これを陽極酸化:陽極酸化の輝き

陽極酸化プロセスにより、特定の金属上に光沢があり、安定した耐久性のある酸化物層が形成され、下にある金属基板の摩耗や腐食による損傷が最小限に抑えられます。厚い陽極酸化層は、追加の着色コーティング層を適用するための効果的なベースとしても機能し、基材の表面保護、光沢、美観をさらに高めます。

ここでは、陽極酸化について、その仕組みと、アルミニウム、チタン、および類似の金属や合金に好ましい金属仕上げプロセスである理由を見ていきます

陽極酸化プロセス

陽極酸化には、表面を酸性溶液に浸し、陽極酸化する金属物体全体に電圧源を接続することにより、金属表面が酸素を吸収する能力を高める電気化学プロセスが含まれます。

陽極酸化のデモンストレーション
出典：ジャスパー・ナンス

したがって、アルミニウム、亜鉛、カドミウム、マグネシウム、チタン、およびそれらの合金などの金属の陽極酸化により、それぞれの金属酸化物（たとえば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタンなど）の硬質層を作成できます。これらの安定した酸化物は、酸化中に錆びた鉄の表面の場合に見られるフレークや脱落の傾向なしに、金属基板に強く付着します。 (陽極酸化およびその他の方法の概要については、誰もが知っておくべき 5 つの最も一般的な金属コーティングの種類をお読みください。)

陽極酸化の分類

いくつかの陽極酸化分類があります:

ハードアルマイト

硬質陽極酸化プロセスは、一般に２０マイクロメートルから１００（またはそれ以上）マイクロメートル程度である、より厚い酸化膜の形成を可能にする。より厚い酸化膜厚は、浴をより低い温度に維持しながら、DC 電圧と酸の濃度を増加させることによって達成されます。

硬質アルマイト処理により、硬質で耐摩耗性に優れた耐食層が形成されます。たとえば、5°C (41°F) の温度で硫酸溶液中で陽極酸化されたアルミニウムは、20°C (68°F) の浴温では、くすんだ灰色の硬い陽極酸化物の厚い層を作成します。 ) 硫酸溶液は、柔らかく薄い陽極皮膜を形成します。

硫酸陽極酸化

硫酸アルマイト処理により、金属基材上に正確に制御された厚さの陽極酸化皮膜を形成することができます。追加のカラー処理により、希望の色の仕上がりが得られます。正確な厚さは、電圧、浴温度、および酸溶液の組成を選択することによって達成されます。アルミニウムの陽極酸化には、硫酸浴溶液が一般的に使用されます。

クロム酸陽極酸化

製品の全体的な疲労強度がプロセスによって低下しないという要件がある場合は、クロム酸アルマイトが主な選択肢です。陽極酸化層の厚さは 1 ～ 10 マイクロメートルです。これは、外面の色の一貫性が重要な場合、推奨される方法ではありません。非常に薄い酸化膜は一貫した色のベースにならないためです。

航空機に高強度で使用されるアルミニウム合金は、多くの場合、クロム酸陽極酸化によって陽極酸化されます。ただし、クロム (VI) が含まれているため、このプロセスは環境にやさしくありません。これは、毒性のために規制によって使用が制限されているためです。

白色陽極酸化

白色陽極酸化プロセスは、太陽光吸収率の低い酸化膜を生成するため、宇宙用途への適合性が研究されています。このタイプの陽極酸化では、溶液はモリブデン酸ナトリウム、グリセロール、乳酸、硫酸で構成されています。最適な膜厚と光学的色の一貫性は、浴液、DC 電圧、電流密度、浴の温度、および陽極酸化の持続時間の代替処方の影響を研究することによって達成されます。

シリコン陽極酸化

合金にシリコンが含まれている場合、得られる層は摩耗や腐食に対してより耐性がありますが、特徴的な灰色で不透明な色をしています。このタイプのアルマイトは装飾用ではなく、見えない部分に使用されます。

チタン陽極酸化

チタンの陽極酸化は、希薄硫酸浴中で直流電圧一定値を印加して行います。チタン陽極酸化プロセスを最適化するために、陽極酸化膜の厚さと色特性に対するプロセス時間、酸溶液の配合、浴温度、電流密度などのプロセス変数の影響が研究されています。 (関連資料:チタンの腐食について知って理解しておくべき 5 つのこと。)

整形外科用チタン合金陽極酸化

陽極酸化は、生体インプラント用途に使用されるチタン合金の表面にナノ構造の陽極酸化膜を形成する方法の 1 つです。このプロセスでは、酸化物層の厚さと、層を構成する細孔のトポグラフィーなどの他の特性の微調整が可能です。

チタン合金ベースの整形外科用インプラントは、硫酸溶液での陽極酸化によって色分けされています。ある研究では、色分けされたインプラントをフッ化水素酸溶液で再び陽極酸化すると、インプラントが患者の骨の成長を促進する可能性があることが示されました.

歯科、整形外科、およびその他のアプリケーションで使用されるインプラントおよびデバイスの陽極酸化された標準的な色分けにより、コンポーネントの迅速な認識、正確かつ迅速な組み立てが容易になり、医療処置が容易になります。この利点は、航空宇宙用途に使用される陽極酸化 (色分けされた) チタン合金部品の組み立てにも適用できます。

マグネシウム陽極酸化

マグネシウムの陽極酸化は、アルカリが豊富な電解液で行われます。浴の配合により、表面に形成された皮膜が高い耐食性、耐塩水性、耐摩耗性、美的仕上がりを確実に実現します。

マグネシウムの陽極酸化皮膜の形成は、電圧の影響を直接受けます。低い印加電圧でマグネシウムを陽極酸化すると、十分な腐食保護を備えた酸化膜が得られないため、より高い DC 電圧が必要になります。新しい陽極酸化プロセスは、火花放電エネルギーを採用して、マグネシウム基板上に耐摩耗性のセラミック酸化膜を生成します。 (セラミック コーティングについては、セラミック コーティングのトップ 5 アプリケーションで説明しています。)

陽極酸化の化学

陽極酸化のプロセス中、金属ワークピース（アルミニウムなど）と金属陰極（多くの場合、亜鉛が陰極として使用されます）の間にDC電圧が印加されます。酸溶液の水粒子はアノードの近くで分解し、アノードで収集される酸素を生成します。豊富な酸素がアルミニウムと反応して酸化アルミニウム (Al₂ O₃ ).

2Al + 3H₂ O à Al₂ O₃ + 6H ⁺ + 6e ^-

酸化アルミニウムの薄い層が基板上に急速に形成され、多孔質構造のより厚い酸化層がより遅いペースで形成されます。アルミニウムの表面には、陽極酸化の薄い層がすでに存在している場合がありますが、この薄い層は損傷を受けやすく、強力な耐腐食性と耐摩耗性を確保できません。

陽極酸化処理は、必要に応じて陽極酸化皮膜の厚さなどの特性を向上させます。これらの陽極酸化膜パラメータは、特定の使用条件 (化学産業や沿岸地域に近い場所など) に合わせて調整できます。酸化膜の多孔性が許容できない場合はいつでも、非酸性の中性浴で陽極酸化することにより、非多孔性の膜を作成できます。

前処理処理

陽極酸化前の前処理には、徹底的な洗浄とエッチングが含まれます。ワークが汚れた状態で入荷する場合がありますので、適切な洗浄が必要です。エッチングは水酸化ナトリウム溶液で行うことができます。適切にエッチングされた表面は、陽極酸化後の傷などの表面欠陥を明らかにしません。

後処理のカラーリングとシール

マグネシウムの場合、陽極酸化は、その後の着色または塗装プロセスの準備としてよく使用されます。多くの場合、染料は陽極酸化された表面を着色するために使用され、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) のコーティングは耐摩耗性を向上させ、摩擦を減らすために使用されます。色付けは、確実な識別を容易にし、美観を向上させるために使用されます。

その後のシーリング プロセスで気孔が塞がれるため、陽極酸化膜の安定性が向上し、海水のしぶきや深海環境に伴う摩耗や裂傷、腐食に耐えることができます。

ただし、チタン陽極酸化の場合、陽極酸化プロセスのパラメーターを直接微調整することによって色仕上げが達成されるため、別の着色プロセスはありません。

アルミニウムの陽極酸化では、陽極酸化タンク内の酸性溶液に入れる前に、ワークピースを洗浄してエッチングします。それは陽極として接続され、負の端子は電気回路の陰極板 (またはロッド) に接続されます。回路に電流が流れると、アルミニウム基板が水から放出された酸素と反応して酸化アルミニウムが生成され、基板に強力に付着します。陽極酸化アルミニウムの細孔が表面の奥深くに形成され、腐食環境から表面を保護する強力なバリア膜を形成します。回路の端子間に電圧が印加されている限り、酸素はアルミニウムに浸透して酸化し続けるため、より厚くて強いバリア膜が作成されます。設計した膜厚に達したら、電源を切ります。

着色が必要な場合は、別の容器で染料を調合し、アルマイト処理したワークを水洗いした後、容器に入れます。着色後、アルマイトと染色を施したワークを熱湯に入れて封印します。シーリングプロセスにより、メタリックな光沢と美的カラーリングの耐久性が増します。表面がエッチングされると、着色された表面に当たる光線は、部分的に無着色の毛穴によって部分的に反射され、部分的に着色された毛穴によって反射されるため、使用された着色の耐久性のある金属光沢が維持されます。これが、陽極酸化アルミニウムが装飾用途で非常に人気がある理由です。

陽極酸化金属の顕著な用途

陽極酸化チタンは、医療機器や航空宇宙用途で使用されています。この金属を陽極酸化する利点は、バルク金属の機械的特性を変えないことです。陽極酸化処理により、組み立て時やその後の使用時にも部品やコンポーネントを簡単に識別できます。

陽極酸化アルミニウムは、大型建物や商業施設の窓枠や筋膜など、海洋環境に近い用途に適しています。装飾的および審美的な目的のために、酸化膜は透明で灰色がかってはいけません。装飾的な仕上げが必要な場所では、バスの温度を制御する必要があります。

陽極酸化金属は以下にも使用されます:

• 美的装飾品、アートワーク、建築構造物および部品
• 自動車および航空機の部品
• 高級家具、スポーツ用品
• 厨房機器、食品製造機械部品
• 建物の建設に使用されるコンポーネント

陽極酸化装置

陽極酸化プロセスに必要な DC 電源は、整流器を介して供給されます。数年前、モーター発電機セット (MG セット) は、AC 電力を DC に変換するために使用されていました。必要な電圧は、24 ～ 70 ボルト DC です。最新の電力機器は、より高い耐食性を持つ陽極皮膜を生成するために必要なパルス電流を供給することができます。ある製造業者は、パルス電流 (マイクロプロセッサベースの制御による) は、表面温度を低く保ちながら、より高い電流密度で生産速度を高め、冷蔵要件の負荷を軽減すると主張しています.

温度制御装置には冷却システムが必要です。これは、陽極酸化プロセスが熱エネルギー (発熱電気化学反応) を生成し、浴の温度を上昇させずに吸収する必要があるためです。

電解液はエアブロー方式で攪拌され、槽全体の温度が均一になります。陽極酸化槽に取り付けられた抽出装置は、陰極付近で継続的に発生する水素と酸のミストを除去します。

陽極酸化タンクは、鉛で裏打ちされていれば陰極として使用できます。ほとんどの場合、いくつかのタイプの陽極酸化では陽極面積と陰極面積の比率を制御することが重要であるため、タンクの長さ全体に沿って個別の陰極が配置されます。硫酸浴の場合、アルミニウム陰極は鉛電極よりも優れています。スチール製で、ネオプレンゴムまたは耐酸性ポリマーで裏打ちされたタンクは、この用途に一般的に好まれます。

陽極酸化の定義と方法

化学陽極酸化の手順はすべての用途で同じですが、機械的プロセスは使用する金属の物理的な種類と形状によって異なります:

バッチ陽極酸化では、一連の処理タンクにラッキングピースを沈めます。バッチ陽極酸化対象物には、いくつか例を挙げると、押し出し、シートまたは曲げ金属片、鋳物、調理器具、化粧品ケース、懐中電灯本体、および機械加工されたアルミニウム部品が含まれます。

連続コイル陽極酸化では、事前に巻かれたコイルを連続的に巻き戻し、一連の陽極酸化、エッチング、および洗浄タンクを通過させてから、出荷および製造のために巻き戻します。この技術は、照明器具、リフレクター、ルーバー、断熱ガラス用のスペーサー バー、および大量のシート、ホイル、およびあまり厳密でない形状の製品からの連続屋根システムの製造に使用されます。

結論

陽極酸化とは、金属の加工物を陽極として接続し、化学（酸性）溶液の電解液に浸して、表面に陽極酸化皮膜を形成する金属の仕上げ工程です。このフィルムは安定しており、摩耗や腐食に強く、識別や美的目的で必要な追加の着色のベースとしても機能します。

酸化膜のパラメータは、適用される DC 電圧、プロセスの持続時間、電解液の化学的性質、浴の温度などのプロセス変数の影響を受けます。陽極酸化チタン部品は整形外科インプラントに使用されますが、陽極酸化アルミニウム部品とチタン部品の両方が重要な航空宇宙用途に使用されます。さらに、陽極酸化された金属は、エレガントで耐久性があり、耐候性があるため、多くの産業および建築目的で使用されています.