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

超音速等离子射流快速表面改性处理方法的相关研究

• 批准号: 13750676
• 负责人: 安藤 康高
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Ashikaga Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750676/
• 关键词: プラズマ窒化; 熱プラズマ; DCアークジェット; 表面改質; プラズマジェット; DCアーク

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。

The development of rapid annealing treatment of metallic materials is aimed at the rapid annealing treatment of iron and steel materials. As a result, in the case of iron and steel materials, the surface hardened layer (Hv400 or more) of 50μm or more was formed when the mixture of element and water (mixture volume ratio 3:1) was operated, the substrate SACM645 steel, the annealing temperature was 600℃, and the treatment time was 5 minutes. The formation of AlN thin films on alloy substrates is possible due to the melting of the substrates and the activation of the substrate for 5 minutes. The temperature of heavy particles (atoms, molecules, molecules) in the sample is 4000K lower in the outlet part, and the electron density is 10^<14>particles/cm^3 lower in the downstream part, and the electron density is 10 times higher in the outlet part. In the case of addition of water element, the metal in the medium has the effect of NH generation, the temperature of other heavy particles during thermal expansion is lowered, and the high temperature (6000K) state of NH generation is maintained, and the surface of the substrate is transported.

项目成果

Y.Ando, S.Tobe, H.Tahara, T.Yoshikawa: "Improvement of wear resistance of steels by nitriding using supersonic expanding nitrogen plasma jets"ISIJ International. 42・12. 1371-1375 (2002)

Y.Ando、​​S.Tobe、H.Tahara、T.Yoshikawa：“使用超音速膨胀氮等离子体射流氮化提高钢的耐磨性”ISIJ International 42・12（2002）。

Y.Ando, S.Tobe, H.Tahara, T.Yoshikawa: "Nitriding of aluminum by using supersonic expanding plasma jets"Vacuum. 65. 403-408 (2002)

Y.Ando、S.Tobe、H.Tahara、T.Yoshikawa：“使用超音速膨胀等离子射流对铝进行氮化”真空。

H.Tahara, Y.Ando, K.Onoue, T.Yoshikawa: "Plasma plume characteristics of supersonic ammonia and nitro/hydrogen-mixture DC plasma jets for nitriding under low-pressure environment"Vacuum. 65. 311-318 (2002)

H.Tahara、Y.Ando、K.Onoue、T.Yoshikawa：“低压环境下用于渗氮的超音速氨和硝/氢混合直流等离子体射流的等离子体羽流特性”真空。