JPH04325677A - グロー放電を利用した金属表面のイオン窒化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、グロー放電を利用した
イオン窒化による鉄鋼やステンレススチール等の金属部
材の表面硬化法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属部材の表面を硬化する方法と
して窒化が多く用いられて来た。近年は、イオン工学的
処理方法として原料ガスをプラズマによりイオン化させ
て窒化を行うイオン窒化法も用いられるようになった。 このプラズマを用いた表面硬化処理法は、基本的には図
５に示すような装置において、数Ｔｏｒｒの窒素含有ガ
スを真空容器内１に導入し、被処理物２の周囲に巻いた
誘導加熱用高周波コイル９に高周波電流を通じると同時
に真空容器１と被処理物２との間に直流電圧を印加する
事によりグロー放電を発生させて、ガス雰囲気中の窒素
イオンを被処理物２の表面に衝突させ被処理物２を加熱
するとともに被処理物表面の結晶粒界を通して窒素を侵
入させ或は反応させて表面硬化層を形成するものである
。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようにイオンを用
いた方法では、被処理物表面に衝突する窒素イオンは分
子、原子状態に比べ、衝突エネルギーが１０００〜５０
００倍も高い為、塩浴窒化、ガス窒化よりも効率よく表
面硬化が出来る利点を有している。しかしながら、この
ような処理方法では通常被処理物表面に、数μｍ〜数十
μｍの硬くて脆い脆化層（γ−Ｆｅ４Ｎ，ε−Ｆｅ２−
３Ｎ）が生じる。通常、これらの脆化層は混在して被処
理物表面に形成されるが、各々、結晶構造、格子定数、
熱膨張係数が異なる。その為に、耐摩耗性、耐衝撃性を
必要とする金属部材、例えば金型や機械部品等に窒化処
理を施した場合、衝撃荷重が加わるとクラックが生じや
すくなり、被処理物の寿命低下につながる。また、これ
らの脆化層が存在すると、被処理物の耐食性が劣化する
傾向にある。その為に、従来の窒化処理では、窒化処理
を行った後、最表面に生じる脆化層を研磨により除去し
て使用する。即ち、窒化により表面硬化を実施した後は
必ず研磨処理を行う必要性があり、労力、コストに問題
が残る。また、複雑形状を有する金型、機械部品等に窒
化処理を施す場合、研磨が均一に行われない可能性があ
り、窒化処理品の信頼性、安全性が問題となる。脆化層
を生じさせないようにする為に、従来は、窒素ガスの分
率や直流電圧を低減させたり、窒化処理後、Ｈ２或はＡ
ｒで被処理物表面をスパッタし、脆化層を除去する方法
もあるが、これらの場合は、窒化速度が減少したり、１
行程の処理時間が長くなる為、効率が悪くなるという問
題を持つ。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決する為に、脆化層を生じる事なく複雑な形状を有す
る被処理物に対しても容易に効率よく窒化による表面硬
化が行える方法を提供するものである。

【０００５】ここで、まず本発明の実施を図１，２，３
，４に示す装置を用いて説明する。なお各図とも、１は
真空容器、２は被処理物、３は電極、４は原料ガス吹き
出しノズル、５はＤＣ電源、６はＲＦ電源、７はヒータ
ーである。図１に示すように、真空容器１の内側に被処
理物２を設置する設置台兼用の電極が設けられ、この電
極３に対向して真空容器１の空間に容器１を貫通して複
数の吹き出し口を備える原料ガス吹き出しノズル４が設
けられる。真空容器１は概略的にしか示していないが、
外部の真空排気系とつながる排気孔１０を備えている。 また前記電極３はこれに設置される被処理物２を加熱す
るヒーター７を備えている。図のように、ＲＦ電源、例
えば周波数が１３．５６ＭＨｚの電源６の一方の端子と
、これと並列に直流電源５の負側端子が電極３に接続さ
れ、両電源の他方端子は接地され、また真空容器１の内
壁も接地される。また、図２に示す装置では、図１に示
す装置と相違して、電極３と原料ガス吹き出しノズル４
との間に金属メッシュ電極８を保持し、このメッシュ電
極８をＲＦ電源の一方の端子と接続し、電極３にはＤＣ
電源６のみが接続され、双方の他端子は接地される。さ
らに、図３の装置は真空容器１の中心に複数の吹き出し
口を備える原料ガス吹き出しノズル４が真空容器１を貫
通して設けられ、このノズル４と同心状に環状のヒータ
ー７が配置され、このノズル４と環状のヒーター７との
間に、環状の被処理物３が配置できるように、設置台兼
用の電極３が配置される。ＤＣ電源５、およびＲＦ電源
６の装置に対する接続は図１の場合と同じであり、真空
容器１の内壁は接地される。また、図４の装置は、その
構成においては図３のものと相違して原料ガス吹き出し
ノズル４と被処理物２の配置される位置との間に円筒状
の金属メッシュ電極８を備え、ＤＣ電源５およびＲＦ電
源６の一端はそれぞれ電極３、金属メッシュ電極８に接
続されている。

【０００６】

【作用】図５に示す従来の装置およびこの装置による処
理方法では、被処理物２に負の電圧を加え、真空容器１
の内壁を接地して、容器内を減圧し、両者間でグロー放
電を発生させて処理を行っている。この際真空容器１に
導入された窒素ガス、水素等はグロー放電によりイオン
化される。このイオン化された窒素イオンは正の電気を
帯びている為、負に帯電している被処理物に激しく衝突
する。この場合、被処理物は窒化処理を実施している間
、即ちグロー放電を維持している間は常に負に帯電して
いる為、絶えず正の窒素イオンが被処理物の表面に衝突
する事になり、被処理物表面の鉄原子はこの窒素イオン
と結合し窒化鉄として析出する。また、被処理物に衝突
した窒素イオンにより、表面近くの格子欠陥密度が増加
するが、イオン衝撃によって生じた転位の移動方向と窒
素の拡散方向が一致する為、窒素は被処理物内部へ拡散
することになる。内部へ拡散した窒素は被処理物中に含
まれるＣｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ａｌ等と結合して硬度の高いこ
れらの窒化物を形成する。その結果、被処理物の硬度は
高くなる。しかしながら、グロー放電により生成される
窒素イオンの被処理物表面への供給量が、被処理物内部
への拡散量よりも高すぎる時、被処理物表面での窒素イ
オンの過飽和状態が起こり、被処理物表面での窒素イオ
ンの滞在時間が多くなる為、結果として被処理物の主成
分である鉄と結合し硬くて脆い窒化鉄を形成することに
なる。

【０００７】一方、本発明による窒化処理の原理を記す
。図１，２は高周波電極と対向電極が平行して設置され
ている容量結合型ＲＦ放電真空容器である。図１の装置
で被処理物に周波数ｆ＝１３．５６ＭＨｚの高周波を加
え、接地した真空容器内壁との間でグロー放電を発生さ
せる場合、被処理物は交番電圧の為に交互に陽極と陰極
になるが、プラズマ中の窒素イオンと電子の移動度の差
により高周波を加えた電極には数十〜数百Ｖの自己バイ
アス（ＳＥＬＦ　　ＢＩＡＳ）が加わる。高周波電極側
に設置した被処理物が負の電位にある時は、窒素イオン
が被処理物表面に衝突するが、次の瞬間、被処理物が正
の電位に換わると、被処理物表面に衝突した窒素イオン
が表面に吸着し表面の鉄原子と結合する前に一部の窒素
イオンは対向電極である真空容器内壁側に引き寄せられ
る。この様に、高周波放電を用いて窒化を行った場合、
前述の直流放電の場合とは異なり、常に窒素イオンが被
処理物表面に供給される事がない。即ち、被処理物表面
の窒素イオン濃度が過飽和になる確率が少ない為、脆化
層が生じ難くなる。また、高周波放電により被処理物表
面はパルス的に窒素イオンによって衝撃を受ける為、連
続的に衝撃を受ける直流放電の場合よりも被処理物内に
転位を生じ易い。前述の如く、転位生成密度が大きいほ
ど、窒素は内部に拡散し易くなる為に結果として少ない
窒素イオン密度でも効率よく被処理物を窒化出来る。こ
の場合、プラズマ密度が、５Ｗ／ｃｍ２よりも高くなる
と、被処理物表面が炭素を含む鋼である場合は脱炭現象
が生じ脆くなる。また、被処理物表面に肌荒れが生じ外
観を損ねる。また、プラズマ密度が０．１Ｗ／ｃｍ２よ
りも低い場合は、プラズマによる被処理物表面近傍の転
位生成密度が小さくなる為に、窒素は被処理物内部にま
で拡散し難くなる。また、図２ではＲＦ出力をメッシュ
電極８に、ＤＣ出力を被処理物に加えて窒化を行う場合
を示す。この場合は、ＲＦ出力によってメッシュに生じ
る自己バイアスと被処理物に加えるＤＣ出力との大小に
より、前述の様に被処理物にパルス的に窒化イオンが衝
突し効率的に窒化される。以上、述べた窒化処理は０．
２〜５Ｔｏｒｒの圧力範囲内で施行される。容器内圧力
が０．１Ｔｏｒｒりも高真空の場合は、プラズマ中の窒
素イオンの密度が低い為、窒化が生じにくい。また５Ｔ
ｏｒｒよりも低真空の場合はプラズマ中の電子温度が低
くなる為、窒化が生じにくくなる。そして図３、図４に
示す装置においても、窒化処理中、それぞれ図１、図２
について説明した作用と同様な作用を生ずる。これらの
装置は被処理物の硬化対象面の形状に従って適宣選択し
て用いられる。以下本発明による実施例を示す。

【０００８】

【実施例１】本発明による窒化方法により冷間加工用金
型（直径８０ｍｍ、厚さ５５ｍｍ）へのイオン窒化を実
施した場合を示す。被処理物である冷間加工用金型を真
空容器内に具備されているＲＦ電極に設置した後、真空
容器内を排気系ポンプ（不図示）により０．００３〜０
．０５Ｔｏｒｒに減圧させた。Ｈ２を流しながらヒータ
ーにより５００℃にまで金型を加熱した後、Ｈ２とＡｒ
の混合ガスをガス吹き出しノズルにより真空容器内に供
給すると同時にＤＣ電源より金型にＤＣ出力を加え、金
型の表面を１０分〜３０分スパッタクリーニングする。 クリーニング終了後、Ａｒガスの供給を中止すると共に
Ｎ２ガスを加え、Ｎ２とＨ２の混合ガスを真空容器内に
供給し、反応圧力を０．４Ｔｏｒｒに保つ。Ｎ２とＨ２
の混合比は、目標とする窒化層深さに応じて１：１０〜
１０：１に変化させれば良い。また、反応圧力は、目標
とする窒化層厚さに応じて０．２Ｔｏｒｒ〜４Ｔｏｒｒ
に変化させれば良い。Ｎ２とＨ２の混合ガスを真空容器
内に供給すると同時にＤＣ出力供給を中止し、ＲＦ電源
より金型にＲＦ出力を供給する。供給するＲＦ出力は、
金型の寸法形状及び目標とする窒化層深さに応じて１０
０Ｗ〜３，０００Ｗに変化させれば良い。また、目標と
する窒化層深さに応じてＤＣ出力を併用して用いても良
い。窒化層を深く迅速に生成したい時にＤＣ出力を併用
すると効果的である。イオン窒化を開始してから１時間
後、ＲＦ出力（或はＲＦ出力とＤＣ出力）の供給を中止
し、Ｎ２ガスの供給を中止する。窒化処理時間は、目標
とする窒化層深さに応じて数十分〜８時間に変化させれ
ば良い。その後、Ｈ２ガスを流しながら金型を冷却する
。

【０００９】このようにして窒化処理した金型は窒化処
理前と比べて表面光沢、色調等は全く変化がなかった。 図６〜図９にこの金型の硬度分布、断面プロフィール、
結晶構造回折及び断面方向のＥＰＭＡの結果を示す。図
６には、通常のイオン窒化（処理時間＝１時間）を施し
た同じ形状の冷間加工用金型の硬度分布を併せて示す。 図６より、本発明による窒化の生成速度は、従来のイオ
ン窒化と変わらない事が明かである。また、図７の断面
プロフィール及び図８（イ）、（ロ）のＸ線構造回折の
結果より、この金型の表面には脆化層が生成していない
ことが判明した。さらに、ＥＰＭＡの結果より、図９に
示すように窒素は表面から約５０μｍに亘り拡散してい
ることがわかった。このように窒化処理したパンチを未
処理物とともに鍛造作業に供した。その結果、未処理物
のパンチは３，５００ショットで表面にヒートクラック
が発生し、８，０００ショットでかじりが発生した。窒
化処理を行ったパンチは１２，０００ショットまでヒー
トクラックが発生しなかった。

【００１０】

【実施例２】次に本発明による窒化処理をアルミニウム
ダイカストピン（直径２０ｍｍ×長さ５０〜２００ｍｍ
）へ応用した場合を示す。アルミニウムダイカストピン
へのイオン窒化は熱間用ダイス鋼（ＳＫＤ６１）で行わ
れ、表面はＨｖ＝１１００〜１２００に処理され耐摩耗
性を向上させるとともにヒートクラックを減少させるこ
とが出来る。アルミニウムダイカストピンを図２に示す
ような真空容器内に設置する。アルミニウムダイカスト
ピンにはＤＣ電源が接続されている。また、原料ガスを
真空容器内に供給する。原料ガス吹き出しノズルとアル
ミニウムダイカストピンとの間には、ＲＦ電源と接続さ
れているメッシュが設置されている。真空容器の排気、
アルミニウムダイカストピンの加熱及びスパッタクリー
ニングは、実施例１と同様である。スパッタクリーニン
グ後、原料ガス吹き出しパイプよりＮ２とＨ２の混合ガ
スを真空容器内に供給する。また、同時に、メッシュに
ＲＦ出力を１５００Ｗ加えると同時にアルミニウムダイ
カストピンに−２００ＶのＤＣ出力を加える。アルミニ
ウムダイカストピンの寸法形状及び目標とする窒化層深
さに応じて、ＲＦ出力は１００Ｗ〜３，０００Ｗ、ＤＣ
出力は−５０Ｖ〜−５００Ｖに変化させると良い。 また、窒化処理時間は、アルミニウムダイカストピンの
寸法形状及び目標とする窒化層深さに応じて、数十分〜
８時間に変化させると良い。このようにして窒化処理し
たアルミニウムダイカストピンは窒化処理前と比べて表
面光沢、色調等は全く変化がなかった。図１０〜図１２
にこのアルミニウムダイカストピンの硬度分布、断面プ
ロフィール、結晶構造回折の結果を示す。断面プロフィ
ール及びＸ線構造回折の結果より、このアルミニウムダ
イカストピンの表面には脆化層が生成していない事が判
明した。また、このようにして窒化処理したアルミニウ
ムダイカストピンを未処理のアルミニウムダイカストピ
ンとともにＡＤＣ１２のダイカスト工程に投入し性能評
価を実施した。試験条件は次の通りである。 溶湯温度：　　６８０℃ ショットサイクル：　　３５〜４０ｓｅｃ湯速度：　　
５５ｍ／ｓｅｃ 製品：　　自動車用トランスミッションケース性能判定
は、５０ショット毎のかじり現象の有無とした。その結
果、ショット数は未処理のアルミニウムダイカストピン
は１０５ショットでかじりついたのに対し窒化処理を行
ったアルミニウムダイカストピンは５６３ショットまで
かじり現象が観察されなかった。

【００１１】

【実施例３】本発明による窒化処理方法を筒形状内面に
応用した例として、窒化鋼からなる射出成形機シリンダ
ー内面への窒化処理を次に示す。射出成形機シリンダー
には耐摩耗性が要求される。用いたシリンダーは、内径
５０ｍｍ、長さ６００ｍｍの直管形状を有している。こ
のシリンダーを図３に示すような装置を用いて窒化した
。具体的に以下に説明する。被処理物であるシリンダー
を周囲と絶縁させて真空容器内に設置する。シリンダー
には、ＲＦ電源とＤＣ電源が接続されていて、ＲＦ出力
及びＤＣ出力が加えられるようになっている。シリンダ
ーの中央に同心円軸状に直径２０ｍｍ〜４０ｍｍのガス
吹き出しパイプを設置する。ガス吹き出しパイプの側面
には均一にガス吹き出し穴が設けられ、ガス吹き出しパ
イプ内に導入された窒素混合ガスが均一にシリンダー内
面に供給されるようになっている。シリンダーの周囲に
は、加熱用ヒーターが設置されている。このようにシリ
ンダーを設置して、実施例１と同様にして６時間窒化処
理を行った。その結果、シリンダー内面には、図１３に
示すような硬度分布及び断面プロフィールを示すような
窒化層が形成された。このようにして窒化処理したシリ
ンダーを用いて未処理のシリンダーとともにフェノール
樹脂を成形した。この結果、未処理シリンダーは、３ケ
月で凝着が生じたが、本発明による窒化処理を施したシ
リンダーは、７ケ月で凝着の微候が観察された。

【００１２】

【実施例４】次に本発明による窒化処理品の耐食性を通
常のガス窒化と従来のイオン窒化を施したサンプル及び
未処理サンプルと比較する事により評価した。基材材質
は３０×６０×５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
を用いた。本発明によるイオン窒化は、実施例１で示し
た方法を用いた。この窒化処理を行ったステンレス鋼は
、外観上、処理前と全く変化は無かった。ガス窒化は、
５２０℃でＮ２とＨ２の混合ガスを用いて１８時間処理
を行った後連続して５５０℃で５０時間処理を行った。 また、従来のイオン窒化は、Ｎ２とＨ２の混合ガスを用
いて４８０℃で１時間処理を施したものを用いたものと
イオン窒化処理後を施した後研磨により脆化層を除去し
たものを用いた。ガス窒化を行ったステンレス鋼は灰色
に、従来のイオン窒化のみを行ったステンレス鋼は黒色
を帯びていた。これらの窒化処理を行ったステンレス鋼
と未処理のステンレス鋼を常温で、１５％の塩酸水溶液
に１５時間浸した。その結果を表１に示す。

【００１３】表１

【００１４】この結果より、ガス窒化及び従来のイオン
窒化のみを施したサンプルは未処理サンプルに比べ、耐
食性が著しく低下しており、イオン窒化処理後の研磨に
より脆化層を除去する事により未処理サンプルと同等の
耐食性を示した。これに対し、本発明による窒化処理サ
ンプルは未処理サンプルと殆ど変わらない事がわかる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
鋼、ステンレス等の金属部材の表面を脆化層を生じる事
なく効率的に窒化する事が出来る。その為に、金属部材
の耐食性を損なう事なく耐摩耗性を向上させる事が出来
ると共に窒化処理後の脆化層除去が不用な為、著しい効
率向上、コスト低減が可能となる。また、以上の説明は
イオン窒化について述べたが、本発明は、イオン浸炭、
イオンほう化に対しても適用できることは言うまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるイオン窒化処理法に用いられる装
置の概略図を示す。

【図２】本発明によるイオン窒化処理法に用いられる図
１と別の装置の概略図を示す。

【図３】本発明によるイオン窒化処理法に用いられる図
１，２と別の装置の概略図を示す。

【図４】本発明によるイオン窒化処理法に用いられる図
１，２，３と別の装置の概略図を示す。

【図５】従来のイオン窒化処理に用いられる装置の概略
図を示す。

【図６】本発明の窒化処理を施した冷間加工用金型の硬
度分布と従来の窒化処理を施した前記金型の硬度分布を
示す。

【図７】本発明の窒化処理を施した冷間加工用金型の断
面プロフィールを示す。

【図８】（イ）図は未処理、（ロ）図は本発明の窒化処
理を施した冷間加工用金型の結晶構造回折結果を示す。

【図９】本発明の窒化処理を施した冷間加工用金型の断
面方向のＥＰＭＡを示す。

【図１０】本発明の窒化処理を施したアルミニウムダイ
カストピンの硬度分布を示す。

【図１１】本発明の窒化処理を施したアルミニウムダイ
カストピンの断面プロフィールを示す。

【図１２】本発明の窒化処理を施したアルミニウムダイ
カストピンの結晶構造回折結果を示す。

【図１３】本発明の窒化処理を施したシリンダーの硬度
分布を示す。

【符号の説明】 １　　真空容器 ２　　被処理物 ３　　電極 ４　　ガス吹き出しノズル ５　　ＤＣ電源 ６　　ＲＦ電源 ７　　ヒーター ８　　メッシュ電極 ９　　誘導加熱コイル １０　　高周波電源

【表１】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空容器内に設置した鉄鋼やステンレ
   ススチール等の鉄系合金よりなる金属部材と前記容器の
   間に、高周波、又は高周波と直流を印加し、プラズマに
   よりイオン化された窒素イオンにより前記鉄系合金の表
   面を窒化することを特徴とするグロー放電を利用した金
   属部材のイオン窒化方法。
2. 【請求項２】　　請求項１のイオン窒化方法において、
   真空容器が容量結合型の放電型式を採り、印加する高周
   波電力によるプラズマ密度が、０．１〜５Ｗ／ｃｍ２で
   あり、処理圧力が０．１〜５Ｔｏｒｒであることを特徴
   とする金属表面のイオン窒化方法。