JPH0427294B2 - - Google Patents

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JPH0427294B2
JPH0427294B2 JP2722386A JP2722386A JPH0427294B2 JP H0427294 B2 JPH0427294 B2 JP H0427294B2 JP 2722386 A JP2722386 A JP 2722386A JP 2722386 A JP2722386 A JP 2722386A JP H0427294 B2 JPH0427294 B2 JP H0427294B2
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JP
Japan
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gas
auxiliary electrode
workpiece
gas supply
treated
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JP2722386A
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Japanese (ja)
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JPS62185881A (en
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Shizuka Yamaguchi
Naotatsu Asahi
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、グロー放電による部材の表面処理法
に係り、被処理品表面での反応ガスの分布を均一
にしてむらの少ない処理層を得ることができるイ
オン表面処理方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a method for treating the surface of a member by glow discharge, and is aimed at uniformly distributing a reactive gas on the surface of a workpiece to obtain a treated layer with less unevenness. This invention relates to an ionic surface treatment method that allows for.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

部材たとえば金属部材の表面処理技術の1種で
あるグロー放電による表面処理方法は最近脚光を
沿びている。その代表例としては、イオン窒化処
理を挙げることができる(深沢正信:金属材料;
Vol.15,No.7,p43〜46)。
2. Description of the Related Art A surface treatment method using glow discharge, which is a type of surface treatment technique for members such as metal members, has recently been attracting attention. A typical example is ion nitriding (Masanobu Fukazawa: Metal materials;
Vol.15, No.7, p43-46).

イオン窒化処理法は第2図に示すように、少な
くとも10-1Torr以下に減圧した密封容器1内に
被処理部材2を吊り具3に保持し、密封容器1を
陽極(容器を陰極とすることもあるし)とし、被
処理部材2を陰極として直流電源4から電圧を印
加して、処理に必要なガス物質を供給口19から
密封容器1内に導入しながらグロー放電を発生さ
せて被処理部材2の表面を硬化するものである。
このような密封容器1はグロー放電による加熱に
より各種の機器や部品が過熱されるのを防止する
ため水冷構造になつている。
As shown in Fig. 2, in the ion nitriding method, a workpiece 2 to be treated is held by a hanging device 3 in a sealed container 1 whose pressure is reduced to at least 10 -1 Torr or less, and the sealed container 1 is used as an anode (the container is used as a cathode). ), a voltage is applied from the DC power supply 4 using the member 2 to be treated as a cathode, and a glow discharge is generated while introducing the gas substance necessary for processing into the sealed container 1 from the supply port 19. This is to harden the surface of the processing member 2.
Such a sealed container 1 has a water-cooled structure to prevent various devices and parts from being overheated due to heating by glow discharge.

イオン窒化処理する際には真空ポンプ6を作動
して密封容器1内を少なくとも10-1Torr以下に
減圧しながら、水素および窒素ガス、またはアン
モニアガス(NH3)などをガス供給口19から
密封容器1内に導入して、0.1〜10Torrの圧力に
保持し、直流電源4から300〜1500Vの電圧を陽
極端子7と陰極端子8との間に印加してグロー放
電を発生させている。なお、第2図において、1
2はガスボンベ、10は光高温計、11は真空計
である。
When performing ion nitriding treatment, the vacuum pump 6 is operated to reduce the pressure inside the sealed container 1 to at least 10 -1 Torr, while hydrogen and nitrogen gas, or ammonia gas (NH 3 ), etc. are sealed from the gas supply port 19. It is introduced into the container 1 and maintained at a pressure of 0.1 to 10 Torr, and a voltage of 300 to 1500 V is applied from the DC power source 4 between the anode terminal 7 and the cathode terminal 8 to generate glow discharge. In addition, in Figure 2, 1
2 is a gas cylinder, 10 is an optical pyrometer, and 11 is a vacuum gauge.

一方、最近ではグロー放電による表面処理とし
てCVD法の開発が盛んに行われている。この
CVD法は、一例として金属表面にTiCを被覆す
るのに使用されている。このTiCコーテイングで
は、被処理部材を密封容器1内に保持し
10-1Torrに減圧した後、TiCl4とC2H2の処理ガス
をキヤリヤーガス(Ar+5%H2)と共に密封容
器内に供給してTiCを被処理部材の表面にコーテ
イングする。
On the other hand, recently, CVD methods have been actively developed as surface treatments using glow discharge. this
CVD methods are used, for example, to coat metal surfaces with TiC. In this TiC coating, the workpiece is held in a sealed container 1.
After reducing the pressure to 10 -1 Torr, processing gases of TiCl 4 and C 2 H 2 are supplied together with a carrier gas (Ar + 5% H 2 ) into a sealed container to coat the surface of the workpiece with TiC.

第3図は、従来のCVD装置の一例を示す説明
図であつて、密封容器1内に被処理部材2を保持
し、被処理部材2を陰極、密封容器1自体を陽極
にしてある。そして密封容器1内を図示しない真
空ポンプを介して減圧し、キヤリヤーガス12a
(Ar+H2)をTiCl4を収納せる容器14内に通し
てTiCl4を気化させ、Ar+H2ガス12bと共に
密封容器1内に導入する。一方、C2H2源12c
からC2H2を密封容器1内に導入して電源4によ
電圧を印加しグロー放電を発生させて、被処理部
材2の表面にTiCをコーテイングする。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a conventional CVD apparatus, in which a member to be processed 2 is held in a sealed container 1, the member to be processed 2 is used as a cathode, and the sealed container 1 itself is used as an anode. Then, the pressure inside the sealed container 1 is reduced via a vacuum pump (not shown), and the carrier gas 12a is
(Ar+H 2 ) is passed into the container 14 containing TiCl 4 to vaporize the TiCl 4 and introduced into the sealed container 1 together with the Ar+H 2 gas 12b. On the other hand, C 2 H 2 source 12c
Then, C 2 H 2 is introduced into the sealed container 1 and a voltage is applied by the power source 4 to generate glow discharge, thereby coating the surface of the member 2 to be treated with TiC.

この際の被処理部材2は表面に発生するグロー
放電エネルギーによつて加熱されるので外部から
の熱源を必要としない。従つて、被処理部材の温
度は、被処理部材の体積に対する表面積の割合に
よつて変化する。一方、均一なコーテイング層を
形成するには、被処理品の表面に発生するグロー
放電を均一にする必要がある。しかし、従来の
CVD法では被処理品の形状が比較的単純である
場合には均一なグロー放電を発生させることがで
きるが、複雑な形状を有する被処理品では陽極と
の相対的距離が異なる表面部においてイオン衝撃
エネルギーおよび処理ガスの電離密度が変化して
均一な表面処理ができないという欠点がある。こ
れは、被処理品の表面に捕獲される原子濃度が変
動するため、コーテイング速度が異なることに起
因している。従つて凹凸の大きい被処理品の凹部
表面ではほとんど被膜を形成することができな
い。
At this time, the member 2 to be processed is heated by the glow discharge energy generated on the surface, so no external heat source is required. Therefore, the temperature of the member to be processed changes depending on the ratio of the surface area to the volume of the member to be processed. On the other hand, in order to form a uniform coating layer, it is necessary to make the glow discharge generated on the surface of the object to be treated uniform. However, traditional
In the CVD method, uniform glow discharge can be generated when the shape of the workpiece is relatively simple, but when the workpiece has a complex shape, ions can be generated at different relative distances from the anode. A disadvantage is that the impact energy and the ionization density of the processing gas vary, making it impossible to achieve uniform surface treatment. This is due to the varying coating speeds due to variations in the concentration of atoms trapped on the surface of the workpiece. Therefore, it is almost impossible to form a film on the surface of the concave portion of a workpiece having large irregularities.

特に、700〜1200℃の高温域を要するグロー放
電表面処理たとえば浸炭、浸硼など又はCVD法
では放電電圧が高くなり、それに伴つて放電が不
均一になつて温度差を生じ、被処理品に均一な表
面処理を施すことができない傾向が大きくなると
いう問題点を有している。その解決策としては例
えば従来の真空熱処理炉内でイオン処理を行う方
法、或いは外部から高周波加熱を行いつつイオン
処理を行う方法等がある。しかし、前者の場合に
は例えば炭素繊維のようなヒータによつて被処理
品の加熱を行うため、加熱電源は高出力を要する
とともに、イオンによる加熱が少なくなるので従
来のイオンのみによる処理に比較して被処理品の
表面に到達するイオン量も少なくなる。そのた
め、装置の構造が複雑で、制御も煩雑となるとと
もに全体の消費エネルギーも多く、イオンによる
クリーニング作用、表面に捕獲される原子等の処
理に関与する原子の濃度も少なくなる欠点があ
る。後者の場合には高周波による誘導電流によつ
て加熱するため、多くの部品を炉内に装備した場
合、高周波コイルからの距離によつて、個々の部
品間で加熱される温度が異なるとともに、前者同
様に電源の出力の制御が複雑となる。また処理に
要するエネルギーも多く、イオンのクリーニング
作用、表面のイオン濃度の制御の上でも欠点があ
る。
In particular, in glow discharge surface treatments such as carburizing, boring, etc., or CVD methods that require a high temperature range of 700 to 1200°C, the discharge voltage becomes high, resulting in uneven discharge and temperature differences, which can cause damage to the treated product. There is a problem in that there is a strong tendency that uniform surface treatment cannot be performed. As a solution, there are, for example, a method of performing ion treatment in a conventional vacuum heat treatment furnace, or a method of performing ion treatment while applying high frequency heating from the outside. However, in the former case, the object to be processed is heated by a heater such as carbon fiber, which requires a high output heating power source and requires less heating by ions, compared to conventional processing using only ions. As a result, the amount of ions reaching the surface of the product to be treated is also reduced. Therefore, the structure of the device is complicated, the control is complicated, the overall energy consumption is large, and the concentration of atoms involved in the cleaning action of ions and the processing of atoms captured on the surface is also reduced. In the latter case, heating is performed by induced current caused by high frequency, so if many parts are installed in the furnace, the heating temperature of each individual part will differ depending on the distance from the high frequency coil, and the former Similarly, controlling the output of the power supply becomes complicated. In addition, a large amount of energy is required for the treatment, and there are drawbacks in terms of ion cleaning effect and control of surface ion concentration.

一方、被処理品である陰極とは別に、被処理品
近傍に補助電極を設けてこの補助電極を陰極と
し、被処理品を陽極とすることにより、補助電極
近傍の被処理品面の温度を制御する処理法も行わ
れている。しかし、これらの方法では、グロー放
電用電源の他に加熱用の電源を必要とする等、装
置が複雑であつた。そこで先に、本発明者は、被
処理品の外周で減圧容器の内側に、被処理品たる
陰極とは別に、被処理品から離れた位置に一定間
隔を保つた複数個の陰極を配置し、イオン処理中
にガスの圧力、間隔および電源出力等を制御する
ことによつて、この陰極にもグロー放電を発生さ
せて高電離密度のホロー陰極放電を生じさせるこ
とにより、被処理品面を高温度に加熱あるいは保
持することができることを明らかにした(特許第
1254821号)。このような処理は、第4図に示すよ
うに従来の第2図の装置内にホロー陰極放電を形
成させるホロー陰極治具5を目的に応じて設置さ
せることにより行える。
On the other hand, in addition to the cathode that is the workpiece, an auxiliary electrode is provided near the workpiece, and by using this auxiliary electrode as the cathode and the workpiece as the anode, the temperature of the surface of the workpiece near the auxiliary electrode can be reduced. Controlling processing methods are also being used. However, these methods required a heating power source in addition to a glow discharge power source, and the apparatus was complicated. Therefore, the inventor first arranged a plurality of cathodes at a constant interval apart from the cathode, which is the object to be processed, on the outer periphery of the object to be processed and inside a vacuum container. By controlling the gas pressure, spacing, power output, etc. during ion treatment, glow discharge is also generated at this cathode, creating a hollow cathode discharge with high ionization density, which allows the surface of the workpiece to be treated. revealed that it can be heated or held at high temperatures (patent no.
No. 1254821). Such processing can be carried out by installing a hollow cathode jig 5 for forming a hollow cathode discharge in the conventional apparatus shown in FIG. 2, as shown in FIG. 4, according to the purpose.

これ等の処理ではいずれもグロー放電のプラズ
マガス圧力を制御することが重要となる。第2図
および第4図に示される従来のイオン窒化装置で
のガス圧力の制御は、バリアブルリークバルブの
調整、あるいは真空計でガス圧力を計測し、電磁
バルブ等を開閉ることで行つていた。またガス噴
出口は炉体上部の一部分の位置に固定されて設置
されていたため、窒素等の拡散による窒化処理等
では大きな問題はなかつたが、処理温度を高くし
て浸炭等を行う場合には、場所により硬化層の不
均一が見られた。この原因は位置によりガス濃度
が不均一であることが影響するからである。処理
ガスの均一な分布を得る手段として、従来、撹拌
用フアンが用いられているか、処理圧力が0.1〜
10Torrであるため、フアンの回転ではガスを動
かすことは非常に困難である。
In all of these treatments, it is important to control the plasma gas pressure of glow discharge. Gas pressure in the conventional ion nitriding equipment shown in Figures 2 and 4 is controlled by adjusting a variable leak valve or by measuring gas pressure with a vacuum gauge and opening and closing a solenoid valve, etc. Ta. In addition, since the gas outlet was fixedly installed in a part of the upper part of the furnace body, there were no major problems with nitriding treatment due to the diffusion of nitrogen, etc., but when performing carburizing etc. at a high treatment temperature, , non-uniformity of the hardened layer was observed depending on the location. This is because the gas concentration is non-uniform depending on the position. Traditionally, a stirring fan has been used as a means to obtain a uniform distribution of processing gas, or the processing pressure is 0.1~
Since the pressure is 10Torr, it is very difficult to move the gas by rotating the fan.

そこで、先に、本発明者は処理用ガスを導入す
るに際して、減圧容器上方のガス噴出口の位置を
間欠的あるいは連続的に変化させることにより前
記の問題の解決を試みた(特開昭58−9974)。そ
の結果、被処理品の表面から元素を拡散させる浸
炭処理等では効果が顕著であつた。しかし、被処
理表面に被膜を形成するCVDでは、導入したハ
ロゲンガス等の処理ガスが効率的にホロー陰極放
電域内に供給されることは困難であるとともに、
未反応の処理ガスが炉体壁に吸着して炉体を開放
した際に空気に触れて吸湿するということが生
じ、このような物質が次の処理に際してガスを放
出し、処理に有害なガス雰囲気となつて均一な処
理ができないという問題があつた。
Therefore, the present inventor first attempted to solve the above problem by intermittently or continuously changing the position of the gas outlet above the reduced pressure vessel when introducing the processing gas (Japanese Patent Laid-Open No. 58 −9974). As a result, the effect was remarkable in carburizing treatments, etc., in which elements are diffused from the surface of the treated product. However, in CVD that forms a film on the surface to be treated, it is difficult to efficiently supply the introduced treatment gas such as halogen gas into the hollow cathode discharge region.
Unreacted process gas adsorbs to the walls of the furnace body and when the furnace body is opened, it comes into contact with the air and absorbs moisture, and these substances release gas during the next process, creating gases that are harmful to the process. There was a problem that uniform processing could not be performed due to the atmosphere.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、被処理品の表面処理、特に高
温を要するCVD被膜形成や浸炭処理などに好適
であつて、均一かつ効率的に単一または複数の表
面処理層を形成できるイオン表面処理方法を提供
するにある。
An object of the present invention is to provide an ionic surface treatment method that is suitable for surface treatment of objects to be treated, particularly for CVD film formation and carburizing treatment that require high temperatures, and that is capable of uniformly and efficiently forming a single or multiple surface treatment layers. is to provide.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、ガス物質を含む減圧雰囲気中で被処
理品を陰極とし、該被処理品に対向してその近傍
に陰極に接続された補助電極を配設し、グロー放
電により表面処理するイオン表面処理方法におい
て、前記被処理品と補助電極間との空間にガス噴
出口を有するガス供給管を被処理部材と補助電極
あるいは対向する補助電極間で移動させながら、
ガス供給管のガス噴出口から上記空間内にガス物
質を供給することにより、前記ガス物質を高電離
密度放電域内に均一に効率的に供給してグロー放
電処理を効果的に行うようにしたものである。
In the present invention, an article to be treated is used as a cathode in a reduced pressure atmosphere containing a gaseous substance, an auxiliary electrode connected to the cathode is disposed opposite to and in the vicinity of the article to be treated, and the ionic surface is surface-treated by glow discharge. In the processing method, while moving a gas supply pipe having a gas outlet in a space between the object to be processed and the auxiliary electrode between the object to be processed and the auxiliary electrode or the opposing auxiliary electrodes,
By supplying the gaseous substance into the space from the gas outlet of the gas supply pipe, the gaseous substance is uniformly and efficiently supplied into the high ionization density discharge region to effectively perform glow discharge treatment. It is.

〔発明の実施例〕 本発明の前提とするグロー放電によるイオン表
面処理方法は被処理品表面に処理ガスを拡散ある
いは析出させることにより表面硬化、潤滑作用、
耐食性また耐疲労性等の機能を被処理品表面に持
たせるものである。この際に被処理品材の機械
的、化学的性質等の特性に悪影響を及ぼすことな
く、これらの機能を持たせるには、拡散、析出さ
せる原子の量、深さ、厚さ等を適切に制御するこ
とが重要である。これらを制御する因子としては
反応時の処理温度時間及び表面温度がある。つま
りこれらの制御因子は原子の拡散速度、限界固溶
量あるいは析出物の結晶構造及び生成速度等に影
響を及ぼす主なものである。
[Embodiments of the Invention] The ionic surface treatment method using glow discharge, which is the premise of the present invention, achieves surface hardening, lubricating effect, and
It imparts functions such as corrosion resistance and fatigue resistance to the surface of the treated product. At this time, in order to provide these functions without adversely affecting the mechanical and chemical properties of the processed material, the amount, depth, thickness, etc. of atoms to be diffused and precipitated must be adjusted appropriately. It is important to control. Factors that control these include treatment temperature time and surface temperature during reaction. In other words, these control factors are the main factors that influence the atomic diffusion rate, the critical amount of solid solution, the crystal structure and formation rate of precipitates, etc.

まず処理温度は、鉄鋼を窒素で表面硬化させる
場合には一般に400〜700℃の範囲であり、浸炭に
よる表面硬化の場合には700〜1100℃であり、浸
硼処理の場合には800〜1200℃、硫黄を用いて表
面潤滑を得る浸硫処理の場合では150〜600℃であ
り、一方CVDによる被膜形成の場合においては
表面に被覆させる原子によつて異なるが一般には
500〜1200℃の範囲が多い。以上の様に拡散ある
いは析出させる原子、被処理品の種類により適切
な温度を選択する必要がある。
First, the treatment temperature is generally in the range of 400 to 700℃ when surface hardening steel with nitrogen, 700 to 1100℃ in case of surface hardening by carburizing, and 800 to 1200℃ in case of ferrous treatment. ℃, in the case of sulfurization treatment to obtain surface lubrication using sulfur, the temperature is 150 to 600℃, while in the case of film formation by CVD, it varies depending on the atoms to be coated on the surface, but in general
Most temperatures range from 500 to 1200℃. As described above, it is necessary to select an appropriate temperature depending on the atoms to be diffused or precipitated and the type of product to be treated.

またイオン表面処理方法において、被処理品の
表面温度を効率よくかつ高くするか或いは部分的
に適切な温度に加熱する方法としては外部熱源に
よる方法、等も可能である。本発明方法では、陰
極たる被処理品部材とほぼ同電位の補助電極を、
被処理品の表面から所定の距離をおいて配設して
陰極に接続し、イオン処理中に被処理品と補助電
極により形成される空間に導入されるガス圧力、
組成等を制御して高電離密度放電で処理を行う。
In the ion surface treatment method, a method using an external heat source can also be used to efficiently raise the surface temperature of the object to be treated or to partially heat it to an appropriate temperature. In the method of the present invention, an auxiliary electrode having approximately the same potential as the workpiece member serving as the cathode,
gas pressure, which is arranged at a predetermined distance from the surface of the object to be treated and connected to the cathode, and introduced into the space formed by the object to be treated and the auxiliary electrode during ion treatment;
The composition is controlled and the treatment is performed using high ionization density discharge.

ここで、被処理品の熱の収受は、グロー放電エ
ネルギーの熱交換、被処理品や補助電極などから
の輻射熱であり、熱放出による熱損失は輻射熱、
処理ガスの対流、電極からの熱伝導(電極の冷却
水からの流出)などがある。この要因の中で被処
理品の必要な部分を所定の温度に加熱するのに利
用できるものは、補助の陰極と被処理品間の輻射
熱などである。これは陰極間隔を一定間隔とし、
導入ガス圧力を所定の値に設定して、2つの負グ
ロー間に相互作用を起させることにより、1つの
負グロー放電部よりも高電離密度放電を起させて
加熱及び保温を行うものである。
Here, heat absorption from the processed item is heat exchange of glow discharge energy, radiant heat from the processed item or auxiliary electrode, etc., and heat loss due to heat release is radiant heat,
These include convection of the process gas, heat conduction from the electrode (outflow from the electrode cooling water), etc. Among these factors, radiant heat between the auxiliary cathode and the workpiece can be used to heat the required part of the workpiece to a predetermined temperature. This makes the cathode spacing constant,
By setting the introduced gas pressure to a predetermined value and causing interaction between two negative glows, a discharge with a higher ionization density than one negative glow discharge section is generated to perform heating and heat retention. .

なお、ここで高電離密度放電は、2つの負グロ
ー放電をある距離に近づけることにより、負グロ
ー間に相互作用が起り、その他のグロー放電部よ
りも電離密度が高くなる。この相互作用の領域で
は放電電流が高くなつた状態になる。この場合、
被処理品と補助電極との空間部におけるガスのイ
オン密度も増加される。したがつて、被処理品の
表面においては、活性な原子との表面反応も活発
となり拡散或いは析出が促進される。この拡散お
よび析出する現象をさらに効果的に行うために
は、被処理品表面から補助電極までの距離、補助
陰極間間隙、材質、形状、面積、ガス圧力および
処理ガスの導入方法等を適切に制御することが重
要となる。
Note that, in the high ionization density discharge, when two negative glow discharges are brought close to each other at a certain distance, interaction occurs between the negative glows, and the ionization density becomes higher than that of other glow discharge parts. In this region of interaction, the discharge current becomes high. in this case,
The ion density of the gas in the space between the workpiece and the auxiliary electrode is also increased. Therefore, on the surface of the object to be treated, surface reactions with active atoms also become active, promoting diffusion or precipitation. In order to make this diffusion and precipitation phenomenon more effective, the distance from the surface of the workpiece to the auxiliary electrode, the gap between the auxiliary cathodes, the material, shape, area, gas pressure, and method of introducing the processing gas must be adjusted appropriately. Control is important.

先ず被処理品表面から補助電極までの距離ある
いは補助陰極内の間隔は、ガス圧力によつても異
なるが、被処理品及び補助電極とに生じる負グロ
ーが何らかの相互作用を及ぼして高電離密度放電
を発生しなければ、目的とする効果は生じない。
負グローの幅は、ガス組成及びガス圧によつて異
なり、これが高電離密度放電に強く影響するから
である。更に、これらと密接な関係にある補助電
極、負グロー放電面積をも考慮しなければならな
い。したがつて、一般的なイオン表面処理におい
ては、この距離が0.5mm以下になると被処理品へ
の処理ガスの反応が阻害されるる傾向にあり、一
方50mm以上離れるとグロー間の相互作用の影響が
弱くなり補助電極からの被処理品への輻射熱によ
る加熱効果が低下するとともに補助電極側への熱
損失ともなり、エネルギーの損失になる。
First, the distance from the surface of the workpiece to the auxiliary electrode or the spacing within the auxiliary cathode varies depending on the gas pressure, but the negative glow generated between the workpiece and the auxiliary electrode interacts in some way, resulting in a high ionization density discharge. If this does not occur, the desired effect will not occur.
This is because the width of the negative glow varies depending on the gas composition and gas pressure, which strongly influences high ionization density discharge. Furthermore, the auxiliary electrode and negative glow discharge area, which are closely related to these, must also be considered. Therefore, in general ionic surface treatment, if this distance is less than 0.5 mm, the reaction of the processing gas to the object to be treated tends to be inhibited, while if the distance is more than 50 mm, the interaction between the glows may be affected. This weakens the heating effect of radiant heat from the auxiliary electrode to the workpiece, and also causes heat loss to the auxiliary electrode, resulting in a loss of energy.

次にガス圧力は、ガス組成および表面処理の目
的が定まれば、おのずと適正な値がある。例え
ば、ガス組成および被処理品と補助電極との距離
を一定にすれば、ガス圧力を変化させると一定の
範囲で高電離密度放電を生じ、放電の電流密度が
高くなつて、それに伴つて被処理品温度も高くな
り最高温度を示すようになる。適切なガス圧以外
では被処理品温度を低下する傾向を示す。
Next, the gas pressure naturally has an appropriate value once the gas composition and the purpose of surface treatment are determined. For example, if the gas composition and the distance between the workpiece and the auxiliary electrode are kept constant, changing the gas pressure will cause a high ionization density discharge in a certain range, the current density of the discharge will increase, and the The temperature of the processed product also increases and reaches its maximum temperature. If the gas pressure is not appropriate, it tends to lower the temperature of the processed product.

このように処理温度はガス圧力およびガス組成
により影響される。適正なガス圧力としては絶対
真空度で0.01〜10Torrの範囲が好ましい。
Processing temperature is thus influenced by gas pressure and gas composition. The appropriate gas pressure is preferably in the range of 0.01 to 10 Torr in terms of absolute vacuum.

次に表面処理の反応に際して重要な因子の1つ
である表面濃度は導入され処理ガスのガス圧力、
ガス組成およびガスの分布により左右されるもの
である。高電離密度放電で表面処理層を形成させ
るには処理ガスの導入方法を考慮する必要があ
る。密閉容器内に導入された処理ガスは真空ポン
プの吸引、炉内温度の対流および重力等により拡
散される。第2図に示した従来のイオン窒化処理
装置では、処理ガスは密封容器1の上部に固定さ
れたガス供給口19から供給されるため、密封容
器1内の空間位置によつてガス圧力および混合ガ
スのある種のガス分圧が変動する。特に反応に関
与する物質のガス分圧の変動は表面処理層の形成
に大きく影響する。
Next, the surface concentration, which is one of the important factors in the surface treatment reaction, is introduced, and the gas pressure of the treatment gas,
It depends on the gas composition and gas distribution. In order to form a surface treatment layer using high ionization density discharge, it is necessary to consider the method of introducing the treatment gas. The processing gas introduced into the closed container is diffused by suction from a vacuum pump, convection of the furnace temperature, gravity, and the like. In the conventional ion nitriding processing apparatus shown in FIG. 2, the processing gas is supplied from the gas supply port 19 fixed to the upper part of the sealed container 1, so the gas pressure and mixture vary depending on the spatial position within the sealed container 1. The partial pressure of some gases fluctuates. In particular, fluctuations in the gas partial pressure of substances involved in the reaction greatly affect the formation of the surface treatment layer.

これをTiCコーテイングのCVDの場合を例に
とつて説明する。CVDは金属化合物のガス状物
質と、これに反応して反応物を形成するガス状物
質(反応性ガス)との反応を行わせ、被処理品表
面に反応生成物を被覆するものである。この反応
物質は雰囲気ガスから供給されるものである。例
えば、TiCコーテイングでは、金属化合物のガス
状物質としてTiCl4をキヤリアガスたるH2に分散
させ、この金属化合物のガス状物質と反応して反
応物を形成するガス状物質(反応ガス)にCH4
用い、TiCl4とCH4との分圧(組成)を変化させ
てTiCを形成すると、分圧(組成)の比により
TiC+Ti、TiXC1-X、TiC+Cの被膜が形成され
る。したがつてTiXC1-XのXが0.5となる化学量論
を持つTiC被膜を形成するにはTiCl4とCH4の分
圧(組成)を正確に制御する必要がある。この分
圧の制御は、TiCl4の気化温度、圧力およびキヤ
リアガスたるH2の流量と反応ガスたるCH4の流
量を制御して行われる。この流量の制御は質量流
量計などを用いることにより容易に行える。しか
し、このようにして流量を正確に保持し、分圧を
制御しても炉内に導入されるとTiCl4とCH4の処
理ガスの分圧(組成)は被処理品の位置によつて
異なることがある。これは、処理ガスの拡散、真
空排気装置の吸引により生じる流れ、炉内温度の
対流による流れにより変動を生じやすい。さら
に、金属化合物のガス状物質であるTiCl4は熱分
解あるいは冷却された炉壁への吸着等により消耗
し、その結果、供給した分圧に対して変化を生じ
る。この結果、被処理品表面には全くTiCが形成
されないか、あるいは形成されても目的とした化
学量論を持つTiCを位置の異なる複数の被処理品
に均一に形成することは困難である。このような
ことからガス分圧の変動を少なくするように制御
する必要がある。すなわち金属化合物のガス状物
質の分圧は極めて低く、換言すれば極微量のガス
を供給することになり、この極微量のガスを補助
電極と被処理品との間隙を経由させて被処理品表
面に新しいガス物質を均一に分布させる必要があ
る。また、この間隙にガス状物質また反応物が滞
留せずに直ちに被処理品表面に付着させる必要が
ある。
This will be explained using the case of TiC coating CVD as an example. CVD involves a reaction between a gaseous substance of a metal compound and a gaseous substance (reactive gas) that reacts with the gaseous substance to form a reactant, and coats the surface of the processed object with the reaction product. This reactant is supplied from the atmospheric gas. For example, in TiC coating, TiCl 4 as a gaseous substance of a metal compound is dispersed in H 2 as a carrier gas, and CH 4 is dispersed as a gaseous substance (reactant gas) that reacts with the gaseous substance of the metal compound to form a reactant. When forming TiC by changing the partial pressure (composition) of TiCl 4 and CH 4 , depending on the ratio of partial pressures (composition),
Films of TiC+Ti, TiXC1 -X , and TiC+C are formed. Therefore, in order to form a TiC film having a stoichiometry in which X of Ti X C 1-X is 0.5, it is necessary to accurately control the partial pressure (composition) of TiCl 4 and CH 4 . This partial pressure is controlled by controlling the vaporization temperature and pressure of TiCl 4 , the flow rate of H 2 as a carrier gas, and the flow rate of CH 4 as a reaction gas. This flow rate can be easily controlled by using a mass flow meter or the like. However, even if the flow rate is maintained accurately and the partial pressure is controlled in this way, the partial pressure (composition) of the TiCl 4 and CH 4 processing gases will vary depending on the position of the processed product when introduced into the furnace. There are different things. This tends to fluctuate due to the flow caused by the diffusion of the processing gas, the suction of the evacuation device, and the convection of the furnace temperature. Furthermore, TiCl 4 , which is a gaseous metal compound, is consumed by thermal decomposition or adsorption to the cooled furnace wall, resulting in a change in the supplied partial pressure. As a result, TiC is not formed at all on the surface of the workpiece, or even if TiC is formed, it is difficult to uniformly form TiC having the desired stoichiometry on a plurality of workpieces at different positions. For this reason, it is necessary to control the gas partial pressure so as to reduce fluctuations. In other words, the partial pressure of the gaseous substance of the metal compound is extremely low, in other words, a very small amount of gas is supplied, and this very small amount of gas is passed through the gap between the auxiliary electrode and the processed item to the processed item. It is necessary to uniformly distribute the new gaseous substance on the surface. Further, it is necessary that the gaseous substances and reactants do not remain in this gap and are immediately attached to the surface of the object to be treated.

そこで、目標の組成の被膜を均一に形成するに
は、適切な当量比に調整された反応性ガスをガス
供給管により被処理品と補助電極、あるいは補助
電極間の空間に供給して高電離密度のグロー放電
を発生させて反応性ガスを反応させるとともに、
被膜の組成を均質で均一に形成するように反応性
ガスを均一に分布させる必要がある。このために
は、反応性ガス供給管または被処理品、あるいは
その双方を移動させる。例えば反応性ガス供給管
を回転あるいは往復させて間欠的あるいは連続的
に位置を変える。同様に、被処理品と反応ガス供
給管の双方を移動させる場合は被処理品も相対的
に移動させる。
Therefore, in order to uniformly form a film with the target composition, a reactive gas adjusted to an appropriate equivalence ratio is supplied through a gas supply pipe to the object to be treated and the auxiliary electrode, or to the space between the auxiliary electrodes, resulting in highly ionized In addition to generating a dense glow discharge to cause the reactive gas to react,
It is necessary to uniformly distribute the reactive gas so that the composition of the coating is homogeneous and uniform. For this purpose, the reactive gas supply pipes and/or the article to be treated are moved. For example, the reactive gas supply pipe is rotated or reciprocated to change its position intermittently or continuously. Similarly, when moving both the article to be treated and the reaction gas supply pipe, the article to be treated is also moved relatively.

以下に、本発明の実施態様を図面に基づいて説
明する。第1図は本発明を実施するのに用いる表
面処理装置の一例を示すもので、図において、1
は炉体で、中空筒体の上下の開口部に上蓋および
下蓋がパツキングを介して固定され密閉状態にな
つている。2は陰極となる被処理品であつて、回
転陰極端子8に連結された回転保持部材3に保持
されている。この回転陰極端子8の他端は回転電
力供給機構9により電源4の陰極に接続されてい
る。また、回転保持部材3は回転電動機21によ
り回転されるようになつている。被処理品2の近
傍には内側および外側の円筒形状の補助電極5
a,5bが配設されており、その一端は陰極側に
接続されている。一方、炉体1の一端は電源4の
陽極7に接続されている。
Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. FIG. 1 shows an example of a surface treatment apparatus used to carry out the present invention, and in the figure, 1
1 is a furnace body, and an upper lid and a lower lid are fixed to the upper and lower openings of a hollow cylindrical body through packing, so that the furnace body is in a sealed state. Reference numeral 2 denotes an article to be processed that serves as a cathode, and is held by a rotating holding member 3 connected to a rotating cathode terminal 8 . The other end of this rotating cathode terminal 8 is connected to the cathode of the power source 4 by a rotating power supply mechanism 9. Further, the rotation holding member 3 is adapted to be rotated by a rotary electric motor 21. Inner and outer cylindrical auxiliary electrodes 5 are located near the workpiece 2.
a and 5b, one end of which is connected to the cathode side. On the other hand, one end of the furnace body 1 is connected to an anode 7 of a power source 4.

反応性ガスの供給手段は次のような構成になつ
ている。キヤリアガス12aを流量制御系13に
より流量制御し、TiCl4を収納した容器15内を
通してTiCl4を気化させるとともに、反応ガス1
2bを流量制御系13により流量制御し、これら
のガスを共に、陰極および陽極から絶縁座18に
より絶縁されたガス回転供給構16を介して炉体
1内のガス供給管17に導入する。ガス供給管1
7は被処理品2と補助電極5a,5b近傍の空間
に設置されている。このガス供給管17は回転ガ
ス供給機構16が回転電導機21から回転運動を
伝達されて回転する。
The reactive gas supply means has the following configuration. The flow rate of the carrier gas 12a is controlled by the flow rate control system 13, and the TiCl 4 is vaporized through the container 15 containing TiCl 4 , and the reaction gas 1 is
2b is controlled in flow rate by a flow rate control system 13, and both of these gases are introduced into a gas supply pipe 17 in the furnace body 1 via a gas rotating supply structure 16 insulated from the cathode and anode by an insulating seat 18. Gas supply pipe 1
7 is installed in a space near the workpiece 2 and the auxiliary electrodes 5a, 5b. The gas supply pipe 17 rotates as the rotary gas supply mechanism 16 receives rotational motion from the rotary conductor 21 .

被処理品2、補助電極5a,5b、ガス供給管
17の詳細構成の例を第5図,第6図,第7図に
て示す。
Examples of detailed configurations of the workpiece 2, auxiliary electrodes 5a, 5b, and gas supply pipe 17 are shown in FIGS. 5, 6, and 7.

第5図は被処理品2を挾んで円筒状の補助電極
5a,5bを相対向して配設した電極構造と、被
処理品2と補助電極5a,5bとの間の円周軌道
上に位置するようにガス供給管17が配設されて
いる例を示斜視図である。図において、円筒状の
補助電極5a,5bは、補助電極5aの内周面と
補助電極5bの外周面が同心円で相対向し、その
中間の同心円上にピン状の被処理品2が配置さ
れ、更に補助電極5aの内周面と被処理品2、お
よび補助電極5bの外周面と被処理品2の中間の
同心円上に複数に分枝したガス供給管17が配設
されている。被処理品2および補助電極5a,5
bの一端は電源の陰極に接続されている。ガス供
給管17へは処理ガスが第1図に示す機構により
供給される。なお、ガス供給管17にはガス噴出
口22が複数個設けられており、被処理品2に向
けて処理ガスが噴出されている。
FIG. 5 shows an electrode structure in which cylindrical auxiliary electrodes 5a and 5b are arranged facing each other while sandwiching the workpiece 2, and a circular orbit between the workpiece 2 and the auxiliary electrodes 5a and 5b. It is a perspective view showing an example where gas supply pipe 17 is arranged so that it may be located. In the figure, the cylindrical auxiliary electrodes 5a and 5b have an inner circumferential surface of the auxiliary electrode 5a and an outer circumferential surface of the auxiliary electrode 5b facing each other in a concentric circle, and a pin-shaped workpiece 2 is placed on the concentric circle in between. Further, a plurality of branched gas supply pipes 17 are disposed on a concentric circle between the inner circumferential surface of the auxiliary electrode 5a and the article 2 to be treated, and between the outer circumferential surface of the auxiliary electrode 5b and the article 2 to be treated. Workpiece 2 and auxiliary electrodes 5a, 5
One end of b is connected to the cathode of the power source. Processing gas is supplied to the gas supply pipe 17 by a mechanism shown in FIG. Note that the gas supply pipe 17 is provided with a plurality of gas ejection ports 22 , and the processing gas is ejected toward the workpiece 2 .

第6図は円板状の補助電極5a,5bを相対向
させ、被処理品を補助電極に接続して配置し、円
板状補助電極間にガス供給管17を配設した電極
構造およびガス供給構造の例である。図におい
て、二枚の円板状の補助電極5a,5bは一定間
隙を保つて平行に相対向させて設置される。それ
らの補助電極の相対向する平面上の一面あるいは
両面に被処理品2は配置されている。このように
配置された被処理品2と補助電極5a,5bとの
間の空間に、放射状に複数に分枝したガス供給管
17が配設され、ガス供給管17は第1図に示す
ガス回転供給機構により回転する。この複数に分
枝したガス供給管17には複数個のガス噴出口2
2が設けられている。なお被処理品2は補助電極
上に設置されることにより電源の陰極に接続され
ている。また、複数の補助電極5a,5bは一端
が電源の陰極に接続されるとともに、場合によつ
て、複数の補助電極5a,5bは互いに相対的に
回転するか、あるいは複数の補助電極5a,5b
のどちらか一方が回転するか、さらには複数の補
助電極5a,5bが同時に回転する。
FIG. 6 shows an electrode structure in which disc-shaped auxiliary electrodes 5a and 5b are opposed to each other, a workpiece to be processed is connected to the auxiliary electrodes, and a gas supply pipe 17 is arranged between the disc-shaped auxiliary electrodes. This is an example of a supply structure. In the figure, two disc-shaped auxiliary electrodes 5a and 5b are placed parallel to each other and facing each other with a constant gap. The object to be processed 2 is placed on one or both surfaces of the opposing planes of these auxiliary electrodes. A plurality of radially branched gas supply pipes 17 are arranged in the space between the article to be processed 2 and the auxiliary electrodes 5a and 5b arranged in this way, and the gas supply pipe 17 is configured to supply the gas shown in FIG. Rotates by a rotation supply mechanism. This plurality of branched gas supply pipes 17 have a plurality of gas jet ports 2.
2 is provided. Note that the article to be processed 2 is connected to the cathode of the power source by being placed on an auxiliary electrode. Further, one end of the plurality of auxiliary electrodes 5a, 5b is connected to the cathode of the power source, and depending on the case, the plurality of auxiliary electrodes 5a, 5b may rotate relative to each other, or the plurality of auxiliary electrodes 5a, 5b may
Either one of them rotates, or moreover, a plurality of auxiliary electrodes 5a and 5b rotate simultaneously.

第7図は、平板状の補助電極5a,5bを相対
向させ、被処理品2を補助電極に設置し、ガス供
給管17を平板状の補助電極5a,5b間の空間
に配設した例を示す斜視図である。図において、
平板状の被処理品2は平板状の補助電極5a,5
bの相対向する一面あるいは両面に設置されるこ
とにより電源の陰極に接続されている。ガス供給
管17は平板状の補助電極に設置された被処理品
2の処理範囲以上の範囲に亘つて往復運動し、反
応ガスを複数個設けられたガス噴出口22から噴
出する。一方、平板状の補助電極5a,5bも前
述と同様に互いに相対的に、あるいは単独に、さ
らには同時に往復運動する。
FIG. 7 shows an example in which flat plate-shaped auxiliary electrodes 5a and 5b are opposed to each other, a workpiece 2 is placed on the auxiliary electrodes, and a gas supply pipe 17 is arranged in the space between the flat plate-shaped auxiliary electrodes 5a and 5b. FIG. In the figure,
The flat plate-shaped workpiece 2 has flat plate-shaped auxiliary electrodes 5a, 5.
It is connected to the cathode of the power source by being installed on one or both opposing sides of b. The gas supply pipe 17 reciprocates over a range greater than the processing range of the workpiece 2 installed on the flat plate-shaped auxiliary electrode, and ejects reactive gas from a plurality of gas ejection ports 22 provided therein. On the other hand, the flat plate-shaped auxiliary electrodes 5a and 5b also reciprocate relative to each other, singly, or simultaneously, as described above.

このように、ガス供給管17を動かしながらそ
のガス噴出口22から処理ガスを被処理品2に噴
出し、更に望ましくは被処理品2、あるいは被処
理品2が設置された補助電極5、さらには相対向
する補助電極5を回転あるいは往復運動して処理
を行うことにより処理層の均一化が図れる。ま
た、反応ガスが補助電極間、あるいは補助電極と
被処理品間のみに供給されることにより、供給さ
れた反応ガスはこの空間において速やかに反応し
て被処理品表面に処理層を形成する。したがつ
て、効率的な処理ができるとともに、未反応ガス
の炉内への拡散が少ないという利点も生じる。
In this way, while moving the gas supply pipe 17, the processing gas is ejected from the gas outlet 22 onto the article 2 to be treated, and more preferably the article 2 to be treated, or the auxiliary electrode 5 on which the article 2 is installed, and further By performing the treatment by rotating or reciprocating the opposing auxiliary electrodes 5, the treated layer can be made uniform. Furthermore, by supplying the reactive gas only between the auxiliary electrodes or between the auxiliary electrode and the workpiece, the supplied reactive gas reacts quickly in this space to form a treatment layer on the surface of the workpiece. Therefore, efficient processing is possible, and there is also the advantage that there is less diffusion of unreacted gas into the furnace.

ここで、被処理品へ形成する被膜の厚さを均一
にするには反応ガスの分布状態を制御することが
好ましい。反応ガスの分布状態は単数あるいは複
数個に分枝されたガス供給管17に複数個設けら
れたガス噴出口の大きさ及び分布により変化す
る。
Here, in order to make the thickness of the film formed on the object to be processed uniform, it is preferable to control the distribution state of the reaction gas. The distribution state of the reaction gas changes depending on the size and distribution of a plurality of gas jet ports provided in the single or plural branched gas supply pipe 17.

第6図に示したような円板状の補助電極間に被
処理品とガス供給管を配設した構成の場合を例に
とつて、反応ガスの分布状態の制御を説明する。
第8図は4本のガス供給管17にそれぞれ複数個
の同一直径のガス噴出口を同一間隔で複数個配置
させた場合の各ガス供給管で得られる反応ガスの
分布範囲を示す。第9図は第8図におけるガス供
給管の長手方向における位置と反応ガス量及び被
膜の厚さとの関係を示す。第8図及び第9図に示
すように、ガス噴出口の間隔及び大きさが同一の
場合、反応ガスが中心部から供給されるとガス供
給管の先端部の位置に比較して中心部の位置の方
が反応ガス量が多く供給されるような分布とな
る。その結果、形成された被処理品の被膜の厚さ
はガス供給管の先端部の位置では薄く、中心部の
位置では厚くなり、補助電極内の広い範囲におい
て均一な分布状態を得ることは困難である。そこ
で、被膜の厚さが均一な分布状態となるようにす
るには、第8図と同一の電極構造とガス供給系に
おいては第10図に示すような反応ガスの分布範
囲とする必要がある。第11図は第10図におけ
るガス供給管の長手方向の位置と反応ガス量及び
被膜の厚さとの関係を示す。第10図及び第11
図に示すように反応ガス量をガス供給管の中心部
に比較して先端部の方を多くすることにより、反
応ガスの分布範囲は先端部の方を広くしてある。
その結果、形成された被処理品の被膜の厚さはガ
ス供給管の先端部及び中心部のいずれの位置にお
いても均一となり、補助電極内の広い範囲におい
て均一な分布状態を得ることが可能となる。
Control of the distribution state of the reactant gas will be explained by taking as an example a configuration in which a workpiece to be treated and a gas supply pipe are disposed between disk-shaped auxiliary electrodes as shown in FIG.
FIG. 8 shows the distribution range of the reaction gas obtained in each of the four gas supply pipes 17 when a plurality of gas jet ports having the same diameter are arranged at the same intervals in each of the four gas supply pipes. FIG. 9 shows the relationship between the position in the longitudinal direction of the gas supply pipe in FIG. 8, the amount of reactant gas, and the thickness of the coating. As shown in FIGS. 8 and 9, when the spacing and size of the gas jet ports are the same, when the reaction gas is supplied from the center, the position of the center is higher than that of the tip of the gas supply pipe. The distribution is such that a larger amount of reactant gas is supplied at the position. As a result, the thickness of the formed coating on the processed object is thin at the tip of the gas supply pipe and thick at the center, making it difficult to obtain a uniform distribution over a wide range within the auxiliary electrode. It is. Therefore, in order to achieve a uniform distribution of coating thickness, it is necessary to have the reactive gas distribution range as shown in Figure 10 using the same electrode structure and gas supply system as in Figure 8. . FIG. 11 shows the relationship between the longitudinal position of the gas supply pipe in FIG. 10, the amount of reactant gas, and the thickness of the coating. Figures 10 and 11
As shown in the figure, by increasing the amount of reactive gas at the tip of the gas supply pipe compared to the center, the distribution range of the reactive gas is made wider at the tip.
As a result, the thickness of the formed coating on the processed object is uniform at both the tip and center of the gas supply pipe, making it possible to obtain a uniform distribution over a wide range within the auxiliary electrode. Become.

このように反応ガス量をガス供給管の先端部で
は多く、中心部では少なくするには複数個設けら
れたガス噴出口の分布状態及び/又はその大きさ
を制御するのがよい。例えば第12図aでは複数
個のガス噴出口22の大きさを一定とし、各ガス
噴出口の間隔を変化させることにより分布状態を
制御しており、ガス供給管の先端になるにつれて
ガス噴出口の間隔は密となり、中心部になるにつ
れて粗となるような分布状態となつている。また
第13図aでは複数個のガス噴出口22の間隔を
一定とし、各ガス噴出口の径を変化させており、
ガス供給管の先端になるにつれて噴出口の径は大
きくなり、中心部になるにつれて小さくなつてい
る。以上のようなガス噴出口の構成とすることに
より、第12図b,第13図bに示す如く、ガス
供給管の先端部になるにつれて供給されるる反応
ガス量は多くなり、被処理品は補助電極の内周側
及び外周側においても被膜の厚さが均一な処理が
可能になる。なお、ガス噴出口の大きさ及び間隔
のいずれも変化させても同様の効果が得られる。
In order to increase the amount of reactant gas at the tip of the gas supply pipe and reduce it at the center, it is preferable to control the distribution state and/or size of the plurality of gas jet ports. For example, in FIG. 12a, the size of the plurality of gas nozzles 22 is kept constant, and the distribution state is controlled by changing the interval between each gas nozzle, and as the tip of the gas supply pipe approaches, the gas nozzle The distribution is such that the spacing becomes dense and becomes sparse towards the center. In addition, in FIG. 13a, the intervals between the plurality of gas jet ports 22 are constant, and the diameter of each gas jet port is varied.
The diameter of the ejection port increases toward the tip of the gas supply pipe, and decreases toward the center. By configuring the gas outlet as described above, as shown in FIGS. 12b and 13b, the amount of reactant gas supplied increases toward the tip of the gas supply pipe, and the product to be treated increases. It is possible to perform treatment with a uniform coating thickness on the inner and outer circumferential sides of the auxiliary electrode. Note that the same effect can be obtained even if both the size and interval of the gas ejection ports are changed.

以上のガス噴出口22に関する説明は第6図に
示した如き、対向した円板状の補助電極を用い、
ガス供給はその中心部から放射状に設置したガス
供給管による場合であるが、他の補助電極構造、
例えば第5図また第7図に示す円筒状あるいは平
行平板状の場合においては、各補助電極の上、下
の位置において上記と同様の反応ガス分布範囲と
なるようにガス噴出口を配設することで、被膜の
厚さが均一な処理ができる。
The above explanation regarding the gas outlet 22 uses opposing disk-shaped auxiliary electrodes as shown in FIG.
Gas is supplied by gas supply pipes installed radially from the center, but other auxiliary electrode structures,
For example, in the case of a cylindrical or parallel plate shape as shown in FIGS. 5 and 7, gas jet ports are arranged above and below each auxiliary electrode so that the same reaction gas distribution range as above is obtained. This allows the coating to be processed to have a uniform thickness.

以下、本発明の具体的実施例について説明す
る。
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.

〈実施例 1〉 第1図に示した処理装置を用い、第5図に示し
た補助電極およびガス供給手段の構成を用いて浸
炭およびその後のTiCコーテイングを行つた。被
処理部材としてはJIS規格SKD61熱間ダイス鋼61
種のアルミダイキヤスト型用ピン(直径12mmで段
付、高さ120mm)を使用した。第5図の補助電極
5a,5bは高さ150mmで、補助電極5aの内径
は直径340mm、補助電極5bは外径は直径250mm
で、いずれも厚さ5mmの軟鋼製を用いた。この補
助電極5aの内径および補助電極5bの外径の中
間である直径295mmの位置に、被処理品2のピン
を24mm間隔で25本設置した。ガス供給管17は補
助電極5a,5bと被処理品2のピン空間に六等
分した角度にそれぞれ2本、計12本設けた。この
ガス供給管には端部130mmの範囲に直径1.0mmのガ
ス噴出口22が多数開口されている。
<Example 1> Carburization and subsequent TiC coating were performed using the processing apparatus shown in FIG. 1 and the configuration of the auxiliary electrode and gas supply means shown in FIG. The material to be processed is JIS standard SKD61 hot die steel 61.
I used a pin for an aluminum die-cast mold (diameter 12 mm, stepped, height 120 mm). The auxiliary electrodes 5a and 5b in Fig. 5 have a height of 150 mm, the inner diameter of the auxiliary electrode 5a is 340 mm, and the outer diameter of the auxiliary electrode 5b is 250 mm.
Both were made of mild steel with a thickness of 5 mm. At a position with a diameter of 295 mm, which is the middle between the inner diameter of the auxiliary electrode 5a and the outer diameter of the auxiliary electrode 5b, 25 pins of the workpiece 2 were placed at intervals of 24 mm. A total of 12 gas supply pipes 17 were provided, two each at an angle divided into six equal parts in the pin spaces of the auxiliary electrodes 5a, 5b and the workpiece 2. This gas supply pipe has a large number of gas jet ports 22 each having a diameter of 1.0 mm in a range of 130 mm at the end.

真空ポンプ6により炉体1の内部を5×
10-3Torr以下に減圧し、その状態でH2ガスを導
入し、400〜900Vの直流電圧を印加して被処理品
2と補助電極5a,5bとの間で高電離密度の放
電を生じさせ、1020℃に5mm保持後、CH4ガスを
導入して2.5Torrに保持し、これによりTiCコー
テイング前の前処理としての浸炭を5min間行つ
た。浸炭後、次いで、このガス中に容器15中の
TiCl4をキヤリアガス12aのH2で気化させて混
合して供給し、1020℃で50minのTiCコーテイン
グ処理を行つた。なお、処理ガスを供給する際、
ガス供給管17は17r.p.m.の回転数で連続的に回
転させた。また、被処理品2および補助電極5
a,5bも5.0r.p.mでガス供給管17に対して相
対的になる方向で回転させて処理を行つた。
The inside of the furnace body 1 is vacuumed 5× by the vacuum pump 6.
The pressure is reduced to 10 -3 Torr or less, H 2 gas is introduced in that state, and a DC voltage of 400 to 900 V is applied to generate a discharge with high ionization density between the workpiece 2 and the auxiliary electrodes 5a and 5b. After holding the temperature at 1020° C. for 5 mm, CH 4 gas was introduced and the temperature was maintained at 2.5 Torr, thereby performing carburization for 5 minutes as a pretreatment before TiC coating. After carburizing, the gas in the container 15 is then
TiCl 4 was vaporized with H 2 of the carrier gas 12a, mixed and supplied, and TiC coating treatment was performed at 1020° C. for 50 minutes. In addition, when supplying processing gas,
The gas supply pipe 17 was continuously rotated at a rotation speed of 17 rpm. In addition, the workpiece 2 and the auxiliary electrode 5
A and 5b were also rotated at 5.0 rpm in a direction relative to the gas supply pipe 17 for treatment.

処理は上記と同一工程で第4図に示す従来法に
よつても行つた。
The treatment was also carried out by the conventional method shown in FIG. 4 using the same steps as above.

その結果、本発明実施例によればTiCコーテイ
ングが10〜12μmの範囲で均一に形成されており、
そのTiとCの化学組成の比は1に近い値であつ
た。したがつて処理ガスが均一に分布し、さらに
その各々のガスの分圧も均一であつたことが明確
である。
As a result, according to the example of the present invention, the TiC coating was uniformly formed in the range of 10 to 12 μm,
The chemical composition ratio of Ti and C was close to 1. Therefore, it is clear that the processing gases were uniformly distributed and that the partial pressures of each gas were also uniform.

一方、従来法では均一なTiC被膜は形成され
ず、また形成されている被膜はCの多い黒いスス
状の軟かい層であつた。したがつて、TiC被膜形
成に有効な処理ガスが被処理表面に供給されてい
なかつたか、供給されていてもその各々のガス分
布が変化して目的の組成のTiCが形成されなかつ
たことがわかる。また炉壁には未反応のTiCl4
反応生成物が一面に付着し、空気中の水分と反応
して炉壁はベトついた吸湿物に変化し、次の減圧
工程で5×10-3Torrの排気に要する時間が非常
に長くなつた。これに対し、本発明実施例による
処理後の炉壁には従来法のような付着物は少な
く、したがつて高電離密度の放電域内で効率的に
被膜形成が行われる効果が明瞭に確認された。
On the other hand, in the conventional method, a uniform TiC film was not formed, and the film that was formed was a black soot-like soft layer containing a lot of carbon. Therefore, it can be seen that either the processing gas effective for forming a TiC film was not supplied to the surface to be treated, or even if it was supplied, the distribution of each gas changed and TiC of the desired composition was not formed. . In addition, unreacted TiCl 4 and reaction products adhere to the entire surface of the furnace wall, and react with moisture in the air, turning the furnace wall into a sticky hygroscopic substance, which becomes 5×10 -3 in the next pressure reduction process. The time taken to exhaust Torr has become extremely long. On the other hand, there were fewer deposits on the furnace wall after the treatment according to the embodiment of the present invention, unlike the conventional method, and the effect of efficient film formation in the high ionization density discharge region was clearly confirmed. Ta.

〈実施例 2〉 第1図に示した処理装置を用い、第6図に示し
た補助電極およびガス供給手段の構成を用いて、
浸炭処理を行つた。(CVDは行わない。)被処理
部材としてはJIS規格SCM415のクロムモリブデ
ン鋼を20×20×5mmに加工した板状部品を使用し
た。第6図の円板状の補助電極として耐熱鋼製の
外径360mm、内径180mm、板厚5mmの円板を用い
た。被処理品2は下側に位置する円板状の補助電
極の上に50個分散させ、上側の円板状の補助電極
との間隔を17mmにして設置した。処理ガス供給管
17は上側の円板状の補助電極と被処理品2との
中間の高さになるように調整して、放射状に4本
設け、その中心部はガス回転供給機構16により
回転される。ガス供給管17にはガス噴出口22
が円板状の補助電極の内外15mmを除いた60mmの範
囲に直径1.5mmの大きさで複数個設けられている。
<Example 2> Using the processing apparatus shown in Fig. 1 and the configuration of the auxiliary electrode and gas supply means shown in Fig. 6,
Carburizing treatment was performed. (CVD was not performed.) As the member to be treated, a plate-shaped part made of chromium molybdenum steel of JIS standard SCM415 and processed into a size of 20 x 20 x 5 mm was used. As the disk-shaped auxiliary electrode shown in FIG. 6, a heat-resistant steel disk with an outer diameter of 360 mm, an inner diameter of 180 mm, and a plate thickness of 5 mm was used. Fifty pieces of the processed article 2 were dispersed on the disk-shaped auxiliary electrode located on the lower side, and were installed with a distance of 17 mm from the upper disk-shaped auxiliary electrode. The processing gas supply pipes 17 are adjusted to have a height midway between the upper disc-shaped auxiliary electrode and the workpiece 2 and are arranged in a radial manner. be done. The gas supply pipe 17 has a gas outlet 22.
A plurality of electrodes with a diameter of 1.5 mm are provided within a 60 mm area excluding the inner and outer 15 mm of the disk-shaped auxiliary electrode.

処理に際しては、真空ポンプ6により炉体1の
内部を5×10-2Torr以下に排気し、その状態で
H2ガスを導入して400〜900Vの直流電圧を印加
して下側の補助電極を含む被処理品2と上側の円
板状の補助電極との間で高電離密度のグロー放電
を生じさせ、1040℃にて5min間均熱加熱を行い、
続いてCH4ガスを導入して4Torrに保持して1040
℃で15minの浸炭処理を行つた。浸炭後、H2
スのみが1040℃に加熱保持し、170minの拡散処
理を行つた。このように処理を施した被処理品2
を急冷し、硬さ(HV)測定を行つて硬化深さを
測つた。その結果から炭素の拡散状況を観察し
た。硬化深さはHV550以上を有効硬化深さとし
た。
During the treatment, the inside of the furnace body 1 is evacuated to 5×10 -2 Torr or less using the vacuum pump 6, and the temperature is maintained in that state.
H 2 gas is introduced and a DC voltage of 400 to 900 V is applied to generate a glow discharge with high ionization density between the workpiece 2 including the lower auxiliary electrode and the upper disc-shaped auxiliary electrode. , soaked and heated at 1040℃ for 5 minutes,
Then CH4 gas was introduced and maintained at 4 Torr to 1040
Carburizing treatment was carried out at ℃ for 15 min. After carburizing, only H 2 gas was heated and maintained at 1040°C, and diffusion treatment was performed for 170 min. Processed product 2 processed in this way
The hardness (H V ) was measured to determine the depth of hardening. Based on the results, we observed the carbon diffusion situation. The effective hardening depth was defined as H V 550 or more.

第14図は浸炭処理後の有効硬化深さを示す線
図である。縦線の長さはバラツキの範囲を示して
いる。図から明らかなように、本発明では5min
浸炭、170min拡散処理の目標たる有効硬化深さ
1.5mmに対しその誤差は0.1mm前後である。これに
対し、従来法では浸炭層が形成されない場合、あ
るいは形成されても有効硬化深さを示すある一定
値以上の表面炭素濃度の浸炭層が形成されない場
合、又は目標値である1.5mmの浸炭層が形成され
る場合があり、ばらつきの範囲が非常に広い傾向
がある。つまり、本発明法では被処理品全体にわ
たつてほぼ均一な浸炭層が得られるのに対し、従
来法では被処理品間でばらつきが多く、安定して
均一な浸炭層を得るのは困難であることが分つ
た。
FIG. 14 is a diagram showing the effective hardening depth after carburizing. The length of the vertical line indicates the range of variation. As is clear from the figure, in the present invention, 5 min
Target effective hardening depth for carburizing and 170min diffusion treatment
The error is around 0.1mm compared to 1.5mm. On the other hand, when using the conventional method, a carburized layer is not formed, or even if it is formed, a carburized layer with a surface carbon concentration above a certain value indicating the effective hardening depth is not formed, or when the carburized layer reaches the target value of 1.5 mm. Layers may be formed and the range of variation tends to be very wide. In other words, with the method of the present invention, a nearly uniform carburized layer can be obtained over the entire product being treated, whereas with the conventional method, there are many variations between the products being treated, making it difficult to obtain a stable and uniform carburized layer. I found out something.

以上のような有効硬化深さのバラツキに及ぼす
因子としては、処理時間一定のときは、処理温度
および被処理品表面における炭素濃度がある。従
来法では処理温度をほぼ均一に保持することは可
能であるけれども、表面炭素濃度に関しては、導
入したCH4ガス炉体内全体に分布することから被
処理品の位置、あるいは補助電極と被処理品間で
のCH4ガスの供給量が内部に拡散する消耗量より
も少なくなるので場所により内部の実質上のCH4
ガス分圧が低くなり、有効硬化深さにばらつきが
生じる。これに対し、本発明法によれば放電領域
に高密度でガス分圧の変動が少ない状態で均一に
処理ガスが供給されるため、被処理品表面におけ
るガス分圧およびガス密度が改良されて被処理品
全体に亘り均一になり、ばらつきの少ない処理が
できる。
Factors that affect the above-mentioned variations in effective hardening depth include the processing temperature and the carbon concentration on the surface of the workpiece when the processing time is constant. Although it is possible to maintain the processing temperature almost uniformly in the conventional method, the surface carbon concentration is distributed throughout the introduced CH 4 gas furnace, so it depends on the location of the object to be processed, or between the auxiliary electrode and the object. Since the amount of CH 4 gas supplied between
The gas partial pressure becomes low and the effective cure depth varies. In contrast, according to the method of the present invention, the processing gas is uniformly supplied to the discharge region at high density and with little variation in gas partial pressure, so the gas partial pressure and gas density at the surface of the workpiece are improved. The process becomes uniform over the entire object to be processed, allowing for processing with little variation.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

従来の方法では反応に寄与するガス物質を減圧
容器全域に拡散させて処理ガスの分圧に変動を生
じながら被処理品表面のグロー放電による処理を
行うのに対して、本発明では被処理品と補助電極
との間の空間に反応に寄与するガス物質が均一に
分散せしめられながら供給されるので、高電離密
度のグロー放電域でガス物質を直ちに反応させて
被処理品に均一かつ効率的な表面処理を施すこと
ができると共に、未反応のガスが容器内へ拡散す
ることが少くなり、未反応ガスの容器壁への付着
を防止することができる。本発明は被処理品の表
面の全体又は部分に単一又は複数の表面処理層、
例えば表面拡散層または表面被覆層などを形成す
る表面処理に有効に活用でき、特に高温域での表
面処理に効果的である。
In the conventional method, gaseous substances that contribute to the reaction are diffused throughout the reduced pressure container, and the treatment is performed by glow discharge on the surface of the processed object while causing fluctuations in the partial pressure of the processing gas. Since the gaseous substances that contribute to the reaction are uniformly distributed and supplied to the space between the auxiliary electrode and the auxiliary electrode, the gaseous substances are immediately reacted in the glow discharge region of high ionization density, and the processed objects are uniformly and efficiently treated. Not only can a surface treatment be performed on the surface of the container, but also unreacted gas is less likely to diffuse into the container, and unreacted gas can be prevented from adhering to the container wall. The present invention includes a single or multiple surface treatment layer on the whole or part of the surface of the article to be treated,
For example, it can be effectively used for surface treatment to form a surface diffusion layer or a surface coating layer, and is particularly effective for surface treatment in a high temperature range.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明を実施するのに用いる表面処理
装置の一例を示す説明図、第2図は従来のイオン
窒化処理法に用いられる装置の一例を示す説明
図、第3図は従来のCVD装置の一例を示す説明
図、第4図は従来の導電性部材の処理装置の一例
を示す説明図、第5図,第6図および第7図は本
発明法に用いる電極構造およびガス供給手段の三
つの例を示す斜視図、第8図はガス噴出口の大き
さと間隔が一様な場合のガスの分布範囲を示す
図、第9図は第8図の場合におけるガス量および
被膜厚さを示す図、第10図は好ましいガスの分
布範囲を示す図、第11図は第10図の場合にお
けるガス量および被膜厚さを示す図、第12図
a,bはガス噴出口の間隔を変化させたガス供給
管とその場合のガス量および被膜厚さを示す図、
第13図a,bはガス噴出口の大きさを変化させ
たガス供給管とその場合のガス量および被膜厚さ
を示す図、第14図は浸炭処理の有効硬化深さを
示す図である。 1…炉体、2……被処理品、4…直流電源、5
a,5b…補助電極、6…真空排気系、7…陽極
端子、8…回転陰極端子、11…真空測定子、1
2a,12b…キヤリアおよび反応ガス、13…
ガス流量制御系、15…金属ハロゲン化物収納容
器、16…ガス回転供給機構、17…ガス供給
管、21…電動機、22…ガス噴出口。
Fig. 1 is an explanatory diagram showing an example of a surface treatment apparatus used to carry out the present invention, Fig. 2 is an explanatory diagram showing an example of an apparatus used in the conventional ion nitriding process, and Fig. 3 is an explanatory diagram showing an example of the apparatus used in the conventional ion nitriding process. FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a conventional processing apparatus for conductive members. FIGS. 5, 6, and 7 are diagrams showing an electrode structure and gas supply means used in the method of the present invention. Figure 8 is a diagram showing the gas distribution range when the size and spacing of the gas outlets are uniform, Figure 9 is a diagram showing the gas amount and coating thickness in the case of Figure 8. FIG. 10 is a diagram showing the preferred gas distribution range, FIG. 11 is a diagram showing the gas amount and film thickness in the case of FIG. A diagram showing the changed gas supply pipes, the gas amount and coating thickness in that case,
Figures 13a and 13b are diagrams showing gas supply pipes with different gas outlet sizes, the gas amount and film thickness in that case, and Figure 14 is a diagram showing the effective hardening depth of carburizing treatment. . 1...Furnace body, 2...Product to be processed, 4...DC power supply, 5
a, 5b... Auxiliary electrode, 6... Vacuum exhaust system, 7... Anode terminal, 8... Rotating cathode terminal, 11... Vacuum measuring probe, 1
2a, 12b...carrier and reaction gas, 13...
Gas flow rate control system, 15...Metal halide storage container, 16...Gas rotation supply mechanism, 17...Gas supply pipe, 21...Electric motor, 22...Gas jet port.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 減圧容器中で被処理品を陰極とし、被処理品
に対向してその近傍に陰極に接続された補助電極
を配設し、上記容器内にガス物質を供給して高電
離密度のグロー放電の下に被処理品の表面に処理
層を形成するイオン表面処理方法において、被処
理品と補助電極との間の空間に存するガス噴出口
を有するガス供給管を被処理品および補助電極に
対し相対的に移動させながら、ガス供給管のガス
噴出口からガス物質を上記空間内に供給すること
を特徴とするイオン表面処理方法。 2 ガス供給管は先端に近い程口径が大きい複数
個のガス噴出口を有する特許請求の範囲第1項記
載のイオン表面処理方法。 3 ガス供給管は先端に近い程間隔が小さい複数
個のガス噴出口を有する特許請求の範囲第1項記
載のイオン表面処理方法。
[Claims] 1. An article to be treated is set as a cathode in a reduced pressure container, an auxiliary electrode connected to the cathode is disposed opposite to and near the article to be treated, and a gas substance is supplied into the container. In an ion surface treatment method in which a treatment layer is formed on the surface of a workpiece under glow discharge with high ionization density, a gas supply pipe having a gas outlet located in a space between the workpiece and an auxiliary electrode is treated. An ion surface treatment method characterized by supplying a gas substance into the space from a gas outlet of a gas supply pipe while moving the substance relative to the product and the auxiliary electrode. 2. The ion surface treatment method according to claim 1, wherein the gas supply pipe has a plurality of gas jet ports, the diameter of which increases as it approaches the tip. 3. The ion surface treatment method according to claim 1, wherein the gas supply pipe has a plurality of gas ejection ports that are spaced closer to the tip.
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