静電気学会誌，45, 5（2021）193-198

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

RFプラズマ処理によるステンレスの窒化
矢澤 翔大 ，田宮 拓朗 ，金澤 一生 ，原 健人 ，＊, 1

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深田 智久 ，江頭 雅之 ，工藤 祐輔 ，黒岩 孝 ，新妻 清純＊＊＊＊（2021年3月2日受付；2021年6月25日受理）＊, 1

Nitriding of Stainless Steel by RF Plasma Treatment
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Shota YAZAWA , Takuro TAMIYA , Issei KANAZAWA , Kento HARA , Tomohisa FUKADA ,＊＊＊＊Masayuki EGASHIRA , Yusuke KUDO , Takashi KUROIWA and Kiyozumi NIIZUMA（Received March 2, 2021; Accepted June 25, 2021）
In this work, we examined the nitriding of stainless steel with a plasma irradiation method using RF plasma equipment, which
can be operated at lower temperatures than DC plasma. The RF plasma nitriding treatment was performed in 70％N2+30％H2
mixed gas atmosphere and the relationship between the application of the nitriding treatment and the surface hardness wasthen examined. We used SUS304 and SUS430 with the thickness of 100 μm as the stainless steel.
The results showed that the nitriding treatment was successfully performed by plasma irradiation with 70％N2+30％H2 gas.
The formation of iron nitride and chromium nitride were confirmed by RF plasma nitriding of each stainless steel.
Measurements of the surface hardness showed that SUS304 having 420 HV before the treatment had a maximum hardness of730 HV, and SUS430 having 280 HV before the treatment had a maximum hardness of 1215 HV.

1．はじめにれまでシンクや食器などの厨房製品材料として多く使用さステンレス鋼は「 Stainless Steel 」“錆びにくい鋼”とれていたが，製造技術と加工技術の向上により，建設分野いう意味をもつ．すぐれた性質をもっており，化学工業や産業機器，自動車部品に需要が広がっている．中でも近をはじめ各方面にその需要分野が拡大されているが，要年は，自動車分野へ需要量が特に増大している．自動車分

求性能が高度になるにつれて品質にも改良に改良が重ね

野への使用用途としては排気系部品への利用が中心となられ，つぎつぎに新しい種類のステンレスが開発された．っており現在，鋼材の JIS 規格（耐熱鋼規格を含む）だけでもる ．これらの材料は車体外部の部品であるため高い耐100 種類以上の鋼種があり，さらに各社が開発した独自久性が必要とされ，ディスクブレーキ材には耐摩耗性が鋼種が存在する．これら数多くの種類のステンレス鋼が最も重視される．そのため材料の耐摩耗性を向上させる

それぞれ適した用途に使い分けられている．10.5％以上

ステンレス鋼の硬化処理技術の確立が望まれている ．のクロムを添加し非常にさびにくくなったものをステン

こうした背景を受け，ステンレス鋼のさらなる機能向レス鋼といい，耐食性以外にも耐熱性・加工性・強度が上のために表面処理法は，その重要性が高まっている．

優れ，意匠性にも優れている．また，メンテナンスが容

表面処理は目的によって様々な方法があり，めっき，溶易であることも大きな特徴であり，環境に対する社会の射，浸炭，窒化などの技術に加え，最近はエレクトロニ関心が高まるなか，100％リサイクル可能な材料としてクス分野において発達してきたイオン注入や物理的蒸着

高く評価され，注目されている ．

（ PVD ）および化学的蒸着（ CVD ）技術を応用した表1）ステンレス鋼の需要量は世界各国の生活水準向上や生産・加工技術の発展により，年々大きく拡大している．こ，二輪車ではディスクブレーキ材に用いられ

2, 3）

4）

5）

面処理技術も利用されている ．
6）

その中でも近年，低温かつ低コストでステンレス鋼表面に硬化層を生成することができるとしてプラズマ窒化

キーワード：ステンレス鋼，プラズマ処理，硬化処理＊
日本大学生産工学部電気電子工学科（〒275-8575 千葉県習志野市泉町 1-2-1）
Department of Electrical and Electronic Engineering,
College of Industrial Techology, Nihon University,Narashino-shi, Izumi-cho, 1-2-1, Chiba 275-8575, Japan1
yazawa.syouta@nihon-u.ac.jp
DOI：https://doi.org/10.34342/iesj.2021.45.5.193

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法が注目されている．プラズマ窒化処理法をステンレス鋼に適用した研究として，
Azhar 大学の A.Garamoon らは，
N2 ＋ H2 ガス雰囲気中でオーステナイト系ステンレス鋼を処理温度約 500℃で DC プラズマ処理することで表面硬度が向上したことを報告した ．
7）

このように DC プラズマを用いた窒化処理によるステンレス鋼の硬化はこれまでに報告されているものの，2021/09/24

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RF プラズマを用いた窒化処理によるステンレス鋼の硬化及びその物性変化の報告はほとんどされていない．
本研究では，RF マグネトロンスパッタ装置を転用しプラズマが発生するカソード側に試料を設置することでRF プラズマ処理によるステンレス鋼の窒化を試みた．
また，窒化処理条件を変化させ，表面硬度の観点から見た最適窒化処理条件を調べた．

2．供試材料本研究ではオーステナイト系ステンレスは，18 クロ
ム 8 ニッケルの SUS304 が代表的であり，オーステナイ
ト系ステンレスは一般に延性および靭性に富み，深絞り，曲げ加工などの冷間加工性が良好で溶接性も優れている．さらに耐食性も優れ，低温，高温における性質も優れており，家庭用品，建築用，自動車部品，化学工業，原子力発電など用途は広範囲にわたっている．製品形状
は薄板が最も多く，そのほか厚板，棒，管，線，鋳物などがあり，製造量は全ステンレス生産量の 60％以上である．非磁性であることも特徴であり，非磁性を条件と

図 1 プラズマ処理装置
Fig.1 Schematic diagram of nitrogen plasma.
表 1 プラズマ処理条件
Table 1 Plasma irradition conditions.
Background pressure［ Pa ］
RF power［ W ］
Working gas pressure［ Pa ］
GasSample surface temperature［℃］≦ 9.9 × 1030～708.0
N2 ＋ 30％H2220～400-4する機構部品への使用も可能であるが，冷間加工時にわずかに磁性をもってしまう．近年では，ニッケルの高騰化によりニッケルをマンガンに置き換えた SUS210 や
SUS202 も開発されている ．
8）

フェライト系ステンレスは，18 クロム系の SUS430 が代表的である．フェライト系ステンレスは焼き入れ硬化性を持たない．また，マルテンサイト系ステンレスより成形加工性および耐食性が優れており，溶接性も比較的良好であるため，一般耐食用として広く用いられている．
厨房用品，建築内装，自動車部品，ガス・電気器具部品などで，主に薄板および線の状態で使用されている．
近年，製錬技術の進歩によって容易に低炭素にすることができるようになったため，SUS430LX，SUS430J1L，SUS443J1 などの耐食性，成形加工性のより優れた鋼種

図 2 投入電力に対する試料表面温度
Fig.2 Sample surface temperature dependence on input power.

が開発された．さらに，極低炭素・窒素とした SUS444，

内を 9.9×10 Pa 以下まで高真空排気した後，ガス流量SUS447J1，SUSXM27 は耐食性が一段と優れており，または 62 sccm とし，一定ガス圧下（8.0 Pa ）でプラズマ処

塩化物応力腐食割れを起こしにくいため，温水機器や化学理を行った．窒素 / 水素の混合ガスを用いることでプラプラントなどにも用途が広がっている．オーステナイト系

ズマ照射時に NH3 が生成されることによって窒化の効

ステンレスと比較するとニッケルを含まないため低コスト果が促進である．欠点としては強度が低く，もろくなりやすい性質

N2+30％Hをもつため強度部品には使用できないことがあげられる ．

観測には赤外放射温度計（ NEC Avio 赤外線テクノロジ8）-49）されることを期待しプラズマ処理には 70％10）2ガスを用いた．処理中の試料表面の温度のー株式会社，R300）を用いた．図 2 に投入電力を変化

3．実験方法および物性評価方法

させたときの試料の表面温度を示す．この結果から電源使用した RF プラズマ装置はスパッタ装置を転用した装置の投入電力の値が高くなるにつれ，試料の表面処理装置である．その概要図を図 1 に示す．Table1 に窒化プ温度も上昇する関係になっていることがわかる．電源にラズマ処理条件を示す．内径 φ210mm のチャンバー装置

は RF GENERATOR（クリエート・デザイン株式会社

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195（31）製，T875-1）を用いた．φ36.8mm の基材台の下にはネオジム磁石が設置されており，試料近傍の磁界は 350 mTである．作製試料には大きさ 4×16 mm 厚さ 0.1 mm のSUS304 箔（ Cr17～19 ％，Ni8～11 ％，Mn ＜ 2％，Si ＜1％，Fe Balance，株式会社ニラコ製）と SUS430 箔（ Cr16～18％，Mn ＜ 1 ％，Si ＜ 0.75％，S ＜ 0.03％，C ＜0.12％，P ＜ 0.04％，Fe Balance，株式会社ニラコ製）を使用した．窒化処理条件として処理時の投入電力と処理時間を変化させ実験を行った．
窒化処理による試料の評価方法として，結晶構造解析に CuKα 線を用いた X 線回折装置（ XRD ）（株式会社リガク，MiniFlex600），表面硬度の測定にマイクロビッカース硬さ試験機（株式会社アカシ，MVK-H1）を用いた．
硬さ試験には荷重 1 kg のダイヤモンド圧子を用いた．
硬さの計測は試料表面の 5 点を図り，その平均値を用いることとした．
ビッカース硬さの算出には以下の①式を用いた．
硬さ＝ 1.8544（定数）×圧子の荷重（kgf）（対角線長/（mm））…………①2図 3 入力電力を変化させたときの XRD 回折パターン（SUS304）
Fig.3 X-ray diffraction patterns of stainless steels treated undervarious input powers.（ SUS304）

4. 実験結果
4.1 X線回折図形の投入電力依存性（SUS304）
図 3 は未処理の SUS304 試料と投入電力 30～70 W で10 分間窒化処理を行った際のＸ線回折図形を示したもの で あ る． 未 処 理 の SUS304 に は 2θ＝44.14，64.20，81.93 °に Fe，2θ＝43.62，50.62，74.70，90.65 °に Cr の回折ピークが確認できた．窒化後の試料には Fe-N の回折ピークがそれぞれ確認された．さらに，投入電力が60 W までの試料は投入電力の増加に伴い窒化物の回折ピークが増加する傾向が見られた．また，投入電力 50W では Cr-N の回折ピークが確認され，60 W では確認された Cr-N の回折ピーク数が増加した．投入電力が 70W になると，窒化物の回折ピークがほぼ確認されなくなり，未処理の SUS304 にも見られた Fe と Cr の回折ピークが顕著に見られた．そのため，投入電力 70 W の試

図 4 入力電力変化によるステンレス鋼のビッカース硬さの変化（ SUS304）
Fig.4 Variation of Vickers hardness of stainless steels with inputpower.（ SUS304）

料は 60 W の試料より含まれる窒化物が少ないことがわかる．したがって，最も窒化がされた条件は投入電力がった．また，投入電力が 70 W になると表面硬度は 400

60 W の試料であることが確認できた．

HV となり，60 W から大きく低下した．よって，投入電力4.2 表面硬度の投入電力依存性（SUS304）

60 W が今回の条件の中で高い硬度を得るための最適な投入電力を 30～70 W と変化させて 10 分間処理した試投入電力だということがわかった．

料の表面硬度のグラフを図 4 に示す．未処理の試料の硬4.3 X線回折図形の処理時間依存性（SUS304）

さは 420 HV であった．投入電力 30 W，40 W では大き

図 5 は未処理の SUS304 試料と投入電力を 60 W 一定な硬度の変化は見られなかったが投入電力 50 W からはとして，処理時間 4～14 min の範囲で 2 min ずつ変化さ表面硬度の向上が見られ，60 W で最高硬度 730 HV となせ，窒化処理を行った際の回折図形を示したものである．

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図 5 処理時間を変化させたときの XRD 回折パターン（SUS304）
Fig.5 X-ray diffraction patterns of stainless steels treated undervarious treated times.（SUS304）

図 7 入力電力を変化させたときの XRD 回折パターン（SUS430）
Fig.7 X-ray diffraction patterns of stainless steels treated undervarious input powers.（SUS430）

4.4 表面硬度の処理時間依存性（SUS304）
投入電力を 60 W 一定としてプラズマ処理時間を 4～14min の範囲で 2 min ずつ変化させて作製した試料の表面硬度のグラフを図 6 に示す．結果より，処理時間 8 minから 10 min にかけて大きな表面硬度の向上（480 → 730
HV ）が見られた．また，処理時間 12 min の試料が最も硬度が高く 830 HV であった．したがって，最高硬度を得るためには処理時間が 12 min であることが望ましいと分かった．
図 6 処 理 時間を変 化させたときのビッカース硬さの変 化（SUS304）
Fig.6 Variation of Vickers hardness of stainless steels with treatment
times.（SUS304）

4.5 X線回折図形の投入電力依存性（SUS430）
図 7 はプラズマ照射前である未処理の SUS430 と，処理時間を 10 min で一定とし，投入電力を 30～70 W の条
件 10 W 刻みで変化させた際のＸ線回折図形を示したも結果より，処理時間 4～8 min までは 2θ＝37 °付近にのである．図 7 より，投入電力を変化させた場合，60WFe-N の回折ピークが確認できる．また，処理時間が 10で窒化物の回折ピークの数が一番多く確認でき，2θ＝～14 min では 2θ＝74.70，90.65 °に Cr の回折ピークが確

37.8，48.0，57.7，68.5，76.1，82.0 °に窒 化 鉄，2θ＝41.3，認されなくなり，新たに 2θ＝41，68 °付近に Cr-N の回

47.9，63.4，68.5 76.1°に窒化クロムのピークが確認できた．

折ピークが確認できた．また，変化の大きかった処理時

70 W の場合，60 W の際に確認できていた 2θ＝48.0，57.7，間 8，10 min の 2 試料の比較により，2θ＝41 °付近に処68.5，76.1，82.0°の窒化鉄と，2θ＝41.3，47.9，68.5，76.1°

理時間 8 min では見られなかった Cr-N の回折ピークが処の窒化クロムのピークが消滅した．そして，2θ＝98.2°に理時間 10 min の試料には確認できた．よって，8 min と鉄とクロムの回折ピークが新たに確認できた．投入電力

10 min の間に Cr-N が生成されることから処理時間に対40 W から窒化鉄の生成が確認できた．50 W からは窒化する生成物の変化点が存在することが確認できた．

鉄に加えて，窒化クロムも確認できた．60 W のときに，

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図 8 入力電力変化によるステンレス鋼のビッカース硬さの変化（SUS430）
Fig.8 Variation of Vickers hardness of stainless steels with inputpowers.（SUS430）

窒化物の回折ピークの数が一番多いことを確認することができた．しかし，70 W の場合，60 W のときに比べ窒化物の回折ピークが大きく減少した．

4.6 表面硬度の投入電力依存性（SUS430）
投入電力を 30～70 W と変化させて 10 分間処理した

図 9 処理時間を変化させたときの XRD 回折パターン（SUS430）
Fig.9 X-ray diffraction patterns of stainless steels treated undervarious treated times.（SUS430）

SUS430 試料の表面硬度のグラフを図 8 に示す．未処理の試料の硬さは 280 HV であった．投入電力 30 W，40W では大きな硬度の変化は見られなかったが投入電力50 W で最高硬度 1140 HV という大きな表面硬度の向上が見られ，投入電力が 60，70 W となるにつれ低下した．

4.7 X線回折図形の処理時間依存性（SUS430）
図 9 はプラズマ照射前である未処理の SUS430 と，投入電力を 60 W で一定とし，処理時間を 4 min，6 min，8min，10 min，12 min，14 min と変化させたときの結晶構造解析結果である．図 9 より，処理時間を変化させた
場合，処理時間 4 min～8 min の場合 2θ＝37.8°に窒化鉄の回折ピークが確認できた．10min～14min の場合 2θ＝37.8，48.0，57.7，68.5，76.1，82.0 °に 窒 化 鉄，2θ＝

図 10 処理時間変化によるステンレス鋼のビッカース硬さの変化（ SUS430）
Fig.10 Variation of Vickers hardness of stainless steels withtreatment times.（ SUS430）

41.3，47.9，63.4，68.5 76.1°に窒化クロムの回折ピーク

処理時間 4，6 min では処理前と比較して若干の硬度のが新たに確認できた．

低下が見られ，処理時間 8 min で処理前とおおよそ同じ

4 min から窒化鉄の回折ピークが確認できた．また，4硬度となった．また，処理時間 10 min の試料から大きmin～8 min までは窒化物のピークに変化は見られなかっな硬度の向上が見られ処理時間 12 min で最高硬度 1215

た．10 min になると，窒化鉄に加えて窒化クロムの生成HV となった．

も確認できた．同様に，10 min～14 min では，窒化物のピークに変化は見られなかった．

4.8 表面硬度の処理時間依存性（SUS430）

5．考察
プラズマ処理時の投入電力の上昇に伴い，生成される窒投入電力を 60 W 一定として，RF プラズマ窒化処理時化物に変化が生じた．低出力域では Fe-N，出力が 50 W

間を 4～14 min とした SUS430 試料の表面硬度のグラフを超えると Cr-N の回折ピークが確認でき，70 W では窒化を図 10 に示す．未処理の試料の硬さは 280 HV であった．

物の回折ピークが大きく減少していることがわかった．こ

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静電気学会誌 第45巻 第 5 号（2021）の装置はスパッタ装置を転用した装置であり，投入電力を（4）本研究において表面硬度の観点から見た各試料の最高くしたことによりスパッタされたため，試料表面が削ら適窒化条件について，SUS304 は最高硬度 830 HVれている可能性があると考えられる．また，硬度の変化とであった投入電力 60 W，処理時間 12 min が最適条比較をすると，Cr-N の回折ピークが確認された投入電力件と考えられる．

50 W，60 W の試料に表面硬度の向上が見られた．

（5）SUS430 については 1215 HV であった投入電力 60 W，また，プラズマ処理時間を長時間にしていくと生成さ処理時間 12 min が本実験中の最高硬度であった．

れる窒化物に変化が見られた．処理時間 8 min 以下では今回用いた手法では SUS304，SUS430 ともに窒化見られなかった Cr-N の回折ピークが 10 min 以上の試料

クロムの生成が行われると硬度が向上することがわ

では見られた．それに伴い表面硬度の向上も見られたこ

かったことから実用化に向けた 700HV 以上の硬度とから，処理時間ごとの硬さの変化からも Cr-N が起因となる必要な投入電力は SUS304 は 60 W，SUS430しているとの考察が得られる結果となった．

は 50 W である．

図 3 より SUS304 は 50 W の際に Cr-N ができ始めてい（6）表面硬度が向上している窒化クロムが生成されているが 60 W のときに回折ピークが 3 つ現れており，図 4

る処理条件は SUS304 は投入電力 60 W，処理時間から 60 W のときに硬度が向上していることがわかる．

10 分で投入電力量は 3600 Wh となった．また SUS430

また SUS430 は図 7 より 50 W の際に Cr-N の回折ピーク

は投入電力 50 W，処理時間 10 分で投入電力量はが 3 つ現れており，図 8 から 50 W のときに硬度が向上3000 Wh であった．窒化処理後の最高硬度を示す処していることがわかる．このことから，SUS430 の方が理条件は両材料とも投入電力 60 W，処理時間 12 分

低い電力から Cr-N が生成されているため，硬度の向上で投入電力量は 3600 Wh であった．の要因となっている Cr-N の生成量が SUS430 の方が多今回測定された硬度は自動車部品（900HV 程度）や刃くなっていることで SUS430 の方が窒化処理後は硬度が物に使用可能な高度であるため，SUS304 および SUS430向上したのではないかと考える．

で満たすことのできる利用範囲が増えることが予想されるが，使用用途に合わせて耐食性や引張強さ等の評価も6．まとめ必要である．

本研究では，オーステナイト系ステンレス SUS304 とフェライト系ステンレス SUS430 を RF プラズマ窒化処

今後は，ステンレスのもう一つの特徴である耐食性の評価及びその向上が必要である．

理することにより，表面に窒化鉄と窒化クロムを含む硬化層を生成することに成功した．本結果をまとめると以参考文献

下の通りである．

1） 水野 誠：日本機械学会誌．68［556］（1965）587（1）X 線回折装置による化合物の種類の変化より，投入

2） 上本圭一，本岡直樹：電気製鋼，72［2］（2001）103

電力によって生成される化合物の種類やその回折ピ

3） 原田和加大：耐食材料．溶接学会誌，7（2003）16ークの数に変化が見られた．特に SUS304，SUS430434） 平澤淳一郎，尾崎芳宏：新技術．まてりある，［3］（2004）の両方に関して投入電力を増加させた際に窒化クロ236ムが生成されることが確認できた．また，RF プラ

5） 村田 康，大橋誠一：鉄と鋼，78［3］（1992）346

ズマ窒化処理時間を増加させることでも窒化クロム

6） 西本明生：Vacuum Society of Japan，56［8］（2013）303の回折ピークの数が増加することが確認できた．

7） Abdou Garamoon: IEEE Transactions, 34［4］（2006）1066（2）マイクロビッカース硬さ試験機による表面硬度の測定により，SUS304，SUS430 ともに窒化クロムが生8） 飯久保知人：ステンレスの基本と仕組み，秀和システム（2010）p.108

成された条件の表面硬度が向上している結果となっ

9） H. Kim, Y. Teramoto, A. Ogata, H. Takagi and T. Nanba:

たことから，窒化クロムの生成が表面硬度に起因しAtmospheric‐pressure nonthermal plasma synthesis ofていることが確認できた．

ammonia over ruthenium catalysts. Plasma Processes and（3）SUS304 と SUS430 の結果を比較すると，未処理のPolymers, 14［6］（2016）

試料では SUS304 が高硬度であったものの，窒化に

10）古川伸一，移川欣男：H2+N2 ガス雰囲気中でのマグネトより得られた最高硬度は SUS430 が SUS304 より高ロン方式による多結晶鉄箔の窒化現象と飽和磁化．日本

いという結果が得られた．

応用磁気学会学術講演概要集，p.298（1996）

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