JP2016176111A - 表面処理方法、表面処理装置およびアルミニウム表面処理材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る表面処理方法は、フッ化チタン化合物およびフッ化ジルコニウム化合物の少なくとも1種を含有する処理液をアルミニウム材料の表面に塗布し皮膜を形成する処理液塗布工程と、前記処理液塗布工程において形成した前記皮膜を乾燥する乾燥工程と、前記乾燥工程において乾燥した前記皮膜を30〜80℃の水で水洗する水洗工程と、を含み、前記処理液塗布工程において、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が3〜25mg/m2となるように前記アルミニウム材料の表面に前記処理液を塗布することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
これに対し、噴霧方法や浸漬方法については、噴霧処理や浸漬処理によってアルミニウム材料の表面に付着した余分な処理液を水洗した後、処理液を乾燥させることから、皮膜の表面におけるフッ素化合物の偏析がほとんど見られない。
また、本発明に係る表面処理方法は、アルミニウム材料の表面に形成させた皮膜を乾燥させた後に、所定の温度の水で水洗することにより、皮膜の表面に偏析したフッ素化合物を除去することができる。その結果、皮膜が形成されたアルミニウム材料に接着対象を接着させるに際して、皮膜の表面に接着耐久性を低下させるフッ素化合物が存在しなくなるため、皮膜が優れた接着耐久性を発揮することとなる。
さらに、本発明に係る表面処理方法は、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が所定の範囲となるように処理液を塗布していることから、チタン皮膜量やジルコニウム皮膜量が多過ぎることに起因する接着耐久性の低下(皮膜の脆弱化)を防止することができる。
また、本発明に係る表面処理装置は、前記アルミニウム材料がアルミニウム板であり、前記アルミニウム板を通板させながら前記処理液塗布装置、前記乾燥装置、及び前記水洗装置による処理が行われることが好ましい。
また、本発明に係る表面処理装置は、アルミニウム材料の表面に形成させた皮膜を乾燥装置によって乾燥させた後に、水洗装置によって所定の温度の水で水洗することにより、皮膜の表面に偏析したフッ素化合物を除去することができる。その結果、皮膜が形成されたアルミニウム材料に接着対象を接着させるに際して、皮膜の表面に接着耐久性を低下させるフッ素化合物が存在しなくなるため、皮膜が優れた接着耐久性を発揮することとなる。
また、本発明に係る表面処理装置は、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が所定の範囲となるように処理液を塗布していることから、チタン皮膜量やジルコニウム皮膜量が多過ぎることに起因する接着耐久性の低下(皮膜の脆弱化)を防止することができる。
本発明のアルミニウム表面処理材料によれば、皮膜の接着耐久性が優れたものとなる。
まず、本発明の表面処理方法で用いられる表面処理装置について説明する。
図2に示すように、表面処理装置21は、処理液塗布装置11と、乾燥装置12と、水洗装置13と、を備える。以下、各構成につて説明する。
処理液塗布装置11は、搬入ロール20によって搬入されるアルミニウム材料1の表面に、処理液を塗布する装置である。そして、処理液塗布装置11では、アルミニウム材料1の表面に皮膜2(乾燥前の皮膜2)が形成される。
ここで「塗布」とは、アルミニウム材料1の表面に処理液をこすりつける、または、なすりつけるという処理であり、アルミニウム材料1の表面に処理液を噴霧したり、アルミニウム材料1を処理液に浸漬させたりするような処理を除外するものである。
処理液塗布装置11は、アルミニウム材料1の表面に対して処理液を塗布できる装置であればよく、例えば、図2に示すようなロールコーターであってもよいし、従来公知のバーコーター、ダイコーターといった各種コーター(塗工機)であってもよい。
そして、処理液塗布装置11によってアルミニウム材料1の表面に処理液を塗布するにあたり、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が3〜25mg/m2となるように塗布する。なお、チタンとジルコニウムの合計の塗布量、処理液の濃度、処理液の塗布量については、後記する本発明の表面処理方法で説明する。
乾燥装置12は、処理液塗布装置11から搬入されるアルミニウム表面処理材料3を乾燥する装置である。この乾燥装置12は、処理液塗布装置11に隣り合って、あるいは、所定の間隔を空けて設置される。そして、乾燥装置12では、処理液塗布装置11によってアルミニウム材料1の表面に形成した皮膜2を乾燥させる。
乾燥装置12は、皮膜2に対して乾燥処理を施すことができる装置であればよく、例えば、アルミニウム表面処理材料3に加熱処理(処理温度:50〜150℃、処理時間:10〜60秒)を施す装置であってもよいし、皮膜2に対して熱風や乾燥空気を吹き付けるといった装置であってもよい。
水洗装置13は、乾燥装置12から搬入されるアルミニウム表面処理材料3を水洗する装置である。この水洗装置13は、乾燥装置12に隣り合って、あるいは、所定の間隔を空けて設置される。そして、水洗装置13では、乾燥装置12によって乾燥した皮膜2が水洗される。
水洗装置13は、皮膜2の表面に水洗処理を施すことができる装置であればよく、例えば、アルミニウム表面処理材料3の上下に配置された噴射ノズルから噴射される水によって皮膜2を洗浄する装置であってもよく、浸漬槽に貯められた水にアルミニウム表面処理材料3を潜らせるといった装置であってもよい。
そして、水洗装置13において使用する水の温度は、30〜80℃である。なお、水の温度については、後記する本発明の表面処理方法で説明する。
また、表面処理装置21は、従来公知の乾燥装置を水洗装置13の後方にさらに備えていてもよい(図示せず)。この乾燥装置は、水洗装置13によって水洗された皮膜を乾燥するための装置である。
なお、表面処理装置21は、処理対象であるアルミニウム材料1がアルミニウム板であって、このアルミニウム板を通板(移動)させながら、処理液塗布装置11、乾燥装置12、水洗装置13などにおける各処理を行う構成(表面処理を施す構成)であるのが、処理能力を向上させる点において好ましい。
図1に示すように、本発明の表面処理方法は、処理液塗布工程S5と、乾燥工程S6と、水洗工程S7とを含むことを特徴とする。
また、本発明の表面処理方法は、処理液塗布工程S5の前にアルカリ洗浄工程S1と、水洗工程S2と、酸洗浄工程S3と、水洗工程S4とを含み、水洗工程S7の後に乾燥工程S8を含むものであってもよい。以下、各工程について、具体的に説明する。なお、本発明の表面処理方法で得られるアルミニウム表面処理材料の構成については、一例として図3を参照する。
アルカリ洗浄工程S1は、アルミニウム材料1の表面をアルカリで洗浄することによって、アルミニウム材料1の表面に残存する油分を除去する工程である。ここで、油分は、アルミニウム材料1を作製する際に、アルミニウム材料1の表面に付着した潤滑油等である。また、アルカリ洗浄装置またはアルカリ洗浄条件については、アルミニウム材料1の搬入経路に沿って設けられる従来公知の装置、または、従来公知の条件が用いられる。なお、アルミニウム材料1の表面に残存する油分の付着量が無視できる場合には、アルカリ洗浄工程S1を省略することが可能である。
水洗工程S2は、アルミニウム材料1の表面を水洗することによって、アルミニウム材料1の表面に残存するアルカリを除去する工程である。また、水洗装置または水洗条件については、従来公知の装置または条件が用いられる。なお、前記アルカリ洗浄工程S1を省略した際には、水洗工程S2を省略することができる。
酸洗浄工程S3は、アルミニウム材料1の表面を酸で洗浄することによって、アルミニウム材料1の表面に残存するアルミニウム酸化皮膜またはマグネシウム酸化皮膜を除去する工程である。ここで、アルミニウム酸化皮膜またはマグネシウム酸化皮膜は、アルミニウム材料1を作製する際に、アルミニウム材料1の表面に形成される酸化皮膜である。また、酸洗浄装置または酸洗浄条件については、従来公知の装置または条件が用いられる。なお、アルミニウム材料1の表面に残存するアルミニウム酸化皮膜またはマグネシウム酸化皮膜の皮膜量が無視できる場合には、酸洗浄工程S3を省略することが可能である。
水洗工程S4は、アルミニウム材料1の表面を水洗することによって、アルミニウム材料1の表面に残存する酸を除去する工程である。また、水洗装置または水洗条件については、従来公知の装置または条件が用いられる。なお、前記酸洗浄工程S3を省略した際には、水洗工程S4を省略することができる。
処理液塗布工程S5は、フッ化チタン化合物およびフッ化ジルコニウム化合物の少なくとも1種を含有する処理液をアルミニウム材料1の表面に塗布する工程である。
そして、処理液塗布工程S5において、アルミニウム材料1の表面に塗布された処理液はアルミニウム材料1と反応して、アルミニウム材料1の表面にチタンおよびジルコニウムの少なくとも1種を含有する皮膜2を形成する。
しかしながら、処理液塗布工程S5において、チタン(金属チタン換算量)とジルコニウム(金属ジルコニウム換算量)の合計の塗布量が3〜25mg/m2となるようにアルミニウム材料1の表面に処理液を塗布する必要がある。そして、チタンとジルコニウムの合計の塗布量は、5mg/m2以上が好ましく、20mg/m2以下がさらに好ましい。このようにチタンとジルコニウムの合計の塗布量が所定の範囲となるように処理液を塗布することによって、形成された皮膜2は、金属チタン換算量のチタン皮膜量と金属ジルコニウム換算量のジルコニウム皮膜量との合計量が3〜17mg/m2となり、皮膜2の接着耐久性が向上する。
詳細には、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が所定値未満であると、十分なチタン皮膜量とジルコニウム皮膜量が得られない。一方、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が所定値を超えると、皮膜量が過剰になり、皮膜2が脆くなる。
このようなチタン濃度およびジルコニウム濃度を有する処理液を用いることにより、後記するような範囲の処理液の塗布量(1〜100mL/m2)の場合、形成された皮膜2は、金属チタン換算量のチタン皮膜量と金属ジルコニウム換算量のジルコニウム皮膜量との合計量が3〜17mg/m2となり、皮膜2の接着耐久性が向上する。また、形成された皮膜2は、チタン皮膜量が金属チタン換算量で1〜10mg/m2およびジルコニウム皮膜量が金属ジルコニウム換算量で1〜10mg/m2の少なくとも一方を満足することとなる。
処理液の塗布量が1mL/m2未満であると、所望のチタン皮膜量およびジルコニウム皮膜量が得られない。一方、処理液の塗布量が100mL/m2を超えると、形成された皮膜2の均一性を失いやすい。
乾燥工程S6は、処理液塗布工程S5においてアルミニウム材料1の表面に形成した皮膜2を乾燥する工程である。
乾燥工程S6における乾燥処理は、皮膜2に対して乾燥処理を施すことができる処理であればよく、例えば、アルミニウム表面処理材料3を加熱する処理(処理温度:50〜150℃、処理時間:10〜60秒)であってもよいし、皮膜2に対して熱風や乾燥空気を吹き付ける処理であってもよい。
水洗工程S7は、乾燥工程S6において乾燥した皮膜2を30〜80℃の水で水洗する工程である。
そして、水洗工程S7において、乾燥工程S6の後の皮膜2の表面に偏析したフッ素化合物(アルミニウム材料1と処理液との反応により発生するフッ化アルミニウムや、処理液中の未反応分のフッ素化合物)が水によって洗い流される。その結果、アルミニウム材料1の表面に形成された皮膜1が優れた接着耐久性を発揮することとなる。
水洗工程S7における水洗処理は、皮膜2の表面に水洗処理を施すことができる処理であればよく、例えば、アルミニウム表面処理材料3の上下に配置された噴射ノズルから噴射される水によって皮膜2を洗浄する処理であってもよく、浸漬槽に貯められた水にアルミニウム表面処理材料3を潜らせるといった処理であってもよい。
なお、水洗工程S7における水洗処理の時間については、特に限定されないが、2〜120秒であればよい。
乾燥工程S8は、水洗工程S7において水洗された皮膜2を乾燥する工程である。また、乾燥装置または乾燥条件については、従来公知の装置または条件が用いられる。
図3に示すように、アルミニウム表面処理材料は、アルミニウム材料1と、アルミニウム材料1の表面に形成された皮膜2とを備える。ここで、アルミニウム材料1の表面とは、アルミニウム材料1の少なくとも一面を意味し、いわゆる片面、両面または複数の面が含まれる。以下、各構成について説明する。
アルミニウム材料1は、コイル状またはシート状のアルミニウム板、鋳物または押し出し加工材の形状で提供され、好ましくはアルミニウム板である。アルミニウム材料1を構成するアルミニウム合金としては、Al−Mg系合金、Al−Mg−Si系合金が好ましい。Al−Mg系合金はJIS規定の5000系合金であり、Al−Mg−Si系合金はJIS規定の6000系合金である。
皮膜2は、所定量のチタンおよびジルコニウムを含有する皮膜である。そして、皮膜2におけるチタンは、チタン酸化物およびチタンフッ化物の少なくとも一方であることが好ましく、皮膜2におけるジルコニウムは、ジルコニウム酸化物およびジルコニウムフッ化物の少なくとも一方であることが好ましい。また、皮膜2は、チタンおよびジルコニウムのほかに、残部がアルミニウムおよび不純物からなる。ここで、残部のアルミニウムにはアルミニウム酸化物、アルミニウムフッ化物等が含まれる。
次に、本発明の表面処理方法およびアルミニウム表面処理材料について、本発明の要件を満たす実施例と、本発明の要件を満たさない比較例と、を対比させて具体的に説明する。
実施例1では、表面処理方法の種類が、皮膜に与える影響について確認した。
一方、アルミニウム表面処理材料(No.2)については、酸洗浄後に水洗したアルミニウム板の表面に対して、フッ化チタン化合物としてフルオロチタネート酸を150ppm、フッ化ジルコニウム化合物としてフルオロジルコネート酸を250ppm含有する処理液(50℃)を3秒間噴霧した。その後、60℃の水で3秒間の水洗処理を行った後、110℃、30秒の乾燥処理を行うことで、アルミニウム表面処理材料(No.2)を作製した。
一方、比較例であるアルミニウム表面処理材料(No.2)は、表面処理方法が「スプレー(噴霧)」であったため、各場所におけるチタン皮膜量およびジルコニウム皮膜量にばらつきがあった。つまり、幅方向における皮膜量の均一性に劣っていた。
実施例2では、水洗処理で使用する水の温度が、皮膜に与える影響について確認した。
一方、アルミニウム表面処理材料(No.13)については、酸洗浄後に水洗したアルミニウム板の表面に対して、フッ化チタン化合物としてフルオロチタネート酸を150ppm、フッ化ジルコニウム化合物としてフルオロジルコネート酸を250ppm含有する処理液(50℃)を3秒間噴霧した。その後、25℃の水で60秒間の水洗処理を行った後、室温乾燥を行うことで、アルミニウム表面処理材料(No.13)を作製した。
また、作製したアルミニウム表面処理材(No.3〜13)の表面に形成された皮膜の表面のフッ素換算量、金属チタン換算量、および金属ジルコニウム換算量の重量パーセント濃度をX線光電子分光(XPS)で測定し、皮膜の表面における「フッ素換算量」と「金属チタン換算量と金属ジルコニウム換算量の和」との比(=「フッ素換算量」/「金属チタン換算量と金属ジルコニウム換算量の和」、表中および以下では「表面F/(Ti+Zr)」とする)を算出した。
なお、実施例であるアルミニウム表面処理材料(No.3〜8)は、水洗処理を行っていないアルミニウム表面処理材料(No.12)と比較すると明らかなように、皮膜量の減少は確認できなかった。
なお、参考例であるアルミニウム表面処理材料(No.13)は、表面処理方法が「スプレー(噴霧)」であったため、「表面F/(Ti+Zr)」が低下していた。
実施例3では、「表面F/(Ti+Zr)」と「接着耐久性」との関係について確認した。
作製した接着試験体34を中性塩水噴霧中で14日間保持した後、下側および上側試験片31、33の未接着の部位を掴み、10mm/minの速度でせん断引張り試験を行った。そして、接着試験体34の破壊形態の観察および接着強度の算出を以下の手順で行い、接着耐久性を評価した。
なお、各接着試験体34は3本ずつ作製し、以下の凝集破壊率および接着強度は3本の平均値とした。
引張り試験後の接着試験体34の剥離状態を観察し、接着剤32の内部での破壊を凝集破壊、下側試験片31と接着剤32との界面、および、上側試験片33と接着剤32との界面での剥離を界面破壊とし、下式(1)で破壊形態の指標としての凝集破壊率を算出した。
凝集破壊率(%)=100−{(下側試験片31の界面剥離面積/下側試験片31の接着面積)×100+(上側試験片33の界面剥離面積/上側試験片33の接着面積)×100)}・・・(1)
また、破壊形態の評価基準は、凝集破壊率が90%未満を不良「×」、90%以上を良好「○」とした。その結果を表3に示す。
引張り試験時に得られた応力−ひずみ線図から、破断時の最大応力を接着面積で除した値を接着強度とした。その結果を表3に示す。
なお、実施例であるアルミニウム表面処理材料(No.8)で作製した接着試験体(No.14)は、表面処理方法が「スプレー(噴霧)」であるアルミニウム表面処理材料(No.13)で作製した接着試験体(No.16)と比較すると、接着強度が同程度となった。
実施例4では、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が、皮膜に与える影響について確認した。
そして、酸洗浄後に水洗したアルミニウム板の表面に対して、フッ化チタン化合物としてフルオロチタネート酸を所定量、フッ化ジルコニウム化合物としてフルオロジルコネート酸を所定量含有する処理液(温度25℃)を所定量塗布した。その後、110℃、30秒の乾燥処理を行った後、60℃の温度の水で60秒間の水洗処理を行い、室温乾燥を行うことで、アルミニウム表面処理材料(No.17〜22)を作製した。
また、作製したアルミニウム表面処理材(No.17〜22)を用いて、実施例3と同様の方法により接着試験体(No.17〜22)を作製し、接着耐久性試験(破壊形態および接着強度)を実施した。その結果を表4に示す。
S2 水洗工程
S3 酸洗浄工程
S4 水洗工程
S5 処理液塗布工程
S6 乾燥工程
S7 水洗工程
S8 乾燥工程
1 アルミニウム材料
2 皮膜
3 アルミニウム表面処理材料
11 処理液塗布装置
12 乾燥装置
13 水洗装置
21 表面処理装置
Claims (4)
- フッ化チタン化合物およびフッ化ジルコニウム化合物の少なくとも1種を含有する処理液をアルミニウム材料の表面に塗布し皮膜を形成する処理液塗布工程と、
前記処理液塗布工程において形成した前記皮膜を乾燥する乾燥工程と、
前記乾燥工程において乾燥した前記皮膜を30〜80℃の水で水洗する水洗工程と、を含み、
前記処理液塗布工程において、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が3〜25mg/m2となるように前記アルミニウム材料の表面に前記処理液を塗布することを特徴とする表面処理方法。 - フッ化チタン化合物およびフッ化ジルコニウム化合物の少なくとも1種を含有する処理液をアルミニウム材料の表面に塗布し皮膜を形成する処理液塗布装置と、
前記処理液塗布装置によって形成した前記皮膜を乾燥する乾燥装置と、
前記乾燥装置によって乾燥した前記皮膜を30〜80℃の水で水洗する水洗装置と、を備え、
前記処理液塗布装置によって、チタンとジルコニウムの合計の塗布量が3〜25mg/m2となるように前記アルミニウム材料の表面に前記処理液を塗布することを特徴とする表面処理装置。 - 前記アルミニウム材料がアルミニウム板であり、前記アルミニウム板を通板させながら前記処理液塗布装置、前記乾燥装置、及び前記水洗装置による処理が行われることを特徴とする請求項2に記載の表面処理装置。
- 請求項1に記載された表面処理方法で得られるアルミニウム表面処理材料であって、
アルミニウム材料と、前記アルミニウム材料の表面に形成されたチタンおよびジルコニウムの少なくとも1種を含有する皮膜と、を備え、
前記皮膜は、チタン皮膜量とジルコニウム皮膜量との合計量が3〜17mg/m2であることを特徴とするアルミニウム表面処理材料。
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