JP7069843B2 - アルミニウム部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に陽極酸化皮膜が形成されたアルミニウム部品の製造方法に関する。

従来よりアルミニウム部品に対して陽極酸化皮膜を形成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

アルミニウム部品に形成される陽極酸化皮膜は、耐食性、耐摩耗性、硬度、絶縁性などの特性に優れることが知られている。

特開２０１５－１０２１１１号公報（特許請求の範囲など）

優れた特性をもつ陽極酸化皮膜であるが、粗材の表面に陽極酸化皮膜を形成するためには長時間（２０分～６０分程度）の処理が必要である。陽極酸化皮膜の生成は、電流が流れた量に比例するため、陽極酸化皮膜の生成速度を向上して処理時間を短縮するためには電流密度を向上する必要がある。

しかしながら、単純に電流密度を高くして陽極酸化処理を行うと、得られた陽極酸化皮膜の延性が低くなって外力により亀裂が生じることがあり、高圧ガスが流入して高い応力が加わる部品や高温環境で用いられる部品に陽極酸化皮膜を形成した場合の破断の原因ともなりうるおそれがある。

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、陽極酸化処理の速度を大きくしても亀裂が生じ難い陽極酸化皮膜が形成できるアルミニウム部品の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

（１．アルミニウム部品の製造方法）
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、粗材の表面に生成した陽極酸化皮膜について亀裂が生じやすいかどうかを判断するために生成した陽極酸化皮膜のセルサイズに着目すれば良いことに想到した。後述する実施例の結果から、陽極酸化皮膜では印加する電圧の大きくなると形成されるセルサイズも大きくなることが分かり、更に印加する電圧を１８Ｖ以下にすることによりセルサイズを４０ｎｍ以下にすることが可能になって、亀裂の生成が抑制できるとの知見を得た。これらの知見に基づき以下の発明を完成した。なお、本明細書中における「陽極酸化皮膜のセルサイズ」とはＪＩＳ Ｈ０２０１：１９９８の７０１模式図に基づく隣接する７０２被膜セルにおける７０３微細孔の距離をいう。

すなわち、本発明に係るアルミニウム部品の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり被処理対象である粗材を陽極とし、陰極とともに硫酸濃度が１５０ｇ／Ｌ～３００ｇ／Ｌの電解液に接触させ、電流密度が０．８Ａ／ｄｍ^２～７．５Ａ／ｄｍ^２、印加電圧が１３Ｖ以上１８Ｖ以下（ただし、１５Ｖ以下を除く）の定電圧条件で前記陽極と前記陰極との間に電流を流して、セルサイズが４０ｎｍ以下の陽極酸化皮膜を生成し、前記陽極と前記陰極との間に流れた電流の積分値を算出し、算出した前記積分値に基づき算出される陽極酸化皮膜の生成厚みが所定値になったときに処理を終了することにより、所定厚みの前記陽極酸化皮膜を生成し、１６５℃で１時間の熱処理を行ったときに亀裂が発生しないアルミニウム部品を製造する。

陽極酸化処理において電流密度を高くして陽極酸化皮膜の生成速度を向上しても、印加する電圧を１８Ｖ以下にして陽極酸化皮膜のセルサイズを一定以下にすることで亀裂の生成を抑制することが可能になった。特に定電圧での処理を行うことによりセルサイズの大きさが安定化できた。

実施形態におけるアルミニウム部品の製造装置を示す模式図である。 実施例においてアルミニウム部品の製造方法を実施するときの電流の経時変化を示したグラフである。 陽極と陰極との間に流れた電流の積分値と生成される陽極酸化皮膜の厚みとの相関を示したグラフである。

（１．第一実施形態：アルミニウム部品の製造方法）
（１－１．構成）
本実施形態のアルミニウム部品の製造方法について、以下に説明を行う。本実施形態のアルミニウム部品の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる粗材を被処理対象として硫酸を含有する電解液中において陽極酸化処理を行い、その素材の表面に陽極酸化皮膜を形成してアルミニウム部品とする方法である。粗材を構成する材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、アルミニウム合金としては、アルミニウム元素を主成分とするものであれば特に限定しない。さらに、粗材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金が露出する構成を有するものであれば充分であり、内部を形成する材料は特に限定しない。

アルミニウム部品としては外力により亀裂が生じ難い陽極酸化皮膜が形成できるため、どのような製品の部品であっても適用することが可能であるが、特に大きな外力が加わる部品に適用されることが好ましい。例えば、高圧ガスに適用されるバルブボディである。

本製造方法は、第１工程と第２工程とをその他必要な工程とを有する。
第１工程は、被処理対象である粗材を陽極とし、陰極とともに電解液に接触させる工程である。電解液は硫酸を含有する。電解液について好ましい条件は後述する。電解液への接触は、例えば電解液中に粗材を浸漬して行うことが挙げられる。陰極については特に限定されない。

第２工程は、電流密度が０．８Ａ／ｄｍ^２～７．５Ａ／ｄｍ^２、印加電圧１８Ｖ以下の定電圧条件で陽極と陰極との間に電流を流して陽極酸化処理を行う工程である。

電流密度はこの下限値以上にすることで陽極酸化皮膜が形成される速度が速くなるためできるだけ高い方が好ましい。また、電流密度はこの上限値以下にすることで形成される陽極酸化皮膜に”膜焼け”が生じない。なお”膜焼け”とは、電流密度が高いために均一に電流が流れず一部に集中することで発生するものと推測でき、言葉の通り外観が焼けたような状態になっており、得られた陽極酸化皮膜の特性が充分でない。

電流密度を制御する方法としては、適正な電解液を採用することで実現できる。適正な電解液とは、上述の電流密度の範囲内に入るような抵抗値をもつように調節された電解液である。抵抗値の調節は、電解液の硫酸濃度や温度を制御することで実現できる。硫酸濃度や温度を高くすることにより抵抗値は低下し電流密度が高くできる。電解液中の濃度は含有される硫酸の濃度が１５０ｇ／Ｌ～３００ｇ／Ｌであることが好ましい。電解液の温度は１０℃以上３０℃以下であることが好ましい。

印加する電圧の大きさとしては、高い方が電流密度を向上しやすいため望ましい。特に下限値は限定しないが、酸化還元反応により表面に陽極酸化皮膜が形成できる電圧が理論上の下限値である。

第２工程においては、前記陽極と前期陰極との間に流れる電流の値を測定して積分することによって得られる電流値の積分値に基づき、成膜状況を精度良く算出することができる。従来技術では、電流密度を一定して陽極酸化処理を行うことが通常であったため、処理時間と流した電流の量とが比例することになり、処理時間を測定することで陽極酸化皮膜の生成速度を算出することが可能であった。

（１－２．作用効果）
上述の構成を有することから本実施形態のアルミニウム部品の製造方法は、粗材に印加される電流が電解液の状況などの要因により変動したとしても電圧を１８Ｖ以下に制限することができ、セルサイズを適正な範囲（４０ｎｍ以下）に収めることができるため、亀裂の生成を抑制することができる。そして、電源の上限を制限した状態で電流値を大きくすることで陽極酸化皮膜の生成速度を大きくすることが可能になった。つまり、亀裂の生成が抑制できた陽極酸化皮膜を速い速度で生成することが可能になった。

（２．第二実施形態：アルミニウム部品の製造装置）
（２－１．構成）
本実施形態のアルミニウム部品の製造装置は、上述したアルミニウム部品の製造方法を好適に実施できる装置である。本実施形態のアルミニウム部品の製造装置は、図１に示すように、浸漬槽１０と電源装置２０と制御装置３０と温度調節手段４０と陽極配線２１と陰極配線２２と陰極２５及び２６とを有する。

浸漬槽１０は、電解液Ｅを保持する部材であり、内部に被処理対象である粗材Ｗが浸漬できる。電解液Ｅは、前述したアルミニウム部品の製造方法の欄にて説明した通りなので更なる説明は省略する。

電源装置２０は、定電圧電源である。出力する電圧は、１８Ｖ以下であり、前述したアルミニウム部品の製造方法の欄にて説明した通りである。電源装置２０からは、陽極配線２１と陰極配線２２が接続されている。陽極配線２１には粗材Ｗが接続される。陰極配線２２には陰極２５及び２６が接続される。陰極２５及び２６と粗材Ｗとは間隙を空けて電解液Ｅ中に配設されるようにジグ（図略）に固定される。

制御装置３０は、電源装置２０を制御する電源装置制御部３０ａと温度調節手段４０を制御する温度調節手段制御部３０ｂとをもつ。電源装置制御部３０ａは制御線３１が接続される。温度調節手段制御部３０ｂは制御線３２が接続される。

電源装置制御部３０ａは、電流積分部３０ａ１と制御部３０ａ２とをもち、電流積分部３０ａ１が出力する電流値を時間で積分して、制御部３０ａ２がその積分値に基づき生成した陽極酸化皮膜の厚みを算出して目標の厚みとなったときに電源装置２０からの電圧の出力を停止する制御を行う。

温度調節手段制御部３０ｂは、温度調節手段４０が測定した電解液Ｅの温度に基づき、電解液Ｅの温度が目標値になるように温度調節手段４０を制御する。電解液Ｅの温度の目標値については前述したアルミニウム部品の製造方法にて説明した通りである。

温度調節手段４０は、電解液Ｅ中に浸漬するように配設され、電解液を撹拌する撹拌手段（図略）と電解液Ｅを加熱するヒータ（図略）と電解液Ｅの温度を測定する温度計（図略）とをもつ。

なお、図１では、粗材Ｗが１つである態様を記載しているが、複数の粗材Ｗについて同時に処理する態様を採用することも可能である。その場合には、電源装置２０、電源装置制御部３０ａ、陰極２５及び２６、陽極配線２１、陰極配線２２については粗材Ｗの数似合わせて複数組を用意する必要がある。浸漬槽１０、電解液Ｅ、温度調節手段４０、温度調節手段制御部３０ｂについては、複数の粗材Ｗを組として、その複数の粗材Ｗの数よりも少ない数として用意することもできる。

（２－２．作用効果）
上述の構成を有することから本実施形態のアルミニウム部品の製造装置は、粗材に印加される電圧が電解液の状況などの要因により変動したとしても１８Ｖ以下に制限することができるためにセルサイズを適正な範囲（４０ｎｍ以下）に収めることができるため、亀裂の生成を抑制することができる。そして、電源の上限を制限した状態で電流値を大きくすることで陽極酸化皮膜の生成速度を大きくすることが可能になった。つまり、亀裂の生成が抑制できた陽極酸化皮膜を速い速度で生成することが可能になった。

本発明のアルミニウム部品の製造方法及び製造装置について以下実施例に基づき詳細に説明を行う。

（試験１）
陽極酸化皮膜のセルサイズと印加する電圧との関係を評価した。印加する電圧としては１８Ｖ（試験例１－１）、２０Ｖ（試験例１－２）、２２Ｖ（試験例１－３）とした。それぞれに流れた電流密度のピーク値は試験例１－１が１Ａ／ｄｍ^２、試験例１－２が５Ａ／ｄｍ^２、試験例１－３が７．５Ａ／ｄｍ^２であった。そのため生成する陽極酸化皮膜の厚みを一定にするため処理時間は、試験例１－１が９００秒、試験例１－２が１８０秒、試験例１－３が１２０秒とした。得られた陽極酸化皮膜が形成された粗材について、１６５℃で１時間処理した。その後、陽極酸化皮膜が形成された方向と直交する方向での断面での様子を金属顕微鏡及びＳＥＭにて観察し、陽極酸化皮膜における亀裂の発生の有無、セルサイズを測定した。

その結果、亀裂が発生しなかったのは試験例１－１のみであった。セルサイズは、試験例１－１が４０ｎｍ、試験例１－２が５０ｎｍ、試験例１－３が５５ｎｍであった。従って、印加する電圧は１８Ｖ以下にすることで亀裂の発生を抑制できることが分かった。亀裂が抑制できたのはセルサイズが４０ｎｍ以下にすることができたからであることが分かった。さらに、印加する電圧を１３Ｖとした場合にも陽極酸化皮膜が生成すること及び亀裂が発生しないことを確認した。

（試験２）
試験１の条件にて亀裂が発生しなかった試験例１の条件（印加する電圧が１８Ｖ）において、電流の値（ピーク値）を変化させたときの亀裂の発生の有無及びセルサイズの変化について検討を行った。流した電流の値は表１に示す。電流の値は、表１に示すように電解液の温度及ぶ含有される硫酸の濃度を調節することで制御した。陽極酸化皮膜を形成した粗材について試験１と同様の評価を行った。さらに、外観を観察し膜焼けの発生の有無を確認した。結果を表１に示す。

表１より明らかなように、電流密度が０．９８Ａ／ｄｍ^２（試験例２－１）から７．１９Ａ／ｄｍ^２（試験例２－５）の範囲において膜焼けや亀裂が発生しないことが分かった。この場合に電解液の硫酸濃度２００ｇ／Ｌの場合においては電解液温度が１０℃（試験例２－１）から３０℃（試験例２－５）の範囲において温度の上昇に伴い電流密度が上昇していくことが明らかとなり、この範囲において生成した陽極酸化皮膜は膜焼け及び亀裂が発生しないことが分かった。セルサイズについても４０ｎｍであり電流密度が変化してもセルサイズは変化しなかった。

電解液の硫酸濃度３００ｇ／Ｌの場合においては電解液温度が１５℃（試験例２－６）において生成した陽極酸化皮膜は膜焼け及び亀裂が発生しないことが分かった。セルサイズについても４０ｎｍであり電流密度が変化してもセルサイズは変化しなかった。電解液温度２０℃（試験例２－７）、２５℃（試験例２－８）では膜焼け及び亀裂の生成が認められた。この場合に電流密度が電解液温度２０℃では１１．４Ａ／ｄｍ^２、２５℃では６８．６Ａ／ｄｍ^２であり、電解液温度が高くなって電流密度が高くなり過ぎたことから大きなジュール熱が発生したことが原因であると推測された。

電解液の硫酸濃度は、２００ｇ／Ｌの方が３００ｇ／Ｌよりも生成した陽極酸化皮膜の膜厚のばらつきが小さくなっており好ましいことが分かった。

（試験３）
印加する電圧を１８Ｖに固定したときの電流値の経時変化を図２に示す。図２より明らかなように電流値は経時的に変化するが、電流の積分値と、生成した陽極酸化皮膜の厚みとの間にほぼ相関があることが確認できた（図３参照）。従って、電流密度の積分値を算出することで陽極酸化皮膜の厚みが測定できることを確認した。

１０…浸漬槽 ２０…電源装置 ２１…陽極配線 ２２…陰極配線 ２５、２６…陰極 ３０…制御装置 ３０ａ…電源装置制御部 ３０ｂ…温度調節手段制御部 ４０…温度調節手段 Ｗ…粗材（被処理対象）

Claims (2)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなり被処理対象である粗材を陽極とし、陰極とともに硫酸濃度が１５０ｇ／Ｌ～３００ｇ／Ｌの電解液に接触させ、
   電流密度が０．８Ａ／ｄｍ^２～７．５Ａ／ｄｍ^２、印加電圧が１３Ｖ以上１８Ｖ以下（ただし、１５Ｖ以下を除く）の定電圧条件で前記陽極と前記陰極との間に電流を流して、セルサイズが４０ｎｍ以下の陽極酸化皮膜を生成し、
   前記陽極と前記陰極との間に流れた電流の積分値を算出し、算出した前記積分値に基づき算出される陽極酸化皮膜の生成厚みが所定値になったときに処理を終了することにより、所定厚みの前記陽極酸化皮膜を生成し、
   １６５℃で１時間の熱処理を行ったときに亀裂が発生しないアルミニウム部品の製造方法。
2. 前記硫酸濃度が１５０ｇ／Ｌ～３００ｇ／Ｌの電解液の場合に、前記電流密度が０．８Ａ／ｄｍ^２～７．５Ａ／ｄｍ^２となるように、前記電解液の温度を１０℃以上３０℃以下の範囲内で一定値とする、請求項１に記載のアルミニウム部品の製造方法。

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