JP2019026924A - 表面処理アルミニウム合金材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ−Ｓｉ系合金基材にアルカリ交流電解を施しても、均一なアルミニウム酸化皮膜が形成され、樹脂などへの接合性及び密着性に優れた表面処理アルミニウム合金材を提供する。
【解決手段】Ａｌ−Ｓｉ系合金基材と、その表面の少なくとも一部に形成されたアルミニウム酸化皮膜とを備えた表面処理アルミニウム合金材であって、前記アルミニウム酸化皮膜は表面側に形成された厚さ２０〜１０００ｎｍの多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成された厚さ３〜５０ｎｍのバリア型アルミニウム酸化皮膜層から成り、前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層には直径３〜５０ｎｍの小孔が形成されており、前記アルミニウム酸化皮膜における色調の明度の指標であるＬ値が４０〜９５であることを特徴とする表面処理アルミニウム合金材、ならびに、その製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面処理を施したＡｌ−Ｓｉ系合金のアルミニウム合金材及びその製造方法、ならびに、樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材に関し、詳細には、表面にアルミニウム酸化皮膜を有する接着性及び密着性に優れた表面処理アルミニウム合金材及びこれを安定して製造する方法に関する。

アルミニウム材は軽量で、かつ適度な機械的特性を備え、様々な構造部材に広く適用されている。これらのアルミニウム材の一部又は全体に表面処理を施すことで、耐食性、密着性、絶縁性、抗菌性、耐摩耗性等の性質を付与させ、或いは、これらの性質を向上させて使用されることも多い。特に、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金材は、従来ダイキャスト等の鋳物用として多く使用されている。このアルミニウム合金材を圧延し、板状に成形して使用する場合には、Ａｌ−Ｓｉ系合金が低融点という特徴を生かして、熱交換器用材料のろう材として用いられることが多い。また、近年ではＡｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金材が有する低熱膨張率や耐熱性、陽極酸化処理時の発色性（合金発色）を利用して、板材の構造部材への適用が検討されている。このようなアルミニウム材を用いた構造部材は特に、自動車、航空機などの輸送材や、電子基板、ＩＴ機器などの電子部材に多く適用されており、更なる軽量化、機能性向上のために、樹脂材料と組み合わせて使用されることもある。

例えば、耐食性及び耐摩耗性を向上させる表面処理法として、例えば非特許文献１に記載されるような、陽極酸化皮膜処理（いわゆるアルマイト処理）が広く用いられている。具体的には、アルミニウム材を酸性の電解液に浸漬して直流電流により電解処理を行うことによって、アルミニウム材の表面に厚さ数〜数十μｍの陽極酸化皮膜を形成させるもので、用途に応じて種々の表面処理法が提案されている。

一般に、Ａｌ−Ｓｉ系合金は、合金中に含まれるＳｉが陽極酸化皮膜の形成を阻害するため、皮膜形成が不均一になり、所望の性能が得られない場合が多い。皮膜を均一にするために、様々な電解条件の改良、ならびに、アルミニウム材の合金組成や製造条件の改良が検討されている。例えば、特許文献１においてＳｉを０．３〜３％含有させることで、アルミニウム合金材の表面に、黄味色の少ない淡灰色の酸化皮膜を形成させるアルミニウム合金が提案されている。

また、アルミニウム材を樹脂材料と組み合わせて使用する場合には、アルミニウム材表面に密着性を高めるための表面処理が施されることが多い。特に樹脂密着性を向上させる表面処理法として、特許文献２に記載されるようなアルカリ交流電解法が提案されている。すなわち、ｐＨ９〜１３で液温３５〜８０℃のアルカリ性水溶液を電解溶液とし、周波数２０〜１００Ｈｚ、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ^２及び電解時間５〜６０秒間の条件で交流電解処理を行なうものである。これにより、膜厚５０〜５００ｎｍの酸化皮膜が形成されたアルミニウム材が得られるとしている。

特許文献１に記載されるように、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金材表面に、均一な酸化皮膜を形成させるためには、通常、Ｓｉ含有量を制限する必要な場合が多くあった。このようにＳｉ含有量を制限すると、低熱膨張率、耐熱性、陽極酸化処理時の発色性などの特性の低下を招く問題があった。

また、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金材の表面に、高密着性の酸化皮膜を形成させるため、特許文献２の技術を用いてアルカリ水溶液を電解液とし電解条件で処理を行った場合、アルミニウム合金材の種類、特にＳｉを１．７ｍａｓｓ％以上含有するアルミニウム合金材を樹脂材料と接合する構造部材として用いる場合には、表面の組成によっては全体的に均一な酸化皮膜が形成されず、樹脂などへの密着性が劣る場合があった。具体的には、アルミニウム合金材の酸化皮膜が不均一に形成されているだけでなく、表面の一部が色調変化を呈し、当該部分の密着性が極めて低下するという問題があった。

日本工業規格ＪＩＳ Ｈ８６０１、「アルミニウム及びアルミニウム合金の陽極酸化皮膜」（１９９９）

特開平６−３４０９３９号公報 特開２０１５−１９３２６３号公報

本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金基材の表面に、アルカリ交流電解によって接着性及び密着性に優れたアルミニウム酸化皮膜を形成させることを見出して本発明を完成させるに至った。特に、アルミニウム酸化皮膜が形成された部分の色調を制御することで接着性及び密着性がより向上することを見出した。また、多孔性アルミニウム酸化皮膜層を形成させるためのアルミニウム合金材の調製において、熱間加工と冷間加工の間の中間焼鈍処理工程及び冷間加工後の熱処理工程の少なくともいずれか一方の処理工程を所定温度で実施することにより、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金材の表面に高い接着性と密着性とを有するアルカリ交流電解酸化皮膜を均一に形成できる方法を見出した。

すなわち、本発明は請求項１において、Ａｌ−Ｓｉ系合金基材と、その表面の少なくとも一部に形成されたアルミニウム酸化皮膜とを備えた表面処理アルミニウム合金材であって、前記アルミニウム酸化皮膜は表面側に形成された厚さ２０〜１０００ｎｍの多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成された厚さ３〜５０ｎｍのバリア型アルミニウム酸化皮膜層から成り、前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層には直径３〜５０ｎｍの小孔が形成されており、前記アルミニウム酸化皮膜における色調の明度の指標であるＬ値が４０〜９５であることを特徴とする表面処理アルミニウム合金材とした。

本発明は請求項２では請求項１において、前記アルミニウム酸化皮膜上に樹脂層を備えるものとした。

本発明は請求項３では、請求項１に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材を調製し、この表面処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基材を一方の電極としこれと対向する対電極を他方の電極として用い、ｐＨ９〜１３で３５〜８０℃のアルカリ性水溶液を電解溶液として、周波数１０〜１００Ｈｚ、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ^２及び電解時間２〜６００秒間の条件で交流電解処理することにより、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材における対電極に対向する表面の少なくとも一部にアルミニウム酸化皮膜を形成することを特徴とする表面処理アルミニウム合金材の製造方法とした。

本発明は請求項４では請求項３において、請求項２に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、前記アルミニウム酸化皮膜上に樹脂層を被覆する工程を更に備えるものとした。

本発明は請求項５では請求項３又は４において、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の調製において、熱間加工と冷間加工の間の中間焼鈍処理工程及び冷間加工後の熱処理工程の少なくともいずれか一方の処理工程が設けられ、前記中間焼鈍処理工程及び熱処理工程における処理温度が２００〜３５０℃であるものとした。

本発明によって、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金材の表面に樹脂材料などに対して高接着性で高密着性のアルミニウム酸化皮膜を均一に形成可能なため、アルミニウム合金材の全面にわたって接着性及び密着性に優れた表面処理アルミニウム合金材を得ることができる。

本発明に係る、アルミニウム酸化皮膜が形成された表面処理アルミニウム合金材の模式図である。 本発明に係る表面処理アルミニウム合金材を製造するための交流電解装置を示す正面図である。 本発明に係る表面処理アルミニウム合金材と熱可塑性樹脂片を接合する試験片の正面図である。

以下、本発明の詳細を順に説明する。図１に示すように、本発明に係る表面処理アルミニウム合金材１のＡｌ−Ｓｉ系合金基材２の表面には、アルミニウム酸化皮膜３が形成されており、このアルミニウム酸化皮膜３は表面側に形成された多孔性アルミニウム酸化皮膜層４と素地側に形成されたバリア型アルミニウム酸化皮膜層５とから成る。そして、多孔性アルミニウム酸化皮膜層４には小孔６が形成されている。

Ａ．アルミニウム合金材
Ａ−１．Ａｌ−Ｓｉ系合金基材
本発明に係るアルミニウム合金材は、基材としてＡｌ−Ｓｉ系合金基材を用いる場合に、最も大きな効果が得られる。このようなＡｌ−Ｓｉ系合金基材としては、Ｓｉを１〜１５ｍａｓｓ％（以下、単に「％」と略記する）含有するものが好ましく、３〜１２％含有するものがより好ましい。Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の形状としては特に制限されるものではないが、安定して処理皮膜を形成できることから平板状のものが好適に用いられ、用途に応じて、板厚を適宜選択することができる。

Ａ−２．アルミニウム酸化皮膜
本発明に係る表面処理アルミニウム合金材の表面には、表面側に形成された多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成されたバリア型アルミニウム酸化皮膜層とが形成されている。すなわち、表面処理アルミニウム合金材の表面には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層の二層によって構成されるアルミニウム酸化皮膜が形成されている。多孔性アルミニウム酸化皮膜層が強力な接着性や密着性を発揮する一方で、バリア型アルミニウム酸化皮膜層によって、アルミニウム酸化皮膜全体とアルミニウム素地を強固に接合する。なお、アルミニウム酸化皮膜は、表面処理アルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に形成されていればよい。従って、表面全体に形成されていてもよく、或いは、表面の所定の部分に形成されていてもよい。また、表面処理アルミニウム合金材が平板状の場合には、一方の表面のみにアルミニウム酸化被膜を設けてもよく、或いは、両方の表面にアルミニウム酸化被膜を設けてもよい。

Ａ−２−１．多孔性アルミニウム酸化皮膜層
多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、２０〜１０００ｎｍであり、好ましくは５０〜５００ｎｍである。多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さが２０ｎｍ未満では、厚さが十分でないため、後述する小孔構造の形成が不十分になり易く接着力や密着力が低下する。一方、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さが１０００ｎｍを超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層自体が凝集破壊し易くなり接着力や密着力が低下する。多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さの測定には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察が好適に用いられる。具体的には、ウルトラミクロトーム等により多孔性アルミニウム酸化皮膜層部分を薄片に加工し、ＴＥＭ観察することによって測定される。なお、一つの観察視野における複数箇所の測定値の算術平均値をもって、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さとした。

図１に示すように、多孔性アルミニウム酸化皮膜層４は、その表面から深さ方向に向かう小孔６を備えるポア構造を有する。小孔の直径は３〜５０ｎｍであり、好ましくは５〜３０ｎｍである。この小孔６は、樹脂層や接着剤などとアルミニウム酸化皮膜層３との接触面積を増大させ、その接着力や密着力を増大させる効果を発揮するものである。小孔６の直径が３ｎｍ未満では、接触面積が不足するため十分な接着力や密着力が得られない。一方、小孔６の直径が５０ｎｍを超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層全体が脆くなって凝集破壊を生じ、接着力や密着力が低下する。

多孔性アルミニウム酸化皮膜層の表面積に対する小孔の全孔面積の比については、特に制限されるものではないが、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の見かけ上の表面積（表面の微小な凸凹などを考慮せず、長さと幅の乗算で表される面積）に対する小孔の全孔面積の比として２５〜７５％が好ましい。この比が２５％未満では、接触面積が不足して十分な接着力や密着力が得られない場合がある。一方、この比が７５％を超えると多孔性アルミニウム酸化皮膜層全体が脆くなって凝集破壊を生じ、接着力や密着力が低下する場合がある。

上記ポア構造における小孔の直径及び面積占有率の測定には、電界放出形電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）による表面観察及び画像解析ソフトＡ像くん（旭化成エンジニアリング社製ｖｅｒ． ２．５０）による粒子解析が好適に用いられる。具体的には、加速電圧２ｋＶ、観察視野１μｍ×０．７μｍで複数個所撮影した二次電子像を、画像解析ソフトに取り込み、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の表面において観察される小孔部分を粒子とみなした各箇所における粒子解析を実施するものである。電界放出形電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）による表面観察が好適に用いられる。

Ａ−２−２．バリア型アルミニウム酸化皮膜層
バリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、３〜５０ｎｍであり、好ましくは５〜３０ｎｍである。この厚さが５ｎｍ未満では介在層として多孔性アルミニウム酸化皮膜層とアルミニウム素地との結合に十分な結合力を付与することができず、特に、高温・多湿などの過酷環境における結合力が不十分となる。一方、この厚さが５０ｎｍを超えると、その緻密性ゆえにバリア型アルミニウム酸化皮膜層が凝集破壊し易くなり、却って接着力や密着力が低下する。バリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さの測定にも、多孔性アルミニウム酸化皮膜層と同じく透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察が好適に用いられる。具体的には、ウルトラミクロトーム等によりバリア型アルミニウム酸化皮膜層部分を薄片に加工し、ＴＥＭ観察することによって測定される。なお、一つの観察視野における複数箇所の測定値の算術平均値をもって、バリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さとした。

Ａ−３．表面におけるＬ値
本発明に係る表面処理アルミニウム合金材のアルミニウム酸化皮膜における色調の明度の指標であるＬ値、すなわち、アルミニウム酸化皮膜に対して測定したＬ値は４０〜９５であり、好ましくは６０〜８０である。Ｌ値が４０未満の場合には、アルミニウム酸化皮膜が部分的に薄くなることがあり、この薄い箇所では、接着すべき接着剤や密着すべき樹脂層などとアルミニウム酸化皮膜の間に隙間が生じ易くなる。その結果、接着剤や樹脂層に対して十分な接触面積を得られずに接着力及び密着力が低下する。一方、Ｌ値が９５を超える場合には、アルミニウム酸化皮膜が部分的に厚くなることがあり、この厚い箇所では、密着すべき樹脂層などからの応力が集中し、アルミニウム酸化皮膜での凝集破壊を誘発して密着力及び接着力が低下する場合がある。

本発明におけるアルミニウム酸化皮膜のＬ値の測定には、色差計による表面分析が好適に用いられる。具体的には、表面処理アルミニウム合金材のアルミニウム酸化皮膜が形成された表面において、等間隔に複数箇所を任意に選択し、各選択箇所のＬ値を測定して測定値の算術平均値をもってＬ値とするものである。

Ｂ．表面処理アルミニウム合金材の製造方法
以下に、本発明に係る表面処理アルミニウム合金材の製造方法について説明する。

上述の要件を満たすアルミニウム酸化皮膜を表面に備えた表面処理アルミニウム合金材を製造するための一つの方法として、表面処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基材を一方の電極としこれと対向する対電極を他方の電極として用い、ｐＨ９〜１３で３５〜８０℃のアルカリ性水溶液を電解溶液とし、周波数２０〜１００Ｈｚ、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ^２及び電解時間５〜６００秒間の条件で交流電解処理することにより、Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の表面にアルミニウム酸化皮膜を形成する方法を挙げることができる。

Ｂ−１．電極
本発明において、交流電解処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基材の電極と対電極の形状は特に限定されるものではないが、Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の電極と対電極との距離を均一にして安定して電解処理皮膜を形成するには、Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の電極と対電極は板形状のものが好適に用いられる。図２に示すように、結線された対電極板７、８を用意し、これら２枚の対電極板の間に表面処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基板９の両方の表面をそれぞれ、対電極板７、８の表面と平行になるように設置することが好ましい。Ａｌ−Ｓｉ系合金基板の電極９は交流電源１１を介して対電極板７、８に接続されている。これらＡｌ−Ｓｉ系合金基板の電極９、対電極板７、８は、アルカリ性水溶液の電解溶液１２が入れられた電解層に設置される。対電極７、８は対向するＡｌ−Ｓｉ系合金基板９に対して同等以上の寸法を用いて、これら電極を静止状態で電解操作を行なうのが好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系合金基板９の一方の表面のみを処理する場合には、対電極板接続スイッチ１０を切ることによってＡｌ−Ｓｉ系合金基板９の一方の表面（Ａｌ−Ｓｉ系合金基板の電極の図中における左側の表面）のみを処理することもできる。

交流電解処理に使用する一対の電極のうち一方の電極は、電解処理によって表面処理されるべきアルミニウム材である。他方の対電極としては、例えば、黒鉛、アルミニウム、チタン電極等の公知の電極を用いることができるが、電解溶液のアルカリ成分や温度に対して劣化せず、導電性に優れ、更に、それ自身が電気化学的反応を起こさない材質のものを使用する必要がある。このような点から、対電極としては黒鉛電極が好適に用いられる。これは、黒鉛電極が化学的に安定であり、かつ、安価で入手が容易であることに加え、黒鉛電極に存在する多くの気孔の作用により交流電解工程において電気力線が適度に拡散するため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が共により均一になり易いためである。

Ｂ−２．交流電解処理条件
交流電解処理条件は、上記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の電極と二つ又は一つの対電極を用い、アルカリ性水溶液を電解溶液とするものである。

本発明において、電解溶液として用いるアルカリ水溶液は、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物；りん酸ナトリウム、りん酸水素ナトリウム、ピロりん酸ナトリウム、ピロりん酸カリウム及びメタりん酸ナトリウム等のりん酸塩；炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム等の炭酸塩；水酸化アンモニウム；或いは、これらの混合物を含む水溶液を用いることができる。後述するように電解溶液のｐＨを特定の範囲に保つ必要があることから、バッファー効果の期待できるりん酸塩系物質を含有するアルカリ水溶液を用いるのが好ましい。このようなアルカリ水溶液に含まれるアルカリ成分の濃度は、電解溶液のｐＨが所望の値になるように適宜調整されるが、通常、１×１０^−４〜１モル／リットルで、好ましくは１×１０^−３〜０．８モル／リットルである。なお、これらのアルカリ性水溶液には、アルミニウム合金材表面の清浄度を上げるために界面活性剤やキレート剤等を添加してもよい。

本発明で用いる電解溶液には、アルカリ水溶液を用いる。アルカリ水溶液のｐＨは９〜１３であり、好ましくは９．５〜１２．５である。ｐＨが９未満では電解溶液のアルカリエッチング力が不足するため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層のポア構造の成長速度が遅くなる結果、多孔性アルミニウム酸化皮膜層厚さが薄くなり、密着耐久性が低下する。一方、ｐＨが１３を超えると、アルカリエッチング力が過剰になるため多孔性アルミニウム酸化皮膜層のポア構造が溶解してしまい、所望の密着性が得られない。

本発明で使用する電解溶液の温度は、３５〜８０℃とし、好ましくは４０〜７５℃とする。電解溶液の温度が３５℃未満の場合には、アルカリエッチング力が不足するため多孔性アルミニウム酸化皮膜層の形成が不定形となり、密着耐久性が低下する。一方、電解溶液の温度が８０℃を超える場合には、アルカリエッチング力が過剰になるため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔の密度が小さくなり、樹脂等との密着性に必要なアンカー効果が得られ難くなり、密着耐久性が低下する。

本発明における電解時間は２〜６００秒間とし、好ましくは５〜３００秒間、より好ましくは１０〜６０秒間とする。電解時間が２秒未満の場合には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層のポア構造の形成が不足し、樹脂等との密着性が低下する。一方、電解時間が６００秒を超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層のポア構造が再溶解し、また、生産性も低下する。

本発明における交流周波数は１０〜１００Ｈｚであり、好ましくは２０〜８０Ｈｚである。交流周波数が２０Ｈｚ未満では、電気分解としては直流的要素が高まる結果、多孔性アルミニウム酸化皮膜層のポア構造の形成が進行せず、樹脂等との密着性が低下する。一方、交流周波数が１００Ｈｚを超える場合には、陽極と陰極の反転が速すぎるため、アルミニウム酸化皮膜全体の形成が極端に遅くなり、多孔性アルミニウム酸化皮膜層のポア構造の所定厚さを得るには極めて長時間を要することになる。なお、交流電解における電解波形は特に限定されるものではなく、正弦波、矩形波、台形波、三角波等の波形を用いることが出来る。

本発明における交流電解処理において、電流密度は４〜５０Ａ／ｄｍ^２とし、好ましく、５〜４０Ａ／ｄｍ^２とする。電流密度が４Ａ／ｄｍ^２未満では、アルミニウム酸化皮膜のうち、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の成長速度が遅いため、バリア型アルミニウム酸化皮膜層しか得られない。一方、電流密度が５０Ａ／ｄｍ^２を超えると、電流が過大になるため多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さ制御が困難となり処理ムラが起こり易くなる。その結果、多孔性アルミニウム酸化皮膜層が極端に厚い部分においてアルミニウム素地から脱落する場合がある。

電解溶液に含有される溶存アルミニウム濃度は、５〜１０００ｐｐｍとするのが好ましい。溶存アルミニウム濃度が５ｐｐｍ未満の場合は、電解反応初期におけるアルミニウム酸化皮膜の形成反応が急激に生起するため、処理工程のばらつき（Ａｌ−Ｓｉ系合金基材表面の汚れ状態やＡｌ−Ｓｉ系合金基材の取り付け状態など）の影響を受けることがある。その結果、局部的に厚いアルミニウム酸化皮膜が形成されることとなる。一方、溶存アルミニウム濃度が１０００ｐｐｍを超える場合は、電解溶液の粘度が増大して電解工程においてＡｌ−Ｓｉ系合金基材の電極表面付近の均一な対流が妨げられるのと同時に、溶存アルミニウムがアルミニウム酸化皮膜形成を抑制する方向に作用する。その結果、局部的に薄いアルミニウム酸化皮膜が形成されることになる。このように、溶存アルミニウム濃度が上記範囲から外れると、アルミニウム酸化皮膜の厚さが局部的に厚くなったり、アルミニウム酸化皮膜の形成が抑制されるため、得られるアルミニウム酸化皮膜の接着力及び密着力の低下が起こる場合がある。

Ｃ．Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の製造方法
上述の要件を満たしたアルミニウム酸化皮膜を表面に備える表面処理アルミニウム合金材を製造するための一つの方法として、表面処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基材の調製において、熱間加工と冷間加工の間の中間焼鈍処理工程及び冷間加工後の熱処理工程の少なくともいずれか一方の処理工程における処理温度を２００〜３５０℃とする方法を挙げることができる。このような処理工程によって、交流電解処理によって形成されたアルミニウム酸化皮膜の均一性が高められ樹脂等との接着力や密着力が向上する。

上記処理工程における処理温度は２００〜３５０℃であり、好ましくは２７０〜３５０℃、より好ましくは３００〜３４０℃である。この処理温度が２００℃未満の場合には、この熱処理によってアルミニウム酸化皮膜に局部的に薄い箇所が生じ、樹脂等との接着力や密着力が低下する虞がある。一方、処理温度が３５０℃を超える場合には、この熱処理によってアルミニウム酸化皮膜の表面に白濁が生じ、白濁部が脆弱層となり、樹脂等との接着力や密着力が低下する虞がある。

Ｄ．樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材
本発明に係る表面処理アルミニウム合金材の処理面に樹脂層をさらに被覆して樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材とすることにより、更に多くの用途に使用できる。ここで、樹脂層としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂のいずれを用いてもよく、本発明で規定する特定構造のアルミニウム酸化皮膜と相まって、様々な効果を付与できる。

通常、アルミニウム材と樹脂層との接合体は、アルミニウム材に比べて樹脂の熱膨張率が大きいことから、アルミニウム材と樹脂層との界面において、剥離、クラック、切れなどの損傷が発生し易い。しかしながら、本発明に係る表面処理アルミニウム合金材においてはＡｌ−Ｓｉ系合金基材を用いている。このＡｌ−Ｓｉ系合金基材は、他のアルミニウム合金材に比べて熱膨張率が低いため、被覆される樹脂層の膨張に追従し難く、表面処理アルミニウム合金材と樹脂層の界面において上記損傷が発生し難い特徴を備える。本発明に係る樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材に用いる樹脂の線膨張係数は、８０×１０^−５Ｋ^−１以下が好ましく、５０×１０^−５Ｋ^−１以下がより好ましい。

特に、樹脂層に熱可塑性樹脂を用いた樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材は、軽量、高剛性を有する輸送機器用の複合材料として、具体的には航空・宇宙分野、自動車、船舶、鉄道車両などの構造部材に好適に用いられ、更に、高意匠性や高絶縁性を必要とする電子機器にも好適に用いられる。樹脂層の被覆方法としては、熱可塑性樹脂部材を熱圧着する方法、熱可塑性樹脂部材を射出成形で製造する際に、射出成形の金型内に表面処理アルミニウム合金材をインサートして接合させる方法などが一般に用いられる。また、表面処理アルミニウム合金材が板状である場合には、熱可塑性樹脂フィルムを積層してもよい。

熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル；ポリアミド；ポリフェニレンスルファイド；ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンなどの芳香族ポリエーテルケトン；ポリスチレン；ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素樹脂；ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリカーボネート；熱可塑性ポリイミドなど；を用いることができる。

樹脂層に熱硬化性樹脂を用いた樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材は、意匠性塗装板、電子材料の絶縁被覆用途などに好適に用いられる。樹脂層の被覆方法としては、熱硬化性樹脂を流動状態とし、これを多孔性アルミニウム酸化皮膜層に接触・浸透させ、その後に熱硬化性樹脂を加熱硬化させる方法が用いられる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂；ビスフェノールＡ型及びノボラック型などのエポキシ樹脂；メラミン樹脂；尿素樹脂；不飽和ポリエステル樹脂；アルキド樹脂；ポリウレタン；熱硬化性ポリイミドなど；を用いることができる。

なお、上記熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂は、それぞれを単一で用いてもよく、複数種の熱可塑性樹脂又は複数種の熱硬化性樹脂を混合したポリマーアロイとして用いてもよい。また、上記熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂にそれぞれ各種フィラーを添加することにより、樹脂の強度や熱膨張率等の物性を改善することができる。このようなフィラーとしては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の各種繊維；炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、タルク、ガラスなどの無機物質；粘土；などの公知物質を用いることができる。

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明における好適な実施の形態を詳細に説明する。

アルカリ交流電解酸化処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基材に用いるアルミニウム合金として、表１〜３に示すＳｉ含有量を有するものを溶解・鋳造し、熱間圧延後、冷間圧延を施し最終板厚さ１．０ｍｍの圧延板とした。このとき、表１〜３に示す熱処理温度で熱処理（熱間圧延と冷間圧延の間に中間焼鈍）を実施し、縦６００ｍｍ×横５０ｍｍ×板厚１．０ｍｍに切断加工したＡｌ−Ｓｉ系合金基板を作製した。

このＡｌ−Ｓｉ系合金基板を一方の電極に用い、対電極として縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの平板の黒鉛電極を用いた。図２に示すように、結線された黒鉛の対電極板７、８を用意し、これら２枚の対電極板の間に表面処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金板の電極９の両方の表面をそれぞれ、対電極板７、８の表面と平行になるように設置した。Ａｌ−Ｓｉ系合金基板の電極９は交流電源１１を介して対電極板７、８に接続されており、これら電極９、対電極板７、８は、アルカリ性水溶液の電解溶液１２が入れられた電解層に設置されている。このような電解装置を用いて、対電極板接続スイッチ１０をＯＮの状態でアルカリ交流電解処理を行った。このアルカリ交流電解処理により、２枚の黒鉛の対電極板７、８にそれぞれ対向するＡｌ−Ｓｉ系合金基板の電極９の両面に、表面側の多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側のバリア型アルミニウム酸化皮膜層とを含むアルミニウム酸化皮膜を形成した。

アルカリ交流電解処理に用いる電解溶液には、表１〜３に示すｐＨ、温度のピロりん酸ナトリウムを主成分とするアルカリ性水溶液を使用した。なお、１モル／リットルのＮａＯＨ水溶液でｐＨを適宜調整した。このアルカリ性水溶液の電解質濃度は、０．１モル／リットルとした。なお、表１に示す溶存アルミニウム濃度は、アルミニウム粉末をアルカリ性水溶液に溶解させることで調整した。電解溶液を収容する電解槽中に、Ａｌ−Ｓｉ系合金基板の電極と両対電極を配置し、表１〜３に示す電解処理条件で交流電解処理を実施した。ここで、比較例２及び３では、１モル／リットルの硫酸水溶液でｐＨを８．５と３にそれぞれ調整した。なお、アルミニウム合金板の電極及び黒鉛対電極の縦方向を電解槽の深さ方向に一致させた。

以上のようにして作製した表面処理アルミニウム合金材の試料について、以下の測定と評価を行なった。

［多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さ］
表面処理アルミニウム合金材の試料に対し、ＴＥＭによりアルミニウム酸化皮膜の縦方向に沿った断面観察を実施した。具体的には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層のそれぞれの厚さを測定した。これらの酸化皮膜層の厚さを測定するために、ウルトラミクロトームを用いて試料から断面観察用薄片試料を作製した。次に、この薄片試料において観察視野（１μｍ×１μｍ）中の任意の１００箇所を選択してＴＥＭ断面観察により、それぞれの酸化皮膜層の厚さを測定した。結果を表４〜６に示す。なお、これらの酸化皮膜層の厚さについては、１００箇所の測定結果の算術平均値とした。

［多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔直径の測定］
表面処理アルミニウム合金材の試料に対し、ＦＥ−ＳＥＭによる表面観察（観察視野：０．７μｍ×１μｍの１０箇所）により、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔の直径を測定した。結果を表４〜６に示す。なお、表１に示す小孔直径については、観察視野における１０箇所の測定値の算術平均値とした。

［Ｌ値の測定］
表面処理アルミニウム合金材の試料に対し、色差計（スガ試験機株式会社製、ＳＣ−Ｐ型）を用いた表面分析により、アルミニウム酸化皮膜が形成された表面のＬ値を測定した。測定箇所は、アルミニウム酸化皮膜が形成された表面を縦及び横がそれぞれ４０ｍｍの等間隔でマス目状に分割し、これらの１０箇所を任意に選択して各選択箇所のＬ値を測定し、これらの測定値の算術平均値をもってＬ値とした。結果を表４〜６に示す。表において、Ｌ値が大きい程、明るい色調である。

なお、電解処理は同一の３つのＡｌ−Ｓｉ系合金基板についてそれぞれ行ない、表に示す数値結果は、これら３つの算術平均値とした。

以上のようにして作製した表面処理アルミニウム合金材の試料に、樹脂層を被覆した樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材の試料を作製し、下記の評価を行なった。

樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材試料は、次のようにして作製した。まず、上記のように作製した表面処理アルミニウム合金板の試料から縦４５ｍｍ×横１８ｍｍに切断した供試材を２０枚用意し、ガラス繊維含有ＰＰＳ樹脂（ＤＩＣ社製）を用い、表面処理アルミニウム合金板のインサート成形による接合試験片を２０組作製した。射出成形金型に表面処理アルミニウム板の試料をインサートし、金型を閉めこれを表１〜３に示す温度まで加熱後、ＰＰＳ樹脂を射出温度３２０℃で射出することで、図３に示す接合体試料を得た。接合部は、表面処理アルミニウム板の試料端部の縦１０ｍｍ×横５ｍｍ部分とした。

以上のようにして、実施例１〜３８及び比較例１〜１１、１３、１４では、表面処理アルミニウム合金板と樹脂層との接合体を得た。なお、比較例１２では、樹脂層を接合することができず、接合体を得ることができなかった。

［熱可塑性樹脂の接合評価］
上記のように、作製した接合体試料の１０組を引張試験機にて５ｍｍ／ｍｉｎ．の速度でせん断方向に引っ張り、接合部における熱可塑性樹脂の凝集破壊率を測定し、下記の基準で評価した。
◎：凝集破壊率が９５％以上のもの
○：凝集破壊率が８５％以上９５％未満のもの
△：凝集破壊率が７５％以上８５％未満のもの
×：凝集破壊率が７５％未満のもの
結果を表４〜６に示す。同表には、１０組の接合体試料のうちの上記◎、○、△、×の個数をそれぞれ示すが、全てが◎又は○からなる場合を合格、それ以外を不合格と判定した。

［密着耐久性評価］
上記のようにして作製した接合体試料の１０組を塩水噴霧試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２３７１）に記載の中性塩水噴霧試験にかけて１０００時間後に取出し、引張試験機にて５ｍｍ／ｍｉｎ．の速度でせん断方向に引っ張り、接合部における熱可塑性樹脂の凝集破壊率を測定し、下記の基準で評価した。
◎：凝集破壊率が８０％以上のもの
○：凝集破壊率が６５％以上８０％未満のもの
△：凝集破壊率が５０％以上６５％未満のもの
×：凝集破壊率が５０％未満のもの
結果を表４〜６に示す。同表には、１０組の接合体試料のうちの上記◎、○、△、×の個数をそれぞれ示すが、全てが◎又は○からなる場合を合格、それ以外を不合格と判定した。

［総合評価］
上記アルミニウム酸化皮膜における熱可塑性樹脂の接合性評価及び密着耐久性評価の両方が合格であったものを総合評価が合格とし、これら各評価の少なくともいずれか一つが不合格のものを総合評価が不合格とした。

表４〜６に示すように、実施例１〜４１では、製造方法が本発明要件を満たすため、樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材の接合強度が良好で、密着耐久性も良好であり、総合評価が合格であった。

これに対して比較例１〜１２では、製造方法が本発明要件を満たしていないため、樹脂被覆表面処理アルミニウム合金材の接合強度と密着耐久性の少なくともいずれか一方が不合格であり、総合評価が不合格であった。

具体的には、比較例１では、電解溶液のｐＨが高過ぎたため、小孔の直径が大き過ぎて、熱可塑性樹脂層とアルミニウム酸化皮膜との接合面が減少した。その結果、密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例２では、電解溶液のｐＨが中性付近のため、多孔性アルミニウム酸化皮膜の皮膜成長が遅く、薄い酸化皮膜層が形成し、Ｌ値が４０より小さくなり、熱可塑性樹脂層とアルミニウム酸化皮膜との接合面が減少した。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例３では、電解溶液のｐＨが小さ過ぎたため、薄い多孔性アルミニウム酸化皮膜を形成し、小孔の直径が極端に大きくなり、Ｌ値が４０より小さくなり、熱可塑性樹脂がアルミニウム酸化皮膜中へほとんど流入できなかった。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例４では、電解溶液の温度が低過ぎたため、小孔の直径が極端に小さくなり、熱可塑性樹脂が皮膜中へほとんど流入できなかった。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例５では、電解溶液の温度が高過ぎたため、多孔性アルミニウム酸化皮膜が薄く、小孔の直径が大きくなり、熱可塑性樹脂層とアルミニウム酸化皮膜との接合面が減少した。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例６では、アルカリ交流電解における周波数が低過ぎたため、小孔の直径が極端に大きく、Ｌ値が４０より小さくなり、熱可塑性樹脂層が皮膜中へほとんど流入できなかった。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例７では、アルカリ交流電解における周波数が高過ぎたため、小孔の直径が極端に小さく、Ｌ値が９５より大きくなり、熱可塑性樹脂層とアルミニウム酸化皮膜との接合面が減少した。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例８では、アルカリ交流電解における電流密度が小さ過ぎたため、小孔の大きさが極端に小さく、熱可塑性樹脂が皮膜中へほとんど流入できなかった。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例９では、アルカリ交流電解における電流密度が大き過ぎたため、小孔の大きさが極端に大きく、熱可塑性樹脂層とアルミニウム酸化皮膜との接合面積が減少した。その結果、密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例１０では、アルカリ交流電解における電解時間が短過ぎたため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が薄くなり、熱可塑性樹脂層とアルミニウム酸化皮膜との接合面が減少した。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例１１では、アルカリ交流電解における電解時間が長過ぎたため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が厚くなり、Ｌ値が９５より大きくなり、熱可塑性樹脂の皮膜中への流入が少なかった。その結果、接合性及び密着耐久性が不合格となり、総合評価が不合格となった。

比較例１２では、アルカリ交流電解に代えて直流電解を用いた。直流電解では、バリア型アルミニウム酸化皮膜層のみが形成し、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びその小孔が形成されなかったため、Ｌ値が４０より小さくなり、熱可塑性樹脂層を接合することができなかった。その結果、接合性及び密着耐久性の評価ができなかった。

本発明により、アルカリ交流電解によってＡｌ−Ｓｉ系合金からなるアルミニウム合金基材上に形成したアルミニウム酸化皮膜により、接着性及び密着性に優れた表面処理アルミニウム合金材が提供される。

１‥‥‥表面処理アルミニウム合金材
２‥‥‥Ａｌ−Ｓｉ系合金基材
３‥‥‥アルミニウム酸化皮膜
４‥‥‥多孔性アルミニウム酸化皮膜層
５‥‥‥バリア型アルミニウム酸化皮膜層
６‥‥‥小孔
７‥‥‥対電極
８‥‥‥対電極
９‥‥‥Ａｌ−Ｓｉ系合金基板の電極
１０‥‥‥電源スイッチ
１１‥‥‥交流電源
１２‥‥‥電解溶液
１３‥‥‥表面処理アルミニウム合金材
１４‥‥‥熱可塑性樹脂片

Claims (5)

1. Ａｌ−Ｓｉ系合金基材と、その表面の少なくとも一部に形成されたアルミニウム酸化皮膜とを備えた表面処理アルミニウム合金材であって、前記アルミニウム酸化皮膜は表面側に形成された厚さ２０〜１０００ｎｍの多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成された厚さ３〜５０ｎｍのバリア型アルミニウム酸化皮膜層から成り、前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層には直径３〜５０ｎｍの小孔が形成されており、前記アルミニウム酸化皮膜における色調の明度の指標であるＬ値が４０〜９５であることを特徴とする表面処理アルミニウム合金材。
2. 前記アルミニウム酸化皮膜上に樹脂層を備える、請求項１に記載の表面処理アルミニウム合金材。
3. 請求項１に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材を調製し、この表面処理されるＡｌ−Ｓｉ系合金基材を一方の電極としこれと対向する対電極を他方の電極として用い、ｐＨ９〜１３で３５〜８０℃のアルカリ性水溶液を電解溶液として、周波数１０〜１００Ｈｚ、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ^２及び電解時間２〜６００秒間の条件で交流電解処理することにより、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材における対電極に対向する表面の少なくとも一部にアルミニウム酸化皮膜を形成することを特徴とする表面処理アルミニウム合金材の製造方法。
4. 請求項２に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、前記アルミニウム酸化皮膜上に樹脂層を被覆する工程を更に備える、請求項３に記載の表面処理アルミニウム合金材の製造方法。
5. 前記Ａｌ−Ｓｉ系合金基材の調製において、熱間加工と冷間加工の間の中間焼鈍処理工程及び冷間加工後の熱処理工程の少なくともいずれか一方の処理工程が設けられ、前記中間焼鈍処理工程及び熱処理工程における処理温度が２００〜３５０℃である、請求項３又は４に記載の表面処理アルミニウム合金材の製造方法。

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