、カーボンポテンシャルが０．８で温度が９３０℃の浸炭ガス雰囲気の炉内に配置して１週間後に取り出し、大気中で２００℃、５００℃、９５０℃の各温度に加熱して測定した熱反射率がいずれも５０％以上である前記ニッケル基超耐熱合金よりなる浸炭雰囲気炉用熱反射板。
- 前記ニッケル基超耐熱合金がクロムとアルミニウムを含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の浸炭雰囲気炉用熱反射板。
- 断面が矩形の炉内の側面壁と上下壁に、請求項１，２又は３に記載の浸炭雰囲気炉用熱反射板を設置し、浸炭雰囲気で加熱し浸炭処理を行う浸炭処理方法。
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