JPWO2013118870A1 - 表面処理アルミニウム材及びその製造方法、ならびに、樹脂被覆表面処理アルミニウム材 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第2の側面において、対電極を黒鉛電極とするものとした。
更に本発明は、第2の側面において、更に、前記表面処理されるアルミニウム材の電極と、対電極が共に平板状であるものとした。
本発明に用いるアルミニウム材としては、純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられる。アルミニウム合金の成分には特に制限無く、JISに規定される合金をはじめとする各種合金を使用することができる。形状としては特に制限されるものではないが、安定して処理皮膜を形成できることから平板状のものが好適に用いられる。用途に応じて、板厚を適宜選択することができるが、軽量化と成形性の観点から0.05〜2.0mmが好ましく、0.1〜1.0mmが更に好ましい。
本発明に用いるアルミニウム材の表面には、表面側に形成された多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成されたバリア型アルミニウム酸化皮膜層とが設けられている。すなわち、アルミニウム材表面には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層の二層によって構成される酸化皮膜が設けられている。多孔性アルミニウム酸化皮膜層が強力な接着性や密着性を発揮する一方で、バリア型アルミニウム酸化皮膜層によって、アルミニウム酸化皮膜層全体とアルミニウム素地を強固に結合する。
多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、20〜500nmである。20nm未満では厚さが十分でないため、後述する小孔構造の形成が不十分になり易く接着力や密着力が低下する。一方、500nmを超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層自体が凝集破壊し易くなり接着力や密着力が低下する。
バリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、3〜30nmである。3nm未満では、介在層として多孔性アルミニウム酸化皮膜層とアルミニウム素地との結合に十分な結合力を付与することができず、特に、高温・多湿等の過酷環境における結合力が不十分となる。一方、30nmを超えると、その緻密性ゆえにバリア型アルミニウム酸化皮膜層が凝集破壊し易くなり、かえって接着力や密着力が低下する。
酸化皮膜全体の厚さ、すなわち、B−1に記載の多孔性アルミニウム酸化皮膜層とB−2に記載のバリア型アルミニウム酸化皮膜層との厚さの合計は、アルミニウム材のいかなる場所で測定しても、その変動幅が±50%以内でなければならず、好ましくは±20%以内である。すなわち、アルミニウム材表面における任意の複数箇所(10箇所以上が望ましく、これら各箇所においても10点以上の測定点とするのが望ましい)で測定した酸化皮膜全体厚さの平均をT(nm)とした場合、これら複数測定箇所の全てにおける酸化皮膜全体厚さが(0.5×T)〜(1.5×T)の範囲にある必要がある。(0.5×T)未満の箇所が存在すると、その箇所の酸化皮膜がその周囲より薄くなる。そうすると、この薄い箇所では、接着すべき接着剤や密着すべき樹脂層などと酸化皮膜との間に隙間が生じ易くなり、十分な接触面積を確保できずに接着力や密着力が低下する。
一方、(1.5×T)を超える箇所が存在すると、その箇所の酸化皮膜が周囲の周囲より厚くなる。そうすると、この厚い箇所では、密着すべき樹脂層などからの応力が集中し、酸化皮膜での凝集破壊を誘発して接着力や密着力が低下する。
なお、上記のような酸化皮膜の全体厚さが薄い箇所や厚い箇所では、周囲と比較して光学的特性が異なるため、茶褐色や白濁色といった色調の変化として目視可能な場合がある。
本発明に係る表面処理アルミニウム材がプリント配線基板などに用いられる場合には、曲げられた状態で使用されることがある。一般に、アルミニウム材が曲げられた状態では、表面の酸化皮膜にクラックが発生し易い。本発明に係る表面処理アルミニウム材の酸化皮膜は上記特定構造を備えることにより、酸化皮膜が凝集破壊し難く柔軟性に優れる。そのため、表面処理アルミニウム材が曲げられた状態で使用されても、酸化皮膜のクラック発生が抑制される。
以上のような条件を満たした酸化皮膜を表面に備えた表面処理アルミニウム材を製造するための一つの方法として、表面処理されるアルミニウム材の電極と、対電極として後述の材質の電極とを用い、pH9〜13で液温35〜80℃であり、かつ、溶存アルミニウム濃度が5ppm以上1000ppm以下のアルカリ性水溶液を電解溶液とし、周波数20〜100Hz、電流密度4〜50A/dm2及び電解時間5〜60秒間の条件で交流電解処理することにより、対電極に対向する前記アルミニウム材表面に酸化皮膜を形成する方法を挙げることができる。
また、アルミニウム材の形状が板材以外の棒状や角材の場合においても、電解工程で対電極に対向していなかった表面を対電極に対向するように配置し直して電解工程を繰り返すことにより、所望の表面に酸化皮膜を形成することができる。
本発明の表面処理アルミニウム材の処理面に樹脂層を更に被覆して樹脂被覆表面処理アルミニウム材とすることにより、更に多くの用途に使用できる。ここで、樹脂層としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂のいずれでもよく、本発明で規定する特定構造の酸化皮膜と相まって、様々な効果を付与できる。通常、アルミニウム材と樹脂層との接合体は、アルミニウム材に比べて樹脂の熱膨張率が大きいことから、アルミニウム材と樹脂層の界面において剥がれ、クラック、切れなどの損傷が発生し易い。しかしながら、本発明に係る樹脂被覆表面処理アルミニウム材は、表面処理アルミニウム材の酸化皮膜が薄く、かつ、特定構造を有することにより、柔軟性に優れ、樹脂層の膨張に追従し易く、アルミニウム材と樹脂層の界面での上記損傷が発生し難い特徴を備える。
実施例1〜15及び比較例1〜13
アルミニウム材として、縦200mm×横400mm×板厚1.0mmのJIS5052−H34合金板を使用した。このアルミニウム合金板を一方の電極に用い、対電極には縦300mm×横500mm×板厚2.0mmの平板形状を有する黒鉛板又はチタン板を用いた。アルミニウム合金板の片面を対電極に対面させ、この対面した片面表層に、表面側の多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側のバリア型アルミニウム酸化皮膜層が形成されるように、両電極を配置した。ピロりん酸ナトリウムを主成分とするアルカリ水溶液を、電解溶液として用いた。電解溶液のアルカリ成分濃度は、0.5モル/リットルとするとともに、塩酸及び水酸化ナトリウム水溶液(いずれも濃度0.1モル/リットル)によってpHの調整を行なった。表1に示す電解条件にて、交流電解処理を実施して多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層を形成した。なお、比較例13では、アルカリ交流電解処理に代わって、従来技術に基づいた硫酸アルマイト処理(厚さ2.5μm、封孔処理あり)を実施した。
上記供試材から長さ50mm、25mm幅に切断したものを2枚用意した。これら2枚の供試材同士を幅方向に沿って幅10mmをもって酸化皮膜形成面同士を重ね合わせ、市販の2液型エポキシ接着剤(主剤=変性エポキシ樹脂、硬化剤=変性ポリイミド、重量混合比=主剤100/硬化剤100)によって重ね合わせ部分を接着し、せん断試験片を作製した。2枚の供試材の長さ方向の端部を引張試験機により100mm/分の速度にて長さ方向に沿って反対向きに引張り、その荷重(せん断応力に換算)と剥離状態によって接着性を下記の基準で評価した。なお、せん断試験片は同じ供試材から10組の試験片を作製して、それぞれについて評価した。
○:せん断応力が20N/mm2以上で、かつ、接着剤層自身が凝集破壊した状態
△:せん断応力が20N/mm2以上であるものの、接着剤層と供試材が界面剥離した状態
×:せん断応力が20N/mm2未満で、かつ、接着剤層と供試材が界面剥離した状態
結果を表3に示す。同表には、10組の試験片のうちの上記○、△、×の組数をそれぞれ示すが、全てが○の場合を合格、それ以外を不合格と判定した。
上記供試材の酸化皮膜側の表面に大日本塗料(株)製「Vフロン#2000」を塗布しこれを乾燥して(160℃,20分)、30μmの厚さの樹脂塗膜を形成した密着性試験片を作製した。JIS−K5600−5−6に準拠した方法で、この密着性試験片の樹脂塗膜にカッターナイフを用いて1mm角の碁盤目カットを入れた。次いで、試験片に125℃で30分のレトルト浸漬処理を施した後に、直ちに処理液から取り出して水分をふき取った。この試験片に対して、透明感圧付着テープによる剥離試験を実施した。塗膜残存率によって密着性を下記の基準で評価した。なお、密着性試験片は同じ供試材から10個の試験片を作製して、それぞれについて評価した。
○:塗膜残存率が100%のもの
△:塗膜残存率が75%以上100%未満のもの
×:塗膜残存率が75%未満のもの
結果を表3に示す。同表には、10個の試験片のうちの上記○、△、×の個数をそれぞれ示すが、全てが○の場合を合格、それ以外を不合格と判定した。
上記供試材から長さ50mm、25mm幅に切断したものを用意した。酸化皮膜形成面が凸となるように、金型を用いて5Rで180度曲げた。次いで、曲げ部を試験液(20%硫酸銅水溶液)に5分間浸漬した後に取り出して水洗し、室温で乾燥した。曲げ部の酸化皮膜にクラックが発生している場合は、クラックのアルミニウム素地面に銅が付着する。そこで、ルーペ又はノギスを用いて曲げ部分の全長に沿って銅付着箇所を目視で観察することによりクラック発生部位を特定した。具体的には、曲げ部分において銅の付着が観察された総長さをL(mm)とし、それを曲げ全長(25mm)で除算することによって、(L/25)×100(%)をクラック発生に基づくアルミニウム素地の露出率とした。柔軟性試験片は同じ供試材から10個の試験片を作製して、それぞれについて評価してアルミニウム素地の各露出率を求めた。
結果を表3に示す。表の露出率は、10個の試験片の平均露出率を示す。ここで、露出率が5%以下を合格とし、これを超えるものを不合格と判定した。
上記供試材の酸化皮膜側の表面にDIC(株)製「9K−564S」(水性アクリル樹脂塗料)を塗布しこれを乾燥して(250℃,1分)、2μmの厚さの樹脂塗膜(樹脂層)を形成し、樹脂被覆表面処理アルミニウム材を作製した。これを長さ100mm、幅30mmに切断するとともに、樹脂層側が凸となるように、金型を用いて5Rで180度曲げ、試験片を作製した。試験片の曲げ頂点部を、1%塩化ナトリウム水溶液を含ませた幅20mmのスポンジに接触させるとともに、試験片側をプラスとしスポンジ側をマイナスとして6.0Vの直流電圧を4秒間印加し、電圧印加中の最大電流値を測定した。供試材と樹脂層の界面において剥がれ等の損傷が発生していない場合には、試験片が絶縁体となるため電流が流れない。一方、損傷部分が存在する場合には、そこに存在する塩化ナトリウム水溶液により電流が流れる。そして、損傷部分が大きい程、そこに存在する塩化ナトリウム水溶液が多量となり電気抵抗が低減して最大電流値が大きくなる。最大電流値が5mA未満の場合には、剥がれ等の損傷が無いか又は小さく合格とした。一方、5mA以上の場合には、剥がれ等の損傷が大きく不合格とした。結果を表3に示す。
2・・・酸化皮膜
3・・・多孔性アルミニウム酸化皮膜層
31・・・小孔
4・・・バリア型アルミニウム酸化皮膜層
5・・・素地
Claims (6)
- 表面に酸化皮膜が形成されたアルミニウム材であって、前記酸化皮膜は表面側に形成された厚さ20〜500nmの多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成された厚さ3〜30nmのバリア型アルミニウム酸化皮膜層とから成り、前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層には直径5〜30nmの小孔が形成されており、当該アルミニウム材表面全体における前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層との合計厚さの変動幅が、当該合計厚さの算術平均値の±50%以内であることを特徴とする表面処理アルミニウム材。
- 前記表面処理アルミニウム材を酸化皮膜側が凸となるように5Rで180度曲げた際において、アルミニウム素地の露出率が5%以下である、請求項1に記載の表面処理アルミニウム材。
- 請求項1又は2に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法であって、表面処理されるアルミニウム材の電極と、対電極とを用い、pH9〜13で液温35〜80℃であり、かつ、溶存アルミニウム濃度が5ppm以上1000ppm以下のアルカリ性水溶液を電解溶液とし、周波数20〜100Hz、電流密度4〜50A/dm2及び電解時間5〜60秒間の条件で交流電解処理することにより、対電極に対向する前記アルミニウム材表面に酸化皮膜を形成することを特徴とする表面処理アルミニウム材の製造方法。
- 前記対電極を黒鉛電極とする、請求項3に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。
- 前記表面処理されるアルミニウム材の電極と、対電極が共に平板状である、請求項3又は4に記載の表面処理アルミニウム材の製造方法。
- 請求項1又は2に記載の表面処理アルミニウム材の酸化皮膜の表面に樹脂層を被覆したことを特徴とする樹脂被覆表面処理アルミニウム材。
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