JP6278882B2 - 表面処理アルミニウム合金板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は表面処理が施された表面処理アルミニウム合金板およびその製造方法に関する。

周知の通り、従来から、自動車、船舶、航空機あるいは車両等の輸送機、機械、電気製品、建築、構造物、光学機器、器物の部材や部品用として、各種アルミニウム合金板が、合金毎の各特性に応じて汎用されている。そして、近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車車体の軽量化による燃費の向上が追求されていることから、従来使用されていた鉄鋼材料に代わって、比重が鉄の約１／３であり、優れたエネルギー吸収性を有するアルミニウム合金板の自動車車体への使用が増加している。

アルミニウム合金板を自動車パネルとして用いる場合には、成形性、溶接性、接着性、化成処理性、塗装後の耐食性、美観等が要求される。アルミニウム合金板を用いて自動車パネルを製造する方法は、１）成形（所定寸法への切り出し、所定形状へのプレス成形）、２）接合（溶接および／または接着）、３）化成処理（洗浄剤による脱脂→表面調整→リン酸亜鉛処理）、４）塗装（電着塗装による下塗り→中塗り→上塗り）、であり、従来の鋼板を用いる場合と基本的に同じである。

一方で、自動車部品のモジュール化が進行しつつあり、アルミニウム合金板自体が製造されてから、前記の自動車パネルの製造工程や車体製造工程に入るまでの期間がこれまでより長くなる傾向がある。自動車部品のモジュール化とは、自動車メーカーにおいて車体に直接取り付けていた個々の部品を、部品会社において事前にサブアセンブリーしてから車体に取り付ける方法である。自動車メーカーにおける難作業を簡素化して生産効率を上げることが主な目的であり、生産工程の短縮、仕掛品を削減する効果もある。自動車部品のモジュール化により、部品会社の負担は増加するが、自動車会社と部品会社の全体としてのコスト低減に効果があり、結果的に自動車のコスト削減に寄与している。

そして、アルミニウム合金板自体が製造されてから前記の製造工程に入るまでの期間がこれまでより長くなるため、アルミニウム合金板の表面保護の観点から、アルミニウム合金板に防錆油を塗油する処理が行われる。しかし、このような場合、どうしてもアルミニウム合金板の表面特性が経時変化し、アルミニウム合金板の脱脂性、化成処理性へ悪影響を及ぼすことが問題となっている。すなわち、アルミニウム合金板の表面特性の経時変化に伴い、化成処理時の脱脂性が悪化し、化成処理皮膜が付着し難くなり、結果的に塗装後の耐食性に影響を及ぼすこととなる。加えて、接着剤で接合したアルミニウム合金製自動車パネルでは、使用中に水分や酸素、あるいは塩分等が接合部に侵入することで、接着剤とアルミニウム合金板との界面が経時劣化して界面剥離が発生し、接着強度が低下することが問題となっている。

このため、従来、アルミニウム合金板の表面に形成された酸化皮膜、特にＭｇを含有する酸化皮膜を洗浄等で除去することによって、脱脂性、化成処理性および接着性を向上させることが行われている（例えば、特許文献１〜５参照）。しかしながら、酸化皮膜を完全に除去することは難しく、表面特性の経時変化が少ない表面安定性に優れたものを得ることは困難であった。また、酸化皮膜を完全に除去するには強力に洗浄する必要があるため、生産性に劣り、経済的ではなかった。

そこで、アルミニウム合金板の酸化皮膜のＭｇ量とＯＨ量を調整し、酸化皮膜の調整後１４日以内に防錆油を塗油することが行われている（例えば、特許文献６参照）。また、アルミニウム合金板の表面に、リン酸塩皮膜とその上に形成された酸化アルミニウム膜とからなる表面皮膜を形成し、この表面皮膜（酸化アルミニウム膜）の上に防錆油を塗油することも行われている（例えば、特許文献７参照）。

特開平０６−２５６９８０号公報 特開平０６−２５６８８１号公報 特開平０５−０７０７４１号公報 特開平０４−２１４８３５号公報 特開平０２−１１５３８５号公報 特開２００６−２００００７号公報 特許第２７４４６９７号公報

しかしながら、アルミニウム合金板の表面特性の経時変化は、アルミニウム合金板の製造直後から一週間程度までの変化量が最も大きく、その後の変化は比較的少ない。したがって、特許文献６に記載されたアルミニウム合金板においては、表面調整後１４日以内に防錆油を塗油するため、アルミニウム合金板の表面保護が不十分となる場合があり、目的とする脱脂性、化成処理性および接着性が得られないという問題がある。また、特許文献７に記載されたアルミニウム合金板においても、その表面皮膜の構成が塗油後一週間放置したサンプル評価結果によって特定されるものであるため、目的とする脱脂性、化成処理性および接着性が得られないという問題がある。

本発明は、前記課題を解決するものであり、アルミニウム合金板自体が製造されてから自動車パネル等の製造工程に入るまでの期間が長くなっても、脱脂性、化成処理性および接着性に優れる表面処理アルミニウム合金板およびその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板は、アルミニウム合金からなる基板と、前記基板の表面に形成された酸化皮膜と、前記酸化皮膜の表面に形成されたジルコニウムを含有するジルコニウム系皮膜と、前記ジルコニウム系皮膜の表面に形成されたビニルホスホン酸を含有するビニルホスホン酸系皮膜と、を備える表面処理アルミニウム合金板であって、前記酸化皮膜は、膜厚が１〜３０ｎｍであり、前記ジルコニウム系皮膜は、前記酸化皮膜に対する付着量が二酸化ジルコニウム換算量で０．０１〜２５ｍｇ／ｍ^２であり、前記ビニルホスホン酸系皮膜は、膜厚が０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする。

このような構成によれば、基板の表面に形成された所定膜厚の酸化皮膜と、酸化皮膜の表面に形成された所定付着量のジルコニウムを含有するジルコニウム系皮膜と、ジルコニウム系皮膜の表面に形成された所定膜厚のビニルホスホン酸系皮膜と、を備えることで、従来行われていた酸洗浄等を行わずに、脱脂性、化成処理性および接着性が向上する。特に、ジルコニウム系皮膜において、二酸化ジルコニウム換算量で規定する付着量が所定範囲であることで、ジルコニウム系皮膜が防錆油の吸着を抑制するため、化成処理工程における脱脂時に防錆油およびプレス油が十分に除去でき、良好な水濡れ性が維持される。その結果、脱脂不良（水濡れ性不良）に起因した化成処理ムラの発生が抑制される。加えて、ジルコニウム系皮膜と酸化皮膜が強固に結合されているため、表面処理アルミニウム合金板と接着剤との間で界面剥離が発生することが抑制される。

本発明に係る表面処理アルミニウム合金板の製造方法は、圧延によってアルミニウム合金からなる基板を作製する基板作製工程と、前記基板を４００〜５８０℃に加熱して前記基板の表面に酸化皮膜を形成する加熱工程と、前記酸化皮膜が形成された前記基板を冷却して、前記酸化皮膜の表面にジルコニウム系皮膜を形成する冷却工程と、前記ジルコニウム系皮膜の表面にビニルホスホン酸を含有する水溶液を接触させて、前記ジルコニウム系皮膜の表面にビニルホスホン酸系皮膜を形成するビニルホスホン酸系皮膜形成工程と、を含み、前記冷却工程において、濃度が０．００５〜５ｇ／Ｌであり、ｐＨが０〜５の二硝酸酸化ジルコニウム水溶液を冷却液として用いることを特徴とする。また、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板の製造方法は、前記基板が熱処理型アルミニウム合金からなり、前記加熱工程が前記基板に溶体化処理を施す溶体化処理工程であって、前記冷却工程が前記酸化皮膜が形成された前記基板に焼入処理を施す焼入工程であることが好ましい。

このような手順によれば、所定温度で加熱する加熱工程を行うことで、基板の表面に所定膜厚の酸化皮膜が形成されると共に、表面処理アルミニウム合金板の強度が調整される。また、所定の硝酸ジルコニウム（正式名：二硝酸酸化ジルコニウム、慣用名：オキシ硝酸ジルコニウム、硝酸ジルコニル、硝酸ジルコン等）水溶液で冷却する冷却工程を行うことで、酸化皮膜の表面に所定付着量のジルコニウム系皮膜が形成される。また、ジルコニウム系皮膜が形成された基板をビニルホスホン酸を含有する水溶液（以下、適宜、ビニルホスホン酸水溶液という）を用いて処理することで、所定膜厚のビニルホスホン酸系皮膜が形成される。なお、熱処理型アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（２０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（７０００系）が知られている。

本発明の表面処理アルミニウム合金板は、脱脂性、化成処理性および接着性に優れる。
また、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板の製造方法は、脱脂性、化成処理性および接着性に優れる表面処理アルミニウム合金板を製造できる。また、本発明に係る製造方法は、従来行われていた酸洗浄等を省略できるため、コストダウンを図ることができる。

本発明に係る表面処理アルミニウム合金板の構成を示す断面図である。 本発明に係る表面処理アルミニウム合金板の製造方法を示す工程フローである。

≪表面処理アルミニウム合金板≫
以下、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板について、図１を参照して具体的に説明する。図１に示すように、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板１０は、基板１と、この基板１の表面に形成された酸化皮膜２と、この酸化皮膜２の表面に形成されたジルコニウムを含有するジルコニウム系皮膜３と、このジルコニウム系皮膜３の表面に形成されたビニルホスホン酸を含有するビニルホスホン酸系皮膜４と、を備える。そして、酸化皮膜２の膜厚、ジルコニウム系皮膜３の付着量、ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚を規定したものである。
なお、ここで、基板１の表面とは、基板１の表面の少なくとも一面を意味し、いわゆる表面、裏面が含まれる。
以下、各構成について説明する。

＜基板＞
基板１は、アルミニウム合金からなり、その板厚は表面処理アルミニウム合金板１０の用途に応じて適宜設定される。また、基板１の材料となるアルミニウム合金も、表面処理アルミニウム合金板１０の用途に応じて、ＪＩＳに規定される、またはＪＩＳに近似する種々の非熱処理型アルミニウム合金または熱処理型アルミニウム合金から適宜選択される。なお、非熱処理型アルミニウム合金は、純アルミニウム（１０００系）、Ａｌ−Ｍｎ系合金（３０００系）、Ａｌ−Ｓｉ系合金（４０００系）およびＡｌ−Ｍｇ系合金（５０００系）であり、熱処理型アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（２０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系）およびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（７０００系）である。

具体例を挙げると、表面処理アルミニウム合金板を自動車用に用いる場合では、０．２％耐力が１００ＭＰａ以上の高強度の基板であることが好ましい。このような特性を満足する基板を構成するアルミニウム合金としては、通常、この種の構造部材用途に汎用される、５０００系、６０００系、７０００系等の耐力が比較的高い汎用合金であって、必要により調質されたアルミニウム合金が好適に用いられる。優れた時効硬化能や合金元素量が比較的少なくスクラップのリサイクル性や成形性にも優れている点では、６０００系アルミニウム合金を用いることが好ましい。

好適なアルミニウム合金の組成の一例として、Ｍｇ：０．２〜１．５質量％、Ｓｉ：０．３〜２．３質量％、Ｃｕ：１．０質量％以下を含有し、さらに必要に応じて、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｂ：０．０６質量％以下、Ｂｅ：０．２質量％以下、Ｍｎ：０．８質量％以下、Ｃｒ：０．４質量％以下、Ｆｅ：０．５質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以下、Ｖ：０．２質量％以下から選択される１種以上を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金が挙げられる。各元素の数値限定理由は以下のとおりである。

（Ｍｇ：０．２〜１．５質量％）
Ｍｇは、強度を向上させる効果がある。Ｍｇの含有量が０．２質量％以上であれば、強度向上の効果が大きい。一方、Ｍｇの含有量が１．５質量％以下であれば、成形性が向上しやすくなる。

（Ｓｉ：０．３〜２．３質量％）
Ｓｉは、強度を向上させる効果がある。Ｓｉの含有量が０．３質量％以上であれば、強度向上の効果が大きい。一方、Ｓｉの含有量が２．３質量％以下であれば、成形性、熱間圧延性が向上しやすくなる。

（Ｃｕ：１．０質量％以下）
Ｃｕは、強度を向上させる効果がある。Ｃｕの含有量が１．０質量％以下であれば、耐食性が向上しやすくなる。好ましくは、０．１質量％以上である。

（Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｂ：０．０６質量％以下、Ｂｅ：０．２質量％以下、Ｍｎ：０．８質量％以下、Ｃｒ：０．４質量％以下、Ｆｅ：０．５質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以下、Ｖ：０．２質量％以下から選択される１種以上）

Ｔｉは、鋳塊の結晶粒を微細にし、成形性を向上させる効果がある。Ｔｉの含有量が０．１質量％以下であれば、粗大な晶出物の形成が抑制され、成形性が向上しやすくなる。
Ｂは、鋳塊の結晶粒や晶出物を微細にし、成形性を向上させる効果がある。Ｂの含有量が０．０６質量％以下であれば、粗大な晶出物が抑制され、成形性が向上しやすくなる。なお、Ｔｉ、Ｂの合計量は０．０９質量％以下であることが好ましい。

Ｂｅは、熱間圧延性および成形性を向上させる効果がある。しかし、Ｂｅの含有量が０．２質量％を超えると、効果が飽和する。
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｖは、強度を向上させる効果がある。含有量がそれぞれ、０．８質量％、０．４質量％、０．５質量％、０．２質量％、０．２質量％以下であれば、粗大な晶出物が抑制され、成形性が向上しやすくなる。なお、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｖの合計量は１．０質量％以下であることが好ましい。

＜酸化皮膜＞
酸化皮膜２は、基板１の表面に形成される凸凹状の多孔質皮膜であり、基板１が６０００系合金からなる場合には、酸化マグネシウムを主成分とする皮膜である。
そして、酸化皮膜２は、表面処理アルミニウム合金板１０の製造過程における熱処理等により、基板１の表面に不可避的に形成されるものである。酸化皮膜２の膜厚は１〜３０ｎｍである。酸化皮膜２の膜厚は、表面処理アルミニウム合金板１０の製造過程（加熱工程）における加熱温度によって制御する。

（膜厚：１〜３０ｎｍ）
酸化皮膜２の膜厚が１ｎｍ未満では、防錆油およびプレス油中のエステル成分の吸着が抑制されるため、ジルコニウム系皮膜３およびビニルホスホン酸系皮膜４が無くても脱脂性、化成処理性および接着性は確保されるが、膜厚を１ｎｍ未満に制御するには酸洗浄等が必要となる。そのため、生産性に劣り、実用的ではない。一方、酸化皮膜２の膜厚が３０ｎｍを超えると、ジルコニウム系皮膜３およびビニルホスホン酸系皮膜４を設けても、脱脂性、化成性、接着性を確保することができない。酸化皮膜２の膜厚は、脱脂性、化成性、接着性をより向上させやすくする観点から、好ましくは２０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下である。

＜ジルコニウム系皮膜＞
ジルコニウム系皮膜３は、酸化皮膜２の表面に形成された皮膜である。ジルコニウム系皮膜３は、ジルコニウムを含有し、酸化皮膜２に対する付着量が二酸化ジルコニウム換算量で０．０１〜２５ｍｇ／ｍ^２の皮膜である。ジルコニウム系皮膜３の付着量は、表面処理アルミニウム合金板１０の製造過程（冷却工程）における硝酸ジルコニウム水溶液の濃度およびｐＨによって制御する。

（付着量：二酸化ジルコニウム換算量で０．０１〜２５ｍｇ／ｍ^２）
ジルコニウム系皮膜３の付着量が０．０１ｍｇ／ｍ^２未満では、凹凸状の酸化皮膜２を十分にカバーしきれず、また、酸化皮膜２を十分にカバーできても、ジルコニウム系皮膜３中のＺｒ成分が不足するため、脱脂性、化成処理性および接着性が確保できない。一方、ジルコニウム系皮膜３を２５ｍｇ／ｍ^２を超えて付着させても、脱脂性の向上効果は飽和し、生産コストが高くなる。ジルコニウム系皮膜３の付着量は、酸化皮膜２をよりカバーしやすくしたり、ジルコニウム系皮膜３中のＺｒ成分をより十分なものとしたりする観点から、好ましくは二酸化ジルコニウム換算量で０．１ｍｇ／ｍ^２以上、より好ましくは１ｍｇ／ｍ^２以上である。また、付着量を抑えて生産性をより向上させる観点から、好ましくは二酸化ジルコニウム換算量で１０ｍｇ／ｍ^２以下、より好ましくは５ｍｇ／ｍ^２以下である。

＜ビニルホスホン酸系皮膜＞
ビニルホスホン酸系皮膜４は、ジルコニウム系皮膜３の表面に形成されたビニルホスホン酸を含有する皮膜である。表面処理アルミニウム合金板１０は、ビニルホスホン酸系皮膜４を備えることで、接着性を向上させることができる。
また、ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚は０．１〜１０ｎｍである。ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚は、表面処理アルミニウム合金板１０の製造過程（ビニルホスホン酸系皮膜形成工程）での条件によって制御する。

（膜厚：０．１〜１０ｎｍ）
ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚が０．１ｎｍ未満では、充分なアンカー効果が得られず、接着性を確保することができない。一方、１０ｎｍを超える膜厚としても、その効果は飽和し、生産コストが高くなる。したがって、ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚は０．１〜１０ｎｍとする。ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚は、ビニルホスホン酸系皮膜４の生成をより容易にする観点から、また、接着性をより向上させやすくする観点から、好ましくは１ｎｍ以上である。また、膜厚を薄くして生産性をより向上させる観点から、好ましくは５ｎｍ以下である。

酸化皮膜２の膜厚の測定方法としては、例えば、高周波グロー放電発光分光分析（Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下、ＧＤ−ＯＥＳと称す）によって測定することができる。具体的には、ＧＤ−ＯＥＳにより測定した、深さ方向プロファイルでの酸素最大濃度の半値の時の深さを複合皮膜（酸化皮膜２とジルコニウム系皮膜３の合計）厚さとし、Ｚｒ濃度が０．１原子％まで低下した時の深さをジルコニウム系皮膜３の厚さと規定することができる。そして、複合皮膜の膜厚からジルコニウム系皮膜３の膜厚を引いた値を酸化皮膜２の膜厚と規定することができる。しかしながら、測定方法は、ＧＤ−ＯＥＳと同精度を持つ測定方法であれば、ＧＤ−ＯＥＳに限定されるものではない。

ジルコニウム系皮膜３の付着量の測定方法としては、例えば、蛍光Ｘ線によって測定することができる。具体的には、蛍光Ｘ線によってジルコニウム系皮膜３中のジルコニウムを定量し、その値を二酸化ジルコニウム量に換算して、ジルコニウム系皮膜３の付着量とする。しかしながら、測定方法は、蛍光Ｘ線と同精度を持つ測定方法であれば、蛍光Ｘ線に限定されるものではない。

ビニルホスホン酸系皮膜４の膜厚の測定方法としては、例えば、ＧＤ−ＯＥＳによって測定することができる。具体的には、ＧＤ−ＯＥＳにより測定した、深さ方向プロファイルでの酸素濃度が１５原子％を下回る深さから、ビニルホスホン酸系皮膜４のリン濃度（原子％）が最大値の１／１０を下回る深さを差し引いた値とすることができる。しかしながら，測定法は、ＧＤ−ＯＥＳと同精度を持つ測定法であれば、ＧＤ−ＯＥＳに限定されるものではない。

≪表面処理アルミニウム合金板の製造方法≫
次に、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板の製造方法について、図２を参照して説明する。なお、表面処理アルミニウム合金板の構成については、図１を参照する。

表面処理アルミニウム合金板１０の製造方法は、基板作製工程Ｓ１と、加熱工程Ｓ２と、冷却工程Ｓ３と、ビニルホスホン酸系皮膜形成工程Ｓ４と、を含むものである。そして、加熱工程Ｓ２における加熱温度と、冷却工程Ｓ３における硝酸ジルコニウム水溶液の濃度およびｐＨを規定したものである。
以下、各工程について説明する。

＜基板作製工程＞
基板作製工程Ｓ１は、圧延によって基板１を作製する工程である。具体的には、以下のような手順で基板１を作製することが好ましい。

所定の組成を有するアルミニウム合金を連続鋳造により溶解、鋳造して鋳塊を製造し（溶解鋳造工程）、前記製造された鋳塊に均質化熱処理を施す（均質化熱処理工程）。次に、前記均質化熱処理された鋳塊に、熱間圧延を施して熱延板を製造する（熱間圧延工程）。次いで、熱延板に３００〜５８０℃で荒焼鈍または中間焼鈍を行い、最終冷間圧延率５％以上の冷間圧延を少なくとも１回施して、所定の板厚の冷延板（基板１）を製造する（冷間圧延工程）。荒焼鈍または中間焼鈍の温度を３００℃以上とすることで、成形性向上の効果がより発揮され、５８０℃以下とすることで、バーニングの発生による成形性の低下を抑制しやすくなる。最終冷間圧延率を５％以上とすることで、成形性向上の効果がより発揮される。最終冷間圧延率は９０％以下であることが好ましい。なお、均質化熱処理、熱間圧延の条件は、特に限定されるものではなく、熱延板を通常得る場合の条件でよい。また、中間焼鈍は行わなくてもよい。

＜加熱工程＞
加熱工程Ｓ２は、基板１を４００〜５８０℃に加熱して、基板１の表面に酸化皮膜２を形成する工程である。また、加熱工程Ｓ２は、表面処理アルミニウム合金板１０の強度を調整する工程でもある。なお、加熱工程Ｓ２は、加熱速度１００℃／分以上の急速加熱とすることが好ましい。また、加熱速度は５００℃／分以下であることが好ましい。

そして、加熱工程Ｓ２は、基板１が熱処理型アルミニウム合金からなる場合には溶体化処理工程であって、基板１が非熱処理型アルミニウム合金からなる場合には、焼鈍工程（最終焼鈍工程）における加熱工程である。

（加熱温度：４００〜５８０℃）
加熱温度４００℃以上に急速加熱することで、表面処理アルミニウム合金板１０の強度、および、その表面処理アルミニウム合金板１０の塗装後加熱（ベーキング）した後の強度がより高くなる。加熱温度５８０℃以下に急速加熱することで、バーニングの発生による成形性の低下が抑制される。また、加熱温度４００〜５８０℃で加熱することで、基板１の表面に所定膜厚（１〜３０ｎｍ）の酸化皮膜２が形成される。なお、強度を向上させる観点から、保持時間は、３〜３０秒が好ましい。

＜冷却工程＞
冷却工程Ｓ３は、酸化皮膜２が形成された基板１を冷却して、酸化皮膜２の表面にジルコニウム系皮膜３を形成する、すなわち、冷却処理と表面処理とを同時に行なう工程である。なお、冷却工程Ｓ３は、冷却速度１００℃／分以上で１００℃まで急速冷却することが好ましい。１００℃までの冷却速度を１００℃／分以上とすることで、成形性の低下がより抑制されると共に、ベーキング後の強度がより高くなる。また、１００℃までの冷却速度は５００℃／分以下であることが好ましい。

そして、冷却工程Ｓ３は、基板１が熱処理型アルミニウム合金からなる場合には焼入処理工程であって、基板１が非熱処理型アルミニウム合金からなる場合には、焼鈍工程（最終焼鈍工程）における冷却工程である。

冷却工程Ｓ３では、冷却液として、濃度が０．００５〜５ｇ／Ｌであり、ｐＨが０〜５の硝酸ジルコニウム水溶液を用いる。また、冷却工程Ｓ３では、冷却時間が１〜３０秒であることが好ましい。この冷却工程Ｓ３では、例えば、酸化皮膜が形成された基板１に対して、シャワーや噴霧することで硝酸ジルコニウム水溶液を吹き付けることや、または、硝酸ジルコニウム水溶液中を通過させることにより、基板１の冷却を行なうようにしている。なお、用いる硝酸ジルコニウムの種類（製造元など）は本発明の目的にあわせて適宜選択すればよい。

（濃度：０．００５〜５ｇ／Ｌ）
冷却液として所定濃度の硝酸ジルコニウム水溶液を用いることで、ジルコニウム系皮膜３の付着量が所定範囲（二酸化ジルコニウム換算量：０．０１〜２５ｍｇ／ｍ^２）となる。硝酸ジルコニウム水溶液の濃度が０．００５ｇ／Ｌ未満では、ジルコニウム系皮膜３の付着量が少なく（二酸化ジルコニウム換算量で０．０１ｍｇ／ｍ^２未満）、表面処理アルミニウム合金板１０の脱脂性、化成処理性および接着性が確保できない。一方、濃度が５ｇ／Ｌを超えると、ジルコニウム系皮膜３の付着量が多く（二酸化ジルコニウム換算量で２５ｍｇ／ｍ^２を超える）、脱脂性の向上効果が飽和し、生産コストが高くなる。硝酸ジルコニウム水溶液の濃度は、ジルコニウム系皮膜３の付着量をより十分なものとする観点から、好ましくは０．０２５ｇ／Ｌ以上、より好ましくは０．０５ｇ／Ｌ以上である。また、ジルコニウム系皮膜３の付着量を抑えて生産性をより向上させる観点から、好ましくは０．５ｇ／Ｌ以下、より好ましくは０．２５ｇ／Ｌ以下である。

（ｐＨ：０〜５）
ｐＨがマイナスになる場合は強酸になるため、製造設備に悪影響を与える等の理由から、本発明で用いる硝酸ジルコニウム水溶液についてはそのようなケースは想定せず、冷却液としての硝酸ジルコニウム水溶液のｐＨは０以上とする。一方、ｐＨが５を超えると、冷却液の安定性が低下し、冷却液中に沈殿が発生しやすくなる。冷却液中に沈殿が発生すると、表面処理アルミニウム合金板１０の板表面に沈殿が異物として押し込まれ、外観不良となるため、好ましくない。冷却水としての硝酸ジルコニウム水溶液のｐＨは、ジルコニウム系皮膜３をより形成させやすくする観点から、好ましくは０．５以上、より好ましくは１以上である。また、冷却液中の沈殿の発生より抑制しやすくする観点から、好ましくは４以下、より好ましくは３以下である。

このように、本発明に係る製造方法では、冷却工程において、硝酸ジルコニウム水溶液を冷却液として使用し、加熱後の基板１、すなわち、表面に酸化皮膜２が形成された基板１を冷却すると共に表面処理を行う。これにより、酸洗浄等により表面の酸化皮膜２を除去する必要がないため、従来行われていた酸洗浄等を行う必要がなく、酸洗浄等のラインを省略することができる。さらに、冷却処理と表面処理とを同一工程で行うことができるため、製造コストをさらに削減することができる。

＜ビニルホスホン酸系皮膜形成工程＞
ビニルホスホン酸系皮膜形成工程Ｓ４は、ジルコニウム系皮膜３の表面にビニルホスホン酸を含有する水溶液を接触させて、ジルコニウム系皮膜３の表面にビニルホスホン酸系皮膜４を形成する工程である。
ビニルホスホン酸系皮膜形成工程Ｓ４では、ｐＨが０．５〜３であり、５０〜７０℃のビニルホスホン酸水溶液に１〜９０秒間浸漬し、余分な薬液を水洗した後、室温〜１２０℃で適宜乾燥させることが好ましい。

反応性と造膜性を考慮し、さらには上層のビニルホスホン酸系皮膜形成後に中層のジルコニウム系皮膜３を残すことを考慮し、ビニルホスホン酸水溶液のｐＨが０．５〜３になるように酸度を調整することが好ましい。ｐＨが０．５以上であれば、先に形成したジルコニウム系皮膜３の溶解速度が遅くなり、ジルコニウム系皮膜３が完全に溶解または消失、あるいは膜厚が薄くなる可能性が低くなる。したがって、アルミニウム合金基材の溶出を抑制し、特性を向上させる効果を十分に発現させることが期待できる。一方、ｐＨが３以下であれば、反応性が高くなり、ビニルホスホン酸系皮膜４の形成に多大な時間がかかることがない。したがって、ビニルホスホン酸系皮膜４の形成に用いるビニルホスホン酸水溶液のｐＨは、０．５〜３とすることが好ましい。ビニルホスホン酸水溶液のｐＨは、ジルコニウム系皮膜３の溶解をより抑制する観点から、より好ましくは１以上である。また、ビニルホスホン酸系皮膜４の形成にかかる時間をより短くする観点から、より好ましくは２以下である。

ビニルホスホン酸水溶液への浸漬時間については規定されるものではなく、ビニルホスホン酸水溶液のｐＨに基づいて適宜調整すればよい。一例としては、６０℃のビニルホスホン酸水溶液に、１〜９０秒間浸漬させる条件である。また、浸漬後の乾燥時間についても規定されるものではなく、一例としては、余分な薬液を水洗した後、室温〜１２０℃で行う条件である。

なお、ビニルホスホン酸水溶液による処理は、前記した浸漬のほか、例えば、ジルコニウム系皮膜３が形成された基板１に対して、シャワーや噴霧することでビニルホスホン酸水溶液を吹き付けることにより行ってもよい。なお、用いるビニルホスホン酸の種類（製造元など）は本発明の目的にあわせて適宜選択すればよい。

表面処理アルミニウム合金板１０の製造方法は、以上説明したとおりであるが、表面処理アルミニウム合金板１０の製造を行うにあたり、前記各工程に悪影響を与えない範囲において、前記各工程の間あるいは前後に、他の工程を含めてもよい。例えば、前記ビニルホスホン酸系皮膜形成工程の後に予備時効処理を施す予備時効処理工程を設けてもよい。予備時効処理は、７２時間以内に４０〜１２０℃で８〜３６時間の低温加熱することにより行うのが好ましい。この条件で予備時効処理することにより、成形性、および、ベーキング後の強度向上を図ることができる。
その他、例えば表面処理アルミニウム合金板１０の板表面の異物を除去する異物除去工程や、各工程で発生した不良品を除去する不良品除去工程等を含めてもよい。

そして、製造された表面処理アルミニウム合金板１０は、成形前にプレス油が塗布される。プレス油は、エステル成分を含有するものが主に使用される。
次に、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板１０にプレス油を塗布する方法について説明する。
プレス油の塗布の方法としては、例えば、エステル成分としてオレイン酸エチルを含有するプレス油に、表面処理アルミニウム合金板１０を浸漬させるだけでよい。エステル成分を含有するプレス油を塗布する方法や条件は、特に限定されるものではなく、通常のプレス油を塗布する方法や条件が広く適用できる。また、エステル成分もオレイン酸エチルに限定されるものではなく、ステアリン酸ブチルやソルビタンモノステアレート等、様々なものを利用することができる。
このように製造された表面処理アルミニウム合金板１０では、所定膜厚の酸化皮膜２と、所定付着量のジルコニウムを含有するジルコニウム系皮膜３と、所定膜厚のビニルホスホン酸系皮膜４と、を備えるため、脱脂性、化成処理性および接着性が向上する。

次に、本発明の表面処理アルミニウム合金板について、本発明の要件を満たす実施例と、本発明の要件を満たさない比較例と、を対比させて具体的に説明する。

成分が６０２２規格（Ｓｉ：０．８〜１．５質量％，Ｍｇ：０．４５〜０．７質量％，Ｃｕ：０．０１〜０．１１質量％），６０１６規格（Ｓｉ：１．０〜１．５質量％，Ｍｇ：０．２５〜０．６質量％，Ｃｕ：０．２質量％），６１１１規格（Ｓｉ：０．６〜１．１質量％，Ｍｇ：０．５〜１．０質量％，Ｃｕ：０．５〜０．９質量％）の市販品３種の６０００系アルミニウム合金板を用いて、前記した製造方法により、サイズが７０ｍｍ幅×１５０ｍｍ長さ×１ｍｍ厚さの基材を作製した（表１参照）。

次に、この基材を実体到達温度４００〜５８０℃まで加熱し、加温せずに常温である、硝酸やアンモニア水を添加してｐＨを２〜４に調整した濃度０．０５〜０．５ｇ／Ｌの硝酸ジルコニウム水溶液に５〜２０秒間浸漬した。次いで、６０℃のビニルホスホン酸水溶液（ｐＨ＝１．６）に、１〜９０秒間浸漬し、余分な薬液を水洗した後、室温で乾燥させた。このようにして、両面に酸化皮膜、ジルコニウム系皮膜およびビニルホスホン酸系皮膜が形成された表面処理アルミニウム合金板を作製した。この表面処理アルミニウム合金板の両面に、市販自動車用洗浄プレス油（鉱物系、動粘度１〜７ｃＳｔ）を０．１〜２ｇ／ｍ^２塗布して、供試材とした。ただし一部については、以下に述べるとおり、製造条件を適宜変更した。

なお、供試材（Ｎｏ．１〜１６）の作製では、基板の加熱温度（実体到達温度）、硝酸ジルコニウム水溶液のｐＨおよび濃度、硝酸ジルコニウム水溶液の接触時間、ビニルホスホン酸水溶液の接触時間を、前記範囲内で適宜調整した。供試材（Ｎｏ．１７）の作製では、硝酸ジルコニウム水溶液による冷却（表面処理）を施さず、水冷によって冷却し、ジルコニウム系皮膜およびビニルホスホン酸系皮膜を設けなかった。供試材（Ｎｏ．１８、１９）の作製では、加熱処理後に酸洗浄を行い、ジルコニウム系皮膜およびビニルホスホン酸系皮膜を設けなかった。供試材（Ｎｏ．２０）の作製では、基板の加熱温度を５９０℃とした。供試材（Ｎｏ．２１）の作製では、硝酸ジルコニウム水溶液の濃度を０．００４ｇ／Ｌとした。供試材（Ｎｏ．２２）の作製では、ビニルホスホン酸水溶液のｐＨを４とした。

前記のようにして得られた供試材について、酸化皮膜の膜厚を高周波グロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ（ホリバ・ジョバンイボン社製，型式ＪＹ−５０００ＲＦ））によって測定した。また、ジルコニウム系皮膜の付着量（二酸化ジルコニウム換算量）を蛍光Ｘ線（島津製作所社製、型式ＸＲＦ１８００）によって測定した。また、ビニルホスホン酸系皮膜の膜厚を高周波グロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ（ホリバ・ジョバンイボン社製，型式ＪＹ−５０００ＲＦ））によって測定した。
なお、これらの具体的な測定方法については前述したとおりである。
その結果を表１に示す。なお、表１において、「−」は皮膜を有さないものである。また、本発明の規定を満たさないものは数値に下線を引いて示す。

次に、前記の供試材を用いて、以下の評価を行った。その結果を表１に示す。
＜脱脂性（水濡れ面積率）＞
各供試材を、１５〜３５℃で５０〜９０％ＲＨの環境室内に６ヶ月放置した。そして、６ヶ月後に、市販自動車用の炭酸ソーダ系脱脂浴に４０℃×２分間浸漬（スターラーによる攪拌あり）し、３０秒間水洗（流水）した後の供試材面積に対する水濡れ面積率（表裏の平均）を測定した（良好な程、高い数値となり、完全に水濡れする場合は１００％となる）。これにより、化成処理時の水濡れ性、すなわち、脱脂性を評価することができる。各供試材は、それぞれ３枚とし、水濡れ面積率は、これらの平均値とした。なお、湿潤環境室内に保持する前の初期値は全て１００％であった。水漏れ面積率が８０％以上のものを、脱脂性が良好、８０％未満のものを、脱脂性が不良とした。

＜化成処理性（化成処理ムラ有無）＞
各供試材を、炭酸ソーダ系脱脂浴に４０℃×２分間浸漬（スターラーによる攪拌あり）して、供試材表面を脱脂処理した。次に、室温の亜鉛系表面調整浴に１分間浸漬（スターラーによる攪拌あり）した後、３５℃リン酸亜鉛浴に２分間浸漬（スターラーによる攪拌あり）して、供試材表面を化成処理した。そして、化成処理後の供試材表面に発生する化成処理ムラを目視にて観察し、化成処理性を評価した。化成処理性の評価において、化成処理ムラの発生が無かったものを、表中「なし」と記して、化成処理性が良好とし、化成処理ムラが発生したものを、表中「あり」と記して、化成処理性が不良とした。

＜接着性（凝集破壊率）＞
構成が同じ２枚の供試材（２５ｍｍ幅）の端部を、熱硬化型エポキシ樹脂系接着剤（サンスター技研株式会社製、ペンギンセメント＃１０８６）を介して、ラップ長１３ｍｍ（接着面積：２５ｍｍ×１３ｍｍ＝３２５ｍｍ^２）となるように重ね合わせた。なお、接着剤層の膜厚が１５０μｍとなるように微量のガラスビーズ（粒径１５０μｍ）を接着剤に添加して調節した。重ね合わせてから３０分、室温で乾燥させて、次いで、１７０℃で２０分間加熱して接着剤を硬化させた。その後、さらに室温で２４時間静置して、接着試験体とした。

得られた接着試験体を、５０℃、９５％ＲＨの湿潤雰囲気中に３０日間保持した後、引張試験機にて５０ｍｍ／分の速度で引張り、下記の式（１）に基づいて、接着部分の接着剤層の凝集破壊率（非界面剥離率）を算出した。なお、凝集破壊率は、接着試験体３本の平均値とした。また、式（１）において、接着試験体の一方を試験片Ａ、他方を試験片Ｂとする。凝集破壊率が８０％以上のものを接着性が良好、８０％未満のものを接着性が不良とした。
凝集破壊率（％）＝１００−{（試験片Ａの界面剥離面積／試験片Ａの接着面積）×１００}＋{（試験片Ｂの界面剥離面積／試験片Ｂの接着面積）×１００}・・・（１）

表１に示すように、供試材Ｎｏ．１〜１６（実施例）は、本発明の構成を満たすため、脱脂性、化成処理性および接着性が良好であった。
一方、供試材Ｎｏ．１７〜２２（比較例）は、本発明の構成を満たさないため、以下の結果となった。

供試材Ｎｏ．１７は、ジルコニウム系皮膜およびビニルホスホン酸系皮膜を設けていないため、脱脂性、化成処理性および接着性が不良であった。
供試材Ｎｏ．１８は、酸洗浄を行い、前記特許文献等に記載された従来の表面処理アルミニウム合金板を想定したものであるが、ジルコニウム系皮膜およびビニルホスホン酸系皮膜がないため、脱脂性、化成処理性および接着性が不良であった。また、酸洗浄を行ったため、生産性も劣っていた。

供試材Ｎｏ．１９は、より強力な洗浄である強酸洗浄を行ったものであるが、酸化皮膜の膜厚が下限値未満であるため、脱脂性、化成処理性および接着性は良好であった。しかしながら、強酸洗浄を行ったため、生産性に劣っていた。したがって、この表面処理アルミニウム合金板は、経済的ではなく、実用に適さないものであった。

供試材Ｎｏ．２０は、ジルコニウム系皮膜の付着量およびビニルホスホン酸系皮膜の膜厚が本発明の範囲内であったが、酸化皮膜の膜厚が上限値を超えているため、脱脂性、化成処理性および接着性が不良であった。
供試材Ｎｏ．２１は、酸化皮膜の膜厚およびビニルホスホン酸系皮膜の膜厚が本発明の範囲内であったが、ジルコニウム系皮膜の付着量が下限値未満のため、脱脂性、化成処理性および接着性が不良であった。
供試材Ｎｏ．２２は、酸化皮膜の膜厚およびジルコニウム系皮膜の付着量が本発明の範囲内であったが、ビニルホスホン酸系皮膜の膜厚が下限値未満のため、接着性が不良であった。

以上、本発明に係る表面処理アルミニウム合金板およびその製造方法について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて改変・変更等することができることはいうまでもない。

１ 基板
２ 酸化皮膜
３ ジルコニウム系皮膜
４ ビニルホスホン酸系皮膜
１０ 表面処理アルミニウム合金板
Ｓ１ 基板作製工程
Ｓ２ 加熱工程
Ｓ３ 冷却工程
Ｓ４ ビニルホスホン酸系皮膜形成工程

Claims (3)

1. アルミニウム合金からなる基板と、前記基板の表面に形成された酸化皮膜と、前記酸化皮膜の表面に形成されたジルコニウムを含有するジルコニウム系皮膜と、前記ジルコニウム系皮膜の表面に形成されたビニルホスホン酸を含有するビニルホスホン酸系皮膜と、を備える表面処理アルミニウム合金板であって、
   前記酸化皮膜は、膜厚が１〜３０ｎｍであり、
   前記ジルコニウム系皮膜は、前記酸化皮膜に対する付着量が二酸化ジルコニウム換算量で０．０１〜２５ｍｇ／ｍ^２であり、
   前記ビニルホスホン酸系皮膜は、膜厚が０．１〜１０ｎｍであることを特徴とする表面処理アルミニウム合金板。
2. 圧延によってアルミニウム合金からなる基板を作製する基板作製工程と、
   前記基板を４００〜５８０℃に加熱して前記基板の表面に酸化皮膜を形成する加熱工程と、
   前記酸化皮膜が形成された前記基板を冷却して、前記酸化皮膜の表面にジルコニウム系皮膜を形成する冷却工程と、
   前記ジルコニウム系皮膜の表面にビニルホスホン酸を含有する水溶液を接触させて、前記ジルコニウム系皮膜の表面にビニルホスホン酸系皮膜を形成するビニルホスホン酸系皮膜形成工程と、を含み、
   前記冷却工程において、濃度が０．００５〜５ｇ／Ｌであり、ｐＨが０〜５の二硝酸酸化ジルコニウム水溶液を冷却液として用いることを特徴とする表面処理アルミニウム合金板の製造方法。
3. 前記基板が熱処理型アルミニウム合金からなり、前記加熱工程が前記基板に溶体化処理を施す溶体化処理工程であって、前記冷却工程が前記酸化皮膜が形成された前記基板に焼入処理を施す焼入工程であることを特徴とする請求項２に記載の表面処理アルミニウム合金板の製造方法。

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