Loading article…
クロムめっき（あまり一般的ではないが、クロムメッキとも呼ばれる）は、金属物体に薄いクロム層を電気めっきする技術である。[ 1 ]クロムめっきされた部品はクロムと呼ばれ、またはクロムメッキされたと言われる。クロム層は装飾性があり、耐食性を提供し、洗浄を容易にし、表面硬度を高めることができる。美観上の目的で、ニッケルなど、クロムのより安価な代替品が使用される場合もある。
電気めっきに使用されるクロム化合物は有毒です。ほとんどの国では、その廃棄は厳しく規制されています。めっき浴からの空気中のクロムの放出を抑制するために使用される一部のヒューム抑制剤も有毒であり、廃棄をさらに困難にしています。
部品の準備とクロムメッキには、通常、以下の工程の一部または全部が含まれます。
このプロセスには、めっきする基板の種類に応じて多くのバリエーションがあります。異なる基板には、塩酸、フッ化水素酸、硫酸などの異なるエッチング液が必要です。塩化第二鉄は、ニモニック合金のエッチングにもよく使用されます。部品が通電状態のままクロムめっき槽に入る場合もあります。部品に鉛/スズまたは白金化チタン製の適合陽極が取り付けられている場合もあります。一般的な硬質クロムめっき槽では、1時間あたり約0.001インチ（25μm）の速度でめっきが行われます。
クロムめっき工程を規定する一般的な業界規格としては、AMS 2460、AMS 2406、およびMIL-STD-1501などが挙げられる。
六価クロムめっきは、ヘキサクロム、 Cr 6+、クロム(VI)めっきとも呼ばれ、六価クロム(Cr VI )を主成分として使用します。六価クロムめっき液は、装飾めっきと硬質めっきの両方に使用され、銅合金の光沢浸漬、クロム酸陽極酸化、クロメート化成皮膜にも使用されます。 [ 3 ]
一般的な六価クロムめっきプロセスは以下のとおりです。
活性化浴は通常、逆電流を流したクロム酸のタンクです。これにより、ワークピースの表面がエッチングされ、スケールが除去されます。場合によっては、活性化工程はクロム浴で行われます。クロム浴は三酸化クロムと硫酸の混合物で、その比率は重量比で75:1から250:1まで大きく異なります。これにより、非常に酸性の浴（pH 0）になります。浴の温度と電流密度は、光沢と最終的な被覆に影響します。装飾コーティングの場合、温度は35～45 ℃（100～110 °F）ですが、硬質コーティングの場合は50～65 ℃（120～150 °F）です。温度は電流密度にも依存し、電流密度が高いほど温度が高くなります。最後に、浴全体を攪拌して温度を一定に保ち、均一な堆積を実現します。[ 3 ]
六価クロムめっきの機能上の欠点の1つは、陰極効率が低いことであり、その結果、めっきの広がりが悪くなります。つまり、エッジ部分にはめっきが多く、内側の角や穴にはめっきが少なくなるという不均一なコーティングが残ります。この問題を克服するために、部品に過剰めっきを施してサイズに合わせて研磨するか、めっきしにくい部分の周囲に補助陽極を使用する場合があります。[ 3 ]また、六価クロムは三価クロムよりもかなり毒性が強く、取り扱いに注意しないと製造と廃棄の両方で重大な健康リスクとなります。[ 4 ]
三価クロムめっきは、トリクロム、Cr 3+、クロム(III)めっきとも呼ばれ、主成分として硫酸クロムまたは塩化クロムを使用します。三価クロムめっきは、特定の用途や厚さ（装飾めっきなど）において六価クロムの代替となります。[ 3 ]
三価クロムめっきプロセスは、浴の化学組成と陽極の組成を除いて、六価クロムめっきプロセスと似ています。三価クロム浴の構成には主に3つのタイプがあります。[ 3 ]
三価クロムめっきプロセスは、六価クロムと比較して、同様の温度、速度、硬度でワークピースをめっきすることができます。めっき厚さは5～50μin （0.13～1.27μm ）です。[ 3 ]
三価クロムの機能的な利点は、陰極効率が高く、投射力も優れていることです。投射力が高いということは、生産速度も向上するということです。必要な電流密度が低いため、エネルギー消費量も少なくて済みます。電流の中断にも耐えられるため、六価クロムよりもプロセスが堅牢です。[ 3 ]
このプロセスが最初に導入されたときの欠点の1つは、装飾用途の顧客が色の違いを好まなかったことです。現在、企業は添加剤を使用して色を調整しています。硬質コーティング用途では、厚いコーティングの耐食性は六価クロムほど良くありません。化学薬品のコストは高くなりますが、これは通常、生産速度の向上と間接費の削減によって相殺されます。一般的に、このプロセスは、特に金属不純物に関して、六価クロムめっきよりも厳密に管理する必要があります。これは、バレルめっきなどの制御が難しいプロセスは、三価クロム浴を使用するとはるかに困難になることを意味します。[ 3 ]
二価クロムめっきは、Cr 2+種を含む液体から行われます。このような溶液は、 Cr 2+水溶液からの空気感受性と水素発生のため、2020 年頃までは避けられていました。2020 年代には、塩化第一クロムが室温で水に約 4.0 M溶解度を持つこと (つまり、H 2 O:Cr モル比が約 14:1 の場合)が発見され、このような液体は過飽和電解質のように振る舞い、水素発生傾向が低減されます。最高品質の光沢のある析出物は、20 mA/cm 2という比較的高い電流密度で生成されます。[ 5 ]
装飾用クロムは、美観と耐久性を兼ね備えるように設計されています。厚さは2 ～ 20μin (0.05 ～ 0.5μm)が、通常は5 ～ 10μin (0.13 ～ 0.25μm)。クロムめっきは通常、光沢のあるニッケルめっき。一般的な基材には鋼、アルミニウム、プラスチック、銅合金、亜鉛合金などがあります。 [ 3 ]装飾用クロムめっきは耐腐食性にも優れており、自動車部品、工具、台所用品によく使用されます。
薄型高密度クロム（TDC）は装飾用クロムとは異なります。[ 6 ]装飾用クロムは主に美観目的で、光沢のある仕上がりを提供する薄い層で塗布されますが、ArmoloyなどのTDCは表面性能の向上に重点を置いています。厚みを大幅に増やすことなく、耐摩耗性、耐腐食性、硬度を実現します。TDCは装飾用クロムに伴う微細なひび割れも回避するため、耐久性と摩擦低減が求められる産業用途に最適です。薄型高密度クロムは、精密工具、航空宇宙、医療、食品加工機器などで一般的に使用されています。
ハードクロム、別名工業用クロムまたは加工クロムは、摩擦の低減、耐摩耗性および耐摩耗性全般による耐久性の向上、かじりや焼き付きを最小限に抑え、化学的不活性を拡張してより広い範囲の条件（耐酸化性など）を包含し、摩耗した部品のバルク材として元の寸法を復元するために使用されます。 [ 7 ]非常に硬く、65～69 HRCベース金属に基づくです。ハードクロムは装飾クロムよりも厚くなる傾向があり、非再生用途の標準的な厚さは20～40 μmですが、 [ 8 ]極めて高い耐摩耗性が求められる場合は、100 μm以上の厚さで最適な結果が得られるなど、桁違いに厚くなることがあります。残念ながら、このような厚さはプロセスの限界を強調するものであり、これは追加の厚さをメッキしてから研削およびラッピングして要件を満たすか、クロムメッキ部品の全体的な美観を向上させることによって克服されます。 [ 3 ]ハードクロムには平滑化効果がないため、めっき厚を増やすと表面の欠陥や粗さが比例して大きくなります。 [ 9 ]電界形状に対して理想的な形状ではない部品（球形や卵形の物体を除く、めっきのために送られてくるほぼすべての部品）は、不均一な堆積を補うためにさらに厚いめっきが必要となり、部品を目的の寸法に研削する際にその多くが無駄になります。
現代のエンジニアリングコーティングは、ハードクロムが人件費だけで価格的に不利になるような欠点を抱えていません。ハードクロム代替技術は、耐摩耗性、耐食性、コストの面でハードクロムを上回ります。80 HRCまでの硬度は、このような材料では珍しいものではありません。スプレー堆積法で塗布される現代のエンジニアリングコーティングは、均一な厚さの層を形成でき、多くの場合、研磨や機械加工は不要です。これらのコーティングは、特許または企業秘密で保護された独自の配合として、ポリマー、金属、セラミック粉末または繊維の複合材料であることが多く、そのため通常はブランド名で知られています。[ 10 ]
硬質クロムめっきは、用途に応じてさまざまな品質要件が適用されます。例えば、油圧ピストンロッドのめっきは、塩水噴霧試験によって耐食性がテストされます。
自動車に取り付けられる光沢のある装飾品のほとんどは「クロム」と呼ばれ、これは風雨や湿気から保護するために複数のメッキ処理を施した鋼材を意味しますが、この用語は、銀色のプラスチック製トリム部品など、見た目が似ている光沢のある自動車用装飾部品全般を指すようになりました。三重メッキは最も高価で耐久性のある処理方法で、クロムメッキを施す前に、まず鋼材に銅メッキ、次にニッケルメッキを施します。
1920年代にクロムメッキが用いられるようになる以前は、ニッケルメッキが使われていた。第二次世界大戦へのアメリカの参戦直前の短い生産期間中、政府はクロムを節約するためにメッキを禁止し、自動車メーカーは装飾部品を補色で塗装した。朝鮮戦争末期には、アメリカはクロムメッキを禁止し、亜鉛メッキを施してから光沢のあるプラスチックでコーティングするなど、より安価な方法を採用することを検討した。
2007年に、有害物質使用制限指令（RoHS指令）が発布され、クロムめっきに使用される六価クロムを含む、自動車産業で使用されるいくつかの有害物質がヨーロッパで禁止されました。しかし、クロムめっきは金属であり、すすぎ後には六価クロムを含まないため、クロムめっきは禁止されていません。[ 11 ]
クロムライニングは銃身や薬室を腐食から保護し、これらの部品の清掃も容易にしますが、これが銃身や薬室にライニングを施す主な目的ではありません。クロムライニングは、銃身や薬室などの高応力のかかる銃器部品の耐摩耗性と耐用年数を向上させるために機関銃に導入され、銃身が摩耗して交換が必要になる前に発射できる弾数を増やします。ライフル銃の薬室の端、フリーボア、リード（薬室のすぐ前にある銃身の非ライフリング部分）、およびライフリングの最初の数センチメートルまたは数インチは、ライフル銃の推進剤のエネルギー含有量が3500 kJ/kgを超える場合があるため、非常に高い温度と380 MPa（55,114 psi）を超える圧力にさらされます。推進剤ガスは切断トーチの炎と同様に作用し、ガスが金属を赤熱状態に加熱し、速度が金属を引き裂きます。低速射撃条件下では、影響を受ける部分は射撃の合間に十分に冷却される。持続的な速射または自動/連射射撃では、熱が放散する時間がない。高温の推進ガスによる熱と圧力の影響、および弾丸による摩擦により、薬室、フリーボア、リード、ライフリングの先端の金属が洗い流され、すぐに損傷が発生する可能性がある。硬質クロムライニングは、耐摩耗性クロムの薄い層で薬室、フリーボア、リード、ライフリングを保護する。これにより、フルオートまたは持続的な速射モードで長時間発射される銃の銃身寿命が大幅に延びる。一部の銃器メーカーは、高応力のかかる銃器部品の耐摩耗性と耐用年数をさらに向上させるために、硬質クロムライニングの代替としてステライトライニング合金を使用している。[ 12 ] [ 13 ]
六価クロムは、クロムの中で最も毒性の高い形態です。米国では、環境保護庁がこれを厳しく規制しています。EPAは、六価クロムをヒト発がん性物質、浄水法に基づく「優先汚染物質」 、資源保全回復法に基づく「有害成分」として、有害大気汚染物質に指定しています。陰極効率が低く、溶液の粘度が高いため、浴槽から水と六価クロムの有毒なミストが放出されます。 これらの排出を制御するために湿式スクラバーが使用されます。湿式スクラバーからの液体は、クロムを沈殿させて排水から除去するために処理され、排出されます。[ 3 ]
六価クロム浴から発生するその他の有害廃棄物には、鉛陽極が使用されるため浴中に生成されるクロム酸鉛が含まれる。硫酸塩濃度を制御するためにバリウムも使用され、その結果、硫酸バリウム（BaSO₄ ）が生成される。[ 3 ]
三価クロムは六価クロムよりも本質的に毒性が低い。毒性が低いため規制が厳しくなく、間接費が削減される。その他の健康上の利点としては、陰極効率が高く、クロムの大気排出量が少なくなること、濃度レベルが低く、クロム廃棄物が少なく、陽極が分解しないことなどが挙げられる。[ 3 ]
めっき液が気泡が表面に上昇して破裂した際に空気中に飛散するのを防ぐには、めっき浴の表面張力を35 dyn/cm 未満に維持する必要があります。そのためには、湿潤剤の蒸気抑制剤でめっき浴を頻繁に処理し、表面張力への影響を確認する必要があります。 [ 14 ]通常、表面張力はスタラゴメーターまたはテンシオメーターで測定されます。しかし、この方法は面倒で不正確であり (22 dyn/cm までの誤差が報告されています)、使用者の経験と能力に依存します。[ 15 ]
空気中の有毒なクロムの制御には効果的ですが、広く使用されている湿潤剤のヒューム抑制剤の多くは、長期的な健康被害を引き起こす可能性のある有害化学物質であるペルフルオロアルキル物質（PFAS）を含んでいるため、それ自体が有毒です。 [ 16 ]このため、電気めっきはPFASへの職業曝露リスクが最も高い仕事の1つですが、フッ素化水性フィルム形成泡を使用する消防士ほど高くはありません。[ 17 ] PFASは人間の健康に有害な影響を及ぼし、残留性汚染物質であり、著しい生物蓄積と生物濃縮を引き起こし、食物連鎖の最高位に位置する動物を毒性影響のリスクが最も高くしています。[ 18 ] [ 19 ]
クロムめっきは（二）クロム酸塩溶液からは比較的容易であるが、 Cr³⁺溶液からは困難であることは、1世紀以上前から知られている。この現象を説明するために、いくつかの理論が提唱されてきた。
以前の見解では、電気還元された Cr 6+から最初に活性 Cr 3+種 (おそらく水ではなく配位子を持つ) が形成されると示唆されていました。[ 20 ] [ 21 ] この活性 Cr 3+種は、比較的容易に金属クロムに還元できます。しかし、「活性 Cr 3+ 」は、1 秒未満で「不活性 Cr 3+ 」に遷移し、これはポリマー ヘキサアクア錯体であると考えられています。[ 22 ]水以外の配位子を持つCr 3+の錯体の中には、比較的速く電気還元されて金属クロムになるものがあり、これらはクロム酸塩を含まないクロムめっき法に使用されています。[ 23 ] [ 24 ]
別の考え方では、Cr 3+溶液からのクロムめっきの主な問題は水素発生反応（HER）であり、クロム酸塩の役割はH 2発生と競合する反応でH +イオンを捕捉することであると示唆している。
メッキされたクロムの輝きは、メッキの表面に微細な亀裂が見えるかどうかによって決まります。一部のクロム層のくすんだ外観は、メッキされた金属層全体に伝播する連続的な亀裂によるものですが、小さな微細亀裂が堆積物の内部深部に限定されている場合は、明るい堆積物が現れます。このHER副反応メカニズムは、現在、電気化学コミュニティにより受け入れられているようです。逆電流パルスに依存するCr 3+溶液からのクロムのメッキ方法は、商業化されています（H 2を再酸化するためと言われています）。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]