JPH0437156B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合
金のイオン窒化方法に関するものである。 〔従来の技術およびその問題点〕 アルミニウム材料またはアルミニウム合金材料
（以下、アルミニウム材という）は、硬度が低く
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われてき
た。 その一つとして、アルミニウム材の表面に、窒
化アルミニウム層を形成する方法がある。この窒
化アルミニウムは、非常に高温まで安定であり、
硬さHv1000以上あり、耐摩耗性に優れ、熱伝導
度が大きくかつ絶縁性に優れている物質である。 この窒化アルミニウム層の形成方法として、ア
ルミニウム材（被処理材）の一部をアルミニウム
（Al）の溶融点以上に加熱し、窒素（Ｎ）と反応
させる方法により窒化させる方法（溶融法）が報
告されている（特開昭56−25963号公報）。しか
し、該溶融法では、溶融に伴い被処理材の変形が
あり、形成される表層部は窒化アルミニウム
（AlN）とアルミニウム（Al）の混合層であるた
め、硬さもHv200以下と低い。 また、反応スパツタリング或いは蒸着法で窒化
アルミニウム層を形成する方法も提案されている
が、該方法で得られた窒化アルミニウムは、該層
と母層との結合が機械的結合または分子間結合で
あるため密着性等に問題があり、また大量処理が
難しく処理コストが高い。 このような中で、本出願人は、先に、イオン窒
化装置内の被処理材配設部近傍に酸素との親和性
の大きい金属を配置してイオン窒化装置に混入す
る酸素（イオン窒化を防げる物質）を取り除くこ
とにより、被処理材表面に優れた窒化物層を被処
理材表面に形成せしめる「アルミニウムまたはア
ルミニウム合金のイオン窒化方法およびその装
置」（特開昭58−213868号）、および、イオン窒化
に先立ち、被処理材の表面をR₂で0.1μm以上に粗
面化し窒化物層を形成し易いような被処理材の表
面性状としてイオン窒化することにより、被処理
材表面に優れた窒化アルミニウム層を被処理材表
面に形成せしめる「アルミニウム材のイオン窒化
方法」（特開昭62−202071号）を出願した。 これにより、アルミニウム材の表面に耐摩耗性
に優れ密着性のよい窒化物層を形成することに成
功した。 しかしながら、これら従来技術は、前者の場合
には、イオン窒化装置内に混入する酸素を取り除
くことはできるものの、被処理材表面に形成され
た酸化物を取り除くことはできない。また、窒化
層をより厚くしようとすると長時間を有し、或い
は、できた場合でも剥離し易いという問題があつ
た。また、後者の場合には、粗面化の際に用いる
粗面化処理用ガスとしてAr等の希ガスを用いて
いるが、粗面には長時間を要するという問題があ
つた。 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、本発明を成すに至つたものであ
る。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、アルミニウム材の表面に耐摩
耗性に優れ密着性のよい窒化物層を効率的かつ短
時間に形成する表面処理方法を提供するにある。 本発明者らは、上述の従来技術の目的に対し、
被処理材の粗面化を促進する表面性状について研
究を重ねるなかで、被処理材表面をアルミニウム
とスパツタ率が異なる化合物に部分的に変質する
ことにより、粗面化が促進されることに着目し、
本発明の構成に到達するに至つた。 〔発明の説明〕 本発明のアルミニウム材のイオン窒化方法は、
密閉容器内に被処理材としてのアルミニウムまた
はアルミニウム合金製部分を配設する工程と、該
密閉容器内に残存する酸素ガスを除去する酸素ガ
ス除去工程と、前記密閉容器内に昇温用ガスを導
入するとともに放電を行うことにより被処理材の
表面を所定の窒化温度に加熱する昇温工程と、前
記密閉容器内に粗面化処理用ガスを導入して該密
閉容器内雰囲気を酸素、窒素、炭素の少なくとも
一種以上の元素を含むガス５〜2000ppmと希ガス
の混合ガス雰囲気とするとともにグロー放電また
はイオンビームにより被処理材の表面を粗面化す
る粗面化工程と、前記密閉容器内に窒化処理用ガ
スを導入するとともに該密閉容器内にグロー放電
を発生させて被処理材表面に窒化物層を形成せし
めるイオン窒化工程とからなることを特徴とする
ものである。 上記構成よりなる本発明の作用および効果は、
次のようである。 本発明の方法により、粗面化処理工程の処理時
間を大幅に短縮することができる。 また、本発明の方法により、被処理材としての
アルミニウム材の表面に、高い硬度を有し耐摩耗
性に優れた窒化物層を、効率的かつ短時間に形成
することができる。 更に、被処理材表面に形成された窒化物層は、
比較的に均一であり、密着性のよい被覆層であ
る。 また、本発明の方法によりイオン窒化処理をア
ルミニウム材の溶体化温度（約550℃）以下の温
度で行うことができる。従つて、これにより、被
処理材を変形させることなく窒化処理を施すこと
ができる。 更に、被処理材としてのアルミニウム材が酸素
と結合してアルミナ被膜等ができていても、イオ
ン窒化処理が可能である。 このように、かかる効果を発揮するメカニズム
については、未だ必ずしも明らかではないが、次
の様に考えられる。 すなわち、本発明では、粗面化工程において、
酸素、窒素、炭素の少なくとも一種以上の元素を
含むガス５〜2000ppmと希ガスの混合ガス雰囲気
下で、被処理材表面を粗面化する。このような混
合ガス雰囲気下で、グロー放電等により被処理材
の表面のイオン衝撃を行うと、混合ガス中の添加
ガス成分、即ち粗面化促進物質形成ガス成分によ
り先ず被処理材の表面が酸化または窒化し、或い
は炭素の析出などが起こり、被処理材表面が部分
的に変質され、しかも、この変質によりスパツタ
率の差が生じ、被処理材表面の粗面化が効率的に
行われるものと思われる、これにより、被処理材
表面が、短時間で窒化物層が生成し易い表面性状
とすることができる。 このような表面性状を有する被処理材をイオン
窒化処理に付した場合、該表面の凹部は凸部に比
べ窒化層の形成速度が速く、その結果として、該
凹凸化した表面は、最終的には平坦な窒化層に覆
われるが、窒化層とアルミニウム母材との界面は
やや凹凸の痕跡が残り、入り組んだ状態となり、
窒化層の密着性も高める結果をもたらす。 〔その他の発明の説明〕 本発明における被処理材としてのアルミニウム
またはアルミニウム合金製部材を密閉容器内に設
けられた基台または吊り具等の治具に配設する
（被処理材配設工程）。ここで用いるアルミニウム
合金は、アルミニウムを主成分とし、これにクロ
ム、銅、マグネシウム、マンガン、ケイ素、ニツ
ケル、鉄、亜鉛等の一種または二種以上含むもの
である。 次に、密閉容器を密閉した後、該容器内に残存
する酸素ガスを除去する（酸素ガス除去工程）。
この酸素ガスの除去は、ロータリーポンプ、拡散
ポンプ等の真空ポンプを用い、減圧後導入ガスに
置換し、さらに減圧を繰り返して行う。この際、
導入ガスは、水素ガス、希ガス等を用いる。 次に、減圧した密閉容器内に昇温用ガスを導入
するとともに放電を行うか、或いは該容器内また
はその周囲に設けられたヒータにより被処理材の
表面を所定の窒化温度に加熱する（昇温工程）。
該昇温工程において用いる昇温用ガスは、水素ガ
ス、窒素ガスまたは希ガス等の非酸化性ガスであ
ることが好ましい。該昇温工程でこれらの昇温用
ガスを用いるのは、昇温の際に被処理材表面の酸
化の防止或いは温度の均一性を保つためである。
なお、該昇温工程を放電を利用して行う場合は、
直流グロー放電、高周波等の交流グロー放電等を
用いる。この場合、直流グロー放電は、低価格で
構成でき、昇温能力が大であるので好ましい。特
に、この放電を利用して昇温を行つた場合には、
昇温の際に被処理材のイオン衝撃による損傷を必
要最低限におさえ加熱を促進し、更に、放電によ
り昇温用ガスがイオン化され、加速された粒子が
被処理材表面に衝突して、被処理材表面の炭素、
油等の有機物からなる物質の清浄化をすることが
できる。 また、この昇温工程における密閉容器の圧力
は、10^-3〜10トールであることが好ましい。特
に、放電が直流グロー放電による場合には、10^-2
〜10トールが、交流グロー放電による場合には、
10^-3〜10トールがそれぞれ好ましい。これは、こ
の圧力範囲以外では、放電が不安定となるからで
ある。 次に、上記密閉容器内に粗面化処理用ガスを導
入し、粗面化雰囲気を粗面化促進物質形成ガス５
〜2000ppmと希ガスの混合ガス雰囲気とするとと
もに、グロー放電またはイオンビームにより、少
なくとも被処理材の窒化物層形成部分の表面を窒
化物層が生成し易い表面性状となるように粗面化
する（粗面化工程）。この粗面化工程は、該粗面
化処理後の被処理材表面の窒化処理の反応速度を
促進するための前処理であり、窒化処理の際に窒
化アルミニウムが生成されやすくなるように被処
理材表面を粗面化することを目的とし、該被処理
材表面を、窒化反応を促進する表面性状とするも
のである。 前記粗面化工程における粗面化雰囲気は、粗面
化促進物質形成ガス５〜2000ppmと希ガスの混合
ガスからなる。 ここで、粗面化促進物質形成ガスは、酸素、窒
素、炭素の少なくとも一種以上の元素を含むガス
であり、具体的には、酸素（O₂）、窒素（N₂）、
メタン（CH₄）、酸化水素（H₂Ｏ）、一酸化炭素
（CO）、二酸化炭素（CO₂）、二酸化窒素（NO₂）、
水酸化メチル（CH₃OH）等のガスの一種類以上
からなるガスである。 また、希ガスは、ヘリウム（He）、ネオン
（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセ
ノン（Xe）、ラドン（Rn）の一種または二種以
上からなる。 さらに、前記粗面化雰囲気中の粗面化促進物質
形成ガスの混合割合を５〜2000ppmとしたのは、
該割合が5ppm未満の場合には、粗面化速度が小
さく、その後の窒化速度も小さいためである。ま
た、該割合が2000ppmを越えた場合には、粗面化
速度が小さく、しかも被処理材表面の汚染が進
み、その後の窒化反応を防げるからである。 なお、該粗面化処理工程は、一定組成の粗面化
処理用混合ガスの雰囲気下で行うことが望ましい
が、該粗面化処理中に粗面化促進物質形成ガス成
分の濃度が５〜2000ppmの間で変動してもよい。
また、粗面化工程実施時の全ガス圧、放電電圧等
の条件、およびそれらの変動状態により、更に上
記割合の適正範囲が選択される。 この粗面化工程においては、これらのガスを用
いることにより、被処理材表面の粗面化を効率的
に行うことができる。 また、この粗面化工程は、通常は直流グロー放
電、または高周波放電等の交流グロー放電等を用
いるが、イオンビームスパツタリングを用いても
よい。この中でも、直流グロー放電の場合には、
低価格で構成でき、窒化抑制物質除去効率がよ
く、昇温能力も大であるので好ましい。 更に、この粗面化工程における密閉容器の圧力
は、10^-3〜５トールであることが好ましい。特
に、放電が直流グロー放電による場合には、10^-2
〜５トールが、交流グロー放電による場合には、
10^-3〜１トールであることが好ましい。これは、
この圧力範囲以外では、被処理材表面の粗面化能
力が低くなり、好ましくないからである。 ここで、この粗面化工程においては、放電を継
続したまま粗面化処理用ガスに切換えるが、昇温
用ガスの導入停止と同時に一度放電を止め、昇温
用ガスの排気を行つた後、粗面化処理用ガスを所
定の圧力まで導入し、放電を再開する方法を採つ
てもよい。 また、この粗面化工程において、必要に応じて
昇温を行つてもよい。 更に、この粗面化工程は、後述するイオン窒化
工程の前処理工程であるので、前記昇温工程より
前に行つてもよい。 なお、この粗面化工程において、雰囲気温度を
アルミニウム材の溶体化温度（約550℃）以下の
温度で行うことができるが、この場合は、前記粗
面化処理用混合ガスがこの温度以下でガス体であ
ることが好ましい。 次に、密閉容器内に窒化処理用ガスを導入する
とともに、該密封容器内にグロー放電を発生させ
て被処理材表面の窒化処理を行う（イオン窒化工
程）。なお、窒化処理用ガスは、一度密閉容器内
の粗面化処理用ガスの排気を行つた後、導入する
ことが好ましい。 このイオン窒化工程において用いる窒化処理用
ガスは、窒素（N₂）ガスまたは窒素を主体とし
たガス、例えばアンモニア（NH₃）或いは窒素
（N₂）と水素（H₂）の混合ガス等である。この
場合、窒素の含有量の高いガスであることが好ま
しい。これは、高純度窒素を用いた場合、窒化ア
ルミニウムの形成速度が速く、また、密閉容器内
壁の腐食等の不都合がないからである。 また、グロー放電は、直流または交流グロー放
電を用いる。 更に、該イオン窒化工程における密閉容器の圧
力は、10^-1〜20トールであることが好ましい。こ
の範囲より小さい場合、窒化アルミニウム層の形
成速度、即ち窒化速度が遅く、また大きい場合に
はアーク等の発生など放電が不安定となり好まし
くないからである。 また、該イオン窒化工程における処理温度は、
300〜550℃の温度範囲内であることが好ましい。
これは、処理温度が300℃未満の場合には窒化速
度が遅く、また、550℃を越える場合には被処理
材によつては溶融がみられ、それに伴う溶損や変
形（寸法変化、歪み発生等）がおこり、更に処理
後の冷却過程で窒化アルミニウム層の剥離が発生
し易くなるためである。尚、該処理温度は、400
〜520℃であることがより好ましい。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を説明する。 実施例 １ 被処理材としてのアルミニウム材にイオン窒化
処理を施して窒化アルミニウム層を形成し、該層
の性能評価試験を行つた。尚、このイオン窒化処
理において用いたイオン窒化処理装置を、図に示
す。 まず、ステンレス製の密閉容器１の中央に設け
た基台２の上に、被処理材として２個の工業用純
アルミニウム（JIS 1050：アルミニウム分99.5％
以上：外径20mm×厚さ10mmの円板：試料番号１）
３を配置した。尚、基台２の支持柱４の内部に冷
却水を送る冷却水管５および水銀マノメター圧力
計６が取りつけられている。 次に、密閉容器１を密閉したのち、ガス導出管
７に接続された真空ポンプ８のロータリーポンプ
（図示せず）および拡散ポンプ（図示せず）によ
り10^-5トールまで減圧した。なお、ガス導入管１
１は、ガス導出管７とともに密閉容器１の底部に
取りつけられ、コントロールバルブを介して高純
度窒素ガスボンベ、高純度アルゴンガスボンベ、
高純度水素ガスボンベ、および、酸素、窒素、メ
タンガスを所定量の濃度含むAr混合ガスボンベ
（共に図示せず）に連結している。 次に、10^-5トールまで減圧した炉内に昇温用ガ
スとしての水素ガスを流し、同時に真空引きしな
がら炉内圧力を1.3トールに保つように調整した。
そして、予備加熱ヒータ１０の内側に設けたステ
ンレス製陽極板１２と陰極（基台２）の間に数百
ボルトの直流電圧を印加して放電を開始し、被処
理材表面が500℃になるまでイオン衝撃による昇
温を行つた。ここで、直流電源回路１３は、陽極
１２と陰極２により構成し、内部の被処理材の温
度を測定する二色温度計１４からの入力により電
源制御され、被処理材の温度を一定に保つ働きを
する。 次に、水素ガスを止め、粗面化処理用ガスとし
てアルゴンガスに第１表に示す添加ガスを同表に
示す量含む混合ガスを0.6トールになるまで導入
した。そして、該圧力を0.6トールに保つた状態
で、更にグロー放電を500℃で20分行い、被処理
材表面に粗面化処理を施した。 次に、粗面化処理用混合ガスの導入を止め、窒
化処理用ガスとしての窒素ガスを導入した。炉内
の窒素ガスのガス圧が２トールになるように窒素
ガスの流量を調整し、被処理材の温度を500℃に
保持したまま、その温度を保ちながらグロー放電
下でイオン窒化を５時間行つた。 窒化処理後、放電を止め、被処理材を減圧下で
冷却し、被処理材を炉より取り出したところ、該
被処理材の表面には黒色の層が形成されていた。 この被処理材表面の黒色層について、Ｘ層回折
法による物質同定試験を行つた結果、何れもウル
ツ鉱型の窒化アルミニウム（AlN）であること
が確認された。 また、この窒化層の層厚の測定試験を行つた。
その結果を、第１表に示す。 比較のために、粗面化処理用ガスとして純アル
ゴンガスを用いた場合（試料番号C1）、および粗
面化処理用混合ガス中の添加ガス成分の濃度が本
発明の範囲外の場合（試料番号C2〜C7）につい
て、他は上述の実施例と同様の条件および方法
（粗面化処理用ガス条件は、第２表に示す）によ
り、イオン窒化処理を行つた、その結果、被処理
材の表面にはいずれも薄い黒色がかつた層が形成
されていた。この薄黒色層について、Ｘ線回折法
による物質同定試験を行つた結果、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。また、この薄黒色層の層厚の測定
試験を行つた。その結果を、第２表に示す。 第１表および第２表より明らかのごとく、500
℃，20分の粗面化処理条件下において、添加ガス
成分を５〜1900ppmの範囲内で混合した本実施例
の場合（試料番号１〜15）、被処理材表面に層厚
さが1μm以上の窒化層を形成することができた。
しかも、粗面化処理用ガス中の添加ガス成分が窒
素の場合は、添加量が55ppm〜600ppmの範囲内
において窒化層の層厚さが4μm以上、また酸素の
場合は、添加量が25ppm〜500ppmの範囲内にお
いて窒化層の層厚さが3μm以上、またメタンの場
合は、添加量が65ppm〜710ppmの範囲内におい
て窒化層の層厚さが3μm以上と、窒化層の膜厚を
充分厚いものにすることができた。しかも、何れ
も約数100ppmの添加ガス濃度で最大値を示した。 これに対し比較例では、粗面化処理用ガスとし
て純アルゴンガスを用いた場合（試料番号C1）、
および粗面化処理用混合ガス中の添加ガス成分の
濃度が本発明の範囲外の場合（試料番号C2〜C7）
の何れにおいても、得られる窒化層の層厚が
0.1μm以下であつた。なお、この比較例では、粗
面化処理用ガスとして純アルゴンガスを用いた試
料番号C1の場合、60分の粗面化処理により層厚
が約5μmの窒化層を得ることができた。また、試
料番号C4のように添加ガス成分の濃度が本発明
の範囲より多い場合には、60分程度の粗面化処理
を行つても得られる窒化層の層厚を0.1μm以上に
することはできなかつた。この場合、粗面化自体
が抑制されるばかりでなく、表面の酸化が激しく
なることも、窒化反応を阻害している原因になつ
ているものと思われる。 従つて、本実施例では、粗面化が促進され、し
かも表面の汚染が少ない50〜500ppmの添加ガス
濃度範囲が好ましい濃度範囲である。 また、本方法で得られた処理品を、耐摩耗部品
として使用する場合は、表面の窒化層の層厚が厚
い方が望ましいので、得られる窒化層の層厚が最
大になるようにそれぞれの添加ガス濃度に混合ガ
ス濃度を調節することが望ましい。

【表】

【表】

【表】 実施例 ２ 粗面化工程において、粗面化処理用ガス中の添
加ガスを二種類のガスとし、粗面化処理用ガス中
の添加ガス濃度と窒化アルミニウム層厚さとの関
係を調べた、尚、本実施例における被処理材のイ
オン窒化処理は、前述した実施例１と同様である
ので、実施例１との相違点を中心に詳述する。 先ず、被処理材は、工業用純アルミニウム
（JIS 1050）を用いた。 次に、粗面化工程において、粗面化処理用ガス
としてアルゴンガスに酸素ガス50ppmと窒素ガス
50ppmとからなる混合添加ガス100ppmを含む混
合ガスを0.7トールになるまで導入した。そして、
該圧力を0.7トールに保つた状態で、さらにグロ
ー放電を500℃，20分間行い、被処理材表面に粗
面化処理を施した。 次に、窒化工程では、窒化処理用ガスとして高
純度窒素ガスを用い、圧力２トール、温度525℃
で、２時間のグロー放電による窒化処理を行つ
た。 その結果、被処理材表面にはそれぞれ黒色の層
が形成されていた。この被処理材表面の黒色層に
ついて、Ｘ線回折試験による物質同定試験を行つ
た結果、何れもウルツ鉱型の窒化アルミニウムで
あることが確認された。 また、この黒色層の層厚および表面硬度の測定
試験を行つた結果、層厚さは5μm、窒化物を含む
表面層硬さはHv1000Kg／mmであつた。 以上から明らかのごとく、添加ガス成分が酸素
と窒素の混合ガスであつても、短時間の粗面化処
理で十分な窒化アルミニウム層を被処理材表面に
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の実施例１および実施例２で用い
られたイオン窒化処理装置の概略図である。 １……密閉容器、２……基台、３……被処理
材、８……真空ポンプ、１３……電源回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 密閉容器内に被処理材としてのアルミニウム
   またはアルミニウム合金製部材を配設する工程
   と、該密閉容器内に残存する酸素ガスを除去する
   酸素ガス除去工程と、前記密閉容器内に昇温用ガ
   スを導入するとともに放電を行うことにより被処
   理材の表面を所定の窒化温度に加熱する昇温工程
   と、前記密閉容器内に粗面化処理用ガスを導入し
   て該密閉容器内雰囲気を酸素、窒素、炭素の少な
   くとも一種以上の元素を含むガス５〜2000ppmと
   希ガスの混合ガス雰囲気とするとともにグロー放
   電またはイオンビームにより被処理材の表面を粗
   面化する粗面化工程と、前記密閉容器内に窒化処
   理用ガスを導入するとともに該密閉容器内にグロ
   ー放電を発生させて被処理材表面に窒化物層を形
   成せしめるイオン窒化工程とからなることを特徴
   とするアルミニウム材のイオン窒化方法。 ２ イオン窒化工程における窒化処理用ガスが、
   窒素ガスまたはアンモニアガス、或いはこれらガ
   スと水素ガスおよび希ガスとの混合ガスであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアル
   ミニウム材のイオン窒化方法。 ３ イオン窒化工程における窒化温度は、300℃
   ないし550℃であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のアルミニウム材のイオン窒化方
   法。