JP6642774B1 - Ｓｎめっき鋼板及びＳｎめっき鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

このＳｎめっき鋼板は、鋼板、及び、前記鋼板の少なくとも片面にＳｎめっき層を有する母材めっき鋼板と、前記母材めっき鋼板上に位置する、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層と、を備える。このＳｎめっき鋼板の片面当たりのＳｎの付着量が、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下であり、前記皮膜層中における前記ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Ｚｒ量で１ｍｇ／ｍ^２以上３０ｍｇ／ｍ^２以下の範囲内であり、前記皮膜層中における前記酸化スズのＸ線光電子分光法によるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置が、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置から１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ未満の範囲内にあり、前記酸化スズの還元に要する電気量が、５．０ｍＣ／ｃｍ^２超２０ｍＣ／ｃｍ^２以下の範囲内である。

Description

本発明は、Ｓｎめっき鋼板及びＳｎめっき鋼板の製造方法に関する。
本願は、２０１８年３月１日に、日本国に出願された特願２０１８−０３６５８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

スズ（Ｓｎ）めっき鋼板は、「ブリキ」としてよく知られており、飲料缶や食缶などの缶用途その他に、広く用いられている。これは、Ｓｎが人体に安全であり、かつ、美麗な金属であることによる。このＳｎめっき鋼板は、主に電気めっき法によって製造される。これは、比較的高価な金属であるＳｎの使用量を必要最小限の量に制御するには、溶融めっき法よりも電気めっき法の方が有利であることによる。Ｓｎめっき鋼板は、めっき後の加熱溶融処理により美麗な金属光沢が付与された後に、６価クロム酸塩の溶液を用いた電解処理や浸漬処理などのクロメート処理によって、Ｓｎめっき上にクロメート皮膜が施されることが多い。このクロメート皮膜の効果は、Ｓｎめっき表面の酸化を抑えることによる外観の黄変の防止や、塗装されて使用される場合における酸化スズの凝集破壊による塗膜密着性の劣化の防止、耐硫化黒変性の向上、などである。

一方、近年、環境や安全に対する意識の高まりから、最終製品に６価クロムが含まれないのみならず、クロメート処理自体を行わないことが求められている。しかしながら、クロメート皮膜が存在しないＳｎめっき鋼板は、上述の如く、酸化スズの成長により外観が黄変したり、塗膜密着性が低下したり、耐硫化黒変性が低下したりする。

このため、クロメート皮膜に替わる皮膜処理が施されたＳｎめっき鋼板が、いくつか提案されている。

例えば、以下の特許文献１では、リン酸イオンとシランカップリング剤とを含有する溶液を用いた処理によって、ＰとＳｉとを含む皮膜を形成させたＳｎめっき鋼板が提案されている。以下の特許文献２では、リン酸アルミニウムを含む溶液を用いた処理によって、Ａｌ及びＰと、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの少なくとも１種と、シランカップリング剤との反応物を含む皮膜を形成させたＳｎめっき鋼板が提案されている。また、以下の特許文献３では、Ｓｎめっき上にＺｎめっきをした後にＺｎ単独めっき層が消失するまで加熱処理を施す、クロメート皮膜を有さないＳｎめっき鋼板の製造方法が提案されている。また、以下の特許文献４及び特許文献５では、ジルコニウム、リン酸、フェノール樹脂等を含む化成処理皮膜を有する容器用鋼板が提案されている。

日本国特開２００４−６００５２号公報 日本国特開２０１１−１７４１７２号公報 日本国特開昭６３−２９０２９２号公報 日本国特開２００７−２８４７８９号公報 日本国特開２０１０−１３７２８号公報

日本表面科学会編、「表面分析化学選書 Ｘ線光電子分光法」、丸善株式会社、Ｐ．８３

しかしながら、本発明者らによる検討の結果、上記特許文献１〜特許文献５で提案されているＳｎめっき鋼板やその製造方法では、経時による酸化スズの成長を十分に抑制することができず、耐黄変性や塗膜密着性が不十分な場合があることが明らかとなった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来のクロメート処理を行うことなく、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性においてより一層優れたＳｎめっき鋼板の提供と、Ｓｎめっき鋼板の製造方法の提供とにある。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討した。その結果、Ｓｎめっき鋼板の表面に、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する層を形成させることで、クロメート処理を行わずに、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変においてより一層優れるＳｎめっき鋼板を実現可能であることを見出した。上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］本発明の一態様に係るＳｎめっき鋼板は、鋼板、及び、前記鋼板の少なくとも片面にＳｎめっき層を有する母材めっき鋼板と；前記母材めっき鋼板上に位置する、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層と；を備え、片面当たりのＳｎの付着量が、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下であり、前記皮膜層中における前記ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Ｚｒ量で１ｍｇ／ｍ^２以上３０ｍｇ／ｍ^２以下の範囲内であり、前記皮膜層中における前記酸化スズのＸ線光電子分光法によるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置が、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置から１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ未満の範囲内にあり、前記酸化スズの還元に要する電気量が、５．０ｍＣ／ｃｍ^２超２０ｍＣ／ｃｍ^２以下の範囲内である。
［２］本発明の一態様に係るＳｎめっき鋼板の製造方法は、鋼板の少なくとも片面に、Ｓｎを０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下含有するＳｎめっき層が形成された母材めっき鋼板に対して、ジルコニウムイオンを含有する溶液中への浸漬処理、又は、ジルコニウムイオンを含有する溶液中での陰極電解処理を施すことで、ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層を形成させる第１の工程と；前記第１の工程の後、前記ジルコニウム酸化物層が形成された前記母材めっき鋼板を、酸素を含有する雰囲気下において、単位がＫである加熱温度Ｔ、及び単位がＨｏｕｒである加熱時間ｔに関する以下の式１及び式２を共に満足する条件で加熱処理する第２の工程と；を有する。
０．１１×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）＜ｔ＜０．６５×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）・・・（式１）
３０８＜Ｔ＜３７３ ・・・（式２）
［３］上記［２］の態様において、前記第２の工程における前記加熱処理が、酸素を含有し、かつ、水蒸気量が６０体積％以上９０体積％以下の範囲内である雰囲気下で実施されてもよい。
［４］上記［２］又は上記［３］の態様において、前記ジルコニウムイオンを含有する溶液のジルコニウムイオン濃度が、１００ｐｐｍ以上４０００ｐｐｍ以下であり、前記ジルコニウムイオンを含有する溶液のｐＨ値が、３以上５以下であってもよい。
［５］上記［２］〜［４］の何れか１項に記載の態様において、前記第１の工程で、前記ジルコニウム酸化物層を、陰極電解処理により形成し、前記陰極電解処理における電流密度を、０．０５Ａ／ｄｍ^２以上５０Ａ／ｄｍ^２以下としてもよい。

以上に説明したように本発明の上記各態様によれば、従来のクロメート処理を行うことなく、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性において、より一層優れたＳｎめっき鋼板及びＳｎめっき鋼板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るＳｎめっき鋼板を示す図であってその板厚方向に沿った断面図である。 実施例２において加熱処理時の温度と時間を変化させた場合の結果について示したグラフである。

以下に、本発明の一実施形態について詳細に説明する。

以下で説明する本実施形態は、食缶、飲料缶などの缶用途その他に広く用いられるＳｎめっき鋼板と、このＳｎめっき鋼板の製造方法とに関する。より詳細には、従来のクロメート処理を行うことなく、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性において、より一層優れたＳｎめっき鋼板と、このＳｎめっき鋼板の製造方法とに関する。

（Ｓｎめっき鋼板について）
図１に示すように、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０は、鋼板１の少なくとも片方の表面１ａにＳｎめっき層２の形成された母材めっき鋼板３の表面に、所定量のジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層４を有する。

より詳細には、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１は、鋼板１の少なくとも片面にＳｎめっき層２が形成された母材めっき鋼板３と、かかる母材めっき鋼板３上に位置する、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層４と、を有しており、Ｓｎめっき層２における片面当たりのＳｎの付着量は、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下である。
なお、図１では、鋼板１の片面である表面１ａのみにＳｎめっき層２及び皮膜層４がこの順に形成されている場合を示すが、この形態のみに限らない。すなわち、上記構成に加え、鋼板１の裏面１ｂに、Ｓｎめっき層２及び皮膜層４がこの順に形成されている場合も含まれる。このように両面にＳｎめっき層２が形成される場合、表面１ａに形成されたＳｎめっき層２におけるＳｎの付着量が、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下であり、同時に、裏面１ｂに形成されたＳｎめっき層２におけるＳｎの付着量も、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下であってもよい。さらには、鋼板１の両面にＳｎめっき層２が形成されるが、それらのうちの一方におけるＳｎめっき層２のＳｎの付着量が０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下であるものの、他方におけるＳｎめっき層２のＳｎの付着量が０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下の範囲外であってもよい。

本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０において、かかる皮膜層４中におけるジルコニウム酸化物の含有量は、金属Ｚｒ量で、片面当たり１ｍｇ／ｍ^２以上３０ｍｇ／ｍ^２以下である。また、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０において、皮膜層４中における酸化スズのＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ｘ線光電子分光法）によるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置は、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置から１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ未満の範囲内にあり、かつ、酸化スズの還元に要する電気量は、５．０ｍＣ／ｃｍ^２超２０ｍＣ／ｃｍ^２以下の範囲内である。
なお、皮膜層４における、ジルコニウム酸化物の含有量、及び、ＸＰＳによるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置を測定する際、皮膜層４の最表層の汚れによる測定精度への影響を排除する必要がある。そのために、被膜層４の最表層をエッチングし、皮膜層４の少し内部に入った位置（例えばエッチング前の表層位置よりも０．５ｎｍの深さ位置）から５ｎｍ深さ位置までの範囲内で測定することが好ましい。

以下、上記構成を有するＳｎめっき鋼板１０について、詳細に説明する。

＜鋼板１について＞
本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０の母材として用いられる鋼板１は、特に規定されるものではなく、一般的な容器用のＳｎめっき鋼板に用いられている鋼板であれば、任意のものを使用可能である。このような鋼板１として、例えば、低炭素鋼や極低炭素鋼などが挙げられる。また、用いる鋼板１の製造方法や材質についても、特に規定されるものではなく、例えば、鋳造から熱間圧延、酸洗、冷間圧延、焼鈍、調質圧延等の工程を経て製造された鋼板を適宜利用することができる。

＜Ｓｎめっき層２について＞
上記のような鋼板１の少なくとも片面には、Ｓｎめっきが施されて、Ｓｎめっき層２が形成される。かかるＳｎめっき層２によって、鋼板１の塗装後耐食性は向上する。なお、本明細書における「Ｓｎめっき」とは、金属Ｓｎによるめっきだけでなく、金属Ｓｎに不純物が混入しためっきや、金属Ｓｎに微量元素が含有されているめっきについても、含むものとする。

Ｓｎめっきを鋼板１の表面１ａに施す方法は、特に規定するものではないが、例えば公知の電気めっき法が好ましく、溶融したＳｎに鋼板１を浸漬することでめっきする溶融法を用いてもよい。電気めっき法としては、例えば、周知のフェロスタン浴やハロゲン浴やアルカリ浴などを用いた電解法を利用することができる。

なお、Ｓｎめっき後に、Ｓｎめっき層２の施された鋼板１をＳｎの融点である２３１．９℃以上に加熱する、加熱溶融処理を施してもよい。この加熱溶融処理によって、Ｓｎめっき鋼板１０の表面に光沢が出るとともに、Ｓｎめっき２と鋼板１の間に、ＳｎとＦｅとの合金層が形成され、塗装後耐食性が更に向上する。

＜ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層４について＞
本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０は、上記のようなＳｎめっき層２を有する母材めっき鋼板３の表面に、ジルコニウム酸化物と酸化スズの両者を含有する皮膜層４を有する。前述のように、かかる皮膜層４中におけるジルコニウム酸化物の含有量は、金属Ｚｒ量で、片面当たり１ｍｇ／ｍ^２以上３０ｍｇ／ｍ^２以下の範囲内である。皮膜層４中における酸化スズは、ＸＰＳによるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置が、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置から１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ未満の範囲内にあり、かつ、酸化スズの還元に要する電気量が、５．０ｍＣ／ｃｍ^２超２０ｍＣ／ｃｍ^２以下の範囲内である。

なお、上記「Ｓｎ３ｄ_５／２」とは、上記非特許文献１に記載されているように、Ｓｎの中の電子のエネルギー準位を意味する。より詳細には、Ｓｎにおいて、スピンが平行な状態となっている３ｄ電子のエネルギー準位を意味する。

本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０は、Ｓｎめっき層２の表面２ａ上に、上記のようなジルコニウム酸化物と酸化スズとが共存する皮膜層４を有することで、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性をより一層向上させることができる。なお、ジルコニウム酸化物のみ、又は、酸化スズのみでは、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性を十分に改善することが出来ない。この理由は定かではないが、本発明者らの詳細な調査により、以下のように考えている。

酸化スズは、従来、黄変の原因とされてきたが、本発明者らによる検討の結果、Ｓｎめっき鋼板上に、均一かつ十分な量の酸化スズを生成させると、耐黄変性が逆に向上する傾向にあることが分かった。また、Ｓｎめっき鋼板上に、均一かつ十分な量の酸化スズを生成させると、耐黄変性の向上に加えて、同時に耐硫化黒変性も向上する傾向にあることが分かった。これは、黄変がＳｎめっき鋼板上のミクロな金属スズの溶出と酸化現象との繰り返しで生じることに対し、Ｓｎめっき表面を酸化スズで被覆してしまうことで、ミクロな金属スズの溶出を抑制出来るためと考えられる。かかる効果を得るには、酸化スズの還元に要する電気量が５．０ｍＣ／ｃｍ^２超２０ｍＣ／ｃｍ^２以下の範囲内である酸化スズ量とする必要がある。酸化スズの還元に要する電気量が２０ｍＣ／ｃｍ^２超となる場合には、塗膜密着性が劣るため好ましくない。酸化スズの還元に要する電気量の下限値は、好ましくは７．０ｍＣ／ｃｍ^２であり、さらに好ましくは８ｍＣ／ｃｍ^２である。また、酸化スズの還元に要する電気量の上限値は、好ましくは１５ｍＣ／ｃｍ^２であり、さらに好ましくは１２ｍＣ／ｃｍ^２である。なお、「酸化スズの還元に要する電気量」とは、Ｓｎめっき鋼板１０の皮膜層４における酸化スズを還元除去するために要する時間と電流値との積として求めた電気量を示すものであり、実質的に皮膜層４の量（膜厚）に対応する数値となる。

酸化スズによる上記の効果を得るためには、ジルコニウム酸化物が皮膜層４中に共存していることが必要である。これは、ジルコニウム酸化物が、酸化スズを含有する皮膜の脆性を改善し、塗膜密着性を向上させるためである。また、ジルコニウム酸化物自体によっても、耐硫化黒変性を向上させる効果がある。かかる効果を得るには、ジルコニウム酸化物の含有量を、金属Ｚｒ量で１ｍｇ／ｍ^２以上３０ｍｇ／ｍ^２以下の範囲内とする必要がある。金属Ｚｒ量が１ｍｇ／ｍ^２未満である場合には、酸化スズを含む皮膜の脆化を抑制できない。一方、金属Ｚｒ量が３０ｍｇ／ｍ^２超となる場合には、ジルコニウム酸化物の含有量が過剰であり、逆に塗膜密着性を低下させる。ジルコニウム化合物の含有量の下限値は、好ましくは３ｍｇ／ｍ^２であり、さらに好ましくは５ｍｇ／ｍ^２である。また、ジルコニウム化合物の含有量の上限値は、好ましくは１０ｍｇ／ｍ^２であり、さらに好ましくは８ｍｇ／ｍ^２である。

なお、酸化スズは、ＸＰＳによるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置が、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置から１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ未満の範囲内となる必要がある。酸化スズが上記の範囲外の結合エネルギー値を有する場合は、塗膜密着性が安定しない。

これらのジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層４は、両者の混合状態であってもよいし、酸化物の固溶体であってもよく、その存在状態を問わない。また、これらの酸化物中に、Ｐ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ等のような、いかなる元素が更に含有されていても、何ら問題ない。すなわち、皮膜層４の成分としては、ジルコニウム酸化物と酸化スズ以外に、他の成分（リン化合物やフッ化物等）を更に含有してもよい。

ここで、上記のＺｒの付着量は、本実施形態に係る皮膜層４を表面に形成させたＳｎめっき鋼板１０を、例えば、フッ酸と硫酸などの酸性溶液に浸漬して溶解し、得られた溶解液を高周波誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発光分析法などの化学分析によって測定された値とする。あるいは、上記のＺｒの付着量は、蛍光Ｘ線測定によって求めても構わない。

酸化スズの還元に要する電気量は、以下のような方法で測定する。すなわち、窒素ガスのバブリング等により溶存酸素を除去した０．００１ｍｏｌ／Ｌの臭化水素酸水溶液中で、０．０６ｍＡ／ｃｍ^２の定電流により、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０を陰極電解する。この際に、酸化スズを還元除去するために要する時間と電流値との積から、酸化スズの還元に要する電気量を求めることができる。

また、ＸＰＳによるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置は、公知のＸＰＳ測定装置を用いて、公知の方法により測定することが可能である。

＜Ｓｎめっき鋼板のＳｎ付着量＞
本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０において、片面当たりのＳｎ付着量は、金属Ｓｎ量として、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下とする。以下で詳述するように、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０の皮膜層４は、ジルコニウム酸化物層が形成されたＳｎめっき鋼板（素材）を所定の条件下で加熱処理して、Ｓｎめっき層２中のＳｎをジルコニウム酸化物層中に拡散させることで形成される。従って、上記片面当たりのＳｎ付着量は、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０において、Ｓｎめっき層２中に存在する、皮膜層４中に拡散していないＳｎの含有量と、皮膜層４中に存在する酸化スズの金属Ｓｎ換算量と、の合計値である。

本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０において、片面当たりのＳｎ付着量が０．１ｇ／ｍ^２未満である場合には、塗装後耐食性に劣り、好ましくない。また、片面当たりのＳｎ付着量が１５ｇ／ｍ^２を超える場合、Ｓｎによる塗装後耐食性の向上効果は十分であり、更なる付着量の増加は経済的な観点から好ましくなく、また、塗膜密着性も低下する傾向にある。本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０において、片面当たりのＳｎ付着量の下限値は、好ましくは１．０ｇ／ｍ^２であり、さらに好ましくは２．０ｇ／ｍ^２である。また、片面当たりのＳｎ付着量の上限値は、好ましくは１０ｇ／ｍ^２であり、さらに好ましくは７．０ｇ／ｍ^２である。

ここで、上記のような、片面当たりのＳｎの付着量は、例えばＪＩＳ Ｇ ３３０３に記載された電解法や蛍光Ｘ線法によって測定された値とする。

（Ｓｎめっき鋼板１０の製造方法について）
以下では、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板の製造方法について、詳細に説明する。本実施形態に係るＳｎめっき鋼板の製造方法では、鋼板１の少なくとも片面に、片面当たりのＳｎ付着量が０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下となるようにＳｎめっき層２の形成された母材めっき鋼板３が、素材として用いられる。

ここで、母材めっき鋼板３の製造方法については、特に限定されるものではなく、所望の機械的強度（例えば、引張強度等）を有する公知の鋼板１に対して、公知のめっき方法により、片面当たりのＳｎめっき付着量が０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下となるように、Ｓｎめっきを施すことで製造することができる。また、片面当たりの付着量が上記の範囲内となるように予めＳｎめっきの施された公知のＳｎめっき鋼板（素材）を、母材めっき鋼板３として使用することも可能である。

続いて、ジルコニウム酸化物及び酸化スズを含有する皮膜層４の形成方法について、詳細に説明する。本実施形態に係る皮膜層４を形成するためには、まず、母材めっき鋼板３をなすＳｎめっき層２上に対して、ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層を形成する。

ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層は、上記のようなＳｎめっき層２の形成された母材めっき鋼板３に対して、ジルコニウムイオンを含む溶液中への浸漬処理、又は、ジルコニウムイオンを含む溶液中での陰極電解処理を施すことで、母材めっき鋼板３上に形成することができる。

ただし、浸漬処理では、下地である母材めっき鋼板３の表面がエッチングされることでジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層が形成されるため、その付着量が不均一になりやすく、また、処理時間も長くなるため、工業生産的には不利である。一方、陰極電解処理では、強制的な電荷移動及び鋼板界面での水素発生による表面清浄化とｐＨ値の上昇による付着促進効果も相まって、均一な皮膜を得ることができる。更に、この陰極電解処理において、処理液中に硝酸イオンとアンモニウムイオンとが共存することにより、数秒から数十秒程度の短時間処理が可能であることから、工業的には極めて有利である。従って、本実施形態に係るジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層の形成には、陰極電解による方法（陰極電解処理）を利用することが好ましい。

以下では、陰極電解処理を行ってジルコニウム酸化物層を形成する場合について詳細に説明するが、電流密度等といった陰極電解処理に特有な条件以外の溶液に関する条件については、浸漬処理によりジルコニウム酸化物層を形成する場合にも同様に適用可能である。

ここで、陰極電解処理を実施する溶液中のジルコニウムイオンの濃度は、生産設備や生産速度（能力）に応じて適宜調整すればよい。溶液中のジルコニウムイオン濃度は、例えば、１００ｐｐｍ以上４０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。また、ジルコニウムイオンを含む溶液中には、フッ素イオン、アンモニウムイオン、硝酸イオン、硫酸イオンなど、他の成分が含まれていても何ら問題ない。

ここで、陰極電解する溶液（陰極電解液）の液温は、特に規定するものではないが、例えば、１０℃以上５０℃以下の範囲とすることが好ましい。５０℃以下で陰極電解を行うことにより、非常に細かい粒子により形成された、緻密で均一な皮膜組織の形成が可能となる。一方、液温が１０℃未満である場合には、皮膜の形成効率が悪く、夏場など外気温が高い場合には溶液の冷却が必要となり、経済的ではないだけでなく、塗装後耐食性も低下する可能性がある。また、液温が５０℃を超える場合には、形成されるジルコニウム酸化物皮膜組織が不均一となり、欠陥、割れ、マイクロクラック等が発生して緻密な皮膜形成が困難となり、腐食等の起点となる可能性があるため、好ましくない。

また、陰極電解液のｐＨ値は、特に規定するものではないが、３以上５以下であることが好ましい。ｐＨ値が３未満である場合には、ジルコニウム酸化物の生成効率が低下する可能性があり、ｐＨ値が５超となる場合には、溶液中に沈殿が多量に発生し、連続生産性が低下する可能性がある。

なお、陰極電解液のｐＨ値を調整したり電解効率を向上させたりするために、陰極電解液中に、例えば硝酸、アンモニア水等を含有させてもよい。特に、陰極電解処理の短時間化を実現するためには、陰極電解液中に、硝酸及びアンモニア水を含有させることが好ましい。

また、陰極電解処理における電流密度は、例えば、０．０５Ａ／ｄｍ^２以上５０Ａ／ｄｍ^２以下の範囲内とすることが好ましい。電流密度が０．０５Ａ／ｄｍ^２未満である場合には、ジルコニウム酸化物の形成効率の低下を招き、ジルコニウム酸化物を含有する皮膜層の安定的な形成が困難となって、耐黄変性や耐硫化黒変性が低下するだけでなく、塗装後耐食性も低下する可能性があるため、好ましくない。一方、電流密度が５０Ａ／ｄｍ^２超となる場合には、ジルコニウム酸化物の形成効率が大き過ぎ、粗大かつ密着性に劣るジルコニウム酸化物が形成される可能性があるため、好ましくない。電流密度の範囲の下限値は、より好ましくは１Ａ／ｄｍ^２であり、さらに好ましくは２Ａ／ｄｍ^２である。電流密度の範囲の上限値は、より好ましくは１０Ａ／ｄｍ^２であり、さらに好ましくは６Ａ／ｄｍ^２である。

なお、ジルコニウム酸化物層の形成に際して、陰極電解の時間は、問うものではない。狙いとするＺｒ付着量に対し、電流密度に応じて適宜陰極電解の時間を調整すればよいが、例えば上記のような電流密度の範囲で陰極電解処理を行う場合、通電時間は、０．３〜５秒程度とすることができる。

また、陰極電解処理に用いられる溶液の溶媒としては、例えば、蒸留水等を使用することができるが、蒸留水等の水に規定されるものではなく、溶解する材料や形成方法等に応じて、適宜選択することが可能である。

陰極電解中のジルコニウムは、例えば、Ｈ_２ＺｒＦ_６のようなジルコニウム錯体をジルコニウムの供給源として使用できる。上記のようなジルコニウム錯体中のＺｒは、陰極電極界面におけるｐＨ値の上昇によりＺｒ^４＋となって陰極電解液中に存在する。このようなジルコニウムイオンは、陰極電解液中で更に反応し、ジルコニウム酸化物となる。電解液中にリン酸を含む場合は、リン酸ジルコニウムも形成される。

また、陰極電解する際の通電パターンとしては、連続通電であっても断続通電であっても何ら問題はない。

本実施形態に係るジルコニウム酸化物及び酸化スズを含有する皮膜層４は、上記のようなジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層を形成させた母材めっき鋼板３を、所定の条件で加熱処理することで得られる。具体的には、母材めっき鋼板３のＳｎめっき層２上にジルコニウム酸化物層を形成させた後に、酸素を含有する雰囲気下において、温度Ｔ（単位：Ｋ）及び時間ｔ（単位：ｈｏｕｒ）に関する以下の式１０１及び式１０２を共に満足するような条件で加熱することで、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０を得ることができる。すなわち、以下で詳述するような加熱処理により、Ｓｎめっき層２中のＳｎをジルコニウム酸化物層に拡散させることで、拡散したＳｎが酸化されて酸化スズとなる。かかる加熱処理により、酸化スズの生成量は、上記のような還元に要する電気量に対応するものとなり、かつ、酸化スズのＸＰＳによるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置が、上記のような範囲内となる。

０．１１×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）＜ｔ＜０．６５×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）・・・（式１０１）
３０８＜Ｔ＜３７３ ・・・（式１０２）

上記の製造方法における加熱方法は、何ら限定するものではなく、例えば、雰囲気加熱、誘導加熱、通電加熱等の公知の加熱方法を適用することができる。ここで、加熱温度は、上記式１０２に示したように、３０８Ｋ超３７３Ｋ未満（すなわち、３５℃超１００℃未満）とする必要がある。加熱温度が３０８Ｋ以下となる場合には、酸化スズが不均一に形成されて、性能が向上しない。一方、加熱温度が３７３Ｋ以上となる場合には、酸化スズの構造が変化して外観が劣化するため、不適である。

ここで、上記式１０１は、本発明者らが、加熱処理の際の加熱温度と、加熱時間と、をそれぞれ変化させながら、得られるＳｎめっき鋼板１０が本実施形態の範囲内となるか否かについて検証を行うことで、実験的に得られたものである。すなわち、本発明者らは、加熱処理の際の加熱温度Ｔ（Ｋ）と、加熱時間ｔ（ｈｏｕｒ）と、をそれぞれ変化させながら、Ｓｎめっき鋼板１０を製造し、得られたＳｎめっき鋼板１０が本実施形態の範囲内となったか否かを検証した。その上で、加熱時間ｔ（ｈｏｕｒ）及び加熱温度Ｔ（Ｋ）で規定される座標平面に対して、各Ｓｎめっき鋼板１０の加熱条件に対応する位置に、得られた検証結果をプロットしていった。その後、本実施形態の範囲内となる領域の境界を与える曲線を得るために、座標平面上のプロットに対して、上記式１０２で規定される加熱温度Ｔ（Ｋ）の範囲内で、公知の数値演算アプリケーションを用いて非線形の最小二乗法を適用した。このような事前の検証により、本発明者らは、上記式１０１で表される関係を得ることができた。

本発明者らによる上記のような検討の結果、加熱処理工程における加熱温度Ｔ［Ｋ］及び加熱時間ｔ［ｈｏｕｒ］は、以下の式１０３を満足することが好ましく、以下の式１０４を満足することがより好ましいことが明らかとなった。

０．２２×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）＜ｔ＜０．５５×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）・・・（式１０３）
０．３３×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）＜ｔ＜０．４４×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）・・・（式１０４）

なお、加熱処理工程における昇温速度や冷却速度については、特に限定するものではなく、公知の方法に則して適宜設定すればよい。また、酸素を含有する雰囲気であれば、加熱する雰囲気も特に限定しないが、酸素を含有する雰囲気中の水蒸気量を、６０〜９０体積％の範囲内とすることが好ましい。かかる範囲内で加熱処理することで、酸化スズがより均一に生成すると考えられ、性能が良化する。

続いて、実施例を示しながら、本実施形態に係るＳｎめっき鋼板１０及びＳｎめっき鋼板１０の製造方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例にすぎず、本発明に係るＳｎめっき鋼板及びＳｎめっき鋼板の製造方法が下記の例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
＜試験材＞
板厚０．２ｍｍの低炭素冷延鋼板（鋼板１に対応）に対し、前処理として、電解アルカリ脱脂、水洗、希硫酸浸漬酸洗、水洗した後、フェノールスルホン酸浴を用いて電気Ｓｎめっきを施し、更にその後、加熱溶融処理をした。Ｓｎめっきの付着量は、片面当たり約２．８ｇ／ｍ^２を標準としたが、一部の試験材は、通電時間を変えることでＳｎめっきの付着量を変化させた。また、電気Ｓｎめっき後に加熱溶融処理をしない試験材も、あわせて作製した。Ｓｎめっき付着量は、蛍光Ｘ線法（リガク社製ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓ）により測定することで特定した。

上記のように作製したＳｎめっき鋼板を、フッ化ジルコニウムを含む水溶液中で陰極電解し、Ｓｎめっき鋼板上にジルコニウム酸化物層を形成した。陰極電解液中のジルコニウム濃度は、１４００ｐｐｍとした。また、陰極電解液の浴温は３５℃とし、かつ、陰極電解液のｐＨ値が３以上５以下となるように調整し、電流密度及び陰極電解時間を、狙いとするＺｒ付着量に応じて適宜調整した。各試験材の作製時における電流密度及び陰極電解時間は、以下の表１に示した通りである。

更に、ジルコニウム酸化物層を形成させたＳｎめっき鋼板を、以下の表１に示したような種々の加熱温度及び加熱時間で保持し、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層を形成させた。なお、比較として、ジルコニウム酸化物層のみを形成させ加熱処理をしない試験材（Ｎｏ．１Ｂ、Ｎｏ．３Ｂ）と、ジルコニウム酸化物を形成せずに加熱処理のみ実施した試験材（Ｎｏ．７Ｂ）も、あわせて作製した。また、一部の試験材は、ジルコニウム酸化物の形成前に炭酸ナトリウム水溶液中で陽極電解処理し、酸化スズの構造を変化させた（Ｎｏ．５Ｂ、Ｎｏ．６Ｂ）。このように作製したＳｎめっき鋼板について、以下に示す種々の評価を行った。また、一部の試験材はフッ化ジルコニウムを含む水溶液中で陰極電解と陽極電解を交互に繰り返す交番電解処理でジルコニウム酸化物を形成させた（Ｎｏ．９Ｂ）。

［Ｚｒ付着量］
各試験材の皮膜層における片面当たりのＺｒ付着量は、リガク社製ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓを用いて、蛍光Ｘ線法により測定した。得られたＺｒ付着量を、以下の表１に併せて示した。

［酸化スズ量］
各試験材について、窒素ガスのバブリングにより溶存酸素を除去した０．００１ｍｏｌ／Ｌの臭化水素酸水溶液中において、０．０６ｍＡ／ｃｍ^２の定電流で陰極電解し、酸化スズを還元除去するまでに要する時間と電流との積から、酸化スズの還元に要する電気量を測定した。測定した電気量を、以下の表１の「酸化スズ量」の欄に併せて示した。

［ＸＰＳでのピーク位置］
各試験材について、ＸＰＳ（ＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ製ＰＨＩ Ｑｕａｎｔｅｒａ ＳＸＭ）を用いてＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置を測定し、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置からのピーク位置のシフト量を算出した。得られたシフト量を、以下の表１の「Ｓｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーピーク位置」の欄に併せて示した。

［耐黄変性］
耐黄変性は、以下のようにして評価した。
上記のようにして作製した各試験材を、４０℃、相対湿度８０％に保持した恒温恒湿槽中に４週間載置する湿潤試験を行い、湿潤試験前後における色座標ｂ^＊値の変化量△ｂ^＊を求めて、評価した。変化量△ｂ^＊が１以下であれば３点とし、１超過２以下であれば２点とし、２〜３であれば１点とし、３を超過していれば０点とし、評価１点以上を合格とした。なお、色座標ｂ^＊は、市販の色差計であるスガ試験機製ＳＣ−ＧＶ５を用いて測定し、色座標ｂ^＊の測定条件は、光源Ｃ、全反射、測定径３０ｍｍとした。

［耐硫化黒変性］
耐硫化黒変性は、以下のようにして評価した。
上記のようにして作製した各試験材の表面に、市販の缶用エポキシ樹脂塗料を乾燥質量で７ｇ／ｍ^２塗布した後、２００℃で１０分焼き付け、２４時間室温に置いた。その後、得られた各試験材を所定のサイズに切断し、０．３質量％のリン酸二水素ナトリウム、０．７質量％のリン酸水素ナトリウム、０．６質量％のＬ−システイン塩酸塩をそれぞれ含有する水溶液中に浸漬し、密封容器中で１２１℃・６０分のレトルト処理を行い、試験後の外観から評価した。試験前後で外観の変化が全く認められなければ２点とし、僅かに黒変が認められれば（黒変した面積が１０％以下であれば）１点とし、試験面の１０％超過の領域に黒変が認められれば０点とし、評価１点以上を合格とした。

［塗膜密着性］
塗膜密着性は、以下のようにして評価した。
上記のようにして作製した各試験材を、上記［耐黄変性］に記載の方法で湿潤試験した後、表面に、市販の缶用エポキシ樹脂塗料を乾燥質量で７ｇ／ｍ^２塗布し、２００℃で１０分焼き付け、２４時間室温に置いた。その後、得られた各試験材に対し、鋼板表面に達する傷を碁盤目状に入れ（３ｍｍ間隔で縦横７本ずつの傷）、その部位のテープ剥離試験をすることで評価した。テープ貼り付け部位の塗膜が全て剥離していなければ２点とし、碁盤目の傷部周囲で塗膜剥離が認められれば１点とし、碁盤目の枡内に塗膜剥離が認められれば０点とし、評価１点以上を合格とした。

［塗装後耐食性］
塗装後耐食性は、以下のようにして評価した。
上記［塗膜密着性］に記載の方法で作製及び湿潤試験した各試験材の表面に、市販の缶用エポキシ樹脂塗料を乾燥質量で７ｇ／ｍ^２塗布した後、２００℃で１０分焼き付け、２４時間室温に置いた。その後、得られた各試験材を４０ｍｍ×４０ｍｍのサイズに切断し、市販のトマトジュースに６０℃の温度環境下で７日間浸漬した後の錆の発生有無を、目視にて評価した。錆が全く認められなければ２点とし、僅かに錆が認められれば（発錆した面積が５％以下であれば）１点とし、錆が５％超認められれば０点とし、評価１点以上を合格とした。

［総合性能］
また、総合性能として、各種性能の評点の合計を求め、その合計値が８点又は９点である場合を「Ｖｅｒｙ Ｇｏｏｄ」とし、６点又は７点である場合を「Ｇｏｏｄ」とし、４点又は５点である場合を「Ｆａｉｒ」とし、何れか一つの性能において０点が存在する場合は、合計値を０点として「Ｂａｄ」とし、評点Ｖｅｒｙ Ｇｏｏｄ、Ｇｏｏｄ、Ｆａｉｒを合格とした。

上記表１から明らかなように、発明例に該当する試験材では、いずれの性能も良好であることがわかる。一方、比較例に該当する試験材は、耐黄変性、塗膜密着性、耐硫化黒変性、塗装後耐食性のいずれかが劣ることがわかる。

（実施例２）
板厚０．２ｍｍの低炭素冷延鋼板に対し、前処理として、電解アルカリ脱脂、水洗、希硫酸浸漬酸洗、水洗した後、フェノールスルホン酸浴を用いて電気Ｓｎめっきを施し、更にその後、加熱溶融処理をした。Ｓｎの付着量は、片面当たり２．８ｇ／ｍ^２とした。

上記のように作製したＳｎめっき鋼板を、フッ化ジルコニウムを含む水溶液中で陰極電解し、Ｓｎめっき鋼板上にジルコニウム酸化物層を形成した。陰極電解液中のジルコニウム濃度は、１４００ｐｐｍとした。また、陰極電解液の浴温は３５℃とし、かつ、陰極電解液のｐＨ値が３以上５以下となるように調整し、電流密度及び陰極電解時間を、Ｚｒ付着量が５ｍｇ／ｍ^２となるように、適宜調整した。

更に、ジルコニウム酸化物層を形成させたＳｎめっき鋼板を、種々の加熱温度及び加熱時間で保持し、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層を形成させ、得られたＳｎめっき鋼板のそれぞれを試験材とした。

得られた各試験材について、上記実施例１に記載した方法と同様に各種性能を評価し、各評価項目における合計点から総合性能を行った。総合性能の評価基準は、実施例１と同様である。結果を以下の表２に纏める。また、加熱温度Ｔ［℃］及び加熱時間ｔ［ｈｏｕｒ］で規定される座標平面において、各試験材の加熱温度及び加熱時間の組み合わせに対応する位置に、得られた総合性能の評価結果をプロットした。得られたプロットを、図２に示した。

なお、図２では、上記式１０１、式１０３及び式１０４のそれぞれにおける最左辺及び最右辺で規定される曲線を、あわせて図示している。

図２から明らかなように、本実施形態の範囲内の条件で加熱処理を施した場合には、良好な性能が得られる一方で、本実施形態の範囲外となる条件で加熱処理を施した場合には、良好な性能が得られないことがわかる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例のみに限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上のように、本発明に係るＳｎめっき鋼板は、従来のクロメート処理を必要とせずに、耐黄変性、塗膜密着性、耐硫化黒変性に優れることから、環境にやさしい缶用材料として、食缶、飲料缶などに広く用いることができ、産業上の利用価値が極めて高いものである。

１ 鋼板
２ Ｓｎめっき層
３ 母材めっき鋼板
４ 皮膜層
１０ Ｓｎめっき鋼板

Claims (5)

1. 鋼板、及び、前記鋼板の少なくとも片面にＳｎめっき層を有する母材めっき鋼板と；
   前記母材めっき鋼板上に位置する、ジルコニウム酸化物と酸化スズとを含有する皮膜層と；
   を備え、
   片面当たりのＳｎの付着量が、０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下であり、
   前記皮膜層中における前記ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Ｚｒ量で１ｍｇ／ｍ^２以上３０ｍｇ／ｍ^２以下の範囲内であり、
   前記皮膜層中における前記酸化スズのＸ線光電子分光法によるＳｎ３ｄ_５／２の結合エネルギーのピーク位置が、金属Ｓｎの結合エネルギーのピーク位置から１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ未満の範囲内にあり、
   前記酸化スズの還元に要する電気量が、５．０ｍＣ／ｃｍ^２超２０ｍＣ／ｃｍ^２以下の範囲内である、
   Ｓｎめっき鋼板。
2. 鋼板の少なくとも片面に、Ｓｎを０．１ｇ／ｍ^２以上１５ｇ／ｍ^２以下含有するＳｎめっき層が形成された母材めっき鋼板に対して、ジルコニウムイオンを含有する溶液中への浸漬処理、又は、ジルコニウムイオンを含有する溶液中での陰極電解処理を施すことで、ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層を形成させる第１の工程と；
   前記第１の工程の後、前記ジルコニウム酸化物層が形成された前記母材めっき鋼板を、酸素を含有する雰囲気下において、単位がＫである加熱温度Ｔ、及び単位がＨｏｕｒである加熱時間ｔに関する以下の式１及び式２を共に満足する条件で加熱処理する第２の工程と；
   を有する、Ｓｎめっき鋼板の製造方法。
   ０．１１×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）＜ｔ＜０．６５×ｅｘｐ（２４００／Ｔ）・・・（式１）
   ３０８＜Ｔ＜３７３ ・・・（式２）
3. 前記第２の工程における前記加熱処理は、酸素を含有し、かつ、水蒸気量が６０体積％以上９０体積％以下の範囲内である雰囲気下で実施される、請求項２に記載のＳｎめっき鋼板の製造方法。
4. 前記ジルコニウムイオンを含有する溶液のジルコニウムイオン濃度は、１００ｐｐｍ以上４０００ｐｐｍ以下であり、前記ジルコニウムイオンを含有する溶液のｐＨ値は、３以上５以下である、請求項２又は３に記載のＳｎめっき鋼板の製造方法。
5. 前記第１の工程で、
   前記ジルコニウム酸化物層を、陰極電解処理により形成し、
   前記陰極電解処理における電流密度を、０．０５Ａ／ｄｍ^２以上５０Ａ／ｄｍ^２以下とする、
   請求項２〜４の何れか１項に記載のＳｎめっき鋼板の製造方法。

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