Creation of super heat-resisting hard coatings by elucidation of mechanisms of detarioration at high temperature for nanocomposite coatings

通过阐明纳米复合涂层高温减质机制来创建超耐热硬质涂层

• 批准号: 21K04720
• 负责人: 野瀬 正照
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: University of Toyama
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04720/
• 关键词: ナノコンポジット膜; 窒化物膜; PVD法; 機械的性質; 高温酸化; 微細組織; ナノ複相構造膜; 拡散

本研究の成膜に、対抗ターゲット式スパッタ法およびPLD装置を用いた。まず、Si基板上に、窒素雰囲気下でSi-C-N間の様々な結合状態を有するSiCN膜を作製した。その結果、窒素濃度が比較的低い約20at%N程度のSiCN膜において、成膜状態での機械的性質が基板温度(Ts)の上昇とともに向上した。特に、基板温度700℃以上で、HIT ≧ 30GPa、HIT/E*≧ 0.13を達成し、SiCN単相膜で高硬度高靱性の膜を得ることができた。（HIT：インデンテーション硬さ、E*:実効ヤング率）このSiCN膜の耐酸化性を調べたところ、Si基板上に成膜した膜では、800℃×1hの大気中加熱でもHITはほとんど変化が見られなかった。他方、高速度鋼基板上に成膜したSiCN膜（Ts=400℃）では、Si基板を用いた時とは異なり、800℃ ×1hの真空中加熱により著しく機械的特性が低下した。これは、SiCN膜が基板のFeとの反応により分解してFeSi化合物が形成されたためであり、高速度鋼基板上での化学的安定性には劣ることをTEM観察などにより解明した。窒素濃度が約50%のSiCN膜と上記窒素濃度約20％のSiCN膜とを比較すると、窒素濃度が高いほど鉄鋼基板との反応性が低く化学的安定性に優ることも分かった。他方で、窒素濃度が高いほど、機械的性質、とくにHITが低下する傾向を示した。つまり、化学的安定性と機械的性質は二律背反であることが分かった。しかし、窒素濃度が約50％でもCrN/SiCN複合膜の場合は、Feとの反応が著しく、結晶粒の粗大化が見られた。その反応機構を詳細に調べた結果、「Feとの反応によりSiCN相が分解されると同時にSiCN膜中のCがCrNと反応してクロム炭化物を形成し、SiCN相の分解が促進される。」という反応メカニズムを電子顕微鏡観察およびXPS分析等により解明した。

In this study, the film formation, resistance and PLD device were used. SiCN films are fabricated in Si-C-N bonding states on Si substrates and in silicon substrates. As a result, the SiCN film has a relatively low concentration of about 20at% N, and the mechanical properties of the film have a relatively high temperature. In particular, substrate temperature above 700℃, HIT ≥ 30GPa, HIT/E* ≥ 0.13, SiCN single phase film, high hardness and high resistance film (HIT: temperature, hardness, E*: temperature) The acid resistance of the SiCN film is adjusted. The film is formed on the Si substrate. The film is heated at 800℃×1h. SiCN film (Ts=400℃) is formed on other high-speed steel substrates. The mechanical properties of SiCN film are low when heated in vacuum at 800℃ ×1h. The chemical stability of SiCN film on high speed steel substrate was investigated by TEM. SiCN films with a concentration of 50% or so have excellent chemical stability compared to SiCN films with a concentration of 20% or so. Other factors, such as high or low concentrations, mechanical properties, and a tendency to decrease HIT, are also discussed.つまり、化学的安定性と机械的性质は二律背反であることが分かった。CrN/SiCN composite films with a concentration of about 50% are characterized by a decrease in Fe content and a coarsening of crystalline particles. The reaction mechanism of Fe and CrN in SiCN film was investigated in detail. The results showed that the decomposition of SiCN phase was promoted by the formation of C and CrN in SiCN film. The results of electron microscopy and XPS analysis were analyzed.

项目成果

パルスレーザー堆積法により作製したSiCN薄膜の構造と機械的性質

脉冲激光沉积法制备SiCN薄膜的结构与力学性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Asoh Hidetaka;Mizota Kanako;Kokubo Yuuka;河原碩仁 ・ 伊藤公秀 ・ 青井芳史 ・ 野瀬正照
• 通讯作者: 河原碩仁 ・ 伊藤公秀 ・ 青井芳史 ・ 野瀬正照

高温下におけるCrN-SiCN複合膜と高速度鋼基板の反応

CrN-SiCN复合膜与高速钢基体在高温下的反应

• 发表时间: 2021
• 作者: 伊藤太一;櫻井亨彦;土屋大樹;李 昇原;松田健二;池野 進;野瀬正照
• 通讯作者: 野瀬正照

Influence of Iron Diffusion on the Oxidation Resistance of CrSiCN Hard Coatings

铁扩散对CrSiCN硬质涂层抗氧化性能的影响

• DOI: 10.2320/matertrans.mt-ma2022014
• 发表时间: 2022
• 期刊: MATERIALS TRANSACTIONS
• 影响因子: 1.2
• 作者: Hatakeyama Masahiko;Tsuchiya Taiki;Lee Seung-won;Matsuda Kenji;Aoi Yoshifumi;Nose Masateru
• 通讯作者: Nose Masateru

SiCNを複合化した遷移金属窒化物膜の耐熱性

SiCN复合过渡金属氮化物薄膜的耐热性

• 发表时间: 2021
• 作者: 伊藤太一;土屋大樹;李 昇原;池野進;野瀬正照;松田健二
• 通讯作者: 松田健二