ステンレス鋼の不動態化とは何ですか?

建設現場から自動車や調理器具まで、ステンレス鋼はあらゆる場所で使用されています。ステンレス鋼が人気なのは、その強度、耐久性、そしてさまざまな用途での信頼性の高いパフォーマンスによるものです。しかし、ステンレス鋼であっても、腐食から完全に免れるわけではありません。適切な処理を行わないと、時間の経過とともに徐々に劣化していきます。ステンレス鋼の不動態化は、ステンレス鋼の寿命を最大限に延ばし、完全性を維持するために、すべてのステンレス鋼コンポーネントが実行する必要がある重要なプロセスです。

ステンレス鋼の不動態化とは何ですか?

簡単に言えば、ステンレス鋼の不動態化とは、表面から遊離した鉄分子を除去することです。ステンレス鋼は鉄、クロム、その他の元素の合金であるため、主要元素である鉄は錆びやすいです。ステンレス鋼に含まれるクロムは表面にクロム酸化物層を形成し、これが不動態酸化物層として機能して鋼を腐食から保護します。ただし、この保護層は、表面に汚染物質がない場合にのみ適切に形成されます。

ステンレス鋼を不動態化すると、表面から鉄やその他の潜在的な汚染物質がすべて除去され、クロム酸化物層が一貫して形成されます。このプロセスにより、材料は腐食に強くなり、耐久性が向上し、厳しい環境での長期使用に適したものになります。

ステンレス鋼の不動態化の歴史

鉄は何千年も使われてきましたが、腐食しやすい性質があるため、理想的とは言えません。ステンレス鋼はより耐性がありますが、腐食を防ぐために不動態化が必要です。このプロセスは、化学者のクリスチャン・フリードリヒ・シェーンバインがステンレス鋼を濃硝酸に浸すと耐腐食性が大幅に向上することを発見した 1800 年代に始まりました。硝酸は環境面での欠点にもかかわらず、標準となりました。

1900 年代に、ドイツの醸造会社が、不動態化のためのより安全で毒性のない代替品としてクエン酸を発見しました。1990 年までに、クエン酸は多くの用途で硝酸に取って代わりました。今日では、両方の酸が現代の不動態化プロセスで使用されています。

ステンレス鋼の不動態化が重要な理由は何ですか?

鉄は適切な特性を備えており、容易に入手でき、あまり複雑なことをせずにさまざまな形状を形成するのに十分な可鍛性を備えています。 これらの特性により、この金属はさまざまな主要な用途に最適な金属となります。 しかし、その耐食性表面特性にはまだ改善の余地がたくさんあります。

ステンレス鋼は鉄よりも優れています (から何かを学ぶことができます 鋳鉄と鋼の比較ガイド)。 ただし、やはり腐食する可能性もあります。 耐食性の有効性は XNUMX つの主な要因によって決まります。 合金の組成と不動態化処理。

ステンレス鋼の不動態化が非常に重要である理由をいくつか紹介します。

鉄の腐食に対する脆弱性

鉄は、あらゆるタイプのステンレス鋼の主要部分です。鉄にはさまざまな利点があることは間違いありませんが、鉄は特に水と酸素にさらされると急速に腐食することも事実です。空気中にはこの両方が存在するため、事実上、腐食は避けられません。

しかし、鋼鉄の場合、表面の微粒子が腐食プロセスを開始し、ゆっくりと確実に部品全体に広がります。不動態化されたステンレス鋼では、プロセスによって表面が除去され、表面に不活性な保護層が形成されて性能が向上するため、この問題は発生しません。

クロムが腐食を防ぐ

組成の変更は、鋼の成形性やその他の性能パラメータに直接影響するため、必ずしも実行可能な解決策ではありません。したがって、耐久性を維持するために不動態化仕上げが非常に重要になります。

ステンレス鋼の不動態化により、表面にクロム層が形成されやすくなります。 クロムは不活性で、水やその他の汚染物質が存在しても腐食を防ぎます。 その結果、ステンレス鋼部品はクロムの保護の下でより長く持続します。

製造工程における汚染物質

どんなに注意していても、どの製造プロセスでも腐食を引き起こす可能性のある汚染物質が混入してしまいます。 機械加工ツールでも、特定の条件下では一部の成分が表面に残り、酸化を引き起こして腐食を引き起こす可能性があります。 パッシベーションプロセスは徹底的な洗浄から始まり、表面の汚染物質による問題の可能性を最小限に抑えます。

機械加工性の向上

前述したように、ステンレス鋼は鉄、炭素、クロム以外の多くの元素で構成されています。 材料の選択プロセスでは、すべてのコンポーネントの影響を非常に注意深く考慮する必要があります。

より深く理解するために、炭素含有量の例を考えてみましょう。 すべての鋼にはある程度の炭素が含まれており、その量が物理的特性を決定します。 一般に、炭素が多いほど、引張強度と硬度が高くなります。 ただし、延性が低く、機械加工プロセスがより困難になることも意味します。 クロムにも同様の効果があり、主に鋼の腐食関連特性に関与します。

ステンレス鋼の不動態化は組成を変えず、結果として金属の機械加工性を低下させることはありません。 代わりに、合金内の既存のクロムを活用して、腐食に対する保護を最大限に高め、全体的な耐久性を向上させます。

ステンレス鋼を不動態化する方法: ステップバイステップガイド

プロセスを見てみると、表面的には非常に単純に見えます。 ただし、このプロセスは非常に重要であり、何らかの事故が発生すると、将来的に多くの問題が発生する可能性があることに注意する必要があります。 ステンレス鋼は多くの繊細な用途で定期的に使用されており、加工上の問題が発生すると、すぐにコストとリソースが大量に消費され、適切に対処できなくなる可能性があります。

したがって、パッシベーションプロセスが完璧であることを確認することが重要です。   

簡単に言うと、鋼の不動態化は 3 段階のプロセスです。 まず汚染物質がないことを確認し、次にさまざまな化学薬品を使用して保護層の形成を促進し、最後に結果をテストします。 ここではプロセス全体の概要を説明します。

1. ステンレス部品のアルカリ洗浄

最初のステップは、スチール部品の表面に汚染物質がないことを確認することです。 そのためには、刺激が少なく、油粒子、化学物質、その他の破片などの異物を効果的に除去するアルカリ性の脱脂剤または表面クリーナーが最適な選択肢です。

2. クエン酸または硝酸浴での不動態化

次のステップは、不動態化酸浴で表面から鉄の痕跡をすべて除去することです。そのためには、次の 2 つのオプションのいずれかを選択します。

1. クエン酸
2. 二クロム酸を含む硝酸（または含まない）

クエン酸不動態化は、費用対効果が高く、不動態化プロセスを開始するための安全な方法です。有毒ガスを排出せず、環境や作業員に害を及ぼしません。ただし、クエン酸はカビの発生を引き起こす可能性があるため、あまり使用されていません。技術の進歩によりこの問題は最小限に抑えられましたが、依然として問題は残っています。

硝酸不動態化は、現在業界で人気のある別の方法です。より効果的な分子分布を実現し、耐久性を高めます。ただし、これらの特性は処理時間を犠牲にしています。さらに、硝酸は危険であり、有毒な煙を発生させます。

処理時間が遅い問題を解決するには、二クロム酸ナトリウムと組み合わせるのが最善の選択肢です。ただし、そうすると毒性がさらに高まり、さらなる問題が発生することに留意してください。

どのような方法でも、酸性の浴槽に浸すと不動態化が始まり、クロム酸化物層が再形成されます。ゆっくりと表面を覆い、長期間にわたって鋼鉄部品を汚染や腐食から守ります。

3. 不動態化された部品のテスト

最後に、不動態化プロセスが完了したら、適切なテストを実施して、適切な作業が行われたことを確認するだけです。業界全体で多数の標準が普及しており、適切な標準は、アプリケーション、場所、対象業界などの要因によって異なります。  

不動態化部品の一般的なテスト (A967 に準拠) には次のものがあります。

• 高湿度テスト: ステンレス鋼部品を湿度キャビネットに 24 時間置いて、高湿度レベルに対する耐性を評価します。
• 塩水噴霧試験: 部品を塩水噴霧チャンバーに約 2 時間さらして腐食状態をシミュレートし、耐久性を評価します。
• 水浸漬試験: 腐食の兆候がないか確認するために、部品を蒸留水に少なくとも 24 時間浸します。
• 無料鉄分検査: 水浸漬や高湿度などの他のテストが実行できない場合の代替方法です。タンクやキャビネットに収まらない大きな部品に使用します。
• 硫酸銅テスト: 硫酸銅不動態化溶液を部品の表面に 6 分間塗布します。遊離鉄が存在する場合、銅色の沈殿物が形成されます。クロム含有量が 16% 未満のステンレス鋼や食品加工部品には使用しないでください。

ステンレス鋼の不動態化に関する注意事項

ステンレス鋼の不動態化には単純なプロセスが必要ですが、ベストプラクティスと避けるべきことがいくつかあります。 これらに従うことで、一貫性のある最良の結果を得ることができます。 ここでは、パッシベーションプロセスで重要な「すべきこと」と「してはいけないこと」を簡単に説明します。

ベストプラクティス

• 作業を開始する前に、スチール部品が適切に清掃されていることを必ず確認してください。
• すすぎには可能な限り脱塩素水を使用してください
• 適切な不動態化を確保するために、酸浴を定期的に交換してください。
• 作業を分離することであらゆる発生源からの汚染を最小限に抑える
• ステンレス鋼部品の製造には専用の設備と機械を使用します
• 金属同士の接触を避けるラック保管システムを導入する

避けるべきこと

• 窒化物元素で部品を決して不動態化しないでください。 この処理により、不動態化タンク内の酸が酸化プロセスを開始する可能性もあります。
• 機械工場では鉄分を含む工具の使用を避けてください。 代わりに超硬工具を使用してください
• 熱処理の役割を決して過小評価しないでください
• 硝酸が適切な濃度であることを確認して、不動態化プロセスを最適化します。

不動態化ステンレス鋼のグレード

すべての合金と同様に、ステンレス鋼にもさまざまな機械的特性と全体的な用途を備えたさまざまなグレードがあります。 ステンレス鋼には、合金元素と全体の組成に応じて 3 つの主要なカテゴリがあります。

3 つのグレードは次のとおりです。

1 – オーステナイトグレード

さまざまな用途に使用される最も一般的なステンレス鋼材種。 この合金組成には、16% ～ 30% の範囲のクロムと若干のニッケルが含まれており、長期間にわたって腐食から大幅に保護されます。 さらに、オーステナイト系ステンレス鋼は非磁性であり、熱処理ができないため、機械的強度が制限されます。

2 – フェライトグレード

ステンレス鋼のフェライト合金にはクロム含有量も高くなります。 その範囲は約 10% ～ 30% ですが、合金にはかなりの割合の炭素も含まれており、上限は 20% です。 前グレードと同様、フェライト鋼は次の用途には適しません。 熱処理 同じように。 さらに、オーステナイト鋼種には適用できる冷間圧延などの他の方法は、フェライト鋼には適用できません。

3 – マルテンサイトグレード

これは、磁性があり、熱処理が可能で、多くの改ざんおよび老化プロセスに適した多用途のグレードです。ただし、マルテンサイト系ステンレス鋼のクロム含有量は 12% ～ 17% の範囲であるため、これらの特性は耐腐食性の全体的な有効性を犠牲にして得られます。

次の表は、これら 3 つのグレードの一般的な合金とそれぞれの用途を示しています。

ステンレス鋼の不動態化に関する業界標準

一貫した品質と信頼性を確保するための最良の方法の XNUMX つは、業界で普及している標準に従うことです。 特定の企業基準は別として、ほとんどの世界的企業はステンレス鋼の不動態化に関する ASTM または AMS 基準に従っています。  

ASTM規格

ASTM International は世界レベルで活動する標準化団体であり、材料の仕様、プロセス、テストに関する 14,000 以上の標準があります。 以下の規格は、ステンレス鋼の試験と不動態化プロセスにより関連しています。  

AMS規格

航空宇宙材料仕様書 (AMS) も、主にプロセス、材料、規格を扱うもう XNUMX つの標準団体です。 航空宇宙アプリケーション。 ただし、航空宇宙用途ではすべて最高の材料とプロセスが使用されるため、 AMS規格 信頼性を維持するのに役立ちます。

ステンレス鋼には次の XNUMX つの規格が一般的です。

英国規格

英国規格 (BS) は、英国および連邦諸国で使用するために英国規格協会 (BSI) によって開発されています。

BS EN 2516 3 つのグレードすべてと析出硬化型グレードを含む耐食鋼の化学的不動態化に特化した規格の 1 つです。ニッケルおよびコバルトベースの合金の除染方法も対象としています。

ステンレス鋼の不動態化のための装置の種類

不動態化プロセスには、洗浄、すすぎ、不動態化、そして最後に再度すすぐという 4 段階のプロセスを最適化するのに役立つ特定の装置が必要です。 プロセスには次の機器タイプを選択するオプションがあります。  

• 小型ベンチトップパッシベーション装置: 手動不動態化システムは、スペースが限られている場所に最適です。通常、この機器カテゴリでは、小型部品や試験片が不動態化されます。  
• ウェットベンチ不動態化装置: 組み立てラインのような統合システム。 すべての不動態化ステップと、タンク内の流れ、硝酸法の排気などの安全機能を備えた十分なスペースがあります。 この装備クラスも手動です。
• 自動パッシベーションシステム: 名前が示すように、自動不動態化システムは同じ原理で動作しますが、プロセス全体を通じて人間の介入の必要性を排除します。
• 撹拌浸漬不動態化システム: 空気圧を使用して部品を撹拌し、優れた洗浄性能を提供する半自動または自動装置。 耐久性と寿命が最も必要な、高感度のアプリケーションに適しています。

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ステンレス鋼の不動態化に関するよくある質問