JPS6386857A - 金属部材のプラズマ表面処理方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、金属部材特に鉄系金一部材のプラズマ表面処
理方法に関する。

（従来の技術） 摺動部を有する装置、例えばコンプレッサー、エンノン
、レーザースキャナー、プリンター等において、摺動部
の摩耗は、装置の性能および寿命に大きな影譬を及ぼす
。従って、このような慴動部材は、硬く摩耗しにくい材
料で作らｎる必要がある。そのような材料として高速度
鋼や超硬合金があるが、こｎらは高価であり、かつ加工
も困難であることから、通常、鋳鉄等の安価で加工し易
い材料を用い、その表面を処理して硬化させたり潤滑性
ｇＬ股を形成することが行なわｎている。

上記目的のための金属部材の表面処理方法として、焼き
いｎ１タフトライド、パーコ処理、二硫化モリブデン焼
きつけ、イオン窒化、浸炭等がある。しかし、焼きいｎ
、り７トライド、二硫化モリブデン焼きつけ、イオン窒
化は高温処理を伴なうため、部材の寸法変化が生ずると
いう欠点がある。また、・や−コ処理け、初期なじみを
よくするという効果はおるが、使用により徐々に潤滑機
能が低下するという欠点がある。また、浸炭は、シアン
を使用するため、処理液や排水の処理および管理がやっ
かいであるという難点がある。

一方、摺動部材に限らず、他の金蝙部材についても、防
ｉ３のための表面処理として、タフトライド、イオン窒
化、メッキ等が行なわｎでいるが、タフトライド、イオ
ン窒化は上述の欠点があり、またメッキは、犬がかりな
排水処理施設が必要であるという難点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来の金属部材の表面処理方法は、いず
ｎも寸法変化を生じたり、排水処理がやっかいであった
りという欠点があり、こ扛らに代わる金属部材の表面処
理方法の開発が望まｎていた。

本発明は、以上のような事情の下になさｎたものであり
、部材の寸法変化を伴なわず、かつ排水処ｑを必要とし
ない、金属部材に優ｎた耐摩耗性および耐食性を付与し
得る金属部材の表面処理方法を提供することを目的とす
る。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明の金属部材のプラズマ表面処理方法は、金属部材
を、減圧下において、屋素原子または炭素原子のうちの
少なくともいず几か一方を含むガスのプラズマにさらす
ことにょジ、前記金属部材の表面近傍に窒素または炭素
のうちの少なくともいす牡か一方を高濃度に含有せしめ
ることを特徴とする。

本発明の方法によりｆラズマ表面処理さｎる金属部材と
しては、鉄金主成分とする材料例えば戻索鋼、鋳鉄、ス
テンレス鋼からなるものが好ましい。金属部材ｔＵ成す
る材料は、不純物として、炭Ｘ、ｇ素、二、ケル、クロ
ム、アルミニウム、モリブデン、パナノウム、タングス
テンの少なくともいずれか−ねを含■するものであるこ
とが好ましい。こｎら不純物の存在により、プラズマ表
面処理の促進を図ることができる。

窒素原子を含むガスとしては、Ｎ２、ＮＨ３、Ｎ２０、
ＮＨ５，またはこｎらの混合物が挙げら才Ｌ、炭素原子
を含むガスとしてはＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＦ４またはこ
ｎらの混合物を挙げることができる。窒素原子と炭素原
子とを含有するガスとしては、上述の窒素原子を含むが
スと炭素原子を含むがスとの混合ガスの外に、Ｎ（ＣＨ
ｓ）ｓがある。

プラズマ処理時の圧力は２０　Ｔｏｒｒ以下が好ましく
、より好ましくは０．１〜１０　Ｔｏｒｒでろる。

プラズマは、高周波放電、マイクロ波放電および電子サ
イクロトロン共鳴により形成することが可能である。特
に、電子サイクロン共鳴を用いると、効率良い表面処理
が可能となる。

（作用） 処理室内に所定の窒素および／または炭素を含むガス７
ｆｔ：４人した後、減圧下で高周波等の所定のエネルギ
ーを印加することにより、低温のｆ；Ｆズマが形成さ扛
る。所定の金属部材をこのプラズマにさらすことにより
、低温下で寸法変化を伴なうことなく表面処理を行なう
ことができる。

（実施例） 以下、本発明の種々の実施例を示し、本発明をより具体
的に説明する。

実施例１ 第１図に示す装置を用いて、被処理物のプラズマ表面処
理を行なった。この装置は、プラズマＣＶＤに用いらｎ
る装置である。

まず、被処理物ｌを反応呈ｚ内に設置した後、図示しな
いメカニカルプースメーポングおよび油回転ポンダによ
り、反応室内かｌＱ　　Ｔｏｒｒ程度となるように排気
した。次に、ガス導入口３からＮＨｓとＡｒの混合ガス
を導入した。導入さｎｆｃガスは、拡散板４により均一
に混合さｎた。

この状態で高周波電源５から筒周ｇ電力を反応室２に印
加すると、反応室２に電気的に接続さ扛た電極６と被処
理物１との間で高周波放電が生じ、プラズマが形成さｎ
−’ｔｎによって被処理物１の表面が処理さｎた。なお
、反応室２およびそｎと電気的に接続さｎた拡散板４お
よび電極６は絶縁物７により電気的に浮いた状態にある
。

処理時の反応室内圧力は０．１〜１０　Ｔｏｒｒ程度と
し、高周波電力３００Ｗで３０分間処理を行なり元。処
理に際しては被処理物１を予め加熱しておいても良いが
、寸法変形を起こさないためには加熱温度は３００℃以
下が良い。

以上のような高周波放電によるプラズマ処理により、被
処理物１の！を摩耗性および耐食性は名しく向上した。

また、処理の結果、寸法変化が生ずることはなかった。

実施例２ 第２図に示す装置を用いて、被処理物の２′シズマ表面
処理を行なった。この装置では、プラズマはマイクロ波
エネルギーにより形成さｎる、実施例１で用いた茅１図
に示すプラズマＣＶＤ　ｇ置では、被処理物を一方の゛
電極として用いろため、装置の形状を被処理物の形状に
台せる必要がある。

しかし、第２図に示す装置のようにマイクロ波を用いる
場合には電極を用いないため、装置の形状を自由に選択
できる。この場合には、ガスの流ｎと反応室の形状とに
応じてプラズマが延びるｑ）で、プラズマが延びた位置
に被処理物を１ｄけばよい。

第２図に示す装置では、プラズマ形成室１ノに隣接して
反応室１２が設けらｎ、反応室１２内に被処理物１３が
設置さ扛る。プラズマ形成室１１には石英板１４全介し
てマイクロ波導波管Ｉ５が接続さｎ、この導波管１５全
通ってマイクロ波ＩＭ。

力がプラズマ形成室１１に印加さｎ１マイクロ波数亀が
生じ、プラズマが形成さｎる。なお、ｆラズマ形成室１
ノにはガス導入口が、反応室１２にはポンダ（図示せず
）に接続さｎたガス排出口１７がそｎぞｎ設けら扛てい
る。

以上説明した装置を用い、下記の条件で被処理物のプラ
ズマ表面処４を行なったところ、その耐皐耗性および耐
食性は看しく向上し、また寸法変化はなかった。

マイクロ波周彼奴　　２．４５　　ＧＨｚ出　　力　　
　　　　　　　　　　　５００　　　Ｗ使用ガス　　　
　　　Ｎ２　　　１１００５ＣＣ反応圧力　　　　　　
０，２　　　Ｔｏｒｒ実施別３ マイクロ波数也によるプラズマ形成方法と類似の方法と
して、電子サイクロトロン共鳴を利用する方法がある。

この方法も電極が不要なため、被処理物の形状に装置が
影響さｎないという利点がある。更に、この方法による
と、′−子のものエネルギーが非常に高く、そのためイ
オンのエネルギーも高いため、非常に効率良〈処理を行
なうことができる。この場合被処理物の予熱は不必要で
ある。

このような電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマ
表面処理を行なう装置を第３因に示す。

第３図に示す装置は、第２図に示す装置と類似の構、＠
を有するが、プラズマ形成室の周とには磁界印加手段２
１が設けらｎている。また、プラズマ形１ｆｃ室１１　
オヨＵ反応蚕１２には’ｆ：　ｎ−１：′ｎ　’ｓ’ｙ
　１のガス尋人管２２および第２のガス尋人管２３がそ
ｎ−ｔｊｎ設けらｎている。この場合、第１のガス導入
＃２２からのみ２素および／または炭またをよむガスを
導入するか、又は第１のがス尋入ａ・２２からＡｒ　、
　Ｈ２、Ｈｅ等ｆｔ尋人し、第２のガス尋人管２３から
音素および／または炭素を含むガスに、６人することが
できる。

マイクロ波と磁界の印加による電子サイクロトロン共鳴
によって、プラズマ形成室１ノ内にはプラズマが形成さ
ｎる。プラズマ中に形成さ几たイオンは、イオンビーム
として反応室１２に青火さｎ、反応室１２内の被処椎ｉ
フ１３の表面ゲ処・崖する。

このような装置音用いて、以下の条件（１）および（２
）でプラズマ表面処理を行なったところ、耐摩耗性およ
び耐食性ともに良好で寸法変化のない製品が得らｎた。

＋１１　　導入ガス　　Ｎ２２０　ＳＣＣＭ　　（第１
のガス導入管２２から） 反応圧力　　３ｘｌＯＴｏｒｒ マイクロＩＴｊ、電力　１　ｋＷ （２）導入ｆ、ｘ、　　　Ａｒ２０ＳＣＣＭ　　（第１
のガス導入管２２から〕 尋人がス　　ＮＮ２２０ＳＣＣ（第２のガス導入・ａ２
３から） 反応圧力　　３ｘｌＯＴｏｒｒ マイクロ波電力　１　　ｋＷ 実施例４ 大型空調用に用いらｎているレシプロコングレッサーの
クランクピンは、耐摩耗性付与のため、ガス窒化および
浸炭処理がさｎるが、従来の方法によるこｎらの処理は
高温を伴なう次め、熱変形による寸法変化が著しかった
。

こｎに対し、実施例１〜３で示す手順によりクランクビ
ンを窒化又は浸炭処理したところ、処理温度は關々３０
０℃であるため、寸法変化を生じない表面処理を行なう
ことができた。

実施例５ 近年、エアコンディジ璽ナーに用いるロータリーコンプ
レッサーには、インバーターを用いることによる高速化
、ヒートボング化による負荷栄件の拡大、および除霜時
のサイクル反転による潤滑油の希釈といっ′ｆｃａ々の
問題が生じている。しかし、このような状況下において
も、従来、ロータリーコンプレッサーに組込まｎるクラ
ンクシャフトには、単に表面にリン酸塩被膜が施さｎる
だけであった。そのため、シャフトとベアリングとの焼
付や異常４耗等の問題が生じ、りン赦塩ｔＪ１．膜形成
に代わる表面処理が求めらｎていた。その１つとして、
浸炭や窒化が試みらｎたが、こｎらの処理は高温を伴な
うため、熱変形が大きく、留置１〜２μｍが要求さｎる
ロータリーコンプレッサーのクランクシャフトには適用
できなかった。

そこで、実施例１に示す手順により、プラズマ表面処理
による窒化全行なったところ、処理による寸法変化は２
μｍ以下と少なかった。また、このように処理さｎたク
ランクシャフト金ロータリーコングレッサーに組込み、
こｎｔ−インバーターエアコンディジツナ−にセットし
、低温（−２０℃）下で希釈さｎ　ｆｃＩＩＱＩ滑油中
で高速耐久テストを行なったところ、ベアリングとの焼
付や異常ＰＪ枕は発生せず、良好な結果が得らｎた。

なお、コンプレッサ一部品としてベーン、ローラベアリ
ング（内径および摺動平面）、およびシリンダ（内面）
に同様のプラズマ表面処理を施したところ、良好な結果
を得た。

［発明の効果コ 本発明のプラズマ表面処理方法によると、処坤１ｍ−、
１度は高々３００℃と低いため、寸法変化を生ずること
金属部材に凌ｎた耐摩耗性および耐久性全付与すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はいすｎも不発明ｔ′実施するためのプ
ラズマ処理装置の断面図であり、第１図は高周波放電を
利用した装置、第２図はマイクロ波放電を利用した装置
、第３図は電子サイクロトロン共鳴を利用した装置５ｔ
ｔ−示す。 １．１３・・・被処理物、２．１２・・・反応室、３゜
１６．２２．２３・・・ガス尋人口、４・・・拡散板、
５・・・高周波’に源、６・・・′電極、７・・・絶縁
物。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属部材を、減圧下において、窒素原子または炭
   素原子のうちの少なくともいずれか一方を含むガスのプ
   ラズマにさらすことにより、前記金属部材の表面近傍に
   窒素または炭素のうちの少なくともいずれか一方を高濃
   度に含有せしめることを特徴とする金属部材のプラズマ
   表面処理方法。
2. （２）前記金属部材は、鉄を主成分とする金属材料から
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の金属
   部材のプラズマ表面処理方法。
3. （３）前記金属部材は、不純物として炭素、窒素、ニッ
   ケル、クロム、アルミニウム、モリブデン、バナジウム
   およびタングステンからなる群から選ばれた少なくとも
   １種を含有する金属材料からなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１または２項記載のプラズマ表面処理方法
   。
4. （４）前記減圧は２０Ｔｏｒｒ以下であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項
   に記載の金属部材の表面処理方法。
5. （５）前記プラズマは、マイクロ波を印加することによ
   り形成されたものであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第４項のいずれか１項に記載の金属部材
   のプラズマ表面処理方法。
6. （６）前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により
   形成されたものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第５項のいずれか１項に記載の金属部材の
   プラズマ表面処理方法。