JP4836921B2 - 表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、被処理体に表面処理を行う表面処理方法に関し、詳しくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被処理体の被処理面に酸化被膜を形成する表面処理方法に関する。

例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被処理体の表面（被処理面）に酸化被膜を形成する方法の１つとして、アノード酸化処理が挙げられる。このアノード酸化処理は、比較的低い電流密度で酸化被膜を形成できるため、小さな電源設備や、電解液の簡易な冷却機構などを備えた装置を用いて、比較的容易に表面処理を行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

一方、アノード酸化処理の一種であり、優れた酸化被膜を形成することが可能なマイクロアーク酸化処理（火花放電を伴うアノード酸化処理）の場合、火花放電を伴わない通常のアノード酸化処理と比較して、高い電流密度、かつ高電圧で処理を行う。このため、マイクロアーク酸化処理によって、処理面積が大きな被処理体に対して酸化被膜を形成する場合、大規模な電源設備や、大型の電解液冷却機構などが必要となり、設備面でコストがかかるという課題があった。

このため、処理面積が大きな被処理体に対して酸化被膜を形成する場合、設備コストの低い、比較的小規模な電源設備や小型の冷却機構を用いた、火花放電を伴わない通常のアノード酸化処理装置を用いて、被処理体を幾つかの小領域ごとに段階的に酸化被膜を形成することで、処理面積が大きな被処理体全体に酸化被膜を形成する方法が知られている。

この時、それぞれの領域ごとに酸化処理を行う際に、他の領域に放電などが発生することを防止するために、処理を行わない領域にマスク材を形成することが行われる。このマスク材としては、例えば、アルミニウムテープ、ポリイミドテープ、あるいは被処理物に合わせて作成したマスキング用治具などが知られている。

しかしながら、マイクロアーク酸化処理によって、こうしたマスク材を用いて小領域ごとに段階的に酸化被膜を形成しようとすると、処理時に火花放電を伴うために、マスク材が焼損するといった問題があった。また、処理を行わない領域全体にマスク材を形成することによって、段階的に酸化処理を進めるたびに、広範囲に形成されたマスク材を剥離するという手間がかかり、生産性の面からも課題があった。マスク材の種類によっては、剥離自体が困難なものもある。
特開２００１−１７２７９５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、小電流密度の電源装置で、かつ簡易な電解液の冷却機構であっても、マイクロアーク酸化処理によって大きな面積の被処理体に対して段階的に酸化被膜を形成することが可能な表面処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は次のような表面処理方法を提供した。すなわち、本発明の表面処理方法では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被処理体の被処理面に、複数の処理区画を設定し、各処理区画ごとに段階的に電解液に浸漬してマイクロアーク酸化処理を行い、前記被処理面に酸化被膜を形成する表面処理方法であって、
前記各処理区画の境界に沿って所定の幅でシリコンからなるマスク材を塗布し、該マスク材が前記電解液の液面に位置するようにして、前記マイクロアーク酸化処理を行い、その後、前記マスク材を除去し、マスク材が除去された領域を含む前記被処理面を前記電解液に浸漬して前記マイクロアーク酸化処理を行う工程を、少なくとも１回以上複数回繰り返し、被処理体の被処理面全体に酸化被膜を段階的に形成することを特徴とする表面処理方法を提供した。

本発明の表面処理方法によれば、被処理体の被処理面は、段階的な酸化処理によって形成された酸化被膜によって覆われる。酸化被膜の形成時に電解液の液面に位置する部分にマスク材を形成しておくことによって、液面付近で不均一な境界面や、白い粒子状物質などの不純物が生じることが無い。このため、均一な厚みで平坦な酸化被膜を得ることが可能になる。

そして、被処理体の被処理面が大きな面積であっても、電解液の液面に位置する部分をシリコンからなるマスク材で覆い、段階的に酸化被膜を形成することによって、小電流密度の電源装置で、かつ簡易な電解液の冷却機構を用いても、平坦で均一な厚みの酸化被膜を被処理面全体に形成することが可能になる。

以下、本発明に係る表面処理方法の最良の形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

以下、本発明の表面処理方法の一実施形態として、アルミニウム板（被処理体）に対して、マイクロアーク酸化処理によって、３段階に分けて酸化被膜を施す工程を例示する。図１は、本発明の表面処理方法を段階的に示した説明図である。
まず、被処理体であるアルミニウム板（被処理体）１１を用意する。このアルミニウム板１１の被処理面１１ａを、段階的に酸化処理する際の処理回数に合わせて、複数の処理区画α，β，γを設定する（図１（ａ）参照）。こうした処理区画は、酸化処理を行うための電解液槽の大きさと、被処理面１１ａの面積に応じて設定すればよい。例えば、この実施形態では、３段階に分けて酸化被膜を行うために、３つの処理区画α，β，γを設定している。

次に、この処理区画α，β，γのそれぞれの境界線１２ａ，１２ｂに沿って、所定の幅でマスク材１３ａ，１３ｂを塗布する（図１（ｂ）参照）。マスク材１３ａ，１３ｂは、シリコンを含むマスク材料、例えば、通常のシリコンシーラー、シリコンコーキング材などが挙げられる。

こうして被処理面１１ａにマスク材１３ａ，１３ｂを形成したアルミニウム板１１を、マイクロアーク酸化処理装置の電解液槽２１に導入する（図１（ｃ）参照）。この時、一回目の酸化処理においては、マスク材１３ａの幅中心付近に電解液２２の液面２２ａが位置するように、アルミニウム板１１を電解液２２に浸漬する。

そして、アルミニウム板１１の被処理面１１ａのうち、電解液２２に浸漬された部分に対して、マイクロアーク酸化処理によって酸化被膜１５ａを形成する（図１（ｄ）参照）。このマイクロアーク酸化処理を行う際に、電解液２２の液面２２ａ付近に位置する被処理面１１ａを、シリコンからなるマスク材１３ａによって覆うことにより、火花放電を伴うマイクロアーク酸化処理であっても、マスク材が焼損したり、剥離するといったことがない。よって、電解液２２に浸漬されたマスク材１３ａの下側だけ、均一な厚みで、かつ平滑な酸化被膜１５ａを形成することが可能になる。

一回目の酸化処理の終了後、アルミニウム板１１を電解液槽２１から引き上げる（図１（ｅ）参照）。そして、マスク材１３ａを剥離する。このマスク材１３ａは、前述した処理区画αと処理区画βとの境界線１２ａ、即ち、マイクロアーク酸化処理時に電解液２２の液面２２ａに位置する部分に沿った所定の幅分だけに形成されているので、短時間で容易に剥離をすることができる。

マスク材１３ａの剥離後、再びアルミニウム板１１を電解液槽２１に導入し、二回目の酸化処理を行う（図１（ｆ）参照）。この二回目の酸化処理では、マスク材１３ｂの幅中心付近に電解液２２の液面２２ａが位置するように、アルミニウム板１１を電解液２２に浸漬する。

そして、アルミニウム板１１の被処理面１１ａのうち、電解液２２に浸漬された部分で、まだ酸化被膜が形成されていない領域に対して、マイクロアーク酸化処理によって酸化被膜１５ｂを形成する（図１（ｇ）参照）。このマイクロアーク酸化処理を行う際に、電解液２２の液面２２ａ付近に位置する被処理面１１ａを、シリコンからなるマスク材１３ｂによって覆うことにより、火花放電を伴うマイクロアーク酸化処理であっても、マスク材が焼損したり、剥離するといったことがない。よって、電解液２２に浸漬されたマスク材１３ｂの下側だけ、均一な厚みで、かつ平滑な酸化被膜１５ｂを形成することが可能になる。

二回目の酸化処理の終了後、アルミニウム板１１を電解液槽２１から再び引き上げる（図１（ｈ）参照）。そして、マスク材１３ｂａを剥離する。このマスク材１３ｂも、前述した処理区画βと処理区画γとの境界線１２ｂ、即ち、マイクロアーク酸化処理時に電解液２２の液面２２ａに位置する部分に沿った所定の幅分だけに形成されているので、短時間で容易に剥離をすることができる。

マスク材１３ｂの剥離後、再びアルミニウム板１１を電解液槽２１に導入し、三回目の酸化処理を行う（図１（ｉ）参照）。この三回目の酸化処理で、酸化被膜が形成されていない残りの領域に対して、マイクロアーク酸化処理によって酸化被膜１５ｃを形成する。

以上の工程によって、アルミニウム板１１の被処理面１１ａは、三段階の酸化処理によって形成された酸化被膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃによって覆われる（図１（ｊ）参照）。そして、これら酸化被膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、それぞれの酸化被膜の形成時に電解液２２の液面２２ａに位置する部分にマスク材１３ａ，１３ｂを形成しておくことによって、液面２２ａ付近で不均一な境界面や、白い粒子状物質などの不純物が生じることが無い。このため、酸化被膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、均一な厚みで平坦な、それぞれの境界面が不明瞭な一体の酸化被膜１５を得ることが可能になる。

そして、上述したように、アルミニウム板（被処理体）１１の被処理面１１ａが大きな面積であっても、電解液２２の液面２２ａに位置する部分をシリコンからなるマスク材１３ａ，１３ｂで覆い、段階的に酸化被膜を形成することによって、小電流密度の電源装置で、かつ簡易な電解液の冷却機構であっても、平坦で均一な厚みの酸化被膜を被処理面１１ａ全体に形成することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、被処理体に対して三段階で酸化被膜を形成しているが、本発明の表面処理方法はこれに限定されるものではない。マイクロアーク酸化処理の回数は、被処理面の大きさと、マイクロアーク酸化処理装置を構成する電源装置の容量や電解液の冷却機構とを勘案して、最適な数の区画を設定し、その区画の数だけ段階的にマイクロアーク酸化処理を行えばよい。

被処理体としては、アルミニウム板以外にも、アルミニウムを含む合金からなる被処理体であればよい。例えば、アルミニウム合金としては、純アルミニウム系（ＪＩＳ合金番号：１Ｎ３０，１０５０，１０７０，１０８０，１０８５）、Ａｌ−Ｍｎ系（ＪＩＳ合金番号：３００５，３１０４）、Ａｌ−Ｍｇ系（ＪＩＳ合金番号：５６５２，５０５２，５４５４）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（ＪＩＳ合金番号：６０６１，６０６３）などが好適に用いられる。酸化被膜は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とし、これ以外に、例えば水酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物を含む材料を含んでいてもよい。この酸化被膜の厚みは、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上かつ１０μｍ以下の範囲であればよい。

マイクロアーク酸化処理によって成膜した酸化被膜は、緻密な構造をもつことにより、例えばＳｉが含まれたアルミニウム合金を用いた場合において、Ｓｉが晶出状態となっていても、このＳｉによってこの酸化皮膜の結晶欠陥が増加することを効果的に抑制できる。これにより、不純物となるガスの放出量は極めて少なく抑えられる。

本発明の効果を検証するため、実際に本発明の表面処理方法によって、段階的に酸化被膜を形成し、形成した酸化被膜の状態を観察した。
被処理体としてアルミニウム合金（５０５２）材を用いた。この合金を切削加工して１２０×２００×１（ｍｍ）を試験片とした。電解液としては、例えば、水酸化カリウム、メタけい酸ナトリウム、りん酸三ナトリウムをそれぞれ３ｇ／１Ｌづつ純水に溶かしたアルカリ性電解液とした。これらを通常のアノード酸化処理と同様の配置にセットした。対向電極としてはカーボン板を用いた。電解は直流で定電流電解を行い、電流密度は６Ａ／ｄｍ^２、処理時間は３０分とした。

（本発明例）
上述したアルカリ性溶液を用い、１２０×２００×１（ｍｍ）の機械加工を施したアルミニウム合金（Ａ５０５２）材を段階処理によってマイクロアーク酸化処理を行った。酸化処理は２回に分けて行った。この本発明例の試料を図２に示す。また、段階処理の詳細は、図１に示す実施形態において、最後の３回目の酸化処理を省略したものと同じである。酸化処理時に液面に位置する部分を所定の幅でシリコンシーラー（マスク材）によってマスキングするのは、電解液が液面付近に付着した部分で異常放電が発生し、白い粒子状の異物が形成されるのを防止するためである。

始めに、一回目の酸化処理部分を電解液に浸漬させ、一回目のマイクロアーク酸化処理を行った。そして、シリコンシーラーを剥離し、二回目の酸化処理部分まで電解液に浸漬させ、二回目マイクロアーク酸化処理を行った。二回目の酸化処理では一回目の酸化処理を行った部分は酸化被膜によって覆われており、電解を行っても一回目の酸化処理で形成された酸化被膜以外の部分だけに電流が流れることで、酸化被膜が形成されていない部分だけに集中的に表面処理される。処理時間ば各部分共に３０分間とした。

酸化処理が完了した試料の酸化被膜の状態を図３に、また、酸化被膜の表面を拡大したＳＥＭ画像を図４にそれぞれ示す。図３および図４に示す結果によれば、本発明によって形成した酸化被膜は、一回目処理部分と二回目処理部分とで僅かに発色が異なる程度で、その界面は不明瞭で、よく観察しないと分からない程度である。また、各処理部分での酸化被膜の状態も、一回目処理部分と二回目処理部分とで全く同じ状態であった。

（比較例１）
電解液として前述したアルカリ性溶液を用い、１２０×２００×１（ｍｍ）の機械加工を施したアルミニウム合金（Ａ５０５２）材にポリイミドテープでマスキングを行い、マイクロアーク酸化処理を行った。このポリイミドテープを境にして酸化処理を２回に分けて行った。

この比較例１では、酸化処理を開始後、約６分経過した時点でポリイミドテープが焼けた。この焼損した状態のポリイミドテープの様子を図５に示す。これは、マイクロアークの火花放電によって試料の温度が高くなり、ポリイミドテープが剥がれた部分に電解液が浸入し、ポリイミドテープの粘着側で火花放電が生じて焼損したものである。この結果、比較例１では酸化被膜を均一に形成することができなかった。

（比較例２）
電解液として前述したアルカリ性溶液を用い、１２０×２００×１（ｍｍ）の機械加工を施したアルミニウム合金（Ａ５０５２）材にアルミニウムテープでマスキングを行い、マイクロアーク酸化処理を行った。このアルミニウムテープを境にして酸化処理を２回に分けて行った。

この比較例２では、酸化処理を開始後、約６分経過した時点でアルミニウムテープが剥がれマスク材の役割を果たさなくなった。マイクロアークの火花放電により試料温度が高くなった為、アルミニウムテープが剥がれたものと考えられる。この結果、比較例２では酸化被膜を均一に形成することができなかった。

本発明の一実施形態の表面処理方法を示す説明図である。 本発明の実施例に使用した被処理体（試料）を示す平面図である。 本発明の実施例の検証結果を示す写真である。 本発明の実施例の検証結果を示す写真である。 従来の比較例の検証結果を示す写真である。

符号の説明

１１ アルミニウム板（被処理体）
１３ａ，１３ｂ マスク材
２２ 電解液
２２ａ 液面
１５ 酸化被膜
α，β，γ 処理区画

Claims (1)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被処理体の被処理面に、複数の処理区画を設定し、各処理区画ごとに段階的に電解液に浸漬してマイクロアーク酸化処理を行い、前記被処理面に酸化被膜を形成する表面処理方法であって、
   前記各処理区画の境界に沿って所定の幅でシリコンからなるマスク材を塗布し、該マスク材が前記電解液の液面に位置するようにして、前記マイクロアーク酸化処理を行い、その後、前記マスク材を除去し、マスク材が除去された領域を含む前記被処理面を前記電解液に浸漬して前記マイクロアーク酸化処理を行う工程を、少なくとも１回以上複数回繰り返し、被処理体の被処理面全体に酸化被膜を段階的に形成することを特徴とする表面処理方法。
   
   

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