JP2000355750A - 溶射皮膜の形成方法 - Google Patents

溶射皮膜の形成方法

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JP2000355750A
JP2000355750A JP11169923A JP16992399A JP2000355750A JP 2000355750 A JP2000355750 A JP 2000355750A JP 11169923 A JP11169923 A JP 11169923A JP 16992399 A JP16992399 A JP 16992399A JP 2000355750 A JP2000355750 A JP 2000355750A
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Kazuhiko Mori
和彦 森
Kouta Kodama
幸多 児玉
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 静的な接合強度を確保しつつ、熱衝撃下での
耐剥離性を向上させた溶射皮膜を形成する。 【解決手段】 アルミニウム基材料を粗面化処理した後
に溶射皮膜を形成する方法において、該粗面化処理中ま
たは処理後に、自然酸化膜より厚く且つ該溶射皮膜の形
成を妨げない範囲内の厚さの酸化膜を形成した後に、上
記溶射皮膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム基材
料の表面に溶射皮膜を形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、アルミニウム、アルミニウム
合金、アルミニウム基複合材料等のアルミニウム基材料
に、耐熱性や耐摩耗性を付与するために、溶射皮膜を形
成することが行われている。溶射皮膜を形成する際に
は、溶射皮膜と母材であるアルミニウム基材料との良好
な接合が重要である。接合力を向上させる技術として
は、溶射皮膜形成後に加熱処理を施して皮膜/母材界面
に反応層を形成する方法、溶射材料として自溶性を有す
る材料を用いる方法、溶射中に母材との反応を促進する
方法(本出願人による特願平10−313652号)等
が提案されている。これらの方法はいずれも、皮膜/母
材界面での冶金反応を促進して金属同士の接合を強化す
るものである。
【0003】しかし、上記従来の方法では、皮膜/母材
界面は金属接合により静的な接合強度は高いが、その反
面、金属接合により剛性が高いために、皮膜/母材間の
熱膨張差に起因して皮膜/母材界面に大きな熱応力が発
生し、特に、自動車エンジンピストンヘッドのように繰
り返し熱衝撃を受ける部位では、皮膜の剥離が起き易い
という問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、溶射皮膜/
母材界面の静的な接合強度を確保すると同時に、溶射皮
膜/母材界面における熱応力を緩和することによって繰
り返し熱衝撃下での耐剥離性を向上させた溶射皮膜の形
成方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の溶射皮膜の形成方法は、アルミニウム基
材料を粗面化処理した後に溶射皮膜を形成する方法にお
いて、該粗面化処理中または処理後に、自然酸化膜より
厚く且つ該溶射皮膜の形成を妨げない範囲内の厚さの酸
化膜を形成してから、上記溶射皮膜を形成することを特
徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明においては、母材表面に自
然酸化膜より厚く且つ該溶射皮膜の形成を妨げない範囲
内の厚さの酸化膜を形成し、その上から溶射を行うこと
により、金属相中に酸化物相が分散した複合構造を持つ
溶射皮膜/母材界面が得られ、溶射皮膜/母材間の熱膨
張差による熱応力が、金属相よりも剛性が低い酸化物相
により緩和され、界面での剥離の発生が低減される。
【0007】一般に、アルミニウム、アルミニウム合
金、アルミニウム基複合材料等のアルミニウム基材料の
表面は、厚さ数nmの自然酸化膜で被覆されている。こ
の上から溶射を行うと、数nm程度の酸化膜はほぼ全て
飛散して失われ、溶射皮膜/母材界面は実質的に金属相
のみから成り、高い剛性を持つ。本発明においては、自
然酸化膜よりも厚い酸化膜を人為的に形成する。この酸
化膜は、溶射によって微細に分断されるが、全てが飛散
して失われることはなく、溶射後に皮膜/母材界面に金
属相中の分散相として残存する。これが、「自然酸化膜
よりも厚い」とした趣旨である。一方、酸化膜が厚過ぎ
ると溶射により微細に分断されず、溶射皮膜と母材との
金属接合を妨げ、溶射皮膜の形成を阻害する。本発明
は、溶射皮膜と母材との金属接合は確保した上で、接合
部を金属相と酸化物分散相とから成る複合構造とする点
に特徴がある。
【0008】自然酸化膜の厚さは、本発明者がアルミニ
ウム合金JIS A6061についてオージェ分析によ
り測定した例では、6nm程度という非常に薄いもので
あった。本発明においては、これよりも厚く、溶射後に
も微細な分散相として接合界面に残存させるために、1
0nm以上の酸化膜を形成することが望ましい。一方、
溶射皮膜の形成を妨げないために、500nm以下の厚
さとすることが望ましい。
【0009】酸化膜の形成は、アルミニウム基材料の表
面を粗面化処理した後に行う。この粗面化処理は、従来
から行われているようにショットブラスト、高圧水吹付
け等の方法で行えばよい。酸化膜の形成方法は、スパッ
タリング、陽極酸化、10MPa以上の高圧水の吹付
け、50℃以上の高温水の吹付けのいずれによっても行
うことができる。
【0010】そのうち、10MPa以上の高圧水の吹付
けは、上記の粗面化処理としても行うことができ、一つ
の処理で粗面化と酸化膜形成を行うことができる。
【0011】
【実施例】〔実施例1〕本発明の望ましい態様により酸
化膜形成を行い、溶射皮膜を形成した。先ず、JIS
A6061合金から成る母材の表面に、♯24番のアル
ミナグリットを用いたショットブラストにより粗面化を
施した。
【0012】次に、上記粗面化された表面に下記条件で
スパッタリングを行いアルミナ膜を形成した。オージェ
分析により測定した膜厚は約350nmであった。 <スパッタリング条件> 到達真空度 :1.0×10-5 torr 処理時真空度:1.2×10-4 torr RF出力 :500W ターゲット材質:Al2 3 次に、上記アルミナ膜を形成した表面に下記条件で溶射
を行い溶射皮膜を形成した。溶射は大気プラズマ溶射法
により行い、溶射材料として炭素鋼(Fe−1%C)を
用いた。溶射皮膜厚さは約300μmであった。
【0013】<溶射条件> プラズマガス:Ar38l/min,H2 9l/min プラズマ電流:500A 溶射距離 :130mm 〔実施例2〕本発明の望ましい態様により酸化膜形成を
行い、溶射皮膜を形成した。
【0014】先ず、JIS A6061合金から成る母
材の表面に、♯24番のアルミナグリットを用いたショ
ットブラストにより粗面化を施した。次に、上記粗面化
された表面に下記条件で陽極酸化を行いアルミナ膜を形
成した。形成されたアルミナ膜はバリヤー型の緻密な膜
であった。オージェ分析により測定した膜厚は約200
nmであった。
【0015】<陽極酸化条件> 処理浴:ほう酸アンモニウム10g/l水溶液 浴温度:室温(処理中に35℃程度に昇温) 電圧 :143V 次に、上記アルミナ膜を形成した表面に実施例1と同じ
条件で溶射を行い溶射皮膜を形成した。溶射は大気プラ
ズマ溶射法により行い、溶射材料として炭素鋼(Fe−
1%C)を用いた。溶射皮膜厚さは約300μmであっ
た。
【0016】〔実施例3〕本発明の望ましい態様により
酸化膜形成を行い、溶射皮膜を形成した。先ず、JIS
A6061合金から成る母材の表面に、♯24番のア
ルミナグリットを用いたショットブラストにより粗面化
を施した。次に、上記粗面化された表面に下記条件で高
圧水の吹付けを行いアルミナ膜を形成した。オージェ分
析により測定した膜厚は約25nmであった。
【0017】<高圧水吹付け条件> 水圧 :280MPa 水温 :15℃ 吹付け距離 :10mm トラバース速度:2mm/s トラバース回数:1回 次に、上記アルミナ膜を形成した表面に実施例1と同じ
条件で溶射を行い溶射皮膜を形成した。溶射は大気プラ
ズマ溶射法により行い、溶射材料として炭素鋼(Fe−
1%C)を用いた。溶射皮膜厚さは約300μmであっ
た。
【0018】〔実施例4〕本発明の望ましい態様により
酸化膜形成を行い、溶射皮膜を形成した。先ず、JIS
A6061合金から成る母材の表面に、♯24番のア
ルミナグリットを用いたショットブラストにより粗面化
を施しながら、下記条件で高温水の吹付けを行いアルミ
ナ膜を形成した。オージェ分析により測定した膜厚は約
15nmであった。
【0019】<高温水吹付け条件> 水圧 :0.5MPa 水温 :80℃ 吹付け距離 :100mm トラバース速度:2mm/s トラバース回数:1回 次に、上記アルミナ膜を形成した表面に実施例1と同じ
条件で溶射を行い溶射皮膜を形成した。溶射は大気プラ
ズマ溶射法により行い、溶射材料として炭素鋼(Fe−
1%C)を用いた。溶射皮膜厚さは約300μmであっ
た。
【0020】〔比較例1〕比較のため、本発明による酸
化膜形成を行わずに、溶射皮膜を形成した。先ず、JI
S A6061合金から成る母材の表面に、♯24番の
アルミナグリットを用いたショットブラストにより粗面
化を施した。次に、上記アルミナ膜を形成した表面に溶
射を行い溶射皮膜を形成した。溶射は大気プラズマ溶射
法により行い、溶射材料として炭素鋼(Fe−1%C)
を用い、予熱は行わなかった。溶射皮膜厚さは約300
μmであった。
【0021】〔比較例2〕比較のため、本発明による酸
化膜形成を行わずに、比較例1と同様の手順で溶射皮膜
(厚さ約300μm)を形成した。ただし、溶射の前
に、母材を50℃に予熱した。実施例1〜4および比較
例1〜2により溶射皮膜を形成したサンプルについて、
溶射皮膜の静的接合強度の測定と熱衝撃試験を行った。
【0022】静的接合強度の測定は、溶射後のサンプル
から図1(A)に示した形状の試験片(厚さ1mm×幅
10mm×長さ10mm)を切り出し、図1(B)に示
したように皮膜/母材界面の母材側をジグで固定し、皮
膜側にポンチで衝撃剪断荷重を負荷する方法により行っ
た。試験数はn=5であった。熱衝撃試験は、溶射後の
サンプルから図2に示したように円板上試験片(φ80
mm×10mm)を採取し、溶射皮膜表面をガスバーナ
ーで加熱して300℃(自動車エンジンピストンヘッド
頂面の温度を近似)まで昇温させた後、室温(約20
℃)の冷却水中に浸漬して水冷するサイクル(1サイク
ル/約20分)を繰り返し、剥離が発生したときのサイ
クル数で耐剥離性を評価した。ただし、サイクル数は最
大100回で試験を打ち切った。試験数はn=2であっ
た。
【0023】表1に静的接合強度の測定結果を、図3に
熱衝撃試験結果を、それぞれまとめて示す。
【0024】
【表1】 表1に示したように、実施例1〜4は比較例1〜2と同
等の静的接合強度が得られている。これから、本発明に
より粗面化面に酸化膜を形成してから溶射処理を行って
も、溶射皮膜の静的接合強度に対して影響しないことが
分かる。一方、図3に示したように、実施例1〜4は比
較例1〜2に比べて著しく耐剥離性が向上している。な
お、実施例1および実施例2はそれぞれ酸化膜厚さが3
50nmおよび200nmであり、サイクル数100回
までの試験では剥離が発生しなかった。実施例3および
実施例4はそれぞれ酸化膜厚さが25nmおよび15n
mであり、実施例1および実施例2に比べて酸化膜厚さ
が10分の1以下であるが、それぞれ剥離発生までのサ
イクル数は90回および75回であり、比較例1および
比較例2のサイクル数25回および30回に比べて耐剥
離性が著しく向上している。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
静的な接合強度を確保しつつ、熱衝撃下での耐剥離性を
向上させた溶射皮膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、静的接合強度の測定方法を示す図であ
り、(A)は試験片の形状を示し、(B)は試験装置の
概略を示す。
【図2】図2は、熱衝撃試験の方法を示す斜視図であ
る。
【図3】図3は、実施例1〜4と比較例1〜2について
熱衝撃試験結果を示すグラフである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム基材料を粗面化処理した後
    に溶射皮膜を形成する方法において、該粗面化処理中ま
    たは処理後に、自然酸化膜より厚く且つ該溶射皮膜の形
    成を妨げない範囲内の厚さの酸化膜を形成した後に、上
    記溶射皮膜を形成することを特徴とする溶射皮膜の形成
    方法。
  2. 【請求項2】 上記酸化膜の厚さが10nm〜500n
    mの範囲内であることを特徴とする請求項1記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 上記酸化膜の形成を、スパッタリングに
    より行うことを特徴とする請求項1または2記載の方
    法。
  4. 【請求項4】 上記酸化膜の形成を、陽極酸化により行
    いことを特徴とする請求項1または2記載の方法。
  5. 【請求項5】 上記酸化膜の形成を、10MPa以上の
    高圧水の吹付けにより行うことを特徴とする請求項1ま
    たは2記載の方法。
  6. 【請求項6】 上記酸化膜の形成を、50℃以上の高温
    水の吹付けにより行うことを特徴とする請求項1または
    2記載の方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003035923A1 (fr) * 2001-10-25 2003-05-01 Haute Ecole Neuchateloise Procede de fabrication de pieces colorees
JP2004162147A (ja) * 2002-11-15 2004-06-10 Plasma Giken Kogyo Kk 溶射被膜を有する窒化アルミニウム焼結体
DE10359046A1 (de) * 2003-12-17 2005-07-28 Newspray Gmbh Verfahren zum Erzeugen einer dekorativen Oberfläche

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DE10359046B4 (de) * 2003-12-17 2012-07-19 Newspray Gmbh Verfahren zum Erzeugen einer dekorativen Oberfläche und hergestellter Gegenstand

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