JPH05261852A - フッ素ポリマーを充填した酸化物セラミックス層つきのアルミニウム、マグネシウム、またはチタン製物体とその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 アルミニウム、マグネシウム、チタンまたは
これらの合金製の高荷重を受ける部品に対して、極限の
条件下でも耐蝕性と耐摩損性をもった保護層を作りだ
す。 【構成】 金属１上に強固に固着した薄い隔離層２と、
その上のシンターした密な酸化物セラミックス層３と、
その上にあって本質上フッ素ポリマー５が充填されてい
る、目があらく結合した毛細管系４つきの酸化物セラミ
ックス層とを特徴とする、アルミニウム、マグネシウ
ム、チタンまたはこれらの合金製物体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明はアルミニウム、マグネシウム、チ
タン、またはこれらの合金製物体上の酸化物セラミック
ス−フッ素ポリマーの層結合体と、特にターボポンプと
タービン工学に使用される軽金属部品との製法と、これ
から得られる新物体に関係する。

【０００２】腐蝕性のある媒体と接触して高速で回転す
る部品に対しては、自体が化学的に強い耐久性をもつが
その結果高価であるか、または被覆法が採用できる金属
に頼るのが常である。回転数が２５０００〜６００００
回／分で作動するターボ分子ポンプのロータとステータ
は、例えば軽金属合金で製作し、ガス−固体−液体反応
による摩損と腐蝕の両現象に対する保護策として、水性
の電解液中で陽極酸化を行っている。これらの防護層を
つけたターボ分子ポンプのロータは、プラズマ活性の塩
素をポンプ輸送するテストでは、ほかの保護層つきのも
のより著しく長い耐用期間を示したが、マイクロエレク
トロニクス部品製造時の慣例である、塩素含有ガスによ
るアルミニウム、またはアルミニウム合金が受ける、プ
ラズマ腐蝕の駆動条件下の高い要求をまだ完全に満足さ
せるには到っていない。

【０００３】空気工学と宇宙飛行技術においても、最近
はマグネシウムとマグネシウム合金のような軽金属がし
ばしば使用されている（図書シリーズPraxisform 12/88
:“Neue Werkstoffe u. Oberflaechenschichten bei M
etallen u. Polymeren in Entwicklung u. Anwendung.
”N. Zeuner, G. Betz“Neue Magnesiumlegierungenfu
erdie Luftfahrt-u. Automobilindustrie ”）。

【０００４】隔離層を生成する金属、またはこれらの合
金上に、有機電解質の水性溶液中でプラズマ化学的陽極
酸化を行って、酸化物セラミックス層を作りだすことは
周知である（P. Kurze : Dechema モノグラフ１２１，
ＶＣＨ出版社．１９９０，１６７〜１８０頁、ほかの文
献もあり）。このような酸化物セラミックス層の構造は
図１で図示した通りである。

【０００５】すなわち金属１、例えばアルミニウム上
に、厚みが約１μｍまでの薄い隔離層２が密に固着し
て、基礎金属１と極めて強固に結合して存在する。これ
にシンターした孔の少ない酸化物セラミックス層３が接
続する。酸化物セラミックス層３の電解液側は、電解液
で急速に冷却されて、まだ移動しているガス、特に酸素
と水蒸気とが目があらく結合した毛細管系つきの酸化物
セラミックス層４をあとに残すことになる。走査電子顕
微鏡による検査で、孔の直径は０．１〜３０μｍと算出
された（CERAMIC COATINGS BY ANODIC SPARK DEPOSITIO
N G. P. Wirtz 等、MATERIALS ＆ MANUFACTURING PROC
ESSES 6 (1),87〜115 (1991)、 特に図１２）。

【０００６】これら周知のセラミックス層は全体として
最大３０μｍまでの厚みをもっているが、これでは耐摩
損と耐蝕用保護層としての殆どの用途には不十分であ
る。

【０００７】同時に提出された、同じ出願者の“隔離層
を生成する金属上に酸化物セラミックス層を作りだす方
法”なる名称の特許出願（整理番号０００３０５４２）
の対象である、火花放電下の陽極酸化法を改良して、な
かでもアルミニウム、マグネシウム、チタン、またはこ
れらの合金上に、本質上１５０μｍまでのより厚い層を
もち、極めて耐摩損と耐蝕性に富む酸化物セラミックス
層を作りだすことに成功している。本法をも本特許出願
の公開に明白に組みこむこととする。

【０００８】アルミニウム、マグネシウム、チタンまた
はこれらの合金製の高荷重を受ける部品に対して、極限
の条件下でも耐蝕性と耐摩損性をもった保護層を作りだ
すことが本発明の課題である。このことは例えばターボ
分子ポンプ、タービン羽根、ターボ過給器のような、高
速回転をするポンプの例えばロータと、航空機とロケッ
トの外殻のような過流が周囲を流れる軽金属部品に特に
成立することであるが、真空技術とプラズマ工学の特殊
部品と、コロナ放電用シリンダー、または超音波発生用
振動子についても言えることである。

【０００９】本課題はアルミニウム、マグネシウム、チ
タン、またはこれらの合金製物体に、すでに周知の方法
で目があらく結合した毛細管系つきの酸化物セラミック
ス層をつけた外側の酸化物セラミックス層に、少なくと
も毛細管の直径より小さいフッ素ポリマー粒子を入れて
充填した、毛細管系つきの物体を、交互に圧力がかかる
条件にさらすことで解決できる。

【００１０】同時に提出した上述の特許出願の方法によ
って４０〜１５０、特に５０〜１２０μｍの厚みの酸化
物セラミックス層をつけた物体について、このことを行
うのが好ましい。

【００１１】フッ素ポリマーとしては四フッ化エチレ
ン、六フッ化プロペン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニ
ル、および三フッ化クロルエチレンのポリマーとコポリ
マーが特に適している。本発明の目的にはポリ四フッ化
エチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤ
Ｆ）、フッ化ポリビニル（ＰＶＦ）、ポリトリフルオル
クロルエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ならびにＴＦＥコポリ
マーが好ましい。これらのフッ素ポリマーの商品名と、
製法の詳細については、Winnacker-Kuechler, Chemisch
e Technologie,４版６，“Kunststoffe ”章の４．５フ
ッ素ポリマー、４０７〜４１０頁を参照されたい。

【００１２】外側の酸化物をセラミックス層へ入れるべ
きフッ素ポリマー、またはその予備段階の粒子は、液体
が問題にならない限り、例えば水のような適当な溶剤中
の溶液、または懸濁液の形で存在するのが好ましい。Ｐ
ＴＦＥは０．２〜１μｍの大きさの粒子が水性懸濁液と
して市場に出ている。しかし本発明の目的に対して必要
な粒度の粉体、または懸濁液の場合、市場で入手できな
いので、適当なコロイド磨砕法を採用して作りだすより
方法はない。フッ素ポリマーは通常懸濁重合、または乳
化重合によって製造する。例えばＰＴＦＥは、触媒系を
も含む主として水性溶液中での四フッ化エチレンの遊離
基重合を用いて工業的に製造される。本発明の目的に必
要なフッ素ポリマーは、重合時間によってポリマー粒子
が、例えば１０〜５０μｍより大きくならないように規
定、制限することが可能である。

【００１３】酸化物セラミックス層中のフッ素ポリマ
ー、特にＰＴＦＥの割合いは、ポリマー粒子が小さい程
多くなる。従って実際上は粒子の大きさが０．１〜１０
μｍ、特に０．３〜５μｍのＰＴＦＥ粒子の懸濁液を使
用する。

【００１４】酸化物セラミックス層の孔へフッ素ポリマ
ー粒子を入れるには、酸化物層をつけた物体を、フッ素
ポリマー、またはその予備段階の粒子の分散液の存在下
に、適当な不活性溶剤中で交互に変る圧条件にさらす。
このためにはまず酸化物セラミックス層の毛細管系から
真空を用いて空気を除く、含浸系の使用が適している。
このことは上述のポリマー懸濁液、またはポリマー溶液
の存在下に実施するか、または真空中で排気した多孔質
の酸化物セラミックス層を、液状のポリマー系にさらす
方法で行うこともできる。真空の作用によってポリマー
系が孔の中へ侵入し、そのあと真空を取り去ると、大気
圧によって孔の中へ押しこまれて微細な分岐を生ずる。
常圧を越えることができる真空と圧縮の交代を、必要に
応じて一回、または数回繰り返す。このように物体の酸
化物セラミックス層中へフッ素ポリマー粒子を入れるの
に適した装置に、例えばMaldanの含浸システムが利用で
きる。

【００１５】渦流が周囲を流れる軽金属部品を、本発明
の方法に従ってフッ素ポリマーを用いて、摩擦によるシ
ールを行うためには、毛細管系へフッ素ポリマーを押し
こむためと、それを圧縮するために圧条件が交互に変る
駆動条件を利用する。そのためには孔のある酸化物セラ
ミックス層へフッ素ポリマーを浸透させる予備シールス
テップが必要である。ついで部品を渦流が周囲を流れる
駆動条件にさらす最終シールを行う。このことはすでに
上で説明した通り、適当な装置内で交互に変る圧条件を
作用させることで達成できる層の結合システムを用いて
も実施できる。

【００１６】例えばターボ分子ポンプのロータの場合に
は、最終シールをポンプのターボ室で実施し、この場合
は流動層に下層が存在しないので、異常に高い多分子性
因子が達成できる。ターボ室内の圧条件のために、目が
あらく結合した毛細管系がついた酸化物セラミックス層
からガスが除かれて、すでに存在しているフッ素ポリマ
ーが摩擦力で固定される。ポリマーの流動性と、発生す
る可能性のあるＰＴＦＥ様の容積膨張が、ポリマーの摩
擦による固定に寄与することになる。この場合にＰＴＦ
Ｅは特に適合している。酸化物セラミックス−フッ素ポ
リマーの層結合体のこの最終シールは、極限で交互に変
る圧力状態下のインジェクター機能と、点状に発生する
高エネルギー密度とによっておこる。研磨写真と走査電
子顕微鏡写真を見ると、最終シール後では酸化物セラミ
ックスとポリマー層の結合体の毛細管系が、図１に示す
通りフッ素ポリマーで充填されていることが分かる。

【００１７】本発明の方法で得られた酸化物セラミック
ス−ポリマー層結合体は、金属に対して著しく強い接着
力を示し、耐摩損と耐蝕性を備え、真空時安定なうえ
に、異常に高い繰り返し折り曲げ強度を示し、このこと
は通常の陽極処理で作りだした酸化物層、例えばアルマ
イト層（Eloxalschichten)の遠く及ばないところであ
る。

【００１８】若し希望する場合は、目があらく結合した
毛細管系がついた外側の酸化物セラミックス層をフッ素
ポリマーで充填するだけでなしに、外表面までこれで被
覆することも可能である。本層は表面にまで達している
毛細管経由で、多孔質の酸化物セラミックス層内へ固定
される。フッ素ポリマーからなる本デッキ層は、厚みを
５μｍまで、特に０．５〜２μｍにとるのが好ましい。

【００１９】孔の中、または毛細管中へ入ったフッ素ポ
リマーがその位置でと表面上の被覆内で、互いに関連し
た物体としてだけでなく、表面上にプラスチック膜とし
て存在する限り、少なくとも軽金属物体の表面を加熱す
るなど、そのつど周知の技術を用いてシンターすると
か、熱可塑性物質の場合には一緒に溶融することができ
る。

【００２０】上述の同時に提出した特許出願による、火
花放電下に陽極酸化を行うための改良法をも考慮に入れ
て、アルミニウム、マグネシウム、チタン、またはこれ
らの合金製物体全体上へ酸化物セラミックス−ポリマー
層をつける方法は次のようになる。すなわちその物体を
塩化物を含まない、ｐＨ値が２〜８の電解質浴中で、電
位が最終値に落ちつくまで、少なくとも１Ａ／ｄｍ² の
一定電流密度でプラズマ化学的に酸化するにある。つい
で残留する電解質を酸化物セラミックス層から除去し、
目があらく結合した毛細管系つきの上部のアルミニウム
−酸化物セラミックス層へ、毛細管直径より本質的に寸
法の小さいフッ素ポリマー、特にＰＴＦＥ粒子を入れ
て、毛細管系が充填された物体を交互に変る圧条件にさ
らす。

【００２１】酸化物セラミックス−ポリマー層をターボ
分子ポンプ用ロータ上へ取りつける特殊なケースでは、
塩化物を含まないｐＨ値が７〜８の電解質浴中へロータ
を入れ、電位が最終値に達するまで、少なくとも１Ａ／
ｄｍ² 一定の電流密度でプラズマ化学的に酸化する。つ
いで残留する電解質を酸化物セラミックス層から除去し
てから、目があらく結合した毛細管系がついた上部のア
ルミニウム−酸化物セラミックス層内へ、毛細管の直径
より小さい寸法のフッ素ポリマー、特にＰＴＦＥ粒子を
入れ、ＰＴＦＥが充填された毛細管系つきのロータを、
ターボ分子ポンプ内で駆動条件にさらす。

【００２２】本発明の物体は、金属１上に固着した薄い
隔離層が存在し、その上にシンターして密な酸化物セラ
ミックス層３があり、さらにその上に本質上フッ素ポリ
マー５が充填された目があらく結合した毛細管系４がつ
いていることが勝れている、本発明の方法で製造した酸
化物セラミックス−ポリマー層の結合体である。図は本
結合体を図式に示したものである。

【００２３】本発明の物体にはさらにターボ分子ポンプ
用ロータ、真空またはプラズマ工学用の特殊部品、コロ
ナ放電用シリンダー、超音波発生用振動子、およびこの
酸化物セラミックス−ポリマー層結合体構造をもつ、ア
ルミニウム、またはアルミニウム合金製航空機、または
ロケット用外殻がある。

【００２４】本発明の枠内に入るアルミニウムとその合
金とは純アルミニウムと、ＡｌＭｎ；ＡｌＭｎＣｕ；Ａ
ｌＭｇ１；ＡｌＭｇ１．５；Ｅ−ＡｌＭｇＳｉ；ＡｌＭ
ｇＳｉ０．５；ＡｌＺｎＭｇＣｕ０．５，ＡｌＺｎＭｇ
Ｃｕ１．５：Ｇ−ＡｌＳｉ−１２；Ｇ−ＡｌＳｉ５Ｍ
ｇ；Ｇ−ＡｌＳｉ８Ｃｕ３；Ｇ−ＡｌＣｕ４Ｔｉ；Ｇ−
ＡｌＣｕ４ＴｉＭｇの合金と理解されたい。

【００２５】本発明の目的には、純マグネシウムの外
に、さらにＡＳＴＭ表示によるＡＳ４１、ＡＭ６０、Ａ
Ｚ６１、ＡＺ６３、ＡＺ８１、ＡＺ９１、ＡＺ９２、Ｈ
Ｋ３１、ＱＥ２２、ＺＥ４１、ＺＨ６２、ＺＫ５１、Ｚ
Ｋ６１、ＥＺ３３、ＨＺ３２のマグネシウム鋳物合金、
ならびにＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、Ｍ１、ＺＫ６
０、ＺＫ４０の可鍛鋳物が適している。

【００２６】さらに純チタン、またはＴｉＡ₁₆Ｖ₄ ，Ｔ
ｉＡｌ₅ Ｆｅ_2.5 ，等のチタン合金も使用することがで
きる。

【００２７】実施例 １ 金属合金１ ＡｌＭｇＳｉ１製で、表面が２５ｄｍ²
の、ターボ分子ポンプのロータを脱脂し、１０％ＮａＯ
Ｈ中室温で３０Ｓ腐蝕させ、蒸溜水で洗滌した。

【００２８】ついでロータを塩化物を含まないｐＨ値が
７．６で、次の組成をもつ電解質浴内で電流密度４Ａ／
ｄｍ² 、電解液温度１２±２℃で自然に到達する最終電
位が２５３Ｖになるまで４０分間、プラズマ化学的陽極
酸化によって被覆し、ついで蒸溜水を用いて強く洗滌す
る。 ０．１３ モル／ｌ ナトリウムイオン ０．２８ 〃 アンモニウムイオン ０．２１４ 〃 リン酸塩イオン ０．２３８ 〃 ホウ酸塩イオン ０．３１４ 〃 フッ化物イオン ０．６ 〃 ヘキサメチレンテトラミン シンターした孔の少ない酸化物セラミックス層３は１０
μｍで、目があらく結合した毛細管系４つきの酸化物セ
ラミックス層の厚みは２８μｍである。

【００２９】今このように処理したロータをポリマー５
で予備シールする。それにはロータを粒径が０．３μｍ
の水性陰イオンのＰＴＦＥ分散液中へ、動かしながら１
分間浸漬する。ついで流熱水（９０℃）で洗滌し、温風
で乾燥する。

【００３０】予備シールしたロータを、最高回転速度６
００００回／分で腐蝕剤中へ浸す。最終シールは約１０
時間後に終了する。本発明の方法で処理したロータの耐
用期間は、周知の陽極でのプラズマ化学法だけで酸化物
セラミックス層をつけたロータと比較して、４倍以上に
も高まる。

【００３１】実施例 ２ 合金ＡｌＭｇＳｉ １製で直径１５０ｍｍ、長さ４００
ｍｍのシリンダ表面を、実施例１の電解液中電流密度２
Ａ／ｄｍ² で、プラズマ化学的に陽極酸化する。酸化物
セラミックス層の層厚は５０μｍである。ついで被覆し
たシリンダーを、残留する電解質を除去するために蒸留
水で洗滌する。プラズマ化学的に陽極酸化して、まだ湿
っているシリンダーに水性ＰＴＦＥ分散液中で、１〜５
μｍのＰＴＦＥ粒子の粒度を５分間室温でしみこませ
て、ついで水洗、乾燥する。本シリンダーを工学的プロ
セスでコロナ放電にかける。ＰＴＦＥをしみこませたセ
ラミックス層はコロナ放電に安定である。

【００３２】実施例 ３ 合金ＡｌＣｕ２Ｍｇ１．５ＮｉＦｅ製で表面が１００ｄ
ｍ² の圧縮機歯車を、実施例１記載の電解質浴中１Ａ／
ｄｍ² でプラズマ化学的に陽極酸化する。酸化物セラミ
ックス層の層厚は４５μｍである。

【００３３】ついで残留する電解質を除去するために蒸
溜水で洗滌する。プラズマ化学的に陽極酸化してまだ湿
っている圧縮機歯車を、水性のＰＴＦＥ分散液（粒径１
〜５μｍ）へ、室温下に５分間浸漬し、ついで水洗、乾
燥する。圧縮機の本歯車の耐用期間は、ほかの従来から
ある被覆と比較して４倍に向上する。

【００３４】実施例 ４ ＡｌＺｎＭｇＣｕ１．５製の表面が６．４ｄｍ² の超音
波発生用振動子を脱脂し、ついで蒸溜水で洗滌する。こ
のように処理した超音波発生用振動子を実施例１の、塩
化物を含まない水性／有機性電解質浴中で、電流密度
３．５Ａ／ｄｍ² 、電解液温１５℃でプラズマ化学的に
陽極酸化する。被覆時間２５分後に電位の最終値が２５
０Ｖに達する。

【００３５】セラミックス化した超音波発生用振動子を
水洗し、湿った状態で平均粒径が０．３μｍの水性ＰＴ
ＦＥ分散液中へ、１分間ずつ３回漬して、そのつど温水
（６０℃）で中間洗滌する。ついで流温水（６０℃）で
洗滌して温風乾燥する。

【００３６】フッ素ポリマーを充填した酸化物セラミッ
クス層の層厚は３０μｍに達する。超音波発生用振動子
を使用しても酸化物セラミックス層にひび割れが発生し
ないことは、被覆したアルマイトと同じことが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化物セラミックス層の構造を示す一部破断略
斜面図である。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属（１）上に強固に固着した薄い隔離
   層（２）と、その上のシンターした密な酸化物セラミッ
   クス層（３）と、その上にあって本質上フッ素ポリマー
   （５）が充填されている、目があらく結合した毛細管系
   （４）つきの酸化物セラミックス層とを特徴とする、ア
   ルミニウム、マグネシウム、チタンまたはこれらの合金
   製物体。
2. 【請求項２】 フッ素ポリマーがポリ四フッ化エチレン
   （ＰＴＥＦ）であることを特徴とする請求項１記載の物
   体。
3. 【請求項３】 酸化物セラミックス層の厚みが４０〜１
   ５０μｍ、好ましくは５０〜１２０μｍであることを特
   徴とする請求項１、または２記載の方法。
4. 【請求項４】 酸化物セラミックス層（４）の表面が、
   外側毛細管内のフッ素ポリマーと結合して毛細管内でつ
   なぎ留められている、フッ素ポリマー層で被覆されてい
   ることを特徴とする請求項１〜３の一つに記載の物体。
5. 【請求項５】 物体がターボ分子ポンプ用のアルミニウ
   ム、またはアルミニウム合金製のロータであることを特
   徴とする請求項１〜４の一つに記載の物体。
6. 【請求項６】 物体がディーゼル機関、またはガソリン
   機関用のアルミニウム、またはアルミニウム合金製のタ
   ーボ過給器であることを特徴とする請求項１〜４の一つ
   に記載の物体。
7. 【請求項７】 物体がアルミニウム、またはアルミニウ
   ム合金製の真空、またはプラズマ工学の部品であること
   を特徴とする請求項１〜４の一つに記載の物体。
8. 【請求項８】 物体がアルミニウム、またはアルミニウ
   ム合金製のコロナ放電用シリンダー（walze)であること
   を特徴とする請求項１〜４の一つに記載の物体。
9. 【請求項９】 物体がアルミニウム、またはアルミニウ
   ム合金製の超音波発生用振動子であることを特徴とする
   請求項１〜４の一つに記載の方法。
10. 【請求項１０】 アルミニウム、マグネシウム、チタ
    ン、またはこれらの合金製物体上の、酸化物セラミック
    ス層の目があらく結合した毛細管系つきの上部酸化物の
    セラミックス層中に、毛細管直径より寸法の小さいフッ
    素ポリマー粒子を入れて、このように充填した毛細管系
    つきの物体を、変動する圧条件にさらすことを特徴とす
    る請求項１〜９の一つに記載の物体の製法。
11. 【請求項１１】 塩化物を含まないｐＨ値が２〜８の電
    解質浴中で、電位が最終値に落ちつくまで少なくとも１
    Ａ／ｄｍ² の一定電流密度で、物体をプラズマ化学的に
    酸化して酸化物セラミックス層を作りだすことを特徴と
    する請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 ロータを塩化物を含まないｐＨ値が７
    〜８の電解質浴中で、電位が最終値に落ちつくまで少な
    くとも１Ａ／ｄｍ² 一定の電流密度のもとでプラズマ化
    学的に酸化することと、酸化物セラミックス層から残留
    電解質を除去することと、ついで上部の目があらく結合
    した毛細管つきのアルミニウム−酸化物セラミックス層
    へ、少なくとも直径が毛細管直径より小さいフッ素ポリ
    マーの粒子を入れることと、ＰＴＦＥを充填した毛細管
    系つきロータを、ターボ分子ポンプ内で駆動条件にさら
    すことを特徴とするターボ分子ポンプ用のアルミニウ
    ム、またはアルミニウム合金製ロータ上へ、酸化物セラ
    ミックス−ポリマー層をつける方法。