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金属の表面処理について詳しくご紹介します!

10月 11th, 2021

鉄やアルミニウムやチタンや銅といった金属はそれぞれが有する特性を活かし様々な製品材料として使用されています。しかし金属原子単体の純粋な状態では、求められる性能を発揮することが出来ない場合があり、多くのケースでは化学的もしくは物理的な「表面処理」が行われています。

様々な種類がある「表面処理」について紹介します。

 

金属の表面処理とは? 

金属の表面処理とはそのまま金属材料の表面を何らかの加工を施すことが表面処理ですが、得られる効果と方法によって「除去加工」と「付加加工」の2つに大別されます。

 

「除去加工」は材料表面に付着している油や材料表面に発生した錆や酸化被膜などを取り除く工程になります。またヤスリなどで表面を削り取ることも除去工程に該当します。金属版画などの芸術分野やプリント基板材料制作などの電子分野で行われている「エッチング」、電解液内で電流を流すことで表面を鏡面加工する「電解研磨」も除去工程になります。金属材料の汚れや粗さを取り除くために、表面を何かしらの方法で除去することが「除去加工」になるのです。

 

一方の「付加加工」は、除去加工と反対に「金属材料の表面に何かしらの方法で違う物質を加える」加工になります。適切な付加加工方法を選ぶことにより、金属材料に機能を付与したり、性能を向上させることが出来るため、一般的に「金属の表面処理」というとこちらの「付加加工」を意味することが多いです。

 

「付加加工」には金属表面の腐食を防止するために非金属物質で表面を覆う「塗装」や「ライニング」、金属表面を金属物質で覆う「めっき」などが代表的ですが、表面を高温に加熱してから急冷する「焼き入れ」や、鋼やチタンに窒素を結合させて硬度を増加させる「窒化」など、数多くの表面処理が「付加加工」に該当します。

 

上記の例は極一部の付加加工ですが、他にも酸化被膜を形成させる「陽極酸化」方法や、金属材料の表面に合金層を形成させる「溶融メッキ法」など様々な加工方法があり、加工によって期待する効果によって最適な方法を選ぶ必要があります。

 

金属の表面処理をするメリット 

金属の表面処理をするメリットですが、大きく2つに大別されます。
1つは「装飾性」を高めること、もう1つは「機械的・電気的・化学的な性能の向上」です。

 

装飾性とは、デザイン性、特に視覚的なデザインを美しく見せるための性能で、デザインという定性的に影響を与える性能ですが、金属材料特有の光沢を表面研磨で無くしたり、ステンレス材の鈍い銀色の表面を電解研磨で鏡面仕上げ(鏡の様な反射率の高い表面)にしたり、木材に金属光沢を与えるために塗装をしたり、と見た目をよくするためにも加工は行われます。

 

そして、見た目以上に重要な効果は「機械的・電気的・化学的な性能の向上」です。

機械的な性能とは、耐摩耗性、強度、耐衝撃性、硬度といった項目で、鋼材に対して加熱と急冷を行う「表面焼き入れ」は表面の組成に変化を与えませんが、表面の金属組織はオーステナイトからマルテンサイトへと変化し硬度が上昇した層を形成するため、耐摩耗性および耐疲労性は著しく向上するというメリットがあります。

 

他にも表面処理によって電気的な性能を向上させるー導電性を向上させたり、絶縁性を与えるーことも可能です。一般的な金属材料は導電性を有していますが、部材によっては酸化してしまい導電性が低下してしまうことがあります。導電性が高く、酸化・腐食しにくい金属材料の代表例は「金」ですが、金属製品を「純金」で製作してしまうと途方もないコストがかかってしまいます。そのため安価で導電性が高いが、酸化しやすい「銅」に「金」をメッキすることで、安価で導電性が高く、酸化・腐食しにくい金属製品を得ることができます。

 

また、逆に導電性を有する金属材料に対して絶縁性のプラスチックや樹脂塗料を塗布することで絶縁性を付与する目的の加工もあります。表面処理のメリットとは性能を目的に合わせて設計が可能であることです。

 

金属の表面処理の選び方

金属の表面処理により、得られる効果はたくさんありますが、表面処理の方法も多く、目的に合った適切な方法は少ないため、ベストな表面処理を選ぶために幾つかの確認を行っておくことが必要です。

 

①:金属材料と利用したい表面処理との相性は適切か?

鉄鋼・銅製品はどちらも「めっき」加工を施すことは可能になりますが、鉄鋼製品は高温雰囲気下で結晶内に炭素を添加させる「浸炭処理」や窒素を添加させる「窒化処理」ことで硬度を上昇させることが可能ですが、銅製品は相性が悪く、不可とされています。表面処理を行う材料について材質を正確に確認する必要があります。

 

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?

特に注意する点は耐熱温度と耐食性です。表面処理には高温や酸を使用するケースが多く、処理温度が高い場合、材料の種類により、基材が融点近くまで加熱されることで軟化、脆化、変形などを生じる恐れがあります。

 

③:加工対象の表面状態は、利用したい表面処理に適しているか?

表面処理は何らかの方法で加工対象の表面と加工物が結合するため、表面に油脂類や錆などが付着している場合は、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(物理蒸着法)」のように滑らかな方が有利な場合があります。

 

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。

 

⑤:利用したい表面処理によって得られる効果は、コスト面で許容以上の品質にならないか?

表面処理を施すことで目的とする効果が得られる半面、当然コストアップになります。

 

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