JPH01100298A - アルミニウム合金鋳物の陽極酸化皮膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は自動車部品等に使用されるアルミニウム合金
鋳物、特に合金元素含有量の高いアルミニウム合金鋳物
について、耐摩耗性や耐食性等の表面特性改善のために
陽極酸化皮膜を形成する方法に関するものである。

従来の技術 Ａｌ合金部材の耐摩耗性や耐食性等の表面特性を向上さ
せるだめの手段としては、従来からその表面に陽極酸化
処理を施す方法が広く知られている。すなわちＡｌ合金
の陽極酸化処理によって形成される陽極酸化皮膜は一般
に硬質で耐摩耗性に冨み、かつ耐食性も優れているとこ
ろから、陽極酸化皮膜を形成することによってこれらの
表面特性を大幅に向１させることができる。

ところでＡ２合金の展伸材については従来から上述のよ
うに陽極酸化皮膜を形成することにより耐摩耗性、耐食
性等の向上が図られていたが、鋳造のままのＡｌ合金部
材、すなわちＡｌ合金鋳物については、その表面層にピ
ンホールやブローホール、巣゛などの鋳造欠陥が存在す
ることが多く、また窒素ガス等のガス成分が多量に固溶
もしくは吸蔵されていることが多いため、均質かつ緻密
な陽極酸化皮膜を生成することが困難とされていた。

すなわち、前述のような鋳造欠陥のないＡ２合金鋳物に
対してそのまま陽極酸化処理を施した場合、ピンホール
やブローホール、巣などの欠陥が陽極酸化皮膜にそのま
ま残って、耐摩耗性や耐食性の良好な均質かつ緻密な陽
極酸化皮膜か得難かった。

、　　またピンホール、ブローホール、巣などの欠陥内
のガスや固溶もしくは吸蔵されたガス成分が陽極酸化処
理時に放出されてＡｌ合金鋳物表面にカス気泡として何
者した状態となり、その表面のガス気泡によって陽極酸
化処理のための電解液のＡｌ合金鋳物表面に対する接触
が妨げられて、その部分で陽極酸化反応が進行せず、そ
の結果均質かつＷｉ密な陽極酸化皮膜を生成し難かった
のである。

そこで本発明者等は既に特願昭６０−９９３７５号（特
開昭６１．−２５７４９６号）において、陽極酸化皮膜
を形成すべき部位の表面に予めレーザビームやＴＩＧア
ーク等の高密度加熱エネルギを印加してその表面層を急
速溶融、急速再凝固ざぜ、しかる後にその再凝固した部
分の表面に陽極酸化処理を施すようにしたＡｌ合金鋳物
の陽極酸化皮膜形成方法を提案している。

この提案の方法によれば、高密度加熱エネルギ照射によ
るＡｌ合金鋳物表面層の急速溶融後の急速再凝固が、主
として母材側への熱移動によってなされるため、母材側
から表面へ向けて指向性をもって凝固することになり、
そのため溶融前に表面層に存在していたピンホール、ブ
ローホール、巣などの鋳造欠陥は凝固時に外部へ押出さ
れる状態となり、また吸蔵もしくは固溶していたガス成
分に起因して溶融時に生じた気泡も凝固時に外部へ押出
される状態となり、その結果溶融・再凝固した表面層に
は鋳造欠陥がほとんど存在せずかつ固溶もしくは吸蔵ガ
ス成分も極めて少ない状態となる。また再凝固は急速に
なされるため、その表面層の組織が著しく微細化される
。したがってこのような急速溶融・急速再凝固処理を施
した後にその表面に陽極酸化処理を施せば、陽極酸化皮
膜自体にも鋳造欠陥やカス成分に起因する欠陥が少なく
なるとともに皮膜組織も微細となり、皮膜性状の優れた
陽極酸化皮膜を得ることができる。

発明が解決すべき問題点 前）小のように特願昭６０−９９３７５号の方法によれ
ば、Ａｌ合金鋳物表面に直接陽極酸化処理を施す場合と
比較すれば格段に陽極酸化皮膜の性状を改善することが
できる。しかしながら、合金元素含有岨の多い高合金系
のＡｌ合金鋳物においては、合金元素、例えばＳ１ヤＭ
Ｑ、Ｃｕなどが陽極酸化皮膜の性状を劣化させる要因と
なっており、そのため高合金系のＡｌ合金鋳物について
陽極酸化処理前に前述のような高密度加熱エネルギの照
射による急速溶融・急速再凝固処理を行なっても、鋳造
欠陥解消および組織微細化による効果は認められるもの
の、未だ満足できる程度まで充分に陽極酸化皮膜の性状
が改善されるには至らず、したがって未だ光分な耐摩耗
性、耐食性か得られていなかったのが実情である。すな
わち、高合金系のＡｌ合金鋳物においては、各種の金属
間化合物ヤ゛非固溶合金元素の晶出物（例えば過共晶Ａ
ｌ−３ｉ合金鋳物における初晶Ｓｉ）が表面層にも多量
に存在しており、このような金属間化合物や初品物の部
分は陽極酸化処理時において陽極酸化の円滑な進行を妨
げるとともに、陽極酸化処理時もそのまま陽性酸化皮膜
中に残存して、皮膜の性状を損なう要因となっているが
、この要因に対しては前述のような急速溶融・急速再凝
固処理は有効ではなかったのである。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、Ａ
ｌ合金鋳物に陽極酸化皮膜を形成するにあたって、面述
の提案の場合と同様に鋳造欠陥の減少と組織微細化によ
り陽極酸化皮膜の性状改善を図るのみならず、高合金系
のＡｌ合金鋳物の場合においても、陽極酸化処理に対す
る合金元素の影響を排除して、皮膜性状の著しく優れた
陽極酸化皮膜、すなわち均一かつ緻密で耐摩耗性や耐食
性の著しく優れた陽極酸化皮膜を形成することができる
方法を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明においては、アルミニウム合金鋳物表面に陽極
酸化皮膜を形成するにあたり、陽極酸化皮膜を形成すべ
き部位の表面層に高密度加熱エネルギを用いて純Ａｌも
しくはＡｌ含有量が前記アルミニウム合金鋳物より高い
Ａｌ合金を合金化し、しかる後その合金化された層の表
面に陽極酸化処理を施すことを特徴としている。

作　　　用 Ａｌ合金鋳物の陽極酸化皮膜を形成すべき部位の表面層
に、高密度エネルギを用いて純Ａ！もしくはＡｌ含有量
が前記Ａｌ合金鋳物よりも高いＡｌ合金を合金化するこ
とによって、その合金化された表面層はＡｌ含有量が増
す反面、合金元素濃度が低下する。したがってその後陽
極酸化処理を行なうに際しては、Ａｌ合金鋳物母材部分
よりも合金元素濃度が低下した部分に陽極酸化処理を施
すことになるから、高合金系のＡｌ合金鋳物の場合にも
合金元素により陽極酸化皮膜の性状が劣化するおそれが
少なくなる。すなわち、純Ａ！もしくはへ１含有量が高
いＡｌ合金を合金化して表面層の合金元素濃度が低下す
ることは、表面層における金属間化合物や非固溶合金元
素晶出物の量が減少することを意味するから、これらの
金属間化合物などの晶出物により陽極酸化の進行が妨げ
られたりまたこれらの晶出物が陽極酸化皮膜中に残存し
たりする可能性か低くなって、均一な陽極酸化皮膜を生
成させることが可能となったのでおる。

また’ｄ！ＡＮもしくはＡｌ含有量の高いＡ２合金の合
金化にあたっては、それらの合金化材料をＡｌ合金鋳物
の表面に配置してその上からレーザヤＴＩＧアーク、プ
ラズマアークあるいは電子ビーム等の高密度加熱エネル
ギを印加し、合金化材料とその下側のＡ　！合金鋳物表
面層を同時に溶融して合金化させ、引続き再凝固させる
ことになるが、この再凝固時における冷却・凝固は既に
述べた特願昭６０−９９３７５号の方法の場合と同様に
Ａｌ合金鋳物母材側から表面へ向けて指向性をもって急
速になされることになる：そのため合金化処理前に鋳物
表面層に存在していたピンホールやブローホール、巣な
どの鋳造欠陥は表面に押出され、また吸蔵もしくは固溶
していたガス成分に起因して溶融時に生じた気泡も凝固
時に表面から外部へ押出され、その結果再凝固により形
成された合金化層中には鋳造欠陥がほとんど存在せずか
つ固溶もしくは吸蔵ガス成分が極めて少ない状態となる
。そしてまた、前述のように再凝固が急速冷却・凝固に
よってなされるため、再凝固された表面層の組織は著し
く微細化されていることにな−る。このように鋳造欠陥
がほとんど存在せずかつ組織が微細化されている表面層
に陽極酸化処理を施せば、それにより形成される陽極酸
化皮膜も欠陥がほとんどなくかつ微細な組織を有するも
のとなる。

したがって高密度加熱エネルギを用いて純Ａｌもしくは
Ａｌ含有量の高いＡｌ合金をＡｌ合金鋳物表面層に合金
化しておくことによって、既に述へたように表面層の合
金元素濃度が低下することによる作用と、表面層の鋳造
欠陥の減少および組織ｍ細化による作用とが相俟って、
均一でかつ緻密な、優れた性状の陽極酸化皮膜を形成す
ることができるのである。

発明の実施のための具体的な説明 第１図〜第５図に、この発明の方法を実施している状況
の一例を段階的に示す。

先ず第１図に示すように、処理対象となるＡｌ合金鋳物
１における陽極酸化皮膜を形成すべき部位の表面１Ａに
、合金化材料２として、純Ａｌもしくはへ１含有量の高
いＡｌ合金を配置する。こ・の合金化材料２の配置の方
法としては、例えばその粉末を単純に静置する方法、お
るいはその粉末をスラリー状として塗布もしくは吹付け
る方法、ざらには粉末を溶射する方法等を適用でき、特
に限定されるものではない。なお合金化材料としては純
Ａｌが最適でおるが、へ２濃度が処理対象となるＡｌ合
金鋳物より高いもの、換言すれば合金元素濃度が処理対
象となるＡｌ合金鋳物より低いものは使用可能でおる。

次に第２図に示すように合金化材料２の上からＴＩＧア
ーク、レーザビーム、プラズマアーク、電子ビームなど
の高密度加熱エネルギ３を印加して、合金化材料２およ
びその下側のＡｌ合金鋳物１の表面層を同時に溶融させ
る。これによって形成された溶融プール４においては、
母材のＡ２合金鋳物と合金化材料とが溶融一体止（合金
化）される。続いて高密度加熱エネルギ３の印加位置の
移動あるいは印加停止によって、主として鋳物母材側へ
の急速熱拡散により溶融プール４が急速に冷却凝固され
、合金化層５となる。この合金化層５は、既に述べたよ
うに母材であるＡｌ合金鋳物１よりもＡｌ含有量が多く
、合金元素含有量が少ないものとなっており、しかも表
面側への指向性をもっての急速冷却凝固によって、鋳造
欠陥が少なくかつ組慨が微細化したものとなっている。

このようにして形成された合金化層５は、第３図に示す
ように通常は表面に凹凸が多い状態となっているから、
表面に機械加工や研磨を施して、表面が凹凸のない平滑
な状態となるように仕上げる。その状態を第４図に示す
。次いでその平滑化された合金化層５の表面６に陽極酸
化処理を施し、第５図に示すように陽極酸化皮１１！７
を形成する。

この陽極酸化処理、は、合金元素含有量が少なくかつ鋳
造欠陥が少ないとともに微細な組織を有する合金化層５
に対してなされるため、得られる陽極酸化皮膜は均一か
つ緻密で皮膜性状の優れたちのとなる。なお陽極酸化処
理自体は常法に従って行なえば良いが、より耐摩耗性を
向上させるためには、低温の電解浴を用いるなどの手法
により所謂硬質陽極酸化皮膜を生成させることが望まし
い。

なおこの発明の方法が適用されるＡｌ合金の組成は特に
限定されるものではなく、要は鋳物用として用いられる
Ａｌ合金には全て適用可能であるが、待に過共晶Ａｌ−
３ｉ合金鋳物の如く、合金元素含有量の高いものに適用
して大きな効果が得られる。

またこの発明の方法の実施にあたって、ｋＡｌもしくは
Ａｌ含有量の高いＡｌ合金の合金化によって形成するＡ
ｌ含有量の高い合金化層の厚さは、合金化させるべく配
置する純ＡｌもしくはＡ／ｌ含有量の高いＡｌ合金の、
壷や、合金化のための高密度加熱エネルギの強度やその
移動速度（走査速度）などによって調整可能であるが、
この合金化層の厚みは要は仕上加工後の合金化層の厚み
が生成すべき陽極酸化皮膜の厚みより厚くなるように設
定すれば良い。

実施例 し実施例１］ ＪＩＳ　　ＡＣ８Ａ合金（Ｃｕ　ｔ、１％、８１１２％
、Ｍｇ１．１％、Ｎｉ１．５％、残部Ａｆ＞の鋳物材に
陽％Ｔｘ％化皮膜を形成するにあたって、前記のＡｌ合
金鋳物からなる外径３０＃、厚ざ１０．の円盤状テスト
ピースの外周表面部に先ず合金化材料として縛Ａｌ扮末
を用いてＴＩＧアークにより純Ａ！を合金化させた。こ
の時のＴＩＧアーク照射条件は次の通りでめる。

ピーク電流／′ベース電流：　　１２０Ａ／９０Ａ電　
　　　　　　圧　　　＝１５Ｖ トーチ移動速度（周速）　：　　１．５〜３ｓ／Ｓｅｃ
アルゴンガス流量：２５ｆ／ｍｉ口 なおこの合金化処理においては、次式で表わされる合金
化率が３０％となるように合金化のための純Ａｌ粉末層
の厚さを調整した。

次いで合金化層の表面に仕上加工を施して平滑化した後
、陽極酸化処理を施した。この時の陽極酸化処理条件は
次の通りである。

電解液組成：硫酸　１０〜２０％ 電流密度：２〜４Ａ／ｄＩｉ（直流） 電　　圧二６０〜８０Ｖ 温　　度：２０’Ｃ±２°Ｃ ［実施例２］、 実施例１で用いたと同様なテストピースについて、合金
化率が５０％となるように合金化処理を行なった点以外
は、実施例１と同じ条件で合金化処理−仕上ｈＯエニー
極酸化処理を行なった。

（実施例３］ 実施例１で用いたと同様なテストピースについて、合金
化率が７０％どなるように合金化処理を行なった点以外
は、実施例１と同じ条件で合金化処理−仕上ｈａミニ−
極酸化処理を行なった。

［比較例１］ 実施例１で用いたと同様なテストピースについて、特に
合金化処理を行なわずに、陽極酸化処理を行なった。陽
極酸化処理の条件は実施例１と同じである。

し比較例２］ 実施例１で用いたと同様なテストピースについて、その
外周表面部に特願昭６０−９９３７５号の方法に従いＴ
ＩＧアークを用いて再溶融・再凝固処理を行ない、その
後仕上加工を行なった後、陽極酸化処理を施した。再溶
融・再凝固処理におけるＴＩＧアーク照射条件は、実施
例１における合金化処理時のＴＩＧアーク照射条件と同
じとし、また陽極酸化処理条件も実施例１と同じとした
。

以上の実施例１〜３および比較例１．２により得られた
各＠極酸化皮膜の下地の状況および各陽極酸化皮膜の性
状を調べた結果を第１表に示す。

なおここで陽極酸化皮膜の下地は、実施例１〜３の場合
は合金化処理による合金化層、比較例１の場合は鋳物の
まま、比較例２の場合は再溶融・再凝固層である。また
第１表中において、ＤＡＳはデンドライトアーム間隔（
Ｄｅｎｄｒｉｔｅ　Ａｒｍ　Ｓｐａｃｉｎｇ＞でおり、
組織の微細化の程度をめられす。

第　　　１　　　表 第１表から明らかなように、この発明の方法にしたがっ
て陽極酸化処理前に純Ａｌの合金化処理を行ない、陽極
酸化処理皮膜の下地の合金元素含有量を減少させた実施
例１〜３では、陽極酸化皮膜の硬ざがＨｖ　４５０〜５
５０と高硬度で、皮膜性状も優れていることが明らかで
ある。これに対し純Ａｌの合金化処理を行なわなかった
比較例１では、下地の組織が粗くかつ鋳造欠陥が多いの
に加えて合金元素含有量が高いため、陽極酸化皮膜の硬
ざＨｖが２８０と低く、皮膜性状もポーラスであった。

また再）容融・再凝固処理を施した比較例２では、下地
の組織の微細化および鋳造欠陥の解消によって比較例１
の場合よりは高い硬さが得られ、また皮膜性状も若干良
好となったが、下地（再溶融・再凝固層）の合金元素含
有量は無処理の比較例１と変わらないため、本発明実施
例１〜３よりも硬さが低く、また皮膜性状も劣っていた
。

［実施例４１ 第６図、第７図に示すようにＪＩＳ　　ＡＣ８Ａ合金（
具体的成分組成は実施例１と同じ）のアルミニウム合金
鋳物からなる内燃機関用ピストン１０のトップリング溝
穴１１の付近の耐摩耗性を向上させるべく、その上下面
に陽極酸化皮膜７を形成するにあたって、次のような処
理を行なった。

すなちトップリング溝穴１１の上下面に対して、ＴＩＧ
アークを用いて実施例２と同じ条件で純Ａｌを合金化し
て、合金元素含有量が母材より低下した合金化層５を形
成し、その後仕上加工を行なってから、実施例１と同じ
条件で陽極酸化処理を施して、陽極酸化皮膜７を生成さ
せた。

処理後のピストンを２０００ＣＣ１４気筒、過給機（タ
ーボチャージャー）付のディーゼルエンジンに組込み、
高水温、高油温状態で全負荷４０００　ｒｐｍｘ　３０
０時間の連続高速耐久運転試験を実施した。

その結果、リング溝穴１１の陽極酸化皮膜７はほとんど
摩耗されず、良好な耐摩耗性を有していることがｒＩＩ
ａ？ｉされた。なお比較のため、比較例２と同じ条件で
リング溝穴１１の上下面にＴＩＧアークによる再溶融・
再凝固処理および陽極酸化処理を行なったピストンにつ
いても同様の連続高速耐久運転試験を実施したか、この
場合はリング溝穴の陽極酸化皮膜の一部が摩耗により消
滅していることが判明した。

発明の効果 この発明の方法によれば、陽極酸化皮膜を形成すべきＡ
ｌ合金鋳物の表面に予めＴＩＧアーク等の高密度加熱エ
ネルギを用いて純Ａ！もしくはＡｌ含有但の高いＡｌ合
金を合金化させることによりその表面層の合金元素含有
量を低減させた状態で陽極酸化処理を行なうため、Ａｌ
合金鋳物自体の合金元素含有量が高い場合でもその合金
元素に起因して陽ｆｆ１Ｍ化皮膜の性状が劣化すること
がなく、しかも前述の合金化は高密度加熱エネルギを用
いての急速溶融・急速再凝固によってなされるため、鋳
物表面に存在していた鋳造欠陥が減少するとともに組織
が微細化され、そのため陽極酸化皮膜自体も欠陥が少な
くかつ微細な組織のものとなる。したがってこれらの要
因が相俟って、この発明の方法によれば皮膜性状の優れ
た陽極酸化皮膜、すなわち均一かつ緻密で耐摩耗性や耐
食性が潰れた陽極酸化皮膜を得ることができ、特に合金
元素含有量の多いアルミニウム合金鋳物に陽極酸化皮膜
を形成する場合に顕著な効果を１ｑることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図まではこの発明の方法を実施している
状況の一例を段階的に示す略解的な断面図、第６図はこ
の発明の方法を自動車用エンジンのピストンに適用した
例を示す縦断面図、第７図は第６図のＡ部を拡大して示
す縦断面図である。 １・・・Ａｌ合金鋳物、　２・・・合金化材料（純へ２
もしくはＡ／ｌ含有伍の高いＡｌ合金）、　３・・・高
密度加熱エネルギ、　５・・・合金化層、　７・・・陽
極酸化皮膜。 出願人　　トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミニウム合金鋳物表面に陽極酸化皮膜を形成するに
   あたり、陽極酸化皮膜を形成すべき部位の表面層に高密
   度加熱エネルギを用いて純ＡｌもしくはＡｌ含有量が前
   記アルミニウム合金鋳物より高いＡｌ合金を合金化し、
   しかる後その合金化された層の表面に陽極酸化処理を施
   すことを特徴とするアルミニウム合金鋳物の陽極酸化皮
   膜形成方法。