JP4402991B2 - 金属表面処理用組成物、金属表面処理用処理液、金属表面処理方法および金属材料 - Google Patents
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Description
しかしながら、リン酸亜鉛処理を行う際には、反応の副生成物であるスラッジの発生が避けられず、かつ、アルミニウム合金の種類によっては塗装後の耐糸錆性を十分に確保することができない。
しかしながら、昨今の環境規制から処理液中に有害な6価クロムを含むクロメート処理は敬遠される方向にある。
例えば、特許文献1には、孤立電子対を持つ窒素原子を含有する化合物および前記化合物とジルコニウム化合物を含有する金属表面用ノンクロムコーティング剤が記載されている。この方法は、前記組成物を塗布することによって、有害成分である6価クロムを含まずに、塗装後の耐食性および密着性に優れた表面処理皮膜を得ることを可能とするものである。
しかしながら、この方法は、対象とされる金属素材がアルミニウム合金に限られており、また、塗布乾燥によって表面処理皮膜を形成せしめるため、自動車車体の様な複雑な構造物に適用することは困難である。
しかしながら、これらの方法は、いずれも対象とされる金属材料が、素材そのものの耐食性に優れるアルミニウム合金に限定されており、鉄系材料や亜鉛系材料の表面に表面処理皮膜を析出させることは不可能であった。
しかしながら、この方法では熱延鋼板や冷延鋼板等の鉄系金属材料の表面に表面処理皮膜を析出させることは不可能であった。
しかしながら、特許文献1に記載された発明と同様に、塗布乾燥によって皮膜を生成させるため、自動車車体の様な複雑な構造物に均一な皮膜処理を施すことは困難である。
しかしながら、これらの方法は、いずれも対象とされる金属材料が、素材そのものの耐食性に優れるアルミニウム合金に限定されており、鉄系材料や亜鉛系材料の表面に表面処理皮膜を析出させることは不可能であった。
また、これらの方法は特許文献8および9に記載されているとおり、化成反応によって表面処理層(A)を析出させた後に水洗処理を行って余剰な処理液を除去し、更に有機物を含む後処理液を塗布し乾燥させて、塗膜密着性およびフィルム密着性に優れると記載されている樹脂層(B)を形成させるものである。したがって、表面処理層(A)および樹脂層(B)の2層構造の皮膜を得るためには、独立した表面処理工程(I)と後処理工程(II)が必要であり、更に、樹脂層(B)を得るためには焼付乾燥工程が必要であるため、非常に多段な処理工程を必要とした。また、樹脂層(B)はポリアリルアミンからなる有機物皮膜であり、所望の性能が得られるだけの皮膜付着量とするには、高濃度のポリアリルアミン水溶液を後処理工程(II)で用いる必要があり、コストが高くなるという問題を有していた。
この組成物を用いることにより、環境に有害な成分を含まず、廃棄物となるスラッジを発生させない処理液で、鉄系金属材料、亜鉛系金属材料、アルミニウム系金属材料、マグネシウム系金属材料等の幅広い金属材料に、耐食性および密着性に優れる表面処理を施すことができるようになった。
(A)Ti、Zr、HfおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物
(B)ナフタレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物、スチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ビニルアミン、ポリビニルアミン、アリルアミン、ポリアリルアミンおよびこれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物
(C)Ag、Al、Cu、Fe、Mn、Mg、Ni、Co、Zn、CaおよびSrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む化合物
を含有し、
前記成分(B)の合計質量濃度Bと前記成分(A)中の前記元素の合計質量濃度Aの比であるK1=B/Aが、0.01≦K1≦50を満足する、金属表面処理用組成物。
(D)フッ素含有化合物の少なくとも1種
を含有する、上記(1)に記載の金属表面処理用組成物。
(A)Ti、Zr、HfおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物
(B)ナフタレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物、スチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ビニルアミン、ポリビニルアミン、アリルアミン、ポリアリルアミンおよびこれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物
(C)Ag、Al、Cu、Fe、Mn、Mg、Ni、Co、Zn、CaおよびSrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む化合物
を含有し、
前記成分(B)の合計質量濃度Bと前記成分(A)中の前記元素の合計質量濃度Aの比であるK1=B/Aが、0.01≦K1≦50を満足し、
前記成分(A)の化合物中の前記元素の合計質量濃度Aが5〜10000mg/Lであり、
前記成分(C)の前記化合物中の前記金属元素の合計質量濃度が1〜50000mg/Lである、金属表面処理用処理液。
(D)フッ素含有化合物の少なくとも1種
を含有する上記(4)に記載の金属表面処理用処理液。
フッ素イオンメーターで測定される遊離フッ素イオン濃度が500ppm以下である、上記(4)または(5)に記載の金属表面処理用処理液。
前記金属材料に、コバルト、ニッケル、スズ、銅、チタニウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する酸性水溶液を接触させる工程
を有する、上記(12)〜(15)のいずれかに記載の金属表面処理方法。
前記金属材料に、水溶性高分子化合物および水分散性高分子化合物のうち少なくとも1種を含有する処理液を接触させる工程
を有する、上記(12)〜(15)のいずれかに記載の金属表面処理方法。
また、本発明によれば、リン酸亜鉛処理では避けられなかった大量のスラッジの発生も抑制することができる。
更に、本発明においては、表面調整工程および後処理工程を必要としないため処理工程の短縮および省スペース化を図ることもできる。
本発明の処理液による表面処理の対象は、金属材料である。金属材料は、特に限定されないが、鉄系金属材料、亜鉛系金属材料、アルミニウム系金属材料およびマグネシウム系金属材料に好適に適用される。
亜鉛系金属材料は、特に限定されないが、例えば、亜鉛ダイキャスト、亜鉛含有めっきが挙げられる。亜鉛含有めっきは、亜鉛または亜鉛と他の金属(例えば、ニッケル、鉄、アルミニウム、マンガン、クロム、マグネシウム、コバルト、鉛、アンチモン等の少なくとも1種との合金および不可避不純物)によりめっきされたものである。めっき方法は特に限定されず、例えば、溶融めっき、電気めっき、蒸着めっきが挙げられる。
アルミニウム系金属材料は、特に限定されず、例えば、5000系アルミニウム合金、6000系アルミニウム合金等のアルミニウム合金板材;ADC−12に代表されるアルミニウム合金ダイキャストが挙げられる。
マグネシウム系金属材料は、特に限定されず、マグネシウム合金を用いた板材、ダイキャストが挙げられる。
成分(A)は、Ti、Zr、HfおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物である。具体的には、例えば、TiCl4、Ti(SO4)2、TiOSO4、Ti(NO3)4、TiO(NO3)2、Ti(OH)4、TiO2OC2O4、H2TiF6、H2TiF6の塩(例えば、K2TiF6)、TiO、TiO2、Ti2O3、TiF4、ZrCl4、ZrOCl2、Zr(OH)2Cl2、Zr(OH)3Cl、Zr(SO4)2、ZrOSO4、Zr(NO3)4、ZrO(NO3)2、Zr(OH)4、H2ZrF6、H2ZrF6の塩、H2(Zr(CO3)2(OH)2)、H2(Zr(CO3)2(OH)2)の塩、H2Zr(OH)2(SO4)2、H2Zr(OH)2(SO4)2の塩、ZrO2、ZrOBr2、ZrF4、HfCl4、Hf(SO4)2、H2HfF6、H2HfF6の塩、HfO2、HfF4、H2SiF6、H2SiF6の塩、Al2O3(SiO2)3が挙げられる。
成分(A)は2種以上を併用してもよい。
成分(B)に用いることができる誘導体としては、例えば、これらの化合物を分子内に含む化合物、これらの化合物から誘導される化合物、これらの化合物の塩が挙げられる。具体的には、例えば、ナフタレンスルホン酸ナトリウム、ナフトールジスルホン酸ジナトリウム、スチレンスルホン酸ナトリウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩、ビニルアミン塩、マレイン酸−ジアリルアミン共重合体、ジアリルアミン−二酸化硫黄共重合体が挙げられる。
成分(B)は2種以上を併用してもよい。
成分(C)は2種以上を併用してもよい。
成分(D)はフッ素含有化合物の少なくとも1種である。具体的には、例えば、HF、HBF4、HBF4の塩、NaHF2、KHF2、NH4HF2、NaF、KF、NH4Fが挙げられる。
成分(D)は2種以上を併用してもよい。
本発明の処理液中では、例えば、下記式(1)または(2)に示す化学平衡が成り立っている。
H2MF6+2H2O ⇔ MO2+6HF (2)
Fe+2HF ⇔ FeF2+H2 (4)
Fe+(NH2−R) → Fe:NH2−R (6)
また、K1が大きすぎると、表面処理時の金属材料の表面において、上記式(5)または(6)の反応が上記式(1)または(2)の反応よりも優先的に起こり、成分(B)の付着量が増える一方で、成分(A)の析出初期の反応を抑制する効果も大きくなることから、成分(A)の化合物が金属材料の表面に付着しにくくなり、必要とする表面処理皮膜付着量を確保することができず、優れた耐食性を示さないばかりか密着性にも悪影響を及ぼすことになる。
したがって、本発明においては、成分(B)の化合物の合計質量濃度Bと成分(A)中のTi、Zr、HfおよびSiの合計質量濃度Aの比であるK1=B/Aが、0.01≦K1≦50を満足するようにする。好ましくは、0.01≦K1≦30であり、より好ましくは、0.02≦K1≦20である。
したがって、本発明においては、組成物中または処理液中のフッ素の合計質量濃度Dと成分(A)中のTi、Zr、HfおよびSiの合計質量濃度Aの比であるK2=D/Aが、K2≦50を満足するようにするのが好ましい。
遊離フッ素イオン濃度が高すぎると、上記式(2)が左にシフトしやすくなり、耐食性を得るのに十分な皮膜層を析出させることが難しくなる。また、遊離フッ素イオン濃度の下限は特にない。遊離フッ素イオン濃度が低くなると、上記式(2)の反応が右にシフトしやすくなり、耐食性を得るに十分な量の皮膜を得ることができるためである。
硝酸イオンは、成分(C)の処理液中での溶解度を大きくする。したがって、硝酸イオンが1000mg/L以上であると、処理液の安定性が向上し、連続操業上好適である。また、硝酸イオンが50000mg/L以下であると、処理液の安定性が十分であり、経済的にも有利である。
処理液のpHを調整する必要がある場合、用いられる薬剤は、特に限定されない。例えば、塩酸、硫酸、硝酸、フッ化水素酸、ホウ酸、有機酸等の酸;水酸化リチウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化バリウム、アルカリ金属塩、アンモニア、アンモニウム塩、アミン類等のアルカリが挙げられる。
本発明の処理液による皮膜析出機構は、金属材料のエッチングによるpH上昇によるものである。
したがって、pHが上記範囲であると、エッチング反応と皮膜析出反応とのバランスがよく、効率よく皮膜を析出させることができる。また、上記範囲においては、処理液の安定性も十分であり、連続操業上好適である。
本発明の処理液に用いることのできるキレート剤としては、例えば、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、グルコン酸、ヘプトグルコン酸、グリコール酸、クエン酸、コハク酸、フマル酸、アスパラギン酸、酒石酸、マロン酸、リンゴ酸、サリチル酸、縮合リン酸、これらの塩類が挙げられる。
キレート剤の濃度は、特に限定されないが、10〜10000ppmであれば十分な効果を発揮する。
本発明の処理液に用いることのできる酸化剤としては、HClO3、HBrO3、HNO2、HMnO4、HVO3、H2O2、H2WO4、H2MoO4、これらの塩類が挙げられる。
酸化剤の濃度は、特に限定されないが、10〜10000mg/Lであれば十分な効果を発揮する。
ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤および両性界面活性剤としては、それぞれ従来公知のものを用いることができる。
本発明の処理液がこれらの界面活性剤を含有する場合は、金属材料をあらかじめ脱脂処理し、清浄化しておかなくても、良好な皮膜を形成させることができる。即ち、界面活性剤を含有する本発明の処理液は、脱脂化成兼用表面処理剤として用いることができる。
金属材料に本発明の処理液を接触させることにより、その表面に成分(A)の元素の酸化物および/または水酸化物からなる皮膜と成分(B)の化合物からなる皮膜とが析出し、密着性および耐食性に優れた表面処理皮膜層が形成される。
前記元素の水酸化物を純粋な水酸化物として得ることは、化学的に困難であり、一般には、前記元素の酸化物に水和水が付いた形態も水酸化物の概念に含まれる。
前記元素の水酸化物は、熱を加えることによって、最終的には酸化物となる。したがって、本発明における表面処理皮膜層の構造は、表面処理を施した後に常温または低温で乾燥させた場合は、酸化物と水酸化物とが混在した状態となり、表面処理後に更に高温で乾燥させた場合は、酸化物のみの状態または酸化物が多い状態になっていると考えられる。
なお、上述したように、本発明の処理液が上記界面活性剤を含有する場合は、金属材料をあらかじめ脱脂処理し、清浄化しておかなくても、良好な皮膜を形成させることができる。即ち、この場合には、処理液接触工程において、金属材料の脱脂処理と皮膜化成処理とが同時に行われる。
この場合、陰極である金属材料界面で水素の還元反応が起こりpHが上昇する。pHの上昇に伴い、陰極界面での成分(A)の元素を含む化合物の安定性が低下し、酸化物または水を含む水酸化物として、表面処理皮膜が析出する。
電解処理を行う場合、金属材料の表面のエッチング反応(式(3)または(4))が起こらなくても、陰極電解により金属材料の表面のpHの上昇が起こるため、皮膜の析出が可能となる。したがって、K2の上限値は特にない。
一方、pHの上昇は、金属材料の表面で起こるだけでなく、表面処理液内でもpHが上昇し、析出反応が起こる可能性がある。したがって、処理液の安定性を高めるためには、K2を0.64以上に調整するのが好ましい。
ここで、上述したように、コバルト、ニッケル、スズ、銅、チタニウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する酸性水溶液、または、水溶性高分子化合物および水分散性高分子化合物から選ばれる少なくとも1種を含有する処理液と接触させると、更に耐食性を高めることも可能である。
前記金属元素を含有する酸性水溶液のpHは、2〜6であるのが好ましい。酸性水溶液のpHは、リン酸、硝酸、硫酸、フッ化水素酸、塩酸、有機酸等の酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アルカリ金属塩、アンモニア、アンモニウム塩、アミン類等のアルカリで調整することができる。
ここで、成分(A)の元素の酸化物および水酸化物は、酸やアルカリに侵されにくく化学的に安定な性質を有しているが、金属材料の表面状態によっては表面処理皮膜層に微細な欠陥部が存在する可能性がある。成分(B)の化合物は、この欠陥部を被覆することができる補助成分である。
実際の金属の塗膜下腐食環境では、金属の溶出が起こるアノード部ではpHの低下が起こり、還元反応が起こるカソード部ではpHの上昇が起こる。したがって、耐酸性および耐アルカリ性に劣る表面処理皮膜は、腐食環境下で溶解しその効果が失われていく。
本発明により形成される表面処理皮膜層は、主成分が酸やアルカリに侵されにくく、かつ、金属表面上の均一な薄膜であるため、腐食環境下においても優れた効果が持続する。
金属材料の腐食は、使用される環境によっても異なるが、一般には水と酸素が存在する状況での酸素要求型腐食であり、その腐食速度は塩化物等の成分の存在によって促進される。
本発明により形成される表面処理皮膜層は、主成分が、水、酸素および腐食促進成分に対するバリヤー効果を有するため、優れた耐食性を発揮する。
また、亜鉛または亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板等の亜鉛系金属材料の耐食性を高めるには、表面処理皮膜層の付着量が、成分(A)の元素換算で、15mg/m2以上であるのが好ましく、20mg/m2以上であるのがより好ましい。
更に、アルミニウム鋳物、アルミニウム合金板等のアルミニウム系金属材料の耐食性を高めるには、表面処理皮膜層の付着量が、成分(A)の元素換算で、10mg/m2以上であるのが好ましく、20mg/m2以上であるのがより好ましい。
更に、マグネシウム合金板、マグネシウム鋳物等のマグネシウム系金属材料の耐食性を高めるには、表面処理皮膜層の付着量が、成分(A)の元素換算で、10mg/m2以上であるのが好ましく、20mg/m2以上であるのがより好ましい。
以下のようにして調整された金属表面処理用処理液を用いて、下記供試板の表面処理を行った。
実施例に用いた供試板は、以下のとおりである。
・SPC:冷延鋼板、JIS G3141
・GA:両面合金化溶融亜鉛めっき鋼板、めっき目付量45g/m2
・Al:アルミニウム合金板、6000系アルミニウム合金
・Mg:マグネシウム合金板、JIS H4201
ヘキサフルオロチタン酸水溶液(成分(A))とナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物(平均分子量約3000、成分(B))と硝酸マグネシウム(成分(C))とフッ化水素酸(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが0.05であり、質量濃度比K2=D/Aが2.5である金属表面処理用組成物を調製した。
ついで、得られた金属表面処理用組成物をイオン交換水で希釈し、チタン濃度を金属元素として500mg/L、マグネシウム濃度を金属元素として50mg/Lとし、かつ、トリエタノールアミンを用いてpHを3.7に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーター(IM−55G、東亜電波工業(株)製。以下同じ。)で測定した遊離フッ素イオン濃度が、40ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を、50℃に加温した上記金属表面処理用処理液に120秒間浸せきさせて表面処理を行った。
硝酸ジルコニウム水溶液(成分(A))と、ポリアリルアミン(平均分子量約60000、成分(B))と硝酸アルミニウム(成分(C))と硝酸カルシウム(成分(C))とフッ化アンモニウム(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが0.2であり、質量濃度比K2=D/Aが6.0である金属表面処理用組成物を調製した。
ついで、得られた金属表面処理用組成物をイオン交換水で希釈し、ジルコニウム濃度を金属元素として250mg/L、アルミニウム濃度を金属元素として500mg/L、カルシウム濃度を金属元素として500mg/Lとし、かつ、アンモニアを用いてpHを4.2に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、15ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を、40℃に加温した上記金属表面処理用処理液に60秒間浸せきさせて表面処理を行った。
硫酸チタン水溶液(成分(A))とポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩(平均分子量約20000、成分(B))と硝酸マンガン(成分(C))とフッ化アンモニウム(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが4.0であり、質量濃度比K2=D/Aが0.2であり、チタン濃度が750mg/Lであり、マンガン濃度が50mg/Lである液を調製し、この液に硝酸を2500mg/L添加し、更に、水酸化ナトリウムを用いてpHを2.8に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、0.1ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を、55℃に加温した上記金属表面処理用処理液に120秒間浸せきさせて表面処理を行った。
硝酸ジルコニウム水溶液(成分(A))とナフトールジスルホン酸ジナトリウム(平均分子量約350、成分(B))と硫酸銅(成分(C))とフッ化ナトリウム(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが45であり、質量濃度比K2=D/Aが0.5であり、ジルコニウム濃度が10mg/Lであり、銅濃度が25mg/Lである液を調製し、この液に硝酸を5000mg/L添加し、更に、水酸化リチウムを用いてpHを3.4に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、0.2ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板に、35℃に加温した上記金属表面処理用処理液を120秒間スプレー噴霧して表面処理を行った。
硫酸ジルコニウム水溶液(成分(A))とヘキサフルオロジルコン酸水溶液(成分(A))とビニルアミン塩(平均分子量160より大、成分(B))と硝酸銀(成分(C))とフッ化アンモニウム(成分(D))とを用いて質量濃度比K1=B/Aが0.02であり、質量濃度比K2=D/Aが0.4であり、ジルコニウム濃度が5000mg/Lであり、銀濃度が25mg/Lである液を調製し、この液に硝酸を10000mg/L添加し、グリコール酸を25mg/L添加し、更に、水酸化カリウムを用いてpHを3.2に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、0.1ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を、60℃に加温した上記金属表面処理用処理液に90秒間浸せきさせて表面処理を行った。
ヘキサフルオロチタン酸水溶液(成分(A))とナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物(平均分子量約3000、成分(B))と硝酸ストロンチウム(成分(C))と硝酸コバルト(成分(C))とフッ化カリウム(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが25であり、質量濃度比K2=D/Aが10であり、チタン濃度が50mg/Lであり、ストロンチウム濃度が50mg/Lであり、コバルト濃度が1000mg/Lである液を調製し、この液に過酸化水素を10mg/L添加し、更に、アンモニアを用いてpHを4.0に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、380ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板に、70℃に加温した上記金属表面処理用処理液を150秒間スプレー噴霧して表面処理を行った。
硝酸チタン水溶液(成分(A))とヘキサフルオロジルコン酸水溶液(成分(A))とマレイン酸−ジアリルアミン共重合体(平均分子量250より大、成分(B))と硝酸第二鉄(成分(C))と硝酸亜鉛(成分(C))と酸性フッ化カリウム(KHF2、成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが10であり、質量濃度比K2=D/Aが20であり、チタン濃度とジルコニウム濃度との合計が60mg/Lであり、鉄濃度が300mg/Lであり、亜鉛濃度が100mg/Lである液を調製し、この液にクエン酸三ナトリウムを1000mg/L添加し、モリブデン酸ナトリウムを250mg/L添加し、更に、水酸化ナトリウムを用いてpHを3.0に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、490ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板に、50℃に加温した上記金属表面処理用処理液を120秒間スプレー噴霧して表面処理を行った。
硝酸ジルコニウム水溶液(成分(A))とヘキサフルオロケイ酸水溶液(成分(A))とナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物(平均分子量約3000、成分(B))と硝酸マンガン(成分(C))とフッ化水素酸(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが2.5であり、質量濃度比K2=D/Aが2.0であり、ジルコニウム濃度とケイ酸濃度の合計が1000mg/Lであり、マンガン濃度が10000mg/Lである液を調製し、この液にノニオン界面活性剤であるポリオキシエチレンアルキルエーテル(エチレンオキサイド平均付加モル数12mol)を2000mg/L添加し、更に、水酸化マグネシウムを用いてpHを5.7に調整して、脱脂化成兼用の金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、50ppmであった。
脱脂処理を施してない塗油されたままの供試板に、55℃に加温した上記金属表面処理用処理液を150秒間スプレー噴霧して脱脂と同時に表面処理を行った。
ヘキサフルオロチタン酸水溶液(成分(A))とスチレンスルホン酸ナトリウム(平均分子量約200、成分(B))と硝酸カルシウム(成分(C))と酸性フッ化ナトリウム(NaHF2、成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが5.0であり、質量濃度比K2=D/Aが2.5であり、チタン濃度が3000mg/Lであり、カルシウム濃度が500mg/Lである液を調製し、この液に硝酸を1500mg/L添加し、更に、水酸化カルシウムを用いてpHを3.0に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、200ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を陰極とし、カーボン電極を陽極として用いて、室温の上記表面処理用処理液中で、電流密度5A/dm2の電解条件で10秒間電解して表面処理を行った。
酸化ハフニウム(成分(A))とジアリルアミン−二酸化硫黄共重合体(平均分子量約5000、成分(B))と硝酸アルミニウム(成分(C))と硝酸ニッケル(成分(C))とフッ化水素酸(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが1.0であり、質量濃度比K2=D/Aが45であり、ハフニウム濃度が25mg/Lであり、アルミニウム濃度が500mg/Lであり、ニッケル濃度が1000mg/Lである液を調製し、この液に亜硝酸ナトリウムを100mg/L添加し、更に、水酸化カリウムを用いてpHを3.1に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、30ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を、45℃に加温した上記表面処理用処理液に120秒間浸せきさせて表面処理を行い、その後、水洗を施してから、40℃に加温した後処理液に30秒間浸せきさせて後処理を施した。
後処理液としては、ヘキサフルオロジルコニウム水溶液と硝酸コバルトとを用いて、ジルコニウム濃度が50mg/Lであり、コバルト濃度が50mg/Lである水溶液を調製し、更に、40℃に加温した後、アンモニアでpHを5.0に調整したものを用いた。
ヘキサフルオロチタニウム水溶液(成分(A))とアリルアミン(平均分子量約60、成分(B))と硝酸銀(成分(C))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが0.1であり、質量濃度比K2=D/Aが2.4である金属表面処理用組成物を調製した。
ついで、得られた金属表面処理用組成物をイオン交換水で希釈し、チタン濃度を金属元素として1000mg/L、銀濃度を金属元素として200mg/Lとし、この液に硝酸を5000mg/L添加し、更に水酸化ナトリウムを用いてpHを3.2に調整して、金属表面処理用処理液を得た。
この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、0.1ppm未満であった。
脱脂後に水洗を施した供試板に、55℃に加温した上記金属表面処理用処理液を120秒間スプレー噴霧して表面処理を行った。
硝酸ジルコニウム水溶液(成分(A))とスチレンスルホン酸ナトリウム(平均分子量約200、成分(B))と硝酸銅(成分(C))と硝酸亜鉛(成分(C))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが0.05であり、質量濃度比K2=D/Aが0であり、ジルコニウム濃度が金属元素として1500mg/Lであり、銅濃度が金属元素として100mg/Lであり、亜鉛濃度が金属元素として1000mg/Lである液を調製し、更に、水酸化カリウムを用いてpHを2.9に調整して、金属表面処理用処理液を得た。
脱脂後に水洗を施した供試板を、50℃に加温した上記金属表面処理用処理液に120秒間浸せきさせて表面処理を行った。
ヘキサフルオロジルコン酸水溶液(成分(A))とエポキシ−ビスフェノールA共重合体水溶化物(平均分子量約5000)と硫酸亜鉛(成分(C))とフッ化水素酸(成分(D))とを用いて、エポキシ−ビスフェノールA共重合体水溶化物と成分(A)の質量濃度比が40であり、質量濃度比K2=D/Aが2.0であり、ジルコニウム濃度が500mg/Lであり、亜鉛濃度が2000mg/Lである液を調整し、この液に硝酸を20000mg/L添加し、更に、水酸化ナトリウムを用いてpHを4.5に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、380ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板に、50℃に加温した上記金属表面処理用処理液を90秒間スプレー噴霧して表面処理を行った。
酸化ハフニウム(成分(A))とナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物(平均分子量約3000、成分(B))と硫酸ニッケル(成分(C))と硝酸マンガン(成分(C))とフッ化アンモニウム(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが10であり、質量濃度比K2=D/Aが10であり、ハフニウム濃度が2.5mg/Lであり、ニッケル濃度が1000mg/Lであり、マンガン濃度が500mg/Lである液を調整し、この液に硝酸を5000mg/L添加し、亜硝酸ナトリウムを50mg/L添加し、更に、アンモニアを用いてpHを5.1に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、20ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板に、40℃に加温した上記金属表面処理用処理液を120秒間スプレー噴霧して表面処理を行った。
市販のクロミッククロメート処理薬剤(アルクロム713(登録商標)、日本パーカライジング(株)製)を濃度3.6質量%となるように水道水で希釈し、更に、全酸度および遊離酸度をカタログ値の中心に調整して、クロメート処理液を得た。
脱脂後に水洗を施した供試板を、35℃に加温した上記クロメート処理液に120秒間浸せきさせてクロメート処理を行った。
市販のノンクロメート処理薬剤(パルコート3756(登録商標)、日本パーカライジング(株)製)を濃度2質量%となるように水道水で希釈し、更に、全酸度および遊離酸度をカタログ値の中心に調整して、ノンクロメート処理液を得た。
脱脂後に水洗を施した供試板を、40℃に加温した上記ノンクロメート処理液に60秒間浸せきさせてノンクロメート処理を行った。
脱脂後に水洗を施した供試板に、表面調整処理剤(プレパレンZTH(登録商標)、日本パーカライジング(株)製)を濃度0.1質量%となるように水道水で希釈した液を室温で30秒間スプレー噴霧した。
ついで、皮膜剤(パルボンドL3080(登録商標)、日本パーカライジング(株)製)を濃度4.8質量%となるように水道水で希釈し、更に、フッ化水素ナトリウム試薬をフッ素として200ppm添加した後に、全酸度および遊離酸度をカタログ値の中心に調整して得られた42℃のリン酸亜鉛化成処理液に、スプレー噴霧後の供試板を浸せきさせてリン酸亜鉛皮膜を析出させた。
ヘキサフルオロジルコニウム水溶液を用いて、ジルコニウム濃度が金属元素として250mg/Lである水溶液を調製し、更に前記水溶液にアンモニア水を加えてpHを2.6に調整して、金属表面処理用処理液を調整した。
脱脂後に水洗を施した供試板に、50℃に加温した上記金属表面処理用処理液を30秒間スプレーで噴霧して表面処理を行った。
表面処理後、水洗および純水洗をスプレー処理で行った後、ポリアリルアミン(平均分子量約15000)を用いてポリアリルアミン濃度が1000ppmとなるように調製した後処理液を、室温にて5秒間、供試板にスプレーで噴霧して後処理を行った。後処理後には水洗を行わず、ゴムロールで過剰な後処理液を絞り取った後、80℃で1分間乾燥させた。
ヘキサフルオロチタン酸カリウム水溶液(成分(A))とナフタレンスルホン酸ナトリウム(平均分子量約300、成分(B))と硫酸マグネシウム(成分(C))と硝酸カルシウム(成分(C))とフッ化カリウム(成分(D))とを用いて、質量濃度比K1=B/Aが5であり、質量濃度比K2=D/Aが60であり、チタニウム濃度が50mg/Lであり、マグネシウム濃度が500mg/Lであり、カルシウム濃度が3000mg/Lである液を調整し、この液に水酸化カリウムを添加してpHを3.0に調整して、金属表面処理用処理液を得た。この金属表面処理用処理液は、フッ素イオンメーターで測定した遊離フッ素イオン濃度が、1200ppmであった。
脱脂後に水洗を施した供試板を、40℃に加温した上記金属表面処理用処理液に120秒間浸せきさせて表面処理を行った。
詳細な処理工程は、以下のとおりである。
(1)実施例1〜3、5〜7、11および12比較例2〜4ならびに参考例1
アルカリ脱脂→水洗→皮膜化成処理→水洗→純水洗→乾燥
(2)実施例4および比較例1
加熱→アルカリ脱脂→水洗→皮膜化成処理→水洗→純水洗→乾燥
(3)実施例8
皮膜化成処理(脱脂化成兼用)→水洗→純水洗→乾燥
(4)実施例9
アルカリ脱脂→水洗→電解化成処理→水洗→純水洗→乾燥
(5)実施例10
アルカリ脱脂→水洗→皮膜化成処理→水洗→後処理→純水洗→乾燥
(6)比較例5
アルカリ脱脂→水洗→表面調整→リン酸亜鉛処理→水洗→純水洗→乾燥
(7)比較例6
アルカリ脱脂→水洗→皮膜化成処理→水洗→純水洗→後処理→ロール絞り→乾燥
皮膜化成処理後の水洗および純水洗は、それぞれ水および純水を室温で30秒間、供試板にスプレー噴霧することにより行った。
実施例4および比較例1におけるアルカリ脱脂前の加熱は、供試板を90℃に加温した乾燥機で10分間加熱することにより行い、それにより供試板の表面状態を変化させた。
供試板に表面処理を行って得られた表面処理板の外観を目視で評価した。また、表面処理皮膜層の付着量を蛍光X線分析装置(システム3270、理学電気工業(株)製)を用いて測定した。
表面処理板の塗装性能を評価するため、以下に示す工程で塗装を行った。
カチオン電着塗装→純水洗→焼き付け→中塗り塗装→焼き付け→上塗り塗装→焼き付け
・カチオン電着塗装:エポキシ系カチオン電着塗料(GT−10LF、関西ペイント(株)製)、電圧200V、膜厚20μm、175℃、20分焼き付け
・中塗り塗装:アミノアルキッド系塗料(アミラックTP−37グレー、関西ペイント(株)製)、スプレー塗装、膜厚35μm、140℃、20分焼き付け
・上塗り塗装:アミノアルキッド系塗料(アミラックTM−13白、関西ペイント(株)製)、スプレー塗装、膜厚35μm、140℃、20分焼き付け
鋭利なカッターでクロスカットを入れた電着板に、5質量%塩水を840時間噴霧した(JIS Z2371に準ずる)。噴霧終了後にクロスカット部からの両側最大膨れ幅を測定し、耐食性を評価した。
電着板を、50℃に昇温した5質量%のNaCl水溶液に840時間浸せきさせた。浸せき後、水道水で水洗し、常温乾燥させたテストピースの全面に、ガムテープを付着させてはく離させ、塗膜のはく離面積を目視で判定し、耐食性を評価した。
3coats塗膜に鋭利なカッターで2mm間隔の碁盤目を100個切った。碁盤目部のセロテープはく離を行い、碁盤目のはく離個数を数え、密着性を評価した。
3coats塗装板を40℃の脱イオン水に240時間浸せきさせた。浸せき後、鋭利なカッターで2mm間隔の碁盤目を100個切った。碁盤目部のセロテープはく離を行い、碁盤目のはく離個数を数え、密着性を評価した。
鋭利なカッターでクロスカットを入れた3coats板を複合サイクル試験機に入れ、「塩水噴霧(5質量%NaCl水溶液、50℃、17時間)→乾燥(70℃、3時間)→塩水浸せき(5質量%NaCl水溶液、50℃、2時間)→自然乾燥(25℃、2時間)」というサイクルを60サイクル施した。60サイクル後のクロスカット部からの膨れ幅を測定し、以下に示す基準に従って評価した。
○:両側最大膨れ幅が4mm以上6mm未満
△:両側最大膨れ幅が6mm以上10mm未満
×:両側最大膨れ幅が10mm以上
実施例1〜12はいずれも、すべての供試板に対して均一な表面処理皮膜を得ることができ、かつ、目標とした皮膜付着量を得ることができた。
これに対して、比較例2は、成分(A)の元素の濃度が低すぎたため、すべての供試板で表面処理皮膜を析出させることができなかった。
比較例3は、アルミニウム合金用クロメート処理剤であるため、SPC板に表面処理皮膜を形成させることができなかった。
比較例4は、アルミニウム材およびマグネシウム材用ノンクロメート処理剤であるため、SPC材およびGA材に表面処理皮膜を得ることができなかった。
比較例5は、従来のリン酸亜鉛処理であるためすべての素材に表面処理皮膜を形成させることはできたが、アルミニウム材およびマグネシウム材では均一な表面処理皮膜を得ることができなかった。
比較例6は、SPC材では均一な表面処理皮膜を析出させることができなかった。
なお、参考例1は、処理液の質量濃度比K2が大きすぎたため、SPC材で均一な表面処理皮膜外観および目標付着量を得ることができず、かつ、アルミニウム材およびマグネシウム材に表面処理皮膜を析出させることができなかった。
実施例1〜12はいずれも、現在、カチオン電着塗装下地として一般に用いられているリン酸亜鉛処理である比較例5と比べて、すべての供試板に対して良好な耐食性を示した。
これに対して、比較例1は、目標とした皮膜付着量が得られたにもかかわらず、耐食性が劣っていた。これは、すべての供試板ともアルカリ脱脂を行う前に乾燥機にて加熱したため、金属材料の表面状態が何らかの変化を起こし、その結果、目標とした付着量を得ることができたが、形成された皮膜に微細な欠陥部が存在し、更に、この微細な欠陥部を被覆する成分(B)を使用していないため、保護皮膜としての効果が発揮できずに優れた耐食性を示すことができなかったのであると考えられる。
比較例2は、成分(A)の元素の濃度が低すぎたため、すべての供試板で目標とした皮膜付着量が得られず耐食性が劣っていた。
比較例3は、アルミニウム合金用クロメート処理剤であるため、アルミニウム材およびマグネシウム材以外の耐食性が劣っていた。
比較例4は、アルミニウム材およびマグネシウム材用ノンクロメート処理剤であるため、アルミニウム材およびマグネシウム材以外の耐食性が劣っていた。
比較例6は、アルミニウム材以外の耐食性が劣っていた。
なお、参考例1は、GA材については目標の付着量が得られたため、優れた塗装性能を示した。ただし、その他の材種については、処理液の質量濃度比K2が大きすぎたため、表面処理皮膜が十分に析出せず、耐食性が劣っていた。
実施例1〜12はいずれも、すべての供試板に対して良好な密着性を示し、優れた塗装性能を示した。また、スラッジの発生が認められなかった。
これに対して、比較例1〜6はいずれも、1stADHについては良好な結果であったが、2ndADHについては、電着板の耐食性と同様に、比較例5を除くすべてにおいて供試板に対して良好な密着性を示すものはなかった。
また、比較例1〜4および6の密着性は、電着板の耐食性と同様な傾向であった。また、比較例5は、現在、カチオン電着塗装下地として一般に用いられているリン酸亜鉛処理であるため、SPC材およびGA材に対しては優れた塗装性能を示したが、マグネシウム材の塗装性能は劣っていた。
更に、比較例5においては、表面処理後の処理浴中に、リン酸亜鉛処理時の副生成物であるスラッジが発生していた。
Claims (17)
- 次の成分(A)、成分(B)、成分(C)および成分(D):
(A)Ti、Zr、HfおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物
(B)ナフタレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物、スチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ビニルアミン、ポリビニルアミン、アリルアミン、ポリアリルアミンおよびこれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物
(C)Ag、Al、Cu、Fe、Mn、Mg、Ni、Co、Zn、CaおよびSrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む化合物
(D)フッ素含有化合物の少なくとも1種
を含有し、
前記成分(B)の合計質量濃度Bと前記成分(A)中の前記元素の合計質量濃度Aの比であるK1=B/Aが、0.01≦K1≦50を満足し、
フッ素の合計質量濃度Dと前記成分(A)中の前記元素の合計質量濃度Aの比であるK2=D/Aが、K2≦50を満足する、
金属表面処理用組成物。 - 次の成分(A)、成分(B)、成分(C)および成分(D):
(A)Ti、Zr、HfおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物
(B)ナフタレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸−ホルムアルデヒド縮合物、スチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ビニルアミン、ポリビニルアミン、アリルアミン、ポリアリルアミンおよびこれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物
(C)Ag、Al、Cu、Fe、Mn、Mg、Ni、Co、Zn、CaおよびSrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む化合物
(D)フッ素含有化合物の少なくとも1種
を含有し、
前記成分(B)の合計質量濃度Bと前記成分(A)中の前記元素の合計質量濃度Aの比であるK1=B/Aが、0.01≦K1≦50を満足し、
フッ素の合計質量濃度Dと前記成分(A)中の前記元素の合計質量濃度Aの比であるK2=D/Aが、K2≦50を満足し、
前記成分(A)の化合物中の前記元素の合計質量濃度Aが5〜10000mg/Lであり、
前記成分(C)の前記化合物中の前記金属元素の合計質量濃度が1〜50000mg/Lであり、
フッ素イオンメーターで測定される遊離フッ素イオン濃度が500ppm以下である、
金属表面処理用処理液。 - 更に、1000〜50000mg/Lの硝酸イオンを含有する請求項2に記載の金属表面処理用処理液。
- pHが2〜8である、請求項2または3に記載の金属表面処理用処理液。
- 更に、エチレンジアミン四酢酸、グルコン酸、ヘプトグルコン酸、グリコール酸、クエン酸、コハク酸、フマル酸、アスパラギン酸、酒石酸、マロン酸、リンゴ酸、サリチル酸、縮合リン酸およびこれらの塩類からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項2〜4のいずれかに記載の金属表面処理用処理液。
- 更に、HClO3、HBrO3、HNO2、HMnO4、HVO3、H2O2、H2WO4、H2MoO4およびこれらの塩類からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項2〜5のいずれかに記載の金属表面処理用処理液。
- 更に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤および両性界面活性剤からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項2〜6のいずれかに記載の金属表面処理用処理液。
- 金属材料に、請求項2〜6のいずれかに記載の金属表面処理用処理液を接触させる処理液接触工程を有する、金属表面処理方法。
- 金属材料に、請求項7に記載の金属表面処理用処理液を接触させ、前記金属材料の脱脂処理と皮膜化成処理とを同時に行う処理液接触工程を有する、金属表面処理方法。
- 前記金属材料が、脱脂処理により清浄化された金属材料である、請求項8または9に記載の金属表面処理方法。
- 前記処理液接触工程において、前記金属材料を陰極として電解処理する、請求項8〜10のいずれかに記載の金属表面処理方法。
- 更に、前記処理液接触工程後に、
前記金属材料に、コバルト、ニッケル、スズ、銅、チタニウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する酸性水溶液を接触させる工程
を有する、請求項8〜11のいずれかに記載の金属表面処理方法。 - 更に、前記処理液接触工程後に、
前記金属材料に、水溶性高分子化合物および水分散性高分子化合物のうち少なくとも1種を含有する処理液を接触させる工程
を有する、請求項8〜11のいずれかに記載の金属表面処理方法。 - 鉄系金属材料表面に、請求項8〜13のいずれかに記載の金属表面処理方法によって形成された、前記成分(A)の前記元素を含有し、かつ、前記元素換算の付着量が20mg/m2以上である表面処理皮膜層を有する、金属材料。
- 亜鉛系金属材料表面に、請求項8〜13のいずれかに記載の金属表面処理方法によって形成された、前記成分(A)の前記元素を含有し、かつ、前記元素換算の付着量が15mg/m2以上である表面処理皮膜層を有する、金属材料。
- アルミニウム系金属材料表面に、請求項8〜13のいずれかに記載の金属表面処理方法によって形成された、前記成分(A)の前記元素を含有し、かつ、前記元素換算の付着量が10mg/m2以上である表面処理皮膜層を有する、金属材料。
- マグネシウム系金属材料表面に、請求項8〜13のいずれかに記載の金属表面処理方法によって形成された、前記成分(A)の前記元素を含有し、かつ、前記元素換算の付着量が10mg/m2以上である表面処理皮膜層を有する、金属材料。
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