(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ含有量が０．１質量％以上のアルミニウム材料を、濃度２０〜１００ｇ／ｌの水酸化ナトリウムを含み、浴温３０〜７０℃，ｐＨ１３以上のアルカリ性水溶液に１〜１０分浸漬し、材料表面の酸化物を除去する第１工程、
酸化物が除去されたアルミニウム材料を、硝酸又は硫酸を含み，浴温２０〜５０℃，ｐＨ２以下の酸性水溶液に１〜２０分浸漬し、アルミニウム材料の表面に生成したＦｅのスマットを除去する第２工程、
Ｆｅのスマットが除去されたアルミニウム材料を、濃度１０〜２００ｇ／ｌの塩酸を含み、浴温２０〜５０℃の塩酸含有水溶液に１〜２０分間浸漬し、材料表面に微細な凹凸を形成する第３工程、
次いで、アルミニウム材料を、濃度２０〜１００ｇ／ｌの水酸化ナトリウムを含み、浴温３０〜７０℃，ｐＨ１３以上のアルカリ性水溶液に３〜２０分浸漬し、微細な凹凸を拡大する第４工程からなり、何れの部分でも表面粗さがＲｚ５μｍ以上の凹凸を有する材料表面にすることを特徴とするアルミニウム材料の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、表面光沢が調整された特異な外観を押出材，圧延材等のアルミニウム材料に付与する表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム，アルミニウム合金等のアルミニウム材料は、軽量で耐食性，耐久性に優れていることを活用し、外装材，内装材，表層材等の建築材料やケーシング材を始めとして各種分野で使用されている。建築用途等では、都市空間との調和，建築物の意匠性等を改善するため、梨地処理，ブラスト処理等で表面光沢を調整し、電解着色，塗装等で種々の色調を付与している。最近では、一層大きな凹凸によるザラツキ感をもつ外観を呈したアルミニウム材が要求されている。陽極酸化処理に先立って、アルミニウムの結晶粒を顕在化させるとき、着色処理されたアルミニウム材料も結晶粒が顕在化した表面状態を維持し、意匠性の高い製品になる。結晶粒の顕在化には、硝酸と塩酸との混液（王水），アルカリ，フッ酸等を用いたエッチングが知られている。また、結晶粒を大きく成長させたアルミニウム材料をエッチング処理することにより、結晶粒模様が発現することも知られている（特開平３−２５７１７７号公報，特開平５−７０９０６号公報，特開平６−３３６６８２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
王水を用いて結晶粒模様を発現させる方法では、アルミニウム材料に王水が激しく反応するため外観の制御が困難である。しかも、反応ガスによる周辺設備の腐食等、環境にも悪影響を及ぼす。アルカリを用いたエッチングでは、処理後の外観を制御することは容易であるものの、アルミニウム材料が均一溶解するため、結晶粒模様を発現できなかった。フッ酸系のエッチング液を用いて艶消しする方法も知られているが、この場合にも凹凸感が少なく、望ましい外観が得られていない。ショットブラストで艶消し処理する方法では、ショットの粒子径に応じた凹凸感のある外観が得られるが、ショット吹付け時の圧力によってはアルミニウム材料に変形が生じることもある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、塩酸含有エッチング処理をアルカリエッチング処理に組み合わせることにより、何れの部分でも表面粗さがＲｚ５μｍ以上の凹凸を材料表面に形成し、意匠性に優れたアルミニウム材料を提供することを目的とする。
本発明では、Ｆｅ含有量が０．１質量％以上のアルミニウム材料を、濃度２０〜１００ｇ／ｌの水酸化ナトリウムを含み、浴温３０〜７０℃，ｐＨ１３以上のアルカリ性水溶液に１〜１０分浸漬し、材料表面の酸化物を除去する第１工程、酸化物が除去されたアルミニウム材料を、硝酸又は硫酸を含み，浴温２０〜５０℃，ｐＨ２以下の酸性水溶液に１〜２０分浸漬し、アルミニウム材料の表面に生成したＦｅのスマットを除去する第２工程、Ｆｅのスマットが除去されたアルミニウム材料を、濃度１０〜２００ｇ／ｌの塩酸を含み、浴温２０〜５０℃の塩酸含有水溶液に１〜２０分間浸漬し、材料表面に微細な凹凸を形成する第３工程、次いで、アルミニウム材料を、濃度２０〜１００ｇ／ｌの水酸化ナトリウムを含み、浴温３０〜７０℃，ｐＨ１３以上のアルカリ性水溶液に３〜２０分浸漬し、微細な凹凸を拡大する第４工程の順にアルミニウム材料が表面処理される。
【０００６】
【作用】
通常のアルカリエッチング処理では、素材に含まれている晶出物の選択的な溶解や脱落が起点となってピットが生成する。しかし、処理された表面は、素材自体の光沢による影響を大きく受け、梨地感に乏しい。すなわち、アルカリエッチング処理だけでは、材料依存性が強く、表面形態を大きく変えることができない。
そこで、本発明では、アルカリエッチング処理に先立って塩酸含有水溶液を用いたエッチング処理を導入することにより、材料の全面に多数の微細な凹凸を形成すると共に、凹凸のサイズ及び深さを高い自由度で制御することを可能にした。アルミニウム材料を塩酸含有水溶液に浸漬すると、表面酸化物の欠陥部に塩酸が進入してアルミニウムが局部溶解する。局部溶解により生じたエッチピット、すなわち方位ピットは、角張った小さな孔としてアルミニウム材料の表面から深さ方向に成長する。そのため、エッチピットによりアルミニウム材料の表面につけた凹凸は微細である。
【０００７】
塩酸浸漬で材料表面につけられた微細な凹凸は、アルミニウム材料をアルカリ性水溶液に浸漬したときのアルミニウム材料の均一溶解によってエッチピットの孔径が拡大し、大きな凹凸となる。成長した大きな凹凸は、材料表面に均一に分布しており、目的とするザラツキ感をアルミニウム材料に付与する。アルカリ性水溶液を用いた浸漬処理後のアルミニウム材料の表面を観察すると、材料表面の何れの部分でも表面粗さがＲｚ５μｍ以上となっている。
【０００８】
ところで、アルミニウム材料の表面にある酸化物は、表面部分によっては厚みが不均一であり、材料表面に生じるエッチピットの分布を不均一化する原因となる。すなわち、エッチピットの発生個数は、厚い酸化物が生成している表面部分で少なく、薄い酸化物が生成している個所では多い。酸化物の厚みは、材料の履歴によっても異なり、エッチピット発生の再現性を低下させる。
塩酸含有水溶液浸漬に先立ってアルミニウム材料をアルカリ性水溶液に浸漬して材料表面から酸化物を除去した後、材料表面に生成したＦｅのスマットを酸性水溶液で除去する。すなわち、本発明が対象とするアルミニウム材料は、０．１質量％以上のＦｅを含む材料であり、アルカリ性水溶液に浸漬しただけでは、材料表面にＦｅがスマットとして残留する。Ｆｅのスマットが付着したままのアルミニウム材料を塩酸含有水溶液に浸漬すると、材料表面にあるＦｅがアルミニウムとの間に局部電池を形成し、アルミニウム材料の激しい溶解反応を生起させ、結果として肌荒れした外観となる。肌荒れは、塩酸含有水溶液への浸漬に先立って酸性水溶液にアルミニウム材料を浸漬し、肌荒れの原因であるＦｅのスマットを除去することにより防止できる。
【０００９】
【実施の形態】
本発明が対象とするアルミニウム材料には、ＪＩＳ  Ａ１１００等の純Ａｌ系，ＪＩＳ  Ａ６０６３等のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金があり、従来から建材分野等で板材，管材，押出形材等として使用されている。
第１工程：
第１工程では、好ましくは濃度２０〜１００ｇ／ｌの水酸化ナトリウムを含み，浴温３０〜７０℃，ｐＨ１３以上のアルカリ性水溶液にアルミニウム材料が１〜１０分浸漬される。材料表面から酸化物を十分に除去するためには、濃度２０ｇ／ｌ以上の水酸化ナトリウム，３０℃以上の浴温及び１分以上の浸漬時間が必要である。しかし、１００ｇ／ｌを超える濃度，７０℃を超える浴温や１０分を超える長時間浸漬では，濃度上昇，温度上昇又は浸漬時間の長期化に見合った効果が得られない。
【００１０】
第２工程：
アルカリ性水溶液で浸漬処理されたアルミニウム材料は、Ｆｅのスマットが材料表面に残留しているので、第２工程を経て塩酸含有水溶液を用いた第３工程に移る。第２工程では、硫酸又は硝酸を含み、浴温２０〜５０℃，ｐＨ２以下の酸性水溶液が使用される。或いは、亜硫酸，亜硝酸又はそれらの塩を含む水溶液や過酸化水素水も使用できる。アルミニウム材料を酸性水溶液に１分以上浸漬すると、材料表面からＦｅのスマットが十分に除去され、次の第３工程において塩酸含有水溶液との均一な反応に適した表面に調整される。Ｆｅのスマットの除去は，２０分以内の浸漬時間で十分である。酸性水溶液への浸漬は、材料表面に残留しているアルカリ成分の除去にも働き、第３工程で使用する塩酸含有水溶液の劣化を抑制する上でも有効である。
【００１１】
第３工程：
第２工程でＦｅのスマットが除去されたアルミニウム材料は、塩酸含有水溶液を用いた第３工程に移行する。第３工程では、濃度１０〜２００ｇ／ｌ（より好ましくは３０〜１５０ｇ／ｌ）の塩酸を含み、浴温２０〜５０℃（より好ましくは２５〜４０℃）の塩酸含有水溶液にアルミニウム材料が１〜２０分（より好ましくは５〜１５分）浸漬される。塩酸含有水溶液には、微細な凹凸の制御を容易にするため燐酸，硫酸等の鉱酸又はシュウ酸等の有機酸を添加することもできる。
材料表面に局部溶解により必要個数のエッチピットを生成させる反応は、塩酸濃度１０ｇ／ｌ以上，浴温２０℃以上，浸漬時間１分以上で円滑に進行する。２００ｇ／ｌを超える塩酸濃度や５０℃を超える浴温では、エッチピットの生成反応が激しく微細な凹凸の制御が困難になるばかりか、塩酸ミストの発生により作業環境を悪化させる虞がある。また、２０分を超える長時間浸漬では、エッチピットの発生個数は多くなるものの、凹凸の重り合いが進行して必要な外観が得られなくなる。
【００１２】
第４工程：
塩酸含有水溶液浸漬で材料表面に生成したエッチピットは、アルミニウム材料をアルカリ性水溶液に浸漬処理する第４工程で孔径が拡大される。第４工程のアルカリ性水溶液浸漬処理には、第１工程と同じ処理槽を使用できるが、専用の処理槽を用意しても良いことは勿論である。
第４工程では、エッチピットの孔径を効率よく拡大するため、好ましくは濃度２０〜１００ｇ／ｌ（より好ましくは４０〜７０ｇ／ｌ）の水酸化ナトリウムを含み、浴温３０〜７０℃（より好ましくは４０〜６０℃），ｐＨ１３以上のアルカリ性水溶液にアルミニウム材料が３〜２０分（より好ましくは５〜１５分）浸漬される。３０℃未満の浴温や２０ｇ／ｌ未満の濃度では、溶解速度が遅く、生産性を低下させる。逆に７０℃を超える浴温や１００ｇ／ｌを超える濃度では、制御困難なほどに均一溶解が激しく進行し、凹凸がなだらかになってしまう。過激な溶解反応のために時間制御が困難になる。また、エッチングミストも多量に発生し、作業環境を悪化させる虞もある。浸漬時間は、３分に達しない短時間浸漬では均一溶解が進行せず凹凸が目立たず、２０分を超える長時間浸漬では均一溶解が過度に進行して却って凹凸が目立たなくなる。
第４工程で凹凸を大きくしたアルミニウム材料は、目的に応じて陽極酸化処理，着色処理，封孔処理，電着塗装，スプレー塗装等が施される。
【００１３】
【実施例】
実施例１：
被処理材として、Ｆｅ含有量０．２質量％のＪＩＳ  Ａ６０６３アルミニウム合金材を使用した。濃度５０ｇ／ｌ，浴温５０℃の水酸化ナトリウム水溶液にアルミニウム材料を５分浸漬して酸化物を除去した（第１工程）後、濃度１００ｇ／ｌ，浴温２５℃の硫酸水溶液に５分間浸漬して材料表面からＦｅのスマットを除去し（第２工程）、濃度１００ｇ／ｌ，浴温３０℃の塩酸含有水溶液に５分浸漬し、材料表面に多数のエッチピットを生成させた（第３工程）。次いで、濃度５０ｇ／ｌ，浴温５０℃の水酸化ナトリウム水溶液に１０分浸漬したところ、材料表面が均一に溶解し、大きな凹凸のある表面が形成された（第４工程）。処理されたアルミニウム材料は、凹凸の目立つザラツキ感のある外観を呈し，表面粗さがＲｚ８．６μｍであった。
【００１４】
実施例２：
被処理材として、Ｆｅ含有量０．３５質量％のＪＩＳ  Ａ１１００アルミニウム合金材を使用した。濃度５０ｇ／ｌ，浴温５０℃の水酸化ナトリウム水溶液にアルミニウム材料を５分浸漬して酸化物を除去した（第１工程）後、濃度３００ｇ／ｌ，浴温２５℃の硝酸水溶液に３分浸漬することにより材料表面からＦｅのスマットを除去した（第２工程）。清浄化されたアルミニウム材料を濃度１００ｇ／ｌ，浴温３０℃の塩酸含有水溶液に５分浸漬し、材料表面に多数のエッチピットを生成させた（第３工程）。次いで、濃度５０ｇ／ｌ，浴温５０℃の水酸化ナトリウム水溶液に１０分浸漬したところ、材料表面が均一に溶解し、大きな凹凸のある表面が形成された（第４工程）。処理されたアルミニウム材料は、凹凸の目立つザラツキ感のある外観を呈し，表面粗さがＲｚ１５．３μｍであった。
【００１５】
比較例１：
第２工程を実施せずに材料表面にＦｅのスマットを残留させていることを除き実施例１と同様にＪＩＳ  Ａ６０６３アルミニウム合金材を浸漬処理したところ、塩酸含有水溶液中で材料表面が激しく溶解し、次いで水酸化ナトリウム溶液中で溶解すると凹凸感がなくなり、望ましい外観が得られなかった。このときの表面粗さは、Ｒｚ４．０μｍであった。
【００１６】
比較例２：
第２工程を実施せずに材料表面にＦｅのスマットを残留させていることを除き実施例２と同様にＪＩＳ  Ａ１１００アルミニウム合金材を浸漬処理した。この場合にも、塩酸含有水溶液中で材料表面が激しく溶解し、次いで水酸化ナトリウム溶液中で溶解すると、望ましい外観が得られなかった。処理後のアルミニウム材料は、表面粗さがＲｚ４．３μｍにとどまり、ザラツキ感のない表面状態であった。
この対比から明らかなように、本発明に従ってアルカリ性水溶液浸漬→中和処理→塩酸含有水溶液浸漬→アルカリ性水溶液浸漬を施すことにより、アルミニウム材料が大きな凹凸でザラツキ感のある表面状態に調整される。また、塩酸含有水溶液浸漬に先立つ中和処理でエッチピットの生成に悪影響を及ぼすＦｅのスマットを除去するとき、材料表面に一様なザラツキ感が付与される。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、アルカリ性水溶液浸漬によりアルミニウム材料の表面から酸化物を除去し、次いで酸性水溶液への浸漬によりＦｅのスマットを除去した後、塩酸含有水溶液浸漬で多数のエッチピットを生成させ、後続するアルカリ性水溶液浸漬でエッチピットの孔径を拡大することにより、大きな凹凸のザラツキ感を材料表面に付与している。このように処理されたアルミニウム材料は、陽極酸化，着色処理，各種塗装等で識別性の高い表面状態に調整され、サッシ，カーテンウォール等を初めとして広範な分野で使用される。