(57)【要約】【課題】構成部分、好ましくはアルミニウム構成部分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。【選択図】図２
2010090482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、金属パーツ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。
【背景技術】
【０００２】
多くの金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。
【０００３】
典型的に表面処理を行うパーツの１つの例は、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。
【０００４】
ピストンヘッドを陽極酸化処理することには欠点がある。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。
【０００５】
金属アルミニウムをセラミックコーティング（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。
【０００６】
従来の陽極酸化処理は典型的に硫酸を含む酸電解質、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。
【０００７】
（比較的）低温とかなり高い電流密度で陽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。
【０００８】
電解質は酸性であるので、酸化アルミニウ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。
【０００９】
化学的な溶解の速度は熱で増加する。従って、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  ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）」として知られる。
【００１０】
従来技術では、アルミニウム表面で発生する熱を、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。
【００１１】
熱を発散させるもう１つの他の仕方は、ア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５０３２２４４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。
【００１２】
熱を発散させるもう１つの他の仕方は、ア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。
【００１３】
ウォールジェット法（ｗａｌｌ  ｊｅｔ  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。
【００１４】
米国特許第５０３２２４４号、５５３４１２６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２００〜３００Ｈv であった。
【００１５】
第２の方法は、同じ電流密度で１０ｇ／ｌ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。
【００１６】
陽極酸化処理後に、典型的にアルミニウム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５５３４１２６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）。
【００１７】
従来のバッチ式陽極酸化処理は、方形波の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（ｒｅｃｏｖｅｒｙ  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３８５７７６６号明細書又は「Ａｎｏｄｉｃ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌ．Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｅｆｆｅｃｔ、ヨコハマら、Ｐｌａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ、１９８２、６９、Ｎｏ．７、６２〜６５」に見ることができる。
【００１８】
米国特許第３９８３０１４号明細書（発明の名称「Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ  Ｍｅａｎｓ  Ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、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。
【００１９】
もう１つの従来技術のパルスパターンは、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。
【００２０】
１９８３年１１月８日にヨシダらに発行された米国特許第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。
【００２１】
他の従来技術の方法は、陽極酸化処理電流（すなわち、安定電位（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ）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  Ｍｅｔｈｏｄ」と名付けられ１９７９年５月１日にＳｃｈａｅｄｅｌに発行された米国特許第４１５２２２１号明細書、「Ｆｏｒｗａｒｄ−Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｐｕｌｓｅ  Ｃｙｃｌｉｎｇ  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「Ｆｏｒｗａｒｄ−Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｐｕｌｓｅ  Ｃｙｃｌｉｎｇ  Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ  Ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ」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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
前記従来技術の方法のそれぞれは何らかの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。
【００２３】
それぞれの期間の時間は、従来技術ではア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  Ｐｕｌｓｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ、Ｄｒ．Ｊｅａｎ  Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９４」を参照されたい）。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
高い形成電圧と最少の操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。
【００２５】
本発明の１つの局面によれば、アルミニウ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。
【００２６】
１つの態様によれば、第３強度は第１及び第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。
【００２７】
異なる態様は、第１及び第２強度の交番と、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。
【００２８】
異なる態様は、実質的に一定の第１、第２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。
【００２９】
もう１つの他の態様は、第１強度部分の継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。
【００３０】
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。
【００３１】
本発明の第２の面によれば、アルミニウム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。
【００３２】
１つの選択肢では、流体貯蔵容器を提供する。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。
【００３３】
反応チャンバーは実質的に環状の断面を持ち、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。
【００３４】
１つの態様では、流体は１５〜９０度の角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。
【００３５】
もう１つの他の態様では、反応チャンバーは実質的に垂直で、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。
【００３６】
もう１つの他の態様では、側壁は輸送チャ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。
【００３７】
様々な選択肢において、機械的に又は空気式で構成部分を取り付けられた位置に保持する。
【００３８】
もう１つの他の態様では、入り口はカソー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。
【００３９】
本発明の他の主な特徴と利点は、当業者が以下の図、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。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は本発明を実施する一般的な方法のブロック線図である。
【図２】図２は本発明を実施する処理容器の断面概略図である。
【図３】図３は好ましい態様に従って、取り付け固定物に取り付けられた加工電極の断面概略図である。
【図４】図４は好ましい態様に従って、取り付け固定物に取り付けられた加工電極の断面概略図である。
【図５】図５は本発明に従う電流パルスパターンを示すグラフである。
【図６】図６は２つの温度での形成速度対電流密度を示すグラフである。
【図７】図７は２及び３のレベルのパルスパターンでの表面粗さ対平均電流密度を示すグラフである。
【図８】図８は２つの従来技術の方法での形成速度対平均電流密度、及び形成速度対シュウ酸濃度を示すグラフである。
【図９】図９は２つの従来技術の方法での表面粗さ対平均電流密度、及び表面粗さ対シュウ酸濃度を示すグラフである。
【図１０】図１０は本発明の好ましい態様の入り口を持つ反応チャンバーの外側の壁の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の少なくとも１つの態様を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。
【００４２】
本発明は特定の陽極酸化処理工程、及びア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。
【００４３】
ここで説明する工程と装置は一般に、図１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。
【００４４】
選択肢は、複数の工程を単一の容器で行う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。
【００４５】
ここで図２を参照して、処理容器１００と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。
【００４６】
輸送経路２０１及び反応容器１０４は、不活性な材料で作られた下部２０６及び逆電極（ｃｏｕｎｔｅｒ  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。
【００４７】
反応媒体は、反応容器出口２１２を通り反応容器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２１３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。
【００４８】
加工電極１０２の上部は空気に曝されて、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。
【００４９】
加工電極１０２でのコーティングの選択的な形成は、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。
【００５０】
取り付け固定具２２０に取り付けられた加工電極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３０１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。
【００５１】
図４は、空気式の取り付けの設計を示し、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。
【００５２】
反応生成物（熱）が金属基材（加工電極）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。
【００５３】
ここまでで説明した装置は、いくつかの有利な（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。
【００５４】
前記装置に加えて、本発明の方法が使用す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％〜５０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６０６２（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。
【００５５】
電解質は反応容器の下の貯蔵容器に蓄えて、−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４ＬＰＭ（リットル／分）〜１００ＬＰＭ、好ましくは３０ＬＰＭ〜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。
【００５６】
電解質の流れの方向はアルミニウム表面に向かい、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。
【００５７】
電解質を外側の環状の入り口チャンバー内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。
【００５８】
ピストン表面に特定の角度で向かう電解質のジェット流れは、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。
【００５９】
ピストンクラウンのマスキングを確実にするために、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。
【００６０】
陽極酸化処理の後で、ピストンへの電気的な接触を取り外し、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。
【００６１】
好ましい態様のパルス電流パターンの設計は、非常に高い電流密度（好ましくは５０Ａ／ｄｍ2 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。
【００６２】
パルス間の期間の継続期間、すなわち、新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。
【００６３】
従来の直流電流バッチ式陽極酸化処理のほぼ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。
【００６４】
本発明に従ってパルス調整した電流パターン（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。
【００６５】
パルスパターンの平均電流が形成速度を決定する。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。
【００６６】
【表１】
2010090482.tif 000003
【００６７】
表１に示すように発明者は、本発明のパル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。
【００６８】
図６は、形成速度が様々なパルスパターン（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。
【００６９】
直流電流を使用する従来のバッチ式陽極酸化処理では、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。
【００７０】
【表２】
2010090482.tif 000004
【００７１】
選択肢は、より少数の繰り返し、異なる強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。
【００７２】
電解質をピストンヘッドに向かって垂直に噴霧する米国特許第５５３４１２６号及び５０３２２４４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。
【００７３】
本発明に多くの変更をすることができるが、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。
【符号の説明】
【００７４】
１００    処理容器
１０２    加工電極
１０４    反応容器
１１０    洗浄タンク
１１２    洗浄液貯蔵容器
１２０    乾燥容器
１２２    ヒーター
２０２    媒体貯蔵容器
２０３    圧力ポンプ
２２６    ゴムのマスク
３０１    ゴムのＯ−リング
３０３    取り付けリング
４０３    圧力弁
１００１    入り口
【図１】
2010090482.tif 000005
【図２】
2010090482.tif 000006
【図３】
2010090482.tif 000007
【図４】
2010090482.tif 000008
【図５】
2010090482.tif 000009
【図６】
2010090482.tif 000010
【図７】
2010090482.tif 000011
【図８】
2010090482.tif 000012
【図９】
2010090482.tif 000013
【図１０】
2010090482.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月18日(2010.2.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【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強度がゼロでなく第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】
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４】
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７】
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８】
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９】
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１０】
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１１】
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１２】
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１３】
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、を含み、
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１４】
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１３に記載の装置。
【請求項１５】
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１４に記載の装置。
【請求項１６】
反応チャンバーが実質的に環状の断面を持つ請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
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１６に記載の装置。
【請求項１８】
流体が、流体が向かう構成部分の面に対して１５〜９０度の角度で構成部分に向かう請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
流体が、流体が向かう構成部分の面に対して６０〜７０度の角度で構成部分に向かう請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
少なくとも１つの出口が底部の壁にある請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
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２０に記載の装置。
【請求項２２】
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２１に記載の装置。
【請求項２３】
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２１に記載の装置。
【請求項２４】
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２３に記載の装置。
【請求項２５】
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２３に記載の装置。
【請求項２６】
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２３に記載の装置。