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加熱用の設備（熱処理炉など）
【キーワード】加熱炉・雰囲気・真空炉・ソルトバス（塩浴炉）
加熱するための熱源は電気、ガス(都市ガス・プロパンガス）、油類が広く用いられます。 雰囲気調整や温度コントロールが容易なために電気炉の割合が多いようですが、大きな炉では他の熱源も多用されています。 その場合でも、直接炎を当てて加熱するタイプは少なくなってきており、危険物対策や公害対策のために灯油や重油の加熱設備は減る傾向にあります。
電気加熱は、一般熱処理では、もっぱら抵抗加熱（ニクロム線などに電流を流し、電流の熱作用で加熱する）を利用します。高周波焼入れは電気を用いた誘導加熱を利用します。
一般熱処理の焼入れ用途では、耐熱性や耐久性、ランニングコストの面から１１００℃以下で用いるものと、それ以上(約１３００℃以下）の温度で用いる場合で区別されることが多く、高温用の設備は炉材、メンテナンスともに高価なものになります。
加熱炉のタイプとしては、一定量の品物を一括して処理する「バッチ炉」があります。 それは品物を横に出し入れするタイプで、固定式のものや台車で出し入れするものがあります。品物を上下に出し入れする「ピット炉」と呼ばれる加熱設備などもあります。 これに対して「連続炉」といって、加熱室内を品物が移動しながら加熱するタイプがあります。
炉の容積表示では炉内の有効寸法を表示されることが多いようですが、目的とする温度にたいして一定の温度を維持できる「有効加熱帯寸法」が品物の装入寸法として重要になります。 有効加熱帯とは、目的とする温度に対して一定範囲内に温度制御されている範囲を示すもので、目的によってその範囲がJISなどで定めれれており、当社では定期的な検査によって、焼入れ炉に対しては±１０℃、焼戻し炉は±５℃などのように管理しています。
温度の正確さについては国家標準に対するトレーサビリティーが要求されますので、社内用の標準計測器や熱電対類などの測温機器の管理など目に見えない部分での管理が要求されます。
また、雰囲気の管理も重要です。
鋼を大気中で加熱しますと、２００℃ぐらいから酸化が始まります。また、５００℃をこえてきますと、被膜となって固着し、８００度を超えると、鋼中の炭素分を下げてしまう「脱炭」が発生します。
「酸化脱炭」を防止するために、原因となる酸素を脱気して加熱する「真空炉」や、大気を窒素ガスなどの不活性ガスに置換する「無酸化雰囲気炉」、脱炭を防止するために雰囲気ガスを流入する「雰囲気炉」などのほか、加熱中に空気と触れないように塩化バリウムや塩化ナトリウムなどの混合塩類を溶融させた中で加熱する「ソルトバス」などが利用されます。
ここでいう「真空炉」の真空は、宇宙の真空のような高真空では高温になると鋼の成分が飛散しますので、適度な脱気をし、加熱効率を増すためにキャリヤガスと呼ばれる窒素ガスなどの不活性ガスを用いるなどの工夫がされており、多くのタイプは油冷ではなく大量の窒素ガスを加圧して炉内に流入させることで焼入れ冷却をしており、白鼠色の金属光沢で熱処理できる特徴から現在の工具鋼熱処理の主流になっています。
しかし、真空炉による熱処理では「ひずみが少ない」「最高の熱処理」などとＰＲされているところもありますが、設備のせいでそれができるのではなく、目的の熱処理をするにはコストと技術が必要なのは言うまでもありません。
ソルトバスについて簡単に説明します。
当社のソルトバスで３５０℃までに使用するものは、シースヒーター（発熱体を保護管内に封入したもの）が槽内にセットしてあって、それによって加熱するタイプで、マルクエンチなど焼入れ冷却用に使用するのものは冷却を早めるために攪拌機と温度調節機能が備わっています。 １０００℃までの加熱用には槽の外側から加熱する外熱型が、そして、高速度鋼（ハイス）などの焼入れ用にはソルト液を抵抗体とみなして、直接電極を差し込んで加熱する「直熱式」と呼ばれるものを使用しています。
加熱によって槽内の液状となったソルトが対流して循環しますので、温度分布は良好です。
使用するソルトは中性の無害のものですが、その飛散や廃液の処理については十分に注意して、環境を汚染することのないようにする必要があります。
【コラム】 昔の職人さんはすごかった・・・・
私が入社した昭和４０年後半頃までは、当社の熱処理作業者は「焼入れ温度」「焼入れ冷却時の品物の温度」「焼戻し温度」などはこちらに示すような基準で熱処理していました。
熱電対や調節計は備わっていましたが、品物の昇温確認は炉内の色を見て判断されていましたし、五感が第一でした。 私は、熱電温度計を用いて温度を調べたところ、２０℃程度以内の正確さで、目で見た温度が、当時の機器温度測定とも遜色無かったことを記憶しています。
焼き割れに対する配慮も独特で、冷却の終了タイミングは、「つば（唾液）」と「手かざし」。 温度チョーク（書いた字の融ける様子で温度を判断できる道具）や表面温度計も備え付けていましたが、すべて五感で処理されていました。
あるとき、外径が300ｍｍ程度の圧延ロールの水焼入れを見るチャンスがありました。 すべてその「職長」の指示で作業が進みます。 水槽の中に手を入れ、ロールから出る気泡の間でその感覚を探り、「よし！」の声で引き揚げたとき、「神」を見た感じがしました。 日本刀の焼入れをするとき、白装束で作業しているのをTVで見られてことがあると思いますが、まさに「焼入れ」は神々しい作業だったのです。
今、当社で「火色」が見える設備は「ソルトバス」だけになってしまいました。数年後は、ソルトバスも消えゆく運命でしょう。 昔を懐かしむ気持ちが出てきたのも、私が年を重ねた証拠なのかもしれません。
ここに引用した資料は日立金属（株）が製作のもので、当時の名残を残すものです。長くとどめたいと思っています。 （コラム： 第一鋼業 野中豊）
冷却設備
【キーワード】冷却速度・サブゼロ槽
先に述べた真空炉や雰囲気炉では、炉内でガスによる冷却をしたり、油冷装置を内蔵しているものもあって、焼入れ加熱から冷却（焼入れ）までを同一炉内で完了し、場合によっては同じ炉で焼戻しまで行うこともできます。 これらはプログラム運転をすることができるために、無人運転されるものも多いようです。
それ以外の焼入れ加熱後の冷却には、水冷槽や油槽やソルトバスを用いたり、、扇風機を用いて強制冷却することで冷却速度を変えて冷却します。 もっと冷却を遅くするには大気中に放出するだけの場合や炉内でゆっくりと冷却させることもありますが、品物の大きさや形状、材質、硬さなどで冷却方法を決めます。 ただ、熱処理的には、冷却が速いことや、またそれを調節できるに越したことはありませんので、単一設備だけでなく併用したり、冷却中に冷却速度を加減させる操作をして冷却作業をします。
また、冷却速度を最適にするとともに、均一に冷却させる必要があるために、油温やソルトバス自体の温度をコントロールしたり攪拌をするとともに、それらの品質や冷却性能を定期的に管理して焼入れ性能を維持することが重要です。
水冷は水温が高ければ冷却性能が低下しますので、２０℃以下にする必要がありますが、現在は工具の一般熱処理品では水冷するものは少なく、水槽の使用は高温焼戻し脆性回避のための焼戻し後の冷却や特殊な焼入れ品以外は使用することはほとんどない状況です。
また、当社でも過去に行っていた（今は行っていませんが） 水溶性ポリマー溶液を焼入れ油の代わりに用いる方法や、いろんな冷却液を噴霧して品物の冷却速度をコントロールしている場合もあります。
残留オーステナイトの低減や経年変化を防ぐためのサブゼロ槽は－７５℃程度の温度には液化炭酸ガスまたは電気冷蔵庫を、それ以下の温度（クライオ処理といいます）は液化窒素を用いて冷却します。 焼戻しをするとその効果が低減しますので、焼入れ直後に常温になった時点で処理することが一般的ですが、焼き割れを懸念して、低温の焼戻しによって焼入れ後の組織変化を安定した後に行う場合もあります。
普通は断熱構造の専用設備（サブゼロ槽やクライオ槽）で処理しますが、大きなものでは木枠を組んでドライアイスとアルコールを用いてサブゼロ処理をしています。
熱処理温度の測定
【キーワード】熱電対・
熱電対（サーモカップル）を保護管に組み込んだものを炉の中に入れて温度を測定します。 熱電対は先端（熱接点）が加熱されると起電力（電圧）が発生し、それを温度に変換して温度測定に用います。 熱電対は「Ｋ熱電対」と呼ばれるＮｉ，Ｃｒ，Ａｌ（アルメル－クロメル）合金や「Ｒ熱電対」と呼ばれる白金やロジウムの合金が用いられますが、高温では保護管、熱電対ともに劣化しますので、定期的に総合的な温度検査するとともに時期を定めて取り換えます。これは、使用後の熱電対単体の検査が大変なためで、このために、相当の維持費がかかっているのが現状です。
サブゼロ用などは白金測温抵抗体を利用しています。 これは、温度によって白金の温度抵抗が変化するのを利用しており、精度が高いことや経年変化が少ないために利用しています。
温度計や記録計ははデジタル機器が主流ですが、時間経過に沿って見やすいものにするために、記録計はアナログ的なグラフ表示をさせて使っているものがほとんどです。 近年ではパソコンと連携させて常時に温度を監視しながら、見やすくして記録を個別に取り出すなど、かなり便利なものになっています。
そのほかには光高温計や輻射（放射）温度計などがありますが、精度や校正の手間などの点で劣りますので、当社では操業用には使用していません。
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