JPH0192354A

JPH0192354A - 耐食性に優れたアルミニウム複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0192354A
Application number: JP24701287A
Authority: JP
Inventors: Toru Arai; 新井　透; Hironori Fujita; 藤田　浩紀; Hideo Tachikawa; 英男太刀川; Kazuyuki Oguri; 和幸小栗
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1989-04-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、耐食性に優れたアルミニウム複合材料および
その製造方法に関するものである。

〔従来の技術およびその問題点］アルミニウム材料またはアルミニウム合金材料（以下、
アルミニウム材料という）は、硬度が低く耐摩耗性に乏
しいため、従来よりこれら性質の向上を図るべく表面処
理技術の開発が行われてきた。

その一つとして、アルミニウム材料の表面に、窒化アル
ミニウム層を形成する方法がある。この窒化アルミニウ
ムは、非常に高温まで安定であり、硬さＨｖｌＯＯＯ以
上あり、耐摩耗性に優れ、熱伝導度が大きくかつ絶縁性
に優れている物質である。

この窒化アルミニウム層の形成方法として、アルミニウ
ム材（被処理材）の一部をアルミニウム（Ａ／りの溶融
点以上に加熱し、窒素（Ｎ）と反応させる方法により窒
化させる方法（溶融法）が報告されている（特開昭５６
−２５９６３号公報）。しかし、該溶融法では、溶融に
伴い被処理材の変形があり、形成される表層部は窒化ア
ルミニウム（ＡｆＮ）とアルミニウム（Ａりの混合層で
あるため、硬さもＨｖ２００以下と低い。

また、反応スパッタリング或いは蒸着法で窒化アルミニ
ウム層を形成する方法も提案されているが、該方法で得
られた窒化アルミニウムは、核層と母層との結合が機械
的結合または分子間結合であるため密着性等に問題があ
り、また大量処理が難しく処理コストが高い。

このような中で、本出願人は、先に、イオン窒化装置内
の被処理材配設部近傍に酸素との親和性の大きい金属を
配置してイオン窒化装置に混入する酸素（イオン窒化を
妨げる物質）を取り除くことにより、被処理材表面に優
れた窒化アルミニウム層を被処理材表面に形成せしめる
「アルミニウムまたはアルミニウム合金のイオン窒化方
法およびその装置」　（特開昭５８−２１３８６８）、
および、イオン窒化処理に先立ち、被処理材に活性化処
理を施して、窒化物層を形成し易いような被処理材の表
面性状としてイオン窒化することにより、被処理材表面
に優れた窒化アルミニウム層を被処理材表面に形成せし
める「アルミニウム材のイオン窒化方法」　（特開昭６
Ｏ−２１１０６１）を出願した。

これにより、アルミニウム材の表面に耐摩耗性に優れ密
着性のよい窒化物層を形成することに成功した。

而るに、この場合、アルミニウム材の表面に耐摩耗性に
優れ密着性のよい窒化アルミニウム層を形成することは
できるものの、この窒化アルミニウムは水と反応して１
、ＡＩ！、Ｎ＋３Ｈ，Ｏ→ＡＩ！、（ＯＨ）３＋ＮＨ３と
分解が進むため、水または水蒸気等の雰囲気下で長期に
使用する際に、耐摩耗層の経年劣化があるという問題が
あワた。

そこで、本発明者等は、上述の如き従来技術の問題点を
解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験を重ねた結果
、本発明を成すに至ったものである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、耐摩耗性のみならず耐水性、耐食性に
優れかつ密着性のよいアルミニウム酸窒化層を有するア
ルミニウム複合材料およびその製造方法を提供するにあ
る。

〔発明の説明〕

１里且盪底本発明の耐食性に優れたアルミニウム複合材料は、アル
ミニウム材料またはアルミニウム合金材料からなるアル
ミニウム基材と、該基材表面に形成した酸素含有量が１
重量％〜２０重量％のアルミニウム酸窒化層とからなる
アルミニウム複合材料であって、該アルミニウム酸窒化
層の膜厚が１μｍ〜５０μｍであることを特徴とするも
のである（以下、第一発明とする）。

また、本発明の耐食性に優れたアルミニウム複合材料の
製造方法は、密閉容器内に被処理材としてのアルミニウ
ム材料またはアルミニウム合金材料を配設する被処理材
配設工程と、該密閉容器内に残存する酸素ガスを除去す
る酸素ガス除去工程と、前記密閉容器内に昇温用ガスを
導入するとともに放電を行うか、或いは該容器内または
その周囲に設けられたヒーターにより被処理材の表面を
所定の窒化温度に加熱する昇温工程と、上記密閉容器内
に活性化用ガスを導入するとともに放電を行うことによ
り被処理材の表面を活性化してアルミニウム酸窒化層が
生成し易い表面性状とする活性化工程と、前記密閉容器
内に０．２〜１００　ｐｐｍの酸素を含有する窒化処理
用ガスを導入するとともに該密閉容器内にグロー放電を
発生させて被処理材表面にアルミニウム酸窒化層を形成
せしめるイオン窒化工程とからなることを特徴とするも
のである（以下、第二発明とする）。

■の作　および六果本箱−発明のアルミニウム複合材料は、アルミニウム基
材表面にアルミニウム酸窒化層を有するので、耐摩耗性
、耐水性および耐食性に優れている。

本第二発明のアルミニウム複合材料の製造方法により、
被処理材としてのアルミニウム材の表面に、耐摩耗性の
みならず耐水性および耐食性に優れたアルミニウム酸窒
化層を容易に形成することができる。

また、この方法により被処理材表面に形成されたアルミ
ニウム酸窒化層は、比較的に均一であり、密着性のよい
被覆層である。

更に、この方法によりイオン窒化処理をアルミニウム材
の溶体化温度（約５５０℃）以下の温度で行うことがで
きる。従って、これにより、被処理材を変形させること
な（窒化処理を施すことができる。

また、被処理材としてのアルミニウム材が酸素と結合し
てアルミナ被膜等ができていても、イオン窒化処理を可
能である。

本発明のアルミニウム複合材料およびその製造方法が、
上述の如き効果を奏する作用については、未だ必ずしも
明らかではないが、次の様に考えられる。

即ち、本発明のアルミニウム複合材料は、アルミニウム
基材表面にアルミニウム酸窒化層を有する。このアルミ
ニウム酸窒化層は、Ａ／！−０の結合がＡＮ−Ｎの結合
より化学的に安定であるので、窒化アルミニウム層に対
して、耐摩耗性を犠牲にすることなく、耐水性および耐
食性に優れたものとすることができるものと推察される
。

〔実施態様の説明〕

先ず、本発明の第一発明の実施態様を説明する。

本箱−発明のアルミニウム複合材料におけるアルミニウ
ム基材は、アルミニウム材料またはアルミニウム合金材
料を用いる。ここで、アルミニウム合金は、アルミニウ
ムを主な組成成分とし、クロム、銅、マグネシウム、マ
ンガン、ケイ素、ニッケル、鉄、亜鉛等の一種または二
種以上含むものである。

また、アルミニウム酸窒化層は、上述のアルミニウム基
材の表面に形成してなり、酸素含有量が１重量％〜２０
重量％のアルミニウム酸窒化物である。このアルミニウ
ム酸窒化層は、耐摩耗性および耐水性、耐食性に優れて
いる。

このアルミニウム酸窒化層の膜厚は、１μｍ〜５０μｍ
である。これは、該膜厚が１μｍ未満の場合、基材とし
てのアルミニウム材料またはアルミニウム合金材料が柔
らかいためアルミニウム酸窒化層の耐摩耗性、耐水性お
よび耐食性の作用が十分に得られないからである。また
、５０μｍを越える場合、該アルミニウム酸窒化層が剥
離し易く、また、この厚さの層を形成するには処理時間
が長くなるからである。

なお、このアルミニウム酸窒化層は、上述の酸素含有量
を有する層がアルミニウム複合材料の最表面に上述のｌ
Ｉ９［だけあればよく、更に、このアルミニウム酸窒化
層とアルミニウム基材との間に低酸素濃度のアルミニウ
ム酸窒化層が存在していてもよい。

次に、本第二発明の実施態様について、説明する。

先ず、本箱−発明で説明した被処理材としてのアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金製部材を密閉容器内に設け
られた基台または吊り具等の治具に配設する（被処理材
配設工程）。

次に、密閉容器を密閉した後、該容器内に残存する酸素
ガスを除去する（酸素ガス除去工程）。

この酸素ガスの除去は、ロータリーポンプ、拡散ポンプ
等の真空ポンプを用い、減圧後導入ガスに置換し、さら
に減圧を繰り返して行う。この際、導入ガスは、水素ガ
ス、希ガス等を用いる。また、減圧は、１Ｏ−３）−ル
以下であることが好ましい。

１０弓トールを越えた場合、密着性に優れた窒化アルミ
ニウム層形成が困難となるためである。更に、拡散ポン
プ等を用いて１０−’ｌ−−ル以下とした場合、より密
着性に優れた被膜層を形成することができるのでより好
ましい。また、この減圧に際し、炉内に設けた加熱ヒー
タ等を用いて炉内を加熱し、壁に吸着した水分、酸素等
のガスを放出するとよい。

次に、減圧した密閉容器内に昇温用ガスを導入するとと
もに放電を行うか、或いは該容器内またはその周囲に設
けられたヒータにより被処理材の表面を所定の窒化温度
に加熱する（昇温工程）。

該昇温工程において用いる昇温用ガスは、水素ガス、窒
素ガスまたは希ガス等の非酸化性ガスであることが好ま
しい。該昇温工程でこれらの昇温用ガスを用いるのは、
昇温の際に被処理材表面の酸化の防止或いは温度の均一
性を保つためである。

なお、咳昇温工程を放電を利用して行う場合は、直流グ
ロー放電、高周波等の交流グロー放電等を用いる。この
場合、直流グロー放電は、低価格で構成でき、昇温能力
が大であるので好ましい。特に、この放電を利用して昇
温を行った場合には、昇温の際に被処理材のイオン衝撃
による損傷を必要最低限におさえ加熱を促進し、更に、
放電により昇温用ガスがイオン化され、加速された粒子
が被処理材表面に衝突して、被処理材表面の炭素、油等
の有機物からなる物質の清浄化をすることができる。

また、この昇温工程における密閉容器の圧力は、１０−
３〜１０）−ルであることが好ましい。特に、放電が直
流グロー放電による場合には、１０−”〜ｌＯトールが
、交流グロー放電による場合には、１０−３〜１０トー
ルがそれぞれ好ましい。これは、この圧力範囲以外では
、放電が不安定となるからである。

次に、上記密閉容器内に活性化用ガスを導入するととも
に、グロー放電またはイオンビームにより、少なくとも
被処理材のアルミニウム酸窒化層形成部分の表面をアル
ミニウム酸窒化層が生成し易い表面性状となるように活
性化する（活性化工程）。この活性化工程は、該活性化
処理後の被処理材表面の窒化処理の反応速度を促進する
ための前処理であり、窒化処理の際にアルミニウム酸窒
化物が生成されやすくなるように被処理材表面を活性化
することを目的とする。

この活性化工程においてもちいる活性化用ガスは、ヘリ
ウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ク
リプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ラドン（Ｒｎ）
の一種または二種以上からなる希ガスであることが好ま
しい、これらのガスを用いることにより、被処理材表面
の活性化を効率的に行うことができる。

また、この活性化工程は、通常は直流グロー放電、また
は高周波放電等の交流グロー放電等を用いるが、イオン
ビームスパッタリングを用いてもよい。この中でも、直
流グロー放電の場合には、低価格で構成で゛き、窒化抑
制物質除去効率がよく、昇温能力も大であるので好まし
い。

更に、この活性化工程における密閉容器の圧力は、１０
−３〜５トールであることが好ましい。特に、放電が直
流グロー放電による場合には、１０−２〜５トールが、
交流グロー放電による場合には、１０−’〜１トールで
あることが好ましい。これは、この圧力範囲以外では、
被処理材表面の活性化能力が低くなり、好ましくないか
らである。

ここで、この活性化工程においては、放電を継続したま
ま活性化用ガスに切換えるが、昇温用ガスの導入停止と
同時に一度放電を止め、昇温用ガスの排気を行った後、
活性化用ガスを所定の圧力まで導入し、放電を再開する
方法を採用してもよい。

また、この活性化工程において、必要に応じて昇温を行
ってもよい。

更に、この活性化工程は、後述するイオン窒化工程の前
処理工程であるので、前記昇温工程より前に行ってもよ
い。

次に、密閉容器内に０．２〜１００　ｐｐｍの酸素を含
有する窒化処理用ガスを導入するとともに、該密封容器
内にグロー放電を発生させて被処理材表面にアルミニウ
ム酸窒化層を形成せしめるイオン窒化処理を行う（イオ
ン窒化工程）。

このイオン窒化工程において用いる窒化処理用ガスは、
０．２〜１００　ｐｐｍの酸素を含有する窒素系ガスを
用いる。この窒素系ガスの酸素成分としては、酸素（０
□）ガスが望ましいが、酸化水素（Ｈ！Ｏ）　、二酸化
窒素（Ｎｏ、）　、二酸化炭素（Ｃｏ、）等の酸化性の
ガスであってもよい。また、窒素系ガスの窒素ガス成分
としては、例えば窒素（Ｎり、アンモニア（ＮＮ２）或
いは窒素（Ｎ２）と水素（Ｎ２）の混合ガス等を用いる
。また、これらにアルゴン等の希ガスが含まれた混合ガ
スでもよい。この場合、窒素の含有量の高いガスである
ことが好ましい、これは、高純度會素を用いた場合、ア
ルミニウム酸窒化層の形成速度が速く、また、密閉容器
内壁の腐食等の不具合がないからである。また、窒素系
ガスの酸素成分の含有量を上述の範囲としたのは、該含
有量が０．２ｐｐｍ未満の場合、アルミニウム基材の表
面に形成するアルミニウム酸窒化層の酸素含有量を所定
のものとすることができず、耐水性および耐食性に優れ
たものとすることができないからである。また、該酸素
含有量が１００　ｐｐｍを越えた場合、アルミニウム酸
窒化層の形成速度が著しく遅くなり、実用に合わないか
らである。

また、グロー放電は、直流または交流グロー放電を用い
る。

更に、該イオン窒化工程における密閉容器の圧力は、１
０−１〜２０トールであることが好ましい。

この範囲より小さい場合、アルミニウム酸窒化層の形成
速度、即ち窒化速度が遅く、また大きい場合にはアーク
等の発生など放電が不安定となり好ましくないからであ
る。

また、該イオン窒化工程における処理温度は、３００〜
５５０℃の温度範囲内であることが好ましい。これは、
処理温度が３００℃未満の場合には窒化速度が遅く、ま
た、５５０″Ｃを越える場合には被処理材によっては溶
融がみられ、それに伴う溶損や変形（寸法変化、歪み発
生等）がおこり、更に処理後の冷却過程でアルミニウム
酸窒化層の剥離が発生し易くなるためである。尚、該処
理温度は、４００〜５２０℃であることがより好ましい
。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１被処理材としてのアルミニウム材にイオン窒化処理を施
してアルミニウム酸窒化層を形成し、核層の性能評価試
験を行った。尚、このイオン窒化処理において用いたイ
オン窒化処理装置を、図に示す。

まず、ステンレス製の密閉容器１の中央に設けた基台２
の上に、被処理材として２個の工業用純アルミニウム（
ＪＩＳ　　１０５０ニアルミニウム分９９．５％以上：
外径１９ａａ＋Ｘ厚さ１０ｍｎ＋の円板：試験番号１〜
５）３を配置した。尚、基台２の支持柱４の内部に冷却
水を送る冷却水管５および水銀マノメタ−圧力計６が取
りつけられている。

次に、密閉容器１を密閉したのち、ガス導出管７に接続
された真空ポンプ８のロータリーポンプ（図示せず）に
より残留ガス圧が１Ｏ−３）−ルになるまで減圧、した
。更に、密閉容器１の反応炉本体９の内部側周に設けた
予備加熱ヒータ１０で真空引きしながら、炉壁を３０分
間加熱した。加熱後、直ちに水素ガスをガス導入管１１
から４トールまで入れてガスを水素ガスに置換し、更に
真空ポンプ８の拡散ポンプ（図示せず）により１０−ｓ
トールまで減圧した。なお、ガス導入管１１は、ガス導
出管７とともに密閉容器１の底部に取りつけられ、コン
トロールパルプを介して高純度窒素ガスボンベ、高純度
アルゴンガスボンベ、および高純度水素ガスボンベ（共
に図示せず）に連結している。

次に、１０−’）−ル以下まで減圧した炉内に昇温用ガ
スとしての水素ガスを流し、同時に真空引きしながら炉
内圧力を１．３トールに保つように調整した。そして、
予備加熱ヒータ１０の内側に設けたステンレス製陽極板
１２と陰極（基台２）の間に数百ボルトの直流電圧を印
加して放電を開始し、被処理材表面が５００℃になるま
でイオン衝撃による昇温を行った。ここで、直流電源回
路１３は、陽極１２と陰極２により構成し、内部の被処
理材の温度を測定する二色温度計１４からの人力により
電源制御され、被処理材の温度を一定に保つ働きをする
。

次に、水素ガスを止め、活性化用ガスとしてアルゴンガ
スを０．７トールになるまで導入した。そして、該圧力
を０．７トールに保った状態で、更に放電を６００Ｖ、
４５０℃で２時間持続させてスパッタリングを行い、被
処理材表面に活性化処理を施した。

次に、アルゴンガスの導入を止め、窒化処理用ガスとし
て第１表に示した酸素濃度の窒素−酸素混合ガスを導入
した。次いで、炉内の混合ガスのガス圧が１．４トール
になるように混合ガスの流量を調整し、被処理材の温度
を５００℃にしたのち、その温度を保ちながらイオン窒
化を第１表に示す時間行った。なお、アルゴンガスから
窒素−酸素混合ガスへの転換の際は、放電は持続させる
ことが望ましい。この時の窒化反応層の形成速度を観測
した結果を、第１表に示す。

窒化処理後、放電を止め、被処理材を減圧下（〜１Ｏ−
３）−ル）で冷却し、被処理材を炉より取り出したとこ
ろ、該被処理材の表面には黒色の層が形成されていた。

この被処理材表面の黒色層について、Ｘ線回折法による
物質間゛定試験を行った結果、何れもウルツ鉱型の結晶
構造を有するアルミニウム酸窒化物（Ａｆ−Ｎ−０）が
確認された。

また、アルミニウム酸窒化層のｆｉｌ￥、の測定を行っ
た。得られた結果を、第２表に示す。

また、アルミニウム酸窒化層中の含有酸素量の分析を、
オージェ分析により行った。その結果を、第２表に示す
。

また、上記方法により得られた本実施例のアルミニウム
複合材料の腐食試験を、ｌＮ−ＨＣｌによる浸漬試験に
より行った。その際の腐食速度を、第２表に示す。

比較のために、窒化処理用ガス中の酸素濃度が本願発明
より少ない場合（試験番号Ｃ１）と多い場合（試験番号
Ｃ２、Ｃ３）の例について、他は同様の条件にしてアル
ミニウム複合材料の製造を試みた。得られた比較用材料
の評価試験を上記と同様に行った。その結果を、第２表
に併せて示す。

第１表、第２表より明らかの如く、本実施例にかかるア
ルミニウム複合材料の場合は、比較例に比べ、耐食性に
優れていることが分かる。

第　　　１　　　表第　　２　　表実施例２被処理材として２個の工業用純アルミニウム（ＪＩＳ　
　１ｏｓｏニアルミニウム分９９．５％以上：外径２０
ｍｍＸ内径１０ｍｍＸ厚さ１０ｍｍの円板：試験番号６
）を用い、第３表に示した条件以外は、前述した実施例
１と同様のイオン窒化処理方法により、本実施例のアル
ミニウム複合材料を得た。

得られたアルミニウム複合材料について、評価試験を実
施した。先ず、このアルミニウム複合材料に形成された
表面層について、Ｘ線回折法による物質同定試験を行っ
た結果、ウルツ鉱型の結晶構造を有するアルミニウム酸
窒化物（Ａｆ−Ｎ−０）が確認された。

また、このアルミニウム酸窒化層の層厚の測定を行った
。得られた結果を、第４墓に示す。

また、アルミニラ酸窒化層中の含有酸素量の分析を、オ
ージェ分析により行った。その結果を、第４表に示す。

また、上記方法により得られた本実施例のアルミニウム
複合材料の摩耗試験を、１００日間大気中に放置した後
、および、９０℃の温水中に５００時間浸漬した後につ
いて、それぞれ実施した。

該試験により得られた結果を第４表に示す。

比較のために、窒化処理を施していないもの（試験番号
Ｃ４）と、窒化処理用ガス中の酸素濃度が本願発明より
少ない場合（試験番号Ｃ５）で他は同様の条件にして得
られたアルミニウム複合材料のそれぞれの比較用材料に
ついて、評価試験を上記と同様に行った。その結果を、
第４表に併せて示す。

これらの結果より明らかの如く、本実施例にかか条アル
ミニウム複合材料の場合は、比較用試料に比べ、耐摩耗
性に優れていることが分る。

第　　　３　　　表第　　４　　表

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の実施例を示し、実施例１および実施例２
で用いられたイオン窒化処理装置の概略図である。１・・・密封容器　　　２・・・基　　台３・・・被処
理材　　　８・・・真空ポンプ１３・・・電源回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルミニウム材料またはアルミニウム合金材料か
らなるアルミニウム基材と、該基材表面に形成した酸素
含有量が１重量％〜２０重量％のアルミニウム酸窒化層
とからなるアルミニウム複合材料であって、該アルミニ
ウム酸窒化層の膜厚が１μｍ〜５０μｍであることを特
徴とする耐食性に優れたアルミニウム複合材料。
（２）密閉容器内に被処理材としてのアルミニウム材料
またはアルミニウム合金材料を配設する被処理材配設工
程と、該密閉容器内に残存する酸素ガスを除去する酸素
ガス除去工程と、前記密閉容器内に昇温用ガスを導入す
るとともに放電を行うか、或いは該容器内またはその周
囲に設けられたヒーターにより被処理材の表面を所定の
窒化温度に加熱する昇温工程と、上記密閉容器内に活性
化用ガスを導入するとともに放電を行うことにより被処
理材の表面を活性化してアルミニウム酸窒化層が生成し
易い表面性状とする活性化工程と、前記密閉容器内に０
．２〜１００ｐｐｍの酸素を含有する窒化処理用ガスを
導入するとともに該密閉容器内にグロー放電を発生させ
て被処理材表面にアルミニウム酸窒化層を形成せしめる
イオン窒化工程とからなることを特徴とする耐食性に優
れたアルミニウム複合材料の製造方法。
（３）イオン窒化工程における窒化温度が、３００℃な
いし５５０℃であることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項記載のアルミニウム材の製造方法。