(57)【要約】【課題】アルミニウムを含有する金属基材表面に、廃液処理が必要な表面処理溶液を用いることなく、アルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成することができる表面処理方法を提供する。【解決手段】アルミニウムを含有する金属基材２を表面処理する表面処理方法であって、イオン化傾向が鉄以下の金属を酸化させて成る金属酸化物粒子３を、金属基材２表面に食い込むように投射する投射工程（ステップＳ１）と、金属酸化物粒子３が食い込んだ金属基材２表面を熱処理し、金属基材２表面にアルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜５を形成する熱処理工程（ステップＳ２）と、を備える、表面処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを含有する金属基材を表面処理する表面処理方法であって、
イオン化傾向が鉄以下の金属を酸化させて成る金属酸化物粒子を、前記金属基材表面に食い込むように投射する投射工程と、
前記金属酸化物粒子が食い込んだ前記金属基材表面を熱処理し、前記金属基材表面にアルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成する熱処理工程と、を備える、
表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムを含有する金属基材の表面処理方法として、アルマイト処理(陽極酸化処
理)が知られている。
例えば、特許文献１には、シュウ酸、ホウ酸、硫酸、クロム酸等の水溶液中にアルミニウム合金製の金属基材を浸漬し、電流を流すことにより、金属基材の表面にアルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１９９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、表面処理方法に関し、以下の課題を見出した。
アルマイト処理を行うと、硫酸等を含む表面処理溶液の廃液が発生する。硫酸等を含む表面処理溶液の廃液を廃棄する際には、中和処理等を行う必要がある。つまり、アルマイト処理は、廃液処理など製造環境面からの課題が大きい。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、アルミニウムを含有する金属基材表面に、廃液処理が必要な表面処理溶液を用いることなく、アルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成することができる表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する一態様は、アルミニウムを含有する金属基材を表面処理する表面処理方法であって、イオン化傾向が鉄以下の金属を酸化させて成る金属酸化物粒子を、前記金属基材表面に食い込むように投射する投射工程と、前記金属酸化物粒子が食い込んだ前記金属基材表面を熱処理し、前記金属基材表面にアルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成する熱処理工程と、を備える。
【０００７】
本発明に係る表面処理方法は、イオン化傾向が鉄以下の金属を酸化させて成る金属酸化物粒子を、金属基材表面に食い込むように投射する投射工程を備える。金属酸化物が金属基材に食い込むと、金属基材表面に形成されている不動態皮膜が破壊される。また、金属酸化物が金属基材に食い込む際に生じる摩擦熱によって、金属基材表面においてテルミット反応が起こる。テルミット反応が起こると、酸化アルミニウムが生成する。
【０００８】
本発明に係る表面処理方法は、さらに、金属酸化物粒子が食い込んだ金属基材表面を熱処理し、金属基材表面にアルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成する熱処理工程を備える。熱処理工程を行うと、金属基材表面におけるテルミット反応が促進され、金属基材表面に酸化アルミニウムを含有する酸化物皮膜が形成される。本発明に係る表面処理方法は、上記の構成によって、アルミニウムを含有する金属基材表面に、廃液処理が必要な表面処理溶液を用いることなく、アルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アルミニウムを含有する金属基材表面に、廃液処理が必要な表面処理溶液を用いることなく、アルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成することができる表面処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る金属基板の模式断面図である。
【図２】本実施の形態に係る表面処理方法のフローチャートである。
【図３】投射工程における金属基板の模式断面図である。
【図４】金属酸化物粒子が投射された金属基板の模式断面図である。
【図５】熱処理工程における金属基板の模式断面図である。
【図６】熱処理された金属基板の模式断面図である。
【図７】投射装置の全体図である。
【図８】実施例１において、酸化銅が投射されたアルミニウム材の断面ＳＥＭ画像である。
【図９】実施例１において、酸化銅が投射されたアルミニウム材の成分分析結果を示す画像である。
【図１０】実施例１において、レーザ照射されたアルミニウム材の拡大写真である。
【図１１】実施例１において、レーザ照射されたアルミニウム材の成分分析結果を示す画像である。
【図１２】実施例１において、酸化銅投射前、酸化銅投射後、及びレーザ照射後におけるアルミニウム材の赤外線放射率を示すグラフである。
【図１３】実施例２において、用いられた酸化銅の拡大写真である。
【図１４】実施例２において、酸化銅投射前及び酸化銅投射後におけるミッションケースの一部の写真である。
【図１５】実施例２において、酸化銅投射前及び酸化銅投射後におけるミッションケースの拡大写真である。
【図１６】実施例２において、段稼動投射前及びレーザ照射後におけるミッションケースの定常走行温度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１２】
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る表面処理方法を用いて表面処理された金属基材（本実施の形態に係る金属基材）の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る金属基材の模式断面図である。金属基材２の表面には、図１に示すように、酸化物皮膜５が形成されている。
【００１３】
金属基材２は、アルミニウム合金等、アルミニウムを含有する金属材料を用いて形成される部材である。金属基材２の形状は、特に限定されない。金属基材２は、例えば、板状部材であってもよい。また、金属基材２は、３次元形状であってもよい。金属基材２は、ハイブリッド車用モータケースや、インホイールモータのハウジング等に好適である。
【００１４】
金属基材２の表面には、図１に示すように、酸化物皮膜５が形成されている。酸化物皮膜５は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含有する領域である。酸化アルミニウムは、金属アルミニウムに比較して、熱放射率が高い。したがって、表面に酸化物皮膜５が形成された金属基材２は、表面に酸化物皮膜５が形成される前に比較して、熱放射率が高い。
【００１５】
次に、図２〜図６を参照して、本実施の形態に係る表面処理方法について説明する。図２は、本実施の形態に係る表面処理方法のフローチャートである。図３は、投射工程における金属基板の模式断面図である。図４は、金属酸化物粒子が投射された金属基板の模式断面図である。図５は、熱処理工程における金属基板の模式断面図である。図６は、熱処理された金属基板の模式断面図である。
【００１６】
本実施の形態に係る表面処理方法では、図２に示すように、投射工程（ステップＳ１）及び熱処理工程（ステップＳ２）を行うことによって、金属基材２表面に酸化物皮膜５を形成する。投射工程（ステップＳ１）が行われる前の金属基材２の表面には、厚さ数ｎｍ程度の不動態皮膜が形成されている。不動態皮膜は、酸化アルミニウムの層である。金属基材２の熱放射性を向上させるためには、不動態皮膜よりも厚みのある酸化物皮膜５を金属基材２表面に形成する必要がある。
【００１７】
しかしながら、不動態皮膜が形成されている金属基材２は、空気中の酸素等と反応しにくい。したがって、不動態皮膜が形成されている金属基材２表面は、例えばレーザ照射等が行われても、酸化アルミニウムが生成しにくい。そこで、本実施の形態に係る表面処理方法では、投射工程（ステップＳ１）を行うことによって、金属基材２表面の不動態皮膜を破壊する。
【００１８】
投射工程（ステップＳ１）では、図３に示すように、金属基材２に金属酸化物粒子３を投射する。詳細は後述するが、投射工程（ステップＳ１）は、図７に示す投射装置４を用いて行う。投射工程（ステップＳ１）を行うと、図４に示すように、金属酸化物粒子３が金属基材２表面に衝突し、食い込む。
【００１９】
金属酸化物粒子３は、イオン化傾向が鉄以下である金属を酸化させて成る粒子である。金属酸化物粒子３は、例えば、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化スズ（ＩＶ）（ＳｎＯ２）、及び酸化銅（ＩＩ）（ＣｕＯ）である。金属酸化物粒子３は、単一の金属酸化物であってもよいし、複数の金属酸化物を混合した混合物であってもよい。
【００２０】
金属酸化物粒子３の粒子径は、金属基材２に食い込める大きさであれば特に限定されない。金属酸化物粒子３の平均粒子径は、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下程度とすることができる。金属酸化物粒子３の形状は、角を有する形状であることが好ましい。金属酸化物粒子３が角を有する形状である場合、球状など角を有さない形状である場合に比較して、投射工程（ステップＳ１）において、金属基材２に食い込みやすい。
【００２１】
投射工程（ステップＳ１）において金属基材２表面に金属酸化物粒子３が食い込むと、金属基材２表面に形成されている不動態皮膜が破壊される。金属酸化物粒子３が角を有する形状である場合、球状等角を有さない形状である場合に比較して、投射工程（ステップＳ１）において金属基材２表面に形成されている不動態皮膜が破壊されやすい。
【００２２】
また、金属酸化物粒子３は、金属基材２に衝突する際に、金属基材２との間に摩擦熱を生じる。不動態皮膜が破壊された金属基材２表面は、摩擦熱によって、下記の化学式（１）〜（２）に示すテルミット反応を起こす。なお、化学式（２）において、Ｍは、金属酸化物粒子３が含有する金属を示す。
Al＋O2-→Al2O3＋e-  …（１）
MO＋e-→M＋O2-…（２）
【００２３】
化学式（１）〜（２）に示したテルミット反応によって、金属基材２表面に酸化アルミニウムが生成する。金属基材２がアルミニウム合金である場合、投射工程（ステップＳ１）において、酸化アルミニウムに加えて、金属基材２が含有するアルミニウム以外の金属の酸化物も生成する。例えば、金属基材２がマグネシウムを含有する場合、投射工程（ステップＳ１）において、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が生成する。
【００２４】
投射工程（ステップＳ１）において生成した酸化アルミニウムは、金属基材２表面において局部的に分布している。つまり、投射工程（ステップＳ１）が行われた金属基材２表面には、局部的に酸化物皮膜５が形成されている。酸化物皮膜５は、金属基材２表面を覆うように形成されていることが好ましい。そこで、図５に示すように、熱処理工程（ステップＳ２）を行う。
【００２５】
熱処理工程（ステップＳ２）では、投射工程（ステップＳ１）において不動態皮膜が破壊され、金属酸化物粒子３が食い込んだ金属基材２表面に、熱処理を行う。熱処理を行う方法は、特に限定されないが、例えばレーザ照射、プラズマフレーム、電子ビーム、及びランプ加熱等である。金属基材２の形状が複雑である場合、熱処理を行う方法は、レーザ照射又はプラズマフレームであることが好ましい。レーザ照射又はプラズマフレームを用いて熱処理工程（ステップＳ２）を行うと、金属基材２が複雑な形状である場合であっても、熱処理の制御を行いやすい。
【００２６】
熱処理工程（ステップＳ２）を行うと、金属基材２表面が溶融する。金属基材２表面が溶融すると、テルミット反応が促進される。そのため、熱処理工程（ステップＳ２）を行うと、金属基材２表面において酸化アルミニウムがさらに生成する。なお、金属基材２がアルミニウム合金である場合、熱処理工程（ステップＳ２）において、酸化アルミニウムに加えて、金属基材２が含有するアルミニウム以外の金属の酸化物も生成する。
【００２７】
投射工程（ステップＳ１）及び熱処理工程（ステップＳ２）が行われると、図６に示すように、金属基材２表面を覆うように酸化物皮膜５が形成される。酸化物皮膜５は、酸化アルミニウムに加えて、金属基材２が含有するアルミニウム以外の金属の酸化物と、金属酸化物粒子３が含有する金属と、を含む皮膜である。酸化物皮膜５が金属酸化物を含有しているため、酸化物皮膜５が形成された金属基材２は、酸化物皮膜５が形成されていない金属基材２に比較して、熱放射性が高い。
【００２８】
投射工程（ステップＳ１）及び熱処理工程（ステップＳ２）において形成される酸化物皮膜５の厚みは特に限定されないが、例えば１μｍ程度とすることができる。投射工程（ステップＳ１）及び熱処理工程（ステップＳ２）が行われた金属基材２は、表面に酸化物皮膜５が形成されているため、投射工程（ステップＳ１）及び熱処理工程（ステップＳ２）が行われる前に比較して、熱放射性が高い。
【００２９】
本実施の形態に係る表面処理が行われた金属基材２は、表面処理が行われる前に比較して、熱放射性が高い。したがって、例えば、表面処理が行われた金属基材２を車載用エンジンを含む駆動系部品として使用すると、従来は部品周辺に設置されていた冷却回路等の冷却機構を不要とすることができる。そのため、表面処理が行われた金属基材２を車載用エンジンを含む駆動系部品として使用すると、酸化物皮膜５が形成されていない車載用エンジンを含む駆動系部品に比較して、モータの性能を低下させることなく駆動ユニットを小型化することができる。
【００３０】
本実施の形態に係る表面処理方法は、上記の構成によって、アルミニウムを含有する金属基材表面に、廃液処理が必要な表面処理溶液を用いることなく、アルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成することができる。次に、図７を参照して、投射工程（ステップＳ１）を行う投射装置の構成について説明する。
【００３１】
図７は、投射装置の全体図である。図７に示す投射装置４は、投射工程（ステップＳ１）を行う装置の一例である。投射装置４は、図７に示すように、ノズル６、吸入口７、及びコンプレッサ８を備える。なお、図７では、金属基材２及び金属酸化物粒子３も図示している。
【００３２】
ノズル６は、図７に示すように、吸入口７及びコンプレッサ８に接続されている。金属酸化物粒子３は、吸入口７から吸入され、ノズル６から金属基材２表面に向かって投射される。コンプレッサ８は、投射装置４の投射圧を調節する。
【００３３】
投射装置４から投射される金属酸化物粒子３の平均粒子径は、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。金属酸化物粒子３の平均粒子径は、例えば、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置を用いて測定する。また、投射装置４の投射圧は、０．６ＭＰａ以下であることが好ましい。投射装置４の投射圧が０．６ＭＰａ以下であると共に金属酸化物粒子３の平均粒子径が１μｍ以上２０μｍ以下である場合、投射工程（ステップＳ１）において、金属基材２表面を大きく削ることなく、金属酸化物粒子３を金属基材２表面に食い込ませることができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。
【００３５】
［実施例１］
＜アルミニウム材の表面処理＞
平均粒子径約２μｍの酸化銅を、アルミニウム材に投射した。実施例１において用いたアルミニウム材は、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格のＡ５０５２材）の溶製材であった。実施例１における酸化銅の投射は、下記の条件で行った。
・酸化銅投射条件
機材：吸引式ショットブラスト機
投射圧：０．６ＭＰａ
投射距離：１０ｍｍ
【００３６】
酸化銅が投射されたアルミニウム材にレーザ照射を行った。実施例１におけるレーザ照射は、下記の条件で行った。
・レーザ照射条件
仕様：ファイバーレーザ
波長：１０７０ｎｍ
スポット径：１００μｍ
照射時間：２〜１０秒
【００３７】
（ＳＥＭ観察）
実施例１において酸化銅が投射されたアルミニウム材の断面を、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）を用いて観察した。図８は、実施例１において、酸化銅が投射されたアルミニウム材の断面ＳＥＭ画像である。図８において、矢印は、酸化銅が食い込んでいる部分を示す。実施例１において酸化銅が投射されたアルミニウム材は、図８に示すように、酸化銅粒子が表面に食い込んでいた。
【００３８】
（成分分析）
実施例１において酸化銅が投射されたアルミニウム材の断面を、走査型透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＴＥＭ）を用いて成分分析した。図９は、実施例１において、酸化銅が投射されたアルミニウム材の成分分析結果を示す画像である。なお、図９左上は、高角度環状暗視野法（Ｈｉｇｈ−Ａｎｇｌｅ  Ａｎｎｕｌａｒ  Ｄａｒｋ  Ｆｉｅｌｄ、ＨＡＡＤＦ）による画像である。
【００３９】
実施例１において酸化銅が投射されたアルミニウム材は、図９左下に示すように、表面近傍に銅原子が分布している。実施例１において酸化銅が投射されたアルミニウム材は、図９右上に示すように、表面近傍に酸素原子も分布している。図９右上において、点線で囲われた領域は、酸素原子は分布しているが、銅原子は分布していない領域を示す。
【００４０】
酸素原子は分布しているが、銅原子は分布していない領域には、図９右下に示すように、アルミニウム原子が分布している。つまり、図９右上及び右下において点線で囲った領域には、酸化アルミニウムが生成していると考えられる。このことから、酸化銅をアルミニウム材に投射することによって、アルミニウム材表面においてテルミット反応が起こり、酸化アルミニウムが生成することが確認された。
【００４１】
図１０は、実施例１において、レーザ照射されたアルミニウム材の拡大写真である。図１０において点線で囲われた領域の断面を走査型透過電子顕微鏡を用いて成分分析した。図１１は、実施例１において、レーザ照射されたアルミニウム材の成分分析結果を示す画像である。なお、図１１左上は、高角度環状暗視野法による画像である。
【００４２】
実施例１においてレーザ照射されたアルミニウム材は、図９右上に示すように、表面近傍に酸素原子が分布している。酸素原子が分布している領域には、図９右中に示すように、アルミニウム原子が層状に分布している。したがって、アルミニウム材表面に酸化アルミニウムが層状に生成していると考えられる。このことから、レーザ照射することによって、アルミニウム材表面に酸化アルミニウムを含有する領域が層状に形成されることが確認された。
【００４３】
また、レーザ照射されたアルミニウム材には、図９右下に示すように、表面近傍にマグネシウム原子も分布している。したがって、アルミニウム材表面に酸化マグネシウムが生成していると考えられる。マグネシウムは、図９左下に示すように、アルミニウム材の最表面に多く分布していた。レーザ照射されたアルミニウム材表面には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、及び銅を含有する酸化物皮膜が形成されていると考えられる。
【００４４】
（赤外線放射率）
実施例１において、酸化銅投射前、酸化銅投射後、及びレーザ照射後におけるアルミニウム材の赤外線放射率をフーリエ変換赤外分光光度計（Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、ＦＴ−ＩＲ）を用いて測定した。ＦＴ−ＩＲを用いた測定は、下記の条件で行った。
・ＦＴ−ＩＲ測定条件
機種：日本電子製フーリエ変換咳外分光光度計  ＪＩＲ−５５００型／放射測定ユニット  ＩＲＲ−２００
積算回数：２００回
波長範囲：４．５〜１５．４μｍ
評価温度：１００℃
【００４５】
図１２は、実施例１において、酸化銅投射前、酸化銅投射後、及びレーザ照射後におけるアルミニウム材の赤外線放射率を示すグラフである。酸化銅投射前のアルミニウム材の赤外線放射率は、図１２に示すように、約４％であった。酸化銅投射後のアルミニウム材の赤外線放射率は、約２０％であった。レーザ照射後のアルミニウム材の赤外線放射率は、約４９％であった。
【００４６】
アルマイト処理が行われたアルミニウム材の赤外線放射率は、３０％〜４０％程度である。したがって、酸化銅の投射及びレーザ照射が行われたアルミニウム材は、アルマイト処理が行われたアルミニウム材に比較して、赤外線放射率が高いことが明らかになった。また、塩水噴霧試験を行うことによってアルミニウム材表面の耐食性を試験したところ、酸化銅投射前、酸化銅投射後、レーザ照射後の順に腐食の生成が小さくなることが確認された。
【００４７】
［実施例２］
＜モータケースの表面処理＞
実施例２では、酸化銅を、ミッションケースに投射した。実施例２において用いたミッションケースは、アルミダイカスト（ＪＩＳ規格のＡＤＣ１２材）を用いて製造された部材であった。図１３は、実施例２において、用いられた酸化銅の写真である。実施例２に用いられた酸化銅は、図１３に示すように、平均粒子径が約２μｍであった。
実施例２における酸化銅の投射は、下記の条件で行った。
・酸化銅投射条件
機材：吸引式ショットブラスト機
投射圧：０．６ＭＰａ
投射距離：１０ｍｍ
【００４８】
酸化銅が投射されたモータケースにレーザ照射を行った。実施例２におけるレーザ照射は、下記の条件で行った。
・レーザ照射条件
仕様：ファイバーレーザ（シングルモード、連続発振）
波長：１０７０ｎｍ
パワー：１００Ｗ
スポット径：１００μｍ
照射速度：１ｍｍ／ｓ
【００４９】
（表面観察）
実施例２において酸化銅が投射されたミッションケース表面を観察した。図１４は、実施例２において、酸化銅投射前及び酸化銅投射後におけるミッションケースの一部の写真である。図１５は、実施例２において、酸化銅投射前及び酸化銅投射後におけるミッションケースの拡大写真である。
【００５０】
実施例２において酸化銅が投射されたミッションケースは、図１４に示すように、酸化銅が投射される前に比較して、黒く変色していた。また、実施例２において酸化銅が投射されたミッションケースは、図１５に示すように、酸化銅が投射される前に比較して、表面に凹凸が形成され、酸化銅粒子がケース表面に食い込んでいた。
【００５１】
（定常走行時の温度）
実施例２において酸化銅の投射及びレーザ照射されたミッションケースの定常走行時における温度を測定した。図１６は、実施例２において、段稼動投射前及びレーザ照射後におけるミッションケースの定常走行温度を示すグラフである。実施例２において表面処理されたミッションケースは、図１６に示すように、表面処理が行われなかったミッションケースに比較して、定常走行時の温度が約１０℃低下した。
【００５２】
以上で説明した本実施の形態に係る発明により、アルミニウムを含有する金属基材表面に、廃液処理が必要な表面処理溶液を用いることなく、アルミニウム酸化物を含有する酸化物皮膜を形成することができる表面処理方法を提供することができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
２  金属基材
３  金属酸化物粒子
４  投射装置
５  酸化物皮膜
６  ノズル
７  吸入口
８  コンプレッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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