KR890001031B1 - Metal surface treatment method by glow discharge - Google Patents

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Abstract

This process is used for glow discharge ionic surface treatment of metallic materials. The ionic treatment is available for carburizing or nitro-carburizing. Surface treatment is provided by placing the article to be processed and auxiliary electrode (cathode) to be located opposite to the anode electrode. The treating gas comprises H2, He or Ar gas and N2 or ammonia and maintains the pressure of 1-10 torr. Treating materials diffuse on the surface of metallic materials by glow discharge. By providing a uniform surface treatment for a number of articles, the process provides effective partial or complete treatment.

Description

글로우방전에 의한 금속의 표면 처리방법Surface treatment method of metal by glow discharge

제1도는 본원 발명의 이온 표면 처리법을 실시하는데 사용된 장치의 구성도.1 is a block diagram of a device used to implement the ion surface treatment method of the present invention.

제2도는 피처리물질의 일례를 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view showing an example of a substance to be processed.

제3도는 본원 발명의 처리의 일례를 나타낸 공정도.3 is a process chart showing an example of the treatment of the present invention.

제4도는 본원 발명의 처리법에 의하여 처리된 침탄층의 단면의 탄소농도 및 경도를 나타낸 도표.Figure 4 is a chart showing the carbon concentration and hardness of the cross section of the carburized layer treated by the treatment method of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 노체(爐體) 2 : 피처리물1: furnace body 2: object to be processed

3 :직류전원 4 : 양극단자3: DC power supply 4: Positive terminal

5 : 음극단자 6 : 처리용 가스봄베5: cathode terminal 6: gas cylinder for treatment

7 : 가스도입구 8 :가스배출구7: gas inlet 8: gas outlet

9 : 진공배기장치 10 : 진공 계단자9: vacuum exhaust device 10: vacuum staircase

11 : 광고온계 12 : 제어반11: advertising thermometer 12: control panel

20 : 보조전극20: auxiliary electrode

본원 발명은 글로우(glow)방전에 의한 이온 표면처리방법에 관한 것이며, 특히 침탄(浸炭) 또는 침탄질화 이온 포면처리방법에 관한 것이다. 이온 처리법은 10-1토르 (torr)로 감압된 감압용기에 처리에 필요한 가스체를 도입하며, 피처리물을 음극으로 하여 양극과의 사이에 직류전압을 인가(印加)해서 글로우방전을 발생시켜 처리물질을 피처리물의 표면에 확산 침투시키는 방법이다.The present invention relates to a method for treating an ion surface by glow discharge, and more particularly, to a method for carburizing or carburizing nitrous ion surface treatment. The ion treatment method introduces a gas body necessary for treatment into a pressure-reduced vessel depressurized to 10 -1 torr and applies a DC voltage between the anode and the anode to produce a glow discharge. It is a method of diffusing and infiltrating a treatment material on the surface of a workpiece.

이온 질화법은 10-1토르 이하로 감압하면서 수소가스, 헬륨, 아르곤의 최소한 1종의 희석가스와 질소가스 또는 암모니아 등의 질화용 가스로 이루어진 처리가스를 도입하여 1∼10토르의 소정의 압력으로 유지하며, 300~1500V의 직류전압을 인가하여 글로우방전을 발생시켜서 행해진다.The ion nitriding method introduces a treatment gas composed of at least one diluent gas of hydrogen gas, helium and argon and a nitriding gas such as nitrogen gas or ammonia while reducing the pressure to 10 -1 Torr or less to a predetermined pressure of 1 to 10 Torr. And a glow discharge is generated by applying a DC voltage of 300-1500V.

이온 침탄 및 이온 침탄질화법도 같은 식으로 행하여지며, 처리가스로서 이온 침탄법일 때는 희석가스에 탄화수소계의 침탄용 가스를, 이온 침탄질화법일 때는 이것에 질소원을 첨가한 것이 일반적으로 사용된다. 이온 질화법의 처리온도는 350~570℃로 비교적 낮고, 그리고 이온 침탄질화법의 처리온도는 570~670℃ 및 이온 침탄법의 처리온도는 750∼1100℃로 가장 고온하에서 행해진다. 그러나, 침탄 또는 침탄질화 이온 표면처리법은, 단지 이온 충격만에 의하여 침투 처리하여도 처리물질로서 탄소가 무한히 주입되지 않고, 포화하여 일정치에 달한다. 이와같은 조성에 있어서는 과잉의 처리물질이 형성되어 있으므로 인성(靭性)이 낮고 바람직하지 못한 것은 당연하다.Ion carburizing and ion carburizing are also carried out in the same manner. As the treatment gas, a hydrocarbon carburizing gas is added to the diluent gas in the case of ion carburizing, and a nitrogen source is added thereto in the case of the ion carburizing. The treatment temperature of the ion nitriding method is relatively low at 350 to 570 ° C, the treatment temperature of the ion carburization method is 570 to 670 ° C, and the treatment temperature of the ion carburization method is 750 to 1100 ° C at the highest temperature. However, in the carburizing or carburizing ion surface treatment method, carbon is not infinitely injected as a treatment material even by infiltration treatment by only ion bombardment, and reaches a constant value. In such a composition, since an excessive processing material is formed, it is natural that toughness is low and undesirable.

이와 같은 이온 표면처리법에 있어서는 종래 이온 충격에 의하여 처리물질을 침입시킨 후에, 이온 충격을 멈추고 외부 가열체에 의해 소정의 온도로 가열하여 확산 침투시키는 처리를 반복하여 행하는 방법이 알려져 있다. 그러나 이 방법에 있어서는 이온 충격중은 피처리물 표면이 국부적으로 가열되는 동시에, 그 표면은 항상 청정(淸淨)상태로 유지되어 처리물질의 침투가 행하여지기는 하나, 그 후의 외부 가열에서는 피처리물 전체를 가열하게 되므로, 표면 온도는 일단 저하하여, 소망의 온도로 상승시키는데 시간을 요하고, 또한 피처리물은 처리가스에 노출되어 있으므로 가스 순도가 낮은 것에서는 그 표면에 산화물이 형성될 가능성이 있으며, 계속하여 이온 충격에 의한 처리물질의 주입에 고르지 못한 상태가 일어나는 문제가 있다.In such an ion surface treatment method, there is known a method of repeatedly performing a process of stopping the ion bombardment and heating it to a predetermined temperature by diffusion with an external heating body after infiltrating the treatment material by the ion bombardment. In this method, however, during the ion bombardment, the surface of the workpiece is heated locally while the surface is always kept in a clean state, whereby the treatment material penetrates. Since the whole water is heated, the surface temperature is once lowered and it takes time to raise it to the desired temperature. Furthermore, since the object to be treated is exposed to the processing gas, oxides may form on the surface when the gas purity is low. There is a problem that an uneven state occurs in the injection of the treatment material by the ion bombardment.

또한, 최적의 표면 농도를 얻기 위해 처리용 가스의 공급을 극히 정확하게 제어하는 것은 다른 희석가스의 제어와 비교하여 매우 곤란하고, 게다가 최적의 가스 조성을 알아내는 것은 매우 어려우며, 또한 복잡한 형상의 피처리물에 있어서는 어느 부분이나 동일한 온도로 확산 침투시키는 것이 매우 곤란하다.In addition, it is very difficult to control the supply of the processing gas extremely accurately compared with the control of other diluent gases in order to obtain the optimum surface concentration, and it is very difficult to find the optimum gas composition, and also to process the object of complicated shape. In this case, it is very difficult to infiltrate any part at the same temperature.

그러므로, 본원 발명의 목적은 보다 적은 가열 에너지를 사용하여, 피처리물의 소망하는 표면에 열처리를 할 수 있는 글로우방전 표면처리 방법을 제공하는데 있다.Therefore, it is an object of the present invention to provide a glow discharge surface treatment method which can heat-treat a desired surface of a workpiece using less heating energy.

본원 발명의 또 하나의 목적은, 감소된 가열에너지를 사용하여, 피처리물의 표면의 부분적 처리를 가능하게 하는 글로우방전 표면처리방법을 제공하는데 있다. 또한, 본원 발명의 또 다른 목적은, 처리 용기내에서 피처리물에 복수의 다른 종류의 처리를 가능하게 하는 글로우 방전 표면처리 방법을 제공하는데 있다. 또한 본원 발명의 또 다른 목적은 처리 용기내의 대기압력을 변경함으로써 피처리물이 가열 처리되는 글로우방전 표면처리방법을 제공하는데 있다.It is yet another object of the present invention to provide a glow discharge surface treatment method which enables partial treatment of the surface of a workpiece using reduced heating energy. Further, another object of the present invention is to provide a glow discharge surface treatment method which enables a plurality of different kinds of treatments to be processed in a processing container. It is still another object of the present invention to provide a glow discharge surface treatment method in which a workpiece is heat treated by changing the atmospheric pressure in the treatment vessel.

게다가, 또 본원 발명의 또 다른 목적은 피처리물의 처리온도가 정확하게 제어되는 글로우방전 표면처리 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a glow discharge surface treatment method in which the treatment temperature of the workpiece is precisely controlled.

본원 발명에 의하면, 도전성 표면을 지니며 음극에 연결된 피처리물 및 도전성 표면을 지니며 양극에 연결된 보조전극을 배설하는 단계와, 그리고 상기 피처리물 및 보조전극의 도전성 표면과 양극 사이에서 글로우방전을 일으키게 하는 단계로 이루어지며, 글로우방전이 음극 및 양극 사이에 확립되어 감압상태하에서, 피처리물의 가열처리가 수행되는 표면처리방법이 제공된다.According to the present invention, there is provided a method comprising: disposing a workpiece having a conductive surface and connected to a cathode and an auxiliary electrode having a conductive surface and connected to an anode, and a glow discharge between the anode and the conductive surface of the workpiece and the auxiliary electrode. And a glow discharge is established between the cathode and the anode to provide a surface treatment method in which the heat treatment of the workpiece is performed under reduced pressure.

피처리물 및 보조전극을 글로우-광선 또는 냉광(冷光)이 피처리물 및 보조전극 사이에 한정되어, 이 때문에 처리효과가 결합된 냉광에 의하여 촉진되도록 배설된다.The glow-cold or cold light is defined between the workpiece and the auxiliary electrode so that the workpiece and the auxiliary electrode are disposed so that the treatment effect is promoted by the combined cold light.

홀로우 캐소우드효과가 일어날 수 있게 보조전극을 배설하고, 처리부분을 이온충격에 의해 일정온도 또는 처리온도를 변경시켜, 침탄처리 및 표면의 고농도의 탄소를 내부로 확산시키는 처리의 양쪽을 용이하게 행할 수 있다. 그 결과, 단시간으로 균일한 온도제어가 가능하게 되는 동시에, 농도가 대충 일정한 균일한 침탄층이 이룩된다. 또한, 확산을 우선시키는 확산단계에서의 가열을 이온충격에 의해 행할 수 있기 때문에 표면청정의 고확산단계에서의 가열에서는 처리용 가스로서 침탄 처리물질(침탄용 가스)의 공급을 정지시켜 행하거나 또는 극히 저농도로 행한다.The auxiliary electrode is disposed so that the hollow cathode effect can occur, and the treatment portion is changed by a constant temperature or treatment temperature by ion bombardment, so that both carburizing treatment and the treatment of diffusing a high concentration of carbon on the surface are easily performed. I can do it. As a result, uniform temperature control is possible in a short time, and a uniform carburized layer with a substantially constant concentration is achieved. In addition, since the heating in the diffusion step of prioritizing diffusion can be performed by ion bombardment, the heating in the high diffusion step of surface cleaning is performed by stopping supply of the carburizing material (carburizing gas) as the processing gas, or Extremely low concentration

침탄 단계와 확산단계는 1회의 처리로도 좋으나 이 처리공정을 복수회 반복하여 행하는 것은 보다 바람직한 조성의 침탄층을 얻는 면에서 큰 이점이 있다.The carburizing step and the diffusion step may be performed by one treatment, but the repetition of the treatment step a plurality of times has a great advantage in obtaining a carburized layer having a more preferable composition.

본원 발명에 의한 글로우방전 처리방법에 있어서는, 피처리물 자체에 악영향을 주는 일 없이 피처리물의 표면의 적당한 경도 및 윤활성을 가져오게 하기 위하여, 피처리물 내로 확산되는 원자의 양 및 피처리물 표면 밑의 깊이가 정확히 제어되어야 한다. 만약 표면농도가 일정하게 유지될 때에는 처리 온도가 중요한 역할을 하게 된다. 즉, 예를 들면, 피처리 물질로서 강재(鋼材)가 사용되고 그 표면 경화 원자로서 질소가 사용될 때에는 처리온도가 400~700℃의 범위내이어야 한다. 탄화표면 처리에 있어서는 처리온도가 700~1100℃의 범위내이어야 한다.In the glow discharge treatment method according to the present invention, in order to bring about the proper hardness and lubricity of the surface of the workpiece without adversely affecting the workpiece itself, the amount of atoms diffused into the workpiece and the surface of the workpiece The depth underneath must be precisely controlled. If the surface concentration is kept constant, the treatment temperature plays an important role. That is, for example, when steel is used as the material to be treated and nitrogen is used as the surface hardening atom, the treatment temperature must be in the range of 400 to 700 ° C. In the surface treatment of carbonization, the treatment temperature should be within the range of 700 ~ 1100 ℃.

이와 같이, 적당한 처리온도는 확산원자 및 피처리물 여하에 따라 각기 달라진다. 그러므로, 피처리물 표면의 특정부분을 위한 적절한 온도제어에 의하여 피처리물의 표면 특성의 국부적 변경이 될 수 있음을 알게될 것이다. 처리온도는 글로우방전 상태에 달려 있으므로, 피처리물의 선택된 국부적 처리는 그 부분의 글로우방전을 제어함에 의하여 이룩될 수 있다.As such, the appropriate treatment temperature varies, depending on the diffusion atom and the workpiece. Therefore, it will be appreciated that local control of the surface properties of the workpiece can be effected by appropriate temperature control for specific portions of the workpiece surface. Since the treatment temperature depends on the glow discharge state, the selected local treatment of the workpiece can be achieved by controlling the glow discharge of that portion.

본원 발명에 의하여, 피처리물 표면의 불규칙적 온도 분포는, 보조전극이 피처리물의 소망하는 처리 표면으로부터 선택된 일정한 간격을 두고 위치함으로써, 보조전극과 대향하는 피처리물의 표면 사이에 글로우방전의 결합된 냉광이 형성되어, 대향하는 피처리물의 온도를 증가시킬 수 있도록 보조전극(피처리물과 동일한 전위를 가진)을 자리잡게 함으로써 이룩될 수 있다. 이와 같은 온도의 제어원리는 보조전극 및 피처리물간의 상호 간섭작용 또는 결합된 글로우방전이 그 사이의 전류농도의 증가를 일으키게 된다는 사실에 바탕을 둔다. 본원 발명의 발명자들은 원자흡수 분석기내에 사용되는 홀로우(hollow) 음극관(管)의 홀로우 음극에 발견되는 홀루우-음극작용을 상호 간섭작용이라고 부른다. 보조전극과 대향하는 피처리물의 그 부분에서, 가스의 이온화 농도가 중가하고, 그리고 확산원자들이 피처리물 표면에서 상용적으로 작용하게 된다.According to the present invention, the irregular temperature distribution of the surface of the workpiece is such that the auxiliary electrode is positioned at regular intervals selected from the desired treatment surface of the workpiece, so that the glow discharge is coupled between the auxiliary electrode and the surface of the opposite workpiece. Cold light can be formed by positioning the auxiliary electrode (having the same potential as the workpiece) so as to increase the temperature of the opposite workpiece. This control principle of temperature is based on the fact that the mutual interaction between the auxiliary electrode and the workpiece or the combined glow discharge causes an increase in the current concentration therebetween. The inventors of the present invention call the hollow-cathodic action found in the hollow cathode of the hollow cathode tube used in the atomic absorption analyzer as mutual interference. In that portion of the workpiece facing the auxiliary electrode, the ionization concentration of the gas is increased, and the diffusion atoms are commonly acted on the surface of the workpiece.

최적의 상호 간섭작용을 얻기 위하여, 피처리물 및 보조전극간의 간격을 제어하는 것이 중요하다. 피처리물 및 보조전극간의 간격은 피처리물 및 결합된 보조전극에서의 부(負)글로우의 면적을 변경시킨다. 상기부 글로우의 길이는 가스조성 및 가스압력에 따라 달라지며, 상호 간섭작용은 주로 글로우의 길이에 달려있다. 부 글로우 방전은 길이와 밀접한 관계를 가진다. 일반적인 이온 표면-경화공정에 있어서, 피처리물 및 보 조전극간의 간격이 0∼0.5mm일 때에는, 피처리물과의 가스반응이 방해되는 경향이 있으나, 간격이 50mm이상일 경우에는, 글로우 방전 사이의 간섭이 약화되어, 보조전극으로부터 피처리물로의 방사열의 가열효과를 감소시켜서 보조전극의 열손실을 증가시킨다. 이러한 이유 때문에 간격이 2~25mm의 범위내가 바람직하다.In order to obtain optimal mutual interference, it is important to control the distance between the workpiece and the auxiliary electrode. The spacing between the workpiece and the auxiliary electrode changes the area of the negative glow in the workpiece and the bonded auxiliary electrode. The length of the secondary glow depends on the gas composition and gas pressure, and the mutual interference mainly depends on the length of the glow. The negative glow discharge is closely related to the length. In the general ion surface-hardening process, when the distance between the workpiece and the auxiliary electrode is 0 to 0.5 mm, gas reaction with the workpiece tends to be hindered, but when the interval is 50 mm or more, between the glow discharges Interference is weakened, reducing the heating effect of radiant heat from the auxiliary electrode to the workpiece, thereby increasing the heat loss of the auxiliary electrode. For this reason, the interval is preferably in the range of 2 to 25 mm.

한편, 보조전극으로서의 그것이 피처리물의 표면 반응에 악영향을 주지 않는 한 어떠한 도전재도 사용될 수 있다. 보조전극의 크기에 관해서는 보조전극의 표면적이 피처리물의 선택된 표면적과 실질적으로 동등하거나 또는 보다 큰 것이 바람직하다. 그러나, 도전면이 마련되어 있고 그 면적이 실질적으로 피처리물의 선택된 표면적과 동등하거나 또는 보다 큰 보조전극은 모두 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본원 발명에 의한 홀로우 음극작용은 용기내의 가스압력에 달려있다. 보조전극 및 피처리물간의 간격이 고정되어있고 가스압력이 변동될수 있을 때에는, 보조전극에 근접한 피처리물의 온도는 홀로우 음극작용 때문에 가스압력에 따라 변동될 것이다. 이 경우에 있어서, 보조전극에 근접되지 않는 피처리물의 온도는 비록 가스압력이 변동될지라도 불변동된 상태로 그냥 남아 있게 될 수 있다. 피처리물의 부분들 사이의 온도 차이는 가스조성 및 보조전극 배치 여하에 달여 있다. 만약, 가스압력이 선택된 범위내일 때에는 전체의 피처리물이 불규칙적 온도분포 없이 동등한 온도를 갖게된다. 왜냐하면, 홀로우 음극작용이 일어나지 않기 때문이다. 그러므로, 피처리물의 1개 이상의 부분을 위한 표면처리는 처리기간 동안 홀로우 음극작용을 제공함에 의하거나 또는 처리시간의 선택된 기간동안에만 그것을 제공함에 의하여 선택적으로 이룩되게 함으로써, 단지 선택된 부분만이 처리될 수 있거나 또는 다른 작용을 주는 복수개의 표면을 가진 피처리물이 얻어질 수 있다. 가스조성 여하에 달려 있는 가스압력은 0.1∼10토르(Torr), 가급적으로 1.0~7.0토르의 범위내가 바람직하다.On the other hand, any conductive material may be used as long as it as an auxiliary electrode does not adversely affect the surface reaction of the workpiece. As for the size of the auxiliary electrode, it is preferable that the surface area of the auxiliary electrode is substantially equal to or larger than the selected surface area of the workpiece. However, it will be appreciated that any auxiliary electrode provided with a conductive surface and whose area is substantially equal to or greater than the selected surface area of the workpiece can be used. The hollow cathodic action according to the invention depends on the gas pressure in the vessel. When the distance between the auxiliary electrode and the workpiece is fixed and the gas pressure can be varied, the temperature of the workpiece close to the auxiliary electrode will change with the gas pressure due to the hollow cathode action. In this case, the temperature of the workpiece that is not close to the auxiliary electrode may be left unchanged even if the gas pressure is changed. The temperature difference between the parts of the workpiece depends on the gas composition and the auxiliary electrode arrangement. If the gas pressure is within the selected range, the entire workpiece has the same temperature without irregular temperature distribution. This is because the hollow cathode does not occur. Therefore, the surface treatment for one or more portions of the workpiece is selectively effected by providing hollow cathodic action during the treatment period or by providing it only for a selected period of treatment time, so that only the selected portion is treated. It is possible to obtain a workpiece having a plurality of surfaces which may be used or give other actions. The gas pressure depending on the composition of the gas is preferably in the range of 0.1 to 10 Torr, preferably 1.0 to 7.0 Torr.

이온 침탄 처리후, 필요에 따라 담금질 처리가 행하여진다. 이 담금질 처리에 있어서는 최적의 온도로 행하지 않으면 안되는데, 침탄처리시의 고온측으로부터 급냉하는 것은 담금질 균열이 생길 위험성이 있으며, 또한 취약한 침탄층의 상태로 행하는 것은 담금질 균열의 큰 원인으로 되므로, 침탄층의 고농도의 탄소를 내부로 확산시켜 인성을 높이는 동시에 이 단계의 낮은 온도로부터 급냉하는 것이 바람직하다. 따라서, 담금질 온도를 별도로 설정하여 행하여도 좋으나, 확산단계를 거쳐 계속해서 행하게 되면 불필요한 공정이 생략될 수 있다.After the ion carburization treatment, a quenching treatment is performed as necessary. In this quenching treatment, an optimum temperature must be used, but quenching from the high temperature side during the carburizing treatment may cause quenching cracks, and performing in a state of a weak carburizing layer causes a large cause of quenching cracks. It is desirable to diffuse a high concentration of carbon into the interior to increase toughness and to quench from low temperatures at this stage. Therefore, the quenching temperature may be set separately, but if it is continuously carried out through the diffusion step, unnecessary steps may be omitted.

담금질은 이온 처리후, 고주파 담금질, 레이저 가열등에 의하여 할수 있다.Quenching can be performed by ion treatment, high frequency quenching, laser heating, or the like.

담금질 후, 템퍼링을 필요에 따라 행하며, 그 온도는 130∼300℃가 바람직하다.After quenching, tempering is performed as needed, and the temperature is preferably 130 to 300 ° C.

[실시예]EXAMPLE

본원 발명의 방법에 의하여 이온 침탄처리를 하였다.Ion carburization was performed by the method of the present invention.

제1도는 본원 발명의 이온 표면처리법에 사용된 장치의 개요를 나타낸 것이다. 피처리물(2)을 음극으로하고, 노체(爐體)(1)를 양극으로 하였다. 피처리물(2)은 제2도에 나타나 있는 바와 같이, JIS규격 SCM415의 냉간 단조품에서 절삭(切削) 가공하여 제조한 자동차용 부품의 스타아터 샤프트이다. 이 샤프트의 내마모성이 요구되는 부분 즉, 침탄이 요구되는 부분(2a,2b)의 2개소에 보조전극(20)으로서 원통형상의 그래파이트를 제2도에 나타낸 바와 같이 음극에 도통시켜 설치하고, 샤프트(2)와 그래파이트와의 간격을 6mm로 하였다. 먼저 진공배기장치(9)로 노체(1)내를 10-1토르 이하로 감압해 가면서, 메탄가스 3.5용적%, 수소가스 96.5용적%의 혼합가스를 도입하여, 침탄시에 3토르로 하고, 확산시에는 메탄가스의 도입을 멈추며, 또한 4토르로 하여 양극간에 직류전압을 인가하였다. 1회의 침탄시간을 3분 및 1회의 확산시간을 9분으로하고, 제3도에 나타낸 바와 같이 5회 반복하여, 합계 1시간의 처리를 하였다.1 shows an overview of the apparatus used in the ion surface treatment method of the present invention. The to-be-processed object 2 was made into the cathode, and the furnace 1 was made into the anode. As shown in FIG. 2, the to-be-processed object 2 is a star-ater shaft of the automotive component manufactured by cutting from the cold forging of JIS standard SCM415. As shown in FIG. 2, cylindrical graphite is provided as an auxiliary electrode 20 at two places where wear resistance of the shaft is required, that is, where carburization is required (2a, 2b). The distance between 2) and graphite was 6 mm. First, while reducing the inside of the furnace body 1 to 10 −1 Torr by using the vacuum exhaust device 9, 3.5 vol% of methane gas and 96.5 vol% of hydrogen gas were introduced to make 3 Torr during carburization. At the time of diffusion, the introduction of methane gas was stopped, and the DC voltage was applied between the anodes at 4 Torr. One carburizing time was 3 minutes and one diffusion time was 9 minutes, and it repeated 5 times as shown in FIG. 3, and processed for 1 hour in total.

이때의 보조전극(20)을 설치한 부분(2a,2b)의 온도를 광고온계(11)에 의해 측정한 결과, 가스압 3토르에서는 950℃, 4토르에서는 820℃였다. 보조전극(20)을 배설하지 않은 부분(2c)은 약 600℃였으며, 가스압의 변화에 의해 온도는 변동하지 않았고, 거의 침탄되지 않았다. 피처리물의 표면은 전면에 걸쳐 금속광택을 지니고 있었다. 본원 발명의 이온 표면처리법을 더욱 상세히 기입한다.The temperature of the parts 2a and 2b provided with the auxiliary electrode 20 at this time was measured by the advertisement thermometer 11, and as a result, it was 950 degreeC at 3 torr, and 820 degreeC at 4 torr. The portion 2c in which the auxiliary electrode 20 was not excreted was about 600 ° C., and the temperature did not change due to the change in gas pressure, and hardly carburized. The surface of the workpiece had a metallic luster over the entire surface. The ion surface treatment method of the present invention is described in more detail.

(승온, 표면 청정화 공정)(Heating, surface cleaning process)

대기압하에 있는 노체(1)내에 보조전극(20)을 부착한 피처리물(2)의 지지지그 (支枝 Jig)를 설치한다. 감압용기인 노체(1)를 양극단자(4)에 접속하고, 피처리물(2) 및 보조전극(20)을 각기 음극단자(5)에 접속한다. 노체(1)를 닫아 노체(1)내를 진공계단자(10)를 사용하여 진공 배기장치(9)로 0.1토르 이하로 감압한다.In the furnace 1 under atmospheric pressure, a supporting jig of the object 2 to which the auxiliary electrode 20 is attached is provided. The furnace 1, which is a pressure reducing container, is connected to the positive electrode terminal 4, and the object 2 and the auxiliary electrode 20 are connected to the negative electrode terminal 5, respectively. The furnace body 1 is closed, and the inside of the furnace body 1 is decompressed to 0.1 Torr or less by the vacuum exhaust apparatus 9 using the vacuum terminal 10. As shown in FIG.

처리용 가스봄베(6)에서 희석가스의 수소가스 96.5용적%와 침탄용 가스의 메탄가스 3.5용적%의 혼합가스(처리가스)를 가스도입구에서 노체내에 도입한다. 이 처리가스는 도입하면서 펌프로 노체(1)밖으로 가스배출구(8)로부터 배출된다.In the processing gas cylinder 6, 96.5 volume% of hydrogen gas of diluent gas and 3.5 volume% of methane gas of carburizing gas (process gas) are introduce | transduced into a furnace body from a gas inlet. This process gas is discharged from the gas outlet 8 to the outside of the furnace body 1 with a pump while introducing.

제어반(12)에 의해 처리가스를 3∼4토르의 소정의 압력으로 유지하여, 양극에 접속된 노체(1)와 음극에 접속된 피처리물(2), 보조전극(20)의 지지지그에, 300∼ 1500V의 직류전압을 직류전원(3)에서 인가하고, 양극긴에 글로우방전을 발생시킨다. 피처리물(2), 보조전극(20)은 약 800℃까지 승온하여 산화물의 제거등 피처리물 (2)의 표면을 청정한다.The control panel 12 maintains the processing gas at a predetermined pressure of 3 to 4 torr, and supports the furnace body 1 connected to the anode, the workpiece 2 connected to the cathode, and the supporting jig of the auxiliary electrode 20. And a DC voltage of 300 to 1500 V are applied from the DC power supply 3 to generate a glow discharge on the anode long. The workpiece 2 and the auxiliary electrode 20 are heated to about 800 ° C. to clean the surface of the workpiece 2, such as removal of an oxide.

(침탄공정 )Carburizing Process

피처리물(2)이 소정의 온도로 승온 후, 처리가스(수소가스와 메탄가스)를 3토르의 소정의 압력으로 유지하여 도입한다. 처리가스를 3토르의 압력으로 설정하며, 제어반(12)의 전류계를 제어해서 피처리물(2), 보조전극(20)를 소정의 온도(950℃)로 한다.After the to-be-processed object 2 has heated up to predetermined | prescribed temperature, process gas (hydrogen gas and methane gas) is hold | maintained and introduce | transduced by the predetermined pressure of 3 Torr. The process gas is set at a pressure of 3 Torr, and the current meter of the control panel 12 is controlled to bring the object 2 and the auxiliary electrode 20 to a predetermined temperature (950 ° C).

양극에 접속된 노체(1)와 피처리물(2), 보조전극(20)과의 사이에 홀로우 캐소우드 효과에 의한 방전이 발생하여, 보조전극(20)을 설치한 부분(침탄처리가 요구되는 피처리물 2의 표면부분)의 온도는 950℃로 되었다.Discharge due to the hollow cathode effect occurs between the furnace body 1 connected to the anode, the object to be processed 2, and the auxiliary electrode 20, and the part where the auxiliary electrode 20 is provided (carburizing treatment The temperature of the required surface portion of the workpiece 2 was set to 950 ° C.

1회의 침탄시간을 3분으로 하고, 보조전극(20)을 설치한 부분은 침탄되었다. 그리고 보조전극을 설치하지 않은 피처리물(2)의 표면부분(2c)은 홀로우 캐소우드효과가 생기지 않는 부분이며, 분위기에의 열확산이 있기 때문에 보조전극(20)을 설치한 부분(2a,2b)과 비교하면 온도는 낮아져서 약 600℃였다.One carburizing time was made into 3 minutes, and the part which provided the auxiliary electrode 20 was carburized. The surface portion 2c of the workpiece 2 without the auxiliary electrode is a portion in which the hollow cathode effect does not occur, and the portion 2a, in which the auxiliary electrode 20 is provided, due to thermal diffusion into the atmosphere. Compared with 2b), the temperature was lowered to about 600 ° C.

(확산공정)(Diffusion process)

침탄용 가스(메탄가스)의 도입을 멈추고 희석가스(수소가스)만을 4토르의 압력으로 유지하여 도입한다. 이 희석가스는 도입하면서 노체(1)밖으로 배출된다. 그리고, 극히 저농도의 처리가스를 도입해도 좋다.The introduction of the carburizing gas (methane gas) is stopped and only the diluent gas (hydrogen gas) is maintained at a pressure of 4 Torr. This dilution gas is discharged out of the furnace 1 while introducing. In addition, an extremely low concentration treatment gas may be introduced.

제어반(12)의 전류계를 계측하여 피처리물(2), 보조전극(20)은 소정의 온도 (820-850℃)로 되었다.The ammeter of the control panel 12 was measured, and the to-be-processed object 2 and the auxiliary electrode 20 became predetermined temperature (820-850 degreeC).

양극에 접속된 노체(1)와 피처리물(2), 보조전극(20)과의 사이에 홀로우 캐소우드 효과에 의한 방전이 발생하며, 보조전극(20)을 설치한 부분(확산처리가 요구되는 피처리물(2)의 표면부분)의 온도는 820∼850℃로 되었다.Discharge due to the hollow cathode effect occurs between the furnace body 1 connected to the anode, the object to be processed 2 and the auxiliary electrode 20, and the part where the auxiliary electrode 20 is provided (diffusion treatment The temperature of the surface part of the to-be-processed object 2 required was 820-850 degreeC.

1회의 확산시간을 6분으로 하고, 보조전극(27)을 설치한 부분은 고농도의 탄소가 확산되었다. 그리고 보조전극을 설치하지 않은 피처리물(2)의 표면부분(2c)는 홀로우 캐소우드 효과가 생기지 않는 부분이며, 처리가스 압력의 변화가 있어도, 온도는 침탄공정과 다르지 않아 약 600℃였다.One diffusion time was set to 6 minutes, and a high concentration of carbon was diffused in the portion where the auxiliary electrode 27 was provided. The surface portion 2c of the workpiece 2 without the auxiliary electrode was a portion where the hollow cathode effect did not occur. Even if there was a change in the processing gas pressure, the temperature was about 600 ° C., not different from the carburizing process. .

(종료공정)(End process)

상기 침탄공정, 확산공정을 5회, 합계 1시간 처리후, 직류전원(3)의 전원을 끊어, 처리가스의 도입을 중지한다. 노체(1)내의 처리가스의 펌프에 의한 배기를 계속하여 노냉(爐冷)한다. 노냉후, 침탄, 확산된 피처리물(2)을 꺼낸다.After the carburizing step and the diffusion step are processed five times for a total of one hour, the DC power supply 3 is turned off to stop the introduction of the processing gas. Exhaust by the pump of the process gas in the furnace 1 is continued to cool. After the furnace is cooled, the carburized and diffused workpiece 2 is taken out.

상기 침탄처리후, 노를 냉각시키고, 이어서 고주파 유도가열에 의해 표면을 930℃로 가열하고, 분무 냉각하여 담금질을 하였다. 당금질후 180℃로 1시간의 저온템퍼링을 하고, 수개소에 걸쳐 침탄부의 단면을 마이크로비카아스 경도 및 탄소농도 분포를 측정하였다. 제4도는 이중의 일부에 대하여 표면으로부터의 깊이와 탄소량 및 비카아스 경도(Hv)와의 관계를 나타낸 선도(線圖)이다. 또한, 단면을 현미경에 의해 관찰하였다.After the carburizing treatment, the furnace was cooled, and then the surface was heated to 930 ° C by high frequency induction heating, and spray-cooled to quench. After saccharification, low temperature tempering was performed at 180 ° C. for 1 hour, and microbikaas hardness and carbon concentration distribution were measured for the cross section of the carburized part over several places. 4 is a diagram showing the relationship between the depth from the surface and the carbon content and the vicarous hardness (Hv) for a part of the double. In addition, the cross section was observed with a microscope.

침탄층은 보조전극(20)을 설치한 곳은 어느 부분에서도 약 0.6mm형성되고, 또한 그것들의 표면농도는 어느것이나 약 0.8중량%의 값을 나타냈고, 경도도 탄소량이 높은 부분에서 비카아스로 900의 대략 일정한 값이었다.The carburized layer formed about 0.6 mm in any part where the auxiliary electrode 20 was installed, and the surface concentration of the carburized layer showed a value of about 0.8% by weight. It was approximately a constant value of 900.

이 현미경 조직은 마르텐사이트였다. 종래의 글로우방전에 의한 이온 침탄은 그 처리의 온도를 900℃로 승온시키는데 작은 피처리물의 경우에 있어서도 약 1시간이 걸렸으며, 큰 피처리물일 경우에는 2-3시간을 필요로 하였으나, 본원 발명의 처리법에 있어서는 홀로우캐소우드 효과에 의해 피처리물의 크기에 관계없이 5∼10분으로 승온시킬 수 있었으며, 극히 단시간으로 처리가 가능했다. 처리변형은 샤프트의 진동량으로 1/100mm이하이며, 종래 행하여 왔던 가스 침탄에 의한 5/100-20/100mm의 샤프트의 진동량의 교정공정을 생략할 수가 있다. 또한, 표면조도(粗渡)에 관해서는, 처리전에 마무리 가공에 의하여 4∼6S의 처리품이, 처리후도4-6S인 것이 확인되었다. 따라서, 특별한 경우를 제외하고,마무리 가공을 한후, 최종 가공으로서 본원 발명의 이온처리를 할 수가 있다.This microscopic tissue was martensite. The ion carburization by the conventional glow discharge took about 1 hour even in the case of small workpieces to raise the temperature of the treatment to 900 ° C., and it required 2-3 hours in the case of large workpieces. In the treatment method, it was possible to raise the temperature to 5 to 10 minutes regardless of the size of the object by the hollow cathode effect, and the treatment was possible in a very short time. The deformation of the process is 1/100 mm or less in the vibration amount of the shaft, and the step of correcting the vibration amount of the shaft of 5 / 100-20 / 100 mm by gas carburizing which has been conventionally performed can be omitted. Moreover, regarding the surface roughness, it was confirmed that the processed goods of 4-6S are 4-6S after a process by the finishing process before a process. Therefore, except in special cases, after finishing processing, the ion treatment of the present invention can be performed as the final processing.

상기한 바와 같이, 본원 발명의 설명은 자동차용 스타아터 샤프트에의 침탄의 예를 나타냈지만, 그외의 여러가지 제품에 대하여, 각종 표면처리를 동일한 방법으로 할수가 있다. 표면처리는 처리가스의 종류를 적절하게 바꾸면된다.As mentioned above, although the description of this invention showed the example of carburization to the star-shaft for automobiles, various surface treatments can be performed by the same method with respect to other various products. Surface treatment may be carried out by appropriately changing the type of treatment gas.

상기한, 본원 발명에 의하면, 농도가 대충 일정하고 균일한 침탄 처리층을 얻을 수가 있다.According to the present invention described above, a carburized layer having a uniform concentration and uniformity can be obtained.

Claims (1)

0.1토르 이하로 감압된 감압용기내에 처리가스를 도입하고, 상기 감압용기내에 배치된 금속재료로 이루어진 피처리물을 음극으로 하여 상기 감압용기의 양극과의 사이에 직류전압을 인가해서 글로우방전을 발생시키는 방법에 있어서, 침탄가스를 포함하는 처리가스를 상기 감압 용기내에 소정의 압력(0.1∼10토르)으로 유지하여 도입하고, 음극에 접속된 상기 피처리물과, 상기 피처리물과 소정간격을 가지며, 음극에 접속된 도전재로 이루어진 보조전극과의 사이에 홀로우 캐소우드 효과에 의한 방전을 일으켜서, 상기 피처리물의 침탄부의 표면 부분온도를 그밖의 표면부분온도보다 높게하여 , 상기 피처리물의 침탄부의 표면부분에 침탄시키는 침탄단계와, 침탄용 가스의 도입을 중지하거나 또는 저농도의 처리가스를 도입하여, 상기 피처리물에 형성된 침탄부 표면의 고농도의 탄소를 상기 피처리물 내부에 확산시키는 확산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로우방전에 의한 금속의 표면처리방법.Process gas is introduced into a pressure-reduced pressure vessel depressurized to 0.1 Torr or less, and a glow discharge is generated by applying a DC voltage to the anode of the pressure-reduced vessel, using a workpiece made of a metal material disposed in the pressure-reduced vessel as a cathode. In the method, the process gas containing the carburizing gas is maintained at a predetermined pressure (0.1 to 10 Torr) and introduced into the decompression vessel, and the to-be-processed object connected to the cathode, the to-be-processed object and a predetermined interval are And a discharge caused by the hollow cathode effect between the auxiliary electrode made of a conductive material connected to the cathode, thereby making the surface portion temperature of the carburized portion of the workpiece higher than the other surface portion temperature. A carburizing step of carburizing the surface portion of the carburizing part and stopping the introduction of the carburizing gas or introducing a low concentration of the processing gas, The method for surface treatment of metal according to the glow discharge comprises a diffusion step for diffusing a high concentration of carbon in the carburizing surface portion to the inside of the object to be treated.
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