JP2010007103A - アルミニウム部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性が良好なアルミニウム部材を安定して製造すること。
【解決手段】バレル窒化工程において、窒素ガスを含む処理ガスの存在の下、アルミナ（Al₂O₃）粉末及びAl-Mg合金粉末を含むAl-Mg/Al₂O₃充填粉末と、アルミニウムからなる基材とをバレル容器１内で混合し、該基材３の表面に窒化物層を形成し、続いてイオン窒化工程において、真空環境の下、プラズマを用いて窒素ガスを含む処理ガスから窒素イオンを形成するとともに、該窒素イオンを基材３の表面にスパッタリングにより導入し、該基材３の表面に新たに窒化物層を形成する複合窒化処理を行うことを解決手段とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルミニウム部材の製造方法に関し、詳しくは、表面の耐摩耗性が改善されたアルミニウム部材の製造方法に関する。

現在、アルミニウム合金は、軽量性、リサイクル性、高耐食性等の優れた各種の特性を備えていることから、多くの製品分野で利用されている。
アルミニウム合金は、省エネルギーの観点から、エネルギーを多量に消費する自動車、鉄道車両、船舶、航空機などの輸送機器や、各種産業機器の軽量化のために、近年では、構造用材料として特に注目されつつある。

ところが、そのような構造用材料としてのアルミニウム合金は、鉄鋼材料と比較した場合、耐摩耗性に劣り、特に自動車のエンジン部品等の摺動部品として使用する場合に大きな障害がある。このため、アルミニウム合金の耐摩耗性の向上が各産業界から強く求められている。

そこで、窒化アルミニウム（AlN）の高熱伝導性、低熱膨張性、高硬度性（高耐摩耗性）に着目され、表面に窒化アルミニウム層を有するアルミニウム部材が、構造用材料として利用されつつある。

アルミニウム材の表面を高硬度化、高耐摩耗化すべく、当該表面に効率的に窒化アルミニウム層を形成する方法としては、従来より、窒素イオンの拡散浸透現象を利用したイオン窒化法や、Al-Mg合金粉末を基材表面に塗布後、窒素雰囲気下で加熱する粉末塗布法が知られている。しかし、イオン窒化法では、窒化物層の成長速度が遅く、基材表面に十分な厚さの窒化アルミニウム層が得られ難い、窒化処理前にスパッタリングによって、酸化膜の除去が必要になる、窒化物層と基材との間の硬度や熱膨張率が異なるため、クラックが生じたり、表面が剥離し易いといった問題がある。また、粉末塗布法では、基材に塗布したAl-Mg合金粉末が基材表面で焼結し、部品形状が変化し易い。

これに対し、アルミナ粒子とAl-Mg合金粉末とからなる充填粉末を流動床炉中に充填し、該流動床炉に窒素ガスを導入して流動化し、この流動層内にアルミニウムまたはアルミニウム合金基材を装入して該基材の融点以下で処理することにより基材表面に窒化物層を生産性良く形成するアルミニウム材の表面窒化方法が開発されている（特許文献１を参照）。

この表面窒化方法によれば、窒化物層の成膜速度が向上し、さらに窒素ガスにアルゴンガスを所定量混入し、炉内温度を調整することでAl-Mg合金粉末の焼結が防止されるとされている。
特開２０００−１６０３１９号公報

しかしながら、前記表面窒化方法によっても、自動車用部品等の高レベルの摺動性能が要求される分野においては、依然として硬度（耐摩耗性）が不足する場合があり、そのような窒化物層を有するアルミニウム部材において、一層高い摺動性能を安定して発揮することが強く望まれている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、耐摩耗性が良好なアルミニウム部材が安定して得られるアルミニウム部材の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明のアルミニウム部材の製造方法は、アルミニウム材の表面に窒化物層を形成し、耐摩耗性が改善されたアルミニウム部材を製造する方法であって、窒素ガスを含む処理ガスの存在の下、アルミナ粉末又はアルミナ粒子を含む充填粉末と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材とをバレル容器内で混合し、該基材の表面に窒化物層を形成するバレル窒化工程と、真空環境の下、プラズマを用いて窒素ガスを含む処理ガスから窒素イオンを形成するとともに、該窒素イオンを前記基材の表面に導入し、該基材の表面に新たに窒化物層を形成するイオン窒化工程と、を具備すること、を要旨とする。

また、本発明のアルミニウム部材の製造方法において、前記バレル窒化工程の後、前記イオン窒化工程の前において、真空環境の下、プラズマを用いてアルゴンイオンを形成し、該アルゴンイオンによって前記基材表面をスパッタリングし、前記バレル窒化工程において当該基材表面に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去工程をさらに具備すること、が好ましい。

また、本発明のアルミニウム部材の製造方法において、前記イオン窒化工程において、前記処理ガスとして窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いること、が好ましい。

本発明によれば、耐摩耗性が良好なアルミニウム部材が安定して得られるようになる。

本発明のアルミニウム部材の製造方法は、窒素ガスを含む処理ガスの存在の下、アルミナ粉末又はアルミナ粒子を含む充填粉末と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材とをバレル容器内で混合し、該基材の表面に窒化物層を形成するバレル窒化工程と、真空環境の下、プラズマを用いて窒素ガスを含む処理ガスから窒素イオンを形成するとともに、該窒素イオンを前記基材の表面に導入し、該基材の表面に新たに窒化物層を形成するイオン窒化工程と、を具備するものである。

これにより、バレル窒化工程において、被窒化対象物である基材（アルミニウム材）が回転又は揺動するバレル容器内で、窒素ガスの存在の下、アルミニウムを含む充填粉末と効率的に攪拌される。そして、該基材が窒素ガスと反応し、該基材表面に窒化物層が形成される。さらに、イオン窒化工程において、該窒化物層上に新たに窒化物層が形成される。すると、バレル窒化処理によって形成された窒化物層とイオン窒化処理によって形成された窒化物層との間で、急激な硬度変化を伴わないことから、当該両層の界面において、剥離が無く、良好な密着性が得られるようになる。さらに、バレル窒化処理によって形成された窒化物層の硬度は、基材表面に向けて次第に低下する傾斜分布を示すようになり、該窒化物層と基材との間で、急激な硬度変化を伴わないことから、当該両層の界面においても、剥離が無く、良好な密着性が得られるようになる。この結果、このようなバレル窒化処理とイオン窒化とを組み合わせた複合窒化処理によって、バレル窒化処理のみで得られる窒化物層よりもさらに硬度が高く、耐摩耗性に優れたアルミニウム部材を安定して製造することができる。
〔基材（アルミニウム材）〕
前記基材は、アルミニウム（Al）又はアルミニウム合金からなるブロック状（塊状）のものである。ここで、アルミニウム合金としては、例えば、アルミニウムに銅、マンガン、亜鉛、シリコン、マグネシウム等を含み、各種特性が付与されたものが使用でき、熱処理型合金が含まれる。

このような純粋なアルミニウム（純アルミニウム）又はアルミニウム合金は、通常、酸化膜に覆われ、防食性に優れるが、この酸化膜により、窒素との反応が阻害される。このため、当該基材表面に窒化物層を形成するには、基材表面を活性化することが必要となる。
〔バレル窒化処理（バレル窒化工程）〕
図１（ａ）に示すように、まず、本発明にかかるバレル窒化処理法では、めっきや研磨で使用されるバレル容器１（バレル槽）を用い、該バレル容器１内に充填粉末２と基材３とを収容した上で同バレル容器１を点Ｏを中心として回転又は揺動し、当該回転又は揺動運動によって当該バレル容器１内で充填粉末２と基材３との衝突が引き起こされる（充填粉末２の一部はその上層で崩落層２ａを形成する）。そしてこの衝突により、基材表面が物理的に活性化され、同基材表面に高硬度、高耐摩耗性の窒化物層（AlN層）を形成することができる。尚、この窒化物層は、必ずしも窒化アルミニウムのみから構成されているわけではなく、通常、未反応のアルミニウム、アルミナ（Al₂O₃）、マグネシウム等も含まれている。また、この未反応のアルミニウムが後述するイオン窒化処理においてアルミニウムの供給源となる。

前記充填粉末２としては、アルミナ粉末又はアルミナ粒子を含むものが用いられる。具体的には、アルミナ粉末（Al₂O₃粉末）とアルミニウム−マグネシウム合金粉末（Al-Mg合金粉末）との混合物（Al-Mg/Al₂O₃充填粉末）が好ましく用いられる。

このように、充填粉末２には、アルミナ粉末又はアルミナ粒子に加え、Al-Mg合金粉末がさらに含まれるので、充填粉末２と基材３との衝突により、基材表面が物理的に活性化されることに加え、さらに、Al-Mg合金粉末中のマグネシウム（Mg）の還元作用により、基材表面が化学的に活性化され、同基材表面に窒化物層が効率的に形成されるようになる。尚、マグネシウム（Mg）とアルミニウム（Al）の酸化標準自由エネルギーＧ_Oを比較すると、Ｇ_O,Mg＜Ｇ_O,Alであり、窒化標準自由エネルギーＧ_Nを比較すると、Ｇ_N,Mg＞Ｇ_N,Alであることから、Al-Mg合金粉末中のマグネシウム（Mg）により、反応系に酸素が存在しても、アルミニウムの窒化反応が促進される。

ここで、充填粉末２に対するAl-Mg合金粉末の配合比（混合率）（以下、単にAl-Mg/Al₂O₃配合比という。）は、0.7質量％以上2.0質量％以下とすることが好ましい。0.7質量％未満であると、基材表面の一部のみに窒化物層が形成され、全面に形成されないことがあり、2.0質量％を超えると、窒化処理開始とともにアルミニウム（Al）と窒素（N）との反応による急激な発熱反応が起こり、アルミナ粉末又はアルミナ粒子を主成分とする充填粉末２が焼結することがある。

前記バレル容器１としては、回転又は揺動するものが用いられるが、回転では、被攪拌物の一部が上層で上滑り状態となって攪拌されないのに対し、揺動では反転動作の都度、被攪拌物が上層と下層とが入れ替わるように攪拌され、攪拌効率が向上することから、揺動するものを用いることが好ましい。また、この回転又は揺動によって、基材表面に付着する窒化反応に関与しない余分な堆積層（充填粉末２が基材表面に付着して膜状となったもの。）が基材３と充填粉末２との衝突によって除去される効果も得られる。

ここで、図１（ｂ）に示すように、点Ｏを中心とした揺動動作が左右に揺れる最大角度である揺動角度θは、同揺動動作の反転時にバレル容器１の収容物が攪拌されない時間帯を極力なくす観点、及び、基材表面に付着する堆積層を減らす観点から、300°までは大きい程好ましい。通常は、バレル容器１に装着した熱電対、ガス用経路配管、冷却用水路等の補機類の取り回し位置や動作を確保する観点から、270°程度とすることが良い。

また、揺動動作の速度である揺動速度は、充填粉末２と基材３の運動差が大きくなり、機械的（物理的）な攪拌効果が向上することから、実用上採用できる216°/secまでは高いほど好ましい。

さらに、揺動動作は、脈動揺動とすることが好ましい。即ち、図１（ｂ）に示すように、揺動動作の途中、一定角度間隔に位置する各角度位置Ａ〜Ｄで当該動作を一時的に停止し、揺動動作を継続するような揺動とすることが好ましい。また、このように一定角度毎にできる限り短時間、例えば、1．2秒以下で停止した脈動揺動とすることで、同脈動揺動はその条件により、充填物の流れに絶えずストレスと振動を加え、充填粉末２の内部に処理ガスとしての窒素ガスを巻き込む効果が得られ、攪拌効率及び窒化処理効率が向上する。ここで、前記一定角度、即ち、脈動１回の回転（位相）角度（φ１〜Φ３；φ１＝φ２＝φ３、揺動角度θ＝φ１＋φ２＋φ３）は、図１（ｂ）を参照して、このように揺動角度θ＝270°の場合には、当該揺動角度θを自然数2，3，4，6，10又は14で除算した135°，90°，67.5°，45°，27°又は19°とすることができる。尚、図１（ｂ）に示すバレル容器１では、脈動１回の回転角度（φ１〜Φ３）＝90°である。

また、バレル容器１は、多角柱状のものがよく、好ましくは、図１に示すような八角柱状のものがよい。このようにバレル容器１が多角柱状、好ましくは八角柱状であると、揺動速度が大きくなっても、その際に顕著となる滑り現象、即ち、充填粉末２がバレル容器１の壁に対して生じる滑り現象を当該多角形の面が充填粉末２を一時的に保持することで効果的に抑制することができ、攪拌効率が高く維持できるようになる。

本発明にかかるバレル窒化処理法では、窒化処理の処理温度（バレル容器１内の温度）は、基材表面の全体に窒化物層を形成する観点から、610℃以上640℃以下とすることが好ましい。610℃未満であると、窒化処理、即ち、前記堆積層から窒化物層への変化が不十分となることがあり、640℃を超えると、基材３が溶融することがある。

また、本発明にかかるバレル窒化処理法では、窒化物層を基材表面で十分に成長させ、厚さを確保する観点から、窒化処理の処理時間は、3.4hr以上7hr以下であることが好ましい。3.4hr未満であると、基材表面に窒化物層が生成しないことがあり、7hrを超えると、窒化物層における窒化アルミニウムの含有率（生成率）が低下し、硬度や耐摩耗性が不足することがある。
〔イオン窒化処理（イオン窒化工程）〕
次に、本発明にかかるイオン窒化処理法では、従来周知の方法に倣い、所定のスパッタリング装置を用い、該スパッタリング装置内に前記バレル窒化処理により表面に窒化物層が形成された基材３を設置するとともに、スパッタリング装置内を真空環境とする。そして、当該基材３の近傍にプラズマ電源（直流電源）を用いてプラズマ（グロー放電）を発生させ、同プラズマによって窒素ガス又はアルゴンガスをイオン化する。そして、前記基材３をマイナス電極、装置の壁をプラス電極とし、当該基材３に窒素イオン（N^＋）又はアルゴンイオン（Ar^＋）を衝撃（導入）させ、基材表層のアルミニウムと反応させて窒化処理を行う。このようにイオン窒化処理ででは、窒素イオンを介して基材表層のアルミニウムと反応させることから、バレル窒化処理よりも緻密且つ高硬度の窒化膜が形成できるものと考えられる。尚、後述するように本実施形態では、前記バレル容器１をスパッタリング装置として用いるが、これに限定されるものではない。

ここで、スパッタリング装置の設定条件、具体的には加速電圧，加速電流，バイアス電圧等は、従来周知の方法に倣って適宜設定することができる。
また、イオン窒化処理、即ち、前記スパッタリングにおける処理温度（基材３の温度）は、アルミニウムの融点（659℃）以下の温度範囲、例えば、570℃〜600℃の範囲で適宜設定することができる。また、前記スパッタリングにおける処理圧力は、例えば、1.0×10^-1Pa〜1.0Paの範囲で適宜設定することができる。さらに、前記スパッタリングにおける処理時間は、例えば、0.5hr〜6hrの範囲で適宜設定することができる。

尚、本発明にかかる複合窒化処理法においては、前記バレル窒化工程の後、イオン窒化工程の前において、真空環境の下、プラズマを用いてアルゴンイオン（Ar^＋）を形成し、該アルゴンイオンによって前記基材表面をスパッタリングし、前記バレル窒化工程において当該基材表面に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去工程としてのプレスパッタリングを行うことが好ましい。このようにアルゴンイオンを用いて基材表面をプレスパッタリングすることで、バレル容器１の雰囲気中や窒素ガス中の微量の酸素によって基材表面に生成した酸化膜が効果的に除去される。これにより、イオン窒化工程において、当該酸化膜によって阻害されず、基材表面への窒化物層の形成が効率的に行えるようになる。

また、本発明にかかる複合窒化処理法においては、前記イオン窒化工程において、処理ガスとして窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いることが好ましい。このように処理ガスとしてアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いることで、バレル容器１の雰囲気中や窒素ガス中の微量の酸素によって基材表面が再酸化されても、該酸化膜がアルゴンイオンによるスパッタリングで除去されるため、窒素イオンが基材３中に侵入するようになる。これは、窒素ガスのみでのイオン窒化処理では、バレル容器１の雰囲気中や窒素ガス中に存在する微量の酸素によって再酸化を引き起こし、基材３中への窒素イオンの侵入が阻害され、窒化物層の形成が不十分になることと対照的な結果となる。

以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。
＜実施例１＞
本実施例１では、処理温度、及び、充填粉末２に対するAl-Mg/Al₂O₃配合比が基材表面における窒化物層の生成に与える影響を調べた。

ここでは、工業用純アルミニウム（記号A1050）をワイヤー放電加工により40mm×20mm×5mmの直方体状（ブロック状）に加工し、基材３とした。また、平均粒径100（mm）のアルミナ（Al₂O₃）粉末（昭和電工（株）製，白色アルミナ研削材，ホワイトモランダムWA）に、平均粒径200（mm）のAl-Mg合金粉末（レアメタリック（株）製，Al-50質量％Mg）を配合比0.7，0.8，0.9，1.0質量％で混合し、充填粉末２とした。

図２に示すように、本実施例１のアルミニウム材の表面窒化装置は、架台４に回転（揺動）可能に支持された八角柱状のバレル容器１と、該バレル容器１をベルト５及びプーリ５ａ，５ａを介して揺動させるべく、パルス発生器６に電気的に接続されたバレル容器揺動手段としてのサーボモータ７と、前記バレル容器１内にガス用経路配管８ａを介して窒素（N_２）ガス及びアルゴン（Ar）ガスを導入する処理ガス導入手段としてのマスフローコントロ−ラ８と、前記バレル容器１内を加熱すべく、充填粉末２の温度を計測する熱電対９ａを有する温度調節器９に制御可能に接続されたヒータ１０ａとを具備している。

さらに、図２に示すように、前記アルミニウム材の表面窒化装置には、前記バレル容器１中の気体を排気して同バレル容器１内を真空環境とする真空ポンプ１１と、該真空ポンプ１１に接続され、バレル容器１内の気圧（真空度）を計測する真空計１１ａとが設けられている。また、前記バレル容器１内には、被窒化対象物としての複数の基材３，…（図１（ａ）参照）を充填粉末２と振り分けつつ捕集しうる基材捕集網１ａと、該基材捕集網１ａの近傍にプラズマを発生させるプラズマ電源１２とが配設されている。この基材捕集網１ａは、プラズマを発生させるためのマイナス電極としても機能する。さらに、バレル容器１の上部には基材捕集網１ａに捕獲された複数の基材３，…を輻射加熱するヒータ１０ｂが配設されている。前記バレル容器１には、基材捕集網１ａ、即ち複数の基材３，…の温度を計測する熱電対９ｂが配設されており、該熱電対９ｂは温度調節器９に接続され、これによりヒータ１０ｂの設定温度が制御可能とされている。

ここで、前記バレル容器１には、内径151mm，全長240mmの八角柱状のものを用いた。また、各基材３の質量は10g（大きさ：40mm×20mm×5mm）、充填粉末２の全質量は1000g（容器内充填率14.9％）とした。

そして、図２に示すように、５個の基材３，…と充填粉末２とを、ヒータ１０ａの設定温度を温度調節器９で610℃又は630℃としたバレル容器１内に収容した。その後、該バレル容器１内にマスフローコントロ−ラ８で窒素（N_２）ガスを100cm³/minで導入し、バレル容器１内の空気を置換しつつ、バレル容器１の温度上昇を待つため、そのまま30min放置した。さらに温度調節器９によって、各処理温度までの温度上昇が確認されたら、再度窒素ガスを900cm³/minでバレル容器１内に導入した。さらに、パルス発生器６及びサーボモータ７によって、揺動角度θを270°，揺動速度を72°/sec，脈動１回の回転（位相）角度（φ１〜φ３）を90°にそれぞれ設定し、本発明にかかるバレル窒化処理を5hr行った。その後、窒素ガスの導入及びヒータ１０ａによる加熱を停止し、バレル容器１を自然放冷した。

図２を参照して、続いて、バレル窒化処理後の基材３，…にイオン窒化処理を行うため、バレル容器１を回転させ、前記基材捕集網１ａによって当該基材３，…を充填粉末２と篩い分けしながら捕集させた。

その後、前記真空ポンプ１１でバレル容器１内を10^-4Paまで真空減圧し、図３に示すように、ヒータ１０ｂを用いて昇温速度10℃/minで当該基材３，…を温度580℃まで昇温した（加熱処理Ｉ）。

そして、図３に示すように、バレル容器１内にマスフローコントロ−ラ８でアルゴン（Ar）ガスを導入し、バレル容器１内の圧力が10^-1Paとなった後、プラズマ電源１２を、加速電圧130V，加速電流8V，バイアス電圧-250Vに設定し、2時間、酸化膜除去工程（前処理）としてのプレスパッタリングを行い、基材表面の酸化膜を除去した（プレスパッタリングII）。

この後、図３に示すように、マスフローコントロ−ラ８によって、バレル容器１内に窒素とアルゴンの混合ガスをそれぞれ30sccm，20sccmで導入し、バレル容器１内の圧力が7.6×10^-1Paとなった後、プラズマ電源１２を、加速電圧130V，加速電流8V，バイアス電圧-250Vに設定し、2時間、イオン窒化処理（スパッタリング窒化処理）を行った（イオン窒化処理III）。

すると、図４に示すように、バレル窒化処理によって基材表面に厚さ300μm程度の窒化物層が形成され、さらに該窒化物層上に、イオン窒化処理によって黒色で厚さ7μm程度の窒化物層が形成された。このイオン窒化処理によって形成された窒化物層（AlN層）のビッカース硬度は1500Hvであり、バレル窒化処理により形成された窒化物層は、イオン窒化処理前後で大きな変化は認められなかった。このときの走査型電子顕微鏡（SEM）による表面SEM像（表面形状）を図５（ａ）に示す。このようにバレル窒化処理後にイオン窒化処理を行った基材表面には、窒化物層のクラック（亀裂）及び剥離は確認されず、良好な状態であった。

図４に示す光学顕微鏡写真は、基材３の表層断面の状態を観察するため、以下に示す方法で基材３を処理し、得られた断面部分を光学顕微鏡で撮影することにより得たものである。即ち、基材３をアセトンによる超音波脱脂洗浄後、マイクロプレスを用いてエポキシ樹脂に埋め込む。次に、該加工部分をファインカッターにより切断し、得られた断面部分を#220〜#2000のエメリーペーパーで湿式研磨する。そして、α-Al₂O₃研磨材(粒度0.5μm)で当該断面部分のバフ研磨を行い、鏡面に仕上げる。
＜比較例１＞
工業用純アルミニウム材（記号A1050）を基材として準備し、バレル窒化処理を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にしてイオン窒化処理を行った。このときの走査型電子顕微鏡（SEM）による表面SEM像を図５（ｂ）に示す。

図５（ｂ）に示すように、純粋なアルミニウム材にイオン窒化処理を行った基材表面には、窒化物層のクラック及び剥離が全域に亘って存在しているのに対して、実施例１の図５（ａ）に示すように、バレル窒化処理後にイオン窒化処理を行った基材表面には、窒化物層のクラック及び剥離は確認されなかった。これより、純粋なアルミニウム基材にイオン窒化を行った場合では、両層の硬度、熱膨張率，熱収縮率，ヤング率，密着性等の差異に起因して、処理温度から室温への徐冷に伴い、基材表面にクラックや剥離が生じたと考えられるのに対し、バレル窒化処理によって得られた窒化物層上にさらにイオン窒化処理を行った場合では、両層の硬度や熱膨張率等に差異が少なく、基材表面にクラックや剥離が生じなかったと考えられる。

前記実施例１及び本比較例１より、バレル窒化処理後の窒化物層に対し、イオン窒化処理を行うことで、当該両層の界面において、良好な密着性が得られたものと考えられる。
＜実施例２＞
本実施例２では、バレル窒化処理及びプレスパッタリングについては、実施例１と同様に行い、イオン窒化処理においては、バレル容器１内の圧力が3.8×10^-1Paとなった後、窒化処理を行ったこと以外は実施例１と同様にして本発明にかかる複合窒化処理を行った。

すると、実施例１と同様な光学顕微鏡写真による確認の結果、バレル窒化処理によって基材表面に厚さ300μm程度の窒化物層が形成され、さらに該窒化物層上に、イオン窒化処理によって基材表面に黒色で厚さ5μm程度の窒化物層が形成された。
＜実施例３＞
本実施例３では、バレル窒化処理及びプレスパッタリングについては、実施例２と同様に行い、イオン窒化処理においては、処理時間を4時間として窒化処理を行ったこと以外は実施例２と同様にして本発明にかかる複合窒化処理を行った。

すると、実施例１と同様な光学顕微鏡写真による確認の結果、バレル窒化処理によって基材表面に厚さ300μm程度の窒化物層が形成され、さらに該窒化物層上に、イオン窒化処理によって基材表面に黒色で厚さ10μm程度の窒化物層が形成された。
＜実施例４＞
本実施例４では、バレル窒化処理及びプレスパッタリングについては、実施例２と同様に行い、イオン窒化処理においては、処理時間を6時間として窒化処理を行ったこと以外は実施例２と同様にして本発明にかかる複合窒化処理を行った。

すると、実施例１と同様な光学顕微鏡写真による確認の結果、バレル窒化処理によって基材表面に厚さ300μm程度の窒化物層が形成され、さらに該窒化物層上に、イオン窒化処理によって基材表面に黒色で厚さ15μm程度の窒化物層が形成された。

以上の結果を下表１に纏めて示す。

前記実施例２〜実施例４より、イオン窒化処理で得られた窒化物層厚さ（μm）は、イオン窒化の処理時間（hr）の経過と共に増加することが確認できた。さらに図６に示すように、窒化物層厚さ（μm）は処理時間の平方根（hr^1/2）に比例して増加しており、これより窒化物層の成長は、窒化物層へのアルミニウム又は窒素の拡散律速によることが確認できた。

尚、走査型光学顕微鏡写真による確認の結果、実施例１及び実施例４のイオン窒化処理で得られた窒化物層が実施例２及び実施例３よりも窒化アルミニウム（AlN）の六方晶型の柱状組織が緻密化されていることが確認されたので窒化物層の状態を◎（最良）とした。

また、実施例４によって得られた窒化物層断面（基材断面）のビッカース硬度Hvと窒化物層深さ（基材面からの深さ）（μm）との関係を図７に示す。図７に示すように、窒化物層断面のビッカース硬度Hvは、基材面から深くなるに従って、次第に低下し、右下がりに傾斜していることが確認できた。尚、イオン窒化処理によって形成された窒化物層の硬度は1400Hv程度であり、バレル窒化処理によって形成された窒化物層の硬度は300Hv〜500Hv程度であった。また、純アルミニウム材のビッカース硬度は約25Hvである。この結果より、バレル窒化処理によって形成された窒化物層とイオン窒化処理によって形成された窒化物層との間で、急激な硬度変化を伴わないことから、当該両層の界面において、剥離が無く、良好な密着性が得られたことが判る。さらに、バレル窒化処理によって形成された窒化物層の硬度は、基材表面に向けて次第に低下する傾斜分布を示すようになり、該窒化物層と基材３との間で、急激な硬度変化を伴わないことから、当該両層の界面においても、剥離が無く、良好な密着性が得られたことが判る。

さらにこのように、上記各実施例１〜４における、イオン窒化処理による窒化物層については、比較例１で得られた純アルミニウム材（ビッカース硬度：約25Hv）よりも硬いバレル窒化処理による窒化物層が下地になっていることから、イオン窒化処理のみによる窒化物層と比較して、硬度や耐摩耗性がより効果的に発現されることにもなる。
＜実施例５＞
本実施例５では、バレル窒化処理及びプレスパッタリングについては、実施例１及び実施例２と同様に行い、イオン窒化処理においては、処理ガスとして、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスに代えて、純粋な窒素ガスを用いたこと以外は実施例２と同様にして本発明にかかる複合窒化処理を行った。

すると、実施例１と同様な光学顕微鏡写真による確認の結果、実施例２と同様、バレル窒化処理によって基材表面に厚さ300μm程度の窒化物層が形成され、さらに該窒化物層上に、イオン窒化処理によって基材表面に実施例２のそれと比較して非常に薄い窒化物層が形成された。

以上の結果を下表２に纏めて示す。

前記実施例２及び本実施例５より、イオン窒化処理に窒素とアルゴンの混合ガスを用いた実施例２の方が、本実施例５よりも窒化物層の成長速度が大きいことが確認できた。両実施例について、EDS（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて窒化物層の組成を測定した結果、本実施例５では、窒化物層に酸素（Ｏ）が検出されたのに対して、実施例２では、窒化物層に酸素（Ｏ）は検出されなかった。これより、本実施例５のように、イオン窒化処理において、処理ガスとして窒素ガスのみを使用した場合では、バレル容器１内の雰囲気中や窒素ガス中に存在する微量の酸素によって基材３の再酸化が引き起こされ、生成した酸化膜によって、基材３中への窒素イオンの侵入が阻害され、これにより窒化物層の成長が遅延した。これに対して、実施例２のように、イオン窒化処理において、処理ガスとしてアルゴンと窒素の混合ガスを用いたことで、バレル容器１内や窒素ガス中の微量の酸素によって基材表面が一旦再酸化されても、当該酸化膜がアルゴンによるスパッタリングで除去されるため、酸化膜に阻害されることなく窒素イオンが基材３中に侵入して窒化物層の成長が正常に行われたことが推定できる。

尚、本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲で適宜設計変更しうるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態及び実施例では、バレル窒化処理で用いたバレル容器１をスパッタリング装置として用いたが、個別のスパッタリング装置を用いることもできる。

また、上記実施形態及び実施例では、充填粉末２としてアルミナ粉末（Al₂O₃粉末）とアルミニウム−マグネシウム合金粉末（Al-Mg合金粉末）との混合物（Al-Mg/Al₂O₃充填粉末）を用いたが、純粋なアルミナ粉末を用いることもできる。

さらに、前記した実施形態及び実施例より把握できる技術的思想について以下に記載する。
○アルミニウム部材の製造方法において、前記バレル容器は揺動するものであり、且つ、多角柱状に形成されているアルミニウム部材の製造方法。

○アルミニウム部材の製造方法において、前記充填粉末に対して、Al-Mg合金粉末が0.7質量％以上2.0質量％以下の配合比で含まれるアルミニウム部材の製造方法。

（ａ）はバレル容器内における基材及び充填粉末の攪拌状態を示す要部断面図、（ｂ）はバレル容器の揺動角度等を示す説明図。 アルミニウム材の表面窒化装置を示す装置構成図。 イオン窒化処理工程における、処理温度と処理ガスのタイムチャート図。 複合窒化処理後の基材の表層断面状態を示す電子顕微鏡写真。 （ａ）は、複合窒化処理後の基材表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真であり、（ｂ）は、純粋なアルミニウム材の表面にイオン窒化処理を行った基材表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真。 イオン窒化処理において、窒化物層厚さ（μm）と処理時間の平方根（hr^1/2）との関係を示すグラフ図。 イオン窒化処理において、窒化物層のビッカース硬度Hvと窒化物層深さ（μm）との関係を示すグラフ図。

符号の説明

１…バレル容器、２…充填粉末（Al-Mg/Al₂O₃充填粉末）、３…基材（アルミニウム材）。

Claims (3)

1. アルミニウム材の表面に窒化物層を形成し、耐摩耗性が改善されたアルミニウム部材を製造する方法であって、
   窒素ガスを含む処理ガスの存在の下、アルミナ粉末又はアルミナ粒子を含む充填粉末と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材とをバレル容器内で混合し、該基材の表面に窒化物層を形成するバレル窒化工程と、
   真空環境の下、プラズマを用いて窒素ガスを含む処理ガスから窒素イオンを形成するとともに、該窒素イオンを前記基材の表面に導入し、該基材の表面に新たに窒化物層を形成するイオン窒化工程と、を具備することを特徴とするアルミニウム部材の製造方法。
2. 請求項１に記載のアルミニウム部材の製造方法において、
   前記バレル窒化工程の後、前記イオン窒化工程の前において、真空環境の下、プラズマを用いてアルゴンイオンを形成し、該アルゴンイオンによって前記基材表面をスパッタリングし、前記バレル窒化工程において当該基材表面に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去工程をさらに具備するアルミニウム部材の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアルミニウム部材の製造方法において、
   前記イオン窒化工程において、前記処理ガスとして窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いるアルミニウム部材の製造方法。