JP6344639B2 - 窒化処理方法及び窒化処理装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本国際出願は、２０１１年５月９日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１１−１０４５１５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１１−１０４５１５の全内容を参照により本国際出願に援用する。

本発明は、金属等に窒化処理を行う窒化処理方法及び窒化処理装置に関する。

我国の基幹産業である自動車・航空機等の分野では、喫緊の課題である地球温暖化抑制や省エネルギー対応のため、金型や工具における表面改質・硬質膜コーティングを高度化することへの要求が強い。

表面改質・硬質膜コーティングとして、窒化処理がある。現在、実用化されている窒化処理方法は、活性なアンモニアガスや窒素分子のイオンを、電位差を印加することで加速して、鋼材等の処理対象物の表面に衝突させる方法である。この窒化処理方法においては、窒素分子が鋼材の表面に衝突したとき、窒素分子が解離して窒素原子が生成され、その窒素原子により窒化処理が行われる（特許文献１参照）。

特開２００７−１３１９３３号公報

上述した窒化処理方法では、窒素原子が鋼材と化学的に反応して、鋼材表面に厚い鉄窒化物層を形成するため、鋼材表面の曇り、表面粗さの増加、摩擦係数の上昇、離型性の低下（鋼材を金型として使用する場合）等の問題が生じる。また、窒素分子イオンは隙間に侵入し難いため、例えば、狭いスリット内面の窒化ができないという問題もある。

本発明の一側面においては、処理対象物の表面に化合物層を形成し難く、狭いスリット内面の窒化処理を可能にする窒化処理方法及び窒化処理装置を提供することが望ましい。

本発明の窒化処理方法は、窒素原子を含むプラズマを用いて、処理対象物の窒化処理をすることを特徴とする。本発明の窒化処理方法によれば、処理対象物の表面に化合物層(例えば、処理対象物が鋼材である場合は鉄の窒化物層)が形成され難い。その結果、処理対象物に、表面の曇り、表面粗さの増加、摩擦係数の上昇、離型性の低下等の問題が生じ難い。

また、窒素原子は中性であり処理対象物の表面においてよく反射するため、狭いスリットの間へ容易に侵入できる。このため、本発明の窒化処理方法によれば、狭いスリットの内面における窒化が可能となる。さらに、本発明の窒化処理方法を鋼材に適用すると、従来法と同等以上の表面硬度を得ることができる。

本発明において、窒化とは、窒素原子を処理対象物の表面から侵入・拡散させることである。本発明の窒化処理方法においては、十分に高濃度の窒素原子（アトム）を含むプラズマを用い、処理対象物を５００℃前後の高温に保つことが好ましい。

前記プラズマは、例えば、窒素を含むガス(例えば、窒素のみのガス、又は窒素を主成分とし水素等を含むガス)に電子ビーム又はマイクロ波を照射して生成することができる。上記のプラズマ発生方法（電子ビーム励起プラズマ法、又はマイクロ波励起プラズマ法）を用いることにより、プラズマ中で高濃度の窒素原子を発生させることができる。

前記プラズマの電位と処理対象物の電位との電位差（処理対象物の方がプラズマよりも低電位）は、５０Ｖ以下であることが好ましい。電位差が５０Ｖ以下であることにより、処理対象物の表面に化合物層が一層形成され難くなる。また、電位差は、５〜１０Ｖの範囲内であることが好ましい。この範囲内であることにより、プラズマ中に含まれる電子の処理対象物への流入を抑制できる。

本発明の窒化処理方法においては、プラズマ中の窒素原子の濃度を高めると、窒化処理を短時間で行うことができる。プラズマ中の窒素原子の濃度を高めると、プラズマ中の電子密度も高くなる。この場合、もし、プラズマの電位と処理対象物との電位差が小さいと、処理対象物へ流入する電子電流が増大し、処理対象物が加熱される。そのため、本発明の窒化処理方法では、プラズマ中の電子が処理対象物へ流入することを抑制することが好ましい。プラズマ中の電子が処理対象物へ流入することを抑制することにより、処理対象物の温度上昇を抑制することができる。プラズマ中の電子が処理対象物へ流入することを抑制する方法としては、例えば、処理対象物の付近に印加した磁場を用いる方法がある。この磁場の方向は、処理対象物の表面と平行な方向が好ましい。

本発明の窒化処理装置は、窒素を含むガスに電子ビーム又はマイクロ波を照射して窒素原子を含むプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記プラズマを用いて処理対象物の窒化処理をする窒化処理部とを備える。

本発明の窒化処理装置を用いれば、処理対象物の表面に化合物層(例えば、処理対象物が鋼材である場合は鉄の窒化物層)が形成され難い。その結果、処理対象物に、表面の曇り、表面粗さの増加、摩擦係数の上昇、離型性の低下等の問題が生じ難い。

また、窒素原子は中性であり処理対象物の表面においてよく反射するため、狭いスリットの間へ容易に侵入できる。このため、本発明の窒化処理装置を用いれば、狭いスリットの内面における窒化が可能となる。さらに、本発明の窒化処理装置を用いて鋼材の表面を窒化処理すると、従来法と同等以上の表面硬度を得ることができる。

本発明の窒化処理装置は、プラズマ中の電子が処理対象物へ流入することを抑制する抑制部を備えることが望ましい。プラズマ中の電子が処理対象物へ流入することを抑制することにより、処理対象物の温度上昇を抑制することができる。プラズマ中の電子が処理対象物へ流入することを抑制する抑制部としては、例えば、処理対象物の付近に磁場を印加し、その磁場により電子の流入を抑制する手段がある。この磁場の方向は、処理対象物の表面と平行な方向が好ましい。

窒化処理装置１の構成を表す説明図である。 窒化処理を行った処理対象物の断面を表す写真であって、図２Ａは処理対象物Ｘの写真であり、図２Ｂは処理対象物Ｙの写真である。 処理対象物について、Ｘ線回折の測定結果を表すグラフである。 処理対象物１００の構成を表す説明図であって、図４Ａは長手方向の側面から見た側面図であり、図４Ｂは短手方向の側面から見た側面図であり、図４Ｃは斜視図である。 処理対象物１００について、エッジからの距離とビッカース硬度との関係を表すグラフである。 窒化処理装置２０１の構成を表す説明図である。

１、２０１・・・窒化処理装置、３、２０３・・・チャンバー、５・・・カソード、７・・・予備アノード、９・・・アノード、１１・・・加速電極、１３・・・アルゴン導入口、１５、２１１・・・窒素導入口、１７、２１３・・・真空排気口、１９・・・初期放電形成領域、２１、２１５・・・反応室、２３、１００・・・処理対象物、２５・・・導線、２７・・・アルゴンプラズマ、２９・・・電子ビーム、３１・・・プラズマ、１０１、１０３・・・板状部材、１０５、１０７・・・スペーサ、１０９、１１１、１１３・・・カバー部材、１１５・・・スリット、１１７・・・側面、２０５・・・石英ガラス窓、２０７・・・処理対象物ホルダー、２０９・・・導波路

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
＜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に基づいて説明する。窒化処理装置１は、チャンバー３内に、カソード５、予備アノード７、アノード９、及び加速電極１１を備えている。また、チャンバー３には、アルゴン導入口１３、窒素導入口１５、真空排気口１７が設けられている。チャンバー３内において、カソード５と予備アノード７とに挟まれ、アルゴン導入口１３に面している領域は、初期放電形成領域１９である。また、チャンバー３内において、加速電極１１よりも右側の部分であって、窒素導入口１５、及び真空排気口１７に面している部分は、反応室２１である。

ここで、文言の対応関係を説明する。カソード５、予備アノード７、アノード９、加速電極１１、アルゴン導入口１３、及び窒素導入口１５がプラズマ生成部の一例に相当する。また、反応室２１が窒化処理部の一例に相当する。

２．窒化処理装置１を用いた窒化処理方法
窒化処理装置１を用いた窒化処理方法を、図１に基づいて説明する。まず、処理対象物２３を反応室２１内に設置する。反応室２１内には、窒素導入口１５から窒素ガスを導入する。処理対象物２３の周囲には、コイル状に導線２５を巻いておく。このとき、導線２５は処理対象物２３の表面に接触しないようにする。導線２５の両端は、図示しない電源に接続されており、導線２５に電流を流すことができる。導線２５に電流が流れた場合、処理対象物２３の表面に沿う方向（図１中の矢印Ａの方向）の磁場が発生する。この磁場により、処理対象物２３と後述するプラズマ３１との電位差が小さくても、プラズマ３１中の電子が処理対象物２３へ流入することを抑制することができる。

次に、アルゴン導入口１３から、初期放電形成領域１９にアルゴンガスを導入し、カソード５と予備アノード７間で放電を発生させる。その後、カソード５とアノード９間に放電を移行し、安定したアルゴンプラズマ２７を生成する。このアルゴンプラズマ２７から、加速電極１１によって電子のみを加速することで電子ビーム２９を生成し、その電子ビーム２９を反応室２１へ引き出す。

反応室２１では、窒素ガスに電子ビーム２９が照射され、窒素ガスが効率良く解離・電離して、窒素原子密度が高いプラズマ３１が生成する。処理対象物２３は、プラズマ３１の中に含まれる。プラズマ３１により、処理対象物２３の表面が窒化処理される。

なお、反応室２１の温度は、窒化処理装置１が備える図示しないヒータにより、適切な温度（４００〜６００℃）に制御される。また、電子ビーム２９のエネルギーは、加速電極１１に印加する電圧により、任意に設定可能である。

３．窒化処理装置１を用いた窒化処理方法が奏する効果
窒化処理装置１を用いた窒化処理方法が奏する効果を確かめるために実施した試験について説明する。
（１）第１の試験
次の条件下、窒化処理装置１を用い、上述した窒化処理方法を実施した。

処理対象物２３：熱間工具鋼のＳＫＤ６１
チャンバー３内の圧力：０．２Ｐａ
電子ビーム２９の加速電圧：８０Ｖ
電子ビーム２９の電流：８Ａ
反応室２１の温度：５００℃
窒化処理の時間：５時間
バイアス電圧（プラズマ３１の電位を基準とする、処理対象物２３の電位）：−５０Ｖ又は−５Ｖ
導線２５の電流：ＯＮ又はＯＦＦ
バイアス電圧が−５０Ｖであり、導線２５の電流をＯＦＦとした条件で窒化処理を行った処理対象物（以下、処理対象物Ｘとする）と、バイアス電圧が−５Ｖであり、導線２５の電流をＯＮとした条件で窒化処理を行った処理対象物（以下、処理対象物Ｙとする）について、切断し、断面をナイタール液で腐食させて観察した。図２Ａ，２Ｂに、その観察における断面写真を示す。図２Ａの写真は、処理対象物Ｘ（バイアス電圧：−５０Ｖ、導線２５の電流：ＯＦＦ）の写真であり、図２Ｂの写真は、処理対象物Ｙ（バイアス電圧：−５Ｖ、導線２５の電流：ＯＮ）の写真である。

処理対象物Ｘにおいては、表面に白層と呼ばれる化合物層がわずかではあるが形成されており、その下部に黒く変色した、窒素が拡散している拡散層が形成されている。なお、処理対象物Ｘにおける白層の厚みは、従来の窒化処理方法で形成される白層の厚みと比べると、顕著に薄い。

一方、処理対象物Ｙにおいては、表面に白層は認められず、黒く変色した拡散層のみが形成されている。拡散層の厚さは、バイアス電圧が異なっていても、処理対象物Ｘと処理対象物Ｙとで違いはなかった。

また、処理対象物Ｘ、処理対象物Ｙ、及び未処理のＳＫＤ６１（以下、未処理品とする）について、Ｘ線回折を行った。その結果を図３に示す。
未処理品（図３では「Untreated」と表記）では、鉄のピークのみが確認されるのに対して、処理対象物Ｘ（図３では「バイアス電圧：−５０Ｖ」と表記）では、鉄と窒素の化合物であるFe₃N及びFe₄Nのピークが確認される。処理対象物Ｙ（図３では「バイアス電圧：−５Ｖ」と表記）では、鉄と窒素の化合物のピークは認められず、α鉄のピークが広がりをもっている。これは、鉄の格子間に窒素が拡散したために、ピークの幅が拡がったものである。以上のことより、バイアス電圧が低いほど（イオンの衝突エネルギーが低いほど）、化合物層の形成を抑制できることが確認できた。
（２）第２の試験
基本的には前記第１の試験と同様にして、窒化処理方法を実施した。ただし、本第２の試験では、処理対象物として、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示す処理対象物１００を用いた。図４Ａは、処理対象物１００を長手方向の側面から見た側面図であり、図４Ｂは、処理対象物１００を短手方向の側面から見た側面図であり、図４Ｃは、処理対象物１００の斜視図である。

処理対象物１００は、ともにＳＫＤ６１から成る一対の板状部材１０１、１０３を、間にスペーサ１０５、１０７を介して固定し、３側面を、銅から成るカバー部材１０９、１１１、１１３で覆ったものである。一対の板状部材１０１、１０３の間には、スペーサ１０５、１０７の厚みに対応する幅のスリット１１５が形成されており、そのスリット１１５は、カバー部材１０９、１１１、１１３で覆われていない側面１１７において露出している。処理対象物１００の各部の寸法は図４Ａ、図４Ｂに記載したとおりであり、スリット１１５の幅は１ｍｍである。

窒化処理方法を実施した後の処理対象物１００について、スリット１１５内部のビッカース硬度を測定した。なお、窒化処理は、バイアス電圧が−５０Ｖの条件で行い、電子ビーム２９の方向は、図４Ｃで示すように、側面１１７に直交する方向であって、外からスリット１１５内に入り込む方向とした。また、窒化処理は、処理時間が５時間の場合、１０時間の場合、２０時間の場合のそれぞれにおいて実施した。また、硬度の測定は、スリット１１５の開口部（エッジ）１１５ａからの距離が異なる複数の点で行った。

ビッカース硬度の測定結果を図５に示す。図５には、窒化処理を行っていない処理対象物１００（図５では「未処理」と表示）の結果も示す。この図５から明らかなように、スリット１１５内の奥の方まで窒化処理が行われ、硬度が上昇している。

スリット１１５内の奥の方まで硬度が上昇した原因は、プラズマ３１中に多く含まれる窒素原子の影響である。窒素原子は、他の窒素原子と再結合して分子に戻るまでの平均時間が長く、再結合するまで処理対象物１００（スリット１１５の内部も含む）の表面に何度も衝突と反射を繰り返す。その結果、窒素原子は、狭いスリット１１５内の奥まで到達できる。

なお、処理対象物１００の電位がプラズマ３１の電位より低いため、プラズマ３１中に含まれるイオンは、スリット１１５の入口に近い材料表面に引き寄せられ、そこで再結合する。そのため、イオンは、スリット１１５内に深く侵入することは出来ない。

図５に示されているように、窒化処理時間が２０時間と長い条件では、５時間の場合と比べて、スリット１１５内の硬度がより上昇している。さらに長い時間窒化処理を行うことで、スリット１１５内全てにおいて均一な硬さを得ることも可能である。

従来の窒化処理方法と大きく異なるこの実験結果は、本発明の窒化処理方法では、高濃度の窒素原子が窒化処理において重要な役割を果たしていることを明確に示している。
以上の結果から、窒化処理装置１を用いた窒化処理方法によれば、工具や金型などの金属表面に鉄等の窒素化合物層を形成することなく、また、表面の粗さを増加させることなく、表面付近の硬度を高める窒化処理が可能となる。また、スリット（微細な構造）を持つ工具や金型においても、狭いスリットの内面を均一に窒化処理することが可能になる。
＜第２の実施形態＞
１．窒化処理装置２０１の構成
窒化処理装置２０１の構成を、図６に基づいて説明する。窒化処理装置２０１は、チャンバー２０３内に、複数のスリット２０２を備えた金属板２０４、その金属板２０４と接する石英ガラス窓２０５、及び処理対象物ホルダー２０７を備えている。処理対象物ホルダー２０７は、その上面に、処理対象物２３を保持することができる。また、処理対象物ホルダー２０７は、図示しないヒータを内蔵しており、処理対象物２３を加熱することができる。さらに、チャンバー２０３には、マイクロ波を送り込むための導波路２０９、窒素導入口２１１、及び真空排気口２１３が設けられている。チャンバー２０３の内部は、反応室２１５である。

ここで、文言の対応関係を説明する。窒素導入口２１１、後述するマイクロ波、金属板２０４及び石英ガラス窓２０５がプラズマ生成部の一例に相当する。また、反応室２１５が窒化処理部の一例に相当する。

２．窒化処理装置２０１を用いた窒化処理方法
窒化処理装置２０１を用いた窒化処理方法を説明する。まず、処理対象物２３を処理対象物ホルダー２０７に取り付け、反応室２１５内に設置する。処理対象物２３を５００℃まで加熱し、次に、窒素導入口２１１から反応室２１５内に窒素ガスを導入する。次に、導波路２０９からマイクロ波を導入する。マイクロ波は、複数のスリット２０２を備えた金属板２０４及び石英ガラス窓２０５を透過し、その下側表面で表面波プラズマを発生させる。その表面波プラズマが反応室２１５内の窒素ガスに作用して、反応室２１５内で、高濃度の窒素原子を含むプラズマが発生する。この高濃度の窒素原子を含むプラズマにより、処理対象物２３の表面が窒化処理される。

なお、窒化処理装置２０１を用いて、処理対象物２３の表面をクリーニングすることもできる。クリーニングは、処理対象物２３を５００℃に加熱しているとき、アルゴンガスや水素ガスを反応室２１５内に導入し、表面波プラズマを発生させることにより行う。

３．窒化処理装置２０１を用いた窒化処理方法が奏する効果
窒化処理装置２０１を用いた窒化処理方法によっても、工具や金型などの金属表面に鉄等の窒素化合物層を形成することなく、また、表面の粗さを増加させることなく、表面付近の硬度を高める窒化処理が可能となる。また、スリット（微細な構造）を持つ工具や金型においても、狭いスリットの内面を均一に窒化処理することが可能になる。

Claims (3)

1. 窒素原子を含むプラズマを用いて、金属から成る処理対象物の窒化処理をする窒化処理方法であって、
   前記処理対象物の電位が前記プラズマの電位より低く、
   前記プラズマの電位と前記処理対象物の電位との電位差が５０Ｖ以下であり、
   前記処理対象物の付近に印加した磁場により、前記プラズマ中の電子が前記処理対象物へ流入することを抑制することを特徴とする窒化処理方法。
2. 前記プラズマは、窒素を含むガスに電子ビーム又はマイクロ波を照射して生成したものであることを特徴とする請求項１記載の窒化処理方法。
3. 窒素を含むガスに電子ビーム又はマイクロ波を照射して窒素原子を含むプラズマを生成するプラズマ生成部と、
   前記プラズマを用いて金属から成る処理対象物の窒化処理をする窒化処理部と、
   前記処理対象物の電位を、前記プラズマの電位より低く、前記プラズマの電位との電位差が５０Ｖ以下となるように設定する電位設定部と、
   前記処理対象物の付近に印加した磁場により、前記プラズマ中の電子が前記処理対象物へ流入することを抑制する抑制部と、
   を備える窒化処理装置。