JP2625175B2 - Ni−P合金皮膜の熱処理方法 - Google Patents

Ni−P合金皮膜の熱処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は金属、セラミツクス、合成樹脂等で形成され
た基材表面を覆うNi−P合金皮膜の熱処理方法に関する
ものである。
従来技術 無電解メツキ法、電気メツキ法または物理蒸着法(真
空蒸着、スパツタリング、イオンプレーテイング等)に
よつて形成された燐含有量5〜15重量%のNi−P合金皮
膜は微結晶ないしアモルフアスから成つており、燐含有
量を変化させることにより比抵抗を制御できることから
電気抵抗材料、電気接点材料等に使用され、高い硬度を
有することから各種耐摩耗性コーテイングに使用され、
さらに、高い耐食性を有することから耐食性コーテイン
グに使用されている。これら各種の用途において、それ
ぞれNi−P合金皮膜の有する特性を最大限に発揮させる
ためには適当な熱処理が必要である。例えば電気抵抗材
料として用いる場合には、その抵抗特性を安定化させる
ために通常200〜270℃、1〜15時間の熱処理が、耐摩耗
性コーテイング、耐食性コーテイングに用いる場合に
は、最大硬度あるいは最大の耐食性を付与するために30
0〜500℃で1〜24時間の熱処理がそれぞれ施される。
燐含有量3〜15重量%の範囲のNi−P二元系合金は、
平衡状態においてP=11重量%で880℃の共晶点を有す
るNi+Ni3Pの二相合金である。故に、アモルフアス状態
の皮膜に熱処理を施すと固溶体相からNi3Pが析出し、析
出硬化を生ずる。例えば、燐含有量7重量%のNi−P合
金皮膜の場合、熱処理により全ての燐がNi3Pに変化した
とすると、該Ni3Pは皮膜の50体積%に達する。それ以上
の燐含有量ではNi3Pがマトリツクスとなり、燐含有量15
重量%では熱処理によつて皮膜全体がNi3Pになる。
発明が解決しようとする課題 ところで、従来方法による前記熱処理には以下のよう
な幾つかの問題がある。
熱処理に時間がかかり過ぎ、使用エネルギー経費が
嵩むだけでなく、生産性が阻害される。
皮膜の局所のみを熱処理することができない。
Ni−P合金皮膜処理が施される基材は前記熱処理温
度、時間に耐えなければならず、基材の材質が制限され
る。
前記熱処理温度、時間ではNi−P合金皮膜表面が酸
化してしまう可能性があるため、皮膜使用目的によつて
は熱処理雰囲気を選択しなければならない(例、真空
中、不活性ガス中等)。
課題を解決するための手段 本発明は斯かる技術的背景の下に創案されたものであ
り、その目的は、無電解メツキ法、電気メツキ法または
物理蒸着法により基材上に形成された燐含有量5〜15重
量%のNi−P合金皮膜に熱処理を施す方法において、熱
処理時間を短縮し、皮膜の局所の熱処理を可能になし、
皮膜に対する熱処理雰囲気の影響をなくし、熱処理に伴
う基材の劣化を防ぐことである。
この目的は、無電解メッキ法、電気メッキ法または物
理蒸着法により基体材上に形成された燐含有量5〜15重
量%のNi−P合金皮膜に、通電によるジュール加熱、レ
ーザー照射または電子ビーム照射によりパルス幅1〜10
00ミリ秒の極短時間のパルス加熱を施し、もって熱処理
による制御された合金組織すなわちNi−P合金の平衡状
態である「Ni+Ni3P」に至る過程の選択的に制御された
合金組織を得ることによって達成される。平衡状態であ
る「Ni+Ni3P」に至る過程の選択的に制御された合金組
織とは、Ni−P合金皮膜特有の準安定相、Ni相、Ni3P相
等、熱処理による投入熱量に応じてそれぞれ相違する、
相変化の移行段階での各組織を意味する(なお、投入熱
量に応じて異なる合金組織すなわち制御された合金組織
が得られることについては、以下の実施例の説明からも
明らかである)。
本発明者等はNi−P合金皮膜の熱変化挙動に関する研
究を行なつた。一般に、無電解メツキ法、電気メツキ
法、または物理蒸着法(PVD法)で作製されたNi−P合
金皮膜はその燐含有量が約7重量%以上ではアモルフア
スであり、それ未満では結晶組織となる。これ等のNi−
P合金皮膜に熱処理を施すことによつてアモルフアス皮
膜では結晶化が起り、結晶質皮膜では更にその結晶化が
進行する。そして、いずれも最終的にNiとNi3Pが形成さ
れる。
さらに、前記熱変化挙動は、Ni−P合金皮膜の燐含有
量が等しければ、Physica Status Solidi A、74,279
(1982)(L.K.Varga & T.Schmidt発表)、金属表面
技術、34,330(1983)(逢坂、小岩発表)、日本金属
学会誌、41,1130(1977)(増井、丸野、山田発表)等
の文献に示されているように、皮膜形成方法(無電解メ
ツキ法、電気メツキ法、物理蒸着法等)の違いによつて
差異はないと言われている。また、電気抵抗材料におけ
る電気抵抗特性の安定性、耐摩耗性コーテイングにおけ
る皮膜硬度、および耐食性コーテイングにおける耐食性
に対する熱処理効果は、前記文献、J.Blectrochem.So
c.,112,401(1965)(A.H.Graham,R.W.Lindsay,H.J.Rea
d発表)、Corrosion Prevention & Control,30,
(3),p.5(1983)(C.F.Beer,P.D.Longfield,M.Sadeg
hi発表)等の文献に示されるように、NiとNi3Pの形成の
程度に深くかかわつている。従つて、熱処理方法が変つ
ても、NiとNi3Pの形成程度を首尾よく制御することがで
きれば、従来の熱処理と同等の効果を得ることができ
る。
本発明者等は、Ni−P合金皮膜に対してジユール加熱
による極短時間のパルス加熱を施した後の資料をX線回
折法により調べたところ、通常の熱処理の場合と同様に
NiとNi3Pの形成を確認することができ、しかも通常の熱
処理に比べてこれらNiやNi3Pの結晶性すなわち合金組織
(マイクロ組織)をむしろ細かく制御可能であることを
新たに見い出した(実施例に関連して示した第3図、第
4図参照)。実際、パルス加熱条件を変えて得たNi−P
合金皮膜の物性(電気抵抗、温度電気抵抗係数)は、そ
のマイクロ組織に応じて、通常の熱処理の場合と同様な
物性変化を示しただけでなく、通常の熱処理よりも細か
な物性制御が可能であった。また、該物性変化は窒素ガ
ス中でパルス加熱処理したもの、および空気中でパルス
加熱処理したもののいずれも同様の挙動を示した。
本発明で対象とするNi−P合金皮膜の好適なるP含有
量は5〜15重量%であり、皮膜の厚さ、形状(面積)お
よび基材の熱物性(非熱、熱伝導度)に応じた所定の熱
量をジユール加熱(通電加熱)、レーザー照射、または
電子ビーム照射によつてパルス幅1〜1000msec(ミリ
秒)の極短時間内に皮膜に投入することが必要である。
この時、パルス幅が1msec未満では、合金組織および物
性制御に十分な変化を与えることが困難であり、また逆
に1000msecを超えるパルス幅では、通常の長時間熱処理
と同様に合金組織および物性が急激に変化してしまい細
かな制御が不可能となるだけでなく、本発明の本来の目
的である、皮膜の局所加熱、熱処理雰囲気の影響の軽減
および熱処理に伴う基材の劣化防止が不可能となる。
実施例1 <Ni−P合金皮膜形成> 96%アルミナセラミツクスを基板として用い、無電解
Ni−P合金薄膜抵抗体製造工程により第1図、第2図に
示すようなパターンの抵抗体を作製した。図中、1はNi
−P合金皮膜抵抗体を示し、該抵抗体1の両端部にパル
ス加熱(ジユール加熱)のための通電電極用電気銅メツ
キ部2を設けてある。3はセラミツクス基板を示す。抵
抗体1の幅(W)は50μm、膜厚(t)は0.5μmとし
た。試験片の他の寸法は図中に示す通りである。
無電解Ni−P合金薄膜抵抗体製造工程は以下の通りで
ある。
脱脂…セラミツクス基板3を常温でエタノール中に浸
漬し、10分間超音波洗浄を施した。
活性化、水洗…SnCl2(1g/)、36%HCl(1ml/)
水溶液に1分間浸漬(常温)した後、脱イオン水洗を行
なつた。
触媒化、水洗…PdCl2(0.1g/)、36%HCl(0.1ml/
)水溶液中に1分間浸漬(常温)した後、脱イオン水
洗を行なつた。
反覆処理…前記活性化→水洗→触媒化→水洗の処理を
再度行なつた。
無電解メツキ・水洗…前記処理後のセラミツクス基板
3を無電解Ni−Pメツキ浴(温度90℃)中に浸漬し、燐
含有量13重量%、膜厚0.5μmのNi−P合金皮膜を得た
後、脱イオン水洗を行なつた。メツキ浴組成は以下の通
りである。なお、膜厚の調整は処理時間の選択によつて
行われる。
NaH2PO2・H2O …0.15mol/ (NH42SO4 …0.50mol/ Na3C6H5O7・2H2O …0.20mol/ NiSO4・6H2O …0.10mol/ *注:NaOHによりpHを6.0に調整した。
乾燥…水洗後の試料を熱風で乾燥させた(温度100
℃、約3分間)。
パターニング…フオトリソグラフイ法により第1図、
第2図示の如きパターンの抵抗体1を形成した。
電極付け…フオトリソグラフイ法と電気銅メツキによ
りパルス加熱(ジユール加熱または通電加熱)のための
電極銅メツキ部2を形成した。
<パルス加熱> 前記工程で得た抵抗体1の電気抵抗値を測定する。
得られた抵抗値から所定の電力を与え得る電圧を計算
し、抵抗体1に200msec間の定電圧パルスを印加してジ
ユール熱によるパルス加熱処理を施す(窒素ガス中)。
パルス加熱処理後の抵抗体1の電気抵抗値を測定す
る。
該電気抵抗値に基づいて、先の投入電力値よりも所定
量だけ大きな電力を与え得る電圧を計算し、抵抗体1に
200msec間の定電圧パルスを印加してジユール熱による
パルス加熱処理を施す(窒素ガス中)。
前記〜の操作を繰り返し、抵抗体1が溶融破壊す
るまでパルス加熱処理を施す。
<試験> 投入電力値の異なる各パルス加熱処理毎(電力値0,7,
9,10,12,17.5W)の抵抗体1につき、微小X線回折計
(X線源のターゲツト…銅)により形成物を同定した。
その結果を第3図に示す。図中、×印は基板3の構成材
であるアルミナセラミツクスのピーク値を示している。
この試験の結果、パルス加熱処理によつて、抵抗体1
(皮膜)中にNi3P、および高燐含有量Ni−P合金皮膜特
有の準安定相が生じることが確認された。なお、図中Ni
3Pの各々のピークが電力の増加とともに出現し或いは消
滅しているのは、試料の微小部(直径30μm)を測定し
ているため局所的なNi3Pの配向が顕著に現れたためであ
ると考えられる。
また、前記パルス加熱処理による析出物(Ni3P)の形
成が物性においても通常の熱処理の場合と同様な効果を
もたらすことを確認するために、投入電力値の異なる各
試料について電気抵抗値、温度電気抵抗係数(TCR)を
測定した。その結果を第5図に示す。
実施例2 基本的に実施例1と同様の方法で試料を作製した。た
だし、無電解メツキ浴のpHを9.0として燐含有量7重量
%のNi−P合金皮膜を得た。
第4図に、実施例2における試料(窒素ガス中でパル
ス加熱を施した試料)のX線回折結果を示す。図から抵
抗体(皮膜)中にNiおよびNi3Pが生じたことが理解され
る。
第6図に、実施例2における試料(窒素ガス中でパル
ス加熱を施した試料)の電気抵抗値、温度電気抵抗係数
測定結果を示す。
第7図に、実施例2における試料の電気抵抗値測定結
果を示す。図中、曲線Aは空気中でパルス加熱処理を施
した試料の特性変化を示し、曲線Bは窒素ガス中でパル
ス加熱処理を施した試料の特性変化を示す。
比較例 実施例1,2と同様に無電解メツキ法によつて作製した
試料につき、通常の熱処理(真空中、各温度に1時間加
熱後、自然冷却)を施した後の電気抵抗変化、温度電気
抵抗係数(TCR)を測定した。その結果を第8図に示
す。
試験結果の評価 X線回折結果(第3図、第4図)から、Ni−P合金皮
膜のパルス加熱処理により、通常の熱処理と同様にNiお
よびNi3Pが形成されることが理解される。しかも、パル
ス加熱処理に要する時間は極短時間(200msec)であつ
て、1時間以上の熱処理を必要とする通常の熱処理方法
に比して該時間は零に近く、生産性の向上に大きく貢献
できることが明らかである。
第5図、第6図と第8図との対比から、皮膜に対する
投入電力の増加(加熱温度の増加)によつて通常の熱処
理の場合と同様な電気抵抗値の減少、および温度電気抵
抗係数(TCR)の増加が確認される。また、パルス加熱
処理された皮膜の方が物性値の変化が緩やかである(第
5図、第6図)ため、パルス加熱処理は通常の熱処理に
比して精密な物性制御が可能であることが理解される。
第7図から、空気中、窒素ガス中いずれの雰囲気中で
パルス加熱処理を施したものも同様な電気抵抗変化特性
を示し、極短時間内に熱処理の可能なパルス加熱法では
加熱による試料の酸化の影響がほとんどないことが理解
される。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、Ni−P合金皮膜にパ
ルス加熱処理を施す本発明方法によれば、通常の熱処
理法と比較して処理時間がほぼ零になる、極短時間の
加熱であるから、処理雰囲気の影響をほぼ無視すること
ができ、また使用基材の材質選択の自由度が増大し、例
えば合成樹脂基材の使用も許容される、特にレーザー
照射法、電子ビーム照射法を利用すれば皮膜の局所のみ
の熱処理も容易に行うことができる、従来の長時間の
熱処理法に比して熱処理による皮膜の物性制御をより精
密に行い得る、従来の熱処理法によれば、熱処理炉を
用い、処理雰囲気を調整する必要があって、消費熱エネ
ルギーコスト、設備コストが嵩む欠点があるが、本発明
方法では、熱処理工程が簡略化され、消費エネルギーコ
スト、設備コストの低減化および生産性の向上を企図し
得る
【図面の簡単な説明】
第1図はアルミナセラミツクス基板上に形成した本発明
の一実施例に係る無電解Ni−P合金皮膜抵抗体の形状・
寸法を示す図、第2図はそのII−II線断面図、第3図は
パルス加熱処理による投入電力量の異なる前記抵抗体の
組織を確認するためのX線回折パターンを示すグラフ、
第4図は前記抵抗体とは異なる組成の他の実施例に係る
抵抗体の組織を確認するためのX線回折パターンを示す
グラフ、第5図は前記一実施例に係る抵抗体についての
投入電力量の異なる各パルス加熱処理後の電気抵抗変化
および温度電気抵抗係数(TCR)変化を示すグラフ、第
6図は前記他の実施例に係る抵抗体についての電気抵抗
変化および温度電気抵抗係数(TCR)変化を示す第5図
と同様なグラフ、第7図は前記他の実施例に係る抵抗体
についての投入電力量の異なる各パルス加熱処理後の電
気抵抗変化に与えるパルス加熱処理雰囲気の与える影響
を示すグラフ、第8図は前記各実施例抵抗体と同様な抵
抗体についての通常法による熱処理温度と特性値との関
係を示す第5図、第6図と同様なグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澤井 秀夫 東京都港区虎ノ門虎1丁目7番12号 沖 電気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−109182(JP,A) 特開 昭63−48841(JP,A) 特開 昭59−148347(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】無電解メッキ法、電気メッキ法または物理
    蒸着法により基体材上に形成された燐含有量5〜15重量
    %のNi−P合金皮膜に、通電によるジュール加熱、レー
    ザー照射または電子ビーム照射によりパルス幅1〜1000
    ミリ秒の極短時間のパルス加熱を施し、もって熱処理に
    よる制御された合金組織すなわちNi−P合金の平衡状態
    としての「Ni+Ni3P」に至る過程の選択的に制御された
    合金組織を得ることを特徴とするNi−P合金皮膜の熱処
    理方法。
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