JP4042962B2

JP4042962B2 - Gas / plasma surface processing

Info

Publication number: JP4042962B2
Application number: JP2002248065A
Authority: JP
Inventors: 義行舟木; 恭二伊藤; 博次竹内; 亮一浦尾
Original assignee: 日本電子工業株式会社
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004084025A

Description

【０００１】
【発明の関係する分野】
この発明は、品物の表面を加工、改質するガス・プラズマ表面加工方法に関し、特に、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび各種の活性種の衝突エネルギーで加熱されるその品物のその表面に光輝で平滑な硬化層を生成するプラズマ光輝窒化法に関する。
【０００２】
【背景技術】
最近のプラズマを応用した窒化法では、窒化に有用なＮＨラジカルを利用するプラズマ窒化法が実用化され、そして、射出成形機や攪拌機のスクリュー、各種の金型、工具、および自動車部品などの表面処理に採用されている。その種のプラズマ窒化法では、そのＮＨラジカルを効率よく生成されるために加熱源と窒化作用に利用していた窒化雰囲気を構成するガスのイオンの生成を抑える必要があり、そして、プラズマ発生に要する投入電力を低下させる必要性から窒化温度を維持するために新たな加熱源を窒化装置に備える必要があった。さらに、窒化雰囲気を構成する原料ガスにアンモニアが使用されるので、処理後に排気ガスを直接大気に放出できず除害設備が必要になるなどそのＮＨラジカルを利用する新しい窒化方法は、窒化装置が複雑になる。
【０００３】
【発明の課題】
この発明の課題は、品物の表面に窒素化合層を作らずにあるいはその窒素化合物層の生成を無視できる程度に抑制できてその品物のその表面に光輝で平滑な硬化層を生成でき、そして、その品物のその表面を研削したり研磨したりせずに物理蒸着や化学蒸着などでＴｉＮ、ＴｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの高い硬度の化合物膜、ＭｏＳ_２などの潤滑性に優れた化合物膜などを成膜しても密着性に優れ、そして、剥れ難くするとことのガス・プラズマ表面加工法の提供にある。
【０００４】
【課題に相応する手段およびそれの作用】
この発明は、窒素ガスが少なくとも水素ガスで希釈される雰囲気の中に品物を置き、そして、その窒素ガスを３０vol％以下の濃度に保ちながらその品物の表面に放電を行い、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび各種の活性種をその品物に反応させてその品物のその表面に光輝で平滑な硬化層を生成する。
【０００５】
この発明は、窒素ガスが水素ガス、アルゴンなどで希釈される雰囲気においてその窒素ガスの濃度を低く、そして、その希釈ガスの濃度を高く保ちながらグロー放電によって品物の表面にプラズマ窒化を行い、そして、その品物のその表面に脆弱な窒素化合物層を作らずにあるいはその窒素化合物層の生成を無視できる程度に抑制してその品物のその表面に光輝で平滑な硬化層を生成する。この発明は、その窒素ガスを３０vol％以下の濃度に保持する。そして、その窒素ガスおよび希釈ガスの割合は、その品物の材料に応じて適宜に設定される。すなわち、その窒素ガスおよび希釈ガスの濃度は、押出し成形機や攪拌機のスクリュー、各種金型、工具、自動車部品、アルミニウム押出しダイスなどの材料、例えば、肌焼鋼、構造用鋼、軸受鋼、熱間加工用鋼、冷間加工用鋼、高速度鋼、耐熱鋼、機械部品鋼、耐熱耐酸鋼などに応じて適宜に設定される。
【０００６】
そのように、この発明は、その窒素ガス濃度を低く、そして、その希釈ガスの濃度を高く保つことによってその窒素とその品物の成分元素との間の窒素化合物層の生成を防ぐかその窒素化合物層の生成を無視できる程度に抑制してその品物のその表面に光輝で平滑な硬化層を生成するところの表面改質法である。この発明はそのグロー放電によってその品物のその表面にプラズマ窒化を可能にする。この発明は、直流放電、高周波放電、マイクロ波放電などでそのグロー放電を発生し、そして、その雰囲気の中のその窒素ガス、水素ガスなどをプラズマ化する。そのように、この発明は、その品物の加熱手段、例えば、電気ヒーター、ガス・ヒーターなどを省けるが、そのような加熱手段を用いてもかまわない。
【０００７】
【具体例の説明】
以下、この発明のガス・プラズマ表面加工法の特定された具体例について、図面を参照して説明する。図１は、この発明のガス・プラズマ表面加工法を行うところのプラズマ窒化装置１０を図式的に示し、そして、このプラズマ窒化装置１０は、窒素ガスが水素ガスで希釈される雰囲気の中に品物３０、３１、および３２を置き、そして、その窒素ガスおよび水素ガスの濃度のそれぞれを適宜に保ちながらその品物３０、３１、および３２の表面に放電を行い、所定の時間プラズマの中に存在する窒素イオンおよび水素イオンなどの窒化性イオンおよび各種の活性種をその品物に反応させてその品物３０、３１、および３２の表面を加工、改質した。そのプラズマ窒化装置１０で行われるこの発明のガス・プラズマ表面加工法は、その窒素ガスがその水素ガスで希釈されるその雰囲気の中にその品物３０、３１、および３２に置いてグロー放電を行い、そのプラズマの中に存在する窒素イオンおよび水素イオンなどをその品物３０、３１、および３２に反応させてその品物３０、３１、および３２の表面を加工・改質する。そこでは、その窒素イオンおよび水素イオンなどが、陰極に接続されたその品物３０、３１、および３２に電気的引力で高速で引き寄せられてその品物３０、３１、および３２の表面に衝突し、その時、その窒素イオンおよび水素イオンなどの運動エネルギーが、熱エネルギーに置き換えられる結果、その品物３０、３１および３２は加熱されるので、その窒素イオンおよび水素イオンなどの反応は十分に可能になる。そして、このガス・プラズマ表面加工法は、その品物３０、３１、および３２がそのプラズマ中のその窒素および水素などの陽イオンの衝突エネルギーで加熱されるので、構造上装置を簡略化させて装置の大型化への移行や省エネルギー化を容易にでき、そして、環境にも低負荷にする。この窒化法は、鋼に窒素原子を表面から内部に向けて拡散浸透させ、鉄―（炭素）―窒素の固溶体をつくってその鋼の表面を硬化させて疲れ強さも向上させる。窒素は鋼中に表面から拡散浸透するとき、その表面には鉄―窒素の化合物層を形成するが、その化合物層は金属間化合物でその硬さは鉄―窒素固溶体に比べて格段に硬い。また、鋼の成分にＡｌ、ＣｒなどＮと化合物を作る元素が含まれる高級鋼、すなわち、高合金鋼ほど窒素の浸透時の硬度が高く、また、拡散する距離も大きくなる。
【０００８】
さらに、その窒素ガスは、その水素ガスやアルゴンなどで希釈されてもかまわない。その場合、その品物３０、３１、および３２は、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび水素イオンなどの窒化性イオンや各種の活性種の衝突エネルギーで加熱されてその窒化性イオンおよび各種の活性種は十分に反応が可能となる。勿論、その窒化法は、その品物３０、３１、および３２が５００℃前後の温度まで昇温された後、その品物３０、３１、および３２がその窒化性イオンの衝突エネルギーでその温度に保たれるので、より効率的である。その品物３０、３１、および３２は、工具用鋼ＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１、およびＳＫＤ６１の試料を用いた。その試料３０、３１、および３２のそれぞれは、焼入れ焼戻しにより図３に示した硬度に調整後評価面の面粗さをＲ_Ｚ０．１μｍ以下に研磨仕上げした。その試料３０、３１、および３２の形状および寸法は図２に、その試料３０、３１、および３２の化学成分は図４にそれぞれ示す。また、その試料３０、３１、および３２は、予め常温のアセトン浴の中において超音波洗浄機で脱脂洗浄を施してからプラズマ窒化処理を行った。
【０００９】
そのプラズマ窒化装置１０は、ステンレス製の真空容器１１、真空排気装置１２、ガス供給装置１３、直流プラズマ電源１４、および操作盤１５などから構成される。その真空容器１１は、側壁にパイレックス（登録商標）製観察窓１６を備える円筒型に製作され、そして、容器の過熱を防ぐためにその容器１１の外側は銅パイプ（図示せず）を利用して水冷している。そして、この真空容器１１は、その側壁の内壁面に容器壁ベーキング用ステンレス製シース・ヒータ１７を取り付けた。また、この真空容器１１は、頂壁の中央にガス供給ポート（図示せず）を開口させ、そして、そのガス供給ポートにノズル（図示せず）を取り付けてその容器内にガスを均等に導入可能にしている。さらに、この真空容器１１は、電極１８が底壁の中央に絶縁されて位置され、そして、その底壁からその容器内に突き出してその容器の組み込まれ、そしてさらに、電極先端に試料台１９を取り付けてその試料台１９上にその試料３０、３１、および３２を載せるところの構造を採用している。
【００１０】
その真空排気装置１２は、油回転ポンプ２１、メカニカル・ブースター・ポンプ２２およびターボ分子ポンプ２３から構成され、そして、その真空容器１１の内部を１×１０^−３Ｐａ以下まで排気する。その容器内部の圧力は、ピラニー真空計および電離真空計により測定し、また、プラズマ窒化処理時のその容器内の圧力は、ダイヤフラム型真空計で計測しながらステッピング・モータ駆動型バタフライ弁からなる自動圧力制御装置により所定の圧力に調節した。そのプラズマ窒化処理前には、Ｈｅリーク・デテクターを用いてガス供給系、真空排気系、およびその真空容器１１の真空漏れが１×１０^−６Ｐａ・Ｌ／Ｓ以下であることを確認した。その試料３０、３１、および３２の温度は、赤外線放射温度計２０を用いてその真空容器１１のそのパイレックス（登録商標）製観測窓１６を通して測定した。勿論、その赤外線放射温度計２０は、その観測窓１６のパイレックス（登録商標）製窓ガラスを通し予め放射率を校正したものを使用した。
【００１１】
そのガス供給装置１３は、その窒素および水素ガスをマス・フロー・コントラーラー（図示せず）によりそれぞれ最大で１０００ＳＣＣＭずつ供給する能力を持つ。また、そのプラズマ窒化処理に使用したガスは、市販の７Ｎ高純度水素ガスおよび６Ｎ高純度窒素ガスである。これらのガスは、レギュレータ（図示せず）を用い、０．１５ＭＰａに減圧後、そのマス・フロー・コントローラに供給した。
【００１２】
その直流プラズマ電源１４は、三相２００V交流電源を入力とし、サイリスター電流制御、ダイオード整流により最大放電々圧ＤＣ−８００Ｖ、最大出力３０ｋＷを発生する。この直流プラズマ電源１４は、その容器１１に取り付けたその電極１８に陰極を、その真空容器１１に陽極をそれぞれ接続し、そして、手動により調整された出力を給電した。
【００１３】
そのプラズマ窒化処理条件は、図５に示す。窒化温度は、その試料３０、３１、および３２に用いた３種類の鋼種をプラズマ窒化処理する温度範囲の中から共通する温度７７３Ｋを選択した。処理圧力は、その試料台１９上に置かれた試料表面をグロー放電により発生したシースが覆う圧力５３２Ｐａを予め確認して決定した。その試料３０、３１、および３２は、３種の鋼材から各々３枚ずつ合計９枚を用い、そして、その試料台１９上に適宜の直径の円周上に等間隔に配置した。
【００１４】
次に、その真空容器１１内を１×１０^−２Ｐａ以下まで排気した。また、その真空容器１１内の圧力が１０Ｐａ以下になってから、そのシース・ヒーター１７でその真空容器１１の内壁面の加熱を開始した。排気初期には、その真空容器１１の壁からのガス放出を十分に行い、そして、プラズマ窒化処理中の試料加熱時に生じる輻射熱によるその真空容器１１のその壁からの脱ガスの影響を極力防止した。
【００１５】
引き続いて、その真空容器１１内が、所定の圧力（予め決定された圧力）に到達後、その真空容器１１内に水素ガスをそのピラニー真空計にしたがって２５０Ｐａまで導入した。そして、５００ＳＣＣＭの水素を導入しながらその自動圧力調整弁によりそのダイヤフラム型真空計の指示圧３０Ｐａとし、その直流プラズマ電源１４によりその電極１８に電圧を−３００〜−２００Ｖ印加してグロー放電を発生させた。それから、水素ガス雰囲気中で放電電圧と放電電流の関係をみながら段階的に雰囲気圧力を増加させた。そのような操作によりその試料３０、３１、および３２の加熱を続け、そして、その雰囲気圧力５３２Ｐａで試料温度が７７３Ｋを維持するように放電出力を調整した。
【００１６】
さらに引き続いて、その雰囲気圧力５３２Ｐａ、その試料温度７７３Ｋになった時点で窒素ガスを徐々に導入しながらその水素ガス流量を調整し所定の窒素・水素混合ガス比の雰囲気中でプラズマ窒化処理を開始した。この時の放電電圧は−４４０〜−３３０Vであり、そして、放電電流は４．０〜５．０Ａであった。また、プラズマ窒化時のガスの総流量は、全て５００ＳＣＣＭ一定とした。そのプラズマ窒化後、その試料３０、３１、および３２は窒化室内、すなわち、その真空容器１１内でそのまま冷却した。
【００１７】
その試料３０、３１、および３２は、図６および図７に示されたようにその窒素ガス濃度３０vol％以下でプラズマ窒化されると、その試料３０、３１、および３２のその表面には、その窒素化合物層が生成されないかその窒素化合物層の生成が無視できる程度に抑制され、そして、その窒化イオンおよびプラズマの中に存在する各種の活性種の反応による光輝で平滑な硬化層が生成される。そして、そのプラズマ窒化された試料３０、３１、および３２のその表面は、研削や研磨なしに物理蒸着や化学蒸着などでＴｉＮ、ＴｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの高い硬度の化合物膜、ＭｏＳ_２などの潤滑性に優れた化合物膜などを成膜しても密着性に優れて剥れ難くする。
【００１８】
さらに詳細に述べる。先ず光沢についてはそのプラズマ窒化された試料３０、３１、および３２の表面を肉眼で観察すると、窒素ガス濃度１０vol％では、その全ての試料３０、３１、および３２の表面は金属光沢が維持されていた。その窒素ガス濃度２０vol％でもすべての鋼種のその試料３０、３１、および３２の表面の金属光沢は維持されていたが、なかでも鋼種ＳＫＨ５１のその試料３０は他の２種類の鋼種ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１のその試料３１および３２に比べて表面からの光の反射が強かった。その窒素ガス濃度３０vol％で窒化されたものはいずれも表面に薄い曇りを生じていた。しかし、その鋼種ＳＫＨ５１のその試料３０の曇りの状態はその他の鋼種ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１のその試料３１および３２に比べて弱かった。その窒素ガス濃度５０〜９０vol％で窒化されたその試料３０、３１、および３２の表面は、全て薄い灰色を帯びた色調に変化していた。その窒化された試料３０、３１、および３２の表面での光沢の変化から低い窒素ガス濃度でのプラズマ窒化では、その鋼種ＳＫＨ５１のその試料３０は、その鋼種ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１のその試料３１、および３２に比較して表面状態の変化を受けにくい。
【００１９】
表面粗さと窒素化合物層について、窒化後のその試料３０、３１、および３２は、表面の粗さを触針型表面粗さ測定器により測定した。また、表面窒化物層を含む金属組織の変化は、研磨仕上げした試料断面を３％ナイタル腐食液でエッチング後金属顕微鏡により調べた。
窒化温度７７３Ｋ、窒化時間３６００_Ｓを一定としたそのプラズマ窒化時の窒素ガス濃度を１０〜９０vol％と変化させた時の窒素ガス濃度と生成する窒素化合物層の厚さおよび表面粗さの関係を図６に示す。その試料断面の金属組織を観察した結果、いずれの鋼種も混合ガス中の窒素ガス濃度３０vol％以上で窒素化合物層が、生成していることが確認できた。
また、全ての鋼種でその窒素化合物層が生成すると表面粗さＲ_Ｚ値が増加した。しかし、混合ガス中の窒素ガス濃度の増加によりその窒素化合物層の厚さが増加しても表面粗さＲ_Ｚ値の大きな増加は認められない。上述から、その窒化された鋼の表面の粗さは窒化により生成するその窒素化合物層の厚さにほとんど関係なく、また、窒素ガス濃度が２０vol％以下ではその窒素化合物層の生成は認められない。このときの表面粗さＲ_Ｚは表面にその窒素化合物層が生成したときの表面粗さＲ_Ｚと比較して小さい。
【００２０】
その表面粗さとその硬化層について、そのプラズマ窒化時の窒素ガス濃度を１０〜９０vol％と変化させ、窒化後のその試料３０、３１、および３２の表面および断面の硬度分布をマイクロビッカース硬度計により測定した。その試料３０、３１、および３２の表面硬度および断面硬度推移曲線は、図７に示す。その表面でのその窒化後の硬度は、その鋼種ＳＫＨ５１のその試料３０が最も硬く、そして、Ｈｖ１３００〜１４００前後であった。その鋼種ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１のその試料３１、３２では、ともにＨｖ１２００前後の値であった。また、その表面からの距離０．０２５ｍｍにおけるビッカース硬度をガス中の窒素ガス濃度ごとに比較すると、その全ての鋼種で窒素ガス濃度が７０vol％以上のとき内部硬度が高くなる傾向にある。硬度分布は、材質ごとに独自の形態を示した。窒素ガス濃度１０〜３０vol％では、内部に拡散浸透する窒素も減少するために硬化深さが浅く硬度の増加も少なく、また、窒素ガス濃度５０vol％以上では、拡散する窒素の量も増えるために拡散深さ、硬度増加が共に大きくなる。
【００２１】
そのプラズマ窒化では、グロー放電により窒素と水素から種々の励起種が発生し、そして、温度６５３Ｋ以上では鋼の表面に窒化物層が成形される。水素ガスは、鋼表面に生成した窒化物層を分解する働きを有するので、窒素ガス濃度１０および２０vol％での窒化では鋼の窒化物の生成が抑制された。窒素ガス濃度２０vol％以下で窒化した鋼の内部の硬度上昇が少ないのは、上述の原因で鋼表面において鋼中へ拡散する窒素量が減少するためである。しかし、その試料３０、３１、および３２のその表面の荒れ、すなわち、でこぼこはその表面に形成される鉄の窒素化合物層や拡散硬化層の厚さと相関関係は認められない。
【００２２】
表面粗さと鋼種の関係について、その表面粗さＲ_Ｚ値は、その鋼種ＳＫＤ６１のその試料３２が最も大きく、そして、その鋼種ＳＫＤ１１の試料３１、その鋼種ＳＫＨ５１のその試料３０の順に小さくなっている。図６により、同じ窒化条件でも鋼種によりその表面粗さＲ_Ｚ値の変化には差が生じている。そして、その窒化後のその全ての鋼種では、金属組織観察から窒素ガス濃度３０vol％以上でその窒素化合物層が生成された。その窒素ガス濃度３０vol％以上になるとその表面粗さＲ_Ｚ値の変化が僅少になるのは、この窒素ガス濃度３０vol％以上で鋼の表面を覆う窒素化合物の構造に大きな変化が無いためである。しかし、材質ごとにその表面粗さとその窒素化合物層の厚さは異なり、それは、添加元素による影響である。
【００２３】
図６に示した結果より、窒素ガス濃度２０vol％以下での窒化では、その全ての鋼種で窒化によるその窒素化合物層は生成されず、そして、それは、光輝窒化処理に適したガス濃度である。また、３種類の鋼種中では、その鋼種ＳＫＨ５１の表面粗さＲ_Ｚの窒化による変化が最も小さく、そして、光輝窒化に最適な鋼種である。
【００２４】
その窒素化合物層が形成されない窒素ガス濃度２０vol％以下でのその表面粗さＲ_Ｚの変化の要因として、窒化に用いる窒素および水素から生成するイオンのスパッタリング作用に着目した。図８に加速電圧５００VのＡｒイオンでそれぞれの元素をスパッタした時のスパッタ率を示す。このスパッタ率はその試料３０、３１、および３２をプラズマ窒化したときの水素と窒素の混合プラズマ中のイオンのスパッタ率とは異なる。また、スパッタされる物質が合金である点でも異なる。しかし、その試料３０、３１、３２のそれぞれの鋼種におけるスパッタの難易を考える上では有用である。
図８に鋼種ごとに含まれる元素を原子％で表した含有率にスパッタ率を乗じた値を各元素のスパッタ率推定値としてその合算値とともに示した。但し、Ｍｎ、Ｐ、およびＳについては各鋼中にほぼ同じ量が含まれているので計算より除いた。
【００２５】
その窒化後、その試料３０、３１、および３２のそれぞれの表面粗さＲ_Ｚ値の変化とスパッタ率推定値とには明確な一致は認められないが、これは、それぞれの鋼種の金属組織に起用する。すなわち、その鋼種ＳＫＨ５１およびＳＫＤ１１では、それらの組織中に多数のＣｒをはじめとした炭化物が散在し、そして特に、その鋼種ＳＫＤ１１では巨大な共晶炭化物が多数認められた。イオンのスパッタリング現象では、単元素に比べて化合物や合金のスパッタ率が大きく変わるので、窒素ガス濃度２０vol％以下でのスパッタ率推定値と表面粗さＲ_Ｚ値の関係を見ると、その鋼種ＳＫＨ５１とその鋼種ＳＫＤ６１には相関関係がある。そのスパッタ率推定値の合算値が一番小さいその鋼種ＳＫＨ５１では、窒素ガス濃度２０vol％以下で窒化後の表面の光沢は最も強く、また表面粗さの変化もなおも小さい。しかし、そのスパッタ率推定値がその鋼種ＳＫＨ５１とほぼ同じ値のその鋼種ＳＫＤ１１のＲ_Ｚ値は、他の２つの鋼種を上回る。これは、組織中に散在する大きなＣｒ炭化物をはじめとした各種炭化物のスパッタ率が推定値より小さく、そして、表面に突起して残存するためである。
【００２６】
また、その窒化によるその硬化層は、化合物層と拡散層の合計で窒素ガス濃度３０vol％では、その全ての鋼種にその硬化層が、１μｍの厚さで生成され、その窒素ガス濃度がさらに高くなるにつれてその硬化層の厚さは増加するが、その表面粗さＲ_Ｚの値はほとんど変化しない。その鋼種ＳＫＨ５１およびＳＫＤ１１ではその硬化層の中にも炭化物が認められた。その窒素ガス濃度３０vol％以上の窒化では、鉄の窒化物の生成が進み、これらの炭化物は分解するなどして窒素化合物となり、そして、その硬化層中に取り込まれてしまい、その結果として表面粗さＲ_Ｚ値に大きな変化が生じない。
【００２７】
先に図面を参照して説明されたところのこの発明の特定された具体例から明らかであるように、この発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって、この発明の内容は、その発明の性質（ｎａｔｕｒｅ）および本質（ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）に由来し、そして、それらを内在させると客観的に認められる別の態様に容易に具体化される。勿論、この発明の内容は、その発明の課題に相応し（ｂｅｃｏｍｍｅｎｓｕｒａｔｅｗｉｔｈ）、そして、その発明の成立に必須である。
【００２８】
【発明の便益】
上述から理解されるように、この発明のガス・プラズマ表面加工法は窒素ガスが少なくとも水素ガスで希釈される雰囲気の中に品物を置き、そして、その窒素ガスを３０vol％以下の濃度に保ちながらその品物の表面に放電を行うので、この発明のガス・プラズマ表面加工法では、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび各種の活性種がその品物に反応され、その品物のその表面に窒素化合物層の生成が回避されるかその窒素化合物層の生成が無視できる程度に抑制可能になって光輝で平滑な硬化層が、その品物のその表面に生成され、その品物のその表面が、光輝で平滑で硬く仕上げられ、装置が構造上簡略化されて装置の大型化への移行や省エネルギー化が容易で環境にも低負荷になり、そして、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの高い硬度の化合物膜、ＭｏＳ_２などの潤滑性に優れた化合物膜などが、その品物の表面に研削や研磨なしに物理蒸着や化学蒸着などで成膜されても密着性に優れ、そして、剥れ難く、その結果、押出し成形機や攪拌機のスクリュー、各種金型、工具、自動車部品、アルミニウム押出しダイスなどにとって非常に有用で実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の品物を被覆する方法を実施するところのプラズマ窒化装置を図式的に示した概説図である。
【図２】品物として用いた工具用鋼ＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１、およびＳＫＤ６１の試料の形状および寸法を示した斜視図である。
【図３】その工具用鋼ＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１、およびＳＫＤ６１の試料の熱処理データを示した表である。
【図４】それら試料の化学成分を示した表である。
【図５】プラズマ窒化処理条件を示した表である。
【図６】同じ窒化条件でその工具用鋼ＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１、およびＳＫＤ６１ごとに表面粗さと窒素化合物層の厚さの関係を示したグラフである。
【図７】その工具用鋼ＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１、およびＳＫＤ６１のそれぞれの表面硬度および断面硬度推移曲線を示したグラフである。
【図８】それぞれの元素のスパッタ率およびその試料ごとのスパッタ率推定値を示した表である。
【符号の説明】
１１真空容器
１２真空排気装置
１３ガス供給装置
１４直流プラズマ電源
１５操作盤
１６パイレックス（登録商標）製観察窓
１７容器内ベーキング用ステンレス製シース・ヒータ
１８電極
１９試料台
２０赤外線放射温度計
２１油回転ポンプ
２２メカニカル・ブースタ・ポンプ
２３ターボ分子ポンプ
３０品物／試料ＳＫＨ５１
３１品物／試料ＳＫＤ１１
３２品物／試料ＳＫＤ６１[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a gas / plasma surface processing method for processing and modifying the surface of an article, and in particular, to the surface of the article heated by the collision energy of nitrogen ions and various active species present in the plasma. The present invention relates to a plasma bright nitriding method for producing a smooth cured layer.
[0002]
[Background]
In recent nitriding methods using plasma, a plasma nitriding method using NH radicals useful for nitriding has been put into practical use, and the surfaces of injection molding machines, agitator screws, various molds, tools, and automobile parts, etc. Adopted for processing. In this type of plasma nitriding method, it is necessary to suppress the generation of ions of the gas constituting the nitriding atmosphere used for the heating source and the nitriding action in order to efficiently generate the NH radicals. In order to maintain the nitriding temperature due to the necessity of reducing the required input power, it is necessary to provide a new heating source in the nitriding apparatus. Furthermore, since ammonia is used as the source gas constituting the nitriding atmosphere, the nitriding apparatus uses a new nitriding method that utilizes the NH radical, such as exhaust gas that cannot be discharged directly into the atmosphere after processing, which requires a detoxifying facility. It becomes complicated.
[0003]
[Problems of the Invention]
The object of the present invention is to produce a bright and smooth cured layer on the surface of the product without making a nitrogen compound layer on the surface of the product or suppressing the formation of the nitrogen compound layer to a negligible level, and High hardness compound film such as TiN, TiC, SiO ₂ , Al ₂ O _3, etc., and excellent lubricity such as MoS ₂ by physical vapor deposition or chemical vapor deposition without grinding or polishing the surface of the product An object of the present invention is to provide a gas / plasma surface processing method that is excellent in adhesion even if a compound film or the like is formed, and that it is difficult to peel off.
[0004]
[Means corresponding to the problem and its operation]
The present invention places an article in an atmosphere in which nitrogen gas is diluted with at least hydrogen gas, and discharges the surface of the article while maintaining the nitrogen gas at a concentration of 30 vol% or less. Nitrogen ions and various active species react with the product to produce a bright and smooth cured layer on the surface of the product.
[0005]
The present invention performs plasma nitridation on the surface of an article by glow discharge while maintaining a low concentration of the nitrogen gas in an atmosphere where the nitrogen gas is diluted with hydrogen gas, argon, etc., and Without producing a brittle nitrogen compound layer on the surface of the product or suppressing the generation of the nitrogen compound layer to a negligible level, a bright and smooth cured layer is formed on the surface of the product. In the present invention, the nitrogen gas is maintained at a concentration of 30 vol% or less. And the ratio of the nitrogen gas and dilution gas is suitably set according to the material of the goods. That is, the concentration of the nitrogen gas and the dilution gas is determined based on materials such as screws for extrusion molding machines and agitators, various molds, tools, automobile parts, aluminum extrusion dies, for example, case-hardened steel, structural steel, bearing steel, heat It is set appropriately according to steel for cold working, steel for cold working, high speed steel, heat resistant steel, machine part steel, heat resistant acid resistant steel and the like.
[0006]
As such, the present invention prevents the formation of a nitrogen compound layer between the nitrogen and the constituent elements of the article by keeping the nitrogen gas concentration low and the dilution gas concentration high or the nitrogen compound This is a surface modification method in which the formation of a layer is suppressed to a negligible level and a bright and smooth cured layer is formed on the surface of the product. The present invention allows plasma nitridation of the surface of the article by the glow discharge. In the present invention, the glow discharge is generated by direct current discharge, high frequency discharge, microwave discharge, or the like, and the nitrogen gas, hydrogen gas, or the like in the atmosphere is converted into plasma. As such, the present invention omits the means for heating the product, such as an electric heater, a gas heater, etc., but such a heating means may be used.
[0007]
[Explanation of specific examples]
Specific examples of the gas / plasma surface processing method of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a plasma nitriding apparatus 10 that performs the gas-plasma surface processing method of the present invention, and the plasma nitriding apparatus 10 has an article in an atmosphere in which nitrogen gas is diluted with hydrogen gas. 30, 31, and 32 are placed, and the surfaces of the articles 30, 31, and 32 are discharged while keeping the respective concentrations of the nitrogen gas and hydrogen gas appropriately, and are present in the plasma for a predetermined time. Nitriding ions such as nitrogen ions and hydrogen ions and various active species were reacted with the product to process and modify the surfaces of the products 30, 31, and 32. The gas / plasma surface processing method of the present invention performed in the plasma nitriding apparatus 10 performs glow discharge by placing the product 30, 31, and 32 in the atmosphere in which the nitrogen gas is diluted with the hydrogen gas. Then, nitrogen ions, hydrogen ions, etc. present in the plasma are reacted with the items 30, 31, and 32 to process and modify the surfaces of the items 30, 31, and 32. There, the nitrogen ions, hydrogen ions, and the like are attracted at high speed by electrical attraction to the items 30, 31, and 32 connected to the cathode, and collide with the surfaces of the items 30, 31, and 32. As a result of the kinetic energy such as nitrogen ions and hydrogen ions being replaced by thermal energy, the articles 30, 31 and 32 are heated, so that reactions such as nitrogen ions and hydrogen ions are sufficiently possible. And this gas / plasma surface processing method is structurally simplified because the articles 30, 31, and 32 are heated by the collision energy of cations such as nitrogen and hydrogen in the plasma. It is easy to shift to larger size and save energy, and to reduce the load on the environment. This nitriding method diffuses and infiltrates nitrogen atoms from the surface to the inside of the steel, creates a solid solution of iron- (carbon) -nitrogen, hardens the surface of the steel, and improves fatigue strength. When nitrogen diffuses and penetrates into the steel from the surface, an iron-nitrogen compound layer is formed on the surface. The compound layer is an intermetallic compound, and its hardness is much harder than that of an iron-nitrogen solid solution. Further, high-grade steels containing elements that form compounds with N, such as Al and Cr, in steel components, that is, high alloy steels, have a higher hardness when nitrogen penetrates, and the diffusion distance also increases.
[0008]
Further, the nitrogen gas may be diluted with the hydrogen gas or argon. In that case, the articles 30, 31, and 32 are heated by the collision energy of nitride ions such as nitrogen ions and hydrogen ions and various active species present in the plasma, and the nitride ions and various active species. Can react sufficiently. Of course, in the nitriding method, after the articles 30, 31, and 32 are heated to a temperature around 500 ° C., the articles 30, 31, and 32 are kept at the temperature by the collision energy of the nitride ions. So it is more efficient. As the articles 30, 31, and 32, samples of tool steels SKH51, SKD11, and SKD61 were used. Each of the samples 30, 31, and 32 was polished to a hardness of R _Z 0.1 μm or less after adjustment to the hardness shown in FIG. 3 by quenching and tempering. The shape and dimensions of the samples 30, 31, and 32 are shown in FIG. 2, and the chemical components of the samples 30, 31, and 32 are shown in FIG. Samples 30, 31, and 32 were subjected to a plasma nitriding treatment after degreasing and cleaning with an ultrasonic cleaner in an acetone bath at room temperature in advance.
[0009]
The plasma nitriding apparatus 10 includes a stainless steel vacuum vessel 11, a vacuum exhaust apparatus 12, a gas supply apparatus 13, a DC plasma power supply 14, an operation panel 15, and the like. The vacuum vessel 11 is manufactured in a cylindrical shape having an observation window 16 made of Pyrex (registered trademark) on the side wall, and a copper pipe (not shown) is used outside the vessel 11 to prevent overheating of the vessel. It is water-cooled. And this vacuum vessel 11 attached the stainless steel sheath heater 17 for container wall baking to the inner wall surface of the side wall. The vacuum vessel 11 has a gas supply port (not shown) opened at the center of the top wall, and a nozzle (not shown) is attached to the gas supply port to uniformly introduce gas into the vessel. It is possible. Further, the vacuum container 11 is positioned with the electrode 18 insulated at the center of the bottom wall, and protrudes from the bottom wall into the container, and the container is incorporated. A structure in which the samples 30, 31, and 32 are mounted on the sample table 19 is used.
[0010]
The vacuum exhaust device 12 includes an oil rotary pump 21, a mechanical booster pump 22, and a turbo molecular pump 23, and exhausts the inside of the vacuum vessel 11 to 1 × 10 ⁻³ Pa or less. The pressure inside the vessel is measured by a Pirani gauge and an ionization gauge, and the pressure inside the vessel during plasma nitriding is automatically measured by a diaphragm type vacuum gauge and consists of a stepping motor driven butterfly valve. The pressure was adjusted to a predetermined pressure by a pressure control device. Prior to the plasma nitriding treatment, it was confirmed that the gas leakage of the gas supply system, the vacuum exhaust system, and the vacuum vessel 11 was 1 × 10 ⁻⁶ Pa · L / S or less using a He leak detector. The temperatures of the samples 30, 31, and 32 were measured through the Pyrex (registered trademark) observation window 16 of the vacuum vessel 11 using the infrared radiation thermometer 20. Of course, the infrared radiation thermometer 20 used was one in which the emissivity was calibrated in advance through a Pyrex (registered trademark) window glass of the observation window 16.
[0011]
The gas supply device 13 has a capability of supplying the nitrogen and hydrogen gas by a maximum of 1000 SCCM by a mass flow controller (not shown). The gases used for the plasma nitriding treatment are a commercially available 7N high-purity hydrogen gas and 6N high-purity nitrogen gas. These gases were supplied to the mass flow controller after reducing the pressure to 0.15 MPa using a regulator (not shown).
[0012]
The DC plasma power source 14 receives a three-phase 200V AC power source and generates a maximum discharge DC-800V and a maximum output 30kW by thyristor current control and diode rectification. The direct current plasma power source 14 connected a cathode to the electrode 18 attached to the vessel 11 and an anode to the vacuum vessel 11, and supplied a manually adjusted output.
[0013]
The plasma nitriding conditions are shown in FIG. As the nitriding temperature, a common temperature of 773 K was selected from a temperature range in which the three types of steel used for the samples 30, 31, and 32 were subjected to plasma nitriding. The processing pressure was determined by confirming in advance the pressure 532 Pa covering the surface of the sample placed on the sample table 19 with a sheath generated by glow discharge. The samples 30, 31, and 32 were used in a total of nine from three types of steel materials, and were arranged on the sample table 19 at equal intervals on the circumference of an appropriate diameter.
[0014]
Next, the inside of the vacuum vessel 11 was evacuated to 1 × 10 ⁻² Pa or less. Further, after the pressure in the vacuum vessel 11 became 10 Pa or less, heating of the inner wall surface of the vacuum vessel 11 by the sheath heater 17 was started. In the initial stage of evacuation, gas was sufficiently released from the wall of the vacuum vessel 11, and the influence of degassing from the wall of the vacuum vessel 11 due to radiant heat generated during sample heating during plasma nitriding was prevented as much as possible. .
[0015]
Subsequently, after the inside of the vacuum vessel 11 reached a predetermined pressure (predetermined pressure), hydrogen gas was introduced into the vacuum vessel 11 up to 250 Pa according to the Pirani vacuum gauge. Then, while introducing 500 SCCM of hydrogen, the automatic pressure regulating valve sets the indicating pressure of the diaphragm type vacuum gauge to 30 Pa, and the DC plasma power supply 14 applies a voltage of −300 to −200 V to the electrode 18 to generate glow discharge. I let you. Then, the atmospheric pressure was gradually increased while observing the relationship between the discharge voltage and the discharge current in a hydrogen gas atmosphere. By such an operation, the samples 30, 31, and 32 were continuously heated, and the discharge output was adjusted so that the sample temperature was maintained at 773 K at the atmospheric pressure of 532 Pa.
[0016]
Subsequently, when the atmospheric pressure reaches 532 Pa and the sample temperature reaches 773 K, the hydrogen gas flow rate is adjusted while gradually introducing nitrogen gas, and plasma nitriding is started in an atmosphere of a predetermined nitrogen / hydrogen mixed gas ratio. did. The discharge voltage at this time was −440 to −330 V, and the discharge current was 4.0 to 5.0 A. In addition, the total gas flow rate during plasma nitriding was all set to 500 SCCM. After the plasma nitridation, the samples 30, 31, and 32 were cooled as they were in the nitriding chamber, that is, in the vacuum vessel 11.
[0017]
When the samples 30, 31, and 32 are plasma nitrided at a nitrogen gas concentration of 30 vol% or less as shown in FIGS. 6 and 7, the surfaces of the samples 30, 31, and 32 are Nitride compound layer is not formed or the formation of the nitrogen compound layer is suppressed to a negligible level, and a bright and smooth hardened layer is formed by the reaction of various active species present in the nitride ions and plasma. . And the surfaces of the plasma-nitrided samples 30, 31, and 32 are high hardness compound films such as TiN, TiC, SiO ₂ , Al ₂ O ₃ by physical vapor deposition or chemical vapor deposition without grinding or polishing, Even if a compound film having excellent lubricity such as MoS _{2 is formed} , it has excellent adhesion and is difficult to peel off.
[0018]
Further details will be described. First, regarding the gloss, the surfaces of the plasma-nitrided samples 30, 31, and 32 were observed with the naked eye. When the nitrogen gas concentration was 10 vol%, the surfaces of all the samples 30, 31, and 32 were maintained metallic gloss. It was. Even at the nitrogen gas concentration of 20 vol%, the metallic luster of the surfaces of all the steel types 30, 31, and 32 was maintained, but among them, the sample 30 of the steel type SKH51 was the other two types of steel types SKD11 and SKD61. Compared with Samples 31 and 32, reflection of light from the surface was strong. Any of those nitrided at a nitrogen gas concentration of 30 vol% had a light haze on the surface. However, the cloudiness of the sample 30 of the steel type SKH51 was weaker than the samples 31 and 32 of the other steel types SKD11 and SKD61. The surfaces of the samples 30, 31, and 32 nitrided with the nitrogen gas concentration of 50 to 90 vol% were all changed to a light grayish color. In plasma nitridation at low nitrogen gas concentrations due to the change in gloss on the surfaces of the nitrided samples 30, 31, and 32, the sample 30 of the steel type SKH51 becomes the samples 31 and 32 of the steel types SKD11, SKD61. Less susceptible to changes in surface condition compared to
[0019]
Regarding the surface roughness and the nitrogen compound layer, the samples 30, 31, and 32 after nitriding were measured for surface roughness with a stylus type surface roughness measuring instrument. In addition, the change in the metal structure including the surface nitride layer was examined by a metal microscope after the polished sample cross section was etched with 3% nital etchant.
The relationship between the nitrogen gas concentration, the thickness of the generated nitrogen compound layer, and the surface roughness when the nitrogen gas concentration during the plasma nitridation was changed to 10 to 90 vol% with the nitriding temperature 773K and the nitriding time 3600 _S constant. As shown in FIG. As a result of observing the metal structure of the sample cross section, it was confirmed that a nitrogen compound layer was formed at a nitrogen gas concentration of 30 vol% or more in the mixed gas in any steel type.
Moreover, when the nitrogen compound layer produced | generated in all the steel types, surface roughness _RZ value increased. However, even if the thickness of the nitrogen compound layer increases due to an increase in the concentration of nitrogen gas in the mixed gas, no significant increase in the surface roughness _RZ value is observed. From the above, the roughness of the surface of the nitrided steel is almost independent of the thickness of the nitrogen compound layer formed by nitriding, and the formation of the nitrogen compound layer is not observed when the nitrogen gas concentration is 20 vol% or less. . The surface roughness R _Z at this time is small compared to the surface roughness R _Z when the nitrogen compound layer is formed on the surface.
[0020]
About the surface roughness and the hardened layer, the nitrogen gas concentration at the time of plasma nitriding was changed to 10 to 90 vol%, and the hardness distribution of the surface and cross section of the samples 30, 31, and 32 after nitriding was measured by a micro Vickers hardness meter. It was measured. The surface hardness and cross-sectional hardness transition curves of Samples 30, 31, and 32 are shown in FIG. The hardness after the nitriding on the surface was the hardest of the sample 30 of the steel type SKH51 and was around Hv 1300 to 1400. In the samples 31 and 32 of the steel types SKD11 and SKD61, both values were around Hv1200. Further, when the Vickers hardness at a distance of 0.025 mm from the surface is compared for each nitrogen gas concentration in the gas, the internal hardness tends to increase when the nitrogen gas concentration is 70 vol% or more in all the steel types. The hardness distribution showed a unique form for each material. When the nitrogen gas concentration is 10 to 30 vol%, the amount of nitrogen that diffuses and penetrates inside also decreases, so the hardening depth is shallow and the increase in hardness is small. When the nitrogen gas concentration is 50 vol% or more, the amount of nitrogen that diffuses also increases. Both diffusion depth and hardness increase increase.
[0021]
In the plasma nitriding, various excited species are generated from nitrogen and hydrogen by glow discharge, and a nitride layer is formed on the surface of the steel at a temperature of 653K or higher. Since hydrogen gas has a function of decomposing a nitride layer generated on the steel surface, the formation of steel nitride was suppressed in nitriding at a nitrogen gas concentration of 10 and 20 vol%. The reason why the hardness increase inside the steel nitrided at a nitrogen gas concentration of 20 vol% or less is small is that the amount of nitrogen diffusing into the steel on the steel surface decreases due to the above-mentioned causes. However, there is no correlation between the roughness of the surfaces of the samples 30, 31, and 32, ie, bumps, with the thickness of the iron nitrogen compound layer or diffusion hardened layer formed on the surface.
[0022]
The relationship between the surface roughness and steel grade, the surface roughness _{R Z} value, its the sample 32 steels SKD61 is the largest, and is smaller in the order of the sample 31 steels SKD11, the sample 30 of the steels SKH51 . According to FIG. 6, even under the same nitriding conditions, a difference occurs in the change in the surface roughness _RZ value depending on the steel type. And in all the steel types after the nitriding, the nitrogen compound layer was produced | generated by nitrogen gas concentration 30 vol% or more from metal structure observation. The nitrogen gas concentration 30 vol% or more to become the the change in the surface roughness R _Z value is insignificant, is because there is no major change in the structure of the nitrogen compound covering the surface of the steel in the nitrogen gas concentration 30 vol% or more . However, the surface roughness and the thickness of the nitrogen compound layer differ depending on the material, which is an influence of the additive element.
[0023]
From the results shown in FIG. 6, in the nitriding at a nitrogen gas concentration of 20 vol% or less, the nitrogen compound layer is not formed by nitriding in all the steel types, and it is a gas concentration suitable for the bright nitriding treatment. Also, 3 types of steels in most small change due to nitriding of the surface roughness R _Z of the steel type SKH51, and an optimum steel grades for bright nitride.
[0024]
Factors of the change in the surface roughness R _Z at the nitrogen compound layer is not formed nitrogen gas concentration 20 vol% or less, focusing on the sputtering effect of ions generated from the nitrogen and hydrogen is used to nitride. FIG. 8 shows the sputtering rate when each element is sputtered with Ar ions having an acceleration voltage of 500V. This sputtering rate is different from the sputtering rate of ions in the mixed plasma of hydrogen and nitrogen when the samples 30, 31, and 32 are plasma-nitrided. Another difference is that the material to be sputtered is an alloy. However, it is useful in considering the difficulty of sputtering in each steel type of the samples 30, 31, and 32.
FIG. 8 shows a value obtained by multiplying the content ratio of the elements contained in each steel type in atomic% by the sputtering rate as an estimated sputtering rate value of each element together with the total value. However, Mn, P, and S were excluded from the calculation because almost the same amount was contained in each steel.
[0025]
After the nitriding, there is no clear agreement between the change in the surface roughness _RZ value of each of the samples 30, 31 and 32 and the estimated sputtering rate. appoint. That is, in the steel types SKH51 and SKD11, many carbides including Cr were scattered in their structures, and in particular, a large number of huge eutectic carbides were observed in the steel types SKD11. The sputtering phenomenon of the ion, the compound or alloy sputtering rate as compared to single element greatly changes, looking at the relationship between the sputtering rate estimate and the surface roughness R _Z value in a nitrogen gas concentration 20 vol% or less, the steel type SKH51 And its steel type SKD61 have a correlation. In the steel type SKH51 having the smallest sum of the sputter rate estimated values, the gloss of the surface after nitriding is the strongest at a nitrogen gas concentration of 20 vol% or less, and the change in the surface roughness is still small. However, the R _Z value steels SKD11 of approximately the same value that the sputtering rate estimate and its steel grade SKH51 is greater than the other two steels. This is because the sputtering rate of various carbides including large Cr carbides scattered in the structure is smaller than the estimated value and protrudes and remains on the surface.
[0026]
Further, the hardened layer formed by the nitridation has a nitrogen gas concentration of 30 vol% in total of the compound layer and the diffusion layer, so that the hardened layer is generated with a thickness of 1 μm on all the steel types, and the nitrogen gas concentration is higher. the thickness of the hardened layer increases as made, but the value of the surface roughness R _Z is hardly changed. In the steel types SKH51 and SKD11, carbides were also observed in the hardened layer. In the nitriding with the nitrogen gas concentration of 30 vol% or more, the generation of iron nitride proceeds, and these carbides are decomposed into nitrogen compounds and taken into the hardened layer, resulting in surface roughness. There is no significant change in the _RZ value.
[0027]
As will be apparent from the specific embodiments of the present invention described above with reference to the drawings, for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, It is easily embodied in another embodiment that derives from the nature and nature of the invention and that is objectively recognized as having them inherent. Of course, the content of this invention corresponds to the problem of the invention (be recommend with) and is essential for the establishment of the invention.
[0028]
[Benefits of the invention]
As understood from the above, the gas plasma surface processing method of the present invention places an article in an atmosphere in which nitrogen gas is diluted with at least hydrogen gas, and keeps the nitrogen gas at a concentration of 30 vol% or less. In the gas / plasma surface processing method of the present invention, since the surface of the product is discharged, nitrogen ions and various active species present in the plasma are reacted with the product, and a nitrogen compound layer is formed on the surface of the product. Generation of the nitrogen compound layer can be suppressed to a negligible level, and a bright and smooth cured layer is formed on the surface of the product, and the surface of the product is bright and smooth. The equipment is simplified in structure, the equipment is simplified in structure, and it is easy to shift to larger equipment and save energy and to reduce the load on the environment. And TiN, TiC, SiO ₂ , Al ₂ O _{Even if} a compound film having a high hardness such as ₃ or a compound film having excellent lubricity such as MoS ₂ is formed on the surface of the product by physical vapor deposition or chemical vapor deposition without grinding or polishing, the adhesion is excellent. It is difficult to peel off, and as a result, it is very useful and practical for an extruder, a screw of a stirrer, various molds, tools, automobile parts, an aluminum extrusion die, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a plasma nitriding apparatus for carrying out a method for coating an article of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the shape and dimensions of samples of tool steels SKH51, SKD11, and SKD61 used as articles.
FIG. 3 is a table showing heat treatment data of samples of the tool steels SKH51, SKD11, and SKD61.
FIG. 4 is a table showing chemical components of these samples.
FIG. 5 is a table showing plasma nitriding conditions.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the surface roughness and the thickness of the nitrogen compound layer for each of the tool steels SKH51, SKD11, and SKD61 under the same nitriding conditions.
FIG. 7 is a graph showing transition curves of surface hardness and cross-sectional hardness of each of the tool steels SKH51, SKD11, and SKD61.
FIG. 8 is a table showing the sputtering rate of each element and the estimated sputtering rate for each sample.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Vacuum container 12 Vacuum exhaust apparatus 13 Gas supply apparatus 14 DC plasma power supply 15 Operation panel 16 Pyrex (trademark) observation window 17 Stainless steel sheath heater 18 for baking in a container 18 Electrode 19 Sample stand 20 Infrared radiation thermometer 21 Oil rotation Pump 22 Mechanical booster pump 23 Turbo molecular pump 30 Item / sample SKH51
31 Item / Sample SKD11
32 Items / Sample SKD61

Claims

窒素ガスが水素ガスで希釈される雰囲気の中に品物を置き、そして、その雰囲気においてその窒素ガスを２０ vol ％以下の濃度でその窒素ガスの濃度を低く、そして、その希釈ガスの濃度を高く保ちながらその品物の表面に放電を行い、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび各種の活性種をその品物に反応させてその品物の表面に光輝で平滑な硬化層を生成し、そして、その品物の表面を研削したり研磨したりせずに物理蒸着や化学蒸着で窒化チタン、炭化チタン、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、硫化マンガンなどの高い硬度の化合物膜、潤滑性に優れた化合物膜を成膜しても密着性に優れ、そして、剥がされ難くするところのガス・プラズマ表面加工法。The product is placed in an atmosphere where nitrogen gas is diluted with hydrogen gas, and the nitrogen gas is reduced to a concentration of 20 vol % or less in the atmosphere, and the concentration of the dilution gas is increased. The surface of the product is discharged while being maintained, the nitrogen ions and various active species present in the plasma are reacted with the product to produce a bright and smooth cured layer on the surface of the product, and the product High-hardness compound films, such as titanium nitride, titanium carbide, silicon dioxide, aluminum oxide, and manganese sulfide, are formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition without grinding or polishing the surface of the material. A gas / plasma surface processing method that provides excellent adhesion and makes it difficult to peel off .

窒素ガスが水素ガスで希釈される雰囲気の中に置かれ、そして、その雰囲気においてその窒素ガスを２０vol％以下の濃度でその窒素ガスの濃度を低く、そして、その希釈ガスの濃度を高く保ちながら表面に放電を行い、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび各種の活性種を反応させてその表面に光輝で平滑な硬化層を生成し、そして、その表面を研削したり研磨したりせずに物理蒸着や化学蒸着で窒化チタン、炭化チタン、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、硫化マンガンなどの高い硬度の化合物膜、潤滑性に優れた化合物膜を成膜しても密着性に優れ、そして、剥がれ難くするところの光輝で平滑な硬化表面層を備える品物。The nitrogen gas is placed in an atmosphere diluted with hydrogen gas, and the nitrogen gas is reduced to a concentration of 20 vol% or less in the atmosphere, and the concentration of the dilution gas is kept high. Discharge the surface, react with nitrogen ions and various active species present in the plasma to produce a bright and smooth cured layer on the surface, and without grinding or polishing the surface Excellent physical adhesion and chemical vapor deposition, such as titanium nitride, titanium carbide, silicon dioxide, aluminum oxide, manganese sulfide, and other high hardness compound films, and excellent lubricity results in excellent adhesion and hardly peels off. A product with a bright and smooth cured surface layer.

容器壁に開口されるガス供給ポート、その容器壁に絶縁されて内部に組み込まれる電極、およびその電極に取り付けられる試料台を備える真空容器と、油回転ポンプ、メカニカル・ブースター・ポンプおよびターボ分子ポンプから構成され、そして、その真空容器に接続されてその真空容器内を所定の圧力まで排気する真空排気装置と、そのガス供給ポートに接続されてその真空容器内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給装置と、その真空容器のその電極に陰極を、その真空容器に陽極をそれぞれ接続する直流プラズマ電源とを含み、そして、その窒素ガスがその水素ガスで希釈される雰囲気の中でその窒素ガスを２０vol%以下の濃度でその窒素ガスの濃度を低く、そして、その希釈ガスの濃度を高く保ちながらその試料台の品物の表面に放電
を行い、プラズマの中に存在する窒素イオンおよび各種の活性種をその品物に反応させてその品物の表面に光輝で平滑な硬化層を生成するところのプラズマ窒化装置。Gas supply port opened in container wall, electrode insulated and incorporated in container wall, and vacuum vessel including sample stage attached to electrode, oil rotary pump, mechanical booster pump and turbo molecular pump And a vacuum exhaust device that is connected to the vacuum vessel and exhausts the inside of the vacuum vessel to a predetermined pressure, and is connected to the gas supply port to supply nitrogen gas and hydrogen gas into the vacuum vessel. A gas supply device, and a DC plasma power source connecting the cathode to the electrode of the vacuum vessel and the anode to the vacuum vessel, respectively, and the nitrogen gas in an atmosphere in which the nitrogen gas is diluted with the hydrogen gas The concentration of the gas is less than 20 vol%, the nitrogen gas concentration is low, and the dilution gas concentration is kept high while A plasma nitriding apparatus that discharges the surface and reacts nitrogen ions and various active species present in the plasma with the product to generate a bright and smooth hardened layer on the surface of the product.