JPH1072696A - アルミニウム材の表面処理方法及び耐摩耗性アルミニウム材 - Google Patents

アルミニウム材の表面処理方法及び耐摩耗性アルミニウム材

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JPH1072696A
JPH1072696A JP24901596A JP24901596A JPH1072696A JP H1072696 A JPH1072696 A JP H1072696A JP 24901596 A JP24901596 A JP 24901596A JP 24901596 A JP24901596 A JP 24901596A JP H1072696 A JPH1072696 A JP H1072696A
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Osaka Prefecture
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウム材の耐摩耗性を飛躍的に向上さ
せることのできる表面処理方法を提供することである。 【解決手段】 純アルミニウムからなる基材の表面に、
アルゴンイオンを注入する工程と、イオン注入後の基材
表面を陽極酸化処理して陽極酸化皮膜を形成する工程と
を備えたことを特徴とするアルミニウム材の表面処理方
法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム材に
大きな耐摩耗性を付与することのできる表面処理方法及
び大きな耐摩耗性が付与されたアルミニウム材に関する
ものである。
【0002】
【従来技術及びその課題】アルミニウム材は、熱伝導性
に富んでいることや軽量であること等から、魅力のある
工業材料として注目されている。しかし、構造材料とし
て用いる場合においては、硬度や耐摩耗性の点で他の材
料に劣るため、未だ多くの開発課題を有しているのが現
状である。
【0003】ところで、アルミニウム材の耐摩耗性を向
上させる技術としては、例えば特開昭62−37394
号公報に記載のものが知られている。これは、アルマイ
ト層の表層部にAr+等のイオン注入層を形成するもの
である。しかし、この技術では、アルマイト層が10〜
30μmと厚いため、多孔質型皮膜がアルマイト層中の
大部分を占め、それ故、耐摩耗性は、イオン注入を行わ
ない場合に比して2倍程度しか向上せず、未だ十分では
ないという欠点があった。
【0004】本発明は、アルミニウム材の耐摩耗性を飛
躍的に向上させることのできる表面処理方法及び耐摩耗
性が飛躍的に向上したアルミニウム材を提供することを
目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1記載の発明は、純アルミニウムか
らなる基材の表面に、アルゴンイオンを注入する工程
と、イオン注入後の基材表面を陽極酸化処理して陽極酸
化皮膜を形成する工程とを備えたことを特徴とするアル
ミニウム材の表面処理方法である。
【0006】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、イオン注入量が2.5×1015〜5.0×
1015個/cm2である。
【0007】請求項3記載の発明は、バリヤー型皮膜が
多孔質型皮膜よりも優先的に生成している構造を有する
陽極酸化皮膜が、表面に形成されていることを特徴とす
る耐摩耗性アルミニウム材である。
【0008】
【発明の実施の形態】純アルミニウムからなる平板状の
基材の表面に、一般に使用されるイオン注入装置を用い
て、アルゴンイオン(Ar+)を注入する。その際、イ
オン注入量は、2.5×1015〜5.0×1015個/c
2とし、形成するイオン注入層は0.01〜1.0μ
mの厚さとする。
【0009】次に、アルゴンイオンが注入された基材の
表面を、一般の方法により陽極酸化処理して、陽極酸化
皮膜を形成し、該皮膜を、水洗処理した後、封孔処理す
る。陽極酸化処理としては、例えば、硫酸,リン酸,ク
ロム酸等の無機酸、又はシュウ酸,スルホサリチル酸,
マロン酸等の有機酸、又は水酸化ナトリウム,リン酸三
ナトリウム等のアルカリ性の水溶液の電解浴中で、直
流、交流、パルス、PR波、又は交直重畳法により、電
解する方法が採用される。
【0010】このように、基材にアルゴンイオンを注入
した後に陽極酸化処理すると、基材の表面は次のように
改質されると考えられる。
【0011】即ち、基材表面にアルゴンイオンを注入す
ると、基材の表面層には、結晶学的な歪みが生じ、圧縮
残留応力が発生する。その理由は、次の如くである。即
ち、アルゴンは不活性元素であるため窒素やホウ素のよ
うに化合物を形成することはないので、基材に注入され
たアルゴンイオンは、表面層にて化合物を生成せず、純
アルミニウムの格子結晶内への侵入元素となり、格子に
結晶学的な歪みを生じさせる。
【0012】ところで、陽極酸化処理によりアルミニウ
ム材の表面に形成される陽極酸化皮膜は、アルミニウム
材の直上に形成される皮膜であるバリヤー型皮膜と、バ
リヤー型皮膜の直上に形成される皮膜である多孔質型皮
膜とで構成されているが、一般には多孔質型皮膜の成長
がバリヤー型皮膜よりも活発に起こり、多孔質型皮膜が
大部分を占めている。
【0013】しかし、アルゴンイオンが注入されて結晶
学的な歪みが生じている基材表面に、陽極酸化処理を施
すと、多孔質型皮膜の成長速度が遅くなり、バリヤー型
皮膜が優先的に成長することとなる。その結果、得られ
る陽極酸化皮膜では、大部分をバリヤー型皮膜が占め、
多孔質型皮膜は通常よりも微細な孔を持った状態で少量
存在することとなる。そして、バリヤー型皮膜は、緻密
な構造を有する無孔性のγ−アルミナであるので、トラ
イボロジー的な効果を発揮する。なお、γ−アルミナと
は、非晶質アルミナと結晶質アルミナの中間物質であ
る。従って、このような陽極酸化皮膜が形成された純ア
ルミニウムからなる基材の表面は、耐摩耗性に富んだも
のとなる。
【0014】なお、イオン注入量が2.5×1015個/
cm2より少ないと耐摩耗性が不十分となり、5.0×1
15個/cm2より多いと注入に要する時間やエネルギ
ーが過大となりコスト高となるという不都合が生じる。
【0015】
【実施例】純アルミニウムからなる基材に対する表面処
理方法を種々設定して、耐摩耗性を調べた。また、他の
材料とも、耐摩耗性について比較した。
【0016】(1)表面処理は、アルゴンイオン注入、
陽極酸化処理、水洗処理、及び封孔処理からなってお
り、処理方法の設定種類としては、次の通りとした。 ・表面処理を行わない場合…比較例1とした。 ・アルゴンイオン注入のみを行う場合…比較例2〜4と
した。 ・陽極酸化処理、水洗処理、及び封孔処理のみを行う場
合…比較例5とした。 ・アルゴンイオン注入、陽極酸化処理、水洗処理、及び
封孔処理を行う場合…実施例1〜3とした。また、他の
材料であって、表面処理を行わない場合を、比較例6〜
8とした。
【0017】(2)表面処理条件において、アルゴンイ
オン注入条件、陽極酸化処理条件、水洗処理条件、封孔
処理条件は、次の通りとした。
【0018】 [アルゴンイオン注入条件] ・注入イオン種…40Ar+ ・注入エネルギー…10keV ・注入量…5.0×1014個/cm2 ビーム電流:0.10〜0.24mA 処理時間:6.1分 2.5×1015個/cm2 ビーム電流:0.10〜0.24mA 処理時間:18.7分 5.0×1015個/cm2 ビーム電流:0.10〜0.24mA 処理時間:33.0分
【0019】[陽極酸化処理条件] ・電解浴…15%硫酸溶液 ・浴温…19±1℃ ・電流密度…DC1A/dm2(=100A/m2)、定
電流密度電解 ・対極…カーボン板 ・処理電流…0.12A ・処理時間…5分
【0020】[水洗処理条件] ・処理方法…水道水流水 ・処理時間…5分
【0021】[封孔処理条件] ・処理方法…脱塩水煮沸 ・処理時間…5分
【0022】(3)耐摩耗性としては、トライボロジー
特性(摩擦摩耗特性)を調べた。その試験条件及び測定
項目は次の通りである。
【0023】[試験条件] ・試験機…ボールオンフラット(Ball-on-flat)往復摺動
型 ・試験片…平板状の工業用純アルミニウム ・摺動相手材…3/8インチの鋼球 JIS SUJ2
(800HV相当) ・試験荷重…490mN(=50gf) ・摺動ストローク…6.00mm ・摺動周波数…2Hz ・最大摺動回数…10000サイクル ・試験環境…室温、無潤滑
【0024】[測定項目] ・摩擦係数 ・摩耗痕体積 ・摩耗痕表面積 なお、摩耗痕体積とは摩耗して削り取られて形成された
凹部の体積を言い、摩耗痕表面積とは該凹部の開口面積
を言う。
【0025】(比較例1)純アルミニウムからなる基材
そのままの場合、即ち表面処理を全く行わない場合につ
いて、検討した。
【0026】(比較例2)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入を注入量の条件で行い、
陽極酸化処理は行わない場合について、検討した。
【0027】(比較例3)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入を注入量の条件で行い、
陽極酸化処理は行わない場合について、検討した。
【0028】(比較例4)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入を注入量の条件で行い、
陽極酸化処理は行わない場合について、検討した。
【0029】(比較例5)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入は行わず、陽極酸化処理、
水洗処理、及び封孔処理のみを行った場合について、検
討した。
【0030】(実施例1)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入を注入量の条件で行い、
次いで、陽極酸化処理、水洗処理、及び封孔処理を行っ
た場合について、検討した。
【0031】(実施例2)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入を注入量の条件で行い、
次いで、陽極酸化処理、水洗処理、及び封孔処理を行っ
た場合について、検討した。
【0032】(実施例3)純アルミニウムからなる基材
に対し、アルゴンイオン注入を注入量の条件で行い、
次いで、陽極酸化処理、水洗処理、及び封孔処理を行っ
た場合について、検討した。
【0033】(比較例6)窒化ケイ素(Si34)セラ
ミックからなる基材に対し、表面処理を全く行わない場
合について、検討した。
【0034】(比較例7)Al−Zn−Mg−Cu系三
元合金からなる基材に対し、表面処理を全く行わない場
合について、検討した。
【0035】(比較例8)Al−Cu系ジュラルミンか
らなる基材に対し、表面処理を全く行わない場合につい
て、検討した。
【0036】表1に、表面処理条件及び測定結果を示
す。
【0037】
【表1】
【0038】表1からわかるように、実施例2,3の摩
耗痕体積は、比較例1〜5及び実施例1の場合に比して
極めて小さいものとなっており、また、従来から耐摩耗
性が優れていると言われている比較例6の場合に比して
も小さいものとなっている。即ち、実施例2,3の摩耗
痕体積は、比較例1の場合の約1/430、比較例5の
場合の約1/210、比較例7の場合の約1/350、
比較例8の場合の約1/150、比較例6の場合の約1
/6となっている。従って、実施例2,3の表面処理を
行った純アルミニウムからなる基材は非常に優れた耐摩
耗性を有している。
【0039】なお、実施例1の場合でも、比較例5より
摩耗痕体積が僅かながらも小さくなっており、アルゴン
イオンを注入したことによる耐摩耗性向上という効果が
発揮されている。しかし、その効果は僅かであり、確実
な効果を得るためには、実施例1〜3のイオン注入量か
らみて、2.5×1015〜5.0×1015個/cm2
注入量が必要と考えられる。
【0040】図1は実施例3で得られた純アルミニウム
からなる基材の表面の結晶構造を示すSEM写真、図2
は比較例5の同じくSEM写真である。両図からわかる
ように、実施例3の場合では、表面の結晶構造が比較例
5に比して緻密になっており、孔の存在割合は少なくな
っており、孔自体も微細なものになっている。
【0041】また、表2に比較例1〜5及び実施例1〜
3の表面粗さについての測定結果を示す。
【0042】
【表2】
【0043】表2からわかるように、実施例2,3の表
面粗さは他の場合と大差なきものとなっている。また、
図3は実施例3についてのトライボロジー特性の試験に
おけるサイクルに伴う摩擦係数の変動を示す図、図4は
同じく比較例5の場合の図である。実施例3では、比較
例5に比して、摩擦係数の変動は小さく、しかも、低い
値である。即ち、実施例3は、良好な平滑性を有してい
る。
【0044】
【発明の効果】請求項1記載の表面処理方法によれば、
純アルミニウムからなる基材の耐摩耗性を、単に陽極酸
化処理した場合に比して、向上させることができる。
【0045】請求項2記載の表面処理方法によれば、上
記基材の耐摩耗性を顕著に向上させることができ、従来
から耐摩耗性が優れているとされている材料と同程度以
上の耐摩耗性を純アルミニウムからなる基材に付与でき
る。
【0046】請求項3記載のアルミニウム材によれば、
純アルミニウムからなる基材の表面に形成された陽極酸
化皮膜の大部分を、緻密な構造を有する無孔性のγ−ア
ルミナからなるバリヤー型皮膜が占めているので、陽極
酸化皮膜の耐摩耗性、即ち基材の耐摩耗性は、優れたも
のとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 結晶構造を示す図面に代わる写真であって、
実施例3で得られた純アルミニウムからなる基材の表面
の結晶構造を示すSEM写真である。
【図2】 結晶構造を示す図面に代わる写真であって、
比較例5で得られた純アルミニウムからなる基材の表面
の結晶構造を示すSEM写真である。
【図3】 実施例3についてのトライボロジー特性の試
験におけるサイクルに伴う摩擦係数の変動を示す図であ
る。
【図4】 比較例5についてのトライボロジー特性の試
験におけるサイクルに伴う摩擦係数の変動を示す図であ
る。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 純アルミニウムからなる基材の表面に、
    アルゴンイオンを注入する工程と、 イオン注入後の基材表面を陽極酸化処理して陽極酸化皮
    膜を形成する工程とを備えたことを特徴とするアルミニ
    ウム材の表面処理方法。
  2. 【請求項2】 イオン注入量が2.5×1015〜5.0
    ×1015個/cm2である請求項1記載のアルミニウム
    材の表面処理方法。
  3. 【請求項3】 バリヤー型皮膜が多孔質型皮膜よりも優
    先的に生成している構造を有する陽極酸化皮膜が、表面
    に形成されていることを特徴とする耐摩耗性アルミニウ
    ム材。
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