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JPH0696765B2 - Surface hardening method of aluminum alloy material - Google Patents

Surface hardening method of aluminum alloy material

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Publication number
JPH0696765B2
JPH0696765B2 JP60098495A JP9849585A JPH0696765B2 JP H0696765 B2 JPH0696765 B2 JP H0696765B2 JP 60098495 A JP60098495 A JP 60098495A JP 9849585 A JP9849585 A JP 9849585A JP H0696765 B2 JPH0696765 B2 JP H0696765B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
aluminum
aluminum alloy
alloy material
intermetallic compound
layer
Prior art date
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JP60098495A
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Japanese (ja)
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JPS61257465A (en
Inventor
福久 松田
一博 中田
利光 内山
建次 塚本
Original Assignee
福久 松田
一博 中田
昭和アルミニウム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 福久 松田, 一博 中田, 昭和アルミニウム株式会社 filed Critical 福久 松田
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  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明はアルミニウム合金材の表面硬化方法に関す
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for surface hardening an aluminum alloy material.

従来技術とその問題点 アルミニウム合金材は、軽量等の特徴を生かして各種機
械部品に数多く利用されているが、アルミニウム合金材
は、硬さの点で他の金属に劣っているので、アルミニウ
ム合金製の各種機械部品に耐摩耗性、耐傷性を付与する
ために、従来その表面に硬質層が形成されていた。従来
の硬質層としては、硬質陽極酸化皮膜、硬質クロムメッ
キ層、硬質ニッケルメッキ層などが主流であった。とこ
ろが、硬質陽極酸化皮膜の場合、形成するためのコスト
が高くなるとともに、アルミニウムの熱伝導性や電気伝
導性を阻害するという問題があった。また、硬質クロム
メッキ層および硬質ニッケルメッキ層の場合、母相アル
ミニウムとの間に冶金的な連続性がないため、メッキ層
が剥離したり、アルミニウムの熱伝導性や電気伝導性を
阻害するという問題があった。
Conventional technology and its problems Aluminum alloy materials are widely used in various machine parts by taking advantage of their features such as light weight. However, aluminum alloy materials are inferior to other metals in hardness, so aluminum alloy materials In order to impart wear resistance and scratch resistance to various machine parts made of steel, a hard layer has been conventionally formed on the surface thereof. As a conventional hard layer, a hard anodic oxide film, a hard chrome plating layer, a hard nickel plating layer, etc. have been mainly used. However, in the case of a hard anodic oxide film, there are problems that the cost for forming the film is high and that the heat conductivity and electric conductivity of aluminum are impaired. Further, in the case of a hard chrome plated layer and a hard nickel plated layer, since there is no metallurgical continuity with the parent phase aluminum, the plated layer peels off or the thermal conductivity and electrical conductivity of aluminum are impaired. There was a problem.

そこで、本願発明者らは、上記問題を解決するために、
本願と同日に出願するようなアルミニウム材またはアル
ミニウム合金材の表面硬化方法を提案した。この表面硬
化方法は、アルミニウム材またはアルミニウム合金材の
表面に、アルミニウムと反応してアルミニウムよりも硬
い金属間化合物をつくる金属の被覆層を形成した後、加
熱拡散処理を施すことによって、アルミニウム材または
アルミニウム合金材の表面に、上記被覆層を形成する金
属とアルミニウムとの金属間化合物層を形成するもので
ある。この方法で表面硬化されたアルミニウム材または
アルミニウム合金材の表面は硬くなり耐摩耗性および耐
傷性は向上するが、表面硬化処理後アルミニウム材また
はアルミニウム合金材にひずみが加わる場合には、金属
間化合物層に割れが発生することがある。その理由は、
金属間化合物は非常に硬いが、脆く延性に乏しいために
粒界破壊されるおそれがあるからである。
Therefore, in order to solve the above problems, the present inventors have
A method for surface hardening an aluminum material or an aluminum alloy material as filed on the same day as the present application was proposed. This surface hardening method, after forming a coating layer of a metal that reacts with aluminum to form an intermetallic compound that is harder than aluminum on the surface of an aluminum material or an aluminum alloy material, and then performs a heat diffusion treatment, the aluminum material or An intermetallic compound layer of the metal forming the coating layer and aluminum is formed on the surface of the aluminum alloy material. The surface of the aluminum material or aluminum alloy material surface-hardened by this method becomes hard and wear resistance and scratch resistance are improved, but when strain is applied to the aluminum material or aluminum alloy material after the surface hardening treatment, an intermetallic compound is used. Cracks may occur in the layer. The reason is,
This is because the intermetallic compound is very hard, but it is brittle and poor in ductility, so that it may be broken at the grain boundary.

この発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、表
面硬化処理後ひずみが発生したとしても形成された金属
間化合物層に割れが発生することのない表面硬化方法を
提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a surface hardening method in which cracks do not occur in the formed intermetallic compound layer even if strain occurs after the surface hardening treatment. To do.

問題点を解決するための手段 この発明によるアルミニウム合金材の表面硬化方法は、
ホウ素0.01〜5wt%を含むアルミニウム合金材の表面
に、アルミニウムと反応してアルミニウムよりも硬い金
属間化合物をつくる金属からなる厚さ5〜20μmの被覆
層を形成した後、加熱拡散処理を施すことによって、ア
ルミニウム合金材の表面に、上記被覆層を形成する金属
とアルミニウムとの金属間化合物層を形成することを特
徴とするものである。
Means for Solving the Problems The method for surface hardening an aluminum alloy material according to the present invention is
Form a coating layer with a thickness of 5 to 20 μm on the surface of an aluminum alloy material containing 0.01 to 5 wt% boron that reacts with aluminum to form an intermetallic compound that is harder than aluminum, and then apply heat diffusion treatment. According to this, an intermetallic compound layer of the metal forming the coating layer and aluminum is formed on the surface of the aluminum alloy material.

上記において、ホウ素0.01〜5wt%を含むアルミニウム
合金材とは、ホウ素0.01〜5wt%を含み、残部アルミニ
ウムおよび不可避不純物からなる2元合金ならびにホウ
素0.01〜5wt%の他に種々の合金元素をも含み、残部ア
ルミニウムおよび不可避不純物からなる3元以上の合金
の両者を包含するものとする。
In the above, the aluminum alloy material containing 0.01 to 5 wt% of boron includes 0.01 to 5 wt% of boron, and a binary alloy consisting of balance aluminum and unavoidable impurities and 0.01 to 5 wt% of boron, and various alloy elements. , The balance of aluminum and ternary or higher alloys containing inevitable impurities.

上記において、金属間化合物は非常に硬いが、脆く延性
に乏しいために、表面硬化処理が施された後のアルミニ
ウム合金にひずみが発生した場合に金属間化合物層に割
れが発生することがある。上記ホウ素は、これをアルミ
ニウム合金中に含有せしめることによって、金属間化合
物の粒界脆化を改善して金属間化合物層の延性を向上さ
せ、その結果表面硬化処理後のアルミニウム合金材にひ
ずみが発生しても金属間化合物層に割れが発生するのを
防止する性質を有する。ところが、ホウ素の含有量が0.
01wt%未満であると上記効果は得られず、5wt%を越え
ると粗大晶出物が生じてアルミニウム合金材の靭性低下
が著しく、しかも金属間化合物層の延性向上効果もそれ
以上増大しない。したがって、ホウ素の含有量は0.01〜
5wt%の範囲内で選ぶべきである。
In the above description, the intermetallic compound is very hard, but it is brittle and poor in ductility. Therefore, when strain occurs in the aluminum alloy after the surface hardening treatment, cracks may occur in the intermetallic compound layer. Boron is contained in the aluminum alloy, thereby improving the grain boundary embrittlement of the intermetallic compound to improve the ductility of the intermetallic compound layer, as a result of the strain in the aluminum alloy material after the surface hardening treatment. Even if it occurs, it has the property of preventing the intermetallic compound layer from cracking. However, the content of boron is 0.
If it is less than 01% by weight, the above effect cannot be obtained, and if it exceeds 5% by weight, coarse crystallized substances are generated and the toughness of the aluminum alloy material is remarkably lowered, and the ductility improving effect of the intermetallic compound layer is not further increased. Therefore, the content of boron is 0.01 ~
It should be selected within the range of 5 wt%.

また上記において、アルミニウムと反応してアルミニウ
ムよりも硬い金属間化合物をつくる金属としては、Cu、
Ni、Au、Fe、Ti、Agなどを用いることができる。アルミ
ニウム合金材の表面に金属の被覆層を形成するのは、電
気メッキ、溶融メッキ、真空メッキ、化学メッキ等の各
種メッキ方法や、イオンプレーティング等のPVD法や、
プラズマ溶射法等により行なわれる。また、アルミニウ
ム合金材が板状である場合には、クラッド法により金属
被覆層を形成してもよい。金属被覆層の厚さは、被覆層
を形成する金属の種類、形成すべき金属間化合物層の厚
さおよび要求される硬さ等を考慮して決定されるが、そ
の厚さを5〜20μmに限定した理由は、被覆層の厚さが
5μm未満であると、後工程の加熱拡散処理により形成
される金属間化合物層の厚さが薄くなり、母材の影響を
受けて十分な表面硬さとならなくなって必要な耐摩耗
性、耐傷性が得られず、実用に供しないからである。ま
た、上記被覆層の厚さが20μmを越えると、後工程の加
熱拡散処理に要する時間が長くなって実生産に適さず、
工業的価値を減ずるからである。加熱拡散処理の温度
は、金属被覆層を構成する金属の種類および母材となる
アルミニウム合金材の融点等を考慮して決定される。た
とえば、金属被覆層を構成する金属がCu、Ni、Au、Fe、
Ti、Agであればそれぞれ500±20℃、600±20℃、500±2
0℃、600±20℃、600±20℃、500±20℃が好ましい。こ
れらの温度では、上記金属とアルミニウムが反応し、ア
ルミニウムよりはるかに硬い金属間化合物が生成して、
アルミニウム合金材の表面に金属間化合物層が形成され
るからである。また、上記温度より高いと、アルミニウ
ム合金材の表面層で共晶反応を起こして溶融する危険性
が高くなり、上記温度より低いと、金属間化合物層を形
成するための拡散が遅くなり、工業的価値を減ずる。ま
た、拡散処理の処理時間は、形成される金属間化合物層
の硬さとはほとんど関連性を持たない。さらに、拡散処
理は、真空中や、Ar等の不活性ガス雰囲気中や、N2等の
アルミニウムに対して不活性なガス雰囲気中で実施する
のがよく、とくに工業的にはArガス雰囲気中で実施する
のが好ましい。
Further, in the above, as the metal which reacts with aluminum to form an intermetallic compound harder than aluminum, Cu,
Ni, Au, Fe, Ti, Ag, etc. can be used. The metal coating layer is formed on the surface of the aluminum alloy material by various plating methods such as electroplating, hot dipping, vacuum plating and chemical plating, and PVD methods such as ion plating,
It is performed by a plasma spraying method or the like. When the aluminum alloy material is plate-shaped, the metal coating layer may be formed by the clad method. The thickness of the metal coating layer is determined in consideration of the type of metal forming the coating layer, the thickness of the intermetallic compound layer to be formed, the required hardness, etc., but the thickness is 5 to 20 μm. The reason why the coating layer thickness is less than 5 μm is that if the coating layer thickness is less than 5 μm, the thickness of the intermetallic compound layer formed by the heat diffusion treatment in the subsequent step becomes thin, and the surface hardness is affected by the base material. The reason is that it cannot be used for practical purposes because the required wear resistance and scratch resistance cannot be obtained. Further, if the thickness of the coating layer exceeds 20 μm, the time required for the heat diffusion treatment in the subsequent step becomes long, which is not suitable for actual production,
This is because it reduces the industrial value. The temperature of the heat diffusion treatment is determined in consideration of the type of metal forming the metal coating layer, the melting point of the aluminum alloy material as the base material, and the like. For example, the metal forming the metal coating layer is Cu, Ni, Au, Fe,
500 ± 20 ℃, 600 ± 20 ℃, 500 ± 2 for Ti and Ag respectively
0 ° C, 600 ± 20 ° C, 600 ± 20 ° C, 500 ± 20 ° C are preferable. At these temperatures, the above metals react with aluminum, forming intermetallic compounds that are much harder than aluminum,
This is because the intermetallic compound layer is formed on the surface of the aluminum alloy material. Further, if the temperature is higher than the above, the risk of melting due to eutectic reaction in the surface layer of the aluminum alloy material increases, and if the temperature is lower than the above, diffusion for forming the intermetallic compound layer becomes slow, and industrial Decrease the intellectual value. Further, the processing time of the diffusion process has little relation to the hardness of the intermetallic compound layer formed. Furthermore, the diffusion treatment is preferably carried out in a vacuum, in an inert gas atmosphere such as Ar, or in a gas atmosphere inert to aluminum such as N 2 , and particularly in an industrial atmosphere in an Ar gas atmosphere. Is preferably carried out.

実 施 例 純度99.99wt%の高純度アルミニウムを原料としたホウ
素0.1wt%を含有しかつ残部アルミニウムおよび不可避
不純物からなるアルミニウム合金から厚さ1mmのアルミ
ニウム板をつくり、その表面に電気メッキ法により銅、
ニッケルの被覆層を形成した。その後、Arガス雰囲気中
で拡散処理を施した。そして、アルミニウム合金板の表
面のビッカース硬さ(Hv)を測定した。また、表面硬化
処理後のアルミニウム合金板をひずみが0.47%となるよ
うに曲げ、金属間化合物層に割れが発生したか否かを観
察した。また比較のために、純度99.99wt%の高純度ア
ルミニウムから厚さ1mmのアルミニウム板をつくり、こ
のアルミニウム板に上記と同様に表面硬化処理を施し
た。そして、アルミニウム板の表面のビッカースの硬さ
を測定した。またアルミニウム板をひずみが0.47%とな
るように曲げ、金属間化合物層に割れが発生したかどう
かを調べた。これらの結果を下表にまとめて示す。
Example 1 An aluminum plate with a thickness of 1 mm is made from an aluminum alloy containing 0.1 wt% boron and the balance aluminum and unavoidable impurities, which is made of high-purity aluminum with a purity of 99.99 wt%, and a copper plate is electroplated on its surface. ,
A nickel coating layer was formed. Then, diffusion treatment was performed in an Ar gas atmosphere. Then, the Vickers hardness (Hv) of the surface of the aluminum alloy plate was measured. Further, the aluminum alloy plate after the surface hardening treatment was bent so that the strain was 0.47%, and it was observed whether or not cracking occurred in the intermetallic compound layer. For comparison, an aluminum plate having a thickness of 1 mm was made from high-purity aluminum having a purity of 99.99 wt%, and the aluminum plate was subjected to the surface hardening treatment as described above. Then, the hardness of Vickers on the surface of the aluminum plate was measured. Further, the aluminum plate was bent so that the strain was 0.47%, and it was examined whether or not cracks occurred in the intermetallic compound layer. The results are summarized in the table below.

上表から明らかなように、この発明の方法によって表面
硬化処理が行なわれた場合、表面硬化処理後のアルミニ
ウム合金材にひずみが発生したとしても、金属曲化合物
には割れは発生しない。
As is clear from the above table, when the surface hardening treatment is performed by the method of the present invention, even if strain occurs in the aluminum alloy material after the surface hardening treatment, the metal bending compound does not crack.

発明の効果 上述のように、この発明の表面硬化方法によれば、アル
ミニウム合金材の表面に金属間化合物層が形成されるの
で、その表面硬さは元のアルミニウム合金材の表面硬さ
よりも硬くなり、耐摩耗性、耐傷性等が向上する。しか
もアルミニウム合金材にはホウ素が0.01〜5wt%含有せ
しめられているので、金属間化合物層の延性が向上し、
その結果表面硬化処理後のアルミニウム合金材にひずみ
が発生したとしても金属間化合物層に割れが発生するこ
とはない。また、金属間化合物層は母相アルミニウムと
の間に冶金的な連続性を有するので、この層がアルミニ
ウム合金材の表面から剥離するおそれはない。また、従
来の硬質陽極酸化皮膜を形成する場合に比べてコストが
安くなる。また、硬質陽極酸化皮膜のようにアルミニウ
ム合金材の熱伝導性や電気伝導性を阻害することもな
い。さらに、アルミニウム合金材の表面に、アルミニウ
ムと反応してアルミニウムよりも硬い金属間化合物をつ
くる金属からなる厚さ5〜20μmの被覆層を形成してい
るので、後工程の加熱拡散処理によりアルミニウム合金
材の表面に十分な厚さを持った金属間化合物層を形成す
ることができ、必要な耐摩耗性、耐傷性が得られて実用
に供したものになるとともに、後工程の加熱拡散処理に
要する時間が実生産に適したものとなる。
Effects of the Invention As described above, according to the surface hardening method of the present invention, the intermetallic compound layer is formed on the surface of the aluminum alloy material, so that the surface hardness is harder than the surface hardness of the original aluminum alloy material. Wear resistance and scratch resistance are improved. Moreover, since the aluminum alloy material contains 0.01 to 5 wt% of boron, the ductility of the intermetallic compound layer is improved,
As a result, even if strain occurs in the aluminum alloy material after the surface hardening treatment, cracking does not occur in the intermetallic compound layer. Further, since the intermetallic compound layer has metallurgical continuity with the parent phase aluminum, there is no risk of this layer peeling from the surface of the aluminum alloy material. Further, the cost is lower than that in the case of forming a conventional hard anodized film. Moreover, unlike the hard anodic oxide film, it does not impair the thermal conductivity and electrical conductivity of the aluminum alloy material. Further, since a coating layer having a thickness of 5 to 20 μm made of a metal that reacts with aluminum to form an intermetallic compound that is harder than aluminum is formed on the surface of the aluminum alloy material, the aluminum alloy is subjected to a heat diffusion treatment in a subsequent step. It is possible to form an intermetallic compound layer with a sufficient thickness on the surface of the material, and it is possible to obtain the necessary wear resistance and scratch resistance and put it into practical use. The required time becomes suitable for actual production.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内山 利光 大阪府堺市海山町6丁224番地 昭和アル ミニウム株式会社内 (72)発明者 塚本 建次 大阪府堺市海山町6丁224番地 昭和アル ミニウム株式会社内 (56)参考文献 特開 昭51−122633(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshimitsu Uchiyama 6224, Kaiyama-cho, Sakai-shi, Osaka Showa Alminium Co., Ltd. (72) Inventor Kenji Tsukamoto 6224, Kaiyama-cho, Sakai-shi, Osaka Showa Al Minium Co., Ltd. (56) Reference JP-A-51-122633 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ホウ素0.01〜5wt%を含むアルミニウム合
金材の表面に、アルミニウムと反応してアルミニウムよ
りも硬い金属間化合物をつくる金属からなる厚さ5〜20
μmの被覆層を形成した後、加熱拡散処理を施すことに
よって、アルミニウム合金材の表面に、上記被覆層を形
成する金属とアルミニウムとの金属間化合物層を形成す
ることを特徴とするアルミニウム合金材の表面硬化方
法。
1. A thickness of 5 to 20 made of a metal which reacts with aluminum to form an intermetallic compound harder than aluminum on the surface of an aluminum alloy material containing 0.01 to 5 wt% of boron.
After forming a coating layer having a thickness of μm, a heat diffusion treatment is performed to form an intermetallic compound layer of the metal forming the coating layer and aluminum on the surface of the aluminum alloy material. Surface hardening method.
JP60098495A 1985-05-08 1985-05-08 Surface hardening method of aluminum alloy material Expired - Fee Related JPH0696765B2 (en)

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JPS61257465A JPS61257465A (en) 1986-11-14
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