JP3439554B2 - セラミックコーティングを備えた金属基材の製造方法 - Google Patents
セラミックコーティングを備えた金属基材の製造方法Info
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- JP3439554B2 JP3439554B2 JP31813494A JP31813494A JP3439554B2 JP 3439554 B2 JP3439554 B2 JP 3439554B2 JP 31813494 A JP31813494 A JP 31813494A JP 31813494 A JP31813494 A JP 31813494A JP 3439554 B2 JP3439554 B2 JP 3439554B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ポリシラザンと耐熱合
金を含むコーティング用組成物を使用するセラミックコ
ーティングを備えた金属基材の製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】金属基材に高度の耐熱性、耐磨耗性、耐
酸化性、等を付与するためには、有機系塗料では不十分
であり、セラミックス系コーティングが用いられる。こ
のような目的に有用なセラミックス系コーティング用組
成物の一つとして、本出願人は特開平１−２０３４７６
号公報に、ポリシラザンにセラミックス充填剤を添加し
たコーティング用組成物を開示した。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】上記のようなセラミッ
クス充填剤を含有するコーティング用組成物から得られ
るコーティング膜は、８００℃以上といった高温環境に
おいて非常に高い耐熱性、耐酸化性、等を発揮するが、
基材が金属である場合には、セラミックス膜と基材との
熱膨張率の差が顕著となるため剥離や亀裂が生じる等、
密着性が十分ではないことがある。本発明の目的は、コ
ーティング膜と金属基材との熱膨張率差を小さくし、金
属基材に高度の耐熱性、耐酸化性、等を付与することが
できるセラミックコーティングを備えた金属基材の製造
方法を提供することにある。 【０００４】 【課題を解決するための手段】これら及びその他の目的
は、 （１）下記一般式（Ｉ）： 【０００５】 【化２】 【０００６】（上式中、Ｒ1、Ｒ2及びＲ3は、それぞれ
独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基、シクロア
ルキル基、アリール基、またはこれらの基以外でケイ素
に直結する基が炭素である基、アルキルシリル基、アル
キルアミノ基、アルコキシ基を表わす。ただし、Ｒ1、
Ｒ2及びＲ3の少なくとも１つは水素原子である）で表わ
される単位からなる主骨格を有する数平均分子量が１０
０〜５００００のポリシラザン１重量部に対し、Ni／Cr
系合金、Fe／Cr／Al系合金、Ni／Cr／Fe系合金及びMo系
合金からなる群より選ばれた少なくとも１種の針状、粒
状または鱗片状の耐熱合金２〜３０重量部を含むコーテ
ィング用組成物を金属基材に塗布した後、その塗膜を焼
成することを特徴とする、セラミックコーティングを備
えた金属基材の製造方法によって達成される。 【０００７】本発明の好ましい実施態様を以下に列挙す
る。 （２）前記コーティング組成物が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、
Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、
Ｚｒ、Ｃｅ及びＢから成る群より選ばれた少なくとも１
種の金属充填剤をさらに含有することを特徴とする
（１）項に記載の製造方法。 （３）前記耐熱合金がＮｉ−２０Ｃｒであることを特徴
とする（１）項又は（２）項に記載の製造方法。 【０００８】本発明によれば、ポリシラザンと耐熱合金
とを含むコーティング用組成物を用いることにより、８
００℃以上の高温環境下でも十分な耐熱性、耐酸化性、
等を発揮し、しかも金属基材との密着性がよいセラミッ
クス膜が形成される。ここで、「密着性がよい」とは、
コーティング膜と金属基材との熱膨張率の差に起因する
剥離や亀裂が発生しにくいことを意味する。 【０００９】用いるポリシラザンは、分子内に少なくと
もＳｉ−Ｈ結合、あるいはＮ−Ｈ結合を有するポリシラ
ザンであればよく、ポリシラザン単独は勿論のこと、ポ
リシラザンと他のポリマーとの共重合体やポリシラザン
と他の化合物との混合物でも利用できる。 【００１０】用いるポリシラザンには、鎖状、環状、あ
るいは架橋構造を有するもの、あるいは分子内にこれら
複数の構造を同時に有するものがあり、これら単独でも
あるいは混合物でも利用できる。用いるポリシラザンの
代表例としては下記のようなものがあるが、これらに限
定されるものではない。セラミックス膜の硬度（緻密
性）の点からはペルヒドロポリシラザンが好ましい。こ
れらポリシラザンの選択は、用途に合わせて適宜行うこ
とができる。 【００１１】上記一般式（Ｉ）でＲ1 、Ｒ2 及びＲ3 に
水素原子を有するものは、ペルヒドロポリシラザンであ
り、その製造法は、例えば特公昭６３−１６３２５号公
報、D. Seyferth らCommunication of Am. Cer. Soc.,
C-13, January 1983. に報告されている。これらの方法
で得られるものは、種々の構造を有するポリマーの混合
物であるが、基本的には分子内に鎖状部分と環状部分を
含み、 【００１２】 【化３】 【００１３】の化学式で表わすことができる。ペルヒド
ロポリシラザンの構造の一例を以下に示す。 【００１４】 【化４】【００１５】一般式（Ｉ）でＲ1 及びＲ2 に水素原子、
Ｒ3 にメチル基を有するポリシラザンの製造方法は、D.
Seyferth らPolym. Prepr., Am. Chem. Soc., Div. Po
lym.Chem., 25, 10（1984）に報告されている。この方
法により得られるポリシラザンは、繰り返し単位が−
（ＳｉＨ2 ＮＣＨ3 ）−の鎖状ポリマーと環状ポリマー
であり、いずれも架橋構造をもたない。 【００１６】一般式（Ｉ）でＲ1 及びＲ3 に水素原子、
Ｒ2 に有機基を有するポリオルガノ（ヒドロ）シラザン
の製造法は、D. Seyferth らPolym. Prepr., Am. Chem.
Soc., Div. Polym. Chem., 25, 10（1984）、特開昭６
１−８９２３０号公報、同６２−１５６１３５号公報に
報告されている。これらの方法により得られるポリシラ
ザンには、−（Ｒ2 ＳｉＨＮＨ）−を繰り返し単位とし
て、主として重合度が３〜５の環状構造を有するものや
（Ｒ3 ＳｉＨＮＨ）X 〔（Ｒ2 ＳｉＨ）1.5 Ｎ〕
1-X （０．４＜ｘ＜１）の化学式で示される分子内に鎖
状構造と環状構造を同時に有するものがある。 【００１７】一般式（Ｉ）でＲ1 に水素原子、Ｒ2 及び
Ｒ3 に有機基を有するポリシラザン、またＲ1 及びＲ2
に有機基、Ｒ3 に水素原子を有するものは、−（Ｒ1 Ｒ
2 ＳｉＮＲ3 ）−を繰り返し単位として、主に重合度が
３〜５の環状構造を有している。用いるポリシラザン
は、上記一般式（Ｉ）で表わされる単位からなる主骨格
を有するが、一般式（Ｉ）で表わされる単位は、上記に
も明らかなように環状化することがあり、その場合には
その環状部分が末端基となり、このような環状化がされ
ない場合には、主骨格の末端はＲ1 、Ｒ2 、Ｒ3 と同様
の基又は水素であることができる。 【００１８】ポリオルガノ（ヒドロ）シラザンの中に
は、D. Seyferth らCommunication ofAm. Cer. Soc., C
-132, July 1984. が報告されている様な分子内に架橋
構造を有するものもある。一例を下記に示す。 【００１９】 【化５】 【００２０】また、特開昭４９−６９７１７号に報告さ
れている様なＲ1 ＳｉＸ3 （Ｘ：ハロゲン）のアンモニ
ア分解によって得られる架橋構造を有するポリシラザン
（Ｒ 1 Ｓｉ（ＮＨ）X ）、あるいはＲ1 ＳｉＸ3 及びＲ
2 2ＳｉＸ2 の共アンモニア分解によって得られる下記の
構造を有するポリシラザンも出発材料として用いること
ができる。 【００２１】 【化６】【００２２】さらに、下記の構造（式中、側鎖の金属原
子であるＭは架橋をなしていてもよい）のように金属原
子を含むポリメタロシラザンも出発材料として用いるこ
とができる。 【００２３】 【化７】 【００２４】その他、特開昭６２−１９５０２４号に報
告されているような繰り返し単位が〔（ＳｉＨ2 ）
n （ＮＨ）m 〕及び〔（ＳｉＨ2 ）r Ｏ〕（これらの式
中、ｎ、ｍ、ｒはそれぞれ１、２または３である）で表
わされるポリシロキサザン、特開平２−８４４３７号に
報告されているようなポリシラザンにボロン化合物を反
応させて製造する耐熱性に優れたポリボロシラザン、特
開昭６３−８１１２２号、同６３−１９１８３２号、特
開平２−７７４２７号に報告されているようなポリシラ
ザンとメタルアルコキシドとを反応させて製造するポリ
メタロシラザン、特開平１−１３８１０８号、同１−１
３８１０７号、同１−２０３４２９号、同１−２０３４
３０号、同４−６３８３３号、同３−３２０１６７号に
報告されているような分子量を増加させたり（上記公報
の前４者）、耐加水分解性を向上させた（後２者）、無
機シラザン高重合体や改質ポリシラザン、特開平２−１
７５７２６号、同５−８６２００号、同５−３３１２９
３号、同３−３１３２６号に報告されているようなポリ
シラザンに有機成分を導入した厚膜化に有利な共重合シ
ラザン、特開平５−２３８８２７号、特願平４−２７２
０２０号、同５−９３２７５号、同５−２１４２６８
号、同５−３０７５０号、同５−３３８５２４号に報告
されているようなポリシラザンにセラミック化を促進す
るための触媒的化合物を付加または添加した金属への施
工が可能で、より低温でセラミックス化する低温セラミ
ックス化ポリシラザンなども同様に使用できる。 【００２５】本発明により用いるポリシラザンは、分子
量が低すぎると、焼成時の収率が低くなり、実用的でな
い。一方分子量が高すぎると溶液の安定性が低く、健全
な膜が得られない。これらの理由から、用いるポリシラ
ザンの分子量は数平均分子量で下限は１００、好ましく
は５００である。また、上限は５万、好ましくは１００
００である。 【００２６】本発明のコーティング用組成物は、上記の
ようなポリシラザンの他、少なくとも１種の耐熱合金を
含有する。このような耐熱合金の例として、Ｎｉ／Ｃｒ
系合金、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ系合金、Ｎｉ／Ｃｒ／Ｆｅ系
合金及びＭｏ系合金が挙げられる。Ｎｉ／Ｃｒ系合金、
特にＮｉ−２０Ｃｒ（Ｎｉ８０％、Ｃｒ２０％）系合金
が好ましい。 【００２７】本発明に用いる耐熱合金は、針状（ウィス
カーを含む）、粒状、鱗片状等種々の形状のものを単独
又は２種以上混合して用いることができる。これら耐熱
合金の粒子の大きさは１回に適用可能な膜厚よりも小さ
いことが望ましい。また、耐熱合金の添加量は、金属基
材や耐熱合金の種類、所望の熱膨張率、等により変動す
るが、ポリシラザン１重量部に対し、一般に１〜５０重
量部、好ましくは２〜３０重量部とする。 【００２８】本発明のコーティング用組成物には、上記
の耐熱合金の他、金属基材との密着性や、耐酸化性、耐
衝撃性、等を向上させる目的で、金属充填剤を含有させ
てもよい。コーティング膜の耐熱性を損なわないよう、
この金属充填剤は高融点の金属または合金の充填剤であ
ることが好ましい。好ましい金属充填剤としてＡｌ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｃｅ及びＢ、等が挙げられる。本発明
の特に好ましいコーティング用組成物は、ポリシラザン
１重量部に対し、２〜３０重量部のＮｉ−２０Ｃｒ及び
０．１〜１０重量部のＡｌを含有する組成物である。 【００２９】耐熱合金及び（所望による）金属充填剤は
コーティング用組成物に均一に分散させるべきである。
均一に分散させる方法として、攪拌、超音波分散、ボー
ルミル、振動ミル、ペイントシェーカー、アトライタ
ー、等による分散処理法が挙げられる。 【００３０】本発明のコーティング用組成物は、ポリシ
ラザンと耐熱合金とを適当な溶剤中に含有させて調製さ
れる。溶剤としては、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水
素、芳香族炭化水素の炭化水素溶媒、ハロゲン化メタ
ン、ハロゲン化エタン、ハロゲン化ベンゼン等のハロゲ
ン化炭化水素、脂肪族エーテル、脂環式エーテル等のエ
ーテル類を使用することができる。好ましい溶媒は、塩
化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、ブロモホル
ム、塩化エチレン、塩化エチリデン、トリクロロエタ
ン、テトラクロロエタン等のハロゲン化炭化水素、エチ
ルエーテル、イソプロピルエーテル、エチルブチルエー
テル、ブチルエーテル、１，２−ジオキシエタン、ジオ
キサン、ジメチルジオキサン、テトラヒドロフラン、テ
トラヒドロピラン等のエーテル類、ペンタンヘキサン、
イソヘキサン、メチルペンタン、ヘプタン、イソヘプタ
ン、オクタン、イソオクタン、シクロペンタン、メチル
シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサ
ン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等
の炭化水素等である。これらの溶剤を使用する場合、ポ
リシラザンの溶解度や溶剤の蒸発速度を調節するため
に、２種類以上の溶剤を混合してもよい。 【００３１】溶剤の使用量（割合）は採用するコーティ
ング方法により作業性がよくなるように選択され、また
用いるポリシラザンの平均分子量、分子量分布、その構
造によって異なるので、適宜、自由に混合することがで
きる。好ましくは固形分濃度で５０〜９９重量％の範囲
で混合することができる。 【００３２】また、本発明のコーティング用組成物にお
いて、上記の耐熱合金及び金属充填剤の他、得られるセ
ラミック膜の熱膨張率に悪影響を及ぼさない範囲で、必
要に応じて適当な充填剤及び／又は増量剤を加えること
ができる。充填剤の例としてはシリカ、アルミナ、ジル
コニア、マイカを始めとする酸化物系無機物あるいは炭
化珪素、窒化珪素等の非酸化物系無機物の微粉等が挙げ
られる。さらに充填剤の例を詳しく述べれば、シリカゾ
ル、ジルコニアゾル、アルミナゾル、チタニアゾル等の
ゾル：ケイ砂、石英、ノバキュライト、ケイ藻土等のシ
リカ系：合成無定形シリカ：カオリナイト、雲母、滑
石、ウオラストナイト、アスベスト、ケイ酸カルシウ
ム、ケイ酸アルミニウム等のケイ酸塩：ガラス粉末、ガ
ラス球、中空ガラス球、ガラスフレーク、泡ガラス球等
のガラス体：窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタン、
ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2 ）、ホウ化クロム（Ｃｒ
Ｂ2 ）等のホウ化物、炭化アルミニウム、炭化ケイ素、
炭化チタン等の炭化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ
素、窒化チタン等の窒化物、二ケイ化モリブデン（Ｍｏ
Ｓｉ2 ）等のケイ化物、等の非酸化物系無機物：炭酸カ
ルシウム：酸化亜鉛、アルミナ、マグネシア、酸化チタ
ン、酸化ベリリウム等の金属酸化物：硫酸バリウム、二
硫化モリブデン、二硫化タングステン、弗化炭素その他
無機物：ＮｉＡｌ等の金属間化合物：ステンレススチー
ル、等の金属粉末、等があげられる。 【００３３】コーティング用組成物には、必要に応じて
各種顔料、レベリング剤、消泡剤、帯電防止剤、紫外線
吸収剤、pH調整剤、分散剤、表面改質剤、可塑剤、乾燥
促進剤、流れ止め剤、等を加えてもよい。本発明のコー
ティング用組成物は、特に高温で用いられる金属基材に
塗被すると有用である。このような金属基材として、例
えば、ステンレス鋼（例、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１
６、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ４３０）、Ｎｉ、Ｔｉ、等が
挙げられる。金属基材の形状（面積や厚さ）には特に制
限はなく、用途に応じた任意の形状の金属基材を使用す
ることができる。 【００３４】本発明のコーティング用組成物を、上記の
ような金属基材の少なくとも一部に適用することによっ
てポリシラザンの膜を形成する。適用方法は、通常実施
されている塗布方法、すなわちスピンコート、浸漬、ロ
ール塗り、バー塗り、刷毛塗り、スプレー塗り、フロー
塗り等が用いられる。また、塗布前に金属基材をヤスリ
がけ、脱脂、各種ブラスト、等で表面処理しておくとコ
ーティング組成物の付着性能が向上する。このような方
法でコーティングし、充分乾燥させた後、加熱・焼成す
る。この焼成によって耐熱合金含有ポリシラザンは架
橋、縮合、あるいは、焼成雰囲気によっては酸化、加水
分解して硬化し、強靱な被膜を形成する。 【００３５】上記焼成条件はポリシラザンの分子量や構
造などによって異なる。焼成温度はポリシラザンがセラ
ミックス化する温度、通常４００℃以上が好ましいが、
より低温でセラミックス化するタイプのポリシラザンで
は、例えば１３０〜３５０℃でもよい。しかしながら、
得られる最終セラミックス膜の耐熱性を確認するために
も、一般には８００℃以上、好ましくは１０００℃以上
で焼成する。昇温速度は特に限定しないが、５〜２０℃
／分の緩やかな昇温速度が好ましい。焼成雰囲気は酸素
中、空気中あるいは不活性ガス等のいずれであってもよ
いが、空気中がより好ましい。空気中での焼成により耐
熱合金含有ポリシラザンの酸化、あるいは空気中に共存
する水蒸気による加水分解が進行し、上記のような低い
焼成温度でＳｉ−Ｏ結合あるいはＳｉ−Ｎ結合を主体と
する強靱な被膜の形成が可能となる。 【００３６】こうして、本発明のコーティング組成物を
焼成すると、硬度８Ｈ以上、さらには９Ｈ以上（鉛筆硬
度）の高硬度で且つ緻密なセラミックス膜が塗布、硬化
という通常の簡便な方法で得られる。このようにして得
られるセラミックス膜は、金属基材との熱膨張率差が小
さいので８００℃以上、さらには１０００℃以上での高
温使用時にも剥離や亀裂が発生することがなく密着性が
良好である。 【００３７】 【実施例】実施例によって本発明をさらに説明する。東
燃製ペルヒドロポリシラザン（ＰＨＰＳ−１；Ｍｎ＝７
００）の６０％キシレン溶液と、３５０メッシュのＮｉ
−２０Ｃｒ粉末と、２００メッシュのＡｌ粉末と、キシ
レンとを各々１５ｇ、８０ｇ、２０ｇ及び３ｇずつをボ
ールミルで混合し、ペースト状コーティング液を調製し
た。この液を１０ｃｍ×１０ｃｍ×３ｍｍのＳＵＳ３１
０基板に刷毛塗りし、室温で１０分間乾燥した。次い
で、１０℃／分の速度で１１００℃まで昇温し、その温
度で１時間保持した後に炉冷した。得られた膜厚は１５
０μｍであった。 【００３８】得られたコーティング膜試料に、大気中、
１１００℃において１００時間保持する耐熱／耐酸化試
験を施したところ、亀裂、剥離、等は観察されず硬質膜
が維持されており、本発明によるコーティング膜が耐熱
性／耐酸化性に優れていることが示された。また、得ら
れたコーティング膜のＳＵＳ３１０基板に対する密着性
をクロスカット試験により評価した。試験結果は１００
／１００となり、良好な密着性を示した。さらに、ハン
マーによる衝撃試験を施したところ、亀裂、剥離、等は
認められず、本発明によるコーティング膜が耐衝撃性に
優れていることが示された。 【００３９】 【発明の効果】本発明によると、ポリシラザンと耐熱合
金とを含むコーティング用組成物を用いることにより、
８００℃以上の高温環境下でも十分な耐熱性、耐酸化性
を発揮すると共に、金属基材との熱膨張率差が小さいた
め該基材との密着性がよいセラミックス膜が形成され
る。本発明によるコーティング用組成物は、ガスタービ
ン、各種プラントの高温サービス、等において特に有用
である。
金を含むコーティング用組成物を使用するセラミックコ
ーティングを備えた金属基材の製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】金属基材に高度の耐熱性、耐磨耗性、耐
酸化性、等を付与するためには、有機系塗料では不十分
であり、セラミックス系コーティングが用いられる。こ
のような目的に有用なセラミックス系コーティング用組
成物の一つとして、本出願人は特開平１−２０３４７６
号公報に、ポリシラザンにセラミックス充填剤を添加し
たコーティング用組成物を開示した。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】上記のようなセラミッ
クス充填剤を含有するコーティング用組成物から得られ
るコーティング膜は、８００℃以上といった高温環境に
おいて非常に高い耐熱性、耐酸化性、等を発揮するが、
基材が金属である場合には、セラミックス膜と基材との
熱膨張率の差が顕著となるため剥離や亀裂が生じる等、
密着性が十分ではないことがある。本発明の目的は、コ
ーティング膜と金属基材との熱膨張率差を小さくし、金
属基材に高度の耐熱性、耐酸化性、等を付与することが
できるセラミックコーティングを備えた金属基材の製造
方法を提供することにある。 【０００４】 【課題を解決するための手段】これら及びその他の目的
は、 （１）下記一般式（Ｉ）： 【０００５】 【化２】 【０００６】（上式中、Ｒ1、Ｒ2及びＲ3は、それぞれ
独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基、シクロア
ルキル基、アリール基、またはこれらの基以外でケイ素
に直結する基が炭素である基、アルキルシリル基、アル
キルアミノ基、アルコキシ基を表わす。ただし、Ｒ1、
Ｒ2及びＲ3の少なくとも１つは水素原子である）で表わ
される単位からなる主骨格を有する数平均分子量が１０
０〜５００００のポリシラザン１重量部に対し、Ni／Cr
系合金、Fe／Cr／Al系合金、Ni／Cr／Fe系合金及びMo系
合金からなる群より選ばれた少なくとも１種の針状、粒
状または鱗片状の耐熱合金２〜３０重量部を含むコーテ
ィング用組成物を金属基材に塗布した後、その塗膜を焼
成することを特徴とする、セラミックコーティングを備
えた金属基材の製造方法によって達成される。 【０００７】本発明の好ましい実施態様を以下に列挙す
る。 （２）前記コーティング組成物が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、
Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、
Ｚｒ、Ｃｅ及びＢから成る群より選ばれた少なくとも１
種の金属充填剤をさらに含有することを特徴とする
（１）項に記載の製造方法。 （３）前記耐熱合金がＮｉ−２０Ｃｒであることを特徴
とする（１）項又は（２）項に記載の製造方法。 【０００８】本発明によれば、ポリシラザンと耐熱合金
とを含むコーティング用組成物を用いることにより、８
００℃以上の高温環境下でも十分な耐熱性、耐酸化性、
等を発揮し、しかも金属基材との密着性がよいセラミッ
クス膜が形成される。ここで、「密着性がよい」とは、
コーティング膜と金属基材との熱膨張率の差に起因する
剥離や亀裂が発生しにくいことを意味する。 【０００９】用いるポリシラザンは、分子内に少なくと
もＳｉ−Ｈ結合、あるいはＮ−Ｈ結合を有するポリシラ
ザンであればよく、ポリシラザン単独は勿論のこと、ポ
リシラザンと他のポリマーとの共重合体やポリシラザン
と他の化合物との混合物でも利用できる。 【００１０】用いるポリシラザンには、鎖状、環状、あ
るいは架橋構造を有するもの、あるいは分子内にこれら
複数の構造を同時に有するものがあり、これら単独でも
あるいは混合物でも利用できる。用いるポリシラザンの
代表例としては下記のようなものがあるが、これらに限
定されるものではない。セラミックス膜の硬度（緻密
性）の点からはペルヒドロポリシラザンが好ましい。こ
れらポリシラザンの選択は、用途に合わせて適宜行うこ
とができる。 【００１１】上記一般式（Ｉ）でＲ1 、Ｒ2 及びＲ3 に
水素原子を有するものは、ペルヒドロポリシラザンであ
り、その製造法は、例えば特公昭６３−１６３２５号公
報、D. Seyferth らCommunication of Am. Cer. Soc.,
C-13, January 1983. に報告されている。これらの方法
で得られるものは、種々の構造を有するポリマーの混合
物であるが、基本的には分子内に鎖状部分と環状部分を
含み、 【００１２】 【化３】 【００１３】の化学式で表わすことができる。ペルヒド
ロポリシラザンの構造の一例を以下に示す。 【００１４】 【化４】【００１５】一般式（Ｉ）でＲ1 及びＲ2 に水素原子、
Ｒ3 にメチル基を有するポリシラザンの製造方法は、D.
Seyferth らPolym. Prepr., Am. Chem. Soc., Div. Po
lym.Chem., 25, 10（1984）に報告されている。この方
法により得られるポリシラザンは、繰り返し単位が−
（ＳｉＨ2 ＮＣＨ3 ）−の鎖状ポリマーと環状ポリマー
であり、いずれも架橋構造をもたない。 【００１６】一般式（Ｉ）でＲ1 及びＲ3 に水素原子、
Ｒ2 に有機基を有するポリオルガノ（ヒドロ）シラザン
の製造法は、D. Seyferth らPolym. Prepr., Am. Chem.
Soc., Div. Polym. Chem., 25, 10（1984）、特開昭６
１−８９２３０号公報、同６２−１５６１３５号公報に
報告されている。これらの方法により得られるポリシラ
ザンには、−（Ｒ2 ＳｉＨＮＨ）−を繰り返し単位とし
て、主として重合度が３〜５の環状構造を有するものや
（Ｒ3 ＳｉＨＮＨ）X 〔（Ｒ2 ＳｉＨ）1.5 Ｎ〕
1-X （０．４＜ｘ＜１）の化学式で示される分子内に鎖
状構造と環状構造を同時に有するものがある。 【００１７】一般式（Ｉ）でＲ1 に水素原子、Ｒ2 及び
Ｒ3 に有機基を有するポリシラザン、またＲ1 及びＲ2
に有機基、Ｒ3 に水素原子を有するものは、−（Ｒ1 Ｒ
2 ＳｉＮＲ3 ）−を繰り返し単位として、主に重合度が
３〜５の環状構造を有している。用いるポリシラザン
は、上記一般式（Ｉ）で表わされる単位からなる主骨格
を有するが、一般式（Ｉ）で表わされる単位は、上記に
も明らかなように環状化することがあり、その場合には
その環状部分が末端基となり、このような環状化がされ
ない場合には、主骨格の末端はＲ1 、Ｒ2 、Ｒ3 と同様
の基又は水素であることができる。 【００１８】ポリオルガノ（ヒドロ）シラザンの中に
は、D. Seyferth らCommunication ofAm. Cer. Soc., C
-132, July 1984. が報告されている様な分子内に架橋
構造を有するものもある。一例を下記に示す。 【００１９】 【化５】 【００２０】また、特開昭４９−６９７１７号に報告さ
れている様なＲ1 ＳｉＸ3 （Ｘ：ハロゲン）のアンモニ
ア分解によって得られる架橋構造を有するポリシラザン
（Ｒ 1 Ｓｉ（ＮＨ）X ）、あるいはＲ1 ＳｉＸ3 及びＲ
2 2ＳｉＸ2 の共アンモニア分解によって得られる下記の
構造を有するポリシラザンも出発材料として用いること
ができる。 【００２１】 【化６】【００２２】さらに、下記の構造（式中、側鎖の金属原
子であるＭは架橋をなしていてもよい）のように金属原
子を含むポリメタロシラザンも出発材料として用いるこ
とができる。 【００２３】 【化７】 【００２４】その他、特開昭６２−１９５０２４号に報
告されているような繰り返し単位が〔（ＳｉＨ2 ）
n （ＮＨ）m 〕及び〔（ＳｉＨ2 ）r Ｏ〕（これらの式
中、ｎ、ｍ、ｒはそれぞれ１、２または３である）で表
わされるポリシロキサザン、特開平２−８４４３７号に
報告されているようなポリシラザンにボロン化合物を反
応させて製造する耐熱性に優れたポリボロシラザン、特
開昭６３−８１１２２号、同６３−１９１８３２号、特
開平２−７７４２７号に報告されているようなポリシラ
ザンとメタルアルコキシドとを反応させて製造するポリ
メタロシラザン、特開平１−１３８１０８号、同１−１
３８１０７号、同１−２０３４２９号、同１−２０３４
３０号、同４−６３８３３号、同３−３２０１６７号に
報告されているような分子量を増加させたり（上記公報
の前４者）、耐加水分解性を向上させた（後２者）、無
機シラザン高重合体や改質ポリシラザン、特開平２−１
７５７２６号、同５−８６２００号、同５−３３１２９
３号、同３−３１３２６号に報告されているようなポリ
シラザンに有機成分を導入した厚膜化に有利な共重合シ
ラザン、特開平５−２３８８２７号、特願平４−２７２
０２０号、同５−９３２７５号、同５−２１４２６８
号、同５−３０７５０号、同５−３３８５２４号に報告
されているようなポリシラザンにセラミック化を促進す
るための触媒的化合物を付加または添加した金属への施
工が可能で、より低温でセラミックス化する低温セラミ
ックス化ポリシラザンなども同様に使用できる。 【００２５】本発明により用いるポリシラザンは、分子
量が低すぎると、焼成時の収率が低くなり、実用的でな
い。一方分子量が高すぎると溶液の安定性が低く、健全
な膜が得られない。これらの理由から、用いるポリシラ
ザンの分子量は数平均分子量で下限は１００、好ましく
は５００である。また、上限は５万、好ましくは１００
００である。 【００２６】本発明のコーティング用組成物は、上記の
ようなポリシラザンの他、少なくとも１種の耐熱合金を
含有する。このような耐熱合金の例として、Ｎｉ／Ｃｒ
系合金、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ系合金、Ｎｉ／Ｃｒ／Ｆｅ系
合金及びＭｏ系合金が挙げられる。Ｎｉ／Ｃｒ系合金、
特にＮｉ−２０Ｃｒ（Ｎｉ８０％、Ｃｒ２０％）系合金
が好ましい。 【００２７】本発明に用いる耐熱合金は、針状（ウィス
カーを含む）、粒状、鱗片状等種々の形状のものを単独
又は２種以上混合して用いることができる。これら耐熱
合金の粒子の大きさは１回に適用可能な膜厚よりも小さ
いことが望ましい。また、耐熱合金の添加量は、金属基
材や耐熱合金の種類、所望の熱膨張率、等により変動す
るが、ポリシラザン１重量部に対し、一般に１〜５０重
量部、好ましくは２〜３０重量部とする。 【００２８】本発明のコーティング用組成物には、上記
の耐熱合金の他、金属基材との密着性や、耐酸化性、耐
衝撃性、等を向上させる目的で、金属充填剤を含有させ
てもよい。コーティング膜の耐熱性を損なわないよう、
この金属充填剤は高融点の金属または合金の充填剤であ
ることが好ましい。好ましい金属充填剤としてＡｌ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｃｅ及びＢ、等が挙げられる。本発明
の特に好ましいコーティング用組成物は、ポリシラザン
１重量部に対し、２〜３０重量部のＮｉ−２０Ｃｒ及び
０．１〜１０重量部のＡｌを含有する組成物である。 【００２９】耐熱合金及び（所望による）金属充填剤は
コーティング用組成物に均一に分散させるべきである。
均一に分散させる方法として、攪拌、超音波分散、ボー
ルミル、振動ミル、ペイントシェーカー、アトライタ
ー、等による分散処理法が挙げられる。 【００３０】本発明のコーティング用組成物は、ポリシ
ラザンと耐熱合金とを適当な溶剤中に含有させて調製さ
れる。溶剤としては、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水
素、芳香族炭化水素の炭化水素溶媒、ハロゲン化メタ
ン、ハロゲン化エタン、ハロゲン化ベンゼン等のハロゲ
ン化炭化水素、脂肪族エーテル、脂環式エーテル等のエ
ーテル類を使用することができる。好ましい溶媒は、塩
化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、ブロモホル
ム、塩化エチレン、塩化エチリデン、トリクロロエタ
ン、テトラクロロエタン等のハロゲン化炭化水素、エチ
ルエーテル、イソプロピルエーテル、エチルブチルエー
テル、ブチルエーテル、１，２−ジオキシエタン、ジオ
キサン、ジメチルジオキサン、テトラヒドロフラン、テ
トラヒドロピラン等のエーテル類、ペンタンヘキサン、
イソヘキサン、メチルペンタン、ヘプタン、イソヘプタ
ン、オクタン、イソオクタン、シクロペンタン、メチル
シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサ
ン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等
の炭化水素等である。これらの溶剤を使用する場合、ポ
リシラザンの溶解度や溶剤の蒸発速度を調節するため
に、２種類以上の溶剤を混合してもよい。 【００３１】溶剤の使用量（割合）は採用するコーティ
ング方法により作業性がよくなるように選択され、また
用いるポリシラザンの平均分子量、分子量分布、その構
造によって異なるので、適宜、自由に混合することがで
きる。好ましくは固形分濃度で５０〜９９重量％の範囲
で混合することができる。 【００３２】また、本発明のコーティング用組成物にお
いて、上記の耐熱合金及び金属充填剤の他、得られるセ
ラミック膜の熱膨張率に悪影響を及ぼさない範囲で、必
要に応じて適当な充填剤及び／又は増量剤を加えること
ができる。充填剤の例としてはシリカ、アルミナ、ジル
コニア、マイカを始めとする酸化物系無機物あるいは炭
化珪素、窒化珪素等の非酸化物系無機物の微粉等が挙げ
られる。さらに充填剤の例を詳しく述べれば、シリカゾ
ル、ジルコニアゾル、アルミナゾル、チタニアゾル等の
ゾル：ケイ砂、石英、ノバキュライト、ケイ藻土等のシ
リカ系：合成無定形シリカ：カオリナイト、雲母、滑
石、ウオラストナイト、アスベスト、ケイ酸カルシウ
ム、ケイ酸アルミニウム等のケイ酸塩：ガラス粉末、ガ
ラス球、中空ガラス球、ガラスフレーク、泡ガラス球等
のガラス体：窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタン、
ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2 ）、ホウ化クロム（Ｃｒ
Ｂ2 ）等のホウ化物、炭化アルミニウム、炭化ケイ素、
炭化チタン等の炭化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ
素、窒化チタン等の窒化物、二ケイ化モリブデン（Ｍｏ
Ｓｉ2 ）等のケイ化物、等の非酸化物系無機物：炭酸カ
ルシウム：酸化亜鉛、アルミナ、マグネシア、酸化チタ
ン、酸化ベリリウム等の金属酸化物：硫酸バリウム、二
硫化モリブデン、二硫化タングステン、弗化炭素その他
無機物：ＮｉＡｌ等の金属間化合物：ステンレススチー
ル、等の金属粉末、等があげられる。 【００３３】コーティング用組成物には、必要に応じて
各種顔料、レベリング剤、消泡剤、帯電防止剤、紫外線
吸収剤、pH調整剤、分散剤、表面改質剤、可塑剤、乾燥
促進剤、流れ止め剤、等を加えてもよい。本発明のコー
ティング用組成物は、特に高温で用いられる金属基材に
塗被すると有用である。このような金属基材として、例
えば、ステンレス鋼（例、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１
６、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ４３０）、Ｎｉ、Ｔｉ、等が
挙げられる。金属基材の形状（面積や厚さ）には特に制
限はなく、用途に応じた任意の形状の金属基材を使用す
ることができる。 【００３４】本発明のコーティング用組成物を、上記の
ような金属基材の少なくとも一部に適用することによっ
てポリシラザンの膜を形成する。適用方法は、通常実施
されている塗布方法、すなわちスピンコート、浸漬、ロ
ール塗り、バー塗り、刷毛塗り、スプレー塗り、フロー
塗り等が用いられる。また、塗布前に金属基材をヤスリ
がけ、脱脂、各種ブラスト、等で表面処理しておくとコ
ーティング組成物の付着性能が向上する。このような方
法でコーティングし、充分乾燥させた後、加熱・焼成す
る。この焼成によって耐熱合金含有ポリシラザンは架
橋、縮合、あるいは、焼成雰囲気によっては酸化、加水
分解して硬化し、強靱な被膜を形成する。 【００３５】上記焼成条件はポリシラザンの分子量や構
造などによって異なる。焼成温度はポリシラザンがセラ
ミックス化する温度、通常４００℃以上が好ましいが、
より低温でセラミックス化するタイプのポリシラザンで
は、例えば１３０〜３５０℃でもよい。しかしながら、
得られる最終セラミックス膜の耐熱性を確認するために
も、一般には８００℃以上、好ましくは１０００℃以上
で焼成する。昇温速度は特に限定しないが、５〜２０℃
／分の緩やかな昇温速度が好ましい。焼成雰囲気は酸素
中、空気中あるいは不活性ガス等のいずれであってもよ
いが、空気中がより好ましい。空気中での焼成により耐
熱合金含有ポリシラザンの酸化、あるいは空気中に共存
する水蒸気による加水分解が進行し、上記のような低い
焼成温度でＳｉ−Ｏ結合あるいはＳｉ−Ｎ結合を主体と
する強靱な被膜の形成が可能となる。 【００３６】こうして、本発明のコーティング組成物を
焼成すると、硬度８Ｈ以上、さらには９Ｈ以上（鉛筆硬
度）の高硬度で且つ緻密なセラミックス膜が塗布、硬化
という通常の簡便な方法で得られる。このようにして得
られるセラミックス膜は、金属基材との熱膨張率差が小
さいので８００℃以上、さらには１０００℃以上での高
温使用時にも剥離や亀裂が発生することがなく密着性が
良好である。 【００３７】 【実施例】実施例によって本発明をさらに説明する。東
燃製ペルヒドロポリシラザン（ＰＨＰＳ−１；Ｍｎ＝７
００）の６０％キシレン溶液と、３５０メッシュのＮｉ
−２０Ｃｒ粉末と、２００メッシュのＡｌ粉末と、キシ
レンとを各々１５ｇ、８０ｇ、２０ｇ及び３ｇずつをボ
ールミルで混合し、ペースト状コーティング液を調製し
た。この液を１０ｃｍ×１０ｃｍ×３ｍｍのＳＵＳ３１
０基板に刷毛塗りし、室温で１０分間乾燥した。次い
で、１０℃／分の速度で１１００℃まで昇温し、その温
度で１時間保持した後に炉冷した。得られた膜厚は１５
０μｍであった。 【００３８】得られたコーティング膜試料に、大気中、
１１００℃において１００時間保持する耐熱／耐酸化試
験を施したところ、亀裂、剥離、等は観察されず硬質膜
が維持されており、本発明によるコーティング膜が耐熱
性／耐酸化性に優れていることが示された。また、得ら
れたコーティング膜のＳＵＳ３１０基板に対する密着性
をクロスカット試験により評価した。試験結果は１００
／１００となり、良好な密着性を示した。さらに、ハン
マーによる衝撃試験を施したところ、亀裂、剥離、等は
認められず、本発明によるコーティング膜が耐衝撃性に
優れていることが示された。 【００３９】 【発明の効果】本発明によると、ポリシラザンと耐熱合
金とを含むコーティング用組成物を用いることにより、
８００℃以上の高温環境下でも十分な耐熱性、耐酸化性
を発揮すると共に、金属基材との熱膨張率差が小さいた
め該基材との密着性がよいセラミックス膜が形成され
る。本発明によるコーティング用組成物は、ガスタービ
ン、各種プラントの高温サービス、等において特に有用
である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭63−234069（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−221466（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−47862（ＪＰ，Ａ)
特開 昭53−54214（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−301848（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−7377（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−58580（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−84370（ＪＰ，Ａ)
特表 平８−503510（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C23C 26/00
B32B 15/04
C04B 41/84
C09D 7/12
C09D 183/16
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 数平均分子量が１００〜５００００のペ
ルヒドロポリシラザン１重量部に対し、Ni／Cr系合金、
Fe／Cr／Al系合金、Ni／Cr／Fe系合金及びMo系合金から
なる群より選ばれた少なくとも１種の針状、粒状または
鱗片状の耐熱合金２〜３０重量部を含むコーティング用
組成物を金属基材に塗布した後、その塗膜を焼成するこ
とを特徴とする、該耐熱合金が均一分散されたセラミッ
クコーティングを備えた金属基材の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| KR20200061523A (ko) * | 2018-11-26 | 2020-06-03 | 한국화학연구원 | 광소결용 내열 합금 조성물 및 이를 이용한 전도성 내열 합금막의 제조방법 |
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-
1994
- 1994-12-21 JP JP31813494A patent/JP3439554B2/ja not_active Expired - Fee Related
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