JPS63176423A - 熱処理炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属材料を無酸化雰囲気で光輝焼鈍処理する
熱処理炉に関し、特に雰囲気ガス中に含有する酸素の影
響により金属材料の表面が劣化するのを防止できるよう
にした熱処理炉に関する。

〔従来の技術〕

従来、金属材料の光輝焼鈍処理には、第８図に示すよう
な箱型焼鈍炉が採用されている。図において、２０は焼
鈍炉であり、これは炉殻の内面に耐火断熱材がライニン
グされた箱状の焼鈍炉本体２Ｑａ内の上部に多数のラジ
アントチ１−ブ２１を挿入し、また炉床２０ｃに被処理
材である金属材料Ｗの載置台（図示せず）を設置すると
ともに、炉壁２０ｂに雰囲気ガス導入孔２２を形成して
構成されている。また、このｍ入孔２２には、ＤＸガス
ジェネレータ等の雰囲気ガス発生装置２３が接続されて
いる。該装置２３は、プロパン又はブタンと空気とを混
合させて加熱してＤＸガスを生成する変成炉２４と、該
ＤＸガスを冷却する冷却器２５とから構成されている。

上記焼鈍炉２０により金属材料Ｗを光輝焼鈍処理する場
合は、炉内に金属材料Ｗを装入した後、該炉内をＤＸガ
ス雰囲気に保持した状態で、バーナによりラジアントチ
ューブ２１を赤熱し、金属材料Ｗを予め設定された所定
の焼鈍パターンになるように、加熱、均熱、冷却する。

またこの焼鈍処理された金属材料Ｗは、酸化皮膜が付着
することから、酸洗いされ、しかる後所望の製品に加工
される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記従来の焼鈍炉では、光輝焼鈍処理後の
酸洗いを行っても金属材料Ｗの材質によっては、表面性
状に劣化が生じる場合があり、その結果、後工程で製品
品質に悪影響を及ぼすという問題点がある。即ち、上記
焼鈍中における炉内雰囲気ガス中には、１１００ｐｐ前
後の酸素が存在しており、この酸素の含有量が多い程金
属材料の表面に形成される酸化皮膜も厚くなることから
、その公表面性状を劣化させている。例えば、低クロム
合金鋼を焼鈍処理した場合、ＤＸガス雰囲気中の酸素濃
度がｌｏｏｐｐｍを超えると膜厚７００人程度の酸化皮
膜が生じ、この皮膜を酸洗いにより除去しても逆にこの
酸洗いによって表面性状が劣化するおそれがある。

本発明の目的は、雰囲気ガス中の酸素濃度を低減するこ
とにより、金属材料の表面性状の劣化を防止し、製品品
質への悪影響を回避できる熱処理炉を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

ところで、上記問題点を解決するために、上記ＤＸガス
中に存在する微量な酸素を炉内に供給する前に除去する
ことが考えられるが、この場合、ＤＸガス発生装置は、
プロパン又はブタンを原料としていることから、もとも
と燃料原単位が高くついているとともに、さらに変成炉
や冷却器等の装置を必要としており、その上に微量な酸
素を除去できる装置を設置するとなるとかなりの設備費
がかかり、その結果製品コストが高くなることから採用
し難い。

本件発明者らは、コスト高になることなく、雰囲気ガス
中の酸素濃度を低減できる方法についてｓＪｌ意研究を
重ねた結果、光輝焼鈍に採用されるＤＸあるいはＮＸガ
スは、その生成されるガス組成のほとんどが窒素を主成
分としていることに着目した。つまり、光輝焼鈍を行う
場合の雰囲気ガスとして、酸素濃度の極めて低い不活性
ガス、即ち高純度の窒素ガスを採用すれば、コスト高に
なることなく、低酸素濃度雰囲気を実現できることに想
到し、本発明を成したものである。

そこで、本願第１発明は、金属材料を熱処理する炉本体
に、所定値以下の酸素濃度で、かつ高純度に調整された
窒素ガスを生成する窒素分離装置を付加したことを特徴
とし、第２発明は、さらに上記窒素分離装置からの高純
度窒素ガスに所定量の水素ガスを添加する水素ガス供給
装置を付加したことを特徴としている。

〔作用〕

本発明に係る熱処理炉によれば、所定の酸素濃度に調整
された高純度窒素ガスを雰囲気ガスとして採用するよう
にしたので、金属材料の材質に応じた酸素濃度に調整で
きる。その結果、酸化皮膜を薄くできるから、金属材料
の劣化を防止でき、製品品質への悪影響を回避できる。

また従来のＤＸガスのような燃料価格の高いプロパン等
を使用しないで済むととるに、ガス発生装置のような大
がかりな装置ではないから、コスト高になることもない
。

さらに第２発明では、上記高純度窒素中に含有する酸素
濃度に応じた所定量の水素ガスを添加し、これを高温の
炉内に供給するようにしたので、窒素ガス中の酸素は、
反応性の良い水素ガスによりＨ２Ｏに変化するから、酸
素がほとんど存在しない雰囲気ガスを実現でき、より酸
化皮膜を薄くすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図及び第２図は本願第１発明の一実施例による焼鈍
炉を示す。図において、ｌは箱型の焼鈍炉本体であり、
これは型鋼で補強された炉殻の内面に耐火断熱材をライ
ニングし、図示しない側壁に昇降自在に開閉扉を配設し
て構成されている。

上記炉本体１の右側壁ｌａの上部にはＵ字状に形成され
た多数のラジアントチューブ２が挿入されており、該ラ
ジアントチューブ２の炉外の一端部には燃焼バーナが取
り付けられ、他端部は排気管に連通されている。また、
上記側壁１ａの下部には炉内ガス排出口３が形成されて
いる。さらに上記炉本体１の左側壁１ｂの上部には雰囲
気ガス導入孔４が形成されている。

上記雰囲気ガス導入孔４には、雰囲気ガス供給管５の一
端が接続されており、該供給管５の他端は窒素分離装置
６に接続されている。この窒素分離装置６は、主として
、空気圧縮機９により、圧送された空気の水分、炭酸ガ
ス等の不純物を除去し乾燥空気を成牛する前処理塔１０
．１１と、該乾燥空気から窒素を吸着蓄積する合成ゼオ
ライトが充填された吸着塔１２，１３．１４と、該吸着
塔１２．１３．１４内に蓄積された窒素を真空ポンプ１
５により吸引貯蔵する窒素ホルダ１６とから構成されて
いる。

ここで、上記吸着塔１２，１３．１４内の合成ゼオライ
トは、導入された乾燥空気を拡散吸着する過程において
、窒素を酸素よりも優先的に吸着する作用を有しており
、この特性から窒素と酸素との平衝吸着量の差を利用し
て窒素を分離し濃縮するものである。このように上記窒
素分離装置６を採用することにより、含存酸素濃度が１
０ｐｐｍ以下に調整された９９．９８〜９９．９９％の
裔低度窒素を得ることができる。

次に本実施例の作用効果について説明する。

本実施例の焼鈍炉１では、炉内に被処理材としての金属
材料Ｗを載置し、窒素分離装置６がらの高純度窒素ガス
により炉内雰囲気を保持しつつ、ラジアントチューブ２
の燃焼バーナに点火し、そして上記金属材料Ｗが予め設
定された所定の焼鈍パターンになるように、昇温、均熱
、冷却される。

このように本実施例の焼鈍炉によれば、炉内雰囲気ガス
に酸素濃度が１０ｐｐｍ以下に調整された高純度の窒素
ガスを採用したので、金属材料Ｗの表面に付着する酸化
皮膜を大幅に低減でき、表面性状が劣化する問題は解消
でき、その結果製品品質−の悪影響を回避できる。また
従来のＤＸガスのような価格の高いプロパン等を使用し
ないで済むとともに、ガス発生装置のような大がかりな
装置は不要であるから、コスト高になることもない。

次に、本実施例の焼鈍炉１により低クロム合金鋼を光輝
焼鈍処理を行った場合の実験結果について説明する。こ
の実験は、酸素濃度がｌＱｐｐｍ以下に調整された高純
度窒素ガスを供給しつつ、焼鈍パターンを、昇温時間２
ｈｒ、最高温度７７０℃。

均熱時間３ｈｒとし、しかる後冷却して行った。

第３図は酸素濃度ｔｏｐｐｍ以下とした上記実験結果と
、これより高い酸素濃度で処理した場合の酸素濃度と酸
化皮膜の膜厚との関係を比較して示す特性図であり、図
中、Ａは酸洗い前、Ｂは酸洗い後を示す。

第３図からも明らかなように、本実施例の焼鈍炉１では
炉内の酸素濃度をｔｏｐｐｌｅ以下に調整したので、酸
洗い前Ａ、つまり焼鈍処理直後の酸化皮膜の膜厚は７０
Å以下になっており、表面性状は酸洗いをしなくても良
い状態になった。また、酸洗い後Ｂの膜厚は焼鈍処理前
と同程度の１０〜２０人となり、かつ表面の劣化は生じ
なかった。ここで、例えば雰囲気ガス中の酸素濃度を、
１００ｐｐ＋＊、　１０００ｐρ−と高くしていくと、
酸化膜厚も１０倍、５０倍と増大し、該膜厚が１５０Å
以上になると膜厚内部にはＣ「の濃縮が発生した。この
Ｃｒは酸洗いにより除去できたが、表面性状は劣化した
。従って低クロム合金鋼の場合は、酸素濃度を１０ｐｐ
ｍ以下に調整することにより、表面性状の劣化を防止で
きる。

第４図及び第５図は本願の第２発明の一実施例による焼
鈍炉を示す。図中、第１図及び第２図と同一符号は同−
又は相当部分を示す。本実施例は、炉本体１の側壁１ｂ
に接続された雰囲気ガス供給管５内に水素ガス吹込管７
が挿入されており、該吹込管７には、図示しない水素ガ
ス供給装置が接続されている。またこの吹込管７の先端
部は炉内を臨む位置に配設されており、その先端には、
噴出ノズル８が取り付けられている。この噴出ノズル８
は該ノズル８の周辺から吹き込まれる窒素ガスと、ノズ
ル８から噴出される水素ガスとを確実に混合するための
ものである。

このように構成された本実施例の焼鈍炉１では、雰囲気
ガス供給管５から高純度窒素ガスを吹き込むとともに、
該供給管５の中央部の噴出ノズル８から水素ガスを吹き
込む。すると窒素ガス中の酸素は、反応性の良い水素ガ
スにより、炉内で高温に加熱される点とあいまってＨ，
Ｏに確実に変化することとなり、窒素ガス雰囲気中の酸
素濃度をさらに低減でき、酸素がほとんど存在しない雰
囲気を実現できる。

次に、本実施例の焼鈍炉ｌにより工具鋼の光輝焼鈍処理
を行った実験結果について説明する。この実験では、焼
鈍パターンは、炉内温度７５０℃で３０分保持した後、
１０５０℃に昇温して３０分保持し、しかる後最高温度
１２２０℃に昇温して３０分保持した後冷却するパター
ンとした。そして、炉内雰囲気は酸素濃度が１０ｐｐ−
以下に調整された高純度窒素ガスを供給するとともに、
水素ガスを混合濃度が１０ｐｐｍとなるように焼鈍開始
の７０分後から５５分間吹き込み、さらに最高温度にお
いて水素量を増加させ、その際の炉内の酸素濃度の変化
を測定した。

第６図及び第７図は上記実験結果を示す特性図であり、
第６図は焼鈍温度と酸素濃度との関係を示し、第７図は
添加水素ガス濃度と炉内酸素濃度との関係を示す。同図
からも明らかなように、雰囲気ガス中の酸素は水素の添
加により、Ｈｚ　＋１／２０□−Ｈ２Ｏの反応により減
少し、水素吹き込み直後の焼鈍温度が７５０℃の状態で
４．５ｐｐｍまで低下した。また焼鈍温度が１０５０．
１２２０℃と上昇すると酸素濃度はさらに低下し、２．
５ｐｐ−まで下がった。

そして焼鈍温度が１２２０℃の状態で、水素の添加量を
２０．５０，１００ｐｐ＋＊と順次増加させていくと、
酸素濃度は急激に低下し、ｌ　Ｇ１１）ＩＩ以下になっ
た。

−ａに、工具鋼の光輝焼鈍のように着色の防止、光沢度
の維持のためには、炉内の酸素濃度を７ｐｐｍ以下に押
さえる必要があるのに対して、本実施例では、水素添加
を行うことによって、酸素濃度を４．５ｐｐｍ以下に押
さえることができるから、良好な焼鈍処理ができる。と
りわけ、高温域では酸素による悪影響が発生し易いこと
から、この高温域で酸素濃度を低減できることのメリッ
トは大きい。

なお、上記実施例では、低クロム合金鋼及び工具鋼を採
用した実験により効果を説明したが、本発明は上記の他
に銅、アルミニュウム、チタン等の金属材料を熱処理す
る場合にも適用でき、この場合においても−Ｆ記実施例
と同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明に係る熱処理炉によれば、所定の酸
素濃度に調整された高純度窒素ガスを生成する窒素分離
位置を付加したので、炉内の酸素４度を低減でき、酸化
皮膜による金属材料の劣化の問題は解消でき、その結果
製品品質への悪影響を回避できる効果がある。また従来
のような価格の高いプロパン等を使用しないで済むとと
もに、ガス発生装置のような大がかりな装置は不要であ
るから、その分コストを低減できる効果がある。

さらに第２発明では、上記高純度窒素ガス中の酸素に水
素ガスを添加するようにしたので、さらに酸素濃度を低
減でき、酸化皮膜の生成を防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第１発明の一実施例による焼鈍炉の概略構
成図、第２図は上記実施例に採用される窒素分離装置を
説明するための概略構成図、第３図は酸素濃度と酸化皮
膜の膜厚との関係を示す特性図、第４図は本願第２発明
の一実施例による焼鈍炉の概略構成図、第５図はその焼
鈍炉の一部分を示す断面図、第６図は焼鈍温度と酸素濃
度との関係を示す特性図、第７図は水素濃度と酸素濃度
との関係を示す特性図、第８図は従来の焼鈍炉を示す概
略構成図である。 図において、１は焼鈍炉（熱処理炉）、２はラジアント
チューブ（輻射管）、６は窒素分離装置、７は水素ガス
吹込管（水素供給装置）、Ｗは金属材料である。 特許出願人　　　　　株式会社神戸製鋼所代理人　弁理
士　　　下車　　努 第３図 ０２儂／Ｌ（１）ｌ）ｍ） 第４図 第５図 、第６図 力芭鈍追度（’Ｃ） 第７図 Ｈ２還＆（１）ｌ）ｍ） 第８図 ０Ｃ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属材料を、無酸化雰囲気中で輻射管からの輻射
   熱により熱処理する炉本体と、所定値以下の酸素濃度で
   、かつ高純度に調整された窒素ガスを生成し、該調整さ
   れた窒素ガスを上記炉本体内に供給する窒素分離装置と
   を備えたことを特徴とする熱処理炉。
2. （２）金属材料を、無酸化雰囲気中で輻射管からの輻射
   熱により熱処理する炉本体と、所定値以下の酸素濃度で
   、かつ高純度に調整された窒素ガスを生成し、該調整さ
   れた窒素ガスを上記炉本体内に供給する窒素分離装置と
   、該炉本体と窒素分離装置とを連通する通路に接続され
   た水素ガス供給装置とを備えたことを特徴とする熱処理
   炉。