JP2016196696A - Nitriding treatment apparatus and nitriding treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化処理装置及び窒化処理方法に関する。 The present invention relates to a nitriding apparatus and a nitriding method.
従来、電子ビームを照射することで窒素プラズマを生成し、その窒素プラズマにより処理対象物の表面を窒化する窒化処理が知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, nitriding treatment is known in which nitrogen plasma is generated by irradiating an electron beam, and the surface of an object to be treated is nitrided by the nitrogen plasma (see Patent Document 1).
特許文献1記載の技術では、処理対象物の表面が凹部(例えば、孔、スリット等)を有する場合、その凹部の内部を窒化することは困難であった。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、凹部の内部を窒化しやすい窒化処理装置及び窒化処理方法を提供することを目的とする。 In the technique described in Patent Document 1, when the surface of the processing object has a recess (for example, a hole, a slit, or the like), it is difficult to nitride the inside of the recess. The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a nitriding apparatus and a nitriding method that easily nitride the inside of a recess.
本発明の窒化処理装置は、処理対象物を収容可能な処理室と、前記処理室内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させるプラズマ発生ユニットと、前記処理室内で前記処理対象物と対向配置され、導電性材料から成る網状部材と、前記網状部材及び前記処理対象物に、前記プラズマの電位より低い電位を印加する電位印加ユニットと、を備えることを特徴とする。本発明の窒化処理装置によれば、処理対象物が凹部を有する場合でも、その凹部の内部を窒化することができる。 The nitriding apparatus of the present invention includes a processing chamber capable of accommodating a processing object, a plasma generating unit that generates plasma containing high-concentration nitrogen atoms in the processing chamber, and an opposing arrangement to the processing object in the processing chamber. A mesh member made of a conductive material; and a potential application unit that applies a potential lower than the plasma potential to the mesh member and the object to be processed. According to the nitriding apparatus of the present invention, even when the object to be processed has a recess, the inside of the recess can be nitrided.
本発明の窒化処理方法は、上述した窒化処理装置を用いて処理対象物を窒化処理することを特徴とする。本発明の窒化処理方法によれば、処理対象物が凹部を有する場合でも、その凹部の内部を窒化することができる。 The nitriding method of the present invention is characterized in that a processing object is nitrided using the above-described nitriding apparatus. According to the nitriding method of the present invention, even when the object to be processed has a recess, the inside of the recess can be nitrided.
本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
<第1の実施形態>
1.窒化処理装置1の構成
窒化処理装置1の構成を図1〜図3に基づき説明する。窒化処理装置1は、図1に示すように、処理室3と、小型電子ビーム源5と、金属製カバー7と、試料台9と、加熱用ヒータ11と、窒素供給配管13と、排気配管15と、電位印加ユニット16と、を備える。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
1. Configuration of Nitriding Apparatus 1 The configuration of the nitriding apparatus 1 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the nitriding apparatus 1 includes a
処理室3は円筒型の容器である。小型電子ビーム源5は、電子ビーム17を生成し、その電子ビーム17を処理室3内に導入する。小型電子ビーム源5の詳しい構成は後述する。金属製カバー7は、中空箱型の形状を有する金属製の部材である。金属製カバー7は、処理室3内に設けられ、より詳しくは、試料台9の上に載置される。金属製カバー7と試料台9とは電気的に導通している。金属製カバー7の上面は、金属製の網状部材19である。網状部材19は、図2Aに示すように、金属製の線材20が、一定の間隔をおいて格子状に配置された構造を有する。金属製カバー7の下面は開口している。
The
金属製カバー7は、その内部に処理対象物21を収容可能である。金属製カバー7の下面は開口しているため、金属製カバー7に収容した処理対象物21と試料台9とは当接する。そのため、処理対象物21が導電性材料から成る場合、処理対象物21は、金属製カバー7、及び試料台9と電気的に導通する。網状部材19と処理対象物21とは、所定の間隔をおいて対向する。
The metal cover 7 can accommodate the
試料台9は、処理室3内に設けられた金属製の台である。試料台9は、電位印加ユニット16によって、プラズマ電位より低い負電位を印加される。なお、上述したように、金属製カバー7及び処理対象物21は試料台9と電気的に導通しているので、金属製カバー7及び処理対象物21も、電位印加ユニット16により負電位を印加される。
The sample table 9 is a metal table provided in the
加熱用ヒータ11は、処理室3内を加熱する。窒素供給配管13は、処理室3内に、窒素を主成分とするガスを供給する。窒素供給配管13には図示しないマスフローコントローラが設けられており、ガスの供給量を適宜調整可能である。
The
排気配管15の下流側は図示しない真空ポンプに接続している。排気配管15には、図示しない開閉バルブが設けられている。その開閉バルブの開口率を調整することで、処理室3内の圧力を適宜設定できる。
The downstream side of the
次に、図3に基づき、小型電子ビーム源5の構成を説明する。小型電子ビーム源5は、筐体25と、カソード27と、予備アノード29と、アノード31と、加速電極33と、アルゴン供給配管34と、を備える。
Next, the configuration of the small
筐体25は円筒型の中空容器である。カソード27、予備アノード29、アノード31、及び加速電極33は筐体25内に、その順序で配置されている。以下では、筐体25の内部のうち、カソード27とアノード31との間の領域を放電領域35とする。さらに、放電領域35のうち、カソード27と予備アノード29との間の領域を第1放電領域35Aとし、予備アノード29とアノード31との間の領域を第2放電領域35Bとする。また、筐体25の内部のうち、アノード31と加速電極33との間の領域を加速領域37とする。
The
予備アノード29は中央に小孔29Aを有する。第1放電領域35Aと第2放電領域35Bとは小孔29Aにより連通している。アノード31及び加速電極33はそれぞれ網状の形状を有する。アルゴン供給配管34は、第1放電領域35Aにアルゴンガスを供給する。
The
小型電子ビーム源5は、以下のようにして電子ビーム17を生成する。まず、アルゴン供給配管34から第1放電領域35Aにアルゴンガスを供給し、カソード27と予備アノード29との間で直流放電を発生させる。その後、カソード27とアノード31との間に放電を移行し、安定したアルゴンプラズマ39を生成する。このアルゴンプラズマ39から、加速領域37における加速電圧(アノード31と加速電極33との間の電圧)により、電子のみを取り出し、電子ビーム17を生成する。電子ビーム17は、加速電極33の網目を通り、処理室3内に導入される。なお、小型電子ビーム源5は、プラズマ発生ユニットの一例である。
The small
2.窒化処理装置1を用いる窒化処理方法
窒化処理装置1を用いる窒化処理方法を説明する。窒化処理を行う対象として、図4及び図5に示す処理対象物21を用意した。処理対象物21の材質は、鋼材(SKD61)である。処理対象物21は、底板43と、一対の側板45、47と、端部材49、51とから成る。
2. Nitriding Method Using Nitriding Apparatus 1 A nitriding method using the nitriding apparatus 1 will be described. A
側板45、47は、底板43の上面に幅1mmの間隔をおいて互いに平行となるように立設されている。端部材49、51は、側板45、47間の隙間のうち、両端部を埋めている。側板45、47の高さは20mmである。
The
処理対象物21は、上記の構造により、側板45、47、及び端部材49、51で周囲を囲まれた凹部53を有する。凹部53は、処理対象物21の上面で開口し、底板43に至っている。凹部53の幅は1mm、深さは20mmである。
The
この処理対象物21を、窒化処理装置1の金属製カバー7内に収容した。このとき、処理対象物21の底板43が試料台9に接し、凹部53の開口部が、網状部材19と対向するようにした。
This
次に、窒化処理装置1を動作させ、処理室3内で高濃度の窒素原子を含むプラズマ54を発生させ、窒化処理を行った。このときの動作条件は以下のようにした。
小型電子ビーム源5へのアルゴンガスの供給量:毎分40cc
処理室3への窒素ガスの供給量:毎分80cc
処理室3への水素ガスの供給量:毎分5cc
処理室3内のガス圧力:0.2Pa
電子ビーム17の加速電圧:80V
電子ビーム17の電流値:9.3A
プラズマ電位:0V
網状部材19の電位:−100V
処理対象物21の電位:−100V
処理室3内の温度:485℃
窒化処理時間:10時間
このとき、以下の機序により、窒化処理が進行すると推測される。加速電圧が80Vである低エネルギーの電子ビーム17を大電流にて処理室3へ入射することにより、処理室3内で効率よく窒素原子が生成し、同時に、窒素プラズマも発生する。すなわち、電子ビーム励起プラズマ法により、処理室3内で窒素プラズマが発生する。
Next, the nitriding apparatus 1 was operated to generate a plasma 54 containing high-concentration nitrogen atoms in the
Amount of argon gas supplied to the compact electron beam source 5: 40 cc / min
Supply amount of nitrogen gas to the processing chamber 3: 80 cc per minute
Supply amount of hydrogen gas to the processing chamber 3: 5 cc per minute
Gas pressure in the processing chamber 3: 0.2 Pa
Current value of electron beam 17: 9.3 A
Plasma potential: 0V
Potential of mesh member 19: -100V
Potential of the processing object 21: −100V
Temperature in the processing chamber 3: 485 ° C.
Nitriding treatment time: 10 hours At this time, it is presumed that nitriding treatment proceeds by the following mechanism. By irradiating the
窒素プラズマ中には、窒素原子のイオン(N+イオン)が高濃度に存在する。プラズマ中のN+イオンは、プラズマ電位と網状部材19の電位との電位差(−100V)により網状部材19の方向に加速され、網状部材19を通過する。網状部材19と処理対象物21とは同電位であるため、網状部材19を通過したN+イオンは、いわゆる「エッジ効果」を受けることなく、処理対象物21に向って直進する。このとき、N+イオンの一部は電荷交換反応により窒素中性粒子(N)ビームに変化する。N+イオンとNビームは、ともに、処理対象物21に到達し、窒化処理を進行させる。
In the nitrogen plasma, ions of nitrogen atoms (N + ions) are present at a high concentration. N + ions in the plasma are accelerated in the direction of the
N+イオンとNビームとは、上記の電位差により処理対象物21の方向に加速されているので、凹部53の内部まで侵入し、内部でも窒化処理を進行させる。
窒化処理の終了後、処理対象物21を窒化処理装置1から取り出し、部品ごとに分解した。底板43のうち、凹部53に臨む部分43A(図5参照)の表面硬度を、微小硬度計(ビッカース硬度計)を用いて測定した。測定の結果、表面硬度は1155Hvであった。この表面硬度は、窒化処理前の値である672Hvに比べて、顕著に向上していた。
Since the N + ions and the N beam are accelerated in the direction of the
After completion of the nitriding process, the
3.窒化処理装置1が奏する効果
(1A)窒化処理装置1、及びそれを用いた窒化処理方法は、凹部の内部(例えば凹部の底面、内側面等)についても、窒化処理を進行させ、硬度を向上させることができる。
3. Advantages of the nitriding apparatus 1 (1A) The nitriding apparatus 1 and the nitriding method using the nitriding apparatus 1 advance the nitriding process even in the inside of the recess (for example, the bottom surface, the inner side surface, etc.) to improve the hardness. Can be made.
(1B)窒化処理装置1は、電子ビーム励起プラズマ法により窒素プラズマを発生させる。そのことにより、窒化処理に好適な窒素プラズマを容易に発生させることができる。
<比較例>
図6に示すように、窒化処理装置1と基本的には同様の構成を有するが、一部において異なる窒化処理装置R1を用意した。窒化処理装置R1は、金属製カバー7(図1参照)を備えず、代わりに、石英ガラスからなる絶縁板55を試料台9上に備える。また、窒化処理装置R1は、電位印加ユニット16を備えない。
(1B) The nitriding apparatus 1 generates nitrogen plasma by an electron beam excitation plasma method. As a result, nitrogen plasma suitable for nitriding can be easily generated.
<Comparative example>
As shown in FIG. 6, a nitriding apparatus R1 having a configuration basically similar to that of the nitriding apparatus 1 but partially different is prepared. The nitriding apparatus R1 does not include the metal cover 7 (see FIG. 1), but instead includes an insulating
この窒化処理装置R1を用いて、処理対象物21に対し、以下のようにして窒化処理を行った。まず、処理対象物21を、絶縁板55上に載置した。このとき、処理対象物21と試料台9とは、電気的に絶縁されている。処理対象物21は前記第1の実施形態と同様のものであり、底板43が絶縁板55と接する向きで載置した。
Using this nitriding apparatus R1, nitriding was performed on the
次に、窒化処理装置R1を動作させ、処理室3内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させ、窒化処理を行った。このときの動作条件は、基本的には前記第1の実施形態と同様である。ただし、処理対象物21には負の電位は印加されない。本比較例では、処理対象物21の表面において通常のアトム窒化が進行すると推測される。
Next, the nitriding apparatus R1 was operated to generate plasma containing high-concentration nitrogen atoms in the
窒化処理の終了後、処理対象物21を窒化処理装置R1から取り出し、部品ごとに分解した。底板43のうち、凹部53に臨む部分43Aの表面硬度を、微小硬度計(ビッカース硬度計)を用いて測定した。測定の結果、表面硬度は831Hvであった。この表面硬度は、前記第1の実施形態における窒化処理後の測定値に比べて、顕著に低い値であった。すなわち、本比較例では、凹部53の内部における窒化を十分に進行させることはできなかった。
<その他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
After completion of the nitriding process, the
<Other embodiments>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can take a various form, without being limited to the said embodiment.
(1)窒化処理装置1は、電子ビーム励起プラズマ法に代えて、マイクロ波励起プラズマ法によりプラズマを発生させてもよい。
(2)網状部材19は、図2Bに示すように、金属板57に複数の貫通孔59を設けたものであってもよいし、図2Cに示すように、金属板61に複数のスリット63を設けたものであってもよい。
(1) The nitriding apparatus 1 may generate plasma by a microwave excitation plasma method instead of the electron beam excitation plasma method.
(2) As shown in FIG. 2B, the
(3)処理室3に供給するガスは、窒素以外の成分を実質的に含まないガスであってもよい。
(4)処理対象物21の電位は、プラズマ電位より低い範囲内で適宜設定できる。例えば、処理対象物21の電位は、網状部材19より高い電位であってもよいし、網状部材19より低い電位であってもよい。
(3) The gas supplied to the
(4) The potential of the
(5)網状部材19の材料は、金属以外の導電性材料(例えば導電性カーボン等)であってもよい。
(6)処理対象物21の形状は適宜選択できる。例えば、処理対象物21は、断面が円形、楕円形等の孔(凹部の一例)を備えていてもよいし、スリット(凹部の一例)を備えていてもよい。また、処理対象物21は、凹部を備えていなくてもよい。
(5) The material of the
(6) The shape of the
(7)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。 (7) The functions of one component in the above embodiment may be distributed as a plurality of components, or the functions of a plurality of components may be integrated into one component. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be replaced with a known configuration having the same function. Moreover, you may abbreviate | omit a part of structure of the said embodiment. In addition, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other embodiment. In addition, all the aspects included in the technical idea specified only by the wording described in the claim are embodiment of this invention.
(8)上述した窒化処理装置の他、当該窒化処理装置を構成要素とするシステム等、種々の形態で本発明を実現することもできる。 (8) In addition to the above-described nitriding apparatus, the present invention can be realized in various forms such as a system including the nitriding apparatus as a constituent element.
1…窒化処理装置、3…処理室、5…小型電子ビーム源、7…金属製カバー、9…試料台、11…加熱用ヒータ、13…窒素供給配管、15…排気配管、16…電位印加ユニット、17…電子ビーム、19…網状部材、20…線材、21…処理対象物、25…筐体、27…カソード、29…予備アノード、29A…小孔、31…アノード、33…加速電極、34…アルゴン供給配管、35…放電領域、35A…第1放電領域、35B…第2放電領域、37…加速領域、39…アルゴンプラズマ、43…底板、45、47…側板、49、51…端部材、53…凹部、54…プラズマ、55…絶縁板、57…金属板、59…貫通孔、61…金属板、63…スリット、R1…窒化処理装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nitriding processing apparatus, 3 ... Processing chamber, 5 ... Small electron beam source, 7 ... Metal cover, 9 ... Sample stand, 11 ... Heating heater, 13 ... Nitrogen supply piping, 15 ... Exhaust piping, 16 ... Potential application Unit: 17 ... Electron beam, 19 ... Mesh member, 20 ... Wire rod, 21 ... Object to be processed, 25 ... Housing, 27 ... Cathode, 29 ... Preliminary anode, 29A ... Small hole, 31 ... Anode, 33 ... Accelerating electrode, 34 ... Argon supply pipe, 35 ... Discharge region, 35A ... First discharge region, 35B ... Second discharge region, 37 ... Acceleration region, 39 ... Argon plasma, 43 ... Bottom plate, 45, 47 ... Side plate, 49, 51 ...
Claims (5)
前記処理室内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させるプラズマ発生ユニットと、
前記処理室内で前記処理対象物と対向配置され、導電性材料から成る網状部材と、
前記網状部材及び前記処理対象物に、前記プラズマの電位より低い電位を印加する電位印加ユニットと、
を備えることを特徴とする窒化処理装置。 A processing chamber capable of accommodating a processing object;
A plasma generating unit for generating a plasma containing a high concentration of nitrogen atoms in the processing chamber;
A net-like member made of a conductive material, disposed opposite to the object to be processed in the processing chamber;
A potential applying unit that applies a potential lower than the potential of the plasma to the mesh member and the processing object;
A nitriding apparatus comprising:
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