JP4419928B2 - 電解リン酸塩化成処理方法 - Google Patents

Description

本発明は金属材料表面にリン酸塩化成皮膜を形成するための電解リン酸塩化成処理方法に関するものである。

リン酸塩化成処理は、鉄鋼材料等の被処理物（部品）の塗装下地処理、冷間鍛造加工潤滑処理等に広く利用されている。このリン酸塩化成処理においては、被処理物表面の溶解、浴中成分の反応（たとえばリン酸の脱水素）、ついでリン酸塩の結晶化（皮膜形成）という経路をたどる。そして、現在主流のリン酸塩化成処理は無電解処理技術である。この無電解処理では、リン酸塩化成皮膜形成に際して外部電源を接続して電解電流を印加することはなく、溶液内の金属イオンの還元反応と溶液に添加する酸化剤の酸化反応との間で形成される電気化学エネルギーが利用される。

しかしながら、このような無電解処理では、被処理物の表面以外でのリン酸塩の結晶化（スラッジ形成）が不可避的に発生するため、皮膜形成を効率的に制御することは困難である。また、上記のように無電解処理では反応を確実に制御することが困難なために少量・短時間の処理は困難であり、大量・長時間処理が一般的であった。すなわち、大型装置（汎用装置）を用いるのが通例であった。

そこで、浴中の反応を被処理物の表面に限定して皮膜形成を効率的に制御するために、電解塩化成処理について種々の検討がなされている（特許文献１および２）。このような電解リン酸塩化成処理は、皮膜形成に使用するエネルギーを外部電源からの電気エネルギーとするため、無電解処理に比較し時間を短くし、少量でも実施できる。したがって、処理装置を小型化できる。そして、設備の小型化が実現されると、その小型設備は一連の加工ライン中に配置することができる。このようなリン酸塩化成処理装置の機械加工ラインへの配置は、従来の大型装置では実現不可能なことであった。

特開２０００−２３４２００号公報 特開２００２−３２２５９３号公報

電解リン酸塩化成処理の適用により、各工程にリン酸塩化成処理の専用機を設けることは可能である。そして、同一製品にペア（一対）で使用される部品（たとえば、ギア歯車の一対）では、隣接して同じ加工設備を配置し加工することがある。たとえば、一対のギア部品加工では、棒材切断→リン酸塩化成処理（冷鍛潤滑処理）→冷鍛プレス（歯車形状の製作）→切断（一個の歯車の形成）→精密切削、等の工程を経て作製される。このような工程においては、機械加工は専用機で実施されるのが通常である。それは、一対の部品であっても形状が異なるため、異なる部品を一つの機械で加工するのは不可能なためである。

このように一連の設備を並べて加工ラインを形成する場合、リン酸塩化成処理設備も機械加工設備と同様にそれぞれのライン毎に設置することは可能であり、それが通常の加工ラインである。しかしながら、一つの電解リン酸塩化成処理設備で異なる二つの部品を別個に処理することができれば、リン酸塩化成処理設備は二つの機械加工ラインに１台のみ設置することで対応可能である。すなわち、同時加工ができない設備は別個に２台必要であるが、同時加工が可能な設備は、専用機であっても共用化できる。そのようにすれば、設置費用、面積、加工に要する諸経費等も軽減しうる。本発明の課題は、このような電解リン酸塩化成処理において、共用可能な専用機を実用化することである。

なお、現在の電気めっき、電着塗装等の大型汎用電解表面処理設備では、２種類以上の複数の部品を一つの電解治具に搭載して処理することが行なわれている。そして、複数の種類の部品を搭載するのは電解治具毎の表面積を一定にし、それによって電解治具毎の電解条件（電解治具当りの電流）を一定にするためである。したがって、そのような電解治具に複数の種類の部品を搭載するが、その電解治具に印加する電流は常に一定である。

これに対し、本発明は複数の異なった電圧・電流を印加する２以上の電解治具を電解浴に投入し、同時にもしくは個別に（すなわち異時に）それぞれ異なる電解条件で処理するものである。現状の汎用大型装置では、１回当たり処理数（処理単位もしくは処理ロット）は元来大きな数である。そのような大型装置では、２以上の異なった電解治具を同時に処理することが可能であったとしても、規模的な利点は生じないか、少ない。それは、大型装置では専用加工ラインに設置されるものではなく、独立した場所に離れて設置されること、さらには一つの電解治具に複数の部品を搭載することですでに汎用性の利点を有しているからである。

したがって、本発明は元来専用機として使用する小型専用設備を対象とする。小型専用機を２台以上設置するよりも電解槽を共有し、且つ治具毎に異なる電解条件で処理することができれば、設置費用、面積、加工に要する諸経費等を軽減しうる。本発明の課題は、このような電解リン酸塩化成処理において、共用可能な専用機を実用化することである。

そして、本発明による生産方式は次のような利点を有する。すなわち、従来の大型汎用装置では処理設備の前後に大きな数の在庫を有することになる。在庫を大きくする生産方式は、無駄の多い処理方式であるので在庫を少なくする生産方式が望まれる方向である。機械加工では、機械加工ラインと別に設置された一つの設備で多くの種類、量の部品を処理することでは、在庫を少なくすることはできない。一つの部品専用として機械加工ラインんに設置し、且つ1回当り処理数（処理単位：処理ロット）を少なくすることが在庫を少なくするために望まれる方向である。そして、工程内の在庫を少なくすることは、本発明により単一種類の専用加工ラインで、少ない生産単位で加工することで達成されうる。

上記のように、リン酸塩化成処理については、従来の無電解処理では反応を確実に制御することができないために、少量、短時間の処理は実際上不可能であった。したがって、専用ラインから離れて設置した大型装置で多種類の部品を大量に処理するのが一般的であった。これに対し、電解リン酸塩化成処理は専用機化して処理することを可能にし、そして本発明は専用機化した電解リン酸塩化成処理装置の電解槽を共用化し、専用機の汎用化を行なうものである。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の発明を提供する。
（１）電解リン酸塩化成処理浴を含む同一処理槽内で、それぞれ別個の電解治具に保持された被処理物を、異なる電解システムを用いて異なる電解条件で同時に電解リン酸塩化成処理することを特徴とする電解リン酸塩化成処理方法；
（２）それぞれ別個の電解治具に保持された被処理物が同種類もしくは異なる種類である（１）記載の電解リン酸塩化成処理方法；
（３）電解リン酸塩化成処理が鍛造用の電解リン酸塩化成処理である（１）または（２）記載の電解リン酸塩化成処理方法；
（４）被処理物が鉄鋼材料もしくは非鉄金属材料からなる（１）〜（３）のいずれか記載の電解リン酸塩化成処理方法；
（５）リン酸塩化成処理浴が、リン酸およびリン酸イオンと、硝酸イオンと、リン酸溶液に溶解しリン酸イオンと錯体を形成する金属イオンと、浴中に溶解しているイオンが還元されて皮膜となる金属イオンとを含む（１）〜（４）のいずれか記載の電解リン酸塩化成処理方法；
（６）リン酸溶液に溶解しリン酸イオンと錯体を形成する金属イオンが、亜鉛イオン、マンガンイオンおよび/または鉄イオンである（５）記載の電解リン酸塩化成処理方法；ならびに
（７）浴中に溶解しているイオンが還元されて皮膜となる金属イオンが、ニッケルイオン、銅イオン、マンガンイオン、コバルトイオン、鉄イオンおよび/または亜鉛イオンである（５）または（６）記載の電解リン酸塩化成処理方法、
である。

本発明は、機械加工ラインに小型電解リン酸塩化成処理装置を設置するに際して、電解槽以外の、電解を行なわない工程、すなわち脱脂、水洗、潤滑等の槽、では、それらを共用してもしくは別個に、同一もしくは異なる２以上の部品を処理するが、電解槽では電解治具を分けることにより２以上の部品を別個に処理することを可能にする。それにより、本発明は専用機としての機能を維持しつつ、本来ならば２台以上必要な設備を1台とすることができる。したがって、本発明は設備費の低減、小面積、省エネルギー等の面で有効な電解リン酸塩化成処理方法を提供する。

本発明の電解リン酸塩化成処理方法においては、電解リン酸塩化成処理浴を含む同一処理槽内で、それぞれ別個の２以上の電解治具に保持された被処理物が異なる電解システムを用いて、異なる電解条件で電解リン酸塩化成処理される。別個の電解治具に保持された被処理物は、それぞれ異なる種類であるのが好適であるが、同一電解条件で電解リン酸塩化成処理を必要とする同一の種類であってもよい。被処理物の数は特に制限されないが、複数の処理物がグループ分けされうる。ここで異なる種類とは形状、大きさもしくは材質が異なるものをいう。

この電解リン酸塩化成処理としては、鉄鋼材料もしくは非鉄金属材料からなる被処理物の塗装下地処理、鍛造加工潤滑処理等が挙げられる。

また、本発明における電解リン酸塩化成処理浴としては、たとえば特開２０００−２３４２００号および特開２００２−３２２５９３号公報等に記載されている化成処理浴に基づいて目的により組成、濃度、ｐＨ，温度等を適宜選定し得る。このようなリン酸塩化成処理浴としては、リン酸およびリン酸イオンと、硝酸イオンと、リン酸溶液に溶解しリン酸イオンと錯体を形成する金属イオンと、浴中に溶解しているイオンが還元されて皮膜となる金属イオンとを含むのが好適である。そして、浴中でリン酸およびリン酸イオンと溶解する金属イオンとしては亜鉛イオン、マンガンイオンおよび/または鉄イオンが挙げられ、一方、浴中に溶解しているイオンが還元されて皮膜となる金属イオンとしてはニッケルイオン、銅イオン、マンガンイオン、コバルトイオン、鉄イオンおよび/または亜鉛イオンが挙げられる。

本発明における電解リン酸塩化成処理浴を含む電解槽は、たとえば２列に分画されていても処理浴の条件、すなわち組成、濃度、ｐＨ，温度等が実質的に同一となるように配管等で接続されていれば同一電解処理槽である。

本発明の電解リン酸塩化成処理においては、それぞれ別個の電解治具に保持された被処理物がこのような電解リン酸塩化成処理浴を含む同一処理槽内で、異なる電解条件で電解リン酸塩化成処理される。その別個の電解治具に保持された被処理物は、電解治具と電解処理電極（作用電極）との間にそれぞれ異なる電圧および/または電流を印加して化成処理される。本発明において、この異なる電解条件を電解治具毎に付与するために、それぞれに異なる電解システムが用いられる。このような電解システムは、電解処理槽内で、主として皮膜成分となる金属である電極と被処理物である部品を直流電源を介して接続したものである。

本発明において、形状、大きさもしくは材質の異なる２種類以上の被処理物は、別個にまとめられ、搬送治具で同一処理槽（電解槽）内に投入される。この搬送治具は無電解で行う前工程及び電解処理後の後工程と共用であるのが通常である。電解槽で搬送治具上の被処理物はそれぞれ被処理物（グループ）毎に電解治具で保持され、搬送治具から分離される。グループ毎に電解治具で保持され被処理物は、基本的に同一の電解処理槽で同時に、且つ別個に電解処理される。ここで、同時に、且つ別個にとは、電解電極(種類)、電解処理浴が同一で、そして電解時間も同一であるが、電解条件（電圧・電流）はそれぞれの被処理物（グループ）毎に異なることを示す。

この電解処理は、上記のように被処理物のグループ毎に同時に行なうのが望ましいが、グループ毎に個別に（すなわち異時に）行なうこともできる。この個別に行なうとは、グループＡとグループＢの２つの被処理物を用いる場合について説明すると、以下のとおりである。すなわち、グループＡとグループＢの２つの被処理物が同時に電解処理槽に投入される場合が同時処理であるのに対して、個別処理はたとえばグループＡの被処理物が投入されグループＢの被処理物が投入されない場合である。このとき、グループＡの被処理物は処理されるが、グループＢの被処理物は処理されず、遅れて別途投入され異時に処理される。これらの逆の場合、すなわちグループＢの被処理物が投入されグループＡの被処理物が投入されない場合も同様である。

つぎに、本発明の好適な態様例として、２種類の被処理物である部品Ａ（グループ）と部品Ｂ（グループ）を用いて、鉄鋼材の冷間鍛造用潤滑処理する場合についてさらに詳細に説明する。

この潤滑処理工程は、脱脂→水洗→表面調整→電解リン酸塩化成処理→水洗→潤滑処理（石鹸膜処理）工程から構成される。この工程の中で電解処理を行うのは「電解リン酸塩化成処理」のみである。電解処理以外の工程は、被処理物に当該処理浴を接触させて対応できる工程である。すなわち、２つの部品の処理に対し、特別の配慮を必要としない。

電解処理においては、外部電源を用いて部品Ａ（グループ）と部品Ｂ（グループ）に異なる電圧・電流を印加し皮膜を形成する。したがって、電解処理槽（工程）は、基本的に他の槽から分離される。そして、電解槽で部品Ａ（グループ）と部品Ｂ（グループ）は、搬送治具から別個に電解治具で保持され、本発明方法により電解処理される。

部品Ａと部品Ｂとしては、たとえば類似した、一対として使われる部品が挙げられる。さらに具体的には、ギア歯車の一対の部品等が挙げられる。

本発明においては、電解槽以外で使用する搬送治具は、部品Ａと部品Ｂの共用としうるが、電解槽での電解治具は部品Ａと部品Ｂで区分され、別個に設けられる。さらに、電解を行う電源等を含む電解システムも個別に設置される。そのようにすることで、部品Ａと部品Ｂを同一処理槽内で個別に異なる電解条件で好適に電解することができる。しかしながら、本発明においては部品Ａと部品Ｂを常に同時に投入する必要はない。たとえば、部品Ａを処理し、部品Ｂを処理しない場合は、電解処理は部品Ａのみを行う。逆に、部品Ｂを処理し、部品Ａを処理しない場合は、電解処理は部品Ｂのみを行う。また、部品Ａと部品Ｂを同時に処理する場合は、電解処理は同時に行う。そして、電解処理を終了した部品は、それぞれ搬送治具に移され電解槽から取り出される。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例１および２
電解リン酸塩化成処理は、下記の条件で冷鍛加工用潤滑処理を行った。被処理物は部品Ａとして、ＳＵＪ２(Ｃｒ１．３％〜１．６％を含む鉄鋼材料)からなる、中空円筒体（外径２５ｍｍ、内径１３ｍｍ、高さ２５ｍｍ）部品を用いた。部品Ａの表面積は内径部を含めて０．３７ｄm²である。また、部品Ｂとして円筒体（径２２ｍｍ、高さ２９ｍｍ）部品を用いた。材質は部品Ａと同じである。また、部品Ｂの表面積は０．２７dm²である。この部品Ａと部品Bとも切削した部品である。

冷鍛加工用潤滑処理の工程は、脱脂→水洗→表面調整（リン酸チタン系コロイド分散浴に浸漬）→電解リン酸塩化成処理→水洗→潤滑石鹸浴処理（８０℃×3分：ステアリン酸ソーダ浴）である。電解リン酸塩化成処理を除く工程は、通常の工程であり特に明記しない。また、実施例１と実施例２は同一処理浴条件で実施した。

電解リン酸塩化成処理は、下記の条件で行った。実施例１と実施例２の違いは、実施例１が同じ処理浴で同時に別々の電解システムを使用し、同時に電解処理を行ったのに対し、実施例２は同じ電解処理を部品Ａと部品Ｂで時間を隔て、別々に行ったものである。表１に処理浴組成、そして表２に処理浴の条件を示す。

電解システムはろ過機を電解層外に有するろ過・循環系（全体の浴容量：３５L）の電解槽に亜鉛電極、鉄電極及び被処理物（部品Ａおよび部品Ｂ）を設置し、一つの電解システムで被処理物を各１個ずつ処理する電解方式で行った。その際、鉄電極は１０ｍｍφ純鉄を電解槽に１５ｍｍ程度浸漬し、亜鉛電極は被処理物表面積に対し２倍以上の表面積を有するものとした。

電解処理は、陽極電解（被処理物を陽極とし、鉄を陰極とする）、ついで陰極電解（亜鉛を陽極とし、被処理物を陰極とする）で行った。電解条件は表３に示すとおりであり、部品Ａと部品Ｂによる電解条件の違いは、主に表面積によるものである。電解時間は１５秒/個・回である。

つぎに、生成したリン酸塩化成皮膜、ならびにこの化成皮膜を潤滑石鹸処理して得た金属石鹸（潤滑皮膜）量の結果を表４（リン酸塩化成皮膜量）および表５（金属石鹸量
）に示す。

本発明は、電解槽の制御のみ別個処理し、他の工程は共用化することで汎用性のある小型電解リン酸塩化成処理装置を提供する。それにより、本発明は本来ならば2台以上必要な設備を1台に収めることができ、設備費の低減、小面積、省エネルギー等の面で有効な技術・設備を提供する。

Claims (7)

1. 電解リン酸塩化成処理浴を含む同一処理槽内で、それぞれ別個の電解治具に保持された被処理物を、異なる電解システムを用いて異なる電解条件で同時に電解リン酸塩化成処理することを特徴とする電解リン酸塩化成処理方法。
2. それぞれ別個の電解治具に保持された被処理物が同一種類もしくは異なる種類である請求項１記載の電解リン酸塩化成処理方法。
3. 電解リン酸塩化成処理が鍛造用の電解リン酸塩化成処理である請求項１または２記載の電解リン酸塩化成処理方法。
4. 被処理物が鉄鋼材料もしくは非鉄金属材料からなる請求項１〜３のいずれか記載の電解リン酸塩化成処理方法。
5. リン酸塩化成処理浴が、リン酸およびリン酸イオンと、硝酸イオンと、リン酸溶液に溶解しリン酸イオンと錯体を形成する金属イオンと、浴中に溶解しているイオンが還元されて皮膜となる金属イオンとを含む請求項１〜４のいずれか記載の電解リン酸塩化成処理方法。
6. リン酸溶液に溶解しリン酸イオンと錯体を形成する金属イオンが、亜鉛イオン、マンガンイオンおよび/または鉄イオンである請求項５記載の電解リン酸塩化成処理方法。
7. 浴中に溶解しているイオンが還元されて皮膜となる金属イオンが、ニッケルイオン、銅イオン、マンガンイオン、コバルトイオン、鉄イオンおよび/または亜鉛イオンである請求項５または６記載の電解リン酸塩化成処理方法。