JP5201806B2 - 耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜付き鋼材 - Google Patents
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特許文献1では、硫酸クロム及び/又は硫酸銅を含む有機樹脂塗料で表面を被覆することにより、溶出した鉄イオンをα−FeOOHに変換させ、耐候性を向上させる表面処理鋼材が開示されている。しかし、特許文献1では、硫酸イオンがβ-FeOOHを安定化させることから、形成されたさびの保護性や安定性が不明確である他、処理内容が複雑であり、且つ処理コストが高い問題があった。
(1).鋼材の表面が主にFeOOHからなる皮膜で覆われており、最表面から深さ方向に100μmまでの領域において、赤外分光法でα-FeOOHに対応する920cm−1付近の吸収ピーク強度をA、β-FeOOHに対応する840cm−1付近の吸収ピーク強度をB、γ−FeOOHに対応する740cm−1付近の吸収ピーク強度をCとした場合、「{A/(A+B+C)}×100%」で定義するα-FeOOH比率が10%以上である層を有し、前記鋼材はCu,Ni,Cr,Moの1種以上を合計で1.7〜3.0wt%を含有することを特徴とする耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜付き鋼材。
(3).Cu,Ni,Cr,Moの1種以上を合計で1.7〜3.0wt%を含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜付き鋼材。
(6).鋼材をAlイオン及びPO4イオンを含む30℃の水溶液に180秒以上接触させることにより、鋼材の表面をAl,P,O及びHからなる厚さ1〜5μmの皮膜で覆うことを特徴とする(4)に記載の耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜付き鋼材の製造方法。
本発明者らは、鋼材の腐食挙動や腐食疲労メカニズム、化成処理法について鋭意研究を重ねた結果、従来技術にはない耐食性と耐腐食疲労性に極れた鋼材およびその製造方法を発明するに至った。以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る皮膜は、Al,P,O及びHからなる厚さ1〜5μmのアモルファス構造を有する膜で裏面を覆った鋼材に、塩水噴霧処理を雰囲気温度30〜40℃、塩水濃度3〜5wt%NaCl、噴霧量50〜200mL/min/mm2、噴霧時間5〜30分の各範囲の条件で行った後、温度25〜35℃、相対湿度30〜95%の雰囲気に10〜24時間保持するサイクルを、1〜10回繰り返すことにより得ることができる。
Alは、Al−P−O−H系膜がアモルファス構造をとるために必要であると考えられる。この膜がアモルファス構造であることは、極微細粒の凝集体の形態を有しているα−FeOOHの核形成の土壌となり、α−FeOOHの形成を促進するものと考えられる。
Al−P−O−H系膜は、鋼材をAlイオン及びPO4イオンを含む40〜50℃の水溶液に30秒以上、または30℃の同水溶液に180秒以上接触させるか、室温の同水溶液と接触させた後、300℃以下で加熱することにより作製することができる。
本処理液中では、アルミニウムの第一りん酸塩(Al(H2PO4)3)とH3PO4、AlPO4は下記式(1)のような平衡状態にある。鋼材を処理液に接触させると、下記式(2)に示すようにH3PO4はFeに作用して、その表面付近の溶液((1)式)ではH3PO4濃度が減少する。このため、平衡式(1)は右へ反応が進み、難溶性のAlPO4が鋼材表面に沈着し、Al−P−O系皮膜を形成すると考えられる。
A1(H2P04)3(可溶)⇔2H3PO4(液体)+AlPO4(難溶)…(1)
Fe+2H3PO4→Fe(H2PO4)2+H2↑ …(2)
即ち、Al−P−O系皮膜の形成は、H3PO4の鋼材腐食作用が契機となり、Al(H2PO4)3の分解による難溶AlPO4の生成沈着作用に基づくと考えられる。従って、このような皮膜形成の促進には、(2)式の反応速度を増加させるため、水溶液の温度を高くした方が良い。
塩水噴霧処理は、Al−P−O−H系膜で表面を覆った鋼材にCl,O,Hを付与し、鋼材の溶出を促すために行うものである.処理条件としては、温度30〜40℃、塩水濃度3〜5wt%NaC1、噴霧量50〜200mmL/min/mm2、処理時間5〜30分の各範囲が望ましい。温度は、30℃未満では溶出速度が小さいため、40℃を超えても溶出速度は大きく変わらず、逆に温度管理や温度維持にコストが高いため、ともに好ましくない。塩水濃度は、3wt%未満ではCl,O,Hの供給量が少なく溶出速度が小さいため、また5wt%を超えた場合は溶出速度はほとんど増加しないため、ともに好ましくない。噴霧量は、50mL/min/mm2未満ではCl,O,Hの供給量が少なく溶出速度が小さいため、また200mL/min/mm2を超えた場合は溶出速度はほとんど増加せず逆に噴霧液のコストが増加するため、ともに好ましくない。処理時間は、5分未満ではCl,O,Hの供給量が少なく溶出速度が小さいため、また30分を越えた場合は溶出速度はほとんど増加せず、逆に噴霧液のコストが増加するため、ともに好ましくない。
以下に実施例を示すが、本発明は特に本実施例に限定されるものではない。
直径φ4mm、長さ20〜80mmのばね用鋼材(鋼種1:0.4C−1.4Si−0.8Mn−0.7Cr−Fe、鋼種2:0.4C−1.8Si−0.2Mn−1.0Cr−0.5Ni−0.08Ti−0.18V−Fe、鋼種3:0.4C−2.5Si−0.7Mn−0.8Cr−1.8Ni−0.2V−0.4Mo−Fe(wt%))に対し、下記表1〜表6に示す条件でAl−P−O−H系皮膜を形成後、同表1〜6記載の条件で塩水噴霧等の処理を行なったものを供試材とし、耐食性評価および腐食疲労耐久性評価を行った。また、供試材については、Al−P−O−H系膜の厚さと、α−FeOOH比率及びα−FeOOH比率が10%以上である膜の厚さを評価した。ここでは、5wt%−AlPO4水溶液を用いてAl−P−O−H系膜を形成した。また、形成されたAl−P−O−H系皮膜は、X線回折の結果、アモルファス構造であった。
しかし、サイクル数が0回である比較例20では、Al−P−O−H糸膜の厚さが3μm、最表面から深さ方向に100μmまでの領域にα-FeOOH比率が10%以上の層が存在せず、耐食性と耐腐食疲労性はいずれも「不良」(劣る水準)である。
Claims (2)
- 鋼材の表面が主にFeOOHからなる皮膜で覆われており、最表面から深さ方向に100μmまでの領域において、赤外分光法でα-FeOOHに対応する920cm−1付近の吸収ピーク強度をA、β-FeOOHに対応する840cm−1付近の吸収ピーク強度をB、γ−FeOOHに対応する740cm−1付近の吸収ピーク強度をCとした場合、「{A/(A+B+C)}×100%」で定義するα-FeOOH比率が10%以上である層を有し、前記鋼材はCu,Ni,Cr,Moの1種以上を合計で1.7〜3.0wt%を含有することを特徴とする耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜付き鋼材。
- 前記α-FeOOH比率が10%以上である層の厚さが、20〜100μmであることを特徴とする請求項1に記載の耐食性と耐腐食疲労性に優れた皮膜付き鋼材。
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