JP2007321194A - Corrosion resistant thermal spray coating and sealing/covering method for thermal spray coating - Google Patents

Corrosion resistant thermal spray coating and sealing/covering method for thermal spray coating Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique capable of solving the defect in a thermal spray coating that seawater components, acid, alkali or the like infiltrate inside through pierced pores and opened pores, and corrode a base material, thus making the coating easily peel. <P>SOLUTION: In the corrosion resistant thermal spray coating, the opened pore parts in a thermal spray coating are filled with amorphous hydrocarbon solid matter comprising 10 to 45 atomic% hydrogen, and also, the surface of the thermal spray coating is coated with an amorphous hydrocarbon solid matter coating with a coating thickness of 0.5 to 80 μm. By the high hydrogen-containing amorphous hydrocarbon solid matter, the pores in the thermal spray coating are sealed, and coating formation to the surface of the coating is performed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、耐食性溶射皮膜および溶射皮膜の封孔被覆方法に関し、とくに開気孔を有する溶射皮膜の表面に耐食性を付与するために行う封孔処理および保護皮膜の形成処理のための方法、ならびにこの技術を利用して得られた耐食性溶射皮膜に関するものである。   The present invention relates to a corrosion-resistant thermal spray coating and a method for sealing a thermal spray coating, and in particular, a method for sealing treatment and a protective coating forming process for imparting corrosion resistance to the surface of a thermal spray coating having open pores, and this The present invention relates to a corrosion-resistant sprayed coating obtained by using the technology.

溶射法は、金属、セラミック、サーメットなどの粉末をプラズマ炎や可燃性ガスの燃焼炎によって溶融させつつ、被溶射体(基材)の表面に向けて高速で吹き付けることにより、その表面に溶融した粒子を堆積させ、これを皮膜化(肥厚化)させ、溶射皮膜被覆部材とする表面処理技術である。このようなプロセスによって形成される溶射皮膜は、皮膜を構成する粒子の大部分が扁平化した状態で堆積して皮膜化しているが、ミクロ的に観察すると、粒子と粒子の間には不可避に空隙が存在し、これが溶射皮膜の気孔となって多くの障害の原因となっている。特に、融点の高い各種のセラミック溶射皮膜には多くの開気孔が存在していることことが知られている。そのため、従来の溶射技術の開発目標は、
(1)高温の熱源を有効に利用して溶射粒子の完全な溶融をはかり、粒子の相互融着面積の増加と未溶粒子の生成をなくすこと、
(2)溶射熱源に大きな運動エネルギーを加えて、この中を飛行する溶射粒子に大きな加速力を付加し、被溶射体の表面に強い衝突エネルギーを発生させることによって、粒子の相互結合面積を増加させること、
などに置かれている。
In the thermal spraying method, metal, ceramic, cermet and other powders were melted by the plasma flame or flammable gas combustion flame, and then sprayed at high speed toward the surface of the sprayed body (base material) to melt the surface. This is a surface treatment technique in which particles are deposited and formed into a film (thickening) to form a thermal spray coating member. The thermal spray coating formed by such a process is deposited and formed in a state in which most of the particles constituting the coating are flattened, but when observed microscopically, it is inevitable between the particles. There are voids, which become the pores of the sprayed coating and cause many obstacles. In particular, it is known that various ceramic sprayed coatings having a high melting point have many open pores. Therefore, the development goal of conventional thermal spraying technology is
(1) Effectively utilizing a high-temperature heat source to completely melt the sprayed particles to eliminate the increase in the mutual fusion area of the particles and the generation of unmelted particles,
(2) By adding a large kinetic energy to the thermal spray heat source, applying a large acceleration force to the sprayed particles that fly through it, and generating a strong collision energy on the surface of the sprayed object, the mutual bonding area of the particles is increased. Letting
Etc.

この点に関し、従来、特許文献1では、50〜200hPaのアルゴン雰囲気中で、減圧プラズマ溶射することによって、溶射粒子どうしの結合力を増加させたり、気孔発生原因の一つである金属粒子表面に生成する酸化膜を低減させる方法を提案している。このような技術開発によって近年、溶射皮膜の気孔率は低下の傾向にあるが、未だに気孔を完全に消滅させることはできていない。特に、高融点で雰囲気中の空気(酸素)の影響を受けない酸化物系セラミックについては、減圧プラズマ溶射の効果が非常に小さく、気孔率低下は金属系溶射皮膜に比較するとなお改善の余地があった。   With respect to this point, in Patent Document 1, conventionally, by performing low-pressure plasma spraying in an argon atmosphere of 50 to 200 hPa, the bonding force between the sprayed particles is increased, or the surface of the metal particles that is one of the causes of pore generation is applied. A method of reducing the generated oxide film has been proposed. In recent years, due to such technological development, the porosity of the thermal spray coating tends to decrease, but the pores have not yet been completely eliminated. Especially for oxide ceramics that have a high melting point and are not affected by air (oxygen) in the atmosphere, the effect of reduced-pressure plasma spraying is very small, and the porosity reduction has still room for improvement compared to metal spray coatings. there were.

このような状況にある溶射皮膜は、気孔は不可避に存在するという前提の下で、成膜後に封孔処理しようとする方策が奨励されている。例えば、JIS−H9302セラミック溶射作業標準では、セラミック溶射皮膜を形成した後、その表面に対して無機系および有機高分子系の封孔剤を塗布する方法が記載されている。   Under the assumption that pores are unavoidably present in the thermal spray coating in such a situation, a measure for sealing treatment after film formation is encouraged. For example, the JIS-H9302 ceramic spraying work standard describes a method in which an inorganic and organic polymer sealing agent is applied to the surface after forming a ceramic sprayed coating.

さらに、溶射皮膜の気孔を封孔するための方法および封孔剤とには、次のような提案がある。
(1)特許文献2〜4には、耐食性を有するシリコーン、エチルシリケートなどの珪素化合物、合成樹脂などの有機高分子材料を用いて封孔する方法が開示されている。
(2)特許文献5、6には、金属アルコキシドや金属酸化物を含む電解液中に溶射皮膜を浸漬した後これを電解し、電気泳動法の原理を利用して気孔中に溶質成分や酸化物を充填して封孔する方法が開示されている。
(3)特許文献7には、可視光線によって硬化する有機高分子剤を溶射皮膜の表面に塗布し、気孔内を充填して封孔するとともに、自然光によって硬化させる技術が開示されている。
(4)特許文献8には、溶射皮膜表面に封孔剤を塗布した後、その表面をレーザー照射して皮膜粒子を溶融させることによって封孔する技術が開示されている。
特開平1−139749号公報 特開昭54−32422号公報 特開昭57−70275号公報 特開昭64−62453号公報 特開昭62−260096号公報 特開平7−41927号公報 特開平5−106014号公報 特開平10−306363号公報
Further, there are the following proposals for the method and sealing agent for sealing the pores of the thermal spray coating.
(1) Patent Documents 2 to 4 disclose methods of sealing using an organic polymer material such as silicone having a corrosion resistance, a silicon compound such as ethyl silicate, and a synthetic resin.
(2) In Patent Documents 5 and 6, a thermal spray coating is immersed in an electrolytic solution containing a metal alkoxide or a metal oxide, then electrolyzed, and the solute component or oxidation is introduced into the pores using the principle of electrophoresis. A method of filling and sealing an object is disclosed.
(3) Patent Document 7 discloses a technique in which an organic polymer agent that is cured by visible light is applied to the surface of a thermal spray coating, the pores are filled and sealed, and cured by natural light.
(4) Patent Document 8 discloses a technique in which a sealing agent is applied to the surface of a sprayed coating and then sealed by melting the coating particles by irradiating the surface with a laser.
Japanese Patent Laid-Open No. 1-139749 Japanese Patent Laid-Open No. 54-32422 JP-A-57-70275 JP-A 64-62453 JP-A-62-260096 JP 7-41927 A JP-A-5-106014 JP-A-10-306363

本発明の目的は、溶射皮膜にある気孔を封孔するための従来技術の欠点を補い、溶射皮膜が有する優れた物理化学的機能は阻害することがないように、この皮膜を改質する技術を提案することにある。即ち、本発明は、従来技術が抱えている下記のような課題を解決するための技術である。
(1)珪素系封孔剤を用いる技術では、気孔を完全に封孔することができないうえ、アルカリ性水溶液中では珪素化合物が溶出して封孔効果が消失する。
(2)有機高分子系の封孔剤は、酸、アルカリなどにはよく耐え得るが、温度の影響を受けやすく、とくに高分子系の樹脂では150〜180℃で軟化したり、また分解がはじまり、200℃以上の高温環境で長時間の使用に耐えることができない。
(3)電気泳動現象を利用する封孔技術は、大きな形状の溶射皮膜の処理が困難であるうえ、電気泳動作用が及ばない微細な気孔中には電解液のみが浸入するため、封孔処理が不完全となって赤さびを発生する。
(4)溶射皮膜の表面をレーザーによって溶融し封孔する技術は、高価な設備を必要とするうえ、溶融した溶射皮膜が凝固する際に、体積収縮を起して微細な割れを発生させることがある。
The object of the present invention is to compensate for the drawbacks of the prior art for sealing pores in a sprayed coating and to modify the coating so that the excellent physicochemical functions of the sprayed coating are not hindered. Is to propose. That is, the present invention is a technique for solving the following problems of the prior art.
(1) In the technique using a silicon-based sealing agent, the pores cannot be completely sealed, and the sealing effect is lost because the silicon compound is eluted in the alkaline aqueous solution.
(2) Organic polymer-based pore sealants can withstand acid, alkali, etc., but are easily affected by temperature. Especially, polymer-based sealants are softened or decomposed at 150 to 180 ° C. First, it cannot withstand long-term use in a high temperature environment of 200 ° C. or higher.
(3) Sealing technology using electrophoretic phenomenon makes it difficult to process large thermal sprayed coatings, and only the electrolyte enters the fine pores where electrophoretic action does not work. Becomes incomplete and causes red rust.
(4) The technology of melting and sealing the surface of the thermal spray coating with a laser requires expensive equipment, and when the molten thermal spray coating solidifies, it causes volume shrinkage and generates fine cracks. There is.

上記目的を実現するために鋭意研究を重ねた結果、発明者らは、下記のような要旨構成に係る耐食性溶射皮膜および封孔被覆方法を開発した。
即ち、本発明の第1のものは、溶射皮膜の開気孔部が、10〜45原子%の水素を含有するアモルファス状炭素水素固形物によって充填され、かつ該溶射皮膜表面には0.5〜80μmの膜厚のアモルファス状炭素水素固形物膜が被覆されていることを特徴とする耐食性溶射皮膜の提案である。
As a result of diligent research to achieve the above object, the inventors have developed a corrosion-resistant sprayed coating and a sealing coating method according to the following gist configuration.
That is, according to the first aspect of the present invention, the open pore portion of the thermal spray coating is filled with an amorphous carbon hydrogen solid containing 10 to 45 atomic% of hydrogen, and 0.5 to 0.5 on the thermal spray coating surface. This is a proposal of a corrosion-resistant sprayed coating characterized by being coated with an amorphous carbon hydrogen solid film having a thickness of 80 μm.

この耐食性溶射皮膜において、前記アモルファス状炭素水素固形物層は、炭素含有量90〜55原子%、水素含有量10〜45原子%の微小固体粒子からなること、硬さ(Hv)が700〜2800の特性を有するものであること、前記溶射皮膜材料は、金属、サーメットおよびセラミックスから選ばれるいずれか1種以上のものであることが好ましい。また、前記溶射皮膜は、その表面に電子ビーム照射処理またはレーザー照射処理などの高エネルギー照射処理を施すことによって生成する2次再結晶層を形成したものも使用可能である。   In this corrosion resistant thermal spray coating, the amorphous carbon hydrogen solid layer is composed of fine solid particles having a carbon content of 90 to 55 atomic% and a hydrogen content of 10 to 45 atomic%, and a hardness (Hv) of 700 to 2800. It is preferable that the thermal spray coating material is one or more selected from metals, cermets and ceramics. In addition, the thermal spray coating may be formed by forming a secondary recrystallized layer generated by performing high energy irradiation treatment such as electron beam irradiation treatment or laser irradiation treatment on the surface.

また、本発明の第2のものは、排気した反応容器内に、被処理溶射皮膜を保持すると共に炭化水素系ガスを導入し、その溶射皮膜に高周波電力と高電圧パルスとを印加して、導入した前記炭化水素系ガスのプラズマを発生させると同時に該溶射皮膜を負の電位になるように保持することによって、該溶射皮膜の開気孔中ならびにその表面に10〜45原子%の水素を含有するアモルファス状炭素水素固形物を吸着させ、溶射皮膜内開気孔を封孔すると同時にその表面にも被覆して皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の封孔被覆方法の提案である。   Further, the second one of the present invention is to hold the treatment sprayed coating in the exhausted reaction vessel and introduce a hydrocarbon-based gas, and apply high frequency power and a high voltage pulse to the sprayed coating, By generating plasma of the introduced hydrocarbon gas and holding the sprayed coating at a negative potential, 10 to 45 atomic% hydrogen is contained in the open pores of the sprayed coating and on the surface thereof. The present invention proposes a method for sealing and coating a thermal spray coating, which comprises adsorbing amorphous carbon hydrogen solids to seal open pores in the thermal spray coating and simultaneously coating the surface to form a coating.

上記の方法において、前記アモルファス状炭素水素固形物は、炭素含有量90〜55原子%、水素含有量10〜45原子%の微小固体粒子からなること、皮膜上に生成する膜は、0.5〜80μmの膜厚とすること、前記アモルファス状炭素水素固形物ならびにその膜は、硬さHv:700〜2800の特性を有することが好ましい。また、前記溶射皮膜は、その表面に電子ビーム照射処理またはレーザー照射処理などの高エネルギー照射処理を施すことによって生成する2次再結晶層を有するものを用いることが好ましい。   In the above method, the amorphous carbon hydrogen solid is composed of fine solid particles having a carbon content of 90 to 55 atomic% and a hydrogen content of 10 to 45 atomic%, and the film formed on the film is 0.5 It is preferable that the film thickness is ˜80 μm, and the amorphous carbon hydrogen solid and the film thereof have a characteristic of hardness Hv: 700 to 2800. Moreover, it is preferable to use what has the secondary recrystallization layer produced | generated by performing the high energy irradiation process, such as an electron beam irradiation process or a laser irradiation process, on the surface as the said thermal spray coating.

本発明によると、被処理溶射皮膜を負の電位に設定することにより、プラスに帯電してイオン化しラジカル状態になった炭化水素系ガス成分が、溶射皮膜の表面に電気化学的に引き付けられるため溶射皮膜の微細な開気孔はもとより、複雑な形状をした該皮膜部材の隠れた部分などに対しても均等に皮膜の形成が行われる。   According to the present invention, since the sprayed coating to be treated is set to a negative potential, the hydrocarbon-based gas component that is positively charged and ionized into a radical state is electrochemically attracted to the surface of the sprayed coating. The coating is uniformly formed not only on the fine open pores of the thermal spray coating but also on the hidden portion of the coating member having a complicated shape.

本発明によれば、溶射皮膜の表面に、炭素と水素を主成分とするアモルファス状の微小固形粒子を生成させ、これを溶射皮膜の開気孔部内に充填する一方で、該皮膜の表面全体にも被覆させることによって、溶射皮膜の最大欠点であった気孔の存在による腐食損傷原因を解決できることができる。   According to the present invention, amorphous fine solid particles mainly composed of carbon and hydrogen are generated on the surface of the thermal spray coating, and this is filled in the open pores of the thermal spray coating, while the entire surface of the coating is formed. Also, the cause of corrosion damage due to the presence of pores, which was the greatest drawback of the thermal spray coating, can be solved.

本発明によれば、アモルファス状炭素水素固形物膜は、緻密性を有するとともに適度の延性を有し、かつ化学的にも安定していて、海水や酸、アルカリ、有機溶剤に大しても影響されないうえ、適度の硬さをもち、さらには溶射皮膜と良好な密着性を有するので、搬送時においても接触傷や剥離が発生しない耐食性に優れた溶射皮膜とすることができる。   According to the present invention, the amorphous carbon hydrogen solid film has a compactness and an appropriate ductility, and is chemically stable, and is not affected by seawater, acid, alkali, or organic solvent. In addition, since it has an appropriate hardness and has good adhesion to the thermal spray coating, it is possible to provide a thermal spray coating with excellent corrosion resistance that does not cause contact scratches or peeling even during transportation.

また、本発明によれば、アモルファス状炭素水素固形物膜を部材の形状に影響を受けることなく、ほぼ均等に成膜することができる。   Further, according to the present invention, the amorphous carbon-hydrogen solid film can be formed almost uniformly without being affected by the shape of the member.

さらに、本発明に係るアモルファス状炭素水素固形物膜で被覆された金属、セラミック、サーメットなどの溶射皮膜は、それぞれの溶射皮膜材料が有する特性、機能をそのまま発揮させることができることに加え、この溶射皮膜を被覆した部材の寿命を向上させ、溶射皮膜の適用分野の拡大に大きく貢献するものが得られる。   Furthermore, the thermal spray coatings of metals, ceramics, cermets and the like coated with the amorphous carbon hydrogen solid film according to the present invention can exhibit the characteristics and functions of the respective thermal spray coating materials as they are, and this thermal spraying. It is possible to improve the life of the member coated with the coating and to greatly contribute to the expansion of the application field of the thermal spray coating.

以下、溶射皮膜の表面に、炭素と水素を主成分とするアモルファス状炭素水素固形物膜を形成し、該溶射皮膜の気孔中に充填して封孔し、さらには皮膜を形成する方法についてまず説明する。   Hereinafter, a method for forming an amorphous carbon hydrogen solid film mainly composed of carbon and hydrogen on the surface of the thermal spray coating, filling the pores of the thermal spray coating, sealing, and further forming the coating is first described. explain.

上記アモルファス状炭素水素固形物膜を形成するのに適した溶射皮膜としては、金属(合金を含む)、セラミック(酸化物、珪化物、窒化物、ホウ化物およびこれらの混合物等)、およびサーメット(炭化物系、酸化物系)のいずれの材料であってよく、そして、これらの溶射皮膜を被覆してなる基材としては、金属(合金を含む)材料や非金属材料、例えばプラスチックやガラスなどが適用可能である。   Thermal spray coatings suitable for forming the amorphous carbon hydrogen solid film include metals (including alloys), ceramics (oxides, silicides, nitrides, borides, and mixtures thereof), and cermets ( The base material formed by coating these spray coatings may be metal (including alloys) materials or non-metallic materials such as plastics and glass. Applicable.

本発明で対象としている溶射皮膜は、電気アーク溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、水プラズマ溶射法、爆発溶射法、コールドスプレイ溶射法などの各種溶射法を適用して形成した全ての皮膜が対象となる。特に、セラミック材料を各種プラズマ溶射法によって形成した溶射皮膜に対しては有効である。その理由は、こうしたセラミック溶射皮膜は、金属系サーメット系溶射皮膜と比較すると、より多孔質であり、本発明の効果が現れやすいからである。もちろんPVD法やCVD法によって形成された皮膜に対しても適用は可能である。   The thermal spray coatings targeted by the present invention include various types such as electric arc spraying, flame spraying, high-speed flame spraying, atmospheric plasma spraying, reduced pressure plasma spraying, water plasma spraying, explosion spraying, and cold spray spraying. All coatings formed by applying a thermal spraying method are targeted. In particular, it is effective for a sprayed coating formed of various ceramic spraying methods. The reason is that such a ceramic sprayed coating is more porous than the metal-based cermet sprayed coating, and the effects of the present invention are likely to appear. Of course, the present invention can also be applied to a film formed by the PVD method or the CVD method.

適用される溶射皮膜は、基本的には溶射状態のまま(as sprayed)のものもよく、またそうした溶射皮膜表面を機械的に研削−研磨したもの、あるいは電子ビーム照射やレーザー照射して表面の皮膜を再溶融処理して2次再結晶層を形成したものであってもよい。
後者の場合、例えば、IIIa族元素の酸化物からなる多孔質溶射皮膜の上に、この溶射皮膜の最表層の部分を変質させる態様で新たな層、即ち前記IIIa族元素の酸化物からなる多孔質層を二次変態させて得られる二次再結晶層を形成したものが考えられる。
The sprayed coating to be applied may basically be as sprayed, or the surface of such a sprayed coating is mechanically ground and polished, or the surface of the sprayed coating is irradiated with an electron beam or laser. The film may be remelted to form a secondary recrystallized layer.
In the latter case, for example, a new layer, that is, a porous layer made of an oxide of the above-mentioned group IIIa element, is formed on the porous sprayed layer made of an oxide of the group IIIa element in such a manner that the portion of the outermost layer of the sprayed coating is altered. It is possible to form a secondary recrystallized layer obtained by secondary transformation of the material layer.

一般に、IIIa族元素の金属酸化物、たとえば酸化イットイリウム(イットリア:Y)の場合、結晶構造は正方晶系に属する立方晶である。その酸化イットリウムの粉末を、プラズマ溶射すると、溶融した粒子が基材に向って高速で飛行する間に超急冷されながら、基材表面に衝突して堆積するときに、その結晶構造が立方晶(Cubic)の他に単斜晶(monoclinic)を含む混晶からなる結晶型に一次変態をする。即ち、前記多孔質層の結晶型は、溶射の際に超急冷されることによって、一次変態して斜方晶系と正方晶系とを含む混晶からなる結晶型で構成されている。これに対し、前記二次再結晶層とは、一次変態した前記混晶からなる結晶型が、正方晶系の結晶型に二次変態した層である。 Generally, in the case of a metal oxide of a group IIIa element, for example, yttrium oxide (yttria: Y 2 O 3 ), the crystal structure is a cubic crystal belonging to the tetragonal system. When the yttrium oxide powder is plasma sprayed, when the molten particles collide and deposit on the surface of the substrate while being rapidly cooled while flying toward the substrate at high speed, the crystal structure becomes cubic ( A primary transformation is performed to a crystal form composed of a mixed crystal including monoclinic crystal in addition to Cubic. That is, the crystal type of the porous layer is composed of a crystal type composed of a mixed crystal including an orthorhombic system and a tetragonal system by performing a primary transformation by being super-cooled during thermal spraying. On the other hand, the secondary recrystallized layer is a layer in which the crystal type composed of the mixed crystal that has undergone primary transformation is secondarily transformed into a tetragonal crystal type.

このように、主として一次変態した斜方晶系の結晶を含む混晶構造からなるIIIa族酸化物の前記多孔質層を、高エネルギー照射処理することによって、該多孔質層の堆積溶射粒子を少なくとも融点以上に加熱することによって、この層を再び変態(二次変態)させて、その結晶構造を正方晶系の組織に戻して結晶学的に安定化させたものである。このような層では、溶射による一次変態時に、溶射粒子堆積層に蓄積された熱歪みや機械的歪みを解放して、その性状を物理的化学的に安定させ、かつ溶融に伴なうこの層の緻密化と平滑化をも実現できるので、この上にアモルファス状炭素水素固形物層を形成すると、使用環境の腐食作用を防いで溶射皮膜を構成する粒子の結晶型の特性を発揮させることが可能となる。   In this way, by subjecting the porous layer of the group IIIa oxide mainly composed of orthorhombic crystals that have undergone primary transformation to a high-energy irradiation treatment, at least the deposited sprayed particles of the porous layer are treated. By heating to the melting point or higher, this layer is transformed again (secondary transformation), and its crystal structure is returned to a tetragonal structure and crystallographically stabilized. In such a layer, during the primary transformation due to thermal spraying, the thermal strain and mechanical strain accumulated in the thermal spray particle deposition layer are released to stabilize the properties physically and chemically, and this layer accompanying melting. The formation of an amorphous carbon hydrogen solid layer on this layer can prevent the corrosive action of the environment in which it is used and exert the crystal-type characteristics of the particles that make up the thermal spray coating. It becomes possible.

また、被処理対象となる前記溶射皮膜は、その表面に、上述した方法の他、予めCrやSi、Ta、Nb、Tiなどの炭素と化学的親和力の強い金属イオンや金属の薄膜を形成したものもよい。即ち、このような表面処理をした溶射皮膜の表面に前記アモルファス状炭素水素固形物を吸着することもまた有効である。   In addition to the above-described method, the thermal spray coating to be treated was previously formed with a metal ion or metal thin film having a strong chemical affinity with carbon such as Cr, Si, Ta, Nb, and Ti. Things are good too. That is, it is also effective to adsorb the amorphous carbon-hydrogen solid on the surface of the sprayed coating that has been subjected to such surface treatment.

次に、本発明に係る耐食性溶射皮膜を形成するための装置について説明する。図1は、前記アモルファス状炭素水素固形物微粒子を溶射皮膜の気孔中に充填し、その表面に被覆するための装置(以下、「プラズマCVD処理装置」という)を示す。このプラズマCVD処理装置は、主として、接地された反応容器1と、この反応容器1内の所定の位置に配設される被処理溶射皮膜2と、これに接続されている導体3とを備える他、この反応容器1内に成膜用の有機系ガス導入装置(図示せず)や反応容器を真空引きする真空装置(図示せず)等を介して、高電圧パルスを印加するための高電圧パルス発生電源4とを備えている。   Next, an apparatus for forming the corrosion resistant sprayed coating according to the present invention will be described. FIG. 1 shows an apparatus (hereinafter referred to as “plasma CVD processing apparatus”) for filling the amorphous carbon hydrogen solid fine particles in the pores of the thermal spray coating and coating the surface thereof. This plasma CVD processing apparatus mainly includes a grounded reaction vessel 1, a to-be-processed sprayed coating 2 disposed at a predetermined position in the reaction vessel 1, and a conductor 3 connected thereto. A high voltage for applying a high voltage pulse in the reaction vessel 1 through a film forming organic gas introduction device (not shown), a vacuum device (not shown) for evacuating the reaction vessel, or the like. And a pulse generation power source 4.

上記プラズマCVD処理装置にはまた、被処理溶射皮膜2の周囲に炭化水素系ガスプラズマを発生させるためのプラズマ発生用電源5が配設されている他、前記導体3および被処理溶射皮膜2に、高電圧パルスおよび高周波電圧の両方を同時に印加するために、高電圧パルス発生電源4およびプラズマ発生用電源5との間に重畳装置6が介装設置されている。なお、ガス導入装置および真空装置は、それぞれバルブ7aと7bを介して反応容器1に接続され、導体3は高電圧導入部9を介して重畳装置6に接続されている。   The plasma CVD processing apparatus is also provided with a plasma generating power source 5 for generating hydrocarbon-based gas plasma around the thermal spray coating 2 to be processed, as well as the conductor 3 and the thermal spray coating 2 to be processed. In order to apply both the high voltage pulse and the high frequency voltage at the same time, a superimposing device 6 is interposed between the high voltage pulse generating power source 4 and the plasma generating power source 5. The gas introduction device and the vacuum device are connected to the reaction vessel 1 via valves 7 a and 7 b, respectively, and the conductor 3 is connected to the superposition device 6 via a high voltage introduction unit 9.

上記装置を用い、被処理溶射皮膜の気孔内および皮膜表面に、アモルファス状炭素水素固形物を吸着させるには、被処理溶射皮膜2を反応容器1内の所定の位置に設置し、真空装置を稼動させて該反応容器1中の空気を排出して脱気したあと、ガス導入装置によって有機系ガスを該反応容器1内に導入する。次いで、プラズマ発生用電源5からの高周波電力を被処理溶射皮膜2に印加する。反応容器1は、アース線8によって電気的に中性状態にあるため、被処理溶射皮膜2は、相対的に負の電位を有することになる。このため、印加によって発生する導入ガスのプラズマ中のプラスイオンは、負に帯電した被処理溶射皮膜2のまわりに発生することになる。   In order to adsorb amorphous carbon hydrogen solids in the pores and the coating surface of the sprayed coating to be treated using the above apparatus, the sprayed coating 2 to be treated is placed at a predetermined position in the reaction vessel 1, and a vacuum apparatus is installed. After operating and exhausting the air in the reaction vessel 1 for deaeration, an organic gas is introduced into the reaction vessel 1 by a gas introduction device. Next, high frequency power from the plasma generating power source 5 is applied to the thermal spray coating 2 to be processed. Since the reaction vessel 1 is in an electrically neutral state by the ground wire 8, the sprayed coating 2 to be treated has a relatively negative potential. For this reason, the positive ions in the plasma of the introduced gas generated by the application are generated around the negatively charged thermal spray coating 2 to be treated.

そして、高電圧パルス発生電源4からの高電圧パルス(負の高電圧パルス)を被処理溶射皮膜2に印加すると、炭化水素系ガスプラズマ中のプラスイオンを該被処理溶射皮膜2の表面に誘引吸着される。このような処理によって、該被処理溶射皮膜2の気孔内および皮膜表面には、アモルファス状炭素水素固形物の微粒子が充填され、また表面に膜状に成長して保護膜を形成する。即ち、反応容器1内では、最終的には炭素と水素を主成分とするアモルファス状炭素水素固形物が、被処理溶射皮膜2のまわりに気相析出し、同時に皮膜気孔内に侵入すると共に、該皮膜表面を覆うようにして皮膜を形成するものと考えられる。   Then, when a high voltage pulse (negative high voltage pulse) from the high voltage pulse generation power source 4 is applied to the thermal spray coating 2 to be treated, positive ions in the hydrocarbon gas plasma are attracted to the surface of the thermal spray coating 2 to be treated. Adsorbed. By such treatment, the pores and the coating surface of the sprayed coating 2 to be treated are filled with fine particles of amorphous carbon hydrogen solids, and grow on the surface into a film to form a protective film. That is, in the reaction vessel 1, finally, an amorphous carbon-hydrogen solid mainly composed of carbon and hydrogen is vapor-deposited around the thermal spray coating 2 to be treated, and simultaneously enters the pores of the coating, It is considered that the film is formed so as to cover the surface of the film.

即ち、上記プラズマCVD処理装置によって、溶射皮膜上にアモルファス状炭素水素固形物の層が形成されるプロセスは、以下の(a)〜(d)を経て形成されるものと考えられる。
(a)導入された炭化水素系ガスのイオン化(ラジカルと呼ばれる活性な中性粒子も存在する)が起る。
(b)炭化水素系ガスから変化したイオンおよびラジカルは、負の電圧が印加された被処理体の面に衝撃的に衝突する。
(c)衝突時のエネルギーによって、結合エネルギーの小さいC−H間が切断され、その後、活性化されたCとHが重合反応を繰り返して高分子化し、炭素と水素を主成分とするアモルファス状の炭素水素固形物を気相析出する。
(d)そして、上記(c)の反応が被処理溶射皮膜の気孔内で起こると、該気孔内がアモルファス状炭素水素固形物の微小固体粒子で充填され、一方、皮膜表面上はアモルファス炭素水素固形物の堆積層からなる皮膜が形成されることになる。
That is, it is considered that the process of forming the amorphous carbon hydrogen solid layer on the thermal spray coating by the plasma CVD processing apparatus is performed through the following (a) to (d).
(A) Ionization of the introduced hydrocarbon gas (active neutral particles called radicals also exist) occurs.
(B) Ions and radicals changed from the hydrocarbon-based gas collide impactively with the surface of the object to be treated to which a negative voltage is applied.
(C) C—H having a low binding energy is cut by the energy at the time of collision, and then activated C and H are polymerized by repeating the polymerization reaction to form an amorphous state mainly composed of carbon and hydrogen. The carbon hydrogen solids are vapor deposited.
(D) When the reaction (c) occurs in the pores of the thermal spray coating to be treated, the pores are filled with fine solid particles of amorphous carbon hydrogen solids, while the surface of the coating is amorphous carbon hydrogen. A film composed of a solid deposition layer is formed.

なお、図1に示す上記装置では、高電圧パルス発生電源4の出力電圧を、下記(a)〜(d)のように変化させることによって、被処理溶射皮膜2に対して金属等のイオン注入も可能である。
(a)イオン注入を重点的に行う場合:10〜40kV
(b)イオン注入と皮膜形成の両方を行う場合:5〜20kV
(c)皮膜形成のみを行う場合:数百V〜数kV
(d)スパッタリングなどで重点的に行う場合:数百V〜数kV
In the above apparatus shown in FIG. 1, by changing the output voltage of the high voltage pulse generating power source 4 as shown in the following (a) to (d), ions such as metals are implanted into the thermal spray coating 2 to be treated. Is also possible.
(A) When ion implantation is focused on: 10 to 40 kV
(B) When performing both ion implantation and film formation: 5 to 20 kV
(C) When only film formation is performed: several hundred V to several kV
(D) When focused on sputtering, etc .: several hundred V to several kV

なお、前記高電圧パルス発生電源4では、パルス幅:1μsec〜10msecで、1〜複数回のパルスを繰り返し発生させることができる。また、プラズマ発生用電源5の高周波電力の出力周波数は、数十kHzから数GHzの範囲で変化させることができる。   The high voltage pulse generating power source 4 can repeatedly generate one or more pulses with a pulse width of 1 μsec to 10 msec. Further, the output frequency of the high frequency power of the plasma generating power source 5 can be changed in the range of several tens of kHz to several GHz.

この装置の反応容器1内に導入する有機系ガスとしては、炭素と水素からなる炭化水素系ガスおよびこれにBやSi、O、Clなどが添加したガスなどが用いられる。
(イ)常温(18℃)で気相状態のもの
CH、CHCH、C、CHCHCH、CHCHCHCH
(ロ)常温で液相状態のもの
CH、CCHCH、C(CH、CH(CHCH、C12、CCl
(ハ)有機Si化合物(液相)
(CO)Si、(CHO)Si、[(CHSi]
As the organic gas introduced into the reaction vessel 1 of this apparatus, a hydrocarbon gas composed of carbon and hydrogen and a gas added with B, Si, O, Cl or the like are used.
(I) Gas phase state at room temperature (18 ° C.) CH 4 , CH 2 CH 2 , C 2 H 2 , CH 3 CH 2 CH 3 , CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
(B) Liquid phase at normal temperature C 6 H 5 CH 3 , C 6 H 5 CH 2 CH, C 6 H 4 (CH 3 ) 2 , CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 , C 6 H 12 , C 6 H 5 Cl
(C) Organic Si compound (liquid phase)
(C 2 H 5 O) 4 Si, (CH 3 O) 4 Si, [(CH 3 ) 4 Si] 2 O

上記の反応容器内への導入ガスは、常温で気相状態のものは、そのままの状態で反応容器内に導入できるが、液相状態の化合物はこれを加熱してガス化させ、そのガス(蒸気)を反応容器内に導入する。有機Si化合物を用いてアモルファス状固形物の皮膜を形成すると、皮膜中にSiが混入することがあるが、Siは炭素と強く結合するとともに、アモルファス状炭素水素固形物の表面を疏水性から親水性に変えるものの、特に問題となることはない。   The gas introduced into the reaction vessel in the gas phase at normal temperature can be introduced into the reaction vessel as it is, but the compound in the liquid phase is heated to gasify the gas ( Steam) is introduced into the reaction vessel. When an amorphous solid film is formed using an organic Si compound, Si may be mixed into the film, but Si strongly binds to carbon, and the surface of the amorphous carbon hydrogen solid is hydrophilic to hydrophilic. Although it changes to sex, there is no particular problem.

次に、上記のプラズマCVD処理装置を使って、溶射皮膜の封孔と、その表面にアモルファス状炭素水素固形物の皮膜を形成する方法についてさらに詳しく説明する。
本発明において、前記アモルファス状炭素水素固形物の侵入、堆積によって溶射皮膜表面に形成される層は、上述したように、炭化水素系ガスプラズマ発生下において、高周波電圧と高電圧パルスとを重畳印加して被処理部材である溶射皮膜を負の電位に保護することにより、この雰囲気中に気相析出した炭素と水素を主成分とするアモルファス状微小固体粒子をこの基材表面に誘引吸着させる方法によって形成される。このような成膜環境では、成膜材料源としての炭化水素系ガスが、プラズマによって容易に分解するとともに、活性な炭素や水素のイオンやラジカルを発生し、これが溶射皮膜の表面層気孔内部にまでも侵入するだけでなく、その表面を一定の厚さで被覆することになる。例えば、該溶射皮膜表面部分にある開気孔中にもアモルファス状の前記微小固体粒子が密に侵入してこれを封孔し、あるいはその表面にも堆積して一定の厚みの成膜となる。
Next, the sealing method of the sprayed coating and the method of forming the amorphous carbon hydrogen solid coating on the surface thereof will be described in more detail using the above plasma CVD processing apparatus.
In the present invention, as described above, the layer formed on the surface of the thermal spray coating by the intrusion and deposition of the amorphous carbon hydrogen solids is applied with a high frequency voltage and a high voltage pulse in a superimposed manner under the generation of a hydrocarbon-based gas plasma. Then, by protecting the thermal spray coating as a member to be treated at a negative potential, the amorphous fine solid particles mainly composed of carbon and hydrogen deposited in a vapor phase in this atmosphere are attracted and adsorbed on the surface of the substrate. Formed by. In such a film forming environment, the hydrocarbon-based gas as the film forming material source is easily decomposed by the plasma and generates active carbon and hydrogen ions and radicals, which are generated in the surface layer pores of the sprayed coating. In addition to intruding, the surface is coated with a certain thickness. For example, the amorphous fine solid particles intrude into the open pores on the surface portion of the thermal spray coating and tightly infiltrate, or deposit on the surface to form a film having a certain thickness.

上記プラズマCVD処理では、炭化水素系ガスのプラズマによって分解生成した低分子の炭化水素をはじめ炭素や水素のイオンやラジカルは、気相状態のまま基材全体を覆うように発生し、そして、これらが溶射皮膜の表面に誘引吸着されることで、一方では開気孔内にも侵入し充填されてこの孔を塞ぎ、他方、気相析出したこれらのアモルファス状の前記微小固体粒子は処理時間の経過に伴って次第に、該開気孔以外の皮膜表面にも堆積して皮膜全面を被覆するようになる。発明者らの実験によると、このときの膜厚は80μm程度の厚さまでに形成することが可能である。   In the plasma CVD process, low molecular weight hydrocarbons decomposed and generated by plasma of hydrocarbon gas, carbon and hydrogen ions and radicals are generated so as to cover the entire base material in the gas phase state, and these Is attracted and adsorbed on the surface of the thermal spray coating, and on the one hand, it penetrates into the open pores and fills and closes the pores. Accompanying this, it gradually accumulates on the surface of the film other than the open pores to cover the entire surface of the film. According to the experiments by the inventors, the film thickness at this time can be formed to a thickness of about 80 μm.

このような高周波電圧と高電圧パルスとを重畳するプラズマCVD法の処理では、反応容器1内で被処理溶射皮膜2は、負の電位(負電圧)が印加された状態であり、それ故に、プラズマによって励起されプラスに帯電した炭化水素系ガスのイオンやラジカルは、雲状、霧状となって該被処理溶射皮膜2の全面を覆うように発生し、その表面において炭素と水素のアモルファス状の微小固体粒子の放電析出を繰り返して吸着されていく。従って、たとえ該溶射皮膜2の形状が複雑であったとしても、封孔と被覆が比較的均等に行われる特徴がある。例えば、被処理溶射皮膜が図2に示すようなT字型をしていたとしても、正に必要な部分のみに、アモルファス状炭素水素の固形物を吸着(負電位をもたない部分は吸着作用が生じない)させることができる。このように、被処理溶射皮膜を負の電位にして、上記の封孔と皮膜形成の両方の処理ができ、しかも、どの部分も均等に成膜できる点が本発明方法の特徴である。   In the plasma CVD process in which the high-frequency voltage and the high-voltage pulse are superposed, the thermal spray coating 2 to be processed is in a state where a negative potential (negative voltage) is applied in the reaction vessel 1, and therefore, The positively charged hydrocarbon gas ions and radicals excited by the plasma are generated in a cloud-like or mist-like manner so as to cover the entire surface of the thermal spray coating 2 to be treated. The fine solid particles are repeatedly adsorbed by discharge deposition. Therefore, even if the shape of the thermal spray coating 2 is complicated, the sealing and covering are relatively uniform. For example, even if the sprayed coating to be processed has a T-shape as shown in FIG. 2, the amorphous carbon hydrogen solids are adsorbed only on the necessary parts (the parts having no negative potential are adsorbed). Action does not occur). As described above, the method of the present invention is characterized in that both the sealing and the film formation can be performed by setting the sprayed coating to be treated to a negative potential, and that any portion can be formed evenly.

この点、負電位を印加せずに単に炭化水素系ガスのプラズマ放電を行うと、形成されるアモルファス状炭素水素固形物からなる皮膜の厚さは、均等になることはない。その理由は、プラズマエネルギーのみの場合は、炭化水素系ガス濃度によってガスの分解効率が変化するとともに、前掲のT字型試料の形、位置によって、ガス濃度自体も変化するためである。   In this regard, when a plasma discharge of a hydrocarbon gas is simply performed without applying a negative potential, the thickness of the film made of the amorphous carbon hydrogen solid formed is not uniform. The reason is that in the case of only plasma energy, the gas decomposition efficiency changes depending on the hydrocarbon gas concentration, and the gas concentration itself also changes depending on the shape and position of the T-shaped sample.

また、本発明の上記高周波電圧と高電圧パルスとを重畳したプラズマCVD法の処理では、炭化水素系ガスを成膜原料として生成したアモルファス状炭素水素固形物からなる層を、疎水性にすることができる。その結果、被処理溶射皮膜が使用時に、たとえ腐食性水溶液と接するようなことがあっても、その水溶液との濡れ性を低下させて、腐食反応が物理的に起こり難い表面に仕上げることができるようになる。その一方で、親油性のアモルファス状炭素水素固形物の成膜時または成膜後に、雰囲気ガス中にNやSiを含むガスを用いて処理すると、親水性に変化させることも可能である。従って、本発明で形成する上記のアモルファス状炭素水素固形物皮膜は、界面特性に応じて適宜に変化させることができるものである。 Further, in the plasma CVD process in which the high-frequency voltage and the high-voltage pulse of the present invention are superimposed, a layer made of amorphous carbon hydrogen solid produced using a hydrocarbon-based gas as a film forming raw material is made hydrophobic. Can do. As a result, even when the sprayed coating to be treated may come into contact with a corrosive aqueous solution during use, the wettability with the aqueous solution can be reduced and the surface can be finished where the corrosion reaction is difficult to occur. It becomes like this. On the other hand, when the lipophilic amorphous carbon hydrogen solid is formed or after the film is formed using a gas containing N 2 or Si in the atmospheric gas, the hydrophilic property can be changed. Therefore, the amorphous carbon hydrogen solid film formed in the present invention can be appropriately changed according to the interface characteristics.

かかるアモルファス状炭素水素固形物の層は、この層の炭素と水素の含有量を、成膜用の炭化水素系ガスの種類を変化させることによって、制御することができる。例えば、炭化水素系ガス成分のC/H比が大きいほど、形成されるアモルファス状炭素水素固形物層中の炭素含有量が高くなる。ただし、この場合、得られる層の硬さは高く、かつ電気抵抗率の高い層となるので、耐摩耗性は向上するものの延性に乏しく内部応力も大きくなるので、厚膜の形成が難しいという問題がある他、多数の微小気孔も生じやすくなる。従って、アモルファス状炭素水素固形物からなる膜自体は、耐食性には優れるものの、環境の腐食成分がこうした微小気孔から浸入し、基材面に達してこれを腐食させることによって、皮膜の剥離を促すという問題がある。このような問題を克服するために、本発明では、該アモルファス状炭素水素固形物層の炭素含有量を、90原子%未満を上限として含有させることにした。   In this amorphous carbon hydrogen solid layer, the carbon and hydrogen contents of this layer can be controlled by changing the type of hydrocarbon-based gas for film formation. For example, the larger the C / H ratio of the hydrocarbon gas component, the higher the carbon content in the formed amorphous carbon hydrogen solid layer. However, in this case, since the resulting layer has a high hardness and a high electrical resistivity, the wear resistance is improved, but the ductility is poor and the internal stress is large, so that it is difficult to form a thick film. In addition to this, a large number of micropores are likely to occur. Therefore, although the film itself made of amorphous carbon hydrogen solids is excellent in corrosion resistance, the corrosive component of the environment penetrates from these micropores and reaches the substrate surface to corrode it, thereby promoting the peeling of the film. There is a problem. In order to overcome such a problem, in the present invention, the carbon content of the amorphous carbon-hydrogen solid layer is set to be less than 90 atomic%.

従って、本発明において、前記アモルファス状炭素水素固形物の水素含有量は10原子%以上を含有させることになる。この理由は、アモルファス状炭素水素固形物層の熱的および機械的な曲げ変形に対する抵抗、耐食性を向上させるという観点からは、水素の含有量が多い方が有利だからである。ただし、この水素の含有量が45原子%を超えると、炭素含有量が相対的に少なくなり、軟質で耐摩耗性が低下するうえ、成膜が困難となるなどの点で好ましくない。   Therefore, in the present invention, the hydrogen content of the amorphous carbon hydrogen solid is 10 atomic% or more. This is because a higher hydrogen content is advantageous from the viewpoint of improving resistance to thermal and mechanical bending deformation and corrosion resistance of the amorphous carbon hydrogen solid layer. However, if the hydrogen content exceeds 45 atomic%, the carbon content is relatively low, which is not preferable in that the film is soft and wear resistance is lowered, and film formation becomes difficult.

即ち、本発明では、成膜用の炭化水素系ガス中のC/H比を小さくすること、即ち、アモルファス状炭素水素固形物層中の水素含有量を多くすることにより、基材の曲げ変形に対する抵抗力が大きくなり、生成した皮膜の剥離も起りにくくなる。このように、水素含有量を多くしたアモルファス状炭素水素固形物の皮膜は、硬さHvが700〜2800の特性を示すようになり、これは一般のDLCに比較すると極めて低い物性値と言えるものである。しかも、得られる皮膜の内部応力値も小さいため、最高膜厚80μmのアモルファス状炭素水素固形物層の形成も可能である。
このような理由により、アモルファス状炭素水素固形物層は、炭素含有量:90〜55原子%、水素含有量:10〜45原子%とした。好ましくは、炭素含有量:85〜62原子%、水素含有量:15〜38原子%がよい。
That is, in the present invention, bending deformation of the substrate is reduced by reducing the C / H ratio in the hydrocarbon-based gas for film formation, that is, by increasing the hydrogen content in the amorphous carbon-hydrogen solid layer. As a result, the generated film is less likely to peel off. As described above, the amorphous carbon hydrogen solid film having an increased hydrogen content exhibits a characteristic with a hardness Hv of 700 to 2800, which can be said to be an extremely low physical property value as compared with general DLC. It is. In addition, since the internal stress value of the obtained film is small, it is possible to form an amorphous carbon hydrogen solid layer having a maximum film thickness of 80 μm.
For these reasons, the amorphous carbon hydrogen solid layer has a carbon content of 90 to 55 atomic% and a hydrogen content of 10 to 45 atomic%. Preferably, the carbon content is 85 to 62 atom% and the hydrogen content is 15 to 38 atom%.

本発明において最も特徴的な構成である上記アモルファス状炭素水素固形物層の特徴についてまとめると、以下のとおりである。
(a)アモルファス状炭素水素固形物の主成分は、炭素と水素から構成されている。従って、海水、各種の酸、アルカリ、有機溶剤にも冒されず、化学的に安定である。
(b)炭化水素系ガスのプラズマ活性分解反応によって生成する、炭素と水素のアモルファス状微小固体粒子(ナノオーダの超微粒子で、1×10−9m程度以下の大きさである)の集合体は、各粒子および粒子堆積層がアモルファス状態を呈しているため、欠陥のできやすい粒界というものがなく、緻密で優れた密着性を有し、基材等から剥離することがない。
(c)アモルファス状炭素水素固形物の層(皮膜)は、平滑(Ra:0.5μm以下)で、摺動や回転条件下における耐摩耗性に優れ(摩擦係数μ:0.11〜0.2)るため、異物が付着しにくい。
(d)アモルファス状炭素水素固形物層は、成膜時に炭化水素ガス中にN、Siを共存させたり、成膜後に、その表面にSiを注入するなどの方法によって、親油性(疎水性)、親水性のいずれにも制御することができるため、界面特性が重要視される産業分野への展開が可能である。
(e)半導体加工装置用部材は、ハロゲンガス環境でプラズマエッチング作用を受けると部材の表面が破壊されることが知られているが、本発明のアモルファス状炭素水素固形物層、とくに水素含有量が15〜45原子%と多い層は、分解時、特に雰囲気中にOが含まれていると、C,CO、CO、H、HOなどの気体となるものが多く、環境汚染源のパーティクルが発生しにくい。
The characteristics of the amorphous carbon hydrogen solid layer, which is the most characteristic configuration in the present invention, are summarized as follows.
(A) The main component of the amorphous carbon-hydrogen solid is composed of carbon and hydrogen. Therefore, it is not affected by seawater, various acids, alkalis and organic solvents, and is chemically stable.
(B) Aggregates of amorphous micro solid particles of carbon and hydrogen (nano-order ultra fine particles having a size of about 1 × 10 −9 m or less) generated by plasma activated decomposition reaction of hydrocarbon-based gas are Since each particle and the particle deposition layer are in an amorphous state, there is no grain boundary that is prone to defects, a dense and excellent adhesion, and no peeling from the substrate.
(C) The layer (film) of the amorphous carbon hydrogen solid material is smooth (Ra: 0.5 μm or less) and excellent in wear resistance under sliding and rotating conditions (friction coefficient μ: 0.11-0. 2) Therefore, it is difficult for foreign matter to adhere.
(D) The amorphous carbon hydrogen solid layer is made oleophilic (hydrophobic) by a method such as coexistence of N 2 or Si in a hydrocarbon gas during film formation or by injecting Si into the surface after film formation. ), Because it can be controlled to be hydrophilic, it can be developed in industrial fields where interface characteristics are regarded as important.
(E) It is known that the surface of a member for a semiconductor processing apparatus is destroyed when subjected to a plasma etching action in a halogen gas environment, but the amorphous carbon-hydrogen solid layer of the present invention, particularly the hydrogen content In a layer having a large content of 15 to 45 atomic%, when O 2 is contained in the atmosphere, particularly when it is decomposed, it becomes a gas such as C m H n , CO, CO 2 , H 2 , and H 2 O. Many particles of environmental pollution are hard to be generated.

図3は、本発明の上記方法によって、アモルファス状炭素水素固形物を吸着させて、被処理溶射皮膜の気孔を封孔し、皮膜表面に膜を被覆形成した溶射皮膜被覆材料の断面を示す。図3(a)は、基材31の表面に金属質溶射皮膜32を形成した後、アモルファス状炭素水素固形物膜34を被覆したもの、図3(b)は、基材31の上にまずセラミック溶射皮膜33を形成した後、その上にアモルファス状炭素水素固形物膜33を被覆した例を示し、図3(c)は、基材1の上に金属質溶射皮膜32(アンダーコート)を形成し、その上に、トップコートとしてセラミック溶射膜33を形成したものの上に、アモルファス状炭素水素固形物膜34を被覆した例を示すものである。   FIG. 3 shows a cross section of a thermal spray coating material in which amorphous carbon hydrogen solids are adsorbed by the above-described method of the present invention, pores of the thermal spray coating to be treated are sealed, and a coating is formed on the coating surface. FIG. 3A shows a structure in which a metallic sprayed coating 32 is formed on the surface of the base material 31 and then an amorphous carbon hydrogen solid film 34 is coated. FIG. FIG. 3C shows an example in which an amorphous carbon hydrogen solid film 33 is coated on the ceramic sprayed coating 33 after forming the ceramic sprayed coating 33. FIG. 3C shows a metallic sprayed coating 32 (undercoat) on the substrate 1. An example is shown in which an amorphous carbon hydrogen solid film 34 is coated on a ceramic sprayed film 33 formed as a top coat.

図4は、基材41上に成膜したセラミック溶射皮膜42の表面に、アモルファス状炭素水素固形物膜45を被覆した部材の断面を示すものである。基材41上に形成されたセラミック溶射皮膜42は、貫通気孔43や開口しているものの基材まで達していない開気孔44が存在しており、皮膜中には密閉された状態の空隙46もある。このようなセラミック溶射皮膜42に対して、アモルファス状炭素水素固形物膜45を被覆すると、処理のはじめに貫通気孔43や開気孔44中にアモルファス状炭素水素固形物が析出して充填され、その後、該セラミック溶射皮膜42の表面全体がアモルファス状炭素水素固形物膜45によって被覆されるようになる。   FIG. 4 shows a cross section of a member in which the surface of a ceramic sprayed coating 42 formed on a substrate 41 is coated with an amorphous carbon hydrogen solid film 45. The ceramic sprayed coating 42 formed on the substrate 41 has through-holes 43 and open pores 44 that are open but do not reach the substrate, and the sealed voids 46 are also included in the coating. is there. When the amorphous carbon hydrogen solid film 45 is coated on the ceramic spray coating 42, the amorphous carbon hydrogen solid is deposited and filled in the through-holes 43 and the open pores 44 at the beginning of the treatment, The entire surface of the ceramic sprayed coating 42 is covered with the amorphous carbon hydrogen solid film 45.

(実施例1)
この実施例では、アモルファス状炭素水素固形物膜の基本的な防食性能を調査するために、基材上に直接、アモルファス状炭素水素固形物を膜厚0.5〜50μmで形成した。また、腐食性の環境として(a)高湿度、(b)塩水噴霧、(c)5%HSO、(d)5%NaOHなど、腐蝕特性の異なる雰囲気中に曝露して耐食性を調査した。
(1)基材および試験片
基材としては、次の2種類を用い、それぞれから幅30×長さ50mm×厚さ2mmの試験片を作製した。
(a)SS400鋼 (b)Al(JIS−H4000規定No.1070)
(2)膜の形成と厚さ
図1に示す装置を用い、試験片の全面に、アモルファス状炭素水素固形物の膜を0.5〜50μmの厚さに形成した(水素含有量13〜22原子%)。
(3)腐食試験
腐食試験は、次のような条件で行った。
(イ)高湿度雰囲気:恒温恒湿槽を用いて30℃、相対湿度90%の雰囲気中に試験片を曝露した(200時間)。
(ロ)塩水噴霧:JIS−Z2371規定の塩水噴霧試験方法によって96時間の試験を行った。
(ハ)5%HSO浸漬:5%HSO水溶液中(20〜25℃)に100時間浸漬した。
(ニ)5%NaOH浸漬:5%NaOH水溶液中(30〜35℃)に100時間浸漬した。
(4)評価方法
腐食試験結果の評価は、試験前後における試験片表面の変化およびHSO、NaOH水溶液の色調の変化を目視観察により行った。なお、比較用の試験片として無処理状態のSS400鋼とAlを同じ条件の腐食試験に供した。
(5)腐食試験結果
表1に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、無処理のSS400鋼試験片は5%NaCl浸漬を除く全ての試験雰囲気(No.1、3、5)において、赤さびを発生したり、溶解(No.5)した。また、Alの無処理試験片(No.2、4、6、8)では、高湿度雰囲気中以外の条件で白さびを発生(No.4)するとともに、酸(No.6)、アルカリによっても水素ガスを発生しながら溶解した。
Example 1
In this example, in order to investigate the basic anticorrosion performance of the amorphous carbon hydrogen solid film, the amorphous carbon hydrogen solid was formed with a film thickness of 0.5 to 50 μm directly on the substrate. In addition, as a corrosive environment, (a) high humidity, (b) salt spray, (c) 5% H 2 SO 4 , (d) 5% NaOH, etc., exposed to an atmosphere with different corrosion characteristics to investigate corrosion resistance. did.
(1) Base material and test piece As a base material, the following 2 types were used, and the test piece of width 30x length 50mm x thickness 2mm was produced from each.
(A) SS400 steel (b) Al (JIS-H4000 regulation No. 1070)
(2) Formation and Thickness of Film Using the apparatus shown in FIG. 1, an amorphous carbon hydrogen solid film having a thickness of 0.5 to 50 μm was formed on the entire surface of the test piece (hydrogen content 13 to 22). atom%).
(3) Corrosion test The corrosion test was performed under the following conditions.
(A) High humidity atmosphere: The test piece was exposed to an atmosphere of 30 ° C. and 90% relative humidity using a constant temperature and humidity chamber (200 hours).
(B) Salt spray: A 96-hour test was conducted by the salt spray test method defined in JIS-Z2371.
(C) 5% H 2 SO 4 immersion: It was immersed in a 5% H 2 SO 4 aqueous solution (20 to 25 ° C.) for 100 hours.
(D) 5% NaOH immersion: It was immersed in a 5% NaOH aqueous solution (30 to 35 ° C.) for 100 hours.
(4) Evaluation method The corrosion test results were evaluated by visual observation of the change in the surface of the test piece and the color tone of the H 2 SO 4 and NaOH aqueous solution before and after the test. In addition, as a test piece for comparison, untreated SS400 steel and Al were subjected to a corrosion test under the same conditions.
(5) Corrosion test results Table 1 shows the corrosion test results. As is clear from this result, the untreated SS400 steel specimens generated red rust or dissolved (No. 5) in all test atmospheres (No. 1, 3, 5) except 5% NaCl immersion. . Moreover, in the Al non-processed test piece (No. 2, 4, 6, 8), while generating white rust (No. 4) under conditions other than in a high-humidity atmosphere, the acid (No. 6) and alkali Also dissolved while generating hydrogen gas.

これに対して、基材上にアモルファス状炭素水素固形物膜を形成した試験片では、基材質の種類に関係なく優れた耐食性を発揮し、膜厚1μm以上では全ての腐食環境において十分な耐食抵抗を示した。ただ、膜厚0.5μmでは高湿度雰囲気およびアルカリ水溶液浸漬では赤さびの発生を抑制できたが、塩水噴霧、硫酸浸演では僅かながら赤さびや白さびの発生が認められた。   On the other hand, a test piece in which an amorphous carbon hydrogen solid film is formed on a substrate exhibits excellent corrosion resistance regardless of the type of the substrate, and sufficient corrosion resistance in all corrosive environments with a film thickness of 1 μm or more. Showed resistance. However, when the film thickness was 0.5 μm, generation of red rust could be suppressed in a high humidity atmosphere and immersion in an alkaline solution, but slight rust and white rust were observed in salt spray and sulfuric acid immersion.

以上の結果からアモルファス状炭素水素固形物膜の有効防食作用は、膜厚0.5〜50μmの範囲において認められ、特に1〜50μmの範囲が好適であることが判明した。   From the above results, it was found that the effective anticorrosive action of the amorphous carbon hydrogen solid film was recognized in the film thickness range of 0.5 to 50 μm, particularly in the range of 1 to 50 μm.

Figure 2007321194
Figure 2007321194

(実施例2)
この実施例は、基材の表面に直接、酸化物系セラミック溶射皮膜を形成した後、その表面にアモルファス状炭素水素固形物の膜を被覆処理し、塩水噴霧試験に供して、その耐食性を調査した。
(1)基材および試験片(数値はmass%)
SS400鋼(寸法:幅50mm×長さ70mm×厚さ3.2mm)
(2)溶射皮膜の種類と溶射法
試験片の表面に直接、下記酸化物系セラミック(a)〜(f)を大気プラズマ溶射法によって70μm厚さに形成した。セラミック溶射皮膜をやや薄く施工した理由は、アモルファス状炭素水素固形物膜の封孔−被覆効果を短時間の試験によって判別するためである。
(a)Al、(b)Cr、(c)8%Y・92%ZrO、(d)Al・MgOスビネル、(e)98%Al・2%TiO、(f)Y
(3)アモルファス状膜の形成と厚さ
実施例1と同じ装置を用い、膜厚5μmに形成した(水素含有量16〜36原子%)。
(4)腐食試験条件
JIS−Z2371規定の塩水噴射試験方法により、96時間の腐食試験を行った。
(5)評価方法
腐食試験の評価は、試験前後における酸化物系セラミックの表面における赤さびの発生の有無によって判定した。なお、比較例として、アモルファス状炭素水素固形物膜を被覆しない溶射皮膜を同条件で試験した。
(6)試験結果
表2に上記腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、無処理の溶射皮膜(No.2、4、6、8、10、12)には、すべて赤さびの発生が認められた。即ち、セラミック溶射皮膜の気孔から塩水が内部に浸入してSS400鋼を基材を腐食させ、溶出した鉄イオンが皮膜表面に浮上して赤さびを発生したものと考えられる。これに対して、アモルファス状炭素水素固形物膜を被覆した試験片(No.1、3、5、7、9、11)は、いずれのセラミック皮膜に対しても良好な封孔性と被覆性能を発揮し、赤さびの発生は認められなかった。
(Example 2)
In this example, after forming an oxide-based ceramic sprayed coating directly on the surface of the substrate, the surface of the solid was coated with an amorphous carbon hydrogen solid film, and subjected to a salt spray test to investigate its corrosion resistance. did.
(1) Base material and test piece (numerical value is mass%)
SS400 steel (dimensions: width 50mm x length 70mm x thickness 3.2mm)
(2) Types of sprayed coating and spraying method The following oxide ceramics (a) to (f) were directly formed on the surface of the test piece to a thickness of 70 μm by the atmospheric plasma spraying method. The reason why the ceramic sprayed coating is applied to be thin is to discriminate the sealing-coating effect of the amorphous carbon hydrogen solid film by a short test.
(A) Al 2 O 3, (b) Cr 2 O 3, (c) 8% Y 2 O 3 · 92% ZrO 2, (d) Al 2 O 3 · MgO Subineru, (e) 98% Al 2 O 3 · 2% TiO 2, ( f) Y 2 O 3
(3) Formation and thickness of amorphous film Using the same apparatus as in Example 1, the film was formed to a film thickness of 5 μm (hydrogen content: 16 to 36 atomic%).
(4) Corrosion test conditions A 96-hour corrosion test was conducted by the salt water injection test method defined in JIS-Z2371.
(5) Evaluation method The evaluation of the corrosion test was determined by the presence or absence of red rust on the surface of the oxide ceramic before and after the test. As a comparative example, a thermal spray coating that does not cover the amorphous carbon hydrogen solid film was tested under the same conditions.
(6) Test results Table 2 shows the results of the corrosion test. As is apparent from this result, red rust was observed in all of the untreated sprayed coatings (No. 2, 4, 6, 8, 10, 12). That is, it is considered that salt water infiltrated from the pores of the ceramic sprayed coating to corrode the base material of SS400 steel, and the eluted iron ions floated on the coating surface to generate red rust. On the other hand, the test pieces (No. 1, 3, 5, 7, 9, 11) coated with the amorphous carbon hydrogen solid film have good sealing property and covering performance for any ceramic film. The occurrence of red rust was not observed.

Figure 2007321194
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(実施例3)
この実施例では、基材の表面に形成した金属系溶射皮膜に対するアモルファス状炭素水素固形物膜の封孔−被覆の効果を調査した。
(1)基材および試験方法
実施例2に同じ
(2)溶射皮膜の種類と溶射法(数字はmass%)
溶射皮膜として次のような金属系材料を用い、各種の溶射法によって膜厚50μmに形成した。
(a)95%Ni−5%Al、SUS304鋼……フレーム溶射
(b)Cr、Mo、50%Ni−50%Cr合金……大気プラズマ溶射法
(c)Ti……減圧プラズマ溶射法
(d)Cu……アーク溶射方法
(3)アモルファス状炭素水素固形物膜の形成と厚さ
実施例2に同じ(水素含有量16〜36原子%)
(4)腐食試験
実施例2に同じ
(5)評価方法
実施例2に同じ
(6)腐食試験結果
表3に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、無処理の金属系溶射皮膜(No.2、4、6、8、10、12、14、16)は塩水噴霧環境中においてすべて赤さびを発生した。これらの溶射皮膜の金属は、SS400鋼に比較して電気化学的に貴な電位を示すため皮膜の気孔から浸入した塩水によって、基材がアノードとなって腐食が促進されたものと考えられる。
これに対して、アモルファス状炭素水素固形物膜を被覆した試験片(No.1、3、5、7、9、11、13、15)には、赤さびの発生は認められず、塩水の浸入を防ぎ基材の腐食[赤さびの発生]を抑制したものと考えられる。
(Example 3)
In this example, the effect of the sealing and covering of the amorphous carbon hydrogen solid film on the metal-based sprayed coating formed on the surface of the substrate was investigated.
(1) Substrate and test method Same as Example 2 (2) Types of sprayed coating and spraying method (numbers are mass%)
The following metal-based material was used as the thermal spray coating and was formed to a thickness of 50 μm by various thermal spraying methods.
(A) 95% Ni-5% Al, SUS304 steel ... Flame spraying (b) Cr, Mo, 50% Ni-50% Cr alloy ... Air plasma spraying method (c) Ti ... Low pressure plasma spraying method (d ) Cu: Arc spraying method (3) Formation and thickness of amorphous carbon hydrogen solid film Same as Example 2 (hydrogen content 16-36 atomic%)
(4) Corrosion test Same as Example 2 (5) Evaluation method Same as Example 2 (6) Corrosion test results Table 3 shows the corrosion test results. As is clear from this result, the untreated metal-based sprayed coatings (No. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16) all generated red rust in the salt spray environment. Since the metal of these thermal spray coatings shows an electrochemically noble potential compared to SS400 steel, it is considered that the corrosion was promoted by the base material serving as the anode by the salt water entering from the pores of the coating.
In contrast, the test pieces (No. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 and 15) coated with the amorphous carbon hydrogen solid film showed no red rust and the intrusion of salt water. It is considered that corrosion of the base material [occurrence of red rust] was suppressed.

Figure 2007321194
Figure 2007321194

(実施例4)
この実施例では、SS400鋼基材に電気化学的に防食作用を示す金属および炭化物系サーメット溶射皮膜を形成したものについて、アモルファス状炭素水素固形物膜の防食効果を調査した。基材の種類、試験片寸法、アモルファス状膜の形成方法と膜、腐食試験方法、評価方法などは前掲の実施例と同じである。
(1)溶射皮膜の種類と溶射法(数字はmass%)
(a)Al、(b)15%Zn−85%Al、(c)5%Mg−95%Al、(d)12%Co−88%WC、(e)20%Ni−5%Cr−75%Cr、(f)25%Ni−7%Cr−68%TiC
(a)〜(c):フレーム溶射、(d)〜(f):高速フレーム溶射
(2)腐食試験
腐食試験として塩水噴霧試験を用いたが、この実施例では、防食作用を示すAl、Zn−Al、Mg−Alなどの皮膜を供試したため、腐食時間を最大1500時間まで延長した。
(3)腐食試験結果
表4に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、SS400鋼に対して防食作用を示す皮膜は無処理の状態(No.2、4、6)においても、96時間の試験に耐え、赤さびの発生は認められなかった。しかし、腐食試験が500時間に達すると局部的に赤さびが発生し、特に1000時間ではすべて赤さびの発生が認められた。これらの試験片に形成されている溶射皮膜の大部分は消耗し、防食作用を消失したと考えられる。これに対し、アモルファス状炭素水素固形物膜を形成した試験片(No.1、3、5)は1500時間後も赤さびの発生は認められなかった。
一方、炭化物サーメット溶射皮膜では、電気化学的防食作用がないため、無処理の溶射皮膜(No.8、10、12)では96時間の試験によって全面に赤さびが発生した。しかしこの皮膜にアモルファス状炭素水素固形物膜を形成した試験片(No.7、9、11)では1500時間後でも異常は認められず、優れた耐食性を発揮した。
Example 4
In this example, the anticorrosive effect of an amorphous carbon-hydrogen solid film was investigated on a metal and carbide-based cermet sprayed coating electrochemically formed on an SS400 steel substrate. The type of base material, the size of the test piece, the formation method and film of the amorphous film, the corrosion test method, the evaluation method, and the like are the same as those in the previous examples.
(1) Types of thermal spray coating and thermal spraying method (numbers are mass%)
(A) Al, (b) 15% Zn-85% Al, (c) 5% Mg-95% Al, (d) 12% Co-88% WC, (e) 20% Ni-5% Cr-75 % Cr 3 C 2 , (f) 25% Ni-7% Cr-68% TiC
(A) to (c): Flame spraying, (d) to (f): High-speed flame spraying (2) Corrosion test Although a salt spray test was used as a corrosion test, in this example, Al and Zn exhibiting anticorrosive action -Since coatings such as Al and Mg-Al were used, the corrosion time was extended up to 1500 hours.
(3) Corrosion test results Table 4 shows the corrosion test results. As is clear from this result, the coating showing the anticorrosive action on the SS400 steel withstood the test for 96 hours even in the untreated state (No. 2, 4, 6), and no red rust was observed. . However, when the corrosion test reached 500 hours, red rust was generated locally, and especially at 1000 hours, red rust was observed. It is considered that most of the sprayed coating formed on these test pieces was consumed and the anticorrosive action was lost. On the other hand, no red rust was observed after 1500 hours in the test pieces (Nos. 1, 3, and 5) on which the amorphous carbon-hydrogen solid film was formed.
On the other hand, since the carbide cermet sprayed coating does not have an electrochemical anticorrosive action, red rust was generated on the entire surface by a 96-hour test in the untreated sprayed coating (No. 8, 10, 12). However, in the test pieces (Nos. 7, 9, and 11) in which an amorphous carbon hydrogen solid film was formed on this film, no abnormality was observed even after 1500 hours, and excellent corrosion resistance was exhibited.

Figure 2007321194
Figure 2007321194

(実施例5)
この実施例では、市販されている溶射皮膜用の封孔剤と本発明に係るアモルファス状炭素水素固形物膜との封孔効果を比較した。
(1)基材および試験片
実施例3に同じ
(2)溶射皮膜の種類と溶射法
皮膜材料としてAlを用い大気プラズマ溶射法によって120μm厚に施工した。
(3)封孔剤の種類
溶射皮膜の表面に対して下記の封孔剤を処理した。
(a)アモルファス状膜:前掲の方法で3μm厚施工した(水素含有量24〜38原子%)。
(b)珪素系封孔剤:市販の無機珪素酸化物を2μm厚に形成した。
(c)有機高分子系封孔剤:市販のアクリル樹脂系封孔剤を5μm厚に形成した。
(4)腐食試験条件
この実施例では、無機系および有機系封孔剤の処理にあたっては、封孔処理後110〜140℃の温度で乾燥したり、硬化させることが必要であったので、これらの加熱処理を行った。その後さらに、すべての封孔処理後の試験片について210℃×3時間の大気加熱を行い封孔剤の耐熱性についても調査した。
これらの熱処理を行った後、塩水噴霧試験(96時間)によって耐食性の効果を調べた。
(5)腐食試験結果
表5に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、210℃の加熱を行わない条件では市販の封孔剤においてもそれなりの防食効果が認められ、特に有機系封孔剤(No.6)は外観上全く異常は認められなかった。ただ無機系の封孔剤(No.4)の効果は、有機系に比較すると防食作用が弱い傾向にあった。しかし、有機系封孔剤(No.5)においても、210℃の加熱を行うと高分子膜が劣化し、樹脂膜に多数のき裂が発生して防食効果を完全に消失した。この傾向は無機系封孔剤にも認められた。これに対しアモルファス状炭素水素固形物膜(No.1、2)は、210℃加熱の有無に拘らず良好な封孔効果を発揮して赤さびの発生は全く観察されなかった。
(Example 5)
In this example, the sealing effect of a commercially available sealing agent for thermal spray coating and the amorphous carbon hydrogen solid film according to the present invention was compared.
(1) Base material and test piece Same as Example 3. (2) Type of sprayed coating and spraying method Al 2 O 3 was used as a coating material, and it was applied to a thickness of 120 μm by an atmospheric plasma spraying method.
(3) Kind of sealant The following sealant was processed with respect to the surface of a thermal spray coating.
(A) Amorphous film: 3 μm thick was constructed by the method described above (hydrogen content: 24-38 atomic%).
(B) Silicon-based sealing agent: A commercially available inorganic silicon oxide was formed to a thickness of 2 μm.
(C) Organic polymer sealant: A commercially available acrylic resin sealant was formed to a thickness of 5 μm.
(4) Corrosion test conditions In this example, it was necessary to dry or harden the inorganic and organic sealing agents at a temperature of 110 to 140 ° C. after the sealing treatment. The heat treatment was performed. Thereafter, all the test pieces after the sealing treatment were heated in the atmosphere at 210 ° C. for 3 hours to investigate the heat resistance of the sealing agent.
After these heat treatments, the corrosion resistance effect was examined by a salt spray test (96 hours).
(5) Corrosion test results Table 5 shows the corrosion test results. As is apparent from these results, a moderate anti-corrosion effect was observed even with a commercially available sealant under the condition that heating at 210 ° C. was not performed, and in particular, the organic sealant (No. 6) was completely abnormal in appearance. I couldn't. However, the effect of the inorganic sealing agent (No. 4) tended to have a weak anticorrosion effect compared to the organic type. However, in the organic sealing agent (No. 5), when heated at 210 ° C., the polymer film deteriorated, and many cracks were generated in the resin film, and the anticorrosion effect was completely lost. This tendency was also observed in inorganic sealants. On the other hand, the amorphous carbon hydrogen solid film (Nos. 1 and 2) exhibited a good sealing effect irrespective of the presence or absence of heating at 210 ° C., and no occurrence of red rust was observed.

Figure 2007321194
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(実施例6)
この実施例では、腐食性の厳しい雰囲気や有機溶剤を取扱う環境で使用する場合を想定し、SS400鋼基材に金属系のアンダーコートを施工した上に、さらに酸化物セラミック溶射皮膜を形成したものについて、こうした複合皮膜を対象として形成したアモルファス状炭素水素固形物膜の防食効果を調査した。
(1)基材および試験片
実施例3に同じ。
(2)溶射皮膜の種類と溶射法(数字はmass%)
(a)アンダーコート:80%Ni−20%Cr(大気プラズマ溶射法)
(b)トップコート:Al、Y、8%Y−92%ZrO(大気プラズマ溶射法)
なお、膜厚は、アンダーコート50μm、トップコート150μmである。
(c)アモルファス状炭素水素固形物膜の形成法と膜厚
実施例1と同じ方法で膜厚5μmにした(水素含有量15〜24原子%)。
(4)腐食試験
(イ)5%HCl:5%HCl水溶液を入れたビーカを20〜23℃に維持し、この中に試験片を浸漬し、耐食性を評価した。
(ロ)5%NaOH:5%NaOH水溶液を入れたビーカ中に試験片を浸漬し、20〜23℃の温度で24時間耐アルカリ性を評価した。
(ハ)95%トルエン:試薬用の95%トルエン溶液中(15〜20℃)に試験片を24時間浸漬して、耐有機溶剤性を評価した。
(5)腐食試験結果
表6に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、アンダーコートおよびアモルファス状炭素水素固形物膜の有無にかかわらず、5%NaOH水溶液中では赤さびの発生は全くなく外観状態には変化は認められなかった。しかし、5%HCl水溶液中では、アンダーコートを施工していても、アモルファス状炭素水素固形物膜が被覆されていない皮膜(No.2、4、6、8、10、12)では、トップコートの種類に関係なくすべて腐食され、HCl水溶液の色調が黄色〜淡黄色に変化し、基材のSS400鋼およびアンダーコート成分の溶解が推定された。これに対し、アモルファス状炭素水素固形物膜を被覆した皮膜(No.1、3、5、7、9、11)を浸漬したHCl水溶液の色調は変化せず、皮膜は健全な状態を維持していた。
(Example 6)
In this example, assuming that it is used in a corrosive atmosphere or an environment where organic solvents are handled, a metal-based undercoat is applied to an SS400 steel substrate, and an oxide ceramic sprayed coating is further formed. The anticorrosive effect of the amorphous carbon hydrogen solid film formed for such a composite film was investigated.
(1) Base material and test piece Same as Example 3.
(2) Types of thermal spray coating and thermal spraying method (numbers are mass%)
(A) Undercoat: 80% Ni-20% Cr (atmospheric plasma spraying method)
(B) Topcoat: Al 2 O 3, Y 2 O 3, 8% Y 2 O 3 -92% ZrO 2 ( atmospheric plasma spraying)
The film thickness is 50 μm for the undercoat and 150 μm for the topcoat.
(C) Formation method and film thickness of amorphous carbon-hydrogen solid film The film thickness was set to 5 μm by the same method as in Example 1 (hydrogen content: 15 to 24 atom%).
(4) Corrosion test (A) 5% HCl: A beaker containing a 5% HCl aqueous solution was maintained at 20 to 23 ° C., and a test piece was immersed therein to evaluate the corrosion resistance.
(B) 5% NaOH: The test piece was immersed in a beaker containing a 5% NaOH aqueous solution, and the alkali resistance was evaluated at a temperature of 20 to 23 ° C. for 24 hours.
(C) 95% toluene: The test piece was immersed in a 95% toluene solution for reagents (15 to 20 ° C.) for 24 hours to evaluate organic solvent resistance.
(5) Corrosion test results Table 6 shows the corrosion test results. As is apparent from the results, no red rust was generated in the 5% NaOH aqueous solution and no change in appearance was observed regardless of the presence of the undercoat and the amorphous carbon hydrogen solid film. However, in a 5% HCl aqueous solution, even if an undercoat is applied, the film (No. 2, 4, 6, 8, 10, 12) that is not coated with an amorphous carbon hydrogen solid film is a top coat. All were corroded regardless of the type, the color of the HCl aqueous solution changed from yellow to light yellow, and dissolution of the SS400 steel and the undercoat component of the base material was estimated. On the other hand, the color tone of the aqueous HCl solution in which the film (No. 1, 3, 5, 7, 9, 11) coated with the amorphous carbon hydrogen solid film is not changed, and the film maintains a healthy state. It was.

Figure 2007321194
Figure 2007321194

(実施例7)
この実施例では、半導体化加工装置部材としての利用を考慮して、Al基材に酸化物セラミック溶射皮膜を直接形成した後、各種のハロゲン系ガス中における耐食性を調査した。
(1)基材および試験片
Al合金(JIS−H4000)を基材とし、寸法:幅20mm×長さ30m×厚さ2.3mmの試験片を採取した。
(2)溶射皮膜の種類と溶射法
溶射皮膜の種類:Al、YAG(YAl12)、Y
合金製基材に、大気プラズマ溶射法によって直接、厚さ150μmの溶射皮膜を形成した。
(3)アモルファス状炭素水素固形物膜の形成方法と膜厚
実施例1と同じ方法で膜厚5μmにした(水素含有量22〜35原子%)。
(4)腐食試験
(イ)活性ハロゲンガス試験;この試験には図5に示す装置を用いた。この試験では、試験片51を電気炉52の中心部に設けられたステンレス鋼管53の内部の設置台56上に静置した後、腐食性のガス54を左側から流した。配管途中に設けた石英放電管55に出力600Wのマイクロ波を付加させて、腐食性ガスの活性化を促した。また、活性化した腐食性のガスは電気炉中に導き、試験片51を腐食した後、右側から系外に放出させた。この試験では、試験片温度180℃、腐食性ガスCFを150ml/min、Oを75ml/minを流しつつ10時間の腐食試験を行った。
(ロ)HCl蒸気試験:化学実験用のデシケーターの底部に30%HCl水溶液を入れ、その上にガラス製の多孔板を配設した後、そのガラス板の上に試験片を静置しHCl蒸気によってガラス板の孔から上昇したHCl蒸気によって試験片が腐食されるようにした。なお、無処理のSS400鋼板は、1時間の試験によって前面赤さびが発生するほどである。
(ハ)HF蒸気試験:容量3LのSUS316製のオートクレーブの中に試験片を静置した後、外部からHFガスを500ppm注中し、150℃で24時間の腐食試験を行った。
(5)腐食試験結果
表7に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、アモルファス状炭素水素固形物膜を形成しない試験片(No.2、4、6)では、セラミック溶射皮膜自体は比較的良好な耐食性を示すものの、皮膜の気孔を通って内部へ侵入した腐食性ガスによって基材のAlが腐食され、セラミック皮膜との結合力を消失した結果、剥離する現象が認められた。これに対し、アモルファス状炭素水素固形物膜を形成した試験片では、すべての腐食ガスに対して十分な耐食性を示すとともに、膜自体が轍密であるため外観上全く異常は認められなかった。
(Example 7)
In this example, in consideration of utilization as a semiconductor processing apparatus member, an oxide ceramic sprayed coating was directly formed on an Al base, and then the corrosion resistance in various halogen-based gases was investigated.
(1) Base Material and Test Specimen A test piece having an aluminum alloy (JIS-H4000) as a base material and dimensions: width 20 mm × length 30 m × thickness 2.3 mm was collected.
(2) spray coating type and thermal spraying the thermal spray coating types: Al 2 O 3, YAG ( Y 3 Al 5 O 12), Y 2 O 3
A sprayed coating having a thickness of 150 μm was directly formed on the alloy substrate by atmospheric plasma spraying.
(3) Formation method and film thickness of amorphous carbon hydrogen solid film The film thickness was set to 5 μm by the same method as in Example 1 (hydrogen content 22 to 35 atomic%).
(4) Corrosion test (a) Active halogen gas test; The apparatus shown in FIG. 5 was used for this test. In this test, the test piece 51 was allowed to stand on an installation table 56 inside a stainless steel tube 53 provided at the center of the electric furnace 52, and then a corrosive gas 54 was flowed from the left side. A microwave having an output of 600 W was added to the quartz discharge tube 55 provided in the middle of the piping to promote activation of the corrosive gas. Further, the activated corrosive gas was introduced into the electric furnace, and after the test piece 51 was corroded, it was discharged out of the system from the right side. In this test, a 10-hour corrosion test was performed while the test piece temperature was 180 ° C., the corrosive gas CF 4 was flowed at 150 ml / min, and O 2 was flowed at 75 ml / min.
(B) HCl vapor test: A 30% HCl aqueous solution is placed at the bottom of a desiccator for chemical experiments, and a glass porous plate is disposed thereon, and then a test piece is placed on the glass plate to allow HCl vapor. The specimen was corroded by HCl vapor rising from the hole in the glass plate. In addition, an untreated SS400 steel plate is such that front red rust is generated by a one-hour test.
(C) HF vapor test: After placing a test piece in a SUS316 autoclave having a capacity of 3 L, 500 ppm of HF gas was poured from the outside, and a corrosion test was performed at 150 ° C. for 24 hours.
(5) Corrosion test results Table 7 shows the corrosion test results. As is clear from this result, in the test pieces (Nos. 2, 4, and 6) that do not form the amorphous carbon hydrogen solid film, the ceramic spray coating itself shows relatively good corrosion resistance, but passes through the pores of the film. As a result, the base material was corroded by the corrosive gas that had penetrated into the interior, and the bonding strength with the ceramic film was lost. On the other hand, the test piece on which the amorphous carbon hydrogen solid film was formed showed sufficient corrosion resistance against all corrosive gases, and the film itself was dense, and no abnormality was observed in appearance.

Figure 2007321194
Figure 2007321194

(実施例8)
この実施例では、酸化物セラミック溶射皮膜の表面を電子ビームおよびレーザーなどの高エネルギーを照射して、皮膜表面の成膜粒子を溶融させたものに対するアモルファス状膜の防食効果について調査した。
(1)基材および試験片
SS400鋼を用い、幅20mm×長さ30m×厚さ3.2mmの試験片を採取した。
(2)溶射皮膜の種類と溶射法
溶射皮膜の種類:Y 大気プラズマ溶射法を用いて膜厚80μmに形成した。
(3)高エネルギー照射の種類とその条件
(a)電子ビーム照射:下記仕様の電子ビーム照射装置を用い、皮膜表面深さ3μmを再溶融した。
照射雰囲気:1×10−1〜5×10−3MPa
照射出力:10〜30KV
照射速度:1〜20mm/s
(b)レーザー照射:下記仕様のレーザー照射装置を用い、皮膜表面から10μmを再溶融した。
レーザー出力:2〜4kW
ビーム面積:5〜10mm
ビーム走査速度:5〜20mm/s
(4)アモルファス状炭素水素固形物膜の形成と膜厚
実施例1と同じ装置を用い膜厚3μm(水素含有量24〜32原子%)
(5)腐食試験
(イ)塩水噴霧試験:JIS−Z2371規定により96時間の試験を実施
(ロ)活性ハロゲンガス試験:実施例7と同じ条件で実施
(ハ)HCl蒸気試験:化学実験用デシケーターの底部に30%HCl水溶液を入れ、その上部に多孔質ガラス板を配設した後、そのガラス板の上に試験片を静置し24時間の腐食試験を実施した。この環境では蒸気圧の大きいHCl溶液から多量のHCl蒸気が発生し、SS400鋼は1時間の曝露によって赤さびが全面に発生した。
(6)腐食試験結果
表8に腐食試験結果を示した。この結果から明らかなように、Y溶射皮膜をビームおよびレーザ照射しても、そのままの状態の皮膜(No.2、6)では、すべての腐食試験において局部的な赤さびの発生が認められ、腐食成分の内部侵入を完全に防ぐことができなかった。この原因を解明するため、電子ビームおよびレーザ照射した溶射皮膜の表面を拡大鏡で観察すると、溶射膜特有の気孔は溶融現象によって消失しているが、微小な割れが多数発生していることが判明した。これらの割れは、高エネルギー照射によって溶融した溶射皮膜を通って内部に侵入したものと考えられる。高エネルギー照射を行なわない皮膜(No.4、8)ではすべての腐食試験において多量の赤さびが発生しているのに比較すると、高エネルギー照射の効果が認められるものの十分な対策とはなっていない。これに対し、アモルファス状炭素水素固形物膜を被覆した皮膜(No.1、3、5、7)では、腐食成分の侵入を完全に防ぎ、赤さびの発生は全く認められなかった。
(Example 8)
In this example, the surface of the oxide ceramic sprayed coating was irradiated with high energy such as an electron beam and a laser to investigate the anticorrosive effect of the amorphous film on the melted film forming particles on the coating surface.
(1) Base material and test piece Using SS400 steel, a test piece having a width of 20 mm, a length of 30 m, and a thickness of 3.2 mm was collected.
(2) Type of sprayed coating and spraying method Type of sprayed coating: Y 2 O 3 Atmospheric plasma spraying was used to form a film thickness of 80 μm.
(3) Types and conditions of high energy irradiation (a) Electron beam irradiation: Using an electron beam irradiation apparatus having the following specifications, a film surface depth of 3 μm was remelted.
Irradiation atmosphere: 1 × 10 −1 to 5 × 10 −3 MPa
Irradiation output: 10-30KV
Irradiation speed: 1 to 20 mm / s
(B) Laser irradiation: 10 μm was remelted from the surface of the film using a laser irradiation apparatus having the following specifications.
Laser power: 2-4kW
Beam area: 5-10 mm 2
Beam scanning speed: 5 to 20 mm / s
(4) Formation of amorphous carbon-hydrogen solid film and film thickness Using the same apparatus as in Example 1, the film thickness is 3 μm (hydrogen content: 24-32 atomic%).
(5) Corrosion test (b) Salt spray test: 96 hours test conducted according to JIS-Z2371 (b) Active halogen gas test: conducted under the same conditions as in Example 7 (c) HCl vapor test: desiccator for chemical experiments A 30% aqueous HCl solution was placed at the bottom of the substrate, and a porous glass plate was placed on top of the solution, and then a test piece was left on the glass plate to conduct a corrosion test for 24 hours. In this environment, a large amount of HCl vapor was generated from an HCl solution having a high vapor pressure, and red rust was generated on the entire surface of SS400 steel after exposure for 1 hour.
(6) Corrosion test results Table 8 shows the corrosion test results. As is clear from this result, even when the Y 2 O 3 sprayed coating is irradiated with a beam and a laser, the coating (Nos. 2 and 6) as it is is observed to generate local red rust in all corrosion tests. Therefore, the intrusion of corrosive components could not be completely prevented. In order to elucidate the cause, when the surface of the sprayed coating irradiated with an electron beam and laser is observed with a magnifying glass, the pores peculiar to the sprayed coating have disappeared due to the melting phenomenon, but there are many small cracks. found. These cracks are considered to have penetrated into the inside through the thermal spray coating melted by high energy irradiation. Compared to the large amount of red rust generated in all corrosion tests in the films not subjected to high energy irradiation (No. 4, 8), the effect of high energy irradiation is recognized, but it is not a sufficient countermeasure. . On the other hand, in the films (Nos. 1, 3, 5, and 7) coated with the amorphous carbon hydrogen solid film, the intrusion of the corrosive component was completely prevented, and the occurrence of red rust was not observed at all.

Figure 2007321194
Figure 2007321194

本発明の技術は、デポシールド、バッフルプレート、フォーカスリング、インシュレータリング、シールドリング、ベローズカバー、電極などの半導体加工装置用部材として用いられる。その他、本発明は、Si薄膜やSi薄膜の加工品などの搬送用部材の表面処理としても好適であり、また、液晶デバイスなどのプラズマ処理容器内部材、部品に対しても適用が可能である。さらに、本発明は、鏡面研磨した溶射皮膜製品への用途、具体的には印刷用ロール、フィルム用ロール、感光紙用ロールなどの技術としても有効である。   The technology of the present invention is used as a member for a semiconductor processing apparatus such as a deposition shield, a baffle plate, a focus ring, an insulator ring, a shield ring, a bellows cover, and an electrode. In addition, the present invention is also suitable as a surface treatment for conveying members such as Si thin films and Si thin film processed products, and can also be applied to plasma processing container inner members and parts such as liquid crystal devices. . Furthermore, the present invention is also effective as a technique for application to a mirror-coated thermal spray coating product, specifically, a printing roll, a film roll, and a photosensitive paper roll.

プラズマCVD処理装置の略線図である。It is a basic diagram of a plasma CVD processing apparatus. T形溶射皮膜試験片に、アモルファス状炭素水素固形物膜を形成したの例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the example of having formed the amorphous carbon hydrogen solid film | membrane in the T-type sprayed-film test piece. 溶射皮膜被覆部材に、アモルファス状炭素水素固形物膜を形成した例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example which formed the amorphous carbon hydrogen solid substance film | membrane in the thermal spray coating coating | coated member. セラミック系溶射皮膜の表面に、アモルファス状炭素水素固形物膜を形成した場合の封孔・被覆状況の模式図である。It is a schematic diagram of the sealing and covering situation when an amorphous carbon hydrogen solid film is formed on the surface of a ceramic sprayed coating. ハロゲン化合物を含むガスを用いた腐食試験装置の略線図である。It is a basic diagram of the corrosion test apparatus using the gas containing a halogen compound.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応容器
2 溶射皮膜
3 導体
4 高電圧パルス発生電源
5 プラズマ発生用電源
6 重畳装置
7a、7b バルブ
9 高電圧導入部
21 鋼製基材
22 溶射皮膜
23 アモルファス状炭素水素固形物膜
31 基材
32 金属質溶射皮膜
33 セラミック溶射皮膜
34 アモルファス状炭素水素固形物膜
41 基材
42 セラミック溶射皮膜
43 貫通気孔
44 開気孔
45 アモルファス状炭素水素固形物膜
46 空隙部
51 試験片
52 電気炉
53 ステンレス鋼管
54 腐食性ガス
55 石英放電管
56 試験片設置台
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction container 2 Thermal spray coating 3 Conductor 4 High voltage pulse generation power source 5 Plasma generation power source 6 Superimposing device 7a, 7b Valve 9 High voltage introduction part 21 Steel base material 22 Thermal spray coating 23 Amorphous carbon hydrogen solid film 31 Base material 32 Metallic spray coating 33 Ceramic spray coating 34 Amorphous carbon hydrogen solid film 41 Base material 42 Ceramic spray coating 43 Through-hole 44 Open pore 45 Amorphous carbon hydrogen solid film 46 Void 51 Test piece 52 Electric furnace 53 Stainless steel tube 54 Corrosive gas 55 Quartz discharge tube 56 Test specimen mounting base

Claims (8)

溶射皮膜の開気孔部が、10〜45原子%の水素を含有するアモルファス状炭素水素固形物によって充填され、かつ該溶射皮膜表面には0.5〜80μmの膜厚のアモルファス状炭素水素固形物膜が被覆されていることを特徴とする耐食性溶射皮膜。 The open pores of the thermal spray coating are filled with an amorphous carbon hydrogen solid containing 10 to 45 atomic% of hydrogen, and the surface of the thermal spray coating has an amorphous carbon hydrogen solid with a thickness of 0.5 to 80 μm. A corrosion-resistant sprayed coating characterized by being coated with a film. 前記アモルファス状炭素水素固形物層は、炭素含有量90〜55原子%、水素含有量10〜45原子%の微小固体粒子からなり、硬さ(Hv)が700〜2800の特性を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の耐食性溶射皮膜。 The amorphous carbon hydrogen solid layer is composed of fine solid particles having a carbon content of 90 to 55 atomic% and a hydrogen content of 10 to 45 atomic%, and has a hardness (Hv) of 700 to 2800. The corrosion-resistant thermal spray coating according to claim 1. 前記溶射皮膜材料が、金属、サーメットおよびセラミックスから選ばれるいずれか1種以上のものであることを特徴とする請求項1または2に記載の耐食性溶射皮膜。 The corrosion-resistant thermal spray coating according to claim 1 or 2, wherein the thermal spray coating material is one or more selected from metals, cermets and ceramics. 前記溶射皮膜は、その表面に高エネルギー照射処理を施すことによって生成する2次再結晶層を有するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載の耐食性溶射皮膜。 The said thermal spray coating has a secondary recrystallization layer produced | generated by giving a high energy irradiation process to the surface, The corrosion-resistant thermal spray coating of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 排気した反応容器内に、被処理溶射皮膜を保持すると共に炭化水素系ガスを導入し、その溶射皮膜に高周波電力と高電圧パルスとを印加して、導入した前記炭化水素系ガスのプラズマを発生させると同時に該溶射皮膜を負の電位になるように保持することによって、該溶射皮膜の開気孔中ならびにその表面に10〜45原子%の水素を含有するアモルファス状炭素水素固形物を吸着させ、溶射皮膜内開気孔を封孔すると同時にその表面にも被覆して皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の封孔被覆方法。 Holds the sprayed coating to be treated and introduces a hydrocarbon gas into the evacuated reaction vessel, and applies high frequency power and high voltage pulses to the sprayed coating to generate plasma of the introduced hydrocarbon gas. At the same time, by holding the sprayed coating at a negative potential, the amorphous carbon-hydrogen solid containing 10 to 45 atomic% hydrogen is adsorbed in the open pores of the sprayed coating and on the surface thereof, A method for sealing and coating a sprayed coating, comprising sealing a surface of an open pore in a sprayed coating and simultaneously coating the surface thereof. 前記アモルファス状炭素水素固形物は、炭素含有量90〜55原子%、水素含有量10〜45原子%の微小固体粒子からなり、被覆膜は、0.5〜80μmの膜厚を有することを特徴とする請求項5に記載の溶射皮膜の封孔被覆方法。 The amorphous carbon hydrogen solid is composed of fine solid particles having a carbon content of 90 to 55 atomic% and a hydrogen content of 10 to 45 atomic%, and the coating film has a thickness of 0.5 to 80 μm. The sealing coating method of the thermal spray coating of Claim 5 characterized by the above-mentioned. 前記アモルファス状炭素水素固形物ならびにその膜は、硬さHv:700〜2800の特性を有することを特徴とする請求項5または6に記載の溶射皮膜の封孔被覆方法。 The method for sealing and covering a sprayed coating according to claim 5 or 6, wherein the amorphous carbon hydrogen solid and the film thereof have a characteristic of hardness Hv: 700 to 2800. 前記溶射皮膜は、その表面に高エネルギー照射処理を施すことによって生成する2次再結晶層を有するものを用いることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1に記載の溶射皮膜の封孔被覆方法。 The said thermal spray coating uses what has a secondary recrystallized layer produced | generated by giving a high energy irradiation process to the surface, The sealing of the thermal spray coating of any one of Claims 5-7 characterized by the above-mentioned. Coating method.
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