JP2006118055A - 表面処理装置および表面処理された希土類系永久磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い真空度を得るために長時間をかけたり、特別の装置を使用したりすることなく、アルミニウムのような易酸化性蒸着材料を希土類系永久磁石のような被処理物に安定に蒸着させるための表面処理方法、この方法を実施するために好適な表面処理装置などを提供すること。
【解決手段】 易酸化性蒸着材料からなる蒸着被膜を被処理物の表面に形成する表面処理方法であって、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物の近傍に蒸着制御ガスを供給した状態で前記蒸着材料を蒸発させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、アルミニウムや亜鉛のような易酸化性蒸着材料を希土類永久磁石のような被処理物に安定に蒸着させるための表面処理方法、この方法を実施するために好適な表面処理装置と蒸着材料、この方法によって得られる希土類永久磁石に関する。

従来から、例えば、酸化によって劣化しやすい性質を持つ希土類永久磁石などは、その表面にアルミニウム被膜などを蒸着形成して酸化による劣化を防止するようにしていた。このような表面処理方法のためには、例えば、図３に示すような表面処理装置が用いられている。
図３は、具体的には希土類永久磁石表面にアルミニウム蒸着被膜を形成するための装置を示すもので、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、蒸着材料であるアルミニウム１０を蒸発させる溶融蒸発部であるハース（蒸着材料を溶解するための容器）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１個または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。
そして、この装置によれば、前記被処理物保持部５内に被処理物として希土類系永久磁石３０が収容され、この被処理物保持部５、５を回転させながら、図略の加熱手段によって所定温度に加熱された前記ハース２からアルミニウム１０を蒸発させ、被処理物保持部５、５内の希土類系永久磁石３０の表面にアルミニウム蒸着被膜を形成するようにしている。

しかし、このような表面処理装置を使用して処理室内の酸素分圧が高い状態で蒸着処理を行った場合、溶融蒸発部から蒸発したアルミニウムが、被処理物に到達するまでの間に室内に存在する酸素によって酸化してしまい、優れた膜質のアルミニウム被膜を形成することができないという問題や、溶融蒸発部内のアルミニウム溶湯の表面に酸化アルミニウムの被膜が形成されてしまい蒸着材料であるアルミニウムが十分に蒸発されないという問題があった。また、これらの問題を解消するために、酸素分圧を低くすることを目的として真空度を上げようとすると、長時間の真空排気を行う必要がある。従って、例えば、全体の処理時間が２．５時間に対して、１０^-4Ｐａ以下の真空度を得るために１時間を要するというように、生産性が劣るという問題があった。
そこで本発明は、高い真空度を得るために長時間をかけたり、特別の装置を使用したりすることなく、アルミニウムのような易酸化性蒸着材料を希土類系永久磁石のような被処理物に安定に蒸着させるための表面処理方法、この方法を実施するために好適な表面処理装置などを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の問題点を解決するために鋭意検討の結果、処理室内における溶融蒸発部と被処理物の近傍を、水素などによって蒸着を制御するガス雰囲気にした状態で前記蒸着材料を蒸発させると、高い真空度を得るために長時間をかけたり、特別の装置を使用したりしなくても、極めて安定に蒸着処理を行うことができることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、本発明の表面処理装置は、請求項１記載の通り、真空排気系に連なる処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、この蒸着材料が蒸着される被処理物の保持部を備えた表面処理装置であって、蒸着制御ガスを含有するワイヤー状蒸着材料を前記溶融蒸発部に供給するための蒸着材料供給手段を備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の表面処理装置は、請求項１記載の表面処理装置において、前記蒸着材料供給手段は、前記ワイヤー状蒸着材料の繰り出しリールからなることを特徴とする。
また、請求項３記載の表面処理装置は、請求項１または２記載の表面処理装置において、前記蒸着制御ガスが水素であることを特徴とする。
また、請求項４記載の表面処理装置は、請求項２または３記載の表面処理装置において、前記繰り出しリールの繰り出し速度で、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物間の空間における蒸着制御ガス／酸素モル比を調整自在としたことを特徴とする。
また、本発明の被処理物は、請求項５記載の通り、請求項１乃至４のいずれかに記載の表面処理装置を用いて、アルミニウム、チタニウム、亜鉛、錫、鉛、ビスマスから選ばれる少なくとも一成分の蒸着被膜が形成されていることを特徴とする。
また、請求項６記載の被処理物は、請求項５記載の被処理物において、前記蒸着被膜が水素を含有することを特徴とする。
また、請求項７記載の被処理物は、請求項６記載の被処理物において、前記蒸着被膜中の水素含有量が１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍであることを特徴とする。
また、請求項８記載の被処理物は、請求項５乃至７のいずれかに記載の被処理物において、前記被処理物が希土類系永久磁石であることを特徴とする。

本発明によれば、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物の近傍に水素などの蒸着制御ガスを供給した状態で易酸化性蒸着材料を蒸発させることによって、高い真空度を得るために長時間をかけたり、特別の装置を使用したりしなくても、安定に蒸着材料からなる蒸着被膜を所望の被処理物表面に形成することができる。そして、本発明の表面処理方法を採用すれば、極めて酸化しやすい希土類系永久磁石に対し、それが有する高い磁気特性を損なうことなく耐食性を付与することができる。

本発明の表面処理方法において表面処理の対象となる被処理物は、特に限定されるものではなく、蒸着処理によって蒸着被膜の形成が可能なものであればどのようなものでも構わない。しかしながら、本発明の表面処理方法によれば、蒸着処理を行う前工程である真空排気に長時間を要することがないため、連続的に大量処理することが要求される製品、例えば、電子部品材料などに用いられる希土類系永久磁石の表面処理に特に好適である。

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において使用される易酸化性蒸着材料は、特に限定されるものではなく、蒸着被膜の材料となるものであればどのようなものでも構わない。しかしながら、本発明の表面処理方法は、微量の酸素の存在でも直ちに酸化してしまうアルミニウムなどを使用した蒸着処理に好適である。アルミニウム以外の材料としては、チタニウム、亜鉛、錫、鉛、ビスマスなどが挙げられる。

本発明の意図するところは、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物の近傍に存在する酸素による悪影響をいかに抑制して、溶融蒸発部から蒸発した易酸化性蒸着材料を被処理物に到達させ、また、溶融蒸発部内の蒸着材料溶湯の表面に酸化物被膜を形成させずに、優れた膜質の蒸着被膜を被処理物表面に形成するかということにある。従って、酸素の存在による悪影響を抑制するためには、蒸着制御ガスの供給は、処理室内の溶融蒸発部と被処理物の近傍、即ち、溶融蒸発部と被処理物間の空間に行われればよい。しかしながら、蒸着制御ガスの供給は、上記領域のみに行わなければならないということではなく、室内全体に供給してもよいことはいうまでもない。

本発明における蒸着制御ガスとは、当該ガスを供給することで、当該ガスを供給しない場合と比較して蒸着結果を改善する作用を有するガスを意味し、具体的には、酸素との反応性を有する還元性ガスを意味する。還元性ガスには、一酸化炭素や水素などが挙げられるが、取り扱いの容易性などの観点からは水素を使用することが望ましい。

処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物の近傍に蒸着制御ガスを供給する方法としては、蒸着制御ガス、例えば、水素を含有するワイヤー状蒸着材料を溶融蒸発部に供給しながら蒸発させることによって、前記蒸着材料から蒸着制御ガスを供給する方法が挙げられる。この方法によれば、所望する領域に効率よく蒸着制御ガスを供給することができる。

以下、上記の表面処理方法を実施するための表面処理装置について、図面に基づき説明する。なお、以下の説明は、易酸化性蒸着材料として水素を含有するアルミニウムワイヤーを使用し、被処理物として希土類系永久磁石の表面処理を行う場合についてのものである。
図１および図２は、好適な表面処理装置の一実施の形態を示すものである。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、蒸着材料であるアルミニウム１０を蒸発させる溶融蒸発部であるハース（蒸着材料を溶解するための容器）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。
そして、この装置によれば、前記被処理物保持部５内に被処理物として希土類系永久磁石３０が収容され、この被処理物保持部５、５を回転させながら、図略の加熱手段によって所定温度に加熱された前記ハース２からアルミニウム１０を蒸発させ、被処理物保持部５、５内の希土類系永久磁石３０の表面にアルミニウム蒸着被膜を形成するようにしている。

以上の構成は、従来の表面処理装置と特にその構成を異にするものではないが、本発明の装置では、更に、支持テーブル３の下方内部に、蒸着材料である水素を所定量含有するアルミニウムワイヤー１１が繰り出しリール２０に回巻保持されている。前記繰り出しリール２０への前記アルミニウムワイヤー１１の回巻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。前記アルミニウムワイヤー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。該保護チューブ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、２３によって、前記アルミニウムワイヤー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。

かくして、前記ハース２を所定温度に加熱して、前記繰り出しリール２０から前記アルミニウムワイヤー１１をハース２に向かって連続的に送り出すことによって、ハース２内に送り込まれたアルミニウムワイヤー１１がハース２内で溶融した際に、アルミニウムワイヤー１１から所定量の水素が放出され、処理室１内における少なくとも溶融蒸発部であるハース２と被処理物である希土類系永久磁石３０の近傍、即ち、ハースと希土類系永久磁石間の空間において水素雰囲気を生成させた状態で前記蒸着材料であるアルミニウムを蒸発させることが可能となるものである。

この時、アルミニウムワイヤーに含有される水素量および／またはアルミニウムワイヤーの繰り出し速度を調整することで、酸素の存在による悪影響を抑制するための必要量の水素を供給することができ、前記処理室１内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物間の空間における水素／酸素モル比を所望の値に調節することが可能となる。

例えば、従来の方法では処理室内の酸素の存在量が多すぎて蒸着処理が困難であるような１０^-3Ｐａ以上の酸素分圧下であっても、上記モル比が望ましくは１０〜２５０の範囲となるように、より望ましくは２０〜１５０の範囲となるように水素を供給した状態でアルミニウムの蒸発を行えば、安定した蒸着が可能となり、優れた膜質のアルミニウム被膜を被処理物表面に形成することができる。なお、前記モル比が１０未満であると、水素の存在量が少なすぎて溶融蒸発部内の蒸着材料溶湯の表面に酸化物被膜が形成されて蒸着ができなくなるおそれがあり、また、２５０を超えると、溶融蒸発部内の蒸着材料溶湯の表面において、アルミニウムワイヤーに含まれていた水素がボイリングして溶融した蒸着材料が飛び散る現象（スプラッシュ）が生じたり、処理室内の全圧の上昇に起因して真空度が低下し、蒸着材料が蒸発しにくくなったり、被処理物が希土類系永久磁石の場合は、磁石が水素吸蔵を起こして磁気特性が劣化するおそれがある。

本発明者らの検討によれば、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物間の空間を上記の望ましい水素／酸素モル比とするには、ワイヤー径が１ｍｍ〜２ｍｍで水素含有量が０．５ｐｐｍ〜１１ｐｐｍのアルミニウムワイヤーを使用し、１ｇ／ｍｉｎ〜１０ｇ／ｍｉｎの繰り出し速度で溶融蒸発部内にこのアルミニウムワイヤーを送り込むことが望ましい。

以上の条件において、蒸着処理を行うことによって、蒸着被膜中の水素含有量が１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍ、とりわけ、２ｐｐｍ〜１５ｐｐｍの優れた膜質の被膜を被処理物表面に形成することができる。

処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物の近傍に蒸着制御ガスを供給する方法としては、上記のように、蒸着制御ガスを含有するワイヤー状蒸着材料を溶融蒸発部に供給しながら蒸発させることによって、前記蒸着材料から蒸着制御ガスを発生させて供給する方法の他、蒸着制御ガスを処理室外部から導入することによって供給する方法がある。両者は各々単独で採用してもよいし、組み合わせて採用してもよい。

蒸着制御ガスを外部から導入することによって供給する方法を採用する場合、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物間の空間にのみ蒸着制御ガスが供給されるようにしてもよいし、室内全体に蒸着制御ガスが供給されるようにしてもよい。この方法を単独で採用した場合でも、例えば、従来の方法では処理室内の酸素の存在量が多すぎて蒸着処理が困難であるような１０^-3Ｐａ以上の酸素分圧下であっても、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物間の空間における水素／酸素モル比が望ましくは１０〜２５０の範囲となるように、より望ましくは２０〜１５０の範囲となるように水素を供給した状態でアルミニウムの蒸発を行えば、安定した蒸着が可能となり、優れた膜質のアルミニウム被膜を被処理物表面に形成することができる。

蒸着制御ガスを外部から導入することによって供給する方法を単独で採用する場合、処理室内への蒸着制御ガスの導入量でその供給量を簡易に制御することができる点において都合がよい。従って、この場合においては、蒸着材料に含まれる蒸着制御ガス量は極力少ないことが望ましい。また、含まれる蒸着制御ガス量が極力少ない蒸着材料を使用すれば、予め、溶融蒸発部内に供給された蒸着材料を加熱して蒸発させる場合であっても、スプラッシュが生じるおそれも少なく、種々の加熱方式の蒸着処理方法を採用することができる点において都合がよい。好適な蒸着材料としては、水素含有量が０．５ｐｐｍ以下の蒸着材料が挙げられる。

上記のように、本発明は、従来の方法では処理室内の酸素の存在量が多すぎて蒸着処理が困難であるような条件下での蒸着処理に特に効果を発揮するが、本発明の有用性は、酸素の存在量が少ない高い真空度の下での蒸着処理においても効果を発揮する。即ち、例えば、電子ビーム加熱法による蒸着（ＥＢ蒸着）処理は、通常、１０^-3Ｐａ未満の高い真空度の下で行われるが、このような条件下であっても、蒸着時間が長時間に及んだ場合には、溶融蒸発部内の蒸着材料溶湯の表面での酸化は進行するので、安定な蒸着が困難となる。本発明の表面処理方法によれば、このような問題を、酸素の存在量を勘案した上で、所望量の蒸着制御ガスを供給することによって解決することができる点において効果を発揮する。
なお、ＥＢ蒸着を行う場合は、蒸着材料に蒸着制御ガスが含まれていると、スプラッシュが生じるおそれがあるので、安定した蒸着のためには、蒸着材料に含まれる蒸着制御ガス量は極力少ないことが望ましく、蒸着制御ガスは処理室外部から供給することが望ましい。

被処理物としてＲ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石などの希土類系永久磁石を選択し、この表面にアルミニウムなどの蒸着被膜を形成すれば、希土類系永久磁石を優れた膜質の被膜で密着被覆することができる。従って、耐食性に優れた希土類永久磁石を簡易かつ確実に製造することができる。また、本方法によって得られる、例えば、アルミニウム被膜を有する希土類永久磁石には、更なる耐食性の向上のため、クロム酸処理やショットピーニング等の公知の処理を施すことができる。

次に、具体的な実施例を説明する。
実施例Ａ（実施例１〜６と比較例１、２）
公知の鋳造インゴットを粉砕し、微粉砕後に成形、焼結、熱処理、表面加工を行い、１７Ｎｄ−１Ｐｒ−７５Ｆｅ−７Ｂ組成の２３ｍｍ×１０ｍｍ×６ｍｍ寸法の磁石体試験片を得た。
図１および図２に示した表面処理装置（内容積２．２ｍ³）の処理室（真空槽）内に前記磁石体試験片を挿入した後、真空槽内の全圧が１．０×１０^-1Ｐａになるまで真空排気を行った。この時の四重極質量分析計（ＱＩＧ−０６６：アネルバ社製）で測定した真空槽の酸素分圧と、真空槽内の溶融蒸発部と被処理物間の空間体積を０．１ｍ³、蒸着時の溶融蒸発部と被処理物間の空間の平均温度を２００℃として算出した、この空間に存在する酸素分子数を表１に示す。
なお、酸素分圧は、真空槽外壁と接続した差動排気システムによって全圧を１．０×１０^-4Ｐａに減圧した場所に四重極質量分析計を設置し、後述する、磁石体試験片表面の清浄化を目的とする表面スパッタ時の四重極質量分析計での全圧測定値を１．０Ｐａにするように換算して求めた。
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表面を清浄化した後、電圧１．５ｋＶを印加し、アルミニウムワイヤーを加熱して溶融し、蒸発させ、イオン化させてイオンプレーティングを行い、磁石体試験片に２０分で２０μｍのアルミニウム被膜を形成する試験を行った。
なお、アルミニウムワイヤーは、表１中に実施例１〜６と比較例１、２として記載の通り、水素含有量の異なるものを使用し、蒸着の可否の検討を行った（いずれのワイヤーもワイヤー径は１．６ｍｍ）。
アルミニウムワイヤーは、繰り出し速度を３ｇ／ｍｉｎとし、真空槽内の通電加熱した６個のハースのそれぞれに連続的に送り込まれるようにした。
本実施例１〜６と比較例１、２について、アルミニウムワイヤー中の水素含有量から算出した１分間あたりの発生水素量、上記の酸素分子数とこの１分間あたりの発生水素量から算出した、溶融蒸発部と被処理物間の空間における１分間あたりに発生する水素／酸素モル比の値を表１に示す。また、上記の酸素分圧と同じ方法で換算して求めた蒸着時の水素分圧を表１に示す。
試験の結果と、実施例１〜６で得られたＡｌ被膜中の水素量をグロー放電発光分析（ＧＤＳ）（ＧＤＬＳ−５０１７：島津製作所社製）で測定した測定値を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１〜６では磁石体試験片に対してアルミニウムを問題なく蒸着させることができた。特に、実施例２〜５では良好な蒸着ができた。これに対し、比較例１では残留酸素に対する発生水素量が十分でなかったため、アルミニウム溶湯表面に酸化被膜が形成されてしまい、蒸着ができなかった。また、比較例２では、発生水素量が多すぎたため、アルミニウム溶湯のボイリングが生じ、安定な蒸着ができず、しかも、磁石体試験片の水素吸蔵による磁気特性の劣化が見られた。

次に、実施例２の条件において得られたアルミニウム被膜を有する磁石体試験片について、温度８０℃×相対湿度９０％の高温高湿下での５００時間の耐食性試験を行ったところ、試験前の（ＢＨ）ｍａｘが２４３ｋＪ／ｍ³、試験後の（ＢＨ）ｍａｘが２３３ｋＪ／ｍ³であり、磁気特性の劣化率は５％以下で、磁石体試験片からの発錆などは観察されず、優れた耐食性を有していることがわかった。

実施例Ｂ（実施例７〜９と比較例３〜５）
実施例Ａと同様の方法で得られた磁石体試験片を用いて、１時間で３μｍのアルミニウム被膜を形成する試験を行った。
図３に示した、ハースが１個配設された表面処理装置（内容積０．６ｍ³）の処理室（真空槽）内に前記磁石体試験片を挿入した後、真空槽内の全圧が３．０×１０^-5Ｐａになるまで真空排気を行った。この時の真空槽外壁に直接設置した四重極質量分析計（同上）で測定した真空槽内の酸素分圧を表２に示す。
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表面を清浄化した後、全圧が３．０×１０^-4ＰａになるようにＡｒガスの導入量を調整した。
また、この際にＡｒガスと同時に水素ガスを表２の実施例７〜９と比較例３、４に示す分圧になるように導入した。
その後、電圧１ｋＶを印加し、電子ビーム加熱法によって水素含有量が０．５ｐｐｍのアルミニウムインゴットに電子ビームを照射、加熱してこれを溶融し、蒸発させ、イオン化させてイオンプレーティングを行った。
また、比較例５として、水素含有量が１．２ｐｐｍのアルミニウムインゴットを使用し、実施例８と同一条件による試験を行った。
結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例７〜９では３．０×１０^-6Ｐａ以上の水素ガスを供給することによって、長時間の蒸着においても安定した蒸着ができたのに対し、比較例３、４では長時間の蒸着によって溶湯表面にアルミニウムの酸化被膜が形成されてしまい、安定した蒸着ができなかった。また、比較例５では、アルミニウムインゴットに含まれる水素量が多すぎたため、アルミニウム溶湯のボイリングが生じ、安定な蒸着ができなかった。

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 同要部の模式的拡大斜視図 従来から使用されている表面処理装置の模式的正面図

符号の説明

１ 処理室
２ ハース
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 アルミニウム
１１ アルミニウムワイヤー
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 希土類系永久磁石

Claims (8)

1. 真空排気系に連なる処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、この蒸着材料が蒸着される被処理物の保持部を備えた表面処理装置であって、蒸着制御ガスを含有するワイヤー状蒸着材料を前記溶融蒸発部に供給するための蒸着材料供給手段を備えることを特徴とする表面処理装置。
2. 前記蒸着材料供給手段は、前記ワイヤー状蒸着材料の繰り出しリールからなることを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。
3. 前記蒸着制御ガスが水素であることを特徴とする請求項１または２記載の表面処理装置。
4. 前記繰り出しリールの繰り出し速度で、処理室内の少なくとも溶融蒸発部と被処理物間の空間における蒸着制御ガス／酸素モル比を調整自在としたことを特徴とする請求項２または３記載の表面処理装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の表面処理装置を用いて、アルミニウム、チタニウム、亜鉛、錫、鉛、ビスマスから選ばれる少なくとも一成分の蒸着被膜が形成されていることを特徴とする被処理物。
6. 前記蒸着被膜が水素を含有することを特徴とする請求項５記載の被処理物。
7. 前記蒸着被膜中の水素含有量が１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍであることを特徴とする請求項６記載の被処理物。
8. 前記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５乃至７のいずれかに記載の被処理物。

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