JP2007154301A - アルミニウム合金陽極酸化方法およびアルミニウム合金陽極酸化用電源 - Google Patents

Abstract

【課題】最適周波数を簡便に決定でき、皮膜の品質を維持しながら成膜速度高め生産性を向上できるアルミニウム合金陽極酸化方法およびアルミニウム合金陽極酸化用電源を提供すること。
【解決手段】高周波パルス電力を用いてパルス非発生時に電解槽の正極と陰極を短絡するようにした定電流で行うアルミニウム合金陽極酸化方法において、電解電圧が最小値を示す周波数において陽極酸化を行う。電源には、あらかじめ各種アルミニウム合金材について周波数を変える実験によって求めておいたデータベースを備えており、アルミニウム合金種、電流密度、デュティを指定すれば最適周波数が設定できる機能を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明はアルミニウム合金陽極酸化方法およびアルミニウム合金陽極酸化用電源に関する。

従来から、アルミニウム合金表面の硬度や耐磨耗性、耐食性を向上及び着色を目的として、硫酸、蓚酸、燐酸等の水溶液浴中で陽極酸化し該アルミニウム合金の表面に酸化皮膜を形成することが行われている。この陽極酸化皮膜は、緻密なバリヤー層と多孔質のポーラス層で構成されており、組成はＡｌ_２Ｏ_３である。

希望する特性の皮膜を得るため、加える電力の方法としては、直流法、電流反転法、交直重畳法、パルス波形法等が報告されている（非特許文献１、２、特許文献１、２）。

直流法で高い成膜速度を得るために、大電流を流すべく高電圧を印加すると、前記バリヤー層で発生するジュール熱の発熱量が大きくなり、焼けと呼ばれる酸化皮膜に欠陥が発生する。したがって、直流法では、特に多量のＳｉ、Ｃｕ、Ｆｅ等を含み電流の流れ難いアルミニウム鋳造材及びアルミニウムダイカスト材に対して短時間で厚い陽極酸化皮膜を形成することは、困難であった。

これに対し、希望する酸化皮膜を「皮膜焼け」と呼ばれる欠陥を発生させることなく生産性良く短時間に形成するには、直流法よりも電流反転法を含むパルス電解法が良いといわれている。例えば下記非特許文献１には、硫酸浴において、間歇的に負電流を流す電流反転法による陽極酸化で、直流法による陽極酸化よりも低い酸化電圧において高速で酸化皮膜が形成できることが報告されている。また、非特許文献２では、アルミニウムＡ１０８０Ｐを２０℃の２０Ｗｔ％硫酸＋１０ｇ／ｌシュウ酸浴中で、電流反転法、周波数１３．３Ｈｚ、電流密度４Ａ／ｄｍ^２、ｄｕｔｙ９５％の条件で６５分電解を行い９２μｍのアルミニウム陽極酸化皮膜を得ている（１．４μｍ／ｍｉｎ）。しかし、これ等の方法は数１０Ｈｚオーダの周波数、特に合金元素の多いアルミニウムダイカスト材においては成膜速度を早くできないという問題があった。また、正電圧、負電圧を印加しなければならず、用いる電源がバイポーラで複雑になるという問題があった。

特許文献１には、交流に直流を印加した交直重畳法で交流成分が負成分を含まず且つ交流成分が直流成分の５％以上含まれる電解条件で耐熱性に優れしかも耐食性も良好なアルミニウム陽極酸化皮膜がアルミニウム合金表面に形成できることが示されている。しかし、好適とされる電流密度は０．１〜２Ａ／ｄｍ^２と低く、この電流密度では成膜速度は遅く、生産性並びにコスト上に問題があった。さらにこの方法においても、交流電源と直流電源が必要で電源系が複雑になるという問題があった。

また下記特許文献２には、生産性の観点からアルミニウム陽極酸化皮膜の成膜速度を向上する方法として、硫酸水溶液浴中で２００〜５０００Ｈｚ（好ましくは６００〜２０００Ｈｚ）の正弦波高周波電流に直流電流を重畳した電流を通電する方法を提案している。即ち、アルミニウム合金ＡＤＣ１２を、１７℃の１０％の硫酸水溶液中で、周波数が１０００Ｈｚで電圧が±２０Ｖの正弦波の高周波に１９．８Ｖの直流電圧を重畳させ電解処理時間２０分で２２μｍの陽極酸化膜を得ている（成長速度１．１μｍ／ｍｉｎ）。なお、電解開始５分後の電流密度は１３．８Ａ／ｄｍ^２であったと報告している。しかしながら、周波数が２００〜５０００Ｈｚに限定されておりかつ実際に使用されているのが正弦波であるため短時間内に流せる電流が矩形波より少ないと言う問題を残している。また、交流電源と直流電源が必要で電源系が複雑になるという問題があった。また、最適周波数決定は多くの実験を行いその結果から決めねばならず、多くの時間と費用を要する問題があった。
金属表面技術、３９、５１２（１９８８） 近畿アルミニウム表面処理研究会誌、Ｎｏ．１３３４、ｐ．１（１９８８） 特開２０００−２８２２９４号 公報 特開２００４−３５９３０号公 報

上述のように、アルミニウム合金の陽極酸化には電流反転法または高周波パルス法が好ましいことが分かっているがその最適周波数決定に多くの時間と費用を要する問題があった。本発明は上記の問題点や制約に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、最適周波数を簡便に決定でき、皮膜の品質を維持しながら成膜速度を高め生産性を向上できるアルミニウム合金陽極酸化方法およびアルミニウム合金陽極酸化用電源を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、高周波パルス電力を用い定電流で行うアルミニウム合金陽極酸化方法において、電解電圧が最小値を示す周波数において陽極酸化を行うことを特徴とするアルミニウム合金陽極酸化方法を構成する。

また、本発明は、請求項２に記載したように、高周波パルス電力を用い定電流で行うアルミニウム合金陽極酸化方法用電源において、電解電圧が最小値を示す周波数を出力することを特徴とするアルミニウム合金陽極酸化用電源を構成する。

本発明の実施により、最適周波数を簡便に決定でき、皮膜の品質を維持しながら成膜速度高め生産性を向上できるアルミニウム合金陽極酸化方法およびアルミニウム合金陽極酸化用電源を提供することが可能となる。

本発明者らは、単位電力当り最大成膜速度即ち最大電流を得ることができる周波数を追及した。その結果、パルス非発生時に電解槽の正極と陰極を短絡するようにした定電流アルミニウム合金陽極酸化の場合、図１に示すように周波数の増大に伴って電解電圧が低下し極小点を境に増大するＵ字型カーブを示すことを見だした。即ち該電解電圧が極小となる周波数では単位電力当り最大の電流が流れることを見出した。このことは、次のように考えられる。即ち、アルミニウム合金陽極酸化の進行に伴いアルミニウム合金表面にはバリヤ層が形成され該バリヤ層内にＡｌ^３＋、Ｏ^２−イオンの濃度勾配が生じ、又電解液とアルミニウム合金界面においては電解液の濃度勾配が生じこれ等が電気抵抗の増大をもたらすが、高周波パルスではこれ等該濃度勾配をパルス非発生時に緩和し電気抵抗を減少し次のパルス時に電流を良く流せるようにしている。そして、この緩和作用に都合のよい周波数が存在するものと推定される。

図２に本発明の電源構成を示す。電源１０は、正側直流電源１１、くり返し周波数発生器１２、正側パルス発生回路１３、短絡側パルス発生回路１４、正側チョッパーゲートアンプ２５、短絡側チョッパーゲートアンプ２６、正側チョッパースイッチ１５、逆流防止ダイオード１６、短絡電流制御回路１７、データベース２７より構成され、その出力端子１８は電解槽１９中の陽極２０、陰極２１に接続されている。また正側出力電圧計（Ｅ_１）２２、電解槽電圧計（Ｅ_Ｂ）２３および電解槽電流計（Ａ_Ｂ）２４が取り付けられている。

図３に、前記電源１０の作動状況を示す。くり返し周波数発生器１２より運転くり返し周期Ｔ（周波数ｆ＝１／Ｔ）（図３（Ａ））が、正側パルス発生回路１３より正側パルス幅ｔ_＋（図３（Ｂ））、短絡側パルス発生回路より短絡パルス幅ｔ_ｓ（図３（Ｃ））が出力され、これに応じて正側チョッパーゲート信号（図３（Ｄ））、短絡側チョッパーゲート信号（図３（Ｅ））が発生し、これ等に連動して正側チョッパー出力（図３（Ｆ））、短絡側チョッパー出力（図３（Ｇ））が出力され、この結果出力電圧（Ｅ_１）（図３（Ｈ））を発生する。なお、該Ｔ、ｔ_＋、ｔ_ｓ、Ｅ_１は許容範囲内で自由に設定することができる。

上記出力電圧Ｅ_１に応じて、該電解槽１９内の該正極２０と該陰極２１との間にかかる電解電圧Ｅ_Ｂは図３（Ｉ）に示すように、また該両極間に流れる電解槽電流（Ｉ_Ｂ）は図３（Ｊ）に示すようになる。このような形状になるのは、バリヤ層内のイオン濃度勾配の緩和及び電極固液界面に生じている電気二重層の放電によるものと推定される。

上述のように短絡により逆電流が流れ、バリヤ層内のイオン濃度勾配が緩和され、また電極の固液界面の電気二重層が放電されて解消されることは、次の正パルス時に低電圧下で大電流を流すことを可能にしている。短絡により逆電流を流さないで連続して正パルス電流を流し続けると、定電圧制御の場合は電流値が減少し成膜速度を低下させることになり、又定電流制御の場合は電圧が上昇しジュール熱の増大をもたらし、焼け現象を起こすことになる。以上のように、本発明の電源、即ち高周波パルス電力を用いる陽極酸化において、陽極酸化が進行している状況下において電圧印加を停止しかつ任意の時間陽極と陰極を短絡し逆電流を流すことのできる電源を用いることによって、焼けなど陽極酸化皮膜の品質を劣化させることなく成膜速度を高め生産性を向上できる。また、負電圧を印加する必要がないので、負電源を必要とせず電源構成が簡潔になりこの点からもコスト低減に大きく寄与できるものである。

ここで、前記最小電圧で最大電流を流せる周波数は、本発明ではあらかじめ各種アルミニウム合金材について周波数を変える実験によって求めておいたデータベース２７を図２に示すように備えており、アルミニウム合金材種、電流密度、デュティを指示すれば最適周波数が設定できる機能を有している。

以下に、実施例を通して本発明の効果を具体的に説明する。アルミニウム合金の陽極酸化は、上記の電源を用い下記の実験条件で行った。
試験片には、基本的な特性評価のためのＡ１１００Ｐ材、通常の酸化処理では電解電圧が高くなるなど電解処理が比較的難しいＡ２０１７Ｐ材、Ａ６０６３Ｐ材および均質な皮膜生成が困難なＡＤＣ１２材を用いた。試験片のサイズは６０ｍｍ×６０ｍｍ×２ｍｍである。
電解槽は電解液量約２００ｌ、液循環及びミクロ爆気による撹拌、プレート型熱交換器による冷却、陰極バーは鉛、陰極板は炭素である。浴組成は遊離硫酸濃度約２００ｇ／ｌ、浴温度１０℃とした。
陽極酸化条件は、電流密度６、１２、１４、１８Ａ／ｄｍ^２、周波数１．０、２．５、５．０、７．５、１０．０、１５．０ＫＨｚ、デュティ２０−２０、３０−３０、４０−４０、４５−４５％のいずれかとし、陽極酸化時間は１５分（ソフトスタート時間３分を含む）である。
陽極酸化処理後、井水流水で約２分間水洗し、温風による強制乾燥を施した。
（実施例１、２、３、４）

アルミニウム合金Ａ１１００Ｐ材について、電流密度１２Ａ／ｄｍ^２に対して周波数５．０、１０．０ＫＨｚ、電流密度１８Ａ／ｄｍ^２に対して周波数７．５、１０．０ＫＨｚで行った陽極酸化の結果を表１の実施例１、２、３、４に示す。なおデュティは３０−３０％（Ｔを１／２にし、その１／２に対する正電圧の印加割合、および残りの１／２に対する短絡時間の割合）、電解時間は１５分（ソフトスタート時間３分を含む）である。図１（ａ）から、極小電解電圧となる周波数は電流密度１２Ａ／ｄｍ^２のときは約５ＫＨｚ、電流密度１８Ａ／ｄｍ^２のときは約７．５ＫＨｚであり、この周波数である実施例１、３が成膜速度は１．０６、３．５２μｍ／ｍｉｎと大きい。生成した陽極酸化皮膜には焼けの発生は認められず良好な膜質であった。
なを、Ａ２０１７Ｐ、Ａ６０６１Ｐ、ＡＤＣ１２についても同様の結果を得た。

本発明の電解電圧と周波数の関係を説明する図である。 本発明の電源構成を説明する図である。 本発明の電源の作動状況を説明する図である。

符号の説明

１０…陽極酸化用電源、１１…正側直流電源、１２…くり返し周波数発生器、１３…正側パルス発生回路、１４…短絡側パルス発生回路、１５…正側チョッパースイッチ、１６…逆流防止ダイオード、１７…短絡電流制御回路、１８…出力端子、１９…電解槽，２０…陽極、２１…陰極、２２…正側出力電圧計、２３…電解槽電圧計、２４…電解槽電流計、２５…正側チョッパーゲートアンプ、２６…短絡側チョッパーゲートアンプ、２７…データベース、２８…電解液。

Claims (2)

1. 高周波パルス電力を用い定電流で行うアルミニウム合金陽極酸化方法において、電解電圧が最小値を示す周波数において陽極酸化を行うことを特徴とするアルミニウム合金陽極酸化方法。
2. 高周波パルス電力を用い定電流で行うアルミニウム合金陽極酸化方法用電源において、電解電圧が最小値を示す周波数を出力することを特徴とするアルミニウム合金陽極酸化用電源。

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