部品が仕様通りに製造されていることを確認しました。次は、お客様が期待する環境でこれらの部品を保護するための対策を講じてください。#base
ステンレス鋼から機械加工された部品やアセンブリの耐食性を最大限に高めるには、不動態化が依然として重要なステップです。この不動態化は、満足のいく性能を得るか、早期の故障につながるかを左右する可能性があります。不動態化が適切でないと、腐食を引き起こす可能性があります。
不動態化処理とは、加工品の原料であ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、製造後の処理技術です。スケール除去や塗装とは異なります。
不動態化の正確なメカニズムについては、まだ明確な見解が得られていません。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膜が存在することは確かです。この目に見えない膜は極めて薄く、厚さは0.0000001インチ未満、つまり人間の髪の毛の約10万分の1と言われています。
清潔で、機械加工、研磨、または酸洗されたばかりの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表面全体を完全に覆います。
しかし実際には、工場の汚れや切削工具からの鉄粉などの汚染物質が加工中にステンレス鋼部品の表面に付着することがあります。これらの異物を除去しないと、本来の保護膜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除去され、ステンレス鋼のワークピースの表面に移ることがあります。場合によっては、部品に薄い錆層が現れることがあります。これは実際には工具鋼の腐食であり、母材の腐食ではありません。切削工具から埋め込まれた鋼粒子やその腐食生成物による亀裂が、部品自体を侵食することもあります。
同様に、鉄系冶金学的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。金属は仕上げ段階で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粒子が表面に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、ステンレス鋼に硫黄を添加することで切削性を向上させるものです。硫化物は切削中に切削片を形成しやすくし、切削工具から完全に除去することができます。部品が適切に不動態化されていない場合、硫化物は工業製品の表面腐食の起点となる可能性があります。
いずれの場合も、ステンレス鋼本来の耐食性を最大限に高めるには、不動態化処理が必要です。不動態化処理は、錆の発生や腐食の起点となる可能性のある鉄粒子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、不動態化処理は、オープンカットされたステンレス鋼合金の表面に存在す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。これは主な手順ですが、無視されることもあります。2. 酸浴または不動態化。
洗浄は常に最優先事項です。最適な耐腐食性を確保するには、表面からグリース、クーラント、その他のゴミを徹底的に除去する必要があります。加工時のゴミや工場内の汚れは、部品から優しく拭き取ることができます。加工油やクーラントを除去するには、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、油を塗布した部品を酸浴に浸すだけで​​洗浄と不動態化が同時に起こると誤解し、基本的な洗浄を省略することがあります。しかし、これは起こりません。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。これらの気泡はワーク表面に集まり、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は、「フラッシュ」現象を引き起こす可能性があります。望ましい酸化膜を形成し、光沢があり、清潔で耐腐食性のある表面を得るのとは対照的に、フラッシュエッチングは表面の深刻なエッチングや黒化を引き起こす可能性があります。これは、不動態化の本来の目的である表面の劣化です。
マルテンサイト系ステンレス鋼部品（磁性、中程度の耐食性、最大約28万psi（1930MPa））は、高温で焼入れ後、焼戻し処理を施すことで、所望の硬度と機械的特性が得られます。析出硬化型合金（マルテンサイト系よりも優れた強度と耐食性を有する）は、溶体化処理後、部分的な機械加工を行い、低温で時効処理を施した後、仕上げ加工を施すことができます。
この場合、熱処理前に部品を脱脂剤または洗浄剤で徹底的に洗浄し、切削液の痕跡を完全に除去する必要があります。そうしないと、部品に残留したクーラント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、酸や研磨剤による脱スケール後に小型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下など、光沢のある硬化部品にクーラントが残留すると、表面浸炭が発生し、耐食性が低下する可能性があります。
ステンレス鋼部品は、徹底的な洗浄後、不動態化酸浴に浸漬することができます。硝酸不動態化、硝酸と重クロム酸ナトリウムの不動態化、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受入基準によって異なります。
耐食性に優れたニッケルクロム鋼は、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、硝酸浴に重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。重クロム酸ナトリウムは、溶液の酸化力を高め、金属表面に不動態化皮膜を形成させます。硝酸の代わりにクロム酸ナトリウムを使用するもう一つの方法は、硝酸の濃度を50%（体積比）に上げることです。重クロム酸ナトリウムの添加と硝酸の高濃度化の両方により、望ましくないフラッシュの発生確率が低下します。
切削可能なステンレス鋼（図1参照）の不動態化処理手順は、切削不可能なステンレス鋼の手順とは若干異なります。これは、硝酸浴中での不動態化処理中に、切削可能な硫黄含有硫化物の一部または全部が除去され、ワー​​クピースの表面に微細な不均一性が生じるためです。
通常、効果的な水洗浄であっても、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場合、部品の表面を侵食します。
カーペンターは、機械加工しやすいステンレス鋼を効率的に不動態化するために、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。この不動態化処理は2時間以内に完了します。手順は以下のとおりです。
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分間浸漬します。その後、部品を水で十分にすすぎます。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分間浸漬します。部品を浴槽から取り出した後、水ですすぎ、さらに水酸化ナトリウム溶液に30分間浸漬します。部品を再度水ですすぎ、乾燥させてAAA法を完了します。
クエン酸による不動態化は、鉱酸や重クロム酸ナトリウムを含む溶液の使用、そしてそれらの使用に伴う廃棄問題や安全性への懸念の高まりを避け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面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メリットをもたらしますが、無機酸不動態化で成功を収め、安全性に懸念がない店舗は、現状維持を望むかもしれません。これらの店舗が清潔な作業場を持ち、設備が良好な状態かつ清潔で、冷却剤に工場由来の鉄系堆積物がなく、プロセスが良好な結果をもたらしている場合、変更の必要性は必ずしも高く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、様々な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分かっています。便宜上、図2.1には硝酸を用いた従来の不動態化法も含まれています。従来の硝酸組成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質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「フラッシュ」を回避するために、浸漬時間、浴温度、濃度を慎重にバランスさせることが非常に重要です。
不動態化は、クロム含有量と各品種の加工特性によって異なります。プロセス1とプロセス2の列に注目してください。図3に示すように、プロセス1はプロセス2よりも工程数が少なくなっています。
実験室試験では、クエン酸不動態化処理は硝酸不動態化処理よりも「沸騰」しやすいことが示されています。この腐食に寄与する要因としては、浴温度が高すぎること、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ベースの製品が市販されており、「フラッシュ腐食」の感受性を低減すると報告されています。
最終的な不動態化方法は、お客様が設定した受入れ基準によって異なります。詳細はASTM A967をご覧ください。この規格はwww.astm.orgから入手できます。
不動態化処理された部品の表面を評価するための試験が頻繁に行われます。答えるべき問いは、「不動態化処理によって遊離鉄が除去され、自動切断用合金の耐食性が最適化されるのか？」です。
試験方法が評価対象のクラスに適合していることが重要です。試験が厳しすぎると、完全に良好な材料であっても合格せず、逆に試験が弱すぎると、不合格の部品であっても合格してしまいます。
PHおよび易切削性400シリーズステンレス鋼は、湿度100%（サンプルが湿潤状態）を24時間、95°F（35°C）で維持できるチャンバー内で評価するのが最適です。特に快削鋼種の場合、断面は最も重要な表面となることがよくあります。その理由の一つは、硫化物がこの表面を横切って機械方向に引っ張られるためです。
重要な表面は上向きに設置する必要がありますが、湿気の蒸発を考慮に入れるため、垂直から15～20度の角度をつけて設置してください。適切に不動態化された材料は、小さな斑点が現れる可能性はありますが、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、水分試験によっても評価できます。この試験では、試験片の表面に水滴が付着しているかどうか、また錆の有無によって遊離鉄の存在が示されます。
一般的に使用される自動および手動ステンレス鋼のクエン酸溶液または硝酸溶液における不動態化処理には、それぞれ異なるプロセスが必要です。図3にプロセスの選択に関する詳細を示します。
(a) 水酸化ナトリウムでpHを調整します。(b) 図3(c) を参照。Na2Cr2O7は、20%硝酸に22g/Lの重クロム酸ナトリウムを溶かしたものです。この混合物の代わりに、重クロム酸ナトリウムを含まない50%硝酸を使用することもできます。
より迅速な方法としては、ASTM A380「ステンレス鋼部品、機器、およびシステムの洗浄、脱スケール、および不動態化に関する標準試験方法」を用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分間湿潤させた後、銅めっきを観察します。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シリーズのマルテンサイト鋼や低クロムフェライト鋼には、偽陽性の結果が出る可能性があるため、使用しないでください。
歴史的には、不活性化処理したサンプルの評価に、35℃（95°F）での5%塩水噴霧試験も用いられてきました。この試験は一部の品種には厳しすぎるため、不活性化処理の有効性を確認するためには通常は必要ありません。
過剰な塩化物の使用は危険な発火を引き起こす可能性があるため、避けてください。可能な限り、塩化物濃度が50ppm未満の高品質の水のみを使用してください。水道水で十分ですが、場合によっては数百ppmの塩化物にも耐えられることがあります。
不動態化能を失わないように、定期的に浴槽を交換することが重要です。不動態化能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。浴槽の温度は適切な温度に維持する必要があります。温度管理が不十分だと局部腐食が発生する可能性があります。
大量生産においては、汚染の可能性を最小限に抑えるため、非常に厳格な溶液交換スケジュールを守ることが重要です。対照サンプルを用いて浴槽の有効性を試験しました。試料が腐食している場合は、浴槽を交換する必要があります。
一部のマシンはステンレス鋼のみを生産するので注意してください。ステンレス鋼を切断する場合は、他のすべての金属を除外して、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、個別に加工されます。これはステンレス鋼の自由切削において特に重要です。硫化物腐食生成物を拡散させ、酸ポケットの形成を防ぐには、流動性の高い不動態化処理液とフラッシング液が必要となるためです。
浸炭処理または窒化処理されたステンレス鋼部品は不動態化処理しないでください。この方法で処理された部品は耐食性が低下し、不動態化処理槽内で損傷を受ける可能性があります。
作業場が特に清潔でない環境では、鉄系工具を使用しないでください。鋼材の切削片は、超硬工具や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、不動態化浴で腐食が発生する可能性があるので注意してください。炭素とクロムの含有量が多いマルテンサイト系鋼種は、耐腐食性を高めるために硬化処理が必要です。
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。
不動態化浴中の硝酸濃度を軽視しないでください。カーペンター氏が提案した簡便な滴定法を用いて定期的に濃度を確認してください。一度に複数のステンレス鋼を不動態化処理しないでください。これにより、費用のかかる混乱やガルバニック反応を防ぐことができます。
著者について: Terry A. DeBold はステンレス鋼合金の研究開発スペシャリストであり、James W. Martin は Carpenter Technology Corp. の棒状冶金スペシャリストです。(ペンシルベニア州レディング)。
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