JP6806151B2 - Snめっき鋼板 - Google Patents

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Description

本開示は、Snめっき鋼板に関するものである。
錫(Sn)めっき鋼板は、「ブリキ」としてよく知られており、食缶や飲料缶などの缶用途その他に、広く用いられている。これは、Snが人体に安全であり、かつ、美麗な金属であることによる。このSnめっき鋼板は、主に電気めっき法によって製造される。これは、比較的高価な金属であるSnの使用量を必要最小限の量に制御するには、溶融めっき法よりも電気めっき法が有利であることによる。Snめっき鋼板は、めっき後、又は、めっき後の加熱溶融処理により美麗な金属光沢が付与された後に、6価クロム酸塩の溶液を用いたクロメート処理(電解処理、浸漬処理など)によって、Snめっき層上にクロメート皮膜が施されることが多い。このクロメート皮膜の効果は、Snめっき層の表面の酸化を抑えることによる外観の黄変の防止、塗装されて使用される場合における酸化錫の凝集破壊による塗膜密着性の劣化の防止、耐硫化黒変性の向上、などである。
一方、近年、環境及び安全に対する意識の高まりから、最終製品に6価クロムが含まれないのみならず、クロメート処理自体を行わないことが求められている。しかしながら、クロメート皮膜がないSnめっき鋼板は、上述の如く、酸化錫の成長により外観が黄変したり塗膜密着性が低下したりする。また、耐硫化黒変性が低下する。
このため、クロメート皮膜に替わる皮膜処理をしたSnめっき鋼板が、いくつか提案されている。
例えば、以下の特許文献1では、リン酸イオンとシランカップリング剤とを含有する溶液を用いた処理によって、PとSiを含む皮膜を形成させたSnめっき鋼板が提案されている。
以下の特許文献2では、リン酸アルミニウムを含む溶液を用いた処理によって、Al及びPと、Ni、Co及びCuの少なくとも1種と、シランカップリング剤との反応物を含む皮膜を形成させたSnめっき鋼板が提案されている。
以下の特許文献3では、Snめっき上にZnめっきをした後にZn単独めっき層が消失するまで加熱処理を施す、クロメート皮膜を有さないSnめっき鋼板の製造方法が提案されている。
以下の特許文献4及び特許文献5では、ジルコニウム、リン酸、フェノール樹脂等を含む化成処理皮膜を有する容器用鋼板が提案されている。
以下の特許文献6では、Snめっき層と、Snめっき層形成後に、リン酸塩水溶液中で、陰極電解処理、次いで陽極電解処理を施して形成された、酸化錫とリン酸錫とを含む化成処理層を有するSnめっき鋼板が提案されている。
以下の特許文献7では、スズ酸化物、並びに、Zr、Ti及びPを含有する被膜を有するSnめっき鋼板が提案されている。特許文献6では、被膜を形成するとき、陰極電解処理と陽極電解処理とを交互に行う交番電解を実施してもよいことが提案されている。
特許文献1:特開2004−60052号公報
特許文献2:特開2011−174172号公報
特許文献3:特開昭63−290292号公報
特許文献4:特開2007−284789号公報
特許文献5:特開2010−13728号公報
特許文献6:特開2009−249691号公報
特許文献7:国際公開第2015/001598号
非特許文献1:日本表面科学会編、「表面分析化学選書 X線光電子分光法」、丸善株式会社、P.83
しかしながら、上記特許文献1〜特許文献7で提案されているSnめっき鋼板及びその製造方法では、経時による酸化錫の成長を十分に抑制することができず、耐黄変性、塗膜密着性、及び耐硫化黒変性に劣るという問題があった。
そこで、本開示の一態様の目的は、上記問題に鑑みてなされたものであり、従来のクロメート処理を行うことなく、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性により一層優れるSnめっき鋼板を提供することにある。
上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
(1) 鋼板と、
前記鋼板の少なくとも片面に形成され、金属Snを0.1g/m以上15g/m以下含有するSnめっき層と、
前記Snめっき層の表面に形成され、ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層と、
を有し、
前記皮膜層中における前記ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Zr量で0.2mg/m以上50mg/m以下であり、
前記皮膜層中における前記酸化錫のX線光電子分光法によるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上大きい、Snめっき鋼板。
(2)前記皮膜層の厚みが、2nm以上100nm以下である、(1)に記載のSnめっき鋼板。
(3)前記皮膜層は、単位面積当たりの質量比で、P量/金属Zr量が0.2以上1以下となるリンを更に含有する、(1)又は(2)に記載のSnめっき鋼板。

以上説明したように本開示の一態様によれば、従来のクロメート処理を行うことなく、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性により一層優れるSnめっき鋼板を提供することが可能となる。
本開示のSnめっき鋼板のSnめっき層及び皮膜層の厚み方向(深さ方向)の元素濃度プロファイルの一例を図である。
以下に、本開示について詳細に説明する。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されるのであれば、本用語に含まれる。
本明細書において、「鋼板」との用語は、Snめっき層及び皮膜層を形成する対象の母鋼板(いわゆるめっき原板)を意味する。
以下で説明する本開示は、食缶、飲料缶などの缶用途その他に広く用いられるSnめっき鋼板と、かかるSnめっき鋼板の製造方法に関するものである。より詳細には、従来のクロメート処理を行うことなく、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性により一層優れるSnめっき鋼板及びSnめっき鋼板の製造方法に関するものである。
具体的には、本開示のSnめっき鋼板は、鋼板と、前記鋼板の少なくとも片面に形成され、金属Snを0.1g/m以上15g/m以下含有するSnめっき層と、Snめっき層の表面に形成され、ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層と、を有する。
より詳細には、本開示Snめっき鋼板において、Snめっき層は、金属Snを0.1g/m以上15g/m以下含有する。
皮膜層中におけるジルコニウム酸化物の含有量は、金属Zr量で片面当たり0.2mg/m以上50mg/m以下である。
皮膜層中における酸化錫のX線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)によるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置は、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上大きい。
<鋼板について>
鋼板は、特に規定されるものではなく、一般的な容器用のSnめっき鋼板に用いられている鋼板であれば、任意のものを使用可能である。鋼板は、例えば、低炭素鋼、極低炭素鋼などが挙げられる。また、鋼板の製造方法及び材質も特に規定されるものではなく、例えば、鋳造から熱間圧延、酸洗、冷間圧延、焼鈍、調質圧延等の工程を経て製造された鋼板が挙げられる、
<Snめっき層について>
鋼板の少なくとも片面には、Snめっきが施されて、Snめっき層が形成される。Snめっき層によって、鋼板の耐食性は向上する。なお、本明細書における「Snめっき層」とは、金属Sn単独のSnめっき層だけではなく、金属Snと金属Sn以外の微量元素及び不純物の少なくとも一方とを含有したSnめっき層も含む。
Snめっき層は、金属Snを0.1g/m以上15g/m以下含有する。つまり、Snめっき層の片面当たりの付着量は、金属Sn量(つまり金属Sn換算量)で0.1g/m以上15g/m以下とする。Snめっき層の片面当たりの付着量が金属Sn量で0.1g/m未満である場合には、耐食性に劣り、好ましくない。また、Snめっき層の片面当たりの付着量が金属Sn量で15g/mを超える場合、金属Snによる耐食性の向上効果は十分であり、更なる増加は経済的な観点から好ましくない。また、塗膜密着性も低下する傾向にある。
Snめっき層は、金属Snを1.0g/m以上13g/m以下含有することが好ましい。つまり、Snめっき層の片面当たりの付着量は、金属Sn量で1.0g/m以上13g/m以下が好ましい。
ここで、Snめっき層の金属Sn量(つまり、Snめっき層の片面当たりの付着量)は、例えば、JIS G 3303に記載された電解法、又は蛍光X線法によって測定された値とする。
また、Snめっき層の金属Sn量は、ICP発光分析法、又はGDS(グロー放電発光分光法)を用いた検量線法によって測定してもよい。特に、Snめっき層上に皮膜層が形成されているSnめっき鋼板から、Snめっき層の金属Sn量を測定する場合、GDS(グロー放電発光分光法)を用いた検量線法が適している。
具体的には、ICP発光分析法による測定方法は、次の通りである。
まず、Snめっき層上に皮膜層が形成されておらず、Snめっき層が露出している鋼板の試験片(Snめっき層のみが形成された鋼板の試験片)を準備する。その試験片を10%硝酸に浸漬して、Snめっき層を溶解し、得られた溶解液中のSnをICP発光分析法(例えば、アジレント・テクノロジー社製799ce、キャリアガスにArを使用。)で求める。そして、分析で得た強度信号と、濃度が既知の溶液から作成した検量線と、試験片のSnめっき層の形成面積とに基づいて、Snめっき層の金属Sn量を求める
また、GDS(グロー放電発光分光法)を用いた検量線法による測定方法は、次の通りである。
まず、Snめっき層の金属Sn量が既知である基準試料を用い、スパッタリングを実施しながらGDSにより基準試料のSnめっき層中の金属Snの強度信号およびスパッタ速度との関係をあらかじめ求め、検量線を作る。
一方、Snめっき層上に皮膜層が形成されている鋼板の試験片(Snめっき層及び皮膜層が順次形成された鋼板の試験片)を準備する。その試験片の皮膜層の表面から、スパッタをしながらGDSによる分析を実施し、Snめっき層の金属Snの強度信号を測定する。得られた金属Snの強度信号、スパッタ速度、及び作成した検量線により、Snめっき層の金属Sn量を求める。
ここで、Snめっき層は、Zrの強度信号が、Zrの強度信号の最大値の1/2になる深さから、Feの強度信号が、Feの強度信号の最大値の1/2になる深さまでの領域と定義する。そして、当該領域の金属Sn量の平均値を、Snめっき層の金属Sn量とする。
Snめっきを鋼板表面に施す方法は、特に規定するものではないが、例えば公知の電気めっき法が好ましい。ただし、溶融したSnに鋼板を浸漬することでSnめっきする溶融法を用いてもよい。電気めっき法としては、例えば、周知のフェロスタン浴、ハロゲン浴、アルカリ浴などを用いた電解法を利用することができる。
なお、Snめっき後に、Snめっき層を有する鋼板をSnの融点である231.9℃以上に加熱する加熱溶融処理を施しても構わない。この加熱溶融処理によって、Snめっき層の表面に光沢が出るとともに、Snめっき層と鋼板の間に、SnとFeとの合金層が形成され、耐食性が更に向上する。
<ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層について>
本開示のSnめっき鋼板は、鋼板の表面に形成されたSnめっき層の表面に、ジルコニウム酸化物と酸化錫の両者を含有する皮膜層を有する。
皮膜層中におけるジルコニウム酸化物の含有量は、金属Zr量(つまり金属Zr換算量)で0.2mg/m以上50mg/m以下である。皮膜層中におけるジルコニウム酸化物の含有量は、片面当たりのジルコニウム酸化物の含有量である。
皮膜層中における酸化錫は、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上大きい酸化錫である。
なお、上記Sn3d5/2とは、非特許文献1のP.83に記載されているように、Snの中の電子のエネルギー準位を示す。
酸化錫のXPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置は、皮膜層の表面をXPSにより測定して得られるピーク位置である。ただし、皮膜層の表面に、さらに化成処理層、塗装層等の層が形成されている場合には、これら層を除去した後、スパッタによりSiO換算で深さ0.5〜2nmエッチングした皮膜層の表面を対象に、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置を測定する。
ここで、本開示のSnめっき鋼板は、Snめっき層の表面に、上記のようなジルコニウム酸化物と酸化錫とが共存する皮膜層を有することで、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性をより一層向上させることができる。なお、酸化錫のみの皮膜層、又は、ジルコニウム酸化物のみの皮膜層では、耐黄変性、塗膜密着性、及び、耐硫化黒変性を十分に改善出来ない。この理由は定かではないが、本発明者らの詳細な調査により以下のように考えている。
従来、Snめっき層の表面に生成及び成長する酸化錫は、本開示の酸化錫とは異なり、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV未満である酸化錫であることが分かった。これは、酸素欠乏型、つまり酸素空孔を有する酸化錫(以下、「酸素欠乏型酸化錫」と定義する。)と推定され、経時によりSnめっき層の表面の錫の酸化が進行し、酸素欠乏型酸化錫が成長する。一方、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上である酸化錫は、上記のような酸素欠乏型酸化錫よりも酸素空孔が少なくより安定である(以下、「安定型酸化錫」と定義する。)。このため、安定型酸化錫がSnめっき層の表面に存在する場合は、酸素欠乏型酸化錫の成長速度は遅い。しかしながら、長期的には酸素欠乏型酸化錫が増え、外観が黄変したり塗膜密着性が劣ったりする。ところが、安定型酸化錫とジルコニウム酸化物とが共存する場合は、酸素欠乏型酸化錫の成長が抑制される。
酸素欠乏型酸化錫の成長抑制効果を実現するには、片面当たり金属Zr量で0.2mg/m以上50mg/m以下のジルコニウム酸化物が皮膜層中に必要である。ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Zr量で0.2mg/mに満たない場合には、酸素欠乏型酸化錫の成長抑制効果が不足するだけでなく、耐硫化黒変性も劣る。ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Zr量で50mg/mを超える場合は、ジルコニウム酸化物が過剰なために、塗膜密着性を劣化させる。ジルコニウム酸化物の含有量は、片面当たりの金属Zr量で、好ましくは1.0mg/m以上30mg/m以下の範囲であり、より好ましくは2.0mg/m以上10mg/m以下の範囲である。
酸化錫は、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上大きい必要がある。結合エネルギーのピーク位置が1.6eV以上であることにより、酸化錫は安定型酸化錫であり、酸素欠乏型酸化錫の成長が抑制される。一方、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置と金属Snの結合エネルギーのピーク位置との差が1.6eV未満であれば、酸化錫は、酸素欠乏型酸化錫であり、酸素欠乏型酸化錫の成長が進行する。
なお、結合エネルギーが大きいほど酸化錫は安定化するため、酸化錫のSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置の上限値は規定するものではないが、現実的には、金属Snの結合エネルギーのピーク位置から2.0eV大きい値程度である。
つまり、酸化錫のXPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置は、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上2.0eV以下の範囲で大きいことがよい。
ここで、後述する測定方法により「酸化錫のXPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上大きいピーク位置」が測定されれば、皮膜層には、安定型酸化錫以外の、その他の構造の酸化錫(例えば、XPSによるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV未満である酸素欠乏型酸化錫など)が含まれていても問題ない。
皮膜層中には、単位面積当たりの質量比で、P量/金属Zr量が0.2以上1以下となるリンが更に含有されることが好ましい。上記質量比でPが含まれることで、ジルコニウム酸化物及び酸化錫を含有する皮膜層が一層緻密となり、酸化錫の成長抑制効果が向上しやすくなる。P量/金属Zr量が0.2未満である場合には、酸化錫の成長抑制効果に乏しくなることがある。P量/金属Zr量が1超である場合には、Pが過剰となり、ジルコニウム酸化物と酸化錫とが共存した際の酸化錫の成長抑制効果が乏しくなることがある。単位面積当たりのP量と金属Zr量との質量比(P量/金属Zr量)は、より好ましくは、0.3〜0.8である。
ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層は、両者の混合状態であっても酸化物の固溶体であってもよく、その存在状態を問わない。また、皮膜層中にFe、Ni、Cr、Ca、Na、Mg、Al、Si等のような、如何なる元素が含まれていても何ら問題ない。
ここで、本開示のSnめっき鋼板のSnめっき層及び皮膜層の厚み方向(深さ方向)の元素濃度プロファイルの一例を図1に示す。図1に示す元素濃度プロファイルは、XPSの深さ方向の分析により、皮膜層の表面からめっき層を経て鋼板表面までの元素濃度の分布を測定した図である。
図1に示すように、本開示のSnめっき鋼板は、金属Snを含むSnめっき層の表面に、ジルコニウム酸化物と酸化錫とが共存した皮膜層が存在していることがわかる。
皮膜層の厚みは、XPSによるSiO換算厚みで、2nm以上100nm以下であることが好ましい。皮膜層の厚みが2nm未満である場合には、皮膜層の厚みが薄過ぎるために酸素透過抑制効果に乏しく、酸素欠乏型酸化錫が成長しやすくなることがある。一方、皮膜層の厚みが100nm超である場合には、皮膜層の厚みが厚過ぎるために酸化錫自体が凝集破壊しやすく、塗膜密着性及び塗装後耐食性に劣ることがある。それだけでなく、耐黄変性は良好なものの製造直後から外観が黄みを帯びるようになることもある。皮膜層の厚みは、より好ましくは、4nm以上30nm以下の範囲である。
皮膜層の厚みは、XPS深さ方向分析において、錫酸化物として存在するSn、金属錫として存在するSn、ジルコニウム酸化物として存在するZr、の元素濃度の合計を100%としたときに、表面から、金属錫(金属錫として存在するSn)の元素濃度が10%以下の領域までの厚みであって、SiO換算厚みで求められる値である。
皮膜層において、ジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)及びP量は、本開示のSnめっき鋼板を、例えば、フッ酸と硫酸などの酸性溶液に浸漬して溶解し、得られた溶解液を高周波誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)発光分析法などの化学分析によって測定された値とする。あるいは、ジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)及びP量は、蛍光X線測定によって求めても構わない。
以下では、ジルコニウム酸化物及び酸化錫を含有する皮膜層の形成方法について、説明する。
皮膜層を形成するためには、まず、Snめっき層が形成された鋼板のSnめっき層の表面に対して、ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層を形成する。
ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層は、ジルコニウムイオンを含む浸漬浴中にSnめっき鋼板を浸漬処理する、又は、ジルコニウムイオンを含む陰極電解液中で陰極電解処理を行うことにより、Snめっき層の表面に形成することができる。ただし、浸漬処理では、下地であるSnめっき層の表面がエッチングされることでジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層が形成される。そのため、Snめっき層の付着量が不均一になりやすく、また、処理時間も長くなるため、工業生産的には不利である。一方、陰極電解処理では、強制的な電荷移動及び鋼板界面での水素発生による表面清浄化とpH上昇による付着促進効果も相まって、均一な皮膜を得ることができる。更に、この陰極電解処理は、陰極電解液中に硝酸イオンとアンモニウムイオンとが共存することにより、数秒から数十秒程度の短時間処理が可能である。そのため、工業的には極めて有利である。
従って、ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層の形成には、陰極電解処理による方法を利用することが好ましい。
陰極電解処理を実施する陰極電解液中のジルコニウムイオンの濃度は、生産設備、生産速度(能力)などに応じて適宜調整すればよい。例えば、ジルコニウムイオン濃度は、100ppm以上4000ppm以下であることが好ましい。また、ジルコニウムイオンを含む溶液中には、フッ素イオン、アンモニウムイオン、硝酸イオン、硫酸イオンなどの他の成分が含まれていても何ら問題ない。
陰極電解液中のジルコニウムイオンの供給源は、例えば、HZrFのようなジルコニウム錯体を使用できる。上記のようなZr錯体中のZrは、陰極電極界面におけるpHの上昇によりZr4+となって陰極電解液中に存在する。このようなZrイオンは、陰極電解液中で更に反応し、ジルコニウム酸化物となる。陰極電解液中にリン酸を含む場合は、リン酸ジルコニウムも形成される。
なお、ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層中に、単位面積当たりの質量比で、P量/金属Zr量が0.2以上1.0以下となるりん(P)を含有させるためには、浸漬浴又は陰極電解液中に、ジルコニウムイオン濃度の1/10以上3倍以下のリン酸イオンを含有させればよい。
陰極電解処理する際の陰極電解液の溶媒としては、例えば、蒸留水等の水を使用することができる。ただし、溶媒は、蒸留水等の水に規定されるものではなく、溶解する物質、形成方法等に応じて、適宜選択することが可能である。
ここで、陰極電解処理する際の陰極電解液の液温は、特に規定するものではないが、例えば、10℃以上50℃以下の範囲とすることが好ましい。50℃以下で陰極電解を行うことにより、非常に細かい粒子により形成された、緻密で均一な皮膜層の組織の形成が可能となる。一方、液温が10℃未満である場合には、皮膜の形成効率が悪く、夏場など外気温が高い場合に溶液の冷却が必要となり、経済的ではないだけでなく、塗装後耐食性も低下する。また、液温が50℃を超える場合には、形成されるジルコニウム酸化物皮膜組織が不均一であり、欠陥、割れ、マイクロクラック等が発生して緻密な皮膜形成が困難となり、腐食等の起点となるため好ましくない。
また、陰極電解液のpHは、特に規定するものではないが、3以上5以下であることが好ましい。pHが3未満であれば、ジルコニウム酸化物の生成効率が劣り、pHが5超であれば、陰極電解液中に沈殿が多量に発生し、連続生産性に劣る。
なお、陰極電解液のpHを調整したり電解効率を上げたりするために、陰極電解液中に、例えば硝酸、アンモニア水等を添加してもよい。
また、陰極電解処理する際の電流密度は、例えば、0.05A/dm以上50A/dm以下にすることが好ましい。電流密度が0.05A/dm未満である場合には、ジルコニウム酸化物の形成効率の低下を招き、安定的なジルコニウム酸化物を含有する皮膜層の形成が困難となって耐黄変性及び耐硫化黒変性が低下するだけでなく、塗装後耐食性も低下する。電流密度が50A/dmを超える場合には、ジルコニウム酸化物の形成効率が大き過ぎ、粗大かつ密着性に劣るジルコニウム酸化物が形成されるため、好ましくない。より好ましい電流密度の範囲は、1A/dm以上10A/dm以下である。
なお、ジルコニウム酸化物層の形成に際して、陰極電解処理の時間は、問うものではない。狙いとする皮膜層中のジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)に対し、電流密度に応じて適宜陰極電解処理の時間を調整すればよい。
また、陰極電解処理する際の通電パターンとしては、連続通電であっても断続通電であっても何ら問題はない。
ジルコニウム酸化物及び酸化錫を含有する皮膜層は、ジルコニウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物層を、陽極電解液中で陽極電解処理することで得られる。陽極電解処理する際の陽極電解液の具体的な成分については特に規定するものではない。ただし、陽極電解液の液性については、弱酸性からアルカリ性とすることが好ましい。ここでいう弱酸性からアルカリ性とは、pHが3以上14以下を意味する。pHがこの範囲であれば、陽極電解液中でのSnめっき層の溶解が緩やかとなるため、安定型酸化錫を含有する皮膜層を安定に形成することができる。
陽極電解処理する際の陽極電解液の例としては、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の塩(炭酸塩、リン酸塩、有機酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩等)などの電解質を含む水溶液を挙げられる。具体的には、例えば、陽極電解液としては、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、二リン酸ナトリウム、クエン酸三ナトリウム、一酒石酸アンモニウム、硫酸ナトリウムなどの電解質を含む水溶液がある。
電解質の濃度の下限は、特に規定するものではなく、電気伝導度として0.1S/m以上を満たす濃度とすることが好ましい。これらの電解質の濃度の上限も特に規定はしないが、電解質の濃度が大き過ぎる場合は保管時に沈殿し、配管詰まり等の障害を引き起こす可能性があるため、各電解質の0℃における溶解度以下とすることが好ましい。電解質の濃度は、好ましくは、電気伝導度で0.5S/m以上4S/m以下を満たす濃度であり、より好ましくは、電気伝導度で1S/m以上2.5S/m以下を満たす濃度である。
なお、電気伝導度は、市販の電気伝導度計を用いて測定すればよく、例えば、東亜ディーケーケー株式会社製の電気伝導率セルCT−27112B等を用いることが可能である。
陽極電解処理する際の陽極電解液の溶媒としては、例えば、蒸留水等の水を使用することができる。ただし、溶媒は、蒸留水等の水に規制されるものではない。
ここで、陽極電解処理する際の陽極電解液の液温は、特に規定するものではないが、好ましくは5℃以上60℃以下の範囲であり、さらに好ましくは15℃以上50℃以下の範囲である。液温が低過ぎる場合には、電解効率に劣り、安定型酸化錫が生成しにくくなる。一方、液温が高過ぎる場合には、陽極電解液の溶媒の蒸発が顕著で作業性及び操業安定性に劣り、均一な安定型酸化錫を得難くなる。
陽極電解処理する際の電流密度は、特に規定するものではないが、例えば、0.5A/dm以上10A/dm以下の範囲とすることが好ましい。電流密度が0.5A/dm以上10A/dm以下である場合には、安定型酸化錫を均一かつ安定に形成できる。電流密度が0.5A/dm未満である場合には、電解処理時間を長くする必要があり、Snめっき層の溶解に伴う塗装後耐食性の低下が生じ安くなる。一方、電流密度が10A/dmを超える場合には、Snめっき層での水素発生が著しく、pH上昇に伴うSnめっき層の溶解が起こるため生産効率上好ましくなく、不均一な酸化錫形成により耐黄変性及び耐硫化黒変性が低下する傾向となる。好ましい電流密度範囲は、1.0A/dm以上3A/dm以下である。
陽極電解処理の時間については、特に規定するものではない。電流密度、電極長さ、生産速度(通板速度)等に応じて、任意に決めることが可能である。
以上説明した陰極電解処理及び陽極電解処理を経て形成される皮膜層の厚みは、主に陽極電解時の通電量(電気量)で制御することができ、通電量が大きいほど皮膜層の厚みは厚くなる。推奨する、2nm以上100nm以下の厚みの皮膜層を得るためには、陽極電解処理時の通電量を0.5C/dm以上30C/dm以下とすることが好ましい。4nm以上30nm以下の皮膜層を得るためには、陽極電解処理時の通電量を1C/dm以上15C/dm以下とすることが好ましい。
また、陽極電解処理する際の通電パターンとしては、連続通電であっても断続通電であっても何ら問題はない。
続いて、実施例及び比較例を示しながら、本開示のSnめっき鋼板及びSnめっき鋼板の製造方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本開示のSnめっき鋼板及びSnめっき鋼板の製造方法の一例にすぎず、本開示のSnめっき鋼板及びSnめっき鋼板の製造方法が下記の例に限定されるものではない。
<試験材の作製方法>
試験材の作製方法について説明する。なお、後述する各例の試験材は、この試験材の作製方法に準じて作製した。
まず、板厚0.2mmの低炭素冷延鋼板に対し、前処理として、電解アルカリ脱脂、水洗、希硫酸浸漬酸洗、水洗した後、フェノールスルホン酸浴を用いて電気Snめっきを施し、更にその後、加熱溶融処理をした。これらの処理を経て鋼板の両面にSnめっき層を形成した。Snめっき層の付着量は、片面当たり約2.8g/mを標準とした。Snめっき層の付着量は、通電時間を変えることで調整した。
次に、Snめっき層を形成した鋼板を、フッ化ジルコニウムを含む水溶液(陰極電解液)中で陰極電解処理し、Snめっき層の表面にジルコニウム酸化物層を形成した。陰極電解液の液温は35℃とし、かつ、陰極電解液のpHは3以上5以下となるように調整し、陰極電解処理の電流密度及び陰極電解処理時間を、狙いとする皮膜層中のジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)に応じて適宜調整した。
更に、Snめっき層及びジルコニウム酸化物層を形成した鋼板を、電気伝導度2.0S/mの炭酸水素ナトリウム溶液(陽極電解液)中で陽極電解処理し、ジルコニウム酸化物層から、ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層とした。陽極電解液の液温は25℃とし、かつ、陽極電解処理の電流密度は2A/dmとした。なお、一部の水準においては、陽極電解液の種類及び陽極電解処理条件を変えた。陽極電解処理時間は、適宜調整した。なお、陽極電解液のpHはガラス電極で測定した。
このように作製したSnめっき鋼板について、以下に示す種々の評価をした。
[Snめっき層の片面当たりの付着量(Snめっき層の金属Sn量)]
Snめっき層の片面当たりの付着量(Snめっき層の金属Sn量)は、既述の「ICP発光分析法による測定方法」により測定した。
[皮膜層のジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)及びP量]
皮膜層のジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)及びP量は、次の通りである。
金属Zr量及びP量の含有量が既知である複数の皮膜層付き鋼板の試験片を準備した。次に、各試験片について、蛍光X線分析装置(リガク社製ZSX Primus)により、試験片の皮膜層の表面から、金属Zr及びPに由来する蛍光X線の強度を事前に測定した。そして、測定した蛍光X線の強度と金属Zr及びPとの関係を示した検量線を、各々準備した。
その上で、測定対象となるSnめっき鋼板の試験片を準備する。この試験片の皮膜層の表面を蛍光X線分析装置(リガク社製ZSX Primus)により、金属Zr及びPに由来する蛍光X線の強度を測定する。得られた蛍光X線強度と予め準備した金属Zr及びPに関する検量線とを利用することで、皮膜層のジルコニウム酸化物の含有量(金属Zr量)及びP量を算出した。
なお、測定条件は、X線源Rh、管電圧50kV、管電流60mA、分光結晶LiF1、測定径30mmとした。
[XPSでの皮膜層中における酸化錫のSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置]
皮膜層の表面に対して、XPS(ULVAC−PHI製PHI Quantera SXM)による測定を実施し、皮膜層中における酸化錫のSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置(表中「XPSエネルギーピーク位置」と表記)を調べた。
なお、測定条件は、X線源mono−AlKα線(hν=1466.6eV、100.8W)、X線径100μmφ、検出深さ数nm(取出し角45°)、分析範囲1400×100μmとした。
そして、酸化錫のSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が金属Snの結合エネルギーのピーク位置(=484.9eV)よりも1.6eV以上大きければ、安定型酸化錫が主として形成されているとして「OK」と評価した。1.6eV未満であれば、酸素欠乏型酸化錫が主として形成されているとして「NG」と評価した。評価「OK」を合格とした。
[皮膜層の厚み]
皮膜層の厚みは、XPS(ULVAC−PHI製PHI Quantera SXM)により測定した。具体的には、測定対象となるSnめっき鋼板の試験片を準備する。この試験片の皮膜層の表面から、XPS(ULVAC−PHI製PHI Quantera SXM)による厚み方向(深さ方向)の分析を実施し、酸化錫として存在するSn、金属錫として存在するSn、ジルコニウム酸化物として存在するZr、の元素濃度の合計を100%としたときに、表面から、金属錫(金属錫として存在するSn)の元素濃度が10%以下の領域までの厚みをSiO換算厚みで算出した。
なお、測定条件は、X線源mono−AlKα線(hν=1466.6eV、100.8W)、X線径100μmφ、検出深さ数nm(取出し角45°)、分析範囲1400×100μm、中和銃1.0V,20μA、スパッタ条件Ar、加速電圧1kV、スパッタ速度1.5nm/min(SiO換算値)とした。
[耐黄変性]
Snめっき鋼板の試験材を、40℃、相対湿度80%に保持した恒温恒湿槽中に4週間載置する湿潤試験を行い、湿潤試験前後における色差b*値の変化量△b*を求めて、評価した。△b*が1以下であれば「A」とし、1超過2以下であれば「B」とし、2超過3以下であれば「C」とし、3を超過していれば「NG」とした。評価「A」、「B」、及び「C」を合格とした。b*は、市販の色差計であるスガ試験機製SC−GV5を用いて測定した。b*の測定条件は、光源C、全反射、測定径30mmである。
[塗膜密着性]
塗膜密着性は、以下のようにして評価した。
Snめっき鋼板の試験材を、[耐黄変性]に記載の方法で湿潤試験した後、表面に、市販の缶用エポキシ樹脂塗料を乾燥質量で7g/m塗布し、200℃で10分焼き付け、24時間室温に置いた。その後、得られたSnめっき鋼板に対し、鋼板表面に達する傷を碁盤目状に入れ(3mm間隔で縦横7本ずつの傷)、その部位のテープ剥離試験をすることで評価した。テープ貼り付け部位の塗膜が全て剥離していなければ「A」とし、碁盤目の傷部周囲で塗膜剥離が認められれば「B」とし、碁盤目の枡内に塗膜剥離が認められれば「NG」とした。評価「A」、及び「B」を合格とした。
[耐硫化黒変性]
耐硫化黒変性は、以下のようにして評価した。
上記[塗膜密着性]に記載の方法で作製及び湿潤試験したSnめっき鋼板の試験材の表面に、市販の缶用エポキシ樹脂塗料を乾燥質量で7g/m塗布した後、200℃で10分焼き付け、24時間室温に置いた。その後、得られたSnめっき鋼板を所定のサイズに切断し、リン酸二水素ナトリウムを0.3%、リン酸水素ナトリウムを0.7%、L−システイン塩酸塩を0.6%からなる水溶液中に浸漬し、密封容器中で121℃・60分のレトルト処理を行い、試験後の外観から評価した。試験前後で外観の変化が全く認められなければ「A」とし、僅かに(10%以下)黒変が認められれば「B」とし、試験面の10%超過の領域に黒変が認められれば「NG」とした。評価「A」、「B」を合格とした。
[塗装後耐食性]
塗装後耐食性は、以下のようにして評価した。
上記[塗膜密着性]に記載の方法で作製及び湿潤試験したSnめっき鋼板の試験材の表面に、市販の缶用エポキシ樹脂塗料を乾燥質量で7g/m塗布した後、200℃で10分焼き付け、24時間室温に置いた。その後、得られたSnめっき鋼板を所定のサイズに切断し、市販のトマトジュースに60℃で7日間浸漬した後の錆の発生有無を、目視にて評価した。錆が全く認められなければ「A」とし、試験面全体の10%以下の面積率で錆が認められれば「B」とし、試験面全体の10%超えの面積率で錆が認められれば「NG」とした。評価「A」及び「B」を合格とした。
<実施例1>
表1は、Snめっき層の付着量と皮膜層中のジルコニウム酸化物の含有量とを変化させた場合の結果である。フッ化ジルコニウムを含む溶液中のジルコニウム濃度は、1400ppmとした。ジルコニウム酸化物層を形成した後は、ジルコニウム酸化物層に対して、電気伝導度2.0S/mの炭酸水素ナトリウム溶液(液性:弱酸性〜アルカリ性、pH=8)中で陽極電解処理し、皮膜層を形成させた。陽極電解液の液温は25℃とし、陽極電解処理の通電量は2C/dmとした。
また、実施例であるA13は、Snめっき後に加熱溶融処理を実施せずに試験材を作製した。
なお、比較として、次の試験材もあわせて作製した。
比較例であるa1〜a2:鋼板の両面にSnめっき層を形成後、ジルコニウム酸化物層を形成させ、ジルコニウム酸化物層に陽極電解処理をしない試験材
比較例であるa7:鋼板の両面にSnめっき層を形成後、ジルコニウム酸化物層の形成前に、電気伝導度2.0S/m、液温25℃の炭酸水素ナトリウム溶液(陽極電解液)中で、電流密度2A/dmの条件で陽極電解処理を実施し、その後、ジルコニウム酸化物層を形成させ、ジルコニウム酸化物層に陽極電解処理をしない試験材
比較例であるa8:鋼板の両面にSnめっき層を形成後、液温35℃、pH4のフッ化ジルコニウムを含む水溶液中で、電流密度3A/dmの条件で、陰極電解処理と陽極電解処理とを交互に行う交番電解処理でジルコニウム酸化物層を形成させ、ジルコニウム酸化物層に陽極電解処理をしない試験材
比較例であるa9:鋼板の両面にSnめっき層を形成後、鋼板のSnめっき層に、電気伝導度2.0S/m、液温25℃の炭酸水素ナトリウム溶液(陽極電解液)中で、電流密度2A/dmの陽極電解処理を実施し、その後、ジルコニウム酸化物層を形成しない試験材
なお、表1中、比較例であるa1〜a2、a7、a8(ジルコニウム酸化物層に陽極電解処理を施していない例)におけるジルコニウム酸化物層の特性は、「皮膜層」の欄に記載する。
また、比較例であるa9における錫酸化物層の特性は、「皮膜層」の欄に記載する。
上記表1から明らかなように、本開示の範囲であるA1〜A13は、いずれの性能も良好である。一方、比較例であるa1〜a9は、耐黄変性、塗膜密着性、耐硫化黒変性、塗装後耐食性のいずれかが劣ることがわかる。
特に、比較例であるa7のように、鋼板の両面にSnめっき層の形成後、ジルコニウム酸化物層の形成前に、陽極電解処理を実施しても、その後形成されるジルコニウム酸化物層には、安定型酸化錫が主として形成されていないことがわかる。
比較例であるa8のように、陰極電解処理と陽極電解処理とを交互に行う交番電解処理でジルコニウム酸化物層を形成しても、ジルコニウム酸化物層には、安定型酸化錫が主として形成されていないことがわかる。
比較例であるa9のように、ジルコニウム酸化物層を形成せず、鋼板のSnめっき層に陽極電解処理を実施すると、皮膜層として酸化錫層が形成される。しかし、この酸化錫層は、安定型酸化錫層ではないことがわかる。
<実施例2>
表2は、皮膜層の厚みを変化させた場合の結果である。皮膜層の厚みは、陽極電解処理の通電量を変えることで変化させた。

上記表2から明らかなように、皮膜層の厚みが厚いほど、黄変性の指標である△b*は小さくなる傾向にあり、皮膜層の厚みが4nm以上であれば、△b*は特に小さいことがわかる。
<実施例3>
表3は、皮膜層中にリンが含まれる場合の結果である。これらの試験材は、リン酸イオン60ppm〜5000ppmを添加させた1400ppmのジルコニウムイオンを含む陰極電解液中で、Snめっき層が形成された鋼板を陰極電解処理することで作製した。
上記表3から明らかなように、皮膜層中にリンが含有されることで、耐黄変性の指標である△b*は小さくなる傾向にあり、P量/金属Zr量が0.2以上1以下である試験材は、特に△b*が小さいことがわかる。
<実施例4>
表4〜表7は、ジルコニウム酸化物層の形成条件(陰極電解処理条件)と皮膜層の形成条件(陽極電解処理条件)とを種々変更した場合の結果である。
なお、比較として、次の試験材もあわせて作製した。
比較例であるd1〜d2:鋼板の両面にSnめっき層を形成後、ジルコニウム酸化物層を形成させ、ジルコニウム酸化物層に陽極電解処理をしない試験材
なお、表1中、比較例であるd1〜d2(ジルコニウム酸化物層に陽極電解処理を施していない例)におけるジルコニウム酸化物層の特性は、「皮膜層」の欄に記載する。

上記表4〜表7から明らかなように、本開示で規定する条件に則して作製した試験材の性能は、いずれも良好であることがわかる。
以上、本開示について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
以上のように、本開示のSnめっき鋼板は、従来のクロメート処理を必要とせずに、耐黄変性、塗膜密着性、及び耐硫化黒変性に優れることから、環境にやさしい缶用材料として、食缶、飲料缶などに広く用いることができ、産業上の利用価値が極めて高いものである。
日本国特許出願2016−103382の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (3)

  1. 鋼板と、
    前記鋼板の少なくとも片面に形成され、金属Snを0.1g/m以上15g/m以下含有するSnめっき層と、
    前記Snめっき層の表面に形成され、ジルコニウム酸化物と酸化錫とを含有する皮膜層と、
    を有し、
    前記皮膜層中における前記ジルコニウム酸化物の含有量が、金属Zr量で0.2mg/m以上50mg/m以下であり、
    前記皮膜層中における前記酸化錫のX線光電子分光法によるSn3d5/2の結合エネルギーのピーク位置が、金属Snの結合エネルギーのピーク位置よりも1.6eV以上大きい、Snめっき鋼板。
  2. 前記皮膜層の厚みが、2nm以上100nm以下である、請求項1に記載のSnめっき鋼板。
  3. 前記皮膜層は、単位面積当たりの質量比で、P量/金属Zr量が0.2以上1以下となるリンを更に含有する、請求項1又は2に記載のSnめっき鋼板。
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