JP4175840B2

JP4175840B2 - アルミニウム合金の表面処理方法

Info

Publication number: JP4175840B2
Application number: JP2002201892A
Authority: JP
Inventors: 宏幸平木; 仁新村; 敏弘豊本; 哲村上
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP2004043873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム及びアルミニウム合金（以下、アルミニウム合金という）の表面に陽極酸化皮膜を形成する表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミニウム合金は、軽量で加工性や耐食性に優れていることより、家庭用品や建材等、幅広い用途で用いられている。その多くは、陽極酸化処理が施されているが、その処理工程に長い時間がかかっていた。例えば、１０μｍ程度の陽極酸化皮膜を生成させるのに、電解浴中で３０〜４０分の直流電解を行う必要があり、処理時間を短縮しようとして電流密度を増加させると、ジュール熱の発生により皮膜の厚さが不均一となったり皮膜焼けとなったりすることがあった。
【０００３】
そこで、特開２０００−２８２２９３号公報に開示されているように、モータを使用して電解槽内を振動させたりミクロ気泡を発生させたりすることで電解液を撹拌する技術が知られている。この技術によれば、陽極酸化皮膜の生成にともなって発生するジュール熱が効率よく放出されるので、電流密度を増加させても焼けが生じにくく、陽極酸化処理の工程時間が短縮できるものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術においては、電解槽内を振動させたりミクロ気泡を発生させたりするための大掛かりな設備が必要であるとともに、大きな電解槽や冷却装置を使用しないと、連続して陽極酸化処理を行う場合に電解槽内の全体の液温が上昇して電解液を撹拌する効果が薄れる恐れがあった。
【０００５】
また、特開平１１−２３６６９６号公報に開示されているように、電解槽の内壁面に多数の噴出ノズルを配置し、被処理物に向けて電解液を循環噴出して流速を管理することで陽極酸化処理の高速化を図る技術が知られているが、やはり大掛かりな設備が必要であるとともに、流速の管理に流速計等を用いた複雑な制御が必要であった。更に、流速を高めると被処理物が電解槽内で落下する恐れもあった。
【０００６】
また更に、特開平１１−１１７０９２号公報に開示されているように、中空パイプ状で複数の孔を有した電極を回転させながら電解液を筒状の被処理物の内面に噴射する技術や、特開平９−２１７２００号公報に開示されているように、噴射盤を回転させながら吐出口から電解液を被処理物の表面に噴射する技術も知られているが、被処理物に陽極酸化皮膜を形成する部分にあわせて孔や吐出口の数を増やしたり回転させたりするものであった。
【０００７】
それゆえ、本発明は、以上の事情を背景になされたものであり、大規模な設備や複雑な制御を用いることなく、生成される陽極酸化皮膜の品質を満足しながら陽極酸化処理の工程時間を低減することが可能なアルミニウム合金の表面処理方法を提供することを技術的課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、アルミニウム合金からなる円柱状を呈した被処理部材の外周面に陽極酸化皮膜を皮膜硬度２７０Ｈｖ以上で形成する表面処理方法であって、電解槽の中央部に被処理部材がその円柱状の中心軸線を垂直方向に向けて固定され、被処理部材の水平方向外側に電解液の吐出口が位置し、吐出口は電解槽の水平方向内部に向けられ、被処理部材は吐出口の噴出方向軸線上から外れた位置にあり、吐出口から噴出された電解液が、電解槽内で被処理部材の周囲を回転しながら流され、その後、電解槽から排出され、この排出された電解液が前記吐出口に戻される循環操作を行いながら、通電して被処理部材に陽極酸化処理を施すことを特徴とするアルミニウム合金の表面処理方法とした。
【０００９】
本発明に係るアルミニウム合金の表面処理方法によれば、電解液が被処理部材の周囲を回転しながら流されるので、陽極酸化皮膜を均一に形成することができるとともに、陽極酸化皮膜の生成にともなって発生するジュール熱を被処理部材の全体から速やかに除去することができる。また、ジュール熱を吸収して液温が上がった電解液は、電解槽から排出され、循環して再び吐出口から噴出されるときは放熱されて液温が下がった状態となっているため、被処理部材の周囲は常に液温の低い電解液が回転しながら流れていることとなる。従って、電流密度を増加させても連続的にジュール熱が除去されるので、皮膜厚さの不均一な部位や皮膜焼けを生じることなく、陽極酸化処理の工程時間を大幅に低減することが可能となる。
【００１０】
よって、本発明によれば、皮膜焼けを生じることなく短時間で２０μｍ以上の陽極酸化皮膜を形成することができる。更には、電流密度を３０Ａ／ｄｍ^２以上と格別に大きな値とすることも可能となる。
また、被処理部材は、吐出口の噴出方向軸線上から外れた位置にあることが望ましい。これにより、吐出口から噴出された電解液は、その噴出力が直接的に被処理部材に作用することは少なく、そのまま被処理部材の周囲を回転することとなる。即ち、被処理部材は、電解液の流速の抵抗をあまり受けないので、被処理部材を強固に保持したり落下を心配したりすることなく、電解液の流速を上げることができる。
好ましくは、吐出口から噴出された電解液の流速を０．４ｍ／ｓｅｃ以上とするのがよい。
【００１１】
また好ましくは、請求項３に記載のように、吐出口から噴出された電解液が、被処理部材の周囲を下方から上方へ螺旋状に回転しながら流されることが望ましい。これによれば、吐出口は被処理部材の下方にのみ設ければよいので、装置を簡略化することができる。更に、吐出口を少なくすると乱流が起こりにくくなり、電解液の流れをスムーズなものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るアルミニウム合金の表面処理方法の第１実施形態を模式的に示す図であり、図１（ａ）は主要断面図、図１（ｂ）は上面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態における陽極酸化処理装置１は、電解液８を収容する電解槽５が設けられており、電解槽５の中央部には、円柱状を呈した被処理部材２がその円柱状の中心軸線を垂直方向に向けて固定されている。被処理材２は、アルミニウム合金の押出材からなるが、アルミニウム合金の鍛造材や鋳造材であってもよい。陽極酸化皮膜を形成する部位２ａは被処理部材２の中央とし、その中央の部位２ａに接する上下の部位２ｂにはマスキングが施されている。被処理部材２の上端には陽極３が接続されている。尚、本実施形態では、被処理部材２の中央を被処理部としたが、必要に応じて被処理部材２の先端や、治具を用いて被処理部材２の全体に陽極酸化処理を施すことも可能である。
【００１４】
電解槽５は、樹脂材からなり、図１（ａ）に示すように上面視では正方形を呈している。電解槽５の内部には、それぞれ４つの陰極４と供給管６が配設されている。陰極４は、電解槽５の４つの内壁面の水平方向中央に、供給管６は、電解槽５内の四隅に位置している。
【００１５】
供給管６には複数の吐出口７が形成されており、電解液８が噴出されるようになっている。すなわち、被処理部材２の水平方向外側に電解液８の吐出口７が位置している。吐出口７は電解槽５の水平方向内部に向けられ、吐出口７の噴出方向ｆ７は、被処理部材２が保持されている電解槽５の中央部よりも右側となっている。詳しく言えば、吐出口７の噴出方向ｆ７は、被処理部材２の水平断面の形状である円の接線方向あるいは、その接線方向よりも被処理部材２から若干外側にずれた方向となっている。即ち、被処理部材２は、吐出口７の噴出方向ｆ７の軸線上から外れた位置となっている。更に、電解液８が（図１の矢印方向ｆ２に示すようにして）被処理部材２の周囲を回転しながら流されるように、吐出口７の噴出方向ｆ７は調整される。
【００１６】
吐出口７から噴出された電解液８は、やがて電解槽５の上端から溢れ出して排出され、タンクＲに貯留される。タンクＲには、必要に応じて冷却用の熱交換器を組みこんでもよい。タンクＲに貯留された電解液８は、ポンプＰによって吸い込まれて供給管６に供給され、再び吐出口７から噴出される。このようにして、電解液８は、循環操作されている。この循環操作を行いながら、陰極４と陽極３を通電して被処理部材２に陽極酸化処理を施すと、電解液８によりジュール熱を除去しながら部位２ａに陽極酸化皮膜が形成される。
【００１７】
以上のように、本発明に係るアルミニウム合金の表面処理方法においては、電解液８が被処理部材２の周囲を回転しながら流されるので、陽極酸化皮膜を均一に形成することができるとともに、陽極酸化皮膜の生成にともなって発生するジュール熱を被処理部材２の全体から速やかに除去することができる。また、ジュール熱を吸収して液温が上がった電解液８は、電解槽５から排出され、循環して再び吐出口７から噴出されるときは放熱されて液温が下がった状態となっているため、被処理部材２の周囲は常に液温の低い電解液８が回転しながら流れていることとなる。従って、電流密度を増加させても連続的にジュール熱が除去されるので、皮膜厚さの不均一な部位や皮膜焼けを生じることなく、陽極酸化処理の工程時間を大幅に低減することが可能となる。
【００１８】
また、被処理部材２は、吐出口７の噴出方向ｆ７の軸線上から外れた位置にあることより、吐出口７から噴出された電解液８は、その噴出力が直接的に被処理部材２に作用することは少なく、そのまま被処理部材２の周囲を回転することとなる。即ち、被処理部材２は、電解液８の流速の抵抗をあまり受けないので、被処理部材２を強固に保持したり落下を心配したりすることなく、電解液８の流速を上げることができる。
【００１９】
次に、本発明に係るアルミニウム合金の表面処理方法の第２実施形態を説明する。図２は、本発明に係る第２実施形態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は主要断面図、図２（ｂ）は上面図である。
【００２０】
図２に示すように、第２実施形態における陽極酸化処理装置２１は、電解液２８を収容する電解槽２５が設けられており、電解槽２５の中央部には、第１実施形態と同様の被処理部材２２がその円柱状の中心軸線を垂直方向に向けて固定されている。陽極酸化皮膜を形成する部位２２ａは被処理部材２２の中央とし、被処理部材２２の下端は台３２の上面に接しているとともに、陽極２３が接続されている。尚、第２実施形態でも、被処理部材２２の中央を被処理部としたが、必要に応じて被処理部材２２の先端付近や、治具を用いて被処理部材２２の略全体に陽極酸化処理を施すことも可能である。
【００２１】
電解槽２５は、台３２の上方に配置されており、樹脂材からなる上部材２５ａと下部材２５ｂが構成されている。上部材２５ａと下部材２５ｂの間には、陰極２４が組み込まれている。陰極２４は、中空円筒状を呈しており、陰極２４の内側と、上部材２５ａ及び下部材２５ｂで囲まれた空間が電解液２８の収容室２５ｃとなっている。
【００２２】
被処理部材２２は、上部材２５ａ及び下部材２５ｂに形成された貫通孔に挿通されており、上部材２５ａ及び下部材２５ｂと被処理部材２２との間は収容室２５ｃの上端及び下端の位置に設けられたＯリング３１により液密的にシールされている。即ち、被処理部材２２における２つのＯリング３１の間が、陽極酸化皮膜を形成する部位２２ａとなっている。
【００２３】
収容室２５ｃの下端には、４つの吐出口２７が形成されており、電解液２８が噴出されるようになっている。すなわち、被処理部材２２の水平方向外側に電解液２８の吐出口２７が位置している。吐出口２７は電解槽２５の水平方向内部に向けられ、吐出口２７の噴出方向ｆ２７は、被処理部材２２が保持されている電解槽２５の中央部よりも左側となっている。詳しく言えば、吐出口２７の噴出方向ｆ２７は、被処理部材２２の水平断面の形状である円の接線方向あるいは、円筒状の陰極２４の接線方向となっている。即ち、被処理部材２２は、吐出口２７の噴出方向ｆ２７の軸線上から外れた位置となっている。更に、電解液２８が（図２の矢印方向ｆ２２に示すようにして）被処理部材２２の周囲を下方から上方へ螺旋状に回転しながら流されるように、吐出口２７の噴出方向ｆ２７は調整される。
【００２４】
吐出口２７から噴出された電解液２８は、やがて収容室２５ｃの上端に位置する排出口３３から溢れ出して排出され、タンクＲに貯留される。タンクＲには、タンクＲに貯留された電解液８は、ポンプＰによって吸い込まれて、再び吐出口２７から噴出される。このようにして、電解液２８は、循環操作されている。この循環操作を行いながら、陰極２４と陽極２３を通電して被処理部材２２に陽極酸化処理を施すと、電解液２８によりジュール熱を除去しながら部位２２ａに陽極酸化皮膜が形成される。
【００２５】
以上のように、本発明に係るアルミニウム合金の表面処理方法の第２実施形態においても、電解液２８が被処理部材２２の周囲を回転しながら流されるので、上記した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、吐出口２７から噴出された電解液２８が、被処理部材２２の周囲を下方から上方へ螺旋状に回転しながら流される第２実施形態は、吐出口２７を収容室２５ｃの下方にのみ設ければよいので、装置を簡略化することができる。更に、吐出口２７を少なくすると乱流が起こりにくくなり、電解液２８の流れをスムーズなものとすることができる。
【００２６】
【実施例】
次に、本発明の実施例について、比較例と対比して具体的に説明する。
【００２７】
被処理部材は、７０００系アルミニウム合金をＴ６処理した押出材（φ２３．５ｍｍ×３００ｍｍ）を使用し、従来の方法と同様に脱脂処理を施した後、電解槽に保持させた。電解液は、２００ｇ／Ｌの硫酸水溶液を用い、処理浴の温度を１０℃として、表１に示す条件にて陽極酸化処理を行った。
【００２８】
実施例１〜２は、第１実施形態の陽極酸化処理装置１を使用し、実施例３〜４は、第２実施形態の陽極酸化処理装置２１を使用した。比較例５は、陽極酸化処理装置１を、電解液の循環操作を行わずに、エアで撹拌させて使用した。実施例１〜２及び比較例５では、被処理部材にマスキングを施して、実施例１〜４及び比較例５の処理面積は、０．４ｄｍ^２とした。
【００２９】
電解液の流速は、吐出口から噴出された直後の値とした。通電はスロースタートとし、通電時間は、このスロースタートの昇圧時間も含めたものとした。膜厚は、処理後の被処理部材を切断した断面を光学顕微鏡（２０倍）にて観察して測定した。硬度（ビッカース硬さ）は、常温でＪＩＳ−Ｚ２２４４に従い５点平均により測定した。表面粗さは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に従い十点平均粗さ（Ｒｚ）を測定した。これらの結果も表１に併せて示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
通電後、それぞれ表１に示す膜厚の陽極酸化皮膜が均一に形成され、この皮膜は、いずれも皮膜焼けも生じておらず良好な表面状態であった。更に、表１に示すように、本発明における実施例１〜４は、いずれも、比較例５と比べて大幅に電流密度を増加させることができ、短時間で２０μｍ以上の陽極酸化皮膜を形成することができた。特に、第２実施形態である実施例３〜４は、電流密度を３０Ａ／ｄｍ^２以上と格別に大きな値とすることができた。
【００３２】
その上、実施例１〜４は耐摩耗性に要求される品質（皮膜硬度２７０Ｈｖ以上、表面粗さＲｚ６．３μｍ以下）を満足するものであった。特に、実施例１〜４は、硬度を比較例５と比べて大幅に上げることができ、耐摩耗性も向上することができた。従って、本発明は、耐摩耗性が要求されるシャフト等の摺動部に、効果的に適用することができる。
【００３３】
尚、実施例１〜４は、電解液の流速を上げて処理を行ってもよい。特に、陽極酸化装置２１では、流速を０．４ｍ／ｓｅｃ以上とすることも可能である。また、被処理部材は、上記した実施形態で使用した円柱状が適しているが、他の断面形状であっても、吐出口から噴出された電解液が、電解槽内で被処理部材の周囲を回転しながら流されるようにすることにより、上記した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大規模な設備や複雑な制御を用いることなく、生成される陽極酸化皮膜の品質を満足しながら陽極酸化処理の工程時間を低減することができるアルミニウム合金の表面処理方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミニウム合金の表面処理方法の第１実施形態を模式的に示す図であり、図１（ａ）は主要断面図、図１（ｂ）は上面図である。
【図２】本発明に係るの第２実施形態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は主要断面図、図２（ｂ）は上面図である。
【符号の説明】
１、２１陽極酸化処理装置
２、２２被処理部材
３、２３陽極
４、２４陰極
５、２５電解槽
７、２７吐出口
８、２８電解液
Ｐポンプ
Ｒタンク
ｆ７、ｆ２７噴出方向

Claims

アルミニウム合金からなる円柱状を呈した被処理部材の外周面に陽極酸化皮膜を皮膜硬度２７０Ｈｖ以上で形成する表面処理方法であって、
電解槽の中央部に被処理部材がその円柱状の中心軸線を垂直方向に向けて固定され、
被処理部材の水平方向外側に電解液の吐出口が位置し、吐出口は電解槽の水平方向内部に向けられ、
被処理部材は吐出口の噴出方向軸線上から外れた位置にあり、
吐出口から噴出された電解液が、電解槽内で前記被処理部材の周囲を回転しながら流され、その後、前記電解槽から排出され、この排出された電解液が前記吐出口に戻される循環操作を行いながら、通電して前記被処理部材に陽極酸化処理を施すことを特徴とするアルミニウム合金の表面処理方法。
吐出口から噴出された電解液の流速を０．４ｍ／ｓｅｃ以上とし、前記被処理部材に、皮膜焼けを生じることなく２０μｍ以上の陽極酸化皮膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金の表面処理方法。
前記吐出口から噴出された電解液が、前記被処理部材の周囲を下方から上方へ螺旋状に回転しながら流され、電流密度を３０Ａ／ｄｍ^２以上で通電して陽極酸化処理を施すことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金の表面処理方法。
アルミニウム合金からなる円柱状を呈した被処理部材の外周面に部分的に陽極酸化皮膜を皮膜硬度２７０Ｈｖ以上で形成する表面処理装置であって、
陽極酸化皮膜が形成される前記被処理部材の被処理部位と他の部位とを液密的にシールするシール部材と、前記被処理部位に対して間隔を介して覆うように構成される中空状の電極と、電解液が流入する吐出口と、電解液が流出する排出口とを有する電解槽と、
前記吐出口から電解液を噴出させて前記被処理部位と前記電極との間に流し、前記排出口から電解液を排出させ、この電解液を前記吐出口に戻す電解液循環手段と、
前記電極と前記被処理部材とに通電する通電手段とを備え、
電解槽の中央部に被処理部材がその円柱状の中心軸線を垂直方向に向けて固定され、被処理部材の水平方向外側に電解液の吐出口が位置し、吐出口は電解槽の水平方向内部に向けられ、被処理部材は吐出口の噴出方向軸線上から外れた位置にあり、
前記吐出口は前記電解槽の下部に配設されるとともに、前記排出口は前記電解槽の上部に配設され、前記吐出口から噴出された電解液が、前記被処理部材の周囲を下方から上方へ螺旋状に回転しながら前記被処理部位と前記電極との間を流されるよう構成されていることを特徴とするアルミニウム合金の表面処理装置。