CN103459671A - 层叠体及层叠体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种层叠体及其制造方法，其在对使用冷喷雾法而在基材形成金属皮膜的层叠体进行制造的情况下，使基材与金属皮膜之间的粘结强度高。本发明的层叠体(10)具备：由金属或合金形成的基材(1)；形成于基材(1)表面且由比基材(1)柔软的金属或合金构成的中间层(2)；通过使金属或合金的粉末材料与被加热为比该粉末材料的熔点低的温度的气体一并加速，以固相状态直接向中间层(2)喷附并堆积在该中间层(2)上而成的金属皮膜(3)。

Description

层叠体及层叠体的制造方法
技术领域
本发明涉及层叠体及层叠体的制造方法。
背景技术
近年来，作为喷镀法的一种，通过将材料粉末设为高温、高速而喷向基材由此使该材料粉末堆积·涂层于基材的冷喷雾方法引人注目。在冷喷雾方法中，通过使成为皮膜的材料与加热为材料粉末的熔点或软化点以下的不活泼气体一并从前端细后端粗(拉瓦尔)喷嘴喷射，以固相状态直接与基材碰撞而在基材的表面上形成皮膜，因此能够获得无相变且还可抑制氧化的金属皮膜。
以往，作为冷喷雾方法，公开有如下所述的技术，即，在将基材的温度控制为规定温度之后喷射材料粉末的技术(例如，参照专利文献1)；控制基材及/或不活泼气体的温度而形成金属皮膜的技术(例如，参照专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-302317号公报
专利文献2：日本特开2008-127676号公报
发明概要
发明要解决的课题
然而，专利文献1中，将基材设为材料粉末的熔点(绝对温度)以下，优选加热为熔点(绝对温度)的大致一半的温度，从而能够提高材料粉末的附着效率，但并未明示出基于基材加热的材料粉末的附着量能够提高至何种程度。另外，关于由该方法形成的金属皮膜与基材之间的粘结强度之间的关系并未有任何记载。
另外，专利文献2中，在将不锈钢基材的温度加热为373K～673K而喷射铜粉末的情况下、及在不加热不锈钢基材而将氦气加热为673K来喷射铜粉末的情况下，皮膜形成率提高，但关于由该方法形成的金属皮膜与基材之间的粘结强度之间的关系并未有任何记载。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种层叠体及该层叠体的制造方法，在对使用冷喷雾法而在金属基材形成金属皮膜的层叠体进行制造的情况下，使金属基材与金属皮膜之间的粘结强度高。
解决方案
为了解决上述课题而达成目的，本发明所涉及的层叠体的特征在于，所述层叠体具备：基材，其由金属或合金形成；中间层，其形成于所述基材表面，且由比所述基材柔软的金属或合金构成；金属皮膜，其通过使金属或合金的粉末材料与被加热为比该粉末材料的熔点低的温度的气体一并加速，以固相状态直接向所述中间层喷附并堆积在所述中间层的表面上而成。
另外，本发明所涉及的层叠体在上述发明的基础上，其特征在于，所述基材为不锈钢，所述中间层由从银、金、铝、铜、锡、铅或锌中选择出的任一种金属构成。
另外，本发明所涉及的层叠体在上述发明的基础上，其特征在于，所述金属皮膜由与所述中间层相同的材料形成。
另外，本发明所涉及的层叠体在上述发明的基础上，其特征在于，所述中间层具有0.05～10μm的厚度。
另外，本发明所涉及的层叠体在上述发明的基础上，其特征在于，所述中间层通过溅射形成。
另外，本发明所涉及的层叠体在上述发明的基础上，其特征在于，一边对形成有所述中间层的所述基材进行加热，一边使所述金属皮膜堆积于所述中间层的表面。
另外，本发明所涉及的层叠体的制造方法的特征在于，所述层叠体的制造方法包括：中间层形成步骤，在该中间层形成步骤中，在由金属或合金形成的基材的表面形成由比该基材柔软的金属或合金构成的中间层；金属皮膜形成步骤，在该金属皮膜形成步骤中，通过使金属或合金的粉末材料与被加热为比该粉末材料的熔点低的温度的气体一并加速，以固相状态直接向所述中间层喷附并堆积在所述中间层的表面上而形成金属皮膜。
另外，本发明所涉及的层叠体的制造方法在上述发明的基础上，其特征在于，所述基材为不锈钢，所述中间层由从银、金、铝、铜、锡、铅或锌中选择出的任一种金属构成。
另外，本发明所涉及的层叠体的制造方法在上述发明的基础上，其特征在于，所述中间层通过溅射形成。
另外，本发明所涉及的层叠体的制造方法在上述发明的基础上，其特征在于，所述金属皮膜形成步骤中，一边对形成有所述中间层的所述基材进行加热，一边使所述金属皮膜堆积于所述中间层的表面。
发明效果
本发明所涉及的层叠体及层叠体的制造方法起到如下所述的效果，即，在金属基材上形成由比该金属基材柔软的材料构成的中间层，通过使材料粉末与被加热为比该材料粉末的熔点低的温度的气体一并加速，以固相状态直接向所述中间层喷附并堆积在该中间层上，从而形成金属皮膜，由此能够获得金属基材与金属皮膜之间的粘结强度高的层叠体。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的层叠体的结构的示意图。
图2是表示在本发明的实施方式所涉及的层叠体的制造中使用的冷喷雾装置的概要的示意图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的层叠体的外观的照片。
图4是表示比较例所涉及的层叠体的外观的照片。
图5是表示基于简易拉伸试验法的试验的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行详细地说明。需要说明的是，本发明并不被以下的实施方式限定。另外，在以下的说明中参照的各附图只不过为了达到能够理解本发明的内容的程度而概要地表示形状、大小、及位置关系。即，本发明并不局限于在各附图中例示出的形状、大小、及位置关系。
首先，参照附图对本发明的实施方式所涉及的层叠体的制造方法进行详细地说明。图1是表示本发明的实施方式所涉及的层叠体的结构的示意图。
层叠体10包括：基材1；形成于基材1的表面的中间层2；利用后述的冷喷雾法层叠于中间层2的金属皮膜3。
基材1由金属或合金形成，呈大致板状体。形成基材1的金属或合金利用后述的冷喷雾装置难以在基材1表面直接层叠金属皮膜3，在将硬质的金属或合金选择为基材1的情况下起到特别的效果。例如，下表1所示的内容为：不锈钢(维氏硬度200±20)、钼(维氏硬度250±20)、钨(维氏硬度380±40)、钛合金64Ti(维氏硬度320±30)、碳钢S45C(维氏硬度230±30)等。然而，即使是在将硬度不怎么大的金属或合金作为基材1的情况下，形成硬度比该基材1小的中间层2，当利用冷喷雾装置在该中间层2上形成金属皮膜3时，能够以更稳定的条件实现金属皮膜3的层叠，并且能够提高基材1与金属皮膜3之间的界面的粘结强度。另外，也能够选择下表1所示的金属或合金以外的金属作为基材1。
一般来说，当利用冷喷雾法在由金属或合金形成的基材1上形成金属皮膜3的情况下，成为皮膜的材料粉末以高速与基材1发生碰撞，由此在材料粉末与基材1之间产生塑性变形，根据锚定效应与金属结合，获得金属皮膜3与基材1之间的结合。然而，如表1所示，例如不锈钢(SUS)的硬度为200±20HV(维氏硬度)，为硬质，因此在与喷射的材料粉末之间难以产生塑性变形，从而无法获得不锈钢基材1与金属皮膜3之间的粘结强度高的层叠体。
表1
材料 硬度[HV]
铅 5～6
锡 20～30
铝 30±10
银 25～30
金 33～35
锌 30～60
铜 100±20
铝合金A6061 105±10
碳钢SS400 120±20
钛 140±10
SUS 200±20
碳钢S45C 230±30
钼 250±20
钛合金64Ti 320±30
钨 380±40
因此，在本发明的实施方式中，将硬度比形成基材1的金属或合金小的中间层2设于基材1上，经由柔软的中间层2而将金属皮膜3形成于基材1，由此能够获得基材1与金属皮膜3之间的粘结强度高的层叠体。
上述的表1示出主要的金属及合金与其维氏硬度。中间层2从维氏硬度比形成基材1的金属或合金小的金属或合金中选择。在作为基材1而使用不锈钢的情况下，由维氏硬度比不锈钢小的金属或合金、例如钛和铜等形成中间层2即可。
作为中间层2而使用的金属除了选择上述的表1所记载的金属及合金之外，选择硬度比作为基材1而选择的金属或合金小的材料即可。在将硬度比基材1小的金属或合金选择为中间层2的情况下，由于容易在与喷射的材料粉末之间产生塑性变形，因此能够提高基材1与金属皮膜3之间的粘结强度。优选地，中间层2从维氏硬度小的银、金、铝、铜、锡、铅或锌中选择出的任一种金属选择。中间层2只要通过镀敷、溅射或CVD形成于基材1的表面即可。另外，在形成金属皮膜3的金属或合金的硬度比基材1小的情况下，优选中间层2由与作为金属皮膜3而能够选择的材料相同的金属或合金形成。
优选中间层2具有0.05μm以上10μm以下的厚度。当厚度比0.05μm薄时，即使形成中间层2也无法提高基材1与金属皮膜3之间的粘结强度。另外，即使将厚度设为比10μm厚，不但无法获得基材1与金属皮膜3之间的进一步的粘结强度提高的效果，而且将中间层2设得过厚也会对层叠体10的功能面造成影响。
如上所述，中间层2能够通过镀敷、溅射或CVD而形成，但优选通过溅射形成。当通过溅射形成中间层2时，由于基材1的除去氧化皮膜而露出新生面，因此能够提高中间层2与基材1之间的粘结强度。另外，在将中间层2形成得极薄的情况下，金属皮膜3有时突破中间层2而直接在基材1表面形成金属皮膜3。在上述情况下，基于中间层2与形成金属皮膜3的材料粉末之间的塑性变形的锚定效应变小，但当利用溅射形成中间层2时，材料粉末容易在与除去氧化皮膜的新生面之间产生金属结合，因此能够形成粘结强度高的层叠体10。
金属皮膜3从所希望的金属或金属的合金选择即可，例如，例示出银、金、铝、铜、锡、铅、锌、铁、镍、钛、镁、铟、钼或钨等金属或包含所述任一种金属在内的合金。
接着，参照图2对隔着中间层2向基材1表面的金属皮膜3的形成进行说明。图2是表示在金属皮膜3的形成中使用的冷喷雾装置60的概要的示意图。
冷喷雾装置60具备：加热压缩气体的气体加热器61；收容向基材1喷射的粉末材料且向喷枪62供给的粉末供给装置63；由喷枪62将与加热后压缩气体混合的材料粉末向基材1喷射的气体喷嘴64。
作为压缩气体而使用氦、氮、空气等。被供给的压缩气体利用阀65及66分别向气体加热器61与粉末供给装置63供给。向气体加热器61供给的压缩气体在被加热为例如50℃以上、金属皮膜3的材料粉末的熔点以下的温度之后向喷枪62供给。压缩气体的加热温度优选为300～900℃。
向粉末供给装置63供给的压缩气体使粉末供给装置63内的例如粒径为10～100μm左右的材料粉末以成为规定的排出量的方式向喷枪62供给。加热后的压缩气体利用呈前端细后端粗形状的气体喷嘴64而成为超音速流(约340m/s以上)。另外，压缩气体的气体压力优选为1～5MPa左右。通过将压缩气体的压力设为1～5MPa左右，能够实现基材1与金属皮膜3之间的粘结强度的提高。优选以2～4MPa左右的压力进行处理。向喷枪62供给的粉末材料通过向该压缩气体的超音速流之中的投入而被加速，以固相状态直接与基材高速碰撞而形成皮膜。需要说明的是，只要是能够使材料粉末以固相状态与基材1发生碰撞而形成皮膜的装置即可，并不局限于图2的冷喷雾装置60。
在基材1形成由硬度比基材1小的材料构成的中间层2，利用上述的冷喷雾装置60，使材料粉末与气体一并加速，以固相状态直接向中间层2喷附并堆积，从而隔着中间层2而在不锈钢基材1上形成金属皮膜3，由此能够提高基材1与金属皮膜3之间的粘结强度。
另外，作为本发明的实施方式的变形例，可例示出在隔着中间层2而在基材1形成金属皮膜3时，一边加热基材1一边将粉末材料与加热了的气体一并以固相状态直接向中间层2喷附并堆积而成的层叠体10A。一边加热基材1一边形成金属皮膜3的层叠体10A能够进一步提高基材1与金属皮膜3之间的粘结强度。基材1的加热温度优选为100℃～300℃左右。基材1的加热只要使用能够以规定温度均匀地加热基材1整体的加热器进行加热即可。
实施例
(实验例1)
基材1选择5cm见方的不锈钢试样块，中间层2选择铜，金属皮膜3选择铜。通过溅射在作为基材1的不锈钢试样块表面形成厚度为2μm的铜的中间层2。利用冷喷雾装置60在中间层2上呈横纹状地层叠宽度为8mm的金属皮膜3。在试样块上依次变更压缩气体的压力而分别层叠金属皮膜3a、3b及3c(实施例1，压缩气体：氮，压缩气体温度：600℃，气体压力：从下依次为3、4、5MPa)。
另外，作为比较例1，基材1选择5cm见方的不锈钢试样块，无中间层2，金属皮膜3选择铜。利用冷喷雾装置60，在作为基材1的不锈钢试样块表面呈横纹状地层叠宽度为8mm的金属皮膜3。在试样块上依次变更压缩气体的压力而分别层叠金属皮膜3a、3b及3c(比较例1，压缩气体：氮，压缩气体温度：600℃，气体压力：从下依次为3、4、5MPa)。
图3是表示本发明的实施例1所涉及的层叠体10B的外观的照片。图4是表示比较例所涉及的层叠体10C的外观的照片。
在未形成中间层2而利用冷喷雾装置60在不锈钢基材1表面层叠呈横纹状的铜的金属皮膜3的比较例1中，知晓如下所述的情况：如图4所示，对于将压缩气体的压力设为5MPa的金属皮膜3a’，层叠比4MPa的金属皮膜3b’及3MPa的金属皮膜3c’略多的皮膜，但在任何的压力条件下，铜的粉末材料部未充分地堆积于不锈钢基材1表面而未形成金属皮膜3(3a’～3c’)。与此相对地，在实施例1中，如图3所示，即使在将压缩气体的压力设为5MPa的金属皮膜3a和4MPa的金属皮膜3b’及3MPa的金属皮膜3c’的任意条件下，在不锈钢基材1表面经由铜的中间层2而堆积铜的粉末材料，从而层叠有横纹状的铜的金属皮膜3。
(实验例2)
与实验例1相同地，基材1选择不锈钢，中间层2选择铜，金属皮膜3选择铜。利用冷喷雾装置60，通过溅射在形成有厚度为2μm的铜的中间层2的基材1将铜的金属皮膜3层叠于中间层2的与不锈钢基材1相接的面的相反一侧的面(实施例2，压缩气体：氮，压缩气体温度：600℃，气体压力：4MPa)，从而形成层叠体10。另外，一边将由不锈钢构成的基材1加热为规定温度、一边将铜的金属皮膜3形成于中间层2的与基材1相接的面的相反一侧的面，从而形成层叠体10(实施例3及4，压缩气体：氮，压缩气体温度：600℃，气体压力：4MPa)。
作为比较例，在由不锈钢构成的基材1表面未形成中间层2，且利用冷喷雾装置60制造层叠有铜的金属皮膜3的层叠体(比较例2，压缩气体：氮，压缩气体温度：600℃，气体压力：4MPa)。另外，也制造一边将由不锈钢构成的基材1加热为规定温度、一边在基材1表面形成有铜的金属皮膜3的层叠体(比较例3及4，压缩气体：氮，压缩气体温度：600℃，气体压力：4MPa)。
关于如上述那样制成的层叠体的试样块，利用拉伸强度试验法对基材1与金属皮膜3之间的粘结强度进行评价。图5是表示基于在本实施例中适用的简易拉伸试验法的试验的示意图。在该方法中，在基材1上隔着中间层2而形成的金属皮膜3(实施例2～4)、及直接形成于基材1上的金属皮膜3(比较例2～4)借助粘合剂73而粘合铝栓72，在将借助粘合剂73而粘合于金属皮膜3的铝栓72从上方插入固定台71的孔部71a之后，通过向下方拉动铝栓72，来对不锈钢基材1与金属皮膜3之间的粘结强度进行评价。评价通过在粘合剥离的时刻下的拉伸应力与剥离状态来进行。下表2示出基材1的加热条件及拉伸试验的评价结果。
表2
基材加热温度 拉伸强度试验
实施例2 室温(无加热) ○
实施例3 200℃ ○
实施例4 300℃ ○
比较例2 室温(无加热) ×
比较例3 200℃ ×
比较例4 300℃ ○
在表2所示的拉伸试验的评价结果中，“拉伸试验”栏的○表示以规定的最大拉伸应力(74Mpa)产生因粘合剂的断裂所导致的剥离。“拉伸试验”栏的×表示以小于规定的最大拉伸应力(74Mpa)在基材1与金属皮膜3之间的界面产生剥离。需要说明的是，形成于基材1的金属皮膜3的厚度为大致100μm。
如表2所示，在无需加热未形成中间层2的由不锈钢构成的基材1而利用冷喷雾装置60形成铜的金属皮膜3的比较例2中，在基材1与金属皮膜3之间的界面产生了剥离，但通过溅射形成厚度为2μm的中间层2，在利用冷喷雾装置60隔着该中间层2而在基材1上形成铜的金属皮膜3的实施例2中，未确认到基材1与金属皮膜3之间的界面断裂，知晓基材1与金属皮膜3之间的粘结强度提高。
本发明的实施方式所涉及的层叠体中，将金属或合金设为基材1，将由比基材1柔软的金属或合金构成的中间层2形成于基材1表面，利用冷喷雾装置60经由该中间层2而层叠金属皮膜3，由此能够提高基材1与金属皮膜3之间的界面的粘结强度。
产业上的可利用性
如上述那样，本发明所涉及的层叠体、及该层叠体的制造方法对于利用冷喷雾方法在硬度高的基材上层叠金属皮膜的情况是有用的。
附图标记说明如下：
1  基材
2  中间层
3  金属皮膜
10、10A、10B、10C  层叠体
60  冷喷雾装置
61  气体加热器
62  喷枪
63  粉末供给装置
64  气体喷嘴
70  拉伸试验装置
71  固定台
71a  孔部
72  铝栓
73  粘合剂

Claims (10)

1.一种层叠体，其特征在于，具备：
基材，其由金属或合金形成；
中间层，其形成于所述基材表面，且由比所述基材柔软的金属或合金构成；
金属皮膜，其通过使金属或合金的粉末材料与被加热为比该粉末材料的熔点低的温度的气体一并加速，以固相状态直接向所述中间层喷附并堆积在所述中间层的表面上而成。
2.根据权利要求1所述的层叠体，其特征在于，
所述基材为不锈钢，
所述中间层由从银、金、铝、铜、锡、铅或锌中选择出的任一种金属构成。
3.根据权利要求1或2所述的层叠体，其特征在于，
所述金属皮膜由与所述中间层相同的材料形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的层叠体，其特征在于，
所述中间层具有0.05～10μm的厚度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的层叠体，其特征在于，
所述中间层通过溅射形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的层叠体，其特征在于，
一边对形成有所述中间层的所述基材进行加热，一边使所述金属皮膜堆积于所述中间层的表面。
7.一种层叠体的制造方法，其特征在于，包括：
中间层形成步骤，在该中间层形成步骤中，在由金属或合金形成的基材的表面形成由比该基材柔软的金属或合金构成的中间层；
金属皮膜形成步骤，在该金属皮膜形成步骤中，通过使金属或合金的粉末材料与被加热为比该粉末材料的熔点低的温度的气体一并加速，以固相状态直接向所述中间层喷附并堆积在所述中间层的表面上而形成金属皮膜。
8.根据权利要求7所述的层叠体的制造方法，其特征在于，
所述基材为不锈钢，
所述中间层由从银、金、铝、铜、锡、铅或锌中选择出的任一种金属构成。
9.根据权利要求7或8所述的层叠体的制造方法，其特征在于，
所述中间层通过溅射形成。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的层叠体的制造方法，其特征在于，
所述金属皮膜形成步骤中，一边对形成有所述中间层的所述基材进行加热，一边使所述金属皮膜堆积于所述中间层的表面。
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