異種金属接触腐食に対する防食性に優れた表面処理金属材及びその表面処理金属材を備えた異材接合体
【課題】電気的絶縁や完全な環境遮断を施さなくても異種金属接触腐食を安価で効果的に抑止できる金属材及びその金属材を備えた異材接合体を提供する。
【解決手段】本発明に係る表面処理金属材１は、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材で形成された金属母材２の表面に防食層３を備える。前記防食層３は、四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む。前記防食層３は、カリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかであることが好ましい。また、本発明に係る異材接合体は、少なくとも一方の材料として前記表面処理金属材１を備えたものである。
【解決手段】本発明に係る表面処理金属材１は、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材で形成された金属母材２の表面に防食層３を備える。前記防食層３は、四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む。前記防食層３は、カリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかであることが好ましい。また、本発明に係る異材接合体は、少なくとも一方の材料として前記表面処理金属材１を備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送機分野、機械分野、土木建築プラント分野、エレクトロニクス分野等において、異種金属と接触させた状態で接合される鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材を金属母材とする表面処理金属材及びその表面処理金属材を備えた異材接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や鉄道車両などの輸送分野を始めとして、鉄鋼材と、アルミニウム材あるいはアルミニウム合金材（以下、両者をまとめて「アルミニウム材」ということがある。）との組み合わせなど、異種の金属を接触させた状態で部分的に接合一体化した部材・部品を用いる要望が高揚している。しかしながら、異種の金属を接触させた場合には、異種金属接触腐食（ガルバニック腐食）が発生するケースが多いことが知られている。異種金属接触腐食は、腐食電位が卑な金属がアノード、貴な金属がカソードとなって電池を構成して、卑な金属の方の腐食が促進される現象である。例えば、鉄鋼材とアルミニウム材とを接触させた場合には、アルミニウム材の腐食が促進され、その場合の腐食速度はアルミニウム材を単独で使用する場合よりも極めて大きくなって、早期に穴あきなどの損傷を引き起こす。従って、異種の金属を接触させた部材・部品を用いる場合には、このような異種金属接触腐食を防止する必要がある。
【０００３】
異種金属接触腐食を防止する方法としては、異種金属間に絶縁物を介して電気的に絶縁することが有効である。しかし、このような方法は、構造上や製造上の制約があって困難な場合が多いし、異種金属間の接合強度の面で優位な溶接による接合には適用できないという問題がある。
【０００４】
一方、腐食の進行に必須である水分が異種金属の接触部分に入らないように環境遮断することも異種金属接触腐食防止方法として有効である。例えば、特開昭６０−５８２７２号公報（特許文献１）には、選択的アニオン透過膜と選択的カチオン透過膜の塗料を重ね塗りする方法などの塗装方法が提案されている。また、塗装による環境遮断と絶縁との両者を利用する方法も知られている。例えば、特開平６−１３６２９５号公報（特許文献２）には二硫化モリブデンを塗料中に添加することが提案されている。しかし、塗膜といえども幾分は水分を透過することや、屋外にて使用する場合には紫外線劣化や傷付きなどによる塗膜破壊などが起こって、異種金属接触部分への水分の侵入を長期間にわたって完全に防ぐことは現実的に困難である。
【０００５】
また、構造面から異種金属接触腐食を防止する技術も提案されている。例えば、特開２００１−１１６６５号公報（特許文献３）には、アルミニウム基複合材と鉄鋼材との間にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金を介在させることにより、両材料間の異種金属接触腐食を効果的に防止することが提案されている。
【０００６】
一方、金属材料の腐食を防止する技術として、当該金属が曝される腐食環境に少量ないし微量添加して、その腐食性を低減する薬剤（防食剤、腐食抑制剤、インヒビターなどと呼ばれる。）が知られている。一般的に良く知られているインヒビターとしては、非特許文献１に記載されているように、脱酸素剤として作用して腐食反応に必要な酸素を除去して腐食性を低減させる亜硫酸塩やヒドラジン、金属表面に炭酸カルシウムの沈殿被膜を形成して保護性を高めるカルシウムイオン、鉄表面を不働態化して防食性に寄与するモリブデン酸塩、電気陰性度の大きなＮ、Ｏなどの元素を含んだ極性基が金属表面へ吸着することにより防食効果を発現する吸着皮膜形成型インヒビター（アミン類、アニリンなど）、金属の溶解で生じた金属イオンと反応して表面に安定なキレート化合物を形成して防食効果を発現する沈殿皮膜形成型インヒビター（ベンゾトリアゾール、チオグリコール酸類など）、金属表面に酸化皮膜を形成するカルボン酸類などを挙げることができる。
【０００７】
上記のようなインヒビターの知見をベースとして、インヒビターを用いた異種金属接触腐食の防止方法としては、亜硝酸系インヒビターやオキシアニオン系インヒビターの使用が特開平４−１６０１６９号公報（特許文献４）に記載されている。しかしながら、このようなインヒビターは炭素系鉄鋼材よりも腐食電位が貴であるステンレス鋼材もしくはチタン材と炭素系鉄鋼材の接触腐食抑制には有効であるが、鉄鋼材よりも腐食電位が卑なアルミニウム材と鉄鋼材との接触腐食の抑制には適用できないという問題がある。
【特許文献１】特開昭６０−５８２７２号公報
【特許文献２】特開平６−１３６２９５号公報
【特許文献３】特開２００１−１１６６５号公報
【特許文献４】特開平４−１６０１６９号公報
【非特許文献１】腐食防食協会編集：防食技術便覧、１９８６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、電気的絶縁や完全な環境遮断を施さなくても異種金属接触腐食を安価で効果的に抑止できる鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材を金属母材とする表面処理金属材及びその表面処理金属材を備えた異材接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述のように、異種金属接触腐食は、卑な金属がアノード、貴な金属がカソードとなって電池を形成して、卑な金属の方の腐食が促進される現象であり、卑な金属はアノード側に分極された状態で腐食が進行する。本発明者らは異種金属接触腐食の抑制について調査したところ、異種金属接触腐食は単独の場合と異なった電位状態で腐食が進行するため、通常知られている鉄鋼材やアルミニウム材に対する防食剤では十分な防食効果が得られなかった。そこで、異種金属接触腐食に有効な防食剤を鋭意検討した結果、四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩を接触部の表面に付着させることによって、顕著な防食効果が得られることを知見し、この知見を基に本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明に係る表面処理金属材は、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材で形成された金属母材と、その表面に被覆された防食層を備え、前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含むものである。
【００１１】
上記表面処理金属材によると、前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む。このため、表面処理金属材の金属母材と相手金属材との内、腐食電位が卑になり、アノード側に分極される金属材の表面、すなわち表面処理金属材の金属母材が鉄鋼材の場合は前記鉄鋼材より腐食電位が卑になる相手金属材の表面、また表面処理金属材の金属母材がアルミニウム合金材で、相手金属材が前記アルミニウム合金材より腐食電位が貴になる場合は前記アルミニウム合金材の表面に前記塩が作用して、酸化皮膜または沈殿被膜のいずれか、あるいはこれらの混合膜を形成して、卑な金属材の溶解速度を減少させることができる。
【００１２】
上記表面処理金属材において、前記防食層を形成する塩としては、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかの塩が好ましい。これらのいずれかの塩で防食層を形成することにより、卑側の金属材の溶解速度の減少効果をより大きくすることができる。この理由は、カリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩は、カルシウム塩などの他の塩に比べて水に溶解しやすいため、より均質な酸化皮膜または沈殿被膜を形成することができるからである。
【００１３】
前記表面処理金属材において、前記金属母材を構成する鉄鋼材としては、少なくとも一方の表面に亜鉛含有めっき層が被覆された亜鉛含有めっき鉄鋼材を用いることができる。この場合、前記防食層は亜鉛含有めっき層の上に形成される。前記亜鉛含有めっき層はＺｎを５０％以上含有することが好ましく、またその付着量は１〜１５０ｇ／ｍ2 が好ましい。前記亜鉛含有めっき鉄鋼材を金属母材とする表面処理金属材を用いることにより、亜鉛含有めっき層が被覆されていない鉄鋼材よりも卑な相手金属材が接触したときの電位差をより小さくして、亜鉛含有めっき層と本発明に係る防食層との相乗効果により、異種金属接触による腐食速度をより低下させることができる。
【００１４】
一方、本発明に係る異材接合体は、表面処理金属材と、前記表面処理金属材に部分的に接合された相手金属材を備える。前記表面処理金属材は上記の本発明に係る表面処理金属材が用いられる。前記相手金属材は、前記表面処理金属材の金属母材が鉄鋼材の場合、その鉄鋼材よりも腐食電位が卑である卑的金属材とされ、前記表面処理金属材の金属母材がアルミニウム合金材の場合、そのアルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である貴的金属材とされる。そして、前記表面処理金属材の防食層側に前記相手金属材が隣接して配置され、前記表面処理金属材の金属母材と前記相手金属材とが電気的に導通した状態で接合される。
【００１５】
この異材接合体によると、異材接合体の一方が本発明に係る表面処理金属材で形成されるので、表面処理金属材の金属母材と相手金属材の内、他方に対して卑の金属材は前記表面処理金属材の防食層により接触腐食が生じ難くなり、防食性、耐久性に優れた構造体を提供することができる。
【００１６】
上記異材接合体において、前記卑的金属材として用いる金属材は特に限定されないが、例えばアルミニウム合金材、マグネシウム合金材又は亜鉛合金材を用いることができる。また、上記異材接合体において、前記貴的金属材として用いる金属材は特に限定されないが、例えばアルミニウム合金材又は鉄鋼材を用いることができる。
【００１７】
また、本発明に係る他の異材接合体は、第１表面処理金属材と、前記第１表面処理金属材に部分的に接合された第２表面処理金属材を備える。前記第１表面処理金属材は、上記本発明に係る金属母材が鉄鋼材の表面処理金属材が用いられ、前記第２表面処理金属材は上記本発明に係る金属母材がアルミニウム合金材の表面処理金属材が用いられる。そして、前記第１表面処理金属材の防食層側に第２表面処理金属材の防食層がくるように隣接して配置され、前記第１表面処理金属材の第１金属母材と第２表面処理金属材の第２金属母材とが電気的に導通した状態で接合される。
【００１８】
この他の異材接合体によれば、第１表面処理金属材の金属母材を構成する鉄鋼材に対して、腐食電位が卑である、第２表面処理金属材の金属母材を構成するアルミニウム合金材は第１、第２表面処理金属材の２重の防食層により接触腐食が防止されるので、優れた防食性、耐久性が得られる。
【００１９】
本発明に係る上記表面処理金属材及び異材接合体は、接触腐食に対する防食性、耐久性に優れるので、自動車部材用の素材として好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る表面処理金属材によれば、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材で形成された金属母材の表面に四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む防食層が形成されるので、前記防食層を形成する塩が腐食電位が卑側の金属材、すなわちアノード側に分極される相手金属材あるいは金属母材の表面に作用して、酸化皮膜または沈殿被膜のいずれかを形成して、金属の溶解速度を減少させることができる。また、本発明に係る異材接合体は、前記表面処理金属材を備えるので、表面処理金属材の金属母材と相手金属材の内、卑側の金属材の接触腐食が前記表面処理金属材の防食層により好適に防止される。このため、本発明によれば、接触腐食に対する防食性、耐久性に優れた表面処理金属材、異材接合体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る表面処理金属材を図面を参照して説明する。実施形態に係る表面処理金属材１は、図１に示すように、金属母材２の表面に防食層３が被覆されている。図例では、防食層３は金属母材２の片面のみを被覆するように形成されているが、両面に形成するようにしてもよい。
【００２２】
前記防食層３は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩で形成される。また、前記防食層３を形成する塩は、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかとすることが好ましい。これらの塩は、カルシウム塩などの他の塩に比べて水に溶解しやすいため、より均質な酸化皮膜または沈殿被膜を形成することができ、表面処理金属材１の金属母材２と、表面処理金属材１の防食層３側に隣接配置される相手金属材の内、卑側の金属材の溶解速度の減少効果をより大きくすることができる。
【００２３】
前記防食層３としては、各種塩の付着量を合計で０．００５〜１ｇ／ｍ2 とするのがよい。０．００５ｇ／ｍ2 未満の場合には、表面処理金属材と相手金属材との接触部において、水分の侵入などにより形成された溶液中の塩濃度が低いので、表面処理金属材の金属母材と相手金属材との関係で決まる卑側の金属材の表面に形成される酸化皮膜または沈殿被膜、あるいはこれらの混合膜が不十分となり、十分な防食特性が得られない。また、付着量が１ｇ／ｍ2 を超えると、防食特性は飽和し、また表面処理金属材に接触した状態で相手金属材を溶接する際の溶接性などに悪影響を及ぼす可能性がある。従って、付着量は０．００５〜１ｇ／ｍ2 とするのがよく、より好ましい下限は０．０１ｇ／ｍ2 であり、より好ましい上限は０．９ｇ／ｍ2 である。
【００２４】
前記防食層３は、前記各種の塩を金属母材に付着させることにより形成することができる。各種塩の付着方法としては、特に限定されず、各種塩を適当な溶媒と混合した溶液を用いて、適宜の塗布方法により塗布すればよい。例えば、浸漬塗装、スプレー塗装、シャワーコート、ロールコート、刷毛塗装などの塗布方法を採ることができる。
【００２５】
前記金属母材２としては、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材が用いられる。前記鉄鋼材としては、鋼板用鋼材、機械構造用鋼材などの通常の鋼材のほか、後述する亜鉛含有めっき鉄鋼材などの各種鉄鋼材を用いることができる。またその形態も板状、Ｃ形、Ｈ形、Ｉ形などの各種の形態を採ることができる。また、前記アルミニウム合金材としてはＡｌ−Ｍｎ系合金材、Ａｌ−Ｍｇ系合金材、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金材、Ａｌ−Ｓｉ系合金材などの各種のアルミニウム合金材を用いることができる。前記金属母材２を構成する鉄鋼材やアルミニウム合金材は、無垢の金属材でもよいが、少なくとも防食層の形成側に適宜の表面処理などを施したものでもよい。
【００２６】
前記金属母材２として、亜鉛含有めっき鉄鋼材すなわち少なくとも一方の表面（防食層を被覆する側の表面）に亜鉛含有めっき層が被覆された鉄鋼材を用いる場合、前記亜鉛含有めっき層中のＺｎの含有量は５０質量％以上とするのがよい。前記亜鉛含有めっき鉄鋼材を金属母材とする表面処理金属材を用いることにより、鉄鋼材よりも卑な金属材が接触したときの電位差をより小さくして、亜鉛含有めっき層と前記防食層との相乗効果により、異種金属接触による腐食速度をより低下させることができる。亜鉛含有めっき層中のＺｎが５０質量％に満たない場合には電位差の縮小効果が小さくなり、腐食速度の低減効果が減少するようになる。
【００２７】
また、前記亜鉛含有めっきの付着量は１〜１５０ｇ／ｍ2 とするのがよい。亜鉛含有めっき付着量が片面で１ｇ／ｍ2 に満たない場合、電位差の縮小効果が小さいため、腐食速度の低減が不十分である。また、亜鉛含有めっき付着量が片面で１５０ｇ／ｍ2 を超えた場合、異種金属接触腐食に対する耐食性の向上効果は飽和する。このような理由から、亜鉛含有めっき付着量は片面で１〜１５０ｇ／ｍ2 がよい。亜鉛含有めっき付着量のより好ましい下限は片面で３ｇ／ｍ2 であり、より好ましい上限は７０ｇ／ｍ2 である。
【００２８】
前記亜鉛含有めっき層は、溶融亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっきなどのほか、Ｚｎ−Ａｌめっき、Ｚｎ−Ｆｅめっき、Ｚｎ−Ｎｉめっき、Ｚｎ−Ｃｒめっき、Ｚｎ−ＭｇめっきなどをはじめとしてＺｎを含む２元系以上の合金めっきを用いて形成することができる。また、亜鉛含有めっき層中に金属酸化物やポリマーなどを分散させた分散めっき、例えば、ＳｉＯ2 を分散させたＺｎめっきなどを用いることができ、また異種の亜鉛含有めっき層を２層以上積層させた複層めっきを適用してもよい。
【００２９】
次に、本発明の異材接合体の第１実施形態を図２を参照して説明する。なお、第１実施形態の異材接合体６において、図１に示した表面処理金属材１と同部材は同符号を付して説明を簡略あるいは省略する。
【００３０】
第１実施形態に係る異材接合体６は、表面処理金属材１と、前記表面処理金属材１の防食層３の表面に接触するように相手金属材４が隣接配置されている。前記表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材３とは溶接部７によって部分的に接合されており、この溶接部７を介して両者は電気的に導通した状態となっている。図例では、表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材３とは溶接により部分的に接合されているが、部分接合方法としては、スポット溶接、ろう付けあるいは拡散接合でもよく、さらには図中の二点鎖線で示すようにリベット８やボルトなどの金属製の機械的連結部材を用いてもよい。もっとも、接合強度確保や信頼性の観点からは、アーク溶接やスポット溶接などの溶接が推奨される。
【００３１】
前記表面処理金属材１の金属母材２として鉄鋼材を用いた場合、相手金属材４としては前記金属母材２を形成する鉄鋼材よりも腐食電位が卑である卑的金属材が用いられる。前記卑的金属材としては、例えばアルミニウム合金材、マグネシウム合金材、亜鉛合金材を用いることができる。
【００３２】
また、前記表面処理金属材１の金属母材２としてアルミニウム合金材を用いた場合、相手金属材４としては前記金属母材２を形成するアルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である貴的金属材が用いられる。前記貴的金属材としては、例えば金属母材よりも貴のアルミニウム合金材、各種鉄鋼材を用いることができる。
【００３３】
この異材接合体６によると、一方の表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材４とが電気的に導通した状態で接合され、表面処理金属材１と相手金属材４との間に水分が侵入しても、前記金属母材２と相手金属材４の内、腐食電位が卑となる側の金属材すなわちアノード側に分極される金属材の表面に前記防食層３を形成する塩が作用して、酸化皮膜または沈殿皮膜あるいはこれらの混合膜が卑側の金属材の表面に形成されるので、その金属材の溶解が抑制され、接触腐食が生じ難くなり、異材接合体６の防食性、耐久性が向上する。
【００３４】
次に、第２実施形態に係る異材接合体６Ａを、図３を参照して説明する。なお、図２に示した第１実施形態に係る異材接合体６と同部材は同符号を付して説明を省略することとし、相違点を中心に説明する。
【００３５】
第２実施形態に係る異材接合体６Ａは、表面処理金属材１に相手金属材４が隣接配置され、さらにその上に外側金属材５が隣接配置されており、これらが図例ではリベット８によって互いに連結されている。前記相手金属材４は、表面処理金属材１と外側金属材５との間に設けられた中間金属材ともいえるものであり、表面処理金属材１の防食層３と外側金属材５とに接触状態で配置されており、表面処理金属材１の金属母材２は前記リベット８を介して相手金属材４及び外側金属材５と電気的に導通状態となっている。なお、図例では接合方法としてリベットを用いたが、ボルトなどの連結部材を用いてもよく、あるいは溶接などを用いて各金属材同士を部分的に接合してもよい。
【００３６】
この第２実施形態の場合においても、表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材４との接触腐食を効果的に防止することができる。もっとも、前記外側金属材５としては、相手金属材４との間で接触腐食が生じないように、両者は腐食電位が同じか、近似した材質のものを用いることが好ましい。
【００３７】
次に、第３実施形態に係る異材接合体６Ｂを、図４を参照して説明する。この異材接合体６Ｂは、第１実施形態の異材接合体６の相手金属材４として、他の表面処理金属材（図１の実施形態と同様のもの）が用いられたものであり、第１表面処理金属材１Ａとこれに隣接配置された第２表面処理金属材１Ｂを備える。第１表面処理金属材１Ａの防食層３Ａと第２表面処理金属材１Ｂの防食層３Ｂとが接触するように隣接配置され、第１表面処理金属材１Ａの金属母材２Ａと第２表面処理金属材１Ｂの金属部材２Ｂとが図例ではリベット８により部分的に接合され、第１金属母材２Ａと第２金属母材２Ｂとが電気的に導通した状態となっている。なお、図例では接合方法としてリベットを用いたが、ボルトなどの連結部材を用いてもよく、あるいは溶接などを用いて部分的に接合してもよい。
【００３８】
前記異材接合体６Ｂにおいて、第１表面処理金属材１Ａの金属母材２Ａは、鉄鋼材（亜鉛含有めっき鉄鋼材を含む。）で形成され、他方の第２表面処理金属材１Ｂの金属母材２Ｂは、アルミニウム合金材で形成される。
【００３９】
第３実施形態に係る異材接合体６Ｂでは、第１金属母材２Ａと第２金属母材２Ｂの内、腐食電位が卑側となる第２金属母材２Ｂのアルミニウム合金材は、第１表面処理金属材１Ａの防食層２Ａと第２表面処理金属材１Ｂの防食層２Ｂとの２重の防食層により接触腐食が防止されるので、優れた防食性、耐久性が得られる。
【００４０】
また、第３実施形態に係る異材接合体６Ｂにおいて、第１，第２表面処理金属材１Ａ，１Ｂの間に中間金属材を隣接配置することができる。中間金属材は表面処理金属材１Ａ，１Ｂの金属母材２Ａ，２Ｂの腐食電位に対して貴、卑のいずれの材質でもよい。この場合、第１表面処理金属材１Ａと中間金属材、中間金属材と第２表面処理金属材１Ｂとは、それぞれ第１実施形態にかかる異材接合体６とみなすことができる。
【００４１】
次に、本発明に係る表面処理金属材及び異材接合体について具体的実施例を挙げて説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００４２】
［供試材の作製］
下記表１，表２に示すように、金属母材の素材として、冷延鋼板、各種めっき鋼板、各種アルミニウム合金（板材、以下同様）、マグネシウム合金、亜鉛合金を用いて、一部を除き、後述するように、浸漬法により同表に示した各種塩からなる防食層を被覆形成した表面処理金属材の供試材を製作した。なお、表２において、アルミニウム合金、マグネシウム合金及び亜鉛合金の番号は、それぞれＪＩＳＨ４０００：１９９９年、ＪＩＳＨ４２０１：２００５年及びＪＩＳＨ５３０１：１９９０年にて規定されている合金番号を示す。
【００４３】
前記防食層は、金属母材の素材（厚さ１．２〜２．０ｍｍ）を３００×３００ｍｍに切断し、その原板をアセトン洗浄した後、各種塩とイオン交換水との混合液に室温下で適当な時間浸漬し、引き上げて乾燥させることにより形成された。混合液への浸漬時には、塩が均一に前記原板に付着するように、混合液をマグネティックスターラーにより撹拌した。浸漬前後の重量増加量を各種塩の付着量とした。表１及び表２には単位面積当たりの付着量も併せて示した。このようにして所定の塩が付着した供試材の原板から５０×３０ｍｍの小片を切り出して、下記のガルバニック電流測定用の試験片とした。同様に、防食層を形成しなかった金属母材についてもその原板からガルバニック電流測定用の試験片を作製した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
［ガルバニック電流の測定方法］
表１及び表２に示した表面処理金属材あるいは金属母材（防食層を形成しなかったもの）の試験片から２種を選び、これらの組み合わせからなる異材接合体の接触腐食を模擬するために、これらの試験片を表３に示すように電極Ａ、Ｂとして、両電極間に流れるガルバニック電流を測定した。
【００４７】
ガルバニック電流の測定は、図５及び図６に示すように、電極Ｂを水平に載置して、中央に試験溶液１２として３％食塩水を０．２ｍＬ滴下した。この際、前記電極Ｂの両端部には、厚さ０．３ｍｍ、１０×３０ｍｍのテフロンシート１１（「テフロン」は登録商標です。）を配置し、試験溶液１２が占める平面空間を３０×３０ｍｍとした。そして、前記テフロンシート１１の上に電極Ａを載置した。前記電極Ａ，Ｂに用いる試験片として表面処理金属材を用いる場合は、防食層が内側（試験溶液側）になるように配置した。また電極Ａ，Ｂに用いた試験片の金属母材の内、腐食電位が卑となる試験片をアノード側の電極Ｂとした。その後、電極Ａ及び電極Ｂに導線を接続して、無抵抗電流計１３に接続し、室温で６０分間静置させた後、両電極間の電流値を読み取った。このガルバニック電流は腐食の電気化学反応に起因して発生する電流であり、腐食速度に比例する。従って、ガルバニック電流の大小により異種金属接触腐食の程度を評価することができる。
【００４８】
［試験結果］
ガルバニック電流の測定結果を表３に併せて示す。表３中、試料No. １〜５は比較例に係る異材接合体に対応した測定試料であり、試料No. ６〜５８は発明例に係る異材接合体に対応した測定試料である。
【００４９】
【表３】
【００５０】
比較例に係る試料Ｎｏ．１は、共に防食層を有しない冷延鋼板の試験片（Ｎ１）とＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の試験片（Ｌ５）との組み合わせであるが、この組み合わせでは、５００μＡを超えるガルバニック電流が流れ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の腐食が大きく促進された。また、試料Ｎｏ．３は一般的に知られている防食剤であるベンゾトリアゾールを塗布した冷延鋼板の試験片（Ｎ７）と防食層を有しないＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金板の試験片（Ｌ５）との組み合わせであり、また試料Ｎｏ．４及びＮｏ．５は本発明の塩付着量が規定値に満たない試験片同士を用いた組み合わせであるが、試料Ｎｏ．３〜５は試料Ｎｏ．１の電流値とほとんど同じレベルであった。また、試料Ｎｏ．２は、防食層を有しないアルミニウム合金板の試験片同士の組み合わせであるが、１００μＡを超えるガルバニック電流が流れて、卑側のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金板試験片の腐食が促進された。
【００５１】
これに対して、発明例に係る試料（Ｎｏ. ６〜Ｎｏ．５８）では、ガルバニック電流は試料Ｎｏ．１で示した電流値に比して１／１０以下に低下した。このことは、本発明に係る表面処理金属材では、異種金属接触腐食の速度が１／１０以下に抑制されることを意味しており、優れた防食効果が得られることが確認された。特に、両試験片が本発明に係る表面処理金属材から採取した試料Ｎｏ. ４２〜５８から、異材接合体を構成する２部材として本発明に係る表面処理金属材を用いることにより、異種金属接触腐食の抑制効果が顕著となることが確認された。
【００５２】
また、防食層中の付着塩が異なる場合、四ホウ酸カルシウムを付着させた試料Ｎｏ．６と同ナトリウムを付着させたＮｏ．１２との比較、あるいはリン酸二水素マグネシウムを付着させたＮｏ．８と同ナトリウムを付着させたＮｏ．１４との比較から、カルシウム塩やマグネシウム塩よりもナトリウム塩により防食層を形成する方が電流値が低く、腐食の進行をより抑えることができることが分かる。同様に、バナジン酸塩を付着させた試料Ｎｏ．７（カルシウム塩）とＮｏ．１３（カリウム塩）との比較よりカルシウム塩よりもカリウム塩により防食層を形成する方が電流値が低く、試料Ｎｏ．９（リチウム塩）とＮｏ．１５（アンモニウム塩）との比較よりリチウム塩よりもアンモニウム塩により防食層を形成する方が電流値が低く、防食性に優れることが分かる。これより、防食層を形成する塩としては、カリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩が好ましいことが確認された。また、冷延鋼板に種々の塩を付着させた結果、試料Ｎｏ．１６で示したタングステン酸ナトリウムが防食層を形成する塩として特に好ましいことが分かる。
【００５３】
また、異なる金属を含有するめっき層が被覆された鋼板を金属母材とする表面処理金属材では、同じ亜硝酸リチウムを付着させた試料Ｎｏ．９（溶融アルミニウムめっき鋼板）とＮｏ．２２（溶融亜鉛めっき鋼板）との比較、あるいはバナジン酸カリウムを付着させたＮｏ．１３（溶融アルミニウムめっき鋼板）とＮｏ．２６（溶融Ｚｎ−Ａｌめっき鋼板）との比較から、めっき鋼板を用いる場合には、亜鉛を含むめっき鋼板の方が電流値が低く、防食性に優れることが分かる。
【００５４】
以上のとおり、本発明に係る表面処理金属材はいずれも接触腐食に対する防食特性に優れており、異種金属と接触させた状態で用いられる鉄系及びアルミニウム系の表面処理金属材として好適であり、またそれらを用いた異材接合体についても接触腐食に対する防食特性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施形態に係る表面処理金属材の部分断面模式図である。
【図２】第１実施形態に係る異材接合体の部分断面模式図である。
【図３】第２実施形態に係る異材接合体の部分断面模式図である。
【図４】第３実施形態に係る異材接合体の部分断面模式図である。
【図５】ガルバニック電流測定要領を示す断面説明図である。
【図６】図５におけるＣ線断面矢視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 表面処理金属材、 １Ａ 第１表面処理金属材、 １Ｂ 第２表面処理金属材
２，２Ａ，２Ｂ 金属母材
３，３Ａ，３Ｂ 防食層
４ 相手金属材
６，６Ａ，６Ｂ 異材接合体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送機分野、機械分野、土木建築プラント分野、エレクトロニクス分野等において、異種金属と接触させた状態で接合される鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材を金属母材とする表面処理金属材及びその表面処理金属材を備えた異材接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や鉄道車両などの輸送分野を始めとして、鉄鋼材と、アルミニウム材あるいはアルミニウム合金材（以下、両者をまとめて「アルミニウム材」ということがある。）との組み合わせなど、異種の金属を接触させた状態で部分的に接合一体化した部材・部品を用いる要望が高揚している。しかしながら、異種の金属を接触させた場合には、異種金属接触腐食（ガルバニック腐食）が発生するケースが多いことが知られている。異種金属接触腐食は、腐食電位が卑な金属がアノード、貴な金属がカソードとなって電池を構成して、卑な金属の方の腐食が促進される現象である。例えば、鉄鋼材とアルミニウム材とを接触させた場合には、アルミニウム材の腐食が促進され、その場合の腐食速度はアルミニウム材を単独で使用する場合よりも極めて大きくなって、早期に穴あきなどの損傷を引き起こす。従って、異種の金属を接触させた部材・部品を用いる場合には、このような異種金属接触腐食を防止する必要がある。
【０００３】
異種金属接触腐食を防止する方法としては、異種金属間に絶縁物を介して電気的に絶縁することが有効である。しかし、このような方法は、構造上や製造上の制約があって困難な場合が多いし、異種金属間の接合強度の面で優位な溶接による接合には適用できないという問題がある。
【０００４】
一方、腐食の進行に必須である水分が異種金属の接触部分に入らないように環境遮断することも異種金属接触腐食防止方法として有効である。例えば、特開昭６０−５８２７２号公報（特許文献１）には、選択的アニオン透過膜と選択的カチオン透過膜の塗料を重ね塗りする方法などの塗装方法が提案されている。また、塗装による環境遮断と絶縁との両者を利用する方法も知られている。例えば、特開平６−１３６２９５号公報（特許文献２）には二硫化モリブデンを塗料中に添加することが提案されている。しかし、塗膜といえども幾分は水分を透過することや、屋外にて使用する場合には紫外線劣化や傷付きなどによる塗膜破壊などが起こって、異種金属接触部分への水分の侵入を長期間にわたって完全に防ぐことは現実的に困難である。
【０００５】
また、構造面から異種金属接触腐食を防止する技術も提案されている。例えば、特開２００１−１１６６５号公報（特許文献３）には、アルミニウム基複合材と鉄鋼材との間にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金を介在させることにより、両材料間の異種金属接触腐食を効果的に防止することが提案されている。
【０００６】
一方、金属材料の腐食を防止する技術として、当該金属が曝される腐食環境に少量ないし微量添加して、その腐食性を低減する薬剤（防食剤、腐食抑制剤、インヒビターなどと呼ばれる。）が知られている。一般的に良く知られているインヒビターとしては、非特許文献１に記載されているように、脱酸素剤として作用して腐食反応に必要な酸素を除去して腐食性を低減させる亜硫酸塩やヒドラジン、金属表面に炭酸カルシウムの沈殿被膜を形成して保護性を高めるカルシウムイオン、鉄表面を不働態化して防食性に寄与するモリブデン酸塩、電気陰性度の大きなＮ、Ｏなどの元素を含んだ極性基が金属表面へ吸着することにより防食効果を発現する吸着皮膜形成型インヒビター（アミン類、アニリンなど）、金属の溶解で生じた金属イオンと反応して表面に安定なキレート化合物を形成して防食効果を発現する沈殿皮膜形成型インヒビター（ベンゾトリアゾール、チオグリコール酸類など）、金属表面に酸化皮膜を形成するカルボン酸類などを挙げることができる。
【０００７】
上記のようなインヒビターの知見をベースとして、インヒビターを用いた異種金属接触腐食の防止方法としては、亜硝酸系インヒビターやオキシアニオン系インヒビターの使用が特開平４−１６０１６９号公報（特許文献４）に記載されている。しかしながら、このようなインヒビターは炭素系鉄鋼材よりも腐食電位が貴であるステンレス鋼材もしくはチタン材と炭素系鉄鋼材の接触腐食抑制には有効であるが、鉄鋼材よりも腐食電位が卑なアルミニウム材と鉄鋼材との接触腐食の抑制には適用できないという問題がある。
【特許文献１】特開昭６０−５８２７２号公報
【特許文献２】特開平６−１３６２９５号公報
【特許文献３】特開２００１−１１６６５号公報
【特許文献４】特開平４−１６０１６９号公報
【非特許文献１】腐食防食協会編集：防食技術便覧、１９８６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、電気的絶縁や完全な環境遮断を施さなくても異種金属接触腐食を安価で効果的に抑止できる鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材を金属母材とする表面処理金属材及びその表面処理金属材を備えた異材接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述のように、異種金属接触腐食は、卑な金属がアノード、貴な金属がカソードとなって電池を形成して、卑な金属の方の腐食が促進される現象であり、卑な金属はアノード側に分極された状態で腐食が進行する。本発明者らは異種金属接触腐食の抑制について調査したところ、異種金属接触腐食は単独の場合と異なった電位状態で腐食が進行するため、通常知られている鉄鋼材やアルミニウム材に対する防食剤では十分な防食効果が得られなかった。そこで、異種金属接触腐食に有効な防食剤を鋭意検討した結果、四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩を接触部の表面に付着させることによって、顕著な防食効果が得られることを知見し、この知見を基に本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明に係る表面処理金属材は、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材で形成された金属母材と、その表面に被覆された防食層を備え、前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含むものである。
【００１１】
上記表面処理金属材によると、前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む。このため、表面処理金属材の金属母材と相手金属材との内、腐食電位が卑になり、アノード側に分極される金属材の表面、すなわち表面処理金属材の金属母材が鉄鋼材の場合は前記鉄鋼材より腐食電位が卑になる相手金属材の表面、また表面処理金属材の金属母材がアルミニウム合金材で、相手金属材が前記アルミニウム合金材より腐食電位が貴になる場合は前記アルミニウム合金材の表面に前記塩が作用して、酸化皮膜または沈殿被膜のいずれか、あるいはこれらの混合膜を形成して、卑な金属材の溶解速度を減少させることができる。
【００１２】
上記表面処理金属材において、前記防食層を形成する塩としては、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかの塩が好ましい。これらのいずれかの塩で防食層を形成することにより、卑側の金属材の溶解速度の減少効果をより大きくすることができる。この理由は、カリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩は、カルシウム塩などの他の塩に比べて水に溶解しやすいため、より均質な酸化皮膜または沈殿被膜を形成することができるからである。
【００１３】
前記表面処理金属材において、前記金属母材を構成する鉄鋼材としては、少なくとも一方の表面に亜鉛含有めっき層が被覆された亜鉛含有めっき鉄鋼材を用いることができる。この場合、前記防食層は亜鉛含有めっき層の上に形成される。前記亜鉛含有めっき層はＺｎを５０％以上含有することが好ましく、またその付着量は１〜１５０ｇ／ｍ2 が好ましい。前記亜鉛含有めっき鉄鋼材を金属母材とする表面処理金属材を用いることにより、亜鉛含有めっき層が被覆されていない鉄鋼材よりも卑な相手金属材が接触したときの電位差をより小さくして、亜鉛含有めっき層と本発明に係る防食層との相乗効果により、異種金属接触による腐食速度をより低下させることができる。
【００１４】
一方、本発明に係る異材接合体は、表面処理金属材と、前記表面処理金属材に部分的に接合された相手金属材を備える。前記表面処理金属材は上記の本発明に係る表面処理金属材が用いられる。前記相手金属材は、前記表面処理金属材の金属母材が鉄鋼材の場合、その鉄鋼材よりも腐食電位が卑である卑的金属材とされ、前記表面処理金属材の金属母材がアルミニウム合金材の場合、そのアルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である貴的金属材とされる。そして、前記表面処理金属材の防食層側に前記相手金属材が隣接して配置され、前記表面処理金属材の金属母材と前記相手金属材とが電気的に導通した状態で接合される。
【００１５】
この異材接合体によると、異材接合体の一方が本発明に係る表面処理金属材で形成されるので、表面処理金属材の金属母材と相手金属材の内、他方に対して卑の金属材は前記表面処理金属材の防食層により接触腐食が生じ難くなり、防食性、耐久性に優れた構造体を提供することができる。
【００１６】
上記異材接合体において、前記卑的金属材として用いる金属材は特に限定されないが、例えばアルミニウム合金材、マグネシウム合金材又は亜鉛合金材を用いることができる。また、上記異材接合体において、前記貴的金属材として用いる金属材は特に限定されないが、例えばアルミニウム合金材又は鉄鋼材を用いることができる。
【００１７】
また、本発明に係る他の異材接合体は、第１表面処理金属材と、前記第１表面処理金属材に部分的に接合された第２表面処理金属材を備える。前記第１表面処理金属材は、上記本発明に係る金属母材が鉄鋼材の表面処理金属材が用いられ、前記第２表面処理金属材は上記本発明に係る金属母材がアルミニウム合金材の表面処理金属材が用いられる。そして、前記第１表面処理金属材の防食層側に第２表面処理金属材の防食層がくるように隣接して配置され、前記第１表面処理金属材の第１金属母材と第２表面処理金属材の第２金属母材とが電気的に導通した状態で接合される。
【００１８】
この他の異材接合体によれば、第１表面処理金属材の金属母材を構成する鉄鋼材に対して、腐食電位が卑である、第２表面処理金属材の金属母材を構成するアルミニウム合金材は第１、第２表面処理金属材の２重の防食層により接触腐食が防止されるので、優れた防食性、耐久性が得られる。
【００１９】
本発明に係る上記表面処理金属材及び異材接合体は、接触腐食に対する防食性、耐久性に優れるので、自動車部材用の素材として好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る表面処理金属材によれば、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材で形成された金属母材の表面に四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む防食層が形成されるので、前記防食層を形成する塩が腐食電位が卑側の金属材、すなわちアノード側に分極される相手金属材あるいは金属母材の表面に作用して、酸化皮膜または沈殿被膜のいずれかを形成して、金属の溶解速度を減少させることができる。また、本発明に係る異材接合体は、前記表面処理金属材を備えるので、表面処理金属材の金属母材と相手金属材の内、卑側の金属材の接触腐食が前記表面処理金属材の防食層により好適に防止される。このため、本発明によれば、接触腐食に対する防食性、耐久性に優れた表面処理金属材、異材接合体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る表面処理金属材を図面を参照して説明する。実施形態に係る表面処理金属材１は、図１に示すように、金属母材２の表面に防食層３が被覆されている。図例では、防食層３は金属母材２の片面のみを被覆するように形成されているが、両面に形成するようにしてもよい。
【００２２】
前記防食層３は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩で形成される。また、前記防食層３を形成する塩は、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかとすることが好ましい。これらの塩は、カルシウム塩などの他の塩に比べて水に溶解しやすいため、より均質な酸化皮膜または沈殿被膜を形成することができ、表面処理金属材１の金属母材２と、表面処理金属材１の防食層３側に隣接配置される相手金属材の内、卑側の金属材の溶解速度の減少効果をより大きくすることができる。
【００２３】
前記防食層３としては、各種塩の付着量を合計で０．００５〜１ｇ／ｍ2 とするのがよい。０．００５ｇ／ｍ2 未満の場合には、表面処理金属材と相手金属材との接触部において、水分の侵入などにより形成された溶液中の塩濃度が低いので、表面処理金属材の金属母材と相手金属材との関係で決まる卑側の金属材の表面に形成される酸化皮膜または沈殿被膜、あるいはこれらの混合膜が不十分となり、十分な防食特性が得られない。また、付着量が１ｇ／ｍ2 を超えると、防食特性は飽和し、また表面処理金属材に接触した状態で相手金属材を溶接する際の溶接性などに悪影響を及ぼす可能性がある。従って、付着量は０．００５〜１ｇ／ｍ2 とするのがよく、より好ましい下限は０．０１ｇ／ｍ2 であり、より好ましい上限は０．９ｇ／ｍ2 である。
【００２４】
前記防食層３は、前記各種の塩を金属母材に付着させることにより形成することができる。各種塩の付着方法としては、特に限定されず、各種塩を適当な溶媒と混合した溶液を用いて、適宜の塗布方法により塗布すればよい。例えば、浸漬塗装、スプレー塗装、シャワーコート、ロールコート、刷毛塗装などの塗布方法を採ることができる。
【００２５】
前記金属母材２としては、鉄鋼材あるいはアルミニウム合金材が用いられる。前記鉄鋼材としては、鋼板用鋼材、機械構造用鋼材などの通常の鋼材のほか、後述する亜鉛含有めっき鉄鋼材などの各種鉄鋼材を用いることができる。またその形態も板状、Ｃ形、Ｈ形、Ｉ形などの各種の形態を採ることができる。また、前記アルミニウム合金材としてはＡｌ−Ｍｎ系合金材、Ａｌ−Ｍｇ系合金材、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金材、Ａｌ−Ｓｉ系合金材などの各種のアルミニウム合金材を用いることができる。前記金属母材２を構成する鉄鋼材やアルミニウム合金材は、無垢の金属材でもよいが、少なくとも防食層の形成側に適宜の表面処理などを施したものでもよい。
【００２６】
前記金属母材２として、亜鉛含有めっき鉄鋼材すなわち少なくとも一方の表面（防食層を被覆する側の表面）に亜鉛含有めっき層が被覆された鉄鋼材を用いる場合、前記亜鉛含有めっき層中のＺｎの含有量は５０質量％以上とするのがよい。前記亜鉛含有めっき鉄鋼材を金属母材とする表面処理金属材を用いることにより、鉄鋼材よりも卑な金属材が接触したときの電位差をより小さくして、亜鉛含有めっき層と前記防食層との相乗効果により、異種金属接触による腐食速度をより低下させることができる。亜鉛含有めっき層中のＺｎが５０質量％に満たない場合には電位差の縮小効果が小さくなり、腐食速度の低減効果が減少するようになる。
【００２７】
また、前記亜鉛含有めっきの付着量は１〜１５０ｇ／ｍ2 とするのがよい。亜鉛含有めっき付着量が片面で１ｇ／ｍ2 に満たない場合、電位差の縮小効果が小さいため、腐食速度の低減が不十分である。また、亜鉛含有めっき付着量が片面で１５０ｇ／ｍ2 を超えた場合、異種金属接触腐食に対する耐食性の向上効果は飽和する。このような理由から、亜鉛含有めっき付着量は片面で１〜１５０ｇ／ｍ2 がよい。亜鉛含有めっき付着量のより好ましい下限は片面で３ｇ／ｍ2 であり、より好ましい上限は７０ｇ／ｍ2 である。
【００２８】
前記亜鉛含有めっき層は、溶融亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっきなどのほか、Ｚｎ−Ａｌめっき、Ｚｎ−Ｆｅめっき、Ｚｎ−Ｎｉめっき、Ｚｎ−Ｃｒめっき、Ｚｎ−ＭｇめっきなどをはじめとしてＺｎを含む２元系以上の合金めっきを用いて形成することができる。また、亜鉛含有めっき層中に金属酸化物やポリマーなどを分散させた分散めっき、例えば、ＳｉＯ2 を分散させたＺｎめっきなどを用いることができ、また異種の亜鉛含有めっき層を２層以上積層させた複層めっきを適用してもよい。
【００２９】
次に、本発明の異材接合体の第１実施形態を図２を参照して説明する。なお、第１実施形態の異材接合体６において、図１に示した表面処理金属材１と同部材は同符号を付して説明を簡略あるいは省略する。
【００３０】
第１実施形態に係る異材接合体６は、表面処理金属材１と、前記表面処理金属材１の防食層３の表面に接触するように相手金属材４が隣接配置されている。前記表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材３とは溶接部７によって部分的に接合されており、この溶接部７を介して両者は電気的に導通した状態となっている。図例では、表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材３とは溶接により部分的に接合されているが、部分接合方法としては、スポット溶接、ろう付けあるいは拡散接合でもよく、さらには図中の二点鎖線で示すようにリベット８やボルトなどの金属製の機械的連結部材を用いてもよい。もっとも、接合強度確保や信頼性の観点からは、アーク溶接やスポット溶接などの溶接が推奨される。
【００３１】
前記表面処理金属材１の金属母材２として鉄鋼材を用いた場合、相手金属材４としては前記金属母材２を形成する鉄鋼材よりも腐食電位が卑である卑的金属材が用いられる。前記卑的金属材としては、例えばアルミニウム合金材、マグネシウム合金材、亜鉛合金材を用いることができる。
【００３２】
また、前記表面処理金属材１の金属母材２としてアルミニウム合金材を用いた場合、相手金属材４としては前記金属母材２を形成するアルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である貴的金属材が用いられる。前記貴的金属材としては、例えば金属母材よりも貴のアルミニウム合金材、各種鉄鋼材を用いることができる。
【００３３】
この異材接合体６によると、一方の表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材４とが電気的に導通した状態で接合され、表面処理金属材１と相手金属材４との間に水分が侵入しても、前記金属母材２と相手金属材４の内、腐食電位が卑となる側の金属材すなわちアノード側に分極される金属材の表面に前記防食層３を形成する塩が作用して、酸化皮膜または沈殿皮膜あるいはこれらの混合膜が卑側の金属材の表面に形成されるので、その金属材の溶解が抑制され、接触腐食が生じ難くなり、異材接合体６の防食性、耐久性が向上する。
【００３４】
次に、第２実施形態に係る異材接合体６Ａを、図３を参照して説明する。なお、図２に示した第１実施形態に係る異材接合体６と同部材は同符号を付して説明を省略することとし、相違点を中心に説明する。
【００３５】
第２実施形態に係る異材接合体６Ａは、表面処理金属材１に相手金属材４が隣接配置され、さらにその上に外側金属材５が隣接配置されており、これらが図例ではリベット８によって互いに連結されている。前記相手金属材４は、表面処理金属材１と外側金属材５との間に設けられた中間金属材ともいえるものであり、表面処理金属材１の防食層３と外側金属材５とに接触状態で配置されており、表面処理金属材１の金属母材２は前記リベット８を介して相手金属材４及び外側金属材５と電気的に導通状態となっている。なお、図例では接合方法としてリベットを用いたが、ボルトなどの連結部材を用いてもよく、あるいは溶接などを用いて各金属材同士を部分的に接合してもよい。
【００３６】
この第２実施形態の場合においても、表面処理金属材１の金属母材２と相手金属材４との接触腐食を効果的に防止することができる。もっとも、前記外側金属材５としては、相手金属材４との間で接触腐食が生じないように、両者は腐食電位が同じか、近似した材質のものを用いることが好ましい。
【００３７】
次に、第３実施形態に係る異材接合体６Ｂを、図４を参照して説明する。この異材接合体６Ｂは、第１実施形態の異材接合体６の相手金属材４として、他の表面処理金属材（図１の実施形態と同様のもの）が用いられたものであり、第１表面処理金属材１Ａとこれに隣接配置された第２表面処理金属材１Ｂを備える。第１表面処理金属材１Ａの防食層３Ａと第２表面処理金属材１Ｂの防食層３Ｂとが接触するように隣接配置され、第１表面処理金属材１Ａの金属母材２Ａと第２表面処理金属材１Ｂの金属部材２Ｂとが図例ではリベット８により部分的に接合され、第１金属母材２Ａと第２金属母材２Ｂとが電気的に導通した状態となっている。なお、図例では接合方法としてリベットを用いたが、ボルトなどの連結部材を用いてもよく、あるいは溶接などを用いて部分的に接合してもよい。
【００３８】
前記異材接合体６Ｂにおいて、第１表面処理金属材１Ａの金属母材２Ａは、鉄鋼材（亜鉛含有めっき鉄鋼材を含む。）で形成され、他方の第２表面処理金属材１Ｂの金属母材２Ｂは、アルミニウム合金材で形成される。
【００３９】
第３実施形態に係る異材接合体６Ｂでは、第１金属母材２Ａと第２金属母材２Ｂの内、腐食電位が卑側となる第２金属母材２Ｂのアルミニウム合金材は、第１表面処理金属材１Ａの防食層２Ａと第２表面処理金属材１Ｂの防食層２Ｂとの２重の防食層により接触腐食が防止されるので、優れた防食性、耐久性が得られる。
【００４０】
また、第３実施形態に係る異材接合体６Ｂにおいて、第１，第２表面処理金属材１Ａ，１Ｂの間に中間金属材を隣接配置することができる。中間金属材は表面処理金属材１Ａ，１Ｂの金属母材２Ａ，２Ｂの腐食電位に対して貴、卑のいずれの材質でもよい。この場合、第１表面処理金属材１Ａと中間金属材、中間金属材と第２表面処理金属材１Ｂとは、それぞれ第１実施形態にかかる異材接合体６とみなすことができる。
【００４１】
次に、本発明に係る表面処理金属材及び異材接合体について具体的実施例を挙げて説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００４２】
［供試材の作製］
下記表１，表２に示すように、金属母材の素材として、冷延鋼板、各種めっき鋼板、各種アルミニウム合金（板材、以下同様）、マグネシウム合金、亜鉛合金を用いて、一部を除き、後述するように、浸漬法により同表に示した各種塩からなる防食層を被覆形成した表面処理金属材の供試材を製作した。なお、表２において、アルミニウム合金、マグネシウム合金及び亜鉛合金の番号は、それぞれＪＩＳＨ４０００：１９９９年、ＪＩＳＨ４２０１：２００５年及びＪＩＳＨ５３０１：１９９０年にて規定されている合金番号を示す。
【００４３】
前記防食層は、金属母材の素材（厚さ１．２〜２．０ｍｍ）を３００×３００ｍｍに切断し、その原板をアセトン洗浄した後、各種塩とイオン交換水との混合液に室温下で適当な時間浸漬し、引き上げて乾燥させることにより形成された。混合液への浸漬時には、塩が均一に前記原板に付着するように、混合液をマグネティックスターラーにより撹拌した。浸漬前後の重量増加量を各種塩の付着量とした。表１及び表２には単位面積当たりの付着量も併せて示した。このようにして所定の塩が付着した供試材の原板から５０×３０ｍｍの小片を切り出して、下記のガルバニック電流測定用の試験片とした。同様に、防食層を形成しなかった金属母材についてもその原板からガルバニック電流測定用の試験片を作製した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
［ガルバニック電流の測定方法］
表１及び表２に示した表面処理金属材あるいは金属母材（防食層を形成しなかったもの）の試験片から２種を選び、これらの組み合わせからなる異材接合体の接触腐食を模擬するために、これらの試験片を表３に示すように電極Ａ、Ｂとして、両電極間に流れるガルバニック電流を測定した。
【００４７】
ガルバニック電流の測定は、図５及び図６に示すように、電極Ｂを水平に載置して、中央に試験溶液１２として３％食塩水を０．２ｍＬ滴下した。この際、前記電極Ｂの両端部には、厚さ０．３ｍｍ、１０×３０ｍｍのテフロンシート１１（「テフロン」は登録商標です。）を配置し、試験溶液１２が占める平面空間を３０×３０ｍｍとした。そして、前記テフロンシート１１の上に電極Ａを載置した。前記電極Ａ，Ｂに用いる試験片として表面処理金属材を用いる場合は、防食層が内側（試験溶液側）になるように配置した。また電極Ａ，Ｂに用いた試験片の金属母材の内、腐食電位が卑となる試験片をアノード側の電極Ｂとした。その後、電極Ａ及び電極Ｂに導線を接続して、無抵抗電流計１３に接続し、室温で６０分間静置させた後、両電極間の電流値を読み取った。このガルバニック電流は腐食の電気化学反応に起因して発生する電流であり、腐食速度に比例する。従って、ガルバニック電流の大小により異種金属接触腐食の程度を評価することができる。
【００４８】
［試験結果］
ガルバニック電流の測定結果を表３に併せて示す。表３中、試料No. １〜５は比較例に係る異材接合体に対応した測定試料であり、試料No. ６〜５８は発明例に係る異材接合体に対応した測定試料である。
【００４９】
【表３】
【００５０】
比較例に係る試料Ｎｏ．１は、共に防食層を有しない冷延鋼板の試験片（Ｎ１）とＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の試験片（Ｌ５）との組み合わせであるが、この組み合わせでは、５００μＡを超えるガルバニック電流が流れ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の腐食が大きく促進された。また、試料Ｎｏ．３は一般的に知られている防食剤であるベンゾトリアゾールを塗布した冷延鋼板の試験片（Ｎ７）と防食層を有しないＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金板の試験片（Ｌ５）との組み合わせであり、また試料Ｎｏ．４及びＮｏ．５は本発明の塩付着量が規定値に満たない試験片同士を用いた組み合わせであるが、試料Ｎｏ．３〜５は試料Ｎｏ．１の電流値とほとんど同じレベルであった。また、試料Ｎｏ．２は、防食層を有しないアルミニウム合金板の試験片同士の組み合わせであるが、１００μＡを超えるガルバニック電流が流れて、卑側のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金板試験片の腐食が促進された。
【００５１】
これに対して、発明例に係る試料（Ｎｏ. ６〜Ｎｏ．５８）では、ガルバニック電流は試料Ｎｏ．１で示した電流値に比して１／１０以下に低下した。このことは、本発明に係る表面処理金属材では、異種金属接触腐食の速度が１／１０以下に抑制されることを意味しており、優れた防食効果が得られることが確認された。特に、両試験片が本発明に係る表面処理金属材から採取した試料Ｎｏ. ４２〜５８から、異材接合体を構成する２部材として本発明に係る表面処理金属材を用いることにより、異種金属接触腐食の抑制効果が顕著となることが確認された。
【００５２】
また、防食層中の付着塩が異なる場合、四ホウ酸カルシウムを付着させた試料Ｎｏ．６と同ナトリウムを付着させたＮｏ．１２との比較、あるいはリン酸二水素マグネシウムを付着させたＮｏ．８と同ナトリウムを付着させたＮｏ．１４との比較から、カルシウム塩やマグネシウム塩よりもナトリウム塩により防食層を形成する方が電流値が低く、腐食の進行をより抑えることができることが分かる。同様に、バナジン酸塩を付着させた試料Ｎｏ．７（カルシウム塩）とＮｏ．１３（カリウム塩）との比較よりカルシウム塩よりもカリウム塩により防食層を形成する方が電流値が低く、試料Ｎｏ．９（リチウム塩）とＮｏ．１５（アンモニウム塩）との比較よりリチウム塩よりもアンモニウム塩により防食層を形成する方が電流値が低く、防食性に優れることが分かる。これより、防食層を形成する塩としては、カリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩が好ましいことが確認された。また、冷延鋼板に種々の塩を付着させた結果、試料Ｎｏ．１６で示したタングステン酸ナトリウムが防食層を形成する塩として特に好ましいことが分かる。
【００５３】
また、異なる金属を含有するめっき層が被覆された鋼板を金属母材とする表面処理金属材では、同じ亜硝酸リチウムを付着させた試料Ｎｏ．９（溶融アルミニウムめっき鋼板）とＮｏ．２２（溶融亜鉛めっき鋼板）との比較、あるいはバナジン酸カリウムを付着させたＮｏ．１３（溶融アルミニウムめっき鋼板）とＮｏ．２６（溶融Ｚｎ−Ａｌめっき鋼板）との比較から、めっき鋼板を用いる場合には、亜鉛を含むめっき鋼板の方が電流値が低く、防食性に優れることが分かる。
【００５４】
以上のとおり、本発明に係る表面処理金属材はいずれも接触腐食に対する防食特性に優れており、異種金属と接触させた状態で用いられる鉄系及びアルミニウム系の表面処理金属材として好適であり、またそれらを用いた異材接合体についても接触腐食に対する防食特性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施形態に係る表面処理金属材の部分断面模式図である。
【図２】第１実施形態に係る異材接合体の部分断面模式図である。
【図３】第２実施形態に係る異材接合体の部分断面模式図である。
【図４】第３実施形態に係る異材接合体の部分断面模式図である。
【図５】ガルバニック電流測定要領を示す断面説明図である。
【図６】図５におけるＣ線断面矢視図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 表面処理金属材、 １Ａ 第１表面処理金属材、 １Ｂ 第２表面処理金属材
２，２Ａ，２Ｂ 金属母材
３，３Ａ，３Ｂ 防食層
４ 相手金属材
６，６Ａ，６Ｂ 異材接合体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材よりも腐食電位が卑である相手金属材と接合するための表面処理金属材であって、
前記鉄鋼材で形成された金属母材と、前記金属母材の表面に形成された防食層とを備え、
前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む、異種金属接触腐食に対する耐食性に優れた表面処理金属材。
【請求項２】
前記防食層を形成する塩が、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかである、請求項１に記載した表面処理金属材。
【請求項３】
前記金属母材は、少なくとも一方の表面にＺｎを５０質量％以上含有する亜鉛含有めっき層が被覆された亜鉛含有めっき鉄鋼材であって、前記亜鉛含有めっき層の付着量が１〜１５０ｇ／ｍ2 とされ、前記亜鉛含有めっき層の上に前記防食層が形成された、請求項１又は２に記載した表面処理金属材。
【請求項４】
自動車部材用の素材として用いられる、請求項１から３のいずれか１項に記載した表面処理金属材。
【請求項５】
アルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である相手金属材と接合するための表面処理金属材であって、
前記アルミニウム合金材で形成された金属母材と、前記金属母材の表面に形成された防食層とを備え、
前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む、異種金属接触腐食に対する耐食性に優れた表面処理金属材。
【請求項６】
前記防食層を形成する塩が、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかである、請求項５に記載した表面処理金属材。
【請求項７】
自動車部材用の素材として用いられる、請求項５又は６に記載した表面処理金属材。
【請求項８】
表面処理金属材と、前記表面処理金属材に部分的に接合された相手金属材を備え、
前記表面処理金属材は請求項１から３のいずれか１項に記載された表面処理金属材であり、前記相手金属材は前記表面処理金属材の金属母材を形成する鉄鋼材よりも腐食電位が卑である卑的金属材であり、
前記表面処理金属材の防食層側に前記相手金属材が隣接して配置され、前記表面処理金属材の金属母材と前記相手金属材とが電気的に導通した状態で接合された、異材接合体。
【請求項９】
前記卑的金属材がアルミニウム合金材、マグネシウム合金材又は亜鉛合金材のいずれかである、請求項８に記載された異材接合体。
【請求項１０】
表面処理金属材と、前記表面処理金属材に部分的に接合された相手金属材を備え、
前記表面処理金属材は請求項５又は６に記載された表面処理金属材であり、前記相手金属材は前記表面処理金属材を形成するアルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である貴的金属材であり、
前記表面処理金属材の防食層側に前記相手金属材が隣接して配置され、前記表面処理金属材の金属母材と前記相手金属材とが電気的に導通した状態で接合された、異材接合体。
【請求項１１】
前記貴的金属材がアルミニウム合金材又は鉄鋼材のいずれかである、請求項１０に記載された異材接合体。
【請求項１２】
第１表面処理金属材と、前記第１表面処理金属材に部分的に接合された第２表面処理金属材を備え、
前記第１表面処理金属材は請求項１から３のいずれか１項に記載された表面処理金属材であり、前記第２表面処理金属材は請求項５又は６に記載された表面処理金属材であり、
前記第１表面処理金属材の防食層側に前記第２表面処理金属材の防食層が接触するように隣接して配置され、前記第１表面処理金属材の金属母材と前記第２表面処理金属材の金属母材とが電気的に導通した状態で接合された、異材接合体。
【請求項１３】
自動車部材用の素材として用いられる、請求項８から１２のいずれか１項に記載した異材接合体。
【請求項１】
鉄鋼材よりも腐食電位が卑である相手金属材と接合するための表面処理金属材であって、
前記鉄鋼材で形成された金属母材と、前記金属母材の表面に形成された防食層とを備え、
前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む、異種金属接触腐食に対する耐食性に優れた表面処理金属材。
【請求項２】
前記防食層を形成する塩が、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかである、請求項１に記載した表面処理金属材。
【請求項３】
前記金属母材は、少なくとも一方の表面にＺｎを５０質量％以上含有する亜鉛含有めっき層が被覆された亜鉛含有めっき鉄鋼材であって、前記亜鉛含有めっき層の付着量が１〜１５０ｇ／ｍ2 とされ、前記亜鉛含有めっき層の上に前記防食層が形成された、請求項１又は２に記載した表面処理金属材。
【請求項４】
自動車部材用の素材として用いられる、請求項１から３のいずれか１項に記載した表面処理金属材。
【請求項５】
アルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である相手金属材と接合するための表面処理金属材であって、
前記アルミニウム合金材で形成された金属母材と、前記金属母材の表面に形成された防食層とを備え、
前記防食層は四ホウ酸塩、バナジン酸塩、リン酸二水素塩、亜硝酸塩、タングステン酸塩からなる群より選択される１種または２種以上の塩を０．００５〜１ｇ／ｍ2 含む、異種金属接触腐食に対する耐食性に優れた表面処理金属材。
【請求項６】
前記防食層を形成する塩が、それぞれカリウム塩、ナトリウム塩又はアンモニウム塩のいずれかである、請求項５に記載した表面処理金属材。
【請求項７】
自動車部材用の素材として用いられる、請求項５又は６に記載した表面処理金属材。
【請求項８】
表面処理金属材と、前記表面処理金属材に部分的に接合された相手金属材を備え、
前記表面処理金属材は請求項１から３のいずれか１項に記載された表面処理金属材であり、前記相手金属材は前記表面処理金属材の金属母材を形成する鉄鋼材よりも腐食電位が卑である卑的金属材であり、
前記表面処理金属材の防食層側に前記相手金属材が隣接して配置され、前記表面処理金属材の金属母材と前記相手金属材とが電気的に導通した状態で接合された、異材接合体。
【請求項９】
前記卑的金属材がアルミニウム合金材、マグネシウム合金材又は亜鉛合金材のいずれかである、請求項８に記載された異材接合体。
【請求項１０】
表面処理金属材と、前記表面処理金属材に部分的に接合された相手金属材を備え、
前記表面処理金属材は請求項５又は６に記載された表面処理金属材であり、前記相手金属材は前記表面処理金属材を形成するアルミニウム合金材よりも腐食電位が貴である貴的金属材であり、
前記表面処理金属材の防食層側に前記相手金属材が隣接して配置され、前記表面処理金属材の金属母材と前記相手金属材とが電気的に導通した状態で接合された、異材接合体。
【請求項１１】
前記貴的金属材がアルミニウム合金材又は鉄鋼材のいずれかである、請求項１０に記載された異材接合体。
【請求項１２】
第１表面処理金属材と、前記第１表面処理金属材に部分的に接合された第２表面処理金属材を備え、
前記第１表面処理金属材は請求項１から３のいずれか１項に記載された表面処理金属材であり、前記第２表面処理金属材は請求項５又は６に記載された表面処理金属材であり、
前記第１表面処理金属材の防食層側に前記第２表面処理金属材の防食層が接触するように隣接して配置され、前記第１表面処理金属材の金属母材と前記第２表面処理金属材の金属母材とが電気的に導通した状態で接合された、異材接合体。
【請求項１３】
自動車部材用の素材として用いられる、請求項８から１２のいずれか１項に記載した異材接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１４４２２３（Ｐ２０１０−１４４２２３Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２３０４９（Ｐ２００８−３２３０４９）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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