JP2006274424A

JP2006274424A - Ａｌやその合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する方法

Info

Publication number: JP2006274424A
Application number: JP2005099393A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kikukawa; 篤菊川
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP4529763B2

Abstract

【課題】Ａｌやその合金の蒸着被膜を、希土類系永久磁石などの被処理物の表面に、突起物の生成や損傷を効果的に抑制しつつ、優れた生産性でもって形成する方法を提供すること。
【解決手段】真空処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、複数個の被処理物を収容するための収容部材を備えた蒸着装置を用い、複数個の被処理物を収容した収容部材を水平方向の回転軸線を中心に回転させながら、Ａｌまたはその合金の蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させるに際し、予め、被処理物を２００℃〜３５０℃に加熱しておいてから蒸着を開始することを特徴とするものである。
【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の表面にＡｌやその合金の蒸着被膜を形成する方法に関する。

希土類系永久磁石などの被処理物に、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、Ａｌや、ＡｌとＭｇやＭｎやＣｕなどとの合金の蒸着被膜をその表面に形成することが従来から行われており、今日、例えば、表面にＡｌやその合金の蒸着被膜を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やその合金の蒸着被膜は、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、バレルなどの収容部材内に大量の被処理物を収容し、一度で大量の被処理物の表面にこれらの蒸着被膜を形成しようとした場合、収容部材内で、被処理物同士の衝突や擦れ合い、被処理物と収容部材壁面との衝突や擦れ合いといった現象が生じ、これにより被処理物の表面に形成された蒸着被膜が損傷を受け、その一部が削れ、さらに削れた切片が被処理物などと擦れ合うことによって粒状化して他の蒸着被膜部分に付着し、その上にさらに蒸着被膜が形成されることで、蒸着被膜を形成した後にピーニング加工などを行っても除去不可能な突起物が蒸着被膜に生成するという問題がある。
そこで、このような問題を解消するための方法として、特許文献１において、真空処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、複数個の被処理物を収容するための収容部材を備えた蒸着装置を用い、複数個の被処理物を収容した収容部材を水平方向の回転軸線を中心に回転させながら、Ａｌやその合金の蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させるに際し、被処理物の表面に形成されたＡｌやその合金の蒸着被膜のビッカース硬度を２５以上に維持して蒸着を行う方法が提案されている。
特許文献１において提案されている方法は、被処理物の必要以上の温度上昇を抑制しながら蒸着を行うことで、被処理物の表面に形成されたＡｌやその合金の蒸着被膜のビッカース硬度を２５以上に維持することにより、収容部材内で、形成された蒸着被膜が軟化し、被処理物同士の衝突や擦れ合い、被処理物と収容部材壁面との衝突や擦れ合いといった現象によって損傷を受けやすくなることを抑制し、その結果として形成される蒸着被膜に突起物が生成することを効果的に抑制することができるものであり、蒸着被膜に突起物が生成したり、蒸着被膜が損傷を受けたりすることで不良品として扱われる個数を大幅に減少させることができることから、たいへん評価される方法である。
特開２００２−８８４６８号公報

しかしながら、特許文献１において提案されている方法を採用した場合でも、必ずしも不良品として扱う必要がない程度の小さな突起物は、Ａｌやその合金の蒸着被膜に数多く生成してしまっており、突起物の生成を抑制することで、より優れた表面平滑性を有する蒸着被膜を形成する方法が望まれている。また、この方法を採用した場合、真空処理室内の温度がある一定以上にならないように制御しなければならないため、所望の膜厚（例えば５μｍ〜１０μｍ）の蒸着被膜を被処理物の表面に形成するために必要な時間が、このような配慮が不要な場合に比較して長くなることがあり、少なからず生産性を犠牲にしなければならない場合があるという問題がある。
そこで本発明は、Ａｌやその合金の蒸着被膜を、希土類系永久磁石などの被処理物の表面に、突起物の生成や損傷を効果的に抑制しつつ、優れた生産性でもって形成する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、Ａｌやその合金の蒸着被膜に突起物が生成したり、蒸着被膜が損傷を受けたりしやすいのは、その物性として硬度が低いということ以外にもその被膜組織が関係していること、そして、特許文献１において提案されている方法により形成される蒸着被膜の被膜組織は、柱状晶のような形状の剥離しやすいものであることを突き止めた。従って、何らかの方法で、形成される蒸着被膜の被膜組織を改変して緻密化することができれば、蒸着被膜の損傷を軽減することができると考えられた。そこで、さらに研究を積み重ねた結果、意外にも、蒸着を開始する前に、被処理物を高温加熱しておくと、形成される蒸着被膜の被膜組織が緻密化され、突起物の生成や損傷を効果的に抑制しつつ、優れた生産性でもって被処理物の表面に蒸着被膜を形成することができることを見出した。

上記の知見に基づいてなされた本発明のＡｌまたはその合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する方法は、請求項１記載の通り、真空処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、複数個の被処理物を収容するための収容部材を備えた蒸着装置を用い、複数個の被処理物を収容した収容部材を水平方向の回転軸線を中心に回転させながら、Ａｌまたはその合金の蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させるに際し、予め、被処理物を２００℃〜３５０℃に加熱しておいてから蒸着を開始することを特徴とする。
また、請求項２記載の方法は、請求項１記載の方法において、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３記載の通り、請求項１記載の方法により、Ａｌまたはその合金の蒸着被膜が表面に形成されてなることを特徴とする。
また、本発明の蒸着装置は、請求項４記載の通り、真空処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、複数個の被処理物を収容するための収容部材を備え、複数個の被処理物を収容した収容部材を水平方向の回転軸線を中心に回転させながら、蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させて蒸着被膜を形成するための蒸着装置であって、真空処理室内に、収容部材内に収容された被処理物を加熱するための加熱手段を備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、Ａｌやその合金の蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させるに際し、予め、被処理物を２００℃〜３５０℃に加熱しておいてから蒸着を開始することで、形成される蒸着被膜の被膜組織を緻密化することができる。従って、バレルなどの収容部材に大量の被処理物を収容し、一度で大量の被処理物の表面にこれらの蒸着被膜を形成する場合であっても、形成された蒸着被膜が損傷を受けること、それによって蒸着被膜に突起物が生成することを効果的に抑制することができる。また、真空処理室内の温度制御を厳密に行う必要がないので、優れた生産性でもって被処理物の表面に蒸着被膜を形成することができる。

本発明のＡｌやその合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する方法は、例えば、図１に示したような蒸着装置を用いて行うことができる。図１はその内部の模式的正面図（一部透視図）であり、図略の真空排気系に連なる真空処理室１の室内上方には、水平方向の回転軸線上の回転シャフト６を中心に回転自在とした支持部材７が２個併設されており、この支持部材７の回転シャフト６の周方向の外方に、６個の例えばステンレス製のメッシュ金網で形成された円筒形バレル５が、複数個の被処理物３０の収容部材として支持軸８によって回転シャフト６を中心に公転自在に環状に支持されている。また、室内下方には、Ａｌやその合金の蒸着材料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上に複数個配置されている。支持テーブル３の下方内部には、蒸着材料であるＡｌやその合金のワイヤー９が繰り出しリール１０に巻回保持されている。Ａｌやその合金のワイヤー９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１１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１１の一部には切り欠き窓１２が設けられており、この切り欠き窓１２に対応して設けられた繰り出しギア１３がＡｌやその合金のワイヤー９に直接接触し、これを繰り出すことによってハース２内に蒸着材料であるＡｌやその合金が絶えず供給されるように構成されている。この蒸着装置によれば、円筒形バレル５内に複数個の被処理物３０を収容し、矢示したように支持部材７を回転させることで、円筒形バレル５を回転シャフト６を中心に公転運動させるとともに、Ａｌやその合金のワイヤー９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溶融させて蒸発させることで、円筒形バレル５内の複数個の被処理物３０の表面にＡｌやその合金の蒸着被膜を一度で形成することができる。

図１に示した蒸着装置における上記の構成は、特許文献１にも記載されている公知の構成であるが、図１に示した蒸着装置は、この構成に加え、本発明のＡｌやその合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する方法を効率的に実施することができるように、真空処理室１の内壁面の右斜上と左斜上に、円筒形バレル５内に収容された被処理物３０を加熱するための加熱手段として、近赤外線ヒーター２０が設けられている。この近赤外線ヒーター２０を用い、予め、円筒形バレル５内に収容された被処理物３０を２００℃〜３５０℃に加熱しておいてから蒸着を開始する。事前加熱温度が２００℃を下回ると、被処理物３０の表面に形成される蒸着被膜の被膜組織を緻密化することが困難になることで、蒸着被膜に突起物が生成したり、蒸着被膜が損傷を受けたりしやすくなる。一方、事前加熱温度が３５０℃を上回ると、蒸着開始後にハース２からの輻射熱により被処理物３０がさらに加熱されることもあって、その表面に形成された蒸着被膜が軟化することで、蒸着被膜に突起物が生成したり、蒸着被膜が損傷を受けたりしやすくなる。この点に鑑みれば被処理物３０の温度は蒸着を開始した後も３５０℃以下に維持されることが望ましいので、蒸着開始時には近赤外線ヒーターの電源をオフにすることが望ましい。つまり、被処理物３０の事前加熱温度は、低すぎても高すぎても、蒸着被膜に突起物が生成したり、蒸着被膜が損傷を受けたりしやすくなるということである。なお、被処理物３０の事前加熱温度は２０５℃〜３４０℃が望ましく、２１０℃〜３２０℃がより望ましい。

なお、円筒形バレル内に収容された被処理物を加熱するための加熱手段は、上記の構成に限定されるものではなく、近赤外線ヒーターに替えて遠赤外線ヒーターや中近赤外線ヒーターを用いてもよい。また、円筒形バレル自体を通電加熱するようなものであってもよい。

蒸着材料となるＡｌやその合金のワイヤーは、水素を含有してなるものが望ましい。ワイヤーを蒸発させた際、真空処理室内に水素を供給することができるので、別途の手段で真空処理室外部から水素を供給しなくても、真空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、ハース内で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。ワイヤーの水素含有量は、１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍが望ましく、２ｐｐｍ〜１０ｐｐｍがより望ましい。水素含有量が１ｐｐｍを下回ると、真空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、水素含有量が２０ｐｐｍを上回ると、ハース内で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。

Ａｌやその合金のワイヤーのハース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。送り出し速度が１ｇ／分を下回ると、Ａｌやその合金のワイヤーを効率よく溶融させることができない恐れがある一方、送り出し速度が１０ｇ／分を上回ると、ハース内で溶融されないＡｌやその合金のワイヤーがスプラッシュを引き起こす恐れがあるからである。

本発明の方法を用いて、Ａｌの合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する場合、蒸着被膜がＭｇおよび／またはＣｕを０．１ｍａｓｓ％〜２０ｍａｓｓ％、望ましくは１ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％含むようにすれば、蒸着被膜の本質的な硬度を高めることができるので、この効果と相俟って、蒸着被膜に突起物が生成したり、蒸着被膜が損傷を受けたりすることを極めて効果的に抑制することができる。

この場合、ハースの加熱温度は、１３００℃〜１５００℃が望ましい。加熱温度が１３００℃を下回ると、Ａｌの合金のワイヤー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。Ａｌの合金のワイヤーを効率よく溶融させることができないと、Ａｌの蒸気圧とＭｇおよび／またはＣｕの蒸気圧の違い（Ｍｇが最も蒸気圧が高い）が、形成される蒸着被膜の金属組成に多大な影響を与え、蒸着被膜に含まれるＭｇおよび／またはＣｕの量が、Ａｌの合金のワイヤーに含まれるＭｇおよび／またはＣｕの量と大きく異なるといった現象が起こり、被処理物の表面に意図した金属組成のＡｌの合金の蒸着被膜を形成することができない場合がある。一方、加熱温度が１５００℃を上回ると、周辺温度が高くなり過ぎることでＡｌの合金のワイヤーが軟化して保護チューブの内部で詰まるなどするので、これをハース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。

本発明のＡｌやその合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する方法は、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処理物の表面に蒸着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蒸着材料をイオン化させて被処理物の表面に蒸着被膜を形成する方法にも適用することができる。

なお、本発明の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やその合金の蒸着被膜を表面に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。

以下、本発明を実施例と比較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、以下の実施例と比較例は、例えば、米国特許４７７０７２３号公報や米国特許４７９２３６８号公報に記載されているようにして、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、表面加工を行うことによって得られた１４Ｎｄ−７９Ｆｅ−６Ｂ−１Ｃｏ組成（ａｔ％）の縦５０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み２ｍｍ寸法の板状焼結磁石（以下「磁石体試験片」と略称する）を用いて行った。

実施例１および実施例２：
図１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式蒸着装置を用いて、表１に示す組成のワイヤーを蒸着材料にして、蒸着被膜を磁石体試験片の表面に形成する以下の実験を行った。用いた円筒形バレルは、直径１１０ｍｍ×長さ６００ｍｍのステンレス製で、メッシュの開口率が６４％（開口部となる目開きの一辺が４ｍｍの正方形で、線径が１ｍｍ）のものであり、１個の支持部材に６個（図２に示すように２連式であるので合計１２個）支持されている。
サンドブラスト加工を行った後の磁石体試験片を、１２個の円筒形バレルの各々に各２００個ずつ、左右２セットで、合計４８００個収容した。
真空処理室内を全圧が５×１０^-2Ｐａ以下になるまで真空排気した後、回転シャフトを１．５ｒｐｍで回転させながら、近赤外線ヒーターで円筒形バレル内に収容された磁石体試験片を３００℃まで加熱し３０分間保持した（温度の確認はニコン社製の赤外線カメラを用いたモニタリングによる）。次に、近赤外線ヒーターの電源をオフにしてから、Ａｒガスを全圧が１Ｐａになるように導入し、バイアス電圧−１０００Ｖの条件下で１５分間表面スパッタし、磁石体試験片の表面を清浄化した。この時点での磁石体試験片の温度（ニコン社製の赤外線カメラを用いたモニタリングによる）を表２に示す。続いて、バイアス電圧−１０００Ｖの条件下で、蒸着材料のワイヤーを、送り出し速度３ｇ／分で、真空処理室内への通電加熱により約１４００℃に制御されたハースに送り出して連続供給して溶融させ、蒸発させ、イオン化させて３０分間イオンプレーティングを行い、蒸着被膜を磁石体試験片の表面に形成した。放冷後、表面に蒸着被膜が形成された磁石体試験片について、以下の項目を評価した。その結果を表２に示す。

（１）表面に形成された蒸着被膜の膜厚（ｎ＝１０の平均値）
（２）個々の磁石体試験片の外観
（３）ＪＩＳＢ０６０１−１９９４における粗さ曲線の平均線よりも１０μｍを超える高さの突起物の、任意に選択した蒸着被膜の表面１ｃｍ²当たりの個数（ｎ＝１０の平均値）
（４）蒸着終了後の蒸着被膜のビッカース硬度（ｎ＝３の平均値）

なお、（３）の突起物の個数は、上記の方法で得られた表面に蒸着被膜が形成された磁石体試験片に対し、表面粗さ形状測定器（東京精密社製）を用いて計測した。（４）の蒸着終了後の蒸着被膜のビッカース硬度は、測定装置として日本光学社製の高温顕微硬度計ＱＭ型を用い、上記の方法で得られた表面に蒸着被膜が形成された磁石体試験片を、蒸着終了時の温度（概ね２２０〜２３０℃：ニコン社製の赤外線カメラを用いたモニタリングによる）まで加温し、試験加重０．５Ｎ、加重負荷時間３０秒の条件で測定した。

また、磁石体試験片の表面に形成された蒸着被膜の組成を表３に示す。なお、蒸着被膜の金属組成は、磁石体試験片とともに円筒形バレルに収容したガラス板（３５ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）の表面に形成された蒸着被膜を溶融後、原子発光分析装置（島津製作所社製）を用いて測定した。蒸着被膜の水素含有量は、グロー放電発光分析装置（島津製作所社製）を用いて測定した。

比較例１：
実施例１および実施例２における近赤外線ヒーターを用いた円筒形バレル内に収容された磁石体試験片の加熱を行わないこと以外は、実施例１および実施例２と同様にして、表１に示す組成のワイヤーを蒸着材料にして、蒸着被膜を磁石体試験片の表面に形成した。放冷後、表面に蒸着被膜が形成された磁石体試験片について、実施例１および実施例２に記載の項目を同様にして評価した。その結果を表２に示す。また、磁石体試験片の表面に形成された蒸着被膜の組成を表３に示す。

表２から明らかなように、実施例１および実施例２では、蒸着を開始する前に、磁石体試験片を加熱しておいたことで、磁石体試験片の表面に形成された蒸着被膜に生成した突起物の個数は、室温状態にある磁石体試験片に対して蒸着を開始した比較例１において、磁石体試験片の表面に形成された蒸着被膜に生成した突起物の個数よりも、少なくなった。また、実施例１および実施例２では、比較例１と比較して、蒸着被膜の損傷も抑制され、磁石体試験片の表面に形成された蒸着被膜は外観において優れたものであった。
実施例１と比較例１のそれぞれにおいて磁石体試験片の表面に形成されたＡｌの蒸着被膜の破断面観察写真をそれぞれ図３と図４に示す。図３と図４から明らかなように、比較例１において形成されたＡｌの蒸着被膜の被膜組織は、柱状晶のような形状の剥離しやすいものであるのに対し、実施例１において形成されたＡｌの蒸着被膜は、非常に緻密な被膜組織であることがわかった。
よって、実施例１において形成されたＡｌの蒸着被膜が有する優れた特性は、その被膜組織が緻密であることによると考えられた。また、実施例２において形成されたＡｌのＭｇとの合金の蒸着被膜がさらに優れた特性を有するのは、蒸着被膜がＭｇを約５ｍａｓｓ％含むことにより、蒸着被膜の硬度が本質的に高まったためであると考えられた。

本発明は、Ａｌやその合金の蒸着被膜を、希土類系永久磁石などの被処理物の表面に、突起物の生成や損傷を効果的に抑制しつつ、優れた生産性でもって形成す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。

本発明に適用される蒸着装置の一例の真空処理室の内部の模式的正面図（一部透視図）。その支持部材に支持された円筒形バレルの模式的斜視図。実施例１において形成されたＡｌの蒸着被膜の破断面観察写真。比較例１において形成されたＡｌの蒸着被膜の破断面観察写真。

符号の説明

１真空処理室
２ハース（溶融蒸発部）
３支持テーブル
４ハース支持台
５円筒形バレル（収容部材）
６回転軸
７支持部材
８支持軸
９蒸着材料のワイヤー
１０繰り出しリール
１１保護チューブ
１２切り欠き窓
１３繰り出しギヤー
２０近赤外線ヒーター（加熱手段）
３０被処理物

Claims

Ａｌまたはその合金の蒸着被膜を被処理物の表面に形成する方法であって、真空処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、複数個の被処理物を収容するための収容部材を備えた蒸着装置を用い、複数個の被処理物を収容した収容部材を水平方向の回転軸線を中心に回転させながら、Ａｌまたはその合金の蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させるに際し、予め、被処理物を２００℃〜３５０℃に加熱しておいてから蒸着を開始することを特徴とする方法。
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記載の方法。
請求項１記載の方法により、Ａｌまたはその合金の蒸着被膜が表面に形成されてなることを特徴とする希土類系永久磁石。
真空処理室内に、蒸着材料の溶融蒸発部と、複数個の被処理物を収容するための収容部材を備え、複数個の被処理物を収容した収容部材を水平方向の回転軸線を中心に回転させながら、蒸着材料を被処理物の表面に蒸着させて蒸着被膜を形成するための蒸着装置であって、真空処理室内に、収容部材内に収容された被処理物を加熱するための加熱手段を備えてなることを特徴とする蒸着装置。