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JP2004300500A - Member with film deposited thereon, and method for depositing film - Google Patents

Member with film deposited thereon, and method for depositing film Download PDF

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JP2004300500A
JP2004300500A JP2003094077A JP2003094077A JP2004300500A JP 2004300500 A JP2004300500 A JP 2004300500A JP 2003094077 A JP2003094077 A JP 2003094077A JP 2003094077 A JP2003094077 A JP 2003094077A JP 2004300500 A JP2004300500 A JP 2004300500A
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JP
Japan
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film
aluminum
metal oxide
oxide film
gas
Prior art date
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Application number
JP2003094077A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Noguchi
雅弘 野口
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Tohoku Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Tohoku Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film of excellent corrosion resistance and oxidation resistance on pipes for a boiler or the like. <P>SOLUTION: Gas of vaporized organic metallic material containing Al (aluminum) element is mixed with gas containing oxygen or oxygen atoms, and the gas mixture is subjected to vapor-phase reaction in a vicinity of a surface of a member 2 to deposit a metal oxide film on the surface of the member 2. Since the metal oxide film is deposited on the surface of the member 2 by the reaction of gas molecules of very small size with each other, least air enters the metal oxide film and the dense metal oxide film of the porosity below 1% is deposited. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、皮膜付部材及び皮膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、重油・石炭の混合物を燃焼させるボイラなどの装置において、その配管などに使用されている金属伝熱管がある。このような金属伝熱管は、重油・石炭の灰分などに含まれている塩素などの成分によって侵食されてしまうことが多い。このような侵食現象は、ボイラなどの伝熱管だけの固有の問題ではなく、そのほかの様々な装置においても発生しており、そのための対策が必要とされてきた。
【0003】
このような課題に対して気孔の少ない金属酸化皮膜を部材表面上に形成することにより上述した侵食の防止を図る方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
特許文献1の方法は、部材表面上に(1)アルミニウム又はアルミニウム合金の皮膜を形成し、(2)その皮膜上に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化クロムといった酸化物粉末をアルミニウム又はアルミニウム合金に混合させてさらに皮膜を形成し、(3)それらの皮膜を600℃で5時間かけて酸化処理するという手順である。
【0005】
【特許文献1】
特公平7−830号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の方法では、酸化皮膜又は耐食皮膜を形成するのに10時間以上という長時間が必要である、また、処理温度が900℃ないし600℃であり非常に高温を必要とするという問題がある。また、形成した皮膜は、500μm程度という非常に厚い皮膜となってしまう。また、緻密性の指標となる皮膜の気孔率が1%〜3%と大きく、皮膜がポーラス状(多孔状)にしかならず、皮膜の実用における十分な耐食耐酸化性が得られないという問題がある。
【0007】
本発明の目的は、耐食耐酸化性に優れた皮膜を得ることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明の皮膜付部材は、部材と、Al(アルミニウム)とO(酸素)とを含み前記部材の表面上に形成され気孔率が1%未満の金属酸化皮膜と、を備える。
【0009】
したがって、気孔率が1%未満であるので従来の皮膜よりも耐食耐酸化性が優れている。
【0010】
ここで、請求項1記載の皮膜付部材において、前記金属酸化皮膜は、Al(アルミニウム)及びO(酸素)以外の少なくとも1種類以上の元素を含んでいても良い(請求項2)。
【0011】
請求項3記載の発明の皮膜付部材は、Al(アルミニウム)とO(酸素)とを含む第一の金属酸化皮膜と、Al(アルミニウム)とO(酸素)とそれら以外の少なくとも1種類以上の元素とを含む第二の金属酸化皮膜とが交互に少なくとも一層ずつ形成され気孔率が1%未満の積層皮膜と、表面上に前記積層皮膜が形成された部材と、を備える。
【0012】
したがって、気孔率が1%未満であるので従来の皮膜よりも耐食耐酸化性が優れている。
【0013】
ここで、請求項2又は3記載の皮膜付部材において、前記元素は、Li(リチウム)、Be(ベリリウム)、B(ホウ素)、N(窒素)、F(フッ素)、Na(ナトリウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、P(リン)、Cl(塩素)、K(カリウム)、Ca(カルシウム)、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Ge(ゲルマニウム)、As(砒素)、Rb(ルビジウム)、Sr(ストロンチウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコン)、Nb(ニオブ)、Sn(すず)、Sb(アンチモン)、Ba(バリウム)、La(ランタン)、Ta(タンタル)、Tl(タリウム)、Bi(ビスマス)、Ce(セリウム)、Nd(ネオジム)、Sm(トリウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Yb(イッテルビウム)、Th(トリウム)からなる群のうちの少なくとも一つ以上を含むことが望ましい(請求項4)。
【0014】
請求項5記載の発明の皮膜形成方法は、Al(アルミニウム)元素を含む有機金属材料が気化したガスと酸素又は酸素原子を含むガスとを混合し、混合したそれらのガスを部材の表面上付近で気相反応させて、前記部材の表面上に金属酸化皮膜を形成する。
【0015】
したがって、非常に小さいサイズのガス分子同士が反応しあって部材の表面上に皮膜が形成されるので、皮膜に空気の入り込む余地がほとんど無く、気孔率が1%未満の緻密な皮膜となる。これにより、従来の皮膜よりも耐食耐酸化性に優れた皮膜となる。また、皮膜は気相成長によって形成されるので、温度条件・圧力条件・形成時間などを制御することによって複雑な3次元形状の部材であってもその表面全体にその加工公差以内の厚さに皮膜を均一に形成することが可能である。
【0016】
ここで、請求項5記載の皮膜形成方法において、前記有機金属材料は、Al(アルミニウム)元素以外の少なくとも1種類以上の金属元素を含んでいても良い(請求項6)。
【0017】
請求項7記載の発明の皮膜形成方法は、Al(アルミニウム)元素を含む有機金属材料が気化したガスと酸素又は酸素原子を含むガスとを混合し、混合したそれらのガスを部材の表面上付近で気相反応させて第一の金属酸化皮膜を形成する第一の工程と、Al(アルミニウム)元素及びAl(アルミニウム)元素以外の少なくとも1種類以上の金属元素を含む有機金属材料が気化したガスと、酸素又は酸素原子を含むガスと、を混合し、混合したそれらのガスを部材の表面上付近で気相反応させて第二の金属酸化皮膜を形成する第二の工程と、を含み、前記第一の工程と前記第二の工程とを交互に実行し、部材の表面上に第一の金属皮膜と第二の金属皮膜とを交互に少なくとも一層ずつ形成する。
【0018】
したがって、非常に小さいサイズのガス分子同士が反応しあって部材の表面上に皮膜が形成されるので、皮膜に空気の入り込む余地がほとんど無く、気孔率が1%未満の緻密な皮膜となる。これにより、従来の皮膜よりも耐食耐酸化性に優れた皮膜となる。また、皮膜は気相成長によって形成されるので、温度条件・圧力条件・形成時間などを制御することによって複雑な3次元形状の部材であってもその表面全体にその加工公差以内の厚さに皮膜を均一に形成することが可能である。
【0019】
請求項8記載の発明は、請求項5又は7記載の皮膜形成方法において、Al(アルミニウム)元素を含む前記有機金属材料は、Al(i−OC[Triisopropoxyaluminum:トリイソプロポキシアルミニウム]、Al(OCH[Trimethoxyaluminum:トリメトキシアルミニウム]、Al(n−OC[Trinormalbutoxyaluminum:トリノルマルブトキシアルミニウム]、Al(n−OC[Trinormalpropoxyaluminum:トリノルマルプロポキシアルミニウム]、Al(C[Triacetylacetonatoaluminum:トリアセチルアセトナートアルミニウム]、Al(C1119[Trisdipivaloylmethanatoaluminum:トリピバロイルメタネートアルミニウム]、Al(CHFO[Trishexafluoroacetylacetonatoaluminum:トリヘキサフロロアセチルアセトナートアルミニウム]、Al(OC[Triethoxyaluminum:トリエトキシアルミニウム]、Al(i−OC[Triisobutoxyaluminum: トリイソブトキシアルミニウム]、のうち少なくとも一つ以上を含む。
【0020】
したがって、これらの材料は、いずれも常温常圧では固体であり扱いやすいので、皮膜の形成が容易になる。
【0021】
請求項9記載の発明は、請求項5,6,7又は8記載の皮膜形成方法において、混合した前記ガスを気相反応させる際に、プラズマ状態を発生させる。
【0022】
したがって、金属の酸化物を通常の化学反応で必要な温度よりも低い温度で形成することが可能となる。また、緻密な皮膜を形成することが可能となる。
【0023】
請求項10記載の発明の皮膜付部材は、請求項5又は6記載の皮膜形成方法によって部材の表面上に金属酸化皮膜が形成された。
【0024】
したがって、金属酸化皮膜は気孔率が1%未満の緻密な皮膜であり、これにより、従来の皮膜よりも耐食耐酸化性が優れている。
【0025】
請求項11記載の発明の皮膜付部材は、請求項7記載の皮膜作成方法によって部材の表面上に第一の金属酸化皮膜と第二の金属酸化皮膜とが交互に少なくとも一層ずつ形成された。
【0026】
したがって、金属酸化皮膜は気孔率が1%未満の緻密な皮膜であり、これにより、従来の皮膜よりも耐食耐酸化性が優れている。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図1及び図2に基づいて説明する。ここで、図1は本実施の形態の皮膜付部材を模式的に示す縦断正面図である。
【0028】
図1に示すように、皮膜付部材1は、部材2に金属酸化皮膜3が形成されて構成されている。
【0029】
金属酸化皮膜3は、Al(アルミニウム)とO(酸素)とから形成されている。金属酸化皮膜3の厚さは、10μm以下であり、金属酸化皮膜3の気孔率は1%未満である。
【0030】
ここで、金属酸化皮膜3は、これに限られるものではなく、金属酸化皮膜3には、Al(アルミニウム)及びO(酸素)以外の1種類以上の元素M(M1、M2・・・)が含まれていても良い。
【0031】
元素Mとしては、Li(リチウム)、Be(ベリリウム)、B(ホウ素)、N(窒素)、F(フッ素)、Na(ナトリウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、P(リン)、Cl(塩素)、K(カリウム)、Ca(カルシウム)、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Ge(ゲルマニウム)、As(砒素)、Rb(ルビジウム)、Sr(ストロンチウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコン)、Nb(ニオブ)、Sn(すず)、Sb(アンチモン)、Ba(バリウム)、La(ランタン)、Ta(タンタル)、Tl(タリウム)、Bi(ビスマス)、Ce(セリウム)、Nd(ネオジム)、Sm(トリウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Yb(イッテルビウム)、Th(トリウム)などを例示することができる。
【0032】
次に、部材2への金属酸化皮膜3の形成方法を図2に基づいて説明する。ここで、図2は皮膜形成装置を示す模式図である。
【0033】
まず、皮膜形成装置100について説明する。図2に示すように、皮膜形成装置100は、部材2を収納する真空容器101を備え、概略的には、この真空容器101内にガス状の各種材料を送り込み、真空容器101内で部材2に金属酸化皮膜3を形成するものである。
【0034】
皮膜形成装置100には、真空容器101にAl(アルミニウム)を供給するためのアルミニウム供給部102、真空容器101に元素Mを供給する元素供給部103、真空容器101に酸素ガスを供給する酸素ガス供給部104、真空容器101内に設けられた赤外線ランプヒータ105、真空容器101内に設けられ真空容器101内の部材2に対してプラズマを発生する平行平板電極106a,106b等が設けられている。また、真空容器101の排気口107には、真空ポンプ108が接続され、排気口107には排気調節弁109が設けられている。以下にこれらの各部について簡単に説明する。
【0035】
アルミニウム供給部102は、加熱室110内でジルコニアセラミック製の皿111a上に載置されたアルミニウム元素を含むアルミニウム供給用の有機金属材料を加熱ヒータ111bにより加熱し気化ガスとし、開閉バルブ112を開けることにより、N(窒素ガス)やAr等の不活性ガスであるキャリアガスを加熱室110に導入し、開閉バルブ113を開けて、その有機金属材料の気化ガスをキャリアガスとともに真空容器101内に導入する。
【0036】
ここで、アルミニウム元素を含む有機金属材料としては、Al(i−OC[Triisopropoxyaluminum:トリイソプロポキシアルミニウム]、Al(OCH[Trimethoxyaluminum:トリメトキシアルミニウム]、Al(n−OC[Trinormalbutoxyaluminum:トリノルマルブトキシアルミニウム]、Al(n−OC[Trinormalpropoxyaluminum:トリノルマルプロポキシアルミニウム]、Al(C[Triacetylacetonatoaluminum:トリアセチルアセトナートアルミニウム]、Al(C1119[Trisdipivaloylmethanatoaluminum:トリピバロイルメタネートアルミニウム]、Al(CHFO[Trishexafluoroacetylacetonatoaluminum:トリヘキサフロロアセチルアセトナートアルミニウム]、Al(OC[Triethoxyaluminum:トリエトキシアルミニウム]、Al(i−OC[Triisobutoxyaluminum: トリイソブトキシアルミニウム]等を例示することができる。これらの材料は、いずれも常温常圧では固体であり扱いやすいので、皮膜の形成が容易になる。また、これらの材料は、温度条件(120℃〜270℃)・圧力条件(760Torr〜0.01Torr)を調整することによって気化ガス化する。
【0037】
元素供給部103は、複数の単一元素供給部103a,103bを備えている。これらの単一元素供給部103a,103bの基本的な構造は、アルミニウム供給部102と同じである。それぞれの単一元素供給部103a,103bの加熱室110内には、それぞれ異なる元素Mの供給のための有機金属材料がセットされる。なお、この単一元素供給部103a,103bの数は、一つであってもよいし、複数であってもよい。
【0038】
酸素ガス供給部104には、酸素ボンベ114が設けられている。この酸素ボンベ114からの酸素の供給量は開閉バルブ115により調節される。
【0039】
平行平板電極106a,106bは、一方の平行平板電極106aが高周波電源119に接続され、他方の平行平板電極106bが高周波マッチングボックス120に接続されている。これらの平行平板電極106a,106bは、部材2付近の雰囲気に電界を印加してプラズマ状態とする。これにより、真空容器101内に投入され混ざり合った混合ガスはプラズマ状態となり、プラズマ状態ではない通常状態では数百度以上の温度でなければ生じない化学反応が室温(常温)で進むようになる。ここで、電界としては、例えば、交流電界の場合は13.56MHz、5W/cmであり、直流電界の場合は10kV/cmである。
【0040】
次に、このような皮膜形成装置100を用いての部材2への金属酸化皮膜3の形成方法を説明する。ここでは、金属酸化皮膜3として、Al(アルミニウム)とO(酸素)とから形成されるものを例に説明する。
【0041】
まず、前工程として、赤外線ランプヒータ105による赤外線光を部材2表面に照射し部材2を加熱する。
【0042】
次に、ガス混合工程として、アルミニウム供給部102から真空容器101内にアルミニウム供給用の有機金属ガスをキャリアガスとともに供給し、酸素ガス供給部104から真空容器101内に酸素ガスを供給する。これらのガスの供給は同時に行う。これにより、それらのガスが真空容器101内で混合される(以降、このようなガスを混合ガスという)。
【0043】
そして、皮膜形成工程として、金属酸化皮膜3の成長条件に合わせて真空容器101内の圧力調整を行う。これは、供給するガスの量と真空ポンプ108による排気の量とを調整することにより行われる。また、平行平板電極106a,106bによりプラズマを発生させる。これらにより、混合ガスが部材2の表面上付近で気相反応し、金属酸化皮膜3が部材2の表面上に形成される。以上により、皮膜付部材1が完成する。
【0044】
このとき、部材2が複雑な構造である場合には、ガスの流れとの関係により形成する金属酸化皮膜3の厚みに大きなばらつきが生じてしまうことがあるので、これを防止するために、ガスを真空容器101内に均一に流すとともに、部材2を図示しない回転手段により回転させることによりガス流に対して部材2が当たる部分を変えながら皮膜を形成することが重要である。
【0045】
なお、金属酸化皮膜3を、Al(アルミニウム)とO(酸素)と元素Mから形成する場合には、ガス混合工程において、アルミニウム供給用の有機金属ガスと酸素ガスとともに、元素供給部103から真空容器101内に元素Mの供給用の有機金属ガスをキャリアガスとともに供給することにより、それらのガスが混合される。
【0046】
以上説明した方法で部材2の表面上に金属酸化皮膜3を形成することにより、非常に小さいサイズのガス同士が反応しあって金属酸化皮膜3が形成されるので、金属酸化皮膜3に空気の入り込む余地がほとんど無く、気孔率が1%未満の緻密な金属酸化皮膜3となる。ここで、混合ガスが化学反応した際に揮発性のガスが発生したとしても、皮膜形成の過程でそのようなガスは部材2の表面上にとどまることがほとんどできない(金属酸化皮膜3の中に取り込まれない)ので、金属酸化皮膜3の外へ押し出されることとなり、気孔率が1%未満となる。これにより、従来の皮膜よりも耐食耐酸化性に優れた金属酸化皮膜3となる。ここで、従来の方法では粉末材料を使用して皮膜を形成しているので粉末と粉末との間に空気が入りこみ多数の気孔ができてしまっていたものと考えられる。
【0047】
また、非常に小さいサイズのガス分子同士が反応しあって部材2の表面上に金属酸化皮膜3が形成されるので、部材2の表面上に厚さ10μm以下の薄い金属酸化皮膜3を形成することが可能となる。
【0048】
また、金属酸化皮膜3は気相成長によって形成されるので、温度条件・圧力条件・形成時間などを制御することによって複雑な3次元形状の部材であってもその表面全体にその加工公差以内の厚さに金属酸化皮膜3を均一に形成することが可能である。
【0049】
なお、本実施の形態では、プラズマを発生させる方法として、部材2付近の雰囲気に電界を印加する方法を例に説明したが、これに限るものではなく、例えば、混合ガスにマイクロ波を照射することによりプラズマ状態を発生させてもよい。このとき、マイクロ波のエネルギーとしては0.2W以上であることが望ましい。
【0050】
次に、本発明の第二の実施の形態を図3に基づいて説明する。ここで、図3は本実施の形態の皮膜付部材を模式的に示す縦断正面図である。
【0051】
本実施の形態の皮膜付部材1は、部材2に第一の金属酸化皮膜3aと第二の金属酸化皮膜3bとが積層されて形成されている。
【0052】
第一の金属酸化皮膜3aは、Al(アルミニウム)とO(酸素)とから形成されている。第二の金属酸化皮膜3bは、Al(アルミニウム)とO(酸素)とそれら以外の1種類以上の元素Mとにより形成されている。これらの第一の金属酸化皮膜3aと第二の金属酸化皮膜3bとにより厚さ10μm以下の積層皮膜4が構成されている。この積層皮膜4の気孔率は1%未満である。
【0053】
次に、皮膜形成装置100を用いての部材2への積層皮膜4の形成方法を説明する。
【0054】
まず、第一の工程として、第一の実施の形態で説明した金属酸化皮膜3の形成方法に基づいて、Al(アルミニウム)とO(酸素)とから構成される第一の金属酸化皮膜3aを形成する。
【0055】
次に、第二の工程として、第一の実施の形態で説明した金属酸化皮膜3の形成方法に基づいて、第一の金属酸化皮膜3a上に第二の金属酸化皮膜3bを形成する。これにより、部材2の表面上に積層皮膜4が形成される。
【0056】
以上説明した方法で部材2の表面上に積層皮膜4を形成することにより、第一の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
【0057】
なお、本実施の形態では、積層皮膜4として、第一の金属酸化皮膜3aと第二の金属酸化皮膜3bとが一層ずつ積層されたものを例に説明したが、これに限るものではなく、積層皮膜4において第一の金属酸化皮膜3aと第二の金属酸化皮膜3bとがそれぞれが交互に複数積層されていても良い。
【0058】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図4に基づいて説明する。
【0059】
本実施例では、部材2として、
・純アルミニウム(1000系)1080
・アルミニウム−銅合金系(2000系)2014
・アルミニウム−マンガン合金(3000系)3105
・アルミニウム−珪素合金(4000系)4032
・アルミニウム−マグネシウム合金(5000系)5052
・アルミニウム−マグネシウム−珪素合金(6000系)6061
・アルミニウム−亜鉛−マグネシウム合金(7000系)7075
を採用して、上述した第一の実施の形態において説明した金属酸化皮膜3の形成方法により部材2に金属酸化皮膜3を形成した。
【0060】
具体的には、アルミニウム元素を含む有機金属材料として、Al(C1119[Trisdipivaloylmethanatoaluminum:トリピバロイルメタネートアルミニウム]5gを、アルミニウム供給部102の加熱室110内のジルコニアセラミック製の皿111a上に載置し、加熱室110内の温度を253℃とした。より詳細には、室温(22℃)状態で有機金属材料を加熱室110内の皿111a上に載置し、加熱室110内にキャリアガスとしてアルゴンガスを導入し加熱室110内を大気状態からアルゴンガス100%の状態とし、加熱ヒータをONにした。このとき、作業を始めてから加熱室110内が253℃に到達し安定するまでの時間は18分であった。
【0061】
同時に、部材2を真空容器101内にセットしてから真空容器101内の圧力を3×10E−3Torrの真空状態とした。この作業にかかった時間は19分であった。つまり、ここまでの作業時間は19分である。それから、赤外線ランプヒータ105により部材2に赤外線光を照射し、部材2表面の温度を150℃にした。こときにかかった時間は20分であった。
【0062】
そして、アルミニウム供給部102において、アルゴンガスを毎分36cc量で加熱室110へ供給し、過熱気化(昇華)したトリピバロイルメタネートアルミニウムの蒸気とともに真空容器101内へ送り込んだ。同時に、真空容器101内に酸素ガスを毎分24cc送り込んだ。これにより、有機金属材料を含んだガスと酸素ガスとが混合され、部材2表面上へ到達する。この作業にかかった時間は1分であった。
【0063】
そして、真空容器101内の圧力を、排気調整により0.1Torrとし、かつ、13.56MHzの高周波電源119によって7W/cmの電力にて部材2付近の雰囲気の状態をプラズマ状態とした。そして、皮膜の成膜時間を10分、30分、60分の中から選んで、部材2に金属酸化皮膜3を形成した。これにより皮膜付部材1が完成した。
【0064】
そして、成膜が終了してから、部材2の温度をゆっくり下げながら、真空容器101内の圧力を0.1Torrから大気圧に25分かけて戻して、真空容器101内から皮膜付部材1を取り出した。
【0065】
この金属酸化皮膜3の形成にかかった総時間は、19分+20分+1分+60分(最長時間)+25分=2時間5分であった。このように、本発明の皮膜形成方法によれば、金属酸化皮膜3の形成時間を従来のものに比べて大幅に短縮させることができる。
【0066】
このようにして形成した金属酸化皮膜3の厚みと、気孔率と、耐酸化性を調べた。その結果を表1に示す。
【0067】
【表1】

Figure 2004300500
【0068】
表1に示すように、成膜時間が10分、30分、60分のときの金属酸化皮膜(酸化アルミニウム膜)3のそれぞれの厚みは約120nm、約300nm、約550nmであった。
【0069】
気孔率は、光学顕微鏡を用いて測定した結果であり、全ての金属酸化皮膜3において1%未満であった。
【0070】
耐酸化性は、図4に示す耐酸化性評価装置を用いて行った。耐酸化性評価装置200では、濃硫酸を二酸化マンガンとともに加熱して塩素ガスを発生させる。この塩素ガスを水中を通してガスに含まれるHClを除き、さらに硫酸中を通して乾燥させて、窒素ガスと混合する。窒素ガスの濃度は約3%とし、流量は毎分1000ccとした。
【0071】
このガスをセラミックヒータ201にて300℃〜900℃に加熱し、加熱直後にそのガスを皮膜付部材1の金属酸化皮膜3へ接触させた。これにより、金属酸化皮膜3の耐酸化能力を評価した。なお、この皮膜付部材1は、銅製の水冷ジャケット202に接触固定されており、これにより、放熱が効果的に行われる。
【0072】
このようにして調べた全ての金属酸化皮膜3の耐酸化性は、実用に問題なく耐えられる酸化性に優れたものであった。
【0073】
【発明の効果】
請求項1ないし4の発明によれば、金属酸化皮膜の気孔率が1%未満であるので従来の皮膜よりも耐食耐酸化性が優れている。
【0074】
請求項5ないし9の発明によれば、非常に小さいサイズのガス分子同士が反応しあって部材の表面上に皮膜が形成されるので、皮膜に空気の入り込む余地がほとんど無く、気孔率が1%未満の緻密な皮膜を形成することができ、これにより、耐食耐酸化性に優れた皮膜を得ることができる。また、皮膜は気相成長によって形成されるので、温度条件・圧力条件・形成時間などを制御することによって複雑な3次元形状の部材であってもその表面全体にその加工公差以内の厚さに皮膜を均一に形成することができる。また、酸化アルミニウム主体の強固な皮膜を形成することができる。
【0075】
請求項8記載の発明によれば、請求項5又は7記載の皮膜形成方法において、有機金属材料として常温常圧では固体である材料を用いることにより、皮膜の形成の容易化を図ることができる。
【0076】
請求項9記載の発明によれば、請求項5,6,7又は8記載の皮膜形成方法において、混合した前記ガスを気相反応させる際に、プラズマ状態を発生させることにより、金属の酸化物を通常の化学反応で必要な温度よりも低い温度で形成することができる。
【0077】
請求項10又は11記載の発明の皮膜付部材によれば、金属酸化皮膜は気孔率が1%未満の緻密な皮膜であり、これにより、従来の皮膜よりも耐食耐酸化性が優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態の皮膜付部材を模式的に示す縦断正面図である。
【図2】皮膜形成装置を示す模式図である。
【図3】本発明の第二の実施の形態の皮膜付部材を模式的に示す縦断正面図である。
【図4】本発明の実施例の耐酸化性評価装置を示す模式図である。
【符号の説明】
1 皮膜付部材
2 部材
3 金属酸化皮膜
3a 第一の金属酸化皮膜
3b 第二の金属酸化皮膜
4 積層皮膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a member with a film and a method for forming a film.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, in a device such as a boiler for burning a mixture of heavy oil and coal, there is a metal heat transfer tube used for its piping and the like. Such metal heat transfer tubes are often eroded by components such as chlorine contained in heavy oil and coal ash. Such an erosion phenomenon is not only a problem unique to a heat transfer tube such as a boiler, but also occurs in various other devices, and a countermeasure for the problem has been required.
[0003]
In order to solve such a problem, there has been proposed a method for preventing the above-mentioned erosion by forming a metal oxide film having few pores on a member surface (for example, see Patent Document 1).
[0004]
In the method of Patent Document 1, (1) a film of aluminum or an aluminum alloy is formed on the surface of a member, and (2) an oxide powder such as aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, or chromium oxide is coated on the film with aluminum or aluminum. This is a procedure in which a coating is further formed by mixing with an aluminum alloy, and (3) the coating is oxidized at 600 ° C. for 5 hours.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-830
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of Patent Document 1 requires a long time of 10 hours or more to form an oxide film or a corrosion-resistant film, and requires a processing temperature of 900 ° C. to 600 ° C. and requires a very high temperature. There's a problem. Further, the formed film becomes a very thick film of about 500 μm. In addition, there is a problem that the porosity of the coating, which is an index of the denseness, is as large as 1% to 3%, and the coating is only porous (porous), and sufficient corrosion resistance and oxidation resistance in practical use of the coating cannot be obtained. .
[0007]
An object of the present invention is to obtain a film having excellent corrosion resistance and oxidation resistance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The member with a film according to the first aspect of the present invention includes a member and a metal oxide film containing Al (aluminum) and O (oxygen) and formed on the surface of the member and having a porosity of less than 1%.
[0009]
Therefore, since the porosity is less than 1%, the corrosion resistance and the oxidation resistance are superior to the conventional coating.
[0010]
Here, in the member with a film according to claim 1, the metal oxide film may include at least one or more elements other than Al (aluminum) and O (oxygen) (claim 2).
[0011]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a member with a film, a first metal oxide film containing Al (aluminum) and O (oxygen), and at least one or more of Al (aluminum) and O (oxygen) and others. A laminated film having a porosity of less than 1% in which at least one second metal oxide film containing an element is alternately formed, and a member having the laminated film formed on the surface.
[0012]
Therefore, since the porosity is less than 1%, the corrosion resistance and the oxidation resistance are superior to the conventional coating.
[0013]
Here, in the member with a film according to claim 2 or 3, the element is Li (lithium), Be (beryllium), B (boron), N (nitrogen), F (fluorine), Na (sodium), Mg (Magnesium), Si (silicon), P (phosphorus), Cl (chlorine), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (Cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Ge (germanium), As (arsenic), Rb (rubidium), Sr (strontium), Y (yttrium), Zr (zircon), Nb (Niobium), Sn (tin), Sb (antimony), Ba (barium), La (lanthanum), Ta (tantalum), Tl (thallium), Bi (bismuth), Ce (cerium), Nd ( Ojimu), Sm (thorium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Yb (ytterbium), Th (it is desirable to include at least one or more of the group consisting of thorium) (claim 4).
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a film forming method comprising mixing a gas in which an organometallic material containing an Al (aluminum) element is vaporized and a gas containing oxygen or an oxygen atom, and mixing the mixed gas near the surface of the member. To form a metal oxide film on the surface of the member.
[0015]
Accordingly, since gas molecules having extremely small sizes react with each other to form a film on the surface of the member, there is almost no room for air to enter the film, and the film becomes a dense film having a porosity of less than 1%. This results in a film having better corrosion resistance and oxidation resistance than conventional films. In addition, since the film is formed by vapor phase growth, even if the member has a complicated three-dimensional shape by controlling the temperature conditions, pressure conditions, formation time, etc., the entire surface of the member has a thickness within the processing tolerance. It is possible to form a film uniformly.
[0016]
Here, in the film forming method according to claim 5, the organometallic material may include at least one or more metal elements other than the Al (aluminum) element (claim 6).
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a film forming method, wherein a gas in which an organometallic material containing an Al (aluminum) element is vaporized and a gas containing oxygen or an oxygen atom are mixed, and the mixed gas is mixed on the surface of the member. First step of forming a first metal oxide film by performing a gas phase reaction with an organic metal material containing an Al (aluminum) element and at least one metal element other than the Al (aluminum) element And a gas containing oxygen or an oxygen atom, and a second step of forming a second metal oxide film by causing a gas phase reaction of the mixed gases near the surface of the member, The first step and the second step are alternately performed, and at least one first metal film and at least one second metal film are alternately formed on the surface of the member.
[0018]
Accordingly, since gas molecules having extremely small sizes react with each other to form a film on the surface of the member, there is almost no room for air to enter the film, and the film becomes a dense film having a porosity of less than 1%. This results in a film having better corrosion resistance and oxidation resistance than conventional films. In addition, since the film is formed by vapor phase growth, even if the member has a complicated three-dimensional shape by controlling the temperature conditions, pressure conditions, formation time, etc., the entire surface of the member has a thickness within the processing tolerance. It is possible to form a film uniformly.
[0019]
According to an eighth aspect of the present invention, in the film forming method according to the fifth or seventh aspect, the organometallic material containing an Al (aluminum) element is Al (i-OC). 3 H 7 ) 3 [Triisopropoxyaluminum: triisopropoxyaluminum], Al (OCH 3 ) 3 [Trimethyoxyluminum: trimethoxyaluminum], Al (n-OC 4 H 9 ) 3 [Trinormalbutoxyaluminum: Trinormal butoxyaluminum], Al (n-OC 3 H 7 ) 3 [Trinormalpropoxyaluminum: Trinormal propoxyaluminum], Al (C 5 H 7 O 2 ) 3 [Triacetylacetonatoaluminum: aluminum triacetylacetonate], Al (C 11 H 19 O 2 ) 3 [Trisipivaloylmethanatoaluminum: aluminum tripipivaloylmethanate], Al (C 5 HFO 2 ) 3 [Trishexafluoroacetylacetonatoaluminum: trihexafluoroacetylacetonatoaluminum], Al (OC 2 H 5 ) 3 [Triethoxyaluminum: triethoxyaluminum], Al (i-OC 4 H 9 ) 3 [Triisobutoxyaluminum: triisobutoxyaluminum].
[0020]
Therefore, all of these materials are solid at room temperature and pressure and are easy to handle, so that the formation of a film is facilitated.
[0021]
According to a ninth aspect of the present invention, in the film forming method of the fifth, sixth, seventh or eighth aspect, a plasma state is generated when the mixed gas is subjected to a gas phase reaction.
[0022]
Therefore, it becomes possible to form the metal oxide at a temperature lower than the temperature required for a normal chemical reaction. In addition, a dense film can be formed.
[0023]
In the film-coated member according to the tenth aspect, a metal oxide film is formed on the surface of the member by the film-forming method according to the fifth or sixth aspect.
[0024]
Therefore, the metal oxide film is a dense film having a porosity of less than 1%, and thus has higher corrosion resistance and oxidation resistance than conventional films.
[0025]
In the film-coated member according to the eleventh aspect, at least one first metal oxide film and the second metal oxide film are alternately formed on the surface of the member by the film forming method according to the seventh aspect.
[0026]
Therefore, the metal oxide film is a dense film having a porosity of less than 1%, and thus has higher corrosion resistance and oxidation resistance than conventional films.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a vertical sectional front view schematically showing the member with a coating of the present embodiment.
[0028]
As shown in FIG. 1, the member with a film 1 is configured by forming a metal oxide film 3 on a member 2.
[0029]
The metal oxide film 3 is formed from Al (aluminum) and O (oxygen). The thickness of the metal oxide film 3 is 10 μm or less, and the porosity of the metal oxide film 3 is less than 1%.
[0030]
Here, the metal oxide film 3 is not limited to this. The metal oxide film 3 contains one or more types of elements M (M1, M2,...) Other than Al (aluminum) and O (oxygen). May be included.
[0031]
As the element M, Li (lithium), Be (beryllium), B (boron), N (nitrogen), F (fluorine), Na (sodium), Mg (magnesium), Si (silicon), P (phosphorus), Cl (chlorine), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Ge (germanium), As (arsenic), Rb (rubidium), Sr (strontium), Y (yttrium), Zr (zircon), Nb (niobium), Sn (tin), Sb (antimony), Ba (barium), La (lanthanum), Ta (tantalum), Tl (thallium), Bi (bismuth), Ce (cerium), Nd (neodymium), Sm (thorium), Gd (gadolini) Arm), Tb (terbium), Yb (ytterbium), and the like can be exemplified Th (thorium).
[0032]
Next, a method of forming the metal oxide film 3 on the member 2 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a schematic diagram showing a film forming apparatus.
[0033]
First, the film forming apparatus 100 will be described. As shown in FIG. 2, the film forming apparatus 100 includes a vacuum container 101 for accommodating the member 2. Generally, various gaseous materials are fed into the vacuum container 101, and the member 2 is placed in the vacuum container 101. The metal oxide film 3 is formed on the substrate.
[0034]
The film forming apparatus 100 includes an aluminum supply unit 102 for supplying Al (aluminum) to the vacuum container 101, an element supply unit 103 for supplying the element M to the vacuum container 101, and an oxygen gas for supplying oxygen gas to the vacuum container 101. A supply unit 104, an infrared lamp heater 105 provided in the vacuum vessel 101, and parallel plate electrodes 106a and 106b provided in the vacuum vessel 101 and generating plasma for the member 2 in the vacuum vessel 101 are provided. . A vacuum pump 108 is connected to an exhaust port 107 of the vacuum vessel 101, and an exhaust control valve 109 is provided in the exhaust port 107. Hereinafter, these units will be briefly described.
[0035]
The aluminum supply unit 102 heats the organic metal material for aluminum supply including the aluminum element placed on the zirconia ceramic dish 111a in the heating chamber 110 by the heater 111b to generate a vaporized gas, and opens the opening / closing valve 112. By the way, N 2 A carrier gas, which is an inert gas such as (nitrogen gas) or Ar, is introduced into the heating chamber 110, the opening and closing valve 113 is opened, and the vaporized gas of the organometallic material is introduced into the vacuum vessel 101 together with the carrier gas.
[0036]
Here, as the organometallic material containing an aluminum element, Al (i-OC 3 H 7 ) 3 [Triisopropoxyaluminum: triisopropoxyaluminum], Al (OCH 3 ) 3 [Trimethyoxyluminum: trimethoxyaluminum], Al (n-OC 4 H 9 ) 3 [Trinormalbutoxyaluminum: Trinormal butoxyaluminum], Al (n-OC 3 H 7 ) 3 [Trinormalpropoxyaluminum: Trinormal propoxyaluminum], Al (C 5 H 7 O 2 ) 3 [Triacetylacetonatoaluminum: aluminum triacetylacetonate], Al (C 11 H 19 O 2 ) 3 [Trisipivaloylmethanatoaluminum: aluminum tripipivaloylmethanate], Al (C 5 HFO 2 ) 3 [Trishexafluoroacetylacetonatoaluminum: trihexafluoroacetylacetonatoaluminum], Al (OC 2 H 5 ) 3 [Triethoxyaluminum: triethoxyaluminum], Al (i-OC 4 H 9 ) 3 [Triisobutoxyaluminum: triisobutoxyaluminum] and the like. All of these materials are solid at room temperature and pressure and are easy to handle, so that the formation of a film is facilitated. Further, these materials are vaporized and gasified by adjusting temperature conditions (120 ° C. to 270 ° C.) and pressure conditions (760 Torr to 0.01 Torr).
[0037]
The element supply unit 103 includes a plurality of single element supply units 103a and 103b. The basic structure of the single element supply units 103a and 103b is the same as that of the aluminum supply unit 102. Organometallic materials for supplying different elements M are set in the heating chambers 110 of the single element supply units 103a and 103b. In addition, the number of the single element supply units 103a and 103b may be one or plural.
[0038]
The oxygen gas supply unit 104 is provided with an oxygen cylinder 114. The supply amount of oxygen from the oxygen cylinder 114 is adjusted by an on-off valve 115.
[0039]
Among the parallel plate electrodes 106a and 106b, one of the parallel plate electrodes 106a is connected to the high frequency power supply 119, and the other parallel plate electrode 106b is connected to the high frequency matching box 120. These parallel plate electrodes 106a and 106b are brought into a plasma state by applying an electric field to the atmosphere near the member 2. As a result, the mixed gas charged and mixed into the vacuum vessel 101 becomes a plasma state, and a chemical reaction that occurs only at a temperature of several hundred degrees or more in a normal state other than the plasma state proceeds at room temperature (normal temperature). Here, as the electric field, for example, in the case of an AC electric field, 13.56 MHz, 5 W / cm 2 And in the case of a DC electric field, 10 kV / cm 2 It is.
[0040]
Next, a method of forming the metal oxide film 3 on the member 2 using such a film forming apparatus 100 will be described. Here, as the metal oxide film 3, a film formed from Al (aluminum) and O (oxygen) will be described as an example.
[0041]
First, as a pre-process, the surface of the member 2 is irradiated with infrared light from the infrared lamp heater 105 to heat the member 2.
[0042]
Next, as a gas mixing step, an organic metal gas for supplying aluminum is supplied into the vacuum vessel 101 from the aluminum supply section 102 together with the carrier gas, and oxygen gas is supplied from the oxygen gas supply section 104 into the vacuum vessel 101. The supply of these gases is performed simultaneously. Thereby, those gases are mixed in the vacuum vessel 101 (hereinafter, such a gas is referred to as a mixed gas).
[0043]
Then, as a film forming step, the pressure in the vacuum vessel 101 is adjusted according to the growth conditions of the metal oxide film 3. This is performed by adjusting the amount of gas to be supplied and the amount of exhaust by the vacuum pump 108. In addition, plasma is generated by the parallel plate electrodes 106a and 106b. As a result, the mixed gas undergoes a gas phase reaction near the surface of the member 2, and the metal oxide film 3 is formed on the surface of the member 2. Thus, the member 1 with a film is completed.
[0044]
At this time, if the member 2 has a complicated structure, the thickness of the metal oxide film 3 to be formed may vary greatly depending on the relationship with the gas flow. It is important to form a film while uniformly flowing the gas into the vacuum vessel 101 and rotating the member 2 by rotating means (not shown) so as to change the portion of the member 2 that contacts the gas flow.
[0045]
When the metal oxide film 3 is formed from Al (aluminum), O (oxygen), and the element M, a vacuum is supplied from the element supply unit 103 together with the organic metal gas for supplying aluminum and the oxygen gas in the gas mixing step. By supplying an organic metal gas for supplying the element M together with the carrier gas into the container 101, the gases are mixed.
[0046]
By forming the metal oxide film 3 on the surface of the member 2 by the method described above, gases of very small sizes react with each other to form the metal oxide film 3, so that the metal oxide film 3 There is almost no room for entry, and the dense metal oxide film 3 having a porosity of less than 1% is obtained. Here, even if a volatile gas is generated when the mixed gas undergoes a chemical reaction, such a gas can hardly stay on the surface of the member 2 in the process of forming the film (in the metal oxide film 3). Therefore, it is pushed out of the metal oxide film 3 and the porosity is less than 1%. Thereby, the metal oxide film 3 having more excellent corrosion resistance and oxidation resistance than the conventional film is obtained. Here, in the conventional method, since the film is formed using the powder material, it is considered that air enters between the powders and many pores are formed.
[0047]
In addition, since gas molecules having extremely small sizes react with each other to form the metal oxide film 3 on the surface of the member 2, a thin metal oxide film 3 having a thickness of 10 μm or less is formed on the surface of the member 2. It becomes possible.
[0048]
Further, since the metal oxide film 3 is formed by vapor phase growth, even if the member has a complicated three-dimensional shape by controlling the temperature condition, the pressure condition, the formation time, and the like, the entire surface thereof is within the processing tolerance. The metal oxide film 3 can be formed uniformly to a thickness.
[0049]
In the present embodiment, a method of applying an electric field to the atmosphere near the member 2 has been described as an example of a method of generating plasma. However, the present invention is not limited to this. For example, a microwave may be applied to a mixed gas. Thus, a plasma state may be generated. At this time, the microwave energy is desirably 0.2 W or more.
[0050]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 3 is a longitudinal sectional front view schematically showing the member with a film of the present embodiment.
[0051]
The member 1 with a film according to the present embodiment is formed by laminating a first metal oxide film 3a and a second metal oxide film 3b on a member 2.
[0052]
The first metal oxide film 3a is formed from Al (aluminum) and O (oxygen). The second metal oxide film 3b is formed of Al (aluminum), O (oxygen), and at least one other element M. The first metal oxide film 3a and the second metal oxide film 3b constitute a laminated film 4 having a thickness of 10 μm or less. The porosity of the laminated film 4 is less than 1%.
[0053]
Next, a method of forming the laminated film 4 on the member 2 using the film forming apparatus 100 will be described.
[0054]
First, as a first step, a first metal oxide film 3a composed of Al (aluminum) and O (oxygen) is formed based on the method of forming the metal oxide film 3 described in the first embodiment. Form.
[0055]
Next, as a second step, a second metal oxide film 3b is formed on the first metal oxide film 3a based on the method for forming the metal oxide film 3 described in the first embodiment. Thereby, the laminated film 4 is formed on the surface of the member 2.
[0056]
By forming the laminated film 4 on the surface of the member 2 by the method described above, the same function and effect as in the first embodiment can be obtained.
[0057]
In the present embodiment, the laminated film 4 has been described by way of example in which the first metal oxide film 3a and the second metal oxide film 3b are laminated one by one, but the present invention is not limited to this. In the laminated film 4, a plurality of first metal oxide films 3a and a plurality of second metal oxide films 3b may be alternately laminated.
[0058]
【Example】
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0059]
In the present embodiment, as the member 2,
・ Pure aluminum (1000 series) 1080
・ Aluminum-copper alloy system (2000 system) 2014
・ Aluminum-manganese alloy (3000 series) 3105
・ Aluminum-silicon alloy (4000 series) 4032
・ Aluminum-magnesium alloy (5000 series) 5052
・ Aluminum-magnesium-silicon alloy (6000 series) 6061
・ Aluminum-zinc-magnesium alloy (7000 series) 7075
The metal oxide film 3 was formed on the member 2 by the method of forming the metal oxide film 3 described in the first embodiment described above.
[0060]
Specifically, as an organometallic material containing an aluminum element, Al (C 11 H 19 O 2 ) 3 5 g of [Trispivaloylmethanatoaluminum: aluminum tripipalloyl methanate] was placed on a zirconia ceramic dish 111a in the heating chamber 110 of the aluminum supply unit 102, and the temperature in the heating chamber 110 was set to 253 ° C. More specifically, the organometallic material is placed on the plate 111a in the heating chamber 110 at room temperature (22 ° C.), and argon gas is introduced as a carrier gas into the heating chamber 110 to change the inside of the heating chamber 110 from the atmospheric state. The heater was turned on with 100% argon gas. At this time, the time from the start of the operation until the inside of the heating chamber 110 reached 253 ° C. and became stable was 18 minutes.
[0061]
At the same time, after the member 2 was set in the vacuum vessel 101, the pressure in the vacuum vessel 101 was set to a vacuum state of 3 × 10E-3 Torr. The time required for this operation was 19 minutes. That is, the work time up to this point is 19 minutes. Then, the member 2 was irradiated with infrared light by the infrared lamp heater 105 to set the temperature of the surface of the member 2 to 150 ° C. At this time, it took 20 minutes.
[0062]
Then, in the aluminum supply unit 102, argon gas was supplied to the heating chamber 110 at a rate of 36 cc / min, and was sent into the vacuum vessel 101 together with the vaporized trippialloylmethanate aluminum that had been overheated and vaporized (sublimated). At the same time, 24 cc of oxygen gas was fed into the vacuum vessel 101 per minute. Thereby, the gas containing the organic metal material and the oxygen gas are mixed and reach the surface of the member 2. The time required for this operation was one minute.
[0063]
Then, the pressure in the vacuum vessel 101 is adjusted to 0.1 Torr by exhaust adjustment, and 7 W / cm is supplied by a 13.56 MHz high frequency power supply 119. 2 The state of the atmosphere near the member 2 was changed to the plasma state by the power of. The metal oxide film 3 was formed on the member 2 by selecting the film formation time from 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes. Thereby, the member 1 with a film was completed.
[0064]
After the film formation is completed, the pressure in the vacuum vessel 101 is returned from 0.1 Torr to the atmospheric pressure over 25 minutes while slowly lowering the temperature of the member 2, and the member 1 with the film is removed from the vacuum vessel 101. I took it out.
[0065]
The total time required for forming the metal oxide film 3 was 19 minutes + 20 minutes + 1 minute + 60 minutes (the longest time) +25 minutes = 2 hours 5 minutes. As described above, according to the film forming method of the present invention, the formation time of the metal oxide film 3 can be significantly reduced as compared with the conventional method.
[0066]
The thickness, porosity, and oxidation resistance of the metal oxide film 3 thus formed were examined. Table 1 shows the results.
[0067]
[Table 1]
Figure 2004300500
[0068]
As shown in Table 1, the thicknesses of the metal oxide film (aluminum oxide film) 3 when the film formation time was 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes were about 120 nm, about 300 nm, and about 550 nm.
[0069]
The porosity was measured using an optical microscope, and was less than 1% in all the metal oxide films 3.
[0070]
The oxidation resistance was measured using an oxidation resistance evaluation device shown in FIG. In the oxidation resistance evaluation apparatus 200, concentrated sulfuric acid is heated together with manganese dioxide to generate chlorine gas. This chlorine gas is passed through water to remove HCl contained in the gas, and further dried through sulfuric acid, and mixed with nitrogen gas. The nitrogen gas concentration was about 3%, and the flow rate was 1000 cc / min.
[0071]
This gas was heated to 300 ° C. to 900 ° C. by the ceramic heater 201, and immediately after heating, the gas was brought into contact with the metal oxide film 3 of the member 1 with a film. Thereby, the oxidation resistance of the metal oxide film 3 was evaluated. In addition, the member 1 with a film is fixed in contact with a water cooling jacket 202 made of copper, so that heat radiation is effectively performed.
[0072]
The oxidation resistance of all the metal oxide films 3 examined in this way was excellent in oxidization that could be endured without practical problems.
[0073]
【The invention's effect】
According to the invention of claims 1 to 4, the porosity of the metal oxide film is less than 1%, so that the metal oxide film has better corrosion resistance and oxidation resistance than the conventional film.
[0074]
According to the fifth to ninth aspects of the present invention, since gas molecules having extremely small sizes react with each other to form a film on the surface of the member, there is almost no room for air to enter the film, and the porosity is 1%. % Can be formed, whereby a film having excellent corrosion resistance and oxidation resistance can be obtained. In addition, since the film is formed by vapor phase growth, even if the member has a complicated three-dimensional shape by controlling the temperature conditions, pressure conditions, formation time, etc., the entire surface of the member has a thickness within the processing tolerance. A film can be formed uniformly. Further, a strong film mainly composed of aluminum oxide can be formed.
[0075]
According to the eighth aspect of the present invention, in the film forming method according to the fifth or seventh aspect, by using a material that is solid at normal temperature and normal pressure as the organometallic material, the formation of the film can be facilitated. .
[0076]
According to the ninth aspect of the present invention, in the method of forming a film according to the fifth, sixth, seventh, or eighth aspect, when the mixed gas is subjected to a gas phase reaction, a plasma state is generated, whereby a metal oxide is generated. Can be formed at temperatures lower than required by normal chemical reactions.
[0077]
According to the member with a film according to the tenth or eleventh aspect of the invention, the metal oxide film is a dense film having a porosity of less than 1%, and thus has higher corrosion resistance and oxidation resistance than a conventional film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional front view schematically showing a member with a film according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a film forming apparatus.
FIG. 3 is a longitudinal sectional front view schematically showing a member with a film according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an oxidation resistance evaluation device according to an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Coated material
2 members
3 Metal oxide film
3a First metal oxide film
3b Second metal oxide film
4 Laminated film

Claims (11)

部材と、
Al(アルミニウム)とO(酸素)とを含み前記部材の表面上に形成され気孔率が1%未満の金属酸化皮膜と、
を備える皮膜付部材。
Components,
A metal oxide film containing Al (aluminum) and O (oxygen) and formed on the surface of the member and having a porosity of less than 1%;
A member with a film comprising:
前記金属酸化皮膜は、Al(アルミニウム)及びO(酸素)以外の少なくとも1種類以上の元素を含む請求項1記載の皮膜付部材。The member with a film according to claim 1, wherein the metal oxide film includes at least one or more elements other than Al (aluminum) and O (oxygen). Al(アルミニウム)とO(酸素)とを含む第一の金属酸化皮膜と、Al(アルミニウム)とO(酸素)とそれら以外の少なくとも1種類以上の元素とを含む第二の金属酸化皮膜とが交互に少なくとも一層ずつ形成され気孔率が1%未満の積層皮膜と、
表面上に前記積層皮膜が形成された部材と、
を備える皮膜付部材。
A first metal oxide film containing Al (aluminum) and O (oxygen), and a second metal oxide film containing Al (aluminum), O (oxygen), and at least one other element are included. A laminated film having a porosity of less than 1% alternately formed at least one layer at a time,
A member having the laminated film formed on a surface thereof,
A member with a film comprising:
前記元素は、Li(リチウム)、Be(ベリリウム)、B(ホウ素)、N(窒素)、F(フッ素)、Na(ナトリウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、P(リン)、Cl(塩素)、K(カリウム)、Ca(カルシウム)、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Ge(ゲルマニウム)、As(砒素)、Rb(ルビジウム)、Sr(ストロンチウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコン)、Nb(ニオブ)、Sn(すず)、Sb(アンチモン)、Ba(バリウム)、La(ランタン)、Ta(タンタル)、Tl(タリウム)、Bi(ビスマス)、Ce(セリウム)、Nd(ネオジム)、Sm(トリウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Yb(イッテルビウム)、Th(トリウム)からなる群のうちの少なくとも一つ以上を含む請求項2又は3記載の皮膜付部材。The elements are Li (lithium), Be (beryllium), B (boron), N (nitrogen), F (fluorine), Na (sodium), Mg (magnesium), Si (silicon), P (phosphorus), Cl (Chlorine), K (potassium), Ca (calcium), Ti (titanium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (Zinc), Ge (germanium), As (arsenic), Rb (rubidium), Sr (strontium), Y (yttrium), Zr (zircon), Nb (niobium), Sn (tin), Sb (antimony), Ba (Barium), La (lanthanum), Ta (tantalum), Tl (thallium), Bi (bismuth), Ce (cerium), Nd (neodymium), Sm (thorium), Gd (gadolinium) , Tb (terbium), Yb (ytterbium), according to claim 2 or 3 coating with member according comprises at least one or more of the group consisting of Th (thorium). Al(アルミニウム)元素を含む有機金属材料が気化したガスと酸素又は酸素原子を含むガスとを混合し、混合したそれらのガスを部材の表面上付近で気相反応させて、前記部材の表面上に金属酸化皮膜を形成する皮膜形成方法。A gas in which an organometallic material containing an Al (aluminum) element is vaporized and a gas containing oxygen or an oxygen atom are mixed, and the mixed gas is subjected to a gas phase reaction near the surface of the member to form a gas phase reaction on the surface of the member. Film forming method for forming a metal oxide film on the surface. 前記有機金属材料は、Al(アルミニウム)元素以外の少なくとも1種類以上の金属元素を含む請求項5記載の皮膜形成方法。The method according to claim 5, wherein the organometallic material includes at least one or more metal elements other than the Al (aluminum) element. Al(アルミニウム)元素を含む有機金属材料が気化したガスと酸素又は酸素原子を含むガスとを混合し、混合したそれらのガスを部材の表面上付近で気相反応させて第一の金属酸化皮膜を形成する第一の工程と、
Al(アルミニウム)元素及びAl(アルミニウム)元素以外の少なくとも1種類以上の金属元素を含む有機金属材料が気化したガスと、酸素又は酸素原子を含むガスと、を混合し、混合したそれらのガスを部材の表面上付近で気相反応させて第二の金属酸化皮膜を形成する第二の工程と、
を含み、
前記第一の工程と前記第二の工程とを交互に実行し、部材の表面上に第一の金属皮膜と第二の金属皮膜とを交互に少なくとも一層ずつ形成する皮膜形成方法。
A first metal oxide film formed by mixing a gas obtained by vaporizing an organic metal material containing an Al (aluminum) element and a gas containing oxygen or an oxygen atom, and subjecting the mixed gas to a gas phase reaction near the surface of the member; A first step of forming
A gas in which an organometallic material containing at least one or more metal elements other than the Al (aluminum) element and the Al (aluminum) element is vaporized, and a gas containing oxygen or an oxygen atom are mixed, and the mixed gases are mixed. A second step of forming a second metal oxide film by performing a gas phase reaction near the surface of the member,
Including
A film forming method in which the first step and the second step are alternately performed to form at least one first metal film and at least one second metal film alternately on the surface of the member.
Al(アルミニウム)元素を含む前記有機金属材料は、
Al(i−OC[Triisopropoxyaluminum:トリイソプロポキシアルミニウム]、
Al(OCH[Trimethoxyaluminum:トリメトキシアルミニウム]、
Al(n−OC[Trinormalbutoxyaluminum:トリノルマルブトキシアルミニウム]、
Al(n−OC[Trinormalpropoxyaluminum:トリノルマルプロポキシアルミニウム]、
Al(C[Triacetylacetonatoaluminum:トリアセチルアセトナートアルミニウム]、
Al(C1119[Trisdipivaloylmethanatoaluminum:トリピバロイルメタネートアルミニウム]、
Al(CHFO[Trishexafluoroacetylacetonatoaluminum:トリヘキサフロロアセチルアセトナートアルミニウム]、
Al(OC[Triethoxyaluminum:トリエトキシアルミニウム]、
Al(i−OC[Triisobutoxyaluminum: トリイソブトキシアルミニウム]、
のうち少なくとも一つ以上を含む請求項5又は7記載の皮膜形成方法。
The organometallic material containing an Al (aluminum) element,
Al (i-OC 3 H 7 ) 3 [Triisopropoxyaluminum: triisopropoxyaluminum,
Al (OCH 3 ) 3 [Trimethoxyaluminum: trimethoxyaluminum],
Al (n-OC 4 H 9 ) 3 [Trinormalbutoxyaluminum: trinormal butoxyaluminum],
Al (n-OC 3 H 7 ) 3 [Trinormalpropoxyaluminum: tri-n-propoxy aluminum,
Al (C 5 H 7 O 2 ) 3 [Triacetylacetonatoaluminum: aluminum triacetylacetonate],
Al (C 11 H 19 O 2 ) 3 [Tris dipivaloylmethanatoaluminum: aluminum tripipalloyl methanate],
Al (C 5 HFO 2 ) 3 [Trihexafluoroacetylacetonatoaluminum: aluminum trihexafluoroacetylacetonato],
Al (OC 2 H 5 ) 3 [Triethoxyaluminum: triethoxyaluminum],
Al (i-OC 4 H 9 ) 3 [Triisobutoxyaluminum: tri isobutoxy aluminum,
The film forming method according to claim 5, comprising at least one of the following.
混合した前記ガスを気相反応させる際に、プラズマ状態を発生させる請求項5,6,7又は8記載の皮膜形成方法。9. The film forming method according to claim 5, wherein a plasma state is generated when the mixed gas is subjected to a gas phase reaction. 請求項5又は6記載の皮膜形成方法によって部材の表面上に金属酸化皮膜が形成された皮膜付部材。A member with a film, wherein a metal oxide film is formed on the surface of the member by the film forming method according to claim 5. 請求項7記載の皮膜作成方法によって部材の表面上に第一の金属酸化皮膜と第二の金属酸化皮膜とが交互に少なくとも一層ずつ形成された皮膜付部材。A member with a film, wherein at least one first metal oxide film and a second metal oxide film are alternately formed on the surface of the member by the film forming method according to claim 7.
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