JP6978995B2 - Method of surface modification of base material and method of manufacturing fluid equipment - Google Patents
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Description
本発明は、基材の表面改質方法、流体機器、及び、粉末に関する。 The present invention relates to a method for surface modification of a base material, a fluid device, and a powder.
耐食性に優れたステンレス鋼は、半導体製造装置、自動車、建築内外装材など、様々な分野で使用されている。しかし、ステンレス鋼基材の使用環境は多様化しており、ステンレス鋼素材が有する耐食性だけでは、要求される耐食性を満たせない場合が生じてきた。そのため、従来から、レーザを用いてステンレス鋼基材の表面を改質することが行われている。例えば、特許文献1には、Cr、Ni、Moからなる金属粉末を基材の表面に塗布し、レーザ照射によって焼成することにより、基材表面にクロム量の大きなクラッド層を形成する方法が開示されている。
Stainless steel with excellent corrosion resistance is used in various fields such as semiconductor manufacturing equipment, automobiles, and building interior / exterior materials. However, the usage environment of the stainless steel base material has been diversified, and there have been cases where the required corrosion resistance cannot be satisfied only by the corrosion resistance of the stainless steel material. Therefore, conventionally, the surface of a stainless steel base material has been modified by using a laser. For example,
しかしながら、上記技術には、以下の問題があった。すなわち、特許文献1に記載される基材の表面改質方法は、基材の表面のクロム量を増やすことにより、酸化被膜(不働態化被膜)を強化している。しかし、この酸化被膜は、塩素系やシラン系などの高腐食流体に接触すると、壊れることがあった。
However, the above technique has the following problems. That is, the method for modifying the surface of a base material described in
例えば、半導体製造装置では、塩素系やシラン系の高腐食性流体が、配管やバルブなどの流体機器に流れる。流体機器の流路面を、特許文献1に記載される方法で改質した場合、改質された流路面に高腐食性流体に接触すると、孔食や腐食などを生じることがあった。また例えば、半導体製造工程におけるALDのプロセスでは、腐食性流体が大気圧条件下で気化され、200℃以上に加熱されている。一般的に、ステンレス鋼は、酸化被膜が破壊されても、Crが酸素に接することで酸化被膜を修復され、耐食性が保たれている。しかし、酸化被膜は、高温下での安定性に欠け、破壊された酸化被膜が修復されず、孔食や腐食を生じることがあった。
For example, in semiconductor manufacturing equipment, chlorine-based and silane-based highly corrosive fluids flow into fluid equipment such as pipes and valves. When the flow path surface of a fluid device is modified by the method described in
ここで、SUS316Lやハステロイ(登録商標)は、耐食性が優れている。よって、SUS316L又はハステロイを用いて基材を構成すれば、特許文献1に記載する方法を施さずに、耐食性を向上させることができるとも考えられる。しかし、SUS316Lとハステロイは、高価で加工性が悪い。そのため、例えば、流体機器の流路面のように複雑な形状を、SUS316Lやハステロイで形成することは、コスト面や加工面で適切でない。
Here, SUS316L and Hastelloy (registered trademark) have excellent corrosion resistance. Therefore, it is considered that if the base material is constructed using SUS316L or Hastelloy, the corrosion resistance can be improved without performing the method described in
また、特許文献1に記載される方法により改質された表面は、割れに対する方策はされているが、摩耗対策はされていなかった。そのため、例えば、高腐食性流体の制御に用いられる流体機器のプランジャの表面に、特許文献1に記載の方法を用いてクラッド層を形成した場合、クラッド層が摩耗により破壊されて基材を腐食性雰囲気に露出させ、プランジャを腐食させる恐れがあった。
Further, the surface modified by the method described in
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、基材の表面の高耐食化と耐摩耗化を両立することができる基材の表面改質方法、流体機器、及び、粉末を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and is a method for modifying the surface of a base material, which can achieve both high corrosion resistance and wear resistance on the surface of the base material, a fluid device, and a powder. The purpose is to provide.
(1)本発明の基材の表面改質方法における一態様は、NiとCrとMoとBとを含む粉末からなる膜を、ステンレス鋼からなる基材の表面に形成する膜形成工程と、前記膜にレーザ光を照射することにより、前記膜と前記基材の一部とを溶融し、凝固させ、緻密化された改質層を形成する改質工程と、を有すること、前記粉末の成分が、Cr:20〜25質量%、Mo:24〜29質量%、B:1〜2質量%、Ni:残部であること、を特徴とする。 (1) One aspect of the method for modifying the surface of a base material of the present invention is a film forming step of forming a film made of a powder containing Ni, Cr, Mo and B on the surface of a base material made of stainless steel. By irradiating the film with a laser beam, the film and a part of the base material are melted and solidified to form a densified modified layer, which comprises a modification step of the powder. The components are Cr: 20 to 25% by mass, Mo: 24 to 29% by mass, B: 1 to 2% by mass, and Ni: the balance.
上記構成の基材の表面改質方法では、基材の表面に形成された膜は、空孔が多く、基材との密着性が低いため、膜にレーザ光を照射することにより、膜と基材の一部を溶融させ、急冷凝固させる。これにより、基材の表面近傍は、NiとCrとMoとBとを含む粉末からなる膜と合金化され、緻密化された改質層が表面に形成される。このように改質層が形成された基材は、膜のみが形成された基材、及び、基材そのものより、耐食性と耐摩耗性が向上する。 In the surface modification method of the base material having the above configuration, the film formed on the surface of the base material has many pores and has low adhesion to the base material. A part of the base material is melted and rapidly cooled and solidified. As a result, the vicinity of the surface of the base material is alloyed with a film made of powder containing Ni, Cr, Mo and B, and a densified modified layer is formed on the surface. The base material on which the modified layer is formed in this way has improved corrosion resistance and abrasion resistance as compared with the base material on which only the film is formed and the base material itself.
本発明の基材の表面改質方法が、耐食性と耐摩耗性を向上させることができるメカニズムは定かではないが、次のように考えられる。 Although the mechanism by which the surface modification method of the substrate of the present invention can improve the corrosion resistance and the wear resistance is not clear, it is considered as follows.
改質層は、粉末と基材が溶融する際に混ぜ合わされるため、ステンレス鋼と膜の成分を含む。CrとMoは、酸素と結びついて、改質層の表面に酸化膜を形成し、腐食を防ぐ。また、Niは、耐食性を向上させる性質を有する。これに対して、Bは、硬度を向上させる性質を有するが、酸と結びついて孔食や腐食を生じさせやすくする性質を有する。よって、耐食性を向上させるための改質層にBを添加することは、不適切とも考えられる。 The modified layer contains stainless steel and membrane components as the powder and substrate are mixed as they melt. Cr and Mo combine with oxygen to form an oxide film on the surface of the modified layer and prevent corrosion. Further, Ni has a property of improving corrosion resistance. On the other hand, B has a property of improving hardness, but has a property of easily causing pitting corrosion and corrosion in combination with an acid. Therefore, it is considered inappropriate to add B to the modified layer for improving the corrosion resistance.
しかし、本発明の表面改質方法によれば、基材の表面の耐食性を、ハステロイやSUS316Lより良好にできることを、発明者が実験より確認している。これは、Bが、CrとMoにより形成される酸化膜に覆われて基材の表面に析出せず、孔食や腐食を生じ難くなるためと考えられる。また、本発明の表面改質方法によれば、基材の表面の耐摩耗性を、膜も改質層も形成されていない基材や、膜を形成する粉末の熱間等方圧加圧法(Hot Isostatic Pressing、以下「HIP」と略記する)による焼結体より、良好にできることを、発明者が実験より確認している。これは、Bが改質層を硬化させているためと考えられる。よって、本発明の表面改質方法によれば、CrとMoとBとNiを含む粉末からなる膜を基材の表面に形成し、その膜にレーザ光を照射して改質層を形成することにより、基材の表面のみの高耐食化と耐摩耗化を両立して実現できると考えられる。 However, the inventor has confirmed from experiments that the corrosion resistance of the surface of the base material can be made better than that of Hastelloy or SUS316L according to the surface modification method of the present invention. It is considered that this is because B is covered with the oxide film formed by Cr and Mo and does not precipitate on the surface of the base material, so that pitting corrosion and corrosion are less likely to occur. Further, according to the surface modification method of the present invention, the abrasion resistance of the surface of the substrate is determined by the hot isostatic pressing method of the substrate on which neither the film nor the modified layer is formed or the powder forming the film. The inventor has confirmed from experiments that it can be made better than the sintered body by (Hot Isostatic Pressing, hereinafter abbreviated as "HIP"). It is considered that this is because B cures the modified layer. Therefore, according to the surface modification method of the present invention, a film composed of powder containing Cr, Mo, B, and Ni is formed on the surface of the base material, and the film is irradiated with laser light to form a modified layer. Therefore, it is considered that both high corrosion resistance and wear resistance of only the surface of the base material can be realized.
(2)(1)に記載する基材の表面改質方法において、前記改質工程にて使用する前記レーザ光のパワー密度が大きいほど、前記改質層の厚さが厚くなり、前記改質層に含まれるステンレス鋼の成分比率が大きくなること、前記改質工程にて使用する前記レーザ光のパワー密度が小さいほど、前記改質層の厚さが薄くなり、前記改質層に含まれるNi、Moの成分比率が大きくなること、前記改質層と前記基材は、Crの成分比率が同程度であること、が好ましい。 (2) In the surface modification method of the base material according to (1), the larger the power density of the laser beam used in the modification step, the thicker the modification layer, and the modification. The larger the component ratio of the stainless steel contained in the layer and the smaller the power density of the laser beam used in the reforming step, the thinner the modified layer becomes and the more it is contained in the modified layer. It is preferable that the component ratios of Ni and Mo are large, and that the modified layer and the base material have the same Cr component ratio.
ここで、「同程度」とは、例えば、改質層と前記基材のCrの成分比率の違いが、±10質量%以内であることをいう。 Here, "to the same degree" means that, for example, the difference in the component ratio of Cr between the modified layer and the base material is within ± 10% by mass.
例えば、ステンレス鋼は、塩素等のハロゲン系元素に接すると酸化被膜が壊され、孔食が発生しやすくなる傾向がある。そこで、上記構成では、改質層が塩素等のハロゲン系元素に接する場合には、パワー密度を大きくして改質層を形成する。パワー密度が大きいと、基材の溶融量が増え、膜に含まれる金属成分が改質層に含まれる比率が、小さくなる。そのため、ステンレス鋼の成分比率が大きい改質層が、基材の表面に厚く形成される。改質層が厚い基材は、ハロゲン系元素が改質層を破壊して基材に接しにくくなり、孔食や腐食が抑制される。これに対して、ハロゲン系元素を含まない高腐食流体に改質層が接する場合は、パワー密度を小さくして改質層を形成する。パワー密度が小さいと、基材の溶融量が減り、膜に含まれる金属成分が改質層に含まれる比率が、大きくなる。そのため、Ni,Moの成分比率が大きい改質層が、基材の表面に薄く形成される。Ni,Moは、酸化被膜を強化する性質を有する。よって、薄い改質層でも、耐食性を向上させることが可能である。従って、上記構成の基材の表面改質方法によれば、改質層に接する流体の種類に応じてパワー密度を調整すれば、当該流体に適した性質の改質層を基材の表面に形成し、耐腐食性を向上させることができる。 For example, when stainless steel comes into contact with a halogen-based element such as chlorine, the oxide film is broken and pitting corrosion tends to occur easily. Therefore, in the above configuration, when the modified layer is in contact with a halogen-based element such as chlorine, the power density is increased to form the modified layer. When the power density is high, the amount of melting of the base material increases, and the ratio of the metal component contained in the film contained in the modified layer decreases. Therefore, a modified layer having a large component ratio of stainless steel is formed thickly on the surface of the base material. In a substrate having a thick modified layer, halogen-based elements destroy the modified layer, making it difficult for the substrate to come into contact with the substrate, and pitting corrosion and corrosion are suppressed. On the other hand, when the modified layer comes into contact with a highly corrosive fluid that does not contain halogen-based elements, the power density is reduced to form the modified layer. When the power density is low, the amount of melt of the base material is reduced, and the ratio of the metal component contained in the film to the modified layer is increased. Therefore, a modified layer having a large Ni and Mo component ratio is formed thinly on the surface of the base material. Ni and Mo have the property of strengthening the oxide film. Therefore, it is possible to improve the corrosion resistance even with a thin modified layer. Therefore, according to the surface modification method of the substrate having the above configuration, if the power density is adjusted according to the type of the fluid in contact with the modified layer, the modified layer having properties suitable for the fluid is applied to the surface of the substrate. It can be formed and the corrosion resistance can be improved.
(3)(1)又は(2)に記載する基材の表面改質方法において、前記レーザ光は、前記基材に対して改質可能なパワー密度で照射されること、が好ましい。 (3) In the method for modifying the surface of a substrate according to (1) or (2), it is preferable that the laser beam irradiates the substrate with a power density that can be modified.
ここで、「改質可能なパワー密度」とは、例えば、ステンレス鋼を改質可能なパワー密度をいい、より詳しくは、3×104W/cm2以上7×104W/cm2以下のパワー密度をいう。 Here, the "modifiable power density" means, for example, a power density capable of modifying stainless steel, and more specifically, 3 × 10 4 W / cm 2 or more and 7 × 10 4 W / cm 2 or less. The power density of.
上記構成によれば、膜におけるレーザ光の反射を抑制して、改質工程を行う際の熱効率を向上させることができ、改質層の厚さや特性を調整しやすい。 According to the above configuration, it is possible to suppress the reflection of the laser beam on the film, improve the thermal efficiency when performing the reforming step, and it is easy to adjust the thickness and characteristics of the reformed layer.
本発明に係る基材の表面改質方法における別の態様は、(4)ステンレス鋼で形成された基材が、腐食性が高い流体に接する流体接触部を有し、前記流体接触部の表面に、NiとCrとMoとBとを含む粉末からなる膜を形成する膜形成工程と、前記膜にレーザ光を照射することにより、前記膜と前記流体接触部の一部とを溶融し、凝固させ、緻密化された改質層を形成する改質工程と、を有すること、前記粉末の成分が、Cr:20〜25質量%、Mo:24〜29質量%、B:1〜2質量%、Ni:残部であること、が好ましい。 Another aspect of the method for modifying the surface of a substrate according to the present invention is (4) a substrate made of stainless steel having a fluid contact portion in contact with a highly corrosive fluid, and the surface of the fluid contact portion. In a film forming step of forming a film composed of a powder containing Ni, Cr, Mo and B, and by irradiating the film with laser light, the film and a part of the fluid contact portion are melted. Having a reforming step of solidifying to form a densified reformed layer, the components of the powder are Cr: 20 to 25% by mass, Mo: 24 to 29% by mass, B: 1 to 2 mass. %, Ni: It is preferable that it is the balance.
(5)本発明に係る流体機器の一態様は、ステンレス鋼からなり、腐食性が高い流体に接する流体接触部と、前記流体接触部の表面に合金化して形成される改質層と、を有すること、前記改質層は、Crと、Moと、Bと、Niからなる合金と、前記ステンレス鋼が溶融して生成した合金と、を含むこと、を特徴とする。 (5) One aspect of the fluid device according to the present invention is a fluid contact portion made of stainless steel and in contact with a highly corrosive fluid, and a modified layer formed by alloying on the surface of the fluid contact portion. The modified layer is characterized by containing an alloy composed of Cr, Mo, B, and Ni, and an alloy produced by melting the stainless steel.
(6)本発明に係る粉末の一態様は、ステンレス鋼からなる基材の表面に膜を形成する膜形成工程と、前記膜にレーザ光を照射することにより、前記膜と前記基材の一部とを溶融し、凝固させ、緻密化された改質層を形成する改質工程と、を有する基材の表面改質方法にて、前記膜の材料として用いられること、Cr:20〜25質量%、Mo:24〜29質量%、B:1〜2質量%、Ni:残部からなること、を特徴とする粉末である。 (6) One aspect of the powder according to the present invention is a film forming step of forming a film on the surface of a base material made of stainless steel, and one of the film and the base material by irradiating the film with laser light. It is used as a material for the film in a method of surface modification of a base material having a modification step of melting and solidifying the portion to form a densified modified layer, Cr: 20 to 25. It is a powder characterized by mass%, Mo: 24-29 mass%, B: 1-2 mass%, Ni: the balance.
本発明によれば、基材の表面の高耐食化と耐摩耗化を両立することができる基材の表面改質方法、流体機器、及び、粉末を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a method for modifying the surface of a base material, a fluid device, and a powder, which can achieve both high corrosion resistance and wear resistance on the surface of the base material.
以下に、本発明に係る基材の表面改質方法、流体機器、及び、粉末の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the method for modifying the surface of the base material, the fluid device, and the embodiment of the powder according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(基材の表面改質方法)
図1〜図3は、本発明の実施形態に係る基材の表面改質方法の手順を説明する図である。図中において、符号1は基材、符号1aは基材1の表面、符号2は粉末、符号3は膜、符号4は改質層である。
(Method of surface modification of base material)
1 to 3 are views illustrating a procedure of a surface modification method for a base material according to an embodiment of the present invention. In the figure,
<膜形成工程>
基材1の表面改質方法では、図1に示すように、NiとCrとMoとBとを含む粉末2からなる膜3を、ステンレス鋼からなる基材1の表面1aに形成する。
<Membrane formation process>
In the surface modification method of the
基材1は、緻密な酸化被膜(不働態化被膜)を形成して耐腐食性に優れ、加工性の良いステンレス鋼であることが好ましい。例えば、基材1は、CrとNiとを含むステンレス鋼であると良く、さらに、オーステナイト系ステンレス鋼であると良い。
The
粉末2の成分は、Crが20質量%以上25質量%以下であると良い。Crが20質量%未満であると、後述する改質層4が十分な厚さの酸化被膜を形成できず、Crが25質量%より多いとコスト高になるからである。また、Moは、24質量%以上29質量%以下であると良い。Moが24質量%未満であると、改質層4の表面に形成される酸化被膜を十分に強化できず、29質量%より多いとコスト高になるからである。Bは、1〜2質量%であると良い。Bが1質量%より少ないと、十分な硬さが得られず、2質量%より多いと、Bが改質層4の表面に析出して耐食性を低下させるからである。残部をNiとすると良い。Niは、耐食性を向上させることができるからである。また、粉末2は、粒度が20μm以下であると良い。粉末2は、粒度が20μmより大きいと、レーザ光照射時に十分に溶融せず、組成成分を基材1に分散させて混ざり合わせることができないからである。
The component of the
基材1の表面1aは、粉末2からなる膜3によって被覆される。膜3は、粉末2を基材1の表面1aに溶射して形成しても良い。また、膜3は、粉末2を溶液に分散させたものを基材1の表面1aに塗布して乾燥させることにより形成しても良い。更に、膜3は、粉末2を基材1の表面1aに吹き付けて形成しても良い。
The
ここで、膜3の平均膜厚は、基材の用途や使用環境により適宜設定すれば良いが、例えば、10μm以上40μm以下であると良い。膜3の平均膜厚が10μm未満の場合、膜3の成分が改質層4に十分に含まれず、基材1の表面1aの改質が不十分になるからである。一方、膜3の平均膜厚を40μmより大きい場合、レーザ光5による急加熱・急冷却が不十分になり、緻密で硬い改質層4を形成しにくいからである。
Here, the average film thickness of the
<改質工程>
その後、図2及び図3の図中矢印Dに示すように、膜3にレーザ光5を照射することにより、膜3と基材1の一部を溶融し、凝固させ、緻密化された改質層4を形成する。
<Modification process>
After that, as shown by the arrow D in the drawings of FIGS. 2 and 3, the
図2に示すように、レーザ光5は、所定のピッチPで平行な直線状に照射される。1回の照射ラインは、表面1aの幅より長い距離にされる。所定のピッチPは、レーザ光5のスポット径より小さい値に設定される。例えば、スポット径が直径0.6mmである場合、所定のピッチPは0.2mmに設定される。レーザ光5は、後の照射ラインが先の照射ラインとオーバーラップするように照射される。よって、レーザ光5は、膜3に満遍なく照射される。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、レーザ光5は、熱を膜3から基材1の一部に伝達することが可能なパワー密度で、膜3に照射される。レーザ光5は、基材1に対して改質可能なパワー密度で、膜3に照射すると良い。レーザ光5が膜3に反射するのを抑制して熱効率を高め、パワー密度を調整して改質層4の厚さや特性を調整できるようにするためである。
As shown in FIG. 3, the
例えば、基材1の材質がSUS304等のオーステナイト系ステンレス鋼である場合、レーザ波長は、0.5μm以上2.0μm以下であることが好ましい。また例えば、基材1の材質がSUS304などのオーステナイト系ステンレス鋼である場合、レーザ光5のパワー密度は、3×104W/cm2以上7×104W/cm2以下であると良い。
For example, when the material of the
基材1は、レーザ光5の後方にて、レーザ光5の熱により溶融された膜3と基材1の一部が混ざり合って急速に凝固する。これにより、Crと、Moと、Bと、Niからなる合金と、ステンレス鋼が溶融して生成した合金と、を含む改質層4が、基材1の表面1aに、ほぼ均一な厚さで形成される。
In the
改質層4の厚さと特性は、レーザ光5のパワー密度によって、調整される。例えば、レーザ出力を100Wとする第2パワー密度(パワー密度:3.5×104W/cm2)でレーザ光5を膜3に照射して第2改質層を形成する場合は、レーザ出力を200Wとする第1パワー密度(パワー密度を7×104W/cm2)でレーザ光5を膜3に照射して第1改質層を形成する場合より、基材1の溶融量が少なくなり、第2改質層が第1改質層より薄く形成される。
The thickness and characteristics of the modified
また、第1改質層は、第2改質層より、改質工程における基材1の溶融量が多いため、第2改質層と比べて、ステンレス鋼の成分比率が大きくなる。一方、第2改質層は、第1改質層より、改質工程における基材1の溶融量が少ないため、第1改質層と比べて、膜3を構成する粉末2に含まれるMo,Niの成分比率が大きくなる。
Further, since the first modified layer has a larger amount of melted
よって、レーザ光5のパワー密度を小さく調整すると、MoとNiの成分比率が大きい改質層4を薄く形成できる。一方、レーザ光5のパワー密度を大きくすると、ステンレス鋼の成分比率が大きい改質層4を厚く形成できる。CrとNiは酸素と結合して酸化被膜を形成し、耐食性を向上させる。Moは酸素と結合して酸化被膜を形成し、耐食性を向上させる。Bは硬度を向上させる。このように、改質元素には、それぞれ特性がある。従って、パワー密度を調整するだけで、改質層4の成分比率を変え、改質層4の特性を調整することができる。
Therefore, if the power density of the
<効果>
以上説明した本形態の基材の表面改質方法は、基材1の表面1aは、改質層4がCrとNiとMoを含むことで、基材1より耐腐食性を良好にされると共に、改質層4がBにより硬化され、耐摩耗性を良好にされる。よって、本形態の基材の表面改質方法及び基材1によれば、表面1aのみの高耐腐食化と耐摩耗化を両立して実現することができる。
<Effect>
In the surface modification method of the base material of the present embodiment described above, the
<その他>
本形態の基材の表面改質方法は、例えば、半導体産業で使用される流体機器に適用される。流体機器は、例えば、配管や、バルブや、流量制御器や、計測器などであり、配管の内周面や、バルブ・流体制御器の流路面、バルブの弁体・プランジャの表面などが、流体接触部の一例になる。
<Others>
The surface modification method of the base material of this embodiment is applied to, for example, a fluid device used in the semiconductor industry. Fluid equipment is, for example, a pipe, a valve, a flow rate controller, a measuring instrument, etc., and the inner peripheral surface of the pipe, the flow path surface of the valve / fluid controller, the surface of the valve body / plunger of the valve, etc. This is an example of a fluid contact part.
例えば、ALDプロセスに使用される電磁式流体制御弁を製造する場合、SUS304などのオーステナイト系ステンレス鋼を用いて、流路ブロックを形成する。オーステナイト系ステンレス鋼は、加工性が良く、入力ポート、入力流路、弁室、弁座、弁孔、出力流路、出力ポートなどを容易に加工できる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、流通量が多いため、安価に流路ブロックを形成できる。所定形状に形成された流路ブロックの流路面は、酸化被膜により耐食性を有するが、更に、上記基材の表面改質方法を用いて改質層が形成される。そのため、当該流体制御弁が、200℃以上の高温で高腐食性を有するガスを制御する場合でも、酸化被膜が安定し、流路面に孔食や腐食が生じ難い。その結果、流体制御弁は、微細なパーティクルの発生が防止若しくは抑制され、半導体産業からの耐腐食性の要求を満たすことができる。 For example, when manufacturing an electromagnetic fluid control valve used in the ALD process, an austenitic stainless steel such as SUS304 is used to form a flow path block. Austenitic stainless steel has good workability and can easily process input ports, input flow paths, valve chambers, valve seats, valve holes, output flow paths, output ports, and the like. Further, since austenitic stainless steel has a large distribution amount, a flow path block can be formed at low cost. The flow path surface of the flow path block formed in a predetermined shape has corrosion resistance due to the oxide film, and a modified layer is further formed by using the surface modification method of the above-mentioned base material. Therefore, even when the fluid control valve controls a gas having high corrosiveness at a high temperature of 200 ° C. or higher, the oxide film is stable and pitting corrosion and corrosion are unlikely to occur on the flow path surface. As a result, the fluid control valve can prevent or suppress the generation of fine particles and can meet the corrosion resistance requirement from the semiconductor industry.
また、当該流体制御弁は、オーステナイト系ステンレス鋼により所望の形状のプランジャを形成し、そのプランジャの表面に、上記基材の表面改質方法を用いて改質層を形成する。当該流体制御弁が、ダイアフラムにより弁室を気密に区画し、ダイアフラムの背室側にプランジャを配置する場合、高腐食性ガスがダイアフラムを透過しても、プランジャが腐食しない。また、プランジャが改質層により摩耗しにくい。よって、流体制御弁は、耐久性が向上する。 Further, in the fluid control valve, a plunger having a desired shape is formed of austenitic stainless steel, and a modified layer is formed on the surface of the plunger by using the surface modification method of the base material. When the fluid control valve airtightly partitions the valve chamber by the diaphragm and the plunger is arranged on the back chamber side of the diaphragm, the plunger does not corrode even if the highly corrosive gas permeates the diaphragm. In addition, the plunger is less likely to wear due to the modified layer. Therefore, the durability of the fluid control valve is improved.
次に、本発明により得られる効果を実施例により明らかにする。 Next, the effect obtained by the present invention will be clarified by an example.
(供試材について)
図4は、供試材の構成を示す表である。なお、表の「膜」における「有無」の欄には、膜形成工程を実施した場合には「有」、実施しない場合には「無」を記載した。表の「改質層」における「有無」の欄には、改質工程を実施した場合には「有」、実施しない場合には「無」を記載した。比較例として図4の試料No.A〜Eに示す供試材を準備し、本発明を実施した実施例として図4の試料No.1〜3に示す供試材を準備した。
(About test materials)
FIG. 4 is a table showing the configuration of the test material. In the column of "presence / absence" in the "film" of the table, "yes" was entered when the film forming step was carried out, and "no" was entered when the film forming step was not carried out. In the "presence / absence" column of the "modified layer" in the table, "yes" was entered when the reforming step was carried out, and "no" was entered when the reforming step was not carried out. As a comparative example, the test materials shown in Sample Nos. A to E of FIG. 4 were prepared, and as an example in which the present invention was carried out, Sample No. 4 of FIG. 4 was prepared. The test materials shown in 1 to 3 were prepared.
ここで、表の中の「Ni基耐食合金粉末」は、山陽特殊製鋼株式会社の製品である。Ni基耐食合金粉末は、ガスアトマイズ法により製造された原料粉末である。Ni基耐食合金粉末の成分組成は、Cr:質量22%、Mo:26質量%、B:1.4質量%、Ni:残部である。 Here, the "Ni-based corrosion-resistant alloy powder" in the table is a product of Sanyo Special Steel Co., Ltd. The Ni-based corrosion resistant alloy powder is a raw material powder produced by the gas atomizing method. The composition of the Ni-based corrosion-resistant alloy powder is Cr: 22% by mass, Mo: 26% by mass, B: 1.4% by mass, and Ni: the balance.
試料No.Aは、SUS304からなり、膜も改質層も形成されていない。試料No.Bは、SUS316Lからなり、膜も改質層も形成されていない。試料No.Cは、Ni基耐食合金粉末のHIPによる焼結体である。試料No.Dは、ハステロイのみからなる。試料No.Eは、SUS304からなる基材の表面にNi基耐食合金粉末を溶射することにより、膜厚30μmの膜を形成したものある。 Sample No. A is made of SUS304, and neither a film nor a modified layer is formed. Sample No. B is composed of SUS316L, and neither a film nor a modified layer is formed. Sample No. C is a sintered body of Ni-based corrosion-resistant alloy powder made of HIP. Sample No. D consists only of Hastelloy. Sample No. E is a film having a film thickness of 30 μm formed by spraying a Ni-based corrosion-resistant alloy powder on the surface of a base material made of SUS304.
試料No.1〜No.3は、SUS304からなる素材の表面にNi基耐食合金粉末を溶射することにより、膜厚30μmの膜を形成した後、レーザ照射条件を変えて改質層を形成したものである。試料No.1のレーザ照射条件は、パワー密度:3.5×104W/cm2(レーザ出力:100W、走査速度50mm/s、走査ピッチ:0.2mm、スポット径:直径0.6mm、N2ガスパージ流量:15L/min)である。試料No.2のレーザ照射条件は、パワー密度:7×104W/cm2である(レーザ出力:200Wを除き、試料No.1と同じレーザ照射条件である)。試料No.3のレーザ照射条件は、パワー密度:1.1×104W/cm2である(レーザ出力:300Wを除き、試料No.1と同じレーザ照射条件である)。 Sample No. 1-No. In No. 3, a film having a film thickness of 30 μm was formed by spraying a Ni-based corrosion-resistant alloy powder on the surface of a material made of SUS304, and then a modified layer was formed by changing the laser irradiation conditions. Sample No. The laser irradiation conditions of 1 are power density: 3.5 × 10 4 W / cm 2 (laser output: 100 W, scanning speed 50 mm / s, scanning pitch: 0.2 mm, spot diameter: diameter 0.6 mm, N2 gas purge flow rate. : 15 L / min). Sample No. The laser irradiation condition of No. 2 is a power density of 7 × 10 4 W / cm 2 (the same laser irradiation condition as that of the sample No. 1 except for the laser output: 200 W). Sample No. The laser irradiation condition of No. 3 is a power density of 1.1 × 10 4 W / cm 2 (the same laser irradiation condition as that of sample No. 1 except for the laser output: 300 W).
(基材の断面観察)
試料No.2と試料No.1から所定サイズの試験片を採取し、顕微鏡を用いて改質層の断面観察を行った。試料No.2の断面観察結果を図5に示す。試料No.1の断面観察結果を図6に示す。
(Observation of cross section of base material)
Sample No. 2 and sample No. A test piece of a predetermined size was collected from No. 1, and the cross section of the modified layer was observed using a microscope. Sample No. The cross-sectional observation result of No. 2 is shown in FIG. Sample No. The cross-sectional observation result of No. 1 is shown in FIG.
図5に示すように、試料No.2の改質層4Xの平均厚さW1は、約100μmであった。一方、図6に示すように、試料No.1の改質層4Yの平均厚さW2は、約50μmであった。これは、パワー密度が大きくなるほど、基材が、膜に接する表面から深い位置まで溶融するためである。よって、パワー密度を大きくするほど、改質層4の厚さWを厚くできる。つまり、パワー密度を調整することによって、改質層4の厚さWを調整することができる。
As shown in FIG. 5, the sample No. The average thickness W1 of the modified
(孔食電位測定)
JIS G0577に準拠した孔食電位測定を行い、孔食電位を調べ、塩素に対する耐食性を調査した。
(Measurement of pitting potential)
The pitting potential was measured in accordance with JIS G0577, the pitting potential was investigated, and the corrosion resistance to chlorine was investigated.
<試験片>
試料No.A〜Eと試料No.1〜No.2に示す供試材の表層から、縦25mm、横25mm、厚さ2mmの試験片を採取し、接液面積は1cm2を残し、シリコン被覆材で被覆した試験片を準備した。
<Test piece>
Sample No. A to E and sample No. 1-No. A test piece having a length of 25 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 2 mm was collected from the surface layer of the test material shown in No. 2, and a test piece coated with a silicon coating material was prepared, leaving a wetted area of 1 cm 2.
<試験方法>
試験片について、3.5%(質量分率)塩化ナトリウム水溶液中に浸漬し、ポテンショスタットにて20mV/minの速度で電位を掃引し、0.5mAまで電流が流れた段階で計測を終了した。
<Test method>
The test piece was immersed in a 3.5% (mass fraction) sodium chloride aqueous solution, the potential was swept at a rate of 20 mV / min with a potentiostat, and the measurement was completed when the current flowed to 0.5 mA. ..
<孔食電位評価>
図7は、孔食電位測定結果を比較するグラフである。縦軸は電流密度(mA/cm2)を示し、横軸は電位(V)を示す。電流密度は、試験片に孔食が発生すると、急激に上昇する。そのため、電流密度が急激に上昇するときの孔食電位が高いほど、孔食しにくく、耐食性が高いと考えることができる。
<Evaluation of pitting potential>
FIG. 7 is a graph comparing the results of pitting corrosion potential measurement. The vertical axis shows the current density (mA / cm 2 ), and the horizontal axis shows the potential (V). The current density rises sharply when pitting corrosion occurs on the test piece. Therefore, it can be considered that the higher the pitting potential when the current density rises sharply, the more difficult it is for pitting corrosion and the higher the corrosion resistance.
グラフX4のP1に示すように、試料No.2は、約1.08Vで孔食が発生した。グラフX3のP2に示すように、試料No.1は、約0.95Vで孔食が発生した。これに対して、グラフX1のP3に示すように、試料No.Aは、約0.4Vで孔食が発生した。グラフX5のP4に示すように、試料No.Eは、約−0.1Vで孔食が発生した。 As shown in P1 of the graph X4, the sample No. In No. 2, pitting corrosion occurred at about 1.08 V. As shown in P2 of the graph X3, the sample No. In No. 1, pitting corrosion occurred at about 0.95 V. On the other hand, as shown in P3 of the graph X1, the sample No. In A, pitting corrosion occurred at about 0.4 V. As shown in P4 of the graph X5, the sample No. For E, pitting corrosion occurred at about -0.1 V.
これより、SUS304の基材にNi基耐食合金粉末の膜を形成するだけでは、基材のみのときより、孔食しやすく、耐食性が低くなることが分かった。しかし、SUS304の基材表面に形成した膜にレーザ照射して改質層を形成すると、基材のみのときより、孔食しにくく、耐食性が向上することが分かった。 From this, it was found that simply forming a film of the Ni-based corrosion-resistant alloy powder on the base material of SUS304 is more likely to be pitted and the corrosion resistance is lower than that of the base material alone. However, it was found that when the film formed on the surface of the base material of SUS304 is irradiated with a laser to form a modified layer, it is less likely to be pitted and the corrosion resistance is improved as compared with the case of using only the base material.
そして、試料No,1と試料No.2は、図中グラフX7に示す試料No.Dと、図中グラフX2に示す試料No.Bと、図中グラフX6に示す試料No.Cよりも、高い電位で孔食が発生している。
Then, sample No. 1 and sample No. 1 and sample No.
これより、基材を構成するSUS304は、ハステロイやSUS316LやNi基耐食合金粉末のHIPによる焼結体より耐食性が低いが、基材の表面に、Cr−Mo−B−Niを含む粉末を溶射して膜を形成し、その膜にレーザを照射して改質層を形成すると、基材の表面が、ハステロイやSUS316LやNi基耐食合金粉末のHIPによる焼結体より、耐食性が優位になることが分かった。つまり、試料No.1と試料No.2に施した基材の表面改質方法によれば、基材の表面のみを、高耐食性を有するハステロイやSUS316LやNi基耐食合金粉末より更に耐食性を高くできることが、明らかになった。 From this, SUS304 constituting the base material has lower corrosion resistance than the sintered body of Hastelloy, SUS316L, or Ni-based corrosion-resistant alloy powder by HIP, but the powder containing Cr-Mo-B-Ni is sprayed on the surface of the base material. When a film is formed and the modified layer is formed by irradiating the film with a laser, the surface of the base material has superior corrosion resistance to the sintered body of Hastelloy, SUS316L, or Ni-based corrosion-resistant alloy powder made of HIP. It turned out. That is, the sample No. 1 and sample No. According to the surface modification method of the base material applied to No. 2, it was clarified that only the surface of the base material can have higher corrosion resistance than Hastelloy, SUS316L and Ni-based corrosion resistant alloy powder having high corrosion resistance.
ここで、SUS304などのステンレス鋼は、一般的に、塩素等のハロゲン系元素に接すると、酸化被膜が壊されると言われている。しかし、試料No.2は、試料No.1より耐孔食性が優位である。これより、パワー密度を大きくするほど、ハロゲン系元素に接しても、孔食しにくい改質層を形成できることが、分かった。これは、レーザ出力が大きくなる程、膜と基材とがよく混ざり合って緻密で厚みのある改質層を形成し、局部腐食が生じ難くなるためと考えられる。 Here, it is generally said that the oxide film of stainless steel such as SUS304 is broken when it comes into contact with a halogen-based element such as chlorine. However, the sample No. 2 is the sample No. Pitting corrosion resistance is superior to 1. From this, it was found that the higher the power density is, the more the modified layer can be formed, which is less likely to be pitted even when in contact with halogen-based elements. It is considered that this is because the larger the laser output, the better the film and the base material are mixed to form a dense and thick modified layer, and the local corrosion is less likely to occur.
(アノード分極曲線測定)
JIS G0579に準拠したアノード分極曲線測定を行い、酸に対する耐食性を調べた。
(Measurement of anode polarization curve)
The anodic polarization curve was measured in accordance with JIS G0579, and the corrosion resistance to acid was investigated.
<試験片>
試料No.A〜Eと試料No.1〜3の供試材の表層から、縦25mm、横25mm、厚さ2mm又は8mmの試験片を採取し、接液面積は1cm2を残し、シリコン被覆材で被覆した試験片を準備した。
<Test piece>
Sample No. A to E and sample No. Test pieces having a length of 25 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 2 mm or 8 mm were collected from the surface layers of the
<試験方法>
試験片について、5%(質量分率)硫酸水溶液中に浸漬し、ポテンショスタットにて、−1Vから1.5Vまで60mV/minの速度で分極し、アノード分極測定を行った。
<Test method>
The test piece was immersed in a 5% (mass fraction) sulfuric acid aqueous solution, polarized with a potentiostat at a rate of 60 mV / min from -1 V to 1.5 V, and anodic polarization measurement was performed.
<アノード分極曲線評価>
図8は、アノード分極曲線を比較するグラフである。縦軸は電流密度(mA/cm2)を示し、横軸は電位(V)を示す。 アノード分極曲線に示される電流密度は、その測定点での、金属の溶出量をそのまま表している。そのため、自然電位よりアノード側(高電位側)に分極を進めた場合に、電流密度が低いほど、耐食性が良好であると考えられる。
<Anode polarization curve evaluation>
FIG. 8 is a graph comparing the anodic polarization curves. The vertical axis shows the current density (mA / cm 2 ), and the horizontal axis shows the potential (V). The current density shown in the anodic polarization curve directly represents the amount of metal elution at the measurement point. Therefore, it is considered that the lower the current density is, the better the corrosion resistance is when the polarization is advanced to the anode side (high potential side) from the natural potential.
試料No.1のアノード分極曲線X13と、試料No.2のアノード分極曲線X14と、試料No.3のアノード分極曲線X18は、試料No.Aのアノード分極曲線X11と比べ、0V以上1V以下の電位範囲における電流密度が約半分から約3分の1に小さくなっている。また、試料No.Eのアノード分極曲線X15は、試料No.Aのアノード分極曲線X11と比べ、0.2V以上の電位において、電流密度が大きくなっている。 Sample No. The anodic polarization curve X13 of No. 1 and the sample No. The anodic polarization curve X14 of No. 2 and the sample No. The anodic polarization curve X18 of No. 3 is the sample No. Compared with the anodic polarization curve X11 of A, the current density in the potential range of 0 V or more and 1 V or less is reduced from about half to about one-third. In addition, sample No. The anodic polarization curve X15 of E is the sample No. Compared with the anodic polarization curve X11 of A, the current density is larger at a potential of 0.2 V or higher.
これより、Ni基耐食合金粉末の膜を形成されたSUS304の表面は、SUS304だけの表面と比べ、酸に溶けやすく、耐食性が劣ることが分かった。しかし、Ni基耐食合金粉末の膜にレーザ照射してSUS304の表面に改質層を形成すると、SUS304だけの表面と比べ、酸に溶けにくくなり、酸に対する耐食性が向上することが明らかになった。 From this, it was found that the surface of SUS304 on which the film of Ni-based corrosion-resistant alloy powder was formed was more soluble in acid and inferior in corrosion resistance as compared with the surface of SUS304 alone. However, it has been clarified that when a film of Ni-based corrosion-resistant alloy powder is irradiated with a laser to form a modified layer on the surface of SUS304, it becomes less soluble in acid and the corrosion resistance to acid is improved as compared with the surface of SUS304 alone. ..
試料No.1のアノード分極曲線X13と、試料No.Dのアノード分極曲線X17は、0V以上1V以下の電位範囲における電流密度が同程度に小さい。よって、Ni基耐食合金粉末の膜にレーザ出力:100Wでレーザ光を照射してSUS304の表面に改質層を形成すると、酸に対する耐食性を、ハステロイと同程度にできることが分かった。 Sample No. The anodic polarization curve X13 of No. 1 and the sample No. The anodic polarization curve X17 of D has a similarly small current density in the potential range of 0 V or more and 1 V or less. Therefore, it was found that when a film of Ni-based corrosion-resistant alloy powder is irradiated with laser light at a laser output of 100 W to form a modified layer on the surface of SUS304, the corrosion resistance to acid can be made to the same level as Hastelloy.
一方、試料No.2のアノード分極曲線X14と、試料No.3のアノード分極曲線X18は、同様の軌跡を描く。0V以上1V以下の電位範囲において、試料No,2と試料No.3は、試料No.1より、電流密度が大きい。よって、レーザ出力を大きくしても、酸に対する耐食性を向上させることはできないことが分かる。つまり、改質層は薄い方が、酸に対する耐食性が良好であることが分かる。
On the other hand, sample No. The anodic polarization curve X14 of No. 2 and the sample No. The anodic polarization curve X18 of 3 draws a similar locus. Sample No. 2 and Sample No. 2 in the potential range of 0 V or more and 1 V or less.
(表面元素分析)
EPMA(電子線マイクロアナライザー)定性分析により、改質断面に含まれるFe,Ni,Cr,Moの成分比率(質量%)を分析した。
(Surface elemental analysis)
The component ratio (mass%) of Fe, Ni, Cr, and Mo contained in the modified cross section was analyzed by EPMA (electron probe microanalyzer) qualitative analysis.
図9は、EPMA定性分析結果を示す表である。改質層を有する試料No.1と試料No.2は、膜も改質層もない試料No.Aとも、膜のみ形成された試料No.Eとも、成分比率が異なる。よって、基材の表面が、改質層によって改質されていることが分かる。 FIG. 9 is a table showing the results of EPMA qualitative analysis. Sample No. having a modified layer. 1 and sample No. No. 2 is a sample No. 2 having neither a film nor a modified layer. In both A, the sample No. in which only the film was formed. The component ratio is also different from E. Therefore, it can be seen that the surface of the base material is modified by the modified layer.
試料No.EにおけるFeは、試料No.AにおけるFeの100分の1程度と少ない。これより、膜は、基材の表面を覆うだけで、基材と殆ど混ざり合っていないことが分かる。一方、試料No.1と試料No.2におけるFeは、試料No.AにおけるFeの約30%〜75%である。これにより、試料No.1と試料No.2は、膜にレーザ照射したことにより、膜と基材が溶融して混ざり合って合金化されていることが分かる。 Sample No. Fe in E is the sample No. It is as small as about 1/100 of Fe in A. From this, it can be seen that the film only covers the surface of the base material and is hardly mixed with the base material. On the other hand, sample No. 1 and sample No. Fe in 2 is the sample No. It is about 30% to 75% of Fe in A. As a result, the sample No. 1 and sample No. In No. 2, it can be seen that the film and the base material are melted and mixed to be alloyed by irradiating the film with a laser.
Crは、試料No.Aと試料No.Eと試料No.1と試料No.2とで、あまり変わらない。つまり、レーザ照射によりNi基耐食合金粉末とSUS304が混ざり合っても、Crの成分比率があまり変わらない。これは、Ni基耐食合金粉末が基材を構成するSUS304と同程度のCrを含むためと考えられる。 Cr is the sample No. A and sample No. E and sample No. 1 and sample No. It doesn't change much with 2. That is, even if the Ni-based corrosion-resistant alloy powder and SUS304 are mixed by laser irradiation, the Cr component ratio does not change much. It is considered that this is because the Ni-based corrosion-resistant alloy powder contains Cr of the same level as SUS304 constituting the base material.
Niは、試料No.Aよりも、試料No.Dと試料No.1と試料No.2の方が多い。これは、Ni基耐食合金粉末が、Niの成分比率がSUS304より多いためと考えられる。 Ni is the sample No. Sample No. rather than A. D and sample No. 1 and sample No. 2 is more. It is considered that this is because the Ni-based corrosion-resistant alloy powder has a higher Ni component ratio than SUS304.
Moは、SUS304にはない元素であり、Ni基耐食合金粉末により添加されている。試料No.1及び試料No.2は、膜にレーザ照射することにより、膜と基材とが混ざり合って改質層が形成されるため、試料No.EよりMoの成分比率が小さい。試料No.2は、試料No.1と比べ、基材の溶融量が増えるため、Moの成分比率が小さい。 Mo is an element not found in SUS304 and is added by Ni-based corrosion resistant alloy powder. Sample No. 1 and sample No. In No. 2, the film and the base material are mixed to form a modified layer by irradiating the film with a laser. The component ratio of Mo is smaller than that of E. Sample No. 2 is the sample No. Compared with 1, the amount of melted base material is increased, so the component ratio of Mo is small.
以上より、改質層は、膜に含まれるMoとNiが、基材を構成するSUS304と混ざり合って、Crと重畳して酸化被膜を形成する。そのため、改質層を有する基材は、図7及び図8に示すように、表面に膜も改質層も形成されてない基材と、膜のみを形成された基材と比べ、高耐食性を有するようになると考えられる。 From the above, in the modified layer, Mo and Ni contained in the film are mixed with SUS304 constituting the base material and superimposed on Cr to form an oxide film. Therefore, as shown in FIGS. 7 and 8, the base material having the modified layer has higher corrosion resistance than the base material having neither the film nor the modified layer formed on the surface and the base material having only the film formed. Is expected to have.
ここで、レーザ照射して改質層を形成する場合に、パワー密度を大きくすると、Feの成分比率が大きくなって、NiやMoの成分比率が小さくなる。一方、パワー密度を小さくすると、膜に含まれるNi,Moの成分比率が大きくなり、Feの成分比率が小さくなる。よって、パワー密度を調整することにより、改質層のFeとMoとNiの成分比率を変化させ、改質層の特性を調整することができる。 Here, when the modified layer is formed by laser irradiation, if the power density is increased, the Fe component ratio is increased and the Ni and Mo component ratios are decreased. On the other hand, when the power density is reduced, the component ratios of Ni and Mo contained in the film are increased, and the component ratio of Fe is decreased. Therefore, by adjusting the power density, the component ratios of Fe, Mo, and Ni in the modified layer can be changed, and the characteristics of the modified layer can be adjusted.
(基材表面の結晶構造)
X線回析評価と顕微鏡を用いた断面観察を行い、基材表面の結晶構造を調べた。
(Crystal structure on the surface of the substrate)
The crystal structure on the surface of the substrate was investigated by performing X-ray diffraction evaluation and cross-sectional observation using a microscope.
<X線解析評価>
図10は、試料No.EのX線回析評価結果を示すグラフである。図11は、試料No.2のX線回析評価結果を示すグラフである。それぞれ、縦軸は「X線照射角度」を示し、横軸は「検出強度」を示す。
<X-ray analysis evaluation>
FIG. 10 shows the sample No. It is a graph which shows the X-ray diffraction evaluation result of E. FIG. 11 shows the sample No. It is a graph which shows the X-ray diffraction evaluation result of 2. The vertical axis represents the "X-ray irradiation angle" and the horizontal axis represents the "detection intensity".
固体には、原子が規則正しく並んでいる「結晶」と、原子がランダムに並んでいる「アモルファス」がある。X線回析を行うと、結晶成分はピークを示し、アモルファス成分はブロードなハローパターンを示す。 Solids include "crystals" in which atoms are regularly arranged and "amorphous" in which atoms are randomly arranged. When X-ray diffraction is performed, the crystalline component shows a peak, and the amorphous component shows a broad halo pattern.
図10に示すように、試料No.Eは、図中M1に示すハローパターンと、図中M2に示すピークと、を示している。これに対して、図11に示すように、試料No.2は、図中M3に示すように、ピークを示しているが、ハローパターンを示していない。よって、試料No.2は、試料No.Eと比べ、基材表面の元素が規則正しく並んで、緻密であることが分かる。 As shown in FIG. 10, the sample No. E indicates a halo pattern shown in M1 in the figure and a peak shown in M2 in the figure. On the other hand, as shown in FIG. 11, the sample No. No. 2 shows a peak as shown in M3 in the figure, but does not show a halo pattern. Therefore, the sample No. 2 is the sample No. Compared to E, it can be seen that the elements on the surface of the base material are arranged regularly and are denser.
<顕微鏡を用いた断面観察>
図12は、試料No.2の断面観察結果を示す図である。膜3は、内部に空孔を多く含み、基材1の表面1aとの間に隙間がある。一方、改質層4は、内部に空孔を含まず、緻密化されている。そして、改質層4は、基材1と合金化して形成され、基材1との間に隙間がない。よって、改質層は、膜より結晶が緻密で、基材に強固に結合されている。
<Cross-section observation using a microscope>
FIG. 12 shows the sample No. It is a figure which shows the cross-sectional observation result of 2. The
<小括>
図9に示すように、試料No.Eは、試料No.1と試料No.2よりNiとMoの成分比率が大きい。しかし、図7及び図8に示すように、試料No.Eは、試料No.1と試料No.2より耐食性が低い。これは、図10、図11、図12に示すように、膜は、改質層より空孔が多く、基材との間にすき間があることにより、孔食やすき間腐食が発生しやすいためと考えられる。
<Summary>
As shown in FIG. 9, the sample No. E is the sample No. 1 and sample No. The component ratio of Ni and Mo is larger than 2. However, as shown in FIGS. 7 and 8, the sample No. E is the sample No. 1 and sample No. Corrosion resistance is lower than 2. This is because, as shown in FIGS. 10, 11, and 12, the membrane has more pores than the modified layer, and there is a gap between the film and the substrate, so that pitting corrosion and crevice corrosion are likely to occur. it is conceivable that.
(耐摩耗評価)
ボールオンディスク型試験機を用いて、耐摩耗性を調査した。
(Abrasion resistance evaluation)
Abrasion resistance was investigated using a ball-on-disk type tester.
<試験片>
試料No.B、試料No.C、試料No.1、試料No.2の表面から、縦25mm、横25mm、厚さ2mm又は8mmの寸法で、試験片を採取した。試験片は、表面粗さがRa:0.05μmになるまで#600耐水研磨紙で表面を研磨した。
<Test piece>
Sample No. B, sample No. C, sample No. 1. Sample No. From the surface of No. 2, a test piece was taken with dimensions of 25 mm in length, 25 mm in width, and 2 mm or 8 mm in thickness. The surface of the test piece was polished with # 600 water-resistant abrasive paper until the surface roughness was Ra: 0.05 μm.
<試験方法>
試験では、直径10mmのアルミナボールを試験材に押し付け、往復摺動させた。荷重は、4.9N、及び、0.98Nとした。摺動速度は、10mm/sとした。摺動距離は、10mm往復を300回(6m)とした。
<Test method>
In the test, an alumina ball having a diameter of 10 mm was pressed against the test material and slid back and forth. The loads were 4.9N and 0.98N. The sliding speed was 10 mm / s. The sliding distance was set to 300 times (6 m) for 10 mm reciprocation.
<評価方法>
耐摩耗性は、試験後の試験片の摺動部にできた摩耗痕をプロファイルすることにより評価した。図13は、摩耗痕の深さを比較する表である。図14は、摩耗痕の幅を比較するグラフである。
<Evaluation method>
The wear resistance was evaluated by profiling the wear marks formed on the sliding portion of the test piece after the test. FIG. 13 is a table comparing the depths of wear marks. FIG. 14 is a graph comparing the widths of wear marks.
<耐摩耗性評価>
図13に示すように、荷重が0.98Nの場合、試料No.1と試料No.2は、試料No.B及び試料No.Cより、摩耗痕の深さが浅い。そして、図14に示すように、荷重が0.98Nの場合、試料No.1と試料No.2と試料No.Bと試料No.Cは、摩耗痕の幅が同程度である。
<Abrasion resistance evaluation>
As shown in FIG. 13, when the load is 0.98 N, the sample No. 1 and sample No. 2 is the sample No. B and sample No. The depth of wear marks is shallower than C. Then, as shown in FIG. 14, when the load is 0.98N, the sample No. 1 and sample No. 2 and sample No. B and sample No. In C, the width of the wear mark is about the same.
また、図13に示すように、試料No.1は、試料No.2より摩耗痕の深さが浅い。つまり、試料No.1は、試料No.2より改質層の厚さが薄いが、耐摩耗性が優位である。改質層が薄いほど、SUS304の成分比率が小さくなり、耐摩耗性があるBの成分比率が大きくなるためと考えられる。 Further, as shown in FIG. 13, the sample No. 1 is the sample No. The depth of wear marks is shallower than 2. That is, the sample No. 1 is the sample No. The thickness of the modified layer is thinner than that of 2, but the wear resistance is superior. It is considered that the thinner the modified layer, the smaller the component ratio of SUS304 and the larger the component ratio of wear-resistant B.
一方、図13に示すように、荷重が4.9Nの場合、試料No.1と試料No.2は、試料No.Bより、摩耗痕の深さを15%から20%浅くできた。試料No.Cは、試料No.Bに対して、摩耗痕の深さが2倍以上深かった。 On the other hand, as shown in FIG. 13, when the load is 4.9 N, the sample No. 1 and sample No. 2 is the sample No. The depth of wear marks was 15% to 20% shallower than that of B. Sample No. C is the sample No. The depth of the wear marks was more than twice as deep as that of B.
図14に示すように、荷重が4.9Nの場合、試料No.1及び試料No.2は、試料No.Bに対して、摩耗痕の幅を約70%にでき、また、試料No.Cに対して、摩耗痕の幅を約50%にできる。尚、試料No.Cは、試料No.Bに対して、摩耗痕の幅が約180%である。 As shown in FIG. 14, when the load is 4.9 N, the sample No. 1 and sample No. 2 is the sample No. The width of the wear mark can be reduced to about 70% with respect to B, and the sample No. The width of the wear mark can be reduced to about 50% with respect to C. In addition, sample No. C is the sample No. The width of the wear mark is about 180% with respect to B.
上記より、Ni基耐食合金粉末のHIPによる焼結体は、SUS316Lより硬いにもかかわらず、摩耗しやすいことが分かる。しかし、Ni基耐食合金粉末の膜を基材の表面に形成し、膜にレーザを照射して改質層を形成すると、基材の耐摩耗性が、SUS316Lより良好になることが分かった。 From the above, it can be seen that the HIP sintered body of the Ni-based corrosion-resistant alloy powder is easily worn even though it is harder than SUS316L. However, it was found that when a film of Ni-based corrosion-resistant alloy powder was formed on the surface of the base material and the film was irradiated with a laser to form a modified layer, the wear resistance of the base material was better than that of SUS316L.
ここで、Bは、耐食性を低下させる要因となると考えられ、耐食性が要求される部材に添加されない傾向があった。しかし、改質層は、Bを含むが、図7及び図8に示すように、SUS304からなる基材より耐食性が向上している。これは、改質層に含まれるCr,Ni,Moが形成する酸化被膜(不働態化被膜)により、Bが改質層の表面に析出しないように封じ込められるためと考えられる。 Here, B is considered to be a factor that lowers the corrosion resistance, and tends not to be added to the member that requires the corrosion resistance. However, although the modified layer contains B, as shown in FIGS. 7 and 8, the corrosion resistance is improved as compared with the substrate made of SUS304. It is considered that this is because B is contained in the modified layer so as not to be deposited on the surface of the modified layer by the oxide film (passivation film) formed by Cr, Ni, and Mo contained in the modified layer.
尚、発明者らは、試料No.2について、改質材の表面に析出する元素をX線回析評価した結果、改質層の表面にBが析出していないことを確認した。 The inventors of the sample No. As a result of X-ray diffraction evaluation of the elements precipitated on the surface of the modified material, it was confirmed that B was not deposited on the surface of the modified layer.
図13及び図14に示すように、試料No.2は、試料No.1より改質層が厚く形成されるが、耐摩耗性が試料No.1と同程度である。よって、Bが、1.4質量%と僅かな比率でNi基耐食合金粉末に含まれるだけでも、基材は、改質層を硬化され、耐摩耗性が向上することが、明らかになった。 As shown in FIGS. 13 and 14, the sample No. 2 is the sample No. The modified layer is formed thicker than No. 1, but the wear resistance is the same as that of the sample No. 1. It is about the same as 1. Therefore, it was clarified that even if B is contained in the Ni-based corrosion-resistant alloy powder in a small ratio of 1.4% by mass, the substrate is cured of the modified layer and the wear resistance is improved. ..
(まとめ)
従って、20〜25質量%Cr−24〜29質量%Mo−1〜2質量%B−残部Niで組成される粉末をステンレス鋼からなる基材に溶射して膜を形成し、その膜にレーザ光を照射して膜と基材の一部を局部的に急速加熱して溶融させ、急冷却させることにより改質層を形成すると、基材の表面のみの高耐腐食化と耐摩耗化を両立して実現することができる。
(summary)
Therefore, a powder composed of 20 to 25% by mass Cr-24 to 29% by mass Mo-1 to 2% by mass B-residue Ni is sprayed onto a base material made of stainless steel to form a film, and a laser is formed on the film. When a modified layer is formed by irradiating light to locally rapidly heat a part of the film and the base material to melt it and then rapidly cooling it, high corrosion resistance and wear resistance of only the surface of the base material can be achieved. It can be realized at the same time.
その耐食性は、ハステロイやSUS316Lより優れている。そのため、加工性が良くて安価なオーステナイト系ステンレス鋼を所望の形状に成形し、例えば、塩素系又は酸系の高腐食流体に接する液体接触部に上記形態の基材の表面改質方法を適用して表面改質を行うことで、液体接触部だけを高耐腐食化・耐摩耗化することができる。この場合、液体接触部にだけ、Ni基耐食合金粉末などの粉末を用いて膜を形成すれば良いので、粉末の使用量を抑制し、低コストで高耐腐食化と耐摩耗化を実現することができる。 Its corrosion resistance is superior to Hastelloy and SUS316L. Therefore, austenitic stainless steel with good workability and low cost is formed into a desired shape, and for example, the surface modification method of the base material of the above-mentioned form is applied to a liquid contact portion in contact with a chlorine-based or acid-based highly corrosive fluid. By modifying the surface, only the liquid contact portion can be made highly corrosion-resistant and wear-resistant. In this case, since it is only necessary to form a film using powder such as Ni-based corrosion-resistant alloy powder only at the liquid contact portion, the amount of powder used can be suppressed, and high corrosion resistance and wear resistance can be realized at low cost. be able to.
尚、本発明は上記形態に限定されるものではない。例えば、上記基材の表面改質方法は、半導体製造産業で使用される流体機器だけでなく、鉄鋼産業や自動車産業や航空・宇宙産業やエネルギー産業などで使用される部材にも適用できる。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the surface modification method for a base material can be applied not only to fluid equipment used in the semiconductor manufacturing industry, but also to members used in the steel industry, the automobile industry, the aviation / space industry, the energy industry, and the like.
1 基材
1a 表面
2 粉末
3 膜
4 改質層
1
Claims (4)
前記膜にレーザ光を、前記基材に対して改質可能なパワー密度で照射することにより、前記膜と前記基材の一部とを溶融し、凝固させ、緻密化された改質層を形成する改質工程と、を有すること、
前記粉末の成分が、
Cr:20〜25質量%
Mo:24〜29質量%
B :1〜2質量%
Ni:残部
であること、
前記パワー密度を調整することにより、前記改質層の成分比率を変え、前記改質層の特性を調整すること、
を特徴とする基材の表面改質方法。 A film forming step of forming a film made of powder containing Ni, Cr, Mo and B on the surface of a base material made of stainless steel,
By irradiating the film with laser light at a power density that can be modified , the film and a part of the substrate are melted and solidified to form a densified modified layer. Having a reforming step to form,
The components of the powder are
Cr: 20 to 25% by mass
Mo: 24-29% by mass
B: 1-2% by mass
Ni: Being the rest,
By adjusting the power density, the component ratio of the modified layer is changed to adjust the characteristics of the modified layer.
A method for modifying the surface of a base material.
前記改質工程にて使用する前記レーザ光のパワー密度が大きいほど、前記改質層の厚さが厚くなり、前記改質層に含まれるステンレス鋼の成分比率が大きくなること、
前記改質層と前記基材は、Crの成分比率が同程度であること、
を特徴とする基材の表面改質方法。 In the method for modifying the surface of a base material according to claim 1,
The larger the power density of the laser beam used in the reforming step, the thicker the modified layer becomes , and the larger the component ratio of the stainless steel contained in the modified layer.
Before Kiaratame electrolyte layer and the base material, it component ratio of Cr is comparable,
A method for modifying the surface of a base material.
前記改質工程にて使用する前記レーザ光のパワー密度が小さいほど、前記改質層の厚さが薄くなり、前記改質層に含まれるNi、Moの成分比率が大きくなること、
前記改質層と前記基材は、Crの成分比率が同程度であること、
を特徴とする基材の表面改質方法。 In the method for modifying the surface of a base material according to claim 1,
The smaller the power density of the laser beam used in the reforming step, the thinner the thickness of the modified layer and the larger the component ratio of Ni and Mo contained in the modified layer.
The modified layer and the base material have the same Cr component ratio.
A method for modifying the surface of a base material.
前記流体接触部の表面に、NiとCrとMoとBとを含む粉末からなる膜を形成する膜形成工程と、
前記膜にレーザ光を、前記基材に対して改質可能なパワー密度で照射することにより、前記膜と前記流体接触部の一部とを溶融し、凝固させ、緻密化された改質層を形成する改質工程と、を有すること、
前記粉末の成分が、
Cr:20〜25質量%
Mo:24〜29質量%
B :1〜2質量%
Ni:残部
であること、
前記パワー密度を調整することにより、前記改質層の成分比率を変え、前記改質層の特性を調整すること、
を特徴とする流体機器の製造方法。 Made of stainless steel, a method for producing a fluid device that have a fluid contact portion in contact with the highly corrosive fluids,
A film forming step of forming a film made of a powder containing Ni, Cr, Mo, and B on the surface of the fluid contact portion, and a film forming step.
By irradiating the film with laser light at a power density that can be modified , the film and a part of the fluid contact portion are melted and solidified, and the modified layer is densified. To have a reforming process, which forms
The components of the powder are
Cr: 20 to 25% by mass
Mo: 24-29% by mass
B: 1-2% by mass
Ni: Being the rest,
By adjusting the power density, the component ratio of the modified layer is changed to adjust the characteristics of the modified layer.
A method for manufacturing a fluid device.
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