JPS60211061A

JPS60211061A - アルミニウム材のイオン窒化方法

Info

Publication number: JPS60211061A
Application number: JP59068208A
Authority: JP
Inventors: Hideo Tachikawa; 英男太刀川; Takatoshi Suzuki; 隆敏鈴木; Hironori Fujita; 藤田　浩紀; Toru Arai; 新井　透
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1984-04-05
Filing date: 1984-04-05
Publication date: 1985-10-23
Also published as: JPH0338339B2; EP0158271A3; DE3567911D1; CA1237380A; EP0158271A2; EP0158271B1; US4597808A; AU574149B2; AU4072585A

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】本発明は、アルミニウムおよびアルミニウム合金のイオ
ン窒化方法に関するものである。

アルミニウムおよびアルミニウム合金（以下。

アルミニウム材という）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
技術の開発が行なわれてきた。ところが、アルミニウム
材は、空気中の酸素との親和力が強く、酸素と容易に結
合して極めて安定で。

かつ、緻密な薄いアルミナ（Ａｌｌ、ｏ、）の層ヲ形成
してしまう。そのため、この表面処理は、鉄系金属に比
して、その方法が限られておシ、実際は陽極酸化法によ
るアルミナ被膜の形成等の表面処理が実用に供されてい
るに過ぎないのである。しかし、このアルミナ被膜の硬
度は、処理条件により異なるが、大略ビッカース硬度が
２００〜６００と必ずしも充分表耐摩耗性を有するもの
ではない。

ところで、アルミナ被膜以上の高い硬度を持つ被膜とし
て、アルミニウムの窓化物（ムｌＮ）がある。仁の窒化
アルミニウムは、非常に高温（２０００℃以上）まで安
定であり、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ため。

大変有用である。

アルミニウムは、窒素との親和力も強く、窒素と容易に
結合して窒化アルミニウムを形成する。

そのため、アルミニウム材の表面に窒化アルミニウムを
形成する技術の開発が種々行なわれている。

例えば、アルミニウム材（被処理材）の一部を溶融して
窒化する方法（溶融法）や２反応性スパッタリング或い
は反応性蒸着法等による試みがなされている。しかし、
これら方法のうち、溶融法では０．溶融に伴い被処理材
の変形があり、また得られる窒化アルミニウム層部の硬
さもＨｖが２００以下と低い、また１反応性スパッタリ
ング或いは蒸着法等は、形成された窒化アルミニウム層
部と被処理材との密着性等に問題があシ、また大量処理
が難しく処理コストが大変高い。

また、この様な中で、大量処理が可能で被処理材を溶融
することがなく、かつ耐摩耗性に優れた窒化アルミニウ
ム層を形成できる方法として、従来より鉄系金属材料の
窒化処理に用いられてきたイオン窒化方法の適用が試み
られたが、前述した如く、被処理材の表面に形成された
アルミナ層のために困難とされていた。

即ち、アルミニウム材の板状、棒状などの形状の被処理
材の窒化処理は、前述した如く窒化処理以前に酸素と反
応して被処理材表面にアルミナ（ＡｇｓＯｓ）が形成さ
れてしまうために、もっばらアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金の粉末を窒素あるいはアンモニア雰囲気中で
加熱する方法に依存している。しかし、この方法は、多
大な費用と時間を要するのみならず、板状、棒状等の形
状のアルミニウムおよびアルミニウム合金に直接窒化処
理を行なうことは著しく困難であった。

そこで０本発明者等は、上述の様な従来の窒化処理の問
題に鑑み、これを解決すべく各種の研究を重ねた結果１
本発明を成すに至ったものである。

本発明の目的は、ア、−２＝ウム畠摩耗性を向上させる
表面処理方法を提供するにある。

また、アルミニウム材の表面に高い硬度を持つ被膜層を
形成する表面処理方法を提供するにある。

更に、アルミニウム材の溶体化温度以下という低温度領
域においてもイオン窒化処理を可能にする方法を提供す
るにある。

即ち、　本発明のアルミニウムおよびアルミニウム合金
のイオン窒化方法は、密閉容器内に被処理材としてのア
ルミニウムおよびアルミニウム合金製部材を配置する工
程と。

上記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。

上記密閉容器内に昇温用ガスを導入すると共に放電を行
なうことによシ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共に放電を
行なうことにょシ被処理材の表面を活性化する活性化工
程と。

上記密閉容器内に窒化系ガスを導入すると共に主起密閉
容器内にグロー放電を発生させて上記被処理材の表面を
イオン窒化するイオン屋化工程とよシ成ることを特徴と
するものである。

本発明によれば、被処理材としてのアルミニウム材の表
面に、高い硬度を持ち耐摩耗性に優れた窒化アルミニウ
ム層を形成することができる。

また、被処理材表面に形成された窒化アルミニウム層は
、比較的に均一であり、密着性のよい被膜層である。

更に１本発明により、イオン窒化処理をアルミニウム材
の溶体化温度（約５５０″Ｃ）以下の温度で行なうこと
ができる。従って、これにより、被処理材を変形させる
ことなく窒化処理を施すことができる。

以下９本発明をより詳細に説明する。

先ず、被処理材としてのアルミニウムおよびアルミニウ
ム合金部材を密閉容器内に設けられた基台または吊り具
等の治具に配置する（被処理材配置工程）。ここで、用
いるアルミニウム合金ハ。

アルミニウムを主な組成成分とし、クロム、銅。

マグネｖウム、マンガン、ケイ素、ニッケル、鉄。

亜鉛等の一種又は二種以上含むものである。

次に、該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−導入ガスに置換−減圧を
繰り返し行なう。この際、導入ガスールを越えた場合、
密着性に優れた窒化アルミニウム層の形成が困難となる
ためである。更に、拡散ボンデ等を用いて１０　トール
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、とＱ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
もに放電を行なうこと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
素ガスまたはヘリウムガス等の希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のイオン衝撃による損傷を必要最小
限度におさえ加熱を促進するためである。更に、放電に
ょシ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
物から成る物質の清浄化をすることができる。この放電
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。尚、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。

力範囲より小さい場合、放電が不安定となり、ｔた。大
きい場合被処理材の温度分布が不均一になるのでともに
好ましくないからである。

また、この外温工程では、被処理材の表面温度を所定の
窒化温度に加熱するとしたが、後述する活性化工程にお
いて昇温を行なう場合には、略この外温分を差引いた温
度まで昇温すればよい。

次に、上記密閉容器内に活性化用ガスを導入すると共に
放電を行なうことにより被処理材の表面を活性化する（
活性化工程）。この活性化工程は。

該活性化処理後の窒化処理の反応速度を促進するための
前処理であって、ｌＥ化熱処理際に窒化アルミニウムが
形成され易くなる様に被処理材の表面を活性化すること
を目的とする。即ち、被処理材の表面に存在しバリア一
層を形成して窒化を抑制する物質の除去または変質（窒
化反応の妨げとならない状態にすること）によシ、窒化
反応を促進するものである。窒化反応を抑制する物質と
しては、酸化物（Ａ１１ｓ　Ｏｎ　）や昇温工程におけ
る被処理材表面の清浄化作用によっては取り除くことが
できなかった有機物等の付着物等がある。これら物質ノ
ウチ、酸化アルミニウム（”ｊｈ　Ｏｓ　）　ハ、　ｙ
　ｉｖミニウムと酸素との親和力が強いために容易に結
合し、安定でかつ緻密な薄い（数＋１）層として室温放
置状順で容ｉｂＫ被処理材表面に形成されてしまう。こ
のアルミナ被膜層の除去は、前記昇温工程においては十
分に行ない得す２本工程において活性化ガスのイオン衝
撃にょ９これを減少・除去するか或いは変質させ、被処
理材表面を活性化する。

該活性化工程において用いる活性化用ガスは。

ヘリウム（Ｈｅ　）　、ネオ７　（Ｎｏ　）　、　ｙｔ
ｖコン（Ａｒ）。

クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｓ　）　、ラドンに
）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。これら希ガスを用いることにょシ。

被処理材表面の高活性化を効率的に行なうことができる
。

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。

トールであることが好ましい。それは、この圧力範囲よ
り小さい場会、アーク発生等が６９放電不安定とな９．
また、大きい場合には窒化抑制物質の除去能力が低くな
シともに好ましくないからである。

ここで、該活性化工程に際し、放電を継続した１１活性
化ガスに切換えるが、昇温用ガスの導入し、放ｔを再開
する方法を採ってもよい。

また、該活性化工程において、必要に応じ昇温を行なっ
てもよい。

更に、該活性化工程は、後述するイオン窒化工程の前処
理であるので、前記昇温工程より前に行なってもよい。

この場合、昇温工程の昇温に経かる時間が長い場合には
活性化処理の効果が低下するので好ましくない。これは
、昇温工程を行なう間に、密閉容器内に残存する微量の
酸素及び雰囲気（昇温ガス）中の微量の酸素或いは酸化
性ガスにより被処理材表面にアルミナ被膜が形成されて
しまうためである。

次に、密閉容器内に窒化系ガスを導入すると共に該密閉
容器内にグロー放電を発生させて被処理材表面の窒化処
理を行なう（イオン窒化工程）。

該イオン窒化工程において用いる窒化系ガスは。

窒素（凡）または窒素を主体としたガス、例えばアンモ
ニア（ＮＩＴ、　）　或いは窒素（Ｎｌ　）と水素（Ｈ
ｊ　’）の混合ガス等を用いる。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。それは、高純度窒
素を用いた場合、窒化アルミニウムの形成速度がはやく
、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、グロー放電は、直流または交流グロー放電を用い
る。

該範囲より小さい場合、窒化アルミニウムの形成速度即
ち窒化速度が遅＜、また大きい場合には放電不安定とな
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。

３０口ないし５５０℃の温度範囲内である。処理温度を
この温度範囲内としたのは、３００℃米満の場合には窒
化速度が遅く、また、５５０℃を越えた場合には被処理
材の溶融がみられ、それに伴う変形（寸法変化、歪み発
生等）がおこり、更に・高温の場合には冷却過程で窒化
アルミニウム層の剥離が発生し易くなるためである。尚
、該処理温Ｊｉは４５０℃ないし５２０℃であることが
よυ好ましい。

以下１本発明の詳細な説明する。

実施例１本発明のイオン窒化方法によりアルミニウムに窒化アル
ミニウム層を形成し、該窒化アルミニウム層の層厚を測
定した。

以下、その詳細を説明すると９本実施例においては、第
１図に概略図を示すイオン窒化装置を用いた。この装置
は、ステンレス製の密閉容器１と。

この密閉容器１の中央に設けられた基台２とを主な構成
要素とする。この密閉容器１は、蓋体１ａと反応炉本体
１ｂとからなり、蓋体１αには、窓１１が設けられ、ま
た反応炉本体１ｂの内部側周には予備加熱用ヒータ１２
．更にその内側にステンレス製陽極板１３が設けられて
いる。更に、この密閉容器１の底部にはガス導入管１４
およびガス導出管１５．基台２の支持柱２１の内部に冷
却水を送る冷却水管１６および水銀マノメータ圧力計１
７が取り付けられている。

ガス導入管１４は、コントロールバルブを介して高純度
窒化ガスボンベ、高純度水素ガスボンベ（共に図示せず
）に連結されている。また、ガス導出管１５には真空ポ
ンプ３が接続されている。

そして、陽極１３との基台２の間に陰極として直流電源
回路４が形成されている。この直流電源回路４は、内部
の被処理材温度を測定する２色温度計４１からの入力に
より電流制御され、被処理材の温度を一定範囲に保つ働
きをする。

本実施例では、被処理材として２個の工業用純アルミニ
ウム（アルミニウム分９９５％以上；外径１９Ｎ、厚さ
１０ｆｆの円板）を用い、基台２の上に第１図に示す様
に配置した。

本装置でのイオン窒化は、先ず基台２の、上に前まで減
圧した。更に、予備加熱ヒータ１２で真空引きしながら
、炉壁を３０分間加熱した。加熱後。

このように水素ガスによる置換を２〜３回繰り返１／　
ｌ炉内の残留酸素ガスを可能な限り取り除くようにした
。

次に、１０）−Ａ／まで減圧した炉内に水素ガスを流し
、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１両極１２と２の間に数百ボ
ルトの直流電圧を印加し、放電を開始し、イオン衝撃に
よる昇温を行なった。被処理材表面が５００°Ｃになっ
たところで水素ガスを止め、その後、アルゴンガスを導
入した。このアルゴンガスの圧力が１トールになるよう
に調整し、該圧力を１トールに保った状態で更に放電を
２時間持続させた。この場合、水素ガスの導入停止と同
様に一度放電を止め、水素ガスの排気を行なった後、ア
ルゴンガスを所定の圧力まで導入し。

放電を再開する方法を採ってもよい。

このアルゴンガス雰囲気下における放電により。

被処理材表面のスパッタリングを５００℃で２時間行な
った後で、アルゴンガスの導入を止め１次いで窒素ガス
を導入した。炉内の窒素ガスのガス圧が５５トールにな
る様に窒素ガスの流量を調整し、被処理材の温度を第１
表に示す所定の窒化温度に１．た後、その温度を保ちな
がらイオン窒化を５時間行なった。尚、アルゴンガスか
ら窒素ガスへの転換の際は、放電は持続させることが望
ましい。

温度が５０℃以下になるのを確認して被処理材を炉より
取り出し友。得られた被処理材表面には。

黒色の層が形成されていた。

得られたそれぞれの黒色層について、Ｘ線回折法による
物質同定の結果、何れもつ〃ツ鉱型の窒化アルミニウム
（Ａ＃Ｎ　）であることが確認された次に、被処理材表
面に形成された黒色層の層厚測定および表面硬度測定試
験を行なった。その結果を第１表に示す。また、窒化温
度５００℃で処理した試験番号６の被処理材を切断した
。その断面の組織を示す顕微鏡写真（倍シρρ倍）を第
２図に示す。更に、この断面の元素分析をＥＰＭＡ分析
法により行なった。その結果を第６図に示す。これらに
より９表面層が硬質な窒化アルミニウムであることが確
認された。

第　１　表尚、比較のために、活性化処理工程において用いる活性
化用ガスを水素ガスとし、その他は王妃と同様の方法で
イオン窒化処理を行なった（試験部ｆ０１〜０５）。そ
の結果、試験番号０１〜Ｃ３ともに窒化しなかった。

実施例２実施例１のイオン窒化処理装置を用い、工業用純アルミ
ニウム（アルミニウム分９９．５％以上；外１１９ａｒ
、厚さ１０１Ｅ１の円板）に窒化処理を施し喪。

本実施例における被処理材の窒化処理は、前述しｆｃ５
ｊ！施例１と同様であるので、５Ｊ！施例１との相違点
を述べる。

本実施例の活性化処理工程において用いた活性化用ガス
は、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｏ）ガスおよび
アルゴン（Ａｒ）ガスである。該活性化処理工程におけ
るこれら導入ガスの圧力は、それぞれ０．１ト−Ａ／で
、これら導入ガス雰囲気下における放電による被処理材
表面のスパッタリングを５００°Ｃで１時間行なった。

また、イオン窒化工程におけるイオン窒化は。

５００℃で５時間であった。

これにより、被処理材表面には、それぞれ黒色の層が形
成された。

得られたそれぞれの黒色の層について、Ｘ線回折法によ
多物質同定を行ない該層が窒化アルミニウム（ＡＮＮ　
’）であることを確認した。また、該窒化アルミニウム
層の層厚を測定した。その結果を第２表に示す。

第　２　表実施例３被処理材として工業用アルミニウム合金ＪＩ８Ａ２０１
７（試験番号１４）およびＪＩ８ムロ０６１（試験番号
１５）からなる円板状部材（外径１９寵、厚さ１ｏａｄ
）を用いイオン窒化を行なった。

該イオン窒化処理は、前述した実施例１と同様であるの
で、実施例１との相違点を述べる。

本実施例の活性化処理工程において用いた活性化用ガス
はアルゴン（Ａｒ）ガスで、導入ガスの圧力をα６トー
ルとし、該導入ガス雰囲気下における放電による被処理
材表面のスパッタリングを５００℃で１時間行なった。

− イオン窒化工程は、窒化系ガスとしてそれぞれアンモニ
ア（ＮＨａ　）ガス、窒素（Ｎｌ　）と水素（Ｈｌ）と
の混合ガスを用い、第３表に示す処理条件において行な
った。

これにより、被処理材表面にはそれぞれ窒化アルミニウ
ム（ＡＩＮ　）の黒色の層が形成された。得られた窒化
アルミニウム被膜層の層厚測定結果を第３表に示す。

第　３　表実施例４被処理材として実用アルミニウム合金２種類を用いて被
処理材のイオン窒化処理を行ない、形成された窒化アル
ミニウム被膜層の層厚測定と耐摩耗試験を行なった。

本実施例は、イオン窒化方法及びその装置が前述した実
施例１と同様であるので、実施例１との相違点を中心に
詳述する。

被処理材は、実用アルミニウム合金（ジュラルミンＪＩ
８　Ａ２０１７　Ｓ試験番号１６）およびＡｌ−８ｉ合
金（ＪＩ８　Ａ３９ＯＳ試験番号１７）からなるリング
状試験部材（外径２０ｆｌ、内径１０ｆｆ、厚さ１０１
１Ｉ）を用いた。

活性化処理工程では、活性化用ガスとしてアルゴン（ム
ｒ）ガスを用いた。尚、該活性化処理は。

導入ガスの圧力がＱ、６トールで、これら導入ガス雰囲
気下における放電による被処理材表面のスパッタリング
を５００℃で試験番号１６が１５時間。

試験番号１７が１時間行なった。

イオン窒化工程では、窒化系ガスとして窒素へ）ガスを
用い、それぞれ第４表に示す処理条件により行なった。

これにより、被処理材表面には、それぞれ窒化アルミニ
ウム（Ａ＃Ｎ　）の黒色の層が形成された。

得られた窒化アルミニウム被膜層の層厚測定を行なった
。その結果を第４表に示す。

また、イオン窒化処理を行なった被処理材につき、耐摩
耗試験を行なった。ここで、比較用として、何ら処理を
施していない被処理材と同ｉ゛Ｑおのおの用いて、上記
と同様に耐摩耗試験を行なった。これらの結果を、試験
番号１６のものについては第４図に、試験番号１７のも
のについては第５図にそれぞれ示す。同図よシ明らかの
如く、何れも無処理のものに比べて１１５以下の摩耗量
を示し、アルミニウムの窒化が耐摩耗特性に有効である
ことが分る。

次に、試験番号１６においてイオン窒化処理を施した被
処理材について、酸化試験を行ない、酸化試験後の被処
理材の耐摩耗特性を調べた。酸化試験は、大気中下で５
００℃の温度に２０時間加熱することによ９行なった。

酸化試験後の被処理材の耐摩耗試験を上記と同様の方法
にて行なった。

その結果、摩耗体積が［１Ｌ０５ａ＋１であり、酸化前
の電化処理材と同様の耐摩耗性を示し、酸化による窒化
アルミニウム被膜層の劣化はないことが確認された。

実施例５被処理材として工業用純アルミニウム及びＡ１合金を用
いて被処理材のイオン窒化処理を行ない。

形成された窒化アルミニウム被膜層の層厚測定と該被膜
層部を含む断面の硬さ試験を行なった。

被処理材は、第５表に示す様なアルミニウムまたはア７
レミニウム合金製の円板状部材（外径１９顛、厚さ１０
１１ＪＩＩｉ試験番号１８〜２２）を用いた。

活性化処理は、アルゴンガスを導入し、、アルゴンガス
のガス圧力がα６トーμになる様に流量を調整し、５０
０°Ｃの温度を保ちながら放電によるスパッタリングを
１時間行なった。

イオン窒化処理は、窒素ガスを導入し、窒素ガスのガス
圧力が５トールになるように流量を調整し、４７５°Ｃ
の温度を保ちながらイオン窒化を１０時間行なった。

これにより、被処理材表面には、それぞれ窒化アルミニ
ウム（Ａ／Ｎ　）の黒色の層が形成された。

得られた窒化アルミニウム被膜層の層厚測定を行なった
。その結果を第５表に示す。また、その断面硬さを斜め
研摩して測定した。その結果を第５表に併わせで示す。

断面硬さ試験の結果、何れもＨｖ２０００以上の値を示
した。

第　５　表

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示し、第１図は本発明の実施例１
で用いられたイオン窒化装置の概略図。第２図および第３図は実施例１で得られた被処理材の被
膜層に関するもので、第２図はその断面の金属組織を示
す顕微鏡写真図（倍率１０００倍）。第３図はその表面部のアルミニウムと窒素成分のＥＰＭ
人分析図、第４図および第５図は実施例４で得られた被
処理材の被膜層に関するもので、その摩耗量を示す図で
ある。１・・・密閉容器　２・・・基台　３・・・真空ポンプ
　４・・・電源回路　５・・・被処理第７回第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）密閉容器内に被処理材としてのアルミニウムおよ
びアルミニウム合金製部材を配置する工程と。上記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、上記密閉容器内に昇温用ガスを導入すると
共に放電を行なうことによシ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共に放電を行なうととくより被処理
材の表面を活性化する活性化工程と。上記密閉容器内に窒化系ガスを導入すると共に上記密閉
容器内にグロー放電を発生させて上記被処理材の表面を
イオン窒化するイオン窒化工程とより成ることを特徴と
するアルミニウムおよびアルミニウム合金のイオン窒化
方法。
（２）活性化工程における活性化ガスは、希ガスである
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１１項項記載アル
ミニウムおよびアルミニウム合金のイオン窒化方法。
（３）　イオン窒化工程における窒化温度は、５００°
Ｃ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およびアルミニウム合
金のイオン窒化方法。