JPH02170966A - 複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複合材料及びその製造方法に関し、特に耐食
性の優れた複合材料及びその製造方法に係わる。

［従来の技術及び課題］ Ｔａを始めとするバルブメタル元素を含むアモルファス
合金は、通常の耐食性金属材料では腐蝕が進行する塩酸
又は沸騰濃硝酸のような腐蝕性の激しい環境下でも優れ
た高耐食性を有することが知られている。しかしながら
、これらのアモルファス合金は、通常、液体急冷法で作
られているため、その手法から形状的には薄帯、細線、
粉末等に制約されている。このため、種々の形状での利
用が考えられる耐食材料としては必ずしも満足するもの
ではなかった。

このようなことから、最近では各種のスパッタ法により
アモルファス合金層を金属基材表面に形成する技術が検
討されている。しかしながら、代表的なマグネトロンス
パッタ法においても作用真空度に由来する純度不足や基
材との密着性が不充分である等の技術的な問題が残って
いる。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、金属基材に対して高純度で緻密かつ平滑なアモル
ファス合金層を密着性よく被覆され、かつ形状的な制約
を受けない高耐食性を有する複合材料、並びにかかる複
合材料を簡単に製造し得る方法を提供しようとするもの
である。

［課題を解決するための手段〕 本発明の複合材料は、金属基材と、この金属基材表面に
被覆されたＴａからなるアモルファス層と、前記基材と
前記アモルファス層の界面に形成され、前記基材の金属
にＴａが分散された組成でアモルファス層側ほどＴａ濃
度を高くして濃度勾配を持たせた！１衝層とからなるこ
とを特徴とする物である。

上記金属基材は、各種の金属から形成され、例えばステ
ンレスなど鉄系合金、Ｎｉ系合金、Ｃ。

系合金、Ｔｉ　　Ｔ１合金等の軽量金属等を挙げること
ができる。

本発明に係わる複合材料は、金属基材表面にＴａを蒸着
すると同時にＴａ又は不活性ガスのイオンを照射するイ
オンビームミキシング法によりＴａからなるアモルファ
ス層を形成する方法により製造される。

上記Ｔａの蒸着手段としては、各種の薄石法を採用し得
るが、特に高真空度での成膜が可能な電子ビームによる
真空蒸着又はターゲットを利用したイオンビームスパッ
タ法が好ましい。

本発明に係わる複合材料は、前記アモルファス層を金属
基材表面に形成するに先立ち、該基材表面にＴａイオン
を照射してイオン注入層を形成することにより製造され
る。

本発明の別の複合材料は、金属基材と、この金属基材表
面に被覆されたＴ；１．ＴＩ　　Ｚｒ及びＮｂから選ば
れる少なくとも１種以上のバルブメタル元素と少なくと
も１種以上の鉄族元素とを含むアモルファス層と、前記
基材と前記アモルファス層の界面に形成され、前記基材
の金属に少なくとも１種以上のバルブメタル元素と少な
くとも１種以上の鉄族元素が分散された組成でアモルフ
ァス層側ほどバルブメタル元素と鉄族元素の濃度を高く
して濃度勾配を持たせた緩衝層とからなることを特徴と
するものである。

上記鉄族元素としては、例えばＦｃ、ＮｌＣｏ等を挙げ
ることができる。

上記アモルファス層中のバルブメタルとしてＴａ単独、
又はＴａとＴｔ　、Ｚｒ、Ｎｂとを併用することが望ま
しい。この場合、Ｔａの含有量を３０ａ【５以上にする
ことが望ましい。

本発明に係わる別の複合材料は、金属基材の表面に、Ｔ
ａ、ＴＩ　　Ｚｒ及びＮｂから選ばれる少なくとも１種
以上のバルブメタル元素と少なくとも１種以上の鉄族元
素との合金を蒸着すると同時に前記バルブメタル元素、
鉄族元素又は不活性ガスのイオンを照射するイオンビー
ムミキシング法によりアモルファス層を形成する方法に
より製造される。

上記合金の蒸着手段としては、各種の蒸着法を採用し得
るが、特に高真空度での成膜が可能な電子ビームによる
真空蒸着又はターゲットを利用したイオンビームスパッ
タ法が好ましい。

本発明に係わる別の複合材料は、前記アモルファス層を
前記金属基材表面に形成するに先立ち、該基材表面にＴ
ａ、ＴＩ　　Ｚｒ及びＮｂから選ばれる少なくとも１種
以上のバルブメタル元素及び少なくとも１種以上の鉄族
元素のいずれか一方又は両者のイオンを照射してイオン
注入層を形成することにより製造される。

［作用コ 本発明に係わる複合材料によれば、金属基材表面に耐食
性の優れたＴａからなるアモルファス層を被覆すること
によって、酸性の過酷な環境下に曝されても安定した超
耐食性を示す。これは、不動体皮膜と呼ばれる腐食に対
する保護作用の優れた均一性に富んだ酸化物皮膜が生成
されることによるものである。また、前記基材と前記ア
モルファス層の界面に基材の金属にＴａが分散された組
成でアモルファス層側ほどＴａａ度を高くして濃度勾配
を持たせた緩衝層を形成することによって、基材に対す
るアモルファス層の密着性を著しく向上でき、該アモル
ファス層の高耐食性を効果的に付与された複合材料を得
ることができる。

本発明に係わる複合材料の製造方法によれば、Ｔａを電
子ビームによる真空蒸着法などの蒸着手段により金属基
材表面に成膜することもできるが、Ｔａ蒸着と同時にＴ
ａ又は不活性ガスのイオンを照射してイオンビームミキ
シングを行なうことによって、アモルファス層と基材の
界面に基材の金属にＴａが分散された組成でアモルファ
ス層側ほどＴａａ度を高くして濃度勾配を持たせた緩衝
層を形成できるため、アモルファス層の基材に対する密
着性を向上でき、しかもイオンビームの照射条件は独立
して制御できるため該アモルファス層の緻密化、平滑化
等を達成し易くなる。従って、高純度で緻密かつ平滑な
アモルファス層を基材に対して密着性よく形成でき、形
状的な制約を受けない高耐食性を有する複合材料を製造
できる。

本発明に係わる複合材料の製造方法において、アモルフ
ァス層の金属基材表面への形成に先立ち、該基材表面に
Ｔａイオンを照射することによって、イオン注入の打ち
込み効果と基材の深さ方向に成分組成が段階的に変化し
た構造を有する密着性の優れたイオン注入層（界面層）
を形成できるため、この後前述したイオンミキシングに
よりアモルファス層を形成することにより基材に対して
一層密着性が優れ、全体的に耐剥離性の富んだ複合材料
を製造できる。

本発明の別の複合材料によれば、金属基材表面に耐食性
の優れたＴａ、ＴＩ　、Ｚｒ及びＮｂから選ばれる少な
くとも１種以上のバルブメタル元素と少なくとも１種以
上の鉄族元素とを含むアモルファス層を被覆することに
よって、酸性の過酷な環境下に曝されても安定した超耐
食性を示す。これは、不動体皮膜と呼ばれる腐食に対す
る保護作用の優れた均一性に富んだ酸化物皮膜が生成さ
れることによるものである。また、前記基材と前記アモ
ルファス層の界面に前記基材の金属に少なくとも１種以
上のバルブメタル元素と少なくとも１種以上の鉄族元素
が分散された組成でアモルファス層側ほどバルブメタル
元素と鉄族元素の濃度を高くして濃度勾配を持たせた緩
衝層を形成することによって、基材に対するアモルファ
ス層の密告性を著しく向上でき、該アモルファス層の高
耐食性を効果的に付与された複合材料を得ることができ
る。

本発明に係わる別の複合材料の製造方法によれば、金属
基材の表面に、Ｔａ５Ｔｉ　　Ｚｒ及びＮｂから選ばれ
る少なくとも１種以上のバルブメタル元素と少なくとも
１種以上の鉄族元素との合金を電子ビームによる真空蒸
着法などの蒸着手段により成膜することによって、前記
合金からなる高純度のアモルファス層を金属基付表面に
形成できる。また、蒸着と同時に前記バルブメタル元素
、鉄族元素又は不活性ガスのイオンを照射するイオンビ
ームミキシングを行なうことによって、前記アモルファ
ス層と基材の界面に該基材の金属に対シテ少なくとも１
種以上のバルブメタル元素と少なくとも１種以上の鉄族
元素が分散された組成でアモルファス層側ほどバルブメ
タル元素と鉄族元素の濃度を高くして濃度勾配を持たせ
た緩衝層を形成できるため、アモルファス層の基材に対
する奇貨性を向上でき、しかもイオンビームの照射条件
は独立して制御できるため該アモルファス層の緻密化、
平滑化等を達成し品くなる。更に、Ｔａを含有するバル
ブメタル元素と鉄族元素の合金を上記イオンミキシング
法で成膜することによってバルブメタル元素が８０原子
％以上含む組成でも良好なアモルファス相を形成できる
。従って、高純度で緻密かつ平滑なアモルファス層を基
材に対して密着性よく形成でき、形状的な制約を受けな
い高耐食性を有する複合材料を製造できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１ まず、基材としての５０Ｘ　５０Ｘ　２　ａｍの寸法の
Ｔｌ板を用意し、この片面を鏡面研磨し、超音波洗浄を
施した後、イオン照射と蒸着機能を備えた真空チャンバ
内に設置した。つづいて、このチャンバ内を５　Ｘ　１
０−’Ｌｏｒｒに真空引きした後、イオン源からＡ「イ
オンを加速電圧５ｋＶの条件でＴｉ板の鏡面に５分間照
射して表面清浄化のための前処理を施した。次いで、Ｔ
ａをシングルハース方式の電子ビーム蒸着法で前記Ｔｉ
板表面に蒸亡すると同時にイオン源からＡｒイオンを引
きだし、加速電圧１５０ｋＶ、イオン電流２．０ｍＡの
条件でイオン照射して厚さ３μｍのＴａのアモルファス
層を形成して複合材料を製造した。

実施例２ 実施例１でのアモルファス層の形成に先立ち、質量分離
型イオン源からＴａイオンを引きだし、加速電圧１８０
ｋｅＶ、　ドーズｍ１．ＯＸｌ０１７個／ｅ１２　　ビ
ーム電流０．２ｍ　ＡでＴｌ板表面に照射してＴａイオ
ン注入層を形成した以外、同実施例１と同様な方法によ
り複合材料を製造した。

比較例１ 実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施したＴｌ板
を市販のマグネトロンスパッタ装置により厚さ３μｍの
Ｔａの結晶性の被覆層を形成して複合材料を製造した。

しかして、本実施例１．２及び比較例１の複合材料につ
いて断面組織をＳＥＭで観察した。その結果、本実施例
１．２はいずれもアモルファス層の組織が緻密で均一な
相を有し、Ｔｌ板との界面にも何等の欠陥も認められな
かった。これに対し、比較例１の複合材料では被覆層の
組織に不均一な相が一部認められ、またＴＩとの界面に
ボアー発生が認められ、良質な被覆層とは評価し得なか
った。

また、本実施例１．２の複合材料を沸騰した７、５規定
の硝酸水溶液中に浸漬して腐食状況を評価した。その結
果、アモルファス層及びＴｌ板との界面での腐食進行は
認められなかった。

更に、上記各実施例１．２において基材としてＴｌ板の
代わりにＴＩ−［ｉ　Ａｌ１−４Ｖの７１合金板、オー
ステナイトステンレス板を用いて複合材料を製造したと
ころ、同様な優れた特性を有することが確認された。

実施例３ まず、実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施した
基材にＮｌ及びＮｂをダブルハース方式の電子ビーム蒸
着法で前記Ｔｌ板表面に蒸着すると同時にイオン源から
Ａｒイオンを引きだし、加速電圧１５０ｋＶ、イオン電
流２．０ｍＡの条件でイオン照射して厚さ３μｍのＮｉ
−４０ａｔ％Ｎｂのアモルファス層を形成して複合材料
を製造した。

実施例４ 実施例３でのアモルファス層の形成に先立ち、質量分離
型イオン源からＮ１イオンを引きだし、加速電圧１８０
ｋｅＶ、　　ドーズｆｆ１１．ｏ　ＸＩＯ”個／ｃ１２
　　ビーム電流０．２ｍ　ＡでＴｌ板表面に照射してＮ
１イオン注入層を形成した以外、同実施例３と同様な方
法により複合材料を製造した。

比較例２．３ 実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施したＴｌ板
を市販のマグネトロンスパッタ装置により厚さ３μｍの
Ｎ１−４０ａｔ％Ｎｂ、又は同厚さのＮ　Ｌ−３０ａｔ
％Ｔａのアモルファス層を形成して複合材料を製造した
。

しかして、本実施例３．４及び比較例２．３の複合材料
について断面組織をＳＥＭで観察した。

その結果、本実施例３．４はいずれもアモルファス層の
組織が緻密で均一な相を存し、Ｔ！板との界面にも何等
の欠陥も認められなかった。これに対し、比較例２．３
の複合材料ではアモルファス層の組織に不均一な相が一
部認められ、またＴ１との界面にポアー発生が認められ
、良質なアモルファス層とは評価し得なかった。

実施例５〜７ 実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施したＴＩ板
の表面にＮｌ　−４０ａｔ％Ｎｂ　、　Ｎｉ　−３０ａ
ｔ％Ｔ　ａ　ｓ　Ｎ　１−２０ａｔ９６　Ｎ　ｂ　　１
０ａｔ％Ｔａの組成のターゲットを夫々用いて加速電圧
３ｋｅＶ、イオン？ｌｉ流１．５ＡのＡ「イオンでイオ
ンビームスパッタ蒸着を行なうと同時に別のイオン源か
らＡｒイオンを引きだし、加速電圧１５０ｋｅＶ、イオ
ン電流２．０ｒｎＡの条件でイオン照射して厚さ３μｍ
で前記ターゲットとほぼ同組成のアモルファス層を形成
し、３　ｔ−ｉｆの複合材料を製造した。

比較例４ アルゴンアーク溶解法によりＮｉ　−３０ａｔ％Ｔａの
組成の溶融合金を製造した。この合金をＸ線回折を行っ
たところ、結晶質であることが確認された。

しかして、本実施例５〜７の複合材料及び比較例４の板
材を沸騰した７、５規定の硝酸溶液中に浸漬して腐蝕速
度をｎ１定した。その結果を下記第１表に示した。

第　　　　１　　　　表 前述した比較例２〜４の腐蝕試験結果を併記した。

実施例８〜１９ 実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施したＴ１板
の表面に下記第２表に示す条件で厚さ３μｍのアモルフ
ァス層を形成し、１２種の複合材料を製造した。

しかして、本実施例８〜１９の複合材料を９０’の曲げ
加工を施した後、室温で１規定の塩酸溶液に浸漬して腐
蝕による外観変化等を評価した。その結果を同第２表に
併記した。また、第２表中には実施例２０〜３４ 実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施したＴｉ板
の表面に下記第３表に示す条件で厚さ３μｍのアモルフ
ァス層を形成し、１５種の複合材料を製造した。

比較例５ 実施例１と同様な研磨、表面清浄化処理を施したＴｉ板
を市販のマグネトロンスパッタ装置により厚さ３μｍの
Ｔａ−１５ａＬ％Ｎｉの合金層を形成して複合材料を製
造した。この合金層をＸ線及び電子線回折を行ったとこ
ろ、合金微結晶とアモルファス相との混合相であること
が確認された。

比較例６ アルゴンアーク溶解法により調製したＴａ　−１５ａｔ
％Ｎ１の組成の溶融合金をアルゴン雰囲気中で単ロール
法を用いて急冷凝固させて厚さ０．０５１１ｍの合金薄
板を製造した。この合金薄板をＸ線回折を行ったところ
、結晶質であることが確認された。

しかして、本実施例２０〜３４の複合材料及び比較例５
．６の複合材料、合金薄板を沸騰した７、５規定の硝酸
溶液中に浸漬して腐蝕速１度を測定した。

その結果を下記第３表に併記した。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば金属基材に対して高
純度で緻密かつ平滑なアモルファス合金層を密着性よく
被覆され、かつ形状的な制約を受けない高耐食性を有す
る複合材料、並びにかかる複合材料を簡単に製造し得る
方法を提供できる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属基材と、この金属基材表面に被覆されたＴａ
   からなるアモルファス層と、前記基材と前記アモルファ
   ス層の界面に形成され、前記基材の金属にＴａが分散さ
   れた組成でアモルファス層側ほどＴａ濃度を高くして濃
   度勾配を持たせた緩衝層とからなることを特徴とする複
   合材料。
2. （２）金属基材表面にＴａを蒸着すると同時にＴａ又は
   不活性ガスのイオンを照射するイオンビームミキシング
   法によりＴａからなるアモルファス層を形成することを
   特徴とする複合材料の製造方法。
3. （３）前記アモルファス層を前記金属基材表面に形成す
   るに先立ち、該基材表面にＴａイオンを照射してイオン
   注入層を形成することを特徴とする請求項２記載の複合
   材料の製造方法。
4. （４）金属基材と、この金属基材表面に被覆されたＴａ
   、Ｔｉ、Ｚｒ及びＮｂから選ばれる少なくとも１種のバ
   ルブメタル元素と１種以上の鉄族元素とを含むアモルフ
   ァス層と、前記基材と前記アモルファス層の界面に形成
   され、前記基材の金属に少なくとも１種以上のバルブメ
   タル元素と少なくとも１種以上の鉄族元素が分散された
   組成でアモルファス層側ほどバルブメタル元素と鉄族元
   素の濃度を高くして濃度勾配を持たせた緩衝層とからな
   ることを特徴とする複合材料。
5. （５）金属基材の表面に、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＮｂか
   ら選ばれる少なくとも１種以上のバルブメタル元素と少
   なくとも１種以上の鉄族元素との合金を蒸着すると同時
   に前記バルブメタル元素、鉄族元素又は不活性ガスのイ
   オンを照射するイオンビームミキシング法によりアモル
   ファス層を形成することを特徴とする複合材料の製造方
   法。
6. （６）前記アモルファス層を前記金属基材表面に形成す
   るに先立ち、該基材表面にＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＮｂか
   ら選ばれる少なくとも１種以上のバルブメタル元素及び
   少なくとも１種以上の鉄族元素のいずれか一方又は両者
   のイオンを照射してイオン注入層を形成することを特徴
   とする請求項５記載の複合材料の製造方法。