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！
目次
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。
熱処理・水素還元技術ナビの水素還元の特徴
最後に熱処理・水素還元技術ナビの水素還元の特徴をご紹介します。
■ 混合ガスではなく純水素による還元処理が可能
純水素による還元処理が可能です。雰囲気熱処理には使用するガスの種類が多く、材質によりガスは異なりますが、その中で鋼材各社が推奨しているのは水素ガスになります。
還元性ガスの熱処理炉で使用されているものの大半は比率を75：25などに分配した混合ガスになりますが、純水素ガスとの違いはその還元力、ガスの露点になります。通常、ステンレスの光輝焼鈍には-40℃以下を求められます。
純度99.9999％以上の水素ガスの露点は－80℃にもなり、その水分量は0.53ppｍになります。
■ 微量の酸素も純水素により還元可能
純度99.9999％以上の水素ガスは、分析装置のサンプル採取用、半導体関連の製造装置、基地局用電極など特殊な条件下で必要とされる製品、部品でその還元力を発揮します。また、衝突回避センサーや音響部品、駆動用モーターの 材料にも適しています。
その中でもガラス封着を行うコバールは、ガラスと膨張率が近いため使用されますが、加工途中に酸素が入ってしまうため、そのままでは気泡が出来てしまいます。そのような微量の酸素を取り除くには純水素による還元力の熱処理が必要とされます。
■ 特殊な材質も純水素ガスにより還元
ガスなどのサンプル分析用に使用される純ニッケルは極限まで不純物を除去しなくては測定に影響が生じます。そのような場面に純水素による還元力が高い効果が期待できます。
また食品製造ラインで使用されるセンサーテストには 還元処理後のステンレスを使用します。モリブデンは製造工程での加工硬化と還元が同時に可能な純水素での熱処理が行われます。
また純鉄、パーマロイ、パーメンジュールといった材質も窒化化合物が発生しない純水素による還元処理が推奨されています。
熱処理・水素還元技術ナビの水素還元処理の事例
次に、熱処理・水素還元技術ナビが実際に行った水素還元処理の事例をご紹介いたします。
熱処理事例①：純ニッケルの水素還元処理
純水素ガス99.9999％の雰囲気下で行われる水素還元処理は、水素と酸化物の分子を結びつけることで、金属内外部の微量の不純物までも除去することが可能な熱処理です。
水素還元処理は、精密な分析機器、精密部品の製造工程で主に使用されます。
高温下でかつ長時間の処理を行うことにより不純物の除去を行うことができます。
注意点として、熱処理後の純ニッケル表面は活性化し、溶着が起こる可能性が高いため、・・・
熱処理事例②：コバールの水素還元
こちらは、コバールを水素還元処理した熱処理事例です。
コバールは鉄にニッケルやコバルトを加えた合金で、成分例としてはFe-29Ni-17Co-Si-Mnがあります。
この合金は常温での熱膨張率が低く、硬質ガラスに近いため、ガラス封着やICリードフレームのハーメチックシールなどの電子部品封着端子に利用されます。
このようなコバールですが、電子部品の接着時、ガラス封着の際に、・・・
水素還元処理のことなら、熱処理・水素還元技術ナビにお任せ！
水素還元処理でお困りの際は熱処理・水素還元技術ナビでを運営しておりますサーマル化工株式会社までお気軽にお問い合わせください。
■ 熱処理・水素還元技術ナビの特徴
熱処理・水素還元技術ナビは、難易度の高い精密部品の各種熱処理に対応可能な熱処理のプロフェッショナルです。一般的な焼鈍から、純水素・特殊ガスでの熱処理を、1個から最大100時間の長時間行うことができます。
近年注目されている金属粉末の水素吸蔵によるリサイクル処理についても対応可能です。
■ 研究・開発支援実績が多数
熱処理・水素還元技術ナビを運営しておりますサーマル化工では、研究開発の試験案件を事業の核と考えており、本日に至るまで各業界のメーカー様をはじめとして様々な研究・開発支援を行ってきました。
正確な昇温、安定した保持時間、築炉よる緩やかな降温など試験目的によって、ご希望沿ったヒートパターンのご提案が可能です。
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