JP2008038228A - Sintering tray - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焼結体を製造するための焼結工程において用いられる焼結用トレーに関する。 The present invention relates to a sintering tray used in a sintering process for producing a sintered body.
一般に粉末冶金製品の如き焼結体は、主合金とバインダー成分とを混合し、加圧成形後それを焼結することにより製造される。そして、その焼結工程は、加圧成形された成形体(以下、このような成形体のみに限らず焼結される対象物を「焼結対象物」と記す)を焼結用トレーに載置して行なわれる。 In general, a sintered body such as a powder metallurgy product is manufactured by mixing a main alloy and a binder component, and sintering them after pressure molding. In the sintering step, a pressure-molded molded body (hereinafter, not only such a molded body but also an object to be sintered is referred to as a “sintered object”) is placed on a sintering tray. Is performed.
しかし、この焼結工程において、従来より以下のような問題が指摘されておりその改善が望まれていた。すなわち、この焼結工程において焼結対象物と焼結用トレーとが反応し、その結果焼結された焼結体の組成が所望される組成のものとは異なったものとなり、このため焼結体に要求される特性を十分に示さなくなるという問題である。そして、この問題は、焼結用トレーの基材として炭素質材を用いる場合に特に顕著に表れるものであった。 However, in this sintering process, the following problems have been pointed out conventionally, and improvement has been desired. That is, in this sintering process, the object to be sintered reacts with the sintering tray, and as a result, the composition of the sintered body is different from that of the desired composition. It is a problem that it does not sufficiently show the characteristics required for the body. This problem is particularly prominent when a carbonaceous material is used as the base material for the sintering tray.
そして、この問題を解決するための手段として、従来より焼結用トレーを構成する基材の表面に各種の被膜を形成する試みや、そのような基材の細孔にAl2O3を充填させる試みが提案されている(特許文献1)。しかしながら、このAl2O3を充填させる試みにおいては、Al2O3が連続した被膜を形成しないため上記のような反応を十分に防止することは困難であった。 And as a means to solve this problem, attempts to form various coatings on the surface of the base material that constitutes a sintering tray conventionally, and filling the pores of such base material with Al 2 O 3 An attempt has been made (Patent Document 1). However, in the attempt to fill this Al 2 O 3 , it was difficult to sufficiently prevent the above reaction because Al 2 O 3 does not form a continuous film.
一方、基材の表面に各種の被膜を形成する試みとしては、たとえばZrO2とY2O3とからなる複合被膜を形成する方法が提案されている(特許文献2)。しかしながら、この複合被膜は、被膜内に亀裂が生じたり剥離が生じるという問題があり、その亀裂や剥離に起因して上記の反応を十分防止することができないという問題があった。 On the other hand, as an attempt to form various coatings on the surface of a substrate, for example, a method of forming a composite coating composed of ZrO 2 and Y 2 O 3 has been proposed (Patent Document 2). However, this composite film has a problem that cracks or peeling occurs in the film, and the above reaction cannot be sufficiently prevented due to the cracks or peeling.
また、そのような被膜として希土類酸化物を含有する被膜を形成するという提案もなされているが(特許文献3、4)、上記の複合被膜と同様の問題を有し、抜本的な解決策とはなっていなかった。さらに、これらの問題を解決するべく、異種セラミック混合層を基材上に形成する試みも提案されているが、被膜がさらに剥離しやすくなるという問題があった。
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは焼結対象物に対する反応性を可能な限り低減した焼結用トレーを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a sintering tray in which the reactivity with respect to the object to be sintered is reduced as much as possible.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、焼結用トレーを構成する基材上に形成される被膜の材質(化学組成)を改良するよりもむしろその被膜の物理的構造を改良する方が効果的であるとの知見を得、この知見に基づきさらに検討を重ねることによりついに本発明を完成させるに至ったものである。 The present inventor has made extensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, the physical properties of the coating rather than improving the material (chemical composition) of the coating formed on the substrate constituting the sintering tray. The present inventors have finally obtained the knowledge that it is more effective to improve the structural structure, and have made further studies based on this knowledge to finally complete the present invention.
すなわち、本発明は、基材と、該基材上に形成される1層以上の被膜とを備える焼結用トレーであって、該基材は、炭素質材からなり、該被膜は、平均粒径が1nm以上800nm以下である酸化物の結晶粒子により構成され、かつその緻密度が35%以上99%以下であり、被膜の表面から基材の表面に通ずる貫通孔が存在しないことを特徴とする焼結用トレーに係る。 That is, the present invention is a sintering tray comprising a base material and one or more layers of coatings formed on the base material, the base material comprising a carbonaceous material, It is composed of oxide crystal particles having a particle size of 1 nm or more and 800 nm or less, and the density thereof is 35% or more and 99% or less, and there are no through-holes extending from the surface of the coating to the surface of the substrate. This relates to the sintering tray.
ここで、上記被膜は、その厚み方向において上記緻密度が均一でないことが好ましく、上記酸化物は、1種または2種以上の酸化物であることが好ましく、Al2O3、ZrO2、Y2O3、TiO2、HfO2、およびCr2O3からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。 Here, it is preferable that the denseness is not uniform in the thickness direction, and the oxide is preferably one or more oxides, and Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y It is preferably at least one selected from the group consisting of 2 O 3 , TiO 2 , HfO 2 , and Cr 2 O 3 .
また、上記被膜は、その総膜厚が20nm以上100μm以下であることが好ましく、上記基材は、被膜と接する界面部において酸化物の結晶粒子が浸入していることが好ましい。 The total thickness of the coating film is preferably 20 nm or more and 100 μm or less, and the base material is preferably filled with oxide crystal particles in an interface portion in contact with the coating film.
さらに、上記被膜は、微粒酸化物粉末を原料として用いるエアロゾルデポジション法により形成されることが好ましく、その微粒酸化物粉末は、平均粒径が1nm以上1μm以下であることが好ましい。 Further, the coating is preferably formed by an aerosol deposition method using a fine oxide powder as a raw material, and the fine oxide powder preferably has an average particle size of 1 nm or more and 1 μm or less.
本発明の焼結用トレーは、上記の通りの構成を有することにより、焼結対象物に対する反応性を可能な限り低減したものである。 The tray for sintering of the present invention has the configuration as described above, so that the reactivity with respect to the object to be sintered is reduced as much as possible.
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
<焼結用トレー>
本発明の焼結用トレーは、焼結対象物を焼結させる際に用いられるトレーであって、その焼結対象物を載置させる等してその焼結対象物と接するものである。したがって、このような用途に適用される部材である限りその呼称を焼結用トレーのみに限るものではない。たとえば、単にトレーや焼結トレーと呼ばれたり、焼結セッター等と呼ばれるものも含まれる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
<Sintering tray>
The tray for sintering of the present invention is a tray used when sintering a sintered object, and is in contact with the sintered object by placing the sintered object or the like. Therefore, the name is not limited to the sintering tray as long as it is a member applied to such a use. For example, what is called a tray and a sintering tray, and what is called a sintering setter etc. is also contained.
なお、ここでいう焼結対象物とは、その組成が特に限定されるものではないが、たとえば焼結されて超硬合金やサーメット等からなる焼結体を構成するものをいう。 In addition, although the composition is not specifically limited as used herein, the sintered object is, for example, a material that is sintered to form a sintered body made of cemented carbide or cermet.
このような本発明の焼結用トレーは、基材と、該基材上に形成される1層以上の被膜とを備えるものである。 Such a sintering tray of the present invention comprises a base material and one or more layers of coating formed on the base material.
<基材>
本発明の基材は、炭素質材からなるものである。この種の用途に用いられる炭素質材である限り、特に限定することなくいかなる炭素質材を用いることも可能である。
<Base material>
The base material of the present invention is made of a carbonaceous material. Any carbonaceous material can be used without particular limitation as long as it is a carbonaceous material used for this type of application.
なお、ここで炭素質材とは、炭素を主成分とする成形体をいう。たとえば、グラファイトを主成分とする無機系成形体(グラファイトトレー)が含まれる。なお、このような成形体には、バインダー成分が含まれていても差し支えない。 In addition, a carbonaceous material means the molded object which has carbon as a main component here. For example, an inorganic molded body (graphite tray) mainly composed of graphite is included. Such a molded article may contain a binder component.
<被膜>
本発明の被膜は、基材上に1層以上形成されるものであり、平均粒径が1nm以上800nm以下である酸化物の結晶粒子により構成され、かつその緻密度が35%以上99%以下であり、この被膜の表面から基材の表面に通ずる貫通孔が存在しないことを特徴としている。
<Coating>
The coating film of the present invention is formed on a substrate by one or more layers, and is composed of oxide crystal particles having an average particle diameter of 1 nm or more and 800 nm or less, and the density thereof is 35% or more and 99% or less. It is characterized in that there are no through-holes leading from the surface of the coating to the surface of the substrate.
このような被膜は、その総膜厚が20nm以上100μm以下であることが好ましく、より好ましくは、その上限が50μm以下であり、その下限が1μm以上、さらに好ましくは5μm以上である。上記総膜厚が20nm未満の場合、焼結対象物との反応性を十分に抑制することが困難になる場合がある。一方、総膜厚が100μmを超えると被膜の自己破壊を生じる場合がある。 Such a coating preferably has a total film thickness of 20 nm or more and 100 μm or less, more preferably an upper limit of 50 μm or less, and a lower limit of 1 μm or more, and further preferably 5 μm or more. When the total film thickness is less than 20 nm, it may be difficult to sufficiently suppress the reactivity with the sintered object. On the other hand, if the total film thickness exceeds 100 μm, self-destruction of the film may occur.
なお、被膜の総膜厚とは、被膜が1層からなる場合はその被膜の厚みをいい、被膜が2層以上からなる場合は各層の厚みを合計した厚みをいうものとする。 The total film thickness of the coating means the thickness of the coating when the coating consists of one layer, and the total thickness of the layers when the coating consists of two or more layers.
<酸化物の結晶粒子>
本発明の被膜は、平均粒径が1nm以上800nm以下である酸化物の結晶粒子により構成される。このように被膜を構成する酸化物の結晶粒子の平均粒径を特定の微小範囲のものに限定したことにより、本発明の被膜は加熱/冷却サイクル等によって亀裂が発生した場合であってもその進行を極めて有効に防止することができるものとなる。このため、被膜の亀裂を介した物質移動がその主な原因と考えられる焼結対象物と焼結用トレー(ここでは「基材」と表現する方が正確かもしれないが特に断りのない限り以下でも単に「焼結用トレー」と表現するものとする)間の反応を有効に抑制することができる。
<Oxide crystal particles>
The coating film of the present invention is composed of oxide crystal particles having an average particle diameter of 1 nm to 800 nm. Thus, by limiting the average particle size of the oxide crystal particles constituting the coating to a specific minute range, the coating of the present invention can be used even when cracks are generated by heating / cooling cycles, etc. The progress can be prevented very effectively. For this reason, it is considered that the main cause of mass transfer through cracks in the coating is the sintered object and the sintering tray (in this case, it may be more accurate to express “substrate”, unless otherwise noted. In the following, it is possible to effectively suppress the reaction between the “sintering tray”.
また、そのような物質移動は亀裂が発生しない場合であっても結晶の粒界に沿って移動する可能性が考えられるところ、上記のように平均粒径を特定の微小範囲のものに限定したことにより結晶粒が特定の方位に配列することもないため、物質移動に影響するような粒界が被膜中に形成されることもない。このため、焼結対象物と焼結用トレー間の反応を有効に抑制することができる。 In addition, even if such mass transfer does not occur, cracks may move along the grain boundaries of the crystal. As described above, the average particle size is limited to a specific minute range. As a result, the crystal grains are not arranged in a specific orientation, so that a grain boundary that affects mass transfer is not formed in the coating. For this reason, the reaction between the sintering object and the sintering tray can be effectively suppressed.
このような平均粒径は、より好ましくは、その上限が500nm以下である。上記平均粒径が1nm未満の場合や800nmを超える場合には上記のような有効な効果を示すことができない。 More preferably, the upper limit of such average particle diameter is 500 nm or less. When the average particle diameter is less than 1 nm or more than 800 nm, the above-mentioned effective effects cannot be shown.
なお、このような平均粒径は、次のようにして測定することができる。すなわち、まず透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて被膜の断面(厚み方向に平行な断面)中における基材表面と平行な所定の長さの任意の線分上に存在する酸化物の結晶粒子の個数を測定し、その所定長さをその結晶粒子の個数で除した値を酸化物の結晶粒子の粒子径とする。そして、上記の任意の線分として3本の線分について同様の測定を行なうことにより、それらの粒子径の平均値を平均粒径とする。当該線分の所定長さは、3μm〜5μm程度とすることが好ましい。 Such average particle diameter can be measured as follows. That is, first, using transmission electron microscope (TEM), oxide crystal particles present on an arbitrary line segment of a predetermined length parallel to the substrate surface in the cross section of the coating (cross section parallel to the thickness direction) The value obtained by dividing the predetermined length by the number of crystal grains is defined as the particle diameter of the oxide crystal grains. Then, the same measurement is performed for three line segments as the above arbitrary line segments, and the average value of the particle diameters is defined as the average particle diameter. The predetermined length of the line segment is preferably about 3 μm to 5 μm.
一方、このような結晶粒子を構成する酸化物は、1種のもののみにより構成されていても良いし、2種以上のものを組み合せることにより構成されていても良い。また、被膜が2層以上で構成される場合は、各層を構成する酸化物の結晶粒子は同種のものであっても良いし、異種のものであっても良い。このように被膜を酸化物の結晶粒子で構成したことにより、焼結対象物と焼結用トレー間の反応を化学的にも有効に抑制することができるとともに、とりわけこのような被膜自体と焼結用トレーとが反応することを抑制することができる。 On the other hand, the oxide constituting such crystal grains may be composed of only one kind, or may be composed by combining two or more kinds. When the coating is composed of two or more layers, the oxide crystal particles constituting each layer may be of the same type or different types. By configuring the coating with oxide crystal particles in this way, the reaction between the object to be sintered and the sintering tray can be effectively suppressed chemically, and in particular, the coating itself and the firing can be prevented. The reaction with the binding tray can be suppressed.
このような酸化物としては、耐熱性部材等の被膜として用いられる従来公知の酸化物(無機系酸化物)を特に限定することなく使用することができるが、特に好適な例としては、Al2O3、ZrO2、Y2O3、TiO2、HfO2、およびCr2O3からなる群から選ばれる少なくとも1種のものを用いることが好ましい。 As such an oxide, it can be used without particular limitation conventional oxide (inorganic oxide) to be used as a coating, such as a heat resistant member, as a particularly preferred example, Al 2 It is preferable to use at least one selected from the group consisting of O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , HfO 2 , and Cr 2 O 3 .
なお、本発明の酸化物の結晶粒子は、被膜を構成するものであるが、その一部が被膜と接する基材の界面部に浸入していることが好ましい。所謂アンカー効果が発現されるためであり、被膜と基材との密着性が向上しかつ被膜の剥離が効果的に抑制されるからである。なお、浸入する領域は大略基材表面から0.001μm〜0.5μmの範囲とすることが好ましい。 The oxide crystal particles of the present invention constitute a coating film, but it is preferable that a part of the oxide crystal particles penetrates into the interface portion of the substrate in contact with the coating film. This is because the so-called anchor effect is exhibited, and the adhesion between the coating film and the base material is improved, and peeling of the coating film is effectively suppressed. In addition, it is preferable to make the area | region to penetrate into the range of 0.001 micrometer-0.5 micrometer from the base-material surface in general.
なお、このように酸化物の結晶粒子が基材の界面部に浸入する場合であって、被膜と基材との界面部を明確に判断することが困難となり被膜の総膜厚の測定が困難となる場合は、TEMを用いた被膜の厚み方向の断面測定により被膜成分の面積比率が50%以上となる地点を両者の界面部とみなすものとする。 In addition, when the oxide crystal particles penetrate into the interface portion of the base material in this way, it is difficult to clearly determine the interface portion between the coating film and the base material, and it is difficult to measure the total film thickness of the coating film. In such a case, a point at which the area ratio of the coating component is 50% or more by cross-sectional measurement in the thickness direction of the coating using TEM is regarded as the interface between the two.
<緻密度>
本発明の被膜は、35%以上99%以下の緻密度を有するものである。このように緻密度を特定範囲のものとしたことにより、これが上記の特徴と相乗的に作用することによって、焼結対象物と焼結用トレー間の反応を極めて有効に抑制することができる。
<Dense>
The film of the present invention has a density of 35% or more and 99% or less. Thus, by setting the density within a specific range, this acts synergistically with the above-described characteristics, so that the reaction between the object to be sintered and the sintering tray can be extremely effectively suppressed.
緻密度が35%未満の場合、焼結対象物と焼結用トレー間の反応を十分に抑制することが困難になる一方、99%を超える場合は製造に困難を伴い極めて生産性に劣るため好ましくない。 When the density is less than 35%, it becomes difficult to sufficiently suppress the reaction between the sintering object and the sintering tray, whereas when it exceeds 99%, the production is difficult and the productivity is extremely poor. It is not preferable.
ここで緻密度とは、本発明の被膜の密度を、被膜を構成する酸化物の焼結体の理論密度で除した数値を百分率(%)で表したものをいう。そして、具体的測定方法は以下の通りである。 Here, the fine density means a value obtained by dividing the density of the coating of the present invention by the theoretical density of the oxide sintered body constituting the coating, expressed as a percentage (%). And the specific measuring method is as follows.
まず、本発明の被膜の密度を以下のようにして求める。すなわち、本発明の焼結用トレーの基材と同一の基材からなる平板を準備し、その平板に対して焼結用トレー製造時の被膜形成条件と同一条件で一定厚み(たとえば50μm)の被膜を形成させる。そして、被膜形成前後の該平板の質量変化を測定し、その増加分を被膜の質量とする。そして、その被膜質量を被膜の体積(被膜を形成した該平板表面の面積に被膜の厚みを乗じたもの)で除した数値を本発明の被膜の密度とする。 First, the density of the coating of the present invention is determined as follows. That is, a flat plate made of the same base material as that of the sintering tray of the present invention is prepared, and a constant thickness (for example, 50 μm) is formed on the flat plate under the same conditions as the film forming conditions when the sintering tray is manufactured A film is formed. And the mass change of this flat plate before and after film formation is measured, and the increase is made into the mass of a film. And the numerical value which remove | divided the film mass by the volume of the film (thickness of the surface of the flat plate on which the film is formed multiplied by the thickness of the film) is defined as the density of the film of the present invention.
次いで、このようにして求めた本発明の被膜の密度を、被膜を構成する酸化物の焼結体または単結晶の理論密度で除することにより緻密度を算出する。理論密度は文献値を採用するものとする。なお、酸化物が2種以上のもので構成される場合は、各酸化物の焼結体の理論密度にその構成比率を乗じて得られる数値を合計したものを理論密度とする。 Next, the density is calculated by dividing the density of the coating film of the present invention thus obtained by the theoretical density of the oxide sintered body or single crystal constituting the coating film. Literature values shall be adopted as the theoretical density. In addition, when an oxide is comprised with 2 or more types of thing, what was totaled the numerical value obtained by multiplying the theoretical density of the sintered compact of each oxide by the structural ratio is made into a theoretical density.
またさらに、このような緻密度は、被膜の厚み方向において均一でないことが好ましい。このように緻密度を均一ではない状態とすることにより、被膜の剥離が極めて有効に防止されることになる。これは、被膜中に部分的に緻密度の低い領域が形成されるためであると考えられる。 Furthermore, it is preferable that such a density is not uniform in the thickness direction of the film. Thus, by making the density non-uniform, peeling of the film is extremely effectively prevented. This is considered to be because a region having a low density is partially formed in the film.
すなわち、被膜の剥離は、主として加熱/冷却サイクルを繰り返す際、被膜と基材間の熱膨張係数の差に起因して両者間に生じる寸法差がその主な原因と考えられ、そのような寸法差に起因する歪が緻密度の低い領域により緩和されるためではないかと考えられる。 That is, the peeling of the coating is mainly caused by the dimensional difference between the two due to the difference in the thermal expansion coefficient between the coating and the substrate when the heating / cooling cycle is repeated. It is thought that the strain due to the difference is alleviated by the low density region.
そして、特に被膜の表面側において緻密度が大きく、そこから基材の表面側にかけて段階的または傾斜的に変化し、基材の表面側において緻密度が小さくなるような緻密度分布とすることが好ましい。このような分布とすることにより、焼結対象物と焼結用トレー間の反応を特に有効に抑制することができるとともに、被膜の剥離も効果的に防止することができるためである。 In particular, the density distribution is such that the density is large on the surface side of the coating and changes stepwise or in an inclined manner from there to the surface side of the base material, and the density decreases on the surface side of the base material. preferable. By setting it as such distribution, reaction between a sintering object and a sintering tray can be suppressed especially effectively, and peeling of a film can also be prevented effectively.
そして、このような緻密度の変化は、たとえば次のようにして確認することができる。まず、上記のようにして被膜全体の緻密度を測定する。次に、被膜表面から所定の厚み分をダイヤモンド砥石で研磨することにより除去した後、残存部分の被膜の緻密度を測定する。そして、この操作を繰り返すことにより、被膜の緻密度の変化を測定することができる。なお、この測定は、上記の通り同一基材による平板を用いたモデルを測定するものであるため、砥石で研磨される所定厚みは対象とする現実の被膜の厚みに相関させて決定する必要がある。 Such a change in density can be confirmed, for example, as follows. First, the density of the entire coating is measured as described above. Next, after removing a predetermined thickness from the coating surface by polishing with a diamond grindstone, the density of the coating in the remaining portion is measured. Then, by repeating this operation, a change in the density of the coating can be measured. In addition, since this measurement measures a model using a flat plate made of the same base material as described above, the predetermined thickness polished by the grindstone needs to be determined in correlation with the actual thickness of the target film. is there.
<貫通孔>
本発明の被膜は、被膜の表面から基材の表面に通ずる貫通孔が存在しないことを特徴とするものである。これにより、焼結対象物と焼結用トレーとの反応を有効に抑制することができる。このような優れた効果は、上記で既に説明した他の特徴と本特徴とが相乗的に作用することによりもたらされるものに他ならないが、35%という比較的低い緻密度であっても被膜中に貫通孔が存在しないという状態を提供できるのは、酸化物の結晶粒子の平均粒径を1nm以上800nm以下という極めて微小範囲のものに限定したためである。
<Through hole>
The coating film of the present invention is characterized in that there are no through-holes extending from the surface of the coating film to the surface of the substrate. Thereby, reaction with a sintering target object and the tray for sintering can be suppressed effectively. Such excellent effects are none other than those brought about by the synergistic action of the other characteristics already described above and the present characteristics, but even in a relatively low density of 35%, The reason for providing a state in which no through-holes exist is that the average grain size of oxide crystal particles is limited to a very small range of 1 nm to 800 nm.
そして、このような貫通孔の有無は、被膜の表面および断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより確認することができる。すなわち、観察倍率を10000倍程度とし、観察視野を50μm×50μm程度とすることにより、被膜の表面5箇所および断面5箇所を観察することによって、貫通孔が確認されない場合に被膜の表面から基材の表面に通ずる貫通孔が存在しないものとみなすものとする。 And the presence or absence of such a through-hole can be confirmed by observing the surface and cross section of a film with a scanning electron microscope (SEM). That is, when the observation magnification is about 10,000 times and the observation visual field is about 50 μm × 50 μm, by observing the surface of the coating at five locations and the cross-section at five locations, when the through-holes are not confirmed, the substrate is removed from the surface of the coating. It is assumed that there are no through-holes that communicate with the surface.
なお、ここでいう貫通孔とは、上記のような物質移動に影響する孔をいうため、被膜表面および断面で観察される孔の径(最大径)が300nm以上のものをいうものとする。 In addition, since a through-hole here means the hole which influences the above-mentioned mass transfer, the diameter (maximum diameter) of the hole observed on a film surface and a cross section shall be a thing of 300 nm or more.
<製造方法>
本発明の被膜は、基材上に従来公知の任意の方法で形成することができる。しかし、本発明の被膜は、微粒酸化物粉末を原料として用いるエアロゾルデポジション法により形成することが特に好ましい。上記のような特徴を有する本発明の被膜を最も効率良く製造することができるからである。また、被膜を2種以上の酸化物で構成する場合にその複合化を容易に行なうことができるからである。以下、被膜をこのエアロゾルデポジション法により形成する場合について説明する。
<Manufacturing method>
The coating film of the present invention can be formed on a substrate by any conventionally known method. However, the coating of the present invention is particularly preferably formed by an aerosol deposition method using a fine oxide powder as a raw material. This is because the coating film of the present invention having the above-described features can be most efficiently produced. Further, when the coating is composed of two or more types of oxides, it can be easily combined. Hereinafter, the case where a film is formed by this aerosol deposition method will be described.
図1は、本発明で用いるエアロゾルデポジション法を実行するための成膜装置の概念図である。この成膜装置には、搬送ガスボンベ1の先にガス搬送ライン2を介してエアロゾル発生器としてのエアロゾル化室4が設置されている。ガス搬送ライン2を通る搬送ガスとして、窒素、アルゴン、ヘリウム、乾燥空気などを用いることができる。 FIG. 1 is a conceptual diagram of a film forming apparatus for executing the aerosol deposition method used in the present invention. In this film forming apparatus, an aerosol forming chamber 4 as an aerosol generator is installed at the end of a carrier gas cylinder 1 via a gas carrier line 2. Nitrogen, argon, helium, dry air, etc. can be used as the carrier gas passing through the gas carrier line 2.
エアロゾル化室4の内部には原料3として微粒酸化物粉末が適量充填されている。エアロゾル化室4は振動を加えるための加振機5上に載置される。エアロゾル化室4はエアロゾル搬送ライン6によりノズル7に接続されており、ノズル7は成膜室を構成するチャンバ13内において基材9と向かい合う。
The aerosol chamber 4 is filled with an appropriate amount of fine oxide powder as the
基材9は基板ステージ10によって保持されている。基材9とノズル7との間にはマスク8を設けることができる。ノズル7からはエアロゾル粒12が基材9に向かって噴出する。基板ステージ10は矢印14で示す方向に移動可能であり、これに伴い、基材9も基板ステージ10とともに移動する。チャンバ13は真空ポンプ11に接続されており、真空ポンプ11がチャンバ13内の圧力を調整することができる。
The substrate 9 is held by the
このような成膜装置において、真空ポンプ11を稼働させ、成膜室としてのチャンバ13およびエアロゾル化室4の圧力を1Pa程度となるまで減圧する。搬送ガスボンベ1をあけて、ガスを流量0.1slm(標準状態(25℃)での1分間当たりの流量が0.1l)から15slm(標準状態(25℃)において1分間当たりの流量が15l)でエアロゾル化室4にガスを送り込み、原料3である微粒酸化物粉末とガスとが適当な比率で混合されたエアロゾルを発生させる。
In such a film forming apparatus, the
この際、エアロゾルは微小開口を有するノズル7を通じてチャンバ13に流れ込むため、エアロゾル化室4とチャンバ13との間には103Pa程度の圧力差が生じる。このエアロゾルをエアロゾル搬送ライン6を通じて加速させ、ノズル7により基材9に向けて噴射する。
At this time, since the aerosol flows into the
基板ステージ10を駆動させることによりエアロゾルの衝突位置を変化させながら微粒酸化物粉末の衝突により基材9上に本発明の被膜が焼結状態で形成される。ノズル7と基材9を相対的に移動させることにより、必要部位に成膜する。また、必要であれば基材9上に適当なパターンを持つマスク8を固定することで、基材9の被膜形成位置を指定することができる。
The film of the present invention is formed in a sintered state on the base material 9 by the collision of the fine oxide powder while changing the aerosol collision position by driving the
上記において、被膜形成用の原料として用いる微粒酸化物粉末としては、平均粒径が1nm以上1μm以下のものを用いることが好ましく、より好ましくは、その上限が500nm以下であり、その下限が10nm以上、さらに好ましくは50nm以上である。上記平均粒径が1nm未満の場合、上記範囲内の緻密度を得られない場合がある一方、1μmを超えると被膜の成長速度が遅くなり生産性が劣る場合がある。一般的に、比較的大きな平均粒径を有する微粒酸化物粉末を用いると、比較的低い緻密度が得られる傾向にある。 In the above, as the fine oxide powder used as a raw material for film formation, it is preferable to use a powder having an average particle diameter of 1 nm or more and 1 μm or less, more preferably, the upper limit is 500 nm or less, and the lower limit is 10 nm or more. More preferably, it is 50 nm or more. When the average particle size is less than 1 nm, the fine density within the above range may not be obtained. On the other hand, when the average particle size exceeds 1 μm, the growth rate of the film may be slow and productivity may be inferior. In general, when a fine oxide powder having a relatively large average particle diameter is used, a relatively low density tends to be obtained.
なお、このような微粒酸化物粉末としては、平均粒径が異なる2種以上の粉末を用いることが特に好ましい。緻密度を好適に制御することができるからである。なお、ここでいう微粒酸化物粉末の平均粒径とは、累積質量50質量%(一般にD50で表される)の粒径をいう。 In addition, as such a fine oxide powder, it is particularly preferable to use two or more kinds of powders having different average particle diameters. This is because the density can be suitably controlled. Incidentally, the average particle size of the fine oxide powder as used herein means a particle size of cumulative mass 50% by mass (typically represented by D 50).
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<原料>
炭素質材からなる基材としてグラファイトを主成分とする所定形状(外郭寸法:たて230mm×横265mm×高さ5mm)のグラファイトトレーを用いた。そして、下記の表1および表2に記載した原料を用いてこの基材上に被膜を形成することにより本発明の焼結用トレーならびに比較例の焼結用トレーを製造した。なお、被膜の形成条件は後述の通りである。
<Raw material>
As a base material made of a carbonaceous material, a graphite tray having a predetermined shape (outer dimensions: length 230 mm × width 265 mm × height 5 mm) mainly composed of graphite was used. And the sintering tray of this invention and the sintering tray of a comparative example were manufactured by forming a film on this base material using the raw material described in the following Table 1 and Table 2. The film formation conditions are as described below.
表1および表2中、第1層〜第3層が被膜の各層を示し、そこに記載されている化合物が原料である。なお、第1層が基材上に形成されるものとし、第2層および第3層が記載されているものについては、第1層上に第2層が形成され、その第2層上に第3層が形成されることを示す。また、数値は原料の平均粒径(nm)と配合割合(質量%)を示す(カッコ内の数値が配合割合である)。すなわち、数値が2種以上の組み合せで記載されている場合は、複数の原料粉末が使用されたことを示す。たとえば、実施例1では原料の微粒酸化物粉末として平均粒径の異なるY2O3粉末が2種(平均粒径800nmのものが80質量%、平均粒径55nmのものが20質量%)用いられたことを示す。 In Table 1 and Table 2, the first layer to the third layer represent each layer of the coating, and the compounds described therein are the raw materials. Note that the first layer is formed on the base material, and the second layer and the third layer are described, the second layer is formed on the first layer, and the second layer is formed on the second layer. It shows that the third layer is formed. Moreover, a numerical value shows the average particle diameter (nm) and mixing | blending ratio (mass%) of a raw material (the numerical value in parenthesis is a mixing | blending ratio). That is, when a numerical value is described in a combination of two or more, it indicates that a plurality of raw material powders have been used. For example, in Example 1, two kinds of Y 2 O 3 powders having different average particle diameters as raw material fine oxide powders (80 mass% with an average particle diameter of 800 nm and 20 mass% with an average particle diameter of 55 nm) are used. Indicates that
<被膜形成条件>
図1の成膜装置を用いて上記で説明したエアロゾルデポジション法により基材上に被膜を焼結状態で形成した。本発明の実施例の被膜形成条件の具体的条件は以下の通りである。
<Film formation conditions>
A film was formed in a sintered state on the substrate by the aerosol deposition method described above using the film forming apparatus of FIG. Specific conditions of the film forming conditions of the examples of the present invention are as follows.
すなわち、エアロゾル化室4に上記表1および表2に記載した原料をそれぞれ充填した。搬送ガスとしてはヘリウムを用い、その流量を0.1slm〜15slmの範囲で調節した。また、エアロゾル化室4の圧力が10〜20kPaとなり、チャンバ13の圧力が5〜3000Paとなるように真空ポンプ11で圧力を調整した。
That is, the raw materials described in Table 1 and Table 2 were filled in the aerosolization chamber 4, respectively. Helium was used as the carrier gas, and the flow rate was adjusted in the range of 0.1 slm to 15 slm. Moreover, the pressure was adjusted with the
また、基板ステージ10に上記基材9をセットし、ノズル7の開口サイズは2〜4mm2の範囲で調整し、ノズル7と基材9との距離は4〜15mmの範囲で調整した。さらに基板ステージ10の移動速度を0.1〜3mm/sの範囲で調整した。
Further, the substrate 9 is set to the
このようにして、下記の表3および表4に記載した被膜を基材上に形成した。なお、被膜を構成する酸化物の平均粒径を小さくする場合は上記条件の範囲内でガス流量を大きくすれば良く、緻密度を低める場合は上記条件の範囲内で原料粉末の粒径を調整すれば良い。すなわち、平均粒径の異なる粉末を混合し、原料粉末全体の粒径が大きくなるようにすれば良い。なお、各層内で緻密度を変化させる場合は上記条件を途中で適宜変化させれば良い。また、比較例の被膜の形成条件は、上記の範囲を超えて調節したものである。 Thus, the film described in Table 3 and Table 4 below was formed on the substrate. When reducing the average particle size of the oxide constituting the coating, the gas flow rate should be increased within the range of the above conditions, and when reducing the density, the particle size of the raw material powder is adjusted within the range of the above conditions. Just do it. That is, powders having different average particle diameters may be mixed so that the entire raw material powder has a large particle diameter. In addition, what is necessary is just to change the said conditions suitably in the middle, when changing a density in each layer. Moreover, the film formation conditions of the comparative example are adjusted beyond the above range.
表3および表4中、第1層〜第3層は表1および表2の第1層〜第3層に各々対応する。材質の項のカッコ内の数値は、構成比率(質量%)を示す。平均粒径(nm)は、上記で説明した方法により測定した被膜を構成する酸化物結晶粒子の平均粒径を示す。緻密度の項の数値は、緻密度(%)と膜厚(μm)を示す(カッコ内の数値が膜厚である)。すなわち、緻密度の項に数値が2種以上の組み合せで記載されている場合は、被膜の厚み方向において緻密度が異なっていること(すなわち緻密度が均一でないこと)を示す。たとえば、実施例6では基材表面側に緻密度42%の領域が20μm形成され、被膜表面側に緻密度83%の領域が65μm形成されていることを示す(各層内で左側に記載されているものが基材側に形成されることを示す)。なお、緻密度は、上記で説明した方法により求めた。 In Tables 3 and 4, the first to third layers correspond to the first to third layers in Tables 1 and 2, respectively. The numerical value in parentheses in the material section indicates the composition ratio (% by mass). An average particle diameter (nm) shows the average particle diameter of the oxide crystal particle which comprises the film measured by the method demonstrated above. The numerical value in the term of the density indicates the density (%) and the film thickness (μm) (the value in parentheses is the film thickness). That is, when the numerical value is described in a combination of two or more kinds in the term of the density, it indicates that the density is different in the thickness direction of the film (that is, the density is not uniform). For example, Example 6 shows that a region with a density of 42% is formed on the substrate surface side by 20 μm and a region with a density of 83% is formed by 65 μm on the coating surface side (described on the left side in each layer). Is formed on the substrate side). The density was determined by the method described above.
また、貫通孔についても上記の方法でその有無を確認し、その結果を表3および表4に示した。なお、本実施例のものについて被膜の厚み方向の断面をTEMにより観察したところ、酸化物の結晶粒子が基材と被膜との界面部において基材側に浸入していることを確認した。 The presence or absence of the through hole was also confirmed by the above method, and the results are shown in Tables 3 and 4. In addition, when the cross section of the thickness direction of the film was observed by TEM for the example, it was confirmed that the oxide crystal particles had entered the substrate side at the interface between the substrate and the film.
<反応性試験>
上記で得られた各焼結用トレーを用いて、焼結対象物と各焼結用トレーとの反応性を確認する試験を行なった。具体的試験条件は次の通りである。
<Reactivity test>
Using each of the sintering trays obtained above, a test for confirming the reactivity between the object to be sintered and each of the sintering trays was performed. Specific test conditions are as follows.
まず、焼結対象物(形状:ISO規格 SNMN120408)としては、下記の4種のものを用いた。
焼結対象物A:10質量%Coおよび残部WCの粉末混合成形体(K20)
焼結対象物B:20質量%Coおよび残部WCの粉末混合成形体(K40)
焼結対象物C:30質量%Coおよび残部WCの粉末混合成形体
焼結対象物D:20質量%WC、5質量%Mo2C、10質量%Co、5質量%Niおよび残部Ti(C、N)の粉末混合成形体(P30)
そして、各焼結対象物を上記各焼結用トレーに載置し、1500℃まで加熱することにより焼結を行なった後、室温まで冷却した。この操作(焼結対象物を焼結用トレーに載置し加熱焼結後冷却して焼結対象物を焼結用トレーから離脱させるまでを1回とする)を繰り返すことにより、焼結対象物と焼結用トレー(の被膜)とが溶着するまでの焼結回数を求めた。その結果を以下の表5および表6に示す。回数が多いもの程焼結対象物と焼結用トレー間の反応性が抑制されていることを示す。なお、焼結回数の上限は300回とし、その時点において溶着していないものについては「300以上」と表記した。
First, the following four kinds of objects to be sintered (shape: ISO standard SNMN120408) were used.
Sintering object A: Powder mixed molded body of 10% by mass Co and the balance WC (K20)
Sintered object B: Powder mixed molded body (K40) of 20% by mass Co and the balance WC
Sintered object C: Powder mixed compact of 30% by mass Co and the balance WC D: 20% by mass WC, 5% by mass Mo 2 C, 10% by mass Co, 5% by mass Ni and the remainder Ti (C , N) powder mixed compact (P30)
And each sintering object was mounted in each said tray for each sintering, and after sintering by heating to 1500 degreeC, it cooled to room temperature. By repeating this operation (putting the object to be sintered on the sintering tray, cooling it after heating and sintering, and then removing the object to be removed from the sintering tray once) The number of times of sintering until the product and the sintering tray (film) were welded was determined. The results are shown in Table 5 and Table 6 below. It shows that the reactivity between a sintering target object and the tray for sintering is suppressed, so that there are many frequency | counts. The upper limit of the number of times of sintering was 300 times, and those not welded at that time were described as “300 or more”.
また、最初に焼結を行なった際に、焼結用トレーの被膜に亀裂が発生したか否かも観察し、同じく表5および表6(亀裂の有無の項)に示す。 In addition, it was also observed whether or not cracks occurred in the coating on the sintering tray when the sintering was performed for the first time, and the results are also shown in Tables 5 and 6 (in the presence or absence of cracks).
表6中、比較例5は基材上に被膜を形成しなかった焼結用トレーを示し、比較例6は基材上に被膜(ZrO220質量%、Y2O380質量%)を溶射法により形成したものを示し、比較例7は基材上に被膜(Y2O360質量%、Al2O340%)を塗布法により形成したものを示す。なお、比較例6および比較例7について上記と同様にして貫通孔を確認したところ、複数の貫通孔が確認された。 In Table 6, Comparative Example 5 shows a sintering tray in which a film was not formed on the substrate, and Comparative Example 6 was a film (ZrO 2 20 mass%, Y 2 O 3 80 mass%) on the substrate. The example formed by the thermal spraying method is shown, and Comparative Example 7 shows the case where a coating (Y 2 O 3 60% by mass, Al 2 O 3 40%) is formed on the base material by the coating method. In addition, when the through holes were confirmed in the same manner as described above for Comparative Example 6 and Comparative Example 7, a plurality of through holes were confirmed.
表5および表6より明らかなように、本発明の実施例の焼結用トレーは比較例の焼結用トレーに比し、最初の焼結時に亀裂が発生しないとともに、焼結対象物との反応性が極めて抑制されていた。 As is clear from Tables 5 and 6, the sintering tray of the example of the present invention has no cracks during the first sintering, compared to the sintering tray of the comparative example. The reactivity was extremely suppressed.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 搬送ガスボンベ、2 ガス搬送ライン、3 原料、4 エアロゾル化室、5 加振機、6 エアロゾル搬送ライン、7 ノズル、8 マスク、9 基材、10 基板ステージ、11 真空ポンプ、12 エアロゾル粒、13 チャンバ、14 矢印。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transfer gas cylinder, 2 Gas transfer line, 3 Raw material, 4 Aerosolization chamber, 5 Vibrator, 6 Aerosol transfer line, 7 Nozzle, 8 Mask, 9 Base material, 10 Substrate stage, 11 Vacuum pump, 12 Aerosol grain, 13 Chamber, 14 arrows.
Claims (8)
前記基材は、炭素質材からなり、
前記被膜は、平均粒径が1nm以上800nm以下である酸化物の結晶粒子により構成され、かつその緻密度が35%以上99%以下であり、前記被膜の表面から前記基材の表面に通ずる貫通孔が存在しないことを特徴とする焼結用トレー。 A sintering tray comprising a substrate and one or more layers of coatings formed on the substrate,
The base material is made of a carbonaceous material,
The coating is composed of oxide crystal particles having an average particle diameter of 1 nm or more and 800 nm or less, and the density thereof is 35% or more and 99% or less, and penetrates from the surface of the coating to the surface of the substrate. A sintering tray characterized by the absence of holes.
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