(57)【要約】【課題】本発明は、炭化タンタルコーティング層と炭素基材の応力減少、曲げ、剥離などの問題の解決された炭化タンタルコーティング材料を提供することにある。【解決手段】本発明の炭化タンタルコーティング材料は、炭素基材と、炭素基材上に形成された炭化タンタルコーティングと、を含み、炭素基材の熱膨張係数及び炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が１．０×１０−６／℃以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素基材と、
前記炭素基材上に形成された炭化タンタルコーティングと、を含み、
前記炭素基材の熱膨張係数及び前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が１．０×１０−６／℃以上である、炭化タンタルコーティング材料。
【請求項２】
前記炭素基材の熱膨張係数及び前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が１．５×１０−６／℃以上である、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【請求項３】
前記炭素基材の熱膨張係数及び前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が２．０×１０−６／℃以上である、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【請求項４】
前記炭素基材の熱膨張係数が４．０×１０−６／℃〜６．０×１０−６／℃である、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【請求項５】
前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数が７．０×１０−６／℃〜７．８×１０−６／℃である、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【請求項６】
前記炭素基材が、グラフィン、黒鉛及びフラーレンからなる群で選択された少なくとも１つを含む、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【請求項７】
前記炭化タンタルコーティングが、０．１μｍ〜１．５μｍの幅のクラックを含む、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【請求項８】
前記炭化タンタルコーティング材料の曲げが、２０μｍ以下である、請求項１に記載の炭化タンタルコーティング材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化タンタルコーティング材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境において、窒素ガス、アンモニアガスなどの還元性ガスの雰囲気に露出される炭素材料は、上記還元性ガスとの反応により変質したり損傷したりし、頻繁に交換しない場合には、炭素材料に求められている本来の機能を果たすことができないという問題が生じる。
【０００３】
例えば、火炉内に炭素材料からなる製品を配置し、火炉内にアンモニアガスを導入し、アンモニアの雰囲気を形成しながら火炉内部を１２００℃程度で加熱した場合、炭素材料からなる製品は、短時間に消耗されてしまう問題がある。
【０００４】
このような寿命の問題を解決するために、炭素材料の表面に炭化タンタルをコーティングした炭化タンタル錯体を使用するが、炭素基材と炭化タンタルの応力減少、及びコーティング層の剥離を防止するために、炭化タンタルに類似の熱膨張係数を有する炭素母材を適用して使用してきた。
【０００５】
しかしながら、炭化タンタルに類似の熱膨張係数を有する炭素基材の種類は制限的であるため、炭化タンタルコーティング材料に適用するのに問題がある。また、炭化タンタルに類似の熱膨張係数を有する炭素基材を適用するとしても、応力発生、曲げなどの問題が生じるおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は、炭化タンタルコーティング層と炭素基材の応力減少、曲げ、剥離などの問題が解決された炭化タンタルコーティング材料を提供することにある。
【０００７】
しかし、本発明が解決しようとする課題は、以上で言及したものなどにより制限されることなく、言及されない更なる課題は、下記の記載によって当該分野の当業者に明らかに理解できるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態に係る炭化タンタルコーティング材料は、炭素基材と、前記炭素基材上に形成された炭化タンタルコーティングとを含み、前記炭素基材の熱膨張係数及び前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、１．０×１０−６／℃以上である。
【０００９】
一側面によると、前記炭素基材の熱膨張係数及び前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、１．５×１０−６／℃以上であり得る。
【００１０】
一側面によると、前記炭素基材の熱膨張係数及び前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、２．０×１０−６／℃以上であり得る。
【００１１】
一側面によると、前記炭素基材の熱膨張係数は、４．０×１０−６／℃〜６．０×１０−６／℃であり得る。
【００１２】
一側面によると、前記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数は、７．０×１０−６／℃〜７．８×１０−６／℃であり得る。
【００１３】
一側面によると、前記炭素基材は、グラフィン、黒鉛及びフラーレンからなる群で選択された少なくとも１つを含み得る。
【００１４】
一側面によると、前記炭化タンタルコーティングは、０．１μｍ〜１．５μｍの幅のクラックを含み得る。
【００１５】
一側面によると、前記炭化タンタルコーティング材料の曲げは、２０μｍ以下であり得る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る炭化タンタルコーティング材料は、炭素基材と炭化タンタルコーティングとの間の熱膨張係数の差によって、炭化タンタルコーティング層に微細な欠陥（ｍｉｃｒｏ  ｃｒａｃｋ）が発生して応力が減少し、これにより、剥離及び炭化タンタルコーティング材料に発生する曲げを最小化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態及び比較例を介して製造された炭化タンタルコーティング材料のクラック発生の有無を確認するためのイメージである。
【図２】本発明の実施形態及び比較例を介して製造された炭化タンタルコーティング材料の黒鉛素材ごとの曲げの傾向を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付する図面を参照しながら実施形態を詳細に説明する。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を示す。
【００１９】
以下で説明する実施形態には様々な変更が加えられ、特許出願の権利範囲がこのような実施形態によって制限されたり限定されたりすることはなく、これに対する全ての変更、均等物ないし代替物が権利範囲に含まれるものとして理解されなければならない。本明細書で用いた用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられるものであって、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈上、明白に異なる意味をもたない限り複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」等の用語は明細書上に記載した特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを示すものであって、１つ又はそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品、又はこれを組み合わせたものなどの存在又は付加の可能性を予め排除しないものとして理解しなければならない。
【００２０】
また、添付図面を参照して説明することにおいて、図面符号に関係なく同じ構成要素は同じ参照符号を付与し、これに対する重複する説明は省略する。実施形態の説明において関連する公知技術に対する具体的な説明が実施形態の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
以下、本発明の炭化タンタルコーティング材料に対して、実施形態及び図面を参照して具体的に説明することにする。しかし、本発明がこのような実施形態及び図面に制限されることはない。
【００２２】
本発明の一実施形態に係る炭化タンタルコーティング材料は、炭素基材及びその炭素基材上に形成された炭化タンタルコーティングを含み、上記炭素基材の熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が１．０×１０−６／℃以上である。
【００２３】
本発明に係る炭化タンタルコーティング材料は、炭素基材と炭化タンタルコーティングとの間の熱膨張係数の差によって炭化タンタルコーティング層に微細な欠陥が発生して応力が減少し、これにより、剥離及び炭化タンタルコーティング材料に発生する曲げを最小化することができる。
【００２４】
一側面によれば、上記炭化タンタルコーティングは、０．１μｍ〜１．５μｍの幅のクラックを含む。
【００２５】
一般的に、炭素基材を保護するために炭素基材に炭化タンタルをコーティングして使用するため、炭化タンタルより熱膨張係数の低い炭素基材を適用した場合、炭化タンタルコーティング層にマイクロの大きさの幅を有するクラックが発生する。
【００２６】
上記クラックによる炭化タンタルコーティング層間のギャップは、高温で再び膨張するため、工程ガスが炭素基材の寿命にその影響を与えず、上記炭素基材の熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が１．０×１０−６／℃以上である場合、むしろ、応力が解消される効果を実現することができる。
【００２７】
一側面によれば、上記炭素基材の熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、１．５×１０−６／℃以上であり得る。
【００２８】
上記炭素基材の熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、１．５×１０−６／℃以上である場合、曲げが１５μｍ以下である炭化タンタルコーティング材料を実現することができる。
【００２９】
一側面によれば、上記炭素基材の熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、２．０×１０−６／℃以上であり得る。
【００３０】
上記炭素基材の熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が、２．０×１０−６／℃以上である場合、曲げが２０μｍ以下である炭化タンタルコーティング材料を実現することができる。
【００３１】
一側面によれば、上記炭素基材の熱膨張係数は、４．０×１０−６／℃〜６．０×１０−６／℃であり得る。
【００３２】
一側面によれば、上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数は７．０×１０−６／℃〜７．８×１０−６／℃であり得る。
【００３３】
すなわち、一般的な炭素基材及び一般的な炭化タンタルコーティングを適用し、高温のガス工程で寿命特性が優秀で、かつ、剥離の特性が優秀で、曲げの最小化された炭化タンタルコーティング材料を実現することができる。
【００３４】
一側面によれば、上記炭素基材は、グラフィン、黒鉛及びフラーレンからなる群で選択された少なくとも１つを含んでもよい。
【００３５】
一側面によれば、上記炭化タンタルコーティング材料の曲げは２０μｍ以下であってもよい。
【００３６】
熱膨張係数の差により、マイクロクラックを有する本発明の炭化タンタルコーティング材料は、高温条件で再び膨張し、工程ガスが炭素基材の変形及び損傷を与えず、それと同時に、応力の解消された炭化タンタルコーティング材料を実現することができる。
【００３７】
以下、実施形態及び比較例によって本発明をより詳細に説明する。
【００３８】
但し、下記の実施形態は、本発明を例示したものであって、本発明の内容が下記の実施形態に限定されることはない。
【００３９】
実施形態
熱膨張係数が各々４．１５×１０−６／℃、５．０９×１０−６／℃及び６．０×１０−６／℃である黒鉛基材に、熱膨張係数が７．０×１０−６／℃〜７．８×１０−６／℃である炭化タンタルコーティングを形成し、炭化タンタルコーティング材料を製造した。（以下は、これをそれぞれ「実施形態１」、「実施形態２」及び「実施形態３」と表記する。）
【００４０】
比較例
熱膨張係数が７．８×１０−６／℃である黒鉛基材に、熱膨張係数が７．０×１０−６／℃〜７．８×１０−６／℃である炭化タンタルコーティングを形成し、炭化タンタルコーティング材料を製造した。（以下は、これを「比較例１」と表記する。）
【００４１】
次の表１は、本発明の実施形態及び比較例を介して製造された炭化タンタルコーティング材料の熱膨張係数を示した表である。当該熱膨張係数は、熱膨張係数測定機（ＤＩＬ  ４０２Ｃ）で常温から１０００°Ｃまで測定したデータである。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
熱膨張係数が異なる黒鉛基材をφ１５０×５ｔの大きさで加工し、炭化タンタルコーティングを行ってクラック現象及び曲げの程度を比較した。
【００４４】
図１は、本発明の実施形態及び比較例を介して製造された炭化タンタルコーティング材料のクラック発生の有無を確認するためのイメージである。
【００４５】
図１を参照すると、炭化タンタルよりも熱膨張係数の低い黒鉛基材を適用した実施形態１、実施形態２及び実施形態３の場合、炭化タンタルコーティング層にマイクロの大きさの幅を有するクラックが発生したことが分かる。一方、炭化タンタルに類似の熱膨張係数を有する黒鉛基材を適用した比較例１の場合、クラックが発生していないことが分かる。
【００４６】
下記の表２は、本発明の実施形態及び比較例を介して製造された炭化タンタルコーティング材料のマイクロクラックの幅を示した表である。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
図２は、本発明の実施形態及び比較例を介して製造された炭化タンタルコーティング材料の黒鉛素材ごとの曲げの傾向を示したグラフである。具体的に、炭化タンタルがコーティングされた材料を、ＣＭＭ測定機（３次元形状の寸法、幾何偏差及び形状精密度を測定できる測定機）で材料の曲げを測定した値である。
【００４９】
図２を参照すると、低い熱膨張係数を有する黒鉛基材を適用した実施形態１及び実施形態２の炭化タンタルコーティング材料の曲げも、類似の熱膨張係数を有する黒鉛基材に適用した比較例１の炭化タンタルコーティング材料の曲げよりも低いレベルであることが分かる。すなわち、高い熱膨張係数を有する黒鉛基材を適用しなくても、低い曲げを有する炭化タンタルコーティング材料を実現することができる。
【００５０】
一方、グラフィンの熱膨張係数及び上記炭化タンタルコーティングの熱膨張係数の差が１．０×１０−６／℃レベルの実施形態３の炭化タンタルコーティング材料である場合、曲げが極めて少なく発生することが分かる。
【００５１】
上述したように実施形態が、たとえ限定された実施形態と図面によって説明されているが、当技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記基材から様々な修正及び変形が可能である。例えば、説明された技術が説明された方法と異なる順に実行されたり、及び／又は説明された構成要素が説明された方法と異なる形態で結合され又は組み合わせられたり、他の構成要素又は均等物によって置き換えられて置換されたりしても、適切な結果を達成することができる。したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
2020109049000001.pdf