日立製作所、六価クロムを使用せず耐食性・耐摩耗性を両立したニッケルめっき技術を開発

 日立製作所( http://www.hitachi.co.jp/ )は、社会インフラ・産業機器等の機械要素部品の表面処理として使用されている工業用クロムめっきに対して、環境への影響が懸念されている六価クロムを使用せずに、クロムめっきと比べ4倍の耐食性と同等の耐摩耗性を両立する多層硬質ニッケルめっき技術を開発した。

 工業用クロムめっきは、膜の持つ硬さ、耐食性、耐摩耗性に優れた特性を材料の表面に付与でき、かつ低コストなプロセス技術であることから、各種金型、機械部品等の用途に幅広く用いられている。一方、クロムめっき液の主成分である六価クロムは、人体への有害性や水質・土壌への環境負荷の観点から様々な環境関連法規制で使用の低減が望まれている。現在、化学物質を適切に管理するための国際的枠組みづくりの進展を背景に制定されたREACH規則においては、六価クロムは代替技術への切り替えが困難、かつ使用が不可欠な場合にのみ、認可を得た上での使用が許容されているが、今後さらなる規制の強化が見込まれている。そのため、六価クロムを使用せずに、クロムめっき膜が持つ優れた特性を実現する代替技術の確立が必要となっている。

 今回、同社は、金属組織を微結晶化する新たなニッケルめっき液と、被めっき材料表面に層状の金属組織を形成する製膜技術を組み合わせることで、耐食性と耐摩耗性の両立を実現した。開発した技術の概要は以下のとおり。

  1. 金属組織を微結晶化する新たなニッケルめっき液
     クロムめっきは、耐食性が相対的に低いため、塩害や腐食性ガスにさらされる部品など高耐食性が求められる用途では、より耐食性の高いニッケルめっきが使用される。しかし、ニッケルめっきは耐食性に優れる一方で、結晶粒子が大きく、クロムと比較すると硬度が劣るため、耐摩耗性に課題があった。今回、ニッケルが有する高耐食性を維持しながら金属組織を微結晶化し、耐摩耗性を向上させる特殊な添加剤を含むニッケルめっき液を開発した。開発したニッケルめっき液で成膜したところ、皮膜の金属組織をnmオーダーの粒子径に微結晶化でき(図1(a))、皮膜が硬質化することで、耐摩耗性を向上できることを確認した(図2硬質ニッケルめっき膜)。
  2. 図1 耐食性・耐摩耗性を両立するめっき技術図1 耐食性・耐摩耗性を両立するめっき技術
    図2 耐食性・耐摩耗性の特性比較図2 耐食性・耐摩耗性の特性比較

  3. 被めっき材料表面に層状の金属組織を形成する成膜技術
     耐摩耗性のさらなる向上手法として、被めっき材料表面に層状のニッケル金属組織を形成する成膜技術を開発した。同一の金属を多層状に形成する場合、各層を分断する性質の異なる層を導入する必要があり、プロセス上の課題があった。今回、めっき時に加える電流パターンを制御することにより、皮膜に取り込まれる添加剤の量をコントロールできる手法を見出した。この手法で成膜したところ、硬質ニッケル層が添加剤含有量の異なる層を介して多層化した皮膜構造を形成でき、多層膜内へ転位を導入できることを確認した(図1(b))。この多層化によりめっき皮膜が高強度化し、多層化前の硬質ニッケルめっき膜に比べてさらに耐摩耗性を向上できることを確認した(図2)。

 今回開発した多層硬質ニッケルめっき技術により得られためっき皮膜は、JISに規定される工業用クロムめっきの硬度基準を満たすとともに、従来のクロムめっきに比べて4倍の耐食性と、潤滑油の介在する条件下の摩耗試験において同等の耐摩耗性を示すことを確認した(図2多層硬質ニッケルめっき膜)。

 同社では今後、社会インフラ・産業機器等の機械要素部品を対象に本技術の実証試験を行うとともに、耐摩耗性のさらなる向上を図ることで、工業用クロムめっき代替技術としての普及を目指し、人体や環境への負荷低減に貢献していく考え。