特許 6206995 保護膜の形成方法及び保護膜を有する高耐食性鋼部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6206995

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】保護膜の形成方法及び保護膜を有する高耐食性鋼部材

(51)【国際特許分類】

   C23C 28/00 20060101AFI20170925BHJP

【ＦＩ】

   C23C28/00 C

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-153425(P2016-153425)

(22)【出願日】2016年8月4日

【審査請求日】2016年9月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】505398952

【氏名又は名称】中日本高速道路株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000225201

【氏名又は名称】那須電機鉄工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134647

【弁理士】

【氏名又は名称】宮部 岳志

(74)【代理人】

【識別番号】100161492

【弁理士】

【氏名又は名称】小森 栄斉

(72)【発明者】

【氏名】森 英治

(72)【発明者】

【氏名】阿部 真丈

(72)【発明者】

【氏名】藤本 幸子

【審査官】 坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２６２５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０４６０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２４９９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３４５５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１４９７８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ ２８／００

Ｃ２３Ｆ １１／００

Ｃ０９Ｄ ５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一部がコンクリート又は土壌に接触して使用される鋼部材の表面を亜鉛及びアルミニウムを含む合金浴中でめっきして亜鉛アルミ合金層を形成する工程と、
前記亜鉛アルミ合金層が形成された鋼部材をリン酸塩溶液に浸漬してリン酸亜鉛被膜を形成する工程と、
前記リン酸亜鉛被膜の上にさらに亜鉛の含有量が７０〜９０質量％の亜鉛塗料を塗布して亜鉛塗料塗膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする保護膜の形成方法。

【請求項2】

前記亜鉛塗料に含まれるアルミニウム含有量が２質量％以下である請求項１に記載の保護膜の形成方法。

【請求項3】

前記合金浴中、アルミニウムが４〜１０質量％含まれる請求項１又は２に記載の保護膜の形成方法。

【請求項4】

前記亜鉛アルミ合金層の厚さが３０〜８０μｍ、前記リン酸亜鉛被膜の厚さが１〜５μｍ、及び前記亜鉛塗料塗膜の厚さが２０〜６０μｍである請求項１乃至３のいずれかに記載の保護膜の形成方法。

【請求項5】

少なくとも一部がコンクリート又は土壌に接触して使用される鋼部材と、
亜鉛及びアルミニウムを含む合金を含み、厚さが３０〜８０μｍの亜鉛アルミ合金層と、
前記亜鉛アルミ合金層の表層に形成され、厚さが１〜５μｍのリン酸亜鉛被膜と、
前記リン酸亜鉛被膜の上に形成され、亜鉛の含有量が７０〜９０質量％、厚さが２０〜６０μｍの亜鉛塗料塗膜と
を有することを特徴とする高耐食性鋼部材。

【請求項6】

前記亜鉛塗料に含まれるアルミニウム含有量が２質量％以下である請求項５に記載の高耐食性鋼部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、強アルカリ性及び中性両環境下においても耐食性が高い、アンカーボルトなどの鋼部材の保護膜に関する。

【背景技術】

【0002】

構造物の基礎などにコンクリートが用いられる。コンクリートは、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属イオンを含むため、コンクリート養生後においては、強アルカリ性を示す。その後、時間の経過とともに、空気中等に含まれる二酸化炭素と接触し、コンクリート中に含まれる水酸化物が炭酸塩に変化する。それにより、コンクリートは、強アルカリ性から中性に近づく（中性化）。そのため、コンクリートに埋設又は接触する鋼部材には、強アルカリ性環境下及び中性環境下の両環境下において、腐食に耐える性質（耐食性）が求められる。また、降雨や糞尿、土壌改良材などによりアルカリ性や中性に変化しうる土壌においても、鋼部材には同様に耐食性が求められる。

【0003】

鋼部材に高い耐食性を付与するために、アルミニウムを含む合金をめっきして塗膜を形成することが知られている。しかし、アルミニウムはｐＨ４〜８程度の中性領域でしか不動態化しないため、アルミニウムを含む合金をめっきした鋼部材をコンクリートに埋設又は設置しても、強アルカリ性環境下では腐食に耐えることができない。

【0004】

また、鋼部材に耐食性を付与するために、亜鉛をめっきすることや亜鉛を含む合金をめっきすることが知られている（例えば、特許文献１〜３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−６００２０号公報

【特許文献2】特開２００４−７６１５８号公報

【特許文献3】特開平８−３２５７９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、亜鉛や亜鉛を含む合金を鋼部材の表面にめっきしても、コンクリートや土壌に埋設又は設置すると強アルカリ性及び中性環境下に曝されうるため、鋼部材が腐食するという問題がある。そこで本発明は、強アルカリ性及び中性環境下において耐食性が高い保護膜の形成方法及び保護膜を有する高耐食性鋼部材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】

【0007】

以上の目的を達成するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、強アルカリ性及び中性環境下においても、耐食性が高い保護膜を見出した。すなわち、本発明は、少なくとも一部がコンクリート又は土壌に接触して使用される鋼部材の表面を亜鉛及びアルミニウムを含む合金浴中でめっきして亜鉛アルミ合金層を形成する工程と、前記亜鉛アルミ合金層が形成された鋼部材をリン酸塩溶液に浸漬してリン酸亜鉛被膜を形成する工程と、前記リン酸亜鉛被膜の上にさらに亜鉛の含有量が７０〜９０質量％の亜鉛塗料を塗布して亜鉛塗料塗膜を形成する工程とを含む保護膜の形成方法である。さらに、本発明は、少なくとも一部がコンクリート又は土壌に接触して使用される鋼部材と、亜鉛及びアルミニウムを含む合金を含み、厚さが３０〜８０μｍの亜鉛アルミ合金層と、前記亜鉛アルミ合金層の表層に形成され、厚さが１〜５μｍのリン酸亜鉛被膜と、前記リン酸亜鉛被膜の上に形成され、亜鉛の含有量が７０〜９０質量％、厚さが２０〜６０μｍの亜鉛塗料塗膜とを有する高耐食性鋼部材である。

【発明の効果】

【0008】

以上のように、本発明によれば、強アルカリ性及び中性環境下において耐食性が高い保護膜の形成方法及び保護膜を有する高耐食性鋼部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、リン酸亜鉛被膜の表面を電子顕微鏡で１０００倍に拡大した写真である。

【図2】図２は、実施例１で得られた保護膜の断面を電子顕微鏡で拡大した写真である。

【図3】図３は、参考例１に係るベースプレート及びアンカーボルトの測定結果であり、（ａ）は外部（ｂ）は内部の写真である。

【図4】図４は、実施例１に係るベースプレート及びアンカーボルトの測定結果であり、（ａ）は外部（ｂ）は内部の写真である。

【図5】図５は、比較例１に係るベースプレート及びアンカーボルトの測定結果であり、（ａ）は外部（ｂ）は内部の写真である。

【図6】図６は、比較例２に係るベースプレート及びアンカーボルトの測定結果であり、（ａ）は外部（ｂ）は内部の写真である。

【図7】図７は、比較例３に係るベースプレート及びアンカーボルトの測定結果であり、（ａ）は外部（ｂ）は内部の写真である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

《高耐食性鋼部材》
本発明に係る高耐食性鋼部材は、鋼部材と、保護膜とを有する。鋼部材は、強アルカリ性又は中性環境下に曝されうる場所、好ましくは強アルカリ性及び中性環境下に曝されうる場所で利用されるものであればよく、このような場所としては、例えば、コンクリート表面やコンクリート内部、降雨や糞尿、土壌改良材などによりアルカリ性や中性に変化しうる土壌表面や土壌中である。特に、鋼部材とコンクリートや土壌との接触面（いわゆる地際部）が厳しい環境に曝され、腐食しやすいので、地際部の鋼部材に保護膜を備えるのが有効である。このような観点から、鋼部材としては、少なくとも一部がコンクリート又は土壌に接触して使用されるものであり、少なくとも一部がコンクリート又は土壌に埋設して使用されるものがより好ましい。鋼部材としては、例えば、アンカーボルト、ベースプレート、基礎支柱材（アングル材、鋼管）、鋼管フランジ、照明・標識・情報板用支柱、マンホール、ハンドホール鋼材、グレーチング、及びトンネル用ケーブルラック金具が挙げられる。鋼部材の材質としては特に制限されないが、価格や電蝕の観点から、ステンレスではないことが好ましい。

【0011】

保護膜は、少なくとも亜鉛アルミ合金層とリン酸亜鉛皮膜とを含む。保護膜は、鋼部材の表面に直接形成されていてもよく、鋼部材の表面に下処理が施されたその上に形成されていてもよい。

【0012】

亜鉛アルミ合金層は、亜鉛及びアルミニウムを含む合金を含んでいる層であり、亜鉛及びアルミニウムを含む合金としては、Ｚｎ−Ａｌ二元系合金が好ましい。亜鉛アルミ合金層の厚さは、３０〜８０μｍ、より好ましくは３５〜７０μｍである。亜鉛アルミ合金層は、後述の保護膜の形成方法により形成することができる。

【0013】

リン酸亜鉛被膜は、亜鉛アルミ合金層の表層にリン酸塩溶液を浸漬することにより形成される層である。リン酸亜鉛被膜の厚さは、１〜５μｍ、より好ましくは２〜３μｍである。リン酸亜鉛被膜は、後述の保護膜の形成方法により形成することができる。

【0014】

保護膜は、リン酸亜鉛被膜の上にさらに亜鉛塗料塗膜が形成されている。亜鉛塗料塗膜の膜厚は、２０〜６０μｍである。亜鉛塗料塗膜は、後述の保護膜の形成方法により形成することができる。

【0015】

《保護膜の形成方法》
本発明に係る保護膜の形成方法においては、まず、鋼部材の表面を亜鉛及びアルミニウムを含む合金で浴中にてめっきする。鋼部材の表面には、下処理が行われていてもよく、下処理層が形成されていてもよい。亜鉛及びアルミニウムを含む合金としては、Ｚｎ−Ａｌ二元系合金が好ましい。Ｚｎ−Ａｌ二元系合金は、Ａｌ添加量を増加させるに従い耐食性が向上する傾向があり、特にＡｌ添加量４質量％までは顕著に耐食性が向上する傾向にある。ところが、Ａｌ添加量が１０質量％を超えると耐食性はむしろ劣る傾向にあり、２０質量％まではどのような大気腐食環境においても耐食性能は低下する傾向がある。この観点から、合金中アルミニウムが４〜１０質量％であることが好ましく、４〜８質量％であることがより好ましく、６〜８質量％であることが更に好ましい。亜鉛及びアルミニウムを含む合金は、市販品を用いることができる。

【0016】

亜鉛及びアルミニウムを含む合金をめっきする方法としては、特に制限はないが、溶融浸漬法によりめっきするのが好ましい。溶融浸漬法では、鋼部材の表面に一様にアルミニウムを分散することができる。めっき付着量は、好ましくは２５０〜３５０ｇ／ｍ^２である。膜厚は、後述するリン酸亜鉛被膜が形成された後において、好ましくは３０〜８０μｍ、より好ましくは３５〜７０μｍである。膜厚が薄いと、十分な耐食性を得ることができない。亜鉛及びアルミニウムを含む合金をめっきすると、鋼部材の表面に、亜鉛及びアルミニウムを含む合金の層（以下、亜鉛アルミ合金層という。）が形成される。

【0017】

次に、めっきされた鋼部材をリン酸塩溶液に浸漬する。具体的には、例えば、遊離酸度が２．５〜７．５、全酸度が３０〜５０、酸比が８〜１２中のリン酸塩水溶液にめっきされた鋼部材を４〜６分間浸漬し、３０〜６０分間空気中で静置して乾燥させる。めっきされた鋼部材をリン酸塩溶液に浸漬することにより、亜鉛アルミ合金層の表層部分にリン酸亜鉛溶液が浸み込み、リン酸亜鉛被膜が形成される。リン酸亜鉛被膜の厚さは、好ましくは１〜５μｍ、より好ましくは２〜３μｍである。形成されたリン酸亜鉛被膜の分だけ、亜鉛アルミ合金層は薄くなる。

【0018】

リン酸亜鉛被膜は、強アルカリ性環境下において耐食性を有する。亜鉛アルミ合金層のみでは、中性環境下においては十分な耐食性を有するものの、強アルカリ性環境下においてはアルミニウム成分が溶出することがある。アルミニウムが溶出すると、耐食性が低下する。そのため、層の表面にリン酸塩処理を行うことにより被膜を形成し、アルミニウムの溶出を抑制すると共に、リン酸亜鉛被膜により強アルカリ性環境下における耐食性を高める。リン酸塩処理は、従来、銀白色のめっき光沢を低光沢化するため、又は黒色化するために行われ、耐食性を高めるために行われていない。しかし、本発明においては、耐食性を高めるためにリン酸塩処理を行う。

【0019】

リン酸亜鉛被膜の上に亜鉛塗料を塗布する。亜鉛塗料は、亜鉛を含む塗料であればよく、亜鉛の含有量が、７０〜９０質量％、より好ましくは８０〜８５質量％である。また、コンクリートが固化するまでの養生中は特に強アルカリ環境となり、亜鉛塗料に微量のアルミニウムが含まれると養生中のコンクリートと反応し水素ガスが発生することがある。その結果、コンクリートと保護膜との間に気泡を生じてすき間となることから、亜鉛塗料にはアルミニウムが含まれないことが好ましい。具体的には、亜鉛塗料に含まれるアルミニウムは、好ましくは２質量％以下、より好ましくは１質量％以下、更に好ましくは０．５質量％以下である。

【0020】

亜鉛塗料の塗布は、スプレーや刷毛で行うことができる。リン酸亜鉛被膜は鱗片状の微細な凹凸面となっていることから、アンカー効果によって亜鉛塗料との密着性が高い。亜鉛塗料は、膜厚が２０〜６０μｍ程度であればよく、それより厚い膜厚であってもよい。亜鉛塗料の塗布は、リン酸亜鉛皮膜上の全面に必ずしも行う必要はなく、コンクリートに接触又は埋設する部分にのみ行ってもよい。

【0021】

亜鉛塗料を塗布してリン酸亜鉛被膜の上に亜鉛塗膜を形成することにより、コンクリートとの密着性を高めることができる。リン酸亜鉛被膜は、強アルカリ性環境下において耐食性を有する半面、コンクリートとの密着性が低い。密着性が低いと、隙間から水分が侵入し、隙間に水分が滞留することにより腐食を誘発するおそれがある。

【0022】

上述のような保護膜を有する鋼部材は、強アルカリ性環境下及び中性環境下の両環境下において耐食性を有するので、環境に合わせて保護膜や鋼部材の材質など変えたりする必要がない。

【実施例】

【0023】

≪参考例１≫
炭素鋼からなるベースプレート及びアンカーボルトの表面をアルミニウム７質量％のＺｎ−Ａｌ二元系合金（製品名；タフＺ１０ 那須電機鉄工社製）を用いて溶融浸漬法でめっきし、亜鉛アルミ合金層を形成した。ベースプレート及びアンカーボルト上のそれぞれの亜鉛アルミ合金層の厚さをＪＩＳ Ｈ ０４０１に基づいて測定した。結果を表１に示す。めっきされたベースプレート及びアンカーボルトを遊離酸度が５．５、全酸度が４０、酸比が１０中のリン酸塩水溶液に５分間浸漬し、６０分間空気中で静置して乾燥させてリン酸亜鉛被膜を形成した。形成された被膜を電子顕微鏡で撮影したものを、図１に示す。リン酸亜鉛被膜の厚さは、ベースプレート及びアンカーボルト上のそれぞれのリン酸亜鉛被膜から無作為に選んだ５か所の厚さを電子顕微鏡で確認することにより求めた。結果を表２に示す。測定の結果、リン酸亜鉛被膜の平均値は、２．５μｍであった。亜鉛アルミ合金層の厚さは、先に測定した層の厚さの平均値からリン酸亜鉛被膜の厚さの平均値を引いた値として求め、６７．３μｍであった。以上により、参考例１に係るベースプレート及びアンカーボルトを得た。

【0024】

【表1】

【0025】

【表2】

【0026】

参考例１に係るベースプレート及びアンカーボルトをコンクリートに埋め込み設置し、複合サイクル試験（ＪＩＳ Ｈ ８５０２：１９９９ めっきの耐食性試験方法）を１００サイクル実施した後、コンクリートの外部と内部に赤錆が発生していないかどうかを目視により確認した。参考例１に係るベースプレート及びアンカーボルトは、コンクリート外部において腐食はみられなかったものの、コンクリート内部における水が浸入した一部分において赤錆が発生している箇所があった。外観を図３に示す。

【0027】

≪実施例１≫
参考例１のリン酸亜鉛被膜の上に亜鉛の含有量が８１質量％、アルミニウムの含有量が０．５質量％以下の亜鉛末塗料（製品名；ジンキースプレー 日本ペイント防食コーティングス社製）をスプレー塗布して、亜鉛塗料塗膜を形成した。亜鉛塗料塗膜の膜厚は、リン酸亜鉛被膜の膜厚と同様に電子顕微鏡で測定した（ただし、ベースプレートのみ）。結果を表３に示す。亜鉛塗料塗膜の膜厚の平均値は、２５μｍであった。以上により、実施例１に係るベースプレート及びアンカーボルトを得た。

【0028】

【表3】

【0029】

実施例１で得られた保護膜の断面図を電子顕微鏡で拡大した写真を、図２に示す。図２
中、１は亜鉛アルミ合金層、２はリン酸亜鉛被膜、３は亜鉛塗料塗膜である。

【0030】

実施例１に係るベースプレート及びアンカーボルトをコンクリートに埋め込み設置し、参考例１と同様に複合サイクル試験１００サイクル実施した結果、実施例１に係るベースプレート及びアンカーボルトは、コンクリート内部及び外部において、赤錆の発生はなかった。また、ベース地際部においてもコンクリート成分が亜鉛塗膜と密着していたことから水の浸入の形跡も見られなかった。外観を図４に示す。

【0031】

≪比較例１≫
ベースプレート及びアンカーボルトの表面に溶融亜鉛めっきを施し、ねじ部を除く主要箇所のめっき膜厚が７６μｍ以上となる比較例１に係るベースプレート及びアンカーボルトを得た。めっき膜厚はＪＩＳ Ｈ ０４０１に従って測定した。比較例１に係るベースプレート及びアンカーボルトについて、参考例１と同様に複合サイクル試験１００サイクル実施した結果、赤錆の発生を確認した。比較例１に係るベースプレート及びアンカーボルトは、コンクリート内部において腐食はみられなかったものの、外部においては全面に赤錆が発生した。外観を図５に示す。

【0032】

≪比較例２≫
ベースプレートの表面にアルミニウム７質量％のＺｎ−Ａｌ二元系合金（製品名；タフＺ１０ 那須電機鉄工社製）を用いて溶融浸漬法でめっきし、アンカーボルトはステンレス製のものを用いて比較例２に係るベースプレート及びアンカーボルトを得た。比較例２に係るベースプレート及びアンカーボルトについて、参考例１と同様に複合サイクル試験１００サイクルを実施した結果、赤錆の発生を確認した。比較例２に係るベースプレート及びアンカーボルトは、ステンレス製のネジ部で赤錆が発生していた。また、ベースプレートもコンクリート内部やステンレス接触部近傍で赤錆が発生していた。外観を図６に示す。

【0033】

≪比較例３≫
ベースプレート及びアンカーボルトの表面にアルミニウム７質量％のＺｎ−Ａｌ二元系合金（製品名；タフＺ１０ 那須電機鉄工社製）を用いて溶融浸漬法でめっきして比較例３に係るベースプレート及びアンカーボルトを得た。比較例３に係るベースプレート及びアンカーボルトについて、参考例１と同様に複合サイクル試験１００サイクルを実施した結果、赤錆の発生を確認した。比較例３に係るベースプレート及びアンカーボルトは、コンクリート外部において腐食はみられなかったものの、コンクリート内部において赤錆が発生している箇所があった。外観を図７に示す。

【0034】

【表4】

【要約】

【課題】強アルカリ性及び中性環境下において耐食性が高い保護膜の形成方法及び保護膜を有する高耐食性鋼部材を提供する。
【解決手段】鋼部材の表面を亜鉛及びアルミニウムを含む合金浴中でめっきして亜鉛アルミ合金層を形成する工程と、前記亜鉛アルミ合金層が形成された鋼部材をリン酸塩溶液に浸漬してリン酸亜鉛被膜を形成する工程とを含む保護膜の形成方法である。
【選択図】なし

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】