溶融亜鉛めっきの原理とプロセス

溶融亜鉛めっきは、溶融亜鉛めっきとも呼ばれ、鋼鉄部品を溶融亜鉛に浸漬して金属皮膜を得る方法である。

近年、高圧送電、運輸、通信産業の急速な発展に伴い、鉄鋼部品保護の需要が増加し、溶融亜鉛めっきの需要も着実に増加している。

I.溶融亜鉛めっき層の保護性能

通常、電気めっき亜鉛層の厚さは5～15μmであるのに対し、溶融亜鉛めっき層の厚さは一般的に65μm以上で、100μmに達することもある。溶融亜鉛めっきは良好な被覆を提供し、コーティングはコンパクトで、有機不純物を含まない。

大気腐食に耐える亜鉛のメカニズムには、機械的保護と電気化学的保護の両方が含まれることが広く知られている。

大気腐食の条件下では、亜鉛層の表面はZnO、Zn(OH)2、塩基性炭酸亜鉛からなる保護膜を特徴とする。

これにより、亜鉛の腐食をある程度遅らせることができる。この保護膜（白錆とも呼ばれる）は、損傷すると新しい層を形成する。亜鉛層が著しく損傷し、鉄ベースを危険にさらすと、亜鉛がベースに電気化学的保護を与える。

亜鉛の標準電位は-0.76V、鉄の標準電位は-0.44Vで、亜鉛と鉄がマイクロセルを形成すると、亜鉛は陽極として作用して溶解し、鉄は陰極として保護される。

溶融亜鉛メッキは、亜鉛による電気メッキに比べ、下地の鉄金属の大気腐食に対して優れた耐性を提供することは明らかである。

II.溶融亜鉛めっき層の形成過程

溶融亜鉛めっき層の形成プロセスでは、鉄基材と最外層の純亜鉛層の間に鉄-亜鉛合金が形成される。

溶融亜鉛めっきの際、被加工物の表面には鉄-亜鉛合金層が形成されるため、鉄と純亜鉛層の優れた結合が可能になる。

このプロセスを簡単に説明すると、鉄のワークピースを溶融亜鉛に浸すと、界面に亜鉛とα-鉄（体心）の固溶体が形成される。

これは、固体の状態の鉄の母材に亜鉛原子が溶けてできた結晶である。両金属の原子は比較的弱い原子力で融合している。

したがって、固溶体中で亜鉛が飽和状態に達すると、亜鉛と鉄の原子が拡散し始める。鉄基材に拡散（浸透）した亜鉛原子は、母材の格子内を移動し、徐々に鉄との合金を形成する。

溶融亜鉛中に拡散した鉄は亜鉛と金属間化合物FeZn13を形成し、溶融亜鉛めっき釜の底に沈み、亜鉛スラグとなる。

ワークピースを亜鉛浸漬液から取り出すと、表面に純亜鉛の層が形成され、これは六方晶である。鉄の含有量は0.003%を超えない。

III.溶融亜鉛めっき工程と関連記述

1.プロセスの流れ

ワーク→脱脂→洗浄→酸洗→洗浄→前めっき浸漬→乾燥・予熱→溶融亜鉛めっき→仕上げ→冷却→不動態化→水洗→乾燥→検査

2.プロセスフローの説明

(1) 脱脂

ワークピースが水で完全に濡れるまで、化学脱脂または水性金属脱脂用洗剤を使用して油を除去することができる。

(2) ピクルス

酸洗にはH2SO4 15%、チオ尿素0.1%、40～60℃またはHCl 20%、ヘキサメチレンテトラミン1～3g/L、20～40℃が使用できる。腐食防止剤を添加することにより、素地の過腐食を防止し、鉄素地に吸収される水素量を減少させることができる。

脱脂・酸洗処理が不十分だと、皮膜の密着性が悪くなったり、亜鉛めっきができなかったり、亜鉛層が剥離したりすることがある。

(3) メッキ前浸漬

バインダーとしても知られ、無電解めっき前に被めっき物の活性を一定に保ち、めっき皮膜と下地との密着性を高めることができる。NH4Cl 15%～25%, ZnCl2 2.5%～3.5%, 55～65℃, 5～10min.NH4Clの揮発を抑えるためにグリセリンを適宜添加してもよい。

(4) 乾燥と予熱

無電解めっき中の急激な温度上昇によるワークの変形を防止するため、また亜鉛の爆発や亜鉛液の飛散を防止するために残留水分を除去するため、予熱は120～180℃が一般的である。

(5) 溶融亜鉛メッキ

亜鉛液の温度、浸漬めっき時間、ワークを亜鉛液から取り出す速度などを管理する必要がある。温度が低すぎると亜鉛液の流動性が悪く、皮膜が厚くムラになり、液ダレしやすく、外観品質が悪くなります。

温度が高ければ、亜鉛液の流動性がよく、亜鉛液がワークから分離しやすく、液だれやシワが少なく、付着力が強く、塗膜が薄く、外観がよく、生産効率が高い。

しかし、温度が高すぎると、ワークと亜鉛鍋の鉄損が激しく、亜鉛スラグが多量に発生し、亜鉛層の品質に影響し、亜鉛の消費量が多くなり、メッキできなくなることさえある。

同じ温度であれば、浸漬時間が長いほどコーティングは厚くなる。異なる温度では、温度が高いほど、同じ厚さにするのに必要な浸漬時間が長くなる。

一般的には、450～470℃、0.5～1.5分とするのが、高温でのワークの変形を防ぎ、鉄損による亜鉛スラグを減らすためである。

大型ワークや鋳鉄品に高い温度を使用する工場もあるが、鉄損のピークが高い温度域は避けるべきである。

低温での溶融亜鉛めっき液の流動性を改善し、塗膜の厚すぎるのを防ぎ、塗膜の外観を改善するために、0.01%～0.02%の純アルミニウムを添加することが多い。アルミニウムは少量ずつ複数回添加する。

(6) 仕上げ

亜鉛めっき後、ワークピースは主に表面の余分な亜鉛や亜鉛ノジュールを除去するために仕上げられるが、これは振動や手作業で行うことができる。

(7) 不働態化処理

その目的は、ワーク表面の大気腐食に対する耐性を向上させ、白さびの発生を抑えたり遅らせたりして、塗膜の外観を良好に保つことである。

クロメート不動態化処理として、Na2Cr2O7 80～100g/L、硫酸 3～4ml/Lを使用。

(8) 冷却

一般に水冷が使用されるが、ワークピース（特に鋳物）が焼入れによる収縮で割れるのを防ぐため、温度は低すぎない方がよい。

(9) 検査

コーティングは光沢があり、きめ細かく、垂れやしわがないことが望ましい。塗膜の厚さは、比較的簡単な膜厚計で測定することができる。

コーティングの厚さは、亜鉛の付着量を計算することによっても求めることができる。

接着強度は、曲げ加圧機でサンプルを90～180°曲げ、亀裂や塗膜の脱落がないことを確認します。また、ハンマーによる検査も可能です。