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アルミ素材への無電解ニッケルメッキの剥がれと密着性

アルミ素材への無電解ニッケルメッキの剥がれと密着性

機械加工した製品を硬度や耐食性向上の目的でメッキすることも多いと思います。

せっかくメッキに出した製品において、そのメッキが剥がれてしまうことは本来はあってはならないことなのでしょうが、稀に起きてしまうことがあります。

このような事象は、メッキの密着性という性質に大きく関連するものです。

本記事では、特にアルミ素材への無電解ニッケルメッキについて、密着性に注目した視点でご説明します。

また、密着性を改善する手段としてメッキの前処理と後処理についてもご紹介します。

メッキ前処理を依頼する際に知っておかなければならない点もありますので、メッキご検討の際に参考にしていただければ幸いです。

1.無電解ニッケルメッキの密着性

アルミ素材へのメッキ

メッキはさまざまな金属素材に行うことができます。

鉄鋼材などの素材は強度も高く、構造物などの材質として広く使用されていますが、そのような材質には耐食性の向上などの目的でメッキを行います。

一方で、自動車など軽量化が進む用途のものを中心に、アルミニウム素材の活用も広がっている中、「アルミ素材へのメッキは可能か?」とのお問い合わせも多くいただきます。

鉄鋼材より耐食性では勝るアルミですが、アルミ素材へのメッキは硬度や耐摩耗性の向上、電気抵抗の低減、はんだ付けを可能にすることなどが主な目的となります。

電解メッキと無電解メッキ

アルミ素材へのメッキとしてよく用いられるのはニッケルメッキですが、ニッケルメッキには電解メッキ無電解メッキがあります。

電解メッキとはメッキ時に電極を使用し、電気を通すことでメッキ液内のニッケルがアルミ素材へ付着するメッキ方法です。

電流の量などでメッキ量を調整することができ、一見便利な方法に思われるのですが、電極からの位置によってメッキ量が変わってしまうなどのデメリットもあります。

一方で無電解メッキでは電極を使用せず、メッキ液内の還元剤が素材表面で電子を放出し、ニッケルを析出させる方法です。

その後は析出されたニッケル自身が触媒となり、さらにニッケルを析出し続けるので、メッキ量はメッキ時間などで調整します。

この方法は電極を使用しないため、素材が複雑で細かい形状であっても全ての表面に均一なメッキが可能です。

電子部品など精密性を要す製品の場合は特に、メッキに不均一性があると十分な機能を有さないこともあるため、この無電解ニッケルメッキの適用をお勧めします。

無電解ニッケルメッキの剥がれと密着性

せっかく無電解ニッケルメッキを行った製品ですが、メッキの剥がれ剥離が起きてしまっては元も子もありません。

剥がれた部分から錆が進行してしまい、十分なメッキ量を付着させたつもりでもその意味がなくなってしまうのです。

このような事例も残念ながら稀に発生してしまい、その原因はメッキの密着性が不十分であることから起こることがほとんどです。

密着性とは、素材とメッキ皮膜とがどの程度結合しているかの度合いです。密着性が悪いということは、メッキが素材に十分に付着していないということになりますので、その結合力を超える負荷が作用したりすると、メッキは剥がれてしまいます。

したがって、メッキの剥離を防止したい場合、この密着性を向上する策を講じる必要があります。

2.アルミ素材への無電解ニッケルメッキにおける密着性低下の原因

アルミ素材を無電解ニッケルメッキする場合、密着性の確保には特に注意が必要です。

実はアルミ素材は空気中の酸素との反応性が非常に高い物質です。少量の酸素であっても素材表面が反応し、酸化被膜が生じるのです。

この酸化皮膜は、腐食からアルミ素材自身の表面を守ってくれるため、耐食性の面で考えればある意味ありがたい存在です。

しかし、いざメッキをしようと考えた場合、酸化被膜がメッキ析出を阻害し、密着性低下の要因ともなってしまいます。

最終的に表面の耐食性はメッキの皮膜で守られるわけですから、無電解ニッケルメッキを行う場合は、いかにしてこの酸化皮膜の対策を行い、密着性を向上させるかが大きなポイントとなります。

そこで、アルミ素材へ無電解ニッケルメッキを行う場合は、前もって素材表面にあらかじめいくつかの処理を施すことが重要です。これを前処理と言います。

3.前処理のプロセスと密着性改善の効果

アルミ素材への無電解ニッケルメッキの一般的な工程を前処理からご紹介します。

なお、前処理の工程は素材によっても異なり、アルミ以外の素材をメッキする場合は工程が変わりますので、ご注意ください。

脱脂

まず始めの工程は脱脂です。アルミ素材の酸化皮膜のさらに表面に付着している工作油等の油分を取り除き、以降の工程に備えます。

一般にアルミは酸にもアルカリにも溶けてしまいます。したがって、鉄などに使用する強アルカリの脱脂剤では素材が溶けてしまい、弱アルカリ剤を使用する必要があります。

良好なメッキを実現するためには、穴や切削加工部など油分の溜まりやすい箇所も十分に脱脂することが重要です。

メッキ自体はせっかく細かい形状に対応できても、そこに油分が溜まっているために密着性が不均一になることは防ぎたいところです。

エッチング

次の工程はエッチングです。この工程は強アルカリ剤を使用します。

脱脂の工程でアルミがアルカリに溶けてしまうと言ったばかりですが、実はこの工程ではアルミ素材の表面を意図的に溶かし、表面を粗します。このことで2つの効果があります。

1つ目はアルミ表面で密着性を妨害する酸化皮膜を除去することです。脱脂の効果もより強まり、素材表面はだいぶメッキ皮膜の密着の条件に近づきます。

2つ目は表面を粗くすること自体による密着性の向上効果です。

素材とメッキ皮膜との境目のことを界面と言います。この界面が平滑な場合、外から力が作用したときにメッキを引き剥がすエネルギーは直線的に作用するため、メッキは剥離しやすくなってしまいます。

意図的に表面を粗し、表面に凹凸があると、同じように力が作用してもメッキを引き剥がすエネルギーは分散され、メッキが剥がれにくくなるのです。

また、素材の凹凸内部に皮膜が閉じ込められるようにしてメッキを剥がれにくくする効果も期待できます。これをアンカー効果と言います。

メッキの密着性は素材をどのぐらい粗くするかと大きく関係し、このエッチングの工程は非常に重要となります。

スマット除去

その次はスマット除去です。前のエッチングの工程で除去できなかった不純物の除去になります。

エッチングのアルカリ剤では酸化皮膜は除去できますが、ケイ素や銅などを除去することができません。したがって、エッチング後にはこれらの不純物が残ってしまいます。

不純物があってはやはりメッキの密着性の邪魔となってしまいますので、これらもしっかり取り除く必要があるのです。

エッチングで用いた強アルカリ剤とは別の、不純物を取り除ける薬品を用います。

エッチングに伴って発生する不純物のことをスマットというので、この工程のことをスマット除去と呼びます。

ジンケート処理

前処理最後の工程はジンケート処理です。

アルミ表面はとても空気中の酸素に反応しやすく、これまでの工程でせっかく表面の酸化皮膜を除去しましたが、再び同じように酸化皮膜が発生してしまう可能性があります。

そうなってしまえば、また最初の工程に戻ってしまいますので、何らかの形で酸化皮膜が発生しないようにしておく必要があります。

ジンケート処理は置換反応という化学反応を利用して、いわばアルミ素材表面を亜鉛に置き換える工程です。

表面が亜鉛であれば酸化皮膜が発生する恐れはなくなり、密着性を確保することができます。

アルミ素材の場合、このジンケート処理を1回行った後、それをあえて剥がしてもう一度ジンケート処理を行うことが一般的です。

ダブルジンケート処理と呼ばれるこの方法は、より均一な亜鉛皮膜を発生させることができ、さらに密着性を向上させることができます。

以上の工程を経て、初めてアルミ素材をメッキ液に浸し、無電解ニッケルメッキを行います。

なお、メッキ液には最初に表面にある亜鉛皮膜がニッケルに置換され、その後はそのニッケルを触媒としたメッキの進行となります。

前処理を依頼する際の注意点

ここまで解説してきた前処理工程。アルミ素材の無電解ニッケルメッキには不可欠な工程です。

せっかく行うメッキに十分な密着性を持たせるため、前処理を行うことは強くお勧めしますが、さらに注意点もあります。

基本的にご紹介した工程はどこのメッキ業者も行う一般的な方法ですが、その際に用いるエッチング液やスマット除去、ジンケート処理に用いる薬品は各社それぞれのノウハウとなります。

例えば、エッチングは表面を粗す作業ですので、言い方を変えれば表面で微小な除去を行うことになります。

これは寸法に多少なりとも影響を与えます。したがって、寸法が厳密に決まっている製品に関しては、エッチングによって減少する寸法も十分に把握しておく必要があります。

また、記憶媒体など表面粗さに対してシビアな制約がある製品もあります。

エッチングで表面は粗さを増してしまいますので、その範囲をクリアできるかどうかも十分な確認が必要です。

製品によっては、表面をできるだけ粗さずに密着性も確保するというとても専門性の高い技術が必要な場合もあり、それには専用の工程と設備を組む必要があります。

記憶媒体などの製品をメッキに出される場合は、そのあたりもメッキ業者さんに確認してみてください。

さらに密着性を向上させるために

ここまで述べてきたとおり、アルミ素材の無電解ニッケルメッキの密着性は表面が粗い素材ほど高くなります。

ご紹介した一般的な方法よりも高い密着性が必要な場合、ブラスト処理を利用する場合もあります。

ブラスト処理とは、金属表面に物理的に研磨剤などをぶつけ、凹凸を生成する方法です。表面の凹凸が増しますので、アンカー効果によってより密着性が向上します。

4.もう一つの密着性改善法である後処理

ここまでは主に、アルミ素材の無電解ニッケルメッキの密着性向上に必要な前処理工程をご紹介してきました。

ここでもう一つ、密着性を向上する方法をご紹介します。

無電解ニッケルメッキを行った後の後処理という工程です。ベーキングとも呼ばれ、メッキされたものを加熱する工程です。

メッキ直後に加熱処理を行うと、それによって無電解ニッケルメッキの硬度や密着性が向上します。アルミ素材の場合、約160℃での加熱が最適です。

加熱することにより素材とメッキの間に金属間化合物が生成し、これが密着性を高めてくれるのです。

無電解ニッケルメッキを依頼される際は、後処理までしっかり行うことをお勧めします。

5.まとめ

アルミ素材への無電解ニッケルメッキの剥がれと密着性について解説してきました。以下まとめです。

・アルミ素材を無電解ニッケルメッキする場合、表面に酸化皮膜が生成することから十分な密着性が得られず、メッキが剥離しやすくなってしまう。

・アルミ素材の無電解ニッケルメッキの密着性向上には、脱脂→エッチング→スマット除去→ジンケート処理(ダブル)という前処理工程が有効である。

・特にエッチングは、表面を粗し凹凸を作ることで密着性の向上に大きく寄与する。

・ただし、エッチングを行う際は寸法や表面粗さに十分注意する必要がある。

・また、再び酸化皮膜が発生しないよう、前処理でジンケート処理を2回行うことが望ましい。

・無電解ニッケルメッキの密着性向上には、硬度向上などにも活用できる後処理のベーキングも有効である。

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経営者インタビュー 元プロボクサー畑山氏に取材して頂きました。