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機械部品の熱処理・表面処理基礎講座

機械部品にはいろいろありますが、その多くは熱処理によって機械的性質を制御されています。さらに表面処理を適用すれば、表面には新たな特性が追加されて高性能・長寿命化は当然であり、付加価値も飛躍的に高まります。
本講座(全8章50講座)では、機械部品に用いられている金属材料(主に鉄鋼材料)の種類と、それらに適用されている熱処理(焼なまし、焼入れなど)および表面処理(浸炭・窒化処理、めっき、PVD・CVDなど)について、概略と特徴を紹介します。
第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

7-1 表面処理の種類と分類

表面処理とは、製品や部品の表面を何らかの方法で処理加工することで、表１のように分類することができます。この処理加工方法には、除去加工と付加加工の二つの改質形態があります。

表１　表面処理の処理法による分類

処理法 主な目的
大分類 中分類
清浄 洗浄 湿式洗浄､乾式洗浄 油脂類の除去
除錆 浸漬除錆､ブラスト､液体ホーニング､バレル研磨 スケールの除去､錆の除去
研磨 機械研磨､化学研磨､電解研磨､化学機械研磨 平滑光沢化
エッチング 化学エッチング､電解エッチング､乾式エッチング 表面形状の創製
ショットピーニング 中・低速ショット､高速ショット 耐疲労性､スケールの除去
印刷 凸版印刷､凹版印刷､平板印刷､孔版印刷 表面加飾
塗装 スプレー塗装､静電塗装､電着塗装､粉体塗装 耐食性､装飾性
ライニング 樹脂ライニング､ガラスライニング､ 耐食性､耐摩耗性
湿式めっき 電気めっき､化学めっき(無電解めっき) 装飾､耐食性､耐摩耗性
化成処理 りん酸塩処理､りん酸鉄処理、クロメート処理 塗装下地､耐食性､摺動特性
陽極酸化 鉄鋼への陽極酸化､非鉄金属への陽極酸化 耐食性､耐摩耗性、着色
乾式めっき(気相) 物理蒸着法(PVD)､化学蒸着法(CVD) 耐摩耗性、摺動特性､光学特性
イオン注入 高エネルギー注入､中エネルギー注入 電気特性､耐摩耗性､耐熱性
溶融めっき 溶融亜鉛めっき､溶融アルミニウムめっき 耐食性
表面熱処理 表面焼入れ､浸炭焼入れ､窒化処理､拡散浸透 耐摩耗性、耐疲労性､摺動特性
溶融処理 クラッディング、アロイング、グレージング 耐摩耗性、耐熱性、耐食性
溶射 ガス式溶射､電気式溶射 耐摩耗性､耐食性､耐熱性

除去加工とは材料表面の付着物もしくは材料そのものを削ることで、表１の中では汚れを除去する洗浄、表面を機械的または化学的に平滑化する研磨、表面の特定部分のみ物理的または化学的に削って表面をパターン化するエッチングなどが該当します。付加加工は除去加工以外のすべての表面処理が該当し、それらは表面の改質形態の違いによってさらに細分化することができます。図１に、表面処理における除去加工と５種類の付加加工における改質形態を示します。

図１　表面処理における改質形態

図１　表面処理における改質形態

なお、5種類の付加加工個々の内容は次のとおりです。

（1）組成は変化しないで表面のみ金属組織が変わって特性改善される。

例えば、表面焼入れは、表面の組成はまったく変わりませんが、急速加熱冷却された表面のみマルテンサイトになって硬化して、耐摩耗性が大幅に向上します。

（2）化学反応によって改質される。

例えば、アルミニウムの陽極酸化の場合は電気化学反応によって表面に酸化物層を生成して、耐摩耗性や耐食性が向上します。また、リン酸亜鉛処理は化学反応によって化成皮膜が形成されて、防錆、塗装下地、塑性加工時の潤滑性付加などに利用されています。

（3）表面に基材とはまったく異なる処理層を形成する。

該当する表面処理の種類が最も多く、めっき、塗装、ライニングおよびPVDなどがあります。めっきや塗装は防錆や装飾には欠かせませんし、PVDによる硬質膜は優れた耐摩耗性および摺動特性を付与しますから、その適用分野は切削工具をはじめ機械部品や自動車部品にまで及んでいます。

（4）他の元素が高温加熱によって染込んで改質される。

例えば、浸炭焼入れの場合は炭素が拡散浸透して焼入れによって硬化し、窒化処理の場合は窒素が拡散浸透して硬質窒化物を生成して硬化し、耐摩耗性や耐疲労性が向上します。

（5）表面に基材とはまったく異なる処理層を形成し、さらに基材との境界では拡散も伴う。溶融亜鉛めっきや熱CVDなどがこれに該当します。例えば、湿潤環境での防錆を目的とした溶融亜鉛めっきの場合、最表層は純亜鉛層ですが、その下は鉄との相互拡散によって、亜鉛と鉄の合金層になっています。

表面処理を採用することによってもたらされる特性はすばらしいものであっても、適用製品や部品との相性が悪ければ、また使用環境や使用条件にマッチングしていなければ、その効果は半減してしまいます。ひどい場合には、不適切な表面処理を採用したがために早期損傷してしまい、逆効果だった実例も報告されています。すなわち、表面処理の効果を十分に発揮させるためには、表２に示すような個々の表面処理の特性を十分に知る必要があります。さらには次の６項目についても十分に留意した上で表面処理採用の可否を決定し、適正な表面処理を選定しなければなりません。

表２　主に鉄鋼製品に利用されている表面処理の特性

分類 名称 処理温度(℃) 処理による変形または変寸 複雑形状製品への均一処理 非鉄金属製品への適用 セラミックス製品への適用 プラスチックス製品への適用
電気めっき Znめっき 15～30 ○ × ○ × ×
Crめっき 45～60 ○ × ○ × ×
化学めっき Ni-Pめっき 70～90 ○ ○ ○ ○ ○
Ni-Bめっき 60～70 ○ ○ ○ ○ ○
PVD 真空蒸着 室温～200 ○ × ○ ○ ○
スパッタリング 室温～500 ○ × ○ ○ ○
イオンプレーティング 100～500 ○ × ○ ○ △
CVD 熱CVD 500～1200 × ○ ○ ○ ×
プラズマCVD 100～600 ○ △ ○ ○ ×
表面熱処理 高周波焼入れ 900～1200 △ × × × ×
ガス浸炭焼入れ 850～950 × ○ × × ×
ガス窒化処理 500～600 ○ ○ △ × ×
イオン窒化処理 500～600 ○ × ○ × ×
炭水物被覆 500～1200 × ○ × × ×
  1. 基材(製品や部品を構成している材料)と採用したい表面処理との相性はどうか？
  2. 採用したい表面処理によって基材の劣化は生じないか？
  3. 対象製品や部品の表面状態は採用したい表面処理に適しているか？
  4. 採用したい表面処理は、その対象製品や部品の使用環境に適合しているか？
  5. 採用したい表面処理は、その対象製品や部品の使用環境に適合しているか？
  6. 表面処理の採用によって得られる効果は、コスト的に過剰品質にならないか？
執筆：仁平技術士事務所　所長　仁平宣弘

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章　機械部品に用いられる材料

第2章　鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

第3章　機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

第4章　ステンレス鋼とその熱処理

第5章　非鉄金属材料とその熱処理

第6章　機械部品に対する表面処理の役割

第7章　機械部品を対象とした主な表面処理

第8章　機械部品の損傷と調査法

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