JP5127784B2 - 複合粗面化鋼板およびその製造法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板表面にダルロール圧延とエッチングよる複合的な凹凸を形成した複合粗面化鋼板、およびその製造法に関する。

一般に鋼板素材の表面には、防錆や塗膜密着性の観点からめっきを施すことが多いが、用途によってはめっき層を介さずに直接鋼板素地の上に塗料や接着剤を塗布する必要が生じることがある。

近年では接着剤の性能向上もあり、各種構造物を製作する際に、接着剤により鋼板同士あるいは鋼板と異種材料を接合する工法が多用されるようになってきた。このような接着工法には、溶接歪みがない、シール性が向上する、軽量化が図れる、作業性が向上するなどの利点があり、例えば、工業用計算機や各種制御盤等の重要機器を収容する筐体、鉄道車両用ドア、屋根・エクステリア等の建材、エレベーター用壁パネル、ダクト、システムキッチンなど、広範な用途に利用されている。また、３次元データをもとに鋼板を所定形状に打ち抜き、積層、接着して「積層部品」や「積層金型」が製作されている。

鋼板と異種材料を接着する用途として、例えば自動車のオートマチック・トランスミッションの構成部品であるフリクションプレートが挙げられる。これはコア材（鋼板）の表面に摩擦材（例えば、繊維基材に充填材や樹脂結合材などを含浸させて加熱硬化させた複合体）を貼り付けたものであり、トランスミッション内の湿式クラッチ板を構成するものである。また、免震構造の建築物を支える積層ゴムアイソレーターが挙げられる。これは、天然ゴムと鋼板を積層、接着したものであり、建築物と地面の間に介在して免震機構を担う。

鋼板素地は一般に有機高分子樹脂等の塗膜や接着剤との密着性があまり良好ではない。このため、鋼板素地に直接塗料や接着剤を塗布した場合、曲げ加工や絞り加工で塗膜が剥離したり、接着剤を介して接合された材料が外部応力によって剥離したりする問題が生じやすい。そこで、前処理として、鋼板表面の粗面化が行われることがある。その代表的手段として、ブラスト処理およびダルロール圧延が挙げられる。

ブラスト処理は、シュートやグリッドなどの研磨粒子を高圧の空気で送り出して粗面化すべき鋼板の表面に衝突させ、その衝突によって鋼板表面を削り取って凹凸形状にする粗面化手段である。しかし、削り取られた鋼粉の処理により連続生産性が低下し、また特に薄ゲージ鋼板の場合は板が反り返る等の形状不良が生じやすい。さらに研磨粒子の種類や空気圧等の条件によって表面粗さが変動しやすいという欠点もある。

ダルロール圧延は、圧延ロール表面に形成した凹凸形状を鋼板表面に転写する粗面化手段であり、表面粗さの制御はある程度可能である。しかし、有機高分子樹脂皮膜との密着性を大幅に向上させるような粗面化は困難である。

一方、ステンレス鋼を対象とした粗面化技術として、電解粗面化方法が開発されている。例えば、下記特許文献１には、硝酸または硝酸を主成分とする水溶液中でステンレス鋼の陽極電解または陽極電解＋陰極電解を行う粗面化方法が開示されている。また特許文献２には、塩化第二鉄水溶液中でステンレス鋼板を交番電解することによりアンカー効果の高い特異な形状のピットを高密度に形成する方法が開示されている。これらはいずれも、ステンレス鋼が不動態皮膜を形成し易いという性質を利用したものである。すなわち、ステンレス鋼は本来、腐食形態が孔食状になりやすいため、この性質を巧みに利用すればアンカー効果の高い粗面化表面が比較的容易に作れる。

これに対し、ステンレス鋼ではない普通鋼や特殊鋼を電解やエッチングによって粗面化することは必ずしも容易でない。これらの鋼種はＣｒ含有量が低く、孔食よりも全面溶解の傾向が強いため、本来的にピットを高密度に形成させることが難しい。このため、電解やエッチングで工業的にアンカー効果の高い粗面化鋼板を製造するには多大なコストを要する。

特開平６−１３６６００号公報 特開平１０−２５９４９９号公報 特開平４−２８０９５３号公報

本発明は、ステンレス鋼ではない普通鋼や特殊鋼の鋼板において、接着剤や塗料との密着性に優れた粗面化鋼板であって、一般的な鋼板製造設備を利用して低コストで生産性よく製造できる粗面化鋼板を提供することを目的とする。

発明者らは種々研究を重ねた結果、ダルロール圧延とエッチングを組み合わせることによって、普通鋼においても、接着剤等の有機高分子樹脂皮膜との密着性が非常に良好な粗面化表面が形成できることを見出した。前述のように、ダルロール圧延だけでは有機高分子樹脂皮膜に対するアンカー効果は十分に得られない。他方、酸や塩に浸漬するエッチングでは普通鋼の表面に深いピットを高密度に形成するのが難しいため、高いアンカー効果を有する粗面化を工業的に低コストで実現することは困難である。ところが、ダルロール圧延とエッチングを適正な条件下で組み合わせると、ダルロールによる大きな凹凸の上にエッチングによる小さな凹凸を重ねて形成することができ、この新しい形態の粗面化表面が有機高分子樹脂皮膜に対して優れたアンカー効果を示すことが明らかになった。しかも、そのエッチング工程は、一般的な酸洗ラインを用いて容易に実施できる。本発明はこれらの知見に基づいて完成したものである。

すなわち、上記目的は、鋼板表面に、ダルロール圧延による第１の凹凸と、その凹凸の上にエッチング（例えば塩酸水溶液に浸漬するエッチング）によるピッチの小さい第２の凹凸を形成した複合粗面化鋼板によって達成される。
本明細書では、このような大きい凹凸（第１の凹凸）と小さい凹凸（第２の凹凸）が重畳してなる特異な粗面化表面を持つ鋼板を「複合粗面化鋼板」と呼んでいる。圧延方向と平行方向にＪＩＳ Ｂ０６０１に定義される粗さ曲線を測定すると、そのプロフィールから第１の凹凸と第２の凹凸が重畳した特徴的な粗面化形態を把握することができる。

鋼板の組成として、以下のものが対象となる。
i）質量％で、Ｃ：０.３２〜０.３８％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６０〜０.９０％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
ii）質量％で、Ｃ：０.５２〜０.５８％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６０〜０.９０％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
iii）質量％で、Ｃ：０.１７〜０.２０％、Ｓｉ：０.０４％以下、Ｍｎ：０.６０〜０.９０％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０２５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。
iv）質量％で、Ｃ：０.１０〜０.１５％、Ｓｉ：０.０４％以下、Ｍｎ：０.３０〜０.５０％、Ｐ：０.０２５％以下、Ｓ：０.０２５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。

この複合粗面化鋼板は、圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａが０.６〜１.５μｍ、かつ最大高さＲｙが５.０〜１５.０μｍである。ここで、ＲａおよびＲｙはＪＩＳ Ｂ０６０１に規定されるものである。
これらの複合粗面化鋼板は、特に、表面に有機高分子樹脂系接着剤を塗布して使用される用途に適する。

上記の複合粗面化鋼板の製造法として、本発明では鋼板にダルロール圧延を施して圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａが０.４μｍ以上の第１の凹凸を形成した後、塩酸水溶液に浸漬して前記第１の凹凸の上にピッチの小さい第２の凹凸を形成する複合粗面化鋼板の製造法が提供される。
さらに、上記組成の鋼板にダルロール圧延を施して圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａが０.６〜１.５μｍの第１の凹凸を形成した後、塩酸濃度５０〜１５０ｇ／Ｌ（リットル）、温度６０〜９５℃の範囲の塩酸水溶液に合計浸漬時間が２５〜６００秒となるように１回または複数回浸漬して前記第１の凹凸の上にピッチの小さい第２の凹凸を形成する複合粗面化鋼板の製造法が提供される。

本発明では電解粗面化が難しい普通鋼や特殊鋼において、２種類の凹凸が複合した特異な粗面化表面の形成を可能にした。この複合粗面化鋼板は特に有機高分子樹脂皮膜との密着性が従来のダルロール仕上材などに比べ顕著に向上した。しかも、その製造は、一般的な鋼板製造ラインを利用して比較的簡単に実施することができる。したがって、本発明は、鋼板表面への各種樹脂コーティングの適用性を高め、特に接着接合の用途においては接合力の向上をもたらすものである。

（ａ）は本発明に係る複合粗面化鋼板の表面を圧延方向に測定した粗さ曲線を示したもの、（ｂ）はその途中工程であるダルロール圧延後の鋼板表面を圧延方向に測定した粗さ曲線を示したものである。

図１（ａ）に、本発明に係る複合粗面化鋼板の表面を圧延方向に測定した粗さ曲線の一例を示す。この鋼板は、質量％で、Ｃ：０.１１％、Ｓｉ：０.０１％、Ｍｎ：０.３１％、Ｐ：０.０１８％、Ｓ：０.００８％を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼の冷延焼鈍鋼板（板厚１.０ｍｍ）を用いて、これに１０％のダルロール圧延を施した後、濃度１００ｇ／Ｌ、温度９０℃の塩酸水溶液に６０秒浸漬してエッチングしたものである。図１（ｂ）は、（ａ）の鋼板を製造する途中の段階であるダルロール圧延を終了した時点（エッチング前）の表面を圧延方向に測定した粗さ曲線である。

図１（ａ）の複合粗面化鋼板には、図１（ｂ）に示されるダルロール圧延による凹凸（第１の凹凸）の上にピッチの小さい凹凸（第２の凹凸）が形成されている様子がわかる。すなわち、ダルロール圧延で形成した凹凸の「うねり」を残したまま、エッチングによる細かい「ギザギザ」が付加されている。このような複合的な凹凸をもつ粗面化面は、ダルロール圧延ままの表面、あるいは、単なる酸洗表面に比べ、有機高分子樹脂皮膜の密着性を著しく向上させることができるのである。その密着性向上のメカニズムについては未だ推測の域を出ないが、おそらく第２の細かい凹凸によって樹脂との接触面積が増えることにより基本的な接着力が向上し、かつ、第１の大きな凹凸によって樹脂皮膜に付与された外力を受け止める能力が向上することで、結果的に高いアンカー効果が発揮されるものと考えられる。

本発明では、前記i）〜iv）のいずれかの組成を有する鋼種を対象とする。この範囲には種々の普通鋼や特殊鋼が含まれるが、これらはステンレス鋼のように強固な不動態皮膜を形成しないため、本質的に電解またはエッチングによる粗面化が困難なものである。

ダルロール圧延は、第１の凹凸を形成するために必須の工程である。本発明では、通常のダル仕上材を製造する工程がそのまま利用できる。鋼板の片面だけを粗面化する場合は、その面だけにダルロールを使用すればよい。最終的に有機高分子樹脂皮膜との高い密着性を実現するには、圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａが０.４μｍ以上となるようにダルロール圧延を施しておくことが望ましい。ただし、ダルロール圧延であまり大きな凹凸を形成するのは技術的困難を伴うので、Ｒａの上限は概ね２.０μｍ程度とするのがよい。樹脂皮膜との密着性および製造性を考慮すると、ダルロール圧延でＲａが０.６〜１.５μｍの凹凸を形成することが効率的である。

上記のようなＲａ値を呈する第１の凹凸が形成される限り、ダルロール圧延の圧延率は特に制限されるものではない。板厚やダルロール圧延前の加工度によっても異なるが、例えば、板厚０.８〜３.０ｍｍ程度の冷延焼鈍鋼板に対してダルロール圧延を施す場合、概ね８〜６０％の圧延率とするのがよい。

ダルロール圧延で第１の凹凸を形成した後、エッチングで第２の凹凸を形成する。その際、第１の凹凸の「うねり」を残したまま、その「うねり」に重畳するようにピッチの小さい第２の凹凸を形成する必要がある。
発明者らの検討によれば、そのような第２の凹凸は「塩酸」の水溶液に浸漬するエッチングにて形成できることがわかった。「硫酸」の水溶液では無理であった。

例えば、塩酸濃度５０〜１５０ｇ／Ｌ、温度６０〜９５℃の塩酸水溶液が使用できる。浸漬時間は２５〜３００秒の範囲で調整すればよい。また、浸漬回数は１回でもよいが、複数回に分けて浸漬してもよいことが確認された。その場合、合計浸漬時間を２５〜３００秒の範囲で調整する。この塩酸によるエッチングは、鉄鋼メーカーの連続酸洗ラインを利用できるという利点がある。

種々実験の結果、Ｒａ値はダルロール圧延後の段階と、エッチング後とであまり変化しない傾向が見られた。最終的な複合粗面化鋼板において、圧延方向に測定したＲａは０.４〜２.０μｍとなっていることが望ましい。また、圧延方向に測定したＲａが０.６〜１.５μｍ、かつＲｙが５.０〜１５.０μｍであるものは、有機高分子樹脂皮膜、特に接着剤との密着性および製造コストのバランスに優れるものである。

質量％で、Ｃ：０.１８％、Ｓｉ：０.０１％、Ｍｎ：０.６３％、Ｐ：０.０１８％、Ｓ：０.００３％を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼の冷延焼鈍鋼帯（板厚０.９ｍｍ）を用いて、これに約１０％のダルロール圧延を施した。この鋼帯を脱脂した後、ダルロール圧延仕上の比較材鋼板を切り出し、これを鋼板Ａとした。鋼帯の残りの部分は２分割して、２本の鋼帯を用意した。鋼板Ａおよび上記２本の鋼帯からそれぞれサンプルを切り出して表面粗さを測定したところ、ダルロール圧延後のＲａはいずれも１.２μｍであった。
上記２本の鋼帯を４槽からなる連続酸洗ラインに通板して塩酸浸漬によるエッチングを行った。各々通板速度を変えることで合計浸漬時間を変え、本発明例の複合粗面化鋼板である鋼板Ｂおよび鋼板Ｃを得た。
表１に、エッチング条件および鋼板Ａ〜Ｃの表面粗さ（圧延方向に測定したＲａ、Ｒｙ）を示す。

鋼板Ａ〜Ｃから複数のサンプルを切り出し、それぞれ粗面化表面の上に有機高分子樹脂系接着剤（田岡化学工業（株）製「テクノダインＡＨ」）を平均厚さが１０μｍとなるようにほぼ均一に塗布し、以下の２通りの条件で焼付硬化処理を行った。
〔焼付条件１〕 ８０℃×６０分
〔焼付条件２〕 １００℃×６５分
ここで、温度は雰囲気（大気）の温度を意味する。

焼付硬化処理後の一部のサンプルは沸騰水中に１時間浸漬した。
各サンプルから曲げ試験片を切り出し、３.５Ｒ−９０°Ｖ曲げ試験を行ったのち、曲げ加工部について「セロハンテープ剥離試験」を実施して接着剤の密着性を評価した。
セロハンテープ剥離試験は、ＪＩＳ Ｚ１５２２で定めるセロハン粘着テープを曲げ加工部の外周部に貼付した後、剥ぎ取って、接着剤皮膜の剥離状況を観察し、以下の基準で密着性を評価した。各サンプルともｎ＝３で試験を行い、最も評価の悪い試験片の結果を採用し、◎および○を合格と判定した。
〔密着性評価基準〕
◎：剥離は認められない
○：点状の剥離が認められる
△：線状に連なった剥離が認められる
×：全面剥離またはそれに近い著しい剥離が認められる
結果を表２に示す。

表２から判るように、ダルロール仕上材である鋼板Ａは、加工部において接着剤との十分な密着性は得られなかった。これに対し、本発明例の複合粗面化鋼板である鋼板Ｂ、Ｃは、加工部においても各試験条件で接着剤との良好な密着性が維持された。Ａ〜Ｃの鋼板は中心線平均粗さに差がないにもかかわらず、樹脂皮膜との密着性に大きな差が生じた。これは、本発明の複合粗面化鋼板における特異な表面凹凸の形態が、アンカー効果の増大に寄与したものと考えられる。

Claims (8)

1. 質量％で、Ｃ：０.３２〜０.３８％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６０〜０.９０％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成を有する鋼板の表面に、ダルロール圧延による第１の凹凸と、その凹凸の上にエッチングによるピッチの小さい第２の凹凸を形成して、圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａを０.６〜１.５μｍ、最大高さＲｙを５.０〜１５.０μｍとした複合粗面化鋼板。
2. 質量％で、Ｃ：０.５２〜０.５８％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６０〜０.９０％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成を有する鋼板の表面に、ダルロール圧延による第１の凹凸と、その凹凸の上にエッチングによるピッチの小さい第２の凹凸を形成して、圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａを０.６〜１.５μｍ、最大高さＲｙを５.０〜１５.０μｍとした複合粗面化鋼板。
3. 質量％で、Ｃ：０.１７〜０.２０％、Ｓｉ：０.０４％以下、Ｍｎ：０.６０〜０.９０％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０２５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成を有する鋼板の表面に、ダルロール圧延による第１の凹凸と、その凹凸の上にエッチングによるピッチの小さい第２の凹凸を形成して、圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａを０.６〜１.５μｍ、最大高さＲｙを５.０〜１５.０μｍとした複合粗面化鋼板。
4. 質量％で、Ｃ：０.１０〜０.１５％、Ｓｉ：０.０４％以下、Ｍｎ：０.３０〜０.５０％、Ｐ：０.０２５％以下、Ｓ：０.０２５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成を有する鋼板の表面に、ダルロール圧延による第１の凹凸と、その凹凸の上にエッチングによるピッチの小さい第２の凹凸を形成して、圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａを０.６〜１.５μｍ、最大高さＲｙを５.０〜１５.０μｍとした複合粗面化鋼板。
5. 第２の凹凸は塩酸浸漬によるエッチングで形成されるものである請求項１〜４のいずれかに記載の複合粗面化鋼板。
6. 表面に有機高分子樹脂系接着剤を塗布して使用される請求項１〜５のいずれかに記載の複合粗面化鋼板。
7. 鋼板にダルロール圧延を施して圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａが０.４μｍ以上の第１の凹凸を形成した後、塩酸水溶液に浸漬して前記第１の凹凸の上にピッチの小さい第２の凹凸を形成する請求項１〜６のいずれかに記載の複合粗面化鋼板の製造法。
8. 鋼板にダルロール圧延を施して圧延方向に測定した中心線平均粗さＲａが０.６〜１.５μｍの第１の凹凸を形成した後、塩酸濃度５０〜１５０ｇ／Ｌ、温度６０〜９５℃の範囲の塩酸水溶液に合計浸漬時間が２５〜６００秒となるように１回または複数回浸漬して前記第１の凹凸の上にピッチの小さい第２の凹凸を形成する請求項１〜６のいずれかに記載の複合粗面化鋼板の製造法。

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