Creation of super heat-resisting hard coatings by elucidation of mechanisms of detarioration at high temperature for nanocomposite coatings

通过阐明纳米复合涂层高温减质机制来创建超耐热硬质涂层

基本信息

批准号：
21K04720
负责人：
野瀬正照
金额：
$ 2.66万
依托单位：
University of Toyama
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の成膜に、対抗ターゲット式スパッタ法およびPLD装置を用いた。まず、Si基板上に、窒素雰囲気下でSi-C-N間の様々な結合状態を有するSiCN膜を作製した。その結果、窒素濃度が比較的低い約20at%N程度のSiCN膜において、成膜状態での機械的性質が基板温度(Ts)の上昇とともに向上した。特に、基板温度700℃以上で、HIT ≧ 30GPa、HIT/E*≧ 0.13を達成し、SiCN単相膜で高硬度高靱性の膜を得ることができた。（HIT：インデンテーション硬さ、E*:実効ヤング率）このSiCN膜の耐酸化性を調べたところ、Si基板上に成膜した膜では、800℃×1hの大気中加熱でもHITはほとんど変化が見られなかった。他方、高速度鋼基板上に成膜したSiCN膜（Ts=400℃）では、Si基板を用いた時とは異なり、800℃ ×1hの真空中加熱により著しく機械的特性が低下した。これは、SiCN膜が基板のFeとの反応により分解してFeSi化合物が形成されたためであり、高速度鋼基板上での化学的安定性には劣ることをTEM観察などにより解明した。窒素濃度が約50%のSiCN膜と上記窒素濃度約20％のSiCN膜とを比較すると、窒素濃度が高いほど鉄鋼基板との反応性が低く化学的安定性に優ることも分かった。他方で、窒素濃度が高いほど、機械的性質、とくにHITが低下する傾向を示した。つまり、化学的安定性と機械的性質は二律背反であることが分かった。しかし、窒素濃度が約50％でもCrN/SiCN複合膜の場合は、Feとの反応が著しく、結晶粒の粗大化が見られた。その反応機構を詳細に調べた結果、「Feとの反応によりSiCN相が分解されると同時にSiCN膜中のCがCrNと反応してクロム炭化物を形成し、SiCN相の分解が促進される。」という反応メカニズムを電子顕微鏡観察およびXPS分析等により解明した。

本研究采用对向靶溅射法和PLD装置进行成膜。首先，在氮气气氛下，在 Si 衬底上制备具有不同 Si-C-N 键合状态的 SiCN 薄膜。结果，在具有约20at％N的相对低氮浓度的SiCN膜中，成膜状态下的机械性能随着衬底温度(Ts)升高而提高。特别是，在700℃以上的基板温度下，实现了HIT≥30GPa、HIT/E*≥0.13，能够得到高硬度、高韧性的单相SiCN膜。 (HIT：压痕硬度，E*：有效杨氏模量) 研究该SiCN膜的耐氧化性时发现，在Si基板上形成的膜，即使在空气中加热到800℃，HIT也几乎没有变化。 1小时没见。另一方面，与使用Si基板时不同，当在800℃真空中加热1小时时，在高速钢基板上形成的SiCN膜（Ts = 400℃）的机械性能显着恶化。这是因为SiCN薄膜由于与基体上的Fe反应而分解形成FeSi化合物，并且通过TEM观察表明其在高速钢基体上的化学稳定性较差。对比氮浓度为50%左右的SiCN薄膜和氮浓度为20%左右的SiCN薄膜发现，氮浓度越高，与钢基体的反应性越低，化学稳定性越好。另一方面，机械性能，特别是HIT，随着氮浓度的增加而趋于降低。换句话说，人们发现化学稳定性和机械性能是矛盾的。然而，即使氮浓度约为50％，在CrN/SiCN复合膜的情况下，与Fe的反应也显着并且观察到晶粒的粗化。对反应机理的详细研究表明，“SiCN相由于与Fe反应而分解，同时SiCN膜中的C与CrN反应形成碳化铬，促进SiCN相的分解。”通过电子显微镜和XPS分析阐明了反应机理。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

パルスレーザー堆積法により作製したSiCN薄膜の構造と機械的性質

脉冲激光沉积法制备SiCN薄膜的结构与力学性能

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Asoh Hidetaka;Mizota Kanako;Kokubo Yuuka;河原碩仁・伊藤公秀・青井芳史・野瀬正照
通讯作者：
河原碩仁・伊藤公秀・青井芳史・野瀬正照

高温下におけるCrN-SiCN複合膜と高速度鋼基板の反応

CrN-SiCN复合膜与高速钢基体在高温下的反应

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
伊藤太一;櫻井亨彦;土屋大樹;李昇原;松田健二;池野進;野瀬正照
通讯作者：
野瀬正照

Influence of Iron Diffusion on the Oxidation Resistance of CrSiCN Hard Coatings

铁扩散对CrSiCN硬质涂层抗氧化性能的影响

DOI：
10.2320/matertrans.mt-ma2022014
发表时间：
2022
期刊：
MATERIALS TRANSACTIONS
影响因子：
1.2
作者：
Hatakeyama Masahiko;Tsuchiya Taiki;Lee Seung-won;Matsuda Kenji;Aoi Yoshifumi;Nose Masateru
通讯作者：
Nose Masateru

SiCNを複合化した遷移金属窒化物膜の耐熱性

SiCN复合过渡金属氮化物薄膜的耐热性