超音速プラズマジェットを用いた迅速表面改質処理法の関発研究

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金属材料の迅速窒化処理法の開発を目的として、熱プラズマを真空下で超音速断熱膨張させ低温プラズマ(温度非平衡プラズマ)化した超音速プラズマジェットによる鉄鋼材料、アルミの迅速窒化処理を行った。その結果、鉄鋼材料の場合は、作動ガス窒素・水素混合ガス(混合体積比3:1)、基材SACM645鋼、窒化処理温度600℃、処理時間5分の場合に50μm以上の表面硬化層(Hv400以上)が形成され、しかも表面は従来の迅速窒化法で問題となっていた白層は形成されておらず、窒化処理前とほぼ同じ状態を保っていた。またアルミへの窒化に関しては、作動ガス純窒素、窒化処理時間5分で、基材を溶融させることなく5052アルミ合金基材上へのA1N薄膜の形成が可能であることを明らかにした。これらの迅速窒化が行われるメカニズムを調べるため、発行分光法によるプラズマ診断を行った結果、窒素プラズマ中の重粒子(原子、分子、イオン)温度はノズル出口部で4000Kまで低下し、下流ではさらに低温になるにもかかわらず、電子密度はノズル出口部で10^<14>particles/cm^3と同程度の圧力下で形成される従来の低温プラズマの10倍以上の密度を有していた。また、窒素プラズマに水素を添加した場合には、プラズマ中で金属の窒化に有効なNHラジカルが生成するうえ、他の重粒子が断熱膨張により温度が低下した後も、NHラジカルのみ高温(6000K)状態を保ったまま基材表面まで輸送されることがわかった。