部品が仕様通りに機械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でこれらの部品を保護するための手順を踏んでいることを確認します。#基本
不動態化は、ステンレス製の機械加工部品およびアセンブリの基本的な耐腐食性を最大限に高める上で依然として重要なステップです。不動態化は、満足のいくパフォーマンスと早期の故障の違いを生む可能性があります。不適切に実行すると、実際に腐食を引き起こす可能性があります。
不動態化は、ワークピースを製造するステンレス鋼合金の固有の耐食性を最大限に高める、製造後の方法です。スケール除去処理でも塗装でもありません。
不動態化がどのように機能するかについての正確なメカニズムについては、一般的なコンセンサスはありません。しかし、不動態化されたステンレス鋼の表面には保護用の酸化膜があることは確かです。この目に見えない膜は、厚さ 0.0000001 インチ未満、つまり人間の髪の毛の約 1/100,000 という極めて薄いと考えられています。
清潔で、新しく機械加工、研磨、または酸洗いされたステンレス鋼部品は、大気中の酸素にさらされるため、この酸化膜が自動的に形成されます。理想的な条件下では、この保護酸化物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、機械加工中に工場の汚れや切削工具からの鉄粒子などの汚染物質がステンレス鋼部品の表面に移行する可能性があります。これらの異物が除去されない場合、元の保護フィルムの有効性が低下する可能性があります。
機械加工中に、微量の遊離鉄が工具から摩耗し、ステンレス鋼のワークピースの表面に移行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、母材の腐食ではなく、工具による鋼の腐食です。場合によっては、切削工具またはその腐食生成物から埋め込まれた鋼の粒子の隙間が、部品自体の侵食を引き起こすことがあります。
同様に、鉄の工場の汚れの小さな粒子が部品の表面に付着することもあります。機械加工された状態では金属は光沢があるように見えますが、空気にさらされると、目に見えない遊離鉄の粒子が表面の錆を引き起こす可能性があります。
露出した硫化物も問題となる可能性があります。これは、機械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で発生します。硫化物は、機械加工中に合金が切削片を形成する能力を高め、切削工具から完全に剥がれ落ちる可能性があります。部品が適切に不動態化されていないと、硫化物は製造された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、ステンレス鋼本来の耐腐食性を最大限に高めるには不動態化が必要です。不動態化では、錆の原因になったり腐食の起点となる可能性のある、工場内の鉄の汚れや切削工具内の鉄粒子などの表面汚染物質を除去します。また、不動態化では快削ステンレス鋼合金の表面に露出している硫化物も除去します。
2 段階の手順により、最高の耐腐食性が実現されます。1. 洗浄 (基本的な手順ですが、見落とされることもあります)。2. 酸浴または不動態化処理。
清掃は常に優先する必要があります。最適な耐腐食性を得るには、表面からグリース、冷却剤、その他の作業場の残骸を徹底的に除去する必要があります。機械加工の残骸やその他の作業場の汚れは、部品から慎重に拭き取ることができます。プロセスオイルや冷却剤を除去するには、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、研磨や酸洗いなどの方法で除去する必要がある場合があります。
機械のオペレータは、グリースを含んだ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する場合があります。これは起こりません。逆に、汚染されたグリースは酸と反応して気泡を形成します。これらの気泡は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、高濃度の塩化物を含むこともある不動態化溶液の汚染によって「フラッシュ」が発生する可能性があります。光沢のある、きれいな、耐腐食性の表面を持つ目的の酸化膜を得るのとは異なり、フラッシュエッチングでは表面がひどくエッチングされたり黒ずんだりする可能性があります。これは不動態化が最適化する表面劣化です。
マルテンサイト系ステンレス鋼（磁性、中程度の耐腐食性、降伏強度が最大約 280 ksi（1930 MPa））製の部品は、高温で硬化され、その後、焼き戻しされて、必要な硬度と機械的特性が確保されます。マルテンサイト系合金よりも強度と耐腐食性に優れた析出硬化型合金は、溶体化処理、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、切削液の痕跡をすべて取り除く必要があります。そうしないと、部品に残った切削液によって過度の酸化が発生する可能性があります。この状態では、酸または研磨方法でスケールを除去した後に、小さすぎる部品にへこみが生じる可能性があります。切削液が真空炉や保護雰囲気内などの光沢のある硬化部品に残っていると、表面の浸炭が発生し、耐食性が失われる可能性があります。
徹底的に洗浄した後、ステンレス鋼部品を不動態化酸槽に浸すことができます。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、クエン酸による不動態化の 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受け入れ基準によって異なります。
耐食性が高いクロムニッケル グレードは、20% (v/v) 硝酸浴で不動態化できます (図 1)。表に示すように、耐食性の低いステンレス鋼は、硝酸浴に重クロム酸ナトリウムを追加して溶液をさらに酸化させ、金属表面に不動態化膜を形成させることで不動態化できます。硝酸をクロム酸ナトリウムに置き換える別のオプションは、硝酸の濃度を 50 体積% に上げることです。重クロム酸ナトリウムの追加と硝酸の高濃度の両方により、望ましくないフラッシュが発生する可能性が減ります。
快削性ステンレス鋼の不動態化処理手順 (図 1 にも示されています) は、快削性でないステンレス鋼グレードの手順とは若干異なります。これは、一般的な硝酸浴槽での不動態化処理中に、硫黄を含む機械加工グレードの硫化物の一部またはすべてが除去され、機械加工された部品の表面に微細な不連続性が生じるためです。
一般的に効果的な水洗浄でも、不動態化後にこれらの不連続部分に酸が残留す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、部品の表面を攻撃します。
機械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 時間以内に完了します。手順は次のとおりです。
脱脂後、部品を5%水酸化ナトリウム溶液に71℃～82℃（160°F～180°F）で30分間浸します。その後、部品を水でよくすすいでください。次に、22g/l（3オンス/ガロン）の二クロム酸ナトリウムを含む20%（v/v）硝酸溶液に49℃～60℃（120°F～140°F）で30分間浸します。部品を浴槽から取り出した後、水で洗い流し、さらに30分間水酸化ナトリウム溶液に浸します。部品を再び水で洗い流し、乾燥させてAAAメソッドを完了します。
クエン酸による不動態化は、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回避したいメーカー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点で環境に優しいと考えられています。
クエン酸不動態化は環境面で魅力的な利点がありますが、無機酸不動態化で成功を収め、安全上の懸念がない工場では、この方法を継続することが望ましい場合があります。これらのユーザーが清潔な工場、よく保守された清潔な装置、鉄工場の汚れのない冷却剤、良好な結果を生み出すプロセスを備えている場合は、実際に変更する必要はないかもしれません。
図 2 に示すように、クエン酸浴での不動態化は、いくつかの個別のステンレス鋼グレードを含む、広範囲の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 には従来の硝酸不動態化方法も含まれています。古い硝酸配合は体積パーセントで表されていますが、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。これらの手順を実施するときは、前述の「フラッシュ」を回避するために、浸漬時間、浴温度、および濃度を慎重にバランスさせることが重要であることに注意することが重要です。
不動態化処理は、各グレードのクロム含有量と機械加工特性によって異なります。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 にはプロセス 2 よりも少ない手順が含まれます。
実験室でのテストにより、クエン酸不動態化処理は硝酸処理よりも「フラッシュ腐食」が発生しやすいことがわかっています。この腐食を引き起こす要因としては、浴温度が高すぎる、浸漬時間が長すぎる、浴の汚染などが挙げられます。腐食防止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と報告されています。
不動態化方法の最終的な選択は、顧客が課す受入れ基準によって決まります。詳細については、ASTM A967 を参照してください。www.astm.org からアクセスできます。
不動態化処理された部品の表面を評価するためにテストが頻繁に実行されます。答えるべき質問は、「不動態化によって遊離鉄が除去され、快削材種の耐食性が最適化されるか？」です。
テスト方法が評価されるグレードに一致していることが重要です。テストが厳しすぎると、完全に正常な材料が不合格になり、テストが緩すぎると、不合格の部品が合格になります。
400 シリーズの析出硬化および快削性ステンレス鋼は、95°F (35°C) で 24 時間、湿度 100% (サンプルが湿っている) を維持できるキャビネット内で評価するのが最適です。快削グレードの場合、特に断面が最も重要な表面になることがよくあります。その理由の 1 つは、硫化物が機械方向に引き伸ばされ、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、湿気の損失を考慮して垂直から 15 ～ 20 度の角度で配置する必要があります。適切に不動態化された素材は、わずかな汚れが見られる場合もありますが、ほとんど錆びません。
オーステナイト系ステンレス鋼のグレードは湿度テストによっても評価できます。テストを行うと、サンプルの表面に水滴が存在し、錆の存在によって遊離鉄が示されるはずです。
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溶液または硝酸溶液で不動態化する手順には、異なるプロセスが必要です。下の図 3 にプロセス選択の詳細を示します。
(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3オンス/ガロン（22 g/l）の二クロム酸ナトリウムを表す。この混合物の代替品は、二クロム酸ナトリウムを含まない50%硝酸である。
より速い方法は、ASTM A380「ステンレス鋼部品、装置、システムの洗浄、スケール除去、不動態化に関する標準手順」に記載されている解決策を使用することです。このテストでは、硫酸銅/硫酸溶液で部品を拭き、6分間湿らせたままにして銅めっきの有無を観察します。代わりに、部品を溶液に6分間浸すこともできます。鉄が溶解すると銅めっきが発生します。このテストは食品加工部品の表面には適用されません。また、偽陽性の結果が発生する可能性があるため、400シリーズのマルテンサイト鋼または低クロムフェライト鋼には使用しないでください。
歴史的には、95°F (35°C) での 5% 塩水噴霧試験も、不動態化されたサンプルの評価に使用されてきました。この試験は、グレードによっては厳しすぎるため、不動態化が有効であることを確認するために通常は必要ありません。
有害なフラッシュアタックを引き起こす可能性がある過剰な塩化物の使用は避けてください。可能であれば、塩化物濃度が 50 ppm 未満の高品質の水のみを使用してください。通常は水道水で十分であり、場合によっては数百 ppm までの塩化物にも耐えることができます。
不動態化能力を失わないように、浴槽を定期的に交換することが重要です。不動態化能力を失うと、落雷や部品の損傷につながる可能性があります。浴槽は適切な温度に維持する必要があります。温度が急上昇すると、局所的な腐食が発生する可能性があります。
汚染の可能性を最小限に抑えるために、大量生産時には、非常に具体的な溶液交換スケジュールを維持することが重要です。浴槽の有効性をテストするために、コントロール サンプルが使用されました。サンプルが侵食されている場合は、浴槽を交換する時期です。
特定のマシンはステンレス鋼のみを製造することを指定してください。ステンレス鋼を切断するには、他のすべての金属を除いて、同じ推奨クーラントを使用してください。
DO ラック部品は、金属同士の接触を避けるために個別に処理されます。これは、快削ステンレス鋼の場合に特に重要です。硫化物腐食生成物を拡散させ、酸ポケットの形成を防ぐために、自由に流れる不動態化およびフラッシング溶液が必要だからです。
浸炭または窒化されたステンレス鋼部品を不動態化しないでください。このように処理された部品の耐食性は、不動態化槽内で攻撃される程度まで低下する可能性があります。
特に清潔でない作業場環境では、鉄工具を使用しないでください。鋼の砂利は、炭化物またはセラミック工具を使用することで回避できます。
部品が適切に熱処理されていない場合、不動態化槽内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グレードは、耐腐食性を確保するために硬化する必要があります。
不動態化は通常、耐食性を維持する温度でその後の焼戻しを行った後に実行されます。
不動態化槽内の硝酸濃度を無視しないでください。Carpenter が提供する簡単な滴定手順を使用して、定期的にチェックを行う必要があります。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、コストのかかる混乱を防ぎ、ガルバニック反応を回避できます。
著者について: Terry A. DeBold はステンレス鋼合金の研究開発の専門家であり、James W. Martin は Carpenter Technology Corp. (ペンシルベニア州レディング) の棒状冶金学者です。
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