JP3971106B2 - アルミニウム生成物の表面処理法 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム生成物を清浄し表面処理してそれらの光沢(brightness:明るさ)を改善する方法の分野に関する。より詳しくは、本発明は、鍛造、鋳造(casting)及び/又は接合手法により製造されたアルミニウム車輪生成物を表面処理する改善されたより効果的な方法に関する。そのような車輪は、自動車、軽トラック、高耐久性トラック及びバス用に適される。本発明は、航空宇宙用車輪及び他の航空宇宙用部品の表面処理に使用されてもよい。
【0002】
本出願は、その開示が本明細書内に参考のため十分に援用される、1998年8月28日に出願された米国仮出願番号60/098,320号の利益を享受する。
【0003】
光沢性のある(bright:明るい)アルミニウム生成物用の現在の表面処理は、清浄、脱酸素化、化学転化及び塗装を包含する複数の別々の工程を包含する。前記方法の工程のいくつかは、界面活性剤及び/又は腐食防止剤を典型的に含んでいる。多くのアルミニウム生成物用の最終塗装工程は、液体状または粉体状のどちらかの状態で適用される重合性の透明の被覆(clear coat)である。すべてのこれらの方法は、始めの光沢性アルミニウム表面の利用性に依存している。これらの表面処理の全体としてみた成功の一部は、以後に詳細に記載する公知の化学処理を適用している間に、初期の光沢の劣化を最小にすることを条件とする。
【0004】
そのような先行技術の方法の不利な点は、以下の点を含む。
1.それらは、出発物質としての光沢性のあるアルミニウム表面を要求していた。それらの方法は、それ自体いかなる光沢性を生じさせない。
2.化学処理(すなわち、清浄、脱酸素化及び化学転化)及び塗装工程は、これらのアルミニウム表面の光沢を典型的に低減させた。言いかえると、それは、それらにより製造されるアルミニウム生成物の初期の特性に不利益に影響した。
3.多くの化学処理及び塗装方法は、(a)その後のコーティングとこれらのアルミニウム生成物との接着性、及び(b)それらの耐食性能、を高めるために適用された。いかなる生成物にとっても、より高い光沢性とより高い耐久性との間に、妥協がなされなければならなかった。
4.製造の観点から、過去の方法は、比較的高いレベルの従業員の熱意を要求して一貫性と品質を保証する多くの工程を含んでいた。
5.最大の耐食性が6価のクロムで達成されるかも知れない一方で、その成分は、その有害な環境面及び健康面のリスクゆえ、避けられるべきである。
【0005】
アルミニウム生成物の清浄、エッチング、コーティング及び/又は表面処理のための多くの方法が知られている。それらには、米国特許第4,440,606号、第4,601,796号、第4,793,903号、第5,290,424号、第5,486,283号、第5,538,600号、第5,554,231号、第5,587,209号、第5,643,434号、第5,693,710号公報がある。
【0006】
本明細書内に参考のためその開示が十分に援用される米国特許第5,290,424号公報では、5000又は6000シリーズのアルミニウム合金から製造された特定の生成物の装飾的な反射シートの写像性が改善されている。これに対し、本発明では、シート生成物のみには限定していない。それはまた、アルミニウム押出し加工物、鍛造物及び鋳造物、特に、Al−Mg合金、Al−Mg−Si合金、Al−Si−Mg合金及び/又は銅を含有する様々な後者の2つの合金から製造されたもの、を表面処理するためにも使用されることができる。
【0007】
本発明は、アルミニウム生成物、特に車輪の表面に光沢性を与え、しかも、そのような生成物の接着性、耐汚水性及び耐食性能を改善する。本発明により、25%少ない工程を包含しそれにより合計の製造コストを低減する連続製造に前記の特性が帰する、ということが達成される。本発明は、表面光沢化及び清浄という2つのよりコストのかかる公知の表面処理工程を、1つの工程に結合している。同時に、本発明の方法は、何の中期間または長期間のリスクも作業者や環境に対して引き起こさない、よりユーザーフレンドリーな成分を使用している。最後に、本方法の化学的特質のために、得られる最終生成物は、より高い耐磨耗性を発現する。
【0008】
本発明の新規な方法は、以下の工程から成る。
【0009】
主工程1.単一の化学処理、組成物、及び、処理されるべき好ましい生成物がAl−Mg、Al−Mg−SiまたはAl−Si−Mg合金を材料にして作られるか否かに依存して調整される作業パラメーター。この化学処理工程は、処理されているアルミニウムに光沢性を付与し、次の加工のために準備される化学的にきれいな(清浄な)外側表面を生じさせる。この工程は、従来の多工程バス研磨(buffing)及び化学清浄操作を置き換える。好ましくは、この化学光沢化工程は、約0.05〜2.7重量%の硝酸濃度を有する電解質を使用する。硝酸が2.7重量%を超える場合にはAl−Mg−Si−Cu合金の望ましいレベルの光沢性は達成されないことが観察された。好ましくは、この工程の電解質は、リン酸系であるが、それ単独でもいくらかの硫酸をそれに添加して組合せてもよく、残りは水である。
【0010】
主工程2.第2の主工程は、硝酸、好ましくは濃硝酸を1:1に希釈したもの、を含有する浴にさらすことにより、前記のアルミニウム生成物の表面層を脱酸素化する(deoxidize)ことである。この必要な工程は、次に続く酸化変性及びシロキサン被覆工程のための表面を「準備」する。
【0011】
主工程3.本発明の第3の主工程は、表面の外側の酸化物被膜層に多孔性を生じさせるように意図される表面酸化物変性(modification)である。この変性から生じる化学的及び物理的特性は、最終生成物(または基体)の光沢性に何の有害な影響も与えないであろう。主工程1と同様に、この酸化物変性工程の詳細は、電動電位(electromotive potential)に関連して気体または液体により生じる酸化性環境を使用するAl−Si−Mg合金と対比してAl−Mg−Siのために化学的に調整され得る。この酸化物被膜の表面化学及び形態は、引き続いて適用される重合体コーティングの接着性及び写像性を維持するのに決定的である。この工程の1つの好ましい表面化学は、約0.01〜0.1マイクロメーター、より好ましくは約0.05マイクロメーター未満の範囲の架橋された細孔の深さを有するリン酸アルミニウムとアルミニウム酸化物の混合物から成る。
【0012】
主工程4.4番目に、耐磨耗性でシロキサン系の層が該アルミニウム生成物に適用され、前記層は上記工程3からの下にある多孔性酸化物被膜と反応し、それらとの化学的及び物理的に安定な結合を形成する。好ましくは、このシロキサンコーティングは、噴霧混合物の空気濃度が最小化される(またはゼロに近く維持される)従来の技術を使用して、基体上に噴霧(sprayed:スプレー)される。アルミニウム部分上への転移を最適化するために、この適用された液体コーティングの粘度及び揮発性が、それに添加される少量のブタノールで調整されてもよい。
【0013】
本発明の前記の方法の工程は、それらの工程に適用されるアルミニウム生成物の初期の光沢性を維持しながら、糸状の腐食を排除する。ある場合に、本発明は、より少ない工程で化学的に清浄な(clean:きれいな)表面を生じ、それにより全体の製造コストを低減しながら、該生成物に光沢性を付与さえもする。最後に、本発明は、鍛造、鋳造または他の公知のまたはその後開発された製造実務により製造された車輪などの様々なアルミニウム生成物のための主要な要件、ある程度の耐磨耗性を付与する。それにより、環境にリスクのある成分または健康をおびやかす成分を使用することなしに前記のすべてが達成される。
【0014】
本発明の更なる特徴、目的および有利な点は、添付の図面を参照してなされる以下の好ましい態様の詳細な記述から、より明確になるであろう。
【0015】
ここでの好ましい合金組成物及び/又は処理成分を記述するために、特に示されていない限りすべて重量%(wt%)としてパーセンテージは参照される。また、ここでのいかなる数値範囲に関して、そのような範囲は記述された範囲の最小値と最大値との間の各々の及びいかなる数値及び/又は部分を含んでいると理解される。たとえば、約0.8〜1.2重量%のマグネシウム濃度範囲は、約0.81,0.82,0.83及び0.90%、及び1.17,1.18及び1.19%Mgを含むそれまでのすべての中間の値を含むことを表現している。同じことが、以下に記述されるいかなる他の元素および/または操作範囲にも適用される。
【0016】
全体にわたって、アルミニウム合金に関しては、例えば、5000及び6000シリーズ合金などの用語がアルミニウム協会の標準に関連して使用されており、この開示は本明細書内に参考のため十分に援用される。
【0017】
本発明以前には、光沢のある(明るい)アルミニウム車輪生成物を清浄し被覆する公知の実務は、以下の個々の工程(または別個の機能)を典型的に含んでいた。:1.多工程バフ(buff);2.清浄;3.すすぎ;4.脱酸素化;5.すすぎ;6.化学転化;7.すすぎ;8.シール;9.すすぎ;10.オーブン乾燥;11.粉末噴霧;12.オーブン硬化。これに対し、本発明の段階は、同じ車輪生成物で比較すると、:1.光沢化;2.すすぎ;3.脱酸素化;4.すすぎ;5.酸化物変性;6.すすぎ;7.乾燥;8.シリケート化;及び9.硬化、を含む。25%少ないこの方法の工程を通し、本発明により、良好な光沢性、耐食性及び最初にいくらの増加した耐磨耗性がなんとか達成される。
【0018】
この方法の工程の詳細
主工程1:
この工程の好ましい化学光沢化の条件は、80°Fで測定した時に少なくとも約1.65の比重を有するリン酸を基礎(−based:系)とする。より好ましくは、この最初の主工程のための比重は、前記温度で約1.69と1.73の間の範囲にあるべきである。そのような化学光沢化のための硝酸添加物は、あるAl−Mg−Si−Cu合金生成物上、特に6000シリーズの押出し加工物及び鍛造物上、の構成相及び分散質相の溶解を最小にするために調整されるべきである。そのような硝酸の濃度は、これらの6000シリーズのAl合金上のMg2Siとマトリックス相との間の局在化した化学的な攻撃の均一性に影響する。その結果、最終生成物の光沢性は、プロセスの電解質から最初のすすぎの副工程へ移転させる間と同様に、その方法の電解質にも明確に影響される。主工程1の硝酸濃度は、好ましくは約2.7重量%以下であるべきであり、より好ましくは約1.2と2.2重量%との間の範囲のHNO3をその浴へ添加する。
【0019】
光沢化を最適化するためには、本発明の表面処理方法は、Al−Fe−Si構成相が優先して溶解することを避けるために、約0.35%未満のイオン濃度が維持されている6000シリーズのアルミニウム合金上で実施されるべきである。より好ましくは、これらの合金のFe濃度は、約0.15重量%未満の鉄を維持すべきである。上記の比重では、これらの化学光沢浴中の溶解アルミニウムイオン濃度は、約35g/リットルを超えるべきではない。その中の銅イオン濃度は、約150ppmを超えるべきではない。
【0020】
主工程2:
化学的に光沢化された生成物は、次に、目的のある脱酸素化を受ける。5000又は6000シリーズのアルミ合金から製造される車輪生成物に適した一つの好ましい脱酸素剤は、硝酸系の浴であるが、さらに他の公知のまたはその後に開発された脱酸素組成物がその代わりに使用されてもよいと理解されるべきである。硝酸浴では、濃硝酸の1:1希釈液が満足して機能した。
【0021】
化学光沢化後、Cuの残りの濃度は生成物表面から除かれてその全体の耐久性を伸ばすべきである。これを達成するための一つの手段は、合金表面上のCu濃度が約0.3重量%を超えないように上記硝酸レベルを調整することである。
【0022】
主工程3:
脱酸素化に続いて、酸化物変性工程が実施されて、重合体シリケート被覆との結合を許容するのに必要な形態学的な特徴及び化学的な特徴を持つリン酸アルミニウム及び/又はホスホン酸アルミニウム被膜を製造するように意図される。この酸化物変性工程は、約1000オングストローム以下、より好ましくは約75〜200オングストロームの厚さの被覆厚みを沈積させるべきである。もし電気化学的に適用するならば、これは、約2〜15容量%のリン酸またはホスホン酸を含有する浴の中で実施されることができる。
【0023】
主工程4:
本発明により処理されたアルミニウム表面の得られた特性は、その上に沈積された最終シロキサン被膜層の均一性、円滑さ及び接着強度に依存する。シロキサン系薬品は、上記工程3からの酸化物−変性層に適用される。そのような処理生成物の初期及び長期間の耐久性は、これらの金属の適切な表面活性化及びそれに続くシロキサンを基礎とする(−based:系)重合に依存する。得られた生成物の耐磨耗性は、使用されているシロキサン薬品の相対的な架橋度により決定される。すなわち、それらの架橋能力が高くなればなるほど得られる被膜の柔軟性は低下するであろう。一方、シロキサン架橋のレベルが低くなると、変性された下にあるAl表面と結合するための官能基の利用可能性が増大し、それにより初期の接着強度を高めるであろう。しかし、後者の条件下では、被覆厚みは増加し、耐磨耗性は減少してそれぞれ透明(clarity)特性及び耐久特性を低下させることに導かれるであろう。
【0024】
全体として、硬いシロキサン薬品が、6000シリーズ合金から作られるアルミニウム車輪と共に使用されることが好ましい。主工程4で使用される適切なシロキサン組成物は、SDC Coatings Inc.によりSilvue(登録商標)のブランドで商業的に販売されているものを含む。シロキサン被覆の他の適切な製造業者として、Ameron International Inc.及びPPG Industries,Inc.が挙げられる。そのような生成物の重合は、もしあれば金属表面のミクロ構造への影響を最小化するために周囲温度で行われるのが好ましい。
【0025】
いかなる任意のアルミ合金組成物及び生成物の形態にとって、主工程1の表面処理と主工程4のシロキサン重合との適合性は、最終性能特性に影響する。金属表面上への高架橋シロキサン薬品接着を実現するために必要とされる厳しい表面特性への要求に依り、真空条件下での高度にコントロールされた表面調製及び重合が典型的に使用される。最も好ましくは、シロキサン薬品は、真空でのイオン化よりもむしろ細かく分散した液滴を使って適用される。空気を使用しない噴霧微粒化によるこれらの液滴のコントロール及び分散は、従来の塗装噴霧方法からの空気との暴露を最小にし、溶媒中でのシロキサン分散物の好ましい破壊を実現する。最後に得られたものは、薄く高度に透明で「オレンジの皮」のない被覆である。
【0026】
ここで図2a及び2bを参照すると、従来技術の清浄な被覆方法の沈積(図2a)を、本発明により沈積された表面処理層(図2b)と概略で比較した2つの側面図が示されている。車輪にとって、被覆転化に最も広く使用されるシステムは、従来のアクリルまたはポリエステル薬品を使用する粉末コーティングを適用することである。そのような塗装薬品は、金属表面への接着のための利用し得る官能基を与えるが、それらの接着強度及び耐久性は、使用される金属合金/転化被覆/塗装システムの界面特性に依存する。
【0027】
本発明にとって、拡散界面は、処理された金属表面からの被覆剥離の可能性を最小にすることが前提とされてきた。これは、高度にコントロールされた表面変性プロセスを反復して、シロキサン化学接着が周囲温度で達成されるように適切なミクロ構造とモルフォロジーを有するリン酸アルミニウム又はホスホン酸アルミニウムを生じさせることにより、実現化される。上記の好ましいシロキサン系薬品は、アクリル又はポリエステル粉末を使用して沈積させたものよりも約1桁小さい被覆厚みとなる。これらの注意深く選択され好ましくカスタマイズされた薬品は、従来可能であったものよりも、より高度に均一で透明な(清澄な)被覆となる。疎水性及び浸透性に関しては、シロキサン系薬品は、アクリル及びポリエステル被覆対照物よりも高い撥水特性及び低い水浸透性をも生じさせる。これは、様々な生成物の形態で、容易に、清浄な耐久性のあるアルミの被覆表面となる。
【0028】
実験結果
General Motors、Ford、及びASTM標準G85により確立された3個の異なる腐食特性の標準(その詳細は参考のためここに十分に援用される)を使用して、本発明により処理されたアルミ車輪生成物が、上記の公知の従来技術の12工程の方法で処理された第2の車輪(同じ合金組成)と有利に十分に比較された。
【0029】
【表1】
【0030】
本発明の方法により実験的に処理された高耐久性車輪は、何シーズンにもわたって標準の道路状態を受け、また、より粗くオフロードな建設条件を受けた。両方の場合で、これらの車輪が、石鹸を用い及び石鹸なしに加圧水の噴霧により周期的(約一ヶ月ごとに)清浄されたところ、輝く透明のそしてまだ耐汚れ性のあるアルミ表面が下に繰り返して現れた。
【0031】
ここに好ましい態様を記述したが、本発明は添付の請求の範囲により具体化されることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の1つの好ましい処理方法を包含する詳細な主工程及び関連する副工程を示すフローチャートである。これらの工程は、典型的な清浄(アルカリ性及び/又は酸性の)及びアルミニウム生成物のすすぎ後に起こる。
【図2】 図2aは、従来の清浄な被覆生成物のアルミニウム合金表面を描画する概略の側面図であり、それに対し、図2bは、本発明により処理されたアルミニウム生成物からの層状の拡大した側面図である。
Claims (42)
- アルミニウム車輪生成物を表面処理してその光沢を改善する方法であって、
(a)前記アルミニウム生成物に化学光沢組成物を適用し、
(b)硝酸系の浴で前記生成物の表面を脱酸素化し、
(c)リン酸を含有する電解浴と接触させることにより、前記の生成物表面上に500オングストローム未満の架橋された細孔の深さを有するリン酸アルミニウムと多孔性酸化物との混合物を電気化学的に形成し、そして、
(d)前記リン酸アルミニウムと多孔性酸化物との混合物にシロキサン系の外層を化学的に結合させる、
主工程を包含する、前記のアルミニウム車輪生成物の表面処理法。 - 前記アルミニウム車輪生成物が、5000又は6000シリーズのアルミニウム合金(アルミニウム協会指定)を材料にして製造される、請求項1に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金が、5454、5182及び5052アルミニウムから成る群から選択される5000シリーズの合金である、請求項2に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金が、6061、6063及び6005アルミニウムから成る群から選択される6000シリーズの合金である、請求項2に記載の方法。
- 前記合金が、0.35重量%未満の鉄を含有する、請求項4に記載の方法。
- 前記合金が、0.15重量%未満の鉄を含有する、請求項5に記載の方法。
- 前記アルミニウム車輪生成物が、鍛造又は鋳造されている、請求項1に記載の方法。
- 前記アルミニウム生成物が、工程(a)の前に、清浄及びすすぎを受ける、請求項1に記載の方法。
- 前記の工程(a)の前工程である清浄がアルカリを基礎とする、請求項8に記載の方法。
- 前記の工程(a)の前工程である清浄が酸を基礎とする、請求項8に記載の方法。
- 前記アルミニウム車輪生成物が、一つ以上の工程(a)、(b)または(c)の後に、すすぎの副工程を受ける、請求項1に記載の方法。
- 工程(a)の化学光沢組成物が:2.7重量%以下の硝酸、70〜90重量%のリン酸、及び残りとして水と不純物を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記化学光沢組成物が1.2〜2.2重量%の硝酸を含有する、請求項12に記載の方法。
- 前記の混合物形成工程(c)が、前記生成物を、2〜15容量%のリン酸を含有する電解槽と接触させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記混合物が、75〜200オングストロームの厚みである、請求項1に記載の方法。
- 前記シロキサン系の外層が、スプレーコーティングにより適用される、請求項1に記載の方法。
- 前記アルミニウム車輪生成物が、工程(d)の後に、空気乾燥を受ける、請求項1に記載の方法。
- 前記シロキサン系被膜が、空気乾燥後、熱硬化される、請求項17に記載の方法。
- アルミニウム車輪生成物を表面処理してその光沢及び耐磨耗性を改善する方法であって、
(a)前記アルミニウム車輪生成物に化学光沢組成物を適用し、
(b)硝酸系の浴で前記車輪生成物の表面を脱酸素化し、
(c)リン酸を含有する電解浴と接触させることにより、前記表面上に500オングストローム未満の架橋された細孔の深さを有するリン酸アルミニウムと多孔性酸化物との混合物を電気化学的に形成し、
(d)前記リン酸アルミニウムと多孔性酸化物との混合物にシロキサン系被膜を化学的に結合させ、そして、
(e)前記表面上のシロキサン系被膜を熱硬化する、
工程を包含する、前記のアルミニウム車輪生成物の表面処理法。 - 前記車輪生成物が、5000又は6000シリーズのアルミニウム合金(アルミニウム協会指定)を材料にして製造される、請求項19に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金が、5454、5182及び5052アルミニウムから成る群から選択される5000シリーズの合金である、請求項20に記載の方法。
- 前記の混合物形成工程(c)が、前記車輪生成物を、2〜15容量%のリン酸を含有する電解質と接触させることを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金が、6061、6063及び6005アルミニウムから成る群から選択される6000シリーズの合金である、請求項20に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金が、0.35重量%未満の鉄を含有する、請求項20に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金が、0.15重量%未満の鉄を含有する、請求項24に記載の方法。
- 前記車輪生成物が、工程(a)の前に、清浄及びすすぎを受ける、請求項19に記載の方法。
- 前記の工程(a)の前工程である清浄がアルカリを基礎とする、請求項26に記載の方法。
- 前記の工程(a)の前工程である清浄が酸を基礎とする、請求項26に記載の方法。
- 前記車輪生成物が、一つ以上の工程(a)、(b)または(c)の後に、すすぎの副工程を受ける、請求項19に記載の方法。
- 工程(a)の化学光沢組成物が:2.7重量%以下の硝酸、70〜90重量%のリン酸、及び残りとして水と不純物を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記化学光沢組成物が1.2〜2.2重量%の硝酸を含有する、請求項30に記載の方法。
- 前記混合物が、75〜200オングストロームの厚みである、請求項19に記載の方法。
- 前記シロキサン系被膜が、スプレーコーティングにより適用される、請求項19に記載の方法。
- 清浄されすすぎがなされた6000シリーズのアルミニウム車輪生成物を表面処理してその光沢、耐汚水性及び耐磨耗性を改善する方法であって、
(a)前記車輪生成物を、リン酸及び硝酸を含む組成物で化学的に磨き(brightening)、
(b)前記車輪生成物をすすぎ、
(c)硝酸系の浴で前記車輪生成物の表面を脱酸素化し、
(d)前記車輪生成物をすすぎ、
(e)リン酸を含有する電解浴と接触させることにより、前記表面上に500オングストローム未満の架橋された細孔の深さを有するリン酸アルミニウムと多孔性酸化物との混合物を電気化学的に形成し、
(f)前記車輪生成物をすすぎ、
(g)前記リン酸アルミニウムと多孔性酸化物との混合物にシロキサン系被膜を化学的に結合させ、そして、
(h)前記車輪生成物上のシロキサン系被膜を熱硬化する、
工程を包含する、前記のアルミニウム車輪生成物の表面処理法。 - 前記6000シリーズのアルミニウムが、6061、6063及び6005合金から成る群から選択される、請求項34に記載の方法。
- 前記合金が、0.35重量%未満の鉄を含有する、請求項35に記載の方法。
- 前記合金が、0.15重量%未満の鉄を含有する、請求項36に記載の方法。
- 前記の混合物形成工程(e)が、前記車輪生成物を、2〜15容量%のリン酸を含有する電解浴と接触させることを含む、請求項35に記載の方法。
- 工程(a)の組成物が:2.7重量%以下の硝酸、70〜90重量%のリン酸、及び残りとして水と不純物を含む、請求項34に記載の方法。
- 前記化学光沢組成物が1.2〜2.2重量%の硝酸を含有する、請求項39に記載の方法。
- 前記混合物が、75〜200オングストロームの厚みである、請求項34に記載の方法。
- 前記アルミニウム車輪生成物が、工程(g)後、空気乾燥される、請求項34に記載の方法。
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