(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径１０ミクロンのアルミニウム微粉末にエポキシ系又はフェノール系の有機質粘結剤を５０〜１００％混合した粘性物質をアルミニウムの表面に塗布し、乾燥後、窒素雰囲気に１％以下のメタンガスを混入した浸炭性雰囲気中で３００〜６００℃の範囲で加熱して有機質粘結剤を炭化し、さらにこの活性炭素とアルミニウム微粉末を反応させ、高硬度の炭化アルミニウム被膜をアルミニウム表面に形成させることを特徴とするアルミニウムの表面硬化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムの欠点である耐摩耗性を向上させ、機械的な摺動部品へ又は軽量研磨工具として利用することができるアルミニウムの表面硬化法に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】
アルミニウムは耐磨耗性が悪く、長年その解決のため多くの研究が成されてきた。しかし産業工業技術として利用できる耐摩耗性の解決方法は未だ見いだされてない。
【０００３】
このような背景をもとに耐摩耗性向上の研究は成されているが、その一つとしてアルミニウムの窒化がある。この窒化方法は鋼に広く利用されており、この窒化方法はアルミニウムへの利用が考えられ、研究が進められてきた。ところが、アルミニウムの表面は大気中で酸化し、約１００オングストロームの酸化被膜が存在し、この酸化被膜がアンモニアガスによる窒化を不可能にしている。そのため、この問題を解決するため、プラズマを用い、表面を清浄化した状態でのプラズマ窒化が試みられた。しかしながら、アルミニウムは非常に酸化しやすく、窒化中に酸化膜が発生し安定した一定の組成の窒化膜は得られていない。このような理由からアルミニウムの窒化処理は実用化されていない。
【０００４】
一方、鋼に広く利用されている溶射方法の利用も研究されている。この溶射法は超高温で超高速なフレームの中に酸化物や炭化物の微粉末を混合して、瞬間的に溶融し、処理物の表面に吹き付け、セラミックの被覆層を形成させる方法である。原理的にはアルミニウム表面に被覆が可能で硬化膜の形成は可能である。
【０００５】
溶射法は原理から明らかなようにフレームの大きさ数ミリ程度であることから、生産性は非常に小さく、また曲面や穴への溶射はできない。すなわち、部品全体を一度に処理することはできない。この様な背景から、部品全体を一回の処理で硬化被膜を得る方法が工業技術として要請されるのが現状である。
【０００６】
このように、アルミニウムの表面硬化に利用できる方法は溶射方法だけである。しかし、この方法では例えば歯車やシャフトのような複雑形状の部品は、全表面に均一に硬化膜を形成させることはできない。また硬化膜の生成速度が遅く、非常にコストが高いものになり、工場技術としては利用できない。すなわち、鋼の表面硬化法としての浸炭のように一回に多量の処理はできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解消し、アルミニウムの表面に高硬度の炭化アルミニウム被膜を生成させることにより、アルミニウムの欠点である耐摩耗性を向上させ、機械的な摺動部品や機械の構造部材あるいは軽量な研磨工具として利用することができるようにするアルミニウムの表面硬化法を提供することをその技術的課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係るアルミニウムの表面硬化法は、粒径１０ミクロンのアルミニウム微粉末にエポキシ系又はフェノール系の有機質粘結剤を５０〜１００％混合した粘性物質をアルミニウムの表面に塗布し、乾燥後、窒素雰囲気に１％以下のメタンガスを混入した浸炭性雰囲気中で３００〜６００℃の範囲で加熱して有機質粘結剤を炭化し、さらにこの活性炭素とアルミニウム微粉末を反応させ、高硬度の炭化アルミニウム被膜をアルミニウム表面に形成させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、アルミニウム製の機械部品の表面に硬化被膜を作成し、耐摩耗性を持たせるために、ビッカース硬さＨｖで９００以上ある非常に硬い炭化アルミニウム（主成分としてAｌ４Ｃ３）に着目し、この炭化アルミニウムの被膜をアルミニウム表面に形成させる方法である。
【００１０】
炭化アルミニウムに着目した理由は、本発明者等はアルミニウム合金の射出成形（MIM）を研究した過程で見出したものである。すなわち、約１０ミクロンのアルミニウム微粉末に粘結剤としてワックス１０〜５０％を添加し、塊状の試料を窒素雰囲気中でワックスが炭化し、次に発生した活性炭素とアルミニウム微粉末を６００℃前後の温度で反応させて、炭化アルミニウムを合成する方法が基本になっている。
【００１１】
具体的な方法は次の通りである。エポキシ系又はフェノール系の有機質粘結剤を１０ミクロン程度のアルミニウム微粉末に５０〜１００％配合し、流動性を持たせて状態で混練し、その後アルミニウム製部品の表面に塗布する。次に、加熱炉で徐々に加熱し、昇温途中で有機質粘結剤を炭化して活性炭にし、その後さらに４５０〜６００℃の温度で数時間加熱してアルミニウム微粉末と反応させて炭化アルミニウム被膜を形成させる方法である。生成したアルミニウム被膜の硬さはビッカース硬さＨｖ９００〜１０００で非常に硬い被膜である。
【００１２】
使用する有機質粘結剤の炭化歩留まりが低いため、再現性をチェックして行う。この点は硬化被膜の厚さ及ビ炭化アルミニウムの組成に影響を及ぼすため、本発明の技術のキーポイントになるところである。
【００１３】
炭化アルミニウムの融点は２８００℃と非常に高いが、６００℃程度の温度で炭化アルミニウムが生成することを知見した。なお、鉄の炭化物も６００℃前後で生成することも明らかであり、原理的にも本発明が成立することは明らかである。
【００１４】
なお、加熱温度は３００〜６００℃の範囲とする。３００℃以下では粘結剤の炭化が進まない。また６００℃以上ではアルミニウム部品の熱変形が懸念されるからである。
【００１５】
有機質粘結剤はいずれも炭化現象を示すが、６００℃近くの温度で加熱されるため、大部分の有機質物質は熱分解によって消失し、炭化の歩留まりは非常に悪い。このことから炭化被膜は非常に気孔に富んだものとなり、硬化層は不完全なものとなる。この点から有機質粘結剤の選定は重要な問題である。そのため、いろいろな有機質物質を検討した結果、ベンゼン環を含む芳香族化合物のエポキシ系またはフェノール系が適当である。いずれにしても、炭化条件が確立できれば有機質粘結剤の種類は問わない。
【００１６】
本発明は約５００℃以下の温度での炭化現象と５００℃以上の炭化物生成反応とからなり、特に５００℃以上の温度では加熱では活性炭は反応が高く、雰囲気中の微量の酸素、水分により酸化燃焼し、目的とする炭素量に保持することは難しい。この問題の解決には、鋼の浸炭と同じようにメタンガスを微量添加して雰囲気に浸炭性を持たせる。本発明の場合、６００℃の低温であるため、添加する炭化水素は煤を発生しやすい。そのため、１％以下のメタンガスを添加する。
【００１７】
次に、上述のアルミニウムの表面硬化方法の作用と特徴を述べる。
【００１８】
溶射法ではアルミニウム表面にセラミックの被覆層を厚さを数ミクロンオーダーで均一に製造することは困難である。また、溶射法は原理から明らかなように、小さなフレームのスポットの表面移動で作業を行うところから、生産速度が非常に遅く生産性が劣る。さらに、決定的な欠点として歯車のような複雑な形状の部品を一回で処理することはできない。
【００１９】
それに反して、本発明は有機質粘結剤とアルミニウム微粉末の混合物を塗装方式で表面全体に塗布し、乾燥後、加熱炉で有機質粘結剤の炭化及ビ炭化アルミニウムの合金を行うところから、表面形状に制約なく処理でき、また、一回に多量処理の出来るところから、生産性は優れている。さらに、硬化層の厚さの管理が容易であるという特徴がある。その結果、溶射法が抱えている問題点は解決でき、アルミニウムの表面を硬化させる工業技術として利用できる。例えば、今回の炭化アルミニウムの硬化層の厚さを１０ミクロン程度にすれば窒化層と同じになり、プラズマ窒化と同等な性能が期待でき、新しい技術としての位置付けはある。
【００２０】
さらにもう一つの特徴がある。すなわち、耐摩耗材の硬さは相手材との関係から決まる問題で、必ずしも高い硬さが良いとは限らない。例えば、鋼の場合、耐摩耗性を要求するところの焼き入れ硬さはビッカース硬さでＨｖ５００〜６００である。今回の炭化アルミニウムの硬さもこの範囲で調整できれば、鋼の利用されている分野に直接応用できる。そこで、炭化アルミニウムの硬さに及ぼす炭素の影響を調べた。
【００２１】
炭化アルミニウム層の炭素量を有機物の割合を制御することにより制御し、その結果、炭化アルミニウム被膜の硬さはビッカース硬さで５００〜１０００の範囲で任意に制御できることが明らかになった。この理由は炭化アルミニウムの組成、Ａｌ４Ｃ３の組成になっていればＨｖ１０００の硬さは得られるが炭素量が少なくなれば、炭化アルミニウムの化合物層内に１ミクロン程度の微細なアルミニウム粒子が存在し、徐々に硬さは低下する。すなわち、硬さは炭素量で管理ができることになる。このことはまた、硬さをＨｖ５００〜６００とすることにより、熱処理で発生した歪みを加圧によって矯正でき、寸法精度の良い部品の製造が可能である。特にシャフト類の部品の処理にはこの特徴が生かされるであろう。
【００２２】
炭化アルミニウム層とアルミニウム母材の接着性が問題になるが、この硬化法が明らかなように、炭素とアルミニウムとの反応性が良く、炭素は接着剤の役割を果たし、硬化被膜と母材との接合性は優れている。
【００２３】
【実施例１】
最初に本発明を見出したアルミニウムの焼結実験について述べる。すなわち、粒径１０ミクロンのアルミニウム微粉末に１５％のパラフィンワックスを混合して、７０℃前後に加熱して十分混練し、１ｍｍのアルミニウム板の表面に押しつけながら均一に１ｍｍ厚さに塗布した。その後、加熱炉でパラフィンワックスに気泡の発生がなく、綿密な炭化層を得るため、１００℃／時の加熱速度で６００℃にし、さらに、６００℃で炭化アルミニウムの合成を行うため、３〜４時間保持した。なお、加熱中の雰囲気は酸化防止のため、１０％Ｈ２−N２の窒素雰囲気で行った。その結果、混合したパラフィンワックスは黒色に炭化し、最終的には黒色の炭化アルミニウム層になった。この試料について硬さを測定した結果、炭化アルミニウム層はビッカース硬さはＨｖ９００〜１０００で満足すべき値が得られた。
【００２４】
【実施例２】
常温ではパラフィンワックスは固形であるため、アルミニウム微粉末との混合物は流動性はなく、塗料のようにアルミニウムの処理部品に均一に塗布することはできない。そのため、塗料に使用されている有機質樹脂について検討した。本発明に利用する有機質粘結剤は６００℃近くに加熱されるため、加熱分解して炭化し、さらに発生した活性炭素がアルミニウム微粉末と反応して炭化アルミニウムになる。この場合、炭化の歩留まり及ビ再現性が問題になる。いろいろ、試行錯誤を繰り返した結果、エポキシ系樹脂が適当であることが明らかになった。
【００２５】
そのため、実施例１と同じ条件で実験を行った。すなわち、アルミニウム微粉末に液状の１００％エポキシ樹脂をアルミニウム１に対し１〜１／４の割合で配合し、さらに流動性をよくするため、割合１程度の有機溶剤を添加して、アルミニウム板上に刷毛塗りした。厚さは約０．０１〜０．１０ｍｍ程度である。なお、加熱条件は実施例１と同じである。
【００２６】
硬さを測定した結果、炭化アルミニウム層の硬さはＨｖ９００〜１０００で実施例１と同じ表面硬化被膜が得られた。
【００２７】
【実施例３】
実施例２と同じに液状エポキシ樹脂を用いて繰り返して実験を繰り返す過程で、試験片の表面全体に均一な硬化被膜層が得られず、局部的に酸化性ガスの影響によって、硬化被膜層が薄くなったり、局部的に消失している現象がみられた。これは窒素雰囲気に含まれる不純物として微量の酸素ガスまたは水分が炭化物と反応するためである。問題を解決するため、雰囲気に浸炭性ガス、すなわち、炭素ポテンシアルを与えるために浸炭能の高いメタンガスを１％以下の範囲で添加した。その結果、雰囲気ガスによる酸化の問題は解決された。
【００２８】
炭化水素ガスとしては浸炭性の弱いメタンガスが適当である。プロパンガスも考えられるが、浸炭性が高く煤が発生するため適当ではない。
【００２９】
実験は実施例２の条件で行った。その結果。均一な黒色の炭化アルミニウム被膜層が得られた。
【００３０】
【発明の効果】
アルミニウムの耐摩耗性向上はアルミニウムに課せられた本質的な問題である。本発明は、塗装方式で処理物の表面にアルミニウム微粉末に有機質粘結材を配合した液状塗装材を塗布し、熱処理により炭化及ビ炭化アルミニウムの合成反応を加熱炉で一度に多量処理する。そのため、処理費は低コストで、しかも作業が安定しているところから、工業技術としては優れた方法である。
【００３１】
また、本発明によれば、従来にない荷重がかかるような機械部品に利用することができる。すなわち、軽荷重のかかる精密機械部品である。歯車、シャフトなどが好適である。また、ロボット用部品のように、耐摩耗性を要求するピストン、軸承部品類等に利用することができる。
【００３２】
最近、機械の省エネルギーの面から装置の小型化、軽量化が要求されており、本発明により、ロボットの機械構造部品の利用への用途が期待される。