JP6080011B2 - 鉄製加工物の錆除去方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は鉄製加工物の錆除去方法およびその装置に関し、詳しくはサーマルデバリング処理に伴なって鉄製加工物の表面に発生した錆を除去するのに好適な鉄製加工物の錆除去方法およびその装置に関する。

従来、鉄製加工物を切削加工すると、その加工部分には加工によるバリが発生するが、このバリを除去するための方法として、上記鉄製加工物をチャンバに収容し、可燃性ガスと酸素との混合ガスを充填して当該混合ガスを爆発させて、上記バリを燃焼させるサーマルデバリング処理が知られている（特許文献１）。

特許第５１４７７０８号公報

しかしながら、このサーマルデバリング処理を行うと、酸素雰囲気中で燃焼させるため、鉄製加工物の表面全体が錆びてしまう場合があり、この錆を除去する必要があった。
従来、この錆の除去にはサンドブラストや酸洗処理が行われていたが、上記錆は鉄製加工物の表面全体に一様に発生し、穴が加工されている場合には当該穴の内部表面にも発生することから、錆の除去には非常に手間がかかるという問題があった。
このような問題に鑑み、本発明は特にサーマルデバリング処理に伴なって鉄製加工物の表面全体に一様に発生した錆に対して、手間をかけず容易に除去することを可能にする鉄製加工物の錆除去方法およびその装置を提供するものである。

すなわち請求項１における鉄製加工物の錆除去方法は、可燃性ガスと酸素との混合ガスを爆発させて、鉄製加工物のバリを燃焼させるサーマルデバリング処理に伴なって発生した錆を除去する鉄製加工物の錆除去方法において、
水素雰囲気中に上記錆の発生した鉄製加工物を搬入して、当該鉄製加工物を表面温度が７５０℃以上８５０℃未満の所定温度となるまで加熱し、その後、水素雰囲気中で冷却することを特徴としている。

また請求項４における鉄製加工物の錆除去装置は、可燃性ガスと酸素との混合ガスを爆発させて、鉄製加工物のバリを燃焼させるサーマルデバリング処理に伴なって発生した錆を除去する鉄製加工物の錆除去装置であって、
錆の発生した鉄製加工物を搬送する搬送手段と、上記搬送手段の搬送経路に沿って設けたトンネル状構造体と、トンネル状構造体の内部空間に水素を供給する水素供給手段と、上記トンネル状構造体の内部空間に設定した加熱領域で上記鉄製加工物を加熱する加熱手段と、上記内部空間における上記加熱領域に続いて設定した冷却領域で鉄製加工物を冷却する冷却手段を設け、
上記水素供給手段は上記トンネル状構造体の加熱領域および冷却領域に水素を充満させ、上記加熱領域において上記鉄製加工物を表面温度が７５０℃以上８５０℃未満の所定温度となるまで加熱し、上記冷却領域において当該鉄製加工物を冷却することを特徴としている。

上記発明によれば、サーマルデバリング処理に伴なって鉄製加工物の表面全体に発生した錆を容易に除去することが可能となる。
すなわち、水素雰囲気中において鉄製加工物を加熱することにより、当該鉄製加工物の表面全体に水素を作用させ還元作用によって錆を除去することができる。
その際、水素が接触する表面全体が一様に還元されるので、例えば、穴などの複雑な形状部分に対しても、容易に錆を除去することができる。

本実施例にかかる錆除去装置の構成図 実験結果を示す鉄製加工物の外観写真 実験結果を示す鉄製加工物の内部組成の拡大写真

以下、図示実施例について説明すると、図１はサーマルデバリング処理に伴なって鉄製加工物１の表面に発生した錆を除去する錆除去装置２の構成図を示している。
上記鉄製加工物１は炭素を含有する鋳鉄製であり、フライス盤等によって一部の表面が切削加工され、また複数の穴１ａが穿設されている。そしてこの鉄製加工物１は上記サーマルデバリング処理によって、切削加工や穴加工によって発生したバリが除去されている。
具体的に説明すると、上記サーマルデバリング処理を行うサーマルデバリング装置は、上記特許文献１に記載されている通り、鉄製加工物１を収容したチャンバに可燃性ガスと酸素との混合ガスを充満させ、この混合ガスを爆発させて上記鉄製加工物１のバリを燃焼させて除去するようになっている。
このようなサーマルデバリング処理を行うと、燃焼によって鉄製加工物１の表面全体が錆に覆われてしまう場合がある。この錆は、大気中で自然に発生する錆のように、部分的で腐食の度合も様々な錆とは異なり、酸素濃度の高い雰囲気中で、酸素が触れる表面全体に一様に発生するという特徴がある。

本発明の錆除去装置２は、上記錆の発生した鉄製加工物１を搬送する搬送手段３と、上記搬送手段３の搬送経路に沿って設けられたトンネル状構造体４と、トンネル状構造体４の内部空間に水素を供給する水素供給手段５と、上記内部空間に設定した加熱領域Ｈで上記鉄製加工物１を加熱する加熱手段６と、上記加熱領域Ｈの搬送方向下流側に続いて設定した冷却領域Ｃで加熱後の鉄製加工物１を冷却する冷却手段７と、これら搬送手段３、加熱手段６、冷却手段７の作動を制御する制御手段８とを備えている。
搬送手段３は、上記鉄製加工物１を載置する部分がネット状の無端状のネットコンベヤであり、鉄製加工物１との接触が極力小さくなるようになっている。
また搬送手段３における鉄製加工物１を搬送する上部走行部分は、鉄製加工物１を斜め上方に搬送する上り傾斜部３ａと、この上り傾斜部３ａに連続して形成された平坦部３ｂと、この平坦部３ｂに連続して形成されて鉄製加工物１を斜め下方に搬送する下り傾斜部３ｃとから構成されている。

上記トンネル状構造体４は筒状に形成され、上記搬送手段３の上部走行部分をトンネル状に取り囲んでおり、上り傾斜部３ａに位置する端部を搬入口４ａとし、下り傾斜部３ｃに位置する端部を搬出口４ｂとしている。
上記搬入口４ａおよび搬出口４ｂの開口部の上縁は、上記搬送手段３の平坦部３ｂの搬送面よりも下方に位置しており、これによりトンネル状構造体４の内部空間に供給された水素は、空気よりも軽いため開口部より高い平坦部３ｂに充満するようになっている。
また、上記搬入口４ａおよび搬出口４ｂはそれぞれ開閉扉９、１０によって開閉可能となっており、鉄製加工物１の高さに合わせて開閉扉９、１０の開放量を調整することで、上記搬入口４ａおよび搬出口４ｂの開口面積を最小限とし、これにより水素の流出および外気の流入を抑えるようになっている。

次に、上記トンネル状構造体４における上記搬送手段３の平坦部３ｂが位置する部分のうち、その上流側部分には、上記加熱手段６によって鉄製加工物１を加熱する加熱領域Ｈが設定されている。
上記トンネル状構造体４における加熱領域Ｈの部分は、セラミック等からなる炉心管によって構成されており、その天井部分には上記水素供給手段５から水素を供給する供給管５ａが接続されている。
上記加熱領域Ｈに設けられた加熱手段６は、上記炉心管を加熱するセラミックヒータ６ａからなり、炉心管を加熱することで当該加熱領域Ｈを搬送される鉄製加工物１を加熱するようになっている。
上記加熱領域Ｈの長さは、上記搬送手段３によって鉄製加工物１が加熱領域Ｈを通過するまでの間に、当該鉄製加工物１の表面温度が７５０℃以上８５０℃未満の所定温度となるまで加熱するために十分な長さを有している。
なお、鉄製加工物１の表面温度が上記所定温度に到達するまでの時間は、鉄製加工物１の大きさや形状等によって異なるため、上記制御手段８によって搬送手段３の搬送速度を調節し、加熱領域Ｈを通過する間に所定温度に到達させるようになっている。

次に、上記トンネル状構造体４における上記搬送手段３の平坦部３ｂが位置する部分のうち、その下流側部分および下り傾斜部３ｃには、上記冷却手段７によって鉄製加工物１を冷却する冷却領域Ｃが設定されている。
上記冷却手段７は、平坦部３ｂに対応するトンネル状構造体４の外周面に沿って配設された冷却水パイプ７ｃと、当該冷却水パイプ７ｃに冷却水を循環させる図示しない冷却水供給手段とから構成されている。
上記冷却水パイプ７ｃに冷却水を循環させることで、当該冷却領域Ｃに位置するトンネル状構造体４が冷却されて内部空間が冷却され、これにより当該冷却領域Ｃを搬送される鉄製加工物１を冷却するようになっている。
また、上記トンネル状構造体４における冷却領域Ｃのうち上記下り傾斜部３ｃが位置する部分では、水素雰囲気中で自然放熱によってさらに鉄製加工物１を冷却させることが可能となっている。

上記構成を有する錆除去装置２の動作を説明する。まず上記サーマルデバリング装置によって処理された鉄製加工物１を、上記搬送手段３に供給する。
この場合、サーマルデバリング装置から搬出される鉄製加工物１を搬送手段３に供給する供給手段を設けることで、サーマルデバリング処理が行われた鉄製加工物１を連続的に錆除去装置２によって処理するよう、一連のシステムとして構成することができる。
鉄製加工物１は、上記搬入口４ａよりトンネル状構造体４の内部に搬入され、上り傾斜部３ａを搬送された後、平坦部３ｂの位置に形成された加熱領域Ｈを所定速度で搬送される。
これにより、鉄製加工物１を表面温度が７５０℃以上８５０℃未満の所定温度となるまで加熱する。本実施例では、搬送手段３による搬送速度を１００ｍｍ／ｍｉｎに設定し、セラミックヒータ６ａの加熱温度を８５０℃に設定することで、約４０分かけて表面温度が８２５℃程度に達するよう鉄製加工物１を加熱している。

上記加熱領域Ｈを通過した鉄製加工物１は、その後水素の充満した冷却領域Ｃへと移動し、当該冷却領域Ｃにおいて表面温度が５００℃以下となるまで冷却される。
具体的には、上記冷却領域Ｃにおいて平坦部３ｂを移動する間に、鉄製加工物１は、約２０分かけて表面温度が４００℃程度となるまで冷却される。
その後、下り傾斜部３ｃを搬送される間にさらに表面温度が冷却されてトンネル状構造体４の搬出口４ｂより排出される。

上記錆除去装置２による錆除去方法によれば、鉄製加工物１を水素が充満した加熱領域Ｈにおいて加熱することにより、鉄製加工物１は上記トンネル状構造体４の内部空間に露出した表面全体が、水素によって一様に還元されて錆が除去される。
また錆が除去された鉄製加工物１は、加熱領域を通過した直後はその表面温度が高い状態を維持しており、そのまま大気に触れると大気中の酸素で再び酸化されるため、当該鉄製加工物１を水素の充満された冷却領域Ｃにおいて高温酸化の影響が低い５００℃以下まで冷却することで、高温酸化による鉄製加工物１の再酸化を防止するようにしている。

上記水素による還元は、高温で行った方が強く作用することは既に知られており、錆除去にも有効であるが、概ね９００℃以上になると鉄製加工物においても外形上の変化が生じてくる。そこで本発明の錆除去方法においては、上記還元による内部組成への影響について検証を行った。
図２、図３は本発明による錆除去方法についての比較検証結果を説明する写真であり、図２は錆除去装置２による処理後の鉄製加工物１の写真を示し、図３は鉄製加工物１の内部組成の拡大写真を示している。また本実験で用いた鉄製加工物１は鋳鉄製となっている。
図２においては、上記加熱領域Ｈにおいて鉄製加工物１をそれぞれ表面温度が７００℃（ａ）、７８０℃（ｂ）、８２５℃（ｃ）となるまで加熱し、その後冷却領域Ｃにおいて冷却を行った場合の外観写真を示している。
図２に示すように鉄製加工物１の外観を目視にて確認したところ、（ａ）の７００℃まで加熱した鉄製加工物１は、表面全体が黒色となっており、還元が不十分であったことが分る。
これに対し、（ｂ）の７８０℃まで加熱した鉄製加工物１は、やや黒色であるが、表面全体から錆は除去されており、（ｃ）の８２５℃まで加熱した鉄製加工物１では、錆が十分に除去されており、表面の色もサーマルデバリング処理前のものと比べて遜色はない。また、いずれも加工穴内の錆も除去されていることが確認できた。

図３においては、上記加熱領域Ｈにおいて鉄製加工物１をそれぞれ表面温度が７８０℃（ａ）、８２５℃（ｂ）、８５０℃（ｃ）となるまで加熱し、その後冷却領域Ｃにおいて冷却を行った場合の切断面の拡大写真を示している。また図３（ｄ）は錆除去装置２による処理前の鉄製加工物１の切断面の拡大写真を示している。
図３に示す鉄製加工物１の内部組成を確認したところ、鋳鉄の組成として特徴的な芋虫状や球状の黒鉛について、（ａ）の７８０℃まで加熱した鉄製加工物１では、（ｄ）の処理前の鉄製加工物１と比較してほぼ変わりなく残っていることが確認でき、内部組成の変化がほとんどないことが確認できた。これに対して、（ｂ）の８２５℃まで加熱した鉄製加工物１では芋虫状の黒鉛が細くなっていることが認められる。
さらに、（ｃ）の８５０℃まで加熱した鉄製加工物１では、（ｄ）の処理前の鉄製加工物１と比較すると、芋虫状、球状とも明らかに黒鉛が減少しており、全体的に黒色に変化して著しい内部組成の変化が認められた。

上記検証結果について考察すると、上記鉄製加工物１に使用される鉄鋼材料は炭素を含んだ鉄となっており、この鉄鋼材料としては炭素量が０．０２％以下の鉄（純鉄）、０．０２〜２．０％の鋼、２．０％以上の鋳鉄が知られている。
上記鉄鋼材料の内部組成は、純鉄に微量の炭素が固溶したフェライトと、セメンタイト（鉄と炭素との化合物）およびフェライトが層状に形成されたパーライトと、これらの間に存在する芋虫状や球状をした黒鉛（炭素）とから構成され、特に鋳鉄は強度を有さない黒鉛を多く含有することで、材料に粘りを生じさせている。
上記鉄鋼材料を加熱すると、７２７℃（Ａ１変態点）においてフェライトはオーステナイトに変態を開始し、９１１℃（Ａ３変態点）において完全にオーステナイトに変態する。
オーステナイトはフェライトよりも多量の黒鉛を固溶できるため、フェライトがオーステナイトに変態する過程でオーステナイトに固溶して黒鉛が減少する。その後冷却するとオーステナイトは加熱時とは逆のプロセスでフェライトへと変態するが、上記オーステナイトに固溶した黒鉛（炭素）はセメンタイトとして析出するため、フェライトと層をなして、パーライトが増える。
このことは、（ｃ）の８５０℃まで加熱した場合の写真に現われており、芋虫状や球状の黒鉛が減少し、パーライトが増加したため全体的に黒色に変化している。
このことから、加熱によりフェライトがオーステナイトに変態する過程において、８５０℃を超えると大きく組成が変化することが判明した。そこで本発明では表面温度の最高到達点を８５０℃未満と規定した。
一方で、還元度合や外観上の色合では、表面温度が７００℃程度では加熱不足であり、８００℃近くまで加熱することが効果的であるが、７５０℃以上であれば外観的にはやや黒色となるが、還元は十分である。

そこで本発明では錆除去として還元作用を利用するに当たり、加熱による到達温度を、表面温度で７５０℃以上８００℃未満の範囲の所定温度に規定したものである。
これによれば、外観上の効果を重視する場合は８５０℃近くの温度を選択すれば良く、内部組成の変化を嫌う場合は７５０℃まで温度を下げればよい。外観と内部組成の変化の影響を両立させるためには、７８０℃以上８２５℃以下の温度範囲での選択が有効である。

１ 鉄製加工物 ２ 錆除去装置
３ 搬送手段 ４ トンネル状構造体
５ 水素ガス供給手段 ６ 加熱手段
７ 冷却手段

Claims (4)

1. 可燃性ガスと酸素との混合ガスを爆発させて、鉄製加工物のバリを燃焼させるサーマルデバリング処理に伴なって発生した錆を除去する鉄製加工物の錆除去方法において、
   水素雰囲気中に上記錆の発生した鉄製加工物を搬入して、当該鉄製加工物を表面温度が７５０℃以上８５０℃未満の所定温度となるまで加熱し、その後、水素雰囲気中で冷却することを特徴とする鉄製加工物の錆除去方法。
2. 上記水素雰囲気中での冷却において、上記鉄製加工物を表面温度が５００℃以下となるまで冷却することを特徴とする請求項１に記載の鉄製加工物の錆除去方法。
3. 上記鉄製加工物が鋳鉄製であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の鉄製加工物の錆除去方法。
4. 可燃性ガスと酸素との混合ガスを爆発させて、鉄製加工物のバリを燃焼させるサーマルデバリング処理に伴なって発生した錆を除去する鉄製加工物の錆除去装置であって、
   錆の発生した鉄製加工物を搬送する搬送手段と、上記搬送手段の搬送経路に沿って設けたトンネル状構造体と、トンネル状構造体の内部空間に水素を供給する水素供給手段と、上記トンネル状構造体の内部空間に設定した加熱領域で上記鉄製加工物を加熱する加熱手段と、上記内部空間における上記加熱領域に続いて設定した冷却領域で鉄製加工物を冷却する冷却手段を設け、
   上記水素供給手段は上記トンネル状構造体の加熱領域および冷却領域に水素を充満させ、上記加熱領域において上記鉄製加工物を表面温度が７５０℃以上８５０℃未満の所定温度となるまで加熱し、上記冷却領域において当該鉄製加工物を冷却することを特徴とする鉄製加工物の錆除去装置。