Creation of super heat-resisting hard coatings by elucidation of mechanisms of detarioration at high temperature for nanocomposite coatings

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K04720
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: Nose Masateru 富山大学, 都市デザイン学部, 都市デザイン学部シニアアドバイザー (70269570)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 健二 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (00209553) ; 畠山 賢彦 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 准教授 (30375109) ; 青井 芳史 龍谷大学, 先端理工学部, 教授 (70298735)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ナノ複相構造膜 / ナノコンポジット膜 / 硬質薄膜 / 耐酸化性 / 窒化物 / 炭化物 / 微細組織

Outline of Final Research Achievements

We have elucidated a degradation mechanism of CrN/SiCN nanocomposite coatings by annealing at high temperature: when Fe atoms diffuse into the CrN/SiCN coatings, decomposition of a-SiCN phases arise and result in remarkable grain growth of CrN nano-crystalline. By the series of these reactions, the hardness and oxidation resistance of the coatings deteriorate remarkably. From the view point of Gibbs free energy of reaction for the formation of metal carbides, an element has been found out that can retard the decomposition of a-SiCN phases.

Free Research Field

材料工学、薄膜材料工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

学術的意義：高い硬度と優れた耐酸化性を有するナノ複相構造膜が、珪化物を形成しやすい金属元素の高温拡散により、容易に非晶質相が分解され、微結晶相の急激な粗大化が急激に進むことを見出した。非晶質相の分解と微結晶相の粗大化のメカニズムを解明するとともに化学熱力学計算により説明した。
社会的意義：金属加工で用いられる硬質薄膜では、従来の高硬度と優れた耐酸化性という指標だけでは不十分であり、被削材等を構成する金属元素との反応の抑制が重要であることを示した。得られた成果に基づき、高硬度（40GPa）・高耐酸化性(1200K×1h)に加えて化学的安定性にも優れた、より実用性に優れたナノ複相構造膜を提案した。