(57)【要約】【課題】製品の表面にナノサイズの窒化物を形成したり、製品の表面に化合物の層厚を厚く形成したりすることが可能な低電流高密度によるプラズマ窒化方法及びその装置を提供する。【解決手段】炉の内部にスパッタリングのための気体を注入して試片表面の残留ガス及び不純物を除去し、炉の内部に窒素と水素を注入するとともに多重中空陰極体に低電流の電力を印加して高密度のプラズマを生成し、プラズマ内の窒素プラズマの状態を変えて窒化物層をナノサイズに形成する。これにより、多重中空陰極体を通過するイオンの運動量及び反応を最大にして高密度のプラズマを生成することができ、試片の表面に、粗度の変化がほとんどない高硬度の窒化層を形成することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉の内部に試片を装入及び加熱し、試片の外部で発生したプラズマに気体を通過させて前記試片を窒化させる方法において、
１×１０−２ｔｏｒｒの真空度を維持した後、前記炉の内部にＡｒ及びＨ２の混合気体を注入しながら前記試片に電圧を加えて、前記試片の表面の残留ガス及び不純物を除去するスパッタリング工程と、
窒化しようとする窒化層の特性に応じて、前記炉の内部の真空度を調節し、窒素と水素を所定の割合で注入し、前記炉の内部に備えられた多重中空陰極体に電力を印加して高密度のプラズマを生成させ、前記多重中空陰極体２００の内部の前記試片を窒化させる窒化層形成工程（Ｓ２００）と、
前記炉の内部に窒素を注入して前記試片を冷却させる冷却工程と、
を含むことを特徴とする、低電流高密度によるプラズマ窒化方法。
【請求項２】
前記スパッタリング工程では、
前記炉の内部を真空排気させて内部圧力を１×１０−３ｔｏｒｒにした後、前記炉の内部をさらに１×１０−２ｔｏｒｒの真空度に維持し、前記炉の内部に１：３の割合でＡｒ及びＨ２の混合気体を注入しながら前記試片に電圧を加えて、前記試片の表面の残留ガス及び不純物を除去する
ことを特徴とする、請求項１に記載の低電流高密度によるプラズマ窒化方法。
【請求項３】
前記窒化層形成工程では、
前記炉の内部圧力を０．０５〜０．２ｔｏｒｒの圧力に維持し、窒素と水素を１：３の割合で注入し、前記多重中空陰極体に３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させ、２〜５時間窒化処理を行う
ことを特徴とする、請求項１に記載の低電流高密度によるプラズマ窒化方法。
【請求項４】
前記窒化層形成工程では、
前記炉の内部圧力を１〜４ｔｏｒｒの圧力に維持し、窒素と水素を３：１の割合で注入し、前記多重中空陰極体に３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させ、２〜５時間窒化処理を行う
ことを特徴とする、請求項１に記載の低電流高密度によるプラズマ窒化方法。
【請求項５】
炉の内部に試片を装入して加熱し、前記試片の外部で発生したプラズマに気体を通過させて前記試片を窒化させる装置において、
多数の板材を一定間隔で離隔して積層し、前記板材の中で最外側板材のそれぞれにカバー材を備えた多重中空陰極体を前記試片Ｐの外部に備え、
前記それぞれの板材とカバー材に多数のホールを貫設し、
前記多重中空陰極体の外側周囲に多数のガスホールを有するガス管を螺旋状に設置したことを特徴とする、低電流高密度によるプラズマ窒化装置。
【請求項６】
前記多重中空陰極体２００は、両側に左右側中空陰極体２００ａ、２００ｂを備え、
前記多重中空陰極体２００に電源を供給するように電源装置１４０が連結されたことを特徴とする、請求項５に記載の低電流高密度によるプラズマ窒化装置。
【請求項７】
前記多重中空陰極体２００の内部の板材２１０は、陰極電源を有するように金属材質で形成される
ことを特徴とする、請求項５に記載の低電流高密度によるプラズマ窒化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化処理のための方法及び装置に係り、製品の表面にナノサイズの窒化物を形成し、後加工の不要な高硬度の窒化特性を確保するとともに、製品特性を向上させることが可能な、低電流高密度によるプラズマ窒化方法及び低電流高密度によるプラズマ窒化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、表面処理とは、金属の表面を美しく現そうとするとき、表面の耐食性又は耐磨耗性を改善するとき、表面を硬化処理するときなど、多様な目的で表面を処理することを言う。
【０００３】
このような表面処理のうち、表面を硬化処理する方法としては、例えば、浸炭法、窒化法、高周波熱処理などがある。この中でも、特に窒化法は、５００〜６００℃の温度範囲で金属材料の表面から内部に窒素を拡散浸透させることで、耐磨耗性、耐疲労性、耐食性などを高める硬化技術である。
【０００４】
このような窒化法は、他の表面硬化法である浸炭法、高周波熱処理とは異なり、鋼の変態点以下の低温で処理するため、熱処理変形が少なく、精密機械部品、自動車部品、金型などに多く使用されている。また、最近では、コーティング層の密着力向上及び下地層硬化に優れた性質を示し、複合熱処理に利用されるなど、多くの研究が活発に進んでいる。しかし、製品の表面が粗くなるため、コーティングを行って使用する金型製品の場合、下地層に使用するためには、必ず後ラッピングなどの工程を行わなければならなかった。
【０００５】
さらに、オーステナイトステンレススチールの場合は、高耐食性によって、食品、薬品、食器などの多様な分野に使用されているが、低硬度特性のため、自動車、機械、電子部品への使用には深刻な制約があり、窒化法を利用するオーステナイト系ステンレススチールの表面硬化技術も、急速に開発されているという実情がある。
【０００６】
上記のような特徴を有する窒化法は、窒化剤及び窒化方法によって、ガス窒化、塩浴窒化、プラズマイオン窒化などにさらに分類される。
【０００７】
まず、ガス窒化は、所定の圧力で加圧された空間に、多量のアンモニア（ＮＨ３）ガスを入れ、１〜１００時間程度維持することで、金属材料に化合物層と窒化層を形成する方法である。製品形状の制約が小さく、大容量に容易に適用することができる利点はあるが、専用鋼種にだけ適用可能であって、作業時間が長くかかるだけでなく、有害なアンモニアガスを使用するので、後処理装置が必ず必要であるという問題がある。
【０００８】
そして、塩浴窒化は、シアン（ＣＮ−）、シアン酸（ＣＮＯ−）塩を用いて液状で金属材料に窒化処理を行う方法である。４時間程度の短時間に高硬度の化合物層及び窒化層を相当な深さまで得ることができ、冷却速度が速く、鋼種の制約がなく、設備費用が非常に低いという利点のため、自動車部品の量産工程に多く適用されている。
【０００９】
しかし、上記の塩浴窒化では、シアン（ＣＮ−）、シアン酸（ＣＮＯ−）が有毒性物質であるため、環境を汚染するという問題があり、使用が徐々に減少している。また、窒化処理された製品に、気孔の多い化合物層が形成されるため、必ず後処理が必要となるという問題がある。
【００１０】
また、前記ガス窒化と塩浴窒化は、窒化処理しようとする金属がオーステナイト系ステンレススチールの場合、表面に高硬化層を形成することで、表面硬度は向上させることができる。しかしながら、５００℃以上で窒化処理を行う窒化工程の特性上、ＣｒＮが析出して物性を低下させ、さらに耐食性の要因であるＣｒ２Ｏ３層を減少させて耐蝕特性を著しく低下させるという問題があった。
【００１１】
これに対し、プラズマイオン窒化は、環境汚染の問題がない窒素（Ｎ２）ガスを利用して、金属材料に窒化処理を行う方法である。最近では、地球温暖化問題、エネルギー問題などが台頭するにつれて、前記プラズマ窒化技術が至大な関心対象になっている実情である。
【００１２】
前記プラズマについて簡単に説明すれば、原子あるいは分子が、外部電子あるいは強エネルギーを受けてイオン化又は活性化した状態で、イオンと電子、もしくは活性原子又は分子によって伝導性を有することができる状態を、プラズマという。
【００１３】
このようなプラズマを利用するイオン窒化は、通常、製品の耐磨耗性、耐疲労性、硬度向上などが必要な部品に対して使用される。このうち、一番使用量が多いものが、自動車部品の生産である。
【００１４】
この工程について簡単に説明すれば、真空中で製品に直接電圧を印加してアルゴンガスと水素及び窒素ガスを活性化させ、この製品の表面にスパッタリングを行うことになる。この際、表面の汚染物あるいは酸化物と反応して製品の表面から落とす役目を果たす。この際、表面で電子を受けて光を失うので、グロー放電と言う。その後、さらに近付く窒素原子は、製品の表面でスパッタリングされた鉄原子と結合し、製品に再び吸着されて鉄表面に窒素を供給することにより窒化層を形成することになる。
【００１５】
このようなプラズマイオン窒化は、使用ガスが単純であるという利点があり、使用されるプラズマ電源も単純である。また、ガス及びエネルギーの消費量が少なく、排出ガスも中性である。このように、プラズマイオン窒化は、環境親和的な作業環境であるため、継続して発展及び使用されていき、今後とも技術がさらに発展すると期待される。
【００１６】
しかし、前記プラズマイオン窒化は、スパッタリングと再吸着の原理によって窒化がなされるので、製品の表面形状によって、あるいは微細ホールの内壁の場合には、グローによって正確な温度の調節及び所望深さまでの窒化が困難であるという欠点があり、さらに製品の均一度と再現性の面で、変数制御が困難であるという欠点がある。また、長期間の工程を進めれば、製品の形状によって表面アークが発生することがあり、持続的なエッチングによって、製品の局部加熱とエッチングによる損傷が発生する可能性があり、表面粗度が悪くなるという欠点があった。
【００１７】
さらに、前記プラズマイオン窒化は、窒化製品の形状、電流量、電圧、真空度、及び合金元素などによって、スパッタリングと再吸着調節程度が変わるため、漠然とエネルギーを高めるか、真空度又はガス流量のみで工程を制御して円滑な生産を遂行しにくいという欠点があった。
【００１８】
その理由は、ガスの圧力制御には限界があり、該当する圧力で製品の表面積が大きくなれば、同じ条件で窒化するために、莫大なイオン密度が必要となることから、非常に大きなプラズマ電源装置と電力が要求され、また、必要以上の電気が必要になれば、プラズマ窒化の利点が減少し、さらに大型電源装置は現在まで開発及び適用が困難であるためである。
【００１９】
また、前記プラズマイオン窒化は、グロー放電領域で行われる工程であるので、製品において窒化される化合物層の厚さの調節及び制御が難しいという問題点があった。図１は、上述のような問題点を解決するために、本出願人によって先に出願され特許登録された、特許文献１に記載の「ポストプラズマを利用する窒化方法及び装置」を示すものである。その構造について簡単に説明すれば、炉１０の両側内部にはヒーターＨが内蔵され、下部に真空ポンプＶｐが設置され、前記炉１０の上部に、ガス管３０に作用気体を注入するためのガス注入部４０が設置される。
【００２０】
そして、前記炉１０の中央内部にはプレート２５が設置され、前記プレート２５の上部に、窒化処理しようとする試片Ｐが載せられる。そして、前記試片Ｐの外部には、試片Ｐをカバーするように、スクリーン網２０が設置される。前記スクリーン網２０は、上部スクリーン網２０ａと複数（上記発明においては、二つを適用）の側部スクリーン網２０ｂに分離されて設置され、それぞれのスクリーン網２０には、ＤＣ電源が供給される。
【００２１】
このような前記スクリーン網２０は、陰極電源を帯びてプラズマＰＳを生成させ、前記スクリーン網２０の外部には、酸化性及び還元性の気体と窒化剤が注入される螺旋状のガス管３０が設置され、前記ガス管３０には多数のガスホール３５が形成される。
【００２２】
すなわち、陰極のスクリーン網で生成したプラズマによって補助加熱効果を提供するとともに、窒化に必要な反応ガスがプラズマを通過して製品の表面に吸着されることにより、製品の表面粗度に優れた窒化処理を行うことができるものである。
【００２３】
【特許文献１】大韓民国特許第１０−０６１０６４５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、前記ポストプラズマを利用する窒化方法及び装置は、製品の表面の窒素濃度を増加させようとする場合、製品にバイアスをかけるか、窒素の濃度を非常に高くして、スクリーン網に高電力を印加するなど、多量のエネルギーが必要となるという欠点があった。
【００２５】
一方、最近では、熔接のような後工程などの理由で、駆動に必要な部品の一部のみを窒化する局部窒化技術、又は複雑な形態の一般炭素鋼などに窒化する技術が希求されている実情である。また、金型の場合、製品の要求仕様が強化して、製品の表面硬化のためにコーティングを実施することになる。この際、傾斜コーティングの形態において、下地層として窒化層が使用されるが、下地層として使用する面に化合物層が形成され、粗度が良くないため、必ず研磨を行わなければならないという困難性がある。
【００２６】
また、自動車のミッションの高速化及び小型化につれて、高強度鋼板に対する高疲労強度及び低変形、特に平面度が要求されているが、浸炭、浸炭窒化、高周波、オーステンパーリング工程などは、特性の面ではどの程度満足させる一方で、変形と熔接などの目的で必要部位だけ処理する部分的要求を満足させることができない。そのため、変形が小さくて耐疲労性及び耐磨耗性に優れるとともに、後加工が容易であるように均一な工程制御が可能であり、親環境的な窒化技術が希求されている。
【００２７】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、金型などのコーティング下地層として使用するための製品表面の窒化物をナノサイズ程度にして、表面粗度に優れ、炭素鋼を使用する製品特性を向上させることが可能な、新規かつ改良された低電流高密度によるプラズマ窒化方法及び低電流高密度によるプラズマ窒化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炉の内部に試片を装入及び加熱し、試片の外部で発生したプラズマに気体を通過させて前記試片を窒化させる方法において、１×１０−２ｔｏｒｒの真空度を維持した後、前記炉の内部にＡｒ及びＨ２の混合気体を注入しながら前記試片に電圧を加えて、前記試片の表面の残留ガス及び不純物を除去するスパッタリング工程と、窒化しようとする窒化層の特性に応じて、前記炉の内部の真空度を調節し、窒素と水素を所定の割合で注入し、前記炉の内部に備えられた多重中空陰極体に電力を印加して高密度のプラズマを生成させ、前記多重中空陰極体２００の内部の前記試片を窒化させる窒化層形成工程（Ｓ２００）と、前記炉の内部に窒素を注入して前記試片を冷却させる冷却工程と、を含む低電流高密度によるプラズマ窒化方法が提供される。
【００２９】
前記スパッタリング工程では、前記炉の内部を真空排気させて内部圧力を１×１０−３ｔｏｒｒにした後、前記炉の内部をさらに１×１０−２ｔｏｒｒの真空度に維持し、前記炉の内部に１：３の割合でＡｒ及びＨ２の混合気体を注入しながら前記試片に電極を加えて、前記試片の表面の残留ガス及び不純物を除去してもよい。
【００３０】
前記窒化層形成工程では、前記炉の内部圧力を０．０５〜０．２ｔｏｒｒの圧力に維持し、窒素と水素を１：３の割合で注入し、前記多重中空陰極体に３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させ、２〜５時間窒化処理を行ってもよい。
【００３１】
前記窒化層形成工程では、前記炉の内部圧力を１〜４ｔｏｒｒの圧力に維持し、窒素と水素を３：１の割合で注入し、前記多重中空陰極体に３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させ、２〜５時間窒化処理を行ってもよい。
【００３２】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、炉の内部に試片を装入して加熱し、前記試片の外部で発生したプラズマに気体を通過させて前記試片を窒化させる装置において、多数の板材２１０を一定間隔で離隔して積層し、前記板材の中で最外側板材２１０のそれぞれにカバー材２２０を備えた多重中空陰極体２００を前記試片Ｐの外部に備え、前記それぞれの板材２１０とカバー材２２０に多数のホール２３０を貫設し、前記多重中空陰極体２００の外側周囲に多数のガスホール３２０を有するガス管３１０を螺旋状に設置した、低電流高密度によるプラズマ窒化装置が提供される。
【００３３】
すなわち、炉の内部に試片を装入して加熱し、前記試片の外部で発生したプラズマに気体を通過させて前記試片を窒化させる装置において、所定の間隔を有して離隔して積層される多数の板材と、前記多数の板材のうち最外側に位置する板材のそれぞれに配設されるカバー材と、を含み、前記試片の外部に設けられる多重中空陰極体と、前記多重中空陰極体の外側周囲に螺旋状に配設され、多数のガスホールを有するガス管と、を備え、前記それぞれの板材とカバー材に多数のホールが貫設されることを特徴とする、低電流高密度によるプラズマ窒化装置が提供される。
【００３４】
前記多重中空陰極体は、両側に左右側中空陰極体を備え、前記多重中空陰極体に電源を供給するように電源装置が連結されてもよい。すなわち、前記多重中空陰極体は、その両側に左側中空陰極体および右側中空陰極体を備え、前記多重中空陰極体に電源を供給する電源装置が連結されてもよい。
【００３５】
前記多重中空陰極体の内部の板材は、陰極電源を有するように金属材質で形成されてもよい。
【発明の効果】
【００３６】
以上のように、本発明は、多重中空陰極体を通過するイオンの運動量及び反応を最大にして高密度のプラズマを生成することにより、試片表面の粗度変化がほとんどない高硬度の窒化層を形成することが可能である。
【００３７】
特に、０．０５〜０．２ｔｏｒｒの真空領域では、試片表面にナノサイズの化合物層粒子を均一に形成するので、表面粗度に優れた窒化処理を行い、１〜４ｔｏｒｒの真空領域で高密度低エネルギー状態の窒化処理を実施することにより、試片化合物層を厚く形成して自動車部品の窒化処理に適用することができる卓越した効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３９】
本発明の一実施形態に係る低電流高密度によるプラズマ窒化方法及びその装置は、例えば、独特の構造の多重中空陰極体によって低エネルギーを活用して高密度の窒化処理を可能にすることで、金型などのコーティング下地層として使用するための製品表面の窒化物をナノサイズ程度とし、表面粗度に優れるとともに、後加工の不要な高硬度の窒化特性を確保するか、工程中に真空圧力の変換によってプラズマの状態を変えて化合物層を厚く形成することで、炭素鋼を使用する自動車部品の製品特性を向上させることにその目的がある。
【００４０】
本実施形態は、窒化処理のための方法及び装置に係り、独特の構造の多重中空陰極体によって低エネルギーを活用して高密度の窒化処理を可能にすることで、製品の表面にナノサイズの窒化物を形成し、後加工の不要な高硬度の窒化特性を確保するとともに、同一装備内で真空圧力の変換によってプラズマの状態を変えて化合物層厚を厚く形成することで、製品特性を向上させるようにした、低電流高密度によるプラズマ窒化方法及び低電流高密度によるプラズマ窒化装置に関するものである。
【００４１】
図２は、本実施形態に係る低電流高密度によるプラズマ窒化方法を順に示すもので、大きくは、スパッタリング工程（Ｓ１００）と、窒化層形成工程（Ｓ２００）と、冷却工程（Ｓ３００）と、に分けられる。
【００４２】
図３を参照して説明すれば、まずスパッタリング工程（Ｓ１００）においては、炉１００の内部にＡｒ及びＨ２の混合気体を注入しながら試片Ｐに電圧を印加することで、試片Ｐの表面の残留ガス及び不純物を除去する。
【００４３】
より具体的に説明すれば、まず炉１００の内部圧力を、真空ポンプ１３０で例えば１×１０−３ｔｏｒｒにする。その後、炉１００の内部圧力を真空ポンプ１３０でさらに１×１０−２ｔｏｒｒの真空度に維持した状態で、ガス注入装置部に連結されたガス管３１０を通じて、炉１００の内部に１：３の割合でＡｒの１００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｃ／ｍｉｎ）とＨ２の３００ｓｃｃｍを注入しながら、試片Ｐに７００〜１０００Ｖのバイアス電圧を印加し、試片Ｐの表面の付着物、酸化物、気体、オイルなどのような残留ガス及び不純物を、すべて除去する。
【００４４】
窒化層形成工程（Ｓ２００）においては、窒化しようとする窒化層の特性によって、炉１００の内部の真空を調節して窒素と水素を一定の割合で注入し、炉１００の内部に備えられた多重中空陰極体２００に電力を印加して、高密度のプラズマを生成させる。これにより、多重中空陰極体２００の内部の試片Ｐの表面を、窒化させる。
【００４５】
そして、微細窒化物の吸入により表面粗度に優れた窒化層を確保するための窒化層形成工程（Ｓ２００）の一例について説明すれば、炉１００の内部圧力を真空ポンプ１３０で例えば０．０５〜０．２ｔｏｒｒの圧力に維持し、ヒーター１２０で温度を約５００℃に昇温して維持させた状態で、ガス管３１０を通じて窒素と水素を１：３の割合で炉１００の内部に注入する。
【００４６】
同時に、多重中空陰極体２００を構成する多数の板材２１０に、例えば３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させて、高密度のプラズマを生成させる。これにより、窒素と水素を板材２１０とカバー材２２０に形成されたホール２３０に通過させて、試片Ｐを例えば２〜５時間程度窒化処理を行うことにより、試片Ｐの表面に表面粗度に優れた窒化層を形成する。
【００４７】
さらに、窒素化合物の凝集により試片Ｐの表面に厚い化合物層を確保するための窒化層形成工程（Ｓ２００）の他の例について説明すれば、炉１００の内部圧力を真空ポンプ１３０で例えば１〜４ｔｏｒｒの圧力に維持し、ヒーター１２０で温度を約５００℃に昇温して維持させた状態で、ガス管３１０を通じて窒素と水素を３：１の割合で炉１００の内部に注入する。
【００４８】
同時に、多重中空陰極体２００を構成する多数の板材２１０に、例えば３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させて、高密度のプラズマを生成させる。これにより、窒素と水素を板材２１０とカバー材２２０に形成されたホール２３０に通過させて試片Ｐを例えば２〜５時間程度窒化処理を行うことにより、試片Ｐの表面に厚さの厚い化合物層を形成する。
【００４９】
冷却工程（Ｓ３００）においては、炉１００の内部に窒素を注入して、前記試片Ｐを冷却させる。
【００５０】
図３は、本実施形態に係る低電流高密度によるプラズマ窒化装置を、概略的に示すものである。以下に説明すれば、炉１００の両側内部にヒーター１２０を内蔵し、下部には真空ポンプ１３０を備えて炉１００の内部圧力を制御する。
【００５１】
そして、炉１００の上部には、ガス管３１０に作用気体を注入するためのガス注入部３００を備え、前記ガス注入部３００と炉１００との間には、炉１００の内部の真空度を維持及び測定するためのバラトロンゲージ（Ｂａｒａｔｒｏｎ  ｇａｕｇｅ）Ｇと、炉１００に注入されるガスの量を調節するためのスロットルバルブＴｈｖをそれぞれ備えている。また、炉１００をＰＣ（パーソナルコンピュータ）などに電気的に連結してプラズマ及び電源の供給状態を実時間で測定することで、窒化工程を全般的に制御するようにする。
【００５２】
また、炉１００の中央内部にはプレート１１０を設け、前記プレート１１０の上部に、窒化処理しようとする試片Ｐを載せる。そして、前記試片Ｐの外部には、試片Ｐをカバーするように多重中空陰極体２００を設ける。前記多重中空陰極体２００は、複数の左右側中空陰極体２００ａ、２００ｂ（左側中空陰極体２００ａ、右側中空陰極体２００ｂ）に分離して設け、それぞれに対してパルス電源が供給できるように構成する。
【００５３】
この際、前記多重中空陰極体２００にパルス電源を供給する電源装置１４０とともに、前記試片と炉にスパッタ電源を供給する電源装置（符号省略）を設けてもよい。ここで、前記パルス電源装置１４０は、一つを設けることもできるが、複数設けて、左右側の中空陰極体２００ａ、２００ｂのそれぞれに個別的に電源を供給することもできる。
【００５４】
そして、多重中空陰極体２００の外部周りには、窒化処理に必要な中性ガスが注入される螺旋形のガス管３１０が設けられ、前記ガス管３１０には、多数のガスホール３２０が形成される。また、前記ガス管３１０は、炉１００の外部のガス注入部３００に連結され、ガスの供給を受ける。
【００５５】
ここで、多重中空陰極体２００についてより具体的に説明すれば、多重中空陰極体２００は、所定の一定間隔で離隔した多数の板材２１０が積層されており、前記板材２１０のなかで、最外側に設けられた板材２１０の一側に、それぞれカバー材２２０が離隔して配置される。そして、それぞれの板材２１０とカバー材２２０には、多数のホール２３０が貫設される。前記板材２１０は、金属材で形成され、この板材に陰極電源を印加することにより、高密度のプラズマを生成させる。
【００５６】
この際、多数のホール２３０は、その直径を３〜８ｍｍに形成し、それぞれの板材２１０とカバー材２２０は、互いに約３０ｍｍ離隔して形成し、それぞれの板材２１０は、電極で連結して構成する。
【００５７】
このように構成された本実施形態に係るプラズマ窒化装置およびプラズマ窒化方法の作用及び効果を詳細に説明すれば、以下の通りである。
【００５８】
本実施形態に係る低電流高密度によるプラズマ窒化方法によって窒化処理される試片Ｐは、金形鋼材料ＳＴＤ１１、ＳＴＤ６１又はＳ４５Ｃのような金属材料のいずれか１種であり、焼入れ（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）及び焼き戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）処理して硬度を一定に維持させた後、０．３μｍのアルミナで鏡面研磨したものを使用する。
【００５９】
前記試片Ｐを炉１００の内部に装入した後、炉１００の内部をポンプ１３０で真空排気させて内部真空度を１×１０−２ｔｏｒｒに維持し、ヒーター１２０に電源を供給して、炉１００の内部温度を反応温度である４５０〜５００℃まで昇温させる。そして、ガスホール３２０を通じてＡｒ及びＨ２を炉１００の内部に注入するとともに、試片Ｐにバイアス電圧を印加することで、試片Ｐの表面の残留ガス及び不純物を除去するスパッタリング工程（Ｓ１００）を行う。
【００６０】
その後、窒化しようとする窒化層の特性によって、炉１００の内部の真空度と中性ガスの割合を適切に調節して、窒化層形成工程（Ｓ２００）を行うことになる。この際、表面粗度に優れた窒化層を形成するためには、炉１００の内部温度を約５００℃に維持した状態で、炉１００内の真空度を０．０５〜０．２ｔｏｒｒに調節し、窒素１００ｓｃｃｍと水素３００ｓｃｃｍを炉１００の内部に注入する。これと同時に、多重中空陰極体２００に３〜５ｋＷの電力を印加してイオンの密度を増加させることにより、高密度のプラズマを生成する。
【００６１】
そして、多重中空陰極体２００のホール２３０を通じて窒素と水素を高密度で通過させ、約２〜５時間程度試片Ｐを窒化させることにより、試片Ｐに、表面粗度に優れた窒化層を形成することができる。
【００６２】
その後、窒化層形成工程（Ｓ２００）の終了後、炉１００の内部に窒素を注入して試片Ｐの温度を降下させる冷却工程（Ｓ３００）を経ることで、試片Ｐの窒化処理を完了することになる。
【００６３】
上述のような窒化層形成工程（Ｓ２００）の窒化作用について、以下で、より具体的に説明する。
【００６４】
多重中空陰極体２００の外部にプラズマが生成され、電子が多重中空陰極体２００の内部に拘束されると、多重中空陰極体２００の内部で電荷を加速させることにより、多重中空陰極体２００での中性ガスの衝突回数が増加し、イオンビームの加速原理である電磁気力（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｏｒｃｅ）によって、同じエネルギーが加わっても、電子の移動によってイオン化する種が多くなり、これにより高密度のプラズマが形成されることになる。
【００６５】
そして、多重中空陰極体２００を通過する中性ガスが存在する磁界内で、電子と磁場がファラデーローレンツの原理であるＥ×Ｂ＝Ｆによって、多重中空陰極体２００の内部に形成され、加速電位が発生し、イオンが内部に加速して移動する。これにより、追加の電源を印加しなくても、内部で多量の活性化電荷が発生する。この際、Ｎ２とＨ２の圧力が低ければ、平均自由エネルギーが大きくなった状態で衝突し、原子化したイオンが多くなる。これらは、Ｎ２＋、Ｎ、Ｎ＋などになり、水素中で衝突すればＮＨｘを多数形成することになる。このようなイオンの密度上昇作用によって、プラズマ内に反応性ラジカルが次第に多くなり、これが、真空ポンプの流速によって、試片Ｐの表面とスクリーンの加速原理で螺旋状に回転しながら放物線運動をして中央部に移動することで、窒化が起こることになる。
【００６６】
このように形成された窒化物は、ナノサイズに小さくなって粒界が多くなることにより、表面エネルギーが高くなり、これにより吸着率が高くなる。よって、試片Ｐの内部に多くの窒素が吸入される一方、試片Ｐの表面には窒素化合物層が厚く形成されないながらも、内部へは短時間に深く硬化されるとともに、表面粗度に優れた窒化層を形成することができる。
【００６７】
ここで、炉２００の内部に注入される窒素はＮ２形態であるが、多重中空陰極体を通過しながら、イオンと電子の移動によってエネルギー状態の異なるＮ＋、Ｎ２＋、Ｎ２＊、ＮＨＸ＊のように表記される多様なラジカルが形成される。これにより、金形鋼と炭素鋼のような金属材料の表面に、非常に高いエネルギー状態の窒化層を形成することができ、ＳＵＳ材質のバルブ、ピストンリングなどにも生産性の高い低温窒化及び高温窒化が可能であり、インナーレースギア、ミッションの板材部品などに窒化処理が可能となる。特に、金型のコーティング下地層としても研磨が不要なほどのナノ表面粗度を形成することが可能となるとともに、硬度を向上させることが可能になる。
【００６８】
図４は、前記窒化層形成工程（Ｓ２００）を行うに際して、一定条件で窒化処理実験を行った試片Ｐの表面写真を示すものである。０．１ｔｏｒｒの真空度と５００℃の温度の下で、窒素１００ｓｃｃｍ及び水素３００ｓｃｃｍを注入し、多重中空陰極体２００にＤＣ５ｋＷの電力を印加して窒化処理を実施した。また、試片Ｐは、Ｓ４５Ｃを使用して示した。前記条件の下で窒化された試片Ｐは、その表面に微細な窒化物が形成されることにより、表面粗度に優れた窒化層を確保することができ、表面硬度が８１０ＨＶ０．１と高く現われることになる。
【００６９】
図５は、図４の窒化処理条件と多少違う実験条件の下で窒化処理を行った試片Ｐの表面写真を示すものである。０．１ｔｏｒｒの真空度及び５００℃の温度の下で、窒素１００ｓｃｃｍ及び水素３００ｓｃｃｍを注入し、多重中空陰極体２００にＤＣ３ｋＷの電力を印加して窒化処理を実施した。試片Ｐは、Ｓ４５Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１を使用して示した。
【００７０】
すなわち、電力の大きさにおいて、３ｋＷの低電力を使用しても、表面粗度に優れた窒化層を確保することができ、表面硬度が８１０ＨＶ０．１と高く現われるだけでなく、ＳＫＤ１１種及びＳＫＤ６１種のような金形鋼の場合にも、非常に微細な窒化物の形成によって、表面粗度に優れた窒化層を確保することができる。また、表面硬度は、ＳＫＤ１１種の場合には１０５０ＨＶ０．１、ＳＫＤ６１種の場合には１２００ＨＶ０．１と、高く現われることになる。
【００７１】
図６は、図４の窒化処理条件と多少違う実験条件の下で窒化処理を行った試片Ｐの表面写真を示すものである。０．０５ｔｏｒｒの真空度及び５００℃の温度の下で窒素１００ｓｃｃｍ及び水素３００ｓｃｃｍを注入し、多重中空陰極体２００にＤＣ５ｋＷの電力を印加して窒化処理を実施し、試片ＰはＳ４５Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１を使用して示した。
【００７２】
すなわち、真空度を０．０５ｔｏｒｒに低めても、表面粗度に優れた窒化層を確保することができ、表面硬度が８１０ＨＶ０．１と高く現われるだけでなく、ＳＫＤ１１種及びＳＫＤ６１種のような金形鋼の場合にも、非常に微細な窒化物の形成によって、表面粗度に優れた窒化層を確保することができ、表面硬度がＳＫＤ１１種の場合は、１０５０ＨＶ０．１、ＳＫＤ６１種の場合は、１２００ＨＶ０．１と高く現われることになる。
【００７３】
図７は、図４〜図６の実験結果と対比するために、本実施形態に係る窒化処理実験の条件に、炭化水素系ガスをさらに添加して窒化処理を行った試片Ｐの表面写真を示すものである。０．１５ｔｏｒｒの真空度及び５００℃の温度の下で、窒素１００ｓｃｃｍ、水素３００ｓｃｃｍ、及びメタン（ＣＨ４）６ｓｃｃｍを注入し、多重中空陰極体２００にＤＣ５ｋＷの電力を印加して窒化処理を実施した。また、試片Ｐは、Ｓ４５Ｃを使用して示した。
【００７４】
この点で見れば、メタン（ＣＨ４）を添加して窒化処理を行った試片Ｐも、図４〜図６の実験結果と類似の表面粗度を表し、表面硬度も８１０ＨＶ０．１と高く現われている。これは、結果として、本実施形態に係る窒化方法によって窒化処理を行った試片Ｐは、炭化水素系の添加なしでも優れた表面粗度を確保することが可能であることを裏付けるものである。
【００７５】
したがって、本実施形態に係る窒化方法によって窒化処理された製品は、通常のプラズマイオン窒化領域より低い区間である０．０５〜０．２ｔｏｒｒ区間において、製品の表面にナノサイズの化合物層粒子が均一に形成されるので、表面粗度に優れた窒化処理が可能である。
【００７６】
他方、製品の表面に化合物層の厚みが厚い窒化層を形成するためには、炉１００の内部温度を約５００℃に維持した状態で、炉１００内の真空度を１〜４ｔｏｒｒに調節し、窒素３００ｓｃｃｍ及び水素１００ｓｃｃｍを炉１００の内部に注入する。同時に、多重中空陰極体２００に３〜５ｋＷの電力を印加して陰極化させることで、高密度のプラズマを生成させる。
【００７７】
そして、多重中空陰極体２００のホール２３０を通じて窒素と水素を高密度で通過させ、約２〜５時間ほど試片Ｐを窒化させることにより、試片Ｐに厚みの厚い化合物層を形成することができる。
【００７８】
その後、窒化層形成工程（Ｓ２００）を終了すれば、炉１００の内部に窒素を注入して試片Ｐの温度を降下させる冷却工程（Ｓ３００）を経ることで、試片Ｐの窒化処理を完了することになる。
【００７９】
上述のような窒化層形成工程（Ｓ２００）の窒化作用のうち、高密度プラズマの生成及び電荷の加速と関連した作用の説明は、前述の説明と同様であるので、実質的な化合物層の形成と関連する作用の部分について、以下で簡単に説明する。窒素と水素の添加量によって、窒素が水素に十分な電子を供給しながら、多重中空陰極体に形成されるプラズマの密度を高めるとともにエネルギー準位を低く制御する。これにより、窒素には電子を充分に供給し、水素に与えないＮ２＊、Ｎ２＋電位量が増えることにより、製品の表面に窒素化合物を早く形成し、これにより化合物層の厚さを厚く形成することができる。
【００８０】
すなわち、活性化及び多重中空陰極体２００内に拘束させたイオンの中性ガスＮ２、Ｈ２の加速運動によって、活性化度を高めて高密度のプラズマを生成し、このときに生成された高密度のＮＨが反応に参加し、特にエネルギー状態の高いＮ２＊、Ｎ２＋が窒化反応に参加することにより、製品の表面に厚い化合物層を有する窒化層を形成する。
【００８１】
図８は、窒化層形成工程を行うに際して、図４の条件と多少違う実験条件で窒化処理を行った試片Ｐの表面及び断面写真を示すものである。１ｔｏｒｒの真空度及び５００℃の温度の下で、窒素３００ｓｃｃｍ及び水素１００ｓｃｃｍを注入し、多重中空陰極体２００にＤＣ５ｋＷの電力を２時間印加して窒化処理を実施した。また、試片Ｐは、Ｓ４５Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１を使用して示した。試片Ｐの表面に窒素化合物が凝集して大きくなり、化合物層が２０μｍの厚さに厚く形成され、表面硬度が８１０ＨＶ０．１と高く現われる。
【００８２】
図９は、図８の実験結果と対比するために、本実施形態に係る適切な実験条件の一例に、炭化水素系をさらに添加して窒化処理を行った試片Ｐの表面写真を示すものである。１ｔｏｒｒの真空度及び５００℃の温度の下で、窒素１００ｓｃｃｍ、水素３００ｓｃｃｍ及びプロパン（Ｃ３Ｈ８）６ｓｃｃｍを注入し、多重中空陰極体２００にＤＣ５ｋＷの電力を印加して窒化処理を実施した。また、試片Ｐは、Ｓ４５Ｃを使用して示した。
【００８３】
この点で見れば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）を添加して窒化処理を行った試片Ｐも、図８の実験結果と類似の化合物層の形態を現し、表面硬度も８１０ＨＶ０．１と高く現われている。これは、結果として、本実施形態に係る窒化方法によって窒化処理を行った試片Ｐは、炭化水素系の添加なしでも一定厚さの化合物層を確保することができることを、裏付けるものである。
【００８４】
したがって、本実施形態に係る窒化方法によって窒化処理された試片Ｐは、１〜４ｔｏｒｒ区間で高密度の低エネルギー状態の窒化処理を実施することにより、試片Ｐの化合物層が厚く形成されるようにして、自動車部品の窒化処理に使用することができる。
【００８５】
他方、図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施形態に係る窒化方法を経ったＳ４５Ｃ素材試片Ｐの表面硬度及び深部硬度の変化を示すそれぞれのグラフである。０．１ｔｏｒｒ領域の高真空で窒化を実施した場合、表面硬度が約８００ＨＶ０．１で、圧子の荷重によっても変化がほとんどないことが分かる。この際、ロックウェル硬度として約５２〜４５ＨＲＣ程度の高硬度値を得ることができる。また、窒化処理の後、深部硬度の変化も約４０ＨＲＣと非常に優れた強度を維持することを確認することができる。
【００８６】
前述したように、本実施形態に係る低電流高密度によるプラズマ窒化方法及びその装置は、多重に形成された中空陰極体２００の内部の陰電極を利用して、電荷移動と衝突が活発に起こるように真空度を低め、低電流でも反応が起こるように工程を改善し、これにより、多重中空陰極体２００の内部にイオンを拘束して運動量及び反応を最大にすることにより、高密度のプラズマ生産が可能になる。
【００８７】
したがって、前述のような雰囲気で、窒化に必要な真空度と中性ガスの割合の調節によって、試片Ｐの表面に微細な窒化物を形成することにより、表面粗度に優れた窒化層を形成することもできる。また、試片Ｐの表面に窒素化合物を凝集させて化合物層の厚い窒化層を形成するとともに高硬度の窒化層を形成することも可能である。
【００８８】
また、低真空のスパッタリングとイオン洗浄の効果が優秀であり、試片Ｐの表面の活性度が高くて炭素鋼及びステンレススチールなどの窒化が非常に容易であり、金形鋼も粗度変化なしに容易に窒化させることができるという利点がある。
【００８９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な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ことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、独特の構造の多重中空陰極体によって低エネルギーを活用して高密度の窒化処理を可能にすることで、製品の表面にナノサイズの窒化物を形成し、後加工が不要な高硬度の窒化特性を確保するとともに、同一装備内で真空圧力の変換によってプラズマの状態を変えて化合物層厚を厚く形成することで、製品特性を向上させるようにした低電流高密度によるプラズマ窒化方法及びその装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】窒化装置の構造を説明するための概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る窒化方法の工程を示すブロック図である。
【図３】同実施形態に係る窒化装置の構造を示す概略図である。
【図４】同実施形態に係る窒化方法において、窒化条件の一例によって窒化処理された試片の表面写真である。
【図５】同実施形態に係る窒化方法において、別の窒化条件の一例によって窒化処理された試片の表面写真である。
【図６】同実施形態に係る窒化方法において、さらに別の窒化条件の一例によって窒化処理された試片の表面写真である。
【図７】図４〜図６に示す試片表面写真と対比するために、炭化水素系のガスを添加して窒化処理を行った試片の表面写真である。
【図８】同実施形態に係る窒化方法において、さらに別の窒化条件の一例によって窒化処理された試片の表面及び断面写真である。
【図９】図８に示す試片表面写真と対比するために、プロパンを添加して窒化処理を行った試片の表面写真である。
【図１０Ａ】同実施形態に係る窒化処理による試片の表面硬度の変化を示すグラフである。
【図１０Ｂ】同実施形態に係る窒化処理による試片の深部硬度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９２】
１００    炉
１１０    プレート
１２０    ヒーター
１３０    真空ポンプ
１４０    電源装置
２００    多重中空陰極体
２１０    板材
２２０    カバー材
２３０    ホール
３００    ガス注入部
３１０    ガス管
３２０    ガスホール
Ｐ    試片
Ｓ１００    スパッタリング工程
Ｓ２００    窒化層形成工程
Ｓ３００    冷却工程
【図１】
2008308759.tif 000003
【図２】
2008308759.tif 000004
【図３】
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【図１０Ａ】
2008308759.tif 000006
【図１０Ｂ】
2008308759.tif 000007
【図４】
2008308759.tif 000008
【図５】
2008308759.tif 000009
【図６】
2008308759.tif 000010
【図７】
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【図８】
2008308759.tif 000012
【図９】
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