JPH11315396A - 物体の陽極酸化処理のための方法及び装置 - Google Patents
物体の陽極酸化処理のための方法及び装置Info
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Abstract
を陽極酸化処理する方法と装置を提供する。 【解決手段】 構成部分を電解溶液中に配置し、溶液と
構成部分に、第1強度部分、第2強度部分、及び第3強
度部分を少なくとも含むパターンを持つ複数のパルスで
あって、第3強度が第1及び第2強度よりも小さく、3
つ全ての強度が同じ極性のものであるパルスを適用する
工程を含む構成部分の電気的処理方法とする。中に構成
部分の少なくとも一部を配置し及び反応流体を保持する
ようにした反応チャンバー104、反応チャンバーとの
流体の連絡を持つ輸送チャンバーであって流体が該輸送
チャンバーから構成部分に向かう複数の入り口を通って
反応チャンバーに入る輸送チャンバー201、流体が反
応チャンバーから輸送チャンバーに戻る流体の帰還路、
を含む電気的に構成部分を処理するための装置とする。
Description
のコーティングの電気的な形成技術に関する。より詳し
くは、反応媒体(電解質)中の溶解金属イオンの金属基
材(カソード)へのカソード堆積、又は金属基材(アノ
ード)の付着性セラミックコーティング(酸化物フィル
ム)へのアノード転化、による金属基材のコーティング
の電気的な形成に関する。
属構成部分又はパーツは最終的な表面処理を必要とする
ことが周知である。そのような表面処理は、パーツの一
又はそれ以上の性質、例えば耐熱性、防食性、耐摩耗
性、硬度、導電性、潤滑性を改良して、又は単に見かけ
上の価値を増加させて、パーツの機能性及び寿命を増加
させる。
は、燃焼機関で使用するアルミニウムのピストンヘッド
である。(ここで使用する場合アルミニウム構成部分と
は、アルミニウム合金を包含するアルミニウムを少なく
とも部分的に含む。)そのようなピストンは燃料領域に
接触し、従って比較的高温のガスに曝される。アルミニ
ウムは高い内部応力に曝され、それは結果として金属構
造の歪み又は構造の変化をもたらし、及びパーツの機能
性と寿命に好ましくない影響を与えることがある。陽極
酸化コーティングの形成(陽極酸化処理)が、アルミニ
ウムピストンが不十分な働きをする危険性を減らすこと
がよく知られている。従って、多くのアルミニウムピス
トンヘッドは陽極酸化処理をされる。
は欠点がある。交番電流又は電圧による従来の陽極酸化
処理は、陽極酸化コーティングを適用することによって
初期アルミニウム表面の表面粗さを増加させる。表面粗
さの増加は、アルミニウム合金及び処理条件に依存して
400%の大きさにもなることがある。燃焼機関の排気
中のVOC(揮発性有機化合物)の量は陽極酸化処理し
たアルミニウムピストンの表面仕上げに関係し、より大
きい表面粗さは燃焼効率を低下させる。これは、より多
くの割合の有機化合物がより容易に微細キャビティーに
捕らえられることがあるからである。従って、陽極酸化
処理によって常には提供されないなめらかな表面が必要
とされる。
グ(酸化アルミニウム又はアルミナ)に転化させる典型
的な従来技術の電力供給は、通常3〜4A/dm2 の直
流電流を印加する。典型的に、20〜25μmの膜厚さ
は30〜40分後に達成される。
酸電解質、硫酸とシュウ酸を混合した電解質にアルミニ
ウムをさらすことを含む。陽極酸化処理は一般に、比較
的低い処理温度、例えば−5〜+5℃で、12〜15体
積%の硫酸を含む電解質中において行う。より高い濃度
と温度は通常、形成速度をかなり低下させる。また、形
成電圧はより高い温度では低下し、これは酸化物フィル
ムの緻密さと技術的特性に好ましくない影響を与える。
極酸化処理を行うことは、コーティング性能の緻密さと
技術的な品質を高める(高い硬度と耐摩耗性)。陽極酸
化処理はかなりの量の熱を発生させる。一部の熱は、ア
ルミニウム陽極酸化処理の発熱する性質の結果である。
しかしながら、熱の大部分は陽極酸化処理をするアルミ
ニウムの抵抗によって発生する。典型的に反応の分極は
大きく、合金を作る元素組成と処理条件に依存して例え
ば15〜30Vである。所定の典型的な電流密度では、
合計の熱の発生の80〜95%が抵抗熱である。
ムを化学的に溶解する。従って、コーティング(酸化ア
ルミニウム)の実質の形成は、アルミニウムの酸化アル
ミニウムへの電気的な転化と形成された酸化アルミニウ
ムの化学的な溶解のバランスに依存している。
て、合計の熱の発生はこの釣り合いに影響を与える重要
な要素であり、陽極酸化コーティングの最終的な品質を
決定することに寄与する。熱は発生量域からバルク液体
に向かって、電解質に接するアルミニウムパーツの過熱
を避ける速度で発散させるべきである。形成と溶解の釣
り合いが適切に競合(struck)せず、溶解が優勢
の場合、酸化物膜は合金を電解質にさらす孔を発展させ
てることがある。これはしばしば従来技術の陽極酸化処
理方法で起こり、「燃焼現象(burning phe
nomena)」として知られる。
る熱を、アルミニウムの酸化が起こる電解質の空気撹拌
又は機械撹拌によって発散させて、所望の釣り合いに達
することを助長する。
ルミニウム表面に向かって電解質を噴霧することによる
(米国特許第5534126号明細書及び米国特許第5
032244号明細書)。発生領域のために熱を移動さ
せる電解質を、アルミニウム表面に向かって90度の角
度で噴霧して、そしてアルミニウム表面から対称的に発
散させる。
ルミニウム基材上に電解液をポンプ送りすることである
(米国特許第5173161号明細書)。電解液はアル
ミニウム基材に対して平行に移動し、アルミニウム基材
のより低い部分から表面全体に移動させ、熱を最終的に
アルミニウム表面から発散させる。
process)に基づく電気化学的解析(陽極酸化処
理ではない)技術の定常状態輸送機構は、加工電極を回
転させること、又は静止している電極に向かって60〜
70度の角度で流れを送ることのいずれかによって達成
することができる。定常状態を必須要件として、反応媒
体のジェット流れを60〜70度の角度にすることによ
って電気化学的解析が行える。加工電極に対して直交す
るジェット流れの定常状態は、ウォールジェット電気化
学解析にあまりふさわしくない。前記発明者は、この情
報が電気的方法に適用されていることを意識していない
と思われる。
26号及び5173161号明細書で説明される方法に
おいて、基材表面で起こる電荷輸送反応の推進力は、直
流電流であった。米国特許第5032244号明細書
で、反応媒体は硫酸、又は硫酸とシュウ酸の組み合わせ
の溶液であった。電解質の配合は硫酸が180g/lで
あり、処理温度は+5℃であった。50A/dm2 の電
流密度が、3分間で65μmの厚さを持つコーティング
を生じた。得られたコーティングのマイクロ硬度は20
0〜300Hv であった。
のシュウ酸の添加を含む。60μmを超える厚さを持
ち、及び400Hv を越えるマイクロ硬度を持つコーテ
ィングが5分間で得られた。
パーツを洗浄してそして乾燥する。前記特許明細書の3
つ全てで、陽極酸化処理、洗浄及び乾燥のいずれもを同
じ処理チャンバーで行う。いくつかのチャンバーは少な
くとも2つのアルミニウムパーツを持つ(米国特許第5
534126号又は同5173161号明細書を参
照)。他のものはそれぞれの容器に1つのパーツを持つ
(米国特許第5032244号明細書を参照)。
交番電流又は電位を使用している。これは、直流電流に
よる陽極酸化処理と比べて、より高い電流密度で陽極酸
化処理を行うことを可能にする。パルス陽極酸化処理
は、膜を形成している間の大きい電流又は電圧を伴う期
間と、熱を発散させている間の小さい電流又は電圧を伴
う期間の定期的な交番によって特徴付けられる(米国特
許第3857766号明細書)。この技術は高い形成速
度の期間(パルス期間)の後で「回復効果(recov
ery effect)」を利用して、続く小さい形成
速度を持つ期間(パルス期間)の間に熱が発散すること
を可能にし、及び次のパルスの間に電流が増加する前に
コーティングの欠陥を修理する。より大きい強度とより
小さい強度の電流の相対的な継続期間は、酸化物の形成
と熱の発散の相対的な量を決定する。単純なパルスパタ
ーンの1つのそのようなタイプは、米国特許第3857
766号明細書又は「Anodic oxidatio
n of Al.Utilizing Current
Recovery Effect、ヨコハマら、Pl
ating and Surface Finishi
ng、1982、69、No.7、62〜65」に見る
ことができる。
の名称「Anodizing Means And T
echniques」、1976年9月28日発行、発
明者Newmanら)は、もう1つの他のタイプのパル
スパターンを開示する。Newmanによって説明され
るパルスパターンは、大きい正の電流の部分、次に電流
がゼロの部分、次に小さい負の電流の部分、次に再び電
流がゼロの部分を持つ。パルスの部分のそれぞれは、サ
イクルの1/4を示す。従って、サイクルの初めの1/
4の間、電流は大きい正の値を持つ。サイクルの次の1
/4の間、ゼロ(0)の電流が提供される。3つ目の1
/4のサイクルの間、電流は小さい負の値を持つ。サイ
クルの最後の1/4の間、ゼロの電流が提供される。
1985年5月14日にLochらに発行された米国特
許第4517059号明細書で説明される。Lochら
は、比較的大きい正の電流と比較的小さい負の電流の間
で交番している方形波のパルスパターンを開示する。パ
ルスの正と負の部分の期間を制御して陽極酸化処理を制
御する試みで使用する。
れた米国特許第4414077号明細書は、直流電流に
重ね合わせるパルスの列(train)を説明する。パ
ルスは、直流電流のそれと反対向きで複数である。
(すなわち、安定電位(potentiostati
c)パルス)を発生させるために使用する電圧母線に印
加する正弦曲線電圧波又はその一部を使用する。しかし
ながら、そのような従来技術の系は、陽極酸化処理工程
を制御するために電流パルスを利用しない。そのような
従来技術の系の例は、「Anodizing Meth
od」と名付けられ1979年5月1日にSchaed
elに発行された米国特許第4152221号明細書、
「Forward−Reverse Pulse Cy
cling Pulse Anodizing And
Electroplating Process」と
名付けられ1977年9月6日にElcoらに発行され
た米国特許第4046649号明細書、及び「Forw
ard−Reverse Pulse Cycling
Anodizing And Electropla
ting Process Power Suppl
y」と名付けられ1976年8月17日にElcoらに
発行された米国特許第3975254号明細書で見出す
ことができる。
パルスを利用するが、低い不良率を維持しながら適切な
硬度と厚さを提供しなかった。更に、そのような従来技
術の系は比較的遅く、陽極酸化処理工程を完了するのに
比較的長い期間を要する。
ルミニウム基材に依存して典型的に1〜100秒の範囲
である。従来技術は、パルスパターン(パルス電流、パ
ルス継続期間、パルス電流とパルス継続期間)と陽極酸
化処理工程の結果の関係を説明しない。(前記ヨコガマ
を参照)。従って、最良のパルス条件は試行錯誤によっ
て決定されている。パルス陽極酸化処理したアルミニウ
ムのコーティングの品質は、従来技術に従って直流電流
で作られた陽極酸化コーティングよりも一般に優れてい
る(「Surface Treatment with
PulseCurrent、Dr.Jean Ras
mussen、December 1994」を参照さ
れたい)。
作で処理時間を減少させて、所望の品質と一貫性のコー
ティングを得る陽極酸化処理の方法と装置が望ましい。
方法と装置は好ましく製造費用を減少させ、内部及び外
部の環境への電解質の影響を減少させる閉ループ処理設
計を持つ。方法は、陽極酸化処理される構成部分の近く
から好ましく熱を取り除く。
ム構成部分を陽極酸化処理する方法は電解溶液中にアル
ミニウム構成部分を配置することによって始める。その
後、いくらかのパルスを溶液と構成部分に適用する。そ
れぞれのパルスは、第1強度を持つ部分、第2強度を持
つ部分、及び第3強度を持つ部分を含むパターンによっ
て作られる。第3強度は第1及び第2強度よりも小さ
く、3つ全ての強度は同じ極性のものである。
第2強度よりも実質的に小さい。もう1つの他の態様で
は、第3強度を実質的にゼロにする。
と、この交番に続く第3強度を含むパルスパターンを持
つ。もう1つの他の態様は、第1強度部分、次に第2強
度部分、次に第1強度部分、そして次に第3強度部分を
持つパルスパターンを提供する。更にもう1つの他の態
様は、第1強度部分、次に第3強度部分、次に第3強度
部分を持つパルスパターンを含む。
及び第3強度を持つパルスパターンを含む。もう1つの
他の選択肢は、第1、第2及び第3強度の少なくとも1
つが一定ではない。
続期間とは異なる第2及び第3部分の少なくとも1つの
継続期間を持つ。選択肢は、第1強度部分、次に第3強
度部分、次に第2強度部分の順番でこれらの部分を適用
することを含む。もう1つの他の変更は、4又はそれ以
上の異なる強度を持つパルスパターンを含む。
つの追加のパルスを適用する追加の工程は、選択肢の態
様に含まれる。強度間の移行はある態様では速く、ある
別の態様では遅い。
構成部分を陽極酸化処理するための装置は、構成部分の
少なくとも一部を配置する反応チャンバーを含む。反応
チャンバーは反応液体又は電解質を保持することができ
る。輸送チャンバーは反応チャンバーとの流体の連絡を
持つ。流体は輸送チャンバーから、構成部分に向いてい
る複数の入り口を通って反応チャンバーに入る。流体は
帰還路を流れ、流体が反応チャンバーから輸送チャンバ
ーに戻るようにする。
る。貯蔵容器は輸送チャンバーとの液体の連絡を持ち、
帰還路が流体貯蔵容器を含む。流体貯蔵容器と輸送チャ
ンバーの間のポンプは、流体を輸送チャンバーにポンプ
送りし、それによって流体を入り口に通し構成部分に向
かう様々な複数のジェットで構成部分にあてる。
ち、一方で輸送チャンバーは様々な選択肢を持つ。輸送
チャンバーは反応チャンバーと実質的に同軸を有してい
てよい。
度で構成部分に向けて送られる。もう1つの他の態様で
は、流体は60〜70度の角度で構成部分に向けて送ら
れる。
は実質的に垂直で、及び少なくとも1つの側壁と少なく
とも1つの底部の壁を持つ。入り口は側壁にあり、実質
的に水平に流体が反応チャンバーに入るようにする。反
応チャンバーは、入り口の下方に少なくとも1つの出口
を持つ。出口は底部の壁にあってよい。
ンバーを伴う一般的な壁である。また、選択肢では、反
応チャンバーは取り外し可能な部分を伴う上部を持つ。
該上部は、そこに構成部分を取り付けて、構成部分の一
部が反応チャンバーに入り及び一部が反応チャンバーの
上に出るようにする。1つの選択肢では、入り口は構成
部分の少なくとも一部と同じ高さである。
式で構成部分を取り付けられた位置に保持する。
ドで構成部分はアノードであり、それによって電流がカ
ソードとアノードの間を流れる。
以下の図、詳細な説明及び請求の範囲を検討すれば明ら
かになるであろう。
詳細に説明する前に、本発明はその適用が、以下の説明
で挙げられ又は図で説明される構成の詳細及び構成部分
の配置に限定されないことを理解すべきである。本発明
は他の態様でよく、又は様々な方法で実施若しくは遂行
することができる。また、ここで使用される表現及び用
語は説明を目的とするものであって、限定に関するもの
ではないことを理解すべきである。同様な参照番号を使
用して同様な構成部分を示す。
ルミニウムパーツを固定して電解質を送られる特定の固
定物を参照して説明するが、初めに、他のプロセスパラ
メータ、例えば代わりの材料若しくは溶液、又は他の装
置を使用して本発明を実施してもよいことを理解すべき
である。
のブロック線図によって示される。陽極酸化処理は、処
理容器100(後により詳細に説明する)で行う。加工
電極102(すなわち陽極酸化処理するパーツ)を容器
100の部分である反応容器104に配置する。陽極酸
化処理したパーツ102を洗浄タンク110に移動した
後で、ここで、圧力ポンプ114によって洗浄液貯蔵容
器112からポンプ送りし、一連の噴霧ノズル118を
通して洗浄チャンバー116に入れる脱イオン水で加工
電極を洗浄する。洗浄水は、洗浄液出口119を通って
洗浄チャンバー116から去り、洗浄液貯蔵容器112
に戻る。洗浄の間、加工電極又はパーツ102は所定の
位置に機械的に保持する。洗浄の後で、加工電極102
を乾燥容器120に輸送し、ここで、それをいくつかの
乾燥入り口124を通して乾燥容器120にポンプ送出
するヒーター122からの高温空気によって乾燥する。
こと又は品質の制御の測定をするときに構成部分を検査
するステーション(例えば乾燥容器120の後に)を設
けることを含む。検査は既知の技術、例えばニューラル
ネットワーク解析を使用して自動的に行うことができ
る。
関係する構成部分の区分の概略図が、外側の円筒状輸送
チャンバー201と内側の反応容器104を含むことを
示す。反応媒体(電解質溶液)は、圧力ポンプ203に
よって、処理容器100の下に配置された媒体貯蔵容器
202から、いくつかの入り口流路205を通して、輸
送チャンバー201に輸送する。選択肢は、他の形状の
チャンバー、並びに他の箇所にある入り口と出口を含
む。
活性な材料で作られた下部206及び逆電極(coun
ter electrode)である上部の電気化学的
に活性な部分207からなる内部の壁によって分離され
ている。あるいは、壁全体が電極でよい。反応媒体は、
一連の反応容器入り口210を通り、逆電極207を通
り、反応容器104に入る。反応媒体は、構成部分、ア
ルミニウム基材、又は加工電極102の表面に対して特
定の角度で反応容器104に入る。構成部分に対する角
度は15〜90度、好ましくは60〜70度の範囲であ
る。
応容器104から出て、媒体貯蔵容器202に戻る。内
側の壁(部分206と207を含む)、及び外側の壁2
13は、底の壁214に固定する。壁206、213及
び214は不活性な材料、例えばポリプロピレンを含
む。反応容器104は、不活性な材料、例えばポリプロ
ピレンで作られた可動式の上蓋によって閉じられてお
り、上蓋は覆いの蓋219と、加工電極102を配置す
る取り付け固定具220を含む。取り付け固定具220
は、交換可能で、陽極酸化処理する特定のパーツ又は加
工電極102のために特に設計される。
処理の間に加工電極102に蓄積する熱の発散を促進す
る。加工電極102は、取り付けの後で加工電極102
に押しつける電気的な接触230によって典型的な整流
器(以下で説明するように制御する)に接続する。
な形成は、加工電極102の下部の面に接触し、ゴムの
マスク226を保持する不活性な上部ジグ225からな
る上部マスクによって確実にされる。上部マスクは、不
活性な材料を含むいくつかの調節可能な留め具228に
よって取り付け固定具220に取り付けられる。
工電極102を図3でより詳細に示す。加工電極102
はゴムのO−リング301によって上部マスク、詳しく
はゴムのマスク226に向かって押しつけられて所定の
位置に固定される。ゴムのO−リング301は取り付け
リング303によって上部マスクに向かって機械的に押
しつけられる。加工電極102はゴムのO−リング30
1への圧力を解放し、上部マスクから離れるように取り
付けO−リング302を動かすことによって取り外す。
ここでは圧縮空気をポンプ送出して、いくつかの空気入
り口402を通して圧縮タンク401に入れることによ
って、O−リング301を加工電極102に押しつけ
る。圧力弁403を開くことによって加工電極102に
かかる圧力を解放し、それによって加工電極102を取
り外すことができる。
から取り去られる様式で、反応媒体を逆電極の孔を通し
て金属基材に向けて噴霧する。図10は反応チャンバー
104の上面図を示す。複数の入り口1001が示さ
れ、これらは60〜70度の角度にされている。取り付
け及びマスク装置は、少なくとも1つの反応の電位が高
い期間と反応の電位がない、低い又は負の期間の定期的
な交番によって特徴付けられる直流電流又は電圧の特に
設計された調整を適用することによって、高速度で金属
基材にコーティングを選択的に形成することを可能にす
る。
利な(必要ではないが)特徴を持っている。第1に、容
器の下のバルク溶液から反応チャンバーを通り貯蔵容器
に戻る反応媒体の流れのために、処理容器を提供する。
第2に、反応媒体をある角度で加工電極に向かって輸送
して、加工電極から熱が素早く発散されるようにする。
第3に、取り付けは簡単に使用でき及び経済的であり、
空気に曝されている加工電極の上部から熱が発散するこ
とを可能にする。第4に、熱に加えて反応生成物を金属
基材(加工電極)表面から取り去る様式で、反応媒体を
逆電極の孔を通して金属基材に向けて噴霧する。
る反応媒体は硫酸溶液、又は硫酸とシュウ酸のような適
当な有機酸の混合物を含む。硫酸の濃度は1体積%〜5
0体積%の範囲であるが、好ましくは10体積%〜20
体積%である。硫酸電解質に加える1又はそれ以上の有
機酸の濃度範囲は1体積%〜50体積%であるが、好ま
しくは10体積%〜15体積%である。加工電極102
はアノード(整流器の正極に接続する)として機能する
アルミニウムピストン(例えば、アルミニウム1295
又は1275)であり、逆電極201はカソード(整流
器の陰極に接続する)として機能するアルミニウム60
62(又はチタン)である。構成部分は他の材料で作る
ことができる。
て、−10℃〜+40℃、好ましくは+10℃〜+25
℃の範囲の適切な処理温度まで冷却する。電解質を4L
PM(リットル/分)〜100LPM、好ましくは30
LPM〜50LPMの流量で反応チャンバーにポンプ送
出し、そして貯蔵容器に戻す。
向かい、熱の発生領域から熱が輸送する。定常状態の熱
の発散は、アルミニウム基材表面に対して15〜90
度、好ましくは60〜70度の角度で反応媒体を噴霧す
ることによって達成する。
で反応箇所まで輸送し、そしてアルミニウムピストンに
向けて逆電極を通す。逆電極は反応チャンバーへの1〜
50、好ましくは8〜12の輸送入り口をを含み、アル
ミニウムAA6062、又は他の材料(例えばチタンの
ようなもの)で作られている。逆電極は整流器に接続さ
れて、カソード(陰極)として機能する。
のジェット流れは、発生領域からの定常状態の熱を発散
を達成する。更に、電解質が反応チャンバーのより低い
部分にはいると熱の発散は重力作用的に促進される。電
解質は反応チャンバーの底部の出口で反応チャンバーを
去り、反応チャンバーの下の貯蔵容器に戻る。
るために、ピストンを取り付け固定具に取り付け、そし
て上部マスクに向かって押しつける。ピストンは、ゴム
のO−リングからの圧力によって所定の位置を保持す
る。O−リングにかかる圧力は、図3に示すように機械
的なもの、又は図4のように空気式のもののいずれでか
である。その後ピストンをアノード(陽極)として整流
器に接続する。
な接触を取り外し、及びO−リングをゆるめて圧力を取
り除く。そしてピストンを洗浄容器に輸送し、その後高
温空気で乾燥する。
は、非常に高い電流密度(好ましくは50A/dm
2 超)、高い電流密度(好ましくは4A/dm2 超)、
及び低い電流密度(好ましくは4A/dm2 未満)の期
間の定期的な交番である。個々の電流密度の継続期間は
0.12秒〜40秒の範囲であるが、好ましくは1秒〜
5秒である。繰り返されるパルスサイクルの最終的な数
は、酸化物層の特定の公称厚さによって決定される。
しい電流状態のための気孔の底部での新しい安定状態に
必要な移行時間は、パルスと小休止の電流の差に関係す
る。2つの電流密度の大きな差は、回復効果の100%
の利用のために必要な時間を減少させる。また、陽極酸
化処理溶液の温度を高めることは、回復効果のための移
行時間を増加させる。大量のケイ素(7重量%)を含む
鋳造アルミニウムのバッチ式陽極酸化処理の間の回復効
果のための移行時間は、処理条件に依存して10〜25
秒である。
ぼ2倍の速さである25μm/分程度の形成速度は、特
に処理温度が従来の陽極酸化処理の典型的な範囲を超え
る(>+5℃)場合に、パルス電流密度の大きな差を必
要とする。発明者は、高められた処理温度(+10℃〜
+15℃)及び硫酸の濃度(17体積%)と組み合わせ
た3つの電流密度の定期的な交番を持つパルスパターン
は、結果として1分未満で25μmの厚さのコーティン
グをもたらすことを学んだ。以下の表2は様々な実験デ
ータを示す。陽極酸化処理電解質の温度と硫酸の量は、
従来技術の陽極酸化処理の最大の値よりも一般に大き
い。
ン(1サイクル)を図5に示す。それぞれのサイクル
は、中間の電流密度501及び高い電流密度502の交
番、続いて低い(又はゼロの)電流密度503の時間を
含む。このパターンを、陽極酸化コーティングの最終的
な厚さが達成されるまで何度か繰り返す。
定する。直流電流条件下とパルス調整電流でバッチ処理
したアルミニウムピストンの形成速度、表面粗さ及びマ
イクロ硬度の比較を表1に示す。
ス電流法でのように回復効果が利用できるならば、アル
ミニウムピストンのバッチ式陽極酸化処理が高い電流密
度(>>3A/dm2 )で行えることを学んだ。直流電
流陽極酸化処理の間の熱の発生は酸化物膜の形成と分解
の釣り合いを阻害し、結果としてコーティングの破壊を
もたらす(燃焼現象)。パルス陽極酸化処理したピスト
ンの低いマイクロ硬度は、バッチ処理の多くの熱の発生
と熱の不十分な除去の結果である。
(図5のパターンに従う)の平均電流密度に依存するこ
と、及び形成速度が7℃〜13℃の処理温度に実質的に
依存しないことを示す。
化処理では、表面粗さは処理時間と電流密度と共に増加
する。パルス期間と休止期間を含むパルスデザイン(2
つのレベルのパルスパターン)では、Ra'として測定さ
れる表面粗さは平均電流密度と共に増加する。しかしな
がら、2つのパルスと休止期間を含むパルス設計(図5
のそれのような3つのレベルのパルスパターン)では、
表面粗さは平均電流密度に依存しない。これは、表面粗
さ対2及び3レベルのパルスための電流密度を図に記入
した図7のグラフに示される。3レベルのパルスパター
ンの表面粗さは、陽極酸化処理の前の1.6μmから陽
極酸化処理の後の2.2μmに変化し、それは約38%
の増加である。実験のパルスデザインは以下の表2に示
され、一般に2つの相対的に大きい電流の部分(例えば
33A/dm2 )を持つパルスパターンを含み、及び第
3部分は実質的により小さい電流の部分(例えば、1/
2未満及び好ましくは約1/10)を持つ。電解質は、
17体積%の硫酸を含んでいた。
度の順番を変えること、他のパルスパターンと異なる1
つのパルスパターンを持つこと、及び小さい電流の部分
でゼロの電流を印加することを含む。
噴霧する米国特許第5534126号及び503224
4号明細書の処理の方法に従って、直流電流で陽極酸化
処理したピストンの形成速度と表面粗さを図8及び9に
示す。これらの従来技術の方法によって提供される粗さ
と形成速度は、本発明によって提供される粗さと形成速
度程は良くない。従来技術の形成速度は、硫酸電解質中
の電流密度と共に増加する。また、シュウ酸を添加する
ことによって形成速度はわずかに増加する。表面粗さ
は、電流密度と共に及びシュウ酸を添加することによっ
て増加する。10g/lのシュウ酸を含む硫酸電解質中
における20A/dm2 での陽極酸化処理は、24μm
の酸化物コーティングを90秒間で作る。表面粗さは
2.64μmである。電流密度を30A/dm2 に上昇
させると、形成速度が増加して、1分間で23μmのコ
ーティングが作られるが、表面粗さは3.01μmに増
加する。比較のために挙げると、0℃及び3A/dm2
での従来の直流電流陽極酸化処理の後のピストンの表面
粗さは2.66μmである。
が、それらはまだなお、ここで意図される本発明の範囲
に含まれる。従って、構成部分から熱を発散させる固定
物を提供し、及び陽極酸化処理をより素早く及び/又は
前記の目的と利点を完全に満たす所望の性質を持つよう
に、陽極酸化処理電流をパルスパターンで提供する構成
部分を陽極酸化処理するための方法と装置が本発明の方
法に従って提供されたことは明らかである。本発明をそ
の特定の態様に関して説明したが、多くの選択肢、修飾
及び変更が当業者に理解されることは明白である。従っ
て、本発明の本質と広い範囲に含まれるそのような全て
の選択肢、修飾及び変更を包含することを意図する。
ク線図である。
である。
に取り付けられた加工電極の断面概略図である。
に取り付けられた加工電極の断面概略図である。
グラフである。
すグラフである。
表面粗さ対平均電流密度を示すグラフである。
均電流密度、及び形成速度対シュウ酸濃度を示すグラフ
である。
均電流密度、及び表面粗さ対シュウ酸濃度を示すグラフ
である。
つ反応チャンバーの外側の壁の上面図である。
Claims (28)
- 【請求項1】 構成部分を提供し、 構成部分を電解溶液中に配置し、そして溶液と構成部分
に複数のパルスを適用する、 各工程を含む構成部分の電気的処理法であって、前記パ
ルスが少なくとも第1強度部分、第2強度部分、及び第
3強度部分を含むパターンを持ち、第3強度が第1及び
第2強度よりも小さく、及び3つ全ての強度部分が同じ
極性であることを特徴とする構成部分の電気的処理方
法。 - 【請求項2】 第3強度が第1及び第2強度よりも実質
的に小さい請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 第3強度が実質的にゼロである請求項1
に記載の方法。 - 【請求項4】 パルスパターンの順序が、第1及び第2
強度の交番、及び交番の次の第3強度を含む請求項1に
記載の方法。 - 【請求項5】 パルスパターンが、第1強度部分、次に
第2強度部分、次に第1強度部分、次に第3強度部分の
順序を含む請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 パルスパターンが、第1強度部分、次に
第3強度部分、次に第3強度部分の順序を含む請求項1
に記載の方法。 - 【請求項7】 パルスが電流パルスであり、複数のパル
スを適用する工程が、 第1強度部分の間、実質的に一定の電流強度を提供し、 第2強度部分の間、実質的に一定の電流強度を提供し、
そして第3強度部分の間、実質的に一定の電流強度を提
供する、ことを含む請求項2に記載の方法。 - 【請求項8】 パルスの第1強度部分の継続期間が、第
2及び第3部分のうちの少なくとも1つの継続期間とは
異なる請求項1に記載の方法。 - 【請求項9】 第1、第2及び第3強度のうちの少なく
とも1つが一定ではない請求項2に記載の方法。 - 【請求項10】 複数のパルスを適用する工程が、第1
強度部分、次に第3強度部分、次に第2強度部分の順序
で、該部分を適用する工程を含む請求項1に記載の方
法。 - 【請求項11】 複数のパルスを適用する工程が、4つ
の部分を持つパルスパターンを適用する工程を含む請求
項1に記載の方法。 - 【請求項12】 異なるパルスパターンを持つ少なくと
も1つの追加のパルスを適用する工程を含む請求項1に
記載の方法。 - 【請求項13】 複数のパルスを適用する工程が、第
1、第2及び第3強度が漸次変化する工程を含む請求項
1に記載の方法。 - 【請求項14】 反応チャンバーの中に構成部分の少な
くとも一部を配置するようにし、及び反応流体を保持す
るようにした反応チャンバー、 反応チャンバーとの流体の連絡を持つ輸送チャンバーで
あって、流体が該輸送チャンバーから構成部分に向かう
複数の入り口を通って反応チャンバーに入る輸送チャン
バー、及び流体が反応チャンバーから輸送チャンバーに
戻る流体の帰還路、を含むことを特徴とする電気的に構
成部分を処理する装置。 - 【請求項15】 帰還路に含まれ、輸送チャンバーとの
流体の連絡を持つ流体貯蔵容器を更に含む請求項14に
記載の装置。 - 【請求項16】 流体貯蔵容器と輸送チャンバーの間に
配置されて輸送チャンバーに流体をポンプ送出するポン
プを更に含み、それによって流体を入り口に通して構成
部分に向かう複数のジェットで構成部分に向かわせる請
求項15に記載の装置。 - 【請求項17】 反応チャンバーが実質的に環状の断面
を持つ請求項14に記載の装置。 - 【請求項18】 輸送チャンバーが実質的に環状の断面
を持ち、並びに外側であり及び反応チャンバーと実質的
に同心である請求項17に記載の装置。 - 【請求項19】 流体が、15〜90度の角度で構成部
分に向かう請求項14に記載の装置。 - 【請求項20】 流体が60〜70℃の角度で構成部分
に向かう請求項14に記載の装置。 - 【請求項21】 反応チャンバーが実質的に垂直に配置
され及び少なくとも1つの側壁と少なくとも1つの底部
の壁を含む装置であって、流体が反応チャンバーに実質
的に水平に入るように入り口が少なくとも1つの側壁に
配置され、及び反応チャンバーが入り口の下方に少なく
とも1つの出口を持つ請求項14に記載の装置。 - 【請求項22】 少なくとも1つの出口が底部の壁にあ
る請求項21に記載の装置。 - 【請求項23】 少なくとも1つの側壁の少なくとも一
部が、輸送チャンバーと共通の壁である請求項22に記
載の装置。 - 【請求項24】 構成部分の一部が反応チャンバー内に
延び及び少なくとも一部が反応チャンバーの上に延びる
ように構成部分を取り付けるようにされた少なくとも取
り外し可能な部分を伴う上部を反応室が持つ請求項23
に記載の装置。 - 【請求項25】 入り口が、構成部分の少なくとも一部
と同じ高さである請求項23に記載の装置。 - 【請求項26】 構成部分が、取り付けられた箇所に機
械的に保持される請求項25に記載の装置。 - 【請求項27】 構成部分が、取り付けられた箇所に空
気式で保持される請求項25に記載の装置。 - 【請求項28】 入り口の少なくとも一部がカソードの
少なくとも一部分であり、及び構成部分がアノードの少
なくとも一部分であり、それによって陽極酸化処理工程
においてカソードとアノードの間に電流が流れる請求項
25に記載の装置。
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