JPH04337062A - 表面処理部材およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム合金表面
に密着性に優れた窒化アルミニウム層を有する表面処理
部材およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムまたはアルミニウム合金（
以下、アルミニウム等とする）は、硬度がビッカース硬
度（Ｈｖ）で約２００と低く耐摩耗性に乏しいため、従
来よりこれら性質の向上を図るべく表面処理技術の開発
が行なわれてきた。ところが、アルミニウム等は、空気
中の酸素との親和力が強く、酸素と容易に結合して極め
て安定で、かつ緻密な薄いアルミナ（Ａｌ２　Ｏ３　）
の層を形成するため、鉄鋼のように、表面硬化元素を拡
散浸透させたり、または密着性のよい硬質膜を形成する
ことが難しい。そのため、陽極酸化あるいはクロムメッ
キなど、その表面処理法は限られたものとなっている。 しかし、この陽極酸化皮膜の硬度は、処理条件により異
なるが、Ｈｖが２００〜１０００とばらつき、必ずしも
充分な耐摩耗性を有するものではない。また、Ｃｒメッ
キを施しても剥離し易い等の欠点がある。

【０００３】窒化アルミニウムそれ自体は、非常に高温
まで安定であり、Ｈｖが約１４００であり、耐摩耗性に
優れ、熱伝導度が大きくかつ電気絶縁性に優れている物
質である。

【０００４】またアルミニウムは、窒素との親和力も強
く、アルミニウムの溶融温度以上では、窒素と容易に結
合して窒化アルミニウムを形成する。この性質を利用し
てアルミニウム等の部材の一部をアルミニウムの溶融点
以上に加熱し、窒素と反応させる方法により窒化アルミ
ニウムをアルミニウム等の表面に形成させる方法（溶融
法）が報告されている（特開昭５６−２５９６３）。し
かし、溶融法では、溶融に伴い部材自体の変形があり、
窒化アルミニウム層が形成される表層部は窒化アルミニ
ウムとアルミニウムの混合層であるため、Ｈｖも２００
以下と低い。

【０００５】一方、反応性スパッタリング或いは蒸着法
によってアルミニウム等の表面に窒化アルミニウムを形
成する方法もあるが、該層と母材との結合が機械的結合
または分子間結合であるため密着性に乏しい、また大量
処理が難しくしかも処理コストが高い等という問題があ
った。

【０００６】また、大量処理が可能で被処理材を溶融す
ることなく、かつ耐摩耗性に優れた窒化アルミニウム層
を形成できる方法として、従来より鉄系金属材料の窒化
処理に用いられてきたイオン窒化方法の適用が試みられ
たが、前記した試料の表面に形成されたアルミナ層のた
めに困難とされていた。

【０００７】本発明者等は、先に、窒化処理の前にアル
ゴンや少量の窒素等が添加された希ガスとの混合ガスに
よるプレスパッタリングを行なうことにより、アルミニ
ウム等の表面に高硬度で耐摩耗性に優れた窒化アルミニ
ウム層を形成し得るイオン窒化方法を発明し出願（特開
昭６０−２１１０６１、特願昭６３−１５０４５）した
。この方法によりほとんどのアルミニウム実用合金表面
に窒化アルミニウム層を形成できるようになった。しか
し、窒化アルミニウム層を厚くしようとするとアルミニ
ウム合金母材と窒化アルミニウム層との熱膨張の差（前
者の熱膨張係数は約２６×１０−６／℃、後者のそれは
５×１０−６／℃）により処理後の冷却過程で層が剥離
しやすくなり、厚い窒化アルミニウム層を得るのが難し
かった。また、剥離をさせずに窒化層を厚くしようとす
ると、より低い温度で長時間窒化処理をしなければなら
なかった。

【０００８】また、アルミニウム等のようにそれ自体の
硬さが低い部材の耐摩耗性をより効果的に向上させるに
は、表面硬化層をより厚くすることが重要であり、その
ためより厚い窒化層を密着性よくアルミニウム等の表面
に形成させることが実用上重要となる。特に高荷重下で
、長時間使用される場合には、一層重要となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者等は
上述の如き従来技術の問題点を解決すべく、鋭意研究し
各種の系統的実験を重ねた結果、本発明を成すに至った
のである。すなわち、本発明は厚い窒化アルミニウム層
が形成されてもアルミニウム合金母材との密着性に優れ
、層の剥離が発生しない表面処理部材およびその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】（第１発明の構成）第１
発明（請求項１に記載の発明）の表面処理部材はアルミ
ニウム中における拡散係数がアルミニウムの自己拡散係
数よりも小さな４Ｂ、５Ｂ、７Ｂ、８族の元素を１種以
上含むアルミニウム合金母材と、その表面に形成した窒
化アルミニウム層と、前記母材と窒化アルミニウム層と
の境界近傍に多数分散形成した前記元素の金属間化合物
の微粒子とからなる。

【００１１】（第２発明の構成）第２発明（請求項２に
記載の発明）の表面処理部材の製造方法は、アルミニウ
ム中における拡散係数がアルミニウムの自己拡散係数よ
りも小さな４Ｂ、５Ｂ、７Ｂ、８族の元素を１種以上含
むアルミニウム合金母材に窒化処理を施し、前記母材表
面に窒化アルミニウム層を形成する際に、前記母材と窒
化アルミニウム層との境界近傍に窒化処理によって前記
元素の金属間化合物の微粒子を多数分散形成するもので
ある。

【００１２】

【作用】（第１発明の作用）本第１発明に係る表面処理
部材はアルミニウム合金母材と、窒化アルミニウム層と
の境界近傍に前記アルミニウム合金に添加された合金元
素の金属間化合物の微粒子が多数分散している点に特徴
を有し、該金属間化合物が窒化アルミニウム層の密着性
を著しく向上させるものである。その理由は今のところ
明確ではないが微細に析出した金属間化合物が多数分散
して存在する窒化アルミニウム層と母材との境界近傍は
入り組んだ状態となりアンカー（投錯効果）によって、
アルミニウム窒化層の密着性が高まるものと推定される
。

【００１３】（第２発明の作用）本第２発明に係る表面
処理部材の製造方法はアルミニウム合金母材に添加され
ている合金元素の金属間化合物の微粒子を窒化処理によ
って前記母材と窒化アルミニウム層との境界近傍に分散
析出させる点に特徴を有する。

【００１４】アルミニウム中の拡散係数がアルミニウム
の自己拡散係数よりも小さな４Ｂ、５Ｂ、７Ｂ、８族に
属する元素は、α相中の固溶限が２重量％以下と比較的
小さな値を有する。したがって、窒化処理前にα相中に
固溶していた前記元素は窒化の過程で窒化アルミニウム
層の形成に伴って該層直下の母材中のアルミニウムの消
耗が起きると、窒化アルミニウム中への固溶量が極めて
少ないためその付近でこれら元素の組成が相対的に高ま
るが、これらの元素はアルミニウム中の拡散速度がアル
ミニウムの自己拡散速度よりも遅いため母材中への拡散
量が少ないので、窒化アルミニウム層と母材との境界近
傍に濃縮化される。さらに前記元素のα相中の固溶限が
２重量％以下と小さいので容易にこの固溶限を越えるま
で濃縮化が進み前記元素が境界近傍に金属間化合物とし
て微細に析出することになる。また、窒化処理の過程で
析出してきた金属間化合物は析出成長する過程で母材で
あるアルミニウム合金ならびに窒化アルミニウムとある
程度金属的結合関係を有していると考えられ、このこと
も密着性向上の一因と推定される。

【００１５】

【発明の効果】 （第１発明の効果）本第１発明の表面処理部材は、アル
ミニウム合金母材と窒化アルミニウム層との境界近傍に
金属間化合物の微粒子が多数分散形成されているので窒
化アルミニウム層のアルミニウム合金母材への密着性が
極めて優れており窒化アルミニウム層の厚さが５μｍ以
上と厚い場合でも剥離することがない。

【００１６】該窒化アルミニウム層はビッカー硬度が１
０００〜１６００と高いので優れた耐摩耗性を有するが
厚い層を有する場合には、特に高荷重下での耐摩耗性が
向上する。

【００１７】（第２発明の効果）本第２発明の表面処理
部材の製造方法は金属間化合物の微粒子を窒化処理によ
って形成させるので、前記微粒子の分散状態等の制御が
容易で窒化アルミニウム層の密着性をより向上させるこ
とができる。

【００１８】

【実施例】

（第１発明の具体例）第１発明をさらに具体化した具体
例について説明する。

【００１９】本具体例に係る表面処理部材で用いるアル
ミニウム合金は合金元素として４Ｂ、５Ｂ、７Ｂ、８族
に属する元素で、アルミニウム中の拡散係数がアルミニ
ウムの自己拡散係数よりも小さく、かつα相中の固溶限
が２重量％以下のチタン、バナジウム、マンガン、ニッ
ケル、鉄等の元素を用いる。これらの元素は金属間化合
物の主構成元素である。前記合金元素の添加量は、０．
０１〜５重量％が望ましく、０．０１％以下だと金属間
化合物の量が少なくなって、密着性向上効果が不十分と
なり、逆に５％を越えても密着性が良好であるがアルミ
ニウム合金母材の靱性が損なわれ、かつ、合金製造の際
に鋳造性を害することになるので好ましくない。アルミ
ニウム合金は前記元素を１種以上含有していれば窒化ア
ルミニウム層の密着性が向上するので、さらにこれら合
金元素以外にマグネシウム、亜鉛、銅、珪素等の元素が
少量添加されていてもよい。

【００２０】窒化アルミニウム層と部材との境界近傍に
形成されている金属間化合物はチタン（Ｔｉ）ではＴｉ
Ａｌ３　、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）
、トリウム（Ｔｈ）、バナジウム（Ｖ）、ニオビウム（
Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケ
ル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）の場合は夫々ＺｒＡｌ３　、Ｈ
ｆＡｌ３　、ＴｈＡｌ３　、ＶＡｌ６　、ＮｂＡｌ３　
、ＴａＡｌ３　であり前記元素が２種以上含有される場
合ならびにＡｌ合金中に他の元素が添加されている場合
は、これらの元素が前記金属間化合物に固溶し３元以上
の金属間化合物の場合もある。金属間化合物の形状は断
面が円形でも凹凸を有していてもよく特に制限はない。 その大きさは平均径で０．１〜２０μｍが望ましく、こ
の範囲外であるとアンカー効果が小さくなる。粒同士の
間隔は前記した平均径程度が望ましく、０．１μｍより
小さいとアルミニウムの拡散が阻害されて、窒化反応が
抑制され、２０μｍより大きいとアンカー効果が小さく
なるため好ましくない。前記合金元素のうちＴｉおよび
Ｖは濃縮化傾向が特に強く析出する金属間化合物の量が
多いため、密着性の向上に特に優れている。

【００２１】アルミニウム合金母材の表面に形成されて
いる窒化アルミニウム層はウルツ鉱型の窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）であり、その組成はアルミニウム量が４０
〜６０原子％、窒素量が４０〜５０原子％である。この
アルミニウムの代わりにマグネシウムやジルコニウム、
窒素の代わりに酸素や炭素が一部置き変わっていてもよ
い。層の厚さは用途によって異なり特に限定はしない。 ただし、荷重下において耐摩耗性が要求される場合には
、５μｍ以上が望ましく、その剥離防止のために本具体
例の如く、アルミニウム合金中の合金元素の選定ならび
に窒化アルミニウム層と母材との境界近傍に微細に分散
した金属間化合物の存在が必要になるのである。

【００２２】（第２発明の具体例）第２発明をさらに具
体化した具体例について説明する。

【００２３】本具体例の表面処理部材の製造方法で使用
する窒化処理方法には、特に限定はないが、イオン窒化
処理が望ましい。イオン窒化処理は例えば図１に示す装
置を用い、以下のような操作によって行なう。真空容器
内に設けた基台等に試料であるアルミニウム合金部材を
配設し、該容器内を真空ポンプで減圧した後、試料をグ
ロー放電等によって昇温する。昇温後、イオン窒化処理
の前処理として試料表面に対してプレスパッタリングを
施す。該プレスパッタリングは窒化アルミニウム層形成
部分の表面を該層が生成しやすい表面性状となるように
粗面化するもので、酸素や窒素等の粗面化促進ガスを５
〜２０００ｐｐｍ含有するアルゴンやヘリウム等の希ガ
ス中でグロー放電やイオンビームスパッタリングによっ
て行なうものである。プレスパッタリングにおいて真空
容器内の圧力は１０−３〜５Ｔｏｒｒ、処理温度は５５
０℃以下とするのが望ましい。また、イオン窒化処理は
真空容器内に窒素ガスまたは窒素含有ガスを導入し、グ
ロー放電によって所定の時間行い、その際の真空容器内
の圧力は１０−１〜２０Ｔｏｒｒ、処理温度は３００〜
６００℃の範囲で行なうのが望ましい。

【００２４】（実施例１）本実施例で用いた試料は純Ａ
ｌに合金元素としてＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉを表１
に示す組成になるように添加し、溶解鋳造し作製した２
元合金（直径１９ｍｍφ、長さ１０ｍｍ）である。また
、同様にして、純ＡｌにＣｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ
を合金化した２元合金を作製し、比較のための試料とし
た。比較試料として純Ａｌならびに実用合金であるＪＩ
Ｓ　　６０６１をも使用した。

【００２５】

【表１】

【００２６】本実施例においては、図１に概略図を示す
イオン窒化装置を用いた。この装置は、ステンレス製の
密閉容器１と、この密閉容器１の中央に設けられた基台
２とを主な構成要素とする。この密閉容器１は、蓋体１
ａと反応炉本体１ｂとからなり、蓋体１ａには、窓１１
が設けられ、また反応炉本体１ｂの内部側周には予備加
熱用ヒータ１２、その内側にステンレス製陽極板１３が
設けられている。更に、この密閉容器１の底部にはガス
導入管１４およびガス導出管１５、基台２の支持柱２１
の内部に冷却水を送る冷却水管１６および水銀マノメー
タ圧力計１７が取り付けられている。

【００２７】ガス導入管１４は、コントロールバルブを
介して高純度窒素ガスボンベ、高純度水素ガスボンベ（
共に図示せず）に連結されている。また、ガス導出管１
５には真空ポンプ３が接続されている。

【００２８】そして、陽極１３と陰極である基台２の間
に直流電源回路４が形成されている。この直流電源回路
４は、試料温度を測定する２色温度計４１からの入力に
より電流制御され、試料温度を一定範囲に保つ働きをす
る。

【００２９】本装置でのイオン窒化は、先ず基台２の上
に前記試料５を配置し、密閉容器を密閉した後、真空ポ
ンプ３により残留ガス圧を１０−３Ｔｏｒｒになるまで
減圧した。更に真空引きしながら予備加熱ヒータ１２で
、炉壁を３０分間加熱した。加熱後、直ちにアルゴンガ
スを４Ｔｏｒｒまで入れ、ガスを水素ガスに置換し、更
に１０−３Ｔｏｒｒまで減圧した。このようにアルゴン
ガスによる置換を２〜３回繰り返し、炉内の残留酸素ガ
スを可能な限り取り除いた。

【００３０】次に、１０−３Ｔｏｒｒまで減圧した炉内
に水素ガスを流し、同時に真空引きしながら炉内圧力を
１．３Ｔｏｒｒに保つように調整した。そして、両極１
３と２の間に数百ボルトの直流電圧を印加し、放電を開
始し、イオン衝撃による昇温を行なった。試料表面が５
００℃になったところでアルゴンガスを止め、その後、
１００ｐｐｍの窒素ガスを添加したアルゴンガスを導入
した。このアルゴン窒素混合ガス（以下混合ガスとする
）の圧力が０．７Ｔｏｒｒになるように調整し、該圧力
を０．７Ｔｏｒｒに保った状態でさらに放電を１時間持
続させた。その後、混合ガスの導入を止め、次いで窒素
ガスを導入した。炉内の窒素ガスのガス圧が１．４Ｔｏ
ｒｒになるように窒素ガスの流量を調整し、試料の温度
を５００℃にした後、その温度を保ちながら放置しイオ
ン窒化を所定時間行なった。

【００３１】イオン窒化処理後、放電を止め、試料を減
圧下で冷却し、炉より取り出した。この一連の操作を繰
り返し、イオン窒化処理時間を２〜２０時間と種々変化
させ、すなわち、窒化層の厚さの異なる複数の試料を得
た。得られた試料表面には黒色の層が形成され、Ｘ線回
折による物質同定の結果これらの層は、いずれもウルツ
鉱型の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることが確認さ
れた。これらの試料のうち長時間処理し、厚い窒化アル
ミニウム層を得ようとしたものには剥離が見られた。外
観上剥離が発生せずに得られた窒化アルミニウム層の最
大厚さ（臨界層厚さ）を表２に示す。

【００３２】合金元素としてＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎ
ｉを用いた実施例試料１〜７は厚い臨界層厚さを示した
。特にＴｉおよびＶは純Ａｌの３倍以上の厚い窒化アル
ミニウム層が得られている。Ａｌ−ＴｉおよびＡｌ−Ｖ
２元合金で形成された窒化アルミニウム層の断面をＥＰ
ＭＡによって線分析を行なった結果を夫々図２および図
３に示す。両合金ともイオン窒化の過程で窒化アルミニ
ウム層Ａと母材Ｃとの境界近傍ＢにＴｉ、Ｖの濃縮化が
見られ、その最大濃度は夫々０．７、０．６重量％と、
いずれも両合金の固溶限である０．５５、０．２重量％
を越えたものであった。また各合金の窒化アルミニウム
層と母材との境界近傍には金属間化合物の微粒子が多数
分散して形成されているのが見られた。Ｆｅ−Ｍｎ２元
合金の場合も境界近傍にＭｎの濃縮化が認められたが、
境界近傍での金属間化合物の析出量がＴｉ、Ｖの場合に
比べて少ないので層の密着性がやや劣っている。

【００３３】

【表２】

【００３４】また、密着性に寄与するのは窒化処理にお
いて析出形成された金属間化合物であるので、合金元素
としてＦｅ、Ｎｉを用いた場合はα相中への固溶量が０
．０１重量％以下と少なく、イオン窒化処理前に金属間
化合物がかなり存在していてイオン窒化処理によって形
成される金属間化合物の量がそれほど多くないため、Ｔ
ｉ、Ｖのような密着性の著しい改善効果は得られていな
い。

【００３５】Ｃｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕを添加した
２元合金（比較試料１〜５）および実用合金ＪＩＳ　　
６０６１（比較試料７）は窒化アルミニウムの臨界層厚
さが４〜５μｍと純Ａｌとほぼ同じで密着性改善効果は
ほとんど認められない。これらの合金元素はＡｌ中の拡
散速度がＡｌの自己拡散速度より早かったり、α相中で
の固溶限が大きかったりして、これらの元素を合金化し
た前記２元合金等は窒化アルミニウム層と母材との境界
近傍に金属間化合物がほとんど形成されないためである
。 Ａｌ−Ｃｕ２元合金で形成された窒化アルミニウム層の
断面をＥＰＭＡによって線分析した結果を図４に示す。 Ｃｕの濃縮化がほとんど起こっていないことが分かる。

【００３６】また、図５〜７は試料としてＡｌ−Ｖ、純
Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕを用いた場合に形成された窒化アルミ
ニウム層が剥離した部分すなわち、層と母材との境界近
傍の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による金属組織を示した
ものである。密着性の優れているＡｌ−Ｖでは純Ａｌ、
Ａｌ−Ｃｕに比較して表面がアンカー効果を示すと推定
される金属間化合物による微細な凹凸が形成されている
のが分かる。

【００３７】（実施例２）本実施例で用いた試料は純Ａ
ｌに合金元素としてＴｉ、Ｖ、Ｍｇを表３に示す組成と
なるように添加し、実施例１と同様にして作製した２元
、３元合金である。これらの試料に実施例１と同様のイ
オン窒化処理を行い、各試料における窒化アルミニウム
層の臨界層厚さを求め、その結果を表４に示す。３元系
のＡｌ−Ｍｇ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｖ合金の方が２元系
のＡｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｖ合金より臨界層厚さが厚くなっ
ている。これはＭｇが窒化速度を大きくする働きがあり
、そのため窒化過程で窒化アルミニウム層と母材との境
界近傍でのＴｉとＶの濃縮化がより促進されたためと推
定される。

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイオン窒化装置の概略図である。

【図２】実施例１でＡｌ−Ｔｉ２元合金に形成された窒
化アルミニウム層断面のＥＰＭＡによる線分析結果を示
した図である。

【図３】実施例１でＡｌ−Ｖ２元合金に形成された窒化
アルミニウム層断面のＥＰＭＡによる線分析結果を示し
た図である。

【図４】実施例１でＡｌ−Ｃｕ２元合金に形成された窒
化アルミニウム層断面のＥＰＭＡによる線分析結果を示
した図である。

【図５】実施例１でイオン窒化したＡｌ−Ｖ２元合金に
おける窒化アルミニウム層と母材境界近傍の走査電子顕
微鏡による金属組織を示した図である。

【図６】実施例１でイオン窒化した純Ａｌにおける窒化
アルミニウム層と母材境界近傍の走査電子顕微鏡による
金属組織を示した図である。

【図７】実施例１でイオン窒化したＡｌ−Ｃｕ２元合金
における窒化アルミニウム層と母材境界近傍の走査電子
顕微鏡による金属組織を示した図である。

【符号の説明】

１　　密閉容器 ２　　基台 ３　　真空ポンプ ４　　電源回路 ５　　試料 Ａ　　窒化アルミニウム層 Ｂ　　境界近傍 Ｃ　　母材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アルミニウム中における拡散係数がア
   ルミニウムの自己拡散係数よりも小さな４Ｂ、５Ｂ、７
   Ｂ、８族の元素を１種以上含むアルミニウム合金母材と
   、その表面に形成した窒化アルミニウム層と、前記母材
   と窒化アルミニウム層との境界近傍に多数分散形成した
   前記元素の金属間化合物の微粒子とからなることを特徴
   とする表面処理部材。
2. 【請求項２】　　アルミニウム中における拡散係数がア
   ルミニウムの自己拡散係数よりも小さな４Ｂ、５Ｂ、７
   Ｂ、８族の元素を１種以上含むアルミニウム合金母材に
   窒化処理を施し、前記母材表面に窒化アルミニウム層を
   形成する際に、前記母材と窒化アルミニウム層との境界
   近傍に窒化処理によって前記元素の金属間化合物の微粒
   子を多数分散形成することを特徴とする表面処理部材の
   製造方法。