JPWO2005118919A1 - 金属の電解セラミックコーティング方法、金属の電解セラミックコーティング用電解液および金属材料 - Google Patents
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Abstract
Description
中でも、特に耐摩耗性に優れる陽極酸化皮膜は、硬質陽極酸化皮膜と呼ばれている。その形成方法としては、一般的には低温法が広く採用されている。この低温法では、硫酸をベースとする電解浴を用いて、浴温10℃以下という低温で処理される。また、低温法では、電流密度を3〜5A/dm2と、他の陽極酸化処理に比較して高い値で陽極酸化処理を行う。この低温法により得られる硬質陽極酸化皮膜は、通常、ビッカース硬度が300〜500Hvであり、他の陽極酸化皮膜と比べて緻密である。
現在、硬質陽極酸化皮膜は、アルミニウム合金製の機械部品の摺動部等に用いられているが、摺動条件等の過酷化にともない、更なる耐摩耗性の付与が望まれている。また、アルミニウム・ダイキャスト合金には、緻密な硬質陽極酸化皮膜が形成されにくいという問題がある。
特許文献1および3には、600V以上の高電圧を用いて処理を行い、α−アルミナを主成分とする超硬質の皮膜を作製する方法が記載されている。これらの方法により得られる皮膜は、ビッカース硬度が1500Hvを超えるという極めて高い硬度を有する。また、一般的なアルカリ性電解液を用いた陽極酸化処理では作製可能な皮膜の厚さが10μm程度であるのに対して、これらの方法によれば、厚さが100μm以上の皮膜を得ることができる。したがって、皮膜の厚膜化により、耐摩耗性、耐食性等に優れた皮膜を作製することができる。
一方、皮膜の作製時には高電力が消費され、電解液を冷却するためにも電力が必要となることから、電気コストの締める割合は極めて高くなるため、必要以上に厚さの大きい皮膜を作製するのは不経済である。この点では、皮膜厚さを小さくするのが好ましい。
しかしながら、皮膜厚さを小さくすると、表面粗度を小さくすることができるものの、摺動時に皮膜が破壊されやすいという問題がある。
また、特許文献7に記載されている方法では、特許文献3に記載されている方法により得られる皮膜と同等の硬度および耐摩耗性を得ることができない。
また、本発明は、耐摩耗性および摺動特性に優れる金属材料を提供することを目的とする。
また、本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、金属基体上に、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物の連続相と、前記連続相中に分散した酸化ジルコニウム微結晶の分散相とからなる硬質皮膜を設けることにより、硬度が高く、耐摩耗性および摺動特性に優れ、靭性に優れ、かつ、研摩なしで摺動部材への適用した場合にも相手材攻撃性が低い金属材料となることおよびジルコニウム化合物を含む電解液を用いて、金属のアノード電解またはバイポーラ電解を行う方法等により、上記硬質皮膜を形成させることができることを見出し、本発明の金属材料を完成させた。
(1)ジルコニウム化合物を含有する電解液中で金属を陽極として電解処理を行い、前記金属の表面にセラミック皮膜を形成させる、金属の電解セラミックコーティング方法。
(2)前記ジルコニウム化合物が水溶性ジルコニウム化合物である上記(1)に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(3)前記水溶性ジルコニウム化合物が炭酸ジルコニウム化合物である上記(2)に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(4)前記電解液がpH8.0以上である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(5)前記電解液が、更に、水溶性リン化合物を含有する上記(1)〜(4)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(6)前記水溶性リン化合物が縮合リン酸塩である上記(5)に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(7)前記電解液が、更に、チタン、イットリウム、カルシウム、マグネシウム、スカンジウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属のイオンおよび/または酸化物を含有する上記(1)〜(6)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(8)前記電解液が、更に、酸化物、水酸化物、リン酸塩および炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1種の難溶性粒子を含有する上記(1)〜(7)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(10)前記電解処理を、直流成分または交流成分に、デューティー比0.5以下の矩形波、正弦波および三角波からなる群から選択される少なくとも一つのパルス波を重畳した電圧波形を用いて行う上記(1)〜(8)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(11)前記電圧波形の最大値が400V以上である上記(9)または(10)に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(12)前記電解処理を、前記陽極となる前記金属の前記表面において、グロー放電および/またはアーク放電を生じさせながら行う上記(1)〜(11)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(13)前記金属がバルブ金属またはその合金である上記(1)〜(12)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
(15)前記ジルコニウム化合物が水溶性ジルコニウム化合物である上記(14)に記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(16)前記水溶性ジルコニウム化合物が炭酸ジルコニウム化合物である上記(15)に記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(17)pH8.0以上である上記(14)〜(16)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(18)更に、水溶性リン化合物を含有する上記(14)〜(17)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(19)前記水溶性リン化合物が縮合リン酸塩である上記(18)に記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(20)前記電解液が、更に、チタン、イットリウム、カルシウム、マグネシウム、スカンジウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属のイオンおよび/または酸化物を含有する上記(14)〜(19)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(21)前記電解液が、更に、酸化物、水酸化物、リン酸塩および炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1種の難溶性粒子を含有する上記(14)〜(20)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
(22)バルブ金属またはその合金の電解セラミックコーティングに用いられる上記(14)〜(21)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
前記硬質皮膜が、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物に、酸化ジルコニウム微結晶が分散してなるアモルファス層からなる、金属材料。
(24)金属基体と、前記金属基体上に存在する硬質皮膜とを有する金属材料であって、
前記硬質皮膜が、前記金属基体上に存在する前記金属基体を構成する金属元素の酸化物の結晶を含有する結晶層と、前記結晶層上に存在する、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物に、酸化ジルコニウム微結晶が分散してなるアモルファス層とからなる、金属材料。
(25)前記結晶層が、更に、前記金属基体を構成する金属元素の酸化物の結晶の粒界および/または粒内に分散している酸化ジルコニウム微結晶を含有する上記(24)に記載の金属材料。
(26)前記硬質皮膜中の前記ジルコニウムの濃度分布が、前記硬質皮膜の表面側から前記金属基体側に向かって漸減する上記(23)〜(25)のいずれかに記載の金属材料。
(27)前記硬質皮膜についてX線回折分析をした場合に、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの(111)面のピーク相対強度が、前記金属基体を構成する金属元素の酸化物のメインピークのピーク相対強度以上の強度を示す上記(23)〜(26)のいずれかに記載の金属材料。
(28)前記硬質皮膜についてX線回折分析をした場合に、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの体積と単斜晶酸化ジルコニウムの体積との合計に対する単斜晶酸化ジルコニウムの体積の割合が、0.5以下である上記(23)〜(27)のいずれかに記載の金属材料。
(30)前記硬質皮膜の表面および/または前記金属基体側の界面に、リン酸化物が存在する上記(23)〜(29)のいずれかに記載の金属材料。
(31)前記硬質皮膜が、更に、イットリウム、カルシウム、セリウム、スカンジウム、マグネシウムおよびチタンからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有する上記(23)〜(30)のいずれかに記載の金属材料。
(32)前記金属基体を構成する金属元素が、バルブ金属またはその合金である上記(23)〜(31)のいずれかに記載の金属材料。
(33)上記(1)〜(13)のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法により得られる上記(23)〜(32)のいずれかに記載の金属材料。
また、本発明の金属材料は、従来の硬質陽極酸化方法、陽極火花放電法等の陽極酸化方法や焼結セラミック板の貼付け等による表面硬化金属材料では実現することができなかった、硬度が高く、耐摩耗性および摺動特性に優れ、靭性に優れ、かつ、研摩なしで摺動部材に適用した場合にも相手材攻撃性が低い金属材料である。
2 アルミニウム板
3 摩擦摩耗試験によって露出したアルミニウム
10、20 金属材料
12、22 金属基体
14、24 硬質皮膜
16、26 アモルファス酸化物
18、28、34 酸化ジルコニウム微結晶
30 結晶層
32 金属酸化物結晶
本発明の金属の電解セラミックコーティング方法は、ジルコニウム化合物を含有する電解液中で金属を陽極として電解処理を行い、前記金属の表面にセラミック皮膜を形成させる、金属の電解セラミックコーティング方法である。
本発明においては、金属が母材である場合に限定されず、例えば、金属がめっき皮膜、気相成長皮膜等の皮膜であってもよい。
金属に皮膜を形成させる際には、特に前処理を行わなくてもよいが、あらかじめ脱脂、エッチング等により、金属の表面を清浄化する工程を行うのが好ましい態様の一つである。
また、電解液が2種以上のジルコニウム化合物を含有する場合には、上記と同様の理由で、ジルコニウム化合物の少なくとも1種が水溶性ジルコニウム化合物であるのが好ましく、全部が水溶性ジルコニウム化合物であるのがより好ましい。
水溶性ジルコニウム化合物は、特に限定されないが、例えば、酢酸ジルコニウム、ギ酸ジルコニウム、乳酸ジルコニウム等の有機酸のジルコニウム塩;炭酸ジルコニウムアンモニウム、炭酸ジルコニウムカリウム、酢酸ジルコニウムアンモニウム、シュウ酸ジルコニウムナトリウム、クエン酸ジルコニウムアンモニウム、乳酸ジルコニウムアンモニウム、グリコール酸ジルコニウムアンモニウム等のジルコニウム錯塩が挙げられる。
中でも、化学式M2ZrO(CO3)2(式中、Mはアンモニウムまたはアルカリ金属を表す。)で表される炭酸ジルコニウム化合物が、アルカリ性電解液中に溶解し、安定して存在しやすい点で、好ましい。このような炭酸ジルコニウム化合物としては、例えば、炭酸ジルコニウムアンモニウム、炭酸ジルコニウムカリウムが挙げられる。
また、ジルコニウム化合物としては、水酸化ジルコニウムも好適に用いられる。
水溶性リン化合物は、特に限定されないが、例えば、縮合リン酸塩、有機ホスホン酸塩が好ましい。中でも、縮合リン酸塩が好ましく、ピロリン酸塩、トリポリリン酸塩がより好ましい。これらはキレート性を有するため、ジルコニウムを析出させずに電解液中に安定に保持することができ、また、これらはアルカリ緩衝作用を有するため、pHが変動しにくく、pHの管理が容易となる。
電解液中におけるリン化合物の含有量は、リン換算で、0.0001〜1mol/Lであるのが好ましく、0.001〜0.1mol/Lであるのがより好ましい。
また、縮合リン酸塩および/または有機ホスホン酸塩を含有する場合は、縮合リン酸塩および有機ホスホン酸塩に対して、好ましくは物質量比(モル比)で0.5以下の割合で、オルトリン酸塩、次亜リン酸塩、亜リン酸塩等のリン化合物を用いることができる。
より具体的には、電解液が、チタン、イットリウム、カルシウム、マグネシウム、スカンジウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属のイオンおよび/または酸化物を含有するのが、本発明の好ましい態様の一つである。
これらを含有すると、皮膜の機械的特性が向上すると考えられる。中でも、イットリウム化合物またはカルシウム化合物を含有する場合には、部分安定化ジルコニウムが形成し、これにより皮膜の機械的特性が向上するのであると考えられる。
これらは、ジルコニウム化合物に対して、好ましくは物質量比で0.001〜0.3程度の割合で、より好ましくは物質量比で0.005〜0.1程度の割合で用いられる。
また、同様の目的で、ランタノイド化合物を含有することもできる。
酸化物、水酸化物、リン酸塩および炭酸塩に用いられる金属または半金属の種類は、特に限定されない。
難溶性粒子としては、例えば、酸化ジルコニウム(ジルコニア)、酸化チタン、酸化鉄、酸化スズ、酸化ケイ素(例えば、シリカゾル)、酸化セリウム;水酸化ジルコニウム、水酸化チタン、水酸化マグネシウム;リン酸ジルコニウム、リン酸チタン、リン酸カルシウム、リン酸亜鉛、リン酸マンガン;炭酸カルシウムが挙げられる。
中でも、酸化ジルコニウムが好ましく、立方晶の二酸化ジルコニウム、正方晶の二酸化ジルコニウムがより好ましい。
難溶性粒子は、粒子径が1μm以下であるのが好ましく、0.3μm以下であるのがより好ましい。上記範囲であると、電解液中に分散させることが容易となる。
電解液中の難溶性粒子の含有量は、特に限定されないが、0.3〜300g/Lであるのが好ましい。
具体的には、例えば、上述したジルコニウムを含有するナトリウム塩、カリウム塩およびアンモニウム塩を、水に、溶解させ、または分散させた液が挙げられる。少なくとも一部のナトリウム塩、カリウム塩およびアンモニウム塩を、有機アルカリに代替することも可能である。
電解液中におけるアルカリ金属イオンおよび/またはアンモニウムイオンの濃度は、0.001〜5mol/Lであるのが好ましく、0.01〜0.5mol/Lであるのがより好ましい。
このようなアルカリ性電解液とするためには、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属の水酸化物を含有させる方法が好適に挙げられる。
電解処理の方法は、特に限定されず、例えば、直流電解法、バイポーラ電解法、パルス電解法が挙げられる。中でも、後述するように、好ましくは比較的高電圧で行うため、バイポーラ電解法、パルス電解法が好ましい。直流電解法は、電解液が沸騰してしまうため、経済性に優れていない。
パルス電解法においては、直流成分または交流成分に、デューティー比0.5以下の矩形波、正弦波および三角波からなる群から選択される少なくとも一つのパルス波を重畳した電圧波形を用いるのが好ましい。
電圧波形の最大値が300V以上、特に400V以上であると、火花放電を生じさせやすい。
また、電圧波形の最大値が800V以下であると、皮膜の表面粗さが大きくなりすぎない。
電流密度が正のピーク時で1A/dm2以上であると、皮膜の形成速度が速くなり、また、アルミニウムの酸化および酸化ジルコニウムの結晶化が進みやすい。また、電流密度が正のピーク時で250A/dm2以下であると、皮膜の表面粗度を十分に小さくすることができる。
電解処理の時間は、特に限定されず、所望の皮膜厚さになるように適宜選択することができるが、通常、1〜45分間であるのが好ましく、5〜30分間であるのがより好ましい。
セラミック皮膜が形成するメカニズムは、明確に分かってはいないが、電解処理により金属の酸化皮膜が形成する際に、電解液中のジルコニウムが酸化ジルコニウムとして結晶化して、皮膜に取り込まれるものと推測される。即ち、陽極に用いた金属の酸化物とジルコニウムの酸化物との複合皮膜が形成する。
一般に、正方晶の酸化ジルコニウム(密度:6.10g/cm3)は、応力が加えられると、亀裂先端部において、単斜晶の酸化ジルコニウム(密度:5.56g/cm3)に転移して、応力緩和を行う。このような機構により、酸化ジルコニウムは、セラミックでありながら、高い靭性を示すのである。
また、立方晶の酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化イットリウム等を含有させることにより容易に生成し、生成した安定化ジルコニアおよび/または部分安定化ジルコニアは、高い靱性を示す。
本発明により得られるセラミック皮膜は、上述したように、好ましくは正方晶の酸化ジルコニウムおよび/または立方晶の酸化ジルコニウムを含み、これにより硬度だけではなく靭性も優れるものと考えられる。なお、薄膜状物質については、靭性の簡便な測定方法が現在のところ知られていないため、例えば、靭性の一要素である延性により、皮膜の靭性についての評価を行うことができる。
また、本発明の金属の電解セラミックコーティング方法により得られるセラミック皮膜は、様々な部材の保護皮膜としても有用である。本発明の金属の電解セラミックコーティング方法により得られるセラミック皮膜は、ジルコニウムの酸化物を含むため、耐熱性、熱衝撃性、耐食性等に優れる。したがって、高炉用炉材、半導体製造装置チャンバー内壁等に好適に用いることができる。
本発明の金属材料の第1の態様は、金属基体と、前記金属基体上に存在する硬質皮膜とを有する金属材料であって、前記硬質皮膜が、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物に、酸化ジルコニウム微結晶が分散してなるアモルファス層からなる、金属材料である。
また、本発明の金属材料の第2の態様は、金属基体と、前記金属基体上に存在する硬質皮膜とを有する金属材料であって、前記硬質皮膜が、前記金属基体上に存在する前記金属基体を構成する金属元素の酸化物の結晶を含有する結晶層と、前記結晶層上に存在する、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物に、酸化ジルコニウム微結晶が分散してなるアモルファス層とからなる、金属材料である。
本発明の第1の態様の金属材料と本発明の第2の態様の金属材料とは、硬質皮膜中の結晶層の有無の点で相違するが、その他の点は共通するので、合わせて説明する。
図6(A)に示される本発明の第1の態様の金属材料10は、金属基体12と、金属基体12上に存在する硬質皮膜とを有する。硬質皮膜は、金属基体12を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物16に、酸化ジルコニウム微結晶18が分散してなるアモルファス層14からなる。
図6(B)に示される本発明の第2の態様の金属材料20は、金属基体22と、金属基体22上に存在する硬質皮膜とを有する。硬質皮膜は、金属基体22に存在する金属基体22を構成する金属元素の酸化物の結晶32を含有する結晶層30と、結晶層30上に存在する、金属基体22を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物26に、酸化ジルコニウム微結晶28が分散してなるアモルファス層24とからなる。
本発明の第2の態様においては、図6(B)に示されるように、結晶層30が、更に、金属基体22を構成する金属元素の酸化物の結晶32の粒界および/または粒内に分散している酸化ジルコニウム微結晶34を含有するのが好ましい。
なお、本発明の第2の態様においては、結晶層の一部にアモルファス層が被覆されておらず、結晶層の一部が露出していてもよい。
中でも、アルミニウム、チタン、マグネシウムおよびそれらの合金からなる群から選択される少なくとも1種で構成された基体であるのが好ましい。この場合、アノード電解またはバイポーラ電解によって、硬質皮膜が形成されやすい。
本発明においては、金属が母材である場合に限定されず、例えば、金属基体の表面が、めっき皮膜、気相成長皮膜等の皮膜であってもよい。
アモルファス酸化物は、アモルファス(非晶質)の酸化物であり、金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有する。例えば、アルミニウムが金属基体を構成する金属元素である場合、即ち、金属基体がアルミニウムまたはその合金である場合、アモルファス酸化物は、アルミニウムとジルコニウムとを含有する。
酸化ジルコニウム微結晶の粒子径が小さすぎると、硬質皮膜の硬度および耐摩耗性が低下しやすい。また、粒子径が大きすぎると、相手材への攻撃性が増加し、アモルファス層の強度の劣化が生じやすい。
酸化ジルコニウム微結晶の形状は、特に限定されず、例えば、球状、針状、板状が挙げられる。酸化ジルコニウム微結晶が球状でない場合、上記と同様の理由により、短径は、0.25〜250nmであるのが好ましく、また、長径は1〜500nmであるのが好ましい。
酸化ジルコニウム微結晶は、後述するように、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムであるのが好ましいが、この場合、酸化ジルコニウム微結晶の平均粒径が、0.25〜500nmであるのが好ましい。
また、酸化ジルコニウム微結晶の分散状態は、特に限定されないが、酸化ジルコニウム微結晶が、アモルファス層1μm3あたり1個以上存在するのが好ましく、102〜104個存在するのがより好ましい。
基体金属酸化物の結晶は、粒子径が10μm以下であるのが好ましく、3μm以下であるのがより好ましい。粒子径が大きすぎると、結晶層中にボイド(空隙)が生じやすく、摺動時にそのボイド周辺を起点とした破壊が生じやすくなってしまう。
結晶層中の酸化ジルコニウム微結晶は、基体金属酸化物の結晶の粒界に存在する場合、粒子径は特に限定されないが、基体金属酸化物の粒内に存在する場合、粒子径が0.1〜250nmであるのが好ましく、1〜50nmであるのがより好ましい。
結晶層においては、金属基体との界面からアモルファス層との界面にかけて、基体金属酸化物の結晶の粒子径が減少傾向にあるのが好ましい。この場合、硬質皮膜の耐摩耗性、耐衝撃性および金属基体との密着性が特に優れたものになる。
酸化ジルコニウム微結晶は、後述するように、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムであるのが好ましいが、この場合、酸化ジルコニウム微結晶の平均粒径が、0.1〜250nmであるのが好ましい。
また、酸化ジルコニウム微結晶の分散状態は、特に限定されないが、酸化ジルコニウム微結晶が、結晶層1μm3あたり102〜106個存在するのが好ましい。
本発明の第1および第2の態様の金属材料においては、硬質皮膜についてX線回折分析をした場合に、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの(111)面のピーク相対強度が、基体金属酸化物のメインピークのピーク相対強度以上の強度を示すのが好ましい。この場合、酸化ジルコニウム微結晶の結晶化度が十分に高くなり、硬質皮膜の耐衝撃性および耐摩耗性がより優れたものになる。
I(111)tc:正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの(111)面におけるピーク相対強度
I(−111)m:単斜晶酸化ジルコニウムの(−111)面におけるピーク相対強度
I(111)m:単斜晶酸化ジルコニウムの(111)面におけるピーク相対強度
イットリウム、カルシウム、セリウム、スカンジウムおよびマグネシウムは、それぞれ、酸化ジルコニウムの正方晶および/または立方晶の状態を安定化させる作用を有する。また、チタンは、硬質皮膜の曲げ強度等の機械的特性を向上させる作用を有する。
上記元素の含有量は、物質量比で、ジルコニウムの0.1以下であるのが好ましい。
また、上記元素は、酸化物として存在するのが好ましい。
リン酸化物は、結晶質であってもアモルファスであってもよい。リン酸化物としては、例えば、五酸化二リン等の酸化リン;リン酸ジルコニウム、リン酸ジルコニウムカリウム、リン酸ジルコニウムナトリウム、ケイリン酸ジルコニウム、リン酸アルミニウム、リン酸チタン、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸セリウム等のリン酸塩;ピロリン酸ジルコニウム、ピロリン酸アルミニウム、ピロリン酸カルシウム、ポリリン酸ジルコニウム、トリポリリン酸アルミニウム等のポリリン酸塩が好適に挙げられる。
リン酸化物の含有量は、P2O5換算で、硬質皮膜全体に対して、15質量%以下であるのが好ましく、0.1〜5質量%であるのがより好ましい。上記範囲であると、皮膜硬度が高くなり、表面粗度も低くなる。
電解処理の前には、金属基体の表面の油分除去を目的として、脱脂を行うのが好ましい。また、金属基体の表面の酸化皮膜の除去を目的として、酸洗を行うこともできる。
火花放電時に、金属基体の表面が一時的に局部において溶融し凝固することによって、表面が硬質化される(硬質皮膜が形成される。)。
また、溶融時の温度は1000℃以上と言われており、陽極で発生した酸素を取り込みながら、電解液によって急冷されるため、アモルファス酸化物が形成されやすくなる。
電流密度は、ピーク時で1〜250A/dm2であるのが好ましく、20〜150A/dm2であるのがより好ましい。上記範囲であると、硬質皮膜の形成速度が十分に速く、酸化ジルコニウムの結晶化が進みやすく、かつ、皮膜の表面粗度が高くなりにくい。
これらの電解液を用いると、ジルコニウムが硬質皮膜中に取り込まれることにより、基体金属酸化物の結晶粒の成長を抑制し、緻密な表面構造を形成させやすい。また、酸化ジルコニウムが、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの微結晶として硬質皮膜中に取り込まれることにより、硬質皮膜の破壊靭性等の機械的特性が優れたものになる。
特に、上述した本発明の金属の電解セラミックコーティング方法を用いるのが好ましい。
例えば、結晶層は、電圧が高いほど形成されやすい。その理由は、明確には分からないが、電流密度の増加に伴う火花放電の熱エネルギーの増加によるものと考えられる。具体的には、電圧の最大値が600V以上であると、結晶層が形成されやすい。
また、結晶層は、ジルコニウム濃度が低いほど形成されやすい。その理由は、ジルコニウムが基体金属酸化物の結晶化を抑制するためであると考えられる。具体的には、電解液中のジルコニウム濃度が0.015mol/L以下であると、結晶層が形成されやすい。
また、本発明の金属材料は、様々な部材の保護を目的として用いるのも好ましい。特に、硬質皮膜がジルコニウムの酸化物を含むため、耐熱性、熱衝撃性、耐食性等に優れる。したがって、高炉用炉材、半導体製造装置チャンバー内壁等に、好適に用いることができる。
1.電解処理
(実施例1)
表面積0.12dm2のアルミニウム板(JIS1000系)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、バイポーラ電解法で電解処理を10分間行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液としては、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH11.7)を用いた。
電圧波形としては、300Vの直流成分に実効値300Vの交流成分を重畳した、周波数60Hzの電圧波形を用いた。電圧値は、最大値が約720Vであり、最小値が約−120Vであった。電流密度は、正のピーク時が約150A/dm2であり、負のピーク時が約70A/dm2であった。このときの電圧波形および電流密度のグラフを図1に示す。
電解液として、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH11.8)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L、過酸化水素を0.02mol/L含有させて得られた電解液(pH11.6)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、水酸化ジルコニウムを0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.7)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、酢酸ジルコニウムを0.01mol/L、クエン酸ナトリウム二水和物を0.01mol/L、水酸化カリウムを0.009mol/L含有させて得られた電解液(pH8.9)を用い、処理時間を20分間とした以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、酢酸ジルコニウムを0.01mol/L、クエン酸ナトリウム二水和物を0.01mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.1)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電圧波形として、250Vの直流成分に実効値250Vの交流成分を重畳した、周波数60Hzの電圧波形を用い、電圧値を、最大値約600V、最小値約−100Vとした以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電圧波形として、300Vの直流成分に振幅420Vのパルス波を重畳した電圧波形を用いてパルス電解法により行った以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電圧値は、実施例1と同様に、最大値が約720Vであり、最小値が約−120Vであった。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。このときの電圧波形および電流密度のグラフを図2に示す。
電解液として、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、酸化イットリウムを0.0001mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化ナトリウムを0.025mol/L含有させて得られた電解液(pH11.4)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
表面積0.12dm2のマグネシウム合金板(JIS AZ91D材)を陽極とし、電解液として、水に、安定化ジルコニア(難溶性粒子、粒子径約0.3μm)を0.05mol/L、ペルオキソチタン酸(過酸化水素水に水和酸化チタンゲルを溶解させて得られたもの)を0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化ナトリウムを0.130mol/L含有させて得られた電解液(pH13.0)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、マグネシウム合金板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、酢酸ジルコニウムを0.01mol/L、炭酸カルシウム(難溶性粒子、粒子径約0.6μm)を0.05mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.150mol/L含有させて得られた電解液(pH12.8)を用い、電圧波形として、250Vの直流成分に実効値250Vの交流成分を重畳した、周波数60Hzの電圧波形を用い、電圧値を最大値約600V、最小値約−100Vとした以外は、実施例10と同様の方法により、電解処理を行い、マグネシウム合金板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
表面積0.12dm2のチタン合金板(JIS60種:通称6−4合金材)を陽極とし、電解液として、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、過酸化水素を0.05mol/L、アナターゼ型二酸化チタン(難溶性粒子、粒子径約0.15μm)を0.03mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)を0.010mol/L含有させて得られた電解液(pH10.5)を用いた以外は、実施例11と同様の方法により、電解処理を行い、チタン合金板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、シリカゾル(難溶性粒子、粒子径約0.05μm)を0.01mol/L、二酸化セリウム(難溶性粒子、粒子径約0.2μm)を0.002mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.100mol/L含有させて得られた電解液(pH12.5)を用いた以外は、実施例11と同様の方法により、電解処理を行い、マグネシウム合金板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、メタケイ酸ナトリウム九水和物を0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.5)を用い、電流密度を、正のピーク時約200A/dm2、負のピーク時約100A/dm2とした以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、メタケイ酸ナトリウム九水和物を0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.5)を用いた以外は、実施例8と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.7)を用い、電流密度を、正のピーク時が約200A/dm2、負のピーク時が約100A/dm2とした以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.7)を用い、電圧波形として、200Vの直流成分に実効値100Vの交流成分を重畳した、周波数60Hzの電圧波形を用い、電圧値を、最大値約340V、最小値60Vとした以外は、実施例1と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させた。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光は、いずれも観察されなかった。
実施例1〜13および比較例1〜4で得られた皮膜について、以下の項目の評価を行った。
実施例1で得られた皮膜の断面を、金属顕微鏡(オリンパス社製)を用いて観察した。具体的には、実施例1で得られた、表面に皮膜を形成したアルミニウム板をカットして断面を作製し、その断面に樹脂を埋めて硬化させた後、研摩を行って観察用の断面とした。撮影倍率は、500倍であった。
結果を図3に示す。図3は、実施例1で得られた皮膜の断面の光学顕微鏡写真(撮影倍率500倍)である。図3から、実施例1において、アルミニウム板2の表面に皮膜1が形成していたことが分かる。
実施例1〜13および比較例1〜4で得られた皮膜の皮膜厚さを、渦電流式膜厚計(ケツト科学研究所社製)を用いて測定した。
結果を第1表に示す。
実施例1〜13よび比較例1〜4で得られた皮膜の表面の十点平均粗さを、表面粗さ形状測定機(東京精密社製)を用いて測定した。
結果を第1表に示す。
実施例1〜13および比較例1〜4で得られた皮膜の表面のビッカース硬度を、微小硬さ試験機(アカシ社製)を用いて、負荷荷重25gで測定した。
結果を第1表に示す。なお、比較例3および4においては、測定時に皮膜が破壊されてしまい、測定することができなかった。
実施例1〜13および比較例1〜4で得られた皮膜について、微小表面材料特性評価システム(アカシ社製)を用いてナノインデンテーションを行い、得られた押し込み深さ−荷重線図から最大押し込み深さおよび塑性変形量を測定し、延性を評価した。ナノインデンテーションの条件は、試験荷重10g、押し込み速度10μm/s、保持時間1秒、除荷時間10秒であった。
結果を第1表に示す。なお、いずれの皮膜についても、押し込み深さ−荷重線図の負荷曲線の傾きに急激な変化がなかったため、皮膜破壊は生じなかったと考えられる。
実施例1〜13および比較例1〜4で得られた皮膜について、往復摺動型の表面性測定機(新東科学社製)を用いて摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数および相手材の摩耗痕面積を測定した。摩擦摩耗試験には、相手材として、直径10mmのSUJ2鋼製のボールを用いた。摩擦摩耗試験の条件は、潤滑剤なし、負荷荷重200g、滑り速度1500mm/min、往復摺動回数100回であった。また、摩擦摩耗試験後の皮膜を目視により観察して皮膜の耐摩耗性を評価した。
比較例2においては、初期の摩擦係数は0.20〜0.25であったが、摺動回数が80〜100回になると摩擦係数は0.30〜0.35の値を示した。このとき、皮膜の摺動部にはアルミニウムが露出しており、皮膜の摩耗が見られた(図4参照。図4は、比較例2で得られた皮膜の摩擦摩耗試験後における摺動部表面の光学顕微鏡写真(撮影倍率100倍)である。)。したがって、アルミニウムとSUJ2鋼製のボールとの金属接触による凝着によって摩擦係数が増加したものと考えられる。
比較例3においては、初期の摩擦係数は0.25〜0.30であったが、摺動回数が50回を超えると摩擦係数は0.50〜0.60の値を示した。このとき、皮膜の摺動部にはアルミニウムが露出しており、皮膜の摩耗が見られた。
比較例4においては、初期の摩擦係数は0.20〜0.25であったが、摺動回数が10回を超えると摩擦係数は0.80〜0.90の値を示した。このとき、皮膜の摺動部にはアルミニウムが露出しており、皮膜の摩耗が見られた。また、相手材の摩耗痕面積は、ボール頭頂部にアルミニウムが移着していたため、測定することができなかった。
実施例1および比較例1で得られた皮膜について、X線回折装置(フィリップス社製)を用いてX線回折を薄膜法によって行った。
結果を図5に示す。図5(A)は、実施例1で得られた皮膜のX線回折パターンを示すグラフであり、図5(B)は、比較例1で得られた皮膜のX線回折パターンを示すグラフである。
図5(A)から、実施例1で得られた皮膜が、正方晶の酸化ジルコニウム、菱面体晶の酸化アルミニウムおよびリン酸ジルコニウムカリウムを含有していたことが分かる。また、図5(B)から、比較例1で得られた皮膜が、菱面体晶の酸化アルミニウムを主成分としていたことが分かる。
Zr−1:炭酸ジルコニウムカリウム(水溶性) 0.01mol/L
Zr−2:水酸化ジルコニウム(難溶性粒子、粒子径約0.1μm) 0.01mol/L
Zr−3:酢酸ジルコニウム(水溶性) 0.01mol/L
Zr−4:安定化ジルコニア(難溶性粒子、粒子径約0.3μm) 0.05mol/L
Si−1:メタケイ酸ナトリウム九水和物 0.01mol/L
P:ピロリン酸ナトリウム 0.015mol/L
O:クエン酸ナトリウム二水和物 0.01mol/L
DC+sin:直流に正弦波を重畳した電圧波形
DC+pulse:直流にパルス波を重畳した電圧波形
これに対して、ジルコニウム化合物の代わりにケイ素化合物を含有する電解液を用いた場合は、相手材攻撃性が高く(比較例1)、または、耐摩耗性が低かった(比較例2)。また、ジルコニウム化合物およびケイ素化合物を含有しない電解液を用いた場合は、高電圧のとき(比較例3)も、低電圧のとき(比較例4)も、硬度が低かった。
1.電解処理
(実施例14)
表面積0.12dm2のアルミニウム板(JIS1000系)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、バイポーラ電解法で電解処理を10分間行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液としては、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.005mol/L、水酸化カリウムを0.025mol/L含有させて得られた電解液(pH11.2)を用いた。
電圧波形としては、300Vの直流成分に実効値300Vの交流成分を重畳した、周波数60Hzの電圧波形を用いた。電圧値は、最大値が約720Vであり、最小値が約−120Vであった。電流密度は、正のピーク時が約125A/dm2であり、負のピーク時が約60A/dm2であった。
電解液として、水に、酢酸ジルコニウムを0.015mol/L、クエン酸ナトリウム二水和物を0.02mol/L、水酸化カリウムを0.020mol/L含有させて得られた電解液(pH10.8)含有させて得られた電解液を用いた以外は、実施例14と同様の方法により、電解処理を行いアルミニウム板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電圧波形として、300Vの直流成分に振幅420Vのパルス波を重畳した電圧波形を用いてパルス電解法により行った以外は、実施例14と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電圧値は、実施例14と同様に、最大値が約720Vであり、最小値が約−120Vであった。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
表面積0.5dm2のアルミニウム合金板(JIS6000系)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、アノード電解法で電解処理を5分間行い、アルミニウム合金板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液としては、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.05mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.05mol/L含有させて得られた電解液(pH10.0)を用いた。
電圧波形としては、周波数60Hzの正弦波の半波整流を用いた。電圧値は、最大値が約500Vであった。電流密度は、正のピーク時が約70A/dm2であった。
表面積0.52dm2のアルミニウム・ダイキャスト合金板(JIS ADC12材)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、アノード電解法で電解処理を15分間行った以外は、実施例17と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム・ダイキャスト板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
表面積0.48dm2のチタン合金板(JIS60種:通称6−4合金材)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、アノード電解法で電解処理を5分間行った以外は、実施例17と同様の方法により、電解処理を行い、チタン合金板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光は、いずれも観察されなかった。
電解処理の処理時間を20分間とした以外は、実施例19と同様の方法により、電解処理を行い、チタン合金板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
表面積0.35dm2のアルミニウム合金板(JIS1000系)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、アノード電解法で電解処理を10分間行い、アルミニウム合金板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液としては、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.18mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH9.5)を用いた。
電圧波形としては、周波数60Hzの正弦波の半波整流を用いた。電圧値は、最大値が約600Vであった。電流密度は、正のピーク時が約120A/dm2であった。
表面積0.4dm2のマグネシウム合金板(JIS AZ91D材)を陽極として、ステンレス鋼板を陰極として用いて、アノード電解法で電解処理を10分間行い、マグネシウム合金板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液としては、水に、炭酸ジルコニウムカリウムを0.01mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.130mol/L含有させて得られた電解液(pH13.0)を用いた。
電圧波形としては、周波数60Hzの正弦波の半波整流を用いた。電圧値は、最大値が約500Vであった。電流密度は、正のピーク時が約100A/dm2であった。
電解液として、水に、メタケイ酸ナトリウム九水和物を0.013mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.010mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.8)を用いた以外は、実施例14と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、メタケイ酸ナトリウム九水和物を0.013mol/L、ピロリン酸ナトリウムを0.010mol/L、水酸化カリウムを0.036mol/L含有させて得られた電解液(pH12.8)を用いた以外は、実施例16と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
電解液として、水に、ピロリン酸ナトリウムを0.015mol/L、水酸化カリウムを0.030mol/L含有させて得られた電解液(pH13.0)を用いた以外は、実施例14と同様の方法により、電解処理を行い、アルミニウム板の表面に皮膜を形成させ、金属材料を得た。電解処理中における陽極の表面を観察したところ、火花放電およびグロー放電による発光が観察された。
(比較例8)
アルミニウム合金(JIS6000系)に硬質アルマイト皮膜を施した市販の金属材料を比較例4として用いた。
(比較例9)
アルミニウム・ダイキャスト合金板(JIS ADC12材)に硬質アルマイト皮膜を施した市販の金属材料を比較例5として用いた。
実施例14〜22および比較例5〜9で得られた金属材料について、以下の項目の評価を行った。
実施例14で得られた金属材料を薄く切り出して皮膜の断面を露出させ、電界放出型透過電子顕微鏡(日立製作所社製)を用いて観察した。
結果を図7に示す。図7(A)は実施例14で得られた金属材料の皮膜のアモルファス層の顕微鏡画像であり、図7(B)は実施例14で得られた皮膜の結晶層の顕微鏡画像である。
図7(A)から、アモルファス層において、アモルファス酸化物中に酸化ジルコニウム微結晶が分散していることが分かる。図7(B)から、結晶層中において、結晶性酸化物中に酸化ジルコニウム微結晶が分散していることが分かる。
また、実施例15〜22で得られた金属材料についても同様の観察を行った結果、同様の結果が得られた。
図7(A)に示される実施例14で得られた金属材料の皮膜のアモルファス層の顕微鏡画像中の点aおよびbにおいて、電子線回折分析を行った。
結果を図8に示す。図8(A)は図7(A)中の点aにおける電子線回折チャートであり、図8(B)は図7(A)中の点bにおける電子線回折チャートである。
また、図7(A)に示される透過電子顕微鏡画像の点aおよびbにおいて、エネルギー分散型X線分光分析を行い、点aおよびbにおける物質の同定を行った。その結果、点aは、ジルコニウムとアルミニウムとを含有するアモルファス酸化物であることが分かった。また、点bは、立方晶酸化ジルコニウムであることが分かった。
実施例16および実施例18で得られた皮膜の深さ方向の定性分析をグロー放電発光分光分析装置(堀場製作所社製)を用いて行った。
結果を図9に示す。図9(A)は実施例16で得られた金属材料の皮膜のグロー放電発光分光分析による深さ方向の定性分析グラフであり、図9(B)は実施例18で得られた金属材料の皮膜のグロー放電発光分光分析による深さ方向の定性分析グラフである。
図9(A)および図9(B)から、皮膜と基体金属の接合部において、ジルコニウム元素が減少傾向の濃度勾配を有することが分かる。
実施例14〜22および比較例5〜9で得られた皮膜について、X線回折装置(フィリップス社製)を用いてX線回折を薄膜法によって行った。
結果を図10および図11ならびに第2表に示す。図10(A)は実施例14、図10(B)は実施例17、図10(C)は実施例18、図10(D)は実施例19、図10(E)は実施例21、図10(F)は実施例22で得られた金属材料の皮膜のX線回折パターンを示すグラフである。また、図11(A)は比較例5、図11(B)は比較例7、図11(C)は比較例8で得られた金属材料の皮膜のX線回折パターンを示すグラフである。
また、図10(A)から、実施例14の皮膜のX線回折パターンにおいては、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの(111)面ピーク相対強度が、アルミナのメインピーク相対強度よりも大きいことが分かる。図10(D)から、実施例19の皮膜のX線回折パターンにおいては、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの(111)面ピーク相対強度が、酸化チタンのメインピーク相対強度よりも大きいことが分かる。
実施例14〜22について、X線回折パターンから上記式(1)により算出される、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの体積と単斜晶酸化ジルコニウムの体積との合計に対する単斜晶酸化ジルコニウムの体積の割合(Vm)を第2表に示す。
実施例14〜22および比較例5〜9で得られた皮膜の皮膜厚さを、渦電流式膜厚計(ケツト科学研究所社製)を用いて測定した。
結果を第2表に示す。
実施例14〜22および比較例5〜9で得られた皮膜の表面の中心線平均粗さを、表面粗さ形状測定機(東京精密社製)を用いて測定した。
結果を第2表に示す。
実施例14〜22および比較例5〜9で得られた皮膜の表面のビッカース硬度を、微小硬さ試験機(アカシ社製)を用いて、負荷荷重10gで測定した。
結果を第2表に示す。実施例4および6においては、測定時に皮膜が破壊されてしまい、測定することができなかった。
実施例14〜22および比較例5〜9で得られた皮膜について、往復摺動型の表面性測定機(新東科学社製)を用いて摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数および相手材の摩耗痕面積を測定した。摩擦摩耗試験には、相手材として、直径10mmのSUJ2鋼製のボールを用いた。摩擦摩耗試験の条件は、潤滑材なし、負荷荷重200g、滑り速度1500mm/min、往復摺動回数500回であった。また、摩擦摩耗試験後の皮膜の摩耗深さを表面粗さ形状測定機を用いて測定した。
比較例6においては、初期の摩擦係数は0.25〜0.3であったが、摺動回数が400〜500回になると摩擦係数は0.50〜0.60の値を示した。
比較例7においては、初期の摩擦係数は0.30〜0.35であったが、摺動回数が400〜500回になると摩擦係数は0.50〜0.60の値を示した。
比較例8においては、摺動回数100回付近から摩擦係数が0.80〜0.90の値を示し、摩耗深さが3.0μmとなった。
比較例9においては、摺動回数100回付近から摩擦係数が0.80〜0.90の値を示し、摩耗深さが2.5μmとなった。
Claims (33)
- ジルコニウム化合物を含有する電解液中で金属を陽極として電解処理を行い、前記金属の表面にセラミック皮膜を形成させる、金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記ジルコニウム化合物が水溶性ジルコニウム化合物である請求項1に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記水溶性ジルコニウム化合物が炭酸ジルコニウム化合物である請求項2に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解液がpH8.0以上である請求項1〜3のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解液が、更に、水溶性リン化合物を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記水溶性リン化合物が縮合リン酸塩である請求項5に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解液が、更に、チタン、イットリウム、カルシウム、マグネシウム、スカンジウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属のイオンおよび/または酸化物を含有する請求項1〜6のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解液が、更に、酸化物、水酸化物、リン酸塩および炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1種の難溶性粒子を含有する請求項1〜7のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解処理を、直流電解法または直流成分に交流成分を重畳した電圧波形を用いるバイポーラ電解法によって行う請求項1〜8のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解処理を、直流成分または交流成分に、デューティー比0.5以下の矩形波、正弦波および三角波からなる群から選択される少なくとも一つのパルス波を重畳した電圧波形を用いて行う請求項1〜8のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電圧波形の最大値が400V以上である請求項9または10に記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記電解処理を、前記陽極となる前記金属の前記表面において、グロー放電および/またはアーク放電を生じさせながら行う請求項1〜11のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 前記金属がバルブ金属またはその合金である請求項1〜12のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法。
- 水と、ジルコニウム化合物と、アルカリ金属イオン、アンモニウムイオンおよび有機アルカリからなる群から選択される少なくとも1種とを含有する、金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 前記ジルコニウム化合物が水溶性ジルコニウム化合物である請求項14に記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 前記水溶性ジルコニウム化合物が炭酸ジルコニウム化合物である請求項15に記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- pH8.0以上である請求項14〜16のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 更に、水溶性リン化合物を含有する請求項14〜17のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 前記水溶性リン化合物が縮合リン酸塩である請求項18に記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 前記電解液が、更に、チタン、イットリウム、カルシウム、マグネシウム、スカンジウムおよびセリウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属のイオンおよび/または酸化物を含有する請求項14〜19のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 前記電解液が、更に、酸化物、水酸化物、リン酸塩および炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1種の難溶性粒子を含有する請求項14〜20のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- バルブ金属またはその合金の電解セラミックコーティングに用いられる請求項14〜21のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング用電解液。
- 金属基体と、前記金属基体上に存在する硬質皮膜とを有する金属材料であって、
前記硬質皮膜が、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物に、酸化ジルコニウム微結晶が分散してなるアモルファス層からなる、金属材料。 - 金属基体と、前記金属基体上に存在する硬質皮膜とを有する金属材料であって、
前記硬質皮膜が、前記金属基体上に存在する前記金属基体を構成する金属元素の酸化物の結晶を含有する結晶層と、前記結晶層上に存在する、前記金属基体を構成する金属元素とジルコニウムとを含有するアモルファス酸化物に、酸化ジルコニウム微結晶が分散してなるアモルファス層とからなる、金属材料。 - 前記結晶層が、更に、前記金属基体を構成する金属元素の酸化物の結晶の粒界および/または粒内に分散している酸化ジルコニウム微結晶を含有する請求項24に記載の金属材料。
- 前記硬質皮膜中の前記ジルコニウムの濃度分布が、前記硬質皮膜の表面側から前記金属基体側に向かって漸減する請求項23〜25のいずれかに記載の金属材料。
- 前記硬質皮膜についてX線回折分析をした場合に、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの(111)面のピーク相対強度が、前記金属基体を構成する金属元素の酸化物のメインピークのピーク相対強度以上の強度を示す請求項23〜26のいずれかに記載の金属材料。
- 前記硬質皮膜についてX線回折分析をした場合に、正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの体積と単斜晶酸化ジルコニウムの体積との合計に対する単斜晶酸化ジルコニウムの体積の割合が、0.5以下である請求項23〜27のいずれかに記載の金属材料。
- 正方晶酸化ジルコニウムおよび/または立方晶酸化ジルコニウムの微結晶の平均粒径が、0.25〜500nmである請求項23〜28のいずれかに記載の金属材料。
- 前記硬質皮膜の表面および/または前記金属基体側の界面に、リン酸化物が存在する請求項23〜29のいずれかに記載の金属材料。
- 前記硬質皮膜が、更に、イットリウム、カルシウム、セリウム、スカンジウム、マグネシウムおよびチタンからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有する請求項23〜30のいずれかに記載の金属材料。
- 前記金属基体を構成する金属元素が、バルブ金属またはその合金である請求項23〜31のいずれかに記載の金属材料。
- 請求項1〜13のいずれかに記載の金属の電解セラミックコーティング方法により得られる請求項23〜32のいずれかに記載の金属材料。
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