技術コラム

2024.09.16

水素還元

水素還元処理とは？水素還元の仕組みについて解説！

水素還元処理とは

水素還元処理とは、水素を使用して酸化された金属酸化物から酸素を取り除く熱処理です。

この処理は、金属の表面を酸素（酸化）を取り除き、金属本来の輝きを取り戻す（光輝焼鈍）ためにも行われますが、それだけでなく、金属粉末のリサイクルを目的としても行われます。金属粉末の処理については下記記事でも詳しく解説しておりますので、是非合わせて確認ください。

＞＞熱処理サービス「粉末の熱処理（水素還元・水素吸蔵・水素雰囲気）」について詳しくはこちら

このような水素還元は、特に磁気特性を持つような電子部品で重要な役割を果たしています。また、水素を使った還元処理は、従来のガスを使用した方法に比べ、熱処理の際に排出されるのは水だけで二酸化炭素の排出がないことから、環境にも優しい処理方法のため、現在では持続可能な技術として注目されています。

■ 水素還元でできること

さらに水素還元でできることについて、より詳しく解説していきます。

水素還元熱処理の目的は、酸素を除去することです。例えば、溶接の焼けあとや、切断加工での着色を取り除き、金属本来の輝きを取り戻すといったことが可能で、この処理は別名、光輝焼鈍とも呼ばれます。

それ以外にもガラス封着する部品に水素還元熱処理を行うことで気泡が入るのを防いだり、さまざまな成分を分析する装置の部品から他の成分を取り除くことが可能です。水素分子はとても小さく、金属材料の内部まで透過し、還元処理を行うことができます。
純鉄では金属特性を向上させるためには、内部のカーボン量を減らす脱炭素処理が有効です。

水素還元処理の仕組み

水素還元の仕組みについて解説します。水素還元が起こる仕組み、言い換えると水素を活用し酸素を取り除く仕組みなので、化学反応式で考えると理解がしやすいです。

この処理では、水素（H₂）が対象の金属酸化物と反応することで、酸素を取り除くため、今回は酸化鉄を例にご紹介します。酸化鉄（Fe₂O₃）を水素で還元すると、鉄と水蒸気が生成されます。

この反応を実現するためには、熱処理を行う炉をまず水素でいっぱいにしておく必要があります。イメージは下記です。

炉内に水素以外があると、反応が促進されないあるいは意図しない反応が起こる、またはすべてが反応しきらない場合があります。

炉を水素でいっぱいにしたうえで、処理を行うと下図のような化学反応式からも分かるように、酸化鉄の酸素を水素の性質を活用して取り除くことができます。

※画像はイメージです。

水素還元処理に適した材質

水素還元処理に適した材質として代表的なものは、

42NI
コバール
モリブデン
銅
純鉄
ステンレス全般
モリブデン
タングステン

などが挙げられます。その他にも金属粉末も処理の対処になります。

希水素雰囲気熱処理・水素還元の処理温度と時間

熱処理による水素還元を行うには、

•水素の純度＝ガスの露点

•処理温度と時間

•設備のサイズ

この３つの関係性がとても重要となります。

水素＝純水素でなくてはなりません。水素をベースに他のガスを混合させることでも光輝焼鈍を行うことは可能ですが、高精度の水素還元をおこなうには純水素であることが必須です。

露点（ガスに含まれる水分量の単位）はマイナス60℃以下、純度はセブンナイン99.9999％であることが望ましいでしょう。そのときの水分量は対象物が酸化していたとしても0.03％以下です。高純度の水素であることで水素還元が行われます。

肝心の処理時間と温度ですが、単に水素を流し込むだけでは、水素還元は行われません。酸化物を取り除くには、材質に適した温度と保持時間が重要になります。

下記にて純鉄粉末における純水素還元処理の温度と時間を表すチャートグラフを一例としてご紹介させていただきます。

水素還元力は温度が高いほど、全工程時間が長いほどその力を発揮します。ただし、必要以上に温度を上げると変形や溶着恐れがありますのでご相談ください。

露点温度と水分量について

水素雰囲気熱処理・水素還元の設備

■ 連続式コンベア炉

雰囲気炉専門のメーカーに委託し、製作することが重要です。大きく３域に分かれており、加熱準備域、加熱域、冷却域になります。冷却方法は様々ですが、二重管になっている外側に冷却水を流し、水素ガスを冷やすことで冷却するものもあります。

また、出入り口には窒素カーテンで大気の侵入を防ぎ、高純度の雰囲気を形成する炉で水素還元処理を行うことが可能です。

炉内が酸化した場合などは立ち上がりに部品を即投入せず、露点計を使用する方法が有効です。

また、出入り口には窒素カーテンで大気の侵入を防ぎ、高純度の雰囲気を形成する炉で水素還元処理を行うことが可能です。炉内が酸化した場合などは立ち上がりに部品を即投入せず、露点計を使用する方法が有効です。

サーマル化工の連続式コンベア炉では、水素還元力をより高めるために投入有効寸法は縦・横・高さの比率があり、縦に対し横は2倍以上、必要です。炉体の構造は加熱域に対し、準備域は約2倍、冷却域は3～4倍の長さになります。

■ ポット炉

熱処理炉のバッチ式には大きく分けて２種類あります。

熱源と炉体が一体化しているもの：加熱と冷却が同室もしくは複数室になっており、冷却まで一貫して行う炉体になります。

熱源と炉体が分離するもの：加熱炉に専用の耐熱用マッフルを装填して熱処理をおこない、冷却は加熱炉から取り出し自然空冷、もしくは間接水冷をおこないます。この時、耐熱用マッフルは密封型となり、処理完了（常温まで冷却）までマッフル容器内は雰囲気（水素・窒素など）で形成されています。

また、この時のガスは常時フロー（流入、流出を連続して行っている）ので、常に高純度のガスで雰囲気を形成しています。常に新鮮な水素ガスを流し続けることで、その還元力は確かなものとなります。

水素還元力はその材質の処理温度が重要となり、それに対しての保持時間、冷却時間も重要なプロセスとなります。炉体のサイズに上限がありますが、それは水素還元力を確かなものにするためであり、全部で16基にある雰囲気加熱炉は部品のサイズ、さまざまな材質、製品の目的に対して最も適した水素還元熱処理を行うために必要な保有数となります。

水素還元とカーボンニュートラル

カーボンニュートラルとは、温室効果ガスの排出量と吸収量を均衡させることを意味します。これは、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量から、植林や森林管理などによる吸収量を差し引いて、合計を実質的にゼロにすることを意味します。

地球温暖化は、世界共通の課題であり、その解決に向けて、2015年にパリ協定が採択されました。パリ協定では、世界共通の長期目標として、世界の平均気温上昇を工業化以前に比べて2℃より十分低く保つとともに、1.5℃に抑える努力を追求すること、そして今世紀後半に温室効果ガスの人為的な発生源による排出量と吸収源による除去量との間の均衡を達成することなどに合意しました。

この実現に向けて、世界が取組を進めており、120以上の国と地域が「2050年カーボンニュートラル」という目標を掲げています。日本においても、2020年10月に政府は2050年までに温室効果ガスの排出を全体としてゼロにする、カーボンニュートラルを目指すことを宣言しました。