JP2005154891A - Ion-implanted electroformed structural material and method of producing the structural material - Google Patents

Ion-implanted electroformed structural material and method of producing the structural material Download PDF

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耕司 新田
Shinji Inasawa
信二 稲沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion-implanted electroformed structural material in which the strength of an electroformed body can be easily improved, and to provide a method of producing the same. <P>SOLUTION: The ion-implanted electroformed structural material is made of an electroformed body 1 formed by electroforming and has an ion-implanted layer formed by implanting ions 2 into the electroformed body 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、イオン注入電鋳部材およびその製造方法に関し、より具体的には電鋳材において、その表面のイオン注入層より内部における硬さを上昇させたイオン注入電鋳部材およびその製造方法に関するものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ion-implanted electroformed member and a method for manufacturing the same, and more specifically, to an ion-implanted electroformed member having an internal hardness higher than that of an ion-implanted layer on the surface thereof. Is.

精度のよい金属製の微細な構造体を大量に製造する場合、LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung;Lithography Electroforming Molding )プロセスは有用である。X線の中でも指向性の高いシンクロトロン放射(SR)光を用いるLIGAプロセスは、ディープなリソグラフィが実施可能であり、数100μmの高さの構造体をミクロン領域の精度で加工することが可能である。すなわち、厚みの大きい構造を有する金属製の微細な構造体を容易に製造することができるなどの特徴を有するため、広範な分野での応用が期待されている。   The LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung; Lithography Electroforming Molding) process is useful when producing a large amount of fine metal structures with high accuracy. The LIGA process using synchrotron radiation (SR) light, which has high directivity among X-rays, can perform deep lithography, and can process a structure with a height of several hundreds of micrometers with accuracy in the micron range. is there. That is, since it has the characteristics that a metal fine structure having a large thickness structure can be easily manufactured, application in a wide range of fields is expected.

LIGAプロセスは、リソグラフィ、電鋳としてのめっきおよびモールドを組合せた加工技術である。LIGAプロセスでは、たとえば導電性基板上にレジスト膜が形成され、このレジスト膜に所定形状のパターンを有する吸収体マスク(レチクル)を介してSR光が照射される。このようなリソグラフィにより吸収体マスクの形状パターン(マスクパターン)に応じたレジスト構造体(樹脂型)が形成される。このマスクパターンの開口部内に電鋳によって金属を堆積させることにより、金属製の微細な構造体が得られる。この高精度の金属製の微細な構造体を金型として用い、射出成形などにより樹脂製の微細成形品を作製することにより、それらを組み合わせたマイクロ機器を得ることができる(たとえば非特許文献1参照)。
安井学、平林康男、藤田博之:表面技術,2001,Vol.52,No.11 pp.734-737
The LIGA process is a processing technique that combines lithography, plating as electroforming, and mold. In the LIGA process, for example, a resist film is formed on a conductive substrate, and this resist film is irradiated with SR light through an absorber mask (reticle) having a pattern of a predetermined shape. By such lithography, a resist structure (resin mold) corresponding to the shape pattern (mask pattern) of the absorber mask is formed. A metal fine structure is obtained by depositing metal in the opening of the mask pattern by electroforming. By using this high-precision metal fine structure as a mold and producing a resin-made fine molded product by injection molding or the like, a micro device combining them can be obtained (for example, Non-Patent Document 1). reference).
Manabu Yasui, Yasuo Hirabayashi, Hiroyuki Fujita: Surface Technology, 2001, Vol.52, No.11 pp.734-737

しかしながら、上記のLIGAプロセスにおいて、電鋳処理によって形成できる金属は、Ni、Fe、Co等およびNi−Fe合金等のめっきが可能な金属に限られている。より高硬度、高強度が求められる場合、従来では例えばNi−Mn合金やNi−W合金等の高硬度材料を用いる事例があるが、めっき液の管理などに高度な技術力が必要であり、適用の範囲も限られている。   However, in the LIGA process, metals that can be formed by electroforming are limited to metals that can be plated, such as Ni, Fe, Co, and Ni-Fe alloys. When higher hardness and higher strength are required, there are cases where high hardness materials such as Ni-Mn alloys and Ni-W alloys are used in the past, but advanced technical capabilities are required for management of plating solutions, The scope of application is also limited.

また、微細部品の耐摩耗性などが問題になる場合には、表面にめっきやPVD(Physical Vapor Deposition)、CVD(Chemical Vapor Deposition)などによる硬質の膜を形成することもできるが、この場合、部品本体と膜との密着性の確保が問題となる。また、形状が複雑な場合には、蒸着時の影になる部分や微細凹部への成膜が困難な場合も想定される。   In addition, when the wear resistance of fine parts becomes a problem, a hard film can be formed on the surface by plating, PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), etc. Ensuring the adhesion between the component body and the film is a problem. In addition, when the shape is complicated, there may be a case where it is difficult to form a film on a shadowed portion or a fine concave portion during vapor deposition.

一方、電鋳浴として水溶液を用いずに溶融塩を用いた電鋳によれば、現行のNi系合金に比べ、さらに高硬度のCr、Ti、Moなどの電鋳材を得ることができる。しかし、上記の金属の電鋳に使用できる溶融塩は250℃以上の高温に限られ、通常のフォトレジストを用いるリソグラフィではレジストが熱により変形してしまい使用できない。また、溶融塩は吸湿性や反応性が高く、不活性ガス環境内で電鋳を行なう必要があるなどの制約がある。   On the other hand, according to electroforming using a molten salt without using an aqueous solution as an electroforming bath, it is possible to obtain an electroformed material such as Cr, Ti, and Mo having higher hardness than the current Ni-based alloys. However, the molten salt that can be used for the above-described metal electroforming is limited to a high temperature of 250 ° C. or higher. In lithography using a normal photoresist, the resist is deformed by heat and cannot be used. In addition, the molten salt has high hygroscopicity and reactivity, and thus has a limitation that it is necessary to perform electroforming in an inert gas environment.

このため、汎用的な方法によって形成され、強度を簡単に向上させることができる電鋳部材およびその製造方法の開発が求められてきた。   For this reason, there has been a demand for the development of an electroformed member formed by a general-purpose method and capable of easily improving the strength and a method for manufacturing the same.

本発明は、電鋳材の強度を簡単に向上させることができる、イオン注入電鋳部材およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the ion implantation electroformed member which can improve the intensity | strength of an electroformed material easily, and its manufacturing method.

本発明のイオン注入電鋳部材は、電鋳によって形成された電鋳材に加速されたイオンが注入されて形成されたイオン注入層を有する電鋳部材である。   The ion-implanted electroformed member of the present invention is an electroformed member having an ion-implanted layer formed by implanting accelerated ions into an electroformed material formed by electroforming.

上記部材は、表面には強度の大きいイオン注入層が形成され、それより内部において組織が微細化された変調組織が形成されている。その結果、表層部およびそれより内部において強度を向上させることができる。   The member has an ion-implanted layer having a high strength on the surface, and a modulated structure in which the structure is refined is formed. As a result, the strength can be improved in the surface layer portion and the inside thereof.

本発明のイオン注入電鋳部材の製造方法は、電鋳材を形成する工程と、その電鋳材にイオンを加速して注入する工程とを備える。   The method for producing an ion-implanted electroformed member of the present invention includes a step of forming an electroformed material and a step of accelerating and implanting ions into the electroformed material.

この工程の組み合わせにより、表面のイオン注入層より内部に微細化された変調組織を形成することができる。   By combining this process, it is possible to form a finely modulated structure inside the ion implantation layer on the surface.

本発明のイオン注入電鋳部材およびその製造方法を用いることにより、電鋳部材の耐久性を簡単に向上させることができる。このため、マイクロ機器用の微細電鋳部材に加えて、従来、強度向上のために鍛造加工などを必要とした電鋳部材一般に用いて、鍛造工程を省略することなどができる。   By using the ion-implanted electroformed member of the present invention and the manufacturing method thereof, the durability of the electroformed member can be easily improved. For this reason, in addition to the micro electroformed member for micro equipment, conventionally, it is possible to omit the forging process by using the electroformed member generally requiring forging to improve the strength.

電鋳材にイオンを注入するとなぜイオンが到達していない内部の硬度が上昇するのか、その機構については分っていない。本発明者らは、各種の文献を探索したが、これまで本現象が発表された事実を確認することができなかった。ところが、実験条件を変えて確認実験を行なったが再現性は確かであった。   It is not known why the ion hardness is increased when ions are implanted into the electroformed material. The present inventors searched various documents, but have not been able to confirm the fact that this phenomenon has been announced so far. However, the reproducibility was certain though the confirmation experiment was carried out by changing the experimental conditions.

次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるイオン注入電鋳部材の製造方法を説明する図である。金属基板3の上にレジストパターン(図示せず)にしたがって形成された電鋳材1に10kV以上の電圧で加速されたイオン2を打ち込み、イオンを注入する。このイオン注入により、図2に示すようにイオン注入層より内部の位置の硬度が上昇する。この硬度の上昇は未処理値に対して、通常は30%、大きい場合は50%上昇するという顕著なものである。図2において、イオン注入層は深さ5μm以下の範囲に形成されるが、このイオン注入層の範囲の硬度は表示していない。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing an ion-implanted electroformed member according to an embodiment of the present invention. Ions 2 accelerated by a voltage of 10 kV or more are implanted into an electroformed material 1 formed on a metal substrate 3 according to a resist pattern (not shown), and ions are implanted. By this ion implantation, as shown in FIG. 2, the hardness of the inner position from the ion implanted layer increases. This increase in hardness is significant, typically 30% and 50% higher than the untreated value. In FIG. 2, the ion implantation layer is formed in a depth of 5 μm or less, but the hardness in the range of this ion implantation layer is not shown.

図3は、電鋳材のミクロ組織の模式図である。電鋳材でも組織を細かくすることは可能である。すなわち電鋳浴内の電極間にパルス状の電圧を印加して、パルス状の電流を流して電鋳を行なうと、電鋳液から電鋳材が析出する際、析出の核発生サイト密度が増加して細かい組織の電鋳材を得ることができる。図3の模式図は、そのような細かい組織の電鋳材の模式図である。電鋳材の場合、電極表面から連続して結晶が成長するので、鋳造金属に特有の成長方向に長い柱状晶が形成される場合もあるし、方向性のない等軸晶が形成される場合もある。図3の模式図は、等軸晶と解釈してもよいし、柱状晶の断面と解釈してもよい。なお、平均粒径は、柱状晶の場合、柱の長手方向の断面において測定した粒径である。   FIG. 3 is a schematic diagram of the microstructure of the electroformed material. It is possible to refine the structure even with an electroformed material. That is, when a pulsed voltage is applied between the electrodes in the electroforming bath and a pulsed current is applied to perform electroforming, when the electroformed material is precipitated from the electroforming liquid, the density of nucleation sites of precipitation is reduced. As a result, an electroformed material having a fine structure can be obtained. The schematic diagram of FIG. 3 is a schematic diagram of an electroformed material having such a fine structure. In the case of electroformed material, crystals grow continuously from the electrode surface, so long columnar crystals may be formed in the growth direction peculiar to the cast metal, and equiaxed crystals with no directionality may be formed. There is also. The schematic diagram in FIG. 3 may be interpreted as an equiaxed crystal or a cross section of a columnar crystal. In the case of columnar crystals, the average particle size is a particle size measured in a cross section in the longitudinal direction of the column.

図3に示す組織中の細かい結晶粒5の間には、電鋳材に特有のボイド4(キャビティまたはポアとも呼ぶ)が生じている。一方、イオン注入層より内部の微細化された変調組織では、図4に示すように、結晶粒5は電鋳したままの状態の結晶粒よりも微細化され、またボイド4もそれに伴い小さくなっているように見える。ボイドなどの不完全性(欠陥)は、結晶粒が微細化して不完全性(欠陥)の一種である結晶粒界が増えた分に、部分的に消費されているように見える。しかし、上述のように、バルク金属材料の非常に長い歴史の中で初めて遭遇する現象と考えられるので、断定することは差し控えたい。上記の記述は、あくまでそのように見えるという事実を述べていると解釈されるべきである。   Between the fine crystal grains 5 in the structure shown in FIG. 3, voids 4 (also referred to as cavities or pores) unique to the electroformed material are generated. On the other hand, in the modulated structure refined inside the ion-implanted layer, as shown in FIG. 4, the crystal grain 5 is made finer than the crystal grain as it is electroformed, and the void 4 becomes smaller accordingly. Looks like. Imperfections (defects) such as voids appear to be partially consumed due to the increase in crystal grain boundaries, which is a kind of imperfections (defects), due to the refinement of crystal grains. However, as mentioned above, it is thought to be the first phenomenon encountered in the very long history of bulk metal materials, so we refrain from affirming it. The above description should be construed as stating the fact that it looks like that.

図5は、電鋳材のFIB(Focused Ion Beam)写真を示す図である。また、図6は、図5の部分Aの組織を線描きした図である。電鋳材は柱状晶として形成され、その柱状晶の平均粒径は1μmより小さい。電鋳材にはボイドが生成しているが、図5では倍率が不足して観察できない。   FIG. 5 is a view showing a FIB (Focused Ion Beam) photograph of the electroformed material. FIG. 6 is a diagram in which the structure of the portion A in FIG. 5 is drawn. The electroformed material is formed as columnar crystals, and the average grain size of the columnar crystals is smaller than 1 μm. Although voids are generated in the electroformed material, the magnification is insufficient in FIG. 5 and cannot be observed.

図7は、上記電鋳材の表面側からイオンを打ち込んだ後の組織を示すFIB写真を示す図であり、また図8は上記図7のAに対応する部分Aの線描き図である。線描き図の図6と図8とを比較すると分るように、表面から内部に40μm内部に入った位置において、すなわちイオンが届かない内部において、組織が変調され微細化されている。その変調のされ方は、図8に観察されるように、元の柱状晶の影響を受け、柱状晶の長い方向に沿ってやや細長い形状を有しながら微細化されているように見える。微細化の程度は顕著であり、その平均粒径は0.5μmより相当程度小さくなっているように見える。   FIG. 7 is a view showing a FIB photograph showing the structure after ions are implanted from the surface side of the electroformed material, and FIG. 8 is a line drawing of a portion A corresponding to A in FIG. As can be seen by comparing FIG. 6 and FIG. 8 of the line drawing, the structure is modulated and refined at a position inside the inside of 40 μm from the surface, that is, inside the ion does not reach. As seen in FIG. 8, the modulation is influenced by the original columnar crystals and appears to be miniaturized while having a slightly elongated shape along the long direction of the columnar crystals. The degree of miniaturization is remarkable, and the average particle diameter seems to be considerably smaller than 0.5 μm.

上記のように、イオン注入層より内部において得られる微細化された変調組織により、前述の硬度上昇を得ることができると考えられる。   As described above, it is considered that the above-described increase in hardness can be obtained by the refined modulation structure obtained inside from the ion-implanted layer.

10cm角のニッケル板をカソード、ニッケルをアノードに用い、以下に示すめっき浴(電鋳液浴)の組成で温度55℃、電流値5Aで100分間めっき(電鋳)を行った。
<めっき浴>
・スルファミン酸ニッケル: 300g/l(g/dm3
・スルファミン酸マンガン: 40g/l
・一次光沢剤(サッカリン酸ナトリウム): 適量・二次光沢剤(ブチンジオール): 適量
・界面活性剤(ラウリル硫酸ナトリウム): 適量
次にこのサンプル(電鋳材)の中央2cm角の部分を切り出し、それを左右1cm幅ずつに二等分し(1)片方を硬度と結晶粒径の調査用に、(2)もう一方をイオン注入に供した。
Using a 10 cm square nickel plate as the cathode and nickel as the anode, plating (electroforming) was performed for 100 minutes at a temperature of 55 ° C. and a current value of 5 A with the composition of the plating bath (electroforming liquid bath) shown below.
<Plating bath>
Nickel sulfamate: 300 g / l (g / dm 3 )
・ Manganese sulfamate: 40 g / l
・ Primary brightener (sodium saccharinate): appropriate amount ・ Secondary brightener (butynediol): appropriate amount ・ Surfactant (sodium lauryl sulfate): appropriate amount Next, cut out the center 2cm square part of this sample (electroformed material) Then, it was bisected into 1 cm widths on the left and right sides. (1) One was used for investigation of hardness and crystal grain size, and (2) the other was used for ion implantation.

硬度の測定は、サンプルを垂直にエポキシ樹脂に埋め込み、サンプルの断面が樹脂の表面と面一になるようにし、その断面を砥粒の粒度#4000番手まで順次番手を変えて研磨の後、バフ仕上げを施し断面を鏡面にした上で、サンプルのめっき表面側から25μmの地点においてビッカース硬度計によりN=10測定し平均した。結晶粒径についてはX線回折にて測定した。   Hardness is measured by embedding the sample vertically in an epoxy resin so that the cross-section of the sample is flush with the surface of the resin, and after changing the cross-section up to the grain size # 4000 of the abrasive grains, After finishing and making the section a mirror surface, N = 10 was measured with a Vickers hardness meter at a point 25 μm from the plating surface side of the sample and averaged. The crystal grain size was measured by X-ray diffraction.

次に(2)のサンプル(電鋳材)について、次の条件で全方位イオン注入処理を行った。
<全方位イオン注入処理条件>
・電圧: 30kV
・注入イオン種: 炭素(C)
・パルス周波数: 150kHz
・処理時間: 60分
・到達真空度: 6.7×10-4Pa以下
・温度:基板ホルダーを25℃冷却クーラントで冷却
イオン注入後に、上記(1)と同様にビッカース硬さと結晶粒径について調査した。
Next, the omnidirectional ion implantation treatment was performed on the sample (electroformed material) of (2) under the following conditions.
<All-direction ion implantation processing conditions>
・ Voltage: 30kV
・ Implanted ion species: Carbon (C)
・ Pulse frequency: 150 kHz
・ Processing time: 60 minutes ・ Achieved vacuum: 6.7 × 10 −4 Pa or less ・ Temperature: Cooling the substrate holder with 25 ° C. cooling coolant After ion implantation, the Vickers hardness and crystal grain size were investigated in the same manner as in (1) above. .

(調査結果)
上記(1)のビッカース硬さはHv439で、結晶粒径は10nm〜1000nmの範囲であった。またFIB加工の後のSIM(Scanning Ion Microscopy)観察ではナノメートルオーダーの微細なボイドが確認された。
(Survey results)
The Vickers hardness of the above (1) was Hv439, and the crystal grain size was in the range of 10 nm to 1000 nm. Further, in the SIM (Scanning Ion Microscopy) observation after the FIB processing, fine voids of nanometer order were confirmed.

一方、イオン注入したイオン注入電鋳部材は、イオン注入層より内部において、ビッカース硬さHv511と向上した。結晶粒径のサイズも5nm〜250nmと小さくなった。またFIB加工後のSIM観察において、上記(1)に見られたボイドは縮小され、またその密度が激減しているのが観察された。   On the other hand, the ion-implanted ion-cast electroformed member was improved to Vickers hardness Hv511 inside the ion-implanted layer. The crystal grain size was also reduced to 5 nm to 250 nm. Further, in the SIM observation after the FIB processing, it was observed that the voids seen in the above (1) were reduced and the density was drastically reduced.

次に上記した実施例も含めて、本発明の別の実施例から得た知見について羅列的に説明する。   Next, the knowledge obtained from other examples of the present invention including the above-described examples will be described enumerated.

1)上記イオン注入電鋳部材の表面から5μm以下の深さ範囲の表層部にイオン注入層が形成され、イオン注入層より深い位置においてミクロ組織が変調された組織が生じるようにできる。   1) An ion-implanted layer is formed in a surface layer portion having a depth range of 5 μm or less from the surface of the ion-implanted electroformed member, and a microstructure whose microstructure is modulated is generated at a position deeper than the ion-implanted layer.

上記の電鋳材のミクロ組織が変調された組織とは、電鋳されたままのミクロ組織が変化して、電鋳されたままの結晶粒よりも微細な結晶粒が主体を占める組織をさす。この組織により、非常に耐久性に優れた微小部材を得ることが可能になる。表面から5μmを超える深さにまでイオンを注入するには莫大な規模の加速装置を必要とし、簡単に強度を高めるという本発明の目的から外れてしまう。   The above-mentioned microstructure in which the microstructure of the electroformed material is modulated refers to a structure in which the microstructure as it is electroformed changes and the crystal grains that are finer than the crystal grains as electrocast are mainly used. . With this structure, it is possible to obtain a micro member having excellent durability. Implanting ions from the surface to a depth of more than 5 μm requires an enormous scale acceleration device, which deviates from the object of the present invention to easily increase the strength.

ミクロ組織の変調は、電鋳部材の表面から内部に入った断面中央の位置において生じていてもよい。   The modulation of the microstructure may occur at the position of the center of the cross section that enters from the surface of the electroformed member.

上記の変調組織がなぜイオン注入によって生じるか、また表面からどの深さまで形成されるかなど、上述のように解明されていない。しかし、厚み80μm程度の電鋳部材の全厚みにわたって変調組織が形成されている。この変調組織は発生すれば全断面に生成し、変調組織の深さ分布を制御することはできないかもしれない。しかし、少なくとも断面中央の位置で微細化された変調組織が形成されていれば、電鋳部材における耐久性の向上に非常に有益である。   It has not been elucidated as described above why the above-mentioned modulated tissue is generated by ion implantation and to what depth it is formed from the surface. However, a modulation structure is formed over the entire thickness of the electroformed member having a thickness of about 80 μm. If this modulation texture occurs, it may be generated in the entire cross section, and the depth distribution of the modulation texture may not be controlled. However, if a miniaturized modulation structure is formed at least at the center of the cross section, it is very beneficial for improving the durability of the electroformed member.

2)また、本発明によれば、上記のミクロ組織の変調が生じている部分の平均結晶粒径を0.5μm以下とすることができる。   2) Further, according to the present invention, the average crystal grain size of the portion where the above-mentioned microstructural modulation occurs can be made 0.5 μm or less.

このように微細化した変調組織とすることにより、強度を向上することができる。図5から図8のように、柱状晶組織の電鋳材の組織が変調された場合には、その柱状晶が微細化されながら引き継がれる。柱状晶では、上記の平均結晶粒径は、柱状晶の長さ方向の断面における平均粒径となる。   By making the modulation structure finer in this way, the strength can be improved. As shown in FIGS. 5 to 8, when the structure of the electroformed material having a columnar crystal structure is modulated, the columnar crystal is succeeded while being refined. In the columnar crystal, the average crystal grain size is the average grain size in the cross section in the length direction of the columnar crystal.

以上のように、本発明はイオン注入層より深い位置において、ミクロ組織の変調と、平均結晶粒径の微細化により、ミクロ組織の変調が生じている部分の硬さを、電鋳によって形成された時点での電鋳材の硬さよりも硬くすることができる。   As described above, the present invention is formed by electroforming at a position deeper than the ion-implanted layer by electroforming the microstructure where the microstructure is modulated and the average crystal grain size is reduced. It can be made harder than the hardness of the electroformed material at that time.

3)電鋳によって形成された電鋳材は、イオン注入前の材料である。電鋳材自体の組織は微細であるほうが、上記イオン注入による変調組織を内部に発生しやすい。イオン注入された変調組織はその電鋳材よりも組織は微細化され強度が向上する。   3) The electroformed material formed by electroforming is a material before ion implantation. The finer the structure of the electroformed material itself, the easier it is to generate a modulated structure by the ion implantation. The ion-implanted modulation structure is made finer and stronger than the electroformed material.

電鋳によって形成された電鋳材の結晶粒の平均粒径は1μm以下とするのが好ましい。この平均粒径も柱状晶の場合には柱状晶の断面における粒径の平均値である。その手段は、電鋳時にパルス状に電圧を印可する方法により達成できる。このようにパルス状の電圧印加、すなわちパルス状の電流供給により、溶液からの析出時の過飽和度を高めて核発生密度を高め、電鋳材の組織を細かくすることができる。   The average grain size of the crystal grains of the electroformed material formed by electroforming is preferably 1 μm or less. In the case of columnar crystals, this average particle size is also the average value of the particle sizes in the cross section of the columnar crystals. The means can be achieved by a method of applying a voltage in pulses during electroforming. Thus, by applying a pulsed voltage, that is, supplying a pulsed current, it is possible to increase the degree of supersaturation during precipitation from the solution to increase the nucleation density and to refine the structure of the electroformed material.

この操作により、イオン注入をしたときにイオン注入層よりも内部に微細化された変調組織を形成することが容易になる。   This operation makes it easier to form a finer modulation structure inside the ion-implanted layer when ion implantation is performed.

4)イオン注入する工程では、表面から5μm以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の硬さを上昇させることができる。   4) In the step of ion implantation, ions can be implanted in a range of 5 μm or less from the surface, and thereby the internal hardness can be increased.

つまり、微細化された変調組織をイオン注入層よりも内部に形成することができるので、イオンが届かない内部においても強度が向上する。   In other words, since a finer modulation structure can be formed inside the ion-implanted layer, the strength is improved even in the inside where ions do not reach.

上記のイオン注入する工程では、表面から5μm以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の組織まで変調された組織とすることができる。   In the above-described ion implantation step, ions are implanted in a range of 5 μm or less from the surface, and a tissue modulated to the internal tissue can be obtained.

この方法により、表面直下5μm以下にイオン注入層を形成しても、たとえば表面から40μm内部に微細化された変調組織を形成することができる。   By this method, even if the ion-implanted layer is formed at 5 μm or less immediately below the surface, for example, a finely modulated structure can be formed inside the surface by 40 μm.

5)イオン注入の工程において、電鋳材の温度をその電鋳材を構成する材料の融点(K)の(1/3)以下としてもよい。   5) In the ion implantation step, the temperature of the electroformed material may be (1/3) or less of the melting point (K) of the material constituting the electroformed material.

この条件により、微細化された変調組織の各結晶粒を微細化された状態にとどめ、粒がそれより大きく成長して粗大化するのを防止することができる。   Under these conditions, each crystal grain of the refined modulation structure can be kept in a refined state, and the grains can be prevented from growing larger and coarsening.

6)イオン注入の工程において、イオンを10kV以上の電圧で加速することが好ましい。   6) In the ion implantation step, it is preferable to accelerate the ions with a voltage of 10 kV or more.

イオンの加速電圧が10kV未満ではイオン注入を十分行なうことができず、内部における微細化された変調組織を形成することは可能であるが、難しい。   When the acceleration voltage of ions is less than 10 kV, ion implantation cannot be sufficiently performed, and it is possible to form a finely modulated structure inside, but it is difficult.

7)イオン注入の工程において、全方位型のプラズマイオン注入装置を用いるのが好ましい。   7) In the ion implantation step, it is preferable to use an omnidirectional plasma ion implantation apparatus.

この装置により、複雑な形状をした電鋳材にも影になる部分を作らずに、すべての表面に均一にイオン注入層を形成することができる。そのため、そのイオン注入層から内部に洩れなく微細化された変調組織を形成することができる。   With this apparatus, an ion-implanted layer can be uniformly formed on all surfaces without creating a shadowed portion on the electroformed material having a complicated shape. Therefore, it is possible to form a miniaturized modulation structure without leakage from the ion implantation layer.

8)電鋳材が、Ni、Fe、Cu、Zn、Sn、Mn、Co、Ag、Auのいずれか、またはこれらを組み合わせた合金から選択するのが好ましい。これらの電鋳材にイオン注入処理を行なうことにより、耐久性に優れたイオン注入電鋳部材を作製することができる。   8) It is preferable that the electroforming material is selected from Ni, Fe, Cu, Zn, Sn, Mn, Co, Ag, Au, or an alloy in which these are combined. By performing ion implantation treatment on these electroformed materials, ion implanted electroformed members having excellent durability can be produced.

9)上記実施例では、電鋳材に注入するイオンに炭素(C)を用いたが、他のイオンを用いてもよい。たとえば窒素(N)イオンを用いることもできる。イオンは原子のイオンでもよいし、分子のイオンでもよい。また、炭素および窒素以外のイオンを用いてもよいことは言うまでもない。   9) In the above embodiment, carbon (C) is used as ions implanted into the electroformed material, but other ions may be used. For example, nitrogen (N) ions can be used. The ions may be atomic ions or molecular ions. Needless to say, ions other than carbon and nitrogen may be used.

上記のように、本発明の実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施例に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   As mentioned above, although the Example of this invention was described, the Example of this invention disclosed above is an illustration to the last, Comprising: The scope of the present invention is not limited to these Examples. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明のイオン注入電鋳部材およびその製造方法を用いることにより、電着材の耐久性を簡単に向上させることができるので、マイクロ機器用の微細電鋳部材に加えて、従来、強度上昇のために鍛造加工などを必要とした電鋳部材一般に用いて鍛造工程を省略することなどの現在未知の用途を見出し、より広範な利用が期待される。   By using the ion-implanted electroformed member and the manufacturing method thereof of the present invention, the durability of the electrodeposition material can be easily improved. Therefore, in addition to the micro electroformed member for micro equipment, conventionally, the strength is increased. Therefore, the presently unknown uses such as omitting the forging process using electroforming members generally requiring forging and the like are found, and a wider use is expected.

本発明の実施の形態であるイオン注入電鋳部材を製造する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to manufacture the ion implantation electroformed member which is embodiment of this invention. 本発明のイオン注入電鋳部材の深さ方向における硬度分布を示す図である。It is a figure which shows the hardness distribution in the depth direction of the ion implantation electroformed member of this invention. 電鋳したままの材料のミクロ組織を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the microstructure of the material as electroformed. 電鋳材にイオン注入を行なった後のミクロ組織を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the microstructure after performing ion implantation to an electroformed material. 電鋳したままの材料の、表面から40μm深さ位置のFIB写真を示す図である。It is a figure which shows the FIB photograph of the position of 40 micrometers depth from the surface of the material as electroformed. 図5のA部のミクロ組織を線描きした図である。FIG. 6 is a diagram in which the microstructure of part A in FIG. 5 is drawn. 電鋳材にイオン注入した後の、表面から40μm深さ位置のFIB写真を示す図である。It is a figure which shows the FIB photograph of a 40 micrometer depth position from the surface after ion-implanting to an electroforming material. 図7のA部のミクロ組織を線描きした図である。It is the figure which drawn the micro structure of the A section of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 電鋳材、2 加速されたイオン、3 基板、4 ボイド、5 結晶粒。   1 electroformed material, 2 accelerated ions, 3 substrate, 4 voids, 5 crystal grains.

Claims (14)

電鋳によって形成された電鋳材にイオンが注入されて形成されたイオン注入層を有する部材である、イオン注入電鋳部材。   An ion-implanted electroformed member, which is a member having an ion-implanted layer formed by implanting ions into an electroformed material formed by electroforming. 前記イオン注入電鋳部材の表面から5μm以下の深さ範囲の表層部にイオン注入層が形成され、前記イオン注入層より深い位置においてミクロ組織の変調が生じている、請求項1に記載のイオン注入電鋳部材。   The ion according to claim 1, wherein an ion-implanted layer is formed in a surface layer portion having a depth range of 5 μm or less from the surface of the ion-implanted electroformed member, and a microstructure is modulated at a deeper position than the ion-implanted layer. Injection electroformed member. 前記表面から内部に入った断面中央の位置においてミクロ組織の変調が生じている、請求項2に記載のイオン注入電鋳部材。   The ion-implanted electroformed member according to claim 2, wherein the microstructure is modulated at a position in the center of the cross section that enters the inside from the surface. 前記ミクロ組織の変調が生じている部分の平均結晶粒径が0.5μm以下である、請求項2または3に記載のイオン注入電鋳部材。   4. The ion-implanted electroformed member according to claim 2, wherein an average crystal grain size of a portion where the microstructure is modulated is 0.5 μm or less. 前記ミクロ組織の変調が生じている部分の硬さが、前記電鋳によって形成された電鋳材の硬さよりも硬い、請求項2乃至4のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材。   The ion-implanted electroformed member according to any one of claims 2 to 4, wherein a hardness of a portion where the microstructure is modulated is harder than a hardness of an electroformed material formed by the electroforming. 前記電鋳によって形成された電鋳材の結晶粒の平均粒径が1μm以下である、請求項1に記載のイオン注入電鋳部材。   The ion-implanted electroformed member according to claim 1, wherein an average particle diameter of crystal grains of the electroformed material formed by the electroforming is 1 μm or less. 電鋳材を形成する工程と、前記電鋳材に加速したイオンを注入する工程とを備える、イオン注入電鋳部材の製造方法。   A method for manufacturing an ion-implanted electroformed member, comprising: a step of forming an electroformed material; and a step of implanting accelerated ions into the electroformed material. 前記電鋳材を形成する工程では電鋳材の平均結晶粒径が1μm以下となるように行なう、請求項7に記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The method for producing an ion-implanted electroformed member according to claim 7, wherein the step of forming the electroformed material is performed such that an average crystal grain size of the electroformed material is 1 μm or less. 前記電鋳材を形成する工程ではパルス状に電圧を印加する、請求項7または8に記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The method for manufacturing an ion-implanted electroformed member according to claim 7 or 8, wherein a voltage is applied in a pulse shape in the step of forming the electroformed material. 前記イオン注入する工程では、表面から5μm以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の硬さを上昇させる、請求項7乃至9のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The method for manufacturing an ion-implanted electroformed member according to any one of claims 7 to 9, wherein, in the ion implantation step, ions are implanted in a range of 5 µm or less from the surface, and the internal hardness is thereby increased. 前記イオン注入する工程では、表面から5μm以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の組織を変調された組織とする、請求項7乃至10のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The ion-implanted electroformed member according to any one of claims 7 to 10, wherein in the ion-implanting step, ions are implanted in a range of 5 µm or less from the surface, and the inner structure is made a modulated structure. Method. 前記イオン注入の工程において、前記電鋳材の温度をその電鋳材を構成する材料の融点(K)の(1/3)以下とする、請求項7乃至11のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The ion implantation according to any one of claims 7 to 11, wherein, in the ion implantation step, a temperature of the electroformed material is set to (1/3) or less of a melting point (K) of a material constituting the electroformed material. A method for producing an electroformed member. 前記イオン注入において、イオンを10kV以上の電圧で加速する、請求項7乃至12のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The method for manufacturing an ion-implanted electroformed member according to any one of claims 7 to 12, wherein in the ion implantation, ions are accelerated at a voltage of 10 kV or more. 前記イオン注入において、全方位型のプラズマイオン注入装置を用いる、請求項7乃至13のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。   The method for manufacturing an ion-implanted electroformed member according to claim 7, wherein an omnidirectional plasma ion implantation apparatus is used in the ion implantation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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