アルミニウム表面処理・硬質アルマイト・潤滑性・耐摩耗性・導電性・抗菌性・ダイカストアルマイト

教科書アルマイト

1.はじめに

 

金属は、セラミックスやプラスチックと並んで材料素材の大きな支柱をなしています。近代になり鉄に加え
て、特に軽金属が大きく台頭してきました。
それぞれ素材には長所短所があり、金属にも短所をカバーするために色々な方法が考えられてきました。
様々な用途に適応するために合金が考えら、素材の良さを活かし付加価値を高めるために化学的表面
処理が施されるようになりました。
例として、鉄にペンキを塗ることは錆びないようにする表面処理方法です。
軽金属、特にアルミニウムについては、1924年(大正13年)日本でアルマイト加工技術が生まれました。
この電気化学的表面処理は、軽くて丈夫というアルミ素材の良さが評価されて、益々成長の一途を
たどっています。
高付加価値・ファッション化など、近代の消費者ニーズに応える製品の開発は益々盛んであります。

 

2.金属の表面と腐食

 

2−1.金属の表面

 

固体の表面は常に単一でないもので、特別な処置をしない限り環境の支配因子と化学結合しています。
物理的にいつでも結合格子の一部が切れているので、ひずんだり種々欠陥が考えられます。
金属が物理的に表面を切られると、一時的に遊離の化学結合手が空間に手を振って遊んでいる状態に
なります。このような高エネルギー状態は、周囲の何かと結合して低エネルギー状態に安定化しようと
します。高真空下(1.33×10 〜1.33×10−4Pa)でも存在する微量の空気中の酸素と瞬間的
に結合して酸化皮膜をつくります。しかし湿気があると−OHやH2Oが結合して、それらの介在する
混合酸化皮膜ができます。表面に結合している −OHをとるのには、それよりも強く結合する因子を
もってくる以外にはありません。酸などは一時的に−OHを除くことができますが、生成した塩が水に溶け
やすい性質があるので余計に腐食が進むことになります。

 

2.腐食と防食

 

腐食がなぜ起こるのかという事は非常に難しい問題です。
現在は国際腐食会議が3年毎に開かれていますが、腐食による国家経済の損失は莫大なものがあります。
しかし、非常に珍しい事象もあります。
例えば4世紀に建てたインドのデリー市の鉄塔や、ドイツのコッテンフォルストの境界線の鉄柱も600年以
上経ても全く錆びていないことがあります。こうなると鉄は何らかの化学的方法で永久に錆びないようにで
きるといえるのではないでしょうか。
アルミニウムについても同様のことが言え、表面処理法によっては永久防食の可能性が大であります。
腐食は金属表面が何らかの理由によりイオン化することにより起こります。イオン化しない方法が即ち
防食ということになります。

 

3.アルミニウム材料

 

3−1.アルミニウムの特性と長所

 

アルミニウムの良さ、鉄の良さ、プラスチックの良さ、それぞれの素材の持つ特徴を生かした用途が広げら
れています。
そこでアルミの特長を見てみましょう。

 

(1)物理的長所

 

@軽い
    比重が2.7で鉄(7.9)、チタン(4.5)より軽く小さいため、代替えが進んでいる。

 

A美しい
    白色の清潔感のある色で、他の色とのコントラストが良い。
    この意味において、電解着色は色としては、ステン系〜ブロンズ〜ブラックである。

 

B反射率大
    反射鏡として、多孔質層に澄水性をもたすことよリ用途が拡大できると思われる。
    金属中で最も反射率が大きく、日光で91%位である。

 

C加工性
    押し出し、鋳造、圧延等自由に加工ができる。

 

D力学的強度
    形を考えたい合金にしたりすることにより強度の大きい材料ができる。

 

E熱伝導性良好
    鉄よりはるかに良く、銅の半分であるから使う箇所を考えると良い。
    20℃で0.487、金は0.708、銀は0.998、銅は0.923である。

 

F電気伝導性良好
    銅の約60%で電子機器に使用の余地がある。

 

Gガス滲透しない
    箔(20μm)ですべてのガスは透過しない。
    パッキンやガス管に使用できる。
    ボンベの軽量化も複合化により可能と考えられる。

 

(2)化学的長所

 

@無害
    人体に有害の文献はなく、ミョウバンは大昔から使っていた。
    そのため食器食品関係に対する使用は多い。

 

A耐食性と耐薬品性
    鉄などに比べ優れている。

 

B複合性
    他材料との接着性がアルマイト加工することにより増加する。

 

C多孔質層形成
    アルマイト加工することで、多孔質皮膜が形成されその多孔質層を利用することによりいろいろな
    用途がある。
     例:ブロンズ色等のカラーアルマイト、高潤滑性アルマイト、導電性アルマイト等

 

D地球での存在量
    金属の中では地球上最多である。

 

3−2.アルミニウム材料

 

(1)化学性分による分類

 

アルミニウム合金は下記の様に分類されます。

 

アルミニウム

 

高純度アルミニウム

99.9%以上

JIS呼称

 

工業用純度アルミニウム

 

99.7%

A1070

99.5%

A1050

99.0%

A1100

 

 

  Al-Cu系        (Cuを3.5〜6.8%含む)

A2000系

  Al-Mn系       (Mnを3.5〜6.8%含む)

A3000系

  Al-Si系         (Siを多く含む)

A4000系

  Al-Mg系        (Mgを0.5〜5.0%含む)

A5000系

  Al-Mg-Si系    (MgをSiを1.0%含む)

A6000系

  Al-Zn系        (Znを0.5〜5.0%含む)

A7000系

 

(2)形状とその記号

 

P−板
(例:A1100P ← 純アルミニウム[99.0%] の板)
S−押出形材
(例:A6063S ← Al・Mg・Si系押出形材。通常のサッシ材はすべてこの材料です。)

 

(3)抗張性とその記号

 

加工硬化−非熱処理合金(A1000系、A3000系、A4000系、A5000系)に適用。
記号はHを使う。(H12,H14、H24、H34 等があります。)

 

焼き入れ、焼きもどし−熱処理合金(A2000系、A6000系、A7000系)に適用。
T5・・・高温加工から急冷後、人工時効硬化処理したもの。
T6・・・溶体化処理後、人工時効硬化処理したもの。

 

その他
O・・・焼なましたもの。 F・・・製造のままのもの
例:A1100P−H14 純アルミニウム板材
     A5052P−H34 Mg系板材
     A6063S−T5 Al・Mg・Si系押出形材

 

4.陽極酸化処理(アルマイト処理)

 

陽極酸化処理には、前処理・陽極酸化処理・後処理があります。
これより入門編として、一般的な処理方法について記述します。

 

陽極酸化処理

 

4−1. 陽極酸化皮膜について

 

「鉄」や「銅」を陽極とし、「鉛」を陰極として電解質溶液中で直流電解をすると、「鉄」や「銅」は溶解して
陽イオンとなり拡散します。

 

金属
「Fe」  −−−−→  Fe 3+  となって溶け出す。
「Cu」  −−−−→  Cu 2+  となって溶け出す。

 

しかし、「アルミニウム」や「マグネシウム」は、「鉄」や「銅」と違って電解により溶けますが、水の電気分解
によって生じる酸素(イオン)と結合して、表面に酸化皮膜が形成されます。

 

金属
「Al」  −−−−→  Al 2 O 3 の酸化皮膜が表面にできる。

 

@組成
    主成分が酸化アルミニウム(Al2O3)の層。

 

A色調
    皮膜自身は無色透明で、美しい外観を得られます。

 

B安定性
    化学的に安定で、腐食を防ぐ効果があります。

 

C硬さ
    アルミニウム素地よりも向上させる効果があり、200HV程度の硬さとなります。

 

C電気絶縁性
    皮膜は絶縁性のため、電気を通す事はありません。

 

D熱伝導率
    金属アルミニウムと比較し1/3程度となります。

 

4−2. 陽極酸化とメッキの違い

 

 

 

陽極酸化は、品物を陽極に(左)
メッキは、品物を陰極に(右)

 

 
上図のように陽極酸化ではAlの溶解した分だけAl素地が減り、その約2倍のアルマイト層ができます。
一方で、メッキの場合は品物 の上に異種金属の膜が重なるものです。

 

4−3. 陽極酸化皮膜の構造

 

 
多孔質層は、実際にはハチの巣状の構造である。

 

4−4. 二次電解着色の原理

 

アルミニウムを陽極酸化して生成した多孔質層の孔の中に、金属(イオンや塩)を電気化学的に
析出させて着色皮膜を得る方法です。
当社では、ニッケルを孔の中に析出させています。
そのニッケルの量が多いとブラック、少ないとブロンズ色となります。

 

 
 
4−5. 陽極酸化処理浴の組成と条件

 

・硫酸(H2SO4)          13〜17W/V%
・温度                        19〜23℃
・溶存アルミニウム量  20g/L以下
・溶存塩化物量          0.2g/L以下
・電流密度                 70〜150A/u
・電圧                        13〜18V
・時間                        約40分

 

4−6. 皮膜厚さの計算

 

生成する皮膜厚さは、次の式で計算できます。
皮膜厚さ(μm)=0.3×電流密度(A/du)×時間(分)

 

4−7. 表面積の計算=周囲長×長さ

 

枠付け面積=1本当たり面積×本数
(例1)直径50oの丸パイプで長さが5000o(5m)の ものの1本当たり
         面積は、0.05×3.14×5=0.785u
(例2)25oのアングルで長さが4000o(4m)のものの1本当たりの
         面積は、0.10×4=0.4u/本

 

5.後処理

 

5−1.封孔

 

文字の通り多孔質の孔を封じることを言います。
孔を封じることにより腐食しない様にすること。
酢酸ニッケル5〜6g/Lと添加剤を2〜3g/L入れた90℃以上の熱湯の中に10〜20分浸漬すること
により封孔されます。

 

5−2.電着塗装

 

水溶性塗料の中で、陽極酸化処理した品物の上に電気化学的に塗料を凝着させる処理です。

 

 
 
電着塗装浴の組成と条件
・塗料分(アクリルーメラミン系水溶性樹脂) 7〜11%
・溶剤(イソプロピルアルコール、ブチセロソルブ等) 3〜7%
・残り純水
・温度 19〜23℃
・電圧 100〜200V
・時間  2〜5分

 

6.アルマイトの標準工程表

左上から右横へ進みます    

材料受入チェック 枠付け 脱脂 エッチング 水洗 中和
                 

 
 
着色水洗
(シルバー仕様)
着色水洗
 (カラー仕様)

       
                         
 → 電解 水洗 水洗 水洗 封孔 湯洗

 (アルマイト処理) 
 
 

                 
乾燥 枠外し 検査 梱包 出荷  

 


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