表面処理は、部品表面の機能性を高める上で重要な役割を果たします。表面処理はそれぞれ異なるメカニズムで作用し、異なる機能を提供し、多様な特性を持つため、その実施時期も異なります。したがって、適切な表面処理の種類を正しく選択し、処理プロセスを合理的にスケジュールすることは、処理の潜在能力と効果を最大限に引き出す上で非常に重要です。
表面処理の選び方は？
選択する 表面処理 部品の処理は、基本的に特定の機能や性能を実現することです。最良の結果を保証するために、エンジニアは処理の種類を選択する際に、これらの基本原則に従う必要があります。
多角的な視点で挑む
最初のステップは、選択した表面処理が部品の動作条件と機能要件に最も適しているかどうかを判断することです。部品の動作環境を徹底的に検討することが重要です。
負荷条件
負荷の大きさは損傷の可能性に影響し、補強層の必要な厚さを決定します。
表面摩耗が著しくなる高荷重の場合は、溶射など、厚い補強層を形成する方法を選択する必要があります。力の種類（衝撃、摩擦など）によって破壊モードが決まり、必要な補強の種類も異なります。
疲労損傷を引き起こすような繰り返し荷重を受ける場合は、微細組織を形成し、引張応力を最小限に抑える強化方法（溶射など）を選択してください。このような場合は、硬質クロムめっきなどの厚めっきは避けてください。
相対速度は摩耗の種類に影響を及ぼすことが多い。損傷が硬質粒子によるアブレッシブ摩耗である場合は、溶射や硬質クロムめっきなどの方法を検討してください。損傷が純粋な摩擦摩耗である場合は、亜鉛めっき、銅めっき、あるいは ニッケルメッキ 適切かもしれません。
環境条件
周囲の環境は材料の劣化に影響を与えます。
媒体に硬い粒子が含まれていると、激しい摩耗が発生します。硬質クロムめっきなど、厚く高硬度の層を形成する処理を選択してください。エロージョン・コロージョンや腐食疲労につながるような激しい腐食環境の場合は、耐性の高い材料を選択してください。海水や塩化物環境では、オーステナイト系ステンレス鋼または二相ステンレス鋼の溶射、または銅めっきを使用してください。酸性/アルカリ性の媒体では、オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル合金を使用してください。SO2 メディアを含む場合は、 アルミ素材一般的な腐食防止には、亜鉛メッキまたは 黒色酸化物 十分かもしれません。
温度条件
極端な温度は、酸化や熱疲労といった故障モードを引き起こす可能性があるため、無視できません。表面酸化、熱疲労、あるいは熱安定性の低下を引き起こす条件では、マルテンサイト系ステンレス鋼やコバルト基合金などの材料が必要です。一方、材料の延性と靭性を低下させ、脆性につながる条件では、オーステナイト系合金やニッケル基合金などの材料が必要です。
実現可能性
この原則は、選択した表面処理が特定のコンポーネントに効果的かつ実用的に実装できるかどうかを評価します。
部品のベース材料と過去の加工履歴は、選択した処理と矛盾してはなりません。例えば、表面を溶融させる溶射のような高温処理は、融点の低い材料には適していません。
高温での応力除去を必要とする処理において、その温度が母材の焼戻し温度に近づいたり、それを上回ったりすると、部品の硬度と強度が低下します。このような場合は、残留応力がほとんど発生しない、あるいは全く発生せず、高温での後仕上げを必要としない処理を選択してください。
水素脆化の影響を受けやすい材料（硬度や強度が高い材料）は、ひび割れの原因となるため、酸洗いや特定のめっき方法など、水素発生を伴う処理を行わないでください。
深い溝、スロット、穴、鋭いエッジのある複雑な部品は、 電気メッキ電気めっきでは、これらの部分に厚みの不均一やバリが発生し、コーティングの剥離を引き起こす可能性があります。薄肉部品や変形しやすい部品は、特定の処理における高い残留応力と熱に耐えられません。そのため、低温で残留応力の少ない処理が必要となります。
マッチング
ここでの目標は、処理された表面の耐用年数を、機械全体またはアセンブリ全体の予想寿命と一致させることです。処理は耐久性が求められますが、「過剰なエンジニアリング」は避ける必要があります。
機械の耐用年数が10年の場合、表面処理の耐用年数も理想的には10年、あるいは少なくともその期間中の部品交換回数を最小限に抑える必要があります。10年システムにおいて部品を15年間処理することは、過剰な設計であり、資源の無駄遣いとみなされます。
この概念は治療の有効性を定量化するのに役立ちます。
ε = WH /WT
WH 表面処理を施さない部品の摩耗です。WT 表面処理された部品の摩耗です。e値が高いほど、表面処理効果が高いことを示します。
ε値が高いほど、表面処理効果が高いことを示します。例えば、未処理の部品が50年間で5回の交換を必要とする場合、理想的な処理はεが5以上となることを目指します。
経済的
最終的な検討事項は、必要な機能を可能な限り低コストで実現することです。経済的実現可能性を評価する簡単な方法は次のとおりです。
Cq ≤ Cw · （Sq / Sw）
Cq 表面仕上げ部品のコストです。Cw 未処理のコンポーネントのコストです。Sq 処理された部品の耐用年数です。Sw 未処理のコンポーネントの耐用年数です。
表面処理の実施
設計エンジニアが適切な方法を決定したら、製造エンジニアはその機能を最大限に引き出すためにプロセスを正しく実装する必要があります。
表面処理は、製造工程全体の中で正しくスケジュールする必要があります。
溶射などの厚膜処理は、しばしば大きな変形を引き起こし、処理後の応力除去と大幅な機械加工が必要になります。これらの処理は、荒加工後に計画する必要があります。
表面研磨を必要とする処理、例えば硬質 クロムメッキは、半仕上げ後にスケジュールする必要があります。
無電解メッキ、亜鉛メッキ、高エネルギービーム処理など、後続の機械加工が最小限で済むかまったく必要のないプロセスは、最終仕上げの後にスケジュールする必要があります。
すべての表面処理は、部品の最終的なバルク熱処理後に行う必要があります。バルク熱処理をその後に行うと、表面処理の機能が損なわれます。
処理層と基材間の強固な接着強度を得るには、適切な表面前処理が不可欠です。ほとんどの処理では滑らかな表面処理が必要ですが、溶射など一部の処理では、接着力を高めるために表面粗面化が特に必要です。
材料や処理によっては、表面処理の前に応力緩和が必要ですが、そうでないものもあります。
特に厚みのある部品や高精度な加工においては、正確な許容差が極めて重要です。この許容差は、補強層に必要な厚さと、その後の機械加工／研削工程を考慮する必要があります。ナットやボルトなどの部品の場合、ねじ山部分の許容差が適切でないと、最終製品が寸法および公差の要件を満たさなくなる可能性があります。
特定のプロセスの後には、応力緩和や脱水素化などの仕上げ後の手順が必要になることが多く、製造チームによって厳密にスケジュールされ、実行される必要があります。
