JP2017122267A

JP2017122267A - 白色アルミニウム材及びその製造方法

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Publication number: JP2017122267A
Application number: JP2016002131A
Authority: JP
Inventors: 小澤武廣; Takehiro Ozawa; 前園利樹; Toshiki Maezono; 長谷川真一; Shinichi Hasegawa
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2017-07-13

Abstract

【課題】スマートフォンやタブレットなどの筐体の構成材料に用いられ、十分な白色性及び光沢性を備えた白色アルミニウム材を提供する。
【解決手段】アルミニウム基材と、当該アルミニウム基材の表面に形成されたアノード酸化皮膜とを含も白色アルミニウム材であって、前記アルミニウム基材は０．４０μｍ以下のＲａを有し、前記アノード酸化皮膜は、アルミニウム基材側のバリヤー層とその上のポーラス層の二層からなり、当該ポーラス層は、ＭｇとＡｌの少なくともいずれかを含有する化合物を含有し、０．２μｍ以上の厚さを有するバリヤー層側の第一層と、その上にあって１〜１２μｍの厚さを有する第二層とからなり、８０以上のＬ値及び４０以上の６０度鏡面光沢度を備えることを特徴とする白色アルミニウム材及びその製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、スマートフォンやタブレットなどの筐体の構成材料に用いられる白色アルミニウム材に関する。

スマートフォンやタブレットなどの筐体の構成材料には、白色や黒色、メタリック等で着色されたプラスチックやアルミニウム材などが用いられている。白色や黒色の無彩色のものでは、高光沢であることが更に求められる。アルミニウム基材を着色するためには、化成処理後に塗装する方法や、アノード酸化後に染色や電解着色する方法などが知られている。

塗装方法の場合には、構成材料の種類や硬化条件によって膜質が変化するが、安価に膜を形成させることが可能な有機化合物を用いる場合には、耐傷付き性が劣り、使用時の外観品質が低下し易い欠点がある。

一方、アノード酸化によって形成される酸化皮膜は硬質な皮膜であるため、耐傷付き性に優れており筐体の構成材料としてアルミニウム基材を用いることが好ましい。このようにアノード酸化されたアルミニウム基材を染料浴に浸漬することにより、酸化皮膜のポーラス層に染料が吸着して着色される方法が染色である。黒色染料は可能であるが、白色染料は達成されていなかった。

次に、電解着色は、アノード酸化後に、金属塩が溶解された着色液中でアルミニウム基材を電気分解することにより、酸化皮膜のポーラス層内に金属又は金属化合物を析出させて着色する方法である。黒色の他に、白色の着色も可能であり、白色の着色に関する技術が非特許文献１や特許文献１に記載されている。

特公平６−３３５０４号公報

色材、６３［１１］６７１−６７６（１９９０）

筐体の構成材料としては、５０００系又は１０００系などのアルミニウム基材が好ましいが、非特許文献１や特許文献１に記載の方法では、十分な白色性が得られないという問題が残った。また、筐体には高光沢性も求められるが、十分な光沢性が得られないという問題も残った。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、白色性及び光沢性に優れた白色アルミニウム材の提供を目的とする。

具体的には、本発明は請求項１において、アルミニウム基材と、当該アルミニウム基材の表面に形成されたアノード酸化皮膜とを含も白色アルミニウム材であって、前記アルミニウム基材は０．４０μｍ以下のＲａを有し、前記アノード酸化皮膜は、アルミニウム基材側のバリヤー層とその上のポーラス層の二層からなり、当該ポーラス層は、Ｍｇ含有化合物とＡｌ含有化合物の少なくともいずれかを含有し、０．２μｍ以上の厚さを有するバリヤー層側の第一層と、その上にあって１〜１２μｍの厚さを有する第二層とからなり、８０以上のＬ値及び４０以上の６０度鏡面光沢度を備えることを特徴とする白色アルミニウム材とした。

本発明は請求項２では請求項１において、前記Ｒａが０．０１〜０．０４μｍであるものとした。

本発明は請求項3において、０．４μｍ以下のＲａを有するアルミニウム基材を前処理し、前処理したアルミニウム基材を硫酸水溶液中において１０Ａ／ｄｍ^２以上の電流密度で一次陽極酸化処理し、一次陽極酸化処理したアルミニウム基材をりん酸水溶液中において二次陽極酸化処理し、二次陽極酸化処理したアルミニウム基材を陰極として硫酸アルミニウムと硫酸マグネシウムを含有する水溶液中において三次電解処理することを特徴とする白色アルミニウム材の製造方法とした。

本発明は請求項４では請求項３において、前記Ｒａが０．０１〜０．０４μｍであるものとした。

本発明に係る白色アルミニウム材の製造方法において、一次陽極酸化処理の電流密度が大きいため、酸化皮膜の成長速度が速く、かつ、孔がランダムに成長する。その結果、析出サイトが増えて、Ｍｇ含有化合物とＡｌ含有化合物の少なくともいずれかが多く取り込まれるので素材の種類の影響を受けず、Ｌ値が８０以上を満たす優れた白色性光沢性を備えたアルミニウム材が得られる。

更に、素材の表面粗度を調整することにより、酸化皮膜とアルミニウム基材との界面における反射の割合が大きくなり、６０度鏡面光沢度が４０以上を満たす優れた光沢性を備えた白色アルミニウム材が得られる。

１．白色アルミニウム材
以下に、本発明を詳細に説明する。本発明に係る白色アルミニウム材は、アルミニウム基材と、当該アルミニウム基材の表面に形成されたアノード酸化皮膜とを含む。アルミニウム基材は０．４０μｍ以下のＲａを有し、アノード酸化皮膜は、アルミニウム基材側のバリヤー層とその上のポーラス層の二層からなる。このポーラス層は、Ｍｇ含有化合物とＡｌ含有化合物の少なくともいずれかを含有し、０．２μｍ以上の厚さを有するバリヤー層側の第一層と、その上にあって１〜１２μｍの厚さを有する第二層とからなる。このような構造の白色アルミニウム材は、８０以上のＬ値及び４０以上の６０度鏡面光沢度を備える。

１−１．アルミニウム基材
本発明に使用することができるアルミニウム基材としては、要求される機械的特性などに応じて種々選択することが可能であり、１０００系、５０００系などを使用することができる。

白色アルミニウム材の光沢性を高めるために、アルミニウム基材表面の表面粗さを調整する。光沢性には、アルミニウム基材、アノード酸化皮膜表面、アノード酸化皮膜内部、ならびに、アノード酸化皮膜とアルミニウム基材との界面における光の反射と吸収が影響する。これらの要因のうち特に、アルミニウム基材表面の表面粗さを小さくすることでアノード酸化皮膜とアルミニウム基材との界面における反射の割合を大きくすることで、光沢性の向上が図られる。

本発明においては、アルミニウム基材の表面粗さとしてＪＩＳＢ０６０１に規定される算術平均粗さＲａを０．４０μｍ以下とし、好ましくは０．０１〜０．０４μｍとする。アルミニウム基材表面の表面粗さは、冷間圧延工程において使用する圧延ロールの表面粗さ等を変化させることにより調整可能であり、また、物理的研磨後に電解研磨する等により調整することも可能である。上記Ｒａが０．４０μｍを超えると、電解着色後の６０度鏡面光沢度が４０未満となり表面の光沢性が劣る。算術平均粗さの測定は、接触式表面粗さ測定器又はレーザー顕微鏡を用いて、ＪＩＳＢ０６０１に準拠して行なう。

１−２．アノード酸化皮膜
本発明に係る白色アルミニウム材では、アルミニウム基材の上にアノード酸化皮膜が形成される。アノード酸化皮膜は、アルミニウム基材の表面の薄く緻密なバリヤー層と、その上のポーラス層とから構成される。ポーラス層は、バリヤー層側の第一層と、その上の第二層とから構成される。

上記第一層はりん酸皮膜からなり、皮膜厚は０．２μｍ以上である。皮膜厚が０．２μｍ未満であると、三次電解処理後におけるＬ値が８０未満となる。また、皮膜厚が０．３μｍを超えると、Ｌ値を８０以上とする白色性の効果が飽和するので、製造コストの観点から皮膜厚は０．３μｍ以下とするのが好ましい。従って、皮膜厚の好ましい範囲は、０．２〜０．３μｍである。

上記第二層は硫酸皮膜からなり、皮膜厚は１〜１２μｍである。この皮膜厚が１μｍ未満であると、三次電解処理後におけるＬ値が８０未満となる。また、アノード酸化皮膜の厚さが厚くなると光沢性が低下するが、第二層の皮膜厚が１２μｍを超えると、三次電解処理後における６０度鏡面光沢度が４０未満となる。なお、第二層の皮膜厚は、好ましくは２〜１０μｍである。ポーラス層は第一層と第二層とから構成されるので、ポーラス層全体の厚さは、第一層と第二層の和となる。

アノード酸化皮膜のポーラス層には、Ｍｇ含有化合物とＡｌ含有化合物の少なくともいずれかが含有される。三電解処理に用いる電解浴中に、アルミニウムイオン（Ａｌ^３＋）とマグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）の少なくともいずれかを含有させておくことによって、三次電解処理時においてこれらのイオンがポーラス層に移動し、化学反応によって水酸化物や酸化物となってポーラス層中に析出する。このような析出物が白色であるため、アルミニウム材が白色に着色される。

上記バリヤー層の厚さは、好ましくは０．０１〜０．０４μｍであり、より好ましくは０．０２〜０．０３μｍである。バリヤー層の厚さが、０．０１μｍ未満では耐食性が劣る場合がある。一方、この厚さが、０．０４μｍを超えるとコストが高くなる場合がある。なお、バリヤー層とポーラス層の厚さの和が、アノード酸化皮膜の厚さとなる。

アノード酸化皮膜におけるバリヤー層及びポーラス層の厚さ、ならびに、ポーラス層における第一層と第二層の厚さは、アノード酸化皮膜の断面をＦＥ−ＳＥＭ（電界放射型走査電子顕微鏡）又はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察することによって測定される。

１−３．Ｌ値及び光沢度
本発明に係る白色アルミニウム材は、８０以上のＬ値と、４０以上の６０度鏡面光沢度を有する。Ｌ値が８０未満では、十分な白色性が得られない。Ｌ値は、好ましくは４５以上である。Ｌ値は高ければ高い程好ましいが、アノード酸化皮膜のポーラス層には、白色に着色されない孔壁があるため、９０が上限値となる。一方、６０度鏡面光沢度が４０未満では、十分な光沢性が得られない。この光沢度は、好ましくは４５以上である。光沢度は高ければ高いほど好ましく、皮膜厚を薄くすることで高めることは可能である。しかしながら、皮膜厚を薄くするとＬ値が小さくなるため、Ｌ値とのバランスを考慮する必要がある。本発明では、上記光沢度の上限値は７０とする。Ｌ値は、分光測色計により測定される。６０度鏡面光沢度は、光沢計により測定される。

２．白色アルミニウム材の製造方法
本発明に係る白色アルミニウム材は、以下のようにして製造される。まず、４μｍ以下のＲａを有するアルミニウム基材を前処理する。次に、前処理したアルミニウム基材を硫酸水溶液中において１０Ａ／ｄｍ^２以上の電流密度で一次陽極酸化処理する。一次陽極酸化処理したアルミニウム基材は、りん酸水溶液中において二次陽極酸化処理する。更に、二次陽極酸化処理したアルミニウム基材は、これを陰極としてアルミニウムイオンとマグネシウムイオンの少なくともいずれかを含有する水溶液中において三次電解処理する。

２−１．前処理
アルミニウム基材の前処理は、脱脂後に、エッチングし、更にデスマットすることが好ましい。脱脂条件については特に制限はないが、例えば、２０〜４０℃に加温した８〜１２％の硝酸水溶液中に１０〜２０分間浸漬される。エッチング条件についても特に制限はないが、例えば、４６〜５３℃に加温した４〜６％の水酸化ナトリウム水溶液中に２〜３分間浸漬される。デスマット条件についても特に制限はないが、例えば、２０〜４０℃で８〜１２％の硝酸水溶液中に１〜２分間浸漬される。

一次陽極酸化処理は、アルミニウム基材を陽極とし、黒鉛などを陰極として、硫酸水溶液中で電解が実施される。この一次陽極酸化処理により、ポーラス層の第二層が形成される。一次陽極酸化処理における電流密度は、１０Ａ／ｄｍ^２以上とし、好ましくは１２Ａ／ｄｍ^２以上とする。１０Ａ／ｄｍ^２未満では、アノード酸化皮膜の成長速度が遅くＬ値が８０未満と小さくなる。なお、２０Ａ／ｄｍ^２を超えると、電流密度が過大になるため、アノード酸化皮膜表面でスパークが発生し、アノード酸化皮膜自体が破壊され易くなる場合がある。従って、一次陽極酸化処理における電流密度は、１０〜２０Ａ／ｄｍ^２とするのが好ましい。他の電解条件に関して特に制限はないが、硫酸水溶液の濃度は１４〜１６ｍａｓｓ％とするのが好ましく、温度は１０〜３０℃とするのが好ましい。また、電解の直流定電圧は、１０〜３０Ｖとするのが好ましい。ここで、第二層の厚さは、電解時間によって調整される。電解時間は、電流密度、電解電圧、硫酸水溶液の濃度と温度などに依存するが、１０〜６０分とするのが好ましい。

二次陽極酸化処理は、アルミニウム基材を陽極とし、黒鉛などを陰極として、りん酸水溶液中で電解が実施される。この二次陽極酸化処理により、ポーラス層の第一層が形成される。電解条件に関して特に制限はないが、りん酸水溶液の濃度は８〜１２ｍａｓｓ％とするのが好ましく、温度は１５〜２５℃とするのが好ましい。また、電解の直流定電圧は、１５〜２５Ｖとするのが好ましい。ここで、第一層の厚さは、電解時間によって調整される。電解時間は、電流密度、電解電圧、りん酸水溶液の濃度と温度などに依存するが、５〜２０分とするのが好ましい。

三次電解処理は、アルミニウム基材を陰極とし、黒鉛などを陽極として、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンの少なくともいずれかを含有する水溶液中で実施される。この三次電解処理により、ポーラス層の孔の中に、ＭｇとＡｌの少なくともいずれかを含有する化合物を析出させる。電解条件に関して特に制限はないが、アルミニウムイオンとマグネシウムイオンの濃度は、０．０５〜０．１４ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましく、温度は１８〜２２℃とするのが好ましい。また、電解の直流定電圧は、１８〜２２Ｖとするのが好ましい。ここで、Ｍｇ含有化合物とＡｌ含有化合物の少なくともいずれかの析出量は、電解時間によって調整される。電解時間は、電流密度、電解電圧、アルミニウムイオンやマグネシウムイオンの濃度、電解水溶液の温度などに依存するが、１〜２分とするのが好ましい。なお、アルミニウムイオンやマグネシウムイオンは、例えば、硫酸アルミニウムや硫酸マグネシウムなどの水溶性塩を水に溶解することにより得られる。

以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明は、そのような実施例の記載によって何等の制約をも受けるものでない。

実施例１〜８及び比較例１〜５
冷間圧延時の圧延ロールの表面粗度を適宜調整し、アルミニウム基材表面の表面粗さを調整して、板厚０．５ｍｍの１１００−Ｈ２４のアルミニウム基材板の試料を作製した。試料表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を接触式表面粗さ測定器により測定し、結果を表１に示す。

次に、以下のようにして試料を前処理した。まず、３０℃に加温した１０％の硝酸水溶液中に試料を２０分間浸漬して脱脂した。これを水洗した後に、５０℃に加温した５％の水酸化ナトリウム水溶液中に３分間浸漬してエッチングした。これを水洗した後に、３０℃に加温した１０％の硝酸水溶液中に１分間浸漬してデスマットして、水洗した。

以下のようにして、前処理した試料を一次陽極酸化処理した。試料を陽極とし黒鉛電極を陰極として両電極を、２０℃で１５ｍａｓｓ％の硫酸水溶液中に浸漬し、直流で一次陽極酸化処理を実施した。電解処理における電流密度を表１に示す。他の電解条件は、電解の直流定電圧は１５Ｖとし、電解時間は３３分とした。

以下のようにして、一次陽極酸化処理した試料を二次陽極酸化処理した。試料を陽極とし黒鉛電極を陰極として両電極を、２０℃で１０ｍａｓｓ％のりん酸水溶液中に浸漬し、直流で二次陽極酸化処理を実施した。他の電解条件は、電解の直流定電圧は１６Ｖとし、電解時間は１０分とした。

以下のようにして、二次陽極酸化処理した試料を三次電解処理した。試料を陰極とし黒鉛電極を陽極として両電極を、２０℃で０．１ｍｏｌ／Ｌの硫酸アルミニウムと０．１ｍｏｌ／Ｌの硫酸マグネシウムを含有する水溶液中に浸漬し、直流で三次電解酸化処理を実施した。他の電解条件は、電解の直流定電圧は２０Ｖとし、電解時間は２分とした。

三次電解処理後に得られた試料の厚さ方向に沿った断面についてＦＥ−ＳＥＭを用いて、アノード酸化皮膜におけるバリヤー層及びポーラス層の厚さ、ならびに、ポーラス層における第一層と第二層の厚さを測定した。なお、測定箇所は任意に１０箇所選択し、これら１０箇所の測定値の算術平均値を算出した。結果を表１に示す。なお、ポーラス層の厚さは第一層と第二層の和であるので、表１には記載していない。また、何れの試料においてもポーラス層の孔に析出物が認められ、元素分析によりＡｌとＭｇが検出された。

更に、三次電解処理後に得られた試料について、分光測色計でＬ値を、光沢度計で６０度鏡面光沢度を測定した。結果を表１に示す。

実施例１〜８では、アルミニウム基材は０．４０μｍ以下のＲａを有し、アノード酸化皮膜は、バリヤー層とその上のポーラス層の二層から構成されていた。そして、ポーラス層は、ＭｇとＡｌの少なくともいずれかを含有する化合物を含有し、０．２μｍ以上の厚さを有するバリヤー層側の第一層と、その上にあって１〜１２μｍの厚さを有する第二層とから構成されていた。その結果、８０以上のＬ値及び４０以上の６０度鏡面光沢度を備えていた。

比較例１では、第一層の厚さが薄過ぎたため、Ｌ値が小さ過ぎた。

比較例２では、第二層の厚さが薄過ぎたため、Ｌ値が小さ過ぎた。

比較例３では、第二層の厚さが厚過ぎたため、６０度鏡面光沢度が小さ過ぎた。

比較例４では、一次陽極酸化処理の電流密度が小さ過ぎたため、Ｌ値が小さ過ぎた。

比較例５では、アルミニウム基材のＲａが大き過ぎたため、６０度鏡面光沢度が小さ過ぎた。

本発明に係る白色アルミニウム材は、十分な白色性及び光沢性を備えており、スマートフォンやタブレットなどの筐体の構成材料に好適に用いられる。

Claims

アルミニウム基材と、当該アルミニウム基材の表面に形成されたアノード酸化皮膜とを含も白色アルミニウム材であって、前記アルミニウム基材は０．４０μｍ以下のＲａを有し、前記アノード酸化皮膜は、アルミニウム基材側のバリヤー層とその上のポーラス層の二層からなり、当該ポーラス層は、Ｍｇ含有化合物とＡｌ含有化合物の少なくともいずれかを含有し、０．２μｍ以上の厚さを有するバリヤー層側の第一層と、その上にあって１〜１２μｍの厚さを有する第二層とからなり、８０以上のＬ値及び４０以上の６０度鏡面光沢度を備えることを特徴とする白色アルミニウム材。
前記Ｒａが０．０１〜０．０４μｍである、請求項１に記載の白色アルミニウム材。
０．４μｍ以下のＲａを有するアルミニウム基材を前処理し、前処理したアルミニウム基材を硫酸水溶液中において１０Ａ／ｄｍ^２以上の電流密度で一次陽極酸化処理し、一次陽極酸化処理したアルミニウム基材をりん酸水溶液中において二次陽極酸化処理し、二次陽極酸化処理したアルミニウム基材を陰極として硫酸アルミニウムと硫酸マグネシウムを含有する水溶液中において三次電解処理することを特徴とする白色アルミニウム材の製造方法。
前記Ｒａが０．０１〜０．０４μｍである、請求項３に記載の白色アルミニウム材の製造方法。