金属表面処理の基礎知識:表面処理の種類と選定方法

1. 表面処理とは? さまざまな表面処理の種類

材料の表面を研磨や塗装、めっき、熱・化学処理などの方法で処理加工することを「表面処理」と呼び、その種類は多岐にわたります(表1)。

処理法 主な採用目的
大分類 中分類
清浄 洗浄 湿式洗浄、乾式洗浄 油脂類の除去
除錆(せい) 浸漬除錆、ブラスト、液体ホーニング、バレル研磨 スケールの除去、さびの除去
研磨 機械研磨、化学研磨、電解研磨、化学機械研磨 平滑光沢化
エッチング 化学エッチング、電解エッチング、乾式エッチング 表面形状の創製
ショットピーニング 中・低速ショット、高速ショット 耐疲労性、スケールの除去
印刷 凸版印刷、凹版印刷、平板印刷、孔版印刷 表面加飾
塗装 スプレー塗装、静電塗装、電着塗装、粉体塗装 耐食性、装飾性
ライニング 樹脂ライニング、ガラスライニング 耐食性、耐摩耗性
湿式めっき 電気めっき、化学めっき(無電解めっき) 装飾、耐食性、耐摩耗性
化成処理 りん酸塩処理、りん酸鉄処理、クロメート処理 塗装下地、耐食性、摺動特性
陽極酸化 鉄鋼への陽極酸化、非鉄金属への陽極酸化 耐食性、耐摩耗性、着色
乾式めっき(気相) 物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD) 耐摩耗性、摺動特性、光学特性
イオン注入 高エネルギー注入、中エネルギー注入 電気特性、耐摩耗性、耐熱性
溶融めっき 溶融亜鉛めっき、溶融アルミニウムめっき 耐食性
表面熱処理 表面焼入れ、浸炭焼入れ、窒化処理、拡散浸透 耐摩耗性、耐疲労性、摺動特性
溶融処理 クラッディング、アロイング、グレージング 耐摩耗性、耐熱性、耐食性
溶射 ガス式溶射、電気式溶射 耐摩耗性、耐食性、耐熱性

表面処理による材料表面の改質形態には、除去加工と付加加工の2つがあります。除去加工は、材料表面の付着物、もしくは材料そのものを削る処理方法です。付加加工のための前処理として利用される「洗浄」や「除錆(せい)」、表面の特定部分だけを物理的または化学的に削ってパターン化する「エッチング」、表面を鏡面化する「電解研磨」や「化学研磨」などが該当します。

付加加工は、除去加工以外の全ての表面処理が該当し、表面処理の本質といえます。付加加工は表面の改質現象の違いによって次の5つに分類できます。

1:表面の化学成分は変わらず、金属組織が変わる付加加工
「高周波焼入れ」や「炎焼入れ」などの表面焼入れが該当します。表面焼入れは表面を急速加熱・急速冷却するだけで、表面の組成は全く変化しません。しかし、表面の金属組織は変化し焼入硬化するため、耐摩耗性および耐疲労性は著しく向上します。

2:表面で化学反応する付加加工
「陽極酸化」や「化成処理」などが該当します。アルミニウムを陽極酸化した場合、表面にアルミニウム酸化物Al2O3層を生成して、耐摩耗性や耐食性が向上します。また、化成処理で得られるリン酸亜鉛層は、防錆(せい)、塗装下地、塑性加工時の潤滑などの効果を発揮します。

3:表面に他の物質を載せる付加加工
「めっき」、「塗装」、「ライニング」など、多くの種類の表面処理が該当します。材料表面に基材とは全く異なる処理層を形成する表面処理です。基材と処理層の境界が明確なのが特徴です。

4:表面から他の元素を染み込ませる付加加工
熱拡散によって他の元素が表面から染み込む表面処理で、「浸炭処理」や「窒化処理」が該当します。元素濃度は表面から内部に向かって減少し、基材との明確な境界は存在しません。

5:表面に他の物質を載せ、さらに基材との境界には元素を染み込ませる付加加工
「溶融亜鉛めっき」や「熱CVD」などが該当します。一般的な溶融亜鉛めっきの場合、純亜鉛によって形成された最表層の下に、亜鉛と鉄の合金層が生成されます。

前掲の表1の「主な採用目的」欄を見てもわかるように、表面処理の目的は、複数存在します。これには、次のような理由があります。

・1つの表面処理から複数の効果が得られるため
・同じ表面処理を施しても、対象となる製品や部品の使い方によって目的が異なるため
・表面処理の種類(表1の「中分類」)によって、採用目的が異なるため

2. 表面処理の選定方法

既存の製品や部品に対して、常にそのままの状態で表面処理ができるとは限りません。製品や部品を構成している材質や、寸法、形状、作業工程の変更が求められるなど、表面処理を利用するための条件はさまざまです(図1)。

表面処理により、優れた特性が得られるとしても、製品や部品との相性が悪く、また使用環境や使用条件に適合していなければ、その効果は半減してしまいます。それどころか、逆効果となった事例もありました。それを防ぐには、個々の表面処理の特性を十分に理解しなければなりません(表2)。

表2:鉄鋼製品に使われる主な表面処理の特性
分類 名称 処理温度(℃) 処理による変形または変寸 複雑形状製品への均一処理 非鉄金属製品への適用 セラミックス製品への適用 プラスチック製品への適用
電気めっき Znめっき 15~30 × × ×
Crめっき 45~60 × × ×
化学めっき Ni-Pめっき 70~90
Ni-Bめっき 60~70
PVD 真空蒸着 室温~200 ×
スパッタリング 室温~500 ×
イオンプレーティング 100~500 ×
CVD 熱CVD 500~1200 × ×
プラズマCVD 100~600 ×
表面熱処理 高周波焼入れ 900~1200 × × × ×
ガス浸炭焼入れ 850~950 × × × ×
ガス窒化処理 500~600 × ×
イオン窒化処理 500~600 × × ×
炭化物被覆 500~1200 × × × ×

 

○:あまり問題ない  ×:かなり問題がある  △:問題は少ないが工夫を要する

実際には、次に挙げる6つのチェックポイントに十分に留意した上で、表面処理実施の可否を決定し、最適な表面処理を選定します。

 

ポイント1:基材(製品や部品を構成している材料)と利用したい表面処理との相性はよいか?

銅製品には「めっき」は有効であるものの、「浸炭処理」や「窒化処理」との相性は悪く、不可とされています。

ポイント2:利用したい表面処理によって、基材の劣化は生じないか?

処理温度が高い場合、材料の種類によっては基材が軟化、脆化、変形などを生じる恐れがあります。

ポイント3:対象製品や部品の表面状態は、利用したい表面処理に適しているか?

表面が油脂類やさびなどで汚染している場合は、全ての表面処理の障害になるため、あらかじめ除去する必要があります。また対象製品の表面粗さは、「塗装」や「溶射」のように粗い方が有利な場合と、「PVD」のように滑らかな方が有利な場合があります。

ポイント4:対象製品や部品の形状は、利用したい表面処理に適しているか?

形状が複雑な製品や、細孔内面や隙間側面などに表面処理を施さなければならない場合、「電気めっき」や「PVD」によって、全面を均一に処理することは難しく、不可とされています。

ポイント5:利用したい表面処理は、処理対象となる製品や部品の使用環境に適合しているか?

「高周波焼入品」は、使用温度が200℃以上になると軟化現象を呈するなど、注意が必要です。

ポイント6:利用したい表面処理によって得られる効果は、コスト面で過剰品質にならないか?

表面処理を施すことで効果が得られる半面、当然コストアップになります。モノづくりにおいては、見過ごすことはできません。