JPS6154869B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規なグロー放電表面処理法に係り、
特にホローカソード放電による表面処理法に関す
る。

金属材料のグロー放電表面処理法の一例である
イオン窒化法は、10^-1トル付近に減圧され、次い
で処理に必要な窒素ガスを１〜10トルに制御しな
がら被処理材を陰極として、陽極との間に300〜
1500Vの直流電源を印加してグロー放電を発生さ
せて行うものである。

第１図は代表的なグロー放電表面処理装置であ
る。被処理材２は陰極となり、炉体１が陽極とな
つている。炉体１は水冷構造であり、真空装置９
によつて真空にされる。ガス状の処理元素はボン
ベ６より処理元素導入口７を通つて導入される。
３は電源及び制御盤、４は陽極端子、５は陰極端
子、８は光高温計、１０は真空計、１６は陰極で
ある。

このような装置を用いたイオン窒化処理は、被
処理材の加熱がグロー放電エネルギーによつて行
われるので、外部加熱手段が不要である。また、
単純な形状の被処理材では全体がほぼ同一の温度
が得られる。しかし、複雑な形状の被処理材では
場所によつて処理温度が異なるので外部加熱との
併用がなされている。このような処理元素を外部
からのガス体によつて供給するやり方では、被処
理材の表面に形成される処理元素の組成はどの部
分もほぼ同じものが形成される。

このことは、窒化に限らず、浸炭、浸硫、浸硼
処理においても同じである。また、浸硫及び浸硼
処理においては、処理ガスの毒性が強く、それら
の排気ガス処理が困難な問題がある。

さらに、従来、グロー放電を利用して金属製品
表面へ金属（Cr，Ni，Ti，Sn，Au）を浸透処理
する方法が特開昭50−141541号公報、特開昭53−
1139号公報に示されている。特開昭50−141541号
公報に示された処理は、処理元素を外部からガス
体によつて供給するもので、被処理物を多数同時
に処理する場合、被処理物間でガスの流れが不均
一になり、処理むらを生じる。特開昭53−1139号
公報に示された処理では、同一の被処理物に対し
て部分的に複数の処理を行うことができない。

一方、この種の技術としては金属を蒸発させ、
これを電位で加速して被処理品に被覆させるイオ
ンプレーテイング法、イオンスパツタリング法等
もある。これ等の技術は初めに10^-4トル以下に減
圧した容器内にArガス等を導入し、10^-2〜10^-3ト
ルとし、その内部に金属等の蒸発源を設け、この
金属蒸気を用いている。蒸発法としてはヒータ加
熱、電子ビーム加熱が用いられ、印加電圧は1000
〜3000Vである。イオンプレーテイング法はガス
圧力が低いので表面に加速されて吸着する原子数
が極めて少ないため厚い被覆を形成するために長
時間を要するとともに印加電圧も高く取扱いの上
で問題が多く、また量産性に問題がある。一方ス
パツタリング法は、イオンを陰極面に衝突させて
陰極面上に放出させた原子を陰極近傍に設置され
た被処理品表面に吸着被覆させるものである。従
つて放出原子は放出される時の運動エネルギーで
被処理品に飛行して付着するので被処理品への廻
り込みが少ないとともに付着能率、作業能率、量
産性の点で問題がある。

被処理物の用途によつては、被処理物全体を同
一機能の表面層にする必要はなく、複数の機能を
有する処理が望ましいものがある。このような被
処理物では、従来のグロー放電表面処理において
同一炉内で、一工程で行うことができず、複数工
程で行わなければならないという欠点がある。

本発明の目的は、必要に応じて部分的に異なつ
た処理元素を有する表面処理を一工程で処理する
ことのできるグロー放電表面処理法を提供するに
ある。

本発明は、減圧雰囲気に保持した炉体内の被処
理材の所望部分に0.5〜50mmの距離を有して補助
電極を配置し、前記炉体を陽極、前記被処理材と
前記補助電極を陰極とし、炉外よりガス体を導入
して陽極と陰極との間でグロー放電させ且つ前記
陰極間でホローカソード放電させる表面処理法に
おいて、前記補助電極の少なくともホローカソー
ド放電にさらされる部分に固体の処理元素からな
る処理材を有し、該固体の処理材を前記ホローカ
ソード放電によるイオン衝撃によつてガス化して
前記被処理材の所望部分に被着または浸透させる
ことを特徴とするグロー放電表面処理法にある。

本発明は、固体の処理元素からなる処理材をホ
ローカソード放電によつて処理元素のガス体を形
成させることによつて被処理物の表面に処理元素
を被着又は浸透させるものである。ホローカソー
ド放電は被処理物と補助電極とに互に発生する負
グローにより相互作用を起させて、この間の電流
密度を増加させ、処理元素の被処理物表面への反
応を活発ならしめるものである。従つて、従来の
グロー放電によるものより同じ電流・電圧では電
離密度が高いので、被処理物への処理元素の形成
速度が大きく、短時間で処理できる。

ホローカソード放電を効果的に行うには、被処
理物表面と補助電極との距離及び雰囲気のガス組
成とその圧力の設定が重要である。補助電極と被
処理物との距離は0.5mm以下では相互作用が阻害
される傾向があり、一方50mm以上ではグロー間の
相互作用が弱く、電離効果が低下する。５〜25mm
が好適である。

処理材は、固体の処理元素からなるもので、金
属、合金、化合物、混合物など種々のものが用い
られる。

処理材はホローカソード放電に直接さらされる
部分に設けるか、又は特に補助電極を兼ねるのが
最も好ましい。処理材が補助電極を兼ねることは
ホローカソード放電によるイオン衝撃エネルギー
が最も大きく、そのため処理元素のガス化が最も
増大する。これは補助電極が陰極に接続されてい
るためである。補助電極は、被処理材の処理の必
要な部分にだけ設ければよい。

処理材は処元理素を導電体の表面にめつき、蒸
着等の方法で被着させて用いることもできる。さ
らに一例として、補助電極内に部分的に多数の穴
を設け、その穴の中に処理元素となる固体の処理
材を充てんすることもできる。

処理元素は前述の固体の処理材のほかに炭化水
素、アンモニア、硫化ガスなどのガス体を一緒に
使用して、浸炭、窒化、浸硫処理を同時に行うこ
とができる。

被処理材は導電体であれば何でもよい。

グロー放電には、水素、窒素、アルゴン、ヘリ
ウムガスが使用される。これらは単独でも複合で
もよい。

減圧雰囲気中の圧力は0.1〜10トルが好まし
い。

被処理材の温度は、電極間の電流、電圧によつ
て変えることができるが、雰囲気のガス圧力を変
えることによつて行うのが好ましい。

実施例 １ 第１図に示す装置を用い、以下に示す表面処理
を行つた。

第２図は、本発明のグロー放電表面処理方法を
実施するのに用いた被処理材と補助電極との関係
図である。補助電極１１は被処理材２を取り巻く
ようにその必要部分に設けたものである。被処理
材は直径15mm、長さ200mmのJIS SCM21材であ
る。補助電極は、処理元素としてＳを浸透させる
ため外筒１２と内筒１４との間に２硫化モリブデ
ン１３を充てんしたものである。第３図は補助電
極の断面構成図である。外筒１２及び内筒１４は
いずれもSUS304を用いた。この内筒には直径１
mmの穴が多数設けられている。内筒と被処理材と
は７mmの間隙がある。

炉体内を10^-4トルの真空にした後、窒素ガス、
水素ガス及びアルゴンガスを導入し、１〜４トル
の圧力に保持して、容器を陽極及び被処理材及び
補助電極を陰極として300〜1500Vの電圧を印加
して５時間ホローカソード放電させた。処理温度
は約600℃である。この温度は光高温計によつて
測定した。

処理結果、被処理材と補助電極との間にホロー
カソード放電が生じ、このイオン衝撃によつて２
硫化モリブデンよりＳイオンが形成され、補助電
極を設けた部分には浸硫窒化層が形成された。補
助電極以外の部分では窒化層が形成され、その厚
さは約1.25mm及び浸硫窒化層は約５μｍであつ
た。この方法によれば、一度に複数の処理がで
き、さらに従来浸硫処理する場合、有毒な硫化水
素ガスを使用しなければならないが、このガスを
用いる必要がなく、安全に作業できる。

実施例 ２ 被処理材に実施例１に記載した形状のS10Cを
用い、補助電極に円筒のTi板を用い、これを被
処理材の所定部分に設け、前述の装置を用いて、
実施例１と同じ外部供給ガス中で、前述と同じ手
順でホローカソード放電を２時間実施した、処理
温度は約1000℃、補助電極と被処理材との間隔は
約７mmである。使用したガスは特に純度の高いも
のである。

この結果、補助電極を設けた部分にはTiの浸
透層が数μｍ及び補助電極を設けない部分には単
なる窒化層がわずかに形成された。第４図はTi
の浸透層の400倍の断面顕微鏡写真である。

処理の必要な部分に一度に複数の処理ができる
とともに、ホローカソード放電によるイオン衝撃
が増すため反応が促進されるので従来法にくらべ
短時間で所望の厚さの処理ができる。Ti窒化物
層の形成は耐食性を高めるとともに、耐摩耗性の
高い硬い部材を得ることができる。

実施例 ３ 実施例１で記載した寸法の被処理材、装置及び
補助電極を用い、本実施例では被処理材として軟
鋼及びCr粉末を充てんした補助電極を用い、前
述した手順でホローカソード放電を５時間実施し
た。処理温度は約900℃である。容器内には、水
素ガス及びアルゴンガスを導入し、ガス圧を１〜
４トルとした。これらのガスはいずれも純度の高
いものを使用した。

この結果、軟鋼表面に約10μｍのCr浸透層が
得られた。

また、処理温度を600℃として５時間のグロー
放電を実施した結果、前述より高いCr濃度の浸
透層が数μｍ形成された。

この方法によれば、被処理材の所望部分に処理
元素をイオン衝撃によつて積極的に打込むことが
できるので、低い温度でも密着力の高い処理がで
きるとともに、ホローカソード効果によつて従来
法よりも短時間で処理できる。また、低い温度で
処理できるので、被処理材の結晶粒を成長させる
ことなく処理でき、その結果靭性も低めることが
ない。

以上の如く、本発明によれば、一工程で複数の
処理が同時にできるすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はグロー放電表面処理装置の構成図、第
２図は補助電極と被処理材との関係図、第３図は
補助電極の断面図及び第４図は軟鋼表面に形成さ
れたTi浸透層の断面の金属組織を示す顕微鏡写
真である。 １…炉体、２…被処理材、４…陽極端子、５…
陰極端子、１１…補助電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 減圧雰囲気に保持した炉体内の被処理材の所
   望部分に0.5〜50mmの距離を有して補助電極を配
   置し、前記炉体を陽極、前記被処理材と前記補助
   電極を陰極とし、炉外よりガス体を導入して陽極
   と陰極との間でグロー放電させ且つ前記陰極間で
   ホローカソード放電させる表面処理法において、
   前記補助電極の少なくともホローカソード放電に
   さらされる部分に固体の処理元素からなる処理材
   を有し、該固体の処理材を前記ホローカソード放
   電によるイオン衝撃によつてガス化して前記被処
   理材の所望部分に被着または浸透させることを特
   徴とするグロー放電表面処理法。