JP3178079B2 - アルミナ結晶成長層を備えた金属部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面にアルミナ結晶成
長層を備えた金属部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、金属部材、たとえばアルミニ
ウム部材の耐磨耗性や耐食性などを向上させること等を
目的として、そのアルミニウム部材の表面にアルミナ皮
膜を形成することが行われている。そして、このアルミ
ニウム部材の表面へのアルミナ皮膜の形成は、通常、ア
ルミニウム部材を陽極とし且つ炭素や鉛などを陰極とし
て硫酸やシュウ酸などの水溶液中で電解することにより
そのアルミニウム部材の表面を酸化する所謂陽極酸化処
理にて行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記陽極酸
化処理によりアルミニウム部材の表面に形成されたアル
ミナ皮膜の大部分は非晶質であることから、アルミナ皮
膜を一層硬くするためには、アルミニウム部材の表面に
高硬度のアルミナ結晶成長層を形成することが望まれ
る。しかし、アルミナの融点はアルミニウムに比べて極
めて高いため、アルミニウム部材の表面上でアルミナを
結晶成長させることはできなかった。

【０００４】また、上記陽極酸化処理によりアルミニウ
ム部材の表面に形成されたアルミナ皮膜は、孔が無い緻
密な構造のバリヤー層とそのバリヤー層へ向かって延び
る比較的深い有底孔を多数有する多孔質層とから成るた
め、その多孔質層の有底孔の開口を封口処理にて塞いで
アルミナ皮膜の厚みを確保することが行われている。こ
のアルミナ皮膜の厚み、すなわちバリヤー層の厚みおよ
び多孔質層の厚みを加えたアルミナ皮膜の総厚みは電解
電圧を上げる程厚くなるのであるが、電解電圧をある程
度まで上げるとアルミナ皮膜の絶縁破壊を生じてそれ以
上は電圧が上昇しなくなることから、陽極酸化処理によ
りアルミニウム部材の表面にアルミナ皮膜を充分な厚み
で形成することは困難であった。

【０００５】本発明は以上の事情を背景にして為された
ものであって、その目的とするところは、陽極酸化処理
等により形成された非晶質のアルミナ皮膜よりも高硬度
であって且つ充分な厚みを有するアルミナ結晶成長層を
表面に備えた金属部材を提供するとともに、その金属部
材をアルミニウムの融点より低い温度で製造する方法を
提供することにある。

【０００６】本発明者は種々研究を重ねた結果、アルミ
ニウムよりも拡散係数が小さいニッケル等の金属層とア
ルミニウム層とが積層されて成る部材をアルミニウムの
融点より低い所定の温度で熱処理すると、表面にアルミ
ナ結晶成長層が得られることを見い出した。本発明はか
かる知見に基づいて為されたものである。

【０００７】

【課題を解決するための第１の手段】すなわち、第１発
明の要旨とするところは、表面にアルミナ結晶成長層を
備えた金属部材を製造する方法であって、(a) 金属部材
本体の表面上に、アルミニウムよりも拡散係数が小さい
金属から成る金属層およびアルミニウム層を順次積層す
る積層工程と、(b) 前記金属層およびアルミニウム層が
積層された金属部材本体を、酸化雰囲気においてアルミ
ニウムの融点より低い所定の温度で熱処理することによ
り、そのアルミニウム層にアルミナを結晶成長させる熱
処理工程とを含むことにある。

【０００８】

【作用および第１発明の効果】このようにすれば、金属
部材本体の表面上にアルミニウムよりも拡散係数が小さ
い金属から成る金属層およびアルミニウム層を順次積層
した後、かかる金属層およびアルミニウム層が積層され
た金属部材本体をアルミニウムの融点より低い所定の温
度で熱処理することにより、そのアルミニウム層におい
て高硬度のアルミナが結晶成長させられて、アルミニウ
ム層の厚みに応じた充分な厚みのアルミナ結晶成長層が
形成される。これにより、陽極酸化処理等により形成さ
れた非晶質のアルミナ皮膜よりも高硬度であって且つ充
分な厚みを有するアルミナ結晶成長層を表面に備えた金
属部材をアルミニウムの融点より低い温度で製造するこ
とができる。なお、上記アルミニウム層におけるアルミ
ナの結晶成長は、そのアルミニウム層のアルミニウム原
子が金属層へ拡散することに基づくものと推定される。

【０００９】

【課題を解決するための第２の手段】また、第２発明の
アルミナ結晶成長層を備えた金属部材の要旨とするとこ
ろは、(a) 金属部材本体と、(b) その金属部材本体の表
面上に形成され、アルミニウムとそのアルミニウムより
も拡散係数が小さい金属とが化合して成る金属間化合物
層と、(c) その金属間化合物層の上に形成されたアルミ
ナ結晶成長層とを含むことにある。

【００１０】

【作用および第２発明の効果】かかる構成のアルミナ結
晶成長層を備えた金属部材によれば、金属部材本体の表
面上に、アルミニウムとそのアルミニウムよりも拡散係
数が小さい金属とが化合して成る金属間化合物層を介し
てアルミナ結晶成長層が形成されているので、陽極酸化
処理でアルミニウム部材の表面に形成されるアルミナ皮
膜のようにその大部分が非晶質である場合に比べて、ア
ルミナ結晶成長層によるアルミナ皮膜の硬さを一層高く
することができる。

【００１１】また、上記アルミナ結晶成長層を備えた金
属部材は、第１発明の製造方法により製造できるので、
上記アルミナ結晶成長層の厚みを第１発明のアルミニウ
ム層の厚みに応じて充分に確保できる。この場合におい
て、上記金属間化合物層は、第１発明のアルミニウム層
のアルミニウム原子が金属層へ拡散することに基づいて
その金属層に形成されることとなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１３】図１は、第１発明のアルミナ結晶成長層を
備えた金属部材の製造方法の一例を説明するための図で
あって、熱処理前の積層状態の概要を示す断面図であ
る。また、図２は、第１発明の製造方法により製造され
たアルミナ結晶成長層を備えた金属部材および第２発明
のアルミナ結晶成長層を備えた金属部材の一例を示す図
であって、積層方向断面の概要を示す図である。

【００１４】図１において、まず、アルミニウム基板１
０の上面１２に形成された酸化物をブラッシング等によ
り除去した後、そのアルミニウム基板１０の上面１２
に、ニッケル箔およびアルミニウム箔を順次圧延するこ
とによりニッケル層１４およびアルミニウム層１６を積
層する。上記アルミニウム基板１０はたとえば１ｍｍ程
度の厚みを有しており、上記ニッケル箔としては、たと
えば０．１５ｍｍ程度の厚みを有するものが用いられ
る。また、上記アルミニウム箔としては、好適には、上
記ニッケル箔より薄肉であって且つ０．１ｍｍ以下の厚
みのもの、たとえば１５μｍ程度の厚みを有するものが
用いられる。

【００１５】上記のようにしてニッケル層１４およびア
ルミニウム層１６が積層されたアルミニウム基板１０
を、たとえば図示しない熱処理装置内の空気中におい
て、アルミニウムの融点（６６０℃）より低い温度、た
とえば５００℃〜６００℃程度の温度でたとえば３０分
間程度の時間熱処理することにより、図２に示すアルミ
ニウム部材１７が得られた。すなわち、上記熱処理によ
り、アルミニウム層１６とニッケル層１４との間に拡散
を生じ、アルミニウム層１６からニッケル層１４へ拡散
したアルミニウム原子がそのニッケル層１４のニッケル
原子と化合してＮｉ−Ａｌ金属間化合物が形成されるこ
とにより、図２に示す金属間化合物層１８が形成される
一方、アルミニウム層１６のアルミニウムが酸化されて
アルミナが結晶成長し、図２に示すアルミナ結晶成長層
２０が形成された。なお、たとえば、６２３°Ｋ〜９０
３°Ｋにおいては、アルミニウムのニッケル中への拡散
係数は１．８７×１０^-4ｍ²/sec 程度であり且つニッケ
ルのアルミニウム中への拡散係数は２．９×１０^-12 ｍ
²/sec 程度であることから、アルミニウム層１６からニ
ッケル層１４へのアルミニウム原子の拡散の方がニッケ
ル層１４からアルミニウム層１６へのニッケル原子の拡
散よりも格段に多く行われ、これにより、アルミニウム
層１６中にはアルミニウム原子の拡散により多くの空洞
（ボイド）が形成されることとなり、この空洞がアルミ
ナを結晶成長させる何等かの役割を果しているのではな
いかと考えられる。本実施例においては、上記アルミニ
ウム基板１０が金属部材本体を、上記ニッケル層１４が
金属層を、上記アルミニウム部材１７が金属部材をそれ
ぞれ構成する。

【００１６】このように本実施例によれば、アルミニウ
ム基板１０の上面１２にアルミニウムよりも拡散係数が
小さいニッケルから成るニッケル層１４およびアルミニ
ウム層１６を順次積層した後、それらニッケル層１４お
よびアルミニウム層１６が積層されたアルミニウム基板
１０をアルミニウムの融点以下である５００℃〜６００
℃程度の比較的低い温度で３０分間程度熱処理するだけ
で、アルミニウム層１６においてアルミナが結晶成長さ
せられて、アルミニウム層１６の厚みに応じた充分な厚
みのアルミナ結晶成長層２０が形成される。これによ
り、陽極酸化処理等により形成された非晶質のアルミナ
皮膜よりも高硬度であって且つ充分な厚みを有するアル
ミナ結晶成長層２０を表面に備えたアルミニウム部材１
７が製造される。

【００１７】因みに、従来の陽極酸化処理によりアルミ
ニウム部材の表面にアルミナ皮膜を形成する場合におい
ては、そのアルミナ皮膜のバリヤー層および多孔質層を
含む総厚みは電解電圧を上げる程厚くなるのであるが、
電解電圧をたとえば５００Ｖ〜７００Ｖ程度まで上げる
とアルミナ皮膜の絶縁破壊を生じてそれ以上は電圧が上
昇しなくなることから、アルミナ皮膜を充分な厚みで形
成することは困難であり、たとえば、電解電圧１Ｖ当た
り１４Å程度の膜厚が得られるとすると、電解電圧を上
記の５００Ｖ〜７００Ｖ程度まで上げても０．７μｍ〜
０．９８μｍ程度の極めて薄い膜厚しか得られなかっ
た。これに対し、本実施例によれば、たとえば１５μｍ
程度の厚みのアルミニウム箔を圧延して成るアルミニウ
ム層１６の厚みに応じてアルミナ結晶成長層２０を充分
な厚みで形成することができるのである。

【００１８】また、本実施例によれば、アルミニウムの
融点以下である５００℃〜６００℃程度の比較的低い温
度で、しかも空気中においてアルミナを結晶成長させる
ことができるため、アルミナ結晶成長層２０を備えたア
ルミニウム部材１７を製造するために用いる設備を比較
的安価に構成することができ、これにより、アルミニウ
ム部材１７を比較的安価に提供することができる。

【００１９】また、本実施例によれば、アルミニウム基
板１０の上面１２にニッケル箔およびアルミニウム箔を
圧延することによりニッケル層１４およびアルミニウム
層１６が積層されるので、ニッケル層１４およびアルミ
ニウム層１６の積層工程を高速に為し得る利点がある。

【００２０】また、本実施例によれば、アルミニウム基
板１０の上面１２にニッケル層１４およびアルミニウム
層１６が積層された部分だけにアルミナ結晶成長層２０
が形成されるので、必要な部分のみアルミナ結晶成長層
２０を形成できる利点がある。

【００２１】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。

【００２２】たとえば、前記実施例では、金属部材本体
として板状のアルミニウム基板１０が用いられている
が、板状以外の形状（たとえば円筒状や円柱状）の金属
部材本体や異形の金属部材本体が用いられてもよい。

【００２３】また、前記実施例では、アルミニウム基板
１０の上面１２にニッケル箔およびアルミニウム箔を圧
延することにより金属層としてのニッケル層１４および
アルミニウム層１６が積層されているが、必ずしもその
必要はなく、たとえば、真空蒸着やメッキなどによりニ
ッケル層１４およびアルミニウム層１６を積層してもよ
い。これらの場合には、たとえば、円筒状の金属部材本
体の内周面（内表面）や複雑な形状の金属部材本体の表
面などにも、金属層およびアルミニウム層を好適に積層
することができてアルミナ結晶成長層を好適に形成する
ことができる利点がある。

【００２４】また、前記実施例では、アルミニウムより
拡散係数の小さい金属から成る金属層はニッケル層１４
にて構成されており且つ金属間化合物はＮｉ−Ａｌ金属
間化合物にて構成されているが、金属層の金属および金
属間化合物の一方の金属は、アルミニウムよりも拡散係
数が小さいものであればよく、たとえば銅や鉄などであ
ってもよい。

【００２５】また、前記実施例では、ニッケル層１４お
よびアルミニウム層１６が積層されたアルミニウム基板
１０の熱処理は空気中で行われているが、空気中でなく
ても酸素を含む雰囲気中であればよい。

【００２６】また、前記実施例では、アルミニウム基板
１０の上面１２にニッケル箔およびアルミニウム箔が順
次圧延されることによりニッケル層１４およびアルミニ
ウム層１６が積層されているが、アルミニウム基板１０
とアルミニウム層１６との間にニッケル層１４が配置し
ておればよく、上記ニッケル箔およびアルミニウム箔を
同時に圧延することもできる。

【００２７】また、前記実施例において、図２の金属間
化合物層１８の厚み方向の中間部にニッケルが残存され
ていてもよい。

【００２８】また、前記実施例では、金属部材本体とし
てアルミニウム基板１０が用いられているが、必ずしも
その必要はなく、たとえば、アルミニウムと他の金属
（たとえば銅，マンガン，マグネシウム，シリコンな
ど）との合金、あるいは、アルミニウム以外の軽金属な
どから成るものを用いることもできる。要するに、アル
ミニウムより拡散係数が小さい金属層１４またはその金
属間化合物層と金属学的あるいは物理的に強固に結合可
能な物質であればよい。

【００２９】また、前記実施例では、アルミニウム基板
１０の表面上にアルミナ結晶成長層２０が形成されて成
るアルミニウム部材１７を製造する場合について説明し
たが、金属部材は所定の部品に用いられる中間的な材料
（たとえば、異形断面を有するアルミ押出型材）であっ
てもよいし、あるいは最終的な形状を備えた部品そのも
の（たとえば、熱交換器用フィン一体型パイプ）であっ
てもよい。

【００３０】その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範
囲において種々変更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明のアルミナ結晶成長層を備えた金属部
材の製造方法の一例を説明するための図であって、熱処
理前の積層状態の概要を示す断面図である。

【図２】第１発明の製造方法により製造されたアルミナ
結晶成長層を備えた金属部材および第２発明のアルミナ
結晶成長層を備えた金属部材の一例を示す図であって、
積層方向断面の概要を示す図である。

【符号の説明】

１０ アルミニウム基板（金属部材本体） １４ ニッケル層（金属層） １６ アルミニウム層 １７ アルミニウム部材（金属部材） １８ 金属間化合物層 ２０ アルミナ結晶成長層

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面にアルミナ結晶成長層を備えた金属
   部材を製造する方法であって、 金属部材本体の表面上に、アルミニウムよりも拡散係数
   が小さい金属から成る金属層およびアルミニウム層を順
   次積層する積層工程と、 前記金属層およびアルミニウム層が積層された金属部材
   本体を、酸化雰囲気においてアルミニウムの融点より低
   い所定の温度で熱処理することにより、該アルミニウム
   層にアルミナを結晶成長させる熱処理工程とを含むこと
   を特徴とするアルミナ結晶成長層を備えた金属部材の製
   造方法。
2. 【請求項２】金属部材本体と、 該金属部材本体の表面上に形成され、アルミニウムと該
   アルミニウムよりも拡散係数が小さい金属とが化合して
   成る金属間化合物層と、 該金属間化合物層の上に形成されたアルミナ結晶成長層
   とを含むことを特徴とするアルミナ結晶成長層を備えた
   金属部材。