JPH10317190A - 鋼材の表面処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材させ
ながら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を生成さ
せる方法において、短時間で高品位のリン酸塩皮膜生成
する。 【解決手段】 リン酸塩処理液中で鋼材を陽極電解帯と
それに引き続く陰極電解帯とを組とする工程を配置して
鋼材を通過させることで前段の陽極電解帯ではリン酸塩
反応のアノード反応を促進することで鋼材と皮膜の密着
性を確保し、後段で陰極電解帯ではカソード反応を促進
することで皮膜付着量の確保をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コイル状の鋼材を
巻き戻しながら連続通材させてリン酸塩皮膜を形成させ
る方法とその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋼材へのリン酸塩処理は、部品加
工用の潤滑皮膜下地処理、防錆処理、および塗装下地処
理として広く利用されている。リン酸塩処理は一般的に
浸漬法、スプレー法により実施される。そこで、鋼材を
リン酸亜鉛処理液に浸漬すると、以下の反応が起こる。 （アノード反応）Ｆｅ→Ｆｅ ²⁺ ＋２ｅ^- （カソード反応）２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- →Ｈ₂ ここでアノード反応は、リン酸による鋼材面の溶解腐食
反応であり、鋼材面に電子を与えるとともに鋼材表面を
活性化して析出するリン酸塩の結晶と鋼材表面の密着性
が確保される。また、鋼材内に与えられた電子により起
こるカソード反応は溶液中に分離して浮遊していた水素
イオンを水素分子へと変換する反応である。処理液の平
均的なｐＨは２前後であるがカソード反応が起きた鋼材
面近くではｐＨが４前後まで上昇し、リン酸亜鉛結晶
（Ｚｎ₃ （ＰＯ₄ ）₂ ）の析出条件を満足し、鋼材表面
にリン酸亜鉛皮膜が形成される。 （３Ｚｎ（Ｈ₂ ＰＯ₄ ）₂ →Ｚｎ₃ （ＰＯ₄ ）₂ ＋Ｈ₃
ＰＯ₄

【０００３】このリン酸亜鉛皮膜を下地処理として表面
にステアリン酸塩等の金属石鹸からなる潤滑剤の皮膜を
形成させることにより、冷間鍛造のごとく面圧が３００
０（ＭＰａ）、摩擦面温度４００℃、表面積の拡大率が
１００倍にも達する過酷な条件下においても鋼材と金型
間の摩擦力を下げて金型の摩耗や焼き付きを防止でき
る。しかしながら、このリン酸亜鉛皮膜の形成反応は電
気化学反応とｐＨ変動に伴う平衡反応および結晶析出反
応が互いに関連作用する複合的な反応であるため液の温
度、濃度や成分変動により皮膜量が十分得られなかった
り、鋼材との密着性が十分でないと上記冷間鍛造加工で
焼き付き等の不具合を発生する要因となる。

【０００４】また、皮膜付着状態を鋼材表面全体で均一
に処理するために必要な時間は、平板を処理槽内に浸漬
するような系、すなわち処理液が鋼材表面に対して十分
置換可能な場合でも２０秒から２分程度、コイル状に巻
き取られた鋼材を処理槽内に浸漬するような系、すなわ
ちコイルの内部に滞留した処理液の置換が十分に起きな
い系では３分から８分という長い時間を要し生産性向上
の点で問題があった。そこでリン酸塩処理の促進技術の
一つとして電気的促進法が考案されている。リン酸塩処
理の電気的促進技術は英国特許１６３００号（１９０９
年）で直流定電流法が開示されて以来、交流通電法（例
えば特公昭４９−４６２２０号公報）や、パルス電流印
加法（例えば特開昭５９−１９７５９６号公報，特開平
６−３２２５９２号公報）等の改良が重ねられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】リン酸塩処理の電気的
促進方法は、皮膜付着量の確保と鋼材表面との密着性を
両立させることができないという問題があり実用化には
至っていない。リン酸塩溶液中で陰極電極を対面に浸漬
すると鋼材表面が陽極電解されアノード反応が選択的に
促進される。しかし、このときカソード反応によるｐＨ
変動がほとんど起きないためリン酸塩皮膜生成量が確保
できないばかりか過剰溶出したＦｅイオンがＺｎイオン
と置換したリン酸亜鉛鉄（Ｚｎ₂ Ｆｅ（ＰＯ₄ ）₂ ）を
主成分とした皮膜が析出してしまい所期の目的を達し得
ない。

【０００６】同様にリン酸塩溶液中で陽極電極を対面に
浸漬すると鋼材表面が陰極電解され、カソード反応を促
進する。この結果ｐＨ変動が十分に起きるため供給電流
に応じてリン酸塩皮膜生成の析出を増大させることがで
きるが、アノード反応がないため鋼材とリン酸塩皮膜の
密着性が悪く、部品加工時に剥離してしまい金型との焼
付けを起こしてしまう等の問題があった。この問題を解
決する方法として鋼材に付与する電流をパルス電流や正
逆反転サイクル電流とする方法（例えば特開昭５９−１
９７５９６号公報）によりアノード反応とカソード反応
の各々の促進する時間帯を繰り返し実施することでリン
酸塩皮膜生成の析出増大を狙ったものであるが、パルス
電流で陰極電解する場合では電流休止期間中に若干のア
ノード反応が期待できるものの直流電流と根本的には変
わらない。また、正逆反転サイクル電流とした場合は、
陽極電解中に処理を完了した部位の皮膜は、一旦析出し
た皮膜と鋼材の界面にあるＦｅが陽極電解中のアノード
反応により局所的に侵食されてしまい鋼材との密着性が
著しく阻害されてしまうという問題があり、所期の目的
を達しえなかった。

【０００７】また、鋼材に電流を印加する方法として線
材，棒鋼，鋼板、パイプ等のコイル状に巻き取られた鋼
材を巻き戻しながら通材させつつ電気的促進法を適用す
る場合、図４に示すごとくリン酸塩処理槽３３の入側と
出側に配置した抑えローラー３２により鋼材１はリン酸
塩処理液３４中に浸漬される。ここで、通電ローラー３
１あるいは通電ブラシなどにより鋼材に直接接触させ
て、リン酸塩溶液３４中に通材方向に沿って鋼材と対面
するよう配設された電極２１との間にある電源装置８に
より鋼材１に電流を印加する直接通電方式が採用されて
いる。しかしこの方法では、不可避的に鋼材の凹凸、曲
がり等に表面欠陥や、通電ローラーやブラシ表面の摩耗
等により鋼材への電気供給時に放電が発生し孔触された
り、鋼材表面に疵が発生してしまうという問題があっ
た。本発明の目的は、極短時間で密着性に優れた鋼材の
リン酸塩皮膜生成を可能とする鋼材の表面処理方法およ
び装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次のと
おりである。 （１）リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材させなが
ら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を形成させる
鋼材の表面処理方法において、リン酸塩処理液中で鋼材
を陽極電解帯とそれに引き続く陰極電解帯とで組とする
工程を少なくとも１工程以上通過させることを特徴とす
る鋼材の表面処理方法。 （２）鋼材に印加する電流が直流定電流もしくはパルス
電流であることを特徴とする前記（１）記載の鋼材の表
面処理方法。 （３）リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材させなが
ら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を形成させる
鋼材の表面処理装置において、リン酸塩処理槽内に陰極
電極と陽極電極との一対以上を配置し、各電極は通過す
る鋼材に接触しない位置に配置せしめ、各対内の陰極電
極と陽極電極とは電源装置を介して連接して、電極と鋼
材を直接接触させることなく電流を印加できるようにし
たことを特徴とする鋼材の表面処理装置。

【０００９】本発明は（１）のようにしてリン酸塩処理
液中で鋼材の通材方向の上流側に陽極電解帯を、下流側
に陰極電解帯を配置して連続的に鋼材を通材処理するの
でリン酸塩処理におけるアノード反応を陽極電解帯で行
った後、カソード反応を陰極電解帯で実施できるので、
短時間で密着性の良い皮膜を生成できる。また、本発明
は（２）に記載するように直流定電流を印加した場合に
は最も効率良く電気を供給できるので、処理時間が短く
なることや、電極の表面積を最小限にして設計できる等
の点で優れている。また、パルス電流にした場合は電流
休止期間があるため直流電流に比べると供給できる電気
量は少なくなるが、鋼材表面に生成するリン酸塩皮膜の
結晶が緻密になり鋼材との密着性が向上する。すなわち
パルス電流では通電時の電流密度（ｉｐ）と１週期の間
に電流が流れる割合（θ）の積であるパルス平均電流密
度（ｉｐ×θ）が直流定電流の電流密度と同等であり、
またパルス電流の電流休止期間中に鋼材表面近傍のリン
酸塩処理液が置換され、再度電流が流れる際に新たな皮
膜結晶析出の起点が発生し、結晶粒が緻密で微細化され
るためと考えられる。また、本発明は（３）に記載する
ようにリン酸塩処理液中に浸漬配置した電極間に電源装
置を介して連接することにより鋼材と電極を直接接触さ
せることなく鋼材に電流を印加できるので、鋼材表面の
孔触や疵の発生が防止できる。また、単一の電源装置の
みで陽極電解帯と陰極電解帯とをリン酸塩処理槽内に効
率よく形成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
説明する。本発明の適用となる鋼材とは熱間圧延材や焼
きなまし処理材はもとより、表面に亜鉛メッキ処理した
鋼材、その他、原理的にリン酸塩処理が可能な全ての鋼
材を対象として実施可能である。また、本発明でいうリ
ン酸塩とは、リン酸亜鉛、リン酸ニッケル、リン酸カル
シウム、リン酸鉄の一種または２種以上を含有してなる
ものである。また、本発明により鋼材に印加される電流
は直流定電流あるいはパルス電流であるが、直流定電流
は電流密度が５０〜２０００００Ａ／ｍ² 、の範囲であ
ることが望ましい。電流密度がこの範囲よりも小さい場
合は電流印加による促進効果がほとんど期待できなく、
電流密度がこの範囲を超えると処理液の物質移動が皮膜
生成速度を律速するため電流値を増やしても促進効果に
は影響しなくなるためである。

【００１１】本発明について更に詳しく図示の例により
説明する。図１は本発明による電流印加式のリン酸塩処
理装置例の側面図である。リン酸塩処理槽３３には鋼材
通材方向の上流側で陽極電解を、下流側で陰極電解を行
うよう電極２１が電源装置８を介して電気的に接続され
ている。鋼材１は図の左方より移動し抑えローラー３２
によりリン酸塩処理槽３３に導かれリン酸塩処理液３４
中に浸漬される。鋼材は電源装置８の陰極側に接続した
電極２１により陽極電解されアノード反応が急激に起き
鋼材表面は活性化される。その後鋼材は電源装置８の陽
極側に接続した電極２２により陰極電解されカソード反
応が起き鋼材近傍の処理液のｐＨが上昇し極短時間で皮
膜結晶が析出する。この結果、皮膜付着量の確保と鋼材
表面との密着性を両立させたリン酸塩皮膜が得られる。

【００１２】ここで陽極電解帯と陰極電解帯の総電流値
は等しいため両帯の長さが等しい場合は鋼材表面の電流
密度が等しく、電解帯長さが異なる場合は電解帯長さに
反比例して電流密度は小さくなる。よって、陽極電解帯
と陰極電解帯の長さが極端に違うと各電解反応を効率良
く行うことができない。また、陰極電解帯の方がリン酸
塩結晶析出のための時間を要することから、陽極電解帯
と陰極電解帯との長さの比は０．１〜１．０の範囲が好
ましい。また電極の材質は、炭素電極により良好な結果
が得られたが、金属であれば、白金、チタン、イリジウ
ム等のいわゆる貴なる金属やその酸化物からなるものと
することで、電解反応時に電極がリン酸塩液中へ溶出す
ることを防ぐことが可能である。

【００１３】図２は本発明による電流印加式のリン酸塩
処理装置の他の例の側面図である。リン酸塩処理槽３３
内に陽極電解帯と陰極電解帯を各々２ケ所づつ交互に連
続配置した例である。この場合、電源装置８を２個に分
散できるので比較的小容量の電源装置でもよく、また上
流側の陰極帯と下流側の陰極帯で電流の種類、電流密度
を変えて組み合わせることも可能となる。ここで、上流
側の電流密度を下流側のそれより大きくした前段負荷型
にすると総投入電力が同じでもより多くの皮膜を生成可
能である。これは、皮膜生成反応の後半では鋼材表面の
過半に非導電性のリン酸塩の結晶が付着しており電流印
加の効果が小さくなっているためと考えられる。

【００１４】図３は図１の電流印加式のリン酸塩処理装
置を組み込んだ線材の連続処理装置である。サプライス
タンド２より引き出されたコイル状の鋼材１は伸線機１
３を動力として長手方向に矯正機３、デスケーリング装
置４、洗浄・予熱装置５を通過した後にリン酸塩処理槽
３３へ移送される。このリン酸塩処理槽３３には陽極電
解帯６と陰極電解帯７が鋼材の経路に沿って備えられて
いる。陽極電解帯６には電源装置８の陰極側が接続され
た陰極電極２１が、陰極電解帯７には電源装置８の陽極
側が接続された陽極電極２２が各々リン酸塩処理液３４
中に浸漬配置される。このとき、鋼材の通材方向に対し
て陽極電解帯６が陰極電解帯７の上流側となるよう配置
され、電極は処理する鋼材の投影幅以上の大きさのもの
を鋼材を挟んで対面に直接鋼材に接触しないように配置
することで鋼材周方向における皮膜量のばらつきを抑え
ることが可能である。リン酸塩処理槽３３を出た鋼材１
は洗浄・中和装置９、石鹸処理装置１０、乾燥装置１１
を経過した後、伸線ダイス１２にて縮径され、捲取装置
１４にて再度コイル状に巻き取られる。また、上記連続
処理装置のデスケーリング装置４にショットブラスト等
のメカニカルデスケーリングにて脱スケールした場合、
極微量ではあるものの除去しきれなかった鉄スケール、
合金酸化物が鋼材表面に残存し、リン酸塩の付着を阻害
するという問題があるが、本発明のリン酸塩処理槽内で
の陽極電解帯で完全除去が可能となる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を、鋼線材にリン酸亜鉛皮膜
を形成させた場合について詳述する。表１には図３の連
続処理装置を用いて本発明法と従来法とを以下の条件で
実施した結果について示す。ここで、鋼材表面に生成せ
しめたリン酸亜鉛皮膜の付着量を評価するため処理後の
鋼材を酸性溶液に溶かすという方法でリン酸亜鉛皮膜量
を測定した。リン酸亜鉛皮膜量はその用途により好適な
値が選定されるが４〜２０ｇ／ｍ² の範囲が好ましい。
また、鋼材とリン酸亜鉛皮膜の密着性を評価するため、
処理材を孔型ダイスで伸線加工した後のリン酸亜鉛皮膜
量を測定し、伸線前後の皮膜量からリン酸亜鉛皮膜の残
存率を求めた。

【００１６】 （実施条件） 被処理材：ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ相当，直径７．５ｍｍ デスケーリング：ショットブラスト 処理材予熱温度：８５℃ リン酸亜鉛処理：濃度３０〜８０ポイント，処理時間５秒 印加電流：（本発明の実施１）直流定電流５０００Ａ／ｍ² ， 陰極，陽極電解各１ケ所 （ 〃 ２）直流（平均）４５００Ａ／ｍ² ， 陰極，陽極電解各２ケ所 （ 〃 ３）パルス電流５０００Ａ／ｍ² ， 陰極，陽極電解各１ケ所 （ 従来法 １）直流定電流５０００Ａ／ｍ² ， 陽極電解のみ （ 〃 ２）直流定電流５０００Ａ／ｍ² ， 陰極電解のみ （ 〃 ３）パルス電流５０００Ａ／ｍ² ， 陰極電解のみ 潤滑石鹸：石灰石鹸（固形分濃度１８％） 乾燥：熱風温度１５０℃，乾燥時間１０秒 伸線条件：仕上線径φ６．５ｍｍ（減面率２５％）

【００１７】表１から明らかなように、本発明法による
実施例１では６〜１４．５ｇ／ｍ²のリン酸亜鉛皮膜の
付着量が確保され、更に伸線後も皮膜の８７％は鋼材表
面に残存する優れた密着性が得られている。また実施例
２は陽極電解帯と陰極電解帯からなる組の工程を２回行
うので、実施例１よりも総投入電力が１０％少ないにも
かかわらずほぼ同等の皮膜付着と密着性が得られた。ま
た実施例３ではパルス電流の結晶粒微細化作用により伸
線後の皮残存率は９０％にまで向上した。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明法に従え
ば、電気的リン酸塩処理においても皮膜量の確保と、鋼
材と皮膜の密着性を兼ね備えた優れた表面処理材を製造
可能となったばかりか生産性向上による経済的効果や省
力化にもたらす効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の陽極電解帯と陰極電解帯を各々１つづ
つ備えたリン酸塩処理方法と装置を示す概念図、

【図２】本発明の陽極電解帯と陰極電解帯を各々２つづ
つ備えたリン酸塩処理方法と装置を示す概念図、

【図３】本発明の電気的リン酸塩処理装置を組み込んだ
線材の連続処理装置のブロック図、

【図４】従来法による電気的リン酸塩処理方法と装置を
示す概念図である。

【符号の説明】

１ 鋼材 ２ サプライスタンド ３ 矯正機 ４ デスケーリング装置 ５ 洗浄・予熱装置 ６ 陽極電解帯 ７ 陰極電解帯 ８ 電源装置 ９ 洗浄・中和槽 １０ 潤滑石鹸処理装置 １１ 乾燥装置 １２ 伸線ダイス １３ 伸線機 １４ 捲取装置 ２１ 電極（陰極） ２２ 電極（陽極） ３１ 通電ローラー ３２ 抑えローラー ３３ リン酸塩処理槽 ３４ リン酸塩処理液

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材
   させながら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を形
   成させる鋼材の表面処理方法において、リン酸塩処理液
   中で鋼材を陽極電解帯とそれに引き続く陰極電解帯とで
   組とする工程を少なくとも１工程以上通過させることを
   特徴とする鋼材の表面処理方法。
2. 【請求項２】 鋼材に印加する電流が直流定電流もしく
   はパルス電流であることを特徴とする請求項１記載の鋼
   材の表面処理方法。
3. 【請求項３】 リン酸塩処理液中に鋼材を連続的に通材
   させながら電流を印加して鋼材表面にリン酸塩皮膜を形
   成させる鋼材の表面処理装置において、リン酸塩処理槽
   内に陰極電極と陽極電極との一対以上を陰極電極が通材
   方向の上流側になるよう配置し、各電極は通過する鋼材
   に接触しない位置に配置せしめ、各対内の陰極電極と陽
   極電極とは電源装置を介して電気的に接続して、電極と
   鋼材を直接接触させることなく電流印加が可能に構成し
   たことを特徴とする鋼材の表面処理装置。