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Basic Study on Plasma Nitriding Process and NH radical

Research Project

Project/Area Number 20H02133
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 21010:Power engineering-related
Research InstitutionOita University

Principal Investigator

Ichiki Ryuta  大分大学, 理工学部, 准教授 (00454439)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 立花 孝介  大分大学, 理工学部, 助教 (10827314)
金澤 誠司  大分大学, 理工学部, 教授 (70224574)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2020: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
Keywordsプラズマ窒化反応 / NHラジカル / 大気圧プラズマ / レーザー誘起蛍光法 / N原子 / 質量分析 / NHラジカル / 質量分析法
Outline of Research at the Start

地球大気の8割を占める窒素が金属や半導体と化学反応すると,その材料に有用な機能が発現する例が多数知られている.窒素と材料を効率的に反応させる方法として,プラズマ窒化反応が用いられる.この分野ではNHラジカルがプラズマ窒化反応を促進されると言われてきた.そこで本研究ではNHの窒化反応性を詳細に調査し,NHが本当に窒化反応に有用なのか,またどのように有用なのかを明確にする.
具体的にはレーザー誘起蛍光法によりNHを観測する実験系を構築し,最終的にNH密度と窒化反応の相関性を明らかにする.NHの窒化反応性が明らかになれば,エネルギー消費を抑えた新たな高効率窒化技術の創成につながると期待される.

Outline of Final Research Achievements

The correlation between NH radicals and nitriding capability is investigated in order to make clear elementary processes of the plasma nitriding.
The density of NH radicals at the ground state present in the jet plume is measured by the laser-induced fluorescence. As a result, the NH density proved to exponentially decrease with increasing the hydrogen fraction of the nitrogen-hydrogen operating gas. On the other hand, performing nitriding treatment for iron samples with the identical plasma provided that also the concentration of doped nitrogen on the sample surface exponentially decreases with increasing the hydrogen fraction. The decay constants of the NH density and the nitrogen concentration are 0.92% and 0.85%, respectively, from which we concluded that the two factors have a scientific correlation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

プラズマ窒化反応は金属材料の表面硬化に使用され,自動車産業や金型産業など機械コンポーネント製造の分野では必須のプロセス技術である。さらに,各種半導体材料,医療材料,触媒材料など多岐にわたる材料分野でも使用され,近年ではプラズマ農業応用の分野とも関連性が深い。また,窒素はもともと大気の80%を占める元素であるため我が国特有の資源偏在の問題がなく,プラズマ窒化反応は恒久的に使用可能な技術でもある。このように重要な技術の反応素過程が明確になれば,これまでにない高速窒化処理などの技術革新や,プロセスの高効率化による材料加工・熱処理産業におけるカーボンニュートラルの促進が期待される。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (57 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 6 results) Presentation (41 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 6 results) Book (1 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Tribological Properties of Steel Surface Nitrided by Atmospheric-Pressure Thermal Plasma Jet2024

    • Author(s)
      Ando Shoho、Koyanagi Koki、Ichiki Ryuta、Otsu Takefumi、Furuki Takashi、Kanazawa Seiji
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials

      Volume: 144 Issue: 5 Pages: 159-164

    • DOI

      10.1541/ieejfms.144.159

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
    • Year and Date
      2024-05-01
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    • Author(s)
      KINUMOTO Taro、TOMITA Toru、SATO Mai、MATSUOKA Miki、ICHIKI Ryuta
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 91 Issue: 5 Pages: 057002-057002

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.23-00021

    • ISSN
      1344-3542, 2186-2451
    • Year and Date
      2023-05-19
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      薬師寺 海斗、若林 咲希、上田 理人、白井 祐大、市來 龍大、立花 孝介、古木 貴志、金澤 誠司、吉村 信次
    • Journal Title

      NETSUSHORI

      Volume: 63 Issue: 4 Pages: 205-210

    • DOI

      10.14940/netsushori.63.205

    • ISSN
      0288-0490, 2188-4064
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      Ichiki Ryuta、Yagawa Noritake、Furuki Takashi、Kanazawa Seiji
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 108 Issue: 6 Pages: 354-359

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2021-124

    • ISSN
      0021-1575, 1883-2954
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      N. Yagawa, R. Ichiki, K. Tachibana, T. Furuki, S. Kanazawa
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      Volume: 1 Pages: 197-198

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      Volume: 1 Pages: 295-296

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      Results in Physics

      Volume: 29 Pages: 104791-104791

    • DOI

      10.1016/j.rinp.2021.104791

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      市來 龍大
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      Volume: 89 Issue: 6 Pages: 338-342

    • DOI

      10.11470/oubutsu.89.6_338

    • NAID

      130007853414

    • ISSN
      0369-8009, 2188-2290
    • Year and Date
      2020-06-10
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      Tachibana Kosuke、Koshiishi Takahiro、Furuki Takashi、Ichiki Ryuta、Kanazawa Seiji、Sato Takehiko、Mizeraczyk Jerzy
    • Journal Title

      Journal of Electrostatics

      Volume: 108 Pages: 103525-103525

    • DOI

      10.1016/j.elstat.2020.103525

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      Kanazawa Seiji、Ohno Akira、Furuki Takashi、Tachibana Kosuke、Ichiki Ryuta、Suzuki Asumi、Kuroi Kiyoshi、Suzumura Kei、Tanaka Toshio、Motegi Kanji、Kocik Marek、Mizeraczyk Jerzy
    • Journal Title

      Journal of Electrostatics

      Volume: 103 Pages: 103419-103419

    • DOI

      10.1016/j.elstat.2020.103419

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    • Author(s)
      市來 龍大
    • Journal Title

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      Volume: 65 Pages: 359-364

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      矢川智健,市來龍大,立花孝介,古木貴志,金澤誠司
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    • Author(s)
      薬師寺海斗,若林咲希,小松智紀,市來龍大,立花孝介,古木貴志,金澤誠司
    • Organizer
      第25回プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 平板型バリア放電の高温・高電圧拡張現象2021

    • Author(s)
      市來龍大,川述圭樹,小松智紀,立花孝介,古木貴志,金澤誠司
    • Organizer
      38th Symposium on Plasma Processing/33rd Symposium on Plasma Science for Materials
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Demonstration of Bright Nitriding for Steel with Pulsed-Arc Plasma Jet2020

    • Author(s)
      Ryuta Ichiki
    • Organizer
      4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 大気圧プラズマによる金属表面窒化法の問題・課題2020

    • Author(s)
      市來 龍大
    • Organizer
      電気学会プラズマ材料表面処理技術の動向調査専門委員会第1回研究会
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 大気圧プラズマジェット窒化における処理可能面積の調査2020

    • Author(s)
      神原優華,市來龍大,矢川智健,立花孝介,古木貴志,金澤誠司
    • Organizer
      第24回プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 大気圧プラズマジェットを用いた光輝窒化の水素流量比依存性と処理時間依存性2020

    • Author(s)
      小島健人,市來龍大,神原優華,立花孝介,古木貴志,金澤誠司
    • Organizer
      第73回電気・情報関係学会九州支部連合大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] バリア放電の高温拡張化における極性依存性および窒素ドーピングの調査2020

    • Author(s)
      小松智紀,市來龍大,川述圭樹,立花孝介,古木貴志,金澤誠司
    • Organizer
      電気学会放電・プラズマ・パルスパワー研究会
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      2020 Annual Research Report
  • [Book] プラズマ材料表面処理技術の最新動向2023

    • Author(s)
      プラズマ材料表面処理技術の動向調査専門委員会
    • Total Pages
      73
    • Publisher
      電気学会
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  • [Remarks] 大気圧プラズマによる金属材料の高性能化

    • URL

      https://www.eee.oita-u.ac.jp/elec/plasma/research/metal.html

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  • [Remarks] 大分大学放電プラズマ研究室 大気圧プラズマによる金属材料の高性能化

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      https://www.eee.oita-u.ac.jp/elec/plasma/research/metal.html

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    • Inventor(s)
      市來龍大,中谷達行,園田正樹
    • Industrial Property Rights Holder
      市來龍大,中谷達行,園田正樹
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-000902
    • Filing Date
      2023
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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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