JP2009215575A - アルミ合金積層体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、従来のものよりも均一で緻密な皮膜を得ることができるアルミ合金積層体の製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、コールドスプレー法によってアルミ合金粉末４を基材２の表面に噴射してアルミ合金の皮膜３を形成するアルミ合金積層体１の製造方法において、次式（１）で示される前記アルミ合金粉末４の粒度幅指数δが０．８以下であり、かつ前記アルミ合金粉末４の９０％粒子径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
δ＝ｌｏｇＤ（９０）−ｌｏｇＤ（１０）・・・・（１）
（但し、前記式（１）中、Ｄ（９０）は、前記アルミ合金粉末の９０％粒子径を表し、Ｄ（１０）は、前記アルミ合金粉末の１０％粒子径を表す）
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドスプレー法によって基材の表面にアルミ合金の皮膜を形成するアルミ合金積層体の製造方法に関する。

従来、コールドスプレー（Cold Spray）法によって基材の表面にアルミ合金の皮膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照）。この方法は、皮膜材料の融点または軟化点よりも低い温度に設定した超音速で流れるガスに皮膜材料の粉末を同伴させることによって、この粉末を基材の表面に衝突させるものである。この方法では、粉末が高速で基材の表面に衝突した際に、固相状態のままで粉末の粒子が塑性変形することによって皮膜が形成される。このようなコールドスプレー法によれば、溶融したアルミ合金を基材の表面に噴射する溶射法と異なって、アルミ合金の酸化物や気泡の巻き込みが極めて少ないアルミ合金の皮膜を基材の表面に得ることができる。
特開２００６−１７９８５６号公報 特開２００６−１７７６９７号公報 特開２００６−５２４４９号公報

ところで、アルミ合金は、各種産業機器や一般向け機器における金属部品として汎用されている。そして、昨今では、これらの機器はより一層の効率の向上が図られており、使用される金属部品は苛酷な条件で使用されることとなる。したがって、コールドスプレー法で得られるアルミ合金においても、その耐腐食性、耐摩耗性、および強度の更なる向上が望まれている。つまり、より均一で緻密なアルミ合金の皮膜を基材の表面に形成することができるアルミ合金積層体の製造方法が望まれている。

そこで、本発明の課題は、従来のものよりも均一で緻密な皮膜を得ることができるアルミ合金積層体の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決する本発明は、コールドスプレー法によってアルミ合金粉末を基材の表面に噴射してアルミ合金の皮膜を形成するアルミ合金積層体の製造方法において、次式（１）で示される前記アルミ合金粉末の粒度幅指数δが０．８以下であり、かつ前記アルミ合金粉末の９０％粒子径が１００μｍ以下であることを特徴とする。
δ＝ｌｏｇＤ（９０）−ｌｏｇＤ（１０）・・・・（１）
（但し、前記式（１）中、Ｄ（９０）は、前記アルミ合金粉末の９０％粒子径を表し、Ｄ（１０）は、前記アルミ合金粉末の１０％粒子径を表す）

また、このような製造方法においては、前記アルミ合金粉末が、準結晶分散合金またはアモルファス分散合金からなることが望ましい。

本発明によれば、従来のコールドスプレー法によるアルミ合金積層体の製造方法と比較して、より均一で緻密な組織を有する皮膜を基材の表面に得ることができるアルミ合金積層体の製造方法を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態について詳細に説明する。ここで参照する図面において、図１は、実施形態に係る製造方法でアルミ合金積層体を製造する様子を説明する説明図である。
本発明のアルミ合金積層体の製造方法は、コールドスプレー法によってアルミ合金粉末を基材の表面に噴射してアルミ合金の皮膜を形成するものであって、噴射するアルミ合金粉末として、後記する所定の粒度分布を有するものを使用したことを主な特徴とする。

図１に示すように、本実施形態の製造方法で得られるアルミ合金積層体１は、基材２の表面にアルミ合金からなる皮膜３が形成されたものである。この皮膜３の厚さは、次に説明するコールドスプレー法でアルミ合金粉末４を基材２に対して噴射する時間および粉末供給量を増減することによって適宜に調節することができる。

本実施形態におけるコールドスプレー法では、ラバルノズル１００にアルミ合金粉末４およびガス５が供給されることによって、ガス５が超音速に加速されるとともに、アルミ合金粉末４が加速されたガス５に同伴する。そして、ラバルノズル１００からガス５とともに噴射されたアルミ合金粉末４は、高速で基材２の表面に衝突する。アルミ合金粉末４を同伴させるガス５の速度は、臨界速度以上の速度でアルミ合金粉末４の粒子が基材２に衝突するように設定すればよい。

前記アルミ合金粉末４としては、後記する粒度分布を有する限りにおいて特に制限はないが、準結晶分散合金またはアモルファス分散合金からなるものが望ましい。前記ガス５としては、例えば、ヘリウム、窒素、空気等が挙げられ、中でもヘリウムが望ましい。ラバルノズル１００へ供給するガス５の圧力は、アルミ合金粉末４の基材２の表面に対する衝突速度が臨界速度を超えるように調節される。ラバルノズル１００に供給するガス５の温度は、使用されるアルミ合金の融点または軟化点よりも低い温度に設定される。ちなみに、例えば３００〜５００℃程度の温度でラバルノズル１００に供給されたガス５は、基材２の表面に達するまでに膨張して室温〜１００℃程度に低下することとなる。

前記基材２としては、例えば、アルミ、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金、カルシウム、マンガン、スズ、鉄、チタン、ステンレス、セラミクス、ガラス等が挙げられる。

次に、アルミ合金粉末４の粒度分布について説明する。
本実施形態でのアルミ合金粉末４は、次式（１）で示される粒度幅指数δが０．８以下、望ましくは０．７以下であり、かつ９０％粒子径が１００μｍ以下である。
δ＝ｌｏｇＤ（９０）−ｌｏｇＤ（１０）・・・・（１）
（但し、前記式（１）中、Ｄ（９０）は、前記アルミ合金粉末の９０％粒子径を表し、Ｄ（１０）は、前記アルミ合金粉末の１０％粒子径を表す）

ここで１０％粒子径および９０％粒子径とは、粉体（アルミ合金粉末４）の集団の全体積を１００％として求められた累積カーブにおいて、１０％、９０％となるそれぞれの粒子径（μｍ）をいう。言い換えれば、粉体（アルミ合金粉末４）の体積を粒子径の小さいものから順番に積算した際に、体積が全体の１０％となる最後に積算されるものの粒子径が１０％粒子径であり、体積が全体の９０％となる最後に積算されるものの粒子径が９０％粒子径である。ちなみに、後記する実施例に言う５０％粒子径（Ｄ（５０））は、累積中位径（メジアン径）である。
なお、アルミ合金粉末４は、最小粒子径が５μｍ以上のものが望ましい。

このような粒度分布を有するアルミ合金粉末４は、母合金の溶湯から、単ロール法、双ロール法、各種アトマイズ法、スプレー法などの液体急冷法、スパッタリング法、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法等によって得られた粉末を、更に分級して得られる。分級方法としては、例えば、所定の篩目を通過させて分級する篩い分け法、気流によって前記粉末の粒子に発生させた遠心力と流体抵抗力とによって分級する気流分級法等が挙げられる。

このような本実施形態に係るアルミ合金積層体１の製造方法では、コールドスプレー法を使用することで、アルミ合金粉末４が超音速に加速されたガスに同伴して基材２に高速で衝突する。その結果、アルミ合金粉末４の粒子は、基材２の表面で塑性変形して皮膜３を形成する。

また、この製造方法では、前記式（１）で示されるアルミ合金粉末４の粒度幅指数δが０．８以下となっているので、アルミ合金粉末４の各粒子が塑性変形して基材２の表面に堆積していく際に、先に基材２の表面で塑性変形した粒子に対して形状的に追従して次に粒子が塑性変形して堆積していく。その結果、この製造方法では、堆積していくアルミ合金粉末４の粒子同士は界面での接合性が良好となる。その結果、アルミ合金粉末４の粒子の集合体である皮膜３は緻密となる。そして、粒度幅指数δが０．８以下であるアルミ合金粉末４は、その粒度分布がシャープ（ピーキー）で粒子径の差が小さくなっているので、粒子の集合体である皮膜３の組織が均一（均質）となる。

また、この製造方法では、アルミ合金粉末４の９０％粒子径が１００μｍ以下となっているので、９０％粒子径が１００μｍを超えるものと比較して、アルミ合金粉末４の粒子の加速性が良好となる。その結果、基材２の表面でのアルミ合金粉末４の粒子の塑性変形が充分に行われて粒子同士の間に隙間が形成されることが防止される。その結果、アルミ合金粉末４の粒子の集合体である皮膜３は緻密となる。
ちなみに、この製造方法では、アルミ合金粉末４の最小粒子径を５μｍ以上とすることによって、アルミ合金粉末４の流動性が良好となってアルミ合金粉末４が凝集しにくく、ラバルノズル１００のつまりを防止することができる。

以上のように、この製造方法によれば、使用するアルミ合金粉末４の粒度分布を前記した範囲に限定するという簡易な手段を採用することで、コールドスプレー法の他の条件を変更することなく均一で緻密な皮膜３を基材２の表面に形成することができる。つまり、この製造方法によれば、耐腐食性、耐摩耗性、および強度に優れたアルミ合金からなる皮膜３を有するアルミ合金積層体１を簡単に得ることができる。特に、強度については、基材２が均一で緻密な皮膜３で被覆されることとなるので、皮膜３が不均一な組織のものと異なって、亀裂の発生や進展が確実に防止されて疲労強度が一段と優れる。
そして、アルミ合金粉末４として準結晶分散合金またはアモルファス分散合金を使用する製造方法では、耐腐食性、耐摩耗性、および強度がより優れた皮膜３を有するアルミ合金積層体１を得ることができる。

また、この製造方法では、前記したように基材２に対するアルミ合金粉末４の噴射時間を長くすることで、比較的に厚い皮膜３を形成することができ、具体的には５ｍｍ以上の均一で緻密な皮膜３を形成することができる。そして、このアルミ合金積層体１から基材２を機械的に、または化学的に取り除くことによって、皮膜３のみで構成されたアルミ合金バルク材を得ることができる。このアルミ合金バルク材は、均一で緻密なアルミ合金からなるので、耐腐食性、耐摩耗性、および強度に優れる。

本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
本発明の製造方法は、予め表面処理（粗面化処理、平滑化処理等）を施した基材２にアルミ合金粉末４の噴射するものであってもよい。

本発明の製造方法は、各種機械部品としてのアルミ合金積層体１の製造方法に適用できるほか、物品の表面を皮膜３で被覆して補修する方法に適用するものであってもよい。この場合、補修の対象となる物品が、基材２に相当することとなる。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１では、まず、基材２（図１参照）とアルミ合金粉末４（図１参照）とを用意した。基材２は、アルミ鋳物２種Ａ（ＡＣ２Ｂ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）で、表面粗さＲａが０．０６μｍとなるようにバフ研磨を施したもの（６０ｍｍ×３０ｍｍ×４ｍｍ）を用意した。アルミ合金粉末４は、その組成がアルミ９４．９６原子％、鉄１．６８原子％、クロム２．２４原子％、チタン０．５６原子％、およびコバルト０．５６原子％であって、分級を施して図２に示す粒度分布を有するものを用意した。なお、このアルミ合金粉末４は水アトマイズ法によって得られたものである。図２は、分級して得たアルミ合金粉末の粒度分布を示す累積カーブであり、縦軸が頻度（体積）[％]を表し、横軸が粒度[μｍ]を表す。

ちなみに、アルミ合金粉末４の粒度分布の測定は、マイクロトラック粒度分布測定装置（日機装社製、９３２０ＨＲＡ（Ｘ−１００））を使用して行った。
そして、本実施例でのアルミ合金粉末４の１０％粒子径、９０％粒子径、および前記式（１）で示される粒度幅指数δ、ならびに５０％粒子径を表１に示す。なお、表１中、１０％粒子径、９０％粒子径、および５０％粒子径は、それぞれＤ（１０）、Ｄ（９０）、およびＤ（５０）と略記する。

次に、コールドスプレー法によってアルミ合金粉末４が基材２の表面に噴射されて厚さ６００μｍのアルミ合金（準結晶分散合金）の皮膜３を有するアルミ合金積層体１（図１参照）が製造された。このコールドスプレー法では、図１に示すラバルノズル１００がスプレーガンとして使用されると共に、このスプレーガンには、４００℃のヘリウムが３ＭＰａで供給された。また、スプレーガンの噴出口と基材２の表面との距離は、２０ｍｍに設定され、スプレーガンのトラバース速度は、１００ｍｍ／秒に設定され、スプレーガンのトラバースピッチは、２ｍｍに設定された。

次に、皮膜３の厚さ方向（アルミ合金粉末４の堆積方向）に沿った断面におけるアルミ合金粉末４の粒子同士の接合が不充分な部分（以下、「不良接合部」という）の面積率が求められた。この面積率は、皮膜３の断面に１％フッ化水素水溶液で１５秒間のエッチング処理を施して、その断面の光学顕微鏡写真で黒く写し出された不良接合部の割合として求められた。その結果を表１に示す。この面積率を求めるのに使用した光学顕微鏡写真を図３に示す。図３は、実施例１で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。

（実施例２）
実施例２では、図２に示す粒度分布を有するアルミ合金粉末４を使用して厚さ２５０μｍの皮膜３を基材２の表面に形成した以外は、実施例１と同様にアルミ合金積層体１が製造された。表１に、使用されたアルミ合金粉末４の１０％粒子径、９０％粒子径、および粒度幅指数δ、ならびに５０％粒子径を記す。なお、表１中、１０％粒子径、９０％粒子径、および５０％粒子径は、それぞれＤ（１０）、Ｄ（９０）、およびＤ（５０）と略記する。

そして、皮膜３における不良接合部の面積率が実施例１と同様にして求められた。その結果を表１に示す。図４は、実施例２で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。

（比較例１）
比較例１では、図２に示す粒度分布を有するアルミ合金粉末４を使用して厚さ６００μｍの皮膜３を基材２の表面に形成した以外は、実施例１と同様にアルミ合金積層体１が製造された。表１に、使用されたアルミ合金粉末４の１０％粒子径、９０％粒子径、および粒度幅指数δ、ならびに５０％粒子径を記す。なお、表１中、１０％粒子径、９０％粒子径、および５０％粒子径は、それぞれＤ（１０）、Ｄ（９０）、およびＤ（５０）と略記する。

そして、皮膜３における不良接合部の面積率が実施例１と同様にして求められた。その結果を表１に示す。図５は、比較例１で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。

（比較例２）
比較例２では、図２に示す粒度分布を有するアルミ合金粉末４を使用して厚さ２５０μｍの皮膜３を基材２の表面に形成した以外は、実施例１と同様にアルミ合金積層体１が製造された。表１に、使用されたアルミ合金粉末４の１０％粒子径、９０％粒子径、および粒度幅指数δ、ならびに５０％粒子径を記す。なお、表１中、１０％粒子径、９０％粒子径、および５０％粒子径は、それぞれＤ（１０）、Ｄ（９０）、およびＤ（５０）と略記する。

そして、皮膜３における不良接合部の面積率が実施例１と同様にして求められた。その結果を表１に示す。図６は、比較例２で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。

（皮膜の組織の評価）
表１に示すように、粒度幅指数δが０．８以下でシャープ（ピーキー）な粒度分布を有するとともに、９０％粒子径（Ｄ（９０））が１００μｍ以下の実施例１および実施例２で得られた皮膜３は、不良接合部の面積率が３．８８％（実施例１）、および７．８６％（実施例２）と低い値を示した。そして、図３および図４に示すように、皮膜３の組織が均一で緻密であるとともに、黒く写し出された不良接合部の割合が、次に説明する図５に示す比較例１のもの、および図６に示す比較例２のものよりも少ないことが判る。

これに対して、粒度幅指数δが０．８よりも大きい比較例１、および９０％粒子径（Ｄ（９０））が１００μｍを超える比較例２では、不良接合部の面積率が１０．０４％（比較例１）、および９．１３％（比較例２）であって、前記した実施例１および実施例２よりも大きい値を示した。また、図５および図６に示すように、比較例１および比較例２では、黒く写し出された不良接合部Ｖが、実施例１および実施例２よりも際立って大きく、皮膜３の組織が不均一であることが判る。

以上のことから、前記した所定の粒度分布を有するアルミ合金粉末４を使用した実施例１および実施例２では、不良接合部が少なく、均一で緻密な組織の皮膜３が得られることが確認された。これに対して、比較例１および比較例２が示すように、粒度幅指数δおよび９０％粒子径（Ｄ（９０））のうち、少なくともいずれかが前記した範囲を外れたことで、得られる皮膜３に不良接合部Ｖ（図５および図６参照）が大きく発生するとともに、皮膜３の組織が不均一になることが確認された。

実施形態に係る製造方法でアルミ合金積層体を製造する様子を説明する説明図である。 分級して得たアルミ合金粉末の粒度分布を示す累積カーブであり、縦軸が頻度（体積）[％]を表し、横軸が粒度[μｍ]を表す。 実施例１で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。 実施例２で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。 比較例１で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。 比較例２で得られたアルミ合金積層体の皮膜の断面における組織の様子を示す光学顕微鏡写真である。

符号の説明

１ アルミ合金積層体
２ 基材
３ 皮膜
４ アルミ合金粉末
５ ガス

Claims (2)

1. コールドスプレー法によってアルミ合金粉末を基材の表面に噴射してアルミ合金の皮膜を形成するアルミ合金積層体の製造方法において、
   次式（１）で示される前記アルミ合金粉末の粒度幅指数δが０．８以下であり、かつ前記アルミ合金粉末の９０％粒子径が１００μｍ以下であることを特徴とするアルミ合金積層体の製造方法。
   δ＝ｌｏｇＤ（９０）−ｌｏｇＤ（１０）・・・・（１）
   （但し、前記式（１）中、Ｄ（９０）は、前記アルミ合金粉末の９０％粒子径を表し、Ｄ（１０）は、前記アルミ合金粉末の１０％粒子径を表す）
2. 前記アルミ合金粉末が、準結晶分散合金またはアモルファス分散合金からなることを特徴とする請求項１に記載のアルミ合金積層体の製造方法。