JPH07166231A - プラズマ電子加熱および固体／気体ジェット冷却による熱処理 - Google Patents

プラズマ電子加熱および固体／気体ジェット冷却による熱処理

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JPH07166231A
JPH07166231A JP6204018A JP20401894A JPH07166231A JP H07166231 A JPH07166231 A JP H07166231A JP 6204018 A JP6204018 A JP 6204018A JP 20401894 A JP20401894 A JP 20401894A JP H07166231 A JPH07166231 A JP H07166231A
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work piece
plasma
gas
heating
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JP6204018A
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Jesse N Matossian
ジェッセ・エヌ・マトッシアン
John D Williams
ジョン・ディー・ウイリアムズ
Wilfried Krone-Schmidt
− シュミット ウイルフリード・クローン
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】加工物を迅速かつ均一に加熱または冷却する熱
処理方法を提供する。 【構成】まず、加工物（４４）の周りにイオン化ガスプ
ラズマ（３８）を生成させる。加工物（４４）に正の電
位を印加してプラズマ（３８）から加工物（４４）中へ
電子を加速させる。加工物（４４）は、これら電子によ
って加工物（４４）中へ向けられたエネルギーによって
表面加熱される。加工物を冷却するに当り、平衡の熱力
学的三重点を有する加圧液体物質の流れを用いることが
できる。液体物質はノズルを介して膨張されて固体粒子
を生成し、これが加工物の表面と接し、昇華により熱を
奪う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、物質の熱処理に係り、
より具体的には、生産用熱処理操作における迅速かつ選
択的加熱および冷却のための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】市販されている多くの金属合金の最も重
要な特性の１つは、熱処理による物性の変性能力であ
る。熱処理の基礎は、種々の強度変性機構たとえば析出
硬化および相変態たとえばマルテンサイトの生成および
変性である。そのような合金で作られた加工物（workpi
ece ）は、個々の用途に応じて、その全体積にわたっ
て、あるいはその表面においてのみ変性させることがで
きる。種々の機構の知見から、そのような合金の性質
は、熱処理の選択により広い範囲にわたって変性させる
ことができる。
【０００３】一般に、熱処理は、加工物の制御された加
熱および冷却を含む。個々の組成の加工物の熱処理結果
は、選択した温度、加熱および冷却の速度、各温度にお
ける時間、多重加熱および冷却工程およびサイクルの使
用、その他のプロセスパラメータ等多くのパラメータに
依存する。
【０００４】商業的に最も重要な熱処理のいくつかは、
加工物の表面領域のみを変性するように行われている。
例えば、多くの鋼は、高い靭性および破壊抵抗の内部を
維持しながらその耐摩耗性を改善するために、その表面
が優先的に硬化されるように特別に処理される。加工物
の表面のみを処理しようとする場合、加熱され冷却され
た領域の加工物への進入深さ、および熱処理中の温度プ
ロファイルが特に重要な点である。これらパラメータ
は、しばしば、加工物の形状、および表面における鋭い
点や凹部のような不規則性の存在によって少なくとも部
分的に決定される。
【０００５】熱処理は、多くの材料の最も望ましい利用
にとって非常に重要であるので、多くの異なるタイプの
熱処理装置および方法が開発されている。
【０００６】普通に使用されている１つの手法は、ガス
または電気素子によって加熱された炉において加工物を
加熱するものである。加工物が必要な温度に必要な時間
置かれた後、これを非常に遅い炉冷却からガス冷却ない
し迅速な水急冷に渡るいくつかの冷却速度のいずれかで
冷却することができる。この技術は、物品全体を一度に
処理するものであるが、加工物の遅い加熱および／また
は冷却故に非効率的であり得る。
【０００７】他の熱処理手法においては、レーザーや電
子ビームのような加熱ビームを加工物の表面に向けてこ
れを迅速に加熱する。その代りに当該表面を誘導加熱す
ることもできる。これら技術は、加工物を加熱しないと
いう点で効率的であるが、ビームまたは誘導コイルを加
工物の表面上で移動させることを必要とする。この段階
的作用（階動）は遅いことがあり、場所の関数として熱
処理にばらつきが、特に加工物上に表面不規則性がある
場合に、生じ得る。プラズマ加熱も試みられているが、
迅速な加熱速度が得られていない。
【０００８】表面処理中の加工物の冷却についても同様
の問題がある。加工物が均一に加熱されていれば、迅速
な冷却は、通常、加工物を水または油のような冷却媒体
中に浸漬することにより達成される。他方、加熱源を加
工物の表面上で階動させなければならない場合、均一
で、制御可能な冷却を達成することは困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】物質の熱処理に対する
改善された手法に対する要望が存在する。この要望は、
熱処理が表面処理である場合、または比較的迅速な冷却
が要求される場合に、加工物の全表面に渡り均一である
か加工物の特定領域に選択的なものであるかを問わず、
特に強い。本発明は、この要望を満たそうとするもので
あり、さらに関連する利点を提供しようとするものであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属および他
の加工物を熱処理するための方法および装置を提供する
ものである。本発明の手法により、表面熱処理に特に適
した迅速で制御可能な加熱が行える。加工物は、有意の
表面不規則が存在していても、その全周囲に渡って、ま
たは特定領域に選択的に、均一に加熱される。加工物の
みが加熱されるので、加熱手法は非常に効率的である。
複数の加工物を同じチャンバ中で同時に、異なる温度に
熱処理することができる。本発明による冷却は、加工物
をどのような冷却媒体中にも浸漬することなく達成され
る。加工物は、高圧ガス冷却または油浸漬により可能な
速度より速い速度で冷却され、加工物上には残渣が残ら
ない。加工物の表面は、その全表面に渡って、または特
定領域に選択的に、均一に冷却される。
【００１１】本発明によれば、加工物を熱処理するため
の装置は、真空チャンバ、該真空チャンバを制御可能に
排気するための手段、およびイオン化性（電離性）ガス
の分圧を制御可能に該真空チャンバの内部に供給するた
めの手段を備える。真空チャンバ内には、プラズマを提
供するための手段が設けられている。加熱は、電子がプ
ラズマから加工物中へ加速されるように、プラズマに対
して正のパルス状電圧を加工物に印加するための手段に
より達成される。パルス状正電圧を印加するための手段
は、プラズマ提供手段とは独立に動作される。加工物
は、電気的に分離（隔離）された支持体上に、プラズマ
電子加熱される位置に保持される。加工物を操縦（mani
pulate）する必要はない。
【００１２】対応する方法において、加工物を熱処理す
るための方法は、加工物の周りにイオン化性ガスのプラ
ズマを生成させる工程、プラズマに対して正の一連のパ
ルス状電圧を加工物に印加してプラズマから加工物へ電
子を加速し、加工物を加熱する工程を包含する。加速工
程は、あらかじめ選定された熱処理状態が加工物中に到
達されるまで続けられる。
【００１３】プラズマ源によって発生されたプラズマは
加工物を囲包し、加工物の全側面に電子の溜め部を提供
する。加工物の、プラズマに対して正の印加パルス状電
圧は、プラズマから加工物へと電子を抽出する。電圧は
電子を加速し、加工物を打撃したとき、電子のエネルギ
ーは加工物へ移動しこれを加熱する。電子は、加工物を
完全に囲包するプラズマから来るので、加工物はその表
面から全側面で加熱され、それ故、処理中に加工物を操
縦する必要はない。この手法は、加工物の表面のみの加
熱が必要であり、加熱が均一であるべき場合に特に有利
である。他の手法において、加工物の表面をマスクして
選択された（マスクしていない）領域の均一加熱を達成
することができる。
【００１４】この熱処理手法は、加工物の冷却にも及
ぶ。さらに、本発明によれば、加工物の熱処理装置は、
熱処理すべき加工物を受けるための支持体を含む。ノズ
ル手段が、高圧から低圧へ液体の流れを膨張させ、膨張
された流れを加工物が支持体に保持されているとき加工
物の場へと向ける。その液体、固体および気体の形態の
間に平衡の熱力学的三重点を有する液体物質の加圧され
た供給源、および液体物質の供給源からノズル手段の高
圧側に制御可能に延びる導管が設けられている。液体物
質は、好ましくは加圧二酸化炭素であるが、アルゴン、
窒素および他の好適なガスも使用できる。
【００１５】関連する方法において、加工物を熱処理す
るための方法は、加工物を加熱する工程、および固体粒
子の流れを加工物に向ける工程を包含する。固体粒子の
流れは、液体、固体および気体の形態の間に平衡の熱力
学的三重点を有する加圧された液体物質を供給し、この
液体物質を高圧から低圧へ膨張させて当該物質の固体粒
子の小クラスターを生成させ、膨張した固体流を加工物
に向けることによって生成される。
【００１６】加圧された液体物質は、ノズル中で膨張さ
れたとき、冷え、固体状態へ転移する。転移した固体の
小粒子は、加工物の表面における境界層および他の障害
を通じて侵入する。これら粒子は加工物から熱を吸収
し、減少された圧力において気体状態へと転移する。そ
の気体は加工物の近傍から去り、一層の固体冷却剤が表
面に達するようにさせる。この手法による冷却は、熱伝
達係数に対する境界層およびフィルム沸騰現象の制限が
克服されるので、対応のガス冷却または油急冷手法より
も高い速度を有する。複数のノズルおよび／または固体
分配技術を用いることによって、固体冷却剤の粒子は、
表面の特定の領域を選択的に冷却するために特定の領域
に向けることができるし、あるいは空間的に均一な冷却
を行うために加工物の周囲の周りのあらゆるところに分
配することもできる。かくして、ほとんどの用途におい
て、加工物を操縦する必要はない。
【００１７】本発明の加熱および冷却手法は、一緒に、
またはそれぞれ他の冷却および加熱技術とともに別々に
使用することができる。
【００１８】本発明の手法は、熱処理の分野に重要な進
歩をもたらす。本発明の手法により、後に除去しなけれ
ばならない汚染なしに、物品を真空中で熱処理し、一般
に不活性の低圧雰囲気中で冷却することができる。
【００１９】以下、本発明の具体例を図面を参照して説
明する。図１は、プラズマ電子加熱装置２０を示す。こ
の装置２０は、制御しうるゲート弁２８を有する導管２
６を介して真空ポンプ２４によって排気される真空チャ
ンバ２２を備える。イオン化性ガス源３０から、窒素の
ようなイオン化性ガスが、制御しうる弁３４を有する導
管３２を介して、真空チャンバ２２の内部に供給され
る。圧力計３６が真空チャンバ２２内の圧力を測定す
る。操作に当り、ゲート弁２８を完全開放した状態で真
空ポンプ２４により真空チャンバ２２を排気する。次に
ゲート弁２８を部分的に閉じ、制御弁３４を部分的に開
放してイオン化性ガスの分圧を導入する。圧力計３６に
より測定された圧力を観察し、弁２８および３４を通る
相対流量を調整することによってイオン化性ガスの分圧
を予め選定されたレベルに維持する。
【００２０】いずれもの好適な手法により、真空チャン
バ２２を充満するプラズマ３８を発生させる。図１にお
いては、真空チャンバ２２の内部に、露出した熱ワイヤ
フィラメント４０が設けられている。このフィラメント
は、真空チャンバ２２の壁から電気的に絶縁されてい
る。フィラメント４０は、フィラメントのリード線を横
切って接続された電源４１を用いて、熱電子放出温度に
加熱される。イオン化性ガスは、負極がフィラメント４
０の１つのリード線に接続され、正極が真空チャンバ壁
２２に接続された電源４２を用いてイオン化される。こ
の場合、フィラメント４０がカソードであり、真空チャ
ンバ２２がプラズマ３８生成のためのアノードである。
ガス分子はフィラメント４０から放出される電子によっ
てイオン化され、等数の自由電子と正荷電ガスイオンと
からなるプラズマを生成する。生成したプラズマは、拡
散して真空チャンバ２２の内部を完全に充満し、それに
よりいずれもの加工物をプラズマ内に浸す。生成したプ
ラズマは、接地電位にある真空チャンバの電位にある。
【００２１】図示の例では、２つの加工物４４が真空チ
ャンバ２２内の電気絶縁性支持体４６に支持されてい
る。支持体は、チャンバを充満するプラズマからそれを
保護するためにシールドで覆われている。プラズマ３８
の自由電子およびガスイオンが、そのディメンジョンが
プラズマの性質たとえばガス圧力、プラズマ密度および
電子温度に依存するプラズマシース（plasma sheath ）
４５とともに、加工物４４を囲包する。装置２０は、一
度に１またはそれ以上の加工物を処理するために好適で
あり、２つの加工物が、説明のために図示されている。
プラズマは、複数のフィラメントから生成させることが
でき、またプラズマを取り扱う既知の技術を用いて仕立
て上げもしくは成形することができる。具体的には、プ
ラズマを特定の用途に成形するために、真空チャンバ２
２の内部に設けた磁石４７を用いることができる。プラ
ズマ密度およびプラズマ電子温度は、ガス圧力、フィラ
メント温度および／または電子エネルギーを変化させる
ことによって調節することができる。図１に示した装置
は、いずれもの大きさまたは数の加工物を処理するため
にいずれもの所要の大きさに作ることができる。
【００２２】二極パルス電源４８は、その正極が加工物
４４に、その負極が真空チャンバ２２の壁に接続されて
いる。この場合、両加工物は同じ電圧および波形でパル
ス印加される。真空チャンバ２２の壁は、加工物を囲包
するプラズマと同様、接地されている。
【００２３】加工物４４が、プラズマ３８に対して正の
電圧にパルス印加されると、プラズマは加工物に対して
カソードとなり、各加工物はアノードである。アノード
である加工物４４は、プラズマ３８を発生させるために
使用される真空チャンバアノードから分離しており、別
個のものである。印加された正電圧はプラズマシース４
５を横断して展開し、符号５０で示すようにプラズマか
らの自由電子が加工物へと加速される。付勢された電子
は加工物４４を打撃し、そのエネルギーは加工物４４に
伝達される。
【００２４】電子は、印加電圧および加工物の材質に依
存する短い距離のみ加工物中に進入する。ほとんどの場
合、この進入はせいぜい２、３μm である。加工物のこ
の表面領域のみが直接加熱され、下の領域はその表面領
域からの熱拡散により加熱される。
【００２５】プラズマ電子加熱は、２つの異なる別個の
モードで行うことができる。第１のモードは、加工物の
内部を有意に加熱することなく加工物の表面の迅速かつ
優先的加熱を行うための迅速バースト加熱からなる。第
２のモードは、加工物の表面および内部の双方の加熱を
行うためのゆっくりした連続加熱からなる。いずれの加
熱モードにおいても、加工物の操縦は必要でない。
【００２６】いずれのモードについてもプラズマ電子加
熱の重要な利点は、加熱が加工物の表面の性質に依存し
ないということである。さらなる重要な利点は、ほとん
どのタイプの表面不規則が存在していても、加工物の全
周囲で加熱が均一であるということである。この均一加
熱は、加工物を囲包するプラズマシース４５から生じ
る。プラズマの性質を調節することによって、プラズマ
シースを加工物の多くの異なる表面不規則に適合させる
ように作ることができる。このプラズマシースの形状追
随的特徴により、従来の電子ビーム加熱におけるように
単一の固定場からだけでなく、加工物の全側面から電子
が提供される。
【００２７】迅速バースト加熱モードについては、表面
加熱は加工物の熱質量とはほぼ独立している。いずれの
操作モードについても、プラズマ電子衝撃による加工物
の加熱は、ヒーターや絶縁のような炉部材からは、その
ような部材が本発明とともに用いられていても、独立で
ある。
【００２８】加工物４４の全表面の均一加熱の代りに、
プラズマ電子加熱方法は、加工物表面の特定領域の優先
的加熱を行うように利用することができる。これを行う
ために、加熱すべきでない加工物表面を、除去可能な絶
縁性コーティングまたは加工物表面との乏しい熱的接触
を確保するために加工物表面に緩く置かれた金属ホイル
のような適切な材料のマスクで覆う。たとえば、図１に
おいて、一般的に円柱形の加工物４４の端部は、電子が
その表面を進入できないようにホイルマスク４９で覆わ
れているものとして示されている。それにより、加熱
は、プラズマ３８に暴露されている円柱の湾曲側面に対
してのみ選択的に達成される。大きな被覆表面の小部分
のみがプラズマに暴露され、加熱されるようにマスクを
パターン化することができる。
【００２９】加工物を囲むプラズマは、正に荷電したガ
スイオン、負に荷電した電子、および非イオン化ガスを
含む。好ましい典型的な低圧（１０-4〜１０-5Ｔｏｒ
ｒ）プラズマにおいて、イオン対中性ガス原子フラクシ
ョンは典型的１〜１０パーセントである。それ故、プラ
ズマは、主として中性の非イオン化ガス原子である。こ
れらガス原子は、加工物に印加された電圧によって反発
されないので、全方向から均一に加工物に衝突する。
【００３０】イオン化性ガスを適切に選ぶことによっ
て、非イオン化ガスの衝突が、プラズマ加熱プロセスと
同時に他の有利な結果を得るために利用できる。アルゴ
ンは化学的に不活性であり、そのイオン化性ガスとして
の使用は、加工物をプラズマ電子加熱する能力を提供す
るだけである。他方、窒素は、これをイオン化ガスとし
て用いると、加熱ばかりでなく、加工物の表面における
硬い窒化物層の生成をもたらす。このタイプの表面窒化
は、加工物表面のイオン打撃がない点で従来のプラズマ
窒化とは異なる。
【００３１】プラズマ電子加熱装置による加工物の加熱
は、加工物に所望の加熱状態を達成させるに必要なだけ
続けることができる。表面処理のためには、予め選定さ
れた温度に到達するため、および／または予め選定され
たミクロ構造状態を達成するために必要な時間加工物表
面を加熱するだけでよい。厚さに渡る（through-thickn
ess ）熱処理が所望の場合、内部温度状態が熱拡散によ
って到達するまで加熱を続行することができる。プラズ
マ中の正のイオンは加工物から反発されるので、長い時
間の電子加熱は材質に損傷をもたらさない。
【００３２】プラズマ電子加熱装置２０のための典型的
な操作条件は、約１０-5ないし約１０-4Ｔｏｒｒのイオ
ン化性ガス圧力である。約１０-4Ｔｏｒｒ以下のガス圧
の場合、電源４８により提供された全印加電圧は、加工
物を囲むプラズマシース４５を横切って維持（sustain
）される。これにより、全印加電圧でプラズマ電子が
加工物を打撃して表面を効率的に加熱する。しかしなが
ら、約１０-4Ｔｏｒｒを超える圧力の場合、印加電圧は
各加工物（処理物）を囲むプラズマシースを横切って維
持され得ない。プラズマ電子は、全印加電圧で加工物表
面を打撃できず、表面の最小加熱が生じてプロセスがよ
り効率的でなくなる。
【００３３】好ましい態様において、電源４８は、約１
０ヘルツないし約３０００ヘルツの率でパルス印加さ
れ、各パルスは約１ないし約５０マイクロ秒持続する。
加工物に印加される電圧は、約１キロボルトないし約１
００キロボルトである。パルスは、連続パルストレイン
の形態にあってもよいし、短時間パルスの短時間バース
トで提供されてもよい。典型的な短時間バーストは、約
０．１ないし約３秒であり、約１００〜５０００パルス
を含み、各パルスの幅は約１０〜３０マイクロ秒であ
る。これらの値は、本発明を制限するものではなく、好
ましい操作条件を例示するものである。
【００３４】加工物（処理物）４４へ印加されたパルス
状加速電圧を使用することは、処理物へ印加された一定
またはＤＣ電圧を使用することとは区別されるべきであ
る。パルス化は、５０〜１００キロボルトという高電圧
をアノードである加工物に印加して優先的表面加熱また
は遅い厚さに渡る加熱を達成させるものである。５０〜
１００キロボルトのＤＣ電圧は、アノード電圧で動作さ
れる加工物のプラズマシース４５を横切って維持され得
ない。さらに、アークが発生し、加工物の表面を損傷さ
せる。これとは対照的に、５０〜１００キロボルトのパ
ルスはアノード電位で動作される加工物のプラズマシー
スを横切って維持されるが、ここに述べた圧力において
のみである。
【００３５】パルスを用いる際に、加工物４４の位置
を、相互におよびチャンバの壁に対して選定するよう注
意を払う。各パルス中、プラズマシースは膨張し、各パ
ルス間のオフ時間中にはプラズマシースは、初期状態に
収縮する。加工物の良好な形状追随性電子打撃を維持す
るために、加工物は、相隣るシースがパルス中にオーバ
ーラップしないように真空チャンバ内に設置されるべき
である。典型的な１〜５０マイクロ秒のパルス幅の場
合、プラズマシースは約６センチメートルを超える大き
さまで膨張しない。より長期の印加電圧パルスでは、よ
り大きなシースサイズが生じ、加工物を熱処理中装置内
に近接して設置する方法が制限される。電源４８により
提供されるより長期の電圧パルスは、プラズマシースと
プラズマの形状追随性に悪影響を及ぼし、プラズマシー
スの大きさよりも細かい表面特徴を有する加工物の形状
追随処理を阻害する。
【００３６】図２は、装置２０の変形例であるプラズマ
電子加熱装置２０’を示している。この装置２０’は、
装置２０と同様の部品を主として利用している。対応す
る部品は、図１と同様の符号で示されており、既に述べ
たものであるからその説明は省略する（図２において
は、端部マスク４９は省略されており、その場合プラズ
マ電子加熱は加工物の全表面にわたって生じることを示
している）。
【００３７】装置２０’と装置２０との差は、両者にお
いて加工物４４および４４’が異なって加熱されること
である。単一の電源４８が使用されているが、その正の
側は、それぞれ異なる抵抗のバラストレジスタ５２を介
して加工物４４および４４’に接続されている。それ
故、加工物４４および４４’に印加された実効正電圧は
異なる。その結果、加工物４４および４４’中へと加速
される電子のエネルギーが異なり、それぞれの加工物表
面が異なって加熱されることとなる。
【００３８】従って、装置２０の単一操作で加工物４４
および４４’を異なって熱処理することができる。真空
チャンバの壁は、付随的な場合を除き加熱されず、また
抵抗タイプの加熱素子が存在しないので、同一チャンバ
内で複数種の同時加熱処理が容易に行われる。この原理
は、同一チャンバおよび単一操作における他の熱処理の
ための、複数電源４８の使用、加熱をさらに制御するた
めの切り替え装置の使用、またはバラストレジスタの代
りのキャパシタおよびインダクタの使用まで及ぶ。この
能力は、本発明の一つの利点であって、装置のより完全
で経済的な利用、およびより少ない作業計画の中断を可
能にする。例えば、少数の部品を個別的に加熱しなけれ
ばならないようないくつかの場合において、完全な炉の
準備が完了するまで各タイプの部品の熱処理を遅らせる
ことが行われていた。本発明によれば、そのような遅れ
なしに異なるタイプの部品を一度に熱処理することがで
きる。
【００３９】熱処理前に加工物表面に存在する残渣もし
くはフィルムを清浄化し、あるいは脱着するために、加
工物の実際の加熱を行う前に、低電圧（例えば、２０キ
ロボルト）および加工物の連続もしくは迅速バーストモ
ード加熱のいずれかを用いることが有利であることが見
い出された。この事前浄化プロセスは、後の加工物のプ
ラズマ電子加熱処理中のアーク発生を防止する上で有益
であることがわかった。典型的には、事前浄化操作は、
所望の浄化程度に応じて約５分間行われる。
【００４０】以上述べたプラズマ電子加熱モードおよび
技術は、加熱された加工物を冷却するための別の強制冷
却プロセスを附加しまたは附加することなく使用し得
る。いずれの場合でも、加工物の操縦は要求されない。
別の強制冷却を採用しない場合、加工物は、２つの異な
るモードにより冷却される。第１モードでは、加工物の
迅速自己冷却が、加工物表面の迅速バーストモード加熱
後に達成される。この場合、加工物表面は、加工物の内
部への伝導により冷却される。第２のモードでは、加工
物表面の遅い放射的冷却が、加工物の表面および内部を
加熱する加工物の遅い連続加熱後に達成される。
【００４１】別の強制冷却プロセスをプラズマ電子加熱
モードとともに用いた場合、加工物の冷却は、加工物の
所望の温度および／またはミクロ構造状態が得られた後
に達成される。例えば、特に鉄系金属において、加工物
の比較的迅速な冷却を行う場合、冷却速度に応じて、特
定の相変態を抑制でき、または特定の相が生成され得
る。
【００４２】具体的には、真空加熱された加工物の表面
を比較的迅速に冷却することがしばしば望ましい。従来
では、例えば放射によって真空中で加熱された加工物
は、高圧ガス冷却により比較的速い速度で冷却される。
この場合、真空チャンバはヘリウムのようなガスで、迅
速に、典型的には１０〜２０秒以内で、１〜２０気圧の
圧力にバックフィル（backfill）される。この冷却ガス
は加工物の表面と接触して熱を運び去る。熱除去速度
は、通常、加工物の表面における境界層および冷却ガス
の伝導により制限される。
【００４３】本発明は、真空加熱された加工物を冷却す
るための別の方法を提供し、これを固体／気体ジェット
（ガス噴流）冷却（ＳＧＪＣ）と呼ぶこととする。図３
は、固体／ガス噴流冷却装置６０を示している。この装
置６０は、導入された高圧流を膨張させる収束／発散ノ
ズル６２を備える。装置６０は、さらに、その液体、固
体および気体の形態間で平衡の熱力学的三重点を有する
液体物質の供給源６４を備える。液体物質は、好ましく
は、異原子種液体二酸化炭素（ＣＯ2 ）であり、これは
加圧状態で液体として存在し得る。１気圧の下では、二
酸化炭素は、気体または固体（ドライアイス）としての
み存在する。液体物質は制御可能な弁６８をその中に備
えた導管６６を介して供給源６４からノズル６２へ移送
される。弁６８は、液体物質の制御可能な流れをノズル
６２へ通じさせる。この弁は、装置設計および所望の装
置性能に応じて、手動によりまたは遠隔的に動作され、
また供給源６４の近傍に設置することができる。使用で
きる他の液体物質には、窒素のような二原子種およびア
ルゴンのような貴ガス種が含まれる。
【００４４】図４は、固体、気体および液体間に三重点
平衡を有する液体物質の圧力−温度状態図を示してい
る。液体物質は、加圧下で供給源６４に貯蔵されてい
る。好ましい態様において、二酸化炭素は、約８３５ポ
ンド・パー・平方インチ（ｐｓｉ）の圧力で液体状態で
貯蔵されている。液体として、二酸化炭素は導管６６内
を流れ、その流量は弁６８によって容易に制御すること
ができる。
【００４５】液体二酸化炭素がノズルの発散部分を通っ
て膨張する間に、その圧力および温度は低下する。液体
二酸化炭素は、状態図の固相領域へ入ると固体に変換す
る。固体二酸化炭素の小さい雪様の粒子７０がノズル６
２の下流に生成する。操作条件に依存して、この粒子
は、サイズが１０００分子と小さいものから、より大き
なものとなり得る。
【００４６】小さな二酸化炭素粒子７０は自由空間を通
って進行し、加工物４４の表面７２に衝突する。固体二
酸化炭素雪は、表面７２から熱を吸収し、昇華により気
化する。二酸化炭素分子は、符号７４で概略的に示すよ
うに、表面から離れるように拡散し、それらとともに加
工物４４の熱を運ぶ。液体二酸化炭素は、熱力学的に、
１気圧下では存在し得ないので、この冷却処理後に表面
に残る液体はなく、重要な利点をもたらす。
【００４７】上記固体／ガス噴流冷却技術は、いくつか
の理由から、通常の高圧ガス冷却よりも優れた結果を与
えることがわかった。第１に、各二酸化炭素粒子は、そ
の温度を上昇させるに必要な熱を吸収するばかりでな
く、気相へ変換するにつれ昇華熱をも吸収する。したが
って、その有効熱容量は、常に気相にある分子のそれよ
りも大きい。第２に、冷却中に、加熱されたガス分子の
境界層７６が表面７２直近に展開される。他のガス分子
を外部からこの境界層を強制的に通すことは困難であ
り、高圧ガス冷却を用いた場合には低下した表面熱伝達
係数が生じる。比較的重い固体粒子７０は、境界層７６
を容易に通過して表面７２に到達し、熱伝達係数に及ぼ
す境界層の悪影響を回避できる。
【００４８】ノズルからの粒子の流れ中に同伴された固
体粒子のフラクションは、有利な結果をもたらすように
調整することができる。供給源６４の温度または圧力を
調節することによって、同伴された流れを主として固体
粒子であるか主としてガスであるようにすることができ
る。７０°Ｆ以下の供給源の温度は、主として固体粒子
を生じ、約９０°Ｆの温度は、ノズル６２の通った膨張
により生成した主としてガス粒子を生じる。ガスおよび
固体粒子のフラクションは、二酸化炭素ボトル供給源６
４内の圧力を調節することによって制御することができ
る。ガスおよび固体粒子のフラクションは、固体−ガス
流をさらにガスを加えることで希釈することにより直接
制御することもできる。希釈は、２つの異なる方法によ
って行うことができる。第１の方法においては、異なる
ガスを冷却ガスの液相である導管６６中に直接注入する
ことによってエアゾルを作る。第２の方法は、ガス流中
に同伴された固体を、ノズル６２において、同じ種のガ
スで希釈するものである。加工物の冷却は、異なるガス
を異なるノズルに同時に通過させ、得られる固体／ガス
混合物流を加工物に向けることによっても制御すること
ができる。さらに、加工物の冷却は、加工物に対する、
ノズルまたはノズル群の位置および／または配置を変え
ることによっても制御することができる。
【００４９】プラズマ電子加熱技術の特徴の１つは、加
工物を操縦することなく、加工物の全表面を均一に加熱
するために、または加工物の選定された領域のみを均一
に加熱するために使用できることである。同様に、ＳＧ
ＪＣプロセスは、また、加工物を操縦することなく、全
加工物表面を均一に冷却するため、または加工物表面の
選定された領域を均一に冷却するために使用することが
できる。ＳＧＪＣノズル式冷却技術は、異なる領域を目
的とし、異なる操作条件および／または冷却剤で動作さ
れ得る複数のノズルを用いることによって加工物の特定
領域を選択的に冷却するために使用することができる。
あるいは、選択的冷却は、加工物の特定領域をマスクす
ることによっても行うことができる。
【００５０】ＳＧＪＣは低圧冷却プロセスである。真空
チャンバは真空ポンプにより連続的にポンプ駆動され
る。ＳＧＪＣ中に、チャンバ圧力は冷却ガスにより上昇
するが、弁２８を絞って、典型的には１００マイクロメ
ートルないし１気圧の範囲内である選定された真空を維
持することができる。あるいは、冷却中に真空弁２８を
閉じて、真空チャンバの内部を冷却ガスにより加圧させ
るようにすることもできる。場合に応じて、あらかじめ
設定したレベルたとえば１気圧を超える加圧を防止する
ために、ベントまたは安全弁を設けることもできる。
【００５１】いくつかの場合には、単一表面の冷却が好
ましい。他の場合には、全加工物表面のより全方向の冷
却を行うことが好ましい。
【００５２】より空間的に均一な冷却を達成できるＳＧ
ＪＣ装置の変形例が図５に示されている。加工物を全面
で冷却するために、２またはそれ以上のＳＧＪＣ装置６
０を加工物の周りの種々の場所に設ける。これらＳＧＪ
Ｃ装置６０は、粒子７０の流れを加工物４４に指向させ
る。種々のＳＧＪＣ装置６０の数、冷却媒体および操作
パラメータは、必要に応じて調節できる。
【００５３】この技術の変形例は、ＳＧＪＣ装置６０の
ノズルからの流れに対して種々の場所に提供された分散
噴流（dispersing jet）７８（図５に示す）を用いるも
のである。分散噴流７８は、内側へ加工物４４へ向けら
れたアパーチャ８２を有する導管８０である。
【００５４】導管８２中を流れる同じ（または異なる）
ガスの加圧ガス流８４は、アパーチャ８２を通って内側
へ加工物４４に向けて放出され、ＳＧＪＣ装置６０に接
近し難い加工物の側面へ粒子７０を向けさせる。実際
上、加工物４４の全面に到達することが通常望ましいの
で、導管８０は、単一トロイダル導管の一部とすること
ができ、その残りの部分は図５では見えない。他の形状
の加工物の空間的に均一な冷却を達成するために、他の
形状の導管を必要に応じて設計することができる。同じ
または異なる操作条件で操作されるＳＧＪＣ装置６０
と、分散噴流７８のいずれもの組合せも、個々の冷却要
求に応じて使用することができる。
【００５５】図６は、ＳＧＪＣ技術を利用する他の装置
を示す。いくつかのタイプの加工物は、典型的に、例え
ば炎加熱または誘導加熱により、空気中で加熱され、つ
いで急速に冷却されてマルテンサイトまたはその他の相
の硬い表面層を生成する。ＳＧＪＣ技術は、図６に示さ
れた装置のような装置１２０を用いた上記プロセスに利
するために使用することができる。
【００５６】装置１２０は、加工物１２４に対して相対
的に移動可能な熱処理ヘッド１２２を含む。図示の例で
は、熱処理ヘッド１２２が可動であり、加工物１２４が
定置であるが、これを逆にしてもよい。ここでは、熱処
理ヘッド１２２は、駆動構造１２８からのアーム１２６
に支持されている。駆動構造１２８は、アーム１２６
を、従って熱処理ヘッド１２２を、駆動アーム１３２を
介して駆動する駆動モータ１３０を含む。図示の例で
は、熱処理ヘッド１２２は、矢印１３３で示すように、
右側へ移動される。
【００５７】熱処理ヘッド１２２は、供給ライン１３６
からの引火性ガスが通過する火炎焼入れノズル１３４を
含む。アセチレンのような引火性ガスは、ノズル１３４
の出口において燃焼される。得られた火炎は、熱処理ヘ
ッド１２２が表面１３８上を通過するにつれ表面１３８
を加熱する。
【００５８】加熱処理ヘッド１２２は、ＳＧＪＣ装置６
０に関して上に説明したように走査されるＳＧＪＣノズ
ル１４０をも含む。供給ライン１４１からの液化ガス
は、ノズル１４０を通り、膨張して固体粒子とガスの混
合物であり得る流通流れ１４２を生成する。ノズル１４
０は、流通流れがノズル１３４の火炎よりわずかに下側
にある加工物１２４の表面１３８に衝突するように指向
されている。それによりＳＧＪＣ流１４２は加工物１２
４の表面１３８を急冷して、熱処理され、急冷硬化され
た領域１４４を生成させる。図６に示したモータによる
駆動の変わりに、ノズルヘッド１２２を手動させること
もできる。
【００５９】図６の手法は、前に説明したと同様の従来
に対する利点を有する。油または水急冷に比べて表面の
浄化を必要としない。本手法は、危険でない急冷剤を使
用し、加工物を移動させる必要がない。
【００６０】ＳＧＪＣ技術を使用する急冷速度は、油急
冷に対して優れている。一連の研究において、５１３０
鋼プラグを急冷するためにＳＧＪＣ急冷手法を用いた装
置１２０は、５７〜６０のロックウェル−Ｃ硬度を達成
した。これに対し、油急冷を用いた比較の装置は、わず
か５２〜５３のロックウェル−Ｃ硬度を達成しただけで
あった。
【００６１】図７は、プラズマ電子加熱および固体／ガ
ス噴流冷却の双方が同じ熱処理系に組み込まれている以
外は、図１および図２に関して説明した装置２０および
２０’と同様の装置２０”を示している。対応する部材
は同一符号で示されており、これらのついてはすでに説
明したので、ここでは省略する。各部材およびそれらの
機能は前に説明してあるので、さらに説明する必要はな
いであろう。図示の例では、２つのＳＧＪＣ装置６０が
使用され、それらは加工物４４の単一表面を目標として
いる。この例では、該表面のみを急速冷却しようとする
ものである。装置２０”の操作中に、加工物４４は、上
に説明したように、プラズマ電子加熱部材により加熱さ
れる。所要の加熱温度および時間が達成された後、プラ
ズマ電子加熱を停止する。ついで、ノズル６２を用いた
ＳＧＪＣを、通常は直ぐに、開始して加工物表面の最速
冷却を行う。（他の場合においては、冷却を直ぐに開始
する必要ななく、その場合は、熱処理後の冷却に遅れが
ある）。かくして、ＳＧＪＣ冷却は真空中で開始され、
真空度は、冷却剤が冷却過程にわたって系中に入るにつ
れて、徐々に低下する。所望ならば、結果の冷却剤ガス
は、真空ポンプ２４を用いて除去することができるが、
通常冷却はその圧力によって悪影響を受けない。
【００６２】装置２０”は、プラズマ電子加熱とＳＧＪ
Ｃ冷却を共に利用する。これら技術は、別々に使用する
こともできる。プラズマ電子加熱は、高圧ガス冷却のよ
うな他の冷却技術と共に使用することもできるし、ある
いは加工物の強制冷却のいずれをも用いることなく使用
することができる。ＳＧＪＣ冷却は、他の加熱技術とと
もに使用することができる。
【００６３】図８は、上に述べた本発明の手法により加
工物を熱処理するための流れブロック図を示す。加工物
の周りにイオン化性ガスのプラズマを生成させる（符号
９０）。加工物に印加された正の電圧パルスによりプラ
ズマから加工物へ電子を加速し（符号９２）、それによ
って加工物を加熱する。加熱は、加工物の全厚さの表面
の所定の温度状態が達成されるまで続行される（符号９
４）。その後、加工物は、ＳＧＪＣ技術または他の技術
により冷却され得る。
【００６４】図９は、上に述べた本発明の手法により加
工物を冷却するための流れブロック図を示す。上に述べ
たプラズマ電子加熱または他の方法により加工物を加熱
する（符号１００）。その後、固体冷却粒子の流れを加
工物に指向させることにより加工物を冷却する。固体冷
却粒子の流れは、液体、固体および気体の形態間で平衡
の熱力学的三重点を有する加圧液体物質を供給すること
によって生成される（符号１０２）。この液体物質の流
れは、高圧から低圧に膨張されて該物質の固体粒子形態
を生成する（符号１０４）。固体粒子は、加工物に指向
される（符号１０６）。
【００６５】本発明のプラズマ電子加熱およびＳＧＪＣ
冷却を、商業的操作可能性を立証するために十分な大き
さの装置を用いて実行した。この装置は、直径４フィー
ト、長さ８フィートの真空チャンバ、および出力１０
０，０００ワットの電源４８を有するものであった。こ
れにより商業的大きさの加工物を熱処理できた。
【００６６】
【実施例】以下本発明を実施例により説明するが、本発
明はそれらに限定されるものではない。
【００６７】実施例 １ タイプ５１３０鋼製の自動車用ピニオン歯車ブランクを
本発明の装置でプラズマ電子加熱を用いて「焼ならし」
熱処理した。焼ならし熱処理は、加工物の加速冷却を必
要としないので、プラズマ電子加熱手法の指標となる。
各歯車ブランクは２インチの直径を持ち、重量約１ポン
ドであった。装置中に歯車ブランクの９つを支持した。
歯車ブランクはまったく同じに処理した。装置の操作パ
ラメータは、電源４８の印加電圧３０キロボルト、平均
パルス電流１５０アンペア、電源から加工物への平均電
流約０．２５アンペア、パルス繰り返し周波数２００ヘ
ルツ、パルス幅１０マイクロ秒、および動作圧３×１０
-5Ｔｏｒｒでのアルゴンイオン化性ガスであった。歯車
ブランクを９００℃の表面およびバルク温度に約５分間
で加熱し、その温度に１５分間維持した。１５分間の加
熱時間が終了した後、電源を停止し、歯車ブランクを真
空中放射により冷却させた。この焼ならし処理において
は、ＳＧＪＣや高圧ガス冷却のような強制冷却は使用し
なかった。
【００６８】焼ならし歯車ブランクのミクロ構造を調べ
た。１つの問題は、一度に処理された９つの歯車ブラン
クの全てが同様の構造を持つかどうかと、それら構造が
ガス炉において従来の方法で焼ならしされた歯車ブラン
クのそれと同様であるかどうかである。調べた結果、９
つ全ての歯車ブランクのミクロ構造は同様であり、それ
らのミクロ構造は、従来の方法で焼ならしされた歯車ブ
ランクのそれに匹敵するものであった。この結果は、プ
ラズマが９つの歯車ブランクを均一に囲んでいたことを
立証した。またプラズマ電子加熱プロセスは従来法によ
り焼ならしされた歯車のブランクのミクロ構造を複製し
たが、それも従来の加熱時間３０分に比べより速いプラ
ズマ電子加熱時間５分により短時間に達成された。
【００６９】実施例 ２ 市販の装置において、実施例１において焼ならしされた
歯車ブランクの試料を浸炭し、急冷硬化させた。従来の
炉中で焼ならしされた歯車も同様に処理し、結果を比較
した。プラズマ電子焼ならしされ、浸炭／急冷硬化され
た歯車の表面硬度は８２〜８３Ｒａであり、従来法によ
り処理された歯車の表面硬度は８１〜８２Ｒａであっ
た。各タイプの歯車のコア硬度は約４７〜４８Ｒａのま
まであった。プラズマ電子処理歯車の浸炭深さは０．４
８ｍｍであり、従来法処理歯車の浸炭深さは０．４５ｍ
ｍであった。
【００７０】これらの結果は、プラズマ電子加熱プロセ
スが従来の熱処理と同様に制御可能であることを証明し
ている。しかしながら、本発明の方法は、従来の熱処理
よりも優れた点を有することは本明細書に記載の通りで
ある。
【００７１】実施例 ３ タイプ５１３０歯車材料の歯車試料を、有意の内部加熱
を伴わずに優先的表面加熱を達成するために、迅速バー
ストパルスプラズマ電子加熱により処理した。各試料を
１００キロボルトのパルス、１０マイクロ秒のパルス持
続時間、０．５秒のバースト時間、および１バースト当
り計５００パルスを用いて加熱した。各試料の表面にお
ける電力密度は、平方センチメートル当り約１．５キロ
ワットであった。
【００７２】０．１秒の応答時間を有する赤外光学高温
計を用いて歯車の表面温度を測定した。パルスの１バー
スト中に、歯車の表面は、１０００℃に達し、ついで内
部金属の下側塊による表面の自己急冷により３秒以下で
５００℃に低下した。
【００７３】実施例１および２は、強制冷却を用いずに
プラズマ電子加熱による加工物の遅い連続加熱を示して
いる。この実施例３は、強制冷却を用いない、迅速バー
スト加熱モードを示している。
【００７４】実施例 ４ ＳＧＪＣ冷却を実験するために、図３の装置と同様の装
置を組み立てた。冷却剤は二酸化炭素であり、平方イン
チ当り８３５ポンドで供給源中に保持した。冷却装置の
ノズルは、これら条件の下での二酸化炭素の処理量が毎
分約１００ポンドとなるような大きさとした。
【００７５】鋼製加工物を１０００℃に熱した。つい
で、ＳＧＪＣ装置を用いて冷却し、加工物の温度を冷却
中に測定した。図１０は、加工物の表面下約２．５ｍｍ
の所で埋め込まれた熱電対により測定された温度を時間
の関数として示している。これらの測定から、実行熱伝
達係数を約５５００ワット／平方メートル−°Ｋと見積
もった。
【００７６】比較のために、同様の鋼製加工物を１００
０℃に熱し、油急冷剤に浸漬することによって冷却し
た。図１０は、油急冷についての時間の関数としての温
度低下は、ＳＧＪＣ急冷よりも遅いことを示している。
【００７７】技術文献から、ヘリウムを２０気圧の圧力
で使用する高圧ガス冷却についての熱伝達係数は約１０
００ワット／平方メートル−°Ｋであり、２０気圧の水
素では約２２００ワット／平方メートル−°Ｋであるこ
とがわかっている。撹拌しない油の熱伝達係数は、約１
５００ワット／平方メートル−°Ｋであり、撹拌されて
いる油の熱伝達係数は、約２２００ワット／平方メート
ル−°Ｋである。撹拌されている水の熱伝達係数は、約
３５００ワット／平方メートル−°Ｋである。
【００７８】従って、ＳＧＪＣについての熱伝達係数
は、真空加熱加工物に従来最も好ましいとされている手
法である高圧ガス冷却のそれよりも２〜５倍優れてい
る。さらに、本方法は、油や水のような伝統的な液体急
冷剤に対しても１．５〜２倍優れている。ＳＧＪＣプロ
セスは、冷却された加工物表面に残渣を一切残さないと
いう重要な利点を有し、油、ポリマー、塩溶液などにお
いての急冷に比べて環境的に好ましいものである。
【００７９】実施例 ５ 歯車材料をプラズマ電子加熱を用いた加熱およびその後
の二酸化炭素ＳＧＪＣを用いた加速冷却により表面硬化
させた。試験試料は、実施例１で処理した歯車を作るた
めに用いたものと同じ鋼であるタイプ５１３０鋼から作
った。試料は約９００℃の温度にプラズマ電子加熱し
た。プラズマ電子加熱パラメータは、印加電圧５５キロ
ボルト、パルスピーク電流３０アンペア、１バースト当
り７００〜８００パルスのバーストパルス、パルス繰り
返し周波数１０００ヘルツ、パルス幅１０マイクロ秒、
イオン化性ガス窒素、作動圧３×１０-5Ｔｏｒｒ以下で
あった。これらのパラメータでもって、試料は上記温度
に到達するのに５分間を要し、その後５分間同温度に維
持した。加熱が完了した後、電源を停止した。
【００８０】ついで、各試料の表面をＳＧＪＣ装置を用
いて冷却した。
【００８１】冷却後、ミクロ構造の調査のために試料を
切断した。ミクロ構造は、所望の結果であるところの、
表面領域におけるマルテンサイト相を示した。
【００８２】実施例 ６ 実際の歯車を用いた以外は、実施例５の処理を繰り返し
た。歯車の全側面を冷却するために、図５に関して説明
したと同様のトロイダル分散噴流装置を用いた。歯車
は、成功裡に、実施例５で述べたものと同じプラズマ電
子加熱パラメータを用いて加熱され、上記分散噴流装置
を用いたＳＧＪＣ装置を用いて冷却された。
【００８３】実施例 ７ 一連の６つの同じ歯車を用いて実施例６を繰り返し、１
つの歯車を対象として未処理のままとした。６つの歯車
は、プラズマ電子加熱により異なる最大温度に加熱し、
トロイダル分散噴流装置を用いたＳＧＪＣにより冷却し
た。
【００８４】冷却後、ミクロ構造を調べ、表面領域の硬
度を測定した。硬度は以下の表の通りであった。
【００８５】 表 試料番号 最大温度（°Ｆ） 硬度（Ｒａ） １ １７００ ６９ ２ １８００ ７１ ３ １９００ ７２ ４ ２０００ ７５ ５ ２０００ ７５ ６ ２０００ ７４ 対照 −− ５０〜５１ １８００°Ｆに加熱された試料番号２のミクロ構造は、
このタイプの表面効果歯車に好ましい微粒化マルテンサ
イト系構造と硬度を有すると判定された。試料番号４、
５および６は、３回の操作の各々で到達された同じ（も
しくはほぼ同じ）硬度により示されているように、本処
理プロセスの良好な反復性を立証している。
【００８６】以上述べたように、本発明は、従来の手法
に比べて種々の利点を有する加工物のプラズマ電子加熱
および固体／ガス噴流冷却のための方法および装置を提
供する。例示のため、特定の態様を詳細に説明したが、
本発明の精神および範囲を逸脱することなく種々の変更
をすることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のプラズマ電子加熱装置の概
略図。
【図２】複数の加工物を異なって熱処理するための、本
発明の他の実施例のプラズマ電子加熱装置の概略図。
【図３】固体／ガス噴流冷却（ＳＧＪＣ）装置の概略
図。
【図４】二酸化炭素の圧力−温度状態図。
【図５】固体粒子分散を伴う固体／ガス噴流冷却装置の
平面図。
【図６】固体／ガス噴流冷却（ＳＧＪＣ）を有する加工
物熱処理用装置の断面概略図。
【図７】プラズマ電子加熱および固体／ガス噴流冷却
（ＳＧＪＣ）の双方を備えた熱処理装置の概略図。
【図８】プラズマ電子加熱による加工物の加熱を示すブ
ロック図。
【図９】固体／ガス噴流冷却（ＳＧＪＣ）による加工物
の冷却を示すブロック図。
【図１０】異なる手法により冷却された加工物について
の時間を関数とした温度グラフ図。
【符号の説明】
２２…真空チャンバ、２４…真空ポンプ、２６…導管、
２８…ゲート弁、３０…イオン化性ガス源、３４…制御
弁、３６…圧力計、３８…プラズマ、４４，４４’…加
工物、４５…プラズマシース、４８…パルス電源、６２
…ノズル、６４…液体供給源、７０…固体粒子、７８…
分散噴流。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ディー・ウイリアムズ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91301、アゴーラ・ヒルズ、ダブリュ・コ ールド・スプリングス・ストリート 26802 (72)発明者 ウイルフリード・クローン − シュミッ ト アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92633、フラートン、ダブリュ・マリポ サ・レーン 1851

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 真空チャンバ、 該真空チャンバを制御可能に排気するための手段、 イオン化性ガスの分圧を制御可能に該真空チャンバの内
    部に供給するための手段、 該真空チャンバ内にプラズマを提供するための手段、 熱処理すべき加工物のための、電気的に分離された支持
    体、および該プラズマに対して正のパルス状電圧を該加
    工物に印加するための手段を備えたことを特徴とする、
    加工物の熱処理装置。
  2. 【請求項２】 パルス状正電圧を印加するための手段
    が、約１ないし約１００キロボルトの電圧を印加するも
    のである請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 パルス状正電圧を印加するための手段
    が、約１０ないし約３０００ヘルツで電圧を印加するも
    のである請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 パルス状正電圧を印加するための手段
    が、約１ないし約５０マイクロ秒の継続期間のパルスを
    印加するものである請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】 排気手段および供給手段が、協働して約
    １０-4Ｔｏｒｒ以下のイオン化性ガス圧を真空チャンバ
    内に提供するものである請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】 加工物の表面の少なくとも一部を覆うた
    めのマスクをさらに有する請求項１記載の装置。
  7. 【請求項７】 加工物が支持体上に保持されているとき
    加工物の場に指向される膨張用ノズル、 液体、固体および気体の形態の間で平衡の熱力学的三重
    点を有する液体物質の加圧された供給源、および該液体
    物質の供給源から該ノズルに制御可能に延びる導管をさ
    らに備えた請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 熱処理すべき加工物を受けるための支持
    体、 液体流を高圧から低圧に膨張させ、その膨張された流れ
    を加工物が該支持体に保持されているときに加工物へ向
    けるためのノズル手段、 液体、固体および気体の形態の間で平衡の熱力学的三重
    点を有する液体物質の加圧された供給源、および該液体
    物質の供給源から該ノズル手段の高圧側に制御可能に延
    びる導管を備えたことを特徴とする、加工物を熱処理す
    るための装置。
  9. 【請求項９】 ノズル手段が、 液体物質が膨張されるところのノズル、および膨張した
    流れを空間的分散パターンで分配するための手段を含む
    請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 真空チャンバと制御可能に連通した、
    イオン化性ガスのガス源、 真空チャンバと連通し、真空チャンバ内にプラズマを生
    成させるプラズマ源、 熱処理すべき加工物を受けるための支持体、およびプラ
    ズマに対して正の電圧を支持体に印加するためのパルス
    電源をさらに含む請求項８記載の装置。
  11. 【請求項１１】 真空チャンバ、および該真空チャンバ
    と制御可能に連通する真空ポンプをさらに含む請求項８
    記載の装置。
  12. 【請求項１２】 少なくとも１つの加工物を熱処理する
    ための方法であって、 少なくとも１つの加工物の周りにイオン化性ガスのプラ
    ズマを生成させる工程、 該プラズマに対して正の電圧の一連のパルスを加工物に
    印加して、プラズマから少なくとも１つの加工物へ電子
    を加速させて加工物を加熱する工程、および少なくとも
    １つの加工物にあらかじめ選定された熱処理状態が達成
    されるまで加速工程を続行する工程を包含する方法。
  13. 【請求項１３】 イオン化性ガスが加工物と化学的に反
    応性である請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 一連のパルスが、加速工程において連
    続的である請求項１２記載の方法。
  15. 【請求項１５】 一連のパルスが、加速工程において不
    連続的である請求項１２記載の方法。
  16. 【請求項１６】 続行工程後に、加速工程を停止する工
    程、および加工物の加速された冷却を行う工程をさらに
    含む請求項１２記載の方法。
  17. 【請求項１７】 加速冷却工程が、冷却剤のガスおよび
    固体形態の混合物を包含する流れを加工物に向ける工程
    を含む請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 第２の冷却剤のガスおよび固体形態の
    混合物を包含する第２の流れを加工物に向ける工程をさ
    らに含む請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 向ける工程が、固体状およびガス状の
    二酸化炭素の混合物を包含する流れを提供する工程を含
    む請求項１７記載の方法。
  20. 【請求項２０】 少なくとも２つの加工物が存在し、加
    速工程および続行工程が、第１の組合せにおいて第１の
    加工物における熱処理の第１の状態を達成するために用
    いられ、および加速工程および続行工程が、第２の組合
    せにおいて第２の加工物における熱処理の第２の状態を
    達成するために同時に用いられる請求項１２記載の方
    法。
  21. 【請求項２１】 加工物を加熱する工程、および固体粒
    子の流れを加工物に向ける工程を包含し、該固体粒子の
    流れは、 液体、固体および気体の形態の間で平衡の熱力学的三重
    点を有する加圧された液体物質を供給し、 該液体物質の流れを高圧から低圧へ膨張させて固体の形
    態の該物質を生成させ、および膨張した固体流を加工物
    へ向けることによって生成されることを特徴とする、加
    工物を熱処理する方法。
  22. 【請求項２２】 加熱工程が、加工物の周りにプラズマ
    を生成させ、該プラズマから加工物へ電子を加速させる
    ことによって行われる請求項２１記載の方法。
  23. 【請求項２３】 加圧された液体物質を供給する工程
    が、加圧された二酸化炭素を供給する工程を含む請求項
    ２１記載の方法。
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