JP2006291278A - 耐食性に優れたマグネシウム金属材料及びその製造法 - Google Patents
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Abstract
【課題】マグネシウム合金の表面に酸化マグネシウムのスピネル構造又は非スピネル型構造を形成して、耐食性の材料を開発する。
【解決手段】マグネシウム合金の表面に、一般式MgO・(AnOm)xからなるスピネル構造又は非スピネル型構造を有し、平均孔径が50nm〜25μmの微細孔を多数有する厚さ1〜80μmの多孔質陽極酸化皮膜を形成する。微細孔は二水準の層を形成しており、表面層の孔径は100nm〜25μmで、この孔径は普通の火花放電型陽極酸化処理で形成されたものよりも小さい。一般式中のAは、Al、Mn、Si、B、Ca,Ti,V,W,Mo,Zr,Znなどの元素、n、m、xは各々各元素の酸化状態を示す数字を示す。この様な表面の材料を得るためには70Hz以上の周波数の交流波、パルス電源又は極性反転波などを用いて、火花放電を伴った陽極酸化を施して行う。
【解決手段】マグネシウム合金の表面に、一般式MgO・(AnOm)xからなるスピネル構造又は非スピネル型構造を有し、平均孔径が50nm〜25μmの微細孔を多数有する厚さ1〜80μmの多孔質陽極酸化皮膜を形成する。微細孔は二水準の層を形成しており、表面層の孔径は100nm〜25μmで、この孔径は普通の火花放電型陽極酸化処理で形成されたものよりも小さい。一般式中のAは、Al、Mn、Si、B、Ca,Ti,V,W,Mo,Zr,Znなどの元素、n、m、xは各々各元素の酸化状態を示す数字を示す。この様な表面の材料を得るためには70Hz以上の周波数の交流波、パルス電源又は極性反転波などを用いて、火花放電を伴った陽極酸化を施して行う。
Description
本発明は、耐食性、寸法制度、面粗さに優れたマグネシウム系金属材料及びその製造法に関する。
マグネシウム又はマグネシウム合金材料は実用金属材料中最も軽く、切削性が良好で、強度/密度比が大きく、且つダイカストにおける鋳造性が良いことからコンピューター、オーディオ製品、通信機器、航空機等の筐体、構造体、各種部品等に広く用いられている。
しかし、マグネシウム系の材料は、活性が高いために大気中で酸化腐食されやすく、又酸化された場合に表面に薄い酸化皮膜が形成されるために塗装が難しく、塗膜の密着性も悪い。そのため現状では表面に化成処理を施した後、塗装を行うことが一般的となっているが塗装により寸法安定性が低下すること、廃棄時又は再利用時に剥離が必要になるなど問題点を有している。
一方、化成処理の代わりに陽極酸化処理によりマグネシウムの酸化物、水酸化物からなる皮膜を形成し、この後に塗装処理を行うことも知られている。この場合、陽極酸化処理は六価クロム酸塩などの重金属塩類を用いて行われている。この方法によって出来る陽極酸化皮膜は火花放電によって生じた孔径30μm以上の大孔径の孔を100μ以上の厚さで有している。
重金属塩類を用いない陽極酸化に関して本発明者らはアルカリ金属又はアルカリ金属土類金属の水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩などを含む水溶液に皮膜形成安定剤加えてなる電解液を用いて電解処理する方法を提案している。(例えば、特許文献1)
特開平9−176894号公報
しかしながら、例えば特許文献1に記載の方法による陽極酸化法が重金属類による工業排水の汚染も無く、酸化皮膜の面粗さなどがそれ以前の陽極酸化法に比べて良好になってはいるもののまだ皮膜の耐食性、寸法制度、面粗さが充分でなく、更に改良の余地が残されている。本発明は、特定の陽極酸化皮膜構造とすることによって耐食性、寸法制度、面粗さの優れたマグネシウム系材料の提供を目的とする。
本発明は、マグネシウムまたはマグネシウム合金表面に、一般式MgO・(AnOm)xからなるスピネル構造又は非スピネル構造を有し、平均孔径が50nm〜25μmの微細孔を多数有する厚さ1〜80μmの多孔質陽極酸化皮膜を有し、該皮膜は2層の多孔質層とバリヤー層及び壁から成り立ち、多孔質層の表面層部分における微細孔の平均孔径が100nm〜25μm、その下からバリヤー層(無孔層)に至る部分の微細孔の平均孔径が50nm〜5μmである主に二水準の細孔分布構造を有している、耐食性に優れたマグネシウム金属材料である。(但し、上記一般式において、AはAl、Mn、Si、B、Ca,Ti,V,W,Mo,Zr,Znから選ばれる少なくとも1種の元素、nは1〜5の整数、mは1〜15、xは1〜5の範囲の数字を示す。)
また本発明は、電解液をアルカリまたはアルカリ土類金属のリン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、フッ化物塩 、重フッ化物塩もしくは水酸化物の1種類以上と、皮膜添加剤として、
皮膜添加剤としてフッ化物塩、重フッ化物塩、マンガン酸塩、過マンガン酸塩、硫酸塩、硝酸塩、金属酸化物などの無機化合物、又はアルコール基、カルボキシル基、スルホン基などを含む環状又は鎖状の有機化合物の一種以上を含むものとし、電解条件を、浴温0〜60℃、電流密度0.5〜20A/デシ平方メートル、電圧25V以上として火花放電を生じさせながら、陽極酸化処理を行うことによって前記のスピネル型又は非スピネル型構造表面を有するマグネシウム金属材料の製造法である。
皮膜添加剤としてフッ化物塩、重フッ化物塩、マンガン酸塩、過マンガン酸塩、硫酸塩、硝酸塩、金属酸化物などの無機化合物、又はアルコール基、カルボキシル基、スルホン基などを含む環状又は鎖状の有機化合物の一種以上を含むものとし、電解条件を、浴温0〜60℃、電流密度0.5〜20A/デシ平方メートル、電圧25V以上として火花放電を生じさせながら、陽極酸化処理を行うことによって前記のスピネル型又は非スピネル型構造表面を有するマグネシウム金属材料の製造法である。
本発明のマグネシウム金属材料は、表面に一般式MgO・(AnOm)xで表される(但し、AはAl、Mn、Si、B、Ca,Co,Ti,V,W,Mo,Zr,Znから選ばれる少なくとも1種の元素、nは1〜5の整数、mは1〜15、xは1〜5の範囲の数字を示す。)スピネル型又は非スピネル型構造の皮膜を1〜80μmの厚さで有している。この皮膜として具体的にはMgO・AL2O3,MgO・SiO2,MgO・AL2O3・SiO2,MgO・MnO2,MgO・AL2O3,MgO・V2O3,MgO・V2O3・AL2O3,MgO・Zn2O・Co2O4,MgO・ZnO・AL2O3,MgO・MoO2,MgO・B2O3,MgO・TiO2,MgO・AL2O3・TiO2,MgO・W2O5・AL2O3,MgO・W2O5,MgO・AL2O3・ZrO2・SiO2があげられるが、特にMgO・AL2O3,MgO・SiO2,MgO・AL2O3・SiO2,MgO・MnO2,MgO・AL2O3・MnO2 が好ましい。
又、本発明の陽極酸化皮膜は平均孔径が50nm〜25μmの微細孔が多数存在する多孔質皮膜であり、この皮膜は2層の多孔質層とバリヤー層及び壁から成り立ち、その表面層部分における微細孔の平均孔径が100nm〜25μm、その下からバリヤー層に至る部分の微細孔の平均孔径が50nm〜5μmである主に二水準の細孔分布を有している。皮膜の組成は酸化マグネシウムとAl,Mn,Si,B、P・・・などの前記した酸化物のスピネル型又は非スピネル型構造で成り立っている。これら細孔は、表面に比較的大きな開口部を有するので光沢などの低下は見られるが、特に耐食性、寸法精度、面粗さが格段に向上する。
本発明においてマグネシウム金属材料表面に特定のスピネル型又は非スピネル型構造皮膜を形成するには、該金属材料をアルカリまたはアルカリ土類金属のリン酸塩、ホウ酸塩、水酸化物、ケイ酸塩もしくはケイフッ化塩の1種以上を0.2〜7モル/リットル、皮膜添加剤を0.01〜5モル/リットルの割合で含む水溶液中で電流密度0.5〜5A/デシ平方メートル、電圧25V以上で、電源の波形は、周波数70Hz〜2KHzの交流波、140〜4000回/秒のPR波又は正側が70〜2000/秒と負側が70〜2000/秒の反転波を一つ又は二つ以上を組み合わせて用い、火花放電を生じさせながら陽極酸化処理することによって達成される。
本発明で用いられるアルカリ又はアルカリ土類金属のリン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、もしくは水酸化物で、具体例としては、H3PO4, Na3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4、Na4P2O6、Na2H2P2O6、Na4P2O7、Na2H2P2O7、Na5P3O10、K3PO4、K2HPO4、KH2PO4、K4P2O7、K6(PO3)6のリン酸塩、NaBO2,Na2B4O7、NaBo3、KBO2、K2B4O7のホウ酸塩、Na2SiO3、Na4SiO4、K2SiO3、K2SiO7、K2Si4O9のケイ酸塩及び、NaOH,KOH,BaOHの水酸化物があげられる。
電解液には液の寿命、皮膜の均一性、安定性、性能向上を図ると共に、酸化マグネシウムとスピネル型又は非スピネル型構造を形成させるために皮膜添加剤を加える。添加剤には、フッ化物塩、重フッ化物塩、マンガン酸塩、過マンガン酸塩、硫酸塩、硝酸塩、金属酸化物などの無機化合物、又はアルコール基、カルボキシル基、スルホン基などを含む環状又は鎖状の有機化合物又はアルコール基、カルボキシル基、スルホン基を含む環状又は鎖状の有機化合物が用いられ、具体的にはKF、NH4Fなどのフッ化物、NH4FHF、NaFHF、KFHFなどの重フッ化物、K2MnO4,Na2MnO4,Na3MnO4などのマンガン酸塩KMnO4,NaMnO4,Mg(MnO4)2,Ca(MnO4)2,などの過マンガン酸塩、Na2SiO3、Na4SiO4、K2SiO2などのケイ酸化合物、Na2SiF6、MgSiF6、(NH4)2SiF6などのケイフッ化物、Na2SO4,K2SO4,AL2(SO4)3,MgSO4などの硫酸塩、NaNO3,KNO3,などの硝酸塩、AL2O3,H3BO3,SiO2,TiO2,VO,MoO,ZrO,SnO,WO、CaO,BaOなどの金属酸化物、有機化合物としては(CH2OH)2、(CH2CH2OH)O、(CH2OH)2CHOHなどのアルコール類、(COOH)2、(CH2CH2COOH)2、〔CH(OH)COOH〕2、C6H4(OHCOOH)、C6H5COOH、C6H4(COOH)2どのカルボン酸又はこれらの塩、C6H4(SO3H・COOH)、C6H3(COOH・OH・SO3H)などのスルホン基を有する有機化合物が用いられる。特に有機カルボン酸又はその塩が好ましく用いられる。
これらの皮膜添加剤は単独でも混合して用いても良い。特に無機化合物と有機カルボン酸を組み合わせて使用するときは液管理が容易となり好ましい。この添加量は電解液中、0.01〜5モル/リットルの範囲が好ましい。この様に調整された電解液中でのマグネシウム合金の陽極酸化処理は、浴温を10〜40℃でpH9以上の弱〜強アルカリ性の範囲で、周波数70Hz〜2KHz、特に300Hz〜1.5KHzの範囲の交流電源又は正側が70〜2000/秒と負側が70〜2000/秒の反転波を用いて、火花放電を生じさせながら陽極酸化処理を20〜70分行うのが特に好ましい。
従来行われている火花放電型陽極酸化によって得られた皮膜は表層部分の微細孔孔径が平均で30μm以上と大きくなってしまうが、本発明の条件で陽極酸化処理されて形成された皮膜は、表層部分の微細孔の平均孔径が100nm〜25μmで、火花放電型による陽極酸化処理としては非常に小さい平均孔径を有している。そして表面の組成は火花放電により酸化マグネシウムとその他金属との完全に近い酸化物組成となっているために外気酸素による更なる酸化進行はなく、そして孔径も小さいため耐食性、耐塩水性が良好で且つ寸法安定性も高い。
本発明で使用するマグネシウム金属材料は広範囲に応用可能で、純マグネシウム系、マグネシウム‐アルミニウム系、マグネシウム‐アルミニウム‐亜鉛系、マグネシウム‐アルミニウム‐ケイ素系、マグネシウム‐ジルコニウム‐希土類‐銀系、マグネシウム‐亜鉛‐ジルコニウム系、マグネシウム‐亜鉛系、マグネシウム‐希土類‐ジルコニウム系、マグネシウム‐アルミニウム‐希土類系、マグネシウム‐イットリウム‐希土類系、マグネシウム‐カルシウム‐亜鉛系など陽極酸化皮膜の形成が可能である材料ならば全て利用可能である。
これらの材料は、展伸材、鋳物材、ダイキャスト材、鍛造材などいずれのものも用いられ、加工、成形方法についても展伸材からのプレス、板金、インパクト、バルジ法、鋳造からの砂型、金型、ロストワックス,プラススターモールド、スクイズキャスチング法、ダイキャストからホットチャンバー、コールドチャンバー、半溶融法、鍛造から、熱間、温間法があり、これら各種の成形法で望む形状、例えば板、管、棒、球、又は二次元もしくは三次元の繊維状、あるいはハニカム状構造などにして用いることが出来る。
これらの成形材料は必要に応じて機械的又は化学的な前処理を施した後に陽極酸化することが好ましい。機械的な前処理法としては乾式もしくは湿式ホーニング法、ベルト、バフ研磨法、スクラッチ法、ヘアーライン法などが用いられる。また化学的な前処理法としてはエッチング、化学梨地、食刻法などが用いられ、これらの前処理を1つ又は2つ以上組み合わせても良い。
本発明のマグネシウム系金属材料は前処理を含む火花放電型陽極酸化処理によって形成された多孔質皮膜が小さな平均孔径の細孔を持ち、特定組成のスピネル型又は非スピネル型構造となっており、このために耐食性、特に塩水に対する耐久性が著しく向上するので、特に戸外で使用する各種筐体などに好ましく用いられる。
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
70×150×t5mmのマグネシウム合金AZ91Dダイカスト材を両面荒削り後、ダイヤモンドバイトにて仕上げ加工を行った所、寸法精度は4.2±0.001mm、面粗さRa0.3μmとなった。この資料を脱脂、酸処理後、NaOH;3±0.05モル/リットル、Na2HPO4;0.3モル/リットル、皮膜添加剤としてNa2SiO3 ;0.25モル/リットルと、酒石酸ナトリウム;0.3モル/リットル、KF;0.2モル/リットルを添加した電解液で液温26±2℃、500Hzの交流波形を用い、電流密度1〜6A/dm2,火花放電開始電圧約45V,最終電圧90V,電解時間60分火花放電型陽極酸化処理を行った。この皮膜の断面を電子顕微鏡(日本電子(株)社製JSM−T20)で観察すると、皮膜厚さが約20μmで、その中、表面側より約16μmまでの部分は、5〜18μmの細孔が、素地側の皮膜厚さ約4μmの部分には、3μm以下の微細孔が多数分布していた。また、皮膜組成をリガク社製X線回折装置Rint1500で解析したところMgO・SiO2であることが判った。塩水噴霧試験(JISZ2371)を8時間噴霧16時間休止で1サイクルとし、120サイクル、RN(レイティングナンバー)9.8以上(腐食面積率0.02%以下)の結果を得た。また寸法精度は4.22±0.002mm、面粗さはRa1.2μmであった。
(比較例1)実施例1と同じダイカスト材を用い、50Hz交流電源を用い、放電開始電圧を55V、最終電圧は92Vとした他は同一電解条件で陽極酸化を行い、得られた試料の結果、皮膜厚さは約30μm、構造は実施例1と異なり、表面側より14〜22μmまでの部分の微細孔の平均孔径は26μmで、実施例1の皮膜に比べて非常に大きな細孔となっていた。素地側の皮膜厚さ約6〜8μmの部分は、6μm以下の微細孔が分布していた。塩水噴霧試験は32サイクルで、寸法精度は4.22±0.012mm、面粗さはRa10.8μmであった。
実施例1と同じダイカスト材を用い、脱脂、酸処理も同様に行い、浴組成をNaOH;3.5モル/リットル、Na2HPO4;0.3±0.01モル/リットル、皮膜添加剤としてKMnO4 ;0.15モル/リットルと、AL2O3;0.3±モル/リットル、KF;0.6モル/リットルを添加した電解液で液温26±2℃、1000Hzの交流波形を用い、電流密度2〜5A/dm2,火花放電開始電圧約50V,最終電圧95V,電解時間60分火花放電型陽極酸化処理を行った。皮膜厚さは20±1.0μm、その中、表面側より約15μmまでの部分は5〜8μmの細孔が、素地側の皮膜厚さ約5μmの部分には、3μm以下の微細孔が分布していた。構造はMgO・AL2O3 と若干のMnO2で、塩水噴霧試験は110サイクル、寸法精度は±0.002mm、面粗さはRa1.5μmであった。
(比較例2)実施例2と同一素材、作業を行い、交流周波数を50Hzで行った。皮膜厚さは約40μm、皮膜の表面側より約13から30μmまでの部分に平均27μmの細孔が、素地側の皮膜厚さ約7〜10μmの部分に、6μm以下の微細孔が分布していた。塩水噴霧試験は28サイクルで、面粗さはRa12.5μm,寸法精度は±0.02mmであった。皮膜の組成は実施例2と異なり、MgO・AL2O3+MgOであった。
本発明のマグネシウム材料は過酷な精密機械部品においても耐食性、寸法精度、面粗さ等の耐久性の大きい製品として各種モーターサイクル、機構部品等に使用できる。
Claims (4)
- マグネシウムまたはマグネシウム合金の表面に、一般式MgO・(AnOm)xからなるスピネル型又は非スピネル型構造を有し、平均孔径が50nm〜25μmの微細孔を多数有する厚さ1〜80μmの多孔質陽極酸化皮膜を有し、該皮膜は2層の多孔質層とバリヤー層及び壁から成り立ち、多孔質層の表面層部分における微細孔の平均孔径が100nm〜25μm、その下からバリヤー層に至る部分の微細孔の平均孔径が50nm〜5μmである主に二水準の細孔分布構造を有している、耐食性に優れたマグネシウム金属材料。(但し、一般式において、AはAl、Mn、Si、B、Ca,Ti,V,W,Mo,Zr,Znから選ばれる少なくとも1種の元素、nは1〜5の整数、mは1〜15、xは1〜5の範囲の数字を示す。)
- マグネシウムまたはマグネシウム合金材料を、アルカリまたはアルカリ土類金属のリン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、ケイフッ化塩もしくは水酸化物の1種類以上と、皮膜添加剤として、フッ化物塩、重フッ化物塩、マンガン酸塩、過マンガン酸塩、硫酸塩、硝酸塩などの無機化合物、又はアルコール基、カルボキシル基、スルホン基などを含む環状又は鎖状の有機化合物の一種以上を含む電解液中で、浴温0〜60℃、電流密度0.5〜20A/デシ平方メートル、電圧25V以上で火花放電を生じさせながら、陽極酸化処理を行い、一般式MgO・(AnOm)xからなるスピネル型又は非スピネル型構造を有し、平均孔径が50nm〜25μmの微細孔を多数有する厚さ1〜80μmの陽極酸化皮膜で、該皮膜は2層の多孔質層とバリヤー層及び壁から成り立ち、多孔質層の表面層部分における微細孔の平均孔径が100nm〜25μm、その下からバリヤー層に至る部分の微細孔の平均孔径が50nm〜5μmである主に二水準の細孔分布構造を有する皮膜を形成することからなる耐食性に優れたマグネシウム金属材料の製造法。(但し、一般式において、AはAl、Mn、Si、B、Ca,Ti,V,W,Mo,Zr,Znから選ばれる少なくとも1種の元素、nは1〜5の整数、mは1〜13、xは1〜5の範囲の数字を示す。)
- 皮膜添加剤として(COOH)2、(CH2CH2COOH)2、〔CH(OH)COOH〕2、C6H4(OHCOOH)、C6H5COOH、又はC6H4(COOH)2等有機カルボン酸又はその塩を一種以上0.01〜5モル/リットル含む電解液中にて火花放電型陽極酸化処理をすることを特徴とする請求項2の製造法。
- 火花放電型陽極酸化処理に際して用いる電源の波形は、周波数70Hz〜2KHzの交流波、140〜4000回/秒のPR波又は正側が70〜2000/秒と負側が70〜2000/秒のパルス波の一つ又は二つ以上を組み合わせたものであることを特徴とする請求項2又は3の製造方法。
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