JP7842267B1 - 表面処理アルミニウム材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面硬度が高く、疲労特性に優れた表面処理アルミニウム材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】表面処理アルミニウム材１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材２と、母材上に形成された保護皮膜３とを有している。保護皮膜３は、アルミニウムの酸化物からなり母材２を覆う第一層３１と、アルミニウムの水和酸化物を含み第一層３１を覆う第二層３２とを有している。室温環境中において、応力比０．１、繰返し応力の周波数３０Ｈｚの条件で表面処理アルミニウム材１の引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面処理アルミニウム材及びその製造方法に関する。

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム材は、種々の用途に利用されている。これらのアルミニウム材の表面には、耐食性の向上、耐傷性の向上及び意匠性の向上などの種々の目的を達成するために陽極酸化皮膜が設けられることがある。陽極酸化皮膜によりアルミニウム材に付与することができる機能は多種多様であるため、陽極酸化皮膜を有するアルミニウム材の適用分野はますます拡大している。

例えば特許文献１には、陽極酸化皮膜の硬度、弾性率及び耐食性を向上させることを目的として、ケイ素が４．０～２４．０質量％添加されたアルミニウム合金の陽極酸化処理をする際、処理時間を６０分以内とし、前記処理時間内に１０μｍ以上２５μｍ以下の膜厚の陽極酸化皮膜を生成させるアルミニウム合金の陽極酸化処理方法が記載されている。

特開２０２２－１５５９１７号公報

しかし、アルミニウム合金材の表面に陽極酸化皮膜を形成すると、アルミニウム合金材の疲労寿命が短くなりやすいという問題がある。特に、封孔処理によって陽極酸化皮膜の細孔を閉塞した場合には、疲労寿命が顕著に短くなりやすいという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、表面硬度が高く、疲労特性に優れた表面処理アルミニウム材およびその製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一参考態様は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材と、前記母材上に形成された保護皮膜と、を有する表面処理アルミニウム材であって、
前記保護皮膜は、アルミニウムの酸化物からなり、前記母材を覆う第一層と、
アルミニウムの水和酸化物を含み、前記第一層を覆う第二層と、を有し、
室温環境中において、応力比０．１、繰返し応力の周波数３０Ｈｚの条件で前記表面処理アルミニウム材の引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である、表面処理アルミニウム材にある。

本発明の一態様は、前記の態様の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、
前記母材を準備し、
前記母材に陽極酸化処理を施すことにより前記母材上に前記第一層を形成し、
その後、前記母材及び前記第一層を、５０℃以上６００℃以下の温度で３分以上４８時間以下加熱し、
その後、前記第一層に封孔剤を接触させて前記第二層を形成する、表面処理アルミニウム材の製造方法にある。

前記表面処理アルミニウム材（以下、「アルミニウム材」という。）は、アルミニウムの酸化物からなる第一層と、アルミニウムの水和酸化物を含み第一層を被覆する第二層とを備え、母材上に形成された保護皮膜を有している。そのため、前記表面処理アルミニウム材は高い表面硬度を有している。

また、前記アルミニウム材は、前記特定の条件で引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である。かかるアルミニウム材は、優れた疲労特性を有しており、荷重が繰り返し加わった場合においても亀裂の発生を抑制することができる。

前記表面処理アルミニウム材の製造方法においては、前記母材に陽極酸化処理を施すことにより第一層を形成する。そして、第一層を前記特定の範囲内の条件で加熱した後に第二層を形成する。このようして形成されたアルミニウム材は、高い表面強度を有するとともに優れた疲労特性を有している。

以上のように、前記の態様によれば、表面硬度が高く、疲労特性に優れた表面処理アルミニウム材およびその製造方法を提供することができる。

図１は、実施例における表面処理アルミニウム材の断面図である。 図２は、実施例の表面処理アルミニウム材の製造過程において、第一層が形成された母材の断面図である。 図３は、実施例における試験材Ａ１及び試験材Ｂ１のＳ－Ｎ線図の説明図である。 図４は、実施例における試験材Ａ２及び試験材Ｂ２のＳ－Ｎ線図の説明図である。 図５は、実施例における試験材Ａ３及び試験材Ｂ３のＳ－Ｎ線図の説明図である。

（表面処理アルミニウム材）
前記アルミニウム材の母材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている。母材の形状は特に限定されることはなく、アルミニウム材の用途に応じて種々の形状をとり得る。例えば、母材は、圧延板や押出材などの展伸材であってもよく、鋳造材や鍛造材であってもよい。また、母材には所望の形状に成形するための機械加工が施されていてもよい。母材の形状が板状である場合、母材の厚みは特に限定されることはない。より具体的には、母材は、例えば、１ｍｍ程度の厚みを有する冷延板であってもよく、５０ｍｍ程度の厚みを有する熱延板であってもよい。

母材は、押出材であることが好ましい。押出材は、比較的高い疲労強度を求められる用途に用いられる場合が多い。それ故、母材としての押出材の表面に前記保護皮膜を形成することにより、前述した効果をより有効に利用することができる。

母材の材質は、アルミニウム材の用途に応じて、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群の中から適宜選択することができる。より具体的には、母材を構成するアルミニウムとしては、例えば、１０００系アルミニウムを使用することができる。また、母材を構成するアルミニウム合金としては、例えば、２０００系アルミニウム合金、３０００系アルミニウム合金、４０００系アルミニウム合金、５０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金、７０００系アルミニウム合金及び８０００系アルミニウム合金を使用することができる。また、母材は、互いに異なる化学成分を有する２つ以上の層が積層されたクラッド材であってもよい。

母材は、６０００系アルミニウム合金または７０００系アルミニウム合金から構成されていることが好ましい。これらのアルミニウム合金は、アルミニウム合金の中でも比較的高い強度を有している。そのため、これらの合金から構成された母材の表面に前記保護皮膜を形成することにより、前記アルミニウム材の疲労強度をより高めることができる。

前記母材上には、母材上に積層された第一層と、第一層に積層された第二層とを含む保護皮膜が設けられている。保護皮膜の厚みは１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。この場合には、アルミニウム材の表面硬度をより確実に高めるとともに、アルミニウム材の耐食性をより向上させることができる。保護皮膜の厚みの上限は特に限定されることはないが、保護皮膜の厚みの製造上の上限は、例えば２００μｍである。前記アルミニウム材の生産性をより高める観点からは、保護皮膜の厚みは１５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましく、６０μｍ以下であることがさらに好ましい。

保護皮膜の厚みの好ましい範囲を構成するに当たっては、前述した保護皮膜の上限と下限とを任意に組み合わせることができる。保護皮膜の厚みの好ましい範囲は、例えば、１０μｍ以上２００μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上１５０μｍ以下であってもよく、１５μｍ以上１００μｍ以下であってもよく、１５μｍ以上６０μｍ以下であってもよく、２０μｍ以上６０μｍ以下であってもよい。

第一層は、アルミニウムの酸化物から構成されている。第一層は、細孔を有していてもよい。すなわち、第一層は、ポーラス型の陽極酸化皮膜であってもよい。また、第一層は、細孔を有しない、バリア型の陽極酸化皮膜であってもよい。陽極酸化皮膜の厚みをより容易に厚くする観点からは、第一層は、細孔を有していることが好ましい。また、第一層の細孔は第二層によって封孔されていることが好ましい。この場合には、アルミニウム材の表面硬度をより確実に高めるとともに、アルミニウム材の耐食性をより高めることができる。

第二層にはアルミニウムの水和酸化物が含まれている。アルミニウムの水和酸化物は、化学的な安定性が高いため、前記アルミニウム材を使用している間に変質しにくい。また、アルミニウムの水和酸化物は、耐食性にも優れている。

また、第二層は、例えば、母材に陽極酸化処理を施して第一層を形成した後に、第一層に含まれるアルミニウムの酸化物を水和させることにより形成される。アルミニウムの酸化物を水和させると、アルミニウムの酸化物の表面から水和酸化物が成長するため、アルミニウムの酸化物と水和酸化物との間に欠陥が形成されにくい。従って、第一層上にアルミニウムの水和酸化物を含む第二層を形成することにより、第一層と第二層との界面への欠陥の形成を抑制することができる。そのため、第一層上にアルミニウムの水和酸化物を含む第二層を設けることにより、高い耐食性を長期間に亘って維持することができる。

第二層は、より具体的には、アルミニウムの水和酸化物から構成されていてもよい。また、第二層は、アルミニウムの水和酸化物と、アルミニウム以外の金属元素の酸化物及び／または水酸化物とから構成されていてもよい。第二層に含まれる金属元素としては、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｆｅ（鉄）、Ｉｒ（イリジウム）及びＳｃ（スカンジウム）等が挙げられる。すなわち、第二層は、アルミニウムの水和酸化物と、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｉｒ及びＳｃからなる群より選択される１種または２種以上の金属元素の酸化物及び／または水酸化物とを含んでいてもよい。

ＪＩＳ Ｈ８６８３－２：２０１３に規定された方法により封孔度試験を行った場合における、前記アルミニウム材の単位面積当たりの質量減少量は０．３ｇ／ｄｍ²以下であることが好ましい。かかるアルミニウム材は、第一層が第二層によって十分に被覆されている。そのため、封孔度試験における質量減少量を前記特定の範囲内とすることにより、前記アルミニウム材の表面硬度をより容易に高めることができる。

なお、封孔度試験の具体的な方法は以下の通りである。まず、リン酸３５ｍＬ及び無水クロム酸２０ｇを水に溶解させ、１Ｌの試験液を準備する。次に、アルミニウム材から保護皮膜を含む試験片を採取し、試験片における保護皮膜の面積を測定する。この試験片の表面の汚れを除去した後、試験片の質量を測定する。その後、試験片を３８℃±１℃の温度に保持された試験液中に１５分±５秒間浸漬する。

試験液への試験片の浸漬が完了した後、試験片を流水で洗浄し、さらに脱イオン水または蒸留水で洗浄する。洗浄後の試験片を十分に乾燥させた後、試験片の質量を測定する。

以上により得られる、試験片の保護皮膜の面積Ａ（単位：ｄｍ^２）、試験液への浸漬前の試験片の質量ｍ_１（単位：ｇ）及び試験液への浸漬後の試験片の質量ｍ_２（単位：ｇ）を用い、下記式（１）に基づいて単位面積当たりの質量減少量δ_Ａ（単位：ｇ／ｄｍ^２）を算出することができる。
δ_Ａ＝（ｍ_１－ｍ_２）／Ａ ・・・（１）

室温環境中において、応力比０．１、繰返し応力の周波数３０Ｈｚの条件で前記表面処理アルミニウム材の引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である。かかるアルミニウム材は、優れた疲労特性を有しており、荷重が繰り返し加わった場合においても疲労破壊の進展を抑制し、疲労寿命を向上させることができる。

前記アルミニウム材の引張軸力疲労試験は、より具体的には、ＪＩＳ Ｚ２２７１－１９７８に従い、２５℃±５℃の室温環境中で行う。試験片に加える応力は引張応力とし、その応力比、つまり、最大応力に対する最小応力の比は０．１とする。また、引張応力の繰り返し周波数は３０Ｈｚとする。以上の条件で、試験片に加える応力を種々変更して引張軸力疲労試験を行い、試験片が破断した時の繰返し数を破断繰返し数とする。

これらの試験結果に基づき、縦軸に試験片に加えた応力の最大値を示し、横軸に破断繰り返し数を示したＳ－Ｎ曲線を作成する。そして、このようにして作製したＳ－Ｎ曲線を、日本材料学会標準：ＪＳＭＳ－ＳＤ－６－０４「金属材料疲労信頼性評価標準（Ｓ－Ｎ曲線回帰法）」に従い、回帰モデルとして連続低下型の曲線モデルを用いて解析を行う。このようにして得られる回帰曲線における、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力を前記アルミニウム材の疲労強度とする。

（アルミニウム材の製造方法）
前記表面処理アルミニウム材は、例えば、
前記母材を準備し、
前記母材に陽極酸化処理を施すことにより前記母材上に前記第一層を形成し、
その後、前記母材及び前記第一層を、５０℃以上６００℃以下の温度で３分以上４８時間以下加熱し、
その後、前記第一層に封孔剤を接触させて前記第二層を形成することにより得られる。以下、前記アルミニウム材の製造方法をより詳細に説明する。

前記表面処理アルミニウム材を作製するに当たっては、まず、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材を準備する。母材の製造方法は特に限定されることはなく、公知の方法を採用することができる。例えば、母材は、鋳造、圧延及び熱処理を適宜組み合わせた方法により作製されていてもよい。母材の鋳造方法としては、ＤＣ鋳造及び連続鋳造のいずれを採用してもよい。また、母材は、鋳造材や鍛造材、展伸材に機械加工を施すことにより所望の形状に成形されていてもよい。前述したように、疲労特性を向上させる効果をより有効に利用する観点からは、母材の準備において、鋳塊に押出加工を行うことにより母材を作製することが好ましい。

また、前記製造方法においては、母材に陽極酸化処理を施す前に、必要に応じて脱脂、エッチング、デスマット、研磨及び研削などの陽極酸化処理の前処理を施してもよい。

前記製造方法においては、このようにして準備された母材に電解液中で陽極酸化処理を施すことにより前記母材上に前記第一層を形成する。陽極酸化処理においては、直流電解、つまり、母材と対極とを電解液に浸漬した状態で、母材と対極との間に直流電流を流す方法により母材の表面に第一層を形成することができる。

陽極酸化処理において用いる電解液は、例えば、硫酸やシュウ酸、リン酸などの電解質を含む酸性電解液であってもよく、メタホウ酸ナトリウムなどの電解質を含むアルカリ性電解液であってもよい。陽極酸化処理において用いる電解液は、金属イオンやアンモニウムイオンなどの無機陽イオンと、硫酸イオン、リン酸イオン、ホウ酸イオンからなる群より選択される１種または２種以上の陰イオンとからなる無機電解質を含むことが好ましい。無機電解質を含む電解液を用いて陽極酸化処理を行うことにより、所望の構造を有する第一層をより容易に形成することができる。

陽極酸化処理における直流電流の電流密度は、例えば、１ｍＡ／ｃｍ^２以上１００ｍＡ／ｃｍ^２以下の範囲から適宜設定することができる。また、陽極酸化処理における電解液の温度は、例えば、０℃以上４０℃以下の範囲から適宜設定することができる。

陽極酸化処理において形成される第一層の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましい。第一層の厚みを１０μｍ以上とすることにより、封孔後に得られる保護皮膜の厚みを十分に厚くし、前記アルミニウム材の耐食性をより高めることができる。

前記製造方法においては、陽極酸化処理を行った後、前記母材及び前記第一層を５０℃以上６００℃以下の温度で３分以上４８時間以下加熱する。このように、第一層上に第二層を形成する前に前記特定の条件で第一層を加熱することにより、前記アルミニウム材の疲労強度を向上させることができる。

第一層の加熱によって前述した効果が得られる理由は現時点では必ずしも明確ではないが、例えば、以下の理由が考えられる。母材上に形成された第一層には複数の歪みが存在しており、これらの歪みは、個々の歪みの状態に応じた温度で加熱された際に解放されると考えられる。そのため、陽極酸化処理によって第一層を形成した後に第一層を加熱すると、第一層内に存在する歪みのうち、第一層の加熱温度に応じて歪みが解放され、内部応力が緩和されると考えられる。また、第一層の内部応力が緩和された後に第二層を形成することにより、荷重が繰り返し印加された場合においてもクラックが生じにくい保護皮膜を形成することができると考えられる。そして、このように、繰り返し荷重に対する保護皮膜の耐久性を向上させることにより、保護皮膜に生じるクラックを起点とした母材の疲労破壊の進展を抑制することができると考えられる。以上の結果、前記アルミニウム材の疲労特性を向上させることができると考えられる。

保護皮膜の耐熱性をより高める観点からは、第一層の加熱温度は７０℃以上であることが好ましく、１００℃以上であることがより好ましく、１２０℃以上であることがさらに好ましく、１５０℃以上であることが特に好ましい。第一層の加熱温度が５０℃未満の場合には、第一層の内部応力の緩和が不十分となりやすい。そのため、この場合には、荷重が繰り返し印加された場合に保護皮膜にクラックが発生しやすくなり、前記アルミニウム材の疲労特性の低下を招くおそれがある。

一方、第一層の加熱温度が過度に高い場合には、加熱中に母材が溶融したり、母材の熱膨張に第一層が追従できず、第一層を加熱している間に第一層にクラックが発生したりするおそれがある。第一層の加熱温度を６００℃以下、好ましくは５００℃以下、より好ましくは４００℃以下、さらに好ましくは３５０℃以下、特に好ましくは３００℃以下とすることにより、かかる問題を容易に回避することができる。

第一層の加熱温度の好ましい範囲を構成するに当たっては、前述した第一層の加熱温度の上限と下限とを任意に組み合わせることができる。例えば、第一層の加熱温度の好ましい範囲は、７０℃以上５００℃以下であってもよく、１００℃以上４００℃以下であってもよく、１２０℃以上３５０℃以下であってもよく、１５０℃以上３００℃以下であってもよい。

また、第一層の加熱における加熱時間を３分以上４８時間以下とすることにより、第一層の内部応力を十分に緩和し、アルミニウム材の疲労特性を向上させることができる。

第一層の加熱は、母材の熱処理を兼ねていてもよい。例えば、前記母材及び前記第一層の加熱において、前記母材に溶体化処理または人工時効処理からなる群より選択されるいずれか１種の熱処理を行うこともできる。第一層の加熱と同時にこれらの熱処理を行うことにより、母材の強度をより向上させることができる。その結果、前記アルミニウム材の疲労強度をより高めることができる。

前記製造方法においては、第一層を加熱した後に、第一層に封孔剤を接触させて第二層を形成する。封孔剤としては、例えば、温度８０℃以上の温水や水蒸気、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｉｒ及びＳｃからなる群より選択される１種または２種以上の金属元素のイオンを含む水溶液等の、アルミニウムの酸化物と反応して水和酸化物を形成可能な物質を使用することができる。温水または水蒸気を用いて封孔処理を行う場合には、第一層上に、アルミニウムの水和酸化物からなる第二層を形成することができる。

また、前記金属元素のイオンを含む水溶液を封孔剤として用いる場合には、第一層上に、アルミニウムの水和酸化物と、前記金属元素の酸化物及び／または水酸化物とを含む第二層を形成することができる。前記金属元素は、前記水溶液中において金属イオンとして存在していてもよく、錯イオンとして存在していてもよい。封孔剤としては、より具体的には、酢酸ニッケル水溶液、酢酸コバルト水溶液、フッ化ニッケル水溶液、クロム酸塩水溶液及びケイ酸塩水溶液などの、前記金属元素を含む金属塩の水溶液などを使用することができる。

耐食性及び耐熱性に優れたアルミニウム材をより容易に得る観点からは、封孔剤が温度８０℃以上の温水であることが好ましい。封孔剤として温水を用いる場合には、第一層を、封孔剤としての８０℃以上の温水に１０分以上１２０分未満接触させることにより第二層を形成することがより好ましい。

前記表面処理アルミニウム材及びその製造方法の実施例を、図１～図３を参照しつつ説明する。本例の表面処理アルミニウム材１は、図１に示すように、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材２と、母材上に形成された保護皮膜３と、を有している。保護皮膜３は、アルミニウムの酸化物からなり、母材２を覆う第一層３１と、アルミニウムの水和酸化物を含み、第一層３１を覆う第二層３２と、を有している。室温環境中において、応力比０．１、繰返し応力の周波数３０Ｈｚの条件で前記表面処理アルミニウム材の引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である。

本例のアルミニウム材１を作製するに当たっては、まず、母材２に陽極酸化処理を施すことにより、図２に示すように母材２上に第一層３１を形成する。その後、母材２及び第一層３１を、５０℃以上６００℃以下の温度で３分以上４８時間以下加熱して第一層３１の内部応力を緩和する。そして、加熱された後の第一層３１に封孔剤を接触させて第二層３２を形成することにより、アルミニウム材１を得ることができる。

表１に、アルミニウム材１の具体例（試験材Ａ１～Ａ３）を示す。これらの試験材の作製方法は、例えば以下の通りである。

（試験材Ａ１）
試験材Ａ１を作製するに当たっては、まず、ＤＣ鋳造により合金番号Ａ６０６１で表される化学成分を有する鋳塊を作製する。この鋳塊を５５５℃の温度に５時間保持して均質化処理を行った後、５００℃の温度で熱間押出を行うことにより、直径１５ｍｍの丸棒状のアルミニウム押出材を作製する。

この押出材を適当な長さの小片に切断した後、この小片に溶体化処理を行う。溶体化処理においては、前記小片を５２５℃の温度で３０分間加熱し、次いでファン空冷により焼入れを行う。溶体化処理を行った後、小片を１７５℃の温度に８時間保持して人工時効処理を行う。その後、小片に機械加工及びバフ研磨を行い、ＡＳＴＭ Ｅ４４６－２０２１に規定された試験片の形状に準じた形状に成形する。以上により母材２を得ることができる。

次に、母材２に陽極酸化処理の前処理を施す。具体的には、前処理として、まずエタノール浴中で母材２の超音波洗浄を行う。母材２に前処理を行った後、母材２に陽極酸化処理としての直流電解を行い、母材２の表面に第一層３１を形成する。陽極酸化処理において用いる電解液は濃度１５質量％の硫酸水溶液とし、電解液の温度は５℃とする。また、陽極酸化処理における電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ^２とし、処理時間は６０分とする。このようにして形成される第一層３１は、いわゆるポーラス型のアルマイト皮膜であり、図２に示すように、多数の細孔３１１を有している。なお、前述した条件で陽極酸化処理を行うことにより形成される第一層３１の厚みはおよそ１５μｍである。

陽極酸化処理を行った後、母材２を１７０℃の温度に設定した加熱炉内で３０分間加熱し、第一層３１の内部応力を緩和する。

その後、第一層３１を備えた母材２を、封孔剤としての温度１００℃の温水に６０分間浸漬することにより、第一層３１上にアルミニウムの水和酸化物からなる第二層３２を形成するとともに、第二層３２によって第一層３１の細孔３１１を封孔する。以上により、試験材Ａ１を得ることができる。なお、このような条件で形成される保護皮膜３の厚みはおよそ１５μｍである。また、このような条件で第一層３１の細孔３１１を封孔する場合、ＪＩＳ Ｈ８６８３－２：２０１３に規定された方法により封孔度試験を行った場合における、アルミニウム材１の単位面積当たりの質量減少量は概ね０．０１ｇ／ｄｍ²となる。

（試験材Ａ２）
試験材Ａ２は、母材が７０００系合金から構成されている点を除き、試験材Ａ１と概ね同様の構成を有している。試験材Ａ２を作製するに当たっては、まず、ＤＣ鋳造により７０００系合金からなる鋳塊を作製する。この鋳塊を４７０℃の温度に６時間保持して均質化処理を行った後、４５０℃の温度で熱間押出を行うことにより、直径１５ｍｍの丸棒状のアルミニウム押出材を作製する。この押出材を適当な長さに切断した後、機械加工及びバフ研磨を行うことにより、ＡＳＴＭ Ｅ４４６－２０２１に規定された試験片の形状に準じた形状の母材２を作製する。

次に、母材２に陽極酸化処理の前処理を施す。具体的には、前処理として、まずエタノール浴中で母材２の超音波洗浄を行う。母材２に前処理を行った後、母材２に陽極酸化処理としての直流電解を行い、母材２の表面に第一層３１を形成する。陽極酸化処理において用いる電解液は濃度１５質量％の硫酸水溶液とし、電解液の温度は５℃とする。また、陽極酸化処理における電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ^２とし、処理時間は６０分とする。

陽極酸化処理を行った後、母材２を１２０℃の温度に設定した加熱炉内で２４時間加熱し、第一層３１の内部応力を緩和するとともに母材２の人工時効処理を行う。

その後、第一層３１を備えた母材２を、封孔剤としての温度１００℃の温水に６０分間浸漬することにより、第一層３１上にアルミニウムの水和酸化物からなる第二層３２を形成するとともに、第二層３２によって第一層３１の細孔３１１を封孔する。以上により、試験材Ａ２を得ることができる。

（試験材Ａ３）
試験材Ａ３は、試験材Ａ２と概ね同様の構成を有している。試験材Ａ３を作製するに当たっては、まず、試験材Ａ２の作製方法と同様の方法により、母材２の表面に第一層３１を形成する。その後、母材２を４００℃の温度で１時間保持した後、ファン空冷により焼入れを行うことにより、第一層３１の内部応力を緩和するとともに母材２の溶体化処理を行う。その後、母材２を１２０℃の温度に設定した加熱炉内で２４時間加熱することにより、母材２の人工時効処理を行う。

その後、第一層３１を備えた母材２を、封孔剤としての温度１００℃の温水に６０分間浸漬することにより、第一層３１上にアルミニウムの水和酸化物からなる第二層３２を形成するとともに、第二層３２によって第一層３１の細孔３１１を封孔する。以上により、試験材Ａ３を得ることができる。

（試験材Ｂ１）
表１に示す試験材Ｂ１は、試験材Ａ１との比較のための試験材である。試験材Ｂ１の作製方法は、第一層を形成した後、加熱を行わずに第二層を形成する点以外は試験材Ａ１の作製方法と同様である。

（試験材Ｂ２）
表１に示す試験材Ｂ２は、試験材Ａ２との比較のための試験材である。試験材Ｂ２の作製方法は、母材２に人工時効処理を行った後に陽極酸化処理の前処理を行う点、及び、第一層を形成した後、加熱を行わずに第二層を形成する点以外は試験材Ａ２の作製方法と同様である。なお、試験材Ｂ２における人工時効処理の条件は、試験材Ａ２における人工時効処理の条件と同一である。

（試験材Ｂ３）
表１に示す試験材Ｂ３は、試験材Ａ３との比較のための試験材である。試験材Ｂ３の作製方法は、母材２に溶体化処理及び人工時効処理を行った後に陽極酸化処理の前処理を行う点、及び、第一層を形成した後、加熱を行わずに第二層を形成する点以外は試験材Ａ３の作製方法と同様である。なお、試験材Ｂ３における溶体化処理及び人工時効処理の条件は、試験材Ａ３における溶体化処理及び人工時効処理の条件と同一である。

次に、試験材Ａ１～Ａ３及び試験材Ｂ１～Ｂ３の疲労特性の評価方法を説明する。前記試験材の疲労特性は、前記試験材の引張軸力疲労試験の結果に基づいて評価することができる。引張軸力疲労試験は、ＡＳＴＭ Ｅ４４６－２０２１に従い、２５℃±５℃の室温環境中で行う。試験片に加える応力は引張応力とし、その応力比、つまり、最大応力に対する最小応力の比は０．１とする。また、引張応力の繰り返し周波数は３０Ｈｚとする。以上の条件で、試験片に加える応力を種々変更して引張軸力疲労試験を行い、試験片が破断した時の繰返し数を破断繰返し数とする。

これらの試験結果を、縦軸に試験片に加えた応力の最大値を表し、横軸に破断繰り返し数の常用対数を表したグラフにプロットすることによりＳ－Ｎ線図を作成する。図３に、試験材Ａ１及び試験材Ｂ１のＳ－Ｎ線図の一例を示す。図４に、試験材Ａ２及び試験材Ｂ２のＳ－Ｎ線図の一例を示す。図５に、試験材Ａ３及び試験材Ｂ３のＳ－Ｎ線図の一例を示す。

このようにして作製したＳ－Ｎ曲線を、日本材料学会標準：ＪＳＭＳ－ＳＤ－６－０４「金属材料疲労信頼性評価標準（Ｓ－Ｎ曲線回帰法）」に従い、回帰モデルとして連続低下型の曲線モデルを用いて解析を行うことにより、前述した試験結果の回帰曲線を決定する。そして、この回帰曲線において、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力を決定する。以上の操作を各試験材について行い、これらの試験における破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力を疲労強度とする。表１に、各試験材における疲労強度を示す。

表１に示すように、試験材Ａ１～Ａ３の製造過程においては、第一層が前記特定の範囲内の条件で加熱された後に第二層が形成されている。そのため、これらの試験材の疲労強度は１６０ＭＰａ以上となる。それ故、これらの試験材は、表面硬度が高く、疲労特性に優れている。

これに対し、試験材Ｂ１～Ｂ３の製造過程においては、母材上に第一層を形成した後、第一層を加熱することなく第二層が形成されている。そのため、これらの試験材の疲労強度は１６０ＭＰａ未満となる。それ故、これらの試験材は、疲労特性に劣っている。

以上、実施例に基づいて前記表面処理アルミニウム材及びその製造方法の態様を説明したが、本発明に係る表面処理アルミニウム材およびその製造方法の具体的な態様は実施例の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で適宜構成を変更することができる。

例えば、前記表面処理アルミニウム材は、以下の〔１〕～〔３〕に係る態様を採り得る。

〔１〕アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材と、前記母材上に形成された保護皮膜と、を有する表面処理アルミニウム材であって、
前記保護皮膜は、アルミニウムの酸化物からなり、前記母材を覆う第一層と、
アルミニウムの水和酸化物を含み、前記第一層を覆う第二層と、を有し、
室温環境中において、応力比０．１、繰返し応力の周波数３０Ｈｚの条件で前記表面処理アルミニウム材の引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である、表面処理アルミニウム材。

〔２〕前記母材が６０００系アルミニウム合金または７０００系アルミニウム合金から構成されている、〔１〕に記載の表面処理アルミニウム材。
〔３〕ＪＩＳ Ｈ８６８３－２：２０１３に規定された方法により封孔度試験を行った場合における、単位面積当たりの質量減少量が０．３ｇ／ｄｍ²以下である、〔１〕または〔２〕に記載の表面処理アルミニウム材。

また、前記表面処理アルミニウム材の製造方法は、以下の〔４〕～〔６〕に係る態様を採り得る。

〔４〕〔１〕～〔３〕のいずれか１つに記載の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、
前記母材を準備し、
前記母材に陽極酸化処理を施すことにより前記母材上に前記第一層を形成し、
その後、前記母材及び前記第一層を、５０℃以上６００℃以下の温度で３分以上４８時間以下加熱し、
その後、前記第一層に封孔剤を接触させて前記第二層を形成する、表面処理アルミニウム材の製造方法。

〔５〕前記母材の準備において、鋳塊に押出加工を行うことにより前記母材を作製する、〔４〕に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。
〔６〕前記母材及び前記第一層の加熱において、前記母材に溶体化処理または人工時効処理からなる群より選択される少なくとも１種の熱処理を行う、〔４〕または〔５〕に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。

１ 表面処理アルミニウム材
２ 母材
３ 保護皮膜
３１ 第一層
３２ 第二層

Claims (5)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材と、前記母材上に形成された保護皮膜と、を有し、
   前記保護皮膜は、アルミニウムの酸化物からなり、前記母材を覆う第一層と、
   アルミニウムの水和酸化物を含み、前記第一層を覆う第二層と、を有し、
   室温環境中において、応力比０．１、繰返し応力の周波数３０Ｈｚの条件で引張軸力疲労試験を行った場合に、破断繰り返し数が１．０×１０⁶であるときの最大応力で表される疲労強度が１６０ＭＰａ以上である、表面処理アルミニウム材の製造方法であって、
   前記母材を準備し、
   前記母材に陽極酸化処理を施すことにより前記母材上に前記第一層を形成し、
   その後、前記母材及び前記第一層を、５０℃以上６００℃以下の温度で３分以上４８時間以下加熱し、
   その後、前記第一層に封孔剤を接触させて前記第二層を形成する、表面処理アルミニウム材の製造方法。
2. 前記母材が６０００系アルミニウム合金または７０００系アルミニウム合金から構成されている、請求項１に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。
3. ＪＩＳ Ｈ８６８３－２：２０１３に規定された方法により封孔度試験を行った場合における、単位面積当たりの質量減少量が０．３ｇ／ｄｍ²以下である、請求項１または２に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。
4. 前記母材の準備において、鋳塊に押出加工を行うことにより前記母材を作製する、請求項１または２に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。
5. 前記母材及び前記第一層の加熱において、前記母材に溶体化処理または人工時効処理からなる群より選択される少なくとも１種の熱処理を行う、請求項１または２に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。