JPH0215183A - 表面改質装置および表面改質方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、荷電粒子を照射することによって、試料表面
の性質を変える表面改質装置に係り、特に、大型構造物
の表面を部分的に改質するために用いて好適な表面改質
装置および表面改質方法に関する。

［従来の技術］ 荷電粒子を照射することにより、試料の表面の性質を変
える表面改質装置に関する従来技術として、例えば、ジ
ャーナル　オブ　バキューム　サイエンス　アンド　テ
クノロジー、Ａ４−（３）。

（１，９８６年）、第７８４頁〜第７８７頁（Ｊ　ｏｕ
ｒｎａｌ　　ｏｆＶａｃｕｕｍ　　Ｓｃ〕−ｅｎｃｅ　
　＆　　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　Ａ４（３）。

（１９８６）　、ｐｐ７８４〜７８７）等に記載された
技術が知られている。この従来技術は、イオン源からの
荷電粒子と電子ビーム蒸発装置から蒸発した金属ガスに
よって、容器内に配置した試料表面に、蒸発金属と荷電
粒子との化合物による膜を形成するものである。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来技術は、試料が小さく試料に真空容器内に収納
できる場合には、その試料に荷電粒子ビ１１を照射して
、試料の表面改質を行うことかできるが、試料が大きく
、真空容器に収納できない場合には、その試料の表面改
質をｔ５うことがてきないものであった。

一般に、荷電粒子を照射するためには、荷電粒子の飛行
領域、すなわち、前述の従来技術における真空容器の内
部は、その圧力が１０−３〜１０−５ゴ゛Ｏｒｒの真空
状態である必要かあり、真空ＩＪＩ気できない状態では
、荷電粒子照射を用いて表面改質を行う方法は採用する
ことができないと考えられていた。そのため、試料は、
真空容器の中に納められるものという考え方が一般的で
あった。

例えば、水力発電機用水車は、土砂を含んだ高速の水流
にさらされるため、その水車の羽根の上流側先端部近傍
のみか摩耗してしまうという問題があり、これを解決す
るため、現在は、溶射９部分焼入れ、溶融などの方法で
部分的な表面硬化を実施して耐摩耗性の向上を図ってい
る。

前述のような用途に荷電粒子照射による表面改質、前述
の例では、耐摩耗性の向上への表面改質を行うことがで
きれば非常に有効である。しかし、従来、大型構造物の
一部分に荷電粒子照射を実施する方法は知られていなか
った。

本発明の目的は、大型構造物のように全体を真空容器内
に格納することか困難な対象物についてその一部分に荷
電粒子、あるいは電子ビームの照射を可能にし、その表
面改質を行うことを可能にした表面改質装置および表面
改質方法を提供することにある。

［課題を解決するだめの手段］ 本発明によれば、前記目的は、表面改質を行うへき大型
試料自身が真空容器の一部となるように、試料自身の改
質すべき表面と表面改質装置の真空容器との間で真空封
止を保持し、真空容器側の試料表面に荷電粒子を照射可
能にすることにより達成される。

［作用］ 表面改質の対象物である試料の−・部と、表面改質装置
の真空容器とで構成された気密容器部分は、真空排気装
置により排気される。表面改質装置の真空容器側に備え
られる荷電粒子照射装置は、真空排気された容器内で、
対象物表面に荷電粒子を照射し、対象物表面の性質を変
化させることかできる。

これにより、大型構造物に対しても、部分的な表面改質
を施すことが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明による表面改質装置及び表面改質方法の実
施例を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す断面図であ
る。第１図において、１は真空容器、２は真空排気装置
、３は容器内雰囲気、４は荷電粒子照射装置、５はフィ
ラメント、６は荷電粒子照射装置の容器、７は引出し、
電極、７−１はプラズマ室側電極、７−２は真空容器側
電極、８は永久磁石群、９はるつぼ、１０は金属、１１
−は金属粒子、１−２は大型構造物、１３は真空シール
装置、１．４，１．６はシール部、１５はフレキシブル
構造体、１７は真空容器の端面、１９はガス導入Ｌ１で
ある。

第１図に示す本発明の第１−の実施例は、真空排気装置
２と荷電粒子照射装置４とが取り付けられた真空容器１
及びこの真空容器１の端面１７と液加］二物である大型
構造物１２との間を真空シールする真空シール装置」３
とにより構成される。

真、空容器１は、真空排気装置２に接続され、その容器
内雰囲気３が１０−”Ｉ’ｏｒｒ程度まで排気される。

荷電粒子照射装置４は、フィラメント５、フィラメント
５に対して陽極となる容器６により構成され、荷電粒子
照射装置４の容器６内にプラズマを生成する。容器６と
真空容器上との間には引出し電極７が設けられている。

この引出し電極７は、プラズマ室側電極７−１、真空容
器側電極７−２の２枚のメツシュ状電極により構成され
ており、電極７−１に対して電極７−２を負の電位とな
るような電圧が印加され、これにより、容器６内のプラ
ズマから正電荷イオンを真空容器１側に引出す。荷電粒
子照射装置４の容器６の外周には、永久磁石群８が磁極
の向きが放射方向となるよう、かつ、隣り合う極性が交
互に変化するように配置されている。真空容器１内には
、例えば、チタン等の金属が入れられたるつは９が置か
れており、金属］−〇は、電子ビー１１によって加熱さ
れ金属粒子１．１となって蒸発し、真空容器Ｔ内に拡散
する。

被加工物である大型構造物１２は、例えば、図示の場合
のようにタービン翼等であってよく、その先端部分等の
液加］二部のみが容器内雰囲気３にさらされるように、
フレキシブル構造の真空シール装置１３によって支持さ
れ、大型構造物１２の−・部を内面に有する真空容器１
の内部全体が気密に保持される。真空シール装置１３は
、試料（被加工物）となる大型構造物１２の表面に沿う
形のシール部１４と、大型構造物１２と真空容器」との
間をある程度の自由度をもって連結するためのフレキシ
ブル構造体１５、例えば、ベローズ構造の部材と、真空
容器１の端面１７と気密結合させるためのシール部１６
とにより構成される。

前述のように構成された本発明による表面改質装置によ
って、大型構造物１２の一部分、図に示す太い実線で示
した部分１８を、耐摩耗性の高い性質に変える場合の方
法を以下に説明する。

ます、大型構造物１２と真空容器１を気密に連結し、真
空損気装置２により容器内雰囲気を１０−６’ｒｏｒｒ
ｐｊ度まで充分に排気する。その後、ガス導入［１１９
から窒素ガスを導入し、容器内圧力１０−３〜’Ｊ　Ｏ
−”　Ｔｏｒｒの状態て、フィラメント５に電流を流す
と同時に、フィラメント５と容器６との間に１ｆｆＥ流
電圧を印加することにより、フイラメンｌ−５から発４
Ｐする熱電子を加速し、容器６内に窒素ガスプラズマを
生成させる。他方、るつぼ９内の金属１０であるチタン
等を蒸発させ、容器内雰囲気３内にチタン蒸気を発生さ
せる。この状態で、引出し電極７の２枚の電極７−１．
７／−２間に、１０ＫＶ〜２０ＫＶ程度の電圧を印加す
ると、荷電粒子照射装Ｗ４の容器６内に生成しているプ
ラズマから正電荷イオンが、真空容器１の容器内雰囲気
３内に引出され、大型構造物↑２の表面を照射する。こ
のとき、正電荷イオンすなわち窒素イオンは、容器内雰
囲気３内にある金属粒子１１ずなわちチタン粒子と結合
し、窒化チタンとなり、この窒化チタンが、大型構造物
１２の表面に密着性よく堆積する。

前述した本発明の第１の実施例によれば、加工対象とな
る大型構造物全体を真空容器内に入れる必要がないので
、表面改質装置は小型のものでよく、また、大型構造物
を固定した状態で、構造物の所要の部分のみの表面改質
を行うことが可能となる。

また、本発明の第１の実施例による表ｉｎｊ改質装置を
用いる方法は、金属の蒸着とイオンの照射を同時に実施
しているので、加工の対象となる大型構造物の温度を」
ユげることなく、大型構造物の表面に充分密着性のよい
膜を形成することができるので、すでに熱処理等のプロ
セスを経た構造体についても、構造体の状態を変化させ
ることなく加工を実施することができ、この加工によっ
て、熱応力等が発生することもない。すなわち、前述の
本発明の第１の実施例によれば、大型構造体として機械
加工、熱処理等が完了し、組立てられている状態のもの
であっても、その構造体の表面改質を行うことが可能と
なる。

第２図は本発明の第２の実施例の構成を示す断面図であ
る。第２図において、２１は平面状の大型構造体、２２
は第２の荷電粒子照射装置、２３は表面改質部であり、
他の符号は第１図の場合と同一である。

第２図に示す本発明の第２の実施例は、加工対象とする
大型構造物が平面である場合に本発明を適用した例であ
り、第１図に示すと同様な荷電粒子照射装置４と、第１
の荷電粒子照射装置４とは別に第２の荷電粒子照射装置
２２とを備え、第１の荷電粒子照射装置４とは異なる種
類の荷電粒子を照射可能としている。また、この実施例
では、大型構造物２１を平面構造としているので、第１
の実施例のようなフレキシブル構造の真空シール装置が
不要となり、本発明による表面改質装置は、単に、大型
構造物１２の平面上の表面改質を実施する部分に置かれ
た状態で使用され、その間の真空シールは、公知の○リ
ング等により行うことが可能である。

真空容器１は、平面上の大型構造体２１の一部を利用し
て容器内雰囲気３を構成しており、真空排気装置２によ
って排気される。第１の荷電粒子照射装置４は、第１図
に示すものと同一の構造を有しており、第２図にはその
詳細を省略して図示していない。この第１の荷電粒子照
射装置４は、窒素イオン等の常温で気体である物質のイ
オンを照射する。他方、第２の荷電粒子照射装置２２は
、金属イオン等の常温で固体の物質のイオンを照射１］ するために用いられる。金属イオン照射装置としては、
たとえば、シン　ソリッド　フィルムダ（Ｔｈｊｎ　　
５ｏｌｉｄ　　Ｆｉ］ｍｓ）第９巻（１９８２）、第１
頁〜第９頁に記載されたクラスターイオンビーム発生装
置等を用いることができる。

第２図に示す本発明の第２の実施例を用いる大型構造物
２１に対する表面改質は、次のようにして実施される。

真空容器」を真空封止状態として大型構造体２１に取り
付け、真空排気装置２で容器内雰囲気３を１０−’Ｔｏ
ｒｒまで排気する。その後、ガス導入口１９から、例え
ば、窒素ガスを導入し、容器６内でガスをプラズマに生
成し、引出し電極７により窒素イオンを容器内雰囲気中
に引出し、大型構造物２１の容器内雰囲気３に面した部
分に、この窒素イオンをイオンビームとして照射する。

また、前述と同時に、第２の荷電粒子照射装置２２から
、例えば、チタンや硼素等をイオン化して、比較的低い
電圧（数１００Ｖ〜数ＫＶ）で容器内雰囲気中に引出し
、大型構造物２１にイオンビームとして照射する。これ
により、大型構造物２］の所定部分の表面改質部２３に
、窒化チタンあるいは窒化硼素等の膜が形成される。

前述において、荷電粒子照射装置４から荷電粒子を引出
すときの加速電圧あるいは荷電粒子照射装置２２から照
射されるイオン量等を制御することにより、大型構造物
１２の表面改質部２３に形成される膜の接着強度、結晶
構造、配向性等を制御することが可能である。これによ
り、大型構造物の一部分に硬度や耐蝕性、耐摩耗性に優
れた特性を有する膜を形成することができる。

前述した本発明の第２の実施例は、加工対象となる大型
構造物が平面上の場合であり、第１図に示した第１の実
施例のようなフレキシブル構造の真空シール装置を不要
とすることができ、また、真空容器１を大型構造物２１
の」二面上で、真空シール状態を保持したまま走行でき
るようにすることが可能であり、大型構造物２１−の表
面改質部分２３を連続的に延長することが可能となる。

従って、本発明によれば、大面積を有する平面上の犬型
構造物の広い面についても表面改質を施すことができる
。

第３図は本発明の第３の実施例の構成を示す断面図であ
る。第３図においで、３１は大型構造物、３３は第３の
荷電粒子照射装置、３４は表面改質部であり、他の符号
は第１図の場合と同一である。

第３図に示す本発明の第３の実施例は、荷電粒子照射装
置を３個設けた例であり、第２図に示した本発明の第２
の実施例に対して、被加工物の表面改質の過程で、第１
の荷電粒子照射装置４とは異なる加速エネルギーの荷電
粒子、正イオンビー１１に限らず、電子ビーム等をも照
射可能としたものである。この本発明の第３の実施例は
、真空容器１、真空排気装置２、大型構造物３１、フレ
キシブル構造の真空シール装置４３、第１の荷電粒子照
射装置４、第２の荷電粒子照射装置２２、第３の荷電粒
子照射装置３３によって構成され、大型構造物３１の一
部に表面改質部３４を形成するものである。

この第３の実施例において、第１の荷電粒子照射装置４
は、窒素あるいは酸素等のイオンビームを比較的高エネ
ルギー（ＩＯＫＶ〜５０ＫＶ程度）で照射し、この照射
中、第２の荷電粒子照射装置２２は、チタンや硼素等の
イオンビームを比較的低いエネルギー（数１００Ｖ〜数
ＫＶ程度）で照射し、大型構造物３１の所定の部分に表
面改質部３４を形成する。この方法は、第２図により説
明した方法と同一である。そして、この実施例における
第３の荷電粒子照射装置３３は、大型構造物３１の表面
改質部３４に、電子ビームあるいはアルゴン等の不活性
ガスのイオンビームを照射する。

この第３の荷電粒子照射装置３３により照射される荷電
粒子のビームは、大型構造物３４の表面に形成される表
面改質部３４の性質を変えるために利用することができ
る。例えば、このビームは、熱的作用を行うことができ
、第］の荷電粒子照射装置４からの高エネルギー粒子に
よって、大型構造物３４の表面改質部に発生した応力を
緩和することができる。また、このビームは、第１、第
２の荷電粒子照射装置からの正イオン照射による大型構
造物３１表面への正電荷の残留を中和して、残留正電荷
を無くすことができる。一般に、大型構造物表面等への
正電荷の残留は、腐食の要因となるので、第３の荷電粒
子照射装置３３より、電子ビームを照射すれば、表面を
中性化して、耐腐食性を向上させることができる。

前述の本発明の第３の実施例によれば、大型構造物の一
部に、例えば、窒化チタン、窒化硼素等の耐摩耗性に優
れ、さらに、耐腐食性に優れた緻密な膜による残留応力
による歪のない表面改質部３４を形成することができる
。

この本発明の第３の実施例においては、第３の荷電粒子
照射装置３３を用いて、対象物である大型構造物の表面
改質部に電子ビームを照射し、表面の活性度を低下させ
、耐蝕性を向上させるようにしているが、第１図、第２
図に示す本発明の第１、第２の実施例においても、大型
構造物に表面改質部形成後、第１の荷電粒子照射装置４
の引出し電極７の２つの電極７−１．７−２に印加する
電圧を逆極性とすることにより、荷電粒子照射装］６ 置の容器６内に生成されたプラズマから電子を引出して
、同様な作用を行わせることができる。

第４図は本発明の第４の実施例の構成を示す断面図であ
る。第４図において、４２は電子源、４３は電子加速電
極、４４は電子収束電極、４５は偏向電極であり、他の
符号は第３図の場合と同一である。

この本発明の第４の実施例は、真空容器］−内に電子源
４２と、電子源４２からの電子を制御するための電極４
３〜４５を設け、電子ビームにより大型構造物３１の表
面改質を行うものである。

この実施例において、真空排気装置２が容器内雰囲気３
を充分に低い圧力まで排気すると、電子源４２により発
生した電子は、電極４．３．４４により加速、収束され
てビーム状に形成され、偏向電極４５に印加する電圧を
制御することにより、大型構造物３４の表面の所定の範
囲内を走査する。

収束した電子ビームを照射することにより、大型構造物
の表面改質部３４は、加熱、溶融され、大型構造物の表
面近傍の特性が変質する。

前述の本発明の第４の実施例は、真空容器１内に電子源
と、該電子源からの電子を制御する電極を備えるのめで
あるので、真空容器１を小型にできるという効果を有す
る。特に、所要の表面改質部の面積が小さい場合に有効
である。また、真空排気装置２をプラグイン方式に構成
し、フレキシブル構造の真空装置］−３を、ゴム状の弾
性体で構成し、大型構造体に押し付ける程度で真空シー
ルが確保できる形状とすれば、ハンディな小型な表面改
質装置を提供することが可能となる。また、前述した本
発明の第３．第４の実施例において、大型構造物３１の
表面の凹凸が少ない場合には、真空容器１内を真空状態
に保持したまま、真空容器１を大型構造物の表面１−で
移動させることが可能である。

［発明の効果］ 以」−説明したように、本発明によれば、大型構造物に
対して、荷電粒子を照射する方法により、その一部の表
面の性質を改善することができるので、大型構造物の耐
摩耗性や耐蝕性を要求される部分のみを改質２強化する
ことが可能となる。。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図及び第４図はそれぞれ本発明の
第１．第２．第３及び第４の実施例の構成を示す断面図
である。 １　　真空容器、２　　真空排気装置、３・容器内雰囲
気、４，２２．３３　　・荷電粒子照射装置、５　・　
フィラメント、６　・　荷電粒子照射装置の容器、７・
・引出し電極、７−１−　プラズマ室側電極、７−２　
　真空容器側電極、８・永久磁石群、９・　るつぼ、１
０・　・金属、１１金属粒子、１２，２１，３１　　　
大型構造物、］３　・・真空シール装置、１４．１６　
−シール部、１５・　フレキシフル構造体、１７−真空
容器の端面、１８，２３．３４　　　表面改質部、１９
　　ガス導入１」、４２　　電子源、４３電子加速電極
、４４−電子収束電極、４５偏向電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空排気装置により大気圧より低い圧力に封止可能
   な真空容器と、該真空容器に取り付けられた少なくとも
   １個の荷電粒子照射装置または電子ビーム照射装置とを
   備え、前記真空容器内の試料表面に荷電粒子または電子
   ビームを照射する表面改質装置において、前記試料が前
   記真空容器の一部となるように構成したことを特徴とす
   る表面改質装置。 ２、前記試料と前記真空容器との間が、試料表面に沿う
   シール部と、真空容器に対するシール部と、前記両シー
   ル部間を接合する可撓性部材とにより構成されるフレキ
   シブル構造の真空シール装置で結合されることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の表面改質装置。 ３、前記試料と前記真空容器との間が、前記フレキシブ
   ル構造の真空シール装置を用いることなく結合されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の表面改質装
   置。 ４、前記真空容器は、その内部が真空状態に保持された
   ままで、前記試料の面上を移動可能であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の
   表面改質装置。 ５、前記真空容器内に少なくとも１個の蒸発装置を備え
   、前記荷電粒子照射装置からの荷電粒子の照射と、前記
   蒸発装置からの物質の蒸発とを同時に行うことを特徴と
   する前記特許請求の範囲第１項ないし第４項のうち１項
   記載の表面改質装置。 ６、前記荷電粒子照射装置が複数個備えられる場合、そ
   れぞれの荷電粒子照射装置は、種類の異なる荷電粒子を
   照射することを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第５項のうち１項記載の表面改質装置。 ７、前記荷電粒子照射装置は、荷電粒子引出し用の電極
   を備え、該電極に印加する電圧の極性を変えることによ
   り、電子ビームの照射が可能であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第６項のうち１項記載の表面
   改質装置。 ８、機械加工、熱処理等を完了し、組立てられた状態の
   大型構造物に対し、荷電粒子照射、電子ビーム照射、あ
   るいはその双方を実施することにより、前記大型構造物
   の表面を改質することを特徴とする表面改質方法。