











































































 







     
 










 
 





























   















  









































 
 























 

 








 




 
















   
























 



 

































ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴߇ਇቯᦼߦ⊒ⴕߔࠆᚑᨐႎ๔ᦠߢߔ‫ޕ‬ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߩ౉ᚻਗ߮ߦ⪺૞ᮭ೑↪ߦ㑐ߔࠆ߅໧޿วࠊߖߪ‫ޔ‬ਅ⸥޽ߡߦ߅໧޿วࠊߖਅߐ޿‫ޕ‬ߥ߅‫ోߩ࠻࡯ࡐ࡟ᧄޔ‬ᢥߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ࡎ࡯ࡓࡍ࡯ࠫ㧔KWWSZZZMDHDJRMSLQGH[VKWPO㧕ࠃࠅ⊒ାߐࠇߡ޿߹ߔ‫⽷߆߶ߩߎޕ‬࿅ᴺੱේሶജᒄᷣળ⾗ᢱ࠮ࡦ࠲࡯㧖ߢߪታ⾌ߦࠃࠆⶄ౮㗏Ꮣࠍⴕߞ
ߡ߅ࠅ߹ߔ‫ޕ‬‫⨙ ޥ‬ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ  ⇟࿾ ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎㇱ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎ⺖㔚⹤ )D[㧖‫⨙ ޥ‬ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ  ⇟࿾  ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ౝ
7KLVUHSRUWLVLVVXHGLUUHJXODUO\E\-DSDQ$WRPLF(QHUJ\$JHQF\,QTXLULHVDERXWDYDLODELOLW\DQGRUFRS\ULJKWRIWKLVUHSRUWVKRXOGEHDGGUHVVHGWR ,QWHOOHFWXDO5HVRXUFHV6HFWLRQ,QWHOOHFWXDO5HVRXUFHV'HSDUWPHQW -DSDQ$WRPLF(QHUJ\$JHQF\6KLUDNDWD6KLUDQH7RNDLPXUD1DNDJXQ,EDUDNLNHQ-DSDQ
7HO)D[
-DSDQ$WRPLF(QHUJ\$JHQF\

JAEA-Research 2006-075

������������������������ (�� 3)
�TiN ��������Ti ������������
�����������
���������������� ����������� ���� ��� ���
�2006 � 10 � 10 ������������������������������������� 1 �������
������������������������������������������
������������������������������������������
�������������������� TiN ��������������������
����������������������TiN ��������Ti ���������
���������������������
[TiN ���������]�PVD (Physical Vapor Deposition) �����TiN (������) ������� Ti (��)����������������30�m ����������������������
� 100�m ����������������������������CVD (Chemical Vapor Deposition) �����TiN/TiCN/TiC 3 ���������� 100 �m ����������������������������������������
�����TiN ������� 100 �m �����������������������
������
[Ti �����������]�TiN ������������Ti ����������������� TiN �������
��������������������������� 100�m ��� Ti ������
�������������� 1,200������ 48 h ����������������
TiN �������������������������������������� TiN�����������������������������������������
����������������

����������(��)��311-1393� ������������� 4002

i
i

JAEA-Research 2006-075
Study on Coated Layer Material Characteristics of Coated Particle Fuel FBR (III)�Thick Layer Coating Process of TiN and Gas-nitriding Treatment of Ti Metal�
Masayuki NAGANUMA and Tomoyasu MIZUNOFBR Cycle System Design Synthesis Unit
Advanced Nuclear System Research and Development Directorate
Japan Atomic Energy Agency
Oarai-machi, Higashiibaraki-gun, Ibaraki-ken(Received October 10, 2006)“Helium gas cooled FBR” is one of attractive core concepts, so that the design studies havebeen performed in the Feasibility Study on Commercialized Fast Reactor Cycle System inJapan. Authors consider the coated particle fuelling core is promising as the helium gas
cooled FBR core, thus studies of the core are advanced. One of the key points of the coatedparticle fuel is the coated layer material, for whom ceramics is considered as a candidate
because of the superior refractory. Existing knowledge shows that TiN is one of possible
materials, therefore, authors have conducted tests and evaluations to reveal characteristics of
TiN layer. In this study, tests about TiN coating methods and gaseous nitriding of Ti metal
to obtain thick layer were conducted. Results of these tests bring the following conclusions.
[TiN coating tests for thick layer]- Authors contrived a method that TiN (ceramics) and Ti (metal) were layered by turns torelax the inner stress in PVD (Physical Vapor Deposition) coating. As a result, 30 �m ofthe layer is attained with integrity. This method was found to have capability to form 100
�m of the layer that is the target of the practical design.
- Authors conducted multi-layer coating tests of CVD (Chemical Vapor Deposition) with alarge number of coating times in using TiN/TiCN/TiN. As a result, the thick layer up to
100 �m was formed without defects. This method was found to have capability to achieve
the equivalent thickness for TiN single layer.
[Gaseous nitriding test of Ti metal]- As an alternative method to form thick layer of TiN, authors contrived the method that Ti
metal was firstly coated, after that nitrided by nitrogen gas, and conducted tests of thegaseous nitriding of Ti metal. In theses tests, the 100�m thick Ti metal plate was used as
specimen. As a result, the specimen was found to be nitrided entirely in conditions of
1,200� and 48 hours and be composed of mainly TiN. On the other hand, the nitrided
specimen has tendency to be brittle, which is considered to be future issues.
Keywords : Helium Gas Cooled FBR, Coated Particle Fuel, TiN, Coating, PVD, CVD,
Gaseous Nitriding, Feasibility Study, FS

ii
ii

JAEA-Research 2006-075

���. ���� ���������������������������������������������������������������������

1

�. �����
2.1
2.2

FS ����������� ������������������������������������������������
����������� ���������������������������������������������������

2
3

�. ����
3.1

3.2

TiN ��������
���� ������������������������������������������������������������
3.1.1

4

3.1.2

���� ������������������������������������������������������������

4Ti �������������
���� ������������������������������������������������������������
3.2.1

5

3.2.2

5

���� ������������������������������������������������������������

�. ���������
4.1

4.2

TiN ��������
4.1.1
���� ������������������������������������������������������������

7

4.1.2

�� ����������������������������������������������������������������

8Ti �������������
���� ������������������������������������������������������������
4.2.1

9

4.2.2

�� ���������������������������������������������������������������� 11

�. ��� ����������������������������������������������������������������������� 13
�. ����� ������������������������������������������������������������������� 14�� ����������������������������������������������������������������������������� 15���� ������������������������������������������������������������������������� 16
�� CVD�PVD �������� ������������������������������������������������� 65

iii
iii

JAEA-Research 2006-075

Contents
�. Introduction������������������������������������������������������������������

1

�. Outline of this study
2.1
2.2

Summary of our past studies in FS �����������������������������������������
Objectives of this study����������������������������������������������������

2
3

�. Conditions of coating property test and gaseous nitriding property test
3.1

3.2

Coating property test of TiN for thick layer
3.1.1
Outline of this test ��������������������������������������������������

4

3.1.2

Conditions of this test �����������������������������������������������

4

Gaseous nitriding property test of Ti metal under high temperature
3.2.1
Outline of this test ��������������������������������������������������

5

3.2.2

5

Conditions of this test �����������������������������������������������

�. Measurement results and the evaluations
4.1

4.2

Coating property test of TiN for thick layer
4.1.1
Measurement results ������������������������������������������������

7

4.1.2

Evaluations���������������������������������������������������������

8

Gaseous nitriding property test of Ti metal under high temperature
4.2.1
Measurement results ������������������������������������������������

9

4.2.2

Evaluations��������������������������������������������������������� 11

�. Conclusion ������������������������������������������������������������������� 13
�. Future issues ���������������������������������������������������������������� 14
Acknowledgment ����������������������������������������������������������������� 15
Reference ������������������������������������������������������������������������ 16
Appendix

Outline of CVD and PVD coating methods ����������������������������� 65

iv
iv

JAEA-Research 2006-075

�. ����
������������������������������������������
���������������������������������� (�������
������������������(������)) ����������������
������������ (���FS) ������������������������
��������[1][2][3]����������������� 850�������������
�������������������������������������������
������� (������������������) ����������������
[4][5][6][7]�

�����������������������������������������
������������������������������������������
�������������������������������������������
����������� (10 ��15 � MWd/t)���������������� (�1023
n/cm2��������1021 n/cm2 ������� 1�2 �������) ���������
������ TRISO ��[8]������������������������������
������������������������������������������
��������������SiC ��������������� (�����������) �������������������������FS ���2000 ��������
������������������������������������������
������������ TiN�Si3N4 �������������������������
���[9]�����TiN ����������� (�2,000�) ��������������
�����������������[10]����������������������FS������������������������������������������
������
������TiN ���������������� 2 ���������������
��TiN ��������
��Ti �������������
������������������
���TiN �����������TiN �������������100�m ������
������������������������������������������PVD (Physical Vapor Deposition��������)�CVD (Chemical Vapor Deposition��������) ��������������� (PVD � CVD ��������������
�����������[11])�
���Ti ����������������TiN ���������������Ti ������������[12][13]��������TiN ���������������������
����������
�����������������������������������������
����������

－1－

JAEA-Research 2006-075

�. �����
2.1 FS �����������
FS����������2000��������������������TiN������
��������������TiN�������������
��������
������
������
�TiN��������������������������������
(1) TiN �����������
TiN �������������� (2,000�) �����������PVD�CVD ����� TiN �������������������������CVD ��������
����� 2,000�������������������������� �m �����
�������������������������������������� (TiN)��������������� TiN ������������������������
���������CVD ����� 2,000��������������������PVD����������2,000�������� TiN ������������������
������������������������������PVD ����������
������������������������������
(2) TiN �������������
TiN ����������������CVD ��������������������
��������� (��������) ������������ 3 ���������
�����������������������������������������
��������CVD �������������������������������
�������������������������������������� 500�m
�����������������������������������������
�������� (�500�m) �� CVD ��������������������CVD
� TiN ����������������������
(3) TiN �����������
������������� TiN ������
PVD ������� (�10�m) �����
������������������������������������� (�������������) �������������TiN ���������� 18�22 ������������������������������������� (��� SiC
���������� 8 ��)�������������������� 10-4 ������
�����40�100 kgf/mm2 ����������������������������
���� (40 kgf/mm2) �����������������������������TiN��������������������������������

－�
2－

JAEA-Research 2006-075

2.2 �����������
����������
�TiN�����������������������������
�������������TiN�������������������������
�TiN������������Ti���������������������
�������������������������������������������Fig. 2.2-1
�����(1) TiN��������
���������������������������TiN��100�m������
���������������������������������TiN�������
������������������������� (������m��) �������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������TiN������������������
��������PVD�CVD�����������PVD��������������
�������������������������
����������
TiN (������) �������Ti (��) �����������������������������CVD���������������[10]����CVD�������������������
�����������������������������������������
�����������������������������������������
���������������������
(2) Ti�������������
(1)���������TiN��100�m������������������������
������������������TiN������������������Ti��
���TiN�������������������Ti�����������Ti��������������TiN��������������������������
�������������TiN������������������1�������
��Ti��������������������������������������
�������������������������TiN��������������
��������
�－�
3－

JAEA-Research 2006-075

�. ����
3.1 TiN��������
3.1.1 �����������������������������TiN�������������
�������������PVD�CVD�����������������������
������������
�PVD�� � ����PVD���TiN�����������������������
��������������������10�m�����������
��������������������TiN (������) �������Ti (��) ������������������������������
�CVD�� � CVD��������������������������������
[10]�����������������������������100�m����������������������������CVD�����
����������������������������������
�����������������
3.1.2 ����(1) PVD ��������
���� ��� 2 ���������
- TiN �� � (� � �� � � � �� (� � � SPS (Spark Plasma
Sintering) ���)[14][15][16])- SUS304���� ����������������������� (����TiN ������ L ������������ SPS �������������
������������������)�
- TiN ���L 35 mm × W 4 mm × T 3 mm

- SUS304

L 45 mm × W 4 mm × T 3 mm (JIS R 1601 ��)������
����� PVD (�������)�����

� TiN (������) � Ti (��) (�������)������ ������ PVD ����[17]������������������
�TiN (������) ��×��� � Ti (��) ��×���×������

(2) CVD ��
����
���

� TiN ��� (SPS ���[14][15][16])－44－JAEA-Research 2006-075

���� L 35 mm × W 4 mm × T 3 mm (������ SPS ���������
��������������)������
����� CVD (�������)��������������������� Fig. 3.1-1 ������
����������������������������

���� Ti �����������������������������
TiC + TiCN + TiN (��� 1 ������������)(�������������������������������
��� TiN ��� �� �m ������������������
���������������������������)������ CVD ������������������������������
������������ CVD ������������������
�� 22 ���� (TiN/TiCN/TiC �������
�����������
���� 22 �) ������

3.2 Ti�������������
3.2.1 ����TiN������������������Ti�����TiN�������������
������Ti�����������Ti��������������TiN������
��������������������TiN������������������1���������Ti���������������������������������
�������������������������Ti��������������
3.2.2 ����������
���� Ti ���������������������������� (���� 0.1 %�� (�� O2�Fe))����Ti �������������
���������������������� 99.97 %���� Ti ���������������������������������
���������������
Ti �����
Ti ������

���

C
0.016
0.001

H
0.00420.0003

O
0.077
0.023

N
0.00920.002

FeTi
0.033 99.861
0.004 99.970
���wt.%

� Ti ����������������� 2 ��������������
L 14 mm × W 2 mm �����������������L 15 mm × W
15 mm ��� X ���������������Ti ���������
－ 55 －

JAEA-Research 2006-075

�������������������� T ��� 500�m �����Ti �������
- L 14 mm × W 2 mm × T 100�� (�����)- L 15 mm × W 15 mm × T 100�� (X ������)�Ti ��������
- L 14 mm × W 2 mm × T 500�� (�����)- L 15 mm × W 15 mm × T 500�� (X ������)������
������ ��������Ti���� (882 �) ����������������
- 850 �- 1,100 �- 1,200 ������� ������������������������������
- 12 ��
- 24 ��
- 48 ��

－6
6－

JAEA-Research 2006-075

�. ���������
4.1 TiN��������
4.1.1 ����(1) PVD ��
PVD ���������������������������
[����]
Fig. 4.1-1�������TiN��������� (�����TiN�����) �
SUS304������ (�����SUS304��) ������������������
����������������������������������
[SEM ��]��TiN������������������Fig. 4.1-2����������Fig.
4.1-3(1)�Fig. 4.1-3(2)����������SUS304���������������Fig.
4.1-4����������Fig. 4.1-5(1)�Fig. 4.1-5(2)�����
��TiN�������������������������������TiN�������������������������������������������
����������������������������������������
��������������SUS304����������������������
����������������������������������������
����������PVD����������������������������
���������������
Fig. 4.1-3(2)�Fig. 4.1-5(2)���SEM����������������������
TiN��������SUS304����30�m�������������
(2) CVD��
CVD���������������������������
[����]
Fig. 4.1-6 ������������������������������PVD ����������������������������PVD ������������
�����������
[SEM ��]�������Fig. 4.1-7���������Fig. 4.1-8(1)�Fig. 4.1-8(2)�����
���SEM��������������������������Fig. 4.1-8(2)��
��������������22������������������93�m�����
����������������������������������������
���������������

－7
7－

JAEA-Research 2006-075

4.1.2 ��(1) PVD����� PVD ��������������������������10�m �����
�����������������TiN (������) ������� Ti (��) ������
����������
30�m ��������������������������
���EPMA ��������������������� (Ti �����������������)���������������������������������������
��������������� PVD ������������ 30��m ������������
������ 16�17 ������� 100��m ��������������������
������� PVD ����� 2�3 ������������������������
���������������
(2) CVD���������TiN/TiCN/TiC �����������������CVD �������
��������������22 ������������ 100��m ���������
���������������������TiN ��� CVD ������������
������� 100��m ������������������������������
�������������������
������� CVD ���������������� (��������1 �����
������� 4.2��m ��������� 2.5 �)������������������
����������������������������������

8－8－

JAEA-Research 2006-075

4.2 Ti �������������
4.2.1 ����Ti���������������������������������������
��������������������������������
[����]
���� (����������Ti ��) ��������������������
��� Fig. 4.2-1�Fig. 4.2-2 ���������������������� Ti ��������������������������������������������
������TiN ��������� X ����������������������
��� TiN ���������������
Fig. 4.2-2 �����Ti ������Ti ���������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
�������� EPMA �����������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
�Ti ������������������������
��������������
�Ti ��������������� 500�m ��
�Ti�����������������
������� 100�m ���������������
�Ti �������������������������������������
���������������������� SPS ��� (���������
[14][15][16])����� TiN ������������������������������

��������������������� (�� TiN) �������������
���������������
[���������]���� (����������Ti ��) ��������������������
������ Fig. 4.2-3(1)�Fig. 4.2-3(5)����������������������
��������������������������������� Ti ������
����������������������������������������
�����������
[X ���]Ti ���Ti ������������������ (850��1,100��1,200�)×���� (12 h�24 h�48 h) ��������������� X ������ Fig. 4.2-4(1)�Fig. 4.2-4(3)�������������� TiN � Ti2N ��������������
��������
���� 850������ (Fig. 4.2-4(1)) ��������������������
���� TiN � Ti2N ���������� TiN ������������������
��Ti2N ���������� 12 h �����������������24 h�48 h ������������������48 h ���������������������
－99－

JAEA-Research 2006-075

1,100������ (Fig. 4.2-4(2)) ������������ 850����������
TiN ���������������������� Ti2N ��������������
�����850�������������1,100��������� Ti2N ������
��������������� 1,200������ (Fig. 4.2-4(3)) ���Ti2N ��������������������� TiN �����������
���������������������������� TiN ���������
Ti2N ��������������������������������������
����������
[SEM ��]Ti ���Ti ������������������ (850��1,100��1,200�)×���� (12 h�24 h�48 h) ��������������� SEM ����� Fig. 4.2-5(1)�Fig. 4.2-5(9)���� SEM ����� Fig. 4.2-6(1)�Fig. 4.2-6(9)���������
�� SEM ���������
850����������� (Fig. 4.2-5(1)�Fig. 4.2-5(3))
��������� (��� SEM �����) �������������������
�����������������������������1,100���������
�� (Fig. 4.2-5(4)�Fig. 4.2-5(6)) ������������ 850����������
���������������� 850����������������������
��������������������������������������1,200�
���������� (Fig. 4.2-5(7)�Fig. 4.2-5(9)) ����������� 1,100����������������������������
����� SEM ���������850�×12 h �������� (Fig. 4.2-6(1)) ���������� 10�m �����������������������������
���������������� Ti �����������������������
�����������������������������������������
48 h ��� (Fig. 4.2-6(3)) ��������������������X �������
������������������� Ti2N �������������������
������� Ti2N ��������������
1,100�×12 h �������� (Fig. 4.2-6(4)) �������� 15�m ������
����������������������������������������
������� 24 h ��� (Fig. 4.2-6(5)) ��������������������
�����������������������
���� 48 h ��� (Fig. 4.2-6(6)) �����������������������������������1,200������ (Fig. 4.2-6(7) � Fig. 4.2-6(9)) ���1,100������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
������[EPMA ��]Ti ���Ti ������������1,100�×48 h�1,200�×24 h�1,200�×48 h �
3 ��������EPMA �������������������� Fig. 4.2-7(1)�Fig.
－ 10
10 －

JAEA-Research 2006-075

4.2-7(3)��������Ti ���Ti �������������1,100�×48 h�1,200�×12h ����������EPMA ������� Fig. 4.2-8(1)�Fig. 4.2-8(2)�����
Ti ���Ti �������������1,100�×48 h ����� (Fig. 4.2-7(1)) �������������������������������������������
����������������������������������������
1,200�×24 h ����� (Fig. 4.2-7(2)) ���1,100�×48 h ������������
�������������������������� (��������� Ti �������������������������������������������
���������������Ti ���������������������������)����1,200�×48 h ����� (Fig. 4.2-7(3)) ��������������
��������������������������������
���Ti ���Ti �����������1,200�×48 h ��������������
�� 100�m ������ TiN ��������������������������
���������������
���Ti ���Ti ������������1,100�×48 h (Fig. 4.2-8(1))�1,200�×12h (Fig. 4.2-8(2)) �������������������� 10 � �m ��������
������������������������������������� (�����Ti �������������������� 500�m ���������� EPMA�������)��������������������� (1,100�×48 h) ��� Fig.
4.2-7(1)� Fig. 4.2-8(1)��������Ti ������Ti �������������
����������������������������������������
����������������������������������������
�����������������������Ti ������������������
����������������� Ti ����������������������
�����������������������

4.2.2 ���������������×�������������������� Table 4.2-1 ����������
����������99.9 %������ Ti �� (Ti �����) ����������
������������������������������������� TiN ������������������������������ 100�m ���������
��� 1,200�×���� 48 h ������������������ TiN �������
�����������������������������������������
������������������
Ti ���������������Ti �����������������������
��� 99.9 %������ Ti ��������� (99.97%��) � Ti ���������
������������������������ 10 � �m ������������
����������������������� TiN (���Ti2N �����) ����

－11
11 －

JAEA-Research 2006-075

���������� (SPS ����PVD ���) ����� TiN �����������
���������������
��������Ti ��������������TiN ���������������
����������������� TiN ����������������������
�����������������

－ 12
12 －

JAEA-Research 2006-075

�. ���
(1) TiN ����������
[PVD ���]� ���� PVD ���������������������������
TiN (������) ������� Ti (��) ����������������30�m ����������
������������������������������������ 100�m���������������������������[CVD ���]�CVD ���������������������TiN/TiCN/TiC 3 ���������
��� 100 �m ���������������������������������
����TiN ������������������� 100 �m �����������
������������������
(2) �� ���������������
�TiN ������������Ti ����������������� TiN ������
���������������������������� 100�m ��� Ti �������������������� 1,200������ 48 h �������������
��� TiN ����������������������
�������������� TiN (���Ti2N �����) �������������� (SPS ����PVD ���) ����� TiN �������������������
���������������������� TiN ����������������
��������������������������������

－ 13
13 －

JAEA-Research 2006-075

�. �����
(1) TiN ����������
[PVD ���]�TiN (������) ������� Ti (��) ������������� 30�m ������
������������������������������� 100 �m �����
�����������������������������������[CVD ���]���������TiN/TiCN/TiC 3 �������������������������
���������TiN ���������� 100 �m ���������������
������������������������
(2) �� ���������������
�Ti ����������������� TiN ��������������������
��������������������� TiN �����������������
��������������������������������������

－ 14
14 －

JAEA-Research 2006-075

������������(�) ���������� �������������������
������������������������������Ti �����������
��������������������������������

－ 15
15 －

JAEA-Research 2006-075

����
[1]

�� ��, �,������(����)����������������(�����)�
�����, JNC TY9400 2001-011, (2001).

[2]

�� �, �,����������������������������� �����
��������������, JNC TN9400 2004-035, 2004 � 6 �.

[3]�� ��, �,�������������������� ���������� �(1)�������������, JNC TN9400 2006-042, 2006 � 4 �.

[4]�� ��, �,������������������������, JNC TN9400
2001-073, (2001).

[5]

�� ��, �,����������������������(���������������)�2001 ������, JNC TN9400 2002-074, (2002).

[6]

��� �, �,������������������������������� (���������/�������������)�2003 ������, JNC TN9400
2004-027, (2004).

[7]

��� �, �,������������������������������� (�����������)�2004 ������, JNC TN9400 2005-031, (2005).

[8]

O.M.Stansfield, “EVOLUTION OF HTGR COATED PARTICLE FUEL DESIGN”,
Energy, Vol.16, No.1/2, pp.33-45, (1991).

[9]�� ��, �� ��,�������������������������(�� 1)�,JNC TN9400 2002-032, (2002).

[10] �� ��, �� ��,�������������������������(�� 2) �
TiN �������������, JNC TN9400 2002-051, (2002).
[11] �� � ��,������������ ������,������, (1986).
[12] ��, �,������������������������������������
���, ��, Vol.50, No.7, (2001).
[13] �� ��, �,����������������������, �� No.90-0541A, ���������(A �), 57 �, 534 �, (1991).
[14] �� ��, �� ��,���������(SPS)������������������
���, �����, Vol.22, No.2, (1996).
[15] �� �� (�������),���������(SPS)���������������
�����������������������������, � 36 �������
��������, (1995).
[16] �� ��,���������(SPS)���������, ����, 9 ��, (2000).
[17] �� ��, �,������� PVD �������������, ������, Vol.46,
No.2, (2001).

－ 16
16 －

JAEA-Research 2006-075

������
Table 4.2-1

Comparison of nitriding behaviors for each test case (nitriding temperaturesand periods)

����Fig. 2.2-1
�Fig. 3.1-1

Flow of tests and evaluations in this study

Fig. 4.1-1

Visual inspection of specimen before and after coating (PVD coating, Base ofState of specimens in the CVD coating chamber
specimen : TiN sintering body)Fig. 4.1-2

SEM observations on the surface of specimen (PVD coating, Base of specimen :TiN sintering body)Fig. 4.1-3(1) SEM observations on the cross section of specimen (PVD coating, Base of
specimen : TiN sintering body) (Near coating layer (�32, �320))
Fig. 4.1-3(2) SEM observations on the cross section of specimen (PVD coating, Base of
specimen : TiN sintering body) (Enlargement of coating layer (�3200))
Fig. 4.1-4

SEM observations on the surface of specimen (PVD coating, Base of specimen :SUS304)

Fig. 4.1-5(1) SEM observations on the cross section of specimen (PVD coating, Base of
specimen : SUS304) (Near coating layer (�32��320))
Fig. 4.1-5(2) SEM observations on the cross section of specimen (PVD coating, Base of
specimen : SUS304) (Enlargement of coating layer (�3200))
Fig. 4.1-6

Visual inspection of specimen before and after coating (CVD coating, Base of
specimen : TiN sintering body)Fig. 4.1-7

SEM observations on the surface of specimen (CVD coating, Base of specimen :TiN sintering body)Fig. 4.1-8(1) SEM observations on the cross section of specimen (CVD coating, Base of
specimen : TiN sintering body)Fig. 4.1-8(2) SEM observations on the cross section of specimen (CVD coating, Base of
specimen : TiN sintering body) (Enlargement of coating layer (�3200))
Fig. 4.2-1

Visual inspection of specimen before gaseous nitriding (Ti-metal)

Fig. 4.2-2

Visual inspection of specimen after gaseous nitriding (TiN)

Fig. 4.2-3(1) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��12 h, 850��24 h)Fig. 4.2-3(2) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��48 h, 1,100��12 h)Fig. 4.2-3(3) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen
－ 17
17 －

JAEA-Research 2006-075(Test condition : 1,100��24 h, 1,100��48 h)
Fig. 4.2-3(4) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��12 h, 1,200��24 h)Fig. 4.2-3(5) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��48 h)
Fig. 4.2-4(1) X-ray diffraction of gaseous nitrided specimen (Test condition : 850�)Fig. 4.2-4(2) X-ray diffraction of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,100�)Fig. 4.2-4(3) X-ray diffraction of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,200�)Fig. 4.2-5(1) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :850��12 h)Fig. 4.2-5(2) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :850��24 h)Fig. 4.2-5(3) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :850��48 h)
Fig. 4.2-5(4) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :1,100��12 h)Fig. 4.2-5(5) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :1,100��24 h)Fig. 4.2-5(6) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :1,100��48 h)
Fig. 4.2-5(7) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :1,200��12 h)Fig. 4.2-5(8) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :1,200��24 h)Fig. 4.2-5(9) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen (Test condition :1,200��24 h)Fig. 4.2-6(1) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 850��12 h)Fig. 4.2-6(2) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 850��24 h)Fig. 4.2-6(3) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 850��48 h)
Fig. 4.2-6(4) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 1,100��12 h)Fig. 4.2-6(5) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 1,100��24 h)Fig. 4.2-6(6) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 1,100��48 h)
Fig. 4.2-6(7) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 1,200��12 h)Fig. 4.2-6(8) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 1,200��24 h)
－ 18
18 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(9) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen (Testcondition : 1,200��48 h)
Fig. 4.2-7(1) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,100��48 h,Standard-grade Ti)
Fig. 4.2-7(2) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,200��24 h,Standard-grade Ti)
Fig. 4.2-7(3) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,200��48 h,Standard-grade Ti)
Fig. 4.2-8(1) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,100��48 h,
High-grade Ti)
Fig. 4.2-8(2) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,200��12 h,
High-grade Ti)
�

－ 19
19 －

－ 20 －

1,200�

1,100�

850�

Nitridingtemp.

�High porosity region in the middle wide
area of thickness
�High porosity region in the middle area ofthickness

TiN, Ti2N

TiN, Ti2N(Slight amount)

TiN, Ti2N(Slight amount)
TiN
TiN
TiN

12 h

24 h

48 h

12 h

24 h

48 h

� Nitrogen density is uniform throughthickness. Ti-metal specimen is nitrided
entirely.
�High porosity region in the middle area ofthickness

20

�Nitrogen density is low in the middle
area of thickness. Nitriding is not
sufficient there.

�Nitrogen density is low in the middle
area of thickness. Nitriding is not
sufficient there.

EPMA analysis

�High porosity region in the middle area ofthickness

�High porosity region in the middle area ofthickness

� Microscopic granular structure inside
about 15 �m from the surface

�Belt-like region in the middle area ofthickness

TiN, Ti2N(Slight amount)

48 h�Belt-like region inside about 18 �m fromthe surface
�Non-nitriding region in the middle area ofthickness (Ti-metal specimen is not
nitrided entirely)

TiN, Ti2N

TiN, Ti2N

12 h

�Belt-like region inside about 12 �m fromthe surface
�Non-nitriding region in the middle area ofthickness (Ti-metal specimen is not
nitrided entirely)

SEM observation

Measurement results

24 h

X-ray diffraction

Nitriding
periodTable 4.2-1 Comparison of nitriding behaviors for each test case (nitriding temperatures and periods)

JAEA-Research 2006-075

JAEA-Research 2006-075－ 21 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 3.1-1 State of specimens in the CVD coating chamber
�

－ 22
22 －

－ 23 －

(After coating)(2) Base of specimen : SUS304

23

Fig. 4.1-1 Visual inspection of specimen before and after coating (PVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)(Before coating)(2) Base of specimen : SUS304(1) Base of specimen : TiN sintering body(1) Base of specimen : TiN sintering body

JAEA-Research 2006-075

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-2 SEM observations on the surface of specimen(PVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)

－ 24
24 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-3(1) SEM observations on the cross section of specimen(PVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)(Near coating layer (�32, �320))25－ 25 －

JAEA-Research 2006-075

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

Boundary

Boundary

Fig. 4.1-3(2) SEM observations on the cross section of specimen(PVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)(Enlargement of coating layer (�3200))26－ 26 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-4 SEM observations on the surface of specimen(PVD coating, Base of specimen : SUS304)

－ 27
27 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-5(1) SEM observations on the cross section of specimen(PVD coating, Base of specimen : SUS304)(Near coating layer (�32��320))28－ 28 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-5(2) SEM observations on the cross section of specimen(PVD coating, Base of specimen : SUS304)(Enlargement of coating layer (�3200))

－ 29
29 －

JAEA-Research 2006-075(Before coating)(After coating)Fig. 4.1-6 Visual inspection of specimen before and after coating(CVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)30－ 30 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-7 SEM observations on the surface of specimen(CVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)

－ 31
31 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-8(1) SEM observations on the cross section of specimen(CVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)32－ 32 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.1-8(2) SEM observations on the cross section of specimen(CVD coating, Base of specimen : TiN sintering body)(Enlargement of coating layer (�3200))

－ 33
33 －

－ 34 －

Standard-grade Ti 48h

Standard-grade Ti 48h

Standard-grade Ti 24h

Standard-grade Ti 12h(Nitriding temp. 1,100�)High-grade Ti

High-grade Ti

High-grade Ti

34Standard-grade Ti

Standard-grade Ti

Standard-grade Ti(Nitriding temp. 1,200�)

High-grade Ti

High-grade Ti

High-grade Ti

Fig. 4.2-1 Visual inspection of specimen before gaseous nitriding (Ti-metal)(Nitriding temp. 850�)High-grade Ti

Standard-grade Ti 24h

High-grade Ti

24h

48h

Standard-grade Ti 12h

High-grade Ti

12h

JAEA-Research 2006-075

－ 35 －

Standard-grade Ti 48h

Standard-grade Ti 48h(Nitriding temp. 1,100�)High-grade Ti

Standard-grade Ti 24h

Standard-grade Ti 12h

35Standard-grade Ti

Standard-grade Ti

Standard-grade Ti(Nitriding temp. 1,200�)

High-grade Ti

High-grade Ti

High-grade Ti

Fig. 4.2-2 Visual inspection of specimen after gaseous nitriding (TiN)(Nitriding temp. 850�)High-grade Ti

High-grade Ti

Standard-grade Ti 24h

High-grade Ti

24h

48h

High-grade Ti

Standard-grade Ti 12h

High-grade Ti

12h

JAEA-Research 2006-075

JAEA-Research 2006-075

Ti-metal (High-grade)

Ti-metalFig. 4.2-3(1) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��12 h, 850��24 h)

－ 36
36 －

JAEA-Research 2006-075

Ti-metal (High-grade)

Ti-metalFig. 4.2-3(2) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��48 h, 1,100��12 h)

－ 37
37 －

JAEA-Research 2006-075

Ti-metal (High-grade)

Ti-metalFig. 4.2-3(3) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��24 h, 1,100��48 h)

－ 38
38 －

JAEA-Research 2006-075

Ti-metal (High-grade)

Ti-metalFig. 4.2-3(4) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��12 h, 1,200��24 h)

－ 39
39 －

JAEA-Research 2006-075

Ti-metal (High-grade)

Ti-metalFig. 4.2-3(5) Optical microscope observations of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��48 h)40－ 40 －

－ 41 －
��� ����

41

Fig. 4.2-4(1) X-ray diffraction of gaseous nitrided specimen (Test condition : 850�)

������������

�����������

JAEA-Research 2006-075

���������������

－ 42 －
��� ����

42

Fig. 4.2-4(2) X-ray diffraction of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,100�)������������

�����������

JAEA-Research 2006-075

���������������

－ 43 －
��� ����

43

Fig. 4.2-4(3) X-ray diffraction of gaseous nitrided specimen (Test condition : 1,200�)������������

�����������

JAEA-Research 2006-075

���������������

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(1) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��12 h)

－ 44
44 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(2) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��24 h)

－ 45
45 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(3) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��48 h)

－ 46
46 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(4) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��12 h)47－ 47 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(5) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��24 h)48－ 48 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(6) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��48 h)

－ 49
49 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(7) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��12 h)

－ 50
50 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(8) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��24 h)

51－ 51 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-5(9) SEM observation of the surface of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��24 h)52－ 52 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(1) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��12 h)

－ 53
53 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(2) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��24 h)

－ 54
54 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(3) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 850��48 h)

－ 55
55 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(4) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��12 h)

－ 56
56 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(5) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��24 h)

－ 57
57 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(6) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��48 h)

－ 58
58 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(7) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��12 h)

－ 59
59 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(8) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��24 h)

－ 60
60 －

JAEA-Research 2006-075

Fig. 4.2-6(9) SEM observation of the cross section of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��48 h)

－ 61
61 －

JAEA-Research 2006-075

Red line�Ti

Blue line�N����Fig. 4.2-7(1) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��48 h, Standard-grade Ti)

Red line�Ti

Blue line�N����Fig. 4.2-7(2) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��24 h, Standard-grade Ti)
62－ 62 －

JAEA-Research 2006-075

Red line�Ti

Blue line�N���Fig. 4.2-7(3) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��48 h, Standard-grade Ti)

63－ 63 －

JAEA-Research 2006-075

Red line�Ti

Blue line�N����Fig. 4.2-8(1) EPMA analysis of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,100��48 h, High-grade Ti)

Red line�Ti

Blue line�N����Fig. 4.2-8(2)� EPMA analysis of gaseous nitrided specimen(Test condition : 1,200��12 h, High-grade Ti)
－ 64
64 －

JAEA-Research 2006-075

�� CVD�PVD ��������
CVD (�������)�PVD (�������)��������������������[1]�
�CVD (�������)�����������������������������������������
���������������������������������
�����������������������������������������
�������������������� CVD ���800�1,000�����������
����
����TiN �����������������������������������
�����
TiN ���� TiCl4 + 1/2N2 + 2H2 � TiN + 4HCl

�PVD (�������)CVD ���������������������������������������
������������������������������������������
�����������������
PVD �(CVD ����)�������������������������������
������������������������������������������
��������������������������
�����������������������������������������
��������������������� 200�������������������
���������������������������������������������
��(���)�������������������������������������
�����������������������������������200�500����������������������������������

�����������������������������������������������������
�

－ 65
65 －































ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴߇ਇቯᦼߦ⊒ⴕߔࠆᚑᨐႎ๔ᦠߢߔ‫ޕ‬ᧄ࡟ࡐ࡯࠻ߩ౉ᚻਗ߮ߦ⪺૞ᮭ೑↪ߦ㑐ߔࠆ߅໧޿วࠊߖߪ‫ޔ‬ਅ⸥޽ߡߦ߅໧޿วࠊߖਅߐ޿‫ޕ‬ߥ߅‫ోߩ࠻࡯ࡐ࡟ᧄޔ‬ᢥߪᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ࡎ࡯ࡓࡍ࡯ࠫ㧔KWWSZZZMDHDJRMSLQGH[VKWPO㧕ࠃࠅ⊒ାߐࠇߡ޿߹ߔ‫⽷߆߶ߩߎޕ‬࿅ᴺੱේሶജᒄᷣળ⾗ᢱ࠮ࡦ࠲࡯㧖ߢߪታ⾌ߦࠃࠆⶄ౮㗏Ꮣࠍⴕߞ
ߡ߅ࠅ߹ߔ‫ޕ‬‫⨙ ޥ‬ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ  ⇟࿾ ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎㇱ ⎇ⓥᛛⴚᖱႎ⺖㔚⹤ )D[㧖‫⨙ ޥ‬ၔ⋵㇊⃗㇭᧲ᶏ᧛⊕ᣇ⊕ᩮ  ⇟࿾  ᣣᧄේሶജ⎇ⓥ㐿⊒ᯏ᭴ౝ
7KLVUHSRUWLVLVVXHGLUUHJXODUO\E\-DSDQ$WRPLF(QHUJ\$JHQF\,QTXLULHVDERXWDYDLODELOLW\DQGRUFRS\ULJKWRIWKLVUHSRUWVKRXOGEHDGGUHVVHGWR ,QWHOOHFWXDO5HVRXUFHV6HFWLRQ,QWHOOHFWXDO5HVRXUFHV'HSDUWPHQW -DSDQ$WRPLF(QHUJ\$JHQF\6KLUDNDWD6KLUDQH7RNDLPXUD1DNDJXQ,EDUDNLNHQ-DSDQ
7HO)D[
-DSDQ$WRPLF(QHUJ\$JHQF\














































































 







     
 










 
 





























   















  









































 
 























 

 








 




 
















   
























 



 

