JPH10503554A - プラズマ処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ワークピース(26)を加熱するためのプラズマ加熱装置(20)はワークピース(26)を収容するのに充分な広さの容器(22)と、約０．０１ミリトル乃至約１００ミリトルの減少した容器(22)内のガス圧力のソースとを備えている。プラズマ加熱装置(20)はさらに包囲プラズマを生成するプラズマソース(40)を具備する。任意選択的にワークピース(26)電圧がワークピース(26)と容器(22)の壁(22)の間に供給され、反応性ガス源(34)が容器(22)にガスを充填するために設けられ、放射ヒータ(25)がワークピース(26)を部分的に加熱するために設けられてもよい。動作においてプラズマソース(40)はワークピース(26)を囲んで加熱するプラズマを生成する。プラズマおよびワークピース(26)の加熱は、制御可能な均一または不均一な熱処理および、またはワークピース(26)の表面処理のために調整される。装置(20)は真空中において、またはワークピース(26)の表面を化学的に変化させるために容器(22)内に導入される窒素、炭素または硼素のガス源のような反応性ガス中でワークピース(26)を熱処理するために使用されることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ処理方法および装置 ［発明の背景］ 本発明は、ワークピースの熱処理に関し、特に活性または非活性熱処理のため のワークピースのプラズマ処理に関する。 金属およびセラミックのような多数の材料が製造動作中に熱処理される。熱処 理は典型的にワークピースを高い温度に加熱し、その温度にある期間保持するこ とによって行われる。熱処理は単一温度での加熱、或いは一連の加熱および冷却 工程を含むもっと複雑な処理を含んでいてもよい。熱処理はまた１個の大きいワ ークピースまたは多数の小さいワークピースの処理を含んでいてもよい。 ワークピースの熱処理は任意の種々の理由によって行われる。多くの金属合金 の微細な構造およびそれ故特性が熱処理により変化されることができる。粉末か ら処理されたセラミック部材はその密度を増加させるために焼結されてその強度 を改善されることができる。これらの形式の処理は真空中、或いは不活性雰囲気 中で行われることができる。熱処理はまた窒素または炭素のソースのような反応 性ガス中の処理を含んでいてもよい。そのような処理はその表面特性を変化させ るが、その内部の特性を変化させないようにワークピースの表面に反応性ガスか ら元素を導入する。これらの処理の多くの組合わせ、およびその他の処理が可能 である。 熱処理を行うために使用される装置はワークピースを加熱し、そこにおいて重 要な状態では熱処理が行われる時のワークピースの周囲の雰囲気を制御しなけれ ばならない。１つの良好に確立された方法では、ワークピースは容器内に配置さ れ、その容器内の雰囲気が制御され、容器を囲んで抵抗または誘導加熱素子が設 けられる。このような処理装置は長年使用されている。 最近ではワークピースのプラズマ処理が開発されて熱処理を他の方法よりも迅 速かつ効率的に行うようになっている。同じ数の電子とイオンで構成されたプラ ズマが生成され、ワークピースと接触される。各ワークピースはプラズマ中に存 在する電子、イオン、或いは電子とイオンの両者から伝達されたエネルギにより 加熱される。熱処理は不活性ガスプラズマまたは反応性ガスプラズマ中で行われ 、各ワークピースの表面にイオンスペシーの付着を生じてその表面特性を変化さ せる。冷却は強制的または強制的でない急冷により行われる。 プラズマ処理に利用できる種々の方法が動作可能であるが、それぞれ欠点およ び不利な点を有している。あるものは正確度の制御性に欠け、或いは比較的非効 率である。また、他のものでは所望に応じて均一に、或いは制御された非均一性 でワークピースを処理することができないのでワークピースの不均一な処理を生 じる。さらに別のものでは、プラズマの生成と熱処理を独立して制御することが できない。また高密度のプラズマを得ることが困難である。また他のものは迅速 な熱処理を可能にするためにガス圧力が高すぎる ワークピースの非反応性または反応性熱処理に使用されることができ、前述の 欠点或いは制限を克服することができるプラズマ処理方法および装置が必要とさ れている。 本発明は、これらの要求を満足させ、さらに関連する利点を提供するものであ る。 ［発明の概要］ 本発明は、１以上のワークピースをプラズマ処理するための方法および装置を 提供する。この方法は、例えば自動車の成形ダイのような単一の大型の部品、或 いは自動車のギアのような多数の小型の部品の製造に関連して使用される。迅速 で効率的な熱処理が行われるようにワークピースを囲む等しい数の電子およびイ オンを含む制御された可変密度のプラズマが存在する。熱処理はワークピースの 表面処理を行うために非反応性ガスまたは反応性ガスの分圧中で行われる。装置 は通常の急冷技術を使用して行われてもよく、また全く急冷技術を使用しないで もよい。本発明の装置はそれ自体で使用されることもでき、また通常の熱処理に その性能を強化するために組込まれ、或いはレトロフィットされてもよい。 本発明によれば、ワークピースを熱処理するプラズマ熱処理装置はワークピー スを内部に収容する十分な大きさの容器を備えている。その容器はヒータパネル 、加熱棒その他のワークピースの加熱に役立つ手段が設けられてもよい。装置は さ らに容器内に約０．０１乃至１００ミリトルの低いガス圧力を生成し、制御する 手段と、容器を満たす可変密度のプラズマを選択的に発生する手段とを備えてい る。プラズマの電位は容器壁の電位に近い。プラズマイオンの割合（イオン対中 性密度の原子の比）は０．０１乃至１０ミリトルの圧力範囲における約０．１か ら１０乃至１００ミリトルの圧力範囲における０．０１以下まで変化する。プラ ズマ発生手段は容器の内部または容器から離れた位置であるが容器と連通してい るガス中のプラズマソースを含んでいる。低いガス圧力を生成する手段は真空ポ ンプまたは真空ポンプと窒素、炭素等のソースの反応性ガス或るいはアルゴン、 ネオン等の不活性ガスの制御された再充填手段との組合わせを含んでいる。 特に、好ましいプラズマ加熱装置はワークピースを収容する十分な大きさの容 器と、容器内に約０．０１乃至１００ミリトルの低いガス圧力を生成する手段と を備えている。この低いガス圧力を生成する手段は、容器の内部と連通している 真空ポンプおよび容器の内部と連通している反応性ガス源或るいは不活性ガス源 を含んでいる。反応性ガス源は使用時に窒素または炭素ソースを備えている。不 活性ガス源は使用時にアルゴンやネオンのガス源を備えている。装置はさらに可 変密度の包囲プラズマを選択的に生成するプラズマソースを備えている。プラズ マソースは容器の内部に局部的に配置されてもよく、または容器の外部の離れた 位置にあってもよい。プラズマソースは容器内または離れているが容器内部と連 通して配置された１以上の熱イオンフィラメントから構成され、熱イオンフィラ メント用の電流源とフィラメントと容器壁との間に接続されたフィラメントバイ アス電圧源とを備えている。プラズマソースに対して容器壁は陽極として構成さ れ、フィラメントは陰極として構成されることが好ましい。容器壁とは異なった 陽極の使用はワークピース上に壁材料のスパッタリングを生じる欠点がある。フ ィラメントの形状および方向はワークピースを囲むプラズマを制御するように選 択される。その代りにプラズマソースは同じフィラメントであるが活性化された 熱イオンフィラメントの代りに無線周波数で付勢されてもよい。後者の場合には フィラメントはプラズマを選択的に生成するアンテナとして機能する。 種々の変形において装置はさらにプラズマソース陽極として作用する容器壁と ワークピース直接またはワークピースを支持する支持体との間に接続されたワー クピースバイアス電圧源を含んでいてもよい。ワークピースバイアス電圧は陽極 として作用する容器壁に対してワークピースを陰極として負にバイアスする。こ のバイアス電位はワークピース表面のイオンまたは電子衝撃の量を制御するよう に作用する。十分に低いバイアス電圧は電子およびイオンの両方による衝撃を可 能にする。十分に高いバイアス電圧は正のイオンだけをワークピースに向けて加 速させる。反応性ガスを使用する場合には正のイオンが衝撃し、加熱し、ワーク ピース表面と反応する。非反応性ガスを使用する場合には正のイオンおよび，ま たは電子が衝撃してワークピース表面を加熱する。 本発明の装置は容器の内部に位置するまたはそれから離れている包囲プラズマ ソースを含んでいる。包囲プラズマという用語はワークピース支持体と接触して いるマスクされた区域のような意図的にプラズマから遮蔽された区域を除いて制 御された密度のプラズマによりワークピースを囲んでいるプラズマを意味する。 ワークピースが完全に浸された包囲プラズマはワークピースの選択的な処理を可 能にする可変密度を有することができる。従来のプラズマ処理技術にはそのよう な能力は存在しない。 プラズマが生成されたとき、ガス圧力はワークピースおよび陰極フィラメント 中に加速されるイオン間の電荷交換の量を制御するために制御される。これはイ オン衝撃エネルギに影響を与える。フィラメント陰極の使用は不所望なワークピ ースに対するフィラメント材料のスパッタを導く。同様に熱イオンフィラメント の使用はワークピース上への蒸発したフィラメント材料の不所望な付着を導く。 蒸発材料を最小にするためにフィラメント温度は蒸発が最小になる点まで低下さ れるがプラズマを生成するための電子放射は依然最適に行われる。この温度はト リエーテッドタングステンで約２０００°Ｃ、タングステンで約２３００°Ｃで ある。フィラメント材料のスパッタを最小にするために、フィラメントバイアス 電圧は固定した圧力において低い値に保持され、イオンエネルギを減少させ、或 いは、圧力が固定されたバイアス電圧においてイオンスパッタリングエネルギを 減少させるように制御されることができる。前者の場合にはフィラメントバイア ス電圧は１０ミリトル以下の圧力で４０〜６０Ｖで所望の結果か得られる。後者 の場合にはフィラメントバイアス電圧が４０〜６０Ｖで、５０〜１００ミリトル の圧力で所望の結果か得られる。 プラズマ密度、その均一性、ワークピースバイアス電圧はワークピース表面の 処理の均一性を制御するために調整される。ワークピースの温度は熱処理の付加 的な制御を可能にするために独立に制御される。通常の熱処理技術ではこれらの パラメータを選択的に制御することはできない。対照的にグロー放電技術では、 容器内の圧力は０．３〜１０トル以上の高い値であり、イオンの割合は典型的に ０．００１以下である。ワークピースの電子衝撃は存在しないから、イオン衝撃 が唯一のワークピースの加熱手段である。ワークピースの温度と表面処理に使用 されるイオン衝撃の量を独立に制御することはできない。さらに、グロー放電処 理では表面処理の均一性を選択的に制御する能力はない。ワークピースはプラズ マ中に均一に浸漬される。グロー放電技術ではワークピースは陰極電子放射であ るから、バイアス電圧とプラズマ密度を独立に制御することはできない。 例えば、タービンホイールのような不均一な３次元の物体は半径方向内側の厚 さが４インチで半径方向外側の厚さが１インチである。この不均一な断面のため に、グロー放電処理による部品の均一なイオン衝撃は不均一な温度プロフィール を生じて、その結果不均一な熱処理が行われ、反応性ガスが使用されるときには 不均一な表面処理が行われることになる。本発明の方法はこのような部品の均一 な熱処理および表面処理を得ることが可能である。 別の例では自動車のピニオンギアのような小型の部品は直径約２インチ程度の 寸法である。数百個のそのようなギアが１つの熱処理装置内で１つのグループで 一時に炭化処理される場合に、グロー放電技術により生成された均一なプラズマ はギアを均一に衝撃する。グループの内側に位置するギアは他のギアにより熱的 に遮蔽されるため、内側に位置するギアは外側に位置するギアよりも高い温度に 加熱され、その結果不均一な熱処理となる。本発明は小型のワークピースｋその ような大きいグループの均一な同時の熱処理を可能にする。 強化されたグロー放電技術では、分離したフィラメント放射素子が陰極電子放 射素子としてワークピースの使用時に付加的に設けられる。容器圧力は約１５〜 ３５０ミリトルであり、電荷交換はグロー放電処理のみの場合と比較して減少す る結果が得られる。イオンの割合は０．０１以下である。これにはプラズマ生成 を選択する能力はない。 プラズマソース窒化技術においては、離れた位置のプラズマソースの使用は陰 極電子放射素子としてワークピースを使用する必要をなくし、電荷交換を減少ま たは消去するための低圧力動作を可能にする。しかしながら、これにはワークピ ース温度、またはイオンエネルギ、または選択的なプラズマ生成を独立に制御す る能力はない。 プラズマイオン加熱（ＰＩＨ）と呼ばれる本発明の方法は、これらの従来の熱 処理技術の限界を克服する。プラズマは容器内部または容器から離れた位置（た だし容器内とガスが連通している）のいずれにおいても独立に生成することがで きる。付加的な壁に設けたヒータまたは熱イオンフィラメントがバイアス電圧お よびイオン衝撃とは関係なく選択的なワークピースの加熱を助けるために使用す ることができる。使用されたバイアス電圧およびガス圧力はワークピースのイオ ン衝撃の電荷交換量の制御とは独立して選択的に制御される。ガス圧力はまた陰 極フィラメントのイオン衝撃の電荷交換を制御する。この圧力制御は独立して妥 当であるイオンエネルギおよびイオン密度（すなわちプラズマ密度）を可能にす る。またその影響によりワークピース上に付着するスパッタされたフィラメント 材料を減少させる。ワークピースを処理するために生成されたプラズマは所望の 形式の熱処理に応じて均一または非均一に選択的に制御されることができる。 プラズマイオン加熱において、容器内の動作圧力は約０．０１乃至１００ミリ トルの範囲にわたって制御される。圧力が約０．０１ミリトルより低いとプラズ マは熱処理および表面処理を行うのに十分な密度にならない。圧力が約１００ミ リトルより高いと、電荷交換が重要な影響を与え始め、約１００ミリトルより上 で過度に大きくなる。圧力はワークピースバイアス電圧およびフィラメントバイ アス電圧と共同して選択される。 本発明はプラズマ処理技術において顕著な進歩を与えるものである。ワークピ ースは反応性雰囲気で、または非反応性雰囲気で選択的に熱処理され、高い効率 および均一な処理が可能である。 本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照にした本発明の原理を説 明する単なる例示である好ましい実施形態の詳細な説明によりさらに明瞭になる であろう。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、プラズマイオン加熱装置の概略図である。 図２は、本発明の方法を実施するフロー図である。 図３は、不規則な形状のワークピースの周囲に配置されたフィラメントおよび ヒータを備えたプラズマイオン加熱装置の概略図である。 図４は、成形されたフィラメントを備えたプラズマイオン加熱装置の概略図で ある。 図５は、多数のフィラメントを備えたプラズマイオン加熱装置の概略図である 。 図６は、多数のワークピースを有するプラズマイオン加熱装置の概略図である 。 図７は、遠隔プラズマソースを備えたプラズマイオン加熱装置の概略図である 。 図８は、無線周波数エネルギによって励起されたフィラメントを備えたプラズ マイオン加熱装置の概略図である。 ［発明の詳細な説明］ 図１は本発明を実施する装置20の概要を示している。装置20は真空密の容器壁 24と、１以上の放射壁ヒータ25とを有する容器22を備えている。容器22はワーク ピース26を収容することができるような十分の大きさである必要がある。ワーク ピース26は容器壁24から電気的に絶縁された支持体28上に支持されることが好ま しい（後述するように所望に応じて与えられるワークピースバイアスの印加を除 いて）。 容器22内の雰囲気は排気および再充填の組合わせにより制御される。真空ポン プ30は制御可能なゲートバルブ32を通って容器22の内部と連通している。真空ポ ンプ30は所望ならば容器22内に１０^-6トル程度の合理的な高真空が得られるよう に十分な大きさの拡散ポンプおよび機械ポンプを備えていることが望ましい。し かしながら、真空レベルはゲートバルブ32の動作によって制御されることができ 、特に所望ならばもっと低い真空度に調整されることもできる。 容器22はガス源34からガスを充填されてもよい。ガス源34は、充填用バルブ38 を通って容器22の内部と連通しているガス供給装置36を備えている。ワークピー スの表面の化学的処理なしに装置20が熱処理だけに使用される場合、ガス源34は 全く使用されなくてもよく、また容器にアルゴンのような不活性ガスを供給する ために使用されてもよい。装置20が加熱中ワークピースの反応性表面処理のため に使用される場合、ガス源34はガス供給装置36から窒素、炭素、または硼素のよ うな反応性ガスを供給源36から供給する。 容器22内の全体のガス圧力は約０．０１乃至約１００ミリトルになるように制 御され、それによってイオンの比率が約０．０１乃至約０．００１の範囲になる ように制御される。ガス圧力を正確に調整する便利な方法はゲートバルブ32を開 いて真空ポンプ30が容器22を排気して所望よりも幾分高い真空度にする方法であ る。充填バルブ38は必要な時に一時的に開かれ、ガス供給装置36からガスを容器 22内に流入させて所望の圧力にさせる。したがって容器22内の真空は連続的にポ ンプで排気される動的真空であり、それは定常状態的に所望の雰囲気を維持しワ ークピース26或いは容器壁24から生じた不純物を除去するのに有効である。その 代りに、しかしこれもまた本発明の技術的範囲内のものであるが、容器はまず真 空ポンプ30により容器を排気し、次にゲートバルブ32を閉じることによって静的 に排気されてもよい。バルブ38によるガスの充填は所望の圧力に達するまで続け られ、その後バルブ38は閉じられる。容器はさらにプラズマを限定するために容 器外部に配置された永久磁石または電磁石を備えることもできる。 プラズマは容器22内のプラズマソース40を動作させることにより容器22内で生 成される。プラズマソース40は、好ましくは容器22内に配置された１以上のフィ ラメント42の形態の電子放射装置を備えている。フィラメントはタングステンま たはトリエーテッドタングステンから作られ、また、フィラメントはホロー陰極 で置換されてもよい。フィラメントの形状および寸法はプラズマ密度を調整する ためにワークピース表面の輪郭、形状にしたがって調整され、それによってワー クピース表面の熱処理分布を調整することができる。容器内のワークピースを十 分に、均一に、或いは不十分に、不均一に包囲する結果的なプラズマの形状およ び密度を調整するために形状の変化する１以上のフィラメントが容器22内の種々 の位置に配置されることができる。 放射装置電流源44はフィラメント42に電流を供給する。フィラメント42を流れ る電流はフィラメント42を加熱してフィラメント42から容器22の内部に電子を放 射する。典型的に約５０〜１００ボルトのフィラメントバイアス電圧46，Ｖ_EMIT がフィラメント42と容器壁24との間に与えられ、それによりプラズマ48が容器22 の内部に形成される。容器壁が陽極として作用してプラズマの電位を容器壁の電 位またはその付近の電位にすることを確実にすることが重要である。 プラズマ48からの電子およびイオンがワークピース26に射突してそれを加熱さ せる。フィラメント温度、バイアス電圧、および圧力はいずれも所望のイオン割 合を生じるように選択される。ワークピース26は浮遊電位で電気的に隔離され、 プラズマ中で加熱される。この方法はワークピースがセラミックのような非導電 性材料で構成されている場合に使用されることが好ましい。 任意選択的に約２０００ボルトまでのワークピースバイアス電圧50，Ｖ_BIASが ワークピース26（またはワークピース26と電気的に接続されている支持体28の部 分）と容器壁24との間に供給される。ワークピース26はバイアス電圧50により容 器壁24に関して負すなわち陰極とされる。ワークピース26の陰極電位はプラズマ 中の正イオンがワークピース26に向かって加速されるように作用する。この方法 はワークピースが金属のような導電性材料、或いは熱処理のために導電性にされ ることができる材料で構成されている場合に使用されることが好ましい。バイア ス電圧50の大きさに応じて、電子はイオンと同時にワークピースに衝突する。こ れはワークピース表面の加熱の柔軟性を増加させることを可能にする。 図２に示された動作において、ここで説明した任意の形態のプラズマ処理装置 20は符号60で示されている。符号62で示すようにワークピース26は容器22中に配 置され、容器は密閉される。複数のワークピースを負荷することもできる。容器 中に配置されたワークピースは導電性でも非導電性でもよく、また複雑な形状で も簡単な形状でもよい。プラズマ処理環境に耐えなければならないことを除けば 、ワークピースの形式に対する制限は知られていない。本発明で重要な比較的大 きいワークピースは自動車のパネルを形成するために使用される金型（ダイ）で ある。このような大きいワークピースは一時に１個づつそれ自身により熱処理さ れることが好ましい。本発明で重要な比較的小さいワークピースは自動車の鋼鉄 製のピニオンギアであり、その表面が本発明の方法により硬化される。このよう な小さいワークピースは数百個までのワークピースの大きいグループが一時に熱 処 理されることが好ましい。真空容器壁のヒーター25はワークピースを選択された 温度に加熱するように調整される。さらに、フィラメント42からの放射パワーな らびにバイアス電圧によるプラズマからの電子およびイオン衝撃が容器壁のヒー ターと共に、或いはヒーターに代って使用されてワークピースの温度を調整する ことができる。 符号64のステップで示されているように約０．０１乃至１００ミリトルのガス 圧力が容器内に生成される。もしも工程が熱処理だけのために使用されるのであ れば、ガス圧力は真空ポンプを制御するだけで得られ、或いは真空ポンプの制御 と所望の圧力に到達するように不活性ガスの充填との組合わせによって得られる 。もしも工程が反応性表面処理のために使用されるのであれば、所望のガス圧力 は真空ポンプの制御とガス源34からの反応性ガスの充填との組合わせによって得 られる。本発明の技術的範囲を制限するものではないが、実施例により説明する と、表面の窒化処理は窒素ガスを充填することにより達成され、また、表面の炭 化処理はメタン、ブタン、トルエンその他の炭素含有ガスを充填し、分解させて ワークピース表面に炭素を付着させることにより行われる。ガス圧力は電荷の交 換量を制御し、したがって表面処理量を制御するために熱処理期間中活性的に制 御される。この制御は固定されたバイアス電圧で行われ、または代りにガス圧力 が一定にされ、バイアス電圧が変化されてもよい。 上述のように、処理は浮遊電位にあるワークピースにより行われ、または符号 66で示される工程のようにバイアスされたワークピースにより行われる。したが って、工程66は任意選択的なものである。 プラズマソース40は容器22内に調整されたプラズマ48を生成するように動作さ れる。エネルギはプラズマからワークピースに転送され、ワークピースを加熱す る。バイアスする工程66が存在するとき、それは工程68のプラズマソースの動作 と同時に行われる。バイアスは所望に応じてパルス的に印加されても、連続的に 印加されてもよい。バイアスは反応性処理中にワークピースの表面に加速される 正イオンのエネルギを増加させる。またワークピースの加熱を助けるワークピー スに衝突する電子衝撃の量にも影響を与える。プラズマソースは所望の熱処理を 行うために必要な期間動作される。 部品は最初に１０〜５０ボルトの低い電圧にバイアスされ、部品表面のゆっく りした衝撃処理を行う。イオン源はアルゴンのような不活性ガスであってもよく 、実際の熱処理に先立つて部品の表面を再処理スパッタリングで清浄にする。そ れからガスは熱処理を行うために所望の元素の活性源に切替えられる。その代り に同じガスがスパッタリングと熱処理の両者のために使用されることもできる。 図３乃至８は上述の装置および方法と同様の本発明の実施形態を示している。 図３では単一のワークピース26は不規則な形状である。単一のフィラメント42お よび複数の成形された放射ヒーター25がワークピースの最も重い部分をもっぱら 加熱するように最も重い部分に近接して配置されている。その結果均一または不 均一な熱処理が制御可能になる。すなわち、ある場合には不規則な形状のワーク ピースの全領域を均一に熱処理（および所望により表面処理）を行うことが好ま しい。別の場合には、ワークピースの選択的な領域の熱処理（および所望により 表面処理）を行うことが好ましい。フィラメントおよびヒータの妥当な位置、お よび処理パラメータによってそのような処理の選択が可能になる。 図４では、単一のフィラメントは所望の結果が得られるような形状にされてい る。この場合には、フィラメント42はワークピースの表面に一致した形状である 。第１のフィラメント42a は第２のセグメント42b よりも多くの放射が得られる ように巻かれている。 図５では、多数のフィラメント42c,42d,42e が使用されていることを除けば同 様の方法が採用されている。フィラメントはワークピースの領域におけるワーク ピースの表面の所望の加熱とプラズマ密度を得るように配置されている。多数の フィラメントの使用はフィラメントが他のフィラメントと独立して制御できるた めに有効である。 図６では、多数のワークピースが容器22中に配置されている。放射壁ヒータ25 はフィラメント42により生成された熱と組合わせて各ワークピース26が他のワー クピースに関してその位置に関係なく均一に加熱されるように選択され電力を供 給される。もしも、不均一な熱処理が所望されるならば、各ワークピースは個別 にバイアスされることができ、或いはフィラメントの形状を変化させることがで きる。 図７では、プラズマソース40は容器22から離れて配置されているが、プラズマ ソース40と容器22の内部とはガスが連通している。プラズマは離れたプラズマソ ース40で発生され、容器22に拡散する。プラズマは均一ではなく、プラズマは容 器壁の電位に近い電位を有することが重要である。 図８では、フィラメント42はＲＦ発生器72により駆動される無線周波数送信機 70により励起される。すなわち、熱イオンパワー源はＲＦ電源により置換されて いる。フィラメント42はアンテナとして作用する。 図１および図３乃至８は多数の特徴を示し、それによって選択的に均一或いは 非均一な熱処理および表面処理が行われる。種々の特徴は示され以外の組合わせ て使用されることができ、図示されたものに限定されることを意図するものでは ない。例えば多数のフィラメントは多数のワークピースに対して使用することが できる。 図１および２の概略図と一致した、および従来の技術で説明した２つの形式の 装置20が構成され、動作された。第１の容器は直径約２フィート、長さ約３フィ ートの円筒であった。第２の容器は直径約４フィート、長さ約８フィートの円筒 であった。研究は本発明の方法が動作可能であることを確立するために行われた 。以下の実施例は本発明の使用を示すためのものであるが、いかなる観点におい ても本発明の技術的範囲を制限するものではない。 例１…鋼鉄の窒化処理 それぞれ直径約２インチ、厚さ約１／８インチの複数の３０４ステンレス鋼板 のワークピースが第１の装置の容器中の支持テーブル上に載置された。容器は排 気されて約１〜３×１０^-6トルの圧力にされ、その後、窒素ガスを充填されて約 ５×１０^-4トルの圧力にされた。 単一の放射フィラメントがＡＣ放射電流源を使用して加熱され、２０Ａ（アン ペア）のフィラメント電流と、４０Ｖ（ボルト）のフィラメント電圧が供給され た。非均一なプラズマ放電が単一のフィラメントを使用して生成され、それは容 器を非均一に満たす局部化されたプラズマを生成するように充分小さいものであ った。ＤＣフィラメントバイアス電圧は１５０Ｖ、電流は４Ａであった。ＤＣワ ークピースバイアス電圧は約１５０Ｖ、１００ｍＡの電流が３０分間供給された 。 この期間中部品の温度は約４００°Ｃに維持された。容器壁を形成する外部加熱 は使用されなかった。 ステンレス鋼板は窒化処理の完了後、顕微鏡で検査された。固溶体中の窒素は 板の表面に侵入していることが認められた。処理された板と、処理されない板と の磨耗試験がディスク上のピンによる磨耗試験を使用して行われた。この磨耗試 験は、処理されない板に比較して処理された板の負荷支持能力は約１０００倍で あることが確認された。 例２…鋼鉄の炭化処理 直径約１／１２インチで高さ０．７インチの４１１８Ｈピニオン鋼で作られた ギアブランクが第１の容器内で処理された。容器は約１〜３×１０^-6トルの圧力 まで排気され、５〜１０ミリトルの圧力にトルエン（Ｃ₇Ｈ₈）ガスを充填された 。 放電電圧は約１５０Ｖで電流は１０Ａであった。約７００〜１０００Ｖのワー クピースバイアス電圧がワークピースに供給されてギアブランクが約９００°Ｃ に加熱され、容器外部のヒータの使用は行われなかった。４００〜５５０ｍＡの バイアス電流が観察された。このバイアス電圧が印加された後約５分でギアブラ ンクはその温度に到達した。その後バイアス電圧は約４００Ｖに減少され、９０ ０°Ｃの温度に維持された。３０分後に処理は遮断された。ギアブランクは周囲 温度まで冷却され、容器から取出された。 ギアブランクの微細（マイクロ）構造が検査された。ギアブランクは約０．３ 〜０．４ｍｍの深さまで０．８〜０．９％の炭素濃度で均一に炭化されていた。 これは所望された炭素濃度であり、市販製品としても望ましい深さである。 例３…ワークピースバイア電圧なしの加熱 例２で使用された形式のギアブランクが第１の容器内の絶縁支持体中に配置さ れ、バイアス電圧は供給されず電気的に浮遊状態にされた。この方法は、約１０ ミリトルの圧力で容器中に１−ブタンガス（Ｃ₄Ｈ₈）が充填されていることを除 いてはその他の点では例２と類似していた。 フィラメントは６０ＡのＡＣ電流および１６０Ｖの電圧を使用して加熱された 。放電電圧は１５０Ｖであり、４０Ａの電流が得られた。処理の５分後にギアブ ラ ンクは約７３０°Ｃの平行温度に達した。ギアブランクの浮遊点の電位は３０〜 ４０Ｖであった。この結果、ギアブランクの表面に炭素層の付着が生じ、それは 後にギアの炭化に使用された。 例４…選択的プラズマ生成 ４個のフィラメントが第２の容器内に配置された。フィラメントは長さ４フィ ートで容器の長さ方向を横切って等間隔で懸垂された。幅２フィート、長さ４フ ィートの２個のワークピース支持テーブルが使用された。例１と同様の複数の３ ０４ステンレス鋼板がこの支持テーブル上に配置された。均一なプラズマが全部 で４個のフィラメントを等しく付勢することによって生成され、均一な窒化が得 られた。不均一なプラズマはただ１個のフィラメントだけを付勢することによっ て生成され、不均一な窒化を生じた。 例示のために本発明の特定の実施形態について説明されたが、種々の変形およ び改善が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われるであろう。したがって 本発明は添付の請求の範囲によってのみ限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェイ、 ロングアー・アール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91302、カラバサス、ノース・ウィロー・ グレン・ストリート 4367 (72)発明者 マトッシャン、 ジェス・エヌ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91306、カノガ・パーク、チェイス・スト リート 20439 (72)発明者 ミクラ、 ピーター アメリカ合衆国、ミシガン州 48314、ス ターリング・ハイツ、ハーベイ・コート 11317 (72)発明者 クラーク、 デボラー アメリカ合衆国、ミシガン州 48176、セ ーライン、プライリー 5645

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ワークピースを収容するのに充分な広さで容器壁を有する容器と、 約０．０１ミリトル乃至約１００ミリトルの減少したガス圧力を容器内に生成 する手段と、 ワークピース以外の電子放射装置を具備し、容器壁を陽極とする包囲プラズマ を生成するプラズマソースとを具備しているワークピースを加熱するためのプラ ズマ加熱装置。 ２．プラズマソースからのイオンのイオン衝撃エネルギおよびプラズマ密度を独 立に制御する手段を具備している請求項１記載の装置。 ３．ワークピースの加熱を助けるように容器内に配置された放射ヒータをさらに 具備し、その放射ヒータはプラズマソースと独立に動作可能である請求項１記載 の装置。 ４．容器内に配置されたワークピースを具備している請求項１記載の装置。 ５．ワークピースと容器壁との間に接続されているワークピースバイアス電圧源 をさらに具備している請求項１記載の装置。 ６．プラズマソースは、プラズマを発生する手段を備え、それはワークピースに 関して異なった位置で制御可能な可変密度を有している請求項１記載の装置。 ７．減少したガス圧力を生成する手段は、容器内部と連通している非反応性ガス のガス源を具備している請求項１記載の装置。 ８．減少したガス圧力を生成する手段は、容器内部と連通している反応性ガスの ガス源を具備している請求項１記載の装置。 ９．減少したガス圧力を生成する手段は、 真空容器の内部と連通している真空ポンプと、 容器の内部と制御可能に連通しているガス源と、 包囲プラズマを生成するプラズマソースとを具備し、このプラズマソースは、 容器内に配置された熱イオンフィラメントと、 この熱イオンフィラメントのための電流源と、 フィラメントと容器壁との間に接続されているフィラメントバイアス電圧源 とを具備している請求項１記載の装置。 １０．フィラメントは少なくとも２個のフィラメントを具備している請求項１記 載の装置。 １１．ワークピースを収容するのに充分な広さで容器壁を有する容器と、この容 器内に局部的に配置され、容器壁を陽極とする包囲プラズマを生成するプラズマ ソースとを具備している装置を準備し、 容器内にワークピースを配置し、 約０．０１乃至約１００ミリトルのガス圧力を容器内に生成し、 ワークピースを加熱するためにプラズマソースを動作するワークピースの処理 方法。 １２．プラズマソースを動作するステップはプラズマ中の電荷交換を制御するた めにガス圧力を変化させる付加的なステップを含んでいる請求項１１記載の処理 方法。