JP2004060053A

JP2004060053A - 半田付け性に優れる錫めっき鋼板

Info

Publication number: JP2004060053A
Application number: JP2003159452A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Nakakoji; 中小路　尚匡; Takumi Tanaka; 田中　　匠; Tomofumi Shigekuni; 重国　智文; Chiaki Kato; 加藤　千昭
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP4321123B2

Abstract

【課題】環境上の問題から望ましくないとされるＰｂおよびＣｒを使用することなく、Ｐｂフリー半田付けにおける濡れ性、耐食性およびホイスカー性に優れた錫めっき鋼板を提供することにある。
【解決手段】鋼板表面上に、溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して被覆率が９９％超えとなる付着量５．０〜２０．０ｇ／ｍ^２の錫めっき層を有し、該錫めっき層の上層にＰとＳｉを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびＳｉの付着量をそれぞれ０．５〜１０ｍｇ／ｍ^２および３０〜１５０ｍｇ／ｍ^２の範囲とすることを特徴とする。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、家電製品のシャーシーや部品ケース等に用いられる半田付け性を要求される鋼板に関するものであって、特に、Ｐｂを全く含まないＰｂフリー半田に対する濡れ性に優れた錫めっき鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、オーディオ製品やパソコン等の家電製品においては、Ｐｂ−Ｓｎ合金半田を用いた接合が行われてきたが、この半田中のＰｂが人体に有害であることからＰｂの使用が規制され、Ｐｂを使わないＰｂフリー半田に切り替えられてきている。家電製品のシャーシーや部品ケースには、従来のＰｂ−Ｓｎ半田付け性に適したＰｂ−Ｓｎ合金めっき鋼板が使われていたが、Ｐｂ使用規制に対応するためＰｂを使用せずにＰｂフリー半田付け性に優れる新たな鋼板が求められている。
【０００３】
さらに、従来のＰｂ−Ｓｎ合金めっき鋼板では、表面にクロメート処理がなされているが、家電業界では有害な６価Ｃｒを使用しない方向にあるため、新たな半田付け用の鋼板にはクロメート処理以外の化成処理を使用することが望まれている。
【０００４】
Ｐｂを使わない半田付け用の鋼板としては、例えば、特許文献１および２に記載されているように、鋼板上に形成したＳｎ−Ｚｎ、Ｚｎ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉを主体とする皮膜上にクロメート皮膜を形成した鋼板がある。
【０００５】
【特許文献１】
特公平６−９９８３７号公報
【特許文献２】
特公平６−３３４６６号公報
【０００６】
しかしながら、上掲特許文献１および２に記載された鋼板はいずれも、Ｚｎを使用しているためにＰｂフリー半田付け性に劣り、またクロメート皮膜を有するために家電業界には受け入れられないものである。
【０００７】
また、特許文献３には、ＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきの表面にＣｒを含有させず、Ｓｉを含有する後処理皮膜を有する表面処理鋼板が開示されているが、鋼板とＳｎめっき層との間にＦｅ−Ｓｎ合金層を有するものではないため、鋼板とＳｎめっき層との密着性が悪く、またＰｂフリー半田付け性にも問題があった。
【０００８】
【特許文献３】
特開２００１−３２０８５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、環境上の問題から望ましくないとされるＰｂおよびＣｒを使用することなく、Ｐｂフリー半田付けにおける濡れ性に優れ、また耐食性およびホイスカー性にも優れた錫めっき鋼板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決しようとするための手段】
以下にこの発明をさらに詳細に説明する。
Ｐｂ−Ｓｎ合金半田は、３７％Ｐｂを含有するもので融点が１８４℃と低いが、Ｐｂフリー半田は、主流となりつつあるＳｎ−３．５％Ａｇ−０．７５％Ｃｕ合金半田は融点が２１９℃と高いため、Ｐｂ−Ｓｎ合金半田に比べて半田付け作業性が悪くなっている。このため、半田付け用の鋼板には従来以上の半田付け性が要求されている。
また、半田付け用鋼板には耐食性および耐ホイスカー性が要求される。
【００１１】
このため、発明者らは、Ｐｂフリー半田の主成分であるＳｎを主体とする錫めっきを元に、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して所定量の錫めっき層を有し、その上層に、ＰとＳｉを含有した化成皮膜を形成した場合には、上記性能の全てを満足させることができることを見出した。
【００１２】
より具体的には、錫めっき層の上層に、好ましくはＰとシランカップリング剤を含有する化成処理液により、適正量のＰとＳｉを含有する化成皮膜を形成することによって、優れたＰｂフリー半田との濡れ性が得られ、特にこの化成皮膜が有効な保護皮膜として経時劣化を抑制するので加速劣化試験後においても優れたＰｂフリー半田との濡れ性が確保される。加えて、この化成皮膜によって優れた耐食性および耐ホイスカー性が得られることも見出した。
【００１３】
本発明の錫めっき鋼板は、鋼板表面上に、溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して被覆率が９９％超えとなる付着量５．０〜２０．０　ｇ／ｍ^２の錫めっき層を有し、該錫めっき層の上層に、好適にはＰとシランカップリング剤を含有する化成処理液を用いて、ＰとＳｉを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびＳｉの付着量をそれぞれ０．５〜１０ｍｇ／ｍ^２および３０〜１５０　ｍｇ／ｍ^２の範囲とするものである。なお、化成皮膜中のＳｉ／Ｐの比（質量比）は５〜３０の範囲にすることが好ましい。
【００１４】
また、前記錫めっき鋼板は、鋼板上に公知の電気錫めっき法でＳｎめっきを施した後、溶錫処理（リフロー処理）によって、一旦溶融させて鋼板との界面にＦｅ−Ｓｎ合金層を中間層として形成させるが、Ｆｅ−Ｓｎ合金層形成後の金属Ｓｎ層の付着量は５．０〜２０．０ｇ／ｍ^２であることが好適である。
さらに、前記シランカップリング剤は、エポキシ基を有することがより好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の構成を詳細に説明する。
この発明の錫めっき鋼板は、鋼板表面上に、溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して錫めっき層を形成したものであり、この錫めっき層は、下地表面のほぼ全面を覆うように、具体的には被覆率が９９％超えとなるように形成されたものである。錫めっき層がＦｅ−Ｓｎ合金層を被覆する割合、すなわち表面積での被覆率が９９％以下であると十分な半田付け性が得られないばかりでなく、耐食性も不十分となるからである。
なお、被覆率９９％超えとするには、溶錫処理時に溶融したＳｎが十分塗れ広がることができるようにフラックスなどの溶錫処理条件を適宜調整すればよい。
【００１６】
本発明においては、鋼板上に公知の電気錫めっき法でＳｎめっきを行った後、鋼板をＳｎの融点以上に加熱し、一旦Ｓｎめっきを溶融させる溶錫処理（リフロー処理ともいう）を行う。電気めっきされたままのＳｎ層には電着応力が存在し、この電着応力を開放しようとするエネルギーによってＳｎ表面からホイスカーと称される針状結晶が成長する。ホイスカーが成長すると電気回路での短絡事故を引き起こしかねないため、ホイスカーの成長が無いことが要求される。電気めっきされたＳｎ層を一旦溶融すると、電着応力が開放されてホイスカーの発生がほとんど無くなるため、本発明では溶錫処理が必須である。
【００１７】
溶錫処理によって鋼板とＳｎ層との界面にＦｅ−Ｓｎ合金層が形成される。この合金層は鋼板と錫めっき層の密着性を向上させて、加工時の錫めっき層の剥離を防止するとともに、Ｐｂフリー半田付け時に錫めっき層が半田浴に溶解した際の鋼板と半田との濡れ性を確保するため、極めて重要である。したがって、本発明では、鋼板と錫めっき層との間にＦｅ−Ｓｎ合金層が存在すること、すなわち鋼板表面上に溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して錫めっき層を有することが必要である。上記効果を発揮するためには、Ｆｅ−Ｓｎ層の生成量は、付着量にして０．０５ｇ／ｍ^２以上とすることが好ましい。一方、この合金層は錫めっき層に比べて硬い合金層であるため、生成量が多くなると加工性を低下させるので、この観点からは合金生成量を少なく抑える事が好ましく、Ｆｅ−Ｓｎ合金層の生成量は、付着量にして１ｇ／ｍ^２以下とすることが好ましく、０．７ｇ／ｍ^２以下とすることがより好ましい。
【００１８】
Ｎｉフラッシュめっき処理やＮｉ拡散処理などＮｉ系の前処理を行った鋼板を用いると、溶錫処理時に形成される合金層の生成量が抑制されるので、これらＮｉ前処理は適宜用いることができる。
【００１９】
溶錫処理後の合金化していない錫めっき層の付着量は、５．０〜２０．０ｇ／ｍ^２であることが好ましい。前記錫めっき層の付着量が５．０ｇ／ｍ^２未満だと、十分なＰｂフリー半田との濡れ性が得られないばかりでなく、耐食性も不十分である。また、前記錫めっき層の付着量を２０．０ｇ／ｍ^２超えにしても、性能の向上効果が期待できず、厚めっきとするのに長時間を要するとともに、コスト高になるため、錫めっき層の付着量は２０．０ｇ／ｍ^２以下とすることが好ましい。なお、錫めっき層の付着量は、電量法または蛍光Ｘ線による表面分析により測定できる。ここで、蛍光Ｘ線分析にて錫めっき層の付着量を測定する場合は、まず、錫めっき鋼板について蛍光Ｘ線分析により錫めっき層中およびＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量の合計となる錫付着量を測定した後、錫めっき層を５％ＮａＯＨ（１％ＫＩＯ_３含有）溶液などにより溶解し、鋼板上にＦｅ−Ｓｎ合金層のみが残った状態としてから蛍光Ｘ線分析によりＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量を測定し、先に求めた合計の錫付着量からＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量を差し引くことにより錫めっき層の付着量を求めることができる。
【００２０】
そして、この発明の構成上の主な特徴は、該錫めっき層の上層に、好ましくはＰとシランカップリング剤を含有する化成処理液を用いて、ＰとＳｉを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびＳｉの付着量を、それぞれ０．５〜１０ｍｇ／ｍ^２および３０〜１５０　ｍｇ／ｍ^２の範囲とすることにある。
【００２１】
（１）化成皮膜中のＰの付着量を０．５〜１０ｍｇ／ｍ^２の範囲とすること
化成皮膜中のＰは、りん酸塩としてＳｎ表面を覆い、ＳｎとＳｉ化合物間のバインダーとして働き化成皮膜を形成する。このバインダー効果は表面粗さなどの鋼板表面の構造による影響を受けにくく、表面粗さなどの鋼板表面の構造に依らず化成皮膜中のＰの付着量、すなわち、化成皮膜中のＰの含有量をその付着量にして０．５〜１０ｍｇ／ｍ^２の範囲とすることが必要である。Ｐ付着量が０．５ｍｇ／ｍ^２未満では、化成皮膜の被覆が不十分であり時間の経過とともにＳｎ表面で酸化Ｓｎが成長して半田濡れ性が劣るようになるからである。また、Ｐ付着量が１０ｍｇ／ｍ^２を超えると、半田とＳｎ層の接触が阻害されて半田濡れ性が劣るからである。なお、Ｐ付着量の測定は、蛍光Ｘ線による表面分析により行った。
【００２２】
（２）化成皮膜中のＳｉの付着量を３０〜１５０ｍｇ／ｍ^２の範囲とすること
本発明では前述のように溶錫処理することを必須としている。溶錫処理時には、電気めっきされたＳｎが溶融状態となって流動性を有するようになり、めっき母板である鋼板の表面粗さの凹部に流れ込み、凹部でＳｎ量が多くなるとともに凸部でＳｎ量が少なくなる。このため、十分な半田濡れ性、耐食性を得るにはＳｎ量が少ない凸部を十分被覆するだけの化成皮膜中のＳｉ量が必要となるが、工業的に生産される鋼板（めっき母板）の表面粗さ範囲（中心線平均粗さＲａで概ね０．１〜５．０μｍ程度）では、化成皮膜中のＳｉの付着量は本発明のように３０ｍｇ／ｍ^２以上であれば、溶錫処理を行なう場合でも、めっき母板に依らず十分な半田濡れ性および耐食性を得ることができる。
【００２３】
化成皮膜中に含有するＳｉの付着量が３０ｍｇ／ｍ^２未満だと、化成皮膜の被覆が不十分となる場合があり、時間の経過とともにＳｎ表面で酸化錫が成長して半田濡れ性が劣るようになり、また耐食性が問題となる場合もある。一方、Ｓｉの付着量が１５０ｍｇ／ｍ^２を超えると、半田とＳｎ層の接触が阻害されて半田濡れ性が劣る。このため、化成皮膜中のＳｉの付着量、すなわち化成皮膜中のＳｉの含有量をその付着量にして３０〜１５０ｍｇ／ｍ^２の範囲とする。
なお、Ｓｉ付着量の測定は、蛍光Ｘ線による表面分析により行なった。
【００２４】
本発明において、化成皮膜中に含有するＳｉは、好ましくは、化成処理液中に含有させたシランカップリング剤によって含有させたものである。シランカップリング剤の一般化学式は、Ｘ−Ｓｉ−ＯＲ_２ｏｒ３（ＯＲ：アルコキシ基）である。
【００２５】
シランカップリング剤は、アルコキシシリル基（Ｓｉ−ＯＲ）が水により加水分解されてシラノール基を生成し、金属表面のＯＨ基との脱水縮合反応により密着し強固な皮膜を形成する。
【００２６】
尚、シランカップリング剤としては、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２−（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−メルカプトプロピルメトキシシラン、３−クロロプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン、アミノ基の存在する、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２−（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、３‐アミノプロピルトリエトキシシランなどが使用できるが、特にシランカップリング剤の一般化学式におけるＸ−Ｓｉ−ＯＲ_２ｏｒ３のＸにエポキシ基が存在する２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランや３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが好適である。
【００２７】
また、ＰとＳｉを含有する化成皮膜の形成方法としては、例えば、リン酸系化成処理によって行なうことが好ましく、この場合、化成処理液中のＰの供給源としてはリン酸イオン換算で１〜８０ｇ／ｌのリン酸、リン酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、リン酸カリウム等の金属塩、および／または、１水素リン酸塩など使用することがより好適である。Ｓｉの供給源としては、前述したシランカップリング剤を含有する化成処理液を用いることが好ましいが、かかる場合、化成処理液中のｐＨを１．５〜５．５の範囲に調整すれば、シランカップリング剤を化成処理液中に均一に溶解することができる。
【００２８】
尚、化成処理液には、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｎｉの金属塩、例えば、ＳｎＣｌ_２、ＦｅＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＳｎＳＯ_４、ＦｅＳＯ_４、ＮｉＳＯ_４などの金属塩を適宜添加することができる。この場合には、促進剤として塩素酸ナトリウム、亜硝酸塩などの酸化剤、フッ素イオンなどのエッチング剤を適宜添加してもよい。また、化成処理液の均一処理性を向上させる目的でラウリル硫酸ナトリウム、アセチレングリコールなどの界面活性剤を適宜添加しても良い。
【００２９】
りん酸系化成処理を用いた化成皮膜の形成は、上記化成処理液の鋼板への塗布または浸漬処理を行った後、乾燥させることによって行えば良い。
【００３０】
以上のことから、この発明では、鋼板表面に形成した錫めっき層の上層に、Ｐ及びＳｉを上記適正範囲で含有する化成皮膜を形成することによって、Ｐｂフリー半田との濡れ性、耐食性および耐ホイスカー性の全ての性能を満足させることに成功したのである。
【００３１】
次にこの発明に従う具体的な製造方法の一例を説明する。
冷延鋼板にＳｎめっきを施した後、錫の融点（２３１．９℃）以上の温度で加熱溶融（リフロー）処理を行い、Ｆｅ−Ｓｎ合金からなる中間層と上層の金属Ｓｎ層を形成させ、引き続き、浸漬処理によって化成処理を行う。尚、リフロー処理後に表面に生成した錫酸化物を除去するため、１５ｇ／ｌの炭酸ナトリウム水溶液中で１Ｃ／ｄｍ^２の陰極処理を行ってもよい。
【００３２】
化成処理液としては、リン酸イオン換算で１〜８０ｇ／ｌのリン酸、錫イオン換算で０．００１〜１０ｇ／ｌの塩化第一錫、０．１〜１．０　ｇ／ｌの塩素酸ナトリウムを含有し、さらにシランカップリング剤を０．５〜２０．０　ｍａｓｓ％添加した水溶液を用いる。
【００３３】
化成処理の条件は、温度を４０〜８０℃、処理（浸漬）時間を１〜５秒間とすることが好ましい。化成処理液中に浸漬した後の錫めっき鋼板は、８０〜１５０℃で乾燥させ、その後、水洗し、温風で乾燥する。
【００３４】
尚、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【００３５】
【実施例】
次に、この発明の実施例について以下で詳細に説明する。
実施例１〜６
板厚０．４〜１．８　ｍｍの低炭素鋼または極低炭素鋼からなる冷延鋼板（表面粗さ：Ｒａ＝０．４〜２．５μｍ）の両面に、溶錫処理を施すことによって形成したＦｅ−Ｓｎ合金層を介して、表１に示す片面当たりのＳｎ付着量およびＳｎ被覆率の錫めっき層を形成した後、表２に示す３種類の化成処理液Ａ〜Ｃから選んだ表１に示す化成処理液を用いて種々のＰおよびＳｉ付着量の化成皮膜を形成した。
【００３６】
比較例１〜５
比較のため、この発明の適正範囲外である錫めっき鋼板についても製造した。
【００３７】
なお、上記実施例および比較例に用いためっき母板である冷延鋼板の表面粗さＲａは、東京精密社製の「サーフコム５００Ａ」にてカットオフ＝０．８ｍｍで測定した中心線平均粗さである。
化成皮膜に含有されるＰ、Ｓｉの付着量は蛍光Ｘ線により測定した。
錫めっき付着量は、錫めっき鋼板について蛍光Ｘ線分析により錫めっき層中およびＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量の合計となる錫付着量を測定した後、錫めっき層を５％ＮａＯＨ（１％ＫＩＯ_３含有）溶液により溶解し、鋼板上にＦｅ−Ｓｎ合金層のみが残った状態としてから蛍光Ｘ線分析によりＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量を測定し、先に求めた合計の錫付着量からＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量を差し引くことにより求めた。
また、Ｆｅ−Ｓｎ合金層の付着量は、蛍光Ｘ線分析により求めたＦｅ−Ｓｎ合金層中の錫付着量からＦｅ−Ｓｎ合金層（ＦｅＳｎ_２）の付着量に換算して求めた。
さらに、Ｓｎ被覆率（面積率）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、倍率５０００倍に拡大した表面を観察（１０視野）し、各視野にてＳｎが被覆している面積率を求め、これら測定した面積率の平均値をＳｎ被覆率として表１に示した。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
（性能評価）
実施例および比較例の各錫めっき鋼板について、Ｐｂフリー半田濡れ性、耐食性および耐ホイスカー性の性能評価を行った。
【００４１】
（１）半田濡れ性の評価
Ｐｂフリー半田として、千住金属製のＳｎ−３．５％Ａｇ−０．７５％Ｃｕ半田を用いた。半田温度を２４５℃とし、レスカ製「ＳＡＴ−５１００」装置を用いて平衡法にて、半田が濡れるまでのゼロクロスタイムを測定し、半田濡れ性の評価とした。なお、サンプルは板厚０．６ｍｍのものを用い、温度１０５℃−湿度１００％ＲＨで圧力１．２２×１０^５Ｐａの試験槽に８時間曝して加速劣化させた後評価した。サンプルの半田槽への浸漬は浸漬速度３ｍｍ／ｓｅｃ、浸漬深さ３ｍｍとした。ゼロクロスタイムは３秒以下を合格レベルとした。表１にその評価結果を示す。
【００４２】
（２）耐食性の評価
塩水噴霧（ＪＩＳ　Ｚ　２３７１準拠）８時間と噴霧休止１６時間とを１サイクルとするサイクル腐食試験を３サイクル行い、赤錆びの発生面積率（％）で耐食性を評価した。表１にその評価結果を示す。
【００４３】
（３）ホイスカー試験
サンプルを曲げ半径５ｍｍで曲げ、−２５℃と１２０℃の繰返し熱サイクルを５００回行ったのち、曲げ部表面を走査型電子顕微鏡で観察し、ホイスカーの発生状況を観察した。ホイスカーの発生および長さで耐ホイスカー性を評価した。表１にその評価結果を示す。
【００４４】
表１の評価結果から明らかなように、実施例１〜６はいずれも、半田濡れ性、耐食性および耐ホイスカー性の全性能について優れていた。一方、比較例１〜５はいずれも、半田濡れ性、耐食性および耐ホイスカー性のいずれかの性能が悪く、実用レベルにないことがわかる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明は、鋼板表面上に溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して錫めっき層を有し、該錫めっき層の上層にＰとＳｉを含有する化成皮膜を有することにより、特に半田濡れ性、耐食性および耐ホイスカー性に優れた錫めっき鋼板を提供することができるという顕著な効果を奏する。

Claims

鋼板表面上に、溶錫処理によって形成されたＦｅ−Ｓｎ合金層を介して被覆率が９９％超えとなる付着量５．０〜２０．０　ｇ／ｍ^２の錫めっき層を有し、該錫めっき層の上層にＰとＳｉを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびＳｉの付着量をそれぞれ０．５〜１０ｍｇ／ｍ^２および３０〜１５０ｍｇ／ｍ^２の範囲とすることを特徴とする半田付け性に優れる錫めっき鋼板。
前記化成皮膜は、Ｐとシランカップリング剤を含有する化成処理液を用いて形成することを特徴とする請求項１に記載の錫めっき鋼板。
前記シランカップリング剤がエポキシ基を有することを特徴とする請求項１または２に記載の錫めっき鋼板。