部品が仕様通りに加工されていることを確認しました。次に、顧客が期待する条件下でこれらの部品を保護するための対策を講じていることを確認してください。#基本
不動態化処理は、ステンレス鋼製の機械加工部品や組立品の基本的な耐食性を最大限に高める上で、依然として重要な工程です。この処理の成否によって、満足のいく性能が得られるか、早期に故障してしまうかが決まります。不動態化処理が不適切に行われると、かえって腐食を引き起こす可能性があります。
不動態化処理は、加工後の工程で、加工対象物を構成するステンレス鋼合金本来の耐食性を最大限に高めるための処理方法です。スケール除去処理でも、塗装処理でもありません。
不動態化がどのように機能するかの正確なメカニズムについては、一般的な合意はありません。しかし、不動態化されたステンレス鋼の表面には保護酸化皮膜が存在することは確かです。この目に見えない皮膜は非常に薄く、厚さは0.0000001インチ未満、人間の髪の毛の約10万分の1の厚さだと考えられています。
洗浄済み、新しく機械加工、研磨、または酸洗されたステンレス鋼部品は、大気中の酸素にさらされることで自動的にこの酸化皮膜を形成します。理想的な条件下では、この保護酸化層が部品のすべての表面を完全に覆います。
しかし実際には、加工中に工場内の汚れや切削工具からの鉄粉などの汚染物質がステンレス鋼部品の表面に付着することがあります。これらの異物が除去されない場合、元の保護膜の効果が低下する可能性があります。
機械加工中、微量の遊離鉄が工具から摩耗し、ステンレス鋼の加工物の表面に付着することがあります。場合によっては、部品に薄い錆の層が現れることがあります。これは実際には、母材ではなく、工具による鋼の腐食です。まれに、切削工具やその腐食生成物から生じた鋼の粒子が隙間に埋め込まれ、部品自体が侵食されることがあります。
同様に、鉄系の工場汚れの微粒子が部品の表面に付着することもあります。金属は機械加工された状態では光沢があるように見えますが、空気に触れると、目に見えない遊離鉄粒子によって表面が錆びることがあります。
露出した硫化物も問題となる可能性があります。硫化物は、加工性を向上させるためにステンレス鋼に硫黄を添加することによって生じます。硫化物は、切削加工中に合金が切りくずを形成しやすくし、切りくずが切削工具から完全に剥がれ落ちることがあります。部品が適切に不動態化処理されていない限り、硫化物は製造製品の表面腐食の起点となる可能性があります。
どちらの場合も、ステンレス鋼の自然な耐食性を最大限に引き出すためには、不動態化処理が必要です。不動態化処理は、錆の原因となる可能性のある、鉄系の工場汚れ粒子や切削工具中の鉄粒子などの表面汚染物質を除去します。また、快削性ステンレス鋼合金の表面に露出した硫化物も除去します。
最高の耐食性を得るには、2段階の手順が必要です。1. 洗浄（基本的だが、時として見落とされがちな手順）。2. 酸浴または不動態化処理。
清掃は常に最優先事項です。最適な耐腐食性を確保するためには、表面からグリース、クーラント、その他の工場内の汚れを徹底的に除去する必要があります。機械加工による破片やその他の工場内の汚れは、部品から丁寧に拭き取ることができます。プロセスオイルやクーラントの除去には、市販の脱脂剤や洗浄剤を使用できます。熱酸化物などの異物は、研削や酸洗などの方法で除去する必要がある場合があります。
機械オペレーターは、グリースが付着した部品を酸浴に浸すだけで​​洗浄と不動態化が同時に行われると誤解し、基本的な洗浄を省略してしまうことがあります。しかし、これは間違いです。逆に、汚染されたグリースは酸と反応して気泡を発生させます。これらの気泡がワークピースの表面に集まり、不動態化を妨げます。
さらに悪いことに、塩化物濃度が高い場合もある不動態化溶液の汚染は、「フラッシュ」を引き起こす可能性があります。光沢があり、清潔で、耐腐食性のある表面を持つ望ましい酸化皮膜を得るのとは異なり、フラッシュエッチングは、表面がひどくエッチングされたり、黒ずんだりする結果になる可能性があり、これは不動態化が最適化するように設計されている表面劣化です。
マルテンサイト系ステンレス鋼（磁性があり、耐食性は中程度、降伏強度は約280 ksi（1930 MPa）まで）で作られた部品は、高温で焼き入れされ、その後焼き戻しされて、所望の硬度と機械的特性が確保されます。析出硬化型合金は、マルテンサイト系合金よりも強度と耐食性に優れており、固溶化処理、部分的な機械加工、低温での時効処理、そして仕上げ加工が可能です。
この場合、熱処理の前に、部品を脱脂剤または洗浄剤で徹底的に洗浄し、切削油の痕跡をすべて除去する必要があります。そうしないと、部品に残った切削油が過度の酸化を引き起こす可能性があります。この状態は、酸または研磨法でスケールを除去した後、寸法が小さい部品にへこみが生じる原因となる可能性があります。真空炉や保護雰囲気など、光沢のある硬化部品に切削油が残ったままになっていると、表面浸炭が発生し、耐食性が失われる可能性があります。
十分に洗浄した後、ステンレス鋼部品を不動態化酸浴に浸漬することができます。硝酸不動態化、硝酸と二クロム酸ナトリウムによる不動態化、クエン酸不動態化の3つの方法のいずれかを使用できます。どの方法を使用するかは、ステンレス鋼のグレードと指定された合格基準によって異なります。
耐食性の高いクロムニッケル鋼は、20% (v/v) 硝酸浴で不動態化処理できます (図 1)。表に示すように、耐食性の低いステンレス鋼は、硝酸浴に二クロム酸ナトリウムを加えることで不動態化処理できます。これにより、溶液の酸化性が高まり、金属表面に不動態皮膜を形成できるようになります。硝酸の代わりにクロム酸ナトリウムを使用する別の方法として、硝酸の濃度を体積比で 50% に上げる方法があります。二クロム酸ナトリウムの添加と硝酸の濃度を高めることで、望ましくないフラッシュが発生する可能性を低減できます。
快削ステンレス鋼の不動態化処理（図1にも示されている）は、非快削ステンレス鋼の不動態化処理とは多少異なる。これは、一般的な硝酸浴での不動態化処理中に、硫黄を含む被削性ステンレス鋼の硫化物の一部または全部が除去され、加工部品の表面に微細な不連続部が生じるためである。
一般的に効果的な水洗いを行ったとしても、不動態化処理後にこれらの不連続部に残留酸が残る可能性があります。この酸は、中和または除去されない限り、部品の表面を侵食します。
加工しやすいステンレス鋼を効果的に不動態化するために、カーペンター社は残留酸を中和するAAA（アルカリ-酸-アルカリ）プロセスを開発しました。この不動態化方法は2時間以内に完了できます。以下にその手順を示します。
脱脂後、部品を 160°F ～ 180°F (71°C ～ 82°C) の 5% 水酸化ナトリウム溶液に 30 分間浸します。次に、部品を水で十分にすすぎます。次に、部品を 120°F ～ 140°F (49°C ～ 60°C) の 20% (v/v) 硝酸溶液 (3 oz/gal (22 g/l) 二クロム酸ナトリウムを含む) に 30 分間浸します。部品を浴槽から取り出した後、水ですすぎ、さらに 30 分間水酸化ナトリウム溶液に浸します。部品を再び水ですすぎ、乾燥させて、AAA 法を完了します。
クエン酸による不動態化処理は、鉱酸や二クロム酸ナトリウムを含む溶液の使用、およびそれらの使用に伴う廃棄問題や安全性の懸念を避けたい製造業者の間でますます人気が高まっています。クエン酸はあらゆる面で環境に優しいと考えられています。
クエン酸による不動態化処理は魅力的な環境上の利点を提供する一方で、無機酸による不動態化処理で成功を収めており、安全上の懸念がない工場は、現状維持を望むかもしれません。こうしたユーザーが、清潔な工場、適切に維持管理され清潔な設備、鉄分による工場内の汚れのない冷却液、そして良好な結果を生み出すプロセスを備えている場合、変更の必要性はほとんどないかもしれません。
クエン酸浴による不動態化は、図2に示すように、いくつかの個別のステンレス鋼グレードを含む、幅広いステンレス鋼に有効であることがわかっています。便宜上、図1に示す従来の硝酸不動態化法も併せて示します。古い硝酸配合は体積パーセントで表され、新しいクエン酸濃度は重量パーセントで表されていることに注意してください。これらの手順を実行する際には、前述の「フラッシング」を避けるために、浸漬時間、浴の温度、濃度を慎重にバランスさせることが重要です。
不動態化処理は、各グレードのクロム含有量と加工特性に応じて異なります。プロセス1またはプロセス2を参照する列に注意してください。図3に示すように、プロセス1はプロセス2よりもステップ数が少なくなっています。
実験室での試験により、クエン酸による不動態化処理は硝酸による処理よりも「フラッシュ腐食」を起こしやすいことが示されています。この腐食を引き起こす要因としては、浴温が高すぎること、浸漬時間が長すぎること、浴の汚染などが挙げられます。腐食抑制剤や湿潤剤などの添加剤を含むクエン酸製品は市販されており、「フラッシュ腐食」に対する感受性を低減することが報告されています。
最終的な不動態化処理方法は、顧客が定める受入基準によって決定されます。詳細はASTM A967を参照してください。ASTM A967はwww.astm.orgで閲覧できます。
不動態化処理された部品の表面を評価するために、しばしば試験が実施されます。ここで問われるのは、「不動態化処理は遊離鉄を除去し、快削鋼の耐食性を最適化するのか？」ということです。
試験方法は、評価対象となるグレードに合致していることが重要です。厳しすぎる試験では、全く問題のない材料でも不合格となり、緩すぎる試験では、不十分な部品でも合格となってしまう可能性があります。
400系析出硬化型および快削ステンレス鋼は、95°F (35°C) で 24 時間 100% の湿度 (サンプルが湿っている状態) を維持できるキャビネットで評価するのが最適です。断面は、特に快削鋼の場合、最も重要な表面となることがよくあります。その理由の 1 つは、硫化物が機械加工方向に伸びてこの表面と交差するためです。
重要な表面は上向きに配置する必要がありますが、水分の蒸発を考慮して垂直方向から15～20度の角度で配置してください。適切に不動態化処理された材料は、わずかな変色が見られることはあっても、ほとんど錆びません。
オーステナイト系ステンレス鋼は、湿度試験によって評価することもできます。この試験では、試料の表面に水滴が付着し、錆が発生することで遊離鉄の存在が示されます。
一般的に使用される快削性ステンレス鋼と非快削性ステンレス鋼をクエン酸または硝酸溶液で不動態化処理するには、異なるプロセスが必要です。下の図3は、プロセス選択の詳細を示しています。
(a) 水酸化ナトリウムでpHを調整する。(b) 図3を参照。(c) Na2Cr2O7は、20%硝酸中の二クロム酸ナトリウム3オンス/ガロン（22g/l）を表す。この混合物の代替として、二クロム酸ナトリウムを含まない50%硝酸を用いる。
より迅速な方法として、ASTM A380「ステンレス鋼部品、機器、システムの洗浄、スケール除去、不動態化の標準実施方法」に記載されている方法があります。この試験では、部品を硫酸銅/硫酸溶液で拭き、6分間湿った状態に保ち、銅めっきの有無を観察します。あるいは、部品を溶液に6分間浸漬することもできます。鉄が溶解すれば、銅めっきが発生します。この試験は食品加工部品の表面には適用されません。また、400系マルテンサイト鋼や低クロムフェライト鋼には使用しないでください。偽陽性の結果が出る可能性があります。
歴史的に、95°F (35°C) での 5% 塩水噴霧試験も、不動態化処理されたサンプルを評価するために使用されてきました。この試験は一部のグレードには厳しすぎるため、一般的に不動態化処理が効果的であることを確認するために必要ではありません。
塩化物濃度が高すぎると有害なフラッシュアタックを引き起こす可能性があるため、使用を避けてください。可能であれば、塩化物濃度が50ppm未満の高品質な水のみを使用してください。水道水は通常十分であり、場合によっては数百ppmの塩化物濃度まで許容できます。
不動態化電位の低下を防ぎ、落雷や部品の損傷を回避するために、定期的に浴槽を交換することが重要です。また、浴槽は適切な温度に維持する必要があります。温度が急激に上昇すると、局所的な腐食が発生する可能性があります。
大量生産時には、汚染の可能性を最小限に抑えるため、非常に厳密な溶液交換スケジュールを維持することが重要です。コントロールサンプルを使用して、浴槽の有効性をテストしました。サンプルが侵食された場合は、浴槽を交換する時期です。
特定の機械はステンレス鋼のみを加工するため、ステンレス鋼の切削には推奨される切削液を使用し、他の金属の切削には使用しないでください。
DOラックの部品は、金属同士の接触を避けるため、個別に処理されます。これは、特に快削ステンレス鋼の場合に重要です。硫化物腐食生成物を拡散させ、酸性ポケットの形成を防ぐためには、流動性の高い不動態化溶液と洗浄液が必要となるためです。
浸炭処理または窒化処理を施したステンレス鋼部品には、不動態化処理を行わないでください。そのような処理を施した部品は、耐食性が低下し、不動態化浴中で腐食される可能性があります。
清潔でない作業場では、鉄製の工具を使用しないでください。超硬工具やセラミック工具を使用することで、鋼の研磨粉の発生を防ぐことができます。
部品が適切に熱処理されていない場合、不動態化浴中で腐食が発生する可能性があることを忘れないでください。高炭素、高クロムのマルテンサイト系鋼は、耐食性を確保するために硬化処理が必要です。
不動態化処理は通常、耐食性を維持する温度を用いたその後の焼き戻し処理の後に行われる。
不動態化浴中の硝酸濃度を無視しないでください。カーペンター社が提供する簡単な滴定法を用いて定期的にチェックしてください。一度に複数のステンレス鋼を不動態化しないでください。これにより、費用のかかる混乱を防ぎ、ガルバニック腐食を回避できます。
著者について：テリー・A・デボルドはステンレス鋼合金の研究開発スペシャリストであり、ジェームズ・W・マーティンはカーペンター・テクノロジー社（ペンシルベニア州レディング）の棒鋼冶金学者です。
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