2015 Fiscal Year Research-status Report
機械・医療産業に貢献する大気圧プラズマ金属処理技術の学理追求および応用展開
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15K17482
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
市來 龍大 大分大学, 工学部, 助教 (00454439)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズマ窒化 / 浸窒焼入れ / 大気圧プラズマ / パルスアーク型プラズマジェット / 誘電体バリア放電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
○基礎テーマ「大気圧プラズマ窒化の素過程解明」： 誘電体バリア放電（DBD）を用いた金属表面への窒素原子供給に成功した．強調すべきことに，水素ガスを添加しない純窒素DBDによっても窒化が可能であった．発光分光計測の結果，窒素ベースDBDからはN2第2正帯のみが観測され，窒素原子の発光やN2第1正帯も観測されなかった．また窒素／水素混合ガスを用いた際にはNHラジカルの発光は観測されなかった．これらの結果から，DBDからの窒素原子供給はN2励起種の鉄鋼表面での解離性吸着などを経ている可能性が示唆された．
一方，これまで我々が用いてきたパルスアーク型プラズマジェットにおいてはNHラジカルの生成が顕著であり，NHが大気圧プラズマ窒化処理における窒素拡散の担い手であると考えられる．これらの相違を今後比較することにより，大気圧プラズマからの窒素供給メカニズムがより鮮明になると期待される．
○応用テーマ１「複雑形状材料の表面硬化技術」： 大気圧プラズマの衝風による窒素ラジカル種の強制輸送現象を応用し，微小な半径の貫通穴内壁の硬化処理が原理的に可能であることを実証した．鉄鋼試料に加工した直径2 mm～0.5 mm，深さ10 mmの貫通穴に対しパルスアーク型プラズマジェットを大気圧下で照射し，直径2 mmでは全内壁に，直径1 mm以下では内壁の一部に窒素原子を供給させ硬化させることに成功した．
○応用テーマ２「大気圧プラズマ浸窒焼入れの制御」： 大気圧プラズマを用いた低合金綱の浸窒焼入れ処理において，意図しない場所にしかマルテンサイト変態を誘発させられないという問題があった．今回，プラズマ支援昇温を用いた処理温度の制御により，目的の箇所に鉄－窒素マルテンサイト相を形成し硬化させることに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
○基礎テーマ： 重要な比較対象として申請時に挙げていた「窒素ベース誘電体バリア放電」を用いた窒素供給に，初めて成功した．この素過程調査のため発光分光分析を行った結果，これまで調査してきたパルスアーク型プラズマジェットとは全く異なる発光分光特性を示すことが分かり，大気圧プラズマ窒化においてNHラジカル以外の粒子種が重要である可能性が初めて示された．この成果は素過程調査を明らかに前進させた．本成果は国際会議への投稿が受理され，さらに特許出願1件が完了した．
○応用テーマ１： 大気圧プラズマを用いなければ達成が困難である複雑形状部材への窒素原子供給を初めて可能とした．複雑形状部材の窒化は，窒素ラジカル種の中性粒子による輸送という観点から学術的にも大変重要であるし，また製造業の要である金型のこれまでにない高性能化につながる点では技術的にも価値が高い．今後処理条件の最適化などが必要であるが，原理実証が終了したことにより本テーマの課題が半分以上解決したといえる．本成果も国際会議への投稿が受理されている．
○応用テーマ２： 本研究開始前に大気圧プラズマによる鉄－窒素マルテンサイト相の形成までは示されていたが，今回の成果により局所処理範囲の制御性が大幅に向上した．これが本テーマの今後の課題を推進するのに必要な第一歩であったため，初年度に達成された意義は極めて大きい．また，処理範囲がプラズマパラメータに依存する特性から，大気圧プラズマと鉄鋼の表面相互作用を明らかにするための考察が大幅に進展した．本成果は学術論文１件および国際会議発表１件により報告された．
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| Strategy for Future Research Activity |
○基礎テーマ： 今回の成果によりNHラジカル生成以外の素過程も重要視すべきことが明らかとなったため，パルスアーク型プラズマジェットからの窒素原子スペクトルやN2第１正帯にも注目し発光分光特性を調査する．また，パルスアーク型プラズマジェットによる窒化では，水素ガス添加が残留酸素の還元除去の役割を果たしていることも示唆されている．これを明確化すべく，プラズマ反応系に意図的に酸素を微小添加し，金属への窒素供給や発光分光特性から水素の役割をより明確化する．
○応用テーマ1： 基礎テーマの素過程調査をさらに進展させ，狭間隙へ照射したジェットプルーム内の発光特性から，中性粒子種により輸送されるラジカル種の再結合や寿命を調査し，試料形状の窒素供給依存性を数値化する．
○応用テーマ２： 焼入れ時の冷却をジェットノズルのみで達成すべく，衝風冷却系を搭載したプラズマジェットノズルを設計・作製する．これにより鉄鋼の冷却速度も空間的に不均一になるため，マルテンサイト変態をなるべく均一化するために基礎テーマで明確化したラジカル供給の不均一性などとあわせて考察する．
○応用テーマ３「高密度ラジカル生成と窒化チタン製膜への応用」： 大気圧プラズマ由来の高密度窒素ラジカル供給により，チタン材料表面にコーティングで得られる程度の高純度窒化チタン薄膜を生成することが目的であり，本テーマは本年度より始動する．窒素ラジカルの高密度化には大気圧プラズマ系に新たに真空パージを導入する必要があると考えられるため，プラズマジェット系専用の簡易真空装置を開発する．
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