JP2010077532A - 陽極酸化皮膜の封孔処理方法 - Google Patents

陽極酸化皮膜の封孔処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】アルミニウム又はアルミニウム合金表面に施した陽極酸化皮膜の封孔処理を短時間で行うことができ、かつ、優れた耐食性を維持する。
【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金の表面に形成された陽極酸化皮膜の表面を、封孔処理液で処理する工程を含む陽極酸化皮膜の封孔処理方法において、前記封孔処理液は、0.02〜20g/Lのリチウムイオンを含み、前記封孔処理液のpH値を10.5以上とし、前記封孔処理液の温度を65℃以下とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金の表面に施した陽極酸化皮膜の封孔処理方法に関する。
アルミニウムやアルミ展伸材、アルミ鋳造材、アルミダイカスト材などのアルミニウム合金の耐食性を向上させる方法として、従来から陽極酸化処理が行われている。陽極酸化処理が施されたアルミニウム又はアルミニウム合金の表面には、バリア層21と多孔質層22の二層からなる陽極酸化皮膜20が形成される(図1)。アルミニウム又はアルミニウム合金にはアルミニウム以外の不純物元素が含まれており、その周囲は陽極酸化皮膜20が成長しにくいため、隙間が生じ、腐食を発生、促進する陽極酸化浴が溜まりやすく、耐食性が低下する。また、陽極酸化皮膜20の多孔質層22には微細な孔24が多数存在し、耐食性低下の一因となっているため、更なる耐食性の向上を目的として、陽極酸化処理後に孔24を塞ぐ封孔処理が行われている。
従来から知られている封孔処理の一つである水和封孔処理には、蒸気によって陽極酸化皮膜を封孔する蒸気封孔型と、封孔助剤を添加した30〜50℃の温水にアルミニウムを浸漬する低温水和型と、金属塩等の封孔助剤を添加した80〜100℃の熱水にアルミニウム材を浸漬する高温水和型とがある。船外機などの高い耐食性が必要とされるアルミニウム部品では、高温水和型の封孔処理が施されている。
高温水和型の封孔処理として、例えば、80〜100℃の酢酸ニッケル浴に、陽極酸化処理品を10分以上浸漬して封孔処理するものがある。この高温封孔処理では、下記式(I)に示すように、皮膜の体積膨張を伴う「水和反応」と、水酸化ニッケル33を孔34内へ析出させる「析出反応」という二種類の反応機構により封孔を行っている(図2)。
Al + HO → Al・HO (ベーマイト) (式I)
また、その他の高温水和型の封孔処理として、特許文献1には、フルオロアルキル基を有するアクリル酸、メタクリル酸のフッ素化ポリマー又はコポリマーを含有し、さらにリチウムイオン(0.0001〜0.01g/L)及びマグネシウムイオンを含有する水溶液(pH5.5〜8.5)に、70℃〜沸点で接触させる方法が開示されている。特許文献2には、アルカリ金属イオン及び/又はアルカリ土類金属イオン(好適には、リチウムイオン及びマグネシウムイオンであり、濃度は0.01〜50g/L)を含む有機酸の水溶液(pH5.5〜8.5)に、75℃〜沸点で陽極酸化処理品を接触させる方法が開示されている。特許文献3には、耐食性向上を目的とした陽極酸化皮膜の封孔処理で、第一工程で温度15〜35℃及びpH値5.0〜6.5、0.1〜3g/Lのリチウムイオン及び0.1〜5g/Lのフッ化物イオンを含有する水溶液に、3〜30分接触させ、第二工程で市販の封孔材を用い、96℃、20分間封孔処理を行うことが開示されている。
しかしながら、これらの封孔処理は、陽極酸化処理品を浸漬する処理なので、大型部品を封孔処理する場合など、その部品よりもさらに大きな処理槽が必要になり、処理液も大量に必要となる。
特開2002−532631号公報 特開2000−511972号公報 特開平11−509579号公報
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金表面に施した陽極酸化皮膜の封孔処理を短時間で行うことができ、かつ、優れた耐食性を維持できる陽極酸化皮膜の封孔処理方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明においては、アルミニウム又はアルミニウム合金の表面に形成された陽極酸化皮膜の表面を、封孔処理液で処理する工程を含む陽極酸化皮膜の封孔処理方法であって、前記封孔処理液が0.02〜20g/Lのリチウムイオンを含み、前記封孔処理液のpH値が10.5以上であり、前記封孔処理液の温度が65℃以下である陽極酸化皮膜の封孔処理方法とした。
前記封孔処理液のリチウムイオン源は、炭酸リチウム又は水酸化リチウムが好ましい。
前記封孔処理液での処理は、前記陽極酸化皮膜の表面の少なくとも一部に前記封孔処理液を塗布又はスプレーする処理が好ましく、この処理面を水洗する工程をさらに含むことが好ましい。
前記封孔処理液での処理は、前記陽極酸化皮膜の表面の少なくとも一部を前記封孔処理液に浸漬する処理が好ましく、この処理面を水洗する工程をさらに含むことが好ましい。
前記封孔処理液での処理工程と前記処理面の水洗工程との間に、前記陽極酸化皮膜を有する被処理物を空気中で保持する工程をさらに含むことが好ましい。
本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金表面に施した陽極酸化皮膜の封孔処理を短時間で行うことができ、かつ、優れた耐食性を維持できる。
アルミニウム及びその表面上の陽極酸化皮膜の断面を示す模式図。 図1の陽極酸化皮膜の水和反応後の断面を示す模式図。 試験例1における耐食性の濃度依存性を示すグラフ。 試験例2における耐食性のpH依存性を示すグラフ。 試験例3における耐食性の温度依存性を示すグラフ。 試験例4における腐食率と処理時間の関係を示すグラフ。 試験例5におけるリチウムと同族元素の耐食性の比較を示すグラフ。 試験例6におけるリチウムを含む薬品の耐食性の比較を示すグラフ。 実施例1と、従来封孔、封孔未処理品との腐食率の比較を示すグラフ。 比較例1における塩水噴霧試験前の船外機部品の写真。 実施例1における塩水噴霧試験240時間後の船外機部品の写真。 比較例1における塩水噴霧試験240時間後の船外機部品の写真。 比較例2における塩水噴霧試験240時間後の船外機部品の写真。 実施例2における塩水噴霧試験前の船外機部品の写真。 実施例2における塩水噴霧試験120時間後の船外機部品の写真。 実施例3における塩水噴霧試験前のテストピースの写真。 実施例3における塩水噴霧試験50時間後のテストピースの写真。 比較例3における塩水噴霧試験前のテストピースの写真。 比較例3における塩水噴霧試験50時間後のテストピースの写真。 実施例4における塩水噴霧試験120時間後のテストピースの写真。 実施例5における塩水噴霧試験120時間後のテストピースの写真。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明において、封孔処理の処理対象物は、陽極酸化皮膜が表面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金の部材である。陽極酸化皮膜は、陽極酸化処理液中でアルミニウム又はアルミニウム合金を作用電極として、処理液を電気分解することによって得られる。陽極酸化処理液としては、硫酸、シュウ酸、リン酸、クロム酸等の酸性浴、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウム、フッ化ナトリウム等の塩基性浴のいずれを用いてもよく、本発明において封孔処理の対象となる陽極酸化皮膜を表面に生成させたアルミニウム又はアルミニウム合金の部材は、特定の陽極酸化処理浴を使用したものには限定されない。また、陽極酸化皮膜の膜厚も特に限定されないが、通常3〜40μmがよい。
被処理物である陽極酸化皮膜を生成させたアルミニウム材又はアルミニウム合金材は、封孔処理液に浸漬、又は、封孔処理液を塗布する前に、水洗浄等の前処理を行うことが好ましい。被処理物に付着した陽極酸化処理液が封孔処理液に混入することを防止し、また孔内の陽極酸化処理液を除去するためである。
封孔処理液はリチウムイオンを含む水溶液であり、リチウムイオン源となる薬品としては、硫酸リチウム、塩化リチウム、ケイ酸リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、リン酸リチウム、水酸化リチウムなどを使用することができる。そのうち、水溶液が塩基性を示すものとして水酸化リチウム、炭酸リチウム、ケイ酸リチウムが好ましい。但し、ケイ酸リチウムは毒性が強く、水に溶けにくいため、実用的ではない。よって、炭酸リチウムと水酸化リチウムがより好適である。
リチウムは非常に小さい元素であり、皮膜の隙間に入って反応しやすいため、好適である。リチウムと同族の元素であるナトリウムやカリウムは、皮膜の封孔処理回数に対して敏感であり、処理回数の増加に伴い、耐食性は顕著に低下する。また、薬液管理に関してコスト高を招くため、生産を考慮すると望ましくない。これに対して、リチウムは処理回数に鈍感で、安定した耐食性を有する。
封孔処理液のリチウムイオン濃度は、0.02〜20g/Lにする必要がある。0.02g/L以上の濃度のリチウムイオンで封孔処理の反応が促進される。下限は、好ましくは0.08g/Lであり、より好ましくは2g/Lである。上限は、より好ましくは10g/Lである。リチウムイオン濃度が10g/Lを超えた封孔処理液では、急速に反応が進み、陽極酸化皮膜のないアルミニウム素地の溶解が起こるため、好ましくない。
封孔処理液のpH値は、10.5以上にする必要がある。好ましくは11以上であり、さらに好ましくは12以上である。また、pH値の上限は14が好ましい。封孔処理液が塩基性のため、酸性浴で処理した皮膜と反応しやすく、ベーマイトを速やかに生成する。また、pH値12以上では、ベーマイトをより速やかに生成する。pH値が10.5未満の封孔処理液では、腐食率が高く、耐食性を向上させる効果が低い。また、リチウムイオン源によってpH値は異なるので、硫酸、シュウ酸、リン酸、クロム酸等の酸や、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウム、フッ化ナトリウム等の塩基を用いてpHを調整することができる。
封孔処理液の温度は、65℃以下にする必要がある。下限は10℃以上が好ましい。より好ましくは25〜50℃である。25℃よりも低い温度で処理を施すと、活性が低く、反応が弱くなるが、ある程度の耐食性は期待できる。逆に、65℃を超える温度では、陽極酸化皮膜表面からの皮膜の溶解が急速に進み、皮膜が消失して高い耐食性は得られなくなる。
本発明の封孔処理液によれば、短時間の封孔処理で優れた耐食性を有する皮膜にすることができる。封孔処理液の処理時間(浸漬時間)は、少なくとも0.5分あれば、高い耐食性が発揮される。上限は好ましくは5分以下である。5分を超える処理時間では、皮膜の溶解が急速に進み、耐食性は低下する。
前述した封孔処理液の浸漬時間の後に、空気中で保持する保持時間を設け、これらを合わせて処理時間としてもよい。この場合の処理時間(浸漬時間と保持時間の合計)は、0.5〜5分であることが好ましい。浸漬時間の下限は、陽極酸化皮膜を有する被処理物の大きさにもよるが、約1秒以上であることが好ましく、上限は、処理時間未満であれば任意に選択することができる。空気中で保持する際は、被処理物から落ちる液滴が処理浴に入らないように、例えば水洗槽の上で保持することが好ましい。液滴にはアルミニウムイオンが多く含まれているからである。
リチウムイオンを含む水溶液を用いて封孔処理を行う場合、その封孔反応は常温でも進行するため、空気中で保持している状態(処理浴から取り出した状態)でも封孔反応は進行する。また、封孔処理時に必要なリチウムイオン源となる薬品の量が少ないため(約0.7g/m)、被処理物に処理液が付着していれば、封孔反応は進行する。そのため、浸漬時間を短縮することができ、それによってアルミニウムイオンの溶出を低減することができるため、処理浴の劣化を抑制することができる。例えば、被処理物の浸漬に15秒かかる場合、浸漬時間は1/20〜1/2に短縮され、処理浴の寿命は2〜20倍に延びる。また、処理浴から取り出す際に持ち出す処理液の量は従来と変わらないため、処理浴の管理方法を変える必要はなく、陽極酸化皮膜の耐食性が低下することはない。
封孔処理方法は、陽極酸化皮膜を有する被処理物に処理液を塗布やスプレーし、又は被処理物を処理液に浸漬し、空気中で保持してから水洗、乾燥することが好ましい。また、陽極酸化皮膜を有する被処理物を処理液に浸漬し、5分以下で処理液から取り出し、水洗、乾燥することが好ましい。塗布やスプレーによる封孔処理方法は、部分的に封孔処理することができ、大型部品でも浸漬する必要がないため、大型の槽を必要としない。
以下、試験例、実施例を用いてさらに具体的に説明する。以下の試験例1〜6では、陽極酸化皮膜の封孔処理として、リチウム処理液が耐食性向上効果を示す条件を調査した。
(試験例1)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12の船外機カバーをテストピースとして、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの陽極酸化皮膜を形成した。このテストピースに本発明の封孔処理を施し、塩水噴霧試験240時間後の腐食面積を腐食率として耐食性を評価した。
耐食性向上に必要なリチウムイオン濃度の範囲を調査するため、処理浴の温度は20℃、処理時間は0.5分間の浸漬処理で固定した。処理浴のリチウムイオン濃度は0〜20g/Lの範囲で、水酸化リチウムを用いて調整した。封孔処理品を塩水噴霧試験にかけて240時間後に取出し、腐食面積を測定して腐食率の評価を行った。試験の結果を図3に示す。
ここで、腐食率は、耐食性を評価するひとつの指標として、独自に定めたものである。塩水噴霧試験後の試験片の外観をデジタルカメラで撮影し、画像処理ソフトにより評価領域の全体に対して、腐食している面積の割合を腐食率として測定し、評価した。なお、この腐食率は、同時に試験した試験片での相対的な比較は可能であるが、試験条件や試験片の種類を変更した場合は比較できない。
試験例1の結果、リチウムイオン濃度が0.02〜20g/Lの領域で耐食性の向上効果が得られた(図3)。しかし、リチウムイオン濃度が10g/Lを超える処理浴では急速に反応が進み、陽極酸化皮膜のないアルミニウム素地の溶解が起こる。より好ましいリチウムイオン濃度の範囲は10g/L以下となる。リチウムイオン濃度が0〜0.02g/Lのとき、腐食率は13.7%以上となるため、リチウムイオン濃度の下限値としては、腐食率が3.3%となる0.08g/Lがより好ましい。
(試験例2)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12をテストピースとして、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの陽極酸化皮膜を形成した。
処理浴のpH依存性を調査するため、リチウムイオン濃度2g/L、処理浴の温度は20℃、処理時間は0.5分間の浸漬処理で固定した。処理浴は水酸化リチウムにより調整し、pHはリチウムイオン濃度を変化させないよう、硫酸により処理液のpH値を6〜13の範囲で調整した。封孔処理品を塩水噴霧試験にかけて120時間後に取出し、腐食率の評価を行った。試験の結果を図4に示す。
試験例2の結果、処理液のpHは10.5以上で腐食率が約2%以下となり、耐食性を向上させる効果が高かった(図4)。
(試験例3)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12をテストピースとして、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの陽極酸化皮膜を形成した。
処理温度の依存性を調査するため、リチウムイオン濃度5g/L、pH12、処理時間は1分間の浸漬処理で固定した。処理浴は水酸化リチウムにより調整し、温度は10〜100℃の範囲で調整した。処理品を塩水噴霧試験にかけて120時間後に取出し、腐食率の評価を行った。試験の結果を図5に示す。
試験例3の結果、耐食性を向上させる処理液の温度は陽極酸化皮膜の溶解がなかった65℃以下で高い効果が得られた。より効果が高いのは25〜50℃であった(図5)。10℃などの25℃よりも低い温度でも、ある程度の耐食性が得られた。
(試験例4)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12をテストピースとして、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの陽極酸化皮膜を形成した。
浸漬する場合の最適な処理時間を調査するため、リチウムイオン濃度5g/L、pH12、処理温度は25℃で固定した。処理液は水酸化リチウムで調整し、処理時間は0.5〜10分の範囲で変化させた。処理品を塩水噴霧試験にかけて240時間後に取出し、腐食率の評価を行った。試験の結果を図6に示す。
試験例4の結果、耐食性を向上させる浸漬時間は0.5分以上で優れた効果があった(図6)。また、5分を超える処理時間では、皮膜の溶解が急速に進み、耐食性は低下した。
(試験例5)
リチウムと同族の元素で、一般的なナトリウムやカリウム、マグネシウム、カルシウムでも、本発明と同様の結果が得られるか調査するため、約10μmの陽極酸化皮膜を有するアルミニウム合金ダイカスト材ADC12をテストピースとして、それぞれを表1の条件で封孔処理し、塩水噴霧試験に240時間かけ、乾燥後の腐食率を比較した。試験の結果を図7に示す。なお、水酸化マグネシウムと水酸化カルシウムは水に不溶であった。
いずれのテストピースもN数2で処理し、それぞれ処理温度を20℃、処理時間を0.5分で行った。比較として陽極酸化皮膜のみの封孔未処理品も調査した。
試験例5の結果、ナトリウムとカリウムに関しては、1回目の処理よりも2回目の処理の方が耐食性は顕著に低下する傾向にあった(図7)。処理回数に対して敏感であり、また、薬液管理に関してコスト高を招くため、生産を考慮すると望ましくない。これに対してリチウムは処理回数に鈍感で、安定した耐食性を有した。なお、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの水溶液は皮膜の溶解力が強いため、皮膜を急速に溶解した。
(試験例6)
リチウムを含む薬品の内、塩基性を示す水酸化リチウム、炭酸リチウム、酸性のリン酸リチウムで、本発明の優れた効果が得られるか調査するため、約10μmの陽極酸化皮膜を有するアルミニウム合金ダイカスト材ADC12をテストピースとして、それぞれを表2の条件で封孔処理し、塩水噴霧試験に120時間かけ、乾燥後の腐食率を比較した。試験の結果を図8に示す。比較として陽極酸化皮膜のみの封孔未処理品と従来技術である市販の酢酸ニッケル系封孔処理液(奥野製薬工業株式会社製、「トップシール」(商品名))に90℃で15分浸漬した後、水洗、乾燥したテストピースを調査した。
試験例6の結果、本発明のpH範囲を外れたリン酸リチウムでは耐食性向上効果は得られず、本発明の適用範囲を満たしている炭酸リチウムでは、水酸化リチウムと同様、本発明の効果が得られた(図8)。従って、炭酸リチウムと水酸化リチウムを好適に用いることができる。
(実施例1)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12の船外機カバーに、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの皮膜を形成した。この船外機カバーを水酸化リチウムで調整したリチウムイオン濃度2g/L、pH12、処理浴温度20℃の処理液に0.5分浸漬したあと、水洗、乾燥し、塩水噴霧試験による耐食性試験を行った。
(比較例1)
封孔処理を行わなかった点を除き、実施例1と同様に行った。
(比較例2)
実施例1と同様に、皮膜を形成した後、市販の酸化ニッケル系封孔処理液(奥野製薬工業株式会社製、「トップシール」(商品名))に90℃で15分浸漬した後、水洗、乾燥した。
実施例1、比較例1、比較例2の試験結果を図9〜13、表3に示す。
実施例1(図11)は、比較例1(図12)、比較例2(図13)と比べて、耐食性向上効果が示された。
(実施例2)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12の船外機部品に、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの皮膜を形成した。この船外機部品の一部に描いた円の内部に、リチウムイオン濃度2g/Lの処理液を塗布してしばらく放置し、水洗して乾燥させ、塩水噴霧試験に120時間かけた。試験の結果を図14、15に示す。
実施例2の結果、処理液を塗布した円の内部は腐食せず、部分的に封孔処理できることが示された(図14、15)。
(実施例3)
アルミニウム合金AC8Aをテストピースとして、硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの皮膜を形成した。その後、リチウムイオン濃度2g/L、pH12、処理浴温度25℃の処理液に0.5分間浸漬した後、水洗して乾燥させ、塩水噴霧試験による耐食性試験を50時間行った。
(比較例3)
封孔処理を行わなかった点を除き、実施例3と同様に行った。
実施例3の試験前のテストピースの写真を図16に、試験後のテストピースの写真を図17に示す。比較例3の試験前のテストピースの写真を図18に、試験後のテストピースの写真を図19に示す。また、腐食率を表4に示す。
実施例3(図17)は、比較例3(図19)と比べて腐食率が低く、耐食性向上効果が示された。
(実施例4)
アルミニウム合金ダイカスト材ADC12をテストピースとして硫酸浴の陽極酸化処理を施し、表面に約10μmの皮膜を形成した。このテストピースを水酸化リチウムで調整したリチウムイオン濃度2g/L、pH12、処理浴温度25℃の処理液に15秒浸漬して取り出し、45秒空気中で保持したあと、水洗、乾燥し、塩水噴霧試験による耐食性試験を120時間行った。
(実施例5)
処理液に1分浸漬したあと、空気中で保持しなかった点を除き、実施例4と同様に行った。
実施例4の試験後のテストピースの写真を図20に、実施例5の試験後のテストピースの写真を図21に示す。
実施例4(図20)は、実施例5(図21)と同等の耐食性を有することが示された。このことから、処理液から取り出し、空気中で保持している間においても、封孔反応は進行していることが確認された。したがって、浸漬時間を短縮することによって、処理液の寿命を延ばすことができる。
10 アルミ基材
20 陽極酸化皮膜
21 バリア層
22 多孔質層
24 孔
25 セル
33 水酸化ニッケル
34 孔
35 セル

Claims (5)

  1. アルミニウム又はアルミニウム合金の表面に形成された陽極酸化皮膜の表面を、封孔処理液で処理する工程を含む陽極酸化皮膜の封孔処理方法であって、前記封孔処理液が0.02〜20g/Lの濃度のリチウムイオンを含み、前記封孔処理液のpH値が10.5以上であり、前記封孔処理液の温度が65℃以下である陽極酸化皮膜の封孔処理方法。
  2. 前記封孔処理液のリチウムイオン源が炭酸リチウム又は水酸化リチウムである請求項1に記載の陽極酸化皮膜の封孔処理方法。
  3. 前記封孔処理液での処理が、前記陽極酸化皮膜の表面の少なくとも一部に前記封孔処理液を塗布又はスプレーする処理であって、この処理面を水洗する工程をさらに含む請求項1又は2に記載の陽極酸化皮膜の封孔処理方法。
  4. 前記封孔処理液での処理が、前記陽極酸化皮膜の表面の少なくとも一部を前記封孔処理液に浸漬する処理であって、この処理面を水洗する工程をさらに含む請求項1又は2に記載の陽極酸化皮膜の封孔処理方法。
  5. 前記封孔処理液での処理工程と前記処理面の水洗工程との間に、前記陽極酸化皮膜を有する被処理物を空気中で保持する工程をさらに含む請求項3又は4に記載の陽極酸化皮膜の封孔処理方法。
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