WO2007083361A1

WO2007083361A1 - 耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜および回転機械

Info

Publication number: WO2007083361A1
Application number: PCT/JP2006/300579
Authority: WO
Inventors: Toyoaki Yasui; Yoshikazu Yamada; Shugo Iwasaki; Katsuyasu Hananaka; Kyoichi Ikeno
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2008-07-18
Also published as: DE112006003471B4; US7998581B2; US20090123737A1; DE112006003471T5

Abstract

【課題】　耐固体粒子エロージョン性を大幅に向上させることができ、回転部材に対しても疲労強度を低下させることなく耐酸化性を備える耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜とそれを適用した蒸気タービン、または軸流圧縮機などの回転機械を提供する。【解決手段】　耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を、基材表面に形成した窒化硬質層と、同窒化硬化層の上に物理蒸着法により形成した１層以上の物理蒸着硬質層とを有し、前記窒化硬質層の厚さが３０μｍ以上、且つ前記物理蒸着硬質膜の厚さが総厚として１０μｍ以上であるように構成して、固体粒子衝突時の基材の変形と、基材上層の窒化硬質層と物理蒸着硬質層を含む皮膜の割れを防止し、耐固体粒子エロージョン性を確保し、耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜の寿命を増大可能とし、且つ耐酸化性と疲労強度を向上させた。

Description

明細書

耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜および回転機械

技術分野

[0001] 本発明は、耐固体粒子エロージョン性を有する表面処理皮膜と、それを適用した例えば蒸気タービンや軸流圧縮機等の回転機械 (本願明細書および特許請求の範囲において、単に「回転機械」という）に関する。

背景技術

[0002] 蒸気タービンでは、蒸気に接触する部位には、基材として例えば 12%クロム系のステンレス鋼が使用されている。また、蒸気中に存在する固体粒子によるエロージョン性を改善するため、静止部品ではボロンを浸透拡散処理したポロナイジング処理も基材表層に施されている。

[0003] し力ながら、上述の 12%クロム系ステンレス鋼では、蒸気中に含まれるシリカ、酸化鉄等の固体粒子によりエロージョン損傷し、寿命が短い課題があった。また、これを解決するために上述したとおり、ポロナイジング処理が 12%クロムステンレス鋼表層に施される場合があるが、この場合も固体粒子によるエロージョン性は十分でなぐさらに、疲労強度が低下する問題力回転部材には適用することが難しいという問題があった。

[0004] また、蒸気タービン等高温蒸気に接する部位においては、耐固体粒子エロージョン性のみならず耐酸化性や疲労強度においても同時に十分な性能を有することが求められている。

[0005] 従来、動圧流体軸受け等の高速回転体で、磨耗によって生じた金属粉等の不純物による高速回転体の損傷、回転性能や寿命の低下に対しては、硬化処理した母材にダイヤモンド状炭素膜を被覆する提案等がなされているが（特許文献 1 :特開 200 2— 188642)、そのような表面処理皮膜は蒸気タービンの蒸気に接する部分への適用に関しては耐固体粒子エロージョン性においても、また耐酸化性、疲労強度等からも、実用性、適合性が十分なものではなかった。

[0006] 特許文献 1 :特開 2002— 188642公報（第 1頁、図 1) 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 本発明は、上記の従来の問題点を解消し、耐エロージョン性を大幅に向上させることができ、回転部材に対しても疲労強度を低下させることなく耐酸化性を備える耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜と、それを適用した回転機械を提供することを課題とするものである。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明は、上記の課題を解決するためになされ、下記の（1)から（12)の手段を提供するものであり、以下、特許請求の範囲に記載の順に説明する。

[0009] (1)その第 1の手段として、基材表層に形成した窒化硬質層と、同窒化硬質層の上に物理蒸着法により形成した 1層以上の物理蒸着硬質層とを有し、前記窒化硬質層の厚さが 30 μ m以上、且つ前記物理蒸着硬質膜の厚さが総厚として 10 μ m以上であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0010] (2)第 2の手段としては、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記窒化硬質層がラジカル窒化法により形成されてなることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0011] (3)また、第 3の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した CrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0012] (4)第 4の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した CrN層と同 CrN層を形成後更にその上に形成した AlCrN層又は TiAlNであることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0013] (5)第 5の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した TiN層と同 TiN層を形成後更にその上に形成した CrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0014] (6)第 6の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した TiN層と同 TiN層を形成後更にその上に形成した AlCrN層又は TiAlN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0015] (7)第 7の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に交互に多層化して形成した Cr N層と TiAlN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0016] (8)第 8の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した Cr N層と AlCrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0017] (9)第 9の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した Cr N層と TiN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0018] (10)第 10の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した TiN層と TiAlN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0019] (11)第 11の手段として、第 1の手段の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した TiN層と AlCrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を提供する。

[0020] (12)第 12の手段として、第 1の手段ないし第 11の手段のいずれかの耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を、蒸気と接する部位の表面に設けてなることを特徴とする回転機械を提供する。

発明の効果

[0021] (1)耐固体粒子エロージョン性は、衝突する粒子の硬度より硬い皮膜 (物理蒸着硬質層）を施すことにより向上するが、その皮膜の下地 (基材）が柔らかい場合、固体粒子が衝突した時に基材が変形し、上層の物理蒸着硬質層が変形により割れてしまい、結果的には耐エロージョン性は向上しない、という知見を得て本願発明はなされたものである。

[0022] 特許請求の範囲に記載の請求項 1の発明によれば、物理蒸着により形成される物理蒸着硬質層の耐固体粒子エロージョン性を向上させるために、基材の表層に窒化硬質層を形成して下地が高硬度化されており、しかも、窒化硬質層の厚さに関しては、 30 z m以上の厚さとして、上述の固体粒子衝突時の基材の変形と、基材表層の窒化硬質層と物理蒸着硬質層を含む皮膜の割れが防止され、耐固体粒子エロージョン性が確保される。また、物理蒸着硬質層を、総厚として 10 z m以上とすることにより、固体粒子衝突によるエロージョンの影響を防止し、耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜の寿命を増大できる。

[0023] そして、上記のような窒化硬質層と物理蒸着硬質層の組み合わせにより、耐酸化性と疲労強度が向上し、回転部材等強度を要する部位に対しても適用が好ましい耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜となる。

[0024] (2)請求項 2の発明によれば、請求項 1の発明の作用効果に加え、窒化硬質層をラジカル窒化法により形成してなるので、ラジカル窒化法による窒化硬質層は脆弱な変質層が無ぐ疲労特性に対し強ぐ基材の疲労特性と比較して疲労強度を向上させること力 Sできる。

[0025] (3)窒化硬質層の上層の物理蒸着硬質層は、耐固体粒子エロージョン性を得る為に、衝突する粒子の硬さよりその皮膜の硬さを大きくすることが重要であり、衝突する固体粒子の代表的な材質である SiOのビッカース硬さで 1000〜： 1300より硬いセラ

2

ミックスが必要である力請求項 3から請求項 6の発明によれば、 CrN、 TiAlN、 AlCr

N、および TiNは、上記硬さの条件を満足し、請求項 1の発明の作用効果に加え、高温安定性と靭性が他のセラミックスに比べ優れ、より好ましい耐固体粒子エロージョン皮膜の具体的構造が得られる。

[0026] (4)請求項 7から請求項 11の発明によれば、請求項 1の発明の作用効果に加え、請求項 3から請求項 6の発明と同様に、 CrN、 TiAlN、 AlCrN、および TiNが硬さの条件を満たすほか、高温安定性と靭性が他のセラミックスに比べ優れ、より好ましレヽ耐固体粒子エロージョン皮膜の具体的構造が得られ、さらに、物理蒸着硬質層を 2 種類の材質で交互に薄く多層に形成することで、耐割れ剥離性が単層あるいは 2層膜の物理蒸着硬質層より向上し、耐固体粒子エロージョン性がさらに向上する。

[0027] (5)請求項 12の発明によれば、請求項 1ないし請求項 11のいずれかの発明の作用効果により、耐エロージョン性、耐酸化性および疲労特性の高レ、、長寿命化を達成できる蒸気タービンが得られる。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]本発明の実施例 1に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 101の断面説明図である。

[図 2]本発明の実施例 2に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 102の断面説明図である。

[図 3]本発明の実施例 3に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 103の断面説明図である。

[図 4]本発明の実施例 4に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 104の断面説明図である。

[図 5]本発明の実施例 5に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 105の断面説明図である。

[図 6]本発明の実施例 6に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 106の断面説明図である。

[図 7]本発明の実施例 7に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 107の断面説明図である。

[図 8]本発明の実施例 8に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 108の断面説明図である。

[図 9]本発明の実施例 9に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 109の断面説明図である。

[図 10]本発明の実施例 10に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 110の断面説明図である。 [図 11]本発明の実施例 11に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 111の断面説明図である。

[図 12]本発明の実施例 12に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 112の断面説明図である。

符号の説明

[0029] 1 物理蒸着硬質層

2 窒化硬質層

3 基材

11 CrN層

12 TiAIN層

13 AlCrN層

14 TiN層

101〜 112 耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜

発明を実施するための最良の形態

[0030] 本発明は、耐酸化性を有し疲労強度の維持と耐固体粒子エロージョン性の向上を満足させる表面処理皮膜を得るために、数多くの試験、研究の結果に基づき見出し得たものであり、以下に本発明を実施するための最良の形態として図 1から図 12によつて、実施例 1から実施例 12を説明する。

実施例 1

[0031] 図 1は本発明の実施例 1に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 101の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 101は、窒化硬質層 2を基材 3上に形成し、その上に物理蒸着による硬質皮膜として物理蒸着硬質層 1を形成することにより、耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 101を構成したものであり、本発明の蒸気タービンはそのように構成した耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を適用したものである。

[0032] 窒化硬質層 2としては、ラジカル窒化層が好ましぐその厚さは、疲労強度低下を抑制することおよび耐固体粒子エロージョン性を向上させるため、 30 z m以上、好ましくは 60〜： 100 x mとし、その上に形成する物理蒸着硬質層 1は、総厚として 10 z m 以上、好ましくは 20 /i m以上である。 ΙΟ μ ΐη未満の場合、固体粒子衝突によるエロ一ジョンにより寿命が短い。また一方、厚さ 25 μ ΐη程度が、成膜時の皮膜応力の観点から限界である。材質は、 CrN (クロムナイトライド）、 TiN (チタンナイトライド）、 A1C rN (アルミクロムナイトライド）および TiAIN (チタンアルミナイトライド）から選定され、これら 1層、もしくは 2種類を 2層化、または 2種類を多層化つまり、材質 a層と別の材質 b層を多層化するものである。また、そのように構成した耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 101は蒸気タービン、軸流圧縮機などの回転機械に効果的に用いること力 Sできる。なお、本明細書、特許請求の範囲において、「回転機械」とは、例えば蒸気タービンや軸流圧縮機等のものをいう。

[0033] 次に、図 2から図 12により本発明の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜のさらに具体的な実施例を説明する。

実施例 2

[0034] 図 2は本発明の実施例 2に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 102の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 102は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着により CrN層 11を物理蒸着硬質層 1として形成したものである。

[0035] 窒化硬質層 2としては、変質層がないラジカル窒化法により形成され、その厚さは 3 O z m以上であり、好ましくは 60〜： 100 z mである。 30 x m未満の場合、固体粒子が衝突する環境において、粒子衝突時に上層の物理蒸着硬質層 1が基材 3とともに変形し、上層の物理蒸着硬質層が割れ、剥離し、耐エロージョン性が劣化する恐れがある。 100 z mを越える厚さは物性上問題はないが、製造コスト面で高価となり実用上不利となる。

[0036] 本実施例の上層の物理蒸着硬質層 1は CrN層 11であり、例えばアーク式イオンプレーティング法により形成され、その厚さは 10 μ m以上好ましくは 20 μ m以上である。 10 /i m未満の場合、固体粒子衝突によるエロージョンにより寿命が短い。また一方、厚さ 25 μ m程度が、成膜時の皮膜応力の観点から限界である。

実施例 3

[0037] 図 3は本発明の実施例 3に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 103の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 103は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着により CrN層 11を上述と同様に形成し、更に、その上に物理蒸着により TiAlN層 12を設け、物理蒸着硬質層 1としたものである。 TiAlN層 12は CrN層 11と同様に、例えばァーク式イオンプレーティング法等により形成でき、その厚さは 1〜6 μ mである。

実施例 4

[0038] 図 4は本発明の実施例 4に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 104の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 104は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着により CrN層 11を上述と同様に形成し、更に、その上に物理蒸着により AlCrN層 13を形成し物理蒸着硬質層 1としたものである。 AlCrN層 13は CrN層 11と同様に、例えばアーク式イオンプレーティング法等により形成でき、その厚さは 1〜6 μ mである。実施例 5

[0039] 図 5は本発明の実施例 5に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 105の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 105は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着により TiN層 14を厚さ 5〜： ίθ z m形成し、更に、その上に物理蒸着により上述同様に CrN 層 11を形成し、物理蒸着硬質層 1としたものである。 TiN層 14は CrN層 11と同様に、例えばアーク式イオンプレーティング法等により形成できる。

実施例 6

[0040] 図 6は本発明の実施例 6に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 106の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 106は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着により TiN層 14を厚さ 5〜10 z m形成し、更に、その上に物理蒸着により TiAlN層 12を上述同様に形成し、物理蒸着硬質層 1としたものである。

実施例 7

[0041] 図 7は本発明の実施例 7に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 107の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 107は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着により TiN層 14を厚さ 5〜10 /i m形成し、更に、その上に物理蒸着により上述同様に AlCr N層 13を形成し、物理蒸着硬質層 1としたものである。

[0042] 次の図 8から図 12は、物理蒸着硬質層 1が 2種類材質の多層化により形成された耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜の実施例の説明図である。

実施例 8

[0043] 図 8は本発明の実施例 8に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 108の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 108は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着法により CrN層 11と TiAIN層 12を交互に多層化して形成し物理蒸着硬質層 1としたものである。物理蒸着硬質層 1の各層の厚さは広範囲に設定することが可能であり、例えば、 10〜： !OOnmが挙げられ、総厚としては実施例 1と同様に 10 /i m以上、好ましくは 2 0 μ m以上である。

実施例 9

[0044] 図 9は本発明の実施例 9に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 109の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 109は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着法により CrN層 11と AlCrN層 13を交互に多層化して形成し物理蒸着硬質層 1としたものである。物理蒸着硬質層 1の各層の厚さは広範囲に設定することが可能であり、例えば、 10〜： !OOnmが挙げられる、総厚としては実施例 1と同様に 10 μ m以上、好ましくは 20 μ ΐη以上である。

実施例 10

[0045] 図 10は本発明の実施例 10に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 110の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 110は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着法により TiN層 14と CrN層 11を交互に多層化して形成し物理蒸着硬質層 1としたものである。物理蒸着硬質層 1の各層の厚さは広範囲に設定することが可能であり、例えば、 10〜： !OOnmが挙げられ、総厚としては実施例 1と同様に 10 /i m以上、好ましくは 20 μ ΐη以上である。

実施例 11

[0046] 図 11は本発明の実施例 11に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 111の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 111は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着法により TiN層 14と TiAIN層 12を交互に多層化して形成し物理蒸着硬質層 1としたものである。物理蒸着硬質層 1の各層の厚さは広範囲に設定することが可能であり、例えば、 10〜： !OOnmが挙げられ、総厚としては実施例 1と同様に 10 /i m以上、好ましくは 20 μ ΐη以上である。

実施例 12

[0047] 図 12は本発明の実施例 12に係る耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 112の断面説明図である。本実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 112は、基材 3上に実施例 1で説明したと同様に窒化硬質層 2を形成し、その上に物理蒸着法により TiN層 14と AlCrN層 13を交互に多層化して形成し物理蒸着硬質層 1としたものである。物理蒸着硬質層 1の各層の厚さは広範囲に設定することが可能であり、例えば、 10〜： !OOnmが挙げられ、総厚としては実施例 1と同様に 10 μ m以上、好ましくは 20 x m以上である。

[0048] なお、実施例 1から実施例 12において、 CrN層 11、 TiAIN層 12、 AlCrN層 13、 T iN層 14の物理蒸着方法は限定する必要はなレ、が、例えば、アーク式イオンプレーティング法が用いられる。

[0049] 以上の、各実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜 101〜： 112において、基材 3上の窒化硬質層 2は、その上の物理蒸着により形成される物理蒸着硬質層 1 の耐固体粒子エロージョン性を向上させるため設ける。すなわち、耐固体粒子エロージョン性は衝突する粒子の硬度より硬い皮膜 (物理蒸着硬質層 1)を施すことにより向上するが、この場合、その皮膜の基材（下地） 3が柔らかい場合、固体粒子が衝突した時に基材 3が変形し、上層の皮膜 (物理蒸着硬質層 1)が変形により割れてしまい、結果的には耐エロージョン性は向上しなレ、。 [0050] 従って、上層の物理蒸着硬質層 1の特徴をうまく発現させるためには、下地を高硬度化することが必要であり、この為に、基材 3の表層に窒化硬質層 2を形成することが必要になる。窒化硬質層 2の厚さに関しては、その適正値が存在する。 30 /i m未満であると、上述の固体粒子衝突時の基材 3の変形が生じ、表層の窒化硬質層 2と物理蒸着硬質層を含む皮膜が割れるため好ましくない。耐固体粒子エロージョン性を確保するためには窒化硬質層 2は 30 z m以上の厚さが必要である。なお、上述のように 100 x mを越える厚さは物性上問題はなレ、が、製造コスト面では高価となり実用上不利となる。

[0051] 更に、蒸気タービンの動翼のごとく稼動中に大きな疲労応力を受ける場合、耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜は、これに対し問題ない強度が必要である。それに対し、特にラジカル窒化による窒化硬質層 2は脆弱な変質層が無ぐ疲労特性に対し強ぐ基材 3の疲労特性と比較すると、疲労強度が向上する。

[0052] 窒化硬質層 2の上層の物理蒸着硬質層 1は、耐固体粒子エロージョン性を得る為に、衝突する粒子の硬さよりその皮膜の硬さを大きくすることが重要である。そこで、衝突する固体粒子の代表的な材質である Si〇の硬さはビッカース硬さで 1000〜13

2

00であり、これより硬いセラミックスが主な対象となる。

[0053] したがって、上記各実施例の物理蒸着硬質層 1を形成する窒化物セラミックス、すなわち、 CrN、 TiAlN、 AlCrN、および TiNは、上記硬さの条件を満足し、高温安定性（500°Cでの耐酸化性）と靭性が他のセラミックスに比べ優れている点で、上記実施形態の耐固体粒子エロージョン皮膜 101〜112を構成する物理蒸着硬質層 1をなす材質としては最適である。

[0054] また、物理蒸着硬質層 1を、総厚として 10 z m以上とすることにより、固体粒子衝突によるエロージョンの影響を防止し、耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜の寿命を増大できる。

[0055] 更に、実施例 8から実施例 12のように、この物理蒸着硬質層 1を 2種類の材質で交互に薄く多層に形成することで、耐割れ剥離性が単層あるいは 2層膜の物理蒸着硬質層 1よりさらに向上する。多層に形成した場合は、もし表面の割れが発生しても、各層間で割れの進行方向が板厚方向から、水平方向に分散されるため、損傷を最小にすることが可能であり、このため、耐固体粒子エロージョン性が向上するためである

[0056] 以上のごとぐ本発明の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜は、下地として、窒化硬質層 2と上層に物理蒸着硬質層 1が存在し、相乗して耐固体粒子エロージョン性を格段に向上させることに成功したものであり、下記の比較試験結果に示されるように、耐酸化性、疲労強度においても優れ、同皮膜を蒸気に接する部位表面に設けた蒸気タービン、軸流圧縮機などの回転機械は、耐固体粒子エロージョン性、耐酸化性、疲労強度を同時に向上させたものとなる。

[0057] 以下に本発明の各実施形態に係る実施例と比較例および従来例の比較試験結果にっき説明する。

[0058] [比較試験結果 1]

30111111 60111111 5111111厚さの31；3410】1基材を用レ、、この表面に以下の方法でラジカル窒化法による窒化硬質層、および物理蒸着硬質層を成膜した。この試験片を用い、平均粒子径 326 μ ΐηのコニカル珪砂を速度 100m/s、衝突角度 30、 60、 9 0° (deg . )で試験片表面に吹き付けるサンドエロージョン試験を室温で実施した。

[0059] 試験後の試験片重量と試験前の重量から、各サンプルの摩耗重量を求め、各サンプノレの皮膜密度より摩耗体積に換算した。

[0060] 更に各サンプルの磨耗量に対する従来法の SUS410J1のみの材料の摩耗量の比率を「耐エロージョン性倍数」として求めた。すなわち、この耐エロージョン性倍数は数字が大きいほど従来法の SUS410J1に比較し耐エロージョン性に優れていることを示している。

[0061] ラジカル窒化処理は、時間を変化させ、窒化硬質膜の厚さ 20、 30、 60、および 10

0 μ mのものを形成して用いた。

[0062] 物理蒸着硬質層の成膜は、アーク式イオンプレーティング装置で行レ、、アーク電流

: 150A、バイアス電圧：— 30V、ガス圧力： 4Pa、基材温度： 450°Cとした。

[0063] 従来例のポロライジング処理は、 920°C X 18時間の条件で実施し、基材表層に 70 μ mのポロナイジング処理層を形成し、その後焼入れ焼き戻し処理を施した。

[0064] 以上の条件で、実施例 2にっき 2—1から 2— 5の 5サンプル、実施例 3から実施例 1 2にっき各 1サンプル、従来例につき 2サンプル (従来例 1:基材のみ。従来例 2:基材表層にポロナイジング処理。）、比較例として 6サンプル (比較例 1:窒化硬質層のみ。比較例 2〜4：窒化硬質層が 30 μΐη未満。比較例 5、 6：物理蒸着硬質層が 10 /im未満。）の試験を行い、その各条件と結果 (耐エロージョン性倍数)を表 1「比較試験結果 1」に示す。

[表 1]

〕 m〔6600

施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜は、従来の SUS410J1基材のみ、およびポロナイジング処理に比較し格段に優れていることがわかる。

[0067] また、窒化硬質層のみで物理蒸着硬質層を有しない場合 (比較例 1)、窒化硬質層と物理蒸着硬質層をともに有しても窒化硬質層が 30 μ m未満（20 μ m)の場合 (比較例 2〜4)、窒化硬質層と物理蒸着硬質層をともに有しても物理蒸着硬質層が 10 μ m未満（5 μ m、 8 μ m)場合（比較例 5、 6)、上記各実施例に比べ耐ェロージヨン性倍率が大きく劣り、各実施例のような十分な耐固体粒子エロージョン性が得られなレ、ことがわかる。

[0068] [比較試験結果 2]

20111111 20111111 5111111厚さの31；3410】1基材を用レ、、この表面に以下の方法でラジカル窒化法による窒化硬質層および物理蒸着硬質層を成膜した。この試験片を用い、高温水蒸気雰囲気中で保持し、耐酸化性を調査した。

[0069] ラジカル窒化処理は、時間を調整し、窒化硬質層の厚さを 60 μ mとした。

[0070] 物理蒸着硬質層の成膜は、アーク式イオンプレーティング装置で行い、アーク電流

: 150A、バイアス電圧： 30V、ガス圧力： 4Pa、基材温度： 450°Cとした。

[0071] 従来例 2のポロライジング処理は、 920°C X 18時間の条件で実施し、基材表層に 7 0 μ mのポロナイジング処理層を形成し、その後焼入れ焼き戻し処理を施した。

[0072] 以上の条件で、実施例 2にっき 1サンプル、実施例 3にっき 1サンプル、従来例につき 2サンプル (従来例 1 :基材のみ。従来例 2 :基材表層にポロナイジング処理。）、比較例として 1サンプル（窒化硬質層のみで物理蒸着硬質層なし）の試験を行い、その各条件と結果 (酸化層厚さ比率)を表 2「比較試験結果 2」に示す。

[0073] [表 2] 〔比較試験結果 2〕

[0074] なお、表 2「比較試験結果 2」においては、耐酸化性を、 SUS410J1の酸化層厚さを 1とした場合の酸化層厚さの相対比率で示す力表中の酸化層厚さの相対比率に示されるように、本発明の各実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜の耐酸化性は、従来例、およびラジカル窒化による窒化硬質層のみの比較例の場合に比ベて格段に優れてレ、ることがわかる。

[0075] [比較試験結果 3]

上記実施例 2にっきラジカル窒化法による窒化硬質層（60 μ m)上に CrN層（25 μ m)を形成した試験片と、従来例として SUS410J1基材 (表面処理なし)の試験片を作製し、 450°Cで回転曲げ疲労試験を実施した。その結果、 107回時間強さで比較すると、上記の窒化硬質層（60 a m)上に CrN層（25 μ m)を形成した実施例 2の試験片は、上記従来例に比べ疲労強度が 13%向上することが判明し、本発明の実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜は疲労強度も良好であることがわかつた。

[0076] 以上のように、本発明の各実施例の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜によれば、基材上に、 30 /i m以上の厚さの窒化硬質層とその上層に 10 μ ΐη以上の厚さの物理蒸着硬質層を設けることによって、固体粒子の衝突に対し極めて高い抵抗力が得られ、これを被覆した部材の耐エロージョン性が格段に向上し長寿命化が達成できる。また、それに加えて、耐高温酸化性および疲労特性も良好な耐固体粒子ェロージヨン性表面処理皮膜となる。また、蒸気タービンの、蒸気と接して固体粒子が衝突する部位の表面に適用すれば、耐エロージョン性、耐高温酸化性および疲労特性の高い長寿命化を達成できる蒸気タービンが得られる。さらに、軸流圧縮機などの回転機械の部位に適用することにより製品の長寿命化が達成される。

以上、本発明を図示の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造、構成に種々の変更をカ卩えてよいことはいうまでもない。また、本発明の蒸気タービンは特に図示をしないが、特定の構造の蒸気タービンに限定されるものではなぐ蒸気タービン一般において、蒸気に接する部位の表面に本発明の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を設けたものである。

Claims

請求の範囲

[1] 基材表層に形成した窒化硬質層と、同窒化硬化層の上に物理蒸着法により形成した 1層以上の物理蒸着硬質層とを有し、前記窒化硬質層の厚さが 30 z m以上、且つ前記物理蒸着硬質膜の厚さが総厚として 10 μ m以上であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[2] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記窒化硬質層がラジカル窒化法により形成されてなることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[3] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した CrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[4] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した CrN層と同 CrN層を形成後更にその上に形成した AlCrN層又は TiAINであることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[5] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した TiN層と同 TiN層を形成後更にその上に形成した CrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[6] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に形成した TiN層と同 TiN層を形成後更にその上に形成した AlCrN層又は TiAIN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[7] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前記窒化硬質層上に交互に多層化して形成した CrN層と TiAIN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[8] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した CrN層と AlCrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[9] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した CrN層と TiN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[10] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した TiN層と TiAIN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[11] 請求項 1に記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜において、前記物理蒸着硬質層が、前期窒化硬質層上に交互に多層化して形成した TiN層と AlCrN層であることを特徴とする耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜。

[12] 請求項 1ないし請求項 11項のいずれかに記載の耐固体粒子エロージョン性表面処理皮膜を、蒸気と接する部位の表面に設けてなることを特徴とする回転機械。