(57)【要約】【課題】製造工程において環境汚染を誘発することなく複雑な形状の部品に対して使用でき、摩擦摺動に対して高度な耐久性を発揮する。【解決手段】シリコン−アルミニウム合金をアルカリ研磨液にて化学研磨する。このとき、アルミニウム系金属部分のみが化学研磨され凹部を形成する。一方、シリコン粒子の一部は、研磨されずに凸部として取り残され、結果として、微細凹凸形状を有する表面構造を得る。シリコン粒子凸部は、他の部品表面と接触し、化学研磨されたアルミニウム系金属凹部は、潤滑剤を溜め込むことで良好な耐摩耗性を示す。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強塩基性のアルカリ水溶液に少なくとも一種類の添加剤を添加してなるアルカリ研磨液にシリコン含有アルミニウム合金を浸漬し、シリコンを除くアルミニウム系金属部分を化学研磨する研磨工程を有することを特徴とするシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項２】
上記研磨工程の後、上記シリコン含有アルミニウム合金の表面に皮膜を形成する皮膜処理工程を有することを特徴とする請求項１記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項３】
上記強塩基性のアルカリ水溶液は、水酸化ナトリウム水溶液及び／又は水酸化カリウム水溶液であることを特徴とする請求項１記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項４】
上記添加剤は、上記シリコン含有アルミニウム合金表面におけるアルミニウム系金属部分に皮膜を形成する皮膜形成剤であることを特徴とする請求項１記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項５】
上記添加剤は、上記シリコン含有アルミニウム合金表面におけるアルミニウム系金属部分に酸化皮膜を形成する添加剤であることを特徴とする請求項４記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項６】
上記添加剤は、上記シリコン含有アルミニウム合金表面におけるアルミニウム合金部分にケイ酸塩皮膜を形成するケイ酸塩類及び／又はホウ酸塩皮膜を形成するホウ酸塩類を含むことを特徴とする請求項４記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項７】
上記ケイ酸塩類は、メタケイ酸のアルカリ塩及び／又はオルトケイ酸のアルカリ塩であることを特徴とする請求項６記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項８】
上記ホウ酸塩類は、過ホウ酸のアルカリ塩、メタホウ酸のアルカリ塩、ピロホウ酸のアルカリ塩及びオルトホウ酸のアルカリ塩から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項６記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項９】
上記添加剤は、過硫酸塩であることを特徴とする請求項４記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項１０】
上記シリコン含有アルミニウム合金は、重量比で１５乃至３５％のシリコン粒子を含有することを特徴とする請求項１記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法。
【請求項１１】
強塩基性のアルカリ水溶液に少なくとも一種類の添加剤を添加してなるアルカリ研磨液によって化学研磨されてなるシリコン含有アルミニウム合金の表面構造において、
上記金属表面に露呈したシリコン粒子の一部と化学研磨されたアルミニウム系金属部分との高さの差が１乃至２０μｍであるシリコン含有アルミニウム合金の表面構造。
【請求項１２】
上記シリコン含有アルミニウム合金は、重量比で１５乃至３５％のシリコン粒子を含有することを特徴とする請求項１１記載のシリコン含有アルミニウム合金の表面構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金の表面処理方法及びこの方法によって加工されてできる表面構造に関し、特に、シリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法及びシリコン含有アルミニウム合金の表面構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属の表面研磨方法には、機械研磨法、電解研磨法及び化学研磨法といった研磨法がある。機械研磨法としては、切削工具を用いた切削研磨法、研磨砥粒を塗布したバフ輪によるバフ研磨法等を挙げることができる。これらに代表される機械研磨法によれば、金属表面を平滑、光沢面に加工できるものの、この機械研磨法では、形状が複雑であったり、箔や細線のような力学的強度の弱い金属に対して用いることが困難である。
【０００３】
一方、電解研磨法及び化学研磨法は、研磨液中での金属の溶解を利用した湿式研磨法なため、金属に対して力学的な力が作用せず、箔や細線等に対しても確実に研磨を施すことができる。しかし、電解研磨法は、材料である金属を、例えば陽極として電流の電気化学的作用によって溶解するため、操作が複雑となり、電源設備も必要である。更に、この電解研磨法では、陽極被研磨面上の電流分布が不均一となり易く、複雑な形状の被研磨材を均一に研磨することは困難である。
【０００４】
これに対して、化学研磨法は、金属を化学研磨液に単に浸漬するのみによって研磨面を得る方法であり、電解研磨法に比して電源などの設備は不要であり、かつ化学研磨液の接する面はどこでも研磨が可能であるため、複雑な形状の金属部分材に対しても均一に研磨し得る利点を有している。
【０００５】
具体的にアルミニウム合金について例示すると、従来、アルミニウム合金の表面処理法に用いられている化学研磨液として、酸性化学研磨液や、アルカリ性化学研磨液が知られている。特に、リン酸ナトリウム、硝酸ナトリウムを用いるアルカリ性化学研磨液については、種々の提案がなされている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照。）。
【０００６】
具体的には、リン酸−硝酸系研磨液とフッ化物系研磨液とを挙げることができる。中でも、リン酸−硝酸系研磨液は、最も広く利用されている化学研磨液であり、粘性の高い濃リン酸により溶出されたアルミニウムイオンが研磨面極近傍に均一に濃厚液層を形成されることで、また、酸化性を有する硝酸により酸化皮膜が生成されることで優れた研磨面が得られる研磨液である。
【０００７】
フッ化物系研磨液を用いれば、研磨面に難溶性のフッ化アルミニウムが生成され、これにより目的の仕上げが得られる。
【０００８】
また、このほかのアルミニウム合金への表面処理方法としては、クロムめっき処理、アルマイト（登録商標）処理、無電解ニッケルめっき処理等がある。特に、摺動部材等、摩擦摺動に対して軽量且つ高度な耐久力を必要とする部材の表面処理としては、主成分となる金属と他の金属とを組み合わせたり、鋳込み部品を用いたりしている。例えば、アルミニウム合金では、鉄等のほかの金属を組み合わせて用いることによって耐久性を高めている。
【０００９】
【非特許文献１】
S.Wernick and R.Pinner :TheSurface Treatment and Finishing of Aluminium and its Alloys ,p109,RobertDraper Ltd.1959
【非特許文献２】
Surface Treatment Plant Processes 23,(2)61-62,1987
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した表面処理方法の中の化学研磨法では、リン酸−硝酸系研磨液を用いた場合、操作時に硝酸に起因する有毒且つ酸性雨の原因となるＮＯxガスが多量に発生する。また、洗浄廃液中には、リン及び窒素が含まれ、未処理で排水すると河川や湖沼に富栄養化等の問題をもたらす虞もある。また、フッ化物系研磨液は、高純度アルミニウムに対してのみ研磨効果を示すが、全てのアルミニウム合金に対して良好な研磨効果を示す訳ではなく、含有されるフッ素イオンも有害で作業環境等に問題を生じる。
【００１１】
また、アルカリ性化学研磨液を用いる場合も、上述した酸性化学研磨液と同様、廃液中にリン酸塩及び硝酸塩等が含有されてしまう。このため、アルカリ性化学研磨液を用いても環境に悪影響を及ぼす。
【００１２】
クロムやニッケルを使用しためっき処理に関しては、昨今、公害に対する配慮からクロム系金属の使用を自粛する方向にあり、例えば、六価クロム等の金属イオンを使用することなく、従来と遜色のない処理加工品を得ることのできる表面処理方法の実現が期待されている。
【００１３】
また、アルミニウムと鉄等のほかの金属とを組み合わせた材料、或いは複数金属を鋳込んで合金とした材料は、再度利用する場合に金属を分離する処理が必要があり、再利用性が悪かった。
【００１４】
そこで、本発明は、上述したような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、形状が複雑な部品に対して使用可能であるとともに処理工程及び廃液処理において環境汚染を誘発する危険を防止し、処理後の部品の再利用性を高めることができる表面処理方法であって、潤滑剤を持続的に保持し摩擦摺動に対して軽量で高度な耐久力を有する表面構造が得られる表面処理方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係るシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法は、強塩基性のアルカリ水溶液に少なくとも一種類の添加剤を添加してなるアルカリ研磨液にシリコン含有アルミニウム合金を浸漬し、シリコンを除くアルミニウム系金属部分を化学研磨する研磨工程を有することを特徴とする。更に、研磨工程の後、シリコン含有アルミニウム合金の表面に皮膜を形成する皮膜処理工程を設けてもよい。
【００１６】
ここで強塩基性のアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液及び／又は水酸化カリウム水溶液を用いる。
【００１７】
また、添加剤は、シリコン含有アルミニウム合金表面におけるアルミニウム系金属部分に皮膜を形成する皮膜形成剤として、シリコン含有アルミニウム合金表面におけるアルミニウム系金属部分に酸化皮膜を形成する添加剤を用いることができ、シリコン含有アルミニウム合金表面におけるアルミニウム合金部分にケイ酸塩皮膜を形成するケイ酸塩類及び／又はホウ酸塩皮膜を形成するホウ酸塩類がもまた含まれる。
【００１８】
シリコン含有アルミニウム合金は、重量比で１５乃至３５％のシリコン粒子を含有することが好ましい。
【００１９】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係るシリコン含有アルミニウム合金の表面構造は、強塩基性のアルカリ水溶液に少なくとも一種類の添加剤を添加してなるアルカリ研磨液によって化学研磨されてなるシリコン含有アルミニウム合金の表面構造において、金属表面に露呈したシリコン粒子の一部と化学研磨されたアルミニウム系金属部分との高さの差が１乃至２０μｍであることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法及び表面構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
本発明の具体例として示すシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法は、水酸化アルカリによって強アルカリ性とした水溶液に、一種又は二種以上の添加剤を添加してなり、シリコン含有アルミニウム合金に作用してアルミニウム合金表面のみを適宜化学研磨するものである。このシリコン含有アルミニウム合金は、所定サイズのシリコン粒子がアルミニウム合金中に分散されてなるものである。
【００２２】
図１は、本具体例で用いるシリコン含有アルミニウム合金の断面を模式的に示したものである。ここで用いるシリコン含有アルミニウム合金１は、アルミニウム系金属３に対してシリコン粒子２が１５〜３５重量％含まれたものである。
また、ここで、所定サイズのシリコン粒子とは、約１〜１００μｍの直径を有しており、必ずしも略球形状でなくとも約１〜１００μｍ立方に納まるサイズを有するものであればよい。
【００２３】
本具体例でシリコン含有アルミニウム合金１の表面処理に用いる化学研磨液は、水酸化アルカリにより強アルカリ性を示す。この水酸化アルカリとしては、水酸基を有し、水溶してアルカリ性を示すものであれば如何なる材料を用いてもよい。水酸化アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を用いることが好ましい。
【００２４】
また、この化学研磨液には、１種又は２種以上の添加剤を添加して使用する。所定の添加剤を添加することにより、化学研磨液は、図２に示すように、アルミニウム合金部分の表面上を覆うように除去皮膜４を形成する。この除去皮膜４は、シリコン含有アルミニウム合金１の表面に極微小な凸部として露呈したシリコン粒子部分には薄く形成されるが、凸部であるシリコン粒子に対して極微小な凹部となるアルミニウム系金属３の表面上に厚く形成されることとなる。アルミニウム系金属３は、この除去皮膜４を通して緩やかに溶解する。このため、アルミニウム系金属３は、その表面における金相学的不均一性に起因して選択的にエッチングされる。
【００２５】
上述したように、シリコン含有アルミニウム合金１は、化学研磨液によってアルミニウム系金属３が化学研磨され、シリコン粒子２が極微小な凸部として一層露呈されることにより、その表面が微細凹凸形状となる。図３は、化学研磨後のシリコン含有アルミニウム合金１の表面を示している。上記金属表面に露呈したシリコン粒子の一部と化学研磨されたアルミニウム系金属部分との高さの差は、約１〜２０μｍである。
【００２６】
化学研磨液によってシリコン含有アルミニウム合金１の表面に形成される除去皮膜４としては、酸化皮膜、ケイ酸塩皮膜、ホウ酸塩皮膜等が挙げられる。この除去皮膜４の中でも、酸化皮膜は、酸化剤である過硫酸塩を添加剤として添加することにより形成することができる。酸化剤の添加により、シリコン含有アルミニウム合金１中のアルミニウム系金属部分以外の不純物元素及び合金添加元素、例えば、シリコンを除く鉄・銅等の金属元素やケイ素等の非金属元素もまた酸化溶解することができる。
【００２７】
なお、過硫酸塩としては、過硫酸ナトリウムや過硫酸カリウムが挙げられる。また、ケイ酸塩類としては、例えば、オルソケイ酸塩及びメタケイ酸塩が挙げられる。ホウ酸塩類としては、例えば、過ホウ酸塩、メタホウ酸塩、ピロホウ酸塩及びオルトホウ酸塩が挙げられる。
【００２８】
また、この場合、化学研磨液は、上述した除去皮膜４が光沢に影響しない程度の厚み（薄さ）で生成されているため、研磨後、水洗、乾燥した状態で放置しても、すなわち研磨後に特に後処理を施さずとも変化を生じない安定した表面構造を付与することができる。この化学研磨液にて研磨されたシリコン含有アルミニウム合金１は、室内の乾燥雰囲気にて長時間使用しても殆ど変化を生じない安定した構造を有している。
【００２９】
更に、添加剤を複数加えることにより、水酸化アルカリ溶液に酸化剤、ホウ酸塩類、ケイ酸塩類のうちの一種のみを添加剤として用いた場合と比較して、優れた研磨特性を発揮し研磨効果が大幅に向上する。また、アルミニウム合金をより高度に平坦化できる。
【００３０】
以上のようなシリコン含有アルミニウム合金の表面処理法によれば、アルミニウム合金表面近傍に強アルカリ性とされた水溶液とＡｌＯ2-イオンとから粘性濃厚液層が形成され、この粘性濃厚液層によりアルミニウム合金の表面が溶解される。本具体例では、酸化剤による酸化皮膜、ホウ酸塩類によるホウ酸塩皮膜、ケイ酸塩類によるケイ酸塩皮膜といった除去皮膜４によってアルミニウム系金属３の溶解が進行する化学研磨であるため、シリコン含有アルミニウム合金１が予め複雑な形状に加工された部品・部材であっても、その表面に均一に作用してアルミニウム系金属３を溶解し、溶解されずに凸部状に残されたシリコン粒子２によってシリコン含有アルミニウム合金１の表面が微細な凹凸形状に加工される。
【００３１】
更に、この表面処理法は、リン系の化合物や硝酸系の化合物を一切使用することなく化学研磨する処理法である。本具体例で示す表面処理法では、水酸化アルカリ、ケイ酸塩、ホウ酸塩等は単に中和することで沈澱でき、酸化剤は還元後中和すればよいため、処理後の廃液処理も容易且つ確実に行える。したがって、管理が比較的簡単に行え、量産も可能であるため、製造する上でのコストを低減できるという利点がある。また、リン系の化合物や硝酸系の化合物を一切使用しないため、硝酸に起因し酸性雨の原因となるＮＯxガスの発生や、洗浄液中に含まれるリン・窒素によって引き起こされていた河川や湖沼の富栄養化といった問題を防ぐことができる。
【００３２】
上述した表面処理方法によって表面処理加工を施した部材を、例えば摺動部材として用いる際には、更に良好な摩擦特性、耐摩耗性・耐久性を与えるために、従来のように潤滑剤を用いることが好ましい。潤滑剤としては、汎用の潤滑剤、潤滑油、結晶性フッ素化合物、非結晶性フッ素化合物等が挙げられる。このような潤滑剤を用いて、化学研磨されたシリコン含有アルミニウム合金に更に表面処理を施すことにより、摩擦特性、耐摩耗性・耐久性を向上させることができる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
シリコンを３０重量％含有するアルミニウム合金鋳物部材（以下、シリコン含有アルミニウム合金部材と記す。）にて空圧シリンダを作製し、約４０℃に保持した４０重量％のデプソール社製デプソール＃６７（商品名）（一般的な中性洗浄液）に５分間浸漬することにより脱脂する。
【００３４】
その後、シリコン含有アルミニウム合金部材を水洗後、直ちに、水酸化ナトリウム５ｇ／ｌ、グルコン酸ナトリウム１ｇ／ｌの溶液に、過硫酸ナトリウム１５ｇ／ｌ、メタホウ酸ナトリウム１０ｇ／ｌとなるように調製した化学研磨液に常温下で３分間浸漬する。
【００３５】
３分間経過の後、この部材を０．１〜０．４重量％のアライドキーライト社製デオキシライト＃４１（商品名）に浸漬して安定化した後、６０℃の熱風に１５分間晒して乾燥した。
【００３６】
この部材をレシプロ型エアコンプレッサに搭載し、３６０日連続運転テスト試験を実施した。摺動面の潤滑剤として、汎用の潤滑剤を使用した。この試験では、１日運転して６日休止する動作を繰り返し行い、４８サイクル毎に初動時の回転抵抗を測定した。実施例１では、試験回数が嵩むにつれて初動時の回転抵抗値が高くなるという不具合もなく、３６０日経過後も良好な回転動作結果を示した。また、部材の摺動表面の摩耗も殆どなかった。
【００３７】
実施例２
実施例１と同様の表面処理をレシプロ型エアコンプレッサのピストンに施し、同様の動作試験を行った。上記実施例１及び実施例２の表面処理を施した部材では、潤滑剤切れもない良好な回転動作結果を得た。また、部材の摩耗もなかった。
【００３８】
実施例３
シリコンを２５重量％含有したアルミニウム合金にて自動改札機用の切符送りローラやガイド機構の摺動部材を作製し、所定の研削・研磨加工の後、実施例１と同様の表面処理を施した。この後、更に以下に示す潤滑剤を用いて表面被覆処理を施した。
【００３９】
まず、フッ素化処理として、フッ化アンモニウムを１０重量％、フッ化マグネシウムを１０重量％含み１００℃以下に加温保持された水溶液中に、この実施例１の方法で化学研磨処理した部材を５分間浸漬した。続いて、非結晶フッ素樹脂、結晶性フッ素樹脂にてそれぞれ被覆処理した。
【００４０】
上記実施例３の表面加工を施した部材では、化学研磨処理及び潤滑剤により被覆処理によって、６ヶ月間の運転試験の後でも試験開始前と遜色のない高速耐摩耗特性を示した。
【００４１】
各実施例で得られた表面構造における、シリコン粒子３の微細凸部とアルミニウム系金属２の微細凹部との高さの差は、約１〜２０μｍの範囲である。この範囲で表面のアルミニウム系金属の研磨量を調節することによって、良好な耐摩耗性と潤滑剤保持性が得られる。微細凹凸の差がこの範囲以下であると凹部に潤滑剤を十分に保持することができず、凹凸差がこの範囲を超えているとシリコン凸部が他の部材との間の摩擦摺動を妨げる虞があるためである。
【００４２】
上述の実施例１，実施例２，実施例３に示すように、本発明に係る表面処方法によって化学研磨されたシリコン含有アルミニウム合金は、特に、摺動部材として好適に用いることができる。また、図３に示すように、部材表面に露呈したシリコン粒子３の微細凸部にて他部材と接触摺動し、化学研磨された（場合によっては更に表面処理された）アルミニウム系金属２の微細凹部に潤滑剤を保持できるため、高度な耐摩耗性を備え、安定した動作性能を発揮できる。
【００４３】
また、従来のように強度を持たせたい部分に他の金属を組み合わせたりすることなく、シリコン含有アルミニウム合金という単一素材の表面加工によって、高度な耐摩耗性等の表面特性を向上できることから、処理後の部品の再利用性を高めることもできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るシリコン含有アルミニウム合金の表面処理方法は、形状が複雑な部品に対して使用可能であるとともに、強塩基性のアルカリ水溶液に少なくとも一種類の添加剤を添加してなるアルカリ研磨液にシリコン含有アルミニウム合金を浸漬し、シリコンを除くアルミニウム系金属部分を化学研磨することにより、研磨されたアルミニウム系金属部分とシリコン粒子の一部で高低差ができ、金属表面に微細凹凸面が形成される。
【００４５】
この微細凹凸面では、シリコン粒子の凸部が他の部材接触したときの耐摩耗性・耐圧力性を担い、研磨されたアルミニウム系金属凹部が潤滑剤保持性を担うため、本発明の表面処理方法を施せば、部品に対して、摩擦摺動に対する高度な耐久力を付与できる。特に、この表面処理を施した部材を摺動部材として使用すれば、動作と不動作との間隔が不定期若しくは長期間に及ぶ機器に使用した場合、潤滑剤の自然流出を低減し良好な初期動作特性を付与できる。
【００４６】
更に、本発明に係る表面処理法では、リン系の化合物や硝酸系の化合物を一切使用しない。また、この表面処理後に発生する廃液も簡単な中和処理でよいため、処理工程及び廃液処理において環境汚染を誘発する危険もなく、無害である。そのため、硝酸に起因し酸性雨の原因となるＮＯxガスの発生や、洗浄液中に含まれるリン・窒素によって引き起こされていた河川や湖沼の富栄養化といった問題を防ぐことができる。表面処理及び廃液処理が比較的簡単に管理できることから製造する上でのコストが低減できるという利点もある。
【００４７】
更にまた、従来のように強度を持たせたい部分に他の金属を組み合わせたりすることなく、シリコン含有アルミニウム合金という単一素材の表面加工によって耐摩耗性等を向上できることから、処理後の部品の再利用性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例として用いるシリコン含有アルミニウム合金を説明する合金断面の模式図である。
【図２】化学研磨処理時に上記シリコン含有アルミニウム合金のアルミニウム合金部分の表面上を覆う除去皮膜を説明する合金断面の模式図である。
【図３】化学研磨後のシリコン含有アルミニウム合金の表面を説明する合金断面の模式図である。
【符号の説明】
１  シリコン含有アルミニウム合金、２  シリコン粒子、３  アルミニウム系金属、４  除去皮膜
【図１】
2004197148.tif 000003
【図２】
2004197148.tif 000004
【図３】
2004197148.tif 000005