JP2737598B2 - 耐候性に優れる表面処理鋼材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新しい処理鋼材に係
り、大気腐食環境下において優れた耐候性を有する鋼材
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼に、Ｐ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ等の元素を
添加すると、大気中における鋼の耐食性は向上する。こ
れらの低合金鋼は一般に耐候性鋼と呼ばれ、屋外におい
て数年で腐食に対して保護性のある錆（以下、耐候性錆
という）を形成し、以後の塗装等の耐食処理作業を不要
とするいわゆるメンテナンスフリー鋼である。

【０００３】しかし、耐候性錆を形成するまでに数年〜
１０数年かかるため、その間に赤錆や黄錆等の浮き錆や
流れ錆を生じてしまい、外見的に好ましくないばかりで
なく、周囲環境の汚染の原因ともなるものであり、また
色調も暗褐色（チョコレート色）に限定されるため、自
由な彩色による景観設計が困難であるという問題点があ
った。

【０００４】一方、彩色する方法としては、従来より有
機樹脂による塗装が知られている。

【０００５】しかし、水分や酸素等の腐食性物質の透過
に関する有機樹脂のバリアー性には限界があり、腐食性
物質の鋼面への侵入を完全に防止できるものではない。
腐食性物質が鋼面に達すると、鋼材表面が腐食されるこ
とにより、有機樹脂被膜と鋼材の接着力を喪失し、被膜
が浮きやはがれを生じてしまうという問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、自由
な彩色が可能であるとともに、長期の耐候性を有する表
面処理鋼材を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、鋭意検討の
結果、有機樹脂の接着劣化は、有機樹脂被膜と鋼材の界
面で鋼材が腐食することによって発生するものであるこ
とに鑑み、鋼材表面に予め、化学的に安定な腐食生成物
であるα−ＦｅＯＯＨを形成させ、この上に有機樹脂被
膜を形成させておけば、界面で腐食等の反応を生じず、
長期耐候性を付与できることを知見し、本発明に至った
ものである。

【０００８】ここに本発明は、下層にα−ＦｅＯＯＨ被
膜、上層に有機樹脂被膜が被覆されたことを特徴とする
表面処理鋼材を、その構成とするものである。

【０００９】

【作用】

（１）α−ＦｅＯＯＨ被膜の効果 一般に鉄が腐食すると鉄の酸化物ないしは水酸化物が生
成される。通常の大気腐食環境下においては、形成され
る腐食生成物（錆）はα−ＦｅＯＯＨとγ−ＦｅＯＯＨ
に大別される。

【００１０】ところで、形成される錆の被膜の構造が緻
密であれば、物理的に大気腐食環境を遮断しやすく、以
後の、腐食反応を低減する。α−ＦｅＯＯＨは微細で緻
密な構造を作り易く、粗大で隙間の大きい被膜を形成す
るγ−ＦｅＯＯＨに比べ、高い環境遮断能力を有する。
特に結晶粒径が２００μｍ以下のα−ＦｅＯＯＨで被膜
を形成させるとその効果が高い。

【００１１】また、α−ＦｅＯＯＨは化学的にも安定で
あり、水分や酸素等が共存してもこれ以上反応したり変
態することがないため上層の有機樹脂被膜と安定な界面
を形成することができる。一方、γ−ＦｅＯＯＨは、化
学的安定性に欠け、鉄と共存すると、鉄を酸化して自身
を還元したり、あるいは、α−ＦｅＯＯＨに変態して結
晶の大きさを変えるため、安定な界面を形成することが
できない。

【００１２】さらには、理由は定かではないが、α−Ｆ
ｅＯＯＨは凝集力も強く鋼面との密着性にも優れている
が、γ−ＦｅＯＯＨは凝集力が弱く密着性にも劣り鋼面
から脱落して行き易い。これは、γ−ＦｅＯＯＨがα−
ＦｅＯＯＨに比べ結晶の密度が小さい、換言するとＦｅ
からＦｅＯＯＨに反応するときの体積膨張が大きいこと
がその一因とも考えられる。

【００１３】なおここでα−ＦｅＯＯＨ被膜と呼ぶもの
は必ずしも純粋なα−ＦｅＯＯＨである必要はなくＣ
ｒ，Ｃｕ，Ｐ，Ａｌ等の不純物元素或いはその酸化物を
含んでも良い。またγ−ＦｅＯＯＨが若干量混ざってい
ても良いが、γ−ＦｅＯＯＨの混入は性能低下を招くた
めその混入量は１０％以下が好ましい。

【００１４】このα−ＦｅＯＯＨ被膜の形成方法は特に
制限を受けるものではない。例えば発明者らが提案した
特願平４−２４４７９６号に記載された手法で行える。
すなわち、鋼材表面にクロム（III ）イオンと銅（II）
イオンの少なくとも一方を含む水溶液を塗布した後、表
面に形成される錆層に水酸化ナトリウム水溶液等により
ＰＨ７以上の環境にすることにより、鋼表面にα−Ｆｅ
ＯＯＨの被膜を形成させることができる。

【００１５】また、いわゆる耐候性鋼を屋外環境に暴露
することにより形成されたα−ＦｅＯＯＨ被膜を下層と
することもできる。この時、耐候性鋼表面の錆層は、下
層にα−ＦｅＯＯＨ被膜が形成され、上層にγ−ＦｅＯ
ＯＨが形成された２層構造を有している。このためワイ
ヤーブラシ等を用いてケレンすることにより表面のγ−
ＦｅＯＯＨ被膜を除去する必要がある。γ−ＦｅＯＯＨ
被膜は凝集力が弱く密着性に欠けるためワイヤーブラシ
等によるケレンにより簡単に除去できる。一方、下層の
α−ＦｅＯＯＨ被膜はα−ＦｅＯＯＨ凝集力、密着力が
ともに強いためケレンをしても剥落することなくそのま
ま残留する。ケレン時に生じたγ−ＦｅＯＯＨの粉末を
水洗等により除去した後、温風等で表面水分を蒸発させ
ると比較的清浄なα−ＦｅＯＯＨ被膜表面を得ることが
できる。

【００１６】本発明におけるα−ＦｅＯＯＨ被膜の膜厚
は、１μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がさらに好まし
い。α−ＦｅＯＯＨ被膜が１μｍ未満のときは、α−Ｆ
ｅＯＯＨ被膜下の鋼が腐食しやすくなり、上層の有機樹
脂被膜の寿命を短くする虞れがある。

【００１７】（２）有機樹脂被膜の効果 前掲のα−ＦｅＯＯＨ被膜はそれ自体でも鋼材に対する
防食性を発揮するものであるが、この効果は完全なもの
ではなく、有機樹脂被膜と組み合わさせることにより一
段と防食性が向上する。また、α−ＦｅＯＯＨ被膜のみ
では、極く微量ながら流れ錆の発生が認められるが、上
層に有機樹脂被膜被膜を行うことにより流れ錆を完全に
無くすことが可能になる。

【００１８】また有機樹脂被膜は、着色顔料を添加する
ことにより自由に彩色できるため、周囲の景観に応じた
色調にすることが可能となる。

【００１９】この上塗りの有機樹脂被膜は、乾燥膜厚で
５μｍ以上、より好ましくは５０μｍとされる。５μｍ
より薄い膜厚の有機樹脂被膜では、下層のα−ＦｅＯＯ
Ｈの膜厚にも影響されるが寿命が若干低下することがあ
る。

【００２０】本発明に使用される有機樹脂は、特に限定
されない。エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ビニル樹脂、
ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ブチ
ラール樹脂、フタル酸樹脂等、シリコン樹脂、フッ素樹
脂あるいはこれらの組み合わせまたは積層して用いるこ
とができる。本発明の目的を鑑みると、長期の耐候性を
有する表面処理鋼材を提供することにあり、その意味で
紫外線による変色の小さい耐光性の良い有機樹脂被膜を
行えばより好ましい。具体的に好適な樹脂としては、ア
クリル樹脂、アクリルウレタン樹脂、アクリルシリコン
樹脂、フッ素樹脂等を例示することができる。

【００２１】また上記樹脂を塗料化して塗装を行うが、
溶剤系の塗料とするほか、水性の塗料としても特に問題
はない。さらには、有機樹脂被膜中には、ベンガラ、二
酸化チタン、カーボンブラック、チタンイエロー、フタ
ロシアニングリーン、フタロシアニンブルー等の着色顔
料、タルク、シリカ、マイカ、硫酸バリウム、炭酸カル
シウム等の体質顔料、酸化クロム、クロム酸亜鉛、クロ
ム酸鉛等の防錆顔料、その他チキソ剤、分散剤、酸化防
止剤等慣用の添加剤を含有させることができる。この有
機樹脂被膜については、通常の塗装方法と同じくエアス
プレー、エアレススプレーあるいは刷毛塗り等の方法に
よって塗布することができる。

【００２２】なお、本発明に用いられる鋼材は、特に鋼
種を問わない。普通鋼であっても、耐候性鋼であっても
よい。ただし、ステンレス鋼等の高合金鋼は、表面にα
−ＦｅＯＯＨの被膜を形成しないため通常は低合金鋼に
限られる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の効果を実施例により具体的に
説明する。本発明の実施例に用いた試験片の化学成分を
表１に示す。また、α−ＦｅＯＯＨ被膜の形成方法を表
２に示し、上塗り塗料組成を表３に示す。試験片の寸法
は１５０×７０×３．２ｍｍである。Ｃｒ，Ｃｕ処理に
ついては、硫酸クロムと硫酸銅をそれぞれ１０質量％含
む水溶液を１回ないし数回塗布し、その後ＰＨ９の水酸
化ナトリウムでアルカリ処理を行った。Ｃｒ，Ｃｕ処理
の回数を変えることにより、種々の膜厚を有するα−Ｆ
ｅＯＯＨ被膜を得た。また、暴露材についてはケレンの
程度を変えることにより、錆被膜中のα−ＦｅＯＯＨの
含有する比率を変えたサンプルを得た。

【００２４】なお、上塗り塗料中のウレタン樹脂につい
ては、主剤のポリオールとイソシアネート系硬化材の合
計量を示し、その配合比は３：１である。顔料は着色顔
料６質量％、体質顔料１３質量％、またチキソ剤は１質
量％とし、合計で上塗り塗料中にいずれも２０．０質量
％添加した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】上塗り塗料はエアレススプレー塗装により
被覆した。このサンプル試験片を複合サイクル試験によ
り評価した。複合サイクル条件は、３５℃塩水噴霧試験
８時間、５０℃、３％食塩水浸漬８時間、５０℃、乾燥
８時間（キセノンランプ照射）のサイクルで行った。本
試験２０サイクルは、日本の通常の暴露環境下の約１年
に相当すると考えられる。この試験を最高６００サイク
ル（３０年相当）行い、経時的に有機樹脂被膜の劣化状
況を観察し、浮きやはがれ等の劣化が発生するサイクル
数で評価した。また色差計で色差を測定し、色差が５を
超えるサイクル数を評価した。

【００２９】サンプル作製条件と結果を表４に示す。な
お、α−ＦｅＯＯＨの膜厚および錆被膜中の割合につい
ては、偏光顕微鏡による断面および表面観察を行い消光
部分（α−ＦｅＯＯＨは消光、γ−ＦｅＯＯＨは発光）
の厚みを求めるとともに、表面写真を画像解析処理する
ことにより百分率で求めた。また劣化サイクル数で６０
０とあるのは６００サイクルでも劣化を示さなかったも
のである。

【００３０】

【表４】

【００３１】実施例の結果を見てみると、試験番号１〜
１４では、下層のα−ＦｅＯＯＨと上層の有機樹脂被膜
の相乗効果により優れた耐候性が得られている。上層の
有機樹脂被膜の膜厚が同じであれば、従来のブラスト処
理鋼材に直接被覆した場合に比較して大幅な寿命延長が
得られる。一方、同じ錆層でもγ−ＦｅＯＯＨ上に被覆
した場合は逆に寿命を短縮することが分かる。また、耐
光性に優れた樹脂は一般に高価であるため、実施例１４
のように重ね塗りをすることにより高価な塗料の使用量
を削減することも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、大気腐食
環境中で、きわめて高い長期の耐候性を有する表面処理
鋼材を安価に得ることができる。この鋼材を、土木ある
いは建築構造物として使用される鋼材に、広く適用すれ
ば、鋼材のメンテナンスが不要あるいはその期間が延長
されるばかりでなく、自由な彩色が可能となり、景観保
全に役立つものである。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下層にα−ＦｅＯＯＨ被膜、上層に有機樹
   脂被膜が被覆されたことを特徴とする表面処理鋼材。