表面処理は 、材料の現代の表面処理は単なる「コーティング」とは程遠く、表面エネルギー、形態、組成を操作して目標の性能結果を達成する、制御された化学的、物理的、または熱的介入です。 上部 1 ～ 3 分子層 を改質して、バルク材料の特性を変えることなく特定の機能特性を付与する精密工学分野です。
表面処理はその中核として、根本的な課題に対処します。つまり、 ほとんどの材料は、意図した用途に対して次善の表面特性を持っています。アルミニウムは優れた強度対重量比を提供しますが、腐食します。ポリマーは軽量ですが、表面エネルギーが低いため、接着が妨げられます。鋼は強いですが酸化に弱いです。表面処理は、要求どおりに正確に機能するインターフェースを設計することで、このギャップを埋めます。
重要な違いは、 表面改質とバルク改質にあります。窒化などの処理は、マイクロメートルの深さのみに影響を与え、環境との相互作用を変化させながら、材料の核となる機械的特性を維持します。この界面エンジニアリングは、接着性、腐食保護、耐摩耗性、導電性、および美しい仕上げに不可欠です。
接着不良は表面エネルギーが不十分なことが原因で発生します。未処理のポリプロピレン (低表面エネルギー ≈ 30 mN/m) では水滴が玉になりますが、プラズマ処理された表面 (高エネルギー ≈ 72 mN/m) では広がります。これはヤング ・デュプレ方程式 によって決まります。表面エネルギーが高くなると分子レベルの濡れが促進され、接着剤やコーティングが弱い機械的接着ではなく強い共有結合を形成できるようになります。
臨界閾値: ほとんどの工業用コーティングでは、適切な濡れのために 38 mN/m を超える表面エネルギーが必要です。未処理の金属は有機汚染により 20 ～ 25 mN/m になることが多く、活性化処理が必要になります。
腐食は電気化学セルです。陽極 (金属の溶解) と陰極 (酸素の還元) が電解質によって分離されています。表面処理により、次のような方法でこの細胞が破壊されます。
バリア保護: 亜鉛コーティング (亜鉛メッキ) は鋼鉄の前に犠牲的に腐食します。
不動態化: クロム酸塩層が Cr₂O₃ 保護膜を形成し、腐食の可能性を高めます。
抑制: リン酸塩コーティングが陰極点をブロックし、腐食電流密度を 90%+ 削減します。
液体コーティング (ペイント)
最新の自動車用ペイントは、合計 100 ～ 150 μm の多層システム (電着塗装 → プライマー → ベースコート → クリアコート) です。電着コーティング (e コート) は、逆の電荷を使用して 95% の転写効率でエポキシ プライマーを蒸着し、複雑な形状でも均一な被覆と 1,000 時間以上の塩水噴霧耐性を実現します。
粉体塗装
静電スプレー蒸着では、 液体ペイントの場合は 30 ～ 40% であるのに対し、熱硬化性粉末（エポキシ、ポリエステル）は 180 ～ 200°C で硬化し、2H ～ 3H の鉛筆硬度と優れた耐 UV 性を備えた架橋ネットワークを形成します。最近の進歩には、 材料利用率は 98%になります。 熱に弱い基材用の 低硬化パウダー(150°C) が含まれます。
めっき技術
電気めっき: DC 電流により、金属イオン (Ni、Cr、Zn) が陰極部分に還元されます。厚さの制御は正確 (±0.5 μm) ですが、水素脆化のリスクがあるため、高張力鋼の場合は 200°C で 4 時間以上のメッキ後ベーキングが必要です。
無電解めっき: 自己触媒析出 (無電解ニッケルなど) は、外部電流なしで止まり穴や複雑な形状に均一な厚さを提供します。リン含有量 (低 2 ～ 5%、中 6 ～ 9%、高 10 ～ 13%) により、硬度 (500 ～ 700 HV) と耐食性が制御されます。
溶融亜鉛めっき: 450°C の溶融亜鉛に浸漬して、冶金的な Fe-Zn 合金層 (厚さ 50 ～ 150 μm) を作成します。 合金化溶融亜鉛めっき 鋼板（合金皮膜）は、自動車のボディパネルに優れた溶接性と塗装密着性を提供します。
陽極酸化 (アルミニウム、チタン、マグネシウム)
硫酸中での電解酸化により、 ナノ多孔質の Al2O3 層 (厚さ 5 ～ 100 μm) が成長します。タイプ II 陽極酸化処理 (10 ～ 25 μm) により、腐食保護と染料受容性が提供されます。タイプ III ハードコート (50 ～ 100 μm) は、摩耗用途向けに 60 ～ 70 のロックウェル C 硬度を実現します。 沸騰水または酢酸ニッケル中で 細孔を密閉すると、染料が捕捉され、耐食性が向上します。
リン酸塩処理 (鋼/亜鉛)
希リン酸に浸漬すると、結晶質の亜鉛/マンガン/鉄リン酸塩皮膜 (1 ～ 10 µm) が形成されます。これらは以下を提供します:
ペイント密着アンカー: クロスハッチ密着性が 200 ～ 300% 向上
耐食性: 塩水噴霧で 24 ～ 48 時間白錆びするまで
潤滑性: 深絞り加工時の摩擦係数を30%低減
クロメート処理 (アルミニウム/亜鉛)
六価または三価クロムを使用した化学変換により、不動態の Cr2O3 皮膜 (0.1 ～ 1 μm) が形成されます。六価 Cr に対する RoHS 制限にもかかわらず、三価クロム酸塩は、亜鉛メッキファスナーに対して 72 時間以上の耐塩水噴霧性を提供します。
窒化/軟窒化
500 ～ 600°C で窒素を鋼に拡散させると、硬質の窒化鉄層 (10 ～ 50 μm、>900 HV) が形成されます。 プラズマ窒化では 、イオン化アンモニアを使用してゾーンを正確に制御し、重要な摩耗表面のみを処理し、他の表面をマスキングします。
高周波焼入れ
高周波 (10 ～ 400 kHz) 誘導加熱により、表面層 (深さ 2 ～ 8 mm) が急速にオーステナイト化され、その後水焼入れされます。これにより、コアの延性 (30 ～ 35 HRC) を維持しながら、クランクシャフト ジャーナルに 55 ～ 62 HRC の硬度が生成されます。
レーザー熱処理
集束レーザー ビーム (2 ～ 10 kW) が 10 ～ 50 mm/s で表面をスキャンし、歯車の歯に 0.5 ～ 2 mm の深さの硬化ゾーンを作成します。 利点: 局所的な治療により歪みが解消されます。後加工は必要ありません。
ブラストブラスト（グリット/ショット）
酸化アルミニウム (20 ～ 100 メッシュ) による圧力 (60 ～ 100 PSI) とノズル角度 (60 ～ 75°) によってプロファイルの深さを制御します。 グリット ブラストにより、コーティングの密着性のために 50 ～ 100 μin Ra プロファイルが作成されます。
鋳鋼ショット (S170 ～ S780) による ショットピーニングは、圧縮残留応力 (-500 ～ -800 MPa) を誘発し、疲労寿命を 3 ～ 5 倍向上させます。 アルメン ストリップ強度 (0.008 ～ 0.024A) はピーニング エネルギーを定量化します。
大量仕上げ
セラミックメディアを使用した振動ボウルは、複雑な部品のバリ取りと研磨を行います。 等方性超仕上げにより、 表面粗さが 16 μin Ra から 2 ～ 4 μin Ra に減少し、ギア噛み合いの摩擦と摩耗が低減されます。
プラズマ処理
大気プラズマ: 10 ～ 50 kV のイオン化空気が有機汚染物を除去し、表面エネルギーを数秒で >72 mN/m に上昇させます。接着前のインラインポリマー前処理に最適です。
低圧プラズマ: Ar/O2 ガス混合物を使用した真空 (0.1 ～ 1 mbar) により、医療機器の接合のための徹底的な洗浄と表面の機能化が可能になります。
コロナ処理
誘電体を横切る高周波 (15 ～ 25 kHz) 放電によりオゾンとラジカルが生成され、ポリマー表面が酸化されます。 制限事項: 平面/曲面のみを処理します。ウェブ処理システムはフィルムを 100 ～ 300 m/分で処理します。
レーザーアブレーション/構造化
フェムト秒レーザーは、 表面積を 10 ～ 100 倍に増加させ、機械的連動を促進するオッセオインテグレーションのためのチタンインプラントに使用されます。 マイクロ/ナノテクスチャー(レーザー誘起周期的表面構造、LIPSS) を作成します。
最新の車両では、 1 台の車両につき 10 ～ 15 の異なる表面処理が必要です 。
ボディパネル: NIT (新改良処理) を施したガルバニール鋼により、深絞り加工での摩擦係数 0.08 ～ 0.12 を実現し、プレス工場の潤滑油コストを 40% 削減します。
アルミニウムフード: リン酸塩を Zr ベースの前処理 (TecTalis) で置き換え、スラッジ廃棄物を 50% 削減しながら 240 時間以上の塩水噴霧を実現
バッテリーエンクロージャー: プラズマ処理されたアルミニウムフレームにより、>30 MPa のせん断強度でエポキシ接着接合が保証されます。
ファスナー: Zn-Ni 合金メッキ (12-15% Ni) は、足回り用途の 720 時間 NSS 要件を満たしています。
チタン製ファスナー: AMS 2488D に準拠したカドミウム置換陽極酸化処理により、96 時間の塩水噴霧に耐えられます。
着陸装置: 低圧プラズマ窒化により、寸法変化が 0.005 インチ未満でケース深さ 50 µm が作成されます。
複合結合: カーボンファイバーの大気プラズマ処理により表面エネルギーが 28 ～ 68 mN/m に向上し、剥離不良がなくなりました。
エンジンコンポーネント: 電子ビーム物理蒸着 (EB-PVD) を使用した遮熱コーティング (TBC) は、タービン温度 2000°F にも耐えます。
PCB コネクタ: 金メッキ (MIL-G-45204 に準拠した厚さ 0.05 ～ 0.76 µm) により、500 回以上の嵌合サイクル後も信頼性の高い導電性を保証
ヒートシンク: 黒色陽極酸化処理により放射率が 0.85 に増加し、熱放散が 25% 向上します
EMI シールド: プラスチックハウジング上の無電解銅メッキ (1 ～ 2 µm) により、1 GHz で 80 dB の減衰を実現
ディスプレイ接着: 光学透明接着剤 (OCA) ラミネート前にガラスの UV オゾン処理により有機物が除去され、気泡欠陥が排除されます。
外科用器具: ASTM A967 に準拠した不動態化 (クエン酸) により遊離鉄を除去し、オートクレーブサイクルでの腐食を防止します。
チタン インプラント: アルカリ熱処理により、オッセオインテグレーションを 40% 促進するナノトポグラフィーが生成されます。
ステンレス鋼トレイ: 電解研磨により Ra が 0.1 µin に低減され、細菌の付着部位が排除され、洗浄の検証が容易になります。
カテーテル接合: PTFE シャフトのプラズマ処理により、チップ取り付け部の UV 接着接合が可能になります。
| 因子 | コーティング | 変換 | 熱処理 | メカニカル | プラズマ |
|---|---|---|---|---|---|
| 主な目標 | 腐食 + 美的感覚 | 付着+軽度の腐食 | 耐摩耗性 | ストレス解消 + 掃除 | 接着活性化 |
| 材料 | すべての金属 | Al、Zn、Mg、Ti | 鉄合金 | すべての金属/ポリマー | ポリマー、複合材料 |
| 追加された厚み | 20～150μm | 0.1～50μm | 0.5～8mm（ケース） | 0 (1 ～ 10 μm を除去) | 0 (<0.1 µm を変更) |
| 料金 | $0.50 ～ $5/平方フィート | $0.10 ～ $1/平方フィート | $0.50 ～ $3/ポンド | $0.20 ～ $2/平方フィート | $0.05 ～ $0.50/パーツ |
| 環境 | VOC に関する懸念 | 重金属（Cr⁶+） | エネルギー集約型 | 塵埃・振動 | 無駄を最小限に抑える |
| リードタイム | 1～3日 | 1～2日 | 3～7日 | 同日 | インライン対応 |
デシジョンツリー:
導電性が必要ですか? → 電気めっき（Cu、Ag、Au）
構造的な磨耗の問題？ →窒化または高周波焼入れ
プラスチックの塗装？ → プラズマまたはコロナ処理
屋外の鋼材の腐食? → 溶融亜鉛めっき
医療用ステンレス？ → 不動態化 + 電解研磨
表面エネルギー測定: 接触角ゴニオメトリー (ASTM D5946) により、プラズマ処理の有効性が検証されます。目標 <30°の水接触角
コーティングの厚さ: ISO 2178 に準拠した渦電流 (0 ～ 50 μm) または磁気誘導 (0 ～ 2000 μm)
密着性試験: コーティングのクロスハッチテープ試験 (ASTM D3359)。接着剤用ラップシャー (ASTM D1002)
腐食試験: 塩水噴霧 (ASTM B117)、周期腐食 (GMW 14872)、および電気化学インピーダンス分光法 (EIS)
自動車: IATF 16949、PPAP レベル 3、コーティング密着性検証付き
航空宇宙: AS9100、化学処理に関する NADCAP 認定
医療: ISO 13485、不動態化プロセスの IQ/OQ/PQ 検証
軍用: クロメート変換用の MIL-STD-810、MIL-DTL-5541
グリーンケミストリー
三価クロム (Cr3⁺) が六価クロム (Cr⁶⁺) を置き換え、発がん性廃棄物を 90% 削減します
ジルコニウムベースの前処理 (ヘンケル ボンデライト M-NT など) によりリン酸塩が除去され、汚泥処理コストが 50% 削減されます。
UV 硬化可能な粉体塗装は 120°C で硬化し、熱硬化と比較してエネルギー消費量を 40% 削減します。
デジタルプロセス制御
IoT センサーは バスの化学物質をリアルタイムで監視し、補充化学物質を自動的に投与します。
AI ビジョン システムは、 ライン速度でコーティングの欠陥 (クレーター、ピンホール) を 99.5% の精度で検出します。
デジタル ツイン シミュレーションにより 、物理的試験の前にプラズマ処理パラメータが最適化され、開発時間が 60% 削減されます。
循環経済
クローズドループめっきシステムは ドラッグアウトの 95% を回収し、水の使用量を 80% 削減します。
パウダーコーティングのオーバースプレー は 98% 再利用可能で、事実上無駄がありません。
レーザー剥離により 化学物質を使用せずに古いコーティングを除去し、部品の再生を可能にします
表面処理は 最終段階の見た目を後から考えるものではなく、 材料選択段階で行われる間違った治療を行うと保証請求に数百万ドルの費用がかかる可能性がありますが、適切な治療を行うことで製品の革新（EVの軽量化、航空機の寿命の延長、より安全な医療機器）が可能になります。 戦略的なエンジニアリング上の決定です。
重要なポイント:
表面処理の設計: 試作後ではなく、CAD 中に処理を指定します
堅牢なテスト: 現実世界の暴露を模倣した加速寿命テストで検証します。
継続的に監視する: 表面品質計を使用して、プロセスのドリフトが現場での障害を引き起こさないことを確認します
ライフサイクルを考える: 環境規制と使用済みリサイクルの要素を考慮する
未来は 、スマートで持続可能な表面エンジニアリングに属します。そこでは、データ駆動型のプロセス制御、環境に優しい化学、および高度な活性化方法が融合して、期待を超えて機能する表面が作成されます。
表面処理はを改質して、バルク材料の特性を変えることなく特定の機能特性を付与する精密工学分野です。 、材料の別個の層を追加するコーティングとは異なり、真の表面処理は既存の表面化学、形態、またはエネルギー状態を変化させます。 上部 1 ～ 3 分子層
基本原則: それはインターフェースエンジニアリングです。たとえば、プラズマ処理はポリマー表面にイオン化ガスを照射し、CH 結合を切断し、CO、CN、および C-OH 官能基を形成します。これにより、表面エネルギーが 30 mN/m (未処理 PP) から 72 mN/m 以上に上昇し、測定可能な厚さを追加することなく接着が可能になります。
主な特徴: 処理により 基材が変更されます。コーティングが それにこれは、寸法公差、熱サイクル、リサイクルにとって重要です。処理された部品は材料の同一性を維持しますが、コーティングされた部品は複数材料の複合材料になります。 加わります。
これは 4 つの主要なメカニズムを通じて動作します。
化学修飾: 変換反応により新しい化合物が生成されます。陽極酸化はアルミニウムを酸化します: 2Al + 3H₂O → Al2O₃ + 6H⁺ + 6e⁻。得られる Al2O3 層は厚さ 10 ～ 100 μm で、染色または封止が可能なナノ多孔質構造を備えています。
物理的活性化: 機械的またはエネルギーの入力により、表面の地形が変化します。ショットピーニングは圧縮残留応力 (-500 ～ -800 MPa) を誘発し、亀裂の伝播を阻止する冷間加工層を形成し、疲労寿命を 300 ～ 500% 延長します。
エネルギー状態の操作: プラズマ/コロナ処理は、反応性フリーラジカルを生成することにより表面自由エネルギーを増加させます。このプロセスにより、水接触角が 90° から 30° 未満に低下し、完全に「濡れる」表面が生成されます。
拡散と偏析: 浸炭により、900 ～ 950 °C で炭素が鋼に拡散し、炭素含有量が 0.8 ～ 1.2% の 0.5 ～ 3 mm のケースが作成されます。焼入れによりこれがマルテンサイトに変化し（表面 800 HV 対 250 HV コア）、強靭なコア上に硬くて耐摩耗性の表皮が形成されます。
この二項分類は単純化されています。業界では、 次の 3 つの主要なカテゴリが認識されています。
1. 表面処理（寸法変化なし）
不動態化: クエン酸はステンレス鋼から遊離鉄を除去し、Cr₂O₃ 不動態皮膜を形成します (ASTM A967)
プラズマ活性化: 材料の除去または追加を行わずに表面エネルギーを増加させます。
レーザーショックピーニング: プラズマ圧力波による機械的応力修正
2. 表面改質（化学変化、最小寸法）
陽極酸化: アルミニウムの表面を Al₂O₃ (+5 ～ 50 μm の厚さ) に変換します。
窒化：鋼中に窒素を拡散（+10～50μmの白色層）
化学エッチング: 材料を選択的に溶解します (許容差 ±5 μm)
3. 表面コーティング（添加剤）
電気めっき: Ni、Cr、Zn を 5 ～ 50 μm 添加
溶射: 100 ～ 500 µm の WC-Co または Al₂O₃ を形成
PVD/CVD : 1 ～ 5 µm の TiN または DLC を堆積
この区別は重要です。 処理では部品の形状が維持されます。コーティングには再加工代が必要です。
熱処理は、 制御された加熱および冷却サイクル (焼きなまし、焼き入れ、焼き戻し) を通じて焼き入れされた鋼部品は完全硬化され、脆くなる可能性があります。 部品全体の微細構造 を変更します。
表面処理は 、表面近くの領域 (深さ 3 mm 未満) にのみ影響します。主な違い:
| アスペクト | 表面処理 | 熱処理 |
|---|---|---|
| 深さ | 0.1μm～3mm | 全断面 |
| コアプロパティ | 変わらない | 変身した |
| 歪みのリスク | 最小限 | 高（焼入れ） |
| エネルギー入力 | 局所的（レーザー、誘導） | バルク（炉） |
| 料金 | $0.10 ～ $5/平方フィート | $0.50 ～ $3/ポンド |
例: 歯車には摩耗のために 60 HRC の表面が必要ですが、靭性のためには 35 HRC のコアが必要です。 高周波焼き入れ （表面処理）により歯のみを900℃に加熱して焼き入れし、硬化深さ2～8mmを実現します。完全硬化（熱処理）を行うと、ギア全体が脆くなり、破損しやすくなります。
表面処理により 基材の特性 が変化します 。 表面コーティングにより 独特の層 が追加されます.
重大な影響:
接着性: コーティングは、処理された基材への機械的/化学的結合に依存します。未処理の低エネルギー表面 (PP、PE) のコーティングは剥離します。処理により、基材はコーティングの「準備ができた」状態になります。
故障モード: コーティングの故障は界面 (剥離) です。処理の失敗は基質に関連しています（たとえば、不完全な不動態化により遊離した鉄が残り、腐食します）。
厚さ: コーティングにより 10 ～ 500 µm が追加され、公差に影響します。処理では、<5 µm (陽極酸化処理) を追加するか、何も追加しません (プラズマ)。
リサイクル: リサイクルする前に、コーティングを剥離する必要があります (化学薬品/方法)。処理された部品は直接リサイクル可能です。
コスト構造: コーティングコストは面積と材料の量に応じて変化します。治療費は処理時間に基づいて計算されます。
例: ステンレス鋼の医療用トレイは、 部品あたり 0.05 ドルで耐食性を高めるために 不動態化(処理) することができます 。また、鏡面仕上げのためにを追加すると 電解研磨 + 不動態化(処理) することもできます。 電気メッキされたクロム(コーティング) 、部品あたり 2 ドルの費用がかかり、オートクレーブ サイクルで剥がれる危険性があります。
4 つの主要な推進要因:
1. 環境保護
腐食: 裸の鋼は、湿気の多い環境では年間 0.1 ～ 0.5 mm 腐食します。亜鉛メッキにより亜鉛の犠牲層が追加され、寿命が 20 ～ 50 年延長されます。
酸化: チタンは不動態の TiO2 層を形成しますが、500°C では酸化が加速します。陽極酸化によりこの層が厚くなり、800°C での使用が可能になります。
2. 機能性能
接着力: 未処理のポリプロピレンの表面エネルギーは 30 mN/m です。エポキシ接着剤には >45 mN/m が必要です。プラズマ処理によりこのギャップが埋められ、30 MPa の接着強度が達成されます。
摩耗: 未処理の 4140 鋼は 0.01 mm/1000 サイクルで摩耗します。窒化によりこれは 0.001 mm/1000 サイクルに減少します。
3. 規制の遵守
生体適合性: 埋め込み型デバイスには ISO 10993 への準拠が必要です。不動態化と陽極酸化処理により、細胞毒性イオンが浸出しないことが保証されます。
食品の安全性: FDA 21 CFR では、食品と接触する前にステンレス鋼を不動態化することが義務付けられています。
4. 経済的価値
コストの回避: 5 ドルのスチール ブラケット (不動態化あたり 0.10 ドル) を処理すると、錆による 500 ドルの保証請求を防ぐことができます。
パフォーマンスの向上: 20 ドルの自動車用センサー ハウジングにレーザー テクスチャリングを施すことにより、接着接合の信頼性が 85% から 99.9% に向上し、現場での故障がなくなりました。
化学薬品や熱を使用せずに物理的な力を使用して表面特性を変更するプロセス:
ショットピーニング: 60 ～ 100 PSI での球状媒体 (S170 ～ S780 鋳鋼ショット) による衝撃により、圧縮応力が誘発されます。 アルメン強度 (0.008 ～ 0.024A) はエネルギーを定量化します。カバレッジが 100% を超えると、均一な応力が保証されます。スプリング、ギア、航空機の着陸装置に使用され、疲労寿命を 5 ～ 10 倍に延ばします。
大量仕上げ: セラミックメディアを使用した振動ボウルは 等方性超仕上げを実現し、Ra を 16 μインチから 2 μインチに低減します。これにより、歯車の噛み合い部分の摩擦係数が 0.12 から 0.05 に減少し、効率が 1 ～ 2% 向上します。
研磨ブラスト: 酸化アルミニウムグリット (20 ～ 100 メッシュ) により、コーティングの密着性のために 50 ～ 100 μin Ra プロファイルが作成されます。 ホワイトメタルブラスト （SSPC-SP10）によりサビを完全除去し、表面清浄度95％を実現。
レーザーショックピーニング: 3～5 GW/cm² レーザーパルスがプラズマを生成し、5～10 GPa の圧力波を生成します。これにより、表面を変形させることなく、ショットピーニングよりも深い、深さ 1 ～ 2 mm の圧縮応力が生じます。タービンブレードに使用されます。
深冷間圧延: ローラーは -150°C で表面を圧縮し、800 MPa の圧縮応力を持つナノ結晶構造を作成します。クランクシャフトの疲労寿命が200%向上します。
鋼特有のプロセスは、腐食の感受性、適度な硬度、限られた耐摩耗性といった鋼本来の弱点に対処します。
一般的な鋼処理:
リン酸塩処理: Fe₃(PO₄)₂・8H₂O 結晶を生成し、ペイントを固定し、24 ～ 48 時間の塩水噴霧耐性を提供します。リン酸亜鉛 (Zn3(PO4)2) は自動車の車体に好まれます。
黒酸化物 (Fe₃O₄): 熱アルカリ塩中での化学変換により、防錆油を保持する 1 μm の多孔質層が生成されます。 12 時間未満の耐塩水噴霧性を提供します。これは単にファスナーの表面を整えるだけです。
亜鉛めっき: 溶融めっきにより、50 ～ 150 μm の Zn-Fe 合金層が形成されます。 界面の外側の 亜鉛と鉄の合金(デルタ層) が冶金学的結合を提供します。 イータ層 は純粋な Zn です。コーティング重量は oz/ft⊃2; で指定されます (G90 = 両面 0.90 oz/ft⊃2;)。
窒化: 塩浴 (550°C) またはガス (500°C) により窒素が拡散し、900 ～ 1200 HV 硬度の 10 ～ 50 µm の白色層 (Fe₂₋₃N) が形成されます。焼き入れは不要で歪みがありません。
用途別選択：
自動車用シャーシ：溶融亜鉛メッキ（G90）
エンジンファスナー：四三酸化鉄＋オイル
トランスミッションギヤ：ガス窒化処理
ボディパネル：リン酸塩+電着塗装
はい、「ステンレス」という名前にもかかわらず。不動態 Cr2O3 層 (厚さ 2 ～ 3 nm) は自然に形成されますが、製造により破壊されます。
必須の治療:
不動態化 (ASTM A967): 切断、溶接、取り扱いから遊離鉄を除去します。プロセス：
アルカリ洗浄で油分を除去
水すすぎ
酸浸漬 (20% 硝酸、30 ～ 60 分、120 ～ 140°F) またはクエン酸 (4 ～ 10% w/w、30 ～ 120 分、70 ～ 140°F)
脱イオン水で最終すすぎます
ドライ
利点: 96 時間の塩水噴霧耐性を回復します。製薬用途におけるルージング（酸化鉄の汚れ）を防ぎます。
電解研磨: リン酸硫酸での逆めっきにより、表面が Ra 0.1 ～ 0.2 μin まで平滑になり、以下が改善されます。
洗浄性: 細菌の付着を 90% 削減 (FDA 準拠にとって重要)
腐食: 表面の Cr:Fe 比を 1:3 から 3:1 に高めます。
疲労: ストレスの原因を取り除き、生活を 20 ～ 30% 改善します。
不要な場合: 大気サービス、重要ではないアプリケーション。しかし、 医療、食品、製薬、海洋の場合は、まったくその通りです。
高周波焼き入れは 、速度、精度、自動化により、産業用途で主流を占めています。
市場占有率：
誘導: 45% (自動車、石油・ガス、鉱業)
浸炭: 30% (ギヤ、ベアリング)
窒化: 15% (クランクシャフト、押出機スクリュー)
レーザー: 5% (航空宇宙、医療)
炎: 5% (レガシー/修復)
高周波焼き入れの利点:
速度: 1 部あたり 1 ～ 5 秒 (歯)
精度: 2-8 mm ケース深さ ±0.5 mm
選択性: 特定のゾーン (ジャーナルを含む) のみを処理し、他のゾーンをマスクします。
自動化: CNC ターニングセンターに統合
浸炭の優位性: 高負荷ギアでは浸炭が依然として重要です。 925 ～ 955°C で 4 ～ 12 時間のガス浸炭により、0.8 ～ 1.2% の炭素が得られます。油中で焼入れするとマルテンサイトに変態します (60 ～ 63 HRC)。 真空浸炭 （低圧アセチレン）によりサイクルタイムが50%短縮され、粒界酸化が除去されます。
深さはプロセスとアプリケーションによって異なります。
| プロセス | 深さ範囲 | 公差 | アプリケーション |
|---|---|---|---|
| 誘導 | 0.5～8mm | ±0.5mm | シャフトジャーナル、ギア歯 |
| 浸炭 | 0.5～3mm | ±0.2mm | 自動車用歯車（0.8～1.2mm） |
| 窒化処理 | 0.1～0.8mm | ±0.1mm | クランクシャフト (0.4-0.6 mm) |
| レーザ | 0.5～2mm | ±0.2mm | 切削工具、金型 |
| ショットピーニング | 0.1～0.5mm | — | 応力プロファイルの深さ |
測定: ナイタールエッチング (2-5% 硝酸) により、色の変化によってケースの深さが明らかになります。 微小硬度プロファイリング (ASTM E384) は表面から内部に向かって硬度をマッピングします。硬化深さは、硬度が 50 HRC に低下する深さとして定義されます。
重要な設計ルール: 歯車の場合、硬化深さは 歯厚の 10 ～ 20%である必要があります 。浅すぎる (<5%) と剥離が発生します。深すぎる (>25%) とコアが脆くなります。
脆性を防ぐための主要な戦略:
1. 表面硬化（完全硬化ではない）
高周波焼入れ または 火炎焼入れ を使用して 、摩耗ゾーンのみを硬化します。
コアはパーライト/フェライト（硬い）のままですが、表面はマルテンサイト（硬い）です
2. 合金の選択
プレーンカーボン (1045) ではなく、を選択してください。 中炭素合金鋼 (4140、4340)
合金元素 (Cr、Mo、Ni) により硬化性が向上し、焼入れ速度 (油対水) が遅くなり、焼入れ割れが減少します。
3. 焼き戻し
焼入れ後、応力を緩和するために 400 ～ 600°F (1 ～ 2 時間) で焼き戻します。
硬度は 3 ～ 5 HRC ポイント低下しますが、靭性は 200 ～ 300% 増加します
ダブルテンパリング (2 サイクル) により、完全な変形と安定性が保証されます。
4. マルクエンチング（マルテンパリング）
350～400°Fの高温の油/溶融塩に入れて急冷し、均一な温度になるまで保持し、その後空冷します。
熱勾配を最小限に抑え、歪みや亀裂を 70% 削減します。
5. 極低温処理
焼き戻し後、-300°F で 24 ～ 36 時間急速冷凍します。
残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させ、応力を加えることなく硬度を 2 ～ 3 HRC 増加させます
実施例: 4140 ギア (0.40% C) を 1.0% C ケースまで浸炭し、油焼き入れし、450°F で焼き戻しします。結果: 表面 60 HRC、コア 35 HRC、シャルピー衝撃靭性 15 フィートポンド。
表面処理の採用を促進する 重大な制限:
1. 歪みと寸法変化
焼入れ歪み: 水焼入れにより 0.1 ～ 0.5% の寸法変化が生じる可能性があります。複雑な部品が予期せず歪む
矯正コスト: 熱処理後のプレス矯正の場合、1 部品あたり $50 ～ $200
研削材: 熱処理後の研削には片面あたり 0.005 ～ 0.020 インチを追加する必要があります
2. 脆さと亀裂
完全硬化 部品 (60 HRC) の衝撃靱性は 5 フィートポンド未満であり、衝撃荷重には耐えられません。
焼入れ亀裂: ストレスライザー (ねじ山、鋭い角) により、高炭素部品の 5 ～ 10% に亀裂が発生します。
水素脆化：浸炭やメッキによりH⁺が導入され、荷重がかかると遅れ破壊が発生します。
3. エネルギーと時間
炉サイクル: 1500 ～ 1800°F で 4 ～ 24 時間。エネルギーコスト 0.30 ～ 0.50 ドル/ポンド
雰囲気制御: 吸熱ガス発生器により資本コストが 10,000 ～ 50,000 ドル追加されます
バッチ処理: リーン製造とインライン表面硬化では非効率的
4. 材料の制限
低炭素鋼 (<0.30% C) は適切に硬化せず、表面の強化 (浸炭) が必要です
薄い部分 (<0.125') は硬化し、脆くなりすぎます
5. 環境への影響
クエンチオイル: EPA 規制;処分費用 2 ～ 5 ドル/ガロン
大気ガス: CO、CO₂、CH₄ 排出量 - 鋼材 1 トンあたり 10 ～ 20 トン CO₂eq
3 つの臨床目標:
1. 生体適合性の向上
チタンインプラント：アルカリ熱処理によりオッセオインテグレーション（骨の成長）を40～60％促進するナノトポグラフィーが生成され、治癒時間が12週間から6～8週間に短縮されます。
表面エネルギー: 陽極酸化により Ti の表面エネルギーが上昇し、タンパク質の吸着と細胞の付着が促進されます。
2. 耐食性と耐摩耗性
アマルガム充填：錫メッキにより腐食と限界漏れを防止
ステンレス器具: ASTM F1089 に基づく不動態化により、オートクレーブ滅菌 (134°C 蒸気) での孔食を防止します。
3. 接着剤による接合
複合充填材: 37% リン酸エッチングによりエナメル質に 5 ～ 10 µm のマイクロタグが作成され、20 ～ 30 MPa の接着強度を達成します。
セラミッククラウン：フッ酸エッチング+シランカップリング剤により15～20MPaでレジンセメントを磁器に接着
歯科矯正用ブラケット: プラズマ処理されたポリカーボネート製ブラケットは、治療中に剥離することなく、光硬化型接着剤を介してエナメル質に接着します。
特別な処理: 50 µm の Al₂O₃ 粒子による 空気研磨 により、接着のためのマイクロメカニカルな保持力が生じ、修復寿命が 30% 長くなります。
鉄鋼、コンクリート、木材に適用され、50 ～ 100 年の寿命を保証します。
構造用鋼:
橋梁・高層ビル向け 溶融亜鉛めっき（めっき量G90～G235）
現場溶接用の溶射亜鉛 (TSZ) - コーティング中の 85% の Zn が HDG と同じ寿命を実現
膨張性塗料: >500°F にさらされると厚さ 1' の泡に膨張し、梁に 2 時間の耐火性をもたらします。
コンクリート：
シラン/シロキサンシーラー: 3 ～ 8 mm 浸透し、吸水率 90%、塩化物侵入 70% を削減 (鉄筋腐食に重要)
高密度化剤 (ケイ酸ナトリウム): 遊離 Ca(OH)₂ と反応して CSH ゲルを形成し、表面硬度 30% と耐摩耗性を向上させます。
木材：
加圧処理: 銅アゾール (CA) が地面との接触部分に 0.40 pcf (ポンド/立方フィート) 浸透し、40 年間腐敗を防止します。
難燃剤: リン酸二アンモニウム処理によりクラス A の耐火等級 (延焼 <25) を達成
品質管理: ICRI (国際コンクリート修理協会) ガイドラインでは、コーティングの接着のためのコンクリート表面プロファイル チップによる表面プロファイル (CSP 3-5) を指定しています。
予防メンテナンスにより 道路寿命を 10 年から 20 年以上に延長します。
1.タックコート(アスファルト)
塗布: オーバーレイ前にアスファルト乳剤 (RS-1 または SS-1) を 0.05 ～ 0.10 ガロン/yd⊃2; スプレーします。
目的: 新旧アスファルト間の接着を行い、剥離を防止します。
重要な理由: タックがないと、オーバーレイのせん断強度が 60% 低下します。 2～3年以内に故障する
2. プライムコート（粒状ベース）
用途: MC-30 カットバック アスファルトを砕石ベースに 0.25 ～ 0.50 ガロン/yd⊃2; でスプレーします。
目的: 10 ～ 25 mm 浸透し、ばらばらの骨材を結合し、防湿層を提供します。
硬化: 舗装前に 24 ～ 72 時間
3.フォグシール
用途: 0.10 ～ 0.15 ガロン/yd⊃2; の希釈エマルジョン (水と 1:1)
目的: 小さな亀裂をシールし、酸化した表面に結合剤を復元し、寿命を 2 ～ 3 年延長します。
コスト: $0.50 ～ $1.50/yd⊃2; に対し、オーバーレイの場合は $5 ～ $10/yd⊃2;
4. チップシール（表面処理）
用途: アスファルトバインダー (0.30 ～ 0.40 ガロン/yd⊃2;) をスプレーし、骨材チップ (1/4' ～ 3/8') を埋め込みます。
目的: 防水、滑り抵抗の向上、亀裂のシール
耐用年数延長: 2 ～ 4 ドル/yd⊃2; で 5 ～ 7 年
5. スラリーシール
用途: エマルジョン、細骨材、セメントの厚さ 3/8 インチの混合物
目的: 表面を平らにし、小さなわだちを埋め、均一な黒色の外観を提供します。
帰りの交通量: 2 ～ 4 時間
「ブラック スタッフ」 : SS-1h アスファルト乳剤、「タック コート」は、黒い粘着性のスプレーです。 MC-30のカットバック は下塗りです。チップシールには CRS-2Pポリマー変性エマルジョンを 使用しています。
