JP5835455B2 - Method for surface treatment of metal material - Google Patents

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Description

本発明は、金属材料表面に新たな機能を付与するための金属材料の表面処理方法、およびこの表面処理方法によって表面処理された金属材料に関するものである。   The present invention relates to a surface treatment method of a metal material for imparting a new function to the surface of the metal material, and a metal material surface-treated by this surface treatment method.

金属材料表面を機能材料として利用する際、金属材料表面の濡れ性、すなわち金属材料の親水性および撥水性は重要な因子になり、これを制御することにより様々な特性を金属材料に付与することができる。例えば、熱交換器に使われる金属材料では、熱伝導向上のため、金属製伝熱管の内外表面と水などの媒体との親和性、すなわち金属表面の親水性が要求される。また、表面に親水性を付与することは、水と共に付着した汚れなどが流れ落ちるセルフクリーニング効果も期待できるなど多くの利点がある。このため、金属表面に親水性を付与する技術として、例えば、特許文献1には、コロナ放電を用いてポーラスな酸化層を形成させる技術、特許文献2には、表面に皮膜形成を伴うエッチングを施した後にその皮膜を除去し、親水性皮膜を形成させる方法などが開示されている。   When using a metal material surface as a functional material, the wettability of the metal material surface, that is, the hydrophilicity and water repellency of the metal material are important factors, and various properties can be imparted to the metal material by controlling this. Can do. For example, a metal material used in a heat exchanger is required to have an affinity between the inner and outer surfaces of a metal heat transfer tube and a medium such as water, that is, the hydrophilicity of the metal surface, in order to improve heat conduction. Further, imparting hydrophilicity to the surface has many advantages such as the expectation of a self-cleaning effect in which dirt attached with water flows down. For this reason, as a technique for imparting hydrophilicity to the metal surface, for example, Patent Document 1 discloses a technique of forming a porous oxide layer using corona discharge, and Patent Document 2 discloses etching involving film formation on the surface. A method of removing the film after application and forming a hydrophilic film is disclosed.

しかしながら、コロナ放電を利用した技術は表面に酸化層を形成させる技術であり、この酸化層が剥離などで脱落すると機能が失われる。エッチングと親水性皮膜を組合せた方法は、工程が複雑で皮膜形成を伴うためコストがかかる。また、使用中に親水性塗料が脱落すると効果が低下し回復しないなどの問題がある。また、逆に、金属材料表面の撥水性に関しては、例えば、水分が存在する環境下では、鉄鋼材料をはじめとする金属材料は水と反応することによって腐食する。このため、金属材料表面を撥水性(疎水性)にし、金属材料表面が水に濡れた状態を少なくする、若しくは金属表面に水が接触しても水が容易に金属表面から流れ落ちるようにすることによって、金属材料が腐食することを抑制する撥水特性付与技術が、近年、提案されている。   However, the technique using corona discharge is a technique for forming an oxide layer on the surface, and the function is lost when the oxide layer is removed by peeling or the like. A method combining etching and a hydrophilic film is costly because the process is complicated and involves film formation. In addition, if the hydrophilic paint falls off during use, there is a problem in that the effect is reduced and it does not recover. On the other hand, regarding the water repellency of the surface of the metal material, for example, in an environment where moisture exists, metal materials such as steel materials are corroded by reacting with water. For this reason, make the metal material surface water-repellent (hydrophobic) so that the metal material surface is less wet with water, or even if water comes into contact with the metal surface, water can easily flow down from the metal surface. In recent years, a technique for imparting water repellency to suppress corrosion of a metal material has been proposed.

例えば、特許文献3には、鋼板表面にAlやZrなどのアルコキシドを塗布し、100℃以上に加熱することによって鋼板表面に撥水特性を付与する技術が記載されている。また、特許文献4には、めっき鋼板の表面に金属カップリング処理化合物の被膜層を形成することによってめっき鋼板表面に撥水特性を付与する技術が記載されている。また、特許文献5には、金属板表面に撥水性塗料を塗布することによって、金属板表面に撥水特性を付与する技術が記載されている。しかしながら、上述の方法はいずれも、表面に高価な薬剤による皮膜を形成するものであり、それら皮膜層が剥離などで脱落すると撥水性が損なわれたり、皮膜形成の工程が複雑でコストがかかったりするなどの問題がある。   For example, Patent Document 3 describes a technique for imparting water repellency to a steel sheet surface by applying an alkoxide such as Al or Zr to the steel sheet surface and heating to 100 ° C. or higher. Patent Document 4 describes a technique for imparting water repellency to a plated steel sheet surface by forming a coating layer of a metal coupling treatment compound on the surface of the plated steel sheet. Patent Document 5 describes a technique for imparting water repellency to a metal plate surface by applying a water-repellent paint to the metal plate surface. However, any of the above-mentioned methods forms a film with an expensive drug on the surface. If the film layer falls off due to peeling or the like, the water repellency is impaired, or the film formation process is complicated and expensive. There are problems such as.

一方、近年、鋼板が本来有する様々な性能に加えて、光触媒を利用して耐汚れ性や脱臭性などの新たな機能を鋼板に持たせる試みがなされている(特許文献6−9参照)。このような試みの基本となる技術は、光触媒活性粒子を表面の塗装材や処理層中に分散させておくものであり、塗装材としては樹脂系(特許文献6,7参照)や無機−有機複合体(特許文献8参照)が検討されている。また、鋼板に直接光触媒を付与する試みとして、プラズマを利用した原子レベルでの成膜方法(plasma-enhanced atomic layer deposition)を利用して鋼板表面にTiO薄膜を作製する技術が提案されている(非特許文献1参照)。On the other hand, in recent years, in addition to various performances inherent to steel sheets, attempts have been made to provide steel sheets with new functions such as stain resistance and deodorization using a photocatalyst (see Patent Documents 6-9). The technology that is the basis of such an attempt is to disperse photocatalytically active particles in a surface coating material or treatment layer. As the coating material, resin-based (see Patent Documents 6 and 7) or inorganic-organic A composite (see Patent Document 8) has been studied. In addition, as an attempt to impart a photocatalyst directly to a steel sheet, a technique for producing a TiO 2 thin film on the steel sheet surface using a plasma-enhanced atomic layer deposition using plasma has been proposed. (Refer nonpatent literature 1).

特開平5−179419号公報JP-A-5-179419 特開2002−53977号公報JP 2002-53977 A 特開平01−68477号公報Japanese Patent Laid-Open No. 01-68477 特開平09−20983号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 09-20983 特開2008−75064号公報JP 2008-75064 A 特開2000−14755号公報JP 2000-14755 A 特開2001−131768号公報JP 2001-131768 A 特開2007−268761号公報JP 2007-268761 A 特開2002−53978号公報JP 2002-53978 A

Chang-sooLee 他, Thin Solid Films 518 (2010) 4757 - 4761.Chang-sooLee et al., Thin Solid Films 518 (2010) 4757-4761.

しかしながら、従来までの親水性付与技術および撥水性付与技術は、金属材料表面に表面被膜を形成することによって金属表面に撥水性および親水性を付与する技術であり、金属表面に異種金属や微粒子を付与する必要があるために、余計な労力および費用が必要になる。また、撥水性については、単に金属材料表面に撥水層を設けるだけでは不十分であり、微粒子を付与するなどの特殊な処理を施す必要があった。   However, the conventional hydrophilicity imparting technology and water repellency imparting technology are technologies that impart water repellency and hydrophilicity to the metal surface by forming a surface film on the surface of the metal material. Because it needs to be granted, extra effort and costs are required. As for the water repellency, it is not sufficient to simply provide a water repellent layer on the surface of the metal material, and it is necessary to perform a special treatment such as applying fine particles.

一方、従来までの光触媒機能付与技術は、塗装材や処理層に光触媒活性粒子を分散させる、又は、光触媒活性物質の膜を成膜することにより、鋼板表面に光触媒機能を持たせている。しかしながら、有機物を主体とする塗装材や処理層は光触媒活性粒子によって分解されるため、長期間の光触媒機能の持続を期待できない。また、光触媒活性物質や有機材料を用いるため、製造工程が複雑でコストが高くなる。また、原子レベルでのTiO薄膜の成膜方法は、高度な技術を必要とし、コストが高く工業化することが困難である。On the other hand, the conventional photocatalytic function imparting technique has a photocatalytic function on the surface of a steel sheet by dispersing photocatalytic active particles in a coating material or a treatment layer or by forming a film of a photocatalytic active substance. However, since the coating material and the treatment layer mainly composed of organic substances are decomposed by the photocatalytic active particles, it cannot be expected to maintain the photocatalytic function for a long period of time. Further, since a photocatalytically active substance or an organic material is used, the manufacturing process is complicated and the cost is increased. In addition, the method for forming a TiO 2 thin film at the atomic level requires advanced techniques, is expensive, and is difficult to industrialize.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、多くの労力および費用を要することなく金属材料表面に新たな機能を付与することが可能な金属材料の表面処理方法、およびこの表面処理方法によって表面処理された金属材料を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and the object thereof is a surface treatment method for a metal material capable of imparting a new function to the surface of the metal material without requiring much labor and cost, And it is providing the metal material surface-treated by this surface treatment method.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、被処理表面を有する金属材料からなる陰極電極としての被処理材と陽極電極とを電解溶液中に浸漬させるステップと、第1電圧を前記陰極電極と前記陽極電極との間に印加するステップと、前記第1電圧と異なる第2電圧を前記陰極電極と前記陽極電極との間に印加するステップと、を含むことを特徴とする。   The surface treatment method of a metal material according to the present invention includes a step of immersing a material to be treated as a cathode electrode made of a metal material having a surface to be treated and an anode electrode in an electrolytic solution, and applying a first voltage to the cathode electrode. Applying between the anode electrode, and applying a second voltage different from the first voltage between the cathode electrode and the anode electrode.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、上記発明において、前記第1電圧は、70V以上、且つ、陰極電極が酸化又は熔解しない電圧範囲内にあり、前記第2電圧は、前記電圧範囲内にあり、且つ、第1電圧と5V以上異なることを特徴とする。   In the metal material surface treatment method according to the present invention, in the above invention, the first voltage is 70 V or more and is in a voltage range in which the cathode electrode is not oxidized or melted, and the second voltage is in the voltage range. And different from the first voltage by 5V or more.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、上記発明において、前記金属材料はステンレス鋼材であり、前記第1電圧は、60V以上、且つ、陰極電極が熔解しない電圧範囲内にあり、前記第2電圧は、前記電圧範囲内にあり、且つ、第1電圧と5V以上異なることを特徴とする。   In the metal material surface treatment method according to the present invention, in the above invention, the metal material is a stainless steel material, the first voltage is 60 V or more, and is within a voltage range in which the cathode electrode is not melted. The voltage is within the voltage range and is different from the first voltage by 5V or more.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、上記発明において、前記第2電圧が前記第1電圧より小さいことを特徴とする。   The surface treatment method for a metal material according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the second voltage is smaller than the first voltage.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、上記発明において、前記第2電圧による処理の後、さらに前記第2電圧より5V以上小さい電圧による処理を1回以上行ない、後の処理の電圧を直前の処理の電圧より5V以上小さくすることを特徴とする。   In the surface treatment method for a metal material according to the present invention, in the above invention, after the treatment with the second voltage, a treatment with a voltage 5 V or more lower than the second voltage is further performed once or more, and the voltage of the subsequent treatment is set immediately before. It is characterized in that the voltage is 5 V or more lower than the processing voltage.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、上記発明において、前記第1電圧および前記第2電圧を印加した後に前記陰極電極の表面に撥水処理を施すステップを含むことを特徴とする。   The surface treatment method for a metal material according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the surface of the cathode electrode is subjected to a water repellent treatment after applying the first voltage and the second voltage.

本発明に係る金属材料は、本発明に係る金属材料の表面処理方法によって表面処理されたことを特徴とする。   The metal material according to the present invention is characterized by being surface treated by the surface treatment method for a metal material according to the present invention.

本発明に係る金属材料の表面処理方法および金属材料によれば、多くの労力および費用を要することなく金属材料表面に新たな機能を付与できる。   According to the metal material surface treatment method and the metal material according to the present invention, a new function can be imparted to the surface of the metal material without much labor and cost.

図1は、本発明の第1の実施形態である金属材料の表面処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a flow of surface treatment of a metal material according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1の実施形態である金属材料の表面処理方法において用いられる装置の一構成例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing one configuration example of an apparatus used in the metal material surface treatment method according to the first embodiment of the present invention. 図3は、表面処理されたSUS316ステンレス鋼の表面を示すSEM写真図である。FIG. 3 is a SEM photograph showing the surface of the surface-treated SUS316 stainless steel. 図4は、図3に示す試料表面に蒸留水を滴下した状態を横方向から観察した写真図である。FIG. 4 is a photograph showing the state in which distilled water is dropped on the sample surface shown in FIG. 3 as observed from the lateral direction. 図5は、図3に示すステンレス鋼表面に撥水処理を施した後に蒸留水を滴下した状態を横方向から観察した図である。FIG. 5 is a view of the state in which distilled water is dropped after the water-repellent treatment is performed on the stainless steel surface shown in FIG. 3 from the lateral direction. 図6は、表面処理されていないステンレス鋼表面に撥水処理を施さずに蒸留水を滴下した状態を横方向から観察した図である。FIG. 6 is a view of a state in which distilled water is dripped onto a stainless steel surface that has not been surface-treated without being subjected to water repellent treatment, as observed from the lateral direction. 図7は、本発明の第2の実施形態である金属材料の表面処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart showing a flow of surface treatment of a metal material according to the second embodiment of the present invention. 図8は、図7に示すステップS12の処理後のステンレス316表面の二次電子像を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a secondary electron image on the surface of stainless steel 316 after the processing in step S12 shown in FIG. 図9は、図7に示すステップS13の処理後のステンレス316表面の二次電子像を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a secondary electron image on the surface of the stainless steel 316 after the process of step S13 shown in FIG. 図10は、吸光度スペクトルの一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of an absorbance spectrum.

以下、図面を参照して、本発明の第1および第2の実施形態である金属材料の表面処理方法について説明する。   Hereinafter, a surface treatment method for a metal material according to first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態である金属材料の表面処理の流れを示すフローチャートである。図2は、本発明の第1の実施形態である金属材料の表面処理方法において用いられる装置の一構成例を示す模式図である。図1に示すように、本発明の第1の実施形態である金属材料の表面処理では、始めに、金属材料である陰極電極としての被処理材と陽極電極とを電解溶液中に浸漬し、陰極電極と陽極電極との間に電圧Aを印加する(ステップS1)。そして次に、陰極電極と陽極電極との間に電圧Aとは異なる電圧Bを印加する(ステップS2)。この2つのステップによって、被処理材の表面に比表面積が大きい微細構造を形成することができる。具体的には、図2に示すように、容器1内の電解溶液2中に陽極電極3と被処理材4とを浸漬し、銅ワイヤーなどの導線5を介して電源6から陽極電極3と被処理材4とに電圧Aおよび電圧Bを印加することによって、被処理材4の表面に微細構造を形成させる。ステップS1の処理とステップS2の処理とを連続的に行うことが効率的であるが、ステップS1の処理の後に時間をあけたり、装置や電解溶液などを変えた後にステップS2の処理を行ったりしてもよい。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a flowchart showing a flow of surface treatment of a metal material according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing one configuration example of an apparatus used in the metal material surface treatment method according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the surface treatment of a metal material according to the first embodiment of the present invention, first, a material to be treated as a cathode electrode, which is a metal material, and an anode electrode are immersed in an electrolytic solution, A voltage A is applied between the cathode electrode and the anode electrode (step S1). Next, a voltage B different from the voltage A is applied between the cathode electrode and the anode electrode (step S2). By these two steps, a fine structure having a large specific surface area can be formed on the surface of the material to be treated. Specifically, as shown in FIG. 2, the anode electrode 3 and the material to be treated 4 are immersed in the electrolytic solution 2 in the container 1, and the anode electrode 3 and the anode electrode 3 are connected from the power source 6 through a conductive wire 5 such as a copper wire. By applying voltage A and voltage B to the material to be processed 4, a fine structure is formed on the surface of the material to be processed 4. Although it is efficient to perform the process of step S1 and the process of step S2 continuously, time is taken after the process of step S1, or the process of step S2 is performed after changing an apparatus, an electrolytic solution, etc. May be.

電解溶液2は、特に限定されないが、電気伝導性を有し、且つ、被処理材4の表面処理を行う際に、被処理材4の表面を過度にエッチングしたり、陽極電極3および被処理材4の表面に付着や析出したり、沈殿物を形成したりし難い溶液である。このような電解溶液2の電解質としては、炭酸カリウム(KCO)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO)、炭酸アンモニウム((NHCO)、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化アンモニウム(NHOH)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)、塩化アンモニウム(NHCl)、硫酸のナトリウム塩、硫酸のカリウム塩、硫酸のアンモニウム塩、硝酸のナトリウム塩、硝酸のカリウム塩、硝酸のアンモニウム塩、クエン酸ナトリウム(NaH(CO(COO)))などのクエン酸のナトリウム塩、クエン酸のカリウム塩、クエン酸のアンモニウム塩、硝酸、および塩酸などを例示できる。The electrolytic solution 2 is not particularly limited, and has electrical conductivity, and when the surface treatment of the material to be treated 4 is performed, the surface of the material to be treated 4 is excessively etched, or the anode electrode 3 and the material to be treated are treated. It is a solution that hardly adheres to or precipitates on the surface of the material 4 or forms a precipitate. Examples of the electrolyte of the electrolytic solution 2 include potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), water Lithium oxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), ammonium chloride (NH 4 Cl), sulfuric acid Such as sodium salt, sulfuric acid potassium salt, sulfuric acid ammonium salt, nitric acid sodium salt, nitric acid potassium salt, nitric acid ammonium salt, sodium citrate (NaH 2 (C 3 H 5 O (COO) 3 )) Acid sodium salt, citric acid potassium salt, citric acid ammonium salt, nitric acid, hydrochloric acid, etc. It can be illustrated.

電解溶液2は、被処理材4の表面を改質可能であれば、任意のpHおよび濃度とすることができる。例えば炭酸カリウム水溶液を電解溶液2として用いる場合、その濃度は、特に限定されることなく、0.001mol/L以上、より好ましくは0.005mol/L以上とすることができる。電解溶液2の濃度が低すぎると、陽極電極3と被処理材4との間に電圧を印加した際に好適な放電状態を維持することが困難となる場合があるからである。電解溶液2の濃度の上限は特に設けないが、例えば0.5mol/L以下とすることができる。また、電解溶液2のpHは、電極の過度の腐食やエッチングを起こさなければ任意の値とすることができ、例えばpH10乃至12とすることができる。   The electrolytic solution 2 can have any pH and concentration as long as the surface of the material to be treated 4 can be modified. For example, when a potassium carbonate aqueous solution is used as the electrolytic solution 2, the concentration thereof is not particularly limited and can be 0.001 mol / L or more, more preferably 0.005 mol / L or more. This is because if the concentration of the electrolytic solution 2 is too low, it may be difficult to maintain a suitable discharge state when a voltage is applied between the anode electrode 3 and the workpiece 4. The upper limit of the concentration of the electrolytic solution 2 is not particularly set, but can be set to 0.5 mol / L or less, for example. Further, the pH of the electrolytic solution 2 can be set to any value as long as excessive corrosion and etching of the electrode are not caused, for example, pH 10 to 12.

陽極電極3は、放電に際して熱的および化学的に安定な材料によって形成されている。このような陽極電極3としては、Pt、Ir、黒鉛などを例示できる。   The anode electrode 3 is formed of a material that is thermally and chemically stable during discharge. Examples of such an anode electrode 3 include Pt, Ir, and graphite.

被処理材4は、金属材料であれば特に限定されず、鉄鋼材料であれば冷間圧延材、熱間圧延材、若しくは鋳造材、およびその加工物(溶接など含む)を用いることができる。また、鋼種は特に限定されず、炭素鋼、低合金鋼、若しくはステンレス鋼などを利用できる。また、電気亜鉛めっき鋼板をはじめとするめっき鋼板も利用できる。また、被処理材4の形状は特に限定されず、板状、線状、棒状、パイプ状、若しくは加工部品を利用することができる。また、被処理材4は電解溶液2中に浸漬されていることが必要で、少なくとも液面から1mmより深くする必要がある。   The material to be treated 4 is not particularly limited as long as it is a metal material, and a cold-rolled material, a hot-rolled material, a cast material, and a processed product thereof (including welding) can be used if it is a steel material. The steel type is not particularly limited, and carbon steel, low alloy steel, stainless steel, or the like can be used. Also, plated steel sheets including electrogalvanized steel sheets can be used. Moreover, the shape of the to-be-processed material 4 is not specifically limited, A plate shape, linear shape, rod shape, a pipe shape, or a processed component can be utilized. Moreover, the to-be-processed material 4 needs to be immersed in the electrolyte solution 2, and needs to be deeper than 1 mm from a liquid level at least.

放電条件は、被処理材4の表面に凹凸が形成される部分プラズマ状態から完全プラズマ状態までの範囲を利用できる。但し、被処理材4が熔解する電圧よりも低い電圧範囲で実施する必要がある。具体的には、放電電圧を上げていったときに暗所で肉眼で確認できる発光が始まり、オレンジ色の点発光を示す電圧から材料全体が赤熱する直前までの状態である。印加電圧は、被処理材4の大きさを1mm×1mm×20mmとした場合、およそ70乃至200Vの範囲内が好適であり、より望ましくは80乃至150Vの範囲内である。この電圧範囲は、ステンレス鋼などの合金鋼を含むほとんどの鉄鋼材料に適用できる。しかしながら、この電圧範囲は、被処理材4の種類や配置によって変化するため、電圧条件を変更して処理した被処理材4の表面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察することにより決定すると良い。   As the discharge condition, a range from a partial plasma state to a complete plasma state where unevenness is formed on the surface of the material to be processed 4 can be used. However, it is necessary to implement in the voltage range lower than the voltage which the to-be-processed material 4 melts. Specifically, when the discharge voltage is increased, light emission that can be confirmed with the naked eye in the dark starts, and is a state from a voltage indicating orange point light emission to immediately before the entire material becomes red hot. The applied voltage is preferably in the range of about 70 to 200 V, more preferably in the range of 80 to 150 V, when the size of the workpiece 4 is 1 mm × 1 mm × 20 mm. This voltage range is applicable to most steel materials including alloy steels such as stainless steel. However, since this voltage range changes depending on the type and arrangement of the material to be processed 4, it is preferable to determine the surface of the material 4 to be processed by changing the voltage condition by observing with a scanning electron microscope (SEM).

放電電圧は、鉄鋼材料の表面に微細突起を形成させる電圧であることが必要条件である。下限の電圧未満では表面に微細突起は形成されないため、SEMで微細突起の有無を確認することで決定できる。上限を超えると被処理面が熔解してしまう。従って、表面が熔解する電圧として上限を決定することができる。表面を酸化させないほうが望ましい場合は表面が酸化される電圧をSEMおよびSEMに付属したエネルギー分散型X線分光装置(EDS)を用いて調べることで容易に決定できる。被処理材4の酸化物と同程度のX線強度で酸素が検出された場合、表面は酸化されていると判断できる。また被処理材4の酸化物(例えば冷延鋼板や低合金鋼ではFeの酸化物を意味する)のFeのL線の強度で規格化した酸素のX線強度に対して、被処理材4における酸素のFe−L線強度で規格化したX線強度が1/3以下である必要がある。上記の表面調査は、電圧を変更して30分間放電した後、被処理材4を取出し水洗、乾燥した後、SEMへ導入して観察することにより行う。   It is a necessary condition that the discharge voltage is a voltage for forming fine protrusions on the surface of the steel material. If the voltage is lower than the lower limit voltage, fine protrusions are not formed on the surface. Therefore, it can be determined by confirming the presence or absence of the fine protrusions by SEM. If the upper limit is exceeded, the surface to be treated will melt. Therefore, the upper limit can be determined as the voltage at which the surface melts. When it is desirable not to oxidize the surface, the voltage at which the surface is oxidized can be easily determined by examining the SEM and an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) attached to the SEM. When oxygen is detected with the same X-ray intensity as the oxide of the material 4 to be processed, it can be determined that the surface is oxidized. Further, for the X-ray intensity of oxygen normalized by the intensity of the Fe L-line of the oxide of the material to be processed 4 (for example, it means an oxide of Fe in a cold-rolled steel sheet or low alloy steel), the material to be processed 4 The X-ray intensity normalized with the Fe-L line intensity of oxygen at 1 is required to be 1/3 or less. The surface inspection is performed by changing the voltage and discharging for 30 minutes, taking out the material 4 to be treated, washing it with water, drying it, introducing it into the SEM, and observing it.

本発明の発明者らは、望ましい電圧範囲内では電圧が高いほど微細突起が大きくなることを知見している。表面積を増加させる上では、大きい凹凸の上にさらに微細な凹凸を付与することが有利であるため、電圧Bは電圧Aより低くすることが望ましい。電圧Aと電圧Bとの間に5Vの違いがあると、形成される突起の大きさに違いが見られたために、電圧Aと電圧Bとの間の電圧差は5V以上であることが望ましい。また、ステップS1の処理では大きい凹凸を形成することが有利であるため、電圧Aとしては、望ましい電圧範囲内の中で上限に近い電圧を選択するとよい。   The inventors of the present invention have found that the fine protrusion becomes larger as the voltage is higher within a desirable voltage range. In order to increase the surface area, it is advantageous to provide finer irregularities on the larger irregularities, so that the voltage B is preferably lower than the voltage A. If there is a difference of 5V between the voltage A and the voltage B, a difference is seen in the size of the protrusions to be formed. Therefore, the voltage difference between the voltage A and the voltage B is preferably 5V or more. . Further, since it is advantageous to form large irregularities in the process of step S1, as the voltage A, a voltage close to the upper limit within a desired voltage range may be selected.

放電処理時間はステップS1およびステップS2の処理において3秒以上必要である。但し、放電処理時間は例えば60分などの長い時間も可能であるが、放電処理時間が長すぎると被処理材4が損耗する場合があるため30分以上の処理時間は好ましくない。また、ステップS2の処理において放電処理時間を長くすることが好ましくない。ステップS2の処理において放電処理時間が長くなると、電圧Bに依存した微細突起が表面に形成されてしまうためである。このことから、ステップS2の処理における放電処理時間は5分以下がよい。   The discharge processing time is required to be 3 seconds or more in the processing of step S1 and step S2. However, the discharge treatment time can be as long as, for example, 60 minutes. However, if the discharge treatment time is too long, the material to be treated 4 may be worn out, so a treatment time of 30 minutes or longer is not preferable. Further, it is not preferable to lengthen the discharge processing time in the process of step S2. This is because if the discharge treatment time is long in the process of step S2, fine protrusions depending on the voltage B are formed on the surface. For this reason, the discharge processing time in the process of step S2 is preferably 5 minutes or less.

図3は、厚さ0.8mmのSUS316ステンレス鋼板を処理した例である。このSUS316ステンレス鋼板を2.5mm幅、長さ30mmに切断し、銅ワイヤーにより導通をとり陰極電極とした。陽極電極は長さ50cmのPtワイヤーを互いに接触しないように折り曲げて面状に成型したものを用いた。SUS316ステンレス鋼板と銅ワイヤーとの接続部は耐熱樹脂を加熱圧着し銅ワイヤーが電解溶液に触れないようにして電極の20mmの長さ部分を電解溶液に浸漬した。電解溶液は濃度0.1mol/LのKCO水溶液を用い、電圧を140Vに設定して10分間放電(ステップ1)を行い、続いて電圧を110Vに設定して3分間放電(ステップ2)を行った後、陰極電極を電解溶液から引き上げて直ちに水洗した。FIG. 3 shows an example in which a SUS316 stainless steel plate having a thickness of 0.8 mm is processed. This SUS316 stainless steel plate was cut to a width of 2.5 mm and a length of 30 mm, and was made conductive with a copper wire to form a cathode electrode. The anode electrode used was a 50-cm long Pt wire bent so as not to contact each other and formed into a planar shape. The connecting portion between the SUS316 stainless steel plate and the copper wire was heat-pressed with a heat-resistant resin so that the copper wire did not touch the electrolytic solution, and the 20 mm long portion of the electrode was immersed in the electrolytic solution. The electrolytic solution is an aqueous solution of 0.1 mol / L K 2 CO 3 , the voltage is set to 140V and discharged for 10 minutes (Step 1), and then the voltage is set to 110V and discharged for 3 minutes (Step 2). ), The cathode electrode was pulled up from the electrolytic solution and immediately washed with water.

その結果、図3に示すように、SUS316ステンレス鋼板の表面に比較的大きな突起が形成され、さらにその比較的大きな突起の上に平均直径が1μm以下の微細な突起が形成されていることが確認された。また、EDSによる元素分析によりSUS316ステンレス鋼板の表面は酸化されていないことが確認された。また、160Vを越える印加電圧では、SUS316ステンレス鋼板の先端が熔断してしまった。このため、印加電圧の上限値は160Vと求めることができた。また、EDSによる元素分析により140V以下の印加電圧ではSUS316ステンレス鋼板の表面が酸化されないことが確認されたため、この実験条件および試験材においては、表面を酸化させない印加電圧の上限値は140Vであることがわかった。一方、印加電圧の下限値は突起構造の有無から80Vと決定することができた。従って電圧Aとしてはもっとも好ましい条件は140Vと決定できた。   As a result, as shown in FIG. 3, it was confirmed that relatively large protrusions were formed on the surface of the SUS316 stainless steel plate, and fine protrusions having an average diameter of 1 μm or less were formed on the relatively large protrusions. It was done. Moreover, it was confirmed by the elemental analysis by EDS that the surface of the SUS316 stainless steel plate was not oxidized. In addition, at an applied voltage exceeding 160 V, the tip of the SUS316 stainless steel plate was melted. For this reason, the upper limit value of the applied voltage could be obtained as 160V. In addition, since it was confirmed by EDS elemental analysis that the surface of the SUS316 stainless steel sheet was not oxidized at an applied voltage of 140 V or less, the upper limit of the applied voltage that does not oxidize the surface is 140 V in this experimental condition and test material. I understood. On the other hand, the lower limit value of the applied voltage could be determined to be 80 V from the presence or absence of the protrusion structure. Therefore, the most preferable condition for the voltage A could be determined to be 140V.

図1に戻る。上述のようにして被処理材4の表面に微細構造を形成すると、次に、電解溶液2中から被処理材4を取り出し、必要に応じて被処理材4を洗浄する(ステップS3)。この状態で親水性を有する表面が得られる。洗浄方法は、表面の電解溶液を除去する目的で行い、純水に浸漬したり、スプレーしたりする方法などが挙げられる。純水に限らず、表面の微細構造を壊さなければ、弱酸やアルカリ溶液を用いても良い。その際、電解をかけることも可能である。洗浄後は乾燥させても良いし、撥水処理を行う場合には、乾燥させずに次工程へ進めることもある。   Returning to FIG. Once the fine structure is formed on the surface of the material to be treated 4 as described above, the material to be treated 4 is then taken out from the electrolytic solution 2 and the material to be treated 4 is washed as necessary (step S3). In this state, a hydrophilic surface can be obtained. The cleaning method is performed for the purpose of removing the electrolytic solution on the surface, and includes a method of immersing in pure water or spraying. In addition to pure water, a weak acid or an alkaline solution may be used as long as the fine structure on the surface is not broken. At that time, electrolysis can be applied. After washing, it may be dried, or when performing a water repellent treatment, it may be advanced to the next step without drying.

図4は、図3に示す試料表面に蒸留水を滴下した状態を横方向から観察した写真図である。図4に示すように、非常に小さい接触角が得られており、超親水性表面が得られていることがわかる。ステップ1と同じ電圧140Vに設定して15分間放電の処理では接触角度は52度、およびステップ2と同じ電圧110Vに設定して15分間放電の処理した表面の接触角度は70度であったことから、図4のように水の接触角が10度程度の超親水性を得るためには、ステップ1の処理とステップ2の処理との2段階の処理が必要であることがわかる。   FIG. 4 is a photograph showing the state in which distilled water is dropped on the sample surface shown in FIG. 3 as observed from the lateral direction. As shown in FIG. 4, it can be seen that a very small contact angle is obtained and a superhydrophilic surface is obtained. The contact angle was 52 degrees in the discharge process for 15 minutes set to the same voltage 140 V as in Step 1, and the contact angle of the surface subjected to the discharge process in 15 minutes set to the same voltage 110 V as in Step 2 was 70 degrees. From FIG. 4, it can be seen that in order to obtain super hydrophilicity with a contact angle of water of about 10 degrees as shown in FIG. 4, two steps of processing of step 1 and step 2 are necessary.

撥水性表面を得るために、洗浄された被処理材4の被処理表面に撥水処理を施す(ステップS4)。撥水処理方法は、撥水スプレーを塗布する方法やフッ素系樹脂など撥水機能を有する有機物を液相又は気相中で吸着させる方法などを採用できる。本実施形態では、コロニル社製ナノプロ(成分:フッ化炭素樹脂、シリコン樹脂)を被処理材4の表面に吹き付け、12時間以上乾燥させることによって、被処理材4の表面に撥水処理を施した。   In order to obtain a water repellent surface, a water repellent treatment is performed on the treated surface of the cleaned material 4 (step S4). As a water repellent treatment method, a method of applying a water repellent spray, a method of adsorbing an organic substance having a water repellent function such as a fluorine-based resin in a liquid phase or a gas phase, and the like can be adopted. In the present embodiment, nanopro (component: fluorocarbon resin, silicon resin) manufactured by Coronyl Co., Ltd. is sprayed on the surface of the material to be treated 4 and dried for 12 hours or more, so that the surface of the material to be treated 4 is subjected to water repellent treatment. did.

図5は、図3に示す試料表面に撥水処理を施し、蒸留水を滴下した状態を横方向から観察した写真図である。観察の結果、水の接触角は170°と測定され、超撥水性が実現していることが確認された。溶液中プラズマ放電を実施していない材料に対して同様の撥水処理を施したところ、水の接触角は125°であった。また、撥水処理を行わなかった試料における水の接触角は77.2°(図6参照)であった。従って、超撥水表面を得るためには、ステップ1の処理とステップ2の処理とを有する2段の溶液中プラズマ放電と撥水処理との両方が必要であることが確認された。   FIG. 5 is a photograph of the sample surface shown in FIG. 3 that has been subjected to a water repellent treatment and observed from the lateral direction in which distilled water has been dropped. As a result of observation, the contact angle of water was measured to be 170 °, and it was confirmed that super water repellency was realized. When the same water-repellent treatment was performed on the material that was not subjected to plasma discharge in solution, the contact angle of water was 125 °. Moreover, the contact angle of water in the sample not subjected to the water repellent treatment was 77.2 ° (see FIG. 6). Therefore, in order to obtain a super water-repellent surface, it was confirmed that both plasma discharge in solution and water-repellent treatment having Step 1 treatment and Step 2 treatment were necessary.

本発明の、溶液中でプラズマ放電を異なった条件で2回行なう技術は、3回以上の溶液中プラズマ放電処理技術に拡張可能である。処理時間やコストの観点からは回数が少ないほうが有利であるが、より高い効果を必要とされる場合には、3回以上の溶液中プラズマ放電処理を適用することができる。   The technique of performing plasma discharge twice in a solution under different conditions according to the present invention can be extended to three or more in-solution plasma discharge treatment techniques. From the viewpoint of processing time and cost, it is advantageous that the number of times is small, but when a higher effect is required, three or more plasma discharge treatments in solution can be applied.

〔実施例〕
市販の厚さ0.8mmのステンレスSUS316鋼板を2.5mm幅、長さ50mmに切断し、希塩酸に浸漬させることによって脱脂した後、銅ワイヤーを介して導通をとり陰極電極とした。銅ワイヤーとの接続部を含めて電極上部を耐熱樹脂でコーティングし、ステンレス鋼が露出した被処理部の長さを20mmとした。この電極を電解溶液に浸漬した。陽極電極は長さ50cmの0.5mmφのPtワイヤーを互いに接触しないように折り曲げて面状に成型したものを用いた。電解溶液は濃度0.1mol/LのKCO水溶液とし、印加電圧を110乃至140Vの範囲内に設定し、表1に示す条件で放電を行い、終了後直ちに純水で水洗し乾燥させた。その後、一部の試料についてコロニル社製ナノプロを被処理材の表面に吹き付け12時間以上乾燥させることによって撥水処理を施し、水濡れ性を調査した。水濡れ性は、マイクロピペットを用いて電極面に等間隔になるように蒸留水を1μmずつ6か所滴下し、キャノン社製のデジタルカメラEOS Kiss X2を用いて真横から撮影し、得られた写真から接触角を測定し、6箇所の平均をとることによって評価した。蒸留水は和光純薬工業社製蒸留水049-16787を使用した。表1に試験結果を示す。
〔Example〕
A commercially available 0.8 mm-thick stainless steel SUS316 steel plate was cut into 2.5 mm width and 50 mm length, degreased by dipping in dilute hydrochloric acid, and then conducted through a copper wire to obtain a cathode electrode. The upper part of the electrode including the connection part with the copper wire was coated with a heat-resistant resin, and the length of the treated part where the stainless steel was exposed was 20 mm. This electrode was immersed in an electrolytic solution. The anode electrode was formed by bending a 0.5 mmφ Pt wire having a length of 50 cm so as not to contact each other and forming it into a planar shape. The electrolytic solution is an aqueous solution of K 2 CO 3 having a concentration of 0.1 mol / L, the applied voltage is set within the range of 110 to 140 V, the discharge is performed under the conditions shown in Table 1, and after completion, it is washed with pure water and dried. It was. Thereafter, water repellent treatment was performed on some samples by spraying Coronyl Nanopro on the surface of the material to be treated and drying for 12 hours or more, and the water wettability was investigated. Water wettability was obtained by dropping 6 drops of distilled water at 1 μm at 6 locations on the electrode surface with a micropipette at equal intervals and shooting from the side using a Canon digital camera EOS Kiss X2. The contact angle was measured from the photograph and evaluated by taking the average of 6 locations. Distilled water 049-16787 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used. Table 1 shows the test results.

無処理の表面(比較例1)では、接触角は77°であり、撥水処理を施しても接触角は125°までしか上昇しない。これに対して、発明例では8乃至42°と高い親水性を示していることがわかる。また、撥水処理を施した発明例では最高172°(発明例2)の超撥水性が得られた。1つの電圧を印加した比較例でも親水性が向上したり、撥水処理を施すことにより撥水性が発現したりしているが(比較例2乃至13)、それぞれの最も優れたものでも52°、147°であった。このことから、2つの異なる電圧で処理したものが、親水性や撥水性付与に高い効果があることが確認された。但し、ステップ2の処理時間が15分と長い発明例6では、親水性、撥水性ともにあまり向上効果がなく、このことから、ステップ2の処理時間は5分以下にする方がより好ましい。   On the untreated surface (Comparative Example 1), the contact angle is 77 °, and the contact angle rises only to 125 ° even when the water repellent treatment is performed. On the other hand, it can be seen that the invention examples show high hydrophilicity of 8 to 42 °. In addition, in the inventive example subjected to the water repellent treatment, a super-water repellency of 172 ° (Inventive Example 2) was obtained. Even in the comparative example in which one voltage is applied, the hydrophilicity is improved, or the water repellency is expressed by performing the water repellent treatment (Comparative Examples 2 to 13). 147 °. From this, it was confirmed that what was processed with two different voltages has a high effect on hydrophilicity or water repellency. However, in Invention Example 6 in which the processing time in Step 2 is as long as 15 minutes, both hydrophilicity and water repellency are not so improved, and therefore, the processing time in Step 2 is more preferably 5 minutes or less.

〔第2の実施形態〕
本発明の発明者らは、簡便な方法でステンレス鋼材に光触媒機能を持たせることとTiOを使用しないこととを目標に鋭意研究を重ねてきた結果、ステンレス鋼材を電解溶液中でプラズマ処理することによってステンレス鋼材の表面に微細な凹凸構造が出現し、その結果、ステンレス鋼材に光触媒機能が発現することを知見した。また、本発明の発明者らは、電圧を変えて2回のプラズマ処理を行うことによって、ステンレス鋼材の光触媒機能が大幅に向上することを知見した。
[Second Embodiment]
The inventors of the present invention have conducted intensive research aiming at providing a photocatalytic function to a stainless steel material by a simple method and not using TiO 2. As a result, plasma treatment is performed on the stainless steel material in an electrolytic solution. As a result, it was found that a fine uneven structure appeared on the surface of the stainless steel material, and as a result, the photocatalytic function appeared in the stainless steel material. Further, the inventors of the present invention have found that the photocatalytic function of a stainless steel material is greatly improved by performing plasma treatment twice by changing the voltage.

図7は、本発明の第2の実施形態である金属材料の表面処理の流れを示すフローチャートである。本発明の第2の実施形態である金属材料の表面処理方法に用いられる処理装置は、図2に示す処理装置と同じ構成を有している。図7に示すように、本発明の第2の実施形態である金属材料の表面処理では、始めに、被処理表面を有するステンレス鋼材からなる陰極電極としての被処理材と陽極電極とを電解溶液中に浸漬させる(ステップS11)。そして、陰極電極と陽極電極との間に、60V以上、且つ、陰極電極が熔解しない電圧範囲内の電圧Aを印加することにより、被処理材の表面に微細構造を形成する(ステップS12)。より具体的には、図2に示すように、容器1内の電解溶液2中に陽極電極3と被処理材4とを浸漬し、CuワイヤーやPtワイヤーなどの導線5を介して電源6から陽極電極3と被処理材4とに電圧を印加することによって、被処理材4の表面に微細構造を形成する。図8は、ステップS12の処理後のステンレス316表面の二次電子像を示す図である。図8に示すように、ステップS12の処理後のステンレス316表面には、微細な凹凸が形成されていることがわかる。   FIG. 7 is a flowchart showing a flow of surface treatment of a metal material according to the second embodiment of the present invention. The processing apparatus used for the metal material surface treatment method according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the processing apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the surface treatment of the metal material according to the second embodiment of the present invention, first, a material to be treated as a cathode electrode made of a stainless steel material having a surface to be treated and an anode electrode are subjected to an electrolytic solution. It is immersed in (step S11). Then, a fine structure is formed on the surface of the material to be processed by applying a voltage A within a voltage range of 60 V or more and not dissolving the cathode electrode between the cathode electrode and the anode electrode (step S12). More specifically, as shown in FIG. 2, the anode electrode 3 and the material to be treated 4 are immersed in the electrolytic solution 2 in the container 1, and the power source 6 is connected via a conductive wire 5 such as a Cu wire or a Pt wire. By applying a voltage to the anode electrode 3 and the material to be treated 4, a fine structure is formed on the surface of the material to be treated 4. FIG. 8 is a diagram showing a secondary electron image on the surface of the stainless steel 316 after the processing in step S12. As shown in FIG. 8, it can be seen that fine irregularities are formed on the surface of the stainless steel 316 after the processing in step S12.

電解溶液2は、特に限定されないが、電気伝導性を有し、且つ、被処理材4の表面処理を行う際に、被処理材4の表面を過度にエッチングしたり、陽極電極3および被処理材4の表面に付着や析出したり、沈殿物を形成したりし難い溶液である。このような電解溶液2の電解質としては、炭酸カリウム(KCO)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO)、炭酸アンモニウム((NHCO)、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化アンモニウム(NHOH)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)、塩化アンモニウム(NHCl)、硫酸のナトリウム塩、硫酸のカリウム塩、硫酸のアンモニウム塩、硝酸のナトリウム塩、硝酸のカリウム塩、硝酸のアンモニウム塩、クエン酸ナトリウム(NaH(CO(COO)))などのクエン酸のナトリウム塩、クエン酸のカリウム塩、クエン酸のアンモニウム塩、硝酸、および塩酸などを例示できる。The electrolytic solution 2 is not particularly limited, and has electrical conductivity, and when the surface treatment of the material to be treated 4 is performed, the surface of the material to be treated 4 is excessively etched, or the anode electrode 3 and the material to be treated are treated. It is a solution that hardly adheres to or precipitates on the surface of the material 4 or forms a precipitate. Examples of the electrolyte of the electrolytic solution 2 include potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), water Lithium oxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), ammonium chloride (NH 4 Cl), sulfuric acid Such as sodium salt, sulfuric acid potassium salt, sulfuric acid ammonium salt, nitric acid sodium salt, nitric acid potassium salt, nitric acid ammonium salt, sodium citrate (NaH 2 (C 3 H 5 O (COO) 3 )) Acid sodium salt, citric acid potassium salt, citric acid ammonium salt, nitric acid, hydrochloric acid, etc. It can be shown.

電解溶液2は、被処理材4の表面を改質可能であれば、任意のpHおよび濃度とすることができる。例えば炭酸カリウム水溶液を電解溶液2として用いる場合、その濃度は、特に限定されることなく、0.001mol/L以上、より好ましくは0.005mol/L以上とすることができる。これは、電解溶液2の濃度が低すぎると、陽極電極3と被処理材4との間に電圧を印加した際に好適な放電状態を維持することが困難となる場合があるためである。電解溶液2の濃度の上限は特に設けないが、例えば0.5mol/L以下とすることができる。電解溶液2のpHは、電極の過度の腐食やエッチングを起こさなければ任意の値とすることができ、例えばpH10乃至12とすることができる。   The electrolytic solution 2 can have any pH and concentration as long as the surface of the material to be treated 4 can be modified. For example, when a potassium carbonate aqueous solution is used as the electrolytic solution 2, the concentration thereof is not particularly limited and can be 0.001 mol / L or more, more preferably 0.005 mol / L or more. This is because if the concentration of the electrolytic solution 2 is too low, it may be difficult to maintain a suitable discharge state when a voltage is applied between the anode electrode 3 and the material to be processed 4. The upper limit of the concentration of the electrolytic solution 2 is not particularly set, but can be set to 0.5 mol / L or less, for example. The pH of the electrolytic solution 2 can be set to any value as long as the electrode is not excessively corroded or etched, for example, pH 10 to 12.

陽極電極3は、放電に際して熱的および化学的に安定な材料によって形成されている。このような陽極電極3としては、Pt、Ir、黒鉛などを例示できる。   The anode electrode 3 is formed of a material that is thermally and chemically stable during discharge. Examples of such an anode electrode 3 include Pt, Ir, and graphite.

被処理材4は、Crを12重量%以上含むステンレス鋼材とし、フェライト系、オーステナイト系、および二相系のどの系でも使用することができる。また、表面仕上げはいずれのものも用いることができる。また、被処理材4の形状は特に限定されず、箔状、板状、線状、棒状、パイプ状、若しくは加工品や組み立てられた部品を利用することができる。被処理材4は電解溶液2中に浸漬されていることが必要で、少なくとも液面から1mm以上深くする必要がある。   The material to be treated 4 is a stainless steel material containing 12% by weight or more of Cr, and any of ferrite, austenite, and two-phase systems can be used. Any surface finish can be used. Moreover, the shape of the to-be-processed material 4 is not specifically limited, Foil shape, plate shape, wire shape, rod shape, pipe shape, or a processed product or the assembled component can be utilized. The to-be-processed material 4 needs to be immersed in the electrolyte solution 2, and needs to be deepened at least 1 mm or more from the liquid level.

放電条件は、被処理材4の表面に凹凸が形成される部分プラズマ状態を呈する電圧以上で被処理材4が熔解しない電圧範囲を利用できる。部分プラズマ状態とは、放電電圧を上げていったときに暗所で肉眼で確認できる発光が始まる電圧から、オレンジ色の点発光を示す完全プラズマ状態になるまでの間の状態のことを指し示す。具体的には、放電を行い、SEMなどで表面に微細構造が形成されていることを確認することで電圧範囲を決定することができる。印加電圧は、通常、90乃至150Vの範囲内が好適であり、この電圧範囲内で調整して処理を行う。印加時間は5秒乃至30分の間を採用することができる。微細構造とは、処理前の表面に存在しない形状を有する突起や空孔からなる凹凸構造のことを意味する。   As the discharge condition, a voltage range in which the material to be treated 4 is not melted at a voltage higher than or equal to a voltage exhibiting a partial plasma state in which irregularities are formed on the surface of the material to be treated 4 can be used. The partial plasma state refers to a state between a voltage at which light emission that can be confirmed with the naked eye in the dark when the discharge voltage is raised and a complete plasma state that exhibits orange point light emission. Specifically, the voltage range can be determined by performing discharge and confirming that a fine structure is formed on the surface by SEM or the like. In general, the applied voltage is preferably in the range of 90 to 150 V, and processing is performed by adjusting within the voltage range. The application time can be between 5 seconds and 30 minutes. The fine structure means a concavo-convex structure composed of protrusions and holes having a shape that does not exist on the surface before processing.

放電電圧は、被処理材4の表面に微細構造を形成できる電圧であることが必要条件である。下限の放電電圧未満では被処理材4の表面に微細構造が形成されないため、SEMで微細構造の有無を確認することで決定できる。上限の放電電圧は処理時間との兼ね合いで決定される。すなわち、放電電圧を高くすると、表面の凹凸は大きくなるが、熔解が生じて良好な微細構造が形成されにくい。従って、処理にかけられる時間tを予め決めておき、電圧を変更して時間tだけ放電し、SEMで微細構造が形成されていることを確認することによって、上限の放電電圧を決めるとよい。望ましい電圧範囲の中では放電電圧が大きいほど光触媒機能が高いことが知見された。従って、最も好ましい放電電圧は好ましい電圧範囲の中の上限に近い放電電圧を選択することである。   It is a necessary condition that the discharge voltage is a voltage that can form a fine structure on the surface of the workpiece 4. If the discharge voltage is lower than the lower limit, no fine structure is formed on the surface of the material 4 to be processed. The upper discharge voltage is determined in consideration of the processing time. That is, when the discharge voltage is increased, the surface unevenness increases, but melting occurs and it is difficult to form a good microstructure. Therefore, the upper limit discharge voltage may be determined by predetermining the time t to be processed, changing the voltage and discharging only for the time t, and confirming that the fine structure is formed by SEM. It was found that the photocatalytic function is higher as the discharge voltage is higher in the desired voltage range. Therefore, the most preferable discharge voltage is to select a discharge voltage close to the upper limit in the preferable voltage range.

次に、陽極電極3と被処理材4との間に電圧Aとは異なる電圧Bを印加する(ステップS13)。この2つのステップS12,S13(ステップ1,ステップ2)の処理によって、被処理材4の表面に比表面積が大きい微細構造を形成することができる。電解溶液などの条件をステップS12の条件から変化させてもよい。本発明の発明者らは、望ましい電圧範囲内では放電電圧が高いほど微細構造が大きくなることを知見している。表面積を増加させる上では、大きい凹凸の上にさらに微細な凹凸を付与することが有利である。このため、電圧Bは電圧Aより低くすることが望ましい。電圧Aと電圧Bとの間に5Vの違いがあると、形成される突起の大きさに違いが見られたために、電圧Aと電圧Bとの間の電圧差は5V以上であることが望ましい。また、ステップS12の処理では大きい凹凸を形成することが有利であるため、電圧Aとしては望ましい電圧範囲内の中で上限に近い電圧を選択するとよい。   Next, a voltage B different from the voltage A is applied between the anode electrode 3 and the workpiece 4 (step S13). A fine structure having a large specific surface area can be formed on the surface of the material 4 to be processed by the processes of the two steps S12 and S13 (steps 1 and 2). Conditions such as an electrolytic solution may be changed from the conditions in step S12. The inventors of the present invention have found that the fine structure increases as the discharge voltage increases within a desirable voltage range. In order to increase the surface area, it is advantageous to provide finer irregularities on the larger irregularities. For this reason, it is desirable that the voltage B be lower than the voltage A. If there is a difference of 5V between the voltage A and the voltage B, a difference is seen in the size of the protrusions to be formed. Therefore, the voltage difference between the voltage A and the voltage B is preferably 5V or more. . Further, since it is advantageous to form large irregularities in the process of step S12, it is preferable to select a voltage close to the upper limit within the desired voltage range as the voltage A.

放電処理時間はステップS12およびステップS13の処理において3秒以上必要である。但し、放電処理時間は例えば60分などの長い時間も可能であるが、放電処理時間が長すぎると被処理材4が損耗する場合があるため30分以上の処理時間は好ましくない。また、ステップS13の処理においては放電処理時間を長くすることは好ましくない。ステップS13の処理において放電処理時間が長くなると、電圧Bのみに依存した微細構造が表面に形成されてしまい、2段階で処理する効果がなくなるためである。このことから、ステップS13の処理における放電処理時間は5分以下がよい。   The discharge processing time is required to be 3 seconds or more in the processing of step S12 and step S13. However, the discharge treatment time can be as long as, for example, 60 minutes. However, if the discharge treatment time is too long, the material to be treated 4 may be worn out, so a treatment time of 30 minutes or longer is not preferable. In the process of step S13, it is not preferable to lengthen the discharge processing time. This is because if the discharge processing time is increased in the process of step S13, a fine structure depending only on the voltage B is formed on the surface, and the effect of processing in two stages is lost. For this reason, the discharge process time in the process of step S13 is preferably 5 minutes or less.

図9は、ステップS13の処理後のステンレス316表面の二次電子像を示す図である。図9に示す例では、陽極電極3をPtとし、0.1mol/LのKCO水溶液中で電圧Aを140Vに設定して10分間放電を行い、続いて電圧Bを110Vに設定して3分間放電を行った後、被処理材4であるステンレス316をKCO水溶液から引き上げて直ちに水洗した。図9に示すように、ステンレス316表面に比較的大きな突起構造が形成され、さらにその比較的大きな突起の上に平均直径が1μm以下の微細な突起が形成されていることがわかる。FIG. 9 is a diagram showing a secondary electron image on the surface of the stainless steel 316 after the processing in step S13. In the example shown in FIG. 9, the anode electrode 3 is Pt, the voltage A is set to 140 V in a 0.1 mol / L K 2 CO 3 aqueous solution, discharge is performed for 10 minutes, and then the voltage B is set to 110 V. After discharging for 3 minutes, the stainless steel 316 as the material to be treated 4 was pulled up from the K 2 CO 3 aqueous solution and immediately washed with water. As shown in FIG. 9, it can be seen that a relatively large protrusion structure is formed on the surface of the stainless steel 316, and further, a fine protrusion having an average diameter of 1 μm or less is formed on the relatively large protrusion.

図8及び図9に示すステンレス316に対しメチレンブルー脱色反応試験を実施したところ、光触媒性能を確認でき、さらに、図9に示すステンレス316の方が光触媒性能が高いことが確認された。このことから、電解溶液中で2回プラズマ処理した方が高い光触媒性能を発現することがわかる。このことは、3段以上の電解溶液中プラズマ放電処理技術に拡張可能である。処理時間やコストの観点からはプラズマ処理の回数は少ない方が有利であるが、より高い光触媒性能を必要とされる場合には、3段以上の電解溶液中プラズマ放電処理を選択することができる。   When a methylene blue decoloring reaction test was performed on the stainless steel 316 shown in FIGS. 8 and 9, the photocatalytic performance could be confirmed, and further, the stainless steel 316 shown in FIG. 9 was confirmed to have higher photocatalytic performance. This shows that the photocatalytic performance is higher when the plasma treatment is performed twice in the electrolytic solution. This can be extended to a plasma discharge treatment technique in an electrolytic solution having three or more stages. From the viewpoint of processing time and cost, it is advantageous to reduce the number of plasma treatments. However, when higher photocatalytic performance is required, plasma discharge treatment in an electrolytic solution having three or more stages can be selected. .

〔実施例〕
市販の厚さ0.8mmのステンレスSUS316鋼板を2.5mm幅、長さ30mmに切断し、希塩酸に浸漬させることによって脱脂した後、銅ワイヤーを介して導通をとり陰極電極とした。銅ワイヤーとの接続部を含めて電極上部を耐熱樹脂でコーティングし銅ワイヤーが電解液と接触しないようにし、ステンレス鋼が露出した被処理部の長さを20mmとした。この電極を電解溶液に浸漬した。陽極電極は長さ50cmの0.5mmφのPtワイヤーを互いに接触しないように折り曲げて面状に成型したものを用いた。電解溶液は濃度0.1mol/LのKCO水溶液とし、印加電圧を90乃至140Vの範囲内に設定し、表2に示す条件で放電を行い、終了後直ちに純水で水洗し乾燥させた。また、比較例として、基材に用いた無処理のステンレス鋼板(希塩酸に浸漬させることによって脱脂は実施)を用いた。これらの試料について、光触媒性能を調べるためメチレンブルー脱色反応試験を行なった。
〔Example〕
A commercially available stainless steel SUS316 steel plate having a thickness of 0.8 mm was cut into a 2.5 mm width and a length of 30 mm, degreased by being immersed in dilute hydrochloric acid, and then conducted through a copper wire to obtain a cathode electrode. The upper part of the electrode including the connection part with the copper wire was coated with a heat-resistant resin so that the copper wire did not come into contact with the electrolytic solution, and the length of the treated part where the stainless steel was exposed was 20 mm. This electrode was immersed in an electrolytic solution. The anode electrode was formed by bending a 0.5 mmφ Pt wire having a length of 50 cm so as not to contact each other and forming it into a planar shape. The electrolytic solution is a 0.1 mol / L K 2 CO 3 aqueous solution, the applied voltage is set within the range of 90 to 140 V, discharge is performed under the conditions shown in Table 2, and immediately after completion, the plate is washed with pure water and dried. It was. Further, as a comparative example, an untreated stainless steel plate (degreasing was performed by immersing in dilute hydrochloric acid) used for the base material was used. These samples were subjected to a methylene blue decolorization reaction test in order to examine the photocatalytic performance.

次に、メチレンブルー脱色反応試験について説明する。まず、メチレンブルー脱色反応試験に先立ち、セルに濃度0.1質量%のメチレンブルー水溶液のみを入れ、吸光光度計として日本分光株式会社製、型式:V630を用いて測定開始波長720nm、終了波長500nmの範囲で上記メチレンブルー水溶液の吸光度を測定した。比較的吸光度の大きい約660nmの吸光ピークにおいて吸光度が最大となる波長(X)における吸光度AXSを求め基準とした。Next, the methylene blue decolorization reaction test will be described. First, prior to the methylene blue decolorization reaction test, only a 0.1% by mass methylene blue aqueous solution was placed in the cell, and a measurement start wavelength of 720 nm and an end wavelength of 500 nm using a spectrophotometer made by JASCO Corporation, model: V630. The absorbance of the methylene blue aqueous solution was measured. Absorbance A XS at a wavelength (X) at which the absorbance is maximum at an absorption peak of about 660 nm having a relatively large absorbance was obtained and used as a reference.

メチレンブルー脱色反応試験は、セルに濃度0.1質量%のメチレンブルー水溶液4mlを入れ、その中に2.5mm×20mm×0.8mm(板厚)の試験片(放電処理を行なった後のステンレス鋼板など)を浸漬し、紫外線(波長365nm)を上記水溶液を入れたセルに照射した。セルを取り囲むようにアルミフォイルを設置し、セル全体に紫外線が照射されるようにした。紫外線を照射して24時間後にセルより試験片を取出し、残った水溶液の吸光度を前述の方法で測定し、前述の波長(X)における吸光度AXPを求めた。そして、メチレンブルー水溶液吸光度変化としてAXP/AXSを求め、メチレンブルーの脱色の程度を評価した。AXP/AXSの値が小さいほど、脱色が進んでおり試験片の光触媒性能が大きいことをあらわす。得られた吸光度スペクトルの一例及び評価結果をそれぞれ図10及び表2に示す。In the methylene blue decolorization reaction test, 4 ml of a 0.1% by mass methylene blue aqueous solution was placed in a cell, and a test piece of 2.5 mm × 20 mm × 0.8 mm (plate thickness) (stainless steel plate after performing discharge treatment) Etc.) was immersed, and ultraviolet light (wavelength 365 nm) was irradiated to the cell containing the aqueous solution. An aluminum foil was installed to surround the cell so that the entire cell was irradiated with ultraviolet rays. A test piece was taken out of the cell 24 hours after irradiation with ultraviolet rays, and the absorbance of the remaining aqueous solution was measured by the method described above to determine the absorbance A XP at the wavelength (X) described above. Then, a A XP / A XS as methylene blue solution absorbance change was evaluated the degree of decolorization of methylene blue. The smaller the value of A XP / A XS, the more the decolorization progresses, indicating that the photocatalytic performance of the test piece is large. An example of the obtained absorbance spectrum and the evaluation results are shown in FIG. 10 and Table 2, respectively.

発明例1乃至3は、無処理のステンレス鋼(比較例1乃至5)と比較して高い脱色率を示している。また、電圧を変えて2度放電を行うと性能が格段に向上していることが確認された。   Inventive Examples 1 to 3 show a higher decolorization rate than untreated stainless steel (Comparative Examples 1 to 5). In addition, it was confirmed that the performance was remarkably improved when discharging was performed twice while changing the voltage.

本発明によれば、多くの労力および費用を要することなく金属材料表面に新たな機能を付与することが可能な金属材料の表面処理方法、およびこの表面処理方法によって表面処理された金属材料を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a metal material surface treatment method capable of imparting a new function to a metal material surface without much labor and cost, and a metal material surface-treated by this surface treatment method. can do.

1 容器
2 電解溶液
3 陽極電極
4 被処理材(陰極電極)
5 導線
6 電源
7 温度計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 Electrolytic solution 3 Anode electrode 4 Material to be processed (cathode electrode)
5 Conductor 6 Power supply 7 Thermometer

Claims (5)

被処理表面を有する金属材料からなる陰極電極としての被処理材と陽極電極とを電解溶液中に浸漬させるステップと、
第1電圧を前記陰極電極と前記陽極電極との間に印加するステップと、
前記第1電圧より小さい第2電圧を前記陰極電極と前記陽極電極との間に印加するステップと、を含み、
前記第1電圧及び前記第2電圧を印加することにより、前記金属材料の前記被処理表面の表面積を増加させることを特徴とする金属材料の表面処理方法。
A step of immersing a material to be treated as a cathode electrode made of a metal material having a surface to be treated and an anode electrode in an electrolytic solution;
Applying a first voltage between the cathode electrode and the anode electrode;
Applying a second voltage lower than the first voltage between the cathode electrode and the anode electrode,
A surface treatment method of a metal material, wherein a surface area of the surface of the metal material is increased by applying the first voltage and the second voltage.
前記第1電圧は、70V以上、且つ、陰極電極が酸化又は熔解しない電圧範囲内にあり、前記第2電圧は、前記電圧範囲内にあり、且つ、第1電圧と5V以上異なることを特徴とする請求項1に記載の金属材料の表面処理方法。   The first voltage is 70 V or more and is in a voltage range where the cathode electrode is not oxidized or melted, and the second voltage is in the voltage range and is different from the first voltage by 5 V or more. The metal material surface treatment method according to claim 1. 前記金属材料はステンレス鋼材であり、前記第1電圧は、60V以上、且つ、陰極電極が熔解しない電圧範囲内にあり、前記第2電圧は、前記電圧範囲内にあり、且つ、第1電圧と5V以上異なることを特徴とする請求項1に記載の金属材料の表面処理方法。   The metal material is a stainless steel material, the first voltage is 60 V or more and is in a voltage range where the cathode electrode is not melted, the second voltage is in the voltage range, and the first voltage and The surface treatment method for a metal material according to claim 1, wherein the surface treatment method is different by 5 V or more. 前記第2電圧による処理の後、さらに前記第2電圧より5V以上小さい電圧による処理を1回以上行ない、後の処理の電圧を直前の処理の電圧より5V以上小さくすることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属材料の表面処理方法。 The process using the second voltage is further performed once or more by a voltage that is 5 V or more lower than the second voltage, and the voltage of the subsequent process is made 5 V or more lower than the voltage of the immediately preceding process. The surface treatment method of the metal material of 1 or 2 . 前記第1電圧および前記第2電圧を印加した後に前記陰極電極の表面に撥水処理を施すステップを含むことを特徴とする請求項1、2、又は4に記載の金属材料の表面処理方法。 5. The surface treatment method for a metal material according to claim 1, further comprising a step of applying a water repellent treatment to the surface of the cathode electrode after applying the first voltage and the second voltage.
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