鋼の亜鉛めっき：耐久性能のための強力な酸化保護

なぜステンレス鋼より亜鉛めっき鋼を選ぶのか？

何かが私を行動に駆り立てるとき、私たちは「ガルバナイズされた（galvanized）」と言います。では、亜鉛めっき鋼や金属という用語を使うとき、それは何を意味するのでしょうか？

実は、すべては「衝撃」についてなのです。

鉄系金属は鉄を含み、世界の金属製造の90%を占めます。鉄は密度が高く、炭素と混ぜて鋼にすると強く、豊富で、精製しやすいです。これらの特性により、産業と建築で最も重要な金属となっています。

しかし、鉄とその多くの合金は空気と水に曝露されると錆びやすいです。腐食から保護することは鉄系金属設計の一部です。ときにこの保護は合金の種類から来ます。例えばステンレス鋼はクロムや他の元素で化学的に腐食から保護されます。しかしこれらの添加は機械的特性を変える可能性があります。また高価な場合もあります。ときにシーラントが使用されます。粉体塗装、塗装、オイル処理などです。

亜鉛めっき鋼はさらに一般的ですが、あまり理解されていません。どう亜鉛めっき鋼を作るのか？鉄系金属を行動に駆り立てるのか？亜鉛めっき鋼は錆びるのか？いつ亜鉛めっき鋼とアルミニウムとステンレス鋼を使い分けるのか？

亜鉛めっき鋼とは？

亜鉛めっきは亜鉛コーティングを鋼や鉄に適用するプロセスで、鉄系金属を腐食から保護するバリアを作ります。亜鉛層は物理的に水と空気が鋼表面に到達するのを遮断し、化学的に陰極保護を提供することで機能します。この保護は電気化学的です…比喩的な「ガルバニゼーション（衝撃を与える）」が私たちを行動に駆り立てるのと似ています。この言葉は18世紀の科学者ルイージ・ガルバニに由来し、彼は生体電磁気学の先駆者でした。

亜鉛めっきは通常高温で行われます。亜鉛層は塗装や電気めっきでも追加できますが、これらは薄い層（わずか3ミクロンの光沢表面）しか作れません。このような表面処理は、耐食性が重要な屋外用途では脆弱です。

真の亜鉛めっきは高温で行われ、亜鉛、酸素、二酸化炭素の化学的相互作用に依存します。これら3つが温度で反応し、通常50ミクロン厚の暗灰色の炭酸亜鉛層を作り、屋外でより耐久性があります。

亜鉛めっき鋼は錆びるか？

「亜鉛めっき鋼は錆びるか？」と疑問に思うかもしれません。答えは「はい」…一定程度、条件によります。亜鉛めっき鋼が錆びる程度は、保護亜鉛コーティングの厚さ（後述）と腐食環境のタイプに基づきます。

亜鉛めっき鋼が錆びる条件は？最も一般的なのは高湿度、湿潤または水没環境、空気中や水中の塩、苔、酸です。しかし、亜鉛めっきはコンクリート、モルタル、鉛、スズ、亜鉛、アルミニウムとの接触に対して良好な耐性を提供します。

亜鉛めっきは錆の蓄積との戦いを長引かせます。亜鉛の酸化によって鉄や鋼の酸化を防ぎます。適切な条件下では、亜鉛めっき鋼は最大50年間錆びを防ぎます。錆、または鉄系金属の酸化は止まります。しかし酸化は依然として亜鉛で起こっています（これは錆として知られていないだけです）。

亜鉛が酸化によって完全に変換されると、もはや保護せず、鋼が侵食されます。

溶融亜鉛めっき

溶融亜鉛めっきは亜鉛めっきの最も一般的な形態です。この方法では、鋼または鉄部品をゴミとミルスケールから洗浄し、840°F（約449℃）付近の亜鉛または亜鉛合金浴に浸します。鋼が同じ温度になるまで浴に留め、その後引き上げて冷却します。この冷却は最終製品の意図した外観に応じて速くも遅くもできます。

ガルバニール処理はアルミニウム添加のある亜鉛浴でのめっきプロセスです。金属がまだ熱いうちに製品全体を熱処理し、亜鉛-鉄合金の複数の層を形成させます。アルミニウム添加と後の熱処理により、結果として得られる鋼の溶接性が向上します。ガルバニール鋼は一般に赤錆のようなパティナを発生させますが、無保護鉄系合金のようには腐食しません。

乾式亜鉛めっき

亜鉛めっきの比較的珍しい方法が乾式亜鉛めっきです。このプロセスはシェラダイジングとも呼ばれ、冶金学者シェラード・カウパー・コールズが開発したことにちなんで名付けられました。この技術では、小さな鋼部品を亜鉛粉と砂とともに密閉された回転ドラムで加熱し、温度と撹拌で亜鉛が鋼表面に化学的に融合するまで続けます。その後部品を焼入れします。小さな部品や、溶融亜鉛めっきでは届かない内面を持つ部品によく使用されます。

スパングル

亜鉛めっき鋼の伝統的に認識しやすい特徴の一つが表面のスパングルです。すべての金属は結晶形で凍結します。まるで雪の結晶がぎっしり詰まったように。ほとんどの金属ではこの結晶粒は見えないほど小さいか、エッチングなしでは粒界が明確ではありません。亜鉛合金めっきでは、金属の凍結時に形成される結晶化パターンを見ることができます。

スパングルの形状とサイズは、溶融亜鉛めっき後の冷却条件を示唆します。表面がゆっくり凍結すると結晶粒が大きくなり、羽毛状や葉状の形として現れることが多いです。より低温への急速焼入れは、より小さく規則的、または箱型の粒を生みます。

最も目を引くスパングルの多くは、亜鉛合金中の少量の鉛やスズによって作られます。これらの添加により樹枝状の粒形成が可能になり、羽毛状の形が表面に広がります。無鉛亜鉛めっきの開発により、鋼から上に向かって凍結する亜鉛コーティングが生まれました。これらの無鉛合金は、0.5mm以下のより丸いスパングルを生む場合があります。合金と凍結条件の相互作用により、熟練しためっき職人は最終製品のスパングルのサイズと形状に影響を与えられます。

電食腐食と犠牲陽極

亜鉛めっきプロセスは、金属の周りに亜鉛の殻を作って物理的バリアを作るだけの問題ではありません。そうなら他の金属も使えるはずです。むしろ、亜鉛は「陰極保護」と呼ばれる化学プロセスで保護します。

電気的ポテンシャルが大きく異なる2つの金属が電解質浴で一緒に置かれると、それらは電気化学反応で陽極と陰極として働き始め、電流を生みます。2つの金属のうちより「活性」な方、陽極が単独の場合より速く腐食します。電子を供与するためです。この陽極内の電子を剥ぎ取られた分子は化学的に不安定で、環境中の化学物質と安定分子を形成しようとし、酸化物やその他の腐食生成物を生成します。電池はこの形の電食腐食を利用して電流を生成します。

金属は陽極指数で反応性によって分類されます。最も不活性または不動態な金属である金が基準材料として使用されます。他のすべての金属は、金と電解質浴で接触したときの電圧を表す数値が与えられます。この指数が電食列の基礎となり、金属を最も不動態から最も活性へと並べます：

亜鉛めっきでは、陽極性金属である亜鉛が鋼や鉄を覆います。シーラントとして機能しますが、被覆にピンホールがある場合、亜鉛の電気化学的犠牲により、2つの金属のうちより活性な方として最初に腐食します。より陽極性の金属がより陰極性の金属を保護するこの特性は、海水に沈んで腐食リスクがある船体で意図的に利用されます。これらの犠牲陽極、または単に「亜鉛」と呼ばれるものは、通常船体にボルトで取り付けられます。プロペラや他の装置の設計に亜鉛部品が含まれることもよくあります。

亜鉛は鉄の面前で速やかに犠牲になりますが、速すぎません。電食列を見ると、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウムも「より活性」で保護的かもしれません。しかし、アルミニウムは鋼との結合が難しく、より高価で、陽極指数で鉄に近すぎて犠牲陽極として十分に機能しません。一方、マグネシウムはより速く溶解し、多くの環境でより反応しやすいかもしれません。亜鉛には有機的または細菌的分解に対する保護効果もあります。ベリリウムは稀で高価、非常に不安定です。

亜鉛めっき鋼の仕上げ

白錆は亜鉛が亜鉛水酸化物に分解されるときに亜鉛めっき鋼に形成されることがあります。この「錆」は確かに亜鉛腐食の産物ですが、通常条件では無保護鋼が酸化するよりはるかに遅い速度で起こります。このプロセスをさらに遅らせるため、時々亜鉛めっき金属に油を塗ったり、時々クロム酸塩不動態化して最終シーリング層を作ったりします。この油性または不動態化金属は塗装やその他の仕上げができませんが、多くの気候では数十年良好な外観を保ち、構造的にもさらに長く健全です。亜鉛めっき鋼は塗装がすぐに摩耗する油性作動部品に有用です。

塗装や粉体塗装の美観が好まれる用途では、亜鉛めっき鋼を無コーティングのままにできます。しかし多くの場合、アイテムは亜鉛めっきか塗装のどちらか一方のみで、両方ではないのが一般的です。各アプローチのコスト削減を維持するためです。

亜鉛めっき鋼 vs アルミニウム vs ステンレス鋼

亜鉛めっきは、潜在的に腐食性の要素に曝露される金属を保護するコスト効率の良い方法です。アルミニウムとステンレス鋼も、強く耐食性のある金属が必要な用途で使用されます。これらは調理器具、食器、医療用途により良い選択です。亜鉛は過剰だと毒性があり、酸と熱で亜鉛が動員される可能性があるためです。亜鉛めっき鋼の鈍い灰色スパングルが理想的でない場所では、より光沢があり適応性のある美観を提供します。

アルミニウムとステンレスはそれぞれコストが高く、機械的特性は鋼と同一ではありません。機械的特性、美観、金属重量が重要な用途では、より高価な材料が最適な選択となる場合があります。一方、標準鋼の機能性が求められる場所では、亜鉛めっきプロセスが低コストで耐候化に理想的です。