大気圧プラズマジェットによる金型や摺動部材の表面硬化法

特
集
革新的製造技術の新展開
大気圧プラズマジェットによる金型や摺動部材の
表面硬化法
市
來
龍大*1・永松寛和*2・井上貴史*2・山本宏
吉田昌史*3・赤峰修一*4・金澤誠司*5
文*2
Ryta Ichiki・Hirokazu Nagamatsu・Takashi Inoue・Hirofumi Yamamoto・Masashi Yoshida・Shuichi Akamine・Seiji Kanazawa
■ *1 大分大学工学部
助教博士(理学) *2 大分大学大学院工学研究科博士前期課程 *3 静岡理工科大学准教授博士(工学)
*4 大分大学工学部技術職員 *5 大分大学工学部准教授学術博士■
１．はじめに
鉄鋼の表面硬化技術のひとつに，窒素(N)
原子を鉄に固溶させ硬化させる窒化処理法が
ある1～4)．窒化処理では鉄鋼の最表面に窒化
鉄からなる「化合物層」が 1 m オーダーの
厚さで形成され，その下部には深さ 100 m
程度まで鉄の結晶に N 原子が固溶して硬化
した「拡散層」が形成される．拡散層は耐摩
耗性・疲労強度を向上させ，化合物層は耐食
性・耐焼付性を改善する．窒化処理は各種金
型，機械の摺動部に適用されており，今日で
は特に自動車産業で欠かせない技術である．
窒化処理には幾つか手法があるが，低圧下で
の DC(もしくはパルス DC)放電を用いたプ
ラズマ窒化(イオン窒化)法が広く普及してい
る1～4)．プラズマが利用される理由は，気相
中での化学反応により窒化処理に必要な活性
種が多く生成されるためである5～7)．しかし
イオン窒化では大規模な真空装置を必要とす
るため設備が高価であり，またバッチ処理の
作業時間および作業工程が増える．プラズマ
を用いた窒化技術が大気圧下で可能になれば，
より簡便な処理，設備投資の低減，安価な部
品製造ラインへの導入の実現につながると期
待される．
これを実現すべくわれわれは，大気圧下で
生成されるパルスアーク型 (PA) プラズマ
ジェットによる窒化処理の研究を推進してき
た．数多くの種類が存在する大気圧プラズマ
から PA プラズマジェットを選択した理由は
以下のとおりである．第一に，窒化処理に必
要な N 原子等が生成されることが報告され
ている 8 ～ 10) ．第二に，パルス励起により
ジェットプルームの温度が制御できるため，
DC アークとは異なり金属表面の溶融により
表面粗さを上げることがないと考えられる．
一方，プラズマジェットという特性上，大面
積処理に不向きという短所があるが，「局所
的硬化処理」という新規シーズの提供に工業
的価値があると考えている．これに関しても
PA ジェットは利点を有しており，窒素雰囲
気中ではプルームが 200 mm 程度まで伸長す
ることが分かっているため8)，比較的広い範
囲，もしくは高アスペクト比の穴やスリット
の内壁が硬化できる可能性がある．
われわれは初期の調査において，窒素
(N2)ガス置換された大気圧処理雰囲気にお
いてもわずかな残留酸素(O2)により鉄鋼試
料の表面が酸化し，窒化が阻害されることを
つきとめた．そこで，残留酸素を還元し酸化
を防ぐために水素(H2)ガスを雰囲気中に導
入することで，窒化処理による鉄鋼の表面硬
化が原理的に可能であることを実証した11, 12)．
校正用
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〔〕1
ここでは，H2 導入量が窒化層の形成に与え
る影響について説明し，処理結果をふまえプ
ラズマジェット窒化のメカニズムについて議
論を行う．さらに，H2 添加法を変更するこ
とにより，窒化処理に必要な H2 量を 1/20 程
度に大幅に低減した結果について報告する．
２．表面硬化法
2．1 パルスアーク型プラズマジェット
図１(a)に示されるステンレス製同軸円筒
型電極ノズル中に N2 ガスを 20 L/min で導入
し，高周波電源(plasmatreat 社 FG3001)によ
り印加電圧 4.5 kV，放電電流 1 A，周波数 21
kHz のパルスアーク放電を発生させる．典型
的な電圧電流特性を図１(b)に示す．生成し
たパルスアークプラズマのアフターグローを
ノズル先端のオリフィスから噴射することに
より，ジェットプルームを発生させる．
2．2 プラズマジェット窒化処理
本処理実験では，供試材として熱間工具鋼
SKD61(Cr 5 ％，Mo 1 ％，Si 1 ％，C 0.4％)
を用いた．円盤形(直径 20 mm，厚さ 4 mm)
に加工した試料を 600 Hv 程度の硬さに熱処
理した．試料表面をアルミナ研磨剤(0.3 m)
で鏡面研磨し，アセトンによる超音波洗浄で
脱脂した．図２に示されるステンレス製密閉
容器(内径 153 mm，深さ 223 mm)の中にセ
ラミックヒーターを設置し，その上に試料を
配置した．プラズマジェットノズルは容器上
部から挿入した．容器下部には 3/8 インチ管
の排気口が 4 本付いており，ノズルから窒素
ガスを導入し密閉容器中の窒素置換を 15
min 行った．窒素置換により雰囲気中の酸素
濃度を 1 ％以下に下げるとプルーム長が 20
mm から 200 mm 程度に伸長することが知ら
れており8)，われわれも同様の現象を確認し
た．窒素置換後にプラズマジェットを点火し，
ジェットを試料上面に照射し，ヒーターによ
り処理温度を 530°C に設定して 2 h 処理を
行った．今回，ノズル-試料間距離は試料表
面の異常加熱が起こらないという理由から
15 mm に設定した．N2 流量は 20 L/min とし，
H2 添加量を変化させ窒化処理を行った．こ
こでは， 2 つの H2 添加法を紹介する．一方
校正用
図１パルスアーク型プラズマジェット．(a) 電極ノズ
ル．(b) 典型的な印加電圧および放電電流波形
2〔〕
図２実験装置の概略図
ケミカルエンジニヤリング
図３処理中のプラズマジェットプルームの写真
図４試料断面の金属組織写真
は H2 ガスを密閉容器のポートから処理雰囲
気中に導入する手法(雰囲気添加モード)であ
り 11)，他方は H2 ガスをパルスアーク放電の
動作ガスに混合する手法(動作ガス添加モー
ド)である 12)．図３は試料にジェットを照射
し処理を行っている写真である．
金属組織観察はナイタールエッチング後に
光学顕微鏡(ニコン MM-800/LMU)を用いて
行った．化合物層の相の評価には X 線回折
(XRD)装置(日本フィリップス x'pert，Cu-K
線)を用いた．試料中の窒素濃度分布は，電
子線マイクロアナライザー (EPMA)( 島津
EPMA-1720)を用いて測定した．硬さの評価
はマイクロ Vickers硬さ試験器(Akashi HM102)により行った．ジェットプルーム中の励
起種の観測には，発光分光計測(Andor SR500i-B1)を用いた．
校正用
３．処理層の特性
図５窒素濃度の深さ方向分布
る．さらに深い場所でも有限の窒素濃度が観
測されており，これは拡散層がN原子の拡散
により硬化していることを示している．これ
らの結果より，われわれは鉄鋼試料は確かに
窒化処理により硬化していると結論した．
3．1 窒化層の基礎特性
図４は典型的な窒化層断面の金属組織写真
である．最表面の白い層が化合物層であり，
XRD 分析の結果，主に -Fe2-3N 相からなる
ことが分かった．化合物層の下部に広がる黒
色の層が拡散層に対応している．拡散層の硬
さ分布は後に示す(図６，７)．得られた金属
3．2 水素添加法・添加量の影響
図６は「雰囲気添加モード」で窒化処理し
た後の試料表面付近の硬さ分布であり，横軸
が円盤試料の径方向( 0 mm は照射中心)，縦
軸が表面からの深さである．Vickers 硬さは
色の濃淡で表している．ここでは水素添加量
を変化させ，硬さ分布がどう変化するかを示
組織は従来の窒化処理法により得られるもの
と同様のものであった13)．
図５は，EPMAにより得られた窒化試料断
面の窒素濃度の深さ分布である．最表面付近
数mまでのピークは化合物層に対応してい
している．図より，H2 流量が 4 L/min の場合
が最も深く硬化していることが分かる．すな
わち，H2 流量には窒化処理に最適な値があ
り，H2 流量が多すぎても少なすぎても硬化
層の厚さが減少することが分かった．一方，
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〔〕3
図６雰囲気添加モードで窒化処理された試料断面の硬さ分布
図７動作ガス添加モードで窒化処理された試料断面の硬さ分布．
図７は「動作ガス添加モード」で窒化処理し
た後の試料の硬さ分布である．このモードに
おいても H2 流量には最適値があることが明
らかとなった．
最適な H2 流量での硬化深さは両モードと
も 100 m 弱で同等であり，これは従来のイ
オン窒化法と同様の硬化深さである13)．ここ
で重要なことは，動作ガス添加モードの場合，
最適な H2 流量が雰囲気添加モードの 1/20 で
ある．さらに，動作ガス添加モードの方が硬
化範囲が広いことが分かる．すなわち，動作
ガス添加モードを採用すれば，使用する H2
量の大幅な低減および硬化範囲の拡大が達成
されることが明らかとなった．
校正用
3．3 生成される活性種の調査
ジェットプルームの発光分光計測により，
H2 ガスを導入しない場合は N2 分子の第二正
帯が顕著であるが，両モードにおいて H2 の
導入に伴い，NH ラジカルからの発光(336.1
nm)が最も顕著となることが分かった12)．図
８は NH ラジカル発光スペクトル強度の H2
流量依存性を示している．いずれの H2 添加
4〔〕
図８
NH ラジカル発光強度の H2 流量依存性
モードにおいても，H2 のわずかな導入で NH
ラジカルの発光強度は最大値を迎え，H2 流
量の増加とともに発光強度が減少していくこ
とが分かる．この現象の原因は調査中である．
ここで強調すべきは，横軸スケールに 40 倍
の違いがあるにもかかわらず，動作ガス添加
モードでも雰囲気添加モードとほぼ同じ NH
発光強度が得られていることである．
ケミカルエンジニヤリング
４．窒化メカニズムの提案
前章で紹介した調査結果を踏まえ，ここで
はプラズマジェット窒化処理において H2 流
量の最適値がある理由および動作ガス添加
モードで H2 流量を低減できる理由について
考察する．
まず発光分光計測の結果より，プラズマ
ジェット窒化処理では NH ラジカルが N 原
子を鉄鋼表面に輸送する役割を果たしている
と考えられる．アンモニア(NH3)ガスを用い
たガス窒化処理においては，鉄鋼表面におけ
る触媒作用により，NH3 が NH2，NH へと段
階的に解離し，最終的に N 原子の表面拡散
が達成されることが知られている1)．すなわ
ち，NH ラジカルに鉄鋼の窒化処理を達成す
る能力があることは既知の事実であるため，
プラズマジェット窒化処理においても NH ラ
ジカルが重要であるという結論は自然なもの
である．これが事実であるという前提で話を
進めると，H2 流量が多すぎる場合の硬化層
深さの減少は，図８に示される NH ドーズ量
の減少に起因すると思われる．一方，H2 流
量が少なすぎる場合の硬化層深さの減少は，
H2 の還元力不足により残留 O2 が完全に排除
できず，鉄鋼表面の酸化が進みN原子拡散が
阻害されていることが考えられる．これは文
献 11 で報告したように，H2 を添加しなけれ
ば試料表面は酸化し窒化処理が全く達成され
ない事実とも矛盾せず，さらにわずかに窒化
が達成された場合でも(例えば図６の左端)，
試料表面の XRD スペクトルにわずかな
Fe2O3 由来のピークが見られる事実も証拠と
なる12)．従って，プラズマジェット窒化処理
に最適な H2 流量は，「NH ラジカルの生成」
と「雰囲気中の残留 O2 の還元」のバランス
によって決まると結論した．
続いて，動作ガス添加モードにおいて最適
な H2 流量が雰囲気添加モードの 1/20 に低減
される理由について考察する．図８の分光計
測結果から，動作ガス添加モードでの NH ラ
ジカル生成効率は雰囲気添加モードよりも高
いと推測される．これは，前者ではパルス
アーク放電部へ直接 H2 を供給するため，高
エネルギー電子を含めた活発な化学反応によ
り，H2 導入量が少なくても NH が高効率で
生成されるためと考えられる．これにより，
動作ガス添加モードにおいては H2 流量が少
なくても十分な NH ドーズ量が得られるので
はないかと推測している．これらをより明確
化するには，詳細な素過程の調査が必要であ
る．
５．おわりに
大気圧窒素雰囲気中においてパルスアーク
型プラズマジェットを鉄鋼表面に照射するこ
とで，窒化処理による表面の硬化が可能であ
る．しかしこれには H2 ガスの導入が必須で
ある．今回得られた結果は以下の通りである．
1．窒化処理を達成するための H2 ガスの添
加量には最適値が存在する．
2．動作ガス添加モードを採用することによ
り，窒化処理に必要な H2 量を 1 桁以上低減
することができる．
3．以下の窒化メカニズムを提案した．プラ
ズマジェット窒化処理では NH ラジカルによ
り鉄鋼表面に N 原子が供給され，H2 流量の
最適値は「 NH 生成量」と「残留 O2 の還
元」のバランスにより決まる．
NH の生成量や残留 O2 量はもちろん使用す
る装置や環境によって異なるが，今回見られ
た「H2 流量に最適値が存在する」という定
性的な特徴はユニバーサルなものであると考
えられる．
本研究成果は，金型や摺動部材の局所的硬
化という新規技術の普及につながると期待さ
れる．また，これまでは困難であった高アス
ペクト比の穴もしくはスリット内壁の硬化処
理を達成する可能性についても検討を行って
いる．さらに，密閉容器を必要としない大気
下での窒化処理の可能性も追求していく考え
である．
校正用
2013 年 11 月号
〔〕5
8）Y. Takemura, Y. Kubota, N. Yamaguchi, T. Hara, IEEE Trans.
参考文献
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『鉄の窒化と軟窒化』，アグネ技術センター, 2011.
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10）堤
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加強，小野
亮，小田哲治，静
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11）R. Ichiki, H. Nagamatsu, Y. Yasumatsu, T. Iwao, S. Akamine, S.
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7）M. Hudis, J. Appl. Phys., 4, 1489 (1973).
校正用
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ケミカルエンジニヤリング

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