紹介 実験室や産業炉での変成雰囲気
実験室や工業用の炉やオーブンで修正された雰囲気を作るには、特定のプロセスに理想的な条件を達成するために、密閉容器内の雰囲気の組成を変更する必要があります。
改質された大気にはいくつかの種類があり、その特性によって用途に適しているかどうかが決まります。ほとんどの修正雰囲気は、不活性、反応性、真空の3つのカテゴリーのいずれかに分類されます。
ここでは、さまざまな種類の改質された大気、その生成方法、プロセスに対するCarbolite Geroのソリューション、典型的なアプリケーションとよくある質問について紹介します。
Carbolite Gero製品は一般的に空気中で使用されますが、追加の装置を使用することで、一部の製品は修正された雰囲気を含むことができます。空気には酸素が含まれているため、空気中でサンプルを加熱すると酸化する可能性があり、用途によっては好ましくない場合があります。
| N2 | 窒素 | 78.08% |
| O2 | 酸素 | 20.95% |
| Ar | アルゴン | 0.93% |
| CO2 | 二酸化炭素 | 0.038% |
| その他のガス | 0.002% |
修飾された雰囲気の中で材料を熱処理することで、制御された作業環境、再現性の向上、より安定した結果が得られます。
処理する材料の種類や必要な環境に応じて、熱処理中の酸化から試料を保護したり、積極的に反応を促進したりするために、修飾された雰囲気を使用します。酸化を防ぐにはアルゴン（Ar）や窒素（N2）などの不活性ガス、水素（H2）などの還元性ガスを使用し、酸化を促進するには酸素（O2）や亜酸化窒素（N2O）などの酸化性ガスを使用します。
雰囲気の選択は、熱処理プロセスの要件に完全に依存する。
カーボライト・ゲロでは、製品内部の不活性雰囲気を作るのに、一般的に窒素やアルゴンを使用します。
窒素は、1800℃以下の温度で使用される場合、一般的に不活性と呼ばれる。窒素は酸素を置換するので、酸化を嫌う用途には最適である。
窒素は「希ガス」ではなく、特定の条件下では酸素と反応して一酸化窒素（NO）や二酸化窒素（NO2）などのガスを生成することがある。 これらを総称して「NOxガス」と呼ぶ（「x」は化合物に含まれる酸素原子の数を意味する）。
不活性雰囲気が必要な場合、熱処理する材料（またはその後の副産物）が窒素と反応しないことを条件に、アルゴンよりも安価な窒素が使用される。
アルゴンは完全に不活性な「希ガス」であり、接触したいかなる物質とも反応しない。アルゴンは酸素を置換するので、酸化を嫌う用途に最適である。
窒素よりも高価ですが、アルゴンは1800℃以上の温度でも反応の心配がないという利点があります。
カーボライト・ゲロは、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、アンモニア(NH3)、メタン(CH4)などの様々な反応性ガスの使用に適応できます。その中でも最も頻繁に使用されるのが水素です。
水素は電子を1つしか持っていないため、非常に反応しやすい性質を持っています。そのため、金属の酸化物と反応して除去するなど、他の物質と反応して分解する還元ガスとして使用することができます。
水素の自己発火温度は約500℃であるため、使用時には十分な安全対策を講じることが重要である。水素を容器に導入する前には、まず空気を除去する必要があり、通常は不活性ガスでパージします。その後、容器を自己発火温度以上に加熱し、水素が制御された方法で燃焼するようにしなければならない。
水素の特性が求められる低温プロセスでは、反応性の低いフォーミングガスを使用することができる。典型的な生成ガスは、最大5％の水素を含む窒素と水素の混合ガスである。このような低濃度の水素は、一般的に爆発性はありません。
5%以上の水素を含むガスを使用する場合は、爆発を防止するためのガス安全システムが必要です。
反応性ガスを扱う際には、対象となるガスの爆発下限界（LEL）と爆発上限界（UEL）の両方を知っておくことが重要です。LELは、着火源にさらされたときに引火する最小のガスまたは蒸気の濃度であり、UELは着火可能なガスの最大濃度である。爆発上限界を超える濃度は濃すぎると考えられ、燃焼することはできません。
水素の爆発範囲
実験室や工業用の炉やオーブンでは、密閉された容器内に改質された雰囲気を作り出す方法として、主に「パージ」と「排気と裏込め」の2つがあります。どちらの方法でも酸素濃度は非常に低くなりますが、「排気と置換」を行うことで、より純度の高い雰囲気を作り出すことができます。雰囲気を変えるプロセスは「大気交換」と呼ばれる。
パージとは、密閉された容器に不活性ガスを流し、酸素を置換して容器から取り除くことである。容器の表面に存在する水（吸着水）は、パージのプロセスでは除去されない。このプロセスにより、多くのプロセスで受け入れ可能な改質された雰囲気が得られる。
最初のパージでは酸素濃度をできるだけ低くするために高い流量を使用し、処理中は容器内の望ましいガス濃度レベルを維持するために低い流量を使用するなど、2つの異なるガス流量が必要な場合がある。Carbolite GeroのHTMAオーブンレンジは、この原理を採用しています。
「排気、置換」方式では、2つの段階があります。最初の段階では、真空ポンプを使って容器内の空気や吸着水を可能な限り抜き取ります。続いて、不活性ガスを導入して残留元素や化合物を置換する「バックフィリング」を行う。
このプロセスは、容器内の雰囲気が望ましい状態になるまで、必要に応じて何度でも繰り返すことができる。 容器が気密性であれば、この方法はより純粋な修正雰囲気を迅速に実現する方法である。パージ法だけでは閉じ込められたままになる空気を、真空ポンプで取り除くことができるので、熱処理する部品が多孔質である場合には、排気と置換の方法が理想的です。
排気と置換は、容器が常温の時にのみ行うべきである。高温下での作業は真空ポンプを損傷する危険がある。
A - 毎時40リットルのN2をパージする容器（毎時10倍の炉の容積）
B - 毎時400リットルのN2でパージする容器（毎時100倍の炉内容積）
C - 容器からの退避と埋め戻し
不活性雰囲気や反応性修飾雰囲気に加えて、密閉容器にガスを導入せずに、炉やオーブンの中で完全に真空下でサンプルを熱処理することも可能です。真空ポンプを使用することで、多孔質のサンプルから不要な空気や分子を取り除くことができるという利点もあります。
注意しなければならないのは、特別に設計されていない限り、容器が熱いうちに真空ポンプで排気してはいけないということです。大気圧の変化と温度変化による材料強度の低下が相まって、特に長方形のデザインの容器が破裂する原因となります。
使用するポンプのタイプによって、達成可能な真空のレベルが異なります。
圧力(mbar) | 機種 | |
| 粗い真空 | 1000 - 1 | ロータリーベーンポンプ |
| 微細な真空 | 1 - 10-3 | ルーツポンプ |
| 高真空 | 10-3 - 10-7 | ターボ分子ポンプ |
| 超高真空 | < 10-7 | ターボ分子ポンプ |
その他のポンプ（油拡散ポンプ、クライオポンプ、イオンゲッターポンプなど）についてもご要望に応じて対応いたします。
注）ターボ分子ポンプや油拡散ポンプのように、粗・微真空領域で排気速度が出ないポンプは、ロータリーベーンポンプなどのプレポンプと組み合わせて使用する必要があります。
ロータリーベーンポンプ
ルーツポンプ
ターボ分子ポンプ
特別に設計された円筒形のレトルトは、高温での真空の使用を可能にしますが、歪みが大きくなるため、レトルトが大きくなるほど最高使用温度は低くなります。
利用可能な真空炉ソリューションの詳細については、Carbolite GeroのGPCMAおよびGLO炉シリーズをご覧ください。
カーボライト・ゲロ レトルト（バキューム付）
改質雰囲気中で作業する容器の多くは、発熱体と断熱材をレトルトの外側に配置して炉室内に設置しますが、「コールドウォール」真空炉は発熱体と断熱材を容器内に配置します。断熱材を配置することで、容器の外壁が冷却され、容器の構造的な健全性が保たれるため、真空中での高温運転が可能となります。このような特殊な炉には、容器の外壁をさらに冷たく保つための水冷システムも用意されています。
容器を真空にすると、内部の原子や分子が減少します。しかし、完全な真空は実現できないため、粒子の数を完全にゼロにすることはできない。10-7mbar以下の真空では、1立方cmあたり109個以下の粒子が残っています。
下の表は、1cm3に含まれる粒子の数を示しています。平均自由行程長（λ）とは、粒子が他の粒子と衝突した結果、移動できる平均的な距離のことです。距離が長くなるほど、粒子の数は少なくなると考えられます。λの値は、真空圧に依存します。
| 粗い真空 | 微細な真空 | 高真空 | 超高真空 | |
| 圧力(mbar) | 1000-1 | 1 – 10-3 | 10-3 – 10-7 | < 10-7 |
| 1cm3あたりの粒子数 | 1019 – 1016 | 1016 – 1013 | 1013 – 109 | <109 |
| 平均自由行程長(λ) | < 100 µm | 100 µm – 100 mm | 100 mm – 1 km | > 1 km |
以下の表は、圧力の異なる単位を示しています。SI単位はパスカル(Pa)です。
| Pa | bar | mbar | Torr (mm Hg) | atm | at | |
| 1 Pa | 1 | 10-5 | 10-2 | 7.5 x 10-3 | 9.87 x 10-6 | 1.02 x 10-5 |
| 1 bar | 105 | 1 | 10-3 | 750 | 0.987 | 1.02 |
| 1 mbar | 102 | 10-3 | 1 | 0.75 | 0.987 x 10-3 | 1.02 x 10-3 |
| 1 Torr | 133 | 1.33 x 10-3 | 1.33 | 1 | 1.32 x 10-3 | 1.36 x 10-3 |
| 1 atm (phys) | 101330 | 1.0133 | 1013.3 | 760 | 1 | 1.033 |
| 1 at (techn) | 98100 | 0.981 | 981 | 736 | 0.986 | 1 |
改質された雰囲気を維持するためには、密閉容器が必要です。これには、管状炉で使用される特殊なエンドシールを備えた作業管や、チャンバー炉で一般的に使用されるレトルトなどがあります。
Carbolite Geroでは、製品内での改質雰囲気の形成と維持を支援するために、標準的なガスパッケージと関連機器を提供しており、改質雰囲気アプリケーション用に特別に設計された一連の製品も提供しています。
オプションの改質雰囲気用機器および付属品は、異なるガス、真空、または改質雰囲気なしの複数の用途に製品を使用することができるため、運用の柔軟性が向上します。
Carbolite Geroは、標準的な管状炉シリーズで修正雰囲気を実現するための様々なオプションを提供しています。これらのオプションには、特殊作業管パッケージ、不活性ガスパッケージ、真空ポンプパッケージ、および水素安全システムが含まれます。
チャンバー炉では、雰囲気を変えるためにレトルトを使用するのが一般的です。オプションの装置やアクセサリーを使用することで、異なるガスや真空、あるいは雰囲気を変えずに複数の用途に使用することができるため、運用の柔軟性が高まります。
また、専用のチャンバー炉やオーブンでは、標準で雰囲気制御のための設備が完備されています。
カーボライト・ゲロでは、真空炉として真空チャンバー炉、真空フード炉、ボトムローディング炉、実験用真空炉、真空チューブ炉を提供しています。各炉では、反応ガスまたは不活性ガスのいずれかを使用できます。 真空炉シリーズ製品の大部分は、金属、グラファイト、またはセラミック断熱材を使用しています。 ご要望に応じて、グラファイトモデルを最大3000°Cで安全に動作するように構成できます。
これらは、実験室や工業用炉/オーブンで修正された雰囲気を必要とする多くのアプリケーションの一部です。
熱分解とは、不活性雰囲気の中で、高温で物質を分解する方法です。酸素がある状態で材料を加熱すると燃焼する可能性があるため、不活性雰囲気が必要となります。
熱分解は、有機材料を炭化させ、炭素や炭素を多く含む状態にするためによく用いられます。炭化した材料は特性が大きく変化するため、炭化した材料の有益な特性を利用するための研究は多くの分野で行われている。
ヨーク大学とBiorenewables Research Centreは、熱分解を利用してリサイクルされたデンプンを電池技術に使用する材料に変換しています。
3Dプリンティングは、従来の製造方法では不可能だった複雑な金属構造物を作ることができる付加製造技術の一つです。
一般的に、金属原料は粉末状でなければならず、構造体をまとめるためにバインダー材料と混合することもあります。このバインダーは、化学的または熱処理によって除去する必要があります。
熱処理は、空気に触れると金属が酸化してしまい、比較的高価な部品がダメになってしまう可能性があるため、酸素のない改質された雰囲気の中で行われなければならない。
金属の酸化を防ぐためには、不活性雰囲気または還元性雰囲気を使用することができる。
3Dプリントされた金属部品をCarbolite Gero炉を用いて不活性雰囲気中で熱処理する前と後。
電気自動車の実用化に伴い、電池技術への需要が高まり、有限な資源であるリチウム、コバルト、ニッケル、銅などの貴重な金属への負担が増大しています。需要を満たすためには、これらの金属を再利用するために、既存の死んだバッテリーをリサイクルする必要があります。
その方法の一つとして、古い電池を小さな塊にして、ロータリーキルンの中で不活性雰囲気で加熱し、プラスチックを蒸発させて除去する方法があります。不活性雰囲気は、プラスチックが燃焼して有毒ガスが発生したり、炭素で金属が汚染されたりするのを防ぐために必要です。プラスチックを気化させることで、金属を簡単かつきれいに取り出すことができます。
異種材料を真空タイトに接合する最も効果的な方法は、高真空環境下でのハンダ付けやロウ付けプロセスです。2つの異種材料は、はんだやろうと呼ばれる金属材料を使って接合される。この工程には、高真空または超高真空の環境が必要で、最高温度は1100℃に達する。真空環境は酸化を防ぎ、フラックスフリーのはんだ材料を使用することができます。
通常時（左）と高真空時（右）の電子部品のはんだ付けの様子。左の画像では、はんだ接合部に気泡が見られる。
硬質金属は、木工用工具、回転工具、窓やガラスを切る工具などに使われます。小型のノコギリの刃先は、主にタングステンカーバイド（WC）でできているが、少量のコバルト（Co）やチタン（Ti）が含まれていることもある。
金属粉を高分子バインダー（パラフィン）と混合し、プレスして成形する。プレスした形状の脱バインダーと焼結は、黒鉛炉内の真空環境下で行われます。
脱バインダー工程では、炉の構造を保護するために、制御されたガスの流れを維持することが重要である。
焼結プロセスでは、炭化物の小さな粒径を維持するために、非常に精密な温度制御が必要です。そのため、温度が1450℃を超えることは許されません。
焼結時に一定の分圧雰囲気をかけることで、コバルトが鋸の表面に向かって拡散していきます。この拡散プロセスにより、さらにスパッタリングプロセスを行う必要がなくなりますが、炉内の雰囲気を高精度にコントロールする必要があります。超硬合金製のツールチップは、世界で毎日数百万個が生産されています。
修正雰囲気の作成とは、特定のプロセスに理想的な条件を達成するために、密閉容器内の雰囲気の組成を変更することです。修飾された雰囲気にはいくつかの種類があり、その特性によって用途に適しているかどうかが決まります。ほとんどの改質雰囲気は、不活性、反応性、真空の3つのカテゴリーのいずれかに分類されます。
不活性雰囲気は、酸素に触れるとダメージを受ける可能性のあるサンプルを扱うプロセスに最適です。一般的には、アルゴン（Ar）または窒素（N2）を使用する必要があり、これらのガスは1800℃以下では不活性に分類されます。これらのガスは酸素を置換し、試料と反応しないため、熱処理中に保護された雰囲気を作り出すことができます。
「反応性」という用語は、処理中のサンプル内の化学反応を触媒または支援するために使用される一連の雰囲気を表すために使用されます。反応性雰囲気は、酸化化合物（酸化鉄、二酸化炭素など）の生成をもたらす酸化反応を促進するため、または試料から酸化化合物を除去する還元反応を促進するために使用されます。 反応性雰囲気の例としては、酸化性ガス（O2 / N2O）や還元性ガス（H2）の使用が挙げられます。
酸素やその他の元素、化合物を完全に排除した環境が必要な場合、真空雰囲気が必要となる。真空ポンプを使用して得られる真空圧には、粗、細、高、超高などのレベルがあります。必要な真空度は用途によって異なります。
密閉された容器内の雰囲気を変えるには、主に「パージ」と「排気と裏込め」の2つの方法があります。どちらの方法も酸素濃度は非常に低くなりますが、「排気と埋め戻し」を行うことで、より純度の高い雰囲気を作り出すことができます。雰囲気を変えるプロセスは「大気交換」と呼ばれる。
パージとは、密閉された容器に不活性ガスを流して酸素を置換・除去すること。最初のパージでは酸素濃度を下げるために大流量を使用し、その後、処理中は目的のガス濃度を維持し、全体のガス消費量を減らすために低流量を使用するという、2つの異なるガス流量が使用されることが多い。パージでは、最初に高い流量のガスを使用するため、より短時間で使用可能な雰囲気を得ることができます。
「真空引きと埋め戻し」の方法は、2段階に分かれています。最初の段階では、真空ポンプを使用して、容器内および多孔質サンプル内の酸素や不要な粒子を可能な限り除去します。続いて、不活性ガスを導入して残留粒子を置換する「バックフィリング」を行います。このプロセスは、必要に応じて何度でも繰り返すことができます。
一般的に使用されている真空ポンプは、ロータリーベーンポンプ、ルーツポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプの4種類です。それぞれのポンプは、特定の範囲内の真空圧を達成することができ、ポンプの選択はアプリケーションプロセスの要件に依存します。Carbolite Geroでは、ロータリーベーンポンプとターボ分子ポンプの標準パッケージを提供しており、それぞれ5x10-2mbar、1x10-5mbarの真空レベルを達成することができます。
真空の定義は、一定の温度で密閉された容積（容器）内の（気体の）分子や原子の数が周囲の条件に比べて減少している状態とされています。密閉された容器に真空を適用すると、内部の粒子の数は減少しますが、超高真空状態でも1cm3内に数十億の粒子が存在するため、完全な真空を実現することはできません。
圧力（P）は、表面に垂直に作用する力（F）と、その表面の面積（A）の商として定義され、「P＝F／A」となります。圧力のSI単位は「パスカル」で、単位記号は「Pa」ですが、圧力は「bar」や「mbar」など、他の単位で表すこともできます。
改質雰囲気対応の標準品から完全カスタマイズシステムまで、カーボライト・ゲロは長年にわたり数千台の炉を製造し、世界中でプロジェクトを実現してきました。
お客様のご要望に応じた最適なソリューションをご提案いたしますので、お気軽にお問い合わせください。
