(57)【要約】【課題】十分な耐摩耗性及び耐食性を得ることができるアルミニウム又はアルミニウム合金材及びその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも鉄を含有する粉末を用いてアルミニウム又はアルミニウム合金基材の表面に対するメカニカルアロイングを行い、被膜を形成する。メカニカルアロイング法により形成された被膜は、高い耐摩耗性及び耐食性を呈する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも鉄を含有する粉末を用いてアルミニウム又はアルミニウム合金基材の表面に対するメカニカルアロイングを行い、被膜を形成する工程を有することを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金材の製造方法。
【請求項２】
前記メカニカルアロイングの時間を２時間乃至５時間とすることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金材の製造方法。
【請求項３】
前記粉末として、鉄粉末及びアルミニウム粉末の混合粉末を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金材の製造方法。
【請求項４】
アルミニウム又はアルミニウム合金基材と、
前記アルミニウム又はアルミニウム合金基材の表面にメカニカルアロイングにより形成され、鉄アルミナイドを含有する被膜と、
を有することを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適切な被膜を含むアルミニウム又はアルミニウム合金材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム及びアルミニウム合金を総称してアルミニウムということがある。）材の製造に当たっては、耐摩耗性及び耐食性等の向上を目的としてアルミニウム基材の表面処理が行われている。例えば、電着法、陽極酸化法、スプレー法、ソールゲル法、ポリマーコーティング法等が行われている。但し、アルミニウムの融点が低いため、高温での熱処理は行われていない。
【０００３】
しかしながら、アルミニウム材の用途によっては、従来の表面処理では十分な被膜を形成することができないことがある。つまり、十分な耐摩耗性及び耐食性を得にくいことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６９９７６号公報
【特許文献２】特開２０００−１６０３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、十分な耐摩耗性及び耐食性を得ることができるアルミニウム又はアルミニウム合金材及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るアルミニウム又はアルミニウム合金材の製造方法は、少なくとも鉄を含有する粉末を用いてアルミニウム又はアルミニウム合金基材の表面に対するメカニカルアロイングを行い、被膜を形成する工程を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るアルミニウム又はアルミニウム合金材は、アルミニウム又はアルミニウム合金基材と、前記アルミニウム又はアルミニウム合金基材の表面にメカニカルアロイングにより形成され、鉄アルミナイドを含有する被膜と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、良好な被膜が形成されるため、十分な耐摩耗性及び耐食性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】Ａｌ粉及びＦｅ粉のＳＥ像を示す図である。
【図２】条件Ｎｏ．１のＸ線回折の結果を示す図である。
【図３】条件Ｎｏ．２のＸ線回折の結果を示す図である。
【図４】条件Ｎｏ．４のＸ線回折の結果を示す図である。
【図５】条件Ｎｏ．５のＸ線回折の結果を示す図である。
【図６】条件Ｎｏ．７のＸ線回折の結果を示す図である。
【図７】条件Ｎｏ．３のＸ線回折の結果を示す図である。
【図８】条件Ｎｏ．６のＸ線回折の結果を示す図である。
【図９】条件Ｎｏ．１のＢＳＥ像を示す図である。
【図１０】条件Ｎｏ．２のＢＳＥ像を示す図である。
【図１１】条件Ｎｏ．４のＢＳＥ像を示す図である。
【図１２】条件Ｎｏ．５のＢＳＥ像を示す図である。
【図１３】条件Ｎｏ．３のＢＳＥ像を示す図である。
【図１４】条件Ｎｏ．６のＢＳＥ像を示す図である。
【図１５】条件Ｎｏ．４及び条件Ｎｏ．５における被膜の厚さの変化を示す図である。
【図１６】条件Ｎｏ．４及び条件Ｎｏ．５における被膜のビッカース硬さの測定結果を示す図である。
【図１７】被膜の圧痕のＢＳＥ像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本願発明者らは、メカニカルアロイング（ＭＡ）法によりアルミニウム基材の表面に種々の被膜を形成し、その観察を行った。なお、被膜の原材料として、Ａｌ粉（９９．５ｍａｓｓ％、粒径：約５０μｍ〜１５０μｍ）及びＦｅ粉（９９．５ｍａｓｓ％、粒径：約５μｍ）を使用した。これらの二次電子像（ＳＥ像）を図１に示す。図１（ａ）はＡｌ粉を示し、図１（ｂ）はＦｅ粉を示す。また、アルミニウム基材としては、日本工業規格（ＪＩＳ）Ａ１０７０で規定されるものを使用し、その表面を♯８００の研磨材を用いて研磨した。また、ＭＡ装置として遊星ボール・ミールを使用した（容器：ＳＫＤ１１、鉄鋼ボール：ＳＵＪ２）。鉄鋼ボールとしては、直径が１０ｍｍのものと５ｍｍのものを１：１０の比率で混合したものを使用した。また、鉄鋼ボールに対する原料粉の重量率（ＢＰＲ）は１／２３、１／１１５又は１／４６０とした。そして、アルゴン雰囲気中で、容器を毎分２５０回転の速度で回転させて、メカニカルアロイングを行った。実験条件を表１に示す。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
得られた試料は走査型電子顕微鏡（E-SEM-XL30CP, Phillips Co. Ltd.製）で観察し、元素はＥＤＸ（EDX-XL30CP, Phillips Co. Ltd.製）で分析した。結晶構造の同定はＸ線回折（X'pert, PAN Analytical Co. Ltd.製）で行った。また、被膜の硬さはマイクロ・ビッカース硬さ試験（HMV, Shimadzu Co. Ltd.製）で測定した。
【００１３】
先ず、Ｘ線回折の結果について説明する。
【００１４】
（条件Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）
条件Ｎｏ．１及びＮｏ．２では、表１に示すように、原料粉としてＦｅ粉のみを用いた。図２に、条件Ｎｏ．１のＸ線回折の結果を示し、図３に、条件Ｎｏ．２のＸ線回折の結果を示す。図２及び図３中の「ａ」はＭＡ時間が０．７５時間の結果を示し、「ｂ」はＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｃ」はＭＡ時間が５時間の結果を示し、「ｄ」はＭＡ時間が１０時間の結果を示す。
【００１５】
図２に示すように、条件Ｎｏ．１（ＢＰＲ＝１／２３）では、ＭＡ時間が長くなるに伴って、Ｆｅの主ピークがブロードになり、角度の小さい方向にシフトした。また、被膜にはＦｅ−Ａｌ固溶体が形成され始めたが、鉄アルミナイド（ＦｅＡｌ）は形成されなかった。
【００１６】
一方、図３に示すように、条件Ｎｏ．２（ＢＰＲ＝１／４６０）では、２時間のＭＡではＦｅの主ピークのピークが広がり、角度の小さい方向にシフトした。Ｆｅ−Ａｌの固溶体が形成されたと考えられる。５時間のＭＡでは、ＦｅＡｌのピークが観察された。１０時間のＭＡでは、ＦｅＡｌのピークがより高くなった。
【００１７】
これらの結果から、Ｆｅ粉のみを使用する場合、Ｆｅ粉が少ない（ＢＰＲ＝１／４６０）ほど、固溶体が形成されやすく、ＭＡ時間の継続に連れて、ＦｅＡｌが形成されるといえる。Ｆｅ粉が多い（ＢＰＲ＝１／２３）場合、ＦｅＡｌが形成され難いといえる。
【００１８】
（条件Ｎｏ．４、Ｎｏ．５）
条件Ｎｏ．４及びＮｏ．５では、表１に示すように、原料粉として、５０原子％のＦｅ粉及び５０原子％のＡｌ粉を用いた。図４に、条件Ｎｏ．４のＸ線回折の結果を示し、図５に、条件Ｎｏ．５のＸ線回折の結果を示す。図４及び図５中の「ａ」はＭＡ時間が０．７５時間の結果を示し、「ｂ」はＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｃ」はＭＡ時間が５時間の結果を示し、「ｄ」はＭＡ時間が１０時間の結果を示す。
【００１９】
図４に示すように、条件Ｎｏ．４（ＢＰＲ＝１／２３）では、５時間、１０時間のＭＡでＦｅＡｌのピークが観察された。
【００２０】
一方、図５に示すように、条件Ｎｏ．５（ＢＰＲ＝１／１１５）では、２時間のＭＡでＦｅＡｌのピークが観察された。また、ＦｅＡｌのピーク強度がＭＡ時間と共に少し低下した。
【００２１】
これらの結果から、原料粉として、５０原子％のＦｅ粉及び５０原子％のＡｌ粉を用いる場合、原料粉の量に関係なくＦｅＡｌが形成されるといえる。また、原料粉の量が少ないほどＦｅＡｌの形成が起こりやすいといえる。これは、原料粉の量が少ないほど、試料面上の原料粉への衝突効率が上がったことが要因と考えられる。
【００２２】
（条件Ｎｏ．７）
条件Ｎｏ．７では、表１に示すように、条件Ｎｏ．４の原料粉を用いて１０時間のＭＡを行った後、再度、条件Ｎｏ．４の原料粉を用いたＭＡを行った。図６に、条件Ｎｏ．７のＸ線回折の結果を示す。図６中の「ａ」は再ＭＡ時のＭＡ時間が０．７５時間の結果を示し、「ｂ」は再ＭＡ時のＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｃ」は再ＭＡ時のＭＡ時間が５時間の結果を示し、「ｄ」は再ＭＡ時のＭＡ時間が１０時間の結果を示す。
【００２３】
図６に示すように、条件Ｎｏ．７では、０．７５時間のＭＡでもＦｅＡｌのピークが観察された。また、ＭＡ時間が長くなるに伴って、ＦｅＡｌのピークが減少した。
【００２４】
（条件Ｎｏ．３、Ｎｏ．６）
条件Ｎｏ．３では、表１に示すように、原料粉として、３５原子％のＦｅ粉及び６５原子％のＡｌ粉を用い、条件Ｎｏ．６では、表１に示すように、原料粉として、６５原子％のＦｅ粉及び３５原子％のＡｌ粉を用いた。図７に、条件Ｎｏ．３のＸ線回折の結果を示し、図８に、条件Ｎｏ．６のＸ線回折の結果を示す。図７及び図８中の「ａ」はＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｂ」はＭＡ時間が５時間の結果を示し、「ｃ」はＭＡ時間が１０時間の結果を示す。また、図７中の「ｄ」は、１０時間のＭＡ後に、５００℃で２時間のアニールを行った場合の結果を示す。
【００２５】
図７に示すように、条件Ｎｏ．３では、１０時間のＭＡでＦｅＡｌ及びＦｅ2Ａｌ5のピークが観察された。Ｆｅ2Ａｌ5のピークが現れたのは、Ｆｅ粉の割合が少ないことによると考えられる。
【００２６】
一方、図８に示すように、条件Ｎｏ．６では、５時間のＭＡでＦｅＡｌのピークが観察された。
【００２７】
次に、組織観察の結果について説明する。図９〜図１４に後方散乱電子像（ＢＳＥ像）を示す。各ＢＳＥ像の左側の濃い部分はアルミニウム基材を示し、右側の薄い部分は被膜を示す。また、被膜のグレー色の部分はＡｌリッチ相であり、白色の部分はＦｅリッチ相である。
【００２８】
（条件Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）
図９に、条件Ｎｏ．１のＢＳＥ像を示し、図１０に、条件Ｎｏ．２のＢＳＥ像を示す。図９及び図１０中の「ａ」はＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｂ」はＭＡ時間が１０時間の結果を示す。
【００２９】
図１０に示すように、条件Ｎｏ．２では、２時間、１０時間のＭＡにおいて、固溶体が観察された。また、１０時間のＭＡでは２時間のＭＡより被膜が薄くなった。ＥＤＸ分析の結果より、Ｆｅリッチ相でのＡｌの割合は３５原子％〜４０原子％であった。ＸＲＤの結果を考慮すると、１０時間のＭＡでＦｅＡｌが形成されたと考えられる。
【００３０】
一方、図９に示すように、条件Ｎｏ．１では、２時間のＭＡで厚いＦｅの被膜が形成された。また、被膜中に穴が観察された。これは、硬いＦｅ粉同士が完全に付着できずに、Ｆｅ粒界に穴が形成されたためであると考える。１０時間のＭＡでは被膜と基材との界面が消失し、緻密な結合が形成された。なお、図２に示すように、固溶が進行しただけで、ＦｅＡｌは形成されなかった。
【００３１】
（条件Ｎｏ．４、Ｎｏ．５）
図１１に、条件Ｎｏ．４のＢＳＥ像を示し、図１２に、条件Ｎｏ．５のＢＳＥ像を示す。図１１及び図１２中の「ａ」はＭＡ時間が０．７５時間の結果を示し、「ｂ」はＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｃ」はＭＡ時間が５時間の結果を示し、「ｄ」はＭＡ時間が１０時間の結果を示す。
【００３２】
図１１に示すように、条件Ｎｏ．４では、０．７５時間のＭＡで形成された被膜において、内側には粒径の大きなＦｅリッチ相及びＡｌリッチ相が観察された。外側になるほど微細になり、ラメラー構造を持った。アルミニウム基材と被膜との間に明瞭な界面はなく、被膜中に穴は観察されなかった。２時間のＭＡでは、被膜の微細化が全体的に進み、Ｆｅリッチ相中のＡｌ固溶量が増えた。５時間のＭＡでは、更に微細化が進み、表面ではＡｌの量が５５原子％〜５７原子％となった。ＸＲＤの結果を考慮すると、ＦｅＡｌが形成されたと考えられる。１０時間のＭＡでは、被膜の厚さは減少した。
【００３３】
一方、図１２に示すように、条件Ｎｏ．５では、０．７５時間のＭＡで形成された被膜の組織は条件Ｎｏ．４のものと似ていた。しかし、図５に示すＸＲＤの結果によると、まだ固溶体のままである。２時間のＭＡでは、被膜の外側で厚い微細化された層が観察された。図５に示すＸＲＤの結果及びＥＤＸの結果から、ＦｅＡｌが形成されたといえる。このように、条件Ｎｏ．４よりも早い段階で固溶体及び鉄アルミナイドが形成された。５時間のＭＡでは、被膜の外側で亀裂が多数観察された。１０時間のＭＡでは、被膜の剥離が観察された。これらの亀裂及び剥離は、硬い被膜の表面へのボールの衝突により起きたと考えられる。従って、必要以上に長いＭＡは被膜の厚さを減少させるといえる。
【００３４】
（条件Ｎｏ．３、Ｎｏ．６）
図１３に、条件Ｎｏ．３のＢＳＥ像を示し、図１４に、条件Ｎｏ．６のＢＳＥ像を示す。図１３及び図１４中の「ａ」はＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｂ」はＭＡ時間が５時間の結果を示し、「ｃ」はＭＡ時間が１０時間の結果を示す。
【００３５】
図１３に示すように、条件Ｎｏ．３では、２時間、５時間のＭＡで形成された被膜の組織は条件Ｎｏ．５の組織に似ていたが、ＥＤＸ結果によるとＦｅＡｌ及びＦｅ2Ａｌ5が形成されたことが確認された。１０時間のＭＡでは、表面と平行な亀裂が多数観察された。これは、脆いＦｅ2Ａｌ5が形成されたためであると考えられる。
【００３６】
一方、図１４に示すように、条件Ｎｏ．６では、２時間、５時間、１０時間のＭＡで形成された被膜の組織は、条件Ｎｏ．３の組織に似ていた。
【００３７】
これらの結果から得た条件Ｎｏ．４及び条件Ｎｏ．５における被膜の厚さの変化を図１５に示す。ＭＡの初期段階で被膜が急激に成長した。そして、５時間のＭＡで最大となり、その後に減少した。ＸＲＤ及び断面組織観察の結果によると、被膜にＦｅＡｌが形成された後もＭＡを続けると、亀裂が発生し剥離を起こすためであると考えられる。
【００３８】
次に、ビッカース硬さの測定結果について説明する。図１６に、条件Ｎｏ．４及び条件Ｎｏ．５における被膜のビッカース硬さの測定結果を示す。また、被膜の圧痕（荷重：２４５ｍＮ）の二次電子線像（ＳＥ像）を図１７に示す。図１７中の「ａ」は条件Ｎｏ．５のＭＡ時間が２時間の結果を示し、「ｂ」は条件Ｎｏ．４のＭＡ時間が５時間の結果を示す。ＦｅＡｌが形成された被膜の硬さは４．７ＧＰａであった。ホットディップ法によって得られるＦｅＡｌの硬さは４．９ＧＰａであり、これと同等の硬さが得られた。圧痕の周囲に亀裂は観察されなかった。このことは、このコーティング層が高い靱性を有していることを意味している。
【００３９】
図１５、図１６に示す結果から、ＭＡ時間は２時間〜５時間とすることが好ましい。
【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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【図１７】
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