JP5930827B2 - 表面処理装置及び表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼材を加熱しつつ投射材を噴射して鉄鋼材表面に金属拡散層を形成すると共に、窒化を施す表面処理装置及び表面処理方法に関し、特に硬度を向上させることができる技術に関する。

鉄鋼材料はその使用環境、用途、求められる特性により様々なものが存在する．特に、ステンレス鋼は強度、耐食性ともに優れた材料であり、機械部品に要求される特性はある程度満たしているといえる。しかしながら、ステンレス鋼はレアメタルが合金元素として多量に添加されているため、炭素鋼と比較すると非常に高価である。このため、安価に供給される炭素鋼を母材として用い、その表層部のみに合金元素を拡散させ、材料特性が向上できれば、レアメタルの使用量を極限まで低下させることが可能となる。

このように表層部のみに合金元素を付与する方法の１つとして、鉄鋼材等の金属材からなる基材に微粒子の投射材を噴射して表面処理を施す方法が知られている。（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１６３６８６号公報

上述した鉄鋼材の表面処理方法では、次のような問題があった。すなわち、金属拡散層を形成すると、加熱に伴う脱炭効果により鉄鋼材の硬度が低下し、耐腐食性は向上するものの、機械部品としての条件を満たさなかった。

そこで本発明は、鉄鋼材の耐腐食性・硬度を向上させることができる表面処理装置及び表面処理方法を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の表面処理装置及び表面処理方法は次のように構成されている。

鉄鋼材表面にこの鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子による投射処理及び窒化処理を施す表面処理装置において、チャンバと、このチャンバ内に不活性ガスを導入する不活性ガス供給部と、前記チャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて金属粒子を噴射させる投射材噴射部と、前記投射処理が完了した鉄鋼材に窒化処理を施す窒化処理部とを具備し、前記窒化処理部は、プラズマチャンバと、このプラズマチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する第２支持部と、前記プラズマチャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス供給部と、前記第２支持部と前記プラズマチャンバ内に配置された電極との間に高圧を印加し、プラズマを発生させるプラズマ発生部とを備えていることを特徴とする。

チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にこの鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子による投射処理及び窒化処理を施す表面処理方法において、前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、前記鉄鋼材表面に金属粒子を噴射する噴射工程と、前記鉄鋼材表面に窒化処理を施す窒化処理工程とを具備し、前記窒化処理工程は、第２チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入工程と、前記第２チャンバ内にプラズマを発生させて前記鉄鋼材を窒化するプラズマ窒化工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、鉄鋼材の耐腐食性・硬度を向上させることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る表面処理装置の構成を示す説明図。 同表面処理装置の投射処理における時間と温度変化との関係を示す説明図。 同表面処理装置の窒化処理における時間と温度変化との関係を示す説明図。 同表面処理装置において投射処理された鉄鋼材の表面からの深さと硬度との関係を示す説明図。 同表面処理装置において投射処理された鉄鋼材の表面からの深さと硬度との関係を示す説明図。 同表面処理装置における投射処理条件の一例を示す説明図。 同表面処理装置において投射処理・窒化処理された鉄鋼材の表面からの深さと硬度との関係を示す説明図。 同表面処理装置において投射処理・窒化処理された鉄鋼材の表面からの深さと硬度との関係を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態に係る表面処理装置の構成を示す説明図。 同表面処理装置において窒化処理された鉄鋼材の表面からの深さと硬度との関係を示す説明図。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る表面処理装置１００の概略構成を示す説明図、図２は表面処理装置１００の投射処理における時間と温度変化との関係を示す説明図、図３は表面処理装置１００の窒化処理における時間と温度変化との関係を示す説明図である。

表面処理装置１００は、鉄鋼材Ｗを誘導加熱しつつ投射材Ｐを噴射して投射処理、及び、窒素雰囲気下で加熱することで窒化処理を行う機能を有している。なお、鉄鋼材Ｗとしては、例えばＳ４５Ｃ、投射材Ｐとしては、金属粒子としてＣｒ粒子が用いられる。なお、Ｃｒ粒子に代わるものとしては、ヒューム・ロザリーの法則によれば、溶質原子と溶媒原子の半径の差が１５％以内であれば、溶質原子が溶媒原子に対して置換型固溶体を形成しやすいことが知られている。このため、金属粒子としては、Ｃｒ粒子の他、ＮｉＯ粒子やＳｉ粒子も適用可能である。

図１に示すように、表面処理装置１００は、気密に形成されたチャンバ１１０を備えている。チャンバ１１０内には、鉄鋼材Ｗを載置する支持台１２０と、この支持台１２０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１３０と、支持台１２０に向けて投射材又は不活性ガスを噴射する噴射ノズル（投射材噴射部）１４０とが設けられている。

支持台１２０には、鉄鋼材Ｗの表面温度を測定する温度センサ１２１が設けられている。温度センサ１２１の出力は制御部３００に接続されている。

誘導加熱コイル１３０は、チャンバ１１０外に設けられた高周波印加装置２００に接続され、所定の周波数の高周波電流が印加される。

チャンバ１１０内には、噴射ノズル１４０が設けられ、支持台１２０に向けられたノズル１４１を備えている。噴射ノズル１４０には、電磁弁１４２を介して窒素ガス（不活性ガス）を供給するガスボンベ１６０及び流量弁・圧力調整弁１６１に接続されている。流量弁・圧力調整弁１６１では、窒素ガスを吸引式の噴射圧で例えば、０．３ＭＰａ以上となるように制御する。

噴射ノズル１４０には、さらに電磁弁１４２Ａを介してアンモニアガスを供給するガスボンベ１６０Ａ及び流量弁・圧力調整弁１６１Ａに接続されている。

流量弁・圧力調整弁１６１は、さらに粒子フィーダ１５０に接続されたフィーダライン１５１に接続されている。フィーダライン１５１には粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４が設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｐが供給されている。

高周波印加装置２００は、単一、或いは複数の周波数の高周波電流を誘導加熱コイル１３０に印加し、鉄鋼材Ｗを誘導加熱する。

図１中３００は、表面処理装置１００の各部を制御する制御部を示している。制御部３００は、作業者の設定、予め設定されたプログラム、センサ出力等の情報に基づいて、高周波印加装置２００、電磁弁１４２、粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４、鉄鋼材Ｗの加熱、投射材Ｐの噴射速度・噴射量、窒素ガスの噴射・噴射タイミング等を調整する。

このように構成された表面処理装置１００では、投射材Ｐの投射処理と、ガス窒化による窒化処理を行う。

図２に示すように、表面処理装置１００の投射処理においては、チャンバ１１０内を窒素ガス（不活性ガス）で置換し（置換工程）、鉄鋼材Ｗを１０秒間で９００℃に加熱し（加熱工程）、その後、温度維持したまま投射材Ｐを投射し（噴射工程）、その後、温度維持のための加熱を行い、所定時間経過後にガス冷却を行う。

また、図３に示すように、表面処理装置１００の窒化処理においては、アンモニア雰囲気下での加熱、アンモニア及び窒素ガス雰囲気下での加熱、窒素ガス雰囲気下での加熱によるガス窒化が行われる（窒素ガス導入工程及び窒化工程）。

次に、表面処理装置１００を用いて各条件を変えて鉄鋼材Ｗに投射処理のみを行った場合について説明する。図４は、このような鉄鋼材の表面改質層の種類による表面からの深さと硬度との関係を示す説明図である。なお、ここで試料Ｔは鉄鋼材表面にＣｒ移着層が形成されたもの、試料ＴＤはＣｒ移着層とＣｒ拡散層が形成されたもの、試料ＤはＣｒ拡散層が形成されたものを示している。図からも明らかなように処理前の鉄鋼材よりも硬度が低下している。

また、図５は、Ｃｒ拡散層が形成されるものにおいて、Ｃｒ濃度を変化させたものの表面からの深さと硬度との関係を示す説明図である。なお、ここで、試料ＤＨはＣｒ拡散層においてＣｒが２９〜３２重量％、試料Ｄが２４〜２８重量％、試料ＤＬが約２０重量％のものを示している。図からも明らかなように処理前の鉄鋼材よりも硬度が低下している。なお、Ｃｒ濃度は、加熱時間を調整することでその数値を制御することができる。

図６は、上述した試料Ｔ，試料ＴＤ，試料Ｄ，試料ＤＨ，試料ＤＬの各投射処理の条件を示す説明図である。

次に、図７及び図８に示すように、表面処理装置１００による投射処理の後、窒化処理を行った場合について説明する。なお、図７，８において、試料Ｔ＋ＧＮ，試料ＴＤ＋ＧＮ，試料Ｄ＋ＧＮ，試料ＤＨ＋ＧＮ，試料ＤＬ＋ＧＮは、上述した試料Ｔ，試料ＴＤ，試料Ｄ，試料ＤＨ，試料ＤＬにガス窒化処理を施したものを示している。また、「試料ＧＮ」とはガス窒化処理のみを行ったものを示している。

図７，８から判るように、表面からの深さが４０μｍ以下の領域で、試料Ｄ＋ＧＮ，試料ＤＨ＋ＧＮ，試料ＤＬ＋ＧＮについては、硬度が上昇している。これに対し、試料Ｔ＋ＧＮ，試料ＴＤ＋ＧＮは、特に硬度上昇が見られない。

試料Ｔ＋ＧＮ，試料ＴＤ＋ＧＮの断面を光学顕微鏡等で観察すると、鉄鋼材Ｗの表面にＣｒ移着層、Ｃｒ移着・拡散層が形成されており、窒化層が形成されていないことが判る。これは移着したＣｒの酸化物が窒化過程での窒素拡散を阻害したためと考えられる。

一方、試料Ｄ＋ＧＮ，試料ＤＨ＋ＧＮ，試料ＤＬ＋ＧＮを観察すると、表面にＣｒ拡散層が形成され、Ｃｒ窒化物を含む高硬さの窒化層が形成されていることが判る。

しかしながら、試料Ｄ＋ＧＮ，試料ＤＨ＋ＧＮについては、表面近傍（深さ１０μｍ以下）で硬さが低下した。これは、Ｃｒ拡散層の表面Ｃｒ濃度が高いほど、表面近傍でポアが形成され、化合物層内のき裂が増大したことに起因するものと考えられる。

これに対し、試料ＤＬ＋ＧＮについては、Ｃｒ拡散層の表面Ｃｒ濃度が適度に低く、表面近傍でのポアの形成が抑制され，化合物層内のき裂が減少すると考えられる。

このように表面処理装置１００によれば、Ｃｒ濃度を約２０重量％程度としたＣｒ拡散層を形成する投射処理に加え、高硬度化を図る窒化処理を行うことで、鉄鋼材Ｗの耐腐食性・硬度を向上させることが可能となる。

なお、上述した例では、噴射用のガスとして窒化にも用いる窒素ガスを用いているが、噴射専用のガスとしてアルゴンガス（不活性ガス）を用いてもよい。この場合は新たにガスボンベ、流量弁・圧力調整弁、電磁弁を追加すればよい。

図９は本発明の第２の実施の形態に係る表面処理装置１００Ａの概略構成を示す説明図である。表面処理装置１００Ａは、上述した表面処理装置１００等で、既に投射処理が施された鉄鋼材Ｗに対し、プラズマ窒化処理を施す装置である。

図９に示すように、表面処理装置１００Ａは、気密に形成されたチャンバ（第２チャンバ）１７０を備えている。チャンバ１７１は、排気装置により排気されている。チャンバ１７０内には、鉄鋼材Ｗを載置する支持台（第２支持部）１８０と、この支持台１８０に対向配置された電極１８１と、支持台１８０と電極１８１との間に、高電圧を印加することで、プラズマを発生させるプラズマ発生部１８２とを備えている。

また、チャンバ１７０には、窒素ガスと水素ガスの混合ガスを供給するガスボンベ１９０が流量弁・圧力調整弁１９１及び電磁弁１９２を介して接続されている。なお、混合ガスは窒素ガスと水素ガスの混合割合は、例えば１：２である。

このように構成された表面処理装置１００Ａでは、プラズマ窒化による窒化処理を行う。表面処理装置１００による投射処理の後、窒化処理を行った場合について説明する。

プラズマ窒化は、チャンバ１７１内に窒素ガスと水素ガスの混合ガスを導入し（窒素ガスと水素ガスの混合ガス導入工程）し、プラズマ発生部１８２によりチャンバ１７１内にプラズマを発生させて鉄鋼材Ｗを窒化する（プラズマ窒化工程）。

このような表面処理装置１００Ａでは、上述した試料Ｄ，試料ＤＨ，試料ＤＬにプラズマ窒化処理を施した。図１０は、試料Ｄ＋ＰＮ，試料ＤＨ＋ＰＮ，試料ＤＬ＋ＰＮは、それぞれ試料Ｄ，試料ＤＨ，試料ＤＬにプラズマ窒化処理を施したものを示している。また、「試料ＰＮ」とはプラズマ窒化処理のみを行ったものを示している。

図１０から判るように、表面からの深さが３０μｍ以下の領域で、試料Ｄ＋ＰＮ，試料ＤＨ＋ＰＮ，試料ＤＬ＋ＰＮについては、硬度が上昇している。これに対し、試料ＰＮは、特に硬度上昇が見られない。

試料Ｄ＋ＰＮ，試料ＤＨ＋ＰＮ，試料ＤＬ＋ＰＮを観察すると、表面にＣｒ拡散層が形成され、Ｃｒ窒化物を含む高硬さの窒化層が形成されていることが判る。このため、試料Ｄ＋ＰＮ，試料ＤＨ＋ＰＮについても、表面近傍（深さ１０μｍ以下）で硬さが低下していない。これは、Ｃｒ拡散層の表面Ｃｒ濃度が高くてもプラズマ窒化では、表面近傍でポアが形成されず、表面近傍で硬さは低下しなかったためであると考えられる。

このように表面処理装置１００Ａによれば、Ｃｒ濃度を約２０重量％程度としたＣｒ拡散層を形成する投射処理を行った鉄鋼材Ｗに対し、高硬度化を図るプラズマ窒化処理を行うことで、鉄鋼材Ｗの耐腐食性・硬度を向上させることが可能となる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］鉄鋼材表面にこの鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子による投射処理及び窒化処理を施す表面処理装置において、
チャンバと、
このチャンバ内に不活性ガスを導入する不活性ガス供給部と、
前記チャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて金属粒子を噴射させる投射材噴射部と、
前記投射処理が完了した鉄鋼材に窒化処理を施す窒化処理部とを備えている表面処理装置。
［２］前記窒化処理部は、前記鉄鋼材を加熱する加熱部と、
前記チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス供給部とを備えている［１］に記載の表面処理装置。
［３］前記窒化処理部は、プラズマチャンバと、
このプラズマチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する第２支持部と、
前記プラズマチャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス供給部と、
前記第２支持部と前記第２チャンバ内に配置された電極との間に高圧を印加し、プラズマを発生させるプラズマ発生部とを備えていることを特徴とする表面処理装置。
［４］前記投射材噴射部により噴射された金属粒子は前記鉄鋼材表面に金属拡散層を形成する［１］に記載の表面処理装置。
［５］チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にこの鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子による投射処理及び窒化処理を施す表面処理方法において、
前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
前記鉄鋼材表面に金属粒子を噴射する噴射工程と、
前記鉄鋼材表面に窒化処理を施す窒化処理工程とを備えている表面処理方法。
［６］前記窒化処理工程は、前記チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入工程と、
前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱して窒化する窒化工程とを備えている［５］に記載の表面処理方法。
［７］前記窒化処理工程は、第２チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入工程と、
前記第２チャンバ内にプラズマを発生させて前記鉄鋼材を窒化するプラズマ窒化工程とを備えていることを特徴とする［５］に記載の表面処理方法。
［８］前記噴射工程は、前記鉄鋼材表面に前記金属粒子による金属拡散層を形成することを特徴とする［５］に記載の表面処理方法。

１００，１００Ａ…表面処理装置、１１０…チャンバ（第１チャンバ）、１２０…支持台、１２１…温度センサ、１３０…誘導加熱コイル、１４０…噴射ノズル、１４２，１４２Ａ…電磁弁、１５０…粒子フィーダ、１５１…フィーダライン、１５２〜１５４…粒子フィーダ調整弁、１６０，１６０Ａ…ガスボンベ、１６１，１６１Ａ…流量弁・圧力調整弁、１７０…チャンバ（第２チャンバ）、１８０…支持台、１８１…電極、１９０…ガスボンベ、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…鉄鋼材、Ｐ…投射材。

Claims (6)

1. 鉄鋼材表面にこの鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子による投射処理及び窒化処理を施す表面処理装置において、
   チャンバと、
   このチャンバ内に不活性ガスを導入する不活性ガス供給部と、
   前記チャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する支持部と、
   この支持部の周囲に配置され、前記鉄鋼材を加熱する誘導加熱コイルと、
   この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記鉄鋼材を誘導加熱する高周波印加部と、
   前記支持部に向けて金属粒子を噴射させる投射材噴射部と、
   前記投射処理が完了した鉄鋼材に窒化処理を施す窒化処理部とを具備し、
   前記窒化処理部は、プラズマチャンバと、
   このプラズマチャンバ内に配置され、前記鉄鋼材を支持する第２支持部と、
   前記プラズマチャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス供給部と、
   前記第２支持部と前記プラズマチャンバ内に配置された電極との間に高圧を印加し、プラズマを発生させるプラズマ発生部とを備えていることを特徴とする表面処理装置。
2. 前記窒化処理部は、前記鉄鋼材を加熱する加熱部と、
   前記チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス供給部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
3. 前記投射材噴射部により噴射された金属粒子は前記鉄鋼材表面に金属拡散層を形成することを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
4. チャンバ内に収容された鉄鋼材表面にこの鉄鋼材を形成する元素と原子半径の差が１５％以内の金属粒子による投射処理及び窒化処理を施す表面処理方法において、
   前記チャンバ内を不活性ガスに置換する置換工程と、
   前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱する加熱工程と、
   前記鉄鋼材表面に金属粒子を噴射する噴射工程と、
   前記鉄鋼材表面に窒化処理を施す窒化処理工程とを具備し、
   前記窒化処理工程は、第２チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入工程と、
   前記第２チャンバ内にプラズマを発生させて前記鉄鋼材を窒化するプラズマ窒化工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
5. 前記窒化処理工程は、前記チャンバ内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入工程と、
   前記鉄鋼材を所定の処理温度まで加熱して窒化する窒化工程とを備えていることを特徴とする請求項４に記載の表面処理方法。
6. 前記噴射工程は、前記鉄鋼材表面に前記金属粒子による金属拡散層を形成することを特徴とする請求項４に記載の表面処理方法。

Images