JP2009079286A - 磁気ディスク用アルミニウム合金基板およびその製造方法 - Google Patents

磁気ディスク用アルミニウム合金基板およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】強度が優れ、NiPめっき後の表面の平滑性を向上させた磁気ディスク用アルミニウム合金基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Mgを3.5〜15質量%、Si,Feをそれぞれ0.01〜0.1質量%、Crを0.02〜0.35質量%含有し、さらに、Cu,Znの少なくとも1種を所定量含有するアルミニウム合金の溶湯を薄板連続鋳造法により板材とし、打ち抜き加工したものを、300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上([Mg]:アルミニウム合金におけるMg含有量(質量%))で加圧焼鈍した後、所定速度以上で冷却して平坦化することにより製造される磁気ディスク用アルミニウム合金基板で、表面におけるAl−Fe系金属間化合物の最大長さが7μm以下、Mg−Si系金属間化合物の最大長さが4μm以下であり、AlMg相の面積率が1%以下であることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、磁性膜を付着させて磁気ディスクとするアルミニウム合金製の基板とその製造方法に関する。
コンピュータ等の記録媒体として使用される磁気ディスクは、非磁性の基板に磁性膜を付着させてなる。一般的に、この基板は、軽量かつ高い剛性を有し平滑な表面であることが要求されるため、非磁性で軽量、さらに鏡面加工等により平滑な表面を容易に得ることができる等の理由からアルミニウム合金板が使用され、その表面に剛性を得るためのNiPめっき膜を約10μmの厚さに形成して磁気ディスク用基板としている。
従来、このようなアルミニウム合金板としては、鏡面加工等の機械加工に耐える強度を有し、十分な表面平滑性が得られる等の理由から、JIS5086合金(Al−Mg合金)が使用されてきた。しかしながら、近年、磁気ディスクの高記録密度化に対応するため、基板の一層の表面平滑性が要求されている。同時に、磁気ディスクの耐衝撃性向上のため、基板の強度向上も要求されている。例えば、特許文献1では、Mg濃度を6〜15質量%に増やして強度を向上させ、Ti,B濃度を規制することで板表面方向の結晶粒径を微細化させる基板の製造方法が開示されている。同様に、特許文献2では、Mg濃度を7〜15質量%とし、また、Si,Fe濃度をそれぞれ0.1質量%以下に制限することで、表面粗さを増大させるAl−Fe系、Mg−Si系金属間化合物の析出を抑制した基板の製造方法が開示されている。そして、6質量%を超える高濃度のMgを含有するアルミニウム合金を熱間圧延することは困難であることから、これらの従来技術では、従来のDC鋳造法(Direct Chill Casting:縦型半連続鋳造法)に代えて、熱間圧延の不要な薄板連続鋳造法により板材を製造している。
特開昭64−35725号公報(3頁目右上欄4〜19行、右下欄3〜13行) 特開2006−241513号公報(段落0031〜0033,0042)
アルミニウム合金板から磁気ディスク用基板を製造するには、まず、アルミニウム合金板を円環形状に打ち抜く等して磁気ディスクの形状にする。次に、円環形状にしたアルミニウム合金板を両面から加圧した状態で焼鈍し、打ち抜き加工で生じた歪みを矯正して平坦化する(加圧焼鈍)。そして、端面(周面)を切削して形状を整える。この平坦化された円環形状のアルミニウム合金基板をブランクという。そして、ブランクの表面(両面)を鏡面加工(切削加工、研削加工)により平滑性よく仕上げる。この鏡面加工されたアルミニウム合金基板をサブストレートという。サブストレートに、酸によるエッチング、ジンケート処理等のめっき前処理、および無電解NiPめっき処理を施すことによって表面にNiP膜を形成し、磁気ディスク用基板となる。前記加圧焼鈍のような熱処理における処理温度は、再結晶が起こる温度域すなわち300℃以上であるが、特許文献1,2に開示された高濃度のMgを含有するアルミニウム合金の場合、さらに高温で処理しないと、AlMg相(β相)が析出することがある。また、その後の冷却速度が遅い場合も、冷却中にβ相が析出することがある。そして、鏡面加工後のアルミニウム合金基板(サブストレート)の表面にβ相が存在する場合、めっきの前処理において、母相とのエッチング速度の違いによってβ相の存在した箇所が窪みとなり、めっき膜の表面の平滑性を低下させる。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、強度が優れ、めっき後の表面の平滑性を向上させた磁気ディスク用アルミニウム合金基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明者らは、薄板連続鋳造法による鋳造後の熱処理すなわち加圧焼鈍における処理温度およびその後の冷却速度を制御することにより、アルミニウム合金板中のAlMg相の析出を抑制する方法を発明するに至った。
すなわち、請求項1に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板は、Mg:3.5〜15質量%、Si:0.01〜0.1質量%、Fe:0.01〜0.1質量%、Cr:0.02〜0.35質量%を含有し、さらに、Cu:0.01質量%以上0.2質量%以下、および、Zn:0.01質量%以上0.4質量%未満のうち少なくとも1種を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で形成される磁気ディスク用アルミニウム合金基板で、前記磁気ディスク用アルミニウム合金基板の表面におけるAl−Fe系金属間化合物の最大長さが7μm以下、Mg−Si系金属間化合物の最大長さが4μm以下であり、前記磁気ディスク用アルミニウム合金基板の表面におけるAlMg相の面積率が1%以下であることを特徴とする。
このように、Mg濃度を高い範囲に制限することにより、アルミニウム合金基板の強度を向上させることができる。また、Cr濃度を所定範囲に限定することにより、アルミニウム合金板(鋳造組織)に微細なAl−Cr系金属間化合物として析出し、結晶粒成長が抑制され、鋳造組織が安定化(均質化)する。そして、Cu,Zn濃度を所定範囲に限定することにより、Cu,Znがアルミニウム合金板中に均一に固溶し、アルミニウム合金基板のNiPめっき性が改善される。また、Si,Fe濃度を低い範囲に制限することにより、Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物の析出量を抑制し、さらにその大きさを制限することで、めっき後の表面の平滑性を維持できる。また、AlMg相の析出を表面における面積率で制限することで、めっき後の表面の平滑性を維持できる。
さらに、請求項2に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法は、請求項1に記載のアルミニウム合金の溶湯を薄板連続鋳造法により板厚50mm以下のアルミニウム合金板にする鋳造工程と、前記アルミニウム合金板を円環形状に打ち抜く成形工程と、前記成形工程で得られた円環形状のアルミニウム合金板を加圧焼鈍して平坦化する加圧焼鈍工程と、を含み、前記加圧焼鈍工程は、前記アルミニウム合金におけるMgの含有量(質量%)を[Mg]として表したとき、300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上で、1h以上保持して加圧焼鈍し、前記加圧焼鈍後、3.5≦[Mg]≦8のとき冷却速度50℃/h以上で、8<[Mg]≦15のとき冷却速度100℃/h以上で、100℃以下まで冷却することを特徴とする。
このように、薄板連続鋳造法を適用することにより熱間圧延が不要となるので、Mg高濃度のアルミニウム合金が熱間圧延されることによって発生する圧延割れを回避でき、Mg高濃度により強度の優れたアルミニウム合金板を製造することができる。また、鋳造の際の冷却速度が速いので、アルミニウム合金板に析出するAl−Fe系金属間化合物、Mg−Si系金属間化合物等が微細化される。そして、加圧焼鈍における処理温度とその後の冷却速度をアルミニウム合金のMg濃度に応じて制限することにより、AlMg相の析出が抑制された、平坦化されたアルミニウム合金基板とすることが可能である。
さらに、請求項3に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法は、請求項2に記載の磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法において、前記成形工程の前に、前記アルミニウム合金板を焼鈍する冷間圧延前焼鈍工程と、前記焼鈍されたアルミニウム合金板を冷間圧延して所望の板厚とする冷間圧延工程とをさらに含み、前記冷間圧延前焼鈍工程は、300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上で焼鈍することを特徴とする。
このように、加圧焼鈍工程前に冷間圧延を行うので、アルミニウム合金基板の板厚の精度が向上する。さらに、冷間圧延前に所定温度で焼鈍(熱処理)を行うことで、アルミニウム合金板の鋳造組織が均質化かつ微細化され、鋳造時に析出したAl−Fe系金属間化合物、Mg−Si系金属間化合物等も微細化される。そして、冷間圧延前焼鈍における処理温度をアルミニウム合金のMg濃度に応じて制限することにより、AlMg相の析出が抑制された、平坦化されたアルミニウム合金基板とすることが可能である。
さらに、請求項4に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法は、請求項3に記載の磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法において、前記冷間圧延前焼鈍工程は、450℃を超える焼鈍温度で焼鈍した後、冷却速度200℃/h以上で100℃以下まで冷却し、さらに前記焼鈍温度を500℃以上とするとき、前記アルミニウム合金におけるCrの含有量が0.1質量%以上であることを特徴とする。
このように、450℃を超える高温で焼鈍して、その後急速冷却することで、Mg−Si系金属間化合物がいっそう微細化されたアルミニウム合金基板とすることが可能である。さらに、アルミニウム合金のCr濃度を制限して、500℃以上の高温による結晶粒の粗大化を抑制する。
本発明に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板によれば、強度およびめっき後の表面の平滑性に優れた基板とすることができる。そして、本発明に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法によれば、強度およびめっき後の表面の平滑性に優れた基板を生産性よく製造することができる。
以下、本発明に係る磁気ディスク用アルミニウム合金基板(以下、アルミニウム合金基板と称す)を実現するための最良の形態について説明する。なお、本明細書において、磁気ディスク用アルミニウム合金基板は、ブランクとサブストレートの両方、すなわち、加圧焼鈍後〜NiPめっき(めっき前処理)前の状態のアルミニウム合金製磁気ディスク用基板材料を示す。
本発明に係るアルミニウム合金基板は、Mg:3.5〜15質量%、Si:0.01〜0.1質量%、Fe:0.01〜0.1質量%、Cr:0.02〜0.35質量%を含有し、さらに、Cu:0.01質量%以上0.2質量%以下、および、Zn:0.01質量%以上0.4質量%未満のうち少なくとも1種を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で形成される。
そして、本発明に係るアルミニウム合金基板は、その表面において、Al−Fe系金属間化合物は最大長さが7μm以下、Mg−Si系金属間化合物は最大長さが4μm以下であり、AlMg相(β相)の面積率は1%以下である。以下、本発明に係るアルミニウム合金基板を構成する各要素について説明する。
(Mg:3.5〜15質量%)
Mgは、アルミニウム合金の強度を向上させる効果がある。Mgの含有量が3.5質量%未満では、アルミニウム合金基板が十分な強度(耐力、硬さ)を有さず、このようなアルミニウム合金基板で製造された磁気ディスクの耐衝撃性が低下する。一方、Mgの含有量が15質量%を超えると、アルミニウム合金基板中に粗大なAl−Mg系金属間化合物が生じ、めっき前処理のエッチングにおいてこの金属間化合物が溶解して窪み(ピット)となり、めっき膜の表面の平滑性を低下させる。また、加圧焼鈍工程において、β相の析出を抑制するために必要な温度が424.5℃を超えることになり、このような高温で焼鈍すると、打ち抜き加工時の歪みの大きい端部で結晶粒が粗大化する。したがって、Mgの含有量は3.5〜15質量%とし、さらに、アルミニウム合金基板をより高強度とするためには、5.5〜15質量%が好ましい。
(Si:0.01〜0.1質量%)
Siは、通常、地金不純物としてアルミニウム合金中に混入するものであり、アルミニウム合金板を薄板連続鋳造法により作製する際、アルミニウム合金板中にMg−Si系金属間化合物を析出させる。Siの含有量が0.1質量%を超えると、このMg−Si系金属間化合物が4μmを超える粗大な化合物となってアルミニウム合金板の表面に析出する。そして、このようなアルミニウム合金板に切削、研削等の鏡面加工を施すと、このMg−Si系金属間化合物は表面から脱落して窪みとなる。また、めっき前処理のエッチングにおいても、Mg−Si系金属間化合物は溶解して窪みとなり、めっき膜の表面の平滑性を低下させる。また、前記エッチングでMgのみが溶解してSiが残る箇所もあり、めっき前処理のジンケート処理においてSi上ではZnの置換反応が起こらないため、このような箇所では無電解NiPめっき処理でめっき膜が成長せず、NiPめっき膜の密着性が不足し、磁性膜成膜時等の加熱によりNiPめっき膜にフクレを生じ、平滑性を低下させる。一方、Siの含有量を0.01質量%未満にすると、地金が高純度となり、コストが高くなってしまう。したがって、Siの含有量は、0.01〜0.1質量%とする。
(Fe:0.01〜0.1質量%)
Feも、通常、地金不純物としてアルミニウム合金中に混入するものであり、アルミニウム合金板を薄板連続鋳造法により作製する際、アルミニウム合金板中にAl−Fe系金属間化合物を析出させる。Feの含有量が0.1質量%を超えると、このAl−Fe系金属間化合物が7μmを超える粗大な化合物となってアルミニウム合金板の表面に析出する。そして、このようなアルミニウム合金板に切削加工、研削加工等の鏡面加工を施すと、このAl−Fe系金属間化合物は表面から脱落して窪みとなる。また、めっき前処理のエッチングにおいても、Al−Fe系金属間化合物は溶解して窪みとなり、めっき膜の表面の平滑性を低下させる。一方、Feの含有量を0.01質量%未満にすると、地金が高純度となり、コストが高くなってしまう。したがって、Feの含有量は、0.01〜0.1質量%とする。
(Cr:0.02〜0.35質量%)
Crは、アルミニウム合金板を薄板連続鋳造法により作製する際、アルミニウム合金板中に微細なAl−Cr系金属間化合物として析出し、結晶粒成長を抑制して組織を均質化(安定化)する効果がある。また、後記の薄板連続鋳造の後に焼鈍処理を伴う冷間圧延を行う場合にも、結晶粒成長を抑制し、再結晶粒の異常成長を抑制し組織を均質化(安定化)する効果がある。Crの含有量が0.02質量%未満ではこれらの効果が小さく、結晶粒が粗大化するため結晶粒径のばらつきが大きくなり、めっき膜に凹凸が生じて表面の平滑性を低下させる。一方、Crの含有量が0.35質量%を超えると、結晶粒を安定化する効果が大きすぎるため、鋳造工程、焼鈍工程において、等軸な再結晶組織とならずに薄板連続鋳造の取り出し方向や冷間圧延方向に伸びた変形組織が残存するため、組織の異方性が大きくなり、めっき膜に凹凸が生じて表面の平滑性を低下させる。また、アルミニウム合金板の表面に初晶として粗大なAl−Cr系金属間化合物が晶出し、このようなアルミニウム合金板に切削加工、研削加工等の鏡面加工を施すと、この粗大なAl−Cr系金属間化合物は表面から脱落して窪みとなり、めっき膜の表面の平滑性を低下させる。したがって、Crの含有量は、0.02〜0.35質量%とする。
(Cu:0.01質量%以上0.2質量%以下、および、Zn:0.01質量%以上0.4質量%未満のうち少なくとも1種)
Cuは、アルミニウム合金基板のNiPめっき性を向上させる効果がある。Cuはアルミニウム合金板中に均一に固溶し、めっき前処理のジンケート処理において、ジンケート浴中のZnイオンをアルミニウム合金基板の表面へ均一に微細析出させる。これによってNiPめっき膜表面のノジュールの発生を抑制することができる。Cuの含有量が0.01質量%未満では、この効果が小さい。一方、Cuの含有量が0.2質量%を超えると、粒界にAl−Mg−Cu系化合物が析出するため、めっき前処理のエッチングにおいて粒界部が過エッチングを受け、NiPめっき膜表面のノジュールの発生が多大となる。したがって、Cuの含有量は0.01質量%以上0.2質量%以下とする。
Znも、アルミニウム合金基板のNiPめっき性を向上させる効果がある。ZnもCuと同様に、アルミニウム合金板中に均一に固溶し、めっき前処理のジンケート処理において、ジンケート浴中のZnイオンをアルミニウム合金基板の表面へ均一に微細析出させる。これによってNiPめっき膜表面のノジュールの発生を抑制することができる。また、含有量の増加に伴いZnがアルミニウム合金基板中に均一に析出して、めっき前処理のエッチングでのエッチング起点、およびジンケート処理時のZnイオン析出拠点になる。このため、結晶粒による段差を抑制する効果を有する。Znの含有量が0.01質量%未満では、これらの効果が小さい。一方、Znの含有量が0.4質量%以上になると、Znの析出核が大きくなるのに伴い、めっき前処理のエッチングで形成される窪みも大きくなり、めっき膜表面の平滑性が悪化する。さらに、粒界にAl−Mg−Zn系化合物が析出するため、めっき前処理のエッチングにおいて粒界部が過エッチングを受け、NiPめっき膜表面のノジュールの発生が多大となる。また、Al−Mg−Zn系化合物も溶解して窪み(ピット)となり、それがめっき後も残存する。したがって、Znの含有量は0.01質量%以上0.4質量%未満とする。
上記以外に、不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物は、例えば、Ti,V,B等であって、それぞれ0.01質量%以下含有してもよい。なお、Tiは、0.005〜0.01質量%の範囲で添加された場合には、組織を微細化、均質化して鋳造欠陥を抑える効果がある。Ti以外の不可避的不純物については、前記所定範囲内であれば、本発明のアルミニウム合金基板の特性に影響しない。
(Al−Fe系金属間化合物:最大長さ7μm)
Al−Fe系金属間化合物は、前記の通り、鏡面加工時に脱落、めっき前処理のエッチングにおいて溶解することによって、めっき前のアルミニウム合金基板の表面に窪みを生じさせる。アルミニウム合金基板の表面においてAl−Fe系金属間化合物の最大長さが7μmを超えると、めっき膜の表面に窪みが残って平滑性を低下させる。したがって、Al−Fe系金属間化合物は、最大長さ7μm以下とする。
(Mg−Si系金属間化合物:最大長さ4μm)
Mg−Si系金属間化合物は、前記の通り、鏡面加工時に脱落、めっき前処理のエッチングにおいて溶解することによって、めっき前のアルミニウム合金基板の表面に窪みを生じさせる。また、エッチングにおいてMgのみが溶解してSiが残る箇所も生じる。アルミニウム合金基板の表面においてMg−Si系金属間化合物の最大長さが4μmを超えると、めっき膜の表面に窪みが残って平滑性を低下させる。また、Mgのみが溶解してSiが残った箇所では、めっき前処理のジンケート処理においてSi上ではZnの置換反応が起こらないため、無電解NiPめっき処理でめっき膜が成長せず、NiPめっき膜の密着性不足が生じてめっき膜の表面の平滑性を低下させる。また、周囲からNiPめっき膜で覆われる際に、めっき液を取り込み、磁性膜成膜時のスパッタリング等の加熱によりNiPめっき膜にフクレを生じ、平滑性を低下させる。したがって、Mg−Si系金属間化合物は、最大長さ4μm以下とする。
(AlMg相:面積率1%以下)
AlMg相(β相)は母相の粒界に優先して析出するため、前記の通り、めっき前処理のエッチングにおいて、母相とのエッチング速度の違いにより、めっき前のアルミニウム合金基板の表面に粒界に沿った網目状の溝を生じさせる。アルミニウム合金基板の表面において、AlMg相の面積率が1%を超えると、表面の溝の幅が広くかつ深くなり、それがめっき後も表面に凹凸となって残存し、平滑性を低下させる。したがって、アルミニウム合金基板の表面において、AlMg相の面積率は1%以下とする。
Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物の検出手段には走査型電子顕微鏡(SEM)の適用が、また、β相の検出手段にはX線マイクロアナライザ(EPMA)の適用が、それぞれ一例として挙げられる。Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物は、SEMの組成(COMPO)像において母相とのコントラストで識別でき、Al−Fe系金属間化合物は母相より白く、Mg−Si系金属間化合物は母相より黒く写る。なお、Crを含有することで析出するAl−Cr系金属間化合物も母相より白く写るが、Al−Fe系金属間化合物と同様に、最大長さが7μmを超える粗大なものになるとめっき膜の表面の平滑性を低下させる。EPMAは元素の定性、定量が可能なので、Mg濃度分布でβ相と母相とを識別できる。Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物、β相ともに観察には倍率1000倍程度が好ましく、観察領域は1視野であっても、複数の視野、例えば5,10,20視野であってもよい。複数の視野を観察する場合は観察視野の総計で判定できる。すなわち、Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物は、全観察視野で観察された全ての最大長さがそれぞれ7μm以下、4μm以下であることで判定でき、β相は、各観察視野における面積率の平均値が1%以下であることで判定できる。
次に、本発明の一実施形態に係るアルミニウム合金基板の製造方法を説明する。本発明に係るアルミニウム合金基板は、前記成分のアルミニウム合金の溶湯を薄板連続鋳造法により板厚50mm以下のアルミニウム合金板にする鋳造工程と、このアルミニウム合金板を円環形状に打ち抜く成形工程と、円環形状のアルミニウム合金板を加圧焼鈍して平坦化する加圧焼鈍工程と、を含んだ製造方法によって製造される。加圧焼鈍工程後のアルミニウム合金基板は、表面を鏡面加工する鏡面加工工程を行い、めっき前処理および無電解NiPめっき処理でNiP膜を形成されるめっき工程によって、磁気ディスク用基板となる。
〔鋳造工程〕
鋳造工程は、アルミニウム合金の溶湯を、公知の薄板連続鋳造法により板厚50mm以下のアルミニウム合金板にする。これは、本発明に係るアルミニウム合金のような6質量%を超える高濃度のMgを含有するアルミニウム合金を熱間圧延すると圧延割れを生じるためで、熱間圧延の不要な薄板連続鋳造法を適用する。また、薄板連続鋳造法はDC鋳造法よりも冷却速度が速いため、Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物を微細化する効果がある。しかしながら、板厚が50mmを超えると、厚み中央部分で冷却速度が遅くなり前記金属間化合物が粗大化する。したがって、薄板連続鋳造法で鋳造されるアルミニウム合金板の厚さは50mm以下とし、好ましくは10mm以下である。また、冷却速度は100℃/h以上が好ましい。
薄板連続鋳造法は、水冷式等の冷却機能を備える可動式の鋳型に溶湯を供給し、この鋳型で冷却固化させながら送り出して連続的に板状に鋳造する方法である。溶湯の供給方向や鋳型による送り出し方向(取り出し方向、鋳造方向)は、水平でもよいし、下方に傾斜していてもよいし、鉛直下でもよい。公知の薄板連続鋳造法には、例えば、ベルト式連続鋳造法、ブロック式連続鋳造法、双ロール鋳造法等が挙げられ、その方法や装置によって、板厚1〜数10mmのアルミニウム合金板となる。以下に、各方式の薄板連続鋳造法の概要を説明する。
(ベルト式連続鋳造法)
ベルト式連続鋳造法は、鋳型として相対する可動式の2つのベルトを使用し、両ベルトを冷却しながらその間に溶湯を供給し、両ベルト間で冷却固化させながら連続的に板状に鋳造する方法である。この方法で鋳造されるアルミニウム合金板の冷却速度は5〜300℃/sec、板厚は3〜25mm程度である。生産能力が大きいため、比較的普及している薄板連続鋳造法である。
(ブロック式連続鋳造法)
ブロック式連続鋳造法は、鋳型として、前記ベルト式連続鋳造法のベルトの代わりに多数個のブロックをループ状に連結したブロックチェーンを使用する方法である。この方法で鋳造されるアルミニウム合金板の冷却速度は5〜300℃/sec、板厚は15〜40mm程度である。
(双ロール鋳造法)
双ロール鋳造法は、鋳型として相対して回転する2つのロールを使用し、両ロールを冷却しながらその間に溶湯を供給し、両ロール間で冷却固化させながら連続的に板状に鋳造する方法である。この方法で鋳造されるアルミニウム合金板の冷却速度は200〜1000℃/sec、板厚は1〜10mm程度である。双ロール鋳造法は板厚1〜3mmの薄板に鋳造可能であり、冷却速度も他方式と比較して速いので、本発明に係るアルミニウム合金基板の製造方法における薄板連続鋳造法として好ましい。
〔成形工程〕
成形工程は、薄板連続鋳造法で得られたアルミニウム合金板を、打ち抜き加工等の公知の加工法により磁気ディスクの形状にする。例えば、3.5インチタイプでは、外径95mm、内径25mmの円環形状である。また、成形工程におけるアルミニウム合金板の板厚は、後記のアルミニウム合金基板(サブストレート)の板厚に応じたものとする。
〔加圧焼鈍工程〕
加圧焼鈍工程は、円環形状に打ち抜き加工したアルミニウム合金板を両面から加圧した状態で加熱することにより、打ち抜き加工で生じた歪みを矯正して平坦化する工程であり、平坦度3μm以下に平坦化されることが好ましい。円環形状にしたアルミニウム合金板を10〜30枚積み付けて、両端から一対の治具(スペーサ)で挟んで加圧し、以下の条件で焼鈍する。
(焼鈍温度:300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上([Mg]:アルミニウム合金におけるMg含有量(質量%))、焼鈍時間:1h以上)
焼鈍温度が300℃未満ではアルミニウム合金板の再結晶が起きないため、歪みの矯正が不十分で磁気ディスク用基板として満足な平坦度が得られないとともに、磁性膜成膜等の以降の熱処理工程において平坦度が悪化する。同様に、焼鈍時間が1h未満でも、歪みの矯正が完了せず不十分である。また、焼鈍温度は、再結晶が起きる温度域すなわち300℃以上であって、さらに下式(1)のT℃以上とする。
T=14.7×[Mg]+204 ・・・式(1)
([Mg]:アルミニウム合金におけるMg含有量(質量%))
式(1)はAl−Mg系平衡状態図における固溶限線の近似式で、再結晶が起きる温度域において、T℃未満では、再結晶でAlMg相(β相)が析出する。すなわち、Mg含有量が6.5質量%を超えると、焼鈍温度が300℃以上であってもT℃未満となる場合があり、このとき再結晶でβ相が析出し、アルミニウム合金基板の表面においてβ相の面積率が1%を超える虞がある。一方、焼鈍温度が435℃を超えると、打ち抜き加工時の歪みの大きい端部で結晶粒が粗大化し、めっき面の平滑性が低下する。したがって、加圧焼鈍工程における焼鈍温度は300℃および式(1)のT℃の高い方の温度以上で、焼鈍時間は1h以上とし、好ましくは、焼鈍時間が1〜3hで、さらに焼鈍温度が435℃以下である。
(100℃以下までの冷却速度:3.5≦[Mg]≦8のとき50℃/h以上、8<[Mg]≦15のとき100℃/h以上、[Mg]:アルミニウム合金におけるMg含有量(質量%))
β相は、アルミニウム合金のMg濃度が高いほど、前記式(1)のT℃が高く、より高温において析出し易いので、速やかに温度を下げる必要がある。アルミニウム合金におけるMg含有量が8質量%以下の場合は、前記焼鈍温度から100℃以下になるまでの冷却速度が50℃/h以上であればβ相の析出を抑制することができるため、加圧焼鈍後の冷却速度は50℃/h以上とする。一方、アルミニウム合金におけるMg含有量が8質量%を超え15質量%以下の場合は、前記焼鈍温度から100℃以下になるまでの冷却速度が100℃/h未満では、β相が析出し、アルミニウム合金基板の表面においてβ相の面積率が1%を超える虞がある。したがって、加圧焼鈍後の冷却速度は100℃/h以上とし、好ましくは200℃/h以上である。
〔鏡面加工工程〕
鏡面加工工程は、加圧焼鈍後のアルミニウム合金基板(ブランク)の両面(表面および裏面)または片面を切削加工、研削加工等、公知の機械的加工によって鏡面とし、同時に、所望の板厚に調整する工程である。鏡面の算術平均粗さRaは50nm以下が好ましく、また、前記所望の板厚すなわちアルミニウム合金基板(サブストレート)の板厚は、0.5〜2mmが好ましい。
本発明の実施形態に係るアルミニウム合金基板の製造方法において、成形工程の前に、薄板連続鋳造法で形成されたアルミニウム合金板を、冷間圧延により所望の板厚に薄板化する冷間圧延工程を行うことが好ましい。さらに、この冷間圧延工程の前に、アルミニウム合金板を焼鈍する冷間圧延前焼鈍工程を行うことが好ましい。
〔冷間圧延前焼鈍工程〕
(焼鈍温度:300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上([Mg]:アルミニウム合金におけるMg含有量(質量%)))
冷間圧延前の焼鈍温度は、再結晶が得られ、かつβ相が析出しない温度域、すなわち前記加圧焼鈍工程で規定される焼鈍温度の下限温度以上が好ましい。このような温度で焼鈍することで、アルミニウム合金板の鋳造組織を均質化かつ微細化することができる。一方、焼鈍温度が450℃を超えると、薄板連続鋳造法により微細に析出させたMg−Si系金属間化合物が粗大化する。したがって、冷間圧延前焼鈍工程における焼鈍温度は、300℃および前記式(1)のT℃の高い方の温度以上、450℃以下が好ましい。また、再結晶を十分に得るために、焼鈍時間は1h以上が好ましい。そして、前記焼鈍温度から100℃以下になるまでの冷却速度は100℃/h以上が好ましい。
(焼鈍温度:450℃超、さらに500℃以上のときアルミニウム合金におけるCr含有量は0.1質量%以上、100℃以下までの冷却速度:200℃/h以上)
450℃を超える温度で焼鈍した後でも、直ちに200℃/h以上の急速冷却で100℃以下まで冷却すれば、Mg−Si系金属間化合物の粗大化を抑制できる。特に、Mg−Si系金属間化合物が溶解する490℃以上で焼鈍した後、前記冷却速度で急速冷却すれば、鋳造時の状態からさらにMg−Si系金属間化合物を微細化することができる。このような急速冷却は、薄板連続鋳造法で板厚50mm以下に形成されたアルミニウム合金板であれば、DC鋳造法により形成された鋳塊に比べて容易に可能であり、また、冷却方法としては水冷、空冷等の公知の方法が挙げられる。一方、焼鈍温度がアルミニウム合金の融点に至ると、アルミニウム合金板の表面の一部が溶解するため、焼鈍温度はアルミニウム合金の融点未満とする。本発明に係るアルミニウム合金の融点は、その成分によって変化し、特にMg含有量が多いと低くなるため、焼鈍温度はアルミニウム合金の成分に応じて適宜設定する。また、焼鈍温度が500℃以上になると、一部の結晶粒が粗大化してアルミニウム合金組織が不均一になる虞がある。ただし、アルミニウム合金板のCr含有量が0.1質量%以上であれば結晶粒の粗大化を抑制できる。したがって、冷間圧延前焼鈍工程における焼鈍温度が450℃を超えるとき、焼鈍後100℃以下までの冷却速度は200℃/h以上が好ましく、さらに焼鈍温度を500℃以上とするとき、アルミニウム合金におけるCr含有量が0.1質量%以上であることが好ましい。
〔冷間圧延工程〕
本発明に係るアルミニウム合金基板は、冷間圧延により薄板化されることで、板厚の精度が向上し、また結晶粒が微細化されてめっき後の表面の平滑性が向上する。冷間圧延による圧下率は、30〜75%が好ましく、さらに50%以上が好ましい。また、冷間圧延工程前のアルミニウム合金板、すなわち薄板連続鋳造法で鋳造されるアルミニウム合金板の板厚は3〜10mmが好ましく、これを前記成形工程におけるアルミニウム合金板の板厚に薄板化する。また、冷間圧延工程の途中に、必要に応じて中間焼鈍を行ってもよく、中間焼鈍の条件(焼鈍温度、焼鈍時間、冷却速度)は、前記加圧焼鈍工程で規定される条件に倣う。
別の実施形態に係るアルミニウム合金基板の製造方法として、アルミニウム合金板をDC鋳造法による鋳造と熱間圧延により製造することもできる。すなわち、本発明に係るアルミニウム合金基板において、Mg含有量が6.0質量%以下のアルミニウム合金で形成する場合は、熱間圧延が可能であるのでDC鋳造法により鋳造してもよい。ただし、鋳塊の冷却速度が薄板連続鋳造法における冷却速度より遅く、粗大な金属間化合物が析出し易いため、アルミニウム合金のSi,Feの各含有量は0.03質量%以下とすることが好ましい。このような成分のアルミニウム合金の溶湯をDC鋳造法により600mm以下の厚さの鋳塊に鋳造し、鋳塊を面削、均質化熱処理し、熱間圧延により所定の板厚のアルミニウム合金板とする。得られたアルミニウム合金板は、前記薄板連続鋳造法で形成されたアルミニウム合金板と同様の冷間圧延工程により所望の板厚に薄板化し、成形工程、加圧焼鈍工程を経てアルミニウム合金基板とすることができる。
本発明に係るアルミニウム合金基板(サブストレート)は、無電解NiPめっき処理により約10μm厚のNiP膜が被覆されて、磁気ディスク用基板となる。無電解NiPめっき処理およびその前処理は公知の方法による。めっき前処理として、アルカリによる脱脂処理、硫酸やリン酸の混合液に浸漬するエッチング処理、硝酸による表面のスマット除去(デスマット)処理、そして、2度のジンケート処理(Zn置換)を行う。そして、無電解NiPめっき処理は市販のめっき浴で行うことができる。その後、平滑性を向上させるため、めっき膜の表面をさらに研磨して使用される。
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と比較して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
〔供試材作製〕
(アルミニウム合金板作製)
まず、表1に示す成分組成のアルミニウム合金を、同じく表1の鋳造方法(アルミニウム合金板形成方法)に示す方式の薄板連続鋳造法(双ロール式連鋳またはベルト式連鋳と示す)により板厚3mmのアルミニウム合金板(アルミニウム合金鋳造板)に鋳造した。このアルミニウム合金鋳造板を表1に示す冷間圧延前焼鈍条件(焼鈍温度、焼鈍時間、焼鈍後の冷却速度)で焼鈍した後、冷間圧延して、板厚1.0mmのアルミニウム合金板とした。ただし、実施例11および比較例14は、アルミニウム合金鋳造板を焼鈍せずに冷間圧延した。また、実施例12および比較例15,16は、DC鋳造法により板厚500mmの鋳塊を作製し、この鋳塊を面削した後、540℃で8h加熱して均質化熱処理し、板厚が3mmになるように熱間圧延してアルミニウム合金板(アルミニウム合金熱間圧延板)とした。引き続き、このアルミニウム合金熱間圧延板を冷間圧延して、板厚1.0mmのアルミニウム合金板とした。
(アルミニウム合金基板作製)
次に、前記冷間圧延されたアルミニウム合金板を外径95mm、内径25mmの円環形状に打ち抜き、20枚ずつ積み付け、表1に示す加圧焼鈍条件(焼鈍温度、焼鈍時間、焼鈍後の冷却速度)で加圧焼鈍し、端面加工を行い、3.5インチタイプのブランクを作製した。そして、ブランク表面(両面)を砥石によって、片面10μmで研削加工(鏡面加工)して、サブストレートを作製した。
(無電解NiPめっき処理)
さらに、作製したサブストレートにNiPめっき膜を形成した。AD−68Fにより70℃で5minの脱脂を行った後、AD−101Fにより68℃で2minの酸エッチングを行い、30%硝酸によりデスマットを行った。その後、AD−301F−3Xにより20℃で30secのジンケート処理を行った後、30%硝酸でZnを溶解させた後、再び20℃で15secのジンケート処理を行った。その後、HDX−7G液を使用して、90℃、2hで無電解NiPめっき処理を行い、10μm厚さ程度のNiPめっき膜を形成した。その後、両面(NiPめっき膜表面)を研磨して磁気ディスク用基板を作製した。なお、前記のAD−68F、AD−101F、AD−301F−3XはNiPめっき前処理液、HDX−7G液はNiPめっき液で、いずれも上村工業(株)製のものを使用した。
〔評価〕
評価は、加圧焼鈍後の供試材(ブランク)で表面の金属間化合物の個数の測定およびβ相の面積率の測定を行い、鏡面加工後の供試材(サブストレート)で強度の測定を行い、めっき処理後の供試材(磁気ディスク用基板)でめっき面の平滑性の評価を行った。なお、比較例16(DC鋳造法により作製)は、熱間圧延において著しい端部割れ(耳割れ)を生じたため成形加工等が不可能となり、以降の処理および評価は実施しなかったので、表1に「−」で示す。
(Al−Fe系、Mg−Si系金属間化合物の個数の測定)
金属間化合物の個数の測定は、ブランクの表面をダイヤモンドバイトで約20μm切削して鏡面とし、この鏡面化された面を走査型電子顕微鏡(SEM)の倍率1000倍の組成(COMPO)像で20視野観察して行った。母相より白く写る部分をAl−Fe系金属間化合物、黒く写る部分をMg−Si系金属間化合物と見なしてカウントを行った。そして、面内の全方位における最大長さが7μmを超えるAl−Fe系金属間化合物の個数と、面内の全方位における最大長さが4μmを超えるMg−Si系金属間化合物の個数を、それぞれ単位面積当たりの個数(個数密度:個/mm)として計算した。結果を表1に示す。Al−Fe系金属間化合物およびMg−Si系金属間化合物の合格基準は、前記個数密度0個/mmとした。
(AlMg相の面積率の測定)
AlMg相(β相)の面積率は、前記金属間化合物の個数の測定に使用した供試材の鏡面化された面を、X線マイクロアナライザ(EPMA)の倍率1000倍で1視野観察し、Mgの濃度のマッピングを行った。その後、Mgの濃度によりβ相と母相を分離し、画像解析を行い、β相の面積率を計算した。結果を表1に示す。β相の面積率の合格基準は、1%以下とした。
(強度測定)
アルミニウム合金基板の強度の指標として、サブストレートの表面のビッカース硬さを適用した。ビッカース硬さは、ビッカース硬度計を用いてサブストレートの表面を測定した。強度の合格基準は、ビッカース硬さ50Hv以上とした。
(めっき面平滑性の評価)
めっき面平滑性は、磁気ディスク用基板の片側のNiPめっき膜表面全体と、この磁気ディスク用基板を300℃で1h加熱した後の同じ側のNiPめっき膜表面全体を、それぞれ微分干渉式光学顕微鏡により観察した。そして、NiPめっき膜表面に、最大幅1μm以上かつ深さ0.5μm以上の窪み(ピット)、最大幅1μm以上かつ高さ0.1μm以上のフクレのいずれかの有無を評価した。加熱前のNiPめっき膜表面に窪みがなく、かつ加熱後のNiPめっき膜表面にフクレが発生しなかったものを良好として「○」、窪みまたはフクレのいずれかがNiPめっき膜表面全体に1個でも生じたものを不良として「×」で評価した。また、アルミニウム合金基板の粗大結晶粒に由来するNiPめっき膜表面の凹凸が研磨後にも残存して、微分干渉式光学顕微鏡でコントラストとして確認できる場合も、不良として「×」で評価した。評価結果を表1に示す。
Figure 2009079286
(鋳造方法による評価)
実施例2〜6,10は、7〜14質量%の高濃度のMgを含有するアルミニウム合金からなるが、薄板連続鋳造法により、熱間圧延によらずにアルミニウム合金板を作製したので、双ロール式、ベルト式の両薄板連続鋳造法ともに、割れ等の不具合のない良好なアルミニウム合金板が得られた。これに対して、比較例16は、7質量%の高濃度のMgを含有するアルミニウム合金を熱間圧延したため、著しい端部割れ(耳割れ)を生じて成形加工等が不可能となった。一方、実施例12と比較例15は、4質量%という本発明の範囲内において低濃度のMgを含有するアルミニウム合金からなるため、熱間圧延しても、熱間圧延しなかった実施例1と同様、割れ等の不具合のないアルミニウム合金板が得られた。ただし、実施例12はSi,Fe含有量が微量な(本発明の範囲内の下限近傍である)ため、粗大なAl−Fe系、Mg−Si系金属間化合物は析出しなかったが、比較例15は、Si,Fe含有量が本発明の範囲内であっても、DC鋳造における冷却速度が遅いために粗大なAl−Fe系、Mg−Si系金属間化合物が析出した。
(アルミニウム合金成分による評価)
実施例1〜12は、Mg含有量が本発明の範囲内であるので、ビッカース硬さが十分に高く、磁気ディスク用基板として耐衝撃性を満足した。これに対して、比較例3はMg含有量が不足しているため、硬さが十分に得られなかった。また、ビッカース硬さはMg含有量に略比例した。
実施例1〜12は、Si,Fe含有量がそれぞれ本発明の範囲内であるので、粗大なAl−Fe系、Mg−Si系金属間化合物は析出しなかった。これに対して、比較例1はSi含有量が過剰なため、最大長さが4μmを超える粗大なMg−Si系金属間化合物が析出し、比較例2はFe含有量が過剰なため、最大長さが7μmを超える粗大なAl−Fe系金属間化合物が析出し、それぞれめっき面の平滑性が低下した。
実施例1〜12は、Cr含有量が本発明の範囲内であるので、鋳造、焼鈍における結晶粒成長が抑制され、めっき面の平滑性が良好であった。これに対して、比較例5はCr含有量が不足しているため、焼鈍(冷間圧延前焼鈍、加圧焼鈍)時に結晶粒が粗大化し、アルミニウム合金の結晶粒径が不均一になったことでめっき面に凹凸が生じ、めっき面の平滑性が低下した。一方、比較例6はCr含有量が過剰なため、SEMによるAl−Fe系金属間化合物の個数の測定において、母相より白く写る粗大なAl−Cr系金属間化合物の析出が多数確認され、めっき面の平滑性が低下した。
実施例1〜12は、Cu,Zn含有量がそれぞれ本発明の範囲内であるので、NiPめっき膜がめっき性よく形成され、めっき面の平滑性が良好であった。これに対して、比較例4はCu,Zn含有量がともに不足しているため、めっき性が低下してNiPめっき膜表面にフクレが発生したり、結晶粒による段差が抑制されずにめっき面の平滑性が低下した。一方、比較例7はCu含有量が過剰なためNiPめっき膜表面にノジュールが発生し、比較例8はZn含有量が過剰なためNiPめっき膜表面に窪みが発生し、それぞれめっき面の平滑性が低下した。
(加圧焼鈍条件による評価)
実施例1〜12は、加圧焼鈍工程における焼鈍温度および加圧焼鈍後の冷却速度が本発明の範囲内であるので、β相の析出が抑制されて、めっき面の平滑性も良好であった。これに対して、比較例9はMg含有量に対して焼鈍温度が低く、また比較例10,11はMg含有量に対して冷却速度が遅いため、それぞれアルミニウム合金基板の表面にβ相が析出し、その結果、めっき面の平滑性が低下した。
(冷間圧延前焼鈍条件による評価)
実施例1〜10は、冷間圧延前焼鈍工程における焼鈍温度および焼鈍後の冷却速度が本発明の範囲内であるので、粗大なMg−Si系金属間化合物は析出せず、またβ相の析出が抑制されて、めっき面の平滑性も良好であった。これに対して、比較例12はMg−Si系金属間化合物の溶解温度を超える温度で焼鈍し、その後の冷却速度が遅いため、最大長さが4μmを超える粗大なMg−Si系金属間化合物が析出して、めっき面の平滑性が低下した。また、比較例13は、Cr含有量の少ない(本発明の範囲内の下限近傍である)アルミニウム合金板を500℃で焼鈍したため、一部の結晶粒の粗大化が抑制されず、これがアルミニウム合金基板の表面に影響してめっき面の平滑性が低下した。一方、実施例11は冷間圧延前に焼鈍を行わなかったが、Si,Fe含有量が微量な(本発明の範囲内の下限近傍である)ため、鋳造時に析出したAl−Fe系、Mg−Si系金属間化合物は十分に微細なものであり、アルミニウム合金基板に影響することはなかった。これに対して、比較例14は、Si含有量が本発明の範囲内であってもその上限近傍であるため、鋳造時に析出したMg−Si系金属間化合物が、冷間圧延前に焼鈍を行わなかったことによりアルミニウム合金基板において4μmを超える大きさで残存した。

Claims (4)

  1. Mg:3.5〜15質量%、Si:0.01〜0.1質量%、Fe:0.01〜0.1質量%、Cr:0.02〜0.35質量%を含有し、さらに、Cu:0.01質量%以上0.2質量%以下、および、Zn:0.01質量%以上0.4質量%未満のうち少なくとも1種を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で形成される磁気ディスク用アルミニウム合金基板で、
    前記磁気ディスク用アルミニウム合金基板の表面におけるAl−Fe系金属間化合物の最大長さが7μm以下、Mg−Si系金属間化合物の最大長さが4μm以下であり、
    前記磁気ディスク用アルミニウム合金基板の表面におけるAlMg相の面積率が1%以下であることを特徴とする磁気ディスク用アルミニウム合金基板。
  2. 請求項1に記載のアルミニウム合金の溶湯を薄板連続鋳造法により、板厚50mm以下のアルミニウム合金板にする鋳造工程と、
    前記アルミニウム合金板を円環形状に打ち抜く成形工程と、
    前記成形工程で得られた円環形状のアルミニウム合金板を加圧焼鈍して平坦化する加圧焼鈍工程と、を含み、
    前記加圧焼鈍工程は、前記アルミニウム合金におけるMgの含有量(質量%)を[Mg]として表したとき、300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上で、1h以上保持して加圧焼鈍し、前記加圧焼鈍後、3.5≦[Mg]≦8のとき冷却速度50℃/h以上で、8<[Mg]≦15のとき冷却速度100℃/h以上で、100℃以下まで冷却することを特徴とする磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法。
  3. 前記成形工程の前に、前記アルミニウム合金板を焼鈍する冷間圧延前焼鈍工程と、前記焼鈍されたアルミニウム合金板を冷間圧延して所望の板厚とする冷間圧延工程と、をさらに含み、
    前記冷間圧延前焼鈍工程は、300℃および(14.7×[Mg]+204)℃の高い方の温度以上で焼鈍することを特徴とする請求項2に記載の磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法。
  4. 前記冷間圧延前焼鈍工程は、450℃を超える焼鈍温度で焼鈍した後、冷却速度200℃/h以上で100℃以下まで冷却し、さらに前記焼鈍温度を500℃以上とするとき、前記アルミニウム合金におけるCrの含有量が0.1質量%以上であることを特徴とする請求項3に記載の磁気ディスク用アルミニウム合金基板の製造方法。
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