JP3895300B2 - 金属の構造用接着剤接着のための耐腐食性表面処理 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は接着され、耐食（耐腐食）コーティングが施された金属基材の調製ないし製造技術に関するものであり、該金属基材は耐剥離性であり且つ耐食コーティング層に６価クロムを含まないものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機産業その他に広く使用される金属と金属との間つまり金属間および複合型アセンブリの構造的な接着技術においてはしばしば、得られた構造物が使用環境の極端な大気条件に対して充分な抵抗性を有することが要求される。航空機の構造物の破壊を防ぐためには、接着された金属間および複合型アセンブリが、遭遇する大気条件に対して抵抗性を有することが必要である。特に重要なのは複合構造物の腐食および剥離に対する抵抗性である。これまで、接着剤によって接着された金属間および複合型アセンブリの性能は（クロム酸塩プライマーがない場合は）、高分子接着剤とアルミニウム表面との境界における接着破壊のために、充分とは言い難かった。
【０００３】
腐食防止を改善するため、金属表面処理において化成被覆（変性コーティング）が広く用いられている。化成コーティングは金属と浴槽溶液との化学反応によって金属表面を変性または改質し、要求される機能特性を有する薄層を生じさせることによって行われる。化成コーティングは鋼、亜鉛、アルミニウムおよびマグネシウムなどの金属の表面処理に特に有用である。過去において、クロム酸塩（クロメート）化成コーティングがアルミニウムおよびマグネシウムにおいて最も成功した化成コーティングであることが認められている。しかしながら、過去において使用されたクロム酸塩化成コーティングは、一般的には高毒性の６価クロムを含んでいた。６価クロムの使用は工程作業者にとって危険な労働条件をもたらす恐れがあり、また廃液処理の費用が非常に高かった。
【０００４】
耐腐食性で、環境に優しく、剥離にも抵抗性を有する接着された金属基材を製造するための改良された方法を提供することが大いに望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、耐食性で、６価クロムを含まず、接着剤で相互に十分に、申し分なく接着でき、水性高温の環境で機能するための金属基材を製造するための方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法によれば、金属基材はリン酸陽極処理溶液中で陽極処理（陽極酸化処理）される。陽極処理された金属基材を次いで６価クロムを含まない、３価クロム含有の酸性コーティング溶液と接触させ、これにより陽極処理された金属基材にコーティングを行う。非クロム酸塩プライマーが塗布された後、コーティングおよび陽極処理がなされた金属基材は、他の同様に処理された金属基材と接着剤によって接着され、複合部品が形成される。得られた部品は優れた接着および腐食特性を示す。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば接着剤によって互いに接着されて複合部品を形成すべき金属基材（好ましくはアルミニウム合金）を処理するための、多段（多数のステップ）の処理方法を提供するものである。
【０００８】
本方法は（１）金属基材をリン酸陽極処理（陽極酸化処理）用の溶液中で陽極処理すること、および（２）陽極処理された基材を、６価クロムを含まない、３価クロムを含有する酸性コーティング溶液と接触させ、これにより陽極処理された金属基材に３価クロムを含有するコーティング層を形成すること、を有してなるものである。
【０００９】
金属基材には、当業分野において公知である任意の方法でリン酸陽極処理がなされる。リン酸陽極処理の適切な方法は米国特許第４，０８５，０１２号および第４，１２７，４５１号に開示されており、これらはいずれも参考文献として本明細書に組み入れられる。本発明の方法によれば、好ましくはアルミニウム合金である金属基材は、３重量％から２０重量％濃度のリン酸を含むリン酸陽極処理溶液中で、１０℃（５０°Ｆ）から約２９．４℃（８５°Ｆ）の温度で、３から２５ボルトの陽極電位で陽極処理される。
【００１０】
陽極処理が終わったなら、基材を酸性３価クロム含有溶液と接触させ、金属基材上に３価クロム含有の耐食コーティング層を形成する。酸性水溶液は水溶性３価クロム化合物、水溶性フッ化化合物（フッ化物化合物）、およびアルカリ試薬を有する。３価クロム化合物は溶液中に０．２ｇ／リットルから５ｇ／リットル（好ましくは０．５ｇ／リットルから２ｇ／リットル）の量で存在し、フッ化化合物は０．２ｇ／リットルから５ｇ／リットル（好ましくは０．５ｇ／リットルから２ｇ／リットル）の量で存在し、またアルカリ試薬は溶液のｐＨを３．０から５．０（好ましくは３．５から４．０）に保つような量で存在する。適切な溶液は、米国特許第５，３０４，２５７号に開示されており、この特許は参考文献として本明細書に組み入れられる。金属基材を処理するには、溶液に浸漬するか、溶液を噴霧するか、溶液を塗布するか、あるいはその他の方法でもよい。その後、適切な非クロム酸塩プライマーが塗布される。
【００１１】
本発明によって処理された金属基材は当業分野において公知の方法で接着剤によって相互ないし互いに接着されて複合部品が形成される。適切な接着剤は従来公知であり、また金属基材に塗布して接着する方法も同様である。再び米国特許第４，０８５，０１２号および第４，１２７，４５１号を参照のこと。本発明によって製造された複合部品は、以下の実施例において実証されるように、優れた接着強度および腐食特性を示す。
【００１２】
【実施例】
アルミニウム合金６０６１を接着剤で接着した金属片から５ウェッジクラックテスト用の試験片を調製した。２個の１５．２４ｃｍ×１５．２４ｃｍ×０．３ｃｍ（６”×６”×０．１２５”）の金属片を清浄化し、乾燥した。その後、金属片をリン酸に浸漬して下記の条件で陽極処理した。
陽極処理溶液組成： ７．５容積％リン酸
電圧： １５Ｖ
温度： 室温
時間： ２０分
【００１３】
その後、リン酸で陽極処理された金属片を取り出して乾燥した。金属片を下記の条件で３価クロムコーティング溶液に浸漬した。

【００１４】
３価クロム処理の直後に金属片を非クロムフィラー型のＢＲ６７５７−１エポキシプライマーでプライマー処理し、約１７６．７℃（３５０°Ｆ）で９０分間硬化処理した。その後、金属片をロックタイト・エアロスペースＥＡ９６８９ナイロンサポートフィルム接着剤で互いに接着し、１７６．７℃（３５０°Ｆ）で４．０８ａｔｍ（６０ｐｓｉ）の圧力下で２時間硬化処理した。次いで、接着された金属片を接着品質の判定に用いられる５ウェッジクラック試験片に切り出した。その後、金属片をＡＳＴＭ Ｄ３７６２に従って試験した。結果は下の第１表に示されている。
【００１５】
【表１】

【００１６】
破壊には次の三つのメカニズムがある。
・Ｃ／Ａすなわち接着剤内部の結合破壊。これは好ましい破壊モードである。これは接着強度が接着剤の強度を上回っていることを示す。破壊は接着剤内部において起こり、接着剤とプライマーの間、あるいはプライマーと金属の間の境界では起こらない。
・Ａ／Ｐすなわち接着剤／プライマー間の破壊。このモードの破壊は接着剤とプライマーの間の接着力に影響する相互作用がプライマーにおいて起こっている可能性を示す。このモードは品質管理検査にも用いられる。
・Ｐ／Ｍすなわちプライマー／金属間の破壊。これは処理工程に問題があることを示す破壊メカニズムである。
【００１７】
第１表から明らかなように、全てのサンプルは１００％のＣ／Ａ破壊モードを示し、接着強度が優れていることを示している。加えて、クラック成長は標準のクラック成長速度に近く、従って許容範囲内である。
【００１８】
本発明は発明の主旨および本質から逸脱することなく他の形式で実現され、または他の方法で実施することができる。従って、上記の実施形態は例示的なものであって制限的なものと見なされるべきではなく、また発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって示され、均等論の意味および範囲内の変更は特許請求の範囲中に包含される。

Claims (12)

1. 金属基材に３価クロムコーティング層を施す方法であって、該方法は、
   ａ）リン酸陽極処理溶液を準備するステップと、
   ｂ）リン酸陽極処理溶液中で金属基材を陽極処理するステップと、
   ｃ）３価クロムを含む酸性のコーティング溶液を準備するステップと、
   ｄ）陽極処理された金属基材を酸性のコーティング溶液に接触させて陽極処理された金属基材上に３価クロムを含むコーティング層を形成するステップと、
   ｅ）前記陽極処理され且つ前記コーティング層を形成した金属基材に接着剤を塗布し、これを前記陽極処理および前記コーティング層を形成した他の金属基材に接着して複合部品を形成するステップとを有してなる、ことを特徴とする方法。
2. リン酸陽極処理溶液は、３重量％ないし２０重量％のリン酸濃度を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ３価クロムを含む酸性のコーティング溶液は、水溶性３価クロム化合物、水溶性フッ化化合物、およびアルカリ試薬を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 陽極処理電位は、３ないし２５ボルトであることを特徴とする、請求項２記載の方法。
5. 陽極処理は、１０℃（５０°Ｆ）ないし２９．４℃（８５°Ｆ）の温度で実施されることを特徴とする、請求項５→４記載の方法。
6. 溶液のｐＨは、３．０ないし５．０であることを特徴とする、請求項３記載の方法。
7. 溶液のｐＨは、３．５ないし４．５であることを特徴とする、請求項３記載の方法。
8. 金属基材はアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. 陽極処理された金属基材が酸性のコーティング溶液に浸漬されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
10. 陽極処理された金属基材に酸性のコーティング溶液が噴霧されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 前記酸性のコーティング溶液中に、水溶性３価クロム化合物は０．２ｇ／リットルないし５ｇ／リットルの量で存在し、フッ化化合物は０．２ｇ／リットルないし５ｇ／リットルの量で存在する、ことを特徴とする請求項３記載の方法。
12. 前記酸性のコーティング溶液中に、水溶性３価クロム化合物は０．５ｇ／リットルないし２ｇ／リットルの量で存在し、フッ化化合物は０．５ｇ／リットルないし２ｇ／リットルの量で存在する、ことを特徴とする請求項３記載の方法。