JP2006336050A

JP2006336050A - 金属製部品の陽極酸化処理装置

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Publication number: JP2006336050A
Application number: JP2005159849A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Kojima; 敏也小島; Takeyo Wada; 岳世和田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP4677829B2

Abstract

【課題】凹部表面をもつ金属製部品の凹部に金属酸化被膜を形成する表面陽極酸化処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の装置は、側周面にリング状の凹部を持つ金属製の被処理物に接触し電流を通電する第１電極部と、電解液通路を備え、前記被処理物の前記側周面を囲う内周面を有し、該内周面に前記電解液通路に連通し前記凹部と対向する吐出孔を有する第２電極部と、前記電解液通路に電解液を供給し、電解液を前記吐出孔から前記凹部に向かって噴出する電解液供給手段と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に電圧を印加する通電手段とを有する。この装置では被処理物の凹部に健全な金属酸化被膜を均一にかつ高速で形成させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面にリング状の凹部を持つ金属製部品の陽極酸化処理装置に関するものである。

一般的に陽極酸化処理は、硫酸、クロム酸などを含む酸性電解液を用いて被処理物を正極側にし、通電することにより、例えばアルミニウム基金属製被処理物の表面を酸化し、アルマイト膜厚を形成する処理方法である。しかしアルマイト膜厚が増加すると、その被膜特性（絶縁性）から、電気が流れにくくなり、酸化効果が低下する。このため必要とする膜厚を達成するには、長時間を必要とし、生産効率が悪い。

効率よく所定厚さのアルマイト膜を得るために、流れる電流密度を向上させ、大電流により陽極酸化処理することにより時間を短縮することができるが、多量のジュール熱が発生する。また、近年、材料強度アップのために、多量のシリコンを含むアルミニウム合金が使用されている。このようなアルミニウム合金ではさらに多くの発熱がある。よって、効率よく発生した熱を除去しなければ被膜の硬度の低下が発生し、バーニング現象として現れる。従って、膜厚を増大させるに伴い、アルマイト被膜層への冷却が必要となる。

バーニング現象を防止し、被膜層を冷却する方法としては、特開平１１−２３６６９６号公報において、電解液浴中で多数の電解液噴射口より電解液を流速３０cm／sec〜３００cm／secで被処理物に当てて、アルマイト被膜を形成する方法が開示されている。この方法では、４．８μｍ／分のアルマイト膜形成速度が得られるが、浴中での電解液噴出には大出力のポンプが必要となり、設備投資によるコストアップとなる。また、特開平４−１９８４９７号公報に記載の方法では、アルマイト膜形成速度は１２．９μｍ／分が得られる。さらに、この方法では、アルミニウム合金製のピストン頂部などの表面にアルマイト被膜の形成は可能である。しかし、ピストンリング溝等の、溝部への被膜形成はできない。

さらに、特開平９−２１７２００号公報は、頂面に対向した位置に回転噴射盤を設置し、被処理面にアルマイト被膜層生成時の発熱に対する冷却を向上させている。アルマイト膜形成速度は１５．０μｍ／分である。

いずれの場合もアルミニウム基金属製部品の被処理物の外側、すなわち、平面部、凸部への処理方法及び装置を開示しているが、凹部（溝部）への高速処理は実現できていない。
特開平１１−２３６６９６号公報特開平９−２１７２００号公報特開平４−１９８４９７号公報

本発明の目的は、上記の点に鑑み、凹部表面をもつ金属製部品の凹部に金属酸化被膜を形成する表面陽極酸化処理装置を提供することにある。

課題を解決するための手段、作用、効果

本発明の金属製部品の陽極酸化処理装置は、側周面にリング状の凹部を持つ金属製の被処理物に電流を通電する第１電極部と、電解液通路を備え、前記被処理物の前記側周面を囲う内周面を有し、該内周面に前記電解液通路に連通し前記凹部と対向する吐出孔を有する第２電極部と、前記電解液通路に電解液を供給し、電解液を前記吐出孔から前記凹部に向かって噴出する電解液供給手段と、前記第１電極部と前記第２電極部とに電圧を印加する通電手段と、を有し、通電により該被処理物の該凹部に金属酸化被膜を均一に生成させる構成としたことを特徴とする。

本発明の表面陽極酸化処理装置では、内側に吐出穴を持つ第２電極部を持ち、その吐出穴は被処理物の凹部に対向している。そして電解液供給手段で電解液を第２電極部の吐出孔より噴出させ、同時に通電手段により保持手段を介して被処理物を第１電極（陽極）とし第２電極（陰極）との間に電圧を印加する。吐出孔より噴出する電解液は被処理物の凹部を満たし通電により第２電極部に対向する被処理物の凹部は優先的に陽極酸化され金属酸化被膜が形成される。凹部内の電解液は通電により発生する熱により加熱されて温度が上昇するが、凹部を満たす電解液は吐出孔より噴出する電解液で常に新しい冷たい電解液が供給され、凹部の温度上昇は限られた低いものとなる。これによりバーニング現象等の不都合を伴うことなく、被処理物の凹部を効率よく陽極酸化処理でき、被処理物の凹部表面に短時間に厚い金属酸化被膜を形成することができる。

本発明の金属製部品の陽極酸化処理装置は、第１電極部と、第２電極部と、電解液供給手段と、通電手段とを有する。

第１電極部は、被処理物に接触する導電体で構成される。

導電体としては通電性を必要とするため、通電性のよい金属製材料が好ましい。

被処理物としては、金属製で表面にリング状の凹部を持つものである。具体的にアルミニウム合金製のピストンを例示することができる。ピストンのように筒状、棒状でその外表面に外周を一周するリング溝を持つものが好ましい。ここでアルミニウム基金属とは、アルミニウム金属及びアルミニウムに銅、亜鉛、ケイ素等の他の元素を混合した合金をも含む。

また、第１電極部は被処理物を保持する保持手段に組み込まれたものとすることができる。また、保持手段は保持する被処理物を回転駆動させる回転手段としての回転駆動部を持つことができる。回転駆動部は、被処理物が該被処理物の軸を中心として回転するものとすることができる。また、保持手段は被処理物を、例えば着脱位置と電解処理位置に移動させる移動手段を持つものとすることができる。

第２電極部は、電解液通路を備え、被処理物の側周面を囲う内周面を有し、該内周面に電解液通路に連通し、被処理物の凹部に対向する吐出孔を有するものである。

内周面の形状および吐出孔の形状は被処理物の被処理面に合わせ、異なる形状を持つことができる。凹部を持つ被処理面に合わせた吐出孔の形状は円形が一般的であるが、場合によって、楕円形、あるいは方形も好ましい。また、吐出孔は第２電極部の内側に１個又は複数個リングの延びる方向に離間して配列することもできる。第２電極部の吐出孔の数、吐出孔のサイズ等も被処理物に合わせて自由に設定することができる。

アルミニウム合金製ピストンを被処理物とした場合、吐出孔径は０．５〜２．０ｍｍで、吐出孔数は４〜３２個が好ましい。また、第２電極部は通電性を必要とするため、通電性のよい金属製材料が好ましい。

電解液供給手段は、電解液を貯留する貯留槽と、該貯留槽と電解液通路とを接続する流入路と、流入路に配置され貯留槽から電解液通路に電解液を送出するポンプとで構成することができる。

また、電解液供給手段には電解液を冷却させる冷却手段、及び電解液の温度を制御する温度制御手段、電解液の流量を制御する流量制御手段を設けることもできる。

また、第２電極部は電解液を収集する貯留槽を組んで構成することが好ましい。貯留槽は被処理物に噴射された後の電解液を収集し、供給手段に送出する。貯留槽本体は上端開放の容器状のものでも、被処理物によっては密閉された容器状のものでも良い。貯留槽は一個、あるいは複数個で連通設置することができる。電解液は強酸を用いる場合が多いことから、貯留槽本体の材質はSUS316あるいは塩化ビニル製が好ましい。貯留槽が第２電極部とは、一体的に構成されていても着脱自在に形成されていてもよい。

通電手段は、第１電極部と第２陰極部との間に電圧を印加する手段である。この通電手段は電流密度を調整できるように電流制御手段を持つものとするのが好ましい。電流制御手段は電流計、電圧計、整流器等で構成され、従来公知のものを用いることができる。

以下、実施例に基づいて本発明の陽極酸化処理装置を詳細に説明する。本実施例の陽極酸化処理装置の機能説明図を図１に示す。この陽極酸化処理装置はアルミニウム合金製のピストンＷのピストンリング溝Ｗ１を陽極酸化処理するものである。より正確にはピストンＷの頂部の外周面にある頂部よりスカート部にかけて形成された３個のピストンリング溝Ｗ１、Ｗ２及びＷ３の内、頂部側のピストンリング溝Ｗ１を含む頂部外周面を主として陽極酸化処理するものである。

この陽極酸化処理装置は、ピストンＷを保持する保持手段１と、リング状電極を構成する電極部２を持つ電解槽３と、電解液供給手段４と、通電手段５とを有する。

保持手段１はフレーム（図示せず）の上端に固定された昇降装置（図示せず）の昇降部に固定された減速モータ１１とこの減速モータ１１の出力軸に固定された保持軸１２とからなる。保持軸１２の下端にはピストンＷの内周面に着脱自在の係止爪（図示せず）が設けられている。この係止爪にはその下端側からピストンＷの内腔が覆い被さるように軸方向に挿入され、保持軸１２とピストンＷは同軸的となる。なお、保持軸１２の軸方向中程に、後で説明する、通電手段５を構成する集電リング５１が固定され、この集電リング５１と図示しない係止爪とは電気的に電通し、かつ係止爪を介してピストンＷに電通している。なお、集電リング５１及び保持軸１２は本発明の第１電極部を構成するものである。

また、ピストンＷの頂部を除くピストンリング溝Ｗ２とピストンリング溝Ｗ３の境界を形成する突条の外周面には筒状のゴム製マスキングＷ５が装着固定され、ピストンＷの頂部を除く下方部は電解液が接触しないようにカバーされている。また、集電リング５１と、保持軸１２と、ピストンＷとにより陽極が構成される。

電極部２は、その拡大縦断面図及び平面図をそれぞれ図２、図３に示すように、方形状の基板２１と円盤状の中板２２とリング状の電極本体２３と導体２４とから構成されている。なお、電極部２は本発明の第２電極部（陰極）を構成するものである。

基板２１はＳＵＳ３１６製で、その縦断面図及び平面図をそれぞれ図４及び図５に示すように、四隅が丸く形成された方形の板状で、その上面に浅い円形の凹部２１１とその凹部の中央に一端が開口し他端が側面に開口するトンネル状の通路２１２を持つ。

中板２２は塩化ビニル製で、その縦断面図及び平面図をそれぞれ図６及び図７に示すように、円盤状でその下面側には中央部に浅い円形凹部２２１を形成する突条２２２と、上面側の中央部に深い円形溝２２３とこれと同軸の浅い円形溝２２４を形成する段付き突条２２５を持つ。さらに下面側の円形凹部２２１と上面側の浅い円形溝２２４とに両端が開口する通孔２２６が形成されている。この通孔２２６は等間隔のリング状に８個設けられている。さらにこの中板２２には、その外周面から深い円形溝２２３に表出する導体２４が組み込まれている。

電極本体２３はＳＵＳ３１６製で、その縦断面図及び平面図をそれぞれ図８及び図９に示すように、外周部が二段となる段付き円筒状である。リング状の下面２３１に開口する８個の流入口と内周面２３２に軸方向に２段となる１段８個で２段で合計１６個の吐出孔をもつ８個の通孔２３３が形成されている。これら通孔２３３は前記中板２２に設けられた８個の通孔２２６と同位置にあり、中板２２の通孔２２６と電極本体２３の通孔２３３は連通するようになり、電解液通路となる。なお、通孔２３３の内周面２３２側の開口は電解液の吐出孔となり、いずれも電極本体２３の軸心に向かって開口している。このため電解液は水平方向に軸心に向かって吐出する。また、中板２２に導体２４が設けられるため、電極本体２３は中板２２と嵌合する際、導体２４を介して電通する。

電極部２を有する電解槽３は、塩化ビニル製又はＳＵＳ３１６製で、上端開口する容器状ものであり、さらに電解槽３の底に受け溜まった電解液を供給手段４に回収させる回収口３１が設けられている。なお、電解槽３は本発明の貯留槽の一部を構成するものである。

電解液供給手段４は、電解槽３から回収された電解液を冷却させる冷却槽４１と、電解液を送出す駆動手段であるポンプ４３と、電解液の流量を制御する流量制御手段である流量計４４と、ポンプ４３から圧送される電解液を送るパイプ４５とから構成されている。さらに、冷却槽４１には、電解液を貯蔵するサブタンク４１１と、回収された電解液を冷却させる手段である冷凍機４１２と、電解液の温度を制御する制御手段を構成する温度センサ４１３が設けられている。なお、パイプ４５は本発明の流入路を構成するものである。冷却槽４１は本発明の貯留槽の一部を構成するものである。

通電手段５は、電極本体２３と保持手段１で保持されるピストンＷとの間に電圧を印加する手段であり、電流計、電圧計、整流器（図示せず）等で構成されている。

また、本実施例では、電極本体２３の吐出孔２３４による電解液が噴射される際、吐出孔２３４の形状及びサイズは陽極酸化処理の効果に影響することから、円形として形成されたが、実際に陽極酸化処理が行われる際、場合によっては吐出孔２３４を楕円形、または方形形状にすることも可能である。さらに、電極本体２３の吐出孔２３４の均等性が保証される限り、吐出孔２３４は電極本体２３の内周面に複数組の段列配置ができる。

また、実施例では、電解液を吐出孔２３４から被処理物であるピストンＷの頂部側のピストンリング溝Ｗ１を含む頂部外周面の表面に噴射される際、電極本体２３の内周面２３２と被処理面を構成するピストンリング溝Ｗ１との間の距離は陽極酸化処理の効果に影響する。被処理面が陰極となる電極本体２３の内周面２３２に近すぎるとショ−トする可能性が生じる。逆に、被処理面と電極本体２３の内周面２３２間の距離は離れすぎると電解液が有効的に該被処理面まで到達されず、陽極酸化処理が不十分となる。従って、陽極に接続されているピストンＷの頂部側の２本のピストンリング溝Ｗ１を含む頂部外周面の表面から電極本体２３の吐出孔２３４間の距離が２．０〜１５．０ｍｍであることが好ましい。

さらに、電解液が噴射される際、吐出孔２３４に面する箇所が強く噴射噴流され、形成されたアルマイト被膜は不均一である問題に対して、ピストンＷを保持する保持手段１を回転させる回転手段として減速モーター１１が装備されているため、ピストンＷを回転しながら電解液を噴射させることによってアルマイト被膜を均一に形成することができる。

次にアルミニウム基金属製部品を陽極酸化処理する際の電解液の経路を説明する。供給手段４に組み込まれている冷却槽４１で冷却された電解液は、流量制御手段４４により流量が制御され、循環ポンプ４３により、電解槽３に送られる。電解液は電解槽３にある基板２１のトンネル状通路２１２から、基板２１の上面側凹部２１１と中板２２の下面側凹部２２１間からなるチャンバーを昇り、中板２２の通孔２２６と電極本体２３の通孔２３３からなる電解液通路を通過し、吐出孔２３４からピストンリング溝Ｗ１を含む頂部外周面に噴射される。さらに、電解液が吐出孔２３４から噴射され、陽極酸化処理が行われた後、電極本体２３と中板２２から構成される小容器の液槽に溜まると共に、上方にオーバーブローしていく。オーバーフローした電解液は、電極部２の外側を通り、電解槽３の底の回収穴３１を通じて、供給手段４に回収される。供給手段４が保有する冷却手段４１２により冷却され、再び電解槽３に送られる。

以下、本発明の実施例に基づいてアルマイト処理を行った結果を説明する。図１に示したように、電解槽３には、アルミニウム基金属製ピストンＷを保持手段１に固定させ、集電リング５１を介して陽極に接続する。電極部２は口径が１．５ｍｍで１段８個の吐出孔２３４が設けられ、２段列で配列され、陽極と共に電気回路を構成する。アルミニウム基金属製ピストンＷの溝部表面から電極本体２３の内周面２３２間の距離は２．５ｍｍである。

表１は、各試験における、電流密度、処理電圧、回転数、電解液濃度、電解液温度、アルマイト処理速度及びアルマイト膜厚のデータを示す。

なお、比較例は、従来の方法で電解液に被処理物であるピストンの先端部のみを漬けて電解処理を行ったものである。

表１により、本発明の装置によるアルミニウム基金属製ピストンのピストンリング溝部の陽極酸化処理を行った結果、本発明の実施例の陽極酸化処理装置ではアルマイト処理速度として２５μｍ／分という早い速度で健全なアルマイト被膜が形成できることが明らかになった。従来の装置ではアルマイト処理速度が１．３μｍ／分であり、本発明の陽極酸化処理装置では従来装置の約２０倍の被膜形成速度を持つ。被膜形成速度が極めて速いにも関わらずバーニング等の悪い現象が起こらないのは吐出孔より電解液を噴出し常に冷却された電解液が被処理面に供給され、被処理物が効率良く冷却されるためと考えられる。

本実施例では吐出孔を円形としたが、溝の延びる方向に広がったスリット状の吐出孔とする等の変更も当然に可能である。また、ピストンＷのピストンリング溝Ｗ１に加えてピストンリング溝Ｗ２にも酸化被膜を形成するようにしてもよい。

本発明の陽極酸化処理装置の機能説明図である。電極部縦断面図である。電極部平面図である。基板縦断面図である。基板平面図である。中板縦断面図である。中板平面図である。電極本体縦断面図である。電極本体平面図である。

符号の説明

1：保持手段１１：減速モーター１２：保持軸
Ｗ：被処理物（ピストン）Ｗ１：第一溝部Ｗ２：第二溝部
Ｗ３：第三溝部Ｗ５：マスキング２：電極部２１：基板
２２：中板２３：電極本体２３３：通孔２３４：吐出孔
３．電解槽４：供給手段４１：冷却槽４１２：冷却手段
４１３：温度制御手段４３：ポンプ４４：流量制御手段４５．パイプ

Claims

側周面にリング状の凹部を持つ金属製の被処理物に電流を通電する第１電極部と、
電解液通路を備え、前記被処理物の前記側周面を囲う内周面を有し、該内周面に前記電解液通路に連通し前記凹部と対向する吐出孔を有する第２電極部と、
前記電解液通路に電解液を供給し、電解液を前記吐出孔から前記凹部に向かって噴出する電解液供給手段と、
前記第１電極部と前記第２電極部とに電圧を印加する通電手段と、
を有することを特徴とする陽極酸化処理装置。
前記第１電極は、前記被処理物を保持する保持手段の一部を構成する請求項１に記載の陽極酸化処理装置。
前記保持手段は、前記被処理物を該被処理物の軸を中心として回転させる回転手段を備える請求項２に記載の陽極酸化処理装置。
前記電解液供給手段は、電解液を貯留する貯留槽と、該貯留槽と前記電解液通路とを接続する流入路と、該流入路に配置され前記貯留槽から前記電解液通路に電解液を送出するポンプと、を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の陽極酸化処理装置。
前記貯留槽は、前記被処理物に噴射された後の電解液を受ける開口部を持つ請求項４に記載の陽極酸化処理装置。
前記第２電極の前記吐出孔の形状は、円形、楕円形または方形である請求項１又は２に記載の陽極酸化処理装置。