(57)【要約】【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。【選択図】            図１
2006037212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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ボロナイジング処理も基材表層に施されている。
【０００３】
しかしながら、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、ボ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く、さらに、疲労強度が低下する問題から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２００２−１８８６４２）、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２００２−１８８６４公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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ＣｒＮ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、３０μｍ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１０μｍ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く、疲労特性に対し強く、基材の疲労特性と比較して疲労強度を向上させることができる。
【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ＳｉＯ２のビッカース硬さで１０００〜１３００より硬いセラミックスが必要であるが、請求項３から請求項６の発明によれば、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、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、より好ましい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い、長寿命化を達成できる蒸気タービンが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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によって、実施例１から実施例１２を説明する。
【実施例１】
【００２９】
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。
【００３０】
窒化硬質層２としては、ラジカル窒化層が好ましく、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、３０μｍ以上、好ましくは６０〜１００μｍとし、その上に形成する物理蒸着硬質層１は、総厚として１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。１０μｍ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２５μｍ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）、ＡｌＣｒＮ（アルミクロムナイトライド）およびＴｉＡｌＮ（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ができる。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。
【００３１】
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】
【００３２】
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。
【００３３】
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３０μｍ以上であり、好ましくは６０〜１００μｍである。３０μｍ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。１００μｍ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。
【００３４】
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１０μｍ以上好ましくは２０μｍ以上である。１０μｍ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２５μｍ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】
【００３５】
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１〜６μｍである。
【実施例４】
【００３６】
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１〜６μｍである。
【実施例５】
【００３７】
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５〜１０μｍ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】
【００３８】
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５〜１０μｍ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】
【００３９】
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５〜１０μｍ形成し、更に、その上に物理蒸着により上述同様にＡｌＣｒＮ層１３を形成し、物理蒸着硬質層１としたものである。
【００４０】
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】
【００４１】
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ＴｉＡｌＮ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、１０〜１００ｎｍが挙げられ、総厚としては実施例１と同様に１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。
【実施例９】
【００４２】
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、１０〜１００ｎｍが挙げられる、総厚としては実施例１と同様に１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。
【実施例１０】
【００４３】
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、１０〜１００ｎｍが挙げられ、総厚としては実施例１と同様に１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。
【実施例１１】
【００４４】
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ＴｉＡｌＮ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、１０〜１００ｎｍが挙げられ、総厚としては実施例１と同様に１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。
【実施例１２】
【００４５】
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、１０〜１００ｎｍが挙げられ、総厚としては実施例１と同様に１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上である。
【００４６】
なお、実施例１から実施例１２において、ＣｒＮ層１１、ＴｉＡｌＮ層１２、ＡｌＣｒＮ層１３、ＴｉＮ層１４の物理蒸着方法は限定する必要はないが、例えば、アーク式イオンプレーティング法が用いられる。
【００４７】
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い。
【００４８】
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。３０μｍ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３０μｍ以上の厚さが必要である。なお、上述のように１００μｍを越える厚さは物性上問題はないが、製造コスト面では高価となり実用上不利となる。
【００４９】
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く、疲労特性に対し強く、基材３の疲労特性と比較すると、疲労強度が向上する。
【００５０】
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ＳｉＯ２の硬さはビッカース硬さで１０００〜１３００であり、これより硬いセラミックスが主な対象となる。
【００５１】
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℃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。
【００５２】
また、物理蒸着硬質層１を、総厚として１０μｍ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。
【００５３】
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。
【００５４】
以上のごとく、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。
【００５５】
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つき説明する。
【００５６】
［比較試験結果  １］
３０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍ厚さのＳＵＳ４１０Ｊ１基材を用い、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３２６μｍのコニカル珪砂を速度１００ｍ／ｓ、衝突角度３０、６０、９０°（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。
【００５７】
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、各サンプルの皮膜密度より摩耗体積に換算した。
【００５８】
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。
【００５９】
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１００μｍのものを形成して用いた。
【００６０】
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℃とした。
【００６１】
従来例のボロライジング処理は、９２０℃×１８時間の条件で実施し、基材表層に７０μｍのボ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。
【００６２】
以上の条件で、実施例２につき２−１から２−５の５サンプル、実施例３から実施例１２につき各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：基材表層にボロナイジング処理。）、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３０μｍ未満。比較例５、６：物理蒸着硬質層が１０μｍ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。
【００６３】
【表１】
2006037212.tif 000003
【００６４】
表１「比較試験結果  １」の耐エロージョン性倍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は、従来のＳＵＳ４１０Ｊ１基材のみ、およびボ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。
【００６５】
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３０μｍ未満（２０μｍ）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１０μｍ未満（５μｍ、８μｍ）場合（比較例５、６）、上記各実施例に比べ耐エロージョ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いことがわかる。
【００６６】
［比較試験結果  ２］
２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍ厚さのＳＵＳ４１０Ｊ１基材を用い、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。
【００６７】
ラジカル窒化処理は、時間を調整し、窒化硬質層の厚さを６０μｍとした。
【００６８】
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℃とした。
【００６９】
従来例２のボロライジング処理は、９２０℃×１８時間の条件で実施し、基材表層に７０μｍのボ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。
【００７０】
以上の条件で、実施例２につき１サンプル、実施例３につき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：基材表層にボロナイジング処理。）、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。
【００７１】
【表２】
2006037212.tif 000004
【００７２】
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が、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べて格段に優れていることがわかる。
【００７３】
［比較試験結果  ３］
上記実施例２につきラジカル窒化法による窒化硬質層（６０μｍ）上にＣｒＮ層（２５μｍ）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℃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（６０μｍ）上にＣｒＮ層（２５μｍ）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った。
【００７４】
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、３０μｍ以上の厚さの窒化硬質層とその上層に１０μｍ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エロージョ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。
【００７５】
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加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く、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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【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】
【００７７】
１                  物理蒸着硬質層
２                  窒化硬質層
３                  基材
１１                ＣｒＮ層
１２                ＴｉＡｌＮ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
【図１】
2006037212.tif 000005
【図２】
2006037212.tif 000006
【図３】
2006037212.tif 000007
【図４】
2006037212.tif 000008
【図５】
2006037212.tif 000009
【図６】
2006037212.tif 000010
【図７】
2006037212.tif 000011
【図８】
2006037212.tif 000012
【図９】
2006037212.tif 000013
【図１０】
2006037212.tif 000014
【図１１】
2006037212.tif 000015
【図１２】
2006037212.tif 000016