JFE 技報 No. 8（2005 年 6 月）p. 82–85

優れた吸放熱特性を有するクロメートフリー黒色鋼板「エコフロンティア Z1」
Chromate-Free Black Colored Steel Sheetswith Excellent Heat Absorption/Radiation Property “ECO FRONTIER Z1”
中丸裕樹

NAKAMARU Hiroki

JFE スチール

スチール研究所

表面処理研究部主任研究員（課長）・Ph. D.

樋貝和彦

HIGAI Kazuhiko

JFE スチール

スチール研究所

表面処理研究部主任研究員（副課長）加藤千昭

KATO Chiaki

JFE スチール

スチール研究所

表面処理研究部長・Ph. D.

要旨「エコフロンティア ®Z1」は，美麗な黒色外観，高耐食性に加えて，優れた吸放熱特性と電磁波シールド性とを兼ね備え，No. 1 商品として評価の高いクロメートフリー黒色鋼板である。この鋼板は，Zn-Ni めっき鋼板表面の黒化処理層およびクロムを含有しない有機無機複合皮膜で構成され，優れた耐食性および吸放熱特性を有している。また，エコフロンティア Z1 は十分な導電性を有し，スポット溶接が可能であり，アース性や電磁波シールド性を要求される家電製品，OA 機器やカーオーディオなどの部品に使用されている。

Abstract:
A chromate-free black colored steel sheet “ECO FRONTIER Z1,” one of the distinctive products of JFE Steel, with black
appearance, high corrosion resistance, high heat absorption/radiation property and EMI shielding performance has beendeveloped. The ECO FRONTIER Z1 consists of (1) a black colored layer formed on the surface of the Zn-Ni alloy electroplated
steel by anodic treatment, and (2) a chromate-free organic-inorganic composite film. The ECO FRONTIER Z1 has an excellent
heat absorption/radiation property with its high heat emissivity. Spot welding can be applied on ECO FRONTIER Z1 with its
good conductivity, and it has been used for the parts of electrical appliances, office equipments, and car audio equipments,
which require groundability and EMI shielding performance.などの高機能化にともなう発熱量の増大が問題になり，熱1. 緒言

対策の一つとして放熱効果を付与した鋼板が注目されてい4）

5）る 。Z1 の表面皮膜は優れた吸放熱特性を有しており ，
近年，環境保護活動の高まりから環境負荷物質の使用を1）

このようなニーズへの対応が可能であるとともに，導電性削減する動きが進んでいる 。JFE スチールでは，このよを有することから電磁波シールド性との両立を果たしていうな環境ニーズを先取りして，家電・OA 機器に使われるる。本稿では Z1 のこれら諸特性を紹介する。

各種クロメートフリー表面処理鋼板の開発に取り組んでき2）た 。本稿で紹介するクロメートフリー黒色鋼板「エコフ®

ロンティア Z1」
（以下，Z1）はクロメートフリー製品ライン

2. 「エコフロンティア Z1」の開発思想と断面構造ナップの一つであり，2002 年から工業生産を開始している。
黒色鋼板は，Zn-Ni めっきに引き続く電気化学的な処理

Fig. 1 に Z1 の断面構造を示す。黒色皮膜の形成手段とによって黒色化した皮膜にクロメート，樹脂を塗布した表しては，JFE スチールで従来から実績のある Zn-Ni めっき面処理鋼板である。美麗かつ漆黒色の外観を有し，耐食性，鋼板を陽極処理する方法を用いた意匠性に優れ，なおかつ導電性を有していることから，家1 µm 程度の有機無機複合皮膜を形成することで色調を安電製品や OA 機器などに使われている。Z1 はクロムを一切定化するとともに耐食性を付与した。陽極処理された Zn-

使わずに，従来のクロメートを使用した黒色鋼板と同等のNi めっきの表面は極めて活性であり，なおかつ色調外観の外観（黒色度，光沢度），耐食性，導電性，溶接性，耐脱脂3）性などを満足している 。また，近年，家電製品 OA 機器

6,7）。引き続き，膜厚維持が必要であることから，耐食性と導電性，また意匠性を確保するため，陽極処理後，有機無機複合処理液を塗布− 82 −

優れた吸放熱特性を有するクロメートフリー黒色鋼板「エコフロンティア Z1」

次に，黒色度および光沢度の定量的な測定結果を示す。黒

Chromate-free organic-inorganic composite coating

色度の指標としては CIE（国際照明委員会）が 1976 年に提Black treatedZn-Ni alloy

案した表色系（L*a*b*）の明度の指標である L* 値を分光式色差計 SQ2000（日本電色工業（株）製）を用いて，JIS Z 8722に準拠し測定した。光沢度は JIS Z 8741 の鏡面反射角 60°での鏡面光沢度 Gs（60°）を光沢計 VG2000（ 日本電色工業

Base steel sheet

Fig. 1（株）製）を用いて測定した。

The coating structure of the chromate-free blackcolored steel sheet “ECO FRONTIER Z1”

Z1 と従来のクロメートタイプ黒色鋼板の L* 値を測定した結果を Fig. 2 に，鏡面反射角 60° での鏡面光沢度 Gs焼付する。この有機無機複合皮膜の膜厚を増加すると，耐（60°）
を測定した結果を Fig. 3 に示す。Z1 の明度および光食性と意匠性は向上するが導電性は低下するため，付着量沢度は，ともに従来のクロメートタイプの黒色鋼板と同等の制御が重要である。以上の要求を満足させるために，特であることが分かる。

別に設計した樹脂と無機物とからなる複合処理皮膜を形成3.2させることとした。

耐食性と導電性

Z1 の耐食性は，最表面に形成する有機無機複合皮膜の3. 品質特性付着量が増加するほど向上する。反面，有機無機複合皮膜の付着量増加によって導電性は低下する。このことを模式

色調・光沢度3.1

的に示したのが Fig. 4 である。耐食性は JIS Z 2371 に規定

黒色鋼板は，低光沢黒色外観の優れた意匠性と優れた耐の塩水噴霧試験（SST）を行い，5％白錆が発生するまでの時食性が大きな特徴であることから，クロメートフリー黒色間で評価した。導電性は，低抵抗率計ロレスタ GP（三菱化

鋼板においても，黒色度，光沢度の外観特性を制御する必学（株）製）を用いて，4 探針法（4 探針 ESP プローブ）で測定要がある。Photo 1 は Z1 の外観写真である。比較のためを行い，測定値が 1 mΩ 未満を示した場合に導通ありとし，に通常の Zn めっき鋼板（記号：EG）および Zn-Ni めっき鋼場所を変えて 10 ヶ所測定した場合の導通確率で評価した。

板（記号：Zn-Ni）を同一の視野に入れて撮影してある。この

なお，導通確率の定義を式（1）に示す。

写真から，Z1 が美麗な黒色外観を呈していることが分かる。
導通確率（％）（（導通回数）/10） 100 ……（1）EGZn-Ni

Z1

Z1 の主な用途が家電・OA 機器であることから，耐食性の目標レベルは SST における 5％白錆発生時間  120 h とした。また，十分な溶接性，アース性，電磁波シールド性などを確保するためには上記の導電性評価における導通確率  100％であることが望ましい。そのような観点から，
Fig. 4 に示したように，耐食性と導電性の目標レベルを同

Photo 1 The “ECO FRONTIER Z1”

時に満足できるような皮膜の設計が行われた。黒色化のた
102030

めに陽極処理された Zn-Ni めっきの表面は極めて活性であTime to 5% white rust appearance (h)Chromate-free type
Z1
Chromate typeblack colored steel

Fig. 2 L* value of Chromate-free type “ECO FRONTIER Z1”
and chromate type black colored steelGs (60°)102030Chromate-free type
Z1
Chromate typeblack colored steel

Fig. 3100

2401209650724824

Conduction probability (%)

L*0Coating weightFig. 4

Gs (60°) of chromate-free type “ECO FRONTIER Z1”
and chromate type black colored steel− 83 −

Schematic diagram for the effect of coating weight on
the corrosion resistance and the surface conductivityof “ECO FRONTIER Z1”

優れた吸放熱特性を有するクロメートフリー黒色鋼板「エコフロンティア Z1」ることから，通常の Zn めっきに適用されるクロメートフ

Table 1

リー皮膜では十分な耐食性が得られない。このため，表面

Reagentsを不働態化するための無機成分と，架橋度を高めて腐食物

A: CL-N364S

20 g/l, 333 K, Dip: 3 min

質の浸透に対するバリアー性を格段に向上させた有機皮膜

B: Trichloroethylene

Vapor degreasing, 5 min

Degreasing conditions
Treating conditionsとの複合化によって目標レベルの確保が可能となった。
Fig. 4 に示したように，Z1 は有機無機複合皮膜の付着量をザーでの加工時にプレス油を塗布し，加工後にプレス油を適切な範囲に管理することで耐食性と導電性との両立が可脱脂処理するような場合に，脱脂処理による皮膜の剥離や能である。このように Z1 は導電性を有することから，アー変色のないことが要求される。そこで一般的な中アルカリス性や電磁波シールド性が要求される家電製品，OA 機器

脱脂液（pH10〜11）
として CL-N364S（日本パーカライジングやカーオーディオなどの部品に使用されている。

（株）製），溶剤系脱脂液としてトリクロロエチレンを使用し，Table 1 に示した脱脂条件で脱脂処理を行い，脱脂処理後スポット溶接性

3.3の皮膜剥離の有無を目視にて確認するとともに，脱脂前後

Z1 の表面皮膜は導電性を有することから，スポット溶接の明度 L* の差 ∆L* を測定した。

が可能である。Fig. 5 に加圧力と溶接上限電流値および溶

上記のアルカリ脱脂液および溶剤系脱脂液のどちらで処

接下限電流値との関係を示す。
（株）木村電熔機製作所製

理した場合も，皮膜の剥離はなく，脱脂前後の明度の差

SW-608SP 型スポット溶接機を用いて，先端径 5 mm の CF

∆L* が 0.1 以下の値をとり，外観上の変化が認められず，型電極にて，板厚 0.8 mm の Z1 を 2 枚重ねてスポット溶接

優れた耐脱脂性を有していることが確認されている。

した結果である。この結果から十分な溶接適正電流範囲の3.5存在することが分かる。さらに，Fig. 6 に示すように電極の手入れなしで 3 000 点以上の連続打点が可能であり，優れた連続打点性を示すことが分かる。

近年，家電製品や OA 機器などの高機能化にともなう発熱量の増大が問題になり，熱対策の一つとして放熱効果を3）付与した鋼板が注目されている 。これは，表面に放射率耐脱脂性

3.4

吸放熱特性の高い皮膜を形成した鋼鈑を電子機器の筺体に用いて，内Z1 は美麗な黒色外観を特徴とする製品であるため，ユー部の発熱源と鋼板との間の輻射伝熱を促進することで筺体内部の温度を低下させることを目的としたものである。表面皮膜の放射率を向上させるためには，カーボンブラック

9.5

Welding current (kA)

9.0

Upper limit current (kA)
Lower limit current (kA)

や各種酸化物などの高放射率の顔料を含有する塗料を用い8.5て塗膜を形成することが有効であると考えられる。さら8.0に，一般的に有機樹脂の放射率は高いことから，塗膜の厚みを増加することなども効果的である。しかしながら，こ7.5

れらの手法では必然的に表面抵抗の増加が避けられない。

7.0

一方，黒色鋼板の表面皮膜は，前述のように家電・OA 機

6.5器の部品として十分な導電性を保持するとともに，優れた6.0吸放熱特性をも有している。
Fig. 7 はこのことを確認するために行った実験の一例で5.5

Fig. 52 000
Electrode force (N)3 000

Relationship between the welding current and theapplied electrode contact forceある。板厚 20 mm のアクリル板で作成した模擬筺体の内部にヒーターをセットし，直流安定化電源から一定の電力39 W を供給した。模擬筺体内部の寸法は縦横 280 mm，高Nugget diameter (mm)さ 110 mm である。この模擬筺体は温度 23  1°C に制御876543210された恒温室の内部にセットされ，筐体上部の開口部を板5√t  4.47 mm

厚 0.8 mm のアルミニウム合金板（JIS 1050），電気亜鉛めっき鋼板，もしくは Z1 で塞いだ状態で，模擬筺体内部の温度を熱電対で測定した。アクリル筐体の内面側には板厚Electrode force: 90 kgf (882 N)
Welding current: 7.6 kA
01 000

2 000

3 000

Number of welds (times)

Fig. 6

Change in nugget diameter during continuous spotwelding

JFE 技報 No. 8（2005 年 6 月）

0.6 mm のアルミニウム反射板を貼り，筺体外部との熱のやり取りが主に上方の開口部に設置した試験片を介して行われるようにした。Fig. 7 の模式図では省略してあるが，ヒーターからの輻射を熱電対が直接受けることを避けるために，熱電対の直下にアルミニウムフォイルを設置してある。
− 84 −

優れた吸放熱特性を有するクロメートフリー黒色鋼板「エコフロンティア Z1」

Specimen (300  300  0.8 mm)

ることが分かる。Z1 はその優れた吸放熱特性が認められ，密閉された空間に設置され，吸放熱特性が必要とされる

35 mm

Aluminum sheet
0.6 mm thickness

カーオーディオの部品などに使用されている。

Data logger

Thermocouple
25 mm

4. 結言

40 mm
Stabilized DCpower supply

Heater

黒化処理した電気 Zn-Ni めっき上に有機無機複合皮膜を設けたクロメートフリー黒色鋼板「エコフロンティアコー

Acrylic body 20 mm thickness

Fig. 7

ト Z1」の諸特性を紹介した。本鋼板は従来の黒色鋼板と同Schematic diagram of apparatus used in heat radiation
study

等の外観，耐食性，導電性，耐脱脂性を有しており，なおかつ優れた吸放熱特性を有している。今後ますます高まる環境ニーズに対応可能であるとともに，家電製品，OA 機

90

器やカーオーディオの高機能化にともなう熱対策の観点か

Aluminum alloy sheet JIS 1050

Temperature (°C)

80

らの適用拡大が期待される。
Electrogalvanized steel sheet70
参考文献601） Official Journal of EU. L37/19. vol. 13, no. 2, 2003.
2） Yamada, S.; Mitsunari, M.; Taguchi, N.; Kurosawa, M.; Ogawa, T.;
Hatano, H. JFE Technical Report. no. 2, 2004, p. 19–31.
3） 西山直樹，樋貝和彦，尾形浩之，海野茂，加藤千昭．鉄と鋼．vol. 89，“ECO FRONTIRE Z1”

5040

020406080

no. 1，2003，p. 92．
4） 平 野 康 雄，渡 瀬 岳 史，満 田 正 彦．表 面 技 術．vol. 54，no. 5，2003，
p. 20．

1005） Nakamaru, H.; Umino, S.; Kato, C. Proc. Electrochemical Society.
Surface Oxide Films. vol. 2003, no. 25, 2004, p. 335–340.

Time (min)Fig. 8Change in internal temperature of the test apparatus

Fig. 8 は上記模擬筺体内部のヒーターへの通電開始後の内

6） 望月一雄．川崎製鉄技報．vol. 31，no. 1，1999，p. 34．
7） 菊 池 勝 平，鈴 木 幸 子，多 田 千 代 子，望 月一 雄．材 料とプ ロセ ス．
vol. 9，1996，p. 1424．

部の温度変化を示した図である。開口部に設置した試験片の種類によって内部の温度が著しく異なり，アルミニウム合金板や電気亜鉛めっき鋼板に比べて Z1 を用いた場合には，Fig. 8 に示すように内部の温度が顕著に下がることが確認された。
アルミニウムは炭素鋼の 4 倍程度の熱伝導率を有することから，放熱性を重視したパソコンの筐体などに使われる場合がある。しかしながら，本実験結果が示すように，熱源と筐体とが直接接触していないような場合には，金属板の熱伝導率よりも表面皮膜の違いが放熱性に大きく影響す− 85 −

中丸裕樹

樋貝和彦

加藤千昭

JFE 技報 No. 8（2005 年 6 月）