JPH1088391A - ステンレス鋼材の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステンレス鋼材の表面に蒸気又は液体に対す
る親和性を付与し、液体を接触させた場合の分散、蒸発
を促進させるととともに、伝熱性及び塗膜密着性を向上
させ、さらに耐食性をも向上させるためのステンレス鋼
材の表面処理方法を提供する。 【解決手段】 クロム−鉄合金を陽極として、アルカリ
水溶液中において電解処理して得られる酸化鉄イオン及
び酸化クロムイオン含有処理液に、ステンレス鋼材を浸
漬し、その表面に酸化鉄皮膜を形成させることにより、
ステンレス鋼材の表面処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステンレス鋼材の
表面に蒸気又は液体に対する親和性を付与し、液体を接
触させた場合の分散、蒸発を促進させるととともに、伝
熱性、塗膜密着性及び耐食性を向上させるための、ステ
ンレス鋼材の新規な表面処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼はクロムを主要合金元素と
する鋼であって、オーステナイト系、フェライト系、オ
ーステナイト・フェライト系、マルテンサイト系及び析
出硬化系の５種が知られている。これらのステンレス鋼
材は耐食性、耐熱性、耐薬品性、表面輝度及び光沢、撥
水性などに優れていることから、多くの分野において、
幅広く用いられている。

【０００３】しかしながら、このステンレス鋼材は、撥
水性が高いために、その表面に均一な液薄膜が形成され
にくく、その結果伝熱性が阻害され、蒸気の凝縮操作や
液体の蒸発操作の際の物質移動及び熱移動の効率が低い
上、塗装した場合に、塗膜の密着性が小さいなどの欠点
を有している。

【０００４】さらに、ステンレス鋼材は、表面に付着し
た固形物や液滴を介した電気化学的反応によって、浸食
を受けやすく、その結果、ステンレス鋼材のもつ耐食性
の特性がそこなわれ、例えば塩水害の多い沿岸地域にお
けるステンレス鋼材の腐食の進行、あるいは高速トンネ
ル内の排気ガスによる水滴形成と蒸発・凝縮の繰り返し
により生成する高濃度硝酸系や硫酸系液によるスポット
腐食の進行などが問題となっている。

【０００５】このようなステンレス鋼材のもつ欠点を改
良するために、例えばステンレス鋼材の表面に親液性を
付与し、耐食性をそこなわずに液薄膜を形成させて、伝
熱特性を向上させることが試みられたが、効果が不十分
である上、工業的に実施できないため、これまでほとん
ど実用化されていない。また、ステンレス鋼材を着色し
たり、その耐食性を改善するために、塗装する場合に
は、塗膜の密着性を向上させるために、通常塗装前に化
成処理による表面処理が施されている。このような化成
処理による表面処理としては、従来リン酸塩法、クロメ
ート法などが一般に行われているが、これらの方法にお
いては、処理液の調製が煩雑である上、安定した効果が
得られないという欠点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、ステンレス鋼材の表面に蒸気又は液体に
対する親和性及び伝熱性を高め、液体を接触させた場合
の分散、蒸発を促進させるとともに、塗膜密着性を向上
させるためのステンレス鋼材の表面処理方法を提供する
ことを目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ステンレス
鋼材の表面を改質する方法について鋭意研究を重ねた結
果、特定の処理により調製された酸化鉄イオン及び酸化
クロムイオン含有処理液に、ステンレス鋼材を浸漬し
て、その表面に酸化鉄皮膜を形成させることにより蒸気
又は液体に対する親和性及び伝熱性を高めることがで
き、かつ塗膜密着性を向上しうることを見出し、この知
見に基づいて本発明を完成するに至った。

【０００８】すなわち、本発明は、クロム−鉄合金を陽
極として、アルカリ水溶液中において電解処理して得ら
れる酸化鉄イオン及び酸化クロムイオン含有処理液に、
ステンレス鋼材を浸漬し、その表面に酸化鉄皮膜を形成
させることを特徴とするステンレス鋼材の表面処理方法
を提供するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明方法においては、まず、ス
テンレス鋼材の表面に酸化鉄皮膜を形成させるための処
理液を調製する。この処理液は、クロム−鉄合金を陽極
として、アルカリ水溶液中で電解処理することにより、
合金中の鉄及びクロムを溶出させ、酸化鉄イオン（Ｆｅ
Ｏ₄ ^2-）及び酸化クロムイオンを含有するアルカリ水溶
液としたものである。この際、陽極として用いるクロム
−鉄合金としては、炭素含有量が約０．１２重量％以下
で、クロム含有量が１２〜２５重量％程度のフェライト
系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ
４４４など）や、炭素含有量が０．１０〜１．００重量
％程度で、クロム含有量が１１〜１７重量％程度のマル
テンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０ＪＩ、ＳＵＳ
４０３、ＳＵＳ４１０など）などのニッケル含有量の少
ない合金が好適である。炭素含有量０．０３〜０．１５
重量％程度、クロム含有量約１６重量％以上及びニッケ
ル含有量約６重量％以上のオーステナイト系ステンレス
鋼（ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４な
ど）のようなニッケル含有量の多い合金は、鉄及びクロ
ムのアルカリ水溶液中への溶出が起こりにくい（図１参
照）。

【００１０】この電解処理において用いられる陰極材料
については特に制限はなく、陽極材料と同じものを用い
てもよいし、他の耐アルカリ性導電材料、例えば鉄、チ
タン、炭素材料などを用いてもよい。また、アルカリ水
溶液としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウ
ム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属の水酸化物を１
〜１０モル／リットル程度含有するものが用いられる。
電解処理条件については特に制限はなく、例えば浴温度
１０〜４０℃程度、好ましくは１５〜３０℃、電流５０
〜２００ｍＡ程度、好ましくは７０〜１５０ｍＡ、電解
時間１０〜３００分間程度、好ましくは３０〜２４０分
間の条件で直流通電する。

【００１１】この電解処理により、陽極の合金から鉄及
びクロムがアルカリ水溶液中に溶出して、主として酸化
鉄イオン（ＦｅＯ₄ ^2-）を含有し、かつ少量の酸化クロ
ムイオンを含有する処理液が得られる。この処理液中の
酸化鉄イオン（ＦｅＯ₄ ^2-）濃度は、陽極材料の種類や
電解処理条件などにより異なるが、一般的には１０００
〜３０００ｐｐｍの範囲が好ましい。

【００１２】この処理液は、時間の経過とともに、反応
式 ２ＦｅＯ₄ ^2-＋２ＣｒＯ₂ ^-＋２Ｈ₂Ｏ → Ｆｅ（ＯＨ）₃
＋ＣｒＯ₄ ^2-＋ＯＨ^- で示されるような副反応が起こり、水酸化鉄が沈殿する
傾向があるので、処理液を調製したら、ただちに、ステ
ンレス鋼材の表面処理に供するのが望ましい。なお、上
記の反応により水酸化鉄の沈殿が生じた場合には、これ
に次亜塩素酸ナトリウムのような酸化剤を添加し、再度
同様の電解処理を施すことにより、元の状態に戻すこと
ができる。

【００１３】次に、このようにして調製された、主とし
て酸化鉄イオン（ＦｅＯ₄ ^2-）を含有し、かつ少量の酸
化クロムイオンを含有する処理液中に、表面処理すべき
ステンレス鋼材を浸漬して、その表面に酸化鉄皮膜を形
成させる。このような表面処理を行わせるステンレス鋼
材の種類については特に制限はなく、オーステナイト
系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、マ
ルテンサイト系、析出硬化系などのいずれも使用するこ
とができる。また、この際の処理条件としては、０〜８
０℃程度、好ましくは２０〜６０℃の範囲の温度、及び
１０分間ないし５時間程度、好ましくは３０分間ないし
３時間程度の処理時間が用いられるが、特に制限はな
い。

【００１４】このような処理により、処理液中の酸化鉄
イオン（ＦｅＯ₄ ^2-）がステンレス鋼材表面と化学的に
反応して、ち密で、かつ安定強固なＦｅ₂Ｏ₃（γ‐Ｆｅ
₂Ｏ₃と思われる）層を形成する。

【００１５】このようにして、ステンレス鋼材の表面に
形成した酸化鉄皮膜は、蒸気又は液体に対して親和性を
有し、液体を接触させた場合の分散、蒸発を促進させる
とともに、伝熱性及び塗膜密着性を向上させ、さらに耐
食性をも向上させる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の発明処理方法によれば、ステン
レス鋼材の表面に、液体を接触させた場合の分散、蒸発
を促進させるとともに、伝熱性及び塗膜密着性を向上さ
せる上、耐食性をも向上させる、蒸気又は液体に対する
親和性に優れた酸化鉄皮膜を容易に形成させることがで
きる。

【００１７】本発明方法により表面処理されたステンレ
ス鋼材は、物質移動及び伝熱性に優れていることから、
例えば蒸留、蒸発、吸収、晶析、調湿、乾燥、抽出装置
及び燃焼、冷凍設備など、具体的には醸造発酵装置、薬
品製造装置、バイオ関連設備など、伝熱、物質移動に関
連する用途に有用であり、また塗膜密着性に優れている
ことから、塗装による耐食性の向上及びカラー化や多色
化が要求される用途、例えば建材、家電、車両、船舶な
どの塗装用ステンレス鋼材として有用である。さらに、
耐食性に優れることから、粉塵、腐食性微粉化液体、飛
散塩水、凝縮性気体及び蒸気、凝縮・蒸発性排気ガスな
どの雰囲気下で使用される耐食性建材として有用であ
る。

【００１８】

【実施例】次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明
する。

【００１９】参考例 クロム−鉄合金として、フェライト系ステンレス鋼のＳ
ＵＳ４４４、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３
０４Ｌ及びＳＵＳ３１６Ｌの３種を用いた。水酸化カリ
ウム６モル／リットル濃度の水溶液２００ｍｌ中に、陽
極及び陰極として、上記のステンレス鋼（両極共同じも
の）を浸漬し、浴温２４℃にて、電圧１．９９９Ｖを印
加して直流電流を１００ｍＡで流し、２４０分間電解処
理を行った。電解処理時間１０分、２０分、４０分、８
０分、１６０分及び２４０分における水酸化カリウム水
溶液中の酸化鉄イオン（ＦｅＯ₄ ^2-）濃度を測定した。
この結果について、図１にＳＵＳ４４４をＡ、ＳＵＳ３
０４ＬをＢ、ＳＵＳ３１６ＬをＣとして示す。

【００２０】図１は、電解処理時間とＫＯＨ水溶液中の
ＦｅＯ₄ ^2-濃度との関係を示すグラフであり、この図か
ら分かるように、ニッケル含有量の多いオーステナイト
系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４Ｌ及びＳＵＳ３１６Ｌ
は、合金中の鉄が溶出しにくいことが分かる。

【００２１】実施例１ 陽極及び陰極としてＳＵＳ４４４を用い、参考例と同様
にして１２０分間電解処理を行い、酸化鉄イオン（Ｆｅ
Ｏ₄ ^2-）１０００ｐｐｍを含有する処理液を調製した。
次に、表面処理すべきステンレス鋼材として、ＳＵＳ４
４４、ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６の３種を用い、そ
れぞれを上記処理液中に浸漬し、４０℃で３０分間表面
処理を行った。

【００２２】表面処理を施したステンレス鋼材と施さな
かったステンレス鋼材について、表面親水性の比較を行
った。すなわち、ＪＩＳ Ｋ６７６８の濡れ指数標準液
Ｎｏ．３２（表面張力３２ｄｙｎｅ／ｃｍ）と水道水
（表面張力約７２ｄｙｎｅ／ｃｍ）を用い、それぞれ約
０．０２ｍｌをステンレス鋼材の表面に滴下し、１分後
の液滴の長径と短径の平均長さを測定して、親水性を比
較した。結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】 ［注］（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は液滴の長径
と短径の平均長さを示す。

【００２４】表１から分かるように、いずれの鋼種にお
いても、表面処理品は未処理品に比べて親水性に優れて
いる。

【００２５】実施例２ 陽極及び陰極として、ＳＵＳ４４４を用い、参考例と同
様にして１２０分間電解処理を行い、酸化鉄イオン（Ｆ
ｅＯ₄ ^2-）３０００ｐｐｍを含有する処理液を調製し
た。次に、ＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼平板を上記処
理液中に浸漬し、４０℃で３０分間表面処理を行った。
この表面処理品及び比較のための無処理品とクロメート
法による処理品について、それぞれの濡れ性を、水に対
する接触角を数十か所測定して比較した。結果を表２に
示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２から分かるように、本発明方法による
処理品は、無処理品に比べて十分に効果があり、また従
来方法による処理品に比較して同等の性能を発揮すると
ともに、接触角の数値のばらつきが少なく、安定した濡
れ性を示す。

【００２８】上記の表面処理ステンレス鋼平板及び無処
理のステンレス鋼平板を、それぞれ縦型流下液膜式蒸発
器へ適用し、冷水出口温度と冷凍能力を求め、伝熱性を
比較した。その結果を冷水出口温度と冷凍能力との関係
を示すグラフとして図２に示す。図２において実線は処
理品、破線は未処理品である。図２から分かるように、
表面処理品は無処理品に比べて、明らかに冷凍能力の上
昇が認められた。すなわち、表面処理することにより、
伝熱性が向上することが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】 各種クロム−鉄合金における電解処理時間と
アルカリ水溶液中の酸化鉄イオン濃度との関係を示すグ
ラフ。

【図２】 本発明方法による表面処理ステンレス鋼平板
及び無処理ステンレス鋼平板をそれぞれ適用した縦型流
下液膜式蒸発器における冷水出口温度と冷凍能力との関
係を示すグラフ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クロム−鉄合金を陽極として、アルカリ
   水溶液中において電解処理して得られる酸化鉄イオン及
   び酸化クロムイオン含有処理液に、ステンレス鋼材を浸
   漬し、その表面に酸化鉄皮膜を形成させることを特徴と
   するステンレス鋼材の表面処理方法。
2. 【請求項２】 クロム−鉄合金がフェライト系ステンレ
   ス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼である請求項１
   記載のステンレス鋼材の表面処理方法。