電気亜鉛めっき

電気亜鉛めっきは、腐食を防ぐために亜鉛の層を鋼に結合するプロセスです。このプロセスには電気めっき、つまり亜鉛陽極と鋼導体を使用して塩水/亜鉛溶液に電流を流すことが含まれます。このような亜鉛電気めっきまたは亜鉛合金電気めっきは、年間の電気めっきトン数に基づいて、他の電気めっきプロセスオプションの中で支配的な地位を維持しています。国際亜鉛協会によると、溶融亜鉛めっきと電気めっきの両方で年間500万トン以上が使用されています。 [1] 亜鉛めっきは20^世紀初頭に開発されました。当時、電解質はシアン化物ベースでした。1960年代に重要な革新が起こり、最初の酸塩化物ベースの電解質が導入されました。^[2] 1980年代にはアルカリ電解液に戻りましたが、このときはシアン化物は使用されませんでした。最も一般的に使用されている電気亜鉛めっき冷間圧延鋼はSECCで、これは「Steel, Electrogalvanized, Cold-rolled, Commercial quality」の頭字語です。溶融亜鉛めっきと比較して、電気めっき亜鉛には次のような大きな利点があります。

• 同等の性能を達成するためにより薄い堆積物
• 性能と色の選択肢を増やすため、幅広い化成コーティングが利用可能
• より明るく、より美的に魅力的な堆積物

亜鉛めっきは、最も厳しい腐食防止、温度、および耐摩耗性の要件を満たすために開発され、進化し続けています。亜鉛の電気めっきは 1800 年に発明されましたが、最初の光沢のある析出物は 1930 年代初頭にアルカリ性シアン化物電解液を使用して初めて得られました。ずっと後の 1966 年に、酸塩化物浴の使用により、明るさがさらに向上しました。最新の近代的開発は 1980 年代に行われ、新世代のアルカリ性でシアン化物を含まない亜鉛が登場しました。最近の欧州連合指令 ( ELV / RoHS / WEEE ) ^[3]では、自動車、その他の OEM (相手先ブランド供給)、および電気電子機器メーカーによる六価クロム(CrVI) の使用を禁止しています。これらの指令と OEM による性能要件の高まりが相まって、アルカリ性亜鉛、亜鉛合金、および高性能の三価不動態化変換コーティングの使用が増加しています。

1980年代に初めてアルカリ性のZn/Fe（99.5%/0.5%）めっきとZn/Ni（94%/6%）めっきが使用されました。最近では、^{[いつ? ]}欧州の大手自動車メーカーの腐食規格の強化と廃車指令（六価クロム化成コーティングの使用禁止）により、12～15%のNiを含むアルカリ性のZn/Ni（Zn/Ni 86/14）の使用が増えています。^{[4] Zn/Ni（86%/14%）のみが合金であり、鉄、コバルト、ニッケルの含有量が少ないと共めっきになります。酸性およびアルカリ性電解液中のZn/Ni（12～15%）は、Zn-Ni二元}状態図 のガンマ結晶相としてめっきされます。

電気めっき亜鉛層によって得られる腐食保護は、主に亜鉛と鉄（ほとんどの場合は基板）の陽極電位溶解によるものです。亜鉛は鉄（鋼）を保護するための犠牲陽極として機能します。鋼は E _SCE = -400 mV に近いですが（電位は合金組成に応じて標準飽和カロメル電極（SCE）を参照）、電気めっき亜鉛は E _SCE = -980 mV とはるかに陽極的です。鋼は陰極保護によって腐食から保護されます。化成コーティング（OEM 要件に応じて六価クロム（CrVI）または三価クロム（CrIII））を適用して、クロムと亜鉛の水酸化物の追加の抑制層を構築することで、腐食保護を大幅に強化します。これらの酸化膜の厚さは、最も薄い青/透明不動態化処理の 10 nm から、最も厚い黒色クロメートの 4 μm まであります。

さらに、電気メッキされた亜鉛製品には、腐食防止と摩擦性能をさらに高めるためにトップコートが施されることもあります。^[5]

現代の電解質はアルカリ性と酸性の両方の性質を持っています。

硫酸ナトリウムと水酸化ナトリウム (NaOH) が含まれています。これらはすべて、独自の光沢剤を使用しています。亜鉛は、シアン化物錯体 Na ₂ Zn(CN) ₄および亜鉛酸塩 Na ₂ Zn( OH ) ₄として溶解します。このような電解液の品質管理には、Zn、NaOH、および NaCN の定期的な分析が必要です。NaCN : Zn の比率は、浴温度と必要なめっきの光沢レベルに応じて 2 ～ 3 の間で変化します。次の表は、室温でめっきするために使用される一般的なシアン化物電解液のオプションを示しています。

亜鉛と水酸化ナトリウムを含みます。そのほとんどは、シアン化物浴で使用されるものと同様の独自の添加剤によって光沢化されています。第四級アミン添加剤の添加は、高電流密度領域と低電流密度領域の間の金属分布の改善に貢献します。電気めっき業者は、望ましい性能に応じて、生産性を高めるために亜鉛含有量を最大にするか、または低電流密度領域へのより優れた均一性を得るために亜鉛含有量を低くすることができます。理想的な金属分布の場合、亜鉛金属は 6～14 g/L (0.8～1.9 オンス/ガロン) で NaOH は 120 g/L (16 オンス/ガロン) で進化します。ただし、最高の生産性の場合、亜鉛金属は 14～25 g/L (1.9～3.4 オンス/ガロン) で、NaOH は 120 g/L (16 オンス/ガロン) のままです。アルカリ性非シアン化物亜鉛処理には、6～14 g/L (0.8～1.9 オンス/ガロン) の低濃度亜鉛金属濃度または 14～25 g/L (1.9～3.4 オンス/ガロン) の高濃度亜鉛金属濃度が含まれており、塩化物ベース (低塩化アンモニウム、塩化カリウム/塩化アンモニウム) や (非塩化アンモニウム、塩化カリウム/ホウ酸) または硫酸塩浴などの酸性浴と比較して、高電流密度から低電流密度または均一電着まで優れたプレート分布を提供します。

最短のめっき時間が重要となる工場（最大 200 m/分で稼働する鋼コイルまたはパイプなど）での高速めっき専用です。この浴には、溶解度が最大となる硫酸亜鉛と塩化亜鉛が含まれています。ホウ酸は pH 緩衝剤として、また高電流密度での燃焼効果を軽減するために使用できます。これらの浴には結晶粒微細化剤がほとんど含まれていません。結晶粒微細化剤を使用する場合は、サッカリンナトリウムが使用されることがあります。

当初は塩化アンモニウムをベースとしていましたが、現在ではアンモニウム、カリウム、またはアンモニウム/カリウム混合電解質が選択肢に含まれています。亜鉛の含有量は、必要な生産性と部品構成によって異なります。亜鉛含有量が多いと浴の効率 (めっき速度) が向上し、亜鉛含有量が少ないと浴の低電流密度への投入能力が向上します。通常、亜鉛金属含有量は 20 ～ 50 g/L (2.7 ～ 6.7 オンス/ガロン) です。pH は 4.8 ～ 5.8 単位です。次の表は、一般的な塩化カリウム浴の組成を示しています。

一般的な結晶粒微細化剤には、溶解度の低いケトンやアルデヒドが含まれます。これらの光沢剤は、アルコールまたはハイドロトロープに溶解する必要があります。結果として得られる分子は亜鉛と共析して、わずかに平坦で非常に明るい析出物を生成します。ただし、明るい析出物は、クロメート/不動態化剤の受容性を低下させることもわかっています。その結果、提供される腐食保護が低下します。

腐食防止は主に、鉄に対する亜鉛の陽極電位溶解によるものです。亜鉛は鉄 (鋼) を保護するための犠牲陽極として機能します。鋼は合金組成に応じて -400 mV に近いのに対し、電気めっきされた亜鉛は -980 mV とはるかに陽極的です。鋼は陰極保護によって腐食から保護されます。亜鉛を 1% 未満のレベルでコバルトまたはニッケルと合金化しても、電位への影響は最小限ですが、両方の合金は、化成コーティングによって亜鉛層がクロメート膜を形成する能力を向上させます。これにより、腐食防止がさらに強化されます。

一方、12% ～ 15% の Ni を含む Zn/Ni (Zn/Ni 86/14) の電位は約 -680 mV で、カドミウムの -640 mV に近い値です。腐食時には亜鉛の攻撃が優先され、脱亜鉛により鋼に対する電位が一貫して上昇します。この腐食メカニズムにより、この合金は他の合金よりもはるかに優れた保護を提供します。

コスト上の理由から、既存の市場はアルカリ性 Zn/Fe (99.5%/0.5%) とアルカリ性 Zn/Ni (86%/14%) に分かれています。前者のアルカリ性および酸性 Zn/Co (99.5%/0.5%) の使用は、Fe の方が環境への配慮が少なく同様の結果が得られるため、仕様から消​​えつつあります。前者の Zn/Ni (94%/6%) は、純粋な亜鉛と結晶学的ガンマ相 Zn/Ni (86%/14%) の混合物でしたが、欧州仕様から削除されました。アルカリ性 Zn/Ni (86%/14%) の具体的な利点は、めっきによる水素脆化がないことです。鋼鉄上の最初の核生成は純粋なニッケルから始まり、この層は Zn-Ni の前に 2 nm の厚さでめっきされることが^{[誰によって? ]証明されました。 [6]この最初の層は、}水素が鋼鉄基材の奥深くまで浸透するのを防ぎ、水素脆化に関連する深刻な問題を回避します。このプロセスの価値と開始メカニズムは、高強度鋼、工具鋼、および水素脆化の影響を受けやすいその他の基板に非常に役立ちます。

新しい酸性 Zn/Ni (86%/14%) が開発されました。この合金はより明るいめっき皮膜を生成しますが、アルカリ系よりも金属分布が少なく、前述のニッケル下地層がないため、水素脆化の点で同じ性能は得られません。さらに、すべての亜鉛合金に新しい Cr ^VIフリーの化成皮膜フィルムが施され、その後にトップコートが塗布されることが多く、腐食防止、耐摩耗性を高め、摩擦係数を制御します。

• Fe 0.5% のアルカリ亜鉛鉄めっき用電解液の組成:

• 0.5% Coの酸性亜鉛コバルトめっき用電解液の組成:

• アルカリ亜鉛ニッケルめっき用電解液の組成（Ni4～8％）：

• アルカリ亜鉛ニッケルめっき用電解液の組成（Ni濃度12～15％）：

• 酸性亜鉛ニッケルめっき用電解液の組成（Ni濃度12～15％）：

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