JP2000256822A

JP2000256822A - 表面改質アルミニウム合金及びその表面改質方法

Info

Publication number: JP2000256822A
Application number: JP11055917A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Tagami; 道弘田上; Saburo Yamagata; 三郎山方; Kazuyoshi Kawada; 一喜河田
Original assignee: Oriental Engineering Co Ltd
Current assignee: Oriental Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】目標硬さＨＶ５００以上で、しかも厚みの大き
い表面硬化膜を有する表面改質アルミニウム合金及びそ
の表面改質方法を提供する。【解決手段】アルミニウム合金母材の表面に、融点がア
ルミニウムの融点以上沸点以下で且つ窒素との親和力を
有する例えばＮｉベース合金を溶射し、その溶射された
合金にレーザを照射して拡散合金層を形成すると共に、
更に窒化処理を施して合金表面及び拡散合金層に窒化化
合物を形成することにより、アルミニウム合金の表層
に、アンカー状の拡散合金層を有し、当該拡散合金層の
底部またはその近傍まで窒化されている表面改質アルミ
ニウム合金とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面改質アルミニ
ウム合金及びその表面改質方法に関し、特に、アルミニ
ウム合金の表層部に従来より格段に厚い厚膜硬化層を形
成することを可能とするものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム及びアルミニウム合金（本
発明にあっては、両者を含めて「アルミニウム合金」と
記述する）は、軽量で機械的性質が優れているために、
従来から機械構造用材料として種々の産業分野で工業的
に広く用いられている。特に自動車産業においては、軽
量化と燃費の向上を目的として、鉄鋼材料に代えアルミ
ニウム合金の使用量を増やす方向にあり、鉄鋼材料に比
較して耐摩耗性や高温強度が劣るために、アルミニウム
合金の高強度化，複合化などの技術革新が積極的に進め
られつつある。

【０００３】アルミニウム合金の表面を硬化して耐摩耗
性を改善するための表面改質技術としては、これまでめ
っき処理，硬質アルマイト処理、イオン窒化処理等が行
われてきた。例えば硬質めっき処理の場合、特に高い硬
さの要求にたいしては、Ｎｉ−Ｐめっきを適用してＨＶ
５００〜６００程度、さらに熱処理を施してＮｉ₃Ｐを
析出させるとＨＶ８００以上の硬さが得られることが報
告されている。しかし、一般にこれらの処理は速度が極
めて遅くミリオーダの硬化層を経済的に得ることは難し
い。

【０００４】結局、上記従来のアルミニウム合金の表面
改質技術では、鉄鋼材料の表面硬化処理と同等の表面硬
さ，拡散層深さ，耐摩耗性等を得るに至ってはいない。
これに対して、最近、ＴＩＧあるいはＭＩＧ溶接、電子
ビーム、レーザなどの高エネルギー密度の熱源を利用し
て表面部分を溶融あるいは溶融合金化することにより比
較的厚膜の表面硬化層を形成する表面改質技術が出現し
てきている。（１）ＴＩＧあるいはＭＩＧ溶接法を使用した表面改質ＴＩＧによる表面改質は、溶融処理と合金化とにわけら
れる。前者はアルミニウム合金鋳物の局部的強化技術と
して利用されており、鋳造欠陥が減少し、組織が微細化
して溶融部の機械的性質の向上が果たせる。

【０００５】後者の合金化は、ＴＩＧあるいはＭＩＧ溶
接法により行われ、Ａｌ−Ｃｕ系肉盛材料を用いてアル
ミニウムピストンのトップリング溝に表面厚膜硬化肉盛
として実施されており、表面硬さＨＶ３５０程度を得て
いる。（２）電子ビームを利用した表面改質電子ビーム装置を用い被加工物を真空中で処理する。

【０００６】この方法も、鋳物用合金を中心にすでに工
業的に実用化されており、表面改質の速度が早い利点を
有する。やはり溶融処理法と合金化法とがあり、前者は
溶融，急冷の効果で組織の微細化とともに収縮巣の除去
が可能でアルミニウム合金鋳物に適用されている。後者
は、例えばアルミニウム合金製ピストンのトップリング
位置に溝を堀り、その溝に銅ワイヤを挿入して電子ビー
ムで銅合金化層を作成し、その後当該合金化層内にトッ
プリング溝を加工するのに実用されている。（３）レーザを利用した表面改質電子ビームの場合は、真空中で改質するのに対し、レー
ザでは空気中で改質することが可能であり、装置，操作
の簡便性の点で電子ビームより有利である。レーザの場
合も、表面溶融法と合金化法とがある。前者は合金表面
を再溶融して超急速凝固させるとアモルファス相の生成
も可能とされる。

【０００７】後者の合金化法は、合金化物質の添加によ
る硬い金属間化合物の生成や、レーザによる肉盛（レー
ザグラディング）が可能であり、これらの金属間化合物
を利用してアルミニウム合金の表面を改質することもで
きる。合金化物質の添加方法には、図１０に示すよう
に、予め母材表面にコーティングする方法（図１０
（ａ））と、レーザ照射時に溶融部に直接添加する供給
法（図１０（ｂ））とがある。コーティング法は、粉末
・箔塗布法，蒸着法，めっき法，溶射法，クラッド法に
細分される。供給法は、粉末供給法，ワイヤ供給法，ガ
ス法に細分される。

【０００８】図１１に、アルミニウム合金の表面へ各種
の合金化物質を単独添加することにより作成した合金化
層の表面硬さを測定した結果の一例を示す。Ｃｕ，Ｍ
ｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒの各金属は、合金化
により硬さがＨＶ６００以上になっている。これに対
し、合金化元素の融点が、アルミニウムの融点以下とア
ルミニウムの沸点以上の金属では合金化層が形成され
ず、硬さもＨＶ２００以下である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１２に、従来技術の
アルミニウム合金の表面硬化法により形成された硬化層
の硬さと深さとの関係を示した（松田福久；「アルミニ
ウム表面厚膜技術の現状と可能性」，軽金属，Vol.40,N
o.10,1990,別刷）。硬化層の硬さが増大すると共に硬化
層は薄く、硬さが小さくなすると硬化層は厚くなる。溶
射，めっき，イオンプレーティング等により硬質物質で
アルミ表面を被覆した場合（斜線）、ＨＶ８００以上の
硬さは得られているものの、その硬化層厚さは最大でも
３００μｍ、全般的には１００〜２００μｍ程度に止ま
っている。すなわち、従来技術では、硬さ５００ＨＶを
超え且つ硬化層厚さが３００μｍを超える範囲は空白域
になっているのが現状である。

【００１０】しかし最近、基材との密着性および耐摩耗
性の優れた厚膜表面硬化層をアルミニウム合金に形成す
るべく、溶射とレーザとの複合技術による表面改質方法
が新たに提出されるに至った（小久保貞男他；「アルミ
ニウム合金急冷凝固粉末を溶射した６０６３アルミニウ
ム合金押出材のＮｄ−ＹＡＧレーザによる表面改質」軽
金属，Vol47,No.1,1997,21〜 27)。

【００１１】このものは、基材であるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
合金６０６３に対し、硬質粒子としてＡｌ−ＦｅやＡｌ
−Ｆｅ−Ｓｉ等の急冷凝固合金粉末を、減圧プラズマ溶
射法によりＡｒガス雰囲気下に溶射して、基材表面に１
００〜２００μｍの溶射皮膜を形成させ、その後、４０
０Ｗのパルス発信Ｎｄ−ＹＡＧレーザ装置を用いてＡｒ
ガス雰囲気のチャンバ内でレーザビームをデフォーカス
させることにより再溶融処理を行うというものであり、
これにより密着性および耐摩耗性に優れた合金化層を得
ている。

【００１２】しかしながら、得られた合金層の厚さと硬
さとについてみると、例えば合金粉末がＡｌ−５０Ｆｅ
の場合、溶射皮膜のみでは最高硬さＨＶ８００程度にな
るが、膜厚は１００μｍと薄い。これにレーザによる再
溶融処理を施すことで基材の一部も溶融する結果、合金
層の厚さは約２５０μｍと厚くなることが確認されてい
るが、一方硬さの方はＥ＝２０ＪでＨＶ５００，Ｅ＝３
０ＪでＨＶ３００〜４００と、レーザ照射により逆に減
少している。Ａｌ−１５Ｆｅ−１７Ｓｉの場合も、溶射
膜厚１５０μｍでＨＶ５００前後の硬さのものが、レー
ザ再溶融後は合金化層の厚さは２００〜２５０μｍとな
るものの硬さはＨＶ２５０〜３５０と低下している。

【００１３】すなわち、最新の溶射とレーザとの複合技
術によるアルミニウム合金の表面硬化改質法によれば、
アルミニウム合金の表面に密着性および耐摩耗性に優れ
た比較的厚膜の表面硬化層を形成させることができるの
ではあるが、更により厚いミリオーダの厚みで且つ硬度
の高い厚膜表面硬化層を得るには至っていないというの
が現状である。

【００１４】そこで本発明は、このような従来技術の未
解決の課題に着目してなされたものであり、従来のアル
ミニウム合金の表面改質技術では達成できない厚さと硬
さの合金化層を有する新規なアルミニウム合金の表面改
質技術を開発することにより、近時、自動車，産業機器
及び航空機分野において特に要望の高まりつつある目標
硬さＨＶ５００以上、厚み略ミリオーダの表面硬化膜を
有する表面改質アルミニウム合金及びその表面改質方法
を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１に係る表面改質アルミニウム合金の発明
は、母材のアルミニウムまたはアルミニウム合金の表層
に、アンカー状の拡散合金層を有し、当該拡散合金層の
底部またはその近傍まで窒化されていることを特徴とす
る。

【００１６】また、請求項２に係るアルミニウム合金の
表面改質方法の発明は、アルミニウム合金の表面に、融
点がアルミニウムの融点以上沸点以下で且つ窒素との親
和力を有してアルミニウム合金母材と金属間化合物を形
成する合金物質を溶射する工程と、その溶射で形成され
た溶射被膜層にレーザを照射して拡散合金層を形成する
工程と、更に窒化処理を施して前記合金表面及び拡散層
に窒化化合物を形成する工程とを有することを特徴とす
る。

【００１７】また、請求項３に係る発明は、上記請求項
２に係る発明であるアルミニウム合金の表面改質方法の
発明において、前記合金物質がＮｉベース合金であるこ
とを特徴とする。また、請求項４に係る発明は、上記請
求項２に係る発明であるアルミニウム合金の表面改質方
法の発明において、前記合金物質がＷベースのサーメッ
ト合金であることを特徴とする。

【００１８】また、請求項５に係る発明は、上記請求項
２に係る発明であるアルミニウム合金の表面改質方法の
発明において、前記合金物質がＣｒ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｙ，
Ｖ，Ｔｉ，Ｆｅのいずれかであることを特徴とする。ま
た、請求項６に係る発明は、上記請求項２ないし５のい
ずれかに記載のアルミニウム合金の表面改質方法の発明
において、前記窒素化合物を形成する工程では、ガス軟
窒化，ガス窒化，イオン窒化，イオン軟窒化処理のいず
れかを施すことを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。本発明者らは、従来のアルミニウ
ム合金の表面改質技術では達成できない厚さと硬さの合
金化層を有する実用に耐え得るアルミニウム合金の表面
改質技術の開発をテーマとするに当たって、硬さＨＶ５
００以上、厚み略ミリオーダの表面硬化層を得ることを
目指した。そして、これを達成するためには、溶射とレ
ーザによる拡散合金層の形成という表面改質技術に更に
新たな表面硬化手段を付加して、より硬く厚い表面硬化
層を形成するプロセスの実現が必要であると考え、その
実現に向けて鋭意研究を重ねてきた。

【００２０】通常、アルミニウム合金の耐摩耗性硬質表
面処理の単独技術としては、めっき処理，窒化処理，肉
盛り，溶射等が一般的に行われている。硬質めっき処理
の場合は、先に述べたように、ＨＶ５００〜６００程
度、さらに熱処理を施してＨＶ８００以上の硬さが得ら
れるのであるが、処理速度が極めて遅いためにミリオー
ダの硬化層を経済的に得ることは難しい。

【００２１】窒化処理については、交流ＴＩＧアークに
よる溶融窒化すなわちアルミニウム合金母材表面をＡｒ
−Ｎ₂混合ガスシールドでＴＩＧアークにより溶融凝固
させると、ＨＶ２００〜２５０の硬化層が得られるが、
その厚さは１００μｍ程度である。肉盛りについては、
ＴＩＧやＭＩＧ等のアーク溶接で、Ｎｉ含有添加材を用
いアルミニウム合金鋳造部品の耐摩耗性を部分的に向上
した例がある。また、電子ビームを使用してアルミニウ
ム合金母材上のＦｅ，Ｎｉ，ＣｒＮｉ添加材を溶融合金
化してＨＶ３５０以上で厚さ１ｍｍの硬化層を得た事例
の報告がある。

【００２２】溶射については、自動車のブレーキディス
クのＷＣを溶射したもの、オートバイエンジンシリンダ
にＭｏ溶射を施したもの、ジェットエンジンの排気コー
ンにＺｏ₂溶射を応用したものなど多くの例が実施され
ているが、厚膜とするためには、剥離，割れ等の問題を
解決する必要がある。本発明者らは、以上のような種々
の単独技術では困難なアルミニウム合金の耐摩耗性厚膜
表面層の形成も、その幾つかを組み合わせ複合すること
で可能性を増大させることができることを見いだし本発
明をなすに至ったものである。

【００２３】すなわち、本発明のアルミニウム合金の表
面改質法は、溶射とレーザと窒化とを組合せて使用する
ことにより、アルミニウム合金に硬さでＨＶ５００以
上、厚みでは略ミリオーダの表面硬化層を得ようとする
ものである。より具体的には、先ず、アルミニウム合金
母材面に、アルミニウム合金との金属間化合物を形成す
るための合金化物質を溶射して、母材表面に溶射皮膜層
を形成させる。これに高エネルギー密度熱源であるレー
ザビームを照射することにより、前記溶射皮膜層を再溶
融させてアルミニウム合金母材との金属間化合物よりな
る拡散合金層を形成する。更に、窒化処理を施して、ア
ルミニウム合金母材表面及び拡散合金層に窒化化合物を
分散形成させることにより、表面及び拡散合金層の硬さ
を向上させて、硬くて厚い耐摩耗性厚膜表面層を形成す
るものである。

【００２４】本発明において、アルミニウム合金母材と
金属間化合物を形成するのに用いる合金化物質として
は、融点がアルミニウム合金の融点以上沸点以下で且つ
窒素との親和力を有する金属元素、例えばＣｒ，Ｓｉ，
Ｍｎ，Ｙ，Ｖ，Ｔｉ，Ｆｅ等を単独で用いることができ
る。あるいは又、それらの金属元素の少なくとも一つを
含有するＮｉベース合金を用いることができ、その具体
例としてはＭＡ−７０，ＭＡ−９０等が挙げられる。

【００２５】また、例えばＣｒ，Ｃ，Ｎｉ，Ｃｏなどの
金属元素のいずれかを含有するタングステン（Ｗ）ベー
スのサーメット合金を用いることもでき、具体例として
例えばＳＣ−４３Ｌが挙げられる。それらの合金の組成
を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】こうした合金化物質を、アルミニウム合金
の母材表面に所定の厚さで溶射する溶射装置としては、
例えば低圧プラズマ溶射装置をはじめ、アーク溶射，フ
レーム溶射，高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）自溶合金溶
射，プラズマ溶射等の各溶射手段を用いることができ
る。図１は低圧プラズマ溶射装置の模式図で、密閉容器
１内に、プラズマを発生させるガン（トーチ）２を備
え、そのガン２の下方に被溶射物（この場合、アルミニ
ウム合金製基材）３が容器外部の駆動系４により駆動可
能に収納される。ガン２には、冷却水５，プラズマガス
（Ａｒ，Ｈｅ等）６，前記合金化物質の粉末からなる溶
射粉体７が供給される。容器１内を真空排気系８により
大気圧より低い気圧に減圧して、ガン２の陽極２ａ，陰
極２ｂに、プラズマ電源９から高電圧を供給して、ガン
２から噴射されるプラズマジェット１０を基材３の表面
に吹きつけ、溶射皮膜１１を形成していく。ガン２及び
基材３を適宜に動かすことにより、溶射皮膜１１を帯状
に間隔をおいて形成することもでき、あるいはその帯状
を一部重複させて表面全部を覆う事もできる。

【００２８】こうしてアルミニウム合金母材表面に形成
した溶射用合金層に、図２に示すように、予め焦点はず
し距離Ｌを設定したレーザのデフォーカスビームを照射
して再溶融させる。これにより、母材表層部に、アルミ
ニウム合金との金属間化合物よりなる拡散合金層を形成
する。母材を移動させつつレーザのデフォーカスビーム
で母材表面の一方向走査を繰り返すことにより、広い範
囲を照射することができる。照射のパターンとしては、
走査毎に一部を重複させる連続パターンと、各走査の間
隔をあける不連続パターンとがある。製品の種類，用途
等により異なる要求仕様に応じていずれかのパターンを
選定すればよい。

【００２９】レーザの種類は特に限定されず、例えばＣ
Ｏ₂レーザ，Ａｒイオンレーザ，エキシマレーザ，Ｎｄ
−ＹＡＧレーザ，Ｎｄ−ガラス、ルビーレーザ等一般的
に用いられているものが利用できる。この溶射とレーザ
ビームによる合金化法によれば、拡散合金層を厚く形成
できるとともに、その合金組成を自由に変えることがで
き、且つ続く窒化処理を短時間で深くまで行うことがで
きる。

【００３０】続いて、当該拡散合金層に対し窒化処理を
施す。本発明における窒化処理としては、ガス軟窒化，
ガス窒化，イオン窒化，イオン軟窒化処理のいずれを用
いてもよい。その窒化処理によって、上述の溶射とレー
ザ照射とによりアルミニウム合金の表層部にアンカー状
に形成された拡散合金層の、底部またはその近傍まで深
く窒化させた表面硬化層を得ることができる。

【００３１】図３は、本発明によりアルミニウム合金の
表層部に形成された表面硬化層の形態の模式断面図で、
アンカー状の拡散合金層Ａの底部またはその近傍まで深
く窒化層Ｂが形成されている。これにより、アルミニウ
ム合金の表層部に、従来より格段に硬く厚い厚膜硬化層
を実現することが可能になった。なお、図３（ａ）は連
続パターン、（ｂ）は不連続パターンの場合である。

【００３２】以下、実施例により、本発明の効果を具体
的に説明する。（実施例１）３ｃｍ角，厚さ２ｍｍのアルミニウム合金
板（以下、母材という）の表面に表面硬化層を形成する
実施例である。当該母材の組成は表２の通りである。ま
た母材の硬さはＨＶ３０〜５０程度である。

【００３３】

【表２】

【００３４】まず、この母材の表面に、低圧プラズマ溶
射装置を用いて、溶射用合金の粉末を１３０〜１５０μ
ｍの厚さで溶射した。溶射用合金には、ＭＡ−９０とし
てよく知られているＮｉをベースとしたＮｉ−ＣｒＡｌ
Ｙ合金を用いた。溶射装置には、プラズマジェット溶射
装置；ＤＣ４０−８０ＫＷ（プラズマ技研工業（株）
製）を用いた。溶射条件は次の通りである。

【００３５】溶射条件：電流；７５０Ａ電圧；４３Ｖ真空度；５０Ｔｏｒｒ溶射距離；２５ｃｍＭＡ−９０溶射層の硬さはＨＶ１８０〜１９０程度であ
った。

【００３６】次に、この溶射層の表面に、レーザビーム
を連続パターンで照射してレーザ加工を行い、母材と溶
射合金との溶融合金化層（拡散合金層）を形成した。こ
のとき使用したレーザ装置及び照射条件は次の通りであ
る。レーザ装置；ＭＷ２０００型ＹＡＧレーザ，最大出力
５．０ｋｗ（通常２．０ｋｗ（住友重機械工業（株）
製）照射条件：デフォーカス；０〜１０ｍｍ移動速度；５０ｃｍ／ｍｉｎピッチ間隔；１．５ｍｍ真空度；０．４Ｔｏｒｒ得られた合金化層の硬さと表面からの距離（深さ）を測
定した結果を図４に実線で示した。表面から深さ５００
μｍの箇所での硬さはＨＶ７５０位であったが、それ以
上の深さの硬さは急激に減少し、深さ７００μｍ付近で
ＨＶ１００、深さ７５０μｍ付近での硬さはＨＶ２０程
度に低減している。

【００３７】その後、アンモニアガスをベースとするガ
ス窒化雰囲気中で、５５０℃，３時間のガス窒化処理を
行った。この窒化処理後の硬さを、前記図４に破線で併
記した。窒化処理前のものに比べて、表面から深さ略４
５０μｍの箇所で略ＨＶ８００程度、深さ７００μｍの
箇所で略ＨＶ７００程度と大幅に向上した。図５は、本
発明による上記「溶射＋レーザ照射＋窒化処理」後の表
面改質アルミニウム合金化層（ＭＡ−９０）の金属組織
を示す写真（ＳＥＭ像）で、（ａ）はＡｌ，Ｎｉ，Ｃｒ
が固溶してなるデンドライト（樹枝状結晶）のマクロ組
織である。（ｂ）は合金化層の上部を拡大したもので、
Ａｌ＋Ｎｉ＋ＣｒのＮｉリッチのデンドライト組織（樹
枝状結晶組織）である。（ｃ）は合金化層の底部を拡大
したもので、Ｎとの親和力の大きいＣｒ分布層である。
クロム窒化物により硬化層が深くまで形成されているこ
とがわかる。このことから、図４の「溶射＋レーザ処理
＋ガス窒化処理」（破線）が「溶射＋レーザ処理）（実
線）よりも硬化層（窒化層）の深さが延びているのは、
前記Ｃｒ分布層とＮとの結合により硬度を上げているた
めといえる。（実施例２）前記表２の組成を持つアルミニウム合金母
材の表面に、上記と同じプラズマ溶射装置を用いて、Ｗ
ベースのサーメット合金ＳＣ−４３Ｌの粉末を１３０〜
１５０μｍの厚さで溶射した。溶射条件は次の通りであ
る。

【００３８】溶射条件：電流；７５５Ａ電圧；５６Ｖ真空度；５００Ｔｏｒｒ溶射距離；２０ｃｍ次に、この溶射層の表面に、レーザビームを不連続パタ
ーンで照射してレーザ加工を行い、母材と溶射合金との
溶融合金化層（拡散合金層）を不連続の帯状に形成し
た。このとき使用したレーザ装置は上記実施例１と同じ
である。照射条件は次の通りである。

【００３９】照射条件：デフォーカス；１０ｍｍ移動速度；１００〜２００ｃｍ／ｍｉｎピッチ間隔；２．５ｍｍ真空度；０．３〜０．５Ｔｏｒｒ測定場所１で得られた合金化層の硬さと表面からの距離
（深さ）を測定した結果を図６（ｂ）に実線で示した。
図６（ａ）に示される測定場所１は、レーザビームが照
射されている箇所であり、溶融して微細組織になり硬度
が上がっている。

【００４０】その後、アンモニアガスをベースとするガ
ス窒化雰囲気中で、５５０℃，２時間のガス窒化処理を
行った。この窒化処理後の硬さを、図６（ｂ）に併記し
た。その硬さは、表面から深さ５０μｍの箇所で略ＨＶ
２０００程度、深さ７０μｍの箇所でＨＶ２１００程度
に向上した。更に顕著な効果として、ガス窒化処理を併
用したことにより、表面から深い所まで極めて高い高度
の合金化層が得られた。即ち、図６（ｂ）に見られるよ
うに、深さ３００μｍにおける硬さが、「溶射＋レーザ
照射」のみではＨＶ３５程度に過ぎないのに対し、これ
に更に「ガス窒化処理」を施したものではＨＶ１５００
に近い硬さが得られた。（実施例３）実施例１，２と同様のアルミニウム合金母
材の表面に、上記と同じプラズマ溶射装置を用いて、Ｃ
ｒ，Ｓｉ，Ｖの粉末を１３０〜１５０μｍの厚さで溶射
した。溶射条件は次の通りである。

【００４１】溶射条件：電流；７５０Ａ電圧；４３Ｖ真空度；５０Ｔｏｒｒ溶射距離；２５ｃｍ次に、この溶射層の表面に、レーザビームを、レーザ跡
が重ならぬように照射してレーザ加工を行い、母材と溶
射合金との溶融合金化層（拡散合金層）を形成した。こ
のとき使用したレーザ装置は上記実施例１と同じであ
る。照射条件は次の通りである。

【００４２】照射条件：デフォーカス；１０ｍｍ移動速度；５０ｃｍ／ｍｉｎピッチ間隔；２．５ｍｍ真空度；０．３〜０．５Ｔｏｒｒ得られた合金化層の硬さと表面からの距離（深さ）を測
定した結果を、各溶射金属別に、図７，図８，図９にそ
れぞれ実線で示した。

【００４３】図７のＣｒ粉末溶射後レーザ処理したもの
では、表面から深さ５００μｍ付近の箇所での硬さはＨ
Ｖ７７０位であったが、それ以上の深さの硬さは急激に
減少し、深さ７００μｍ付近ではＨＶ２０程度に低減し
ている。図８のＳｉ粉末溶射後レーザ処理したもので
は、表面から深さ５００μｍの箇所での硬さはＨＶ５５
０位であったが、それ以上の深さになると硬さは急激に
減少し、深さ５５０μｍではＨＶ４００、深さ７００μ
ｍ付近ではＨＶ２０程度に低減している。

【００４４】図９のＶ粉末溶射後レーザ処理したもので
は、表面から深さ５３０μｍ付近まで、硬さはＨＶ６５
０位と横這いであったが、それ以上の深さになると硬さ
は急激に減少し、深さ５５０μｍで硬さＨＶ６００、深
さ６００μｍでＨＶ４３０位、深さ７００μｍ付近では
ＨＶ２０程度になっている。これらの溶射＋レーザ処理
した試料を、その後、アンモニアガスをベースとするガ
ス窒化雰囲気中で、５５０℃，２時間のガス窒化処理し
た。この窒化処理後の硬さを、それぞれに図７，図８，
図９に破線で併記した。

【００４５】図７のＣｒ粉末溶射＋レーザ処理＋窒化処
理のものは、表面からの深さ２５０μｍ付近で略１００
０ＨＶと非常に硬く、それから順次深さとともに減少す
るが、深さ５００μｍ付近での硬さはＨＶ７６０位あ
り、深さ６００μｍ付近でもなおＨＶ６００という硬さ
を保持しており、窒化処理により同一深さにおける硬さ
が増大していることがわかる。

【００４６】また、図８のＳｉ粉末溶射＋レーザ処理＋
窒化処理のものでは、深さ５００μｍで硬さがＨＶ６５
０あり、深さ５５０μｍでもＨＶ５００の硬さを維持し
ていて、同じく窒化処理を加えたことで同一深さにおけ
る硬さが増大していることがわかる。図９のＶ粉末溶射
＋レーザ処理＋窒化処理のものは、表面から深さ７３０
μｍ付近までＨＶ８００前後の硬さを保持し、その後深
さの増大につれ硬さが急減するが、深さ８００μｍに達
してもなお硬さＨｖ５００を保持しており、窒化処理に
よる硬さ増大効果が顕著である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アルミニウム合金の表面への合金化物質の溶射とレーザ
ビーム照射と窒化とを複合させたことにより、従来のア
ルミニウム合金の表面改質技術では達成しえなかった厚
みと硬度とを有する厚膜表面硬化層を形成できて、アル
ミニウム合金の用途を大幅に拡張することができるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に適用できる溶射装置の説明図で、
（ａ）は要部の構成を示す模式図、（ｂ）はその溶射ガ
ンの構成図である。

【図２】レーザビーム照射の模式図である。

【図３】本発明によりアルミニウム合金の表層部に形成
された合金化層の形態の模式図である。

【図４】本発明の効果を示す一実施例の図である。

【図５】本発明による表面改質アルミニウム合金化層の
組織を示す写真（ＳＥＭ像）で、（ａ）はマクロ組織、
（ｂ）は合金化層の上部拡大、（ｃ）は合金化層の底部
拡大である。

【図６】本発明の他の実施例で、（ａ）は表面改質アル
ミニウム合金化層の組織を示す写真、（ｂ）は効果を示
す図である。

【図７】本発明の効果を示す他の実施例の図である。

【図８】本発明の効果を示す他の実施例の図である。

【図９】本発明の効果を示す他の実施例の図である。

【図１０】従来のレーザ合金法における合金化物質添加
を説明する図である。

【図１１】各種合金化物質の単独添加により作成した合
金化層の表面硬さを比較した図である。

【図１２】現状の表面改質アルミニウム合金の表面硬さ
と厚さの関係を表した図である。

【符号の説明】

Ａ拡散合金層Ｂ窒化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河田一喜埼玉県大宮市春野１−４−３−306号Ｆターム(参考） 4K031 AB08 CB21 CB22 CB24 CB27 CB34 CB39 DA01 DA03 DA04 DA07 FA02 FA05 FA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材のアルミニウムまたはアルミニウム
合金の表層に、アンカー状の拡散合金層を有し、当該拡
散合金層の底部またはその近傍まで窒化されていること
を特徴とする表面改質アルミニウム合金。
【請求項２】アルミニウム合金の表面に、融点がアル
ミニウムの融点以上沸点以下で且つ窒素との親和力を有
してアルミニウム合金母材と金属間化合物を形成する合
金物質を溶射する工程と、その溶射で形成された溶射被
膜層にレーザを照射して拡散合金層を形成する工程と、
更に窒化処理を施して前記合金表面及び拡散合金層に窒
化化合物を形成する工程とを有することを特徴とするア
ルミニウム合金の表面改質方法。
【請求項３】前記合金物質が、Ｎｉベース合金である
請求項２記載のアルミニウム合金の表面改質方法。
【請求項４】前記合金物質が、Ｗベースのサーメット
合金である請求項２記載のアルミニウム合金の表面改質
方法。
【請求項５】前記合金物質が、Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｎ，
Ｙ，Ｖ，Ｔｉ，Ｆｅのいずれかである請求項２記載のア
ルミニウム合金の表面改質方法。
【請求項６】前記窒素化合物を形成する工程では、ガ
ス軟窒化，ガス窒化，イオン窒化，イオン軟窒化処理の
いずれかを施すことを特徴とする請求項２ないし５のい
ずれかに記載のアルミニウム合金の表面改質方法。