JP6014199B2 - Manufacturing method of laminate - Google Patents
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Description
本発明は、積層体および積層体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a laminate and a method for producing the laminate.
近年、溶射法の１種として、材料粉末を高温、高速にして基材に吹き付けることにより、該材料粉末を基材に堆積・コーティングするコールドスプレー方法が注目されている。コールドスプレー方法では、材料粉末の融点または軟化点以下に加熱した不活性ガスとともに先細末広（ラバル）ノズルから噴射して、皮膜となる材料を固相状態のまま基材に衝突させることによって基材の表面に皮膜を形成させるため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。 In recent years, a cold spray method in which a material powder is deposited and coated on a substrate by spraying the material powder on the substrate at a high temperature and a high speed has attracted attention as one type of thermal spraying method. In the cold spray method, a base material is injected by injecting it from a Laval nozzle together with an inert gas heated below the melting point or softening point of the material powder, and the material that becomes the coating collides with the base material in the solid state. Since a film is formed on the surface, a metal film having no phase transformation and suppressing oxidation can be obtained.
従来、コールドスプレー方法として、基材の温度を所定温度に温度制御した後、材料粉末を噴射する技術や（例えば、特許文献１参照）、基材および／または不活性ガスの温度を制御して金属皮膜を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。 Conventionally, as a cold spray method, after controlling the temperature of the base material to a predetermined temperature, a technique of spraying material powder (see, for example, Patent Document 1), controlling the temperature of the base material and / or inert gas A technique for forming a metal film is disclosed (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、特許文献１は、基材を材料粉末の融点（絶対温度）以下、好ましくは融点（絶対温度）の約半分の温度に加熱することにより材料粉末の付着効率を向上できるとしているが、基材加熱による材料粉末の付着量がどの程度向上できるかを明示するものではない。また、該方法形成した金属皮膜と基材との間の密着強度との関係については何ら記載するものではない。 However, Patent Document 1 states that the adhesion efficiency of the material powder can be improved by heating the substrate to a temperature equal to or lower than the melting point (absolute temperature) of the material powder, preferably about half the melting point (absolute temperature). It is not specified how much the amount of material powder adhered by heating the material can be improved. In addition, the relationship between the adhesion strength between the metal film formed by the method and the substrate is not described at all.
また、特許文献２は、ステンレス基材の温度を３７３Ｋ〜６７３Ｋまで加熱して銅粉末を噴射した場合、およびステンレス基材を加熱することなくヘリウムガスを６７３Ｋに加熱して銅粉末を噴射した場合に皮膜形成率が向上するとしているが、該方法で形成した金属皮膜と基材との間の密着強度との関係については何ら記載されていない。 Patent Document 2 discloses a case where the temperature of the stainless steel substrate is heated to 373K to 673K and the copper powder is injected, and a case where the copper powder is injected by heating the helium gas to 673K without heating the stainless steel substrate. However, there is no description of the relationship between the adhesion strength between the metal film formed by the method and the base material.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法を用いて金属基材に金属皮膜を形成させた積層体を製造する場合に、金属基材と金属皮膜との間の密着強度が高い積層体および該積層体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in the case of manufacturing a laminate in which a metal film is formed on a metal substrate using a cold spray method, the adhesion between the metal substrate and the metal film It aims at providing the laminated body with high intensity | strength, and the manufacturing method of this laminated body.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、金属または合金から形成された基材と、前記基材表面に形成された前記基材より軟らかい金属または合金からなる中間層と、前記中間層の表面に、金属または合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させた金属皮膜と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a laminate according to the present invention includes a base material formed from a metal or an alloy, and a metal or alloy softer than the base material formed on the surface of the base material. And a metal or alloy powder material is accelerated on the surface of the intermediate layer together with a gas heated to a temperature lower than the melting point of the powder material, and sprayed and deposited on the intermediate layer in a solid state. And a metal film.
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記基材はステンレスであり、前記中間層は、銀、金、アルミニウム、銅、錫、鉛または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属からなることを特徴とする。 In the laminate according to the present invention, the base material is stainless steel, and the intermediate layer is any one metal selected from silver, gold, aluminum, copper, tin, lead, or zinc. It is characterized by comprising.
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記金属皮膜は、前記中間層と同一の材料から形成されることを特徴とする。 In the laminate according to the present invention, the metal film is formed of the same material as the intermediate layer.
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、０．０５〜１０μｍの厚さを有することを特徴とする。 The laminate according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the intermediate layer has a thickness of 0.05 to 10 μm.
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、スパッタリングにより形成されることを特徴とする。 In the laminate according to the present invention, the intermediate layer is formed by sputtering.
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記金属皮膜は、前記中間層が形成された前記基材を加熱しながら、前記中間層の表面に堆積させることを特徴とする。 The laminate according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the metal film is deposited on a surface of the intermediate layer while heating the base material on which the intermediate layer is formed.
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、金属または合金から形成された基材の表面に、該基材より柔らかい金属または合金からなる中間層を形成する中間層形成ステップと、前記中間層の表面に、金属または合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させて金属皮膜を形成する金属皮膜形成ステップと、を含むことを特徴とする。 The method for producing a laminate according to the present invention includes an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of a metal or alloy softer than the base material on the surface of the base material made of metal or alloy, and the intermediate layer A metal film is formed by accelerating a metal or alloy powder material with a gas heated to a temperature lower than the melting point of the powder material and spraying and depositing the metal or alloy powder material on the intermediate layer in a solid state. And a forming step.
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記基材はステンレスであり、前記中間層は、銀、金、アルミニウム、銅、錫、鉛または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属からなることを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the laminated body concerning this invention is the said invention WHEREIN: The said base material is stainless steel, The said intermediate | middle layer is any 1 selected from silver, gold | metal | money, aluminum, copper, tin, lead, or zinc It consists of a seed metal.
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記中間層は、スパッタリングにより形成されることを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the laminated body concerning this invention is characterized by the said intermediate | middle layer being formed by sputtering in the said invention.
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記金属皮膜形成ステップは、前記中間層が形成された前記基材を加熱しながら、前記中間層の表面に堆積させることを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a laminate according to the present invention, in the above invention, the metal film forming step deposits on the surface of the intermediate layer while heating the base material on which the intermediate layer is formed. And
本発明にかかる積層体および積層体の製造方法は、金属基材上に該金属基材より軟らかい材料からなる中間層を形成し、材料粉末を該材料粉末の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて堆積させて金属皮膜を形成することにより、金属基材と金属皮膜との間の密着強度が高い積層体を得ることができるという効果を奏する。 The laminated body and the method for producing the laminated body according to the present invention include a gas in which an intermediate layer made of a material softer than the metal substrate is formed on the metal substrate, and the material powder is heated to a temperature lower than the melting point of the material powder. The effect of being able to obtain a laminate having high adhesion strength between the metal substrate and the metal film by accelerating and forming a metal film by spraying and depositing the intermediate layer in the solid state in the solid state. Play.
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. The drawings referred to in the following description only schematically show the shape, size, and positional relationship so that the contents of the present invention can be understood. That is, the present invention is not limited only to the shape, size, and positional relationship illustrated in each drawing.
まず、本発明の実施の形態にかかる積層体の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる積層体の構成を示す模式図である。 First, the manufacturing method of the laminated body concerning embodiment of this invention is demonstrated in detail with reference to drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laminate according to an embodiment of the present invention.
積層体１０は、基材１と、基材１の表面に形成した中間層２と、中間層２に後述するコールドスプレー法によって積層された金属皮膜３とからなる。 The laminate 10 includes a base material 1, an intermediate layer 2 formed on the surface of the base material 1, and a metal film 3 laminated on the intermediate layer 2 by a cold spray method described later.
基材１は、金属または合金から形成され、略板状体をなす。基材１を形成する金属または合金は、後述するコールドスプレー装置により金属皮膜３を直接基材１表面に積層しにくい、硬質の金属または合金を基材１として選択した場合に特に効果を奏する。例えば、下表１に示す、ステンレス（ビッカース硬度２００±２０）、モリブデン（ビッカース硬度２５０±２０）、タングステン（ビッカース硬度３８０±４０）、チタン合金６４Ｔｉ（ビッカース硬度３２０±３０）、炭素鋼Ｓ４５Ｃ（ビッカース硬度２３０±３０）などである。しかしながら、あまり硬度が大きくない金属または合金を基材１とした場合であっても、該基材１よりも硬度が小さい中間層２を形成して、該中間層２上に金属皮膜３をコールドスプレー装置により形成する際、より穏やかな条件で金属皮膜３の積層が可能となるとともに、基材１と金属皮膜３との界面の密着強度を向上することができる。また、下表１に示す金属または合金以外の金属も基材１として選択可能である。 The base material 1 is formed from a metal or an alloy and forms a substantially plate-like body. The metal or alloy forming the base material 1 is particularly effective when a hard metal or alloy is selected as the base material 1 which is difficult to laminate the metal film 3 directly on the surface of the base material 1 by a cold spray apparatus described later. For example, as shown in Table 1 below, stainless steel (Vickers hardness 200 ± 20), molybdenum (Vickers hardness 250 ± 20), tungsten (Vickers hardness 380 ± 40), titanium alloy 64Ti (Vickers hardness 320 ± 30), carbon steel S45C ( Vickers hardness 230 ± 30). However, even when the base 1 is made of a metal or alloy that is not so hard, the intermediate layer 2 having a lower hardness than the base 1 is formed, and the metal film 3 is cold coated on the intermediate layer 2. When forming with a spray device, the metal film 3 can be laminated under milder conditions, and the adhesion strength at the interface between the substrate 1 and the metal film 3 can be improved. A metal other than the metal or alloy shown in Table 1 below can also be selected as the substrate 1.
一般に、金属または合金から形成された基材１上にコールドスプレー法により金属皮膜３を形成する場合、基材１に皮膜となる材料粉末が高速で衝突することで、材料粉末と基材１との間に塑性変形が生じ、アンカー効果と金属結合によって、金属皮膜３と基材１との結合が得られるとされている。しかしながら、表１に示すように、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）は、硬さが２００±２０ＨＶ（ビッカース硬度）と硬質であるため、噴射される材料粉末との間に塑性変形を生じにくく、ステンレス基材１と金属皮膜２との間の密着強度が高い積層体を得ることができない。
そこで、本発明の実施の形態では、基材１を形成する金属又は合金より硬度が小さい中間層２を基材１上に設け、軟らかい中間層２を介して金属皮膜３を基材１に形成することにより、基材１と金属皮膜３との間の密着強度が高い積層体を得ることとした。 Therefore, in the embodiment of the present invention, the intermediate layer 2 having a lower hardness than the metal or alloy forming the substrate 1 is provided on the substrate 1, and the metal film 3 is formed on the substrate 1 through the soft intermediate layer 2. By doing so, it was decided to obtain a laminate having high adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3.
上記の表１は、主要な金属および合金とそのビッカース硬度を示すものである。中間層２は、基材１を形成する金属または合金よりもビッカース硬度が小さい金属または合金から選択するものとする。基材１としてステンレスを使用する場合は、ステンレスよりもビッカース硬度が小さい金属または合金、たとえば、チタンや銅などから中間層２を形成すればよい。 Table 1 above shows the main metals and alloys and their Vickers hardness. The intermediate layer 2 is selected from a metal or alloy having a Vickers hardness smaller than that of the metal or alloy forming the substrate 1. When stainless steel is used as the substrate 1, the intermediate layer 2 may be formed from a metal or alloy having a Vickers hardness smaller than stainless steel, such as titanium or copper.
中間層２として使用される金属は、上記の表１に記載する金属および合金のほか、基材１として選択した金属または合金よりも硬度が小さいものを選択すればよい。基材１よりも硬度が小さい金属または合金を中間層２として選択した場合、噴射される材料粉末との間に塑性変形を生じやすいため、基材１と金属皮膜３との間の密着強度を向上することができる。中間層２は、ビッカース硬度が小さい銀、金、アルミニウム、銅、錫、鉛または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属から選択されることが好ましい。中間層２は、メッキ、スパッタリングまたはＣＶＤにより基材１の表面に形成すればよい。また、中間層２は、金属皮膜３を形成する金属または合金の硬度が基材１より小さい場合、金属皮膜３として選択しうる材料と同一の金属または合金から形成することが好ましい。 What is necessary is just to select the metal used as the intermediate | middle layer 2 whose hardness is smaller than the metal or alloy selected as the base material 1 other than the metal and alloy which are described in Table 1 above. When a metal or alloy whose hardness is lower than that of the base material 1 is selected as the intermediate layer 2, plastic deformation is likely to occur between the material powder to be injected, and therefore the adhesion strength between the base material 1 and the metal film 3 is increased. Can be improved. The intermediate layer 2 is preferably selected from any one metal selected from silver, gold, aluminum, copper, tin, lead or zinc having a low Vickers hardness. The intermediate layer 2 may be formed on the surface of the substrate 1 by plating, sputtering, or CVD. The intermediate layer 2 is preferably formed of the same metal or alloy as the material that can be selected as the metal coating 3 when the hardness of the metal or alloy forming the metal coating 3 is smaller than that of the substrate 1.
中間層２は、０．０５μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。０．０５μｍより厚さが薄いと、中間層２を形成しても基材１と金属皮膜３との間の密着強度を高めることはできない。また、厚さを１０μｍより厚くしても、基材１と金属皮膜３との間のさらなる密着強度向上の効果は得られないばりか、中間層２を厚くしすぎることによって積層体１０の機能面への影響が生じるためである。 The intermediate layer 2 preferably has a thickness of 0.05 μm or more and 10 μm or less. If the thickness is less than 0.05 μm, the adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3 cannot be increased even if the intermediate layer 2 is formed. In addition, even if the thickness is made thicker than 10 μm, the effect of further improving the adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3 is not obtained, or the function of the laminate 10 is increased by making the intermediate layer 2 too thick. This is because the surface is affected.
中間層２は、上述したように、メッキ、スパッタリングまたはＣＶＤにより形成することが可能であるが、スパッタリングにより形成することが好ましい。スパッタリングにより中間層２を形成すると、基材１の酸化皮膜が除去され新生面が露出するため、中間層２と基材１との間の密着強度を向上することができる。また、中間層２をごく薄く形成した場合、金属皮膜３が中間層２を突き破って基材１表面に直接金属皮膜３が形成される場合がある。かかる場合、中間層２と金属皮膜３を形成する材料粉末との間の塑性変形によるアンカー効果は小さくなるものの、スパッタリングで中間層２を形成すると、材料粉末は酸化皮膜が除去された新生面との間で金属結合を生じ易くなるため、密着強度の高い積層体１０を形成できる。 As described above, the intermediate layer 2 can be formed by plating, sputtering, or CVD, but is preferably formed by sputtering. When the intermediate layer 2 is formed by sputtering, the oxide film of the substrate 1 is removed and the new surface is exposed, so that the adhesion strength between the intermediate layer 2 and the substrate 1 can be improved. In addition, when the intermediate layer 2 is formed very thin, the metal film 3 may break through the intermediate layer 2 and form the metal film 3 directly on the surface of the substrate 1. In such a case, the anchor effect due to plastic deformation between the intermediate layer 2 and the material powder forming the metal film 3 is reduced, but when the intermediate layer 2 is formed by sputtering, the material powder has a new surface from which the oxide film has been removed. Since it becomes easy to produce a metal bond between, the laminated body 10 with high adhesive strength can be formed.
金属皮膜３は、所望する金属または金属の合金から選択すればよく、たとえば、銀、金、アルミニウム、銅、錫、鉛、亜鉛、鉄、ニッケル、チタン、マグネシウム、インジウム、モリブデンまたはタングステン等の金属、あるいは前記いずれかの金属を含む合金が例示される。 The metal film 3 may be selected from a desired metal or metal alloy, for example, a metal such as silver, gold, aluminum, copper, tin, lead, zinc, iron, nickel, titanium, magnesium, indium, molybdenum or tungsten. Or an alloy containing any one of the above metals.
つづいて、中間層２を介した基材１表面への金属皮膜３の形成について、図２を参照して説明する。図２は、金属皮膜３の形成に使用されるコールドスプレー装置６０の概要を示す模式図である。 Next, the formation of the metal film 3 on the surface of the substrate 1 through the intermediate layer 2 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing an outline of a cold spray device 60 used for forming the metal film 3.
コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、基材に噴射する粉末材料を収容し、スプレーガン６２に供給する粉末供給装置６３と、スプレーガン６２で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材１に噴射するガスノズル６４とを備えている。 The cold spray device 60 includes a gas heater 61 that heats the compressed gas, a powder supply device 63 that stores the powder material to be sprayed onto the base material, and supplies the powder material to the spray gun 62. The compressed gas heated by the spray gun 62 And a gas nozzle 64 for injecting the mixed material powder onto the substrate 1.
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ６５および６６により、ガス加熱器６１と粉末供給装置６３にそれぞれ供給される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、金属皮膜３の材料粉末の融点以下の温度に加熱された後、スプレーガン６２に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００〜９００℃である。 As the compressed gas, helium, nitrogen, air or the like is used. The supplied compressed gas is supplied to the gas heater 61 and the powder supply device 63 by valves 65 and 66, respectively. The compressed gas supplied to the gas heater 61 is, for example, 50 ° C. or higher and heated to a temperature not higher than the melting point of the material powder of the metal coating 3 and then supplied to the spray gun 62. The heating temperature of the compressed gas is preferably 300 to 900 ° C.
粉末供給装置６３に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６３内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン６２に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル６４により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。また、圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力を１〜５ＭＰａ程度とすることにより、基材１と金属皮膜３との間の密着強度の向上を図ることができる。２〜４ＭＰａ程度の圧力で処理することが好ましい。スプレーガン６２に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材１に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図２のコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。 The compressed gas supplied to the powder supply device 63 supplies, for example, material powder having a particle size of about 10 to 100 μm in the powder supply device 63 to the spray gun 62 so as to have a predetermined discharge amount. The heated compressed gas is converted into a supersonic flow (about 340 m / s or more) by a gas nozzle 64 having a tapered wide shape. Moreover, it is preferable that the gas pressure of compressed gas shall be about 1-5 Mpa. By setting the pressure of the compressed gas to about 1 to 5 MPa, the adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3 can be improved. The treatment is preferably performed at a pressure of about 2 to 4 MPa. The powder material supplied to the spray gun 62 is accelerated by the injection of the compressed gas into the supersonic flow, and collides with the substrate at a high speed in the solid state to form a film. Note that the apparatus is not limited to the cold spray apparatus 60 of FIG. 2 as long as the apparatus can collide the material powder with the base material 1 in a solid state to form a film.
基材１に、基材１より硬度の小さい材料からなる中間層２を形成し、中間層２を介してステンレス基材１上に、上述したコールドスプレー装置６０によって、材料粉末をガスと共に加速し、中間層２に固相状態のままで吹き付けて堆積させて金属皮膜３を形成することにより、基材１と金属皮膜３との間の密着強度を向上することができる。 An intermediate layer 2 made of a material having a hardness lower than that of the base material 1 is formed on the base material 1, and the material powder is accelerated together with the gas by the cold spray device 60 described above on the stainless steel base material 1 through the intermediate layer 2. The adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3 can be improved by spraying and depositing the intermediate layer 2 in the solid phase state to form the metal film 3.
また、本発明の実施の形態の変形例として、中間層２を介して基材１に金属皮膜３を形成する際、基材１を加熱しながら粉末材料を加熱したガスと共に、中間層２に固相状態のままで吹き付けて堆積させた積層体１０Ａを例示することができる。基材１を加熱しながら金属皮膜３を形成した積層体１０Ａは、基材１と金属皮膜３との間の密着強度をさらに向上することができる。基材１の加熱温度は、１００℃〜３００℃程度とすることが好ましい。基材１の加熱は、基材１全体を所定温度で均一に加熱できるヒータを使用して加熱すればよい。 Further, as a modification of the embodiment of the present invention, when the metal film 3 is formed on the base material 1 through the intermediate layer 2, the intermediate layer 2 is formed together with the gas heated in the powder material while heating the base material 1. A laminate 10A that is sprayed and deposited in the solid state can be exemplified. The laminated body 10 </ b> A in which the metal film 3 is formed while heating the base material 1 can further improve the adhesion strength between the base material 1 and the metal film 3. The heating temperature of the substrate 1 is preferably about 100 ° C to 300 ° C. The substrate 1 may be heated using a heater that can uniformly heat the entire substrate 1 at a predetermined temperature.
（実験例１）
基材１は５ｃｍ四方のステンレステストピース、中間層２は銅、金属皮膜３は銅を選択した。基材１であるステンレステストピース表面にスパッタリングにより厚さ２μｍの銅の中間層２を形成した。コールドスプレー装置６０により、中間層２上に幅８ｍｍの金属皮膜３を横縞状に積層した。テストピース上には、金属皮膜３ａ、３ｂおよび３ｃを圧縮ガスの圧力を順次変更してそれぞれ積層した（実施例１、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：下から順に３、４、５ＭＰａ）。
(Experimental example 1)
The base material 1 was a 5 cm square stainless steel test piece, the intermediate layer 2 was copper, and the metal film 3 was copper. A copper intermediate layer 2 having a thickness of 2 μm was formed on the surface of a stainless steel test piece as the substrate 1 by sputtering. A metal film 3 having a width of 8 mm was laminated on the intermediate layer 2 in a horizontal stripe pattern by the cold spray device 60. On the test piece, the metal films 3a, 3b, and 3c were laminated by sequentially changing the pressure of the compressed gas (Example 1, compressed gas: nitrogen, compressed gas temperature: 600 ° C., gas pressure: 3 in order from the bottom). 4, 5 MPa).
また、比較例１として、基材１は５ｃｍ四方のステンレステストピース、中間層２はなし、金属皮膜３は銅を選択した。コールドスプレー装置６０により、基材１であるステンレステストピース表面に幅８ｍｍの金属皮膜３を横縞状に積層した。テストピース上には、金属皮膜３ａ、３ｂおよび３ｃを圧縮ガスの圧力を順次変更してそれぞれ積層した（比較例１、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：下から順に３、４、５ＭＰａ）。 As Comparative Example 1, the base material 1 was a 5 cm square stainless steel test piece, the intermediate layer 2 was not provided, and the metal film 3 was selected from copper. A cold spray device 60 laminated a metal film 3 having a width of 8 mm on the surface of the stainless steel test piece as the substrate 1 in a horizontal stripe shape. On the test piece, the metal films 3a, 3b, and 3c were laminated by changing the pressure of the compressed gas sequentially (Comparative Example 1, compressed gas: nitrogen, compressed gas temperature: 600 ° C., gas pressure: 3 in order from the bottom). 4, 5 MPa).
図３は、本発明の実施例１に係る積層体１０Ｂの外観を示す写真である。図４は、比較例にかかる積層体１０Ｃの外観を示す写真である。 FIG. 3 is a photograph showing the appearance of the laminate 10B according to Example 1 of the present invention. FIG. 4 is a photograph showing the appearance of the laminated body 10C according to the comparative example.
中間層２を形成しないで、コールドスプレー装置６０により、ステンレス基材１表面に横縞状の銅の金属皮膜３を積層した比較例１では、図４に示すように、圧縮ガスの圧力を５ＭＰａとした金属皮膜３ａ’では、４ＭＰａの金属皮膜３ｂ’および３ＭＰａの金属皮膜３ｃ’より幾分多く皮膜が積層されたものの、いずれの圧力条件でも、銅の粉末材料が十分にステンレス基材１表面に堆積せず、金属皮膜３（３ａ’〜３ｃ’）が形成されていないことがわかる。これに対し、実施例１では、図３に示すように、圧縮ガスの圧力を５ＭＰａとした金属皮膜３ａ、４ＭＰａの金属皮膜３ｂ’および３ＭＰａの金属皮膜３ｃ’のいずれの条件でも、ステンレス基材１表面に、銅の中間層２を介して銅の粉末材料が堆積して、横縞状の銅の金属皮膜３が積層された。 In Comparative Example 1 in which the horizontal stripe copper metal film 3 was laminated on the surface of the stainless steel substrate 1 by the cold spray device 60 without forming the intermediate layer 2, the pressure of the compressed gas was 5 MPa as shown in FIG. In the coated metal film 3a ′, although the coating was somewhat more laminated than the 4 MPa metal film 3b ′ and the 3 MPa metal film 3c ′, the copper powder material was sufficiently applied to the surface of the stainless steel substrate 1 under any pressure condition. It can be seen that no metal film 3 (3a ′ to 3c ′) is formed. On the other hand, in Example 1, as shown in FIG. 3, the stainless steel substrate is used under any of the conditions of the metal film 3a, the metal film 3b ′ of 4 MPa, and the metal film 3c ′ of 3 MPa. A copper powder material was deposited on one surface via a copper intermediate layer 2, and a horizontal striped copper metal film 3 was laminated.
（実験例２）
実験例１と同様に、基材１はステンレス、中間層２は銅、金属皮膜３は銅を選択した。スパッタリングにより厚さ２μｍの銅の中間層２を形成した基材１に、コールドスプレー装置６０により、銅の金属皮膜３を中間層２のステンレス基材１と接する面と反対側の面に積層して（実施例２、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：４ＭＰａ）、積層体１０を形成した。また、ステンレスからなる基材１を所定温度に加熱しながら、銅の金属皮膜３を中間層２の基材１と接する面と反対側の面に形成して積層体１０を形成した（実施例３および４、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：４ＭＰａ）。
(Experimental example 2)
As in Experimental Example 1, the base material 1 was stainless steel, the intermediate layer 2 was copper, and the metal film 3 was copper. On the base material 1 on which the copper intermediate layer 2 having a thickness of 2 μm is formed by sputtering, the copper metal film 3 is laminated on the surface of the intermediate layer 2 opposite to the surface in contact with the stainless steel base material 1 by the cold spray device 60. (Example 2, compressed gas: nitrogen, compressed gas temperature: 600 ° C., gas pressure: 4 MPa), and the laminate 10 was formed. Further, while heating the base material 1 made of stainless steel to a predetermined temperature, the copper metal film 3 was formed on the surface of the intermediate layer 2 opposite to the surface in contact with the base material 1 to form a laminate 10 (Example) 3 and 4, compressed gas: nitrogen, compressed gas temperature: 600 ° C., gas pressure: 4 MPa).
比較例として、ステンレスからなる基材１表面に、中間層２を形成しないで、コールドスプレー装置６０により、銅の金属皮膜３を積層した積層体を製造した（比較例２、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：４ＭＰａ）。また、ステンレスからなる基材１を所定温度に加熱しながら、基材１表面に銅の金属皮膜３を形成した積層体も製造した（比較例３および４、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：４ＭＰａ）。 As a comparative example, the intermediate body 2 was not formed on the surface of the base material 1 made of stainless steel, and a laminate in which the copper metal film 3 was laminated was produced by the cold spray device 60 (Comparative Example 2, compressed gas: nitrogen, (Compressed gas temperature: 600 ° C., gas pressure: 4 MPa). Moreover, the laminated body which formed the metal film 3 of copper on the base-material 1 surface was also manufactured, heating the base material 1 which consists of stainless steel to predetermined temperature (Comparative Examples 3 and 4, compressed gas: nitrogen, compressed gas temperature: 600 ° C., gas pressure: 4 MPa).
上記のようにして作成した積層体のテストピースについて、基材１と金属皮膜３との間の密着強度を引張強度試験法により評価した。図５は、本実施例で適用した簡易引張試験法による試験の模式図を示す。この方法では、基材１上に中間層２を介して形成した金属皮膜３（実施例２〜４）、および基材１上に直接形成した金属皮膜３（比較例２〜４）に接着剤７３を介してアルミピン７２を接着し、固定台７１の孔部７１ａに、接着剤７３を介して金属皮膜３に接着したアルミピン７２を上方から挿通した後、アルミピン７２を下方に引っ張ることにより、ステンレス基材１と金属皮膜３との間の密着強度を評価した。評価は、接着が剥離した時点での引張応力と剥離状態により行なった。下表２に、基材１の加熱条件および引張試験の評価結果を示す。 About the test piece of the laminated body produced as mentioned above, the adhesive strength between the base material 1 and the metal film 3 was evaluated by the tensile strength test method. FIG. 5 shows a schematic diagram of a test by a simple tensile test method applied in this example. In this method, an adhesive is applied to the metal film 3 (Examples 2 to 4) formed on the substrate 1 via the intermediate layer 2 and the metal film 3 (Comparative Examples 2 to 4) directly formed on the substrate 1. The aluminum pin 72 is bonded via the 73, and the aluminum pin 72 bonded to the metal film 3 via the adhesive 73 is inserted from above into the hole 71 a of the fixing base 71, and then the aluminum pin 72 is pulled downward to make stainless steel. The adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3 was evaluated. The evaluation was performed based on the tensile stress and the peeled state at the time when the adhesive peeled off. Table 2 below shows the heating conditions of the substrate 1 and the evaluation results of the tensile test.
表２に示す引張試験の評価結果において、「引張試験」欄の○は、所定の最大引張応力（７４Ｍｐａ）で接着剤の破断による剥離が生じたことを意味する。「引張試験」欄の×は、所定の最大引張応力（７４Ｍｐａ）未満で基材１と金属皮膜３との界面で剥離が生じたことを意味する。なお、基材１に形成した金属皮膜３の厚さは、およそ１００μｍである。 In the evaluation results of the tensile test shown in Table 2, “◯” in the “Tensile Test” column means that peeling occurred due to the breaking of the adhesive at a predetermined maximum tensile stress (74 Mpa). X in the “tensile test” column means that peeling occurred at the interface between the base material 1 and the metal film 3 at a value less than a predetermined maximum tensile stress (74 Mpa). In addition, the thickness of the metal film 3 formed on the substrate 1 is approximately 100 μm.
表２に示すように、中間層２を形成しないステンレスからなる基材１を加熱することなく、銅の金属皮膜３をコールドスプレー装置６０により形成した比較例２では、基材１と金属皮膜３との界面で剥離が生じたが、厚さ２μｍの中間層２をスパッタリングにより形成し、該中間層２を介して基材１上に銅の金属皮膜３をコールドスプレー装置６０により形成した実施例２では、基材１と金属皮膜３との間の界面破断は認められず、基材１と金属皮膜３との間の密着強度が向上したことがわかる。 As shown in Table 2, in Comparative Example 2 in which the copper metal film 3 was formed by the cold spray device 60 without heating the base material 1 made of stainless steel that does not form the intermediate layer 2, the base material 1 and the metal film 3 Example 2 in which an intermediate layer 2 having a thickness of 2 μm was formed by sputtering and a copper metal film 3 was formed on the substrate 1 by the cold spray device 60 via the intermediate layer 2. In No. 2, no interfacial fracture between the substrate 1 and the metal film 3 was observed, indicating that the adhesion strength between the substrate 1 and the metal film 3 was improved.
本発明の実施の形態にかかる積層体は、金属または合金を基材１として、基材１よりも軟らかい金属または合金からなる中間層２を基材１表面に形成し、該中間層２を介して、コールドスプレー装置６０により金属皮膜３を積層することにより、基材１と金属皮膜３との界面の密着強度を向上することが可能となる。 The laminate according to the embodiment of the present invention uses a metal or alloy as a base material 1 and forms an intermediate layer 2 made of a metal or alloy softer than the base material 1 on the surface of the base material 1. Then, by laminating the metal film 3 with the cold spray device 60, the adhesion strength at the interface between the base material 1 and the metal film 3 can be improved.
以上のように、本発明にかかる積層体、および該積層体の製造方法は、硬度が高い基材にコールドスプレー方法により金属皮膜を積層する場合に有用である。 As mentioned above, the laminated body concerning this invention and the manufacturing method of this laminated body are useful when laminating | stacking a metal film with a cold spray method on a base material with high hardness.
１ 基材
２ 中間層
３ 金属皮膜
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 積層体
６０ コールドスプレー装置
６１ ガス加熱器
６２ スプレーガン
６３ 粉末供給装置
６４ ガスノズル
７０ 引張試験装置
７１ 固定台
７１ａ 孔部
７２ アルミピン
７３ 接着剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Intermediate | middle layer 3 Metal film 10, 10A, 10B, 10C Laminate body 60 Cold spray apparatus 61 Gas heater 62 Spray gun 63 Powder supply apparatus 64 Gas nozzle 70 Tensile test apparatus 71 Fixing base 71a Hole part 72 Aluminum pin 73 Adhesive
Claims (4)
前記中間層の表面に、金属または合金の粉末材料を該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記中間層に固相状態のままで吹き付けて、前記中間層を突き破って堆積させて、前記基材表面に直接金属皮膜を形成する金属皮膜形成ステップと、
を含むことを特徴とする積層体の製造方法。 An intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of a metal or alloy softer than the base material on the surface of the base material made of metal or alloy;
On the surface of the intermediate layer, the powder material of the metal or alloy to accelerate with a heated gas to a temperature below the melting point of the powder material is sprayed while the solid state to the intermediate layer, breaking butt the intermediate layer depositing Te, and metal film formation step of forming a direct metal film on the substrate surface,
The manufacturing method of the laminated body characterized by including.
前記中間層は、銀、金、アルミニウム、銅、錫、鉛または亜鉛から選択されるいずれか１種の金属からなることを特徴とする請求項１に記載の積層体の製造方法。 The substrate is stainless steel;
The said intermediate | middle layer consists of any one metal selected from silver, gold | metal | money, aluminum, copper, tin, lead, or zinc, The manufacturing method of the laminated body of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
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