JP5097331B2 - 表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空処理装置を構成する金属製部品の表面を清浄化するための表面処理方法に関するものである。

従来、真空処理装置に使用される金属製容器等の金属製部品は、前記真空処理装置に組み込む前に、表面を洗浄するようにしている。
その目的は、金属製部品を加工する際に付着した潤滑油、研磨剤や切削屑等を除去し、金属製部品の表面酸化層を緻密なものとするためである。後者の金属製部品の表面酸化層を緻密なものとする理由は、研磨や切削等の処理がされた際に金属製部品の表面酸化層が緻密でなくなり真空雰囲気でガスが発生したり、或いは、溶接により生じた溶接焼け部分から真空雰囲気でガスが発生したりするからである。
上記理由から、電解研磨、化学研磨又は酸性溶液による洗浄等の処理、ガラス、ＳｉＣ又はアルミナ等によるブラスト処理、或いは、ステンレス鋼を使用した部品の場合には、フッ硝酸のペーストを使用した処理等が行われていた。

しかしながら、電解研磨等の処理の場合、被処理物を処理溶液で満たされた容器に浸漬する必要があるために、被処理物が大きくなると処理できないという問題があった。また、被処理物の重量が大きくなりすぎると、クレーン等の許容荷重を超えて搬送できないという問題があった。また、ブラスト処理は、ガス放出量が多いため好ましくなく、また、フッ硝酸ペーストを使用した処理は危険を伴うため好ましくないという問題があった。

一方、化学塔槽内面のステンレスを鏡面仕上げするニーズに対して、電解複合鏡面研磨法が非特許文献１において提案されている。
この文献には、被処理物の表面をＲ_max０．０５〜０．０１μｍ程度に加工して、表面の欠陥層を除去して均一に鏡面仕上げすることについて開示されている。
しかしながら、鏡面加工をする際に、研磨剤等が被処理物の表面に混入して緻密な酸化層を形成することができず、結果として、真空雰囲気で被処理物から放出するガスを低減させることは難しかった。

前畑 英彦、大工 博之、馬場 吉康，「電解複合鏡面研磨技術による金属表面のクリーン化」，表面技術，1989,Vol.40,No.3,p.40-45

そこで、本発明は、上記従来の問題を解決するもので、真空容器等の被処理物の内壁又は外壁を清浄化するとともに、緻密な酸化層を形成することが可能な表面処理方法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、本発明者等は鋭意検討の結果、表面粗度（Ｒ_max）が０．１μｍ以上となるようにして、被処理物を電解液に浸漬しないで電解研磨をすることにより、被処理物の表面に緻密な表面酸化層を形成することができるという知見に基づき、下記の通り解決手段を見出した。
即ち、本発明の表面処理方法は、請求項１に記載の通り、真空処理装置を構成するためのステンレス鋼製部品を被処理物とする表面処理方法であって、前記被処理物の表面をバフ研磨して表面粗度（Ｒ _ｍａｘ ）０．２μｍ以上とし、前記被処理物を電源の陽極側に接続するとともに、前記被処理物の表面に無機酸、有機酸、無機酸塩及び有機酸塩のうちの少なくともいずれかを含む電解液を接触させるための処理媒体を前記電源の陰極側に接続し、前記電極間に、前記電解液を介して直流電流で、電流密度を０．１Ａ／ｃｍ ^２ とすることにより、前記被処理物の表面を、表面粗度（Ｒ_ｍａｘ）が０．１０〜０．２５μｍとなるように電解研磨するものとし、前記電解液の濃度は３％〜１５％であり、上記表面処理された前記被処理物の昇温脱離法によるガス放出量は０．２０Ｐａ・ｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項２に記載の表面処理方法は、請求項１に記載の表面処理方法において、前記電解研磨による処理に加えて、酸洗処理を行うことを特徴とする。
また、請求項３に記載の表面処理方法は、請求項１に記載の表面処理方法において、前記電解研磨による処理に加えて、研磨剤による機械的研磨を行うことを特徴とする。

本発明の表面処理方法によれば、大型化された真空処理装置用の金属製容器等の部品であっても、電解液に浸漬するという大がかりな装置を必要とせず、比較的簡素な構成で被処理物の表面を洗浄することができる。また、本発明の表面処理方法により処理された被処理物には、電解液に被処理物を浸漬する電解研磨と同等の緻密な表面酸化層を形成されるため、真空雰囲気下においても、被処理物表面から放出されるガス放出が少なくすることができる。

本発明は、前記被処理物を電源の陽極側に接続するとともに、前記被処理物の表面に電解液を接触させるための処理媒体を前記電源の陰極側に接続し、前記電極間に、前記電解液を介して直流電流を流すことにより、前記被処理物の表面を、表面粗度（Ｒ_max）が０．１μｍ以上となるように電解研磨するものである。
本発明は、被処理物の表面を鏡面にすることを目的とするものではなく、汚染された粗な表面酸化層を除去し、新たに清浄な表面酸化層を形成して、真空処理中に被処理物からガスが放出することを低減させることを目的とするため、被処理物の表面粗度（Ｒ_max）が０．１μｍ以上となるようにしている。表面粗度（Ｒ_max）が０．１μｍ未満となる鏡面研磨をしてしまうと、砥粒の研磨剤や不純物等が被処理物の表面酸化層に埋設されるか、或いは、巻き込まれ、緻密な表面酸化層を形成することができないからである。
前記真空処理装置を構成する金属製部品は、真空処理環境下におかれる部品であればよく、特に制限するものではない。一例を挙げると、金属製容器等が挙げられる。尚、前記金属としては、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金等が挙げられる。
前記処理媒体としては、前記電極間に直流電流を流すことができれば、材料や形状は限定されるものではなく、不織布等が挙げられる。
また、電解液としては、通常の電解研磨と同じものを使用することができ、無機酸、有機酸、無機酸塩及び有機酸塩のうちの少なくともいずれかを含むもの等が挙げられる。
尚、本発明の電解研磨における電解電流密度は、０．１以上０．２Ａ／ｃｍ ² 未満である。
前記表面処理方法に加えて、電解液として酸性溶液を使用することで、電解酸洗を行うことが好ましい。更なる清浄化ができるからである。この場合には、無機酸や有機酸等の電解液を使用することができる。
更に、前記表面処理方法に加えて、研磨剤による機械研磨を行うことが好ましい。これにより、更に清浄化が図られるからである。尚、この場合の研磨剤は、電解研磨後の表面粗度（Ｒ_max）が０．１μｍ以上となるものを適宜選択する必要がある。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の表面処理方法の一実施例の説明図である。
図中１は、圧延上がりのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）からなる５００ｍｍ×１０００ｍｍ×５ｍｍの被処理物であり、この被処理物１は図示されるように、接合部が溶接２されている。
図中３で示されるものは、本発明の処理媒体であり、ナイロン製不織布により構成されている。処理媒体３には、５％の硫酸ナトリウム溶液を染み込ませてあり、電源５の陰極側に、端子４を介して接続されている。電源５の陽極側は、被処理物１に接続されている。
そして、処理媒体３を、溶接部２に接触させた状態で、電極間に１０Ｖ−１０Ａ（電解電流密度０．１Ａ／ｃｍ²）を加え、１０分間処理を行い、被処理物１を純水により洗浄した。

前記処理された被処理物１について、昇温速度０．５℃／ｓで４５０℃まで温度を上昇させた時の単位面積当たりのガス放出量を測定した（以下、昇温脱離法という）。処理前後の結果を比較して表１に示す。

上記表１から、実施例１の表面処理方法によれば、ガス放出量を低減できることがわかった。

次に、実施例１の電解液及び処理条件を、表２に示すように変更して表面処理を行った。処理された被処理物について、前記昇温脱離法によりガス放出量を測定した結果を同表に示す。

上記表２より、無機酸、有機酸、無機酸塩及び有機酸塩のいずれの電解液で表面処理をした場合も、ガス放出量は低かった。
尚、電解液に無機酸塩、有機酸塩を用いた場合の研磨量は、０．０５〜０．４μｍ、無機酸を用いた場合の研磨量は、２〜１０μｍであった。

（実施例２）
図２は、本発明の表面処理方法の他の実施例の説明図である。
図中１１は、被処理物であり、図中２０で示されるものは、実施例２の表面処理方法に使用される装置であり、この装置２０は、処理媒体１３としてナイロン製不織布からなるバフを備えている。前記処理媒体１３は、エア回転式の工具１２に回転自在に取り付けられている。処理媒体１３の上方にはカバー１７が設けられ、このカバー１７に電解液を投入するための投入口１６が設けられており、この投入口１６から投入された電解液は、処理媒体１３に染み込むようになっている。
また、電源１５の陰極側は、端子１４を介して処理媒体１３に導通可能に接続され、陽極側は被処理物１１に接続されている。尚、本実施例では、電解液として、５％の硫酸ナトリウム溶液を使用した。
次に、被処理物１１として、次のサンプル１及び２を用意した。サンプル１は、５００ｍｍ×１０００ｍｍ×５ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）を、ガラスビーズによりブラスト処理したものであり、サンプル２は、同形状のステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）を＃４００バフ研磨により処理したものである。尚、使用した被処理物１には、溶接部分は存在していない。
上記装置２０により、処理媒体１３と、被処理物１１との間に１０Ｖ−１０Ａの電解電流（電解電流密度０．１Ａ／ｃｍ²）を流すとともに、処理媒体１３を回転（６０回転／分）させ、純水により被処理物１を洗浄した。
（比較例１）
サンプル２を１０％のリン酸系溶液に浸漬して電解研磨を行った。

上記実施例２により処理されたサンプル１及び２と、比較例１により処理されたサンプル２について、昇温脱離法によるガス放出量を測定した結果を表３に示す。

表３から、実施例２により処理されたサンプル１及び２のガス放出量は低減したことがわかる。
また、サンプル１の表面のＳＥＭ画像を、図３（（ａ）処理前、（ｂ）実施例２による処理後）に示す。図３から、実施例２により処理された被処理物の表面は、溶解され、エッジ部の角が丸くなっていることがわかる。
尚、比較例１により処理されたサンプル２のガス放出量が、実施例２により処理されたサンプル２のガス放出量よりも若干少ない理由は、研磨量の差によるものと考えられる。即ち、実施例２では研磨量を約０．２μｍで留めたのに対して、比較例１では研磨量を約４μｍとした。その結果として、実施例２により処理されたサンプル２の表面（凹凸も含めた真の表面積）が大きくなったためと考えられる。
尚、上記実施例２の表面処理方法では、エア式の回転工具１２を使用したが、モータ式のものを使用してもよい。

＜比較試験例１＞
内寸法、ステンレス鋼板を有底の円筒状に成形し、接合部を溶接することにより作製した内寸１ｍ×１ｍ×０．８ｍの真空容器に対して、下記３種類の処理を行った。

（比較例２）
前記容器の溶接焼けした部分を含む内壁を、純水のみにより洗浄したものをサンプル１とした。

（実施例３）
前記容器の溶接焼けした部分を含む内壁を、電解液として１０％リン酸アンモニウム溶液を使用して、実施例２と同様の処理を行い、純水により清浄したものをサンプル２とした。

（比較例３）
７０％リン酸−硫酸系溶液に前記容器を浸漬して電解研磨を行い、純水により洗浄したものをサンプル３とした。

上記３つのサンプルを、室温下で３００リットル／ｓのターボ分子ポンプで排気したときの圧力の時間変化を図４に示す。排気開始１０時間後の圧力は、サンプル１では４．２×１０^-5Ｐａ、サンプル２では６．４×１０^-6Ｐａ、サンプル３では４．３×１０^-6Ｐａであった。
サンプル２の圧力は、サンプル１と比べて低く、サンプル３とほぼ同等であり、実施例３の表面処理方法が有効であることがわかる。

（実施例４）
５００ｍｍ×１０００ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム合金板を被処理物として、電解液と処理条件を下記表４の条件とした以外は、上記実施例２と同様に表面処理を行った。各処理を行った後の被処理物について、昇温脱離法によるガス放出量を測定した結果を同表に示す。

（実施例５）
５００ｍｍ×１０００ｍｍ×５ｍｍのチタン合金板を被処理物として、電解液と処理条件を下記表５の条件とした以外は、上記実施例２と同様に表面処理を行った。各処理を行った後の被処理物について、昇温脱離法によるガス放出量を測定した結果を同表に示す。

表４及び表５から、各条件の処理を行うことでガス放出量を少なくすることができることがわかる。

＜比較試験例２＞
（実施例６）
＃４００バフ研磨により前処理された５００ｍｍ×１０００ｍｍ×５ｍｍのステンレス鋼を被処理物として、１０％リン酸アンモニウム溶液を使用した以外は実施例２と同様にして表面処理を行った。
（比較例４）
実施例６と同じ被処理物を使用して、非特許文献１に開示される方法で電解複合鏡面研磨処理を行った。
尚、＃４００バフ研磨をした処理前の被処理物の表面粗度（Ｒ_max）は０．２μｍ、実施例６により処理された被処理物の表面粗度（Ｒ_max）は０．２５μｍ、比較例４により処理された被処理物の表面粗度（Ｒ_max）は０．０２μｍであった。
表６に、各処理後の被処理物について、昇温脱離法によるガス放出量を測定した結果を示す。

表６から、比較例４により処理された被処理物の方が、実施例６により処理された被処理物よりもガス放出量が多いことがわかる。
比較例４により処理された被処理物のガス放出量が多くなった理由は、被処理物の表面に緻密な表面酸化層が形成されなかったことによるものと推定される。このことを検証するために、実施例６により処理された被処理物及び比較例４により処理された被処理物を、真空中において４５０℃で２時間加熱し、オージェ電子分光法により表面酸化層の厚さの変化を調べた。その結果、比較例４により処理された被処理物では、真空中で加熱すると表面酸化層が厚くなったのに対して、実施例６により処理された被処理物では表面酸化層の厚さが変化しなかった。従って、実施例６により処理された被処理物の表面酸化層は、比較例４により処理された被処理物の表面酸化層よりも緻密なものであるといえる。

本発明の一実施例の説明図 本発明の他の実施例の説明図 ステンレス鋼板の表面処理前後のＳＥＭ画像（（ａ）処理前、（ｂ）処理後） 比較試験例１の排気特性を示すグラフ

符号の説明

１ 被処理物
２ 溶接部
３ 処理媒体
４ 端子
５ 電源
１１ 被処理物
１２ エア回転式の工具
１３ 処理媒体
１４ 端子
１５ 電源
１６ 投入口
１７ カバー
２０ 装置

Claims (3)

1. 真空処理装置を構成するためのステンレス鋼製部品を被処理物とする表面処理方法であって、前記被処理物の表面をバフ研磨して表面粗度（Ｒ _ｍａｘ ）を０．２μｍ以上とし、前記被処理物を電源の陽極側に接続するとともに、前記被処理物の表面に無機酸、有機酸、無機酸塩及び有機酸塩のうちの少なくともいずれかを含む電解液を接触させるための処理媒体を前記電源の陰極側に接続し、前記電極間に、前記電解液を介して直流電流で、電流密度を０．１Ａ／ｃｍ ^２ とすることにより、前記被処理物の表面を、表面粗度（Ｒ_ｍａｘ）が０．１０〜０．２５μｍとなるように電解研磨するものとし、前記電解液の濃度は３％〜１５％であり、上記表面処理された前記被処理物の昇温脱離法によるガス放出量は０．２０Ｐａ・ｍ以下であることを特徴とする表面処理方法。
2. 前記電解研磨による処理に加えて、酸洗処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
3. 前記電解研磨による処理に加えて、研磨剤による機械的研磨を行うことを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。