(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム素材の表面に形成され、内層から外層に向かうにつれて硬度が低く、セル径も小さくなっており、
前記アルマイト皮膜の最内層でのセル径Ａと前記アルマイト皮膜の最外層でのセル径Ｂとの比は、Ａ／Ｂ＝２〜５の範囲であることを特徴とするアルマイト皮膜。
【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陽極酸化によるアルマイト皮膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアルマイト皮膜の幾何学的形状については、「表面技術総覧」（昭和５８年６月１５日初版、（株）広信者発行）P.59〜P.63に示されている。上記文献および図３に示すように、従来のアルマイト皮膜１００は、中央に細孔１０１を持つ複数のセル１０２が、その皮膜表面である外層１０２ａ側からアルミニウム素材表面にバリアー層を介して当接する内層１０２ｂ側にかけて順次成長して皮膜形成されたものである。このセル１０２は、内層１０２ｂ側から外層１０２ａ側にかけてほぼ同一径で形成されている。皮膜の硬度はセル径に依存するため、このように形成されたアルマイト皮膜はその皮膜形成方向にほぼ一定の硬度を持つものとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにアルマイト皮膜の硬度はセル径に依存するため、硬質アルマイトを形成する場合には図４に示すようにセル径が大きいものを、軟質アルマイトを形成する場合には図５に示すようにセル径が小さいものを形成する。アルマイト皮膜に耐摩耗性を要求する場合、一般的に硬質アルマイトを選択するが、硬質アルマイトではその硬質性のために相手部材との初期なじみに時間がかかる。また相手部材との初期なじみを速やかに行うためには軟質アルマイトを選択すればよいが、軟質アルマイトではその軟質性のために要求される耐摩耗性が実現できないという問題がある。
【０００４】
故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、十分な耐摩耗性を実現するとともに、初期なじみが良好なアルマイト皮膜を提供することを技術的課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた請求項１の発明は、アルミニウム素材の表面に形成され、内層から外層に向かうにつれて硬度が低く、セル径も小さくなっており、アルマイト皮膜の最内層でのセル径Ａとアルマイト皮膜の最外層でのセル径Ｂとの比は、Ａ／Ｂ＝２〜５の範囲とすることである。
【０００６】
上記発明によれば、アルマイト皮膜は、内層から外層に向かうにつれて硬度が低くなっているので、皮膜表面の外層側では硬度が低く、皮膜内部の内層側では硬度が高い。従って、このようなアルマイト皮膜が施されたものを相手部材と摺動させるとき、皮膜の外層側の硬度が低いことで相手部材との初期なじみが速やかに達成される。また皮膜の内層側の硬度が高いので初期なじみが達成された後の耐摩耗性にも優れる。このため十分な耐摩耗性を実現するとともに、初期なじみが良好なアルマイト皮膜を提供することができる。
また、上記発明によれば、アルマイト皮膜は、内層から外層に向かうにつれてセル径が小さくなっている。皮膜硬度はセル径に依存し、セル径が小さい程皮膜硬度が低くなるので、本発明によるアルマイト皮膜はその外層側（セル径が小さい側）の硬度が低く、その内層側（セル径が大きい側）の硬度が高くなる。従って、このようなアルマイト皮膜が施されたものを相手部材と摺動させるとき、皮膜の外層側の硬度が低いことで相手部材との初期なじみが速やかに達成される。また皮膜の内層側の硬度が高いので初期なじみが達成された後の耐摩耗性にも優れる。このため十分な耐摩耗性を実現するとともに、初期なじみが良好なアルマイト皮膜を提供することができる。
更に、前記アルマイト皮膜の最内層でのセル径Ａと前記アルマイト皮膜の最外層でのセル径Ｂとの比は、Ａ／Ｂ＝２〜５の範囲とすることが好ましい。上記Ａ／Ｂが２以下であると、アルマイト皮膜の外層側の硬度が高く、初期なじみが迅速に達成できない。上記Ａ／Ｂが５以上であると、アルマイト皮膜の外層側の硬度が低すぎて耐摩耗性の低下の要因となる。従って、耐摩耗性が良好であり、かつ初期なじみを迅速に達成するためには、上記Ａ／Ｂが２〜５の範囲であることが好ましい。
【０００９】
尚、上記請求項１の発明において、内層とは、アルミニウム素材に形成するアルマイト皮膜のうちのアルミニウム素材の表面に近い側、すなわち皮膜の内部側の部分をいう。また、外層とは、アルミニウム素材に形成するアルマイト皮膜のうちの皮膜表面に近い側の部分をいう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態により具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本例において使用するアルマイト皮膜装置の概略図である。図において、アルマイト皮膜装置１は、電解液槽２と、アルマイト皮膜槽３と、電解液供給回路４とを主な構成とするものである。
【００１３】
電解液槽２は、上部開口した箱体形状を呈しており、その内部に電解液２１が充填されている。本例においては電解液として硫酸水溶液を使用する。従って、形成されるべきアルマイト皮膜は、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２（ＳＯ４）３およびＨ２Ｏを主とした混合物質となる。また、電解液槽２内には熱交換器２２が設置されている。この熱交換器２２は、電解液２１の温度を所定温度となるように調節している。
【００１４】
アルマイト皮膜槽３は、ワーク設置槽３１と、電解液噴出ノズル３２と、整流器３３とを有する。ワーク設置槽３１は、アルマイト皮膜されるべきワークＡを設置固定するものであり、ワークＡに直接接触してワークＡと同一極となるもので、導電性物質より形成されている。尚、本例においては、アルマイト皮膜されるべきワークＡとして、シリンダ等の円筒形状のものを使用する。電解液噴出ノズル３２は、ワークＡの内部に挿入された位置に配設されている。このノズル３２は、内部に電解液が供給されるべき空間を擁しているとともにその側表面に多数の細孔３２１が形成されており、導電性物質より形成されている。整流器３３は、プラス端子３３ａおよびマイナス端子３３ｂを備え、電線によりワーク設置槽３１とプラス端子３３ａが、ノズル３２とマイナス端子３３ｂが接続されて両者と電気的に連結されている。
【００１５】
電解液供給回路４は、電解液槽２とノズル３２とを連結する配管４１と、該配管４１の途中に配設されたポンプ４２および流量計４３とを有する。
【００１６】
上記構成のアルマイト皮膜装置１において、下記条件にて定電流電解（１００Ａ／ｄｍ２）による陽極酸化皮膜処理であるアルマイト皮膜処理を行った。
【００１７】
電解液中の硫酸濃度：１５０±５０ｇ／Ｌ
電解液温度：８℃
電解液噴射液量：４Ｌ／分
処理時間：１１ｓｅｃ．
具体的には、図１に示すアルマイト皮膜装置１において、まずポンプ４２を駆動させる。すると、電解液槽２中の電解液２１がポンプ４２の駆動により配管４１内に流れ込む。配管４１内に流れ込んだ電解液はポンプ４２、流量計４３を経てノズル３２に導入される。ノズル３２に導入された電解液は、ノズル３２の側表面に形成された多数の細孔３２１から噴出する。これにより、ワークＡの内壁面に電解液が吹き付けられる。このとき整流器３３のプラス端子３３ａにはワーク設置槽３１が、マイナス端子３３ｂにはノズルがそれぞれ電線により電気的に接続され、プラス端子３３ａからマイナス端子３３ｂにかけて１００Ａ／ｄｍ２の定電流が流れるようにされている。従って、ワーク設置槽３１およびこれに接触したワークＡが陽極、ノズル３２が陰極となり、陰極であるノズル３２から陽極であるワークＡに電解液が吹き付けられ、吹き付けられた電解液を介して陰極（ノズル３２）と陽極（ワークＡ）とが電気的に接続されて電気分解反応が起こる。この電気分解反応により陽極であるワークＡが陽極酸化され、ワークＡにアルマイト皮膜が形成されるものである。
【００１８】
上記アルマイト皮膜形成過程において、整流器３３のプラス端子３３ａとマイナス端子３３ｂ間の電圧は初期が０Ｖであるのに対し、最終的には７０Ｖとなった。従って、７０Ｖ／１１ｓｅｃ．＝３８１Ｖ／分、即ち１分間に３８１Ｖの電圧変化を行ったことになる。
【００１９】
上記条件により形成したアルマイト皮膜において、そのセル構造の概略図を図２に示す。図に示すように、本例で形成したアルマイト皮膜１０は、その外層１０ａ側のセル径が小さく（最外層のセル径で約６０〜８０ｎｍ）、その内層１０ｂ側のセル径が大きく（最内層のセル径で約２００〜２６０ｎｍ）なっている。つまり、本例のアルマイト皮膜は、内層１０ｂから外層１０ａに向かうにつれてセル径が小さくなっている。尚、膜厚は１５μｍであった。
【００２０】
また、本例により形成したアルマイト皮膜１０のビッカース硬度（１０ｇ）Ｈｖ１０を測定した。測定結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
0004174888.tif 000002
【００２２】
上記表１よりわかるように、本例により形成したアルマイト皮膜１０は、その外層１０ａ側の硬度が比較的低く、内層１０ｂ側の硬度が比較的高い。つまり、本例のアルマイト皮膜１０は、内層１０ｂから外層１０ａに向かうにつれて硬度が低くなっているものであることがわかる。従って、本例のアルマイト皮膜１０が施されたものを相手部材と摺動させるとき、皮膜１０の外層１０ａ側の硬度が低いことで相手部材との初期なじみが速やかに達成される。
【００２３】
また、本例により形成したアルマイト皮膜１０と従来技術でのアルマイト皮膜（Ｈｖ１０＝３８０、膜厚１５μｍのものを使用）とで、摩擦係数および耐摩耗性試験結果（摩耗量）を比較したものを表２に示す。
【００２４】
【表２】
0004174888.tif 000003
【００２５】
上記表よりわかるように、本例のアルマイト皮膜は従来のアルマイト皮膜よりも摩擦係数が小さく、また、従来のアルマイト皮膜よりも耐摩耗性試験結果である摩耗量が少ない。このことから本例のアルマイト皮膜は耐摩耗性に優れていることがわかる。
【００２６】
以上のように、本例のアルマイト皮膜１０は、内層１０ｂから外層１０ａに向かうにつれて硬度が低くなっているので、皮膜１０の外層１０ａ側の硬度が低く、皮膜１０の内層１０ｂ側の硬度が高い。従って、本例のアルマイト皮膜１０が施されたものを相手部材と摺動させるとき、皮膜１０の外層１０ａ側の硬度が低いことで相手部材との初期なじみが速やかに達成される。また皮膜１０の内層１０ｂ側の硬度が高いので初期なじみが達成された後の耐摩耗性にも優れる。このため十分な耐摩耗性を実現するとともに、初期なじみが良好なアルマイト皮膜を提供することができる。
【００２７】
また、本例のアルマイト皮膜１０は、内層１０ｂから外層１０ａに向かうにつれてセル径が小さくなっている。皮膜硬度はセル径に依存し、セル径が小さい程皮膜硬度が低くなるので、本例によるアルマイト皮膜１０はその外層１０ａ側（セル径が小さい側）の硬度が低く、その内層１０ｂ側（セル径が大きい側）の硬度が高くなる。従って、このようなアルマイト皮膜が施されたものを相手部材と摺動させるとき、皮膜１０の外層１０ａ側の硬度が低いことで相手部材との初期なじみが速やかに達成される。また皮膜１０の内層１０ｂ側の硬度が高いので初期なじみが達成された後の耐摩耗性にも優れる。このため十分な耐摩耗性を実現するとともに、初期なじみが良好なアルマイト皮膜を提供することができる。
【００２８】
また、本例のアルマイト皮膜１０の最内層でのセル径Ａは２００〜２６０ｎｍ、最外層でのセル径Ｂは６０〜８０ｎｍであり、Ａ／Ｂ＝２．５〜４．３である。Ａ／Ｂの範囲は２〜５が好ましいと考えられる。Ａ／Ｂが２以下であると、アルマイト皮膜の外層側の硬度が高く、初期なじみが迅速に達成できない。Ａ／Ｂが５以上であると、アルマイト皮膜の外層側の硬度が低すぎて耐摩耗性の低下の要因となる。
【００２９】
また、本例におけるアルミニウム素材を陽極として陽極酸化皮膜処理を行うアルマイト皮膜方法は、陽極としてのワークＡと陰極としてのノズル３２の間に印加する電圧を徐々に増加させる方法をとっている。電圧が小さい場合は皮膜のセル径が小さく、電圧が大きい場合は皮膜のセル径が大きくなるので、皮膜形成初期の印加電圧が小さいときに皮膜外層を形成して皮膜外層のセル径を小さくし、皮膜形成終期の印加電圧が大きいときに皮膜内層を形成して皮膜内層のセル径を大きくすることで、内層から外層に向かうにつれてセル径が小さくなっているアルマイト皮膜を形成することができる。尚、本例ではこの電圧の変化を３８１Ｖ／分で行った例を示したが、この電圧変化は１００Ｖ／分〜５００Ｖ／分であれば、良好な耐摩耗性および迅速な初期なじみを達成できるアルマイト皮膜が形成されるものと考えられる。
【００３０】
また、本例におけるアルマイト皮膜方法は、陰極としてのノズル３２から陽極としてのワークＡに電解液を吹き付けつつ陽極から陰極へ電流を流す方式を採用している。定電流方式によるアルマイト皮膜形成では、生成されたアルマイト皮膜自身が抵抗となるので、電圧は皮膜生成に伴って徐々に増加する。しかし、良好な耐摩耗性および迅速な初期なじみを達成できるアルマイト皮膜を形成するための電圧変化、例えば１００ｖ／分〜５００ｖ／分の電圧変化を実現するためには大電流（例えば本例のように１００Ａ／ｄｍ２）を流して皮膜形成を高速化す必要がある。ところが、電解液中に陽極および陰極を浸漬し、両極に電圧を印加して陽極にアルマイト皮膜を施す通常の方法であると、大電流を流すことによる多量のジュール熱の発生で、生成したアルマイト皮膜が溶解してしまうという問題があるので、この方式（浸漬方式）では小電流を流さざるを得ず、その結果アルマイト皮膜の内層側のセル径と外層側のセル径で有意な差をつけることができない。これに対し、本例のように陰極としてのノズル３２から陽極としてのワークＡに電解液を吹き付けつつ陽極から陰極へ電流を流す方式を採用すれば、電解液の攪拌による冷却効果が得られ、アルマイト皮膜の溶解を防止することができる。このため本例の方式では大電流を流すことができ、アルマイト皮膜の内層側のセル径と外層側のセル径で有意な差をつけることができる。その結果、内層から外層に向かうにつれてセル径が小さくなっているアルマイト皮膜を形成することができる。すなわち、本例の方式は、良好な耐摩耗性および迅速な初期なじみを達成できるアルマイト皮膜を形成するための好適な方法である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、十分な耐摩耗性を実現するとともに、初期なじみが良好なアルマイト皮膜を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における、アルマイト皮膜装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態における、アルマイト皮膜の模式図である。
【図３】従来技術における、アルマイト皮膜の模式図である。
【図４】従来技術における、硬質アルマイト皮膜の模式図である。
【図５】従来技術における、軟質アルマイト皮膜の模式図である。
【符号の説明】
１・・・アルマイト皮膜装置
２・・・電解槽
２１・・・電解液、  ２２・・・熱交換器
３・・・アルマイト皮膜槽
３１・・・ワーク設置槽、  ３２・・・電解液噴出ノズル（陰極）、  ３３・・・整流器、  ３３ａ・・・プラス端子、  ３３ｂ・・・マイナス端子
３２１・・・細孔
４・・・電解液供給回路
４１・・・配管、  ４２・・・ポンプ、  ４３・・・流量計
１０・・・アルマイト皮膜、  １０ａ・・・外層、  １０ｂ・・・内層
１１・・・アルミニウム素材
【図１】
0004174888.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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