(57)【要約】      （修正有）【課題】密着性、耐蝕性、耐摩耗性および耐焼付性に優れる被覆層を備えたアルミニウム系部材を提供する。【解決手段】本発明のアルミニウム系部材は、Ａｌを主成分とする母材と、この母材表面を被覆する被覆層とからなるアルミニウム系部材であって、前記被覆層は、前記母材上に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層と、この陽極酸化層のポーラスに侵入してポーラスを埋設する侵入型酸化物とからなる。陽極酸化層および侵入型酸化物が一体化することで、陽極酸化層単体よりも優れた耐摩耗性や電気絶縁性等を発現する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする母材と、
該母材表面を被覆する被覆層とからなるアルミニウム系部材であって、
前記被覆層は、前記母材上に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層と、該陽極酸化層のポーラスに侵入して該ポーラスを埋設する侵入型酸化物とからなり、該陽極酸化層および該侵入型酸化物が一体化してなることを特徴とするアルミニウム系部材。
【請求項２】
前記侵入型酸化物は、酸化クロム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化ニッケルの１種以上からなる請求項１に記載のアルミニウム系部材。
【請求項３】
前記被覆層の膜厚は、１０〜１００μｍである請求項１に記載のアルミニウム系部材。
【請求項４】
前記アルミニウム系部材は電気溶接機用部品である請求項１に記載のアルミニウム系部材。
【請求項５】
Ａｌを主成分とする母材の表面に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層に、該ポーラスに侵入して該ポーラスを埋設する侵入型酸化物を含有した処理剤を塗布する塗布工程と、
該処理剤を塗布した塗布部を加熱する加熱工程とからなり、
該母材の表面が、該陽極酸化層と該侵入型酸化物とが一体化した被覆層で被覆されたアルミニウム系部材が得られることを特徴とするアルミニウム系部材の製造方法。
【請求項６】
前記塗布工程は、前記陽極酸化層を前記処理剤中に浸漬するディップ法、該陽極酸化層上に該処理剤を刷毛塗りする刷毛塗り法または該陽極酸化層上に該処理剤を噴霧するスプレー法のいずれかによる工程である請求項５記載のアルミニウム系部材の製造方法。
【請求項７】
前記加熱工程は、加熱温度を１５０〜４５０℃とする工程である請求項５記載のアルミニウム系部材の製造方法。
【請求項８】
前記塗布工程と前記加熱工程とは、少なくとも２回以上繰返される請求項５記載のアルミニウム系部材の製造方法。
【請求項９】
Ａｌを主成分とする母材の表面に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層に、該ポーラスに侵入して該ポーラスを埋設する侵入型酸化物を含有した処理剤を塗布する塗布工程と、
該処理剤を塗布した塗布部を加熱する加熱工程とからなり、
該陽極酸化層と該侵入型酸化物とが一体化した被覆層が該母材の表面に形成されることを特徴とするアルミニウム系部材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐蝕性、耐摩耗性、耐焼付性または電気絶縁性に優れた被覆層を備えるアルミニウム系部材、その製造方法およびアルミニウム系部材の表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軽量化や環境負荷の低減等が強く求められる昨今、軽量でリサイクル性にも優れるアルミニウム（Ａｌ）は有望な金属材料である。このため、各種分野の各種製品に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系部材が使用されている。例えば、自動車、電化製品、生産設備等の筐体や構成部品としてアルミニウム系部材が多用されている。
【０００３】
ところでＡｌは、大気中の酸素（Ｏ）と親和力が強く、容易に結合するため、極めて安定でかつ緻密な酸化被膜（Ａｌ２Ｏ３）をアルミニウム系部材の表面に形成する。この酸化被膜は、アルミニウム系部材の耐蝕性を向上させるので有効である。もっとも、この酸化被膜は膜厚が非常に薄いため、例えば、アルミニウム系部材の耐摩耗性を向上させるには至らない。その耐摩耗性の向上には、アルミニウム系部材の表面に、母材（Ｈｖ１００程度）よりも十分に硬質で相当な厚さの被覆層を形成する必要がある。
【０００４】
このような被覆層の形成方法として、陽極酸化処理（アルマイト処理）やメッキ処理がよく行われる。また、下記特許文献１に記載された窒化溶融法や特許文献２〜４に記載されたイオン窒化法等も行われている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５６−２５９６３号公報
【特許文献２】
特開昭６０−２１１０６１号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１５０４５号公報
【特許文献４】
特開平４−３７１５６号公報
【特許文献５】
特開２００１−１７２７９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のいずれの方法によって形成された被覆層も、十分な耐摩耗性が得られない。しかも、そのような被覆層は、耐摩耗性に限らず、耐蝕性、耐焼付性、電気絶縁性等も十分ではない。
【０００７】
なお、上記特許文献５には、陽極酸化被膜上にポリシラザン由来の二酸化ケイ素被膜を形成することで、部材の耐絶縁性や耐蝕性が向上させ得る旨が開示されている。その被覆層を具体的にいうと、陽極酸化被膜上に塗布したポリシラザンを焼成し、その中の窒素原子を酸素原子に置換させて、陽極酸化被膜上に二酸化ケイ素被膜を形成したものである。この二酸化ケイ素被膜は、その実施例中にも開示されているように、陽極酸化被膜上に形成された１〜２μｍ程度の薄膜に過ぎず、しかも両者が一体化しているものでもない。このような陽極酸化被膜と二酸化ケイ素被膜とが分離した二層構造の被覆層では、上層の薄い二酸化ケイ素被膜が破壊され易く、十分な耐摩耗性を発現し得ないと思われる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。つまり、耐蝕性、耐摩耗性、耐焼付性または電気絶縁性に優れた被覆層（表面被膜）を表面に備えたアルミニウム系部材およびその製造方法を提供することを目的とする。また、その優れた被覆層をアルミニウム系部材の表面に形成するアルミニウム系部材の表面処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者はこれらの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる母材の表面に形成した陽極酸化層にクロム酸化物等を塗布して加熱すると、耐蝕性、耐摩耗性、耐焼付性または電気絶縁性に優れる被覆層が得られることを新たに見出し、本発明を完成させるに至ったものである。
【００１０】
（アルミニウム系部材）
すなわち、本発明のアルミニウム系部材は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする母材と、該母材表面を被覆する被覆層とからなるアルミニウム系部材であって、
前記被覆層は、前記母材上に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層と、該陽極酸化層のポーラスに侵入して該ポーラスを埋設する侵入型酸化物とからなり、該陽極酸化層および該侵入型酸化物が一体化してなることを特徴とする。
【００１１】
本発明のアルミニウム系部材の表面に形成された被覆層は、密着性に優れると共に、耐蝕性、耐摩耗性、耐焼付性または電気絶縁性等にも優れる。このため、このような被覆層を備えるアルミニウム系部材は、従来の用途に加え、これまで耐摩耗性や電気絶縁性等の観点から使用が控えられていた種々の用途に利用可能となる。
【００１２】
ところで、本発明に係る被覆層が上記のような優れた特性を発現する理由は必ずしも定かではないが、現状、次のように考えられる。
本発明に係る被覆層は、先ず、陽極酸化層をベースとしている。陽極酸化層は、メッキ等と異なり、母材表面に酸素（Ｏ）が侵入してその表面部分にＡｌと化合物（Ａｌ２Ｏ３）を形成したものである。つまり、陽極酸化層は、母材表面に単に貼着しているだけではなく、母材の表層部分に化学的に結合している。このため、母材との密着性が非常に強い。また、陽極酸化層は、従来からいろいろな陽極酸化処理（いわゆるアルマイト処理）によって多用されており、その厚さや硬さの調整も幅広く行われている。このため、ベースに陽極酸化層を使用することで、本発明の被覆層の厚さや硬さの調整も容易となり、その低コスト化も図り易い。
【００１３】
ところが、この陽極酸化層中には無数のポーラスが存在し、少なくともその表面部分には凹凸が形成されている。このポーラスの存在によって、陽極酸化層は比較的脆く、耐圧強度等も十分ではない。また、表面の凹凸によって摺動相手への攻撃性が増したりしてしまう。その結果、陽極酸化層自体はセラミックスの１種である金属酸化物からなり硬質であるとしても、結局、陽極酸化層だけでは、高度な耐摩耗性や耐焼付性が得られない。また、ポーラスが多数存在したままの陽極酸化層は、水等に接触する露出面積も大きくなるため、その分、耐蝕性も低くなり易いと考えられる。さらに、陽極酸化層を形成する酸化物（Ａｌ２Ｏ３）は母材と外界との間を絶縁する絶縁材として機能するが、そのポーラスの存在によって、母材と外界との間の絶縁距離が実質的に短くなってしまう。このため、陽極酸化層のみでは電気絶縁性の確保も難いと考えられる。
【００１４】
これに対し本発明の被覆層は、陽極酸化層のポーラスに侵入型酸化物が侵入し、そのポーラスを埋設することによって、上述のような陽極酸化層の欠点が解消されたものとなっている。さらにいえば、陽極酸化層および侵入型酸化物が化学的な結合をしているか否かは別にして、両者が一体化し、全体として新たな一層の被覆層が形成されたことで、その被覆層は、前記補強効果以上の優れた特性を発現するに至ったと考えられる。さらに、陽極酸化層や侵入型酸化物の諸元を適切に選択すれば、摺動相手との間の摩擦係数の低減等も図れると考えられる。
【００１５】
なお、本発明において、陽極酸化層のポーラスに侵入させるものとして、酸化物を選択したのは、陽極酸化層と共に安定した被覆層を形成するからである。すなわち、陽極酸化層のポーラスに侵入させるものとして、金属、窒化物、炭化物、ホウ化物などが考えられるが、いずれも１５０〜４５０℃のような温度では陽極酸化層との親和性が劣り、加熱後に脱落するおそれがある。
【００１６】
ちなみに、本明細書中でいう「ポーラス」とは、気孔を必ずしも意味せず、陽極酸化層が必ずしも多孔質状で有る必要もない。侵入型酸化物が侵入可能な程度に、陽極酸化層の表面に凹凸が存在すれば足る。但し、少なくとも、侵入型酸化物が侵入可能な程度に、表面側の開口に連通したものであるのが望ましい。
なお、侵入型酸化物が陽極酸化層のポーラスを完全に埋設することは、現実的に困難であるし、必ずしもその必要性もない。所望の特性が得られる程度であれば足る。
【００１７】
また、その被覆層と母材とが明確に仕切られるものとは限らず、各層の境界部分で、各元素や粒子が拡散等によって入乱れていることは当然にある。但し、本発明者が鋭意研究したところ、本発明の被覆層の場合、侵入型酸化物が母材と陽極酸化層との境界付近まで十分に侵入し、ポーラスを確実に埋設し得ることを確認している。つまり、被覆層中における侵入型酸化物の濃度分布が、母材と陽極酸化層との境界付近から急激に立上がり、被覆層の表面まで安定させ得ることを確認している。従って、本発明の被覆層は、表層部分のみならず、全体として優れた特性を発揮していると考えられる。
【００１８】
本明細書中でいう「アルミニウム系部材」は、前記被覆層を形成する部分に、純ＡｌまたはＡｌ合金からなる母材を備えれば十分である。つまり、被覆層が形成される部分に母材を備える限り、内部または内層がＡｌ以外の金属や樹脂等の他部材で構成されていても良い。また、アルミニウム部材の形態や製法等は問題ではなく、素材品、鋳造品、鍛造品、加工品等、いずれでも良い。母材は、アルミニウムを主成分とするものであるが、その組成割合は、陽極酸化層を形成し得る程度であれば十分であり、例えば、純Ａｌ材料、Ａｌ合金材料、Ａｌ基複合材料等である。
【００１９】
（アルミニウム系部材の製造方法）
このように優れた被覆層を有するアルミニウム系部材は、例えば、本発明の製造方法により製作することができる。
すなわち、本発明のアルミニウム系部材の製造方法は、Ａｌを主成分とする母材の表面に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層に、該ポーラスに侵入して該ポーラスを埋設する侵入型酸化物を含有した処理剤を塗布する塗布工程と、該処理剤を塗布した塗布部を加熱する加熱工程とからなり、該母材の表面が、該陽極酸化層と該侵入型酸化物とが一体化した被覆層で被覆されたアルミニウム系部材が得られることを特徴とする。
【００２０】
（アルミニウム系部材の表面処理方法）
本発明は、アルミニウム系部材の表層部に特徴をもつ。そこで、既存するアルミニウム系部材の表面に表面処理を別途施して、前述の優れた被覆層を新たにその表面に形成するようにしても良い。
【００２１】
すなわち、本発明は、Ａｌを主成分とする母材の表面に形成されたＡｌの酸化物からなり無数のポーラスをもつ陽極酸化層に、該ポーラスに侵入して該ポーラスを埋設する侵入型酸化物を含有した処理剤を塗布する塗布工程と、該処理剤を塗布した塗布部を加熱する加熱工程とからなり、該陽極酸化層と該侵入型酸化物とが一体化した被覆層が該母材の表面に形成されることを特徴とするアルミニウム系部材の表面処理方法としても良い。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、以下で説明する内容は、適宜選択され、または組合わされて、本発明に係るアルミニウム系部材、その製造方法またはその表面処理方法のそれぞれに適用され得る。
【００２３】
（１）母材
母材の組成や形態等は特に問題ではない。例えば、母材が展伸材の場合、ＪＩＳに規定されたＡ１０５０等の１０００系のアルミニウム、Ａ２０１４、Ａ２０１７（ジュラルミン）、Ａ２０２４（超ジュラルミン）等の２０００系アルミニウム合金、Ａ５０５２等の５０００系アルミニウム合金、Ａ７０７５（超々ジュラルミン）等の７０００系アルミニウム合金がある。勿論、その他の展伸材でも良い。
【００２４】
母材は、ＪＩＳに規定されたＡＣ８Ａ、ＡＣ４Ｃ等の鋳造材でも良い。この鋳造材には、高圧鋳造材、低圧鋳造材、重力鋳造材、チクソモールド材等も含まれる。さらに、母材は、ＡＤＣ１等のダイカスト材でも良い。その他、素粉末混合法または合金粉末法により得られる焼結材を母材としても良い。さらに、各種の繊維、ウィスカまたは粒子をＡｌまたはＡｌ合金のマトリックス中に分散させた複合材を母材としても良い。
【００２５】
（２）陽極酸化層
陽極酸化層は、上記母材に陽極酸化処理を施すことで得られる（陽極酸化工程）。陽極酸化処理は、例えば、電解液中に母材を浸漬して、母材を陽極として電圧を印可することにより行われる。陽極酸化処理方法にはいろいろあるが、例えば、表面技術便覧等に掲載されているような、硫酸浴法、シュウ酸浴法、有機酸浴法など公知の方法を採用すれば良い。勿論、その他の方法でも良いし、処理条件も適宜調整すれば良い。陽極酸化処理で使用する電解液の例を挙げると、トリエチルアミン、ケイ酸ナトリウム、アルミ酸ナトリウム、酸性フッ化アンモン、フッ化カリウム、重クロム酸ナトリウム、エチレングリコール、リン酸、水酸化ナトリウム、シュウ酸ナトリウム、硫酸アンモン、苛性カリ等を使用すれば良い。また、反応促進のために、その電解液の温度を０〜９０℃としておくと良い。陽極酸化層の厚さにもよるが、電流密度を０．５〜５Ａ／ｄｍ２とし、１０分間〜１０時間処理すると良い。
【００２６】
陽極酸化処理の方法や処理条件、使用する電解液等により、形成される陽極酸化層の形態は異なるが、その厚さは１０〜１００μｍ望ましくは１０〜５０μｍであると良い。その厚さが１０μｍ未満では母材と被覆層との密着性が劣り、また耐摩耗性等も確保され難い。一方、その厚さが１００μｍを超えて厚くなると、陽極酸化処理に長時間を要し実用的でない。陽極酸化層のポーラスも、その形態を問わないが、例えば、孔径０．１〜１０μｍ程度のものである。その端部は表面側に開通しているのが好ましい。
なお、この陽極酸化層の厚さは、ほぼそのまま被覆層の膜厚となり得ることから、その被覆層の膜厚も１０〜１００μｍ望ましくは１０〜５０μｍであると好ましい。
【００２７】
（３）侵入型酸化物
侵入型酸化物は、陽極酸化層のポーラスに侵入してポーラスを埋設するものである。陽極酸化層との相性が良く、容易に流出や剥脱等しないものが好ましい。例えば、酸化クロム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化ニッケル等の金属酸化物の１種以上からなると好ましい。より具体的には、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｒＯ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＮｉＯ２等である。勿論、この他にも、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、アンチモン（Ｓｂ）、ボロン（Ｂ）、カーボン（Ｃ）等の酸化物であっても良い。例えば、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＳｂＯ２、ＣｏＯ３である。これらの中でも特に、酸化クロムは、陽極酸化層との相性が良く侵入型酸化物として好ましい。
【００２８】
（４）塗布工程
塗布工程は、ポーラスを有する陽極酸化層上に、上記侵入型酸化物を含有した処理剤を塗布する工程である。
【００２９】
この塗布工程は、例えば、前記陽極酸化層を前記処理剤中に浸漬するディップ法、陽極酸化層上に処理剤を刷毛塗りする刷毛塗り法または陽極酸化層上に処理剤を噴霧するスプレー法等のいずれを採用しても良い。アルミニウム系部材の形状や塗布面積等に応じて適宜、効率的な方法を採用すれば良い。例えば、ディップ法によると生産性の向上を図れ、刷毛塗り法によると細部の塗布が容易となり、スプレー法によると均一な被覆層の形成が可能となる。そして採用する方法に応じて、処理剤の粘度や溶媒を調製すると良い。なお、ディップ法を採用する場合、容器に入れて加熱溶融した処理剤に、被覆層を必要とする母材の部位を短時間浸漬し、母材の陽極酸化層表面に処理剤の一部を擬結させるようにしても良い。なお、この浸漬は、いわゆるドブ漬けする場合に限らず、処理表面が処理剤の液面に接する程度でも良い。
【００３０】
処理剤は、溶剤で溶解した樹脂と侵入型酸化物とを混合したものでも、溶媒と侵入型酸化物とを混合したものでも良い。溶媒には、例えば、水、アルコール、アセトン、ヘキサン、ヘキサフロロイソプロパノール、メチルエチルケトン、酢酸ソーダ等がある。これらの溶媒と、侵入型酸化物の１種以上からなる粉末とを混錬して粘稠なペースト状としても良い。また、ポリアミドイミド等の樹脂とその侵入型酸化物の粉末とを混合してスラリー状にしても良い。なお、ポリアミドイミド等の樹脂は、その後の加熱によって分解し、カーボンや酸化物として残ることもあるが、被覆層の耐摩耗性等に悪影響を及すことはない。
【００３１】
その処理剤は、この他に、フッ素樹脂（テフロン系樹脂）、窒化ホウ素（ＢＮ）または黒鉛の少なくとも１種を含むと好適である。特にそれらが粉末状であると、侵入型酸化物の粉末との混合や混錬が容易となる。フッ素樹脂や黒鉛は、摺動抵抗を低減する作用があるため、それらが被覆層に含まれると、アルミニウム系部材表面の耐摩耗性や耐焼付性を向上させることができる。また、窒化ホウ素が被覆層に含まれると、それは高硬度であるために、アルミニウム系部材の耐摩耗性をさらに向上させることができる。処理剤の粘度は、塗布工程の方法に応じて決定することが好ましいが、例えば、塗布された処理剤が母材の表面から流れ落ちるときは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化アンチモン（ＳｂＯ２）および窒化ホウ素（ＢＮ）等の高融点不活性物質を添加して、処理剤の粘度を上げても良い。
【００３２】
侵入型酸化物の配合割合は、処理剤全体を１００重量部としたときに、１〜７０重量部、さらには、５〜３０重量部とすると好適である。その配合量中に、前記フッ素樹脂、窒化ホウ素または黒鉛を含めて考えても良い。それらの配合量が少なすぎると（例えば、１重量部未満であると）、被覆層の形成速度が遅くなり、配合量が多すぎると（例えば、７０重量部を越えると）、被覆層の形成が不均一となり、いずれの場合も実用上好ましくない。
【００３３】
また、侵入型酸化物に、水、水ガラス、コロイダルシリカ、ポリアミド樹脂またはエチルシリケート水溶液等の結合剤を加えて、粘稠なペーストを作り、このペーストを母材の陽極酸化層表面に塗布しても良い。なお、塗布したペーストの剥離や流出を防止するために、水等の結合剤の添加量を加減して、そのペーストの粘度を調製すると良い。ペーストの結合剤として、上述のもの以外に、グリセリン、アルコール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ジメチルスルホキシドなどの有機質液体を使用しても良い。さらに、ペースト（処理剤）として配合、添加する各成分の粉末は、細かいほど、粘着力が大きく塗布しやすいペーストが得られる。
【００３４】
また、処理剤の塗布量が多いほど、好ましい被覆層が得られる傾向にある。そこで、刷毛塗り法やスプレー法（吹付け塗装法）を用いる場合は、重ね塗りして厚い塗布膜を形成すると良い。但し、後述の加熱工程中に処理剤の粘度が低下して、処理剤が母材の表面から流れ落ちることも考えられる。そこで、処理剤を塗布したときの膜厚は、０．０１〜３ｍｍとするのが好ましい。
【００３５】
（５）加熱工程
加熱工程は、処理剤を塗布した塗布部を加熱する工程である。この加熱工程によって、陽極酸化層上に塗布した処理剤は乾燥し、処理剤中の溶媒等は揮発、分解等される。また、この加熱工程で、侵入型酸化物は陽極酸化層のポーラスへ一層侵入し易くなり、両者が一体化してほぼ一層の被覆層を形成すると考えられる。
【００３６】
この加熱は、大気雰囲気中で行っても、アルゴンや窒素などの非酸化性雰囲気中で行っても良い。
母材の全表面または大部分の表面に、被覆層を形成したいときは、部材全体を加熱できる炉を使用すると効率的である。逆に、母材の一部表面のみに被覆層を形成したいときは、局部加熱できるバーナーや高周波誘導加熱などを使用すると良い。局部的に被覆層を形成するときは、ペースト状等の処理剤をその局部にのみ塗布しておくだけでも良い。
【００３７】
この加熱温度は、母材が溶解しない範囲の温度であるが、実用的には１５０〜４５０℃、より望ましくは、２００〜３５０℃である。１５０℃未満では、加熱処理が進行し難い。また、アルコール、アセトン、ポリアミドイミドやＰＴＦＥ等の溶媒が揮発、分解し難く、健全な被覆層が得られないおそれがある。４５０℃を越えると、母材が軟化して、基地組織の変化と共に寸法変化が大きくなるおそれがある。
【００３８】
加熱時間は、採用する加熱手段、加熱対象の大きさ、被覆層の厚さ等と関係するため、一律には決められないが、例えば、数分〜３０時間程度とすれば良い。熱歪みや組織変態等を防止するために、短時間で加熱処理することが好ましい。例えば、高周波誘導加熱を利用すると、被加熱対象を短時間に高温とすることができる。特に、局部的に被覆層を形成する場合、高周波誘導加熱を利用すれば、アルミニウム系部材の熱歪みの発生を低減できるので好ましい。
なお、適宜、塗布工程と加熱工程とを繰返し実施して、厚膜の被覆層を形成するのが良い。少なくとも、前記塗布工程と前記加熱工程とを、少なくとも２回以上繰返すと好ましい。
【００３９】
（３）用途
本発明に係るアルミニウム系部材は、密着性、耐蝕性、耐摩耗性、耐焼付性または電気絶縁性等に優れた被覆層を表面に備える。このため、従来使用されていた各種分野の各種製品のみならず、より広い分野の多種多様な製品に利用され得る。例えば、ピストン、スロットルボディ、シャフト、マンドレルなどの自動車部品や製造設備品、コンピューター、カメラ、電子機器の筐体、治工具、機械部品等である。
【００４０】
また、本発明の被覆層は、電気絶縁性にも優れるので、電蝕摩耗を生じ易い部位に設けても好ましい。例えば、スポット溶接機（電気溶接機）の位置決めピン（電気溶接機用部品）等である。
さらに、自動車部品のピストンピン、スロットルシャフト、ゴムホース用マンドレル、ガイド板およびギヤースライダー等にも利用できる。
【００４１】
【実施例】
実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
（実施例１）
母材となる厚さ１．０ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ６０ｍｍの展伸用アルミニウム合金試験片（Ａ５０５２：Ａｌ−２．５％Ｍｇ−０．３％Ｃｒ）を硫酸（Ｈ２ＳＯ４）水溶液からなる電解液（５℃）に浸漬した。これを陽極とし、ステンレス鋼板を陰極として、３Ａ／ｄｍ２ｘ６０ｍｉｎの電解条件で陽極酸化処理を施した（陽極酸化工程）。この陽極酸化処理後の試験片表面近傍の断面を光学顕微鏡（５００倍）で観察した写真を図１に示す。これから、表面および内部に多数のポーラスを有する、厚さ約５０μｍの層が形成されていることが解る。この層をＸ線マイクロアナライザで線分析したところ、多量のＡｌとＯが検出された。つまり、この層はＡｌ酸化物からなることが確認された。以下、この層を陽極酸化層と呼ぶ。
【００４２】
この陽極酸化処理した試験片を処理剤であるクロム酸（ＣｒＯ３）の水溶液（質量比で、ＣｒＯ３：Ｈ２Ｏ＝３：７）中に１分間浸漬した（塗布工程）。この後の試験片を、大気雰囲気の箱型熱処理炉に入れ、２００℃ｘ６０分間の条件で加熱処理した（加熱工程）。この塗布工程および加熱工程を５回繰り返した。得られた試験片の表面近傍の断面を光学顕微鏡（５００倍）で観察した写真を図２に示す。この写真から、１層からなる厚さ約５０μｍの被覆層が形成されていることが確認された。また、この被覆層の表面を観察すると、黒色を呈し、滑らかで健全な表面性状であった。ちなみに、陽極酸化処理を予め行わずに、上記の塗布工程および加熱工程を同様に行ったものは、上記実施例のような被覆層が形成されなかった。
【００４３】
次に、上記実施例の被覆層断面についてＸ線マイクロアナライザーによる線分析を行った結果を図３に示す。図３の横軸は測定距離（μｍ）であり、縦軸は元素濃度（質量％％）である。この線分析により、約４０μｍの被覆層全体にわたって、約２％質量％のＣｒと約５０％のＡｌおよび多量のＯが均一に検出された。このことから、被覆層はＣｒ酸化物とＡｌ酸化物とから構成されていることが解った。そして図１〜３より、本実施例の被覆層は、陽極酸化処理により形成されたポーラス状のＡｌ酸化物（陽極酸化層）中に、Ｃｒ酸化物が浸透して形成されたと考えられる。また、図３から解るように、本実施例の被覆層では、母材と被覆層との境界部分からそれらの濃度が急激に立上がっており、被覆層の奥深くから陽極酸化層とＣｒ酸化物とが一体化していることも解る。
【００４４】
なお、Ｃｒは表面側ほど濃度が緩やかに上昇しているが、最表面部でも約４％程度であり、被覆層全体を通じて安定している。また、被覆層全体にわたって約４％のＳが検出されている。このＳは陽極酸化処理で使用した硫酸水溶液から入ったものと推察されるが、被覆層の特性への影響は特にない。
【００４５】
本実施例の試験片の断面について、荷重０．１Ｎでビッカース硬さの測定を行ったところ、被覆層部分はＨｖ５００程度の硬さを有していた。この部分をガラスに押し付けると、ガラスが傷つくほどに硬い表面であることが明らかとなった。一方、母材中央の硬さは、Ｈｖ６０程度であった。ちなみに、陽極酸化層単体での硬さは約Ｈｖ３００程度であった。これらの硬さを対比した棒グラフを図４に示す。
【００４６】
（実施例２）
厚さ７．０ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ３５ｍｍの鋳造用アルミニウム合金（ＪＩＳ２種Ｂ＝ＡＣ２Ｂ：Ａｌ−６％Ｓｉ−０．４％Ｆｅ−３％Ｃｕ−０．３％Ｍｇ−０．３％Ｍｎ）からなる試験片を用意した。この試験片は、重力鋳造後にＴ６熱処理を行ったものである。この試験片に対しても、実施例１と同様に陽極酸化処理を行い陽極酸化層を形成した。ちなみに、前記Ｔ６処理は、５００℃ｘ２ｈｒの溶体化熱処理後に水冷して、１６０℃ｘ５ｈｒの人工時効処理を行うものである。
【００４７】
また、処理剤として、エチルアルコールの中へコロイダルシリカを約１５％と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を約１０％添加後、十分撹拌し混合したＳｉ含有溶液を調製した。この溶液をスプレー缶に入れて、上記試験片の陽極酸化層にスプレー塗布した（塗布工程）。この塗布後の試験片を、大気雰囲気の箱型熱処理炉に入れて３５０℃ｘ６０分間の条件で加熱した（加熱工程）。この塗布工程と加熱工程を５回繰り返した。得られた試験片の処理部分の断面を光学顕微鏡（５００倍）で拡大して観察したところ、実施例１の場合と同様に、１層からなる約４０μｍの厚さの被覆層が形成されていることが確認された。また、その断面をＸ線マイクロアナライザによって線分析および表面分析したところ、膜厚全体にわたって約３〜１５％のＳｉが検出された。
【００４８】
（実施例３）
実施例２と同じ組成の鋳造材へ同じＴ６処理を施した試験片を用意した。この試験片に、実施例１と同様の塗布工程および加熱工程を５回繰返した。得られた試験片の被覆層部分の断面を光学顕微鏡で１０００倍に拡大して観察した写真を図５に示す。こらから、１層からなる厚さ約４５μｍの被覆層が確認された。また、この被覆層も黒色を呈しており、滑らかで健全な表面性状であった。
【００４９】
また、上記試験片の断面をＸ線マイクロアナライザで線分析すると共に表面から定量分析したところ、約３％のＣｒと多量のＡｌおよびＯとが検出された。また被覆層表面からのＸ線解析を行ったところ、同定された物質はＣｒ２Ｏ３とよく一致した。従って、上記被覆層は全体的に、Ａｌ酸化物とＣｒ酸化物とから構成されていることが明らかとなった。
【００５０】
（実施例４）
母材となるφ２０ｍｍ、長さ１００ｍｍの展伸用アルミニウム合金試験片（Ａ７０７５：Ａｌ−１．５％Ｃｕ−２．５％Ｍｇ−５．５％Ｚｎ−０．３％Ｃｒ）を用意した。この試験片に、１％のシュウ酸と１３％の硫酸とからなる水溶液を電解液とした陽極酸化処理を６０分間、実施例１と同様に行った。
【００５１】
次に、  １５％の酸化チタン（ＴｉＯ２）とジエチレングリコールおよびチタンテトラブドキシドとをエチルアルコールと水の混合液に添加してＴｉ含有溶液を調製した。すなわち、モル比で、チタンテトラブドキシド：ジエチレングリコール：Ｈ２Ｏ：エチルアルコール＝１：２：２：５０の割合に調整した溶液に、１５％の酸化チタン（ＴｉＯ２）を添加して、Ｔｉ含有溶液を調製した。
【００５２】
このＴｉ含有溶液中に、上記陽極酸化処理した試験片を浸漬した後、試験片を引き上げた（塗布工程）。この試験片を３００℃の大気雰囲気の電気炉に入れて１時間加熱保持した（加熱工程）。この操作を５回繰り返してた。
【００５３】
この試験片の断面を光学顕微鏡で観察したところ、厚さ約４０μｍの１層からなる被覆層が形成されていた。この部分の断面をＸ線マイクロアナライザで線分析および表面から定量分析した結果、約２５％のＴｉと多量のＡｌおよびＯとが検出された。このことから、本実施例の被覆層は、Ａｌ酸化物とＴｉ酸化物とから構成されていることが明らかになった。
【００５４】
（実施例５）
厚さ１．０ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ６０ｍｍの展伸用アルミニウム合金（Ａ５０５２）からなる試験片と、厚さ７．０ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ３５ｍｍの鋳造用アルミニウム合金（ＪＩＳ２種Ｂ＝ＡＣ２Ｂ）からなる試験片とを用意した。これらの試験片に、実施例１と同様の陽極酸化処理を施した。さらに各試験片に実施例１と同様の塗布工程および加熱工程を施した。得られた各試験片には、実施例１の場合と同様に、Ｃｒ酸化物とＡｌ酸化物とからなる被覆層が形成されていることが線分析および表面分析によって確認された。また、それらの外観も、黒色で滑らかな表面性状をもつものであった。こうして得られた試験片をそれぞれ、試験片Ｎｏ．１（母材：展伸用アルミニウム合金）、試験片Ｎｏ．２（母材：鋳造用アルミニウム合金）と呼ぶ。比較例として、上記処理を全く行わなかった試験片も用意した。これらをそれぞれ、試験片Ｎｏ．Ｃ１（母材：展伸用アルミニウム合金）、試験片Ｎｏ．Ｃ２（母材：鋳造用アルミニウム合金）と呼ぶ。
【００５５】
これらの各試験片に対して、ＪＩＳ／Ｚ−２３７１に準じて、３５℃の５％塩水を１００時間噴霧する塩水噴霧試験を行った。その試験後の各試験片表面を観察した写真を図６および図７に示す。図６（ａ）は試験片Ｎｏ．１を、同図（ｂ）は試験片Ｎｏ．Ｃ１を、図７（ａ）は試験片Ｎｏ．２を、同図（ｂ）は試験片Ｎｏ．Ｃ２をそれぞれ示す。
【００５６】
これらから明らかなように、比較例の試験片Ｎｏ．Ｃ１、Ｃ２は共に大きく腐蝕しているのに対し、本実施例の各試験片Ｎｏ．１、２は殆ど腐蝕を生じなかった。つまり、本実施例の被覆層は非常に優れた耐蝕性を有することが確認された。また、試験片Ｎｏ．２および試験片Ｎｏ．Ｃ２について、塩水試験前後の表面粗さ（μｍＲｚ）を測定した。この結果を図８に棒グラフで示した。比較例の試験片では、腐蝕によって表面粗さが大きく変化しているのに対して、実施例の試験片では、表面粗さが実質的に変化していない。この結果からも、実施例の試験片は、塩水噴霧試験前後で殆ど腐蝕していないことが確認された。
【００５７】
（実施例６）
図９に示す形状をもつ、展伸用アルミニウム合金（Ａ７０７５）からなる位置決めピン（アルミニウム系部材）を用意した。これに実施例１と同様の陽極酸化工程、塗布工程および加熱工程を施した。その結果、被覆処理後の表面には、実施例１と同様の被覆層が形成された。この断面について、荷重０．１Ｎでビッカース硬さの測定を行った。その結果、試験片の母材中央部の硬さはＨｖ９０であったのに対し、その被覆層部分の硬さは約Ｈｖ５００であった。
【００５８】
次に、この被覆処理を施した位置決めピンの他に、被覆処理を施さなかった同形状の位置決めピンを用意した。各位置決めピンをそれぞれ試験片Ｎｏ．３および試験片Ｎｏ．Ｃ３と呼ぶ。スポット溶接（電気溶接）によって車体組付を行う装置に、それらの位置決めピンを別々に取付けた。その装置を用いて車体組付を生産現場で実際に行い、位置決めピンの耐久評価試験を実施した。この結果を図１０に示した。試験片Ｎｏ．Ｃ３を取付けた装置の場合、位置決めピンの電蝕摩耗が激しく、６台分の車体組付しかできなかった。一方、本実施例に係る試験片Ｎｏ．３を取付けた装置の場合、位置決めピンの電蝕摩耗が大きく抑制されて、約４カ月間使用でき、２８２０台もの車体組付を行うことができた。試験片Ｎｏ．３の位置決めピンは、母材のアルミニウム合金表面に厚膜の被覆層が強固に密着して、優れた耐摩耗性と耐電気絶縁性とを発揮したためと考えられる。なお、その被覆層の優れた電気絶縁性は、上記評価試験前に行った通電テストからも確認されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る試験片の陽極酸化層を示す断面組織写真である。
【図２】実施例１に係る試験片の被覆層を示す断面組織写真である。
【図３】実施例１に係る試験片の表面近傍の断面をＸ線マイクロアナライザーによって線分析した結果を示すグラフである。
【図４】実施例１に係る試験片の母材、陽極酸化層および被覆層のそれぞれのビッカース硬さを比較した棒グラフである。
【図５】実施例３に係る試験片の被覆層を示す断面組織写真である。
【図６】実施例５に係る試験片Ｎｏ．１（同図（ａ））および試験片Ｎｏ．Ｃ１（同図（ｂ））の塩水試験後の表面性状を示す写真である。
【図７】実施例５に係る試験片Ｎｏ．２（同図（ａ））および試験片Ｎｏ．Ｃ２（同図（ｂ））の塩水試験後の表面性状を示す写真である。
【図８】実施例５に係る試験片Ｎｏ．２および試験片Ｎｏ．Ｃ２の塩水試験前後の表面粗さを対比した棒グラフである。
【図９】実施例６に係る試験片の形状を示す正面図である。
【図１０】実施例６に係る試験片Ｎｏ．３の位置決めピンと、その比較例である試験片Ｎｏ．Ｃ３の位置決めピンとを用いたときの車体組付装置の耐久性を示す棒グラフである。
【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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