部品が仕様通りに製造されていることを確認しました。次に、顧客が想定する環境でこれらの部品を保護するための措置を講じてください。#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、不動態化処理が依然として重要な工程です。この処理の良し悪しによって、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。不適切な不動態化処理は腐食の原因となります。
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技術です。これは、スケール除去や塗装とは異なります。
不動態化が作用する正確なメカニズムについては、まだ定説はありません。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実です。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、つまり人間の髪の毛の約10万分の1の厚さしかないと言われています。
洗浄済み、機械加工済み、研磨済み、または酸洗処理済み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然に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。
しかしながら、実際には、加工中に工場の汚れや切削工具からの鉄粉などの異物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、本来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、工具から微量の遊離鉄が除去され、ステンレス鋼の加工対象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。切削工具から生じた鋼片や腐食生成物が埋め込まれ、ひび割れが発生して部品自体が侵食されることもあります。
同様に、鉄系の冶金汚れの微粒子が部品の表面に付着することがあります。金属は完成状態では光沢があるように見えても、空気に触れると、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。硫化物は、ステンレス鋼に硫黄を添加して被削性を向上させることで生成されます。硫化物は、切削加工時に合金が切りくずを形成しやすくする働きがあり、切りくずは切削工具から完全に除去できます。部品が適切に不動態化処理されていない場合、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、錆の原因となる鉄粉や切削工具中の鉄粉など、表面の汚染物質を除去します。また、開削加工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、最高の耐食性が得られます。1. 洗浄（主要な手順ですが、時々省略されます）2. 酸浴または不動態化。
清掃は常に最優先事項です。最適な耐食性を確保するためには、表面からグリース、クーラント、その他の汚れを徹底的に除去する必要があります。機械加工時のカスやその他の工場の汚れは、部品から優しく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、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、実際にはそうはなりません。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、不動態化を妨げてしまうのです。
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」と呼ばれる現象を引き起こす可能性があります。フラッシュエッチングは、光沢があり、清潔で、耐腐食性に優れた表面を持つ望ましい酸化皮膜を生成するのとは対照的に、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、これは不動態化処理が最適化しようとしている表面劣化です。
マルテンサイト系ステンレス鋼部品（磁性があり、耐食性は中程度、降伏強度は約28万psi（1930MPa）まで）は、高温で焼入れした後、焼き戻しを行うことで、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強度と耐食性に優れている）は、固溶化処理、部分的な機械加工、低温での時効処理、そして仕上げ加工を行うことができます。
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、切削油の痕跡を完全に除去する必要があります。そうしないと、部品に残っ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、酸や研磨剤によるスケール除去後に、小型部品にへこみが生じる原因となります。真空炉や保護雰囲気など、光沢のある硬化部品にクーラントが残った場合、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、十分に洗浄した後、不動態化酸浴に浸漬することができます。不動態化処理には、硝酸による処理、硝酸と二クロム酸ナトリウムによる処理、クエン酸による処理の3つの方法があります。どの方法を用いるかは、ステンレス鋼のグレードと規定された合格基準によって異なります。
耐食性の高い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、硝酸浴に二クロム酸ナトリウムを添加して溶液の酸化性を高め、金属表面に不動態皮膜を形成させることで不動態化処理できます。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% に上げる方法もあります。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の両方で、望ましくないフラッシュの発生の可能性が低減されます。
被削性ステンレス鋼の不動態化処理（図1にも示されている）は、被削性のないステンレス鋼の不動態化処理とは若干異なる。これは、硝酸浴での不動態化処理中に、被削性のある硫黄含有硫化物の一部または全部が除去され、加工物の表面に微細な不均一性が生じるためである。
通常効果的な水洗処理であっても、不動態化処理後にこれらの不連続部に残留酸が残ることがあります。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。
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、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 3 oz/gal (22 g/l) の二クロム酸ナトリウムを含む 20% (v/v) 硝酸溶液に 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、次に水酸化ナトリウム溶液に 30 分間浸します。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を避けたい製造業者にとって、ますます人気が高まっている。これらの使用に伴う廃棄問題や安全性への懸念も軽減できる。クエン酸はあらゆる面で環境に優しいと考えられている。
クエン酸による不動態化処理は環境面で魅力的な利点を提供する一方で、無機酸による不動態化処理で良好な結果を得ており、安全上の懸念がない店舗は、現状維持を選択するかもしれません。こうした店舗が清潔な作業環境を維持し、設備が良好な状態かつ清潔で、冷却液に工場由来の鉄分が付着しておらず、処理結果も良好であれば、変更する必要性は実際にはないと考えられます。
クエン酸浴による不動態化処理は、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、幅広い種類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2.1には硝酸を用いた従来の不動態化処理方法も示されています。なお、従来の硝酸の配合は体積パーセントで表されていますが、新しいクエン酸の濃度は質量パーセントで表されています。これらの処理を行う際には、上記の「フラッシング」を避けるために、浸漬時間、浴温、および濃度を慎重にバランスよく調整することが重要です。
不動態化処理は、各品種のクロム含有量と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。
実験室での試験結果から、クエン酸による不動態化処理は硝酸による処理よりも「沸騰」しやすいことが分かっています。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系製品が市販されており、「瞬間腐食」の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、自動切削用合金の耐食性を最適化するのか？」ということです。
評価方法と評価対象となるクラスが一致していることが重要です。厳しすぎるテストでは、非常に優れた教材でも合格点にはなりませんが、緩すぎるテストでは、不十分な教材でも合格点になってしまいます。
PHステンレス鋼や加工しやすい400系ステンレス鋼は、95°F（35°C）で24時間100%の湿度（試料が湿潤状態）を維持できるチャンバーで評価するのが最適です。特に快削鋼の場合、断面が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、硫化物がこの表面に沿って加工方向に引き込まれるためです。
重要な表面は、水分の蒸発を考慮して、垂直方向から15～20度の角度で上向きに配置する必要があります。適切に不動態化処理された材料は、小さな錆びが見られることがありますが、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を確認し、錆の発生によって遊離鉄の存在を示します。
クエン酸または硝酸溶液を用いた、一般的に使用される自動および手動ステンレス鋼の不動態化処理には、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(c)を参照。Na2Cr2O7は、20%硝酸に3オンス/ガロン（22g/L）の二クロム酸ナトリウムを溶解したものである。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%硝酸も使用できる。
より迅速な方法として、ステンレス鋼部品、機器、システムの洗浄、スケール除去、不動態化に関する標準実施基準であるASTM A380を使用する方法があります。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分間浸漬しても構いません。鉄が溶解すれば、銅めっきが起こります。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。
従来、95°F（35°C）での5%塩水噴霧試験も、不活性化処理されたサンプルを評価するために用いられてきた。しかし、この試験は一部の品種には厳しすぎるため、一般的には不活性化処理の効果を確認するために必要とされない。
過剰な塩化物の使用は危険な爆発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の塩化物濃度にも耐えることができます。
不動態化電位の低下を防ぐため、定期的に浴槽を交換することが重要です。不動態化電位の低下は、落雷や部品の損傷につながる可能性があります。また、浴槽は適切な温度に維持する必要があります。温度管理を怠ると、局部腐食が発生する恐れがあります。
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に従うことが重要です。対照サンプルを用いて浴槽の有効性をテストしました。サンプルが腐食している場合は、浴槽を交換する時期です。
一部の機械はステンレス鋼のみを加工できるため、ステンレス鋼の切削には専用の切削液を使用し、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、個別に機械加工されています。これは、ステンレス鋼の自由加工において特に重要です。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。こ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れば、鋼の切削屑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に注意してください。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で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軽視してはいけません。カーペンターが提唱する簡単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、費用のかかる混乱を防ぎ、ガルバニック腐食を防ぐことができます。
著者について：テリー・A・デボルドはカーペンター・テクノロジー社のステンレス鋼合金研究開発スペシャリストであり、ジェームズ・W・マーティンは同社の棒鋼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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