JP4858668B2 - アルミニウム及びアルミニウム合金の製造方法 - Google Patents

アルミニウム及びアルミニウム合金の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、表面に装飾性の高い光沢と結晶模様を有するアルミニウム及びアルミニウム合金の製造方法に関するものである。
アルミニウム合金は軽量で熱の伝導性がよく、耐食性があり、塑性加工性が優れているなどの諸特性から構造材料、建築材料など広い分野で多量に使用されている。
アルミニウム及びアルミニウム合金は曲げ、絞り等の板金又はプレス加工、鍛造、ダイカスト等の成形加工などによりアクセサリー、文房具、各種の筐体等、装飾性を必要とする多種の形状に成型できる利点をもっている。しかしながら、これら合金材料に耐食性と共に金属光沢を有する結晶模様の装飾性を同時に付与することは困難であった。
例えば特許文献1にはAl−Si−Mg系の押出加工材中のFe及びCu含有量を所定割合にしてエッチング処理を施し、結晶模様を有するアルミニウム押出加工材の製法が提案されている。
この方法で得られる加工材は組成が限定されている上にエッチング処理のみの後に陽極酸化処理を施してもきれいな金属光沢と装飾性の高い結晶模様を生じさせることが困難である。
特開平6-336682号公報
本発明は従来技術では装飾性に不足のあったアルミニウム及びアルミニウム合金材に金属光沢と結晶模様を有する表面を形成することを目的とする。
本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の前処理として結晶析出、研磨の二種類の工程を任意の順序で組み合わせ、必要に応じてこれにエッチング工程を追加した三種類の工程を任意の順序で組み合わせ、これを1又は2回以上繰り返した後に、陽極酸化処理行うことを特徴とする金属光沢と結晶模様を有する表面を持つアルミニウムまたはアルミニウム合金の製造方法である。
本発明で用いられるアルミニウムまたはアルミニウム合金は展伸材、鋳造材、鍛造材のいずれもが用いられるが、圧延板、丸棒、押出し加工材等の展伸材であって予め結晶粒のマクロ化を施してあるものが好ましい。この結晶粒のマクロ化には熱処理によって再結晶化、溶体化焼入れ後に時効処理して行う方法や数%程度の塑性加工を施すことによって結晶成長を促す方法などがある。
一方、出発材料としてアルミニウムまたはアルミニウム合金素材を曲げ、絞り、プレス加工などによって成形した、結晶粒のマクロ化を施してない各種の製品又は製品の一部分に該素材を用いた既存製品を用いても良い。
この場合は既存製品をその素材の再結晶化温度以上で製品の形状が著しく変形しない範囲の溶融温度以下の温度で10分以上熱処理して結晶粒のマクロ化を施してから本発明の3種類の前処理を施す事が好ましい。通常の熱処理温度は300〜630℃の範囲で、保持時間は30分〜72時間が実用的である。熱処理後の製品は再結晶化温度以下となるまでは望む大きさの結晶粒が成長するように管理された冷却速度例えば30〜150℃/60分で除冷するか、又は水冷もしくは油冷による急冷、或いは風冷もしくは放置による自然冷却により常温まで冷却することが好ましい。
この様に用いられる製品としては、事務関係としての文房具、プロジェクター、DVD,パソコン、スキャナー、プリンター、マウス、ペーパーナイフ、建築関係としての壁、天井、ふすま、取手、当て板、机、椅子、照明器具の笠、台、反射用内装品等、外装品としての門扉、門柱、垣根、照明器具、反射用品、棚、車両関係として、自動車の内装部品、オートバイ部品、自転車部品、車椅子部品、モバイル製品としてのデジカメ、携帯電話、MD、CD機器、ビデオカメラ、ヘッドホン、ラジオ等、一般家電製品のコンポ、ミニコンポ、冷蔵庫、クーラー、加湿器、固定電話、時計関係製品としての文字盤、外観、針、化粧品関係としてのコンパクト、口紅等の容器、キャップ、一般用品として食器、皿、ボール、コースター、スプーン、ホーク、ナイフ、ビールコップ、猪口等の台所用品、壷、花瓶、鞄、名刺ケース、アクセサリーとしてペンダント、ネックレス、ブレスレット、ベルト、イヤリング、指輪などの本体および付属機器または筐体等に成型された製品の1部または全部である製品が対象となる。これらの製品は必ずしも全部がアルミニウム系素材で構成されていなくても良い。
結晶析出の方法としてはフッ化水素酸塩酸および硝酸の含有液が用いられる
結晶析出処理で使用する水溶液中の含有化合物濃度は化合物の合計で0.03〜30モル/L、特に酸混合物を用いるときには6〜15モル/Lの濃度が好ましい。処理は浴温を10〜60℃とし、5秒〜20分間、材料を1回又は2回以上浸漬することで行われる。
本発明で行われる研磨には、電解研磨法又は化学研磨法のいずれもが用いられる。電解研磨のときは浴組成をリン酸系、リン酸硫酸系、リン酸硫酸クロム酸系の酸性側とし、化学研磨のときは浴組成をリン酸系、リン酸硫酸系、リン酸硝酸系の酸性側、またはか性ソーダ系、リン酸ソーダ系のアルカリ性側で行う。
電解研磨の際の条件としては、液濃度が1つ又は2以上の化合物の合計量で10〜18モル/L、浴温70〜95℃、電流密度は10±5A/デシ平方メートルが好ましい。
また、化学研磨のときは液濃度が10〜18モル/L、浴温60〜98℃、時間を30秒〜5分で1回または2回以上浸漬することによって行う。この浴組成としてはリン酸+硝酸溶液が特に好ましい。
また研磨工程では研磨液に光沢添加剤としてグリセリンまたは寒天あるいはその両者を加えても良い。その添加量はグリセリンで0.1〜1.0モル/L、寒天では3〜30g/L程度が好ましい。
本発明のエッチングは、か性ソーダ、か性カリを用いるアルカリ性側、または酸性フッ化アンモニウム、硫酸、硝酸、燐酸を1つ又は2以上含有する酸性側で行うことが出来る。
エッチング処理の際の条件としては、液濃度0.5〜6モル/Lの溶液中、40〜80℃、時間は10〜120秒間行うことが好ましい。
本発明の陽極酸化処理は、芳香族もしくは脂肪族の、1個以上のカルボキシル基又はスルフォン基を有する有機酸、あるいはこれら有機酸と硫酸もしくはリン酸または両者との混酸を含み、含有化合物合計が0.5〜10モル/Lの濃度の電解液中で電流密度0.8〜4A/デシ平方メートル以上、電圧10〜80Vで行うことが好ましい。有機酸としては特にシュウ酸が好ましく、この場合電解水溶液中の酸は0.2〜0.7モル/Lが好ましい。
この様に調整された電解液中での陽極酸化処理は、浴温を−5〜25℃で行うのが特に好ましい。エッチング処理のみで生じた結晶模様は通常陽極酸化処理を施すことによって鮮明さが失われてくるが、本発明による処理を施した素材では陽極酸化処理をしても低温処理であるが故により深みのある色調のものとなり、鮮明さが失われることはない。
本発明において、結晶析出、研磨の二工程又はこれにエッチングを加えた三工程をアルミニウム材料に適用する順序としてはいずれの組み合わせでも良いが、例えばアルカリ性下での結晶析出、アルカリ性下での化学研磨及びアルカリ性下でのエッチング処理組み合わせがある。本発明ではこの様な各種の二種類又は三種類の工程の任意の組み合わせをアルミニウム材料に対し少なくとも1回施してから陽極酸化処理を行う。
本発明で得られたアルミニウム材料は更に装飾性を高めるために陽極酸化を行った後に電解着色または染色処理を施すことは自由に出来る。
本発明で得られたアルミニウムまたはアルミニウム合金は、それらが板状であるときには曲げ加工、絞り加工またはプレス加工などにより携帯電話機、ウォークマン、その他各種電気部品の筐体等に成形して装飾性、審美性の高い製品として利用される。
既に製品形状に加工された素材を用いたときには必要に応じて着色、染色処理をしてそのまま金属光沢を有する装飾性の高い製品として利用される。
本発明の方法で得られたアルミニウムまたはその合金材料は表面に大きな且つ鮮やかな金属光沢と結晶模様を有しており見る角度で光の反射程度が変化し、極めて装飾性に富んだ審美性に優れた材料または製品を得ることが出来る。
次に実施例をもって本発明を具体的に説明する。実施例中の%は別の記載がない限り重量%を示す。
予め結晶マクロ化を施している純アルミニウムであるJIS−A1050材料である2枚の板状サンプルを、脱脂後先ずエッチング処理として20±2%濃度(0.5モル/L)のか性ソーダ溶液に73℃で20秒浸漬し、脱スマットを行った。次にリン酸(85%)95V/V%(13.9モル/L)、硫酸(98%)3V/V%(0.44モル/L)及び硝酸(67.5%)1.5V/V%(0.22モル/L)からなり、酸の合計濃度が14.56モル/Lの化学研磨液に95℃で30秒浸漬して化学研磨した。結晶析出工程として硝酸(67.5%)150ml/L(2.3モル/L)と塩酸(35%)400ml/L(4.5モル/L)、フッ化水素酸(55%)30ml/L(0.83モル/L)の混合液(酸の合計濃度が7.63モル/Lの結晶析出液)に25±2℃で25秒浸漬した。更にこれを前記の化学研磨液に10秒浸漬して化学研磨した。
この様に三種類の前処理を施したアルミニウムの板状サンプルを硫酸13V/V%(2.4モル/L)およびシュウ酸1%(0.08モル/L)を含む陽極酸化電解液(酸の合計濃度が2.48モル/L)を用いて浴温20℃、電流密度0.9A/デシ平方メートル、電圧13.5Vで10分陽極酸化した。
2枚のサンプルのうち1枚については光沢測定用として水洗後に公知のニッケル系の封孔処理を95℃、20分行った。このものの光沢は光沢度計を用いて入反射角85°で計測したところ最大光沢度が76%であった。このサンプル表面にはアルミニウムの大きな結晶面が複雑に入り組んで存在するのでサンプルを一定の位置において決められた入反射角で光沢度を測定した場合、結晶表面(測定表面)毎に異なる光沢を示すが、サンプル角度を変えると別の結晶表面が最大光沢を示す事になり、このサンプルが自然光に曝された場合きらきらした、優れた装飾性を発揮することになる。
もう一枚のサンプルについては表面染色のために染料食用黄色4号(保土ヶ谷化学株式会社製)を5g/Lの濃度で加えた液に液温50℃で10分浸漬し、水洗後公知のニッケル系の封孔処理を95℃、20分行った。この板状サンプルの表面写真を図1に示す。
(比較例)
比較のためにエッチング処理のみの前処理を行い、実施例1と同様の陽極酸化処理及び封孔処理を施したサンプルを作成した。この比較サンプルの最大光沢度は52%で本発明のものに比べて著しく劣っていた。また陽極酸化処理後に染色及び封孔処理を施したサンプルの表面写真を図2に示す。このものは結晶の大きさが小さく、本発明のサンプルとは装飾性に明白な差があった。
予め結晶マクロ化を施してあるアルミニウム―マグネシウム系合金であるJIS−A5052材からなる板状サンプルを、実施例1と同一条件にて脱脂、エッチング、化学研磨、結晶析出、化学研磨の処理を行った。
この様に3種類の前処理を行ったアルミニウム材料を、実施例1と同一の陽極酸化電解液を用いて浴温20℃、電流密度0.9A/デシ平方メートル、電圧13Vで20分陽極酸化した。これを水洗後公知のニッケル系の封孔処理を95℃で20分行い、光沢度計(85°入反射角)で計測した最大光沢度は70%であった。比較のためにエッチング処理のみの前処理を行い、同様の陽極酸化処理を施した比較製品の最大光沢度は48%で本発明の製品に比べて著しく劣っていた。
予め結晶のマクロ化を施していない、JIS−A1050材の食器皿を550℃で24時間加熱保持し、その後100℃/60分の冷却スピードにて200℃まで徐冷し、その後自然放置にて常温にした。この製品を実施例1と同一条件にて脱脂、エッチング、化学研磨、結晶析出処理を行い、更にこれを前記の化学研磨液にて15秒化学研磨を行った。水洗後実施例1と同一の陽極酸化電解液を用いて浴温19℃、電流密度1.0A/デシ平方メートル、電圧14Vで20分陽極酸化した。ついで食用黄色4号を5g/L含む液に、液温50℃にて10分浸漬し、水洗後蒸気封孔(圧力0.4±0.01MPa、15分)を行った。最大光沢度70%の光沢のある結晶模様の食器皿ができた。
実施例3で用いたものと同じ予め結晶のマクロ化を施していない食器皿を550℃で5時間加熱保持し、これを約30℃の油に300秒浸漬して約50℃まで急冷し、その後湯洗、脱脂して次の工程を行った。この製品を実施例1と同一条件にて脱脂、エッチング、化学研磨、結晶析出処理を行い、更にこれを前記の化学研磨液にて15秒化学研磨を行った。これを実施例1と同じ条件で陽極酸化し、実施例3と同じ染色及び蒸気封孔を行った。この食器皿の最大光沢度は73%であった。
予め結晶マクロ化を施してある純アルミニウムのJIS−A1050材料2枚の板状サンプルを、脱脂後リン酸13.9モル/L、硫酸(98%)0.44モル/L及び硝酸(67.5%)0.22モル/Lからなり、酸の合計濃度が14.56モル/Lの液に95℃で30秒浸漬して化学研磨した。結晶析出工程として硝酸(67.5%)2.3モル/Lと塩酸(35%)4.5モル/Lの混合液(酸の合計濃度が6.8モル/Lの結晶析出液)に25±2℃で25秒浸漬した。更にこれを前記の化学研磨液に10秒浸漬して化学研磨した。
この様に二種類の前処理を施したアルミニウムの板状サンプルを硫酸13V/V%(2.4モル/L)およびシュウ酸1%(0.08モル/L)を含む陽極酸化電解液(酸の合計濃度が2.48モル/L)を用いて浴温20℃、電流密度0.9A/デシ平方メートル、電圧13.5Vで10分陽極酸化した。
このサンプルのうち1枚については光沢測定用として水洗後に公知のニッケル系の封孔処理を95℃、20分行った。このサンプルの表面にはアルミニウムの大きな結晶面が複雑に入り組んで存在し、最大光沢度は87%であった。本発明においてエッチング工程を付加しない場合には金属光沢度がより大きくなり、優れた装飾性を発揮する。
実施例5と同様にして、但し、結晶析出工程として硝酸(67.5%)2.3モル/Lと塩化ナトリウム2.0モル/Lの混合液(含有化合物の合計濃度が4.3モル/Lの結晶析出液)に25±2℃で25秒浸漬した。更にこれを前記の化学研磨液に10秒浸漬して化学研磨した。これを実施例5と同様に陽極酸化処理をした。この時の最大光沢度は89%であった。
本発明の実施例1で得られた材料の表面写真を示す。 実施例1に対する比較材料の表面写真を示す。

Claims (2)

  1. JIS−A1050またはJIS−A5052として規定されるアルミニウムまたはアルミニウム合金の前処理として、か性ソーダもしくはか性カリを用いるアルカリ性側の液中成分濃度0.5〜6モル/Lのエッチング溶液中、温度40〜80℃、時間10〜120秒間エッチング工程を行ない、次いで、硝酸、塩酸およびフッ化水素酸を含む混合液に25±2℃で25秒浸漬する結晶析出工程と研磨工程を任意の順序で組み合わせ、これを1回または2回以上繰り返し処理をした後に、陽極酸化処理を行うことを特徴とする、金属光沢と装飾性のある結晶模様を有する表面を持つアルミニウムまたはアルミニウム合金の製造方法。
  2. 結晶析出工程の混合液中の含有化合物濃度は化合物の合計で0.03〜30モル/Lとし、浴温10〜60℃、時間は5秒〜20分で、1又は2回以上浸漬することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
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