JPH04228579A - リン酸塩で金属表面を処理する方法 - Google Patents

リン酸塩で金属表面を処理する方法

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JPH04228579A JP3118012A JP11801291A JPH04228579A JP H04228579 A JPH04228579 A JP H04228579A JP 3118012 A JP3118012 A JP 3118012A JP 11801291 A JP11801291 A JP 11801291A JP H04228579 A JPH04228579 A JP H04228579A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、亜鉛、マンガンおよび
リン酸の各イオンと、酸化剤とを含む酸性のリン酸塩水
溶液で金属表面を処理する方法、特に鋼、亜鉛メッキ鋼
、亜鉛合金メッキ鋼、アルミニウムおよびアルミニウム
合金の表面を上記水溶液にて処理する方法ならびに、塗
装、特に電着塗装の前処理として上記方法を使用する方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】堅固に付着し、しかも本質的に耐食性を
向上させる働きのある金属リン酸塩皮膜を金属表面に生
成するため、金属はリン酸塩で処理される。なお上記皮
膜が、ペンキや他の有機皮膜と組合わされると、ペンキ
等の付着力や表面の耐食性が本質的に改善され得るであ
ろう。また上記金属リン酸塩皮膜は、電流の流れを妨げ
る絶縁体としても機能し、さらに潤滑剤と結びついてす
べり摩擦を軽減させる効果も有する。
【0003】ところで塗装前の前処理には、例えば0.
5ないし1.5g/lの比較的低濃度の亜鉛イオンを含
んだリン酸塩溶液を使用する低亜鉛リン酸塩皮膜形成法
が特に適している。そしてこの条件下では、フォスフォ
フィリット(PHOSPHOPHYLLIT;Zn2 
Fe(PO4 )2・4H2 O)含有量の高いリン酸
塩皮膜が鋼表面上に形成される。なおこのフォスフォフ
ィリットは、高亜鉛リン酸塩溶液から析出するホープア
イト(Hopeit;Zn3 Fe(PO4 )2 ・
4H2 O)に較べてはるかに耐食性が高い。
【0004】上記低亜鉛リン酸塩溶液が、ニッケルイオ
ンおよび/またはマンガンイオンを含有する場合には、
塗料膜と協働した防食効果は更に向上する。例えば0.
5ないし1.5g/lのマンガンイオンと、例えば0.
3ないし2.0g/lのニッケルイオンとを含む低亜鉛
リン酸塩処理法は、いわゆる三カチオン法として金属表
面の塗装前処理に、例えば自動車車体のカソード電着塗
装に広く応用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記三
カチオン法のリン酸塩溶液中にはニッケルイオンが高濃
度で存在すること、ならびに、形成されたリン酸塩皮膜
中に存在するニッケルおよびニッケル化合物の含有量の
高いことは、労働安全衛生および環境保全の見地からそ
の危険性が指摘されている。
【0006】本発明の解決すべき課題は、品質において
はZn─Mn−Niを主剤とする上記三カチオン法によ
る皮膜に匹敵するが、ニッケルおよびニッケル化合物の
存在による欠点を有しないリン酸塩皮膜形成をもたらす
リン酸塩処理法、特に鋼、亜鉛メッキ鋼、亜鉛合金メッ
キ鋼、アルミニウムならびにアルミニウム合金のごとき
金属のリン酸塩処理法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、当初に述べ
た皮膜形成法を次のような形に発展させた本発明により
解決することができる。すなわちこの方法では基本的に
ニッケルを含まず、 0.3      ないし    1.7      
g/l      Zn0.2      ないし  
  4.0      g/l      Mn0.0
01  ないし    0.030  g/l    
  Cu5          ないし  30   
       g/l      リン酸塩(P2 O
5 換算) を含み、酸素および/または同様な効果を有する他の酸
化剤を用いて液中のFe(II)濃度を0.1g/l以
下に保持すると共に、pH値を3.0ないし3.8に調
整したリン酸塩溶液に金属表面は接触させられる。
【0008】本発明による方法は、特に鋼、亜鉛メッキ
鋼、亜鉛合金メッキ鋼、アルミニウムおよびアルミニウ
ム合金に適用される。ここでいう鋼の概念には、非合金
軟鋼、準高張力および高張力鋼(例えば、ミクロ合金化
鋼(mikrolegiert)、二相鋼(Dual−
Phase)およびリン合金化鋼)および低合金鋼が含
まれる。なお、亜鉛メッキ層は、例えば、電解、溶融浸
せきまたは蒸着によって作られる。
【0009】ここでいう亜鉛の典型的な品質は、純亜鉛
と、例えばFe、Ni、Co、Al、Crを含む合金と
から成る。またここで言うアルミニウムおよびその合金
は、金属工業で使用される鋳造および鍛造用材料を意味
し、合金成分として、例えば、Mg、Mn、Cu、Si
、Zn、Fe、Cr、Ni、Tiを含有している。
【0010】本発明の方法にとって基本的に必要な要件
は、酸性のリン酸塩溶液が原理的にニッケルを含まない
ことである。これは工業的な条件下で、リン酸塩溶液中
のニッケル濃度が0.0002ないし0.01g/l以
下であることを意味する。しかしながら、0.0001
g/l以下であることが好ましい。
【0011】本発明のその他の本質的な特徴としては、
三種の金属イオン、Zn、Mn、Cuが前記濃度で存在
することが挙げられる。そして特に鋼を処理する場合、
Zn濃度を0.3g/l以下にすると皮膜形成が悪化す
る。Zn濃度を1.7g/l以上にすると、鋼表面に形
成されるリン酸塩皮膜中のフォスフォフィリット含量が
大幅に減少する。またかくして生じたリン酸塩皮膜がペ
ンキと組合わされると、極めて低い品質を示すことにな
る。
【0012】次にMn濃度が0.2g/l以下の場合に
は、このカチオンを添加する利点は見受けられない。ま
た濃度を4g/l以上にしても、なお一層の品質向上は
観測されない。さらにCu濃度は0.001ないし0.
030g/lであるが、0.001以下では皮膜の形成
および皮膜の質にとって好ましい効果が失われ、他方、
0.030g/l以上では、有害なCuセメンテーショ
ンが増大する。
【0013】リン酸塩皮膜を鋼に形成する場合、Feは
Fe(II)の形で溶液中に移行する。したがってリン
酸塩処理浴は、Fe(II)イオンの定常的濃度が0.
1g/lを越えないようにするため、充分な酸素および
/または他の酸化物を含有していなければならない。す
なわち、それ以上のFeはFe(III)に転化され、
リン酸鉄スラッジとして沈澱することになる。
【0014】完璧なリン酸塩皮膜を確実に形成しようと
すれば、リン酸塩溶液のpH値は、3.0ないし3.8
に調整しなけばならない。そして高目のpH値は、浴温
度が低目の場合か、浴濃度が低目の場合に選択され、低
目のpH値は、浴温度が高目の場合か、浴濃度が高目の
場合に選択されるであろう。
【0015】次にこのpH値の調整に必要とあれば、別
のカチオン、たとえば、アルカリ金属イオン(Na、K
、NH4 その他)および/またはアルカリ土金属イオ
ン(Mg、Ca)および別のアニオン(NO3 、Cl
、SiF6 、SO4 、BF4 その他)がリン酸塩
溶液に添加されてもよい。
【0016】また上記リン酸塩溶液のpH値は、液の準
備中や使用中に、必要なら塩基性化合物(NaOH、N
a2 CO3 、ZnO、ZnCO3 、MnCO3 
その他)または酸(HNO3 、H3 PO4 、H2
 SiF6 、HClその他)を添加して調整してもよ
い。
【0017】ところで3g/l以下のMgおよび/また
はCaを上記リン酸塩溶液に添加することにより、上記
リン酸塩皮膜の質を改善することができる。またその場
合の最適濃度は、0.4ないし1.3g/lの範囲にあ
るのがよい。なおこれらのカチオンは、リン酸塩または
前記アニオン塩の形でリン酸塩溶液中に添加するのがよ
い。このほか、酸化物、水酸化物、炭酸塩も、Mgまた
はCa源として使用することができる。
【0018】次に上記リン酸塩溶液をスプレー方式にて
使用する場合、Zn濃度は0.3ないし1g/lである
のが好ましい。またスプレーと浸せきとの併用方式、ま
たは浸せき方式にて使用する場合は、Zn濃度は0.9
ないし1.7g/lであるのが好ましい。なお好ましい
Mn濃度は、上記諸方式に関係なく0.4ないし1.3
g/lであるのがよい。
【0019】次に上記リン酸塩溶液中のCuは、0.0
03ないし0.020g/lの範囲にあるが、0.00
3ないし0.020g/lの範囲にあるのがよい。特に
良好なリン酸塩皮膜を得るためには、CuとP2 O5
 との重量比が1:(5ないし2000)で補給される
ときであろう。
【0020】次にFe(II)濃度を制限するため、リ
ン酸塩溶液には酸素、例えば大気中の酸素との接触、お
よび/または適当な酸化剤の添加が行われる。この酸化
剤としては、亜硝酸塩、塩素酸塩、臭素酸塩、ペルオキ
シ化合物(H2 O2 、過ホウ酸塩、過炭酸塩、過リ
ン酸塩その他)および有機ニトロ化合物、例えばニトロ
ベンゼンスルホネートが好ましい。
【0021】またこれらの酸化剤は単体で、あるいは組
合せて使用されるが、場合によっては硝酸塩のような比
較的弱い酸化剤と併用されることもある。適した組合せ
は、例えば、亜硝酸塩と硝酸塩、亜硝酸塩と塩素酸塩(
又は硝酸塩)、ペルオキシ化合物とNO3 、臭素酸塩
と硝酸塩、塩素酸塩とニトロベンゼンスルホネート(硝
酸塩)である。なお上記酸化剤は、Fe(II)イオン
の酸化に役立つだけではなく、リン酸塩皮膜の形成をも
促進する効果も有する。
【0022】ところで上記の酸化剤のリン酸塩処理浴中
における典型的な濃度は、亜硝酸塩:0.04ないし0
.5g/l;塩素酸塩:0.5ないし5g/l;臭素酸
塩:0.3ないし4g/l;ペルオキシ化合物(H2 
O2換算):0.005ないし0.1g/l;ニトロベ
ンゼンスルホネート:0.05ないし1g/lの範囲に
ある。
【0023】次に金属表面は、付加的修正作用を持つグ
ループの化合物を添加したリン酸塩溶液で処理されるの
が好ましい。なおこのグループは、界面活性剤、ヒドロ
キシカルボン酸、酒石酸塩、クエン酸塩、単純フッ化物
、ホウフッ化物、ケイフッ化物から成る。
【0024】上記グループのうち界面活性剤(例えば0
.05ないし0.5g/l)の添加は、軽度に油が塗布
された金属表面のリン酸塩皮膜の形成を改善する。また
ヒドロキシカルボン酸、例えば酒石酸、クエン酸および
それらの塩は、例えば0.03ないし0.3g/lの濃
度範囲で、リン酸塩皮膜重量の顕著な減少をもたらす。
【0025】さらに単純フッ化物は比較的難腐食性のリ
ン酸塩皮膜の形成を促進し、しかもその際、リン酸塩皮
膜処理の最小所要時間を短縮し、またリン酸塩皮膜の表
面掩蔽率をも高める。なおこの目的のためには、例えば
0.1ないし1g/lのF濃度が適当である。
【0026】この単純フッ化物は、その添加を管理する
ことによって、アルミニウムおよびその合金上に結晶性
のリン酸塩皮膜を形成することができる。なおBF4 
およびSiF6 も、リン酸塩皮膜処理浴の攻撃性(A
ggressivitaet)を高めるが、これは特に
乾式亜鉛メッキ表面の処理の際に明瞭に現れる。この場
合の添加量は例えば0.4ないし3g/lであるのがよ
い。
【0027】ところで本発明に係るリン酸塩溶液は、ス
プレー、スプレーと浸せき、または浸せきによって金属
表面に施される。また浴温度は、通常40ないし60℃
の範囲に保たれる。さらに処理時間については、鋼およ
びアルミニウムの場合、均一被覆のリン酸塩皮膜を析出
させるために1ないし5分で充分である。他方亜鉛メッ
キ鋼の場合は、しばしば10秒以下で充分である。した
がって本発明の方法は、帯状体を高速で送る設備にも使
用することができる。
【0028】金属表面は、リン酸塩溶液で処理される前
に、一般に洗浄され、すすがれ、およびリン酸チタンを
主剤とする活性化剤にて処理されることが多い。
【0029】本発明のリン酸塩皮膜形成法により作られ
たリン酸塩皮膜層は、微結晶性で、しかも均一な厚さを
有する。またその単位表面当たり重量は、鋼、亜鉛メッ
キ鋼および亜鉛合金メッキ鋼を処理した場合、1.5な
いし4.5g/m2 、アルミニウムおよびその合金を
処理した場合、0.5ないし2.5g/m2 であるこ
とが多い。
【0030】上記リン酸塩溶液の組成は、例えばリン酸
塩皮膜の生成、スラッジの発生、処理された金属表面に
溶液が残留することによる機械的損失、スラッジを除去
する際の機械的損失、あるいは酸化還元反応および分解
によって、リン酸塩処理の実施中に消費される。このた
めリン酸塩処理浴は分析化学的に監視されると共に、不
足成分は補充されなければならない。
【0031】上記リン酸塩皮膜は、とり分け、防食のた
め、切削を伴わない冷間加工を容易にするためおよび、
電気的な絶縁を得るために有効に使用することができる
。さらに、このリン酸塩皮膜は、金属表面の塗装、特に
電着塗装の前処理に好んで使用される。そしてカソード
電着塗装と組合されるとき、特に良好な成績が得られる
【0032】上記リン酸塩皮膜は、上記塗装の前に例え
ばCr(VI)、Cr(VI)─Cr(III)、Cr
(III)、Cr(III)─フルオロジルコニウム錯
塩、Al(III)、Al(III)─フロオロジルコ
ニウム錯塩を主剤とした不働態化性すすぎ剤で処理する
ことが推奨される。これによって塗膜の付着性や、耐腐
食浸透性がさらに向上するであろう。
【0033】
【実施例】先づ鋼、亜鉛メッキ鋼、およびアルミニウム
の各薄板は、アルカリ性洗浄剤で脱脂された。
【0034】次に水ですすぎ洗いをされ、さらに必要な
場合には、活性化のためにリン酸チタン含有溶液による
前処理が行われ、そのあと温度50℃でリン酸塩皮膜が
形成された。その際使用されたリン酸塩溶液は、表1に
示す12種類である。
【0035】 注)  NBS:ニトロベンゼンスルホネート・ナトリ
ウム塩全酸量:浴サンプル10ml当たりの0.1N 
 NaOH消費量ml(フ なお凡ての浴についてFe(II)濃度は0.1g/l
であった。
【0036】表から凡ての試験例で、均一厚さのリン酸
塩皮膜が得られたことがわかる。なおこのリン酸塩皮膜
は、カソード電着塗装や、自動車工業で行うような塗装
と結合されると、高い耐食性や耐腐食浸透性を示すこと
が判明した。
【0037】
【発明の効果】本発明は上述のような構成であるから、
処理溶液中にニッケルが含まれない。また形成されたリ
ン酸塩皮膜中にもニッケルは存在しない。
【0038】したがって労働安全衛生上および環境保全
上、危険が全くないだけでなく、本発明の方法で形成さ
れるリン酸塩皮膜は、その品質が従来のそれに較べて全
くそん色がない。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】亜鉛、マンガンおよびリン酸の各イオンと
    、酸化剤とを含む酸性のリン酸塩水溶液で金属表面を処
    理する方法において、基本的にニッケルを含まず、0.
    3      ないし    1.7      g/
    l      Zn0.2      ないし    
    4.0      g/l      Mn0.001
      ないし    0.030  g/l      
    Cu5          ないし  30     
         g/l      リン酸塩(P2 O5 
    換算) を含み、酸素および/または同様な効果を有する他の酸
    化剤を用いて液中のFe(II)濃度を0.1g/l以
    下に保持すると共に、pH値を3.0ないし3.8に調
    整したリン酸塩溶液で金属表面を処理する方法。
  2. 【請求項2】3g/l以下、好ましくは、0.4ないし
    1.3g/lのMgおよび/またはCaを追加的に含有
    させたリン酸塩溶液で金属表面を処理する請求項1記載
    の方法。
  3. 【請求項3】0.3ないし1.0g/lのZnを含有さ
    せたリン酸塩溶液に金属表面をスプレー方式で接触させ
    ることを特徴とする請求項1または2記載の方法。
  4. 【請求項4】0.9ないし1.7g/lのZnを含有さ
    せたリン酸塩溶液に金属表面をスプレーと浸せきとの併
    用方式で接触させることを特徴とする請求項1または2
    記載の方法。
  5. 【請求項5】0.4ないし1.3g/lのMnを含有さ
    せたリン酸塩溶液で金属表面を処理することを特徴とす
    る請求項1、2、3または4記載の方法。
  6. 【請求項6】0.003ないし0.020g/lのCu
    を含有させたリン酸塩溶液で金属表面を処理することを
    特徴とする請求項1、2、3、4または5記載の方法。
  7. 【請求項7】Cuとリン酸塩(P2 O5 換算)との
    重量比は1:(170ないし30000)でありかつC
    uおよびP2 O5 は重量比1:(5ないし2000
    )で補給される請求項1、2、3、4、5または6記載
    の方法。
  8. 【請求項8】亜硝酸塩、塩素酸塩、臭素酸塩、ペルオキ
    シ化合物、ニトロベンゼンスルホネートのような有機ニ
    トロ化合物を酸化剤として含有させたリン酸塩溶液に金
    属表面を接触させることを特徴とする請求項1、2、3
    、4、5、6または7記載の方法。
  9. 【請求項9】界面活性剤、ヒドロキシカルボン酸、酒石
    酸塩、クエン酸塩、単純フッ化物、ホウフッ化物、ケイ
    フッ化物のグループに属して付加的修正作用を有する化
    合物を含有させたリン酸塩溶液に金属表面を接触させる
    ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7ま
    たは8記載の方法。
  10. 【請求項10】塗装、特に電着塗装される金属表面の前
    処理に請求項1〜9記載の方法の1つを使用する方法。
  11. 【請求項11】鋼、亜鉛メッキ鋼、亜鉛合金メッキ鋼、
    アルミニウムおよびアルミニウム合金をリン酸塩で処理
    する際に請求項1〜9記載の方法の1つを使用する方法
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