JP4249206B2 - ステンレス材料の表面処理方法及びメタルガスケットの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ステンレス材料の表面処理方法、及び、エンジンの排気マニホールド用のガスケットやシリンダヘッドガスケット等のメタルガスケットの製造方法に関するものである。
自動車のエンジンの排気マニホールドと排気管との接合面や、シリンダヘッドとシリンダブロック（シリンダボディ）との接合面をシールする場合に、メタルガスケットを部材の間に挟持して燃焼ガス、冷却水、潤滑オイル等をシールすることが行われている。
これらのメタルガスケットは、一般的には次のようにして製造されている。最初に、軟鋼板、ステンレス焼鈍材（アニール材）、ステンレス調質材（バネ鋼板）等で形成される金属板を洗浄処理した後、クロメート処理等の一般的な表面処理してプライマーを塗布した後、それぞれのメタルガスケットに対応するプレス型によって打ち抜いて、即ち、型抜きして、メタルガスケットの金属構成板としての形状にする。この金属構成板をプレス工程にかけて、シール対象用の穴を開口したり、折り返し（グロメット）やフルビードやハーフビード等の凹凸を形成したりする。次に、中板がある場合には、必要に応じてこの中板に対して、ゴムや樹脂等の塗装を行う。そして、金属構成板が揃うとこれらの金属構成板を組み付けてメタルガスケットとする。この組み付けたメタルガスケットの表面と裏面に対してゴムや樹脂等の塗装を行う。この塗装が終了した後、検査を行って、検査に合格したものを、製品として出荷する。
しかしながら、従来技術においては、このメタルガスケット等を含めて金属板の表面処理は、有機溶剤やアルカリや酸や水系洗浄剤を使用した洗浄をした後に行うため、これらの廃液の処理や、有機溶剤に含まれている揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の環境への放出を防止するための技術や設備が必要になるという問題があった。この揮発性有機化合物は、光化学オキシダント及び浮遊粒子状物質の原因物質の一つと考えられており、削減することが環境保全の立場から強く求められるようになってきている。
一方、塗料中の有機溶剤を水に置換した水系塗料等が開発され、各種の金属板等の表面に利用されるようになりつつある。この水系塗料の塗布に関して、成形材の表面に水を噴射して表面の洗浄を行う洗浄工程と、成形材の表面に付着した水を除去する水分除去工程と、アルコールを配合した水系塗料を成形材に塗布する塗料塗布工程と、塗料を塗布された成形材の表面に熱風を高速で吹きつける高速熱風式乾燥工程からなる成形材の塗装方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、この塗装方法の洗浄工程では、成形油、金属イオン、塵埃等を除去するために、６０℃〜７０℃の温水を５〜７ｋｇ／ｃｍ2 程度の圧力で温水噴射リングから噴射する高圧温水洗浄装置を使用しているため、装置が大規模になってしまうという問題がある。
また、ステンレス材料の表面に、プライマーの密着性を向上させるための、3 価クロム、シリカ、ジルコニア系等の水系表面処理剤を塗布する水系表面処理をする場合には、「ＪＩＳ Ｋ ６７６８：１９９９」の「ぬれ張力試験方法」で濡れ性７３を必要とし、溶剤系のプライマーを水系表面処理無しで塗布する場合の濡れ性５２程度に比べて各段の濡れ性が要求される。この水系表面処理に対する濡れ性７３という値は容易に得られる値では無く、低圧水銀ランプ等によるドライ洗浄では、十分な濡れ性を得ることができず、また得られたとしても長い処理時間を必要とする等の問題があった。
シリンダヘッドガスケット等のメタルガスケットにおいては、エンジンの性能向上に伴って、使用条件が苛酷になってきており、ゴムや樹脂などの塗料の剥がれの問題も重要視されて来ている。そのため、このプライマーの密着性の向上は、この上に塗装する塗料の剥がれ防止に大きく影響するため、重要な課題となっている。
特開平１１−１５６２７４号公報
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、比較的小規模な設備で、有機溶剤やアルカリや酸や水系洗浄剤等を使用した洗浄を行わずに済み、廃液の発生とその処理を回避できると共に、揮発性有機化合物が発生するのを防止して、環境保全に大きく貢献できるステンレス材料の表面処理方法、及び、メタルガスケットの製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明に係るステンレス材料の表面処理方法は、ステンレス材料の表面に波長１７２ｎｍの紫外線を発光するキセノンランプによりエキシマ照射して濡れ性を改善し、該濡れ性を改善した表面に表面処理を行うことを特徴とする。更には、上記のステンレス材料の表面処理方法において、前記表面処理を水系表面処理で行うことを特徴とする。
本発明の参考となるステンレス材料の表面処理方法は、ステンレス材料の表面に波長１７２ｎｍの紫外線を発光するキセノンランプによりエキシマ照射して濡れ性を改善し、該濡れ性を改善した表面に表面処理を行うことを特徴とする。更には、上記のステンレス材料の表面処理方法において、前記表面処理を水系表面処理で行うことを特徴とする。
また、上記の目的を達成するための本発明に係るメタルガスケットの製造方法は、メタルガスケットの金属構成板の表面の洗浄を行う洗浄工程と、金属構成板の表面処理を行う
表面処理工程と、金属構成板を所定の形状に型抜きする型抜き工程と、金属構成板に穴をあけ、ビードを形成するプレス工程と、金属構成板を組み付ける組み付け工程とを有するメタルガスケットの製造方法であって、前記洗浄工程において、金属構成板がステンレス材料である場合に、エキシマ照射によるドライ洗浄を行うと共に、前記表面処理工程における表面処理を水系表面処理で行うことを特徴とする。
表面処理工程と、金属構成板を所定の形状に型抜きする型抜き工程と、金属構成板に穴をあけ、ビードを形成するプレス工程と、金属構成板を組み付ける組み付け工程とを有するメタルガスケットの製造方法であって、前記洗浄工程において、金属構成板がステンレス材料である場合に、エキシマ照射によるドライ洗浄を行うと共に、前記表面処理工程における表面処理を水系表面処理で行うことを特徴とする。
そして、ステンレス鋼板に対して、エキシマ照射処理後に一般的な表面処理又は水系表面処理を行った後、溶剤系プライマーとフッ素、ＮＢＲ等のゴムや樹脂等の溶剤系塗料の塗布を行う。あるいは、エキシマ照射処理後に水系表面処理を行った後、溶剤系プライマーと溶剤系塗料の塗布を行う。あるいは、エキシマ照射処理後に水系表面処理を行った後、水系プライマーと水系塗料を塗布する。あるいは、エキシマ照射処理後に水系表面処理を行った後、直接、水系塗料を塗布する。これらの処理後のステンレス鋼板は、メタルガスケットの金属構成板として最適な素材となる。
本発明では、エキシマ照射を行うことにより、金属表面を短時間でドライ洗浄することができ、金属表面の洗浄に際して、有機溶剤やアルカリや酸や水系洗浄剤等を使用しないので、洗浄廃液の発生及びこの洗浄廃液の産業廃棄物としての処理を回避することができる。また、有機溶剤に含まれ、光化学オキシダント及び浮遊粒子状物質の原因物質の一つと考えられている揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を削減できる。
特に、本発明では、エキシマ照射を行うことにより、水系表面処理に必要な濡れ性で７３以上を確保できるので、水系表面処理剤による水系表面処理に対しても十分な洗浄効果を得ることができる。そのため、容易に水系表面処理を行うことができ、この水系表面処理後の金属表面に直にゴムや樹脂等の水系塗料を塗布しても、高い密着性を確保できる。なお、この濡れ性７３は「ＪＩＳ Ｋ ６７６８：１９９９」の「ぬれ張力試験方法」による。
上記のステンレス材料の表面処理方法及びメタルガスケットの製造方法においては、ステンレス材料は軟鋼材料等と異なり、特に、水系表面処理を行う際に必要な濡れ性の確保が難しいため、特にエキシマ照射が大きな効果を奏する。
本発明のステンレス材料の表面処理方法及びメタルガスケットの製造方法によれば、エキシマ照射により、溶剤系処理剤や洗浄剤等を使用した洗浄を行わずに済むので、溶剤系処理剤や洗浄剤等の産業廃棄物を出すことなく、また、溶剤に含まれている揮発性有機化合物の発生を防止できるので、環境保全に大きく貢献できる。
更に、エキシマ照射と水系表面処理の組合せにより、エキシマ照射によるドライ洗浄を行った金属表面上に、水系表面処理剤を塗布して乾燥するのみで、金属表面とプライマー間の密着性を向上できる
次に、図面を参照して本発明に係るステンレス材料の表面処理方法及びメタルガスケットの製造方法実施の形態について説明する。なお、以下の「表面処理」とは、一般的に使用されているクロメート処理等の表面処理や次の水系表面処理を含む表面処理のことを言い、ここでは、プライマーの塗装とゴムや樹脂の塗装等を除外している。また、以下の「水系表面処理」とは、３価クロム、シリカ、ジルコニア系等の水系表面処理剤をロールコータやディッピング等で塗布して金属表面の処理することを言う。また、「水系」とは、有機溶剤を使用している「溶剤系」に対して、有機溶剤を水に置換したものことを言う。また、濡れ性は「ＪＩＳ Ｋ ６７６８：１９９９」の「ぬれ張力試験方法」による。
本発明の参考となるステンレス材料の表面処理方法では、図１に示すように、ベルトコンベア１０によって搬送されるステンレス材料１の表面１ａに、波長１７２ｎｍの紫外線を発光するキセノンランプ２により、エキシマ照射によるドライ洗浄を行って濡れ性を改善する。
このエキシマ照射は、短波長の紫外線（ＶＵＶ）であり、放電ガスの種類としてはキセノン（Ｘｅ2 ）やアルゴン（Ａｒ2 ）を用いることができるが、キセノンを用いた波長１７２ｎｍのエキシマ光を用いることが好ましい。このエキシマ照射は、準単色光を発生するため、エネルギー変換効率がよく、ドライ洗浄や改質等においては不要な可視光線や赤外光線が比較的少ないので、熱によるダメージを与えない。従って、低温でドライ洗浄処理することが可能となる。
このエキシマ照射では、水銀ランプ（波長１８５ｎｍと２５４ｎｍ）に比べるとフォトンエネルギーが大きいので、有機物除去に必要な有機物の分子結合エネルギーより高く、有機物の結合を切断できるフォトンエネルギーを得ることができる。また、この大きなフォトンエネルギーにより、有機物を揮発させて除去するのに不可欠な活性化酸素も、十分な量が得られる。
このエネルギーレベルの高い短波長紫外線であるエキシマ照射をワーク表面に行うと、短波長エネルギーにより表面分子の主鎖や側鎖の大部分が切断され、表面からは素材に含まれる水素原子が分離される。この水素原子は、大気中の酸素から紫外光により生成された活性酸素と結合反応してアシル基（ＣＯＨ）、ヒドロキシル基（ＯＨ）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）等を各表面に形成する。これらにより、接着剤や塗料などの被着が困難であったコーテング材も、これらの中間基との化学結合効率は良いので、接着性が一段と改善される。また、改質と同時に各種素材の表面に残留する有機物のコンタミや素材自体から滲み出る油分をＶＵＶエネルギーと活性酸素により酸化洗浄することができる。
このエキシマ照射により、濡れ性を改善した表面１ａに対して、クロメート処理等の一般的な表面処理、又は、水系表面処理を行う。この一般的な表面処理を行った後に、又は、水系表面処理剤をロールコータ処理やディッピング処理等により塗布する水系表面処理を行った後に、必要に応じて接着剤や塗料との接着性を向上させる溶剤系プライマーを塗布する。このプライマーとしてはエポキシ樹脂等がある。更に、この上に、フッ素、ＮＢＲ等のゴムや樹脂の塗料を塗布してステンレス材料の表面加工及び塗装を完了する。
そして、水系表面処理を行う場合には、エキシマ照射によるドライ洗浄をした上に、３価クロム、シリカ、ジルコニア等の水系表面処理剤を塗布し乾燥するのみで、金属面とプライマー間の密着性の向上効果が得られる。従って、エキシマ照射処理後に水系表面処理を行った後、溶剤系プライマーと溶剤系塗料の塗布を行ってもよく、また、エキシマ照射処理後に水系表面処理を行った後、水系プライマーと水系塗料を塗布してもよい。また、直接、プライマー塗装無しで水系塗料を塗布しても濡れ性が著しく改善されているために高い密着性を得ることができる。この水系プライマーや水系塗料を使用する場合には、溶剤系プライマーや溶剤系塗料に比べて、溶剤に含まれている揮発性有機化合物の発生を防止できるので、環境保全に大きく貢献できる。
そして、本発明の実施の形態のメタルガスケットの製造方法は、図２に示すように、金属材料の表面を洗浄する洗浄工程と、金属材料の平板に表面処理を行う表面処理工程と、プライマー塗装工程と、ガスケットの形状に金属構成板を型抜きする型抜き工程と、この金属構成板に穴を開け、折り返し部やビードを形成するプレス工程と、中板の塗装を行う第１塗装工程と、各金属構成板を組み付ける組み付け工程と、金属構成板を組み付けて構成したメタルガスケットの塗装を行う第２塗装工程と、メタルガスケットを検査する検査工程を有して構成される。
この洗浄工程で金属構成板にエキシマ照射を行って金属表面をドライ洗浄して濡れ性を改善する。この洗浄工程におけるエキシマ照射は、表面処理を改めて行う必要があるステンレス板の時に行い、軟鋼板のように既に表面処理がなされているものに対しては、改めて表面処理は行わない。そして、表面処理工程で水系表面処理を行い、プライマー塗装工程で溶剤系プライマー又は水系プライマーを塗布して乾燥する。
次の型抜き工程では、軟鋼板、ステンレス焼鈍材（アニール材）、ステンレス調質材（バネ鋼板）等で形成される金属材料板を、それぞれのメタルガスケットに対応するプレス型によって打ち抜いて型抜きし、メタルガスケットの金属構成板としての形状にする。
次のプレス工程では、シリンダヘッドガスケットの場合には、シリンダボア（燃焼室）用穴、水穴、オイル穴、ボルト穴等が、プレス加工により開口される。また、同時にビードや折り返し部（グロメット）等もプレス加工により形成される。また、中板を有するメタルガスケットの場合には、この中板となる金属構成板のゴムや樹脂の溶剤系塗料又は水系塗料の塗装が第１塗装として行われる。
次の組み付け工程では、各金属構成板を所定の順序に積層して組み付けて、一体化する。そして、本発明では、次の第２塗装工程において、この組み付けたメタルガスケットの表面及び裏面の金属構成板表面に、ゴムや樹脂の溶剤系塗料、又は、水系塗料を塗布する。次の検査工程で、この塗料の塗布により完成したメタルガスケットを検査工程で検査し、不合格品を除外して、製造工程を終える。検査に合格したメタルガスケットは梱包されて製品として出荷される。
本発明では、この中板や組み付け後のメタルガスケットの表面となる部分の金属構成板の表面に対して、エキシマ照射処理を行うので、金属表面を短時間でドライ洗浄することができ、金属表面の洗浄に際して、溶剤系処理剤やアルカリや酸や水系処理剤等を使用しないので、これらの廃液である産業廃棄物を出すことなく、また、有機溶剤に含まれている揮発性有機化合物の発生を防止できるので、環境保全に大きく貢献できる。その結果、環境に優しいメタルガスケットを提供することができるようになる。
その上、このエキシマ照射処理をした素材は、水に対する濡れ性が十分となるため、コーテイングしたプライマーや塗料の密着性が向上する。従って、このエキシマ照射処理されたステンレス鋼板は、メタルガスケットにおける最適な素材となるので、優れたメタルガスケットを得ることができる。
また、水系表面処理を行う場合には、エキシマ照射を行うことにより、水系表面処理剤による水系表面処理に対して十分な洗浄効果を得ることができ、水系表面処理に必要な濡れ性で７３以上を確保できるので、容易に水系表面処理を行うことができる。このエキシマ照射と水系表面処理の組合せにより、金属表面とプライマー間の密着性を向上できる。更に、プライマーや塗料に水系プライマーや水系塗料を用いる場合には、より一層、揮発性有機化合物の削減効果を大きくすることができる。
なお、上記では、シリンダヘッドガスケットを例にして説明したが、本発明は、シリンダヘッドガスケットに限定されず、吸気マニホールド用ガスケットや排気マニホールド用ガスケット等のエンジン関連のメタルガスケットや、エンジン関連以外の他のメタルガスケットにも適用できる。
１ ステンレス材料
１ａ ステンレス材料の表面
２ キセノンランプ
１０ ベルトコンベア
１ａ ステンレス材料の表面
２ キセノンランプ
１０ ベルトコンベア
Claims (2)
- メタルガスケットの金属構成板の表面の洗浄を行う洗浄工程と、金属構成板の表面処理を行う表面処理工程と、金属構成板を所定の形状に型抜きする型抜き工程と、金属構成板に穴をあけ、ビードを形成するプレス工程と、金属構成板を組み付ける組み付け工程とを有するメタルガスケットの製造方法であって、前記洗浄工程において、金属構成板がステンレス材料である場合に、エキシマ照射によるドライ洗浄を行うと共に、前記表面処理工程における表面処理を水系表面処理で行うことを特徴とするメタルガスケットの製造方法。
- 前記水系表面処理の後に塗布するプライマーに水系プライマーを、塗料に水系塗料を使用することを特徴とする請求項１記載のメタルガスケットの製造方法。
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