発熱性雰囲気の主な種類は、リッチ（または濃縮）雰囲気とリーン（またはライト）雰囲気の2つです。 これらは空気とガスの混合比率によって区別され、その化学組成と「還元」の可能性が決まります。リッチ雰囲気は、酸化を防ぐために水素と一酸化炭素のレベルが高く、リーン雰囲気は還元剤が少なく、表面保護がそれほど重要でない場合や酸化が必要な場合に使用されます。
リッチ雰囲気とリーン雰囲気の選択は、基本的に保護とコストのトレードオフです。リッチ雰囲気は鋼の表面を保護するための「還元」環境を提供しますが、リーン雰囲気は銅のような非鉄金属や、意図的に酸化が必要なプロセスにとって費用対効果の高いソリューションです。
1. リッチ発熱性雰囲気
この雰囲気は、空気とガスの混合比率が低い状態で生成されるため、「濃縮」雰囲気とも呼ばれます。還元性ガスの濃度が高く保たれているため、表面損傷を防ぐ上で化学的に活性です。
化学組成
リッチ雰囲気は通常、窒素（N2）71.5%、水素（H2）12.5%、一酸化炭素（CO）10.5%、二酸化炭素（CO2）5%、メタン（CH4）約0.5%で構成されます。
「還元」機能
水素と一酸化炭素（合計約23%）の有意な存在は、還元環境を作り出します。これは、雰囲気が積極的に酸素を捕捉し、処理中の金属との反応を防ぐことを意味します。
主な用途
その保護特性から、リッチ発熱性ガスは鉄金属の熱処理の標準となっています。
- 鋼の焼き戻しと焼鈍し： 低炭素鋼の脱炭（鋼の表面から炭素が失われること）を避けるために不可欠です。
- ろう付け： 銅および銀のろう付けに広く使用されています。
- 焼結： 粉末金属の焼結用途に好ましい雰囲気です。
2. リーン発熱性雰囲気
「ライト」発熱性雰囲気とも呼ばれるこれらの雰囲気は、より高い空気とガスの比率で生成されます。これにより、ほぼ完全な燃焼が起こり、ガス中に可燃性または還元性の成分はほとんど残りません。
化学組成
リーン雰囲気は、主に窒素（86.8%）と二酸化炭素（10.5%）です。還元性ガスのレベルは非常に低く、一酸化炭素は約1.5%、水素は約1.2%しか含まれていません。
「酸化」機能
水素含有量が低く、二酸化炭素含有量が高いため、この雰囲気は鋼の光沢熱処理には適していません。鋼の文脈では、高濃度のCO2は酸化剤として作用し、金属表面にスケールを発生させたり、変色させたりします。
主な用途
リーン雰囲気は、還元環境が不要なプロセスや、意図的な表面酸化が必要なプロセスで使用されます。
- 銅の焼鈍し： 鋼に対しては酸化性ですが、この雰囲気は銅の焼鈍しに適しています。
- 制御酸化： 表面からの保護ではなく、表面との化学反応を必要とするプロセスに特に選択されます。
トレードオフの理解
雰囲気を選択する際には、化学活性と材料の感度のバランスを取る必要があります。
脱炭のリスク
鋼にリーン雰囲気を使用すると、高濃度のCO2が鋼の表面の炭素と反応します。これにより脱炭が発生し、柔らかく弱い表面層が生じます。低炭素鋼の炭素レベルを維持するには、リッチ雰囲気が必要です。
安全性と可燃性
リッチ雰囲気は20%を超える可燃性ガス（H2およびCO）を含んでいるため、引火性があります。取り扱いと安全対策には注意が必要です。リーン雰囲気は、4%未満の可燃性ガスしか含まないため、一般的に不燃性で取り扱いが容易ですが、鉄金属に対する保護力は劣ります。
目標に合わせた適切な選択
決定は、処理する金属と必要な表面仕上げに完全に依存します。
- 低炭素鋼の保護が主な目的の場合： リッチ発熱性雰囲気を使用して、焼鈍しまたは焼結中に脱炭を防ぎ、きれいな表面を確保します。
- 銅の焼鈍しが主な目的の場合： リーン発熱性雰囲気を使用します。これは、高水素混合物のコストや引火性を考慮せずに、十分なプロセス環境を提供します。
最終的に、鋼の酸化を防ぐにはリッチ雰囲気を使用し、酸化を誘発したり非鉄金属を処理したりするにはリーン雰囲気を使用します。
概要表：
| 特徴 | リッチ発熱性雰囲気 | リーン発熱性雰囲気 |
|---|---|---|
| 主な組成 | H2 約12.5%、CO 約10.5%、N2 71.5% | H2 約1.2%、CO 約1.5%、N2 86.8% |
| 化学的性質 | 強力な還元性 | わずかに酸化性 |
| 可燃性 | 引火性（可燃性ガス >20%） | 不燃性（可燃性ガス <4%） |
| 主な用途 | 鋼の焼鈍し、焼結、ろう付け | 銅の焼鈍し、制御酸化 |
| 主な利点 | 脱炭および酸化を防止 | 費用対効果が高い；安全な取り扱い |
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