JP2006527306A - アルミニウム合金の板材および帯材のための表面処理方法 - Google Patents

Abstract

本発明の対象は、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材の表面処理方法であって、大気プラズマを使った表面準備および、少なくともＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶの各元素のうちの一つを利用する化学変換処理を含む、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材の表面に化学変換膜を形成するための表面処理方法である。本発明による表面処理は、先行技術の変換処理より時間がかからずまた経済的であり、そして、自動車のボディのために利用され、また接着または溶接によって組み立てられることを目的とした、アルミニウム合金の帯材および板材にとりわけ適用される。

Description

本発明は、アルミニウム合金の板材および帯材、ならびにこれらの板材から絞り加工される部材の表面処理の分野に関するものであり、該板材は、より詳細には、アルミニウム協会の名称によって６ｘｘｘまたは５ｘｘｘタイプの合金製で、とりわけ自動車のボディ用の部材の製造の用途に充てられるものである。

アルミニウムは、車両の重量を減らすために、またひいては燃料の消費および汚染物質と温室効果ガスの排出を減らすために、自動車の製造業界においてますます利用されている。アルミニウム合金の板材は、とりわけ、自動車ボディシート用の部材、特に扉の製造のために利用される。このタイプの適用は、機械的強度、腐食に対する耐性、成形性に関する特性の全部を必要とするが、これらは時には対立するものでもある；該適用には大量生産のための納得できる費用が伴う。

これらの要求は、ヨーロッパで、自動車ボディシートについてはＡｌ‐Ｍｇ‐Ｓｉ合金、すなわち６０００系の合金の選択に導き、また補強部または裏張りについては５０００系のＡｌ‐Ｍｇ合金の選択に導いた。利用される組立て方法に関連した、表面の状態に関する要求もまた存在する。

機械的な組立てについて、表面の質についての特別な要求は、ただ適切な汚れのない状態のほかにはない。溶接作業は時には、タイプに応じて、溶接部における多孔質巣および亀裂を減らすために、汚れのない表面、すなわち脱脂された表面を必要とする。このことはしかしながら、レーザー溶接の場合においてはさほど重大なことではない。表面の反応はそのとき、規格ＤＶＳ ２９２９に従ってヨーロッパでは測定される、接触抵抗の値によって決定される。

航空機製造における構造的接着については、接着前の表面の前処理に頼るのが通例であり、一般的にはクロム酸陽極処理およびリン酸陽極処理による。包装容器または建築のような他の適用分野においては、クロムをベースとする化学変換が利用される。相変わらずしばしば利用されてはいるが、これらの変換は、六価のクロムの存在を恐れての自然環境の理由によってなくなりかねない。

より最近の処理は、クロムの代わりにケイ素、チタンまたはジルコニウムのような元素を利用している。そのような処理は、例えば米国特許第５，５１４，２１１号明細書（Ａｌｃａｎ社）、米国特許第５，８７９，４３７号明細書（Ａｌｃａｎ社）、米国特許第６，１６７，６０９号明細書（Ａｌｃｏａ社）、および欧州特許第０６４６１８７号明細書（Ｂｏｅｉｎｇ社）において記載されている。

自動車の構造部材については、組立て作業、とりわけ接着およびスポット溶接に適合した、表面準備の要求が必要とされ得る。これらの前処理の実現は、時間がかかりまた費用の高くつくものである。すなわち、表面膜の形成は、８個を超える可能性のある槽の数を伴う、さまざまな処理浴のあらゆる一連の取扱いを必要とする。例えば、標準の処理ラインは、２回のアルカリ脱脂浴、続いて２回のリンス浴、一回の酸中和浴、一回の特殊処理浴、続いて２回のリンス浴、そして乾燥の過程から成る。これらの処理浴の大部分は、ときには６０℃まで加熱され、このことは、エネルギーを消費する。
米国特許第５，５１４，２１１号明細書 米国特許第５，８７９，４３７号明細書 米国特許第６，１６７，６０９号明細書 欧州特許第０６４６１８７号明細書

本発明は、したがって、自動車の製造業界の要求に適合するアルミニウム合金製の帯材または板材への前処理を、帯材または板材の取扱い作業を最大限に減らしながら、実現することを目標とするものである。本発明は、とりわけ、自動車において利用される接着部及び接合部の接合性についての高い性能およびスポット溶接についての高い性能、ならびに表面の質の持続する安定性をもつ、自動車のボディ用の部材のための組立ての準備が整ったアルミニウム合金の板材を提供することを目的とするものである。

本発明の対象は、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材の表面処理方法であって、大気プラズマを使った表面準備および、少なくともＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶの各元素のうちの一つを利用する化学変換処理を含む、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材の表面に化学変換膜を形成するための表面処理方法である。

化学変換処理は、少なくともＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶの各元素のうちの一つの少なくとも一つの塩を１と１０の間の重量％で含む処理浴を使ってなされることができ、またこの場合において、該方法は好ましくは、処理の終わりに、ローラー脱水を含む。変換処理は、「リンスなし」の技術にしたがって、処理浴への浸漬によって、帯材、板材、もしくは部材への処理浴の噴霧によって、またはローラーでの処理浴の被覆加工によって行われる。

化学変換処理は、また、大気プラズマを使ってなされることもできるが、該大気プラズマにおいて、プラズマを発生させるガスは、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶの各元素のうちの一つの化合物を含む。プラズマガスに付加される化合物の元素は、好ましくはケイ素である。

図１は、基準のサンプルと比べて二つの異なる処理浴を用いる本発明の方法にしたがって処理された、状態Ｏの５７５４合金製および状態Ｔ４の６０１６合金製のサンプルについての、接着の試行の結果を示している。

図２は、プラズマによる変換によって本発明にしたがって処理されたサンプルについて得られた、同じタイプの結果を示している。

本発明は、出願人によってなされた確認に基礎を置くが、該確認とは、例えば脱脂である、大気プラズマを使っての準備を化学変換処理より先に行うとき、この処理が、同じ目的においてなされる先行技術の処理と比べて顕著に単純化されることができること、また例えばローラーでの脱水による変換浴を使った「すすぎ洗いなし」タイプの素早い処理でばかりでなく、同じく大気プラズマを使って実現される変換処理でもまた満足することができたこと、である。

大気プラズマの技法はここ数年の間で著しく発展し、また数多くの応用が、とりわけ金属の処理において提案された。例として、特許出願国際公開第０２／３９７９１号パンフレット（ＡＰＩＴ社）は、伝導性の表面の大気プラズマによる処理方法および処理装置を記載しており、また実施例のうちの一つにおいて、アルミニウム箔からの圧延の脂の残留物の除去を記述している。

このタイプの処理は、通常の化学的脱脂処理と比べて後の化学変換の実施により有利であることが驚異的に明らかになったのであり、プラズマは、脱脂およびアルミニウム表面に存在する天然の酸化物の修正を同時に実現する。さらに、大気プラズマがまた、変換膜それ自体の形成のために利用されることもできることが明らかになったが、それには変換膜について望まれる元素を分解によってもたらす化合物をプラズマガスに付加しさえすればよい。

脱脂の過程と変換の過程を統合することによって、大気プラズマの利用は、時間の大幅な節約に導き、また廃棄物の処理に結びついた制約を著しく軽減する。

つまり、大気プラズマの利用は、圧延ラインの出口でのアルミニウム合金帯材の送り速度と相いれる処理速度を可能にする。このように、およそ５ｍ／分から６００ｍ／分の速度を困難なく達成することができる。

本発明による表面処理方法の第一の実施態様において、化学変換処理は好ましくは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖのような金属元素またはこれらの元素の組合わせを含む溶液を使って実現されるが、該元素の組合せは、例えばＴｉ／Ｚｒの生成物で、天然の酸化物より安定した酸化膜を形成するために金属の表面と化学的に反応することができる。この作業が、帯材、板材、または部材が非常に短い時間の間しか該液体と接触を保たないにもかかわらず実行されることができることが確認された。帯材の場合において、このことは、これらの帯材の製造速度と相いれるラインでの処理を可能にする。

場合によっては起こりうる六価のクロムを含む生成物の形成を避けるために、クロムを含む試薬を除去することが望ましい。処理浴における添加剤は、１０％未満、また好ましくは１％と５％の間の非常に低い濃度である。同様に、酸性度という観点からの処理浴の悪影響は、３と１１の間に含まれるｐＨの処理浴を使用することによって抑えられる。

形成される酸化物は、アルミニウムと処理浴内に存在する元素とを一度に結びつける。処理浴の多くの成分は、市場にて手に入るが、該成分は、チタン塩、ジルコニウム塩、セリウム塩、コバルト塩、マンガン塩、バナジウム塩、またはケイ素を含む化合物を含む成分のようなものである。

処理浴への接触処理の後、帯材、板材、あるいは部材は、好ましくは、当業者には既知の「リンスなし」と呼ばれる技術にしたがってローラーを使って脱水されるが、この技術は、とりわけ帯材の連続処理に適合されている。

形成される膜は、重さの測定、Ｘ線蛍光、またはＥＳＣＡ分析によって検査されることができるが、これらの後者二つの技術は、膜の構成要素についての情報を与えるものであり、またさらにＥＳＣＡについては、元素が組み込まれている化学結合についての情報を与えるものである。

酸化物の厚みは非常に薄く、５〜５０ｎｍの領域内である。ＥＳＣＡ分析は、もし、その厚みがおよそ６ｎｍ未満であり、かつ、表面の汚染がさほどないならば、酸化膜についてのある評価を与えることができる。事実、たいていの場合、表面は、測定を妨害する炭素汚染膜で覆われているのである。

より正確な測定値を得るために、ミクロトーム法によるサンプルの準備の後、透過型電子顕微鏡検査に頼ることができる。この技術は、ＥＳＣＡによって出される測定値を校正することを可能にする。

接触抵抗の測定を利用することもできる。本発明による表面処理方法を用いると、この抵抗は、２０μΩ未満、さらに１５μΩ未満であって、このことは、自動車産業の要求になじむ。

本発明の第二の実施態様において、変換膜は、大気プラズマ、プラズマガス、例えば空気、アルゴン、またはより酸素を含んだ不活性ガス混合物における別の通過によって得られる。プラズマガスは、変換膜において存在するのを望まれるＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶのグループの金属元素を分解によって与える化合物によって質的に向上する。最も効果的な元素のうちの一つはケイ素であるが、ケイ素は、ＳｉＯ_xタイプの変換膜に導くものであり、ここにｘは２に近いものである。

ケイ素は、例えば、ケイ素またはケイ素と酸素を含む有機化合物の分解から生じることができるものであり、該有機化合物は、テトラエチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシロキサン、またはヘキサメチルジシラザンのようなもので、プラズマ混合のために利用されるアルゴンに混ぜ合わされるものである。

この実施態様によって得られる酸化膜は、厚さ１０〜３０ｎｍの一様な膜を含み、該膜の上に、２００ｎｍを超えることができる余分の厚みをもつ、多かれ少なかれ互いの間で結びついているナノ球の集合体の全体が堆積するようになる。

酸化膜のこの組織が、相次ぐ二つの過程からなるその形成の結果であると考えることができる。まず、一様で連続した障壁膜の増大、ここでケイ素が酸素また場合によっては表面に存在する他の元素と結びついて非晶質の堆積物を構成する、ついで、集合体を形成するシリカのナノ球の増大であって、該集合体は、通過数（プラズマの前の表面のより長い通過時間に相当）がより多いだけにいっそう大きいものである。これらの集合体は、力学的な固着を確保することにより、接着の場合にベースの酸化膜の接着力を改善することに貢献する。

本発明による表面処理方法は、脱脂浴、汚れ落とし浴、およびリンス浴における通過を含む従来の処理と同じように良い結果をもたらし、このことは、より短い処理時間および少ない費用に導く。このことは、リンス浴における通過を避けるものである、「リンスなし」タイプの変換またはプラズマによる変換を利用するときにさらにより顕著である。最後に、クロムのない化合物の利用は、自然環境をよりよく尊重すること、また廃水処理を単純化することを可能にする。

厚みが１ｍｍの状態Ｏ（焼きなまし）のアルミニウム合金ＡＡ５７５４製の板材のサンプル、および厚みが１．２ｍｍの状態Ｔ４の合金ＡＡ６０１６製の板材のサンプルを準備した。サンプルは、Ｐｌａｓｍａ Ｔｒｅａｔ ＧｍｂＨ社の器具を使って大気プラズマによる処理によって脱脂されたが、その際表１に示される作動パラメータが用いられた：

プラズマによる処理は、溶解の始まりに導く可能性のあり得る過度の熱を避けて金属へエネルギーを蓄積するために、トーチの前の何度もの通過をともなって実行される。

プラズマ処理の後、ＥＳＣＡ分析は、表面の炭素が４０‐５０％から２５‐３０％に減る、炭素膜の明白な減少を示す。この値は相変わらず高く思われるかもしれないが、しかし該値は、サンプルが空気の通過の後に分析されることにおそらく関係している。酸化膜はそれとしては、合金に応じて３ｎｍと５ｎｍの間に含まれる値から６ｎｍと８ｎｍの間に含まれる値に増える。

ＥＳＣＡ分析はまた、表面の酸化物のマグネシウム量の増加も示し、マグネシウム酸化物は表面の酸化物のおよそ三分の一を成すのだが、しかし逆説的に、このマグネシウムの比率は接着を妨げるようには見えず、これは一般的に認められることと反対である。

サンプルは、そのあとで、処理浴を含む処理槽の中で５秒の間浸され、ついでローラーを使って手動で脱水されたが、該ローラーは各作業の後で拭かれる。処理浴用に次の製品を利用した：
Ａ）Ｃｈｅｍｅｔａｌｌ社のＧａｒｄｏｂｏｎｄ（登録商標）Ｘ４５９１、チタン塩およびジルコニウム塩がベース
Ｂ）Ｈｅｎｋｅｌ社のＡｌｏｄｉｎｅ（登録商標）２０４０、チタン塩がベース
Ｃ）Ｄｅｇｕｓｓａ社のＤｙｎａｓｙｌａｎ（登録商標）Ｇｌｙｍｏ（３‐グルシジル‐オキシ‐トリメトキシ‐シラン）

ＥＳＣＡ分析は、３種の製品が従来の変換で得られる変換膜とほとんど同一の変換膜に導くことを示す。製品Ｃは、表面での炭素の多少多い比率を示すが、該炭素の比率は、ケイ素酸化物において、前駆体の炭素鎖の維持に充てることができるものである。

長さ１５０ｍｍの処理されたもので、Ｑｕａｋｅｒ社の固形潤滑剤ＤＣ １ ５５／４５によって油脂が塗られたサンプルを用いて、規格ＥＮ ３０３５４に従って、隅の剥離試験によって接着の試行を行った、そして徐々に、自動車のボディの用途に充てられる合金用に利用されるために剥離試験を適合させた：隅は、エネルギーをあまり早く消散させてしまわないように半分だけ打ち込まれ、また試験片は、全体を剛性にするために状態Ｔ４の合金２０１７製の同じサイズの試験片に張り合わされる。１時間、５時間、２４時間、４８時間、および９６時間のそれぞれの継続時間で、５０℃でのおよび１００％の相対湿度での環境試験室での時効処理を行う。亀裂の広がりは、その都度室温で１時間試験片を休ませた後、両面について双眼顕微鏡で観察される。３個の試験片の集まりごとに平均の広がりをそこから導きだす。

図１は、亀裂の広がりを示しているが、該亀裂の広がりは、製品ＡおよびＣを含む処理浴を用いた本発明にしたがって実現された変換膜についてのもの、ならびにＳＩＤ社の溶剤Ｖｉａｐｒｅｄ（製品Ｄ）で脱脂された基準のサンプルについてのものである。本発明にしたがって処理されたサンプルが、利用される合金がなにであろうと、基準の処理より優れた作用をもつこと、またしたがって接着に適していることが確認される。

厚みが１ｍｍの状態Ｏ（焼きなまし）のアルミニウム合金ＡＡ５１８２製の板材のサンプル、および厚みが１．２ｍｍの状態Ｔ４の合金ＡＡ６０１６製の板材のサンプルを準備した。サンプルは、特許出願国際公開第０２／３９７９１号パンフレットにおいて記載される器具のような器具を使って、また反応ガスとしてヘキサメチルジシラザンを利用して、大気プラズマによる処理によって脱脂された。

プラズマによる処理は、二つの過程で実行される：
‐脱脂：金属組織の変化にまたは溶解の始まりに導く可能性のあり得る過度の熱を避けて金属へエネルギーを蓄積するために、トーチの前の何度もの通過を実行する。
‐２に近い化学量論のケイ素酸化物ＳｉＯｘの化合物膜の堆積。

プラズマ処理の後、ＥＳＣＡ分析は、このケイ素酸化物膜の存在をはっきりと示しており、該分析の結果は表２に記載されている。その厚みは、処理条件に依る。１００〜３００ｎｍの厚みが、このように大気プラズマの技法によって堆積されることができた。この膜は、金属の最終表面に存在するその他の元素を覆い隠すが、しかし薄い厚みについて、ＡｌまたはＭｇのような元素を相変わらず検出する可能性はある。

表は、サンプルの表面での元素の原子百分率を示す。

サンプル５１８２‐Ｈ２２ ＳｉＯ２＃３は、他のサンプルと異なる値を示している。炭素の比率は大きいが、その一方で表面にシリカはほとんど示さない。このサンプルは、未処理面で分析されたが、このことは汚れ落とし効果および処理効果を確証する。炭素の比率のその他の変化の幅は、処理される金属板の取扱いの際の汚染によるものとみなすことができる。しかしながら、Ａｌ元素とＭｇ元素のかなりより多い量での検出は、厚みがわずかにより少ないことを示すことができる。

裸の、またはＱｕａｋｅｒ社の潤滑剤ＤＣ １ ５５／４５もしくはＦｅｒｒｏｃｏａｔ（登録商標）６１３０によって油脂が塗られた、長さ１５０ｍｍの処理されたサンプルを用いて、規格ＥＮ ３０３５４に従って隅の剥離試験によって接着の試行を行った、そして徐々に、自動車のボディの用途に充てられる合金用に利用されるために剥離試験を適合させた：隅は、エネルギーをあまり早く消散させてしまわないように半分だけ打ち込まれ、また試験片は、全体を剛性にするために状態Ｔ４の合金２０１７製の同じサイズの試験片に張り合わされる。１時間、５時間、２４時間、４８時間、および９６時間のそれぞれの継続時間で、５０℃でのおよび１００％の相対湿度での環境試験室での時効処理を行う。亀裂の広がりは、その都度室温で１時間試験片を休ませた後、両面について双眼顕微鏡で観察される。３個の試験片の集まりごとに平均の広がりをそこから導き出す。

図２は、亀裂の広がりを示しているが、該亀裂の広がりは、合金６０１６および５１８２に実現されまた潤滑剤を用いてまたは潤滑剤を用いずに利用される大気プラズマ堆積膜についてのもの、ならびに特定の自動車メーカーで使用されている方法にしたがって化学的に変換される基準のサンプルについてのものである。処理されたサンプルが、利用される合金がなにであろうと、基準の処理より優れた作用をもつことが確認される。潤滑剤のない接着は、処理の直後に実現され、わずかに優れた結果をもたらす。同様に、状態Ｏの合金５１８２は、状態Ｈ２２のものよりわずかによりよく機能する。潤滑剤で覆われた金属板のための接着作業は、実験室の普通の環境で１ヶ月半を超える期間にわたっての注油された状態での貯蔵の後に、実行された。このことは、金属の表面の特性を著しく改善する大気プラズマ処理の堅牢性を示す。表面のこの質は、同じく剥離試験における破壊の層相の観察を通しても証明される。

接着破壊（ＲＡ）が、すなわち表面と接着剤の酸化物界面に、ときには観察される他の処理に反して、ここでいずれにせよ見つかるのは凝集破壊（ＲＣ）、すなわち接着剤においてまたはその表面の近くで発生する破壊（表膜の凝集破壊）である。

表３は、剥離試験の際に接着される接合箇所の破壊の形態を示す。

基準のサンプルと比べて二つの異なる処理浴を用いる本発明の方法にしたがって処理された、状態Ｏの５７５４合金製および状態Ｔ４の６０１６合金製のサンプルについての、接着試験の結果を示している。 プラズマによる変換によって本発明にしたがって処理されたサンプルについて得られた、同じタイプの結果を示している。

Claims (12)

1. アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材の表面処理方法であって、大気プラズマを使った表面準備および、少なくともＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶの各元素のうちの一つを利用する化学変換処理を含む、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材の表面に化学変換膜を形成するための表面処理方法。
2. アルミニウム合金が、５０００系の合金または６０００系の合金であることを特徴とする、請求項１に記載の表面処理方法。
3. 化学変換処理が、少なくとも前記各元素のうちの一つの少なくとも一つの塩を使ってなされることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の表面処理方法。
4. 化学変換処理が、処理浴への浸漬によってなされることを特徴とする、請求項３に記載の表面処理方法。
5. 化学変換処理が、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材への処理浴の噴霧によってなされることを特徴とする、請求項３に記載の表面処理方法。
6. 化学変換処理が、アルミニウム合金の帯材、板材、または成形部材へのローラーでの処理浴の被覆加工によってなされることを特徴とする、請求項３に記載の表面処理方法。
7. 処理浴が、３と１１の間に含まれるｐＨをもつことを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一つに記載の表面処理方法。
8. 化学変換処理が、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｏ、またはＶの各元素のうちの一つの化合物を含むプラズマガスを利用する、大気プラズマを使ってなされることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の表面処理方法。
9. 化学変換処理速度が、５ｍ／分から６００ｍ／分までであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の表面処理方法。
10. 化学変換膜が、５ｎｍと３００ｎｍの間に含まれる厚みをもつことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の表面処理方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の表面処理方法によって実現されるアルミニウム合金の板材または帯材の利用であって、接着されるまたはスポット溶接される部材の製造のための利用。
12. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の表面処理方法によって実現されるアルミニウム合金の板材または帯材の利用であって、自動車のボディ用の部材の製造のための利用。
    
    

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