機械部品の熱処理・表面処理基礎講座
機械部品にはいろいろありますが、その多くは熱処理によって機械的性質を制御されています。さらに表面処理を適用すれば、表面には新たな特性が追加されて高性能・長寿命化は当然であり、付加価値も飛躍的に高まります。
本講座(全8章50講座)では、機械部品に用いられている金属材料(主に鉄鋼材料)の種類と、それらに適用されている熱処理(焼なまし、焼入れなど)および表面処理(浸炭・窒化処理、めっき、PVD・CVDなど)について、概略と特徴を紹介します。
第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

7-6 電気めっきの原理と適用

電気めっきとは、めっきしたい金属イオンを含む水溶液中で、めっき処理品を陰極(−極)、めっきしたい金属を陽極(+極)として電解するものです。金(Au)めっき、亜鉛(Zn)めっき、クロム(Cr)めっき、ニッケル(Ni)めっきなど、主に装飾性、耐食性、耐摩耗性などを付加する目的で利用されています。

電気めっきの原理は図1に示すように、陰極では還元反応が起こり、金属が析出してめっき膜として成長します。すなわち、電解液中の金属イオン〔Mn+〕が電子〔ne-〕をもらって金属〔M〕として表面に析出します。陽極では酸化反応が起こり、めっき液中に陽極の金属が溶解してめっき液中の金属イオンが補給されます。このように、めっきしたい金属を陽極にする場合は、その陽極は電解液に溶解しますから、可溶性電極とよんでいます。これに対して、めっき液に溶解しない陽極(不溶性電極)も使用されています。

図1 電気めっきの原理

図1 電気めっきの原理

電解液は、金属イオンが存在する金属塩溶液であればめっきできますが、光沢のある緻密な皮膜を得るために添加剤が重要な役割を担っています。例えば、光沢のあるめっき膜にするためには光沢剤が必要で、ピット発生を抑制するためには界面活性剤を添加します。

電気めっきの工程は図2に示すように、前処理工程、本処理工程および後処理工程の順に行われますが、十分に密着性を確保するためには、前処理工程がとくに重要です。前処理工程では、処理品の加工履歴や材質によって最適な方法を選定します。例えば、酸化スケールがあるものは酸洗が必須です。洗浄工程としては、溶剤洗浄、アルカリ洗浄、電解洗浄などを行い、めっき直前には酸浸漬(表面活性化)します。活性化の後は、亜鉛めっきなら本処理としてのめっき工程になりますが、ニッケルめっきやクロムめっきの多くは銅の置換めっき(ストライクめっき)を行ってから、本処理工程に進みます。

図2 電気めっきの工程例

図2 電気めっきの工程例

機械部品を対象として、よく利用されているZn、NiおよびCrめっき用のめっき液(電解液)を表1に示します。Znめっきは鉄鋼材料の防錆・防食を目的として実施されるもので、安価ですからボルトなど多くの機械部品に利用されています。めっき液には、水酸化ナトリウムを含むアルカリ性のシアンめっき液、塩化カリウムまたは塩化アンモニウムを含む酸性めっき液などが用いられています。なお、亜鉛めっきは皮膜自身の耐食性が劣りますから、めっき後にはクロメート処理が普通に適用されています。クロメート処理は、防食効果と同時に光沢、淡黄色、黄色、緑色などの装飾効果も得られます。

表1 主なめっき用のめっき液

めっき膜 浴の名称 主成分
亜鉛 (Zn) アルカリ浴 シアン浴 シアン化亜鉛〔Zn(CN)2〕,シアン化ナトリウム〔NaCN〕,水酸化ナトリウム〔NaOH〕
ジンケート浴 酸化亜鉛〔ZnO〕,水酸化ナトリウム〔NaOH〕
塩化物浴 塩化カリウム浴 塩化亜鉛〔ZnCl2〕,塩化カリウム〔KCl〕,ホウ酸〔H3BO3
塩化アンモニウム浴 塩化亜鉛〔ZnCl2〕,塩化アンモニウム〔 NH4Cl〕,ホウ酸〔H3BO3
ニッケル(Ni) ワット浴 硫酸ニッケル〔NiSO4〕,塩化ニッケル〔NiCl2〕,ホウ酸〔H3BO3
スルファミン酸浴 スルファミン酸ニッケル〔Ni(SO3)2・H2O〕,塩化ニッケル〔NiCl2〕,ホウ酸〔H3BO3
クロム(Cr) サージェント浴 無水クロム酸〔CrO3〕,硫酸〔H2SO4〕
フッ化物浴 無水クロム酸〔CrO3〕,硫酸〔H2SO4〕,ケイフッ化ナトリウム〔Na2SiF6

Niめっきは高い硬さをもち、しかも光沢性や耐食性が優れていますから、多くの分野で利用されています。また、耐食性や密着性を向上させる目的で、図3に示すように、下地には銅めっきが普通に行われています。めっき液としては、硫酸ニッケルまたはスルファミン酸ニッケルを主成分とするものが用いられています。

図3 ニッケル(Ni)めっき品の断面事例

図3 ニッケル(Ni)めっき品の断面事例

また、アルミニウムおよびその合金に電気Niめっきを利用する場合には、アルミニウムの表面は安定な酸化物で覆われていますから、その酸化物を除去しなければ密着性の優れためっきはできません。そのため、図3のめっき膜断面に示すように、この場合にはジンケート処理によるZn置換めっきが利用されています。このZn置換めっき後にはCuめっき等を行い、最終工程で本処理であるNiめっきを施すことになります。

クロムめっきには、膜厚0.5μm以下の装飾用Crめっきと2〜100μmの工業用Crめっきがあります。とくに工業用Crめっきは、硬さが800〜1000HVにも達しますから、硬質Crめっきとして自動車部品、金型、機械用シャフトなどによく利用されています。ただし、硬質のCrめっきは耐摩耗性や離型性には優れていますが、400℃以上では急激に硬さが低下しますから、使用中に温度上昇をともなう箇所には使用できません。

なお、Crめっき膜の残留応力は引張応力ですから、皮膜の厚さが増大するほど残留応力が大きくなり、膜内および膜表面にクラックが発生します。これは、残留応力を緩和しようとするために、皮膜の自己防衛策として生じるものですから、工業用Crめっき膜には必然的なものです。一例として図4に、工業用Crめっき膜の表面に生じたクラックの状況と、その断面組織を示します。このクラックの存在は、耐食性には不利ですが、めっき品が潤滑環境下で使用される場合には、潤滑剤保持効果がありますから非常に有効です。

図4 工業用クロム(Cr)めっき膜に存在するクラック

図4 工業用クロム(Cr)めっき膜に存在するクラック

執筆:仁平技術士事務所 所長 仁平宣弘

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章 機械部品に用いられる材料

第2章 鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

第3章 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

第4章 ステンレス鋼とその熱処理

第5章 非鉄金属材料とその熱処理

第6章 機械部品に対する表面処理の役割

第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

第8章 機械部品の損傷と調査法

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