WO1997013002A1

WO1997013002A1 - Procede de nitruration d'une surface d'aluminium et adjuvant de nitruration

Info

Publication number: WO1997013002A1
Application number: PCT/JP1996/002912
Authority: WO
Inventors: Hirohisa Miura; Yasuhiro Yamada; Haruzo Katoh
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha; Toyo Aluminium Kabushiki Kaisha
Priority date: 1995-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1997-04-10
Also published as: EP0795621A1; DE69625464T2; KR980700449A; JPH09157829A; CA2206202A1; JP3098705B2; US6074494A; DE69625464D1; CA2206202C; EP0795621B1; EP0795621A4

Description

明細書

アルミニウム材の表面窒化処理方法および窒化処理用助剤技術分野

本発明は、アルミニゥム材の表面部に窒化層を形成する窒化処理方法および窒化に使用される窒化処理用助剤に関する。

背景技術

アルミニウム材は、周知のように鋼等に比べて硬さが低く、網などと摺動した場合、非常に焼付き易く、摩耗しやすい材料である。このためアルミニウム材には、メツキ、溶射、陽極酸化を利用した各種表面処理が検討、使用されている。これらはアルミニウム材の表面にアルミ酸化物層を形成するものが殆どで、窒化処理の試みはあるが、表面に形成される窒化層が薄く表面処理アルミニウム基材として満足すべきものは得られていない。その理由として、アルミニウム材は非常に活性で酸化しやすい金属であり、表面には常に若干の酸化層があるためとされていた。

本発明者は特開平 7 - 1 6 6 3 2 1号公報で、アルミニゥム材の少なくとも一部表面にアルミニゥム粉末を含む窒化処理用助剤を接触させ、その状態で該アルミニゥ厶材の融点以下の処理温度で実質的に窒素ガスからなる雰囲気ガスによりアルミニウム材の表面を窒化する方法を提案している。この方法では、窒化処理用助剤として使用されるアルミニウム粉末が所定温度で窒素ガスと接触すると、アルミニウム粉末自体が窒化され、その際、発生期の窒素（N * ) が発生し、ァルミ二ゥム材内部に拡散し、窒化層を形成する。

被窒化用アルミニウム材または窒化処理用助剤を構成するアルミニゥム材にマグネシゥムを含有すると窒化が促進され窒化速度が速くなり、より厚い窒化層が形成され、望ましい。その理由はマグネシウムが酸素ゲッターとして作用するためと考えられる。

アルミ二ゥムは純アルミニウムのみでも使用されるが、工業的にはアルミニゥムに銅、亜鉛、シリコン、マグネシウム等を含むアルミニウム合金として使用される。特に、铸造して使用するアルミニウム合金としては、その铸造性（湯流れ性）の良さで、アルミニウム一シリコン合金が多用される。一方、前記のアルミニウム材の表面窒化処理法で、窒化処理用助剤として窒化力の強いマグネシウムを含むアルミニウム合金粉末を使用してアルミニウム合金材を、 5 0 0〜 5 5 0 の処理温度で純窒素ガスを使用し、 5〜 1 0時間の窒化処理を施した場合では、 5 0〜 3 0 0 mの窒化層が得られる。しかしながら、被窒化アルミニウム合金材にシリコンを含む場合には同一の窒化条件で窒化処理を施しても、得られる窒化層はシリコンを含まないアルミニゥ厶合金材の 1 Z 5 〜： I / 1 0となる。

本発明は、かかるシリコンを含むアルミニゥム合金材にも比較的容易に厚い窒化層が得られるアルミニウム材の窒化処理方法および窒化に使用される窒化処理用助剤を提供することを目的とする。

本発明のもう一つの目的は、従来の窒化処理温度（ 5 0 0〜 5 5 0 ）より低い温度で処理でき、より少ない処理時間で同一の窒化層深さが得られるアルミ二ゥム材の窒化処理方法および窒化に使用される窒化処理用助剤を提供することである。

発明の開示

本発明者はシリコンを含むアルミニゥム合金材が窒化処理を受けにくい原因につき種々検討した結果、次の 2点のためと考えた。

1 ) 窒化処理後のシリコンを含むアルミニウム材料の窒化層を観察すると、アルミニゥ厶部分は窒化されているが、シリコンは窒化されず、シリコン単体で存在する。このため、シリコンは表面から侵入してくる窒素原子の通路を狭め、窒化層深さの減少をもたらす。

2 ) シリコンはマグネシウムとの結合力が強く、マグネシウム ' シリサイト（M g ₂ S i ) を形成する。このため、窒化処理用助剤または被窒化材に含まれるマグネシゥ厶と結合し、単体マグネシウムであれば、作用したであろう " 酸素ゲッター効果" が消去される。

従来の窒化処理用助剤として、 2 0 %のマグネシウムを含むアルミニウム合金粉末を使用した場合でも、この窒化処理用助剤の融点は約 5 6 0 °C程度である。このため窒化処理を 5 0 0〜 5 5 0てで実施した場合では窒化開始近傍の反応は " 固相一固相" 反応である。窒化処理温度で融体である窒化処理用助剤を使用したとすれば窒化開始近傍の反応は" 液相一固相" 反応となり、 " 固相一固相" 反応と比較して格段に反応性が向上し、シリコンに妨害されても深い窒化層が期待される。

アルミニウムに対して窒化処理用助剤として作用し、かつ 5 5 0 以下で融体となる金属としては、アルミニウム合金やマグネシウム合金が挙げられ、合金によれば 4 0 0 で融体となる材料が存在することが知られている。

今一つの課題を解決するための手段はシリコンに妨害されない酸素ゲッタ一の効果をもつ金属を窒化処理助剤中、または被窒化処理材料に添加する方法で、酸素との結合力に優れ、かつシリコンとの結合力の小さい元素としてリチウム、ボ口ンが適していることを見いだし本発明を完成させたものである。

本発明のアルミニゥム材の窒化処理方法および窒化用処理助剤は、処理温度より低い融点をもっととともに窒素ガスと発熱反応する第一金属粉末を含む窒化処理用助剤を用いることを特徴とする。

本発明のもう一つのアルミニゥム材の窒化処理方法および窒化用処理助剤は、アルミニウムと、酸素との結合力が強くかつシリコンと共存して実質的にシリサィドを形成しない第三元素とを含む窒化処理用助剂を用いることを特徴とする。本発明のもう一つのアルミ二ゥム材の窒化処理方法は、アルミニウム材として 0 . 5重量％以上のリチウム元素を含むアルミニゥ厶合金を使用することを特徴とする。

処理温度より低い融点をもっと共に窒素ガスと発熱反応する第一金属粉末としては、合金粉末全体を 1 0 0重量％としたとき、アルミニウム 8 0〜 3 0重量％とマグネシウム 2 0〜 7 0重量％とよりなる A 1 - M g合金粉末、マグネシゥム 2 0〜 7 0重量％と 2 5重量％以下の銅と残部アルミニウムよりなる A 1 - M g 一 C u合金粉末、マグネシウム 4 0〜 6 0重量％と亜鉛 6 0〜 4 0重量％とよりなる M g— Z n合金粉末、亜鉛 6 0〜 4 0重量％と 3 0重量％以下の銅と残部マグネシゥムよりなる M g— Z n— C u合金粉末等を採用できる。なお、第一金属粉末の酸素量は 0 . 1重量％以下が好ましく、粉末表面に酸化物が少ない粉末が好ましい。

第一金属粉末を含む窒化処理用助剤に、処理温度よりも融点が高く窒素ガスと発熱反応する第二金属粉末を配合することができる。この第二金属粉末を構成する元素としては、アルミニウム、銅、シリコンまたは鉄をあげることができる。なお、第二金属粉末は第一金属粉末の窒化を抑制するもので、窒化速度を調節したい場合に使用する。そして、第二金属粉末の配合量は、重量で第一金属粉末の配合量以下とすることが好ましい。

本発明のもう一つのアルミ二ゥム材の窒化処理方法に使用する窒化処理用助剤は、アルミニウムと、酸素との結合力が強くかつシリコンと実質的にシリサイドを形成しない第三元素とを含む。この第三元素としては、リチウムおよびボロンの中の少なくとも一種が好ましい。これらの金属は金属単体粉末として、あるいは他の金属との合金粉末としてアルミニゥム粉末に混合して使用することもできるが、第三元素を含むアルミニゥム合金粉末として使用するのが実用的である。配合量としては、リチウムでは 0. 5重量％以上、好ましくは 1. 0重量％から 4. 0重量％程度が好ましく、ボロンでは 0. 1 %以上の配合が推奨される。なお、窒化処理用助剤の金属粉末としてアルミ二ゥム-リチウム合金粉末のみを使用する場合は窒化促進効果が若干不足するのでアルミニゥ厶-マグネシウム合金粉末と併用することが望ましい。アルミニゥム—マグネシウム合金はアルミニゥ厶 9 8〜 3 0重量％とマグネシゥム 2〜 70 &%とよりなるものが望ましい。

アルミニウムと、酸素との結合力が強くかつシリコンと実質的にシリサイドを形成しない第三元素の他に、添加元素としては窒素ガスと発熱反応する元素" 丁 i , Z r , T a , B, C a , S i , B a , C r , F e , V、等" を加えても構わない。

窒化処理用助剤を構成する金属粉末は被窒化用アルミニウム材に先んじて窒化され、発生期の窒素ガスの発生と多大な反応熱（約 300 k J Zmo 1 ) の発生により、接触している被窒化用アルミニゥム材内部に窒化反応を引き起こす役割を担う。このため、窒化処理用助剤を構成する金属粉末はその反応性を高めるため、比表面積が大きいものがよい。具体的には金属粉末の粒度は、 3〜 2 00 m程度が好ましい。粉末は粒状でも箔状でも、また両者の混合物でもよく、その表面積が 0. 1〜： I 5m² 程度、好ましくは 0. 4〜 1 0m² Zg程度のものが反応性の点から特に好ましい。

窒化処理用助剤に使用される皮膜形成剤は金属粉末を被窒化材上に接着する役目を担う。この皮膜形成剤として、粘着性を有し 4 0 0〜6 0 0 で熱分解して分解残渣を残さな、有機高分子化合物からなる粘結剤と溶剤とで構成することができる。粘結剤を形成する有機高分子化合物として、ポリブテン樹脂、ポリビニ一ルブチラール、ポリ力プロラクタム、ニトロセルロース、ェチルセルロース、ポリエチレンオキサイド等が推奨される。また、若干のチクソ剤の添加が望ましい。

溶剤としては、これら有機高分子化合物を溶解もしくは分散するものであれば良く、金属粉末が分散したペーストを形成する。

また、アルミニウム材の窒化処理用助剤は、実質的に窒化を促進する金属粉末 5〜7 0重量％、粘結剤 1〜3 0重量％、残部が溶剤からなる組成とするのが好ましい。

なお、窒化処理用助剤には、粘結剤や溶剤が含まれていなくても良い。

被窒化用アルミニウム材としては、粉体、板材、铸造材など、いずれでも良い。また、いかなる合金組成を含むアルミ二ゥム材でも良い。

特に、重量％で 0 . 5 %以上のリチウム元素を含むアルミニウム材は被処理材中に酸素ゲッターを含むことになり、容易に窒化される。 0 . 5 %以上のリチウ厶元素以外にシリコンを含むアルミニゥム材であっても、リチウムの作用で容に窒化できる。

アルミニウム材の表面と窒化処理用助剤の接触方法は、窒化処理用助剤を構成する金属粉末中にアルミニウム材を埋設してもよい。また、アルミニウム材の表面に窒化処理用助剤を構成する金属粉末を被覆してもよい。さらに上記したようにペーストまたは塗料状とした窒化処理用助剤を使用しこれをアルミニウム材の表面に被覆してもよい。この塗布は 5〜 1 0 0 0 mの厚さの塗膜とするのが好ましい。塗布方法は刷毛塗り、デッビング、スプレーコート、ローラ一塗りなどの方法が適用できる。

スクリーン印刷用、スプレー塗装用あるいはィンジェクション用の窒化処理用助剤は、例えば、次のようにして調製できる。まず、所定組成の金属材料を溶解噴霧あるいは粉砕等で所定粒度の粉末とし、必要に応じて第二金属粉末を加え、それにステアリン酸あるいはォレイン酸等を配合しボールミルで混合し金属粉末をフレーク状とする。続いて混練機に移し、増粘剤、接着剤、チクソ剤、溶剤等を加えて混練して塗料状の窒化処理用助剤とするものである。なお、金属粉末を得る場合に粉末表面が酸化されないように注意する必要がある。

窒化用の雰囲気ガスとしては窒素ガスが使用される。この窒素ガスは水分とか酸素ガスの含有量の少ないものがよい。アルゴンガス等の不活性ガスは混入していても問題にならない。窒素ガスの純度は露点で測定し、マイナス 5 0て以下 (水分量 6 X 1 0 — ⁶体積％以下）が望ましい。

窒化処理温度は、反応性の点からは温度が高いことが望ましい。しかしアルミ二ゥム材は実質的に固相状態で処理する必要がある。また、あまり深い窒化層の形成を望まない場合とか、熱処理歪みを少なくしたい場合は、低い温度でおこなうのが好ましい。通常は 4 0 0〜 6 0 0て程度の温度で 2〜 2 0時間の処理が標準である。

この表面窒化処理方法に使用する熱処理炉は極くありふれた炉、例えば石英製管状炉、ベル型雰囲気炉、箱型雰囲気炉でよい。

本発明のアルミニゥム材の表面窒化処理方法および窒化処理用助剂で窒化されて得られる窒化層の深さは、少なくとも 5 m以上で、 ¾大 2 0 0 0 m 度である。また、この窒化層の表面硬さはマイクロビィカース硬度 ( m H V ) で 2 5 0〜 1 2 0 0の範囲にある。そしてこの窒化層はアルミニゥ厶と窒化アルミニゥムとの混合相で構成されている。窒化アルミニゥ厶は主として 5〜 5 0 n m径と極めて微細径の針状の形状をなす。この窒化アルミニゥムの割合が多いと高いビッカース硬度をもつ窒化層となる。

本発明の窒化処理方法の中で金属粉末として、合金粉末全体を 1 0 0重量％としたとき、アルミニウム 8 0〜 3 0重量％とマグネシウム 2 0〜 7 0重量％とよりなる A 1 — M g合金粉末、アルミニウム 8 0〜 3 0重量％とマグネシウム 2 0 〜 7 0重量％と 2 5重量％以下の銅とよりなる A 1 - M - C u合金粉末、マグネシゥム 4 0〜 6 0重量％と亜鉛 6 0〜 4 0重量％とよりなる M g — Z n合金粉末、マグネシウム 4 0〜 6 0重量％と亜鉛 6 0〜 4 0重量％と 3 0重量％以下の銅とよりなる M g — Z n— C u合金粉末の少なくとも一種を用いる場合、金属粉末は窒化処理温度で一部融解し、ただちに雰囲気中の窒素ガスと反応し、窒化物を形成する。この時発生する発生期窒素（N * ) が窒化を著しく促進する。このため 5 0 0 以下ノックピン窒化処理温度で窒化層を容易に形成することができる。

また、リチウム、ボロン等の酸素との結合力が強くかつシリコンと共存して実質的にシリサイドを形成しない第三元素を配合した場合には、この第三元素が被処理アルミニゥム材中に含まれるシリコンの窒化抑制作用を弱める。このためシリコンを含むアルミニゥム材の表面にも厚い窒化層を形成できる。

また、被処理材としてのアルミニウム材に、 0 . 5重量％以上のリチウム元素を配合することにより窒化処理の容易なアルミニウム材とすることができる。

図面の簡単な説明

図 1は、実施例 2の窒化層を形成したアルミニゥム材の表面部分の断面の金厲組織を示す顕微鏡写真図である。

図 2は、実施例 3の窒化層を形成したアルミニゥム材の表面部分の断面の金属組織を示す顕微鏡写真図である。

図 3は、実施例 4の窒化層を形成したアルミニゥム材の表面部分の断面の金属組織を示す顆微铙写真図である。

図 4は、実施例 4の窒化層を形成したアルミニゥ厶材の他の表面部分の断面の金属組織を示す顕微鏡写真図である。

図 5は、実施例 4の図 3に示すアルミニゥム材の表面部分の断面にそって E P M Aで線分析された N、 A 1 および S i の各元素の強度を示すチヤ一卜である。

発明を実施するための最良の形態

以下実施例により具体的に説明する。

( 1 ) 窒化処理用助剤の調製

表 1に示す組成の合金粉末を、市販のアルミニウム合金板、または必要組成の铸造材からマイクログラインダ一により研削することによりそれぞれ製造した。ついで、これらの合金粉末を 1 5 0メッシュでスクリーンした。スクリーンによつて得られた合金粉末（ 3 0 . 0重量部）を、ェチルセルロース N— 7 (Hercules製）（ 1 0. 0重量部）とブチルダリコール系溶剤（日本乳化剤製） (60. 0重量部）とで配合して表 1に示す N o . ：!〜 N o. 5の 5種類の窒化処理用助剤を製作した。

【表 1】

( 2 ) 窒化処理

被窒化処理用アルミニゥム材としては市販のアルミニゥム合金板、または铸造素材から、サイズ 20mmx 30 mm、厚さ； 1 0 mmの試験片を切り出し、上面を研磨加工したものを使用した。

窒化処理はこの被窒化処理用アルミ二ゥム材の研磨面に、上記各種窒化処理用助剤を厚さ 50 / mで塗布後、所定の窒化処理温度で各 1 O H r処理した。また窒化処理条件としては 9 9. 99 %の純窒素ガスを 1 リットルノ分の流量で炉内に導入し、炉内露点を一 4 0°C以下に保った。

(実施例 1 ) 被窒化処理用アルミニゥム材としては、 A 1 — S i合金のうち、含まれる S i 量が 0重量％、 7重量％、 1 2重量％、 1 7重量％の 4種類の合金を用いた。また、窒化処理用助剤としては表 1の No. 1助剤を用いた。この N o. 1助剤に使用した金属粉末（A 1 - 3 3Mg - 3 C u合金粉末）の融点は 450てであり、前記 4種類の被窒化処理用アルミニウム材を 500 以下で処理することを狙いとしたものである。そして、 495 の窒化処理温度によって窒化処理を行った。この窒化により、 3 !量が0重量％、 7重量％、 1 2重量％、 1 7重量％の被窒化処理用アルミニウム材において、それぞれ表面に窒化層が形成された。得られた窒化層深さおよび窒化層の表面層硬さを表 2に示す。

表 2により、いずれの被窒化処理用アルミニゥム材においても 70 m以上の窒化層を有し、硬さは高 S i材の方が高め傾向にあることがわかった。従って、本実施例により上記組成のアルミニゥムーマグネシゥム一銅の合金粉末を窒化処理用助剤の主要金属粉末とすることによって、 S i量が 0〜 1 7重量％の範囲で異なる各種 A 1 - S i合金を 500 °C以下の窒化処理温度で窒化層が形成されることがわかった。

(実施例 2 )

被窒化処理用アルミ二ゥム材としては、各種非熱処理型アルミニゥム合金材のうち、 J I S 1 1 0 0材、 5052材、 6 0 6 】材の 3 類の合金を用いた。また、窒化処理用助剤としては表 1の N o . 2助剂を用いた。この N 0. 2助剤に使用した金厲粉末（A 1 - 5 3 Z n— l C u合金粉末）の融点は 3 5 0 てあり、前記 3種類の被窒化処理用アルミニゥム材をより低温で処理することを狙いとしたものである。そして、 460 °Cの窒化処理温度によって窒化処理を行った。この窒化により、 J I S 1 1 0 0材、 50 5 2材、 6 06 1材のそれぞれ表面に窒化層が形成された。得られた窒化層深さおよび窒化層の表面層硬さを表 2 に示す。

純アルミニゥム材である 1 1 00材では窒化層厚さが 2 0〜 5 0 mと浅く、カタサは H V 1 43〜 3 30であった。また、 5 05 2材のアルミニウム材の断面を切断し、得られた窒化層を金属顕微鏡により観察した。その断面顕微鏡写真を図 1に示す。約 50 mの窒化処理用助剤層に続いて、 1 00〜 1 20 mの滑らかな窒化層（カタサ； H v l 5 0〜3 22) があり、細い境界を挟んで内部組雄につながつていることがわかった。従って、本実施例により上記組成の A 1 一 53 Z n— 1 C u合金粉末を窒化処理用助剤に含ませることによって、非熱処理型アルミニウム合金材を 500 以下の窒化処理温度で窒化層が形成されることがわかった。

【表 2】実施例窒化処理条被窒化材窒化深さ窒化層硬さ

件 (H V )

4 95て A 1 - 0 S i 8 0〜： L 2 0 29 2〜 360 X 1 0 H

A 1 - 7 S i 0〜 80 30 0〜 4 2 1

A 】一 1 2 S i 1 2 0〜： 1 5 0 592〜 6 9 1

A 1 - 1 7 S i 1 3 0〜 2 1 0 60 6〜 6 65

4 6 0て J I S 1 1 0 0 2 0〜 50 1 4 3〜 3 3 0 x 1 0 H J I S 5 0 5 2 1 0 0〜 1 2 0 1 5 0〜 3 2 2

J I S 6 0 6 1 5 0〜 80 1 7 2〜 3 6 6

(実施例 3)

被窒化処理用のアルミニウム材としてはダイキャスト合金 J I S AD C 1 4 ( 1 7重量％ S i、 4. 5重量％C u、 0. 5重量％Mg含有）を用いた。また、窒化処理用助剤としては表 1の N o. 3助剤を用いた。この N 0 . 3助剤は 2. 5重量％L i、 1. 3重量％C u、 1重量％Mg含有の A 1合金粉末を使用しており高 S iの A 1材の窒化を狙いとしている。窒化処理温度としては J I S AD C 1 4の溶体化処理温度として推奨されている 4 95 °Cを採用した。この窒化によりアルミニウム材の全上面に窒化層が形成された。得られた窒化層をアルミニウム材の断面を切断し、金属顕微鏡により観察した。その断面顕微鍊写真を図 2に示す。

図 2において、内部の白色および灰色まだら部分（アルミニウムーシリコン組織）の上に細かい雲状の少し暗い部分（実物では茶褐色として観察される。）として窒化層が観察される。最表層部のより黒い部分は約 6 0 / mの窒化処理用助剤の窒化硬化部分（その硬さは H V 4 2 0 ) である。窒化層の深さは 1 0 0 〜 1

3 0 mであり、その硬さは H V 5 4 2 〜 5 7 4であった。なお、窒化層内の初晶シリコン部は窒化されず、図中灰色の島状のままである。

(実施例 4 )

被窒化処理用アルミニゥム材としてはアルミニウム—リチウムーシリコン合金 ( L i ； 2 . 5 % , S i ； 1 2 %含有）を用いた。また、窒化処理用助剤としては表 1の N o . 5助剤（ A 1 — 5 0重量％M g材）を使用した。そして、窒化処理温度としてアルミニウム一リチウムーシリコン合金 J I S A C 8 A合金の溶体化処理温度として推奨されている 5 2 0 °Cを採用した。

この窒化によりアルミニゥ厶材の全上面に窒化層が形成された。得られた窒化層をアルミニウム材の断面を切断し、金属顕微鏡により観察した。アルミニウム一リチウム—シリコン合金の窒化部分（ 2ケ所）の顕微鏡写真を図 3および図 4 に示す。また、図 3に示す断面の E P M A (エレクト口プローブマイクロアナライザ一）分析による N、 A 1 および S i の各元素の線分析を実施した。元素強度のチヤ一トを図 5に示す。

図 3の断面には、薄い窒化処理用助剤層が見られ、この下に窒化層が形成されている。この窒化層の厚さは 4 0 0 〜 5 0 0 mである。図 4の断面には、厚い窒化処理用助剤層が見られ、この下に厚さ 4 0 0 〜 5 0 0 mの窒化層がみられる。これら図 3および図 4に示す窒化層は、いずれも通常よりかなり厚いものでめな。

また、アルミニウム一リチウムーシリコン合金の窒化層硬さは H V 6 4 8 〜 7

4 4であり、リチウムを含まないアルミニゥム—シリコン合金材に形成される窒 1層および実施例 1で形成された窒化層の硬さ（H v 5 4 2 〜 5 7 4 ) よりも硬い。このことは次に記述する図 5の元素強度のチヤ一卜で示される窒素濃度が相対的に高いことからも説明される。

なお、図 5は、窒化表面から内部のアルミニウム母材に向かって、窒素、アルミニゥム、シリコンの元素強度（相対元素濃度）を測定したものである。窒素は窒化処理用助剤層（ペースト部）、窒化層で高く、窒化層を越すと急激に強さが滅少する。表面付近の窒化層の窒素濃度は 1 5〜 1 6%であり、リチウムを含まないアルミニウムーシリコン合金材に形成された窒化層の窒素濃度 1 2〜 1 4 % より高い。初晶シリコンの存在部では窒素強さが極端に減少する。この事より、シリコンは窒化されていないと推定される。

以上のように、被窒化用アルミニゥム材にリチウムを含む合金を使用することにより、同一窒化処理条件でも、強くかつ深い窒化層が得られる。

なお、リチウムの酸素ゲッター作用を利用して、この実施例で使用したアルミ二ゥムーリチウムーシリコン合金のリボン状箔材を窒化処理用の炉中に装入することにより、炉内の酸素クリ一二ング剤として使用することもできる。

(実施例 5 )

被窒化処理用アルミニウム材としては J I S 5052材を用いた。また、窒化処理用助剤としては表 1の N o. 4助剤を用いた。この窒化処理用助剤は A 1 - 2. 5重量％ L i - 1 2重量％ S i粉末と A 1 - 2. 5重 fi%Mg合金粉末とをそれぞれ等量混合した混合合金粉末を使用したもので、リチウムの酸素ゲッ夕一作用を利用し各種非熱処理型アルミニゥム合金材に適用した場合の窒化層内の酸素量の低減を狙いとするものである。そして、 5 20 °Cの窒化処理温度によつて、窒化処理を行った。

この窒化により、厚さが 1 50〜 2 00 im, 表層部の硬さが H v 3 5 0〜 5 00の窒化層が被窒化処理用アルミニウム材の表面に形成された。表層部の硬さは通常処理材とほぼ同じであるが、内部組織に向かって H v l 4 3〜3 2 2の硬さを有する滑らかな窒化層が形成された。産業上の利用可能性

本発明のアルミニウム材の表面窒化処理方法または窒化処理用助剤を採用すると、従来の窒化処理用助剤を使用した場合に比較して低い処理温度で厚くかつ硬ぃ窒化層が得られる。このため被窒化処理用アルミニゥム材の熱処理歪みが軽減される。また、シリコンの含有量の多いアルミニウム合金材にも厚くかつ硬さの高い表面窒化層を形成することができる。このため、本発明のアルミニウム材の表面窒化処理方法または窒化処理用助剤は、耐摩耗性が要求される自動車の摺動部分、例えばシリンダー摺動部、エンジン、ビストンのリング溝などの表面処理として最適である。

また、本発明のアルミニウム材の表面窒化処理方法では、窒化処理用助剤を塗布しない部位は窒化されない。この事を利用して、必要な部分に限定し窒化処理することができる。

Claims

請求の範囲

1 . アルミニウム材の少なくとも一部表面に窒化処理用助剤を接触させ、その状態で該アルミニウム材料の融点以下の処理温度で実質的に窒素ガスからなる雰囲気ガスにより該アルミニウム材の表面を窒化させる窒化処理方法において、前記窒化処理用助剤は、該処理温度より低い融点をもっととともに窒素ガスと発熱反応する第一金属粉末を含むことを特徴とするアルミニウム材の窒化処理方法。

2 . 前記第一金属粉末は、合金粉末全体を 1 0 0重量％としたとき、アルミニゥム 8 0〜 3 0重量％とマグネシウム 2 0〜 7 0重量％とよりなる A 1 一 M g合金粉末、マグネシウム 2 0〜 7 0重量％と 2 5重量％以下の銅と残部がアルミニゥムよりなる A 】一 M g— C u合金粉末、マグネシウム 4 0〜 6 0重量％と亜鉛 6 0〜 4 0重量％とよりなる M g— Z n合金粉末、亜鉛 6 0〜 4 0重量％と 3 0重量％以下の銅と残部がマグネシウムよりなる M g— Z n— C u合金粉末の少なくとも一種である請求項 1記載のアルミ二ゥム材の窒化処理方法。

3 . 前記窒化処理用助剤は前記第一金属粉末とともに前記処理温度よりも融点が高く窒素ガスと発熱反応する第二金属粉末を含む請求項 1記載のアルミニゥム材の窒化処理方法。

4 . 前記第二金厲粉末を構成する元素はアルミニウム、銅、シリコンおよび鉄の少なくとも一種であり、該第二金属粉末の配合量は重量で前記第一粉末の配合量以下である請求項 1記載のアルミニゥ厶材の窒化処理方法。

5 . アルミニウム材の少なくとも一部表面に窒化処理用助剤を接触させ、その状態で該アルミニウム材料の融点以下の処理温度で実質的に窒素ガスからなる雰囲気ガスにより該アルミニウム材の表面を窒化させる窒化処理方法において、前記窒化処理用助剤は、アルミニウムと、酸素との結合力が強くかつシリコンと実質的にシリサイドを形成しない第三元素とを含むことを特徴とするアルミ二ゥム材の窒化処理方法。

6 . 前記第三元素はリチウムおよびポロンの中の少なくとも一種である請求項 5 記載のアルミニゥム材の窒化処理方法。

7 . 前記アルミニゥムと前記第三元素は合金を形成している請求項 5記載のアルミニゥム材の窒化処理方法。

8 . アルミニウム材の少なくとも一部表面に窒化処理用助剤を接触させ、その状態で該アルミニウム材料の融点以下の処理温度で実質的に窒素ガスからなる雰囲気ガスにより該アルミニウム材の表面を窒化させる窒化処理方法において、前記アルミニウム材は、 0 . 5重量％以上のリチウム元素を含むアルミニウム合金であることを特徴とするアルミニウム材の窒化処理方法。

9 . アルミニウム材の少なくとも一部表面を覆い該アルミニウム材料の融点以下の処理温度で該アルミニゥム材の表面に窒化層の形成を促進する窒化処理用助剤であって、

該処理温度より低い融点をもっととともに窒素ガスと発熱反応する第一金属粉末と皮膜形成剤とを含有することを特徴とするアルミニウム材の窒化処理用助剤。

1 0 . 前記第一金属粉末は、合金粉末全体を 1 0 0重量％としたとき、アルミ二ゥム 8 0〜 3 0重量％とマグネシウム 2 0〜 7 0重量％とよりなる A 1 — M g合金粉末、アルミニゥム 8 0〜 3 0重量％とマグネシゥ厶 2 0〜 7 0重量％と 2 5 重量％以下の銅とよりなる A 1 一 M g — C u合金粉末、マグネシウム 4 0〜 6 0 重量％と亜鉛 6 0〜 4 0重量％とよりなる M g — Z n合金粉末、マグネシウム 4 0〜 6 0重量％と亜鉛 6 0〜 4 0重量％と 3 0重 fi %以下の銅とよりなる M g - Z n - C u合金粉末の少なくとも一種である請求項 9記載のアルミニウム材の窒化処理用助剤。

1 1 . 前記第一金属粉末とともに前記処理温度よりも融点が高く窒素ガスと発熱反応する第二金属粉末を含む請求項 9記載のアルミニゥム材の窒化処理用助剤。

1 2 . 前記第二金属粉末を構成する元素はアルミニウム、銅、シリコンおよび鉄の少なくとも一種であり、該第二金属粉末の配合量は重量で前記第一粉末の配合量以下である請求項 1 1記載のアルミ二ゥム材の窒化処理用助剤。

1 3 . アルミニウム材の少なくとも一部表面を覆い該アルミニウム材料の融点以下の処理温度で該アルミ二ゥム材の表面に窒化層の形成を促進する窒化処理用助剤であって、

アルミニウムと、酸素との結合力が強くかつシリコンと実質的にシリサイドを形成しない第三元素と皮膜形成剤とを含有することを特徴とするアルミニウム材の窒化処理用助剤。

1 4 . 前記第三元素はリチウムおよびボロンの中の少なくとも一種である請求項 1 3記載のアルミニウム材の窒化処理用助剤。

1 5 . 記アルミニウムと前記第三元素は合金を形成している請求項 1 4記載のァルミニゥム材の窒化処理用助剤。