(57)【要約】【課題】３価クロムめっきによって鉄鋼母材に対する密着性が高いクロムめっき膜を安定して形成可能な技術を提供する。【解決手段】クロムめっき部品の製造方法では、冷却装置によって温度調節された電解液中でのアノード処理によって鉄鋼母材に不動態皮膜が形成される。３価クロムめっき液中でのカソード処理によって、上記鉄鋼母材から上記不動態皮膜が除去された後に、上記鉄鋼母材にクロムめっき膜が形成される。例えば、上記アノード処理では、上記電解液を２５℃以下に温度調節する。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却装置によって温度調節された電解液中でのアノード処理によって鉄鋼母材に不動態皮膜を形成し、
３価クロムめっき液中でのカソード処理によって、前記鉄鋼母材から前記不動態皮膜を除去した後に、前記鉄鋼母材にクロムめっき膜を形成する
クロムめっき部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のクロムめっき部品の製造方法であって、
前記アノード処理では、前記電解液を２５℃以下に温度調節する
クロムめっき部品の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のクロムめっき部品の製造方法であって、
前記アノード処理では、前記不動態皮膜を形成する前の前記鉄鋼母材の表層を除去する
クロムめっき部品の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のクロムめっき部品の製造方法であって、
前記カソード処理では、印加電流をゼロで保持した後に、スロースタート制御で印加電流を上昇させる
クロムめっき部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３価クロムめっきによって鉄鋼母材にクロムめっき膜を形成するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄鋼母材にクロムめっき膜を形成するために、６価クロムめっきが用いられてきた。近年、６価クロムの有害性の観点から、環境負荷が低い３価クロムめっきが注目されている。しかしながら、３価クロムめっきでは、鉄鋼母材に対する高い密着性及び接合強度を有するクロムめっき膜が得られにくい。
【０００３】
これに対し、特許文献１には、ニッケルめっきによって鉄鋼母材に下地膜を形成した後に、３価クロムめっきを行う技術が開示されている。この技術では、クロムめっき膜がニッケルめっき膜を介して鉄鋼母材に強固に接合されるため、鉄鋼母材に対する接合強度が高いクロムめっき膜が得られる。
【０００４】
しかしながら、一般的に、多くの工程数が必要なニッケルめっきには、設備費が高い、設備スペースが大きい、ランニングコストが高い、リードタイムが長い、などといったデメリットが存在する。したがって、ニッケルめっきを用いることなく、鉄鋼母材に対する接合強度が高いクロムめっき膜を形成可能な技術が望まれる。
【０００５】
非特許文献１には、鉄鋼母材に直接３価クロムめっきを行うことによって、密着性が高いクロムめっき膜を形成可能な技術が開示されている。この技術では、まず３価クロムめっきを行う前の鉄鋼母材に対して、希硫酸溶液中でアノード処理が行われる。これにより、鉄鋼母材の表面には、不動態皮膜が形成される。
【０００６】
その後、不動態皮膜が形成された鉄鋼母材に対して、３価クロムめっき液中でスロースタート法を用いたカソード処理を行う。このカソード処理では、電流が上昇する過程において不動態皮膜が還元され、引き続いてクロムが電析する。これにより、鉄鋼母材に対する密着性が高いクロムめっき膜を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１８５１１６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】眞保良吉（他３名）著  「硬質３価めっき法の開発」  機能材料  ２０１７年３月号  Ｖｏｌ．３７  Ｎｏ．３  １８〜２７ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の非特許文献１に記載の技術は、ニッケルめっきを用いずに高い接合強度を有するクロムめっき膜を形成可能な３価クロムめっきの技術として非常に有望である。しかしながら、この技術を用いても、鉄鋼母材に対するクロムめっき膜の密着性が不充分となる場合があり、クロムめっき膜の密着性の高いクロムめっき部品を安定して製造することが困難であった。
【００１０】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、３価クロムめっきによって鉄鋼母材に対する密着性が高いクロムめっき膜を安定して形成可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るクロムめっき部品の製造方法では、冷却装置によって温度調節された電解液中でのアノード処理によって鉄鋼母材に不動態皮膜が形成される。
３価クロムめっき液中でのカソード処理によって、上記鉄鋼母材から上記不動態皮膜が除去された後に、上記鉄鋼母材にクロムめっき膜が形成される。
例えば、上記アノード処理では、上記電解液を２５℃以下に温度調節する。
【００１２】
一般的に、めっき前の母材の表面を活性化することにより、母材に対するめっき膜の密着性を向上させる技術が知られている。しかしながら、このような技術では、表面が活性化された母材がめっき液に浸漬される前に大気に晒される。これにより、母材の表面の活性が低下するため、密着性の高いめっき膜が得られにくくなる。
【００１３】
これに対し、本発明では、アノード処理によって、鉄鋼母材の表面を活性化した後に、鉄鋼母材の表面に不動態皮膜を形成する。これにより、鉄鋼母材の表面は、活性化された状態で不動態皮膜に保護される。特に、本発明では、電解液の温度上昇を抑制するように電解液を温度調節することで、均一な不動態皮膜が安定して得られる。
したがって、アノード処理からカソード処理への移行の際に鉄鋼母材が大気に晒されても、不動態皮膜に覆われた鉄鋼母材の表面の活性は低下しない。これにより、本発明では、鉄鋼母材の表面の高い活性を維持したまま、鉄鋼母材を３価クロムめっき液に浸漬させることができる。
そして、３価クロムめっき液に浸漬させた鉄鋼母材から不動態皮膜を除去する。これにより、３価クロムめっき液中において鉄鋼母材の活性化した表面が露出する。このため、本発明では、高い活性が維持された状態の鉄鋼母材の表面に３価クロムめっきを行うことが可能となる。
したがって、本発明では、鉄鋼母材に直接３価クロムめっきを行うことによって、密着性が高いクロムめっき膜を形成することができる。特に、本発明では、上記のとおりアノード処理によって均一な不動態皮膜が安定して得られるため、密着性が高いクロムめっき膜を有するクロムめっき部品を安定して製造することができる。
【００１４】
上記アノード処理では、上記不動態皮膜を形成する前の上記鉄鋼母材の表層を除去してもよい。
この構成では、鉄鋼母材の表面をより良好に活性化することができる。
【００１５】
上記カソード処理では、印加電流をゼロで保持した後に、スロースタート制御で印加電流を上昇させてもよい。
この構成では、クロムめっき膜が形成される前の鉄鋼母材から不動態皮膜を良好に除去することができる。
【発明の効果】
【００１６】
３価クロムめっきによって鉄鋼母材に対する密着性が高いクロムめっき膜を安定して形成可能な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るクロムめっき部品の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】上記製造方法に利用可能な鉄鋼母材の断面図である。
【図３Ａ】上記製造方法の前処理における鉄鋼母材の断面図である。
【図３Ｂ】上記製造方法の前処理における鉄鋼母材の断面図である。
【図４Ａ】上記製造方法のアノード処理における鉄鋼母材の断面図である。
【図４Ｂ】上記製造方法のアノード処理における鉄鋼母材の断面図である。
【図５】上記アノード処理で利用可能な冷却装置の概略構成図である。
【図６Ａ】上記製造方法のカソード処理における鉄鋼母材の断面図である。
【図６Ｂ】上記製造方法のカソード処理における鉄鋼母材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［クロムめっき部品の製造方法の全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るクロムめっき部品の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態では、３価クロムめっきによって１０μｍ以上（例えば２０μｍ程度）の硬質クロムめっき膜を鉄鋼材料に直接形成する。以下、図１に沿って、本実施形態に係るクロムめっき部品の製造方法の全体構成について説明する。
【００１９】
（ステップＳ１：鉄鋼母材準備）
ステップＳ１では、クロムめっき膜を形成する対象物である母材（以下、「鉄鋼母材」と呼称する。）を準備する。鉄鋼母材は、例えば、Ｓ１５Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ２５Ｃ、Ｓ３０Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４０Ｃ、Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼や、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０等のクロムモリブデン鋼などで形成される。鉄鋼母材は、焼入れされていない生材であっても、焼入れされた焼入れ材であってもよい。鉄鋼母材の形状は、例えば、棒状や平板状など任意に決定可能である。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る鉄鋼母材１１の断面図である。鉄鋼母材１１は、円形の断面を有する棒状に形成されており、図２には長手方向に沿った断面が示されている。通常、鉄鋼母材１１の表面には、不純物層が形成されている。このような不純物層としては、例えば、酸化物層２１や有機物層２２などが挙げられる。
【００２１】
酸化物層２１は、鉄鋼母材１１の表面の鉄成分が酸化することにより形成される。有機物層２２は、加工オイルなどの有機物により形成される。これらの不純物層は、鉄鋼母材１１にクロムめっき膜を形成する際の妨げとなる。このため、鉄鋼母材１１から不純物層を除去するための前処理を行う。
【００２２】
（ステップＳ２：前処理）
ステップＳ２では、鉄鋼母材１１の表面から不純物層を除去することにより、鉄鋼母材１１の表面を清浄化するための前処理を行う。例えば、ステップＳ２では、ステップＳ２１（脱脂）及びステップＳ２２（酸洗浄）を行うことができる。これ以外にも、例えば水洗や中和などの処理を適宜行うことができる。
【００２３】
ステップＳ２１では、図３Ａに示すように、鉄鋼母材１１の表面から有機物層２２を除去するための脱脂を行う。脱脂は、例えば、脱脂剤に鉄鋼母材１１を浸漬することにより行うことができる。脱脂剤としては、例えば、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムなどを含むアルカリ性水溶液を利用可能である。
【００２４】
ステップＳ２２では、図３Ｂに示すように、鉄鋼母材１１の表面から酸化物層２１を除去する酸洗浄を行う。酸洗浄は、例えば、酸化鉄からなる酸化物層２１を溶解可能な酸に鉄鋼母材１１を浸漬することにより行うことができる。酸化鉄を溶解可能な酸としては、例えば、塩酸や硫酸などが挙げられる。
【００２５】
（ステップＳ３：アノード処理）
ステップＳ３では、ステップＳ２で表面が清浄化された鉄鋼母材１１にアノード処理を行う。アノード処理では、鉄鋼母材１１を電解液４１に浸漬させた状態で、鉄鋼母材１１を陽極として電圧を印加する。ステップＳ３では、一連のアノード処理によって、ステップＳ３１（活性化）及びステップＳ３２（不動態皮膜形成）を行う。
【００２６】
ステップＳ３１では、図４Ａに示すように、電解液４１中で鉄鋼母材１１の表面を活性化することにより高活性面１１ａを形成する。高活性面１１ａは、例えば、鉄鋼母材１１の表面に残った不純物を除去しつつ、鉄鋼母材１１の表層を溶解させて除去することにより露出する新生面として形成することができる。
【００２７】
図４Ａに示す状態の鉄鋼母材１１が電解液４１から取り出されて大気に晒されると、高活性面１１ａの活性が低下する。本発明では、ステップＳ３１で鉄鋼母材１１に形成された高活性面１１ａの活性が維持されるように、ステップＳ３１に引き続いて電解液４１中でステップＳ３２（不動態皮膜形成）を行う。
【００２８】
ステップＳ３２では、図４Ｂに示すように、鉄鋼母材１１の高活性面１１ａを被覆する不動態皮膜３０を形成する。これにより、鉄鋼母材１１の高活性面１１ａが不動態皮膜３０によって保護され、鉄鋼母材１１が電解液４１から取り出されて大気に晒されても、高活性面１１ａの活性が低下しない。
【００２９】
アノード処理では、鉄鋼母材１１への電圧の印加に伴って電解液４１に熱が加わる。本願の発明者は、電解液４１の温度の上昇によって鉄鋼母材１１の表面に均一な不動態皮膜３０が形成されにくくなることを見出した。このため、本発明では、冷却装置を用いて電解液４１を温度調節しながら、ステップＳ０３を行う。
【００３０】
ステップＳ０３では、冷却装置によって電解液４１の温度を、好ましくは２５℃以下、より好ましくは２０℃以下に調整する。これにより、鉄鋼母材１１の表面には、より確実かつ安定的に均一な不動態皮膜３０が隙間なく形成される。なお、鉄鋼母材１１への不動態皮膜３０の形成を良好に進めるために、電解液４１は０℃より高い温度に保たれることが好ましい。
【００３１】
図５は、アノード処理で利用可能な電解処理装置５０及び冷却装置６０の一例を示す概略構成図である。電解処理装置５０は、電解液４１を収容する電解槽５１を含む。冷却装置６０は、チラー６１と、冷却槽６２と、第１配管６３と、第１ポンプ６４と、第２配管６５と、第２ポンプ６６と、を含む。チラー６１は、冷却液Ｃを冷却しながら収容する。
【００３２】
冷却槽６２は、第１収容部６２ａと、第２収容部６２ｂと、熱交換プレート６２ｃと、を含む。熱交換プレート６２ｃは、例えばチタンで形成され、第１収容部６２ａと第２収容部６２ｂとを隔てる。第１収容部６２ａは、第１配管６３によって電解槽５１に接続されている。第２収容部６２ｂは、第２配管６５によってチラー６１に接続されている。
【００３３】
冷却装置６０は、第１ポンプ６４の駆動力によって電解槽５１と第１収容部６２ａとの間で電解液４１を循環させる。また、冷却装置６０は、第２ポンプ６６の駆動力によってチラー６１と第２収容部６２ｂとの間で冷却液Ｃを循環させる。したがって、冷却槽６２内には、電解液４１と冷却液Ｃとが熱交換プレート６２ｃを挟んで収容される。
【００３４】
このため、冷却槽６２内では、電解槽５１内でのアノード処理によって昇温した電解液４１が、冷却液Ｃによって冷却された熱交換プレート６２ｃに接触することによって冷却される。そして、冷却装置６０は、冷却槽６２内で冷却された電解液４１を再び電解槽５１に戻す。これにより、冷却装置６０は、電解槽５１内の電解液４１の昇温を抑制することができる。
【００３５】
（ステップＳ４：カソード処理）
ステップＳ４では、ステップＳ３で得られた鉄鋼母材１１にカソード処理を行う。ステップＳ４では、カソード処理を行うために、まず電解液４１から取り出した鉄鋼母材１１を３価クロムめっき液４２に浸漬させる。このとき、鉄鋼母材１１が大気に晒されるが、不動態皮膜３０に被覆された高活性面１１ａの高い活性は維持される。
【００３６】
ステップＳ４におけるカソード処理では、鉄鋼母材１１を３価クロムめっき液４２に浸漬させた状態で、鉄鋼母材１１を陰極として電流を印加する。ステップＳ４では、一連のカソード処理によって、ステップＳ４１（不動態皮膜除去）及びステップＳ４２（クロムめっき膜形成）を行う。
【００３７】
ステップＳ４１では、図５Ａに示すように、３価クロムめっき液４２中で鉄鋼母材１１の高活性面１１ａを被覆する不動態皮膜３０を除去する。これにより、不動態皮膜３０によって高い活性が維持された状態の鉄鋼母材１１の高活性面１１ａを、３価クロムめっき液４２中に露出させることができる。
【００３８】
より詳細に、ステップＳ４１では、電流を印加する前の印加電流がゼロの状態で、鉄鋼母材１１を３価クロムめっき液４２中で保持することが好ましい。これにより、３価クロムめっき液４２が持つ酸化作用によって、不動態皮膜３０を清浄化することができ、また不動態皮膜３０を部分的に溶解させることができる。
【００３９】
また、カソード処理には、スロースタート法を用いることが好ましい。つまり、カソード処理では、印加電流をゼロから徐々に上昇させるスロースタート制御を行うことが好ましい。これにより、不動態皮膜３０に加わる還元作用を緩やかに増加させることができるため、不動態皮膜３０の除去が全体にわたって均一に進行する。
【００４０】
そして、ステップＳ４２では、図５Ｂに示すように、鉄鋼母材１１の高活性面１１ａにクロムめっき膜１２を形成する。これにより、クロムめっき部品１０が得られる。ステップＳ４１に引き続いて３価クロムめっき液４２中でステップＳ４２を行うため、ステップＳ４２の前に鉄鋼母材１１の高活性面１１ａの活性が損なわれない。
【００４１】
ステップＳ４２では、高活性面１１ａが高い活性を有するため、高活性面１１ａに析出したクロム原子が高活性面１１ａ上に確実に捕捉される。このため、本発明では、鉄鋼母材１１に対する密着性が得られにくい３価クロムめっきによっても、鉄鋼母材１１に対する密着性が高いクロムめっき膜１２を安定して形成することができる。
【００４２】
このように、本発明では、ニッケルめっきを用いずに高い接合強度を有するクロムめっき膜１２を形成可能である。したがって、設備費、設備スペース、ランニングコスト、リードタイムが抑えられるため、製造コストを低減することができる。これにより、高品質なクロムめっき部品１０を低コストで提供することができる。
【００４３】
［アノード処理の実験例］
様々な構成の鉄鋼母材１１について、アノード処理によって鉄鋼母材１１の表面の全領域にムラなく均一に不動態皮膜３０を形成可能な電解液４１の温度を確認するための実験について説明する。なお、以下の説明は上記実施形態の一例に過ぎず、本発明は下記の構成に限定されない。
【００４４】
本実験例では、鉄鋼母材１１にアノード処理を施したサンプルの不動態皮膜３０の評価を行った。鉄鋼母材１１を構成する鉄鋼材料は、１０種類の材料１〜１０とした。各材料１〜１０の鉄鋼記号は、表１に示すとおりである。また、材料１〜５は生材であり、材料６〜１０は焼入れ焼戻し処理を施した熱処理材である。
【００４５】
具体的に、本実験例では、前処理を施した鉄鋼母材１１にアノード処理を施してサンプルを作製した。アノード処理は、電解液４１を、１０℃、１５℃、２０℃、２５℃、３０℃の５通りの温度として行った。鉄鋼母材１１を構成する材料１〜１０とアノード処理における電解液４１の温度とが異なる組み合わせとなる各構成について複数のサンプルを作製した。
【００４６】
各サンプルの不動態皮膜３０の評価としては、各サンプルに電解液４１中で電圧を印加して電流値を測定した。各サンプルの測定結果から、電流値が０．３Ａ／ｄｍ２以下のサンプルを絶縁性の不動態皮膜３０によって完全に被覆された良品と判定し、電流値が０．３Ａ／ｄｍ２を超えるサンプルを不動態皮膜３０による被覆が不充分な不良品と判定した。
【００４７】
そして、鉄鋼母材１１を構成する材料１〜１０とアノード処理における電解液４１の温度とが異なる組み合わせとなる各構成について、全てのサンプルが良品となった構成をＡ判定とし、一部のサンプルが良品であり、その他が不良品となった構成をＢ判定とし、全てのサンプルが不良品となった構成をＣ判定とした。表１には、各構成についての不動態皮膜３０の評価結果が示されている。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１に示すとおり、電解液４１の温度が１０℃、１５℃、２０℃の場合には、材料１〜１０のいずれの鉄鋼母材１１を用いた構成でもＡ判定となった。電解液４１の温度が２５℃の場合には、材料１の鉄鋼母材１１を用いた構成ではＡ判定となったものの、材料２〜１０のいずれの鉄鋼母材１１を用いた構成でもＢ判定となった。電解液４１の温度が３０℃の場合には、材料１〜１０のいずれの鉄鋼母材１１を用いた構成でもＣ判定となった。
【００５０】
本実験例により、電解液４１の温度を２０℃以下とすることで、良品を製造可能となることが確認された。また、２０℃を超え、２５℃以下の温度条件では、良品を選り分ける工数がかかるものの、良品を製造可能であることがわかった。
【００５１】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５２】
例えば、本発明に係る３価クロムめっきは、鉄鋼母材に対する密着性が特に得られにくい１０μｍ以上の厚さが必要な硬質クロムめっき膜の形成に特に有利であるが、１μｍ以下の厚さの装飾用クロムめっき膜など、他の用途のクロムめっき膜の形成にも好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…クロムめっき部品
１１…鉄鋼母材
１１ａ…高活性面
１２…クロムめっき膜
２１…酸化物層
２２…有機物層
３０…不動態皮膜
４１…電解液
４２…３価クロムめっき液
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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