JPH1171684A - 耐食性に優れた表面処理金属材料及び金属材料の表面処理方法 - Google Patents

耐食性に優れた表面処理金属材料及び金属材料の表面処理方法

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JPH1171684A JP23291097A JP23291097A JPH1171684A JP H1171684 A JPH1171684 A JP H1171684A JP 23291097 A JP23291097 A JP 23291097A JP 23291097 A JP23291097 A JP 23291097A JP H1171684 A JPH1171684 A JP H1171684A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光が照射されたチタン酸化物の光電気化学反
応により金属材料をカソード防食することによる効果を
光の照射がない条件でも持続させて維持する記憶防食効
果を実現する。 【解決手段】 金属材料の表面に、下層としてFe、V
及びCuから成る群から選ばれる少なくとも1種の金属
元素をチタン酸化物皮膜中に5〜20重量%の割合で含
有する第1の皮膜層と、その上に酸化チタンを含む第2
の皮膜層との二層皮膜構造を有する表面処理金属材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐食性に優れた表
面処理金属材料、特に表面処理鋼材、及び金属材料の表
面処理方法に関するものである。より詳しく述べるなら
ば、本発明は、金属材料の表面に下層としてFe、V及
びCuから成る群から選ばれる少なくとも1種の金属元
素をチタン酸化物皮膜中に特定量含む第1の皮膜層を有
し、その上層にチタン酸化物からなる第2の皮膜層を有
し、耐食性に優れた鋼材、及びこの鋼材を得る表面処理
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】チタン酸化物を鋼材などの金属の防食に
適用する技術は、現在までほとんどなく、僅かに次の二
つがあげられる。第1の技術は、「材料と環境」(第4
4巻(1995年)p.539)に記載された、炭素鋼
を500℃以上に加熱し不特定な酸化皮膜を形成させ、
上層にゾル−ゲル法を用いてチタン酸化物皮膜層を形成
させ、光照射下において電気化学的な方法により耐食性
を向上をさせるものである。また第2の技術は、特開平
6−10153号公報にて開示された、ステンレス鋼か
らなる基材の表面に、チタン含有量に換算して1mg/
2 以上のチタン酸化物含有皮膜層を形成して、光照射
下において耐食性を向上させたステンレス鋼板を提供す
るものである。しかしながら、従来の第1の技術及び第
2の技術ともにチタン酸化物皮膜層による持続した防食
効果を得るには、光照射が不可欠であり、通常の成膜技
術を用いて製造した表面処理鋼材は、自然環境下の夜間
などは防食効果が得られないために夜間には腐食が進行
するという本質的な問題点を有していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
抱える問題点、即ち、夜間などの光源の乏しい状態、あ
るいは光源から遮断された状態ではカソード防食効果が
得られないという問題点を解決し、一旦光照射を受けた
後であれば、光が遮断されてもカソード防食効果が持続
(いわゆる記憶効果)し、高い耐食性を有するような表
面処理金属材料、及びその表面処理方法を提供すること
を目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題点
を解決するための手段について鋭意検討した結果、鋼材
などの金属材料の表面に、下層としてFe、V及びCu
から成る群から選ばれる少なくとも一種の金属元素をチ
タン酸化物皮膜層中に特定量含有する第1の皮膜層を有
し、さらに上層皮膜としてチタン酸化物を含有する第2
の皮膜層を形成させた二層構造の皮膜層を有する表面処
理金属材料は、光照射後に光が消失してもカソード防食
効果が持続し、夜間などにおいても耐食性が飛躍的に向
上することを新たに見出し、本発明を完成するに至っ
た。即ち本発明の表面処理金属材料は、金属材料の表面
に、下層としてFe、V及びCuから成る群から選ばれ
る少なくとも一種の金属元素をチタン酸化物皮膜中に5
〜20重量%含有する第1の皮膜層を有し、その上にチ
タン酸化物を含有する第2の皮膜層を有することを特徴
とするものである。次に金属材料の表面処理方法は、金
属材料の表面に、チタン酸化物ゾル−ゲル液中に、F
e、V及びCuから成る群から選ばれる少なくとも1種
の金属のアルコキシドまたは該金属酸化物のアルコキシ
ドを含有する薬剤を塗布し加熱して第1の皮膜層を形成
させ、その上にチタン酸化物含有皮膜を形成させること
を特徴とする方法である。
【0005】本発明が利用するチタン酸化物によるアノ
ード防食効果が適用される金属材料は、炭素鋼、ステン
レス鋼などの鋼材の他に、銅、アルミ、チタン、マグネ
シウムなどの非鉄金属も対象とし、さらに、亜鉛めっ
き、亜鉛合金めっき鋼などのめっき鋼材なども対象とす
る。
【0006】以下に、本発明の内容を鋼材防食の例につ
いて詳しく説明する。鋼材に下層として形成する第1の
皮膜層は、チタン酸化物と、Fe、V及びCuから成る
群から選ばれる少なくとも一種の金属元素とからなり、
金属元素の量は該皮膜中において5〜20重量%の割合
である。第1の皮膜層のベースとなるチタン酸化物皮膜
は、従来技術のところで述べたようにゾル−ゲル法のも
のを鋼材に塗布して乾燥させるのが好ましい。前記金属
元素をチタン酸化物に均一に分散させるためには、金属
アルコキシド又は金属酸化物アルコキシドをチタン−ゾ
ルゲル処理剤と混合し、皮膜形成後加熱乾燥して金属の
みを皮膜中に残す方法が好ましい。アルコキシドは例え
ばC15215 Fe、C10145 V、C1014 4
uの形で配合するのが好ましい。これらの金属を配合し
たチタン酸化物ゾル−ゲル処理剤を例えば400℃、1
0分加熱乾燥させ、皮膜を形成させる。第1の皮膜層の
皮膜量は、特に限定しないが全体として50〜5000
mg/m2 の範囲が好ましい。50mg/m2 以下であ
るとカソード防食能が劣り、5000mg/m2 以上で
あっても性能上問題は無いが、カソード防食能が飽和
し、向上が認められなくなるのでコストの面から不利で
ある。
【0007】下層のFe、V、Cuなどの金属元素の添
加量をチタン酸化物との合計量に対して5〜20重量%
としたのは、5重量%未満では光遮断後のカソード防食
効果(記憶効果)が得られず、20重量%を超えると光
照射時のカソード防食能自体が著しく低下するからであ
る。第2の皮膜層は、チタン酸化物を含有する皮膜であ
り、特開平6−10153号公報で開示されたPVD,
CVD法やチタン酸化物ゾル−ゲル処理法により形成す
る100%チタン酸化物皮膜の他に、同公報で開示され
たエポキシ樹脂などの塗料中にチタン酸化物を分散させ
る方法によることができる。チタン酸化物ゾル−ゲル処
理法では、処理剤を例えば200℃で10分間加熱して
皮膜を形成させる。皮膜量はチタン酸化物として50〜
5000mg/m2 とするのが好ましい。この範囲外で
の50mg/m2 以下であると第2の皮膜層のカソード
防食能が劣り、5000mg/m2 以上であるとカソー
ド防食能が飽和し、向上が認められなくなるのでコスト
の面で不利である。
【0008】本発明の表面処理鋼材は、光の照射後にそ
の防食性が向上するが、特に波長が400nm以下の紫
外線を多く含む500ルクス以上の照射時において耐食
性の向上効果をもたらすものである。また、光照射後で
あれば、光が遮断されてもカソード防食効果は持続する
という特徴がある。
【0009】
【作用】本発明の表面処理鋼材の耐食性が格段に向上す
るのは、チタン酸化物のn型半導体電極としての光電気
化学的性質によるものと考えられる。即ち、チタン酸化
物の光電気化学的性質により、素材の鋼材がカソード、
チタン酸化物(例えばTiO2 )がアノードになり、鋼
材をカソード防食することにより、耐食性を向上させる
のである。さらに、この際のアノード反応はチタン酸化
物表面で起こる、 2H2 O→O2 +4H+ +4e- ・・・・・(1) で示される水の電気分解反応であるために、チタン酸化
物は全く消費されず、劣化しない。このことからチタン
酸化物による防食効果は光の存在下で半永久的に持続す
る。
【0010】本発明において最も特長があるのは、一時
的に光が照射された後であれば、下層の添加Fe、V、
Cu元素による記憶効果により、光照射の無い暗い環境
でもカソード防食能を維持することができる点である。
この記憶効果については、添加元素が下記(2)〜
(4)式に示したように、価数が変化(充放電)するた
めと推定され、各々の元素がチタン酸化物皮膜中で光照
射時に低価数に還元され、光遮断時に高価数へ酸化され
る。したがって夜間は(2)〜(4)式で電子の消滅が
起こり、この現象は(1)式右辺の電子の消滅を招くこ
とになるから、カソード防食効果が持続するものと考え
られる。 Fe2+ ⇔Fe3++e- ・・・・(2) V3+ ⇔V5++2e- ・・・・(3) Cu+ ⇔Cu2++e- ・・・・(4) これらの元素の添加により、第1の皮膜層において光遮
断時の記憶効果は生じ、かつ第1の皮膜層のチタン酸化
物も防食効果をもつので、第1の皮膜層のみでも防食効
果がある。しかし、カソード防食能自体は、無添加のゾ
ル−ゲルチタン酸化物皮膜の方が良好であることと、昼
間に(1)式で第2の被覆層内で発生する電子を第1の
被覆層に供給することが記憶効果発生に有効であること
から、チタン酸化物を上層皮膜としてこれを用いること
により、鋼材の防食性能を飛躍的に高める二層皮膜構造
とした。
【0011】
【実施例】本発明の効果をより詳しく説明するために、
実施例を比較例とともに挙げて具体的に説明する。ま
た、その耐食性の評価結果を図1(表1)に示す。使用
したチタン酸化物皮膜用ゾル−ゲル液の組成および調製
法は、横尾らの方法(日本金属学会会報,28,176(1989)
)と同じものを用い、これを上層皮膜用のチタン酸化
物皮膜処理剤とした。また、下層のFe、V、Cuの各
元素を添加した皮膜は、このゾル−ゲル液に所定量のC
15215 Fe、C10145 V、C10144 Cuの
金属アルコキシドまたは金属酸化物アルコキシドを各元
素として0、5、10、20重量%加えた処理剤を調製
して用いた。以上の処理剤を、SUS430ステンレス
鋼材に浸漬引き上げ法で塗布し(引き上げ速度0.15
mm/s)、引き上げ後に室温で10分間乾燥後、下層
については400℃で10分間焼成を6回繰り返し、上
層については200℃で10分間の焼成を1度行った。
この試験片に、カッターで素地まで達するようにクロス
カット傷を付与し、屋外で太陽光を60分間照射した後
に、光を遮断した状態でJISZ2371の塩水噴霧試
験に1500時間かけて、外観観察により耐食性を評価
した。
【0011】図2(表2)の結果から明らかなように、
本発明の表面処理鋼材および表面処理剤を用いた実施例
1〜9については腐食がわずかであるが、本発明の範囲
外である比較例2〜4は腐食面積が大きいことがわか
る。
【0012】
【発明の効果】本発明の表面処理金属材料は光照射下に
おいて記憶作用のために持続した耐食性を示すから、屋
外で使用される各種建材、構造材などに使用すると優れ
た性能を発揮する。特に、従来、重防食用塗料を厚く塗
装していた鋼材などに対して本発明を適用することによ
り、安価な表面処理剤で無公害で効果的に半永久的な防
食を行うことが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例及び比較例の皮膜層構造を示す図
表(表1)である。
【図2】本発明実施例及び比較例の塩水噴霧試験結果を
示す図表(表2)である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属材料の表面に、下層としてFe、V
    及びCuから成る群から選ばれる少なくとも1種の金属
    元素をチタン酸化物皮膜中に5〜20重量%の割合で含
    有する第1の皮膜層を有し、その上にチタン酸化物を含
    有する第2の皮膜層を有することを特徴とする耐食性に
    優れた表面処理金属材料。
  2. 【請求項2】 前記金属材料が鋼材である請求項1記載
    の耐食性に優れた表面処理金属材料。
  3. 【請求項3】 前記第2の皮膜層がチタン酸化物のみか
    らなる請求項1又は2記載の耐食性に優れた表面処理金
    属材料。
  4. 【請求項4】 金属材料の表面に、酸化チタンゾル−ゲ
    ル液中に、Fe、V及びCuから成る群から選ばれる少
    なくとも1種の金属のアルコキシドまたは該金属酸化物
    のアルコキシドを含有する薬剤を塗布し加熱して第1の
    皮膜層を形成させ、その上にチタン酸化物含有皮膜を形
    成させることを特徴とする金属材料の表面処理方法。
  5. 【請求項5】 前記金属材料が鋼材である請求項4記載
    の金属材料の表面処理方法。
  6. 【請求項6】 前記第2の皮膜層がチタン酸化物のみか
    らなる請求項4又は5記載の耐食性に優れた金属材料の
    表面処理方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006242577A (ja) * 2005-02-28 2006-09-14 Central Res Inst Of Electric Power Ind 耐放射線部材及びそれを用いた原子力発電システム
JP2006343202A (ja) * 2005-06-08 2006-12-21 Central Res Inst Of Electric Power Ind 原子炉構造材

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