(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材の表面および表面近傍の熱処理を行う方法において、前記金属部材を直流アーク電源の負極側に電気的に接続し、酸素ガスあるいは酸素を含むガスを導入して、真空アーク処理を1Torr以下0.5Torr以上の酸化性雰囲気内で行うことを特徴とする真空アークによる金属の熱処理方法。
【請求項２】
アーク電源と真空容器と真空排気設備および真空容器内にアーク電極を有する真空アーク熱処理装置において、金属部材を陰極とし、酸化性ガス導入機構と装置内圧力から、1Torr以下0.5Torr以上の圧力範囲内に保持されるよう、酸化性ガス導入バルブの開閉を制御する圧力制御機構を有することを特徴とする真空アークによる金属の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の表面層を熱処理する方法に関し、表面層の焼きなまし、焼き入れ、焼きもどしなどによる金属表面層の性質の改善に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
金属は温度により変態し、変態の前後で性質を大きく変ることが多い。高温から急速に冷却すると、相の混合状態が微細になる、高温状態の相が低温にまで持ち来たらされる、あるいは準安定な新しい相が出現するなどの非平衡状態が生じる。金属の性質はこの様な非平衡状態の程度により変化するので、適当な温度に加熱し、種々の速度で冷却すれば様々な非平衡状態が生じ、材料特性を変える幅広い応用が得られる。
【０００３】
一方不均質、非平衡の状態にあるものを加熱することにより、平衡状態に近づけあるいはひずみを消失させることにより、均質化や軟化を生じさせることも有用な処理となる。これらの処理はまとめて熱処理といわれる。従来の熱処理の加熱方法としては燃焼炎バーナーによる方法、高周波誘導加熱方法や大気中アークやレーザー加熱方法などが採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来方法による熱処理のための加熱手段を用いる場合、いずれも加熱法においても、金属部材の加熱領域は加熱手段と金属部材の位置関係により決まってしまい、広い面積を熱処理することは簡単でない。広い面積を加熱するためには、加熱手段を多数個並べるか、加熱手段装置を移動させるか、あるいは金属部材を移動させるかする必要があった。本発明は加熱手段装置と被加熱物である金属部材の相対位置関係が決まっていても広い面積を熱処理することを可能にするもので、金属の熱処理を効率的に行うことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明手段は、金属部材の表面および表面近傍の熱処理を行う方法において、前記金属部材を直流アーク電源の負極側に電気的に接続して、酸素ガスあるいは酸素を含むガスを導入して、真空アーク処理を1Torr以下0.5Torr以上の酸化性雰囲気内で行うことを特徴とする。この方法を実現するためにアーク電源と真空容器と真空排気設備および真空容器内にアーク電極を有する真空アーク熱処理装置において、金属部材を陰極とし、酸化性ガス導入機構と装置内圧力から、1Torr以下0.5Torr以上の圧力範囲内に保持されるよう、酸化性ガス導入バルブの開閉を制御する圧力制御機構を有することを特徴とする真空アークによる金属の熱処理装置を用いる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
真空アークの特徴は、エネルギー密度のきわめて高い陰極点が一個ないし複数個存在し、それらが一定の位置に固定されること無く、激しく動き回ることにある。真空アークという言葉は、厳密な意味での真空の中で形成されるアークに限定されるのではなく、大気圧よりはかなり低い、減圧雰囲気で形成されるアークに対してもしばしば使用される。本発明明細書においても、減圧雰囲気中で形成されるアークで、そのアーク陰極点が陰極上の特定の位置に固定されず、動き回る性質を示すアークを、真空アークということとする。
【０００７】
本発明の方法を図１の例で説明する。真空容器１内は真空排気ポンプ２により排気され減圧雰囲気が保持される。真空容器１内におかれた被熱処理材である金属部材５は、直流アーク電源３の負極側に電気的に接続され、アーク直流電源３の正極側に電気的に接続された陽極４との間で真空アークが点火される。金属部材５の表面には陰極点が形成され、表面上を動き回る。
【０００８】
アーク形成雰囲気の圧力が１０Torr以下の低い圧力になると真空アーク陰極点はエネルギー密度がきわめて高くなり、陰極表面上の広い範囲を動きまわる。陽極直下でなくとも広い領域が陰極点の運動範囲となる。陰極点が通過した表面は急熱された後急冷され、表面近傍には熱影響層が残る。金属部材を動かしたり陽極電極を動かしたりすることなしに広面積の熱処理が出来る。
【０００９】
真空アークによる陰極点のエネルギー密度や運動領域の広さは真空アーク形成雰囲気の圧力により大きく影響されることは、例えば特公平7-63689 で述べられているようによく知られている。特公平7-63698 発明ではもっぱら真空アーク陰極点は金属部材の表面の浄化スケール除去、バリ取りなどの目的に用いられており、熱処理を目的とする発明ではない。目的が異なるため、陰極点の動作最適圧力領域も異なることが本発明者の実験研究より明らかになっている。
【００１０】
熱処理効果を得るための陰極点動作雰囲気に関しては、雰囲気圧力が高すぎると陰極点のスポット形状が大きくなりエネルギー密度は低くなるとともに、陰極点の動きも緩慢になり、運動領域も狭くなり良好な熱処理が出来ない。雰囲気圧力がある程度より低くなると陰極近傍と陽極近傍での電圧降下に比べアーク柱空間での電圧降下量は無視可能になり、従ってアーク電極間の最短距離のところで形成される必要もなく、陰極点が陽極から遠く離れた点にも形成可能になる。
【００１１】
実用的見地からは、本発明の実施のためには、雰囲気圧力は１Torr以下で０．１Torr以上の範囲にあることが好ましい。圧力が０．１Torr未満でも熱処理効果は変わらないが、経済的観点からみて、０．１Torr未満にする必要はない。これに対し、表面浄化の目的のための、特公平7-63689 発明においては、適正な浄化のための動作雰囲気圧力は、１０Pa以下、すなわち７．６×１０-2 Torr以下とされ、本発明における適正領域とは異なり、さらに低い圧力領域でのアーク動作が要求されている。
【００１２】
実効的にある厚みをもって熱処理効果を得ようとするには、陰極点の動きは早すぎても、遅すぎても良くない。陰極点の動きが速すぎる場合は、ごく表面の薄い層のみが加熱される。陰極点の動きが停止したりあるいは遅すぎる場合は、陰極点の周りの限られた範囲のみが加熱され続け、局部的に溶融し、被処理物は溶損する．従来の熱処理手段としての大気中アークを用いる方法では、上述したように、アークは陰極点の動きが緩慢あるいは静止するので、広い範囲の熱処理を行わせるためには、アーク装置を移動させるかあるいはまた、被処理物を移動運動させるかせねばならない。本発明の様に自動的な広範囲領域の処理は出来ない。
【００１３】
陰極点の運動速度は圧力の他に表面の状態に強く影響されることも本発明者の研究より明らかになっている。被処理物表面が清浄な金属面であるときは、表面に形成される陰極点の運動速度はきわめて大きいが、表面が酸化されている場合は陰極点の運動速度は遅い。表面の酸化層の厚み大なるほど陰極点運動速度は小さくなる。表面を酸化物で覆われた金属部材を真空アーク処理することにより、酸化物の除去と熱処理が同時に行える。しかしながら、陰極点の移動速度は上述したように酸化膜の厚みに依存しているので、熱処理層の厚みは、スケールの厚みと独立には制御出来ないという問題がある。
【００１４】
本願発明は上記問題点を解決するための方法であり、熱処理層の厚みをスケール厚みとは独立に制御する方法に関し、酸化性ガスを真空容器内に導入し真空アーク発生雰囲気を酸化性にすることを特徴とする。真空アーク陰極点は上述したように、酸化膜で覆われていない金属表面上では動きが速く、不安定である。熱処理しようとする部材の表面にはじめから酸化層が存在しない場合、あるいは酸化膜がはじめに存在していても、真空アーク陰極点のクリーニング作用により、表面の酸化膜が大方除去され、全面にわたり清浄な金属表面がでてしまったあとは陰極点は不安定になりやすい。
【００１５】
図１の真空容器１に取り付けられているガス導入バルブ７より酸素ガス、酸素を不活性ガスで希釈した酸素を含むガスまたは空気を導入し、圧力センサー６の値をみながらバルブの開度を調整し、雰囲気内の圧力を１Torr以下、０．５Torr以上に保ち、雰囲気を酸化性にする。０．５Torr未満では酸化性を確保することが難しくなる。この雰囲気で処理部材５を陰極として真空アーク処理をすると、アーク陰極点が通過して清浄な金属面が部材表面に現れたとしても、アーク陰極点通過部分は雰囲気酸素と反応し、すぐに酸化膜が再形成され、処理部材全面が清浄な金属面になることはない。したがってアークは常に酸化物上に形成され安定である。
【００１６】
酸化層表面を探しながら動き回る陰極点は、したがって何度も同じ箇所に戻り、クリーニングと再酸化を繰り返すことになる。熱処理層が所定の厚みになるまで安定して真空アーク処理を続けることができる。最終的には全表面を清浄にしたい場合は、終了直前にガス導入バルブ７を閉じ、真空容器１内を非酸化性雰囲気として被処理部材５を真空アーク処理して仕上げればよい。
【００１７】
なお、本発明者らによる酸素ガスを供給しながら真空アーク陰極点を金属部材の表面に作用させることにより、特定元素を選択的に酸化あるいは蒸発させることを目的とした特開平07-075816発明がある。この特開平07-075816発明はもっぱら表面層の化学組成の変化を狙った発明であり、本発明とは目的が異なり、したがって適用材料も異なる。
【００１８】
本願発明の装置構成概念は図１に示されるとうりである。従来真空アークによる表面処理装置では、アーク電源と真空容器と真空排気機構および真空容器内に設置されたアーク電極およびガス導入リークバルブが装置構成の基本となる要素であった。本発明装置は従来装置に、酸化性ガス導入バルブと、雰囲気圧力制御機構を付加したことが特徴であり、圧力センサー６の出力信号が酸化性ガス導入バルブの開度を調整するためのバルブ制御機構８の入力となり、あらかじめ設定された値と比較され、バルブ制御機構内の論理回路により、圧力があらかじめ設定された範囲内に保持されるよう、バルブの開度を調整される。
【００１９】
また、圧力調整法として、さらに排気系にバルブを追加して、このバルブの開度を同時に制御する機構を設けてもよい。このような自動調整のための論理回路および制御機構の構築、実現は公知の技術であるので具体的な詳細説明は省略する。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
表面がスケールで覆われ、寸法１００mm × ２００mmで厚み１５mmの鋼材を試料として、真空容器内に入れ、これを陰極として、真空アーク処理をした。処理条件および真空アーク処理後の表面層の硬度を測定して焼き入れ効果を測定した。実験条件および処理後の硬度測定結果を表１にまとめて示している。真空アーク処理によりいずれの試料の上表面は全面スケールが除去され金属面が現れていた。表面硬度も上昇も確認された。空気を導入し、雰囲気を酸化性として真空アーク処理を長く続けた試料では表面硬度がより高くなると共に焼き入れ厚みも厚くなっていることが確認された。
【００２１】
【表１】
0003667934.tif 000002
【００２２】
（実施例２）
ショットブラストにより表面が加工硬化した鋼材厚板試料を、真空アーク熱処理を行った。処理した材料の寸法は１００mmｘ２００mmで厚み１５mmである。ショットブラスト処理を行っているので試料表面は金属色になっており、スケールは存在していない。この試料を真空容器内に入れ、これを陰極として、真空アーク処理をした。処理条件および真空アーク処理後の表面硬度を測定し、加工硬化除去の効果を表２に示す。
【００２３】
試料番号５は無酸化雰囲気で処理したもので、１００秒でアークが不安定化したので、その時点で処理を止めた。試料番号６は空気を導入しながらアーク処理をしたもので、２００秒間の処理を続けたがアークの不安定がおこらなかった。空気導入したアーク処理により加工硬化表面層がなくなることが確認された。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
【発明の効果】
真空アークを用い、金属部材の表面に陰極点を走らせることにより、広い金属表面の熱処理を行うことが出来た。さらに真空アーク雰囲気を酸化性にすることにより処理効果を高めたり、処理厚みを大にすることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明に係る真空アークによる熱処理装置構成の概念図
【符号の説明】
１；真空容器
２；真空ポンプ
３；真空アーク用直流電源
４；真空アーク用陽極
５；熱処理を施す被処理部材
６；圧力センサー
７；リーク量が制御できる酸化性ガス導入バルブ
８；リークバルブ開度自動調整機構
【図１】
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