JP2005232496A - Method of manufacturing protective film, and protective film - Google Patents

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章二 森田
Katsunori Akiyama
勝徳 秋山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a protective film by which the protective film having excellent wear resistance and corrosion resistance can be manufactured without heating a substrate to a high temperature, and to provide the protective film. <P>SOLUTION: In this manufacturing method, a protective film is deposited on the substrate by an aerosol deposition method in which powder containing silicon compound (SiC or SiN) is sprayed to the substrate together with carrier gas such as helium at the spraying particle speed of ≥ 800 m/s from very small nozzles. According to the manufacturing method, the protective film having excellent adhesiveness to the substrate can be obtained without exposing the substrate to high temperature. The thickness of the protective film is preferably 0.5-40 μm. The Vickers hardness of the protective film is preferably ≥ 500. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、保護膜の製造方法及び保護膜に関し、詳しくは耐摩耗性及び耐食性に優れた保護膜の製造方法及び保護膜に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a protective film and a protective film, and more particularly to a method for manufacturing a protective film and a protective film excellent in wear resistance and corrosion resistance.

SiC膜は耐摩耗性及び耐食性に優れた保護膜として有用であることが知られている。基板にSiC膜を成膜する方法としては、熱CVD法(化学的気相析出法)による成膜方法、例えばCHSiCl等の有機ケイ素化合物を1450K〜1650Kで熱分解させて結晶質のSiC膜を成膜する方法がある(特許文献1)。
また、その他の方法としては、グロー放電分解による成膜方法、例えばSiH等のケイ素を含むガスとCH等の炭化水素系ガスとを混合し、グロー放電分解させて基板に非晶質のSiC膜を成膜する方法がある(特許文献2及び3)。
It is known that the SiC film is useful as a protective film excellent in wear resistance and corrosion resistance. As a method of forming a SiC film on a substrate, a film formation method by a thermal CVD method (chemical vapor deposition method), for example, an organic silicon compound such as CH 3 SiCl 3 is thermally decomposed at 1450K to 1650K to form a crystalline material. There is a method of forming a SiC film (Patent Document 1).
Further, as another method, a film formation method by glow discharge decomposition, for example, a gas containing silicon such as SiH 4 and a hydrocarbon gas such as CH 4 are mixed and decomposed by glow discharge to form an amorphous material on the substrate. There is a method of forming a SiC film (Patent Documents 2 and 3).

特開平11−130565号公報JP-A-11-130565 特開平6−97473号公報JP-A-6-97473 特開平7−22633号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-22633

しかしながら、熱CVD法を用いた成膜の場合には、加熱によってSiC膜を形成するために基板を1000℃以上の高温に付す必要があり、耐熱性のない基板には使用することができない。
また、グロー放電分解を用いた成膜の場合には、得られたSiC膜は非晶質であるため、結晶質のSiC膜に比べて炭素含有量が少なく、ビッカース硬度が大きくない。このため、結晶質のSiC膜よりも耐摩耗性及び耐食性が乏しく、近年の基板用保護膜に対する耐摩耗性及び耐食性への高い要求を満足することができない。
従って本発明は、耐摩耗性及び耐食性に優れる保護膜を、基板を高温に付すことなく製造できる方法及び保護膜を提供することを目的とする。
However, in the case of film formation using the thermal CVD method, it is necessary to subject the substrate to a high temperature of 1000 ° C. or higher in order to form a SiC film by heating, and it cannot be used for a substrate having no heat resistance.
Further, in the case of film formation using glow discharge decomposition, the obtained SiC film is amorphous, so that the carbon content is less than that of the crystalline SiC film and the Vickers hardness is not large. For this reason, the wear resistance and corrosion resistance are poorer than the crystalline SiC film, and the recent high demands on the wear resistance and corrosion resistance for the protective film for substrates cannot be satisfied.
Therefore, an object of this invention is to provide the method and protective film which can manufacture the protective film which is excellent in abrasion resistance and corrosion resistance, without attaching | subjecting a board | substrate to high temperature.

本発明の保護膜の製造方法は、ケイ素化合物を含む粉末を、キャリアガスと共に微小孔ノズルから基板に吹きかけることによって行うことを特徴としている。
また本発明の保護膜は上記本発明の製造方法によって得られるものであることを特徴としている。
The manufacturing method of the protective film of this invention is characterized by performing by spraying the powder containing a silicon compound to a board | substrate from a micropore nozzle with carrier gas.
The protective film of the present invention is obtained by the production method of the present invention.

本発明によれば、ケイ素化合物を含む粉末を、キャリアガスと共に微小孔ノズルから基板に吹きかけることによってケイ素化合物による保護膜を得ることができるので、耐摩耗性及び耐食性に優れる保護膜を、基板を高温に付すことなく製造することができる。   According to the present invention, a protective film made of a silicon compound can be obtained by spraying a powder containing a silicon compound together with a carrier gas from a microhole nozzle onto the substrate. It can be manufactured without being subjected to high temperatures.

本発明の保護膜は、ケイ素化合物を含む粉末を、キャリアガスと共に微小孔ノズルから基板に吹きかけることによって得られる。このような保護膜の成膜方法は、一般にエアロゾルデポジション法(AD法)と呼ばれるものであり、AD法を用いることによって、基板を高温に付すことなく、結晶質のケイ素化合物の膜を基板上に形成することができる。またケイ素化合物を含む粉末による成膜にAD法を適用することによって、ケイ素化合物と基板との密着性を高いものにすることができ、基板との密着性のより優れた保護膜とすることができる。この結果、耐摩耗性及び耐食性に優れた保護膜を容易に、また如何なる基板に対しても形成することができる。
保護膜の原料としてのケイ素化合物には、耐摩耗性及び耐食性の観点からSiC又はSiNが好ましい。なお、ケイ素化合物の粉末は、それを原料として成膜した場合の保護膜が耐摩耗性及び耐食性を有していればよく、結晶質及び非晶質であるかは問われない。
このようなケイ素化合物の粒径は、1μm〜40μmが好ましい。1μm未満であると粒子と基板との衝突エネルギーが小さく、粒子の新生面が出づらいために成膜が難しく、また40μmを超えるとノズルが詰まってしまうために好ましくない。ただし、上記粒径の上限は、前記保護膜を得るための成膜装置に解砕器或いは分級装置、又は解砕器等の機能を有するノズルを備えている場合においては、成膜直前で粒子の粉砕が行われるために上記粒径の上限には限定されない。
また、ケイ素化合物には、高硬度化を目的として炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム等を添加して混合粉末とすることもできる。この場合、混合粉末全体に対して、炭化チタン等を5〜20重量%で含むことができる。
The protective film of the present invention can be obtained by spraying a powder containing a silicon compound together with a carrier gas from a microhole nozzle onto a substrate. Such a protective film forming method is generally called an aerosol deposition method (AD method). By using the AD method, a crystalline silicon compound film can be formed on the substrate without subjecting the substrate to a high temperature. Can be formed on top. In addition, by applying the AD method to film formation using a powder containing a silicon compound, the adhesion between the silicon compound and the substrate can be increased, and a protective film having better adhesion with the substrate can be obtained. it can. As a result, a protective film excellent in wear resistance and corrosion resistance can be easily formed on any substrate.
The silicon compound as the raw material for the protective film is preferably SiC or SiN from the viewpoints of wear resistance and corrosion resistance. In addition, as for the powder of a silicon compound, the protective film at the time of forming into a film from the raw material should just have abrasion resistance and corrosion resistance, and it is not ask | required whether it is crystalline and amorphous.
The particle size of such a silicon compound is preferably 1 μm to 40 μm. When the thickness is less than 1 μm, the collision energy between the particles and the substrate is small, and it is difficult to form a new surface of the particles, and when it exceeds 40 μm, the nozzle is clogged. However, the upper limit of the particle diameter is the particle diameter immediately before film formation when the film forming apparatus for obtaining the protective film is equipped with a crusher or classifier, or a nozzle having a function of a crusher, etc. Therefore, the upper limit of the particle size is not limited.
In addition, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, or the like can be added to the silicon compound for the purpose of increasing the hardness to obtain a mixed powder. In this case, titanium carbide or the like can be contained at 5 to 20% by weight with respect to the entire mixed powder.

このようなケイ素化合物を含む粉末を原料として得られる保護膜の膜厚は、保護膜の使用用途によって決定されるために特に限定されることはないが、0.5μm〜40μmが好ましく、1μm〜20μmがより好ましい。0.5μm未満であると保護膜としての十分な効果(耐摩耗性及び耐食性)が得られず、また40μmを超えると基板から膜が剥がれ易くなってしまうために好ましくない。   The thickness of the protective film obtained using such a powder containing a silicon compound as a raw material is not particularly limited because it is determined by the use application of the protective film, but is preferably 0.5 μm to 40 μm, and preferably 1 μm to 20 μm is more preferable. If the thickness is less than 0.5 μm, a sufficient effect (abrasion resistance and corrosion resistance) as a protective film cannot be obtained, and if it exceeds 40 μm, the film tends to peel off from the substrate, which is not preferable.

基板は、ステンレス、銅、ニッケル及びチタン等の金属板、或いはそれらの合金板、ガラス、セラミックス等が好ましい。特に、本発明では基板を高温下に付すことなく優れた保護膜を形成することができるので、耐熱温度が低い材料、或いは耐食性が求められる環境下で使用される材料、例えばステンレスに用いた場合に有用である。
ケイ素化合物を含む粉末の基板への吹きかけ粒子速度は、基板に対する密着性の観点から800m/s以上が好ましく、900m/s以上がより好ましい。800m/s未満であると、保護膜の基板に対する密着性が弱くなり、成膜が不十分となってしまうために好ましくない。また、吹きかけ粒子速度の上限は成膜装置の性能に大きく依存するが、特に上限は限定されない。
このような吹きかけ粒子速度は、キャリアガスの種類及びその流量に依存する。
キャリアガスは、ヘリウム、アルゴン及び窒素等の不活性ガスが使用することができるが、ケイ素化合物の基板への吹きかけ粒子速度を大きくする観点からヘリウムが好ましい。またキャリアガス流量は、使用するノズルの形状にも依存するが、10L/min以上が好ましく、15L/min以上がより好ましい。10L/min未満であると吹きかけ粒子速度が800m/s未満となってしまうために好ましくない。ただし、キャリアガス流量と吹きかけ粒子速度との関係は、使用する製膜装置の種類によって異なるので、キャリアガス流量は、上記流量に限定されることはなく、吹きかけ粒子速度が800m/s以上となるように調整されればよい。
The substrate is preferably a metal plate such as stainless steel, copper, nickel and titanium, or an alloy plate thereof, glass, ceramics or the like. In particular, in the present invention, an excellent protective film can be formed without subjecting the substrate to a high temperature. Therefore, when used for a material having a low heat-resistant temperature or a material used in an environment where corrosion resistance is required, for example, stainless steel. Useful for.
The spraying particle velocity of the powder containing the silicon compound to the substrate is preferably 800 m / s or more, more preferably 900 m / s or more from the viewpoint of adhesion to the substrate. If it is less than 800 m / s, the adhesion of the protective film to the substrate becomes weak, and film formation becomes insufficient. Further, the upper limit of the spray particle speed largely depends on the performance of the film forming apparatus, but the upper limit is not particularly limited.
Such spray particle velocity depends on the type of carrier gas and its flow rate.
As the carrier gas, an inert gas such as helium, argon, or nitrogen can be used, but helium is preferable from the viewpoint of increasing the particle velocity of the silicon compound sprayed onto the substrate. The carrier gas flow rate also depends on the shape of the nozzle used, but is preferably 10 L / min or more, and more preferably 15 L / min or more. If it is less than 10 L / min, the spraying particle speed is less than 800 m / s, which is not preferable. However, since the relationship between the carrier gas flow rate and the sprayed particle velocity differs depending on the type of film forming apparatus to be used, the carrier gas flow rate is not limited to the above flow rate, and the sprayed particle velocity is 800 m / s or more. It may be adjusted as follows.

本発明の製造方法において成膜温度は、いわゆる高温である必要はない。ここで「高温」とは、一般に基板の耐熱性を判断する際の基準となる温度、500℃以上の温度をいう。従って、本発明の製造方法における成膜温度は、このような温度未満とすることができ、好ましくは、経済性及び操作性の観点から100℃以下、特に常温(25℃)である。
本発明の保護膜は、上記製造方法によって得られるものであり、結晶質のケイ素化合物を含むものである。この保護膜の耐摩耗性の評価には、ビッカース硬度を用いることができる。このビッカース硬度の測定方法は、一般に用いられるものをそのまま適用することができ、例えば対面角が136°の正四角錐圧子を5〜50gの荷重をかけて保護膜にくぼみをつけ、くぼみの対角線の長さを測定することによって求めることができる。また、保護膜の耐食性の評価には、酸性溶液に長時間浸漬する方法を用いることができ、例えば80℃、pH2の硫酸水溶液に200時間浸漬し、その前後の表面を観察することによって評価することができる。
本発明の保護膜は、耐摩耗性の観点から少なくとも500のビッカース硬度のものが好ましく、少なくとも600のビッカース硬度であることがさらに好ましい。500未満であると十分な耐摩耗性が得られないために好ましくない。このようなビッカース硬度は、粒子速度等の成膜条件、或いは原料粉末への添加粉末の種類及び添加量によって調整することができる。
In the production method of the present invention, the film formation temperature does not have to be a so-called high temperature. Here, “high temperature” generally refers to a temperature that is a reference when determining the heat resistance of a substrate, and is a temperature of 500 ° C. or higher. Therefore, the film formation temperature in the production method of the present invention can be lower than such a temperature, and is preferably 100 ° C. or less, particularly room temperature (25 ° C.) from the viewpoint of economy and operability.
The protective film of the present invention is obtained by the above production method and contains a crystalline silicon compound. Vickers hardness can be used for evaluating the wear resistance of the protective film. As a method for measuring the Vickers hardness, a commonly used method can be applied as it is. For example, a square pyramid indenter having a facing angle of 136 ° is applied with a load of 5 to 50 g, and the protective film is indented. It can be determined by measuring the length. In addition, the corrosion resistance of the protective film can be evaluated by immersing in an acidic solution for a long time, for example, by immersing in an aqueous sulfuric acid solution at 80 ° C. and pH 2 for 200 hours and observing the front and back surfaces. be able to.
The protective film of the present invention preferably has a Vickers hardness of at least 500 from the viewpoint of wear resistance, and more preferably has a Vickers hardness of at least 600. If it is less than 500, sufficient abrasion resistance cannot be obtained, which is not preferable. Such Vickers hardness can be adjusted by film forming conditions such as particle speed, or the kind and amount of powder added to the raw material powder.

以下に図1を参照して、本発明の保護膜を成膜するために使用可能な製造装置の一例としてのAD法による成膜装置を説明する。
この成膜装置には、ステンレスからなるチャンバー1が設けられており、チャンバー1内には、基板2を支持する基板ホルダー3と、この基板ホルダー3に向けて原料粉末を噴射可能なノズル4とが設けられている。
基板ホルダー3は、図示しない駆動機構によって、XY方向(水平面方向)に所定の速度で駆動可能となっている。また、ノズル4と基板ホルダー3とは、図示しない機構によって、接近又は離反方向に移動すると共に任意の位置で固定可能となっている。ノズル4は、図示しないエアロゾル導入部、絞り部及び粒子加速部から構成されている。
With reference to FIG. 1, a film forming apparatus based on the AD method as an example of a manufacturing apparatus that can be used for forming the protective film of the present invention will be described below.
The film forming apparatus is provided with a chamber 1 made of stainless steel. In the chamber 1, a substrate holder 3 that supports a substrate 2, and a nozzle 4 that can inject raw material powder toward the substrate holder 3 are provided. Is provided.
The substrate holder 3 can be driven at a predetermined speed in the XY direction (horizontal plane direction) by a drive mechanism (not shown). In addition, the nozzle 4 and the substrate holder 3 can be moved toward or away from each other and fixed at an arbitrary position by a mechanism (not shown). The nozzle 4 includes an aerosol introduction unit, a throttle unit, and a particle acceleration unit (not shown).

ノズル4には、原料粉末を一定速度でキャリアガスと共に供給可能なパウダーフィーダー5が接続されている。パウダーフィーダー5は、原料粉末を一定速度で供給可能な機構を備えていればよく、例えばエジェクターを備えた回転掻き取り方式等のフィーダー等を使用することができる。パウダーフィーダー5には、圧力調整器7及びマスフローコントローラ8を介して、キャリアガスボンベ6が接続されている。
さらに、チャンバー1には、粉塵補集用のフィルター9を介して、ロータリーポンプ10及びメカニカルブースターポンプ11が接続されている。なお成膜装置には、キャリアガスの供給量及びチャンバー1内の排気を制御するために、適当な箇所に自動ポンプ又は手動バルブ12並びに圧力計13がそれぞれ複数備えられている。
The nozzle 4 is connected to a powder feeder 5 that can supply the raw material powder together with the carrier gas at a constant speed. The powder feeder 5 only needs to have a mechanism capable of supplying the raw material powder at a constant speed. For example, a feeder such as a rotary scraping method equipped with an ejector can be used. A carrier gas cylinder 6 is connected to the powder feeder 5 via a pressure regulator 7 and a mass flow controller 8.
Furthermore, a rotary pump 10 and a mechanical booster pump 11 are connected to the chamber 1 through a filter 9 for collecting dust. The film forming apparatus is provided with a plurality of automatic pumps or manual valves 12 and a plurality of pressure gauges 13 at appropriate locations in order to control the supply amount of the carrier gas and the exhaust in the chamber 1.

このような成膜装置において、まず、基板2を基板ホルダー3にセットし、ケイ素化合物を含む粉末をパウダーフィーダー5に充填する。次いで、ロータリーポンプ10及びメカニカルブースターポンプ11を作動させて、チャンバー1内を真空排気する。チャンバー1内が10Pa以下の到達真空度に達したら、キャリアガスボンベ6からキャリアガスを所定の流量でパウダーフィーダー5に送り込む。キャリアガスの流量が定常値に達して、流れが安定したら、パウダーフィーダー5の粉末供給機構を作動させる。これにより、キャリアガスに原料粉末を均一に分散させたエアロゾルが生成される。   In such a film forming apparatus, first, the substrate 2 is set on the substrate holder 3, and the powder containing the silicon compound is filled in the powder feeder 5. Next, the rotary pump 10 and the mechanical booster pump 11 are operated to evacuate the chamber 1. When the inside of the chamber 1 reaches the ultimate vacuum of 10 Pa or less, the carrier gas is sent from the carrier gas cylinder 6 to the powder feeder 5 at a predetermined flow rate. When the flow rate of the carrier gas reaches a steady value and the flow is stabilized, the powder supply mechanism of the powder feeder 5 is operated. Thereby, an aerosol in which the raw material powder is uniformly dispersed in the carrier gas is generated.

このようにして生成したエアロゾルをノズル4のエアロゾル導入部に導入する。導入されたエアロゾルは、ノズル4の絞り部及び粒子加速部を順次通る際に加速され、ノズル4の先端から基板2に向かって噴射される。基板2の表面に高速で衝突したエアロゾル中のケイ素化合物を含む粉末は破砕して、活性な新生面が露出し、これにより、基板2上に高い密着力を有する緻密な保護膜が成膜される。この際、基板ホルダー3を図示しない駆動機構によって、XY方向に移動させることによって、基板2に対する噴射位置を移動させ、基板2の一定面積に且つ所定の厚さで成膜することができる。   The aerosol generated in this way is introduced into the aerosol introduction part of the nozzle 4. The introduced aerosol is accelerated when sequentially passing through the throttle portion and the particle accelerating portion of the nozzle 4, and is ejected from the tip of the nozzle 4 toward the substrate 2. The powder containing the silicon compound in the aerosol that collided with the surface of the substrate 2 at high speed is crushed to expose the active new surface, thereby forming a dense protective film having high adhesion on the substrate 2. . At this time, the substrate holder 3 is moved in the X and Y directions by a driving mechanism (not shown) to move the ejection position with respect to the substrate 2 to form a film on the substrate 2 with a predetermined thickness and a predetermined thickness.

次に、実施例によって本発明を更に説明する。以下の実施例では、基板への成膜に上記成膜装置を用いた。
ただし、実施例1においては、XY方向に移動可能な基板ホルダーの代わりに、高速回転可能な基板ホルダーを使用した。
<実施例1>
表面を研磨したニッケル基板を基板ホルダー3にセットし、パウダーフィーダー5にSiC粉末(三井東圧化学製MSC−20)を充填した。キャリアガスとしてヘリウムを使用し、5L/minのヘリウム流量、50mmのノズル4先端−基板2間距離、0.5×5mmのノズル4の開口サイズに設定した。基板2の下にスリットを有する冶具をセットし、基板2を高速回転させた状態で、ノズル4の先端からヘリウムとSiC粉末からなるエアロゾルを基板2に吹きかけ、基板2上にSiC粉末を衝突させることによって圧痕を形成させた。次に、基板2の回転方向を反転し、同様の方法により圧痕を形成させた。2つの圧痕の間隔からSiC粉末の吹きかけ粒子速度を算出した。また、ヘリウム流量を10L/min、15L/min、20L/minに変え、上記同様にしてSiC粉末の吹きかけ粒子速度を算出した。
Next, the present invention will be further described with reference to examples. In the following examples, the film forming apparatus was used for film formation on a substrate.
However, in Example 1, a substrate holder capable of high speed rotation was used instead of the substrate holder movable in the XY directions.
<Example 1>
The nickel substrate whose surface was polished was set in the substrate holder 3, and the powder feeder 5 was filled with SiC powder (MSC-20 manufactured by Mitsui Toatsu Chemicals). Helium was used as the carrier gas, and the helium flow rate was set to 5 L / min, the distance between the tip of the nozzle 4 and the substrate 2 of 50 mm, and the opening size of the nozzle 4 of 0.5 × 5 mm. A jig having a slit is set under the substrate 2, and an aerosol composed of helium and SiC powder is sprayed from the tip of the nozzle 4 to the substrate 2 in a state where the substrate 2 is rotated at high speed, and the SiC powder collides with the substrate 2. Indentation was formed. Next, the rotation direction of the substrate 2 was reversed, and indentations were formed by the same method. The spray particle velocity of the SiC powder was calculated from the interval between the two indentations. Further, the flow rate of SiC powder was calculated in the same manner as described above by changing the flow rate of helium to 10 L / min, 15 L / min, and 20 L / min.

原料粉末の吹きかけ粒子速度の算出方法は以下の式:
吹きかけ粒子速度=2π×(ノズル噴射位置直径)×(基板回転数)/60×(スリット−基板間距離)/(圧痕の間隔)/1000
によって求めることができる。ここで、ノズル噴射位置直径は290mm、基板回転数は3000rpm、スリット−基板間距離は16mmに設定した。
また、得られた圧痕の間隔は、それぞれ1.40mm(5L/min)、1.12mm(10L/min)、0.96mm(15L/min)、0.91mm(20L/min)であった。
このようにして算出した吹きかけ粒子速度とヘリウム流量の関係を図2に示す。
The calculation method of the spray particle speed of the raw material powder is as follows:
Spray particle velocity = 2π × (nozzle spray position diameter) × (substrate rotation speed) / 60 × (slit-substrate distance) / (indent spacing) / 1000
Can be obtained. Here, the nozzle injection position diameter was set to 290 mm, the substrate rotation speed was set to 3000 rpm, and the slit-substrate distance was set to 16 mm.
The intervals between the indentations obtained were 1.40 mm (5 L / min), 1.12 mm (10 L / min), 0.96 mm (15 L / min), and 0.91 mm (20 L / min), respectively.
FIG. 2 shows the relationship between the sprayed particle velocity calculated in this way and the helium flow rate.

図2に示されるように、ヘリウム流量が増加すると共にSiC粉末の吹きかけ粒子速度が上昇した。ヘリウム流量が10L/min以上になるとSiC粉末の吹きかけ粒子速度が800m/sを超えた。
従って、本成膜装置において、800m/sの吹きかけ粒子速度を得るためには、10L/min以上のヘリウム流量が必要である。
As shown in FIG. 2, as the helium flow rate increased, the sprayed particle velocity of the SiC powder increased. When the flow rate of helium was 10 L / min or more, the sprayed particle speed of the SiC powder exceeded 800 m / s.
Therefore, in this film forming apparatus, a helium flow rate of 10 L / min or more is necessary to obtain a spray particle velocity of 800 m / s.

<実施例2>
ステンレス(SUS304、以下実施例中では同様)基板を基板ホルダー3にセットし、パウダーフィーダー5にSiC粉末(三井東圧化学製MSC−20)を充填した。キャリアガスとしてヘリウムを使用し、5L/minのヘリウム流量、50mmのノズル4先端−基板2間距離、0.8g/minの原料粉末供給速度、0.2mm/sの基板2移動速度、常温の条件下で、XY方向に移動させながら成膜した。また、ヘリウム流量を10及び20L/minに変え、上記同様にして成膜した。
5L/minのヘリウム流量で成膜した場合には、ステンレス基板上に白いSiC粉末の圧粉体が形成された。この圧粉体をピンセットで擦ると容易に脱落した。一方、10及び20L/minのヘリウム流量で成膜した場合には、ステンレス基板上に緻密且つ密着力の高いSiC膜が形成された。
<Example 2>
A stainless steel substrate (SUS304, the same applies to the following examples) was set on the substrate holder 3, and the powder feeder 5 was filled with SiC powder (MSC-20 manufactured by Mitsui Toatsu Chemicals). Helium is used as carrier gas, helium flow rate of 5 L / min, 50 mm nozzle 4 tip-substrate 2 distance, 0.8 g / min raw material powder supply speed, 0.2 mm / s substrate 2 moving speed, room temperature The film was formed while moving in the XY direction under the conditions. Further, the helium flow rate was changed to 10 and 20 L / min, and the film was formed in the same manner as described above.
When the film was formed at a helium flow rate of 5 L / min, a white SiC powder green compact was formed on the stainless steel substrate. The green compact easily fell off when rubbed with tweezers. On the other hand, when the film was formed at a helium flow rate of 10 and 20 L / min, a dense and high adhesion SiC film was formed on the stainless steel substrate.

<実施例3>
ステンレス基板を基板ホルダー3にセットし、パウダーフィーダー5にSiC粉末(三井東圧化学製MSC−20)を充填した。キャリアガスとしてヘリウムを使用し、20L/minのヘリウム流量、50mmのノズル4先端−基板2間距離、0.8g/minの原料粉末供給速度、0.2mm/sの基板2移動速度、常温の条件下で、XY方向に移動させながら0.8μmのSiC膜を成膜した(実施例A)。
また、原料粉末をSiC粉末(IBIDEN製)、原料粉末供給速度を1.5g/min、基板2の移動速度を0.4mm/sに変え、上記同様にして0.8μmのSiC膜を成膜した(実施例B)。
このようにして得られたSiC膜の表面について光学顕微鏡観察及びビッカース硬度測定を行った。なお、比較のためにSiC膜を形成していないステンレス基板(比較例A)について同様に観測及び測定を行った。図3に光学顕微鏡写真(倍率2000倍)、図4にビッカース硬度測定結果を示す。
<Example 3>
A stainless steel substrate was set in the substrate holder 3, and the powder feeder 5 was filled with SiC powder (MSC-20 manufactured by Mitsui Toatsu Chemicals). Helium is used as a carrier gas, a helium flow rate of 20 L / min, a distance between the tip of the nozzle 4 and the substrate 2 of 50 mm, a raw material powder supply speed of 0.8 g / min, a moving speed of the substrate 2 of 0.2 mm / s, A 0.8 μm SiC film was formed while moving in the XY direction under the conditions (Example A).
The raw material powder is SiC powder (manufactured by IBIDEN), the raw material powder supply speed is 1.5 g / min, the moving speed of the substrate 2 is changed to 0.4 mm / s, and a 0.8 μm SiC film is formed in the same manner as described above. (Example B).
The surface of the SiC film thus obtained was observed with an optical microscope and measured for Vickers hardness. For comparison, a stainless steel substrate (Comparative Example A) on which no SiC film was formed was similarly observed and measured. FIG. 3 shows an optical micrograph (magnification 2000 times), and FIG. 4 shows the results of Vickers hardness measurement.

ビッカース硬度は、ビッカース硬度計(松沢精機製DMS−2LS)を用いて測定した。対面角136°の正四角錐圧子を用い、測定面にピラミッド形のくぼみをつけ、その対角線の長さから次式でビッカース硬度Hvを求めた。試験荷重は50g、試験温度は常温とした。
Hv=0.102F/S=0.1022Fsin(θ/2)/d=0.1891F/d
F:試験荷重(N)
S:くぼみの表面積(mm
d:くぼみの対角線の平均の長さ(mm)
θ:ダイヤモンド圧子の対面角(°)
測定は、同一サンプルについて5回実施し、その平均値を求めた。
The Vickers hardness was measured using a Vickers hardness meter (DMS-2LS manufactured by Matsuzawa Seiki Co., Ltd.). Using a regular quadrangular pyramid indenter with a diagonal angle of 136 °, a pyramidal depression was formed on the measurement surface, and the Vickers hardness Hv was determined from the length of the diagonal line according to the following equation. The test load was 50 g and the test temperature was room temperature.
Hv = 0.102F / S = 0.1022Fsin (θ / 2) / d 2 = 0.1891 F / d 2
F: Test load (N)
S: surface area of the indentation (mm 2 )
d: Average length of indentation diagonal (mm)
θ: Face angle of diamond indenter (°)
The measurement was performed 5 times for the same sample, and the average value was obtained.

図3に示されるように、実施例A及びBの表面は、比較例Aの粗い表面とは異なり緻密であり、ステンレス基板上にSiC膜が形成されていることを確認することができた。
また図4に示されるように、実施例A及びBのビッカース硬度は、500以上の値を示し、比較例Aの1.8〜2.1倍であった。
従って、AD法を用いることによって、基板を高温に付すことなく、耐摩耗性に優れるSiC膜を成膜することができた。
As shown in FIG. 3, the surfaces of Examples A and B were dense unlike the rough surface of Comparative Example A, and it was confirmed that a SiC film was formed on the stainless steel substrate.
Moreover, as FIG. 4 shows, the Vickers hardness of Example A and B showed the value of 500 or more, and was 1.8 to 2.1 times of Comparative Example A.
Therefore, by using the AD method, a SiC film having excellent wear resistance could be formed without subjecting the substrate to high temperature.

<実施例4>
ステンレス基板を基板ホルダー3にセットし、パウダーフィーダー5にSiN粉末(宇部興産SNE−10)を充填した。キャリアガスとしてヘリウムを使用し、20L/minのヘリウム流量、50mmのノズル4先端−基板2間距離、0.5g/minの原料粉末供給速度、0.1mm/sの基板2移動速度、常温の条件下で、XY方向に移動させながら0.8μmのSiN膜を成膜した。
このようにして得られたSiN膜の表面(実施例C)を光学顕微鏡で観察した。なお、比較のためにSiN膜を形成していないステンレス基板(比較例B)も同様に表面を光学顕微鏡観察した。図5に光学顕微鏡写真(倍率2000倍)を示す。
<Example 4>
A stainless steel substrate was set in the substrate holder 3, and the powder feeder 5 was filled with SiN powder (Ube Industries SNE-10). Helium is used as a carrier gas, a helium flow rate of 20 L / min, a distance between the tip of the nozzle 4 of 50 mm and the substrate 2, a raw material powder supply speed of 0.5 g / min, a moving speed of the substrate 2 of 0.1 mm / s, Under the conditions, a 0.8 μm SiN film was formed while moving in the XY direction.
The surface (Example C) of the SiN film thus obtained was observed with an optical microscope. For comparison, the surface of a stainless steel substrate (Comparative Example B) on which no SiN film was formed was also observed with an optical microscope. FIG. 5 shows an optical micrograph (magnification 2000 times).

図5に示されるように、実施例Cの表面は、比較例Bの粗い表面とは異なり緻密であり、ステンレス基板上にSiN膜が形成されていることを確認することができた。
従ってAD法を用いることによって、高温に付すことなくSiN膜を成膜することができた。
As shown in FIG. 5, the surface of Example C was dense unlike the rough surface of Comparative Example B, and it was confirmed that a SiN film was formed on the stainless steel substrate.
Therefore, by using the AD method, it was possible to form a SiN film without being exposed to a high temperature.

<実施例5>
実施例4と同様にしてステンレス基板にSiN膜を常温にて成膜した。また、基板2移動速度を0.05mm/s、0.2mm/sに変え、上記同様にして0.8μmのSiN膜を成膜した。このようにして成膜した3種類のSiN膜について実施例3と同様の方法でビッカース硬度を計測した。なお、実施例Dは0.05mm/s、実施例Eは0.1mm/s、実施例Fは0.2mm/sでの結果を示す。なお、比較のためにSiN膜を形成していないステンレス基板も同様にビッカース硬度を測定した(比較例C)。図6にビッカース硬度計測結果を示す。
<Example 5>
In the same manner as in Example 4, a SiN film was formed on a stainless steel substrate at room temperature. Further, the substrate 2 moving speed was changed to 0.05 mm / s and 0.2 mm / s, and a 0.8 μm SiN film was formed in the same manner as described above. The Vickers hardness of the three types of SiN films thus formed was measured in the same manner as in Example 3. In addition, Example D shows a result at 0.05 mm / s, Example E shows a result at 0.1 mm / s, and Example F shows a result at 0.2 mm / s. For comparison, the Vickers hardness was also measured for a stainless steel substrate on which no SiN film was formed (Comparative Example C). FIG. 6 shows the Vickers hardness measurement results.

図6に示されるように、実施例D〜Fのビッカース硬度は、700〜939の値を示し、比較例Cの2.5〜3.1倍であった。
従って、AD法を用いることによって、基板を高温に付すことなく、耐摩耗性に優れるSiN膜を成膜することができた。
As shown in FIG. 6, the Vickers hardness of Examples DF showed the value of 700-939, and was 2.5-3.1 times of Comparative Example C.
Therefore, by using the AD method, it was possible to form a SiN film having excellent wear resistance without subjecting the substrate to a high temperature.

<実施例6>
実施例5で得られたSiN膜(実施例D〜F)及びSiN膜を形成していないステンレス基板(比較例C)を、80℃、pH2の硫酸水溶液に200時間浸漬し、浸漬前後の表面を観察した。
比較例Cでは、表面が腐食して、表面の凸凹が大きくなったのに対し、実施例D〜Fでは表面の腐食はなく、浸漬の前後で変化は見られなかった。
従って、AD法を用いることによって、耐食性に優れるSiN膜を成膜することができた。
このように本発明によれば、ケイ素化合物を含む粉末を、キャリアガスと共に微小孔ノズルから基板に吹きかけることによって、基板を高温に付すことなく、耐摩耗性及び耐食性に優れる保護膜を、容易に製造することができる。
<Example 6>
The SiN film obtained in Example 5 (Examples D to F) and the stainless steel substrate not formed with the SiN film (Comparative Example C) were immersed in a sulfuric acid aqueous solution at 80 ° C. and pH 2 for 200 hours, and the surface before and after the immersion Was observed.
In Comparative Example C, the surface was corroded and the surface unevenness was increased, whereas in Examples D to F, there was no surface corrosion, and no change was observed before and after immersion.
Therefore, by using the AD method, a SiN film excellent in corrosion resistance could be formed.
As described above, according to the present invention, by spraying a powder containing a silicon compound together with a carrier gas from a microporous nozzle onto a substrate, a protective film having excellent wear resistance and corrosion resistance can be easily obtained without subjecting the substrate to a high temperature. Can be manufactured.

本発明に係る保護膜を成膜するための製造装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the manufacturing apparatus for forming the protective film which concerns on this invention. 実施例1における粒子速度とヘリウム流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the particle velocity and helium flow volume in Example 1. FIG. 実施例3における保護膜及びステンレス基板の表面の光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph of the surface of the protective film in Example 3, and a stainless steel substrate. 実施例3における保護膜及びステンレス基板のビッカース硬度である。It is the Vickers hardness of the protective film and stainless steel substrate in Example 3. 実施例4における保護膜及びステンレス基板の表面の光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph of the surface of the protective film in Example 4, and a stainless steel board | substrate. 実施例5における保護膜及びステンレス基板のビッカース硬度である。It is the Vickers hardness of the protective film and stainless steel substrate in Example 5.

符号の説明Explanation of symbols

1 チャンバー
2 基板
3 基板ホルダー
4 ノズル
5 パウダーフィーダー
6 キャリアガスボンベ
7 圧力調整器
8 マスフローコントローラ
9 フィルター
10 ロータリーポンプ
11 メカニカルブースターポンプ
12 バルブ
13 圧力計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chamber 2 Board | substrate 3 Board | substrate holder 4 Nozzle 5 Powder feeder 6 Carrier gas cylinder 7 Pressure regulator 8 Mass flow controller 9 Filter 10 Rotary pump 11 Mechanical booster pump 12 Valve 13 Pressure gauge

Claims (10)

ケイ素化合物を含む粉末を、キャリアガスと共に微小孔ノズルから基板に吹きかけることによって行われる保護膜の製造方法。   A method for producing a protective film, which is performed by spraying a powder containing a silicon compound together with a carrier gas from a microhole nozzle onto a substrate. ケイ素化合物が、SiC又はSiNである請求項1に記載の保護膜の製造方法。   The method for producing a protective film according to claim 1, wherein the silicon compound is SiC or SiN. ケイ素化合物を含む粉末の吹きかけ粒子速度が800m/s以上である請求項1又は2に記載の保護膜の製造方法。   The method for producing a protective film according to claim 1 or 2, wherein the sprayed particle velocity of the powder containing the silicon compound is 800 m / s or more. 基板への吹きかけが常温で行われる請求項1〜3のいずれか一項に記載の保護膜の製造方法。   The manufacturing method of the protective film as described in any one of Claims 1-3 with which spraying to a board | substrate is performed at normal temperature. 保護膜の厚さが、0.5μm〜40μmである請求項1〜4のいずれか一項に記載の保護膜の製造方法。   The method for producing a protective film according to claim 1, wherein the protective film has a thickness of 0.5 μm to 40 μm. キャリアガスがヘリウムである請求項1〜5のいずれか一項に記載の保護膜の製造方法。   The method for producing a protective film according to any one of claims 1 to 5, wherein the carrier gas is helium. ケイ素化合物を含む粉末を、キャリアガスと共に微小孔ノズルから基板に吹きかけることによって得られた保護膜。   A protective film obtained by spraying a powder containing a silicon compound together with a carrier gas from a microporous nozzle onto a substrate. ケイ素化合物が、SiC又はSiNである請求項7に記載の保護膜。   The protective film according to claim 7, wherein the silicon compound is SiC or SiN. ビッカース硬度が、少なくとも500である請求項7又は8に記載の保護膜。   The protective film according to claim 7 or 8, wherein the Vickers hardness is at least 500. 保護膜の厚さが、0.5μm〜40μmである請求項7〜9のいずれか一項に記載の保護膜。   The protective film according to claim 7, wherein the protective film has a thickness of 0.5 μm to 40 μm.
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