JPS6112990B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、グロー放電により処理ガスをイオン
化させ、このイオンを被処理物に衝突させて窒化
処理を行うイオン窒化処理方法およびその装置に
関し、特に処理中に持続的なアーク放電が発生す
るのを防止するようにしたイオン窒化処理方法お
よびその装置に関するものである。

一般に、イオン窒化処理においては、真空反応
炉内で被処理物を陰極、炉壁を陽極として真空中
で直流電圧を印加してグロー放電を発生させ、窒
化処理を行うものである。

しかし、例えば、狭間隙部や細孔等を有する複
雑な形状の被処理物をイオン窒化処理する場合、
真空反応炉内の真空度を低くしてグロー放電の幅
を狭くし、グロー放電が上記狭間隙部や細孔の内
部まで入り込むようにしなければ、被処理物が均
一に窒化されないが、一方、炉内真空度を低くす
ると、アーク放電が発生しやすくなり、アーク放
電が多発すると連続的に継続する持続的アーク放
電に移行し、被処理物および被処理物を保持する
治具もしくは炉体などが著しく損傷することとな
る恐れがある。

すなわち、上記の如く、低真空度（高ガス
圧）、高電流密度などグロー放電が比較的不安定
になりやすい条件において陰極（被処理物、治具
等）の特定部分（例えば、小径長筒部、鋭利な尖
端、バリ等）に局部的にアーク放電が多発し、そ
の結果、当該部分が過熱して溶融することとな
る。このアーク放電（通常のアーク放電）の多発
により溶融した金属（鉄鋼）は気化し、処理ガス
（N₂，H₂など）に混入して金属イオンを含む雰囲
気ガスとなり、きわめて激しく且つその放電状態
が継続するアーク放電（持続的アーク放電）が生
起されるものである。

しかして、前記通常のアーク放電は瞬間的に過
大電流をともなつてスパークするのに対し、持続
的アーク放電は、放電電流については通常のアー
ク放電時より小さくしかも不安定に変動するとと
もに、放電電圧については急激に50〜200V程度
低下ししかも不安定に変動することが見い出され
た。また、持続的アーク放電が数秒以上持続する
と、陰極（被処理物、治具）および陽極の放電発
生部分は激しく溶融、損傷され、その部分の交
換、修理を余儀なくされ、特に炉体が損傷を受け
ると生産面、コスト面で重大な損害を受けること
となる。ただし、この持続的アーク放電が生起さ
れるのは、ごくまれなことであるが、一旦生起さ
れると上述のごとく重大な損害を受けるので、そ
の発生を未然に防止するのが好ましい。

一方、従来より通常のアーク放電の発生時に
は、瞬間的に過大電流が流れるために、放電電流
の大幅な上昇を検知し、直流電圧の印加を遮断す
る事により事故防止をはかつているが、持続的ア
ーク放電の場合には、放電電流の上昇は小幅で、
正常なグロー放電における電流変動と判別するの
が比較的困難であり、従来のアーク放電防止回路
がそのまま適用できるものではない。

そこで、本発明は、持続的アーク放電が発生し
た際、この持続的アーク放電の発生を単位時間当
りに低下する放電電圧の電圧変化により検知し、
精度良く持続的アーク放電への移行を阻止し、効
率よく安全に良好な窒化を行うイオン窒化処理方
法およびその装置を提供せんとするものである。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説
明する。

第１図において、１は内部が真空排気（排気系
は図示せず）される真空反応炉、２は該真空反応
炉１内に装入される陰極台３に載置される被処理
物、４は真空反応炉１内の外周に配設された円筒
状の発熱体、５は該発熱体４を被処理物２（陰
極）に対して電気的に遮蔽する遮蔽板である。

また、６は、前記遮蔽板５（炉壁）を陽極と
し、被処理物２を陰極として両極間に直流電圧を
印加してグロー放電を発生せしめるグロー放電用
電源装置、および、７は前記発熱体４に交流電圧
を印加する発熱体用電源装置である。

該発熱体用電源装置７は、交流電源８が変圧器
９、電流計１０を介して発熱体４に接続されてな
るとともに、真空反応炉１内の処理温度を検出す
る温度検出器１１からの温度測定信号と温度設定
信号とにより処理温度をフイードバツク制御する
温度制御回路１２を有し、発熱体４の発熱量を制
御する。

一方、グロー放電用電源装置６は、交流電源８
を位相制御により電圧調整を行うサイリスタ１３
に接続印加し、この位相制御した電圧を変圧器１
４にて昇圧する。変圧器１４の二次電圧を整流器
１５にて直流に整流し、該整流器１５の出力電圧
の陽極側を真空反応炉１の炉壁（遮蔽板５）に、
陰極側を被処理物２にそれぞれ印加してグロー放
電を生起させる。尚、１６は電磁開閉器である。

また、１７は上記サイリスタ１３の動作時期す
なわち放電電圧の調整をゲート信号の位相調整に
て制御する位相制御回路、１８は上記サイリスタ
１３へのゲート信号をアーク放電時に遮断するゲ
ート遮断回路であつて、該ゲート遮断回路１８は
放電電流および放電電圧を検出する電流電圧検出
器１９に接続され、グロー放電から通常のアーク
放電に移行したときに、放電電流の急激で大きな
上昇を検知してその値が設定値より大きければ瞬
時に動作してゲート信号を遮断するものである。

さらに、２０は上記ゲート遮断回路１８の信号
を受けグロー放電再開始時にアーク放電の再発生
を防ぐために放電電圧を徐々に上昇するように、
位相制御回路１７を動作せしめるソフトスタート
回路である。

次に、２１は電流電圧検出器１９で検出した放
電電圧の変動から持続的アーク放電を検知する持
続的アーク放電検知回路で、その検知信号は前記
ゲート遮断回路１８に出力されるとともに、警報
回路２２を介してソフトスタート回路２０に出力
される。

上記持続的アーク放電検知回路２１は、グロー
放電から持続的アーク放電への移行を、グロー放
電時の電圧変化（極めて僅少である）に比して持
続的アーク放電への移行時の電圧降下は急激であ
ることから、その放電電圧の低下における変動度
合すなわち単位時間当りの電圧変化（dv／dt）
から検出する方式のもの（第２図参照）と、持続
的アーク放電への移行時には50〜350Vの電圧降
下があることから、放電電圧値を設定電圧値と比
較して検出する方式のもの（第３図参照）とを並
列に有し、それぞれの検知信号がゲート遮断回路
１８および警報回路２２に出力される二重検知方
式に設けられているものである。

上記イオン窒化処理装置においては、先ず、１
〜10Torrの処理圧力に真空排気された真空反応
炉１に処理ガスを供給してH₂又はAr等の不活性
ガス雰囲気にした状態で、遮蔽板５を陽極とし、
陰極台３（すなわち被処理物２）を陰極としてグ
ロー放電用電源装置６によつて両極間に直流電圧
を印加しグロー放電を発生させると同時に、発熱
体４に発熱体用電源装置７によつて交流電圧を印
加して発熱させる。このグロー放電と発熱体４に
よる発熱との併用によつて被処理物２を放電窒化
可能な処理温度（300〜570℃、好ましくは550〜
560℃）に加熱昇温せしめる。上記処理温度にま
で加熱された後は、N₂とH₂の混合ガスを供給し
た状態で、被処理物２を温度制御回路１２による
発熱体４の発熱量制御によつて処理温度に保持し
つつ、グロー放電の出力を向上してこのグロー放
電によつてイオン窒化を行う。処理時間が経過し
た際にはグロー放電及び発熱体４の発熱を停止し
て冷却し、被処理物２を真空反応炉１から搬出し
て終了する。

第２図には、上記単位時間当りの電圧変化によ
り持続的アーク放電を検知する第１の検知回路２
１Ａを示し、電流電圧検出器１９で検出された放
電電圧は、絶縁増幅器Ａにて減衰されて入力さ
れ、CRフイルタＦを通してオペアンプIC₁にてイ
ンピーダンス変換され第１アナログスイツチAS₁
を通じて前段コンデンサC₉に充電される。上記
第１アナログスイツチAS₁および第１フオロア
IC₃の後に設けられた第２アナログスイツチAS₂
は、Ｃ−MOSを使用したクロツクゼネレータCL
により、単位時間（サンプリグ時間）毎に交互に
オン・オフ動作するように構成されている。これ
により、第１アナログスイツチAS₁がオンのとき
に前段コンデンサC₉に充電された検出値は、単
位時間の後半に第１アナログスイツチAS₁がオ
フ、第２アナログスイツチAS₂がオンとなつたと
きに、前段コンデンサC₉から第２アナログスイ
ツチAS₂を通つて後段コンデンサC₁₀に移され
る。後段コンデンサC₁₀に移された検出値（旧検
出値）は、高入力インピーダンスの第２フオロア
IC₄を通じて反転増幅器IC₂を経て第１抵抗R₈に
加えられる。

一方、単位時間が次の周期となつて第１アナロ
グスイツチAS₁がオン、第２アナログスイツチ
AS₂がオフとなると、新しい検出値が前段コンデ
ンサC₉に加えられ、この新検出値は第２フオロ
アIC₄と同様の高入力インピピーダンスの第１フ
オロアIC₃を通じてコンパレータIC₅の第２抵抗
R₉に加えられる。

従つて、コンパレータIC₅の反転入力端子
（−）の電位は第２抵抗R₉の電位と第１抵抗R₈の
電位の差すなわち（新検出値−旧検出値）とな
り、単位時間当りに変化した電位差が計測され
る。これに対し、コンパレータIC₅の非反転端子
（＋）には、感度設定器VRで設定された設定電圧
が加えられており、両端子の電圧が比較される。

検出値の電圧低下が小さい場合には、コンパレ
ータIC₅の出力は低レベルであつて、次段のワン
シヨツトマルチバイブレータIC₆は動作しない。
一方、検出値の電圧低下が大きく、コンパレータ
IC₅の反転入力端子（−）の電位が非反転端子
（＋）の設定電位よりも負の方向に変化すると、
コンパレータIC₅の出力が高レベルとなるのに応
じて、ワンシヨツトマルチバイブレータIC₆が動
作し、トランジスタＱのベースにワンシヨツトパ
ルスが印加し、リレーRYが励磁され、接点S₁に
よりトランジスタＱの導通状態を保持するととも
に、接点S₂により外部のゲート遮断回路１８およ
び警報回路２２に検知信号を出力する。

尚、第２図において、VR₁は入力レベル調整用
可変抵抗、VR₂およびVR₃はそれぞれオペアンプ
IC₁および反転増幅器IC₂のゲイン調整用可変抵
抗、VR₄はクロツクゼネレータCLの単位時間
（サンプリング時間）の調整用可変抵抗である。

上記の如く、第１の検出回路２１Ａは、第１お
よび第２アナログスイツチAS₁，AS₂を交互に周
期的にオン・オフする単位時間当りの電圧変化を
計測し、これが設定値を越えて急激に変化したと
きに持続的アーク放電の発生として検知動作する
ものである。

次に、第３図には、放電電圧値と設定電圧値と
を比較することにより持続的アーク放電を検知す
る第２の検知回路２１Ｂを例示し、入力端子には
電流電圧検出器１９で検出された放電電圧が抵抗
器等により分圧され、低レベル入力として入力さ
れるものであり、検出電圧が基準電圧設定抵抗
RVにより設定された基準電圧を越えて低下する
と、演算増幅器OPAの端子間に生じた電位差が
反転増幅されて正の信号が出力される。この演算
増幅器OPAの出力信号はトランジスタQ₁で一旦
電力増幅されて次段のトランジスタQ₂およびQ₃
からなる比較増幅回路に伝送され、前段トランジ
スタQ₂がオフ、後段トランジスタQ₃がオンとな
り、最終段のリレー駆動用トランジスタQ₄がオ
ンし、リレーRYが励磁され接点Ｓにより外部の
ゲート遮断回路１８、警報回路２２に信号を出力
する。一方、検出電圧が基準電圧より高い場合に
は演算増幅器OPAは負の信号を出力し、リレー
RYは作動しない。

上記第１の検知回路２１Ａは電圧降下の過程に
おいてその変化度合を検出するものであり、通常
第２の検知回路２１Ｂの設定電圧に達する以前に
持続的アーク放電を検知する。ただし、たとえ万
が一この第１の検知回路２１Ａが作動しなかつた
ときでも第２の検知回路２１Ｂが作動するもので
ある。上記両検知回路２１Ａまたは２１Ｂにより
持続的アーク放電を検知したときには、ゲート遮
断回路１８を介してサイリスタ１３のゲート信号
を遮断して放電を停止するとともに、警報回路２
２により警報を発するように構成されている。

上記の如く持続的アーク放電への移行を持続的
アーク放電検知回路２１により検知し放電を遮断
した後には、アーク放電の発生により過熱してい
る部分が窒化処理温度（300〜570℃）近傍まで冷
却されるのを待つて、ソフトスタート回路２０の
動作により徐々に放電電圧を上昇させながらグロ
ー放電を再開するものである。その際、安定なグ
ロー放電が生起されやすい処理条件（高真空、低
電流密度等）でグロー放電を再開するようにする
と、ソフトスタートに加えより一層アーク放電の
発生が抑制されて好ましい。

また、通常のアーク放電が生起したときには、
前記ゲート遮断回路１８が作動して放電を遮断し
た後、ソフトスタート回路２０によりソフトスタ
ートを行うものであるが、その場合、電圧変動は
大きくなるが、持続的アーク放電検出回路２１
は、上記ゲート遮断回路１８、ソフトスタート回
路２０が作動しているときなどには動作しないよ
うに構成される。さらに、通常のアーク放電時に
は持続的アーク放電検知回路２１が作動する前
に、放電電流より検知するゲート遮断回路１８が
瞬時に作動する。

尚、上記実施例においては、持続的アーク放電
検知回路２１に、単位時間当りの電圧変化を検出
する第１の検知回路２１Ａと、放電電圧値を設定
電圧値と比較する第２の検知回路２１Ｂとを設け
て、検知精度をより良好なものとしているが、第
２の検知回路２１Ｂを省略して第１の検知回路２
１Ａだけでを実用上は殆ど問題とならないと考え
られる。

また、持続的アーク放電検出回路２１の具体的
構成は、第２図もしくは第３図に限定されるもの
ではなく、その他適宜設計変更可能である。

さらに、持続的アーク放電の検知により一時停
止したグロー放電を再開する時期についても、タ
イマーの設定時間によるもの、温度検出によるも
の、作業者の手動操作によるものなどが使用状況
等に応じて適宜選定される。

従つて、以上の如き本発明によれば、イオン窒
化処理中における持続的アーク放電の発生を早期
に検知し未然に防止でき、陰極（被処理物、治具
等）および陽極（炉壁）の保護を図ることがで
き、しかも検知精度に優れ処理効率の向上と相俟
つて良好なイオン窒化処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施態様を例示し、第１図はイ
オン窒化処理装置の概略構成を示すブロツク図、
第２図および第３図はそれぞれ持続的アーク放電
検知回路の一部を示す基本回路図である。 １……真空反応炉、２……被処理物、６……グ
ロー放電用電源装置、８……交流電源、９……変
圧器、１０……電流計、１１……温度検出器、１
２……温度制御回路、１３……サイリスタ、１４
……変圧器、１５……整流器、１６……電磁開閉
器、１７……位相制御回路、１８……ゲート遮断
回路、１９……電流電圧検出器、２０……ソフト
スタート回路、２１……持続的アーク放電検知回
路、２２……警報回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空反応炉の炉壁を陽極とし、真空反応炉内
   に装入される被処理物を陰極として両極間への直
   流電圧の印加によりグロー放電を生起せしめて窒
   化処理を行うイオン窒化処理方法において、上記
   真空反応炉内で電流、電圧が不安定に変動する持
   続的アーク放電が発生した際、該持続的アーク放
   電の発生を単位時間当りに低下する放電電圧の電
   圧変化より検知し、直流電圧の印加を遮断するこ
   とを特徴とするイオン窒化処理方法。 ２ 真空反応炉の炉壁を陽極、真空反応炉内に装
   入される被処理物を陰極として両極間に直流電圧
   を印加するグロー放電用電源装置を備え、該グロ
   ー放電用電源装置の作動によりグロー放電を生起
   せしめて窒化処理するようにしたイオン窒化処理
   装置において、上記真空反応炉内で電流、電圧が
   不安定に変動する持続的アーク放電の発生を単位
   時間当りに低下する放電電圧の電圧変化より検知
   する持続的アーク放電検知回路を設けるとともに
   上記グロー放電用電源装置の作動を遮断するゲー
   ト遮断回路を設けたことを特徴とするイオン窒化
   処理装置。