JP7368012B2 - 化成処理液及びそれを用いた化成処理方法、並びに化成皮膜 - Google Patents

Description

本発明は、化成処理液及びそれを用いた化成処理方法、並びに化成皮膜に関するものである。

環境規制などの観点から、従来技術としてコバルトを使用しない３価クロム化成処理剤があり、コバルト代替としてジルコニウムを使用しているものが多くある（国際公開第２０１６／１０４７０３号、特開２０１９－５２３５１号公報など）。ジルコニウムイオンはフッ素が無いと処理剤中での安定性が悪く、従来はフッ化物がジルコニウムイオンの供給源として用いられている。しかしながら、環境への影響などから、フッ素を使用しないものが求められている。

国際公開第２０１６／１０４７０３号 特開２０１９－５２３５１号公報

本発明は、上記のような現状に鑑み、環境への配慮もなされた高耐食性化成皮膜を形成することが可能な、ジルコニウムイオンを含有する化成処理液を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意研究を行った結果、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下を提供する。
［１］
３価クロムイオンと、
ジルコニウムイオンと、
アルミニウムイオンと、
少なくとも１種のカルボン酸イオンと、
少なくとも１種のケイ素化合物と、
を含み、
フッ素イオン及びフッ素化合物を含まない化成処理液。
［２］
前記少なくとも１種のカルボン酸イオンが、
３価クロムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンと、
ジルコニウムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンと、
を含む、［１］に記載の化成処理液。
［３］
前記少なくとも１種のカルボン酸イオンが、ジカルボン酸イオン、ヒドロキシ酸イオン及びアルドン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のカルボン酸イオンを含む、［１］又は［２］に記載の化成処理液。
［４］
前記ジカルボン酸イオンがシュウ酸イオン及びマロン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のジカルボン酸イオンを含む、［３］に記載の化成処理液。
［５］
前記ヒドロキシ酸イオンが乳酸イオン、リンゴ酸イオン、クエン酸イオン、酒石酸イオン及びグリコール酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のヒドロキシ酸イオンを含む、［３］に記載の化成処理液。
［６］
前記アルドン酸イオンがグルコン酸イオン、ガラクトン酸イオン及びマンノン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のアルドン酸イオンを含む、［３］に記載の化成処理液。
［７］
さらに、少なくとも１種の酸化剤を含む、［１］～［６］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［８］
前記少なくとも１種の酸化剤が硝酸イオンを提供する硝酸及び硝酸塩を含む、［７］に記載の化成処理液。
［９］
コバルトイオン及びコバルト化合物、及び／又は６価クロムイオンを含まない、[１]～［８］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［１０］
さらに、ソルビン酸及びその塩、イソチアゾリノン誘導体、デヒドロ酢酸及びその塩、並びに安息香酸及びその塩からなる群より選ばれる１種以上の防腐剤を含む、［１］～［９］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［１１］
さらに、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｓｒ及びＦｅからなる群より選ばれる金属を含む水溶性金属塩を１種以上含む、［１］～［１０］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［１２］
さらに、界面活性剤及び有機ポリマーからなる群より選ばれる１種以上の摩擦調整剤を含む、［１］～［１１］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［１３］
前記少なくとも１種のケイ素化合物がコロイダルシリカを含む、［１］～［１２］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［１４］
さらに、モノカルボン酸又はその塩、ジカルボン酸又はその塩、芳香族カルボン酸又はその塩、アミノ酸又はその塩からなる群より選ばれる有機酸又はその塩を１種以上含む、［１］～［１３］のいずれか１項に記載の化成処理液。
［１５］
［１］～［１４］のいずれか１項に記載の化成処理液を金属基材の表面と接触させることを含む化成処理方法。
［１６］
前記金属基材又はその表面が亜鉛又は亜鉛合金である、［１５］に記載の化成処理方法。
［１７］
金属基材の表面に形成された化成皮膜であって、［１］～［１４］のいずれか１項に記載の化成処理液を用いて形成された化成皮膜。
［１８］
金属基材の表面に形成された化成皮膜であって、
（ａ）金属クロム、三価クロムイオン、及び三価クロム化合物から選ばれる成分と、
（ｂ）金属ジルコニウム、ジルコニウムイオン、及びジルコニウム化合物から選ばれる成分と、
（ｃ）金属アルミニウム、アルミニウムイオン、及びアルミニウム化合物から選ばれる成分と、
（ｄ）金属ケイ素、ケイ素イオン、及びケイ素化合物から選ばれる成分と、
を含み、
（ｅ）フッ素原子、フッ素イオン、及びフッ素化合物のいずれも含有しない
化成皮膜。
［１９］
化成皮膜中の、成分（ａ）の含有量が、クロム換算で０．５～５ｗｔ％である、［１８］に記載の化成皮膜。
［２０］
化成皮膜中の、成分（ｄ）の含有量が、ケイ素換算で２～２０ｗｔ％である、［１８］又は［１９］に記載の化成皮膜。
［２１］
化成皮膜中の、成分（ｂ）の含有量が、ジルコニウム換算で０．０５～５ｗｔ％である、［１８］～［２０］のいずれか１項に記載の化成皮膜。
［２２］
化成皮膜中の、成分（ｃ）の含有量が、アルミニウム換算で０ｗｔ％よりも多く５ｗｔ％以下である、［１８］～［２１］のいずれか１項に記載の化成皮膜。
［２３］
化成皮膜の膜厚が０．１～１．５μｍである、［１７］～［２２］のいずれか１項に記載の化成皮膜。
［２４］
前記金属基材又はその表面が亜鉛又は亜鉛合金である、［１７］～［２３］のいずれか１項に記載の化成皮膜。
［２５］
金属コバルト、コバルトイオン、及びコバルト化合物のいずれも含有しない［１７］～［２４］のいずれか１項に記載の化成皮膜。

本発明の化成処理液は、３価クロムイオンと、ジルコニウムイオンと、アルミニウムイオンと、少なくとも１種のカルボン酸イオンと、少なくとも１種の酸化剤と、少なくとも１種のケイ素化合物とを含み、フッ素イオン及びフッ素化合物を含まず、６価クロムイオンを含まない。

本発明の化成処理液は、３価クロムイオンを含む。３価クロムイオンを化成処理液に含有させることで、優れた耐食性を得ることができる。化成処理液中の３価クロムイオンの含有量は、好ましくは５～１００ｍｍｏｌ／Ｌである。本発明においては、このような低濃度範囲で３価クロムを用いると排水処理、経済的にも有利である。化成処理液中の３価クロムイオンの含有量は、より好ましくは７～９７ｍｍｏｌ／Ｌであり、さらに好ましくは８～９６ｍｍｏｌ／Ｌであり、最も好ましくは１５～３９ｍｍｏｌ／Ｌである。３価クロムイオンを提供する３価クロム化合物は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。３価クロム化合物としては、例えば塩化クロム、硫酸クロム、硝酸クロム、リン酸クロム、酢酸クロム等の３価クロム塩などが挙げられる。又はクロム酸や重クロム酸塩等の６価クロムイオンを還元剤にて３価クロムイオンに還元することもできる。これらの３価クロム化合物は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。

本発明の化成処理液は、ジルコニウムイオンを含む。ジルコニウムイオンを化成処理液にアルミニウムイオンとともに含有させることで、ケイ素化合物による増膜効果が得られ、耐食性をより高めることができる。化成処理液中のジルコニウムイオンの含有量は、好ましくは０．０１～５ｍｍｏｌ／Ｌであり、より好ましくは０．０５～２．２ｍｍｏｌ／Ｌであり、さらに好ましくは０．０６～２．２ｍｍｏｌ／Ｌであり、最も好ましくは０．１～０．６ｍｍｏｌ／Ｌである。ジルコニウムイオンを提供するジルコニウム化合物は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。ジルコニウム化合物としては、例えば硝酸ジルコニウム、硝酸ジルコニル、硝酸ジルコニウムアンモニウム、塩化ジルコニル、硫酸ジルコニル、炭酸ジルコニウム、炭酸ジルコニルアンモニウム、炭酸ジルコニルカリウム、炭酸ジルコニルナトリウム、炭酸ジルコニルリチウムなどの無機ジルコニウム化合物又はその塩、及び酢酸ジルコニル、乳酸ジルコニウム、酒石酸ジルコニウム、リンゴ酸ジルコニウム、クエン酸ジルコニウムなどの有機ジルコニウム化合物が挙げられる。好ましくは、ジルコニウム化合物としては、硝酸ジルコニル及び塩化ジルコニルである。これらのジルコニウム化合物は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。

本発明の化成処理液は、アルミニウムイオンを含む。アルミニウムイオンを化成処理液にジルコニウムイオンとともに含有させることで、ケイ素化合物による増膜効果が得られ、耐食性をより高めることができる。化成処理液中のアルミニウムイオンの含有量は、好ましくは０．０１～０．３０ｇ／Ｌであり、より好ましくは０．０２～０．３０ｇ／Ｌであり、さらに好ましくは０．０４～０．１１ｇ／Ｌである。アルミニウムイオンを提供するアルミニウム化合物は、特に制限されるものではないが、水溶性であることが好ましい。アルミニウム化合物としては、例えば硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、炭酸アルミニウムなどが挙げられる。好ましくは、アルミニウム化合物としては、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム及び硫酸アルミニウムである。これらのアルミニウム化合物は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。

本発明の化成処理液は、少なくとも１種のカルボン酸イオンを含む。化成処理液中のカルボン酸イオンの合計含有量は、好ましくは８～１３２ｍｍｏｌ／Ｌであり、より好ましくは１２．２～１２７ｍｍｏｌ／Ｌであり、さらに好ましくは２０～５２ｍｍｏｌ／Ｌであり、最も好ましくは２１．２～５２ｍｍｏｌ／Ｌである。前記少なくとも１種のカルボン酸イオンは、好ましくはジカルボン酸イオン、ヒドロキシ酸イオン及びアルドン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のカルボン酸イオンを含む。
ジカルボン酸イオンとしては、例えばシュウ酸イオン、マロン酸イオン、アジピン酸イオン、スベリン酸イオン、フタル酸イオン、イソフタル酸イオン、テレフタル酸イオン、フマル酸イオンなどが挙げられる。
ヒドロキシ酸イオンとしては、例えば乳酸イオン、リンゴ酸イオン、クエン酸イオン、酒石酸イオン、グリコール酸イオン、ヒドロキシ酪酸イオン、サリチル酸イオン、没食子酸イオン、クマル酸イオンなどが挙げられる。ヒドロキシ酸イオンは、好ましくは乳酸イオン、リンゴ酸イオン、クエン酸イオン、酒石酸イオン及びグリコール酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のヒドロキシ酸イオンを含む。
アルドン酸イオンとしては、グルコン酸イオン、ガラクトン酸イオン、マンノン酸イオン、グリセリン酸イオン、アスコルビン酸イオン、キシロン酸イオンなどが挙げられる。アルドン酸イオンは、好ましくはグルコン酸イオン、ガラクトン酸イオン及びマンノン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のアルドン酸イオンを含む。
前記少なくとも１種のカルボン酸イオンは、好ましくは３価クロムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンと、ジルコニウムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンとを含む。これにより、３価クロムイオン及びジルコニウムイオンとの錯体形成により３価クロムイオン及びジルコニウムイオンを安定化することができる。３価クロムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンと３価クロムイオンとのモル比（カルボン酸／Ｃｒ³⁺）は、好ましくは０．３～３．０であり、より好ましくは０．３～２．２であり、さらに好ましくは０．５～２．０である。また、ジルコニウムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンとジルコニウムイオンとのモル比（カルボン酸／Ｚｒ⁴⁺）は、好ましくは０．１～４．０であり、より好ましくは０．５～４．０であり、さらに好ましくは０．５～３．３であり、最も好ましくは１．０～３．０である。３価クロムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンは、好ましくはシュウ酸イオン及びマロン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のジカルボン酸イオンを含む。３価クロムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンは、特に好ましくはシュウ酸である。ジルコニウムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンは、好ましくはクエン酸、乳酸、グルコン酸などである。
カルボン酸イオンを提供するカルボン酸又はその塩は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。このようなカルボン酸としては、例えばシュウ酸、マロン酸、アジピン酸、スベリン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、フマル酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、グリコール酸、ヒドロキシ酪酸、サリチル酸、没食子酸、クマル酸、グルコン酸、ガラクトン酸、マンノン酸、グリセリン酸、アスコルビン酸、キシロン酸などが挙げられる。また、カルボン酸の塩としては、例えばカリウム、ナトリウムなどのアルカリ金属の塩、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属の塩、アンモニウム塩などが挙げられる。これらのカルボン酸又はその塩は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。

本発明の化成処理液は、酸化剤を少なくとも１種含んでもよい。酸化剤を化成処理液に含有させることで、化成皮膜の形成を促進することができ、より優れた外観と耐食性を得ることができる。化成処理液中の酸化剤の合計含有量は、好ましくは０．５～３０ｇ／Ｌであり、より好ましくは１．０～１０ｇ／Ｌである。酸化剤は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。酸化剤としては、例えば硝酸、亜硝酸、硫酸、亜硫酸、過硫酸、リン酸、塩酸、臭素酸、塩素酸、次亜塩素酸、過酸化水素、過マンガン酸、メタバナジン酸、タングステン酸、モリブデン酸、及びそれらの塩などが挙げられる。酸化剤は、好ましくは硝酸イオンを提供する硝酸及びその塩である。硝酸イオンを提供する硝酸化合物は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。硝酸塩としては、例えば硝酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸リチウム、硝酸クロム、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニル、硝酸コバルトなどが挙げられる。これらの硝酸及びその塩は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。化成処理液中の硝酸イオンを提供する硝酸及び硝酸塩の合計含有量は、硝酸イオンとして、好ましくは１．５～２０ｇ／Ｌであり、より好ましくは１．５～１７．９ｇ／Ｌであり、さらに好ましくは２．８～７．６ｇ／Ｌである。

本発明の化成処理液は、少なくとも１種のケイ素化合物を含む。ケイ素化合物を化成処理液に含有させることで、優れた耐食性を得ることができる。化成処理液中のケイ素化合物の合計含有量は、ケイ素として、好ましくは０．５～１１ｇ／Ｌであり、より好ましくは０．６～９．８ｇ／Ｌであり、さらに好ましくは２～８．５ｇ／Ｌである。ケイ素化合物は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。ケイ素化合物としては、例えばコロイダルシリカ、シランカップリング剤、ケイ酸ナトリウム、オルソケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、メタケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、アルキルシリケート類などが挙げられる。ケイ素化合物は、好ましくはコロイダルシリカである。コロイダルシリカは、特に限定されるものではないが、例えば球状コロイダルシリカ、鎖状コロイダルシリカ等が挙げられる。球状コロイダルシリカとしては特に限定されず、例えば、日産化学株式会社製スノーテックスＸＳ、スノーテックスＳ、スノーテックス３０、スノーテックスＹＬ、スノーテックスＺＬ、スノーテックスＯＸＳ、スノーテックスＯＳ、スノーテックスＯ、スノーテックスＯＬ、スノーテックスＯＹＬ、スノーテックスＮＸＳ、スノーテックスＮＳ、スノーテックスＮ、スノーテックスＮ－４０、スノーテックスＣＸＳ、スノーテックスＣＳ、スノーテックスＣや、ＧＲＡＣＥ社製ＬＵＤＯＸ ＦＭ、ＬＵＤＯＸ ＳＭ、ＬＵＤＯＸ ＨＳ－３０、ＬＵＤＯＸ ＨＳ－４０、ＬＵＤＯＸ ＨＳ－４０ＦＳ、ＬＵＤＯＸ ＴＭ－４０、ＬＵＤＯＸ ＴＭ－５０、ＬＵＤＯＸ ＰＷ－５０、ＬＵＤＯＸ ＡＳ－３０、ＬＵＤＯＸ ＡＳ－４０、ＬＵＤＯＸ ＡＭ、ＬＵＤＯＸ ＴＭＡ、ＬＵＤＯＸ ＨＳＡ等が挙げられる。鎖状コロイダルシリカとしては特に限定されず、例えば、日産化学株式会社製スノーテックスＵＰ、スノーテックスＯＵＰ等が挙げられる。これらはいずれも市販品として入手可能である。特に好ましくは球状コロイダルシリカである。これらのケイ素化合物は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。

本発明の化成処理液は、フッ素イオン及びフッ素化合物を含まないフッ素フリーの化成処理液である。フッ素イオン又はフッ素化合物は、化成処理液において、ジルコニウムイオンを安定化し、ケイ素化合物による増膜効果に寄与することが知られている。本発明の化成処理液においては、少なくとも１種のカルボン酸イオンを含有させることによって、ジルコニウムイオンの安定化を図っている。また、ジルコニウムイオン及びアルミニウムイオンを含有させることによって、ケイ素化合物による増膜効果が得られ、耐食性をより高めることができる。ここで、「フッ素イオン及びフッ素化合物を含まない」とは、一般的なフッ素分析法による測定値が検出限界値以下であることをいう。分析方法としては、例えば、イオンクロマトグラフ法やランタン－アリザリンコンプレキソン吸光光度法などが挙げられる。

本発明の化成処理液は、６価クロムイオンを含まない。
また、本発明の化成処理液は、コバルトイオン又はコバルト化合物を含有せずとも優れた耐食性皮膜を形成させることができる。したがって、本発明の化成処理液は、好ましくはコバルトイオン及びコバルト化合物を含まない。しかしながら、さらにコバルトイオン又はコバルト化合物を含有させてもよい。コバルトイオン又はコバルト化合物を含有させる場合、化成処理液中のその含有量は、Ｃｏとして、好ましくは３００ｍｍｏｌ／Ｌ以下であり、より好ましくは１００ｍｍｏｌ／Ｌ以下であり、さらに好ましくは５０ｍｍｏｌ／Ｌ以下である。コバルトイオンを提供するコバルト化合物は、特に限定されるものではないが、水溶性であることが好ましい。コバルト化合物としては、例えば硝酸コバルト、塩化コバルト、硫酸コバルトなどが挙げられる。これらのコバルト化合物は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。

本発明の化成処理液は、カビ防止のために防腐剤を含んでもよい。防腐剤は、特に限定されるものではないが、例えばソルビン酸及びその塩、イソチアゾリノン誘導体、デヒドロ酢酸及びその塩、安息香酸及びその塩などが挙げられる。これらの防腐剤は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。化成処理液中の防腐剤の含有量は、その効力に応じて適宜必要な量とすればよい。例えば、ソルビン酸塩（ソルビン酸カリウム）の場合、化成処理液中のその含有量は、好ましくは１００ｍｇ／Ｌ以下であり、より好ましくは１～５ｍｇ／Ｌである。

本発明の化成処理液は、耐食性をより向上させるために、さらにＶ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｓｒ及びＦｅからなる群より選択された金属を含む水溶性金属塩を含んでもよい。水溶性金属塩としては、例えば硝酸塩、塩化物塩、硫酸塩などが挙げられる。これらの水溶性金属塩は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。化成処理液中の水溶性金属塩の含有量は、好ましくは０．１ｇ／Ｌ～１．５ｇ／Ｌであり、より好ましくは０．２ｇ／Ｌ～１．０ｇ／Ｌである。

本発明の化成処理液は、形成される化成皮膜の表面の摩擦調整のために、摩擦調整剤を含んでもよい。摩擦調整剤は、特に制限されるものではないが、例えばアニオン界面活性剤、ノニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤などの界面活性剤、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの有機ポリマーなどが挙げられる。これらの摩擦調整剤は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。化成処理液中の摩擦調整剤の含有量は、好ましくは１ｍｇ／Ｌ～５ｇ／Ｌであり、より好ましくは５ｍｇ／Ｌ～２ｇ／Ｌである。

本発明の化成処理液は、緩衝剤、皮膜促進剤、水切り剤、Ｆｅ溶解抑制剤等として、前記少なくとも１種のカルボン酸イオンを提供するカルボン酸又はその塩以外の有機酸又はその塩を含んでもよい。前記有機酸又はその塩は、モノカルボン酸又はその塩、ジカルボン酸又はその塩、芳香族カルボン酸又はその塩、アミノ酸又はその塩からなる群より選ばれる有機酸又はその塩を１種以上含む。
モノカルボン酸としては、例えばギ酸、酢酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、例えばコハク酸、グルタル酸、マレイン酸などが挙げられる。
芳香族カルボン酸としては、例えばスルホサリチル酸、ケイ皮酸などが挙げられる。
アミノ酸としては、例えばグルタミン酸、アスパラギン酸、グリシンなどが挙げられる。
塩としては、例えばカリウム、ナトリウムなどのアルカリ金属の塩、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属の塩、アンモニウム塩などが挙げられる。
これらの有機酸又はその塩は、単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせて用いてもよい。化成処理液中の有機酸又はその塩の含有量は、好ましくは０．１ｇ／Ｌ～２０ｇ／Ｌであり、より好ましくは０．２ｇ／Ｌ～１０ｇ／Ｌである。

本発明の化成処理液のｐＨは、好ましくは１．５～３．５の範囲であり、より好ましくは２．１～２．９の範囲である。ｐＨをこの範囲に調整するために、硝酸、塩酸等の無機酸又は有機酸、アンモニア、アンモ二ウム塩、苛性アルカリ、炭酸ソーダ、炭酸カリウム、炭酸アンモニウムなどのアルカリ剤を用いてもよい。ｐＨをこのような範囲とすることで、優れた外観と耐食性を得ることができる。
本発明の化成処理液における上記成分の残分は水である。

本発明の化成処理液を用いて、金属基材上に化成皮膜を形成する方法としては、特に制限はなく、公知の方法が適用できる。例えば前記化成処理液に金属基材を浸漬するなどの方法で、前記化成処理液に金属基材の表面を接触させる。浸漬する場合、その際の化成処理液の温度は、好ましくは１５～５０℃であり、より好ましくは２５～４０℃である。浸漬時間は、好ましくは１０～９０秒であり、より好ましくは１５～５０秒である。
本発明で用いる金属基材としては、特に制限はなく、例えば鉄、ニッケル、銅、亜鉛、アルミニウムなどの各種金属及びこれらの合金、あるいはそれらの表面を金属で被覆したものであって、その形状としては特に制限はなく、例えば鋼板、めっき鋼板などの板状物や、直方体、円柱、円筒、球状物などの形状品など種々のものが挙げられる。形状品として具体的には、例えばボルト、ナット、ワッシャーなどの締結部品、燃料パイプなどのパイプ部品、ブレーキキャリパー、コモンレールなどの鋳鉄部品の他、コネクタ、プラグ、ハウジング、口金、シートベルトアンカーなど種々のものが挙げられる。
前記金属基材の表面を被覆する金属としては、特に制限はないが、亜鉛又は亜鉛合金が好ましく、常法により亜鉛又は亜鉛合金めっきを施して被覆する。前記金属基材上に亜鉛めっきを析出させるには、硫酸浴、ホウフッ化浴、塩化カリウム浴、塩化ナトリウム浴、塩化アンモニウム折衷浴等の酸性・中性浴、シアン浴、ジンケート浴、ピロリン酸浴等のアルカリ性浴のいずれでも良い。また、亜鉛合金めっきは、酸性浴、アルカリ性浴のいずれでもよい。
また、亜鉛合金めっきとしては、亜鉛－鉄合金めっき、亜鉛－ニッケル合金めっき、亜鉛－コバルト合金めっき、錫－亜鉛合金めっき等が挙げられる。好ましくは、亜鉛－ニッケル合金めっきである。基材上に析出するめっきの厚みは任意とすることができるが、１μｍ以上、好ましくは５～２５μｍ厚とするのがよい。
本発明では、このようにして基材上にめっきを析出させた後、必要に応じて適宜、前処理、例えば水洗、または水洗後、硝酸活性処理してから、本発明の化成処理液を用いて、例えば浸漬処理等の方法で化成処理を行う。めっき表面を活性化するために、化成処理前に希硝酸溶液（５％硝酸など）又は希硫酸溶液、希塩酸溶液、希フッ酸溶液などに浸漬させてもよい。上記以外の条件や処理操作は、従来の６価クロメート処理方法に準じて行うことができる。

本発明の化成処理液を用いて形成された化成皮膜は、好ましくは（１）金属コバルト、コバルトイオン、及びコバルト化合物のいずれも含有しない、及び／又は、（２）フッ素原子、フッ素イオン、及びフッ素化合物のいずれも含有しない。

また、本発明の化成皮膜は、金属基材の表面に形成された化成皮膜であって、（ａ）金属クロム、三価クロムイオン、及び三価クロム化合物から選ばれる成分と、（ｂ）金属ジルコニウム、ジルコニウムイオン、及びジルコニウム化合物から選ばれる成分と、（ｃ）金属アルミニウム、アルミニウムイオン、及びアルミニウム化合物から選ばれる成分と、（ｄ）金属ケイ素、ケイ素イオン、及びケイ素化合物から選ばれる成分と、を含むが、（ｅ）フッ素原子、フッ素イオン、及びフッ素化合物のいずれも含有しない。前記化成皮膜は、好ましくは金属コバルト、コバルトイオン、及びコバルト化合物のいずれも含有しない。
化成皮膜中の、成分（ａ）の含有量は、クロム換算で、好ましくは０．５～５ｗｔ％であり、より好ましくは１．７～３ｗｔ％である。
化成皮膜中の、成分（ｂ）の含有量は、ジルコニウム換算で、好ましくは０．０５～５ｗｔ％であり、より好ましくは０．１～３ｗｔ％である。
化成皮膜中の、成分（ｃ）の含有量は、アルミニウム換算で、好ましくは０ｗｔ％よりも多く５ｗｔ％以下であり、より好ましくは０ｗｔ％よりも多く３ｗｔ％以下である。
化成皮膜中の、成分（ｄ）の含有量は、ケイ素換算で、好ましくは２～２０ｗｔ％であり、より好ましくは７～１５ｗｔ％である。
本発明の化成皮膜の膜厚は、好ましくは０．１～１．５μｍであり、より好ましくは０．２～１．２μｍである。
次に、実施例及び比較例により本発明を説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

［実施例１～３１及び比較例１～１２］
（試験片）
亜鉛めっき試験片として、Ｍ８六角ボルト（材質：鉄）にジンケート浴亜鉛めっき（ディップソール製ＮＺ－１１０）を厚さ８μｍ施したものを使用した。亜鉛めっきが施された試験片を常温の１％硝酸水溶液に１０秒浸漬し、次いで水道水の流水で十分に濯ぎ、表面を清浄化した。次いで、亜鉛めっき試験片に以下の化成処理を行った。化成処理を行った試験片は、水道水とイオン交換水にて十分に洗浄したのち、８０℃に保った電気乾燥炉にて１０分間静置し乾燥させた。

（化成処理液）
予め下記の３種類の原液を調製し、これらの原液を混合して表１～５に示す化成処理液を調製した（実施例及び比較例で用いた化合物又は製品名を表６及び７に示す）。また、混合後、ｐＨを苛性ソーダで調整した。
原液１は、以下の化合物を混合して調製した。
３価クロム化合物、
アルミニウム化合物（なお、比較例１及び３ではアルミニウム化合物を含まず、比較例４～１１では、それぞれアルミニウム化合物の代わりにセリウム化合物、バナジウム化合物、カルシウム化合物、マグネシウム化合物、チタニウム化合物、マンガン化合物、ニッケル化合物、及び鉄化合物を用いた。）、
カルボン酸Ａ、
硝酸塩（実施例１７及び１９のみ）、及び
水
原液２は、以下の化合物を混合して調製した（なお、比較例１２では原液２を使用しない。）。
ジルコニウム化合物、
カルボン酸Ｂ、及び
水
原液３は、以下の化合物を混合して調製した。
ケイ素化合物（なお、比較例１及び２ではケイ素化合物を含まない。）、及び
水

（化成皮膜）
調製した化成処理液を用い、前記試験片に対し表１～５に示す条件で浸漬処理を行った。

（外観）
化成皮膜の外観は、均一性及び光沢の観点から評価した。結果を表１～５に示す。なお、評価基準は以下の通りである。
〇良：光沢のある均一な外観
△可：やや光沢の低い均一な外観
×不可：曇りのある光沢の低い不均一な外観

（耐食性）
化成処理された試験片はＪＩＳ Ｚ―２３７１に準じて中性塩水噴霧試験（以下ＮＳＳ）を行い、白錆５％未満発生時間で耐食性を評価した。結果を表１～５に示す。

（Ｚｒ安定性）
化成処理液における沈殿の有無で評価した。結果を表１～５に示す。なお、評価基準は以下の通りである。
○沈殿なし
△沈殿あり：本発明の効果に影響のない沈殿（許容範囲）
×沈殿あり：本発明の効果を阻害する沈殿（使用不可：一時的には沈殿しないが、経時で沈殿するものも含む）

（化成皮膜の元素分析）
化成皮膜の元素組成は、化成皮膜断面のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（日本電子（株）ＪＳＭ－６６１０ＬＡ）を用いて測定した（表８～１１）。

（化成皮膜の膜厚）
化成皮膜の膜厚は、Ｘ線光電子分光分析装置により測定した。各実施例の膜厚は、０．２～１．２μｍであった。

比較例１はアルミニウムイオン及びケイ素化合物を含まない化成処理液であり、耐食性が劣る。比較例２はアルミニウムイオンを含むがケイ素化合物を含まない化成処理液であり、耐食性が劣る（アルミニウムイオンだけでは耐食性は向上せず、アルミニウムイオンに耐食性付与の効果はないと考えられる）。比較例３はケイ素含有化合物を含むがアルミニウムイオンを含まない化成処理液であり、耐食性が劣る（アルミニウムイオンが無い場合、ケイ素化合物による増膜効果が発揮されないと考えられる）。比較例４～１１はケイ素化合物を含むがアルミニウムイオン以外の金属イオンを添加した化成処理液であり、耐食性が劣る（アルミニウムイオン以外の金属イオンでは、耐食性は向上しない）。比較例１２はアルミニウムイオン及びケイ素化合物を含むがジルコニウムイオンを含まない化成処理液であり、耐食性が劣る。

Claims (23)

1. ３価クロムイオンと、
   ジルコニウムイオンと、
   アルミニウムイオンと、
   少なくとも１種のカルボン酸イオンと、
   少なくとも１種のケイ素化合物と、
   を含み、
   フッ素イオン及びフッ素化合物を含まない化成処理液であって、
   前記少なくとも１種のケイ素化合物がコロイダルシリカを含み、
   前記少なくとも１種のカルボン酸イオンが、
   ３価クロムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンと、
   ジルコニウムイオンと錯体を形成することができるカルボン酸イオンと、
   を含む、化成処理液。
2. 前記少なくとも１種のカルボン酸イオンが、ジカルボン酸イオン、ヒドロキシ酸イオン及びアルドン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のカルボン酸イオンを含む、請求項１に記載の化成処理液。
3. 前記ジカルボン酸イオンがシュウ酸イオン及びマロン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のジカルボン酸イオンを含む、請求項２に記載の化成処理液。
4. 前記ヒドロキシ酸イオンが乳酸イオン、リンゴ酸イオン、クエン酸イオン、酒石酸イオン及びグリコール酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のヒドロキシ酸イオンを含む、請求項２に記載の化成処理液。
5. 前記アルドン酸イオンがグルコン酸イオン、ガラクトン酸イオン及びマンノン酸イオンからなる群より選ばれる１種以上のアルドン酸イオンを含む、請求項２に記載の化成処理液。
6. さらに、少なくとも１種の酸化剤を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の化成処理液。
7. 前記少なくとも１種の酸化剤が硝酸イオンを提供する硝酸及び硝酸塩を含む、請求項６に記載の化成処理液。
8. コバルトイオン及びコバルト化合物、及び／又は６価クロムイオンを含まない、請求項１～７のいずれか１項に記載の化成処理液。
9. さらに、ソルビン酸及びその塩、イソチアゾリノン誘導体、デヒドロ酢酸及びその塩、並びに安息香酸及びその塩からなる群より選ばれる１種以上の防腐剤を含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の化成処理液。
10. さらに、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｓｒ及びＦｅからなる群より選ばれる金属を含む水溶性金属塩を１種以上含む、請求項１～９のいずれか１項に記載の化成処理液。
11. さらに、界面活性剤及び有機ポリマーからなる群より選ばれる１種以上の摩擦調整剤を含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の化成処理液。
12. さらに、モノカルボン酸又はその塩、ジカルボン酸又はその塩、芳香族カルボン酸又はその塩、アミノ酸又はその塩からなる群より選ばれる有機酸又はその塩を１種以上含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の化成処理液。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の化成処理液を金属基材の表面と接触させることを含む化成処理方法。
14. 前記金属基材又はその表面が亜鉛又は亜鉛合金である、請求項１３に記載の化成処理方法。
15. 金属基材の表面に形成された化成皮膜であって、請求項１～１２のいずれか１項に記載の化成処理液を用いて形成された化成皮膜。
16. 金属基材の表面に形成された三価クロム化成皮膜であって、
    （ａ）金属クロム、三価クロムイオン、及び三価クロム化合物から選ばれる成分と、
    （ｂ）金属ジルコニウム、ジルコニウムイオン、及びジルコニウム化合物から選ばれる成分と、
    （ｃ）金属アルミニウム、アルミニウムイオン、及びアルミニウム化合物から選ばれる成分と、
    （ｄ）金属ケイ素、ケイ素イオン、及びケイ素化合物から選ばれる成分と、
    を含み、
    （ｅ）フッ素原子、フッ素イオン、及びフッ素化合物のいずれも含有しない
    化成皮膜。
17. 化成皮膜中の、成分（ａ）の含有量が、クロム換算で０．５～５ｗｔ％である、請求項１６に記載の化成皮膜。
18. 化成皮膜中の、成分（ｄ）の含有量が、ケイ素換算で２～２０ｗｔ％である、請求項１６又は１７に記載の化成皮膜。
19. 化成皮膜中の、成分（ｂ）の含有量が、ジルコニウム換算で０．０５～５ｗｔ％である、請求項１６～１８のいずれか１項に記載の化成皮膜。
20. 化成皮膜中の、成分（ｃ）の含有量が、アルミニウム換算で０ｗｔ％よりも多く５ｗｔ％以下である、請求項１６～１９のいずれか１項に記載の化成皮膜。
21. 化成皮膜の膜厚が０．１～１．５μｍである、請求項１５～２０のいずれか１項に記載の化成皮膜。
22. 前記金属基材又はその表面が亜鉛又は亜鉛合金である、請求項１５～２１のいずれか１項に記載の化成皮膜。
23. 金属コバルト、コバルトイオン、及びコバルト化合物のいずれも含有しない請求項１５～２２のいずれか１項に記載の化成皮膜。