JP2013119634A - 酸化皮膜の形成方法及び酸化皮膜 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空下におけるガス放出が少なく、熱膨張によるひび割れがなく、傷つきに強く、更に、アルカリ金属を含まない酸化皮膜の形成方法及びこの方法により得られた酸化皮膜を提供する。
【解決手段】 アルミニウム又はアルミニウム合金を火花放電を伴うマイクロアーク型のアノード酸化処理することにより酸化皮膜を形成する方法において、アルカリ金属を含まず、且つ、リン酸アンモニウム塩、ホウ酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウム塩のうちの少なくとも１種を含む溶液に、アンモニア、ヒドラジン、エタノールアミン及び炭酸アンモニウムのうちの少なくとも１種を添加して、アルカリ性溶液としたものを電解液として使用することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材への耐食処理に関し、詳細には、真空装置を構成する部材の表面にアノード酸化処理することにより酸化皮膜を形成する方法及びこの方法により形成された酸化皮膜に関する。

反応性ガスを用いる真空装置では、その構成部材のアルミニウム及びアルミニウム合金（以下、「アルミニウム等」ともいう。）には、反応性ガスとの反応を阻止する耐食処理が必要であるためアノード酸化処理が行われている。
その中でも、ポーラス型アノード酸化処理が一般的に行われている（特許文献１参照）。
しかしながら、同処理により形成される酸化皮膜は、厚さ数１０ｎｍ程度のポーラス構造であるために、真の表面積が大きく、表面が水和物であることに起因して真空下におけるガス放出量が多いという問題がある。また、１００℃程度に加熱すると酸化皮膜にひび割れが生じてしまうために、保護しようとするアルミニウム等が露出するという問題がある。この問題は、蒸気圧の高いマグネシウムを含むアルミニウム合金の場合には、ひび割れを介して真空下にマグネシウムが放出されてしまうという問題につながる。
また、他のアノード酸化処理として、バリア型アノード酸化処理がある（特許文献２，３参照）が、得られる酸化皮膜の膜圧が１μｍ以下と薄いために傷がつきやすいという問題がある。
また、更に、他のアノード酸化処理として、マイクロアーク型アノード酸化処理がある（特許文献４〜７参照）が、ナトリウムやカリウム等のアルカリ金属が酸化皮膜中に含まれるために、同処理が施された真空処理装置において成膜を行うと不純物がデバイスに混入してしまうという問題があった。

特開２００１−１７２７９５号公報 特開２００６−３２２０４０号公報 特許第３５０６８２７号公報 特許第３８８１４６１号公報 特開２００８−２６６７０１号公報 特開２００９−１０２７２１号公報 特開２０１０−１７２７９５号公報

上記課題を解決するために、本発明は、真空下におけるガス放出が少なく、熱膨張によるひび割れがなく、傷つきに強く、更に、アルカリ金属を含まない酸化皮膜の形成方法及びこの方法により得られた酸化皮膜を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の酸化皮膜の形成方法は、請求項１に記載の通り、アルミニウム又はアルミニウム合金を火花放電を伴うマイクロアーク型のアノード酸化処理することにより酸化皮膜を形成する方法において、アルカリ金属を含まず、且つ、リン酸アンモニウム塩、ホウ酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウム塩のうちの少なくとも１種を含む溶液に、アンモニア、ヒドラジン、エタノールアミン及び炭酸アンモニウムのうちの少なくとも１種を添加して、アルカリ性溶液としたものを電解液として使用することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１において、リン酸アンモニウム塩、ホウ酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウム塩を溶液中に２〜１５重量％含有することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は２において、前記アノード酸化処理における電流密度を２Ａ／ｄｍ^２〜８Ａ／ｄｍ^２とし、最大の電圧を２５０Ｖ〜６５０Ｖとすることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３において、前記最大の電圧に到達した後に、前記電圧を維持した状態でアノード酸化処理を少なくとも１５分維持することを特徴とする。
また、本発明の酸化皮膜は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の酸化皮膜の形成方法により形成される酸化皮膜であって、第１図（ａ）に示される表面形態を有することを特徴とする。

本発明の酸化皮膜の形成方法により形成された酸化皮膜の形態は、溶岩状に不規則な形態で、且つ、酸化皮膜の厚さは全体に均一且つ比較的厚く形成することができるので、処理対象となるアルミニウムやアルミニウム合金と熱膨張係数が大きく異なっていても、温度変化に起因するひび割れに強いものとなる。また、形成される酸化皮膜を比較的厚くすることができ、傷に強いものとすることができる。更に、形成された酸化皮膜はアルカリ金属を含まないものとすることができる。

（ａ）実施例１の表面の走査電子顕微鏡像、（ｂ）比較例１の表面の走査電子顕微鏡像 実施例１と比較例３の処理過程における電圧変化を示すグラフ 実施例２１と比較例５の処理過程における電圧変化を示すグラフ 実施例１の処理過程の電圧及び電流の変化を示すグラフ

一般的にマイクロアーク型処理の電解液は、リン酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水ガラス等で構成される。このような電解液で形成したアノード酸化皮膜にはナトリウム、カリウムが取り込まれるので、真空雰囲気下で処理を行う真空装置の構成部材の表面処理としては適当ではない。
これに対して、本願発明では、アルカリ金属を含まない電解液で火花放電を伴うマイクロアーク型のアノード酸化処理を行うようにしたものである。
具体的に、電解液としては、リン酸アンモニウム塩、ほう酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウムの塩（アルカリ金属を含むものを除く。）の単独又は２種以上の混合させた電解液に、アンモニア、ヒドラジン、エタノールアミン及び炭酸アンモニウムのうちの少なくとも１つを添加し、ｐＨ７．５〜１１としたアルカリ性溶液を使用する。
有機酸アンモニウムの塩としては、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸及びデカンジカルボン酸等のHOOC(CH₂)_nCOOHで表せる鎖状ジカルボン酸の塩や、シュウ酸、タルトロン酸、フマル酸、マレイン酸、シトラコン酸、りんご酸及び酒石酸等のその他のジカルボン酸の塩、或いは、フタル酸、ニトロフタル酸、テトラヒドロフタル酸及びボロジサリチル酸等の環式ジカルボン酸の塩を使用することができる。

アンモニア、ヒドラジン、エタノールアミン及び炭酸アンモニウムの何れの添加物も含まれない電解液を使用すると、絶縁破壊が生じる電圧まではバリア型アノード酸化皮膜が形成され、当該電圧以上に電圧を上昇させると火花放電が生じるが、絶縁破壊が局所的に集中して被処理物の全面に絶縁破壊が散ることがなく、酸化皮膜に班やムラが生じたり、酸化皮膜の膜厚を数μｍ程度までしか成長させることができなくなる。また、電圧上昇曲線に異常な振れが生じ、均一な皮膜を形成することができなくなる。また、更に、４００Ｖ以上の電圧を印加した場合に、電圧の上昇速度が遅くなり、強固な酸化皮膜が形成できない、或いは、処理時間が長くなるという問題がある。
このため、本願発明では、アンモニア、ヒドラジン、エタノールアミン及び炭酸アンモニウムの少なくとも何れかを、電解液のｐＨが７．５〜１１となるように調製しながら添加してアノード酸化処理を行うようにしている。
これにより、放電が分散し、アノード酸化処理の処理開始から１０００秒までの電圧の乱れが少なくなり安定した電圧上昇と処理開始の電圧が安定させることができ、１０００秒以降の放電処理の間も電圧の上昇幅が少なく安定した放電処理が可能となる。その結果として、溶岩状に不規則な形態で、且つ、酸化皮膜の厚さは全体に均一且つ比較的厚く（膜厚１μｍ〜３０μｍ程度、特に、２０μｍ〜３０μｍ）形成することができる。また、目標とする電圧値に達するまでの時間が短くなり、処理時間を短縮することができる。
また、リン酸アンモニウム塩、ホウ酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウム塩を溶液中に２〜１５重量％含有することが好ましい。２重量％未満であると、処理電圧が高くなり、１５重量％を超えると形成された皮膜にムラが生じ均質な皮膜が形成できないからである。
また、ｐＨ７．５未満では電圧が上昇せずマイクロアーク酸化皮膜を成長させることができず、ｐＨ１１を超える溶液は、本願で使用する薬剤を混合させても得ることが困難で液性の維持および管理が難しくなるからである。

本発明の酸化皮膜の形成対象となる部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、例えば、Ａｌ−Ｓｉ合金の４０００番系、１０００番〜３０００番、５０００番から７０００番台のアルミニウム合金等について適用できる。

アノード酸化処理の過程において目標の電圧値に達した後、この電圧を維持した状態（定電圧）で処理を継続することが好ましい。貫通孔や入り組んだ構造（例えば、シャワープレート）の場合には、この定電圧の工程により細部への皮膜形成がより完全なものとなるからである。また、定電圧の処理は、電流値が降下して酸化皮膜の修復効果が得られるため、蒸気圧の高いマグネシウムを含むアルミニウム合金部材により構成された真空装置に適用した場合に、真空雰囲気下におけるマグネシウム等の飛散を防止することができる。
尚、処理時間は電流値が十分低下する３０分以下でよく、特に電流値が半分以下に低下する１５分以内とすることが好ましい。

［実施例１〜３０］
電解液Ａとして、アジピン酸二アンモニウム、四ほう酸アンモニウム、又は、リン酸三アンモニウムを用い、電解液Ｂには、ヒドラジン、トリエタノールアミン、アンモニア、モノエタノールアミン又は炭酸アンモニウムを用い、下記の表１に示した電解液Ａと電解液Ｂを混合した電解液を用意した。
アルミニウム合金Ａ６０６１の３０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの板状試料を、実施例１〜３０として用意した電解液に浸漬した。試料側をプラス極とし、対極のマイナス極にカーボン電極を取り付けた。一定電流密度４Ａ／ｄｍ^２を保持しながら、最大電圧４１０Ｖ〜４５０Ｖまで火花放電を伴うアノード酸化処理を行い、設定した最大電圧に電圧が到達後、最大電圧を保持しながらアノード酸化処理を３０分行った。
実施例１〜３０の条件でアノード酸化処理を行ったときの電解液のｐＨ、アノード酸化処理により成長させた酸化皮膜の膜厚、及び、ガス放出量を表１に示した。
尚、ガス放出量は、昇温脱離法により室温から３００℃まで昇温する間の単位面積当たりのガス放出量を示した。

実施例との比較のために、下記表２に示す比較例１〜６を用意した。尚、実施例に対する比較考察に関しては、表２以降に具体的に説明する。

［比較例１］
電解液として１５ｗｔ．％の硫酸を用意した。アルミニウム合金Ａ６０６１の３０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの板状試料を電解液に浸漬した。試料側をプラス極とし、対極のマイナス極にカーボン電極を取り付けた。一定電流密度２Ａ／ｄｍ^２でアノード酸化処理を行い、厚さ１５μｍのポーラス型アノード酸化皮膜を形成した。処理終了時点での電圧は２０Ｖであった。ガス放出量を実施例と比較すると、実施例１〜３０の全てが、比較例１の約１／１０以下のガス放出量であった。

また、図１（ａ）に本願実施例の代表的な表面形態として、実施例１の表面の走査電子顕微鏡像、同図（ｂ）に比較例１の表面の走査電子顕微鏡像を示した。
実施例１では、表面は溶岩状の形態をしており、ところどころ空孔が存在した様な酸化皮膜形態であるが、比較例１は一般的なポーラス型のアノード酸化処理の形態であった。

［比較例２］
電解液に３ｇ／Ｌ−りん酸三ナトリウム、３ｇ／Ｌ水酸化カリウム、３ｇ／Ｌ−メタケイ酸ナトリウムの混合液を用意した。アルミニウム合金Ａ６０６１の３０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの板を電解液に浸漬し実施例と同様な方法で火花放電を伴うアノード酸化処理を行い、試料表面に酸化皮膜を形成した。
図１（ｃ）に比較例２の表面の走査電子顕微鏡像を示す。皮膜形態は、実施例１と同様であった。
下記表３に実施例１と比較例２の酸化皮膜の構成成分を電子線μアナライザー（ＥＰＭＡ）で分析した結果を示す。比較例２では、酸化皮膜中に電解液のアニオンである、ナトリウム、カリウムが比較的大量に検出された。一方、実施例１では、電解液中にナトリウム、カリウムを含まないので、形成された酸化皮膜中にもナトリウム、カリウムは存在しなかった。
この結果から、半導体、フラットパネルなどの製造工程中における成膜やエッチングなどの際にはナトリウム、カリウムは最も嫌われる不純物であるが、本発明の方法による耐食処理を行った部材はナトリウム、カリウムが含有されず、半導体、フラットパネルなどの製造工程にも使用することができることが分かった。

［比較例３〜５］
表２に示したようにそれぞれの電解質を単独で溶解した電解液を用意した。アルミニウム合金Ａ６０６１の３０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの板状試料を電解液に浸漬した。試料側をプラス極とし、対極のマイナス極にカーボン電極を取り付けた。実施例と同様な電流密度で同様な条件で火花放電を伴うアノード酸化処理を行おうとした。
比較例３のアジピン酸二アンモニウム単独の電解液を用いた場合、最大電圧は４５０Ｖまで上昇させることはできるものの、絶縁破壊が不安定になり、図２に示すように、処理開始から１０００秒以内（具体的には４００秒〜７００秒後）に電圧の上昇カーブが途中でふらついた（２０Ｖを超える電圧降下が生じた）。この現象は不規則にかつ処理回数を増やすごとに顕著に現れた。また、試料の絶縁破壊の位置が局所的であり、アジピン酸二アンモニウム単独の電解液では均一で安定な処理ができないことが分かった。一方、実施例１の電圧上昇カーブは比較例３に比べふらつきが少なく処理回数を重ねても安定していた。
比較例４の四ほう酸アンモニウム単独の電解液を用いた場合、最大電圧は４５０Ｖまで上昇させることができ、電圧の上昇カーブも安定であった。しかし、処理回数を重ねると、絶縁破壊が不安定になり、アジピン酸二アンモニウム単独電解液と同様に電圧の上昇カーブが途中でふらつく現象が起きた。液の寿命に問題があることが分かった。実施例１５の場合の電圧曲線は処理回数を重ねても図２の実施例１と同様に電圧の上昇が安定的であった。
比較例５のリン酸三アンモニウム単独の電解液を用いた場合の電圧上昇曲線を図３に示す。比較例５では電圧の上昇が他の電解液に比べ遅く、しかも、処理開始から１０００秒以内に２０Ｖを超える電圧降下が生じた。ようやく４１０Ｖまで上昇したところで、急に電流が流れなくなりその結果電圧が急上昇（１秒当たり６０Ｖ以上の上昇）するという現象が起きた。更に再び電流が流れだし電圧が急降下した。著しく安定性を欠く処理であった。実施例２１の電圧曲線は、安定的に電圧が上昇しており、安定な処理が可能になることが分かった。

［比較例６］
２０ｗｔ．％−アジピン酸二アンモニウム、１０ｖｏｌ．％−トリエタノールアミンを混合させた電解液を用意した。アルミニウム合金Ａ６０６１の３０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの板状試料を電解液に浸漬した。試料側をプラス極とし、対極のマイナス極にカーボン電極を取り付けた。一定電流密度４Ａ／ｄｍ^２を保持しながら、最大電圧４００Ｖ程度まで火花放電を伴うアノード酸化処理を行い、設定した最大電圧に電圧が到達後、最大電圧を保持しながら一定電圧でアノード酸化処理を３０分行った。最大電圧４００Ｖとしたのは、絶縁破壊が不安定になり電圧がふらつき、これ以上電圧を上昇させることができなかったためである。絶縁破壊の発生個所も局所的であり、皮膜形成した試料を目視で観察したところ、形態にムラがあり均一で安定な処理ができなかった。これはアジピン酸二アンモニウムの濃度が高いことに起因していると考えられる。

尚、上記実施例１〜３０の処理において、最大の電圧に到達した後に、電圧を維持した状態でアノード酸化処理を３０分間維持するようにした。
参考として、実施例１の処理過程の電流及び電圧の関係をグラフにしたものを図４に示す。
図４は、定電圧処理を３０分間継続した例を示すが、このグラフから定電圧処理開始から１５分程度で電流値は半減していることがわかるので、定電圧処理は最低１５分行えば良いことが分かった。

Claims (5)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金を火花放電を伴うマイクロアーク型のアノード酸化処理することにより酸化皮膜を形成する方法において、アルカリ金属を含まず、且つ、リン酸アンモニウム塩、ホウ酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウム塩のうちの少なくとも１種を含む溶液に、アンモニア、ヒドラジン、エタノールアミン及び炭酸アンモニウムのうちの少なくとも１種を添加して、アルカリ性溶液としたものを電解液として使用することを特徴とする酸化皮膜の形成方法。
2. リン酸アンモニウム塩、ホウ酸アンモニウム塩及び有機酸アンモニウム塩を溶液中に２〜１５重量％含有することを特徴とする請求項１に記載の酸化皮膜の形成方法。
3. 前記アノード酸化処理における電流密度を２Ａ／ｄｍ^２〜８Ａ／ｄｍ^２とし、最大の電圧を２５０Ｖ〜６５０Ｖとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化皮膜の形成方法。
4. 前記最大の電圧に到達した後に、前記電圧を維持した状態でアノード酸化処理を少なくとも１５分維持することを特徴とする請求項３に記載の酸化皮膜の形成方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の酸化皮膜の形成方法により形成される酸化皮膜であって、第１図（ａ）に示される表面形態を有することを特徴とする酸化皮膜。