クロス・カップリング反応によるアルミニウム硬化材の製造方法
【課題】表面が非常に硬く且つ表面から内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材の製造方法を提供すること。
【解決手段】アルミニウム硬化材の製造方法は、Ｍｇ元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化する方法であり、第１工程と第２工程とを有する。第１工程では、アルミニウム合金材１０の表面にニッケル層２０を１５μｍ形成する。第２工程では、ニッケル層２０が形成されたアルミニウム合金材１０を５５０度まで加熱し６０分〜９０分保持する。こうして、母材（アルミニウム合金材１０）の中のＭｇ元素が触媒になって、Ｍｇイオン及びＡｌイオンがニッケル層２０の表面に向けて拡散して、ＡｌとＮｉの高硬度の金属間化合物による硬化層を形成できる。
【解決手段】アルミニウム硬化材の製造方法は、Ｍｇ元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化する方法であり、第１工程と第２工程とを有する。第１工程では、アルミニウム合金材１０の表面にニッケル層２０を１５μｍ形成する。第２工程では、ニッケル層２０が形成されたアルミニウム合金材１０を５５０度まで加熱し６０分〜９０分保持する。こうして、母材（アルミニウム合金材１０）の中のＭｇ元素が触媒になって、Ｍｇイオン及びＡｌイオンがニッケル層２０の表面に向けて拡散して、ＡｌとＮｉの高硬度の金属間化合物による硬化層を形成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍｇ元素を含有するアルミニウム合金材の表面に適当な膜厚のニッケル層を形成した後５００度〜６００度に加熱すると、Ｍｇイオンを触媒としたクロス・カップリング反応によって，表層部に高硬度のAlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5等（以下適宜AlmNinと呼ぶ）の金属間化合物の皮膜が出来ることを示す加工方法である。
【背景技術】
【０００２】
これまで自動車の構成部品の大部分は比較的比重の大きい鉄鋼製部品で構成されてきたが、燃費を向上させるために、鉄鋼製部品に代わる比重が小さくて軽い基材が求められてきた。そこで鉄の比重の約三分の一のアルミニウム合金材が代替材料として着目されて来た。しかし、アルミニウム合金材は軽比重材ではあるが通常の熱処理加工を施しても鉄鋼材料と比較すれば強度その他に於いて大きく劣る。更にアルミニウム合金材は大気中では，最表面に不活性の酸化皮膜を生成するため、窒化処理等の表面硬化処理は難しい。そこで、アルミニウム合金材の表面硬さを向上させる表面硬化法も提案されている。その一つが次に示す一例である。
【０００３】
下記特許文献１には、イオン（プラズマ）窒化処理をする表面硬化方法が記載されている。この表面硬化方法では、先ずアルミニウム合金材の表面にメッキ法により鉄−クロム合金メッキ層を形成し、その後メッキされたアルミニウム合金材に対してイオン窒化処理を行う。このイオン窒化処理では、グロー放電によって窒素イオンが高いエネルギーをもって処理品の表面に衝突する。そして、窒素イオンが衝突の際に鉄−クロムと反応して処理品の表面から内部へ浸入拡散して、窒化クロムから成る５〜２０μｍの硬化（窒化）層が形成される。これにより、アルミニウム硬化材の表面のビッカース硬さを７００〜１２００ＨＶまで大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−２３５０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のイオン窒化処理には、以下の問題がある。
先ず、上記した非常に硬い硬化層を２０μｍ以上形成することが難しく、硬化層は非常に薄いものになる。その理由は、表面に窒化クロムが形成されることにより、窒素イオンを活性化させるグロー放電が持続し難くなり、窒素イオンが処理品の内部へ浸入拡散し難くなるためである。
そして、窒素イオンが浸入拡散しない部分、即ち硬化層が形成されない部分は、硬化層に比べて急激に軟らかくなっている。このため、上記特許文献１のアルミニウム硬化材は、表面から内部に向けて徐々に軟らかくなるものではなく、表面近傍にのみ非常に硬く且つ薄い硬化層を有するものになる。従って、摺動摩擦が極めて大きい場所で上記特許文献１のアルミニウム硬化材を用いる場合には、薄い硬化層が早く消耗して製品安全上好ましくない。また、上記特許文献１のアルミニウム硬化材にねじれ等が作用する場合には、硬化層の境界部分でひび割れ又は剥離が生じるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、表面が非常に硬く且つ表面から内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法は、マグネシウム元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化する方法であって、前記アルミニウム合金材の表面の酸化被膜を除去した上でニッケル層を１０μｍ以上形成する第１工程と、前記ニッケル層が形成されたアルミニウム合金材を５００度以上且つ６００度以下の温度で加熱し所定時間保持する第２工程とを有することを特徴とする。そして、前記第２工程では、前記ニッケル層の厚さ及び加熱する温度に基づいて、母材の中のマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンが前記ニッケル層の表面に向けて拡散し、クロスカップリング反応によって金属間化合物を表層部に形成するまで、所定時間保持することを必要とする。
【０００８】
本発明によれば、熱処理の加熱温度が５００度以上且つ６００度以下の高温雰囲気であるため、蒸気圧の低いＭｇ（マグネシウム）元素はイオン化して表層部に向かって活発に拡散運動する。その際、イオン化したＭｇ元素は周囲のイオン化したＡｌ（アルミニウム）元素を誘導してアルミニウム合金材の表層部に向かって移動する。そして、表層部へ誘導されたＡｌイオンは、表層部でイオン化されているＮｉ（ニッケル）元素と結合して、高硬度のAlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5等の金属間化合物（AlmNin）を生成させる。即ち、高温雰囲気においてＭｇ元素は触媒の働きをしてイオン化しているＡｌ元素とＮｉ元素を反応させて高硬度の金属間化合物を生成させる。この結果、硬化層の深さが例えばメッキ等で得られる硬化層の厚みの１．５倍以上の値になり、内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材を製造できる。
【０００９】
また、本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法において、前記第２工程では、１００Ｐａ以下の低真空状態の減圧室内で、加熱しても良い。この場合には、低い酸素濃度の状態で加熱処理が行われるため、表面が綺麗なアルミニウム硬化材を製造することができると共に、イオン化したＭｇ元素の触媒としての機能が活発になり、反応処理時間を短くすることができる。また、前記第２工程では、外熱型のイオン真空炉を用いてグロー放電で加熱しても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、表面が非常に硬く且つ表面から内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材を製造することができる。そして、製造されたアルミニウム硬化材は、自動車を構成する部品等で摺動摩擦が極めて大きい部位に用いても、硬化層が早く消耗することがなくて製品安全上好ましいものであり、ねじれ等が作用しても、硬化層の境界部分でひび割れ又は剥離が生じ難い。また、腕時計のバンドや腕時計の表示ケースに用いれば、軽くて傷が付き難い理想的な商品が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】母材であるアルミニウム合金材を示した概略図である。
【図２】第１工程により、ニッケル層及びクロム層が形成されたアルミニウム合金材を示した概略図である。
【図３】第２工程により、硬化層が形成されたアルミニウム硬化材を示した概略図である。
【図４】アルミニウムとマグネシウムの二元系合金の状態図である。
【図５】本実施形態のアルミニウム硬化材の硬さ推移曲線である。
【図６】本実施形態のアルミニウム硬化材の各スペクトルにおける各金属元素の重量％を示した成分表である。
【図７】マグネシウム元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化処理した場合に、表面部分の電子顕微鏡画像である。
【図８】アルミニウムとニッケルの二元状態図である。
【図９】比較例のアルミニウム硬化材の硬さ推移曲線である。
【図１０】比較例のアルミニウム硬化材の各スペクトルにおける各金属元素の重量％を示した成分表である。
【図１１】マグネシウムを含まないアルミニウム合金材を表面硬化処理した場合に、表面部分の電子顕微鏡画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、アルミニウム硬化材を製造するための母材であるアルミニウム合金材１０を示した概略図である。アルミニウム合金材１０は、ＪＩＳ規格で６０６１番のものであって、重量％でＭｇが０．８〜１．２％，Ｓｉが０．４〜０．８％，Ｆｅが０．７％，Ｃｕが０．１５〜０．４０％，Ｍｎが０．１５％，Ｃｒが０．０４〜０．３５％，Ｔｉが０．１５％，Ａｌが残り全て含まれるものである。ここで、アルミニウム合金材１０は、Ｍｇ元素を含むものであれば良く、例えばＪＩＳ規格で５０００番台、６０００番台のものであれば良い。このアルミニウム合金材１０は、以下に示す第１工程及び第２工程により、表面硬化処理されるようになっている。
【００１３】
＜第１工程＞
図２は、第１工程により、ニッケル層２０及びクロム層３０が形成されたアルミニウム合金材１０を示した概略図である。ここで、図１に示したアルミニウム合金材１０は、酸素との親和力が非常に大きいものであるため、表面に１００オングストローム程度の薄い酸化皮膜（アルミナ層）を有する。この酸化皮膜により、アルミニウム合金材１０の表面に密着性が良いメッキ層を直接形成することはできない。そこで、第１工程では、先ず、アルミニウム合金材１０を亜鉛酸溶液に浸して、酸化皮膜を除去する。酸化皮膜が除去されたアルミニウム合金材１０はメッキ液の中で次の工程へ移されるため、表面に新たに酸化皮膜が形成されることはない。そして、無電解メッキ法により、アルミニウム合金材１０の表面に１５μｍのニッケル層２０を形成する。その後、電気メッキ法により、ニッケル層２０の表面に０．２μｍのクロム層３０を形成する。このようにして、ニッケル層２０及びクロム層３０が形成されたアルミニウム合金材１０（以下、「メッキ層付合金材１０Ａ」と呼ぶ）が形成される。なお、本実施形態では、最表面の酸化を防止する目的でクロム層３０を形成したが、クロム層３０は実際には無くても問題ない。また、ニッケル層２０を形成する方法は、無電解メッキ法に限定されるものではなく、適宜変更可能であり、電気メッキ法やニッケル粉末接着法によってニッケル層２０を形成しても良い。
【００１４】
＜第２工程＞
図３は、第２工程により、硬化層Ｔ１が形成されたアルミニウム硬化材１０Ｂを示した概略図である。第２工程では、先ず減圧室（真空炉）内の酸素分圧を下げるため真空ポンプにより約０．１Ｔｏｒｒ（約１３．３Ｐａ）以下に排気する。その上で不活性ガスの窒素により約５００Ｔｏｒｒ（約６６５００Ｐａ）まで減圧室内を復圧する。この状態で４５０度〜５００度まで昇温する。これはガスの対流による熱伝導が真空輻射加熱より遙かに速いからである。４５０度〜５００度に雰囲気加熱で昇温した後、減圧室内の圧力を約２０Ｐａ（約２．０×１０−４ａｔｍ）の低真空状態まで減圧する。これはクロスカップリング反応をさせる準備である。この減圧雰囲気で減圧室を５５０度(量産時には６００度まで使用可)昇温し、６０分〜９０分均熱保持する。この間にアルミニウム合金材１０ＡのＭｇ元素はイオン化し、周囲のイオン化したＡｌイオンと一緒にアルミニウム合金材１０Ａの表層部のニッケル層２０へ移動拡散する。アルミニウム合金材１０Ａの表層部ではＭｇイオンに誘導されたＡｌイオンとＮｉイオンがクロスカップリング反応によって金属間化合物が連続生成されていく。５５０度×均熱時間６０分〜９０分の保持後、この真空雰囲気のまま５００度〜４５０度まで炉冷させる。このように徐々に冷却するのは生成された金属間化合物の剥離を防止するためである。即ち、クロスカップリング反応で出来た硬い金属間化合物の層と熱膨張しているコアーの母材との間は冷却に伴う両者の間にかなりの力の引張り応力が働いている筈である。両者の応力を小さく収縮させるためにはワークの冷却速度を小さくしておく必要がある。炉温が５００度〜４５０度付近になったら、５００Ｔｏｒｒに復圧し、常温付近までファン冷却させた後大気圧にして、出来上がったアルミニウム硬化材１０Ｂを取り出す。
また、イオン真空炉を使用してグロー放電で加熱処理を行うときには、減圧室内を外側から加熱する外熱型のイオン真空炉を用いることが好ましい。通常のイオン真空炉では質量の小さいワークを設定温度に加熱するのはグロー放電時のワーク表面で放電するイオン・スパッタリング期間中のみで持続的に設定温度に保持するのは困難である。従って、質量の小さい部品の量産を熱処理するには真空容器の外側に発熱体を有するイオン真空炉が必要となる。この場合には、加熱対象であるワーク（メッキ層付合金材１０Ａ）が冷えずに熱処理を行うことができて、加熱処理を安定して行うことができる。
なお、加熱処理は、通常の真空炉やイオン真空炉の他に、表面酸化や熱処理時間の長さを問わなければ、大気炉を用いても加熱処理を行うことができる。
【００１５】
ここで、上述した加熱温度を５５０度に設定する理由について、図４を用いて説明する。図４は、アルミニウムとマグネシウムとの二元系合金の状態図である。先ず、加熱温度は、図４に示した固相線ＳＬより上側の温度であり且つ図４に示した液相線ＬＬより下側の温度であることが必要である。即ち、４５０度以上であり且つ６６０度以下の温度である。これは、ＭｇとＡｌとの固相を溶融して、母材（アルミニウム合金材１０）中でイオン化したＭｇ及びＡｌを動き易くするためである。
ところで、Ａｌの融点は６６０度である。このため、メッキ層付合金材１０Ａを６６０度近傍まで加熱すると、Ａｌが固体から液体に変化して母材が塑性変形してしまう。一方、発明者は、上述した条件においてメッキ層付合金材１０Ａを４８０度まで加熱した場合に、ひび割れが生じやすくなることを実験的に確認した。従って、本実施形態において、メッキ層付合金材１０Ａを５００度以上であり且つ６００度以下の温度で加熱することが好ましいことを知得した。
【００１６】
また、上述した減圧室内の圧力を約２０Ｐａまで減圧したのは、低い酸素濃度の状態で加熱処理が行われるため、表面が綺麗なアルミニウム硬化材１０Ｂを製造できるためである。更に、母材内でイオン化したＭｇイオンが蒸発するように活発に移動し易くなり、反応処理時間を短くできるためである。但し、加熱処理は必ずしも１００Ｐａ以下のような低真空状態で行う必要はなく、大気圧の状態であっても処理時間がかかり、表面の多少の酸化が避けられないが熱処理を行うことができる。
【００１７】
次に、製造されたアルミニウム硬化材１０Ｂにおける金属元素の成分について、図６及び図７を用いて説明する。このアルミニウム硬化材１０Ｂは、走査電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＳＥＭ−ＥＤＸ）を用いて分析されている。図７は、アルミニウム硬化材１０Ｂの表面部分の電子顕微鏡画像であり、図６は、本実施形態のアルミニウム硬化材１０Ｂの各スペクトルにおける各金属元素の重量％を示した成分表である。なお、ＳＥＭ−ＥＤＸは、Ｈｉｔａｃｈｉ−Ｈｉｔｅｃ Ｓ−４８００＆Ｈｏｒｉｂａ ＥＸ３５０−ａｃｔが用いられている。また、分析条件として、加速電圧は２０ｋＶに設定されている。
【００１８】
図７において、アルミニウム硬化材１０Ｂの表面側の第１層Ｓ１、即ちスペクトル１〜３の範囲では、下側の第２層Ｓ２より色が濃くなっている。この第１層Ｓ１は極めて硬くなっている部分である。第１層Ｓ１より下側の第２層Ｓ２、即ちスペクトル４〜８の範囲で、色が薄くなっている。この第２層Ｓ２はニッケル層２０の性質が大きく残っている部分である。また、第２層Ｓ２より下側の第３層Ｓ３、即ちスペクトル９〜１１の範囲で、色が濃くなっている。この第３層Ｓ３は母材（アルミニウム合金材１０）の性質とニッケル層２０の性質とが混在している部分である。
【００１９】
図６において、スペクトル毎に表面からの深さ（μｍ）と各金属元素の重量％が示されている。ここで、先ず第１層Ｓ１において、特にＭｇ，Ａｌ，Ｎｉの重量％について説明する。第１層Ｓ１は、スペクトル１〜３の範囲であり、表面からの深さが０．００〜約３．７３μｍまでの部分である。この第１層Ｓ１は、第２工程を経る前に、表面に０．２μｍのクロム層３０が形成され、クロム層３０の下に１５μｍのニッケル層２０が形成されていた部分である。なお、クロム層３０は極めて薄い層であったため、Ｃｒの重量％については無視する。第２工程を経る前の第１層Ｓ１では、ニッケル層２０によってＮｉが極めて多く（例えば８０％以上）含まれている。しかし、第２工程を経た結果では、図６に示したように、第１層Ｓ１ではＮｉが２０％以下に減少した反面、Ａｌが７０％以上になっており、これらの現象では、Ｍｇ元素が母材内部から触媒（Ｍｇイオン）の働きをしながら表層部へ蒸発移動して表層部に５％以上残存したことによると考えられる。即ち、以下のことが考察できる。
【００２０】
第１層Ｓ１において、第２工程を経なければほとんど存在しないＭｇが、５％以上あるのは、第２工程により母材内部から表層部に向かってイオン化した状態で移動したものと考えられる。また、第２工程を経なければほとんど存在しないＡｌが、７０％以上であるのは、第２工程により母材内部から表面に向かって移動したＭｇ自身が同時に触媒の働きをして材料内部のＡｌをイオン化させ、表層部へ拡散させたためである。一方、第２工程を経なければ極めて多く存在しているはずのＮｉが、第２工程を経た後では２０％以下になっている。これは、第２工程においてＮｉがＭｇ及びＡｌの移動に伴って、母材の内部に向けて拡散し、母材のＡｌと結合し、AlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5等の金属間化合物（AlmNin）を生成したためである。ここで、図８は、アルミニウムとニッケルの二元状態図であり、横軸にＡｌとＮｉの各々の重量％の割合が示され、縦軸に温度が示されていて、ＡｌとＮｉの両者がどんな関係にあるかを示している。図８に示した二元状態図から、上述した５つの金属間化合物（AlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5）が生成されたことが分かる。
【００２１】
次に第２層Ｓ２において、特にＭｇ，Ａｌ，Ｎｉの重量％について説明する。第２層Ｓ２は、スペクトル４〜８の範囲であり、表面からの深さが５．５３〜２６．９μｍまでの部分である。この第２層Ｓ２は、第２工程を経る前に、上側部分Ｓ２ａ（スペクトル４，５の範囲）でニッケル層２０が形成されていた部分であり、下側部分Ｓ２ｂ（スペクトル６〜８の範囲）で母材であった部分である。このため、第２工程を経る前の第２層Ｓ２の上側部分Ｓ２ａでは、ニッケル層２０によってＮｉが極めて多く含まれている。また、第２工程を経る前の第２層Ｓ２の下側部分Ｓ２ｂでは、母材によってＡｌが極めて多く含まれている。しかし、第２工程を経た結果、図６に示したように、第２層Ｓ２ではＮｉ元素が３０％以上且つ５０％以下になっていて、Ａｌ元素が７０％以下且つ５０％以上になっていて、Ｍｇ元素が５％以下になっている。この結果により、以下のことが考察できる。
【００２２】
第２層Ｓ２でＭｇが第１層Ｓ１より少ないのは、第２工程によりＭｇが母材から第１層へ多く移動したためである。また、第２層Ｓ２の上側部分Ｓ２ａにおいて、第２工程を経なければほとんど存在しないＡｌ元素が、７０％以下且つ５０％以上であるのは、第２工程によりＡｌが母材及び第２層Ｓ２の下側部分Ｓ２ｂから移動してきたためである。また、第２層Ｓ２の下側部分Ｓ２ｂにおいて、第２工程を経なければほとんど存在しないＮｉが、３０％以上且つ５０％以下であることを示しているのは、第２工程によりＮｉが第１層Ｓ１及び第２層Ｓ２の上側部分Ｓ２ａから移動してきたためである。
【００２３】
続いて第３層Ｓ３において、特にＭｇ，Ａｌ，Ｎｉの重量％について説明する。第３層Ｓ３は、スペクトル９〜１１の範囲であり、表面からの深さが３０．４４〜３８．９μｍまでの部分である。この第３層Ｓ３は、第２工程を経る前に母材であった部分である。このため、第２工程を経る前の第３層Ｓ３では、Ａｌが極めて多く含まれている。しかし、第２工程を経た結果、図６に示したように、第３層Ｓ３において、内部側に（スペクトル９からスペクトル１１に）向かうに従ってＡｌの重量％が増加していて、スペクトル１１でＡｌが９０％以上であることを示している。また、図７に示したように、第３層Ｓ３において、内部側に向かうに従ってＮｉの重量％が減少していて、スペクトル１１でＮｉが１％以下である。このことから、第３層Ｓ３において内部側に向かうに従って、母材の性質に近づいていて、第２工程による表面硬化処理の影響が小さくなっている。
【００２４】
次に、アルミニウム硬化材１０Ｂのビッカース硬さ（ＨＶ）と表面からの深さ（μｍ）との関係について、図５を用いて説明する。なお、図５に示したアルミニウム硬化材１０Ｂの硬さ推移曲線は、以下の方法により作成されている。先ず、アルミニウム硬化材１０Ｂを表面に対して垂直に切断し、切断面を研磨仕上げして被検面とする。そして、被検面の測定しようとする位置について、アルミニウム硬化材１０Ｂを送りながらビッカース硬さ試験により順次測定を行う。こうして、硬さ推移曲線が作成される。
【００２５】
図５に示したように、このアルミニウム硬化材１０Ｂでは、母材としてのビッカース硬さが８４ＨＶであり、深さが７５μｍでビッカース硬さが９５ＨＶとなっている。アルミニウム硬化材１０Ｂの硬化層Ｔ１は、金属間化合物（AlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5）が生成された層である。そして、表面でビッカース硬さが７８０ＨＶであり、表面から２０μｍの深さでビッカース硬さが７４２ＨＶであるため、表面部分が非常に硬いものである。これは、図６に示した第１層Ｓ１（スペクトル１からスペクトル３）の領域のＡｌとＮｉの分布状況から推測できる。更に、表面から５０μｍの深さでビッカース硬さが２３７ＨＶであるため、硬化層Ｔ１が厚くて表面から内部に向けて徐々に軟らかくものである。即ち、最表面から２０μｍを超えた領域から金属間化合物（AlmNin）を生成させるためのＮｉイオンの重量％が３０％以下になり、硬度が下がって行く。
【００２６】
ところで、発明者は、上述したような硬化層Ｔ１が形成される理由がアルミニウム合金材１０に含まれるＭｇ元素が原因ではないかと考えた。そこで、発明者は、Ｍｇ元素が含まれているアルミニウム合金材１０に換えて、Ｍｇ元素が含まれていないアルミニウム合金材４０を用いて、上述した第１工程及び第２工程と同様の表面硬化処理を行い、比較例としてアルミニウム硬化材（以下、アルミニウム硬化材４０Ｂと呼ぶ）を製造した。なお、母材として用いたアルミニウム合金材４０は、ＪＩＳ規格で２０１１番のものであって、重量％でＳｉが０．４０％，Ｆｅが０．７％，Ｃｕが５．０〜６．０％，Ｚｎが０．３％，Ｐｂが０．２〜０．６％又はＢｉが０．２〜０．６％，Ａｌが残り全て含まれるものである。製造されたアルミニウム硬化材４０Ｂにおける金属元素の成分について、図１０及び図１１を用いて説明する。
【００２７】
図１１では、アルミニウム硬化材４０Ｂの表面側の第１層Ｕ１、即ちスペクトル１〜３の範囲で、色が薄くなっている。そして、図１０でスペクトル１〜３を見ると、Ｎｉが極めて多く含まれているのに対して、Ａｌが全く含まれていない。また、図１１では、第１層Ｕ１より下側の第２層Ｕ２、即ちスペクトル４で、色が第１層Ｕ１より濃くなっている。そして、図１０でスペクトル４を見ると、Ｎｉが第１層Ｕ１より少ないのに対して、Ａｌが第１層Ｕ１より多くなっている。そして、図１０でスペクトル５〜６を見ると、Ｎｉがほとんど含まれていないのに対して、Ａｌが極めて多く含まれている。このことから、アルミニウム硬化材４０Ｂは、アルミニウム硬化材１０ＢのようにＡｌが母材から表面に向かって拡散したものではなく、表面側にニッケル層を構成していたＮｉが多く残っているものである。
【００２８】
次に、アルミニウム硬化材４０Ｂのビッカース硬さ（ＨＶ）と表面からの深さ（μｍ）との関係について、図９を用いて説明する。アルミニウム硬化材４０Ｂでは、図９に示したように、母材としてのビッカース硬さが７３〜７９ＨＶであり、深さが２０μｍでビッカース硬さが６４ＨＶとなっている。このため、アルミニウム硬化材４０Ｂは、表面から約１５μｍ程度の深さまで母材より硬い硬化層を有する。しかし、アルミニウム硬化材４０Ｂは、元々１５μｍのニッケル層が形成されていたものであって、硬化層の硬さはニッケル層の硬さと同様である。従って、硬化層は、第２工程により新たに形成されたものではなく、ニッケル層がそのまま残ったものである。
【００２９】
本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態によれば、高温雰囲気で加熱することで、蒸気圧の低いＭｇ元素はイオン化して表層部に向かって活発に拡散運動する。その際、イオン化したＭｇ元素は周囲のイオン化したＡｌ元素を誘導して表層部に向かって移動する。そして、表層部へ誘導されたＡｌイオンは、表層部でイオン化されているＮｉ元素と結合して、高硬度の金属間化合物（AlmNin）を生成させる。即ち、高温雰囲気においてＭｇ元素は触媒の働きをしてイオン化しているＡｌ元素とＮｉ元素を、クロスカップリング反応させて高硬度の金属間化合物を生成させる。この結果、硬化層Ｔ１の深さが例えばメッキ等で得られる硬化層の厚みの１．５倍以上の値になり、内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層Ｔ１を有するアルミニウム硬化材１０Ｂを製造できる。
【００３０】
そして、本実施形態によって製造されたアルミニウム硬化材１０Ｂは、自動車を構成する部品、例えば摺動等の摩擦を受ける部分であるシリンダや弁等に用いることができ、表面でビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であり且つ表面から少なくとも２０μｍの深さでビッカース硬さが７００ＨＶ以上であるため、表面部分が非常に硬い。特に、表面から少なくとも５０μｍの深さでビッカース硬さが２００ＨＶ以上であるため、硬化層Ｔ１が厚くて表面から内部に向けて徐々に軟らかくなるものである。従って、このアルミニウム硬化材１０Ｂは、摺動摩擦が極めて大きい部位に用いても、硬化層Ｔ１が早く消耗することがなくて製品安全上好ましいものであり、ねじれ等が作用しても、硬化層の境界部分でひび割れ又は剥離は生じ難い。
他方、腕時計のバンドには従来から錆び難いステンレス製のものが利用されているが、比較的重くオーステナイト系ステンレス材で構成されているため、部品表面が軟らかく傷も付き易い。一方、製造されたアルミニウム硬化材１０Ｂを腕時計のバンドに用いれば、表面が金属間化合物（AlmNin）によってビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であるため、軽くて傷が付き難い理想的な商品が期待できる。
【００３１】
なお、発明者は、１５μｍのニッケル層２０と０．２μｍのクロム層３０が形成されたアルミニウム合金材１０に換えて、１５μｍのクロム層３０のみが形成されたアルミニウム合金材１０に対して第２工程の表面硬化処理を行った。この場合には、クロム層３０の最表面のビッカース硬さは１０４８ＨＶであったが、製造されたアルミニウム硬化材の硬化層は、破砕状に剥がれてしまった。従って、発明者は、ニッケル層２０が形成されたアルミニウム合金材１０に対して第２工程の表面硬化処理を行うことの有効性を確認した。
【００３２】
なお、ニッケル層２０の厚さが大きくなる程、また加熱温度が低くなる程、母材の中のＭｇイオン及びＡｌイオンがニッケル層２０の表面に向けて拡散するまでの時間が多くなる。このため、メッキ層付合金材１０Ａを加熱保持する所定時間は、ニッケル層２０の厚さ及び加熱温度に基づいて、母材の中のＭｇイオン及びＡｌイオンがニッケル層２０の表面に向けて拡散するとともに、ニッケル層２０の中のＮｉイオンが母材の内部に向けて拡散するまでの時間を考慮して設定される。
【００３３】
以上、本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、アルミニウム合金材１０の酸化皮膜を除去する方法は、亜鉛酸液に浸す方法に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法によって酸化皮膜を除去しても良い。
【００３４】
また、クロム層３０の厚さ（０．２μｍ）、加熱温度（５５０度）、減圧室内の圧力（約２０Ｐａ）、第２工程の処理時間（６０分〜９０分）は、上記した数値に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
また、本実施形態では、厚さが１５μｍのニッケル層２０を形成したが、厚さが１０μｍ以上であれば少なくとも１．５倍以上である１５μｍの金属間化合物の硬化層を形成することができる。従って、ニッケル層２０の厚さは１０μｍ以上であれば適宜変更可能である。
【００３５】
なお、高硬度の金属間化合物の硬化層が生成される時間と厚さは、設定する熱処理時間（５００度以上且つ６００度以下の温度）と保持時間によって決まる。そして、母材であるアルミニウム合金材の熱膨張・収縮率は大きいが、生成される硬化層の熱膨張・収縮率は極めて小さい。従って、熱処理が終了し、常温まで試料が冷却される段階で硬化した表層部（硬化層）と母材の非硬化部の間には、表層部の抗長力Ａ１と非硬化部の収縮による引張応力Ｂ１が働く。引張応力Ｂ１が抗長力Ａ１より大きい場合には、硬化層が剥離するおそれがあるため、アルミニウム合金材の厚さの２分の１である部分から引張応力Ｂ１を算出し、この引張応力Ｂ１を超える抗張力Ａ１を算定して、アルミニウム合金材の表面に形成するニッケル層の厚さを決定すれば良い。
【符号の説明】
【００３６】
１０ アルミニウム合金材
１０Ａ メッキ層付合金材
１０Ｂ アルミニウム硬化材
Ｔ１ 硬化層
Ｓ１ 第１層
Ｓ２ 第２層
Ｓ３ 第３層
２０ ニッケル層
３０ クロム層
４０ アルミニウム合金材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍｇ元素を含有するアルミニウム合金材の表面に適当な膜厚のニッケル層を形成した後５００度〜６００度に加熱すると、Ｍｇイオンを触媒としたクロス・カップリング反応によって，表層部に高硬度のAlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5等（以下適宜AlmNinと呼ぶ）の金属間化合物の皮膜が出来ることを示す加工方法である。
【背景技術】
【０００２】
これまで自動車の構成部品の大部分は比較的比重の大きい鉄鋼製部品で構成されてきたが、燃費を向上させるために、鉄鋼製部品に代わる比重が小さくて軽い基材が求められてきた。そこで鉄の比重の約三分の一のアルミニウム合金材が代替材料として着目されて来た。しかし、アルミニウム合金材は軽比重材ではあるが通常の熱処理加工を施しても鉄鋼材料と比較すれば強度その他に於いて大きく劣る。更にアルミニウム合金材は大気中では，最表面に不活性の酸化皮膜を生成するため、窒化処理等の表面硬化処理は難しい。そこで、アルミニウム合金材の表面硬さを向上させる表面硬化法も提案されている。その一つが次に示す一例である。
【０００３】
下記特許文献１には、イオン（プラズマ）窒化処理をする表面硬化方法が記載されている。この表面硬化方法では、先ずアルミニウム合金材の表面にメッキ法により鉄−クロム合金メッキ層を形成し、その後メッキされたアルミニウム合金材に対してイオン窒化処理を行う。このイオン窒化処理では、グロー放電によって窒素イオンが高いエネルギーをもって処理品の表面に衝突する。そして、窒素イオンが衝突の際に鉄−クロムと反応して処理品の表面から内部へ浸入拡散して、窒化クロムから成る５〜２０μｍの硬化（窒化）層が形成される。これにより、アルミニウム硬化材の表面のビッカース硬さを７００〜１２００ＨＶまで大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−２３５０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のイオン窒化処理には、以下の問題がある。
先ず、上記した非常に硬い硬化層を２０μｍ以上形成することが難しく、硬化層は非常に薄いものになる。その理由は、表面に窒化クロムが形成されることにより、窒素イオンを活性化させるグロー放電が持続し難くなり、窒素イオンが処理品の内部へ浸入拡散し難くなるためである。
そして、窒素イオンが浸入拡散しない部分、即ち硬化層が形成されない部分は、硬化層に比べて急激に軟らかくなっている。このため、上記特許文献１のアルミニウム硬化材は、表面から内部に向けて徐々に軟らかくなるものではなく、表面近傍にのみ非常に硬く且つ薄い硬化層を有するものになる。従って、摺動摩擦が極めて大きい場所で上記特許文献１のアルミニウム硬化材を用いる場合には、薄い硬化層が早く消耗して製品安全上好ましくない。また、上記特許文献１のアルミニウム硬化材にねじれ等が作用する場合には、硬化層の境界部分でひび割れ又は剥離が生じるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、表面が非常に硬く且つ表面から内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法は、マグネシウム元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化する方法であって、前記アルミニウム合金材の表面の酸化被膜を除去した上でニッケル層を１０μｍ以上形成する第１工程と、前記ニッケル層が形成されたアルミニウム合金材を５００度以上且つ６００度以下の温度で加熱し所定時間保持する第２工程とを有することを特徴とする。そして、前記第２工程では、前記ニッケル層の厚さ及び加熱する温度に基づいて、母材の中のマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンが前記ニッケル層の表面に向けて拡散し、クロスカップリング反応によって金属間化合物を表層部に形成するまで、所定時間保持することを必要とする。
【０００８】
本発明によれば、熱処理の加熱温度が５００度以上且つ６００度以下の高温雰囲気であるため、蒸気圧の低いＭｇ（マグネシウム）元素はイオン化して表層部に向かって活発に拡散運動する。その際、イオン化したＭｇ元素は周囲のイオン化したＡｌ（アルミニウム）元素を誘導してアルミニウム合金材の表層部に向かって移動する。そして、表層部へ誘導されたＡｌイオンは、表層部でイオン化されているＮｉ（ニッケル）元素と結合して、高硬度のAlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5等の金属間化合物（AlmNin）を生成させる。即ち、高温雰囲気においてＭｇ元素は触媒の働きをしてイオン化しているＡｌ元素とＮｉ元素を反応させて高硬度の金属間化合物を生成させる。この結果、硬化層の深さが例えばメッキ等で得られる硬化層の厚みの１．５倍以上の値になり、内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材を製造できる。
【０００９】
また、本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法において、前記第２工程では、１００Ｐａ以下の低真空状態の減圧室内で、加熱しても良い。この場合には、低い酸素濃度の状態で加熱処理が行われるため、表面が綺麗なアルミニウム硬化材を製造することができると共に、イオン化したＭｇ元素の触媒としての機能が活発になり、反応処理時間を短くすることができる。また、前記第２工程では、外熱型のイオン真空炉を用いてグロー放電で加熱しても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、表面が非常に硬く且つ表面から内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層を有するアルミニウム硬化材を製造することができる。そして、製造されたアルミニウム硬化材は、自動車を構成する部品等で摺動摩擦が極めて大きい部位に用いても、硬化層が早く消耗することがなくて製品安全上好ましいものであり、ねじれ等が作用しても、硬化層の境界部分でひび割れ又は剥離が生じ難い。また、腕時計のバンドや腕時計の表示ケースに用いれば、軽くて傷が付き難い理想的な商品が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】母材であるアルミニウム合金材を示した概略図である。
【図２】第１工程により、ニッケル層及びクロム層が形成されたアルミニウム合金材を示した概略図である。
【図３】第２工程により、硬化層が形成されたアルミニウム硬化材を示した概略図である。
【図４】アルミニウムとマグネシウムの二元系合金の状態図である。
【図５】本実施形態のアルミニウム硬化材の硬さ推移曲線である。
【図６】本実施形態のアルミニウム硬化材の各スペクトルにおける各金属元素の重量％を示した成分表である。
【図７】マグネシウム元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化処理した場合に、表面部分の電子顕微鏡画像である。
【図８】アルミニウムとニッケルの二元状態図である。
【図９】比較例のアルミニウム硬化材の硬さ推移曲線である。
【図１０】比較例のアルミニウム硬化材の各スペクトルにおける各金属元素の重量％を示した成分表である。
【図１１】マグネシウムを含まないアルミニウム合金材を表面硬化処理した場合に、表面部分の電子顕微鏡画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、アルミニウム硬化材を製造するための母材であるアルミニウム合金材１０を示した概略図である。アルミニウム合金材１０は、ＪＩＳ規格で６０６１番のものであって、重量％でＭｇが０．８〜１．２％，Ｓｉが０．４〜０．８％，Ｆｅが０．７％，Ｃｕが０．１５〜０．４０％，Ｍｎが０．１５％，Ｃｒが０．０４〜０．３５％，Ｔｉが０．１５％，Ａｌが残り全て含まれるものである。ここで、アルミニウム合金材１０は、Ｍｇ元素を含むものであれば良く、例えばＪＩＳ規格で５０００番台、６０００番台のものであれば良い。このアルミニウム合金材１０は、以下に示す第１工程及び第２工程により、表面硬化処理されるようになっている。
【００１３】
＜第１工程＞
図２は、第１工程により、ニッケル層２０及びクロム層３０が形成されたアルミニウム合金材１０を示した概略図である。ここで、図１に示したアルミニウム合金材１０は、酸素との親和力が非常に大きいものであるため、表面に１００オングストローム程度の薄い酸化皮膜（アルミナ層）を有する。この酸化皮膜により、アルミニウム合金材１０の表面に密着性が良いメッキ層を直接形成することはできない。そこで、第１工程では、先ず、アルミニウム合金材１０を亜鉛酸溶液に浸して、酸化皮膜を除去する。酸化皮膜が除去されたアルミニウム合金材１０はメッキ液の中で次の工程へ移されるため、表面に新たに酸化皮膜が形成されることはない。そして、無電解メッキ法により、アルミニウム合金材１０の表面に１５μｍのニッケル層２０を形成する。その後、電気メッキ法により、ニッケル層２０の表面に０．２μｍのクロム層３０を形成する。このようにして、ニッケル層２０及びクロム層３０が形成されたアルミニウム合金材１０（以下、「メッキ層付合金材１０Ａ」と呼ぶ）が形成される。なお、本実施形態では、最表面の酸化を防止する目的でクロム層３０を形成したが、クロム層３０は実際には無くても問題ない。また、ニッケル層２０を形成する方法は、無電解メッキ法に限定されるものではなく、適宜変更可能であり、電気メッキ法やニッケル粉末接着法によってニッケル層２０を形成しても良い。
【００１４】
＜第２工程＞
図３は、第２工程により、硬化層Ｔ１が形成されたアルミニウム硬化材１０Ｂを示した概略図である。第２工程では、先ず減圧室（真空炉）内の酸素分圧を下げるため真空ポンプにより約０．１Ｔｏｒｒ（約１３．３Ｐａ）以下に排気する。その上で不活性ガスの窒素により約５００Ｔｏｒｒ（約６６５００Ｐａ）まで減圧室内を復圧する。この状態で４５０度〜５００度まで昇温する。これはガスの対流による熱伝導が真空輻射加熱より遙かに速いからである。４５０度〜５００度に雰囲気加熱で昇温した後、減圧室内の圧力を約２０Ｐａ（約２．０×１０−４ａｔｍ）の低真空状態まで減圧する。これはクロスカップリング反応をさせる準備である。この減圧雰囲気で減圧室を５５０度(量産時には６００度まで使用可)昇温し、６０分〜９０分均熱保持する。この間にアルミニウム合金材１０ＡのＭｇ元素はイオン化し、周囲のイオン化したＡｌイオンと一緒にアルミニウム合金材１０Ａの表層部のニッケル層２０へ移動拡散する。アルミニウム合金材１０Ａの表層部ではＭｇイオンに誘導されたＡｌイオンとＮｉイオンがクロスカップリング反応によって金属間化合物が連続生成されていく。５５０度×均熱時間６０分〜９０分の保持後、この真空雰囲気のまま５００度〜４５０度まで炉冷させる。このように徐々に冷却するのは生成された金属間化合物の剥離を防止するためである。即ち、クロスカップリング反応で出来た硬い金属間化合物の層と熱膨張しているコアーの母材との間は冷却に伴う両者の間にかなりの力の引張り応力が働いている筈である。両者の応力を小さく収縮させるためにはワークの冷却速度を小さくしておく必要がある。炉温が５００度〜４５０度付近になったら、５００Ｔｏｒｒに復圧し、常温付近までファン冷却させた後大気圧にして、出来上がったアルミニウム硬化材１０Ｂを取り出す。
また、イオン真空炉を使用してグロー放電で加熱処理を行うときには、減圧室内を外側から加熱する外熱型のイオン真空炉を用いることが好ましい。通常のイオン真空炉では質量の小さいワークを設定温度に加熱するのはグロー放電時のワーク表面で放電するイオン・スパッタリング期間中のみで持続的に設定温度に保持するのは困難である。従って、質量の小さい部品の量産を熱処理するには真空容器の外側に発熱体を有するイオン真空炉が必要となる。この場合には、加熱対象であるワーク（メッキ層付合金材１０Ａ）が冷えずに熱処理を行うことができて、加熱処理を安定して行うことができる。
なお、加熱処理は、通常の真空炉やイオン真空炉の他に、表面酸化や熱処理時間の長さを問わなければ、大気炉を用いても加熱処理を行うことができる。
【００１５】
ここで、上述した加熱温度を５５０度に設定する理由について、図４を用いて説明する。図４は、アルミニウムとマグネシウムとの二元系合金の状態図である。先ず、加熱温度は、図４に示した固相線ＳＬより上側の温度であり且つ図４に示した液相線ＬＬより下側の温度であることが必要である。即ち、４５０度以上であり且つ６６０度以下の温度である。これは、ＭｇとＡｌとの固相を溶融して、母材（アルミニウム合金材１０）中でイオン化したＭｇ及びＡｌを動き易くするためである。
ところで、Ａｌの融点は６６０度である。このため、メッキ層付合金材１０Ａを６６０度近傍まで加熱すると、Ａｌが固体から液体に変化して母材が塑性変形してしまう。一方、発明者は、上述した条件においてメッキ層付合金材１０Ａを４８０度まで加熱した場合に、ひび割れが生じやすくなることを実験的に確認した。従って、本実施形態において、メッキ層付合金材１０Ａを５００度以上であり且つ６００度以下の温度で加熱することが好ましいことを知得した。
【００１６】
また、上述した減圧室内の圧力を約２０Ｐａまで減圧したのは、低い酸素濃度の状態で加熱処理が行われるため、表面が綺麗なアルミニウム硬化材１０Ｂを製造できるためである。更に、母材内でイオン化したＭｇイオンが蒸発するように活発に移動し易くなり、反応処理時間を短くできるためである。但し、加熱処理は必ずしも１００Ｐａ以下のような低真空状態で行う必要はなく、大気圧の状態であっても処理時間がかかり、表面の多少の酸化が避けられないが熱処理を行うことができる。
【００１７】
次に、製造されたアルミニウム硬化材１０Ｂにおける金属元素の成分について、図６及び図７を用いて説明する。このアルミニウム硬化材１０Ｂは、走査電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＳＥＭ−ＥＤＸ）を用いて分析されている。図７は、アルミニウム硬化材１０Ｂの表面部分の電子顕微鏡画像であり、図６は、本実施形態のアルミニウム硬化材１０Ｂの各スペクトルにおける各金属元素の重量％を示した成分表である。なお、ＳＥＭ−ＥＤＸは、Ｈｉｔａｃｈｉ−Ｈｉｔｅｃ Ｓ−４８００＆Ｈｏｒｉｂａ ＥＸ３５０−ａｃｔが用いられている。また、分析条件として、加速電圧は２０ｋＶに設定されている。
【００１８】
図７において、アルミニウム硬化材１０Ｂの表面側の第１層Ｓ１、即ちスペクトル１〜３の範囲では、下側の第２層Ｓ２より色が濃くなっている。この第１層Ｓ１は極めて硬くなっている部分である。第１層Ｓ１より下側の第２層Ｓ２、即ちスペクトル４〜８の範囲で、色が薄くなっている。この第２層Ｓ２はニッケル層２０の性質が大きく残っている部分である。また、第２層Ｓ２より下側の第３層Ｓ３、即ちスペクトル９〜１１の範囲で、色が濃くなっている。この第３層Ｓ３は母材（アルミニウム合金材１０）の性質とニッケル層２０の性質とが混在している部分である。
【００１９】
図６において、スペクトル毎に表面からの深さ（μｍ）と各金属元素の重量％が示されている。ここで、先ず第１層Ｓ１において、特にＭｇ，Ａｌ，Ｎｉの重量％について説明する。第１層Ｓ１は、スペクトル１〜３の範囲であり、表面からの深さが０．００〜約３．７３μｍまでの部分である。この第１層Ｓ１は、第２工程を経る前に、表面に０．２μｍのクロム層３０が形成され、クロム層３０の下に１５μｍのニッケル層２０が形成されていた部分である。なお、クロム層３０は極めて薄い層であったため、Ｃｒの重量％については無視する。第２工程を経る前の第１層Ｓ１では、ニッケル層２０によってＮｉが極めて多く（例えば８０％以上）含まれている。しかし、第２工程を経た結果では、図６に示したように、第１層Ｓ１ではＮｉが２０％以下に減少した反面、Ａｌが７０％以上になっており、これらの現象では、Ｍｇ元素が母材内部から触媒（Ｍｇイオン）の働きをしながら表層部へ蒸発移動して表層部に５％以上残存したことによると考えられる。即ち、以下のことが考察できる。
【００２０】
第１層Ｓ１において、第２工程を経なければほとんど存在しないＭｇが、５％以上あるのは、第２工程により母材内部から表層部に向かってイオン化した状態で移動したものと考えられる。また、第２工程を経なければほとんど存在しないＡｌが、７０％以上であるのは、第２工程により母材内部から表面に向かって移動したＭｇ自身が同時に触媒の働きをして材料内部のＡｌをイオン化させ、表層部へ拡散させたためである。一方、第２工程を経なければ極めて多く存在しているはずのＮｉが、第２工程を経た後では２０％以下になっている。これは、第２工程においてＮｉがＭｇ及びＡｌの移動に伴って、母材の内部に向けて拡散し、母材のＡｌと結合し、AlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5等の金属間化合物（AlmNin）を生成したためである。ここで、図８は、アルミニウムとニッケルの二元状態図であり、横軸にＡｌとＮｉの各々の重量％の割合が示され、縦軸に温度が示されていて、ＡｌとＮｉの両者がどんな関係にあるかを示している。図８に示した二元状態図から、上述した５つの金属間化合物（AlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5）が生成されたことが分かる。
【００２１】
次に第２層Ｓ２において、特にＭｇ，Ａｌ，Ｎｉの重量％について説明する。第２層Ｓ２は、スペクトル４〜８の範囲であり、表面からの深さが５．５３〜２６．９μｍまでの部分である。この第２層Ｓ２は、第２工程を経る前に、上側部分Ｓ２ａ（スペクトル４，５の範囲）でニッケル層２０が形成されていた部分であり、下側部分Ｓ２ｂ（スペクトル６〜８の範囲）で母材であった部分である。このため、第２工程を経る前の第２層Ｓ２の上側部分Ｓ２ａでは、ニッケル層２０によってＮｉが極めて多く含まれている。また、第２工程を経る前の第２層Ｓ２の下側部分Ｓ２ｂでは、母材によってＡｌが極めて多く含まれている。しかし、第２工程を経た結果、図６に示したように、第２層Ｓ２ではＮｉ元素が３０％以上且つ５０％以下になっていて、Ａｌ元素が７０％以下且つ５０％以上になっていて、Ｍｇ元素が５％以下になっている。この結果により、以下のことが考察できる。
【００２２】
第２層Ｓ２でＭｇが第１層Ｓ１より少ないのは、第２工程によりＭｇが母材から第１層へ多く移動したためである。また、第２層Ｓ２の上側部分Ｓ２ａにおいて、第２工程を経なければほとんど存在しないＡｌ元素が、７０％以下且つ５０％以上であるのは、第２工程によりＡｌが母材及び第２層Ｓ２の下側部分Ｓ２ｂから移動してきたためである。また、第２層Ｓ２の下側部分Ｓ２ｂにおいて、第２工程を経なければほとんど存在しないＮｉが、３０％以上且つ５０％以下であることを示しているのは、第２工程によりＮｉが第１層Ｓ１及び第２層Ｓ２の上側部分Ｓ２ａから移動してきたためである。
【００２３】
続いて第３層Ｓ３において、特にＭｇ，Ａｌ，Ｎｉの重量％について説明する。第３層Ｓ３は、スペクトル９〜１１の範囲であり、表面からの深さが３０．４４〜３８．９μｍまでの部分である。この第３層Ｓ３は、第２工程を経る前に母材であった部分である。このため、第２工程を経る前の第３層Ｓ３では、Ａｌが極めて多く含まれている。しかし、第２工程を経た結果、図６に示したように、第３層Ｓ３において、内部側に（スペクトル９からスペクトル１１に）向かうに従ってＡｌの重量％が増加していて、スペクトル１１でＡｌが９０％以上であることを示している。また、図７に示したように、第３層Ｓ３において、内部側に向かうに従ってＮｉの重量％が減少していて、スペクトル１１でＮｉが１％以下である。このことから、第３層Ｓ３において内部側に向かうに従って、母材の性質に近づいていて、第２工程による表面硬化処理の影響が小さくなっている。
【００２４】
次に、アルミニウム硬化材１０Ｂのビッカース硬さ（ＨＶ）と表面からの深さ（μｍ）との関係について、図５を用いて説明する。なお、図５に示したアルミニウム硬化材１０Ｂの硬さ推移曲線は、以下の方法により作成されている。先ず、アルミニウム硬化材１０Ｂを表面に対して垂直に切断し、切断面を研磨仕上げして被検面とする。そして、被検面の測定しようとする位置について、アルミニウム硬化材１０Ｂを送りながらビッカース硬さ試験により順次測定を行う。こうして、硬さ推移曲線が作成される。
【００２５】
図５に示したように、このアルミニウム硬化材１０Ｂでは、母材としてのビッカース硬さが８４ＨＶであり、深さが７５μｍでビッカース硬さが９５ＨＶとなっている。アルミニウム硬化材１０Ｂの硬化層Ｔ１は、金属間化合物（AlNi，Al3Ni，Al3Ni2，AlNi3，Al3Ni5）が生成された層である。そして、表面でビッカース硬さが７８０ＨＶであり、表面から２０μｍの深さでビッカース硬さが７４２ＨＶであるため、表面部分が非常に硬いものである。これは、図６に示した第１層Ｓ１（スペクトル１からスペクトル３）の領域のＡｌとＮｉの分布状況から推測できる。更に、表面から５０μｍの深さでビッカース硬さが２３７ＨＶであるため、硬化層Ｔ１が厚くて表面から内部に向けて徐々に軟らかくものである。即ち、最表面から２０μｍを超えた領域から金属間化合物（AlmNin）を生成させるためのＮｉイオンの重量％が３０％以下になり、硬度が下がって行く。
【００２６】
ところで、発明者は、上述したような硬化層Ｔ１が形成される理由がアルミニウム合金材１０に含まれるＭｇ元素が原因ではないかと考えた。そこで、発明者は、Ｍｇ元素が含まれているアルミニウム合金材１０に換えて、Ｍｇ元素が含まれていないアルミニウム合金材４０を用いて、上述した第１工程及び第２工程と同様の表面硬化処理を行い、比較例としてアルミニウム硬化材（以下、アルミニウム硬化材４０Ｂと呼ぶ）を製造した。なお、母材として用いたアルミニウム合金材４０は、ＪＩＳ規格で２０１１番のものであって、重量％でＳｉが０．４０％，Ｆｅが０．７％，Ｃｕが５．０〜６．０％，Ｚｎが０．３％，Ｐｂが０．２〜０．６％又はＢｉが０．２〜０．６％，Ａｌが残り全て含まれるものである。製造されたアルミニウム硬化材４０Ｂにおける金属元素の成分について、図１０及び図１１を用いて説明する。
【００２７】
図１１では、アルミニウム硬化材４０Ｂの表面側の第１層Ｕ１、即ちスペクトル１〜３の範囲で、色が薄くなっている。そして、図１０でスペクトル１〜３を見ると、Ｎｉが極めて多く含まれているのに対して、Ａｌが全く含まれていない。また、図１１では、第１層Ｕ１より下側の第２層Ｕ２、即ちスペクトル４で、色が第１層Ｕ１より濃くなっている。そして、図１０でスペクトル４を見ると、Ｎｉが第１層Ｕ１より少ないのに対して、Ａｌが第１層Ｕ１より多くなっている。そして、図１０でスペクトル５〜６を見ると、Ｎｉがほとんど含まれていないのに対して、Ａｌが極めて多く含まれている。このことから、アルミニウム硬化材４０Ｂは、アルミニウム硬化材１０ＢのようにＡｌが母材から表面に向かって拡散したものではなく、表面側にニッケル層を構成していたＮｉが多く残っているものである。
【００２８】
次に、アルミニウム硬化材４０Ｂのビッカース硬さ（ＨＶ）と表面からの深さ（μｍ）との関係について、図９を用いて説明する。アルミニウム硬化材４０Ｂでは、図９に示したように、母材としてのビッカース硬さが７３〜７９ＨＶであり、深さが２０μｍでビッカース硬さが６４ＨＶとなっている。このため、アルミニウム硬化材４０Ｂは、表面から約１５μｍ程度の深さまで母材より硬い硬化層を有する。しかし、アルミニウム硬化材４０Ｂは、元々１５μｍのニッケル層が形成されていたものであって、硬化層の硬さはニッケル層の硬さと同様である。従って、硬化層は、第２工程により新たに形成されたものではなく、ニッケル層がそのまま残ったものである。
【００２９】
本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態によれば、高温雰囲気で加熱することで、蒸気圧の低いＭｇ元素はイオン化して表層部に向かって活発に拡散運動する。その際、イオン化したＭｇ元素は周囲のイオン化したＡｌ元素を誘導して表層部に向かって移動する。そして、表層部へ誘導されたＡｌイオンは、表層部でイオン化されているＮｉ元素と結合して、高硬度の金属間化合物（AlmNin）を生成させる。即ち、高温雰囲気においてＭｇ元素は触媒の働きをしてイオン化しているＡｌ元素とＮｉ元素を、クロスカップリング反応させて高硬度の金属間化合物を生成させる。この結果、硬化層Ｔ１の深さが例えばメッキ等で得られる硬化層の厚みの１．５倍以上の値になり、内部に向けて徐々に軟らかくなる厚い硬化層Ｔ１を有するアルミニウム硬化材１０Ｂを製造できる。
【００３０】
そして、本実施形態によって製造されたアルミニウム硬化材１０Ｂは、自動車を構成する部品、例えば摺動等の摩擦を受ける部分であるシリンダや弁等に用いることができ、表面でビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であり且つ表面から少なくとも２０μｍの深さでビッカース硬さが７００ＨＶ以上であるため、表面部分が非常に硬い。特に、表面から少なくとも５０μｍの深さでビッカース硬さが２００ＨＶ以上であるため、硬化層Ｔ１が厚くて表面から内部に向けて徐々に軟らかくなるものである。従って、このアルミニウム硬化材１０Ｂは、摺動摩擦が極めて大きい部位に用いても、硬化層Ｔ１が早く消耗することがなくて製品安全上好ましいものであり、ねじれ等が作用しても、硬化層の境界部分でひび割れ又は剥離は生じ難い。
他方、腕時計のバンドには従来から錆び難いステンレス製のものが利用されているが、比較的重くオーステナイト系ステンレス材で構成されているため、部品表面が軟らかく傷も付き易い。一方、製造されたアルミニウム硬化材１０Ｂを腕時計のバンドに用いれば、表面が金属間化合物（AlmNin）によってビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であるため、軽くて傷が付き難い理想的な商品が期待できる。
【００３１】
なお、発明者は、１５μｍのニッケル層２０と０．２μｍのクロム層３０が形成されたアルミニウム合金材１０に換えて、１５μｍのクロム層３０のみが形成されたアルミニウム合金材１０に対して第２工程の表面硬化処理を行った。この場合には、クロム層３０の最表面のビッカース硬さは１０４８ＨＶであったが、製造されたアルミニウム硬化材の硬化層は、破砕状に剥がれてしまった。従って、発明者は、ニッケル層２０が形成されたアルミニウム合金材１０に対して第２工程の表面硬化処理を行うことの有効性を確認した。
【００３２】
なお、ニッケル層２０の厚さが大きくなる程、また加熱温度が低くなる程、母材の中のＭｇイオン及びＡｌイオンがニッケル層２０の表面に向けて拡散するまでの時間が多くなる。このため、メッキ層付合金材１０Ａを加熱保持する所定時間は、ニッケル層２０の厚さ及び加熱温度に基づいて、母材の中のＭｇイオン及びＡｌイオンがニッケル層２０の表面に向けて拡散するとともに、ニッケル層２０の中のＮｉイオンが母材の内部に向けて拡散するまでの時間を考慮して設定される。
【００３３】
以上、本発明に係るアルミニウム硬化材の製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、アルミニウム合金材１０の酸化皮膜を除去する方法は、亜鉛酸液に浸す方法に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法によって酸化皮膜を除去しても良い。
【００３４】
また、クロム層３０の厚さ（０．２μｍ）、加熱温度（５５０度）、減圧室内の圧力（約２０Ｐａ）、第２工程の処理時間（６０分〜９０分）は、上記した数値に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
また、本実施形態では、厚さが１５μｍのニッケル層２０を形成したが、厚さが１０μｍ以上であれば少なくとも１．５倍以上である１５μｍの金属間化合物の硬化層を形成することができる。従って、ニッケル層２０の厚さは１０μｍ以上であれば適宜変更可能である。
【００３５】
なお、高硬度の金属間化合物の硬化層が生成される時間と厚さは、設定する熱処理時間（５００度以上且つ６００度以下の温度）と保持時間によって決まる。そして、母材であるアルミニウム合金材の熱膨張・収縮率は大きいが、生成される硬化層の熱膨張・収縮率は極めて小さい。従って、熱処理が終了し、常温まで試料が冷却される段階で硬化した表層部（硬化層）と母材の非硬化部の間には、表層部の抗長力Ａ１と非硬化部の収縮による引張応力Ｂ１が働く。引張応力Ｂ１が抗長力Ａ１より大きい場合には、硬化層が剥離するおそれがあるため、アルミニウム合金材の厚さの２分の１である部分から引張応力Ｂ１を算出し、この引張応力Ｂ１を超える抗張力Ａ１を算定して、アルミニウム合金材の表面に形成するニッケル層の厚さを決定すれば良い。
【符号の説明】
【００３６】
１０ アルミニウム合金材
１０Ａ メッキ層付合金材
１０Ｂ アルミニウム硬化材
Ｔ１ 硬化層
Ｓ１ 第１層
Ｓ２ 第２層
Ｓ３ 第３層
２０ ニッケル層
３０ クロム層
４０ アルミニウム合金材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記アルミニウム合金材の表面の酸化被膜を除去した上でニッケル層を１０μｍ以上形成する第１工程と、
前記ニッケル層が形成されたアルミニウム合金材を５００度以上且つ６００度以下の温度で加熱し所定時間保持する第２工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記第２工程では、前記ニッケル層の厚さ及び加熱する温度に基づいて、母材の中のマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンが前記ニッケル層の表面に向けて拡散するまで、所定時間保持することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記第２工程では、１００Ｐａ以下の低真空状態の減圧室内で、加熱することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記第２工程では、外熱型のイオン真空炉を用いてグロー放電で加熱することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項１】
マグネシウム元素を含むアルミニウム合金材を表面硬化するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記アルミニウム合金材の表面の酸化被膜を除去した上でニッケル層を１０μｍ以上形成する第１工程と、
前記ニッケル層が形成されたアルミニウム合金材を５００度以上且つ６００度以下の温度で加熱し所定時間保持する第２工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記第２工程では、前記ニッケル層の厚さ及び加熱する温度に基づいて、母材の中のマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンが前記ニッケル層の表面に向けて拡散するまで、所定時間保持することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記第２工程では、１００Ｐａ以下の低真空状態の減圧室内で、加熱することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載するアルミニウム硬化材の製造方法において、
前記第２工程では、外熱型のイオン真空炉を用いてグロー放電で加熱することを特徴とするアルミニウム硬化材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図７】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図７】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−９１８５６（Ｐ２０１３−９１８５６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【公開請求】
【出願番号】特願２０１３−１８０９９（Ｐ２０１３−１８０９９）
【出願日】平成２５年２月１日（２０１３．２．１）
【出願人】（５１３０２６２２９）
【出願人】（５１３０２６２３０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−１８０９９（Ｐ２０１３−１８０９９）
【出願日】平成２５年２月１日（２０１３．２．１）
【出願人】（５１３０２６２２９）
【出願人】（５１３０２６２３０）
【Ｆターム（参考）】
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