JP2021138979A - 浸炭方法及び被処理基材 - Google Patents
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Abstract
Description
ガス浸炭では、濃度調整可能な炭化水素ガスなどが変成した浸炭性ガス中で被処理品を加熱し浸炭を行うが、大気空間へのガス導入であるため浸炭中には酸素が介在する。従って、鋼表面には粒界酸化が発生し浸炭異常層を形成してしまう。また、浸炭ガスは炭化水素を用いているため被処理品への水素侵入が発生し水素脆化の原因となる。
真空浸炭では、被処理品が設置された真空空間で加熱し、ガスを導入するため粒界酸化が発生することはない。しかしながら、浸炭ガスには炭化水素を用いているため、水素脆化のポンテシャルをなくすことはできていない。
プラズマ浸炭では、真空浸炭と同じく被処理品が設置された真空空間で加熱し、導入したガスに電気的なエネルギーを印加することによってガスをプラズマ化して浸炭処理を行う。この場合、粒界酸化がなく、導入された炭化水素ガスはプラズマ化され、より浸炭性の高い状態で被処理物に導入され高速浸炭,硬質材料への浸炭が可能となる。しかしながら、生成されたプラズマは、水素を含んだ炭化水素イオンと炭化水素ラジカルが支配的であるため水素脆化の発生ポテンシャルは真空浸炭と同様に存在する。
また、特許文献2の技術では、加熱によって脱水素化を行うと,水素の抜けた結合がダングリングボンドとして構造欠陥になるため,水素脆化の原因は何ら取り除かれていない。
本発明の目的は、従来の浸炭技術では払拭できない水素脆化の原因をなくすことが可能な浸炭方法及び被処理基材を提供することにある。
図1は、実施形態1の浸炭方法を用いたプラズマビーム浸炭装置の模式図である。本装置は、固体炭素源101から炭素イオン102を生成するための低圧アークプラズマ発生源103と、発生したプラズマ112から少なくとも炭素イオン102と電子111を含むプラズマビーム104を浸炭槽105内に導くための輸送用磁場ダクト106と、その対向する位置に自公転等可能なホルダ108上に配置された被処理基材107と、を有する。また、プラズマビーム104中の炭素イオン102を被処理基材107に注入するため、ホルダ108には、炭素イオン102を加速するためのバイアス電源109が接続され、かつ、被処理基材107中でのイオンの深さ方向の拡散を促進するための加熱機構110を具備している。また、イオン侵入時に発生する応力緩和を効率的に行うために、バイアス電源109はパルス状のバイアスが印加可能な特徴をもつ。
ここで、イオン(水素,炭素)が被処理基材(鉄鋼材)に侵入したときの減速過程における遮蔽クーロンポテンシャルを、式(2)に示すトーマス・フェルミポテンシャルと仮定すれば、注入イオンのエネルギーから侵入深さを計算することができる。
また、負バイアス電圧は、パルス周波数1500Hz, パルス幅25μsにパルス化して用いた。パルス状で電圧を印加する目的は、炭素イオン102の被処理基材107への単位時間当たりのイオン注入量をコントロールするためである。以下にそのメカニズム概要を説明する。
具体的には,少なくとも1原子層相当が入射する毎に、一時的に炭素イオンの注入を停止して応力緩和の機会を与え、被処理基材に侵入した炭素群を、より安定な構造に変化させる。1原子層の厚さaは式(4)から0.2nmとなるため、毎秒1 nm相当の炭素イオン侵入速度であれば、5Hz以上の周期で応力緩和の時間を設けることが望ましいことになる。
浸炭処理後、被処理基材107の一部を切り出し拡散水素量の確認を行った。具体的には、試料を真空炉内で加熱(室温〜600度)し、発生した水素ガスを昇温温度毎に四重極型質量分析計で検出した。その結果、本発明の炭素イオンのみを用いたプラズマビーム浸炭を適用した鉄鋼材の積算水素量は0.02wt.ppmであった。すなわち、使用した四重極型質量分析計の検出限界に近い値となり、ほぼ水素を含有していないことを確認した。尚、比較のために、従来の炭化水素を用いたプラズマ浸炭基材についても評価したところ、室温から200度において大量の拡散性水素が観測され、その積算水素量は約100倍以上となる>2.0wt.ppmであった。
(1)固体炭素源101から炭素イオン102を発生させ、炭素イオン102を被処理基材107に浸炭させることとした。
よって、高硬度で、かつ、水素脆化のポテンシャルを大幅に低減した被処理基材107を得ることができる。
よって、水素や酸素による粒界酸化や水素脆化を回避できる。
尚、炭素イオン102は、個体炭素源101にレーザーを照射することにより発生させてもよい。これにより、アーク放電と同様の作用効果が得られる。
(3)炭素イオン102を被処理基材107に浸炭させるときに、被処理基材107にバイアス電圧を印加することとした。
よって、炭素イオン102を被処理基材表面に入射させることができる。
(4)被処理基材107に印加するバイアス電圧を、被処理基材107に注入された炭素イオン102近傍で内部圧力が最大となるように電圧値を設定することとした。
よって、局所的に大きな内部圧力が発生し、圧縮応力が増加すると共に被処理基材107表面の高硬度化を実現できる。
(5)被処理基材107に印加するバイアス電圧を、任意の周波数でパルス状に印加することとした。
よって、炭素イオン102の被処理基材107への単位時間あたりのイオン注入量をコントロールし、構造最適化を達成できる。
(6)被処理基材の材質、必要とする浸炭深さに応じて加熱処理を行うこととした。
よって、熱拡散を利用して炭素イオン102の深さ方向の拡散を促進できる。
(7)炭素イオン102を浸炭させた被処理基材107であって、表面から2mmの深さにおける拡散水素積算量が、0.02wt.ppm以下である。
よって、高硬度で、かつ、水素脆化のポテンシャルを大幅に低減した被処理基材107を得ることができる。
(8)被処理基材107の表面から深さ1.2mmの炭素濃度が、表面付近の炭素濃度の70%以上を保持している。
よって、高硬度で、かつ、水素脆化のポテンシャルを大幅に低減した被処理基材107を得ることができる。
(9)被処理基材107の表面から深さ1.2mmの硬度が、表面付近の硬度の80%以上を保持している。
よって、高硬度で、かつ、水素脆化のポテンシャルを大幅に低減した被処理基材107を得ることができる。
よって、被処理基材107を更に高硬度化することができる。
102 炭素イオン
103 低圧アークプラズマ発生源
104 プラズマビーム
105 浸炭槽
106 輸送用磁場ダクト
107 被処理基材
108 ホルダ
109 バイアス電源
110 加熱機構
111 電子
112 アークプラズマ
201 被処理基材表面
202 深さ方向
203 二価の炭素イオン
301 炭化水素ガスを用いたプラズマ
302 水素イオン
401 水素イオン(100eV)の侵入深さ
501 炭素イオン(100eV)の侵入深さ
601 アーク電源
602 アノード電極
603 プラズマビーム走査用電磁石
701 本発明のプラズマビーム浸炭を用いた場合のプラズマ浸炭濃度分布
702 従来の炭化水素を用いた場合のプラズマ浸炭濃度分布
801 本発明のプラズマビーム浸炭を用いた場合の深さ方向硬度分布
802 従来プラズマ浸炭による深さ方向硬度分布
901 窒素イオン
902 窒素プラズマ
903 イオンビームソース
904 ブロッキングコンデンサ
905 高周波電源
906 グリッド(G1,G2,G3,G4)
Claims (11)
- 固体炭素源から炭素イオンを発生させ、前記炭素イオンを被処理基材に浸炭させることを特徴とする浸炭方法。
- 請求項1に記載の浸炭方法であって、
前記炭素イオンは、前記固体炭素源に対するアーク放電により発生させることを特徴とする浸炭方法。 - 請求項1に記載の浸炭方法であって、
前記炭素イオンは、前記個体炭素源にレーザーを照射することにより発生させることを特徴とする浸炭方法。 - 請求項1ないし3いずれか一つに記載の浸炭方法であって、
前記炭素イオンを前記被処理基材に浸炭させるときに、前記被処理基材にバイアス電圧を印加することを特徴とする浸炭方法。 - 請求項4に記載の浸炭方法であって、
前記被処理基材に印加するバイアス電圧を、前記被処理基材に注入された前記炭素イオン近傍で内部圧力が最大となるように電圧値を設定することを特徴とする浸炭方法。 - 請求項5に記載の浸炭方法であって、
前記被処理基材に印加するバイアス電圧を、任意の周波数でパルス状に印加することを特徴とする浸炭方法。 - 請求項1乃至6に記載の浸炭方法であって、
前記被処理基材の材質、必要とする浸炭深さに応じて加熱処理を行うことを特徴とする浸炭方法。 - 請求項1乃至7に記載の浸炭方法であって、
前記炭素イオンの前記被処理基材への浸炭と同時、あるいは交互に窒素イオンを前記被処理基材に注入することを特徴とする浸炭方法。 - 炭素イオンを被処理基材に浸炭させた被処理基材であって、
表面から2mmの深さにおける拡散水素積算量が、0.02wt.ppm以下であることを特徴とする被処理基材。 - 請求項9に記載の被処理基材であって、
前記被処理基材の表面から深さ1.2mmの炭素濃度が、前記表面付近の炭素濃度の70%以上を保持していることを特徴とする被処理基材。 - 請求項10に記載の被処理基材であって、
前記表面から深さ1.2mmの硬度が、前記表面付近の硬度の80%以上を保持していることを特徴とする被処理基材。
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