(57)【要約】【課題】従来のプラズマ窒化装置においては炉内中央部に位置するワークと、炉内上部および炉内下部に位置するワークとの間で窒化層厚さにバラツキが生じていた。このため、簡易な構成のプラズマ窒化装置でワークの窒化層バラツキを抑制することが求められていた。【解決手段】炉体１ａを陽極とし、ワークＷを陰極としてワークＷの窒化処理を行うプラズマ窒化装置１において、ワークＷが載せられ、陰極となるように電源８に電気的に接続される治具２と、治具２と炉体１ａの天井部１ｂとの間に配置され、陰極となるように電源８に電気的に接続される、導電性を有する補助加熱部材９とを備えさせる。【選択図】図１
2018104723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体を陽極とし、ワークを陰極として前記ワークの窒化処理を行うプラズマ窒化装置であって、
前記ワークが載せられ、陰極となるように電源に電気的に接続される治具と、
前記治具と前記炉体の天井部との間に配置され、陰極となるように前記電源に電気的に接続される、導電性を有する補助加熱部材とを備えた、プラズマ窒化装置。
【請求項２】
前記治具は、階層状に前記ワークが載せられる多段式の治具であり、当該治具の下端部から高さ方向に延びる支柱部材を有し、
前記補助加熱部材は、前記支柱部材の上端部に取り付けられている、請求項１に記載のプラズマ窒化装置。
【請求項３】
前記補助加熱部材と前記治具の最上段との距離は、前記治具の各段の間隔と同一の間隔である、請求項２に記載のプラズマ窒化装置。
【請求項４】
前記補助加熱部材は、平面視において前記治具に載せられた前記ワークが露出しないように、前記治具を覆うように形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ窒化装置。
【請求項５】
前記補助加熱部材は鉄系部材である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ窒化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車部品や他の機械部品等（以下、“ワーク”）のプラズマ窒化処理を行うプラズマ窒化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ワークの硬度を高める硬質処理方法として窒化処理を行うことが知られている。ワークの窒化処理方法にはガス窒化やプラズマ窒化といった処理方法があるが、プラズマ窒化処理を行う場合には特許文献１や特許文献２のようなプラズマ窒化装置が用いられる。プラズマ窒化装置を用いた窒化処理は、炉内に収容されたワークを所定の温度まで加熱した後、窒化処理用の処理ガスをプラズマ化することで行われる。通常、プラズマ窒化装置内のワークは、グロー放電によるワークの自己加熱や、自己加熱に加えて更にヒーターを用いた加熱により目的の窒化処理温度まで昇温させられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３６４６号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマ窒化装置の炉内を高さ方向に三分割し、それらを炉内上部、炉内中央部および炉内下部と称した際に、従来のプラズマ窒化装置においては炉内中央部に熱が溜まりやすく、炉内中央部は炉内上部および炉内下部に比べて高温になっていた。これにより、炉内中央部に位置するワークと、炉内上部および炉内下部に位置するワークとの間で窒化層厚さにバラツキが生じていた。
【０００５】
一方、炉内に設けたヒーターを利用し、炉内中央部に対して相対的に温度が低い炉内上部および炉内下部を加熱することも考えられる。しかしながら、熱溜まりが発生する箇所は炉内に収容するワークの形状や個数、治具上のワークの配置方法によっても変化する。例えば同一のプラズマ窒化装置を使用する場合でも、異なる品種のワークを窒化処理する場合には、ワークの形状の違いや、１ロットあたりに処理するワークの個数の違いにより、ワークに適した治具の形状が変わることもある。このような場合、炉内の温度分布は、前ロットの窒化処理の温度分布と異なるものになる。即ち、炉内における熱溜まりの位置は品種ごとに変わり得るものである。したがって、炉内の温度差を解消するために、温度の低い部分だけをヒーターで加熱しようとしても、処理ロットごとにヒーターの素線配置を最適なものに変更しなければならず、作業負荷が極めて大きくなる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成のプラズマ窒化装置でワークの窒化層バラツキを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明は、炉体を陽極とし、ワークを陰極として前記ワークの窒化処理を行うプラズマ窒化装置であって、前記ワークが載せられ、陰極となるように電源に電気的に接続される治具と、前記治具と前記炉体の天井部との間に配置され、陰極となるように前記電源に電気的に接続される、導電性を有する補助加熱部材とを備えていることを特徴としている。
【０００８】
なお、本発明における“導電性を有する補助加熱部材”は、グロー放電による自己加熱で熱源として機能できる程度の導電性を有していれば良い。
【発明の効果】
【０００９】
簡易な構成のプラズマ窒化装置でワークの窒化層バラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ窒化装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマ窒化装置の治具形状を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る、治具に載せられたワークの配置状態を示す図である。
【図４】比較例のプラズマ窒化装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
図１に示す本実施形態に係るプラズマ窒化装置１は、炉体１ａの長さが高さ方向に長い、いわゆる縦型プラズマ窒化装置である。プラズマ窒化装置１は、円筒状の炉体１ａを有し、ワークＷが載せられる治具２と、治具２が載せられる陰極台３と、治具２および陰極台３を支持する支持部材４を備えている。なお、プラズマ窒化装置１の炉体形状は特に限定されない。
【００１３】
治具２は、階層状にワークＷが載せられる多段式の治具であり、治具２の各段は、図２に示すような外周の一部に切欠き５ａが設けられた導電性部材（ＳＵＳ３０４、ＳＳ４００等）から成る円板５で構成される。本実施形態においては、治具２の各段を構成する円板５の形状はそれぞれ略同一の形状となっている。円板５の中心部には、炉内に供給された窒化処理用の処理ガスが通る処理ガス通過口５ｂが形成されている。この処理ガス通過口５ｂがあることにより各ワークＷに処理ガスが行き渡りやすくなり、ワークＷの窒化処理品質のバラツキ抑制効果が高まる。
【００１４】
また、円板５には同一円周上に形成された３つの開口部５ｃが設けられている。各開口部５ｃには、治具下端部の底板６から高さ方向に延びる導電性部材（ＳＵＳ３０４、ＳＳ４００等）から成る円形状の支柱部材７が通され、治具２の各段の円板５は支柱部材７に対して固定されている。このような治具２の各段には、図３のようにワークＷが配置されている。また、支柱部材７は底板６を介して陰極台３に電気的に接続される。なお、治具２の形状は、ワークＷの形状や個数、治具上のワークＷの配置方法等により適宜変更される。また、支持部材４の形状は円形状に限定されない。
【００１５】
治具２が載せられている陰極台３は、通電時に陰極となるように炉外に設けられたグロー放電用電源８に接続されている。治具下端部の底板６はその陰極台３に接触しており、これにより治具２は陰極台３を介してグロー放電用電源８に電気的に接続される。一方、治具上端部においては、ワークＷの加熱を補助する補助加熱部材９が取り付けられている。補助加熱部材９は、例えば、金属部材の一例であるＳＵＳ３０４、ＳＳ４００等から成る円形状の１枚の鉄系部材である。補助加熱部材９は、図３のように平面視において治具２に載せられた各ワークＷが隠れる程度の径を有している。なお、図３においては補助加熱部材９の外形線のみを二点鎖線で示しており、具体的な形状の図示は省略している。このような形状の補助加熱部材９は図１のように３本の支柱部材７の先端部で固定されている。前述の通り、支柱部材７は陰極台３に電気的に接続されるため、支柱部材７の先端部に取り付けられている補助加熱部材９も陰極台３を介してグロー放電用電源８に電気的に接続される状態にある。即ち、補助加熱部材９も通電時には陰極となる。なお、炉体１ａは通電時に陽極となるようにグロー放電用電源８に接続されている。
【００１６】
治具上端部の補助加熱部材９、治具下端部の底板６および治具各段の円板５が支柱部材７を介して連結されていることにより、治具２の各部材は一体となって移動する。このような治具２を炉内に搬入する際には、ワークＷが載せられた状態の治具２の補助加熱部材部分をクレーン等により吊上げ、炉体１ａの側方に設けられた搬入口（不図示）から炉内に治具２を搬入し、陰極台３の上に載せる。
【００１７】
なお、補助加熱部材９と治具最上段との距離は、補助加熱部材９の発熱量に応じて適宜変更されるが、治具２の各段の間隔と同一の間隔とすることが望ましい。これにより、各段に配置されるワークＷのプラズマ条件が一定となり、ワークＷの窒化処理品質のバラツキが抑制される。なお、上記の“同一の間隔”の“同一”とは、厳密な同一であることを意味せず、略同一の概念を含むものである。例えばプラズマ窒化装置１を製造する際に生じる数ミリ程度の違いは“同一の間隔”として許容される。また、本実施形態では補助加熱部材９を円板状に形成しているが、補助加熱部材９の形状は、ワークＷの形状や個数、治具上のワークＷの配置方法等により適宜変更される。また、補助加熱部材９の枚数も特に限定されず、例えば同一平面上に複数の補助加熱部材９が設けられていても良い。ただし、治具２を高さ方向に三分割し、それらを治具上段部、治具中段部および治具下段部と称した際に、より効果的に治具上段部の補助加熱を行うためには、補助加熱部材９は平面視において治具２に載せられた各ワークＷが露出しないように治具２を覆うように形成されていることが好ましい。
【００１８】
陰極台３に載せられた治具２の側方には、ワークＷの昇温を促進するためのヒーター１０が炉体１ａの内壁に沿って円筒状に配置されている。ヒーター１０は治具２の全高に合わせた高さを有している。ヒーター１０の上部近傍、中央部近傍および下部近傍には、それぞれ上部熱電対１１、中央部熱電対１２および下部熱電対１３が設けられ、各熱電対１１、１２、１３は熱電対保持用支柱１４に固定されている。上部熱電対１１は治具上段部、中央部熱電対１２は治具中段部、下部熱電対１３は治具下段部の大まかな温度を制御するように構成されている。なお、これらの熱電対１１、１２、１３が設けられていたとしても、各処理ロットにおけるヒーター１０の素線配置は同一の配置であることから、治具２の形状等の違いに起因する熱溜まり箇所の変化に応じて温度の低い部分を集中的に加熱することは容易ではない。
【００１９】
本実施形態に係るプラズマ窒化装置１は以上のように構成されている。なお、説明は省略しているが、プラズマ窒化装置１は、窒化処理用の処理ガスの供給管や排気管等のプラズマ窒化装置としての必要な構成を有している。
【００２０】
このプラズマ窒化装置１でプラズマ窒化処理を実施すると、治具中段部において熱が溜まる傾向にはあるが、本実施形態のプラズマ窒化装置１においては、補助加熱部材９、支柱部材７および底板６が陰極台３を介してグロー放電用電源８に電気的に接続された状態にあるため、補助加熱部材９に電気が流れ、グロー放電により自己加熱する。これにより、治具２の上端に熱源が発生することになり、治具中段部に比べて相対的に温度が低い治具上段部が加熱される。そして、治具上段部の温度上昇に伴い、治具上段部および治具中段部と、治具下段部との温度差が大きくなり、治具下段部に熱が移動しやすくなる。これにより、治具下段部の温度も従前より高くなる。
【００２１】
このような状態でプラズマ窒化処理を行うことで、治具上段部、治具中段部および治具下段部に配置された各ワークＷの窒化層厚さのバラツキを抑制することができる。即ち、同一ロット内の窒化処理品質のバラツキを抑制することが可能となる。
【００２２】
また、本実施形態のプラズマ窒化装置１では、治具上段部を加熱する際に補助加熱部材９がグロー放電による自己加熱により熱源として機能するため、治具上段部を加熱するための専用の加熱機構を設ける必要がない。即ち、本実施形態のプラズマ窒化装置１によれば、装置構造を複雑化させることなく、各段に配置されたワークＷの窒化層厚さのバラツキを抑制することができる。
【００２３】
また、通常、治具２の上方を覆うことは原料ガスの流れが均一にならない可能性があるため、ガス流れの阻害が懸念されるような部材を治具２の上方に設けることはしない。仮に治具２の上方を覆うような部材を設けるとしても、異なる処理ロットで共通の目的で使用される部材は、部品点数削減のために治具ごとに取り付けるのではなく、炉の構成部品として炉殻に取り付けることが一般的である。しかしながら、そのような部材が炉殻に固定支持されると、その部材が陽極として作用することになり、陽極と陰極（例えば治具最上段）が近い位置にあるとアーク放電を起こしてしまう。このように、通常は治具２の上方を覆うような部材を設けないといった技術常識があるところ、本実施形態においては治具２の上方を覆う補助加熱部材９を設け、更に補助加熱部材９が陰極となるようにプラズマ窒化装置１を構成している。これにより、通電時において治具２の最上段を構成する円板５と補助加熱部材９とが共に陰極となり、アーク放電が起きにくい状態で治具上段部を加熱することができる。
【００２４】
なお、本実施形態では、補助加熱部材９として鉄系部材を用いたが、導電性を有する部材であれば他の部材であっても良い。ただし、例えば銅板のような部材を用いた場合、プラズマ処理中の銅板の銅成分がワークＷに混入し、窒化処理部材としての品質を低下させるおそれがあることから、補助加熱部材９としては鉄系部材を用いることが好ましい。また、補助加熱部材９は板状の部材に限定されない。また、ヒーター１０を設けることは必須ではないが、ワークＷの昇温を促進し、処理時間を短縮するためにはヒーター１０を設けることが好ましい。
【００２５】
また、本実施形態では縦型のプラズマ窒化装置１を例に挙げて補助加熱部材について説明したが、炉体１ａの長さが横方向に長い横型のプラズマ窒化装置１であっても、補助加熱部材９を設けることができる。また、本実施形態では、ワークＷを階層状に載せることができる多段式の治具２を用いたが、治具２は多段式でなくても良い。例えばワークを治具２に載せた状態において、１つのワークが炉内下部から炉内上部にまで到達するような高さを有する場合、従来のプラズマ窒化装置においては、炉内の中央部の温度が炉内上部および炉内下部の温度に対して高いために、ワーク中央部と、ワーク上部およびワーク下部との間で窒化層厚さのバラツキが大きくなる。これに対し、本実施形態のようなプラズマ窒化装置１によれば、そのようなワークを窒化処理する際にも、治具上端部に設けられた補助加熱部材が熱源として機能するため、ワーク上部の温度を上昇させることができる。その結果として、ワーク中央部と、ワーク上部およびワーク下部との間の窒化層バラツキを小さくすることができる。
【００２６】
即ち、ワークＷが載せられる治具２が陰極となるように電源に電気的に接続され、治具２と炉体１ａの天井部１ｂとの間に導電性を有する補助加熱部材９が配置され、補助加熱部材９が陰極となるように電源に電気的に接続されるようプラズマ窒化装置１が構成されていれば、炉内上部に位置するワークＷの温度を上昇させることができ、炉内上部、炉内中央部および炉内下部に位置するワークＷの窒化層厚さのバラツキを抑えることが可能となる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【実施例】
【００２８】
本発明に係るプラズマ窒化装置を用いて複数の自動車用歯車のプラズマ窒化処理を実施した。本発明に係るプラズマ窒化装置は前述の図１のような構成の炉である。具体的に説明すると、治具２は階層状にワークＷが載せられる多段式の治具であり、治具２の各段を構成する円板５はＳＳ４００で形成されている。各円板５は治具下端部の底板６から高さ方向に延びる支柱部材７に固定されている。支柱部材７はＳＳ４００で形成されており、支柱部材７は底板６を介して陰極台３に電気的に接続されることになる。治具２が載せられている陰極台３は、通電時に陰極となるように炉外に設けられたグロー放電用電源８に接続されている。治具下端部の底板６はその陰極台３に接触しており、これにより治具２は陰極台３を介してグロー放電用電源８に電気的に接続される。陰極台３に載せられた治具２の側方には、炉体１ａの内壁に沿ってヒーター１０が配置されている。
【００２９】
支柱部材７の上端部にはＳＳ４００からなる補助加熱部材９が取り付けられている。即ち、治具最上段と炉体１ａの天井部１ｂとの間に補助加熱部材９が配置されている。補助加熱部材９は、円形状の１枚の鉄系部材であり、平面視において治具２に載せられた各ワークＷが露出しないように治具２を覆うような形状を有している。また、補助加熱部材９と治具最上段との距離は、治具２の各段の間隔と同一の間隔となっている。
【００３０】
このような構成のプラズマ窒化装置１は、導電性を有する補助加熱部材９が、導電性を有する支柱部材７および陰極台３を介してグロー放電用電源８に電気的に接続されるため、通電時には陰極となる。なお、炉体１ａは通電時に陽極となるようにグロー放電用電源８に接続されている。
【００３１】
実施例としての本発明に係るプラズマ窒化装置は以上のように構成されている。このプラズマ窒化装置を用いたプラズマ処理条件は従来と同様であり、排気工程および復圧工程を経た後、昇温工程および窒化工程において炉内圧力を１８０〜６００Ｐａ、グロー電流密度を１．０〜２．６Ａ／ｍ２の範囲で調節した。また、炉内の雰囲気ガスとしては、窒素および水素ガスを供給し、それらのガスの流量比が窒素：水素＝２：１となるように設定した。さらに、治具上段部、治具中段部および治具下段部に対応するように設けられたヒーターの制御温度を５２０℃とし、上段熱電対、中段熱電対および下段熱電対から得られた温度をもとに温度制御を実施した。
【００３２】
また、本発明に係るプラズマ窒化装置との比較のために、図４のような補助加熱部材が設けられていないプラズマ窒化装置５０を用い、同一のプラズマ処理条件にて歯車のプラズマ窒化処理を実施した。なお、従来のプラズマ窒化装置５０は、補助加熱部材が設けられていないこと以外は本発明に係るプラズマ窒化装置と同様の構成である。また、治具の各段に載せられた歯車の配置も同様の配置である。
【００３３】
歯車のプラズマ窒化処理を実施した後、治具上段部、治具中段部および治具下段部から１つずつ歯車を抜き取った。各段から抜き取られる歯車は平面視において同じ位置に配置されていた歯車である。その後、抜き取った各歯車の歯を歯面に対して垂直に切断し、切断された歯の切断面を鏡面研磨して光学顕微鏡で４００倍の倍率で切断面を観察した。これにより得られた画像情報に基づき、歯車の歯面部における窒化層厚さを測定した。窒化層厚さの測定結果は下記表１および表２の通りである。
【００３４】
【表１】
2018104723.tif 000003
【表２】
2018104723.tif 000004
【００３５】
従来のプラズマ窒化装置では、窒化層厚さが最も厚い治具中段部の歯車と、窒化層厚さが最も薄い治具上段部の歯車との間で窒化層厚さに１．５μｍもの差が生じた。一方、本発明に係るプラズマ窒化装置においては、治具上段部の歯車と治具中段部の歯車との間で０．９μｍしか差がなかった。即ち、治具の上端部に補助加熱部材を設けることで、窒化処理品の窒化層厚さのバラツキを小さくすることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、ワークのプラズマ窒化処理に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１    プラズマ窒化装置
１ａ  炉体
１ｂ  炉体の天井部
２    治具
３    陰極台
４    支持部材
５    円板
５ａ  切欠き
５ｂ  処理ガス通過口
５ｃ  開口部
６    底板
７    支柱部材
８    グロー放電用電源
９    補助加熱部材
１０  ヒーター
１１  上部熱電対
１２  中央部熱電対
１３  下部熱電対
１４  熱電対保持用支柱
５０  従来のプラズマ窒化装置
Ｗ    ワーク
【図１】
2018104723.tif 000005
【図２】
2018104723.tif 000006
【図３】
2018104723.tif 000007
【図４】
2018104723.tif 000008