(57)【要約】【課題】各種合金からなる超小な球状形状などの被処理物に対し、安定かつ均一な窒化物表面層を形成させることができるプラズマ窒化装置および窒化方法を提供すること。【解決手段】鉄合金、アルミニウム合金またはチタン合金を母材とした被処理物を、窒素ガスと水素ガスとを主成分とするグロー放電により発生させたプラズマ雰囲気中で、揺動または振動させつつ窒化し、上記被処理物の最表面層に鉄の窒化物、アルミニウムの窒化物またはチタンの窒化物を均一に生成させることを特徴とする被処理物のプラズマ窒化装置および窒化方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理部（Ｂ）に直流電圧を供給する電圧供給部（Ａ）と、処理部（Ｂ）に窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給するガス供給部（Ｃ）とからなり、上記処理部（Ｂ）が、密閉処理空間を区画する炉壁（２）を有する炉体（１）と、上記処理空間内に設けられた合金製被処理物（６）を保持する治具ベース（３）と、該治具ベース（３）を包囲している導電性スクリーン（１４）と、上記治具ベース（３）を揺動または振動させる駆動源とからなり、上記治具ベース（３）内に載置された被処理物を揺動または振動させながら、上記被処理物の表面をプラズマ窒化させるためのプラズマ窒化装置。
【請求項２】
駆動源が、油圧装置、超音波装置または磁歪装置である請求項１に記載のプラズマ窒化装置。
【請求項３】
鉄合金、アルミニウム合金またはチタン合金を母材とした被処理物を、窒素ガスと水素ガスとを主成分とするグロー放電により発生させたプラズマ雰囲気中で、揺動または振動させつつ窒化し、上記被処理物の最表面層に鉄の窒化物、アルミニウムの窒化物またはチタンの窒化物を均一に生成させることを特徴とする被処理物のプラズマ窒化方法。
【請求項４】
被処理物の揺動または振動を、油圧、超音波または磁歪により生じさせる請求項３に記載のプラズマ窒化方法。
【請求項５】
被処理物の母材が、鉄の合金である請求項３に記載のプラズマ窒化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種合金からなる各種機器の各種部材のプラズマ窒化装置および窒化方法に関し、さらに詳しくは、一般産業機械、ＯＡ機器、医療機器などの微小慴動部材に、優れた低摩擦性、耐摩耗性、褪色性及び靭性を付与するためのプラズマ窒化装置および窒化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼部材や非鉄鋼部材の耐摩耗性および靭性などを向上させるために、数多くの表面改質処理方法が提案されている。これらのうち、グロー放電現象を利用したプラズマ表面処理法は、潤滑油膜切れにより、局部的に金属部材同士が直接接触することも起こり得る過酷な慴動状態を被る境界潤滑領域において、その慴動特性を改善する表面改質処理法である。
【０００３】
具体的なプラズマ表面処理法としては、数トールの真空状態の炉中に水素ガス（Ｈ2）と窒素ガス（Ｎ2）との混合ガスを導入し、炉壁（＋）と被処理物（−）との間に、直流電圧を印加し、被処理物（−）周辺にグロー放電によるイオン化した窒素雰囲気で窒化を行う。この他、直流モノパルスやハイポーラパルス法、ホットウオール法、炉壁（＋）とスクリーン（−）との間に電圧を印加し、形成されるグロー放電（プラズマ雰囲気）の中で被処理物を窒化する方法もある。
【０００４】
上記従来の方法の欠点は、炉内に孤立してセットができない超小型の被処理物や球状の被処理物に対して、安定かつ均一にグロー放電によるプラズマ雰囲気の形成が難しいという点である。
【０００５】
例えば、非特許文献１に記載の静止型のプラズマ表面処理方法では、被処理物の全表面に亘り、均一なグロー放電（プラズマ雰囲気）の発生は不可能である。従って安定かつ均一な窒化は困難であった。
【非特許文献１】日本熱処理技術協会講演概要集（６２回）平成１８年６月  ７５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、各種合金からなる微小な球状形状などの被処理物に対し、安定かつ均一な窒化物表面層を形成させることができるプラズマ窒化装置および窒化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は以下の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、処理部（Ｂ）に直流電圧を供給する電圧供給部（Ａ）と、処理部（Ｂ）に窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給するガス供給部（Ｃ）とからなり、上記処理部（Ｂ）が、密閉処理空間を区画する炉壁（２）を有する炉体（１）と、上記処理空間内に設けられた合金製被処理物（６）を保持する治具ベース（３）と、該治具ベース（３）を包囲している導電性スクリーン（１４）と、上記治具ベース（３）を揺動または振動させる駆動源とからなり、上記治具ベース（３）内に載置された被処理物を揺動または振動させながら、上記被処理物の表面をプラズマ窒化させるためのプラズマ窒化装置を提供する。上記駆動源が、油圧装置、超音波装置または磁歪装置であり得る。
【０００８】
また、本発明は、鉄合金、アルミニウム合金またはチタン合金を母材とした被処理物を、窒素ガスと水素ガスとを主成分とするグロー放電により発生させたプラズマ雰囲気中で、揺動または振動させつつ窒化し、上記被処理物の最表面層に鉄の窒化物、アルミニウムの窒化物またはチタンの窒化物を均一に生成させることを特徴とする被処理物のプラズマ窒化方法を提供する。該方法においては被処理物の揺動または振動を、油圧、超音波または磁歪により生じさせることができる。また、上記被処理物の母材が鉄の合金であるときに本発明は特に有用である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の最大の特徴は、被処理物を微小揺動または微小振動させることで、被処理物の全表面に安定かつ均一にグロー放電によるプラズマ雰囲気を発生させることである。前記非特許文献１に記載の静止型プラズマ窒化方法に比べ、本発明の装置および方法では、被処理物の最表面は、その窒化処理中、微視的に揺動または振動しているため、被処理物の表面は常に安定かつ均一なプラズマ雰囲気に曝される。これにより、これまで不可能とされていた複雑形状あるいは微小形状の被処理物の全表面に亘る均一プラズマ窒化が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に好ましい実施の形態を示す図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。まず、図１に示す方式は最も一般的な従来方式であり、窒素ガス供給源９と水素ガス供給源１０とからマスフロー１１を経由して、ガス導入口８から窒素ガスと水素ガスとの混合ガスが炉体１内に導入されている。
【００１１】
上記混合ガスが導入された状態で、電源５から炉壁２（＋）と被処理物６（−）との間に直流電圧を印加し、被処理物６の周辺部をプラズマ雰囲気７とする。このことで、被処理物６の最表面でイオン化された窒素ガスが、被処理物６中に侵入して被処理物６の表面に窒化物層が形成される。
【００１２】
図２に示す方式は、グロー放電（プラズマ）の安定、かつ均一発生を改善した従来方式であり、薄肉部やコーナー部の多い被処理物６に適用されている。この方式の最大の特徴は、炉壁２（＋）と導電性スクリーン１４（−）との間に、電源制御部４で制御された電圧が直流電源５から印加されて、被処理物６の最表面のみではなく、導電性スクリーン１４廻りの広い範囲がプラズマ状態７となるため、前記のような従来法（図１）の弱点がカバーされている。
【００１３】
ところで、近年では、一般産業機械の要素部だけでなく、通信機器、ＯＡ機器、医療機器などの微小要素部でも耐摩耗性、耐食性、非磁性が強く要請されるようになってきた。これらの要素部は超小型や微小球状の形状のものが多い。このため、上記従来技術では、プラズマ窒化中に、治具ベース３にセットした微小な被処理物６同士が多数接触し、被処理物６の個々の全表面に正常かつ均一なグロー放電を発生させることができず、上記の如き微小被処理物表面を、プラズマ雰囲気中で安定して窒化することが不可能であった。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するものである。図３は、本発明の装置の代表的な構成例を説明する図である。図３に示す本発明のプラズマ処理装置は、処理部Ｂに直流電圧を供給する電圧供給部Ａと、処理部Ｂに窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給するガス供給部Ｃとからなり、上記処理部Ｂが、密閉処理空間を区画する炉壁２を有する炉体１と、上記処理空間内に設けられた合金製被処理物６を保持する治具ベース３と、該治具ベース３を包囲している導電性スクリーン１４と、上記治具ベース３を揺動または振動させる駆動源と、炉内を減圧する真空ポンプ経路２０とからなり、上記治具ベース３内に載置された被処理物６を揺動または振動させながら、上記被処理物６の表面をプラズマ窒化させるプラズマ窒化装置である。
【００１５】
上記直流電圧供給部Ａは、電源制御部４によって制御される直流電源４からなり、真空ポンプで炉体１内を約１０-3トール程度に排気後、混合ガスを導入し、かつ炉体１内の混合ガス圧を約０．１〜２０トールにしながら、処理部Ｂの炉壁２（＋）と導電性スクリーン１４（−）と間に約６００〜８００Ｖ程度の電圧を印加してグロー放電させ、被処理物６周辺に高加速化されたイオンを衝突させ、その衝撃エネルギーで被処理物６を４００℃以上（通常、４００〜６００℃）に加熱することができる。
【００１６】
上記ガス供給部Ｃは、窒素ガス源９と、水素ガス源１０と、これらのガスの混合比や流量を制御するマスフロー１１と、炉体１内に混合ガスを供給するガス導入口８と排気口１２とから構成されている。窒素ガス（ａ）と水素ガス（ｂ）とは、ａ：ｂが容量比ａ：ｂ＝２０：８０〜８０：２０になるように混合され、炉体１内に供給される。
【００１７】
前記処理部Ｂは、密閉処理空間を区画する炉壁２を有する炉体１と、上記処理空間内に設けられた合金製被処理物６を保持する容器状の治具ベース３と、該治具ベース３を包囲している導電性スクリーン１４とから構成されており、該治具ベース３は、該被処理物６を載置する治具ベース３を維持しつつ揺動または振動を伝達する耐熱セラミック管１９と、磁性流体軸受１５と、加振駆動部１６と、偏心モータ１８とからなる駆動源によって構成されている。
【００１８】
上記駆動源は、図３では、磁歪を利用した実施例が記載されているが、駆動源は、図示の例に限定されず、油圧装置や超音波装置などの他の手段であってもよい。
【００１９】
上記治具ベース３に、例えば、ボールベアリングなどの微小鋼球が多数載置され、治具ベース３を揺動または振動させつつ、炉内を真空ポンプで減圧しながら、前記ガス供給部Ｃから、混合ガスを供給しつつ、前記電圧供給部Ａから、所定の電圧を炉壁２（＋）および導電性スクリーン１４（−）を印加すると、導電性スクリーン１４内部にグロー放電によるプラズマ雰囲気７が発生する。
【００２０】
プラズマ化された水素イオンが被処理物６を衝撃し、被処理物６の表面が洗浄されるとともに、表面に窒素イオンが浸透し、表面に窒化鉄の層が形成される。当該窒化処理中、被処理物は揺動または振動されている結果、個々の被処理物は一定個所に留まらず、流動状態にあることから、全表面がプラズマ雰囲気に曝され、被処理物の全表面が均一に窒化される。
【００２１】
上記の実施例では、被処理物の例として微小鋼球を挙げたが、被処理物の母材はその他の金属、例えば、アルミニウム合金またはチタン合金などであってもよい。また、形状も球体に限られず、各種ＯＡ機器、医療機器、その他の機器に使用される微小な慴動部材、例えば、超・精密油圧機器のピストンやシリンダなどであっても同効である。
【００２２】
従来の窒化装置において、上記の如き微小な慴動部材を窒化する場合、個々に窒化することは実際上あり得ず、多数個を纏めて窒化することになるが、纏めて（積み重ねて）窒化すると、全ての個々の部材の表面を均一に窒化することはできないが、本発明では、多数の微小な被処理物を容器状の治具ベース内に載置し、これらの被処理物に揺動または振動を与えつつ窒化することで、微小被処理物の全表面をプラズマ雰囲気に曝すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によれば、微細な被処理物であっても、効率よく、安定的に均一なプラズマ窒化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一般的な従来のプラズマ窒化方式を説明する図。
【図２】グロー放電の安定、かつ均一発生を改善した従来方式を説明する図。
【図３】本発明の装置および方法を説明する図。
【符号の説明】
【００２５】
１：炉体
２：炉壁
３：治具ベース
４：電源制御部
５：直流電源
６：被処理物
７：プラズマ雰囲気
８：ガス導入口
９：窒素ガス
１０：水素ガス
１１：マスフロー
１２：排気口
１３：ベース
１４：導電性スクリーン
１５：磁性流体軸受
１６：加振駆動部
１７：加振棒
１８：偏心モータ
１９：耐熱セラミック管
２０：真空ポンプ経路
【図１】
2008115422.tif 000003
【図２】
2008115422.tif 000004
【図３】
2008115422.tif 000005