JPH0611908B2 - 耐食性被覆複合材料及びその製造方法 - Google Patents

耐食性被覆複合材料及びその製造方法

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JPH0611908B2
JPH0611908B2 JP5812090A JP5812090A JPH0611908B2 JP H0611908 B2 JPH0611908 B2 JP H0611908B2 JP 5812090 A JP5812090 A JP 5812090A JP 5812090 A JP5812090 A JP 5812090A JP H0611908 B2 JPH0611908 B2 JP H0611908B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、耐食性被覆複合材料及びその製造方法に関す
る。
[従来の技術及び課題] Ni−Taをベースとしたバルブメタル−鉄属金属のア
モルファス合金は、一般的な耐食性金属材料では腐食が
進行する沸騰濃塩酸又は沸騰濃硝酸のように腐食性の激
しい環境下でも比較的良好な耐食性を有することが特開
昭61-210143号公報に開示されている。
しかしながら、上述したアモルファス合金は通常、液体
急冷法により造られるため、その手法から薄帯、細線、
粉末等の形状に制約されるため、種々の形状での利用が
考えられる耐食材料としては必ずしも満足するものでは
なかった。
一方、膜形成に再しては基材として通常、耐食性の優れ
た金属が使用されるが、膜自体に僅かなピンホールが存
在したり、微小なクラックが発生したりすると、該ピン
ホール等を通して腐食進行が生じ、特に基材と膜の界面
での腐食が急激に進行するアンダーマイニング現象等を
生じる。膜形成に一般的に採用されているマグネトロン
スパッタ法等では、耐食性を考えた場合、その界面部の
組織が不適当で、耐食性の優れた複合材料の製造するこ
とが困難である。
以上の問題点から、より効率的な成膜、高品位の膜質の
確保、耐食性の優れた基材と膜の界面形成等が要望され
ている。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、過酷な環境下で優れた耐食性を有する窒素含有
(鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜が被覆
された耐食性被覆複合材料、並びに該窒素含有(鉄属金
属−バルブメタル)アモルファス合金膜を効率よく成膜
し得る耐食性被覆複合材料の製造方法を提供しようとす
るものである。
[課題を解決するための手段] 本発明に係わる耐食性被覆複合材料は、金属基材の表面
に窒素含有(鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合
金膜を被覆してなるものである。
上記金属基材は、耐食性の金属であればいかなるもので
よく、例えばNi基合金、Ti基合金、SUS等を用い
ることができる。
上記鉄属金属としては、例えばFe、Ni、Co等を挙
げることができる。
上記バルブメタルとしては、例えばTa、Ti、Zr、
Nb等を挙げることができ、特にTa単独、又はTaと
Ti、Zr、Nbとを併用することが望ましい。この場
合、Taの含有量を30at%以上にすることが望ましい。
本発明に係わる耐食性被覆複合材料は、以下に示す方法
により製造される。
.金属基材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上の
バルブメタルを窒素雰囲気中で蒸着して窒素含有(鉄属
金属−バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆せし
め、耐食性被覆複合材料を製造する。
.金属基材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上の
バルブメタルを蒸着せしめと同時に窒素イオン照射を行
うイオンビームミキシング法により窒素含有(鉄属金属
−バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆せしめ、耐
食性被覆複合材料を製造する。
また、本発明に係わる別の耐食性被覆複合材料は表層に
鉄属金属及びバルブメタル少なくとも一方の金属相が形
成された金属基材表面に窒素含有(鉄属金属−バルブメ
タル)アモルファス合金膜を被覆してなるものである。
本発明に係わる別の耐食性被覆複合材料は、以下に示す
方法により製造される。
.金属基材の表層に鉄属金属及びバルブメタルの少な
くとも一方をイオン注入して金属相を形成した後、該基
材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上のバルブメタ
ルを窒素雰囲気中で蒸着して窒素含有(鉄属金属−バル
ブメタル)アモルファス合金膜を被覆しせしめて耐食性
被覆複合材料を製造する。
.金属基材の表層に鉄属金属及びバルブメタルの少な
くとも一方をイオン注入して金属相を形成した後、該基
材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上のバルブメタ
ルを蒸着せしめと同時に窒素イオン照射を行うイオンビ
ームミキシング法により窒素含有(鉄属金属−バルブメ
タル)アモルファス合金膜を被覆せしめて耐食性被覆複
合材料を製造する。
上記〜の方法において鉄属金属とバルブメタルの蒸
着手段としては、例えばエレクトロンビームによる蒸着
法、鉄属金属やバルブメタルのターゲットを利用したイ
オンビームスパッタ蒸着法等が採用し得る。スパッタ蒸
着法の場合には、通常、Arイオンビームが利用され
る。但し、窒素含有(鉄属金属−バルブメタル)アモル
ファス合金膜を形成する関係からスパッタ率が低いが、
窒素イオンビームを利用することも条件によっては得策
である。
[作用] 本発明によれば、金属基材の表面に窒素含有(鉄属金属
−バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆することに
よって、該アモルファス合金膜の緻密性と高耐食性によ
り過酷な環境下で優れた耐食性を有する複合材料を得る
ことができる。
また、金属基材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上
のバルブメタルを窒素雰囲気中で蒸着することによっ
て、緻密性と高耐食性の優れた窒素含有(鉄属金属−バ
ルブメタル)アモルファス合金膜を基材上に効率よく形
成でき、ひいては過酷な環境下で優れた耐食性を有する
複合材料を製造できる。
更に、金属基材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上
のバルブメタルを蒸着せしめと同時に窒素イオン照射を
行うイオンビームミキシング法で成膜することによっ
て、イオンビームの加速電圧、電流、照射角度等を変え
ることにより形成される膜のスパッタ率を制御すること
ができ、ミキシングの程度もコントロールし易いため、
耐食性を高めるための膜の緻密化、最適な界面組織の形
成、基材に対する密着性の向上等を達成できる。しか
も、イオンビームとして窒素イオンビームを用いて成膜
することによって、効率よく窒素含有(鉄属金属−バル
ブメタル)アモルファス合金膜を形成できる。即ち、イ
オンビームとしてArイオンを用いることによっても
(鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜の形成
が可能である。しかしながら、かかる方法では形成され
た膜がArイオンビームによりスパッタされて相対的に
成膜速度が低下する。これに対し、窒素イオンビームを
用いると、Arイオンを用いた時に比べて成膜された膜
がイオンスパッタにより基材表面から離脱する量を少な
くでき、その分成膜速度を速くできる。また、窒素含有
によりアモルファス化が進行するため、Arイオンビー
ムの照射のようにArの膜中への残留等を考慮する必要
がなく、容易に窒素含有(鉄属金属−バルブメタル)ア
モルファス合金膜の形成できる。
一方、複合材料の基材としては耐食性の金属であるNi
基合金、Ti基合金、SUS材等が用いられる。これら
の材料からなる基材が組成的に成膜される組成成分を含
有しないか、含有量が少ない場合には該基材の表層に鉄
属金属及びバルブメタル少なくとも一方の金属相を形成
することによって、基材と窒素含有(鉄属金属−バルブ
メタル)アモルファス合金膜との成分の連続性が得ら
れ、基材に対する該アモルファス合金膜の密着性を向上
できると共に、それらの界面での耐食性を向上できる。
その結果、アモルファス合金膜に極少量のピンホールや
微小なクラック等が発生し、孔食反応の進行が心配され
るような条件下でも表層に形成された前記金属相による
界面組織の改質により、優れた耐食性を有する複合材料
を得ることができる。
上記基材表層への金属相の形成は、鉄属金属及びバルブ
メタルの少なくとも一方のイオン注入方法で行なう。か
かるイオン注入方法は、前記金属相の濃度、分布等を任
意にコントロールすることが可能で、深さ方向への金属
相の傾斜構造形成も可能である。なお、基材の表層に形
成される金属層相は、アモルファス相であることが好ま
しいが、結晶質であっても効果が大きく、また窒素が含
有されていてもよい。従って、鉄属金属及びバルブメタ
ルの少なくとも一方のイオン注入後に既述した1種以上
の鉄属金属及び1種以上のバルブメタルの窒素雰囲気中
で蒸着やイオンミキシング法により窒素含有(鉄属金属
−バルブメタル)アモルファス合金膜を形成することに
よって、該アモルファス合金膜に極少量のピンホールや
微小なクラック等が発生し、孔食反応の進行が心配され
るような条件下でも表層に形成された金属相による界面
組織の改質により、優れた耐食性を有する複合材料を製
造できる。特に、鉄属金属及びバルブメタルの少なくと
も一方のイオン注入とイオンミキシング法による窒素含
有(鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜の形
成との組み合わせにより密着性が優れ、より優れた耐食
性を有する複合材料を得ることができる。
[実施例] 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例1〜3 まず、基材としての30×30×2mmの寸法の純鉄(SPH
C)板を用意し、この片面を鏡面研磨し、超音波洗浄を
施し、乾燥したた後、イオン照射と蒸着機能を備えた真
空チャンバ内のホルダ上に設置した。つづいて、このチ
ャンバ内を5×10-6torrに真空引きした後、イオン源か
らArイオンを加速電圧5kVの条件で純鉄板の鏡面に
5分間照射して表面清浄化のための前処理を施した。
次いで、トリプルハース方式の電子ビーム蒸着法でN
i、Ta及びNbの金属をNi−40at%Ta、Ni−40
at%Nb及びNi−20at%Nb−20at%Taの組成にそ
れぞれなるように蒸着すると同時に、イオン源から窒素
イオンを引きだし、加速電圧20kV、イオン電流16mA
の条件でイオン照射してイオンビームミキシングを行な
うことにより各純鉄板に厚さ3μmの3種の合金膜をそ
れぞれ形成して複合材料を製造した。
実施例4 実施例1と同様に純鉄板を前処理した後、1×10-4torr
の窒素雰囲気中でダブルハース方式の電子ビーム蒸着法
でNi、Taの金属を蒸着して純鉄板に厚さ3μmの窒
素を含むNi−40at%Ta合金膜を形成して複合材料を
製造した。
比較例1 実施例1と同様に純鉄板を前処理した後、ダブルハース
方式の電子ビーム蒸着法でNi、Taの金属をに蒸着す
ると同時に、イオン源からArイオンを引き出し加速電
圧20kV、イオン電流16mAの条件でイオン照射して純
鉄板に厚さ3μmのNi−40at%Ta合金膜を形成して
複合材料を製造した。
比較例2 実施例1と同様に純鉄板を前処理した後、ホルダ上の純
鉄板を750℃に加熱した状態にてダブルハース方式の電
子ビーム蒸着法でNi、Taの金属をに蒸着すると同時
に、イオン源から窒素イオンを引き出し加速電圧20k
V、イオン電流16mAの条件でイオン照射して純鉄板に
厚さ3μmのNi−40at%Ta合金膜を形成して複合材
料を製造した。
本実施例1〜4及び比較例1、2の合金膜をX線回折等
でその結晶質を判定したところ、実施例1〜4、比較例
1の合金膜はいずれもアモルファスであったが、比較例
2の合金膜は結晶質であることが確認された。
また、本実施例1〜4及び比較例1、2の複合材料につ
いてフェロキシル試験(ピンホール試験JIS H8663の有
孔度試験;斑点率cm-2)を行った。
その結果を下記第1表に示した。
実施例5〜20 実施例1と同様な前処理を施した30×30×2mmの寸法の
耐食性合金(SUS304L、Ti合金、ハステロイ)の基材
に下記第2表に示す条件で厚さ3μmのアモルファス合
金膜を形成して16種の複合材料を製造した。なお、同第
2表中の蒸着条件*1のスパッタ蒸着は加速電圧3k
V、イオン電流1.5AのArイオンをターゲットに照射
することによって行った。また、同第2表中の成分組成
*2はTa-20at%Zr-10at%Ni-5at%Fe-(N)、成分組成
*3はTa-25at%Ti-5at%Ni-5at%Fe-(N)、成分組成*
4はTa-10at%Nb-5at%Ti-5at%Zr-10at%Ni-5at%Co-
(N)、である。
比較例3 実施例1と同様な前処理を施した30×30×2mmの寸法の
SUS304L板にダブルハース方式の電子ビーム蒸着でN
i、TaをTa−40at%Niの組成となるように蒸着す
ると同時にイオン源からArイオンビームを引き出し、
加速電圧20kV、イオン電流16mAで照射し、イオンビ
ームミキシング蒸着を行なうことにより前記SUS304L板
に厚さ3μmのアモルファス合金膜を形成して複合材料
を製造した。
比較例4 実施例1と同様な前処理を施した30×30×2mmの寸法の
SUS304L板に市販のマグネトロンスパッタ装置により厚
さ3μmのNi−40at%Ta合金膜を形成して複合材料
を製造した。この合金膜をX線及び電子線回析測定を行
ったところ、極微細な結晶の集合であることが確認され
た。
比較例5 実施例1と同様な前処理を施した30×30×2mmの寸法の
SUS304L板に市販のマグネトロンスパッタ装置により厚
さ3μmのTa−15at%Ni合金膜を形成して複合材料
を製造した。この合金膜をX線及び電子線回析測定を行
ったところ、合金微結晶とアモルファス相との混合相で
あることが確認された。
比較例6 アルゴンアーク溶解法により調製したTa−15at%Ni
の組成の溶解合金をアルゴン雰囲気中で単ロール法を用
いて急冷凝固させて厚さ0.05mmの合金薄膜を製造した。
この合金薄膜をX線回析測定を行ったところ、結晶質で
あることが確認された。
しかして、本実施例5〜20の複合材料及び比較例3〜6
の複合材料や合金薄膜を沸騰した。8規定の硝酸と0.2
g/のCr6+の溶液中に浸漬して腐蝕試験を行った。
その結果を実施例5〜20については同第2表に併記し、
比較例3〜6の複合材料や合金薄膜につては下記第3表
に示した。
[発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば緻密な窒素含有(鉄
属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜を基材に対
して密着性よく被覆され、過酷な腐蝕性環境下でも優れ
た耐食性を有し、かつ形状的な制約を受けない汎用性の
高い耐食性被覆複合材料、並びにかかる耐食性被覆複合
材料を簡単に製造し得る方法を提供できる。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属基材の表面に窒素含有(鉄属金属−バ
    ルブメタル)アモルファス合金膜を被覆してなる耐食性
    被覆複合材料。
  2. 【請求項2】金属基材表面に1種以上の鉄属金属及び1
    種以上のバルブメタルを窒素雰囲気中で蒸着して窒素含
    有(鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜を被
    覆せしめることを特徴とする請求項1記載の耐食性被覆
    複合材料の製造方法。
  3. 【請求項3】金属基材表面に1種以上の鉄属金属及び1
    種以上のバルブメタルを蒸着せしめと同時に窒素イオン
    照射を行うイオンビームミキシング法により窒素含有
    (鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆
    せしめることを特徴とする請求項1記載の耐食性被覆複
    合材料の製造方法。
  4. 【請求項4】表層に鉄属金属及びバルブメタルの少なく
    とも一方の金属相が形成された金属基材表面に窒素含有
    (鉄属金属−バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆
    してなる耐食性被覆複合材料。
  5. 【請求項5】金属基材の表層に鉄属金属及びバルブメタ
    ルの少なくとも一方をイオン注入して金属相を形成した
    後、該基材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上のバ
    ルブメタルを窒素雰囲気中で蒸着して窒素含有(鉄属金
    属−バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆しせしめ
    ることを特徴とする請求項4記載の耐食性被覆複合材料
    の製造方法。
  6. 【請求項6】金属基材の表層に鉄属金属及びバルブメタ
    ルの少なくとも一方をイオン注入して金属相を形成した
    後、該基材表面に1種以上の鉄属金属及び1種以上のバ
    ルブメタルを蒸着せしめと同時に窒素イオン照射を行う
    イオンビームミキシング法により窒素含有(鉄属金属−
    バルブメタル)アモルファス合金膜を被覆せしめること
    を特徴とする請求項4記載の耐食性被覆複合材料の製造
    方法。
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