KR100400522B1 - Electrolytic phosphating process and composite coating formed on steel surface - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해처리에 적합한 인산염 화성처리 기술을 제공하는 것이다.The present invention provides a phosphate chemical treatment technique suitable for electrolytic treatment.
본 발명은 적어도 인산이온 및 인산과, 질산이온과, 인산염 화성 처리욕중에서 인산이온과 착물을 형성하는 금속이온, 및 인산염 화성 처리욕중에 용해한 이온이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가 용매로서의 물의 아노드 전해반응 전위 이상인 금속이온을 함유한 인산염 화성 처리욕을 개시한다.In the present invention, at least phosphate ions and phosphoric acid, nitrate ions, metal ions forming complexes with phosphate ions in the phosphate chemical treatment bath, and ions dissolved in the phosphate chemical treatment bath are reduced and precipitated as metals. Disclosed is a phosphate chemical treatment bath containing a metal ion above the nodal electrolysis potential.
상기 처리욕에서의 피막성분 이외의 금속이온의 농도가 0 ∼ 400 ppm이고, 처리욕은 피막형성 반응에 영향을 미치는 고형물을 실질적으로 함유하지 아니한다.The concentration of metal ions other than the coating component in the treatment bath is 0 to 400 ppm, and the treatment bath is substantially free of solids that affect the coating formation reaction.
Description
일본국 特再平 5-822481호에는 근본적으로 슬러지가 함유되어 있지 않고, 질소를 함유한 옥소산 이온, 인산 이온 및 피막성분 금속 이온을 함유시킨 인산염 화성처리욕을 사용하는 전해처리가 개시되어 있다. 이 처리욕은 pH 2 ∼ 4 및 온도 40℃ 이하에서 슬러지를 생성하지 않는다는 특징이 있다.Japanese Patent No. 5-822481 discloses an electrolytic treatment using a phosphate chemical treatment bath that is essentially free of sludge and contains nitrogen-containing oxo acid ions, phosphate ions, and film component metal ions. . This treatment bath is characterized in that it does not generate sludge at pH 2 to 4 and at a temperature of 40 ° C. or lower.
그러나, 상기한 일본국 特再平 5-822481호에 개시된 인산염 화성처리욕은 pH를 조정하기 위해 수산화 나트륨을 사용하거나, 혹은 피막성분과는 관계없는 촉진제로서 아질산 나트륨을 사용하고 있기 때문에, 이 방법은 피막을 효율적으로 형성하는 전해 인산염 화성처리 방법이라 할 수 없다.However, since the phosphate chemical treatment bath disclosed in Japanese Patent No. 5-822481 described above uses sodium hydroxide to adjust the pH, or because sodium nitrite is used as an accelerator irrelevant to the coating component, It cannot be called an electrolytic phosphate chemical treatment method for forming a silver film efficiently.
따라서, 상기한 문제점을 고려하여 본 발명은 피막을 효율적을 형성할 수 있는 인산염 화성처리 방법 및 이 방법으로 수득된 복합피막을 제공한다.Accordingly, in view of the above problems, the present invention provides a phosphate chemical treatment method capable of forming the film efficiently and the composite film obtained by the method.
본 발명의 전해 인산염 화성처리 방법을 설명하기에 앞서 수용액을 사용하는 "전해 처리"와 "무전해 처리" 표면처리 기술사이의 차이에 대하여 먼저 설명한다.Prior to describing the electrolytic phosphate chemical treatment method of the present invention, the difference between the "electrolytic treatment" and "electroless treatment" surface treatment techniques using an aqueous solution will be described first.
이 차이는 현재 널리 사용되고 있는 습식 표면처리 기술인 "도금"을 거론하면 명료해 진다.This distinction is evident when we talk about "plating," a widely used wet surface treatment technique.
즉, 도금에는 "전해법"과 "무전해법"의 두 가지가 있는데, 이들 두 가지 방법은 이미 실용되고 있다. 그러나, 처리욕의 메카니즘은 "전해법"과 "무전해법" 사이에 차이가 있다.That is, there are two types of plating, an "electrolytic method" and an "electroless method", and these two methods are already used. However, the mechanism of the treatment bath differs between "electrolysis" and "electroless".
더욱 상세하게는 "전기도금"의 경우에는 용액중의 각 성분이 반응하지 않는다. 반응은, 반응 에너지원으로서 외부 전원을 사용하는 전기화학 반응이다. 더욱이 "전기도금" 처리도중에 전해반응을 화학적으로 촉진하기 위하여 약품 (환원제)을 사용하지 않는다.More specifically, in the case of "electroplating", each component in the solution does not react. The reaction is an electrochemical reaction using an external power source as a reaction energy source. Furthermore, no chemicals (reducing agents) are used to chemically promote the electrolytic reaction during the "electroplating" process.
이에 대하여 무전해 도금의 경우에는 용액중의 각 성분이 반응을 한다. 더욱이 반응 에너지원으로서 외부전원을 사용하지 않고, 전기화학 반응은 용액중의 금속이온의 환원반응 (캐소드 반응: cathodic reaction)과 용액에 첨가된 환원제 (수용액의 해리도가 적은 화학물질)의 산화반응 (아노드 반응: anodic reaction) 도중에 발생되는 전기화학 에너지 (화학반응에 의해 전위차를 발생하는 에너지)를 이용한다.In contrast, in the case of electroless plating, each component in the solution reacts. Moreover, without using an external power source as a reaction energy source, the electrochemical reaction involves the reduction of metal ions in a solution (cathodic reaction) and the oxidation of reducing agents (chemicals with little dissociation of aqueous solution) added to the solution ( Anode Reaction: Uses electrochemical energy (energy to generate potential difference by chemical reaction) generated during anodic reaction.
"도금"에 의해 금속이온 (양이온)의 환원반응에서 금속피막이 형성되고, 인산염 화성처리에서는 인산 이온 (음이온)의 산화반응 (탈수소 반응)에서 인산염 피막이 형성된다.By "plating", a metal film is formed in the reduction reaction of metal ions (cationic), and a phosphate film is formed in the oxidation reaction (dehydrogenation reaction) of phosphate ions (anion) in the phosphate chemical conversion treatment.
본 발명은 전해 인산염 화성처리 방법 및 철강표면에 형성된 복합피막에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolytic phosphate chemical treatment method and a composite film formed on the steel surface.
도 1은 전해처리의 개요를 나타낸 모식도.1 is a schematic diagram showing an outline of an electrolytic treatment.
도 2는 전해반응계의 개요도.2 is a schematic diagram of an electrolytic reaction system.
도 3은 전해 인산염 화성처리 장치의 구성을 나타낸 구성도.3 is a block diagram showing the configuration of an electrolytic phosphate chemical treatment apparatus.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 피처리물의 투시도.4 is a perspective view of the object to be treated in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
도 5는 실시예 1에서의 피처리물의 평면부의 EDX 해석 차아트도.5 is an EDX analysis chart of the planar portion of the workpiece in Example 1. FIG.
도 6은 실시예 1에서의 피처리물의 외주부의 EDX 해석 차아트도.6 is an EDX analysis chart of the outer peripheral portion of the object to be treated in Example 1;
도 7은 비교예 1에서의 피처리물의 평면부의 EDX 해석 차아트도.7 is an EDX analysis chart of the planar portion of a workpiece in Comparative Example 1. FIG.
도 8은 비교예 1에서의 피처리물의 외주부의 EDX 해석 차아트도.8 is an EDX analysis chart of the outer peripheral portion of the object to be treated in Comparative Example 1. FIG.
도 9는 실시예 1에서의 피처리물의 평면부의 GDS 해석 차아트도.Fig. 9 is a GDS analysis chart of the planar portion of the workpiece in Example 1;
도 10은 실시예 1에서의 피처리물의 외주부의 GDS 해석 차아트도.10 is a GDS analysis chart of an outer circumferential portion of an object to be treated in Example 1;
도 11은 비교예 1에서의 피처리물의 평면부의 GDS 해석 차아트도.11 is a GDS analysis chart of a planar part of a workpiece in Comparative Example 1. FIG.
도 12는 비교예 1에서의 피처리물의 외주부의 GDS 해석 차아트도.12 is a GDS analysis chart of the outer circumferential portion of the target object in Comparative Example 1. FIG.
도 13은 실시예 2 및 비교예 2의 피처리물의 투시도.13 is a perspective view of the object to be treated in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
도 14는 실시예 2에서의 피처리물의 평면부의 EDX 해석 차아트도.Fig. 14 is an EDX analysis chart of the planar portion of the workpiece in Example 2;
도 15는 비교예 2에서의 피처리물의 평면부의 EDX 해석 차아트도.Fig. 15 is an EDX analysis chart of the planar portion of a workpiece in Comparative Example 2;
도 16은 실시예 3에서의 피처리물의 평면부의 EDX 해석 차아트도.Fig. 16 is an EDX analysis chart of the planar portion of the workpiece in Example 3;
도 17은 실시예 3에서의 피처리물의 외주부의 EDX 해석 차아트도.Fig. 17 is an EDX analysis chart of the outer peripheral portion of the object to be treated in Example 3;
도 18은 비교예 1에서의 피처리물의 평면부의 EDX 해석 차아트도.18 is an EDX analysis chart of the planar portion of a workpiece in Comparative Example 1. FIG.
도 19는 비교예 1에서의 피처리물의 외주부의 EDX 해석 차아트도.Fig. 19 is an EDX analysis chart of the outer peripheral portion of the object to be treated in Comparative Example 1;
도 20은 실시예 3에서의 피처리물의 평면부의 SEM 사진.20 is a SEM photograph of a planar portion of a workpiece in Example 3. FIG.
도 21은 실시예 3에서의 피처리물의 평면부의 인 분석사진.21 is a phosphorus analysis photograph of a planar part of a workpiece in Example 3;
도 22는 실시예 3에서의 피처리물의 평면부의 아연 분석사진.22 is a zinc analysis photograph of the planar portion of the workpiece in Example 3. FIG.
도 23은 실시예 3에서의 피처리물의 평면부의 니켈 분석사진.23 is a nickel analysis photograph of the planar portion of a workpiece in Example 3. FIG.
도 24는 실시예 3에서의 피처리물의 평면부의 철 분석사진.24 is an iron analysis photograph of a planar portion of a workpiece in Example 3. FIG.
도 25는 실시예 3에서의 피처리물의 외주부의 SEM 사진.25 is a SEM photograph of the outer peripheral portion of the object to be treated in Example 3. FIG.
도 26은 실시예 3에서의 피처리물의 외주부의 인 분석사진.Fig. 26 is a phosphorus analysis photograph of the outer circumference of the object to be treated in Example 3;
도 27은 실시예 3에서의 피처리물의 외주부의 아연 분석사진.27 is a zinc analysis photograph of the outer peripheral portion of the object to be treated in Example 3. FIG.
도 28은 실시예 3에서의 피처리물의 외주부의 니켈 분석사진.28 is a nickel analysis photograph of the outer circumferential portion of the target object in Example 3. FIG.
도 29는 실시예 3에서의 피처리물의 외주부의 철 분석사진.29 is an iron analysis photograph of an outer circumferential portion of an object to be treated in Example 3;
이어서 선행기술과 비교검토하면서 상기한 작용 및 효과에 대해 상세히 설명한다.Next, the above-described actions and effects will be described in detail while comparing with the prior art.
먼저, 종래의 전해 인산염 화성처리 방법을 개시하고 있는 일본국 特再平 5-822481호에 의하면 무전해 인산염 화성처리와 동일한 조성을 가진 인산염 화성처리욕의 각 성분을 사용하고 있다.First, according to Japanese Patent No. 5-822481, which discloses a conventional electrolytic phosphate chemical treatment method, each component of the phosphate chemical treatment bath having the same composition as the electroless phosphate chemical treatment is used.
즉, 종래의 무전해 인산염 화성처리에서의 처리욕은 극히 활성이 강하고 욕 조성이 쉽사리 분해하여 처리욕중의 각 성분과 반응하여 피막을 형성한다. 그 이유는 처리욕이 활성이 아니면 처리욕의 용액에서의 반응이 일어날 수 없기 때문이다. 처리욕을 활성화하자면, 즉 인산을 화학적으로 분해 (산화; 탈수소)하자면 수산화 나트륨 등을 종래의 무전해 인산염 화성처리욕중에 첨가하여 pH (수소이온 농도)를 소정의 범위내로 조정하거나 아질산 이온을 산화 촉진제로서 첨가하여 반응을 촉진시키는 등의 대책을 취하였다. 이들 약품을 첨가함으로써 인산염 화성처리에서는 다량의 Na 이온을 함유하게 되므로, 결국에는 무전해 인산염 화성처리욕중에는 인산염 피막을 형성하지 않는 다량의 불순물 (불필요한 물질)을 함유한다.That is, the treatment bath in the conventional electroless phosphate chemical treatment is extremely active and the bath composition is easily decomposed to react with each component in the treatment bath to form a film. This is because a reaction in the solution of the treatment bath cannot occur if the treatment bath is not active. In order to activate the treatment bath, that is, chemically decompose (oxidize; dehydrogenate), sodium hydroxide or the like is added to a conventional electroless phosphate chemical treatment bath to adjust the pH (hydrogen ion concentration) within a predetermined range or oxidize nitrite ions. Measures such as addition as an accelerator to promote the reaction were taken. By adding these chemicals, a large amount of Na ions are contained in the phosphate chemical treatment, and eventually, a large amount of impurities (unnecessary substances) are not contained in the electroless phosphate chemical treatment bath.
종래의 전해 인산염 화성처리 방법은 피막성분 이외의 성분들을 함유하는 이러한 인산염 화성처리욕을 사용하고 있었다. 따라서, 피막성분 이외의 이들 성분은 피처리물의 표면에 형성되는 인산염 화성처리 피막의 형성을 억제하므로 처리부분의 표면에 효율적으로 피막을 형성할 수 없다.The conventional electrolytic phosphate chemical treatment method uses such a phosphate chemical treatment bath containing components other than the film component. Therefore, these components other than the coating component suppress the formation of the phosphate chemical conversion coating formed on the surface of the workpiece, and therefore cannot form the coating efficiently on the surface of the treatment portion.
이에 대하여 본 발명의 인산염 화성처리욕은 피막형성 반응에 관여하지 않는, 피막성분 이외의 금속이온인 Na 이온 등의 이온의 인산염 화성처리욕중에서의 농도가 400 ppm 이하, 바람직하게는 100 ppm 이하로 되어 있다. 그 결과, 처리욕의 안정성이 상당히 개선되어 슬러지를 생성하지 않는 조성물로 된다. 더욱이, 이 조성물을 사용하면, 처리욕의 용액중의 각 성분만이 전해처리시에 전극표면에서 반응하게 되는 한편, 처리욕은 전해처리시에 전극표면에서 반응할 뿐이므로 어떠한 다른 시간 혹은 다른 위치에서 반응이 실질적으로 일어나지 않는다.In contrast, the phosphate chemical treatment bath of the present invention has a concentration of 400 ppm or less, preferably 100 ppm or less, in a phosphate chemical treatment bath of ions such as Na ions, which are metal ions other than the film component, which are not involved in the film forming reaction. It is. As a result, the stability of the treatment bath is considerably improved, resulting in a composition that does not produce sludge. Moreover, with this composition, only each component in the solution of the treatment bath reacts at the electrode surface during the electrolytic treatment, while the treatment bath only reacts at the electrode surface during the electrolytic treatment at any other time or at different locations. The reaction does not occur substantially.
더욱이 처리욕중에서 전해처리시에 전극표면에서만 반응이 일어나도록 하는 한편, 어떠한 다른 시간 혹은 다른 위치에서 반응이 실질적으로 일어나지 않도록 하기 위한 수단으로서 아래의 수단을 사용하는 것이 바람직하다.Further, it is preferable to use the following means as a means for causing the reaction to occur only at the electrode surface during the electrolytic treatment in the treatment bath, and for the reaction not to occur substantially at any other time or at a different position.
즉, 이러한 수단의 한가지 예로서는 인산염 화성처리욕을 가진 욕조로부터 인산염 화성처리욕의 일부를 제거하여 액체상태인 인산염 화성처리욕의 일부의 에너지 상태를 열역학적으로 안정화한 다음, 이것을 욕조로 되돌리고, 인산염 화성처리욕으로부터 인산염 화성처리욕의 일부를 제거하여 필터를 통과시켜 피막형성 반응에서 인산염 화성처리시에 석출한 고형물을 제거한 후에 이것을 욕조로 다시 되돌리는 것이 바람직하다.That is, one example of such means is to remove a portion of the phosphate chemical treatment bath from a bath having a phosphate chemical treatment bath to thermodynamically stabilize the energy state of a portion of the liquid phosphate chemical treatment bath, and then return it to the bathtub, whereby It is preferable to remove a part of the phosphate chemical treatment bath from the treatment bath and pass it through a filter to remove the solid precipitated during the phosphate chemical treatment in the film formation reaction and return it to the bath.
더욱이 피처리물이 인산염 화성처리욕과 접촉하지 않을 경우에 있어서는 아노드와 캐소드사이에 5 V 이하의 전압을 인가하면서 피처리물을 캐소드용으로 사용한 전해처리시에 아노드로서 사용한 금속재료를 캐소드용으로 사용하고, 인산염 화성처리욕중에서 불용성인 재료를 아노드용으로 사용하는 것이 바람직하고, 또한 피처리물이 인산염 화성처리욕과 접촉하지 않으면 아노드와 캐소드사이에 전압을 인가하여 캐소드가 실질적으로 용해하지 않도록 하고, 피처리물을 캐소드용으로 사용한 전해처리시에 아노드로서 사용한 금속재료를 캐소드용으로 사용하고, 인산염 화성처리욕중에서 불용성인 재료를 아노드용으로 사용하는 것이 바람직하다.Moreover, when the workpiece is not in contact with the phosphate conversion bath, a metal material used as the anode during the electrolytic treatment using the workpiece for the cathode while applying a voltage of 5 V or less between the anode and the cathode is used. It is preferable to use for the anode and to use a material which is insoluble in the phosphate chemical treatment bath for the anode, and if the object is not in contact with the phosphate chemical treatment bath, a voltage is applied between the anode and the cathode so that the cathode is substantially It is preferable to use the metal material used as an anode for the cathode during the electrolytic treatment using the object to be treated for the cathode, and to use an insoluble material for the anode in the phosphate chemical treatment bath.
더욱이 인산염 화성처리욕의 각 성분을 새로 보충할 경우에는 인산염 화성처리욕의 일부를 제거하고, 제거된 처리액에 대하여 인산염 화성처리욕을 구성하는 각 성분의 성분농도 이상의 적어도 한가지 농도에서 처리욕 성분을 함유한 보충액을 전해조로부터 제거된 부분에 대해 첨가하는 것이 바람직하다.In addition, when each component of the phosphate chemical treatment bath is newly replenished, a part of the phosphate chemical treatment bath is removed, and the treatment bath component is added at least at a concentration higher than the component concentration of each component constituting the phosphate chemical treatment bath with respect to the removed treatment liquid. It is preferable to add a replenishment solution containing to the portion removed from the electrolytic cell.
더욱이 전해처리를 할 때의 처리욕의 조성은, 인산 이온 및 인산의 농도 (g/l)에 대한, 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온의 농도 (g/l)의 비가 0.1 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.Further, the composition of the treatment bath during the electrolytic treatment is such that the ratio of the concentration of the phosphate ions and the phosphoric acid (g / l) to the concentration (g / l) of the metal ions forming the complex with the phosphate ions is 0.1 or more. It is preferable.
상기한 대책을 실시함으로써 인산염 화성처리욕은 피막형성 반응에 영향을 주는 고형물이 실질적으로 함유되지 아니하며, 전해처리시에 반응은 전극표면에서만 일어나는 한편, 기타의 시간과 기타의 위치에서는 반응이 실질적으로 일어나지 않는다.By implementing the above measures, the phosphate chemical treatment bath is substantially free of solids that affect the film formation reaction. During the electrolytic treatment, the reaction takes place only at the electrode surface, while the reaction is substantially conducted at other times and at other positions. Does not happen.
또한, 본 발명의 "전해 인산염 화성처리 방법"과 마찬가지로 용액중에서 각 성분을 반응시켜 피막을 형성하는 "전착도장"에서 용액중의 각 성분의 응고와 분해가 일어나지 않도록 극히 주의를 해야하더라도, 용액은 유기계이므로 불순물의 혼입을 방지하고 처리욕을 항상 여과하여 일정한 온도로 유지하면 이 목적을 달성할수 있다.In addition, in the "electrode phosphate chemical treatment method" of the present invention, in the "electrodeposition coating" in which each component is reacted in a solution to form a coating, even though extreme care should be taken to prevent solidification and decomposition of each component in the solution, As this is an organic type, it is possible to achieve this purpose by preventing the incorporation of impurities and keeping the treatment bath constant at a constant temperature.
본 발명의 "전해 인산염 화성처리 방법"은 무기산 용액중에서의 전해를 포함하기 때문에 전착도장에서의 대책 외에도 상기한 대책을 강구하는 것이 바람직하다.Since the "electrolytic phosphate chemical treatment method" of the present invention includes electrolysis in an inorganic acid solution, it is preferable to take the above measures in addition to the measures in electrodeposition coating.
더욱이, 본 발명은 종래의 경우에서와 같이 Na 등의 피막형성 성분을 구성하는 금속 이온 이외의 금속 이온을 실질적으로 함유하지 않기 때문에 인산염 화성처리욕중에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온은 인산염 화성처리욕중에서 착물로서 존재할 수도 있다. 따라서, 금속 이온이 용액중에 용해되어 있더라도 이들은 처리욕중에서 안정한 형태로 존재하므로 처리욕중에서의 슬러지 생성 등의 현상을 억제할 수 있고, 또한 피처리물의 표면에서만 피막석출 반응을 일으킬 수 있다.Furthermore, since the present invention contains substantially no metal ions other than the metal ions constituting the film forming component such as Na as in the conventional case, the metal ions forming complexes with the phosphate ions in the phosphate chemical treatment bath are phosphate chemically soluble. It may also be present as a complex in the treatment bath. Therefore, even if metal ions are dissolved in the solution, they are present in a stable form in the treatment bath, so that phenomena such as sludge formation in the treatment bath can be suppressed, and the film deposition reaction can be caused only on the surface of the workpiece.
이것은 종래의 전기도금에서 자주 사용되고 있는 시아노 착물과 균등한 것인데, 그 이유는 시아노 착물은 용액중에서 분해하지 않으나, 오히려 전하가 집중되어 있는 캐소드의 표면에서는 분해하여 금속피막 형태로 석출하기 때문이다.This is equivalent to the cyano complex which is often used in conventional electroplating, because the cyano complex does not decompose in solution, but rather decomposes in the form of a metal film on the surface of the cathode where charge is concentrated. .
더욱이 과거에는 종래의 무전해 인산염 화성처리욕에서도 착물을 사용하였다. 즉, 금속표면에서 인산염 화합물로서 석출하는 금속 이온 (예컨대 Fe3+, Zn2+혹은 Mn2+)은 인산 이온과 착물을 형성함으로써 용액중에 용해한다. 그러나, 종래의 무전해 인산염 화성처리욕에서 사용된 인산 이온 착물은 Na 이온 등의 이온을 함유하므로 활성 (불안정) 상태로 되기 때문에, 전기도금에서 사용된 시아노 착물 등과 비교하여 착물의 안정성이 낮다. 따라서, 무전해처리의 경우에서 있어서도 착물이용이하게 용해되어 피막과 슬러지를 형성하므로 이 처리에서는 본 발명을 어떤 방법으로도 이용할 수 없다.Moreover, in the past, complexes have also been used in conventional electroless phosphate chemical treatment baths. That is, metal ions (such as Fe 3+ , Zn 2+ or Mn 2+ ) that precipitate as phosphate compounds on the metal surface are dissolved in solution by forming complexes with phosphate ions. However, since the phosphate ion complex used in the conventional electroless phosphate chemical treatment bath contains ions such as Na ions, and thus becomes active (unstable), the stability of the complex is lower than that of the cyano complex used in electroplating. . Therefore, even in the case of the electroless treatment, the complex is easily dissolved to form a film and sludge, so the present invention cannot be used in any of these methods in this treatment.
더욱이 착물 안정성에 대하여 시아노 착물이 안정하고, 무전해처리 (무전해도금)의 경우에는 착물이 용해 (분해)하지 않는다. 이러한 이유로 시아노 착물은 전기도금에서만 사용될 뿐이다.Moreover, the cyano complex is stable with respect to the complex stability, and in the case of electroless treatment (electroless plating), the complex does not dissolve (decompose). For this reason, cyano complexes are only used in electroplating.
인산 이온 착물의 안정성을 증가시킬 수 있다면 이 착물은 쉽사리 분해하지 않는다. 그 이유는 종래의 무전해 인산염 화성처리욕의 pH를 조정 (그 목적으로 Na 이온 등을 첨가)해야 하므로, 이 처리욕에 사용된 인산 이온 착물의 안정성이 적어서 결국은 인산 이온이 쉽사리 용해 (산화에 의한 분해)하기 때문이다. 전해 인산염 화성처리욕에 있어서 욕의 pH 조정은 Na+를 첨가하여 실시하지 않는다. 이러한 이유로 인산 이온 착물의 안정성을 증대시킬 수 있다. 인산 이온 착물의 안정성이 큰 처리욕의 경우에 있어서는 전해가 없으면 분해가 일어나지 않아 피막형성이 되지 않는다. 더욱이, 전해시에 전기도금의 경우에서와 같이 용액중의 인산 이온 착물의 분해가 없고, 전하가 집중되어 있는 캐소드 표면에서만 인산 이온 착물이 분해하여 피막이 형성되기 때문에 근본적으로 슬러지 생성이 없고 처리욕을 투명한 상태로 유지하게 된다.If the stability of the phosphate ion complex can be increased, the complex does not readily degrade. The reason is that the pH of the conventional electroless phosphate chemical treatment bath must be adjusted (add Na ions etc. for that purpose), so the stability of the phosphate ion complex used in the treatment bath is low and eventually the phosphate ions are easily dissolved (oxidized). (By decomposition). In the electrolytic phosphate chemical treatment bath, the pH adjustment of the bath is not performed by adding Na + . For this reason, the stability of the phosphate ion complex can be increased. In the case of a treatment bath having a large stability of the phosphate ion complex, decomposition does not occur without electrolysis and film formation does not occur. Furthermore, as in the case of electroplating at the time of electrolysis, there is no decomposition of the phosphate ion complex in the solution, and since the phosphate ion complex decomposes only on the cathode surface where the charge is concentrated, there is essentially no sludge formation and a treatment bath. It remains transparent.
인상 이온 착물이 지나치게 안정하면 캐소드 전해에 의한 피막형성에 적합하지 않다. 이러한 이유로 인산 이온 착물의 안정성을 적당한 범위내에서 유지해야 한다.If the pulling ion complex is too stable, it is not suitable for forming a film by cathode electrolysis. For this reason, the stability of the phosphate ion complex must be maintained within an appropriate range.
본 발명에서 이것을 달성하기 위하여는 전해처리를 할 때에 처리욕의 조성을, 인산 이온 및 인산의 농도 (g/l)의 비에 대한, 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온의 농도 (g/l)의 비가 0.1 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 착물의 안정성을 확보할 수가 있다.In order to achieve this in the present invention, the composition of the treatment bath during electrolytic treatment is determined by the concentration of the metal ions forming a complex with the phosphate ion (g / l) relative to the ratio of the concentration of the phosphate ion and the phosphoric acid (g / l). It is preferable to make ratio of 0.1 or more. Therefore, the stability of the complex can be secured.
[전해 인산염 화성처리의 특징 검토][Review of Characteristics of Electrolytic Phosphate Chemical Treatment]
불순물 혼입방지 및 처리욕 여과와 착물에 관한 대책 등의 정제방법 외에도 이러한 전해 인산염 화성처리를 실용적으로 활용하기 위하여 전해 인산염 화성처리의 독특한 특징을 수용할 수 있는 대책을 이용할 필요가 있다.In addition to the purification methods such as the prevention of impurity incorporation and the treatment of filtration and complexes in the treatment bath, it is necessary to use measures to accommodate the unique characteristics of the electrolytic phosphate chemical treatment in order to utilize the electrolytic phosphate chemical treatment practically.
이들 독특한 특징에 대해 아래에서 설명한다.These unique features are described below.
본 발명의 전해 인산염 화성처리에 있어서 상기한 인산염 화성처리 방법은, 상기한 피처리물을 아노드용으로 사용하여 전해처리를 한 다음에 피처리물을 캐소드용으로 사용하여 전해처리를 하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.In the electrolytic phosphate chemical treatment of the present invention, the above-described phosphate chemical treatment method includes the steps of performing electrolytic treatment using the above-mentioned to-be-processed object for an anode and then subjecting the to-be-processed material to a cathode for electrolytic treatment. It is preferable to include.
이 경우에 있어서, 피막형성 금속 (예컨대 Fe, Ni 혹은 Zn)을 아노드용으로 사용하고 피처리물을 캐소드용으로 사용하는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable to use a film forming metal (such as Fe, Ni or Zn) for the anode and to use the workpiece for the cathode.
더욱이 금속재료를 전해조내에 아노드로 하여 설치하는 두 가지 경우가 아래에 나와 있다.Furthermore, two cases in which metal material is installed as an anode in an electrolytic cell are shown below.
(1) 전극재가 용해하여 피막형성 성분으로 되는 금속(1) A metal in which the electrode material is dissolved to form a film forming component
(2) 전극재가 용해하지 않거나 극히 약간만이 용해하는 불용성 재료(2) Insoluble materials in which electrode materials do not dissolve or only slightly dissolve
캐소드 전해처리는 상기한 전극재 두 가지를 사용하거나 어느 한 가지만을 사용한다. 이들의 분류의 요약이 표 3에 나와 있다.The cathode electrolytic treatment uses two of the above electrode materials or only one of them. A summary of these classifications is shown in Table 3.
[표 3] 캐소드 전해처리의 분류[Table 3] Cathodic Electrolytic Treatment
용해하여 피막성분이 되는 금속을 아노드용으로 사용하는 (1)의 경우에 있어서, 아노드재는 외부전원의 작용에 의하여 전기화학적으로 용해하여 용액중에 용해된 이온상태로 존재한 후에 캐소드에서 석출 (고화)하여 피막을 형성한다.In the case of (1) in which a metal which is dissolved and becomes a coating component is used for an anode, the anode material is electrochemically dissolved by the action of an external power source and is present in the ionic state dissolved in the solution, and then precipitates at the cathode. Solidification) to form a film.
용해하지 않거나 극히 약간 용해하는 불용성 재료를 아노드용으로 사용하는 (2)의 경우에 있어서, 용액중에 용해된 양이온은 외부전원에 의해 작용하여 캐소드에서 석출한다. 이들 경우는 형성되는 인산염 화성피막의 성질에 따라 사용된다.In the case of (2) in which an insoluble material which is insoluble or extremely insoluble is used for the anode, cations dissolved in the solution are precipitated at the cathode by acting by an external power source. These cases are used depending on the nature of the phosphate chemical coating formed.
표 3에 기재된 바와 같이 "인산염 화합물을 형성하는 금속 (예컨대 Fe 및 Zn)"은 무전해처리에서 나타난 바와 같이 종래의 인산염 화성처리욕 조건하에서도 비교적 용이하게 (저전압에서) 용해하여 석출한다. 그러나 "인산염 화성처리욕중에 용해된 금속이온이 환원되어 금속원소로서 석출하는 고형물"로 되는 금속으로서는 종래의 무전해 인산염 화성처리욕의 조건하에서 쉽사리 용해하여 석출하는 금속 (예컨대 Cu) 및 용해와 석출에 큰 전압과 전류를 필요로 하는 금속 (예컨대 Ni)을 포함한다.As shown in Table 3, "metals forming phosphate compounds (such as Fe and Zn)" dissolve and precipitate relatively easily (at low voltage) even under conventional phosphate chemical bath conditions as shown in the electroless treatment. However, as a metal which becomes "a solid substance in which metal ions dissolved in a phosphate conversion bath is reduced to precipitate as a metal element", metals (e.g., Cu) readily dissolved and precipitated under the conditions of a conventional electroless phosphate conversion bath and dissolved and precipitated Include metals (such as Ni) that require large voltages and currents.
용해 및 석출에 큰 전압과 전류를 필요로 하는 금속 (예컨대 Ni)을 처리욕에 가하여 아노드로서 작용하는 전극으로부터 용해시켜 석출시키면 큰 전압과 전류를필요로 한다. 이 전해처리에서는 처리욕 전체에 비교적 큰 전압과 전류를 인가해야 한다. 그러나, 이러한 전해처리 (큰 전압과 전류를 필요로 함)는 저전압을 인가하여 전해하여 인산염 화합물을 석출시키는 금속 (Fe 및 Zn)의 전해에는 적합하다고 할 수 없다.When a metal (for example, Ni), which requires a large voltage and current for melting and precipitation, is added to a treatment bath to dissolve and precipitate from an electrode serving as an anode, a large voltage and current are required. In this electrolytic treatment, a relatively large voltage and current must be applied to the entire treatment bath. However, such an electrolytic treatment (which requires a large voltage and a current) is not suitable for the electrolysis of metals (Fe and Zn) which apply a low voltage to electrolytically precipitate a phosphate compound.
본 발명자들은 전해 인산염 화성처리의 특징으로서 "캐소드 전해처리"를 위해 근본적으로 두 가지 계(系)가 존재함을 인식하였다. 또한, 본 발명자들은 피막의 소요의 성질에 따라 이들 두 가지 계 사이에 차이가 있음을 인식함으로써 이들 두 가지 캐소드 전해처리계를 적절히 사용해야 한다고 생각하였다. 즉, 아노드용으로 사용된 금속재료 및 처리욕의 조성을 소요의 피막에 따라 결정하여 해당 처리욕과 전극재에 상응하게 전해처리 (전압 및 전류)를 적절히 이용한다.The inventors have recognized that essentially two systems exist for "cathode electrolysis" as a feature of the electrolytic phosphate chemical treatment. In addition, the present inventors thought that these two cathode electrolytic treatment systems should be used properly by recognizing that there is a difference between these two systems depending on the required properties of the film. That is, the composition of the metal material and the treatment bath used for the anode is determined according to the required coating, and electrolytic treatment (voltage and current) is appropriately used in accordance with the treatment bath and the electrode material.
캐소드 전해처리를 근본적으로 두 가지 계로 분류할 수 있다는 사실을 인식한 것은 전해 인산염 화성처리의 실용적인 적용을 위해 두 가지 계를 수용할 필요가 있다는 것을 시사하는 것이다. 즉, "쉽사리 용해하고 석출하여 피막성분이 되는 금속재료" 및 "극히 약간 가용성이거나 불용성인 재료"를 사용하는 경우에 있어서 상이한 수용조건을 필요로 한다.Recognizing that cathodic electrolysis can be fundamentally classified into two systems suggests that it is necessary to accommodate two systems for the practical application of electrolytic phosphate chemical treatment. In other words, different acceptance conditions are required in the case of using a "metal material which easily dissolves and precipitates and becomes a coating component" and "an extremely slightly soluble or insoluble material".
표 3에 나온 "쉽사리 용해하고 석출하여 피막성분이 되는 금속재료 (예컨대 Fe, Zn 또는 Cu)"를 아노드용으로 사용하는 경우에 있어서, 전압을 인가하지 않더라도 (전해없이도) 인산염 화성처리욕중에 이들 금속이 쉽사리 용해한다. 이러한 현상 (작용)을 그대로 방치하면 처리를 하지 않을 때에도 이들 금속 이온은 처리욕중에 용해한다. 그 결과, 처리욕의 상태는 처리를 할 수 없게 되는 상태로 되어 버린다. 따라서, 이러한 용해를 억제하기 위한 수단을 필요로 한다. 이것이 그 첫번째로 취하는 대응방안이다.In the case of using a metal material (e.g., Fe, Zn or Cu) which is easily dissolved and precipitated as a coating component as shown in Table 3 for the anode, in the phosphate chemical treatment bath without applying a voltage (without electrolysis), These metals dissolve easily. If this phenomenon (action) is left as it is, these metal ions are dissolved in the treatment bath even when the treatment is not performed. As a result, the state of the process bath becomes a state in which the process cannot be performed. Thus, there is a need for means to suppress such dissolution. This is the first response to take.
용해를 억제하기 위한 수단으로서 취해야 할 대책의 구체적인 예로서는 아래의 대책을 취하는 것이 바람직하다.It is preferable to take the following countermeasures as specific examples of measures to be taken as means for suppressing dissolution.
(1) 전해처리시에 금속전극 (아노드)의 표면적을 조절함.(1) The surface area of the metal electrode (anode) is adjusted during the electrolytic treatment.
(2) 전해처리시에 금속전극 (아노드)의 전해전류를 조절함.(2) The electrolytic current of the metal electrode (anode) is controlled during the electrolytic treatment.
(3) 전해처리가 휴지(休止)상태일 때 (이하, 간단히 "휴지 전해"라 함), 아노드용으로 불용성 전극을 사용하고 캐소드용으로 쉽사리 용해하는 금속전극 (예컨대 Fe, Zn, Cu)을 사용하면서 캐소드용으로 사용된 금속이 용해하지 않을 정도로 (각 용액성분이 분해하지 않을 정도로) 약전해처리 (휴지 전해처리)를 실시함.(3) When the electrolytic treatment is at rest (hereinafter simply referred to as "pause electrolysis"), a metal electrode (e.g. Fe, Zn, Cu) which uses an insoluble electrode for the anode and readily dissolves for the cathode Weak electrolytic treatment (pause electrolytic treatment) to the extent that the metal used for cathode does not dissolve (so that each solution component does not decompose) while using.
두 번째 대응방안은 "극히 약간 가용성이거나 불용성인 재료"를 사용하는 경우에 대한 것이다.The second countermeasure is for the use of "extremely slightly soluble or insoluble materials".
예컨대 피막성분으로서 필요하더라도 아노드용 금속을 사용하여 전해할 경우에도 충분한 용해를 얻을 수 없는 금속 (예컨대 Ni)의 경우에 있어서는 전극으로부터 용해하여 피막성분에 필요한 금속이온 전부를 얻을 수가 없다. 이 경우에 있어서 용해된 금속이온을 처리욕에 첨가함으로써 처리욕에 금속이온을 공급하는 것이 바람직하다. 캐소드에서의 전해반응 (환원 및 석출)시에만 캐소드 전해처리를 목적으로 한다. 이렇게 되면, 예컨대 Ni을 피막성분중에 결합시키는 전해전압을, 아노드로부터 Ni을 용해하여 피막형성을 하는 경우와 비교하여 감소시킬 수 있다. 이러한 방식은 전해 인산염 화성처리의 실용적인 적용에 있어서 바람직하다.For example, in the case of a metal (for example, Ni) in which sufficient dissolution cannot be obtained even when electrolytically using an anode metal, even if necessary as a coating component, all of the metal ions necessary for the coating component cannot be obtained by dissolving from the electrode. In this case, it is preferable to supply the metal ions to the treatment bath by adding the dissolved metal ions to the treatment bath. It is intended for the cathode electrolytic treatment only at the electrolytic reactions (reduction and precipitation) at the cathode. In this case, for example, the electrolytic voltage for bonding Ni in the coating component can be reduced as compared with the case of dissolving Ni from the anode to form the coating. This approach is desirable in practical applications of electrolytic phosphate chemical treatments.
[전해 인산염 화성처리를 구성하는 반응][Reactions Comprising Electrolytic Phosphate Chemical Treatment]
본 발명은 전해 인산염 화성처리를 실시하기 위한 환경을 정비함으로써 신규의 전기화학적인 인산염 화성처리 반응을 형성한다. 여기에 대하여 아래에서 그 개요를 설명한다.The present invention forms a novel electrochemical phosphate chemical reaction by maintaining the environment for carrying out the electrolytic phosphate chemical treatment. This is outlined below.
[전지화학 반응의 일반적인 인식][General Recognition of Cellochemical Reactions]
본 발명의 인산염 화성처리 반응은 근본적으로 슬러지의 생성이 없다. 전기화학 반응계는 아노드 반응과 캐소드 반응으로 구성된다. 아노드 반응은 아노드에서 일어나는 산화반응이다. 더욱이, 캐소드 반응은 캐소드에서 일어나는 환원반응이다. 전기화학 반응계에서 그 전극전위는 캐소드 반응이 아노드 반응 보다도 높은 것으로 정의되어 있다.The phosphate chemical conversion reaction of the present invention is essentially free of sludge production. The electrochemical reaction system consists of an anode reaction and a cathode reaction. The anode reaction is an oxidation reaction occurring at the anode. Moreover, the cathode reaction is a reduction reaction occurring at the cathode. In the electrochemical reaction system, the electrode potential is defined as that the cathode reaction is higher than the anode reaction.
또한, 아노드에서 아노드 반응이 일어나면 상응한 용매 및 음이온은 캐소드 반응을 하는 것이라 믿고있다. 양이온이 캐소드 반응을 하면 상응한 용매 및 음이온은 아노드 반응을 하는 것이라 믿고있다.It is also believed that when an anode reaction occurs at the anode, the corresponding solvent and anion are cathodic. It is believed that when a cation cathodes, the corresponding solvent and anion undergo an anode reaction.
전해처리에서 형성되는 전기화학 반응계의 개요를 도 2에 나타낸다.The outline of the electrochemical reaction system formed in the electrolytic treatment is shown in FIG.
도 2에 나온 바와 같이 전기화학 반응계는 (1) "용액내에서 분리해 있는 전극간의 반응계" 및 (2) "용액내에서 분리해 있지 않은 동일 전극표면에서의 반응계"의 두 가지로 분류된다.As shown in FIG. 2, electrochemical reaction systems are classified into two types: (1) "reaction systems between electrodes separated in solution" and (2) "reaction systems on the same electrode surface not separated in solution".
(1)의 "용액내에서 분리해 있는 전극간의 반응계"는 분리해 있는 전극간에 아노드-캐소드 반응계가 형성된다. 이 반응계는 아래와 같이 나누어져 형성된다.The "reaction system between electrodes separated in solution" of (1) forms an anode-cathode reaction system between the separated electrodes. This reaction system is formed by dividing as follows.
(1)-1 전극간에 양이온이 관여하는 전기화학 반응계 (아노드에서의 캐소드반응과 캐소드에서의 아노드 반응)(1) -1 Electrochemical reaction system involving cations between electrodes (cathode reaction at anode and anode reaction at cathode)
(1)-2 전극간에 음이온과 용매가 관여하는 전기화학 반응계 (아노드에서의 캐소드 반응과 캐소드에서의 아노드 반응)(1) -2 Electrochemical reaction system involving anion and solvent between electrodes (cathode reaction at anode and anode reaction at cathode)
(2)의 "용액내에서 분리해 있지 않은 동일 전극표면에서의 반응계" 는 동일 전극표면에서 주로 양이온과, 음이온 및 용매 사이에서 형성되는 아노드-캐소드 반응계이다. 이 반응계는 아래와 같이 나누어져 형성된다."Reaction system on the same electrode surface not separated in solution" of (2) is an anode-cathode reaction system formed mainly between cations, anions and a solvent on the same electrode surface. This reaction system is formed by dividing as follows.
(2)-1 아노드 표면에서의 양이온의 아노드 반응, 및 음이온과 용매의 캐소드 반응(2) -1 anode reaction of cation on anode surface and cathode reaction of anion and solvent
(2)-2 캐소드 표면에서의 양이온의 캐소드 반응, 및 음이온과 용매의 아노드 반응(2) -2 cathode reaction of cation on cathode surface and anode reaction of anion and solvent
"무전해 처리" 혹은 "전해처리"와는 관계없이 전기화학 반응계가 형성되는 경우에 있어서 캐소드 반응 및 아노드 반응으로 구성된 전기화학 반응계가 형성된다. 그러나, "무전해 처리"의 전기화학 반응계는 주로 동일한 표면에서의 캐소드 및 아노드 반응으로만 구성된다. 도 2에서 이들은 (2)-1 및 (2)-2의 반응이며 금속 (고체)과 용액 (액체) 사이에서 구성된다.When an electrochemical reaction system is formed irrespective of "electroless treatment" or "electrolytic treatment", an electrochemical reaction system composed of a cathode reaction and an anode reaction is formed. However, the electrochemical reaction system of "electroless treatment" consists mainly of cathode and anode reactions on the same surface. In FIG. 2 they are reactions of (2) -1 and (2) -2 and are composed between metal (solid) and solution (liquid).
전기화학 반응계가 한쌍의 캐소드 및 아노드 반응으로만 구성되는 경우가 있고, 또한 전기화학 반응계가 복수쌍의 캐소드 및 아노드 반응으로 구성되는 경우가 있다. 도 2에 나온 바와 같이 인산염 화성처리의 전기화학 반응계는 복수쌍의 캐소드 및 아노드 반응으로 구성된 복잡한 계이다. 이러한 복잡성으로 인하여 반응계를 제어하기가 어려워 진다.In some cases, the electrochemical reaction system may consist of a pair of cathode and anode reactions, and in some cases, the electrochemical reaction system may consist of a plurality of pairs of cathode and anode reactions. As shown in FIG. 2, the electrochemical reaction system of phosphate chemical treatment is a complex system composed of a plurality of pairs of cathode and anode reactions. This complexity makes it difficult to control the reaction system.
[전해 인산염 화성처리에서의 전기화학 반응계의 구성][Configuration of Electrochemical Reaction System in Electrolytic Phosphate Chemical Treatment]
전해 인산염 화성처리의 "캐소드 전해처리"의 경우에 있어서 피막형성 금속전극 (양극)으로서 Fe, Zn, Ni 혹은 Cu를 사용하면 그 반응은 표 4와 같이 구성된다. 더욱이 아래의 예에서는 아연 이온, 니켈 이온, 인산 이온 및 질산 이온을 함유한 인산염 화성처리욕 (인산염 화성처리욕)으로써 철 (철강재료)을 처리한 경우이다.In the case of the "cathode electrolytic treatment" of the electrolytic phosphate chemical treatment, when Fe, Zn, Ni or Cu is used as the film forming metal electrode (anode), the reaction is configured as shown in Table 4. Further, in the example below, iron (steel material) is treated with a phosphate chemical treatment bath (phosphate chemical treatment bath) containing zinc ions, nickel ions, phosphate ions and nitrate ions.
[표 4] 전해 인산염 화성처리 반응의 분류(캐소드 처리)[Table 4] Classification of Electrolytic Phosphate Chemical Treatment Reaction (cathode treatment)
상기한 바와 같이 외부전원을 통한 전극간의 전기화학 반응은 근본적으로 두 가지 계로 되어 있다. 그 첫 번째는 양극에서의 피막형성 금속 (전극)의 용해반응 (아노드 반응)과, 음극 (피처리물) 표면에서의 용해 금속 이온의 석출반응 (캐소드 반응)으로 된 전극간의 반응계이다. 나머지 하나의 반응계는 동일한 전극표면에서의 전기화학 반응계이다. 이것은 양극에서의 금속의 용해(산화) 반응 및 용액성분 (질산이온 및 물)의 환원반응과, 음극에서의 용액성분 (인산이온 및 물)의 산화반응 및 금속이온의 환원반응으로 되어 있다. 더욱이 음극표면에서의 인산이온의 산화반응 (탈수소)에 따른 인산염 착물을 형성하는 금속 (예컨대 Zn, Fe 혹은 Mn)의 이온이 음극표면에서 석출한다.As described above, the electrochemical reaction between electrodes through an external power source is basically two systems. The first is a reaction system between the dissolution reaction of the film-forming metal (electrode) at the anode (anode reaction) and the precipitation reaction (cathode reaction) of dissolved metal ions at the cathode (treatment) surface. The other reaction system is an electrochemical reaction system on the same electrode surface. This is a dissolution (oxidation) reaction of the metal at the anode and a reduction reaction of the solution components (nitrate ions and water), an oxidation reaction of the solution components (phosphate ions and water) at the cathode and a reduction reaction of the metal ions. Furthermore, ions of metals (such as Zn, Fe or Mn), which form phosphate complexes due to the oxidation reaction (dehydrogenation) of phosphate ions on the surface of the cathode, precipitate on the surface of the cathode.
[인산염 화성처리 반응의 전기화학 반응 - 1 (무전해 처리 반응)][Electrochemical Reaction of Phosphate Chemical Reaction-1 (Electrolytic Treatment)]
무전해 인산염 화성처리 반응에서는 상기한 표에 나온 아노드 및 캐소드 반응이 아노드와 캐소드의 분극이 없이 동일 평면에서 이루어지도록 실시된다.In the electroless phosphate chemical reaction, the anode and cathode reactions shown in the above table are carried out in the same plane without polarization of the anode and cathode.
무전해 인산염 화성처리를 철강재에서만 주로 실시하는 이유는 인산염 화성처리욕과 철강재 사이에서의 전해가 없더라도 전기화학 반응계가 동시에 형성되도록 환경을 조성하기 때문이다.The reason why the electroless phosphate chemical conversion treatment is mainly performed only for steel materials is that the environment is formed so that an electrochemical reaction system is formed simultaneously even without electrolysis between the phosphate chemical treatment bath and the steel material.
더욱이, 피처리물이 구리 (Cu)인 경우에는 염소이온 (Cl-)을 가한다. 또한, 피처리물이 알루미늄 (Al)인 경우에는 플루오르 이온 (F-)을 가한다. 플루오르 이온 (F-)을 가하면 Al을 용해 (산화)하며, 처리욕중에서 (무전해이더라도) 인산염 화성처리와 관련하여 전기화학 반응계가 형성된다. 따라서, 철강과 동일한 방법으로 인산염 화성피막을 형성하게 된다. 그러나, 플루오르 이온 (F-)은 피막중에 결합되지도 않고 질산이온과 같이 환원 (NO3 -→ NO)되어 기화 (가스화)하는 등에 의하여 반응에 의해 용액으로부터 제거되는 일이 없다. 따라서, 플루오르 이온이 소정 농도를 초과했을 때에는 처리액을 새로 제조할 필요가 있다.Furthermore, when the workpiece is copper (Cu), chlorine ion (Cl − ) is added. In addition, when the to-be-processed object is aluminum (Al), fluorine ion (F <-> ) is added. The addition of fluorine ions (F − ) dissolves (oxidizes) Al and forms an electrochemical reaction system in connection with the phosphate chemical treatment (even if electroless) in the treatment bath. Therefore, the phosphate chemical film is formed in the same manner as steel. However, the fluorine ions (F − ) are neither bonded to the coating nor removed from the solution by the reaction by reducing (NO 3 − → NO) and evaporating (gasification), such as nitrate ions. Therefore, when the fluorine ion exceeds a predetermined concentration, it is necessary to prepare a new treatment liquid.
무전해 인산염 화성처리의 경우에는 전기화학 반응계가 동일 표면에서 형성되므로 피막이 형성되면 소재 (피처리물)의 용해는 제한된다. 따라서, 피막을 파괴하지 않고 두껍게 할 수가 없다. 두꺼운 피막을 얻기위해 무리를 하여 반응을 계속하면 그 반응은 소재 (피처리물)의 용해를 동반하게 되므로 조잡한 피막으로 된다. 무전해 처리 (가열욕)로부터 형성되며, 냉각단조 프레스 가공 하지처리에 사용되고 있는 두꺼운 피막이 조잡한 것은 이러한 이유때문이다.In the case of electroless phosphate chemical treatment, the electrochemical reaction system is formed on the same surface, so that the dissolution of the material (the workpiece) is limited when the film is formed. Therefore, it cannot thicken without destroying a film. If the reaction is continued in a group to obtain a thick film, the reaction is accompanied by the dissolution of the material (treated matter) and thus becomes a crude film. It is for this reason that the thick film formed from the electroless treatment (heating bath) and used for the cold forging press working base treatment is coarse.
더욱이, 무전해 인산염 화성처리 반응은 외부전원을 사용하지 않는 동일한 표면에서의 전기화학 반응이기 때문에 전하변화에 따른 금속이온의 환원 및 석출반응은 극히 제한된다. 따라서, Ni 이온을 함유한 처리욕중에서라도 Ni의 환원 및 석출은 극히 약간 정도일 뿐이다. (Ni의 석출은 Fe가 용해할 때 초기 피막형성 단계에서만 가능하다.) 따라서, 형성되는 피막은 주로 인산염으로 되어 있다. 이것은 종래의 무전해 처리를 인산염 화성처리로 부르는 근거가 된다.Moreover, since the electroless phosphate chemical conversion reaction is an electrochemical reaction on the same surface without using an external power source, the reduction and precipitation of metal ions due to charge change are extremely limited. Therefore, even in a treatment bath containing Ni ions, the reduction and precipitation of Ni are only a few. (Precipitation of Ni is possible only in the initial film formation step when Fe is dissolved.) Therefore, the film formed is mainly phosphate. This is the basis for calling the conventional electroless treatment phosphate chemical treatment.
[인산염 화성처리 반응의 전기화학 반응 - 2 (아노드 전해처리)][Electrochemical Reaction of Phosphate Chemical Reaction-2 (Anode Electrolysis)]
전해 인산염 화성처리에서 아노드 전해처리에 의해 피막을 형성할 경우, 반응계는 근본적으로 무전해 처리와 동일하다. 아노드 전해처리의 작용은 표 4에 나온 "금속전극의 용해(산화) 반응"을 촉진함에 있다. "금속전극의 용해(산화) 반응"은 인산염 화성처리 (피막형성) 반응계를 개시하는 최초의 반응이다. 이 반응 (피처리물의 용해반응)은 아노드 전해처리에 의해 용이하고도 확실하게 이루어진다. 그 결과, 형성되는 인산염 피막은 피처리물 (소재)에 대한 밀착성이 우수하다. 그러나 피막의 두께를 두껍게 할 수는 없다.When the film is formed by the anode electrolytic treatment in the electrolytic phosphate chemical treatment, the reaction system is basically the same as the electroless treatment. The action of the anode electrolysis is to promote the "dissolution (oxidation) reaction of the metal electrode" shown in Table 4. The "dissolution (oxidation) reaction of a metal electrode" is the first reaction to initiate a phosphate chemical treatment (film formation) reaction system. This reaction (dissolution reaction of the object to be processed) is easily and surely performed by the anode electrolytic treatment. As a result, the formed phosphate film is excellent in adhesion to the workpiece (material). However, it is not possible to thicken the film.
아노드 전해처리에 이어서 캐소드 전해처리를 하여 피막을 형성할 경우에 있어서, 아노드의 역할은 금속전극의 용해(산화) 반응과 물의 환원반응에 한정된다. 아노드 전해처리에 있어서 피처리물의 용해는 확실하게 일어나며, 피막은 그 다음의 캐소드 전해처리에서 형성된다.In the case of forming the film by the anode electrolytic treatment followed by the cathode electrolytic treatment, the role of the anode is limited to the dissolution (oxidation) reaction of the metal electrode and the reduction reaction of water. In the anode electrolytic treatment, dissolution of the workpiece takes place reliably, and the film is formed in the next cathode electrolytic treatment.
이러한 이유로 아노드 전해처리만으로 피막을 형성할 경우에는 처리욕의 조성은 아노드 전해처리와 캐소드 전해처리를 병용하여 피막을 형성하는 경우와는 상이하다.For this reason, when the film is formed only by the anode electrolytic treatment, the composition of the treatment bath is different from the case where the film is formed by using the anode electrolytic treatment and the cathode electrolytic treatment together.
더욱이 아노드 전해처리만으로 피막을 실시할 경우에서는 인산염 화성처리욕중에 용해하지 않는 반대전극으로 작용하는 캐소드용의 소재를 선택한다. 이러한 이유로 화성처리욕중에 용해하지 않는 티타늄 등의 재료를 캐소드용으로 사용한다.Furthermore, in the case of coating only by the anode electrolytic treatment, a material for the cathode serving as a counter electrode which does not dissolve in the phosphate chemical treatment bath is selected. For this reason, materials such as titanium that do not dissolve in the chemical conversion bath are used for the cathode.
[인산염 화성처리 반응에서의 전기화학 반응 - 3 (음극처리)][Electrochemical Reaction in Phosphate Chemical Reaction-3 (Anodization)]
전해 인산염 화성처리에서는 통상적으로 양극처리와 음극처리를 병용하는 방법이 채용된다. 이 경우에 있어서, 양극처리의 작용은 피처리물의 표면을 용해하여 피막의 밀착성을 확보하는 것이다. 음극처리는 피막을 형성하는 것이다.In the electrolytic phosphate chemical treatment, a method of using anodization and cathodic treatment together is usually employed. In this case, the function of the anodization is to dissolve the surface of the workpiece and to secure the adhesion of the coating. Cathodic treatment is to form a film.
더욱이 특정의 경우에는 양극처리를 생략할 수도 있다. 피막의 견고한 밀착성을 필요로 하지 않을 경우와, 종래의 무전해 처리욕 보다도 전해 인산염 화성처리욕의 pH가 낮으므로 인하여 소재가 무전해에서도 용해하는 경향이 있는 경우에 있어서 소재의 용해반응을 무전해에서도 실시하는 경우에는 생략할 수 있다.Furthermore, in certain cases, anodization may be omitted. Electrolytic phosphate chemical reactions are not electroless if the film does not require firm adhesion and the pH of the electrolytic phosphate chemical treatment bath is lower than that of conventional electroless treatment baths. If it is also carried out in the can be omitted.
종래의 무전해 인산염 화성처리에 있어서 "피처리물의 용해반응"과 "피막형성과 관련한 반응"이 동일 표면에서 일어난다. 그러나, 본 발명의 음극 전해처리에서는 표 3에 나온 바와 같이 음극이 되는 피처리물의 표면에서는 "피처리물의 용해반응"은 일어나지 않는다. 그리고 피처리물의 표면 (음극)에서는 "피막형성과 관련한 반응"만이 일어난다.In the conventional electroless phosphate chemical treatment, the "dissolution reaction of the object" and "the reaction related to film formation" occur on the same surface. However, in the cathode electrolytic treatment of the present invention, as shown in Table 3, "dissolution reaction of the workpiece" does not occur on the surface of the workpiece to be the cathode. And only the "response with respect to film formation" occurs on the surface (cathode) of the workpiece.
음극전해 처리에 관련한 전기화학 반응계는 도 2에 나온 분류에 따라 세 가지 반응계가 있는데, 이들은 아래와 같다.Electrochemical reaction system related to cathodic electrolysis treatment has three reaction systems according to the classification shown in FIG.
i. 전극 (양극-음극) 간의 금속이온에 관한 산화-환원 (용해-석출) 반응계 [도 2의 (1)-1]i. Oxidation-reduction (dissolution-precipitation) reaction system for metal ions between electrodes (anode-cathode) [FIG. 2 (1) -1]
ii. 전극 (양극-음극) 간의 음이온 및 용매 (물)에 관한 산화-환원 반응계 [도 2의 (2)-2]ii. Oxidation-reduction reaction system for anion and solvent (water) between electrodes (anode-cathode) [FIG. 2 (2) -2]
iii. 음극 표면에서의 음이온과 용매 (물)에 관한 아노드 반응과 금속이온의 캐소드 반응 [도 2의 (2)-2 및 (1)-3]iii. Anodization and Cathode Reaction of Anion and Solvent (Water) on the Surface of Cathode [Fig. 2 (2) -2 and (1) -3]
이들 반응계에 대하여 설명한다.These reaction systems are demonstrated.
i. 전극 (양극-음극) 간의 금속이온에 관한 산화-환원 (용해-석출) 반응계 [도 2의 (1)-1]i. Oxidation-reduction (dissolution-precipitation) reaction system for metal ions between electrodes (anode-cathode) [FIG. 2 (1) -1]
이러한 전극간 반응은 음극표면의 캐소드 반응 (금속이온의 환원 및 석출)과 양극표면의 아노드 반응 (금속의 용해)으로 형성된다. 이 반응은 외부전원을 사용했을 때에 일어나는 반응이다. 음극표면은 음극 반응시에 큰 전기화학 에너지를 받게 되므로 전하의 변화 (환원)를 수반하는 석출반응을 한다. 캐소드 석출반응은 니켈, 구리, 철 혹은 아연 등의 금속이온의 전하의 변화 (환원)를 수반하는 석출반응인데, 전기도금과 동등한 작용을 이용하여 하지금속에 대하여 금속이온을 결합시킨다. 더욱이, 철 혹은 아연 등의 인산염이 피막을 형성하는 금속이 전하변화와는 관계없이 인산염으로서 우선적으로 석출한다 하더라도 전하변화를 수반하는 석출전위 및 용해는 물의 아노드 반응전위 (-0.83 V) 이상이므로 전하를 변화시킴으로써 금속을 석출시킬 수 있게 된다.This interelectrode reaction is formed by the cathode reaction (reduction and precipitation of metal ions) on the cathode surface and the anode reaction (dissolution of metal) on the anode surface. This reaction occurs when an external power source is used. The cathode surface is subjected to a large electrochemical energy during the cathode reaction, and thus the precipitation reaction is accompanied by a change in charge (reduction). The cathode precipitation reaction is a precipitation reaction involving a change (reduction) of a charge of metal ions such as nickel, copper, iron, or zinc. The metal ions are bonded to the underlying metal by an action similar to that of electroplating. Furthermore, even though the metals forming the film by iron or zinc phosphates preferentially precipitate as phosphates irrespective of the charge change, the precipitation potential and dissolution accompanying the charge change are more than the anode reaction potential of water (-0.83 V). By changing the charge, the metal can be precipitated.
ii. 전극 (양극-음극) 간의 음이온 및 용매 (물)에 관한 산화-환원 반응계 [도 2의 (1)-2 및 (1)-3]ii. Oxidation-reduction reaction system for anion between the electrode (anode-cathode) and solvent (water) [(1) -2 and (1) -3 of Fig. 2]
이 전극간 반응은 음극표면에서의 아노드 반응 [인산이온의 해리 및 산화, 인산염의 생성 및 용매 (물)의 산화]과, 양극 표면에서의 캐소드 반응 [질산이온의 환원 및 용매 (물)의 환원]으로 형성된다. 이러한, 전기화학 반응계가 형성됨으로써 생성되는 인산염 결정은 전기화학적으로 음극표면에 확실하게 결합된다.This interelectrode reaction involves the anodic reaction [dissociation and oxidation of phosphate ions, the formation of phosphate and oxidation of solvent (water)] on the cathode surface, and the cathode reaction [reduction of nitrate ions and solvent (water) on the surface of the anode. Reduction]. The phosphate crystals produced by the formation of such an electrochemical reaction system are electrochemically bound to the cathode surface.
iii. 음극 표면에서의 음이온과 용매 (물)에 관한 아노드 반응과 금속이온의 캐소드 반응 [도 2의 (2)-2]iii. Anodization and Cathode Reaction of Anion and Solvent (Water) on Cathode Surface [Fig. 2 (2) -2]
이 반응계는 음극표면에서의 물의 산화반응 [식 (19)의 아노드 반응]과, 음극표면에서의 전하의 변화 (환원)에 따른 캐소드 석출반응 [식 (13), (14), (15) 및 (16)]과의 사이에서 형성된다. 이러한 반응계가 형성됨으로써 인산염 화성처리욕중에서 용해된 이온이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위 (용해-석출 평형전위)가 물의 아노드 분해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전극전위) 정도 이상인 금속을 직접 석출할 수 있게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 전기화학 반응계에서는 캐소드 반응 전위가 아노드 반응 전위 보다도 상위인 것으로 정의 되고 있다. 따라서 이 전기화학 반응계가 형성됨으로써 아연 [용해-석출 평형전위 (수소 표준 전극전위) = -0.77 V] 이상의 용해-석출 평형전위를 가진 금속이온의 석출이 본 발명에서가능하다는 것을 입증하고 있다. 즉, 음극에서 석출되는 금속이 결정되는 것이다.This reaction system is characterized by the oxidation reaction of water on the cathode surface [anode reaction in equation (19)] and the cathode precipitation reaction according to the change (reduction) of charge on the cathode surface [Equations (13), (14), (15) And (16)]. The reaction system is formed to reduce the dissolved ions in the phosphate conversion bath to precipitate as a metal (dissolution-precipitation equilibrium potential) of metals having a potential of -0.83 V (hydrogen standard electrode potential), which is equal to the anode decomposition reaction of water. It can be deposited. As described above, in the electrochemical reaction system, the cathode reaction potential is defined to be higher than the anode reaction potential. The formation of this electrochemical reaction system thus demonstrates that the precipitation of metal ions having a dissolution-precipitation equilibrium potential of zinc [dissolution-precipitation equilibrium potential (hydrogen standard electrode potential) = -0.77 V] or more is possible in the present invention. That is, the metal precipitated at the cathode is determined.
이것은 나트륨 [용해-석출 평형전위 (수소 표준 전극전위)= -2.7 V], 칼륨 [용해-석출 평형전위 (수소 표준 전극전위)= -2.9 V] 등의 용해-석출 평형전위가 낮은 금속은 전해에 의하여 석출이 불가능하여 피막형성에 관여하지 않는 것을 나타내고 있다. 이러한 이유로 해서 이들 금속이온은 전해처리 피막형성을 방해한다.This means that metals with low dissolution-precipitation equilibrium potentials such as sodium [dissolution-precipitation equilibrium potential (hydrogen standard electrode potential) = -2.7 V], potassium [dissolution-precipitation equilibrium potential (hydrogen standard electrode potential) = -2.9 V] are electrolyzed. This implies that precipitation is impossible and does not participate in film formation. For this reason, these metal ions interfere with the electrolytic coating film formation.
더욱이 Zn, Fe 등은 이론적으로 이들의 전하를 변화시켜 금속으로서 석출시킬 수 있지만, Zn, Fe 등은 전형적으로 인산이온과의 착물을 형성함으로써 처리욕중에 존재한다. 에너지적인 면에서 보면 인산염으로서 석출하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 이유로 해서 Zn, Fe 등은 피막중에서 우선적으로 인산염으로서 존재한다.Moreover, although Zn, Fe and the like can theoretically change their charges to precipitate as metals, Zn, Fe and the like are typically present in the treatment bath by forming complexes with phosphate ions. In terms of energy, it is more preferable to precipitate as phosphate. For this reason, Zn, Fe, and the like preferentially exist as phosphates in the coating.
상기한 피막성분 이외에 금속이온을 약 0 ∼ 400 ppm, 바람직하게는 0 ∼ 100으로 함과 아울러 본 발명의 캐소드 전해처리에 있어서, 이러한 처리는 피막형성 반응에 영향을 주는 고형물을 실질적으로 함유하지 않기 때문에 인산염을 형성하지 않는 금속을 복합피막중에 함유시킬 수 있어 복합피막 자체를 종래의 "도금"의 성질에 가까운 것으로 할 수가 있다. 따라서, 형성되는 인산염 화성피막은 고레벨의 전기화학 에너지를 받게 되므로 음극 (피처리물)에 확실하게 밀착고정시킬 수 있게 된다.In addition to the coating components described above, the metal ion is about 0 to 400 ppm, preferably 0 to 100, and in the cathode electrolytic treatment of the present invention, the treatment is substantially free of solids that affect the film forming reaction. For this reason, the metal which does not form a phosphate can be contained in a composite film, and the composite film itself can be made close to the property of the conventional "plating". Therefore, the formed phosphate chemical conversion film is subjected to a high level of electrochemical energy, so that the phosphate chemical conversion film can be reliably fixed to the negative electrode (the workpiece).
본 발명에 있어서는 전극 (양극-음극) 사이의 금속이온에 관한 산화-환원 (용해-석출) 반응계는 외부전원의 접속에 의하여 계속해서 형성된다. 따라서, Ni 및 기타 금속의 이온은 전체 피막형성 과정에서 환원 및 석출되어 분포시킬 수가 있게된다. 더욱이, 특정의 금속만 함유시키는 것도 가능하게 되고, 혹은 어떤 금속을 함유시키지 않는 것도 가능하게 된다. 즉, 음극처리 피막형성 반응을 제어할 수 있게 된다.In the present invention, an oxidation-reduction (dissolution-precipitation) reaction system relating to metal ions between the electrodes (anode-cathode) is continuously formed by connection of an external power source. Thus, ions of Ni and other metals can be reduced and precipitated and distributed during the entire film formation process. Moreover, it becomes possible to contain only a specific metal, or to not contain any metal. That is, it is possible to control the cathodic coating formation reaction.
[전해 인산염 화성처리 피막의 특징][Features of electrolytic phosphate chemical conversion film]
본 발명에서는 피막형성의 전기간을 통하여 전하변화를 수반하는 금속의 석출이 가능하다는 것이 특기할만하다. 이것은 "전기도금"과 동일한 현상이다.In the present invention, it is remarkable that the metal accompanying the charge change can be deposited throughout the entire film formation. This is the same phenomenon as "electroplating".
즉, 전해 인산염 피막은 "인산염 함유 복합 전기도금 피막"이라 할 수 있다. 다시 말하자면 원자수 농도의 비가, 인산염을 형성하지 않는 금속 (예컨대 Ni)이, 인산염을 형성하는 원소로 작용하는 인 (P)의 1/4 이상을 함유하도록 하여 인산염 피막의 최외부 표면에 피막을 형성할 수 있다. (표 10과 실시예 1의 EDX 피막 해석결과 및 표 16과 실시예 4 및 5의 EDX 피막 해석결과를 참조.) 이 피막은, 인산염의 결정화 작용을 이용함으로써, 종래의 피막을 형성하는 무전해 처리에 의해서는 실현할 수 없는 피막이다.In other words, the electrolytic phosphate coating may be referred to as a "phosphate-containing composite electroplating coating". In other words, the ratio of the atomic number concentration is such that the metal which does not form phosphate (for example, Ni) contains at least 1/4 of phosphorus (P) serving as an phosphate-forming element so that the film is formed on the outermost surface of the phosphate film. Can be formed. (Refer to EDX film analysis results of Table 10 and Example 1 and EDX film analysis results of Table 16 and Examples 4 and 5.) This film is an electroless which forms a conventional film by using the crystallization action of phosphate. It is a film that cannot be realized by the treatment.
(원자수 농도의 비 Ni/P = 1/4는 Ni/Zn3(PO4)2가 1/2의 비로 존재하는 사실에 상응함.)(The ratio Ni / P = 1/4 of atomic number concentration corresponds to the fact that Ni / Zn 3 (PO 4 ) 2 is present at a ratio of 1/2.)
더욱이 전하변화를 수반하는 금속의 캐소드 전해처리를 실시하지 않음으로써 전하변화를 수반하는 금속의 석출을 무전해 처리와 동일한 방법으로 완전히 없앨 수 있다. (표 12와 실시예 2의 EDX 피막 해석결과를 참조.)Furthermore, by not performing the cathode electrolytic treatment of the metal accompanying the charge change, the precipitation of the metal accompanying the charge change can be completely eliminated in the same manner as the electroless treatment. (See Table 12 and Example 2 EDX film analysis results.)
더욱이 본 발명의 전해 인산염 화성처리 피막의 다른 특징은, 피막을 X선으로 분석할 경우 인산염 결정에 상응한 피이크를 가지지 아니한 피막이 형성된다는 것이 판명된다는 것이다. (표 16, 도 16 및 17에서의 실시예 3을 참조.) 또한, 이것은 전하변화를 수반하는 금속 (예컨대 Ni)을 피막형성의 전기간을 통하여 석출시킬 수 있기 때문에 가능하다. 즉, 이것은 전하변화를 수반하는 금속 (예컨대 Ni)의 석출에 따라 인산염 결정이 석출하는 것이고, 또한 인산염 결정은 금속성분중에 미세하게 분산되는 것이라 생각된다. 실시예 3의 피막이 인 (P)과 Zn을 함유하고 인산염을 함유하는 피막이라 하더라도 인산염 결정은 Ni 금속과 함께 분산된다. 이것은 피막의 단면방향으로 촬영한 EPMA 원소분석 사진 (표 17, 도 20 ∼ 29)에 나와 있다. 이 피막을 "인산염 함유 복합 전기도금 피막"이라 한다.Moreover, another feature of the electrolytic phosphate chemically treated film of the present invention is that when the film is analyzed by X-ray, it is found that a film having no peak corresponding to the phosphate crystal is formed. (See Example 3 in Table 16, Figs. 16 and 17.) This is also possible because a metal (for example, Ni) accompanying charge change can be precipitated through the whole of the film formation. In other words, it is thought that phosphate crystals are precipitated in accordance with precipitation of metals (for example, Ni) accompanying charge change, and phosphate crystals are thought to be finely dispersed in the metal component. Even if the film of Example 3 is a film containing phosphorus (P) and Zn and containing a phosphate, the phosphate crystal is dispersed together with the Ni metal. This is shown in the EPMA elemental analysis photograph (Table 17, FIGS. 20-29) taken in the cross-sectional direction of the film. This coating is called "phosphate-containing composite electroplating coating".
상기한 바와 같이 본 발명에서는 전기화학 반응의 일반적인 원리에 적합한 전해 인산염 화성처리를 개발하였다.As described above, the present invention has developed an electrolytic phosphate chemical conversion treatment suitable for the general principle of the electrochemical reaction.
즉, 본 발명은 종래의 인산염 결정을 주체로 한 피막으로부터 인산염과 금속으로 된 피막을 형성할 수 있는 인산염 화성피막을 형성하기 위한 인산염 화성처리 방법을 제공할 수 있다.That is, the present invention can provide a phosphate chemical treatment method for forming a phosphate chemical coating film capable of forming a film made of phosphate and metal from a film mainly composed of conventional phosphate crystals.
더욱이, 본 발명에서 얻은 복합피막은 인산염이 아닌 금속재료를 함유할 수 있다.Moreover, the composite film obtained in the present invention may contain a metal material other than phosphate.
따라서, 이러한 신규한 인산염 화성처리에 의하여 금속의 종류와는 관계없이 전기도금을 적용하는 동일한 방법으로 수많은 금속재료에 적용할 수 있는 복합피막을 얻을 수가 있다.Therefore, by this novel phosphate chemical treatment, a composite film that can be applied to many metal materials can be obtained by the same method of applying electroplating regardless of the type of metal.
[전해 인산염 화성처리의 구성][Configuration of Electrolytic Phosphate Chemical Treatment]
전해 인산염 화성처리는 크게 나누어 (1) 장치, (2) 처리욕 조성, (3) 처리욕의 전기화학적 조건, (4) 전해방법으로 구성된다.The electrolytic phosphate chemical treatment is roughly divided into (1) apparatus, (2) treatment bath composition, (3) electrochemical conditions of treatment bath, and (4) electrolytic method.
먼저, 본 발명의 전해 인산염 화성처리 방법에 사용되는 장치를 도 3을 사용하여 설명한다.First, the apparatus used for the electrolytic phosphate chemical treatment method of the present invention will be described with reference to FIG.
도 3은 캐소드 전해처리시의 구성을 나타낸 것이다.3 shows the configuration during the cathode electrolytic treatment.
여기서 (1)은 본 발명의 인산염 화성처리욕이고, (2)는 피처리물이며, (3), (4)는 작용전극인데, (3)은 인산염 화성처리욕에서 인산염과 착물을 형성하는 금속재료로 구성된 작용전극이고, (4)는 인산염 화성처리욕중에 용해된 이온들이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가 용매인 물의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전극전위로 나타냄) 이상인 금속재료로 구성된 작용전극이다.Where (1) is the phosphate chemical treatment bath of the present invention, (2) is the object to be treated, (3) and (4) are the working electrodes, and (3) forms a complex with phosphate in the phosphate chemical treatment bath. (4) is a working electrode composed of a metal material, and (4) is a potential at which the ions dissolved in the phosphate chemical treatment bath are reduced and precipitated as a metal is not less than -0.83 V (denoted as a hydrogen standard electrode potential), which is the anode electrolytic reaction potential of water as a solvent. It is a working electrode composed of a metal material.
더욱이 (5)는 피처리물(2)과 작용전극(3, 4) 사이에 전압을 인가하는 전원이고, (6)은 인산염 화성처리욕(1)을 가진 욕조내부로부터 인산염 화성처리욕(1)의 일부를 제거하여 인산염 화성처리욕(1)의 액체의 에너지 상태를 열역학적으로 안정화는 여과/순환 펌프이며, (7)은 피막형성 반응도중에 인산염 화성처리욕(1)중에서 석출한 고형물을 제거하는 필터이다.Furthermore, (5) is a power source for applying a voltage between the workpiece 2 and the working electrodes 3, 4, and (6) is a phosphate chemical treatment bath (1) from inside the bathtub having the phosphate chemical treatment bath (1). Is a filtration / circulation pump that thermodynamically stabilizes the energy state of the liquid in the phosphate chemical treatment bath (1) by removing a portion of), and (7) removes solids deposited in the phosphate chemical treatment bath (1) during the film formation reaction. Is a filter.
(8)은 피처리물이 인산염 화성처리욕과 접촉하지 않을 때에 사용된 인산염 화성처리욕에 대해 불할성 재료로 된 휴지(休止) 전해 아노드이고, (9)는 인산염 화성처리욕(1)의 각 성분의 농도 보다 높은 농도의 보급약품이며, (10)은 처리욕에다 보급약품을 첨가하는 보급약품 펌프이다.(8) is a resting electrolytic anode made of an insoluble material with respect to the phosphate chemical treatment bath used when the object is not in contact with the phosphate chemical treatment bath, and (9) the phosphate chemical treatment bath (1). It is a replenishment chemical at a concentration higher than the concentration of each component of (10), and (10) is a replenishment chemical pump for adding a replenishment chemical to a treatment bath.
(11)은 처리욕의 pH, ORP 및 기타 파라메터들을 측정하는 센서(12)로부터의정보에 따라 보급약품의 첨가량, 인가전압 등을 제어하는 제어 컴퓨터이다.Denoted at 11 is a control computer that controls the amount of application of the replenishment chemical, the applied voltage, and the like in accordance with information from the sensor 12 measuring pH, ORP and other parameters of the treatment bath.
이하, 본 발명을 도 3에 따라 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIG. 3.
본 발명에서 피처리물은 직류전원에 의하여 캐소드에 접속되어 있고, 인산염 피막을 형성하는 금속 혹은 도전성 재료로 된 전극 (작용전극이라 함)은 아노드에 접속되어 있다. 더욱이, 아노드 전해처리 도중에 피처리물은 아노드와 도전성 재료에 접속되어 있다.In this invention, the to-be-processed object is connected to the cathode by DC power supply, and the electrode (working electrode) which consists of metal or electroconductive material which forms a phosphate film is connected to the anode. Further, the workpiece to be treated is connected to the anode and the conductive material during the anode electrolytic treatment.
아노드 전해처리의 경우에는 작용전극 [대극(對極)]이 하나만 있다.In the case of the anode electrolytic treatment, there is only one working electrode [counter electrode].
캐소드 전해처리의 경우에는 작용전극이 하나만 있을 경우가 있으나, 복수재료의 전극을 사용할 수도 있다. 더욱이, 각 작용전극의 전해를 위하여 직류전원을 설치하여 사용하는 것이 바람직하다. 이것은, 다수의 동일한 전극을 단일의 직류전원에 접속할 경우에 있어서 전류가 쉽게 흐르는 위치에 배설된 전극에는 다량의 전류가 흐르는 한편으로는 전류가 쉽게 흐르지 않는 위치에 배설된 전극에는 전류가 흐르지 않는 현상이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.In the case of cathode electrolytic treatment, there may be only one working electrode, but a plurality of electrodes may be used. Moreover, it is preferable to install and use a DC power supply for electrolysis of each working electrode. This is a phenomenon in which a large amount of current flows in an electrode disposed at a position where current easily flows when a plurality of identical electrodes are connected to a single DC power source, while no current flows in an electrode disposed at a position where current does not easily flow. It is to prevent this from happening.
휴지(休止) 전해전극을 전해조내에 설치한다. 이 휴지 전해전극 (아노드)은 처리욕에 용해하지 않는 도전성 재료를 사용한다. 이 전극의 역할은 피처리물이 처리되지 않고 있을 때 (전해가 휴지상태일 때) 작용전극의 용해를 방지하기 위한 것이다. 전해가 휴지상태일 때는 이 불용성의 도전성 재료를 아노드로 사용하고, 작용전극을 캐소드로 사용하며, 이들은 직류전원에 접속되어 있다. 이렇게 될 경우, 작용전극을 용해시키지 않을 정도로 극히 약간의 전해만이 일어난다. 이러한 전해를 휴지 전해라 한다. 이러한 휴지 전해로 인하여 전해가 휴지상태일 때는 처리욕중에서 전극들이 용해하지 않게 되므로 처리욕의 분해를 방지한다.A resting electrolytic electrode is installed in the electrolytic cell. This resting electrolytic electrode (anode) uses a conductive material that does not dissolve in the treatment bath. The role of this electrode is to prevent the dissolution of the working electrode when the workpiece is not treated (when the electrolyte is at rest). When the electrolysis is at rest, this insoluble conductive material is used as an anode and a working electrode is used as a cathode, and these are connected to a direct current power source. In this case, only a slight electrolysis occurs so as not to dissolve the working electrode. This electrolysis is called resting electrolysis. Due to such resting electrolysis, the electrodes are not dissolved in the treatment bath when the electrolyte is at rest, thereby preventing decomposition of the treatment bath.
순환펌프를 사용하여 처리욕을 여과 및 순환시킨다. 더욱이, 필터를 사용하여 생성된 슬러리를 제거한다. 전해처리가 완료되고 피처리물에 대한 전류가 중단되면 피처리물에 축적된 전하가 처리욕속으로 방출되는 현상이 일어난다. 이 때, 피막의 일부가 처리욕속으로 방출된다. 이것이 축적되면 슬러지가 생긴다. 이러한 현상이 계속되면 계속하여 슬러지가 생긴다. 처리욕을 여과 및 순환시켜주면 이들 현상을 억제하게 된다.A circulation pump is used to filter and circulate the treatment bath. Moreover, a filter is used to remove the resulting slurry. When the electrolytic treatment is completed and the current to the workpiece is interrupted, a phenomenon in which charge accumulated in the workpiece is released into the treatment bath occurs. At this time, part of the film is released into the treatment bath. When this accumulates, sludge is formed. If this phenomenon continues, sludge will continue to form. Filtration and circulation of the treatment bath will suppress these phenomena.
pH 전극, ORP 전극, EC (전기 전도도) 전극, 온도계 전극 등을 센서 전극조내에 설치한다. 전해전류가 처리조속을 흐르기 때문에 이들 전극을 처리조내에 설치할 수 없다. 따라서, 이들을 별도로 설치해야 한다.A pH electrode, an ORP electrode, an EC (electrical conductivity) electrode, a thermometer electrode, etc. are installed in a sensor electrode tank. Since the electrolytic current flows in the processing tank, these electrodes cannot be provided in the processing tank. Therefore, these must be installed separately.
보급약품 탱크와 보급약품 펌프를 약품 첨가를 위해 설치한다. 처리욕의 여과 및 순환경로에서 전해조로부터 분리되어 흐르는 (탱크의) 일부에다 약품을 첨가하는 것이 바람직하다. 그 이유는 전해조내에서는 휴지상태인 경우라도 항상 가수분해가 약간씩 일어나서 전해조를 극히 전기화학적으로 활성상태로 하므로 처리욕보다 큰 농도의 활성 약품을 이러한 활성상태의 탱크속에 첨가하면 욕속에서 용해하기 전에 화학성분 이온들이 반응하여 슬러지를 쉽사리 생성하기 때문이다.A chemical tank and a chemical pump are installed for chemical addition. It is desirable to add the chemical to a portion of the tank that flows away from the electrolyzer in the filtration and circulation paths of the treatment bath. The reason for this is that even when in the electrolytic cell, the hydrolysis occurs little by little at all times, making the electrolytic cell extremely electrochemically active. Therefore, if an active chemical having a higher concentration than the treatment bath is added to the tank in this active state, This is because the component ions react to easily generate sludge.
제어 컴퓨터를 설치하여 전해처리 (반응)를 적절히 실시한다.A control computer is installed to properly conduct the electrolytic treatment (reaction).
인산의 해리도에 대하여 아래에서 설명한다. 본 발명의 전해 인산염 화성처리욕의 pH는 0.5 내지 5.0이다. 인산염 화성처리욕의 변화를 일으키는 주인자는 처리욕 (인산염 화성처리욕) 성분의 하나인 인산 (H3PO4)의 해리이다. 즉, 인산 (H3PO4)은 용해하는데, 인산의 해리 계수 (pKa)는 커진다. 산해리 계수 (pKa)는 해리상수의 역의 대수값(對數値)이며, 이 값이 커질 수록 산의 해리도는 낮아진다. 즉, 산의 강도가 낮아진다.The dissociation degree of phosphoric acid is described below. The pH of the electrolytic phosphate chemical treatment bath of the present invention is 0.5 to 5.0. The owner of the change in the phosphate conversion bath is the dissociation of phosphoric acid (H 3 PO 4 ), which is one of the components of the treatment bath (phosphate conversion bath). That is, phosphoric acid (H 3 PO 4 ) dissolves, but the dissociation coefficient (pKa) of phosphoric acid becomes large. The acid dissociation coefficient (pKa) is the logarithm of the inverse of the dissociation constant, and the larger the value, the lower the dissociation degree of the acid. In other words, the strength of the acid is lowered.
순수한 인산 (H3PO4)의 해리도는 pKa = 2.15이지만, H2PO4 -(여기서 H+는 H3PO4로부터 해리한 것임)의 해리도는 pKa = 7.2이다. 이것은 H2PO4 -가 H3PO4보다 약산이라는 것을 나타낸다.The dissociation degree of pure phosphoric acid (H 3 PO 4 ) is pKa = 2.15, while the dissociation degree of H 2 PO 4 − , where H + is dissociated from H 3 PO 4 , is pKa = 7.2. This indicates that H 2 PO 4 − is weaker than H 3 PO 4 .
처리욕중에 인산이온을 함유하고 있더라도, 아래에 나타낸 바와 같이 전해로 인한 이온상태는 변하며 (환원됨), 결국에는 인산염 (예컨대 Zn2Fe(PO4)3)으로 된 다음, 피막으로 된다.Even if the treatment bath contains phosphate ions, the ionic state due to electrolysis changes (reduced), as shown below, eventually to phosphate (such as Zn 2 Fe (PO 4 ) 3 ), and then to a coating.
H3PO4→ H2PO4 -→HPO4 2-→PO4 3- H 3 PO 4 → H 2 PO 4 - → HPO 4 2- → PO 4 3-
이러한 이유로 H3PO4는 처리욕중에서는 항상 용해하여 H2PO4 -가 된다. 이것은 처리욕중에서의 인산의 상태가 주로 H3PO4의 형태 혹은 H2PO4 -의 형태로 있는 가에 따라 처리욕의 산의 활성도에 상당한 차이가 생긴다는 것을 뜻한다.For this reason, H 3 PO 4 is always dissolved in H 2 PO 4 − in the treatment bath. This means that there is a significant difference in the acid activity of the treatment bath depending on whether the phosphoric acid in the treatment bath is mainly in the form of H 3 PO 4 or H 2 PO 4 − .
인산이 주로 H3PO4의 상태로 있을 경우에는 처리욕의 산의 활성도는 비교적크고, 처리욕중에서 산 (H+)을 소모하는 방향 (인산이 해리하는 방향)으로 안정화한다. 즉, H3PO4를 주로 함유하는 용액이 산 (H+)을 소모한다 하더라도 이 소모의 목표는 처리욕중에 침지된 Fe 전극을 용해함으로써 산 (H+)을 소모하는 것이다. 이러한 작용으로 인하여 처리욕이 분해하여 슬러지가 생기는 것이다.When phosphoric acid is mainly in the state of H 3 PO 4 , the acid activity of the treatment bath is relatively large, and the acid is stabilized in the direction of consuming acid (H + ) in the treatment bath (the direction in which phosphoric acid dissociates). That is, even if a solution mainly containing H 3 PO 4 consumes acid (H + ), the goal of this consumption is to consume acid (H + ) by dissolving the Fe electrode immersed in the treatment bath. Due to this action, the treatment bath is decomposed to generate sludge.
이러한 경우에는 H3PO4를 주로 함유하는 처리욕은 다량의 산 (H+)을 함유하며, 산 (H+)이 함유되는 비가 큼에 따라 처리욕중에 용해하는 금속이온의 비가 상응하게 작아진다. 따라서, "인산염으로 되어 피막/(인산이온 및 인산)으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온"은 비교적 적어진다.In this case, the treatment bath containing mainly H 3 PO 4 contains a large amount of acid (H + ), and the ratio of metal ions dissolved in the treatment bath is correspondingly small as the ratio of acid (H + ) is high. . Therefore, "metal ions (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enter the film / (phosphate ions and phosphoric acid)" are relatively small.
한편, 처리욕이 주로 H2PO4 -로 된 경우에는 이것이 산 (H+) 대신에 다량의 금속이온을 함유하며, 처리욕중에 용해하는 금속이온의 비가 커진다. 따라서, "인산염으로 되어 피막/(인산이온 및 인산)으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온"은 비교적 커진다.On the other hand, when the treatment bath is mainly H 2 PO 4 − , it contains a large amount of metal ions instead of acids (H + ), and the ratio of metal ions dissolved in the treatment bath is increased. Therefore, the "metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ion which becomes a phosphate and enters the film / (phosphate ion and phosphoric acid)" becomes relatively large.
이것은 처리욕중에서의 인산의 해리도에 의해 "인산염으로 되어 피막/(인산이온 및 인산)으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온"의 비를 제어할 수 있다. 즉, "인산염으로 되어 피막/(인산이온 및 인산)으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온"을 제어함으로써 전해도중에 처리욕을 안정화할 수 있다. 인산염으로 되어 피막으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온에 초점을 두는 이유는 이들 금속이온이 용액중에서 인산이온 (H2PO4 -)과 착물을 형성함으로써 인산이온 (H2PO4 -)을 안정화하기 때문이다. 이러한 이유로 인산염으로 되는 금속 (Ni, Cu 등)의 이온이 용해하더라도 이들은 인산이온 (H2PO4 -)의 착물이 되지 않기 때문에 이들은 처리욕의 안정화에 기여를 하지 않는다.This can control the ratio of "metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enter the film / (phosphate ions and phosphoric acid)" by the degree of dissociation of phosphoric acid in the treatment bath. That is, the treatment bath can be stabilized during electrolysis by controlling the " metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions that become phosphates and enter the film / (phosphate ions and phosphoric acid) ”. Metal is a phosphate into the coating reason, focusing on (Zn, Fe, Mn, and so on) component ions these metal ions to phosphate ions (H 2 PO 4 -) in the solution phosphate ion by forming a complex with (H 2 PO 4 -) due to stabilize. For this reason, even if ions of metals (Ni, Cu, etc.), which are phosphates, are dissolved, they do not become complexes of phosphate ions (H 2 PO 4 − ) and thus do not contribute to stabilization of the treatment bath.
더욱이 "인산염으로 되어 피막/(인산이온 및 인산)으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온"의 비를 이온농도 (g/l) 비로 나타낼 수 있다.Furthermore, the ratio of "metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enters the film / (phosphate ions and phosphoric acid)" can be expressed as the ion concentration (g / l) ratio.
실제의 적용을 고려하여 체적형성 도중에 그 흐름을 고려하면 처리욕의 안정화는 극히 중요하다.Considering the flow during the volume formation, considering the practical application, stabilization of the treatment bath is extremely important.
인산염으로 되어 피막속으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온, 인산염으로 되지 않는 금속 (Ni, Cu 등) 이온, 인산이온, 질산이온을 함유한 전해 인산염 화성처리욕의 경우에 있어서, "인산염으로 되어 피막속으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온의 농도 (g/l)/(인산이온 및 인산의 농도 (g/l))"의 비가 1/10 (= 0.1) 이상의 범위내인 것이 적당하고, 바람직하게는 1/4 (= 0.25) 내지 3의 범위내이다.In the case of an electrolytic phosphate chemical treatment bath containing metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enter into the coating, metal (Ni, Cu, etc.) ions which are not phosphates, phosphate ions, or nitrate ions, The ratio of "concentration (g / l) / (phosphate ion and phosphoric acid concentration (g / l)) of metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions to be phosphate into the film" is 1/10 (= 0.1) It is suitable to exist in the above range, Preferably it exists in the range of 1/4 (= 0.25)-3.
상기한 비가 0.1 이상이면 처리욕의 순수한 인산 (H3PO4)의 비는 증가하여 처리욕의 안정성이 저하한다. (실시예 1에서 Zn 이온의 농도가 0.4 g/l이고, 인산이온의 농도가 7.6 g/l이더라도 Fe 전극의 표면적이 380 cm2/전극이고 전해량이 51A/8개 전극이기 때문에 Fe의 전해량은 기타 실시예에 비하여 크다. 이러한 이유로 "인산염으로 되어 피막속으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온의 농도 (g/l)/(인산이온 및 인산의 농도 (g/l)"의 비를 0.1 이상으로 한다.)If the above ratio is 0.1 or more, the ratio of pure phosphoric acid (H 3 PO 4 ) in the treatment bath is increased and the stability of the treatment bath is lowered. (Even in Example 1, even though the concentration of Zn ions is 0.4 g / l and the concentration of phosphate ions is 7.6 g / l, the electrolytic amount of Fe is because the surface area of the Fe electrode is 380 cm 2 / electrode and the amount of electrolyte is 51A / 8 electrodes. For this reason, "concentration (g / l) / (phosphate ions and phosphoric acid concentration (g / l) of metal ions (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enters into the coating" is obtained. " The ratio of is to 0.1 or more.)
더욱이 상기한 비의 상한은, "인산염으로 되어 피막속으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온의 처리욕중에서의 안정성"과 실용적인 관점으로부터 결정된다.Further, the upper limit of the above ratio is determined from the viewpoint of "stability in the treatment bath of metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enters the film" and the practical point of view.
본 발명에서는 인산염으로 되어 피막속으로 들어가는 상기한 금속 이온은 질산염을 용해하여 용액 (처리욕)을 형성한다. 질산아연과 질산망간은 안정성이 큰 화합물이다. 질산아연 용액 혹은 질산아연 + 질산니켈 용액에다 인산염을 약 1 ∼ 10 g/l 첨가하여 전해를 할 수 있다. 이 경우에 있어서, 처리욕을 혼탁하게 하고 피막형성을 저해하는 주요 인자는 용액의 용해도이다. 전해 인산염 화성처리에 있어서 Zn, Ni 등을 용해하여 처리를 하더라도 질산아연을 용해할 경우에 있어서는 아연을 100 g/l 용해할 수 있다. 따라서, 용해도에 의해 제한될 경우에는 "인산염으로 되어 피막속으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온의 농도 (g/l)/(인산이온 및 인산의 농도 (g/l))"의 비의 상한은 약 10 내지 100이다.In the present invention, the above-described metal ions which become phosphates and enter the film dissolve nitrates to form a solution (treatment bath). Zinc nitrate and manganese nitrate are highly stable compounds. Electrolysis can be performed by adding about 1-10 g / l of phosphate to the zinc nitrate solution or the zinc nitrate + nickel nitrate solution. In this case, the main factor in clouding the treatment bath and inhibiting film formation is the solubility of the solution. In the electrolytic phosphate chemical conversion treatment, even when Zn and Ni are dissolved and treated, zinc nitrate can be dissolved in 100 g / l. Therefore, when limited by solubility, "concentration (g / l) / (phosphate ion and phosphoric acid concentration (g / l)) of metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions which become phosphates and enter the film" The upper limit of the ratio is about 10 to 100.
상한을 결정하는 다른 인자는 "실용적인 관점"이다. 이것은 화확농도를 전형적으로 낮게 해야한 다는 사실에 근거한 것이다. 이러한 관점으로부터 판단하면 "인삼염으로 되어 피막속으로 들어가는 금속 (Zn, Fe, Mn 등) 성분 이온의 농도 (g/l)/(인산이온 및 인산의 농도 (g/l))"의 상한을 약 4로 하는 것이 합리적이라고생각된다. (그러나 Fe 이온은 용액중에서는 제1철 이온 (Fe2+)으로 존재할 수 없으나 제2철 이온 (Fe3+)으로만 존재하고, 또한 제2철 이온은 응고성이 강하여 처리욕에 첨가했을 때 슬러지를 생성하기 때문에 이들은 보급액에 사용할 수 없다.)Another factor that determines the upper limit is the "practical view". This is based on the fact that the chemical concentration should typically be lowered. Judging from this point of view, the upper limit of the "concentration (g / l) / (phosphate ion and phosphoric acid concentration (g / l)) of metal (Zn, Fe, Mn, etc.) component ions into ginseng salt and into the film" is determined. It is reasonable to say that it is about 4. (However, Fe ions cannot exist as ferrous ions (Fe 2+ ) in solution, but only as ferric ions (Fe 3+ ), and ferric ions are solidified and added to the treatment bath. When sludge is produced, they cannot be used for replenishment.)
[처리욕 조성][Process bath composition]
전해 인산염 화성처리욕은 기본적으로 아래의 성분으로 분류된다.The electrolytic phosphate chemical treatment bath is basically classified into the following components.
즉, 처리욕은 (1) 질산이온 [질소를 함유한 옥소산 (산소산) 이온. 단, 질산아연 혹은 질산니켈을 용해시켜 질산이온을 얻지 않으며 질산(HNO3)으로부터 공급되는 것이 아님] 및 (2) 인산이온의 형태의 음이온을 가진다. 더욱이, 처리욕은 (1) 피막중에서 인산염으로서 결정화하며 인산염 화성처리욕에서 인산이온과 착물을 형성하는 아연, 망간, 칼슘 및 철 등의 금속이온, 및 (2) 금속이온의 전하변화 (환원)로 인해 석출 (피막화)하며 용해금속의 석출 평형 전위가 물의 아노드 전해반응 전위 -0.83 V (수소 표준 전극전위) 이상인 니켈, 구리 등의 금속의 이온의 형태의 양이온을 가진다.That is, the treatment bath is (1) nitrate ion [oxo acid (oxygen) ion containing nitrogen. However, zinc nitrate or nickel nitrate is not dissolved to obtain nitrate ions and is not supplied from nitric acid (HNO 3 )] and (2) phosphate ions. Furthermore, the treatment bath (1) crystallizes as phosphate in the coating and forms complexes with phosphate ions in the phosphate conversion treatment bath, and metal ions such as zinc, manganese, calcium and iron, and (2) charge change (reduction) of the metal ions. Due to precipitation (encapsulation), the dissolved equilibrium potential of the metal has a cation in the form of ions of metals such as nickel and copper whose anode equilibrium potential of water is -0.83 V (hydrogen standard electrode potential) or more.
이러한 처리욕 조성의 분류의 특징은 처리욕 성분을 피막형성 반응에서의 역할에 따라 4가지로 분류한 것이다. 이와 같은 관점 (인식)은 종래의 인산염 화성처리에서는 발견되지 않는다.The characteristics of the classification of the treatment bath composition are classified into four according to the role of the treatment bath components in the film forming reaction. This aspect (recognition) is not found in the conventional phosphate chemical treatment.
더욱이, 상기한 이외의 성분도 필요에 따라 가할 수 있다. 이러한 성분의 예로서는 알루미늄재를 대상으로 했을 경우의 플루오르 이온 및 구리재를 대상으로 했을 경우의 염소이온을 들 수 있다.Moreover, components other than the above can also be added as needed. Examples of such a component include fluorine ions in the case of an aluminum material and chlorine ions in the case of a copper material.
무전해 처리에서는 금속이온의 전하가 변화 (환원)하여 석출 (피막화)하는 금속이온은 철강을 처리할 경우의 니켈이온뿐이었다. 더욱이, 니켈은 철 계면에서 석출할 뿐이므로 피막의 최외부 표면에는 존재할 수가 없다. 이것은 니켈의 전하의 변화를 수반하는 석출이 철의 용해에 대응해서만 일어난다는 것을 나타내고 있다. 철강의 계면 이외에는 철의 용해가 없으므로 니켈은 석출하지 않는 것이다. 이것은 종래의 무전해 처리 피막의 특징을 나타내고 있다. 즉, 무전해 처리로부터 얻어지는 피막은 인산염을 주체로 하는 피막으로 되는 것이다.In the electroless treatment, the only metal ions in which the charge of the metal ions changed (reduced) and precipitated (encapsulated) were nickel ions in the steel treatment. Moreover, nickel only precipitates at the iron interface and therefore cannot exist on the outermost surface of the coating. This indicates that the precipitation accompanied by the change of the charge of nickel occurs only in correspondence with the dissolution of iron. Nickel does not precipitate because there is no melting of iron other than the steel interface. This shows the characteristics of the conventional electroless coating. In other words, the film obtained from the electroless treatment is a film mainly composed of phosphate.
그러나, 본 발명의 실시형태에서는 금속이온의 전하가 변화 (환원)하여 석출 (피막화)하는 니켈 등의 금속의 이온의 범위를 외부전원을 사용하는 전해처리에서 이들을 환원시킬 수 있는 환경까지 확장시킬 수 있다. 전해처리에서는 원리적으로는 음극표면에서의 물의 아노드 분해반응 전위 (-0.83 V) 이상의 용해-석출 평형전위 (캐소드 석출반응 전위)를 가진 금속이온을 석출시킬 수가 있다. 거기에 해당하는 금속의 예로서는 구리, 니켈, 철, 아연, 주석, 납, 크롬 등이 있다.However, in the embodiment of the present invention, the range of ions of metals such as nickel, in which charges of metal ions change (reduce) and precipitate (encapsulate), can be extended to an environment capable of reducing them in an electrolytic treatment using an external power source. Can be. In electrolytic treatment, in principle, metal ions having a dissolution-precipitation equilibrium potential (cathode precipitation potential) above the anode decomposition reaction of water at the cathode surface (-0.83 V) can be deposited. Examples of the metals corresponding thereto include copper, nickel, iron, zinc, tin, lead, and chromium.
더욱이 처리욕중에는 금속이온의 전하의 변화 (환원)에 의해 석출 (피막화)하는 금속이온을 흔적량 (0.1 g/l 이하)만을 함유하거나 완전히 함유하지 않는 것이 바람직하다. 이것은 금속이온이 재료에 대한 피막의 밀착을 저하하는 경우에 해당된다. 철강의 냉간 단조작업 윤활처리시에 사용된 피막을 재료에 대한 밀착성이 저하하는 균일한 인산아연 결정으로부터 형성시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 밀착도가 높으면 윤활성이 불량해지기 때문이다. 이러한 종류의 피막을 형성하자면 전하의 변화 (환원)에 의해 석출하는 니켈 등의 금속이온이 함유되지 않아야 한다.Furthermore, it is preferable that the treatment bath contains only trace amounts (0.1 g / l or less) of the metal ions precipitated (coated) by the change (reduction) of the charge of the metal ions or not. This corresponds to the case where the metal ions degrade the adhesion of the film to the material. It is preferable to form the film used at the time of cold forging work lubrication of steel from the uniform zinc phosphate crystal whose adhesiveness to a material falls. The reason for this is that high adhesion results in poor lubricity. In order to form this kind of film, it should not contain metal ions such as nickel which precipitate due to a change in charge (reduction).
더욱이 처리욕의 조성은 될 수 있는 한 피막형성에 관여하지 않는 물질이 함유되지 않도록 해야한다. 이러한 이유로 양이온 (금속이온)에서는 탈지제로 사용되는 나트륨 이온 등의 혼입을 제한해야 한다. 인산염 화성처리에 첨가되는 약품에는 나트륨 이온, 칼륨이온, 염소이온 및 황산이온 (SO4 2-)을 함유하지 않아야 한다.Moreover, the composition of the treatment bath should be as low as possible so that it does not contain substances that are not involved in film formation. For this reason, the incorporation of sodium ions and the like used as degreasing agents should be limited in cations (metal ions). Chemicals added to the phosphate chemical treatment should not contain sodium ions, potassium ions, chlorine ions and sulfate ions (SO 4 2- ).
나트륨 이온 및 기타 불필요한 이온들의 함량은 될 수 있는 한 적어야 한다. 이렇게 하기 위한 실질적인 수단으로서는 예비세척 단계에서는 연수의 사용을 피해야 한다. 처리욕에서의 나트륨 이온 및 기타 불필요한 이온들의 농도를 일반적으로 400 ppm 이하, 바람직하게는 100 ppm 이하로 하는 것이 바람직하다고 생각된다.The content of sodium ions and other unnecessary ions should be as low as possible. As a practical means to do this, the use of soft water should be avoided in the pre-clean phase. It is believed that the concentration of sodium ions and other unnecessary ions in the treatment bath is generally at most 400 ppm, preferably at most 100 ppm.
이어서 각 항목의 바람직한 조성에 대하여 규정한다.Next, the preferable composition of each item is prescribed | regulated.
질산이온의 농도는 6 ∼ 140 g/l가 바람직하고, 인산이온 및 인산의 농도는 0.5 ∼ 60 g/l가 바람직하며, 인산염 화성처리욕중에서 인산이온과 착물을 형성하는 아연, 망간, 철 혹은 칼슘 중의 적어도 1종의 농도는 1 ∼ 70 g/l가 바람직하고, 인산염 화성 처리욕중에 용해되어 환원되며 금속으로서의 석출전위가 물로서의 용매의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전극전위) 이상인 니켈, 구리, 철, 아연 혹은 크롬 등의 금속의 이온 중의 적어도 1종의 농도가 0 ∼ 40 g/l인 것이 바람직하다.The concentration of nitrate is preferably 6 to 140 g / l, the concentration of phosphate ions and phosphoric acid is preferably 0.5 to 60 g / l, and zinc, manganese, iron or the like forming complexes with phosphate ions in the phosphate conversion treatment bath. The concentration of at least one type of calcium is preferably 1 to 70 g / l, dissolved in a phosphate chemical treatment bath and reduced, and the precipitation potential as a metal is -0.83 V (the hydrogen standard electrode potential, which is the anode electrolysis reaction potential of the solvent as water). It is preferable that the density | concentration of at least 1 sort (s) in the ion of metals, such as nickel, copper, iron, zinc, or chromium more than) is 0-40 g / l.
[처리욕의 전기화학적 조건][Electrochemical Conditions of Treatment Bath]
처리욕의 전기화학적 조건을 규정하는 파라메터는 pH, ORP (산화-환원 전위), EC (전기 전도도) 및 온도이다. 무전해 처리에서는 전기화학 반응의 추진에너지는 화성 처리욕이 가진 화학 에너지에 의존한다. 따라서, 전기화학 반응의 상황을 규정하는 처리욕의 전기화학적 조건을 엄밀히 규정할 필요가 있다. 그러나 전해처리에서는 전기화학 반응의 추진 에너지를 외부전원에 의존하고 있다. 즉, 전기화학적 조건이 반응의 추진에 기여하는 정도는 무전해 처리와 비교하여 적다. 따라서 처리욕의 전기화학적 조건을 엄밀히 규정할 필요는 없다.Parameters defining the electrochemical conditions of the treatment bath are pH, ORP (oxidation-reduction potential), EC (electrical conductivity) and temperature. In electroless treatment, the propulsion energy of the electrochemical reaction depends on the chemical energy of the chemical treatment bath. Therefore, it is necessary to strictly define the electrochemical conditions of the treatment bath that defines the situation of the electrochemical reaction. In electrolysis, however, the propulsion energy of the electrochemical reaction depends on the external power source. In other words, the extent to which electrochemical conditions contribute to the promotion of the reaction is small compared to electroless treatment. Therefore, it is not necessary to strictly define the electrochemical conditions of the treatment bath.
이것은 "전기도금" 등의 실용화되어 있는 전해처리에서 전기화학적 조건의 적극적인 관리를 하고 있지 않은 것에 대응하고 있다. 아래에서 각 항목의 적정범위를 나타낸다.This corresponds to the fact that active electrochemical treatment such as "electroplating" does not actively manage electrochemical conditions. The appropriate range of each item is shown below.
먼저, pH 범위는 0.5 ∼ 5가 바람직하다. pH의 범위의 폭이 넓은 것은 처리욕의 조성에 대응하기 때문이다. 본 발명의 처리욕은 피막형성에 관여하지 않는 물질을 함유하지 않은 전해질욕인 것을 원칙으로 하고 있다. 따라서, pH 4 이상에서도 처리욕은 슬러지를 생성하는 일이 없이 존재할 수 있다.First, as for pH range, 0.5-5 are preferable. The wide range of pH corresponds to the composition of the treatment bath. In principle, the treatment bath of the present invention is an electrolyte bath containing no substance not involved in film formation. Therefore, even at pH 4 or higher, the treatment bath may exist without generating sludge.
처리욕의 ORP (산화 환원 전위)는 처리욕의 조성을 반영하는 것이다. 표 3에 전해 인산염 화성처리 반응에 관여하는 반응식을 나타내고 있다. 그 중에서 가장 높은 반응전위를 가진 반응은 물의 캐소드 분해반응 (1.23 V)이다. 그리고, 가장 낮은 반응전위를 나타내는 반응은 마찬가지로 물의 아노드 분해반응 (-0.83 V)이다. 따라서, 본 발명의 처리욕의 ORP는 원리적으로는 바람직하게는 -0.83 V로부터 1.23 V의 사이에 있다. 더욱이, 바람직하게는 0 ∼ 1 V의 범위 (수소 표준 전극전위)에 있다.ORP (redox potential) of the treatment bath reflects the composition of the treatment bath. Table 3 shows the reaction equations involved in the electrolytic phosphate chemical conversion reaction. The highest reaction potential among them is the cathodic decomposition of water (1.23 V). And the reaction showing the lowest potential is likewise an anode decomposition of water (-0.83 V). Therefore, the ORP of the treatment bath of the present invention is preferably in principle between -0.83 V and 1.23 V. Furthermore, it is preferably in the range of 0 to 1 V (hydrogen standard electrode potential).
EC (전기 전도도)도 처리욕의 조성을 반영한다. 그리고 전도도의 측정방법은엄밀히 표준화되어 있는 것은 아니다. EC는 바람직하게는 일반적인 측정방법에서는 4 ∼ 60 mS의 범위에 있다.EC (electrical conductivity) also reflects the composition of the treatment bath. And the method of measuring conductivity is not strictly standardized. EC is preferably in the range of 4 to 60 mS in the general measurement method.
처리욕의 온도는 피막형성할 뿐인 경우에는 10 ∼ 90℃의 범위인 것이 바람직하다. 그 이유는 처리욕이 피막형성에 관여하지 않는 이온을 함유하지 않기 때문에 열에 대해 안정하다는 것 및 반응추진에 외부전원을 사용하므로 저온영역에서도 에너지를 보급할 수 있기 때문이다. 실용적인 온도는 처리욕의 조성에 따라 다르다.When only the temperature of a process bath forms a film, it is preferable that it is the range of 10-90 degreeC. The reason is that the treatment bath is stable against heat because it does not contain ions not involved in film formation, and because an external power source is used for reaction promotion, energy can be supplied even in a low temperature region. The practical temperature depends on the composition of the treatment bath.
[전해방식 (캐소드 전해 인산염 화성처리 반응의 제어)][Electrolysis Method (Control of Cathodic Electrolytic Phosphate Chemical Reaction)]
캐소드 전해처리 반응의 실제적인 제어는 형성되는 피막의 성질에 따라 작용전극 (아노드) 재료의 선택, 처리욕 조성의 선택, 전해방법 및 조건의 선택의 세 가지 구성특징을 조합함으로써 실시한다.The actual control of the cathode electrolytic treatment is carried out by combining three constituent features: selection of the working electrode (anode) material, selection of the treatment bath composition, selection of the electrolytic method and conditions depending on the properties of the film to be formed.
각 구성특징에 대해 아래에서 설명한다.Each configuration feature is described below.
작용전극 (양극) 재료는 피막을 형성하는 금속재료가 선택된다. 이러한 금속들의 예로서는 철, 아연, 니켈, 구리 등이 일반적이다. 이들 금속 이외에 인산염 화합물을 형성하는 망간 함유 합금재, 칼슘 함유 합금재 및 마그네슘 함유 합금재를 사용하는 것도 가능하다. 그리고 주석, 납 등의 -0.83 V 이상의 표준 전극전위를 가진 금속재료를 사용할 수도 있다. 이들 금속은 양극으로서 단독으로, 그리고 복수의 재료를 조합해서도 사용할 수가 있다.As the working electrode (anode) material, a metal material for forming a film is selected. Examples of such metals are iron, zinc, nickel, copper and the like. In addition to these metals, it is also possible to use manganese-containing alloy materials, calcium-containing alloy materials and magnesium-containing alloy materials that form phosphate compounds. It is also possible to use metallic materials with standard electrode potentials of -0.83 V or higher, such as tin or lead. These metals can be used alone or in combination of a plurality of materials as the anode.
처리욕 조성 (음이온 및 양이온)에 대해서는 앞서 설명한 바 있다. 그러나 본 발명의 실시형태에서는 처리욕이 일반적인 원칙으로서 질산이온 및 인산이온 이외의 음이온을 함유하지 않더라도 처리되는 재료의 종류에 따라서는 기타의 이온을 함유하는 경우가 있다. 예컨데, 구리에 인산염 화성처리 피막을 형성하는 경우에 있어서 염소이온을 첨가하는 것도 고려할 수 있다. 이것은 양극 처리시의 작용이 있다 하더라도 염소이온은 구리에 대하여 아래와 같은 아노드 반응을 한다.The treatment bath composition (anion and cation) has been described above. However, in the embodiment of the present invention, even if the treatment bath does not contain anions other than nitrate ions and phosphate ions as a general principle, it may contain other ions depending on the kind of material to be treated. For example, in the case of forming a phosphate chemical conversion coating on copper, addition of chlorine ions may be considered. Although this has an effect during anodization, chlorine ions perform the following anode reaction with respect to copper.
Cu + Cl-→ CuCl + e (0.137 V) (20) Cu + Cl - → CuCl + e (0.137 V) (20)
CuCl은 피막에 함유되므로, 적당히 첨가되면 염소이온은 처리욕중에 잔류하지 않는다.Since CuCl is contained in the coating, when properly added, chlorine ions do not remain in the treatment bath.
더욱이, 알루미늄재에 피막처리를 할 경우에는 알루미늄재의 용해반응을 촉진할 의도에서 플루오르 이온을 소량 첨가할 수도 있다. 이 경우, 플루오르 이온은 피막성분으로 되지 않더라도 알루미늄재의 용해반응을 촉진하는 효과가 있다. 이러한 이유로 처리욕으로부터 취해지는 일부를 공급할 수 있을 정도로 플루오르 이온을 소량 첨가한다.Furthermore, when coating the aluminum material, a small amount of fluorine ions may be added in order to promote the dissolution reaction of the aluminum material. In this case, even if the fluorine ion does not become a coating component, there is an effect of promoting the dissolution reaction of the aluminum material. For this reason, a small amount of fluorine ions is added to supply a part taken from the treatment bath.
전해방법 및 조건의 선택이라 함은 선택된 작용전극 (아노드)과 피처리물 (캐소드) 사이에 어느 정도의 전압과 전류를 인가하는가를 말한다. 전해방법 및 조건의 선택은 선택된 작용전극 및 형성되는 피막의 종류에 따라 달라진다. 일반적으로 두 종류의 작용전극이 사용되는데, 즉 "인산염으로 결정화하는 금속 (아연, 철 등)" 및 "금속이온의 환원후에 석출하는 금속 (니켈, 구리 등)"이다.The selection of the electrolytic method and condition refers to how much voltage and current is applied between the selected working electrode (anode) and the workpiece (cathode). The choice of electrolytic method and conditions depends on the selected working electrode and the type of film to be formed. In general, two kinds of working electrodes are used, namely "metals crystallized with phosphates (zinc, iron, etc.)" and "metals deposited after reduction of metal ions (nickel, copper, etc.)".
금속과의 밀착성을 확실하게 하기 위하여 작용전극으로서 "금속이온의 환원후에 석출하는 금속 (니켈, 구리 등)"을 사용하여 전해를 먼저 한 후에 작용전극단독으로서 혹은 두 가지 종류의 전극의 병용에 의해 "인산염으로 결정화하는 금속 (아연, 철 등)"을 사용하여 전해하는 것이 바람직하다.In order to ensure the adhesion with the metal, electrolysis is first performed using a "metal that precipitates after reduction of metal ions (nickel, copper, etc.)" as the working electrode, and then the working electrode alone or by using two kinds of electrodes in combination. Electrolysis is preferably performed using "metals crystallized with phosphate (zinc, iron, etc.)".
피막과 금속과의 밀착성을 확실하게 하기 위하여 작용전극으로서 "인산염으로 결정화하는 금속 (아연, 철 등)"을 사용하여 전해만 하는 것이 바람직하다.In order to ensure the adhesion between the film and the metal, it is preferable to carry out electrolysis only by using "metal which crystallizes with phosphate (zinc, iron, etc.)" as a working electrode.
전해전압의 통상적인 범위는 1 ∼ 50 V 이며, 전해전류의 통상적인 범위는 0.01 ∼ 10 A/dm2이다. 더욱이 전해시간에 대해서는 특별한 규정이 없다.The typical range of electrolytic voltage is 1-50V, and the typical range of electrolytic current is 0.01-10 A / dm <2> . Moreover, there is no specific rule for delivery time.
캐소드 전해처리에서 여러 가지 조정을 함으로써 각종의 피막을 형성할 수 있다. 예컨대 다량의 아연을 함유하는 욕을 사용하고, 또한 아연전극을 사용함으로써 다량의 아연을 함유한 피막을 형성할 수 있다. 이러한, 피막을 냉간 단조가공 하지에 적용한다.Various coatings can be formed in the cathode electrolytic treatment. For example, a film containing a large amount of zinc can be formed by using a bath containing a large amount of zinc and using a zinc electrode. This coating is applied to the cold forging base.
더욱이, 다량의 니켈이온을 함유한 욕을 사용하고, 또한 먼저 니켈전극을 사용하여 전해를 한 다음에 니켈전극과 철전극을 각각 사용하여 전해를 함으로써 다량의 니켈을 함유한 피막을 철소지의 표면에 형성할 수 있다. 다량의 니켈을 함유한 피막은 철 소지(素地) [하지(下地)]와의 밀착성이 우수하므로 도장 하지에 적합하다.In addition, a bath containing a large amount of nickel ions is used, and first, the nickel electrode is used for electrolysis, followed by electrolysis using a nickel electrode and an iron electrode, respectively. Can be formed on. The film containing a large amount of nickel is suitable for the base of the coating because it has excellent adhesion with iron base [base].
[종래의 전해처리와의 차이][Difference with conventional electrolytic treatment]
본 발명의 특징을 명확히 하기 위하여 종래의 전해 인산염 화성처리 방법과의 차이를 표 5에 나타낸다.Table 5 shows the differences from the conventional electrolytic phosphate chemical treatment method in order to clarify the features of the present invention.
기본적인 차이는 처리욕의 조성이다. 본 발명의 처리욕이 "전해반응시에 용액중에서 각 성분이 반응하기에 적합한 불순물이 없는 욕"인데 대하여 종래의 전해처리시의 처리욕은 "무전해 처리욕의 내용을 계승하고 있는 불순물을 함유한 욕"이기 때문에 이러한 점에서 상당한 차이가 있다.The basic difference is the composition of the treatment bath. Whereas the treatment bath of the present invention is a bath free of impurities suitable for reacting each component in the solution during the electrolytic reaction, the treatment bath in the conventional electrolytic treatment contains an impurity that inherits the contents of the electroless treatment bath. There is a significant difference in this respect because it is a swear word.
[표 5] 전해처리 반응의 차이 (종래기술과 본 발명)Table 5 Differences in Electrolytic Treatment Reactions (Prior Art and Invention)
[전해 인산염 화성피막의 고찰][Investigation of Electrolytic Phosphate Chemical Coating]
이어서 본 발명에서 얻을 수 있는 피막에 대하여 설명한다.Next, the film obtained by this invention is demonstrated.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 피막형성 반응의 전기화학적 반응의 내용은 종래의 것들과는 다르다. 캐소드 전해처리 반응의 분류에서 나온 바와 같이 (표 4), 본 발명의 피막형성 반응의 전기화학적 반응의 내용은 주로 "전극간 전해반응"으로 되어 있다.As described above, the content of the electrochemical reaction of the film forming reaction of the present invention is different from the conventional ones. As shown in the categorization of the cathode electrolysis reaction (Table 4), the content of the electrochemical reaction of the film formation reaction of the present invention is mainly "electrode-electrolysis reaction".
그러나 일본국 特再平 5-822481호 공보를 비롯한 종래기술은 이러한 종류의 "전극간 전해반응"은 아니다. 상기한 일본국 特再平 5-822481호 공보의 목적은 종래의 무전해 인산염 화성처리시의 전기화학 반응을 보강하기 위한 전해반응을 제공함에 있다.However, the prior art including Japanese Patent No. 5-822481 is not this kind of "electrode-electrolysis reaction". The purpose of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 5-822481 is to provide an electrolytic reaction for reinforcing an electrochemical reaction in the conventional electroless phosphate chemical treatment.
무전해 처리욕은 "동일한 표면에서의 피처리물 (고체)과 처리욕 (액체) 사이의 전해반응"이 주체로 되어 있다. 본 발명과 무전해 처리 사이의 차이를 표 6에 요약하였다.The electroless treatment bath is mainly composed of "electrolytic reaction between the object (solid) and the treatment bath (liquid) on the same surface". The difference between the present invention and the electroless treatment is summarized in Table 6.
[표 6] 전해반응의 차이[Table 6] Difference in Electrolytic Reaction
본 발명의 피막형성의 특징은 주로 전극간의 전기화학 반응에 의해 얻어지는 피막이라 할 수 있다. 즉, 이 피막은 무전해 처리로부터 얻어지는 피막 보다도 큰 전기화학 에너지를 얻어 형성되는 것이다.The characteristic of the film formation of this invention can be said to be the film obtained mainly by the electrochemical reaction between electrodes. That is, this film is obtained by obtaining electrochemical energy larger than the film obtained from an electroless process.
아래에 나온 것은 본 발명의 실시예를 나타낸 것이다. 각 실시예 및 비교예의 공정은 표 7에 나와 있다.What follows is an embodiment of the present invention. The process of each Example and a comparative example is shown in Table 7.
탈지공정은 소정의 농도와 온도의 알칼리 탈지제를 사용하여 4 ∼ 5분간 침지한다. 산세척 공정은 10% 염산용액에 5 ∼ 10분간 침지한다. 표면조정은 일본국의 Nihon Parkerizing사제의 PL-ZT 0.2%에 침지한다. 수세공정은 탈지재 및 기타의 약품이 피처리물로부터 완전히 제거될 때까지 한다. 전착도장은 일본국의 NipponPaint사제의 Power Top U-56을 사용하여 소부한 후의 도장두께를 20 ∼ 25 ㎛로 하고 있다.The degreasing step is immersed for 4 to 5 minutes using an alkali degreasing agent of a predetermined concentration and temperature. Pickling process is immersed in 10% hydrochloric acid solution for 5-10 minutes. Surface adjustment is immersed in 0.2% PL-ZT manufactured by Nihon Parkerizing Co., Ltd. in Japan. The flushing process is carried out until the degreasing agent and other chemicals are completely removed from the object. Electrodeposition coating is made into 20-25 micrometers of coating thickness after baking using Power Top U-56 by NipponPaint of Japan.
[표 7] 실시예 및 비교예의 공정Table 7 Process of Examples and Comparative Examples
(표시는 실시한 공정, - 표시는 실시하지 않은 공정)( Process is indicated,-process not displayed)
표 8은 각 실시예와 비교예의 인산염 화성처리욕의 조성 및 전기화학 조건을 나타내고 있다.Table 8 shows the composition and electrochemical conditions of the phosphate chemical treatment bath of each Example and the comparative example.
[표 8] 인산염 화성처리욕 조성 및 전기화학 조건[Table 8] Composition and electrochemical conditions of phosphate chemical treatment bath
표 9는 각 실시예와 비교예의 전해처리 조건을 나타낸다. 비교예 2를 제외하고는 인산염 화성처리욕을 여과하고 순환시켜 처리욕이 분해하지 않게 하고, 또한 슬러지 형성으로 인하여 혼탁이 없도록 하였다. 비교예 2의 피막은 냉간단조 윤활처리에 사용되는 두꺼운 피막의 것이다. 무전해 처리에 의하여 두꺼운 피막을 얻기 위해 처리욕을 가열하여 80℃로 유지하였다.Table 9 shows the electrolytic treatment conditions of each Example and Comparative Example. Except for Comparative Example 2, the phosphate chemical treatment bath was filtered and circulated to prevent the treatment bath from being decomposed, and also to prevent turbidity due to sludge formation. The film of Comparative Example 2 is a thick film used for cold forging lubrication. The treatment bath was heated to 80 ° C. in order to obtain a thick film by electroless treatment.
[표 9] 실시예 및 비교예의 전해처리 조건 Table 9 Electrolytic Treatment Conditions of Examples and Comparative Examples
실시예 1Example 1
피처리물로서 도면에 나온 자동차용 에어 컨디셔너 부품 [클러치, 스테이터 하우징 (stator housing)]을 사용하였다. 도 4의 스테이터 하우징은 도장 평가시험에서 평면부(20)가 되는 판 (프레스 타발 부품)과 외주부(21)가 되는 하우징 (프레스 가공부품)을 용접하여 접합한 것이다. 외주부(21)가 되는 하우징은 평판을 프레스 가공하여 凹凸이 있는 구조로 변형한 것이다. 따라서, 하우징 외주부는 프레스 가공에 의해 크게 변형한 면이다. 크게 변형한 표면은 프레스 가공시에 윤활유분이 강하게 부착한다. 그 결과, 표면처리시에는 표면이 크게 변형하기 때문에 윤활유분이 표면에 부착하는 현상이 발생한다. 따라서 이 부분은 표면처리에 관한 반응을 방해하는 경향이 있어 표면처리의 성능을 저하하게 된다. 도 4의 예에서 도장 내식성이 저하한다.Automotive air conditioner parts (clutch, stator housing) shown in the drawing were used as the workpiece. The stator housing of FIG. 4 welds and joins the board (press punching part) used as the flat part 20, and the housing (press processed part) used as the outer peripheral part 21 in a painting evaluation test. The housing serving as the outer circumferential portion 21 is formed by pressing a flat plate into a structure having a fin. Therefore, the housing outer peripheral part is the surface which greatly deform | transformed by press work. The largely deformed surface is strongly adhered with lubricating oil at the time of press working. As a result, the surface is greatly deformed at the time of surface treatment, so that lubricating oil adheres to the surface. Therefore, this part tends to interfere with the reaction with respect to the surface treatment, thereby degrading the performance of the surface treatment. In the example of FIG. 4, coating corrosion resistance falls.
피처리물에 대해 표 7의 공정 및 표 8과 9의 조건에서 인산염 화성처리를 하였다. 더욱이 표 8의 ORP 표시값은 Ag/AgCl 전극을 기준으로 하여 표시한 전위 (mV)이다. Ag/AgCl 전극을 기준으로 하여 표시한 값을 +210 mV로 하면 이들 값은 수소 표준 전극전위로 환산된다.The treated material was subjected to phosphate chemical treatment under the process of Table 7 and the conditions of Tables 8 and 9. Further, the ORP indicated values in Table 8 are potentials (mV) expressed based on the Ag / AgCl electrode. When the displayed values based on the Ag / AgCl electrode are set to +210 mV, these values are converted to the hydrogen standard electrode potential.
피처리물에 대해 표 7의 화성처리 이후의 공정에서 전착도장을 하였다. 전착도장을 한 피처리물에 대하여 도장 내식성 평가시험을 하였다. 도장 내식성 평가시험은 피처리물의 평면부 및 외주부에 나이프로써 소지(素地)에 도달할 때까지 도막에 상처를 내고, 55℃에서 5% 염화 나트륨 용액에 240시간 침지하였다. 240시간 침지경과한 피처리물을 수세하고 2시간 이상 방치하여 건조한 후에 점착 테이프를 나이프로써 상처를 낸 도막면에 붙여 강하게 박리하였다. 테이프 박리에서 박리된 도막의 폭을 측정하여 도장 내식성을 평가하였다. 박리폭이 작을수록 내식성은 양호하다. 도장 내식성 평가결과는 비교예 1과 비교하여 표 10에 나타내었다.Electrodeposition coating was carried out in the process after the chemical conversion treatment of Table 7. The coating corrosion resistance evaluation test was done about the electrodeposited coating object. The coating corrosion resistance evaluation test wound | wounded the coating film until it reached the base with a knife at the flat part and the outer peripheral part of a to-be-processed object, and was immersed in 5% sodium chloride solution at 55 degreeC for 240 hours. After washing for 24 hours, the treated object was washed with water, left to stand for 2 hours or more, and dried, and then the adhesive tape was strongly attached to the wound film surface with a knife. The coating corrosion resistance peeled off by tape peeling was measured, and paint corrosion resistance was evaluated. The smaller the peeling width, the better the corrosion resistance. The results of the evaluation of coating corrosion resistance are shown in Table 10 in comparison with Comparative Example 1.
비교예 1Comparative Example 1
피처리물은 실시예 1과 동일한 것을 사용하였다. 공정은 표면조정 공정을 추가하고 무전해법으로 인산염 화성처리를 실시한 이외는 실시예 1과 동일하다. 인산염 화성처리는 표 8과 9에 나온 방법을 사용하여 무전해 처리를 이용하여 인산염 화성처리를 실시하였다. 도장 내식성 평가도 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 도장 내식성 평가결과는 실시예 1과 비교하여 표 10에 나타내었다.The same thing as Example 1 was used for the to-be-processed object. The process is the same as Example 1 except adding the surface adjustment process and performing the phosphate chemical conversion process by the electroless method. Phosphate chemical treatment was performed by phosphate chemical treatment using the electroless treatment using the methods shown in Tables 8 and 9. Evaluation of coating corrosion resistance was also performed by the same method as Example 1. The results of the coating corrosion resistance evaluation are shown in Table 10 in comparison with Example 1.
[도장 내식성 평가결과][Coating corrosion resistance evaluation result]
도장 내식성 평가결과는 표 10에 나와 있다. 실시예 1과 비교예 1의 비교에서 명백한 바와 같이 실시예 1이 내식성이 양호하였다. 더욱이, 평면부와 외주부를 비교해 보면 평면부가 양호한 내식성을 나타내고 있으나, 실시예 1의 경우는 차이는 거의 관찰되지 않았다. 그러나 비교예 1에서는 평면부와 외주부에는 내식성에 큰 차이가 있다. 이러한 차이는, 앞서 설명한 바와 같이 무전해 처리에서는 금속표면의 화성처리 반응을 저하시키는 프레스 가공의 영향이 나타나고 있기 때문이다. 실시예 1은 전해처리의 예이기 때문에 많은 전기화학 에너지를 전해반응에 사용할 수 있다. 따라서, 인산염 화성피막을 프레스 가공의 영향없이 형성하므로 내식성이 양호하다.The results of the evaluation of coating corrosion resistance are shown in Table 10. As apparent from the comparison between Example 1 and Comparative Example 1, Example 1 had good corrosion resistance. Moreover, when the flat part and the outer peripheral part were compared, the flat part showed good corrosion resistance, but in Example 1, the difference was hardly observed. However, in Comparative Example 1, there is a large difference in corrosion resistance between the flat portion and the outer peripheral portion. This difference is because, as described above, in the electroless treatment, the influence of the press working that lowers the chemical conversion treatment of the metal surface appears. Since Example 1 is an example of the electrolytic treatment, a lot of electrochemical energy can be used for the electrolytic reaction. Therefore, since a phosphate chemical conversion film is formed without the influence of a press work, corrosion resistance is favorable.
[표 10] 도장 내식성 평가결과[Table 10] Evaluation of Painting Corrosion Resistance
[형성된 인산염 화성처리 피막의 해석][Interpretation of Formed Phosphate Chemically Treated Coating]
분석을 하여 전해처리와 무전해 처리에 의한 피막의 차이를 확인하였다.The analysis confirmed the difference in the film by the electrolytic treatment and the electroless treatment.
실시예 1과 비교예 1의 인산염 화성처리 피막을 에너지 분산형 X선 분석장치 (EDX)와 글로 방전 (glow discharge) 분석장치 (GDS)로써 분석하였다. 분석은 평면부와 외주부로 나누어 하였다. 그 결과를 표 11에 나타낸다.The phosphate chemical conversion coatings of Example 1 and Comparative Example 1 were analyzed by an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) and a glow discharge analyzer (GDS). The analysis was divided into flat and outer periphery. The results are shown in Table 11.
[표 11] 피막 분석결과 일람표 (차아트)[Table 11] List of Film Analysis Results (Cha Art)
먼저, EDX의 결과를 해석하였다. EDX에 의하여 피막의 성분원소에 관한 정보를 얻는다. 도 5 내지 도 8에 나온 조건과 동일한 조건에서 피막을 해석하였다.First, the results of EDX were analyzed. EDX obtains information on the component elements of the film. The film was analyzed under the same conditions as shown in FIGS. 5 to 8.
각각의 EDX 차아트를 피처리물의 동일부분에서 실시예 1 (도 5 및 6)과 비교예 1 (도 7 및 8)을 비교하였다. 평면부를 비교하였다. 도 5 (전해처리)에서는 니켈 피이크가 아연 피이크 보다 높지만, 도 7 (무전해 처리)에서는 아연 피이크가 니켈 피이크 보다 높다. 그리고 이 경향은 외주부의 비교 (도 6 및 8)에서도 관찰된다.Each EDX carart was compared with Example 1 (FIGS. 5 and 6) and Comparative Example 1 (FIGS. 7 and 8) in the same portion of the workpiece. The planar parts were compared. In FIG. 5 (electrolytic treatment), the nickel peak is higher than the zinc peak, while in FIG. 7 (electroless treatment), the zinc peak is higher than the nickel peak. And this tendency is also observed in the comparison of the outer circumference (FIGS. 6 and 8).
도 5 내지 도 8에 나온 조건과 동일한 조건에서 실시한 EDX 분석결과로부터 얻은 피막의 원자수 농도 분석결과를 표 12에 나타낸다. EDX 분석결과로부터 얻은 원자수 농도에는 탄소 (C)와 금 (Au)을 포함하고 있으나 이들은 피막성분이 아니므로 생략하고 검토를 한다.Table 12 shows the atomic number concentration analysis results of the film obtained from the EDX analysis results performed under the same conditions as shown in FIGS. 5 to 8. Atomic concentrations obtained from EDX analysis results include carbon (C) and gold (Au), but these are not coating components and are therefore omitted.
(탄소는 분석전에 유기용매로써 피막을 세척하기 때문에 존재하며, 금은 분석장치에 시편을 고정할 때 사용한 것이다.)(Carbon is present because the film is washed with an organic solvent before analysis. Gold was used to fix the specimen to the analyzer.)
피막성분 원소의 비는, 인산염 피막중에 항상 함유되는 인 (P)에 대하여 각 원소의 원자수 농도비를 계산하여 구한다.The ratio of the film component elements is calculated by calculating the atomic number concentration ratio of each element with respect to phosphorus (P) which is always contained in the phosphate film.
피막에 대한 검토를 해 보면, 각 금속원소의 원자수 농도비에 따라 다음과 같이 두 가지 부분을 고려할 수 있다.When examining the film, two parts can be considered as follows depending on the ratio of atomic number concentration of each metal element.
(1) 인산염으로 되지 않는 금속 (Ni)/인산염의 인(P)의 비(1) Ratio of phosphorus (P) of metal (Ni) / phosphate which does not become phosphate
(2) 인산염으로 되지 않는 금속 (Ni)/소지로 작용하며 인산염으로 되는 금속 (Fe)의 비(2) The ratio of metal (Ni) that does not become a phosphate / metal and that becomes a phosphate (Fe)
[표 12] 에너지 분산형 X선 분석장치 (EDX)에 의한 피막분석 결과[Table 12] Results of film analysis by energy dispersive X-ray analyzer (EDX)
(1) 인산염으로 되지 않는 금속 (Ni)/인산염의 인(P)의 비(1) Ratio of phosphorus (P) of metal (Ni) / phosphate which does not become phosphate
원자수 농도비 Ni/P를 보면, 실시예 1에서의 평면부 및 외주부에서 Ni의 농도가 2.1 및 1.9로서 크지만 비교예 1에서의 평면부 및 외주부에서 P의 농도가 각각 0.01 및 0.12로서 훨씬 크다. 이것은 전해처리에 의한 피막이 인산염으로 되지 않는 금속 (Ni)을 다량 함유하고 있음을 나타낸다. 한편, 무전해 처리의 경우에서는 인산염을 주체로 하는 피막이 형성되고, 비교예 1의 결과는 이것을 입증하고 있다. 이들 결과로부터 인산염을 형성하지 않는 금속 (Ni)을 다량 함유한 피막이 표면처리 도장에 적합하며 내식성을 개선함을 알 수 있다.In the atomic number concentration ratio Ni / P, the concentrations of Ni in the planar portion and the outer circumferential portion of Example 1 were large as 2.1 and 1.9, but the concentrations of P in the planar portion and the outer circumferential portion of Comparative Example 1 were much larger as 0.01 and 0.12, respectively. . This indicates that the coating by electrolytic treatment contains a large amount of metal (Ni) that does not become a phosphate. On the other hand, in the case of electroless treatment, a film mainly composed of phosphate is formed, and the result of Comparative Example 1 proves this. From these results, it can be seen that a coating containing a large amount of metal (Ni) that does not form a phosphate is suitable for surface treatment coating and improves corrosion resistance.
더욱이 비교예 1에서 평면부는 외주부 보다 다량의 인을 함유하고 있다. 그 이유는 외주부에서는 피막형성이 어렵기 때문인데, 인산염 화성피막은 확실하게 형성되지 않으므로 이것은 피막의 주성분인 인산염이 소량인 것에 상응하다.Moreover, in the comparative example 1, the planar part contains more phosphorus than the outer peripheral part. The reason for this is that it is difficult to form a film on the outer circumference, and since the phosphate chemical film is not surely formed, this corresponds to a small amount of phosphate, which is the main component of the film.
(2) 인산염으로 되지 않는 금속 (Ni)/소지로 작용하며 인산염으로 되는 금속 (Fe)의 비(2) The ratio of metal (Ni) that does not become a phosphate / metal and that becomes a phosphate (Fe)
Fe는 소지로 작용하는 외에 인산염 결정과 함께 피막을 형성하는 원소이다. 피막이 확실하게 형성되면 Ni/Fe비는 피막중의 Fe에 대한 Ni의 비를 나타내는 반면, 피막이 확실하게 형성되지 않으면 이것은 소지표면에 대한 Ni의 비를 나타낸다.Fe is an element that functions as a base and forms a film together with phosphate crystals. If the film is reliably formed, the Ni / Fe ratio represents the ratio of Ni to Fe in the film, whereas if the film is not formed reliably, it represents the ratio of Ni to the base surface.
실시예 1의 Ni/Fe비는 평면부와 외주부 모두에 대해 1 이상이지만, 비교예 1에서의 Ni/Fe비는 평면부와 외주부 모두에 대해 1 이하이다. 이들 결과로부터 Ni의 함량은 도장 내식성에 영향을 미침을 알 수 있다.Although the Ni / Fe ratio of Example 1 is 1 or more with respect to both a planar part and an outer peripheral part, the Ni / Fe ratio in Comparative Example 1 is 1 or less with respect to both a flat part and an outer peripheral part. It can be seen from these results that the Ni content affects the paint corrosion resistance.
GDS는 피막의 글로 방전에 따라 피막으로부터 나오는 원소를 분석하는 것인데, 피막중의 성분원소, 피막강도 등에 관한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 이유로 GDS는 (1) 피막중의 원소의 분포상황과 (2) 피막의 결합강도에 관한 정보를 제공한다. "피막중의 원소의 분포상황"은 GDS차아트로부터 직접 읽을 수 있다. 더욱이 "피막강도"는 동일한 조건에서 분석을 하였을 때 철 소지에 도달할 때까지의 시간으로 비교할 수가 있다. 즉, 철소지에 도달하는 시간이 길수록 피막은 강하다.GDS analyzes the elements coming out of the film according to the glow discharge of the film. Information on the elements, film strength, and the like in the film can be obtained. For this reason, GDS provides information on (1) the distribution of elements in the coating and (2) the bond strength of the coating. The distribution of elements in the coating can be read directly from GDS chart art. Furthermore, "film strength" can be compared by the time it takes to reach the iron base when analyzed under the same conditions. In other words, the longer the time to reach the iron sheet, the stronger the coating.
더욱이, GDS 분석시에 인가되는 전압은 원소의 종류에 따라 달라진다. 이러한 이유로 각 피막의 분석결과는 "피막중의 원소 사이의 존재비"에 대한 정보는 아니다. 그러나, 도 9 내지 도 12의 분석에서는 동일한 조건하에서 실시한 것이다. 따라서, 각 피막중의 원소의 존재상황을 각 시료 (피막) 사이에서 비교할 수 있다.Moreover, the voltage applied during GDS analysis depends on the type of element. For this reason, the analysis results of each film are not information on the "abundance ratio between elements in the film". However, in the analysis of Figs. 9 to 12, the analysis was performed under the same conditions. Therefore, the presence of an element in each film can be compared between each sample (film).
GDS를 이용하여 피처리물의 동일 부분에서 실시예 (도 9와 도 10)와 비교예 (도 11과 도 12)를 비교하였다.The GDS was used to compare Examples (FIGS. 9 and 10) and Comparative Examples (FIGS. 11 and 12) in the same portion of the workpiece.
먼저, (1) 피막중의 원소의 분포상황을 비교한다.First, (1) The distribution of elements in the film is compared.
평면부에 대하여 도 9 (전해처리)와 도 11 (무전해 처리)의 차아트를 봄으로써 피막중에 니켈 등이 함유되는 방식을 분석할 수 있다. 도 9 (전해처리)는 니켈이 피막을 투과하는 방향으로 피막 전체에 분포해 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 도 11 (무전해 처리)은 니켈이 거의 함유되어 있지 않은 것을 나타내고 있다. 그리고, 도 9 (전해처리)는 철원자가 피막중에서 완만하게 증가하고 있는 것을 나타내고 있는데, 전해처리에 사용한 철전극 (양극)이 용해하여 피막을 형성하고 있는 것을 나타내고 있다. 철원자의 거동이 인 (P)의 거동과 다르기 때문에 니켈과 마찬가지방식으로 철원자가 피막에 결합되는 현상을 예측할 수 있다. 더욱이, 이 현상은외주부에 대해서도 마찬가지이다.By looking at the car arts of FIGS. 9 (electrolytic treatment) and 11 (electroless treatment) with respect to the planar portion, it is possible to analyze the manner in which nickel or the like is contained in the film. 9 (electrolytic treatment) shows that nickel is distributed throughout the film in the direction in which the film passes. 11 (electroless treatment) shows that nickel is hardly contained. 9 (electrolytic treatment) shows that iron atoms are slowly increasing in the coating, but the iron electrode (anode) used in the electrolytic treatment is dissolved to form a coating. Since the behavior of iron atoms is different from that of phosphorus (P), the phenomenon of binding of iron atoms to the coating can be predicted in the same manner as nickel. Moreover, this phenomenon also applies to the outer peripheral part.
그리고, 피막의 결합강도에 대해 설명한다. 피막강도는 GDS 분석에서 피막이 투과되어 철소지에 도달하기까지의 시간 (A)을 비교함으로써 얻을 수 있다. 그 결과를 표 13에 나타낸다.Then, the bond strength of the film will be described. The film strength can be obtained by comparing the time (A) from the GDS analysis to the penetration of the film to the iron body. The results are shown in Table 13.
[표 13] GDS 분석에서의 피막깊이 (피막의 강도)Table 13 Film Depth in GDS Analysis (Film Strength)
이 평가에서는 피막중에의 화성처리 시간이 거의 같다 하더라도 실시예 1은 비교예 1의 3배의 강도를 가진다.In this evaluation, even if the chemical conversion treatment time in the film is almost the same, Example 1 has three times the strength of Comparative Example 1.
상기한 결과는 본 발명의 특징인, 전해처리에 의한 전하의 변화를 수반한 금속 (Ni)의 석출을 포함한 인산염 화성피막이, 그 기능인 도장 내식성에 유효하다는 것을 지지하고 있다.The above result supports that the phosphate chemical conversion coating containing the precipitation of the metal (Ni) with the change of the charge by the electrolytic treatment, which is a feature of the present invention, is effective for coating corrosion resistance as a function thereof.
더욱이, 실시예 1의 처리욕에서의 질산이온 농도는, 표 8에 나온 바와 같이 비교예 1의 처리욕의 약 1/2이다. 이것은 전해처리를 나트륨 이온을 함유하지 않은 욕에서 실시함으로써 비로소 가능한 것이다. 질산농도를 낮게하므로 본 발명은 환경 친화성 기술이라 할 수 있다.Moreover, the nitrate concentration in the treatment bath of Example 1 is about 1/2 of the treatment bath of Comparative Example 1 as shown in Table 8. This is possible only by performing the electrolytic treatment in a bath containing no sodium ions. Since the nitric acid concentration is low, the present invention can be referred to as an environmentally friendly technology.
[실시예 2]Example 2
피처리물로서 도 13에 나온 자동차용 시동기 (starter)에 사용하는 부품을 사용하였다. 이 부품 (직경 23 mm, 길이 80 mm의 원통형상 부품)은 파이프 형상의내측에 톱니와 맞물리도록 나선상 (스플라인 형상)의 홈을 냉간단조 프레스 가공하여 형성한 것이다. 재질은 크롬을 1% 정도 함유한 합금재이다. 인산염 화성처리는 냉간단조 프레스 윤활 하지의 형태로서 실시한다. 따라서, 인산염 화성처리 피막의 목적은 냉각단조 가공시의 하중을 저하시키는 것이다. 따라서, 피막의 평가도 냉간단조 가공시의 하중에 근거하여 실시된다.As a to-be-processed object, the parts used for the automobile starter shown in FIG. 13 were used. This part (cylindrical part of 23 mm in diameter and 80 mm in length) is formed by cold forging pressing a spiral (spline shape) groove so as to engage with a tooth on the inner side of the pipe shape. The material is an alloy containing 1% of chromium. Phosphate conversion treatment is carried out in the form of cold forging press lubrication base. Therefore, the purpose of the phosphate chemical conversion coating is to lower the load during cold forging. Therefore, evaluation of a film is also performed based on the load at the time of cold forging.
피처리물은 표 7의 공정을 사용하여 및 표 8 및 9의 조건에서 전해 인산염 화성처리에 의해 실시하였다. 표 7의 화성처리 이후의 공정에서 인산염 화성처리 피막에 스테아르산 나트륨을 반응시켜 금속 비누 (스테아르산 아연)를 형성한다. 그 후, 냉간단조 프레스 가공을 한다.The workpieces were subjected to electrolytic phosphate chemical treatment using the process of Table 7 and under the conditions of Tables 8 and 9. In the process after the chemical conversion in Table 7, sodium stearate is reacted with the phosphate chemically treated film to form a metallic soap (zinc stearate). Thereafter, cold forging press working is performed.
[비교예 2]Comparative Example 2
피처리물은 실시예 2와 동일한 것을 사용하였다. 공정은, 산세척을 하여 표면조정 공정을 제외하고, 인산염 화성처리가 상이한 것을 제외한 이외는 실시예 2와 동일하다. 인산염 화성처리는 표 8 및 9에 나온 방법으로 무전해 처리 (80℃)로써 실시하였다. 비교예 2는 현재 사용중인 처리가공 방법이다.The same thing as Example 2 was used for the to-be-processed object. The step is the same as that in Example 2 except that the phosphate chemical conversion treatment is different except for the surface adjustment step by pickling. Phosphate chemical conversion treatment was performed by electroless treatment (80 ° C.) by the method shown in Tables 8 and 9. Comparative Example 2 is a processing method currently in use.
[냉간단조 프레스 가공 하중의 평가 등][Evaluation of cold forging press working load, etc.]
냉간단조 프레스 가공 하중의 평가 및 피막의 해석을 표 14에 요약하였다.Evaluation of cold forging press working load and coating analysis are summarized in Table 14.
표 14의 "냉간단조 프레스 가공 하중"은 냉간단조 프레스 가공시에 프레스기가 받는 하중이다. 냉간단조 프레스 가공 하중의 값이 낮을수록 윤활성능이 좋다. 또한, 피막중량의 분석은 아래의 방법으로 한 것이다."Cold forging press working load" of Table 14 is a load which a press receives in a cold forging press working. The lower the value of cold forging press working load, the better the lubrication performance. In addition, analysis of the film weight was performed by the following method.
"물 용해분 (water dissolved portion)"은 피처리물을 100℃의 물에 10분간침지하고, 그 전후의 중량을 측정하여 얻어진 중량을 피처리물의 표면적으로 나눈 것이다.A "water dissolved portion" is a product obtained by dipping a workpiece in water at 100 ° C. for 10 minutes and measuring the weight before and after the divided by the surface area of the workpiece.
"금속 비누분"은 피처리물을 75℃의 이소프로필 알코올 (IPA)에 20분 침지하고, 그 전후의 중량을 측정하여 얻어진 중량을 피처리물의 표면적으로 나눈 것이다."Metal soap powder" is a product obtained by dipping a to-be-processed object in 75 degreeC isopropyl alcohol (IPA) for 20 minutes, and measuring the weight before and after that, and dividing the weight obtained by the surface area of a to-be-processed object.
"인산염 피막성분"은 피처리물을 50 ∼ 70℃의 5% 크롬산 (CrO3)에 20분 침지하고, 그 전후의 중량을 측정하여 얻어진 중량을 피처리물의 표면적으로 나눈 것이다.The "phosphate coating component" is obtained by dipping a treated object in 5% chromic acid (CrO 3 ) at 50 to 70 ° C for 20 minutes, and dividing the weight obtained by measuring the weight before and after the surface area of the treated object.
더욱이 EDX에 의한 원자수 농도 (%)의 분석결과를 표 12에 나타낸다.Furthermore, Table 12 shows the analysis results of the atomic number concentration (%) by EDX.
[표 14] 냉간단조 프레스 가공 하중의 평가 및 피막의 해석[Table 14] Evaluation of cold forging press working load and coating analysis
냉간단조 프레스 가공 하중의 평가에서 실시예 2는 비교예 2 보다도 우수하다는 것을 나타내고 있다. 그 이유는 표 14의 "피막의 층별과 중량분석의 결과"로부터 명백해 진다. 표 14의 "피막의 층별과 중량분석의 결과"에 의하면 실시예 2의 피막은 비교예 2의 피막 보다 약 5배의 금속 비누분을 많이 함유하고 있다. 금속 비누분은 냉간단조 프레스 가공 윤활에 크게 기여한다. 따라서, 그 성분의 함량이많을수록 냉간단조 프레스 가공 하중이 저하하는 것은 명백하다.In evaluation of cold forging press working load, Example 2 shows that it is superior to Comparative Example 2. The reason is evident from the "results of layering and gravimetric analysis" of Table 14. According to the "layers and weight analysis results" of Table 14, the film of Example 2 contained about 5 times as much metal soap powder as the film of Comparative Example 2. Metal soap powder contributes greatly to cold forging press lubrication. Therefore, it is clear that the cold forging press working load decreases as the content of the component increases.
금속 비누분은 스테아르산 아연이므로 피막중의 아연을 많이 함유하는 것이필요하다. 피막중의 아연의 양을 EDX의 분석결과로부터 알 수 있다. 도 14 및 도 15의 차아트를 비교해 보면 전해처리 피막인 실시예 2 (도 14)의 쪽이 철의 함량이 적고 아연을 많이 함유하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 이것은 표 12의 EDX의 원자수 농도 (%) 분석결과에서 정량적으로 비교할 수가 있다. 인산염 화성피막의 화학 구조를 Zn3(PO4)2라 하면, P에 대한 Zn의 원자수 농도비 (Zn/P)는 1.5가 된다. 표 12에서 Zn/P의 원자수 농도비를 계산하면 실시예 2는 1.76이 되어, Zn3(PO4)2보다도 과잉의 Zn을 함유하는 것이되지만, 비교예 2는 0.88이 되어서, 대응하는 Zn3(PO4)2보다 아연 함량이 적다.Since metal soap powder is zinc stearate, it is necessary to contain a lot of zinc in a film. The amount of zinc in the film can be known from the result of EDX analysis. Comparing the car art of Fig. 14 and Fig. 15, it can be seen that Example 2 (Fig. 14), which is an electrolytic treatment film, contains less iron and contains more zinc. And this can be compared quantitatively in the atomic number concentration (%) analysis result of EDX of Table 12. If the chemical structure of the phosphate chemical conversion film is Zn 3 (PO 4 ) 2 , the atomic number concentration ratio (Zn / P) of Zn to P is 1.5. In Table 12, when the atomic number concentration ratio of Zn / P is calculated, Example 2 becomes 1.76 and contains more Zn than Zn 3 (PO 4 ) 2 , whereas Comparative Example 2 becomes 0.88, and the corresponding Zn 3 It contains less zinc than (PO 4 ) 2 .
이것은 전해처리에 의하여 피막의 구성을 변화시킬 수 있다는 것을 나타내고 있다. 즉, Zn3(PO4)2의 화학구조에 대해 과잉의 Zn은 전하의 변화를 수반하여 아연금속의 형태로 피막으로 되어 있다는 것을 나타내고 있다. 이것은 본 발명의 전해처리에 의해 비로소 가능하게 된 것이고, 또한 그것이 냉간단조 프레스 가공 하중의 저하에 크게 기여하는 것이다.This indicates that the structure of the film can be changed by the electrolytic treatment. That is, the Zn 3 (PO 4 ) 2 shows that the excess Zn is formed into a film in the form of zinc metal with the change of charge. This is finally possible by the electrolytic treatment of the present invention, and it contributes greatly to the reduction of cold forging press working load.
더욱이, 표 12의 분석결과는 실시예 2의 피막은 인산염을 형성하지않는 금속인 Ni을 완전히 함유하지 않는 피막이다. 또한, 전해 인산염 화성처리에 의해 이러한 방식으로 인산염을 형성하지 않는 금속을 함유하지 않도록 할 수가 있다.Moreover, the analysis result of Table 12 shows that the film of Example 2 is a film that does not completely contain Ni, which is a metal that does not form a phosphate. In addition, the electrolytic phosphate chemical treatment can be made to contain no metal which does not form a phosphate in this manner.
실시예 3 및 비교예 3Example 3 and Comparative Example 3
실시예 3 및 비교예 3은 전해처리에 의해 형성된 피막에서의 차이를 확인하기 위한 것이다.Example 3 and Comparative Example 3 are for confirming the difference in the film formed by the electrolytic treatment.
실시예 1 및 비교예 1에서 사용된 자동차용 에어 컨디셔녀 부품을 피처리물로 사용하여 실시예 3 및 비교예 3에서 처리하고, 표 7에 나온 공정에 따라 인산염 화성처리 및 전착도장을 하였다. 전해 인산염 화성처리는 표 8 및 9에 나온 조건에서 실시하였다. 실시예 3 및 비교예 3에서의 주요한 차이는 인산염 화성처리욕에 있다. 실시예 3의 처리욕은 Na 이온을 함유하지 않으나 비교예 3의 처리욕은 Na 이온을 함유한다. 실시예 3 및 비교예 3에서의 도장 내식성 평가를 실시예 1 및 비교예 1에서와 동일한 방법으로 실시하였다. 이들 결과를 표 15에 나타낸다.The air conditioner parts for automobiles used in Example 1 and Comparative Example 1 were used as treated materials in Examples 3 and 3 and subjected to phosphate chemical treatment and electrodeposition coating according to the process shown in Table 7. Electrolytic phosphate chemical treatment was performed under the conditions shown in Tables 8 and 9. The main difference between Example 3 and Comparative Example 3 lies in the phosphate chemical treatment bath. The treatment bath of Example 3 does not contain Na ions, but the treatment bath of Comparative Example 3 contains Na ions. The coating corrosion resistance evaluation in Example 3 and Comparative Example 3 was performed in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1. These results are shown in Table 15.
[표 15] 도장 내식성 평가결과 (최대 박리폭)[Table 15] Evaluation of Coating Corrosion Resistance (Maximum Peel Width)
표 15의 결과는 실시예 3은 비교예 3 보다 도장 내식성이 양호함을 나타내고 있다.The results of Table 15 show that Example 3 has better coating corrosion resistance than Comparative Example 3.
이 차이는 형성되는 인산염 화성피막에서의 차이에 기인하는 것이라 생각된다. 표 16으로부터 실시예 3 및 비교예 3의 인산염 피막의 X선 회절 패턴의 결과를 알 수 있다.This difference is thought to be due to the difference in the phosphate chemical film formed. From Table 16, the result of the X-ray-diffraction pattern of the phosphate film of Example 3 and the comparative example 3 can be seen.
[표 16] 피막의 X선 회절결과[Table 16] X-ray diffraction results of the film
실시예 3 및 비교예 3의 인산염 화성피막에 관한 차이는 다음과 같다.The difference regarding the phosphate chemical conversion film of Example 3 and the comparative example 3 is as follows.
(1) 인산염 결정 피이크의 존재 혹은 부재(1) Presence or Absence of Phosphate Crystal Peaks
(2) Ni 피이크의 존재 혹은 부재(2) presence or absence of Ni peaks
표 16의 결과는 실시예 3의 피막은 인산염 결정을 함유하지 않는 것을 나타내지 않으며, 인산염 결정이 극히 미세하다는 것을 나타내고 있고, 또한 이로 인하여 Ni 금속과 인산염 결정의 복합이 진행하고 있음을 나타내고 있다.The results in Table 16 do not indicate that the film of Example 3 does not contain phosphate crystals, but indicates that the phosphate crystals are extremely fine, and that the composite of the Ni metal and the phosphate crystals is thereby progressing.
표 17은 실시예 3의 피막에서 Ni 금속과 인산염 결정의 복합이 진행하고 있음을 요약한 것이다.Table 17 summarizes the progress of the compounding of the Ni metal and the phosphate crystal in the film of Example 3.
[표 17] 피막 단면방향에서의 EPMA (Electro Probe Micro Analysis)에 의한 원소분석 사진[Table 17] Elemental analysis photo by EPMA (Electro Probe Micro Analysis) in film cross section direction
도 20 및 25에서 4000배로 확대한 SEM 사진에서 관찰되는 피막의 단면에서의 각 원소의 분포상황은 각 원소에 대해 분석사진 (도 21 내지 24 및 도 26 내지 29)에 나와 있다. 이들 사진의 결과로부터 각 원소는 피막중에서의 분포가 균일함을알 수 있다. 또한, 이들 사진으로부터 피막중에 인산염을 함유하더라도 그 결정은 미세 (표 16의 결과)하다는 것을 육안으로 알 수 있다.The distribution of each element in the cross section of the film observed in the SEM photograph magnified at 4000 times in FIGS. 20 and 25 is shown in the analysis photograph (FIGS. 21 to 24 and 26 to 29) for each element. The results of these photographs show that each element has a uniform distribution in the film. From these photographs, it can be seen visually that the crystals are fine (results in Table 16) even if the film contains phosphate.
더욱이, 이들 결과는 간접적이기는 하지만 실시예 1에 나온 GDS 분석결과 (표 12, 도 9 및 10)에 상응하다.Moreover, these results correspond indirectly but with the results of the GDS analysis shown in Example 1 (Table 12, FIGS. 9 and 10).
표 15의 결과로부터 인산염 결정이 Ni중에 미세하게 분산된 실시예 3의 Na 이온을 함유하지 아니한 처리욕으로부터 얻은 피막은 효과적인 도장 내식성을 가지고 있음을 알 수 있다.From the results in Table 15, it can be seen that the film obtained from the treatment bath containing no Na ions of Example 3 in which the phosphate crystals were finely dispersed in Ni had an effective coating corrosion resistance.
더욱이 일본국의 特再平 5-822481호 공보에 기재된 X선 회절 패턴은 종래의 전해 인산염 화성처리의 한가지 예인데, 모든 인산염 피이크를 나타내고 있다.Moreover, the X-ray diffraction pattern described in Japanese Patent No. 5-822481 is one example of the conventional electrolytic phosphate chemical conversion treatment, and shows all phosphate peaks.
실시예 4 및 5Examples 4 and 5
실시예 4 및 5는 인산염 존재하에 도장소지에 대해 Ni을 확실하게 형성하여 전해된 Fe의 양을 감소시켜 처리욕이 열화(劣化)하는 경향을 될 수 있는 한 많이 저하시키는 예이다. 따라서, 캐소드 전해처리의 첫번째 단계에서는 Ni의 전해만을 실시하고, 그 다음에 Ni과 Fe의 전해를 동시에 실시한다. 이 때, Fe의 전해량은 실시예 3의 경우 보다 1/3 내지 1/8 미만이다.Examples 4 and 5 are examples in which Ni is reliably formed in the presence of phosphate to reduce the amount of Fe electrolyzed to reduce the amount of Fe that is electrolytically deteriorated as much as possible. Therefore, only the electrolysis of Ni is performed in the first step of the cathode electrolytic treatment, followed by electrolysis of Ni and Fe simultaneously. At this time, the electrolytic amount of Fe is 1/3 to 1/8 less than that of Example 3.
실시예 3에서 사용한 자동차용 에어 컨디셔너를 실시예 4 및 5에서 피처리물로 사용하여 표 6의 공정에 따라 인산염 화성처리 및 전착도장을 하였다. 전해 인산염 화성처리를 표 8 및 9의 조건하에서 실시하였다.The car air conditioner used in Example 3 was used as an object to be treated in Examples 4 and 5, followed by phosphate chemical treatment and electrodeposition coating according to the process of Table 6. Electrolytic phosphate chemical treatment was performed under the conditions of Tables 8 and 9.
실시예 4 및 5의 도장 내식성 평가를 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이들 결과를 표 18에 나타낸다.The coating corrosion resistance evaluation of Examples 4 and 5 was performed by the same method as Example 1. These results are shown in Table 18.
[표 18] 도장 내식성 평가결과 (최대 박리폭)[Table 18] Evaluation of Paint Corrosion Resistance (Maximum Peel Width)
실시예 4 및 5의 도장 내식성은 비교예 3의 경우 보다 양호하다. 실시예 1의 설명에서 나온 바와 같이 무전해 처리의 경우에서 외주부에 피막을 형성하기가 어렵다. 본 발명의 전해처리를 실시예 4 및 5에서 실시하면 이러한 표면에 대해서도 피막을 형성할 수가 있게 되는데, 이것은 내식성을 확보할 수 있음을 나타내는 것이다.The paint corrosion resistance of Examples 4 and 5 is better than that of Comparative Example 3. As described in the description of Example 1, it is difficult to form a film on the outer peripheral part in the case of electroless treatment. When the electrolytic treatment of the present invention is carried out in Examples 4 and 5, it is possible to form a film on such a surface, indicating that corrosion resistance can be ensured.
이어서 실시예 4 및 5에서 얻은 인산염 화성피막의 EDX 분석결과를 나타낸다.Next, the EDX analysis result of the phosphate chemical conversion film obtained in Examples 4 and 5 is shown.
[표 19] 에너지 분산형 X선 분석장치 (EDX)에 의한 피막분석 결과[Table 19] Results of film analysis by energy dispersive X-ray analyzer (EDX)
표 19의 결과에 의하면 소지가 아닌 원소 (Fe)의 복합비의 경향은 표 12와 비교하여 변하지 않는다. Ni과 P는 피막에 함유되는 원소이지만 이들의 존재비 (Ni/P)는 표 12 및 18의 결과에서 0.5 이상인데, 이것은 피막중의 Ni가 P량 보다 1/4 이상의 양으로 존재한다는 것을 나타내고 있다. 이들 결과는 Ni/P의 비가 0.25 미만인 무전해 처리에 의해 얻은 피막과는 상당히 다르다는 것을 나타내고 있다 (표 12 참조).According to the result of Table 19, the tendency of the compound ratio of the element (Fe) which is not possessed does not change compared with Table 12. Ni and P are elements contained in the film, but their abundance ratio (Ni / P) is 0.5 or more in the results of Tables 12 and 18, indicating that Ni in the film is present in an amount of 1/4 or more than the amount of P. . These results show that the film obtained by the electroless treatment having a Ni / P ratio of less than 0.25 is significantly different (see Table 12).
실시예 4 및 5의 예들은 두 개의 Fe 및 Ni 전극을 사용한 캐소드 전해처리의 예를 나타내며, 또한 이들은 이 방법이 효과적이라는 것을 나타낸다.The examples of Examples 4 and 5 show examples of cathode electrolysis using two Fe and Ni electrodes, and they also show that this method is effective.
본 발명자들은, "도금"시에 전해처리와 무전해 처리가 가능하다면 도금시의경우에서와 동일한 습식 표면처리인 인산염 화성처리의 경우이더라도 종래의 무전해 인산염 화성처리 외에도 실용적인 전해처리가 가능할 것이라고 생각하였고, 결국은 본 발명을 완성하였다.The present inventors believe that if electrolytic treatment and electroless treatment at the time of "plating" are possible, practical electrolytic treatment in addition to the conventional electroless phosphate chemical treatment may be possible even in the case of phosphate chemical treatment, which is the same wet surface treatment as in the case of plating. In the end, the present invention was completed.
아래에 나온 바와 같이 본 발명의 개념에 대해 설명한다.As described below, the concept of the present invention will be described.
(1) 전해 인산염 화성처리 기술의 각 검토항목은, 기존의 습식 전해 표면처리 기술과 기존의 표면처리 기술에 근거한 전해 인산염 화성처리 기술을 비교검토함으로써 결정하였다.(1) Each examination item of the electrolytic phosphate chemical treatment technique was determined by comparing and comparing the conventional wet electrolytic surface treatment technique with the electrolytic phosphate chemical treatment technique based on the conventional surface treatment technique.
(2) 전해 인산염 화성처리 반응의 바람직한 상태를 조사함으로써 조사된 범위내에서 바람직한 처리조건을 발견하였다.(2) By investigating the preferred state of the electrolytic phosphate chemical treatment reaction, preferred treatment conditions were found within the investigated range.
(3) 제안된 전해 인산염 화성처리 방법으로 형성된 피막을 조사하였다.(3) The film formed by the proposed electrolytic phosphate chemical treatment method was investigated.
[기존의 표면처리 기술][Existing Surface Treatment Technology]
본 발명의 내용을 설명하기 전에 종래의 표면처리 기술에 대해 먼저 설명한다. 본 발명의 전해 인산염 화성처리 방법의 기술에 대해서는, 종래의 이러한 표면처리 기술과 달성되는 전해 인산염 화성처리 기술을 상관지음으로써 조사하였다.Before describing the contents of the present invention, a conventional surface treatment technique is first described. The technique of the electrolytic phosphate chemical treatment method of the present invention was investigated by correlating such a conventional surface treatment technique with the electrolytic phosphate chemical treatment technique achieved.
본 발명의 기술을 포함하여 현재 실용적으로 확립된 표면처리 기술은 아래와 같이 분류되고 있다.Surface treatment techniques currently established practically, including the technique of the present invention, are classified as follows.
표면처리 기술은, 먼저 "건식 표면처리"와 "습식 표면처리"로 분류된다. 이 "습식 표면처리"의 표면처리 기술은 다시 "무전해 처리" 및 "전해 처리"로 분류된다. 여기서 "무전해 처리"의 표면처리에 대한 구체적인 예로서는 "무전해 도금" 및 "무전해 인산염 화성처리"를 포함한다. 더욱이 "전해 처리"의 구체적인 예로서는 "전기도금", "아노드 (양극) 산화" 및 "전착 도장"을 포함하며, 본 발명의 "전해 인산염 화성처리"는 "전기도금"의 분류에 속한다.Surface treatment techniques are first classified into "dry surface treatment" and "wet surface treatment". Surface treatment techniques of this "wet surface treatment" are further classified into "electroless treatment" and "electrolytic treatment". Specific examples of the surface treatment of "electroless treatment" here include "electroless plating" and "electroless phosphate chemical treatment". Furthermore, specific examples of "electrolytic treatment" include "electroplating", "anode (anode) oxidation" and "electrodeposition", and the "electrolytic phosphate chemical treatment" of the present invention belongs to the category of "electroplating".
[습식 표면처리 (반응 에너지의 고찰)][Wet Surface Treatment (Review of Reaction Energy)]
위에서 설명한 바와 같이 습식 표면처리는 두 가지 타입, 즉 "무전해 처리" 및 "전해처리"로 분류된다.As described above, wet surface treatments are classified into two types, "electroless treatment" and "electrolytic treatment".
"무전해 처리"와 "전해처리" 사이의 차이는 반응을 촉진하는 에너지에 따라 좌우된다.The difference between "electroless treatment" and "electrolytic treatment" depends on the energy that promotes the reaction.
"무전해 처리"는 환원제 (도금) 혹은 산화제 (인산염 화성처리) 등의 처리욕에 첨가되는 화공약품의 화학 에너지에 의존한다. 이에 대하여 "전해 처리"는 외부전원으로부터의 전기 에너지에 의존한다."Electroless treatment" depends on the chemical energy of the chemicals added to the treatment bath, such as reducing agents (plating) or oxidants (phosphate chemical treatment). In this regard, "electrolytic treatment" depends on electrical energy from an external power source.
따라서, "도금"의 경우에 있어서는 "무전해 도금"과 "전해도금"에 소요되는 욕(浴)은 근본적으로 다르며, "무전해 도금"에 소요되는 욕은 전해처리에 사용할 수 없다.Therefore, in the case of "plating", the baths required for "electroless plating" and "electroplating" are fundamentally different, and the baths required for "electroless plating" cannot be used for electrolytic treatment.
이러한 아이디어를 인산염 화성처리 방법에 적용하면 "무전해 처리욕"과 "전해 처리욕" 에서의 처리방법은 근본적으로 상이해야 한다.If this idea is applied to the phosphate chemical treatment method, the treatment in the "electroless treatment bath" and the "electrolytic treatment bath" should be fundamentally different.
[습식 표면처리에서의 전해처리][Electrolytic Treatment in Wet Surface Treatment]
도 1에 전해처리의 개략도가 나와 있다. 이 전해처리는 외부전원을 사용하며, 대극 (counter electrode), 용액 및 전해조내의 피처리물 등의 세 가지 구성요소로 구성된다.1 shows a schematic diagram of the electrolytic treatment. This electrolytic treatment uses an external power source and consists of three components: the counter electrode, the solution and the workpiece in the electrolyzer.
이들 세 가지 구성요소가 전해처리 반응에 관여하는 상황은 습식 전해처리종류에 따라 다르다. 그것을 아래의 표 1에 요약한다.The situation in which these three components are involved in the electrolytic reaction depends on the type of wet electrolytic treatment. It is summarized in Table 1 below.
[표 1] 습식 전해처리의 분류 (: 반응함, ×: 반응않음)[Table 1] Classification of Wet Electrolytic Treatment : Reacts, ×: does not react)
아래에서 표 1의 내용을 설명한다.The contents of Table 1 are described below.
"전기도금"에 있어서 아노드(+극) (대극) 형태의 도금피막 성분 (예컨대 아연도금의 경우는 아연전극)은 전압 혹은 전류의 인가에 의해 용해되고, 용해된 도금피막 성분은 착물(錯物: complex) 상태로 용액속을 통과하여 캐소드(-극)에서 석출한다. 이러한 이유로 반응하는 유일한 성분은 용해하는 대극 성분이다. 피처리물은 캐소드이고, 전해조내에서의 용해 등의 반응은 전혀 없다.In "electroplating", a plated coating component in the form of an anode (+ pole) (counter electrode) (for example, a zinc electrode in the case of zinc plating) is dissolved by application of voltage or current, and the dissolved plating coating component is a complex. The product is passed through the solution in a complex state and precipitated at the cathode (-pole). For this reason, the only component that reacts is the countercurrent component that dissolves. The object to be treated is a cathode, and there is no reaction such as dissolution in the electrolytic cell.
"아노드 (양극) 산화"에 있어서 아노드 형태의 알루미늄재는 처리욕중에서 용해하며, 이 때에 전압상승에 따라 용매 (물)와 용질 이온 (음이온)이 분해하고, 이 분해에 따라 생성된 산소 이온 (O-2)과 용해된 알루미늄이 화합하여 알루미늄재의 표면에 알루미늄 산화물 (Al2O3)의 피막을 형성하게 된다. 전해도중에 용해 (반응)하지 않는 재료는 대극 (캐소드)용으로 사용된다.In "anode (anode) oxidation", the aluminum material in the form of an anode is dissolved in a treatment bath. At this time, the solvent (water) and the solute ions (anion) decompose as the voltage rises, and the oxygen ions generated by this decomposition. (O -2 ) and dissolved aluminum combine to form a film of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on the surface of the aluminum material. Materials that do not dissolve (react) during electrolysis are used for the counter electrode (cathode).
"전착도장"에 있어서 물속에 분산된 콜로이드상 유기물 및 무기물에다 전압을 인가하여 콜로이드상 물질을 전기영동 혹은 석출 등에 의해 전해한 다음, 전극 (피처리물)의 표면에 고형화하여 석출 (도장피막)시킨다. 즉, "전착도장"은 용액중의 각 성분의 전해반응을 포함하며, 전압인가로 인해 반응하는 것들은 용매중의 물 및 물속에 분산된 콜로이드상 물질뿐이다. 전극 (대극 혹은 피처리물)은 용해하지 않거나 반응하지 않는다.In "electrodeposition coating", a voltage is applied to colloidal organic matter and inorganic matter dispersed in water, electrolytic colloidal material is electrophoretic or precipitated, and then solidified on the surface of an electrode (a workpiece) to precipitate (coating film). Let's do it. That is, "electrodeposition" includes the electrolytic reaction of each component in a solution, and the only reactions due to voltage application are water in a solvent and colloidal material dispersed in water. The electrode (electrode or workpiece) does not dissolve or react.
더욱이 "전착도장"에 있어서 용액상태를 한정된 상태 (범위)로 유지해야 하는 것이 중요하다.Moreover, in "electrodeposition" it is important to maintain the solution state in a defined state (range).
고형화 혹은 분해 등에 의한 용액성분들 중에서의 변화 (반응)로 인하여 용액상태를 한정된 상태로 유지할 수 없으면 효과적인 전착도장 피막을 형성할 수가 없다. 따라서, 전착도장욕을 소정의 온도에서 일정하게 유지하여 한외여과 처리를 한다. 더욱이, 전해전에 피처리물을 순수한 물로 세척하여 이전의 단계로부터 불필요한 이온들 (예컨대 Na 이온)이 혼입되지 않게 한 후에 전해조속에 장입한다.If the solution state cannot be kept in a limited state due to the change (reaction) among the solution components due to solidification or decomposition, an effective electrodeposition coating film cannot be formed. Therefore, the electrodeposition coating bath is kept constant at a predetermined temperature to perform ultrafiltration treatment. Furthermore, the workpiece is washed with pure water prior to electrolysis so that unnecessary ions (such as Na ions) are not incorporated from the previous step before charging into the electrolyzer.
이에 대하여 본 발명의 "전해 인산염 화성처리"는, 세 가지 구성요소인 "대극", "용액" 및 "피처리물" 모두가 용해하여 반응한다는 점에서 상기한 세 가지 기술과는 완전히 다르다. 그 이유는 종래기술에서는 이러한 차이가 인식되지 않아 이러한 차이를 수용하는 기술을 개발하는 것이 불가능하였으므로 종래기술에서는 이러한 "전해 인산염 화성처리"를 실용적으로 적용하기가 어려웠기 때문이다.In contrast, the "electrolytic phosphate chemical treatment" of the present invention is completely different from the above-described three techniques in that all three components "large electrode", "solution" and "treatment" are dissolved and reacted. The reason is that in the prior art, such a difference was not recognized, and it was impossible to develop a technology that accommodates the difference. Therefore, it was difficult to practically apply such "electrolytic phosphate chemical treatment" in the prior art.
[전해 인산염 화성처리의 검토항목][Review items of electrolytic phosphate chemical treatment]
표 2에는 본 발명의 "전해 인산염 화성처리"에 대한 검토시에 여러 가지의 기존의 전해처리욕과 인산염 화성처리욕의 내용에 관한 검토항목이 나와 있다.Table 2 shows a review item regarding the contents of various existing electrolytic treatment baths and phosphate chemical treatment baths when examining the "electrolytic phosphate chemical treatment" of the present invention.
[표 2] 전해 처리욕의 성질의 비교[Table 2] Comparison of Properties of Electrolytic Treatment Baths
모두가 기존의 전해처리 형태인 "전기도금", "아노드 산화" 및 "전착도장"이 공유하는 전해처리 반응조절에 대해 검토한 항목에 있어서 전해조내에서 전해처리되는 피처리물의 표면에만 피막형성 반응이 일어나므로 전해조내의 기타 위치에서는 반응이 일어나지 않도록 대책을 강구해야 한다. 즉, 피막형성 반응과 유사한 반응이 전해조내에서 피처리물의 표면 이외의 위치에서 일어나지 않도록 방지하는 것이 불가능하더라도 피처리물의 표면에서 피막형성이 전해처리에 의해 실질적으로 일어나도록 대책을 강구해야 한다.In all of the items reviewed on the electrolytic reaction control which is shared by the existing electrolytic treatment forms of "electroplating", "anode oxidation", and "electrodeposition coating", the film is formed only on the surface of the electrolytically treated object in the electrolytic cell. As the reaction occurs, measures should be taken to prevent the reaction from occurring at other locations in the cell. That is, even if it is impossible to prevent a reaction similar to the film forming reaction from occurring at a position other than the surface of the workpiece in the electrolytic cell, measures should be taken so that the film formation takes place substantially by the electrolytic treatment on the surface of the workpiece.
이러한 관점에서 각 전해처리에 대한 각각의 검토항목에 대해 아래에서 설명한다.In this regard, the respective items of review for each electrolytic treatment will be described below.
(1) "전기도금"은 도금된 금속을 아노드에서 용해한 다음 캐소드에서 석출시키는 공정을 포함하더라도 전해조내에서 용해된 금속이온들의 결합이 방지된다. 착물(錯物)을 이러한 결합방지를 위한 수단으로 사용한다.(1) "Electroplating" prevents the bonding of the dissolved metal ions in the electrolyzer even if it involves the process of dissolving the plated metal at the anode and then depositing at the cathode. Complexes are used as a means of preventing these bonds.
"전기도금"의 처리욕은 금속염들의 착물욕이다. 그 이유는 용액중에서의 금속이온들의 결합 및 석출 (용액중의 각 용질성분간의 반응)을 방지하는 한편, 도금금속을 전극 (아노드)으로부터 용해시켜 캐소드에서 석출시키기 때문이다. 공지의 착물의 예는 시아노 (CN) 착물이다. 전기도금욕은 통상적으로 투명하지 않으며, 피막형성시에 관여하지 않는 이온, 예컨대 Na 이온을 함유하고 있더라도 착물이 처리액중에서 분해하지 않도록 대책을 강구해야 한다. 이들 대책을 강구함으로써 캐소드 표면에서 금속이온만을 석출시켜 도금피막을 형성할 수 있다. (Na 이온은 도금금속 이온 보다 상이한 석출전위를 가지므로 캐소드에서는 석출하지 않는다. 이것은 전기화학 원리와 일치한다.)The treatment bath of "electroplating" is a complex bath of metal salts. This is because binding and precipitation of the metal ions in the solution (reaction between the solute components in the solution) are prevented, while the plated metal is dissolved from the electrode (anode) to precipitate at the cathode. Examples of known complexes are cyano (CN) complexes. Electroplating baths are usually not transparent and measures must be taken to ensure that the complex does not decompose in the treatment liquid even if it contains ions, such as Na ions, which are not involved in film formation. By taking these countermeasures, only a metal ion can be deposited on the surface of the cathode to form a plating film. (Na ions have different deposition potentials than plated metal ions and therefore do not precipitate at the cathode. This is consistent with electrochemical principles.)
(2) "아노드 산화"는 피처리물을 아노드로 사용하고 불용성(不溶性) 전극을 캐소드로 사용하는 전해처리를 포함한다. 이 때, 피막형성에 필요로 하지 않은 이온들이 개재되면 재료 (예컨대 알루미늄)의 용해반응과 산화 (피막형성) 반응 모두에 대해 영향을 미친다. 그 이유는 용해된 알루미늄은 처리욕중에서 극히 활성이 크기 때문이다. 아노드 산화물 피막은 물 형태의 용매가 분해하여 생성된 산소이온 (O2-)과 용해된 알루미늄 이온이 반응하여 형성된다. 용해된 알루미늄 이온이 기타이온과 반응하지 못하도록 하기 위해서는 처리액의 불순물 혼입을 극히 제한해야 한다.(2) "Anode oxidation" includes electrolytic treatment using an object as an anode and an insoluble electrode as a cathode. At this time, the presence of ions not necessary for the film formation affects both the dissolution reaction and the oxidation (film formation) reaction of the material (for example, aluminum). This is because dissolved aluminum is extremely active in the treatment bath. The anode oxide film is formed by reaction of oxygen ions (O 2- ) and dissolved aluminum ions produced by decomposition of a solvent in the form of water. In order to prevent dissolved aluminum ions from reacting with other ions, the incorporation of impurities in the treatment liquid should be extremely limited.
(3) "전착도장"은 용액중의 한 성분을 한 전극표면에서 전해함으로써 도장피막을 형성하는 단계를 포함한다. 물 형태의 용매와 물속에 분산된 콜로이드상 유기물만이 전압인가에 의해 반응한다. 전극의 용해를 포함하는 반응 (대극과 피처리물간)은 일어나지 않는다.(3) "Deposition coating" includes the step of forming a coating film by electrolyzing one component in a solution on one electrode surface. Only solvents in the form of water and colloidal organics dispersed in water react by voltage application. A reaction involving the dissolution of the electrode (between the counter electrode and the workpiece) does not occur.
전착도장의 경우에 있어서, 용액상태를 일정한 상태 (범위)로 유지하여 양호한 도장피막을 형성하도록 하는 것이 중요하다. 응고, 분해 등으로 인해 용액중에서 각 성분의 변화 (반응)가 일어나서 용액상태를 조절할 수 없다면 효과적인 전착도장 피막을 형성할 수 없다. 이러한 이유로 해서 전착도장욕을 항시 일정한 온도로 유지하고 한외여과 처리함으로써 욕중에 분산된 콜로이드 성분의 자체 응고를 방지하고 분산상태를 유지한다.In the case of electrodeposition coating, it is important to maintain the solution state in a constant state (range) so as to form a good coating film. If a change (reaction) of each component occurs in the solution due to coagulation or decomposition, the electrodeposition coating cannot be formed effectively. For this reason, the electrodeposition coating bath is kept at a constant temperature at all times and the ultrafiltration treatment prevents the solidification of the colloidal components dispersed in the bath and maintains the dispersed state.
더욱이 전착도장욕에서는, 예컨대 Na 이온 등의 저해성 이온에 의한 오염을 극력 방지하고, 순수(純水)에 가까운 상태로 유지한다. 그 이유는 저해성 이온이 존재하면 전극표면에서의 석출반응을 저해하기 때문이다.Further, in the electrodeposition coating bath, contamination by inhibitory ions such as Na ions is prevented as much as possible and maintained in a state close to pure water. This is because the presence of inhibitory ions inhibits the precipitation reaction on the electrode surface.
선행기술의 전해처리법으로부터 얻은 상기한 기술적인 발견사실을 요약하면 다음과 같다.The above technical findings obtained from the prior art electrolytic treatment are summarized as follows.
전해처리의 경우에 있어서 피막형성에 관여하는 용액중의 각 성분이 전극표면 (계면)에서의 반응을 제외하고는 반응하지 않도록 하는 것이 필요한데, 이렇게하자면 아래와 같은 대책이 필요함을 판명하였다.In the case of the electrolytic treatment, it is necessary to prevent each component in the solution involved in the film formation from reacting except for the reaction on the electrode surface (interface).
(가) 불순물의 혼입방지 (아노드 산화, 전착도장)(A) Prevention of mixing of impurities (anode oxidation, electrodeposition coating)
(나) 일정한 여과, 순환 및 온도유지 등에 의한 용액중의 각 성분의 자기 응고 방지 (전착도장)(B) Prevention of self-solidification of each component in solution by constant filtration, circulation and temperature maintenance (electrodeposition coating)
(다) 착물 이용 (전기도금)(C) use of complexes (electroplating)
본 발명에서의 "전해 인산염 화성처리 방법"은, 해당 방법에 대한 상기한 기술적인 발견사실을 반영함으로써 실용적으로 실시할 수 있다고 생각된다. 상기한 결론, 즉 "전해처리의 경우에 있어서 피막형성에 관여하는 용액중의 각 성분이 전극표면에서의 반응을 제외하고는 반응하지 않아야 한다"라고 하는 것은 모든 형태의 전해 표면처리에 공통적인 개념이다. 그러나, 이것을 달성하기 위한 특정한 대책은 각각의 처리형태에 따라 달라진다.It is thought that the "electrolytic phosphate chemical treatment method" in the present invention can be practically applied by reflecting the above-described technical findings of the method. The above conclusion, "In the case of electrolytic treatment, each component in the solution involved in the film formation must not react except the reaction on the electrode surface" is a concept common to all types of electrolytic surface treatment. to be. However, the specific measures to achieve this vary with each type of treatment.
본 발명의 과제이기도 한, 종래의 기술이 효율적인 전해 인산염 화성처리 방법의 실용화를 달성할 수 없었던 이유는 피막형성시에 관여하는 용액중의 성분들이 전극표면 이외의 위치에서 반응하지 못하도록 하는 특정한 대책을 발견할 수 없었기 때문이다.The reason why the prior art, which is also a subject of the present invention, has not been able to attain the practical use of an efficient electrolytic phosphate chemical treatment method is to take a specific measure to prevent components in the solution involved in film formation from reacting at positions other than the electrode surface. It could not be found.
[본 발명의 전해 인산염 화성처리 방법]Electrolytic Phosphate Chemical Treatment Method of the Present Invention
본 발명의 "전해 인산염 화성처리 방법"은 전해처리를 실시한다고 하더라도 피막형성시에 관여하는 용액중의 성분들이 전극표면 이외의 위치에서 실질적으로 반응하지 못하도록 구체화할 수 있다.Even if the electrolytic treatment is carried out, the "electrolytic phosphate chemical treatment method" of the present invention can be embodied so that the components in the solution involved in film formation do not substantially react at positions other than the electrode surface.
이를 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve this, the present invention,
적어도 인산염과,With at least phosphate,
적어도 인산이온 및 인산과, 질산이온과, 인산염 화성 처리욕중에서 인산이온과 착물을 형성하는 금속이온, 및 인산염 화성 처리욕중에 용해한 이온이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가 물 형태의 용매의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전극전위로서 나타냄) 이상인 금속이온을 함유한 인산염 화성 처리욕에, 피처리물을 접촉시켜 전해처리를 함으로써 상기 피처리물의 표면에 인산염을 형성하지 않으며 전도성을 가진 금속재료를 함유하는 피막을 형성하는 방법으로서,At least the phosphate and phosphoric acid, the nitrate ion, the metal ion which forms a complex with the phosphate ion in the phosphate conversion treatment bath, and the dissolution of the ion dissolved in the phosphate conversion treatment bath to precipitate as a metal is an anode of the water type solvent. A phosphate chemical treatment bath containing a metal ion having an electrolytic reaction potential of -0.83 V (represented as a hydrogen standard electrode potential) is subjected to electrolytic treatment by contacting a workpiece to form a phosphate on the surface of the workpiece and to maintain conductivity. As a method of forming a film containing a metal material having
상기 인산염 화성 처리욕은 피막성분 이외의 금속이온의 농도가 0 ∼ 400 ppm이고, 피막형성 반응에 영향을 미치는 고형물을 실질적으로 함유하지 아니하며,The phosphate chemical treatment bath has a concentration of 0 to 400 ppm of metal ions other than the coating component, and contains substantially no solids that affect the film forming reaction.
피처리물을, 인산염 화성 처리욕중에서 인산 이온과 착물을 형성하며, 또한 인산염 화성 처리욕중에 용해한 그 이온이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가, 물 형태의 용매의 아노드 전해반응 전위 -0.83 V (수소 표준 전극 전위로 나타냄) 이상인 금속재료로써 인산염 화성 처리욕중에서 전해처리하는 것을 특징으로 한다.The potential to form a complex with phosphate ions in the phosphate chemical treatment bath, and the ions dissolved in the phosphate chemical treatment bath to be reduced and precipitated as a metal is -0.83 V Electrolytic treatment is carried out in a phosphate chemical conversion bath with a metallic material of more than (indicated by the hydrogen standard electrode potential).
특히, 본 발명에 있어서 피막형성 반응은, 욕중에서의 피막형성 이외의 반응을 될 수 있는 한 많이 최소화하고, 인산염 화성 처리욕중에서의 피막성분 이외의 금속이온의 농도를 0 ∼ 400 ppm로 하며, 피막형성 반응에 영향을 미치는 고형물이 실질적으로 함유되지 아니하고 촉진제의 첨가가 없는 인산염 화성처리욕으로 함으로써 인산염 화성 처리욕중에서 피처리물의 표면에서 원활하고도 효율적으로 실시할 수 있다.In particular, in the present invention, the film forming reaction is minimized as much as possible except for the film formation in the bath, and the concentration of metal ions other than the film component in the phosphate conversion treatment bath is 0 to 400 ppm, By forming a phosphate chemical treatment bath that is substantially free of solids that affect the film-forming reaction and without the addition of an accelerator, the phosphate chemical treatment bath can be carried out smoothly and efficiently on the surface of the object to be treated.
특히, 본 발명에 있어서 인산염 화성 처리욕중에서의 피막성분 이외의 금속이온의 농도를 0 ∼ 400 ppm로 하고, 인산염 화성처리욕을 피막형성 반응에 영향을미치는 고형물이 실질적으로 함유되지 아니하도록 하기 때문에 욕으로부터 주로 인산염의 석출에 의존함이 없이 피막형성 반응을 실시할 수 있어, 적어도 인산염과, 피처리물의 표면에 인산염을 형성하지 않는 금속을 함유한 피막을 비로소 제공할 수 있다.In particular, in the present invention, the concentration of metal ions other than the coating components in the phosphate chemical treatment bath is set to 0 to 400 ppm, and the phosphate chemical treatment bath is made to substantially contain no solids that affect the film forming reaction. The film forming reaction can be carried out without depending mainly on the precipitation of the phosphate from the bath, so that a film containing at least a phosphate and a metal which does not form a phosphate on the surface of the workpiece can be provided.
피막형성을 효율적으로 실시하기 위해서는 적어도 인산염을 함유한 각 피막성분 이외에 1 ∼ 100 ppm의 금속 이온을 인산염 화성 처리욕에 함유시키는 것이 바람직하다.In order to perform film formation efficiently, it is preferable to contain 1-100 ppm of metal ions in a phosphate conversion treatment bath other than the coating component which contains at least a phosphate.
인산염 화성처리욕의 구체적인 조성의 바람직한 예로서는, 질산 이온 농도 6 ∼ 140 g/l, 인산 이온 및 인산 농도 0.5 ∼ 60 g/l, 인산염 화성 처리액중에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온의 농도 0.5 ∼ 70 g/l, 및 인산염 화성 처리액중에 용해한 이온이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가, 물 형태의 용매의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전극 전위로 나타냄) 이상인 금속 이온의 농도 0 ∼ 40 g/l를 함유하는 것이다.As a preferable example of the specific composition of a phosphate chemical treatment bath, nitrate ion concentration 6-140 g / l, phosphate ion and phosphate concentration 0.5-60 g / l, the density | concentration of the metal ion which forms a complex with phosphate ion in the phosphate conversion treatment liquid 0.5 To 70 g / l and ions dissolved in the phosphate chemical treatment solution are reduced and precipitated as metals with metal ions having a potential of -0.83 V (denoted as hydrogen standard electrode potential), which is the anode electrolytic reaction potential of a solvent in water form. It contains concentration 0-40 g / l.
인산염 화성처리 방법은 인산 이온의 산 해리도 보다 큰 산 해리도를 가진 산을 사용하지 않는 것이 바람직하다. 여기서 인산 이온의 산 해리도 보다 큰 산 해리도를 가진 산의 예는 질산이다.The phosphate chemical treatment method preferably does not use an acid having an acid dissociation degree greater than that of phosphate ions. An example of an acid having an acid dissociation degree greater than that of phosphate ions is nitric acid.
인산 이온 보다 큰 산 해리도를 가진 산을 처리욕에 첨가하면 피처리물의 표면에서의 인산염의 피막형성 반응을 처리욕중에서 억제하므로 반응을 효율적으로 실시할 수 없게 된다.When an acid having an acid dissociation degree larger than phosphate ions is added to the treatment bath, the film forming reaction of phosphate on the surface of the workpiece is suppressed in the treatment bath, so that the reaction cannot be carried out efficiently.
인산염 화성 처리욕에서의 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온으로서는아연, 철, 망간 및 칼슘으로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.As the metal ion forming a complex with the phosphate ion in the phosphate conversion treatment bath, at least one metal selected from the group consisting of zinc, iron, manganese and calcium is preferable.
인산염 화성 처리액중에 용해한 이온이 환원되어 금속으로 석출하는 전위가, 물 형태의 용매의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전극 전위로 나타냄) 이상인 금속 이온으로서는 니켈 이온과 구리 이온으로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 이온이 바람직하다.Metal ions having a potential of reduced ions dissolved in the phosphate chemical treatment solution to be precipitated as metals above -0.83 V (represented as a hydrogen standard electrode potential), which is an anode electrolysis reaction potential of a water-type solvent, consist of nickel ions and copper ions. At least one metal ion selected from the group is preferred.
또한 본 발명은, 적어도 인산 이온 및 인산, 질산 이온, 및 인산염 화성처리욕중에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온을 함유한 인산염 화성 처리욕중에서, 도전성을 가진 피처리물을 접촉시켜 전해처리를 함으로써 상기 피처리물의 표면에 적어도 인산염을 함유한 피막을 형성하는 방법을 포함하는 전해 인산염 화성처리 방법에 있어서, 인산염 화성 처리욕은 피막 성분 이외의 금속이온을 0 ∼ 400 ppm 함유하고, 피막형성 반응에 영향을 미치는 고형물을 실질적으로 함유하지 아니하며, 피처리물을 인산염 화성처리욕에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속재료 사이에서 인산염 화성처리욕에서 전해처리하는 전해 인산염 화성처리 방법을 제공한다.The present invention also provides an electrolytic treatment by contacting a conductive object with a conductive object in a phosphate chemical treatment bath containing at least phosphate ions and metal ions complexed with phosphate ions in the phosphate chemical treatment bath. In the electrolytic phosphate chemical treatment method comprising a method of forming a film containing at least phosphate on the surface of the object to be treated, the phosphate chemical treatment bath contains 0 to 400 ppm of metal ions other than the film component, and the film formation reaction The present invention provides an electrolytic phosphate chemical treatment method which contains substantially no solids affecting the phosphate chemical treatment treatment, and the object to be treated is electrolyzed in a phosphate chemical treatment bath between the metal material forming a complex with phosphate ions in the phosphate chemical treatment bath.
이 방법을 채용할 경우에 있어서, 형성된 피막이 주로 인산염으로 된 화성피막이라 하더라도 피막성분 이외의 금속 이온이 인산염 화성 처리욕중에 0 ∼ 400 ppm 함유되고, 또한 인산염 화성처리욕은 피막형성 반응에 영향을 미치는 고형물을 실질적으로 함유하지 않기 때문에 인산염 화성처리시의 피막형성 반응을 효율적으로 실시할 수 있다.In the case of adopting this method, even if the formed film is mainly composed of a phosphate chemical film, 0 to 400 ppm of metal ions other than the coating component is contained in the phosphate chemical treatment bath, and the phosphate chemical treatment bath affects the film formation reaction. Since the itch does not substantially contain solid matter, the film forming reaction during phosphate chemical treatment can be efficiently carried out.
인산염 화성처리욕중에 적어도 인산염을 함유한 피막성분 이외의 금속 이온의 농도가 0 ∼ 100 ppm인 것이 바람직하다.It is preferable that the concentration of metal ions other than the coating component containing at least phosphate in the phosphate chemical treatment bath is 0 to 100 ppm.
인산염 화성처리욕은 질산 이온 농도 6 ∼ 140 g/l, 인산 이온 및 인산 농도 0.5 ∼ 60 g/l, 및 인산염 화성 처리액중에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온의 농도 0.5 ∼ 70 g/l인 것이 바람직하다.The phosphate chemical treatment bath has a concentration of 6 to 140 g / l for nitrate, 0.5 to 60 g / l for phosphate ions and phosphoric acid, and a concentration of 0.5 to 70 g / l for forming metal complexes with phosphate ions in the phosphate chemical treatment solution. Is preferably.
인산염 화성처리욕은 인산 이온의 산 해리도 보다 큰 산 해리도를 가진 산을 함유하지 않는 것이 바람직하다.The phosphate chemical treatment bath preferably does not contain an acid having an acid dissociation degree greater than that of phosphate ions.
이 경우, 인산 이온의 산 해리도 보다 큰 산 해리도를 가진 산의 예는 질산이다.In this case, an example of an acid having an acid dissociation degree greater than that of phosphate ions is nitric acid.
인산염 화성 처리욕이 인산 이온의 산 해리도 보다 큰 산 해리도를 가진 산을 함유하지 않으므로 인해, 상기한 이유와 동일한 이유로 해서 피막형성을 효율적으로 실시할 수 있다.Since the phosphate chemical treatment bath does not contain an acid having a higher acid dissociation degree than the acid dissociation degree of phosphate ions, the film formation can be efficiently performed for the same reason as described above.
더욱이 인산염 화성처리액중에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온으로서는 아연 이온, 철 이온, 망간 이온 및 칼슘 이온으로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 이온이 바람직하다.Furthermore, at least one metal ion selected from the group consisting of zinc ions, iron ions, manganese ions, and calcium ions is preferable as the metal ions complexed with the phosphate ions in the phosphate chemical treatment solution.
피처리물을 아노드로서 사용하는 전해처리를 인산염 화성처리 방법으로 실시하여도 좋고, 피처리물을 캐소드로서 사용하는 전해처리를 인산염 화성처리 방법으로 실시하여도 좋다.The electrolytic treatment using the to-be-processed object as an anode may be performed by the phosphate chemical treatment method, and the electrolytic treatment using the to-be-processed object as a cathode may be performed by the phosphate chemical treatment method.
피처리물을 아노드로서 사용하는 전해처리를 한 다음에 피처리물을 캐소드로서 사용하는 전해처리를 인산염 화성처리 방법으로 실시하여도 좋다.After the electrolytic treatment using the workpiece as an anode, the electrolytic treatment using the workpiece as a cathode may be performed by a phosphate chemical treatment method.
이러한 전해처리를 실시하는 결과로서 피처리물의 표면을 엣칭하여 신선한 표면을 노출시킨 후에 피처리물의 표면에 피막형성 반응을 실시할 수 있다. 따라서 피처리물의 표면에 대한 밀착성이 개선된 피막을 얻을 수 있다.As a result of performing such an electrolytic treatment, the film formation reaction can be performed on the surface of a to-be-processed object, after etching the surface of a to-be-processed object and exposing a fresh surface. Thus, a film having improved adhesion to the surface of the workpiece can be obtained.
인산염 화성처리 방법에서의 피처리물을 캐소드로 사용하여 전해처리를 실시하는 캐소드 전해처리는, 인산염 화성처리욕중에 용해한 이온이 환원되어 석출되는 금속과 동일한 금속재료 및/또는 인산염 화성처리욕에 불용성인 전도성 재료를 아노드용으로 사용하는 전해처리, 혹은 인산염 화성 처리욕에서 착물을 형성하는 금속재료를 아노드용으로 사용하는 전해처리중의 적어도 한가지로 된 전해 인산염 화성처리 방법이 바람직하다.Cathodic electrolytic treatment in which the treated material in the phosphate chemical treatment method is used as a cathode is insoluble in the same metal material and / or phosphate chemical treatment bath as the metal in which ions dissolved in the phosphate chemical treatment bath are reduced and precipitated. An electrolytic phosphate chemical treatment method comprising at least one of an electrolytic treatment using a phosphorus conductive material for an anode or an electrolytic treatment using a metal material forming a complex in a phosphate chemical treatment bath for an anode is preferable.
이러한 처리법을 사용하는 결과로서 피막을 형성하는 인산염과 인산염을 형성하지 않는 금속간의 성분비를 적절히 조절함으로써, 피처리물의 표면에 소요의 성질을 가진 피막을 형성할 수 있게 된다.As a result of using such a treatment method, by appropriately adjusting the component ratio between the phosphate forming film and the metal which does not form phosphate, it is possible to form a film having required properties on the surface of the object to be treated.
인산염 화성처리 방법에서의 피처리물을 캐소드로 사용하여 전해처리를 실시하는 캐소드 전해처리는, 인산염 화성 처리욕중에 용해한 이온이 환원되어 석출되는 금속과 동일한 금속재료 및/또는 인산염 화성 처리욕에 불용성인 전도성 재료를 아노드용으로 사용하여 전해처리를 실시한 다음, 인산염 화성 처리욕에서 착물을 형성하는 금속재료를 아노드용으로 사용하여 전해처리를 실시하는 처리를 1 사이클로 하고, 이 사이클을 적어도 1회 실시하는 것으로 된 전해 인산염 화성처리 방법이 바람직하다.Cathodic electrolytic treatment in which the treated material in the phosphate chemical treatment method is used as a cathode is insoluble in the same metal material and / or phosphate chemical treatment bath as the metal in which ions dissolved in the phosphate chemical treatment bath are reduced and precipitated. The electrolytic treatment is carried out using a phosphorus conductive material for the anode, and the electrolytic treatment is performed using a metal material forming a complex in the phosphate chemical treatment bath for the anode as one cycle, and the cycle is at least one cycle. The electrolytic phosphate chemical treatment method which is performed once is preferable.
이러한 처리법을 사용하는 결과로서 상기한 바와 같은 소요의 성질을 가진두꺼운 피막을 형성할 수 있다.As a result of using this treatment method, a thick film having the required properties as described above can be formed.
인산염 화성처리 방법에서의 피처리물을 캐소드로 사용하여 전해처리를 실시하는 캐소드 전해처리는, 인산염 화성 처리욕에 용해된 이온이 환원되어 석출되는 금속과 동일한 금속재료 및/또는 인산염 화성 처리욕에 불용성인 도전성 재료를 아노드로 사용하여 전해처리를 하는 전해조와, 인산염 화성 처리욕중에서 착물을 형성하는 금속재료를 아노드로 사용하여 전해처리를 하는 전해조로 분리하여 전해처리를 실시하는 전해 인산염 화성처리 방법이 바람직하다.The cathode electrolytic treatment, in which the treated material in the phosphate chemical treatment method is used as a cathode, is subjected to electrolytic treatment in the same metal material and / or phosphate chemical treatment bath in which ions dissolved in the phosphate chemical treatment bath are reduced and precipitated. Electrolytic phosphate chemical treatment method in which electrolytic treatment is performed by using an insoluble conductive material as an anode and performing electrolytic treatment using an electrolytic cell for electrolytic treatment and a metal material forming a complex in the phosphate chemical treatment bath as an anode. This is preferred.
이러한 처리법을 사용하는 결과로서 별도의 전해조를 사용하므로, 각 성분의 석출반응을 독립하여 제어할 수 있기 때문에, 소요의 성질을 가진 피막을 보다 쉽사리 형성할 수 있게 된다.As a result of using such a treatment method, a separate electrolytic cell is used, so that the precipitation reaction of each component can be controlled independently, thereby making it easier to form a film having required properties.
더욱이 인산염 화성 처리욕중에 용해한 금속이 환원되어 석출되는 금속과 동일한 금속재료로서는 니켈 및 구리로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.Furthermore, at least one metal selected from the group consisting of nickel and copper is preferable as the metal material which is the metal which is reduced and precipitated by the metal dissolved in the phosphate conversion treatment bath.
인산염 화성 처리욕에서 착물을 형성하는 금속재료로서는 아연, 철, 망간 및 칼슘으로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.As the metal material forming the complex in the phosphate conversion treatment bath, at least one metal selected from the group consisting of zinc, iron, manganese and calcium is preferable.
피처리물이 인산염 화성 처리욕과 접촉하지 않을 경우에는 피처리물을 캐소드용으로서 사용하는 전해처리 도중에 아노드로서 사용된 금속재료를 캐소드로 사용하고, 인산염 화성처리욕에 불용성인 재료를 아노드로 사용하며, 아노드와 캐소드 사이에 5 V 이하의 전압을 인가하는 것이 바람직하다.If the object is not in contact with the phosphate chemical treatment bath, the metal material used as the anode is used as a cathode during the electrolytic treatment in which the object is used for the cathode, and a material insoluble in the phosphate chemical treatment bath is used as the anode. It is preferable to apply a voltage of 5 V or less between the anode and the cathode.
피처리물이 인산염 화성처리욕과 접촉하지 않을 경우에는 피처리물을 캐소드용으로서 사용하는 전해처리 도중에 아노드로서 사용된 금속재료를 캐소드가 사용하고, 인산염 화성처리욕에 불용성인 재료를 아노드로 사용하며, 캐소드를 실질적으로 용해하지 않는 전압을 아노드와 캐소드 사이에 인가하는 것이 바람직하다.If the object is not in contact with the phosphate chemical treatment bath, the cathode uses a metal material used as an anode during the electrolytic treatment in which the object is used for the cathode, and a material insoluble in the phosphate chemical treatment bath as an anode. It is preferred to apply a voltage between the anode and the cathode that does not substantially dissolve the cathode.
이러한 방식으로 피처리물이 인산염 화성처리욕과 접촉하지 않을 경우에 대해 대책을 강구함으로써, 피처리물을 처리하지 않을 때 금속재료의 용해를 억제할 수 있다.In this way, by taking countermeasures against the case where the object is not in contact with the phosphate chemical treatment bath, dissolution of the metal material can be suppressed when the object is not treated.
인산염 화성 처리욕을 가진 욕조 (bath tank)로부터 인산염 화성처리욕의 일부를 제거하여 인산염 화성 처리욕의 일부의 액체의 에너지 상태를 열역학적으로 안정화한 후에 욕조로 순환시키는 것이 바람직하다.It is preferable to remove a portion of the phosphate chemical treatment bath from a bath tank having a phosphate chemical treatment bath to circulate into the bath after thermodynamically stabilizing the energy state of a portion of the liquid of the phosphate chemical treatment bath.
인산염 화성처리욕을 가진 욕조로부터 인산염 화성처리욕의 일부를 제거하고, 또한 피막형성 반응 도중에 인산염 화성처리시에 석출한 고형물들을 제거한 다음, 이것을 욕조로 순환시키는 것이 바람직하다.It is preferable to remove a part of the phosphate chemical treatment bath from the bath having the phosphate chemical treatment bath, and also to remove the solids precipitated during the phosphate chemical treatment during the film forming reaction, and then circulate it to the bathtub.
이 방법을 사용함으로써, 예컨대 전해반응에 의해 피처리물의 표면 이외에 질산 이온의 환원에 의해 생긴 질화물 (예컨대 NO2) 및 불가피하게 생성된 반응 생성물 (슬러지)을 처리욕으로부터 제거할 수 있다. 따라서, 피막형성 반응 이외의 과잉의 반응을 처리욕중에서 억제할 수 있다.By using this method, nitrides (e.g., NO 2 ) and inevitably generated reaction products (sludge) generated by reduction of nitrate ions in addition to the surface of an object to be processed, for example, by electrolytic reaction, can be removed from the treatment bath. Therefore, excessive reactions other than the film formation reaction can be suppressed in the treatment bath.
인산염 화성처리욕의 각 성분을 새로 보충할 때는 인산염 화성처리욕의 일부를 제거하고, 인산염 화성처리욕을 구성하는 성분들중에서 적어도 한가지 성분의 농도 보다 높은 농도의 처리욕 성분들을 함유한 보충액을, 제거된 욕에 첨가하는것이 바람직하다.When each component of the phosphate chemical treatment bath is newly replenished, a part of the phosphate chemical treatment bath is removed, and a supplement solution containing a component of the treatment bath having a concentration higher than the concentration of at least one component among the components constituting the phosphate chemical treatment bath, It is preferred to add to the removed bath.
이 방법에 의하면 처리욕을 용이하게 새로 보충할 수 있다.According to this method, the treatment bath can be easily replenished.
인산염 화성 처리욕중에 용해된 이온들이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가, 물 형태의 용매의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전위로 나타냄) 이상인 금속을 인산염 화성처리욕중에 용해시키고, 전해처리에 의하여 양이온 상태로부터 환원시켜 피처리물의 표면에서 석출시키는 반응, 및 인산염 화성처리욕중에서 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온이 인산 이온의 탈수소 반응에 따라 인산염 결정으로 석출하는 반응을 포함하는, 피처리물을 캐소드로서 사용하여 전해처리하는 전해 인산염 화성처리 방법을 제공한다.Dissolve the ions in the phosphate conversion bath to precipitate as metal, dissolving a metal with a potential above -0.83 V (represented as the hydrogen standard potential) in the phosphate conversion treatment bath A reaction of reducing from a cationic state by electrolytic treatment to precipitate on the surface of a workpiece, and a metal ions forming a complex with phosphate ions in a phosphate chemical treatment bath to precipitate as phosphate crystals upon dehydrogenation of phosphate ions; The present invention provides an electrolytic phosphate chemical treatment method in which an object to be treated is used as a cathode for electrolytic treatment.
이 처리방법에 의하면 두 가지 상이한 반응을 처리욕중에서 동시에 실시할 수 있기 때문에 피처리물의 표면에 소요의 복합피막을 형성할 수 있다.According to this treatment method, since two different reactions can be simultaneously performed in a treatment bath, a desired composite film can be formed on the surface of the workpiece.
더욱이 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온은 Fe, Zn, Mn, Ca 및 Mg로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.Furthermore, the metal ion which forms a complex with a phosphate ion is preferably at least one metal selected from the group consisting of Fe, Zn, Mn, Ca and Mg.
인산염 화성 처리욕중에 용해된 이온들이 환원되어 금속으로서 석출하는 전위가, 물 형태의 용매의 아노드 전해반응 전위인 -0.83 V (수소 표준 전위로 나타냄) 이상인 금속은 Ni, Cu, Fe 및 Zn으로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.Metals having a potential of reduced ions dissolved in the phosphate conversion bath to be precipitated as metals above -0.83 V (represented as a hydrogen standard potential), which is an anode of a water-type solvent, are represented by Ni, Cu, Fe, and Zn. Preference is given to at least one metal selected from the group above.
전해처리를 실시할 경우의 처리욕의 조성은, 인산 이온 및 인산의 농도 (g/l)에 대한, 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온의 농도 (g/l)의 비가 0.1 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.The composition of the treatment bath in the case of performing the electrolytic treatment is such that the ratio of the concentration (g / l) of the phosphate ion and the metal ion forming a complex to the concentration (g / l) of phosphate ions and phosphoric acid is 0.1 or more. It is preferable.
인산 이온 및 인산의 농도 (g/l)에 대한, 인산 이온과 착물을 형성하는 금속 이온의 농도 (g/l)의 비를 0.1 이상, 보다 바람직하게는 0.25 이상으로 함으로써 인산 (H3PO4)은 처리욕중에서 인산 이온 (H2PO4 -) 형태로 존재할 수 있으므로 캐소드 표면에서의 인산 이온의 산화반응을 억제할 수 있다. 더욱이, 이렇게 함으로써 처리욕중에 존재하는 인산을 제어할 수 있다.By the phosphate ions and the concentration of phosphate (g / l) the ratio of phosphate ions and a complexing metal ion concentration (g / l) in forming the about 0.1 or more, more preferably 0.25 or more phosphoric acid (H 3 PO 4 ) May be present in the treatment bath in the form of phosphate ions (H 2 PO 4 − ) to inhibit oxidation of phosphate ions on the cathode surface. Moreover, this makes it possible to control the phosphoric acid present in the treatment bath.
피처리물을 캐소드로 사용하여 전해처리를 하는 전해 인산염 화성처리에 있어서 전해처리를 개시할 때 아노드와 캐소드를 형성하는 금속재료 사이에 인가되는 전압을 변화시키는 것이 바람직하다.In the electrolytic phosphate chemical conversion treatment in which an object to be treated is used as a cathode and subjected to electrolytic treatment, it is preferable to change the voltage applied between the anode and the metal material forming the cathode.
더욱이 전해처리 개시때의 인가전압 변화는 펄스형태인 것이 바람직하다. 이 방법을 사용함으로써, 피처리물의 표면에서의 초기의 피막형성 단계에서 피처리물의 특정위치에서만 피막이 형성되기 시작하더라도 피막형성 위치를 전해처리 전압이 변할 때 마다 강제로 변동시킬 수 있다. 따라서, 피처리물의 표면에 피막을 균일하게 형성할 수 있다.Furthermore, it is preferable that the change of applied voltage at the start of electrolytic treatment is in the form of a pulse. By using this method, even if the film starts to be formed only at a specific position of the workpiece in the initial film formation step on the surface of the workpiece, the film formation position can be forcibly changed whenever the electrolytic treatment voltage changes. Therefore, a film can be formed uniformly on the surface of a to-be-processed object.
본 발명은 철강표면에 인산염 화합물 및 인산염을 형성하지 않는 금속으로 된 복합피막으로서, 피막을 형성하는 금속 및 인산염 화합물이 피막 전체에 걸쳐 분산되어 있는 복합피막을 제공한다.The present invention provides a composite coating comprising a phosphate compound and a metal that does not form a phosphate on a steel surface, wherein the metal and phosphate compound forming the coating are dispersed throughout the coating.
본 발명은 철강표면에 인산염 화합물 및 인산염을 형성하지 않는 금속으로 된 복합피막으로서, 인산염을 형성하지 않는 금속이 적어도 피막의 최외부 표면에 존재하는 복합피막을 제공한다.The present invention provides a composite coating comprising a phosphate compound and a metal that does not form a phosphate on a steel surface, wherein the metal that does not form a phosphate is present at least on the outermost surface of the coating.
본 발명은 철강표면에 인산염 화합물 및 인산염을 형성하지 않는 금속으로 된 복합피막으로서, 피막은 X선 회절분석에서 인산염 피이크 이외의 피이크를 나타내지 않는 복합피막을 제공한다.The present invention provides a composite film of a phosphate compound and a metal that does not form a phosphate on a steel surface, wherein the film does not exhibit peaks other than phosphate peaks in X-ray diffraction analysis.
본 발명은 철강표면에 인산염 화합물 및 인산염을 형성하지 않는 금속으로 된 복합피막으로서, 인산염을 형성하지 않는 금속의 원자수가 인산염 결정을 구성하는 인(燐) 원자수의 적어도 0.25인 복합피막을 제공한다.The present invention provides a composite film of a phosphate compound and a metal which does not form a phosphate on a steel surface, wherein the composite film having at least 0.25 of the number of phosphorus atoms constituting the phosphate crystal has an atomic number of a metal that does not form a phosphate. .
인산염을 형성하지 않는 금속으로서는 Ni, Cu, Fe 및 Zn으로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.As a metal which does not form a phosphate, at least 1 sort (s) of metal chosen from the group which consists of Ni, Cu, Fe, and Zn is preferable.
더욱이 인산염 화합물을 형성하는 금속으로서는 Fe, Zn, Mn, Ca 및 Mg로 된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이 바람직하다.Furthermore, as the metal forming the phosphate compound, at least one metal selected from the group consisting of Fe, Zn, Mn, Ca and Mg is preferable.
전체 철강을 100 중량%로 할 경우, 철강은 철 (Fe)을 적어도 95 중량% 함유하는 것이 바람직하다.When the total steel is 100% by weight, the steel preferably contains at least 95% by weight of iron (Fe).
X선 회절분석은 ESCA 혹은 EDX 분석에 의해 실시하는 것이 바람직하다.X-ray diffraction analysis is preferably performed by ESCA or EDX analysis.
본 발명의 전해 인산염 화성처리욕은 종래의 처리욕에 비하여 전해질적 경향이 크고, 따라서 피막형성 금속 이온농도가 크며, pH가 낮고, 반응에 관여하지 않는 물질의 농도가 낮은 것을 특징으로하므로 슬러지의 제거가 필요없고, 또한 슬러지를 생성하지 않는 처리욕의 투명성을 확보할 수 있기 때문에 종래의 기술에 비하여 보다 전해처리에 적합한 인산염 화성처리 기술을 제공하는 것이다.Compared with the conventional treatment bath, the electrolytic phosphate chemical treatment bath of the present invention has a higher electrolytic tendency, and thus has a high concentration of film-forming metal ions, a low pH, and a low concentration of a substance not involved in the reaction. It is possible to provide a phosphate chemical conversion treatment technique that is more suitable for electrolytic treatment than the conventional technique, because it is possible to secure the transparency of the treatment bath that does not require removal and does not generate sludge.
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