(57)【要約】【課題】アルミニウム部材との密着性に優れるとともに、表面の皮膜硬さにも優れた皮膜の放電加工方法を提供する。【解決手段】アルミニウム部材に対する放電加工皮膜の加工方法であって、ジメチルシリコーンオイルを含む加工液に該アルミニウム部材を浸漬し、該加工液中にてＴｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極を用いて該アルミニウム部材に放電加工を施すことを特徴とする放電加工皮膜の加工方法、並びに、アルミニウム部材の表面に形成される皮膜がＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物を含み、皮膜中にはＳｉＣ粒子が皮膜外表面に近いほど密に分散されていることを特徴とする放電加工皮膜。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム部材に対する放電加工皮膜の加工方法であって、
ジメチルシリコーンオイルを含む加工液に該アルミニウム部材を浸漬し、該加工液中にてＴｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極を用いて該アルミニウム部材に放電加工を施すことを特徴とする放電加工皮膜の加工方法。
【請求項２】
前記ジメチルシリコーンオイルの重合度が３〜１０の範囲であることを特徴とする請求項１記載の放電加工皮膜の加工方法。
【請求項３】
前記ジメチルシリコーンオイルの重合度が３〜５の範囲であることを特徴とする請求項１記載の放電加工皮膜の加工方法。
【請求項４】
アルミニウム部材の表面に形成される放電加工皮膜であって、該皮膜がＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物を含み、該皮膜中にはＳｉＣ粒子が皮膜外表面に近いほど密に分散されていることを特徴とする放電加工皮膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムを主成分とする部材表面への放電加工皮膜およびその加工方法に関する。さらに詳しくは、密着性のよい放電加工コーティング皮膜であって、皮膜中にＳｉＣ粒子が分散していることにより優れた硬さを有する放電加工皮膜およびその加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金に使用される耐摩耗性摺動皮膜には、硬質メッキや溶射が挙げられる。
硬質メッキは、クロムやニッケルの皮膜を形成するもので、得られる皮膜は均質で硬い皮膜を得ることができる。また、皮膜の硬さや耐摩耗性を向上させる目的で、ＳｉＣ等の硬質粒子を分散させることもある。
しかしながら、アルミニウムが活性な金属であること、比較的柔らかい金属であることから、皮膜と母材であるアルミニウムとの密着性が問題となる場合がある。つまり、アルミニウムと皮膜の硬度の違いにより、皮膜が追従することができずに剥離が生じ易いという問題があった。
【０００３】
一方、溶射は、粉末の粒径や供給方法を工夫することで皮膜の成分分布に勾配を持たせて、表面硬さを高く、内部硬さを低くして、皮膜と母材との硬さの差を少なくすることができる。また、溶射粉末中に、セラミックスの硬質粒子を混ぜることで、皮膜中に硬質粒子を分散させることも考えられる。
しかしながら、皮膜と母材との接合は物理的接触のみであるため、皮膜中に粒子を分散させると、境界部の粒子が皮膜と母材の密着性を阻害してしまう。
【０００４】
他方、従来の放電加工を利用したコーティングにおいて、硬さに勾配をもつ皮膜が作成可能であり、かつ、境界部では皮膜成分と母材成分とが溶け合っているために密着性がよい加工方法が報告されている（例えば、特許文献１参照）。ところが、アルミニウム上へ皮膜を施工する場合には、厚膜化が困難であるため、皮膜硬さを向上させることで皮膜の耐久性向上を図る必要がある。そのことから、アルミニウム部材表面への皮膜形成において、密着性に優れ且つ皮膜硬さにも優れる加工方法については、未だ十分な研究がなされていなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１９２９３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、アルミニウム部材との密着性に優れるとともに、表面の皮膜硬さにも優れた皮膜の加工方法を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、皮膜中に硬質粒子であるＳｉＣを深度方向に不均一に分布させることで、皮膜の硬さを変化させながら成膜する技術によって、かかる問題点が解決されることを見出した。
本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、アルミニウム部材に対する放電加工皮膜の加工方法であって、ジメチルシリコーンオイルを含む加工液に該アルミニウム部材を浸漬し、該加工液中にてＴｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極を用いて該アルミニウム部材に放電加工を行うことを特徴とする放電加工皮膜の加工方法を提供するものである。
【０００８】
本発明の加工方法では、ジメチルシリコーンオイルを含む加工液と、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極と、を用いて放電加工を行う。ここで、ジメチルシリコーンオイルの重合度は、通常３〜１０の範囲が好適である。重合度が１０を越えて大きくなると成膜が困難となり、逆に、重合度が３より小さくなると引火点が低いため常温での使用が困難となる。加工液中には、ジメチルシリコーンオイルが通常５０〜１００重量％、好ましくは８０〜１００重量％含まれる。
消耗性電極は、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を主成分として含む圧粉体電極であり、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を５０〜１００重量％、好ましくは８０〜１００重量％含まれるものである。
【０００９】
また、本発明は、アルミニウム部材の表面に形成される放電加工皮膜であって、該皮膜がＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物を含み、該皮膜中にはＳｉＣ粒子が皮膜外表面に近いほど密に分散されていることを特徴とする放電加工皮膜を提供するものである。ここで、ＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物は皮膜の主要成分として９０重量％以上含有されており、ＴｉＣとＴｉ−Ａｌ金属間化合物との重量比（ＴｉＣ／Ｔｉ−Ａｌ）は、通常０．１〜１０の範囲である。ＳｉＣ粒子は皮膜全体に分散されているが、皮膜外表面に近い箇所からアルミニウム部材と接触する部分へと分散濃度が小さくなるように、深度によって変化しながら存在する。ＳｉＣの分散割合は、皮膜深度によって異なるために一概に定められるものではないが、通常、単位体積当たり０．０１〜１０容量％の範囲で濃度変化する。
【００１０】
本発明では、特定のジメチルシリコーンオイルを含む加工液を用いることにより、放電加工によってＳｉＣが生成し、形成される皮膜中に該ＳｉＣを分散することができる。加工液中のジメチルシリコーンオイルの粘度は、通常１．０〜５．０ｃｓの範囲である。但し、加工液の粘度調整は、高粘度のオイルと低粘度のオイルとを混合しても可能であるが、混合して調整した場合には、低粘度のオイルが先に消費されて、高粘度のオイルが残る傾向にある。よって、混合して粘度調整した場合には安定した放電加工が難しくなることがあり、上記した重合度のシリコーンオイルを選定することが好ましい。
【００１１】
本発明の加工方法によれば、アルミニウム合金等の部材表面に、密着性がよく、耐摩耗性に優れた皮膜を生成できる。また、本発明の方法を用いれば、皮膜の硬さを皮膜の材質や膜厚などを変更することなく向上させることができる。また、同様の放電条件で施工した場合、シリコーンオイルを用いる本発明は他の加工液を用いた場合と比べて均一な施工を広範囲にできるので、アルミニウム部材平面へ大型電極を用いて有利な施工が可能である。
以下、本発明について、詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の放電加工皮膜およびその加工方法について、実施の形態により説明する。本発明の加工方法では、先ず、ジメチルシリコーンオイルを５０重量％以上含む加工液に、加工対象物であるアルミニウム部材を浸漬する。次いで、該加工液中にて、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極を用いて該アルミニウム部材に放電加工を行う。
【００１３】
従来の放電加工コーティング技術では、アルミニウム上へ皮膜をコーティングする場合、皮膜の成分および状態のみで硬さや耐久性を管理していた。本発明では、ジメチルシリコーンオイルを使用して、皮膜中に高硬度なＳｉＣ粒子を析出させることにより、従来と同等以上の膜厚と皮膜の硬さを得ることができる。
加工液として使用されるジメチルシリコーンオイルの重合度は通常３〜１０、好ましくは３〜８、特に好ましくは３〜５の範囲が良い。ジメチルシリコーンオイルの粘度は、通常１．０〜５．０ｃｓ、好ましくは１．０〜３．０ｃｓ、特に好ましくは１．０〜２．０ｃｓの範囲であるが、上述した理由により、混合して粘度調整を行った場合には当該範囲内であっても加工液として適さない場合がある。
電極としては、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極を使用する。この消耗性電極により、母材であるアルミニウム上へ放電加工コーティングを行うことで、ＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物を主成分として含み、ＳｉＣ粒子を分散させた硬質皮膜を得ることができる。
【００１４】
得られる放電加工皮膜は、ＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物を主成分として含み、通常９０重量％以上含有されている。ＴｉＣとＴｉ−Ａｌ金属間化合物との重量比（ＴｉＣ／Ｔｉ−Ａｌ）は、通常０．１〜１０、好ましくは０．５〜５、特に好ましくは１〜５の範囲である。
また、該皮膜中にはＳｉＣ粒子が皮膜外表面に近いほど密に分散されている。通常、単位体積当たり０．０１〜１０容量％、好ましくは０．１〜５容量％の範囲で濃度変化して分散される。
【００１５】
本発明の放電加工皮膜は、従来の石油系加工液で施工した皮膜等に比べて、より均一で厚みを有する皮膜である。膜厚としては、通常４０〜１２０μｍ、好ましくは５０〜１００μｍ、特に好ましくは５０〜８０μｍの皮膜が形成される。また、皮膜の表面硬さは、ＳｉＣ粒子が皮膜外表面からアルミニウム部材に接する部分へと分散濃度が小さくなるように変化するため、外表面に近いほどに硬度が高く、内部のアルミニウム部材に近いほど硬度が低くなる。このようなＳｉＣの分布により、アルミニウム部材への密着性に優れ、かつ、皮膜外表面の耐久性に優れた皮膜を得ることができるのである。
【００１６】
以下、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施の形態によって何ら限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態
図１に、本発明の加工方法を用いる皮膜製造システムの一例の概略図を示す。
被めっき物であるワーク４（シリンダブロック等のアルミニウム部材）は、ジメチルシリコーンオイルを含む加工液２で満たされた加工槽５中に浸漬させる。このワーク４は、加工槽５の底部に接するように載置される。
次いで、加工液２中には、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を含む消耗性電極１が挿入されて、電極１の下部面が浸漬したワーク４の上部と近接して設置される。電極１およびワーク４は、リード線によりパルス電源３に電気的に連結されており、ワーク４と接する金属製加工槽５が＋極側、電極３が−極へそれぞれ接続されている。なお、図１のように加工槽５に接続されなくとも、ワーク４が＋極側になるようにパルス電源３と接続されれば実施可能である。
【００１８】
加工液２中におけるジメチルシリコーンオイルの量は、通常５０〜１００重量％、好ましくは８０〜１００重量％である。加工液中における他の加工液成分としては、ジメチルシリコーン以外のシリコーンオイルを混合させる態様などが挙げられる。
また、消耗性電極１の形状は特に限定されないが、通常、ワーク４に対して放電を行う下面が略平面になっており、Ｔｉ−Ａｌ二元系材料を５０〜１００重量％、好ましくは８０〜１００重量％含む圧粉体電極である。
【００１９】
ワーク４であるアルミニウム部材への放電加工は、このような配置の後にパルス電源３のパルスによって、電極１とワーク４との間の加工液２中での放電によって施工される。この際、加工槽５中に浸漬、載置されたワーク４に対して、消耗電極１を移動させながら放電を行うことができる。この場合、通常、電極１とワーク４上部との間の距離は一定にして、消耗電極１を平行に移動させることにより、ワーク４上部表面を全体に亘り均一にコーティングすることができる。但し、電極１は、放電によって生じる加工液への影響を考慮して、間欠的に上下に移動させることもできる。電極の移動速度は加工されるワーク４の種類や用途によって任意に定めることができる。具体的には、例えば移動速度１〜１０ｍｍ／ｍｉｎの範囲で移動させながら加工することができる。
【００２０】
また、電気条件としては、パルス電源３を用いて加工条件やワーク４の種類、用途等によって任意に定めることができるが、具体的には、例えば最大電流値８〜１５Ａにて、パルス幅２００〜１０００μｓ、休止幅１００〜２０００μｓのパルスを発生させて加工することができる。放電加工に伴う施工時間は、通常３〜１５分である。
【００２１】
加工液２は、加工工程を施工している間あるいは施工後に任意に補給することが可能であり、例えば加工液補給槽（図示せず）からポンプにより加工液を圧送し、加工液導入管等から加工槽５中に導入することができる。このような加工液の補給を行えば、連続的に広い面積の施工を均一な加工液の条件で実施することができる。この場合、補給槽は加工槽５と連通させて、オーバーフローまたは循環ポンプによって加工槽５および補給槽内の加工液２を混合する。
【００２２】
以下、本発明の製造方法を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００２３】
【実施例】
実施例１〜４および比較例１、参考例１
上記した実施の形態の加工方法に基づいて、皮膜を作製した。
先ず、ＴｉＨ２とＡｌの粉体を重量比で７：３の割合で混合し、形成圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ２にてφ１２．８ｍｍの円筒状の圧粉体電極を作製した。次いで、図１に示すシステムを用い、作製した圧粉体電極を消耗電極として、アルミニウム製のワーク材（Ａ２０１７）へ放電加工コーティング処理を施し、その際に得られる皮膜を比較した。
表１に、施工条件を示す。
【００２４】
【表１】
2004298986.tif 000003
表１中、ピーク幅はパルス幅、デューティ値は［パルス幅μｓ／（パルス幅μｓ＋休止幅μｓ）］を意味する。
【００２５】
加工液には、通常用いられる石油系加工液（粘度約１．７ｃｓ）を参考例１として、重合度および粘度が異なるジメチルシリコーンオイルを１００重量％使用して放電加工を行った（実施例１〜４および比較例１）。
表２に、加工液の種類と皮膜状態の良否結果を示す。なお、皮膜の評価は、表面および断面からの皮膜観察によって行った。
【００２６】
【表２】
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表２中、ＤＭＳＯはジメチルシリコーンオイルを示す。また、皮膜の評価においては、◎：大変良好（全体均一皮膜形成）、○：良好（全体皮膜形成）、△：一部皮膜形成、×：皮膜形成不可、を表す。
【００２７】
ジメチルシリコーンオイルの重合度が３〜５（粘度１．０〜２．０ｃｓ）では、表面全体を均一な皮膜としてコーティング加工を施すことができた（実施例１〜３）。ジメチルシリコーンオイルの重合度が１０（粘度５．０ｃｓ）では、一部の表面を皮膜としてコーティング加工を施すことができた（実施例４）。これに対して、ジメチルシリコーンオイルの重合度が２３（粘度２０．０ｃｓ）のもので施工したところ、皮膜は全く形成されなかった（比較例１）。
また、重合度３（粘度１．０ｃｓ）の加工液で得られた皮膜は、均一であり膜厚も５０μｍ以上と結果は良好であったが、ジメチルシリコーンオイルの引火点が３８℃と低いため、常温での使用は雰囲気温度の管理が必要であった。このため、１．０ｃｓよりも低い粘度については、常温では放電加工用としては使用困難である。
【００２８】
実施例２においてジメチルシリコーンオイルの加工液中で作製した放電加工コーティング皮膜を、Ｘ線回折、ＸＰＳ分析で解析した。
図２に、形成されたコーティング皮膜のＸ線回折ピークデータを示す。この結果から、皮膜はＴｉＣおよびＴｉ−Ａｌ金属間化合物であるＡｌ３Ｔｉを含むことが確認できた。また、図２の（ａ）ではＴｉＣとＳｉＣのピークが重なってしまったので、Ｘ線光電分光分析装置（ＸＰＳ）によって皮膜元素の化学結合状態を調べた。
図３に、ＸＰＳの結果を示す。この結果から、Ｓｉ元素はＳｉＣの状態で皮膜中に存在していることが確認できた。
【００２９】
次いで、同じ消耗電極材を使用して、従来の石油系加工液中で施工した参考例１の皮膜と、ジメチルシリコーンオイル中で施工した実施例３（重合度５の加工液）の皮膜とを、ビッカース硬さについて比較した。
図４に、皮膜硬度の測定結果を示す。その結果、シリコーンオイル中で施工した皮膜の方が、石油系加工液中で施工した皮膜よりも、表面からの各深度における皮膜の硬さが高いことがわかった。また、図４の結果から、シリコーンオイルを用いた場合の皮膜厚さは約５０μｍ程度であり、高硬度の表面付近約１０μｍの深度から徐々に硬度が低下して、母材であるアルミニウム製ワーク材の硬度（ビッカース硬さ約１００ＨＶ）に等しくなる。これに対して、石油系加工液中で施工した皮膜は、表面からの各深度における硬度が劣り、皮膜の厚さも約４０μｍ以下であった。
ジメチルシリコーンオイル中で施工した場合に、各深度における硬度が高く、かつ深度によって徐々に硬度が異なるのは、皮膜表面に近い程、ＳｉＣが多く分布するため、表面近くの硬度が高いからである。よって、放電加工皮膜中には、ＳｉＣ粒子が皮膜表面に近いほど密に分散されていることが確認できた。
【００３０】
図５〜８には、参考のために、実施例１〜４によりそれぞれ得られた各皮膜の断面写真を示す。実施例１〜４では、用いるジメチルシリコーンオイルの重合度が３〜１０へと変化している。図５に示す実施例１の皮膜は、皮膜の厚さが最も深く、次いで、実施例２の皮膜（図６）、実施例３の皮膜（図７）、実施例４の皮膜（図８）の順に、皮膜深度が変化していることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の加工方法によれば、アルミニウム合金等の部材表面に、密着性がよく、耐摩耗性に優れた皮膜を生成できる。また、本発明の方法を用いれば、皮膜の硬さを皮膜の材質や膜厚などを変更することなく向上させることができる。
さらに、同様の放電条件で施工した場合、シリコーンオイルを用いる本発明は他の加工液を用いた場合と比べて均一な施工を広範囲にできるので、アルミニウム部材平面へ大型電極を用いて有利な施工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工方法を用いる皮膜製造システムの一例の示す模式図である。
【図２】実施例で作製されたコーティング皮膜のＸ線回折ピークデータを示す図である。
【図３】実施例で作製されたコーティング皮膜のＸＰＳのデータを示す図である。
【図４】実施例で作製された皮膜のビッカース硬さについて、皮膜硬度の測定結果を示す図である。
【図５】実施例１で得られた皮膜の断面写真である。
【図６】実施例２で得られた皮膜の断面写真である。
【図７】実施例３で得られた皮膜の断面写真である。
【図８】実施例４で得られた皮膜の断面写真である。
【符号の説明】
１    消耗電極
２    加工液
３    パルス電源
４    ワーク
５    加工槽
【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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