金属の表面処理

鉄はなぜ雨風にさらされても錆びずにいられるのか？アルミニウム部品はどのようにして多彩な質感と美しい輝きを実現しているのか？そしてエンジン内部の部品は、どのようにして過酷な摩擦と高温に耐えているのか？この疑問を解く鍵は、全て「金属の表面処理」にあります。それは金属に「ステルス装甲」をまとわせるようなもので、材料の耐食性、耐摩耗性、美観を著しく向上させるだけでなく、特殊な機能特性をも付与します。本稿では、いくつかの核心的な金属表面処理技術を深く探求し、それらが金属製品の性能と価値を内側から外側までどのように高めているかを解説します。

表面処理技術とは、物理学、化学、金属学、熱処理などの先端技術を応用し、部品表面の状態および特性を意図的に改質する工法である。その目的は、素材の心部の特性と表面とを最適に組み合わせ、所定の性能要求を達成することにある。 

表面処理は、耐食性、耐磨耗性、耐疲労性といった基本特性を向上させるだけでなく、外観美、摩擦係数、導電性・絶縁性、溶接性、表面粗さといった多様な機能を付与・改善する役割を果たします。さらに、金属部品の残留応力を除去し、寸法安定性を確保する上でも重要な工程です。

表面処理技術は、大きく以下の4つに分類できます：表面改質技術、表面合金化技術、表面転換膜技術、および表面被覆技術です。

表面改質技術とは、物理的または化学的方法などを通じて、素材表面の形状、相組成、微細構造、欠陥状態、応力状態を変化させ、所定の性能を持つ表面層を形成する技術を指します。このプロセスでは、素材表面の化学組成自体は変化しません。代表的なプロセスとしては、表面焼入れ、レーザー表面強化、ショットブラスト、ローリング、ワイヤードローイング、パフなどが挙げられます。

表面合金化技術とは、物理的な方法により添加元素を母材に拡散・浸透させ、表面に合金層を形成することで、要求される性能を部品の表面に付与します。例として、浸炭や窒化などが挙げられます。

表面転換膜技術とは、母材に添加素材を反応させ、表面に皮膜を形成させる処理技術です。これにより、素材に求められる機能性を付与します。代表的な例として、黒染め、パーカー処理、アノダイジングなどが挙げられます。

表面被膜技術とは、物理的または化学的手法を用いて、基材表面に機能性材料をコーティング・皮膜として形成させ、所望の特性を付与する表面処理技術です。基材自体は皮膜形成に直接関与しません。代表的な例として、溶射、真空蒸着、電気めっき、気相堆積（PVD／CVD）などが挙げられます。

金属部品に最適な表面処理は、素材の種類・使用環境・性能要求という3つの核心要素によって決定されます。ここでは、代表的な金属素材ごとに、推奨される表面処理について詳しくご紹介します。

炭素鋼は、そのままでは硬度が不足し、酸化・腐食に弱いという課題があります。これを改善するため、亜鉛メッキやクロムメッキによる防錆、窒化による表面硬化、あるいはリン酸塩処理、黒染め、サンドブラストなどの処理が広く採用されています。

下図はSS400材質にユニクロ（白）処理を施した部品です。ユニクロ（白）処理は、さびを防ぐのはもちろん、スタイリッシュで清潔な印象をプラスし、製品の美観を引き立てます。               

下図は、S45Cを素材とし、表面に窒化処理とサンドブラスト処理を施した部品です。窒化処理により、ワーク表面は高い硬度、優れた耐磨耗性、疲労強度、耐食性を発揮します。さらに、窒化処理後のサンドブラスト処理により、表面の清浄化を図るとともに、マット調の外観を実現しています。

下図はS45C材質で、表面はクロムメッキ処理を施した部品です。クロムメッキ処理は、金属部品の硬度と耐磨耗性を高めるだけでなく、優れた金属質感と美観をも実現します。

黒染めは、鋼材を空気-水蒸気または化学薬品中で適切な温度に加熱し、表面に青色または黒色の酸化皮膜を形成させる工程です。この処理により、素材の耐食性が向上するだけでなく、滑らかで光沢のある美しい表面仕上がりを得ることができます。下図は、黒染めを施したS45C材の表面状態を示しています。

ワークピースをリン酸塩処理液に浸漬し、表面に水不溶性の結晶性リン酸塩皮膜を形成させるプロセスはパーカー処理と呼ばれます。パーカー処理後は、細孔を封鎖することで防錆性能を発揮させます。下図は、S45C材質の部品にパーカー処理を施した表面の状態を示しています。

工具鋼（SKD11、SK3、SKH51）は、適度な硬度を持つ一方で、更なる耐磨耗性・潤滑性・抗付着性を付与するため、チタンコーティング（TiC、TiN）やクロムメッキ、ニッケルメッキ、黒染め、パフなどの表面処理が広く採用されています。

下図は、SKD11材質で、ニッケルメッキ処理を施した部品の表面状態を示しています。

下図は、SKD11材質で、クロムメッキ処理を施した部品の表面状態を示しています。

パフは部品表面を修飾する仕上げ加工方法の一つです。下図は、SKD11材質で、パフ処理を施した部品の表面状態を示しています。

下図は、SKD11材質で、低温TiC処理を施した部品の表面状態を示しています。

下図は、SK3材質で、黒染め処理を施した部品の表面状態を示しています。

チタンコーティングは、主にワーク表面の耐磨耗性向上を目的としています。下図はSKH51材質の部品にチタンコーティング処理を施した表面の状態を示しています。

プラスチック金型鋼（NAK80）は、表面腐食を受けやすい特性があるため、一般的に硬質クロムめっき、ニッケルめっき、窒化、サンドブラスト、パフなどの処理が施されます。下図はNAK80材質の部品に硬質クロムメッキ処理とパフ処理を施した表面の状態を示しています。

ニッケルめっき皮膜は、高い耐食性と優れた硬度を兼ね備えている点が特長です。空気中での安定性に加え、大気やアルカリ、一部の酸にも強く、腐食から素材を保護します。さらに、その硬さにより摩耗に対する抵抗力が高く、部品や製品の耐久性向上に大きく貢献します。下図はNAK80材質の部品にニッケルメッキ処理とパフ処理を施した表面の状態を示しています。

サンドブラストは、主に機械部品の強度及び耐磨耗性、疲労抵抗、耐腐食性を向上させるために用いられます。また、表面の消光処理、酸化皮膜の除去、鋳造・鍛造・溶接部品の残留応力の除去にも適用されます。下図はNAK80材質の部品にサンドブラスト処理を施した表面の状態を示しています。

下図はA2017材質の部品に硬質アルマイト（グレイ）処理を施した表面の状態を示しています。

下図はA6061材質の部品に硬質アルマイト（白）処理を施した表面の状態を示しています。

下図はアルミ材質の部品に黒アルマイト処理を施した表面の状態を示しています。

当社では、長年にわたり培った成熟したプロセス体系と専門設備により、多様な表面処理技術を確立してまいりました。外観美の向上、耐食性の強化、機械的特性の改善など、お客様のあらゆるご要望に、めっき・化学処理・機械加工など多様な技術アプローチでお応えします。 現在、当社が有する表面処理技術は以下の通りです： めっき技術 ユニクロめっき、ニッケルめっき、クロムめっき、チタンめっき
化学処理技術 アナダイジング処理、黒染め処理、パーカー処理、浸炭処理、窒化処理
機械処理技術 サンドブラスト、ローリング加工、パフ加工
高性能コーティング技術 TiALN、TiALCN、AlCrN、AlCrTiN、TiN、CrN、TiCN、DLC、PVDコーティング