JPS6137352B2

JPS6137352B2 -

Info

Publication number: JPS6137352B2
Application number: JP54117298A
Authority: JP
Inventors: Naotatsu Asahi; Shizuka Yamaguchi; Kazuyoshi Terakado
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-09-14
Filing date: 1979-09-14
Publication date: 1986-08-23
Also published as: JPS5641371A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は金属材料のグロー放電表面処理方法に
係り、特に被処理金属材料の１部分のグロー放電
状態を他の部分のそれと異なつた状態にして原子
の拡散距離あるいは拡散原子の比率を変化させて
機能の異なる表面を得る方法に関する。

金属材料の表面処理技術の１種であるグロー放
電表面処理法が近年脚光を浴びてきている。その
代表例がイオン窒化処理である。イオン窒化処理
法は少なくとも10^-1Torr以下に減圧されている
減圧容器（以下炉体と記すことがある）に処理に
必要なガス体を導入し、被処理品が陰極となるよ
うに電極を設け（炉体を陰極とすることもある）
これに外部の直流電源から電圧を印加してグロー
放電を発生させて表面硬化処理を行なうものであ
る。第１図はイオン窒化処理装置の概要を示した
ものである。一般には被処理品２が陰極となり、
炉体１が陽極となつている。炉体１は処理中の加
熱により各種の機器や部品（気密用パツキング
等）が過熱されるのを防ぐために水冷構造になつ
ている。イオン窒化処理では真空装置９で炉体内
を少なくとも10^-1Torr以下に減圧しながら、水
素ガスと窒素ガス或いはアンモニアガスなどの処
理ガス６を導入して１〜10Torrの範囲の所定の
圧力に保持し、直流電源から300〜1500Vの電圧
を印加してグロー放電を発生させて窒化処理を行
なつている。なお第１図において、３は直流電
源、４は陽極端子、５は陰極端子、７はガス導入
口、８は真空装置９が接続されたガス排気口、１
０は真空計端子、１１は光高温計、１２は制御盤
である。

被処理品の加熱はグロー放電エネルギーによつ
ているので外部からの熱源を必要としない。従つ
てグローを発生している表面が加熱源となるの
で、被処理品の温度は体積に対する表面の割合に
よつて変化する。すなわち同一形状で比較的単純
な形状の被処理品では全体がほぼ均一な温度にな
り均一な処理ができるが、複雑な形状、特に体積
に対する表面積が異なる部品では同一被処理品で
も場所により温度が異なり、それに伴ない拡散原
子の濃度、深さが大きく変動し、均一な処理がで
きなくなるという欠点がある。

一方、被処理品の用途に応じては、その表面全
体に同一機能の表面処理を施こすのではなく、同
一被処理品内で、複数の機能を有する処理を要す
ることがある。このような処理は従来のイオン表
面処理においては同一炉内で、一工程で連続して
行うことはできず、複数工程で行なわれていた。

イオン表面処理法において、部分的に異つた表
面処理層（例えば窒化処理での窒化層深さ及び硬
さ）を得る方法としては、特開昭47−6956号公報
に示される如く、被処理品（陰極）と減圧容器壁
（陽極）との間に付加金属電極（被処理品に対し
て陽極）を抵抗を介して陽極電源へ配置させて、
この部分の電位を変化させ、部分的にイオン衝撃
エネルギーを変化させる方法も知られている。こ
の方法においては、例えば、イオン窒化処理の場
合には、異なつた窒化を要する部分に付加金属電
極を設け、この部分の電位を外部回路によつて変
えてイオン衝撃エネルギーを変化させて表面部に
吸着し拡散する窒素量を調節し、部分的に異なつ
た深さの窒化層を形成させるようにしている。し
かし、この外部回路によつてイオン衝撃エネルギ
ーを部分的に変化させる方法では、衝撃のエネル
ギーの制御が難かしく、装置が複雑となるとゝも
に、実際問題として窒素の拡散がイオン衝撃エネ
ルギーとともに温度の影響も強い為、窒化層深さ
を部分的に大巾に変動させることはできないとい
う欠点を有している。

本発明の目的は、前述従来技術の欠点を解消す
べくなされたもので、被処理品である金属材料に
対して、複数の異なつた機能を有する表面処理を
同一容器で連続して簡単に行なうことができ、し
かも加熱に要するエネルギーを大副に節約できる
金属材料のグロー放電表面処理方法を提供するこ
とにある。

本発明は、減圧容器内の被処理品である金属材
料からなる陰極と陽極との間にグロー放電を発生
させて前記金属材料の表面処理を行なう方法にお
いて、前記陰極に接続された補助電極を前記金属
材料と該補助電極との間に発生するグロー放電が
互いに相互作用するように前記金属材料表面から
所定の距離をおいて配設し、所定のガス圧力でグ
ロー放電を発生させて所定の温度で前記金属材料
の前記補助電極配設部分を表面処理した後、次い
で前記ガス圧力と異なるガス圧力でグロー放電さ
せ前記温度と異なる温度で前記金属材料の前記補
助電極配設部分を表面処理することによつて前記
目的を達成させたものである。なお、ガス圧、ガ
スの種類を変化すれば補助電極部分の被処理面の
温度を他の部分より一層高くできる。

以下本発明の原理を説明する。まず、被処理品
表面から原子を拡散させて、表面硬化或いは表面
の潤滑作用等の機能を持たせる場合、被処理材に
悪影響を及ぼすことなく機能を持たせるにはその
拡散させる原子の量、深さ等に適切な値があり、
表面濃度が一定に保たれれば、処理温度が重要な
役割を演ずる。こゝで鉄剛材料を例にとると、窒
素で表面硬化を行う場合は、一般に400〜700℃の
範囲である。炭素を用いる浸炭処理での表面硬化
では700〜1100℃であり、硼素では800〜1200℃に
なる。一方、硫黄を用いる浸硫処理での表面潤滑
では150〜600℃である。以上のように拡散させる
原子、被処理材々料により適切な処理温度があ
る。イオン表面処理法において、被処理品の表面
温度を部分的に不均一にする方法は外部熱源によ
る方法等も可等であるが、本発明では、被処理品
金属材料とほゞ同電位の補助電極を、被処理品表
面から所定の距離をおいて陰極側に配設し、イオ
ン処理中に導入するガスの圧力、ガスの種類を変
動させることにより補助電極と被処理品との間に
必要に応じて電流密度の異なる負グローを発生さ
せて処理を行なう。こゝで、被処理品の熱の収受
は、グロー放電エネルギーの熱交換、被処理品間
や電極などからの輻射熱であり、熱放出による熱
損失は輻射熱、処理ガスの対流、電極からの熱伝
導（電極の冷却水からの流出）などがある。この
要因の中で被処理品の必要な部分のみを所定の温
度に加熱する利用できる可能性としては、被処理
品間の放電エネルギー、輻射熱などである。これ
は陰極間隔を一定間隔とし、導入ガス圧力を所定
の値に設定して、二つの負グロー間に相互作用を
起させて他のグロー面よりも電流密度を高くさせ
ることにより実現できる。

そこで、被処理品（陰極）で部分的に他とは異
なる機能を付与したい表面部分にこれとほぼ同電
位の対向補助電極を設置する。この部分の被処理
品表面はこの補助電極との相互作用での輻射熱、
中空陰極効果のようなグロー放電などにより加熱
及び保温される。この場合、被処理品と補助電極
との間のガスの電離密度も増加され、目的とする
拡散する活性な原子との表面反応も活発となる。
この現象を効果的に行なうためには、被処理品表
面から補助電極までの距離及びガスの組成に応じ
たガス圧力の設定が重要な因子になる。先ず被処
理品表面から補助電極までの距離であるが、これ
はガス圧力によつても異なるが、被処理品及び配
設された補助電極とに生じる負グローが何らかの
相互作用を及ぼさなければ目的とする効果は発生
しない。これは、ガス組成及びガス圧によつて負
グローの幅が異なりこれが相互作用に強く影響す
るからである。更に、これらと密接な関係にある
補助電極の負グロー放電面積をも考慮しなければ
ならない。従つて、一般的なイオン表面硬化処理
においては、この距離が0.5mm以下になると被処
理品への処理ガスの反応が阻害される傾向にあ
り、一方50mm以上離れるとグロー間での相互作用
の影響が弱くなり補助電極から被処理品への幅射
熱による加熱効果が低下するとともに補助電極側
への熱損失ともなりエネルギーの損失にもなる。
ここで窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、メタ
ンガスの混合ガスを用い3.5Torrの圧力でグロー
放電を発生させ補助電極のない表面の温度を600
℃とし、補助電極部の直下の被処理材表面の温度
を測定した。第２図は補助電極と被処理材の表面
との距離（間隙）と温度の関係を示したものであ
る。距離と温度の関係は導入ガスの比率、ガス圧
力、被処理材の形状、補助電極材材質、及びその
形状などにより大きく変動する。第２図の場合を
みると距離が0.5mm以下では補助電極部も600℃で
他のグロー面とほゞ等しい温度になつている。そ
れ以上距離が大きくなると補助電極部の温度が急
激に上昇し、距離が２〜５mmでピーク値になる。
この距離の場合、補助電極直下の被処理材表面の
温度は約1000℃以上になり、他のグロー面よりも
約400℃高い温度になつている。さらに距離が長
くなると温度差は漸次少なくなり約50mmでほゞ他
のグロー面と等しい値になつている。以上のよう
に補助電極との距離は0.5〜50mmの範囲、より好
ましくは２〜25mmの範囲内にあることが望まし
い。

次にガス圧力であるがガスの混合比率、目的と
する特性により適正な値がある。例えばこゝで一
般の浸炭窒化処理で製品の１部分のみの表面に深
い浸炭硬化を要する場合を示すと第３図のように
なる。この例では直径25mm、長さ250mmのシヤフ
ト状被処理品の両端面で各端面から40mmの範囲が
ボールベアリングの軸受部となり深い硬化層を必
要としている。その他の部分は一般の浸炭窒化或
いは窒化で十分である。この場合、両端面の40mm
の範囲の位置に被処理品の径よりも６mm大きい直
径31mm、長さ40mmで肉厚が４mmの円筒状補助電極
を設け窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、メタ
ンガスの混合ガスを用い補助電極以外の部分の温
度を600℃に保持し、ガス圧力を変動させて補助
電極部の温度を求めた例である。処理の工程でガ
ス圧力を0.5Torr未満に保持すると補助電極のあ
る部分も他の部分とほゞ同等の温度となる。一
方、ガス圧力を0.5Torr以上にすると補助電極部
のグロー放電の電流密度が高くなり、他の部分よ
りも温度が高くなる。この例ではガス圧力を約
2Torrに保持すると補助電極部は他の部分よりも
約320℃高温に保持することができる。なお、温
度差はガスの組成、補助電極の構造等により大巾
に変化させることができる。この例の場合、仮に
ガス圧力を2Torrに保持すると補助電極部は920
℃となり、他の部分は600℃に保持される。した
がつて、この状態では補助電極部は鉄鋼材ではオ
ーステナイトで炭素の固溶限が極めて大きくなる
ので浸炭現象が優先する。一方、他の部分は炭
素、窒素が拡散するまではフエライトであるので
窒素の固溶もなく、浸炭窒化層となる。一般に浸
炭窒化により表面硬化を行なう場合、600℃以下
の低温で行うので拡散速度が遅いので効果的な深
さを得るために２〜５時間の処理を行つている。
しかし、補助電極部は高温のまま保持されると浸
炭深さも大きくなるとともに結晶粒も粗大とな
り、機械的性質の点で望ましくなくなることがあ
る。そこで、本処理では初期の浸炭窒化処理は
0.5Torr未満で行い、補助電極部も他の部分と同
様、600℃として浸炭窒化層を形成させ、処理の
工程の10〜20分間を2Torrとして、補助電極部を
920℃として約0.5mmの厚い浸炭層を形成させてい
る。

以上述べたように本発明では処理圧力が極めて
重要な因子である。一般には0.1〜10Torrの範
囲、より好ましくは1.0〜7.0Torrの範囲で変動さ
せるのが望ましい。

本発明における他の付ずい的因子として、補助
電極の大きさ及び材質がある。先ず補助電極の大
きさは、被処理品の、他とは異なつた処理を施し
たい表面部分の面積とほぼ同等あるいはそれ以上
であるのが好ましい。次に補助電極の材質は、処
理中に被処理品の表面に悪影響を及ぼさない材料
であれば良く、又、補助電極のグロー発生面は被
処理品と対向した面のみであつても良い。

一方、本発明と類似の方法として、ヒーター等
の補助加熱源を設置する方法等が考えられるが、
この場合、前記補助加熱源を部分的に設けること
は多数個の同時処理では困難であり、単品であつ
てもその設備等の増加があり、有効でない。

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。

実施例１第４図及び第５図に示すごとく、第１図に示す
従来のイオン表面処理装置の内部にセツトした被
処理品２の深い表面硬化を施したい処理部２ａ，
２ｂの部分のみに部分加熱用の補助電極２０を設
定し、イオン浸炭窒化処理を行つた。

被処理品は、JIS規格SCM21のクロムモリブデ
ン鋼シヤフト（直径15〜20mm、長さ205mm）を80
本使用した。第５図に示すように、被処理品であ
るシヤフトの深い硬化層を必要とする部分２ａ，
２ｂは中間部の25mmの位置と、端部から25mmの位
置であり、他の部分２ｃは一般の浸炭窒化である
0.05mm程度でよい。そこで被処理品の被処理部２
ａ，２ｂに対向して補助電極２０を設置した。補
助電極２０はSUS304を製作し被処理品との距離
は５mmとした。

処理は、減圧容器１内を10^-2Torr以下に減圧
し、その状態で窒素ガス、水素ガス、メタンガ
ス、アルゴンガスを導入して1Torrとし、400〜
800Vの直流電圧を印加してグロー放電を発生さ
せ、600℃4.5時間の浸炭窒化処理を施こした。こ
の状態では補助電極２０を設定した部分の被処理
材表面もほゞ他のグロー放電面と同様であつた。
この状態で引続きガス圧力を約4Torrにして、さ
らに30分間の処理を行つた。この状態では補助電
極部の温度は900℃となり、他のグロー面は600℃
（設定温度）となつた。処理後、被処理品を急冷
処理し、その断面の硬さ分布を測定した。第６図
は硬さ分布を示したものである。第６図において
曲線２ａ，２ｂは補助電極を設置した部分の被処
理品の硬さであり曲線２ｃはその他のグロー放電
部の硬さ分布である。本発明により処理工程中で
ガス圧を変動させて加熱した被処理部２ａ，２ｂ
部の硬さ分布は表面から1.1〜1.2mm程度までビツ
カース硬度Hv513以上を示している。一方従来の
浸炭窒化では同一硬さまでの深さは0.2mm以下で
ある。すなわち、補助電極部は900℃で鋼のオー
ステナイト域まで加熱されたため、この部分に表
面から炭素が深く拡散して浸炭層が形成されたゝ
め、炭素濃度に応じた焼入硬さ分布を示したもの
である。一方、他の表面は600℃で低温でフエラ
イト域で処理されたゝめ、窒素、炭素とも固溶限
が小さく、拡散速度も低いため、薄い浸炭窒化層
となつている。以上のように、本実施例の方法に
よれば加熱処理部では目的とした浸炭処理が部分
的に施されたことがわかる。一方、この種の異な
る硬化層を形成させることは、従来殆んどできな
いか、あるいは工程を２工程に分け、初めに２
ａ，２ｂ部以外をマスキングして浸炭処理（一般
ガス浸炭）を行つた後、２aa，２ｂ部をマスキン
グして他の部分をイオン或いはガスにより浸炭窒
化を行つていた。したがつて、従来法と比較する
と省資源、省エネルギーの上からも極めて望まし
いことがわかる。

以上説明した通り、本発明のグロー放電表面処
理方法によれば、被処理品である金属材料に対し
て、複数の異なつた機能を有する表面処理を同一
容器で連続して行なうことが可能となり、しかも
加熱に要するエネルギーを大幅に節減することが
可能になつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のイオン窒化処理が施されるイオ
ン窒化処理装置の断面図、第２図は被処理品表面
から補助電極までの距離と温度との関係を示す線
図、第３図は、ガス圧力と温度との関係を示す線
図、第４図は、本発明のグロー放電表面処理方法
が実施される装置の一例を示す断面図、第５図は
本発明のグロー放電表面処理方法により処理され
る被処理品の概略図、第６図は第５図の被処理品
を本発明のグロー放電表面処理方法により処理し
た場合の被処理品表面から補助電極までの距離と
硬さとの関係を示す線図である。１……減圧容器、２……被処理品、２ａ，２ｂ
……深い表面硬化を施したい処理部、３……直流
電源、４……陽極端子、６……処理ガス、９……
真空装置、１２……制御盤、２０……補助電極。

Claims

【特許請求の範囲】１減圧容器内の被処理品である金属材料からな
る陰極と陽極との間にグロー放電を発生させて前
記金属材料の表面処理を行なう方法において、前
記被処理品の所定表面の近傍に陰極に接続された
補助電極を前記金属材料と該補助電極との間に発
生するグロー放電が互いに相互作用するように前
記金属材料表面から所定の距離をおいて配設し、
所定のガス圧力でグロー放電を発生させて所定の
温度で前記金属材料の前記補助電極配設部分を表
面処理した後、次いで前記ガス圧力と異なるガス
圧力でグロー放電させ前記温度と異なる温度で前
記金属材料の前記補助電極配設部分を表面処理す
ることを特徴とする金属材料のグロー放電表面処
理方法。２処理中に減圧容器内の圧力を0.1〜10Torrの
範囲で変動させてグロー放電を発生させる特許請
求の範囲第１項記載の方法。３補助電極が、金属材料表面から0.5〜50mmの
距離において配設されている特許請求の範囲第１
項記載の方法。４表面処理に寄与する拡散原子を２成分以上と
し、金属材料の補助電極設置部分の拡散原子の量
が他の部分と異なるようにし、原子が深く浸透す
るようにした特許請求の範囲第１項記載の方法。