JP5145005B2 - Plasma processing furnace and method for measuring temperature of workpiece in plasma processing furnace - Google Patents
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Description
本発明は、例えば鋼材等の被処理体を、プラズマを用いて処理するプラズマ処理炉、及びプラズマ処理炉の被処理体の温度測定方法に関する。 The present invention relates to a plasma processing furnace for processing an object to be processed such as a steel material using plasma , and a method for measuring the temperature of the object to be processed in the plasma processing furnace .
例えばクランクシャフト等の鋼材品の製造においては、鋼材の耐摩耗性や耐食性等を向上させるため、鋼材の表面に窒化鉄層を形成する窒化処理が行われている。かような窒化処理方法の一例として、プラズマ窒化(イオン窒化)がある(特許文献1参照)。この方法は、鋼材品である被処理体を装入した処理室に、窒素ガス(N2)を含有した処理ガスを供給し、鋼材品である被処理体を陰極とし、処理室を構成する炉体等の導体を陽極として、両極間にグロー放電を発生させ、これによりイオン化した処理ガス(窒素イオン)を被処理体に対して衝突させ、被処理体の表面に浸入させるものである。 For example, in the manufacture of steel products such as crankshafts, a nitriding treatment is performed in which an iron nitride layer is formed on the surface of the steel material in order to improve the wear resistance and corrosion resistance of the steel material. An example of such a nitriding method is plasma nitriding (ion nitriding) (see Patent Document 1). In this method, a processing gas containing nitrogen gas (N 2 ) is supplied to a processing chamber in which an object to be processed that is a steel product is charged, and the processing object is configured by using the object to be processed that is a steel product as a cathode. Using a conductor such as a furnace body as an anode, glow discharge is generated between the two electrodes, and an ionized process gas (nitrogen ions) is caused to collide with the object to be processed and enter the surface of the object to be processed.
上記のような窒化処理を行う処理炉において、被処理体の温度を検出する構成として、処理室内に被処理体のダミーを備え、ダミーの温度を測定するようにしたものが知られている(特許文献1参照)。この構成においては、ダミーの表面に接触式温度計を取り付け、ダミーの温度を直接的に測定するようにしている。そして、ダミーの温度測定値等から、被処理体の温度を推定し、処理室内のヒータの発熱量等を調節することにより、被処理体の温度が所望の窒化処理温度になるように制御する構成となっている。ダミーの温度を測定する温度計としては、例えば熱電対を備えたものが知られている(特許文献2参照)。
しかしながら、従来の処理炉にあっては、ダミーの温度を測定する温度計が、放電による影響を受け、損傷するおそれがあった。温度計が損傷すると、ダミーの温度を正確に測定できず、さらに、被処理体の温度を正確に制御できなくなり、安定した処理が行えなくなる問題があった。また、温度計の寿命が短く、温度計を頻繁に交換しなければならず、経済性が悪くなるおそれがあった。 However, in the conventional processing furnace, the thermometer for measuring the dummy temperature is affected by the discharge and may be damaged. If the thermometer is damaged, the temperature of the dummy cannot be measured accurately, and further, the temperature of the object to be processed cannot be accurately controlled, and stable processing cannot be performed. In addition, the thermometer has a short life, and the thermometer must be frequently replaced, which may reduce the economy.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、温度計の損傷を防止でき、温度計の長寿命化を図ることができるプラズマ処理炉及びプラズマ処理炉の被処理体の温度測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, a plasma processing furnace capable of preventing damage to the thermometer and extending the life of the thermometer, and a method for measuring the temperature of the target object of the plasma processing furnace. The purpose is to provide.
上記課題を解決するため、本発明によれば、処理室内に被処理体を収納し、放電用導体物と被処理体との間に所定の電圧を印加することにより、前記処理室内おいてプラズマを発生させて、被処理体を処理するプラズマ処理炉であって、先端部に温度計の測温部を内蔵する温度測定部材を供え、前記温度測定部材は、前記放電用導体物および前記被処理体から電気的に絶縁され、前記温度測定部材の先端は、前記被処理体から放電の影響がない略最小距離の位置に配置され、前記被処理体からの放電の影響を確認するために、前記温度測定部材の先端部と前記被処理体の間を見ることができる炉体の耐熱窓、または、前記温度測定部材からの出力と時間の経過との関係を記録するレコーダーのうち、少なくとも一方の手段を備えていることを特徴とする、プラズマ処理炉が提供される。 In order to solve the above-described problems, according to the present invention, the object to be processed is accommodated in the processing chamber, and a predetermined voltage is applied between the discharge conductor and the object to be processed, whereby plasma is generated in the processing chamber. A plasma processing furnace for processing the object to be processed, the temperature measuring member including a temperature measuring part of a thermometer at the tip is provided, and the temperature measuring member includes the discharge conductor and the object to be processed. In order to confirm the influence of the discharge from the object to be processed, the tip of the temperature measuring member is disposed at a position at a substantially minimum distance where there is no influence of the discharge from the object to be processed. , A heat-resistant window of the furnace body that can be seen between the tip of the temperature measuring member and the object to be processed, or at least a recorder that records the relationship between the output from the temperature measuring member and the passage of time in that it comprises one means The symptom, the plasma processing reactor is provided.
前記最小距離が5〜30mmであっても良い。また、前記温度計が熱電対であり、前記熱電対の接合点が前記温度測定部材の先端部に内蔵されていても良い。また、前記温度測定部材は、前記処理室から電気的に絶縁されていても良い。また、前記被処理体から前記温度測定部材の距離を調節する機構を有しても良い。また、前記温度測定部材の先端部は、黒色に着色されていても良い。また、前記処理室は、被処理体を窒化処理する窒化室であっても良い。
さらには、処理室内に被処理体を収納し、放電用導体物と被処理体との間に所定の電圧を印加することにより、前記処理室内においてプラズマを発生させて、前記被処理体を処理するプラズマ処理炉の被処理体の温度測定方法であって、先端部に温度計の測温部を内蔵する温度測定部材を備え、前記温度測定部材は、前記放電用導体物および前記被処理体から電気的に絶縁し、前記温度測定部材の先端は、前記被処理体から放電の影響がない最小距離の位置に配置された状態で前記被処理体の温度を測定し、前記最小距離は、炉体に設けられた耐熱窓から前記温度測定部材の先端部と前記被処理体の間を見ること、または、前記温度測定部材からの出力と時間の経過の関係をレコーダーで記録すること、のうち少なくともいずれかにより放電の影響を確認して決定することを特徴とする、プラズマ処理炉の被処理体の温度測定方法である。
The minimum distance may be 5 to 30 mm. Further, the thermometer may be a thermocouple, and a junction point of the thermocouple may be built in a tip portion of the temperature measuring member. The temperature measuring member may be electrically insulated from the processing chamber. Moreover, you may have a mechanism which adjusts the distance of the said temperature measurement member from the said to-be-processed object. Moreover, the front-end | tip part of the said temperature measurement member may be colored black. Further, the processing chamber may be a nitriding chamber for nitriding a target object.
Further, accommodating the article to be processed in the processing chamber, by applying a predetermined voltage between the discharge conductor material and the object to be processed, by generating Oite plasma in the processing chamber, the object to be processed A temperature measuring method for an object to be processed of a plasma processing furnace for processing a temperature measuring member including a temperature measuring part of a thermometer at a tip, wherein the temperature measuring member includes the discharge conductor and the object to be processed. electrically insulated from the processed, the tip of the temperature measurement member, the temperature of the object to be processed is measured in a state where the disposed from the workpiece to the position of minimum distance there is no influence of the discharge, the minimum distance View between the tip of the temperature measuring member and the object to be processed from the heat-resistant window provided in the furnace body, or record the relationship between the output from the temperature measuring member and the passage of time with a recorder. , Discharged by at least one of And determining to verify the effects, the temperature measurement method of the object to be processed in a plasma processing furnace.
本発明によれば、温度計を内蔵した温度測定部材を放電用導体物および被処理体から電気的に絶縁するとともに、温度測定部材の先端を、処理室内に収納された被処理体から放電の影響がない略最小距離の位置に配置することによって、温度計が放電の影響によって損傷することを防止でき、温度計の長寿命化を図ることができる。ひいては、被処理体の温度を正確に測定および制御し、安定した処理を行うことができる。 According to the present invention, the temperature measuring member incorporating the thermometer is electrically insulated from the discharge conductor and the object to be processed, and the tip of the temperature measuring member is discharged from the object to be processed accommodated in the processing chamber. By disposing at a position at a substantially minimum distance where there is no influence, it is possible to prevent the thermometer from being damaged by the influence of the discharge, and it is possible to extend the life of the thermometer. As a result, it is possible to accurately measure and control the temperature of the object to be processed and perform stable processing.
以下、本発明にかかる実施形態を、図面を参照しながら説明する。図1及び図2に示すように、プラズマ窒化処理システム1は、被処理体2を収納して処理する3つの処理室、即ち、被処理体2を加熱処理(予熱処理)する加熱室S1、加熱室S1において加熱処理された被処理体2をプラズマを発生させることにより窒化処理する窒化室S2、窒化室S2において窒化処理された被処理体2を冷却処理する冷却室S3を備えている。加熱室S1、窒化室S2、冷却室S3は、加熱炉3、窒化炉4(プラズマ処理炉)、冷却部5にそれぞれ設けられており、横方向(略水平方向、搬送方向D)において一列に、入口側からこの順に並べて設けられている。また、プラズマ窒化処理システム1には、被処理体2を所定の搬送方向Dに移動させ、加熱室S1、窒化室S2、冷却室S3の順に搬送する被処理体搬送機構6が備えられている(図2参照)。さらに、加熱炉3の入口側には、被処理体2を加熱室S1に搬入する搬入機11が設けられている。冷却部5の出口側には、冷却室S3から搬出された被処理体2を受け取る搬出機12が設けられている。また、加熱炉3と窒化炉4の間には、シャッター室15が設けられている。窒化炉4と冷却部5の間には、シャッター室16が設けられている。加熱炉3、窒化炉4、冷却部5の外部には、プラズマ窒化処理システム1の各部の動作を制御する制御部17、プラズマ窒化処理システム1の各部に電圧を供給する電源ユニット18が設けられている(図1参照)。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the
本実施形態において、被処理体2は、例えばクランクシャフトあるいはカムシャフト等の複数の金属製品であり、金属等の導電性を有する支持部材2a(トレー等)によって保持された状態で、支持部材2aと一体的に搬送されるようになっている。被処理体2の材質は、クランクシャフトの場合は例えば炭素鋼あるいは合金鋼等の鋼材であり、カムシャフトの場合は例えば鋳鉄等である。
In the present embodiment, the object to be processed 2 is a plurality of metal products such as a crankshaft or a camshaft, for example, and is supported by a
加熱炉3は炉体21を備えており、この炉体21の内部空間が加熱室S1となっている。炉体21の入口側には、被処理体2の搬入口22と、搬入口22を開閉するシャッター23が設けられている。炉体21の出口側には、被処理体2の搬出口25と、搬出口25を開閉するシャッター26が設けられている。シャッター26は、シャッター室15内において移動するようになっている。また、加熱室S1には、被処理体2を加熱室S1において搬送するチェーンコンベア31(図2参照)、加熱室S1内の被処理体2を放射熱によって加熱する加熱室ヒータ(図示せず)、加熱室S1内の雰囲気を攪拌する攪拌機構34(ファン)が設けられている。さらに、加熱室S1には、加熱室S1内を減圧(真空引き)する加熱室減圧機構42と、加熱室S1内に加熱用ガス又はパージ用ガスとして例えば窒素ガス(N2)を供給する加熱室ガス供給路43が接続されている(図2参照)。
The
窒化炉4は、いわゆる横型炉の構造になっており、例えば長さ方向(軸方向)を搬送方向Dに向けた略円筒状をなす炉体51を備え、この炉体51の内部空間が窒化室S2となっている。炉体51は、金属(導体)によって構成されている。炉体51の入口側には、被処理体2の搬入口52と、搬入口52を開閉するシャッター53が設けられている。シャッター53は、シャッター室15内において移動するようになっている(図2参照)。炉体51の出口側には、被処理体2の搬出口55と、搬出口55を開閉するシャッター56が設けられている。シャッター56は、シャッター室16内において移動するようになっている。
The nitriding
図3及び図4に示すように、窒化室S2には、被処理体2を窒化室S2において搬送するチェーンコンベア61、被処理体2を放射熱によって加熱するヒータ62(窒化室ヒータ)が設けられている。さらに、ヒータ62の発熱が拡散して炉体51等に奪われることを抑制する熱遮蔽体63(窒化室熱遮蔽体)、熱遮蔽体63の入口側の開口部分を開閉する入口側熱遮蔽扉64、熱遮蔽体63の出口側の開口部分を開閉する出口側熱遮蔽扉65が設けられている。また、被処理体2を窒化室S2内でチェーンコンベア61に対して昇降移動させる被処理体昇降機構66が備えられている。被処理体昇降機構66には、電極体67が設けられている。炉体51には、炉体51を冷却する冷却水を通過させる冷却水路68が内蔵されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the nitriding chamber S <b> 2 is provided with a
ヒータ62は、熱遮蔽体63(後述する側壁部63a、63b)の内側に設けられている。図示の例では、熱遮蔽体63の内面に沿って、被処理体2の側方にそれぞれ配置されるように設けられており、被処理体2を両側全体から加熱するようになっている。ヒータ62には、電源ユニット18から交流電源が供給される。
The
熱遮蔽体63は、図4に示すように、搬送方向Dからみて略コの字状をなし、チェーンコンベア61又は被処理体昇降機構66によって保持された状態の被処理体2の側方(被処理体2の幅方向において両側)にそれぞれ備えられる側壁部63a、63bと、被処理体2の上方に備えられる上板部63cとを有している。即ち、窒化室S2内の被処理体2の周囲において、被処理体2の側方及び上方を囲むように設けられている。なお、熱遮蔽体63は、断熱性の高い材質(断熱材)によって形成しても良い。
As shown in FIG. 4, the
上板部63cの中央部(即ち、チェーンコンベア61又は被処理体昇降機構66によって保持された被処理体2の上方)には、開口81が設けられている。図示の例では、開口81は、上方からみた平面視において、窒化処理を行う際の所定位置に配置された被処理体2の上部中央に重なるような位置に設けられている。開口81の周縁部には、開口壁体82が備えられている。開口壁体82は、開口81の周縁部から外側(上板部63cの上方)に向かって立設され、また、開口81の周縁部全体に沿って設けられている。開口81と開口壁体82の上方には、開口81(開口壁体82の上部開口)を開閉させる蓋体83が設けられている。蓋体83は、炉体51の天井部に取り付けられている蓋体昇降機構84(蓋体移動機構)の下端部によって支持されており、蓋体昇降機構84の作動により、略鉛直方向に沿って昇降し、開口81を開閉するようになっている。
An
被処理体昇降機構66は、被処理体2に対して電圧を印加するための電極体67と、電極体67を窒化室S2内において昇降させる昇降機112と、電極体67を昇降機112から絶縁させる絶縁体113とを備えている。電極体67は、窒化室S2内においてチェーンコンベア61の内側(チェーンベルトの間)に設けられている(図5参照)。
The
各電極体67には、窒化室S2の外部に設けられているプラズマ用電源115(直流電源)の陰極(第一の極性の電極)が、配線等を介して接続されている。一方、プラズマ用電源115の陽極(第二の極性の電極)は、例えば炉体51に対して配線等を介して接続されている。即ち、本実施形態において、被処理体2の周囲に配置される放電用導体物とは、炉体51のことである。放電用導体物としての炉体51には、電極体67(被処理体2)に対して反対極性の電極が接続されるようになっている。
A cathode (first polarity electrode) of a plasma power supply 115 (DC power supply) provided outside the nitriding chamber S2 is connected to each
また、炉体51と電極体67は、絶縁体113によって電気的に絶縁されている。即ち、絶縁体113を設けることで、プラズマ用電源115の陰極と陽極が短絡して電圧が低下すること、アーク放電等の異常放電が生じて処理効率が低下すること等を防止するようになっている。また、図5に示すように、電極体67によって被処理体2を支持し、昇降機112によって絶縁体113及び電極体67を上昇させると、被処理体2をチェーンコンベア61から持ち上げ、電極体67以外の部分から絶縁した状態にすることが可能な構成になっている。絶縁体113は、耐熱性、電気絶縁性等が高い材質、例えばセラミックス等によって形成されている。
Further, the
窒化炉4には、被処理体2の温度を測定するための温度測定部材120が備えられている。図6に示すように、温度測定部材120は、中空の円筒形状をなす保護管(シース)121の内部に、温度計としての熱電対122を内蔵した構成である。保護管121の先端(図6では、保護管121の左端)は、塞がれている。保護管121は、例えばSUS310などの金属あるいはセラミックス等、耐熱性及び剛性が高い材質からなる。
The
熱電対122は、2本の熱電対素線125、126(金属線)を備えている。各熱電対素線125、126は、保護管121の内部において、保護管121の長さ方向に沿ってそれぞれ延設されている。温度測定部材120(保護管121)の先端部には、熱電対122の測温部である接合部127が内蔵されている。なお、温度測定部材120(保護管121)の先端部とは、保護管121の先端面121’と先端面121’近傍の保護管121の周面部分121”である。温度測定部材120(保護管121)の内部全体には、絶縁性を有する充填材128が充填されている。これにより、温度測定部材120(保護管121)の内部には、熱電対122が電気的に絶縁された状態で保持されている。
The
温度測定部材120(保護管121)の基端部は、取り付け具130およびシール部材131を介して、炉体51に支持されている。炉体51の内部において、温度測定部材120(保護管121)は、熱遮蔽体63(側壁部63b)およびヒータ62を厚さ方向に貫通し、温度測定部材120(保護管121)の先端部は、熱遮蔽体63およびヒータ62の内部に配置されている。熱遮蔽体63(側壁部63b)およびヒータ62に対する温度測定部材120(保護管121)の貫通部には、適当なシール部材132が配置されている。このシール部材132および温度測定部材120(保護管121)の基端部に配置されるシール部材131はいずれも絶縁材料からなる。これにより、温度測定部材120は、炉体51、熱遮蔽体63、ヒータ62等から電気的に絶縁されている。
また、さまざまな前記被処理体2に対応できるように、前記温度測定部材120は前記被処理体2に対して距離が調節できる機構、手段を有することが好ましい。例えば、前記温度測定部材120と前記シール部材132、前記取り付け具130と前記シール部材131は、摺動可能な機構を有しており、被処理体との距離の調節が可能であることが好ましい。また、前記取り付け具128と前記シール部材131は摺動可能且つ気密性を保持できるように、例えば真空用のOリング等(図示しない)を介して設置される。
前記被処理体2と前記温度測定部材120の先端の間が放電の影響のない略最小距離、すなわち5〜30mmの範囲で調節可能とするのが好ましい。また、炉外から前記距離が被処理体に合わせて調節できるようになっていることが好ましい。さらにラック・アンド・ピニオンギアなどの機構を用いて精度よく簡単に距離を調節可能とするようにしても良い。
従来はこのような距離を調節する機構、手段がないためもあり、被処理体に近づけての正確な温度測定が困難であった。
The proximal end portion of the temperature measuring member 120 (protective tube 121) is supported by the
Moreover, it is preferable that the
It is preferable that the distance between the object to be processed 2 and the tip of the
Conventionally, there is no mechanism or means for adjusting the distance, and it has been difficult to accurately measure the temperature close to the object to be processed.
温度測定部材120の先端(保護管121の先端面121’)は、窒化室S2内に収納された被処理体2の表面から所定の距離L、すなわち放電の影響がない略最小距離だけ離れた位置に配置されている。この場合、距離Lは5〜30mm、好ましくは5〜20mm、5〜10mmの範囲である。
放電の影響があるかどうかは、例えば炉体に耐熱窓(図示しない)を設けて直接温度測定部材120の先端部と被処理体2の間を見て放電がないか確認できるようにしたり、温度測定部材120からの出力と時間の経過の関係をレコーダーで記録して異常な振れがないか(異常放電などによる)を確認することから可能である。
また、距離の調節および確認は、前記耐熱窓からの確認、あるいは予め被処理体の形状はわかるのでその形状に基づいて距離を設定することなどにより、実施することができる。
The front end of the temperature measuring member 120 (the
Whether or not there is an influence of discharge, for example, by providing a heat-resistant window (not shown) in the furnace body, it is possible to confirm whether there is no discharge by directly looking between the tip of the
Further, the adjustment and confirmation of the distance can be carried out by confirmation from the heat-resistant window or by setting the distance based on the shape since the shape of the object to be processed is known in advance.
また、温度測定部材120(保護管121)の先端部には、黒色の塗料132が塗布するのか好ましい。これにより、保護管121の先端面121’と先端面121’近傍の保護管121の周面部分121”の外表面は、塗料132によって黒色に着色されている。この場合、黒色の塗料132には、例えばシリコン樹脂を主成分とする耐熱インクが好適に用いられ、一例として、オキツモ株式会社製の耐熱耐候マーカー(黒)が用いられる。
Moreover, it is preferable that the
温度測定部材120(保護管121)に内蔵されている熱電対122(熱電対素線125、126)は、炉体51の外部に設置されている温度検出部135に対して、配線等を介して電気的に接続されている。即ち、熱電対122に生じた熱起電力が、温度検出部135によって検出され、これに基づいて、熱電対122の接合部127における温度が測定される構成になっている。さらに、温度検出部135において測定された測定値は、温度検出部135から制御部17に送信されるようになっている。
The thermocouple 122 (
窒化室S2には、図3に示すように、窒化室S2内を減圧(真空引き)する窒化室減圧路141が接続されている。窒化室減圧路141は、窒化室S2の外部において、例えば真空ポンプ等を備えた減圧機構142(窒化室減圧機構)に接続されている。さらに、窒化室S2内に例えば窒素ガス(N2)、水素ガス(H2)、プロパンガス(C3H8)等の炭化水素系のガス、アンモニアガス(NH3)等を処理ガス又はパージ用ガスとして供給する窒化室ガス供給路143が設けられている。窒化室ガス供給路143は、窒化室S2の外部において、窒化室ガス供給源ユニット145に接続されている。窒化室ガス供給源ユニット145には、窒素ガス供給源145a、水素ガス供給源145b、プロパンガス供給源145c、アンモニアガス供給源145dが設けられている。
As shown in FIG. 3, a nitriding chamber
冷却部5は、図2に示すように、筐体151を備えており、この筐体151の内部空間が冷却室S3となっている。筐体151の入口側には、被処理体2の搬入口152と、搬入口152を開閉するシャッター153が設けられている。シャッター153は、シャッター室16内において移動するようになっている。筐体151の出口側には、被処理体2の搬出口155と、搬出口155を開閉するシャッター156が設けられている。また、冷却室S3には、被処理体2を冷却室S3において搬送するチェーンコンベア161、冷却室S3内の雰囲気を攪拌する攪拌機構164(ファン)が設けられている。さらに、冷却室S3には、冷却室S3内を減圧(真空引き)する冷却室減圧機構172、冷却室S3内に冷却用ガス又はパージ用ガスとして例えば窒素ガス(N2)を供給する冷却室ガス供給路173が接続されている。
As shown in FIG. 2, the
被処理体搬送機構6は、図2に示すように、前述した加熱室S1のチェーンコンベア31、窒化室S2のチェーンコンベア61、冷却室S3のチェーンコンベア161、シャッター室15に設けられているローラ181、シャッター室16に設けられているローラ182を備えている。
As shown in FIG. 2, the
上述したプラズマ窒化処理システム1の各部の機能要素は、制御部17(図1参照)の命令によって制御される。制御部17は、例えば汎用コンピュータ等を備え、所定の処理レシピに従って被処理体2を自動的に処理する制御を行うように構成されている。即ち、制御部17の制御により、後述する加熱処理、窒化処理、冷却処理を自動的に行わせることができる。
The functional elements of each part of the above-described
前述したように、制御部17には、温度検出部135から熱電対122の測定値が送信されるようになっている。制御部17は、温度検出部135から送信された測定値に基づいて、ヒータ62の発熱量(電源ユニット18の電圧)、冷却水路68における冷却水の流量、蓋体昇降機構84による蓋体83の移動量(開口81の開度)、プラズマ用電源115の電圧等を調節することができ、これにより、窒化室S2内の被処理体2の温度を制御できるようなっている。
As described above, the measurement value of the
また、図示はしないが、プラズマ窒化処理システム1には、加熱室S1の温度、圧力、窒化室S2の圧力、冷却室S3内の温度、圧力等をそれぞれ検出する温度計、圧力計等の検出センサが設けられており、それらの検出値も制御部17に送信されるように構成されている。即ち、制御部17は、各検出センサの検出値に基づいて、プラズマ窒化処理システム1の各部を制御するようになっている。
Although not shown, the
次に、以上のように構成されたプラズマ窒化処理システム1を用いたプラズマ窒化(イオン窒化)処理方法について説明する。先ず、加熱室S1に被処理体2が搬入される。即ち、被処理体2が搬入機11から搬入口22を通じて加熱室S1に搬送され、チェーンコンベア31上に受け渡される。
Next, a plasma nitriding (ion nitriding) processing method using the plasma
搬入口22が閉じられて加熱室S1内が密閉されると、加熱室減圧機構42の作動により、加熱室S1内が減圧され、略真空状態(例えば約0.1Torr程度(約13.3Pa程度))にされる。その後、加熱室ガス供給路43を通じて加熱室S1内に窒素ガスが供給される。これにより、加熱室S1内から酸化性雰囲気(O2)が排出され、加熱室S1内が窒素ガスによってパージされ、処理圧力(加熱室S1の圧力)は、例えば約500Torr程度(約66.7kPa程度)にされる。そして、図示しないヒータの発熱によって、チェーンコンベア31上の被処理体2が例えば約500℃程度まで加熱される。
When the
一方、窒化室S2においては、窒化室S2の搬入口52、搬出口55がそれぞれシャッター53、56によって閉じられ、窒化室S2が密閉状態にされた状態で、減圧機構142の作動により、窒化室S2内が減圧された状態(例えば約1Torr程度(約133.3Pa程度))になっている。また、窒化室ガス供給路143を通じて窒化室S2内に窒素ガスが供給された状態になっている。即ち、窒化室S2内は窒素ガスによってパージされている。さらに、窒化室S2内の温度は、ヒータ62の発熱によって所定温度(例えば約500℃〜550℃程度)に昇温されている。また、冷却水路68には、冷却水が適宜供給される。即ち、窒化室S2内の温度は、ヒータ62の発熱量と冷却水路68の冷却水の流量を調節することによって、所定の温度に制御されている。
On the other hand, in the nitriding chamber S2, the carrying-in
加熱室S1における加熱処理が終了すると、再び減圧機構42が作動させられ、加熱室S1内が窒化室S2の圧力と同程度(例えば約1Torr程度)に減圧される。その後、搬出口25、搬入口52がそれぞれ開かれ、加熱室S1と窒化室S2が、シャッター室15を通じて互いに連通させられる。窒化室S2では、入口側熱遮蔽扉64が移動させられ、熱遮蔽体63の入口側が開かれる。
When the heat treatment in the heating chamber S1 is completed, the
かかる状態において、被処理体2が搬送方向Dに沿って移動させられ、加熱室S1から搬出口25、シャッター室15、搬入口52を通じて、窒化室S2に搬送される。即ち、被処理体2がチェーンコンベア31上からチェーンコンベア61上に受け渡される。被処理体2が窒化室S2に搬入されると、窒化室S2の搬入口52が閉じられ、窒化室S2内は、再び密閉状態にされる。
In this state, the
窒化室S2に搬入された被処理体2は、チェーンコンベア61の駆動により、熱遮蔽体63の内側の所定位置に搬送された後、静止させられる。熱遮蔽体63の入口側と出口側は、入口側熱遮蔽扉64、出口側熱遮蔽扉65によってそれぞれ閉じられる。さらに、被処理体昇降機構66の駆動により電極体67が上昇させられ、チェーンコンベア61上に保持されている被処理体2が電極体67によって押し上げられる。即ち、被処理体2はチェーンコンベア61から上方に離隔し、熱遮蔽体63の内側において電極体67上に載せられた状態となり、かつ、電極体67以外の部分(昇降機112、炉体51、チェーンコンベア61等)から電気的に絶縁された状態になる。こうして、被処理体2は、被処理体昇降機構66に支持された状態で、所定の高さで静止させられ、熱遮蔽体63、入口側熱遮蔽扉64、出口側熱遮蔽扉65によって囲まれた状態になる。なお、この状態においては、被処理体2の側部には、温度測定部材120が配置され、温度測定部材120の先端(保護管121の先端面121’)と、窒化室S2内に収納された被処理体2の表面との距離Lが放電の影響がない略最小距離である5〜30mm、好ましくは5〜20mm、さらには好ましくは5〜10mmの範囲となるようにする。距離の調整は、前記被処理体から前記温度測定部材の距離を調節する機構で、実施する。
また、温度測定部材の先端部を、黒色に着色したことによって、温度測定部材の先端部の熱吸収が良く、被処理体の温度を精度良く測定できる。
The
Further, since the tip of the temperature measuring member is colored black, the heat absorption of the tip of the temperature measuring member is good, and the temperature of the object to be processed can be measured with high accuracy.
そして、被処理体2が窒化室S2に搬入され、搬入口52が閉じられて窒化室S2内が密閉されると、窒化室ガス供給路143を通じて窒化室S2内に窒素ガスを含む処理ガス(例えば窒素ガス、水素ガス、プロパンガス、アンモニアガス等の混合流体)が供給される。これにより、窒化室S2内の圧力が、所定の処理圧力(例えば約300Pa〜400Pa程度)に昇圧される。
When the object to be processed 2 is carried into the nitriding chamber S2, the
こうして、窒化室S2内に処理ガスが供給され、被処理体2が電極体67によって支持された状態において、プラズマ用電源115によって例えば400Vのプラズマ電圧が印加され、窒化処理が行われる。即ち、電極体67及び被処理体2が陰極となり、炉体5が陽極となって、両極間にグロー放電が起こり、窒化室S2内の処理ガスがイオン化されてプラズマが発生する。そして、イオン化した処理ガス(窒素イオン)は、被処理体2に対して衝突し、被処理体2の表面に浸入する。これにより、被処理体2の表面に、窒化鉄層が形成される。
Thus, in a state where the processing gas is supplied into the nitriding chamber S2 and the
また、窒化処理が行われる間、窒化室S2内の処理温度、被処理体2の温度は、温度測定部材120(保護管121)の先端部に内蔵されている熱電対122の接合部127において測定され、温度検出部135から制御部17に送信される。そして、被処理体2の温度が目標値に近づくように、ヒータ62の発熱量等が制御される。これにより、被処理体2の実際の温度が、目標値(例えば約500℃〜550℃程度)となるように調節される。
Further, during the nitriding process, the processing temperature in the nitriding chamber S2 and the temperature of the object to be processed 2 are measured at the
この場合、温度測定部材120の先端(保護管121の先端面121’)と、窒化室S2内に収納された被処理体2の表面との距離Lが5〜30mmの範囲にあり、また、保護管121の先端部の外表面が塗料132によって黒色に着色されていることにより、被処理体2の温度が温度測定部材120の先端部に効率良く吸収され、熱電対122によって被処理体2の温度を精度良く測定でき、例えば温度誤差を5℃以内から数℃以内程度に抑えることができるようになる。これにより、制御部17は、熱電対122による精度の良い測定値を利用して、被処理体2の温度を適切に制御することができる。
In this case, the distance L between the tip of the temperature measuring member 120 (
以上のようにして、窒化室S2における窒化処理が終了すると、プラズマ用電源115による電圧の供給が停止され、グロー放電が停止される。また、被処理体昇降機構66の駆動により、電極体67と被処理体2が下降させられる。すると、被処理体2が電極体67からチェーンコンベア61に受け渡され、電極体67は、チェーンコンベア61及び被処理体2の下方に下降させられる。また、出口側熱遮蔽扉65が移動させられ、出口側通過口63eが開かれる。さらに、搬出口55、搬入口152それぞれ開かれ、窒化室S2と冷却室S3が、シャッター室16を通じて互いに連通させられる。
As described above, when the nitriding process in the nitriding chamber S2 is completed, the supply of voltage by the
かかる状態において、被処理体2が搬送方向Dに沿って移動させられ、熱遮蔽体63の内側から出口側通過口63e、搬出口55、シャッター室16、搬入口152を通じて、冷却室S3に搬送される。即ち、被処理体2がチェーンコンベア61上からチェーンコンベア161上に受け渡される。被処理体2が冷却室S3に搬入されると、冷却室S3の搬入口152が閉じられ、冷却室S3内が密閉状態にされる。
In this state, the
冷却室S3に搬入された被処理体2は、チェーンコンベア161の駆動により、冷却室S3の所定位置に搬送され、静止させられる。また、冷却室S3に冷却室ガス供給路173を通じて窒素ガスが供給され、冷却室S3内が所定の処理圧力(例えば約500Torr程度)に昇圧され、冷却処理が行われる。被処理体2から放熱される熱は、冷却室S3内の窒素ガス、筐体151等を介して、図示しない冷却水路内の冷却水に伝達し、冷却水と共に冷却部5から排熱される。かかる冷却処理により、被処理体2の温度は、約500℃〜550℃程度から約100℃〜150℃程度まで下げられる。
The object to be processed 2 carried into the cooling chamber S3 is conveyed to a predetermined position in the cooling chamber S3 by the driving of the
冷却処理が終了すると、搬出口155か開かれ、チェーンコンベア161の駆動により、被処理体2が冷却室S3から搬出口155を通じて搬出機12上に受け渡される。以上のようにして、プラズマ窒化処理システム1における一連の処理工程が終了する。
When the cooling process is completed, the carry-out
なお、プラズマ窒化処理システム1では、複数の被処理体2を連続的に並行して処理できる。即ち、加熱室S1においては加熱処理、窒化室S2においては窒化処理、冷却室S1において冷却処理をそれぞれ行いながら、複数の被処理体2を連続的に、効率的に処理することができる。
In the
以上説明したように、かかるプラズマ窒化処理システム1の窒化炉4においては、温度測定部材120の先端が、窒化室S2内に収納された被処理体2の表面から放電の影響がない略最小距離の5〜10mm離れた位置に配置されており、温度測定部材120に内蔵された熱電対122は、炉体51、熱遮蔽体63、ヒータ62等から電気的に絶縁されているので、熱電対122が放電の影響によって損傷されることを防止できる。従って、熱電対122の長寿命化を図ることができる。また、温度測定部材120によって、被処理体2の温度を非接触で測定できるので、自動化設備に対応できる。放電の影響のない略最小距離とは、雰囲気、温度、圧力、放電の電圧などの条件にもよるが、5〜30mmの範囲で調整すればよく、好ましくは5〜10mm程度である。
As described above, in the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this example. It is obvious for those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims. It is understood that it belongs to.
例えば以上の実施形態では、被処理体2として鉄系合金からなるクランクシャフト、カムシャフト等を例示したが、被処理体2とはかかるものに限定されず、本実施形態は、様々な材質に対するプラズマ窒化に適用できる。 For example, in the above embodiment, a crankshaft made of an iron-based alloy, a camshaft, and the like are illustrated as the object to be processed 2, but the object to be processed 2 is not limited to this, and the present embodiment is applicable to various materials. Applicable to plasma nitriding.
窒化炉4に設けるヒータ62、熱遮蔽体63、開口81、開口壁体82、蓋体83等の形状や配置等も、以上の実施形態には限定されない。例えばヒータ62は、窒化室S2内の被処理体2の側方だけでなく、上方に設けても良い。
The shape, arrangement, and the like of the
また、温度測定部材120の形状の形状等も、以上の実施形態には限定されない。例えば温度測定部材120の先端部のみを着色する構成としたが、勿論、温度測定部材120の先端部以外の部分まで黒色に着色しても良い。
Further, the shape of the
温度測定部材120を配置する位置は、被処理体2の側方には限定されない。例えば、被処理体2の上方、即ち、上板部63cと被処理体2の上部との間であっても良いし、被処理体2の下方、前方、後方等であっても良い。
The position where the
なお、例えば開口81と被処理体2との間に温度測定部材120を設けるようにすると、開口81の開度(蓋体83と開口81との間の距離)を、熱電対122の測定値に基づいて、より好適に調節できるようになる。即ち、窒化炉4においては、開口81を開閉させることで、被処理体2から開口81を通じて外側に放出される放熱量を増減でき、これにより、開口81に対向する部分(以上の実施形態では被処理体2の上部中央部分)の温度を調節できるようになっているが、そのような開口81に対向する部分の実際の温度に近い測定値を検出することができる。そして、制御部17においては、その測定値を用いて、開口81の適切な開度を計算することができる。即ち、開口81に対向する部分の温度を、所望の値に制御することができる。特に、以上の実施形態のような窒化炉4においては、開口81の開度が小さいと、被処理体2の上部中央部分の温度が他の部分(被処理体2の側部、下部など)と比較して高温になりやすい傾向があるが、そのような最も高温になりやすい部分の温度を測定し、開口81の開度を調節することで、被処理体2の温度分布の均一化を図ることができる。ひいては、被処理体2の処理むらを防止できる。
For example, when the
また、窒化室S2内の複数箇所に、温度測定部材120を接地し、窒化室S2内の複数箇所の温度を測定するようにしても良い。この場合には、温度測定部材120の数に対応して制御できる複数のヒーターを持つことが好ましい。
また、被処理体2の放射温度を非接触状態で測定する被処理体用放射温度計等を備え、それらの測定値も加えて、被処理体2の実際の温度を推定するようにしても良い。ただし放射温度計は本発明のプラズマ処理炉の温度制御の目的に対し放射温度計そのものの測定精度が低いため、補助的に使用することが好ましい。
Alternatively, the
Further, a radiation thermometer for the object to be processed that measures the radiation temperature of the object to be processed 2 in a non-contact state is provided, and the actual temperature of the object to be processed 2 is estimated by adding those measured values. good. However, the radiation thermometer is preferably used supplementarily because the measurement accuracy of the radiation thermometer itself is low for the purpose of temperature control of the plasma processing furnace of the present invention.
また、以上の実施形態では、炉体51にプラズマ用電源115の陽極が接続されている、即ち、炉体51が放電用導体物であるとしたが、プラズマ用電源115の陽極は、他の部材に接続しても良い。例えば、炉体51の内側(炉体51と熱遮蔽体63との間)、あるいは、熱遮蔽体63の内側(ヒータ62と被処理体2との間)等に、放電用導体物を備え、その放電用導体物にプラズマ用電源115の陽極を接続しても良い。要するに、窒化室S2内において、放電用導体物と被処理体2との間、及び、放電用導体物とダミー120との間にグロー放電が生じるような構成であれば良い。
Further, in the above embodiment, the anode of the
さらに、窒化炉4の構成は、以上の実施形態に示したプラズマ窒化処理システム1のような連続式の処理システム(複数の処理室を備え、加熱処理、プラズマを利用した処理、冷却処理等の複数種類の処理を互いに異なる処理室で行うシステム)には限定されず、バッチ型のプラズマ処理システム(複数種類の処理を同一の処理室で行うシステム)にも適用できる。即ち、例えば加熱処理と窒化処理を互いに同一の処理室内で行う構成、あるいは、加熱処理と窒化処理と冷却処理を互いに同一の処理室内で行う構成等にも適用できる。
Furthermore, the configuration of the
また、窒化炉4の構成は、以上の実施形態で説明したような横型炉(被処理体を横方向に移動させ、処理室の側方から搬入出させる構造)には限定されず、竪型炉(被処理体を上下方向に移動させ、処理室の下方から搬入出させる構造)にも適用できる。
Further, the configuration of the
また、本実施形態は、プラズマ窒化処理以外にも、例えばプラズマ浸炭処理、プラズマ浸炭窒化処理等、プラズマを利用した様々な処理に適用することが可能である。即ち、プラズマ処理炉とは窒化炉(プラズマ窒化炉)には限定されず、例えばプラズマ浸炭炉、プラズマ浸炭窒化炉等であっても良い。 In addition to the plasma nitriding process, the present embodiment can be applied to various processes using plasma such as a plasma carburizing process and a plasma carbonitriding process. That is, the plasma processing furnace is not limited to a nitriding furnace (plasma nitriding furnace), and may be a plasma carburizing furnace, a plasma carbonitriding furnace, or the like.
本発明は、金属製品等の表面処理を行うプラズマ処理炉及びプラズマ処理方法等に適用できる。 The present invention can be applied to a plasma processing furnace and a plasma processing method for performing a surface treatment of a metal product or the like.
D 搬送方向
S1 加熱室
S2 窒化室
S3 冷却室
1 プラズマ窒化処理システム
2 被処理体
3 加熱炉
4 窒化炉
5 冷却部
17 制御部
51 炉体
115 プラズマ用電源
120 温度測定部材
121 保護管
122 熱電対
127 接合部
132 塗料
135 温度検出部
D Transport direction S1 Heating chamber S2 Nitriding chamber
Claims (8)
先端部に温度計の測温部を内蔵する温度測定部材を備え、
前記温度測定部材は、前記放電用導体物および前記被処理体から電気的に絶縁され、
前記温度測定部材の先端は、前記被処理体から放電の影響がない略最小距離の位置に配置され、
前記被処理体からの放電の影響を確認するために、前記温度測定部材の先端部と前記被処理体の間を見ることができる炉体の耐熱窓、または、前記温度測定部材からの出力と時間の経過との関係を記録するレコーダーのうち、少なくとも一方の手段を備えていることを特徴とする、プラズマ処理炉。 Accommodating the article to be processed in the processing chamber, by applying a predetermined voltage between the discharge conductor material and the object, by generating Oite plasma in the processing chamber to process the object to be processed plasma A processing furnace,
Equipped with a temperature measurement member with a built-in thermometer at the tip,
The temperature measuring member is electrically insulated from the discharge conductor and the object to be processed,
The tip of the temperature measurement member is disposed at a position at a substantially minimum distance where there is no influence of discharge from the object to be processed ,
In order to confirm the influence of the discharge from the object to be processed, the heat-resistant window of the furnace body that can be seen between the tip of the temperature measuring member and the object to be processed, or the output from the temperature measuring member A plasma processing furnace comprising at least one of a recorder for recording a relationship with the passage of time .
先端部に温度計の測温部を内蔵する温度測定部材を備え、前記温度測定部材は、前記放電用導体物および前記被処理体から電気的に絶縁し、 A temperature measuring member including a temperature measuring part of a thermometer at a distal end portion, the temperature measuring member is electrically insulated from the discharge conductor and the object to be processed,
前記温度測定部材の先端は、前記被処理体から放電の影響がない最小距離の位置に配置された状態で前記被処理体の温度を測定し、 The tip of the temperature measurement member measures the temperature of the object to be processed in a state where it is disposed at a position at a minimum distance where there is no influence of discharge from the object to be processed,
前記最小距離は、炉体に設けられた耐熱窓から前記温度測定部材の先端部と前記被処理体の間を見ること、または、前記温度測定部材からの出力と時間の経過の関係をレコーダーで記録すること、のうち少なくともいずれかにより放電の影響を確認して決定することを特徴とする、プラズマ処理炉の被処理体の温度測定方法。 The minimum distance is determined by looking between the tip of the temperature measuring member and the object to be processed from a heat-resistant window provided in the furnace body, or by using a recorder to determine the relationship between the output from the temperature measuring member and the passage of time. A method for measuring a temperature of an object to be processed in a plasma processing furnace, wherein the effect of discharge is confirmed and determined by at least one of recording.
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