JPH10265937A - Nitriding method by plasma jet and device therefor - Google Patents
Nitriding method by plasma jet and device thereforInfo
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- JPH10265937A JPH10265937A JP10834797A JP10834797A JPH10265937A JP H10265937 A JPH10265937 A JP H10265937A JP 10834797 A JP10834797 A JP 10834797A JP 10834797 A JP10834797 A JP 10834797A JP H10265937 A JPH10265937 A JP H10265937A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、常圧で発生させた
プラズマジェットを用いて金属表面の酸化物除去と窒化
処理を同時に行う方法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for simultaneously performing oxide removal and nitriding of a metal surface using a plasma jet generated at normal pressure.
【０００２】[0002]
【従来の技術】高温で疲労強度や耐磨耗性が要求される
機械部品や金型は窒化処理が必要であり、特に焼き入れ
強化することのできないオーステナイト系ステンレス鋼
等の表面強化を可能にするためには窒化処理が必要であ
る。2. Description of the Related Art Machine parts and molds that require fatigue strength and wear resistance at high temperatures require a nitriding treatment, which makes it possible to strengthen the surface of austenitic stainless steel, which cannot be quenched and strengthened. To do so, a nitriding treatment is required.
【０００３】一般に、金属の耐食性、耐熱性、耐磨耗性
を高めるため、窒素プラズマにより金属表面を窒化処理
して硬化させる技術が従来から知られている。In general, a technique of nitriding and hardening a metal surface with nitrogen plasma to improve corrosion resistance, heat resistance, and abrasion resistance of the metal has been conventionally known.
【０００４】窒素のプラズマ化には、減圧下で発生させ
たアークによりプラズマ化する方法や、プラズマトーチ
内で発生させたアークに窒素ガスを含む作動ガスを導入
して窒素のプラズマジェットとする方法がある。前者は
減圧するための真空チャンバーが必要で且つバッチ処理
となり、板材の窒化処理を行うには装置が大型化するの
に対し、後者のプラズマジェットとする方法は常圧で窒
化処理でき、成膜速度も速いため工業的には有利であ
る。[0004] Nitrogen plasma is converted into a plasma by an arc generated under reduced pressure or by introducing a working gas containing nitrogen gas into an arc generated in a plasma torch to form a nitrogen plasma jet. There is. The former requires a vacuum chamber to reduce the pressure and requires batch processing, and the apparatus used to perform plate nitriding requires a large-sized apparatus. Since the speed is high, it is industrially advantageous.
【０００５】窒素のプラズマジェットにより窒化する方
法として、特開昭５７−１３７４６１号公報には、プラ
ズマトーチを用い作動ガスにＮ2 を混入してプラズマジ
ェットアークを発生させてステンレス鋼に照射すること
により、短時間で表面粗度の優れた局部表面硬化を行う
ことが開示されている。また、特開昭６２−２１１３６
５号公報には、Ｔｉ等の表面にＮ2 のプラズマジェット
を吹き付けてＴｉＮ等の窒化物皮膜を形成する際、Ｎ2
プラズマ炎を他のＮ2 ガスで大気からシールドすること
により、簡単に金属化皮膜を形成させることが開示され
ている。さらに、特公平７−１７９９６号公報には、３
重構造のトーチの中央からＡｒ等のプラズマ作動ガス
を、その周囲からＮ2 やＣＨ4 ガス等の反応ガスを、さ
らにその周囲からＡｒ等のシールドガスを噴出させて窒
化層や炭化層を形成させることが開示されている。そし
て、特開平７−２８４９５１号公報には、図３（ａ）に
示すように、プラズマトーチの外ノズルの中心軸線と交
差する方向で広幅化させて照射することが開示されてい
る。As a method of nitriding by a nitrogen plasma jet, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-137461 discloses a method in which N 2 is mixed into a working gas using a plasma torch to generate a plasma jet arc and irradiate stainless steel. Discloses that a local surface hardening having excellent surface roughness is performed in a short time. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-21136
The 5 discloses, in forming a nitride film such as TiN by blowing plasma jet N 2 on the surface of Ti or the like, N 2
It is disclosed that a metallized film can be easily formed by shielding the plasma flame from the atmosphere with another N 2 gas. Furthermore, Japanese Patent Publication No. 7-17996 discloses that
A plasma working gas such as Ar is spouted from the center of the double torch, a reactive gas such as N 2 or CH 4 gas is spouted from the surroundings, and a shielding gas such as Ar is spouted from the surroundings to form a nitrided layer or a carbonized layer. Is disclosed. Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-284951 discloses that, as shown in FIG. 3A, irradiation is performed with the width increased in a direction intersecting with the center axis of the outer nozzle of the plasma torch.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５７−１３７４６１号公報、特開昭６２−２１１３６５
号公報、特公平７−１７９９６号公報等記載の従来法は
局部的な窒化処理を目的としており、板状の金属部材を
搬送しながら表面を窒化処理する場合、プラズマジェッ
トを横方向にスキャンさせる必要がある。特開平７−２
８４９５１号公報記載の方法は、プラズマジェットの広
幅化には有効であるが、表面を均一に加熱して酸化物を
除去することが目的で、表面を窒化処理する技術思想は
なかった。However, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 57-137461 and 62-21365.
The conventional method described in Japanese Patent Application Publication No. 7-17996 and Japanese Patent Publication No. 7-17996 aims at a local nitriding treatment. When nitriding the surface while transporting a plate-shaped metal member, a plasma jet is scanned in a lateral direction. There is a need. JP-A-7-2
The method described in JP 84951 is effective for widening the plasma jet, but there is no technical idea of nitriding the surface for the purpose of uniformly heating the surface to remove oxides.
【０００７】本発明は、窒素のプラズマジェットによる
金属表面の窒化処理において、窒素プラズマジェットの
照射面積を広幅化する際、窒素プラズマジェットの温度
分布の均一部を拡大し、窒素プラズマをスキャンさせる
ことなく、金属表面の広い面積を迅速に窒化処理するこ
とを目的とする。According to the present invention, in a nitriding treatment of a metal surface by a nitrogen plasma jet, when the irradiation area of the nitrogen plasma jet is widened, a uniform portion of the temperature distribution of the nitrogen plasma jet is enlarged to scan the nitrogen plasma. In addition, an object of the present invention is to rapidly nitride a large area of a metal surface.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
（１）〜（８）の通りである。The gist of the present invention is as follows (1) to (8).
【０００９】（１）プラズマトーチ内で発生させたプラ
ズマアークに窒素含有ガスを供給し、プラズマトーチの
外ノズルから窒素のプラズマジェットを被処理材表面に
照射する際に、該外ノズルの中心軸線に対して対称な２
箇所以上から前記プラズマジェットの方向に窒素ガスを
噴出させて前記プラズマジェットを広幅化させ、該被処
理材表面を窒化処理することを特徴とするプラズマジェ
ットによる窒化方法。(1) When a nitrogen-containing gas is supplied to a plasma arc generated in a plasma torch and a plasma jet of nitrogen is irradiated from the outer nozzle of the plasma torch onto the surface of the material to be processed, the central axis of the outer nozzle is used. 2 symmetric with respect to
A nitriding method using a plasma jet, characterized in that a nitrogen gas is jetted from a location or more in the direction of the plasma jet to widen the plasma jet, and a surface of the material to be treated is nitrided.
【００１０】（２）前記窒素ガスを帯状に噴出させるこ
とを特徴とする前記（１）のプラズマジェットによる窒
化方法。(2) The nitriding method using a plasma jet according to (1), wherein the nitrogen gas is ejected in a strip shape.
【００１１】（３）予熱した窒素ガスを噴出させること
を特徴とする前記（１）または（２）のプラズマジェッ
トによる窒化方法。(3) The nitriding method using a plasma jet according to the above (1) or (2), wherein a preheated nitrogen gas is jetted.
【００１２】（４）予熱した被処理材表面に広幅化した
窒素のプラズマジェットを照射することを特徴とする前
記（１）〜（３）のいずれかのプラズマジェットによる
窒化方法。(4) The nitriding method using a plasma jet according to any one of the above (1) to (3), wherein the preheated surface of the material to be treated is irradiated with a widened nitrogen plasma jet.
【００１３】（５）窒素のプラズマジェットを発生させ
るプラズマトーチの外ノズルの端部に末広がりの噴出ノ
ズルを冷却可能に設け、該噴出ノズルの内壁面に２箇所
以上の広幅化用の窒素ガス噴出孔を、前記外ノズルの中
心軸線に対して対称な位置、かつ窒素ガスの噴出方向が
前記外ノズルの中心軸線で互いに交差するように設けた
ことを特徴とするプラズマジェットによる窒化装置。(5) A divergent jet nozzle is provided at the end of the outer nozzle of the plasma torch for generating a nitrogen plasma jet so as to be coolable, and two or more nitrogen gas jets for widening the inner wall surface of the jet nozzle are provided. A plasma jet nitriding apparatus characterized in that the holes are provided symmetrically with respect to the center axis of the outer nozzle, and so that the jetting direction of nitrogen gas crosses each other at the center axis of the outer nozzle.
【００１４】（６）末広がりの噴出ノズルの内壁面に設
けた広幅化用の窒素ガス噴出孔への各窒素ガス供給ライ
ンに流量調節器を設けたことを特徴とする前記（５）の
プラズマジェットによる窒化装置。(6) The plasma jet according to (5), wherein a flow rate controller is provided in each nitrogen gas supply line to the widening nitrogen gas ejection hole provided on the inner wall surface of the divergent ejection nozzle. By nitriding equipment.
【００１５】（７）広幅化用の窒素ガス噴出孔への各窒
素ガス供給ラインに予熱装置を設けたことを特徴とする
前記（５）または（６）のプラズマジェットによる窒化
装置。(7) The plasma jet nitriding apparatus according to the above (5) or (6), wherein a preheating device is provided in each nitrogen gas supply line to the widening nitrogen gas ejection hole.
【００１６】（８）末広がりの噴出ノズルを着脱可能に
設けたことを特徴とする前記（５）〜（７）のいずれか
のプラズマジェットによる窒化装置。(8) The nitriding apparatus using a plasma jet according to any one of (5) to (7), wherein the divergent jet nozzle is detachably provided.
【００１７】なお、本発明における被処理材は、Ｆｅ、
Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ等の金属または化合物を示す。The material to be treated in the present invention is Fe,
A metal or a compound such as Al, Ti, or Si is shown.
【００１８】プラズマトーチ内で発生させたプラズマア
ークに窒素含有ガスを供給し、常圧でプラズマトーチの
外ノズルから窒素のプラズマジェットを被処理材表面に
照射する際に、該外ノズルの中心軸線に対して対称な２
箇所以上からプラズマジェットの方向に窒素ガスを噴出
させ、前記プラズマジェットに衝突させることにより、
外ノズルの中心軸線に対して垂直な面方向に分散させ、
プラズマジェットを広幅化することができる。When a nitrogen-containing gas is supplied to the plasma arc generated in the plasma torch and the surface of the workpiece is irradiated with a nitrogen plasma jet from the outer nozzle of the plasma torch at normal pressure, the center axis of the outer nozzle is 2 symmetric with respect to
By ejecting nitrogen gas in the direction of the plasma jet from above the location and colliding with the plasma jet,
Disperse in the plane direction perpendicular to the center axis of the outer nozzle,
The plasma jet can be widened.
【００１９】さらに、広幅化用窒素ガスを予熱するか、
および／または被処理材である金属を予熱した後に窒化
処理することにより、広幅化用窒素ガスの噴出量を増加
させた場合においてもプラズマジェットの温度低下が避
けられ、広幅化用窒素ガスの流速の調節により、プラズ
マジェットの窒化処理可能な均一温度部を拡大すること
ができる。したがって、プラズマジェットを横方向にス
キャンさせることなく、被処理材を搬送しながら被処理
材表面を短時間で窒化処理することができる。Further, the nitrogen gas for widening is preheated or
By preheating and / or nitriding the metal to be treated, the temperature of the plasma jet can be prevented from lowering even when the amount of the nitrogen gas for widening is increased, and the flow rate of the nitrogen gas for widening can be prevented. By adjusting the temperature, it is possible to enlarge the uniform temperature portion where the plasma jet can be subjected to the nitriding treatment. Therefore, the surface of the material to be treated can be subjected to the nitriding treatment in a short time while the material to be treated is conveyed without scanning the plasma jet in the lateral direction.
【００２０】本発明は、プラズマトーチの外ノズル端部
に末広がりの噴出ノズルを冷却可能に設けたことによ
り、窒素のプラズマジェットの広幅化時に噴出方向を大
きく乱すことがない。また、前記外ノズルの中心軸線に
対して対称な位置、かつ窒素ガスの噴出方向が前記外ノ
ズルの中心軸線で互いに交差するように、噴出ノズルの
内壁面に２箇所以上の広幅化用の窒素ガス噴出孔を設け
たことにより、プラズマジェットの位置で広幅化用の窒
素を衝突させ、広幅化することができる。この際、噴出
ノズルは内部配管に流通させた冷却水で冷却するため、
窒素ガス噴出孔は操業時のプラズマジェットの輻射熱で
溶損することはなく、操業時の輻射熱による変形で噴出
角度が変化することも少ないため、安定してプラズマジ
ェットを広幅化することができる。According to the present invention, the divergent jet nozzle is provided at the end of the outer nozzle of the plasma torch so that it can be cooled, so that the jet direction of the nitrogen plasma jet is not greatly disturbed at the time of widening. In addition, two or more nitrogen for widening are provided on the inner wall surface of the ejection nozzle such that the nitrogen gas ejection direction intersects with each other at the center axis of the outer nozzle at a position symmetrical with respect to the center axis of the outer nozzle. By providing the gas ejection holes, it is possible to widen the width by colliding nitrogen for widening at the position of the plasma jet. At this time, the jet nozzle is cooled by cooling water circulated through the internal piping,
The nitrogen gas ejection holes are not melted by the radiant heat of the plasma jet during operation, and the ejection angle is hardly changed by the deformation due to the radiant heat during operation, so that the plasma jet can be stably widened.
【００２１】また、広幅化用の窒素ガス噴出孔への各窒
素ガス供給ラインに設けた流量調節器で各窒素ガス噴出
孔から噴出する窒素量を増減して、プラズマジェットへ
の窒素ガスの衝突位置を微調節することにより広幅化し
たプラズマジェットを均等にできる。Further, the amount of nitrogen ejected from each nitrogen gas ejection hole is increased or decreased by a flow controller provided in each nitrogen gas supply line to the nitrogen gas ejection hole for widening, so that the nitrogen gas impinges on the plasma jet. By finely adjusting the position, the widened plasma jet can be made uniform.
【００２２】さらに、窒素ガスの供給ラインに設けた予
熱装置で広幅化用の窒素ガスを予熱することによりプラ
ズマジェットの温度低下が避けられ窒化処理面積を拡大
することができる。Further, by preheating the widening nitrogen gas with a preheating device provided in the nitrogen gas supply line, the temperature of the plasma jet can be prevented from lowering and the nitriding area can be increased.
【００２３】さらに、末広がりの噴出ノズルを着脱可能
とすることにより、噴出ノズルの交換だけで広幅化用の
窒素ガスの噴出角度、噴出孔数、噴出孔径等の噴出条件
の変更が容易にでき、かつ噴出ノズルのメンテナンスも
簡便である。Further, by making the divergent ejection nozzle detachable, it is possible to easily change the ejection conditions such as the ejection angle, the number of ejection holes, and the ejection hole diameter of the nitrogen gas for widening only by replacing the ejection nozzle. Also, maintenance of the ejection nozzle is simple.
【００２４】[0024]
【発明の実施の形態】図１に一例を示すように、プラズ
マトーチ１６の外ノズル８ｎから噴出される窒素のプラ
ズマジェット１０は約１５００〜２０００℃と非常に高
温のため、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ等の金属または化合
物からなる被処理材１５の表面に照射すると表面が加熱
され、酸化物を除去するとともに窒化処理することがで
きる。ただし、加熱し過ぎると溶融するため、プラズマ
トーチ１６と被処理材１５との間隔、プラズマ電流、プ
ラズマガス量により加熱温度を調節する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown in FIG. 1, the plasma jet 10 of nitrogen jetted from an outer nozzle 8n of a plasma torch 16 has a very high temperature of about 1500 to 2000.degree. When the surface of the material to be treated 15 made of a metal or a compound such as Si or the like is irradiated, the surface is heated, thereby removing oxides and performing nitriding treatment. However, the heating temperature is adjusted according to the distance between the plasma torch 16 and the material 15 to be processed, the plasma current, and the amount of plasma gas, since the material is melted when heated excessively.
【００２５】プラズマジェット１０の方向に、プラズマ
トーチ１６の外ノズル８ｎの下端に末広がりの噴出ノズ
ル９を冷却可能に設け、噴出ノズル９の内壁面に２箇所
以上の広幅化用の窒素ガス噴出孔９1 、９2 を外ノズル
８ｎの中心軸線に対して対称な位置かつ窒素ガスの噴出
方向が前記外ノズル８ｎの中心軸線で互いに交差するよ
う設け、広幅化用窒素ガス１１を窒素ガス噴出孔９1 、
９2 より同時に噴出させ、プラズマジェット１０の位置
で衝突させることにより、プラズマジェット１０を噴出
方向に対し垂直面方向に分散させ、被処理材１５の窒化
処理範囲を広幅化させることができる。ただし、広幅化
用窒素ガス１１は被処理材１５の進行方向に対してほぼ
垂直方向に配置したスリット状ノズルから帯状に噴出さ
せることが好ましく、噴出角度はプラズマジェット１０
の噴出方向に対して６５〜７５度が好ましい。In the direction of the plasma jet 10, a divergent jet nozzle 9 is provided at the lower end of the outer nozzle 8n of the plasma torch 16 so as to be cooled, and two or more nitrogen gas jet holes for widening are provided on the inner wall surface of the jet nozzle 9. 9 1 and 9 2 are provided symmetrically with respect to the center axis of the outer nozzle 8n and the direction in which the nitrogen gas is jetted intersects with the center axis of the outer nozzle 8n. 9 1 ,
9 2 is ejected simultaneously from, by impinging at the location of the plasma jet 10, the plasma jet 10 is dispersed in a vertical plane direction with respect to the ejection direction can be broadened nitriding range of material to be treated 15. However, it is preferable that the widening nitrogen gas 11 is ejected in a strip shape from a slit-shaped nozzle arranged substantially perpendicularly to the traveling direction of the material 15 to be treated.
Is preferably 65 to 75 degrees with respect to the jetting direction.
【００２６】図６に示した他の例は、プラズマトーチの
外ノズル８ｎの外ノズル部材８を広幅化用窒素ガスの噴
出角度Ａに傾斜させてテーパーを設け、該外ノズル部材
８の傾斜に合わせて噴出ノズル９を装着する構成であ
る。したがって、窒素ガス噴出孔の加工が容易になり、
図１の噴出ノズル９の噴出孔角度に対してさらに精度を
向上させることができる。また、噴出ノズル９に冷却
管、噴出孔９1 、９2 への広幅化用窒素ガスの供給ライ
ンを一体化し、外ノズル部材８に対して嵌合させること
により着脱も可能である。In the other example shown in FIG. 6, the outer nozzle member 8 of the outer nozzle 8n of the plasma torch is tapered by inclining at an injection angle A of the nitrogen gas for widening the nozzle. In addition, the ejection nozzle 9 is mounted. Therefore, the processing of the nitrogen gas ejection hole becomes easy,
The accuracy with respect to the ejection hole angle of the ejection nozzle 9 in FIG. 1 can be further improved. In addition, the cooling nozzle and the supply line of the nitrogen gas for widening to the ejection holes 9 1 and 9 2 are integrated with the ejection nozzle 9 and can be attached and detached by being fitted to the outer nozzle member 8.
【００２７】さらに、５００℃以上、特に１０００℃程
度に予熱した広幅化用窒素ガス１１を窒素ガス噴出孔９
1 、９2 から噴出させれば、広幅化したプラズマジェッ
トで被処理材表面を加熱する際に１２００℃以上となる
均一部を拡大することができ、被処理材表面の酸化物を
除去して窒化する範囲を広幅化し、窒化処理時間を短縮
できる。広幅化用窒素ガス１１は、電気ヒーターで窒素
ガスと直接熱交換することにより予熱することができ
る。Further, the widening nitrogen gas 11 preheated to 500 ° C. or more, especially about 1000 ° C.
If ask jetted from 1, 9 2, it is possible to enlarge the uniform portion to be 1200 ° C. or more when heating the workpiece surface with a plasma jet was broadened to remove the oxides of the treated material surface The range of nitriding can be widened and the nitriding time can be reduced. The widening nitrogen gas 11 can be preheated by directly exchanging heat with nitrogen gas using an electric heater.
【００２８】さらに、被処理材を５００〜６００℃に予
熱した後に、広幅化したプラズマジェットを照射すれ
ば、常温の窒素ガスを噴出させる場合においても処理面
積を拡大することができる。被処理材は加熱炉で予熱す
る方法、またはプラズマトーチを多段に配置し、前段で
被処理材を予熱し、後段で窒化処理を行う方法等があ
る。Further, if the material to be treated is preheated to 500 to 600 ° C. and then irradiated with a widened plasma jet, the processing area can be increased even when nitrogen gas at normal temperature is ejected. There is a method in which the material to be treated is preheated in a heating furnace, or a method in which plasma torches are arranged in multiple stages, the material to be treated is preheated in a preceding stage, and a nitriding treatment is performed in a subsequent stage.
【００２９】窒素ガスと被処理材の予熱を組み合わせれ
ば、プラズマ電流およびプラズマトーチと被処理材との
間隔の自由が大きくなり、温度制御が容易となる点で好
ましい。The combination of the nitrogen gas and the preheating of the material to be treated is preferable in that the plasma current and the space between the plasma torch and the material to be treated are increased, and the temperature control becomes easy.
【００３０】広幅化用窒素ガス１１を噴出させる窒素ガ
ス噴出孔９1 、９2 は、外ノズル８ｎの下端に設けた噴
出ノズル９の内壁面に外ノズル８ｎの中心軸線に対して
対称な相対向する２箇所に設けた構造が最も簡単で好ま
しいが、特に２箇所に限定するものではなく、奇数の場
合は外ノズルの中心軸線に対して対称位置にすれば良
い。The nitrogen gas ejection holes 9 1 and 9 2 for ejecting the widening nitrogen gas 11 are provided on the inner wall surface of the ejection nozzle 9 provided at the lower end of the outer nozzle 8n and symmetrically with respect to the center axis of the outer nozzle 8n. The structure provided at two locations facing each other is the simplest and preferable. However, it is not particularly limited to two locations. In the case of an odd number, the structure may be symmetrical with respect to the center axis of the outer nozzle.
【００３１】プラズマジェットで広い面積を窒化処理す
る場合、プラズマジェットが被処理材表面で均一に広幅
化するように窒素ガス噴出孔９1 、９2 から窒素ガスを
噴出し、プラズマジェット位置で衝突させる必要があ
る。プラズマジェットの広幅化条件に応じて、窒素ガス
の噴出角度、噴出孔断面積が決まり、該設計条件の窒素
ガス噴出孔を設けた噴出ノズルを外ノズル下端に冷却可
能に装着する。しかし、窒素ガス噴出孔９1 、９2 から
噴出する広幅化用窒素のガス流量、噴出角度が微妙に異
なると均等に広幅化できない。操業中に広幅化用窒素ガ
スの噴出角度の調節は困難であるため、図３（ｂ）に示
すように窒素ガス噴出孔９1 、９2 への各窒素ガス供給
ラインに設けた流量調節器２３で窒素ガス噴出量を微調
節し、図５に示すようにプラズマジェットと広幅化窒素
ガスとの衝突部２７より下の青色域２８端部のカーブ３
２が被処理材１５上の一定高さに形成され、青色域２８
の稜線３０1 、３０2 がプラズマジェット中心線３１に
対してほぼ同一角度となったフィシュテール状にする。When nitriding a large area with a plasma jet, nitrogen gas is ejected from the nitrogen gas ejection holes 9 1 and 9 2 so that the plasma jet is uniformly widened on the surface of the material to be treated, and collides at the plasma jet position. Need to be done. The jet angle and cross-sectional area of the nitrogen gas jet are determined according to the conditions for widening the plasma jet, and the jet nozzle provided with the nitrogen gas jet hole under the design conditions is mounted at the lower end of the outer nozzle so as to be coolable. However, if the gas flow rate and the jetting angle of the widening nitrogen jetted from the nitrogen gas jetting holes 9 1 and 9 2 are slightly different, the widening cannot be performed uniformly. Since it is difficult to adjust the jetting angle of the widening nitrogen gas during operation, a flow controller provided in each nitrogen gas supply line to the nitrogen gas jet holes 9 1 and 9 2 as shown in FIG. The nitrogen gas ejection amount is finely adjusted at 23, and as shown in FIG. 5, the curve 3 at the end of the blue region 28 below the collision portion 27 between the plasma jet and the widened nitrogen gas.
2 is formed at a constant height on the workpiece 15 and
Are formed in a fish tail shape in which the ridge lines 30 1 and 30 2 of the ジ ェ ッ ト have substantially the same angle with respect to the plasma jet center line 31.
【００３２】[0032]
【実施例１】図１に示すプラズマトーチ１６を用い、被
処理材１５として鋼材（ＳＵＳ３０４）の表面を窒化し
た実施例を図２に示す。プラズマ電流を２００〜５００
Ａ、加熱ガスに水素ガスと窒素ガスの混合ガス（窒素：
水素＝５０：５０）を使用し、ガス量を５０〜３００Ｎ
ｌ／ｍｉｎとし、電極ガスにアルゴンガスを使用し、ガ
ス量を２０〜３０Ｎｌ／ｍｉｎとして発生させたプラズ
マジェット１０を外ノズル８ｎから照射する際に、広幅
化用窒素ガス１１を外ノズル８ｎの中心軸線に対して対
向させた窒素ガス噴出孔９1 、９2 からそれぞれ５０〜
１５０Ｎｌ／ｍｉｎのガス量で供給し、鋼材を加熱し
た。この際、窒素ガス噴出孔９1 、９2 への各窒素ガス
供給ラインに設けた流量調節器２３で窒素ガス噴出量を
微調節し、プラズマジェットと広幅化用窒素ガスとの衝
突部２７より下の青色域２８端部のカーブ３２の高さを
被処理材１５上の目視基準線２９に対して１５ｍｍ上
に、青色域２８の稜線３０1 、３０2 がプラズマジェッ
ト中心線３１に対してほぼ同一角度で、該稜線と目視基
準線との距離を１０ｍｍとしたフィシュテール状にし
た。窒化した鋼材のＸＰＳ分析結果を図４に示す。Ａ、
Ｂは窒化した幅１５０〜２００ｍｍの内の代表点である
が、両者とも表層から５００Åまで窒素が入り込んで鋼
材が窒化していることがわかる。窒化に要した時間は１
０秒であった。Embodiment 1 FIG. 2 shows an embodiment in which the surface of a steel material (SUS304) is nitrided as the workpiece 15 using the plasma torch 16 shown in FIG. Plasma current of 200-500
A. A mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas (nitrogen:
(Hydrogen = 50: 50) and the gas amount is 50-300N
1 / min, an argon gas was used as an electrode gas, and when the plasma jet 10 generated at a gas amount of 20 to 30 Nl / min was irradiated from the outer nozzle 8n, the widening nitrogen gas 11 was applied to the outer nozzle 8n. nitrogen gas ejection holes 9 are opposed to the central axis 1, 9 2 from 50 respectively
The steel material was heated by supplying a gas amount of 150 Nl / min. At this time, the nitrogen gas ejection amount is finely adjusted by a flow rate controller 23 provided in each nitrogen gas supply line to the nitrogen gas ejection holes 9 1 and 9 2 , and a collision portion 27 between the plasma jet and the widening nitrogen gas is used. The height of the curve 32 at the end of the lower blue region 28 is 15 mm above the visual reference line 29 on the workpiece 15, and the ridge lines 30 1 and 30 2 of the blue region 28 are relative to the plasma jet center line 31. The fishtails were formed at substantially the same angle, with the distance between the ridge line and the visual reference line being 10 mm. FIG. 4 shows the XPS analysis results of the nitrided steel material. A,
B is a representative point within a nitrided width of 150 to 200 mm. In both cases, it can be seen that nitrogen enters from the surface layer to 500 ° and the steel is nitrided. The time required for nitriding is 1
It was 0 seconds.
【００３３】[0033]
【実施例２】図１に示すプラズマトーチ１６を用い、被
処理材１５として鋼材を窒化した実施例を図２に示す。
プラズマ電流を２００〜５００Ａ、加熱ガスに水素ガス
と窒素ガスの混合ガス（窒素：水素＝５０：５０）を使
用し、ガス量を５０〜３００Ｎｌ／ｍｉｎとし、電極ガ
スにアルゴンガスを使用し、ガス量を２０〜３０Ｎｌ／
ｍｉｎとして発生させたプラズマジェット１０を外ノズ
ル８ｎから照射する際に、広幅化用窒素ガス１１を外ノ
ズル８ｎの中心軸線に対して対向させた窒素ガス噴出孔
９1 、９2 からそれぞれ１５０〜２５０Ｎｌ／ｍｉｎの
ガス量で供給し、さらに図３（ｂ）に示す電気式熱交換
機２２を使用して広幅化用窒素ガス１１を約１０００℃
まで加熱して、鋼材を加熱した。窒化の状況は、窒化の
幅が２００〜３００ｍｍと拡大し、窒化時間が７秒に短
縮し、窒素ガスの予熱の効果が確認できた。Embodiment 2 FIG. 2 shows an embodiment in which a steel material is nitrided as the workpiece 15 using the plasma torch 16 shown in FIG.
A plasma current of 200 to 500 A, a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas (nitrogen: hydrogen = 50: 50) as a heating gas, a gas amount of 50 to 300 Nl / min, and an argon gas as an electrode gas; Gas volume 20-30Nl /
When exposed to the plasma jet 10 is generated as min from the outer nozzle 8n, respectively broadening for nitrogen gas 11 of nitrogen gas jetting holes 9 1 which has been opposed to the central axis of the outer nozzle 8n, 9 2 from 150 The gas is supplied at a gas flow rate of 250 Nl / min, and the nitrogen gas 11 for widening is supplied at about 1000 ° C. using an electric heat exchanger 22 shown in FIG.
To heat the steel. As for the state of nitriding, the nitriding width was expanded to 200 to 300 mm, the nitriding time was reduced to 7 seconds, and the effect of preheating nitrogen gas was confirmed.
【００３４】[0034]
【実施例３】図１に示すプラズマトーチ１６を用い、被
処理材１５として鋼材を窒化した実施例を図２に示す。
プラズマ電流を２００〜５００Ａ、加熱ガスに水素ガス
と窒素ガスの混合ガス（窒素：水素＝５０：５０）を使
用し、ガス量を５０〜３００Ｎｌ／ｍｉｎとし、電極ガ
スにアルゴンガスを使用し、ガス量を２０〜３０Ｎｌ／
ｍｉｎとして発生させたプラズマジェット１０を外ノズ
ル８ｎから照射する際に、広幅化用窒素ガス１１を外ノ
ズル８ｎの中心軸線に対して対向させた窒素ガス噴出孔
９1 、９2 からそれぞれ２５０〜３５０Ｎｌ／ｍｉｎの
ガス量で供給し、さらに図３（ｂ）に示す電気式熱交換
機２２を使用して広幅化用窒素ガス１１を約１０００℃
まで加熱した。鋼材は図２の電気ヒーターによる加熱室
１８で雰囲気温度１２００℃で４５秒間加熱し、鋼材温
度を６００℃まで予熱した。その結果、窒化の幅は３０
０〜４００ｍｍとなり、さらに、窒化時間は５秒に短縮
でき、窒素ガスの予熱および鋼材予熱による効果が得ら
れた。Embodiment 3 FIG. 2 shows an embodiment in which a steel material is nitrided as the workpiece 15 using the plasma torch 16 shown in FIG.
A plasma current of 200 to 500 A, a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas (nitrogen: hydrogen = 50: 50) as a heating gas, a gas amount of 50 to 300 Nl / min, and an argon gas as an electrode gas; Gas volume 20-30Nl /
When irradiating the plasma jet 10 generated as min from the outer nozzle 8n, the nitrogen gas 11 for widening is 250 to 250 from each of the nitrogen gas ejection holes 9 1 and 9 2 facing the central axis of the outer nozzle 8n. The gas is supplied at a gas amount of 350 Nl / min, and further the nitrogen gas 11 for widening is heated to about 1000 ° C. by using an electric heat exchanger 22 shown in FIG.
Until heated. The steel material was heated at an ambient temperature of 1200 ° C. for 45 seconds in a heating chamber 18 using the electric heater of FIG. 2 to preheat the steel material temperature to 600 ° C. As a result, the nitriding width is 30
0 to 400 mm, the nitriding time could be reduced to 5 seconds, and the effects of the preheating of the nitrogen gas and the preheating of the steel material were obtained.
【００３５】[0035]
【発明の効果】本発明によれば、常温、常圧の雰囲気中
で、短時間で被処理材をプラズマで窒化することができ
る。According to the present invention, the material to be treated can be nitrided with plasma in a short time in an atmosphere of normal temperature and normal pressure.
【図１】本発明の窒化装置を示す図である。FIG. 1 is a view showing a nitriding apparatus of the present invention.
【図２】本発明の一実施態様を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing one embodiment of the present invention.
【図３】窒素ガスの予熱を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing preheating of nitrogen gas.
【図４】本発明の方法により窒化した表面状態を示す図
である。FIG. 4 is a diagram showing a surface state nitrided by the method of the present invention.
【図５】本発明における広幅化用窒素ガスの調節法の概
念を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a concept of a method for adjusting a nitrogen gas for widening in the present invention.
【図６】本発明の窒化装置を示す図である。FIG. 6 is a view showing a nitriding apparatus of the present invention.
１ 電極 ２ チャック ３ キャップ ４ 電極台 ５ 基幹 ６ 内ノズル部材 ６ｎ 内ノズル ７ センターリングストーン ８ 外ノズル部材 ８ｎ 外ノズル ９ 噴出ノズル ９1 窒素ガス噴出孔 ９2 窒素ガス噴出孔 １０ プラズマジェット １１ 広幅化用窒素ガス １４ 絶縁カラー １５ 被処理材 １６ プラズマトーチ １８ 加熱室 １９ プラズマ室 ２０ 架台 ２１ レール ２２ 電気式熱交換機 ２３ 流量調節器 ２４ ストップバルブ ２５ 圧力計 ２６ 減圧弁 ２７ 衝突部 ２８ 青色域 ２９ 基準線 ３０1 、３０2 稜線 ３１ プラズマジェット中心線 ３２ カーブREFERENCE SIGNS LIST 1 electrode 2 chuck 3 cap 4 electrode base 5 backbone 6 inner nozzle member 6n inner nozzle 7 centering stone 8 outer nozzle member 8n outer nozzle 9 ejection nozzle 9 1 nitrogen gas ejection hole 9 2 nitrogen gas ejection hole 10 plasma jet 11 widening Nitrogen gas 14 Insulation collar 15 Material to be treated 16 Plasma torch 18 Heating chamber 19 Plasma chamber 20 Mount 21 Rail 22 Electric heat exchanger 23 Flow controller 24 Stop valve 25 Pressure gauge 26 Pressure reducing valve 27 Collision part 28 Blue region 29 Reference line 30 1 , 30 2 ridgeline 31 Plasma jet centerline 32 Curve
Claims (8)
アークに窒素含有ガスを供給し、プラズマトーチの外ノ
ズルから窒素のプラズマジェットを被処理材表面に照射
する際に、該外ノズルの中心軸線に対して対称な２箇所
以上から前記プラズマジェットの方向に窒素ガスを噴出
させて前記プラズマジェットを広幅化させ、該被処理材
表面を窒化処理することを特徴とするプラズマジェット
による窒化方法。When a nitrogen-containing gas is supplied to a plasma arc generated in a plasma torch and a plasma jet of nitrogen is radiated from an outer nozzle of the plasma torch onto a surface of a material to be processed, a center axis of the outer nozzle is A nitriding method using a plasma jet, characterized in that a nitrogen gas is jetted from two or more symmetrical locations in the direction of the plasma jet to widen the plasma jet and to perform a nitriding treatment on the surface of the workpiece.
特徴とする請求項１記載のプラズマジェットによる窒化
方法。2. The method according to claim 1, wherein the nitrogen gas is ejected in a strip shape.
徴とする請求項１または２記載のプラズマジェットによ
る窒化方法。3. The method according to claim 1, wherein a preheated nitrogen gas is jetted.
のプラズマジェットを照射することを特徴とする請求項
１〜３のいずれか記載のプラズマジェットによる窒化方
法。4. The method according to claim 1, wherein the preheated surface of the material to be treated is irradiated with a widened plasma jet of nitrogen.
ラズマトーチの外ノズルの端部に末広がりの噴出ノズル
を冷却可能に設け、該噴出ノズルの内壁面に２箇所以上
の広幅化用の窒素ガス噴出孔を、前記外ノズルの中心軸
線に対して対称な位置、かつ窒素ガスの噴出方向が前記
外ノズルの中心軸線で互いに交差するように設けたこと
を特徴とするプラズマジェットによる窒化装置。5. A divergent jet nozzle is provided at an end of an outer nozzle of a plasma torch for generating a nitrogen plasma jet so as to be coolable, and two or more nitrogen gas jet holes for widening the inner wall surface of the jet nozzle. A nitriding device using a plasma jet, wherein the nitrogen gas is jetted in a symmetrical position with respect to the center axis of the outer nozzle, and the nitrogen gas ejection directions intersect each other at the center axis of the outer nozzle.
広幅化用の窒素ガス噴出孔への各窒素ガス供給ラインに
流量調節器を設けたことを特徴とする請求項５記載のプ
ラズマジェットによる窒化装置。6. A plasma jet according to claim 5, wherein a flow rate regulator is provided in each nitrogen gas supply line to the widening nitrogen gas ejection hole provided on the inner wall surface of the divergent ejection nozzle. Nitriding equipment.
ス供給ラインに予熱装置を設けたことを特徴とする請求
項５または６記載のプラズマジェットによる窒化装置。7. A plasma jet nitriding apparatus according to claim 5, wherein a preheating device is provided in each nitrogen gas supply line to the widening nitrogen gas ejection hole.
たことを特徴とする請求項５〜７のいずれか記載のプラ
ズマジェットによる窒化装置。8. The plasma jet nitriding apparatus according to claim 5, wherein a divergent jet nozzle is detachably provided.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10834797A JPH10265937A (en) | 1997-01-23 | 1997-04-11 | Nitriding method by plasma jet and device therefor |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9-23112 | 1997-01-23 | ||
| JP2311297 | 1997-01-23 | ||
| JP10834797A JPH10265937A (en) | 1997-01-23 | 1997-04-11 | Nitriding method by plasma jet and device therefor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10265937A true JPH10265937A (en) | 1998-10-06 |
Family
ID=26360415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10834797A Withdrawn JPH10265937A (en) | 1997-01-23 | 1997-04-11 | Nitriding method by plasma jet and device therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10265937A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2007543A2 (en) * | 2006-04-20 | 2008-12-31 | Materials and Electrochemical, Research (Mer) Corporation | Method of using a thermal plasma to produce a functionally graded composite surface layer on metals |
| US20130316085A1 (en) * | 2012-05-24 | 2013-11-28 | Sulzer Metco Ag | Method of modifying a boundary region of a substrate |
| JP2015071811A (en) * | 2013-10-03 | 2015-04-16 | キヤノン株式会社 | Surface treatment method and metal member |
-
1997
- 1997-04-11 JP JP10834797A patent/JPH10265937A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2007543A2 (en) * | 2006-04-20 | 2008-12-31 | Materials and Electrochemical, Research (Mer) Corporation | Method of using a thermal plasma to produce a functionally graded composite surface layer on metals |
| EP2007543A4 (en) * | 2006-04-20 | 2011-04-27 | Mat & Electrochem Res Corp | Method of using a thermal plasma to produce a functionally graded composite surface layer on metals |
| US8203095B2 (en) | 2006-04-20 | 2012-06-19 | Materials & Electrochemical Research Corp. | Method of using a thermal plasma to produce a functionally graded composite surface layer on metals |
| US20130316085A1 (en) * | 2012-05-24 | 2013-11-28 | Sulzer Metco Ag | Method of modifying a boundary region of a substrate |
| JP2015071811A (en) * | 2013-10-03 | 2015-04-16 | キヤノン株式会社 | Surface treatment method and metal member |
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