JP2005105311A

JP2005105311A - 被処理物の表面処理方法、表面処理された希土類系永久磁石およびＡｌ被膜の硬度を高める方法

Info

Publication number: JP2005105311A
Application number: JP2003337430A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kikukawa; 篤菊川
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】Ａｌ被膜の硬度を高め、硬度の低さに起因した被膜損傷を防止することで、耐食性や、樹脂系接着剤との接着耐久性などの特性を有効に発揮させることができる表面処理方法、表面処理された希土類系永久磁石およびＡｌ被膜の硬度を高める方法を提供すること。
【解決手段】本発明の表面処理方法は、Ｃｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料を、加熱した溶融蒸発部に連続供給しながら蒸発させることで、Ｃｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を被処理物の表面に蒸着形成することを特徴とする。本発明の希土類系永久磁石は、Ｃｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を表面に蒸着形成してなることを特徴とする。本発明の被処理物の表面に蒸着形成されるＡｌ被膜の硬度を高める方法は、Ｃｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含ませることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、希土類系永久磁石などの被処理物に対する表面処理方法、表面処理された希土類系永久磁石およびＡｌ被膜の硬度を高める方法に関する。

希土類系永久磁石などの被処理物に対し、耐食性や、樹脂系接着剤との接着耐久性などの特性を付与する目的で、その表面にＡｌ被膜を蒸着形成する表面処理が従来から行われている。例えば、特許文献１に記載の、易酸化性蒸着材料からなる金属被膜としてのＡｌ被膜を、水素などの蒸着制御ガスの存在下で被処理物の表面に蒸着形成する方法は、被処理物の表面にＡｌ被膜を形成するための基本技術として高い価値を有しており、今日、例えば、表面にＡｌ被膜を蒸着形成することでこのような特性が付与された希土類系永久磁石は、電子部品に適用されるモータに組み込まれるなどして幅広く用いられている。
しかしながら、Ａｌ被膜は、上記のような優れた特性を有する反面、その物性として硬度が低いという特性を有する。従って、磁石をモータに組み込む際、Ａｌ被膜が積層鋼板の打ち抜き時に発生したバリに接触したりすると、Ａｌ被膜は容易に損傷し、耐食性などの特性を発揮しなくなるといった場合がある。また、電子部品の連続運転時においては、系内に発生する熱によりモータ温度が１５０℃前後にまで上昇することがあるが、このような環境下では、Ａｌ被膜は容易に軟化し、損傷しやすくなる。Ａｌ被膜の硬度を高めることができれば、硬度の低さに起因するこのような問題の解消を図ることができるが、今だ有効な手段の提案はなされていないのが実情である。
特開２００１−３２０６２号公報

そこで本発明は、Ａｌ被膜の硬度を高め、硬度の低さに起因した被膜損傷を防止することで、耐食性や、樹脂系接着剤との接着耐久性などの特性を有効に発揮させることができる表面処理方法、表面処理された希土類系永久磁石およびＡｌ被膜の硬度を高める方法を提供することを目的とする。

本発明者は上記の点に鑑み種々の検討を行った結果、被処理物の表面に蒸着形成されるＡｌ被膜に特定の金属成分を所定量含ませることで、Ａｌ被膜の硬度を高めることができること、このようなＡｌ被膜は、Ａｌ蒸着材料の組成と蒸着形成条件の最適化を図ることで、容易に被処理物の表面に蒸着形成することができることを見出して本発明を完成するに至った。

上記の知見に基づいてなされた本発明の表面処理方法は、請求項１記載の通り、Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料を、加熱した溶融蒸発部に連続供給しながら蒸発させることで、Ｃｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を被処理物の表面に蒸着形成することを特徴とする。
また、請求項２記載の表面処理方法は、請求項１記載の表面処理方法において、ワイヤー状Ａｌ蒸着材料が水素を含有してなることを特徴とする。
また、請求項３記載の表面処理方法は、請求項２記載の表面処理方法において、水素の含有量が１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍであることを特徴とする。
また、請求項４記載の表面処理方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面処理方法において、溶融蒸発部を１３００℃〜１５００℃に加熱することを特徴とする。
また、請求項５記載の表面処理方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の表面処理方法において、被処理物が希土類系永久磁石であることを特徴とする。
また、本発明の希土類系永久磁石は、請求項６記載の通り、Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を表面に蒸着形成してなることを特徴とする。
また、本発明の被処理物の表面に蒸着形成されるＡｌ被膜の硬度を高める方法は、請求項７記載の通り、Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含ませることを特徴とする。

本発明の表面処理方法は、Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料を、加熱した溶融蒸発部に連続供給しながら蒸発させることで、Ｃｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を被処理物の表面に蒸着形成することを特徴とする。本発明の表面処理方法によれば、Ａｌ被膜の硬度を高め、硬度の低さに起因した被膜損傷を防止することで、耐食性や、樹脂系接着剤との接着耐久性などの特性を有効に発揮させることができる。

本発明の表面処理方法は、例えば、特許文献１に記載されているような表面処理装置を用いて行うことができる。図２はその模式的正面図であり、図略の真空排気系に連なる処理室（真空槽）１内の下部には、Ｃｕおよび／またはＭｇを含むＡｌ１０を蒸発させる溶融蒸発部であるハース（蒸着材料を溶融させるための容器）２が、支持テーブル３上に立設されたハース支持台４上に複数個配設されている。また、処理室１内の上方には網状部材で形成された籠状の被処理物保持部５が回転軸６を中心に回転自在に２個並設されている。支持テーブル３の下方内部には、Ｃｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料１１が繰り出しリール２０に巻回保持されている。繰り出しリール２０へのＣｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料１１の巻回方向を水平方向としているのは、ワイヤーの送り方向、即ち、鉛直方向と直交させることによって、送り出されるワイヤーがねじれたりぶれたりすることを防止するためである。Ｃｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料１１の先端は、ハース２の内面に向かって臨ませた耐熱性の保護チューブ２１によってハース２の上方に案内されている。保護チューブ２１の一部には切り欠き窓２２が設けられており、この切り欠き窓２２に対応して設けられた一対の繰り出しギヤー２３によって、Ｃｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料１１をハース２内に所定の繰り出し速度で送り出し自在としている。この表面処理装置によれば、被処理物保持部５内に被処理物３０を収容し、矢示したように被処理物保持部５を回転させるとともに、Ｃｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料１１を図略の加熱手段によって所定温度に加熱したハース２に連続供給しながらＣｕおよび／またはＭｇを含むＡｌ１０を蒸発させることで、被処理物保持部５内の被処理物３０の表面にＣｕおよび／またはＭｇを含むＡｌ被膜を蒸着形成することができる。

Ａｌ被膜に含ませるＣｕおよび／またはＭｇの量は、０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％である。望ましくは１ｗｔ％〜１０ｗｔ％である。０．１ｗｔ％未満であるとＡｌ被膜の硬度を高める効果がなくなる恐れがある一方、２０ｗｔ％を超えるとＡｌ被膜が有する優れた耐食性などに悪影響を及ぼす恐れがあるからである。

ワイヤー状Ａｌ蒸着材料に含ませるＣｕおよび／またはＭｇの量は、被処理物の表面に蒸着形成されるＡｌ被膜に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量が、０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％になる量であれば、特段規定しなければならないものではない。基本的には、Ａｌ被膜に含ませるＣｕおよび／またはＭｇの量と同量のＣｕおよび／またはＭｇを含む蒸着材料を用いればよい。しかしながら、処理室内に酸素が存在すると、蒸着材料を溶融させた段階や蒸発させた段階でＣｕおよび／またはＭｇが酸化することで、Ａｌ被膜に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量が、蒸着材料に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量よりも減少するので、この点には留意すべきである。

以上の点に鑑みれば、ワイヤー状Ａｌ蒸着材料は水素を含有してなるものが望ましい。蒸着材料を蒸発させた際、処理室内に水素を供給することができるので、別途の手段で処理室外部から水素を供給しなくても、処理室内を還元性雰囲気にして、例えば１０^-3Ｐａ以上といったような酸素分圧下であっても、溶融させた段階や蒸発させた段階の蒸着材料の酸化を防止することができるからである。蒸着材料の水素含有量は、１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍが望ましく、２ｐｐｍ〜１０ｐｐｍがより望ましい。１ｐｐｍ未満であると処理室内に水素を十分に供給することができない恐れがある一方、２０ｐｐｍを超えると溶融蒸発部において水素がボイリングして溶融した蒸着材料が飛び散り、被処理物の表面に被着してしまう（スプラッシュ）現象が起こる恐れがあるからである。

溶融蒸発部の加熱温度は、１３００℃〜１５００℃が望ましい。１３００℃未満であるとワイヤー状Ａｌ蒸着材料を効率よく溶融させることができない恐れがあるからである。蒸着材料を効率よく溶融させることができないと、Ａｌの蒸気圧とＣｕおよび／またはＭｇの蒸気圧の違い（Ｍｇが最も蒸気圧が高い）が、蒸着形成されるＡｌ被膜の金属組成に多大な影響を与え、Ａｌ被膜に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量が、蒸着材料に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量と大きく異なるといった現象が起こり、意図した金属組成のＡｌ被膜を蒸着形成することができない場合がある。一方、１５００℃を超えると周辺温度が高くなり過ぎることで蒸着材料が軟化して図２における保護チューブ２１の内部で詰まるなどするので、これを溶融蒸発部に円滑に連続供給することができなくなる恐れがあるからである。

なお、ワイヤー状Ａｌ蒸着材料の溶融蒸発部への送り出し速度は、１ｇ／分〜１０ｇ／分が望ましく、２ｇ／分〜５ｇ／分がより望ましい。１ｇ／分未満であると蒸着材料を効率よく溶融させることができない恐れがある一方、１０ｇ／分を超えると溶融蒸発部内で溶融されない蒸着材料がスプラッシュを引き起こす恐れがあるからである。

本発明の表面処理方法は、例えば、真空蒸着法のように蒸着材料を単に加熱によって蒸発させて被膜を蒸着形成する方法にも適用することができるし、例えば、イオンプレーティング法のように蒸発したものをイオン化させて被膜を蒸着形成する方法にも適用することができる。

本発明の表面処理方法の適用対象となる被処理物としては、希土類系永久磁石が挙げられるが、被処理物はこれに限定されるものではなく、Ａｌ被膜を蒸着形成することができるものであればどのようなものであっても構わない。

以上説明したように、被処理物の表面へのＣｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜の蒸着形成は、Ｃｕおよび／またはＭｇを含む水素含有ワイヤー状Ａｌ蒸着材料を、加熱した溶融蒸発部に連続供給しながら蒸発させることで、容易に行うことができる。しかしながら、被処理物の表面へのＣｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜の蒸着形成は、インゴット状Ａｌ蒸着材料を用いた電子ビーム加熱による蒸着法（ＥＢ蒸着法）によっても行うことができる。但し、ＥＢ蒸着法による場合、スプラッシュを引き起こす恐れが強く、また、処理室外部から水素を供給するといった手段を講じなければ、Ａｌ被膜に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量が、蒸着材料に含まれるＣｕおよび／またはＭｇの量よりも減少しやすいこと、高い蒸気圧を有するＭｇは、溶融した蒸着材料から蒸発しやすいので、溶融した蒸着材料の金属組成が経時的に変化しやすいことなどの点には留意すべきである。

以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定して解釈されるものではない。なお、以下の実験は、公知の鋳造インゴット（例えば、米国特許第４７７０７２３号や米国特許第４７９２３６８号に記載のもの）を粉砕し、微粉砕後に成形、焼結、熱処理、表面加工を行って得た、１７Ｎｄ−１Ｐｒ−７５Ｆｅ−７Ｂ組成の４２ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ寸法の希土類系永久磁石（以下、磁石体試験片と称する）を用いて行った。

実験Ａ：
（Ａｌ被膜の蒸着形成方法）
図２に示した基本構成を有する溶融加熱方式のイオンプレーティング表面処理装置（内容積２．２ｍ³）の処理室（真空槽）内の被処理物保持部に磁石体試験片を収容した後、処理室内の全圧が１．０×１０^-1Ｐａになるまで真空排気を行った。その後、真空槽内にＡｒガスを全圧が１．０Ｐａになるように導入し、表面スパッタによって磁石体試験片の表面を清浄化した後、電圧１．５ｋＶを印加し、処理室内への通電加熱により約１４００℃に制御されたハース内に繰り出し速度３．３ｇ／分でワイヤー状Ａｌ蒸着材料を送り出すことで連続供給して溶融し、蒸発させ、イオン化させてイオンプレーティングを行い、磁石体試験片の表面に２０分で膜厚約２０μｍのＡｌ被膜を蒸着形成した。なお、この実験は、表１に示す組成を有する３種類のワイヤー状Ａｌ蒸着材料を用いて行った。ここで、蒸着材料の金属組成は、蒸着材料を溶融後、原子発光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ：島津製作所社製ＩＣＰＳ−７５００）を用いて測定した。蒸着材料の水素含有量は、社内製の水素ガス分析装置を用いて測定した。

（蒸着形成されたＡｌ被膜の組成）
磁石体試験片とともに被処理物保持部に収容したガラス板（３５ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）の表面に蒸着形成されたＡｌ被膜の組成を調べた。Ａｌ被膜の金属組成は、Ａｌ被膜を溶融後、原子発光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ：島津製作所社製ＩＣＰＳ−７５００）を用いて測定した。Ａｌ被膜の水素含有量は、グロー放電発光分析装置（ＧＤＳ：島津製作所社製ＧＤＬＳ−５０１７）を用いて測定した。結果を表２に示す。表２から明らかなように、蒸着材料２を用いて蒸着形成したＡｌ被膜に含まれるＭｇの量と、蒸着材料３を用いて蒸着形成したＡｌ被膜に含まれるＣｕの量は、蒸着材料に含まれるＭｇやＣｕの量よりも減少していた。これは、蒸着材料を溶融させた段階や蒸発させた段階でこれらが酸化することで、蒸着材料に含まれていた全量がＡｌ被膜に取り込まれなかったことによるものと考えられた。

（Ａｌ被膜の硬度と膜質特性）
上記の３種類のワイヤー状Ａｌ蒸着材料を用い、上記の方法に準じて、ガラス板（３５ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）の表面に膜厚約１００μｍのＡｌ被膜を蒸着形成した。各々のＡｌ被膜について、微小硬さ試験を行い、ビッカース硬度を測定した（ＪＩＳＺ２２４４の記載の方法にて０．４９Ｎの荷重をかけて測定）。結果を図１に示す。図１から明らかなように、蒸着材料２を用いて蒸着形成したＭｇを含むＡｌ被膜と、蒸着材料３を用いて蒸着形成したＣｕを含むＡｌ被膜は、蒸着材料１を用いて蒸着形成したこれらの金属を含まないＡｌ被膜と比較して、常温〜１８０℃付近までの幅広い温度域で硬度が高いことがわかった。また、蒸着材料２を用いて蒸着形成したＭｇを含むＡｌ被膜と、蒸着材料３を用いて蒸着形成したＣｕを含むＡｌ被膜は、蒸着材料１を用いて蒸着形成したこれらの金属を含まないＡｌ被膜と比較して、蒸着形成時に発生する突起形成や被膜剥れなどの欠陥が少なく、膜質特性に優れていた。

実験Ｂ：
（Ａｌ被膜の蒸着形成方法）
電子ビーム加熱方式のイオンプレーティング表面処理装置（内容積０．６ｍ³：ワイヤー状蒸着材料の溶融蒸発機構のかわりにインゴットに対する電子ビーム加熱機構を備えること以外は図２に示した基本構成を有する装置）の処理室（真空槽）内の被処理物保持部に磁石体試験片を収容した後、処理室内の全圧が３．０×１０^-5Ｐａになるまで真空排気を行った。その後、真空槽内にＡｒガスを全圧が５．０×１０^-4Ｐａになるように導入し、表面スパッタによって磁石体試験片の表面を清浄化した後、全圧が３．０×１０^-3ＰａになるようにＡｒガスの導入量を調整した。その後、電圧１．５ｋＶを印加し、電子ビーム加熱法によってインゴット状Ａｌ蒸着材料に電子ビームを照射してこれを加熱することで、溶融し、蒸発させ、イオン化させてイオンプレーティングを行い、磁石体試験片の表面に４０分で膜厚約２０μｍのＡｌ被膜を蒸着形成した。なお、この実験では、表３に示す組成を有する２種類のインゴット状Ａｌ蒸着材料を用いて行った。蒸着材料の金属組成と水素含有量は、実験Ａに記載の方法と同じ方法で測定した。

（蒸着形成されたＡｌ被膜の組成）
実験Ａに記載の方法と同じ方法で測定した。結果を表４に示す。表４から明らかなように、いずれのＡｌ被膜についても、被膜に含まれるＣｕやＭｇの量が、蒸着材料に含まれるＣｕやＭｇの量よりも大幅に減少していた。これは、インゴットに含まれる水素の量が少ないことから、蒸着材料を溶融させた段階や蒸発させた段階でその大半が酸化されてしまったことによるものと考えられた。

（Ａｌ被膜の硬度と膜質特性）
実験Ａに記載の方法と同じ方法で評価した。その結果、いずれのＡｌ被膜についても常温〜１８０℃付近までの幅広い温度域で硬度が高いことがわかった。また、いずれのＡｌ被膜も蒸着形成時に発生する突起形成や被膜剥れなどの欠陥が少なく、膜質特性に優れていた。

本発明は、Ａｌ被膜の硬度を高め、硬度の低さに起因した被膜損傷を防止することで、耐食性や、樹脂系接着剤との接着耐久性などの特性を有効に発揮させることができる表面処理方法、表面処理された希土類系永久磁石およびＡｌ被膜の硬度を高める方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。

実施例の実験ＡにおけるＡｌ被膜のビッカース硬度を示すグラフである。本発明の表面処理方法を実施するための表面処理装置の一実施の形態の模式的正面図である。

符号の説明

１処理室
２ハース（溶融蒸発部）
３支持テーブル
４ハース支持台
５被処理物保持部
６回転軸
１０溶融した蒸着材料
１１ワイヤー状Ａｌ蒸着材料
２０繰り出しリール
２１保護チューブ
２２切り欠き窓
２３繰り出しギヤー
３０被処理物

Claims

Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを含むワイヤー状Ａｌ蒸着材料を、加熱した溶融蒸発部に連続供給しながら蒸発させることで、Ｃｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を被処理物の表面に蒸着形成することを特徴とする表面処理方法。
ワイヤー状Ａｌ蒸着材料が水素を含有してなることを特徴とする請求項１記載の表面処理方法。
水素の含有量が１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍであることを特徴とする請求項２記載の表面処理方法。
溶融蒸発部を１３００℃〜１５００℃に加熱することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面処理方法。
被処理物が希土類系永久磁石であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面処理方法。
Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含むＡｌ被膜を表面に蒸着形成してなることを特徴とする希土類系永久磁石。
被処理物の表面に蒸着形成されるＡｌ被膜の硬度を高める方法であって、Ａｌ以外の金属成分としてＣｕおよび／またはＭｇを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含ませることを特徴とする方法。