真空炉は、熱処理プロセスの開始時に大気圧のガスを送り出すと同時に、特定の大気圧以下の圧力に達するプロセスガスを導入できるように設計されており、プロセス中いつでも炉容器内のガス量、ガス源、ガス品質を制御できる優れた機能を備えています。
焼入れプロセス中に不活性ガスを導入することは、焼入れの速度と結果を制御するための技術として広く認識されています。さらに、チャンバー温度が上昇するにつれて特定のプロセスガスを追加することで、様々な熱処理用途の結果を向上させるという更なる利点が得られます。
真空炉プロセスで最初に行われるのは、圧力チャンバーから大気ガスを除去することです。金属部品を加熱すると、一般的に大気ガスに含まれる元素（水蒸気や酸素など）との反応が非常に起こりやすくなるため、大気ガスを除去することで不要な反応を大幅に抑制することができます。しかし、プロセスガスを意図的に導入することで、プロセスの一部として望ましい反応や条件を作り出すことができる。
立ち上げ中にプロセスガスでバックフィルできることは、重要な利点を生み出す可能性がある。作業によっては、水素を使用して酸化物を除去したり、炭素のような元素をケースハードニングの目的で添加したり、鋼の高温処理中にクロムの昇華を抑えるために不活性ガスを添加したりするために、非常に少量のガス（0.01Torr～10Torr）を導入したい場合がある。また、複雑な形状や大きな断面を持つ部品を均等に加熱するために、内部ファンを作動させて対流加熱を可能にするのに十分なプロセスガス（1気圧以上）を導入したい場合もある。
マスフローセンサーで調整された分圧ガス用の2つのポートを含む炉の設計。
ここでは、レギュレーターゲージがマスフローセンサーに接続され、さらにブロッキングバルブと分圧マニュアルスロットルバルブによって調整され、システムに流入するガスを最大限に制御している。
分圧：真空に近い圧力での反応制御の維持
分圧プロセスは、温度が上昇するにつれて反応を生成または制御することができる、ポンプダウンされた後の炉内に非常に低流量のプロセスガスを導入するレシピです。プロセスガスはアルゴンや窒素のような不活性ガスから、水素やアセチレンのような反応性ガスまで様々です。
ある分圧熱処理プロセスでは、不活性ガスを添加することにより、大気ガス中に残存する原子や分子のほとんどを確実に炉外に排出するパージとして使用することができる。アルゴンのような不活性ガスは、昇温中に容器に添加されると、水素、酸素、窒素のような小さな原子や分子を押しのけて、システムが二度目に炉から排気する際に、速やかに出口を見つけさせることができる。
不活性ガスは、高温・極低圧で蒸発しやすいクロムなどの元素の昇華プロセスを遅らせるのにも役立ちます。不活性ガスによるわずかな圧力でも、クロムベースの鋼材の劣化を防ぐことができる。
一部の鋼材は特に酸化の影響を受けやすく、熱処理前に表面に酸化物が蓄積している場合もある。特定の温度で熱処理工程に水素*を導入することで、特定の金属酸化物とチャンバー内の水素との反応を促し、発生を抑えることができます。
例えばAvaC低圧浸炭のような変形プロセスでは、低圧でアセチレンのようなプロセスガスを加えることで、特定の要件を満たすケース硬化ソリューションを提供することができます。これは、粉末冶金など、非常に複雑な微細形状を持つ部品に特に効果的です。
これらのプロセス以外にも、部分圧ガスシステムは、部品と治具の間の拡散接合を防止するために採用することができ、また真空冷却をより効率的にすることができる中間冷却ステップを提供することもできる。
*水素をシステムに導入する際には、安全性の観点から細心の注意を払うのが常識ですが、チタンや特定の銅合金を含む部品に水素を使用することは、一般的にはお勧めできません。
対流熱処理
対流プロセスは、容器内の圧力が1気圧以上になるまで、ポンプダウンされたシステムに不活性ガスを導入する。1気圧は、室温の部屋の空気圧に匹敵する。
炉内を真空に近い状態までポンプダウンし、別のガスをポンプ前と同じ圧力まで充填するのは非生産的と思われるかもしれないが、充填ガスに含まれる元素を注意深く制御することで、熱処理業者は部品が周囲の空気中に存在する可能性のある不要な元素（水や酸素など）と反応しないようにすることができる。
真空炉は主に輻射熱によって熱を供給する。真空内では大気がないため、対流によって熱が伝達される可能性がなくなります。このため、オペレーターは熱変換の重要な段階を通じてプロセス温度とチャンバーの一貫性を大幅に制御することができます。しかし、輻射熱は直線方向にエネルギーを伝達するため、カーブやクレバスが熱処理プロセスの一貫性に大きな影響を与える可能性があります。
不活性ガスを1気圧またはそれ以上の圧力でシステムに加えることで、複雑な部品の熱的一貫性をよりよく制御できる対流熱供給を助けることができます。対流加熱は、低温では輻射加熱よりもはるかに効率的です。
内部ファンによって生成される電流が、精巧な部品の形状全体に確実に熱を届けます。移動する気体により、くぼみや隅々まで一貫した熱供給が可能になり、最終ソークのためにポンプで送り出される前に、部品がより速い速度で温度上昇します。その結果、ランプの開始からサーマルピークに至るまで、すべての表面でより一貫した温度がより短時間で確保され、複雑な部品のサイクルタイムの短縮につながります。
結論
真空炉のオペレーターは急冷ガスの供給に注目しがちですが、ランプおよびソークステップ中にプロセスガスを供給できることは、オペレーターに炉の機能性を高める機会を与えます。真空炉は、熱処理サイクル中にチャンバー内に存在するガスの卓越した制御が可能であるため、分圧や対流熱処理などのプロセスで一貫したクリーンな部品を供給する上で理想的なツールです。
真空炉内での部分加圧熱処理の方法については、下記までお問い合わせください。 technical@ipsenusa.com.