JP3936892B2

JP3936892B2 - Plasma carburizing method and apparatus

Info

Publication number: JP3936892B2
Application number: JP2002167070A
Authority: JP
Inventors: 信一田中
Original assignee: 株式会社エスディーシー
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004010979A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、チタン系金属その他の金属材料の表面に対するプラズマ浸炭処理方法およびその方法に用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なプラズマ浸炭処理方法として、断熱壁で覆われた耐圧構造のプラズマ熱処理炉を、真空にした後にメタンガス、プロパンガス、アンモニアガスなどの処理ガスを供給し、金属製の被処理物を陰極にすると共に炉殻などを陽極とし、両極間にグロー放電を起こさせて処理ガスをイオン化させ、炭素イオン、窒素イオンなどのイオンを被処理物に衝突させて浸炭や窒化などの処理を行なう方法が知られている。
【０００３】
被処理物として純チタンまたはチタン合金からなるチタン金属は、耐食性ネジ・ボルト、メガネフレーム、医用・歯科用材料にも用いられ、これらのチタン金属製品に対する摩擦係数の低減および耐摩耗性を改善するために、プラズマ浸炭処理を行なうことが、本願の発明者らによって特開平７−９０５４２号公報に開示されている。
【０００４】
また、特開２００２−８８４６３号公報には、７００℃以上の高温で行われる浸炭処理およびクリーニング処理では、金属母材の軟化による強度低下が避けられないことが記載されている。
【０００５】
特に、チタン合金を母材として７００〜１０１０℃で溶体化処理を行い、その後に４００〜７００℃程度の時効処理を行なって析出硬化をし、その後、７００℃以上に加熱処理すると、α型(六方晶系)およびβ型(等軸晶系)の組織が混在した相からなる表面層が形成され、これではチタン合金の表面にα型ばかりでなくβ型も析出し、時効処理によるα型の析出硬化という効果が低下してしまう。
【０００６】
一方、チタン金属に対して７００℃未満の低温でプラズマ浸炭処理を行なうと、炭素イオンが非結晶（アモルファス）化しやすくなり、チタン金属(処理品)に浸炭されずに表面でススやガラスライクカーボンとなって堆積してしまう。
【０００７】
これらの技術に対して、炭素原子（Ｃ）に対する水素原子（Ｈ）のモル比が(Ｈ／Ｃ)≦９となるように調整された浸炭用ガスからなり、１３〜４００Ｐａ、４００〜６９０℃の雰囲気内でプラズマ浸炭処理するチタン金属の表面処理方法も知られている。
【０００８】
このように調整された浸炭用ガスを使用し、かつ浸炭温度および浸炭ガス圧力を所定範囲にすると、ガス中の電離反応が適度に抑制され、浸炭に利用されずにススやガラスライクカーボンになるような過剰のカーボンが浸炭時の雰囲気に存在しないので、浸炭反応が順調に進行する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のプラズマ浸炭処理方法では、溶体化後に時効処理を行い、その後、さらに浸炭処理を行なうようにしているので、処理工程数が多くて効率が悪いという問題点がある。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、プラズマ浸炭処理の工程数をできるだけ少なくし、またプラズマ浸炭処理および時効硬化の効果がどちらも充分に発揮できるようにし、生産効率の高いプラズマ浸炭処理方法とすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明においては、金属材料に対して溶体化処理後にプラズマ浸炭処理を行なう方法において、マイクロパルス電源を用いて被処理物の温度を時効硬化可能な所定温度に制御しながらプラズマ浸炭処理することを特徴とするプラズマ浸炭処理方法としたのである。
【００１２】
上記したような工程からなるこの発明のプラズマ浸炭処理方法では、マイクロパルス電源を用いてプラズマ浸炭処理するので、プラズマの発生時間をパルス化された電圧の継続時間（パルス継続時間）によって制御することができ、これにより電圧を極端に下げずに被処理物の表面に対するイオンボンバードメントによるエネルギーの供給を抑制しながら、すなわち金属材料が過熱されないように温調しながら浸炭処理することができる。
【００１３】
このようにして、被処理物の温度を時効硬化可能な所定温度に制御することができるようになり、プラズマ浸炭処理と時効硬化を同時に進行させることができる。
【００１４】
また、金属材料がチタン系金属であり、かつ温度制御が４００〜６９０℃の範囲内の温度制御である上記のプラズマ浸炭処理方法とすることができる。
【００１５】
このようにすると、溶体化処理後にチタンまたはチタン合金からなるチタン系金属に対し、浸炭処理と同時に時効処理を行なってα型の析出硬化をさせることができ、特別な浸炭用ガスを使用しなくても炭素イオンが非結晶（アモルファス）化せずに、チタン金属の表面にススやガラスライクカーボンが堆積し難い。
【００１６】
以上述べたような処理工程における温度制御は、コンピュータプログラムによってプラズマ電源の出力電圧、電流またはパルス幅を制御する手段を含む温度制御であることが好ましい。
【００１７】
コンピュータプログラムによって上記のようにプラズマ電源を制御することにより、プログラムコントローラ、シーケンサなどの付属機器を連動させて自動的にかつ正確に適正な温度で浸炭処理ができる。
【００１８】
また、以上のような処理工程を行なう場合に用いる装置は、処理ガスを満たした炉殻内に金属製の被処理物を収容し、前記炉殻を陽極とすると共に前記被処理物を陰極として直流電圧を印加することにより、前記処理ガスをプラズマ化して浸炭処理を行なう装置において、前記直流電源としてマイクロパルス電源を用い、かつコンピュータプログラムによって前記マイクロパルス電源の出力電圧、電流またはパルス幅を制御する制御手段を設けたことを特徴とするプラズマ浸炭処理装置であることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明に用いる金属材料は、浸炭処理が必要とされる周知の金属材料であり、特に金属の種類を限定したものではなく、例えばチタン系金属の他、鋼などを用いて好ましい結果が得られる。チタン系金属は、純チタンまたはチタンと他の金属成分との合金のいずれであってもよく、特に合金の組成を限定して採用したものではない。工業材料のチタン金属のチタニウムの純度は、９９．９〜９９．５％程度であるが、このような純チタンを用いることもできる。
【００２０】
チタン合金を採用した場合に配合される他の金属成分としては、たとえば銅、スズ、鉄、アルミニウム、バナジウム、クロム、コバルト、モリブデン、タングステンなどが挙げられる。
【００２１】
溶体化処理は、「固溶化熱処理」または「焼入れ処理」とも称され、合金金属製の被処理物を均一固溶体になる温度にまで加熱して合金元素を固溶させておき、次いで急冷することにより、常温における合金元素の固溶化を図る熱処理である。たとえば純チタンまたはチタン合金の溶体化処理温度は、７００〜１０１０℃であり、ステンレス鋼では１０００〜１１００℃前後、アルミニウム合金では４５０〜５５０℃前後である。
【００２２】
プラズマ浸炭処理に使用する炭化水素系ガスは、炭素と水素からなるガスの総称であり、鎖式炭化水素でも環式炭化水素のいずれの化合物であってもよい。鎖式炭化水素の代表例としては、一般式Ｃ_nＨ_2n+2で示されるメタン系炭化水素の他、エチレン系炭化水素（一般式Ｃ_nＨ_2n）、アセチレン系炭化水素（一般式Ｃ_nＨ_2n-2）が挙げられ、直鎖状であっても側鎖をもったものでもよい。特に、常温で気体のメタン、エタン、プロパン、ブタンは、使用に際して気化設備が不要であるので、好ましいものであるといえる。また、環式炭化水素としては、芳香族化合物または脂環式化合物のいずれであってもよく、芳香族化合物の代表例としては、ベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）が挙げられる。
【００２３】
この発明に用いるプラズマ浸炭処理装置は、周知の真空熱処理炉にパルス矩形波形の電圧を発生させるパルス電源ユニットを利用したプラズマ浸炭処理装置を組み合わせたものであり、その電源としてマイクロパルス電源を用いることにより被処理物の浸炭温度を正確に調整可能である。
【００２４】
マイクロパルス電源は、オーストリア国のルービック社製プラズマ電源ユニットとして市販されているマイクロパルス（登録商標）を用いることができる。同社製のマイクロパルス電源としては、５０ｋＨｚという高速の最大変換周波数を有し、パルス幅４〜１０００μｓ、パルス間隔１０〜１０００μｓ、出力電圧１０００Ｖ、出力電流（パルス平均）４５〜３６０Ａ、ターンオン時間０．５μｓという性能のものを用いて好ましい結果を得ている。
【００２５】
図１に示すように、このようなマイクロパルス電源を用いると、ある時間内に一定の電圧をかけ（パルス継続時間）、次の瞬間には電圧は与えない（パルスポーズ）というパルス化された電圧をプラズマ浸炭処理装置に供給できる。
【００２６】
そこで、もし処理装置内の温度が高すぎると、電圧が切られる時間（パルスポーズ）を長くし、それによって被処理物に付加されるエネルギーを抑えることができる。逆に温度が低下してきたら、パルスポーズ時間を減らし、パルス継続時間を増やせばよい。これらの場合、イグニションタイムはできるだけ短い方が好ましい。
【００２７】
そして、気体の反応が止まってしまうまでの時間は、電圧がなくなってから１ｍｓ以下である。このパルスポーズ時間を適当に短い時間に保つことにより、気体の反応は電圧をかけていない間も維持され、しかも被処理物に付加されるエネルギーを抑えることができる。
【００２８】
このようにして被処理物の過熱を抑えながら浸炭処理することができ、特に被処理物の温度を時効硬化可能な所定温度に制御することにより、プラズマ浸炭処理と時効硬化を同時に進行させることができる。
【００２９】
このように時効処理と浸炭処理を同時に行なうと、例えば浸炭処理を含めた一連の処理に所要の時間が６時間程度である場合、従来の時効処理後に２〜４時間程度要する浸炭工程を短縮することができる。
【００３０】
プラズマ浸炭処理装置において、マイクロパルス電源を制御するには、パーソナルコンピュータに制御のためのソフトウェアを組み込んで行なうことが適切な手段である。
【００３１】
この発明におけるプラズマ浸炭処理の雰囲気温度は、４００℃〜６９０℃程度である。なぜなら、上記の所定範囲未満の低温雰囲気温度では、どのように電流、電圧、浸炭ガス圧力を調整しても、チタン金属内部に活性化炭素が侵入できず拡散も困難になる。また、上記所定範囲を越える高温では、チタン金属が強度低下を起こす可能性が高くなるからである。
【００３２】
そして、所定温度に制御しながらプラズマ浸炭処理するには、先ず、炉内に有機溶剤または超音波で洗浄処理されたチタン金属からなる成形品を装入し、排気した後、付設のヒータにより４００℃〜６９０℃に加熱し、次いで水素ガスを含む不活性ガスからなるクリーニング用ガスを導入し、前記温度で１０〜６０分保持すると共に、２００〜１５００Ｖの直流高電圧を印加してチタン金属表面の酸化膜を除去する（クリーニング処理）。
【００３３】
次に、プロパンガス等の浸炭用ガスとクリーニング用ガスとの混合ガスを１０〜２０００Ｐａ程度の圧力に調整し、マイクロパルス電源から好ましくは電流密度０．１Ａ／ｍ²〜５Ａ／ｍ²の低電流で２００〜１０００Ｖの直流高電圧を印加し、プラズマ浸炭処理を行う。
【００３４】
プラズマガス中には、イオン化した活性化炭素Ｃ+が発生し、これが金属表面に付着してさらに内部に拡散するか、またはスパッタリングもしくは打込みの作用によって浸炭反応が進行する。
【００３５】
プラズマ浸炭処理は、例えば図２に示した制御ソフトウェアの基本構成のフローチャートに従って自動的に行なうことが好ましい。
【００３６】
その場合、まず浸炭炉を始動し、制御信号入力待ちの状態で電圧、電流について観測する。浸炭炉は、設定圧力以下まで減圧しておき、その後、ヒーターによる加熱を行なう。そして、設定温度は８００℃、６０分のキープ時間を経た後、水素、アルゴンを一定量（予めソフトウェアで設定された量）炉内に導入し、設定圧力以下になると、シーケンサを通じて信号をソフトウェアに送る。
【００３７】
その後、プラズマ電源に異常がなく、オンできる状態であれば、電源をオンし、材料温度を測定すると共にスパッタ処理を開始する。出力電圧については、ソフトウェア上で設定された値で出力される。その後、プラズマ電源をオン−オフしながらプラズマ浸炭を４００〜６９０℃の範囲内で制御（ＰＩＤ制御）する。その場合、品温または雰囲気についての温度管理は、設定温度との誤差が±８℃の範囲で行うことが適当である。
【００３８】
その後、材料が、ソフトウェア上で設定した処理温度に達して所定時間を経過した後、浸炭処理を終了させ、炉内を冷却ガスおよび炉内の気流循環によって冷却する。
【００３９】
以上のようなプラズマ浸炭方法によれば、チタン金属表面の処理層は、炭化されたことによって、その炭化物が潤滑性を発揮すると考えられ、摩擦係数および摩耗量を低減させるようになり、またチタン金属の耐食性を低下させることもない。
【００４０】
【実施例】
チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）について、予め、溶体化処理（９５０℃で１時間保持した後、水冷する処理）した試験片をアセトン中で超音波洗浄した後、以下の装置および条件でプラズマ浸炭処理を行なった。
【００４１】
すなわち、プラズマ浸炭装置は、真空熱処理装置（対流加熱装置を付設した高速ガス冷却式真空炉）内にグラファイトファイバー等の断熱材で囲まれた処理室を設け、この処理室内をロッドグラファイトからなる発熱体で加熱すると共に、処理室内の上部に直流グロー放電の正極を接続し、かつ処理品の載置台に陰極を接続し、また処理室内の要所にはガスマニホールドを設置してクリーニングガスおよび浸炭用ガスを適宜に切り替え、または混合して導入できる浸炭処理装置を用いた。
【００４２】
真空熱処理装置の本体は、常用で１５０〜１２８０℃の加熱能力を有し、炉本体、真空排気装置、ガス配管、冷却水配管、熱電対、トランス・サイリスタ盤、動力盤、制御盤などから構成され、金属熱処理全般（焼入、焼戻、溶体化処理、時効処理、焼きなまし）に使用できるものである。
【００４３】
因みに、この装置は、低温度から高温度までの広範囲において熱処理の均一加熱と保持温度の精度を高めるために、黒鉛製のヒータを上下および両側面の４面に設置しており、これらを分割制御可能である。
【００４４】
そして、内部ファン（遠心式プレートファン）による窒素ガスまたはアルゴンガスによる強制循環方式によるガス循環装置と、水冷式フィンチューブおよび遠心式ターボファンによる冷却装置、および炉内に流入させる冷却用窒素ガスの圧力を変化させることにより冷却速度を広範囲に調整できるものである。
【００４５】
このような浸炭処理装置を用いて先ず、クリーニング処理を行なった。すなわち、処理室を排気し、ヒータで４８０℃に加熱し、アルゴンガスおよび水素ガスをそれぞれ所定流量で５３．３Ｐａとなるように導入すると共に０．４Ａの電流および４４０Ｖの電圧値で１５分間保持し、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）の表面をクリーニングした。
【００４６】
次に、浸炭温度その他の所定条件として、温度制御が５００±８℃の範囲内の温度制御となるように前述の制御ソフトウェアの基本フローに従った自動運転にてプラズマ浸炭処理および時効硬化処理も同時に行ない、処理後に窒素ガスを処理室内に圧入して常温にまで冷却した。
【００４７】
以上のプラズマ浸炭処理によれば、時効処理後の浸炭処理を別途行なわずとも所定の硬度５００Ｈｖが得られた。これらのことから、プラズマ浸炭処理において工程数は省略されてプラズマ浸炭処理および時効硬化の双方の効果が得られたことがわかる。
【００４８】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、溶体化処理後の金属材料に対し、プラズマ浸炭処理を行ない、その際、被処理物の温度を時効硬化可能な所定温度に制御しながらプラズマ浸炭処理するので、被処理物の表面に対するイオンボンバードメントによるエネルギーの供給を抑制し、すなわち金属材料が過熱されないように温調しながら浸炭処理することができ、このときプラズマ浸炭処理だけで時効硬化処理も同時に行えるので、工程数を省略して短時間でプラズマ浸炭処理および時効硬化の双方の効果を得る。
【００４９】
また、金属材料がチタン系金属であり、かつ温度制御が４００〜６９０℃の範囲内の温度制御であれば、溶体化処理後のチタン系金属に対して、α型の析出硬化をさせることができ、特別な浸炭用ガスを使用しなくても炭素イオンが非結晶化せずに、チタン系金属の表面にススやガラスライクカーボンが堆積し難い利点もある。
【００５０】
処理工程における温度制御は、コンピュータプログラムによってプラズマ電源を制御することにより、付属機器を連動させて自動的にかつ正確に適正な温度で浸炭処理ができる。
【００５１】
また、以上のような処理工程を行なう場合に用いる装置は、炉殻内に金属製の被処理物を収容し、前記炉殻を陽極とすると共に前記被処理物を陰極とし、直流電源としてマイクロパルス電源を用い、かつコンピュータプログラムによって前記マイクロパルス電源の出力電圧、電流またはパルス幅を制御する制御手段を設けたので、前記同様に短時間でプラズマ浸炭処理および時効硬化の双方の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロパルス電源の出力電圧と時間との関係を示す図表
【図２】制御ソフトウェアの基本構成を示す流れ図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma carburizing method for the surface of a titanium-based metal or other metal material and an apparatus used for the method.
[0002]
[Prior art]
As a general plasma carburizing method, a plasma heat treatment furnace with a pressure-resistant structure covered with a heat insulating wall is evacuated and then treated with a treatment gas such as methane gas, propane gas, or ammonia gas, and a metal workpiece is treated as a cathode. In addition, using a furnace shell as an anode, causing glow discharge between the two electrodes to ionize the processing gas, causing carbon ions, nitrogen ions, and other ions to collide with the object to be processed, and performing a process such as carburizing and nitriding It has been known.
[0003]
Titanium metal made of pure titanium or titanium alloy is used for corrosion-resistant screws and bolts, eyeglass frames, and medical and dental materials, reducing friction coefficient and improving wear resistance for these titanium metal products. Therefore, performing plasma carburizing treatment is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-90542 by the inventors of the present application.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-88463 describes that in a carburizing process and a cleaning process performed at a high temperature of 700 ° C. or higher, a decrease in strength due to softening of the metal base material is inevitable.
[0005]
In particular, a solution treatment is performed at 700 to 1010 ° C. using a titanium alloy as a base material, followed by an aging treatment at about 400 to 700 ° C. to perform precipitation hardening, and then heat treatment at 700 ° C. or higher to form α-type ( Hexagonal) and β-type (equal axis) structures are mixed to form a surface layer that precipitates not only α-type but also β-type on the surface of the titanium alloy. This reduces the effect of precipitation hardening.
[0006]
On the other hand, if plasma carburizing treatment is performed on titanium metal at a low temperature of less than 700 ° C., carbon ions are likely to be amorphous (amorphous), and soot and glass-like carbon are not carburized by titanium metal (treated product). It will be deposited.
[0007]
For these techniques, it consists of carburizing gas adjusted so that the molar ratio of hydrogen atom (H) to carbon atom (C) is (H / C) ≦ 9, and is 13 to 400 Pa, 400 to 690 ° C. Also known is a surface treatment method for titanium metal, in which plasma carburization is performed in the atmosphere.
[0008]
When the carburizing gas adjusted in this way is used and the carburizing temperature and the carburizing gas pressure are within a predetermined range, the ionization reaction in the gas is moderately suppressed, so that it becomes soot or glass-like carbon without being used for carburizing. Since such excess carbon does not exist in the carburizing atmosphere, the carburizing reaction proceeds smoothly.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional plasma carburizing method described above has a problem that the number of processing steps is large and the efficiency is low because the aging treatment is performed after the solution treatment and then the carburizing treatment is further performed.
[0010]
Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to reduce the number of steps of plasma carburizing treatment as much as possible, and to sufficiently exhibit both the effects of plasma carburizing treatment and age-hardening, and to improve the production efficiency. A high plasma carburizing method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, in the present invention, in a method of performing plasma carburization after solution treatment on a metal material, the temperature of the object to be processed is set to a predetermined temperature that can be age-hardened using a micropulse power source. This is a plasma carburizing method characterized by performing plasma carburizing while controlling.
[0012]
In the plasma carburizing method of the present invention comprising the steps as described above, since the plasma carburizing process is performed using a micro pulse power source, the plasma generation time is controlled by the duration of the pulsed voltage (pulse duration). Thus, the carburization process can be performed while suppressing the supply of energy by ion bombardment to the surface of the object to be processed without extremely reducing the voltage, that is, while controlling the temperature so that the metal material is not overheated.
[0013]
In this way, the temperature of the object to be processed can be controlled to a predetermined temperature that can be age-hardened, and plasma carburizing treatment and age-hardening can proceed simultaneously.
[0014]
Moreover, it can be set as said plasma carburizing process method whose metal material is a titanium-type metal, and temperature control is the temperature control in the range of 400-690 degreeC.
[0015]
In this way, the titanium-based metal made of titanium or a titanium alloy after solution treatment can be subjected to aging treatment at the same time as the carburizing treatment to cause α-type precipitation hardening, without using a special carburizing gas. Even so, carbon ions do not become amorphous, and soot and glass-like carbon are difficult to deposit on the surface of titanium metal.
[0016]
The temperature control in the processing steps as described above is preferably temperature control including means for controlling the output voltage, current or pulse width of the plasma power supply by a computer program.
[0017]
By controlling the plasma power supply as described above by a computer program, carburizing treatment can be performed automatically and accurately at an appropriate temperature in conjunction with accessory devices such as a program controller and a sequencer.
[0018]
In addition, the apparatus used when performing the above processing steps accommodates a metal object to be processed in a furnace shell filled with a processing gas, and uses the furnace shell as an anode and the object to be processed as a cathode. In a device for performing carburizing by pulsing the processing gas by applying a DC voltage, a micro pulse power source is used as the DC power source, and the output voltage, current or pulse width of the micro pulse power source is controlled by a computer program Preferably, the plasma carburizing apparatus is provided with a control means.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The metal material used in the present invention is a well-known metal material that requires carburizing treatment, and is not particularly limited in the type of metal. For example, in addition to titanium-based metal, preferable results can be obtained using steel or the like. . The titanium-based metal may be either pure titanium or an alloy of titanium and another metal component, and is not particularly adopted by limiting the composition of the alloy. The purity of titanium of titanium metal as an industrial material is about 99.9 to 99.5%, but such pure titanium can also be used.
[0020]
Examples of other metal components blended when a titanium alloy is employed include copper, tin, iron, aluminum, vanadium, chromium, cobalt, molybdenum, and tungsten.
[0021]
The solution treatment is also referred to as “solid solution heat treatment” or “quenching treatment”, in which the alloy metal object is heated to a temperature at which it becomes a uniform solid solution so that the alloy elements are dissolved, and then rapidly cooled. Thus, the heat treatment for achieving solid solution of the alloy element at room temperature. For example, the solution treatment temperature of pure titanium or titanium alloy is 700 to 1010 ° C., about 1000 to 1100 ° C. for stainless steel, and about 450 to 550 ° C. for aluminum alloy.
[0022]
The hydrocarbon-based gas used for the plasma carburizing treatment is a general term for gases composed of carbon and hydrogen, and may be any compound of a chain hydrocarbon or a cyclic hydrocarbon. Representative examples of chain hydrocarbons include methane hydrocarbons represented by the general formula C _n H _{2n + 2} , ethylene hydrocarbons (general formula C _n H _2n ), acetylene hydrocarbons (general formula C _n H _2n-2 ), which may be linear or have a side chain. In particular, methane, ethane, propane, and butane that are gaseous at room temperature are preferable because they do not require vaporization equipment when used. Further, the cyclic hydrocarbon may be either an aromatic compound or an alicyclic compound, and a representative example of the aromatic compound is benzene (C ₆ H ₆ ).
[0023]
The plasma carburizing apparatus used in the present invention is a combination of a plasma carburizing apparatus using a pulse power supply unit that generates a pulse rectangular waveform voltage in a known vacuum heat treatment furnace, and a micro pulse power source is used as the power source. Thus, the carburizing temperature of the workpiece can be adjusted accurately.
[0024]
As the micro pulse power source, a micro pulse (registered trademark) marketed as a plasma power unit manufactured by Rubik in Austria can be used. The company's micro-pulse power supply has a high-speed maximum conversion frequency of 50 kHz, pulse width 4 to 1000 μs, pulse interval 10 to 1000 μs, output voltage 1000 V, output current (pulse average) 45 to 360 A, turn-on time 0. Favorable results have been obtained with a performance of 5 μs.
[0025]
As shown in FIG. 1, when such a micro pulse power source is used, a pulse is applied in which a constant voltage is applied within a certain time (pulse duration) and no voltage is applied at the next moment (pulse pause). Voltage can be supplied to the plasma carburizing apparatus.
[0026]
Therefore, if the temperature in the processing apparatus is too high, the time during which the voltage is turned off (pulse pause) can be lengthened, thereby suppressing the energy added to the object to be processed. Conversely, if the temperature decreases, the pulse pause time can be reduced and the pulse duration can be increased. In these cases, the ignition time is preferably as short as possible.
[0027]
The time until the gas reaction stops is 1 ms or less after the voltage disappears. By maintaining this pulse pause time at a suitably short time, the gas reaction is maintained even when no voltage is applied, and the energy added to the object to be processed can be suppressed.
[0028]
In this way, the carburizing process can be performed while suppressing overheating of the object to be processed. In particular, by controlling the temperature of the object to be processed to a predetermined temperature that can be age-hardened, the plasma carburizing process and the age-hardening can proceed simultaneously. it can.
[0029]
When the aging treatment and the carburizing treatment are performed at the same time as described above, for example, when the time required for a series of treatments including the carburizing treatment is about 6 hours, the carburizing process that requires about 2 to 4 hours after the conventional aging treatment is shortened. be able to.
[0030]
In the plasma carburizing apparatus, in order to control the micro pulse power source, it is appropriate to incorporate software for control into a personal computer.
[0031]
The atmospheric temperature of the plasma carburizing process in this invention is about 400 ° C to 690 ° C. This is because at low temperature ambient temperatures below the predetermined range, activated carbon cannot penetrate into titanium metal and diffusion is difficult regardless of how the current, voltage, and carburizing gas pressure are adjusted. Further, at a high temperature exceeding the predetermined range, there is a high possibility that the titanium metal will decrease in strength.
[0032]
In order to perform plasma carburizing while controlling at a predetermined temperature, first, a molded product made of titanium metal cleaned with an organic solvent or ultrasonic waves is placed in the furnace, exhausted, and then 400 by an attached heater. The surface of the titanium metal is heated to 690 ° C. to 690 ° C., then introduced with a cleaning gas composed of an inert gas containing hydrogen gas, held at the temperature for 10 to 60 minutes, and applied with a DC high voltage of 200 to 1500 V The oxide film is removed (cleaning process).
[0033]
Then, by adjusting the mixed gas of the carburizing gas and the cleaning gas, such as propane gas to a pressure of about 10～2000Pa, preferably micro pulse power source current density 0.1A / m ^² ~5A / m ² low A DC high voltage of 200 to 1000 V is applied as an electric current to perform plasma carburizing treatment.
[0034]
In the plasma gas, ionized activated carbon C + is generated and adheres to the metal surface and diffuses further inside, or the carburization reaction proceeds by the action of sputtering or implantation.
[0035]
The plasma carburizing process is preferably performed automatically in accordance with, for example, the flowchart of the basic configuration of the control software shown in FIG.
[0036]
In that case, the carburizing furnace is first started, and the voltage and current are observed while waiting for the control signal input. The carburizing furnace is depressurized to a set pressure or lower and then heated by a heater. Then, after a set temperature of 800 ° C. and a keep time of 60 minutes, hydrogen and argon are introduced into the furnace in a certain amount (amount set in advance by software). send.
[0037]
Thereafter, if there is no abnormality in the plasma power supply and it can be turned on, the power supply is turned on, the material temperature is measured, and the sputtering process is started. The output voltage is output at a value set on the software. Thereafter, plasma carburization is controlled within a range of 400 to 690 ° C. (PID control) while turning on / off the plasma power source. In that case, it is appropriate that the temperature control of the product temperature or atmosphere is performed within a range of ± 8 ° C. from the set temperature.
[0038]
Thereafter, after the material reaches the processing temperature set on the software and a predetermined time elapses, the carburizing process is terminated, and the inside of the furnace is cooled by cooling gas and air circulation in the furnace.
[0039]
According to the plasma carburizing method as described above, the treated layer on the surface of the titanium metal is considered to exhibit lubricity by being carbonized, and the friction coefficient and the amount of wear are reduced. It does not reduce the corrosion resistance of the metal.
[0040]
【Example】
A titanium alloy (Ti-6Al-4V) was subjected to ultrasonic treatment in acetone for a test piece which had been previously solution treated (maintained at 950 ° C. for 1 hour and then water-cooled), and then subjected to plasma with the following apparatus and conditions. Carburizing treatment was performed.
[0041]
That is, the plasma carburizing apparatus is provided with a processing chamber surrounded by a heat insulating material such as graphite fiber in a vacuum heat treatment apparatus (high-speed gas-cooled vacuum furnace equipped with a convection heating apparatus), and the processing chamber is heated by rod graphite. In addition to heating with a body, a DC glow discharge positive electrode is connected to the upper part of the processing chamber, a cathode is connected to the stage for processing products, and gas manifolds are installed at important points in the processing chamber to provide cleaning gas and carburizing. A carburizing apparatus capable of appropriately switching or mixing the working gas was used.
[0042]
The main body of the vacuum heat treatment equipment has a heating capacity of 150 to 1280 ° C and is composed of a furnace body, vacuum exhaust device, gas piping, cooling water piping, thermocouple, transformer / thyristor panel, power panel, control panel, etc. It can be used for metal heat treatment in general (quenching, tempering, solution treatment, aging treatment, annealing).
[0043]
By the way, in this equipment, in order to increase the accuracy of uniform heating and holding temperature of heat treatment in a wide range from low temperature to high temperature, graphite heaters are installed on the top and bottom and both sides, and these are divided. It can be controlled.
[0044]
A gas circulation device using a forced circulation method using nitrogen gas or argon gas by an internal fan (centrifugal plate fan), a cooling device using a water-cooled fin tube and a centrifugal turbofan, and a cooling nitrogen gas flowing into the furnace. The cooling rate can be adjusted over a wide range by changing the pressure.
[0045]
A cleaning process was first performed using such a carburizing apparatus. That is, the processing chamber is evacuated, heated to 480 ° C. with a heater, and argon gas and hydrogen gas are introduced at a predetermined flow rate of 53.3 Pa, respectively, and held at a current of 0.4 A and a voltage value of 440 V for 15 minutes. The surface of the titanium alloy (Ti-6Al-4V) was cleaned.
[0046]
Next, as the carburizing temperature and other predetermined conditions, plasma carburizing treatment and age hardening treatment are also performed by automatic operation according to the basic flow of the control software described above so that the temperature control is in the range of 500 ± 8 ° C. At the same time, after the treatment, nitrogen gas was injected into the treatment chamber and cooled to room temperature.
[0047]
According to the plasma carburizing treatment described above, a predetermined hardness of 500 Hv was obtained without performing a carburizing treatment after the aging treatment separately. From these facts, it can be seen that the number of steps is omitted in the plasma carburizing treatment, and the effects of both the plasma carburizing treatment and age hardening are obtained.
[0048]
【The invention's effect】
In the present invention, as described above, plasma carburizing treatment is performed on the metal material after solution treatment, and at that time, the plasma carburizing treatment is performed while controlling the temperature of the workpiece to a predetermined temperature capable of age hardening. The energy supply by ion bombardment to the surface of the object to be processed can be suppressed, that is, the carburizing process can be performed while adjusting the temperature so that the metal material is not overheated. At this time, the age hardening process can be simultaneously performed only by the plasma carburizing process. Therefore, the effects of both plasma carburizing treatment and age hardening can be obtained in a short time by omitting the number of steps.
[0049]
Further, if the metal material is a titanium metal and the temperature control is within the range of 400 to 690 ° C., α-type precipitation hardening can be performed on the titanium metal after solution treatment. In addition, carbon ions do not become amorphous without using a special carburizing gas, and soot and glass-like carbon are difficult to deposit on the surface of the titanium-based metal.
[0050]
In the temperature control in the processing step, the carburizing process can be performed automatically and accurately at an appropriate temperature by controlling the plasma power supply by a computer program and interlocking the accessory equipment.
[0051]
Further, an apparatus used for performing the above-described processing steps accommodates a metal object to be processed in a furnace shell, the furnace shell serves as an anode, the object to be processed serves as a cathode, and a micro power source serves as a DC power source. Since the control means for controlling the output voltage, current or pulse width of the micro pulse power supply is provided by using a pulse power supply and a computer program, the effects of both the plasma carburizing process and the age hardening can be obtained in a short time as described above. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a chart showing the relationship between output voltage and time of a micro pulse power supply. FIG. 2 is a flowchart showing the basic configuration of control software.

Claims

In a method of performing a plasma carburizing process after a solution treatment on a titanium metal workpiece ,
Plasma carburizing treatment is performed while controlling the output voltage, current, pulse width and pulse interval of the micro pulse power supply so that the temperature of the object to be processed is 400 to 690 ° C. capable of age hardening using the micro pulse power supply. A characteristic plasma carburizing method.

4 in the plasma carburizing method according to claim 1, the output voltage of the micro-pulse power source and 200~1000V by a computer program, a current and a current density of ^{^{0.1A / m 2 ~5A / m 2}} , the pulse width A plasma carburizing method for controlling the pulse interval to be 1000 μs and the pulse interval to be 10 to 1000 μs.

A processing object made of titanium metal is accommodated in a furnace shell filled with a processing gas, and the processing gas is turned into plasma by applying a DC voltage using the furnace shell as an anode and the processing object as a cathode. In carburizing equipment,
A control means for controlling the output voltage, current , pulse width and pulse interval of the micro pulse power source in order to use a micro pulse power source as the DC power source and to set the temperature of the workpiece to 400 to 690 ° C. which can be age-hardened by a computer program. A plasma carburizing apparatus characterized by comprising:

The control means uses a micro-pulse power supply with an output voltage of 200 to 1000 V and a current of 0.1 A / m. ²² ~ 5A / m ²² The plasma carburizing apparatus according to claim 3, which is a control means for controlling the current density and the pulse width of 4 to 1000 μs and the pulse interval to 10 to 1000 μs.