JP4289742B2 - 電解研磨を施した金属体の表面構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解研磨を施した金属体、とくに真空雰囲気に曝される状態で使用される金属体の改良された表面構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空雰囲気を利用した技術は広い産業分野にわたって適用されているが、とくに近年、半導体デバイス製造分野をはじめとして超高真空度が要求される真空装置が実用化されている。かかる真空装置においては、装置を構成する部材として、加工性、軽量、完全非磁性、熱伝導性などが要求される部分にはアルミニウムやアルミニウム合金が主に使用され、反応性、耐腐食性、高強度などが要求される部分にはステンレス鋼が主に使用されている。
【０００３】
このような真空装置において、装置を構成する金属部材の表面に微小な掻き傷があると、微細な塵等の付着、あるいはそれによって引き起こされる金属表面の腐食が生じることから、金属部材の表面を電解研磨により微小な傷などのない平滑な面に形成することが行われている。また、真空雰囲気に曝される金属体は、真空雰囲気中において金属体から放出されるガスが少ないことが要求され、様々な表面処理による表面構造の改良が行われている。
【０００４】
たとえば、特開平３−１８０５００号公報には、内表面が真空雰囲気に曝されるステンレス鋼製の真空容器内壁を、砥粒による研磨後に電解研磨処理することが記載され、また特開平９−２１７１６６号公報には、鉄酸化物よりクロム酸化物が多い層を外側表面に有する不働態膜をステンレス鋼の電解研磨面上に形成することが記載されている。このような電解研磨処理により、表面に微小な傷などのない金属体が得られ、真空雰囲気中における金属体からのガスの放出が低減される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような電解研磨において、電解液としては、リン酸、硫酸、クロム酸、硝酸、フッ化物などを単独にまたは組み合わせたものが用いられるが、なかでも硫酸を含む電解液、たとえばリン酸−硫酸−クロム酸系の電解液が多用されている。
【０００６】
本発明者は、従来多用されている硫酸を含む電解液に関して、電解研磨後の金属体の表面構造およびこの金属体を真空雰囲気においた場合のガスの放出状況を詳細に調査し、つぎのような問題点があることを見出した。
【０００７】
リン酸−硫酸−クロム酸系の電解液を用いて電解研磨した後の金属体を真空度１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の高真空雰囲気内に長期間おいたとき、雰囲気内に硫化物系のガスが存在することが検出された。硫化物系のガスは、真空装置を構成する金属部材に装置内腐食を生じせしめ、装置の故障につながる事故の原因となる。このガスは、不働態膜に残存する硫化物が高真空下でガス化して生じたものと推測される。また、金属体が真空雰囲気に曝されると、金属体からはその表面の不動態膜内に残存したガス、水分等が放出され、これらの放出は真空度の上昇を妨げる要因となり得る。よって、真空装置の部品として使用される金属については、真空雰囲気中において金属体表面から放出されるガスの少ないことが要求されている。
【０００８】
さらに、電解研磨後の金属体の表面は、同一の成形品でも加工面により切削速度などの加工条件が異なった場合は表面の光沢度が不均一になりやすいという問題がある。また、冷間加工されたステンレス鋼においては、成形加工時の研削加工など金属体が受けた熱履歴により、電解研磨後の表面の光沢度が不均一になりやすい。
【０００９】
本発明が解決すべき課題は、真空雰囲気に曝される状態で使用される金属体において、高真空下においても電解研磨された金属体表面から有害なガスを発生せず、かつ、金属体表面からの放出ガスの少ない金属体の表面構造を得ることにある。さらに、加工面により加工条件が異なった金属体においても、所定の範囲に均一な表面光沢度を有する金属体の表面構造を得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、電解研磨された金属体の表面構造を、リン酸と有機化合物とからなる電解研磨液を用いて形成された不働態膜を表面に有する表面構造とすることによって達成される。
【００１１】
本発明者らは、真空雰囲気下において電解研磨後の金属体表面から有害なガスが発生する理由とその防止策について種々研究を重ね、つぎのような知見を得た。ここで有害なガスとは、半導体製造装置内での腐食を引き起こすＨ₂ Ｓ，ＳＯ₂ ，ＳＯなどの硫化ガスを指す。
【００１２】
真空雰囲気において上記のような硫化ガスの発生を防止するためには、電解研磨後の金属体の不動態膜内に硫黄を含有しないことが望ましい。従来一般に使用されているリン酸−硫酸−クロム酸系の電解液により形成した不動態膜について、Ｘ線プローブマイクロアナライザーにより定性分析した結果では硫黄化合物は検出されない。しかし、真空下では硫化物系のガスの放出が検出された。このことから、Ｘ線プローブマイクロアナライザーによる定性分析では確認されなかったものの、不動態膜内には微量な硫黄が存在しており、これが硫化物系ガスの放出につながっているものと推測される。
【００１３】
また、真空雰囲気におけるガス放出量は、金属体表面の不動態膜の膜厚と関係し、膜厚が厚くなるとガス放出量が増すことが確認された。
【００１４】
さらに、同時に電解研磨処理を施したオーステナイト系ステンレス鋼で鏡面光沢を有する部分と有しない部分について表面組織を調査したところ、両者間で表面の結晶組織が異なっていることがわかった。これはオーステナイト組織のものが部品の加工時に熱履歴を受けたか否かで結晶組織が異なっており、熱履歴を受けていない部分はオーステナイト組織のままであったが、熱履歴を受けた部分についてはマルテンサイト組織への変態が確認され、粒界付近にはクロムと炭素化合物の偏析が認められた。そして、このマルテンサイト組織に変態した部分は局部的に他の部分よりも電解研磨が促進され、その結果、この部分は鏡面光沢を呈しない表面状態となっていることが確認された。したがって、表面全体が鏡面光沢を有するようにするためには、金属の過剰な局部的溶解を防止する電解液が必要である。本発明はかかる知見に基づいて創案されたものである。
【００１５】
すなわち本発明の特徴は、電解研磨された金属体の表面構造を、リン酸と有機化合物とからなる研磨液を用いて形成された不働態膜を表面に有する表面構造とすることにある。
【００１６】
リン酸と有機化合物とからなる研磨液、すなわち硫黄分を含まない研磨液を用いて電解研磨を行うことにより、不働態膜内に硫黄分を有しない金属体表面構造が得られる。これにより、高真空下においても金属体表面から有害な硫化物系ガスが発生しないようにすることができる。
【００１７】
また、リン酸以外の副成分として、化学的に金属を溶解する作用が小さい有機化合物を使用することにより、電解研磨時に金属体表面の局部研磨が抑制され、表面粗度の増加が抑制されて、優れた光沢表面が得られる。リン酸と有機化合物の割合は、電解研磨処理する金属体の種類に応じて、リン酸５０〜９５％、有機化合物５〜５０％とする。
【００１８】
ここで有機化合物としては、リン酸エステル、炭酸エステル、カルボン酸エステル類の少なくとも一種を含むものを用いる。このような有機化合物としては、たとえば（ｎ−Ｃ₄ Ｈ₉ Ｏ）₃ ＰＯ，（ＣＨ₃ Ｏ）₃ ＰＯ，（Ｃ₂ Ｈ₅ Ｏ）₂ ＣＯ，（ＣＨ₃ ＣＨ₂ ＣＨ₂ ＣＨ₂ Ｏ）₂ ＣＯ，（（ＣＨ₃ ）₃ ＣＯ）₂ ＣＯ，（（ＣＨ₃ ）₂ ＣＨＣＨ₂ Ｏ）₂ ＣＯ，ＣＨ₃ ＣＯＯＣＨ（ＣＨ₃ ）ＣＨ₂ ＣＨ₃ ，ＣＨ₃ ＣＯＯＣ（ＣＨ₃ ）₃ ，ＣＨ₃ ＣＨ₂ ＣＯＯＣ₂ Ｈ₅ が挙げられる。これら有機化合物は金属体の種類に応じて電解液の粘度および表面張力を調整するために適宜使用し、各有機化合物の配合は電解研磨処理する金属体の種類に応じて調製する。
【００１９】
電解液の組成の具体的な例を挙げると、両性金属であるアルミニウムは酸性溶液と容易に反応するため、電解研磨後の次工程である水洗工程に移る間にアルミニウムとその表面に付着した電解液とが反応する。このような金属体においては、リン酸８０％、リン酸エステル（（ｎ−Ｃ₄ Ｈ₉ Ｏ）₃ ＰＯ）２０％の配合で調製することが望ましい。
【００２０】
電解研磨によって形成する不働態膜の厚さは、金属体がアルミニウムおよびその合金の場合は７００〜２０００Å、ステンレス鋼の場合は３００Å以上とするのが望ましい。アルミニウムおよびその合金で膜厚が７００Å未満、ステンレス鋼で膜厚が３００Å未満では耐食性が不十分となる。アルミニウムおよびその合金で膜厚が２０００Åを超えると真空下でのガスの放出量が増加するため、真空装置内の真空度の低下につながる。ステンレス鋼においては、異なる電解条件でも不動態膜の厚さは変化しないので、膜厚の上限は限定されない。このような膜厚の不動態膜を形成するには、金属体の形状や素材の種類にもよるが、電圧：６〜１２Ｖ、液温：３０〜７０度、また電解時間は不動態膜の厚さに比例する傾向があることから３〜１５分として電解研磨すればよい。
【００２１】
電解研磨後の金属体表面の粗度はＲa で０．２０μｍ以下とするのが望ましい。Ｒa が０．２０μｍを超える面粗度では、光沢度が２００未満となって表面が白化し、ざらついた外観となる。ここで、光沢度を表す数値は、ＪＩＳ Ｚ８７４１（鏡面光沢度測定法）に規定する測定角２０度に基づいて測定した数値を用いる。表面粗度をＲa ０．２０μｍ以下とするための電解研磨条件は、上記の条件の範囲内で設定する。
【００２２】
【実施例】
〔実施例１〕
リン酸８０％、酢酸エステル（ＣＨ₃ ＣＯＯＣ（ＣＨ₃ ）₃ ）２０％の電解液を使用して電解研磨によりアルミニウム合金Ａ５０５２材上に不働態膜を形成し、質量分析装置により真空中での不動態膜内からの放出ガスを調査した結果を表１に示す。比較例としてリン酸−硫酸系の電解液で形成した不動態膜に関する結果を示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表１からわかるように、硫黄分を含まない電解液を使用した実施例においては、真空下における不動態膜内からの放出ガスに硫化物系ガスは存在しないことが確認された。アルミニウムおよびその合金については、不動態膜の厚さと真空下でのガス放出速度は比例関係にあり、膜厚が厚くなるほど真空度が劣化する傾向にあることから、実施例における低ガス放出性は、不働態膜の厚さが２０００Åを超えると低下する傾向にある。比較例においては、真空下における不動態皮膜内からの放出ガスに硫化物系ガスが含有されており、その分、放出ガス速度も同じ膜厚の実施例と比較して増加する傾向にある。
【００２５】
〔実施例２〕
リン酸８０％、酢酸エステル（ＣＨ₃ ＣＯＯＣＨ（ＣＨ₃ ）ＣＨ₂ ＣＨ₃ ）２０％の電解液を使用してステンレス鋼を電解研磨し、電解研磨後の光沢度について調査した結果を表２に示す。比較例としてリン酸−硫酸系の電解液で電解研磨した後の光沢度を示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
表２からわかるように、リン酸以外の副成分として、金属溶解作用が小さく低粘性の有機化合物を使用した実施例においては、電解研磨時にステンレス鋼表面の局部研磨が抑制され、表面粗度の増加が抑制されて、従来の電解液を使用した比較例に比べて優れた光沢表面が得られた。なお、ＳＵＳ４４０Ｃについては、素材中の炭素含有量が多いため金属表面の局部研磨が促進され、光沢度が低下したものと考えられる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により以下の効果を奏することができる。
【００２９】
（１）リン酸と有機化合物とからなる研磨液、すなわち硫黄分を含まない研磨液を用いて電解研磨を行うことにより、不働態膜内に硫黄分を有しない金属体表面構造が得られる。これにより、高真空下においても金属体表面から有害な硫化物系ガスが発生しないようにすることができる。
【００３０】
（２）リン酸以外の副成分として、金属溶解作用が小さい有機化合物を使用することにより、電解研磨時に金属体表面の局部研磨が抑制され、表面粗度の増加が抑制されて、優れた光沢表面が得られる。これにより、従来の電解研磨では良好な光沢表面が得られなかったマルテンサイト系ステンレス鋼などでも表面の均一な光沢度を得ることが可能となる。
【００３１】
（３）電解研磨によって形成する不働態膜の厚さを、アルミニウムおよびその合金では７００〜２０００Å、ステンレス合金では３００Å以上とすることによって、充分な耐食性を維持したうえで、真空下でのガスの放出を抑制することができる。
【００３２】
（４）電解研磨後の表面粗度をＲa ０．２０μｍ以下とすることによって、表面の光沢度が２００以上となり、良好な光沢表面が得られる。

Claims (4)

1. リン酸水溶液と、リン酸エステル、炭酸エステル、カルボン酸エステルの少なくとも１種を含む有機化合物とからなる電解液を用いて形成された不働態膜を表面に有する電解研磨を施した金属体の表面構造。
2. 前記金属体表面の粗度がＲa で０．２０μｍ以下である請求項１記載の電解研磨を施した金属体の表面構造。
3. 前記金属体がアルミニウム、アルミニウム合金、およびステンレス鋼のいずれかである請求項１または２に記載の電解研磨を施した金属体の表面構造。
4. 前記金属体がアルミニウム、アルミニウム合金の場合の前記不働態膜の厚さが７００〜２０００Åの範囲であり、前記金属体がステンレス鋼の場合の前記不働態膜の厚さが３００Å以上である請求項３記載の電解研磨を施した金属体の表面構造。