塗装技術の門

リン酸亜鉛系皮膜は塗装下地用以外に、潤滑処理と組み合わせることによって、潤滑皮膜としても適用されることが多いです。
　高加工度の冷間鍛造の場合、油潤滑では金属同士の接触面積が大きくなるので、焼き付きが発生しやすくなり、また工具の寿命も短くなってしまいます。このため、鋼にリン酸亜鉛系皮膜を化生し、その上層に潤滑皮膜として石鹸(金属石鹸を含む)または二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を塗布する方法が一般的に行われています。塑性加工用の固体潤滑皮膜処理としては、リン酸塩皮膜にステアリン酸ナトリウム石鹸処理が行われることが多く、その際リン酸塩皮膜の上層には金属石鹸皮膜が生成します。
　このように反応生成した金属石鹸は、リン酸亜鉛系皮膜によく保持されており、下地のリン酸亜鉛系皮膜とともに良好な潤滑性と耐焼き付き性を示します。
　なお、石鹸との反応性はリン酸塩皮膜の種類によって異なり、リン酸亜鉛系皮膜はその中でも最も高い反応性を示します。これが、塑性加工用潤滑皮膜の下地処理としてリン酸亜鉛系処理が用いられる一つの理由です。

塗装後の塗膜下は、金属の腐食に伴ってアノード部では酸、カソード部ではアルカリを呈することが知られています。また、形状物に対する塗装方法としては、つきまわり性の良い電着塗装、とくにカチオン電着塗装が一般的であり、カチオン電着の電着塗装時には処理物表面が一時的に強アルカリとなってしまいます。よって、塗装下地用の塗膜には化学的安定性(特に耐アルカリ性)が求められます。化学的安定性という点で、フォスフォフィライトとホパイトを比較すると、フォスフォフィライトの方が、特にアルカリに対する安定性が優れていることが確認されています。鉄鋼材料に対して、フォスフォフィライト含有率の高い皮膜ほど、良好な塗膜性能が得られるようになるのは、この理由によります。
　また、このようにフォスフォフィライト含有率の高い皮膜を得るための処理条件としては、エッチングによって溶出する鉄イオンが加工液中へ素早く拡散してしまうスプレー処理よりも、鉄イオンの拡散が遅く、皮膜中に取り込まれる確率の多い浸漬処理を採用する方が有利であり、近年では浸漬による処理が主流になっています。
　リン酸亜鉛皮膜を塗装下地に利用する場合は、皮膜重量として2～3g/㎡程度の均一で緻密な皮膜結晶を析出させる必要があり、浸漬処理にてこのような皮膜を析出させるには、
①処理液中に均一エッチング剤としてフッ化物を添加する
②酸化促進剤として亜硝酸を添加する
③化成処理前にチタンコロイド系の表面処理を行う
などの対応が必要となります。特に現在、低温、恒時間の浸漬処理において、塗膜性能の良好な均一緻密なリン酸亜鉛系皮膜が得られるようになったのは、チタンコロイド系表面調整剤の基礎研究とその改良によると言っても過言ではありません。
　亜鉛めっき鋼板やアルミニウム合金などといった、鉄鋼材料以外の素材の塗膜性能は、加工液中にニッケル、マンガンなどの金属イオンを添加することによって向上させることが可能です。加工液中のニッケルイオン、マンガンイオンはホパイト結晶の亜鉛原子に置換する形で皮膜結晶中に取り込まれ、皮膜を改質します。皮膜中のニッケル成分、マンガン成分は皮膜の耐アルカリ性を向上させ、ニッケル成分に関しては、素地が亜鉛の場合、素地に対する防食性をも併せ持っています。
　アルミニウム合金を処理する場合には、エッチング剤として加工液中に添加させるフッ化物が特に重要な働きを示し、低濃度であれば十分な皮膜形成がなされず、逆に添加量が過剰であればフッ素化合物がリン酸亜鉛皮膜とともに析出し、塗膜密着性不良の原因となってしまいます。

リン酸亜鉛系加工液は処理液の基本成分として、リン酸イオン、亜鉛イオン、および酸化剤として硝酸イオンを含有しています。リン酸亜鉛系皮膜の析出機構は、金属素地のエッチング、酸化剤の分解、界面pH上昇、皮膜成分の沈殿析出という一連の反応によるものです。
　リン酸亜鉛系処理によって素材上に形成される皮膜結晶は、ホパイトと呼ばれる結晶形態を取りますが、被処理金属が鉄鋼の場合には溶出した鉄イオンの一部が皮膜結晶中に取り込まれて、フォスフォフィライトが共析します。
　リン酸亜鉛系処理は、従来鉄鋼材料の防錆処理に用いられてきました。しかし素地金属の保護性に加え、素地および塗膜との密着力が良好であること、亜鉛やアルミニウムといった非鉄金属にも適応可能(各素材を同時に処理することが可能)であること、などの理由により、現在では塗装下地処理としての役割を増しています。
　一方、リン酸亜鉛系皮膜は各種潤滑剤と組み合わせることによって、鋼材表面のトライボロジー特性を向上させることが出来ることから、塑性加工用の下地処理としても広く利用されています。