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一般的な金属表面処理のいくつかとその選択方法

 

 

産業や日常生活で広く使用されている材料として、金属の性能の向上と保護は、材料科学の分野で常に研究のホットスポットとなっています。金属表面処理技術は、金属表面の化学組成や物理構造を変化させることにより、金属に耐食性、耐摩耗性、美観などの新たな特性を付与します。以下に、機械構造設計における参考および選択のために一般的に使用されるいくつかの金属表面処理を紹介します。

亜鉛メッキ

定義: 亜鉛メッキ金属は、錆を防ぐために金属表面に亜鉛の層を堆積させる亜鉛メッキプロセスで処理された金属と定義できます。一般に、亜鉛めっきプロセスでは、金属を高温の亜鉛に浸漬して、金属表面と化学結合する亜鉛層を形成し、それによって保護コーティングを形成します。

 

 

用途: 多くの金属に亜鉛メッキを施すことができますが、最も一般的なのは鋼と鉄です。鋳鋼、鋳鉄、可鍛鋳鉄、熱間圧延鋼、冷間圧延鋼などの鉄金属には、亜鉛メッキが施されることがよくあります。対照的に、銅やアルミニウムなどの非鉄金属は、亜鉛めっきプロセスの結果として亜鉛めっき皮膜を形成しません。

亜鉛めっきプロセス: 亜鉛めっきプロセスは、表面処理、実際の亜鉛めっき、後処理の 3 つの主要な段階で構成されます。コーティングの機能性と美観を確保するには、表面を適切に準備し、亜鉛メッキプロセス後に正しい手順に従うことが重要です。

 

 

仕組み: 亜鉛めっきプロセス中に、亜鉛は金属内の鉄と相互作用して丈夫な合金層を形成します。この保護層は、酸、塩基、ガス環境などの腐食剤から母材金属を保護するのに役立ち、母材金属の寿命を延ばします。この保護亜鉛層は犠牲層としても機能します。露出すると母材金属よりも早く腐食し、錆や腐食から保護します。クロメート処理などの他の処理により、亜鉛メッキ金属の保護特性を向上させることができるため、建設、自動車、製造業界で広く使用されています。

亜鉛めっきプロセスの種類

溶融亜鉛めっき

溶融亜鉛メッキまたは溶融亜鉛メッキは、適切に洗浄された金属を溶融亜鉛に浸漬するプロセスです。亜鉛は金属基材と融合して冶金的結合を形成し、保護層を形成します。この方法は高速かつ安価ですが、層の厚さが変化する可能性があります。

予備亜鉛メッキ

予備亜鉛めっきは、製鋼の最初の段階で実行されます。金属シートを洗浄し、亜鉛浴に通し、コイル状に巻きます。これにより均一なコーティングが生成されますが、他の製造プロセスにより露出した領域が生じる可能性があります。

電気亜鉛メッキ

電気亜鉛メッキでは、電解液と電流を使用して亜鉛イオンを鋼に付着させます。この方法では、正確で一貫したコーティング材料の層が生成されますが、一般に溶融亜鉛めっきよりも効果が低くなります。

したがって、各亜鉛めっき方法には長所と短所があり、プロジェクトに最適な技術を選択することが重要です。

亜鉛メッキ鋼板とアルミニウムの選択

亜鉛メッキアルミニウムとスチールは、その独特の物理的および化学的特性により、多くの産業で広く使用されています。亜鉛メッキ鋼板は耐久性、耐食性に優れていることで知られ、自動車製造やビルの屋根、フェンスの建設などに多く使用されています。同時に、アルミニウムは低密度で比強度が高いという特徴を持ち、航空、航行、鉄道輸送などの輸送分野や建築、電気工学などで重要な役割を果たしています。

ファンブレードの製造では、亜鉛メッキ鋼板とアルミニウムの両方が使用されますが、重量が軽いため、亜鉛メッキアルミニウムシートの方が好まれています。ただし、HVAC システムのダクトおよびファン ハウジングの場合は、費用対効果が高く、加工が容易なため、亜鉛メッキ鋼板が推奨される材料です。

延性の点では、アルミニウムはその優れた延性により優れており、本来の強度を失うことなくさまざまな形状に容易に成形できます。比較すると、亜鉛メッキ鋼板もある程度の延性はありますが、形状や成形の点でアルミニウムに比べて性能が若干劣ります。複雑な成形や設計が必要なプロジェクトに直面した場合、その柔軟性によりアルミニウムが推奨される材料です。このプロセスは技術的にはより複雑ですが、熱処理後に鋼をより自由に形成することもできることは注目に値します。

 

 

利点:

鋼表面の亜鉛層は、基材より先に腐食する犠牲層として機能することにより、部品を腐食から保護します。

基材と強力に接着します。したがって、剥離の危険性はありません。

金属亜鉛はクロムやニッケルよりも比較的安価です。したがって、亜鉛めっきは他の電気めっきよりもコスト効率が高くなります。

熱安定性も亜鉛メッキの利点です。

基板の形状の複雑さは、亜鉛の堆積プロセスには影響しません。

金属部品を保護するために亜鉛コーティングを使用すると、主に鉄系材料の基材部分の本来の導電性が向上します。

短所:

コーティングが厚いと (通常 > 25 μm)、亜鉛層の脆化や亀裂が発生する可能性があります。

電気分解プロセス中に水素ガスが鋼に侵入する可能性があり、脆化や破損のリスクを引き起こす可能性があります。

時間の経過とともに外観が劣化する場合があります。

特にクロムメッキと亜鉛メッキを比較した場合、塩化物が発生しやすい環境に限定されます。

 

 

利点:

メッキ部品や部品に耐摩耗性、耐腐食性、耐傷性、硬度、低摩擦性をもたらします。

クロムの美しい光沢と反射仕上げは、性能と外観を向上させるのに適しています。

クロムは特定の化学物質、溶剤、油に対して化学的に不活性であるため、その下のコンポーネントをこれらの外部要因から保護できます。

このタイプのメッキは、小さな表面の凹凸や欠陥を修正することもできます。

クロムメッキの表面はお手入れが簡単です。

短所:

生のクロムは他のメッキ金属に比べて高価であるため、この表面処理は他の表面処理よりも高価です。

六価クロムの使用は健康上のリスクを引き起こす可能性があります。したがって、このプロセスでは厳密な管理システムが必要です。

塗装は一度傷ついたり剥がれてしまうと修復するのが困難です。

複雑な形状に均一なクロム コーティングを施すのは困難な場合があります。

 

 

 

利点:

推奨ニッケルめっき特性 主表面の耐摩耗性、耐磨耗性、耐食性を高めます。

被削材の導電性を向上させることができます。

無電解ニッケルめっきは、内部の穴や溝などの複雑な形状でも均一なめっきを保証します。

ニッケルメッキにより、明るく光沢のあるシルバーの外観が得られます。

ニッケルの熱特性により、ニッケルメッキ部品は高温に耐えることができます。

短所:

アルカリ、石油、塩水、一部の軟酸などの一部の化学薬品に対して不活性を示します。この電気めっき金属のコストは高く、電気めっきプロセスが高価になります。

ニッケルの多孔性により、耐食性と耐摩耗性は亜鉛メッキやクロムメッキよりも相対的に低くなります。

ニッケルメッキ表面の仕上げを長期間維持するには、定期的な洗浄と研磨が必要です。

 

 

不動態化

パッシベーションとは、金属表面と化学反応を起こして酸化被膜を形成し、金属の耐食性を向上させる防錆表面処理方法です。

 

 

適用範囲

パッシベーションは一般に、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属材料に適用できます。

プロセスの特性

不動態化プロセスには、洗浄、浸漬、不動態化剤処理、中和、洗浄、自然乾燥などのステップが含まれます。不動態化剤の価格が比較的低いため、不動態化のコストは比較的低く、完了する必要があります。ただし、不動態化後の表面には少量の金属イオンが存在する可能性があり、環境に一定の影響を及ぼします。

ステンレス鋼の不動態化の原理: ステンレス鋼中のクロムが空気中の酸素と反応して、防食特性を持つ不動態化された酸化クロム層を形成しますが、合金中の遊離鉄は腐食を促進します。これにより遊離鉄が溶解し、酸化クロム層が改善され、金属の耐食性が高まります。

 

陽極酸化処理

定義: 陽極酸化は、金属表面の酸化物層のサイズを増やし、耐食性を高める電解プロセスです。この方法は主にアルミニウムに使用されます。

 

 

プロセス

・準備：アルミニウム合金を洗浄し、硫酸電解液に置きます。

・電解法：陽極にアルミニウム、陰極にステンレス、ニッケル、カーボンなどの電解液と反応しない材料を使用します。

·酸化物の形成：電圧が印加されると、アノードは酸素を生成し、それがアルミニウムと反応して酸化アルミニウムの層を形成します。

電解質の種類とその効果:

·10 度で、15 ～ 25% の硫酸により、部品上に約 25μm/時間の酸化物層が形成されます。

・シュウ酸と30度の硫酸は1時間に約0mmの酸化皮膜を形成します。

・10%クロム酸、38～42度で1時間あたり約15μmの酸化皮膜を形成します。

利点

・耐久性：表面が緻密になり、耐摩耗性が向上します。

·美的魅力: 陽極酸化処理により表面が鈍くなることもありますが、永久的な色に着色することができます。

·コーティングの改善：粗い表面は、テクスチャーのある表面への密着性が高いため、塗装やその他の形式のコーティングにも有益です。

陽極酸化処理は、耐摩耗性、耐食性、美観が必要な部品に特に適しています。

陽極酸化処理と不動態化処理の選択

1. 金属表面の錆や腐食を防ぐだけで、コスト削減を主に考慮する場合は、不動態化が良い選択です。金属表面の酸化性、硬度、耐久性を向上させる必要があり、比較的高価でも構わない場合は、アルマイト処理を選択できます。

2. パッシベーションおよびマイクロアーク酸化のレーザー損傷閾値は高くなりますが、化学ニッケルメッキ、黒色陽極酸化および硬質陽極酸化表面の損傷閾値は低くなります。 [文献の出典：中国レーザー 43 第 12 巻：アルミニウム合金のレーザー損傷能力に対する表面処理プロセスの影響]

黒色アルマイト処理

製造されたアルミニウム部品は黒色陽極酸化処理により保護され、美しい表面が得られます。ブラックマット仕上げを施し、耐食性、耐摩耗性、耐磨耗性を向上させます。

(写真を挿入)

黒色陽極酸化は通常の陽極酸化プロセスから始まり、形成された酸化アルミニウム層の細孔を通して黒色染料に顔料を浸み込ませます。

 

化学皮膜

化学皮膜またはクロム酸塩化成コーティングは、アルミニウムに使用されるもう 1 つの不動態化プロセスです。金属表面を化学溶液に浸し、スプレーまたはブラシで塗布します。この処理は金属の寸法を変えず、他の有機コーティングのベースとして使用できます。化学フィルムは、陽極酸化表面を修復し、その後の陽極酸化に備えて表面を準備するためにも使用されます。最終層は透明な黄色または黄褐色にすることができ、処理された金属に黄色の色合いが現れます。

 

電気めっき

電気めっきプロセスでは、酸加水分解を通じてある金属を別の金属の表面に堆積させます。このプロセスでは、めっきされる金属が陰極 (負に帯電) として使用され、銀などの犠牲陽極 (正に帯電) が使用されます。たとえば、犠牲銀陽極は鋼またはアルミニウム陰極を堆積できます。電気めっきは、部品の耐食性と強度を向上させるプロセスです。

 

 

 

粉体塗装は、乾燥した粉体を基材に塗布する乾式プロセスです。蒸発する溶剤を使用する液体コーティングとは異なります。パウダー コーティング プロセスには、静電スプレーとそれに続く熱または UV 光によるコーティングの硬化が含まれます。使用できる粉末は熱可塑性または熱硬化性のいずれかです。さらに、従来のコーティングよりも硬く均一な表面が得られるため、より効果的です。ポリマーパウダーはアルミニウムやスチールなどの金属に簡単に塗布でき、表面に硬くて魅力的な仕上がりを与えます。

 

 

 

テフロンコーティング(PTFE)プラスチックキング

テフロン、テフロン スプレー、厚さは約 50-100 μm

使用例：コーティングポット、ホットカットナイフ、ローラー

温度範囲: 長期的には 240-260 度、短期的には 300 度以上

プロセスの特性:

1. 滑らかな表面。携帯電話用固定具、カメラ部品、ローラー

2. 自己潤滑性があり、耐摩耗性が向上します。ゴムリング、ピストンリング、ローター、スライドレール、ギヤ、ピストン

3. 非粘着性のハンドル接着。糊止め製品、砂糖、フィルムプレスローラー、コーティング機械

4. 高温耐性、耐衝撃性、絶縁性、低温でも脆性なし、高温でも溶融なし

5. 耐食性、ほとんど腐食しない