JP2009512778A - プラズマホウ化方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、耐磨耗性金属表面を調製する方法に関する。本発明の特定の好ましい実施形態において、本発明は、金属表面をホウ化するための方法を提供し、この方法は、（ａ）ＫＢＸ４を提供する工程であって、各Ｘはハロゲンである、工程；（ｂ）ＢＸ３を放出するために充分な温度でＫＢＸ４を加熱する工程；および（ｃ）ＢＸ３にプラズマ電荷を印加して、金属表面に拡散するための１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程、を包含する。
Description
（発明の分野）
本発明は、耐磨耗性金属表面を調製する方法に関する。
本発明は、耐磨耗性金属表面を調製する方法に関する。
（発明の背景）
ホウ化は、金属表面の耐磨耗性を増加させることが公知である。金属表面をホウ素化するための種々の方法が、公知である。このような方法は、金属表面上にホウ素層を生成する。代表的に、これらの方法は、反応性ホウ素種を利用し、これらのホウ素種は、金属表面に拡散する。このような反応性ホウ素種としては、気体のジボランおよび三ハロゲン化ホウ素（ＢＣｌ３およびＢＦ３が挙げられる）が挙げられる。
ホウ化は、金属表面の耐磨耗性を増加させることが公知である。金属表面をホウ素化するための種々の方法が、公知である。このような方法は、金属表面上にホウ素層を生成する。代表的に、これらの方法は、反応性ホウ素種を利用し、これらのホウ素種は、金属表面に拡散する。このような反応性ホウ素種としては、気体のジボランおよび三ハロゲン化ホウ素（ＢＣｌ３およびＢＦ３が挙げられる）が挙げられる。
金属表面をホウ化するための１つの方法は、「パック」法である。この方法において、ホウ素の供給源は、固体の粉末、ペースト、または顆粒の形態である。この金属表面が、この固体のホウ素供給源でパックされ、次いで加熱されて、ホウ素種を放出し、そして金属表面内に移動させる。この方法は、大過剰のホウ素供給源を使用することを必要とし、過剰量の毒性廃棄物の処分を生じることが挙げられる、多くの欠点を有する。
金属表面をホウ化するための別の方法は、ホウ素を金属表面に移動させることを補助するために、プラズマ電荷を利用する。代表的に、プラズマによるホウ化方法は、ジボラン、ＢＣｌ３、またはＢＦ３を利用し、この方法において、プラズマ電荷が気体のホウ素含有試薬に印加されて、反応性ホウ素種を放出する。例えば、特許文献１および特許文献２を参照のこと。しかし、これらの方法は、腐食性かつ毒性の高い気体を利用し、従って、産業規模で利用することが困難である。
プラズマによるホウ化プロセスは、速度および基材の局部的な加熱が挙げられる、数個の利点を有する。このことは、ホウ化される金属片の金属の塊がアニーリングすることを防止し、元の微細構造および結晶構造を回復するためのさらなる熱処理を排除する。その結果、非毒性の化学物質に関連する危険および費用を低下させながら、プラズマ処理の利点を維持するプラズマホウ化プロセスを有することが望ましい。
米国特許第６，３０６，２２５号明細書
米国特許第６，７８３，７９４号明細書
（特定の実施形態の詳細な説明）
本発明は、金属表面をホウ化するための方法を提供する。本発明の方法によれば、ＫＢＸ４（ここでＸはハロゲンである）がホウ素供給源として提供される。ＫＢＸ４の使用は、これが容易に入手可能であり取り扱いが容易である固体物質である点で有利である。特定の実施形態において、ＫＢＸ４は、ホウ化されるべき金属表面の存在下で、固体の形態で提供される。ＫＢＸ４がＢＸ３ガスを放出するように熱が適用され、このＢＸ３ガスに、プラズマ電荷が印加される。いずれの特定の理論にも束縛されることを望まないが、プラズマ電荷は、１つ以上の活性ホウ素種の形成を生じ、この活性ホウ素種が金属表面に拡散すると考えられる。本明細書中で使用される場合、用語「活性化ホウ素種」とは、ＫＢＸ４を加熱することにより生じる気体にプラズマ電荷を印加することによって作製される、ホウ素種の任意の１つ以上をいう。特定の実施形態において、この１つ以上の活性化ホウ素種としては、Ｂ＋、ＢＸ＋、ＢＸ２ ＋、およびＢＸ３ ＋が挙げられるが、これらに限定されない。
本発明は、金属表面をホウ化するための方法を提供する。本発明の方法によれば、ＫＢＸ４（ここでＸはハロゲンである）がホウ素供給源として提供される。ＫＢＸ４の使用は、これが容易に入手可能であり取り扱いが容易である固体物質である点で有利である。特定の実施形態において、ＫＢＸ４は、ホウ化されるべき金属表面の存在下で、固体の形態で提供される。ＫＢＸ４がＢＸ３ガスを放出するように熱が適用され、このＢＸ３ガスに、プラズマ電荷が印加される。いずれの特定の理論にも束縛されることを望まないが、プラズマ電荷は、１つ以上の活性ホウ素種の形成を生じ、この活性ホウ素種が金属表面に拡散すると考えられる。本明細書中で使用される場合、用語「活性化ホウ素種」とは、ＫＢＸ４を加熱することにより生じる気体にプラズマ電荷を印加することによって作製される、ホウ素種の任意の１つ以上をいう。特定の実施形態において、この１つ以上の活性化ホウ素種としては、Ｂ＋、ＢＸ＋、ＢＸ２ ＋、およびＢＸ３ ＋が挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書中で使用される場合、用語「ホウ化」および「ホウ素化」は、交換可能に使用され、そして金属表面上にホウ素層を組み込むプロセスをいう。
本明細書中で使用される場合、用語「プラズマ」とは、電離した気体をいい、そして用語「プラズマ電荷」とは、プラズマを形成するために気体に印加される電流をいう。特定の実施形態において、本発明のプラズマは、１つ以上の活性化ホウ素種（Ｂ＋、ＢＸ＋、ＢＸ２ ＋、およびＢＸ３ ＋（ここで各Ｘはハロゲンである）が挙げられるが、これらに限定されない）を含む。
本明細書中で使用される場合、「グロー放電」とは、１００Ｖ〜数ｋＶの電流を気体に通すことによって形成される型のプラズマをいう。いくつかの実施形態において、この気体は、アルゴンまたは別の不活性ガスである。
特定の実施形態において、各Ｘは塩素であり、従ってＫＢＸ４はＫＢＣｌ４である。
他の実施形態において、各Ｘはフッ素であり、従ってＫＢＸ４はＫＢＦ４である。
特定の実施形態において、本発明は、金属表面をホウ化するための方法を提供し、この方法は、
（ａ）ＫＢＸ４を提供する工程であって、各Ｘはハロゲンである、工程；
（ｂ）ＢＸ３を放出するために充分な温度でＫＢＸ４を加熱する工程；および
（ｃ）ＢＸ３にプラズマ電荷を印加して、金属表面に拡散するための１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程、
を包含する。
（ａ）ＫＢＸ４を提供する工程であって、各Ｘはハロゲンである、工程；
（ｂ）ＢＸ３を放出するために充分な温度でＫＢＸ４を加熱する工程；および
（ｃ）ＢＸ３にプラズマ電荷を印加して、金属表面に拡散するための１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程、
を包含する。
他の実施形態において、本発明は、金属表面をホウ化するための方法を提供し、この方法は、
（ａ）金属表面の存在下でＫＢＸ４を提供する工程であって、各Ｘはハロゲンである、工程；
（ｂ）ＢＸ３を放出するために充分な温度でＫＢＸ４を加熱する工程；および
（ｃ）ＢＸ３にプラズマ電荷を印加して、金属表面に拡散するための１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程、
を包含する。
（ａ）金属表面の存在下でＫＢＸ４を提供する工程であって、各Ｘはハロゲンである、工程；
（ｂ）ＢＸ３を放出するために充分な温度でＫＢＸ４を加熱する工程；および
（ｃ）ＢＸ３にプラズマ電荷を印加して、金属表面に拡散するための１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程、
を包含する。
特定の実施形態において、ホウ素化されるべき金属表面は、鉄含有金属である。鉄含有金属は、当業者に周知であり、そして鋼、高鉄クロム（ｈｉｇｈ ｉｒｏｎ ｃｈｒｏｍｅ）、およびチタン合金が挙げられる。特定の実施形態において、鉄含有金属は、ステンレス鋼または４１４０鋼である。他の実施形態において、このステンレス鋼は、３０４鋼、３１６鋼、３１６Ｌ鋼から選択される。１つの実施形態によれば、鉄含有金属は、３０１、３０１Ｌ、Ａ７１０、１０８０、または８６２０から選択される鋼である。他の実施形態において、ホウ素化されるべき金属表面は、チタンまたはチタン含有金属である。このようなチタン含有金属としては、チタン合金が挙げられる。
他の実施形態において、ＫＢＸ４は、ホウ化されるべき金属表面を含むチャンバ内に、固体の形態で提供される。このＫＢＸ４は加熱されて、ＢＸ３を放出する。プラズマ電荷が、このチャンバの反対側に印加されて、１つ以上の活性ホウ素種を含むプラズマを作製する。ＫＢＸ４が加熱される温度は、このＫＢＸ４からＢＸ３を放出するために充分である。特定の実施形態において、ＫＢＸ４は、７００℃〜９００℃の温度で加熱される。
本発明の方法において利用されるＫＢＸ４の量は、反応チャンバ内で約１０パスカル〜約１５００パスカルの圧力を維持するために充分な量で提供される。特定の実施形態において、この圧力は、約５０パスカル〜約１０００パスカルである。他の実施形態において、この圧力は、約１００パスカル〜約７５０パスカルである。当業者は、ＫＢＸ４がＢＸ３に熱分解すると、反応チャンバ内の圧力の増加を生じることを理解する。いずれの特定の理論にも束縛されることを望まないが、作製されるＢＸ３ガスのモル数は、圧力の増加を測定することによって計算され得ると考えられる。
特定の実施形態において、水素ガスが、ＫＢＸ４およびその熱分解から生じるＢＸ３を含むチャンバに導入される。いずれの特定の理論にも束縛されることを望まないが、水素元素は、プラズマ電荷での処理の際に、ＢＸ３の１つ以上の活性化ホウ素種への分解を容易にすると考えられる。特定の実施形態において、水素ガスは、遊離するＢＸ３の量と比較して等しい量またはモル過剰である量で導入される。
いくつかの実施形態において、ＢＸ３および任意の水素ガスは、不活性ガス（例えば、アルゴン）のストリームによって、プラズマ内に運ばれる。このプラズマは、反応性元素のより迅速な拡散、および処理されるべき金属表面への反応性ホウ素種のより高速での衝撃を可能にする。特定の実施形態において、このプラズマは、グリープラズマである。基材は、プラズマ処理方法での使用のために適切な任意の材料（例えば、鋼またはチタン合金）であり得る。ＫＢＸ４がプラズマチャンバに接続された別個の分解チャンバ内で分解されても、分解とプラズマ処理との両方が単一の反応容器内の別の領域で行われてもよい。
本明細書中に記載されるように、本発明の方法は、プラズマ電荷を印加して１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程を包含する。特定の実施形態において、このプラズマ電荷は、パルスプラズマ電荷である。他の実施形態において、電圧が約０Ｖ〜約８００Ｖに制御されたプラズマ電荷が印加される。なお他の実施形態において、その電流は最大約２００Ａである。
本発明の他の実施形態は、本明細書の考慮または本明細書中に開示される本発明の実施によって、当業者に明らかである。本明細書および実施例は、単なる例示とみなされ、本発明の真の範囲および精神は、添付の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
鋼の金属片を、窒化ホウ素るつぼ内の５０ｇのＫＢＦ４と一緒に反応チャンバに入れる。この反応チャンバを０．０１Ｐａまで排気する。このるつぼを９００℃まで加熱して、ＫＢＦ４のＢＦ３への分解を起こす。１０％Ｈ２／Ａｒ２気体混合物を、５００Ｐａの圧力までこの反応チャンバに添加する。放電を、６００Ｖおよび１５０アンペアで印加する。この反応を、３時間または所望のホウ素貫入が達成されるまで続ける。
Claims (16)
- 金属表面をホウ化するための方法であって、
（ａ）ＫＢＸ４を提供する工程であって、各Ｘはハロゲンである、工程；
（ｂ）ＢＸ３を放出するために充分な温度で該ＫＢＸ４を加熱する工程；および
（ｃ）該ＢＸ３にプラズマ電荷を印加して、該金属表面に拡散するための１つ以上の活性化ホウ素種を作製する工程、
を包含する、方法。 - 前記ＫＢＸ４が前記金属表面の存在下で提供される、請求項１に記載の方法。
- 前記１つ以上の活性化ホウ素が、Ｂ＋、ＢＸ＋、ＢＸ２ ＋、またはＢＸ３ ＋から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記プラズマ電荷がグロープラズマである、請求項３に記載の方法。
- 前記金属表面が鉄含有金属表面である、請求項１に記載の方法。
- 前記金属表面が、鋼、高鉄クロム、またはチタン合金を含有する、請求項５に記載の方法。
- 前記金属表面が、チタンまたはチタン含有金属である、請求項１に記載の方法。
- 前記ＫＢＸ４が、７００℃〜９００℃の温度で加熱される、請求項１に記載の方法。
- 水素ガスを導入する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
- 前記水素ガスがアルゴンストリーム中で導入される、請求項９に記載の方法。
- プラズマホウ化の方法であって、
（ａ）ＫＢＸ４を提供する工程であって、Ｘがハロゲンである、工程；
（ｂ）該ＫＢＸ４を熱分解してＫＸとＢＸ３とを生成する工程；
（ｃ）該ＢＸ３を不活性ガスによって形成されたプラズマ内へと方向付ける工程であって、組成およびプラズマ形成条件が、該ＢＸ３がＢＸ２ ＋とＸ−とに分解するように選択される、工程；および
（ｄ）該ＢＸ２ ＋を金属と反応させる工程、
を包含する、方法。 - Ｘがフッ素である、請求項１１に記載の方法。
- Ｘが塩素である、請求項１１に記載の方法。
- Ｘが臭素である、請求項１１に記載の方法。
- 水素ガスを導入する工程をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
- 前記水素ガスがアルゴンストリーム中で導入される、請求項１５に記載の方法。
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