(57)【要約】【課題】溶融点が相対的に低い金属に純粋ＳｉＣをコーティングすることができ、熱膨脹係数差による薄利などの発生を防止することができる、表面にセラミックがコーティングされた金属を提供する。【解決手段】本発明による表面にセラミックがコーティングされた金属は、クロムを含む金属と、前記金属の上部に位置してその金属とＳｉＣコーティング層の中間熱膨脹係数を有するバッファー層と、前記バッファー層の上部に位置するＳｉＣコーティング層と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記金属の上部に位置し、前記金属とＳｉＣコーティング層の中間熱膨脹係数を有するバッファー層と、
前記バッファー層の上部に位置するＳｉＣコーティング層と、を含むこと
を特徴とする表面がセラミックでコーティングされた金属。
【請求項２】
前記クロムを含む金属は、インコネル(ｉｎｃｏｎｅｌ)またはステンレススチールであること
を特徴とする請求項１に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属。
【請求項３】
前記バッファー層は酸化クロム層であり、その厚さは０.１乃至９μｍであること
を特徴とする請求項１または２に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属。
【請求項４】
ａ) クロムを含む金属を熱処理してその金属の上部に酸化クロム層を形成するステップと、
ｂ) ＰＣＳを溶媒に溶解させてＰＣＳコーティング溶液を製造するステップと、
ｃ) 前記ＰＣＳコーティング溶液を前記酸化クロム層の上部に塗布して乾燥させるステップと、
ｄ) 前記乾燥されたＰＣＳを熱処理してＳｉＣコーティング層に転換させるステップと、を含むことを特徴とする、
表面がセラミックでコーティングされた金属の製造方法。
【請求項５】
クロムを含む金属は、インコネルまたはステンレススチールであることを特徴とする請求項４に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属の製造方法。
【請求項６】
前記インコネルは９００〜１１００℃で２〜３時間の酸化を進行して、酸化クロム層が０.１〜９μｍの厚さで形成されることを特徴とする請求項５に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属の製造方法。
【請求項７】
前記ステンレススチールは７００〜９００℃で２〜３時間の金属表面に酸化が進行され、酸化クロム層が０.１〜９μｍの厚さで形成されることを特徴とする請求項５に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属の製造方法。
【請求項８】
前記ステップｃ)とステップｄ)との間に、ＰＣＳを前処理してＰＣＳ間のクロスリンクを誘導するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属の製造方法。
【請求項９】
前処理は、電子ビームまたは紫外線を照射するか酸化させることを特徴とする請求項８に記載の表面がセラミックでコーティングされた金属の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面にセラミックがコーティングされた金属及びその製造方法に関し、特に、クロムを含む金属の表面にセラミックをコーティングする表面にセラミックがコーティングされた金属及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＳｉＣは耐化学、耐酸化、耐熱性、耐磨耗性が優れたセラミック材料である。
従来にはこのようなＳｉＣを溶射コーティングや化学気相蒸着(ＣＶＤ)法で金属にコーティングして金属の耐化学性、耐酸化性、耐熱性及び耐磨耗性を向上させる試みがあった。
【０００３】
しかし、溶射コーティングの場合、純粋なＳｉＣでコーティングすることができなくて、ＳｉＣを含む混合物をコーティングした。
また、化学気相蒸着法は高温を使用するので溶融点が低い金属にはＳｉＣをコーティングすることが不可能であった。
【０００４】
すなわち、１０００℃以上の工程温度を使用する化学気相蒸着法により金属の表面にＳｉＣを蒸着する過程で、溶融点の低い金属はその金属が溶融されるなどの問題が発生した。
【０００５】
また、溶融点が高い金属にＳｉＣを化学気相蒸着法により蒸着する場合にも、熱膨脹係数の差などによってコーティング層に割れ目が発生するかコーティング層が薄利される問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明は上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、溶融点が相対的に低い金属に純粋ＳｉＣをコーティングすることができ、熱膨脹係数差による薄利などの発生を防止することができる、表面にセラミックがコーティングされた金属及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するための本発明による表面にセラミックがコーティングされた金属は、クロムを含む金属と、前記金属の上部に位置してその金属とＳｉＣコーティング層の中間熱膨脹係数を有するバッファー層と、前記バッファー層の上部に位置するＳｉＣコーティング層と、を含む。
【０００８】
また、本発明による表面にセラミックがコーティングされた金属製造方法は、ａ) クロムを含む金属を熱処理してその金属の上部に酸化クロム層を形成するステップと、ｂ) ＰＣＳを溶媒に溶解させてＰＣＳコーティング溶液を製造するステップと、ｃ) 前記ＰＣＳコーティング溶液を前記酸化クロム層の上部に塗布して乾燥させるステップと、ｄ) 前記乾燥されたＰＣＳを熱処理してＳｉＣコーティング層に転換させるステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、クロムを含む金属を熱処理して酸化クロム層であるバッファー層を形成し、そのバッファー層上にＳｉＣ前駆体利用してＳｉＣをコーティングすることにより、金属を損傷させないでセラミックをコーティングすることができ、熱膨脹係数が金属とセラミックの中間であるバッファー層を形成して薄利などの欠陷発生を防止できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の好ましい実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法を示すフローチャートである。
【００１２】
図１を参照すれば、本発明の好ましい実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法は、クロムを含む金属を熱処理してその上部に酸化クロムであるバッファー層を形成するステップ(ステップＳ１１)と、ＳｉＣ前駆体コーティング溶液を製造するステップ(ステップＳ１２)と、前記ＳｉＣ前駆体コーティング溶液を前記バッファー層の上部に塗布するステップ(ステップＳ１３)と、前記塗布されたＳｉＣ前駆体コーティング溶液を乾燥させるステップ(ステップＳ１４)と、熱処理を通じて前記塗布されたＳｉＣ前駆体をＳｉＣに切り替えるステップ(ステップＳ１５)と、を含んで構成される。
【００１３】
以下、このように構成された本発明による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法の好ましい実施例の構成と作用について詳しく説明する。
【００１４】
まず、ステップＳ１１のように、クロムを含む金属を熱処理することで、その表面にクロムが導出されて空気中の酸素と反応して酸化クロム(Ｃｒ2Ｏ3)であるバッファー層が形成される。
【００１５】
これとは別に、ステップＳ１２では、ＳｉＣ前駆体物質を溶媒に溶かしてコーティング溶液を獲得する。
【００１６】
この時、ＳｉＣ前駆体物質は、ＰＣＳ(Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｓｉｌａｎｅ)を使用することができ、そのＰＣＳを溶解させる溶媒はヘキサン(Ｈｅｘａｎｅ)、キシレン(Ｘｙｌａｎｅ)、トルエン(Ｔｏｌｕｅｎｅ)、テトラ−ヒドロフラン(Ｔｅｔｒａ−ｈｙｄｒｏｆｕｒｏｎ)を使用することができる。
【００１７】
前記溶媒に溶解されるＰＣＳの量を調節してコーティング溶液の粘度を調節することができ、この時、コーティング溶液の粘度は、金属の表面にコーティングされるＳｉＣコーティング層の厚さと関係がある。すなわち、溶液の粘度が高いほどＳｉＣコーティング層の厚さを一層厚くコーティングすることができる。
【００１８】
その後、ステップＳ１３では、前記ＰＣＳが溶媒に溶解されたコーティング溶液を前記バッファー層の上部にコーティングする。
【００１９】
この時、コーティング溶液のコーティング方法は、熱を使用しないで、コーティング溶液に前記表面にバッファー層が形成された金属を漬ける浸漬法(Ｄｉｐｐｉｎｇ)、その金属を回転させてその上部に前記コーティング溶液を落下させて遠心力により均一に広げるスピンコーティング法(ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ)、噴射装置を利用してコーティング溶液を吹く付けるスプレーコーティング法(ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ)、コーティング溶液を基板上に流してコーティングするフローコーティング方法(ｆｌｏｗ ｃｏａｔｉｎｇ)を使うことができる。上述のようなコーティング方法は、各々一例であり、他の方法によりコーティングすることもできる。
【００２０】
このように、本発明では、従来のように金属に直接ＳｉＣをコーティングするための高温の熱を使用する化学気相蒸着法を使わないで、ＳｉＣ前駆体物質であるＰＣＳを常温の雰囲気でコーティングすることにより金属の溶融点に関係ないコーティングが可能になる。
【００２１】
次に、ステップＳ１４では、前記バッファー層の上部にコーティングされたコーティング溶液を乾燥する。
【００２２】
この時、乾燥は、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気で乾燥することができる。また、酸素が含まれたＰＣＳのコーティングのためには空気雰囲気で乾燥することもできる。
【００２３】
前記乾燥過程により溶媒が乾燥されて前記金属材料の表面にはＰＣＳコーティング層が形成される。
【００２４】
次に、ステップＳ１５では、前記形成されたＰＣＳコーティング層を熱処理して、ＰＣＳのポリマー成分を除去してＰＣＳコーティング層をＳｉＣコーティング層に転換させる。
【００２５】
この時、転換されるＳｉＣコーティング層の表面に泡沫が生じないようにするためには昇温速度を調節する必要がある。。
【００２６】
一番適当な昇温速度は５〜３０℃／ｈｒであり、最終温度は約７００〜１５００℃が好ましい。
【００２７】
この時、最終熱処理温度を調節して希望する結晶構造のＳｉＣコーティング層を獲得することができる。すなわち、１０００〜１５００℃の熱処理により前記ＳｉＣコーティング層の結晶構造は結晶質になり、７００〜１０００℃の熱処理によっては非晶質のＳｉＣコーティング層を獲得することができる。
【００２８】
また、前記ステップＳ１５を実行する前に、ＰＣＳコーティング層を前処理してＰＣＳコーティング層を硬化させる前処理ステップをさらに含むことができる。前記ＰＣＳコーティング層に含まれたＰＣＳ間の結合をクロスリンクさせることにより、一層堅固なＳｉＣコーティング層を獲得し、収率と密度を向上させることができる。
【００２９】
前記前処理には５〜２０ＭＧｙの電子ビームまたは紫外線を使用する。 
【００３０】
この以外に、２００〜４００℃の温度で酸化(ｏｘｉｄａｔｉｏｎ)を通じて硬化することもできる。
【００３１】
図２は、このような本発明の好ましい実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法により製造された表面にセラミックがコーティングされた金属の断面構成図である。
【００３２】
図２を参照すれば、本発明の表面にセラミックがコーティングされた金属は、クロムを含む金属１と、その金属１の上部に位置する酸化クロム層２及びその酸化クロム層２の上部にコーティングされたＳｉＣコーティング層３と、を含んで構成される。
【００３３】
前記酸化クロム層２の熱膨脹係数は前記金属１とＳｉＣコーティング層３との間にあり、したがって、そのバッファーとしての役目により熱膨脹係数の差によるＳｉＣコーティング層３の薄利や割れ目が発生しなくなって、その寿命を延長させることができる。
【００３４】
以下、上述のような本発明のより具体的な実施例について詳しく説明する。
【００３５】
<第１の実施例>
図３は、本発明の第１の実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法を示すフローチャートである。
【００３６】
図３を参照すれば、本発明の第１実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法は、先に、ニッケルクロムの合金であるインコネル(ｉｎｃｏｎｅｌ)を熱処理して、そのインコネルの上部に酸化クロム層を形成する(ステップＳ３１)。
【００３７】
この時、前記熱処理条件は９００〜１１００℃で２乃至３時間進行し、望ましくは、１０００℃で３時間の熱処理を行う。
【００３８】
このような熱処理により前記インコネルの表面には、酸化が一層容易に行われるクロムが外部の酸素と結合して酸化クロム層が形成され、その酸化クロム層の厚差は０.１〜９μｍの厚さで形成される。この時、酸化クロム層の厚さが０.１μｍ未満の場合には、バッファー層としての役目を実行することが不可能であり、９μｍを超過する酸化クロム層を形成することは、工程時間が遅延されて経済的ではない。
【００３９】
その後、ＰＣＳをヘキサンに溶解させてＰＣＳコーティング溶液を製造する(ステップＳ３２)。
【００４０】
次に、前記ＳｉＣ前駆体コーティング溶液を前記酸化クロム層の上部に浸漬法(ｄｉｐｐｉｎｇ)でコーティングし(ステップＳ３３)、そのコーティングされたＰＣＳコーティング溶液を乾燥させて前記ヘキサンを除去する(ステップＳ３４)。
【００４１】
この時、乾燥は窒素雰囲気で実行することにより酸化が起きることを防止する。
【００４２】
次に、前記乾燥されたＰＣＳを熱処理してＳｉＣに転換させる(ステップＳ３５)。
【００４３】
前記熱処理は常温から１０００℃まで３０℃／ｈｒの速度で昇温させる。
【００４４】
図面には省略したが、ステップＳ３５の熱処理の以前に、２０ＭＧｙの電子ビームを前記ＰＣＳに照射してそのＰＣＳ間のクロスリンクを誘導して硬化する前処理工程をさらに含むことができる。
【００４５】
このような過程によりインコネルと、そのインコネル上部に位置する酸化クロム層及びその酸化クロム層上にコーティングされたＳｉＣコーティング層が得られる。
【００４６】
<第２の実施例>
図４は、本発明の第２の実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法を示すフローチャートである。
【００４７】
図４を参照すれば、本発明の第２の実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法は、先に、クロムとニッケルの合金であるステンレススチール(ＳＴＳ)を熱処理して、そのステンレススチールの上部に酸化クロム層を形成する(ステップＳ４１)。
【００４８】
この時、前記熱処理条件は7００〜９００℃で２〜３時間進行し、望ましくは９００℃で３時間の熱処理を行う。
【００４９】
このような熱処理により前記ステンレススチールの表面には、酸化が一層容易に行われるクロムが外部の酸素と結合して酸化クロム層が形成され、その酸化クロム層の厚さは０.１〜９μｍの厚さで形成される。
【００５０】
その後、ＰＣＳをキシレンに溶解させてＰＣＳコーティング溶液を製造する(ステップＳ４２)。
【００５１】
次に、前記ＳｉＣ前駆体コーティング溶液を前記酸化クロム層の上部に浸漬法でコーティングして(ステップＳ４３)、そのコーティングされたＰＣＳコーティング溶液を乾燥させて前記キシレンを除去する(ステップＳ４４)。この時の乾燥も酸素が遮られた雰囲気で実行する。
【００５２】
次に、前記乾燥されたＰＣＳを熱処理してＳｉＣに転換させる(ステップＳ４５)。
【００５３】
前記熱処理は常温から８００℃まで２０℃／ｈｏｕｒの速度で昇温させる。
【００５４】
図面には省略したが、ステップＳ４５の熱処理の以前に、酸化を通じてＰＣＳ間のクロスリンクを誘導して硬化する前処理工程をさらに含むことができる。
【００５５】
このような過程によって、上部にバッファー層である酸化クロム層とその酸化クロム層の上部にコーティングされたＳｉＣコーティング層とを有するステンレススチールが得られる。
【００５６】
このように本発明は、クロムを含む金属を熱処理してその表面に熱膨脹係数が金属とセラミックの中間であるバッファー層を形成し、そのバッファー層の上部にセラミックをコーティングすることにより、以後に熱に露出されてもその熱膨脹係数の差によりセラミックが薄利されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の好ましい実施形態による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の好ましい実施形態による表面にセラミックがコーティングされた金属の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法を示したフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例による表面にセラミックがコーティングされた金属の製造方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１  金属
２  酸化クロム
３  コーティング層
【図１】
2009179878.tif 000003
【図２】
2009179878.tif 000004
【図３】
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【図４】
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