JP3502235B2 - アルミニウム系金属表面処理浴、表面処理方法、表面処理されたアルミニウム製品、および表面処理アルミニウム缶 - Google Patents

アルミニウム系金属表面処理浴、表面処理方法、表面処理されたアルミニウム製品、および表面処理アルミニウム缶

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JP3502235B2 JP12971897A JP12971897A JP3502235B2 JP 3502235 B2 JP3502235 B2 JP 3502235B2 JP 12971897 A JP12971897 A JP 12971897A JP 12971897 A JP12971897 A JP 12971897A JP 3502235 B2 JP3502235 B2 JP 3502235B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する分野】本発明はアルミニウム系金属表面
処理浴、表面処理方法および表面処理されたアルミニウ
ム製品、アルミニウム缶、特に、薄膜で均一性の高い皮
膜を形成し、外観、防食性、塗膜密着性の良好な保護被
覆を提供するアルミニウム系金属表面処理浴、表面処理
方法および表面処理されたアルミニウム製品、アルミニ
ウム缶に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、アルミニウム及びそれらの合金の
表面処理方法は、クロメート処理又はアルマイト処理等
が行われていた。しかしながら、クロメート処理は、環
境汚染並びに人体に対する毒性、排水処理スラッジの廃
棄が困難等の欠点があり、一方、アルマイト処理は多大
な設備を要し電力の消費は多く経済的でない等の欠点は
あった。
【0003】そこで、上記の欠点を解消するために、種
々のノンクロメート処理方法が提案されている。例え
ば、特公昭56−33468号公報の「金属表面用コー
チング溶液」には、ジルコニウム又はチタンあるいはこ
れらの混合物と、ホスフェート(すなわち、リン酸塩)
及びフッ化物を含有し、かつ約1.5〜約4.0の範囲
内のpHを有する酸性の水性コーチング溶液が提案され
ている。
【0004】また、特公昭57−39314号公報の
「アルミニウムの表面処理方法」には、チタン塩又はジ
ルコニウム塩の1種又は2種以上の濃度を金属換算で
0.01〜10g/l、過酸化水素濃度を0.005〜
5g/lとし、これにリン酸又は縮合リン酸の1種又は
2種以上を含有するリン酸換算で0.05〜20g/l
の濃度とし、これらの重量比率を1〜10:0.1〜1
0:1.5〜30の範囲で含有する酸性水溶液で処理す
るアルミニウム及びその合金の表面処理法が提案されて
いる。
【0005】この上述の特公昭56−33468号公報
の「金属表面用コーチング溶液」や特公昭57−393
14号公報の「アルミニウムの表面処理方法」は、例え
ばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる飲料用
アルミニウム容器の表面に、保護皮膜を被覆する時に用
いることができる。
【0006】通常、アルミニウムまたはアルミニウム合
金からなる飲料用アルミニウム容器は、ドローイング・
アンド・アイアニングという成形操作(以下、DI加工
という)によって製造される。この成形操作時には金属
表面に潤滑油が適用され、また得られた容器には、特に
その内壁にアルミニウム粉末(スマット)が付着してい
るため、一般に化成処理等の前に、上記潤滑油またはス
マットを金属表面から除去し、清浄化してから、化成処
理または塗装によって容器の金属表面を保護する。
【0007】近年では、コスト低減のため、缶蓋の外径
が206(6.0cm)から204(約5.7cm)、
更には202(約5.4cm)と縮径されつつある。そ
れに対応するためには、容器の上部の径も縮径しなけれ
ばならず、塗装後の缶の上部絞り加工(ネッキング加
工)がきびしくなりつつある。この縮径缶ではより高い
塗膜密着性が要求される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来の上記特公昭57
−39314号公報の「アルミニウムの表面処理方法」
に用いる表面処理浴には、金属表面に形成された酸化皮
膜を金属表面から除去する薬剤が添加されていないため
に、酸化皮膜の上に化成皮膜を形成することとなる。か
かる場合、化成皮膜は不均一となるため、沸水性やレト
ルト性等の耐食性を満足させようとすれば、化成皮膜の
膜厚を厚くする必要がある。しかしながら、化成皮膜の
膜厚を厚くすると、ネッキング加工時の塗膜と金属表面
との密着性、すなわち塗膜密着性が不十分となる。一
方、塗膜密着性を満足させようとすると、化成皮膜の膜
厚を薄くしなければならず、化成皮膜が不均一であるた
め、上記耐食性が不十分となる。
【0009】一方、上記特公昭56−33468号公報
の「金属表面用コーチング溶液」に含まれるフッ化物
は、金属表面に形成された酸化皮膜をエッチングし、表
面より酸化皮膜を離脱させることができるが、離脱した
酸化皮膜に含有された酸素を取り込む薬剤がないため
に、再度金属表面が酸化されてしまう。このため、上記
同様、酸化皮膜の上に化成皮膜を形成することとなり、
化成皮膜は不均一となる。化成皮膜の均一性が不十分な
状態で、耐食性を満足させようとすれば、化成皮膜の膜
厚が厚くなり、塗膜密着性が不十分となる。一方、塗膜
密着性を満足させようとすると、化成皮膜の膜厚を薄く
する必要があり、化成皮膜が不均一な状態なため、上記
耐食性が不十分となる。
【0010】すなわち、従来の表面処理方法等では、縮
径缶に対して、耐食性と塗膜密着性を両立させることは
困難であった。
【0011】本発明は上記従来の課題に鑑みたものであ
り、その目的は、薄膜で均一性の高い皮膜を形成し、外
観、防食性、塗膜密着性の良好な保護皮膜を形成するア
ルミニウム系金属表面処理浴、表面処理方法、表面処理
されたアルミニウム製品、および表面処理アルミニウム
缶を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明のアルミニウム系金属の表面処理浴は、
リン酸又はその塩の少なくとも1種をリン酸換算で20
〜80ppmと、ジルコニウム塩の少なくとも1種をジ
ルコニウム換算で20〜80ppmと、有効フッ化物を
フッ素換算で少なくとも1ppmと、亜リン酸又はその
塩の少なくとも1種を亜リン酸換算で50〜200pp
mと、硝酸又はその塩の少なくとも1種を硝酸換算で1
50〜350ppmと、を含有し、pHが2.6〜3.
1である。
【0013】本発明のアルミニウム系金属の表面処理浴
によって、金属表面に化成皮膜を被覆する(すなわち、
表面処理を行う)場合、本発明の表面処理浴に含まれる
フッ化物が、金属表面に形成された酸化皮膜をエッチン
グし、表面より酸化皮膜を離脱させる。また、本発明の
表面処理浴に含まれる亜リン酸又はその塩は、反応促進
剤として作用する。すなわち、これらは還元剤として働
き、金属表目面の酸化を極力防止することができると考
えられる。更に、処理浴中のジルコニム塩と、フッ化物
と、リン酸と、亜リン酸とによって、複塩が形成され、
これによって金属表面に強固な皮膜を形成する。
【0014】また、処理浴は、通常電気伝導度(以下
「EC」という)を測定することで、自動管理される。
このECは、一般に±0.05ms/cm程度の変動幅
を許容範囲として自動管理される。しかしながら、処理
浴のECが低い場合に、上記ECの変動幅を許容する
と、処理浴組成の変動が大きくなってしまい、処理浴の
管理が困難となる。そこで、本発明の表面処理浴では、
処理浴のECの値を引き上げる作用を有する硝酸又はそ
の塩を処理浴中に含有することとし、上記ECの変動幅
を許容範囲としても、リン酸濃度、ジルコニウム濃度お
よびpHの変動を許容範囲に治める自動管理を可能とし
た。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明のアルミニウム系金属表面
処理浴は、リン酸又はその塩の少なくとも1種をリン酸
換算で20〜80ppmと、ジルコニウム塩の少なくと
も1種をジルコニウム換算で20〜80ppmと、有効
フッ化物をフッ素換算で少なくとも1ppmと、亜リン
酸(H2PH22)又はその塩の少なくとも1種を亜リ
ン酸換算で50〜200ppmと、硝酸又はその塩の少
なくとも1種を硝酸換算で150〜350ppmと、を
含有し、pHが2.6〜3.1である。
【0016】ここで、リン酸、リン酸塩としては、例え
ば、H3PO4 、(NH4)H2PO4、NaH2PO4、K
2PO4等のリン酸アルカリ金属塩、リン酸カルシウ
ム、リン酸マグネシウム等のリン酸アルカリ土類金属塩
等が挙げられる。
【0017】ジルコニウム塩としては、例えばジルコニ
ウムフッ化水素酸(H2ZrF6)及びフルオロジルコニ
ウム酸のリチウム、ナトリウム、カリウム、アンモニウ
ム塩(Li2ZrF6、Na2ZrF6、K2ZrF6、(N
4)2ZrF6)、硫酸ジルコニウム(Zr(SO4)2)、
硫酸ジルコニル(ZrO(SO4))、硝酸ジルコニウム
(Zr(NO3)4)、硝酸ジルコニル(ZrO(N
3)2)、酢酸ジルコニウム、フッ化ジルコニウム(Z
rF4)等を挙げることができる。フッ化物としては、
例えば、フッ化水素酸(HF)、フッ化アンモニウム
(NH4F)、フッ化水素アンモニウム(NH4
2 )、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化水素ナト
リウム(NaHF2)等が挙げられる。
【0018】亜リン酸、亜リン酸塩としては、例えばH
2 PHO3 、(NH4)2PHO3や、Na2PHO3、K2
PHO3等のアルカリ金属塩、CaPHO3、MgPHO
3等のアルカリ土類金属塩等が挙げられる。
【0019】硝酸、硝酸塩としては、例えばHNO3
NH4NO3 や、NaNO3、KNO3等のアルカリ金属
塩、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2等のアルカリ度類金属
塩等が挙げられる。
【0020】また、pHは2.6〜3.1に調整される
が、これは配合されるリン酸、ジルコニウム塩、フッ化
水素、亜リン酸、硝酸の適当な塩で添加することが可能
である。
【0021】なお、本発明のアルミニウム系金属の表面
処理浴は、濃縮物を適量の水によって使用範囲内の濃度
に希釈することによって得られる。
【0022】リン酸又はその塩の少なくとも1種が、本
実施形態の処理浴中に、リン酸換算で20〜80pp
m、好ましくは30〜50ppm含まれている。リン酸
又はその塩の少なくとも1種が、処理浴中にリン酸換算
で20ppm未満の場合には、耐沸水黒変性が低下し、
一方リン酸等が多い場合には、塗膜の密着性が低下する
ため、リン酸換算で80ppm以内が好ましい。
【0023】ジルコニウム塩の少なくとも1種は、本実
施形態の処理浴中に、金属換算で20〜80ppm、好
ましくは30〜50ppm含まれている。ジルコニウム
塩の少なくとも1種が、処理浴中に金属換算で20pp
m未満の場合には、ほとんど化成皮膜が形成されない。
一方処理浴中にジルコニウム塩等を多く添加しても効果
が上がらないため、金属換算で80ppm以内が好まし
い。
【0024】有効フッ化物は、本実施形態の処理浴中
に、フッ素換算で少なくとも1ppm、好ましくは3〜
50ppm含まれる。有効フッ化物が、本実施形態の処
理浴中に、フッ素換算で1ppm未満の場合には、アル
ミニウム系金属の表面のエッチングがほとんど起こらな
いため、アルミニウム系金属(アルミニウム、アルミニ
ウム合金等を含む)の表面と皮膜の密着性が低下する。
一方、フッ化物の含有量が多いと、被膜の生成速度より
もエッチングの速度の方が早いために被膜の形成が困難
となるだけでなく、耐沸水黒変性、塗膜との密着性が低
下するので、フッ素換算で50ppm以内が好ましい。
【0025】ここで、有効フッ化物とは、処理浴中でフ
ッ素イオンを遊離するフッ化物をいい、この処理浴中の
遊離のフッ素イオン(F-)を、以下「有効フッ素イオ
ン」という。この有効フッ素イオンの濃度は、フッ素イ
オン電極を有するメーターで処理浴などを測定すること
によって求められる。有効フッ素イオンは、アルミニウ
ム表面の酸化膜をエッチングする他に、処理浴中のジル
コニウム・ホスフェートの沈殿生成を制止するか又は防
ぐ働きがある。更に、アルミニウム表面処理中に処理浴
に溶け出したアルミニウムを錯体として処理浴中に溶解
させ、表面処理のプロセスにおける悪影響を制止又は予
防する働きもある。
【0026】亜リン酸又はその塩の少なくとも1種は、
本実施形態の処理浴中に、亜リン酸換算で、50〜20
0ppm、好ましくは80〜100ppm含まれる。亜
リン酸又はその塩の少なくとも1種が、本実施形態の処
理浴中に、亜リン酸換算で50ppm未満の場合には、
化成被膜の均一性が不十分となり、一方処理浴中の亜リ
ン酸の濃度が高いと、塗膜密着性が低下し、また不溶解
物(「スラッジ」という)が発生しやすくなるので、亜
リン酸換算で200ppm以内が好ましい。
【0027】硝酸又はその塩の少なくとも1種は、本実
施形態の処理浴中に、硝酸換算で150〜350pp
m、好ましくは200〜250ppm含まれる。硝酸又
はその塩の少なくとも1種が、本実施形態の処理浴中に
硝酸換算で150ppm未満の場合には、処理浴組成の
変動が大きくなる。一方、処理浴中の硝酸濃度が高い
と、廃水処理に負荷がかかる(窒素規制)ので、硝酸換
算で350ppm以内が好ましい。
【0028】本実施形態の処理浴のpHは、2.6〜
3.1、好ましくは2.8〜2.9ある。処理浴のpH
が2.6未満の場合には、エッチング過剰となり、被膜
の生成が困難となるだけでなく、耐沸水黒変性、塗膜密
着性が低下する。一方処理浴のpHが3.1を越える
と、処理浴が白濁し、スラッジが発生しやすくなる。ま
た、被膜もほとんど生成しないため、耐沸水黒変性が低
下する。
【0029】本発明のアルミニウム系金属の表面処理浴
に供される対象素材は、アルミニウム及び/又はアルミ
ニウム合金である。このアルミニウム及び/又はアルミ
ニウム合金としては、例えばアルミニウム、アルミニウ
ム−銅、アルミニウム−亜鉛、アルミニウム−マンガ
ン、アルミニウム−マグネシウム、アルミニウム−マグ
ネシウム−ケイ素、アルミニウム−亜鉛−マグネシウム
等が挙げられる。更に、対象素材の形状は、板状、棒
状、線、管でもよく、飲料缶などに適用することができ
る。
【0030】本実施形態のアルミニウム系金属表面処理
方法(以下「処理方法」)の処理温度は、室温〜60
℃、好ましくは30〜50℃である。処理温度が室温
(例えば25℃)未満の場合には、被膜生成速度が遅い
ため、高濃度仕様となり経済的に不利である。一方、処
理温度が60℃を超える場合には、処理浴が白濁し、ス
ラッジが発生しやすくなる。また、温度維持に多大なエ
ネルギーを必要とするため、経済的に不利である。
【0031】本実施形態の処理方法の処理時間は、処理
組成物、処理温度と処理方法によって異なるが、一般的
には5〜60秒であり、本実施形態の処理方法として
は、上記処理浴中にアルミニウム製品等を浸漬してもよ
いし、また上記処理浴をアルミニウム製品等に噴霧又は
塗布等の公知の方法で処理してもよい。
【0032】更に、請求項に記載以外の本発明の好まし
い他の実施態様を以下に示す。
【0033】1.アルミニウム系金属の表面処理浴は、
リン酸又はその塩の少なくとも1種をリン酸換算で30
〜50ppmと、ジルコニウム塩の少なくとも1種をZ
r換算で30〜50ppmと、有効フッ化物をフッ素換
算で3〜50ppmと、亜リン酸又はその塩の少なくと
も1種を亜リン酸換算で80〜100ppmと、硝酸ま
たはその塩の少なくとも1種を硝酸換算で200〜25
0ppmと、を含有し、pHが2.8〜2.9である。
【0034】2.アルミニウム系金属表面処理方法の処
理温度は、室温〜60℃である。
【0035】
【実施例】次に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を
具体的に説明する。
【0036】実施例1〜11及び比較例1〜6 (1)被処理物:3004合金のアルミニウム板をDI
加工して得られた、潤滑油とスマットの付着したフタな
し容器を用いた。
【0037】(2)洗浄剤:日本ペイント(株)社製酸
性洗浄剤「サーフクリーナーNHC250」を使用し
た。
【0038】(3)処理条件:上記容器を上記洗浄剤
で、75℃で60秒間スプレー処理し、潤滑油とスマッ
トを除去した後、水道水を15秒間スプレー水洗後、表
1に示す処理浴の処理液をスプレーした。次いで水道水
で15秒間、脱イオン水で5秒間スプレー水洗し、その
後200℃で2分間乾燥した。
【0039】(4)洗浄性評価:以下の項目について試
験した。その結果を表2に示す。
【0040】(a)耐沸水黒変性:処理されたDI加工
容器(以下「処理缶」という)から切り出したボトム部
を100℃の沸騰した水道水に30分間浸漬し、黒変の
程度を観察した。黒変の程度に応じて以下の5段階評価
した。
【0041】 ◎ : 全く黒変なし ○ : 僅かに黒変 △ : 軽く黒変 × : かなり黒変 ××: 完全に黒変 (b)耐レトルト性:圧力釜内で水道水を加圧して12
5℃にした蒸気部に処理缶を30分間設置し、白化の程
度を観察した。白化の程度に応じて以下の5段階評価し
た。
【0042】 ◎ : 全く白化なし ○ : 僅かに白化 △ : 軽く白化 × : かなり白化 ××: 完全に白化 (c)塗膜密着性:処理缶の外面に、水性ホワイト塗料
を塗布し、更にその上にクリヤー塗料(エポキシ変性ア
クリル系クリヤー塗料)を塗布して、焼き付け乾燥して
試験片とした。塗膜密着性の評価は、折り曲げ(ウェッ
ジベンディング法)により行った。この塗膜密着性の評
価方法は、図1に示すように、先端の0mmφから3°
の傾斜で折り曲げ、この先端から80mmにおいて4m
mφになる(図2参照)ように折り曲げた後、図3に示
すように、折曲げ部にテープを貼ってから、テープを剥
離させ(図3の白抜き矢印方向に剥離させ)、テープを
剥離させた際に先端からの塗膜の剥離長さ(mm)によ
って評価する方法である。なお、塗膜の剥離長さが短い
ほど塗膜密着性が良好であることを示す。
【0043】表2、評価結果を示す。
【0044】
【表1】
【表2】 実施例12、13及び比較例7 実施例1に示す処理浴に準じて、硝酸濃度を150pp
m(実施例12)、300ppm(実施例13)、0p
pm(比較例7)に変えて、電気伝導度(EC)の許容
変動幅を±0.05ms/cmとして自動管理したとき
の処理浴のZr濃度、PO4濃度及びpHの変動を評価
した。結果を表3に示す。
【0045】
【表3】 これらの結果から、本発明のアルミニウム系金属の表面
処理浴、表面処理方法によれば、薄膜で均一性の高い皮
膜を形成し、得られるアルミニウム製品、アルミニウム
缶は、外観、防食性、塗膜密着性ともに従来のものに比
べ向上し、処理浴組成の変動も非常に少ないことが判明
した。
【0046】
【発明の効果】以上のように、本発明に係るアルミニウ
ム系金属の表面処理用浴、表面処理方法によれば、薄膜
で均一性が高い皮膜を形成できるので、得られるアルミ
ニウム製品、アルミニウム缶は加工密着性が従来より、
格段に優れ、かつ耐沸水黒変性や耐レトルト性にも優れ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 塗膜密着性の評価に用いる試験片の折り曲げ
状態を示す斜視図である。
【図2】 図1に示す折り曲げられた試験片を背面から
見た斜視図である。
【図3】 塗膜密着性の試験方法を説明する図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 哲 東京都品川区南品川4丁目1番15号 日 本ペイント株式会社 東京事業所内 (72)発明者 神村 雅之 東京都品川区南品川4丁目1番15号 日 本ペイント株式会社 東京事業所内 (72)発明者 園村 一夫 東京都品川区南品川4丁目1番15号 日 本ペイント株式会社 東京事業所内 (56)参考文献 特開 平9−143752(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 22/56

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リン酸又はその塩の少なくとも1種をリ
    ン酸換算で20〜80ppmと、 ジルコニウム塩の少なくとも1種をジルコニウム換算で
    20〜80ppmと、 有効フッ化物をフッ素換算で少なくとも1ppmと、 亜リン酸又はその塩の少なくとも1種を亜リン酸換算で
    50〜200ppmと、 硝酸又はその塩の少なくとも
    1種を硝酸換算で150〜350ppmと、 を含有し、pHが2.6〜3.1であることを特徴とす
    るアルミニウム系金属の表面処理浴。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の表面処理浴を、アルミ
    ニウム系金属製品に接触させることを特徴とするアルミ
    ニウム系金属の表面処理方法。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の表面処理浴のリン酸濃
    度、ジルコニウム濃度およびpH管理を浴の電気伝導度
    の測定により自動管理するに際し、前記表面処理浴中に
    含有されている150〜350ppmの硝酸又はその塩
    の少なくとも1種によって、前記電気伝導度の許容変動
    幅における前記リン酸濃度、ジルコニウム濃度およびp
    Hの変動幅を縮小させて自動管理を容易にすることを特
    徴とするアルミニウム系金属の表面処理方法。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の表面処理浴を、接触さ
    せることにより得られる表面処理されたアルミニウム製
    品。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載の表面処理浴を、接触さ
    せることにより得られる表面処理されたアルミニウム
    缶。
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