JP7335553B2 - Hydrogen barrier functional film and metal parts - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 2nd International Conference on Materials Science & Engineering(ICMSE-EGYPT 2019)平成31年3月12日Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law 2nd International Conference on Materials Science & Engineering (ICMSE-EGYPT 2019) March 12, 2019
本発明は、金属基材の表面に形成される水素バリア機能膜、および、水素バリア機能膜を備えた金属部材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen barrier function film formed on the surface of a metal substrate, and a metal member provided with the hydrogen barrier function film.
近年、化石燃料に代えて高圧水素を燃料として使用する水素エネルギーシステムの開発が進められている。従来、高圧水素を供給する水素ステーション用の部材のうち、高圧水素環境下で使用される配管や熱交換器などの部材は、水素脆化が起きにくい金属を使用するように指定されている。例えば、汎用ステンレス鋼では、SUS316およびSUS316L(ニッケル当量などの仕様が指定された条件を満たすもの)の使用が認められているが、部品コストが高い。そのため、耐水素脆化性を確保しながら、部品コストを下げることが求められている。 In recent years, the development of hydrogen energy systems using high-pressure hydrogen as fuel instead of fossil fuels is underway. Conventionally, among the members for hydrogen stations that supply high-pressure hydrogen, members such as pipes and heat exchangers that are used in a high-pressure hydrogen environment are specified to use metals that are less prone to hydrogen embrittlement. For example, as general-purpose stainless steel, the use of SUS316 and SUS316L (which satisfies specified conditions such as nickel equivalent) is permitted, but the parts cost is high. Therefore, it is required to reduce the cost of parts while ensuring resistance to hydrogen embrittlement.
特許文献1には、金属基材に皮膜(水素バリア機能膜)を形成することによって耐水素脆化性を高める技術が開示されている。特許文献1では、金属基材への皮膜の密着性を高めることを目的として、ステンレス鋼の表面に第1の皮膜としてクロム酸窒化物膜を形成し、さらに、第2の皮膜としてセラミック膜を形成する。クロム酸窒化物膜およびセラミック膜を形成する方法は、特に限定されないが、イオンプレーティングなどの物理的蒸着法を用いることができる。
また、特許文献2、3には、金属基材の表面保護機能の向上のため、金属基材の表面に多層膜を形成する技術が開示されている。特許文献2には、Ti、Al、Nの化合物によって構成される2種類の膜を切削チップの表面に交互に積層することにより、耐摩耗性に優れた多層膜を形成することが記載されている。特許文献2に記載される多層膜は、総皮膜厚さが0.5~2μmとであり、2種類の膜を1層ずつ積層した1周期分の厚さが0.5~20nmである。 Further, Patent Literatures 2 and 3 disclose techniques for forming a multilayer film on the surface of a metal substrate in order to improve the surface protection function of the metal substrate. Patent Literature 2 describes that a multi-layered film with excellent wear resistance is formed by alternately laminating two types of films composed of compounds of Ti, Al, and N on the surface of a cutting tip. there is The multilayer film described in Patent Document 2 has a total film thickness of 0.5 to 2 μm, and a thickness of one cycle in which two kinds of films are laminated one by one is 0.5 to 20 nm.
特許文献3には、金属基材の表面にAIP(アークイオンプレーティング)によって所定の化合物からなる第1超多層膜と第2超多層膜とを交互に積層させることにより、耐久性に優れた超多層膜を形成することが記載されている。特許文献3に記載される超多層膜は、第1超多層膜と第2超多層膜の合計層数が100層以上である。また、第1超多層膜と第2超多層膜は、それぞれの膜厚がナノメートルサイズである。このような超多層膜は、耐摩耗性が高い皮膜として用いることができる。 In Patent Document 3, a first super-multilayer film and a second super-multilayer film made of a predetermined compound are alternately laminated on the surface of a metal substrate by AIP (arc ion plating) to achieve excellent durability. The formation of super multilayer films is described. In the super multilayer film described in Patent Document 3, the total number of layers of the first super multilayer film and the second super multilayer film is 100 or more. Also, the film thickness of each of the first super multilayer film and the second super multilayer film is nanometer size. Such a super multilayer film can be used as a film with high wear resistance.
特許文献1には、SUS316Lの表面に第1の皮膜を形成し、さらに第2の皮膜を積層した場合の水素透過率は、皮膜なしのSUS316Lの水素透過率よりも低いことが示されている。しかしながら、高圧水素環境下で使用される部材には、さらなる耐水素脆化性の向上が求められている。
一方、特許文献2、3には、多層膜によって優れた耐摩耗性が得られることが記載されているが、多層膜の水素バリア機能については検討されておらず、多層膜の水素透過率のデータは得られていない。 On the other hand, Patent Literatures 2 and 3 describe that excellent wear resistance can be obtained by a multilayer film, but the hydrogen barrier function of the multilayer film has not been studied, and the hydrogen permeability of the multilayer film has not been investigated. No data available.
本発明の課題は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、耐水素脆化性の高い水素バリア機能膜を提案することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to propose a hydrogen barrier function film having high resistance to hydrogen embrittlement.
上記課題を解決するため、本発明は、第1層と第2層を交互に積層した水素バリア機能膜であって、前記第1層は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちのいずれかの合金窒素化合物からなり、前記第2層は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちで前記第1層とは異なる合金窒素化合物からなり、前記第1層および前記第2層を構成する各合金窒素化合物のうち、TiSiNbNは、Ti、Si、およびNbの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、TiMoNは、TiとMoの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、TiAlNは、TiとAlの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、AlCrNは、AlとCrの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、前記第1層および前記第2層の合計層数が10以上1000以下であり、全体の膜厚が0.5μm以上2μm以下であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a hydrogen barrier function film in which a first layer and a second layer are alternately laminated, wherein the first layer is TiSiNbN, TiMoN, TiAlN, or AlCrN. and the second layer is made of an alloy nitrogen compound different from that of the first layer among TiSiNbN, TiMoN, TiAlN, and AlCrN, and each of the first layer and the second layer constituting the Among the alloy nitrogen compounds, TiSiNbN is a nitride of an alloy in which the composition ratio of Ti, Si, and Nb is 1 at% or more, respectively, and TiMoN is a nitride of an alloy in which the composition ratio of Ti and Mo is 1 at% or more, respectively. TiAlN is a nitride of an alloy in which the composition ratio of Ti and Al is 1 at% or more, and AlCrN is a nitride of an alloy in which the composition ratio of Al and Cr is 1 at% or more. , the total number of layers of the first layer and the second layer is 10 or more and 1000 or less, and the total thickness is 0.5 μm or more and 2 μm or less.
本発明の水素バリア機能膜は、第1層および第2層の合計層数が10層以上1000層の超多層膜である。また、第1層および第2層は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちの2種類からなる結晶質皮膜である。多層膜化によって界面層を多数設けることにより、水素の捕獲機能が向上する。また、多層膜の全体の膜厚が0.5μm以上2μm以下の範囲内であるため、柱状結晶が成長しにくい。そのため、微細な結晶構造が得られるので、多量の結晶粒界が得られ、水素捕獲機能が向上する。水素捕獲機能が向上することで、水素の拡散移動を抑制できる。よって、水素透過率を低減させることができ、耐水素脆化性を高めることができる。 The hydrogen barrier function film of the present invention is a super-multilayer film in which the total number of layers of the first layer and the second layer is 10 to 1000 layers. Also, the first layer and the second layer are crystalline films made of two kinds of TiSiNbN, TiMoN, TiAlN, and AlCrN. By providing a large number of interfacial layers by multilayering, the hydrogen trapping function is improved. In addition, since the thickness of the entire multilayer film is within the range of 0.5 μm or more and 2 μm or less, columnar crystals are difficult to grow. Therefore, a fine crystal structure is obtained, so that a large number of crystal grain boundaries are obtained, and the hydrogen trapping function is improved. The diffusion and movement of hydrogen can be suppressed by improving the hydrogen capture function. Therefore, hydrogen permeability can be reduced, and hydrogen embrittlement resistance can be improved.
本発明において、前記第1層および前記第2層のそれぞれの膜厚は、5nm以上10nm以下であることが好ましい。このような膜厚にすることで、微細な結晶構造を維持しながら多層の界面層を設けることができる。従って、水素捕獲機能を高めることができ、耐水素脆化性を高めることができる。 In the present invention, the film thickness of each of the first layer and the second layer is preferably 5 nm or more and 10 nm or less. With such a film thickness, a multilayer interface layer can be provided while maintaining a fine crystal structure. Therefore, the hydrogen trapping function can be enhanced, and the resistance to hydrogen embrittlement can be enhanced.
本発明において、前記第1層がTiMoNからなり、前記第2層がTiAlNからなることが好ましい。このような構成を採用することで、単層膜と比較して大幅に水素透過率を低減させることができる。 In the present invention, it is preferable that the first layer is made of TiMoN and the second layer is made of TiAlN. By adopting such a configuration, the hydrogen permeability can be significantly reduced compared to a single layer film.
本発明において、前記第1層がTiSiNbNからなり、前記第2層がTiMoNからなることが好ましい。このような構成を採用することで、単層膜と比較して大幅に水素透過率を低減させることができる。 In the present invention, it is preferable that the first layer is made of TiSiNbN and the second layer is made of TiMoN. By adopting such a configuration, the hydrogen permeability can be significantly reduced compared to a single layer film.
本発明において、前記第1層がTiSiNbNからなり、前記第2層がAlCrNからなることが好ましい。このような構成を採用することで、単層膜と比較して大幅に水素透過率を低減させることができる。 In the present invention, it is preferable that the first layer is made of TiSiNbN and the second layer is made of AlCrN. By adopting such a configuration, the hydrogen permeability can be significantly reduced compared to a single layer film.
次に、本発明の金属部材は、金属基材と、前記金属基材の表面を被覆する被膜層と、を有し、前記被膜層は、上記の水素バリア機能膜を備えることを特徴とする。このように、水素透過率の低い水素バリア機能膜を金属基材の表面に形成することで、耐水素脆化性を高めることができ、高圧水素環境下における耐久性を高めることができる。また、金属基
材を耐水素脆化性の高い材質にする必要がないので、部品コストを下げることができる。
Next, a metal member of the present invention comprises a metal substrate and a coating layer that coats the surface of the metal substrate, and the coating layer comprises the hydrogen barrier function film described above. . Thus, by forming a hydrogen barrier function film with a low hydrogen permeability on the surface of a metal substrate, hydrogen embrittlement resistance can be improved, and durability in a high-pressure hydrogen environment can be improved. In addition, since it is not necessary to use a material having high hydrogen embrittlement resistance for the metal base material, the cost of parts can be reduced.
本発明によれば、多層膜化によって界面層を多数設けるとともに、柱状結晶の成長が抑制され微細な結晶構造が得られる膜厚にしたことで、界面層および結晶粒界による水素捕獲機能が向上する。従って、水素バリア機能膜の水素透過率を低減させることができ、耐水素脆化性を高めることができる。 According to the present invention, a large number of interfacial layers are provided by forming a multi-layered film, and the film thickness is set so that the growth of columnar crystals is suppressed and a fine crystal structure is obtained. do. Therefore, the hydrogen permeability of the hydrogen barrier function film can be reduced, and the resistance to hydrogen embrittlement can be enhanced.
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の水素バリア機能膜10および金属基材20を模式的に示す断面図である。水素バリア機能膜10は、金属基材20の表面に形成されている。図1は、高圧水素環境下で使用される配管や熱交換器などの金属部材1の一部を図示したものである。図1の金属部材1は、金属基材20と、金属基材20の表面を被覆する被膜層を備えている。本実施形態では、被膜層は水素バリア機能膜10である。なお、金属基材20の表面を被覆する被膜層は、水素バリア機能膜10以外に他の層を備えていてもよい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a hydrogen
金属基材20の表面には、水素バリア機能膜10を形成する前に水素バリア機能膜10の密着性を高める所定の前処理を施すことが好ましい。例えば、金属基材20として、表面に所定の下地層(図示せず)を形成したものや、所定の表面加工を施したものを用いてもよい。金属基材20は汎用の鋼材である。例えば、金属基材20として、SUS304、SUS304N2、SUS316、SUS316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼を用いることができる。
It is preferable that the surface of the
図1の部分拡大図に示すように、水素バリア機能膜10は、第1層11と第2層12を交互に積層した多層膜である。第1層11の層数をnとし、第2層12の層数をmとした場合に、第1層11と第2層12の合計層数、すなわちn+mは、10以上1000以下である。
As shown in the partially enlarged view of FIG. 1, the hydrogen
水素バリア機能膜10は、全体の膜厚Tが0.5μm以上2μm以下である。また、第1層11の膜厚t1および第2層12の膜厚t2は、それぞれ、5nm以上10nm以下である。各層の膜厚t1、t2を5nm以上10nm以下にすると、全体の膜厚Tが0.5μm以上2μm以下であっても、合計層数が100層以上の超多層膜を形成することができる。なお、第1層11の膜厚t1と第2層12の膜厚t2は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
The hydrogen
第1層11と第2層12は、異なる合金窒素化合物からなる。第1層11と第2層12を形成する合金窒素化合物は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNの中から異なる2種類が選択される。すなわち、第1層11は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちのいずれかからなり、第2層12は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちで第1層11とは異な
る化合物からなる。選択する2種類の合金窒素化合物は、格子定数が近いものが好ましい。
The
第1層および第2層を構成する各合金窒素化合物は、各成分元素の組成比が1at%以上である合金の窒化物である。すなわち、上記の4種類の合金窒素化合物のうち、TiSiNbNを選択する場合には、Tiの組成比、Siの組成比、およびNbの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物を用いる。TiMoNを選択する場合には、Tiの組成比とMoの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物を用いる。TiAlNを選択する場合には、Tiの組成比とAlの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物を用いる。AlCrNを選択する場合には、Alの組成比とCrの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物を用いる。 Each of the alloy nitrogen compounds constituting the first layer and the second layer is a nitride of an alloy having a composition ratio of 1 at % or more of each component element. That is, when TiSiNbN is selected from among the above four types of alloy nitrogen compounds, nitrides of alloys having a composition ratio of Ti, a composition ratio of Si, and a composition ratio of Nb of 1 at% or more are used. When TiMoN is selected, a nitride of an alloy having a composition ratio of Ti and a composition ratio of Mo of 1 atomic % or more is used. When TiAlN is selected, a nitride of an alloy having a Ti composition ratio and an Al composition ratio of 1 atomic % or more is used. When AlCrN is selected, a nitride of an alloy having an Al composition ratio and a Cr composition ratio of 1 atomic % or more is used.
例えば、TiMoN膜とTiAlN膜を交互に積層して水素バリア機能膜10を形成する。以下、この組み合わせをTiAlN/TiMoN超多層膜と呼ぶ。あるいは、TiSiNbN膜とTiMoN膜を交互に積層して水素バリア機能膜10を形成する。以下、この組み合わせをTiSiNbN/TiMoN超多層膜と呼ぶ。また、TiSiNbN膜とAlCrN膜を交互に積層して水素バリア機能膜10を形成する。以下、この組み合わせをTiSiNbN/AlCrN超多層膜と呼ぶ。
For example, the hydrogen
(水素バリア機能膜の試作)
図2は、水素バリア機能膜10の断面試料の高分解能透過電子顕微鏡写真(HR-TEM画像)である。図2(a)は、金属基材20と水素バリア機能膜10の部分断面図であり、図2(b)は、図2(a)の領域Aの拡大図である。図2に示す水素バリア機能膜10は、TiAlN/TiMoN超多層膜の試作例である。図2に示すスケールからわかるように、試作例では、第1層11(TiMoN層)の膜厚t1は5nm程度である。第2層12(TiAlN層)の膜厚t2は第1層11の膜厚よりも大きいが、10nmよりも小さい。試作例の水素バリア機能膜10は、第1層11と第2層12がそれぞれ略一定の膜厚になっており、規則的に交互に積層されている。
(Trial production of hydrogen barrier function film)
FIG. 2 is a high-resolution transmission electron micrograph (HR-TEM image) of a cross-sectional sample of the hydrogen
水素バリア機能膜10を形成する方法は、特に限定されるものではなく、PVD(物理気相成膜法)でもよいし、CVD(化学蒸着法)でもよい。例えば、図2に示す試作例を製造するにあたっては、PVDの一種であるAIP(アークイオンプレーティング)によって金属基材20の表面に第1層11と第2層12を交互に積層して水素バリア機能膜10を形成した。具体的には、以下の手順で第1層11と第2層12を形成した。
The method for forming the hydrogen
まず、イオンプレーティング装置の反応チャンバー内にあるステージ上に金属基材20を載せて固定する。ステージには、反応チャンバーの壁面に沿ってターゲットを配置している。なお、金属基材20に窒化物を生成させるために反応チャンバー内に窒素ガスを導入する。金属基材20に対するターゲット、およびイオンプレーティングの諸条件については適宜に設定する。
First, the
イオンプレーティングの詳細は省略するが、処理を開始すべく真空アーク放電を発生させると、ターゲットの構成原子が蒸発してイオン化し、それぞれの前方に雰囲気ゾーンを形成する。ステージを回転させると、金属基材20は、この雰囲気ゾーンを通過し、金属基材20の表面に皮膜が蒸着される。5nm~10nmの膜厚となるように皮膜を形成した後、金属基材20はステージから取り外され、イオンプレーティング装置の反応チャンバーから取り出される。
Although the details of ion plating are omitted, when a vacuum arc discharge is generated to initiate the process, constituent atoms of the target are vaporized and ionized, forming an atmosphere zone in front of each. As the stage rotates, the
上記の成膜工程により、金属基材20の表面に第1層11を形成した後に、再び成膜工程を行うことにより、第1層11の表面に第2層12を形成し、以後、第1層11と第2
層12を交互に繰り返し形成する。この結果、金属基材20の表面には、n個の第1層11と、m個の第2層12が交互に積層される。第1層11と第2層12の合計層数、すなわち、n+mが10以上1000以下となり、且つ、全体の膜厚Tが0.5μm以上2μm以下となるように第1層11と第2層12を積層することにより、金属基材20の表面に水素バリア機能膜10を形成する。
After the
Alternating
(水素バリア機能のメカニズム)
本発明者らは、試作した水素バリア機能膜10の断面試料を用いて、そのミクロ構造を解析した。すなわち、図2に示すように、HR-TEM画像を解析した。また、電子線回折、EDX分析(エネルギー分散型X線分析)等を行った。これにより、結晶構造、結晶粒径、配向性などを総合的に解析した。そして、解析結果から、水素バリア機能膜10における水素バリア機能のメカニズムを以下のように考察した。
(Mechanism of hydrogen barrier function)
The present inventors used a cross-sectional sample of the prototype hydrogen
図3は、水素バリア機能のメカニズムを模式的に示す説明図である。本発明に係る水素バリア機能膜10は、上記のように、第1層11および第2層12の合計層数が10層以上1000層の多層膜であり、第1層11と第2層12の間の界面層13を多数備えている。第1層11および第2層12は、いずれも結晶質皮膜であるが、界面層13をまたぐような柱状結晶が形成されておらず、微細な結晶構造を備えている。すなわち、全体の膜厚を0.5μm以上2μm以下の範囲内にしたことで、結晶の成長が抑制され、柱状結晶ができにくくなる。従って、水素原子Hを捕捉可能な界面層13および結晶粒界14(結晶粒の境界)を大量に備えているため、多くの水素原子Hを捕捉でき、水素原子Hの拡散移動を抑制できる構造になっている。よって、水素透過率が低く、金属部材の表面に形成した場合に当該部材の耐水素脆化性を高めることができる。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the mechanism of the hydrogen barrier function. As described above, the hydrogen
(水素透過率試験)
図4は、差圧式水素透過試験装置30の模式図である。本発明者らは、図4に示す装置を用いて、差圧ガス測定法によって、試作した水素バリア機能膜10の水素透過率を測定した。差圧ガス測定法に用いる試験体40は、薄板状の金属基材20の表面に水素バリア機能膜10を形成したものである。図4には、金属基材20の片面に水素バリア機能膜10が形成されたものを図示しているが、本発明者らが用いた試験体40は、金属基材20の両面に水素バリア機能膜10を形成したものである。試験体40のサイズは、金属基材20の厚さが0.1mmであり、直径が35mmである。
(Hydrogen permeability test)
FIG. 4 is a schematic diagram of the differential pressure type hydrogen permeation test apparatus 30. As shown in FIG. The present inventors measured the hydrogen permeability of the prototype hydrogen
試作した試験体40の水素バリア機能膜10は、第1層11および第2層12のそれぞれの膜厚が5nm以上10nm以下となるように形成し、全体の膜厚Tは1μmもしくは2μmとした。第1層11と第2層12の合計層数は数百層程度であり、少なくとも100層以上であった。
The hydrogen
図4に示すように、差圧式水素透過試験装置30は、試験体40が配置されるチャンバーを備える。チャンバーは、水素ガスに対して反応性が低く密閉性が高い金属製のシール材33を用いて密閉される。試験体40は、保持部材34によって保持され、チャンバーを加圧空間31と減圧空間32に区画するように配置される。試験体40のセット後、チャンバーを排気し、真空下で試験温度に維持する。試験温度は、573K(300℃)、673K(400℃)、773K(500℃)の3段階とした。試験体40の温度が安定した後、加圧空間31に400kPaの充填圧力で水素(純度99.9995%)を導入する。減圧空間32側に透過した水素の量をガスクロマトグラフィーによって計測することにより、試験体40の水素透過率を測定した。水素濃度は水素の導入開始から3時間後に一定になったため、このときの測定値を水素透過率の測定値として採用した。 As shown in FIG. 4, the differential pressure type hydrogen permeation test apparatus 30 includes a chamber in which a specimen 40 is placed. The chamber is sealed using a metallic sealing material 33 that has low reactivity with respect to hydrogen gas and high airtightness. A specimen 40 is held by a holding member 34 and arranged so as to partition the chamber into a pressurized space 31 and a depressurized space 32 . After setting the specimen 40, the chamber is evacuated and maintained at the test temperature under vacuum. The test temperature was set in three stages of 573K (300°C), 673K (400°C), and 773K (500°C). After the temperature of the specimen 40 is stabilized, hydrogen (99.9995% purity) is introduced into the pressurized space 31 at a filling pressure of 400 kPa. The hydrogen permeation rate of the specimen 40 was measured by measuring the amount of hydrogen permeated to the reduced pressure space 32 side by gas chromatography. Since the hydrogen concentration became constant 3 hours after the introduction of hydrogen, the measured value at this time was adopted as the measured value of the hydrogen permeability.
図5、図6は、実施例および比較例の水素透過率のデータを示すグラフである。図5、
図6のデータは、上記の差圧ガス測定法によって測定した。図5は、金属基材20としてSUS316Lを用いた場合のデータである。水素バリア機能膜10は、以下に示す実施例A1~A5の5種類である。
・実施例A1:TiAlN/TiMoN超多層膜(全体の膜厚1μm)
・実施例A2:TiAlN/TiMoN超多層膜(全体の膜厚2μm)
・実施例A3:TiSiNbN/TiMoN超多層膜(全体の膜厚1μm)
・実施例A4:TiSiNbN/TiMoN超多層膜(全体の膜厚2μm)
・実施例A5:TiSiNbN/AlCrN超多層膜(全体の膜厚1μm)
5 and 6 are graphs showing hydrogen permeability data of Examples and Comparative Examples. Figure 5,
The data in FIG. 6 were measured by the differential pressure gas measurement method described above. FIG. 5 shows data when SUS316L is used as the
・Example A1: TiAlN/TiMoN super multilayer film (
・Example A2: TiAlN/TiMoN super multilayer film (overall film thickness 2 μm)
・Example A3: TiSiNbN/TiMoN super multilayer film (
・Example A4: TiSiNbN/TiMoN super multilayer film (overall film thickness 2 μm)
・Example A5: TiSiNbN/AlCrN super multilayer film (
図5に示す比較例B1~B6のうち、比較例B1は、皮膜なしの金属基材(SUS316L)のデータである。また、比較例B2~B6は、以下に示す5種類の単層膜である。実施例A1~A5と同様に、金属基材20の両面に単層膜を形成した試験体を用いた。
・比較例B1:皮膜なし金属基材(SUS316L)
・比較例B2:TiMoN単層膜(全体の膜厚1μm)
・比較例B3:TiMoN単層膜(全体の膜厚2μm)
・比較例B4:TiN単層膜(全体の膜厚2μm)
・比較例B5:TiAlN単層膜(全体の膜厚2μm)
・比較例B6:AlCrN単層膜(全体の膜厚1μm)
Among Comparative Examples B1 to B6 shown in FIG. 5, Comparative Example B1 is data of a metal substrate (SUS316L) without a film. Further, Comparative Examples B2 to B6 are the following five types of single layer films. In the same manner as in Examples A1 to A5, test specimens were used in which single-layer films were formed on both surfaces of the
・Comparative Example B1: Metal substrate without film (SUS316L)
・Comparative example B2: TiMoN single layer film (
・Comparative example B3: TiMoN single layer film (overall film thickness 2 μm)
・Comparative example B4: TiN single layer film (overall film thickness 2 μm)
・Comparative example B5: TiAlN single layer film (overall film thickness 2 μm)
・Comparative example B6: AlCrN single layer film (
図5に示すように、比較例B2~B6の単層膜を備えた試験体の水素透過率は、皮膜なしの金属基材(比較例B1)の水素透過率の1/100程度である。これに対し、実施例A1~A5の水素バリア機能膜10を備えた試験体の水素透過率は、皮膜なしの金属基材(比較例B1)の水素透過率の1/1000程度である。つまり、実施例A1~A4の水素バリア機能膜10(TiAlN/TiMoN超多層膜とTiSiNbN/TiMoN超多層膜)は、いずれも、比較例の単層膜よりも水素透過率が低い。3段階の温度条件の全てにおいてこのような結果が得られている。また、実施例5のTiSiNbN/AlCrN超多層膜の水素透過率は、最も高い温度条件(573K/300℃)において単層膜よりも低く、他の温度条件において単層膜と同等程度である。どの超多層膜も、低い温度の方が水素透過率は低い。
As shown in FIG. 5, the hydrogen permeability of the specimens having the single-layer membranes of Comparative Examples B2 to B6 is about 1/100 of the hydrogen permeability of the metal substrate without the membrane (Comparative Example B1). On the other hand, the hydrogen permeability of the specimens provided with the hydrogen barrier
図6は、金属基材としてSUS304を用いた場合のデータである。図6には、上記の実施例A1~A5のうち、実施例A3、A4の水素バリア機能膜10(TiSiNbN/TiMoN多層膜)をSUS304の両面に形成した場合のデータを示す。また、比較例としては、皮膜なしの金属基材(SUS304)のデータと、比較例B3の単層膜をSUS304の両面に形成した場合のデータを示す。金属基材としてSUS304を用いた場合も、実施例A3、A4の水素バリア機能膜10を備えた試験体は、比較例B3の単層膜を備えた試験体よりも水素透過率が低い。また、低い温度の方が水素透過率は低い。
FIG. 6 shows data when SUS304 is used as the metal substrate. FIG. 6 shows data when the hydrogen barrier function films 10 (TiSiNbN/TiMoN multilayer films) of Examples A3 and A4 among the above Examples A1 to A5 are formed on both surfaces of SUS304. As comparative examples, data for a metal substrate (SUS304) without a film and data for a case where the single-layer films of Comparative Example B3 were formed on both surfaces of SUS304 are shown. Even when SUS304 was used as the metal substrate, the test specimens provided with the hydrogen barrier
(作用効果)
以上のように、本発明に係る水素バリア機能膜10は、皮膜なしの金属基材の1/1000程度の水素透過率を実現できた。すなわち、単層膜と比較して一桁小さい水素透過率を実現できた。水素透過率が低いことは、水素バリア性が高いことを意味し、耐水素脆化性が高いことを意味する。なお、水素バリア機能膜10を形成する合金窒素化合物の組み合わせは、上記の3種類に限定されるものではなく、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちの2種類を適宜組み合わせることができる。
(Effect)
As described above, the hydrogen
本発明に係る水素バリア機能膜10を金属基材20の表面に形成することで、耐水素脆化性を高めることができ、高圧水素環境下における金属部材1の耐久性を高めることができる。また、金属基材20を耐水素脆化性の高い材質にする必要がないので、金属部材1の部品コストを下げることができる。
By forming the hydrogen
以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることは言うまでもない。 Although the present invention has been specifically described above based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified without departing from the gist of the invention.
1…金属部材
10…水素バリア機能膜
11…第1層
12…第2層
13…界面層
14…結晶粒界
20…金属基材
30…差圧式水素透過試験装置
31…加圧空間
32…減圧空間
33…シール材
34…保持部材
40…試験体
T…全体の膜厚
t1…第1層の膜厚
t2…第2層の膜厚
REFERENCE SIGNS
Claims (6)
前記第1層は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちのいずれかの合金窒素化合物からなり、
前記第2層は、TiSiNbN、TiMoN、TiAlN、およびAlCrNのうちで前記第1層とは異なる合金窒素化合物からなり、
前記第1層および前記第2層を構成する各合金窒素化合物のうち、TiSiNbNは、Ti、Si、およびNbの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、TiMoNは、TiとMoの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、TiAlNは、TiとAlの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、AlCrNは、AlとCrの組成比がそれぞれ1at%以上である合金の窒化物であり、
前記第1層および前記第2層の合計層数が10以上1000以下であり、
全体の膜厚が0.5μm以上2μm以下であることを特徴とする水素バリア機能膜。 A hydrogen barrier function film in which a first layer and a second layer are alternately laminated,
the first layer comprises an alloy nitrogen compound of any of TiSiNbN, TiMoN, TiAlN, and AlCrN;
wherein the second layer comprises an alloy nitrogen compound different from that of the first layer among TiSiNbN, TiMoN, TiAlN, and AlCrN;
Among the alloy nitrogen compounds constituting the first layer and the second layer, TiSiNbN is a nitride of an alloy having a composition ratio of Ti, Si, and Nb of 1 at% or more, and TiMoN is Ti and Ti. TiAlN is a nitride of an alloy in which the composition ratio of Mo is 1 at% or more, respectively, TiAlN is a nitride of an alloy in which the composition ratio of Ti and Al is 1 at% or more, and AlCrN is a composition ratio of Al and Cr. is a nitride of an alloy in which each is 1 at% or more,
The total number of layers of the first layer and the second layer is 10 or more and 1000 or less,
A hydrogen barrier function film characterized by having a total film thickness of 0.5 μm or more and 2 μm or less.
前記金属基材の表面を被覆する被膜層と、を有し、
前記被膜層は、請求項1から5の何れか一項に記載の水素バリア機能膜を備えることを特徴とする金属部材。
a metal substrate;
a coating layer covering the surface of the metal substrate,
A metal member, wherein the coating layer comprises the hydrogen barrier function film according to any one of claims 1 to 5.
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