JP3846210B2

JP3846210B2 - 表面処理鋼板

Info

Publication number: JP3846210B2
Application number: JP2001080339A
Authority: JP
Inventors: 尚匡中小路; 智文重国; 千昭加藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002275657A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、食缶、飲料缶、一般缶などに使用される缶用表面処理鋼板に関するものであって、特に、塗料密着性および耐錆性に優れた表面処理鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
缶用表面処理鋼板として、従来からぶりきと称される錫めっき鋼板が広く用いられており、かかる錫めっき鋼板は、通常、ぶりき原板に錫めっきを施した後に、重クロム酸、クロム酸などの６価のクロム化合物を使った水溶液中に浸漬もしくはこの溶液中で電解することによって化成処理するのが一般的であり、この化成処理によって錫めっき層の上層に形成されたクロメート皮膜は、塗料との密着性及び耐錆性を向上させる作用を有する。
【０００３】
しかし、重クロム酸、クロム酸などの６価のクロム化合物を使った水溶液で浸漬処理または電解処理を行う場合、作業環境上の安全性確保及び廃水処理に多大な費用を要するだけでなく、万が一、事故等でクロメート処理液が漏洩した場合には環境に大きな被害を及ぼす危険性が大きい。昨今の環境問題から、クロムを規制する動きが各分野で進行しており、缶用表面処理鋼板においてもクロムを使わずに、塗料密着性及び耐錆性を向上させる化成処理の必要性が増大している。
【０００４】
缶用表面処理鋼板のクロメート処理に代わる化成処理に関する技術としては、例えば、特公昭55-24516号公報に、リン酸系溶液中で錫めっき鋼板を陰極として直流電解することにより、錫めっき鋼板上にCrを含有しない化成皮膜を形成した錫めっき鋼板の表面処理法が開示されており、また、特公平1-32308号公報には、化成皮膜中にＰもしくはＰとAlを含有させて、Crを含有しない化成皮膜を錫めっき層表面に施したシームレス缶用電気めっきぶりきが開示されている。
【０００５】
しかしながら、塗料密着性および耐錆性の性能を総合的に見た場合、上掲公報に記載された化成皮膜はいずれも、従来の重クロム酸やクロム酸溶液によって形成したクロメート皮膜に比べると上記性能が十分に得られているとはいえない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、錫合金層の上層に形成される化成皮膜中に、その皮膜特性を向上させる作用を有するものの環境上の問題から望ましくないとされるCrを含有させることなく、塗料密着性および耐錆性に優れた表面処理鋼板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決しようとするための手段】
以下にこの発明をさらに詳細に説明する。
錫合金層の上層に、上記従来技術を用いてCrを含有しない化成皮膜を形成した場合には、塗料密着性および耐錆性の双方を満足させることは困難であった。
【０００８】
このため、発明者らは、表面処理鋼板における上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、錫合金層の上層にＰとSiを含有する化成皮膜を形成させた場合には、塗料密着性および耐錆性の双方を満足させることができることを見出した。
【０００９】
より具体的には、錫合金層の上層に、好ましくはＰとシランカップリング剤を含有する化成処理液により、適正量のＰとSiを含有する化成皮膜を形成することによって、このシランカップリング剤に存在する反応基が配向して塗料との密着性に大きく寄与することがわかった。すなわち、上記化成皮膜は、塗料との相溶性及び反応性を向上させ、この相乗効果により優れた塗料密着性を示す。加えて、化成皮膜のバリヤ効果により、耐錆性が向上することも見出した。
【００１０】
本発明の表面処理鋼板は、鋼板表面上に、FeおよびNiのうちから選んだ１種または２種を含有する錫合金層を有し、前記錫合金層中の Sn の付着量が 0.1 〜 3.0 ｇ／ｍ ^２であり、その上層に、Ｐとシランカップリング剤を含有する化成処理液により形成したＰとSiを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびSiの付着量を、それぞれ0.5〜100mg/m²および0.1〜250mg／ｍ²の範囲とするものである。尚、化成皮膜中のSi／Ｐ比（質量比）を0.05〜100の範囲にすることが好ましい。
【００１１】
さらに、前記シランカップリング剤は、エポキシ基を有することがより好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の構成を詳細に説明する。
この発明の表面処理鋼板は、通常のぶりき原板に錫合金層を形成したものであり、本発明における錫合金層とは、FeおよびNiのうちから選んだ１種または２種を含有する錫合金層である。
【００１３】
通常のぶりきは、ぶりき原板にSnめっきした後、そのままか、あるいはSnを加熱溶融するための一般的な加熱処理(リフロー処理)を施すが（この場合、ぶりき原板とSnめっき層との間にFe-Sn合金層が形成されることになる。）、表面の大部分は金属Snであるため、使用されるまでの保管期間が長いと、金属Snの表面でSn酸化物が成長する。このSn酸化物は脆いため、塗装後にこのSn酸化物を起点として塗膜剥離が生じやすく塗料密着性を著しく悪化させる。
【００１４】
この欠点を解決するため、従来はクロメート処理を施すこと対処していたが、クロメート処理を施したとしても、金属Snの表面で生じがちなSn酸化物の成長を完全には抑制することはできない。
【００１５】
そこで、この発明では、金属Snのない前記錫合金層の上層に化成皮膜を形成することとし、これによって、優れた塗料密着性を得ることができる。
【００１６】
錫合金層を形成する方法としては、錫めっき後の加熱処理でSnを地鉄と完全に合金化させてFe-Sn合金層とすることが良く用いられる。またこの場合地鉄表面にNi系の前処理を施して置けばより緻密なFe-Sn-Ni合金層が得られる。
【００１７】
Ni系前処理としては、Niフラッシュめっき処理や、Niめっき後に熱処理するNi拡散処理がよく用いられている。
Niフラッシュめっき処理では、その上層に施したSnめっきと常温でも合金化が進み、NiとSnの比が１：３のときに合金化するので、Ni量とSn量の比を１：３にしておけば、熱処理なしでNi−Sn合金層が得られる。
また、Ni拡散処理では、錫合金層の下層にNi拡散層であるFe−Ni合金層が存在する。
【００１８】
さらに、錫合金層の他の形成方法として、めっき後の拡散合金化反応によらず、Feイオンおよび／またはNiイオンを含有させたSnめっき液を用いてSn合金めっきを施すことによって錫合金層を形成してもよい。
【００１９】
尚、本発明は、FeおよびNiのうちから選んだ１種または２種を含有する錫合金層を有する表面処理鋼板であるが、これは上述したように、優れた塗料密着性を具備する合金系として実績があるからである。
【００２０】
また、本発明では、錫合金層中のSnの付着量が0.1〜3.0ｇ／ｍ^２の範囲である。錫合金層中のSn付着量が0.1ｇ/m²未満だと十分な耐錆性が得られなくなるからであり、また、3.0ｇ/m²超えだと、性能は十分であるがコスト高になるからである。特に熱処理による合金化の場合には、合金化を高温かつ長時間で行う必要があり、生産性の点からも好ましくない。尚、Sn付着量は、電量法又は蛍光Ｘ線による表面分析により測定できる。
【００２１】
尚、この発明における錫合金層は、FeおよびNiのうちから選んだ１種または２種を含有する錫合金層であればよく、特に限定はしないが、Sn-Fe合金層の場合には、FeSn2合金層またはFeSn合金層であることが好ましく、Sn-Ni合金層の場合には、Sn₃Ni合金層またはSnNi合金層であることが好ましく、Sn-Fe-Ni合金層の場合には、(Fe・Ni）Sn₂合金層または(Fe・Ni）Sn合金層であることが好ましい。
【００２２】
そして、この発明の構成上の主な特徴は、該錫合金層の上層にＰとSiを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびSiの付着量を、それぞれ0.5〜100mg/m²および0.1〜250mg／ｍ²の範囲とすることにある。
【００２３】
(1)化成皮膜中のＰ含有量をその付着量にして0.5〜100mg/m²の範囲とすること化成皮膜中のＰ含有量は、その付着量にして0.5〜100mg/m²の範囲とすることが必要である。 0.5mg/m²未満では、塗料密着性が十分に得られず、また、100mg/m²超えでは化成皮膜に欠陥が生じやすくなり、塗料密着性が劣化するからである。
尚、Ｐ付着量の測定は、蛍光Ｘ線による表面分析により行った。
【００２４】
また、Ｐを含有させた化成皮膜の形成方法としては、例えば、リン酸系化成処理によって行なうことが好ましく、この場合、化成処理液中のＰの供給源としてはリン酸イオン換算で１〜80g/lのリン酸、リン酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、リン酸カリウム等の金属塩、及び／又は、１水素リン酸塩など使用することがより好適である。
【００２５】
尚、化成処理液には、Sn、Fe、Niの金属塩、例えば、SnCl₂、FeCl₂、NiCl₂、SnSO₄、FeSO₄、NiSO₄などの金属塩を適宜添加することができる。この場合には、促進剤として塩素酸ナトリウム、亜硝酸塩などの酸化剤、フッ素イオンなどのエッチング剤を適宜添加してもよい。
【００２６】
上記錫合金層を形成した鋼板を上記リン酸系化成処理液に浸漬または電解処理することによりＰを含有させた化成皮膜を形成することができる。
【００２７】
(２)化成皮膜中のSi含有量をその付着量にして0.1〜250mg/m²の範囲とすること
化成皮膜中に含有するSiは、具体的には処理液中に含有させたシランカップリング剤によって含有させたものである。シランカップリング剤の一般化学式は、Ｘ-Si-ＯＲ_2or3（ＯＲ：アルコキシ基）である。
【００２８】
シランカップリング剤は、アルコキシシリル基（Si-ＯＲ）が水により加水分解されてシラノール基を生成し、金属表面のＯＨ基との脱水縮合反応により密着する。また、鋼板の上層には、一般化学式のＸにあたる反応基が配向し塗料などの樹脂と相溶もしくは結合する。
【００２９】
尚、シランカップリング剤としては、３-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、２-（３，４-エポキシシクロヒキシル）エチルトリメトキシシラン、３-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ-２-（アミノエチル）３-アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ-２（アミノエチル）３-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、３-アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ-フェニル-３-アミノプロピルトリメトキシシラン、３‐メルカプトプロピルメトキシシラン、３-クロロプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（２-メトキシエトキシ）シラン、アミノ基の存在する、Ｎ-２（アミノエチル）３-アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ-２-（アミノエチル）３-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、３‐アミノプロピルトリエトキシシランなどが使用できるが、特にシランカップリング剤の一般化学式におけるＸ-Si-ＯＲ_2or3のＸにエポキシ基が存在する２-（３，４-エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランや３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが好適である。これは、缶の内面に使用されるエポキシ系塗料との相溶性と反応性に優れるためである。
【００３０】
この発明では、化成皮膜中に含有するSiの付着量は、密着性向上効果が顕著に現われる0.1〜250mg／ｍ²の範囲とする。0.1mg／ｍ²未満だと、密着性向上効果が十分に得られないからであり、また、250mg／ｍ²超えでは、未反応のシランカップリング剤が自己縮合するため、密着性向上効果が低減するからである。尚、Si付着量の測定は蛍光Ｘ線による表面分析により行った。
【００３１】
ＰとSiを含有する化成皮膜の形成方法としては、前述のリン酸系化成処理液を用いてＰを含有させた化成皮膜を形成させ、さらにシランカップリング剤を水に希釈した溶液で処理することによって行うことができる。尚、シランカップリング剤を水に希釈した溶液で処理した場合に、表面の濡れ性が悪いためはじきが発生するときは、アルコールで希釈した溶液を使用することができる。例えば、エタノールを50mass％以上、シランカップリング剤を0.5〜20mass％、残りを水とした溶液にて均一に処理することができる。シランカップリング剤を含有する溶液を用いた処理は、溶液の塗布、乾燥あるいは浸漬処理によって行えば良い。
【００３２】
また、Ｐを含有する化成皮膜の形成方法であるリン酸系化成処理溶液にシランカップリング剤を含有させることで、１液でＰとSiを含有する化成皮膜を形成することもできる。この場合、ｐＨを1.5〜5.5の範囲にすることが好ましい、即ち、化成処理液のｐＨを1.5〜5.5の範囲に調整すれば、シランカップリング剤を化成処理液中に均一に溶解することができ、優れた塗料密着性が得られる。ｐＨが上記範囲外であるとシランカップリング剤を化成処理液に均一に溶解させることが難しくなり、塗料密着性向上効果が十分に得られなくなる傾向があるからである。
【００３３】
以上のことから、この発明では、鋼板表面に形成した錫合金層の上層に、Ｐ及びSiを上記適正範囲で含有する化成皮膜を形成することによって、塗料密着性及び耐錆性の双方を満足させることに成功したのである。
【００３４】
次にこの発明に従う具体的な製造方法の一例を説明する。
通常のぶりき原板あるいはNiフラッシュめっき処理を施した原板若しくはNi拡散処理を施した原板にSnめっきを施した後、錫の融点（231.9℃）以上の温度で加熱溶融(リフロー)処理を行ってSnを地鉄と合金化し、引き続き、浸漬処理によって化成処理を行う。尚、リフロー処理後に、化成処理の反応性を向上させるため、15g/lの炭酸ナトリウム水溶液中で１C/dm²の陰極処理を行ってもよい。
【００３５】
化成処理液としては、リン酸イオン換算で１〜80g/lのリン酸、錫イオン換算で0.001〜10g/lの塩化第一錫、0.1〜1.0 g/lの塩素酸ナトリウムを含有し、さらにシランカップリング剤を0.5〜20.0mass％添加した水溶液を用いる。
【００３６】
化成処理の条件は、温度を40〜60℃、処理（浸漬）時間を1〜5秒とすることが好ましい。化成処理後の表面処理鋼板は、35〜150℃の温風で乾燥する。
【００３７】
また、化成処理皮膜を形成する別の方法としては、シランカップリング剤を含まない上記化成処理液で処理した後、シランカップリング層を形成するためのシランカップリング処理液、例えば、エタノールを50mass％以上、シランカップリング剤を0.5〜20mass％、残りを水とした溶液を均一に塗布し、鋼板表面温度が50〜150℃に到達するよう乾燥する方法がある。
【００３８】
尚、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【００３９】
【実施例】
次に、この発明の実施例について以下で詳細に説明する。
・実施例１〜９
板厚0.1〜1.0mmの低炭素鋼または極低炭素鋼からなるぶりき原板に、片面当り0.1〜3.0g/m²の付着量の錫合金層を形成させた表１に示す表面処理鋼板に、４種類の化成処理条件（Ａ〜Ｄ）で化成皮膜を形成させた。このとき形成した化成皮膜の組成については表１に示し、また、４種類の化成処理条件（Ａ〜Ｄ）については表２に示す。
【００４０】
・比較例１〜５
尚、比較のため、錫合金層および化成皮膜のうちの少なくとも一方がこの発明の適正範囲外である表面処理鋼板についても製造した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【表２】

【００４３】
（性能評価）
実施例及び比較例の各表面処理鋼板について、塗料密着性及び耐錆性の性能評価を行った。
【００４４】
（１）塗料密着性
塗料密着性は、以下の試験方法により評価した。
前記各表面処理鋼板を50℃の恒温室に３ヶ月間保管し、その後、各表面処理鋼板の表面に、付着量50mg/dm²のエポキシフェノール系塗料を塗布した後、210℃で10分間の焼付を行った。次いで、上記塗布・焼付を行った２枚の表面処理鋼板を、塗装面がナイロン接着フィルムを挟んで向かい合わせになるように積層した後、圧力2.94×10⁵Pa，温度190℃，圧着時間30秒の圧着条件下で貼り合わせ、その後、これを５mm幅の試験片に分割し、この試験片を引張試験機を用いて強度測定を行い、この測定結果から１次塗料密着性を評価した。また、別の試験片は、55℃の1.5質量％NaCl＋1.5質量％クエン酸溶液に７日間浸漬し、その後、同様に引張試験機を用いて行った強度測定結果から、２次塗料密着性を評価した。その評価結果を表１に示す。尚、表１では、試験片幅５mmあたりの測定強度が、68.6〔Ｎ〕以上の場合を「◎」、49.0〔Ｎ〕以上68.6〔Ｎ〕未満の場合を「○」、29.4〔Ｎ〕以上49.0〔Ｎ〕未満の場合を「△」及び29.4〔Ｎ〕未満の場合を「×」として示してある。
【００４５】
（２）耐錆性
上記各表面処理鋼板に対し、温度50℃、相対湿度98％の高湿状態と、温度25℃、相対湿度60％の乾燥状態とを30分ごとに交互に繰り返す環境下に曝し、表面に錆が発生するまでの日数を調べ、これによって耐錆性を評価した。その評価結果を表１に示す。尚、表１では、錆の発生が30日間以上認められない場合を「○」、錆の発生が15日間以上30日間未満の間で認められた場合を「△」、錆の発生が15日間未満で認められた場合を「×」として示してある。
【００４６】
表１の結果から明らかなように、実施例1〜９はいずれも、塗料密着性及び耐錆性の双方とも優れていた。一方、比較例１〜５は、塗料密着性及耐錆性のいずれかの性能が悪く、実用レベルにないことがわかる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、錫合金層の上層に形成される化成皮膜層中に、その皮膜特性を向上させる作用を有するものの環境上の問題から望ましくないとされるCrを含有させることなく、特に、塗料密着性及び耐錆性に優れた表面処理鋼板を提供することができるという顕著な効果を奏する。

Claims

鋼板表面上に、FeおよびNiのうちから選んだ１種または２種を含有する錫合金層を有し、前記錫合金層中の Sn の付着量が 0.1 〜 3.0 ｇ／ｍ ^２であり、その上層に、Ｐとシランカップリング剤を含有する化成処理液により形成したＰとSiを含有する化成皮膜を有し、該化成皮膜中のＰおよびSiの付着量を、それぞれ0.5〜100mg/m²および0.1〜250mg／ｍ²の範囲とすることを特徴とする缶用表面処理鋼板。
前記シランカップリング剤がエポキシ基を有することを特徴とする請求項１に記載の表面処理鋼板。